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KR102323978B1 - 열전 모듈 - Google Patents

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KR102323978B1
KR102323978B1 KR1020180097692A KR20180097692A KR102323978B1 KR 102323978 B1 KR102323978 B1 KR 102323978B1 KR 1020180097692 A KR1020180097692 A KR 1020180097692A KR 20180097692 A KR20180097692 A KR 20180097692A KR 102323978 B1 KR102323978 B1 KR 102323978B1
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South Korea
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thermoelectric element
type thermoelectric
electrode layer
type
substrate
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김재현
박철희
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주식회사 엘지화학
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Priority to US16/642,576 priority patent/US11430936B2/en
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은 열 전달 부재와 냉각 부재 사이에 위치하는 복수의 열전 소자 그리고 상기 열 전달 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이 및 상기 냉각 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이에 각각 위치하는 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하고, 상기 복수의 열전 소자는 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자를 포함하고, 서로 이웃하는 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이가 서로 다르며, 서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자에 걸쳐 형성된 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 선택된 하나의 전극층은 적어도 2개의 꺾인 부분을 갖는다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 발전 효율 및 고온 신뢰성을 향상시키는 열전 모듈에 관한 것이다.
열전 소자는 열 에너지를 전기 에너지로, 전기 에너지를 열 에너지로 직접 변환하는데 사용되는 소자로, 열전 특성을 갖는 소재를 활용한 기술로서, 에너지 절감이라는 시대적 요구에 잘 부응하는 기술이다. 이것은 자동차, 우주 항공, 반도체, 바이오, 광학, 컴퓨터, 발전, 가전 제품 등 산업 전반에서 광범위하게 활용되고 있다.
구체적으로, 재료의 양단에 온도차가 발생하면 열 의존성을 갖는 전자 또는 홀과 같은 캐리어의 농도 차이가 발생하고, 이에 따라 열전 현상이 나타난다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분될 수 있다.
열전 모듈은 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전 소자와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전 소자로 이루어진 p-n 열전 소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은 p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다. 또한, 열전 모듈은 열전 소자의 외부에 배치되어 전극 등의 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시키고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호하기 위해 기판을 구비할 수 있다.
일반적으로 열전 모듈 제조시 쉽게 열전 소자를 만들기 위해 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이를 유사하게 형성한다. 이것은 열전 소자 제조 과정에서 전극과 열전 소재 사이의 접합 과정 중에 고온 고압의 가압 과정이 진행되는데, 이때 소재와 전극의 높이를 맞추면 공정이 쉬워지기 때문이다.
하지만 이러한 경우, 서로 다른 수준의 전기 전도도, 제백 특성 및 열전도도 등을 나타내는 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 함께 사용했을 때 나타날 수 있는 성능 감소로 인해, 열전 소재의 성능을 극대화할 수 없고, 이로 인해 열전 소자의 상대적인 성능 감소로 나타난다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 열전 소자의 특성에 따라 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이를 다르게 형성한 열전 모듈을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은 열 전달 부재와 냉각 부재 사이에 위치하는 복수의 열전 소자 그리고 상기 열 전달 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이 및 상기 냉각 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이에 각각 위치하는 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하고, 상기 복수의 열전 소자는 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자를 포함하고, 서로 이웃하는 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이가 서로 다르며, 서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자에 걸쳐 형성된 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 선택된 하나의 전극층은 적어도 2개의 꺾인 부분을 갖는다.
상기 전극층은 서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자의 상단면과 상기 N형 열전 소자의 상단면에 동시에 배치될 수 있다.
서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자에 걸쳐 형성된 상기 전극층의 두께는 균일할 수 있다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 선택된 다른 하나의 전극층은, 상기 P형 열전 소자와 이웃하는 상기 N형 열전 소자가 아닌 다른 N형 열전 소자의 하단면과 상기 P형 열전 소자의 하단면에 걸쳐 하나의 평면상에 형성될 수 있다.
상기 P형 열전 소자의 높이가 상기 N형 열전 소자의 높이보다 낮을 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 복수의 열전 소자의 외부에 배치되고, 상기 복수의 열전 소자를 기준으로 서로 다른 일측에 위치하는 제1 기판 및 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나는 알루미나를 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 선택된 하나의 기판은, 상기 적어도 2개의 꺾인 부분을 갖는 전극층에 대응하도록 적어도 2개의 꺾인 부분을 가질 수 있다.
상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자의 수평 방향의 길이가 서로 다를 수 있다.
