KR102395226B1 - 플렉서블 열전 모듈 - Google Patents

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KR102395226B1
KR102395226B1 KR1020170160630A KR20170160630A KR102395226B1 KR 102395226 B1 KR102395226 B1 KR 102395226B1 KR 1020170160630 A KR1020170160630 A KR 1020170160630A KR 20170160630 A KR20170160630 A KR 20170160630A KR 102395226 B1 KR102395226 B1 KR 102395226B1
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박철희
김동식
정명진
이예슬
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주식회사 엘지화학
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  • Inorganic Chemistry (AREA)
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Abstract

플렉서블 열전 모듈이 개시된다. 플렉서블 열전 모듈은, 각각 복수개로 배치되는 제1 열전 소자 및 제2 열전 소자와, 제1 열전 소자와 제2 열전 소자의 상부면을 연결하는 제1 전극과, 제1 열전 소자와 제2 열전 소자의 하부면을 연결하는 제2 전극과, 제2 전극과의 사이에 절연층이 형성된 상태로 제2 전극의 측면을 지지하는 기판을 포함하고, 기판은 무기질 재질로 형성된다.

Description

플렉서블 열전 모듈{FLEXIBLE THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열교환 효율이 향상되어 출력 성능이 향상되는 플렉서블 열전 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 플렉서블 열전 소자 구조 제작을 위하여 유기물 기반의 기판(Polyethylene terephthalate film , Polyimide film, Polydimethylsiloxane film)을 사용하여 전극 부위를 유기물 재질의 기판이 지지하며 유연 기판을 제조한다.
유기물 기반의 필름들은 열전도도(0.5W/m·K 이하)가 낮은 특성을 나타내기 때문에 유연성 기판의 열전도도 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
일반적으로, 열전 소자의 특성상 외부 환경과 열전 소자 사이에서 열교환기를 통하여 열전달이 효율적으로 이루어지는 상태에서 열전 모듈의 성능이 향상될 수 있다.
따라서, 유기물 기반의 기판으로 제작된 플렉서블 열전 소자는 유연성 기능은 가지나, 열전 소자의 성능 면에서 효율적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 열교환 효율이 향상되어 출력 성능이 향상되는 플렉서블 열전 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 각각 복수개로 배치되는 제1 열전 소자 및 제2 열전 소자와, 제1 열전 소자와 제2 열전 소자의 상부면을 연결하는 제1 전극과, 제1 열전 소자와 제2 열전 소자의 하부면을 연결하는 제2 전극과, 제2 전극과의 사이에 절연층이 형성된 상태로 제2 전극의 측면을 지지하는 기판을 포함하고, 기판은 무기질 재질로 형성된다.
제1 열전 소자는 n형 열전 소자이고, 제2 열전 소자는 p형 열전 소자일 수 있다.
기판은 플렉서블 절연 재질로 형성될 수 있다.
기판은, 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질일 수 있다.
기판은 그래파이트(graphite) 재질의 시트 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질의 시트 형태일 수 있다.
절연층은 질화 알루미나로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무기질 재료의 기판을 이용하여 열전 모듈을 제조하여 높은 열전도도를 구현하는 것이 가능한 바, 열교환 작용이 효율적으로 이루어져 열전 모듈의 출력 성능의 향상이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질인 무기물 재료 기반으로 유연성의 기판을 제조하는 바, 종래 유기물 기반의 기판과 비교하여 접합 공정 온도를 확장하는 것이 가능하여 고온 접합을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 열전 모듈을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 무기물 기반의 기판을 사용한 열전 소자의 출력 전력의 향상 상태를 개략적으로 종래 기술과 비교하여 도시한 그래프도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 열전 모듈로 전달되는 고온부의 온도에 따른 열전 소자 입력 열량 변화 상태를 종래 기술과 비교하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈이 굴곡된 상태로 설치되는 것을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 열전 모듈의 기판이 파동 형상으로 형성된 상태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 열전 모듈을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 열전 모듈(100)은, 각각 복수개로 배치되는 제1 열전 소자(10) 및 제2 열전 소자(20)와, 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)의 상부면을 연결하는 제1 전극(30)과, 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)의 하부면을 연결하는 제2 전극(40)과, 제2 전극(40)과의 사이에 절연층(50)이 형성된 상태로 제2 전극(40)의 측면을 지지하는 기판(60)을 포함한다.
