KR20160008506A - 마이크로-갭 열광전 디바이스를 위한 마이크로채널 히트 싱크 - Google Patents

마이크로-갭 열광전 디바이스를 위한 마이크로채널 히트 싱크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서브-마이크론 갭 열광전지 셀 구조물의 효율을 개선시키기 위해 저온측 방출기를 저온으로 유지하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 열광전지 셀 구조물은 서브-마이크론 갭 크기가 상대적으로 일정하도록 힘 메커니즘에 의해 서로 압축된 다층을 포함할 수 있으나, 층 경계들은 상대적으로 일정한 서브-마이크론 크기에 비해 실질적으로 편평하지 않을 수 있다. 층상화된 구조물은 스페이서에 의해 유지되는 크기를 가지는 서브-마이크론 갭만큼 광전지 셀 표면으로부터 분리된 표면을 가지는 고온측 열 방출기를 포함한다. 서브-마이크론 갭과 반대쪽 광전지 셀의 표면은 마이크로채널 히트 싱크의 표면에 압축가능하게 위치되고, 광전지 셀과 반대쪽 마이크로채널 히트 싱크의 표면은 편평한 금속 판 층과 압축가능한 층에 압축가능하게 위치된다.

Description

마이크로-갭 열광전 디바이스를 위한 마이크로채널 히트 싱크{MICROCHANNEL HEAT SINK FOR MICRO-GAP THERMOPHOTOVOLTAIC DEVICE}
본 발명은 복사된 열 전력을 전기 전력으로 변환하는 마이크론-갭 열 광전(micron-gap thermal photovoltaic: MTPV) 기술에 관한 것이다.
고온측 방출기(emitter)와 저온측 수집기(collector) 사이에 마이크론-갭과 서브마이크론-갭을 사용하면, 보다 종래의 열전 디바이스에 비해 수 자리수(order of magnitude) 전력 밀도를 증가시킬 수 있으나, 또한 대역외 열 복사선이 저온측 수집기에 흡수되는 것으로 인해 저온측 수집기의 온도를 상응하게 증가시킬 수 있다. 저온측 수집기의 효율을 유지하고 고온측 방출기와 저온측 수집기 사이에 균일한 갭 분리를 유지하기 위하여, 여러 수단이 감소된 온도에 저온측 수집기를 유지하는데 사용되었다. 본 발명은 보다 구체적으로 액체 냉각재를 사용하는 마이크로채널 히트 싱크를 사용하는 것을 통해 저온측 수집기를 상대적으로 저온으로 유지하는 신규한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 서브-마이크론 갭 열광전지 셀 구조물의 효율을 개선시키기 위해 저온측 수집기를 저온으로 유지하는 신규한 방법 및 디바이스를 제공한다. 본 발명에 따른 일반적인 서브-마이크론 갭 열광전지 셀 구조물의 일 실시예는 서브-마이크론 갭 크기가 상대적으로 일정하도록 서로 압축된 다층을 포함할 수 있으나, 층 경계는 상대적으로 일정한 서브-마이크론 크기에 비해 실질적으로 편평(flat)하지 않을 수 있다. 층상화된 구조물은 스페이서로 유지되는 크기를 가지는 서브-마이크론 갭만큼 광전지 셀 표면으로부터 분리된 표면을 가지는 고온측 열 방출기를 포함할 수 있다. 서브-마이크론 갭과 반대쪽 광전지 셀 표면은 마이크로채널 히트 싱크의 표면에 압축가능하게 위치되고, 광전지 셀과 반대쪽 마이크로채널 히트 싱크 표면은 압축가능한 층 또는 "스폰지(sponge)"에 의해 분리된 편평한 강성의 판 층에 압축가능하게 위치된다. 압축가능한 층과 반대쪽 편평한 강성의 판 측에는 힘 메커니즘이 강제로 위치되고, 이 힘 메커니즘은 고온측 열 방출기의 표면과 광전지 셀의 대향 표면 사이에 균일한 갭 크기를 유지하기 위하여 서로 밀접히 접촉하게 서브-마이크론 갭 광전지 셀 구조물 층들을 압축한다. 이 힘 메커니즘은, 예를 들어, 압전 힘 트랜듀서이거나, 또는 외부 소스에 의해 제어가능한 압력 하에서 유지되는 유체를 포함하는 공압 또는 유압 챔버일 수 있다. 압전 트랜듀서 어레이는 전술된 바와 같이 기판 층의 표면과 수직인 Z-차원에서의 능동 압축력과, 이 층에서 평면 내 응력을 최소화하면서 불규칙적인 표면을 상쇄시키기 위해 X-차원과 Y-차원에서의 수동 힘을 제공할 수 있다.
