KR20100025067A - 요철 기판을 사용한 열전모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 일면에 일정 깊이의 요철부가 각각 형성되고, 상기 요철부가 형성된 면이 대향되게 형성되되, 상기 요철부가 서로 엇갈리도록 형성되는 상부 및 하부 기판과; p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 요철부에 걸쳐 교대로 형성되는 열전소자와; 상기 요철부 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 요철부와 상기 열전소자를 기계적으로 접합시키고, 인접하는 상기 열전소자 간을 전기적으로 접합시키는 접합전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 요철 기판을 사용한 열전모듈 및 상기 기판의 요철부는 압연성형부가 형성된 압연롤러에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다. 이에 따라 기판에 요철부를 형성시켜 열전소자의 높이(Lo′)를 줄일 수 있게 되어, 열전모듈의 효율을 높일 수 있으며, 또한, 요철부에 의해 p형과 n형의 열전소자의 조립시 조립안정성이 확보되는 이점이 있다.
열전모듈 열전소자 비대칭 요철 효율 접합전극층 납땜
Description
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 특히 기판에 요철부를 형성시켜 열전모듈의 높이를 줄일 수 있게 되어, 열전모듈의 효율을 높일 수 있으며, 또한, 요철부에 의해 p형과 n형의 열전소자의 조립시 조립안정성이 확보되는 요철 기판을 사용한 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열전모듈은 펠티어(Peltier) 효과와 제벡(seebeck) 효과를 이용한 것으로, 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환시스템으로, 극전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환할 수 있으며, 또한 제벡 효과에 의해 모듈 양단 간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 장치이다.
이와 같은 열전모듈은 냉각용과 발전용이 있으며, 빠르고 우수한 냉각효과 또는 발전효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부피가 매우 작기 때문에 차세대 냉각 및 발전소자로 각광받고 있으며, 특히 냉각용 전자소자와 같이 시스템의 안정성을 요하나 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 요하는 경우, 온도의 정밀 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되어지고 있고, 발전용은 배폐열과 같은 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는데 사용되어지고 있다.
도 1은 종래의 열전모듈에 대한 개략적인 단면도이다. 본 발명에서는 냉각용 열전모듈(10)을 중심으로 설명하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 열전모듈은 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹(ceramics) 재질의 기판(11)(12) 사이에 n형과 p형의 열전소자(13)들을 배열시켜 형성되며, p형 소자와 n형 소자를 구리와 같은 금속전극(14)에 접합시키고 상기 회로 p-n쌍(couple) 양분지단의 극을 각각 -,+로 되도록 직류 전류를 흘리면, 펠티어 효과에 따라 p형 소자 내의 정공은 -극으로, n형 소자 내의 전자는 반대극으로 이끌리게 된다.
이때 정공과 전자 모두 상부의 p-n접합부 전극으로부터 열을 갖고 하부 양분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 접합부에서는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부의 양분지단은 열을 방출하게 된다. 전류의 흐름을 반대로 하면, 이와 반대의 효과가 일어난다.
한편, 발전용 모듈은 모듈의 양단에 일정 온도차를 형성시키면 제벡효과에 의해 모듈에서 직류전압이 발생하여 전기에너지를 얻을 수 있게 되는 것이다.
따라서 열전모듈은 냉각용 또는 가열용으로 사용될 수 있어 온도조절이 필요한 장치에 매우 적절하며, 열에너지로부터 전기에너지를 생성시킬 수 있어 발전용으로도 이용할 수 있다.
종래의 이러한 열전모듈은 상술한 바와 같이 크게 알루미나 기판, 열전소자 그리고 구리와 같은 금속전극의 3부분으로 구성되어 있다. 이 3부분을 전기적, 열적으로 연결하기 위해 이들 사이를 납땜(15)하거나(열전소자와 구리 전극 사이), 필러(filler)와 같은 접합재(16)로 접합되어 있고(구리 전극과 알루미나 기판 사이), 또한 열전소자의 특성을 유지하기 위해 고온 확산방지층(17)이 형성되어 있다.
상기와 같이 종래의 열전모듈은 직육면체나 정육면체의 형태로 절단하여 열전소자로 사용하고, 또한 p형과 n형 소자의 전기적 접촉을 위해 구리 전극을 필수적으로 사용하고 있다.
