KR20120070902A - 열전 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 이용한 열전 모듈을 제시한다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 이용한 열전 모듈에 관한 것이다.

열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다.

이와 같은 열전 현상을 이용하는 열전 모듈(thermoelectric module)은 크게 교대로 배열된 P형 열전소자 및 N형 열전소자, 상기 열전소자를 연결하는 금속전극, 상기 열전소자와 금속전극을 지지하며 열교환 기능을 하는 상부 기판 및 하부 기판으로 구성된다.

여기서, 금속전극은 P형 열전소자 및 N형 열전소자와 π결합 형태로 열전소자의 상면 및 하면에 형성되어, 각 열전소자들을 전기적으로 직렬로 연결하는 기능을 하는데, 종래의 열전 모듈에서 사용되는 금속전극의 경우, 기판상에서 결합되는 위치에 상관없이 각각의 단면적이 모두 동일한 복수의 금속전극으로 형성된다.

한편, 금속전극에 리드선을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 펠티어 효과에 의해 N형 열전소자에서 P형 열전소자로 전류가 흐르는 기판 측은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, P형 열전소자에서 N형 열전소자로 전류가 흐르는 기판 측은 가열되어 발열부로 작용하므로, 열전 모듈은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 기판 표면에서의 온도 분포가 균일하게 저온으로 형성되어야 냉각 효과가 향상된다.

그러나 상술한 바와 같이 기판상에서 결합되는 위치에 상관없이 각각의 단면적이 모두 동일한 복수의 금속전극을 사용하여 열전 모듈을 구성하는 경우, 기판의 중앙부에 밀집하여 배치된 열전소자의 의해 기판의 외곽부보다 중앙부에서 열 전달이 활발하게 일어나 열적 불균형 현상이 발생하고, 이에 따라, 냉각 효과가 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명은 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 사용한 열전 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예를 따르면, 복수의 열전소자와, 상기 복수의 열전소자의 상/하 양측면에 결합되는 복수의 금속전극 및 기판으로 이루어지는 열전 모듈에 있어서, 상기 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 포함하는 열전 모듈을 제공한다.

또한, 상기 복수의 금속전극은 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극의 단면적이 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적에 비해 더 넓은 열전 모듈을 제공한다.

또한, 상기 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적에 대한 상기 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극의 단면적의 비율(N)은 1<N≤2 범위 내인 열전 모듈을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기판의 중앙부에 밀집하여 배치된 열전소자의 의해 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 해소하여 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.

또한, 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 제조하는 것은, 기존의 설계 공정에서 단순히 전극 형상에 대한 설계 변경을 함으로써 제조 가능하므로, 별도의 비용을 들이지 않고도 열전 효과를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열전 모듈의 일부를 절개한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 열전모듈에 포함되는 복수의 금속전극이 인쇄된 하부 기판을 나타낸 도면.
도 3은 시뮬레이션에 따라 본 발명에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차와 종래 기술에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 비교한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열전 모듈(100)의 일부를 절개한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열전모듈에 포함되는 복수의 금속전극이 인쇄된 하부 기판을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)은 교대로 배열된 복수의 P형 열전소자(110) 및 N형 열전소자(120)와, 상기 열전소자의 상/하 양 측면에 형성되어 P형 열전소자와 N형 열전소자를 전기적으로 연결하는 복수의 금속전극(130)과, 열교환 기능을 하며 상기 열전소자(110,120)와 금속전극(130)을 지지하는 상부 기판(140) 및 하부 기판(150)으로 구성될 수 있다.

도 2를 참조하여 상기 복수의 금속전극(130)을 더욱 자세하게 살펴보면, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)의 경우, 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 포함할 수 있다.

또한, 바람직하게는 상기 복수의 금속전극은 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극(130a)의 단면적이 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극(130b)의 단면적에 비해 더 넓게 형성될 수 있다.

상기 금속전극(130)에 리드선(미도시)을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 상기 N형 열전소자(120)에서 P형 열전소자(110)로 전류가 흐르는 기판(140) 측은 펠티에 효과에 의해 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, 상기 P형 열전소자(110)에서 N형 열전소자(120)로 전류가 흐르는 기판(150) 측은 가열되어 발열부로 작용하므로, 상기 열전 모듈(100)은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 냉각부로 작용하는 기판(140) 표면에서의 온도 분포가 균일하게 저온으로 형성되어야 냉각 효과가 향상된다.

따라서, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)에 사용되는 복수의 금속전극(130)과 같이, 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하고, 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극(130a)의 단면적을 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극(130b)의 단면적보다 더 넓게 형성하는 경우, 기판의 중앙부에 밀집하여 배치된 열전소자 배치에 의해 기판 표면에서의 열적 불균형 현상을 방지하여 냉각 효과를 향상할 수 있다.

즉, 전압 인가시 펠티어 효과에 의해 열이 발생하므로 상기 열전소자에서의 열 전달을 열량의 관점에서 보았을 때, 기판의 외곽부에 비해 열전소자가 밀집된 기판의 중앙부에서 열량 발생이 크게 나타나고, 따라서, 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극(130a)의 단면적을 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적(130b)보다 더 넓게 형성하는 경우, 단면적이 넓어짐에 따라 전류가 흐를 수 있는 경로가 넓어지게 되어 전류의 흐름에 따른 열전도도가 높아지므로 기판의 중앙부와 외곽부의 열적 불균형 현상이 해소되는 것이다.

한편, 상기 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적(130b)에 대한 상기 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극(130a)의 단면적의 비율(N)은 1<N≤2 범위 내인 것이 바람직하다.

상기 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극(130b)의 단면적에 대한 상기 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극(130a)의 단면적의 비율(N)이 2를 초과하는 경우, 인접한 금속전극(130) 간에 접합이 일어날 수 있고, 이를 피하기 위해 열전소자들의 배치 간격을 넓게 형성하는 경우, 열전 모듈 전체의 크기가 커지게 되어 열전 모듈의 이점으로 작용하고 있는 제품 소형화의 관점에 부합되지 못하게 된다.

도 2는 하부 기판(150) 위에 인쇄되어 각 열전소자의 하면과 결합되는 복수의 금속전극을 예시로 설명하였으나, 기판(140) 아래에 인쇄되어 각 열전소자의 상면과 결합되는 복수의 금속전극의 경우도 마찬가지로, 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극으로 형성될 수 있고, 상기 복수의 금속전극은 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극의 단면적이 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적에 비해 더 넓게 형성될 수 있다.

도 3은 시뮬레이션에 따라 본 발명에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차와 종래 기술에 따른 열전 모듈의 기판 표면에서의 온도 분포 편차를 비교한 그래프로써, 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 모듈(100)에 사용되는 금속전극(130)을 사용하는 경우, 종래 기술에 따른 금속전극을 사용한 열전 모듈에 비해 기판 표면에서의 온도 편차가 5.3℃에서 4.1℃로, 약 1.2℃ 가량 줄어드는 것을 알 수 있다.

여기서, 온도 편차는 기판 표면에서 나타나는 최고 온도와 최저 온도의 편차로써, 상기 온도 편차가 줄어들수록 기판의 중앙부에 밀집하여 배치된 열전소자에 의한 기판 표면에서의 열적 불균형 현상을 해소하여 열전 모듈의 냉각 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 제조하는 것은, 기존의 설계 공정에서 단순히 전극 형상에 대한 설계 변경을 함으로써 제조 가능하므로, 별도의 비용을 들이지 않고도 열전 효과를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

본 명세서에 기재되는 실시예와 도면에 도시되는 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100 : 열전 모듈
110 : P형 열전소자
120 : N형 열전소자
130 : 금속전극
130a : 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극
130b : 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극
140 : 상부기판
150 : 하부기판

Claims (3)

1. 복수의 열전소자와, 상기 복수의 열전소자의 상/하 양측면에 결합되는 복수의 금속전극 및 기판으로 이루어지는 열전 모듈에 있어서,
   상기 기판상에서 결합되는 위치에 따라 각각의 단면적을 달리하여 형성되는 복수의 금속전극을 포함하는 열전 모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 금속전극은 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극의 단면적이 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적에 비해 더 넓은 열전 모듈.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기판의 중앙부에 결합되는 금속전극의 단면적에 대한 상기 기판의 외곽부에 결합되는 금속전극의 단면적의 비율(N)은 1<N≤2 범위 내인 열전 모듈.

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