KR20240062530A - Thermoelectric module - Google Patents
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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 히트싱크는 제1 금속을 포함하는 제1층, 상기 제1층의 한 면에 배치되고 제2 금속을 포함하는 제2층, 그리고 상기 제1층의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층을 포함하고, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속의 이온화 경향은 상기 제1 금속의 이온화 경향보다 높고, 상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께보다 얇다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a first electrode disposed on the first substrate, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, and A second substrate disposed on a second electrode, and a heat sink disposed on the second substrate, the heat sink comprising a first layer including a first metal, disposed on one side of the first layer, and a second layer comprising a second metal, and a third layer disposed on the other side of the first layer and comprising a third metal, wherein the ionization tendency of the second metal and the third metal is It is higher than the ionization tendency of the metal, and the thickness of each of the second and third layers is thinner than the thickness of the first layer.
Description
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 히트싱크에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric module, and more specifically to a heat sink for a thermoelectric element.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material, and means direct energy conversion between heat and electricity.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. Thermoelectric elements are a general term for devices that use thermoelectric phenomena, and have a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are joined between metal electrodes to form a PN junction pair.
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.Thermoelectric devices can be divided into devices that use temperature changes in electrical resistance, devices that use the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated due to a temperature difference, and devices that use the Peltier effect, a phenomenon in which heat absorption or heat generation occurs due to current. .
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.Thermoelectric elements are widely applied to home appliances, electronic components, and communication components. For example, thermoelectric elements can be applied to cooling devices, heating devices, power generation devices, etc. Accordingly, the demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements is increasing.
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.The thermoelectric element includes a substrate, an electrode, and a thermoelectric leg, with the thermoelectric leg disposed between the upper substrate and the lower substrate, the upper electrode disposed between the thermoelectric leg and the upper substrate, and the lower electrode between the thermoelectric leg and the lower substrate. It is placed.
한편, 열전소자의 상부 기판과 하부 기판 중 적어도 하나에는 히트싱크가 배치되며, 유체가 히트싱크를 통과할 수 있다. 일반적으로, 열전소자에 배치되는 히트싱크는 열교환량을 극대화하기 위하여 열전도성이 좋은 금속으로 이루어질 수 있다. 히트싱크를 통과하는 유체가 배기가스인 경우, 배기가스 내에는 황(S)이 포함될 수 있으며, 금속으로 이루어진 히트싱크는 배기가스 내에 포함된 황에 의해 부식될 수 있다. 히트싱크 표면이 부식되면 히트싱크의 열교환 성능이 낮아질 수 있으며, 히트싱크 표면의 부식 부산물에 의해 열전소자 주변의 장치에 고장이 발생할 가능성도 있다.Meanwhile, a heat sink is disposed on at least one of the upper and lower substrates of the thermoelectric element, and fluid can pass through the heat sink. Generally, a heat sink disposed in a thermoelectric element may be made of a metal with good thermal conductivity in order to maximize the amount of heat exchange. If the fluid passing through the heat sink is exhaust gas, the exhaust gas may contain sulfur (S), and a heat sink made of metal may be corroded by the sulfur contained in the exhaust gas. If the heat sink surface is corroded, the heat exchange performance of the heat sink may decrease, and there is a possibility that devices around the thermoelectric element may fail due to corrosion by-products on the heat sink surface.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 히트싱크의 열교환 성능이 개선된 열전모듈을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thermoelectric module with improved heat exchange performance of a heat sink.
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 히트싱크는 제1 금속을 포함하는 제1층, 상기 제1층의 한 면에 배치되고 제2 금속을 포함하는 제2층, 그리고 상기 제1층의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층을 포함하고, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속의 이온화 경향은 상기 제1 금속의 이온화 경향보다 높고, 상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께보다 얇다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a first electrode disposed on the first substrate, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, and A second substrate disposed on a second electrode, and a heat sink disposed on the second substrate, the heat sink comprising a first layer including a first metal, disposed on one side of the first layer, and a second layer comprising a second metal, and a third layer disposed on the other side of the first layer and comprising a third metal, wherein the ionization tendency of the second metal and the third metal is It is higher than the ionization tendency of the metal, and the thickness of each of the second and third layers is thinner than the thickness of the first layer.
상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께의 2 내지 7%일 수 있다.The thickness of each of the second layer and the third layer may be 2 to 7% of the thickness of the first layer.
상기 제1층은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2층 및 상기 제3층은 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first layer includes copper (Cu), and the second and third layers include at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), and molybdenum (Mo). It can be included.
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 유체가 통과하는 방향을 따라 연장되고, 상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 순차적으로 복수 회 반복되어 연결될 수 있다.The heat sink includes a first surface disposed on the second substrate, a second surface connected to the first surface and disposed in a direction perpendicular to the second substrate, and connected to the second surface, and the second surface is connected to the second substrate. It includes a third surface disposed to face the substrate, and a fourth surface connected to the third surface, perpendicular to the second substrate and disposed to face the second surface, and the second substrate and the third surface. The distance between the surfaces is greater than the distance between the second substrate and the first surface, and the first surface, the second surface, the third surface, and the fourth surface each extend along a direction in which the fluid passes, and the first surface extends along the direction through which the fluid passes. The first side, the second side, the third side, and the fourth side may be sequentially repeated and connected multiple times.
상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계에서 상기 제2층의 두께는 상기 제3층의 두께와 상이할 수 있다.The thickness of the second layer at the boundary between the second surface and the third surface and the boundary between the third surface and the fourth surface may be different from the thickness of the third layer.
