KR102487432B1 - 열변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 냉각용 유체가 통과하는 덕트, 상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 배치된 복수의 열전소자, 그리고 상기 복수의 열전소자 상에 배치된 복수의 히트싱크를 포함하며, 각 열전소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하며, 상기 각 열전소자에 포함된 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 적어도 하나의 제1 전극의 크기 또는 형상은 나머지 제1 전극의 크기 또는 형상과 상이하고, 상기 복수의 열전소자에 포함된 복수의 제1 기판은 서로 연결된다.

Description

열변환장치{HEAT CONVERSION DEVICE}
본 발명은 열변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 더운 기체로부터의 열을 이용하여 발전시키는 열변환장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
최근, 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생한 폐열 및 열전소자를 이용하여 전기를 발생시키고자 하는 니즈가 있다. 이러한 발전 장치는 대규모로 제작될 수 있다.
한편, 열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다. 여기서, 복수의 상부전극 및 복수의 하부전극은 열전 레그들을 직렬 연결한다.
이때, 복수의 열전 레그 중 일부의 열전 레그가 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)되더라도, 열전 소자 전체를 사용할 수 없게 되는 문제가 있다. 특히, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 교대로 정렬하여, 각 전극 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 실장하는 과정에서, 정렬이 어긋나게 되어 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)되는 경우가 흔히 발생할 수 있다.
이러한 문제는 대규모로 제작되는 발전 장치에서 더욱 심각하게 작용할 수 있으며, 열전 레그 하나의 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)으로 인하여 전체 발전 장치를 사용할 수 없는 경우가 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 폐열을 이용하여 발전하는 열변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치는 냉각용 유체가 통과하는 덕트, 상기 덕트의 제 1 표면에 배치된 제1 열전모듈, 그리고 상기 덕트의 제 1 표면에 평행하게 배치된 제 2 표면에 배치된 제2 열전모듈을 포함하고, 상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈 각각은, 상기 제1 표면 및 상기 제2 표면에 각각 배치된 복수의 열전소자, 그리고 상기 복수의 열전소자 상에 배치된 복수의 히트싱크를 포함하며, 각 열전소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하며, 상기 각 열전소자에 포함된 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 적어도 하나의 제1 전극의 크기 또는 형상은 나머지 제1 전극의 크기 또는 형상과 상이하고, 상기 복수의 열전소자에 포함된 복수의 제1 기판은 서로 연결된다.
상기 나머지 제1 전극의 형상은 직사각 형상이고, 상기 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 적어도 하나의 제1 전극의 형상은 상기 직사각 형상의 적어도 한면이 돌출된 형상일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 모서리에 배치된 적어도 하나의 제1 전극은 이웃하는 다른 열전소자에 포함되는 복수의 제1 전극 중 모서리에 배치된 적어도 하나의 제1 전극과 연결될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극은 N개의 열 및 M개의 행으로 배치되고, 제1열의 제1행에 배치된 제1 전극은 상기 직사각 형상에서 이웃하는 다른 열전소자 방향 및 제2열 방향으로 각각 돌출된 형상이고, 제3 열의 제1 행에 배치된 제1 전극은 상기 직사각 형상에서 상기 제2 열 방향으로 돌출된 형상이며, 제N열의 제1행에 배치된 제1 전극은 상기 직사각 형상에서 이웃하는 다른 열전소자 방향 및 제N-1열 방향으로 각각 돌출된 형상이고, 제N-2열의 제1 행에 배치된 제1 전극은 상기 직사각 형상에서 상기 제N-1 열 방향으로 돌출된 형상일 수 있다.
한 열전소자의 제N열의 제1행에 배치된 제1 전극과 상기 한 열전소자에 이웃하는 다른 열전소자의 제1 열의 제1행에 배치된 제1 전극은 서로 연결될 수 있다.
제1열의 제1행에 배치된 제1 전극의 상기 제2 열 방향으로 돌출된 형상과 상기 제3 열의 제1 행에 배치된 제1 전극의 상기 제2 열 방향으로 돌출된 형상은 서로 솔더링되거나, 와이어에 의하여 연결될 수 있다.