상기 P형 열전 소자의 길이가 상기 N형 열전 소자의 길이보다 길 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 높은 열전 소자 상단면에 접합하고 있는 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자와 수직 방향으로 중첩하도록 위치하는 더미 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전 모듈은 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 높은 열전 소자 상단면 및 상기 더미 금속층 상단면에 접합하고 있는 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 더미 금속층은, 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자 아래 위치할 수 있다.
상기 더미 금속층은 상부 더미 금속층과 하부 더미 금속층을 포함하고, 상기 상부 더미 금속층과 상기 하부 더미 금속층 사이에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자가 위치할 수 있다.
실시예들에 따르면, 열전 소자의 성능을 극대화하기 위해, 열전 소자의 특성을 고려하여 서로 다른 높이를 갖는 열전 소자를 형성하고, 이러한 열전 소자 구조를 구현하기 위해, P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 전기적으로 연결시키는 전극이 P형 열전 소자와 N형 열전 소자 사이에서 휘어지거나 꺾인 부분을 갖도록 하여 열전 모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 소자 접합 시 가압 공정을 설명하는 단면도이다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 열전 모듈에서 전극 구조를 나타내기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연 코팅층을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연성 기판 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 열전 모듈에서 전극 구조를 나타내기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연 코팅층을 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 더미 금속층과 절연성 기판 구조를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 더미 금속층을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 상하부 더미 금속층을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈은, 열 전달 부재(100), 열 전달 부재(100)와 대응하는 냉각 부재(200), 열 전달 부재(100)와 냉각 부재(200) 사이에 위치하는 복수의 열전 소자(160, 260)를 포함한다. 이때, 열전 소자(160, 260)의 산화를 막기 위해 열전 소자 자체를 코팅하거나, 복수의 열전 소자(160, 260), 열 전달 부재(100) 및 냉각 부재(200)는 모두 진공 구조물 내에 위치할 수 있다.
본 실시예에서 복수의 열전 소자(160, 260)가 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 제1, 2 전극층(140, 240)이 형성되어 있다. 도시하지 않았으나 모듈 전극에 의해 외부 단자와 연결되어 전기적인 신호를 전달할 수 있다. 본 실시예에 따른 열전 모듈은 열 전달 부재(100)와 열전 소자(160, 260) 사이 및 냉각 부재(200)와 열전 소자(160, 260) 사이 중 적어도 하나에 위치하는 열 전도층(105, 205)을 더 포함함으로써, 열 전달 부재(100)와 열전 소자(160, 260)와의 밀착성 및 냉각 부재(200)와 열전 소자(160, 260)와의 밀착성을 높이고, 열 전달 효율을 높일 수 있다.
열전 모듈은 열 전달 부재(100)와 냉각 부재(200) 사이의 온도 차이를 이용하여 발전하거나 전기 공급에 의해 냉각/가열된다. 앞에서 설명한 열 전도층(105, 205)은 좀 더 구체적으로, 열 전달 부재(100)와 제1 기판(110) 사이 및 냉각 부재(200)와 제2 기판(210) 사이에 위치할 수 있다. 열 전도층(105, 205)은 열 전달 부재(100)로부터의 열을 열전 소자(160, 260)로 전달하거나 냉각 부재(200)로 방열시킴과 동시에 외부로부터 충격이나 진동 및 열전 모듈 구성 요소의 열팽창에 의한 마운팅 부하 증가를 완화하도록 할 수 있다. 열 전도층(105, 205)은 흑연 시트, 써멀 그리스(thermal grease) 및 써멀 패드(thermal pad) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 집합체는 제1 기판(110), 제2 기판(210), 복수의 전극층(140, 240) 및 복수의 열전 소자(160, 260)를 포함한다.
제1, 2 기판(110, 210)은 판상으로 형성되며, 절연성을 가질 수 있으며, 열전 소자 집합체의 외측부에 배치되어 열전 소자(160, 260) 등 열전 모듈을 구성하는 여러 가지 소자들을 보호하고, 열전 소자 집합체와 외부 사이에 전기적 절연성을 유지시킬 수 있다. 제1, 2 기판(110, 210)은 알루미나 기판일 수 있다. 제1, 2 기판(110, 210)을 대체하여 절연층 코팅을 할 수도 있다.
