KR102274205B1 - 흡습성 고분자를 이용한 방열 구조 및 이를 포함하는 열전 모듈 - Google Patents

흡습성 고분자를 이용한 방열 구조 및 이를 포함하는 열전 모듈 Download PDF

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Abstract

개시된 방열 구조는, 방열 몸체 및 상기 방열 몸체와 결합된 흡습성 고분자를 포함한다. 따라서, 흡습성 고분자의 기화 잠열을 이용하여 기본 방열 구조의 한계를 뛰어 넘는 우수한 방열 성능을 갖는 방열 구조를 구현할 수 있다.

Description

흡습성 고분자를 이용한 방열 구조 및 이를 포함하는 열전 모듈{HEAT-RADIATION STRUCTURE USING HYGROSCOPIC POLYMER AND THERMOELECTRIC MODULE HAVING THE SAME}
본 발명은 방열 구조에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 흡습성 고분자를 이용한 방열 구조 및 이를 포함하는 열전 모듈에 관한 것이다.
최근 전기 전자 분야 등에서 사용 되고 있는 전자 기기는 소형화와 더불어 집적화되는 추세로 인하여 많은 열이 발생하는 구조를 가지게 된다. 따라서 열에 의한 소자의 오동작을 막고 장기 안정성을 확보하기 위해서는 열을 빠르게 방출시키는 방열 기술이 매우 필요한 상황이다. 일반적으로 쓰이는 방법은 소자의 발열 부분에 열전도율이 높은 금속을 사용하여 부품내의 열이 빠르게 방출 될 수 있도록 하는 히트싱크(heat sink)를 사용한다. 통상적으로 활용되는 히트싱크는 알루미늄, 구리 등 열전도도가 높은 금속을 핀 형상 등과 같이 표면적이 큰 형상으로 가공하여 공기중으로 열을 방출하는 형태를 가진다. 이러한 형태의 히트싱크는 냉각 효율을 높이기 위하여 보통 발열 부분보다 면적이 크게 제작 된다. 이렇게 되면 전체 제품의 무게 및 부피가 늘어나게 된다. 따라서 동일 면적에서 방열 성능을 극대화하고자 하는 새로운 구조에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있다.
열전발전 소자는 열전모듈 양단간에 온도 구배가 있을 때 발생하는 기전력을 전원으로 활용하는 소자이다. 열전 발전 소자는 장기내구성이 필요한 심우주 위성의 전력원, 자동차 및 산업시설에서 버려지는 열을 회수하여 전력으로 변환하는 발전시스템, 인체의 체온을 활용한 웨어러블 발전시스템 등 그 응용분야가 지속적으로 확대되고 있다. 통상 열전 발전 시스템에서 발전되는 출력은 (SΔT)2/4Rint 로 정의되며 여기서 S는 열전발전시스템의 열기전력 (제백계수 ;V/K), T는 열전 발전시스템의 저온부와 고온부 사이의 온도차, Rint 는 열전발전시스템의 내부 저항이다.
열원을 인체의 체열을 활용하여 열전 발전 시스템을 구성할 경우 고온부는 열전발전시스템이 피부와 접촉하는 부분이(하단부) 될 것이며 저온부는 대기와 열전 발전시스템이 접촉하는 부분 (상단부)가 된다. 이때 하단부의 온도는 피부의 열저항과 열전 발전시스템의 계면 열저항에 의존하게 된다. 상단부의 온도는 대기와 열전발전시스템 상단부의 열저항에 의존하며 이를 대기의 온도와 유사하게 유지하기 위해서 방열 핀등의 구조를 가지는 방열시스템을 사용하게 된다. 웨어러블 열전 발전시스템의 경우 인체 착용성 등을 고려하여야 함으로 방열시스템을 무한정 크게 할 수 없으며 제한된 사이즈에서 이의 열전달율 (Heat transfer coefficient; Kcal/m2h℃)을 최대화 하는 것이 온도차를 크게 하여 발전 효율을 증가시키는 관건이다.
