KR20220032284A - 열전 모듈 및 이를 포함하는 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따르면 제1 열전도 부재; 제2 열전도 부재; 상기 제1 열전도 부재와 상기 제2 열전도 부재 사이에 배치되는 열전 소자; 상기 열전 소자의 외측에 배치된 제1 실링부재; 및 상기 제1 실링부재의 외측에 배치된 제2 실링부재를 포함하고, 상기 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판과 마주보는 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 반도체 구조물을 포함하고, 상기 제1 실링부재는 상기 제1 기판의 상면과 상기 제2 기판의 저면 사이에 배치되고, 상기 반도체 구조물을 향하여 볼록한 측면을 포함하고, 상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 측면과 상기 제2 기판의 측면과 접촉하고,상기 제1 실링부재의 볼록한 측면과 상기 제2 실링부재 사이에 공극을 포함하는 열전 모듈을 개시한다.

Description

열전 모듈 및 이를 포함하는 발전 장치{THERMOELECTRIC MODULE AND POWER GENERATING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 열전 모듈 및 이를 포함하는 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자의 저온부와 고온부 간 온도 차를 이용하는 열전 모듈 및 이를 포함하는 발전장치에 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 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전 소자가 발전용 장치에 적용될 경우, 열전 소자의 저온부 측으로 제1 유체가 유동하도록 하고, 열전 소자의 고온부 측으로 제1 유체보다 고온의 제2 유체가 유동하도록 할 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 저온부와 고온부 간 온도 차에 의하여 전기가 생성될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 소자의 저온부와 고온부 간 온도 차를 이용하는 열전 모듈 및 이를 포함하는 발전장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 모듈 내에 상이한 위치에 복수의 실링부재가 배치됨으로써 신뢰성이 저하되지 않는 열전 모듈 또는 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은 제1 열전도 부재; 제2 열전도 부재; 상기 제1 열전도 부재와 상기 제2 열전도 부재 사이에 배치되는 열전 소자; 상기 열전 소자의 외측에 배치된 제1 실링부재; 및 상기 제1 실링부재의 외측에 배치된 제2 실링부재를 포함하고, 상기 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판과 마주보는 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 반도체 구조물을 포함하고, 상기 제1 실링부재는 상기 제1 기판의 상면과 상기 제2 기판의 저면 사이에 배치되고, 상기 반도체 구조물을 향하여 볼록한 측면을 포함하고 상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 측면과 상기 제2 기판의 측면과 접촉하고, 상기 제1 실링부재의 볼록한 측면과 상기 제2 실링부재 사이에 공극을 포함한다.
상기 열전 소자는 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층을 더 포함하고, 상기 제1 실링부재는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층과 접촉할 수 있다.
상기 제1 실링부재는 상기 제1 절연층과 접촉하는 제1 영역; 및 상기 제2 절연층과 접촉하는 제2 영역;을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 상기 제2 절연층과 수직으로 중첩되는 제1 절연부, 및 상기 제2 절연층과 수직으로 중첩되지 않는 제2 절연부를 포함하고, 상기 제1 실링부재의 제1 영역은 상기 제2 절연부에 위치하고, 상기 제1 실링부재의 제2 영역은 상기 제1 절연부에 위치할 수 있다.
상기 제2 실링부재의 외측에 배치되는 제3 실링부재를 더 포함하고, 상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재, 및 상기 제2 열전도 부재와 접촉하고, 상기 제1 실링부재, 상기 제2 실링부재 및 상기 제3 실링부재는 서로 이격될 수 있다.
상기 제1 실링부재와 상기 제2 실링부재는 서로 동일한 재질을 포함하고, 상기 제1 실링부재와 상기 제3 실링부재는 서로 다른 물질을 포함하고, 상기 제3 실링부재는 우레탄을 포함할 수 있다.
상기 제1 열전도 부재는 제1 유로와 연결되고, 상기 제2 열전도 부재는 제2 유로와 연결되고, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로에 흐르는 유체의 온도는 서로 상이할 수 있다.
제1 실링부재의 외측면은 상기 반도체 구조물을 향하는 외측으로 오목할 수 있다.
상기 제2 절연층의 상면은 상기 제2 기판을 향해 오목한 오목부를 포함하고, 상기 제1 실링부재의 외측면과 상기 제2 절연층의 상면은 서로 수직한 방향으로 오목할 수 있다.
상기 제1 실링부재의 높이, 상기 제2 실링부재의 높이, 및 상기 제3 실링부재의 높이는 서로 다를 수 있다.
제1 기판 상에 배치되고 제1 전극과 전기적으로 연결되는 전극 연결부; 및 상기 전극 연결부와 연결되어 제1 기판의 외측으로 연장되는 도선부;를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 연결부는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 수직으로 중첩되는 중첩부를 포함하고, 상기 제1 실링부재는 상기 중첩부를 적어도 일부 둘러쌀 수 있다.
상기 전극 연결부 상에 배치되고 상기 도선부와 전기적으로 연결되는 연결 유닛;을 더 포함하고, 상기 제2 실링부재는 상기 연결 유닛을 둘러쌀 수 있다.
상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 상면의 적어도 일부와 접촉할 수 있다.
상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재 및 상기 제2 열전도 부재와 접촉할 수 있다.
상기 제3 실링부재의 폭은 상기 제1 실링부재의 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 실링부재의 폭은 상기 제1 실링부재의 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 외측면에서 연장되어 상기 제1 열전도 부재의 상면으로 연장되고, 상기 제2 기판의 외측면에서 연장되어 상기 제2 열전도 부재의 저면으로 연장될 수 있다.
상기 제2 실링부재는 상기 열전 소자와 상기 제1 열전도 부재, 및 상기 제2 열전도 부재를 결합할 수 있다.
상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재와 상기 제2 열전도 부재를 결합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 조립이 간단하면서도 온도차 향상에 따른 발전성능이 우수한 열전 모듈을 갖는 발전장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 신뢰성이 개선된 열전 모듈을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 실드부재를 열전 모듈에 배치하는 공정이 단순하며, 열전 모듈이 수분, 열 또는 기타 오염물질로부터 보호될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 또는 열전 모듈은 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 열 수송관, 우수관, 소융관 등의 폐열 파이프, 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 포함하는 발전 장치의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 포함하는 발전 장치의 분해 사시도이고,
도 3a는 도 1에서 AA'로 절단된 단면도이고,
도 3b는 도 1에서 B부분의 확대도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 분해 사시도이고,
도 5 및 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 제1 열전도 부재 및 제2 열전도 부재에 대한 도면이고,
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이고,
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에 포함되는 열전 소자의 개념도이고,
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자, 제1 실링부재 및 제2 실링부재의 분해 사시도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자, 제1 실링부재 및 제2 실링부재의 단면도이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에서 제2 열전도 부재가 제거된 도면이고,
도 12은 도 11에서 K부분의 확대도이고,
도 13는 도 12에서 II"의 단면도이고,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 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 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 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.
먼저, 본 발명의 열전 장치(또는 열전 모듈)는 발전장치 또는 발전장치로 이루어진 발전 시스템 등에 이용될 수 있다. 예컨대, 발전시스템은 발전장치(열전 모듈 또는 열전 소자를 포함함) 및 유체관을 포함하며, 유체관으로 유입되는 유체는 열 수송관, 우수관, 소융관 등의 폐열 파이프 등에서 발생되는 열원일 수 있다. 다만, 이러한 내용에 제한되는 것은 아니다.
예컨대, 유체관은 제1 유체관 및 제1 유체관보다 고온의 유체가 유동하는 제2 유체관을 포함할 수 있으며, 열전모듈은 제1 유체관 및 제2 유체관 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 유체관 내에 유동되는 유체의 온도는 80
Figure pat00001
이하, 바람직하게는 60
Figure pat00002
이하, 더욱 바람직하게는 50
Figure pat00003
일 수 있으며, 제2 유체관 내에 유동되는 유체의 온도는 100
Figure pat00004
이상, 바람직하게는 200
Figure pat00005
이상, 더욱 바람직하게는 220
Figure pat00006
내지 250
Figure pat00007
일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 열전 소자의 저온부 및 고온부 간 온도 차에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 그리고 발전장치는 유체관과 인접하게 배치되어 유체의 에너지를 이용하여 발전을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 포함하는 발전 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 포함하는 발전 장치의 분해 사시도이고, 도 3a는 도 1에서 AA'로 절단된 단면도이고, 도 3b는 도 1에서 B부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)을 포함하는 발전 장치 또는 발전 시스템은 제1 유로(P1), 제2 유로(P2), 제1 조절부(LB1), 제2 조절부(LB2) 및 열전 모듈(1000)을 포함할 수 있다.
제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)는 유체(E1, E2)가 이동할 수 있는 공간을 갖는 파이프(pipe)일 수 있다. 제1 유로(P1)에는 제1 유체(E1)가 소정의 방향으로 이동할 수 있다. 또한, 제2 유로(P2)에는 제2 유체(E2)가 소정의 방향으로 이동할 수 있다. 예컨대, 제1 유체(E1)는 제2 방향(Y축 방향)의 반대 방향 또는 제2 방향으로 이동할 수 있다. 마찬가지로, 제2 유로(P2)의 제2 유체(E2)는 제2 방향(Y축 방향)의 반대 방향 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 이동할 수 있다.
그리고 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)는 제1 방향(X축 방향)으로 서로 이격 배치될 수 있다. 본 명세서에서 제1 방향(X축 방향)은 제1 유로(P1)에서 제2 유로(P2)를 향한 방향 또는 후술하는 제1 전도부(TT1)에서 제2 전도부(TT2)를 향한 방향일 수 있다. 그리고 제2 방향(Y축 방향)은 제1 방향(X축 방향)에 수직한 방향으로 제1 유로(P1) 또는 제2 유로(P2)의 연장 방향일 수 있다. 그리고 제3 방향(Z축 방향)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)에 수직한 방향일 수 있다. 여기서, 각 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향은 서로 수직인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 각 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향은 서로 소정의 각도를 가질 수 있다. 또한, 실시예로 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)는 제1 방향(X축 방향)에 수직한 면(YZ)으로 단면이 원형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상을 가질 수 있다.