상기 마이크로채널 히트 싱크는 외부 소스로부터 적절한 냉각재를 수용하는 입력 다기관을 포함한다. 상기 냉각재는 상기 냉각재가 열 에너지를 흡수하는 상기 마이크로채널 히트 싱크 표면 바로 아래에 다중 마이크로채널을 통해 상기 입력 다기관으로부터 압력으로 가압된다. 상기 가열된 냉각재는 배기 다기관으로 지나가며, 여기서 냉각과 추가적인 처리를 위해 상기 외부 소스로 리턴된다.
종래 방법에 비해 전술된 상기 마이크로채널 히트 싱크 방법의 잇점은 액체 금속 층이 더 이상 요구되지 않고, 기계적인 벨로우즈가 제거되고, 스택에서 유체 흐름 힘의 효과가 제거된다는 것이다. 나아가, 축방향 압축성 힘에 따라 액체 금속 압력을 조절하는 요구가 제거되어, 하드웨어 요구조건과 복잡성을 감소시킨다.
본 란은 이하 상세한 설명에서 이하 더 설명되는 것을 간략한 형태로 개념을 선택적으로 소개하기 위해 제공된 것이다. 본 란은 청구된 주제의 모든 핵심 또는 필수적인 특징을 식별하기 위한 것으로 의도된 것도 아니고, 청구된 주제의 범위를 제한하는데 사용하려고 의도된 것도 전혀 아니다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면 및 장점은 이하 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하여 보다 더 잘 이해될 수 있을 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 서브-마이크론 갭 열광전지 셀 구조물의 일 실시예를 도시하는 도면;
도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널 히트 싱크 구조물을 제조하는 일 실시예를 도시하는 사시도; 및
도 3은 본 발명에 따른 마이크로채널 히트 싱크 구조물의 일 실시예를 도시하는 사시도.
도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 서브-마이크론 갭 열광전지 셀 구조물(100)의 일 실시예를 도시한다. 이 구조물은, 마이크론 스케일에서 일반적으로 편평하지 않고, 서로 접하게 강제로 위치되고, 인클로저(195) 내에 압축가능하게 구속되어, 고온측 열 방출기(110)의 표면과 광전지 셀(120)의 대향 표면 사이에 상대적으로 일정한 서브-마이크론 갭 크기(112)를 유지하는 다중 기판 층을 포함한다. 스페이서(115)는 적절한 서브-마이크론 갭 크기를 유지하는 것을 도와주기 위해 제공된다. 마이크로채널 히트 싱크(125)의 채널 판(130)은 서브-마이크론 갭(112)의 반대쪽 광전지 셀(120) 표면에 압축된다. 마이크로채널 히트 싱크(125)는 채널 판(130)과 부착된 오염 판(135)을 포함한다. 오염 판(135)은 냉각재(190)의 유입을 마이크로채널 히트 싱크(125)의 입력 다기관으로 제공하기 위한 입력 냉각재 커넥터(145)와, 마이크로채널 히트 싱크(125)의 배기 다기관으로부터 냉각재(175)의 유출을 제공하기 위한 배기 냉각재 커넥터(140)를 포함한다. 채널 판(130)은 아래에 설명된 바와 같이 입력 다기관, 배기 다기관, 및 이 입력 다기관과 배기 다기관 사이의 다중 마이크로채널을 포함한다.
