KR20190094724A - 열전 모듈 - Google Patents

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Abstract

실시예는 제 1 열전도 플레이트; 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치된 열전 소자; 상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트; 및 상기 열전 소자를 둘러싸며, 상기 제 1 열전도 플레이트와 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 배치된 밀봉부; 를 포함하고, 상기 열전 소자는 제 1 기판; 상기 제 1 기판상에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 전극에 전기적으로 연결된 리드선; 을 포함하고, 상기 밀봉부는 상기 열전 소자가 수용되도록 중심부에 홀이 형성된 몸체; 및 상기 몸체의 하면과 상기 제 1 열전도 플레이트 사이 및 상기 몸체의 상면과 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 각각 배치된 밀봉 부재; 를 포함하는 열전 모듈을 개시한다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC DEVICE MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 모듈의 밀봉 구조에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 모듈은 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 모듈은 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 모듈은 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 모듈은 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
이러한 열전 모듈은 냉각용으로 사용시 냉장고 또는 정수기에 적용 가능하며, 저온 구현에 따른 결로와 습기에 의해 열전소자가 부식되는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 종래의 경우 열전소자의 측면에 직접 실링재를 배치하여 수분의 침투를 방지하였으나, 열전소자에 실링재가 직접 부착되어 열전 모듈 내에서 열 유동 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 모듈의 밀봉 구조를 제공하는 것이다.
한편, 실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈은 제 1 열전도 플레이트; 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치된 열전 소자; 상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트; 및 상기 열전 소자를 둘러싸며, 상기 제 1 열전도 플레이트와 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 배치된 밀봉부; 를 포함하고, 상기 열전 소자는 제 1 기판; 상기 제 1 기판상에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 전극에 전기적으로 연결된 리드선; 을 포함하고, 상기 밀봉부는 상기 열전 소자가 수용되도록 중심부에 홀이 형성된 몸체; 및 상기 몸체의 하면과 상기 제 1 열전도 플레이트 사이 및 상기 몸체의 상면과 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 각각 배치된 밀봉 부재; 를 포함할 수 있다.
상기 몸체는 하면에서 소정 깊이로 형성되며, 상기 홀의 둘레를 따라 형성된 제 1 홈; 및 상면에서 소정 깊이로 형성되며, 상기 홀의 둘레를 따라 형성된 제 2 홈; 을 포함할 수 있다.
상기 밀봉 부재는 상기 몸체의 제 1 홈에 삽입되는 제 1 밀봉 부재; 및 상기 몸체의 제 2 홈에 삽입되는 제 2 밀봉 부재; 를 포함할 수 있다.
상기 몸체의 하면 상에서 상기 제 1 홈과 상기 홀 사이에 배치되는 제 3 밀봉 부재; 및 상기 몸체의 하면 상에서 상기 제 1 홈과 상기 몸체의 외측 모서리 사이에 배치되는 제 4 밀봉 부재; 를 포함할 수 있다.
상기 제 3 밀봉 부재 및 상기 제 4 밀봉 부재는 둘레가 닫힌 형상일 수 있다.
상기 몸체의 상면 상에서 상기 제 2 홈과 상기 홀 사이에 배치되는 제 5 밀봉 부재; 및 상기 몸체의 상면 상에서 상기 제 2 홈과 상기 몸체의 외측 모서리 사이에 배치되는 제 6 밀봉 부재; 를 포함할 수 있다.
상기 제 5 밀봉 부재 및 상기 제 6 밀봉 부재는 둘레가 닫힌 형상일 수 있다.
상기 제 1 기판은 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되며, 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제 1 열전도층 및 상기 제 1 열전도층의 상에 배치되며, 실리콘 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제 2 열전도층을 포함할 수 있다.
상기 몸체는 상기 제 1 리드선 및 제 2 리드선이 관통되는 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 몸체의 높이는 상기 제 1 홈의 깊이 대비 3배 내지 5배일 수 있다.
상기 제 1 홈과 상기 제 2 홈의 최단 거리는 상기 제 1 홈의 깊이 대비 1배 내지 3 배일 수 있다.
상기 제 1 홈의 깊이는 상기 몸체의 하면에서 상기 관통홀까지의 최단 거리에 비해 작을 수 있다.
상기 몸체는 발포 폴리스타이렌(EPS, expanded polystyrene)일 수 있다.
