KR20180022249A - 열전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 흡열부에 방열 패드를 적용하여 열전 소자내의 피로 파괴를 억제하고 열팽창과 수축에 탄력적으로 대응하며 열전달능을 개선하여 출력효율이 향상된 열전 모듈을 제공한다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로 흡열부에 방열 패드를 적용한 열전 모듈에 관한 것이다.
열전 현상은 열과 전기 사이의 열전 현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(seebeck effect)로 구분된다.
최근 에너지 관련 자원의 원가가 급등하고 환경오염이 심해지는 등의 문제를 해결하기 위하여 열전 소자(thermoelectric element) 및 열전 모듈(thermoelectric module)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 열전 모듈은 열전 소자, 전극, 기판(substrate)으로 구성된다. 열전 소자로 N형 반도체와 P형 반도체가 사용된다. 복수의 쌍을 이루는 N형과 P형 반도체를 평면에 배열하고 이를 다시 금속 전극을 이용해 직렬로 연결하여 열전 모듈을 구성할 수 있다.
이러한 열전 모듈 양단의 온도차를 유지한 상태에서 성능을 극대화하기 위해서는 열전 모듈의 다른 한 면의 열을 빠른 속도로 외부로 방출하거나, 열전 모듈 전체의 열저항을 감소시켜야 한다.
그러나, 종래에 기판으로 널리 사용되고 있는 세라믹 기판은 열전도도가 비교적 낮기 때문에, 열전 모듈의 열저항이 감소되는 데 한계가 있다.
또한, 열전 소자를 이루는 재료들의 열팽창계수가 서로 달라 발생하는 소자내의 피로(pyro) 파괴가 일어나고 이로 인하여 열전 소자의 수명이 저하되는 문제가 있었다. 아울러, 절연층으로 사용되는 알루미나층과 전극으로 사용되는 Cu층 사이에 공극이 존재하여 열전달 효율이 떨어지고 이로 인하여 열전 모듈의 출력이 저하되는 등의 문제가 대두되고 있다.
본 발명은 열 전달 성능을 개선하는 동시에, 신뢰성이 향상된 열전 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 P형 열전 소자; N형 열전 소자; 및 상기 P형 열전 소자와 N형 열전 소자가 전기적으로 직렬이 되도록 P형 열전 소자와 N형 열전 소자에 결합되는 상부 기판 및 하부 기판을 포함하며, 상기 상부 기판 및 하부 기판 중 어느 하나는 방열 패드(thermal pad)인 열전 모듈을 제공한다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 상부 기판은 흡열부(cold side) 기판이며 방열 패드이다.
여기서, 상기 방열 패드는 실리콘 고분자 또는 아크릴 고분자로 형성되는 것이 바람직하다.
또, 상기 방열 패드의 열전도도는 0.5 내지 5.0 W/mk 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 열전 소자는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성된 열전반도체 기재를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 세라믹 기판 대신 방열 패드를 포함함함으로써, 수명 및 기계적 성질이 향상된 열전 모듈을 제공한다.
본 발명은 열전 모듈의 흡열부에 방열 패드를 적용하여 접촉 비표면적을 늘려줌으로써, 열전 소자내의 피로 파괴를 억제하고 열 팽창과 수축에 탄력적으로 대응할 수 있으며, 열전 성능이 우수하여 열전 모듈의 발전 출력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 열전 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 방열 패드를 적용한 Bi-Te계 열전 발전 모듈의 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 본 발명을 설명한다.
본 발명자들은 열전 모듈의 흡열부에 접착력이 우수한 실리콘 고분자 또는 아크릴 고분자 기반의 방열 패드를 적용할 경우, 열전 모듈의 피로 파괴가 억제되고 열팽창과 수축에 탄력적으로 대응하며 열전달 성능이 향상된다는 것을 알았다.
이에, 본 발명에 따른 열전 모듈은 P형 열전 소자, N형 열전 소자, 및 상기 P형 열전 소자와 N형 열전 소자가 전기적으로 직렬이 되도록 P형 열전 소자와 N형 소자에 결합되는 상부 기판 및 하부 기판을 포함하며, 상기 상부 기판 및 하부 기판 중 어느 하나가 방열 패드인 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 열전 모듈(100)을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 열전 모듈(100)은 P형 열전 소자(10a), N형 열전 소자(10b), 상부 전극(21), 하부 전극(22), 상부 기판(31) 및 하부 기판(32)을 포함한다.
상기 열전 모듈(100)에서, 상기 P형 열전 소자(10a) 및 N형 열전 소자(10b)는 복수 개이며, 이들은 일방향으로 번갈아가며 배치되어 매트릭스 형상을 형성한다. 이때, 각각의 열전 소자(10a, 10b)는 열전반도체 기재를 포함한다.
상기 열전반도체 기재는 전기가 인가되면 양단에 온도차가 발생하거나, 또는 그 양단에 온도차가 발생하면 전기가 발생하는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), Cu(구리), I(요오드)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 상기 열전반도체 기재는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이러한 열전반도체 기재는 P형 열전반도체 기재 또는 N형 열전반도체 기재일 수 있으며, 당 기술분야에서 알려진 열전재료의 제조방법에 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전반도체 기재는 용융방사 회전법(melt-spining)이나 기상원자화법(gas atomization) 등을 수행한 후 가압소결법을 순차적으로 진행하여 제조될 수 있다.
전술한 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자를 포함하는 열전 소자의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 직육면체 형상 등일 수 있다.
도 1을 참조하면, 각 열전 소자(10a, 10b)는 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)과 접합하여 배치된다.
