KR20230117902A - 열전모듈 - Google Patents

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KR20230117902A
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판, 그리고 상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈은 상기 히트싱크의 표면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭을 가지고, 상기 히트싱크의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이를 가지며, 상기 제1 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 깊이는 1 내지 10㎛이다.

Description

열전모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 히트싱크에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 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.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 열전 레그가 배치되고, 열전 레그와 상부 기판 사이에 상부 전극이 배치되며, 열전 레그와 및 하부 기판 사이에 하부 전극이 배치된다.
한편, 열전소자의 상부 기판과 하부 기판 중 적어도 하나에는 히트싱크가 배치되며, 유체가 히트싱크를 통과할 수 있다. 히트싱크를 통과하는 유체가 배기가스인 경우, 배기가스 내 불완전 연소에 의해 발생한 미세 입자가 히트싱크의 표면에 흡착될 수 있다. 히트싱크의 표면에 미세 입자가 누적하여 흡착될 경우, 히트싱크를 통과하는 유체의 유로가 막히거나, 히트싱크의 열교환 성능이 감소되거나, 히트싱크에 열이 축적되어 화재가 발생할 위험이 커지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 히트싱크 사이의 열교환 성능이 개선된 열전모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판, 그리고 상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈은 상기 히트싱크의 표면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭을 가지고, 상기 히트싱크의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이를 가지며, 상기 제1 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 깊이는 1 내지 10㎛이다.
상기 히트싱크는, 상기 제2 기판 상에 배치된 제1 면, 상기 제1면에 연결되며 상기 제2 기판과 수직하는 방향으로 배치된 제2면, 상기 제2면에 연결되며, 상기 제2 기판과 마주하도록 배치된 제3면, 그리고 상기 제3면에 연결되며, 상기 제2 기판과 수직하고 상기 제2면과 마주하도록 배치된 제4면을 포함하고, 상기 제2 기판과 상기 제3면 간의 거리는 상기 제2 기판과 상기 제1면 간의 거리보다 크며, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 각각 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 순차적으로 복수 회 반복되어 연결되고, 상기 복수의 홈은 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 배치될 수 있다.
상기 복수의 홈은 상기 제1면의 양 표면 중 상기 제2 기판을 향하는 표면의 반대 표면, 상기 제2면의 양 표면, 상기 제3면의 양 표면 및 상기 제4면의 양 표면에 형성될 수 있다.
상기 복수의 홈 중 서로 이웃하는 두 개의 홈 사이에 배치된 벽부의 제2 폭은 상기 제1 폭보다 작을 수 있다.
상기 제2폭은 상기 제1폭의 0.1 내지 0.9배일 수 있다.
상기 제2면의 양 표면 중 상기 제2 기판, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면과 상기 제3면의 양 표면 중 상기 제2 기판을 향하도록 배치된 표면이 만나는 모서리 영역에서 상기 제2면의 벽부와 상기 제3면의 벽부 간 최단거리는 1 내지 10㎛일 수 있다.
상기 제2면의 양 표면 중 상기 제2 기판, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면의 벽부와 상기 제2 기판 간 최단거리는 1 내지 10㎛일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 냉각부, 그리고 상기 냉각부 상에 배치된 열전모듈을 포함하고, 상기 열전모듈은, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판, 그리고 상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈은 상기 히트싱크의 표면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭을 가지고, 상기 히트싱크의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이를 가지며, 상기 제1 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 깊이는 1 내지 10㎛이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전모듈을 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크의 열교환 성능이 높은 열전모듈을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 열변환장치의 분해사시도이다.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 단면도의 한 예이다.
도 6은 도 5에서 예시한 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이다.
도 7은 유체가 히트싱크를 1000시간 통과한 경우, 유체에 포함된 수트의 입자 크기 별 열전모듈의 발전량 저하율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이다.
도 9는 히트싱크의 표면과 수트의 흡착 간 관계를 나타낸다.
도 10 내지 도 12는 도 8의 200R의 확대도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크의 제3면의 상면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크의 제3면의 단면의 일부 확대도이다.
도 15는 히트싱크에서 하나의 핀 내 유체 흐름을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함된 히트싱크 내 하나의 핀의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함된 히트싱크 내 하나의 핀의 단면도이다.