제1, 2 전극층(140, 240)은 제1, 2 기판(110, 210) 상에 위치하고, 전기 전도성을 가져 전류가 흐를 수 있도록 한다. 제1, 2 전극층(140, 240)은 제1, 2 기판(110, 210)의 적어도 일 표면이 노출되도록 형성되어, 열전 소자(160, 260)가 마운팅 될 수 있다. 적어도 2개의 열전 소자(160, 260)가 제1 전극층(140) 또는 제2 전극층(240) 상에 마운팅 될 수 있으며, 제1 전극층(140) 및 제2 전극층(240)은 이들 2개의 열전 소자(160, 260) 사이에 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 제1 기판(110)의 상면, 제2 기판(210)의 하면에, 증착, 스퍼터링, 직접 압착, 프린팅 등의 방법으로 제1, 2 전극층(140, 240)이 형성될 수 있고, 제1 기판(110)에 형성된 제1 전극층(140)과 제2 기판(210)에 형성된 제2 전극층(240) 사이에 열전 소자(160, 260)가 배치될 수 있다.
제1, 2 전극층(140, 240)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 구리, 금, 은, 니켈, 알루미늄, 크롬, 주석, 인듐, 아연 등을 포함하는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 이들 금속을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
제1 전극층(140)과 제1 기판(110) 사이 및 제2 전극층(240)과 제2 기판(210) 사이에는 각각 이들 사이의 견고한 접합을 위한 제1, 2 접합층(130, 230)이 위치할 수 있다. 접합층(130, 230)은 Pb, Al, Ni, Sn, Cu, Ti, Mo, Al, Ag 및 이들의 합금과 같은 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
열전 소자(160, 260)와 제1 전극층(140) 사이 및/또는 열전 소자(160, 260)와 제2 전극층(240) 사이에는 확산 방지층, 소재 접합층, 보호층 등의 기능층을 포함하는 보조층(150, 250)이 위치할 수 있다.
열전 소자(160, 260)는 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드계, 스쿠테루다이트계, 실리사이드계, 클래스레이트계, 하프 휘슬러계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 예를 들어, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다.
열전 소자(160, 260)는 N형 열전 소자(260)와 P형 열전 소자(160)를 포함하고, N형 열전 소자(260)는 홀이 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있고, P형 열전 소자(160)는 전자가 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있다. 열전 소자(160, 260)는 N형 열전 소자(260)와 P형 열전 소자(160)가 쌍을 이루어 하나의 기본 단위를 구성할 수 있다. N형 열전 소자(260) 및/또는 P형 열전 소자(160)는 둘 이상 구비됨으로써, 다수의 쌍을 이룰 수 있다. 또한, 이러한 N형 열전 소자(260)와 P형 열전 소자(160)는 교호적으로 배열됨으로써 다수의 N형 열전 소자(260)-P형 열전 소자(260) 쌍을 형성할 수도 있다.
N형 열전 소자(260)와 P형 열전 소자(160)는, 제1, 2 전극층(140, 240)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 하나의 제1 전극층(140)을 기준으로, N형 열전 소자(260)는 제1 전극층(140)의 일단에 접합되고, P형 열전 소자(160)는 제1 전극층(140)의 다른 일단에 접합될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 서로 다른 수준의 전기 전도도, 제백 특성 및 열전도도 등을 나타내는 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 함께 사용했을 때 나타날 수 있는 성능 감소를 줄이고 열전 모듈의 발전 효율을 향상시키기 위해, P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)의 높이를 서로 다르게 형성한다. 예를 들면, 높이가 낮은 열전 소자가 높이가 높은 열전 소자의 80% 이하의 높이를 가질 수 있다.
이러한 열전 소자 구조를 구현하기 위해, 도 1에 도시한 바와 같이, P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 전기적으로 직렬 연결시키는 전극이 P형 열전 소자와 N형 열전 소자 사이에서 휘어지거나 꺾인 부분을 갖도록 할 수 있다. 구체적으로, P형 열전 소자(160)의 높이가 N형 열전 소자(260)의 높이보다 낮은데, 제2 전극층(240)은 서로 이웃하는 P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)에 걸쳐 연속적으로 형성되면서, P형 열전 소자(160)의 상단면과 N형 열전 소자(260)의 상단면에 동시에 배치된다. 제2 전극층(240)이 N형 열전 소자(260) 상단면에서 P형 열전 소자(160)의 상단면으로 넘어갈 때, 높이 차이로 인해로 제2 전극층(240)은 N형 열전 소자(260)의 모퉁이 근처에서 한번 꺾이고, 다시 P형 열전 소자(160)의 모통이 근처에서 한번 꺾일 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)에 걸쳐 형성된 제2 전극층(240)의 두께는 균일할 수 있다.
