KR102122153B1 - 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈 - Google Patents

온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR102122153B1
KR102122153B1 KR1020190036695A KR20190036695A KR102122153B1 KR 102122153 B1 KR102122153 B1 KR 102122153B1 KR 1020190036695 A KR1020190036695 A KR 1020190036695A KR 20190036695 A KR20190036695 A KR 20190036695A KR 102122153 B1 KR102122153 B1 KR 102122153B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cold
type semiconductor
type
thermoelectric module
warm
Prior art date
Application number
KR1020190036695A
Other languages
English (en)
Inventor
서진용
이성균
Original Assignee
서진용
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서진용 filed Critical 서진용
Priority to KR1020190036695A priority Critical patent/KR102122153B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102122153B1 publication Critical patent/KR102122153B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H01L35/32—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/8611—Planar PN junction diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/8613—Mesa PN junction diodes
    • H01L35/30—
    • H01L35/34—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치로 손쉽게 적용하고, 온열부와 냉열부 간에 열적인 간섭을 최대한으로 줄이며, 히트싱크(heat sink)와 같은 추가 부품이 필요하지 않고, 원하는 목표온도에 빠르게 도달하며, 작은 부피를 가지는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈을 제시한다. 그 모듈은 P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 온열부와, P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 냉열부와, 온열부 및 냉열부는 이격되어 배치되고 온열부 및 냉열부를 전기적으로 접속하는 접속부를 포함하고, 온열부의 P형 반도체는 냉열부의 P형 반도체와 접속되며, 온열부의 N형 반도체는 냉열부의 N형 반도체와 접속된다.

Description

온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈{Thermoelectric module separated between heating part and cooling part}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온열부와 냉열부가 이격되도록 배치되어, 냉온기능 및 발전기능을 보다 효과적으로 수행하는 열전모듈에 관한 것이다.
팰티어/조셉슨/제백 효과는 흔히 팰티어/조셉슨 효과라고 알려져 있으며, 이를 활용하는 소자를 열전모듈이라고 한다. 팰티어 효과는 흡열(냉열) 및 발열(온열)을 발현하고, 조셉슨/제벡 효과는 온도차에 의한 전위차에 해당하는 직류전류를 생산한다. 구체적으로, 한 쌍의 P형, N형 반도체를 이격되게 배치한 후 직렬로 연결하면, P형, N형 반도체에 흐르는 전류의 방향에 따른 흡열 또는 발열이 일어나거나 또는 반대로 직류전류를 생산하는 발전소자가 된다. 흔히, 흡열/발열이 발생하는 소자를 열전냉각기(TEC; Thermo-Electric Cooler)라 하고, 반대로 온도차에 의한 전기를 생산하는 소자를 열전발전기(TEG; Thermo-Electric Generator)라고 한다.
한편, 종래의 팰티어 소자에서, 온열부와 냉열부의 온도차는 투입된 전력에 비례하여 온도차가 정해지며, 온도 조절이 불가능하다. 종래의 팰티어 소자는 투입 전력이 정해지면 온도차가 고정되므로, 고정된 형태의 온도차를 제어할 수 있는 방법이 없다. 국내등록특허 제10-1810432호 등에서와 같이, 별도의 전력이 필요한 방열수단과 같은 추가 부품을 설치해야 하기 때문에, 원하는 온도를 얻으려면 필요 이상의 전기에너지가 더 소비되고 있다. 또한 추가 부품이 장착되면, 불필요한 공간이 소요된다.
만일, 종래 팰티어 소자에 투입되는 전력을 낯추고 온열부와 냉열부의 온도를 더 낮추거나 온도차를 줄일 수 있도록 종래의 팰티어 소자를 개선하면, 팰티어 소자의 효율성과 활용도를 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 전기를 생산하는 열전발전기(TEG) 역시 더 낮은 온도에서 발전이 가능하다. 온도조절의 개선은 온도제어가 용이한 것이며, 온도제어가 용이하면 사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치에 손쉽게 적용할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치로 손쉽게 적용하고, 온열부와 냉열부 간에 열적인 간섭을 최대한으로 줄이며, 히트싱크(heat sink)와 같은 추가 부품이 필요하지 않고, 원하는 목표온도에 빠르게 도달하며, 작은 부피를 가지는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈은 P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 온열부와, P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 냉열부 및 상기 온열부 및 상기 냉열부는 이격되어 배치되고, 상기 온열부 및 상기 냉열부를 전기적으로 접속하는 접속부를 포함한다. 이때, 상기 온열부의 상기 P형 반도체는 상기 냉열부의 상기 P형 반도체와 접속되며, 상기 온열부의 상기 N형 반도체는 상기 냉열부의 상기 N형 반도체와 접속된다.
