KR20160129640A - 무선 전력송신유닛 및 이를 포함하는 무선전력충전시스템 - Google Patents

무선 전력송신유닛 및 이를 포함하는 무선전력충전시스템 Download PDF

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KR20160129640A
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이정은
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이희정
염재훈
윤형
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 무선충전을 구현하는 장치의 방열을 구현하는 냉각모듈을 포함하는 장치에 대한 것으로, 제1케이스부재; 제1케이스부재 내부에 배치되는 무선전력송신을 위한 코일을 포함하는 송신모듈;및 상기 송신모듈에 인접하며, 열원을 냉각 방출하기 위해 상기 제1케이스부재 내부에 수용되는 열전소자를 포함하는 냉각모듈;을 포함하는 무선 전력송신유닛을 제공할 수 있도록 한다.

Description

무선 전력송신유닛 및 이를 포함하는 무선전력충전시스템{Power transmitting unit and System for charging float using the same}
본 발명의 실시예는 무선충전을 구현하는 장치의 방열을 구현하는 냉각모듈을 포함하는 장치에 대한 것이다.
무선으로 전력을 전송하는 무선충전 시스템은 Tx의 코일에서 발생한 교류 자기장에 의해 Rx의 코일에 전류를 유도시켜 이와 연결된 배터리에 전하를 공급하는 원리로 동작된다.
무선 충전 중 발생하는 제어 IC, Tx 및 Rx 코일, 차폐시트, 배터리의 발열이 증가하게 되면 부품성능 및 수명 저하와 함께 저온화상의 원인이 될 수 있다. 일반적으로 low power (≤ 5 W)무선 충전의 경우 전력 수신단(Rx)에 방열을 구현하는 구조물을 구비하여 냉각을 구현할 수 있지만, 보다 큰 전력을 사용하는 middle power(≥ 5 W) 무선충전의 경우 발열량이 크게 증가하게 되어 부품성능 및 수명 저하와 함께 저온화상 등의 문제가 발생할 위험성이 커지게 된다.
본 발명의 실시예는 상술한 종래의 열전소자의 효율을 높이기 위해 안출된 것으로, 특히 열전소자를 포함하는 열전모듈을 전력의 송신유닛에 구비하여, 배터리를 충전하는 경우와 같이 전력을 송신하는 송신모듈(Tx)과 수신모듈(Rx)의 에너지 효율에 따라 발생하는 열을 신속하게 방출시킬 수 있도록 해 부품의 성능과 신뢰성을 유지함과 동시에 송·수신 장치의 케이스를 통하여 전달된 열에 의한 저온화상 사고를 방지할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예는 제1케이스부재; 제1케이스부재 내부에 배치되는 무선전력송신을 위한 코일을 포함하는 송신모듈;및 상기 송신모듈에 인접하며, 열원을 냉각 방출하기 위해 상기 제1케이스부재 내부에 수용되는 열전소자를 포함하는 냉각모듈;을 포함하는 무선 전력송신유닛을 제공할 수 있도록 한다.