그리고 제1 유체(E1)는 온도가 제2 유체(E2)의 온도보다 낮을 수 있다. 이에, 제1 유로(P1)는 저온부일 수 있고, 제2 유로(P2)는 고온부일 수 있다. 이에, 제1 유로(P1)와 인접하고 제1 유로(P1)로부터 열이 전도되는 열전 소자의 제1 기판이 저온부가 되며, 제2 유로(P2)와 인접하고 제2 유로(P2)로부터 열이 전도되는 열전 소자의 제2 기판이 고온부가 될 수 있다. 이하 이를 기준으로 설명한다.
제1 조절부(LB1)는 제1 유로(P1)와 결합될 수 있다. 제1 조절부(LB1)는 제1 유로(P1) 내에서 제1 유체(E1)가 흐르는 양을 조절할 수 있다. 제1 조절부(LB1)는 사용자에 의해 회전력에 의해 구동하며, 제1 유로(P1)가 개폐되거나 단면상(YZ평면)으로 면적이 감소 또는 증가할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 제1 유체(E1)가 도면과 같이 제2 방향(Y축 방향)의 반대 방향으로 흐르는 경우, 제1 조절부(LB1)를 통과하기 전의 제1 유체(E1a)의 양과 제1 조절부(LB1)를 통과한 후의 제1 유체(E1b)의 양이 서로 같거나 다르게 조절될 수 있다.
마찬가지로, 제2 조절부(LB2)는 제2 유로(P2)와 결합될 수 있다. 제2 조절부(LB2)는 제2 유로(P2) 내에서 제2 유체(E2)가 흐르는 양을 조절할 수 있다. 제2 조절부(LB2)는 사용자에 의해 회전력에 의해 구동하며, 제2 유로(P2)가 개폐되거나 단면상(YZ평면)으로 면적이 감소 또는 증가할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 제2 유체(E2)가 도면과 같이 제2 방향(Y축 방향)에 반대 방향으로 흐르는 경우, 제2 조절부(LB2)를 통과하기 전의 제2 유체(E2a)의 양과 제2 조절부(LB2)를 통과한 후의 제2 유체(E2b)의 양이 서로 같거나 다르게 조절될 수 있다.
제1 전도부(TT1)는 제1 유체(E1)가 이동하는 제1 유로(P1)로부터 연장될 수 있다. 예컨대, 제1 전도부(TT1)는 제1 유로(P1)로부터 열 전달을 위해, 제1 유로(P1)와 연결될 수 있다.
그리고 제2 전도부(TT2)는 제1 유체(E1)의 온도보다 높은 제2 유체(E2)가 이동하는 제2 유로(P2)와 접할 수 있다. 예컨대, 제2 전도부(TT2)는 제2 유로(P2)로부터 연장되고, 제2 유로(P2)로부터 열 전달을 위해 제2 유로(P2)와 연결될 수 있다.
또한, 열전 모듈(1000)은 제1 전도부(TT1)와 제2 전도부(TT2) 사이에 배치될 수 있다. 열전 모듈(1000)은 제1 전도부(TT1)와 제2 전도부(TT2)에 접할 수 있다. 즉, 열전 모듈(1000)은 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2) 각각으로부터 열전달받을 수 있다. 예컨대, 열전 모듈(1000)의 제1 열전도 부재는 저온의 제1 유로(P1)로부터 연장될 수 있고, 열을 전달받을 수 있다. 그리고 열전 모듈(1000)의 제2 열전도 부재는 고온의 제2 유로(P2)로부터 연장될 수 있고, 제2 유로(P2)로부터 열을 전달 받을 수 있다.
열전 모듈(1000)은 제1 열전도 부재와 제2 열전도 부재의 외측을 둘러싸는 제3 실링부재를 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
그리고 열전 모듈(1000)은 외측 예컨대, 제1 전도부(TT1) 또는 제2 전도부(TT2) 중 어느 하나에 배치되는 정션 박스(JB)를 포함할 수 있다. 정션 박스(JB)는 열전 모듈(1000)의 열전 소자와 전기적으로 연결될 수 있다. 열전 소자는 저온부와 고온부의 온도차 즉, 제1 기판과 제2 기판의 온도차와 내부 저항에 따라 출력 전압이 결정될 수 있다. 그리고 최대 전력은 출력 전압과 내부 저항 그리고 부하에 따라 상이할 수 있다. 이에, 정션 박스(JB)에는 열전 소자의 내부 저항에 대응하도록 부하를 설정하는 회로부 등을 포함할 수 있다. 이에, 열전 소자의 발전에 의해 외부로 최대 전력이 전달될 수 있다. 예컨대, 회로부는 열전 소자의 내부 저항과 동일하도록 부하를 조절하여 부하로 최대 전력을 전달할 수 있다. 또한, 이러한 부하에는 외부 소자(예로, 배터리)와 전기적으로 연결될 수 있고, 부하 양단의 전압이 외부 소자에 인가됨으로써 발전된 전기 에너지가 외부 소자에 충전될 수 있다.
이하, 제1 전도부(Tt1)와 제2 전도부(TT2)에 대해 구체적으로 설명한다.
제1 전도부(TT1)는 제1 유로(P1)를 둘러싸는 제1 클램프(TT1a), 제1 클램프(TT1a)에서 열전 모듈(1000)을 향해 연장되는 제1 연장부(TT1b)를 포함할 수 있다. 나아가, 제1 전도부(TT1)는 제1 클램프(TT1a)와 제1 유로(P1)의 결합력 개선을 위한 제1 체결부재(TT1f)를 더 포함할 수 있다.
제1 클램프(TT1a)는 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)를 포함할 수 있다. 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)는 제1 클램프(TT1a)에서 제1 방향(X축 방향)에 수직한 면(YZ)으로 분할된 부재일 수 있다. 이에, 제1-1 클램프(TT1aa)는 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2) 사이에 배치될 수 있다. 또는 제1-1 클램프(TT1aa)는 제1-2 클램프(TT1ab) 대비 열전 모듈(1000)과 인접하게 위치할 수 있다.
제1-1 클램프(TT1aa)는 제1 유로(P1)의 외면에 대응하는 형상의 내측면(TT1aar)을 가질 수 있다. 이에, 제1-1 클램프(TT1aa)의 내측면(TT1aar)은 제1 유로(P1)의 일면과 접하고, 제1 유로(P1)의 일면을 둘러쌀 수 있다.
그리고 제1-1 클램프(TT1aa)는 제1-2 클램프(TT1bb)와 결합하기 위한 제1-1 홀(TT1aah)을 포함할 수 있다. 제1-1 홀(TT1aah)은 상부 또는 하부에 위치할 수 있다.
제1-2 클램프(TT1ab)는 제1 유로(P1)의 외면에 대응하는 형상의 내측면(TT1abr)을 가질 수 있다. 제1-1 클램프(TT1aa)와 같이, 제1-2 클램프(TT1ab)의 내측면(TT1abr)은 제1 유로(P1)의 다른 면과 접하고, 제1 유로(P1)의 다른 면을 둘러쌀 수 있다. 이에, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)는 제1 유로(P1)와 접하면서 제1 유로(P1)를 둘러쌀 수 있다. 이로써, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)는 제1 유로(P1) 내의 제1 유체(E1)로부터 에너지(예로, 온도)를 제공받을 수 있다.
또한, 제1-2 클램프(TT1ab)는 제1-1 클램프(TT1aa)와 결합하기 위한 제1-2 홀(TT1abh)을 포함할 수 있다. 제1-2 홀(TT1abh)은 제1 유로(P1)의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다. 제1-1 홀(TT1aah)과 제1-2 홀(TT1abh)은 제1 방향(X축 방향)으로 중첩되게 위치할 수 있다. 나아가, 제1-1 홀(TT1aah)은 제1 유로(P1)의 상부와 하부에 배치되어 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩되거나, 일부가 어긋나도록 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제1-2 홀(TT1abh)은 제1 유로(P1)의 상부와 하부에 배치되어 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩되거나, 일부가 어긋나도록 배치될 수 있다.
그리고 제1 체결부재(TT1f)는 상술한 제1-1 홀(TT1aab)과 제1-2 홀(TT1abh)을 관통할 수 있다. 이에, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab) 간의 결합력이 확보되고, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1 유로(P1) 사이 또는 제1-2 클램프(TT1ab)와 제1 유로(P1) 사이의 체결력이 향상될 수 있다. 즉, 제1 유로(P1) 또는 후술하는 제2 유로(P2) 등에 제1 전도부를 용이하게 체결할 수 있으므로, 조립 용이성이 향상될 수 있다.
나아가, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)는 열전도성이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1-2 클램프(TT1ab)는 금속을 포함할 수 있다.
제1 연장부(TT1b)는 제1-1 클램프(TT1aa)에서 제1 방향(X축 방향)으로 연장될 수 있다. 제1 연장부(TT1b)는 제1-1 클램프(TT1aa)와 일체로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1-1 클램프(TT1aa)와 제1 연장부(TT1b)는 일체로 이루어지고, 제1-2 클램프(TT1ab)는 제1-1 클램프(TT1aa) 및 제1 연장부(TT1b)와 분리된 상태에서 제1 체결부재(TT1f)를 통해 서로 결합될 수 있다. 이에, 상술한 바와 같이 조립의 용이성이 향상될 수 있다.
