KR20170065315A - 마운팅 부재 및 이를 이용한 열전 모듈 시스템 - Google Patents

Abstract

열전 모듈의 장기 구동 신뢰성을 확보할 수 있도록, 고온 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 삽입 및/또는 부착할 수 있는 마운팅 부재를 제공하고 이를 이용한 열전 모듈 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 마운팅 부재는 열원과 냉각부 사이의 온도 차이를 이용하는 열전 모듈을 마운팅하기 위한 부재로서, 상기 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 상기 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 삽입 및/또는 부착 가능하고, 상기 열원으로부터의 열을 상기 열전 모듈로 전달하거나 상기 냉각부로 방열시킴과 동시에 외부로부터의 충격이나 진동 및 상기 열전 모듈 구성요소의 열팽창에 의한 마운팅 부하 증가를 완화하도록 하는 것이다.

Description

마운팅 부재 및 이를 이용한 열전 모듈 시스템{Mounting member and thermoelectric module system using the same}

본 발명은 열전 기술에 관한 것으로서, 특히 열전 모듈의 장기 구동 신뢰성을 확보할 수 있고 열전 모듈 내에 열이 축적되지 않도록 방열을 개선하는 기술에 관한 것이다.

고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.

열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO₂ 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.

열전 모듈은 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전 소자(thermoelectric element : TE)와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전 소자로 이루어진 p-n 열전 소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은 p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다. 또한, 열전 모듈은 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극 등의 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시키고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호하기 위해 기판을 구비할 수 있다.

열전 모듈은 통상적으로 고온 열원에 부착되어 반대편 냉각부와의 온도 차이를 통해 전력을 생산한다. 열전 모듈이 고온 환경에서 구동할 경우 열전 모듈 내 다양한 구성요소 열팽창에 의한 부하(load) 증가, 혹은 열전 모듈 외부로부터의 충격 등은 열전 모듈의 물리적 파괴를 야기하고 장기 구동 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.

따라서, 열전 모듈에 대해서는 장기 구동 신뢰성을 확보할 수 있도록 균일한 부하가 인가되도록 해야 하고 열전 모듈 내에 열이 축적되지 않도록 할 필요가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열전 모듈의 장기 구동 신뢰성을 확보할 수 있도록, 고온 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 삽입 및/또는 부착할 수 있는 마운팅 부재를 제공하고 이를 이용한 열전 모듈 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 마운팅 부재는 열원과 냉각부 사이의 온도 차이를 이용하는 열전 모듈을 마운팅하기 위한 부재로서, 상기 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 상기 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 삽입 및/또는 부착 가능하고, 상기 열원으로부터의 열을 상기 열전 모듈로 전달하거나 상기 냉각부로 방열시킴과 동시에 외부로부터의 충격이나 진동 및 상기 열전 모듈 구성요소의 열팽창에 의한 마운팅 부하 증가를 완화하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 마운팅 부재는 열전도율이 알루미나보다 큰 고열전도성 세라믹과 금속 폼(metal foam)의 복합체인 것이 바람직하다.

상기 고열전도성 세라믹은 BN, AlN 및 AlSiC 중 하나 이상일 수 있다.

상기 고열전도성 세라믹은 상기 금속 폼 상에 스프레이 코팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스퍼터링, 증발(evaporation) 및 원자층 증착(ALD) 중 어느 하나 이상의 방법으로 형성되어 있는 것일 수 있다.

상기 금속 폼은 Cu, Ni, Al, Au 및 Ag 중 하나 이상일 수 있다.

상기 금속 폼의 두께는 바람직하게 수백 μm에서 수 mm일 수 있다.

상기 금속 폼의 기공 크기(pore size)는 바람직하게 수 ~ 수천 μm일 수 있다.

상기 마운팅 부재의 부하 완화율은 80% 이상이다. 여기서, 부하 완화율이란, 마운팅 부재를 사용하지 않은 경우를 기준으로 할 때의 부하 변화율을 가리킨다.

본 발명에 따른 열전 모듈 시스템은 열원과 냉각부 사이에 열전 모듈을 배치한 열전 모듈 시스템으로서, 상기 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 상기 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 본 발명에 따른 마운팅 부재를 삽입 및/또는 부착하여 상기 열전 모듈을 마운팅한 것이다.

상기 열전 모듈은 기판; 상기 기판에 구비된 전극; 및 벌크 형태로 소결된 열전 재료로 구성되며, 상기 전극에 접합된 열전 소자를 포함하는 것일 수 있다.

