KR20120016357A - 열전모듈과 통합된 일체형 열전유닛 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환부 및 열전달부를 겸비한 열전유닛의 제작에 있어서, 열교환부 및 열전달부가 열전모듈의 기판역할을 담당하게 함으로써 열전유닛의 제작에 따른 열전시스템의 두께를 줄여줄 수 있으며, 특히 다수의 접합계면 존재로 인한 열손실을 감소시켜 열전모듈의 성능을 향상시킬 수 있는 열전유닛 제조방법에 관한 것이다.

Description

일체형 열전모듈 제조방법 {Manufacture method of thermoelectric module by embodied system}

본 기술은 열전모듈을 이용한 열전유닛(시스템)의 구성에 있어서, 열전유닛의 열교환부(또는 방열부) 및 열전달부(또는 냉각대상체)와 통합된 일체형 열전모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.

열전모듈은 열에너지와 전기에너지의 상호변환이 가능한 친환경적인 에너지재료로써, 알루미나 등의 세라믹기판을 사이에 두고 칩형태의 p형과 n형의 열전반도체(이하 열전반도체라 칭함)가 전기적으로 직렬로 실장된 형태를 가지고 있다. 즉 열전모듈에 전기에너지를 인가하게 되면 열전반도체 내부의 전하(전자, 정공)는 열전모듈의 일단에서 열에너지를 흡수하여 반대면으로 이동시키며, 이로 인하여 열전모듈의 일면은 냉각이 되고 반대면은 발열이 된다. 이때 열전반도체에 의해 이동하는 열에너지는 다양한 접합계면을 가지게 되며, 열전모듈이 충분한 열에너지를 흡수(냉각)하여 반대면으로 이송(발열)하기 위해서는 다양한 접합계면에서의 열저항에 의한 열손실을 줄여줄 수 있는 방안이 절실히 요구된다.

특히 도 1은 기본적인 열전모듈(10)의 구성에 따른 열저항의 정도를 보여주고 있는데, 열전모듈의 일면(냉각면)에서 세라믹 기판(23)을 통하여 흡수된 열량은 열전모듈 내부의 전극(21), 열전반도체(22), 전극(21)을 통하여 반대면(발열면)으로 전달되는 과정에서 다양한 접합계면에서의 열저항에 의하여 열손실이 발생하고, 이로 인하여 실제적인 열전모듈 성능의 감소가 발생하게 된다.

또한 인가되는 전기에너지의 양에 따른 열전모듈의 냉각량은 초기 인가되는 전기에너지의 양에 직선적인 거동을 보여주며, 특히 열전모듈의 발열면의 온도에 따라 그 냉각량이 반비례하는 모습을 보여준다. 따라서 열전모듈 성능의 향상을 위해서는 열전모듈의 발열면에 대한 세심한 설계와 함께 방열부를 포함하는 열전시스템(유닛)에서 접합계면에서의 열저항을 줄여줄 필요가 있다.

일반적인 열전모듈을 이용한 열전시스템(유닛)(20)의 구성을 도 2는 보여주고 있다. 열전유닛(20)은 열전모듈(10)을 사이에 두고 열전모듈의 발열량을 제거하기 위한 열교환부(또는 방열부)(11)와 열전달부(냉각대상체 또는 흡열부)(12)가 적층된 구조를 가지고 있다. 그리고 열전모듈(10)과 열교환부(11), 열전달부(12)는 각각의 접합계면에서의 열저항을 줄여주기 위하여 열전도성 그리스 또는 열전도성 패드 등이 도포 또는 삽입되고 볼트 등을 이용하여 열교환부로부터 열전달부까지 기계적으로 체결하여 조립하는 것이 일반적이다. 하지만 도 1에서 보는 바와 같이 열전모듈(10)은 열전반도체(22)를 사이에 두고 세라믹기판(23), 제1솔더접합층, 전극(21), 제2솔더접합층의 대칭구조를 가지는 특성으로 인하여 최소 4개의 접합계면을 가지게 되며, 또한 열전모듈을 이용한 열전유닛을 제작하게 되면 열교환부(11) 및 열전달부(12)를 더하여 모두 6개 이상의 접합계면이 존재할 수밖에 없게 된다. 따라서 다수의 접합계면의 존재로 인한 열저항에 의한 열손실은 열전시스템의 성능저하를 가져오는 것은 피할 수 없는 사실이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 열전모듈을 이용한 열전유닛의 제작에 있어서 열전모듈과 열교환부가 일체화된 열전모듈을 제작함으로써 다수의 접합계면의 존재로 인한 열손실을 감소시켜 열전모듈의 성능을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로써, 열전반도체(22)를 사이에 두고 하면에는 전기적 절연층(36,37)이 형성된 열교환부(11)가 설치되며, 열전반도체의 상면에도 전기적 절연층(36,37)이 형성된 열전달부(12)가 부착된다. 이때 열교환부 및 열전달부의 표면에는 전기적 절연을 위한 절연층이 전기적 회로 패턴을 따라 형성되어지며, 절연층 위에는 전극(32)이 부착되고 열전반도체는 솔더 등의 접합재를 이용하여 전극와 접합되어 열전모듈과 일체화된 열전유닛(30)을 제공하게 된다.