상기 제1 기판은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어지며, 상기 제1 표면과 상기 제1 기판 사이 및 상기 제2 표면과 상기 제1 기판 사이에는 각각 알루미늄 플레이트가 더 배치될 수 있다.
상기 복수의 열전소자에 포함된 복수의 제1 기판의 전체 면적은 상기 복수의 열전소자에 포함된 복수의 제2 기판의 전체 면적보다 넓고, 상기 복수의 열전소자 각각에 포함된 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 및 가장자리 행에 배치된 복수의 제1 전극 중 적어도 일부는 상기 복수의 열전소자 각각에 포함된 제2 기판의 가장자리를 기준으로 측면으로 노출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발전성능이 우수한 열변환장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자 내 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생하더라도 부분적인 보수가 가능한 열변환장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1의 X-X' 방향으로 자른 단면도이다.
도 4는 열전모듈이 덕트에 체결되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 상면도의 한 예이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 상면도의 다른 예이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 전극 구조이다.
도 10은 열전소자의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 형상의 예이다.
도 12는 열전소자 내 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극들을 연결하여 경로를 우회하는 예를 설명하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열변환장치의 일부 확대도이고, 도 3은 도 1의 X-X' 방향으로 자른 단면도이고, 도 4는 열전모듈이 덕트에 체결되는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 열변환장치(1000)는 복수의 덕트(1100), 복수의 제1 열전모듈(1200), 복수의 제2 열전모듈(1300) 및 복수의 기체 가이드 부재(1400)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 열변환장치(1000)는, 덕트(1100)를 통해 흐르는 냉각용 유체 및 복수의 덕트(1100) 간 이격된 공간을 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차, 즉 복수의 제1 열전모듈(1200)과 복수의 제2 열전모듈(1300)의 저온부 및 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
복수의 덕트(1100)는 냉각용 유체가 통과하며, 소정 간격으로 이격되도록 배치된다. 예를 들어, 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃ 미만, 바람직하게는 50℃ 미만, 더욱 바람직하게는 40℃ 미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 복수의 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 복수의 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 덕트(1100)는 제1 면(1110), 제1 면(1110)에 대향하며 제1면(1110)과 평행하게 배치된 제2면(1120), 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에 배치된 제3면(1130) 및 제1 면(1110)과 제2 면(1120) 사이에서 제3면(1130)에 대향하도록 배치된 제4면(1140)을 포함하며, 제1면(1110), 제2면(1120), 제3면(1130) 및 제4면(1140)에 의하여 이루어진 덕트 내부로 냉각용 유체가 통과한다. 냉각용 유체는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다. 냉각용 유체의 유입 및 배출을 용이하게 하고, 복수의 덕트(1100)를 지지하기 위하여, 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구 측 및 냉각용 유체 배출구 측에는 각각 유입구 지지부재(1500) 및 배출구 지지부재(1600)가 더 배치될 수 있다. 유입구 지지부재(1500) 및 배출구 지지부재(1600)는 각각 복수의 개구부가 형성된 플레이트 형상이며, 유입구 지지부재(1500)에 형성된 복수의 개구부(1510)는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구와 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성되며, 배출구 지지부재(1600)에 형성된 복수의 개구부(미도시)는 복수의 덕트(1100)의 냉각용 유체 배출구의 크기, 형상 및 위치가 일치하도록 형성될 수 있다.
각 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀(1150)이 배치될 수 있다. 방열핀(1150)의 형상, 개수, 각 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각용 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀(1150)이 각 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 각 덕트(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 냉각용 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
그리고, 각 덕트(1100)의 내부는 복수의 영역으로 구획될 수도 있다. 각 덕트(1100)의 내부가 복수의 영역으로 구획될 경우, 냉각용 유체의 유량이 각 덕트(1100)의 내부를 가득채울 정도로 충분하지 않더라도 냉각용 유체가 각 덕트(1100) 내에 고르게 분산될 수 있으므로, 각 덕트(1100)의 전면에 대하여 고른 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다.
한편, 복수의 제1 열전모듈(1200)은 각 덕트(1100)의 제1 면(1110)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제1 표면(1112)에 배치되고, 복수의 제2 열전모듈(1300)은 각 덕트(1100)의 제2 면(1120)에 포함되고 덕트 외부를 향하여 배치된 제2 표면(1122)에서 복수의 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치된다.