오염 판(135)의 외부 표면은 압축가능한 층(150)으로 분리된 편평한 강성의 판(155)에 압축가능하게 위치된다. 압축성 층(150)은 인클로저와 일치하는 공통 형상을 취하는 마이크로채널 히트 싱크(125)를 포함하는 모든 층을 제조하기에 충분한 힘을 제공할 만큼 충분한 압축을 제공할 필요가 있다. 히트 싱크(125)는 수 십 마이크론 레벨에서 벤딩이 일어날 수 있을 만큼 얇게 제조된다. 압축가능한 층(150)은 다른 층들이 편평하지 않은 것(non-flatness)으로 인해 압축될 때 균일한 두께를 가지지 않는다. 그리하여, 압축가능한 층(150)의 강성과 두께는 갭(112)에 걸쳐 압력 변동을 최소화하도록 주의 깊게 선택된다. 예를 들어, 압축가능한 층(150)은 힘이 인가된 것으로 인해 평균 100 마이크론을 압축하는 1000 마이크로 두께 포움(foam)일 수 있다. 또한, 압축가능한 층(150)의 두께 변동이 압축되는 층의 표면 변동으로 인해 10 마이크론인 경우, 마이크로채널 히트 싱크에 인가되는 압력의 변동이 10%일 수 있다. 이 포움의 압축 강성이 추가적인 감소하면 이 압력 변동이 감소될 수 있다.
힘 메커니즘(160)은 압축가능한 층(150)과 반대쪽 강성의 판의 표면에 압축가능하게 위치된다. 힘 메커니즘(160)은 다른 층으로 압축력을 인가하여, 기판 층의 표면 편평함이 불균일함에도 불구하고 상대적으로 일정한 서브-마이크론 갭 크기를 유지한다. 입력 커넥터(170)는 압축 에너지(185)를 힘 메커니즘(160)에 제공하기 위해 제공될 수 있고, 출력 커넥터(165)는 힘 메커니즘(160)으로부터 압축 에너지를 위한 리턴(180)으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 힘 메커니즘(160)이 압전 트랜듀서로 구현되는 경우, 커넥터(170, 165)는 전기적 연결일 수 있다. 힘 메커니즘(160)이 공압 구현인 경우, 커넥터(170, 165)는 공압 커넥터일 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로채널 히트 싱크 구조물(200)을 제조하는 일 실시예를 도시하는 사시도이다. 도 2는 채널 판(220)(도 1에서는 130)과 오염 판(260)(도 1에서는 135)을 포함한다. 도 2는 냉각재 소스로부터 냉각재를 수용하고 냉각재를 배기 다기관(210)에 연결된 마이크로채널(230)에 공급하는 입력 다기관(240)을 도시한다. 마이크로채널(230)을 통과할 때, 냉각재는 열을 흡수하고, 냉각재 소스에서 리턴, 냉각 및 처리하기 위해 배기 다기관(210)에서 수집된다. 오염 판(260)은 냉각재 공급을 입력 다기관(240)에 연결하기 위한 입력 오리피스(270)와, 배기 다기관(210)으로부터 냉각재 리턴을 연결하기 위한 배기 오리피스(250)를 포함한다. 다른 실시예는 입구측과 출구측에 다중 오리피스를 구비하여 기계적 응력을 완화시킬 수 있다.
채널 판(220)은 실리콘으로 제조되고, 종래의 포토리소그래피와 에칭 기술을 사용하여 입력 다기관(240), 마이크로채널(230) 및 배기 다기관(210)을 제공하도록 마이크로-가공(micro-machined)될 수 있다. 또한 오염 판(260)은 실리콘으로 제조되고, 에폭시와 같은 접착제 또는 유리 프리트 및 열 압축과 같은 다른 웨이퍼 접합 기술을 사용하여 채널 판(220)에 접합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로채널 히트 싱크 구조물(300)의 일 실시예를 도시하는 사시도이다. 실리콘 웨이퍼는 통상적으로 투명하지 않지만, 도 3은 마이크로채널 히트 싱크(300)의 구조적 상세를 더 잘 도시하기 위해 채널 판(320)을 투명한 구조물로 도시한다. 도 3은 오염 판(360)에 접합된 채널 판(320)을 도시한다. 냉각재 유체(390)는 입력 냉각재 커넥터(385)에 들어가 냉각재 입력 오리피스(370)를 통해 입력 다기관(340)으로 진입한다. 입력 다기관(340)은 냉각재를 마이크로채널(330)을 통해 배기 다기관(310)에 분배한다. 냉각재는 마이크로채널(330)을 통과할 때 가열된다. 가열된 냉각재 유체(380)는 배기 다기관(310)에 의해 수용되고, 처리를 위해 냉각재 소스로 리턴하기 위해 냉각재 배기 오리피스(350)를 통해 배기 냉각재 커넥터(375)에 제공된다.
