KR20210120557A - 신뢰성이 개선된 열전발전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈의 고온부 전극과 고온부 기판 사이에는 고분자 버퍼층이 형성되는 신뢰성이 개선된 열전발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 열전모듈의 전극과 기판 사이에 버퍼층을 형성함으로써, 상용 열전모듈의 적용 온도 이상의 중 고온 온도범위에서 사용할 경우에도 성능을 유지하면서 높은 신뢰성을 나타낼 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

신뢰성이 개선된 열전발전모듈{THERMOElECTRIC GENERATION MODULE, TEG}

본 발명은 신뢰성이 개선된 열전발전모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고온의 열원부와 접하는 열전발전모듈의 고온면에 대하여 구리 전극과 세라믹 기판 사이에 절연재질의 버퍼층을 형성하며, 특히 열전발전모듈 내부의 전극과 열전모듈의 표면, 전극과 소자의 접합재 전체를 동일 재질의 구리 금속을 사용함으로써, 상용의 열전모듈의 적용 온도 이상의 중·고온 온도범위에서 사용하는 경우에도 열전성능을 유지하면서 높은 신뢰성을 나타낼 수 있도록 하는 신뢰성이 개선된 열전발전장치모듈에 관한 것이다.

본 발명은 산업통상자원부 및 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 20172010000760, 과제명: 비철산업 용해주조공정의 미활용 폐열을 이용한 10kW급 열전발전시스템 개발].

열전(Thermoelectric) 기술은 열에너지를 전기에너지로 변환하는 Seebeck 효과와 전기에너지를 열에너지로 변환 하는 Peltier 효과를 활용하여 열과 전기를 자유롭게 변환할 수 있는 친환경 에너지 기술이다.

도 1에는 열전모듈에 의한 냉각(Peltier 효과)과 발전(Seebeck 효과)에 대한 기본원리를 나타낸 모식도가 개시되어 있다. 두 가지 모두 전자(electron)와 홀(hole)이 전하(charge)를 이동시키느냐 아니면 열(heat)을 이동시키느냐에 따라 그 응용범위가 결정되며, 이러한 열전에너지 변환 효과는 직렬로 연결된 n형과 p형의 반도체 열전소재와 전극으로 구성된 모듈의 형태로 구현되는 것이다.

일반적인 열전발전장치의 핵심적인 구성은 Bi₂Te₃ 계 반도체소자의 배열을 포함한 밀봉된 열전모듈(Thermoelectric module)이며, 이러한 모듈의 구성은 열전재료에 화학적으로 안정한 환경을 제공하여 긴 수명을 보장하게 된다. 이러한 열전모듈을 가스버너에 적용할 경우, 가스버너는 열전모듈의 한 쪽에 설치하고, 반대쪽은 알루미늄 냉각핀 또는 히트파이프 부품 등으로 차갑게 유지시키게 되면, 열전모듈은 열전발전기로서 작용하여 기계적인 운동 없이 안정적인 DC 전력을 만들어낼 수 있다.

이러한 열전모듈의 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는 열전발전장치는 최근의 환경 오염 문제와 에너지 절약 이슈와 맞물려 그 수요와 필요성이 계속 증가하고 있다. 즉, 각종 배기가스와 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.

그러나, 이러한, 열전발전장치의 주요한 문제는 상대적으로 낮은 변환효율(일반적으로 약 5%)이다. 이러한 문제점은 열전발전장치가 특히 신뢰성이 중요한 고려사항이 되는 많은 분야에서 전력발전장치로 이용되는 것에 제약이 되고 있다. 또한, 종래 열전발전모듈은 높은 외부 온도 또는 온도차에 따라 변형이 발생되거나 또는 사용이 불가한 상태에 놓이기 때문에 그 사용범위가 제한적이었다.

이로 인해 산업현장에서 발생되는 폐열 등을 통한 전기에너지 생산이 원활하게 이루어질 수 없었다. 예를 들어 150℃이상에서는 열전발전모듈의 변형이 발생하게 되고, 200℃를 초과하게 되는 경우에는 사용 자체가 불가능하게 될 수 있다.