중국 저장대학 Y. Shi 연구진에서는 열전 발전 효율향상을 위하여 구리 다공체(Copper foam) 형태의 방열 구조를 제시하였으나, 기존의 핀 타입의 히트싱크보다 방열 능력은 떨어지는 것으로 확인 되었다. 이는 기존의 핀타입에 비하여, 구리 다공체 내에서 대류 현상이 억제 되어 외부 공기와 열교환능이 떨어지는 것에 기인한다.
상기 기술과 관련 하여 대한민국 공개 특허 10-2016-0047843 에서는 열전모듈의 조각을 이용하고 또 충전부를 포함하는 디바이스를 게시하였으며 온도차 향상을 위한 방열부로 상부 히트싱크를 포함하고 있다. 대한민국 공개 특허 10-2017-0139366 에서는 열전모듈의 일면을 인체의 피부에 부착시키는 형태의 웨어러블 발전시스템에서 흡습 및 발열성 재질로 형성되는 발열유닛과 열을 방열시키는 방열유닛을 포함하는 형태의 유연열전 시스템을 제시하고 있다.
특허문헌 1: 한국특허출원공개 제10-2016-0047843호 특허문헌 2: 한국특허출원공개 제10-2017-0139366호
IShi, Yaoguang, et al. "Wearable Thermoelectric Generator With Copper Foam as the Heat Sink for Body Heat Harvesting." IEEE Access 6 (2018): 43602-43611.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 개선된 방열 성능을 갖는 방열 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상기 방열 구조를 포함하는 열전 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 방열 구조는, 방열 몸체 및 상기 방열 몸체와 결합된 흡습성 고분자를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 방열 몸체는, 핀 어레이를 포함하며, 상기 흡습성 고분자는 인접하는 핀들 사이에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 방열 몸체는 금속의 다공성 구조를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡습성 고분자는, 소듐 폴리아크릴레이트(sodium polyacrylate), 폴리아크릴아미드 공중합체(polyacrylamide copolymer), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메?K셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜 공중합체(polyvinyl alcohol copolymers) 및 가교 폴리에틸렌 옥사이드(cross-linked polyethylene oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 방열 몸체와 결합되어 상기 흡습성 고분자를 커버하며, 상기 흡습성 고분자가 배치되는 내부 공간과 외부 공간을 연결하는 통기부를 갖는 커버 부재를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 커버 부재는 섬유 집합체를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡습성 고분자는 파우더 형태를 가지며, 흡습량은 30g/g 이상이고, 파우더의 직경은 150㎛ 내지 850㎛이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은, 제1 기판, 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 열전 물질부, 상기 제1 기판과 상기 열전 물질부 사이에 배치되는 제1 전극 및 상기 열전 물질부와 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제2 전극을 포함하는 열전 소자; 및 상기 열전 소자의 제1 기판에 결합되는 방열 구조를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 기기는 상기 열전 모듈을 포함하며, 상기 열전 모듈의 제2 기판은 신체 또는 의복에 부착된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 흡습성 고분자의 기화 잠열(대기 중 수분 흡수 및 기화)을 이용하여 기본 방열 구조의 한계를 뛰어 넘는 우수한 방열 성능을 갖는 방열 구조를 구현할 수 있다.
또한, 방열 구조의 기화 속도를 조절함으로써, 방열 유지 시간을 증가시키고, 방열 조건 및 목표 성능에 따라 방열 성능을 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자 유닛을 확대 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도들이다.
도 6은 실시예 1의 열전 모듈의 디지털 사진이다.
도 7은 실시예 2의 열전 모듈의 디지털 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예 1 및 2의 열전 모듈(Al Heat sink + SAP, Cu foam + SAP)의 하부 기판과 상부 기판의 온도차를 도시한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예 1 및 2의 열전 모듈에서 출력하는 전력 및 전압의 크기를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 온도차를 구리 다공체의 기공 크기에 따라 측정하여 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈(금속 방열판 + 고분자 흡수 수지) 및 종래의 금속 방열판의 냉각 성능을 습도에 따라 도시한 그래프이다.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 열전 모듈은, 열전부(200) 및 방열부(110)를 포함한다. 상기 열전부(200)는 열전 소자를 포함한다. 상기 열전부(200)는, 상기 열전 소자 양단의 온도차에 의해 전력을 생산할 수 있다.
