KR20180053123A - 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치 - Google Patents

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KR20180053123A
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 기재는, 전도성 물질을 포함하며 서로 마주보는 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 위치하며, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 물질을 포함하는 p형 레그 및 한 쌍의 전극 사이에 위치하며, p형 레그와 이격 배치되고, 실리사이드(silicide)계 열전 물질을 포함하는 n형 레그를 포함하는 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치에 관한 것이다.

Description

열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치 {THERMOELECTRIC MODULE AND THERMOELECTRIC POWER GENERATOR HAVING THEREOF}
본 기재는 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치에 관한 것으로서, 특히 출력이 향상되고, 열적 안정성이 우수한 열전 모듈에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열 기전력이라는 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 지속 가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 이산화탄소(CO2) 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
열전 모듈은, 홀이 이동하여 열 에너지를 이동시키는 p형 열전 레그와 전자가 이동하여 열 에너지를 이동시키는 n형 열전 레그로 이루어진 p-n 열전 레그 한 쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은, p형 열전 레그와 n형 열전 레그 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.
열전 모듈에 대해서는 우수한 출력과 함께 열적 안정성이 요구된다. 특히, 열전 발전 장치와 같이 열전 모듈은 상온보다 훨씬 높은 온도에서 사용되는 경우가 많으므로, 이러한 높은 온도 조건에서도 열적 안정성이 일정 수준 이상 유지될 필요가 있다.
본 기재는, 출력이 향상되면서도 열적 안정성이 우수하여 높은 온도에서도 내구성이 개선되는 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은, 전도성 물질을 포함하며 서로 마주보는 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 위치하며, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 물질을 포함하는 p형 레그 및 한 쌍의 전극 사이에 위치하며, p형 레그와 이격 배치되고, 실리사이드(silicide)계 열전 물질을 포함하는 n형 레그를 포함한다.
p형 레그 및 상기 n형 레그는 기둥 형상을 가질 수 있다.
p형 레그를 한 쌍의 전극이 배치된 방향과 나란한 방향을 따라 절단한 제1 단면의 면적은, n형 레그를 한 쌍의 전극이 배치된 방향과 나란한 방향을 따라 절단한 제2 단면의 면적보다 더 클 수 있다.
제2 단면의 면적에 대한 제1 단면의 면적의 비는 1 초과 5 이하일 수 있다.
스쿠테루다이트계 열전 물질은 FexCo4 - xSb12(이때, 0<x<4)를 기본 구조로 할 수 있다.
실리사이드계 열전 물질은 Mg2Si일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 발전 장치는 이상에서 설명한 열전 모듈을 포함한다.
본 기재에 의하면, p형 레그와 n형 레그에 대하여 서로 다른 계열의 열전 재료가 이용됨으로써 출력이 향상되고, 우수한 열적 안정성을 확보하여 내구성이 개선되는 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 열전 모듈의 일부를 확대하여 개략적으로 도시한 확대 사시도이다.
도 3은 도 2의 A 영역에 해당하는 부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 열전 모듈의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 열전 모듈의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.
도 6은 비교예에 따른 열전 모듈의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서 설명의 편의를 위해 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 열전 모듈(1000)의 일부를 확대하여 개략적으로 도시한 확대 사시도이고, 도 3은 도 2의 A 영역에 해당하는 부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 한 쌍의 전극(100)과 한 쌍의 전극(100) 사이에 위치하는 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)를 포함한다.
한 쌍의 전극(100)은 p형 레그(200) 및 n형 레그(300) 상측에 위치하는 상부 전극(110)과 p형 레그(200) 및 n형 레그(300) 하측에 위치하는 하부 전극(120)으로 이루어진다.
본 실시예에 따른 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)을 포함하는 한 쌍의 전극(100)은 전기 전도성을 가지기 위해 전도성 물질을 포함한다. 보다 구체적으로, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au) 및 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이 외에도 전도성을 가지는 다양한 금속, 산화물, 고분자 물질을 포함할 수 있다. 따라서 전기 전도성을 가지기 위한 물질이라면 어느 것이든 전극(100)으로 사용될 수 있으며, 전극(100)을 구성하는 물질에 의해 본 발명의 실시 범위가 제한되지는 않을 것이다.