본 발명은 열교환부 및 열전달부를 겸비한 열전유닛의 제작에 있어서, 열전모듈의 기판 역할을 열교환부 및 열전달부가 담당하게 함으로써 열전유닛의 제작에 따른 열전시스템의 두께를 줄여줄 수 있으며, 특히 다수의 접합계면의 존재로 인한 열손실을 감소시켜 열전모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 열전모듈의 구성에서 열전모듈의 접합계면에 따른 열저항을 도시한 개념도
도 2는 종래 기술에 의한 일반적인 열전모듈을 이용한 열전유닛의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 열전모듈과 일체형으로 제작된 열전유닛의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 열전유닛의 구성에서 열교환부를 확대 도시한 단면도

본 발명의 실시에 따른 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참고하여 설명하도록 한다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 열전시스템(유닛)(30)의 전체 구성을 도시한 것이며, 도 4는 도 3의 열교환부(11)만을 분리하여 그 단면도를 보여주고 있다.

도 3에서 보는 바와 같이, 열전모듈화된 열전유닛(30)은 열전반도체(22)의 발열량을 제거하기 위한 열교환부(11)와 열전반도체의 냉각량을 냉각대상체에 전달하기 위한 열전달부(12)의 사이에 열전반도체가 실장된 구조를 가지고 있다. 열교환부의 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 유로(35)가 형성되어 열교환부에 유입된 발열량을 외부로 배출하는 역할을 하게 되며, 열교환부의 외부는 아노다이징 등의 표면처리를 하여 산화방지 및 일차적인 절연특성 부여하게 된다. 열교환부의 재질은 알루미늄 또는 구리, 그리고 그 합금, 또는 스테인레스 스틸을 사용할 수 있으며 열전반도체의 발열량을 제거해주기 위한 목적을 위해서는 다양한 금속재료의 선택이 가능할 수 있다.

표면처리된 열교환부의 표면에는 열전반도체를 실장하기 위한 전기적 회로가 형성되게 되며, 이때 금속재질의 열교환부는 절연특성 부여를 위한 절연층의 도포가 이루어지게 된다. 절연층은 열전반도체가 실장되는 열교환부의 전면에 도포되거나 전기적 회로 패턴을 따라 그 면적에만 도포하는 것이 가능하며, 이때 절연층은 실리콘 수지 계열의 절연재가 사용될 수 있다. 그리고 절연층이 인쇄된 열교환부에는 절연층 상에 열전반도체와의 전기적 연결을 위한 전극이 위치하여 열전반도체가 실장되게 된다. 따라서 열교환부는 열전반도체의 발열량을 제거해주는 동시에 열전모듈의 하부 기판으로써 그 역할을 수행하게 된다.

열교환부(11) 상에 열전반도체(22)가 실장되면 열전반도체의 반대면에는 열교환부와 동일한 구성의 열전달부(12)가 결합된다. 즉 열전달부(12)는 열교환부와 동일하게 산화방지 및 일차적인 절연특성 부여를 위한 아노다이징 등의 표면처리가 수행되고, 그 위에 전기적 절연특성 부여를 위하여 절연층(36,37)이 인쇄된다. 인쇄면적은 열전달판의 전면에 걸쳐 인쇄하는 것이 가능하고 또는 전기적 패턴 면적을 따라 그 면적에만 인쇄하는 것도 가능하다. 절연층이 인쇄된 열전달부에는 전극(32)이 부착되고 열전반도체가 실장되어 열전유닛(모듈)을 완성하게 된다.

그리고 열전반도체가 위치하는 열교환부 및 열전달부의 사이에는 실리콘 및 에폭시 등의 실링재를 사용하여 밀봉하며, 열전반도체 내부에서 수분의 응축 및 침투로 인한 전기적 단락을 방지하도록 한다.

