KR20200104104A - 열전모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 열전달부재, 상기 제1 열전달부재 상에 배치된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판, 그리고, 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 열전달부재를 포함하고, 상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재는 각각 복수의 공기 유로를 형성하며, 상기 제1 열전달부재의 표면적은 제2 열전달부재의 표면적 보다 크고, 상기 제2 열전달부재의 표면적에 대한 상기 제1 열전달부재의 표면적 비는 1.1 내지 5이다.
Description
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전모듈의 열전달부재에 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, 아웃도어제품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉온 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다.
열전 소자가 냉온 장치에 적용되는 경우, 장치 내로 유입된 공기는 열전 소자의 저온부 측에서 냉각되고, 고온부 측에서 가열된 후 배출된다. 이때, 저온부 측은 주변의 공기보다 온도가 낮아지며, 고온부 측은 주변의 공기보다 온도가 높아지는데, 이때 저온부 기판과 고온부 기판에는 주변 공기와의 열교환이 유리하도록 열전달부재가 설치된다.
열전모듈은 열전달부재와 주변의 공기의 열교환이 원활할수록 냉각 또는 발열 성능이 향상된다. 이때, 저온부 기판에 설치된 열전달부재와 주변의 공기 사이의 열교환이 충분하지 않은 경우, 저온부의 냉각 성능이 저하되고 열전모듈의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이에, 열전 모듈의 성능을 향상시키기 위한 저온부 열전달부재의 열교환 구조 설계가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전모듈의 열교환 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 열전달부재, 상기 제1 열전달부재 상에 배치된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판, 그리고, 상기 제2 기판 상에 배치된 제2 열전달부재를 포함하고, 상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재는 각각 복수의 공기 유로를 형성하며, 상기 제1 열전달부재의 표면적은 제2 열전달부재의 표면적 보다 크고, 상기 제2 열전달부재의 표면적에 대한 상기 제1 열전달부재의 표면적 비는 1.1 내지 5이다.
상기 제1 기판은 저온부이고, 상기 제2 기판은 고온부일 수 있다.
상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재 중 적어도 하나는 평판 형상의 복수의 기재가 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재 중 적어도 하나는 평판 형상의 기재가 소정 간격을 가지도록 규칙적으로 폴딩된 복수의 폴딩 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1 열전달부재에 포함된 상기 평판 형상의 복수의 기재 또는 상기 복수의 폴딩 유닛은 적어도 하나의 절곡부 포함할 수 있다.
상기 제2 열전달부재에 포함된 상기 평판 형상의 복수의 기재 또는 상기 복수의 폴딩 유닛은 적어도 하나의 절곡부를 포함하며, 상기 제1 열전달부재에 포함된 절곡부의 개수는 상기 제2 열전달부재에 포함된 절곡부의 개수보다 많을 수 있다.
상기 절곡부는 복수개이며, 상기 복수개의 절곡부는 공기 유로 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
상기 절곡부는 복수개이며, 상기 복수개의 절곡부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제1 열전달부재로 향하는 방향 또는 상기 제2 기판으로부터 상기 제2 열전달부재로 향하는 방향으로 반복 배치될 수 있다.
상기 제1 열전달부재의 높이는 상기 제2 열전달부재의 높이 보다 클 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 저온부 열교환부재의 열교환 면적과 열교환 시간을 증대하여, 저온부를 냉각 온도를 보다 저온으로 낮출 수 있어, 열전모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
특히, 고온부 대비 저온부의 열교환부재의 열교환 면적과 열교환 시간을 증대함으로써, 고온부의 발열로 인한 열기의 간섭은 줄이면서 저온부의 냉각 효율을 개선하여, 열전모듈의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 열교환부재의 차지 면적 대비 열교환 면적을 증대하여, 열전모듈의 생산성을 유지하면서 열전모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전달부재이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
도 11 및 도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
도 13 및 도 14는 본 발병의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
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도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전달부재이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
도 11 및 도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
도 13 및 도 14는 본 발병의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 2개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 2개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 관하여 도면을 참조로 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 열전소자(100)는 제1 기판(170), 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150), 제2 수지층(160) 및 제2 기판(180)을 포함한다.
