KR20060023441A - 박막 열전 모듈 - Google Patents

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    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Abstract

본 발명은 서로 대향되게 배열된 고온부 모듈기판과 저온부 모듈기판; 상기 양 모듈 기판 사이에 위치하여 두 모듈간 열을 능동적으로 전달하는 단위 열전소자 및 상기 단위 열자 소자의 전극에 연결되는 리드선을 포함하고,
상기 단위 열전소자는 서로 대향되게 배열되는 한 쌍의 기판; 상기 하부 기판의 상부 및 상부 기판의 하부에 형성되는 전극; 및 상기 양 전극 사이에 부착되는 열전소재를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 상기 저온부 모듈기판과 고온부 모듈기판의 간격을 좀더 확보하기 위해 상기 저온부 모듈기판과 상부기판 사이에 상부 단위 모듈기판 및 상기 고온부 모듈기판과 하부기판 사이에 하부 단위 모듈기판을 더 형성시킴을 특징으로 한다.
박막 열전 모듈, 모듈기판, 단열재

Description

박막 열전 모듈{Thin-layer thermoelectric module}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 일부를 절개한 평단면도 및 정면도이다.
도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단위 열전소자의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 5는 도 2에서 저온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 저온부 모듈기판과 접하는 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워넣은 것을 보여준 정면도이다.
도 6은 도 3에서 고온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 고온부 모듈기판과 접하는 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워넣은 것을 보여준 정면도이다.
도 7은 도 4에서 저온부 모듈기판 및 고온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워넣은 것을 보여준 정면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10a : 저온부 모듈기판 10b : 고온부 모듈기판
11a : 상부 단위 모듈기판 11b : 하부 단위 모듈기판
20 : 단위 열전 소자 21a : 상부 기판
21b : 상부 기판 22a : 상부 전극
22b : 하부 전극 23 : 박막 열전소자
23a : N형 박막 열전소자 23b : P형 박막 열전소자
30a, 30b : 리드선 40a, 40b : 단열재
본 발명은 박막 열전 모듈에 관한 것으로, 특히 박막 소재를 이용하는 소자를 적절히 구성하여 방열 기술의 한계로 인한 모듈 성능의 저하를 방지하고, 박막 소재의 잠재적인 성능을 구현할 수 있는 박막 열전 모듈에 관한 것이다.
상기 열전 모듈(소자)은 열 기전력을 갖는 소재의 양단에 온도 차이를 가할 때 그 양단에 열 기전력에 의한 전위차가 발생하는 것과 양단에 이종 금속을 통해 전류를 공급할 때 전류의 방향에 따라 계면에서 냉각 또는 발열이 발생하는 현상을 이용하여 발전 또는 냉각에 사용할 수 있는 소자이다.
상기 발전의 경우는 폐열 발전처럼 에너지 생산에 이용할 수 있고 자동차의 여열을 이용한 발전, 연료전지에서 발생하는 열을 이용한 발전 등으로 시스템의 에너지 사용 효율을 향상시킬 수도 있다.
또한, 상기 냉각의 경우는 기존의 컴프레서 방식이 갖는 환경 위해의 문제, 소음의 문제, 장기적인 신뢰성의 문제를 극복할 수 있는 강력한 대안이다. 다만 상용화된 소재의 효율이 아직 컴프레서 방식의 효율에 미치지 못하여 광범위한 응용이 이루어지지 않고 있다.
최근의 연구 결과에 따르면 소재에 나노 스케일의 인위적인 구조를 유도하면 포논에 의한 소재의 열전도도를 크게 낮출 수 있으며(1), 이렇게 되면 열전소자의 효율이 크게 향상되어 컴프레서의 효율에 근접하는 것이 발표되어있다. (2,3) 다만 이러한 소재를 덩어리의 형태로 만들어 내는 것은 아직 성공하지 못하고 있으며 궁극적으로 덩어리 형태의 소재로 높은 성능을 얻는 것이 가능한 지는 불확실하다. 따라서 나노 구조화가 용이한 박막 형태의 소재의 응용이 현재로서는 성능을 향상시킬 수 있는 가장 확실한 방안이다.