이때, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수 있다.
각 덕트(1100)마다 복수의 쌍의 열전모듈, 즉 복수의 단위 열전모듈이 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 덕트(1100)마다 m쌍의 열전모듈이 배치되며, 열변환장치(1000)가 n개의 덕트(1100)를 포함하는 경우, 열변환장치(1000)는 m*n쌍의 열전모듈, 즉 2*m*n개의 열전모듈을 포함할 수 있다. 이때, 요구되는 발전량에 따라 단위 열전모듈의 개수 및 덕트의 개수를 조절할 수 있다.
이때, 각 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제1 열전모듈(1200)의 적어도 일부는 버스 바를 이용하여 전기적으로 서로 연결되고, 각 덕트(1100)에 연결되는 복수의 제2 열전모듈(1300)의 적어도 일부는 다른 버스 바를 이용하여 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 버스 바(미도시)는, 예를 들어 고온의 기체가 복수의 덕트(1100) 간의 이격된 공간을 통과한 후 배출되는 배출구, 즉 각 덕트(1100)의 제4면(1140) 측에 배치될 수 있고, 외부 단자와 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)을 위한 PCB가 열변환장치의 내부에 배치되지 않고도 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)에 전원이 공급될 수 있으며, 이에 따라 열변환장치의 설계 및 조립이 용이하다.
도 4를 참조하면, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 스크류(S)를 이용하여 덕트(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 열전모듈(1200) 및 복수의 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 표면(1112, 1122)에 안정적으로 결합할 수 있다. 또는, 제1 열전모듈(1200) 및 제2 열전모듈(1300)은 써멀패드(thermal pad)를 통하여 덕트(1100)의 제1 표면(1112) 및 제2 표면(1122)에 각각 접착될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 개략적인 사시도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 상면도의 한 예이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 상면도의 다른 예이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 전극 구조이다. 여기서, 열전모듈은 도 1 내지 4에서 도시된 한 쌍의 열전모듈 중 하나를 의미한다. 설명의 편의를 위하여, 제1 열전모듈(1200)을 예로 들어 설명하나, 동일한 내용은 제2 열전모듈(1300)에도 적용될 수 있다.
도 5 내지 9를 참조하면, 제1 열전모듈(1200)은 제1 표면(1112)에 배치된 복수의 열전소자(100), 그리고 복수의 열전소자(100) 상에 배치된 복수의 히트싱크(200)를 포함한다.
각 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 기판(110) 상에 배치된 복수의 제1 전극(120), 복수의 제1 전극(120) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 상에 배치된 복수의 제2 전극(150), 그리고 복수의 제2 전극(150) 상에 배치된 제2 기판(160)을 포함한다.
이때, 도 10에 도시된 바와 같이, 열전소자(100)의 구조는 제1 전극(120)은 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 제2 전극(150)은 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018003577971-pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 10(b)에서 도시하는 구조를 가질 수도 있다. 도 10(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134, 144), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146), 그리고 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 상에 각각 적층되는 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)을 포함한다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 도 9(a)에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 열팽창 계수는 열전 소재층(132, 142)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 열전 소재층(132, 142) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(130, 140)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(138, 148) 및 제2 금속층(138, 148)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134, 144) 사이에는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(136, 146) 및 제2 접합층(136, 146)을 미리 배치하여, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134, 144) 및 제2 도금층(134, 144)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 제1 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제1 전극(120), 그리고 제2 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 전극(120) 또는 제2 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 제1 기판(110)과 제2 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 고분자 수지 기판일 수 있다. 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다.
또는, 고분자 수지 기판은 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도 기판일 수도 있다. 열전도 기판의 두께는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 수 있다.
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄 및 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 무기충전재는 질화알루미늄을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure 112018003577971-pat00002
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure 112018003577971-pat00003
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.