상기 방열부(110)는 상기 열전부(200)의 일면에 결합할 수 있다. 상기 열전부(200)의 타면은 열원에 인접할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 웨어러블 기기의 전력원으로서 채용될 수 있다. 이에 따라, 상기 열전부(200)의 타면은 신체에 인접할 수 있다.
상기 방열부(110)는 상기 열전부(200)와 연결되어, 상기 열전부(200)로부터 열을 방출한다, 이에 따라, 방열부(110)와 인접하는 상기 열전부(200)의 단부의 온도를 낮출 수 있다. 상기 열전 소자는, 소자 양단의 온도차에 따라 전기가 발생하는 제벡 효과에 의하여 기전력이 발생하므로, 양단의 온도차가 클수록 발전 효율이 증가한다.
일 실시예에 따르면, 상기 방열부(110)는, 방열 몸체(112) 및 흡습성 고분자(114)를 포함할 수 있다.
상기 방열 몸체(112)는, 금속 등과 같은 열 전도성이 높은 물질을 포함할 수 있으며, 방열 효과를 높이기 위하여 알려진 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 방열 몸체(112)는, 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속, 그래핀, 탄소 나노 튜브 등과 같은 탄소계 물질, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 상기 방열 몸체(112)는, 핀 형상을 갖는 복수의 돌출부들의 어레이를 포함할 수 있다.
상기 흡습성 고분자(114)는, 대기의 수분을 흡수한다. 상기 흡수된 수분이 기화될 때, 잠열에 의해 상기 방열 몸체(112)의 열을 빼앗는다. 따라서, 단순 대류나 복사 보다 큰 방열 효과를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 상기 흡습성 고분자(114, super absorbent polymer)는, 소듐 폴리아크릴레이트(sodium polyacrylate), 폴리아크릴아미드 공중합체(polyacrylamide copolymer), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메?K셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜 공중합체(polyvinyl alcohol copolymers), 가교 폴리에틸렌 옥사이드(cross-linked polyethylene oxide) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡습성 고분자(114)는, 상기 방열 몸체(112)의 핀(pin)들 사이에 배치될 수 있다. 도 1에서, 상기 흡습성 고분자(114)는 파티클 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 흡습성 고분자(114)는, 상기 방열 몸체(112)의 표면을 커버하는 연속적인 층 형상을 가질 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 흡습성 고분자(114)는 상기 방열 몸체(112)에 접착될 수 있다. 예를 들어, 상기 흡습성 고분자(114)는 아교 등과 같은 적절한 접착제에 의해 상기 방열 몸체(112)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 방열 몸체(112)에 스프레이 등을 통하여 접착제를 전체적으로 또는 부분적으로 도포한 후, 파우더 형태의 흡습성 고분자를 분사하여, 흡습성 고분자(114)와 결합된 방열 몸체(112)를 형성할 수 있다. 상기 흡습성 고분자(114)는 수분을 흡수하면 부피가 팽창하여, 상기 방열 몸체(112)에 밀착할 수 있다.
예를 들어, 상기 흡습성 고분자의 흡습량은 30g/g 이상일 수 있으며, 파우더의 직경은 150㎛ 내지 850㎛일 수 있다.
