KR20170140717A - 냉온수 공급 장치 및 이를 포함하는 냉온수 매트 - Google Patents

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KR20170140717A
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김자람
박형준
양태수
장성재
조용상
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 공급 장치는 물이 유입되는 입수구, 상기 입수구를 통하여 유입된 물을 수용하는 수조, 상기 수조의 외주면에 배치되며, 상기 수조 내의 물을 가열하거나 냉각하는 열전소자, 그리고 상기 수조 내에서 가열되거나 냉각된 물을 배출하는 출수구를 포함하며, 상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자 위에 배치된다.

Description

냉온수 공급 장치 및 이를 포함하는 냉온수 매트{APPARATUS FOR SUPPLYING COOL AND HOT WATER, AND COOL AND HOT WATER MAT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 냉온수 공급 장치 및 이를 포함하는 냉온수 매트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자를 이용하는 냉온수 공급 장치 및 이를 포함하는 냉온수 매트에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자가 냉온수 매트에 적용되고 있다.
일반적인 냉온수 매트는 냉수 또는 온수가 통과하기 위한 관이 매립된 매트 및 매트 내 관에 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 냉온수 공급 장치를 포함한다.
여기서, 냉온수 공급 장치는 매트 내 관을 통과한 물이 유입되는 입수구, 입수구로부터 유입된 물이 저장되는 수조, 수조 내 물을 가열 또는 냉각하는 열전소자, 그리고 매트 내 관으로 냉수 또는 온수를 배출하는 출수구를 포함한다.
이때, 수조 내 물을 효율적으로 가열 또는 냉각하여 매트 내 관으로 공급하는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수조부 내 물을 효율적으로 가열 또는 냉각하는 냉온수 공급 장치 및 이를 포함하는 냉온수 매트를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 공급 장치는 물이 유입되는 입수구, 상기 입수구를 통하여 유입된 물을 수용하는 수조, 상기 수조의 외주면에 배치되며, 상기 수조 내의 물을 가열하거나 냉각하는 열전소자, 그리고 상기 수조 내에서 가열되거나 냉각된 물을 배출하는 출수구를 포함하며, 상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자 위에 배치된다.
본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 매트는 냉수 또는 온수가 통과하기 위한 관이 매립된 매트, 그리고 상기 매트 내에 매립된 관에 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 냉온수 공급 장치를 포함하며, 상기 냉온수 공급 장치는, 상기 매트 내에 매립된 관을 통과한 물이 유입되는 입수구, 상기 입수구를 통하여 유입된 물을 수용하는 수조, 상기 수조의 외주면에 배치되며, 상기 수조 내의 물을 가열하거나 냉각하는 열전소자, 그리고 상기 수조 내에서 가열되거나 냉각된 물을 상기 매트 내에 매립된 관으로 배출하는 출수구를 포함하며, 상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자 위에 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수조 내 물을 효율적으로 가열 또는 냉각하여 매트 내 관으로 공급하는 냉온수 공급 장치를 얻을 수 있다. 이에 따라, 냉온수 매트의 성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 매트의 개략도이다.
도 2는 냉온수 매트에 포함되는 냉온수 공급 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 10은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 한 방법을 나타낸다.
도 11은 도 10의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 12는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 다른 방법을 나타낸다.
도 13 내지 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재의 개념도이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 매트의 개략도이고, 도 2는 냉온수 매트에 포함되는 냉온수 공급 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 매트(1)는 매트(10) 및 냉온수 공급 장치(20)를 포함한다.
매트(10)에는 냉수 또는 온수가 통과하기 위한 관(12)이 매립되어 있다. 냉수 또는 온수가 관(12)을 통과하면, 매트(10)의 표면이 차가워지거나, 따뜻해질 수 있다. 이에 따라, 매트(10)는 냉방 또는 난방을 위한 보조기구로 이용될 수 있다. 관(12)은 다양한 형상, 예를 들어 지그재그 형상, 곡선 형상, 랜덤 형상, 코일 형상 등으로 매트(10) 내에 매립될 수 있다.
냉온수 공급 장치(20)는 매트(10)의 관(12)과 연결되며, 관(12)으로 냉수 또는 온수를 공급한다.