나아가, 상기 무선 전력송신유닛의 제1케이스부재와 인접하여 배치되며, 제2케이스부재 내부에 상기 송신모듈과 연동하여 발생하는 유도전류를 저장하는 수신모듈을 구비하는 무선 전력수신유닛;을 더 포함하는 무선 전력 충전시스템을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자를 포함하는 열전모듈을 전력의 송신유닛에 구비하여, 배터리를 충전하는 경우와 같이 전력을 송신하는 송신모듈(Tx)과 수신모듈(Rx)의 에너지 효율에 따라 발생하는 열을 신속하게 방출시킬 수 있도록 해 부품의 성능과 신뢰성을 유지함과 동시에 송·수신 장치의 케이스를 통하여 전달된 열에 의한 저온화상 사고를 방지할 수 있는 무선 전력 충전시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛을 포함하는 충전시스템의 요부를 도시한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛에 포함되는 열전모듈의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛에 포함되는 열전모듈의 열전소자의 변형구조에 대한 개념도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛에 적용되는 열전소자의 다른 구조에 대한 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛을 포함하는 충전시스템의 요부를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛은, 제1케이스부재(310)와 제1케이스부재(310) 내부에 배치되는 무선전력송신을 위한 코일을 포함하는 송신모듈(320)및 상기 송신모듈에 인접하며, 열원을 냉각 방출하기 위해 상기 제1케이스부재 내부에 수용되는 열전소자를 포함하는 냉각모듈(100, 101, 102, 103)을 포함하여 구성될 수 있다. 후술하겠지만, 상기 무선전력송신 유닛(300)은 전력 충전을 하는 무선 전력수신유닛(200)과 인접하에 배치될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛은 제1케이스부재(310) 내부에 구비되는 송신모듈(320)에 포함되는 코일에서 발생한 교류자기장에 의해 수신모듈(250)에 포함되는 코일에 전류를 유도시켜, 수신모듈(250)과 함께 배치되는 배터리(240)와 같은 저장장치에 전하를 공급하게 된다. 이 경우, 송신모듈과 수신모듈의 에너지 효율에 따라 열이 발생하게 되는데, 이러한 발열은 코일이나 제어 IC, 충전배터리 등 다양한 개소에서 발생하게 된다. 이러한 발열현상은 부품의 성능이나 신뢰성에 문제를 초래하게 되며, 이를 극복하기 위해 본 발명의 실시예에서는 냉각모듈을 송신유닛(300) 내부에 배치하여 방열을 구현할 수 있도록 한다.
상기 냉각모듈은 우선, 제1케이스부재(310)의 내부에 배치되는 열전모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 열전모듈(100)은 도 3 및 도 4에서와 같이 상호 대향하는 기판 사이에 열전반도체 소자를 배치하고, 전원을 인가하여 펠티어효과를 구현하여 냉각기능을 구현하는 모듈이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150), 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우 열전소자의 경우, 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다. 특히, 본 발명에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제1기판(140)이 제1케이스부재(310)과 밀착하여 접촉하는 구조로 배치될 수 있도록 할 수 있다. 물론, 열전소자의 배치 설계에 따라 제2기판(150)이 제1케이스부재(310)과 접촉하는 구조로 구현될 수도 있다. 이 경우, 방열영역(Hot side)가 구현되는 제2기판(150)에는 방열부재(101)을 더 포함하여 방열의 기능을 더욱 강화할 수 있도록 한다.
일예로, 도 1에서 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛을 이용하여 충전을 구현하는 경우, 상호 인접하여 배치되는 송신모듈(320)과 수신모듈(250)에서 발생하는 발열에 따라 송신모듈(320)과 수신모듈(250)의 표면온도가 위치별로 차이를 보이며, 가장 뜨거운 지점(Hot Spot;핫 스팟)이 존재하게 된다. 5W 무선충전시를 예로들면, 충전시 이 핫스팟의 온도는 50℃까지 올라가게 된다. 이러한 저전력(Low Power) 무선충전모듈에서 발생하는 발열의 문제는 수신모듈에 열확산시트를 부착하여 핫스팟의 온도를 40℃로 낮출수 있으나, 무선충전의 기능이 적용되는 다양한 전자제품의 디자인과 체적의 규격제한이 발생하는 경우, 이러한 단순한 열확산시트만으로는 방열의 효과가 한정되게 된다. 만일, 5W 이상의 중전력(Middle Power) 무선충전의 경우라면, 제품의 평균온도가 대부분의 경우 40℃를 초과하게 되며, 이 경우 열확산시트(동박, 그라파이트 시트 등) 만으로는 핫스팟의 온도를 40℃ 이하로 낮추는 것은 거의 불가능하게 된다. 일예로 10W 전력으로 무선충전을 구현하는 경우, 핫스팟의 온도는 60℃까지 올라가게 되며, 공기에 노출되는 케이스부재 표면에서 방출되는 열보다 수신모듈과 송신모듈에서 발생한 열이 더 크게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 이러한 문제를 해소하기 위해 냉각모듈을 케이스부재 내측에 열전도듈을 포함하여 구현하여 냉각기능을 강화할 수 있도록 한다.