본 주제는 구조적 특징과 방법 단계에 특정된 언어로 설명되었으나, 첨부된 청구범위에 한정된 주제는 전술된 특정 특징 또는 단계로 제한되는 것은 아니라는 것이 주목된다. 오히려, 전술된 특정 특징 및 단계는 청구범위를 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims (18)

  1. 열광전지 셀의 저온측 광전 수집기를 균일한 서브-마이크론 갭과 저온으로 유지하기 위한 층상화된 구조물로서,
    스페이서로 유지되는 서브-마이크론 갭만큼 저온측 광전지 셀로부터 분리된 고온측 기판, 마이크로채널 히트 싱크, 압축가능한 층, 편평한 강성의 판, 및 힘 메커니즘을 포함하는 층상화된 구조물을 포함하고;
    상기 층상화된 구조물은 인클로저 내에 수용되고;
    상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘은 상기 인클로저에 의해 서로 강성의 위치 관계로 유지되고;
    상기 광전지 셀과 상기 마이크로채널 히트 싱크 사이에 균일한 서브- 마이크론 갭과 효과적인 열전도를 유지하기 위해 상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘 사이 상기 인클로저 내 층들에 상기 힘 메커니즘에 의해 압축력이 유지되는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크는 상기 압축가능한 층, 상기 편평한 강성의 판 및 상기 힘 메커니즘에 의해 상기 광전지 셀에 압축가능하게 위치되는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크는 상기 인클로저의 형상을 취할 수 있는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크의 구조적 특성은 강성, 반강성 및 유연성으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압축가능한 층은 상기 광전지 셀, 상기 고온측 층 및 상기 서브-마이크론 갭 내 상기 스페이서에 대한 압력 변동을 최소화하는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크는,
    냉각재 오리피스를 통해 냉각재 입력 다기관에 연결된 입력 냉각재 커넥터;
    배기 냉각재 다기관을 통해 냉각재 배기 커넥터에 연결된 냉각재 배기 다기관; 및
    상기 입력 냉각재 다기관과 상기 냉각재 배기 다기관 사이에 채널 판을 포함하고, 상기 채널 판은 상기 입력 냉각재 다기관과 상기 냉각재 배기 다기관 사이에 냉각재를 전달하는 다중 마이크로채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크는 실리콘 오염 판에 접합된 실리콘 채널 판을 포함하고, 상기 채널 판은 실리콘으로 제조되고, 입력 다기관, 배기 다기관, 및 상기 입력 다기관과 상기 배기 다기관 사이에 마이크로채널을 제공하도록 마이크로-가공된 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 힘 메커니즘은 압전 트랜듀서, 공압 작동체 및 압력 조절기로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  9. 열광전지 셀의 저온측 광전 수집기를 균일한 서브-마이크론 갭과 저온으로 유지하는 방법으로서,
    스페이서로 유지된 서브-마이크론 갭만큼 저온측 광전지 셀로부터 분리된 고온측 기판, 마이크로채널 히트 싱크, 압축가능한 층, 편평한 강성의 판, 및 힘 메커니즘을 포함하는 층상화된 구조물을 형성하는 단계;
    인클로저 내에 상기 층상화된 구조물을 둘러싸는 단계;
    상기 인클로저에 의해 서로 강성의 위치 관계로 상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘을 유지하는 단계; 및
    상기 광전지 셀과 상기 마이크로채널 히트 싱크 사이에 균일한 서브-마이크론 갭과 효과적인 열전도를 유지하기 위해 상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘 사이 상기 인클로저 내 층들에 상기 힘 메커니즘에 의해 압축력을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 압축가능한 층, 상기 편평한 강성의 판 및 상기 힘 메커니즘에 의해 상기 마이크로채널 히트 싱크를 상기 광전지 셀로 압축가능하게 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 마이크로채널 