KR20170048893A - 열전모듈 - Google Patents

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KR20170048893A
KR20170048893A KR1020150149544A KR20150149544A KR20170048893A KR 20170048893 A KR20170048893 A KR 20170048893A KR 1020150149544 A KR1020150149544 A KR 1020150149544A KR 20150149544 A KR20150149544 A KR 20150149544A KR 20170048893 A KR20170048893 A KR 20170048893A
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김경복
여인웅
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Abstract

본 발명은, 절연기판과, 상기 절연기판의 상면에 부착된 전극패드와, 상기 전극패드의 상면에 접속된 반도체부와, 상기 반도체부를 관통하는 냉각파이프를 가질 수 있다. 상기 반도체부는 서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가지며, 상기 냉각파이프의 내부에는 냉각유체가 통과한다.

Description

열전모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온부의 냉각성능을 높여 저온부와 고온부 사이의 온도차이를 증대시킬 수 있는 열전모듈에 관한 것이다.
열전모듈은 그 양면의 온도 차를 이용하여 기전력을 발생하는 제베크효과(seeback effect)를 이용한 열전발전시스템에 이용되고 있다.
이러한 열전모듈에 의한 열전발전 시에는 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 크게 유지함에 따라 열전발전의 출력량을 증가시킬 수 있다.
고온부와 저온부 사이의 온도차이를 높이기 위하여 열전모듈의 저온부에는 저온부를 냉각시키는 다양한 냉각장치가 설치되고, 이러한 냉각장치는 냉각유체가 통과하는 열교환기 또는 열확산기 등으로 이루어진 수냉식구조로 이루어진다.
이와 같이, 종래의 열전모듈은 수냉식 구조의 냉각장치에 의해 그 저온부가 냉각되는 구조로 이루어지고, 반도체부에 비해 냉각장치의 사이즈 및 중량이 더 커짐에 따라 열전모듈의 컴팩트화가 용이하지 못한 단점이 있었다.
그리고, 반도체부와 냉각유체 사이에서 열교환기(또는 열확산기), 절연층, 전극 등과 같이 냉각을 저해하는 열저항이 존재함에 따라 저온부의 냉각성능을 향상시키는 데 한계가 있었고, 이로 인해 저온부와 고온부 사이의 온도차이를 증대시키지 못하여 열전발전 효율이 높지 않은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 냉각장치의 사이즈 및 중량을 대폭 감소시킴과 더불어, 반도체부와 냉각유체 사이의 열저항을 최소화하여 저온부의 냉각성능을 대폭 향상시킬 수 있는 열전모듀을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열전모듈은,
절연기판;
상기 절연기판의 상면에 부착된 전극패드;
상기 전극패드의 상면에 접속되고, 서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가진 반도체부; 및
상기 반도체부를 관통하여 설치되고, 내부에 냉각유체가 통과하는 냉각파이프;를 포함할 수 있다.
상기 냉각파이프는 원형 단면을 가지고, 상기 반도체부는 상기 냉각파이프의 원주방향을 따라 회전가능하게 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 열전모듈은,
일정간격으로 이격된 복수의 전극패드;
서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가지고, 상기 전극패드에 접속된 복수의 반도체부; 및
상기 복수의 반도체부를 관통하여 설치되고, 내부에 냉각유체가 통과하는 냉각파이프;를 포함할 수 있다.
상기 냉각파이프와 상기 전극패드는 반도체부의 높이방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.
상기 냉각파이프는 복수의 반도체부를 연결하도록 각 반도체부의 제1반도체소자와 제2반도체소자를 연속적으로 관통할 수 있다.
상기 냉각파이프는 절연재질로 이루어지고, 그 일부 외면에 인접한 반도체부들을 전기적으로 접속시키는 전극층이 피복될 수 있다.
상기 전극층은 인접한 반도체부들을 전기적으로 직렬 접속시킬 수 있다.
상기 복수의 전극패드는 절연기판의 상면에 부착되고, 상기 절연기판의 상면에 상기 복수의 전극패드가 일정간격으로 이격되게 부착될 수 있다.
상기 복수의 전극패드의 하면에 복수의 절연기판이 개별적으로 부착되고, 상기 복수의 절연기판은 서로 이격되어 독립적으로 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 열전모듈은,
열원 측에 설치된 절연기판;
상기 절연기판 위에 일정간격으로 이격된 복수의 전극패드를 가진 제1전극부;
서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가지고, 상기 제1전극부의 전극패드에 접속된 복수의 반도체부;
상기 절연기판의 반대측에서 상기 복수의 반도체부를 냉각시키는 냉각수단; 및
상기 냉각수단 측에 마련되어 인접한 반도체부들을 전기적으로 직렬 접속하는 제2전극부;를 포함할 수 있다.