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 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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 열변환장치의 분해사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 열변환장치(1000)는 덕트(1100), 제1 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1300) 및 기체 가이드 부재(1400)를 포함한다. 여기서, 열변환장치(1000)는, 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 냉각용 유체 및 덕트(1100)의 외부를 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
이를 위하여, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)과 제2 열전모듈(1300) 각각의 양면 중 덕트(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 제1 열전모듈(1200) 또는 제2 열전모듈(1300)에 적용될 수 있다.
덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다.
냉각용 유체는 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다.
도시되지 않았으나, 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각용 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 면에 배치되고 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 면에서 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치된다.
여기서, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수도 있다.
덕트(1100)에는 공기가 유동하는 방향으로 기체 가이드 부재(1400), 실링부재(1800) 및 단열부재(1700)가 더 배치될 수도 있다.
덕트(1100)의 외부를 통과하는 고온의 기체는 자동차, 선박 등의 엔진으로부터 발생하는 폐열일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 고온의 기체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높은 온도를 갖는 유체일 수 있다.
도 1 내지 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예에 불과하며, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 구조가 이로 제한되는 것은 아니다.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 열전소자(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. 열전소자(100)는 본 발명의 실시예에 따른 제1 열전모듈(1200) 또는 제2 열전모듈(1300)에 포함되는 열전소자일 수 있다.
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, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
도 3 내지 도 4에서 리드선(181, 182)이 하부 기판(110)에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 리드선(181, 182)이 상부 기판(160)에 배치되거나, 리드선(181, 182) 중 하나가 하부 기판(110)에 배치되고, 나머지 하나가 상부 기판(160)에 배치될 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 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. 이에 따라, 본 명세서에서 열전 레그는 반도체 구조물, 반도체 소자, 반도체 재료층, 반도체 물질층, 반도체 소재층, 도전성 반도체 구조물, 열전 구조물, 열전 재료층, 열전 물질층, 열전 소재층, 열전 반도체 구조물, 열전 반도체 소자, 열전 반도체 재료층, 열전 반도체 물질층, 열전 반도체 소재층 등으로 지칭될 수도 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. 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(140)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. 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.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 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.
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, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 예를 들어, 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되거나, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되거나 또는 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 배치되는 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나가 다른 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나보다 더 클 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. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
도시되지 않았으나, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스, 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재 및 실링 케이스와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스는 실링재를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재는 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다. 이하에서, 설명의 편의상, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 각각 제1 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)이라 지칭할 수 있다.
도 5는 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 단면도의 한 예이고, 도 6은 도 5에서 예시한 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 열전소자(100)의 제2 기판(160) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 전술한 바와 같이, 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 제2 전극(150), 제2 기판(160) 및 절연층(170)을 포함하며, 제1 전극(120)에는 리드선(181, 182)이 연결될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제1 열전모듈(1200) 또는 제2 열전모듈(1300)은 열전소자(100) 상에 배치된 히트싱크(200)를 포함할 수 있다.
이를 위하여, 제2 기판(160) 상에 접착층(300)이 배치되고, 접착층(300) 상에 히트싱크(200)가 배치될 수 있다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200)는 접착층(300)에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 히트싱크(200)는 상부 기판(160), 즉 제2 기판(160)에 배치되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예와 동일한 구조의 히트싱크(200)가 하부 기판(110), 즉 제1 기판(110)에 배치될 수도 있다.
이때, 히트싱크(200)는 제1 방향을 따라 히트싱크(200)를 통과하는 유체, 예를 들어 공기와 면접촉할 수 있도록 평판 형상의 기재를 이용하여 공기 유로를 형성하도록 구현될 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 소정의 피치(P) 및 높이(H)를 가지는 반복적인 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접히는 구조를 가질 수 있다. 반복적인 패턴의 단위, 즉 각 패턴을 핀(fin, 200f)이라 지칭할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 제1 패턴(X1), 제2 패턴(X2) 및 제3 패턴(X3)를 포함하며, 이들 패턴들은 순차적으로 복수 회 반복되어 연결되는 일체의 평판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 패턴(X1, X2, X3)은 순차적으로 연결된 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)을 포함할 수 있다.