상기 열전 모듈 시스템은 열전 발전 장치 또는 열전 냉각/가열 장치일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 열전 모듈의 상/하부 기판 상에 고열전도성 세라믹과 금속 폼의 복합체 형태인 마운팅 부재를 부착한다. 금속 폼이 열전 모듈과 열원 사이 계면 또는 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 위치하여, 외부 충격, 진동 및 열전 모듈 구성요소 열팽창에 따른 마운팅 부하의 증가를 완화한다. 고열전도성 세라믹은 열전달을 도모하여 열전 모듈 내에 열이 축적되지 않도록 한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 열원으로부터의 열이 최대한 손실 없이 열전 모듈로 전달된 뒤, 신속하게 냉각부로 방열될 수 있고, 열원 또는 냉각부에 마운팅된 열전 모듈에 일정한 마운팅 부하가 지속적으로 인가될 수 있다. 이와 같이, 열전 모듈에 열이 축적되지 않고 열전 모듈을 열원이나 냉각부에 일정하고 균일한 부하로 마운팅할 수 있으므로 열전 모듈의 효율적인 장기 구동이 가능해진다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열전 소자가 소결을 통해 치밀한 구조를 갖는 벌크 형태로 구성되어 있으므로, 종전의 증착 방식으로 형성되는 열전 소자에 비해 우수한 열전 성능을 가질 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템에 포함되는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템의 단면도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 마운팅 부재의 단면도들이다.
도 5는 실험예에 사용한 마운팅 부재 테스트 장비 모식도이다.
도 6 내지 도 9는 비교예 및 실시예의 T_cold 변화 및 부하 변화에 관한 로 데이터(raw data)들이다.
도 10은 비교예 및 실시예에서 측정한 T_cold를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 및 실시예에서 인가 부하 변화 및 부하 완화율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본원 명세서 표현, "적절히", "상당히", 또는 "예를 들면"은 각 경우 정확한 값에서 +/- 10%의 편차를 의미하며, 바람직하게는 +/- 5%의 편차, 및/또는 기능에 대한 심각하지 않은 변경의 편차를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템에 포함되는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템에 포함되는 열전 모듈(10)은 기판(100), 전극(200) 및 열전 소자(300)를 포함한다.

기판(100)은 판상으로 구성되며 열전 모듈(10)의 외부에 배치되어 열전 소자(300) 등 열전 모듈(10)의 여러 구성요소를 보호하고, 열전 모듈(10)과 외부 사이에 전기적 절연성을 유지시킬 수 있다. 기판(100)은 알루미나 기판일 수 있다. 기판(100)은 서로 대향하는 상부 기판(110)과 하부 기판(120) 한 쌍으로 구비된다. 기판(100)의 두께는 예를 들면 0.1㎜ 내지 1㎜일 수 있다. 기판(100)의 두께가 0.1㎜ 미만일 경우에는 기판(100)의 강도가 충분하지 못하여 불량이 발생할 수 있고, 또한 통전의 우려가 있다. 반면 두께가 1㎜를 초과할 경우, 열전 모듈(10)의 무게가 증가하여 바람직하지 않다.

전극(200)은 전기 전도성을 가져 전류가 흐를 수 있도록 한다. 그리고, 전극(200)은 기판(100)에 구비될 수 있다. 특히, 전극(200)은 기판(100)의 적어도 일 표면에 노출되도록 구성되어, 열전 소자(300)가 마운팅되도록 할 수 있다. 특히, 전극(200)에는 적어도 2개의 열전 소자(300)가 마운팅될 수 있으며, 이들 2개의 열전 소자(300) 사이에서 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 상부 기판(110)의 하면, 그리고 하부 기판(120)의 상면에 이러한 전극(200)이 증착, 스퍼터링, 직접 압착, 프린팅 등의 방법으로 구비될 수 있고, 그 사이에 다수의 열전 소자(300)가 배치되어 열전 모듈(10)을 구성할 수 있다. 전극(200)이 기판(100)에 직접 형성된 DBC 타입 기판도 사용할 수 있다. 전극(200)은 바람직하게 금속으로 형성이 되며, 예를 들어 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Sn, In, Zn 을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들 금속을 포함하는 합금으로 형성할 수 있다. 두께는 예를 들면 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다.

열전 소자(300)는, 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 예를 들어, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다. 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 열전 소자(300)의 재료로 이용될 수 있다.

열전 소자(300)는, 열전 재료가 벌크 형태로 소결된 형태로 구성될 수 있다. 종래의 열전 모듈에 있어서 열전 소자는 주로 증착법을 통해 전극에 구성되는 경우가 많다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템에 포함되는 열전 모듈(10)의 경우, 열전 소자(300)는 전극(200)에 증착되는 형태로 구성되지 않고, 벌크 형태로 먼저 소결될 수 있다. 그리고, 그 이후 이러한 벌크 형태의 열전 소자(300)는 전극(200)에 접합될 수 있다. 그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 전극(200)과 열전 소자(300) 사이에 접착력 개선을 위한 버퍼층(미도시)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다.