이를 위해, 상기 냉각모듈은 상술한 열전모듈(100)외에, 상기 제1케이스부재(310)의 내부에 배치되는 열전도부재(103)를 더 포함하여 구성될 수 있도록 할 수 있다. 상기 열전도성부재(103)는 기본적으로 송신모듈에서 발생하는 열을 흡수하여 외부로 방출하기 위한 열전도특성이 강한 재질(K≥4W/mK)로 구현되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 열전도성부재(103)는 에폭시수지를 포함하는 시트부재의 형태로 구현될 수 있다. 이러한 예로는, RoHS 및 무할로겐(halogen free)의 난연성 에폭시(epoxy) 수지를 기지 물질로 하고 BN과 다이아몬드(diamond) 중 어느 하나를 필로로서 포함한다. 이를 통해 에폭시(Epoxy)에 높은 열전도도와 절연 특성을 가지고 있는 BN 또는 diamond를 첨가함으로써 열전도성부재(103)의 열적 특성을 향상시킨다. 이때 열전도성부재는 절연성으로 구현함이 바람직하다. 이는 열전도성부재가 도전성 특성일 경우 송신모듈(Tx)와 수신모듈(Rx) 사이에 전기적으로 쇼트(short)가 발생하여 에너지 전송효율이 떨어지게 도기 때문이다.
또한, 상기 열전도성부재(103)의 두께는 10㎛ ~ 1000 ㎛ 의 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 상기 열전도성부재(103)의 두께가 10㎛ 미만으로 구현되어 두께가 너무 얇을 경우 열확산 기능이 저하되며, 상기 열전도성부재(103)의 두께가 1000㎛를 초과하여 두께가 너무 두꺼울 경우 비용적인 측면이나 제품 구성 측면에서 문제가 발생하게 된다. 나아가, 상기 열전도성부재(103)의 표면에는 요철패턴이나 돌출패턴, 엠보싱 패턴 구조 등이 다양한 방열패턴을 구현하여 열확산표면적을 증가시켜 방열효과를 극대화할 수 있도록 한다.
나아가, 상기 열전도성부재(103)은 도 1의 구조와 같이, 상기 제1케이스부내의 내표면에 상기 열전도부재의 일면이 밀착하여 배치되치되는 것외에, 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 제1케이스부재의 일부 영역에 일체형으로 구현되는 구조로 형성하여, 열과 직접접촉하는 구조로 구현하여 방열특성을 더욱 강화할 수 있게 할 수도 있다.
나아가, 상기 냉각모듈은, 상기 제1케이스부재 내부에 배치되는 팬부재(102)를 더 포함하여 구성될 수 있도록 할 수 있다. 상기 팬부재(102)는 특히 상기 송신모듈(320)과 열전모듈(100) 사이에 배치될 수 있으며, 제1케이스부재(310) 내부의 공기를 순환시키고, 송신모듈에서 발생한 열을 효율적으로 열전모듈에 유도하여 방열특성을 더욱 강화할 수 있도록 한다. 나아가 상기 제1케이스부재(310)에는 내부의 공기를 외부로 방출하거나 유입하기 위한 통기홀(311)을 구비하는 구조로 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 냉각모듈의 구비로 인해, 송신모듈(250;Tx)에서 발생한 열은 열전도성부재(103)와 열전모듈(100)을 통해 외부로 방출하게 된다. 동시에, 수신모듈(250)에서 발생한 열 또한 송신모듈 쪽으로 전달되어, 용이하게 방출될 수 있게 된다.