제1면(201)은 제2 기판(160) 상에 배치되고, 접착층(300)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2면(202)은 제1면(201)에 연결되며, 제2 기판(160)과 수직하는 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 제2면(202)은 제1면(201)의 한 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제3면(203)은 제2면(202)에 연결되며, 제2 기판(160)과 마주하도록 배치될 수 있다. 이때, 제2 기판(160)과 제3면(203) 간의 거리는 제2 기판(160)과 제1면(201) 간의 거리보다 클 수 있다. 제4면(204)은 제3면(203)에 연결되며, 제2 기판(160)과 수직하고, 제2면(202)과 마주하도록 배치될 수 있다.
제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)은 순차적으로 접히는 구조를 가지는 일체의 평판일 수 있으며, 한 세트의 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)는 하나의 핀(200f)을 이룰 수 있고, 각 핀(200f)은 유체가 통과하는 방향, 즉 제1방향을 따라 연장될 수 있다.
한편, 히트싱크를 통과하는 유체가 배기가스인 경우, 배기가스 내 미세 입자가 히트싱크의 표면에 흡착될 수 있다. 배기가스 내 미세 입자는 유기물의 불완전 연소 또는 열분해에 의해 생기는 흑색 무정형의 미소 분말 물질로, 수트(soot)라 불릴 수 있다. 배기가스 내 미세 입자는 대부분 탄소로 이루어지며, 약간의 산소 및 미소량의 질소, 수소 등을 함유할 수 있다. 수트의 평균 입자 크기는 수 nm 내지 수백 ㎛일 수 있다.
도 7은 유체가 히트싱크를 1000시간 통과한 경우, 유체에 포함된 수트의 입자 크기 별 열전모듈의 발전량 저하율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 수트의 입자 크기가 커질수록 발전량 저하율이 커짐을 알 수 있다. 특히, 수트의 입자 크기가 10㎛ 내지 100㎛인 경우, 열전모듈의 발전량 저하율이 2% 내지 30%로 크게 증가함을 알 수 있다.
이는, 히트싱크의 표면에 수트가 누적하여 흡착될 경우, 히트싱크를 통과하는 유체의 유로가 막히거나, 히트싱크의 열교환 성능이 감소되기 때문이다. 경우에 따라서는, 히트싱크에 열이 축적되어 화재가 발생할 위험도 커지게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크의 표면 처리에 의하여 히트싱크를 통과하는 유체 내 수트의 흡착을 최소화하고자 한다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이고, 도 9는 히트싱크의 표면과 수트의 흡착 간 관계를 나타내며, 도 10 내지 도 12는 도 8의 200R의 확대도이다.
도 8을 참조하면, 히트싱크(200)의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈(800)을 포함한다. 복수의 홈(800)은 히트싱크(200)의 전면으로부터 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 히트싱크(200)의 후면까지 연장될 수 있으며, 복수의 홈(800)은 규칙적인 크기, 형상 및 간격을 가질 수 있다. 이때, 복수의 홈(800)의 크기, 형상 및 간격 중 적어도 하나는 히트싱크(200)를 통과하는 유체 내 수트의 입자 크기에 따라 달라질 수 있다.
일반적으로, 히트싱크(200)는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 히트싱크(200)의 표면 거칠기를 별도로 제어하지 않은 경우, 도 9(a)에 도시된 바와 같이 히트싱크(200)의 표면에는 수트(S)의 직경보다 폭이 큰 홈(900)이 불규칙적으로 형성될 수 있다. 유체에 분산된 수트(S)가 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 경로 상에서 수트(S)의 직경보다 폭이 큰 홈(900)을 만나면, 수트(S)는 홈(900) 내에 수용될 수 있다. 홈(900) 내에 수용된 수트(S)는 히트싱크(200)의 표면에 흡착될 수 있으며, 흡착된 수트(S)의 표면에는 다른 수트(S)가 더 흡착되어 수트 덩어리가 형성되기 쉽다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)의 표면에 제어된 크기, 형성 및 간격의 홈(800)을 배치하고자 한다. 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 히트싱크(200)의 표면에 배치된 홈(800)의 폭이 수트(S)의 폭보다 작은 경우, 수트(S)는 홈(800) 내에 수용되지 못하며, 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 힘에 의하여 히트싱크(200)의 전면으로부터 히트싱크(200)의 후면까지 배출될 수 있다.