이와 같이 열전모듈의 형태나 구리 전극의 사용으로 인해 납땜, 접합재 등 많은 접합층을 가지고 있어서, 전기저항이 증가하게 되고, 또한 열전모듈의 제조 공정이 복잡하여 제조단가를 상승시키는 문제점이 있다.
또한, 다층의 접합층으로 인하여 열전모듈의 두께가 증가하게 되는데, 이는 열전모듈의 효율을 감소시키는 역할을 하게 된다. 즉, 열전모듈 내에 위치한 열전소자의 두께가 두꺼울수록 효율은 낮아지게 된다(참고문헌 D. M. Rowe, CRC Handbook of Thermoelectrics, p.482 CRC Press). 이것은 다음의 이론적인 모델의 출력식으로 표현된다.
상기 식으로부터 알 수 있듯이, 열전모듈의 출력(Pi)은 열전소자의 높이(Lo) 에 반비례함을 알 수 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전소자의 높이(Lo′)를 가능한 줄이기 위해 기판에 일정 깊이의 요철을 형성시킨 열전모듈 및 그 제조방법의 제공을 그 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 일면에 일정 깊이의 요철부가 각각 형성되고, 상기 요철부가 형성된 면이 대향되게 형성되되, 상기 요철부가 서로 엇갈리도록 형성되는 상부 및 하부 기판과; p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 요철부에 걸쳐 교대로 형성되는 열전소자와; 상기 요철부 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 요철부와 상기 열전소자를 기계적으로 접합시키고, 인접하는 상기 열전소자 간을 전기적으로 접합시키는 접합전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 요철 기판을 사용한 열전모듈 및 상기 기판의 요철부는 압연성형부가 형성된 압연롤러에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 열전소자는, 상하로 비대칭적으로 돌출된 돌출부가 형성된 p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 기판 사이에 교대로 배열형성되되, 상기 p형 소자 및 n형 소자의 돌출부 간에 서로 대향되도록 배치되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합전극층은, 상기 요철부의 형상에 대응되어 상기 요철부 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 기판과 열전소자를 접합시키면서, 상기 열전소자의 돌출부 간을 전기적으로 연결시켜 정공 또는 전자의 이동경로(A)를 제공하는 접합전극층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 접합전극층은, 상기 상부 및 하부 기판과 열전소자 간의 납땜으로 구현되는 것, 상기 납땜 재료는, Sn-Pb 화합물, Sn-Ag-Cu 화합물, Sn-Cu 화합물, Sn-Bi 화합물 및 Sn-Zn 화합물 중에 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합전극층은, 인접하는 상기 열전소자 간을 전기적으로 접합시키는 전극층과; 상기 상부 및 하부 요철부와 상기 전극층을 접합시키는 제1접합층과; 상기 전극층과 상기 열전소자를 접합시키는 제2접합층;으로 구성되는 것이 바람지하다.
또한, 상기 상부 및 하부 기판은, 알루미나, 산화피막이 형성된 알루미늄 금속판 및 산화피막이 형성된 합금판 중에 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 기판에 요철부를 형성시켜 열전소자의 높이(Lo′)를 줄일 수 있게 되어, 열전모듈의 효율을 높일 수 있으며, 또한, 요철부에 의해 p형과 n형의 열전소자의 조립시 조립안정성이 확보되는 효과가 있다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 열전모듈의 바람직한 실시예에 대한 단면 도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열전모듈(100)은 상부 및 하부 기판(110),(120), 그 사이에 교대로 배치된 p형과 n형의 열전소자(130), 그리고 이들을 전기적, 기계적으로 연결하는 접합전극층(140)으로 크게 구성된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
<제1실시예>
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예는 일면에 일정 깊이의 요철부(111),(121)가 각각 형성되며, 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹 재질, 산화피막이 형성된 알루미늄 금속판 및 산화피막이 형성된 알루미늄 합금판 등의 절연 기판 중에서 어느 하나를 사용한다. 여기에서 알루미늄 산화피막이 형성된 알루미늄 금속판 또는 합금판은 열전모듈의 내구성 및 취성, 경제성을 보다 요하는 부분에 사용할 수 있다.