아울러, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛(300)은 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 무선 전력송신유닛의 제1케이스부재(310)와 인접하여 배치되며, 제2케이스부재(310) 내부에 상기 송신모듈(320)과 연동하여 발생하는 유도전류를 저장하는 수신모듈(250)을 구비하는 무선 전력수신유닛(200)을 포함하는 무선 전력 충전시스템으로 구현할 수 있다. 상기 무선 전력수신유닛(200)은 내부에 코일을 구비하는 수신모듈(250)과 충전을 위한 배터리(240)외에 인쇄회로기판(230)과 제어를 위한 키패드유닛(220) 등의 부품을 추가로 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도 1 및 도 2에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력송신유닛(300)과 무선 전력수신유닛(200)을 포함하는 무선 전력 충전시스템에서 적용되는 냉각모듈은 기본적으로 열전모듈(100)을 포함하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 상술한 열전모듈(100)의 다양한 적용가능한 구조를 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 도 1 및 도 2에서의 무선 전력송신유닛(300)에 냉각모듈에 포함되는 열전모듈은, 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150), 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1기판 및 상기 제2기판이 폭과 두께는 동일한 구조로 구현할 수도 있지만, 열효율을 높이기 위해, 상기 제1기판 및 상기 제2기판의 체적이 서로 다르게 형성될 수 있도록 구현할 수도 있다.다. 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다. 특히, 본 발명에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제1기판(140)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제2기판(150)의 면적을 넓게 형성할 수 있도록 하여, 열전도율을 높이고, 방열효율을 높여 도 1에서 상술한 열전모듈에서의 히트싱크 기능을 하는 방열부재(101)를 제거할 수도 있다.
구체적으로, 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 제2기판(150)의 면적을 제1기판(140)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다. 도 4에 도시된 도면에서도 제1기판(140)의 폭(b1)이 제2기판(150)의 폭(b2)보다 좁게 형성되며, 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다.
이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다.
아울러, 상기 제2기판(150)의 경우, 제2기판의 표면에 방열패턴(미도시), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제2기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제2기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1기판(140)의 두께(a1)를 상기 제2기판(150)의 두께(a2) 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다.
상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우(도 2 참조) 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용될 수 있는 다양한 열전소자의 형태에 대해 설명하기로 한다.
1) 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자
도 3에 도시된 구조에서, 본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용하여 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자를 적용할 수 있다. 벌크형(Bulk type)이란 반도체 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물을 의미한다. 이러한 벌크형 소자는 하나의 일체형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
2) 열전소자의 구조 변형실시예
또한, 도 3에 도시된 구조에서, 본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용하여 상호 동일한 형상, 원통형, 직육면체형, 타원단면을 가지는 원통구조 등 균일한 폭을 가지는 입체 구조로 구현할 수 있는 것을 예시로 하였다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 5에 도시된 것과 같이, 제1기판 및 제2기판 상에 수용되는 제1전극 및 제2전극의 노출표면에 접합하는 부분의 폭이 넓게 구현되는 구조로 구현될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자(120)는, 제1단면적을 가지는 제1소자부(122), 상기 제1소자부(122)와 대향하는 위치에 제2단면적을 가지는 제2소자부(126) 및 상기 제1소자부(122)와 상기 제2소자부(126)를 연결하는 제3단면적을 가지는 연결부(124)를 포함하는 구조로 구현될 수 있다. 특히 이 경우, 상기 연결부(124)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적보다 작게 구현되는 구조로 마련될 수 있다.
이러한 구조는 동일한 재료를 가지고 정육면체 구조와 같은 단일 단면적을 가지는 구조의 열전소자와 동량의 재료를 적용하는 경우, 제1소자부와 제2소자부의 면적을 넓히고, 연결부의 길이를 길에 구현할 수 있게 됨으로써, 제1소자부와 제2소자부 사이의 온도차(△T)를 크게 할 수 있는 장점이 구현될 수 있게 된다. 이러한 온도차를 증가시키면, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아져 전기의 발전량이 증가되며, 발열이나 냉각의 경우 그 효율이 높아지게 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 열전소자(120)은 연결부(124)의 상부 및 하부에 평판형 구조나 다른 입체 구조로 구현되는 제1소자부 및 제2소자부의 수평 단면적을 넓게 구현하고, 연결부의 길이를 연장하여 연결부의 단면적을 좁힐 수 있도록 한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 연결부의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 수평단면적 중 더 큰 단면의 폭(A or C)의 비율이 1:(1.5~4)의 범위를 충족하는 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 이 범위를 벗어나는 경우에는, 열전도가 발열측에서 냉각측으로 전도되어 오히려 발전효율을 떨어뜨리거나, 발열이나 냉각효율을 떨어뜨리게 된다.