상기 제 1 열전도 플레이트, 상기 몸체 및 상기 제 2 열전도 플레이트 각각은 상부에서 하부로 관통되는 체결홀을 각각 포함하고, 상기 체결홀에 삽입되어 상기 제 1 열전도 플레이트, 상기 몸체 및 상기 제 2 열전도 플레이트를 체결하는 체결 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방수 및 방진 성능이 우수한 열전 모듈을 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열 유동 성능이 개선된 열전 모듈을 얻을 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고,
도 2는 도 1의 열전 소자의 사시도이고,
도 3은 도 1의 밀봉부의 상면도이고,
도 4는 도 1의 몸체의 사시도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자의 하부 기판 측의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 밀봉부의 상면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈이 정수기에 적용된 예를 개략적으로 도시한 블록도이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 냉장고에 적용된 예를 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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.
제 2, 제 1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 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 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성요소도 제 2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
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 포함할 수 있다. 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 일 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고, 도 2는 도 1의 열전 소자의 사시도이고, 도 3은 도 1의 밀봉부의 상면도이고, 도 4는 도 1의 몸체의 사시도이다.
이하는 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)을 설명한다.
도 1 내지 4를 참조하면, 열전 모듈(1000)은 열전 소자(100), 제 1 열전도 플레이트(200), 제 2 열전도 플레이트(300) 및 밀봉부(400)를 포함할 수 있다.
열전 소자(100)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 하부 기판(140), 상부 기판(150), 하부 전극(161), 상부 전극(162) 및 솔더층(미도시)을 포함할 수 있다.
하부 전극(161)은 하부 기판(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(162)은 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(161)과 상부 전극(162) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(120)로부터 N형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(130)로부터 P형 열전 레그(120)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(120)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(230)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(120) 및 N형 열전 레그(130)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(120) 또는 벌크형 N형 열전 레그(130)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(120) 또는 적층형 N형 열전 레그(230)는 시트 형상의 기재상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(130)의 단면적을 P형 열전 레그(120)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
한편, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 측면에는 높이 방향(Z축 방향)으로 절연체(미도시)가 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 제벡 계수[V/K]이고,
Figure pat00003
는 전기 전도도[S/m]이며,
Figure pat00004
는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고 T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는
Figure pat00005
로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며,
Figure pat00006
는 밀도[g/cm3]이다.
열전 모듈의 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(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 상부 전극(162)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상호 대향하는 하부 기판(140)과 상부 기판(150)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. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(240)과 하부 전극(161) 사이 및 상부 기판(150)과 상부 전극(162) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 기판(140)은 제 1 방향으로 제 1 길이(D1)를 갖도록 형성되며, 상부 기판(150)은 제 1 방향으로 제 2 길이(D2)를 갖도록 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 길이(D1)는 제 2 길이(D2)보다 크게 형성되어, 하부 기판(140) 상에서 제 1 방향의 끝단에 형성된 하부 전극(261)에 리드선(181, 182)을 연결하는 것이 용이하다.
여기서, 하부 전극(261)과 리드선(181, 182)이 전기적으로 연결되는 것은 용접 방식 또는 기구적 체결 방식 등 다양한 방식 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 전기적으로 연결한다. 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 10㎛~20㎛의 범위로 구현할 수 있다.
또한, 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 하부 전극(161)과 상부 전극(162)들과 이격 되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 전극(161, 162)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격 되어 배치될 수 있다.
그리고 각 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치되며, 각 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치될 수 있다.
즉, P형 열전 레그(120)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치되며, N형 열전 레그(130)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치될 수 있다. 하부 전극(161)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 중 P형 열전 레그(120)가 복수의 하부 전극(162) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(130)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(162)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 하부 전극(162)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
이때, 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
또한, 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 상부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 상부 솔더층(172) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
제 1 열전도 플레이트(200)와 제 2 열전도 플레이트(300)는 열전 소자(100)를 사이에 배치하고 서로 대향한다. 제 1 열전도 플레이트(200)와 제 2 열전도 플레이트(300)는 열전도성이 우수한 금속 재질로 구성될 수 있다.