특히, 히트싱크(200)의 표면에 배치된 홈(800)이 규칙적인 크기, 형상 및 간격으로 히트싱크(200)의 전면으로부터 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 히트싱크(200)의 후면까지 연장될 경우, 유체의 유속이 일정하게 유지될 수 있으며, 이에 따라 수트(S)가 히트싱크(200)의 표면에 흡착될 가능성을 더욱 낮출 수 있다.
도 10을 참조하면, 히트싱크(200)의 표면에 형성된 복수의 홈(800)은 히트싱크(200)의 표면에 평행하며 유체가 통과하는 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭(W1)을 가지며, 히트싱크(200)의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이(D1)를 가지며, 이때, 제1 폭(W1)은 1 내지 10㎛이고, 깊이(d1)는 1 내지 10㎛일 수 있다. 이와 같이, 히트싱크(200)의 표면에 배치된 복수의 홈(800)이 서로 동일한 폭 및 깊이를 가지며, 복수의 홈(800)의 폭 및 깊이가 각각 1 내지 10㎛인 경우, 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 유속을 일정하게 유지할 수 있으며, 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)가 복수의 홈(800) 내에 수용되지 못하고 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 힘에 의해 히트싱크(200)의 후면까지 이동하므로, 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)가 히트싱크(200)의 표면에 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)의 침착에 따라 열전모듈의 발전량이 크게 저하되는 문제를 최소화할 수 있다.
이때, 복수의 홈(800)은 유체가 통과하는 모든 표면에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 홈(800)은 히트싱크(200)의 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1면(201)의 양 표면 중 제2 기판(160)을 향하는 표면의 반대 표면, 제2면(202)의 양 표면, 제3면(203)의 양 표면 및 제4면(204)의 양 표면에 복수의 홈(800)이 배치될 수 있다. 이에 따르면, 유체와 접촉하는 모든 표면에서 수트(S)가 침착될 가능성을 최소화할 수 있다.
한편, 복수의 홈(800)은 서로 이웃하는 두 개의 홈 사이에 배치된 벽부(810)에 의하여 구분될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 벽부(810)의 제2 폭(W2)은 홈(800)의 제1폭(W1)보다 작을 수 있다. 여기서, 제2 폭(W2)은 히트싱크(200)의 표면에 평행하며 유체가 통과하는 제1 방향에 수직한 방향의 폭일 수 있다. 예를 들어, 벽부(810)의 제2 폭(W2)은 홈(800)의 제1폭(W1)의 0.1 내지 0.9배, 바람직하게는 0.1 내지 0.7배, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5배일 수 있다. 이에 따르면, 직경이 10㎛를 초과하여 홈(800)에 수용되지 못한 수트(S)가 벽부(810)의 표면에도 흡착되지 못하므로, 수트(S)는 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 힘에 의해 히트싱크(200)의 후면까지 용이하게 이동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 홈(800)의 제1 폭(W1)은 히트싱크(200)의 두께, 예를 들어 제3면(203)의 두께(T)의 0.03 배 내지 0.1배일 수 있다. 홈(800)의 제1 폭(W1)이 이러한 수치범위를 만족하면, 수트(S)의 흡착을 방지하고, 흡착된 수트(S)가 유체의 유동에 의해 제거되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 홈(800)의 깊이(d1)는 히트싱크(200)의 두께, 예를 들어 제3면(203)의 두께(T)의 0.03 배 내지 0.1배일 수 있다. 홈(800)의 깊이(d1)가 이러한 수치범위를 만족하면, 수트(S)의 흡착을 방지하고, 흡착된 수트(S)가 유체의 유동에 의해 제거되는 효과를 얻을 수 있다.