먼저, 열전 소자(300)는 벌크 형태로 제조될 수 있다. 이 때, 이러한 벌크 형태의 열전 소자(300)는, 열전 소자(300)의 각 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합된 원료를 열처리하여 합성물을 형성하는 단계 및 합성물을 소결하는 단계를 포함하는 제조 방식에 의해 제조될 수 있다. 소결 단계에서 소결된 열전 재료는 벌크 형태로 형성될 수 있다. 다음으로, 이와 같이 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 열전 모듈(10)에 적용되기에 적합한 크기 및/또는 형태로 가공될 수 있다. 예를 들어, 원통형 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 그보다 작은 크기의 육면체형 벌크 형태로 커팅될 수 있다. 즉, 열전 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물 형태일 수 있다. 그리고, 이와 같이 보다 작은 벌크 형태로 가공된 열전 재료는, 열전 소자(300)로서, 기판(100)의 전극(200)에 접합될 수 있다. 여기서, 벌크 형태의 열전 소자(300)와 전극(200)의 접합은 소결과 같은 열처리나 솔더링 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 특정 접합 방식으로 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 열전 소자(300)가 벌크 형태로 소결된 후 전극(200)에 접합되는 구성에 의하면, 열전 소자(300)가 소결을 통해 치밀한 구조를 이루고 있으므로, 종래의 열전 소자, 특히 증착 형태로 구성되는 종래의 열전 소자에 비해 열전 성능이 상당히 향상될 수 있다.

열전 소자(300)는, 열전 레그 등으로 지칭될 수 있으며, n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)를 구비할 수 있다. 여기서, n형 열전 소자(310)는, n형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, p형 열전 소자(320)는, p형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 이 때, n형 열전 재료는 홀이 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있고, p형 열전 재료는 전자가 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있다. 이러한 n형 열전 재료와 p형 열전 재료로는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 재료가 채용될 수 있으므로, 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

다만 일 예로서, n형 열전 재료는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무스-텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료 물질과, 상기 주원료 물질의 전체 중량의 예를 들면 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료 물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g 내지 1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료 물질에 추가되는 물질의 중량 범위는 0.001 중량% 내지 0.1 중량% 범위 외에서는 열전도율이 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

다른 예로, p형 열전 재료는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무스-텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료 물질과, 상기 주원료 물질의 전체 중량의 예를 들면 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료 물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g 내지 1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료 물질에 추가되는 물질의 중량 범위는 0.001 중량% 내지 0.1 중량% 범위 외에서는 열전도율이 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

열전 소자(300)는, n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)가 쌍을 이루어 하나의 기본 단위를 구성할 수 있다. 그리고, n형 열전 소자(310) 및/또는 p형 열전 소자(320)는 둘 이상 구비됨으로써, 다수의 쌍을 이룰 수 있다. 또한, 이러한 n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)는 교호적으로 배열됨으로써 다수의 n형 열전 소자(310)-p형 열전 소자(320) 쌍을 형성할 수 있다.

n형 열전 소자(310)와 상기 p형 열전 소자(320)는, 전극(200)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 전극(200)을 기준으로, n형 열전 소자(310)는 전극(200)의 일단에 접합되고 p형 열전 소자(320)는 전극(200)의 타단에 접합될 수 있다. 열적으로는 병렬로 그리고 전기적으로는 직렬로 연결될 수 있도록, 상부 기판(110)과 하부 기판(120)에 형성되는 전극(200)의 모양을 고려하여야 한다.

이와 같은 열전 모듈(10)은 본 발명에 따른 마운팅 부재와 함께 열전 모듈 시스템을 구성한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 열전 모듈(10)은 열원(HT)과 냉각부(LT) 사이의 온도 차이를 이용하여 발전하거나 전기 공급에 의해 냉각/가열한다. 열전 모듈 시스템(20)은 마운팅 부재(400)를 더 포함한다. 마운팅 부재(400)는 열원(HT)과 열전 모듈(10) 사이 계면 혹은 열전 모듈(10)과 냉각부(LT) 사이 계면에 삽입 및/또는 부착 가능한 것으로, 본 실시예에서는 양쪽 계면에 모두 구비된다.

이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템(20)은 열원(HT)과 냉각부(LT) 사이에 열전 모듈(10)을 배치한 것으로서, 열원(HT)과 열전 모듈(10) 사이 계면 혹은 열전 모듈(10)과 냉각부(LT) 사이 계면에 마운팅 부재(400)를 삽입 및/또는 부착하여 열전 모듈(10)을 마운팅한 것이다.