상기 냉각 소자로 사용할 때에 열전소자는 전류에 대해 소자 양단의 온도차가 음의 부호를 갖는 포물선 형태로 나타난다.
이를 식으로 표현하면, 다음과 같다.
Figure 112004041013883-PAT00001
여기서, P = αT, α 는 열기전력(thermoelectric power), T는 저온부의 온도, R, K는 각각 소재의 전기 저항(electric resistance)과 열전도율(thermal conductance, 열저항의 역수)을 나타낸다.
또한, QLOAD는 저온부에서 유입되는 열량을 나타내며, 이 값이 영(zero)이고, 전류값이 IMAX = Π/R일 때, 소자 양단간 최대 온도차(ΔTMAX)를 갖는다.
따라서,
Figure 112004041013883-PAT00002
이다.
그리고, 소재의 전기전도도(electrical conductivity)를 σ, 열전도도(thermal conductivity)를 κ라 하면,
Figure 112004041013883-PAT00003
또는
Figure 112004041013883-PAT00004
이다.
여기서,
Figure 112004041013883-PAT00005
는 소재 성능 지수라 부르며, 소재의 단면적이나 높이와 관계없이 소재 자체의 물성에 의해서만 결정되는 단위가 없는 물성 값이다.
따라서, ΔTMAX 역시 단면적이나 높이와 관계없다.
현재 상용화된 소재의 경우, 상기 ZT가 1에 약간 못 미치는 수준이며, 소자로는 고온부가 30도일 때 최대 온도차가 60~80도 정도 되는 수준이다.
현재 가장 일반화된 소자는 단결정 소재 또는 압출된 소재를 이용하여 작게 다이싱(dicing) 가공한 후 조립하는데 단위 소재의 단면적은 mm2수준, 높이는 1 mm정도이다. 이 경우 최대 온도차가 생기는 전류는 5A수준이며, 따라서 고가의 직류전원 공급장치를 필요로 한다.
한편, 최대 냉력은 식(1) 에서 I = IMAX, ΔT=0 인 경우이므로 QLOADMZX = KΔTMAX인데 ΔTMAX는 소재의 단면적이나 높이에 무관한 값이므로 박막 또는 수백 마이크 론 이내의 후막 소재를 이용하는 경우 소재 높이가 작아 열저항이 작으므로 단위 면적 당 높은 냉각밀도를 얻을 수 있다. 소재 높이를 10 micrometer, 단면적을 100 micrometer × 100 micrometer 수준으로 할 경우 수백 W/cm2에 달하는 냉각 밀도를 얻을 수 있다.
그런데, 고온부에서는 그 만큼의 높은 발열 밀도가 형성되는데 고온부에서 발생되는 열을 방열을 통해 제거하지 않으면 고온부의 온도가 상승하여 열전소자의 양단에는 온도차가 발생하여도 외기 온도 대비 저온부의 온도는 낮아지지 않는 현상이 발생한다. 따라서 고온부의 방열은 매우 중요하며 실제적인 소자의 응용 성능을 좌우한다.
그러나, 현재 개발된 기술로는 방열밀도가 수십 W/cm2수준이기 때문에, 이에 적합하게 소재의 면적 당 점유 비율을 줄일 필요가 있다. 상기 냉각밀도가 줄이기 위해 소재의 면적 당 점유 비율을 줄이게 되면 소자를 넓게 만들어 사용해야 한다.
현재의 박막 제조 기술로는 대면적의 박막을 제작하는 데 드는 비용이 매우 크다. 따라서 이러한 점은 저온부의 열 부하의 총량이 적지 않은 LD나 LED의 경우에는 문제가 크지 않으나, 열 부하의 총량이 수십에서 수백 W에 이르는 냉장고나 에어컨 등의 응용에서는 제품 경쟁력 면에서 문제가 될 수 있다.
(1)S.-M. Lee, D. Cahill, R. Venkatasubramanian, Thermal conductivity of Si-Ge superlattices, Appl. Phys. Lett. 70 (1997) 2957.
