KR20190078285A - Thermoelectric module, construction material including the same, and method for manufacturing the thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
열전모듈, 이를 포함하는 건축재, 및 상기 열전모듈의 제작방법에 관한 것이다.A thermoelectric module, a construction material including the thermoelectric module, and a method of manufacturing the thermoelectric module.
열전소자는 그 양단에 온도 차이를 줄 때 각각 다른 전하수를 갖고 전하가 이동하면서 소자 스스로 전력을 생산할 수 있는 제벡효과를 갖는다.When a temperature difference is applied to both ends of a thermoelectric element, the electric charge has a different number of electric charges, and the electric charge moves, and thus the electric element can produce electric power by itself.
이러한 열전소자를 모듈로 만드는 경우에 하기 식 1로 표시되는 열전효율 관계식을 가질 수 있다:In the case of making such a thermoelectric element as a module, it may have a thermoelectric efficiency relation represented by the following formula 1:
[식 1][Formula 1]
식 1에서, ZT는 열전재료의 특성을 나타내고, △T는 T h - T c 의 온도차이를 나타낸다. T h 는 소자가 열원에 접촉시 고온 부분을 의미하고, T c 는 소자가 열원에 접촉시 저온 부분을 의미한다.In Equation (1), ZT represents the characteristics of the thermoelectric material, and ΔT represents the temperature difference of T h - T c . T h means a high temperature portion when a device contacts a heat source, and T c means a low temperature portion when the device contacts a heat source.
전력(P)은 P = IV (I: 전류, V: 전압)의 관계식이 성립한다. 전력(P)은 또한 옴의 법칙에 따라 P = I 2 R (R: 저항)으로 나타낼 수 있다. 열전소자의 크기가 커질수록 열전소자의 양도 많아지므로 제벡계수가 증가한다.The electric power P has a relationship of P = IV ( I : current, V : voltage). The power ( P ) can also be expressed as P = I 2 R ( R : resistance) according to Ohm's law. As the size of the thermoelectric element increases, the amount of the thermoelectric element increases and the Seebeck coefficient increases.
그러나 일반적인 열전모듈은 열원이 열전소자에 직접 접촉되지 않기에 열전소자의 크기가 큰 건축 부재 또는 건축재 등에 적용시 열전효율이 떨어지게 되며 전력도 최대화할 수 없다.However, since the thermoelectric module does not directly contact the thermoelectric element, the thermoelectric module may not be able to maximize its power when the thermoelectric module is applied to building members or building materials having a large size.
따라서 열전효율을 개선하면서 전력 제어가 가능한 자가발전형(self generation type) 열전모듈 및 상기 열전모듈의 제작방법에 대한 요구가 있다.Accordingly, there is a need for a self generation type thermoelectric module capable of controlling power while improving thermoelectric efficiency and a method of manufacturing the thermoelectric module.
일 측면은 열전효율을 개선하면서 전력 제어가 가능한 자가발전형(self generation type) 열전모듈을 제공하는 것이다. One aspect is to provide a self generation type thermoelectric module capable of power control while improving thermoelectric efficiency.
다른 측면은 상기 열전모듈을 포함하는 건축재를 제공하는 것이다. Another aspect is to provide a building material comprising the thermoelectric module.
또다른 측면은 상기 열전모듈의 제작방법을 제공하는 것이다. Another aspect provides a method of manufacturing the thermoelectric module.
일 측면에 따르면, According to one aspect,
기재 내부에 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치된 열전모듈이 제공된다.There is provided a thermoelectric module in which a block-type p-type thermoelectric element and a block-type n-type thermoelectric element are alternately inserted and arranged at predetermined intervals in a substrate.
다른 측면에 따르면, According to another aspect,
전술한 열전모듈을 포함하는 건축재가 제공된다.A building material comprising the above-described thermoelectric module is provided.
다른 측면에 따르면,According to another aspect,
몰드에 p형 열전소자 분말 또는 n형 열전소자 분말을 충진시킨 후 소결하여 p형 열전소자 또는 n형 열전소자를 제조하는 단계;Preparing a p-type thermoelectric element or an n-type thermoelectric element by filling the mold with a p-type thermoelectric element powder or an n-type thermoelectric element powder and then sintering;
상기 p형 열전소자 및 n형 열전소자를 각각 소정의 크기로 커팅하여 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 제조하는 단계; 및Forming a block type p-type thermoelectric element and a block type n-type thermoelectric element by cutting the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element to a predetermined size, respectively; And
상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자를 기재 내부에 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치하여 열전모듈을 제작하는 단계;를 포함하는 열전모듈의 제작방법이 제공된다.And forming the thermoelectric module by alternately inserting the block-type p-type thermoelectric element and the block-type n-type thermoelectric element in the substrate at a predetermined interval alternately.
