KR20120080820A - 열전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, P형 열전소자의 단면적이 N형 열전소자의 단면적 보다 크게 하여 구성되며, 열전모듈의 고온부 또는 저온부에서의 열분포의 불균형을 감소시킬 수 있으며, 열전성능을 향상시킬 수 있는 유용한 효과를 제공한다.

Description

열전모듈{THERMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 P형 열전소자의 단면적과 N형 열전소자의 단면적이 서로 다르게 하여 열전성능을 향상시킨 열전모듈에 관련된다.

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 열전모듈(thermoelectric module)은 열전소자, 상기 열전소자를 연결하는 금속전극, 상기 열전소자와 금속전극을 지지하며 열교환 기능을 하는 상부 기판 및 하부 기판으로 구성된다.

일반적으로 상기 열전소자로는 P형 및 N형 반도체가 사용되며 복수의 쌍을 이루는 P형 열전소자 및 N형 열전소자를 평면에 배열하고 이를 다시 금속전극을 이용하여 직렬로 연결하여 모듈을 구성하게 된다.

상기와 같이 구성된 열전모듈에 직류 전류를 인가하면 한쪽의 금속전극에서 캐리어(carrier)인 전자(e-)와 정곡(h+)이생성되어 N형 열전소자로는 전자가, P형 반도체로는 정공이 각각 흐르며 열을 전달하고, 이들 캐리어는 반대편 전극에서 재결합된다. 캐리어가 생성되는 전극과 그와 인접한 기판에서는 흡열현상이 발생하고, 캐리어가 재결합되는 전극과 그와 인접한 기판에서는 발열현상이 일어나는데 이들 부위를 각각 저온부(cold side)와 고온부(hot side)로 불리며 열전모듈의 양면을 구성하게 된다.

한편, 열전모듈의 사용에 있어서 열전도 문제는 열전성능에 관련된 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 상기와 같이 기판, 전극, 열전소자의 구조로 이루어지는 기판의 열분포의 불균형이나 P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전도도 불균형 등은 기판으로의 열전달 기능을 감소시켜 모듈의 열전성능 저하를 유발할 수 있다.

여기서, 금속전극은 P형 열전소자 및 N형 열전소자와 π결합 형태로 열전소자의 상면 및 하면에 형성되어, 각 열전소자들을 전기적으로 직렬로 연결하는 기능을 하는데, 종래의 일반적인 열전모듈에 구비되는 열전소자의 경우, P형 열전소자의 단면적과 N형 열전소자의 단면적이 동일하게 형성되었다.

그런데, P형 열전소자의 펠티어 효과에 의한 열량이 N형 열전소자보다 크기 때문에 P형 열전소자와 N형 열전소자의 단면적의 크기를 동일하거나 유사한 범위로 구성하게 되면 기판상에서 열적 불균형이 발생하게 된다는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전성능에 차이가 존재함에도 이러한 특성을 고려하지 않고 P형 열전소자와 N형 열전소자의 단면적의 크기를 동일하게 구성하였던 종래의 열전모듈의 열전성능을 개선하기 위하여 P형 열전소자의 단면적의 크기가 N형 열전소자의 단면적의 크기보다 크게 함으로써 열전성능을 향상시킨 열전모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 열전모듈은, P형 열전소자, N형 열전소자, 금속전극, 상부 기판 및 하부 기판으로 이루어지는 열전모듈에 있어서, 상기 P형 열전소자의 단면적과 N형 열전소자의 단면적이 서로 다르게 하여 구성된다.

이때, 상기 P형 열전소자의 단면적은 상기 N형 열전소자의 단면적보다 크게하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 N형 열전소자의 단면적에 대한 상기 P형 열전소자의 단면적의 비율(R)은 1<R≤2.12 범위 내로 결정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 P형 열전소자의 단면적은 N형 열전소자의 단면적의 1.55배인 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 열전소자와 전극 사이에 결합재로 이루어지는 결합부가 구비되며, 상기 결합부에는 전극 또는 결합재의 성분이 열전소자로 확산되는 것을 방지하는 확산방지층이 포함되어 구성될 수 있다.

이때, 상기 확산방지층은 니켈 또는 몰리브덴 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 확산방지층은 도금 방식으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 확산방지층은 열전소자와 접촉되며, 상기 열전소자가 화학적으로 상기 전극 및 결합재로부터 격리되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 P형 열전소자와 N형 열전소자의 열전성능의 차이를 고려하여 P형 열전소자의 단면적의 크기가 N형 열전소자의 단면적의 크기보다 크게 하여 열전모듈의 고온부 또는 저온부에서의 열분포의 불균형을 해소할 수 있다.

또한, 고온부 또는 저온부에서의 열분포의 불균형을 해소함으로써 열전모듈의 열전성능을 종래보다 향상시킬 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 열전모듈의 구성을 예시한 일부절개 사시도,
도 2는 일반적인 열전모듈에서 한 쌍의 열전소자가 구비된 열전모듈의 구성을 보인 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 열전모듈의 구성을 보인 측단면도,
도 4는 P형 열전소자와 N형 열전소자의 단면적의 비율에 따른 온도편차의 변화를 보인 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자(130)는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자(130)의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 발명에 따른 열전모듈(100)은 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 아래의 도면을 참조한 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열전모듈(100)의 구성 및 효과를 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 열전모듈(100)의 구성을 보인 측단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열전모듈(100)은 다른 일반적인 열전모듈(100)과 같이 N형 열전소자(130), P형 열전소자(140), 전극(150) 및 기판을 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 열전소자의 성능은 하기의 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값에 의해 결정된다.

S : 제벡(Seebeck)계수

σ : 전기전도도

T : 절대온도

κ : 열전도도

무차원 성능지수 ZT값이 클수록 열전 성능이 우수한 특성을 나타내므로, 열전소자는 제벡계수 및 전기전도도는 크고, 반대로 열전도도는 낮은 재료로 구성되어야 바람직한데, 제벡계수의 경우, 온도의 함수로 주어지는 재료 고유의 물성치로써, 대체로 P형 열전소자(140)가 N형 열전소자(130)에 비해 무차원 성능지수 ZT값이 높게 나타난다.

금속전극(150)에 리드선을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 펠티에 효과에 의해 N형 열전소자(130)에서 P형 열전소자(140)로 전류가 흐르는 기판 측은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, P형 열전소자(140)에서 N형 열전소자(130)로 전류가 흐르는 기판 측은 가열되어 발열부로 작용하므로, 열전모듈(100)은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포가 균일하게 저온으로 형성되어야 냉각 효과가 향상된다고 볼 수 있다.

그러나 단면적이 동일한 P형 열전소자(140)와 N형 열전소자(130)를 사용하여 열전모듈(100)을 구성하는 경우, 상술한 P형 열전소자(140)와 N형 열전소자(130)의 열전성능의 차이에 따른 열적 불균형이 고려되지 않아 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포의 편차가 발생하여 냉각 효과가 떨어지는 문제가 발생하게 된다.

한편, 열전모듈(100)의 열량은 펠티어 효과에 의한 열량에서 열전도에 의한 열량을 뺀 값으로 볼 수 있다. 그런데, P형 열전소자(140)에서의 펠티어 효과에 의한 열량이 N형 열전소자(130)에서의 펠티어 효과에 의한 열량보다 크다.

또한, 단면적이 동일한 P형 열전소자(140)와 N형 열전소자(130)에서의 열전도에 의한 열량은 동일 또는 유사하다.

따라서, 열전모듈(100)에서 전달되는 총 열량은 P형 열전소자(140) 영역과 N형 열전소자(130) 영역이 다르게 형성되어 기판에의 열분포 불균형을 초래하게 된다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명에 따른 열전모듈(100)에서는 상기 P형 열전소자(140)의 단면적이 상기 N형 열전소자(130)의 단면적보다 크게하여 기판 및 전극(150) 사이에 결합되도록 한 것이다.

한편, 도 3에는 열전소자와 전극(150) 사이의 결합을 형성하기 위한 결합부(160)가 구비된 경우를 예시하였는데, 상기 결합부(160)는 솔더링 등의 방식으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 결합부(160)에는 전극(150) 또는 결합재의 성분이 열전소자로 확산되는 것을 방지하는 확산방지층이 포함되어 구성

또한, 솔더 또는 전극(150) 성분이 열전소자로 확산되어 열전성능의 저하를 방지하기 위하여 확산방지층이 포함되어 구성될 수 있다.

이때, 상기 확산방지층은 열전소자의 순수성을 유지하기 위하여 니켈 또는 몰리브덴으로 이루어지는 것 바람직하며, 도금 등의 방식으로 형성될 수 있다.

상기와 같은 확산방지층은 열전소자와 접촉되어 전극(150) 및 결합재를 열전소자와 화학적으로 격리되도록 하는 것이 바람직하다

도 4는 P형 열전소자(140)와 N형 열전소자(130)의 단면적의 비율에 따른 온도편차의 변화를 보인 그래프이다.

도 4를 참조하면, P형 열전소자(140)의 단면적과 N형 열전소자(130)의 단면적의 비율 R이 1일 경우 기판 전체의 영역에서 온도편차를 측정해 본 결과 약 4℃ 정도인 것으로 확인된다.

이때, R이 증가하면 온도편차가 감소되는데, 이는 전술한 바와 같이 N형 열전소자와 P형 열전소자의 소자 특성에 의한 불균형이 작아지게 됨으로써 발생하는 현상이며, R이 약 1.55 값을 가질 때 상기 소자 특성에 의한 불균형이 최소가 되어 최소의 온도편차를 구현할 수 있게 되는 것이다.

한편, R이 1.55를 초과하면 온도편차는 다시 증가되어 2.12를 초과하면 R이 1인 경우의 온도편차와 같아진 후 R의 증가에 따라 온도편차가 더 커지게 된다. 이와 같은 현상은 열전 모듈의 각 부품별 물성, 크기 및 형상 등의 특성들이 상호 영향을 미치며 열전과정이 수행되기 때문에 발생되는 현상이다.

즉, 열전소자의 단면적의 비율을 차등화 하여 N형과 P형의 열전소자간 소자 특성의 불균형을 해소할 수는 있지만, 열전소자의 단면적의 비율이 소정 값보다 커지게 되면 오히려 불균형이 다시 발현되어 결국 열전 모듈의 온도편차를 더욱 심화시키는 결과를 초래하게 되는 것이다.

도 4에서 예시한 바와 같이 1<R≤2.12인 범위에서 온도편차가 일반적인 경우에 비하여 감소하므로, 상기 N형 열전소자(130)의 단면적에 대한 상기 P형 열전소자(140)의 단면적의 비율(R)은 1<R≤2.12 범위 내로 결정되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 P형 열전소자(140)의 단면적은 N형 열전소자(130)의 단면적의 1,55배인 경우 온도편차의 감소폭이 최대가 되므로 R을 1.55가 되게 하는 것이 더욱 바람직하다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 열전모듈
110 : 상부기판
120 : 하부기판
130 : N형 열전소자
140 : P형 열전소자
150 : 전극
160 : 결합부

Claims (8)

1. P형 열전소자, N형 열전소자, 금속전극, 상부 기판 및 하부 기판으로 이루어지는 열전모듈에 있어서,
   상기 P형 열전소자의 단면적과 N형 열전소자의 단면적이 서로 다르게 하여 구성되는
   열전모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 P형 열전소자의 단면적은 상기 N형 열전소자의 단면적보다 크게하여 구성되는
   열전모듈.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 N형 열전소자의 단면적에 대한 상기 P형 열전소자의 단면적의 비율(R)은 1<R≤2.12 범위 내인
   열전모듈.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 P형 열전소자의 단면적은 N형 열전소자의 단면적의 1.55배인
   열전모듈.
   
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열전소자와 전극 사이에 결합재로 이루어지는 결합부가 구비되며,
   상기 결합부에는 전극 또는 결합재의 성분이 열전소자로 확산되는 것을 방지하는 확산방지층이 포함되어 구성되는
   열전모듈.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 확산방지층은 니켈 또는 몰리브덴 재질로 구성되는
   열전모듈.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 확산방지층은 도금 방식으로 형성되는
   열전모듈.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 확산방지층은 열전소자와 접촉되며, 상기 열전소자가 화학적으로 상기 전극 및 결합재로부터 격리되도록 하여 구성되는
   열전모듈.
   

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