이때, 홈(800)의 제1 폭(W1)은 홈(800)의 깊이(d1) 이상일 수 있다. 홈의 (800)의 깊이(d1)의 길이가 홈(800)의 제1 폭(W1)의 길이보다 길면, 홈(800) 내에 수트(S)가 흡착될 가능성이 높아지게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 벽부(810)의 제2 폭(W2)은 히트싱크(200)의 두께, 예를 들어 제3면(203)의 두께(T)의 0.01 배 내지 0.1배일 수 있다. 이때, 벽부(810)의 제2 폭(W2)은 홈(800)의 제1 폭(W1) 이하일 수 있다. 이에 다르면, 벽부(810)에 또 다른 표면거칠기가 발생할 가능성을 줄일 수 있다. 도 11을 참조하면, 제2면(202)의 양 표면 중 제2 기판(160), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면과 제3면(203)의 양 표면 중 제2 기판(160)을 향하도록 배치된 표면이 만나는 모서리 영역에서 제2면(202)의 벽부(812)와 제3면(203)의 벽부(813) 간 최단 거리(W3)는 1 내지 10㎛일 수 있다. 이에 따르면, 제2면(202)과 제3면(203)의 모서리 영역에서도 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)가 흡착되는 문제를 차단할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2면(202)의 양 표면 중 제2 기판(160), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면의 벽부(814)와 제2 기판(160) 간 최단 거리(W4)는 1 내지 10㎛일 수 있다. 이에 따르면, 제2면(202)과 제2 기판(160)의 모서리 영역에서도 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)가 흡착되는 문제를 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 홈(800)은 레이저 패터닝, 에칭 또는 마스킹에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 히트싱크(200)를 이루는 금속 기재의 양 표면 상에 레이저 패터닝, 에칭 또는 마스킹 등의 기법으로 복수의 홈(800)을 형성한 후, 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)이 순차적으로 연결되도록 접는 방법에 의해 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크(200)를 제작할 수 있다. 이에 따르면, 복수의 홈(300)의 크기, 간격 및 형상을 균일하게 제어하는 것이 가능하다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크의 제3면의 상면도이다.
도 13(a)를 참조하면, 전술한 바와 같이, 복수의 홈(800)은 히트싱크(200)의 표면, 예를 들어 제3면(203)에서 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장될 수 있다. 이에 따르면, 수트(S)는 유체의 힘에 의하여 유체와 함께 용이하게 외부로 배출될 수 있다.
또는, 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 홈(800)은 히트싱크(200)의 표면, 예를 들어 제3면(230)에서 격자 형상으로 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 격자 형상의 벽부(810)에 의하여 수트(S)가 히트싱크(200)에 흡착될 가능성을 최소화할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크의 제3면의 단면의 일부 확대도이다.
도 14를 참조하면, 홈(800)의 바닥면(800B)과 벽부(810)의 측면(810S)가 만나는 영역(R1)은 라운드 형태를 가지도록 에칭될 수도 있다. 이에 따르면, 미세한 크기의 수트(S)가 홈(800)의 바닥면(800B)과 벽부(810)의 측면(810S)이 만나는 모서리에 흡착될 가능성을 줄일 수 있다.
도 15는 히트싱크에서 하나의 핀 내 유체 흐름을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 하나의 핀(200f) 내부에서 가운데 영역에서 흐르는 유체의 유속은 가장자리 영역에서 흐르는 유체의 유속보다 빠를 수 있음을 알 수 있다. 층류(laminar flow)의 발달거리(entrance length) 원리에 따라, 유체 유입구로부터 멀어질수록, 즉 유체가 흐르는 방향인 제1 방향에 따른 하나의 핀의 길이가 길어질수록, 유체의 가장자리 영역과 가운데 영역 간 유속 차는 커질 수 있다. 이에 따르면, 핀(200f)의 가운데 영역에서 흐르는 유체의 일부는 히트싱크와 열교환이 이루어지지 않은 채 배출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유체에 와류를 형성하는 구조물을 히트싱크에 더 배치하는 것에 의하여 유체와 히트싱크 간 열교환 효율을 개선하고자 한다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이고, 도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함된 히트싱크 내 하나의 핀의 사시도이며, 도 18은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함된 히트싱크 내 하나의 핀의 단면도이다. 여기서, 열전소자(100)의 상세한 구조, 즉 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150), 상부 기판(160) 및 절연층(170)에 관한 내용은 도 1 내지 2에서 설명된 내용과 동일하게 적용될 수 있으므로, 설명의 편의를 위하여, 중복된 설명을 생략한다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 제2 기판(160) 상에 접착층(300)이 배치되고, 접착층(300) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200)는 접착층(300)에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 히트싱크(200)는 상부 기판(160), 즉 제2 기판(160)에 배치되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예와 동일한 구조의 히트싱크(200)가 하부 기판(110), 즉 제1 기판(110)에 배치될 수도 있고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 모두에 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가지며, 각 패턴은 유체가 통과하는 방향, 즉 제1 방향을 따라 연장된다. 각 패턴에 관한 내용은 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명된 내용과 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 히트싱크(200)의 표면에는 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명한 복수의 홈(800)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)는 유체가 통과하는 경로 상의 적어도 한 면에 배치된 돌기부(300)를 더 포함한다. 이에 따라, 히트싱크(200)를 통과하는 유체가 돌기부(300)를 만나면, 유체의 흐름은 층류(laminar flow)로부터 난류(turbulent flow)로 바뀌어 유속이 느려지고, 히트싱크(200)와 유체 간 열교환량이 커질 수 있다.