일 측면에 따른 열전모듈은 기재 내부에 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치됨으로써 열전효율을 개선하면서 전력 제어가 가능한 자가발전형(self generation type) 열전모듈을 제공할 수 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric module comprising: a substrate; a block type p-type thermoelectric element and a block type n-type thermoelectric element alternately inserted at a predetermined interval to form a self generation type capable of controlling power while improving thermoelectric efficiency; A thermoelectric module can be provided.
도 1은 일 구현예에 따른 일반적인 열전모듈(1)을 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 본 발명의 열전모듈을 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2에서 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 서로 금속 전극으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈의 일부를 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 2에서 건축물의 안쪽에서 건축 부재(벽, 22)를 바라볼 때, 금속 전극으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈을 나타낸 모식도이다.
도 5는 도 2에서 건축물의 바깥쪽에서 건축 부재(벽, 22')을 바라볼 때, 금속 전극으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈을 나타낸 모식도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 열전모듈에 대한 제벡계수의 측정방법을 나타낸 모식도이다.
도 7은 실시예 1에 따른 열전모듈에 대하여 온도차이에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따른 열전모듈에 대하여 블록형 p형 열전소자의 조각과 블록형 n형 열전소자의 조각 개수에 따른 제벡계수를 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic view showing a general thermoelectric module 1 according to one embodiment.
2 is a schematic diagram showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a part of a thermoelectric module in which a block-type p-type thermoelectric element and a block-type n-type thermoelectric element are connected in series to metal electrodes in FIG. 2 in FIG.
FIG. 4 is a schematic view showing a thermoelectric module disposed in series with a metal electrode when the building member (wall) 22 is viewed from the inside of the building in FIG.
FIG. 5 is a schematic view showing a thermoelectric module disposed in series with a metal electrode when the building member (wall 22 ') is viewed from the outside of the building in FIG.
6 is a schematic view showing a method of measuring the Seebeck coefficient for the thermoelectric module according to the first embodiment.
7 is a graph showing a voltage according to a temperature difference with respect to the thermoelectric module according to the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing a slice of the block-type p-type thermoelectric element and a Seebeck coefficient according to the number of pieces of the block-type n-type thermoelectric element with respect to the thermoelectric module according to Example 1. FIG.
이하에 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 일 구현예에 따른 열전모듈, 이를 포함하는 건축재, 및 상기 열전모듈의 제작방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙여 중복설명을 생략한다. Hereinafter, a thermoelectric module, a construction material including the thermoelectric module, and a method of manufacturing the thermoelectric module according to an exemplary embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following is presented as an example, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
도 1은 일 구현예에 따른 일반적인 열전모듈(1)을 나타낸 개략도이다.1 is a schematic view showing a general thermoelectric module 1 according to one embodiment.
도 1에서 보이는 바와 같이, 일반적인 열전모듈(1)은 두 개의 전도성 기판(3) 사이에 p형 열전소자(4)와 n형 열전소자(5)가 배치되어 있다. 아랫쪽 전도성 기판(3)에 상기 p형 열전소자(4)와 n형 열전소자(5)가 배치되어 있다. 상기 두 개의 전도성 기판(3)은 각각 두 개의 세라믹판(2)으로 덮혀져 있다. 1, a general thermoelectric module 1 has a p-type
이러한 열전모듈(1)은 p형 열전소자(4) 및 n형 열전소자(5)로 구성된 열전소자와 냉각부(8), 및 상기 열전소자와 발열부(9)와의 사이에 각각 세라믹판(2)이 배치되어 있어 냉각원 또는 열원과 직접적으로 접촉할 수 없다. 따라서 이러한 열전모듈(1)은 열전효율이 저하되어 상당한 전력 손실이 발생하게 된다. The thermoelectric module 1 includes a thermoelectric element composed of a p-type
본 발명자들은 상기 문제를 해결하고자 다음과 같은 열전모듈을 제안하고자 한다.The present inventors propose the following thermoelectric module to solve the above problem.
일 구현예에 따른 열전모듈은 기재 내부에 소정의 간격으로 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 교대로 삽입 배치될 수 있다. In the thermoelectric module according to an embodiment, the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element can be alternately inserted and arranged at predetermined intervals in the substrate.
도 2는 일 구현예에 따른 본 발명의 열전모듈을 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 열전모듈은 기재 내부에 소정의 간격으로 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 교대로 삽입 배치되어 있다. As shown in FIG. 2, in the thermoelectric module of the present invention, a block type p-type thermoelectric element and a block type n-type thermoelectric element are alternately inserted and arranged at predetermined intervals in a substrate.
이러한 열전모듈은 상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 냉각원 또는 열원과 직접적으로 접촉함으로써 다양한 온도 범위 내에서 상당한 온도차이를 주더라도 구조적으로 안정하다. 이로 인해, 상기 열전모듈의 열전효율이 개선될 수 있으며 전력이 증가될 수 있다. Such a thermoelectric module is structurally stable even when the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element directly contact the cooling source or the heat source to give a considerable temperature difference within various temperature ranges. As a result, the thermoelectric efficiency of the thermoelectric module can be improved and the power can be increased.