금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)이 금속 기판인 경우, 제1 기판(110)과 제1 전극(120) 사이 및 제2 기판(160)과 제2 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 제1 기판(110)과 제2 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 제1 기판(110)과 제2 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
다시 도 5 내지 도 9를 참조하면, 제1 열전모듈(1200)은 제1 표면(1112)에 배치된 복수의 열전소자(100) 및 열전소자(100)에 배치된 히트싱크(200)를 포함한다. 이와 같이, 열전소자(100)의 양면 중 한 면에 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 배치되고, 다른 면에 히트싱크(200)가 배치되며, 히트싱크(200)를 통하여 고온의 기체가 통과하면, 열전소자(100)의 고온부와 저온부 간 온도 차를 크게 할 수 있으며, 이에 따라 열전변환 효율을 높일 수 있다.
이때, 제1 표면(1112)과 복수의 열전소자(100) 사이에는 알루미늄 기판(300)이 더 배치되며, 알루미늄 기판(300)은 제1 표면(1112)과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착될 수 있다. 알루미늄 기판(300)은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자(100)의 양면 중 한 면과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판(300)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판(300)과 냉각용 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다.
한편, 복수의 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 기판(110)은 서로 연결되고, 복수의 열전소자(100) 각각에 포함된 복수의 제1 전극(120) 중 가장자리 열(802, 804) 또는 가장자리 행(806, 808)에 배치된 적어도 하나의 제1 전극의 크기 또는 형상은 나머지 제1 전극(810)의 크기 또는 형상과 상이하다.
예를 들어, 도 11(a)에 도시한 바와 같이, 각 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 전극(120) 중 가장자리 열(802, 804) 또는 가장자리 행(806, 808)에 배치된 제1 전극을 제외한 나머지 전극(810)의 형상은 직사각 형상일 수 있다. 그리고, 도 11(b), (c), (d) 및 (e)에 도시한 바와 같이, 가장자리 열(802, 804) 또는 가장자리 행(806, 808)에 배치된 적어도 하나의 제1 전극의 형상은 직사각 형상(810)의 적어도 한면(812)이 돌출된 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 11(b)와 같이 도 11(a)와 같은 형상의 전극의 한 면(812)으로부터 길이 방향(Y) 및 양 측면 방향(X1, X2)으로 돌출된 형상을 가지거나, 도 11(c)와 같이 도 11(a)와 같은 형상의 전극의 한 면으로부터 길이 방향(Y) 및 한 측면 방향(X1)으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 또는, 도 11(c)와 같이 도 11(a)와 같은 형상의 전극의 한 면으로부터 길이 방향(Y)으로 돌출된 형상을 가지거나, 도 11(d)와 같이 도 11(a)와 같은 형상의 전극의 한 면으로부터 길이 방향(Y) 및 다른 측면 방향(X2)으로 돌출된 형상을 가질 수도 있다. 이와 같이, 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 형상 또는 크기가 상이할 경우, 하나의 열전소자 내에 포함된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 중 하나가 파손되거나 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)된 경우 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극을 이용하면 전기가 흐르는 경로를 우회하는 것이 가능하다.
다시 도 9를 참조하면, 각 열전소자(100)에 포함되는 복수의 제1 전극(120)이 n개의 열 및 m개의 행으로 배치된 경우, 제1 열의 제1 행에 배치된 제1 전극(1,1)은 직사각 형상에서 한 면이 이웃하는 다른 열전소자 방향으로 돌출되고, 다른 면이 제2 열 방향으로 돌출된 형상을 가지고, 제3 열의 제1 행에 배치된 제1 전극(3,1)은 직사각 형상에서 한 면이 제2 열 방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 그리고, 제n열의 제1 행에 배치된 제1 전극(n,1)은 직사각 형상에서 한 면이 이웃하는 다른 열전소자 방향으로 돌출되고, 다른 면이 제n-1열 방향으로 돌출된 형상을 가지고, 제n-2열의 제1 행에 배치된 제1 전극(n-2, 1)은 직사각 형상에서 한 면이 제n-1열 방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다.
전극이 이와 같은 구조로 배치되는 경우, 각 열전소자(100) 내부에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 중 하나가 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)되더라도, 돌출된 형상을 가진 전극들을 솔더링하거나, 와이어로 연결함으로써 경로를 우회하는 것이 가능하다.