또한, 제1 연장부(TT1b)는 제2 전도부(TT2)를 향한 제1 단부면(TT1bs)을 가질 수 있다. 제1 단부면(TT1bs)은 열전 모듈(1000)과 접할 수 있다. 또는 제1 단부면(TT1bs)과 열전 모듈(1000) 사이에는 열전도성 재질로 이루어진 전도 패드 등이 추가로 배치될 수 있다.
제2 전도부(TT2)는 제2 유로(P2)를 둘러싸는 제2 클램프(TT2a), 제2 클램프(TT2a)에서 열전 모듈(1000)을 향해 연장되는 제2 연장부(TT2b)를 포함할 수 있다. 나아가, 제2 전도부(TT2)는 제2 클램프(TT2a)와 제2 유로(P2)의 결합력 확보를 위한 제2 체결부재(TT2f)를 더 포함할 수 있다.
제2 클램프(TT2a)는 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)를 포함할 수 있다. 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)는 제2 클램프(TT2a)에서 제2 방향(X축 방향)에 수직한 면(YZ)으로 분할된 부재일 수 있다. 이에, 제2-1 클램프(TT2aa)는 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2) 사이에 배치될 수 있다. 또는 제2-1 클램프(TT2aa)는 제2-2 클램프(TT2ab) 대비 열전 모듈(1000)과 인접하게 위치할 수 있다.
제2-1 클램프(TT2aa)는 제2 유로(P2)의 외면에 대응하는 형상의 내측면(TT2aar)을 가질 수 있다. 이에, 제2-1 클램프(TT2aa)의 내측면(TT2aar)은 제2 유로(P2)의 일면과 접하고, 제2 유로(P1)의 일면을 둘러쌀 수 있다.
그리고 제2-1 클램프(TT2aa)는 제2-2 클램프(TT2bb)와 결합하기 위한 제2-1 홀(TT2aah)을 포함할 수 있다. 제2-1 홀(TT2aah)은 제2 유로(P2)의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다.
제2-2 클램프(TT2ab)는 제2 유로(P2)의 외면에 대응하는 형상의 내측면(TT2abr)을 가질 수 있다. 제2-1 클램프(TT2aa)와 같이, 제2-2 클램프(TT2ab)의 내측면(TT2abr)은 제2 유로(P2)의 다른 면과 접하고, 제2 유로(P2)의 다른 면을 둘러쌀 수 있다. 이에, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)는 제2 유로(P2)와 접하면서 제2 유로(P2)를 둘러쌀 수 있다. 이로써, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)는 제2 유로(P2) 내의 제2 유체(E2)로부터 에너지(예로, 온도)를 제공받을 수 있다.
또한, 그리고 제2-2 클램프(TT2ab)는 제2-1 클램프(TT2aa)와 결합하기 위한 제2-2 홀(TT2abh)을 포함할 수 있다. 제2-2 홀(TT2abh)은 제2 유로(P2)의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다. 제2-1 홀(TT2aah)과 제2-2 홀(TT2abh)은 제1 방향(X축 방향)으로 중첩되게 위치할 수 있다. 나아가, 제2-1 홀(TT2aah)은 제2 유로(P2)의 상부와 하부에 배치되어 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다. 마찬가지로, 제2-2 홀(TT2abh)은 제2 유로(P2)의 상부와 하부에 배치되어 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다.
그리고 제2 체결부재(TT2f)는 상술한 제2-1 홀(TT2aab)과 제2-2 홀(TT2abh)을 관통할 수 있다. 이에, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab) 간의 결합력이 확보되고, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2 유로(P1) 사이 또는 제2-2 클램프(TT2ab)와 제2 유로(P2) 사이의 체결력이 향상될 수 있다. 즉, 제2 유로(P2)에 제2 전도부를 용이하게 체결할 수 있으므로, 조립 용이성이 개선될 수 있다.
나아가, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)는 열전도성이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2-2 클램프(TT2ab)는 금속을 포함할 수 있다.
제2 연장부(TT2b)는 제2-1 클램프(TT2aa)에서 제2 방향(X축 방향)으로 연장될 수 있다. 제2 연장부(TT2b)는 제2-1 클램프(TT2aa)와 일체로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제2-1 클램프(TT2aa)와 제2 연장부(TT2b)는 일체로 이루어지고, 제2-2 클램프(TT2ab)는 제2-1 클램프(TT2aa) 및 제2 연장부(TT2b)와 분리된 상태에서 제2 체결부재(TT2f)를 통해 서로 결합될 수 있다. 이에, 상술한 바와 같이 조립의 용이성이 향상될 수 있다.
또한, 제2 연장부(TT2b)는 제2 전도부(TT2)를 향한 제2 단부면(TT2bs)을 가질 수 있다. 제2 단부면(TT2bs)은 열전 모듈(1000)과 접할 수 있다.
또한, 상술한 제1 연장부(TT1b)와 제2 연장부(TT2b)는 제1 클램프(TT1a) 및 제2 클램프(TT2a)와 같이 열전도성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 연장부(TT1b)와 제2 연장부(TT2b)는 금속을 포함할 수 있다.
열전 모듈(1000)은 상술한 바와 같이 제1 전도부(TT1)와 제2 전도부(TT2) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 열전 모듈(1000)은 복수 개의 열전 소자(1300)를 포함할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 열전 소자(1300)는 직렬 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다.
또한, 열전 모듈(1000)은 제1 열전도 부재가 제1 전도부(TT1)와 접하고, 제2 열전도 부재가 제2 전도부(TT2)와 접할 수 있다. 이에, 열전 소자의 하부 기판(예로, 저온부)은 제1 유로(P1)의 제1 유체(E1)에 의해 제1 전도부(TT1)로부터 전도된 열을 제공받을 수 있다. 또한, 열전 소자의 상부 기판(예로, 고온부)은 제2 유로(P2)의 제2 유체(E2)에 의해 제2 전도부(TT2)로부터 전도된 열을 제공받을 수 있다. 이에, 열전 모듈(1000)에서 열전 소자(1300)는 하부 기판과 상부 기판 사이에 발생한 온도 차로부터 발전할 수 있다. 이때, 발전된 전력은 배터리부(미도시)에 공급되거나, 별도의 전력 부품 또는 시스템을 구동하도록 적용될 수 있다. 이러한 열전 모듈(1000)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
실시예에 따른 정션 박스(JB)는 제1 전도부(TT1)와 접할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 정션 박스(JB)는 상대적으로 온도가 낮은 상태를 유지하여 구동에 따른 발열을 최소화할 수 있다. 즉, 신뢰성이 개선될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에서, 열전 모듈(1000)로부터 제1 유로(P1)까지의 제1 최소 거리(L1)는 열전 모듈(1000)로부터 제2 유로(P2)까지의 제2 최소 거리(L2)보다 클 수 있다.
먼저, 저온의 제1 유로(P1)로부터 전도된 열은 제1 전도부(TT1)의 제1 단부면(TT1bs)까지 갈수록 온도의 변화가 발생할 수 있다. 그리고 고온의 제2 유로(P2)로부터 전도된 열은 제2 전도부(TT2)의 제2 단부면(TT2bs) 까지 갈수록 온도의 변화가 발생할 수 있다. 이 때, 열전 모듈(1000)에서 열전 소자(1300)의 발전 성능을 향상시키기 위해서는 열전 모듈(1000)과 접하는 제1 단부면(TT1bs)의 온도(저온)와 제2 단부면(TT2bs)의 온도(고온) 간의 온도차를 증가시켜야 한다.
이에, 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에서 제2 유로(P2)까지의 제2 최소 거리(L2)는 열전 모듈(1000)에서 제1 유로(P1)까지의 제1 최소 거리(L1)보다 작으므로, 제2 유로(P2)와 제2 단부면(TT2bs) 간의 온도 변화량이 제1 유로(P1)와 제1 단부면(TT1bs) 간의 온도 변화량보다 작을 수 있다. 즉, 저온부인 제1 단부면(TT1bs)의 온도 변화량보다 고온부인 제2 단부면(TT2bs)의 온도 변화량을 최소화하여 열전 모듈(1000)의 열전 소자(1300)에 제공된 고온과 저온의 온도차를 향상시킬 수 있다. 따라서 발전 성능도 개선될 수 있다.
나아가 열전 모듈(1000)에서 제1 유로(P1)의 제1 중심(C1)까지의 거리(L3)는 열전 모듈(1000)에서 제2 유로(P2)의 제2 중심(C2)까지의 거리(L4)보다 클 수 있다. 또한, 제1-1 클램프(TT1aa)와 열전 모듈(1000) 간의 거리는 제2-1 클램프(TT2aa)와 열전 모듈(1000) 간의 거리보다 클 수 있다. 또한, 제1 연장부(TT1b)의 제1 방향(X축 방향)으로 길이는 제2 연장부(TT2b)의 제2 방향(X축 방향)으로 길이보다 클 수 있다.
또한, 열전 모듈(1000)은 최외측에 배치되는 제3 실링부재(SL3)를 포함할 수 있다. 제3 실링부재(SL3)는 적어도 일부가 제1 연장부(TT1b)와 제2 연장부(TT2b) 사이에 위치할 수 있다. 예컨대, 제3 실링부재(SL3)는 제1 단부면(TT1bs)과 제2 단부면(TT2bs) 사이에 위치하고, 제1 단부면(TT1bs) 및 제2 단부면(TT2bs)과 접촉할 수 있다. 또한, 제3 실링부재(SL3)의 최외측면은 제1 연장부(Tt1b)와 제2 연장부(TT2b)의 최외측과 동일면을 이룰 수 있다. 또는 제3 실링부재(SL3)의 최외측면은 제1 연장부(TT1b)의 외측면 및 제2 연장부(TT2b)의 외측면과 어긋나게 위치할 수 있다. 예컨대, 제3 실링부재(SL3)의 최외측면은 제1 연장부(TT1b)의 외측면 및 제2 연장부(TT2b)의 외측면과에 대해 내측에 위치할 수 있다. 또는 제3 실링부재(SL3)의 최외측면은 제1 연장부(TT1b)의 외측면 및 제2 연장부(TT2b)의 외측면에 대해 외측에 위치할 수 있다.