여기서, 제 1 열전도 플레이트(200)는 열전 소자(100)의 흡열 면과 냉각 측(미도시)의 표면 사이에 설치되어 열전 소자(100)의 흡열 면을 통한 흡열 시 열전달 면적을 향상시킨다. 이때, 제 1 열전도 플레이트(200)는 알루미늄 등이 사용되고 있으나, 구리 및 스테인리스 강, 또는 황동 등의 사용이 가능함은 물론이다.
제 1 열전도 플레이트(200)는 사용 시 열전달 면적을 넓힐 수 있도록 복수의 방열핀(201)을 포함하여 온도 구배를 줄일 수 있으며, 무엇보다 열전 소자(100)의 방열면 방향에 부착된 제 2 열전도 플레이트(300)와 냉각 측(미도시)과의 간격을 인위적으로 유격시킴으로써 상대적으로 뜨거운 제 2 열전도 플레이트(300)에서 차가운 냉각 측(미도시) 쪽으로 열이 전달되는 것을 차단할 수 있다.
제 2 열전도 플레이트(300)는 열전 소자(100)의 발열 면에 밀착되어 열전 소자(100)의 열을 방열시키며, 통상적으로 압출형 방열판이 많이 사용되나, 경우에 따라서 스카이빙 방식 방열판, 히트 파이프 임베디드 타입 방열판, 핀 본디드 타입 방열판 등의 사용이 가능하다.
제 2 열전도 플레이트(300)는 열전달 면적을 넓힐 수 있도록 복수의 방열핀(301)을 포함할 수 있으며, 모서리 영역에 밀봉부(400)가 배치되기 위한 단차(310)를 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 열전도 플레이트(200)는 흡열면, 제 2 열전도 플레이트(300)는 방열면으로 설정되는 것으로 설명하였으나, 이는 열전소자에 인가되는 전류 방향에 따라 흡열면과 방열면은 서로 바뀔 수도 있다.
밀봉부(400)는 몸체(410) 및 밀봉 부재(421, 422, 431, 432, 433, 434)를 포함할 수 있다.
몸체(410)는 제 1 높이(H1)를 가지며, 하면(411), 상면(412) 및 측면으로 구성된 대략 육면체 형상을 가질 수 있다. 물론, 하면(411) 및 상면(412)을 포함하고 외주면으로 구성된 원통 형상을 가질 수도 있다.
몸체(410)는 발포 폴리스타이렌(EPS, expanded polystyrene)으로 구성될 수 있다.
EPS는 경량성이며 성형성이 우수하고, 열 저항성 및 열 절연성이 우수하며, 밀도 조절이 가능하고, 방수 및 방진 성능이 우수하여, 경제적 측면과 제품의 신뢰성 측면에서 우수한 효과를 야기할 수 있다.
몸체(410)의 하면(411)에는 하면(411)으로부터 제 2 깊이(H2)로 오목하게 형성된 제 1 홈(413)을 포함할 수 있다.
또한, 몸체(410)의 상면(413)에는 상면(413)으로부터 제 2 깊이(H2)로 오목하게 형성된 제 2 홈(414)을 포함할 수 있다.
제 1 홈(413)의 바닥면과 제 2 홈(414)의 바닥면은 제 3 높이(H3)로 이격 될 수 있다.
여기서, 제 1 높이(H1)는 제 2 높이(H2) 대비 3배 내지 5배로 설정될 수 있다. 즉, 제 3 높이(H3)는 제 2 높이(H2) 대비 1 배 내지 3배로 설정될 수 있다.
몸체(410)의 제 1 높이(H1)가 제 1 홈(413) 및 제 2 홈(414)의 제 2 높이(H2)에 비해 3배 미만인 경우 제 1 홈(413)과 제 2 홈(414) 사이의 거리인 제 3 높이(H3)가 상대적으로 작아지므로, 몸체(410)의 구조적 강성을 확보하기 어려우며, 몸체(410)의 제 1 높이(H1)가 제 1 홈(413) 및 제 2 홈(414)의 제 2 높이(H2)에 비해 5배 초과인 경우 제 1 홈(413) 및 제 2 홈(414)의 내측면을 따라 침투될 가능성이 있는 수분의 경로가 짧아져, 방진 및 방수 성능에 대한 신뢰성을 확보하기 어렵거나 열전 모듈(1000)의 체적을 증대시키는 문제가 있다.
제 1 홈(413) 및 제 2 홈(414)은 각형 또는 원형으로 둘레가 닫힌 형상을 갖는다.