열전 소자(10, 20)는 기판(60)에 지지된 상태로 배치되는 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 열전 소자(10)는 n형 열전 소자이고, 제2 열전 소자(20)는 p형 열전 소자인 것을 예시적으로 설명한다. 그러나 제1 열전 소자(10)는 p형 열전 소자이고 n형 열전 소자가 제2 열전 소자(20)로 변경 적용되는 것도 가능하다.
이러한 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)는 복수개가 이격된 상태로 배치되는 것으로 제1 전극(30)과 제2 전극(40)에 의해 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 제1 전극(30)은 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20) 들이 서로 간에 교번되게 배치된 상태의 상부면에 연결될 수 있다.
그리고, 제2 전극(40)은 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20) 들이 서로간에 교번되게 배치된 상태의 하부면에 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 복수개가 직렬 연결 가능하게 배치되는 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)의 상부면과 하부면에 각각 복수개로 위치되는 바, 제1 열전 소자(10)와 제2 열전 소자(20)는 서로 간에 직렬 연결될 수 있다.
제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 열전 소자들에 전기적으로 연결되도록 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni)을 포함한 재질로 형성될 수 있다.
이러한 제2 전극(40)은 기판(60)에 의해 지지된 상태로 연결될 수 있다. 제2 전극(40)과 기판(60)의 사이에는 절연층(50)이 형성될 수 있다.
절연층(50)은 제2 전극(40)과 기판(60)의 사이에 절연 작용을 위해 형성되는 것으로, 절연 특성 및 열전도도가 높은 질화 알루미나로 재질의 시트 형태로 형성될 수 있다.
물론 절연층(50)은 제2 전극(40)과 기판(60)의 사이에 시트 형태로 형성되는 것으로 반드시 한정되는 것은 아니고, 제2 전극(40)과 기판(60)의 사이 부분에 코팅으로 형성되는 것도 가능하다.
한편, 기판(60)은 제2 전극(40)의 측면을 지지하도록 설치될 수 있다.
기판(60)은 플렉서블(flexible) 가능한 절연 재질로 형성되어 제2 전극(40)의 측면 부분에서 전극과 열전 소자를 지지할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 기판(60)은 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질인 무기질 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이, 기판(60)은 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질인 무기질 재질로 형성되는 바, 기판(60)이 설치되는 열교환기 등의 대상물(61)과 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.
이러한 기판(60)의 열전도도는 5 내지 15 W/m·K로 구현될 수 있다. 종래 유기물 재질의 기판의 열전도도는 0.5 W/m·K이하로 구현되는 바, 본 실시예의 무기질 재료로 형성되는 기판(60)은 종래 기판 대비 10배 이상의 높은 열전도도를 구현하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 실시예의 기판(60)의 열전도도가 5 내지 15 W/m·K의 범위로 구현 가능하여 종래 기판 대비하여 높은 열전도도의 구현이 가능한 바, 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈(100)이 열교환기 등의 열교환 대상물(61)에 설치되는 경우, 열교환이 효율적으로 이루어져 열전 소자의 출력 성능의 향상이 가능하다.
또한, 기판(60)은 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질인 무기물 재료 기반으로 형성된 유연성 기판으로 형성되는 바, 종래 유기물 기반의 기판과 비교하여 접합 공정 온도를 확장하는 것이 가능하여 고온 접합을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 제작이 가능하다.
이하에서 표 1 내지 표 3을 통해 본 실시예의 무기물 기반의 기판을 적용한 플렉서블 열전 모듈과 종래 유기물 기반의 기판을 적용한 열전 모듈에서 열전 소자의 열저항(TI) 변화 상태를 개략적으로 설명한다.
표 1 내지 표 3은 하부의 알루미나 기판과 상부의 유연 기판이 적용된 열전 소자와 무기물 기반의 기판을 적용한 열전 소자와 유기물 기반의 기판을 적용한 열전 소자의 열저항 변화 상태를 나타낸 표를 말한다.
하부 알루미나 기판, 상부 유연 기판인 기판을 이용한 열전 소자(Reference)-비교예