히트 싱크를 상기 인클로저의 형상으로 취하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 강성, 반강성 및 유연성으로 구성된 그룹으로부터 상기 마이크로채널 히트 싱크의 구조적 특성을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 광전지 셀, 상기 고온측 층 및 상기 압축가능한 층에 의한 상기 서브-마이크론 갭 내 상기 스페이서에 대한 압력 변동을 최소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    입력 냉각재 커넥터를 상기 마이크로채널 히트 싱크 내 냉각재 오리피스를 통해 냉각재 입력 다기관으로 연결하는 단계;
    냉각재 배기 다기관을 상기 마이크로채널 히트 싱크 내 배기 냉각재 다기관을 통해 냉각재 배기 커넥터에 연결하는 단계; 및
    상기 입력 냉각재 다기관과 상기 냉각재 배기 다기관 사이에 채널 판을 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 채널 판은 상기 입력 냉각재 다기관과 상기 냉각재 배기 다기관 사이에 냉각재를 전달하는 다중 마이크로채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    마이크로채널 히트 싱크를 형성하도록 실리콘 오염 판에 접합된 실리콘 채널 판을 더 포함하는 단계,
    실리콘으로 상기 채널 판을 제조하는 단계, 및
    입력 다기관, 배기 다기관, 및 상기 입력 다기관과 상기 배기 다기관 사이에 마이크로채널을 제공하도록 상기 채널 판을 마이크로-가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 압전 트랜듀서, 공압 작동체 및 압력 조절기로 구성된 그룹으로부터 상기 힘 메커니즘을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 열광전지 셀의 저온측 광전 수집기를 균일한 서브-마이크론 갭과 저온으로 유지하는 층상화된 구조물로서,
    스페이서로 유지되는 서브-마이크론 갭만큼 광전지 셀의 열 수집 표면으로부터 분리된 고온측 기판의 열 방출기 표면;
    상기 광전지 셀의 상기 열 수집 표면과 반대쪽 상기 광전지 셀 표면의 표면에 압축가능하게 위치된 마이크로채널 히트 싱크의 제1 표면;
    압축가능한 층의 제1 표면에 압축가능하게 위치된 상기 마이크로채널 히트 싱크의 상기 제1 표면과 반대쪽 상기 마이크로채널 히트 싱크의 제2 표면;
    편평한 강성의 판의 제1 표면에 압축가능하게 위치된 상기 압축가능한 층의 상기 제1 표면과 반대쪽 상기 압축가능한 층의 제2 표면;
    힘 메커니즘의 제1 표면에 압축가능하게 위치된 상기 편평한 강성의 판의 상기 제1 표면과 반대쪽 상기 편평한 강성의 판의 제2 표면; 및
    인클로저에 의해 상기 힘 메커니즘의 상기 제1 표면과 반대쪽 상기 힘 메커니즘의 제2 표면과 강성의 위치 관계로 유지되는 상기 고온측 열 방출기 표면과 반대쪽 상기 고온측 기판의 열 수집기 표면을 포함하고;
    상기 광전지 셀과 상기 마이크로채널 히트 싱크 사이에 균일한 서브-마이크론 갭과 효과적인 열전도를 유지하기 위해 상기 고온측 열 수집기 표면과 상기 힘 메커니즘의 상기 제2 표면 사이에 상기 인클로저 내 층들에 상기 힘 메커니즘에 의해 압축력이 유지되는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
  18. 열-전기 변환 셀(thermal-to-electric conversion cell)의 저온측 수집기를 균일한 서브-마이크론 갭과 저온으로 유지하는 층상화된 구조물로서,
    스페이서로 유지되는 서브-마이크론 갭만큼 저온측 셀로부터 분리된 고온측 기판, 마이크로채널 히트 싱크, 압축가능한 층, 편평한 강성의 판, 및 힘 메커니즘을 포함하는 층상화된 구조물을 포함하고;
    상기 층상화된 구조물은 인클로저 내에 수용되고;
    상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘은 상기 인클로저에 의해 서로 강성의 위치 관계로 유지되고;
    상기 셀과 상기 마이크로채널 히트 싱크 사이에 균일한 서브-마이크론 갭과 효과적인 열전도를 유지하기 위해 상기 고온측 기판과 상기 힘 메커니즘 사이에 상기 인클로저 내 층들에 상기 힘 메커니즘에 의해 압축력이 유지되는 것을 특징으로 하는 층상화된 구조물.
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