(2)Venkatasubramanian, R., Siivola, E.,Colpitts, T. & Quinn, B. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature 413, 597-602 (2001).
(3)Harman, T. C., Taylor, P. J.,Walsh, M. P. & LaForge, B. E. Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices. Science 297, 2229-2232 (2002).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 박막 소재를 이용한 냉각/발전 모듈을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 저온부 모듈 기판과 고온부 모듈 기판간 소정 간격을 유지시키고, 내부에 단열재를 채워 넣음으로써 방열 기술의 한계로 인한 모듈 성능의 저하를 방지하고, 박막 소재의 잠재적인 성능을 구현할 수 있는 박막 열전 모듈을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명에 따른 박막 열전 모듈은 서로 대향되게 배열된 고온부 모듈기판과 저온부 모듈기판; 상기 양 모듈 기판 사이에 위치하여 두 모듈간 열을 전달하는 단위 열전소자 및 상기 단위 열자 소자의 전극에 연결되는 리드선을 포함하고,
상기 단위 열전소자는 서로 대향되게 배열되는 한 쌍의 기판; 상기 하부 기판의 상부 및 상부 기판의 하부에 형성되는 전극; 및 상기 양 전극 사이에 부착되는 열전소재를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명은 상기 저온부 모듈 기판과 고온부 모듈 기판간 소정 간격을 유지시키는 것이 목적인 바, 다음 세 가지 형태를 통해 상기 목적을 달성 할 수 있다.
첫째, 본 발명에서는 저온부 모듈기판 및 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 있는 기판 사이에 저온부 모듈기판과 일체로 형성된 상부 단위 모듈기판이 더 형성시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에서는 고온부 모듈기판 및 상기 고온부 모듈기판의 직상부에 있는 기판 사이에 고온부 모듈기판과 일체로 하부 단위 모듈기판이 더 형성시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에서는 저온부 모듈기판 및 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 있는 기판 사이에 저온부 모듈기판과 일체로 상부 단위 모듈기판; 및 고온부 모듈기판 및 상기 고온부 모듈기판의 직상부에 있는 기판 사이에 고온부 모듈기판과 일체로 하부 단위 모듈기판이 더 형성시킬 수 있다.
상기 단위 모듈 기판의 형태가 사다리꼴인 것이 바람직하다.
또한, 상기 단위 모듈 기판의 높이는 1mm이상인 것이 바람직하나, 1 ~ 2mm인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 단위 모듈 기판과 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 내에 단열재를 채워 넣는 것을 특징으로 한다.
상기 단열재는 폴리 우레탄폼(PUF : Polyurethane Foam)인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 일부를 절개한 평단면도 및 정면도이다. 또한, 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단위 열전소자의 측면도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명에 따른 박막 열전 모듈은 아래에서 윗 방향으로 고온부 모듈기판(10b), 단위 열전소자(20), 저온부 모듈기판(10a) 순으로 이루어진다.
또한, 상기 단위 열전소자(20)의 전극에는 리드선(30a)(30b)이 연결된다.
상기 저온부 모듈기판(10a)은 상부측에 위치하고, 상기 고온부 모듈기판(10b)은 하부측에 위치하며, 상기 두 모듈기판(10a)(10b)은 서로 대향되게 배열된다.
상기 모듈기판(10a)(10b)은 상기 단위 열전소자(20)의 기판에 의해 절연이 된 상태이므로, 굳이 절연체를 사용할 필요는 없다. 이에, 상기 모듈기판(10a)(10b)의 재질로서 바람직하게는, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등이 사용될 수 있다.
상기 단위 열전소자(20)는 상기 두 모듈 기판 사이에 위치하여 두 모듈간 열 을 전달하는 소자로, 아래에서 윗 방향으로 하부기판(21b), 하부 전극(22b), 박막열전소자(23)(23a)(23b), 상부전극(22a), 상부기판(21a) 순으로 이루어진다.
본 발명에서는 미도시되어 있지만, 상기 박막 열전 소자(23)와 상부 전극(22a) 사이에 솔더층이 형성된다.