또한, 제3 실링부재(SL3)는 관통홀(SLH)을 포함할 수 있다. 그리고 관통홀(SLH)을 통해 열전 소자와 전기적으로 연결된 전선(EP1, EP2)이 외측의 정션 박스(JB)와 연결될 수 있다. 나아가, 이러한 전선(EP1, EP2)은 후술하는 도선부와 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 열전 소자에 연결된 도선부도 제2 실링부재를 관통할 수 있다.
나아가, 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에서 하나의 열전 소자의 중심을 내측으로 할 때, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 외측을 향해 순차로 위치할 수 있다. 그리고 예컨대, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 서로 이격 배치될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 분해 사시도이고, 도 5 및 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 제1 열전도 부재 및 제2 열전도 부재에 대한 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200), 열전 소자(1300), 차단부재(1400), 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)를 포함할 수 있다.
나아가, 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에서 제1 열전도 부재(1100)는 제1 유로로부터 연장될 수 있다. 또는 제1 열전도 부재(1100)는 제1 유로로부터 열전달된 제1 전도부와 접촉할 수 있다. 또는 제1 열전도 부재(1100)는 내부에 형성된 관(이하 제1 관)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 관은 제1 유로와 연결되어 제1 유로 내의 유체가 이동할 수 있다. 또한, 예를 들어 제1 관은 제1 유로에서 바이패스된 관에 연결될 수 있다. 이에, 제1 관에도 유체가 이동할 수 있으며, 유체는 제1 열전도 부재(1100)로 열을 전달할 수 있다.
마찬가지로, 제2 열전도 부재(1200)는 제2 유로로부터 연장될 수 있다. 또는 제2 열전도 부재(1200)는 제2 유로로부터 열전달된 제2 전도부와 접촉할 수 있다. 또는 제2 열전도 부재91200)는 내부에 형성된 관(이하 제2 관)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 관은 제2 유로와 연결되어 제2 유로 내의 유체가 이동할 수 있다. 또한, 예를 들어 제2 관은 제2 유로에서 바이패스된 관에 연결될 수 있다. 이로써, 제2 관에도 유체가 이동할 수 있으며 유체는 제2 열전도 부재(1200)로 열을 전달할 수 있다.
이에 따라, 제1 유로와 제2 유로에 흐르는 유체 간의 온도는 서로 상이하므로, 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에는 유체로부터 전달된 열에너지 차이로 온도 차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 열전도 부재(1100)는 저온부이고, 제2 열전도 부재(1200)는 고온부일 수 있다. 나아가, 제1 열전도 부재(1100)와 인접하고 제1 열전도 부재(1100)으로부터 열이 전도되는 열전 소자의 제1 기판이 저온부가 되며, 제2 열전도 부재(1200)와 인접하고 제2 열전도 부재(1200)으로부터 열이 전도되는 열전 소자의 제2 기판이 고온부가 될 수 있다. 이하 이를 기준으로 설명한다.
그리고 제1 열전도 부재(1100)는 열전도성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 열전도 부재(1100)는 금속 예로, 알루미늄을 포함할 수 있다. 이에, 제1 열전도 부재(1100)는 제1 유로를 통해 흐르는 제1 유체로부터 열을 전달받을 수 있다.
또한, 제2 열전도 부재(1200)는 열전도성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제2 열전도 부재(1200)는 금속 예로, 알루미늄을 포함할 수 있다. 이에, 제2 열전도 부재(1200)는 제2 유로를 통해 흐르는 제2 유체로부터 열을 전달받을 수 있다.
또한, 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)는 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 그리고 열전 소자(1300)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에 배치될 수 있다.
제1 열전도 부재(1100) 내에는 상술한 회로부 등이 위치할 수 있다. 이에, 제1 열전도 부재(1100)가 저온 상태를 가지므로 회로부의 구동에 의한 발열이 발생하더라도 제1 열전도 부재(1100)에 의해 회로부의 발열이 억제될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 상술한 바와 같이 외부에 정션 박스가 배치될 수도 있다.
나아가, 제1 열전도 부재(1100)는 제1 에지홈(G1)을 포함할 수 있다. 제1 에지홈(G1)은 제1 열전도 부재(1100)가 제2 열전도 부재(1200)와 마주하는 제1 면(M1)에 위치할 수 있다. 제1 에지홈(G1)에는 후술하는 차단부재(1400)가 배치될 수 있다. 차단부재(1400)는 내열성 및 내습성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 차단부재(1400)는 고무 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 이러한 제1 에지홈(G1)은 열전 소자(1300) 외측에 배치될 수 있다. 실시예로, 제1 에지홈(G1)은 제1 열전도 부재(1100)의 제1 면(M1)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 그리고 제1 에지홈(G1)은 제1 방향에 수직한 면(YZ)으로 폐루프 형상일 수 있다. 이에 따라, 제1 에지홈(G1)에 배치된 차단부재(1400)를 통해, 열전 소자(1300)가 차단부재(1400)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이로써, 열전 소자(1300)는 차단부재(1400)뿐만 아니라, 제1 열전도 부재(1100) 및 제2 열전도 부재(1200)에 의해 차폐될 수 있다. 예컨대, 열전 소자(1300) 하부에는 제1 열전도 부재(1100)가 위치하고, 열전 소자(1300)의 상부에는 제2 열전도 부재(1200)가 위치하고, 열전 소자(1300)의 외측에는 차단부재(1400)가 위치할 수 있다. 즉, 열전 소자(1300)는 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200) 및 차단부재(1400)가 형성하는 내측영역에 위치할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 열전 모듈의 내습성이 개선될 수 있다.
나아가, 제2 열전도 부재(1200)는 제2 에지홈(G2)을 포함할 수 있다. 제2 에지홈(G2)은 제2 열전도 부재(1200)가 제1 열전도 부재(1100)와 마주하는 제2 면(M2)에 위치할 수 있다. 제2 에지홈(G2)에는 차단부재(1400)가 배치될 수 있다. 그리고 제2 에지홈(G2)은 제1 에지홈(G1)과 마주하게 배치될 수 있다. 또한, 제2 에지홈(G2)은 제1 에지홈(G1)과 제1 방향(X축 방향)으로 적어도 일부 중첩되게 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 에지홈(G2)과 제2 에지홈(G2) 사이에 도포된 차단부재(1400)에 의해 열전 모듈의 내습성이 개선될 수 있다.
마찬가지로, 제2 에지홈(G2)은 열전 소자(1300) 외측에 배치될 수 있다. 실시예로, 제2 에지홈(G2)은 제2 열전도 부재(1200)의 제2 면(M2)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 그리고 제2 에지홈(G2)은 제1 방향에 수직한 면(YZ)으로 폐루프 형상일 수 있다. 이에 따라, 열전 소자(1300)가 차단부재(1400)에 의해 둘러싸일 수 있다.
열전 소자(1300)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에 배치될 수 있다. 그리고 열전 소자(1300)는 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 열전 소자(1300)는 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 복수 개의 열전 소자(1300)는 직렬 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 이를 위해, 복수 개의 열전 소자(1300)의 일측에는 열전 소자 간의 전기적 연결을 위한 연결 보드(BD)가 추가로 배치될 수 있다.
또한, 열전 소자(1300)는 하부 기판(또는 제1 기판)과 상부 기판(또는 제2 기판) 중 어느 하나가 제1 열전도 부재(1100)와 접하고, 다른 하나가 제2 열전도 부재(1200)와 접할 수 있다. 이에, 열전 소자의 하부 기판(예로, 저온부)은 제1 유로에 의해 제1 열전도 부재(1100)로 전도된 열을 제공받을 수 있다. 또한, 열전 소자의 상부 기판(예로, 고온부)은 제2 유로에 의해 제2 열전도 부재(1200)로 전도된 열을 제공받을 수 있다. 이에, 열전 소자(1300)는 하부 기판과 상부 기판 사이에 발생한 온도 차로부터 발전할 수 있다. 이때, 발전된 전력은 배터리부(미도시)에 공급되거나, 별도의 전력 부품 또는 시스템을 구동하도록 적용될 수 있다. 이러한 열전 소자(1300)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
차단부재(1400) 열전 소자(1300) 외측에서 제1 열전도 부재(1100) 또는 제2 열전도 부재(1200)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 또한, 차단부재(1400)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 차단부재(1400)는 제1 열전도 부재(1100) 또는 제2 열전도 부재(1200)의 가장자리로부터 소정 거리 이격되어 열전 소자(1300)를 둘러쌀 수 있다. 즉, 차단부재(1400)는 열전 소자(1300) 외측에 위치할 수 있다. 또한, 실시예로 차단부재(1400)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에서 최외측에 위치할 수 있다. 이러한 차단부재(1400)는 제1 방향에 수직한 면(YZ)에 대해 폐루프 구조를 가질 수 있다. 이로써, 외부의 습기, 이물질이 차단부재(1400) 내부의 열전 소자로 이동하는 것이 방지될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 모듈의 성능이 개선되고 신뢰성이 개선될 수 있다.
차단부재(1400)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에 배치된 열전 소자(1300)를 평면(YZ) 상에서 둘러쌀 수 있다. 다시 말해, 차단부재(1400)는 평면(YZ) 상 열전 소자(1300)의 주위 영역에 위치할 수 있다. 이에 따라, 열전 소자(1300)는 차단부재(1400)와 제2 방향(Y축 방향) 또는 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다. 나아가, 차단부재(1400)가 제1 에지홈(G1)과 제2 에 위치하므로, 차단부재(1400)는 제1 방향으로 길이가 열전 소자(1300)의 제1 방향으로 길이보다 클 수 있다.