상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계 사이의 중심 영역에서 상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께의 3 내지 6%이고, 상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계에서 상기 제2층 및 상기 제3층 중 어느 하나의 두께는 상기 제1층의 두께의 3% 미만이고, 다른 하나의 두께는 상기 제1층의 두께의 6% 초과일 수 있다.In the central area between the boundary between the second side and the third side and the boundary between the third side and the fourth side, the thickness of each of the second layer and the third layer is 3 to 3 times the thickness of the first layer. 6%, and the thickness of any one of the second layer and the third layer at the boundary between the second surface and the third surface and the boundary between the third surface and the fourth surface is less than the thickness of the first layer. less than 3%, and the other thickness may be greater than 6% of the thickness of the first layer.
상기 제1층의 상기 한 면 및 상기 다른 면은 유체가 통과하는 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈 각각의 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 복수의 홈 각각의 깊이는 1 내지 10㎛일 수 있다.The one side and the other side of the first layer include a plurality of grooves extending along a direction in which a fluid passes, the width of each of the plurality of grooves is 1 to 10 μm, and the depth of each of the plurality of grooves is may be 1 to 10㎛.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 제1 유체가 관통하도록 배치된 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 상에서 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체와 접촉하도록 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크는 제1 금속을 포함하는 제1층, 상기 제1층의 한 면에 배치되고 제2 금속을 포함하는 제2층, 그리고 상기 제1층의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층을 포함하고, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속의 이온화 경향은 상기 제1 금속의 이온화 경향보다 높고, 상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께보다 얇다.A power generation device according to an embodiment of the present invention includes a cooling unit arranged to allow a first fluid to pass through, and a thermoelectric module disposed on the cooling unit, wherein the thermoelectric module includes a first substrate, and a thermoelectric module disposed on the cooling unit. A first electrode disposed on, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, a second substrate disposed on the second electrode, and the first electrode on the second substrate. A heat sink disposed to contact a second fluid having a higher temperature than the fluid, wherein the heat sink includes a first layer including a first metal, a second layer disposed on one side of the first layer and including a second metal. a layer, and a third layer disposed on the other side of the first layer and comprising a third metal, wherein the ionization propensity of the second metal and the third metal is higher than the ionization propensity of the first metal, The thickness of each of the second layer and the third layer is thinner than the thickness of the first layer.
상기 제1층은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2층 및 상기 제3층은 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The first layer includes copper (Cu), and the second and third layers include at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), and molybdenum (Mo). It can be included.
상기 제2층 및 상기 제3층은 황을 더 포함할 수 있다.The second layer and the third layer may further include sulfur.
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.According to an embodiment of the present invention, a thermoelectric module with excellent performance and high reliability can be obtained. In particular, according to an embodiment of the present invention, a thermoelectric module with high heat exchange performance of the heat sink can be obtained.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.The thermoelectric element according to the embodiment of the present invention can be applied not only in small-scale applications but also in large-scale applications such as vehicles, ships, steel mills, incinerators, etc.
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 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 일부 영역의 단면도 및 확대도이다.
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 황 부식 시험 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이다.
도 11은 히트싱크의 표면과 수트의 흡착 간 관계를 나타낸다.
도 12 내지 도 13은 도 10의 히트싱크의 단면도이다.Figure 1 is a perspective view of an example of a heat conversion device to which a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is applied.
Figure 2 is an exploded perspective view of the heat conversion device of Figure 1.
Figure 3 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and Figure 4 is a perspective view of the thermoelectric element.
Figure 5 is an example of a cross-sectional view of a thermoelectric module with a heat sink disposed on a thermoelectric element.
Figure 6 is a perspective view of the substrate and heat sink in the thermoelectric module illustrated in Figure 5.
Figure 7 is a cross-sectional view of a heat sink included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a cross-sectional view and an enlarged view of a portion of a heat sink included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the results of sulfur corrosion tests according to Examples and Comparative Examples.
Figure 10 is a perspective view of a substrate and a heat sink in a thermoelectric module according to another embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the relationship between the surface of the heat sink and the adsorption of the soot.
12 to 13 are cross-sectional views of the heat sink of FIG. 10.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
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.However, the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in various different forms, and as long as it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components may be optionally used between the embodiments. It can be used by combining and replacing.
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.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention, unless explicitly specifically defined and described, are generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. It can be interpreted as meaning, and the meaning of commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, can be interpreted by considering the contextual meaning of the related technology.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.Additionally, the terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.
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.In this specification, the singular may also include the plural unless specifically stated in the phrase, and when described as "at least one (or more than one) of A and B and C", it is combined with A, B, and C. It can contain one or more of all possible combinations.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.Additionally, when describing the components of an embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used.
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.These terms are only used to distinguish the component from other components, and are not limited to the essence, order, or order of the component.
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.And, when a component is described as being 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to that other component, but also is connected to that component. It can also include cases where other components are 'connected', 'combined', or 'connected' due to another component between them.
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.Additionally, when described as being formed or disposed "above" or "below" each component, "above" or "below" refers not only to cases where two components are in direct contact with each other, but also to one This also includes cases where another component described above is formed or placed between two components. In addition, when expressed as "top (above) or bottom (bottom)", it may include not only the upward direction but also the downward direction based on one component.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예의 사시도이고, 도 2는 도 1의 열변환장치의 분해사시도이다.Figure 1 is a perspective view of an example of a heat conversion device to which a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is applied, and Figure 2 is an exploded perspective view of the heat conversion device of Figure 1.