본 발명의 모듈에 있어서, 상기 접속부는 연성기판 또는 연성동박적층체 또는 도선의 표면에 그래핀, 그라파이트로 도포한 후 필름으로 감싼 후 가열 및 가압하여 제조된 박막 형태 중의 어느 하나일 수 있다. 상기 온열부의 P형 및 N형 반도체 사이 또는 상기 냉열부의 P형 및 N형 반도체 사이에는 온도조절용 저항이 병렬로 연결된다. 상기 온도조절용 저항은 전류가 적게 흐르는 부분에 전류를 보상할 수 있다. 상기 P형 및 N형 반도체의 크기는 서로 다를 수 있다.
본 발명의 바람직한 모듈에 있어서, 상기 온열부의 N형 반도체 및 상기 냉열부의 N형 반도체 사이에는 NPN 트랜지스터가 삽입되고, 상기 NPN 트랜지스터의 베이스 단자는 온도조절용 저항을 통하여 전위가 높은 P형 반도체와 연결될 수 있다. 상기 온열부의 P형 반도체 및 상기 냉열부의 P형 반도체 사이에는 PNP 트랜지스터가 삽입되고, 상기 PNP 트랜지스터의 베이스 단자는 온도조절용 저항을 통하여 전위가 낮은 N형 반도체와 연결될 수 있다. 상기 냉열부의 온도를 더욱 낮출 경우, 상기 냉열부의 P형 및 N형 반도체는 상기 온열부의 P형 및 N형 반도체의 크기보다 클 수 있다. 상기 NPN 트랜지스터 또는 상기 PNP 트랜지스터 중의 어느 하나는 상기 온열부 또는 상기 냉열부를 이루는 제2 기판 중의 어느 하나에 장착될 수 있다.
본 발명의 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈에 의하면, 온열부 및 냉열부를 이격되어 배치시킴으로써, 사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치로 손쉽게 적용하고, 온열부와 냉열부 간에 열적인 간섭을 최대한으로 줄이며, 원하는 목표온도에 빠르게 도달하고, 히트싱크(heat sink)와 같은 추가 부품이 필요하지 않으며, 작은 부피를 가진다.
도 1은 본 발명에 의한 제1 열전모듈을 설명하기 위한 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 열전모듈의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 제2 열전모듈의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 제3 열전모듈의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 열전장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 열전장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 온열부 및 냉열부를 이격되어 배치시킴으로써, 사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치로 손쉽게 적용하고, 온열부와 냉열부 간에 열적인 간섭을 최대한으로 줄이며, 원하는 목표 온도에 빠르게 도달하고, 히트싱크(heat sink)와 같은 추가 부품이 필요하지 않으며, 공간을 적게 차지하는 열전모듈을 제시한다. 이를 위해, 온열부 및 냉열부를 이격되어 배치된 열전모듈의 구조를 자세하게 알아보고, 상기 열전모듈의 효율을 높이기 위한 다양한 사례를 상세하게 살펴보기로 한다. 상기 열전모듈은 팰티어/조셉슨/제백 효과를 활용하며, 열전냉각기(TEC; Thermo-Electric Cooler) 및 열전발전기(TEG; Thermo-Electric Generator)를 모두 포함한다. 다만, 여기서는 편의를 위하여 열전냉각기를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 제1 열전모듈(100)을 설명하기 위한 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 열전모듈(100)의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 설명의 편의를 위하여, 일부의 구성요소를 생략하였다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 열전장치(100)는 온열부(HA)와 냉열부(CA)가 구비되고, 온열부(HA)와 냉열부(CA)는 제1 접속부(70)에 의해 전기적으로 접속된다. 온열부(HA)는 케이스(10), 제1 기판(11), 열전소자(20), 전극패턴(23) 및 제2 기판(28)을 포함하여 구성되고, 냉열부(CA)는 케이스(50), 제1 기판(51), 열전소자(60), 전극패턴(63) 및 제2 기판(64)을 포함하여 구성된다. 온열부(HA) 및 냉열부(CA)는 제1 접속부(70)에 의해 접속된다. 온열부(HA)의 열전소자(20)에는 전원이 연결되며, 이를 위해 전극패턴(23)의 일측 및 타측에는 양극콘택(24) 및 음극콘택(26)이 존재한다. 양극콘택(24) 및 음극콘택(26)에는 외부의 전원을 공급하기 위한 양극단자(25) 및 음극단자(27)가 접속된다. 양극 및 음극단자(25, 27)에는 직류전원이 인가된다.