이를 위하여, 전술한 바와 같이, 하나의 열전모듈(1200)은 복수의 열전소자(100)를 포함하며, 각 열전소자(100)에 포함된 각 제1 기판(110)은 이웃하는 다른 열전소자(100)들에 포함된 제1 기판(110)들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 열전모듈(1200)을 이루는 복수의 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 기판(110)은 일체로 형성될 수 있다. 그리고, 복수의 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 기판(110)의 전체 면적은 복수의 열전소자(100)에 포함된 복수의 제2 기판(160)의 전체 면적보다 넓고, 각 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 전극(110) 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 제1 전극(110)들 중 적어도 일부는 각 열전소자(100)에 포함된 제2 기판(160)의 가장자리를 기준으로 측면으로 노출될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(100) 내부에 배치된 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 중 하나가 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)될 경우, 각 열전소자(100)에 포함된 복수의 제1 전극(110) 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 제1 전극(110)들을 솔더링하거나, 와이어로 연결하는 것이 용이하며, 이에 따라 경로를 우회하는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 각 제2 기판(160)은 열전소자(100) 별로 분리되어 배치되며, 각 제2 기판(160)의 가장자리를 기준으로 측면으로 각 열전소자(100)에 포함되는 복수의 제1 전극(120)의 가장자리 행 및 가장자리 열의 일부가 노출될 수 있다.
또는, 도 7에 도시된 바와 같이, 열전모듈(1200)을 이루는 복수의 열전소자(100)에 포함되는 복수의 제2 기판(160)은 서로 연결되되, 제1 전극(120)이 배치되지 않는 영역에서 연결될 수 있다. 이때에도, 각 제2 기판(160)의 가장자리를 기준으로 측면으로 각 열전소자(100)에 포함되는 복수의 제1 전극(120)의 가장자리 행의 일부가 노출될 수 있다.
이와 같이, 복수의 제1 전극(120)의 가장자리 행 또는 가장자리 열의 일부가 돌출되도록 형성되고, 돌출되도록 형성된 제1 전극(120)의 일부가 제2 기판(160)의 가장자리를 기준으로 측면으로 노출되는 경우, 노출된 제1 전극(120)들을 솔더링하거나, 와이어로 연결하는 것이 용이하며, 이에 따라 전기가 흐르는 경로를 우회하는 것이 가능하다.
도 12는 열전소자 내 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극들을 연결하여 경로를 우회하는 예를 설명하는 도면이다.
도 12를 참조하면, P1 지점에 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 전극(1,m) 및 전극(2,m)을 연결할 수 있다. P2 지점에 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 전극(1,1)과 전극(3,1)을 연결하고, 전극(2,m)과 전극(3,m)을 연결할 수 있다. 이에 따라, 3열과 2열은 병열 연결될 수 있다. P3 지점에 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 전극(7,1), 전극(8,1) 및 전극(9,1)을 연결할 수 있다. 이에 따라 8열과 9열은 병렬 연결될 수 있다. 그리고, P4 지점에 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생한 경우, 전극(1,1)과 전극(3,1)을 연결하고, 전극(1,m), 전극(2,m) 및 전극(3,m)을 연결할 수 있다. 이에 따라, 1열과 3열은 병렬 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자 내 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 어느 지점에서 파손 등에 의해 전기적으로 개방(open)이 발생하더라도 우회 경로를 연결하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 전극(120) 중 모서리에 배치된 적어도 하나의 제1 전극(812)은 이웃하는 다른 열전소자에 포함되는 복수의 제1 전극 중 모서리에 배치된 적어도 하나의 제1 전극(814)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 한 열전소자의 제N열의 제1 행에 배치된 제1 전극(n,1)과 이웃하는 다른 열전소자의 제1 열의 제1 행에 배치된 제1 전극(1,1)은 서로 연결될 수 있다. 이와 같이, 하나의 열전소자 및 이에 이웃하는 다른 열전소자가 전극을 통하여 서로 연결되면, 배선을 연결하는 구조가 단순해질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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.