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.Referring to Figures 1 and 2, the
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.To this end, the first
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.The cooling fluid flowing into the
냉각용 유체는 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다.Cooling fluid flows in from the cooling fluid inlet of the
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.Although not shown, heat dissipation fins may be disposed on the inner wall of the
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. Meanwhile, the first
여기서, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수도 있다.Here, the first
덕트(1100)에는 공기가 유동하는 방향으로 기체 가이드 부재(1400), 실링부재(1800) 및 단열부재(1700)가 더 배치될 수도 있다.A
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.The high-temperature gas passing through the outside of the
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.1 to 2 are only one example of a heat conversion device to which a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is applied, and the structure of a heat conversion device to which a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is applied is not limited thereto. .
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.Figure 3 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and Figure 4 is a perspective view of the thermoelectric element.
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.3 to 4, the
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. The
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.For example, when voltage is applied to the
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.3 and 4, the
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.Here, the P-type
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.The P-type
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.At this time, the pair of P-type
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.At this time, the P-type
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.Alternatively, the P-type
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. Alternatively, the P-type
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. The performance of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention can be expressed as a thermoelectric figure of merit (ZT). The thermoelectric performance index (ZT) can be expressed as Equation 1.
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.Here, α is the Seebeck coefficient [V/K], σ is the electrical conductivity [S/m], and α 2 σ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]). And, T is the temperature, and k is the thermal conductivity [W/mK]. k can be expressed as a·cp·ρ, where a is the thermal diffusivity [cm 2/ S], cp is the specific heat [J/gK], and ρ is the density [g/cm 3 ].
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.To obtain the thermoelectric performance index of a thermoelectric element, the Z value (V/K) is measured using a Z meter, and the thermoelectric performance index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
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.Here, the
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. Additionally, the
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. At this time, the
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.Additionally, a heat dissipation pattern, for example, a concave-convex pattern, may be formed on the surface of at least one of the
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. Although not shown, a sealing member may be further disposed between the
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.However, the above description of the sealing member is merely an example, and the sealing member may be modified into various forms. Although not shown, an insulating material may be further included to surround the sealing member. Alternatively, the sealing member may include an insulating component.
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.In the above, the terms
도 5는 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 단면도의 한 예이고, 도 6은 도 5에서 예시한 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이다.Figure 5 is an example of a cross-sectional view of a thermoelectric module with a heat sink disposed on a thermoelectric element, and Figure 6 is a perspective view of the substrate and heat sink in the thermoelectric module illustrated in Figure 5.
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.Referring to Figures 5 and 6, a
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.To this end, an
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.At this time, the