온열부(HA) 및 냉열부(CA)에서, 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)은 본 발명의 열전효과에 의하여 발생된 열을 전달하기 위한 절연성 기판이다. 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)은 절연성능이 뛰어나고 열전도도가 높으며 열팽창 계수가 낮은 재질이 사용된다. 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)은 예컨대 질화알루미늄(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 등의 세라믹 계열이 사용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)은 열전도성 기판 위에 프리프레그(prepreg) 등의 절연체를 도포한 후, 에칭법에 의하여 Cu, Al등의 단자를 형성 후 필름등의 절연체를 가압 등의 방법으로 형성한 인쇄회로기판일 수 있다. 이러한 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)은 공지된 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 본 발명의 제1 열전모듈(100)의 용도 및 사용환경 등에 따라, 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)의 형태 및 재질을 다르게 설정할 수 있다.
온열부(HA) 및 냉열부(CA)에 있어서, 열전소자(20, 60)는 각각 P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된다. 열전소자(20, 60) 및 제2 기판(28, 64) 사이에는 각각의 P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62) 패턴이 부착되기 위한 전극패턴(23, 63)을 구비한다. 도시되지는 않았지만, 전극패턴(23, 63)과 동일한 전극패턴이 P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)와 제1 기판(11, 51) 사이에 위치한다. 다시 말해, 제1 및 제2 기판(11, 28, 51, 64)에는 전극패턴(23, 63)이 대칭되어 위치하며, P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)는 전극패턴(23, 63) 사이에 융착된다.
P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)는 서로 직렬로 연결된다. P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)는 통상적으로 비스무트텔루라이드(Bi2Te3)가 주재료이며, Sb2Te3, Bi, Sb, Te 등을 적절히 조합하여 가압, 소결 등으로 제조된다. 여기에, N형 반도체(22, 62)에는 안티몬과 같은 5가의 불순물을 주입하고, P형 반도체(21, 61)에는 3가의 불순물이 주입된다. 온열부(HA)에서, 직렬로 연결된 전극패턴(23, 63)에 융착된 최종단의 P형 반도체(21)는 음극콘택(24)과 접속되며, 음극콘택(24)은 음극단자(25)에 접속된다. 온열부(HA)에서, 직렬로 연결된 전극패턴(23, 63)에 융착된 최종단의 N형 반도체(22)는 양극콘택(26)과 접속되며, 양극콘택(26)은 양극단자(27)에 접속된다.
제1 접속부(70)는 도선을 포함하는 필름 형태가 바람직하다. 제1 접속부(70)의 도선을 통하여, 온열부(HA)의 N형 반도체(22)는 냉열부(CA)의 N형 반도체(62)에 연결되고, 온열부(HA)의 P형 반도체(21)는 냉열부(CA)의 P형 반도체(61)에 전기적으로 연결된다. 이와 같은 방법으로 P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)가 전기적으로 연결되고, 음극 및 양극단자(25, 27)에 직류전압을 인가하면 열전효과에 의하여 온열부(HA)에서는 발열이 일어나고, 냉열부(CA)에서는 흡열로 인한 냉각이 일어난다.