복수의 제1 전극(120)은 제1 수지층(110)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 복수의 제2 전극(150)은 제2 수지층(160)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 복수의 제1 전극(120) 및 복수의 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
각 제1 전극(120) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)가 배치될 수 있으며, 각 제2 전극(150) 상에는 각 제1 전극(120) 상에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 중 하나가 겹쳐지도록 한 쌍의 N형 열전 레그(140) 및 P형 열전 레그(130)가 배치될 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 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 벌크형으로 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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 다결정 열전 레그를 위하여, 열전 레그용 분말을 소결할 때, 100MPa 내지 200MPa로 압축할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 100 내지 150MPa, 바람직하게는 110 내지 140MPa, 더욱 바람직하게는 120 내지 130MPa로 소결할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 150 내지 200MPa, 바람직하게는 160 내지 195MPa, 더욱 바람직하게는 170 내지 190MPa로 소결할 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(100)가 진동이 있는 애플리케이션, 예를 들어 차량 등에 적용되는 경우에도 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)에 크랙이 발생하는 문제를 방지할 수 있으며, 열전소자(100)의 내구성 및 신뢰성을 높일 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 열전소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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.
열전소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 제1 수지층(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 복수의 제1 전극(120), 그리고 제2 수지층(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 복수의 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
제1 기판(170) 및 제2 기판(180)은 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150), 제2 수지층(160) 등을 지지할 수 있다. 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)은 금속일 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(170), 제2 기판(180) 또는 제1 금속지지체 및 제2 금속지지체와 혼용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)이 사용되는 경우, 세라믹 기판에 비하여 깨짐이 발생할 가능성이 적으며, 이에 따라 내구성이 향상될 수 있고, 열전도 성능이 현저히 높을 수 있다.
제1 기판(170)의 면적은 제1 수지층(110)의 면적보다 클 수 있으며, 제2 기판(180)의 면적은 제2 수지층(160)의 면적보다 클 수 있다. 즉, 제1 수지층(110)은 제1 기판(170)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있고, 제2 수지층(160)은 제2 기판(180)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있다.
이때, 제1 기판(170)의 폭 길이는 제2 기판(180)의 폭 길이보다 크거나, 제1 기판(170)의 두께는 제2 기판(180)의 두께보다 클 수 있다.
이때, 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)의 두께는 100㎛ 이상, 바람직하게는 120㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 140㎛ 이상일 수 있으며, 평탄도는 0.05mm 이하일 수 있다. 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)의 두께가 이러한 조건을 만족할 경우, 열전모듈의 물리적 강도가 높아질 수 있으며, 차량 등과 같이 진동이 강하게 발생하는 애플리케이션에 열전모듈이 적용되더라도 기판의 변형이 방지될 수 있다.
그리고, 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)은 구리를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 99.9% 이상의 순동으로 이루어질 수 있다. 순동의 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)는 약 17.6m/mK로, 황동의 CTE인 약 19.9m/mK보다 낮다. 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)이 순동으로 이루어지는 경우, 열적 변화에 대한 응력이 감소할 수 있다. 이에 따라, 열전모듈이 차량 등과 같이 고온에 노출되는 애플리케이션에 적용되더라도, 기판의 변형으로 인한 열전 레그의 이탈을 방지할 수 있으므로, 열전모듈의 내구성 및 신뢰성이 높아질 수 있다.
제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물과 무기충전재로 이루어질 수도 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 68 내지 88vol%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 68vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 88vol%를 초과하여 포함되면 수지층과 금속기판 간의 접착력이 낮아질 수 있으며, 수지층이 쉽게 깨질 수 있다.