상기 요철부(111),(121)가 형성된 면이 서로 마주보도록 상기 상부 및 하부 기판(110),(120)을 형성시키되, 상기 상부 요철부(111)와 하부 요철부(121)는 일직선 상에서 서로 마주보지 않고, 엇갈리게 위치되도록 기판(110),(120)을 배치시킨다. 즉, 상기 상부 기판(110)의 요철부(111)의 중심위치에 상기 하부 기판(120)의 요철부(121)와 인접하는 요철부(121) 사이의 기판 부분이 위치되도록 한다.
상기 요철부(111),(121)가 형성된 기판(110),(120)은 도 6에 도시된 바와 같 은, 외주면에 압연성형부(210)가 형성된 압연롤러(200)에 의해 성형되며, 상기 요철부(111),(121)는 압연성형부(210)에 대응되는 형상의 너비 및 깊이로 이루어지게 된다.
상기 기판(110),(120) 사이에 정육면체 또는 직육면체로 이루어진 p형 소자와 n형 소자로 이루어진 열전소자(130)를 교대로 배치 형성시키되, 상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)에 걸쳐 형성되도록 한다. 이에 의해 상기 요철부에 열전소자들이 형성됨으로써, p형과 n형의 열전소자의 조립시 조립안정성이 확보되게 된다.
여기에서, 상기 기판(110),(120)과 열전소자(130)의 기계적 접합과 인접하는 열전소자(130) 간의 전기적 접합을 위해 접합전극층(140)이 형성된다.
상기 접합전극층(140)은 인접하는 상기 열전소자(130) 간을 전기적으로 접합시키는 전극층(141)과, 상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)와 상기 전극층(141)을 접합시키는 제1접합층(142)과, 상기 전극층(141)과 상기 열전소자(130)를 접합시키는 제2접합층(143)으로 구성된다.
상기 전극층(141)은 인접하는 열전소자(130) 간을 전기적으로 접합시키는 역할을 하며, 상하로 교대로 인접하는 열전소자(130) 간이 전기적으로 연결되도록 하여, p형 소자 및 n형 소자의 열전소자(130)가 직렬로 교대로 전기적으로 연결되게 된다. 상기 전극층(141)은 일반적으로 구리를 사용한다.
그리고, 상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)와 상기 전극층(141)을 접합시키기 위해 제1접합층(142)이 형성되며, 상기 제1접합층(142)은 필러(filler)와 같 은 접합재로 이루어지거나 납땜에 의해 형성된다.
그리고, 상기 전극층(141)과 상기 열전소자(130)를 접합시키기 위해 제2접합층(143)이 형성되며, 상기 제2접합층(143)은 Sn-Pb 복합물, Sn-Cu 복합물에 의한 납땜 작업에 의해 형성가능하다.
한편, 열전소자(130)의 고온에서의 확산을 방지하기 위한 확산방지층은 열전소자(130) 형성시 형성되는 것으로, 도면에서 나타내지는 않았다.
여기에서, 일반적으로 상기 p형 소자는 Bi-Sb-Te 화합물을 사용하며, 상기 n형 소자는 Bi-Te-Se 화합물을 사용한다.
상기와 같이 요철부(111),(121)가 형성된 기판(110),(120)을 사용하면 열전모듈의 작동에 관련되는 열전소자(130)의 높이(Lo′)가 종래(Lo)에 비해 짧아져, 열전소자(130)의 저항이 낮아져 열전모듈의 출력(Pi)을 더 높일 수 있게 되는 것이다.
<제2실시예>
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도이다. 본 발명의 제2실시예는, 상술한 제1실시예와 기판(110),(120)의 형상은 동일하나, 상기 접합전극층(140)이 상기 전극층, 상기 제1접합층, 제2접합층과 같이 다수개의 층으로 이루어진 것이 아니라 단일의 층으로 이루어진 복합접합층으로 구성된 것이다.
상기 복합접합층은 상기 요철부(111),(121)의 형상에 대응되어 상기 요철부(111),(121) 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 기판(110),(120)과 열전소 자(130)를 접합시키면서, 동시에 상기 열전소자(130) 간을 전기적으로 연결시키게 된다.
상기 복합접합층은 납땜에 의해 구현될 수 있으며, 인접하는 p형과 n형의 열전소자(130)들은 납땜에 의해 기판(110),(120)과 연결되며, 비용이 저렴한 Sn-Pb 복합물, Sn-Ag-Cu 복합물, Sn-Cu 복합물, Sn-Bi 화합물 및 Sn-Zn 화합물 중에 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
여기에서 상기 복합접합층은 요철부(111),(121)의 형상에 대응되게 형성되므로, 상기 열전소자(130)와의 접합면적이 넓어져 기계적 접합 역할도 충분히 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 인접하는 열전소자(130) 간을 전기적으로 연결시켜 정공 또는 전자의 이동경로(A)를 제공하게 된다.