제1 접속부(70)에는 수많은 도선이 필요하므로, 접속이 용이하도록 FFC(Flat Flexible Cable) 또는 FPC(Flexible Printed Circuitry) 등의 연성기판(FPCB) 또는 연성동박적층체(FCCL) 등을 사용한다. 상기와 같이 연결할 경우, 크기가 상대적으로 작은 제품에 적용하는 데에는 문제가 없다. 하지만, 크기가 상대적으로 큰 제품에 적용하기 위해서는 상대적으로 더 많은 도선이 연결되어야 한다. 만일, 도선의 부피가 커지면 제1 열전모듈(100)의 제작이 어려워진다. 이를 해결하기 위해, 제1 접속부(70)의 도선의 표면에 그래핀, 그라파이트 등을 도포한 후 필름 등으로 감싼 후 가열 및 가압하여, 큰 제품에 적용할 수 있는 박막 형태의 제1 접속부(70)를 구현할 수 있다.
케이스(10, 50)는 각각 온열부(HA) 및 냉열부(CA)의 소자들을 보호하도록 내장한다. 케이스(10, 50)는 열전도도가 높은 Cu, Al 등이 사용되며, 상기 소자들은 케이스(10, 50)에 부착하거나 나사 체결 등으로 고정된다.
한편, 도면에서는 음극 및 양극단자(25, 27)에 직류전원을 인가하여 흡열 또는 방열하는 팰티어 효과를 중심으로 설명하였으나, 음극 및 양극단자(25, 27)는 온열부(HA) 및 냉열부(CA)의 온도차에 의해 전기를 발생하는 제백 효과에 의한 전류를 회수하는 통로가 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 열전냉각기(TEC) 및 열전발전기(TEG)에 적용된다고 할 수 있다. 다만, 열전냉각기(TEC) 및 열전발전기(TEG)에 적용하기 위해서는, P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)는 앞에서 설명한 바와 같이 직렬로 연결되어야 한다.
종래의 열전모듈은 상대적으로 넓은 면적을 가진 온열부(HA)와 냉열부(CA)가 좁은 간격(약 3~4mm)으로 서로 마주보고 위치하고 있다. 온열부(HA)와 냉열부(CA)에서 발생되는 높은 온도와 낮은 온도는 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 상기 넓은 면적에 분포된다. 이렇게 되면, 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 소자 내부로 유동하는 온도 때문에, 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 효율이 떨어진다. 온열부(HA)의 온도상승으로 상기 소자 내부의 전기저항이 증가하면, 온열부(HA)와 냉열부(CA)에 영향을 미친다. 이를 해결하기 위하여, 넓은 면적이 마주보는 구조를 가진 열전모듈은 팬(fan), 히트파이프, 열교환기 등의 추가 부품을 필요하다. 이는 열전모듈의 상용화의 저해요소이며, 원가상승을 가져오고, 산업적 활용범위를 축소시킨다.
또한, 종래의 열전모듈에 있어서, 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 온도차는 공급된 전력에 비례한다, 예를 들면, 공급된 전력이 증가하면, 온열부(HA)는 더 뜨거워지고, 냉열부(CA)는 더 차가워진다. 온열부(HA)의 온도상승 및 냉열부(CA)의 온도하강은 앞에서 설명한 바와 같이 추가 부품이 필요하게 되어, 원하는 목표온도에 도달하기 위하여 더 많은 에너지를 소모한다. 이는 열전모듈의 활용도를 떨어뜨린다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에 의한 제1 열전모듈(100)은 온열부(HA)와 냉열부(CA)가 이격되어 배치되므로, 사용목적에 따라 냉각장치 또는 발열장치로 손쉽게 적용이 가능하다. 또한, 온열부(HA)와 냉열부(CA) 간에 열적인 간섭을 최대한으로 줄어 들어, 상기 열적인 간섭으로 손실되는 온도만큼의 효율이 개선되고, 필요한 목표온도를 빠르게 얻을 수 있다. 나아가, 온열부(HA)와 냉열부(CA)가 이격되어 배치되므로, 온열부(HA)와 냉열부(CA)는 각각 분리되어, 자연적인 열의 전도, 복사, 대류를 유도하여 별도의 히트싱크(heat sink)와 같은 추가 부품이 필요하지 않다.