더욱 구체적으로, 돌기부(300)는 각 패턴(X1, X2, X3)에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 각 패턴(X1, X2, X3)을 통과하는 유체의 유속이 히트싱크(200) 전체에 대하여 균일하게 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1면(201)은 제2 기판(160) 상에 배치되고, 접착층(300)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2면(202)은 제1면(201)에 연결되며, 제2 기판(160)과 수직하는 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 제2면(202)은 제1면(201)의 한 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제3면(203)은 제2면(202)에 연결되며, 제2 기판(160)과 마주하도록 배치될 수 있다. 이때, 제2 기판(160)과 제3면(203) 간의 거리는 제2 기판(160)과 제1면(201) 간의 거리보다 클 수 있다. 제4면(204)은 제3면(203)에 연결되며, 제2 기판(160)과 수직하고, 제2면(202)과 마주하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 돌기부(300)는 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204) 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 돌기부(300)는 제2면(202), 제3면(203), 제4면(204) 및 제2 기판(106)에 의하여 이루어진 영역 내에 배치될 수 있으며, 특히, 제2면(202) 및 제4면(204) 상에 배치될 수 있다. 도 18을 참조하면, 제2면(202), 제3면(203), 제4면(204) 및 제2 기판(106)에 의하여 이루어진 영역, 즉 핀(200f) 내부로 유입된 유체는 핀(200f) 내부에서 제1 방향을 따라 흐른다. 유체가 돌기부(300)를 만나면, 난류가 발생하여 유체의 유속이 느려지며, 이에 따라 핀(200f)과 유체 간 열교환량이 증가할 수 있다. 이때, 난류를 효율적으로 발생시키기 위하여, 제2면(202) 및 제4면(204)에 배치된 양 돌기부(300)는 서로 대칭하도록 배치될 수 있다.
이때, 제2 기판(160)에 수직한 방향에 따른 돌기부(300)의 높이(a)는 제2 기판(160)과 제3면(203) 간 거리(A)의 30 내지 50%이고, 유체가 통과하는 방향에 수직하고, 제2 기판(160)과 평행한 방향에 따른 돌기부(300)의 두께(b)는 제2면(202)과 제4면(204) 간 거리(B)의 10 내지 20%이며, 유체가 통과하는 방향에 따른 돌기부(300)의 길이(c)는 제2면(202) 및 제4면(204) 각각의 길이의 4 내지 10%일 수 있다. 돌기부(300)가 이러한 수치범위의 하한 이상이면 히트싱크(200) 내부에서 난류가 형성될 수 있고, 돌기부(300)가 이러한 수치범위의 상한 이하이면 히트싱크(200)에 유입되는 유체와 히트싱크(200)로부터 배출되는 유체 간 압력 차를 최소화할 수 있다.
이때, 돌기부(300)는 제2 기판(160)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 기판(160)과 제3면(203) 사이를 통과하는 유체 중 가운데 높이에서 흐르는 유체가 와류를 형성함으로써, 제2 기판(160)을 따라 낮은 높이에서 흐르는 유체와 제3면(203)을 따라 높은 높이에서 흐르는 유체에도 와류가 형성될 수 있다.
여기서, 돌기부(300)는 금속 재질일 수 있다. 예를 들어, 돌기부(300)는 히트싱크(200)와 동일한 종류의 금속 재질일 수 있다. 예를 들어, 돌기부(300)는 도 17에 도시된 바와 같이, 히트싱크(200)와 일체로 성형될 수 있다. 즉, 제2면(202)에 돌기부(300)를 배치하는 경우, 제2면(202)의 양면 중 한 면에 함몰된 홈을 성형하면, 그 반대면에 돌기부(300)가 형성될 수 있다. 이에 따르면, 돌기부(300)에 접촉하는 유체도 열교환될 수 있으므로, 유체의 열교환량이 늘어날 수 있다.
한편, 돌기부(300)는 삼각 형상의 단면, 즉 삼각 기둥 형상이며, 도시되지 않았으나, 돌기부(300)의 표면(300S)에도 본 발명의 실시예에 따른 복수의 홈(800)이 형성될 수 있다. 이에 따르면, 유체가 돌기부(300)의 표면(300S)을 통과할 때, 유체에 포함된 수트(S)가 돌기부(300)의 표면(300S)에 흡착될 가능성을 최소화할 수 있다.
발전 시스템은 선박, 자동차, 발전소, 지열, 등에서 발생하는 열원을 통해 발전할 수 있고, 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 발전 장치를 배열할 수 있다. 이때, 각 발전 장치는 열전모듈과 유체유동부 간 접합력을 개선하여 열전소자의 저온부의 냉각 성능을 개선할 수 있으며, 이에 따라 발전 장치의 효율 및 신뢰성을 개선할 수 있으므로, 선박이나 차량 등의 운송 장치의 연료 효율을 개선할 수 있다. 따라서 해운업, 운송업에서는 운송비 절감과 친환경 산업 환경을 조성할 수 있고, 제철소 등 제조업에 적용되는 경우 재료비 등을 절감할 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 (8)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물,
    상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극,
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판, 그리고
    상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크를 포함하고,
    상기 히트싱크의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고,
    상기 복수의 홈은 상기 히트싱크의 표면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭을 가지고, 상기 히트싱크의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이를 가지며,
    상기 제1 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 깊이는 1 내지 10㎛인 열전모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는,
    상기 제2 기판 상에 배치된 제1 면,
    상기 제1면에 연결되며 상기 제2 기판과 수직하는 방향으로 배치된 제2면,
    상기 제2면에 연결되며, 상기 제2 기판과 마주하도록 배치된 제3면, 그리고
    상기 제3면에 연결되며, 상기 제2 기판과 수직하고 상기 제2면과 마주하도록 배치된 제4면을 포함하고,
    상기 제2 기판과 상기 제3면 간의 거리는 상기 제2 기판과 상기 제1면 간의 거리보다 크며,
    상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 각각 상기 제1 방향을 따라 연장되고,
    상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 순차적으로 복수 회 반복되어 연결되고,
    상기 복수의 홈은 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 배치된 열전모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 홈은 상기 제1면의 양 표면 중 상기 제2 기판을 향하는 표면의 반대 표면, 상기 제2면의 양 표면, 상기 제3면의 양 표면 및 상기 제4면의 양 표면에 형성된 열전모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 홈 중 서로 이웃하는 두 개의 홈 사이에 배치된 벽부의 제2 폭은 상기 제1 폭보다 작은 열전모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2폭은 상기 제1폭의 0.1 내지 0.9배인 열전모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2면의 양 표면 중 상기 제2 기판, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면과 상기 제3면의 양 표면 중 상기 제2 기판을 향하도록 배치된 표면이 만나는 모서리 영역에서 상기 제2면의 벽부와 상기 제3면의 벽부 간 최단거리는 1 내지 10㎛인 열전모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2면의 양 표면 중 상기 제2 기판, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면에 의해 이루어진 공간 내에 배치된 표면의 벽부와 상기 제2 기판 간 최단거리는 1 내지 10㎛인 열전모듈.
  8. 냉각부, 그리고
    상기 냉각부 상에 배치된 열전모듈을 포함하고,
    상기 열전모듈은,
    제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물,
    상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극,
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판, 그리고
    상기 제2 기판 상에 배치된 히트싱크를 포함하고,
    상기 히트싱크의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고,
    상기 복수의 홈은 상기 히트싱크의 표면에 평행하며 상기 제1 방향에 수직한 방향으로 서로 동일한 제1 폭을 가지고, 상기 히트싱크의 표면에 수직한 방향으로 서로 동일한 깊이를 가지며,
    상기 제1 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 깊이는 1 내지 10㎛인 발전장치.
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