제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)의 두께는 0.02 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있으며, 열전도도는 1W/mK이상, 바람직하게는 10W/mK이상, 더욱 바람직하게는 20W/mK 이상일 수 있다. 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160)의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)이 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 제1 수지층(110)과 제1 기판(170) 간의 접합 및 제2 수지층(160)과 제2 기판(180) 간의 접합에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 질화물은 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화붕소는 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체일 수 있다.
제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)이 산화알루미늄을 포함하면, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)의 높은 열전도 성능을 얻을 수 있다.
이때, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)이 PDMS 및 산화알루미늄을 포함하는 수지 조성물로 이루어진 경우, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)은 탄성의 절연층이 될 수 있다. 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)이 탄성을 가지면, 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 열충격이 완화될 수 있으며, 이에 따라 열전소자(100)가 차량 등과 같이 고온에 노출되는 애플리케이션에 적용되더라도, 열전 레그의 이탈을 방지할 수 있으므로, 열전소자(100)의 내구성 및 신뢰성이 높아질 수 있다.
이와 같이, 제1 기판(170)과 복수의 제1 전극(120) 사이에 제1 수지층(110)이 배치되면, 별도의 세라믹 기판 없이도 제1 기판(170)과 복수의 제1 전극(120) 사이의 열전달이 가능하며, 제1 수지층(110) 자체의 접착 성능으로 인하여 별도의 접착제 또는 물리적인 체결 수단이 필요하지 않다. 이에 따라, 열전모듈의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있으며, 열전모듈의 내구성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 실링부(190)를 더 포함한다.
실링부(190)는 제1 수지층(110)의 측면과 제 2수지층(160)의 측면에 배치될 수 있다, 즉, 실링부(190)는 제1 기판(170)과 제2 기판(180) 사이에 배치되며, 제1 수지층(110)의 측면, 복수의 제1 전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽, 복수의 제2 전극(150)의 최외곽 및 제2 수지층(160)의 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.
여기서, 실링부(190)는 제1 수지층(110)의 측면, 복수의 제1 전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽, 복수의 제2 전극(150)의 최외곽 및 제2 수지층(160)의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 제2 기판(180) 사이에 배치되는 실링재(194), 실링케이스(192)와 제1 기판(170) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링케이스(192)가 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)과 직접 접촉할 경우 실링케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 △T가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다.
여기서, 실링재(194, 196)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재(194, 196)는 실링케이스(192)와 제1 기판(170) 사이 및 실링케이스(192)와 제2 기판(180) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(160)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 와이어(200, 202)를 인출하기 위한 가이드 홈(G)이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스(192)는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다.
도시되지 않았으나, 실링부(190)를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부(190)는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 공조 장치, 예를 들어 차량의 공조 장치에 적용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 차량의 통풍 시트 내에 매립될 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 열전달부재이다.
도 4를 참조하면, 열전모듈(1000)은 열전소자(100) 및 제1 열전달부재(600)와 제2 열전달부재(610)를 포함한다. 여기서, 열전소자(100)는 도 1 내지 도 4에 따른 열전소자일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 열전달부재(600) 상에 열전소자(100)의 제1 기판(170)이 배치되고, 열전소자(100)의 제2 기판(180) 상에 제2 열전달부재(610)가 배치된다.
열전모듈(1000)이 온풍 또는 냉풍을 발생시키는 장치에 적용되는 경우, 제1 기판(170) 및 제2 기판(180) 중 적어도 하나가 저온부가 되고, 다른 하나가 고온부가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(170)이 고온부가 되는 경우, 제1 열전달부재(600) 및 제2 열전달부재는 각각 복수의 공기 유로를 형성할 수 있다. 이때, 제1 열전달부재(600)의 표면적은 제2 열전달부재의 표면적보다 클 수 있다. 이때, 제2 열전달부재의 표면적에 대한 제1 열전달부재의 표면적 비는 1.1 내지 5일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 4 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5일 수 있다.
이하, 실시예들에 따른 열전모듈을 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다.
하기의 표 1은 제1 열교환부재의 표면적과 제2 열교환부재의 표면적 비에 따른 제2 열교환부재의 온도를 측정한 표이다.
실험예에 따른 열전모듈은 모두 도 4와 같은 구조로서, 열전소자(100), 제1 열전달부재(600)와 제2 열전달부재(610)을 포함한다.
다만, 제1 실험예는 제1 열교환부재와 제2 열교환부재의 표면적 비가 1;1이 되도록 실험하였고, 제2 실험예는 1:1.5가 되도록 실험하였으며, 제3 실험예는 1:3이 되도록 실험하였고, 제4실험예는 1:5가 되도록 실험하였다.
| 실험예 | 온도 |
| 제1 실험예 | 61℃ |
| 제2 실험예 | 153.8℃ |
| 제3 실험예 | 232.3℃ |
| 제4 실험예 | 235.6℃ |
상기 표 1을 참조하면, 제1 열교환부재 대비 제2 열교환부재의 표면적이 증가할수록 열교환능이 증가하여 제2 열교환부재, 즉 고온부의 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 그러나, 제1 열교환부재 대비 제2 열교환부재의 표면적이 3배 이상 증가하는 경우, 제2 열교환부재에서 더 이상의 열교환능의 상승은 일어나지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 기판(170)이 저온부가 되는 경우에도 동일하게 제1 열전달부재의 표면적을 제2 열전달부재의 표면적보다 크게 하여 저온부의 열교환 시간을 더 길어지게 하여 흡열 성능을 더 향상시킬 수 있다.
이때, 제2 열전달부재의 표면적에 대한 제1 열전달부재의 표면적 비 역시 1.1 내지 5일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 4 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5일 수 있다. 본 경우에서도 역시, 제2 열교환부재 대비 제1 열교환부재의 표면적이 3배 이상 증가하는 경우, 제1 열교환부재에서 더 이상의 열교환능의 상승은 일어나지 않는다.
이러한 본 발명에 따른 열전모듈은 저온부에 설치된 열교환부재의 열교환 면적과 열교환 시간을 증대하여, 저온부를 냉각 온도를 보다 저온으로 낮출 수 있어, 열전모듈을 냉온장치에 적용할 경우, 열전모듈의 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 고온부의 제2 열교환부재 대비 저온부의 제1 열교환부재의 열교환 면적과 열교환 시간을 증대함으로써, 고온부의 발열로 인한 열기의 간섭은 줄이면서 저온부의 냉각 효율을 개선하여, 열전모듈의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
여기서, 제1 열전달부재(600)는 도 5 내지 도 7에 도시된 구조를 가질 수 있다. 설명의 편의를 위하여 제1 열전달부재(600)만을 예시로 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며 제2 열전달부재(610)도 제1 열전달부재(600)와 동일한 구조를 가질 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 제1 열전달부재(600)는 공기와 면접촉을 수행할 수 있도록 제1평면(602)과 제1평면(602)의 반대 면인 제2평면(604)의 평판형상의 기재에 일정한 공기의 이동로인 공기 유로(C1)를 형성하도록 규칙적으로 폴딩된 폴딩 유닛(601)을 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 7에서 도시한 바와 같이, 이러한 폴딩 유닛(601)은 일정한 피치(P1, P2)와 높이(T1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접는 구조로 형성하는 방식으로 구현하는 것도 가능하며, 이러한 폴딩 유닛(601)은 도 5에 도시된 구조뿐 아니라 도 7에 도시된 것과 같이 다양한 변형형태로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 제1 열전달부재(600)는 공기가 면접촉하는 평면을 2면을 구비하고, 접촉하는 표면적을 극대화하기 위한 유로패턴을 형성되는 구조로 구현될 수 있다. 도 5에 도시된 구조에서는, 공기가 유입되는 유입부의 유로(C1)방향에서 유입되는 경우, 상술한 제1평면(602)과 상기 제1평면(602)의 반대 면인 제2평면(604)과 공기가 고르게 접촉하며 이동하여 유로의 말단(C2)방향으로 진행될 수 있도록 하는바, 단순한 평판형상과의 접촉 면보다 동일 공간에서 훨씬 많은 공기와의 접촉을 유도할 수 있게 되는바, 흡열이나 발열의 효과가 더욱 증진되게 된다. 여기서, C1으로부터 C2를 향하는 방향은 도 4의 제1 방향 또는 제1 방향의 반대 방향일 수 있다.