제1 열전모듈(100)은 전원을 인가할 때, 상대적으로 빠르게(약 3초 이내) 원하는 목표온도로 도달할 수 있다. 또한, 제1 열전모듈(100)의 전체적인 가동시간을 줄일 수 있으며, 정밀한 온도제어가 가능하다. 나아가, 팬(fan), 모터와 같은 회전기기가 요구되지 않으며, 상기 회전기기의 마모, 고장, 소음 등의 문제가 발생하지 않는다. 나아가, 제1 열전모듈(100)은 기존의 열전모듈에 비하여 작은 부피를 가지므로, 운송비용 등을 줄일 수 있으며 설치공간을 최대한으로 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 제2 열전모듈(200)의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이때, 제2 열전모듈(200)은 제1 접속부(70)와 다른 제2 접속부(70a)를 구비하는 것을 제외하고 제1 열전모듈(100)과 동일하다. 이에 따라, 동일한 참조부호에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 여기서는 팰티어 효과를 중심으로 설명하기로 한다.
도 3에 의하면, 제2 열전모듈(200)은 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 온도를 선택적으로 제어하기 위한 방법 중의 하나로써, 온열부(HA)의 P형 반도체(21)와 N형 반도체(22)의 크기를 냉열부(CA)의 P형 반도체(61)와 N형 반도체(62)의 크기를 서로 다르게 설정할 수 있다. P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)의 크기를 다르게 설정한 후, 인가되는 직류전류의 세기를 조정하여 원하는 목표온도를 쉽게 얻을 수 있다.
또한, 온열부(HA)와 냉열부(CA)의 온도를 선택적으로 제어하기 위한 방법 중의 다른 하나로써, P형 반도체(21, 61)와 N형 반도체(22, 62)를 앞에서 설명한 제1 열전모듈(100)의 1:1이 아닌, 1:N으로 설정하여 목표온도를 얻을 수 있다. 예를 들면 온열부(HA)의 P형 반도체(21) 하나와 냉열부(CA)의 P형 반도체(61) 두 개 이상 연결될 수 있다.
한편, 상기의 방법들은 온열부(HA)와 냉열부(CA)에 흐르는 전류의 세기가 달라지는 불균형이 발생할 수 있다. 상기 불균형을 해소하기 위하여, 전류가 적게 흐르는 부분에 전류 보상을 위한 온도조절용 저항(80)을 P형 반도체(21)와 N형 반도체(22) 또는 P형 반도체(61)와 N형 반도체(62)에 병렬로 연결한다. 구체적으로, 온열부(HA)의 온도조절용 저항(80)은 한 쌍의 P형 반도체(21)와 N형 반도체(22)에 병렬로 설치된다. 또는, 냉열부(CA)의 온도조절용 저항(80)은 한 쌍의 P형 반도체(61)와 N형 반도체(62)와 병렬로 설치된다. 이와 같이 온도조절용 저항(80)을 설계하면, 원하는 온도를 선택적으로 조절할 수 있다.
도면에서는, 설명의 편의를 위하여 온도조절용 저항(80)이 온열부(HA)와 냉열부(CA)에 모두 설치되어 있으나, 바람직하게는 전류의 세기가 작은 한쪽에만 설치될 수 있다. 온도조절용 저항(80)은 칩(chip) 형태를 가지며, 작은 저항값을 가지면서 가격이 저렴하다. 이에 따라, 온도조절용 저항(80)은 많은 전력을 소모하지 않고 구입이 용이하고 경제적인 부담이 적다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제3 열전모듈(300)의 전기적인 접속상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 제3 열전모듈(300)은 제1 접속부(70)와 다른 제3 접속부(70b)를 구비하는 것을 제외하고 제1 열전모듈(100)과 동일하다. 이에 따라, 동일한 참조부호에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 여기서는 팰티어 효과를 중심으로 설명하기로 한다.