마운팅 부재(400)는 열원(HT)으로부터의 열을 열전 모듈(10)로 전달하거나 냉각부(LT)로 방열시킴과 동시에 외부로부터의 충격이나 진동 및 열전 모듈(10) 구성요소의 열팽창에 의한 마운팅 부하 증가를 완화하도록 하는 것이다.

마운팅 부재(400)는 열전도율이 알루미나보다 큰 고열전도성 세라믹과 금속 폼(metal foam)의 복합체이다.

이러한 마운팅 부재(400)의 단면 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

도 3은 고열전도성 세라믹(410)이 금속 폼(420) 상면 및 하면에 일부 깊이에 해당하는 두께로 형성이 되어 있는 경우이고, 도 4는 고열전도성 세라믹(410)이 금속 폼(420) 전체에 걸쳐 형성이 되어 있는 경우이다. 예를 들어 도 4의 경우는 고열 전도성 세라믹(410)이 금속 폼(420)의 기공을 채우고 있는 구조일 수 있다. 이러한 단면 예 이외에 다양한 변형이 가능함을 물론이다.

금속 폼(420)은 발포 금속이라는 용어로도 일컬어지는 물질이며, 일정 부피 분율의 기공을 포함하는 셀형 구조를 갖는 금속을 의미한다. 금속 폼(420)의 금속은 발포 금속을 제조하기에 적합한 것으로서 관련 기술분야에 공지되거나 또는 이후 발견되는 임의의 금속일 수 있다. 예를 들어, 금속 폼의 금속은 특히 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 구리(Cu), 및 이들의 합금으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 금속 폼(420)은 Cu, Ni, Al, Au 및 Ag 중 하나 이상일 수 있다.

다양한 실시 양태에서, 금속 폼(420)은 예를 들면 0.1 내지 2.0 g/cm³, 0.1 내지 1.0 g/cm³, 또는 0.25 내지 0.5 g/cm³ 범위의 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시 양태에서, 금속 폼(420)은 예를 들면 0.03 내지 0.9, 0.1 내지 0.7, 또는 0.14 내지 0.5의 상대 밀도를 가질 수 있다. 여기서 상대 밀도 (단위 없음)는 기재 금속(즉, 다른 것은 동일한 금속의 비-발포 샘플)의 밀도에 대한 금속 폼의 밀도의 비로서 정의된다.

밀도가 작을수록 가볍고 기공이 차지하는 분율이 크다는 것이다. 여기 기재한 밀도보다 작은 경우는 기계적인 강도 유지 부분에서 바람직하지 못하며 여기 기재한 밀도보다 큰 경우는 열전 모듈(10) 구성요소 열팽창에 의한 부하를 완화하는 데 부족할 수 있다.

추가로, 금속 폼(420)은 예를 들면 5 내지 150 W/mK, 8 내지 125 W/mK, 또는 15 내지 80 W/mK 범위의 열전도율을 가질 수 있다. 이러한 열전도율은 열원(HT)에서 냉각부(LT)의 열전달을 적절히 원활하게 매개할 수 있는 정도이다.

추가로, 금속 폼(420)은 예를 들면 15 내지 25 μm/mK, 또는 19 내지 23 μm/mK 범위의 열팽창계수를 가질 수 있다. 열팽창계수가 크지 않기 때문에 고온에서 장시간 적용하여도 치수 변동이 없다.

다양한 실시 양태에서, 금속 폼(420)은 예를 들면 5 내지 500 MPa, 20 내지 400 MPa, 50 내지 300 MPa, 60 내지 200 MPa, 또는 80 내지 200 MPa 범위의 인장 강도를 가질 수 있다. 여기 기재한 범위를 벗어나는 경우는 열전 모듈(10) 구성요소 열팽창에 의한 부하를 완화하는 데 효과가 없을 우려가 있다.

이러한 금속 폼(420)의 두께는 바람직하게 수백 μm에서 수 mm일 수 있다. 금속 폼(420)의 두께를 얇게 하면 열전 모듈 시스템(20)의 소형화에는 유리하나, 열전 모듈(10)을 지지하는 힘이 약화되어 시스템의 안정성에 문제가 생길 수 있으므로, 소형화 및 안정성을 고려하여 적절하게 구성하는 것이 바람직하다.

금속 폼(420)의 기공 크기(pore size)는 바람직하게 수 ~ 수천 μm일 수 있다. 기공 크기는 금속 폼(420)의 밀도, 열전도율, 열팽창계수, 인장강도 등에 영향을 주는 것이므로 이를 고려하여 적절하게 구성하는 것이 바람직하다.

