KR102228971B1 - 제조가 용이하면서 향상된 열전효율을 가지는 열전모듈. - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 좀더 구체적으로 설명하면 상부기판과 하부기판 사이에 한 쌍의 지지벽에 의해 내공간을 형성하고 있는 몰드를 설치하되, 상기 몰드에는 내공간을 분리구획하면서 각각의 하부전극 또는 상부전극에 연결되는 격벽을 설치하고, 상기 격벽에 의해 분리구획된 내공간에는 N-Type 열전소재 또는 P-Type 열전소재가 형성되어, 전류가 내측 중앙을 가로질러 최단거리로 흘러감에 따라 향상된 전기 전도도와 열전효율을 가질 뿐만 아니라 제조가 용이한 열전모듈에 관한 것이다.

Description

제조가 용이하면서 향상된 열전효율을 가지는 열전모듈.{a thermoelectric module}

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 좀더 구체적으로 설명하면 열전모듈의 구조를 개선하여 전류가 내측 중앙을 가로질러 최단거리로 이동하게 끔 형성하여 향상된 전기 전도도와 열전효율을 가질 뿐만 아니라, 제조가 용이한 열전모듈에 관한 것이다.

일반적으로 열전효과는 전기에너지를 열에너지로 혹은 열에너지를 전기에너지로 변환하여 주는 것을 총칭하는 것으로서,

종래 T.Seebeck에 의해 비스무스(Bi)와 구리(Cu)를 연결하고 그 사이에 나침판을 배치하였을 때 상기 비스무스(Bi)를 가열할 경우 온도차에 의해 기전력이 유도되면서 나침판의 바늘이 움직임이는 제벡효과와, Peltier에 의해 두 금속의 접합부위에 물방울을 놓고 전류를 흘려줄 경우 전류의 방향에 따라 두 금속의 접합부위에 있는 물방울이 결빙되거나 혹은 가열되는 모습을 보이는 펠타이어 효과를 기초로 한 것이다.

그리고 현재는 상기 펠타이어 효과와 제백효과를 토대로 두 금속체 사이에 P-type 열전소재와 N-Type 열전소재를 도핑한 상태에서 양단에 전류를 흘려 주게 되면 두 금소체 사이에 위치한 P-type 열전소재의 정공과 N--type 열전소재의 전자의 이동에 따라 보다 우수한 흡열 반응과 발열반응이 일어나는 열전모듈이 개발되었다.

참고로 상기와 같은 열전모듈은 냉각장치로 사용할 경우에는 제조시 별도의 냉매나 응축기 등이 필요하지 않아 부피를 최소화할 수 있다는 특징을 가질 뿐만 아니라 친환경적이라는 특징을 가지게 된다. 더불어 별도의 모터와 같은 가동수단이 필요치 않기 때문에 저소음으로 안정적으로 운행할 수 있다는 특징도 가지고 있는 것이다.

그러나 종래의 열전모듈(100)은 양 측단에 일부 엇갈리게 금속체를 배치시키고, 그 사이에 P-type 열전소재와 N-Type 열전소재를 배치하면서,

도 1에 도시된 바와 같이 전류가 하부의 금속체(110)를 통과한 후 상기 N-Type 열전소재(130)를 거쳐 상부로 올라간 다음에, 상부의 금속체(120)를 거쳐 P-type 열전소재(140)를 통해 하부로 내려와 이웃한 또 다른 하부 금속체로 이동하는 과정을 반복적으로 수행하면서, 전체적으로 전류의 이동 길이가 길어지게 되었다.

즉, 상하로 반복적으로 전류가 이동하면서 이의 이동길이가 길어지게 되었고, 이로 인해 내부 저항이 증대되면서 전기 전도도가 떨어지게 되는 구조적인 문제점이 있었던 것이다.

그리고 이러한 구조적인 문제점으로 인해 전기 전도도에 비례하는 열전효율역시 감소되었던 것이다.

KR 10-1538067 B1

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 열전모듈의 구조적인 문제로 인해 전류의 이동길이가 길어지면서 증대되는 내부 저항에 의해 전기 전도도 및 열전효율이 떨어지는 문제점을 해소함으로써, 향상된 전도도와 열전효율을 가지는 열전모듈을 목적으로 하는 것이다.

더불어 열전모듈의 구조를 개선할 때 복잡한 패터닝 공정을 생략함으로써, 향상된 생산성을 얻기 위한 것이다.

이에 본 발명에서는 상부전극이 형성되어 있는 상부기판과, 이에 대응하는 하부기판 사이에,

한 쌍의 지지벽 사이의 내공간을 분리구획하면서 상기 지지벽을 관통하여 각각의 하부전극 또는 상부전극으로 연장되는 격벽이 형성되되, 상기 격벽에 의해 분리구획된 내공간에는 N-Type 열전소재 또는 P-Type 열전소재가 충전되어 있는 몰드가 설치되는 것을 특징으로 것이다.

따라서 본 발명은 상부기판과 하부기판 사이에 장착된 몰드에 의해 내측 중앙에 격벽과 N-Type 열전소재와 P-Type 열전소재가 가로방향으로 연결된 형상을 띄게 되면서,

전류가 내측 중앙을 가로질러 최단거리로 흘러가게 되면서 내부 저항이 최소화되어 향상된 전기 전도도로 우수한 열전효율을 가지게 되었다.

더불어 본 발명은 상기 몰드에 의해 복잡한 패터닝 공정이 생략되면서 향상된 생산성과 제조의 용이성을 확보할 수 있게 되었고,

N-Type 열전소재와 P-Type 열전소재가 몰드에 의해 산화되는 것이 방지되면서 향상된 신뢰성을 가질 수 있게 되었다.

도 1은 종래 열전모듈의 모습을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈의 몰드의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈의 작동상태도.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적은 내용은 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어는 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니될 것이다. 즉 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적인 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

더불어 도면에 표시된 각 구성요소의 크기는 설명의 편의성 및 명확성을 위하여 과정되거나 개략적으로 도시되었으며, 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈에 있어서 몰드의 모습을 보여주는 것이고, 도 3은 열전모듈의 구성을 전체적으로 보여주는 단면도이고, 도 4는 전류가 내측 중앙을 가로질로 최단거리로 이동하는 모습을 보여주는 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈(1)은, 복수의 하부전극(11)이 형성되어 있는 하부기판(10)과, 각각의 하부전극에 대응하는 상부전극(21)이 형성되어 있는 상부기판(20)이 구비된 상태에서, 상기 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에 격벽(60)이 형성되어 있는 몰드(50)가 설치되는 것이다.

이때 몰드(50)는 한 쌍의 지지벽(51) 사이의 내공간(52)을 분리구획하면서 상기 지지벽(51)을 관통하여 각각의 하부전극(11) 또는 상부전극(21)과 연결하는 격벽(60)이 형성된 것이며, 특히 상기 격벽(60)에 의해 분리구획된 각각의 내공간(52)에는 N-Type 열전소재(30) 또는 P-Type 열전소재(40)가 주입되어 이웃한 두 격벽(60)을 연결함으로써,

전류가 내측 중앙을 가로질러 최단거리로 흘러가면서 내부 저항값이 최소화되어 향상된 전기 전도도로 우수한 열전효율을 확보할 수 있게 구성하는 것이다.

이때 몰드(50)는 하부전극(11) 또는 상부전극(21)으로부터 내측에 위한 N-Type 열전소재(30)와 P-Type 열전소재(40)가 이격되어 있게 하기 위하여 절연 가능하면서 소프트한 재질의 실리콘(Si)으로 이루어지는 것이 바람직하고, 실시 예에 따라서는 세라믹, 에폭시(Epoxy), 폴리에스터(Polyester), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리아릴레이트(Polyarylate) 등과 같은 합성수지로 이루어질 수도 있는 것이다.

더불어 상기 몰드(50)는 전체적으로 직육면체 형상으로 이루어지되, 양측단에는 상방향으로 돌출된 한 쌍의 지지벽(51)에 의해 내측에 가로방향으로 길게 연장된 내공간(52)을 형성하고 있으며, 각각의 지지벽(51)에는 내공간(52)을 분리구획하면서 각각의 지지벽(51)을 관통하여 하부전극(11) 또는 상부전극(21)과 연결되는 격벽(60)이 형성된 것이다.

이때 격벽(60)은 이중 사출방식으로 몰드(50) 제작시 일체로 형성하는 것이 바람직하고, 실시 예에 따라서는 몰드 제작시 지지벽(51)에 내입홈이 형성된 형상으로 제작하거나 혹은 지지벽에 레이저가공이나 드릴가공 등을 통해 내입홈을 형성하고 각각의 내입홈에 격벽을 장착할 수도 있는 것이다.

더불어 각각의 격벽(60)은 하부전극(11) 또는 상부전극(21)과 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 실시 예에 따라서 이종의 금속일 수 있으며, 대표적으로 전기 전도도가 우수한 구리(Cu), 구리-몰디브데늄(Cu-Mo), 은(Ag), 백금(Pt), 주석(Zn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 철(Fe), 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하고, 실시 예에 따라서는 열전달 능력이 우수한 탄소나노튜브(CNT)나 그래린(Graphene) 혹은 그래파이트(Graphite)로 이루어질 수도 있는 것이다.