상기 기재는 건축 부재 또는 건축재를 포함할 수 있다. 상기 건축 부재(construction member)는 건축물의 구조를 지지하거나 또는/및 형상을 제공하는 건축물 구조부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 건축 부재는 건축물을 구성하는 벽, 지붕, 바닥, 천장, 기둥, 또는 도어 등일 수 있다. 상기 건축 부재를 구성하는 재료로는 예를 들어, 목재, 콘크리트, 시멘트, 공학목재(engineered wood), 또는 철근콘크리트(reinforced concrete) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 건축재는 단열재, 외장재, 또는 마감재 등을 포함할 수 있다.The substrate may include building members or building materials. The construction member may include a structural structural member that supports the structure of the structure and / or provides a shape. For example, the building member may be a wall, a roof, a floor, a ceiling, a pillar, a door or the like constituting the building. The material constituting the building member may include, for example, wood, concrete, cement, engineered wood, or reinforced concrete. For example, the building material may include a thermal insulation material, an exterior material, or a finishing material.
일 구현예에 따른 열전모듈의 기재는, 예를 들어, 건축 부재일 수 있다. 상기 건축 부재는 건축물을 구성하는 벽일 수 있다. The substrate of the thermoelectric module according to one embodiment may be, for example, a building member. The building member may be a wall constituting the building.
도 3은 도 2에서 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 서로 금속 전극으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈의 일부를 나타낸 모식도이다.FIG. 3 is a schematic view showing a part of a thermoelectric module in which a block-type p-type thermoelectric element and a block-type n-type thermoelectric element are connected in series to metal electrodes in FIG. 2 in FIG.
도 3에서 보이는 바와 같이, 일 구현예에 따른 열전모듈은 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 서로 금속 전극(11)으로 직렬 연결되어 배치되어 있다. 상기 금속 전극(11)은 예를 들어, 구리, 은, 금, 백금, 리튬, 티타늄, 알루미늄, 또는 니켈 등을 포함할 수 있다. 상기 금속 전극(11)은 금속 페이스트를 기재 상에 도포하거나 또는 패터닝하여 형성될 수 있다. 상기 패터닝 방법으로는, 예를 들어 리프트 오프 반도체 공정, 증착 방법, 또는 포토리소그래피법 등을 사용할 수 있다. As shown in FIG. 3, the thermoelectric module according to one embodiment includes a block-type p-type thermoelectric element and a block-type n-type thermoelectric element which are connected to each other in series by
필요에 따라, 상기 금속 전극은 탄소재와 복합화된 복합 전극을 포함할 수 있다. 이러한 열전모듈은 내부에 문제가 발생할 경우, 문제되는 블록형 p형 열전소자 또는/및 블록형 n형 열전소자만을 용이하게 교체할 수 있다.If necessary, the metal electrode may include a composite electrode complexed with a carbonaceous material. If a problem occurs in the thermoelectric module, only the block type p type thermoelectric element and / or the block type n type thermo element can be easily replaced.
도 4는 도 2에서 건축물의 안쪽에서 건축 부재(벽, 22)를 바라볼 때, 금속 전극(빗금친 부분)으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈을 나타낸 모식도이다. 도 5는 도 2에서 건축물의 바깥쪽에서 건축 부재(벽, 22')을 바라볼 때, 금속 전극(빗금친 부분)으로 직렬 연결되어 배치된 열전모듈을 나타낸 모식도이다.4 is a schematic view showing a thermoelectric module disposed in series with metal electrodes (shaded portions) when an architectural member (wall) 22 is viewed from the inside of the building in Fig. 5 is a schematic view showing a thermoelectric module disposed in series connection with a metal electrode (shaded portion) when the building member (wall 22 ') is viewed from the outside of the building in FIG.
도 4 및 도 5에서 보이는 바와 같이, 상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자는 기재, 예를 들어 건축 부재(벽, 22, 22')에 일체화될 수 있다. 이로 인해, 일 구현예에 따른 열전모듈은 구조적으로 매우 안정할 수 있다.As shown in FIGS. 4 and 5, the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element can be integrated into a substrate, for example, a building member (
상기 블록형 p형 열전소자 또는 상기 블록형 n형 열전소자와 상기 기재 사이의 공간에 각각 단열재가 충진될 수 있다. 상기 기재가 건축 부재 또는 건축재인 경우, 단열재가 충진된 열전모듈은 실내·외 열의 이동을 차단하여 건축 부재 또는/및 건축재를 포함하는 건축물은 일정한 온도로 유지될 수 있다.A space between the block type p-type thermoelectric element or the block type n-type thermoelectric element and the substrate may be filled with a heat insulating material. In the case where the substrate is an architectural member or a building material, the thermoelectric module filled with the heat insulating material blocks the movement of indoor and outdoor heat so that the building including the building member and / or the building material can be maintained at a constant temperature.