다양한 실시 양태에서, 금속 폼(420)은 폐쇄-셀 금속 폼일 수 있다. 관련 기술분야에 공지된 바와 같이, 용어 "폐쇄-셀"은 금속 기재 재료 내의 기공의 대부분이 독립된 기공(즉, 다른 기공과 상호연결되지 않음)인 구조를 나타낸다. 폐쇄-셀 금속 폼은 일반적으로 1 내지 8 mm 범위의 셀 크기를 가질 수 있다.

다양한 실시 양태에서, 금속 폼(420)은 개방-셀 금속 폼일 수 있다. 관련 기술분야에 공지된 바와 같이, 용어 "개방-셀"은 금속 기재 재료 내의 기공의 대부분이 상호연결된 기공(즉, 하나 이상의 인접한 기공과 개방 접촉함)인 구조를 나타낸다. 개방-셀 금속 폼은 일반적으로 0.5 내지 10 mm 범위의 셀 크기를 가질 수 있다.

상업적으로 입수가능한 금속 폼이 본원에 기재된 다양한 실시 양태에 사용될 수 있다. 다양한 제조사로부터 시트 형태의 금속 폼을 수득할 수 있다.

본 발명에서 고열전도성 세라믹(410)은 알루미나보다 열전도율이 큰 것이라고 정의한다. 바람직한 재료는 BN, AlN 및 AlSiC 중 하나 이상일 수 있다. 고열전도성 세라믹(410)은 열전도율이 클수록 유리하겠지만, 다만, 생산 단가 등을 고려하여 소재들을 적절히 배합하여 구성하는 것이 바람직할 수도 있다. AlN은 열전도율이 크고 양산성, 안전성이 뛰어나 바람직한 재료이지만 상당히 고가이므로 열전도율이 낮은 BN이 바람직한 대체물이 될 수도 있다.

이러한 고열전도성 세라믹(410)은 예를 들면 30 내지 300 W/mK, 40 내지 280 W/mK, 또는 50 내지 270 W/mK 범위의 열전도율을 가질 수 있다. 보통의 방법으로 형성하는 BN의 대표적인 열전도율은 110 W/mK 부근이다. 보통의 방법으로 형성하는 AlN의 대표적인 열전도율은 270 W/mK 부근이다. 보통의 방법으로 형성하는 AlSiC 의 대표적인 열전도율은 AlN과 유사하다. 이러한 열전도율은 열원(HT)에서 냉각부(LT)의 열전달을 더욱 신속하게 매개할 수 있는 것이다.

고열전도성 세라믹(410)은 금속 폼(420) 상에 스프레이 코팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스퍼터링, 증발(evaporation) 및 원자층 증착(ALD) 중 어느 하나 이상의 방법으로 형성되어 있는 것일 수 있다. 스프레이 코팅, 딥 코팅은 고열전도성 세라믹 분체의 슬러리를 금속 폼(420)에 노즐을 이용해 분사하거나 이러한 슬러리에 금속폼(420)을 담그어 진행한다. 스핀 코팅은 금속 폼(420)을 회전시키면서 그 위에 고열전도성 세라믹 분체의 슬러리를 떨어뜨려 형성하는 것이다. 고열전도성 세라믹 분체는 원료 분말을 소결한 세라믹을 파쇄한 것일 수 있다.

대신 원료 분말 자체를 스프레이 코팅 또는 딥 코팅 또는 스핀 코팅한 후 소결하여 제조할 수도 있다. 어떠한 경우이든, 분말 중에 존재하는 입계가 소결 중 이동하지 않고 기공이 공공(vacancy)이 되어 입계 상에서 소멸하여 치밀화가 진행되고 이상-입성장이 일어나지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위해서는 원료 입자가 서브마이크론 이하로 어느 정도 작고 입도분포가 작으며 입계이동을 중지시키기 위한 첨가제 등이 필요할 수 있다. 또한 소결 중 불순물 혼입을 방지하기 위하여 소결 분위기를 조절하는 등 다단계 소결이 진행될 수도 있다.

스퍼터링은 잘 알려진 바와 같이 고진공의 챔버 내에서 불활성 가스인 Ar 가스를 채운 후 DC 및 RF 파워를 타겟이 음극이 되도록 인가하여 이온화된 Ar 이온이 타겟 쪽으로 가속 충돌하여 타겟의 분자들이 금속 폼(420)에 성막이 되도록 하는 방법이다. 고열전도성 세라믹 소결체 대신 Al과 같은 금속 타겟을 스퍼터링하면서 질소 가스를 추가하여 반응을 유도하는 반응성 스퍼터링과 같은 방법을 통하여 고열전도성 세라믹(410)을 형성할 수도 있다.