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. According to an embodiment of the present invention, the
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. According to an embodiment of the present invention, each pattern (X1, can do.
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.The
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.The
히트싱크를 통과하는 유체가 배기가스인 경우, 배기가스 내에는 황(S)이 포함될 수 있으며, 금속으로 이루어진 히트싱크는 배기가스 내에 포함된 황에 의해 부식될 수 있다. 히트싱크 표면의 부식 부산물은 히트싱크의 열교환 성능을 낮추며, 히트싱크 표면의 부식 부산물에 의해 열전소자 주변의 장치에 고장이 발생할 가능성이 있다.If the fluid passing through the heat sink is exhaust gas, the exhaust gas may contain sulfur (S), and a heat sink made of metal may be corroded by the sulfur contained in the exhaust gas. Corrosion by-products on the heat sink surface lower the heat exchange performance of the heat sink, and there is a possibility that devices around the thermoelectric element may malfunction due to corrosion by-products on the heat sink surface.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크 표면의 부식 부산물을 최소화하고자 한다.According to an embodiment of the present invention, it is intended to minimize corrosion by-products on the surface of the heat sink.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 단면도이다. 열전모듈 및 이에 포함되는 히트싱크와 관련하여 도 1 내지 도 6에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.Figure 7 is a cross-sectional view of a heat sink included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. Redundant description of content that is the same as that described in FIGS. 1 to 6 with respect to the thermoelectric module and the heat sink included therein will be omitted.
도 7을 참조하면, 히트싱크(200)는 제1 금속을 포함하는 제1층(210), 제1층(210)의 한 면에 배치되고, 제2 금속을 포함하는 제2층(220), 그리고 제1층(210)의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층(230)을 포함한다.Referring to FIG. 7, the
이때, 제2 금속 및 제3 금속의 이온화 경향은 제1 금속의 이온화 경향보다 높다. 이에 따르면, 히트싱크를 통과하는 배기가스 내 황(S) 등이 제1층(210)에 포함되는 제1 금속이 아닌, 제2층(220) 및 제3층(230)에 포함되는 제2 금속 및 제3 금속과 반응하므로, 제1 금속의 부식이 방지될 수 있다.At this time, the ionization tendency of the second metal and the third metal is higher than that of the first metal. According to this, sulfur (S) in the exhaust gas passing through the heat sink is not the first metal included in the
이때, 제2층(220) 및 제3층(230) 각각의 두께는 제1층(210)의 두께보다 얇다. 이에 따르면, 장기간 사용에도 부식되지 않는 제1층(210)의 두께를 충분히 확보할 수 있으므로, 히트싱크(200)는 높은 열전달 성능을 가질 수 있다.At this time, the thickness of each of the
예를 들어, 제1층(210)은 구리(Cu)를 포함하고, 제2층(220) 및 제3층(230)은 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2층(220)에 포함된 제2 금속과 제3층(230)에 포함된 제3 금속은 동일한 금속일 수 있고, 제2층(220) 및 제3층(230)은 제1층(210)의 양면에 도금될 수 있다.For example, the
이에 따르면, 히트싱크(200)를 통과하는 배기가스 내 황(S)이 제2층(220)에 포함된 제2 금속 및 제3층(230)에 포함된 제3 금속과 반응하는 것에 의하여 제1 금속을 포함하는 제1층(210)에 대한 보호막을 형성하므로, 제1층(210)의 부식이 방지될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1층(210)의 부식이 방지되므로, 제1층(210)의 부식으로 인하여 제1층(210)의 두께가 점점 얇아질 경우에 대비하여 제1층(210)의 두께를 필요 이상으로 두껍게 설정할 필요가 없다.According to this, sulfur (S) in the exhaust gas passing through the
예를 들어, 제2층(220)에 포함된 제2 금속 및 제3층(230)에 포함된 제3 금속이 니켈인 경우, 니켈은 배기가스 내 황(S)과 반응하여 NiSO4를 형성할 수 있다. 즉, 제2층(220) 및 제3층(230)은 각각 황을 포함하며, NiSO4층이 되거나, NiSO4를 포함하는 층이 되고, 이는 황이 제1층(210)에 침투하여 제1층(210)을 부식시키는 것을 방지하는 보호막이 될 수 있다. 이때, NiSO4층 또는 NiSO4를 포함하는 층은 히트싱크(200)의 표면을 변색시킬 뿐이며, 히트싱크(200)의 표면으로부터 석출되는 것은 아니다. 이에 따라, 히트싱크(200)의 표면, 즉 제1층(210)의 표면에 NiSO4층 또는 NiSO4를 포함하는 층이 형성되더라도, 제1층(210)의 열전도도가 낮아지는 것은 아니다.For example, when the second metal included in the
한편, 제2층(220)에 포함된 제2 금속 및 제3층(230)에 포함된 제3 금속은 아연(Zn)을 포함하지 않을 수 있다. 제2층(220)에 포함된 제2 금속 및 제3층(230)에 포함된 제3 금속이 아연(Zn)을 포함하는 경우, 아연(Zn)은 배기가스 내 황(S)과 반응하여 ZnSO4를 형성할 수 있다. ZnSO4는 히트싱크(200)의 표면, 즉 제1층(210)의 표면으로부터 석출되는 경향이 강하다. ZnSO4는 히트싱크(200)의 표면으로부터 석출되면, 히트싱크(200)의 열전도도가 낮아질 수 있다. 뿐만 아니라, 히트싱크(200)의 장기간 사용에 따라 ZnSO4가 히트싱크(200)의 표면으로부터 석출되면, 결과적으로 제1 금속을 포함하는 제1층(210)이 배기가스에 의해 노출되며, 배기가스 내 황(S)에 의해 제1층(210)이 부식될 수 있다.Meanwhile, the second metal included in the
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 일부 영역의 단면도 및 확대도이다. 열전모듈 및 이에 포함되는 히트싱크와 관련하여 도 1 내지 도 7에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.Figure 8 is a cross-sectional view and an enlarged view of a portion of a heat sink included in a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. Redundant description of content that is the same as that described in FIGS. 1 to 7 with respect to the thermoelectric module and the heat sink included therein will be omitted.
도 8을 참조하면, 제2층(220) 및 제3층(230) 각각의 두께는 제1층(210)의 두께의 2 내지 7%일 수 있다. 제2층(220) 및 제3층(230) 각각의 두께가 이러한 수치범위를 만족하면, 제1층(210)이 황에 의해 부식되는 문제를 방지하면서도, 제2층(220) 및 제3층(230)으로 인하여 제1층(210)의 열교환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.Referring to FIG. 8, the thickness of each of the