KR 10-1327735 US 5,892,656

본 발명의 목적은 열전모듈의 고온부 전극과 기판 사이에 절연재질의 버퍼층을 형성하고, 전극과 소자와 접합재를 모두 동일한 재질의 구리금속을 사용함으로써, 상용 열전모듈의 적용 온도 이상의 중 고온 온도범위에서 사용할 경우에도 성능을 유지하면서 높은 신뢰성을 나타낼 수 있도록 하는 신뢰성이 개선된 열전발전모듈을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈의 고온부 전극과 고온부 기판 사이에는 고분자 버퍼층이 형성되는 신뢰성이 개선된 열전발전장치를 통해 달성된다.

상기 고온부 전극 및 고온부 기판은 상부 전극 및 상부 기판일 수 있다.

상기 고분자 버퍼층은 실리콘 소재로 이루어질 수 있다.

상기 열전모듈의 열전반도체와 전극은 은 및 구리계 페이스트 접합재에 의해 결합될 수 있다.

상기 열전모듈은 200 내지 400℃ 의 온도범위에 적용되어 구동되는 열전모듈일 수 있다.

본 발명에 의하면, 열전모듈의 전극과 기판 사이에 버퍼층을 형성함으로써, 상용 열전모듈의 적용 온도 이상의 중 고온 온도범위에서 사용할 경우에도 성능을 유지하면서 높은 신뢰성을 나타낼 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 열전모듈에 의한 Peltier 효과와 Seebeck 효과의 기본원리를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 전체적인 모습을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 신뢰성 테스트를 위한 평가 장치의 모습을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 사이클 테스트 결과에 따른 출력 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 사이클 테스트 결과에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 전체적인 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 신뢰성 테스트를 위한 평가 장치의 모습을 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 사이클 테스트 결과에 따른 출력 변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈의 사이클 테스트 결과에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전모듈은 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전모듈(100)를 포함하고, 상기 열전모듈의 고온부 전극(140)과 고온부 기판(150) 사이에는 고분자 버퍼층(160)이 형성되는 것으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 신뢰성이 개선된 열전발전장치는 열전모듈(100)의 고온부 전극(140)과 고온부 기판(150) 사이에 기능성 고분자 버퍼층(160)을 형성하고, 전극과 열전모듈의 표면, 전극과 열전모듈의 접합재를 모두 동일한 재질의 구리금속을 이용하여 접합함으로써, 발열원으로부터의 200℃ 이상의 중, 고온에서도 열전모듈의 열변형이나 기계적 스트레스를 최소화하여 열전발전장치가 성능을 유지하면서 높은 신뢰성을 나타내도록 할 수 있다.

참고로, 상기 열전발전장치의 구성을 하부에서부터 상부로 올라가면서 순차적으로 살펴보면, 하부에는 열전모듈(100)이 배치되고, 이러한 열전모듈(100) 상부에 발열원(도시하지 않음)이 배치된다.

따라서, 발열원에서 발생된 열에너지가 열전모듈(100)로 이동하면서, 고온부 기판(150)의 온도는 높게 하고, 저온부 기판(110)은 외부 공기 등에 의해 냉각되어 열전모듈(100)의 상부와 하부에서 상당한 온도차가 발생하도록 함으로써, 열전모듈(100)는 제벡 효과(Seebeck effect)에 의한 전류를 발생시키게 된다. 이와 같이 발생된 전류는 열전모듈(100)에 연결된 전극 연결선(도시하지 않음)에 의해 외부로 전달된다.

본 발명에 따른 열전발전모듈은 열전모듈(100)의 고온부 기판(150)과 고온부 전극(140) 사이에 고분자 버퍼층(160)을 형성하고, 전극과 열전모듈과 접합재를 모두 동일한 재질의 금속으로 연결시킴으로써, 발열원과 열전모듈의 고온부 기판(150)으로부터 발생하는 열로 인해 발생할 수 있는 열전모듈(100) 자체의 기계적 스트레스와 변형을 최소화하고 이종금속 간의 연결로 인한 열팽창계수 차이에 따른 추가적인 열변형을 감소시켜 열전모듈(100)가 효율적이고, 안정적으로 전기를 발생시킬 수 있도록 하므로, 효율이 높고, 신뢰성과 안정성이 우수한 장점을 가지게 된다.