몸체(410)의 대략 중심에는 하면(411)과 상면(412)을 관통하도록 형성된 홀(415)을 포함할 수 있다.
홀(415)은 열전 소자(100)가 수용되기 위한 수용 공간(S)을 형성하며, 홀(415)의 수용 공간(S)에 열전 소자(100)가 수용될 수 있다.
한편, 수용 공간(S)은 열전 소자(100)의 체적 대비 1.1 배 내지 5배의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 2배 내지 3배의 범위로 구현할 수 있다.
수용 공간(S)이 열전 소자(100)의 체적 대비 1.1 배 이하인 경우 열전 소자(100)의 측면에 열 유동 공간을 확보할 수 없어 열 유동 성능의 개선을 기대할 수 없으며, 수용 공간(S)이 열전 소자(100)의 체적 대비 5배 이상인 경우 수용 공간(S) 확장에 따른 열 유동 성능의 개선을 기대할 수 없이 열전 모듈(1000)의 체적을 증대시키는 문제가 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 열전 소자(100)의 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 사이에서 온도 차이에 의해 발생하는 열 유동을 열전 소자(100)의 측부로 확장할 수 있어 열 유동에 따른 신뢰성을 확보할 수 있다.
여기서, 몸체(410)의 홀(415)이 이루는 내측면(416)에는 열전 소자(100)의 측면이 맞닿아 있어, 열전 소자(100)의 유동을 방지할 수 있다.
즉, 몸체(410)의 홀(415)의 형상 및 직경은 열전 소자(100)의 형상에 따라 용이하게 설계 변경될 수 있다.
또한, 몸체(410)의 하나의 측면에는 열전 소자(100)의 리드선(181, 182)이 외부로 배출되기 위한 관통홀(417)을 포함할 수 있다.
한편, 관통홀(417)은 몸체(410)의 하면(411)으로부터 제 4 높이(H4)를 가질 수 있으며, 제 4 높이(H4)는 제 1 홈(413)의 제 2 높이(H2)에 비해 클 수 있다.
밀봉 부재(421, 422, 431, 432, 433, 434)는 제 1 밀봉 부재(421), 제 2 밀봉 부재(422), 제 3 밀봉 부재(431), 제 4 밀봉 부재(432), 제 5 밀봉 부재(433) 및 제 6 밀봉 부재(434)를 포함할 수 있다.
제 1 밀봉 부재(421)는 몸체(410)의 하면(411)에서 제 1 홈(413)에 삽입되도록 배치되며, 몸체(410)의 내측으로 수분이 침투되지 않도록 밀봉한다.
여기서, 제 1 밀봉 부재(421)는 경화 전 제 1 홈(413)에 유입된 후, 제 1 홈(413)과 제 1 열전도 플레이트(200)를 부착할 수 있는 방수 실리콘 등으로 구현되는 것이 바람직하다.
제 2 밀봉 부재(422)는 몸체(410)의 상면(412)에서 제 2 홈(414)에 삽입되도록 배치되며, 몸체(410)의 내측으로 수분이 침투되지 않도록 밀봉한다.
여기서, 제 2 밀봉 부재(422)는 경화 전 제 2 홈(414)에 유입된 후, 제 2 홈(414)과 제 2 열전도 플레이트(300)를 부착할 수 있는 방수 실리콘 등으로 구현되는 것이 바람직하다.
제 3 밀봉 부재(431), 제 4 밀봉 부재(432), 제 5 밀봉 부재(433) 및 제 6 밀봉 부재(434) 각각은 방수 테이프, 방수 실리콘, 고무나 수지 소재 등의 접착제 등으로 구성되어, 제 1 열전도 플레이트(200) 및 제 2 열전도 플레이트(300)와 몸체(410)를 접착할 수 있다.
즉, 제 3 밀봉 부재(431), 제 4 밀봉 부재(432), 제 5 밀봉 부재(433) 및 제 6 밀봉 부재(434)를 통해, 제 1 열전도 플레이트(200) 및 제 2 열전도 플레이트(300)와 몸체(410) 사이의 접착력 및 밀봉성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제 3 밀봉 부재(431) 및 제 4 밀봉 부재(432)는 몸체(410)의 하면(411)과 제 1 열전도 플레이트(200) 사이에 배치되며, 제 5 밀봉 부재(433) 및 제 6 밀봉 부재(434)는 몸체(410)의 상면(412)과 제 2 열전도 플레이트(300) 사이에 배치될 수 있다.