한편, 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가질 수 있으며, 각 패턴(X1, X2, X3)은 순차적으로 연결된 제1면(201), 제2면(202), 제3면(203) 및 제4면(204)을 포함할 수 있다.Meanwhile, as described with reference to FIGS. 5 and 6, the
이때, 제1 패턴(X1)의 제1면(201)과 제2면(202) 간 경계는 제1 절곡부(801)라 하고, 제1 패턴(X1)의 제2면(202)과 제3면(203) 간 경계는 제2 절곡부(802)라 하며, 제1 패턴(X1)의 제3면(203)과 제4면(204) 간 경계는 제3 절곡부(803)라 하고, 제1 패턴(X1)의 제4면(204)과 제2 패턴(X2)의 제1면(201) 간 경계는 제4 절곡부(804)라 할 수 있다.At this time, the boundary between the
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제4 절곡부(801, 802, 803, 804)에서 제2/제3층(220, 230)의 두께와 제1 내지 제4 절곡부(801, 802, 803, 804) 사이의 중심 영역에서 제2/제3층(220, 230)의 두께는 서로 상이할 수 있다. 그리고, 제1 내지 제4 절곡부(801, 802, 803, 804)의 외곽에서 제2/제3층(220, 230)의 두께는 제1 내지 제4 절곡부(801, 802, 803, 804)의 내곽에서 제2/제3층(220, 230)의 두께와 상이할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thickness of the second/third layer (220, 230) in the first to fourth bent portions (801, 802, 803, 804) and the first to fourth bent portions (801, 802) , 803 and 804), the thicknesses of the second and
도 8의 도시된 예를 참조하면, 제2층(220), 제1층(210) 및 제3층(230)이 순차적으로 배치된 경우, 제1 절곡부(801)의 외곽에는 제2층(220)이 배치되고, 내곽에는 제3층(230)이 배치되고, 제2 절곡부(802)의 내곽에는 제2층(220)이 배치되고, 외곽에는 제3층(230)이 배치되며, 제3 절곡부(803)의 내곽에는 제2층(220)이 배치되고, 외곽에는 제3층(230)이 배치되고, 제4 절곡부(804)의 외곽에는 제2층(220)이 배치되고, 내곽에는 제3층(230)이 배치될 수 있다.Referring to the example shown in FIG. 8, when the
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 절곡부(802) 및 제3 절곡부(803) 사이의 중심 영역에서 제2/제3층(220, 230) 각각의 두께는 제1층(210)의 두께의 3 내지 6%일 수 있다. 제2 절곡부(802) 및 제3 절곡부(803) 사이의 중심 영역은 제1 패턴(X1)의 제2면(202)과 제3면(203) 간 경계와 제1 패턴(X1)의 제3면(203)과 제4면(204) 간 경계 사이의 중심 영역을 의미할 수 있다. 여기서, 중심 영역은 제1 패턴(X1)의 제2면(202)과 제3면(203) 간 경계와 제1 패턴(X1)의 제3면(203)과 제4면(204) 간 경계로부터 중심을 향하여 동일한 거리를 가지는 지점을 이은 선, 즉 중심선 C을 포함하는 영역일 수 있다. 예를 들어, 중심 영역은 중심선으로부터 제1 패턴(X1)의 제2면(202)과 제3면(203) 간 경계와 제1 패턴(X1)의 제3면(203)과 제4면(204) 간 경계 사이의 거리의 10% 이내에 포함되는 영역을 의미할 수 있다. 제2 절곡부(802) 및 제3 절곡부(803) 사이의 중심 영역에서 제2/제3층(220, 230) 각각의 두께가 이상의 수치범위를 만족하면, 제1층(210)이 황에 의해 부식되는 문제를 방지하면서도, 제2층(220) 및 제3층(230)으로 인하여 제1층(210)의 열교환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thickness of each of the second/
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 절곡부(802)의 내곽 및 제3 절곡부(803)의 내곽에 배치된 제2층(220)의 두께는 제1층(210)의 두께의 6% 초과, 예를 들어 6% 초과 10% 이하, 바람직하게는 6% 초과 8% 이하, 더욱 바람직하게는 6% 초과 7% 이하일 수 있다. 이에 따르면, 제2 절곡부(802)의 내곽 및 제3 절곡부(803)의 내곽에서 제1층(210)이 황에 의해 부식되는 문제를 방지하면서도, 제2층(220) 및 제3층(230)으로 인하여 제1층(210)의 열교환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 특히, 제2 절곡부(802)의 내곽 및 제3 절곡부(803)의 내곽에서 제2층(220)의 두께가 두꺼워질수록 제2층(220)은 곡면으로 형성될 수 있으므로, 제2 절곡부(802)의 내곽 및 제3 절곡부(803)의 내곽에 배기가스의 입자가 침착되는 문제를 방지할 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the thickness of the
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 절곡부(802)의 외곽 및 제3 절곡부(803)의 외곽에 배치된 제3층(230)의 두께는 제1층(210)의 두께의 3% 미만, 예를 들어 1% 이상 3% 미만, 바람직하게는 2% 이상 3% 미만일 수 있다. 이에 따르면, 제2 절곡부(802)의 외곽 및 제3 절곡부(803)의 외곽에서 제1층(210)이 황에 의해 부식되는 문제를 방지하면서도, 제2층(220) 및 제3층(230)으로 인하여 제1층(210)의 열교환 성능이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 특히, 제2 절곡부(802)의 외곽 및 제3 절곡부(803)의 외곽에서 제3층(230)의 두께가 얇아질수록 제2 절곡부(802)의 내곽 및 제3 절곡부(803)의 내곽에서 제2층(220)의 두꺼운 두께로 인하여 열교환 성능이 저하되는 문제를 보상할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the thickness of the
도 9는 실시예 및 비교예에 따른 황 부식 시험 결과를 나타낸다.Figure 9 shows the results of sulfur corrosion tests according to Examples and Comparative Examples.
도 9(a)의 실시예는, 구리 기판의 양면에 니켈 도금층을 형성한 후 100시간동안 황 부식 시험을 수행한 결과이고, 도 9(b)의 비교예 1은, 구리 기판에 대하여 100시간동안 황 부식 시험을 수행한 결과이며, 도 9(c)의 비교예 2는, 구리 기판의 양면에 아연-니켈(Zn-Ni) 도금층을 형성한 후 100시간동안 황 부식 시험을 수행한 결과이고, 도 9(d)의 비교예 3은, 구리 기판의 양면에 아연-니켈(Zn-Ni) 도금층 및 크롬(Cr) 도금층을 순차적으로 형성한 후 100시간동안 황 부식 시험을 수행한 결과이다.The example in FIG. 9(a) is the result of a sulfur corrosion test performed for 100 hours after forming a nickel plating layer on both sides of a copper substrate, and Comparative Example 1 in FIG. 9(b) is the result of a sulfur corrosion test performed on a copper substrate for 100 hours. This is the result of performing a sulfur corrosion test for 100 hours, and Comparative Example 2 in Figure 9(c) is the result of performing a sulfur corrosion test for 100 hours after forming a zinc-nickel (Zn-Ni) plating layer on both sides of the copper substrate. , Comparative Example 3 in Figure 9(d) shows the results of a sulfur corrosion test for 100 hours after sequentially forming a zinc-nickel (Zn-Ni) plating layer and a chromium (Cr) plating layer on both sides of a copper substrate.