상기 솔더층은 주석(Sn) 계열로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 상,하부 기판(21a)(21b)은 열확산이 뛰어난 소재인 것이 바람직하며, 그 일례로 Si, Cu, Al 등의 금속과 AlN, BeO 등의 절연체 기판을 들 수 있다. 또한, 상기 기판(21a)(21b)의 재질로서 Si를 사용하는 경우, 상기 Si는 전기전도도가 있으므로 표면에 얇은 절연막을 형성시켜야 한다.
상기 박막 열전 소자(23)에는 N형 박막 열전 소자(23a)와 P형 박막 열전 소자(23b)가 있다.
다음은 상기 도 1a 내지 도 1c에 도시된 발명을 좀 더 보완하여 도 2 내지 도 4에 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에서는 도 1b에 도시된 박막 열전모듈보다 상기 저온부 모듈기판(10a)과 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 위치한 상부 기판(21a) 사이에 상부 단위 모듈기판(11a)을 형성시켰다.
상기 상부 단위 모듈기판(11a)은 상기 저온부 모듈기판(10a)과 일체형인 것이 바람직하다.
상기 상부 단위 모듈기판(11a)은 그 높이(H1)가 1mm를 초과하여 클수록 바람직하나, 1 ~ 2mm인 것이 보다 바람직하다.
상기에서 상부 단위 모듈기판의 높이(H1)가 2mm를 초과하면 기계적인 강도가 점차 낮아지고, 제조비용이 비싸진다는 문제점이 발생된다.
상기와 같이 저온부 모듈기판(10a)과 상부기판(21a) 사이에 상부 단위 모듈기판(11a)을 형성시킴으로써 상기 저온부 모듈기판(21a)과 고온부 모듈기판(21b) 사이의 간격이 도 1보다는 멀어졌다.
이에 따라, 본 발명에서는 공기와 복사(Radiation)에 의한 열전도로 인한 열의 역류를 방지하여 박막 열전 모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서는 도 1b에 도시된 박막 열전모듈보다 상기 고온부 모듈기판(10b)과 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 위치한 상부 기판(21b) 사이에 상부 단위 모듈기판(11b)을 형성시켰다.
상기 하부 단위 모듈기판(11b)은 상기 고온부 모듈기판(10b)과 일체형인 것이 바람직하다.
상기 하부 단위 모듈 기판(11b)은 도 2 설명부분에 설명된 상부 단위 모듈 기판과 제원(높이 등) 및 특징이 같으므로, 여기서는 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 박막 열전 모듈의 정면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서는 도 1b에 도시된 박막 열전모듈보다 상기 저온부 모듈기판(10a)과 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 위치한 상부 기판(21a) 사이에 상부 단위 모듈기판(11a)을 형성시키고, 또한 상기 고온부 모듈기판(10b)과 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 위치한 상부 기판(21b) 사이에 상부 단위 모듈기판(11b)을 형성시켰다.
상기 상부 단위 모듈기판(11a) 및 하부 단위 모듈기판(11b)은 상기 저온부 모듈기판(10a) 및 고온부 모듈기판(10b)과 일체형인 것이 바람직하다.
상기 상부 단위 모듈기판(11a) 및 하부 단위 모듈기판(11b)은 도 2 설명부분에 설명된 상부 단위 모듈 기판과 제원(높이 등) 및 특징이 같으므로, 여기서는 생략하기로 한다.
다음으로, 상기 도 2 내지 도 4에 도시된 발명을 좀 더 보완하여 도 5 내지 도 7에 도시하였다.
도 5는 도 2에서 저온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 저온부 모듈기판과 접하는 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워 넣은 것을 보여준 정면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 상기 상부 단위 모듈 기판(11a)의 형태를 사다리꼴 형태로 형성시켰다.
이에 따라, 본 발명에서는 단위 열전 소자(20)와 저온부 모듈 기판(11a)과의 열 저항을 줄여 저온부의 온도를 더 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 저온부 모듈기판(11a)과 접하면서 상부 단위 모듈 기판과 상부 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 내에 단열재(40a)를 채워 넣었다.