상기 단열재는 예를 들어, 우레탄폼, 페놀폼, 및 스티렌폼 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 단열재는 우레탄폼일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 사용 가능한 석고보드, 암면, 또는 목재 등과 같은 단열재를 모두 포함할 수 있다.The heat insulating material may include at least one selected from, for example, urethane foam, phenol foam, and styrene foam. For example, the insulation may be a urethane foam. However, the present invention is not limited thereto, and may include all the heat insulating materials such as gypsum board, rock surface, or wood that can be used in the technical field.
상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자의 적어도 일 면에 95 W/mK 이상의 열전도도를 갖는 물질을 포함한 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 코팅층의 두께는 1mm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅층의 두께는 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위일 수 있다. 이러한 코팅층은 건축 부재 또는 건축재에 적용할 때, 사람에 대한 상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자의 직접적인 노출을 막을 수 있다. The block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element may include a coating layer containing a material having a thermal conductivity of 95 W / mK or more on at least one surface. The thickness of the coating layer may be 1 mm or less. For example, the thickness of the coating layer may range from a few micrometers to a few tens of micrometers. Such a coating layer can prevent direct exposure of the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element to a person when applied to a building member or building material.
상기 물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들 혼합물, 또는 이들 공중합체 중에서 선택된 1종의 고분자를 포함할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 95 W/mK 이상의 열전도도를 갖는 고분자의 사용이 가능하다. 상기 고분자의 중량평균분자량(Mw)은 예를 들어, 10,000 내지 1,000,000일 수 있다.The material may comprise one polymer selected from polyethylene, polypropylene, mixtures thereof, or copolymers thereof. However, the present invention is not limited thereto, and it is possible to use a polymer having a thermal conductivity of 95 W / mK or more. The weight average molecular weight (Mw) of the polymer may be, for example, 10,000 to 1,000,000.
상기 코팅층을 포함하는 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상기 코팅층을 포함하지 않는 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 포함하는 열전모듈과 비교하여 열전효율에 있어서 차이가 없다.The thermoelectric module including the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element including the coating layer is compared with the thermoelectric module including the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element not including the coating layer And there is no difference in the thermoelectric efficiency.
상기 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자는 독립적으로 전이금속, 희토류 원소, 13족 원소, 14족 원소, 및 16족 원소로부터 선택된 1종 이상의 원소로 구성된 나노입자, 나노와이어, 나노벨트, 나노리본 및 이들의 조합 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The block-type p-type thermoelectric element or the block-type n-type thermoelectric element may independently comprise a nanoparticle composed of a transition metal, a rare earth element, at least one element selected from the group 13 element, the group 14 element and the group 16 element, A belt, a nano ribbon, and a combination thereof.
상기 전이금속으로는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, 및 Re 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 희토류 원소로는 Y, Ce, 및 La 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 13족 원소로는 B, Al, Ga, 및 In 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 14족 원소로는 C, Si, Ge, Sn, 및 Pb 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 15족 원소로는 P, As, Sb, 및 Bi 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 16족 원소로는 S, Se, 및 Te 원소로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The transition metal may be at least one selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, As the rare earth element, at least one element selected from Y, Ce, and La elements may be used. At least one element selected from B, Al, Ga, and In elements may be used as the Group 13 element. At least one element selected from the group consisting of C, Si, Ge, Sn and Pb may be used as the element. At least one element selected from the group consisting of P, As, Sb and Bi may be used as the
예를 들어, 상기 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자는 독립적으로 텔루륨 나노입자, 텔루륨 나노와이어, 텔루륨 나노벨트, 텔루륨 나노리본, 비스무스 나노입자, 비스무스 나노와이어, 비스무스 나노벨트, 비스무스 나노리본, 셀레늄 나노입자, 셀레늄 나노와이어, 셀레늄 나노벨트, 셀레늄 나노리본, 안티모니 나노입자, 안티모니 나노와이어, 안티모니 나노벨트, 안티모니 나노리본, 및 이들의 조합 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자는 독립적으로 텔루륨 나노입자, 비스무스 나노입자, 또는 Bi2Te3 나노입자 또는 Sb2Te3 나노입자 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 나노입자의 형태는 제한되지 않으나 분말 형태일 수 있다. 상기 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자는 충분한 전기 전도도의 확보가 가능하다.For example, the block-type p-type thermoelectric element or the block-type n-type thermoelectric element can be independently formed of at least one selected from the group consisting of tellurium nanoparticles, tellurium nanowires, tellurium nanobelt, tellurium nanoribbons, bismuth nanoparticles, bismuth nanowires, 1 selected from the group consisting of nano-belts, bismuth nanoribbons, selenium nanoparticles, selenium nanowires, selenium nanobelts, selenium nanoribbons, antimony nanoparticles, antimony nanowires, antimony nanobots, antimony nanoribbons, and combinations thereof It can be more than a species. For example, the block-type p-type thermoelectric element or the block-type n-type thermoelectric element may be independently at least one selected from tellurium nanoparticles, bismuth nanoparticles, Bi 2 Te 3 nanoparticles or Sb 2 Te 3 nanoparticles have. The shape of the nanoparticles is not limited, but may be in powder form. The block-type p-type thermoelectric element or the block-type n-type thermoelectric element can secure a sufficient electric conductivity.