상기 열전모듈(100)의 고온부 기판(150)과 저온부 기판(110) 사이에는 각각 고온부 구리전극(140)과 저온부 구리전극(120)이 각각 배치되어 있으며 이러한 전극(140, 120)들 사이에 p형 반도체와 n형 반도체들로 이루어진 열전반도체(130)들이 배치되어 고온부 기판(150)에서 흡수한 열을 저온부 기판(110)로 전달하는 과정에서 전류가 발생하게 된다. 즉, 열전모듈(100)에서 고온부 기판(150)과 저온부 기판(110)의 온도차에 의해 p형 반도체에서는 정공(hole)이 고온부 기판(150)로부터 저온부 기판(110) 방향으로 움직이게 되고, n형 반도체에서는 전자(electron)가 고온부 기판(150)으로부터 저온부 기판(110) 방향으로 움직이게 되며, 이러한 정공과 전자의 움직임에 따라 반 시계방향으로 전류가 흐르게 되어, 전극 연결선(도시하지 않음)에 의해 외부로 전달된다.

여기서, 상기 저온부 기판(110)과 전극(120)에는 기판과 전극을 직접 결합하여 만드는 DBC(Direct Bonded Copper) 방법에 의한 기판을 사용할 수 있으며, 이러한 DBC 기판은 고온부 기판에서 전달되어 들어오는 열을 저온부의 방열부로 신속하게 전달시킴으로써 열전모듈의 효율을 증가시키도록 하는 것이 바람직하다.

상기 열전모듈(100)와 발열원은 예를 들어 기계적 결합구조나 클램핑 구조에 의해 서로 결합되어 고정될 수 있으며, 상기 열전모듈의 저온부 기판(110), 열전모듈의 고온부 기판(150) 및 발열원을 순차적으로 관통하는 볼트 체결부재(도시하지 않음)에 의해 서로 결합되어 일체화 될 수 있다.

상기 고온부 전극(140) 및 고온부 기판(150)은 상부 전극 및 상부 기판으로 형성될 수 있다. 즉, 열전모듈(100)의 상부에 발열원을 배치하고, 열전모듈(100)의 고온부 전극(140) 및 고온부 기판(150)의 사이에 버퍼층이 형성되도록 하여 상부에서 들어오는 고온의 열에너지에 의한 열전모듈(100)의 열변형과 기계적 스트레스를 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 고분자 버퍼층(160)의 소재는 고온부 기판(150)과 고온부 전극(140) 사이에 구비되어 열전모듈(100)의 신뢰성을 개선할 수 있는 소재이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 실리콘 소재로 이루어질 수 있다. 이때 실리콘 소재 버퍼층(160)은 고온부의 발생열을 열전모듈의 저온부로 더 잘 전달하기 위해서 금속분말 등을 포함할 수 있으며, 이때 금속분말은 구리, 은 등의 금속분말이 0에서 10vol% 이내에서 사용될 수 있다. 상기 실리콘 버퍼층은 예를 들어 700 내지 900℃에서 1 내지 5 시간 동안 실리콘을 기화시켜 고온부 기판(150) 내부면에 코팅시킬 수 있으며, 또는 실리콘과 오일이 혼합된 점성체를 고온부 기판 표면에 인쇄하고 1 내지 5 시간 동안 경화시켜 기판에 코팅시키는 것도 가능하다. 이 때 실리콘 버퍼층(160)의 두께는 0.05 내지 0.15mm로 형성될 수 있다.

상기 열전모듈(100)의 열전반도체(130)와 전극(120, 130)은 은 및 구리 표면층을 가지면서 은 및 구리계 페이스트 접합재에 의해 결합될 수 있다.

상기 열전모듈(100)의 열전반도체(130)와 전극(120, 130)의 각 표면은 은 및 구리 금속으로 형성시켜 은 및 구리 표면층을 갖도록 형성하면서, 열전반도체(130)와 전극(120, 130)은 Cu와, Al, Zn, Sn, Cu 및 Ag 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 접합재에 의해 서로 결합될 수 있으며, 바람직하게는 전극(120, 130)과 열전반도체(130) 사이의 우수한 결합력을 제공하면서 중, 고온 영역에서도 우수한 열안정성을 나타내는 은 및 구리계 페이스트 접합재에 의해 서로 결합됨으로써, 열전발전장치의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 열전모듈(100)는 예를 들어 200 내지 400℃ 의 온도범위에 적용되어 구동되는 열전모듈(100)로 구비됨으로써, 열전발전장치의 성능과 신뢰성을 더 안정적으로 담보할 수 있다.

<실시예>

[실시예 1]

60X60 크기의 기판상에 1.5X1.5X0.8mm(길이, 폭, 높이)의 크기를 갖는 열전반도체 leg(접합되는 표면에 구리 도금)와 구리 전극을 이용하여 온도 240±5 ℃ 승온 시간 2 min, 유지 10 min, 대기 분위기, 압력 20 kg 의 조건에서 열전모듈을 제작하되 구리 접합재를 이용하여 상기 열전반도체와 Cu 전극을 접합시키고, 도 2에서와 같이 고온의 열원부와 접촉하는 상부 기판(150)과 상부 전극(140) 사이에는 0.1mm 두께의 실리콘 버퍼층(160)을 형성하여 열전모듈을 제조하였다. 이때 열전반도체와 전극과 접합재는 모두 동일한 재질의 구리 금속으로 이뤄지도록 하였으며, 상기 실리콘 버퍼층은 실리콘과 오일이 혼합된 점성체를 고온부 기판 표면에 인쇄하고 1 내지 5 시간 동안 경화시켜 고온부 기판(150) 내부면에 코팅시켰다.

[실시예 2]

구리 접합재 대신 Ag paste 접합재(Kyocera 社제품)를 사용하여 열전반도체와 Cu 전극을 접합시킨 것 이외에 실시예 1과 동일한 방법과 조건으로 열전모듈을 제조하였다.

[비교예 1]

열전모듈의 기판과 전극 사이에 별도의 실리콘 버퍼층을 형성하지 않고, 단지 DBC(direct bonded copper) 방법을 이용하여 기판과 전극을 접합한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법과 조건으로 열전모듈을 제조하였다.

[비교예 2]

열전모듈의 기판과 전극 사이에 별도의 실리콘 버퍼층을 형성하지 않고, 단지 DBC(direct bonded copper) 방법을 이용하여 기판과 전극을 접합한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법과 조건으로 열전모듈을 제조하였다.

[실험예]

* 열전발전모듈의 신뢰성 평가 테스트

실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 각각의 열전모듈 저온부에는 Thermal 그리스 처리를 하고, 고온부에는 그라파이트 시트(250 μm)를 배치한 다음, 도 3에서와 같은 열전발전장치 신뢰성 평가장치의 테스트 위치(P)에 각각 배치하여 아래 에서와 같은 조건에서 사이클 반복 후, 출력 변화율 및 저항 변화율에 대한 시험 결과를 도 4 및 도 5에 각각 나타내었다.

도 4 및 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 접합재와 실리콘 버퍼층을 형성한 실시예 1(#2 Cu paste, glue) 및 실시예 2(#1 Ag paste, glue)의 열전모듈의 경우, 발전 사이클이 수회 반복된 경우에도, 출력 변화율이 거의 일정하게 유지되었으며, 저항 변화도 거의 일정하게 유지되었다.

반면, 본 발명에 따른 실리콘 버퍼층을 적용하지 않은 비교예 1(#4 Cu paste, all DBC) 및 비교예 2(#3 Ag paste, all DBC)의 열전모듈의 경우, 발전 사이클이 반복될수록, 출력이 급격하게 저하되었으며, 특히 비교예 2(#3 Ag paste, all DBC)의 열전모듈은 출력변화율이 더욱 급격하게 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 비교예 1(#4 Cu paste, all DBC) 및 비교예 2(#3 Ag paste, all DBC)의 열전모듈은 저항 변화율에 있어서도 사이클이 반복될수록 저항이 급격하게 증가하였으며 특히 비교예 2(#3 Ag paste, all DBC)의 열전모듈의 저항변화가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 열전모듈
110: 저온부 기판
120: 저온부 전극
130: 열전 반도체
140: 고온부 전극
150: 고온부 기판
160: 고분자 버퍼층

Claims (5)

1. 고온부와 저온부의 온도차이를 이용하여 기전력을 발생시키는 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈의 고온부 전극과 고온부 기판 사이에는 고분자 버퍼층이 형성되는 신뢰성이 개선된 열전발전모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고온부 전극 및 고온부 기판은 상부 전극 및 상부 기판인 신뢰성이 개선된 열전발전모듈.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 버퍼층은 실리콘 소재로 이루어지는 신뢰성이 개선된 열전발전모듈.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전모듈의 열전반도체와 전극은 은 및 구리계 페이스트 접합재에 의해 결합되는 신뢰성이 개선된 열전발전모듈.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 열전모듈은 200 내지 400℃ 의 온도범위에 적용되어 구동되는 열전모듈인 신뢰성이 개선된 열전발전모듈.
   

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