상기 열전부(200)는, 열전 소자의 어레이를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자 유닛을 확대 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 열전 소자 유닛(10)은, 제1 기판(210), 상기 제1 기판과 이격된 제2 기판(220), 상기 제1 기판(210)과 상기 제2 기판(220) 사이에 배치되며 서로 이격되는 제1 전극(12) 및 제2 전극(14), 상기 제1 전극(12) 및 상기 제2 전극(14) 사이에 배치되는, 열전 물질부(16)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(12)과 상기 열전 물질부(16) 사이에는, 제1 배리어층(18a)이 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(14)과 상기 열전 물질부(16) 사이에는, 제2 배리어층(18b)이 배치될 수 있다. 상기 배리어층들은 상기 열전 물질부(16)를 보호할 수 있다.
상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)은, 각각 전기 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)은, 알루미나, 사파이어, 실리콘, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄화 알루미늄, 석영, 고분자 등을 포함할 수 있다. 상기 고분자는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴 수지 등을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 중 적어도 하나는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220) 중 적어도 하나는, 구리, 알루미늄, 니켈 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판(210) 또는 상기 제2 기판(220)이 금속을 포함하는 경우, 상기 제1 기판(210) 또는 상기 제2 기판(220)과 상기 제1 전극(12) 또는 상기 제2 전극(14) 사이에는 유전층이 배치될 수 있다.
상기 제1 기판(210) 및 상기 제2 기판(220)은, 동일한 물질로 이루어지거나, 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전 소자 유닛(10)은, 한 쌍의 열전 물질부(16)를 포함할 수 있다. 상기 열전 물질부(16)들은 서로 다른 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 소자 유닛(10)은, n 타입으로 도핑된 제1 열전 물질부(N) 및 p 타입으로 도핑된 제2 열전 물질부(P)를 포함할 수 있다. 상기 제1 열전 물질부(N) 및 상기 제2 열전 물질부(P)들의 일단은 제1 전극(12)에 공통으로 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 열전 물질부(N) 및 상기 제2 열전 물질부(P)들의 타단은 서로 이격된 제2 전극(14)들에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전 물질부(16)는 원기둥 형상 또는 다각 기둥 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전극(12)은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(12)은, NiP, TiN, ZnO 등과 같은 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 이들은 각각 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 상기 제2 전극(14)은, 상기 제1 전극과 동일한 물질 또는 다른 물질을 포함할 수 있다.
상기 배리어층들은, 상기 제1 전극(12) 또는 상기 제2 전극(14)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어층들은, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 등과 같은 금속, 이들의 합금, 또는 이들의 금속 화합물을 포함할 수 있다. 상기 금속 화합물은 NiP, TiN, ZnO 등과 같은 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 배리어층들은, 상기 제1 전극(12)을 구성하는 물질보다 열팽창율이 작은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(12) 또는 상기 제2 전극(14)이 구리를 포함하는 경우, 상기 배리어층들은 구리를 제외한 다른 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 니켈, 티타늄, 주석, 지르코늄, 이들의 합금 또는 이들의 금속 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전 물질부(16)는 열전 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 열전 물질부(16)는, Bi(비스무트)-Te(텔루륨)계, Sb(안티몬)-Te계, Bi-Te-Se(셀레늄)계, Bi-Te-Sb계, Bi-Sb-Te-Se 등과 같은 2원소계, 3원소계 및 4원소계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전 물질은 적정한 물질로 도핑될 수 있다. 예를 들어, Bi-Te계에 셀레늄(Se) 등이 첨가되어 N-형이 되거나, 안티몬(Sb) 등이 첨가되어 P-형이 될 수 있으며, 상기 원소 이외에 SbI3, Cu, Ag, CuCl2 등과 같은 불순물을 주입한 N/P형도 가능하다.
예를 들어, 상기 열전 물질은 (Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1)의 화학식으로 나타내질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 물질은, Bi2Te3, Sb2Te3, Bi0.4Sb1.6Te3, Bi2Te2.7Se0.3 등의 조성을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예들에서는, 본 발명이 속하는 분야에서 알려진 다양한 물질이 사용될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 열전 모듈을 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 열전 모듈은, 열전부(200) 및 방열부(120)를 포함한다. 상기 방열부(120)는, 방열 몸체(122) 및 흡습성 고분자(124)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 방열 몸체(122)는, 금속의 다공성 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 방열 몸체(122)는, 금속 폼(foam)일 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 구조의 기공 크기는 0.1mm 내지 0.5mm일 수 있으며, 바람직하게 0.2mm 내지 0.4mm일 수 있다.