이를 위하여, 도 2를 참조하면, 냉온수 공급 장치(20)는 냉온수 순환부(22), 제어부(24), 전원공급부(26) 및 센서부(28)를 포함한다.
냉온수 순환부(22)는 매트(10)의 관(12)과 연결되며, 매트(10)의 관(12)을 통과한 물을 수용하여 냉각시키거나, 가열한 후 다시 매트(10)의 관(12)으로 배출한다.
제어부(24)는 냉온수 공급 장치(20)의 동작을 전반적으로 제어한다. 예를 들어, 냉온수 순환부(22)의 냉각 온도 또는 가열 온도를 제어할 수 있다.
전원공급부(26)는 냉온수 공급 장치(20)에게 전원을 공급한다. 예를 들어, 전원공급부(26)는 냉온수 순환부(22)가 물을 냉각시키거나 가열시키는데 필요한 전원을 공급할 수 있다.
센서부(28)는 냉온수 공급 장치(20)의 온도, 습도 등을 감지한다. 예를 들어, 센서부(28)는 냉온수 순환부(22)의 온도를 감지할 수 있다. 그리고, 제어부(24)는 센서부(28)가 감지한 온도를 이용하여 냉온수 순환부(22)의 냉각 온도 또는 가열 온도를 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 매트의 냉온수 공급 장치 내에 포함되는 냉온수 순환부를 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 사시도이다.
도 3 내지 4를 참조하면, 냉온수 순환부(22)는 열전소자(100), 수조(200), 입수구(I) 및 출수구(O)를 포함한다.
매트(10) 내 관(12)을 통과한 물은 입수구(I)로 유입되며, 수조(200)는 입수구(I)를 통하여 유입된 물을 수용한다.
열전소자(100)는 수조(200)의 외주면에 배치되며, 수조(200) 내의 물을 가열하거나 냉각한다. 복수의 열전소자(100)가 소정 간격으로 이격되어 수조(200)의 외주면에 배치될 수도 있다.
그리고, 출수구(O)는 수조(200) 내에서 가열되거나 냉각된 물을 매트(10) 내 관(12)으로 배출한다.
이를 위하여, 입수구(I) 및 출수구(O)는 각각 매트(10) 내 관(12)의 출수구 및 입수구와 연결될 수 있다.
냉온수 순환부(22)의 입수구(I) 및 출수구(O)는 각각 수조(200)의 벽면을 관통하는 홀(hole) 및 홀에 연결되는 튜브로 형성될 수 있다.
수조(200)는 물을 수용하기 위한 용기이며, 플라스틱 소재일 수 있다. 수조(200)의 용량은 100ml 내지 3000ml일 수 있으며, 수조(200)가 사각 기둥 형상인 것을 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
열전소자(100)는 서로 대향하는 두 개의 기판 사이에 교대로 배치되어 직렬 연결되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 포함한다. 열전소자(100)의 한 기판은 흡열 기판으로 작용하며, 나머지 한 기판은 발열 기판으로 작용할 수 있다.
열전소자(100)의 양 기판 중 한 기판은 수조(200)의 외주면과 접합한다. 흡열 기판이 수조(200)의 외주면과 접합하는 경우, 열전소자(100)는 수조(200) 내 물의 열을 흡수하므로, 수조(200) 내 물은 냉각될 수 있다. 이와 반대로, 발열 기판이 수조(200)의 외주면과 접합하는 경우, 열전소자(100)는 수조(200) 내 물로 열을 전달하므로, 수조(200) 내 물은 가열될 수 있다. 이에 따라, 수조(200) 내 물은 냉각 또는 가열될 수 있다.
수조(200) 내 물의 냉각 또는 가열 성능을 높이기 위하여, 열전소자(100)와 수조(200) 내 물 간의 열전도율이 높을 필요가 있다. 이를 위하여, 수조(200)는 열전도율이 높은 소재, 예를 들어 금속 소재로 이루어질 수 있다. 또는, 수조(200)의 여러 면 중 열전소자(100)가 접합하는 면은 다른 면에 비하여 열전도율이 높은 소재로 이루어질 수도 있다. 또는, 열전소자(100)를 금속 플레이트에 매립한 후, 이를 수조(200)의 벽면에 매립할 수도 있다.
이때, 입수구(I) 및 출수구(O) 중 하나는 열전소자(100) 아래에 배치되고, 나머지 하나는 열전소자(100) 위에 배치될 수 있다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 두 개의 열전소자(100)가 수조(200)의 양 외주면에 대향하도록 배치된 경우, 이 중 한 열전소자(100)의 위 및 아래에 입수구(I) 및 출수구(O)가 배치될 수 있다.
또는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 두 개의 열전소자(100)가 수조(200)의 양 외주면에 대향하도록 배치된 경우, 이 중 한 열전소자(100)의 위에 입수구(I)가 배치되고, 나머지 한 열전소자(100)의 아래에 출수구(O)가 배치될 수도 있다.
예를 들어, 열전소자(100)의 흡열 기판이 수조(200)의 외주면과 접합하는 경우, 입수구(I)가 열전소자(100) 위에 배치되고, 출수구(O)가 열전소자(100) 아래에 배치되면, 입수구(I)를 통하여 유입된 따뜻한 물의 열이 열전소자(100)의 흡열 기판을 통하여 전달된다. 이에 따라, 수조(200) 내의 물은 냉각되어 아래 방향으로 흐르게 되며, 열전소자(100) 아래에 배치된 출수구(O)를 통하여 배출될 수 있다.
또는, 열전소자(100)의 발열 기판이 수조(200)의 외주면과 접합하는 경우, 출수구(O)가 열전소자(100) 위에 배치되고, 입수구(I)가 열전소자(100) 아래에 배치되면, 입수구(I)를 통하여 유입된 차가운 물이 열전소자(100)의 발열 기판을 통하여 가열된다. 이에 따라, 수조(200) 내의 따뜻한 물은 위로 흐르게 되며, 열전소자(100) 위에 배치된 출수구(O)를 통하여 배출될 수 있다.
이와 같이, 열전소자(100)가 입수구(I) 및 출수구(O) 사이에 배치되면, 열전소자(100)는 입수구(I) 및 출수구(O) 사이에 형성된 유로를 집중적으로 가열하거나, 냉각할 수 있다. 이에 따라, 열전소자(100)의 냉각 성능 또는 가열 성능을 높일 수 있다.
이때, 입수구(I) 및 출수구(O)는 각각 열전소자(100)로부터 소정 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 입수구(I) 및 출수구(O) 중 하나는 열전소자(100)의 높이(H)의 10 내지 25% 거리로 이격되어 열전소자(100) 아래에 배치되고, 나머지 하나는 열전소자(100)의 높이의 10 내지 25% 거리로 이격되어 열전소자(100) 위에 배치될 수 있다.
예를 들어, 열전소자(100)의 높이(H)가 40mm인 경우, 입수구(I)는 열전소자(100)로부터 4~6mm 거리(h1)로 이격되어 열전소자(100) 위에 배치되고, 출수구(O)는 열전소자(100)로부터 4~6mm 거리(h2)로 이격되어 열전소자(100) 아래에 배치될 수 있다.
이와 같이, 입수구(I) 및 출수구(O)가 각각 열전소자(100)로부터 소정 거리만큼 이격되어 배치되면, 입수구(I)와 출수구(O) 사이에 형성되는 유로를 집중적으로 냉각하거나, 가열할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 냉온수 공급 장치의 냉온수 순환부의 단면도이다. 도 1 내지 4와 동일한 내용에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 냉온수 순환부(22)는 히트싱크(300) 및 팬(400)을 더 포함한다. 히트싱크(300)은 열전소자(100)의 한 기판과 접합하며, 열교환을 수행할 수 있다. 예를 들어, 열전소자(100)의 흡열 기판이 수조(200)의 외주면에 배치되는 경우, 히트싱크(300)는 열전소자(100)의 발열 기판과 접합할 수 있다. 이에 따라, 발열 기판으로 전달된 열은 히트싱크(300) 및 팬(400)을 통하여 방출될 수 있다. 이를 위하여, 히트싱크(300)는 열전도 성능 및 방열 성능이 우수한 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 냉온수 순환부(22)는 히트파이프(500) 및 팬(400)을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 히트파이프(500)는 열교환 유닛(510) 및 파이프(520)를 포함할 수 있다. 열교환 유닛(510)은 열전소자(100)의 한 기판, 예를 들어 열전소자(100)의 발열 기판과 접합할 수 있다. 그리고, 열교환 유닛(510)의 출구 및 입구는 각각 파이프(520)와 연결될 수 있다.
파이프(520)에는 기화되기 쉬운 기체, 예를 들어 아세톤 등이 채워질 수 있으며, 좁은 공간 내에서 최대의 경로를 얻기 위하여 수차례 벤딩될 수 있다.
파이프(520)를 통과한 기체는 냉각되어 액화된 후 열교환 유닛(510)의 입구로 유입된다. 열교환 유닛(510)은 열전소자(100)의 발열 기판으로부터 열을 전달 받으므로, 열교환 유닛(510) 내의 액체는 기화되어 출구로 배출된다. 출구로 배출되는 기체는 다시 냉각되어 액화된 후 열교환 유닛(510)의 입구로 유입된다. 이를 위하여, 열교환 유닛(510)은 열전도율이 높은 금속 소재로 이루어질 수 있다.
이와 같은 순환 과정을 거치며, 발열 기판으로 전달된 열은 히트파이프(500) 및 팬(400)을 통하여 효율적으로 방출될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 냉온수 공급 장치에 포함되는 열전소자를 더욱 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 7 내지 8을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 열전 레그(130)는 제1단면적을 가지는 제1소자부(132), 제1소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)를 연결하며 제3단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제1단면적 또는 제2단면적보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 소자부(132) 및 제2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제1소자부(132)와 제2소자부(136) 간의 온도차(T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다.
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다.
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다.
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다.
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다.
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 10(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다.
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다.
도 11은 도 10의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 11을 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 11(a) 및 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 11(c) 및 도 11(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 12에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈은 열전달부재와 함께 배치될 수 있다. 본 명세서에서 열전달부재는 히트싱크와 혼용될 수 있다.
도 13 내지 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재의 개념도이다.
도 13 내지 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부재(2200)는 제1평면(2210) 및 제2평면(2220)을 가지는 평판형상의 기재로, 공기 유로(C1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(2200A)을 포함할 수 있다.
도 13 내지 15에서 도시한 바와 같이, 유로패턴(2200A)은 일정한 피치(P1, P2)와 높이(T1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접는 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이, 열전달부재(2200)의 제1 평면(2210) 및 제2 평면(2220)에는 공기가 면접촉하며, 유로패턴(2200A)에 의하여 공기가 면접촉하는 면적이 최대화될 수 있다.
도 13을 참조하면, 공기가 유로 방향(C1)으로 유입되는 경우, 공기가 제1평면(2210)과 제2평면(222)에 고르게 접촉하며 이동하여, 유로 방향(C2)으로 진행될 수 있다. 이에 따라, 단순한 평판 형상의 기재에 비하여 공기와의 접촉 면이 넓으므로, 흡열이나 발열의 효과가 증가하게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기의 접촉 면적을 더욱 증대하기 위하여, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(2230)을 형성할 수도 있다.
나아가, 도 14에 도시된 바와 같이, 저항패턴(2230)은 공기가 유입되는 방향으로 일정한 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출 구조물로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 저항패턴(2230)과 공기 간의 마찰을 극대화할 수 있으므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 높일 수 있다. 또한, 저항패턴(2230)의 앞 부분의 기재 면에 홈(2240)을 형성할 수도 있다. 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부는 홈(2240)을 통과하여 기재의 전면과 후면 사이를 이동하므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 더욱 높일 수 있다.
저항패턴(2230)이 제1평면(2210)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 평면(2220)에 형성될 수도 있다.
도 15를 참조하면, 유로패턴은 다양한 변형예를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 15(a)와 같이 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, 도 15(b)와 같이 첨부를 가지는 패턴이 반복하여 형성되거나, 도15(c) 및 도15(d)에 도시된 바와 같이 단위패턴이 다각형 구조를 가질 수도 있다. 도시되지 않았으나, 패턴의 표면(B1, B2)에 저항패턴이 형성될 수 있음은 물론이다.
도 15에서는 유로패턴이 일정한 주기 및 높이를 가지고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유로패턴의 주기 및 높이(T1)는 불균일하게 변형될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전 레그는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 16을 참조하면, 열전 소재를 열처리하여, 잉곳(ingot)을 제조한다(S100). 열전 소재는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재는 Bi2Te3 -ySey(0.1<y<0.4)를 포함할 수 있다. 한편, Bi의 증기 압력은 768℃에서 10Pa이고, Te의 증기 압력은 769℃에서 104Pa이고, Se의 증기 압력은 685℃에서 105Pa이다. 따라서, 일반적인 용융 온도(600~800℃)에서 Te와 Se의 증기 압력이 높아, 휘발성이 크다. 따라서, 열전 레그 제작 시, Te 및 Se 중 적어도 하나의 휘발을 고려하여 칭량할 수 있다. 즉, Te 및 Se 중 적어도 하나를 1 내지 10 중량부로 더 포함시킬 수 있다. 예를 들어, N형 레그 제작 시, Bi2Te3 - ySey(0.1<y<0.4) 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 Te 및 Se를 더 포함시킬 수도 있다.
다음으로, 잉곳을 분쇄한다(S110). 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법에 따라 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 판상 플레이크의 열전 소재가 얻어질 수 있다.
다음으로, 판상 플레이크의 열전 소재를 도핑용 첨가제와 함께 밀링(milling)한다(S120). 이를 위하여, 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등이 이용될 수 있다. 여기서, 도핑용 첨가제는, 예를 들어 Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다.
다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 레그용 분말을 얻는다(S130). 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 레그용 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.
다음으로, 열전 레그용 분말을 소결한다(S140). 소결 과정을 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.
이때, 열전 레그용 분말은 비정질 리본과 함께 소결될 수 있다. 열전 레그용 분말이 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다.
한 예로, 비정질 리본은 열전 레그가 상부 전극과 접합하기 위한 면 및 하부 전극과 접합하기 위한 면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 또는 하부 전극 방향으로 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 하부 비정질 리본, 열전 레그용 분말 및 상부 비정질 리본이 몰드 내에 순차적으로 배치된 후 소결될 수 있다. 이때, 하부 비정질 리본 및 상부 비정질 리본 상에는 각각 표면 처리층이 형성될 수도 있다. 표면 처리층은 도금법, 스퍼터링법, 증착법 등에 의하여 형성되는 박막으로, 반도체 재료인 열전 레그용 분말과 반응하더라도 성능 변화가 거의 없는 니켈 등이 사용될 수 있다.
다른 예로, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수도 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 레그용 분말을 채우고, 소결할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 냉온수 매트
10: 매트
20: 냉온수 공급 장치
22: 냉온수 순환부
24: 제어부
26: 전원 공급부
28: 센서부
100: 열전소자
200: 수조
300: 히트싱크
400: 히트파이프
500: 팬

Claims (5)

  1. 물이 유입되는 입수구,
    상기 입수구를 통하여 유입된 물을 수용하는 수조,
    상기 수조의 외주면에 배치되며, 상기 수조 내의 물을 가열하거나 냉각하는 열전소자, 그리고
    상기 수조 내에서 가열되거나 냉각된 물을 배출하는 출수구를 포함하며,
    상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자 위에 배치되는
    냉온수 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자의 높이의 10 내지 25% 거리로 이격되어 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자의 높이의 10 내지 25% 거리로 이격되어 상기 열전소자 위에 배치되는
    냉온수 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자는,
    제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나는 상기 수조의 외주면과 접합하는 냉온수 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    히트 싱크 또는 히트 파이프를 더 포함하며,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 나머지 하나는 상기 히트 싱크 또는 상기 히트 파이프와 접합하는 냉온수 공급 장치.
  5. 냉수 또는 온수가 통과하기 위한 관이 매립된 매트, 그리고
    상기 매트 내에 매립된 관에 냉수 또는 온수를 공급하기 위한 냉온수 공급 장치를 포함하며,
    상기 냉온수 공급 장치는,
    상기 매트 내에 매립된 관을 통과한 물이 유입되는 입수구,
    상기 입수구를 통하여 유입된 물을 수용하는 수조,
    상기 수조의 외주면에 배치되며, 상기 수조 내의 물을 가열하거나 냉각하는 열전소자, 그리고
    상기 수조 내에서 가열되거나 냉각된 물을 상기 매트 내에 매립된 관으로 배출하는 출수구를 포함하며,
    상기 입수구 및 상기 출수구 중 하나는 상기 열전소자 아래에 배치되고, 나머지 하나는 상기 열전소자 위에 배치되는
    냉온수 매트.
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