더불어 상기 격벽(60)은 실시 예에 따라 일측면과 타측면에 N-Type 열전소재(30)와 P-Type 열전소재(40)를 용이하게 형성하면서 산화 및 확산을 방지하고 열전 안전성을 확보하기 위하여 몰리브텐 또는 니켈, 티타늄 중 어느 하나 이상으로 이루어진 열확산 방지층(62)을 형성하고 있을 수도 있는 것이다.

그리고 이러한 격벽(60)의 일측단이 몰드(50) 밖으로 돌출되어 각각의 하부전극(11) 혹은 상부전극(12)과 연결하기 위한 접촉면(61)을 형성하고,

각각의 접촉면(61)은 격벽(60) 하단에 일정한 면적을 구비하고 있는 것일 수도 있지만, 실시 예에 따라서는 상기 격벽의 일측단이 절곡되어 "L"자 형상을 이룰 때 형성된 하부 받침면이거나, 혹은 "T"자로 성형된 격벽의 하부 받침면일 수도 있는 것이다.

더불어 상기 접촉면(61)은 각각의 하부전극 또는 상부전극과 밀착시켜 융점 이하의 온도로 가열하였을 때 소성변형을 일으키지 않을 정도의 압력을 가하여 접촉면과 하부전극 또는 상부전극 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용한 확산접합(Diffusio Joint)방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 접촉면(61)은 내식성 및 내 마모성의 향상을 도모하기 위하여 표면처리층을 형성하는 것이 바람직하다.

더불어 상기 접촉면(61)에는 실시 예에 따라 표면 거칠기가 증가되도록 요철이 형성되고, 솔더 페이스트나 브레이징 페이스트로 이루어진 접합층(63)에 의해 하부전극 또는 상부전극과 연결될 수도 있는 것이다.

또한, N-Type 열전소재는 상온부근에서 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이트(Bi-Te)계 열전 소재를 사용하는 것이 바람직하고, 실시 예에 따라 Pb-Te계, Si-Ge계 열전소재를 사용할 수 있으며, 한정하지는 않는다.

또한, P-Type 열전소재(40)는 안티모니 테루라이트(Sb-Te)계 열전재료가 바람직하고, 실시 예에 따라 Bi-Te계, Pb-Te계, Si-Ge계 열전소재 중 어느 하나를 사용할 수 있고, 한정하지는 않는다.

또한, 상부기판(20)과 하부기판(10)은, 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트으로 이루어진 평평한 기판에 증공증착법, 전기도금법, 스퍼터링, 잉크젯 방식으로 일정한 패턴의 상부전극 또는 하부전극을 형성한 것이다. 이때의 상부기판과 하부기판은 실시 예에 따라 FPCB 형태로 형성할 수도 있는 것이다.

따라서 본 발명은 격벽(60)이 형성되어 있는 몰드(50)에 의해 하부전극(10)과 상부전극(20) 사이에 복잡한 제조공정없이 용이하게 설치되고, 상기 몰드(50)에 의해 일직선으로 복수의 격벽(60)과 N-Type 열전소재(30)와 P-Type 열전소재(40)가 연결되면서,

전류가 최단거리로 흘러가게 되어 내부 저항값이 최소화되면서 향상된 전기 전도도로 우수한 열전효율을 가질 수 있게 되는 것이다.

지금까지 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형 및 균등이론에 의해 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1:열전모듈 10:하부기판
11:하부전극 20:상부기판
21:상부전극 30:N-Type 열전소재
40:P-Type 열전소재 50:몰드
51:지지벽 52:내공간
60:격벽 61:접촉면
62:확산방지층 63:접합층

Claims (4)

1. 복수의 상부전극이 형성되어 있는 상부기판과 각각의 상부전극과 일부 대응하는 하부전극이 형성되어 있는 하부기판이 N-Type 열전소재와 P-Type 열전소재를 번갈아가며 충전하고 있는 몰드에 의해 연결되는 것으로써,
   상기 몰드는 이중사출 방식에 의해 한 쌍의 지지벽 사이에 위치한 격벽들에 의해 내공간이 분리구획되는 동시에 상기 격벽이 일측 또는 타측방향으로 돌출되어 지지벽이 관통되게 형성되고,
   상기 몰드의 내공간에는 N-Type 열전소재와 P-Type 열전소재가 번갈아가며 충전된 상태에서,
   각각의 격벽이 하부전극 또는 상부전극과 일대일로 대응되게 연결되고,
   상기 격벽에는 N-Type 열전소재 또는 P-Type 열전소재와 인접하는 부위에 산화 및 확산을 방지하는 동시에 열전 안전성을 확보하기 위하여 열확산 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전모듈
2. 제1항에 있어서,
   각각의 격벽에는 지지벽 밖으로 돌출된 일측단에 하부전극 혹은 상부전극을 연결하기 위한 접촉면이 형성되고,
   상기 격벽은 접촉면보다 상대적을 작은 면적으로 이루어지면서 "L"자 형상 또는 "T"자 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
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