상기 냉각수단은 상기 복수의 반도체부를 관통하는 냉각파이프를 포함하고, 상기 냉각파이프의 내부에는 냉각유체가 통과할 수 있다.
상기 제2전극부는 상기 냉각파이프의 외면 일부에 피복된 전극층으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉각장치의 사이즈 및 중량을 대폭 감소하여 열전모듈의 컴팩트화를 용이하게 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 반도체부와 냉각유체 사이의 열저항을 최소화하여 저온부의 냉각성능을 대폭 향상시킴으로써 저온부와 고온부 사이의 온도차이를 극대화하여 열전발전 효율을 대폭 높일 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 의한 열전모듈은, 원형단면의 냉각파이프를 중심으로 반도체부가 회전가능한 구조로 이루어짐으로써 열원부의 비평탄면에 대해 매우 간편하고 견고하게 장착될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈의 최소단위를 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 최소단위의 열전모듈들이 냉각파이프에 의해 연결된 구조를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 열전모듈의 일부 반도체부가 냉각파이프를 기준으로 회전한 상태를 도시한 도면이다.
도 4는은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 화살표 A방향에서 바라본 평면도이다.
도 6은 도 4의 화살표 B방향에서 바라본 측면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈은 서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자(11, 12)를 가진 반도체부(10)와, 반도체부(10)의 하면에 접속된 전극패드(21)와, 전극패드(21)의 하면에 배치된 절연기판(41)과, 반도체부(10)의 각 반도체소자(11, 12)를 냉각시키는 냉각수단을 포함할 수 있다.
반도체부(10)는 서로 반대극성의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)가 서로 쌍으로 이루어도록 구성된다. 예컨대, 제1반도체소자(11)는 N형 반도체소자이고, 제2반도체소자(12)는 P형 반도체소자(12)일 수 있다.
전극패드(21)는 반도체부(10)의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)의 하면에 접속되고, 특히 제1반도체소자(11)와 제2반도체소자(12)는 전극패드(21)의 상면에서 일정 간격으로 이격되게 접속됨으로써 제1반도체소자(11)와 제2반도체소자(12) 사이의 전기적 접속을 원활하게 할 수 있다.
절연기판(41)은 세라믹 등과 같은 다양한 절연재질로 이루어져 전극패드(21)의 하면에 접착제 등을 통해 부착될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 냉각수단은 복수의 반도체부(10)를 관통하여 설치된 냉각파이프(30)를 포함할 수 있고, 냉각파이프(30)의 내부에는 냉각유체가 통과할 수 있다.
특히, 냉각파이프(30)는 반도체부(10)들의 상부를 관통하여 설치됨에 따라 절연기판(40)의 반대측에 위치할 수 있다. 요컨대, 냉각파이프(30)는 반도체부(10)의 상부에 배치되고, 전극패드(21)는 반도체부(10)의 하단에 배치됨으로써 냉각파이프(30)와 전극패드(21)는 반도체부(10)의 높이방향에서 서로 이격될 수 있고, 이를 통해 반도체부(10)를 기준으로 상측의 저온부와 하측의 고온부를 안정되게 구현할 수 있다.
이와 같이 반도체부(10)를 관통한 냉각파이프(30)의 내부에 냉각유체가 통과함에 따라 반도체부(10)에 대한 냉각이 매우 효과적으로 수행될 수 있고, 이에 저온부의 냉각성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 냉각파이프(30)는 절연재질로 이루어지고, 복수의 반도체부(10)를 연결하도록 각 반도체부(10)의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)를 연속적으로 관통하도록 설치된다.
그리고, 냉각파이프(30)의 일부 외면 특히, 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)에 삽입되지 않은 노출부의 일부 외면에 도전체 재질의 전극층(35)이 피복될 수 있고, 이러한 전극층(35)은 인접한 반도체부(10)들을 전기적으로 직렬 접속시키도록 구성된다.
도 1의 실시예에 따르면, 단일의 반도체부(10)가 단일의 전극패드(21)에 접속되고, 단일의 전극패드(21)는 단일의 절연기판(41)에 개별적으로 부착됨으로써 최소단위의 열전모듈을 구성할 수 있다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 최소단위의 열전모듈들이 냉각파이프(30)에 의해 연결된 구조를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 냉각파이프(30)가 복수의 반도체부(10)를 관통하고, 냉각파이프(30)의 전극층(35)은 인접한 반도체부(10)들 사이에 배치되며, 이러한 냉각파이프(30)의 전극층(35)에 의해 인접한 반도체부(10)들은 전기적으로 직렬 접속될 수 있다.