상기 열전모듈은 자가발전형(self -generation type) 열전모듈일 수 있다. 상기 열전모듈은 건축 부재 또는 건축재에 적용시, 실내·외의 온도차이로 인해 다른 전하수를 갖고 그 전하가 이동하여 전압을 생성하여 제백계수를 갖게 된다. 이로 인해, 상기 열전모듈은 스스로 에너지를 생산해 낼 수 있다.The thermoelectric module may be a self-generation type thermoelectric module. When the thermoelectric module is applied to an architectural member or a building material, the electric charge has a different number of electric charges due to the temperature difference between indoor and outdoor, and the electric charge moves to generate a voltage and have a whiteness coefficient. Thus, the thermoelectric module can produce energy by itself.
상기 열전모듈은 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자의 개수를 조절하여 전력 제어가 가능하다. 상기 열전모듈은 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자는 각각 하나의 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자 당 일정한 제백계수을 갖는다. 따라서 상기 열전모듈은 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자는 개수를 조절하여 원하는 수준의 전력 또는 최대 수준의 전력을 얻을 수 있다.The thermoelectric module can control the power by adjusting the number of block type p-type thermoelectric elements and block type n-type thermoelectric elements. In the thermoelectric module, the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element each have a constant whiteness coefficient per block type p-type thermoelectric element or block type n-type thermoelectric element. Accordingly, the thermoelectric module can obtain a desired level of power or a maximum level of power by controlling the number of the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element.
다른 일 구현예에 따른 건축재는 전술한 열전모듈을 포함할 수 있다. 상기 건축재는 전술한 바와 같으므로 이하 설명을 생략한다. The building material according to another embodiment may include the above-described thermoelectric module. Since the construction material is as described above, the description will be omitted.
또다른 일 구현예에 따른 열전모듈의 제작방법은 몰드에 p형 열전소자 분말 또는 n형 열전소자 분말을 충진시킨 후 소결하여 p형 열전소자 또는 n형 열전소자를 제조하는 단계; 상기 p형 열전소자 및 n형 열전소자를 각각 소정의 크기로 커팅하여 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 제조하는 단계; 및 상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자를 기재 내부에 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치하여 열전모듈을 제작하는 단계;를 포함할 수 있다.According to still another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermoelectric module, comprising: preparing a p-type thermoelectric element or an n-type thermoelectric element by filling a mold with a p-type thermoelectric element powder or an n-type thermoelectric element powder and then sintering; Forming a block type p-type thermoelectric element and a block type n-type thermoelectric element by cutting the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element to a predetermined size, respectively; And forming the thermoelectric module by alternately inserting the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element in the substrate at a predetermined interval alternately.
먼저, 몰드에 p형 열전소자 분말 또는 n형 열전소자 분말을 충진시킨 후 소결하여 p형 열전소자 또는 n형 열전소자를 제조한다. 상기 몰드의 재료로는 한정되지 않으나 예를 들어 그래파이트 몰드일 수 있다.First, a p-type thermoelectric element or an n-type thermoelectric element is prepared by filling a mold with a p-type thermoelectric element powder or an n-type thermoelectric element powder and then sintering. The material of the mold is not limited, but may be, for example, a graphite mold.
소결방법으로는 방전 플라즈마 소성법(Spark Plasma Sintering method) 등을 이용할 수 있다. 상기 방전 플라즈마 소성법은, 예를 들어, n형 열전소자로서 비스무스 텔루라이드의 경우에, 450℃의 온도에서 48MPa의 압력으로 진공에서 4분, P-type의 Antimony tellurdie의 경우 500℃의 온도에서 48MPa의 압력으로 진공에서 6분 동안 수행될 수 있으나, 반드시 이러한 조건으로 한정되지 않으며 상기 열전소자의 성능계수를 향상시킬 수 있는 범위 내에서 적절히 변경될 수 있다.As the sintering method, a spark plasma sintering method or the like can be used. In the case of the bismuth telluride as the n-type thermoelectric element, for example, the discharge plasma firing method is carried out at a temperature of 450 캜 for 4 minutes under a vacuum of 48 MPa and at a temperature of 500 캜 for a P-type antimony tellurdie It may be performed under vacuum at a pressure of 48 MPa for 6 minutes, but it is not necessarily limited to these conditions and can be appropriately changed within a range that can improve the coefficient of performance of the thermoelectric element.