예를 들어, 상기 다공성 방열 몸체(122)는, 선택적 에칭 또는 양극 산화법에 의해 제조될 수 있다.
상기 다공성 방열 몸체(122)를 상기 열전부(200)에 부착하기 위하여, 높은 열전도도를 갖는 접착제가 활용될 수 있다. 예를 들어, 실버 페이스트, 열전도성 그리스, 반응성 화합물, 접착 필름 등이 사용 될 수 있다.
상기 다공성 방열 몸체(122)에는 흡습성 고분자(124)가 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성 방열 몸체(122)에 접착력이 좋은 아교 등을 분사한 후, 파우더 형태의 흡습성 고분자(124)를 분사하여, 상기 열전부(200)에 결합된 방열부(120)를 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 흡습성 고분자(124)와 결합된 다공성 구조의 방열 몸체(122)는, 수납부(126) 내에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 수납부(126)는 일 면이 개구된 박스 형상을 가질 수 있다.
상기 방열부(120) 내의 대류 현상을 촉진하기 위하여, 상기 수납부(126)는 외부 공간과 내부 공간을 연결하는 개구부(128)를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 개구부(128)는, 상기 수납부의 측벽을 관통하도록 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 핀 어레이를 포함하는 방열 몸체(112)는 커버 부재(116)와 결합될 수 있다. 상기 커버 부재(116)는 핀 어레이 및 상기 핀 어레이들 사이에 배치되는 흡습성 고분자(114)의 상부를 커버할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 커버 부재(116)는 통기부(118)를 갖는다. 따라서, 상기 방열 몸체(112)가 개구되어 있는 구조에 비하여, 상기 흡습성 고분자(114)에 흡착된 수분의 기화 속도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 수분의 기화에 의한 방열 유지 시간을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 통기부(118)의 개수 및 크기를 조절함으로써, 방열 조건 및 목표 성능에 따라 방열 성능을 조절할 수 있다. 상기 통기부(118)는, 홀, 슬릿 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 커버 부재(116)의 형상은 도시된 것에 한정되지 않으며, 부직포나 편직물 등과 같은 섬유 집합체의 형태를 가질 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 흡습성 고분자의 기화 잠열(대기 중 수분 흡수 및 기화)을 이용하여 기본 방열 구조의 한계를 뛰어 넘는 우수한 방열 성능을 갖는 방열 구조를 구현할 수 있다.
또한, 방열 구조의 기화 속도를 조절함으로써, 방열 유지 시간을 증가시키고, 방열 조건 및 목표 성능에 따라 방열 성능을 조절할 수 있다.
또한, 상기 방열 구조는 열전 소자와 결합하여, 발전 장치, 냉각 장치 또는 온열 장치로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 방열 구조를 포함하는 열전 모듈은, 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인 셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile), 웨어러블 기기 등에 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따른 열전 모듈은 대류 환경에서 높은 방열 성능을 가질 수 있으므로, 보행 시 발생하는 대류 현상을 이용하여 신체, 의복 등에 부착되는 웨어러블 기기에 적합하게 사용될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명에 따른 방열 구조 및 열전 모듈의 성능에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
실시예 1
알루미늄 방열핀에 아교를 부분적으로 분사하고, 파우더 형태의 흡습성 고분자(소듐 폴리아크릴레이트)를 분사하여, 흡습성 고분자가 부착된 방열 구조를 준비하고, 상기 방열 구조를, 열전 소자 어레이를 포함하는 열전 모듈과 결합하였다. 도 6은 실시예 1의 열전 모듈의 디지털 사진이다.