이를 구체적으로 살펴보면, 도 2에 예시된 바와 같이 중앙에 위치한 전극층(35)의 좌측 및 우측 각각에 전극패드(21)가 배치되고, 좌측의 전극패드(21)에 접속된 제2반도체소자(12)와 우측의 전극패드(21)에 접속된 제1반도체소자(11)가 전극층(35)에 의해 전기적으로 접속됨으로써 복수의 반도체(10)는 냉각파이프(30)의 전극층(35)에 의해 직렬로 접속될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해, 각 반도체부(10)의 제1반도체소자(11)와 제2반도체소자(12)를 접속시키는 전극패드(21)는 제1전극부를 구성하는 한편, 인접한 반도체부(10)들 사이의 반도체소자들을 직렬 접속시키는 냉각파이프(30)의 전극층(35)은 제2전극부를 구성할 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각파이프(30)에 의해 최소단위의 열전모듈들이 전기적으로 접속된 상태에서 각 전극패드(21)에 절연기판(41)이 개별적으로 부착되어 있으므로, 인접한 절연기판(41)들은 서로에 대해 이격되어 독립적으로 구성되어 있다. 이에, 열전모듈이 장착되는 열원부의 표면이 비평탄면일 경우에도 복수의 절연기판(41)을 그 비평탄면에 맞춰 적절히 조절하여 장착할 수도 있다.
특히, 냉각파이프(30)는 그 외면이 원형단면 구조로 이루어짐에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 각 반도체부(10)는 냉각파이프(30)의 원주방향을 따라 회전할 수 있다. 이와 같이, 원형단면의 냉각파이프(30)가 각 반도체부(10)를 관통한 상태에서, 각 반도체부(10)가 냉각파이프(30)를 중심축으로 하여 회전할 수 있으므로 열원부의 표면이 곡면 등과 같이 비평탄면인 경우에도 본 발명에 의한 열원모듈을 매우 견고하고 안정적으로 장착할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 냉각파이프(30)는 고무, 합성수지 등과 같은 플렉시블(flexible) 재질로 이루어지거나 주름관 등과 같은 플렉시블한 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 냉각파이프(30)가 플렉시블한 재질 또는 구조로 이루어짐에 따라 냉각파이프(30) 자체의 변형(굽힘 등)이 용이하고, 이를 통해 본 발명에 의한 열전모듈은 다양한 비평탄면에 용이하게 대응하여 장착될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 냉각파이프(30)가 플렉시블 재질 또는 구조로 이루어지지 않은 경우에는 냉각파이프의 굽힘이 요구되는 부분에 엘보형 조인트 또는 관절형 파이프를 설치할 수도 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 열전모듈은, 절연기판(40)과, 절연기판(40)의 상면에 부착된 복수의 전극패드(21)와, 각 전극패드(21)에 접속된 반도체부(10)와, 반도체부(10)를 냉각시키는 냉각수단을 포함할 수 있다.
절연기판(40)은 열원부에 부착될 수 있고, 이에 열원부의 열이 절연기판(40)을 통해 전극패드(21)로 전달됨으로써 고온부를 구성할 수 있다.
복수의 전극패드(21)는 절연기판(40)의 표면에 행방향 및 열방향에서 일정 간격으로 이격되게 배치될 수 있다.
반도체부(10)는 서로 반대극성의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)가 서로 쌍으로 이루어도록 구성된다. 예컨대, 제1반도체소자(11)는 N형 반도체소자이고, 제2반도체소자(12)는 P형 반도체소자(12)일 수 있다.
각 반도체부(10)의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)는 각 전극패드(21)에 전기적으로 접속되도록 부착될 수 있다. 또한, 각 반도체부(10)의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)는 각 전극패드(21)의 상면에서 서로 이격되게 배치될 수 있다.
그리고, 복수의 반도체부(10)는 복수의 전극패드(21)에 대응하여 복수개가 전열기판(40) 위에 행방향 및 열방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 냉각수단은 복수의 반도체부(10)를 관통하여 설치된 냉각파이프(30)를 포함할 수 있고, 냉각파이프(30)의 내부에는 냉각유체가 통과할 수 있다.
특히, 냉각파이프(30)는 반도체부(10)들의 상부를 관통하여 설치됨에 따라 절연기판(40)의 반대측에 위치할 수 있다. 요컨대, 냉각파이프(30)는 반도체부(10)의 상부에 배치되고, 전극패드(21)는 반도체부(10)의 하단에 배치됨으로써 냉각파이프(30)와 전극패드(21)는 반도체부(10)의 높이방향에서 서로 이격될 수 있고, 이를 통해 반도체부(10)를 기준으로 상측의 저온부와 하측의 고온부를 안정되게 구현할 수 있다.
이와 같이 반도체부(10)를 관통한 냉각파이프(30)의 내부에 냉각유체가 통과함에 따라 반도체부(10)에 대한 냉각이 매우 효과적으로 수행될 수 있고, 이에 저온부의 냉각성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 냉각파이프(30)는 절연재질로 이루어지고, 복수의 반도체부(10)를 연결하도록 각 반도체(10)의 제1반도체소자(11) 및 제2반도체소자(12)를 순차적으로 관통하도록 설치된다.
그리고, 냉각파이프(30)의 일부 외면 특히, 복수의 반도체부(100)에 삽입되지 않은 노출부의 일부 외면에 도전체 재질의 전극층(35)이 피복될 수 있고, 전극층(35)은 인접한 반도체부(10)들을 전기적으로 직렬 접속시키도록 구성된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 전극층(35)은 도전재질로 이루어져 서로 인접한 전극패드(21) 중에서 일측의 전극패드(21)에 접속된 제2반도체소자(12)와 타측의 전극패드(21)에 접속된 제1반도체소자(11)를 전기적으로 접속시킴으로써 복수의 반도체(10)는 냉각파이프(30)의 전극층(35)에 의해 직렬로 접속될 수 있다.
예컨대, 도 5에 예시된 바와 같이, 냉각파이프(30)의 일부가 벤딩되고, 이러한 냉각파이프(30)의 벤딩부를 기준으로 좌측 상부에 위치한 전극패드(21)의 제2형 반도체소자(12)와 우측 상부에 위치한 전극패드(21)의 제1반도체소자(11)는 냉각파이프(30)의 전극층(35)에 의해 전기적으로 직렬 접속될 수 있다.
이와 같이, 각 반도체부(10)의 제1반도체소자(11)와 제2반도체소자(12)를 개별적으로 접속시키는 복수의 전극패드(21)가 제1전극부를 구성하는 한편, 인접한 반도체부(10)들의 반도체소자들을 직렬 접속시키는 냉각파이프(30)의 전극층(35)들이 제2전극부를 구성할 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 반도체부 11: N형 반도체소자
12: P형 반도체소자 21: 전극패드
30: 냉각파이프 35: 전극층
40: 절연기판

Claims (12)

  1. 절연기판;
    상기 절연기판의 상면에 부착된 전극패드;
    상기 전극패드의 상면에 접속되고, 서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가진 반도체부;
    상기 반도체부를 관통하여 설치되고, 내부에 냉각유체가 통과하는 냉각파이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각파이프는 원형 단면을 가지고, 상기 반도체부는 상기 냉각파이프의 원주방향을 따라 회전가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  3. 일정간격으로 이격된 복수의 전극패드;
    서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가지고, 상기 전극패드에 접속된 복수의 반도체부; 및
    상기 복수의 반도체부를 관통하여 설치되고, 내부에 냉각유체가 통과하는 냉각파이프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각파이프와 상기 전극패드는 반도체부의 높이방향을 따라 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각파이프는 복수의 반도체부를 연결하도록 각 반도체부의 제1반도체소자와 제2반도체소자를 연속적으로 관통하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각파이프는 절연재질로 이루어지고, 그 일부 외면에 인접한 반도체부들을 전기적으로 접속시키는 전극층이 피복되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극층은 인접한 반도체부들을 전기적으로 직렬 접속시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 전극패드는 절연기판의 상면에 부착되고,
    상기 절연기판의 상면에 상기 복수의 전극패드가 일정간격으로 이격되게 부착되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 전극패드의 하면에 복수의 절연기판이 개별적으로 부착되고,
    상기 복수의 절연기판은 서로 이격되어 독립적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  10. 열원 측에 설치된 절연기판;
    상기 절연기판 위에 일정간격으로 이격된 복수의 전극패드를 가진 제1전극부;
    서로 반대극성으로 이루어진 한 쌍의 반도체소자를 가지고, 상기 제1전극부의 전극패드에 접속된 복수의 반도체부;
    상기 절연기판의 반대측에서 상기 복수의 반도체부를 냉각시키는 냉각수단; 및
    상기 냉각수단 측에 마련되어 인접한 반도체부들을 전기적으로 직렬 접속하는 제2전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각수단은 상기 복수의 반도체부를 관통하는 냉각파이프를 포함하고, 상기 냉각파이프의 내부에는 냉각유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2전극부는 상기 냉각파이프의 외면 일부에 피복된 전극층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
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