제 3 밀봉 부재(431)는 몸체(410)의 하면(411) 상에서 제 1 홈(413)과 홀(415) 사이에 배치되며, 각형 또는 원형으로 둘레가 닫힌 형상을 가질 수 있다.
제 4 밀봉 부재(432)는 몸체(410)의 하면(411) 상에서 제 1 홈(413)과 외측면 사이에 배치되며, 각형 또는 원형으로 둘레가 닫힌 형상을 가질 수 있다.
제 5 밀봉 부재(433)는 몸체(410)의 상면(412) 상에서 제 2 홈(414)과 홀(415) 사이에 배치되며, 각형 또는 원형으로 둘레가 닫힌 형상을 가질 수 있다.
제 6 밀봉 부재(434)는 몸체(410)의 상면(412) 상에서 제 2 홈(414)과 외측면 사이에 배치되며, 각형 또는 원형으로 둘레가 닫힌 형상을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 열전 소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 5에 도시된 열전 모듈은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에 비해 열전 소자(500)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 열전 소자(500)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자(500)의 하부 기판 측은 제 1 열전도 플레이트(510), 제 1 열전도층(520), 제 2 열전도층(530) 및 제 1 전극(540)을 포함할 수 있다.
각 하부 전극(540) 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 사이에 두고 상부 전극 및 상부 기판이 하부 전극 및 하부 기판과 대칭인 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에는 복수의 제 1 전극(540)과 대칭인 복수의 제 2 전극, 제 2 열전도층(530)과 대칭인 제 3 열전도층(미도시), 그리고 제 1 열전도층(520)과 대칭인 제 4 열전도층(미도시)이 더 배치될 수 있다.
즉, 상부 기판은 제 3 열전도층(미도시)과 제 4 열전도층(미도시)으로 구성될 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위하여 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 아래에 배치되는 제 1 열전도 플레이트(510), 제 1 열전도층(520), 제 2 열전도층(530) 및 복수의 제 1 전극(540)을 중심으로 설명하지만, 이와 동일한 구조가 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 상부 기판 측도 이와 동일한 구조로 형성될 수 있다.
제 1 열전도층(520)은 제 1 열전도 플레이트(510) 상에 배치되며, 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진다. 제 1 열전도층(520)의 두께(T3)는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 수 있다.
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피 비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피 비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함할 수 있다. 그리고 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄 및 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 무기충전재는 질화알루미늄을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure pat00007
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure pat00008
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.
이때, 제 1 열전도 플레이트(510)와 제 1 열전도층(520)은 별도의 접착제 없이 직접 접합될 수 있다. 이를 위하여, 제 1 열전도층(520)을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물을 비경화 상태로 제 1 열전도 플레이트(510) 상에 도포하고, 도포된 수지 조성물 상에 경화된 상태의 제 1 열전도층(520)을 적층한 후 고온에서 가압하면, 제 1 열전도 플레이트(510)와 제 1 열전도층(520)이 직접 접착될 수 있다.
한편, 제 2 열전도층(530)은 실리콘 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어질 수 있다. 제 2 열전도층(530)은 제 1 열전도층(520)과 복수의 제 1 전극(540) 사이에 배치되며, 제 1 열전도층(520)과 복수의 제 1 전극(540)을 접착시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물에 포함되는 실리콘 수지는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있고, 제 2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물에 포함되는 무기충전재는 산화알루미늄일 수 있다. 이러한 수지 조성물은 열전도 성능뿐만 아니라, 높은 인장강도(tensil strength), 높은 열팽창 계수 및 접착 성능을 가지며, 경화되더라도 유연한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 수지 조성물은 1.8W/mK 이상의 열전도 성능을 가질 수 있으며, 125ppm/ 이상의 선형 열팽창 계수를 가질 수 있다. 또한, 제 2열전도층(530)의 열전도도는 제 1열전도층(520)의 열전도도 보다 낮은 특성을 갖을 수 있다. 이에 따라, 제 1 열전도층(520)과 복수의 전극(540)은 열전도 성능이 저하되지 않으면서도 안정적으로 접착될 수 있다. 이때, 제 2 열전도층(530)의 두께(T4)는 제 1 열전도층(520)의 두께(T3)의 0.001 내지 1배, 바람직하게는 0.01 내지 0.5배, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.2배일 수 있다. 제 2 열전도층(530)의 두께가 이러한 수치 범위로 형성되면, 제 1 열전도층(520)의 열전도 성능을 저해하지 않으면서도, 제 1 열전도층(520)과 복수의 제 1 전극(540) 간 접착력을 유지할 수 있다.