실시예 2
선택적 에칭으로 제조된 구리 다공체(foam)에 아교를 부분적으로 분사하고, 파우더 형태의 흡습성 고분자(소듐 폴리아크릴레이트)를 분사하여, 흡습성 고분자가 부착된 방열 구조를 준비하고, 상기 방열 구조를, 열전 소자 어레이를 포함하는 열전 모듈과 결합하였다. 도 7은 실시예 2의 열전 모듈의 디지털 사진이다.
상기 실시예 1 및 2의 열전 모듈(Al Heat sink + SAP, Cu foam + SAP)의 하부 기판의 온도를 27℃ 내지 40℃로 유지한 상태에서, 23℃의 1.5 m/s 대류 환경에서, 하부 기판과 상부 기판의 온도차를 측정하여, 도 8a 및 도 8b의 그래프에 도시하였다.
또한, 온도차가 4℃인 환경에서, 실시예 1 및 2의 열전 모듈에서 출력하는 전력 및 전압의 크기를 측정하여 도 9a 및 9b의 그래프에 도시하였다.
비교예로서, 흡습성 고분자 없이 알루미늄 방열핀과 결합된 열전 모듈(비교예 1, Al Heat sink) 및 흡습성 고분자 없이 구리 다공체와 결합된 열전 모듈(비교예 2, Cu foam)에 대하여 동일한 실험을 수행하였다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은, 흡습성 고분자를 이용하지 않는 비교예의 열전 모듈에 비하여 열전 모듈 양단의 온도차를 크게 할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은 발전 효율을 개선할 수 있음을 기대할 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 출력 전압 및 출력 전력 상승의 효과를 확인할 수 있으며, 특히 구리 다공체의 경우, 성능 증가의 효과가 더 큼을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 온도차를 구리 다공체의 기공 크기에 따라 측정하여 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은 다양한 기공 크기에서 높은 방열 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있으며, 이를 통해 다양한 구조 및 크기의 방열 구조에 적용될 수 있음을 기대할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈(금속 방열판 + 고분자 흡수 수지) 및 종래의 금속 방열판의 냉각 성능을 습도에 따라 도시한 그래프이다.
일반적인 금속 방열판은 금속의 핀 주위의 공기층으로 열이 이동함으로서 냉각시키는 효과를 보인다. 본 발명의 방열 구조는, 공기 중의 수분을 고분자가 흡수 하여, 수분의 기화열을 추가적으로 활용하므로, 습도가 높은 환경에서 방열 성능이 크게 증가할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은, 소규모 발전, 각종 장치의 냉각 및 온도 제어 등을 위한 열전 모듈의 제조에 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 기판, 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 열전 물질부, 상기 제1 기판과 상기 열전 물질부 사이에 배치되는 제1 전극 및 상기 열전 물질부와 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제2 전극을 포함하는 열전 소자; 및
    상기 열전 소자와 결합된 방열부를 포함하고,
    상기 방열부는,
    외부 공간과 내부 공간을 연결하는 개구부를 갖는 측벽을 포함하는 수납부;
    상기 수납부 내에 배치되며 금속 폼(foam) 형태를 가지며 기공 크기가 0.1mm 내지 0.5mm인 방열 몸체; 및
    상기 방열 몸체와 결합된 파우더 형태의 흡습성 고분자를 포함하는, 열전 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡습성 고분자는, 소듐 폴리아크릴레이트(sodium polyacrylate), 폴리아크릴아미드 공중합체(polyacrylamide copolymer), 에틸렌 말레산 무수물 공중합체(ethylene maleic anhydride copolymer), 가교 카르복시메?K셀룰로오스(cross-linked carboxymethylcellulose), 폴리비닐알콜 공중합체(polyvinyl alcohol copolymers) 및 가교 폴리에틸렌 옥사이드(cross-linked polyethylene oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡습성 고분자는, 흡습량은 30g/g 이상이고, 파우더의 직경은 150㎛ 내지 850㎛인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  8. 삭제
  9. 제1항의 열전 모듈을 포함하며, 상기 열전 모듈의 제2 기판은 신체 또는 의복에 부착되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 기기.
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