이러한 구조의 실시예의 다른 측면에서는, 상기 열전소자(120)는, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자의 길이방향의 두께(a1, a3)는, 상기 연결부의 길이방향 두께(s2)보다 작게 구현되도록 형성될 수 있다.
나아가, 본 실시예에서는, 제1소자부(122)의 수평방향의 단면적인 상기 제1단면적과 제2소자부(126)의 수평방향의 단면적인 상기 제2단면적이 서로 다르게 구현할 수 있다. 이는 열전효율을 조절하여 원하는 온도차를 쉽게 제어하기 위함이다. 나아가, 상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는 상호 일체로 구현되는 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우 각각의 구성은 상호 동일한 재료로 구현될 수 있다.
3) 적층형 열전소자 구조
도 6 내지 도 8을 참조하여, 상술한 본 발명의 실시에에 따른 열전소자의 구조와는 다른 실시예를 설명하기로 한다. 본 실시예에서는, 상술한 반도체소자의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로는, 도 6에서의 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
이에 대해서 도 6을 참조하면, 도 6은 상술한 적층 구조의 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다. 도 6에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 6에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(120)은 기재(111) 상에 반도체 층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 1 내지 도 4에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조와 같이, 원통형 구조나 정육면체나 직육면체의 구조로 절단하거나, 또는 도 5의 형상을 구현하여 도 6의 (d)의 형상으로 절단하여 구현할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 6의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 8의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.
즉, 도 7에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 8의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 8의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT(℃) 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다. 상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.
도 6에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 1 및 도 5에 도시된 열전모듈에 적용하는 경우, 즉 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.
또한, 도 8에 도시된 것과 같이, 도 6에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 8의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.
이러한 도 8의 (c)의 구조는, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위열전소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
즉, 상호 대향하여 배치되는 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 상술한 것과 같이 무선충전장치의 제품에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 열전모듈 101:방열부재
110: 단위부재 111: 기재
112: 반도체층 120: 열전소자
122: 제1소자부 124: 연결부
126: 제2소자부 130: 열전소자
132: 제1소자부 134: 연결부
136: 제2소자부 140: 제1기판
150: 제2기판 160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층 181, 182: 회로선
200: 수신유닛 210: 제2케이스부재
220: 키패드부재 230: 인쇄회로기판
240: 배터리
300: 송신유닛 310: 제1케이스부재
320: 송신모듈

Claims (10)

  1. 제1케이스부재;
    제1케이스부재 내부에 배치되는 무선전력송신을 위한 코일을 포함하는 송신모듈;및
    상기 송신모듈에 인접하며, 열원을 냉각 방출하기 위해 상기 제1케이스부재 내부에 수용되는 열전소자를 포함하는 냉각모듈;
    을 포함하는 무선 전력송신유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각모듈은,
    상호 대향하는 한 쌍의 제1기판 및 제2기판 사이에 한 쌍의 상기 열전소자가 배치되는 열전모듈을 포함하는 무선 전력송신유닛.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 제1기판 또는 상기 제2기판 중 적어도 어느 하나는 상기 제1케이스부재와 접촉하는 무선 전력송신유닛.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 제1기판 또는 상기 제2기판 중 어느 하나와 접촉하는 방열부재;를 더 포함하는 무선 전력송신유닛.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각모듈은,
    상기 제1케이스부재의 내부에 배치되는 절연성 열전도부재;를 더 포함하는 무선전력송신유닛.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전도부재는,
    상기 제1케이스부내의 내표면에 상기 열전도부재의 일면이 밀착하여 배치되는 무선전력송신유닛.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연성 열전도부재가 상기 제1케이스부재의 일부 영역에 일체형으로 구현되는 무선전력송신유닛.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 열전도부재의 일면에 대향하는 타면에 마련되는 방열패턴을 더 포함하는 무선 전력송신유닛.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전도부재는,
    10um~1000um의 두께의 범위인 무선 전력송신유닛.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전도부재는 에폭시수지를 포함하는 시트부재인 무선 전력송신유닛.
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