증발은 원료 물질을 가열하여 증발시킨 후 금속 폼(420) 상에 부착시켜 형성하는 것이다.

원료가 열 에너지에 의해 분자 상태로 날아가 금속 폼(420)에 부착이 되고 증착 환경이 초고진공일 필요가 없다. 원자층 증착은 원료 가스의 공급과 퍼지를 반복하여 단층의 막들을 쌓아가는 방법이므로 금속 폼(420) 상에 콘포멀(conformal)하게 고열전도성 세라믹(410)을 형성할 수 있는 방법이다.

금속 폼(420)이 폐쇄-셀 금속 폼인 경우, 금속 폼(420)에 대하여 위 방법으로 고열전도성 세라믹(410)을 형성하면 도 3과 같은 단면 구조가 될 것으로 예상할 수 있다. 금속 폼(420)이 개방-셀 금속 폼인 경우, 금속 폼(420)에 대하여 위 방법으로 고열전도성 세라믹(410)을 형성하되 형성 정도 즉 침투 깊이를 조절하면 도 3과 같은 단면 구조가 되고, 전부 침투하도록 하면 도 4와 같은 단면 구조가 될 것임을 예상할 수 있다. 금속 폼(420)의 종류에 상관 없이 특히 원자층 증착의 방법이라면 도 3과 같은 단면 구조가 될 것임을 예상할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 마운팅 부재(400)는 금속 폼(420)의 종류 및 고열전도성 세라믹(410) 형성 방법에 따라 다양한 단면 구조를 가질 수 있다. 마운팅 부재(400)를 구성하는 금속 폼(420)과 고열전도성 세라믹(410)의 함량은 열전달효율 측면과 재료 비용 그리고 부하 완화율 측면을 모두 고려하여 정하도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 시스템(20)은 열전 모듈(10)의 상/하부 기판(110, 120) 상에 고열전도성 세라믹(410)과 금속 폼(420)의 복합체 형태인 마운팅 부재(400)를 부착한다. 금속 폼(420)이 열전 모듈(10)과 열원(HT) 사이 계면 또는 열전 모듈(10)과 냉각부(LT) 사이 계면에 위치하여, 외부 충격, 진동 및 열전 모듈(10) 구성요소 열팽창에 따른 마운팅 부하의 증가를 완화한다. 금속 폼(420)이 마운팅 부하의 증가를 완화하는 원리는 금속 폼(420) 안의 기공이 압축이 되면서 열전 모듈(10) 구성요소 열팽창에 따른 치수 변화를 흡수하는 데에 있다. 고열전도성 세라믹(410)은 열전달을 도모하여 열전 모듈(10) 내에 열이 축적되지 않도록 한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 열원(HT)으로부터의 열이 최대한 손실 없이 열전 모듈(10)로 전달된 뒤, 신속하게 냉각부(LT)로 방열될 수 있고, 열원(HT) 또는 냉각부(LT)에 마운팅된 열전 모듈(10)에 일정한 마운팅 부하가 지속적으로 인가될 수 있다. 이와 같이, 열전 모듈(10)에 열이 축적되지 않고 열전 모듈(10)을 열원(HT)이나 냉각부(LT)에 일정하고 균일한 부하로 마운팅할 수 있으므로 열전 모듈(10)의 효율적인 장기 구동이 가능해진다.

특히 본 발명의 마운팅 부재(400)는 기존에 열전 모듈에서 발산하는 열을 외부로 발산하거나 외부의 열을 흡열하기 위하여 열전 소자 양 측면에 구비시키기도 하는 방열판과는 다른 것인데, 단순히 열을 전달하거나 외부로 방출하는 것에 그치는 것이 아니라, 외부로부터의 충격이나 진동을 흡수하여 열전 모듈(10)에 인가되는 것을 방지하고, 고온에서 열전 모듈(10)을 사용함에 따라 열전 모듈(10) 구성요소가 열팽창이 되면서 열원과 냉각부 사이에 부하를 증가시키려고 해도 이 부하를 흡수하여 완화할 수 있도록 한 데에 차별성이 있다.

이러한 열전 모듈 시스템(20)은 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 열전 모듈 시스템(20)은 열전 발전 장치 및 열전 냉각/가열 장치에 적용될 수 있다. 열원(HT)과 냉각부(LT)에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡 효과(Seebeck effect)에 의해 전력이 발생됨으로써 열전 모듈(10)은 열전 발전 장치로서 기능할 수 있다. 반대로 열전 모듈(10)에 전류를 인가하면 열전 소자(300)의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열되는 펠티어 효과(Peltier effect)에 의해, 열전 모듈(10)은 열전 냉각/가열을 하는 열전 냉각/가열 장치 혹은 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다. 전류의 인가 방향에 따라 냉각되고 발열되는 쪽의 위치를 서로 바꿀 수 있음은 물론이다. 특히 이와 같은 열전 모듈(10)을 이용한 능동 냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며, 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경친화적인 방법이다. 이를 이용해 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히 각종 메모리 소자에 부착시키면 기존의 냉각 방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.

<실험예>

마운팅 부재 테스트는 열전달 측면과 마운팅 부하의 완화 측면에서 다음과 같은 방법으로 수행하였다.

도 5는 실험예에 사용한 마운팅 부재 테스트 장비 모식도이다.

도 5와 같은 구조의 테스트 장비(500)의 히터(510)와 쿨러(520) 사이에 실험용 SUS 블록(530)을 넣고 히터(510)/열 확산(heat spreading) 블록(540), 열 확산 블록(540)/SUS 블록(530), 그리고 SUS 블록(530)/쿨러(520) 계면에 테스할 마운팅 부재(S)를 위치시킨 후 100kg의 하중을 인가하였다(화살표 방향). 테스트 장비(500)에는 하중을 측정하는 로드 셀(550)이 구비되어 있다.

히터(510)는 카트리지 히터를 사용하였고, 쿨러(520)는 내부 수로를 따라 순환하는 냉각수로 냉각시켰으며, 초기 온도를 20℃로 설정하였다. 열 확산 블록(540)은 히터(510)의 열을 고르게 SUS 블록(530)에 전달시키는 기능을 수행한다.

히터(510)의 온도를 200.1℃까지 승온시킨 후 SUS 블록(530)과 쿨러(520) 사이의 온도 T_cold를 열전대(thermocouple)로 측정하였고, 마찬가지로 이 때의 마운팅 부하를 쿨러(520) 하단에 장착된 로드 셀(550)을 이용하여 측정하였다.

T_cold를 측정하는 이유는 마운팅 부재의 열전달 특성이 좋을수록 보다 많은 양의 열이 SUS 블록(530)을 통과하여 쿨러(520)로 전달되기 때문이다.

테스트에 사용된 비교예 및 실시예 마운팅 부재는 다음과 같다.

비교예 1은 마운팅 부재를 사용하지 않은 경우이다. 비교예 2는 두께 1.6mm Cu 폼만을 사용한 경우이다. 비교예 3은 BN 플레이트만을 사용한 경우이다. 실시예 1은 본 발명에 따라 BN 스프레이 코팅된 Cu 폼 복합체를 마운팅 부재로 사용한 경우이다.

도 6 내지 도 9는 비교예 및 실시예의 T_cold 변화 및 부하 변화에 관한 로 데이터(raw data)들이다.

도 6을 참조하면 마운팅 부재를 사용하지 않은 비교예 1의 경우 히터(510)의 온도를 200.1℃까지 승온시키면 T_cold가 57.95℃로 측정이 되며 그 때의 부하는 최초 부하 100kg에 비하여 20% 가까이 증가한 119.8 kg이다.

도 7을 참조하면 마운팅 부재로서 Cu 폼만을 사용한 비교예 2의 경우 히터(510)의 온도를 200.1℃까지 승온시키면 T_cold가 59.44℃로 측정이 되며 그 때의 부하는 최초 부하 100kg에 비하여 4.4% 정도 증가한 104.4 kg이다.

도 8을 참조하면 마운팅 부재로서 BN만을 사용한 비교예 3의 경우 히터(510)의 온도를 200.1℃까지 승온시키면 T_cold가 78.35℃로 측정이 되며 그 때의 부하는 최초 부하 100kg에 비하여 16% 정도 증가한 116.3 kg이다.

도 9를 참조하면 마운팅 부재로서 BN과 Cu 폼의 복합체를 사용한 본 발명 실시예 1의 경우 히터(510)의 온도를 200.1℃까지 승온시키면 T_cold가 67.6℃로 측정이 되며 그 때의 부하는 최초 부하 100kg에 비하여 3.6% 정도 증가에 그친 103.6 kg이다.

도 10은 위 결과를 종합하여 비교예 및 실시예에서 측정한 T_cold를 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 11은 위 결과를 종합하여 비교예 및 실시예에서 인가 부하 변화 및 부하 완화율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

부하 완화율이란, 마운팅 부재를 사용하지 않은 비교예 1을 기준으로 두었을 때의 변화율이다. 즉 (비교예 1 부하 변화 - 비교예 2, 3 및 실시예1의 부하 변화)/(비교예 1 부하 변화)이다.