본 실시예의 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)은 각각 얇은 플레이트 형상으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 양단에 p형 레그(200)와 n형 레그(300)가 용이하게 접합될 수 있도록 일 방향이 다른 방향에 비하여 상대적으로 더 긴 직사각형 플레이트 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 p형 레그(200)는 앞서 설명한 것과 같이 서로 마주보는 상부 전극(110) 및 하부 전극(120) 사이에 위치하며, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 이때 본 실시예에 따른 스쿠테루다이트계 열전 물질은 FexCo4 - xSb12(이때, 0≤x<4)를 기본 구조로 가질 수 있다. 따라서 본 실시예의 스쿠테루다이트계 열전 물질은 Co4Sb12를 포함할 수 있으며, 이를 기본으로 앞서 설명한 FexCo4 - xSb12(이때, 0≤x<4)의 구조를 가지는 스쿠테루다이트계 열전 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 n형 레그(300)는 p형 레그(200)와 마찬가지로 서로 마주보는 상부 전극(110) 및 하부 전극(120) 사이에서 p형 레그(200)와 이격되도록 위치한다. 이때, 본 실시예에 따른 n형 레그(300)는 실리사이드(Silicide)계 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 일 예로, 본 실시예에 따른 실리사이드계 물질은 Mg2Si일 수 있다.
본 실시예에 따른 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)는 일 예로, 각각 원료를 혼합하는 단계, 혼합된 원료를 열처리하여 합성하는 단계 및 합성된 원료를 소결시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예와 같이 직사각형 플레이트 형태의 전극(100)에 있어서, 길이 방향을 따라 p형 레그(200)와 n형 레그(300)가 서로 이격되어 결합된다. 도 1 및 도 2를 참고하여 설명하자면, 일 예로 상부 전극(110)의 일단에는 p형 레그(200)가 결합되며, 상부 전극(110)의 길이 방향을 따라 p형 레그(200)와 이격되도록 n형 레그(300)가 상부 전극(110)의 타단에 결합된다.
한편 p형 레그(200)의 하부에는 하부 전극(120)이 결합되며, n형 레그(300)의 하부에는 다른 하부 전극(120)이 결합될 수 있다. 동일한 하부 전극(120)에 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)가 결합된 경우에는, p형 레그(200)에 결합되는 상부 전극(110)과 n형 레그(300)에 결합되는 상부 전극(110)이 서로 다를 수 있다. 이와 같은 연결 방식에 의해 복수의 p형 레그(200) 및 복수의 n형 레그(300)는 전기적으로 직렬 방식으로 연결될 수 있다.
이와 같은 방식으로 도 1에 도시된 것과 같이 본 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 복수의 상부 전극(110) 및 복수의 하부 전극(120)을 포함하며, 서로 엇갈려 배치되는 복수의 상부 전극(110)과 복수의 하부 전극(120) 사이가 복수의 p형 레그(200) 및 복수의 n형 레그(300)에 의해 전기적으로 모두 연결될 수 있다. 복수의 p형 레그(200)와 복수의 n형 레그(300)에 의해 전기적으로 연결되는 복수의 상부 전극(110) 중 어느 하나 및 복수의 하부 전극(120) 중 어느 하나는 각각 전극(100) 리드(500)와 연결되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
이때 도 1에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 한 쌍의 전극(100)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 기판(400)을 더 포함한다. 한 쌍의 기판(400)은 상부 기판(410) 및 하부 기판(420)으로 이루어진다. 상부 기판(410)은 복수의 상부 전극(110)을 고정하기 위해 복수의 상부 전극(110)의 일면에 위치하며, 복수의 상부 전극(110)은 각각 상부 기판(410)에 결합되어 고정된다. 하부 기판(420) 역시 복수의 하부 전극(120)을 고정하기 위해 복수의 하부 전극(120)의 일면에 위치하며, 복수의 하부 전극(120)은 각각 하부 기판(420)에 결합되어 고정된다.
복수의 상부 전극(110) 및 복수의 하부 전극(120)은 DBC(Direct Bonded Copper), ABM(Active Metal Brazing)과 같은 다양한 방식으로 기판(400) 표면에 형성될 수 있으며, 이 외에도 접착제에 의해 기판(400) 상에 부착될 수도 있다.
본 실시예에 따른 한 쌍의 기판(400)은 앞서 설명한 전극(100), p형 레그(200) 및 n형 레그(300)의 외부에 배치되기 때문에, 내부에 배치된 전극(100), p형 레그(200) 및 n형 레그(300)를 외부로부터 전기적으로 절연시킬 수 있으며, 외부의 물리적 또는 화학적 오염 및 손상으로부터 본 실시예에 따른 열전 모듈(1000)을 보호할 수 있다.
본 실시예에 따른 기판(400)은 앞서 설명한 것과 같이 내부에 배치되는 전극(100), p형 레그(200) 및 n형 레그(300)과 같은 구성들을 외부로부터 전기적으로 절연시키기 위하여 전기 절연성을 가지는 절연 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 본 실시예의 기판(400)은 알루미나(Al2O3)와 같은 금속 산화물로 이루어지는 세라믹 계열의 물질을 포함한다. 이 외에도, 사파이어, 실리콘, 질화규소(SiN), 탄화규소(SiC), 탄화실리콘알루미늄(AlSiC) 및 석영과 같은 다양한 세라믹 계열의 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1에는 한 쌍의 전극(100) 리드(500)에 의해 복수의 p형 레그(200), 복수의 n형 레그(300), 복수의 상부 전극(110) 및 복수의 하부 전극(120)이 전기적으로 직렬로 연결되어 하나의 열전 모듈(1000)을 이루는 실시예가 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전기적으로 직렬로 연결되는 열전 모듈(1000)이 복수로 한 쌍의 기판(400) 사이에 개재되어 배치되는 변형예가 가능하다. 이와 같이 기판(400) 사이에 배치되는 열전 모듈(1000)의 수에 의해 본 발명의 실시 범위가 제한되지 않을 것이다. 또한, 이러한 열전 모듈(1000)의 배치는 기판(400)과 나란한 수평 방향으로만 복수로 확장되는 것이 아니라, 도면에 도시되지는 않았으나 기판(400)의 일면에 대해 수직한 방향으로도 확장 가능하다.
본 실시예에 따른 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)는 기둥 형상을 가질 수 있다. 일 예로, p형 레그(200) 및 n형 레그(300)는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 플레이트 형상의 전극(100)과 나란한 방향을 따라 절단한 단면이 사각형인 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 단면의 형상이 사각형 이외에도 원형이거나 타원형, 혹은 다각형 형상일 수 있으며, 모서리가 둥글게 형성되는 다각형일 수도 있다. 또한 단면의 면적이 항상 일정할 필요는 없으며, 단면의 면적이 단면에 수직한 방향을 따라 변화되는 경우 역시 본 발명의 실시 범위에 포함될 수 있다.
이때 본 실시예에 따른 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)는 플레이트 형상의 전극(100)과 나란한 방향을 따라 절단한 단면의 면적이 서로 상이하게 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 앞서 설명한 것과 같이 도 2의 A 영역을 따라 절단한 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)의 단면은 사각 형상이다. 이때 p형 레그(200)의 단면을 제1 단면으로, n형 레그(300)의 단면을 제2 단면으로 정의한다. 본 실시예에 따르면 제1 단면의 면적(Ap)는 제2 단면의 면적(An)보다 더 클 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, p형 레그(200)의 사각 형상의 제1 단면을 정의하는 가로 길이를 W2로, 세로 길이를 L2로 정의한다. 한편, n형 레그(300)의 사각 형상의 제2 단면을 정의하는 가로 길이를 W3으로, 세로 길이를 L3으로 정의한다. 이때, 제1 단면의 면적(Ap)은 W2×L2로 나타낼 수 있고, 제2 단면의 면적(An)은 W3×L3으로 나타낼 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 단면의 면적(Ap 또는 W2×L2)과 제2 단면의 면적(An 또는 W3×L3)은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 단면의 면적(An)은 제1 단면의 면적(Ap)보다 더 작을 수 있으며, Ap>An의 관계식을 가질 수 있다.