도 4에 의하면, 제3 열전모듈(300)은 온열부(HA)의 N형 반도체(22)와 냉열부(CA)의 N형 반도체(62)를 연결하고 있는 제3 접속부(70b) 도선 사이에 NPN 트랜지스터(81)가 삽입된다. NPN 트랜지스터(81)의 베이스 단자는 온도조절용 저항(82)을 통하여 전위가 높은 P형 반도체(62)와 연결된다, 또한, 온열부(HA)의 P형 반도체(21)와 냉열부(CA)의 P형 반도체(61)를 연결하고 있는 제3 접속부(70b) 도선 사이에 PNP 트랜지스터(83)가 삽입된다. PNP 트랜지스터(83)의 베이스 단자는 온도조절용 저항(84)을 통하여 전위가 낮은 N형 반도체(22)와 연결된다. NPN 트랜지스터(81) 중의 하나는 접지를 위하여 접지용 저항(85)을 거쳐 온열부(HA)의 전극패턴(23)에 접속된다.
제3 열전모듈(300)은 NPN 및 PNP 트랜지스터(81, 83)의 베이스 단자를 통하여 NPN 및 PNP 트랜지스터(81, 83)의 이미터와 콜렉터 사이에 흐르는 전류를 조절할 수 있다. 예를 들어, 냉열부(CA)의 온도를 더욱 낮출 경우, 냉열부(CA)의 P형 및 N형 반도체(61, 62)는 온열부(HA)의 P형 및 N형 반도체(21, 22)보다 크기가 크다. 도면에서는 NPN 및 PNP 트랜지스터(81, 83)는 제2 접속부(70b) 도선 사이에 접속되는 것으로 표현하였으나, 실제는 온열부(HA) 또는 냉열부(CA)의 제2 기판(28, 64) 중의 적어도 어느 하나에 장착하여 이를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 제2 및 제3 열전모듈(200, 300)은 공급된 전력이 증가하더라도, 온열부(HA)의 추가적인 온도상승 및 냉열부(CA)의 온도하강을 방지한다. 또한, 온열부(HA) 또는 냉열부(CA) 중에서 원하는 부분의 온도를 선택적으로 제어할 수 있어서, 종래의 열전모듈과는 비교하여 빠르고 신속하게 목표온도에 도달할 수 있다. 나아가, 정밀한 온도제어를 할 수 있어서, 이를 활용하는 새로운 가치를 창출할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10, 50; 케이스
11, 51; 제1 기판
20, 60; 열전소자
21, 61; P형 반도체
22, 62; N형 반도체
23, 63; 전극패턴
24, 26; 양극 및 음극콘택
25, 27; 양극 및 음극단자
28, 64; 제2 기판
70, 70a, 70b; 제1 내지 제3 접속부
80, 82, 84, 85; 온도조절용 저항
81, 83; NPN 및 PNP 트랜지스터

Claims (9)

  1. P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 온열부;
    P형 반도체 및 N형 반도체가 상호 교대로 이격되어 패턴 형태로 배치된 열전소자를 포함하는 냉열부; 및
    상기 온열부 및 상기 냉열부는 이격되어 배치되고, 상기 온열부 및 상기 냉열부를 전기적으로 접속하는 접속부를 포함하고,
    상기 온열부의 상기 P형 반도체는 상기 냉열부의 상기 P형 반도체와 접속되며, 상기 온열부의 상기 N형 반도체는 상기 냉열부의 상기 N형 반도체와 전기적으로 접속되고,
    상기 접속부는 상기 온열부 및 상기 냉열부의 소자 내부로 온도가 유동하지 않을 정도로 이격되어 있으며, 가요성을 가지는 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접속부는 연성기판 또는 연성동박적층체 또는 도선의 표면에 그래핀, 그라파이트로 도포한 후 필름으로 감싼 후 가열 및 가압하여 제조된 박막 형태 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온열부의 P형 및 N형 반도체 사이 또는 상기 냉열부의 P형 및 N형 반도체 사이에는 온도조절용 저항이 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 온도조절용 저항은 전류가 적게 흐르는 부분에 전류를 보상하는 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  5. 제3항에 있어서, 상기 P형 및 N형 반도체의 크기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 온열부의 N형 반도체 및 상기 냉열부의 N형 반도체 사이에는 NPN 트랜지스터가 삽입되고, 상기 NPN 트랜지스터의 베이스 단자는 온도조절용 저항을 통하여 전위가 높은 P형 반도체와 연결되는 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 온열부의 P형 반도체 및 상기 냉열부의 P형 반도체 사이에는 PNP 트랜지스터가 삽입되고, 상기 PNP 트랜지스터의 베이스 단자는 온도조절용 저항을 통하여 전위가 낮은 N형 반도체와 연결되는 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  8. 제6항 또는 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉열부의 온도를 더욱 낮출 경우, 상기 냉열부의 P형 및 N형 반도체는 상기 온열부의 P형 및 N형 반도체의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.
  9. 제6항 또는 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 NPN 트랜지스터는 상기 온열부 또는 상기 냉열부를 이루는 제2 기판 중의 어느 하나에 장착되고 또는 상기 PNP 트랜지스터는 상기 온열부 또는 상기 냉열부를 이루는 제2 기판 중의 어느 하나에 장착되는 것을 특징으로 하는 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈.

KR1020190036695A 2019-03-29 2019-03-29 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈 KR102122153B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190036695A KR102122153B1 (ko) 2019-03-29 2019-03-29 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190036695A KR102122153B1 (ko) 2019-03-29 2019-03-29 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102122153B1 true KR102122153B1 (ko) 2020-06-11

Family

ID=71070570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190036695A KR102122153B1 (ko) 2019-03-29 2019-03-29 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102122153B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0722549A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Pioneer Electron Corp 電子冷却半導体装置
JP2007139328A (ja) * 2005-11-18 2007-06-07 Seishi Takagi 冷却・保冷容器及びそのペルチェモジュール
KR20160031147A (ko) * 2014-09-11 2016-03-22 고려대학교 산학협력단 열전발전모듈 및 그 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0722549A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Pioneer Electron Corp 電子冷却半導体装置
JP2007139328A (ja) * 2005-11-18 2007-06-07 Seishi Takagi 冷却・保冷容器及びそのペルチェモジュール
KR20160031147A (ko) * 2014-09-11 2016-03-22 고려대학교 산학협력단 열전발전모듈 및 그 제조방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4255691B2 (ja) 熱電変換材料を利用した電子部品の冷却装置
US7795711B2 (en) Microelectronic cooling apparatus and associated method
JP5579234B2 (ja) 電子回路部品の冷却構造及びそれを用いたインバータ装置
US20150176870A1 (en) Thermoelectric device with internal sensor
CN104810466A (zh) 热电模块和包括热电模块的热转换装置
JPH08226723A (ja) 熱電クーラーアセンブリ
KR20150013764A (ko) 전기 차량 히터, 특히 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브를 갖는 차량용 전기 차량 히터
US8166769B2 (en) Self-cooled vertical electronic component
CN110249439A (zh) 热电模块和柔性热电电路组件
KR100620913B1 (ko) 열전 모듈
EP4376564A1 (en) Connector having semiconductor cooling device, and automobile
KR100663117B1 (ko) 열전 모듈
JPH06162827A (ja) バスバー構造
KR102122153B1 (ko) 온열부와 냉열부가 이격된 열전모듈
US20130160808A1 (en) Thermoelectric generating apparatus and module
KR100756535B1 (ko) 피씨비 생산 기법을 응용한 고효율 방열기 구조 및 이를이용한 방열기 일체형 열전소자 구조.
WO2020100749A1 (ja) 熱電変換モジュール
JPH0715140Y2 (ja) 電子部品の冷却装置
JP2002100714A (ja) 半導体装置
RU2589744C2 (ru) Устройство термостабилизации и отвода тепла от электронных модулей радиотелевизионной аппаратуры
JP2003179196A (ja) パワーモジュールおよびその保護システム
CN216213539U (zh) 一种特殊连接方式的多层热电半导体模块
JP2007043075A (ja) 熱電変換装置
KR102103139B1 (ko) 열전모듈을 활용한 냉온 패키지
JP5453296B2 (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant