KR20150134335A - 열전 변환 소자 - Google Patents

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고쿠리츠다이가쿠호진 나가오카기쥬츠가가쿠다이가쿠
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Abstract

열전 변환 재료에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있는 열전 변환 소자를 제공하는 것으로서, P형 열전 소자와 N형 열전 소자와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 제1면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A와, 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B가 교대로 설치되고, 상기 열전 변환 모듈의 제1면과는 반대측의 제2면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a와, 상기 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b가 교대로 설치되어 있는 열전 변환 소자이다.

Description

열전 변환 소자{THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENT}
본 발명은 열과 전기와의 상호 에너지 변환을 행하는 열전 변환 소자에 관한 것으로서, 특히 열전 소자에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있는 열전 변환 소자에 관한 것이다.
최근 들어, 빌딩, 공장, 자동차, 전기 제품류 등으로부터의 환경 중에 방출되는 열 에너지를 열전 변환 소자에 의해 전기 에너지로 변환하여, 비교적 저소비 전력인 각종 센서, 전자 제품 등을 구동시키는 전원으로서 이용하는, 소위 에너지 하베스팅(환경 발전 기술)에 관한 연구 개발이 널리 행해지고 있다. 열전 변환 소자는, 환경 중에 열 에너지가 방출되고 있는 한 전력이 얻어지기 때문에, 전지 교환이나 충전 설비 등의 여러 전원을 신경 쓰지 않고, 저소비전력 기기 등을 이용할 수 있게 되는 등의 특징을 갖고 있다. 현재 사용되고 있는 열전 변환 소자는 가요성이 부족하여, 평탄하지 않은 형상의 폐열원이나 방열원으로의 설치가 어려운 점이나, 충분한 에너지를 얻기 위한 열전 변환 소자의 대면적화가 어려운 점 등에서, 가요성이 높은 박형의 열전 변환 소자가 요망되고 있다.
열전 변환 소자에서는, 예를 들어 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 접속하여 전력을 취출하고 있다. 상기와 같은 박형의 열전 변환 소자를 제작함에 있어서, 어떻게 효율적으로 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 두께 방향으로 온도차를 부여할 수 있을지의 여부가, 얻어지는 전력의 관점에서 중요하게 된다.
상기 온도차를 효율적으로 부여하기 위해, 특허문헌 1에서는 도 6에 도시한 바와 같은 구조를 갖는 열전 변환 소자가 개시되어 있다. 즉, P형 열전 소자(41)와 N형 열전 소자(42)를 직렬로 접속하고, 그의 양단부에 열 기전력 취출 전극(43)을 배치하여, 열전 변환 모듈(46)을 구성하고, 상기 열전 변환 모듈(46)의 양면에 2 종류의 열전도율이 상이한 재료로 구성된 유연성을 갖는 필름상 기판(44, 45)을 설치한 것이다. 상기 필름상 기판(44, 45)은 상기 열전 변환 모듈(46)과의 접합면측에 열전도율이 낮은 재료(47, 48)를 설치하고, 상기 열전도율이 낮은 재료로서 절연체인 폴리이미드 등의 수지를 사용하고, 또한 상기 필름상 기판(44, 45)은 상기 열전 변환 모듈(46)의 접합면과 반대측에, 열전도율이 높은 재료(49, 50)가 기판(44, 45) 외면의 일부분에 위치하도록 설치하고, 이 열전도율이 높은 재료로서 구리 등의 금속을 이용하여 구성되어 있다.
일본 특허 제3981738호 공보
그러나, 특허문헌 1에서는 열전도율이 높은 재료(49, 50)를 설치하는 부위에 있어서도 열전 변환 모듈에 직접 접해 있는 것은 열전도율이 낮은 재료이기 때문에, 열전 변환 소자의 두께 방향에서 온도 구배가 작아, 효율적으로 온도차를 부여하지 못했다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여, 열전 소자의 두께 방향으로 효율적으로 온도차를 부여할 수 있는 열전 변환 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, P형 열전 소자, N형 열전 소자 및 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 제1면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A와, 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B를 교대로 설치하고, 상기 제1면과는 반대측의 제2면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a와, 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b를 교대로 설치함으로써, P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 두께 방향으로 온도차를 효율적으로 부여할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 이하의 (1) 내지 (8)을 제공하는 것이다.
(1) P형 열전 소자와 N형 열전 소자와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 제1면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A와, 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B가 교대로 설치되고, 상기 열전 변환 모듈의 제1면과는 반대측의 제2면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a와, 상기 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b가 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
(2) 상기 제1면에 설치된 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B에 대향하는 제2면에, 각각 열전도성 수지층 b 및 열전도성 수지층 a가 설치되어 있는 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
(3) 상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B가 접하고, 또한 상기 열전도성 수지층 b와 열전도성 수지층 a가 접하고 있는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 열전 변환 소자.
(4) 상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B가 상기 제1면에 각각 상기 P형 열전 소자 및/또는 N형 열전 소자에 대응하여 설치되고, 또한 제1면과는 반대측의 제2면에 상기 열전도성 수지층 b와 열전도성 수지층 a가 각각 상기 P형 열전 소자 및/또는 N형 열전 소자에 대응하여 설치되고, 상기 열전도성 수지층 A, 상기 열전도성 수지층 B, 상기 열전도성 수지층 a 및 상기 열전도성 수지층 b의 폭이 동일한, 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
(5) 상기 열전도성 수지층 A 및 a의 열전도율이 0.5(W/m·K) 이상이고, 또한 상기 열전도성 수지층 B 및 b의 열전도율이 0.5(W/m·K) 미만인 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
(6) 상기 열전도성 수지층 A, 열전도성 수지층 B, 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b의 폭이 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자의 폭과 동일한 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
(7) 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 막 두께가 0.1 내지 100μm인 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
(8) 상기 열전도성 수지층 A, 상기 열전도성 수지층 B, 상기 열전도성 수지층 a 및 상기 열전도성 수지층 b의 막 두께가 1 내지 200μm인 상기 (1)에 기재된 열전 변환 소자.
본 발명의 열전 변환 소자에 따르면, 열전 변환 모듈 내의 열전 소자에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있기 때문에, 발전 효율이 높은 발전이 가능해진다. 또한, 가요성이 높아, 평탄하지 않은 면을 갖는 폐열원이나 방열원으로의 설치가 가능해져, 설치 장소를 제한받는 일도 없이 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 열전 변환 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 열전 변환 소자를 구성 요소마다로 분해한 사시도를 나타내고, (a)가 제1면측에 설치된 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B의 사시도이며, (b)가 열전 변환 모듈의 사시도이며, (c)가 제2면측에 설치된 열전도성 수지층 b 및 열전도성 수지층 a의 사시도이다.
도 3은 열전 변환 소자의 내부 온도 분포의 시뮬레이션 계산에 따른 열전 변환 소자 모델의 단면 구성의 설명도이며, (a)가 본 발명의 열전 변환 소자 모델의 단면 구성, (b)가 종래형의 열전 변환 소자 모델의 단면 구성이다.
도 4는 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 부여되는 최대 온도차 ΔT와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 온도 천이 영역 Δx와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 종래의 열전 변환 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
[열전 변환 소자]
본 발명의 열전 변환 소자는, P형 열전 소자, N형 열전 소자 및 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 제1면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A와, 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B가 교대로 설치되고, 상기 제1면과는 반대측의 제2면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a와, 상기 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b가 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열전 변환 소자의 구성 등을 도면을 사용하여 설명한다.
도 1에 본 발명의 열전 변환 소자의 단면도의 일례를 나타낸다. 도 1에 나타낸 열전 변환 소자(E)는 두께 방향의 온도차를 이용하여 열을 전기로 변환하는 열전 변환 소자로서, P형 재료를 포함하는 박막의 P형 열전 소자(1), N형 재료를 포함하는 박막의 N형 열전 소자(2) 및 전극(3)을 설치하여 열전 변환 모듈(6)을 구성하고, 상기 열전 변환 모듈(6)의 제1면(7)에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A(4)와 상기 열전도성 수지층 A(4)보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B(5)가 교대로 설치되고, 또한 상기 제1면(7)과는 반대측의 제2면(8)에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a(4')와 상기 열전도성 수지층 a(4')보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b(5')가 교대로 설치되어 있다. 각 열전도성 수지층이 배치로서는, 제1면(7)의 열전도성 수지층 A(4) 및 열전도성 수지층 B(5)에 대향하는 제2면(8)에 각각 열전도성 수지층 b(5')와 열전도성 수지층 a(4')가 설치된 것이 바람직하다.
도 2에 도 1의 열전 변환 소자를 구성 요소마다로 분해한 사시도를 나타내고, (a)가 제1면측에 설치된 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B의 사시도이고, (b)가 열전 변환 모듈의 사시도이며, (c)가 제2면측에 설치된 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b의 사시도이다.
상기와 같은 구성을 취함으로써, 열전 변환 모듈(6)의 제1면(7)과 제2면(8)에 온도차를 부여함으로써, 제1면(7)측에서의 열전도(열류속) 분포와 제2면(8)측에서의 열전도(열류속) 분포의 차이로부터, 열전 소자에 온도차(온도 구배)를 효율적으로 부여할 수 있다. 얻어진 온도 구배를 이용하여 열전 변환 모듈(6)로 효율적으로 발전을 행할 수 있다.
본 발명에 사용되는 열전 변환 모듈(6)은 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)와 전극(3)으로 구성된다. P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)는 직렬 접속이 되도록 박막 상에 형성되고, 각각의 단부에서 전극(3)을 통해 접합하여 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 열전 변환 모듈(6)에 있어서의 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 「전극(3), P형 열전 소자(1), 전극(3), N형 열전 소자(2), 전극(3), ·····」과 같이 배치할 수도 있고, 「전극(3), P형 열전 소자(1), N형 열전 소자(2), 전극(3), P형 열전 소자(1), N형 열전 소자(2), 전극(3), ·····」과 같이 배치할 수도 있으며, 또한 「전극(3), P형 열전 소자(1), N형 열전 소자(2), P형 열전 소자(1), N형 열전 소자(2), ···전극(3)」과 같이 배치할 수도 있다. 또한, 열전 변환 모듈(6)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 열전도성 수지층 A(4) 및 열전도성 수지층 B(5) 상에 직접 형성될 수도 있고, 그 밖의 층을 통해 형성될 수도 있지만, 열전 소자에 온도차를 효율적으로 부여할 수 있다는 점에서, 열전 변환 모듈(6)은 열전도성 수지층 A(4) 및 열전도성 수지층 B(5) 상에 직접 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 열전 변환 소자에는 특별히 제한되지 않지만, 열전 변환 모듈에 의해 전기 에너지로 변환되는 열원의 온도 영역에 있어서, 제베크 계수의 절대값이 크고, 열전도율이 낮고, 전기 전도율이 높은, 소위 열전 성능 지수가 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
P형 열전 소자 및 N형 열전 소자를 구성하는 재료로서는, 열전 변환 특성을 갖는 것이면 특별히 제한은 없지만, 비스무트 텔루라이드, Bi2Te3 등의 비스무트-텔루륨계 열전 반도체 재료, GeTe, PbTe 등의 텔루라이드계 열전 반도체 재료, 안티몬-텔루륨계 열전 반도체 재료, ZnSb, Zn3Sb2, Zn4Sb3 등의 아연-안티몬계 열전 반도체 재료, SiGe 등의 실리콘-게르마늄계 열전 반도체 재료, Bi2Se3 등의 비스무트 셀레나이드계 열전 반도체 재료, β-FeSi2, CrSi2, MnSi1.73, Mg2Si 등의 실리사이드계 열전 반도체 재료, 산화물계 열전 반도체 재료, FeVAl, FeVAlSi, FeVTiAl 등의 호이슬러 재료 등이 사용된다. 이들 중에서도 비스무트 텔루라이드, Bi2Te3 등의 비스무트-텔루륨계 열전 반도체 재료, β-FeSi2, CrSi2, MnSi1.73, Mg2Si 등의 실리사이드계 열전 반도체 재료, PEDOT:PSS 등의 재료가 바람직하다.
P형 열전 소자(1) 및 N형 열전 소자(2)의 막 두께는 0.1 내지 100μm가 바람직하고, 1 내지 50μm가 더욱 바람직하다.
또한, P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)의 막 두께는 특별히 한정되는 것은 아니며, 동일한 막 두께일 수도 있고, 상이한 막 두께일 수도 있다.
또한, 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B는 열전 변환 모듈(6)의 제1면(7) 상에서는 서로 접해 있을 수도 있고 접해 있지 않을 수도 있지만, 열전 변환 모듈(6)에 효율적으로 온도차를 부여하고, 기계적 강도를 유지하는 관점에서, 서로 접해 있는 편이 바람직하다.
또한, 열전도성 수지층 a와 열전도성 수지층 b는 열전 변환 모듈(6)의 제2면(8) 상에서는 서로 접해 있을 수도 있고 접해 있지 않을 수도 있지만, 열전 변환 모듈(6)에 효율적으로 온도차를 부여하고, 기계적 강도를 유지하는 관점에서, 서로 접해 있는 편이 바람직하다.
상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B의 폭은 각각 상기 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)의 폭과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 또한, 상기 열전도성 수지층 a와 열전도성 수지층 b의 폭은 각각 상기 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)의 폭과 동일할 수도 있고 상이할 수도 있다. 열전 변환 모듈(6)에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있다는 점에서, 상기 열전도성 수지층 A, 열전도성 수지층 B, 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b의 폭은 동일한 것이 바람직하고, 상기 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)의 폭과 동일한 것이 더욱 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 「폭」이란, 도 3에 있어서의 길이 방향(x축)의 길이를 말한다. 또한, 상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B는 상기 열전 변환 모듈의 제1면(7)에, 각각 상기 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)에 대응하여 설치되고, 또한 제2면(8)에, 제1면(7)과 제2면(8)에서 열전도율이 서로 상이하도록 열전도성 수지층 b와 열전도성 수지층 a를 설치하는 것이 바람직하다.
열전도성 수지층 A는 단일 재료를 포함하는 수지층일 수도 있고, 복수 종류의 재료를 포함하는 수지층일 수도 있지만, 열전도성 수지층 B의 열전도율보다 높은 열전도율을 얻는 관점에서, 수지 재료 중에 고열전도성 필러를 분산시킨 것이 바람직하게 사용된다.
상기 열전도성 수지층 A를 구성하는 수지 재료로서는 열경화성 수지, 열가소성 수지, 광경화성 수지 등을 들 수 있다. 상기 열전도성 수지층 A를 구성하는 수지로서는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지; 폴리스티렌 등의 스티렌계 수지; 폴리메타크릴산메틸 등의 아크릴계 수지; 폴리아미드(나일론 6, 나일론 66 등), 폴리 m-페닐렌이소프탈아미드, 폴리 p-페닐렌테레프탈아미드 등의 아미드계 수지; 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아릴레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 노르보르넨계 중합체, 단환의 환상 올레핀계 중합체, 환상 공액 디엔계 중합체, 비닐 지환식 탄화수소 중합체 및 이들의 수소화물 등의 시클로올레핀계 중합체; 염화비닐; 폴리이미드; 폴리아미드이미드; 폴리페닐렌에테르; 폴리에테르케톤; 폴리에테르에테르케톤; 폴리카보네이트; 폴리술폰, 폴리에테르술폰 등의 폴리술폰계 수지; 폴리페닐렌술피드; 및 이들의 고분자의 2종 이상의 조합; 등을 들 수 있다.
고열전도성 필러로서는 특별히 제한은 없지만, 알루미나, 실리카, 질화붕소 등을 들 수 있다. 이 중에서 알루미나, 질화붕소가 바람직하고, 경제성의 관점에서 알루미나가 특히 바람직하다. 또한, 열전 변환 소자의 성능에 악영향을 주지 않는 범위에서, 금속이나 반도체 재료 등의 도전성을 갖는 입자를 분산시킬 수도 있다. 열전도성 수지층 A 중의 고열전도성 필러의 함유량은 원하는 열전도율에 따라 적절히 조정되며, 통상 30 내지 60질량％인 것이 바람직하다.
열전도성 수지층 A의 열전도율은 열전도성 수지층 B에 비해 높은 수지층이면 좋고, 열전도율이 0.5(W/m·K) 이상이 바람직하고, 2.0(W/m·K) 이상이 보다 바람직하고, 10.0(W/m·K) 이상이 특히 바람직하다. 열전도성 수지층 A의 열전도율의 상한은 특별히 제한은 없지만, 통상 1000(W/m·K) 이하가 바람직하고, 500(W/m·K) 이하가 보다 바람직하다.
열전도성 수지층 A의 전기전도율은 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈과의 사이에서 절연성이 유지되고 있으면 특별히 제한되지 않는다.
열전도성 수지층 A의 막 두께는 1 내지 200μm가 바람직하고, 3 내지 150μm가 더욱 바람직하다. 이 범위이면, 열전 변환 모듈에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있고, 또한 열전 변환 모듈의 가요성, 기계적 강도를 유지할 수 있기 때문에 바람직하다.
열전도성 수지층 B는 단일 재료를 포함하는 수지층일 수도 있고, 복수 종류의 재료를 포함하는 수지층일 수도 있지만, 상기 열전도성 수지층 A보다 낮은 열전도율을 갖는 수지층이면 되기 때문에, 단일의 수지 재료를 사용할 수 있다.
상기 열전도성 수지층 B를 구성하는 수지 재료로서는 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 것이면 특별히 한정되지 않고, 상술한 열전도성 수지층 A를 구성하는 수지 재료로서 예시한 수지 중에서 적절히 결정한다.
열전도성 수지층 B의 열전도율은 0.5(W/m·K) 미만이 바람직하고, 0.3(W/m·K) 이하가 보다 바람직하고, 0.1(W/m·K) 이하가 더욱 바람직하다.
열전도성 수지층 B의 전기전도율은 사용하는 P형 열전 소자(1)와 N형 열전 소자(2)와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈 사이에서 절연성이 유지되고 있으면 특별히 제한되지 않는다.
열전도성 수지층 B의 막 두께는 1 내지 200μm가 바람직하고, 3 내지 150μm가 더욱 바람직하다. 이 범위이면, 열전 변환 모듈에 효율적으로 온도차를 부여할 수 있고, 또한 열전 변환 모듈의 가요성, 기계적 강도를 유지할 수 있기 때문에 바람직하다.
열전도성 수지층 a의 수지 재료, 고열전도성 필러로서는 특별히 한정되지 않지만, 상기 열전도성 수지층 A와 동일한 수지 재료, 고열전도성 필러로부터 선택할 수 있다. 또한, 열전도율, 전기전도율 및 막 두께 등도 동일한 범위로부터 선택할 수 있다. 제조의 용이함, 비용의 관점에서, 열전도성 수지층 A와 동일 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
열전도성 수지층 b의 수지 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 상기 열전도성 수지층 B와 동일한 수지 재료로부터 선택할 수 있다. 또한, 열전도율, 전기전도율 및 막 두께 등도 동일한 범위로부터 선택할 수 있다. 제조의 용이함, 비용의 관점에서, 열전도성 수지층 B와 동일 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 수지층 A, 열전도성 수지층 B, 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 각각의 층을 구성하는 수지 재료를 스텐실 인쇄, 디스펜서, 스크린 인쇄법, 롤 코팅법 등에 의해 형성하는 방법을 들 수 있다.
상기 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B, 또는 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b는 열전 변환 모듈의 제1면 및 제2면에 형성할 수도 있고, 미리 상기 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B 상, 또는 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b 상에 열전 변환 모듈을 형성할 수도 있다.
[열전 변환 소자 내부 열해석]
이어서, 본 발명자들은 열전 변환 모듈 내의 열전 소자의 내부 온도 분포를 조사하기 위해, 도 3에 나타내는 구성의 열전 변환 소자 모델에 대하여 유한 요소법 프로그램(앤시스·재팬 가부시끼가이샤 제조, 품명: ANSYS-CFD)을 사용하여 시뮬레이션 계산(정상 열전도 해석)을 행하였다.
도 4는 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 부여되는 최대 온도차 ΔT와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 관한 시뮬레이션 결과이다. 마찬가지로, 도 5는 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 온도 천이 영역 Δx와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 관한 시뮬레이션 결과이다.
도 3은 열전 변환 소자의 내부 온도 분포의 시뮬레이션 계산에 관한 열전 변환 소자 모델의 단면 구성의 설명도이며, (a)가 본 발명의 열전 변환 소자 모델의 단면 구성, (b)가 종래형의 열전 변환 소자 모델의 단면 구성이다. 또한, 도 3의 (a) 및 (b)의 열전 변환 소자 모델에 있어서는, 열전 변환 소자의 측면에 단열부(19, 29)가 배치되고, 전극은 간략화를 위해 생략하였다.
도 3의 (a)에 나타낸 열전 변환 소자 모델은, P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(도시하지 않음)와 전극(도시하지 않음)으로 구성되는 열전 변환 모듈(13)의 제1면(17)에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A(14)와 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B(15)가 교대로 설치되고, 또한 상기 제1면(17)과는 반대측의 제2면(18)에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a(14')와 상기 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b(15')가 교대로 설치되어 있다.
한편, 도 3의 (b)에 나타낸 종래형의 열전 변환 소자 모델은 P형 열전 소자(21)로 구성되는 열전 변환 모듈(23)의 양면에 2종류의 열전도율이 상이한 재료로 구성된 유연성을 갖는 필름상 기판(26, 27)을 설치한 것이다. 상기 필름상 기판(26, 27)은 상기 열전 변환 모듈(23)과의 접합면측에 열전도율이 낮은 재료로서 폴리이미드(25)가 설치되어 있고, 또한 상기 필름상 기판(26, 27)은 상기 열전 변환 모듈(23)의 접합면과 반대측에, 열전도율이 높은 재료로서 금속(구리)(24)이 기판(26, 27) 외면의 일부분에 위치하도록 설치되어 있다.
도 3의 (a)의 본 발명의 열전 변환 소자 모델의 단면 구성에 있어서, 열전 변환 소자의 하면에 열을 가했을 때의, 열전 변환 모듈의 내부 온도 분포에 대하여, 양단을 단열(단열부(19))한 조건으로 하여, 이하의 조건 하에서 시뮬레이션 계산을 행하였다.
상면 온도: 300K
하면 온도: 330K
열전도성 수지층 A(14), 열전도성 수지층 a(14')의 막 두께: 100μm
열전도성 수지층 A(14), 열전도성 수지층 a(14')의 열전도율 kb: kb=0.5 내지 400(W/m·K)
열전도성 수지층 A(14), 열전도성 수지층 a(14')의 폭: 1000μm
열전도성 수지층 B(15), 열전도성 수지층 b(15')의 막 두께: 100μm
열전도성 수지층 B(15), 열전도성 수지층 b(15')의 열전도율: 0.2(W/m·K)
열전도성 수지층 B(15), 열전도성 수지층 b(15')의 폭: 1000μm
P형 열전 소자(11)의 막 두께: 2μm
P형 열전 소자(11)의 열전도율(크로멜을 상정): 10(W/m·K)
P형 열전 소자(11)의 길이 방향(x축)의 길이: 2000μm
구체적으로는, 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb를 변수로 하여, 열전 변환 소자의 길이 방향(x축)에 있어서의 온도차를 계산하고, 최대 온도차 ΔT를 구하였다. 또한, 열전 변환 소자의 길이 방향(x축)의 범위는 도면 중, P형 열전 소자(11)의 좌측 단부를 x=0으로 하고, 온도 변화가 현저하게 나타나는 x=500 내지 1500μm이다. 상술한 바와 같이, 도 4에, 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 부여되는 최대 온도차 ΔT와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
또한, 얻어진 최대 온도차 ΔT의 10％를 나타내는 길이 방향(x축)의 위치로부터 90％를 나타내는 길이 방향(x축)의 위치까지의 영역 길이를 온도 천이 영역 Δx로 하여, 하기 수학식 (1)에 의해 산출하였다.
Figure pct00001
상술한 바와 같이, 도 5에, 본 발명의 단면 구성에 있어서의, 온도 천이 영역 Δx와 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
마찬가지로, 도 3의 (b)의 종래형의 열전 변환 소자 모델의 구성에 있어서, 열전 변환 소자의 하면에 열을 가했을 때의, 열전 변환 모듈의 내부 온도 분포에 대하여, 양단을 단열(단열부(29))한 조건으로 하여, 이하의 조건 하에서 시뮬레이션을 행하였다. 시뮬레이션 결과, 도 3의 (b)의 종래형의 열전 변환 소자 모델의 구성에 있어서는 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb가 400(W/m·K)일 때에 최대 온도차 ΔT가 20℃였다.
또한, 마찬가지로, 열전도성 수지층 A의 열전도율 kb에 대한 온도 천이 영역 Δx를 산출하였다. 온도 천이 영역 Δx가 177μm라는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다.
상면 온도: 300K
하면 온도: 330K
열전도성 수지층 A(24)의 막 두께: 80μm
열전도성 수지층 A(24)의 열전도율 kb: kb=400(W/m·K)
열전도성 수지층 B(25)의 막 두께: 100μm
(단, 금속(구리)과 열전 소자 사이에 끼워진 열전도성 수지층 B(25)의 막 두께: 20μm)
열전도성 수지층 B(25)의 열전도율(폴리이미드): 0.2(W/m·K)
P형 열전 소자(21)의 막 두께: 2μm
P형 열전 소자(21)의 길이 방향(x축)의 길이: 2000μm
P형 열전 소자(21)의 열전도율(크로멜을 상정): 10(W/m·K)
본 발명의 열전 변환 소자 모델에서는, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 증가함에 따라 최대 온도차 ΔT도 증가하고, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 10(W/m·K), 열전도성 수지층 B(15)의 전도율을 0.2(W/m·K)로 했을 때, 상하면 온도차 30K이고, 내면 온도차가 28K라는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다. 한편, 도 3의 (b)의 종래형의 열전 변환 소자 모델 구성에서는, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율이 400(W/m·K)일 때에, 최대 온도차 ΔT가 20K라는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다. 이것으로부터, 본 발명의 열전 변환 소자 모델의 구성에서는, 종래형의 구성에 비해 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 1(W/m·K)을 초과하면, 최대 온도차 ΔT가 상회하고, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 5(W/m·K) 이상이면, 종래형의 구성보다 최대 온도차 ΔT가 충분히 크게 상회한다는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다.
또한, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 열전 변환 소자 모델에 있어서는, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 증가함에 따라 온도 천이 영역 Δx가 감소한다는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다. 또한, 온도 천이 영역 Δx에 관해서는, 상술한 바와 같이 종래형의 열전 변환 소자 모델에서는, 열전도율 kb가 400(W/m·K)일 때에 온도 천이 영역 Δx가 177μm라는 시뮬레이션 결과가 얻어졌다. 본 발명의 열전 변환 소자 모델에서는, 열전도성 수지층 A(14)의 열전도율 kb가 2(W/m·K)를 초과하면, 종래형보다 온도 천이 영역 Δx가 짧아지고, kb가 10(W/m·K)이면 종래형보다 35％나 짧아진다는 결과가 얻어졌다. 이것으로부터, 본 발명의 열전 변환 소자 모델은 종래형의 모델보다 온도 천이 영역 Δx가 짧아, 열전 변환 소자의 소형화에 적합한 구성인 것으로 추측된다.
이상과 같이 본 발명의 열전 변환 소자는, P형 열전 소자와 N형 열전 소자와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 한쪽 면에 열전도성 수지층 A와, 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B를 직접 접하도록 교대로 설치하고, 또한 열전 변환 모듈의 다른 쪽 면에 열전도성 수지층 a와, 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b를 직접 접하도록 교대로 설치하고, 또한 대향하는 열전도성 수지층끼리의 위치 관계, 및 열전도성 수지층과 P형 열전 소자 N형 열전 소자 및 전극과의 위치 관계 등을 본 발명의 범위로 함으로써, P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 두께 방향으로 온도차를 효율적으로 부여할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 소자는 효율적으로 온도차를 부여할 수 있기 때문에, 발전 효율이 높은 발전이 가능해져, 종래형에 비해 열전 변환 모듈의 설치 수를 저감할 수 있어, 다운사이징 및 비용 절감이 가능해진다. 또한, 플렉시블형의 열전 변환 모듈로서, 평탄하지 않은 면을 갖는 폐열원이나 방열원에 설치하는 등, 설치 장소를 제한받는 일도 없이 사용할 수 있다.
E: 열전 변환 소자
1: P형 열전 소자
2: N형 열전 소자
3: 전극(구리)
4: 열전도성 수지층 A
4': 열전도성 수지층 a
5: 열전도성 수지층 B
5': 열전도성 수지층 b
6: 열전 변환 모듈
7: 6의 제1면
8: 6의 제2면
11: P형 열전 소자
13: 열전 변환 모듈
14: 열전도성 수지층 A
14': 열전도성 수지층 a
15: 열전도성 수지층 B
15': 열전도성 수지층 b
17: 13의 제1면
18: 13의 제2면
19: 단열부
21: P형 열전 소자
23: 열전 변환 모듈
24: 금속(구리)
25: 폴리이미드
26: 필름상 기판
27: 필름상 기판
29: 단열부
41: P형 열전 소자
42: N형 열전 소자
43: 전극
44: 필름상 기판
45: 필름상 기판
46: 열전 변환 모듈
47: 절연체(폴리이미드)
48: 절연체(폴리이미드)
49: 금속
50: 금속

Claims (8)

  1. P형 열전 소자와 N형 열전 소자와 전극으로 구성된 열전 변환 모듈의 제1면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 A와, 상기 열전도성 수지층 A보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 B가 교대로 설치되고, 상기 열전 변환 모듈의 제1면과는 반대측의 제2면에 직접 접하도록 열전도성 수지층 a와, 상기 열전도성 수지층 a보다 열전도율이 낮은 열전도성 수지층 b가 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1면에 설치된 열전도성 수지층 A 및 열전도성 수지층 B에 대향하는 제2면에, 각각 상기 열전도성 수지층 b 및 열전도성 수지층 a가 설치되어 있는 열전 변환 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B가 접하고, 또한 상기 열전도성 수지층 b와 열전도성 수지층 a가 접하고 있는 열전 변환 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 수지층 A와 열전도성 수지층 B가 상기 제1면에 각각 상기 P형 열전 소자 및/또는 N형 열전 소자에 대응하여 설치되고, 또한 제1면과는 반대측의 제2면에 상기 열전도성 수지층 b와 열전도성 수지층 a가 각각 상기 P형 열전 소자 및/또는 N형 열전 소자에 대응하여 설치되고, 상기 열전도성 수지층 A, 상기 열전도성 수지층 B, 상기 열전도성 수지층 a 및 상기 열전도성 수지층 b의 폭이 동일한 열전 변환 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 수지층 A 및 a의 열전도율이 0.5(W/m·K) 이상이고, 또한 상기 열전도성 수지층 B 및 b의 열전도율이 0.5(W/m·K) 미만인 열전 변환 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 수지층 A, 열전도성 수지층 B, 열전도성 수지층 a 및 열전도성 수지층 b의 폭이 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자의 폭과 동일한 열전 변환 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 막 두께가 0.1 내지 100μm인 열전 변환 소자.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 수지층 A, 상기 열전도성 수지층 B, 상기 열전도성 수지층 a 및 상기 열전도성 수지층 b의 막 두께가 1 내지 200μm인 열전 변환 소자.
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