Alumina TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.5 0.1 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.95
TC(W/m℃) 24 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 2.08E
-05		 3.33
E-05		 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-06 0 1.09E
-03		 REFERENCE
무기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.025mm)-실시예
GS TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.025 0.1 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.475
TC(W/m℃) 5 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 5.00E-06 3.33
E-05		 8.33E-07 3.85E-07 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-06 0 1.08E
-03		 -1.4%
유기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.025mm)-비교예
GS TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.025 0 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.375
TC(W/m℃) 0.46 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 5.43E-05 0 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-07 0 1.10E
-03		 0%
무기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.050mm)-실시예
GS TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.05 0.1 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.5
TC(W/m℃) 5 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 1.00E
-05		 3.33
E-05		 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-06 0 1.08E
-03		 -1.0%
유기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.050mm)-비교예
Pl TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.05 0 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.4
TC(W/m℃) 0.46 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 1.09E-04 0 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-07 0 1.15E
-03		 5.0%
무기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.1mm)-실시예
GS TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.1 0.1 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.55
TC(W/m℃) 5 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 2.00E
-05		 3.33
E-05		 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-07 0 1.09E
-03		 -0.1%
유기물 기반의 기판을 이용한 열전 소자(기판 두께 : 0.1mm)-비교예
Pl TIM Cu Pb solder TE Sn solder Cu Alumina total total
Length(mm) 0.1 0 0.3 0.1 1.55 0.1 0.3 0 2.45
TC(W/m℃) 0.46 3 360 26 1.5 55 360 24
TI
(℃m2/W)K		 2.17E-04 0 8.33E-07 3.85E-06 1.03E-03 1.82E-06 8.33E-07 0 1.26E
-03		 14.9%
위 표 1 내지 표 3에서 GS는 그래파이트 시트(Graphite Sheet) 기판이고, Pl은 Polyimide이고, TIM은 열전달부재(Thermal interface Material)이고, TC는 열 저항(Thermal Conductivity (W/mㅇ K))을 말한다.
상기 Reference 열전 소자는 하부 기판은 0.5T의 알루미나 기판을 이용하여 제조하였다. 그리고, 일반적인 그래파이트 시트(Graphite sheet) 기판은, 이방성 열전도 특성을 가지며, X/Y-axis (500~1500W/m·K) 방향이 Z-axis (3~15W/m·K)방향 보다 열전도도가 우수하다.
Inorganic-based 유연 소자의 열저항은 Laird사(TgonTM 9000)의 GS TC값(15W/m·K)을 기준으로 계산하였다.(일반적인 GS TC값은 약 5W/m·K를 나타낸다.) 그리고 Z-direction TC값을 함께 사용하였다.
Polymer-based 유연 소자의 열저항은 Polyimide film의 TC 값(0.46W/m·K)을 입력하여 계산하였다.(등방성 TC 특성을 가짐)