즉, 본 발명의 제2실시예는 종래의 열전소자(130)의 형상인 직육면체 또는 정육면체와 같은 대칭적인 형상을 유지하면서, 요철부(111),(121)가 형성된 기판(110),(120)을 사용하고, 열전소자(130)와 기판(110),(120)과의 기계적 접합 및 열전소자(130) 간의 전기적 접합을 단일층으로 이루어진 복합접합층에 의해 구현되도록 한 것이다.
<제3실시예>
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도이다. 본 발명의 제3실시예는, 상술한 제1실시예와 기판(110),(120)의 형상은 동일하고, 상술한 제2실시예와 접합전극층(140)의 형상은 동일하나, 상기 열전소자(130)의 형상이 상하 로 비대칭적으로 형성된 것이다.
상기 열전소자(130)는 p형과 n형의 소자가 교대로 상기 상부 및 하부 기판(110),(120) 사이에 배열형성되되, 상기 열전소자(130)는 종래의 직육면체나 정육면체의 형상에서 탈피하여 상하로 비대칭적으로 돌출된 돌출부(131)가 형성되며, 상기 돌출부(131)가 서로 대향되도록 상기 p형 소자 및 n형 소자는 배치되게 된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 열전소자(130)의 상단부 및 하단부에는 종래의 직육면제나 정육면체의 형상에서 외측으로 연장되게 돌출된 돌출부(131)가 형성되는 것으로, 상단부에는 우측(좌측)으로 돌출된 형상을 가지고, 하단부에는 좌측(우측)으로 돌출된 형상을 가져 상하로 비대칭적으로 돌출된 돌출부(131)를 가지는 것이 그 특징이다.
여기에서 단일층으로 형성된 접합전극층(140)인 복합접합층은 열전소자(130)와 기판((110),(120)을 기계적으로 연결시키기 위해 열전소자(130)의 상단부 및 하단부의 넓은 면과 기판(110),(120) 사이에 형성되며, 열전소자(130) 간의 전기적으로 연결시키기 위해 열전소자(130)에 각 형성된 돌출부(131) 사이에도 연장되게 형성되도록 한다.
즉, 상기 열전소자(130)에 각 형성된 돌출부(131)에서는 복합접합층을 매개로 상호 열전소자(130)들이 전기적으로 연결되게 되며, 이 부분은 다른 부분에 비해서 가장 전기적 저항이 작은 부분으로써, 열전소자(130)의 캐리어인 정공 또는 전자는 이들을 통해서 이동하게 되어 정공 또는 전자의 이동경로(A)를 제공하게 되어, p형과 n형의 열전소자(130)들은 각 교대로 전기적으로 연결되게 되는 것이다.
다시 말해, 상기 열전소자(130)의 돌출부(131) 간에는 거리가 가까워 전기적 저항이 작아 전기적 캐리어들의 이동이 가능하도록 하는 것이고, 열전소자(130)의 상단부 및 하단부의 넓은 면으로는 기판(110),(120)과 납땜되어 기계적으로 견고하게 상호 연결되게 되도록 하는 것이다.
여기에서 상기 복합접합층의 납땜 물질은 전기적 저항이 작고, 비용이 저렴한 Sn-Pb 복합물, Sn-Ag-Cu 복합물, Sn-Cu 복합물, Sn-Bi 화합물 및 Sn-Zn 화합물 중에 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
이에 의해 종래의 구리 전극 등의 금속전극의 사용으로 기판(110),(120)과 열전소자(130)와의 기계적 연결을 위해, 금속전극의 형성을 비롯하여 별도의 납땜이나 접합재 등을 형성시키지 않아도, 열전소자(130)의 형태의 변경에 의한 한 번의 납땜에 의한 복합접합층의 형성만으로, 열전소자(130) 간을 전기적으로 연결시키는 전극의 역할 및 열전소자(130)와 기판(110),(120)을 기계적으로 연결시키는 접합재 등의 역할을 복합적으로 구현해낼 수 있어, 공정이 간단하여 제작비용이 절감되도록 하는 것이다.