상기와 같은 방법으로 제작된 열전모듈화된 열전유닛의 세부적 구성을 도 4를 통하여 설명한다. 열교환부(11)가 열전모듈의 기판으로 역할을 하기 위해서는 뛰어난 열전달 특성과 함께 높은 전기적 절연특성이 동시에 요구된다. 이를 위해서 본 발명에서는 열교환부는 뛰어난 열전달특성 및 가공성을 지닌 알루미늄 재질의 금속이 사용되었으며 열교환부의 내부에는 냉각수 등이 흐를 수 있는 유로(35)가 형성된다. 이때 열교환부에 전기적 절연특성을 부여하기 위한 방법으로는 먼저, 열교환부에 전체에 걸쳐 두꺼운 산화피막을 입히고 그 위에 전기적 회로 형성을 위한 전도성 페이스트를 인쇄하여 소성하고 전극을 솔더 등의 접합재를 이용하여 전극을 부착하는 것이 가능할 수 있다. 이때 산화피막의 두께는 절연특성을 부여하기 위하여 10~200의 두께로 형성하는 것이 가능하며, 전기적 회로 형성을 위한 전도성 페이스트는 Ag, Cu, Au 등을 주성분으로 하는 페이스트를 사용하여 5~100 두께로 인쇄 및 소성하는 것이 필요하다.

열교환부에 열전모듈의 기판 역할을 부여하기 위한 또 다른 방법으로는, 일차적으로 열교환부에 상기와 동일한 방법으로 산화피막을 입힘으로써 제1절연층(36)을 형성한다. 그리고 형성된 제1절연층 상에 다시 제2절연층(37)을 인쇄하는 방법으로, 제2절연층은 실리콘 등의 열전도성 수지를 이용하여 인쇄한다. 이때 제2절연층(37)의 두께는 50~200의 두께에서 선택함이 바람직하며, 제2절연층은 전극이 올려진 상태에서 50~250의 온도범위에서 건조하여 완성한다.

상기에서 기술한 본 발명의 실시예에 따르면, 열전달부 및 열교환부는 열전유닛의 구성부로써 열전반도체의 발열량 및 냉각량을 제거 또는 흡수하는 역할을 함과 동시에 열전모듈의 기판 역할을 동시에 수행하게 된다. 따라서 일반적인 열전유닛의 구성과 비교하여 열전시스템의 두께를 줄여줌과 동시에, 열전유닛의 체결에 따른 기계적 충격을 감소시켜 열전유닛의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 특히 다수의 접합계면의 수를 줄여주어 접합층에서의 열손실을 감소시킴으로 인하여 열전반도체의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 구체적 실시예를 통하여 설명한 본 발명의 내용은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 안에서 당 분야의 통상적 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능함은 명백하다.

10 : 열전모듈 11 : 열교환부
12 : 열전달부 20 : 열전유닛
21 : 전극 22 : 열전반도체
23 : 열전모듈용기판 32 : 전극
35 : 열교환부 내부유로 36 : 제1절연층
37 : 제2절연층

Claims (5)

1. 열전유닛의 제작방법에 있어서, 열전반도체의 발열면에 위치하는 열교환부와 열전반도체의 흡열면에 위치하는 열전달부가 열전반도체의 양단에 위치하여 열전반도체의 지지기판으로써 동시에 역할을 하는 열전모듈과 일체형으로 제작된 열전유닛의 제작방법
2. 제 1항에 있어서, 열교환부와 열전달부는 열전반도체의 양단에 위치하고 열교환부와 열전달부의 표면에는 산화피막처리를 통한 제1절연층과 전도성 페이스트를 이용한 전기회로층을 형성하고 솔더의 접합재를 이용하여 전극을 부착함을 특징으로 하는 열전유닛의 제작방법
3. 제 2항에 있어서, 열교환부와 열전달부의 제1절연층은 아노다이징을 통하여 산화피막을 형성하고 전기적 회로형성층은 Ag, Cu, Au의 전도성 페이스트를 사용함을 특징으로 하는 열전유닛의 제작방법
4. 제 1항에 있어서, 열교환부와 열전달부는 열전반도체의 양단에 위치하고 열교환부 및 열전달부의 표면에는 산화피막처리를 통한 제1절연층을 형성하고 제1절연층의 표면에는 실리콘계 수지를 이용한 제2절연층을 인쇄한 후 전극과 함께 건조 소성함을 특징으로 하는 열전유닛의 제작방법
5. 제 1항에 있어서, 열교환부의 내부에는 냉각수 또는 기체가 흐를 수 있는 유로가 형성되어 열전반도체의 발열량을 냉각수에 의해 제거함을 특징으로 하는 열전유닛의 제작방법
   

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