Claims (10)

  1. 하나의 하부 기판;
    상기 하나의 하부 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극;
    상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 반도체 구조물;
    상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극; 및
    상기 복수의 제2 전극 상에 배치되고, 상기 하부 기판의 면적보다 작고, 수평 방향을 따라 서로 이격된 복수의 상부 기판을 포함하고,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 복수의 상부 기판 각각과 수직으로 중첩된 복수의 중첩부, 및 상기 복수의 상부 기판 사이에서 상기 복수의 상부 기판과 수직으로 중첩되지 않는 비중첩부를 포함하고,
    상기 복수의 제1 전극은 이웃하는 복수의 중첩부를 연결하는 적어도 하나의 연결전극을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 연결전극의 일부는 상기 중첩부에 배치되고, 나머지 일부는 상기 비중첩부에 배치되고,
    상기 연결전극의 면적은 상기 중첩부 내측에 배치된 중첩전극의 면적과 다르며,
    상기 연결전극의 일단은 상기 연결전극에 의해 연결되는 두 개의 중첩부 중 하나에 배치되고, 상기 연결전극의 타단은 상기 연결전극에 의해 연결되는 두 개의 중첩부 중 다른 하나에 배치되며, 상기 일단과 상기 타단 사이는 상기 비중첩부에 배치된 열변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 구조물은 상기 중첩부와 수직으로 중첩되고, 상기 비중첩부와 수직으로 중첩되지 않으며,
    상기 중첩부에 배치된 상기 적어도 하나의 연결전극의 일부에는 상기 복수의 반도체 구조물 중 일부가 배치된 열변환장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩부 각각은 제1 간격으로 서로 이격된 복수의 중첩전극을 포함하고,
    상기 복수의 중첩부는 제2 간격으로 서로 이격되고,
    상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 작은 열변환장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩전극 각각은 제1 면적을 갖고,
    상기 적어도 하나의 연결전극 각각은 상기 제1 면적보다 넓은 제2 면적을 갖는 열변환장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 상부 기판은 적어도 2개의 행 및 적어도 2 개의 열로 배열되고,
    상기 복수의 중첩부는 적어도 2개의 행 및 적어도 2개의 열로 배열된 열변환장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 연결전극은 1행 1열에 배열된 제1 중첩부와 1행 2열에 배열된 제2 중첩부를 연결하는 제1 연결전극, 2행 1열에 배열된 제3 중첩부와 2행 2열에 배열된 제4 중첩부를 연결하는 제2 연결전극, 상기 제1 중첩부와 상기 제3 중첩부를 연결하는 제3 연결 전극 및 상기 제2 중첩부와 상기 제4 중첩부를 연결하는 제4 연결 전극 중 적어도 하나를 포함하는 열변환장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은,
    일부가 상기 제1 중첩부에 배치되고, 나머지 일부가 상기 비중첩부에서 상기 제2 중첩부를 향하여 돌출된 제1 돌출 전극, 그리고
    일부가 상기 제2 중첩부에 배치되고, 나머지 일부가 상기 비중첩부에서 상기 제1 중첩부를 향하여 돌출된 제2 돌출 전극을 포함하며,
    상기 제1 연결전극은 상기 제1 돌출 전극 및 상기 제2 돌출 전극이 연결된 전극인 열변환장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 돌출 전극은 상기 제1 중첩부의 한 모서리에 배치되고, 상기 제2 돌출 전극은 상기 제2 중첩부의 한 모서리에 배치된 열변환장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은,
    일부가 상기 제1 중첩부에 배치되고 나머지 일부가 상기 비중첩부에서 상기 제2 중첩부를 향하여 돌출된 복수의 제1 돌출 전극, 그리고
    일부가 상기 제2 중첩부에 배치되고, 나머지 일부가 상기 비중첩부에서 상기 제1 중첩부를 향하여 돌출된 복수의 제2 돌출 전극을 포함하며,
    상기 복수의 제1 돌출 전극 중 하나와 상기 복수의 제2 돌출 전극 중 하나는 서로 솔더링되거나, 와이어에 의해 연결되는 열변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 돌출 전극 및 상기 제2 돌출 전극 각각은 장변이 제1 방향과 평행한 직사각 형상에서 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 돌출된 형상인 열변환장치.

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