일 예로, 도 3에 도시된 구성에서, p형 레그(200)는 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2) 모두 3mm가 되도록 형성될 수 있다. n형 레그(300)는 이와는 달리, 가로 길이(W3)는 p형 레그(200)와 동일한 3mm로 형성되지만, 세로 길이(L3)은 p형 레그(200)의 세로 길이(L2)보다 작은 2.5mm, 2mm, 1.5mm와 같은 길이를 가질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예 및 변형예들에 따르면, p형 레그(200) 및 n형 레그(300)가 서로 다른 계열의 물질로 형성될 뿐만 아니라, 단면적 역시 서로 다르게 형성됨으로써, 열전 모듈(1000)의 전력 밀도 특성을 최적화할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 제2 단면의 면적(An)에 대한 제1 단면의 면적(Ap)의 비는 1 초과 5 미만일 수 있다. 즉, 다음과 같은 관계식을 만족한다.
1<Ap/An≤5
예를 들어, 앞서 설명한 것과 같이, p형 레그(200)는 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2) 모두 3mm이고, n형 레그(300)의 가로 길이(W3)은 3mm, 세로 길이(L3)은 2mm인 경우, Ap/An은 1.5이다. 다른 변형예로, p형 레그(200)는 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2) 모두 3mm이고, n형 레그(300)의 가로 길이(W3)은 3mm, 세로 길이(L3)은 1.5mm인 경우, Ap/An은 2이다. 이와 같이, 제2 단면의 면적(An)에 대한 제1 단면의 면적(Ap)의 비가 1 초과 5 미만을 갖는 다양한 변형예가 가능하다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실험예 1, 2와 비교예를 분석하여 본 발명에 따른 열전 모듈(1000)의 효과에 대해 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에 따른 열전 모듈(1000)의 전력 밀도를 도시한 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실험예 2에 따른 열전 모듈(1000)의 전력 밀도를 도시한 그래프이고, 도 6은 비교예에 따른 열전 모듈(1000)의 전력 밀도를 도시한 그래프이다.
실험예 1, 2 및 비교예는 저항값을 변화시키면서 n형 레그(300)의 세로 길이(L3)은 p형 레그(200)의 세로 길이(L2)와 동일하도록 설정하고, n형 레그(300)의 가로 길이(W3)만 1.0mm 내지 3.0mm로 변화시키면서 실험을 진행한 결과이다. n형 레그(300)의 가로 길이(W3)가 3.0mm인 경우에는 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 및 2.5mm로 n형 레그(300)의 가로 길이(W3)를 변화시키면서 실험을 진행한 실험예에 대한 비교예이다. 즉, n형 레그(300)의 가로 길이(W3)가 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 및 2.5mm인 경우에는 Ap/An이 1 초과 5 이하의 범위를 가지는 실험예이고, n형 레그(300)의 가로 길이(W3)가 3.0mm인 경우는 Ap/An이 1인 비교예를 각각 뜻한다.
실험예 1, 2 및 비교예에 따른 열전 모듈(1000)은 각각 한 쌍의 전극(100), p형 레그(200) 및 n형 레그(300)를 포함하도록 설계되었다. 이때 p형 레그(200)는 스쿠테루다이트계 물질로 이루어졌으며, 가로 길이 3.0mm, 세로 길이 3.0mm 및 높이 3.0mm를 가지도록 설계되었다. n형 레그(300)는 실리사이드계 물질인 Mg2Si로 이루어졌으며, 세로 길이 3.0mm 및 높이 3.0mm를 고정시킨 채로 가로 길이를 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm 및 3.0mm로 변화되도록 설계되었다.