이로써, 열전 소자(1300)의 하부에는 제1 열전도 부재(1100)가 위치하고, 열전 소자(1300)의 상부에는 제2 열전도 부재(1200)가 위치하고, 열전 소자(1300)의 외측에는 차단부재(1400)가 위치할 수 있다. 즉, 열전 소자(1300)는 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200) 및 차단부재(1400)가 형성하는 내측영역에 위치할 수 있다.
그리고 제1 실링부재(SL1)는 열전 소자의 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 실링부재(SL1)는 내습성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 실링부재(SL1)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다.
제1 실링부재(SL1)는 제1 기판과 제2 기판 사이를 기밀하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제1 실링부재(SL1)는 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
또한, 제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 실시예로, 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판의 외측면과 제2 기판의 외측면과 접촉할 수 있다. 이로써, 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판과 제2 기판의 외측면을 따라 내부의 제1 전극, 제2 전극, 반도체 구조물, 제1 실링부재를 둘러싸므로, 내부로 이물질, 수분 등이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재(SL1)와 같이 내습성 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제2 실링부재(SL2)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 또한, 제2 실링부재(SL2)도 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
제3 실링부재(SL3)는 제2 실링부재(SL2)의 외측에 배치되어 제2 실링부재(SL2)를 둘러쌀 수 있다. 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200) 및 열전 소자(1300)의 외측에 배치되어, 제1 열전도 부재(1100) 및 제2 열전도 부재(1200)와 접촉할 수 있다. 이에, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200) 및 열전 소자(1300)를 둘러쌀 수 있다. 이에, 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이에 배치된 열전 소자(1300)로 이물질, 수분 등이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제3 실링부재(SL3)는 내습성 등의 재질로 이루어질 수 있다. 그리고 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2)가 에폭시 또는 실리콘 등의 동일 재질로 이루어지는 반면에, 제3 실링부재(SL3)는 제1 실링부재(SL1) 또는 제2 실링부재(SL2)와 상이한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제3 실링부재(SL3)는 우레탄 재질로 이루어질 수 있다. 이로써, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)로 전달된 열에 대한 유지를 수행할 수 있다.
실시예로, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 서로 이격하여 배치될 수 있다. 그리고 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 제1 방향으로의 길이인 높이가 서로 상이할 수 있다. 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)의 높이는 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)의 위치에 대응하여 변경될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3) 각각에서 이물질, 수분의 침투를 차단하므로 열전 모듈의 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다. 이러한 위치 및 구조 대한 자세한 설명은 후술한다.
다른 예로, 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2)는 서로 접촉할 수도 있으나 이하에서는 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3) 각각이 서로 이격된 것을 기준으로 설명한다.
또한, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)의 폭은 서로 상이할 수 있다. 여기서 폭은 제2 방향(Y축 방향) 또는 제3 방향(Z축 방향)으로 길이일 수 있다.
예컨대, 제3 실링부재(SL3)의 폭(W3)은 제2 실링부재(SL2)의 폭(W2)보다 클 수 있다. 그리고 제2 실링부재(SL2)의 폭(W2)은 제1 실링부재(SL1)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 제1 방향으로 길이 즉, 높이가 상이하며 순차로 증가하는 바, 이에 대응하여 폭도 증가할 수 있다. 이로써, 제1 실링부재(SL1), 제2 실링부재(SL2) 및 제3 실링부재(SL3)는 각각이 접촉하는 구성에 대한 실링 및 결합을 용이학 ㅔ수행할 수 있다. 예컨대, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)와 접촉하여 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)를 모두 둘러싸므로 제1 열전도 부재(1100), 제2 열전도 부재(1200) 및 열전 소자(1300)에 대한 방열, 밀봉을 용이하게 수행할 수 있다. 나아가, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)와의 결합력도 개선될 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에 포함되는 열전 소자의 단면도이고, 도 8는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에 포함되는 열전 소자의 개념도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 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 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 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. 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. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 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.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
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.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다. 이때, 절연층(170)은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기물을 포함하는 수지 조성물이거나, 실리콘과 무기물을 포함하는 실리콘 복합체로 이루어진 층이거나, 산화알루미늄층일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 질화물 및 탄화물 중 적어도 하나일 수 있다. 자세한 설명은 후술한다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 즉, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 두께는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 대한 두께일 수 있으며, 면적은 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 수직하는 방향에 대한 면적일 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부 기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부 기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전 소자의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링재가 하부 기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부 기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부 기판(110)의 면적이 상부 기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전 장치의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
도시되지 않았으나, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 사이에는 제1 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 이에 따라, 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자, 제1 실링부재 및 제2 실링부재의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자(1300)는 제1 기판(1310), 제1 기판(1310) 상에 배치된 하부 절연층(1320), 하부 절연층(1320) 상에 배치된 복수의 제1 전극(1330), 복수의 제1 전극(1330) 상에 배치된 복수의 반도체 구조물(1340, 1350), 반도체 구조물상에 배치된 복수의 제2 전극(1360), 복수의 제2 전극(1360) 상에 배치된 상부 절연층(1370) 및 상부 절연층(1370) 상에 배치된 제2 기판(1380)을 포함할 수 있다.
그리고 하부 절연층(1320)은 제1 기판(1310) 상에 배치되는 제1 절연층(1322), 제1 절연층(1322) 상에 배치되는 제2 절연층(1324)을 포함할 수 있다.
그리고 반도체 구조물(1340, 1350)은 제1 반도체 구조물(1340) 및 제2 반도체 구조물(1350)을 포함할 수 있다. 그리고 제1 반도체 구조물(1340)은 N형 열전 레그 및 P형 열전 레그 중 어느 하나에 대응하고, 제2 반도체 구조물(1350)은 다른 하나에 대응할 수 있다. 나아가, 제1 반도체 구조물(1340)과 제2 반도체 구조물(1350)은 복수 개일 수 있다.
또한, 상부 절연층(1370)은 제2 기판(1380) 하부에 배치되는 제3 절연층(1372) 및 제3 절연층(1372) 하부에 배치되는 제4 절연층(1374)을 포함할 수 있다. 제4 절연층(1374)은 제3 절연층(1372)과 제2 전극(1360) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 제1 전극(1330), 제2 전극(1360)은 각각이 도 7 내지 8에서 설명한 하부 전극(120), 및 상부 전극(150)에 대응할 수 있다. 또한, 제1 기판(1310)은 하부 기판(110)에 대응하며, 제2 기판(1380)은 상부 기판(160)에 대응하고, 하부 절연층(1320)과 상부 절연층(1370)은 절연층(170)에 대응하므로, 해당 구성요소는 이하 설명하는 내용을 제외하고 도 7 내지 8에서 설명한 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
또한, 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380) 중 적어도 하나는 금속 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380) 중 적어도 하나는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380)은 이종 소재로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380) 중 내전압 성능이 더 요구되는 기판은 알루미늄 기판으로 이루어지고, 열전도 성능이 더 요구되는 기판은 구리 기판으로 이루어질 수도 있다.
또한, 열전 소자(1300)의 저온부 측에 배치된 전극에 전원이 연결되므로, 고온부 측에 비하여 저온부 측에 더욱 높은 내전압 성능이 요구될 수 있다. 이에 반해, 열전 소자(1300)의 구동 시 열전 소자(1300)의 고온부 측은 고온, 예를 들어 약 180℃이상에 노출될 수 있으며, 전극, 절연층 및 기판의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극, 절연층 및 기판 간의 박리가 문제될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자(1300)의 고온부 측은 저온부 측에 비하여 더욱 높은 열충격 완화 성능이 요구될 수 있다. 이에 따라, 고온부 측의 구조와 저온부 측의 구조를 다르게 할 수도 있다.
이하, 도 9를 참조하여 제1 기판(1310) 상에 배치된 제1 전극(1330)에 전극 연결부(1390, 1391)가 연결되는 것을 설명한다.
전술한 바와 같이, 제1 기판(1310) 상에 하부 절연층(1320)이 배치되고, 하부 절연층(1320) 상에 복수의 제1 전극(1330)이 배치될 수 있다.
그리고 전극 연결부(1390, 1391)는 극성이 서로 상이한 제1 연결 유닛(1392) 및 제2 연결 유닛(1393)을 포함 또는 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 연결 유닛(1392)에 (-) 단자가 연결되는 경우, 제2 연결 유닛(1393)에 (+) 단자가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 연결부(1390, 1391)의 제1 연결 유닛(1392)은 복수의 제1 전극(1330) 중 하나와 (-) 단자를 연결하고, 제2 연결 유닛(1393)은 복수의 제1 전극(1330) 중 다른 하나와 (+) 단자를 연결할 수 있다. 이에 따라, 전극 연결부(1390, 1391)의 위치는 열전 소자(1300)의 절연저항에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 제1 연결 유닛(1392)과 제2 연결 유닛(1393)은 복수 개로 이루어져, 열전 소자 간에 연결이 직렬 또는 병렬로 이루어지는 경우에 전선 등에 연결될 수 있다. 이로써, 열전 모듈은 전기적 연결 관계 변경(예로, 직렬, 병렬)이 용이하게 이루어질 수 있다. 그리고 절연저항은 소정의 전압을 가했을 때 절연체가 나타내는 전기저항을 의미하며, 열전 소자(1300)는 소정의 절연저항을 만족하여야 한다.
실시예에 따르면, 전극 연결부(1390, 1391)가 제1 기판(1310) 상에서 일측으로 연장될 수 있다. 또한, 전극 연결부(1390, 1391)는 제1 기판(1310)과 제2 기판(1380) 사이에서 하부 절연층(1320), 복수의 제1 전극(1330), 복수의 제1 반도체 구조물(1340) 및 복수의 제2 반도체 구조물(1350), 복수의 제2 전극(1360) 및 상부 절연층(1370)을 둘러싸도록 배치되는 제1 실링부재의 외부로 인출될 수 있다.
