KR20170111840A - 열전모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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thermoelectric element
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pss
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송미연
박성근
이은영
김상학
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 열전모듈은 유기계 재질로 이루어진 복수의 P형 열전소자; 상기 복수의 P형 열전소자들 사이에 평행하게 배치되고, 금속재질로 이루어진 복수의 N형 열전소자; 상기 N형 열전소자의 상단과 상기 P형 열전소자의 상단을 접속하는 제1전극부; 및 상기 N형 열전소자의 하단과 상기 P형 열전소자의 하단을 접속하는 제2전극부;를 포함하고, 상기 제1전극부, 상기 제2전극부 및 상기 N형 열전소자는 금속재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

열전모듈 및 그 제조방법{THERMOELECTRIC MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가볍고 유연한 유기계 열전소자를 적용함으로써 내충격성 및 열충격 등이 향상되어 다양한 시스템에 적용이 용이할 뿐만 아니라 열전발전 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 열전모듈은 그 양면의 온도차이에 의해 열기전력을 발생하는 제베크(seeback)효과를 이용하여 발전할 수 있다. 이러한 열전모듈을 차량에 적용함으로써 차량의 폐열을 효율적으로 활용할 수 있다.
종래의 열전모듈은 그 일면이 고온의 배기열을 배출하는 차량의 배기계 부품(배기파이프, 배기매니폴드 등)에 장착되고, 또한 온도차이를 확보하기 위하여 열전모듈의 타면에는 수냉식 냉각시스템을 장착하도록 구성된다.
이와 같이 차량에 적용되는 열전모듈의 열전소자는 주로 무기계재질의 BiTe계 열전소자가 이용되고 있다.
하지만, BiTe계 열전소자는 내충격 및 열충격에 취약하여 그 내구성이 낮으며, 또한 가격이 비싸며 그 무게가 무거워 전체 열전발전시스템의 중량이 커지는 단점이 있었다.
최근에는 유기계 열전소자를 적용한 열전모듈에 대한 연구개발이 진행되고 있으며, 이러한 유기계 열전소자는 무기계 열전소자에 비해 저가이면서 가볍고 유연하기 때문에 차량에 적용할 경우에 구조적 제약이 거의 없게 된다.
하지만, 종래의 유기계 열전소자는 그 두께가 ㎚단위로 얇게 형성됨에 따라 수직방향의 온도차(고온부 및 저온부 사이의 온도차이)를 생성하기에는 한계가 있었다.
또한, 종래의 유기계 열전소자는 그 제조과정에서 P형 열전소자와 N형 열전소자 사이에 절연재질의 격벽을 형성하여야 하고, 이에 그 격벽의 제거를 위한 용매로 인한 오염이 예상되며, 공정 시간이 길어지며, 공정단가가 상승하는 여러문제가 발생하는 단점이 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 그 제조공정이 단순하여 그 제조단가를 절감할 수 있고, 그 두께를 수~수백㎛단위로 구현함으로써 수평방향의 온도차 뿐만 아니라 수직방향의 온도차(고온부 및 저온부 사이의 온도차이)를 안정되게 유지함으로써 열전발전 성능을 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 유기계를 이용한 열전모듈로서,
유기계 재질로 이루어진 복수의 P형 열전소자;
상기 복수의 P형 열전소자들 사이에 평행하게 배치되고, 금속재질로 이루어진 복수의 N형 열전소자;
상기 N형 열전소자의 상단과 상기 P형 열전소자의 상단을 접속하는 제1전극부; 및
상기 N형 열전소자의 하단과 상기 P형 열전소자의 하단을 접속하는 제2전극부;를 포함하고,
상기 제1전극부, 상기 제2전극부 및 상기 N형 열전소자는 금속재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 P형 열전소자는 전도성 고분자 재질로 이루어질 수 있다.
상기 P형 열전소자는 PEDOT:PSS로 이루어질 수 있다.
상기 제1전극부, 상기 제2전극부 및 상기 N형 열전소자는 동일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 N형 열전소자의 상단과 상기 제1전극부는 전도성 글루가 개재되어 접착되고, 상기 N형 열전소자의 하단과 상기 제2전극부는 전도성 글루가 개재되어 접착되는 것을 특징으로 한다.
상기 P형 열전소자와 상기 N형 열전소자는 서로 다른 면적을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 P형 열전소자의 면적이 상기 N형 열전소자의 면적 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 N형 열전소자의 면적과 상기 P형 열전소자의 면적은 1:16~300 비율로 이루어질 수 있다.
상기 N형 열전소자의 면적과 상기 P형 열전소자의 면적은 1:150~270 비율로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 열전모듈의 제조방법으로,
전도성 고분자 용액을 건조시켜 고분자 필름 형태로 형성하는 P형 열전소자를 형성하는 P형 열전소자 형성단계;
복수의 P형 열전소자를 기판 위에 부착하는 부착단계; 및
상기 복수의 P형 열전소자 사이에 금속재질의 N형 열전소자들을 직렬로 접속시키는 N형 열전소자 접속단계;를 포함할 수 있다.
상기 P형 열전소자 형성단계는,
PEDOT:PSS 용액을 용기 내에 채운 후에 건조시킴으로써 PEDOT:PSS 필름을 형성하는 필름 형성단계와,
상기 PEDOT:PSS 필름을 유기용매에 디핑(dipping)하는 디핑단계와,
상기 PEDOT:PSS 필름을 용기에서 분리하는 필름 분리단계를 포함할 수 있다.
상기 디핑단계에서 상기 PEDOT:PSS 필름을 상기 용기와 함께 유기용매 내에 디핑하고, 상기 유기용매는 EG(ethylene glycol) 또는 DMSO(dimethyl sulfoxide)인 것을 특징으로 한다.
상기 필름 형성단계는, PEDOT:PSS 용액이 건조하기 전에 PEDOT:PSS 용액을 반복적으로 채어넣음으로써 상기 P형 열전소자의 두께를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 부착단계는, 상기 P형 열전소자를 상기 기판 위에 올려놓은 후에 고온분위기에서 건조함으로써 상기 P형 열전소자를 상기 기판 위에 부착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 그 제조공정이 단순하여 그 제조단가를 절감할 수 있고, PEDOT:PSS 등과 같은 고분자 용액을 건조시켜 고분자 필름 형태로 P형 열전소자를 형성함에 따라 그 두께를 수~수백㎛단위로 구현할 수 있고, 이에 수평방향의 온도차 뿐만 아니라 수직방향의 온도차(고온부 및 저온부 사이의 온도차이)를 효과적으로 생성할 수 있으므로 그 열전발전 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명에 의한 열전모듈의 제조방법 중에서 용기 내에 전도성 고분자 용액을 채워 넣는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 열전모듈의 제조방법 중에서 용기 내에 전도성 고분자 용액이 건조되어 고분자 필름이 용기 내에서 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 열전모듈의 제조방법 중에서 고분자 필름을 용기와 함께 디핑하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 열전모듈의 제조방법 중에서 용기 내에서 고분자 필름을 분리하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 열전모듈의 제조방법 중에서 고분자 필름을 기판 위에 부착하는 과정을 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 다양한 실시예에 따른 열전모듈(10)은 유기계 재질로 이루어진 복수의 P형 열전소자(11)와, 복수의 P형 열전소자(11)들 사이에 평행하게 배치된 복수의 N형 열전소자(12)와, N형 열전소자(12)의 상단과 P형 열전소자(11)의 상단을 접속하는 제1전극부(13)과, N형 열전소자(12)의 하단과 P형 열전소자(11)의 하단을 접속하는 제2전극부(14)를 포함할 수 있다.
P형 열전소자(11)는 유기계 재질로 이루어지고, 이에 P형 열전소자(11)는 기판(15) 위에 ㎛단위로 용이하게 형성될 수 있다.
P형 열전소자(11)는 전도성 고분자 재질로 이루어질 수 있고, 특히 P형 열전소자(11)는 PEDOT:PSS로 이루어져 그 전도성을 향상시킴과 더불어 두께 조절을 보다 용이하게 할 수 있다.
기판(15)은 유연한 재질로 이루어질 수 있고, 이러한 기판(15) 위에 P형 열전소자(11)가 ㎛단위로 형성될 수 있으며, 이에 열전모듈(10)은 전체적으로 가볍고 유연해질 수 있다.
복수의 P형 열전소자(11)는 기판(15) 위에 부착될 수 있고, 복수의 P형 열전소자(11)는 평행하게 배치될 수 있다.
P형 열전소자(11)는 고성능을 구현할 수 있는 유기계 재질로 이루어질 수 있지만 N형 열전소자(12)에는 고성능을 구현할 수 있는 적당한 유기계 재질이 없으므로, N형 열전소자(12)는 Ni 등과 같은 금속재질로 이루어짐이 바람직하다.
복수의 N형 열전소자(12)는 복수의 P형 열전소자(11) 사이에 평행하게 배치될 수 있다.
제1전극부(13)는 N형 열전소자(12)의 상단에 마련되어 P형 열전소자(11)의 상단에 접속될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 제1전극부(13)는 N형 열전소자(12)와 동일한 금속재질로 이루어질 수 있다.
제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)의 하단에 마련되어 P형 열전소자(11)의 하단에 접속될 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)와 동일한 금속재질로 이루어질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1전극부(13) 및 제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)에 대해 동일체로 형성될 수 있다. 특히, 제1전극부(13)는 N형 열전소자(12)의 상단에서 일측방향으로 연장되어 인접한 일측의 P형 열전소자(11)의 상단에 접합될 수 있고, 제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)의 하단에서 타측방향으로 연장되어 인접한 타측의 P형 열전소자(11)의 하단에 접합될 수 있다. 요컨대, 제1전극부(13) 및 제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)의 상단 및 하단에서 서로 반대방향으로 연장될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제1전극부(13) 및 제2전극부(14)는 N형 열전소자(12)에 대해 독립적으로 형성될 수도 있고, 이에 N형 열전소자(12)의 상단 및 하단에 제1전극부(13) 및 제2전극부(14)가 접착제 또는 솔더링 등을 통해 접합될 수도 있다.
P형 열전소자(11)의 상단과 제1전극부(13) 사이에는 전도성 글루(16)가 개재되어 접착될 수 있고, P형 열전소자(11)의 하단과 제2전극부(14) 사이에는 전도성 글루(16)가 개재되어 접착될 수 있다. 이러한 전도성 글루(16)에 의해 P형 열전소자(11)와 전극부(13, 14)들 사이의 전기적 컨택성을 대폭 향상시킬 수 있다.
여기서, 전도성 글루(16)는 Au, Pt, Ag, Ni 등과 같은 금속 페이스트 또는 금속 에폭시로 이루어질 수 있다. 특히, 전도성 글루(16)는 그 퍼짐성을 고려하여 제1 및 제2 전극부(13, 14)와 P형 열전소자(11) 사이의 접촉면전의 1/2을 초과하지 않도록 도포됨이 바람직하다.
한편, P형 열전소자(11)와 N형 열전소자(12)는 열전발전 성능을 향상시키도록 서로 다른 면적을 가지도록 구성될 수 있다.
P형 열전소자(11)의 면적이 N형 열전소자(12)의 면적 보다 크게 형성됨으로써 전기저항이 증가함과 더불어 전도도가 증가할 수 있고, 이에 고온부 및 저온부 사이의 온도차이를 안정되게 유지함으로써 열전모듈(10)의 열전발전 성능을 향상할 수 있다.
바람직하게는, N형 열전소자(11)의 면적과 P형 열전소자(12)의 면적은 1:16~300 비율로 이루어질 수 있다.
더 바람직하게는, N형 열전소자(11)의 면적과 P형 열전소자(12)의 면적은 1:150~270 비율로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전모듈의 제조방법은 전도성 고분자 용액을 건조시켜 고분자 필름 형태로 형성하는 P형 열전소자(11)를 형성하는 P형 열전소자 형성단계(S1)와, 복수의 P형 열전소자(11)를 기판(15) 위에 부착하는 부착단계(S2)와, 복수의 P형 열전소자(11) 사이에 금속재질의 N형 열전소자(12)들을 직렬로 접속시키는 N형 열전소자 접속단계(S3)를 포함할 수 있다.
P형 열전소자 형성단계(S1)는, 필름 형성단계(S1-1)와, 디핑단계(S1-2)와, 필름 분리단계(S1-3)로 이루어질 수 있다.
필름 형성단계(S1-1)는, 도 3과 같이 PEDOT:PSS 용액(22a)을 용기(21) 내에 채우고, 그 후에 도 4와 같이 상온~110℃미만의 온도 조건에서 PEDOT:PSS 용액(22a)을 건조시킴으로써 PEDOT:PSS 필름(22)을 형성하도록 이루어질 수 있다. 이때, PEDOT:PSS 용액(22a)은 수용액 필터에 의해 불순물을 제거한 용액일 수 있다. PEDOT:PSS는 일반적으로 물에 1~2wt%로 분산되어 있으며, 분말 상태의 PEDOT:PSS는 점도가 높지만 그 전도도가 낮으므로 PEDOT:PSS 용액(22a)이 사용됨이 바람직하다.
그리고, 용기(21)는 테프론 등과 같이 이형성을 가진 재질로 이루어질 수 있고, 또한 표면이 매끄러운 내화학성을 가진 재질로 이루어질 수 있다.
또한, PEDOT:PSS 용액(22a)이 건조하기 전에 PEDOT:PSS 용액을 반복적으로 채어넣음으로써 PEDOT:PSS 필름(22)의 두께를 조절할 수 있다.
디핑단계(S1-2)는 도 5와 같이, 용기(21) 내에서 건조된 PEDOT:PSS 필름(22)을 용기(21)와 함께 디핑용기(25) 내의 유기용매(26) 내에 디핑하도록 이루어질 수 있다(S1-2). 이와 같이, 용기(21)와 함께 PEDOT:PSS 필름(22)을 디핑함으로써 PEDOT:PSS 필름(22)의 손상을 방지할 수 있다. 여기서, 유기용매는 EG(ethylene glycol) 또는 DMSO(dimethyl sulfoxide)일 수 있다.
이러한 디핑에 의해, 용기(21) 내에서 PEDOT:PSS 필름(22)을 용이하게 분리할 수 있다. 또한, 디핑에 의해 PEDOT:PSS 필름(22) 내의 PSS 일부가 제거됨(dedoping)으로써 PEDOT:PSS 필름(22)의 전도성이 대폭 향상될 수 있다.
필름 분리단계(S1-3)는, 도 6과 같이 PEDOT:PSS 필름(22)의 가장자리를 적절히 커팅한 후에 PEDOT:PSS 필름(22)을 용기(21)에서 분리함으로써 필름 형태의 P형 열전소자(11, 도 7 참조)를 형성할 수 있다.
부착단계(S2)는, 도 7에 도시된 바와 같이 상술한 P형 열전소자 형성단계(S1)를 통해 형성된 P형 열전소자(11)를 기판(15) 위에 올려놓은 후에 고온분위기(130℃의 오븐)에서 건조함으로써 수~수백 ㎛ 두께의 P형 열전소자(11)를 기판(15) 위에 안정되게 부착할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 고분자 필름 형태의 P형 열전소자(11)를 형성함에 따라 그 두께를 수~수백㎛단위로 구현할 수 있고, 이에 수평방향의 온도차 뿐만 아니라 수직방향의 온도차(고온부 및 저온부 사이의 온도차이)를 효과적으로 생성할 수 있다.
N형 열전소자 접속단계(S3)는, 복수의 P형 열전소자(11) 사이에 금속재질의 N형 열전소자(12)들을 직렬로 접속시키도록 이루어질 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: 열전모듈 11: P형 열전소자
12: N형 열전소자 13: 제1전극부
14: 제2전극부 15: 기판

Claims (14)

  1. 유기계 재질로 이루어진 복수의 P형 열전소자;
    상기 복수의 P형 열전소자들 사이에 평행하게 배치되고, 금속재질로 이루어진 복수의 N형 열전소자;
    상기 N형 열전소자의 상단과 상기 P형 열전소자의 상단을 접속하는 제1전극부; 및
    상기 N형 열전소자의 하단과 상기 P형 열전소자의 하단을 접속하는 제2전극부;를 포함하고,
    상기 제1전극부, 상기 제2전극부 및 상기 N형 열전소자는 금속재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 열전소자는 전도성 고분자 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 열전소자는 PEDOT:PSS로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1전극부, 상기 제2전극부 및 상기 N형 열전소자는 동일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 N형 열전소자의 상단과 상기 제1전극부는 전도성 글루가 개재되어 접착되고, 상기 N형 열전소자의 하단과 상기 제2전극부는 전도성 글루가 개재되어 접착되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 열전소자와 상기 N형 열전소자는 서로 다른 면적을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 열전소자의 면적이 상기 N형 열전소자의 면적 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 N형 열전소자의 면적과 상기 P형 열전소자의 면적은 1:16~300 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 N형 열전소자의 면적과 상기 P형 열전소자의 면적은 1:150~270 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
  10. 전도성 고분자 용액을 건조시켜 고분자 필름 형태로 형성하는 P형 열전소자를 형성하는 P형 열전소자 형성단계;
    복수의 P형 열전소자를 기판 위에 부착하는 부착단계; 및
    상기 복수의 P형 열전소자 사이에 금속재질의 N형 열전소자들을 직렬로 접속시키는 N형 열전소자 접속단계;를 포함하는 열전모듈의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 열전소자 형성단계는,
    PEDOT:PSS 용액을 용기 내에 채운 후에 건조시킴으로써 PEDOT:PSS 필름을 형성하는 필름 형성단계와,
    상기 PEDOT:PSS 필름을 유기용매에 디핑(dipping)하는 디핑단계와,
    상기 PEDOT:PSS 필름을 용기에서 분리함으로써 P형 열전소자를 형성하는 필름 분리단계를 포함하는 열전모듈의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 디핑단계에서 상기 PEDOT:PSS 필름을 상기 용기와 함께 유기용매 내에 디핑하고, 상기 유기용매는 EG(ethylene glycol) 또는 DMSO(dimethyl sulfoxide)인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 필름 형성단계는, PEDOT:PSS 용액이 건조하기 전에 PEDOT:PSS 용액을 반복적으로 채어넣음으로써 상기 P형 열전소자의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 부착단계는, 상기 P형 열전소자를 상기 기판 위에 올려놓은 후에 고온분위기에서 건조함으로써 상기 P형 열전소자를 상기 기판 위에 부착하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
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