다음으로, 상기 p형 열전소자 및 n형 열전소자를 각각 소정의 크기로 커팅하여 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 제조한다. 이 때, 상기 p형 열전소자 및 n형 열전소자의 크기는 적용하고자 하는 기재의 전력을 고려하여 적절한 크기로 변경이 가능하다.Next, the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are cut to a predetermined size to manufacture a block-type p-type thermoelectric element and a block-type n-type thermoelectric element. At this time, the size of the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element can be appropriately changed in consideration of the power of the substrate to be applied.
다음으로, 상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자를 기재 내부에 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치하여 열전모듈을 제작한다.Next, the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element are alternately inserted and arranged at predetermined intervals in the substrate to manufacture a thermoelectric module.
상기 열전모듈을 제작하는 단계 이전에 기재 내부에 소정의 간격으로 개구부를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 개구부는 상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자가 삽입 배치되는 공간을 고려하여 블록형 개구부를 형성할 수 있다.And forming an opening in the base material at a predetermined interval before the step of manufacturing the thermoelectric module. The opening may form a block-shaped opening in consideration of a space in which the block-type p-type thermoelectric element and the block-type n-type thermoelectric element are inserted.
상기 열전모듈을 제작하는 단계는 금속 페이스트를 이용하여 상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 서로 직렬 연결하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 페이스트의 재료는 예를 들어, 구리, 은, 금, 백금, 리튬, 티타늄, 알루미늄, 또는 니켈 등을 사용할 수 있다.The step of fabricating the thermoelectric module may further include serially connecting the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element to each other using a metal paste. The material of the metal paste may be, for example, copper, silver, gold, platinum, lithium, titanium, aluminum, or nickel.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
[실시예][Example]
실시예Example 1: 열전모듈의 제작 1: Fabrication of thermoelectric module
직경 2cm의 동전형 그래파이트 몰드를 준비하였다. 상기 몰드 내에 p형 열전소자로서 Sb2Te3 분말(antimony(III) telluride, -325 mesh size, Sigma Aldrich사 제조) 6.5g, 및 n형 열전소자로서 Bi2Se3 분말(bismuth(III) telluride, -325 mesh size, Sigma Aldrich사 제조) 7.0g을 각각 충진시킨 후, 상기 48 MPa의 압력 하에 450 내지 500 의 온도 범위 내에서 15 /min 승온속도로 약 4~6분 동안 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)을 하여 직경 2cm, 높이 0.3cm의 동전형 p형 Sb2Te3 열전소자 및 동전형 n형 Bi2Se3 열전소자를 수득하였다. A coin type graphite mold having a diameter of 2 cm was prepared. 6.5 g of Sb 2 Te 3 powder (antimony (III) telluride, -325 mesh size, manufactured by Sigma Aldrich) as a p-type thermoelectric element and 6.5 g of Bi 2 Se 3 powder (bismuth , -325 mesh size, manufactured by Sigma Aldrich), and then subjected to discharge plasma sintering (spark) at a rate of 15 / min for 4 to 6 minutes at a temperature of 450 to 500 under the pressure of 48 MPa plasma sintering (SPS)) to obtain a coin type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric device and a coin type n-type Bi 2 Se 3 thermoelectric device having a diameter of 2 cm and a height of 0.3 cm.
상기 동전형 p형 Sb2Te3 열전소자 및 동전형 n형 Bi2Se3 열전소자를 각각 가로 0.25cm, 세로 0.25cm로 커팅하여 24개의 블록형 p형 Sb2Te3 열전소자 조각 및 24개의 블록형 n형 Sb2Te3 열전소자 조각을 수득하였다.The coin type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element and the coin type n-type Bi 2 Se 3 thermoelectric element were cut to a width of 0.25 cm and a length of 0.25 cm, respectively, to form 24 block type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element pieces and 24 A block type n-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element piece was obtained.
상기 블록형 p형 Sb2Te3 열전소자 조각 및 블록형 n형 Sb2Te3 열전소자 조각이 삽입될 복수의 블록형 개구부를 ABS 수지를 사용하여 3D 프린터로 출력한 가로 3cm, 세로 4cm 크기의 몰드 내에 소정의 간격으로 형성하였다. 상기 몰드 내의 복수의 블록형 개구부에 상기 수득한 블록형 p형 Sb2Te3 열전소자 조각 및 블록형 n형 Bi2Se3 열전소자 조각을 삽입 배치하였다. 그리고 나서, 상기 수득한 블록형 p형 Sb2Te3 열전소자 조각과 블록형 n형 Bi2Se3 열전소자 조각을 실버 페이스트를 이용하여 직렬로 연결하여 높이 0.3cm의 열전모듈을 제작하였다.The block type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element pieces and the block type n-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element pieces were inserted into a plurality of block-like openings to be inserted into a 3-cm-wide, 4-cm Were formed at predetermined intervals in the mold. The obtained block type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element pieces and block type n-type Bi 2 Se 3 thermoelectric element pieces were inserted and arranged in a plurality of block-like openings in the mold. Then, the obtained block type p-type Sb 2 Te 3 thermoelectric element pieces and the block type n-type Bi 2 Se 3 thermoelectric element pieces were connected in series using a silver paste to fabricate a thermoelectric module having a height of 0.3 cm.