상기 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)은 일방향으로 이웃하는 상기 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자의 상면 및 하면을 각각 전기적으로 연결한다. 이러한 상부 및 하부 전극(21, 22)은 각각 알루미늄, 니켈, 금, 구리, 은 등과 같은 물질로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지 않는다.
상기 상부 기판(31)은 상기 상부 전극(21)의 외측 표면에 배치되고, 상기 하부 기판(32)은 상기 하부 전극(22)의 외측 표면에 배치되어 상/하면 외관이 형성된다.
상술한 상부 기판(31) 및 하부 기판(32)은 열전 모듈(100)에 전원이 인가될 때 발열 또는 흡열 반응을 일으키는 것으로 전기 절연 소재로 형성된다.
여기서, 상부 기판(31)에서는 흡열이, 하부 기판(32)에서는 발열이 발생하는 경우를 예로 설명한다.
상부 기판(31)은 흡열부(cold side) 기판으로 방열 패드가 적용된다. 방열 패드는 실리콘 고분자 또는 아크릴 고분자로 형성될 수 있으며, 0.5 내지 5.0 W/mk 범위의 열 전도도를 가짐으로써 열 전달 효율을 극대화시킬 수 있다. 또한 절연체 역할을 할 수 있다.
한편, 하부 기판(32)은 방열부(hot side) 기판으로 Ni 등의 금속 기판 등이 사용될 수 있다.
다른 일례로서, 전류의 방향에 따라 흡열과 발열의 위치는 변경될 수 있으며, 이때 상부 기판(31)에는 발열, 하부 기판(32)에는 흡열이 발생될 수도 있다.
선택적으로, 상기 열전 모듈(100)은 상기 열전 소자(10a, 10b)와 전극(21, 22)사이에 솔더층(미도시됨)을 더 포함할 수 있고, 또는 상기 열전 소자 사이에 형성된 절연필름(미도시됨)을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시한 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
5N 이상의 Bi, Te 및 Sb 원재료를 준비하였다. P형 열전재료의 경우 Bi0.44Te3Se1.56 의 목표 조성을 갖도록 각각 칭량하였고, N형 열전재료의 경우, Bi, Te 및 Se 원재료가 Bi2Te2 .7Se0 .3의 목표 조성을 갖도록 각각 칭량하였으며, Te의 휘발을 고려하여 1wt%의 Te를 더 추가하였다. 이후, 각 재료를 석영관(Quartz Ampoule)에 장입한 후, 약 10-2 Torr의 진공도에서 석영관을 진공 상태로 밀봉하고, 진공 밀봉된 석영관을 Knocking Furnace에 장입한 후, 약 1033K에서 10회/min의 속도로 2시간 동안 교반 및 용해시킨 다음, 공냉시켜 모합금 잉곳을 제조하였다. 이후, 모합금 잉곳을, 용융 방사 장비를 이용하여 약 1000 rpm의 구리 휠 회전속도 및 약 0.5 MPa의 분사 압력으로 분사시켜, 금속 리본을 제조하였다. 이후, 형성된 금속 리본을, 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)을 이용하여 약 480℃에서 약 3분 동안 약 40 MPa로 가압 소결하여 소결체를 제조하였다. 이때, 제조된 소결체의 직경은 Φ30이었다. 이렇게 제조한 소결체의 표면에 대하여, 방열부(Hot Side)에는 Ni 막(두께: 15 ㎛)을 증착하였으며, 흡열부(Cold Side)에는 열전도도 1.5 W/mK 수준의 방열 패드(소재: 실리콘 고분자, 두께: 0.6 ㎜)를 적용하였다.
비교예 1
실시예 1에서 제조된 소결체의 표면에 대하여 방열부, 흡열부 모두 Ni 도금막을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 열전 모듈을 제조하였다.
하기 표 1은 본 발명에 따른 방열 패드의 종래 방열 패드의 물성을 비교한 것이다.
특성 실험 방법 희성금속
(TP80)		 타사
(TC 2006)
컬러 Visual white Light purple
두께, 공칭 (mm) ASTM D374 1.5 1.5
밀도 ASTM D792 1.99 1.87
열 전도도 (W/mK) ASTM D5470 1.9 1.73
경도 (Shore 00) ASTM D2240 64 65
절연 강도 (volts/mil) ASTM D149 560 >250
체적 저항률 (ohmㆍcm) ASTM D257 6.68 x 1013 1.02 x 1011
인장 강도 (MPa) ASTM D638 0.3 측정 실패
박리 시험 (g) ASTM D1876 9.3 1.7
작동 온도 (℃) - -55 to 200 -55 to 200
UL Listing recognition UL94 V-O V-O
10a: P형 열전 소자
10b: N형 열전 소자
21: 상부 전극
22: 하부 전극
31: 상부 기판
32: 하부 기판
100: 열전 모듈

Claims (5)

  1. P형 열전 소자;
    N형 열전 소자; 및
    상기 P형 열전 소자와 N형 열전 소자가 전기적으로 직렬이 되도록 P형 열전 소자와 N형 열전 소자에 결합되는 상부 기판 및 하부 기판
    을 포함하며, 상기 상부 기판 및 하부 기판 중 어느 하나는 방열 패드(thermal pad)인 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 기판은 흡열부(cold side) 기판이며 방열 패드인 열전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열 패드는 실리콘 고분자 또는 아크릴 고분자로 형성된 열전 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열 패드는 0.5 내지 5.0 W/mK 범위의 열 전도도를 갖는 열전 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계 화합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 형성된 열전반도체 기재를 포함하는 열전 모듈.
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