본 실시예에 따른 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)의 열적 특성 및 전기적 특성을 시뮬레이션하여 얻은 결과가 다음 표 1 및 표 2에 기재되어 있다. 표 1에는 스쿠테루다이트계 물질로 이루어지는 p형 레그(200)의 전기적 특성 및 열적 특성이 기재되어 있으며, 표 2에는 실리사이드계 물질인 Mg2Si로 이루어지는 n형 레그(300)의 전기적 특성 및 열적 특성이 기재되어 있다.
온도 (℃) 저항 (Ω-m) 제백계수(Seebeck Coefficient, V/℃) 열 전도성(W/m-℃)
100.0 7.99207E-06 0.00012045 1.93
200.0 8.84056E-06 0.00013914 1.93
300.0 9.62316E-06 0.00015217 1.93
400.0 1.02972E-05 0.00016163 1.98
500.0 1.08268E-05 0.00017071 2.08
온도 (℃) 저항 (Ω-m) 제백계수(Seebeck Coefficient, V/℃) 열 전도성(W/m-℃)
37.80 4.25532E-06 -0.00008610 -
96.40 4.65116E-06 -0.00009710 6.35
198.3 5.64972E-06 -0.00011800 5.83
299.4 7.09220E-06 -0.00014100 5.31
400.3 8.92857E-06 -0.00016200 4.79
451.1 1.00000E-05 -0.00017200 4.52
503.2 1.13122E-05 -0.00018300 4.26
554.3 1.28205E-05 -0.00019300 4.00
606.7 1.40845E-05 -0.00020200 3.73
상부 전극(110) 및 하부 전극(120)은 각각 구리(Cu)로 이루어졌으며, 상부 전극(110)은 가로 길이는 p형 레그(200)의 가로 길이와 n형 레그(300)의 가로 길이의 합에서 p형 레그(200)와 n형 레그(300)의 이격 거리인 0.8mm를 더한 길이를 가진다. n형 레그(300)의 가로 길이의 변화에 따라 상부 전극(110)의 가로 길이 역시 가변적이다. 한편, 하부 전극(120)은 두 개가 마련되며, p형 레그(200) 및 n형 레그(300)의 이격 거리인 0.8mm만큼 서로 이격되어 각각 p형 레그(200) 및 n형 레그(300)에 결합된다. 이때, 상부 전극(110) 및 하부 전극(120)은 모두 0.3mm의 높이를 가진다.
이와 같은 설계에 따른 열전 모듈(1000)을 이용하여 앞서 설명한 것과 같이 실험예 1 및 2와 비교예에 따른 전력 밀도를 해석한 결과가 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 도 4는 실험예 1을 도시한 것으로, 온도가 높은 쪽은 400℃, 온도가 낮은 쪽은 30℃로 정하고 이와 같은 온도 차이를 가질 때의 열전 모듈(1000)에 의해 생성되는 전력 밀도를 해석한 결과를 도시하고 있다. 도 5는 실험예 2를 도시한 것으로, 온도가 높은 쪽은 500℃, 온도가 낮은 쪽은 30℃로 정하고 이와 같은 온도 차이를 가질 때의 열전 모듈(1000)에 의해 생성되는 전력 밀도를 해석한 결과를 도시하고 있다. 도 6은 비교예를 도시한 것으로, p형 레그(200)가 스쿠테루다이트계 물질이 아닌 실리사이드계 물질로 이루어진 경우에 해당하며, 온도가 높은 쪽은 500℃, 온도가 낮은 쪽은 30℃로 정하고 이와 같은 온도 차이를 가질 때의 열전 모듈(1000)에 의해 생성되는 전력 밀도를 해석한 결과를 도시하고 있다.