평가예Evaluation example 1: One: 제벡계수Seebeck coefficient , 열전효율, 및 전력 평가, Thermoelectric efficiency, and power rating
실시예 1에 의해 제작된 열전모듈의 제벡계수(Seeback coefficient), 열전효율, 및 전력을 평가하였다. 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈의 제벡계수(Seeback coefficient)를 구하기 위하여 도 6에서 보이는 바와 같은 방법을 이용하여 각 온도차이에 따라 생성된 전압을 측정하였다. 그 결과를 도 7 및 도 8에 각각 나타내었다. The Seeback coefficient, thermoelectric efficiency, and power of the thermoelectric module fabricated in Example 1 were evaluated. In order to determine the Seeback coefficient of the thermoelectric module fabricated according to Example 1, the voltage generated according to each temperature difference was measured using the method shown in FIG. The results are shown in Fig. 7 and Fig. 8, respectively.
제벡계수를 구하기 위하여, 두 개의 펠티어 디바이스 기판(32, 33) 사이에 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈(34)을 배치하고, 전력공급 장치를 각각 이용하면 공급되는 전력에 따라 온도차이가 생성되어 기판(32)위의 온도(냉각부측)와 기판(33) 아래의 온도(발열부측)의 차이를 0℃ 내지 20℃의 범위로 만들어 각 온도차이에 따라 생성된 전압을 측정하여 제벡계수를 구하였다.In order to obtain the Seebeck coefficient, the
도 7을 참조하면, 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈은 약 5010 ㎶/K의 제벡계수를 가짐을 확인할 수 있다. 도 8을 참조하면, 블록형 p형 또는 n형 열전소자의 조각 개수가 증가함에 따라 제벡계수가 증가함을 확인할 수 있다. 이로부터, 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈은 블록형 p형 또는 n형 열전소자의 조각 개수를 조절하여 제벡계수 제어가 가능함을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the thermoelectric module fabricated according to Example 1 has a Seebeck coefficient of about 5010 ㎶ / K. Referring to FIG. 8, it can be seen that as the number of pieces of the block-type p-type or n-type thermoelectric element increases, the Seebeck coefficient increases. From this, it can be seen that the thermoelectric module manufactured according to Example 1 can control the defocus coefficient by controlling the number of pieces of the block type p-type or n-type thermoelectric element.
또한 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈의 열전효율을 하기 [식 1]을 이용하여 계산하면, 가을철 기준으로 집밖과 안의 온도차이를 20°C로 가정할 때 16%의 열전효율을 나타내었다.In addition, the thermoelectric efficiency of the thermoelectric module fabricated by Example 1 was calculated using the following formula 1, and the thermoelectric efficiency was 16% when the temperature difference between the inside and outside of the room was assumed to be 20 ° C in autumn.
[식 1] [Formula 1]
또한 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈은 블록형 p형 또는 n형 열전소자는 저항값 측정기로 측정시 한 조각당 0.5 의 저항을 갖고 있기 때문에 전류와 저항의 관계를 이용한 식 P = I 2 R (R: 저항)을 이용하여 p형 및 n형 열전소자 48조각은 약 36 mW 전력을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 이로부터, 실시예 1에 의해 제작된 열전모듈은 블록형 p형 열전소자 조각과 블록형 n형 열전소자 조각의 개수를 조절하여 전력 제어가 가능함을 알 수 있다.In the thermoelectric module manufactured by Example 1, since the block type p-type or n-type thermoelectric device has a resistance of 0.5 per one piece measured by a resistance value measuring device, the equation P = I 2 R ( R : resistance), 48 pieces of p-type and n-type thermoelectric elements can have a power of about 36 mW. From this, it can be seen that the thermoelectric module manufactured according to Example 1 can control the power by controlling the number of block type p-type thermoelectric element pieces and block type n-type thermoelectric element pieces.