도 9(a)의 실시예를 참조하면, 표면이 백색으로 변색되었으나, 열전도율은 구리 기판의 열전도율에 대비하여 1.3% 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이에 반해, 도 9(b)의 비교예 1을 참조하면, 구리 기판의 표면이 청색으로 변색되어 황(S)에 의해 부식되었음을 알 수 있으며, 열전도율은 구리 기판의 열전도율에 대비하여 10.1% 줄어든 결과를 얻을 수 있었다. 그리고, 도 9(c)의 비교예 2 및 도 9(d)의 비교예 3을 참조하면, 표면에 ZnSO4가 석출됨을 알 수 있으며, 열전도율은 구리 기판의 열전도율에 대비하여 각각 7.9% 및 10.4% 줄어든 결과를 얻을 수 있었다. Referring to the example of FIG. 9(a), the surface was discolored to white, but the thermal conductivity was improved by 1.3% compared to the thermal conductivity of the copper substrate. On the other hand, referring to Comparative Example 1 in FIG. 9(b), it can be seen that the surface of the copper substrate was discolored blue and corroded by sulfur (S), and the thermal conductivity was reduced by 10.1% compared to the thermal conductivity of the copper substrate. was able to get And, referring to Comparative Example 2 in Figure 9(c) and Comparative Example 3 in Figure 9(d), it can be seen that ZnSO 4 is precipitated on the surface, and the thermal conductivity is 7.9% and 10.4, respectively, compared to the thermal conductivity of the copper substrate. A % reduced result was obtained.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면 황을 포함하는 배기가스에 장기간 노출되더라도 열전도율의 손실이 없는 히트싱크를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Accordingly, according to an embodiment of the present invention, it can be seen that a heat sink without loss of thermal conductivity can be obtained even when exposed to sulfur-containing exhaust gas for a long period of time.
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.Meanwhile, when the fluid passing through the heat sink is exhaust gas, fine particles in the exhaust gas may be adsorbed on the surface of the heat sink. Fine particles in exhaust gas are black, amorphous, fine powder substances produced by incomplete combustion or thermal decomposition of organic matter, and may be called soot. The fine particles in the exhaust gas are mostly composed of carbon and may contain some oxygen and trace amounts of nitrogen and hydrogen. The average particle size of the soot may be from several nm to hundreds of μm.
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.This is because if soot accumulates and adsorbs on the surface of the heat sink, the flow path of the fluid passing through the heat sink is blocked or the heat exchange performance of the heat sink is reduced. In some cases, heat accumulates in the heat sink, increasing the risk of fire.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크의 표면 처리에 의하여 히트싱크를 통과하는 유체 내 수트의 흡착을 최소화하고자 한다.According to an embodiment of the present invention, the adsorption of soot in the fluid passing through the heat sink is attempted to be minimized by surface treatment of the heat sink.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈에서 기판 및 히트싱크의 사시도이고, 도 11은 히트싱크의 표면과 수트의 흡착 간 관계를 나타내며, 도 12 내지 도 13은 도 10의 히트싱크의 단면도이다.Figure 10 is a perspective view of a substrate and a heat sink in a thermoelectric module according to another embodiment of the present invention, Figure 11 shows the relationship between the surface of the heat sink and the adsorption of the soot, and Figures 12 and 13 show the heat sink of Figure 10. This is a cross-sectional view.
도 10을 참조하면, 히트싱크(200)의 표면은 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 연장된 복수의 홈(900)을 포함한다. 복수의 홈(900)은 히트싱크(200)의 전면으로부터 유체가 통과하는 제1 방향을 따라 히트싱크(200)의 후면까지 연장될 수 있으며, 복수의 홈(900)은 규칙적인 크기, 형상 및 간격을 가질 수 있다. 이때, 복수의 홈(900)의 크기, 형상 및 간격 중 적어도 하나는 히트싱크(200)를 통과하는 유체 내 수트의 입자 크기에 따라 달라질 수 있다. Referring to FIG. 10 , the surface of the
히트싱크(200)의 표면 거칠기를 별도로 제어하지 않은 경우, 도 11(a)에 도시된 바와 같이 히트싱크(200)의 표면에는 수트(S)의 직경보다 폭이 큰 홈(901)이 불규칙적으로 형성될 수 있다. 유체에 분산된 수트(S)가 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 경로 상에서 수트(S)의 직경보다 폭이 큰 홈(901)을 만나면, 수트(S)는 홈(901) 내에 수용될 수 있다. 홈(901) 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.If the surface roughness of the
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)의 표면에 제어된 크기, 형성 및 간격의 홈(900)을 배치하고자 한다. 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 히트싱크(200)의 표면에 배치된 홈(900)의 폭이 수트(S)의 폭보다 작은 경우, 수트(S)는 홈(900) 내에 수용되지 못하며, 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 힘에 의하여 히트싱크(200)의 전면으로부터 히트싱크(200)의 후면까지 배출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention,
특히, 히트싱크(200)의 표면에 배치된 홈(900)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.In particular, the
도 12 내지 도 13을 참조하면, 히트싱크(200)의 표면에 형성된 복수의 홈(900)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(900)이 서로 동일한 폭 및 깊이를 가지며, 복수의 홈(900)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(900) 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, 직경이 10㎛를 초과하는 수트(S)의 침착에 따라 열전모듈의 발전량이 크게 저하되는 문제를 최소화할 수 있다.12 to 13, the plurality of
이때, 복수의 홈(900)은 유체가 통과하는 모든 표면에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 홈(900)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(900)이 배치될 수 있다. 이에 따르면, 유체와 접촉하는 모든 표면에서 수트(S)가 침착될 가능성을 최소화할 수 있다.At this time, the plurality of
한편, 복수의 홈(900)은 서로 이웃하는 두 개의 홈 사이에 배치된 벽부(910)에 의하여 구분될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 벽부(910)의 제2 폭(W2)은 홈(900)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(910)의 제2 폭(W2)은 홈(900)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(900)에 수용되지 못한 수트(S)가 벽부(910)의 표면에도 흡착되지 못하므로, 수트(S)는 히트싱크(200)의 표면을 통과하는 유체의 힘에 의해 히트싱크(200)를 용이하게 통과할 수 있다.Meanwhile, the plurality of
도 13을 참조하면, 히트싱크(200)의 제1층(210)의 양면에 복수의 홈(900)이 형성되며, 이에 따라 제2층(220) 및 제3층(230)은 제1층(210)의 양면에 형성된 복수의 홈(900)을 따라 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1층(210)의 전체 표면적에서 황 부식을 방지할 수 있으며, 황 부식으로 인한 열전달 성능 감소를 방지할 수 있다.Referring to FIG. 13, a plurality of