그리고 제1 연결 유닛(1392) 및 제2 연결 유닛(1393) 각각은 도선부(EL1, EL2)이 착탈방식으로 끼워지는 커넥터일 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극 연결부(1390, 1391), 제1 연결 유닛(1392) 및 제2 연결 유닛(1393) 각각은 제1 실링부재의 외부에서 그리고 제2 실링부재의 내부에 배치될 수 있다. 그리고 도선부(EL1, EL2)는 열전 소자 외측으로 연장되어 제2 실링부재(SL2)를 관통하여 상술한 외부의 전선과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 정션 박스 내의 회로부와 열전 소자 또는 열전 모듈 간의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 다만, 제1 실링부재(SL1)는 전극 연결부(1390, 391) 또는 도선부(EL1, EL2) 등의 내측에 위치하여 내측의 반도체 구조물(1340, 1350)을 둘러쌀 수 있다.
또한, 제1 연결 유닛(1392) 및 제2 연결 유닛(1393) 각각은 실리콘을 포함하는 수지로 실링될 수 있다. 이에 따르면, 열전 소자의 절연저항 및 내전압 성능을 더욱 높일 수 있다.
또한, 하부 절연층(1320)은 제1 기판(1310) 상에서 복수 개의 제1 전극(1330)과 전극 연결부(1390, 1391) 하부에 배치되고, 제1 전극(1330) 및 전극 연결부(1390, 1391)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(1330) 및 전극 연결부(1390, 1391)는 하부 절연층(1320)과 수직 방향(X축 방향)으로 중첩될 수 있다.
하부 절연층(1320)은 면적이 상부 절연층(1370)보다 클 수 있다. 이에, 하부 절연층(1320)은 일부가 상부 절연층(1370)과 수직 방향(X축 방향)으로 중첩될 수 있다.
하부 절연층(1320)에서, 제1 절연층(1322)은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수도 있다. 여기서, 복합체는 Si 원소와 Al 원소를 포함하는 무기물과 알킬 체인으로 구성된 유무기 복합체일 수 있으며, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 복합체는 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체는 절연 성능이 우수하며, 이에 따라 높은 내전압 성능을 얻을 수 있다. 또는, 복합체는 실리콘 및 알루미늄과 함께 티타늄, 지르코늄, 붕소, 아연 등을 더 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물일 수도 있다. 이를 위하여, 복합체는 무기바인더 및 유무기 혼합 바인더 중 적어도 하나와 알루미늄을 혼합한 후 열처리하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 무기바인더는, 예를 들어 실리카(SiO2), 금속알콕사이드, 산화붕소(B2O3) 및 산화아연(ZnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기바인더는 무기입자이되, 물에 닿으면 졸 또는 겔화되어 바인딩의 역할을 할 수 있다. 이때, 실리카(SiO2), 금속알콕사이드 및 산화붕소(B2O3) 중 적어도 하나는 알루미늄 간 밀착력 또는 제1 기판(1310)과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnO2)은 제1 절연층(1322)의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다.
한편, 제2 절연층(1324)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(1324)은 제1 절연층(1322)과 제1 전극(1330) 간의 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 60 내지 80wt%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 60wt%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 80wt%를 초과하여 포함되면 무기충전재가 수지 내에 고르게 분산되기 어려우며, 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 절연층(1324)이 PDMS(polydimethylsiloxane) 수지 및 산화알루미늄을 포함하는 수지 조성물인 경우, 제1 절연층(1322) 내 실리콘의 함량(예를 들어, 중량비)은 제2 절연층(1324) 내 실리콘의 함량보다 높게 포함되고, 제2 절연층(1324) 내 알루미늄의 함량은 제1 절연층(1322) 내 알루미늄의 함량보다 높게 포함될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(1322) 내 실리콘이 내전압 성능 향상에 주로 기여하며, 제2 절연층(1324) 내 산화알루미늄이 열전도 성능 향상에 주로 기여할 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(1322) 및 제2 절연층(1324)이 모두 절연 성능 및 열전도 성능을 가지되, 제1 절연층(1322)의 내전압 성능은 제2 절연층(1324)의 내전압 성능보다 높고, 제2 절연층(1324)의 열전도 성능은 제1 절연층(1322)의 열전도 성능보다 높을 수 있다.
한편, 제2 절연층(1324)은 미경화 상태 또는 반경화 상태의 수지 조성물을 제1 절연층(1322) 상에 도포한 후, 미리 정렬된 복수의 제1 전극(1330)을 배치하고 가압하는 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(1330)의 측면의 일부는 제2 절연층(1324) 내에 매립될 수 있다.
그리고 제2 절연층(1324)은 제1 전극(1330)에 대응하여 두께가 변할 수 있다. 실시예로, 제2 절연층(1324)은 상면이 제2 기판(1380)을 향하여 오목한 오목부를 포함하고, 제1 실링부재(SL1)의 외측을 향한 오목부와 수직한 방향으로 서로 오목할 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(1324)은 제1 전극(1330) 수직 방향(또는 제1 방향)으로 중첩된 영역에서의 제1 두께(T1)와 인접한 제1 전극(1330) 사이의 영역(1330g) 에서의 제2 두께(T2)가 상이할 수 있다. 제1 전극(1330) 수직 방향(또는 제1 방향)으로 중첩된 영역에서의 제1 두께(T1)는 인접한 제1 전극(1330) 사이의 영역(1330g) 에서의 제2 두께(T2)보다 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제2 절연층(1324)과 제1 전극(1330) 간의 결합력이 개선되고, 인접한 제1 전극(1330) 간의 전기적 단락(short)이 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 전극(1330)과 제2 절연층(1324) 간의 접촉 면적이 증가하여 제1 전극(1330) 및 제2 절연층(1324)을 통한 열 전달 성능도 개선될 수 있다.
또한, 인접한 제1 전극(1330) 사이의 영역(1330g)에서 제2 절연층(1324)의 상면은 하부 즉, 제1 절연층(1322)을 향해 볼록할 수 있다. 또는 인접한 제1 전극(1330) 사이의 영역(1330g)에서 제2 절연층(1324)의 상면은 상부 즉, 제1 전극(1330)을 향해 오목할 수 있다. 즉, 제2 절연층(1324)은 상면이 제1 기판(1310)을 향하여 볼록한 볼록부를 포함할 수 있으며, 여기서 볼록부는 상술한 제2 절연층(1324)의 오목부와 같을 수 있다. 이에, 제2 절연층(1324)의 볼록부는 제1 실링부재(SL1)의 내측을 향해 볼록한 볼록부와 수직한 방향으로 서로 볼록할 수도 있다.
이러한 내용은 상부 절연층(1370)에도 동일하게 적용될 수 있다.즉, 제4 절연층(1374)은 제2 전극(1360)에 대응하여 두께가 변할 수 있다. 예를 들어, 제4 절연층(1374)은 제2 전극(1360) 수직 방향(또는 제1 방향)으로 중첩된 영역에서의 제3 두께와 인접한 제2 전극(1360) 사이의 영역 에서의 제4 두께가 상이할 수 있다. 제2 전극(1360) 수직 방향(또는 제1 방향)으로 중첩된 영역에서의 제3 두께는 인접한 제2 전극(1360) 사이의 영역에서의 제4 두께보다 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제4 절연층(1374)과 제2 전극(1360) 간의 결합력이 개선되고, 인접한 제2 전극(1360) 간의 전기적 단락(short)이 방지될 수 있다. 또한, 제2 전극(1360)과 제4 절연층(1374) 간의 접촉 면적이 증가하여 제2 전극(1330) 및 제4 절연층(1374)을 통한 열 전달 성능도 개선될 수 있다.
또한, 인접한 제2 전극(1360) 사이의 영역에서 제4 절연층(1374)의 저면은 하부 즉, 제2 전극(1360)을 향해 오목할 수 있다. 또는 인접한 제2 전극(1360) 사이의 영역에서 제4 절연층(1374)의 저면은 상부 즉, 제3 절연층(1372)을 향해 볼록할 수 잇다.
상부 절연층(1370)은 제2 전극(1360)과 제2 기판(1380) 사이에 배치될 수 있다. 상부 절연층(1370)에서 제3 절연층(1372)은 제1 절연층(1322)에서 설명한 내용이 적용되고, 제4 절연층(1374)은 제2 절연층(1324)에서 설명한 내용이 적용될 수도 있다.
그리고 상부 절연층(1370)의 면적은 복수 개의 제2 전극(1360)의 전체 면적보다 클 수 있다. 이에, 복수 개의 제2 전극(1360)은 상부 절연층(1370)과 수직 방향(X축 방향)으로 중첩될 수 있다.
또한, 복수 개의 제2 전극(1360)은 복수의 제1 반도체 구조물(1340) 및 복수의 제2 반도체 구조물(1350)을 사이에 두고 복수 개의 제1 전극(1330)과 마주보게 배치될 수 있다. 복수 개의 제1 전극(1330)과 복수 개의 제2 전극(1360)은 복수의 제1 반도체 구조물(1340) 및 복수의 제2 반도체 구조물(1350)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제1 전극(1330)과 복수 개의 제2 전극(1360)은 직렬로 연결될 수 있다.
그리고 복수 개의 제2 전극(1360)은 각각이 제2 기판(1380) 또는 상부 절연층(1370) 하부에서 동일한 형상으로 나열될 수 있다.