상기 단열재(40a)는 공기보다 열전도도가 낮고 대류를 방지하며, 복사에 의한 열전도를 감소시키는 특징을 가지는 것이 바람직하다.
상기 단열재(40a)는 바람직하게는, 폴리우레탄 폼(PUF : Polyurethane foam)이다.
상기와 같이, 본 발명은 홈 내에 단열재(40a)를 채워 넣음으로써 홈 내의 대류에 의한 열 전달을 차단시킬 수 있다.
도 6은 도 3에서 고온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 고온부 모듈기판과 접하는 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워넣은 것을 보여준 정면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서는 하부 단위 모듈 기판(11b)의 형태를 사다리꼴 형태로 형성시켰다.
이에 따라, 본 발명에서는 양 모듈 간 단열을 향상시키면서 단위 열전 소자에서 발생된 열의 흐름을 보다 더 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 고온부 모듈기판과 접하면서 하부 단위 모듈 기판과 하부 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 내에 단열재(40b)를 채워 넣었다.
상기 단열재(40b)에 관한 설명은 상기 도 5 설명부분에서 이루어졌으므로, 여기서는 생략하기로 한다.
도 7은 도 4에서 저온부 모듈기판 및 고온부 모듈기판의 형태를 달리하고, 단위 열전소자간의 홈에 단열재를 채워넣은 것을 보여준 정면도이다.
도 7를 참조하면, 본 발명에서는 상부 단위 모듈 기판(11a) 및 하부 단위 모듈 기판(11b)의 형태를 사다리꼴 형태로 형성시켰다.
이에 따라, 본 발명에서는 양 모듈 간 단열을 향상시키면서 단위 열전 소자(20)에서 발생된 열의 흐름을 보다 더 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 저온부 모듈기판과 접하면서 상부 단위 모듈 기판과 상부 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 및 상기 고온부 모듈기판과 접하면서 하부 단위 모듈 기판과 하부 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 내에 단열재(40a)(40b)를 채워 넣었다.
상기 단열재(40a)(40b)에 관한 설명은 상기 도 5 설명부분에서 이루어졌으므로, 여기서는 생략하기로 한다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 박막제조공정을 통해 고밀도로 패터닝된 단위 열전 소자를 이용하여 더 넓은 면적을 가지는 모듈을 제작함으로써 박막 소재의 높은 소재 성능을 이용할 수 있고, 박막소재가 가지는 단위 면적당 생산 비용의 문제를 해결할 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 대향되게 배열된 고온부 모듈기판과 저온부 모듈기판; 상기 양 모듈 기판 사이에 위치하여 두 모듈간 열을 전달하는 단위 열전소자 및 상기 단위 열자 소자의 전극에 연결되는 리드선을 포함하고,
    상기 단위 열전소자는 서로 대향되게 배열되는 한 쌍의 기판; 상기 하부 기판의 상부 및 상부 기판의 하부에 형성되는 전극; 및 상기 양 전극 사이에 부착되는 열전소재를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 저온부 모듈기판 및 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 있는 기판 사이에 저온부 모듈기판과 일체로 형성된 상부 단위 모듈기판이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  3. 제 1항에 있어서, 고온부 모듈기판 및 상기 고온부 모듈기판의 직상부에 있는 기판 사이에 고온부 모듈기판과 일체로 하부 단위 모듈기판이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 저온부 모듈기판 및 상기 저온부 모듈기판의 직하부에 있는 기판 사이에 저온부 모듈기판과 일체로 상부 단위 모듈기판; 및
    고온부 모듈기판 및 상기 고온부 모듈기판의 직상부에 있는 기판 사이에 고 온부 모듈기판과 일체로 하부 단위 모듈기판이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 단위 모듈 기판의 형태가 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  6. 제 5항에 있어서, 단위 모듈 기판의 높이는 1 ~ 2mm인 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  7. 제 6항에 있어서, 단위 모듈기판과 단위 모듈 기판 사이에 형성된 홈 내에 단열재를 채워 넣는 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
  8. 제 7항에 있어서, 단열재는 폴리 우레탄폼인 것을 특징으로 하는 박막 열전 모듈.
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