즉, 본 발명의 제3실시예는 요철부(111),(121)가 형성된 기판(110),(120)을 사용하고, 비대칭의 열전소자(130)를 사용하면서, 이들의 접합 및 열전소자(130) 간의 전기적 접합을 위해 접합전극층(140)이 단일층으로 이루어진 복합접합층을 사용하는 것이다.
상기에서와 같이 요철부(111),(121)가 형성된 기판(110),(120)의 사용에 의 해 열전소자(130)의 높이가 줄어들어 열전모듈의 효율을 더 높일 수 있게 되는 것이다.
도 1 - 종래의 열전모듈에 대한 개략적인 단면도.
도 2 - 본 발명에 따른 요철 기판을 사용한 열전모듈의 기판에 대한 사시도.
도 3 - 본 발명의 제1실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도.
도 4 - 본 발명의 제2실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도.
도 5 - 본 발명의 제3실시예에 따른 열전모듈에 대한 단면도.
도 6 - 본 발명에 따른 기판을 성형 방법을 개략적으로 나타낸 도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
10 : 종래의 열전모듈 11, 12 : 기판
13 : 열전소자 14 : 금속전극
15 : 납땜 16 : 접합재
17 : 확산방지층 100 : 본 발명에 따른 열전모듈
110, 120 : 기판 111,121 : 요철부
130 : 열전소자 131 : 돌출부
140 : 접합전극층 141 : 전극층
142 : 제1접합층 143 : 제2접합층
200 : 압연롤러 210 : 압연성형부
A : 정공 또는 전자의 이동경로
Claims (8)
- 일면에 일정 깊이의 요철부(111),(121)가 각각 형성되고, 상기 요철부(111),(121)가 형성된 면이 대향되게 형성되되, 상기 요철부(111),(121)가 서로 엇갈리도록 형성되는 상부 및 하부 기판(110),(120)과;p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)에 걸쳐 교대로 형성되는 열전소자(130)와;상기 요철부(111),(121) 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)와 상기 열전소자(130)를 기계적으로 접합시키고, 인접하는 상기 열전소자(130) 간을 전기적으로 접합시키는 접합전극층(140);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 열전소자(130)는,상하로 비대칭적으로 돌출된 돌출부(131)가 형성된 p형 소자 및 n형 소자가 상기 상부 및 하부 기판(110),(120) 사이에 교대로 배열형성되되, 상기 p형 소자 및 n형 소자의 돌출부(131) 간에 서로 대향되도록 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 2항에 있어서, 상기 접합전극층(140)은,상기 요철부(111),(121)의 형상에 대응되어 상기 요철부(111),(121) 상면에 형성되며, 상기 상부 및 하부 기판(110),(120)과 열전소자(130)를 접합시키면서, 상기 열전소자(130)의 돌출부(131) 간을 전기적으로 연결시켜 정공 또는 전자의 이동경로(A)를 제공하는 접합전극층(140)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 3항에 있어서, 상기 접합전극층(140)은,상기 상부 및 하부 기판(110),(120)과 열전소자(130) 간의 납땜으로 구현되는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 4항에 있어서, 상기 납땜 재료는,Sn-Pb 화합물, Sn-Ag-Cu 화합물, Sn-Cu 화합물, Sn-Bi 화합물 및 Sn-Zn 화합물 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 접합전극층(140)은,인접하는 상기 열전소자(130) 간을 전기적으로 접합시키는 전극층(141)과;상기 상부 및 하부 요철부(111),(121)와 상기 전극층을 접합시키는 제1접합층(142)과;상기 전극층(141)과 상기 열전소자(130)를 접합시키는 제2접합층(143);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 기판(110),(120)은,알루미나, 산화피막이 형성된 알루미늄 금속판 및 산화피막이 형성된 합금판 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 요철 기판을 사용한 열전모듈.
- 상부 및 하부 기판(110),(120)과 열전소자(130)를 기계적으로 접합시키고, 인접하는 열전소자(130) 간을 전기적으로 접합시켜 형성되는 열전모듈의 제조방법에 있어서,외주면에 압연성형부가 형성된 압연롤러(200)에 의해 가압되어 상기 상부 및 하부 기판(110),(120)의 일면에 상기 압연성형부(210)에 대응되는 형상의 요철부(111),(121)를 형성시키는 요철 기판을 사용한 열전모듈의 제조방법.
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