나아가, 제1 기판(1310)은 하부 절연층(1320)의 외측에 위치하는 기판홀을 포함할 수 있다. 기판홀은 제1 기판홀(1310h1)과 제2 기판홀(1310h2)을 포함할 수 있다. 제1 기판홀(1310h1) 및 제2 기판홀(1310h2)을 통해 열전 소자(1300) 또는 제1 기판(1310)이 제1 열전도 부재(1100)와 스크류 등을 통해 체결될 수 있다.
또한, 제1 실링부재(SL1)는 제1 절연층(1322)과 접촉하는 제1 영역(S1), 및 제2 절연층(1324)과 접촉하는 제2 영역(S2)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 영역(S1)은 제1 실링부재(SL1)가 제1 절연층(1322)과 접하는 면으로, 제1 방향(X축 방향)으로 제2 절연층(1324)과 중첩될 수 있다. 그리고 제2 영역(S2)은 제1 실링부재(SL1)가 제2 절연층(1324)과 접하는 면으로, 제1 방향(X축 방향)으로 제2 절연층(1324)과 중첩될 수 있다.
그리고 제1 절연층(1322)은 제2 절연층(1324)과 수직으로 중첩되는 제1 절연부(1322a) 및 제2 절연층(1324)과 수직으로 중첩되지 않는 제2 절연부(1322b)를 포함할 수 있다.
실시예로, 제1 실링부재(SL1)는 제1 기판(1310)과 제2 기판(1380) 사이에서 하부 절연층(1320)과 상부 절연층(1370) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 제1 실링부재(SL1)의 제1 영역(S1)은 제2 절연부(1322b)에 위치하고, 제1 실링부재(SL1)의 제2 영역(S2)은 제1 절연부(1322a)에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 실링부재(SL1)는 제1 절연층(1322) 및 제2 절연층(1324)과 접촉할 수 있다. 이로써, 제1 절연층(1322) 도는 제2 절연층(1324)을 통과하는 수분 또는 이물질을 모두 차단할 수 있으며, 제1 절연층(1322) 및 제2 절연층(1324)과 모두 접촉하여 하부 절연층(1320) 간의 접합력이 개선될 수 있다.
또한, 제1 절연층(1322)에 대한 내용은 제3 절연층(1372)에 적용되고, 제2 절연층(1324)에 대한 내용은 제4 절연층(1374)에도 동일하게 적용될 수 있다.
그리고 다른 실시예로, 제1 실링부재(SL1)는 제1 절연층(1322)과 제3 절연층(1372) 및 제4 절연층(1374) 중 적어도 하나와 접촉하여 제1 절연층(1322)과 상기 적어도 하나 사이에 위치할 수 있다.
또한, 변형예로, 제1 실링부재(SL1)는 제1 절연층(13322) 및 제2 절연층(1324) 중 적어도 하나와 제3 절연층(1372)에 접촉하여, 적어도 하나와 제3 절연층(1372) 사이에 위치할 수 있다.
또한, 제1 실링부재(SL1)는 열전 소자(1300)에서 제1 기판(1310) 또는 제2 기판(1380)의 가장자리를 따라 위치할 수 있다. 제1 실링부재(SL1)는 제1 방향(X축 방향)에 수직한 평면(YZ) 상으로 폐루프 형상일 수 있다. 이에, 제1 실링부재(SL1)는 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350) 및 제2 전극(1360)을 둘러쌀 수 있다. 다시 말해, 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350) 및 제2 전극(1360)은 하부에 배치된 하부 절연층(1320)과, 상부에 배치된 상부 절연층(1370) 및 제1 실링부재(SL1)에 의해 밀봉되므로, 외부로부터의 이물질 습기의 내부 침투가 방지될 수 있다.
나아가, 실시예에 따른 제1 실링부재(SL1)는 하부 절연층(1320)과 상부 절연층(1370) 사이에서 내측으로 볼록한 구조일 수 있다. 이에, 제1 실링부재(SL1)의 외측면(SL1a)은 내측의 반도체 구조물을 향해 곡률을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 실링부재(SL1)의 외측면에서 상기 외측면이 하부 절연층(1320) 또는 상부 절연층(1370)이 접하는 지점보다 상기 외측면의 중앙(예로, 수직 방향으로 이등분 지점)이 내측에 위치할 수 있다. 즉, 외측면의 중앙이 외측면의 양단(하부 절연층 또는 상부 절연층과 접하는 지점)보다 반도체 구조물에 인접하게 위치할 수 있다.제1 실링부재(SL1)는 외측으로 오목한 구조일 수 있다.
이에, 제1 실링부재(SL1)를 둘러싸는 제2 실링부재(SL2)가 제1 기판(1310)의 외측면(1310s) 및 제2 기판(1380)의 외측면(1380s)과 접촉하면서 제1 실링부재(SL1)와 이격될 수 있다. 예컨대, 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판(1310)의 외측면(1310s)에서 제2 기판(1380)의 외측면까지 연장하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 실링부재(SL1)가 제2 실링부재(SL2)를 외측으로 가압하지 않을 수 있다. 그리고 제2 실링부재(SL2)와 제1 기판(1310) 간의 또는 제2 실링부재(SL2)와 제2 기판(1380) 간의 분리가 방지될 수 있다.
그리고 제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재(SL1)의 외측에 배치되어 제1 기판(1310)의 외측면(1310s)과 제2 기판(1380)의 외측면(1380s)에 접촉할 수 있다. 제2 실링부재(SL2)도 제1 방향에 수직한 평면으로 폐루프 구조일 수 있다. 또한, 제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재(SL1), 제1 기판(1310)의 적어도 일부, 하부 절연층(1320), 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350), 제2 전극(1360), 상부 절연층(1370), 제2 기판(1380)을 둘러싸도록 위치할 수 있다. 이로써, 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350), 제2 전극(1360), 상부 절연층(1370) 및 제1 실링부재(SL1)는 하부의 제1 기판(1310), 상부의 제2 기판(1380) 및 제2 실링부재(SL2)에 의해 밀봉될 수 있다. 즉, 제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재(SL1)에 의해 차폐된 구성 요소에 하부 절연층, 상부 절연층 및 제1 실링부재(SL1)를 추가로 더 차폐할 수 있다. 이에, 열전 모듈의 내습성 등이 더욱 향상될 수 있다. 이에, 지하 등에 배치되는 열 수송관에서 발생하는 열에 의해 발생하는 습기나 다른 이물질 등이 열전 모듈 내로 침투하는 것이 용이하게 방지될 수 있다.
또한, 제2 실링부재(SL2)는 제1 실링부재(SL1)와 같이 외측면(SL2a)이 내측의 반도체 구조물 또는 제1 실링부재(SL1)를 향해 곡률을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 실링부재(SL2)는 내측을 향해 볼록한 또는 외측을 향해 오목한 구조일 수 있다. 마찬가지로, 제2 실링부재(SL2)의 내측면(SL2b)도 제1 실링부재(SL1)의 내측면(SL1b)과 같이 내측을 향해 볼록한 또는 외측을 향해 오목한 구조일 수 있다. 또는 제1 실링부재(SL1) 또는 제2 실링부재(SL2)는 어느 하나가 외측으로 볼록할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2) 사이에 배치된 공극(GP)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 실링부재(SL1)의 외측면(SL1a)과 제2 실링부재(SL2)의 내측면(SL2b)이 서로 이격 배치됨으로써, 공극(GP)이 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 공극(GP)은 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2) 간의 이격된 공간일 수 있다. 이러한 공간인 공극(GP)에는 유체(액체, 기체 등 포함)이 존재할 수 있다. 예컨대, 공극(GP)은 에어(air)로 채워질 수 있다. 또는 공극(GP)은 진공 상태일 수 있다. 이와 같이, 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2)는 이격되고 소정의 공간을 형성할 수 있음을 이해해야 한다. 그리고 이로 인하여 방열이 용이하게 수행될 수 있다. 그리고 이러한 구성에 의하여, 열전 모듈에서 구성요소 간의 열팽창 계수 차이에 의한 뒤틀림이 발생하더라도 제1 실링부재의 오목한 외측면 외측에 제2 실링부재가 배치됨으로써, 외부로부터의 수분 침투를 억제할 수 있다. 나아가, 제1 실링부재와 제2 실링부재 사이의 공극이 열팽창에 의한 변형 및 크랙을 억제하여, 외부의 습기 또는 오염 물질이 열전 소자 내부로 침투하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 제1 실링부재(SL1)와 제2 실링부재(SL2)가 서로 접하는 경우에도 상술한 공극(GP)이 존재할 수 있다.
그리고 공극(GP)에 위치한 에어(air) 등은 하부 절연층(1320) 또는 상부 절연층(1370)과 접촉할 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 제1 실링부재(SL1)는 상부 절연층 및 하부 절연층과 접하며 상부 절연층 및 하부 절연층 사이 또는 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판의 외측면 및 제2 기판의 외측면과 접하므로, 제1 실링부재(SL1)의 높이는 제2 실링부재(Sl2)의 높이보다 작을 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에서 제2 열전도 부재가 제거된 도면이고, 도 12은 도 11에서 K부분의 확대도이고, 도 13는 도 12에서 II"의 단면도이고, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 사시도이다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 실시예에 따른 열전 모듈의 제1 기판에서 제1 기판홀(1310h1)과 제2 기판홀(1310h2)은 스크류 등의 결합부재가 위치하여 제1 열전도 부재(1100)와 제1 기판이 서로 결합할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 열전도 부재(1100) 내에 열전 소자(1300)가 결합함으로써, 열전 소자(1300)의 이동을 억제할 수 있다. 이에, 열전 소자(1300)가 이동함에 따라 상술한 제1 관 및 제2 관으로부터 열전달이 효율적으로 이루어지지 않는 현상이 억제될 수 있다.