그리고, Inorganic-based 유연 기판이 적용된 열전 소자의 열저항은 기판의 두께가 0.5mm가 될 때에도 reference 열전 소자의 열저항 보다 낮은 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 무기물 기반의 유연성 기판(60)은, 전기전도성을 나타내기 때문에 기판의 필수적인 성질인 절연성을 확보하기 위하여 전극과 무기물 기판(60)의 사이에 열전달부재(Thermal Interface Material,TIM)(TC:~3W/m·K)을 0.1mm 삽입하여 절연성을 확보하였다.
유기물 기반의 유연성 기판 또한 비교예로서 열전달부재(TIM)를 동일하게 삽입하였으나, 열전달 부재 없이 PI 필름 자체의 접착성을 이용하여 전극 지지 및 절연도 가능하다.
PI 필름 기반의 기판에 열전달부재를 삽입하지 않고 제작한 기판의 열저항(thermal insulance, TI) 값을 계산한 결과 표1에서 나타나는 바와 같이, 무기물 기반의 기판 보다 열저항(TI) 값이 높게 나타난 것을 알 수 있다.
전술한 결과는 기판의 두께가 두꺼워 지면서 무기물 기반의 기판과 유기물 기반의 기판의 열저항(TI) 값 차이가 더 커짐을 확인할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예의 무기물 기반의 기판을 사용한 열전 소자의 출력 전력의 향상 상태를 개략적으로 종래 기술과 비교하여 도시한 그래프도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 열전 모듈로 전달되는 고온부의 온도에 따른 열전 소자 입력 열량 변화 상태를 종래 기술과 비교하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무기물 기반의 기판을 사용한 열전 모듈의 출력 전력이 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 열전 모듈은 동일 온도에서 더 높은 입력 전력값을 나타내는 것으로 무기물 기반의 기판을 통해 열전달이 더 효율적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈이 굴곡된 상태로 설치되는 것을 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈(100)은 열교환 작용이 이루어지는 열교환기 등의 대상물(61)의 굴곡된 형상에 대응하여 굴곡된 상태로 설치될 수 있다. 즉, 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈(100)은 자유로운 변형이 가능하여 단위 면적당 열교환기 등의 대상물(61)과 접하는 면적을 증대시켜 열교환 성능이 향상되는 바, 열전 모듈의 성능 향상이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 열전 모듈의 기판이 파동 형상으로 형성된 상태를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 플렉서블 열전 모듈(100)의 기판(60)은 표면에 요철이 형성되는 것도 가능하고, 파동 형상으로 형성되는 것도 가능하다. 즉, 본 실시예의 기판은 파동, 굴곡, 라운드 형상 등과 같이 다양한 형상으로 변형될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 플렉서블 열전 모듈(100)은, 무기질 재료의 기판(60)을 이용하여 열전 모듈을 제조하여 높은 열전도도를 구현하는 것이 가능한 바, 열교환이 효율적으로 이루어져 열전 모듈의 출력 성능의 향상이 가능하다.
아울러, 본 실시예의 기판(60)은 그래파이트(graphite) 또는 붕소 질화물(boronitride) 재질인 무기물 재료 기반으로 형성된 유연성의 기판으로 형성되는 바, 종래 유기물 기반의 기판과 비교하여 접합 공정 온도를 확장하는 것이 가능하여 고온 접합을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 제작이 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...제1 열전 소자 20...제2 열전 소자
30...제1 전극 40...제2 전극
50...절연층 60...기판

Claims (7)

  1. 각각 복수개로 배치되는 제1 열전 소자 및 제2 열전 소자;
    상기 제1 열전 소자와 상기 제2 열전 소자의 상부면을 연결하는 제1 전극;
    상기 제1 열전 소자와 상기 제2 열전 소자의 하부면을 연결하는 제2 전극;
    상기 제2 전극의 측면을 지지하는 기판; 및
    상기 제2 전극과 상기 기판 사이에 위치하는 절연층을 포함하고,
    상기 기판은 플렉서블 절연 재질인 그래파이트(graphite) 재질로 형성되며,
    상기 절연층은 열전달 부재로 형성되는, 플렉서블 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자는 n형 열전 소자이고, 상기 제2 열전 소자는 p형 열전 소자인, 플렉서블 열전 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 그래파이트(graphite) 재질의 시트 형태인, 플렉서블 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 질화 알루미나로 형성된, 플렉서블 열전 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 0.025mm 내지 0.1mm인, 플렉서블 열전 모듈.
KR1020170160630A 2017-11-28 2017-11-28 플렉서블 열전 모듈 KR102395226B1 (ko)

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