특히, 공기의 접촉면적을 더욱 증대하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 제1 열전달부재(600)는 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(606)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 저항패턴(606)은 단위 유로패턴을 고려할 때, 제1곡면(B1) 및 제2곡면(B2)에 각각 형성될 수 있다.
나아가, 저항패턴(606)은 도 6의 부분 확대도와 같이, 공기가 진입하는 방향으로 일정한 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출구조물로 형성되어 공기와의 마찰을 극대화하는 할 수 있도록 하여 접촉면적이나 접촉효율을 더욱 높일 수 있도록 한다. 나아가, 저항패턴(606)의 앞 부분의 기재 면에 홈(608)을 형성하여, 저항패턴(606)과 접촉하는 공기의 일부를 상기 홈(이하 '유동홈(608)'이라 한다.)을 형성하여 기재의 전면과 후면을 통과하여 접촉의 빈도나 면적을 더욱 높일 수 있도록 할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 예에서는 저항패턴이 공기의 유동방향에 저항을 극대화하도록 배치되는 구조로 형성하였으나, 이 형상에 한정되는 것은 아니며, 저항 설계에 따라 저항의 정도를 조절할 수 있도록 돌출되는 저항패턴의 방향을 반대로 설계되도록 할 수 있으며, 도 6에서는 저항패턴(606)이 히트싱크의 외표면에 형성되도록 구현하였으나, 반대로 히트싱크의 내표면에 형성하는 구조로도 변형이 가능하다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, (a) 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, (b) 폴딩 유닛(601)의 단위패턴이 첨부를 가지는 패턴 구조의 반복구조로 구현하거나, (c) 및 (d)에 도시된 것과 같이 단위패턴이 다각형 구조의 단면을 가지도록 다양하게 변화시킬 수 있다. 이상의 폴딩 유닛(601)은 패턴의 표면(B1, B2)에 도 6에서 상술한 저항패턴이 구비될 수 있음은 물론이다.
도 7에서 도시된 것은 폴딩 유닛(601)이 일정한 피치를 가지는 구조로 일정한 주기를 가지도록 형성한 것이지만, 이와는 달리 단위패턴의 피치를 균일하게 하지 않고, 패턴의 주기 역시 불균일하게 구현하도록 변형할 수 있으며, 나아가 각 단위패턴의 높이(T1) 역시 불균일하게 변형할 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재(600)의 공기 유로(C1) 표면적을 넓히기 위한 변형례에 관하여 설명하도록 한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재(600)의 변형례이다. 여기서, 제1 열전달부재(600)는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 평판 형상의 기재가 소정 간격을 가지도록 규칙적으로 폴딩된 복수의 폴딩 유닛(601)을 포함할 수 있다.
각 폴딩 유닛(601)은 적어도 하나의 절곡부(600C)를 포함할 수 있다. 도 9를 참조하면, 폴딩 유닛(601)은 복수의 절곡부(600C)를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 절곡부(600C)는 공기 유로(C1) 방향, 즉 제1 기판(170)과 평행한 방향으로 반복 배치될 수 있다.