그리고 결합부재(SC)가 상대적으로 저온인 제1 열전도 부재(1100)와 체결되어, 고온인 제2 열전도부재와 체결된 경우보다 열에 의한 뒤틀림 등의 구조 변형 발생이 억제될 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 신뢰성이 개선될 수 있다. 뿐만 아니라, 상대적으로 고온인 제2 열전도 부재에 결합부재(SC)를 통한 체결이 이루어지는 경우 고온에 따른 휨 현상이 발생하고, 열 손실에 따른 발전 성능 저하가 발생할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 열전 모듈은 상술한 휨 현상 및 성능 저하를 방지하므로 개선된 신뢰성 및 발전 성능을 제공할 수 있다.
나아가, 제2 기판(1380)과 제2 열전도 부재 사이에는 접합 부재가 위치할 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 제2 기판(1380)과 제2 열전도 부재는 서로 결합할 수 있다. 접합 부재는 열 전도성의 재질을 포함하며 페이스트(paste)로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 열전 모듈은 제1 기판(1310) 상에 배치되고 제1 전극(1330)과 전기적으로 연결되는 전극 연결부(1390, 1391)와, 전극 연결부(1390, 1391)와 연결되는 연결 유닛(1392, 1393) 및 연결 유닛(1392, 1393)에 전기적으로 연결되어 제1 기판(1310)의 외측으로 연결되는 도선부(EL1, EL2)를 포함할 수 있다. 연결 유닛(1392, 1393)은 상술한 제1 연결 유닛 및 제2 연결 유닛에 대응한다.
전극 연결부(1390, 1391)은 적어도 일부가 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380)에 수직으로 중첩되는 중첩부(OVS)를 포함할 수 있다. 그리고 중첩부(OVS)는 반도체 구조물이 위치하거나 또는 제1 전극(1330)과 접촉할 수 있다. 이로써, 전극 연결부가 제1 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 실링부재(SL1)는 중첩부(OVS)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 예컨대, 제1 실링부재(SL1)는 전극 연결부(1390, 1391)과 수직 방향으로 적어도 일부 중첩될 수 있다. 이에, 전극 연결부(1390, 1391)가 제1 기판(1310) 상에서 제2 기판(1380)과 수직으로 중첩되지 않는 영역 즉, 외측으로 연장되더라도, 반도체 구조물(1340, 1350)에 대해 습기 등으로부터의 보호가 이루어질 수 있다.
그리고 연결 유닛(1392, 1393)은 제2 실링부재(SL2)에 의해 둘러싸일 수 있다. 실시예로, 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판(1310)의 외측면과 접하고, 제1 기판(1310)에서 제2 기판(1380)과 수직으로(제1 방향으로) 중첩되지 않는 영역에서 제1 기판(1310)의 상면(1310a)과 접촉할 수 있다. 다시 말해, 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판(1310)의 상면(1310s)의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 나아가, 제2 실링부재(SL2)는 상술한 전극 연결부(1390, 1391) 및 연결 유닛(1392, 1393) 외측에 배치될 수 있다. 그리고 제2 실링부재(SL2)는 제2 기판(1380)의 외측면(1380s)과 접할 수 있다. 이에, 제2 실링부재(SL2), 제1 기판(1310) 및 제2 기판(1380)에 의해 제1 실링부재(SL1), 하부 절연층(1320), 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350), 제2 전극(1360) 및 상부 절연층(1370), 전극 연결부(1390, 1391) 및 연결 유닛(1392, 1393)가 밀봉될 수 있다. 이로써, 제1 실링부재(SL1), 하부 절연층(1320), 제1 전극(1330), 반도체 구조물(1340, 1350), 제2 전극(1360) 및 상부 절연층(1370), 전극 연결부(1390, 1391) 및 연결 유닛(1392, 1393)가 제2 실링부재(SL2)에 의해 내습성이 향상될 수 있다.
그리고 제2 실링부재(SL2)는 제1 기판(1310)의 외측면(1310s)에서 연장되어 제1 열전도 부재(1100)의 상면(상술한 제1 면, M1)으로 연장될 수 있다. 또한, 제2 실링부재(SL2)는 제2 기판(1380)의 외측면(1380s)에서 연장되저 제2 열전도 부재(1200)의 저면(상술한 제2 면, M2)로 연장될 수 있다. 이로써, 제2 실링부재(SL2)는 열전 소자(1300), 제1 열전도 부재(1100) 및 제2 열전도 부재(1200)와 결합하며, 이들 간의 결합력을 개선할 수 있다.
또한, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100) 및 제2 열전도 부재(1200)와 접촉할 수 있다. 특히, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)의 측면, 제2 열전도 부재(1200)의 측면과 접촉할 수 있다. 이에, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 사이의 열전 소자(1300), 제1 실링부재(SL1) 및 제2 실링부재(SL2)를 둘러쌀 수 있다. 이에, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)와 결합할 수 있다.
그리고 열전 소자(1300), 제1 실링부재(SL1) 및 제2 실링부재(SL2)는 하부의 제1 열전도 부재(1100), 상부의 제2 열전도 부재(1200) 및 외측의 제3 실링부재(SL3)에 의해 차폐될 수 있다. 이에, 열전 모듈 또는 내부의 열전 소자가 외부의 이물질, 습기 등으로부터 보호될 수 있다.
또한, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200) 전체를 둘러쌀 수도 있다. 이에, 제3 실링부재(SL3)는 제1 열전도 부재(1100)와 제2 열전도 부재(1200)에 대해 방열을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치 등에 작용될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 소자를 포함한 발전용 장치 또는 다양한 전기 장치도 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 일 예로, 발전 시스템은 열 수송관, 우수관, 소융관 등의 폐열 파이프, 선박, 자동차, 발전소, 지열, 등에서 발생하는 열원을 통해 발전할 수 있다. 그리고 발전 시스템에서는 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 발전 장치를 배열할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 일 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 (20)

  1. 제1 열전도 부재;
    제2 열전도 부재;
    상기 제1 열전도 부재와 상기 제2 열전도 부재 사이에 배치되는 열전 소자;
    상기 열전 소자의 외측에 배치된 제1 실링부재; 및
    상기 제1 실링부재의 외측에 배치된 제2 실링부재를 포함하고,
    상기 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판과 마주보는 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 제1 실링부재는 상기 제1 기판의 상면과 상기 제2 기판의 저면 사이에 배치되고, 상기 반도체 구조물을 향하여 볼록한 측면을 포함하고
    상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 측면과 상기 제2 기판의 측면과 접촉하고,
    상기 제1 실링부재의 볼록한 측면과 상기 제2 실링부재 사이에 공극을 포함하는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자는 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층을 더 포함하고,
    상기 제1 실링부재는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층과 접촉하는 열전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 실링부재는 상기 제1 절연층과 접촉하는 제1 영역; 및 상기 제2 절연층과 접촉하는 제2 영역;을 포함하는 열전 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 상기 제2 절연층과 수직으로 중첩되는 제1 절연부, 및 상기 제2 절연층과 수직으로 중첩되지 않는 제2 절연부를 포함하고,
    상기 제1 실링부재의 제1 영역은 상기 제2 절연부에 위치하고,
    상기 제1 실링부재의 제2 영역은 상기 제1 절연부에 위치하는 열전 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실링부재의 외측에 배치되는 제3 실링부재를 더 포함하고,
    상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재, 및 상기 제2 열전도 부재와 접촉하고,
    상기 제1 실링부재, 상기 제2 실링부재 및 상기 제3 실링부재는 서로 이격된 열전 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 실링부재와 상기 제2 실링부재는 서로 동일한 재질을 포함하고,
    상기 제1 실링부재와 상기 제3 실링부재는 서로 다른 물질을 포함하고,
    상기 제3 실링부재는 우레탄을 포함하는 열전 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전도 부재는 제1 유로와 연결되고,
    상기 제2 열전도 부재는 제2 유로와 연결되고,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로에 흐르는 유체의 온도는 서로 상이한 열전 모듈.
  8. 제2항에 있어서,
    제1 실링부재의 외측면은 상기 반도체 구조물을 향하는 외측으로 오목한 열전 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 절연층의 상면은 상기 제2 기판을 향해 오목한 오목부를 포함하고,
    상기 제1 실링부재의 외측면과 상기 제2 절연층의 상면은 서로 수직한 방향으로 오목한 열전 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 실링부재의 높이, 상기 제2 실링부재의 높이, 및 상기 제3 실링부재의 높이는 서로 다른 열전 모듈.
  11. 제5항에 있어서,
    제1 기판 상에 배치되고 제1 전극과 전기적으로 연결되는 전극 연결부; 및
    상기 전극 연결부와 연결되어 제1 기판의 외측으로 연장되는 도선부;를 더 포함하는 열전 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극 연결부는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 수직으로 중첩되는 중첩부를 포함하고,
    상기 제1 실링부재는 상기 중첩부를 적어도 일부 둘러싸는 열전 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 연결부 상에 배치되고 상기 도선부와 전기적으로 연결되는 연결 유닛;을 더 포함하고,
    상기 제2 실링부재는 상기 연결 유닛을 둘러싸는 열전 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 상면의 적어도 일부와 접촉하는 열전 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재 및 상기 제2 열전도 부재와 접촉하는 열전 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제3 실링부재의 폭은 상기 제1 실링부재의 폭보다 큰 열전 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 실링부재의 폭은 상기 제1 실링부재의 폭보다 큰 열전 모듈.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 실링부재는 상기 제1 기판의 외측면에서 연장되어 상기 제1 열전도 부재의 상면으로 연장되고, 상기 제2 기판의 외측면에서 연장되어 상기 제2 열전도 부재의 저면으로 연장된 열전 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 실링부재는 상기 열전 소자와 상기 제1 열전도 부재, 및 상기 제2 열전도 부재를 결합하는 열전 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제3 실링부재는 상기 제1 열전도 부재와 상기 제2 열전도 부재를 결합하는 열전 모듈.
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