도 5 및 도 6을 비교하면, 동일한 조건에서 p형 레그(200)의 물질만이 도 5는 스쿠테루다이트계 물질로 이루어지며 도 6은 실리사이드계 물질로 이루어지는 점에서 차이가 있다. 도 5와 도 6의 비교 결과, p형 레그(200)와 n형 레그(300)가 동일한 물질로 이루어진 도 6의 비교예의 경우에는 최대 2.8W/cm2 이하의 전력 밀도를 보이는데 반해, p형 레그(200)는 스쿠테루다이트계 물질로, n형 레그(300)는 실리사이드계 물질로 이루어진 도 5의 실험예 2는 최대 3.75W/cm2 이하의 전력 밀도를 보인다. 또한, 그래프 전체를 비교하더라도 도 5에 따른 실험예 2의 외부 저항값의 변화에 따른 전력 밀도가 도 6에 따른 비교예의 외부 저항값의 변화에 따른 전력 밀도에 비해 높다. 따라서 p형 레그(200)의 물질을 변화시키는 것으로 인해 열전 모듈(1000)의 전력 밀도가 향상되었음을 확인할 수 있다.
한편 도 4 및 도 5를 비교하면, 동일한 조건에서 온도 차이에 따른 열전 모듈(1000)의 전력 밀도를 비교할 수 있다. 도 4와 도 5를 비교하면, 온도 차이가 클수록 전력 밀도가 높음을 확인할 수 있다.
또한 도 4 및 도 5 각각의 그래프 내에서는 n형 레그(300)의 가로 길이의 변화에 따른 열전 모듈(1000)의 전력 밀도를 비교할 수 있다. 이는 제2 단면의 면적(An)에 대한 제1 단면의 면적(Ap)의 비에 해당하는 Ap/An에 따른 변화이기도 하다. 도 4 및 도 5에 따르면, n형 레그(300)의 가로 길이가 2.0mm 및 2.5mm일 때(각각 Ap/An가 1.5 및 1.2인 경우) 가장 높은 전력 밀도가 나타나며, n형 레그(300)의 가로 길이가 3.0mm인 경우(즉, Ap/An가 1인 경우)에는 오히려 전력 밀도가 감소됨을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과에 따르면, 본 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 온도 차에 의해 전력 밀도를 생성할 수 있으므로 발전 장치로 이용될 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예에 따르면 이상에서 설명한 열전 모듈(1000)을 포함하는 열전 발전 장치(미도시)가 제공될 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)과 이를 포함하는 열전 발전 장치는 p형 레그(200)와 n형 레그(300)에 대하여 서로 다른 계열의 열전 재료가 이용됨으로써 출력이 향상되고, 우수한 열적 안정성을 확보하여 내구성이 개선되는 열전 모듈(1000) 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 제공할 수 있다. 또한, 서로 다른 단면적을 가지는 p형 레그(200)와 n형 레그(300)에 의하여 마찬가지로 출력이 향상되고, 우수한 열적 안정성을 확보하여 내구성이 개선되는 열전 모듈(1000) 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 제공할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 전극
110: 상부 전극
120: 하부 전극
200: p형 레그
300: n형 레그
400: 기판
410: 상부 기판
420: 하부 기판
500: 전극 리드
1000: 열전 모듈

Claims (7)

  1. 전도성 물질을 포함하며 서로 마주보는 한 쌍의 전극;
    한 쌍의 상기 전극 사이에 위치하며, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 물질을 포함하는 p형 레그; 및
    한 쌍의 상기 전극 사이에 위치하며, 상기 p형 레그와 이격 배치되고, 실리사이드(silicide)계 열전 물질을 포함하는 n형 레그를 포함하는, 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 레그 및 상기 n형 레그는 기둥 형상을 가지는, 열전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p형 레그를 한 쌍의 상기 전극이 배치된 방향과 나란한 방향을 따라 절단한 제1 단면의 면적은,
    상기 n형 레그를 한 쌍의 상기 전극이 배치된 방향과 나란한 방향을 따라 절단한 제2 단면의 면적보다 더 큰, 열전 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 단면의 면적에 대한 상기 제1 단면의 면적의 비는 1 초과 5 이하인, 열전 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스쿠테루다이트계 열전 물질은 FexCo4 - xSb12(이때, 0<x<4)를 기본 구조로 하는, 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리사이드계 열전 물질은 Mg2Si인, 열전 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 발전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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