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 또는 열전 모듈이 선박, 자동차 등의 운송 기구에 이용되는 경우, 엔진의 배기 측으로부터 배출되는 폐열을 이용하여 발전할 수 있고, 발전된 에너지는 운송 기구의 배터리 등에 축전되어 운송 기구 내 각종 장치, 예를 들어 조명, 기체 순환 장치 등에 공급될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 엔진의 흡기 측에 배치되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전 장치뿐만 아니라, 온도 조절 장치로 이용될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 온도 조절 장치로 이용되는 경우, 엔진에 주입되는 기체의 온도를 낮추는 것에 의하여 엔진에 주입되는 기체의 양을 증가시킴으로써 엔진의 연료 효율을 개선할 수 있다. 이에 따라, 운송 기구 내 엔진과 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 서로 영향을 미치며, 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 운송 기구를 이용한 해운업, 운송업에서는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자로 인하여 운송비 절감과 친환경 산업 환경이 조성될 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다. When a thermoelectric element or thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is used in a transportation device such as a ship or automobile, power generation can be generated using waste heat discharged from the exhaust side of the engine, and the generated energy can be stored in the battery of the transportation device, etc. It can be supplied to various devices within the transportation device, such as lighting, gas circulation devices, etc. When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is disposed on the intake side of an engine, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be used as a temperature control device as well as a power generation device. When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used as a temperature control device, the fuel efficiency of the engine can be improved by increasing the amount of gas injected into the engine by lowering the temperature of the gas injected into the engine. Accordingly, the engine in the transportation device and the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention may influence each other and have functional integrity or technical interoperability. In addition, in the shipping and transportation industry using transportation equipment to which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied, transportation costs can be reduced and an eco-friendly industrial environment can be created due to the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention. Functional unity or technical interoperability with thermoelectric elements can be achieved.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 발전소에 이용되는 경우, 발전소에서 발생하는 열을 이용하여 생산 에너지 대비 사용 연료의 효율을 조절할 수 있고, 이에 따라 에너지 생산 비용과 친환경 산업 환경을 조정함으로써 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 발전소는 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used in a power plant, the efficiency of the fuel used compared to the produced energy can be adjusted using the heat generated from the power plant, and the present invention is achieved by adjusting the energy production cost and the eco-friendly industrial environment accordingly. The thermoelectric element and the power plant according to the embodiment may achieve functional unity or technical interoperability.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 제철소 등의 플랜트에 이용되는 경우, 플랜트에서 발생하는 폐열을 이용한 발전을 통하여 에너지를 생산함으로써 플랜트에서 사용하는 에너지 소비를 절감할 수 있고, 온도 조절 장치로 이용되는 경우 제품의 제조 단계 또는 플랜트 내의 온도 조절을 함으로써 플랜트의 다른 구성들에 영향을 미치므로, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 플랜트의 다른 구성들은 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used in a plant such as a steel mill, energy consumption in the plant can be reduced by producing energy through power generation using waste heat generated in the plant, and it can be used as a temperature control device. In this case, other components of the plant are influenced by controlling the temperature in the product manufacturing stage or the plant, so the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention and other components of the plant can achieve functional unity or technical interoperability.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 무선 네트워크의 온도 센서나 선서에 에너지를 공급하기 위한 소전력 공급 장치로 이용될 수 있다. 즉, 센서 등에 영구적인 에너지 공급을 이룰 수 있어, 지하에 설치되는 온도 센서나 온도 센서의 전력 공급 장치로 이용되는 경우, 무선 네트워크 시스템과 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.The thermoelectric element according to an embodiment of the present invention can be used as a low-power supply device to supply energy to a temperature sensor or sensor in a wireless network. In other words, it can achieve permanent energy supply to sensors, etc., and when used as a temperature sensor installed underground or as a power supply device for a temperature sensor, functional integration or technical interoperability with a wireless network system can be achieved.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 온도 조절 장치로 이용될 수 있고, 전기차, 배터리 충전 장치 등에 이용되는 경우, 전기차나 배터리 충전 장치의 온도를 조절함으로써 전기차나 배터리 충전 장치의 안정성을 높이는 등의 기능을 통해 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.The thermoelectric element according to an embodiment of the present invention can be used as a temperature control device, and when used in an electric vehicle, a battery charging device, etc., it increases the stability of the electric vehicle or a battery charging device by controlling the temperature of the electric vehicle or a battery charging device. Functional unity or technical interoperability can be achieved through functions.
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.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art may make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can do it.
Claims (10)
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 히트싱크는 제1 금속을 포함하는 제1층, 상기 제1층의 한 면에 배치되고 제2 금속을 포함하는 제2층, 그리고 상기 제1층의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층을 포함하고,
상기 제2 금속 및 상기 제3 금속의 이온화 경향은 상기 제1 금속의 이온화 경향보다 높고,
상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께보다 얇은 열전모듈.first substrate,
A first electrode disposed on the first substrate,
A semiconductor structure disposed on the first electrode,
a second electrode disposed on the semiconductor structure,
a second substrate disposed on the second electrode, and
Includes a heat sink disposed on the second substrate,
The heat sink includes a first layer comprising a first metal, a second layer disposed on one side of the first layer and comprising a second metal, and a second layer disposed on the other side of the first layer and comprising a third metal. It includes a third layer,
The ionization tendency of the second metal and the third metal is higher than the ionization tendency of the first metal,
A thermoelectric module wherein each of the second layer and the third layer has a thickness that is thinner than the thickness of the first layer.
상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께의 2 내지 7%인 열전모듈.According to paragraph 1,
The thermoelectric module wherein the thickness of each of the second layer and the third layer is 2 to 7% of the thickness of the first layer.
상기 제1층은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2층 및 상기 제3층은 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 열전모듈.According to paragraph 1,
The first layer includes copper (Cu), and the second and third layers include at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), and molybdenum (Mo). Containing a thermoelectric module.
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 유체가 통과하는 방향을 따라 연장되고,
상기 제1면, 상기 제2면, 상기 제3면 및 상기 제4면은 순차적으로 복수 회 반복되어 연결되는 열전모듈.According to paragraph 1,
The heat sink is,
A first surface disposed on the second substrate,
A second surface connected to the first surface and disposed in a direction perpendicular to the second substrate,
A third surface connected to the second surface and disposed to face the second substrate, and
a fourth surface connected to the third surface, perpendicular to the second substrate and disposed to face the second surface,
The distance between the second substrate and the third surface is greater than the distance between the second substrate and the first surface,
The first surface, the second surface, the third surface, and the fourth surface each extend along a direction through which fluid passes,
The first surface, the second surface, the third surface, and the fourth surface are sequentially connected multiple times.
상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계에서 상기 제2층의 두께는 상기 제3층의 두께와 상이한 열전모듈.According to clause 4,
A thermoelectric module wherein the thickness of the second layer is different from the thickness of the third layer at the boundary between the second surface and the third surface and the boundary between the third surface and the fourth surface.
상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계 사이의 중심 영역에서 상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께의 3 내지 6%이고,
상기 제2면과 상기 제3면 간 경계 및 상기 제3면과 상기 제4면 간 경계에서 상기 제2층 및 상기 제3층 중 어느 하나의 두께는 상기 제1층의 두께의 3% 미만이고, 다른 하나의 두께는 상기 제1층의 두께의 6% 초과인 열전모듈.According to clause 5,
In the central area between the boundary between the second side and the third side and the boundary between the third side and the fourth side, the thickness of each of the second layer and the third layer is 3 to 3 times the thickness of the first layer. 6%,
The thickness of either the second layer or the third layer at the boundary between the second surface and the third surface and the boundary between the third surface and the fourth surface is less than 3% of the thickness of the first layer, and , the other thermoelectric module having a thickness exceeding 6% of the thickness of the first layer.
상기 제1층의 상기 한 면 및 상기 다른 면은 유체가 통과하는 방향을 따라 연장된 복수의 홈을 포함하고, 상기 복수의 홈 각각의 폭은 1 내지 10㎛이고, 상기 복수의 홈 각각의 깊이는 1 내지 10㎛인 열전모듈.According to paragraph 1,
The one side and the other side of the first layer include a plurality of grooves extending along a direction in which a fluid passes, the width of each of the plurality of grooves is 1 to 10 μm, and the depth of each of the plurality of grooves is is a thermoelectric module of 1 to 10㎛.
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 상에서 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체와 접촉하도록 배치된 히트싱크를 포함하고,
상기 히트싱크는 제1 금속을 포함하는 제1층, 상기 제1층의 한 면에 배치되고 제2 금속을 포함하는 제2층, 그리고 상기 제1층의 다른 면에 배치되고 제3 금속을 포함하는 제3층을 포함하고,
상기 제2 금속 및 상기 제3 금속의 이온화 경향은 상기 제1 금속의 이온화 경향보다 높고,
상기 제2층 및 상기 제3층 각각의 두께는 상기 제1층의 두께보다 얇은 발전장치.a cooling portion arranged to allow the first fluid to pass through, and
It includes a thermoelectric module disposed on the cooling unit,
The thermoelectric module is,
first substrate,
A first electrode disposed on the first substrate,
A semiconductor structure disposed on the first electrode,
a second electrode disposed on the semiconductor structure,
a second substrate disposed on the second electrode, and
A heat sink disposed on the second substrate to contact a second fluid having a higher temperature than the first fluid,
The heat sink includes a first layer comprising a first metal, a second layer disposed on one side of the first layer and comprising a second metal, and a second layer disposed on the other side of the first layer and comprising a third metal. It includes a third layer,
The ionization tendency of the second metal and the third metal is higher than the ionization tendency of the first metal,
A power generation device in which the thickness of each of the second layer and the third layer is thinner than the thickness of the first layer.
상기 제1층은 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제2층 및 상기 제3층은 니켈(Ni), 금(Au), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 발전장치.According to clause 8,
The first layer includes copper (Cu), and the second and third layers include at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), gold (Au), palladium (Pd), and molybdenum (Mo). Including power generation equipment.
상기 제2층 및 상기 제3층은 황을 더 포함하는 발전장치.According to clause 9,
The second layer and the third layer further include sulfur.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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