이상, 첨부도면을 참조하면서 실시예들에 대해서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 관련례에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서 각종 변경례 또는 수정례에 생각이 미치는 것은 분명하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.While the embodiments have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. . ≪ / RTI >
1, 34: 열전모듈, 2: 세라믹판, 3: 전도성 기판, 4: p형 열전소자, 5: n형 열전소자, 8: 냉각부, 9: 발열부, 11: 금속 전극, 22, 22': 건축 기재(벽), 32, 33: 기판The present invention relates to a thermoelectric module and a method of manufacturing the same. The thermoelectric module includes a thermoelectric module, a ceramic plate, a conductive substrate, a p-type thermoelectric element, : Building material (wall), 32, 33: substrate
Claims (16)
상기 기재는 건축 부재 또는 건축재를 포함하는 열전모듈.The method according to claim 1,
The thermoelectric module includes an architectural member or a building material.
상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자가 서로 금속 전극으로 직렬 연결된 열전모듈.The method according to claim 1,
Wherein the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element are connected in series to each other by metal electrodes.
상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자는 기재에 일체화된 열전모듈. The method according to claim 1,
Wherein the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element are integrated in a substrate.
상기 블록형 p형 열전소자 또는 상기 블록형 n형 열전소자와 상기 기재 사이의 공간에 각각 단열재가 충진된 열전모듈. The method according to claim 1,
Wherein the block type p-type thermoelectric element or the space between the block type n-type thermoelectric element and the substrate is filled with a heat insulating material.
상기 단열재는 우레탄폼, 페놀폼, 및 스티렌폼 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 열전모듈.6. The method of claim 5,
Wherein the heat insulating material comprises at least one selected from urethane foam, phenol foam, and styrene foam.
상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자의 적어도 일 면에 95 W/mK 이상의 열전도도를 갖는 물질을 포함한 코팅층을 포함하는 열전모듈.The method according to claim 1,
And at least one surface of the block-type p-type thermoelectric element and the block-type n-type thermoelectric element includes a coating layer containing a material having a thermal conductivity of 95 W / mK or more.
상기 코팅층의 두께가 1mm 이하인 열전모듈.8. The method of claim 7,
Wherein the thickness of the coating layer is 1 mm or less.
상기 물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들 혼합물, 또는 이들 공중합체 중에서 선택된 1종의 고분자를 포함하는 열전모듈.8. The method of claim 7,
Wherein the material comprises a polymer selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, mixtures thereof, and copolymers thereof.
상기 블록형 p형 열전소자 또는 블록형 n형 열전소자는 독립적으로 전이금속, 희토류 원소, 13족 원소, 14족 원소, 및 16족 원소로부터 선택된 1종 이상의 원소로 구성된 나노입자, 나노와이어, 나노벨트, 나노리본 및 이들의 조합 중에서 선택된 1종 이상인 열전모듈.The method according to claim 1,
The block-type p-type thermoelectric element or the block-type n-type thermoelectric element may independently comprise a nanoparticle composed of a transition metal, a rare earth element, at least one element selected from the group 13 element, the group 14 element and the group 16 element, Belt, nano ribbon, and combinations thereof.
상기 열전모듈은 자가발전형(self-generation type) 열전모듈.The method according to claim 1,
The thermoelectric module is a self-generation type thermoelectric module.
상기 열전모듈은 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자의 개수를 조절하여 전력 제어가 가능한 열전모듈.The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric module is a thermoelectric module capable of controlling power by controlling the number of block type p-type thermoelectric elements and block type n-type thermoelectric elements.
상기 p형 열전소자 및 n형 열전소자를 각각 소정의 크기로 커팅하여 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 제조하는 단계; 및
상기 블록형 p형 열전소자와 블록형 n형 열전소자를 기재 내부에 형성된 개구부에 소정의 간격으로 교대로 삽입 배치하여 열전모듈을 제작하는 단계;를 포함하는 열전모듈의 제작방법.Preparing a p-type thermoelectric element or an n-type thermoelectric element by filling the mold with a p-type thermoelectric element powder or an n-type thermoelectric element powder and then sintering;
Forming a block type p-type thermoelectric element and a block type n-type thermoelectric element by cutting the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element to a predetermined size, respectively; And
And forming the thermoelectric module by alternately inserting the block-type p-type thermoelectric element and the block-type n-type thermoelectric element at predetermined intervals in openings formed in the substrate.
상기 열전모듈을 제작하는 단계 이전에 기재 내부에 소정의 간격으로 개구부를 형성하는 단계;를 더 포함하는 열전모듈의 제작방법.15. The method of claim 14,
And forming an opening at a predetermined interval in the substrate before the step of manufacturing the thermoelectric module.
상기 열전모듈을 제작하는 단계는 금속 페이스트를 이용하여 상기 블록형 p형 열전소자 및 블록형 n형 열전소자를 서로 직렬 연결하는 단계;를 더 포함하는 열전모듈의 제작방법.15. The method of claim 14,
Wherein the step of fabricating the thermoelectric module further comprises serially connecting the block type p-type thermoelectric element and the block type n-type thermoelectric element to each other using a metal paste.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |