KR20170089329A - 열전소자 및 이를 포함한 열전모듈 - Google Patents

열전소자 및 이를 포함한 열전모듈 Download PDF

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KR20170089329A
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송경화
김병욱
여인웅
이한샘
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Abstract

본 발명은 열전소자의 포지셔닝을 간편하고 정확하게 할 수 있고, 전극판과의 접촉면적을 대폭 넓힐 수 있는 열전소자 및 이를 포함한 열전모듈에 관한 것이다.
본 발명에 의한 열전소자는, 일정 길이를 가진 바디; 상기 바디의 일단에 마련된 제1단부; 및 상기 바디의 타단에 마련된 제2단부;를 포함하고, 상기 제1단부 또는 상기 제2단부는 적어도 부분적인 비평탄면(at least partial non-flat surface)을 가질 수 있다.

Description

열전소자 및 이를 포함한 열전모듈{THERMOELECTRIC ELEMENT AND THERMOELECTRIC MODULE HAVING THE SAME}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 포지셔닝을 간편하고 정확하게 할 수 있고, 전극판과의 접촉면적을 대폭 넓힐 수 있는 열전소자 및 이를 포함한 열전모듈에 관한 것이다.
열전모듈은 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 것으로, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크효과를 이용한 구조, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에효과를 이용한 구조 등이 있다.
이러한 열전모듈은 한 쌍을 이루는 N형 열전소자 및 P형 열전소자와, N형 열전소자 및 P형 열전소자들의 상부 및 하부에 각각 접속되는 상부 전극 및 하부 전극과, 상부 전극 및 하부 전극이 각각 개별적으로 지지되는 상부 기판 및 하부 기판 등으로 이루어질 수 있다.
열전모듈의 제조과정에서 각 전극 및 기판 등에 대해 열전소자들을 정밀하게 정렬하기 위한 기술이 요구되며, 기존에는 로봇 암(robot arm)이나 정렬기 등을 이용하여 정렬하여 왔었다.
로봇 암을 이용한 방식은 각 열전소자를 개별적으로 포지셔닝함에 따라 열전소자들의 정렬에 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다.
또한, 정렬기를 이용한 방식은 열전소자의 최종 위치를 맞추기 위해 별도의 추가공정이 요구됨에 따라 그 작업이 매우 번거롭게 진행되는 단점이 있었다.
한편, 기존의 열전소자는 원통형 또는 직육면체 형상으로 이루어지고, 열전소자의 정렬이 매우 번거롭게 진행될 수 있는 단점이 있었다.
이에 따라, 정밀하고 신속한 정렬을 구현하기 위하여 구형상(SPHERICAL SHAPE)의 열전소자에 대한 연구가 진행 중에 있지만, 이러한 구형상의 열전소자는 그 정렬 도중에 미세한 진동에 의해서도 정위치로부터 쉽게 이탈할 수 있으므로 공정 상의 불량율이 높아지는 단점이 있었다.
특히, 구형상의 열전소자는 동일직경을 가진 구조적 특성 상, 고온부(hot side)와 저온부(cold side) 사이의 거리를 조절하기 어렵기 때문에 고온부 및 저온부의 온도차이를 충분히 확보하지 못하고, 이로 인해 열전모듈의 효율이 저하되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 열전소자들의 정렬 내지 배열을 매우 간편하고 정밀하게 수행할 수 있고, 더불어 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 안전적으로 확보함으로써 열전모듈의 효율을 향상시킬 수 있는 열전소자 및 이를 포함한 열전모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열전소자는,
일정 길이를 가진 바디;
상기 바디의 일단에 마련된 제1단부; 및
상기 바디의 타단에 마련된 제2단부;를 포함하고,
상기 제1단부 또는 상기 제2단부는 적어도 부분적인 비평탄면(at least partial non-flat surface)을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 바디는 그 폭 보다 긴 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 일정한 곡률반경을 가진 곡면부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 원뿔면 또는 각뿔면을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 그 가장자리에 라운드부(round portion)를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단부는 제1곡률반경으로 이루어진 곡면부를 가지고, 상기 제2단부는 제2곡률반경으로 이루어진 곡면부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1곡률반경과 상기 제2곡률반경은 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 제1곡률반경과 상기 제2곡류반경은 서로 다른 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면은 열전모듈로서,
상부 기판과 하부 기판 사이에 배치되고, 반대 극성으로 이루어진 적어도 한 쌍의 열전소자;
상기 적어도 한 쌍의 열전소자의 상부에 접속된 상부 전극; 및
상기 적어도 한 쌍의 열전소자의 하부에 접속된 하부 전극;을 포함하고,
각 열전소자의 적어도 한 단부는 적어도 부분적인 비평탄면을 가지며,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 상기 열전소자의 각 단부가 접합되는 홈을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 열전소자는 그 폭이 서로 다르게 형성된 제1열전소자 및 제2열전소자를 포함할 수 있다.
상기 제1열전소자의 폭이 상기 제2열전소자의 폭 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1열전소자는 P형 반도체로 구성되고, 상기 제2열전소자는 N형 반도체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 홈은 상기 열전소자의 각 단부에 대응하는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 열전소자들의 정렬 내지 배치를 매우 간편하고 정밀하게 수행할 수 있고, 더불어 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 안전적으로 확보함으로써 열전모듈의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전소자를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 대안적인 실시예에 따른 열전소자를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 대안적인 실시예에 따른 열전소자를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 대안적인 실시예에 따른 열전소자를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈을 도시한 도면이다.
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 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(11, 12)는 일정 길이(L)를 가진 바디(15)와, 바디(15)의 일단에 마련된 제1단부(13)와, 바디(15)의 타단에 마련된 제2단부(14)를 포함할 수 있다.
바디(15)는 원통형 또는 각형 등과 같은 입체구조(cubic)로 이루어질 수 있다. 바디(15)는 그 폭(W) 보다 긴 길이(L)를 가질 수 있다. 이러한 바디(15)의 길이(L)는 고온부 및 저온부의 온도차이를 확보함과 더불어 저항의 증가를 방지할 수 있을 정도의 길이로 이루어짐이 바람직하다.
바디(15)는 길이방향 양단에는 제1단부(13) 및 제2단부(14)가 마련되고, 이에 제1단부(13) 및 제2단부(14)는 바디(15)의 길이방향을 따라 서로 반대측에 위치할 수 있다.
제1단부(13) 및 제2단부(14) 중에서 적어도 한 단부에 적어도 부분적인 비평탄면을 형성함으로써 각 열전소자(11, 12)는 블릿(bullet) 형상으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 열전소자(11, 12)가 블릿 형상(bullet shape)으로 이루어짐에 따라 전극과의 접촉면적을 넓힐 수 있고, 이를 통해 열전소자(11, 12)의 포지셔닝 및/또는 접착성을 대폭 높일 수 있다.
도 1의 실시예에 따르면, 제1단부(13)는 바디(15)의 일단에서 제1곡률반경(R1)으로 곡면진 곡면부로 이루어질 수 있고, 제2단부(14)는 바디(15)의 타단에서 제2곡률반경(R2)으로 곡면진 곡면부로 이루어질 수 있다.
한편, 제1곡률반경(R1)과 제2곡률반경(R2)이 동일할 수 있고, 이와 달리 제1곡률반경(R1)과 제2곡률반경(R2)이 서로 다르게 이루어질 수도 있다.
도 2의 실시예에 따르면, 바디(15)의 제1단부(13a) 및/또는 제2단부(14a)는 그 폭이 점차 좁아지는 원추면 또는 각뿔면을 가질 수 있다.
도 3의 실시예에 따르면, 제1단부(13b) 또는 제2단부(14b)는 바디(15)와 동일한 폭을 가질 수 있고, 제1단부(13b) 및/또는 제2단부(14b)의 가장자리에는 일정한 반경의 라운드부(16, round portion)가 형성될 수 있다.
도 4의 실시예에 따르면, 제1단부(13b)는 바디(15)와 동일한 폭을 가질 수 있고, 제1단부(13b)의 단면에는 평탄면(17)이 형성될 수 있으며, 제2단부(14b)는 일정한 곡률반경으로 이루어진 곡면부를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 열전소자(11, 12)는 바디(15)의 적어도 한 단부에 적어도 부분적인 비평탄면인 곡면부가 형성됨에 따라 블릿(bullet) 형상으로 구성될 수 있고, 이러한 블릿 형상에 의해 전극(21, 22)과의 접촉면적을 넓혀 열전소자의 포지셔닝 및/또는 접착성을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 열전모듈(10)은 상하방향으로 이격된 상부 기판(31) 및 하부 기판(32)과, 상부 기판(31) 및 하부 기판(32) 사이에 배치된 복수의 열전소자(11, 12) 및 복수의 전극(21, 22)을 포함할 수 있다.
상부 기판(31) 및 하부 기판(32)은 고온부 및 저온부를 구성할 수 있고, 각 기판(31, 32)은 절연재질로 이루어질 수 있다.
복수의 열전소자(11, 12)는 도 1 내지 도 4와 같이 적어도 한 단부에 적어도 부분적인 비평탄면을 가진 블릿(bullet) 형상으로 이루어져 있다.
복수의 열전소자(11, 12)는 서로 반대 극성으로 이루어진 적어도 한 쌍의 열전소자(11, 12)를 포함할 수 있고, 열전소자(11, 12)는 N형 반도체, P형 반도체로 이루어질 수 있다.
한편, N형 반도체 및 P형 반도체는 그 각각의 ZT(성능지수)가 서로 다르기 때문에, 한 쌍의 열전소자(11, 12)는 그 단면적을 서로 다르게 설정함이 바람직하다. 이에, 반대극성인 열전소자(11, 12)들의 단면적을 서로 다르게 설정하기 위하여 한 쌍의 열전소자(11, 12)는 그 폭이 서로 다르게 형성될 수 있다.
특히, 제1열전소자(11)는 P형 반도체로 구성되고, 제2열전소자(12)는 N형 반도체로 구성될 수 있다. 그리고, 열전모듈(10)의 출력성능을 최적화하기 위하여 제1열전소자(11)의 폭(a)이 제2열전소자(12)의 폭(b)로 크게 형성될 수 있다.
상부 전극(21)은 인접한 열전소자(11, 12)들의 상단에 접속되고, 상부 전극(21)에는 열전소자(11, 12)의 제1단부(13)가 끼워져 접합되는 홈(23)이 형성될 수 있다.
하부 전극(22)은 열전소자(11, 12)들의 하단에 접속되고, 하부 전극(22)에는 열전소자(11, 12)의 제2단부(14)가 끼워져 접합되는 홈(24)이 형성될 수 있다.
상부 전극(21)의 홈(23) 및 하부 전극(22)의 홈(24)은 열전소자(11, 12)의 제1단부(13, 13a, 13b, 13c) 및 제2단부(14, 14a, 14b, 14c)에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다.
도 5에서는 도 1의 실시예에 따른 열전소자(11, 12)가 예시되어 있고, 이에 상부 전극(21)의 홈(23) 및 하부 전극(22)의 홈(24)은 열전소자(11, 12)의 곡면부로 이루어진 제1 및 제2 단부(13, 14)에 대응하여 곡면진 홈 구조로 이루어질 수 있다.
그외에도, 도 2의 실시예에 따르면, 열전소자(11, 12)의 제1 및 제2 단부(13a, 14a)가 원뿔면 또는 각뿔면으로 이루어짐에 따라 상부 전극(21)의 홈(23) 및 하부 전극(22)의 홈(24)은 원뿐면 또는 각뿔면을 가진 홈 구조로 이루어질 수 있다.
도 3의 실시예에 따르면, 열전소자(11, 12)의 제1 및 제2 단부(13b, 14b)가 라운드부(16)를 가진 구조로 이루어짐에 따라, 상부 전극(21)의 홈(23) 및 하부 전극(22)의 홈(24)은 가장자리에 라운드부를 가진 구조로 이루어질 수 있다.
도 4의 실시예에 따르면, 열전소자(11, 12)의 제1단부(13c)가 평탄면(17)을 가진 구조로 이루어짐에 따라 상부 전극(21)의 홈(23)은 평탄면을 가진 구조로 이루어질 수 있고, 열전소자(11, 12)의 제2단부(14c)가 곡면진 구조로 이루어진 경우에는 하부 전극(22)의 홈(24)은 곡면진 홈 구조로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상부 전극(21)의 홈(23) 및 하부 전극(22)의 홈(24)이 열전소자(11, 12)의 제1 및 제2 단부(13, 13a, 13b, 13c, 14, 14a, 14b, 14c)에 대응하는 구조로 이루어짐에 따라 열전소자(11, 12)는 상부 전극(21)의 홈(23) 및/또는 하부 전극(22)의 홈(24)에 정밀하게 포지셔닝될 수 있고, 또한 그 접착성이 대폭 향상될 수 있으며, 열저항 및 전기저항을 감소시켜 열전모듈(10)의 성능을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)은 전류 및 열의 흐름을 원활하게 하도록 서로 교호적으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 열전소자(11, 12)는 바디(15)의 적어도 한 단부에 적어도 부분적인 비평탄면을 가진 블릿(BLULLET) 형상으로 이루어짐과 더불어 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)에 열전소자(11, 12)의 단부에 대응하는 홈(23, 24)을 가짐에 따라 열전소자(11, 12)의 포지셔닝 및 접착성이 대폭 향상될 수 있고, 이에 열전모듈(10)의 제조공정 상에서 불량율을 최소화할 수 있다.
특히, 열전소자(11, 12)의 길이(L)를 최적화함에 따라 열전모듈(10)의 고온부 및 저온부 사이의 거리를 적절히 조절할 수 있고, 이를 통해 고온부 및 저온부의 온도차이를 충분히 확보할 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.
11: 제1열전소자 12: 제2열전소자
13: 제1단부 14: 제2단부
15: 바디 21: 상부 전극
22: 하부 전극 23, 24: 홈
31: 상부 기판 32: 하부 기판

Claims (13)

  1. 일정 길이를 가진 바디;
    상기 바디의 일단에 마련된 제1단부; 및
    상기 바디의 타단에 마련된 제2단부;를 포함하고,
    상기 제1단부 또는 상기 제2단부는 적어도 부분적인 비평탄면(at least partial non-flat surface)을 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바디는 그 폭 보다 긴 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 일정한 곡률반경을 가진 곡면부를 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 원뿔면 또는 각뿔면을 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단부 및 상기 제2단부 중에서 적어도 한 단부는 가장자리에 라운드부를 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단부는 제1곡률반경으로 이루어진 곡면부를 가지고, 상기 제2단부는 제2곡률반경으로 이루어진 곡면부를 가지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1곡률반경과 상기 제2곡률반경은 동일한 것을 특징으로 하는 열전소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1곡률반경과 상기 제2곡류반경은 서로 다른 것을 특징으로 하는 열전소자.
  9. 상부 기판과 하부 기판 사이에 배치되고, 반대 극성으로 이루어진 적어도 한 쌍의 열전소자;
    상기 적어도 한 쌍의 열전소자의 상부에 접속된 상부 전극; 및
    상기 적어도 한 쌍의 열전소자의 하부에 접속된 하부 전극;을 포함하고,
    각 열전소자의 적어도 한 단부는 적어도 부분적인 비평탄면을 가지며,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 상기 열전소자의 각 단부가 접합되는 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 열전소자는 그 폭이 서로 다르게 형성된 제1열전소자 및 제2열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1열전소자의 폭이 상기 제2열전소자의 폭 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1열전소자는 P형 반도체로 구성되고, 상기 제2열전소자는 N형 반도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 상부 전극의 홈 및 상기 하부 전극의 홈은 상기 열전소자의 각 단부에 대응하는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
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