이때, 도 9를 참조하면, 폴딩 유닛(601)은 복수의 절곡부(600C)를 포함하며, 각 절곡부(600C)는 단면이 U자 형상을 가지도록 형성되고, 복수의 절곡부(600C)는 동일한 형상으로 형성되며, 복수의 절곡부(600C)는 공기 유로(C1) 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 폴딩 유닛(601)은 복수의 절곡부(600C)를 포함하며, 복수의 절곡부(600C)는 단면이 V자 형상을 가지도록 형성되고, 복수의 절곡부(600C)는 동일한 형상으로 형성되며, 복수의 절곡부(600C)는 공기 유로(C1) 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 복수의 절곡부(600C)는 단면이 다각형 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 폴딩 유닛(601)은 하나의 절곡부(600C)를 포함하여, 가장 자리에 대비하여 중앙 부위가 볼록하거나 오목한 형상일 수도 있다. 한편, 폴딩 유닛(601)은 절곡부를 포함하지 않고 일방향으로 휘어지면서 커브(Curve)를 형성할 수 있으며, 휘어진 형상은 불균일하게 변형될 수 있다.
이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 제2 열전달부재(610)는 도 5에서 도시한 제1 열전달부재(600)의 구조와 같이 평판 형상의 기재가 소정 간격을 가지도록 규칙적으로 폴딩된 복수의 폴딩 유닛을 포함할 수 있으며, 복수의 폴딩 유닛은 적어도 하나의 절곡부를 포함하거나, 커브(Curve)를 형성하도록 휘어질 수 있다. 다만, 제1 열전달부재(600)의 폴딩 유닛(601)은 제2 열전달부재(610)의 폴딩 유닛에 비하여 절곡부의 개수가 많거나, 또는 휘어진 각도가 크게 형성될 수 있다. 이는, 제1 열전달부재(600)의 공기 유로 표면적을 제2 열전달부재(610)의 공기 유로 표면적 보다 크게 형성하기 위함이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다. 여기서, 제1 열전달부재(700)는 평판 형상의 복수의 기재(701)가 서로 이격 배치될 수 있으며, 복수의 기재(701) 사이로 공기 유로가 형성된다.
도 11를 참조하면, 평판 형상의 기재(701)는 복수의 절곡부(700C)를 포함할 수 있다. 이때, 각 절곡부(700C)는 단면이 U자 형상을 가지도록 형성되며, 복수의 절곡부(700C)는 동일한 형상으로 형성되고, 복수의 절곡부(700C)는 공기 유로(C1) 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 평판 형상의 기재(701)는 복수의 절곡부(700C)를 포함하며, 각 절곡부(700C)는 단면이 V자 형상을 가지도록 형성되고, 복수의 절곡부(700C)는 동일한 형상으로 형성되며, 복수의 절곡부(700C)는 공기 유로(C1) 방향을 따라 반복 배치될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 복수의 절곡부(700C)는 단면이 다각형 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 평판 형상의 기재(701)는 하나의 절곡부(700C)를 포함하여, 가장 자리에 대비하여 중앙 부위가 볼록하거나 오목한 형상일 수도 있다. 한편, 평판 형상의 기재(701)는 절곡부를 포함하지 않고 일방향으로 휘어지면서 커브(Curve)를 형성할 수 있으며, 휘어진 형상은 불균일하게 변형될 수 있다.
이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 제2 열전달부재(610)는 도 11 및 도 12에서 도시한 제1 열전달부재(700)의 구조와 같이 평판 형상의 복수의 기재가 서로 이격 배치될 수 있으며, 평판 형상의 복수의 기재는 적어도 하나의 절곡부를 포함하거나, 커브(Curve)를 형성하도록 휘어질 수 있다. 다만, 제1 열전달부재(700)의 평판 형상의 기재(701)는 제2 열전달부재의 평판 형상의 기재에 비하여 절곡부의 개수가 많거나, 또는 휘어진 각도가 크게 형성될 수 있다. 이는, 제1 열전달부재(700)의 공기 유로 표면적을 제2 열전달부재의 공기 유로 표면적 보다 크게 형성하기 위함이다.
도 13 및 도 14는 본 발병의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 제1 열전달부재의 변형례이다. 여기서, 제1 열전달부재(600) 및 제2 열전달부재(610)는 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 평판 형상의 기재가 소정 간격을 가지도록 규칙적으로 폴딩된 복수의 폴딩 유닛을 포함할 수 있다. 한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 본 실시예는 제1 열전달부재 및 제2 열전달부재를 서로 이격 배치된 평판 형상의 복수의 기재로 구현한 구조에도 적용 가능하다.
도 13를 참조하면, 상기 제1 열전달부재(600)의 높이(h1)는 제2 열전달부재(610)의 높이(h2) 보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 제2 열전달부재(610)의 높이(h2)에 대한 제1 열전달부재(600)의 높이(h1)의 비는 1.1 내지 5일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 4 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5일 수 있다. 이때, 제1 열전달부재(600)의 표면적이 제2 열전달부재(610)의 표면적 보다 제1 기판(170) 및 제2 기판(180)에 수직인 방향, 즉 제3 방향으로 증대될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 열전달부재(600)의 높이(h3)와 제2 열전달부재(610)의 높이(h)는 동일하게 고정하고, 각 열전달부재의 표면적을 상이하게 하여 적용할 수 있다.
이때, 제1 열전달부재(600)에 포함된 평판 형상의 기재 또는 폴딩 유닛은 복수의 절곡부(600C2)를 포함할 수 있으며, 복수의 절곡부(600C2)는 제1 기판(170)으로부터 수직인 방향, 즉 제3 방향으로 반복 배치될 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 열교환부재의 차지 면적 대비 열교환 면적을 증대하여, 열전모듈의 생산성을 유지하면서 열전모듈을 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 냉온 장치에 적용될 수 있다. 여기서, 냉온 장치는 냉각 기능 및 온열 기능 중 적어도 하나를 포함하는 장치일 수 있으며, 공조 장치 또는 통풍 장치가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 가구, 가전, 차량, 의자, 침대, 옷, 가방 등과 같이 냉각 기능 및 온열 기능 중 적어도 하나가 필요한 애플리케이션에 다양하게 적용될 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.
Claims (9)
- 제1 열전달부재,
상기 제1 열전달부재 상에 배치된 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층,
상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극,
상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그,
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극,
상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층,
상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판, 그리고,
상기 제2 기판 상에 배치된 제2 열전달부재를 포함하고,
상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재는 각각 복수의 공기 유로를 형성하며,
상기 제1 열전달부재의 표면적은 제2 열전달부재의 표면적 보다 크고,
상기 제2 열전달부재의 표면적에 대한 상기 제1 열전달부재의 표면적 비는 1.1 내지 5인 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판은 저온부이고, 상기 제2 기판은 고온부인 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재 중 적어도 하나는 평판 형상의 복수의 기재가 서로 이격되도록 배치된 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전달부재 및 상기 제2 열전달부재 중 적어도 하나는 평판 형상의 기재가 소정 간격을 가지도록 규칙적으로 폴딩된 복수의 폴딩 유닛을 포함하는 열전모듈. - 제4항에 있어서,
상기 제1 열전달부재에 포함된 상기 평판 형상의 복수의 기재 또는 상기 복수의 폴딩 유닛은 적어도 하나의 절곡부 포함하는 열전모듈. - 제5항에 있어서,
상기 제2 열전달부재에 포함된 상기 평판 형상의 복수의 기재 또는 상기 복수의 폴딩 유닛은 적어도 하나의 절곡부를 포함하며, 상기 제1 열전달부재에 포함된 절곡부의 개수는 상기 제2 열전달부재에 포함된 절곡부의 개수보다 많은 열전모듈. - 제6항에 있어서,
상기 절곡부는 복수개이며,
상기 복수개의 절곡부는 공기 유로 방향을 따라 반복 배치되는 열전모듈. - 제6항에 있어서,
상기 절곡부는 복수개이며,
상기 복수개의 절곡부는 상기 제1 기판으로부터 상기 제1 열전달부재로 향하는 방향 또는 상기 제2 기판으로부터 상기 제2 열전달부재로 향하는 방향으로 반복 배치되는 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전달부재의 높이는 상기 제2 열전달부재의 높이 보다 큰 열전모듈.
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-
2019
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