이를 위하여, 제 2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물을 비경화 상태로 제 1 열전도층(520) 상에 도포하고, 도포된 수지 조성물 상에 복수의 제 1 전극(540)을 적층한 후 고온에서 가압하면, 복수의 제 1 전극(540)과 제 1 열전도층(520)은 제 2 열전도층(530)을 통하여 접착될 수 있다. 이에 따라, 복수의 전극(540)의 측면(542)의 적어도 일부는 제 2 열전도층(530)에 매립될 수 있다. 예를 들어, 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H5)의 0.1 내지 0.9배, 바람직하게는 0.2 내지 0.8배, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7배가 제 2 열전도층(530)에 매립될 수 있다. 제 2 열전도층(530)에 매립된 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H6)가 복수의 제 1 전극(540)의 측면의 두께(H5)의 0.1배 미만이면, 복수의 제 1 전극(540) 중 적어도 일부가 제 2 열전도층(530)으로부터 이탈될 가능성이 있으며, 제 2 열전도층(530)에 매립된 복수의 제 1 전극(540)의 측면(542)의 두께(H6)가 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H5)의 0.9배를 초과하면, 복수의 제 1 전극(540)의 적어도 일부 상에 제 2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물이 흘러 들어 전극과 P형 열전 레그 간 접합력 및 전극과 N형 열전 레그 간의 접합력을 약화시킬 수 있다.
한편, 제 2 열전도층(530)은 제 1 열전도층(520)의 상면(524)뿐만 아니라, 제 1 열전도층(520)의 측면(522)도 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제 1 열전도층(520)의 측면(522)과 접촉하는 제 1 열전도 플레이트(510)의 상면(512)에도 배치될 수 있다. 제 2 열전도층(530)이 제 1 열전도층(520)의 상면(524), 제 1 열전도층(520)의 측면(522), 및 제 1 열전도층(520)의 측면(522)과 접촉하는 제 1 열전도 플레이트(510)의 상면(512)에 배치되면, 제 1 열전도층(520)의 가장자리에서 제 1 열전도 플레이트(510) 및 제 1 열전도층(520) 간의 접합력을 높일 수 있으며, 온도 변화에 따라 제 1 열전도층(520)의 가장자리가 제 1 열전도 플레이트(510)로부터 박리되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 제 2 열전도층(530)은 열팽창 계수가 높고, 경화되더라도 유연한 특성을 가지므로, 온도 변화에 의한 열 충격으로부터 완충 작용을 하여 제 1 열전도층(510)과 복수의 제 1 전극(540)을 보호할 수 있다.
이와 같이, 제 2 열전도층(530)이 제 1 열전도층(520)의 상면(524)뿐만 아니라 제 1 열전도층(520)의 측면(522)도 둘러싸도록 배치되기 위하여, 제 2 열전도층(530)의 폭(W2)은 제 1 열전도층(520)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 2 열전도층(530)의 폭(W2)은 제 1 열전도층(520)의 폭(W1)의 1.01 내지 1.2배일 수 있다. 제 2 열전도층(530)의 폭(W2)이 제 1 열전도층(520)의 폭(W1)보다 클 경우, 제 1 열전도층(520)과 제 1 열전도 플레이트(510) 간의 접합력이 향상되며, 제 1 열전도층(520)과 복수의 전극(540) 간 열 충격이 완화될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈을 설명한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 밀봉부의 상면도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 열전 모듈(2000)은 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에 비해 밀봉부(600)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 밀봉부(600)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
밀봉부(600)는 몸체(610) 및 밀봉 부재(421, 422, 431, 432, 433, 434)를 포함할 수 있다.
몸체(610)는 제 1 홈(413)과 외측면 사이에서 하면(411)과 상면(412)을 관통하는 체결홀(418)을 포함할 수 있다.
또한, 체결홀(418)에 대응되는 위치에서, 제 1 열전도 플레이트(200) 및 제 2 열전도 플레이트(300)를 관통하는 체결홀(210, 320)을 포함할 수 있다.
몸체(610)의 체결홀(418), 제 1 열전도 플레이트(200)의 체결홀(210) 및 제 2 열전도 플레이트(300)의 체결홀(320)에는 볼트와 같은 제 1 체결 부재(710)가 삽입되며, 삽입 반대 측에는 너트와 같은 제 2 체결 부재(720)가 체결될 수 있다.
즉, 제 1 체결 부재(710)와 제 2 체결 부재(720)의 체결을 통해 제 1 열전도 플레이트(200), 몸체(610) 및 제 2 열전도 플레이트(300)는 보다 견고히 결합될 수 있으며, 열에 대한 변형을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 정수기에 적용된 예를 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 정수기에 적용된 예를 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 적용된 정수기(1)는 원수 공급관(12a), 정수 탱크 유입관(12b), 정수탱크(12), 필터 어셈블리(13), 냉각 팬(14), 축열조(15), 냉수 공급관(15a), 및 열전 모듈(1000)을 포함할 수 있다.
원수 공급관(12a)은 수원으로부터 정수 대상인 물을 필터 어셈블리(13)로 유입시키는 공급관이고, 정수 탱크 유입관(12b)은 필터 어셈블리(13)에서 정수된 물을 정수 탱크(12)로 유입시키는 유입관이고, 냉수 공급관(15a)은 정수 탱크(12)에서 열전 모듈(1000)에 의해 소정 온도로 냉각된 냉수가 최종적으로 사용자에게 공급되는 공급관이다.
정수 탱크(12)는 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수되고 정수 탱크 유입관(12b)을 통해 유입된 물을 저장 및 외부로 공급하도록 정수된 물을 잠시 수용한다.
필터 어셈블리(13)는 침전 필터(13a)와, 프리 카본 필터(13b)와, 멤브레인 필터(13c)와, 포스트 카본 필터(13d)로 구성된다.
즉, 원수 공급관(12a)으로 유입되는 물은 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수될 수 있다.
축열조(15)가 정수 탱크(12)와, 열전 소자(500)의 사이에 배치되어, 열전 모듈(1000)에서 형성된 냉기가 저장된다. 축열조(15)에 저장된 냉기는 정수 탱크(12)로 인가되어, 정수 탱크(120)에 수용된 물을 냉각시킨다.
냉기 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록, 축열조(15)는 정수 탱크(12)와 면접촉될 수 있다.
열전 모듈(1000)은 상술한 바와 같이, 흡열면과 발열면을 구비하며, P 형 반도체 및 N형 반도체 상의 전자 이동에 의해, 일측은 냉각되고, 타측은 가열된다.
여기서, 일측은 정수 탱크(12) 측이며, 타측은 정수 탱크(12)의 반대측일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전 모듈(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 냉장고에 적용된 예를 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 냉장고에 적용된 예를 개략적으로 도시한 블록도이다.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전 모듈(1000)을 포함할 수 있다.
냉장고 내는 심온 증발실 커버(23)에 의하여 심온 저장실과 심온 증발실로 구획된다.
상세히, 상기 심온 증발실 커버(23)의 전방에 해당하는 내부 공간이 심온 저장실로 정의되고, 심온 증발실 커버(23)의 후방에 해당하는 내부 공간이 심온 증발실로 정의될 수 있다.
심온 증발실 커버(23)의 전면에는 토출 그릴(23a)과 흡입 그릴(23b) 이 각각 형성될 수 있다.
증발실 구획벽(24)은 인너 캐비닛의 후벽으로부터 전방으로 이격되는 지점에 설치되어, 심온실 저장 시스템이 놓이는 공간과 메인 증발기(25)가 놓이는 공간을 구획한다.
메인 증발기(25)에 의하여 냉각되는 냉기는 냉동실로 공급된 뒤 다시 메인 증발기 쪽으로 되돌아간다.
열전 모듈(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전 모듈(1000)에서 발생되는 흡열 현상을 이용하여 서랍 어셈블리에 저장된 음식물을 섭씨 영하 50도 이하의 초저온 상태로 신속하게 냉각시키는데 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전 모듈(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 냉장고 내에서 서랍 어셈블리를 효율적으로 냉각할 수 있다.
도시되지 않았지만, 도 1 및 도 5 에 있어서 제 1 열전도 플레이트(200)는 제 2 열전도 플레이트(300)와 같이 복수의 방열핀(201)이 배치된 타면은 단차가 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로 제 2 열전도 플레이트(300)는 제 1 열전도 플레이트(200)와 같이 복수의 방열핀(301)이 배치된 타면은 단차 없이 평평하게 형성될 수 있다. 또한, 밀봉부(400)의 상하부에 배치된 밀봉 부재(421, 422, 431, 432, 433, 434)는 생략될 수 있으며, 단계적으로 밀봉부재(421, 422)만 배치되거나, 밀봉 부재(431, 432, 433, 434)만 배치될 수도 있다. 또한, 열전 소자(100)의 폭이 밀봉부(400)의 폭보다 작게 도시 되었으나 이와 반대로 열전 소자(100)의 폭이 더 크게 될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 모듈이 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 모듈이 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈이 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈은 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 제 1 열전도 플레이트;
    상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치된 열전 소자;
    상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트; 및
    상기 열전 소자를 둘러싸며, 상기 제 1 열전도 플레이트와 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 배치된 밀봉부; 를 포함하고,
    상기 열전 소자는
    제 1 기판;
    상기 제 1 기판상에 배치된 복수의 열전 레그;
    상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치된 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및
    상기 전극에 전기적으로 연결된 리드선; 을 포함하고,
    상기 밀봉부는
    상기 열전 소자가 수용되도록 중심부에 홀이 형성된 몸체; 및
    상기 몸체의 하면과 상기 제 1 열전도 플레이트 사이 및 상기 몸체의 상면과 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 각각 배치된 밀봉 부재; 를 포함하는 열전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는
    하면에서 소정 깊이로 형성되며, 상기 홀의 둘레를 따라 형성된 제 1 홈; 및
    상면에서 소정 깊이로 형성되며, 상기 홀의 둘레를 따라 형성된 제 2 홈; 을 포함하는 열전 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉 부재는
    상기 몸체의 제 1 홈에 삽입되는 제 1 밀봉 부재; 및
    상기 몸체의 제 2 홈에 삽입되는 제 2 밀봉 부재; 를 포함하는 열전 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 몸체의 하면 상에서 상기 제 1 홈과 상기 홀 사이에 배치되는 제 3 밀봉 부재; 및
    상기 몸체의 하면 상에서 상기 제 1 홈과 상기 몸체의 외측 모서리 사이에 배치되는 제 4 밀봉 부재; 를 포함하는 열전 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 밀봉 부재 및 상기 제 4 밀봉 부재는 둘레가 닫힌 형상인 열전 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 몸체의 상면 상에서 상기 제 2 홈과 상기 홀 사이에 배치되는 제 5 밀봉 부재; 및
    상기 몸체의 상면 상에서 상기 제 2 홈과 상기 몸체의 외측 모서리 사이에 배치되는 제 6 밀봉 부재; 를 포함하는 열전 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 5 밀봉 부재 및 상기 제 6 밀봉 부재는 둘레가 닫힌 형상인 열전 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은
    상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되며, 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제 1 열전도층 및
    상기 제 1 열전도층의 상에 배치되며, 실리콘 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제 2 열전도층을 포함하는 열전 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 제 1 리드선 및 제 2 리드선이 관통되는 관통홀을 포함하는 열전 모듈.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 몸체의 높이는 상기 제 1 홈의 깊이 대비 3배 내지 5배인 열전 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 홈과 상기 제 2 홈의 최단 거리는 상기 제 1 홈의 깊이 대비 1배 내지 3 배인 열전 모듈.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 홈의 깊이는 상기 몸체의 하면에서 상기 관통홀까지의 최단 거리에 비해 작은 열전 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 발포 폴리스타이렌(EPS, expanded polystyrene)인 열전 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도 플레이트, 상기 몸체 및 상기 제 2 열전도 플레이트 각각은 상부에서 하부로 관통되는 체결홀을 각각 포함하고,
    상기 체결홀에 삽입되어 상기 제 1 열전도 플레이트, 상기 몸체 및 상기 제 2 열전도 플레이트를 체결하는 체결 부재를 더 포함하는 열전 모듈.
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