도 11을 참조하면, 비교예 2와 같이 Cu 폼을 사용하면 아무 것도 사용하지 않은 비교예 1과 비교하여 부하 완화율이 80% 증가한다. 하지만, 도 10 참조시, T_cold의 변화가 거의 없는 것으로 보아 열전달 특성은 그다지 좋지 않은 것을 알 수 있다.

도 10에서 보는 바와 같이 비교예 3과 같이 BN을 사용하면 T_cold가 증가하는 것으로부터 비교예 1과 비교하여 우수한 열전달 특성을 보인다는 것을 알 수 있다. 하지만, 도 11 참조시 부하 완화율은 20% 정도이므로 좋지 못한 것을 알 수 있다.

본 발명 실시예 1과 같이 BN을 스프레이 코팅한 Cu 폼 복합체의 경우, 도 11 참조시 부화 완화율이 81%로 증가하여 매우 우수한 부하 완화율을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 10 참조시 T_cold가 증가하는 것으로부터 열전달 특성 또한 상당히 향상된 것을 알 수 있다.

그러므로, 실시예 1과 같은 마운팅 부재를 사용하여 열전 모듈을 마운팅하게 되면 최소한의 열손실로 효율적인 발전과 더불어 기계적인 충격 및 고온 열팽창 등으로 증가하는 마운팅 부하를 효과적으로 완화시켜 파괴없이 적절히 장시간 구동할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 열전 모듈
20: 열전 모듈 시스템
100: 기판
110: 상부 기판, 120: 하부 기판
200: 전극
300: 열전 소자
310: n형 열전 소자, 320: p형 열전 소자
400: 마운팅 부재
410: 고열전도성 세라믹, 420: 금속 폼

Claims (16)

1. 열원과 냉각부 사이의 온도 차이를 이용하는 열전 모듈을 마운팅하기 위한 부재로서, 상기 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 상기 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 삽입 및/또는 부착 가능하고, 상기 열원으로부터의 열을 상기 열전 모듈로 전달하거나 상기 냉각부로 방열시킴과 동시에 외부로부터의 충격이나 진동 및 상기 열전 모듈 구성요소의 열팽창에 의한 마운팅 부하 증가를 완화하도록 하는 마운팅 부재.
2. 제1항에 있어서, 상기 마운팅 부재는 열전도율이 알루미나보다 큰 고열전도성 세라믹과 금속 폼(metal foam)의 복합체인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
3. 제2항에 있어서, 상기 고열전도성 세라믹은 BN, AlN 및 AlSiC 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
4. 제2항에 있어서, 상기 고열전도성 세라믹은 상기 금속 폼 상에 스프레이 코팅, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스퍼터링, 증발(evaporation) 및 원자층 증착(ALD) 중 어느 하나 이상의 방법으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
5. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼은 Cu, Ni, Al, Au 및 Ag 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
6. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼의 두께는 수백 μm에서 수 mm인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
7. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼의 기공 크기(pore size)는 수 ~ 수천 μm인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
8. 제2항에 있어서, 상기 고열전도성 세라믹이 상기 금속 폼 상면 및 하면에 일부 깊이에 해당하는 두께로 형성이 되어 있는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
9. 제2항에 있어서, 상기 고열전도성 세라믹이 상기 금속 폼 전체에 걸쳐 형성이 되어 있는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
10. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼은 0.1 내지 2.0 g/cm³의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
11. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼은 5 내지 150 W/mK의 열전도율을 가지는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
12. 제2항에 있어서, 상기 금속 폼은 5 내지 500 MPa의 인장 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
13. 제2항에 있어서, 상기 고열전도성 세라믹은 30 내지 300 W/mK의 열전도율을 가지는 것을 특징으로 하는 마운팅 부재.
14. 제1항에 있어서, 상기 마운팅 부재의 부하 완화율은 80% 이상인 것을 특징으로 하는 마운팅 부재(여기서, 부하 완화율이란, 마운팅 부재를 사용하지 않은 경우를 기준으로 할 때의 부하 변화율임).
15. 열원과 냉각부 사이에 열전 모듈을 배치한 열전 모듈 시스템으로서, 상기 열원과 열전 모듈 사이 계면 혹은 상기 열전 모듈과 냉각부 사이 계면에 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 마운팅 부재를 삽입 및/또는 부착하여 상기 열전 모듈을 마운팅한 것을 특징으로 하는 열전 모듈 시스템.
16. 제15항에 있어서, 상기 열전 모듈은
    기판;
    상기 기판에 구비된 전극; 및
    벌크 형태로 소결된 열전 재료로 구성되며, 상기 전극에 접합된 열전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 시스템.

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