이에 반해, P형 열전 소자(160)의 하단면과 N형 열전 소자(260)의 하단면에 위치하는 제1 전극층(140)은 서로 이웃하는 P형 열전 소자(160)의 하단면과 N형 열전 소자(260)의 하단면에 걸쳐 연속적으로 형성되면서, P형 열전 소자(160)의 하단면과 N형 열전 소자(260)의 하단면의 높이가 동일하므로 제1 전극층(140)은 하나의 평면상에 형성될 수 있다. P형 열전 소자(160)를 기준으로 도 1에서 왼쪽으로 이웃하는 N형 열전 소자(260) 방향으로 제2 전극층(240)이 연속적으로 형성되어 있다면, 오른쪽으로 이웃하는 N형 열전 소자(260) 방향으로 제1 전극층(140)은 연속적으로 형성될 수 있다.
P형 및 N형 열전 소자의 높이를 함께 줄이게 되면, 총저항이 감소하고 출력이 크게 증가하며, 출력 밀도의 이득 또한 커질 수 있다. 하지만 온도차 형성이 어렵고 결과적으로 열전 소자 효율이 낮아질 수 있다. 하지만, 본 실시예에 따르면 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이를 서로 다르게 하여 열전달 효율이 높도록 소자를 제작함으로써 출력 밀도와 소자 효율, 소재 소모율 및 소자 가격 측면에서 유리한 소자 디자인을 구현할 수 있다. 구체적으로, N 타입 열전 소재의 경우 전기 전도도(Electrical conductivity)가 커서 소재가 길어도 저항이 작고, 열 전도도(Thermal conductivity)도 커서 큰 높이를 가져야 온도차가 크게 발생한다. 하지만, P형 열전 소재의 경우 전기 전도도가 작아서 높이가 낮아야 N형 열전 소재와 저항 수준이 비슷해지고, 총저항 감소에 크게 유리해지며, 열 전도도도 작아서 높이가 낮더라도 열전 특성을 구현하기 위한 온도차가 크게 발생할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)의 특성을 고려하여 각 열전 소자의 높이를 서로 다르게 형성하는 것뿐만 아니라, 최대 출력 형성을 위해 열전 소자의 길이도 서로 다르게 형성할 수 있다. 여기서 길이는 수평 방향으로의 길이, 즉 제1 전극층(140)이 서로 이웃하는 P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)에 걸쳐 연속적으로 형성될 때, P형 열전 소자(160)로부터 N형 열전 소자(260)까지 제1 전극층(140)이 형성되는 방향을 따라 정의되는 길이를 가리킨다. P형 열전 소자(160)의 길이가 N형 열전 소자(260)의 길이보다 길 수 있다.
도 2는 도 1의 실시예에서 소자 접합 시 가압 공정을 설명하는 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열전 모듈을 제조할 때, 앞에서 설명한 바와 같이 P형 열전 소자(160)와 N형 열전 소자(260)의 높이 차이로 인해 열전 소자와 전극의 접합에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 본 실시예에 따른 열전 모듈 제조시 도 2에 도시한 바와 같이 일방향으로 돌출된 복수의 돌기(1100)를 갖는 틀(1000)을 사용하여 고온 가압 공정을 진행할 수 있다. 여기서, 틀(1000)은 높이가 낮은 P형 열전 소자(160)에 대응하도록 복수의 돌기(1100)를 가질 수 있고, 돌기(1100)는 고온 가압 공정시 P형 열전 소자(160)의 상단면에 위치하는 제2 전극층(240)을 직접 가압할 수 있다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 열전 모듈에서 전극 구조를 나타내기 위한 사시도이다. 도 3a는 제1 전극층(140) 위에 열전 소자(160, 260)가 마운팅된 모습을 나타내고, 도 3b는 마운팅된 열전 소자(160, 260) 위에 제2 전극층(240)까지 형성된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3a 및 도 3b를 참고하면, N형 열전 소자(260)와 P형 열전 소자(160)가 쌍을 이루어 하나의 기본 단위가, 복수개 형성되어 기본 단위들이 연결된 구조의 한 예를 나타내고 있다. 도 3b에 도시된 화살표와 같이 전류가 생성되어 흐를 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 나타낸 열전 소자들(160, 260)의 연결 구조는 하나의 예시일뿐, 기본 단위들이 연결된 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연 코팅층을 나타내는 사시도이다.
도 4를 참고하면, 제1 전극층(140) 및 제2 전극층(240) 상에 절연 코팅층(135, 235)이 형성되어 도 1에서 설명한 제1 기판(110)과 제2 기판(210)을 대체할 수 있다. 절연 코팅층(135, 235)은 절연체이며, 절연 코팅층(135, 235)은 열전 모듈 외부의 열원/냉각 부재로의 누설 전류 형성을 억제할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연성 기판 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 제2 기판(210)은, 도 1에서 설명한 제2 기판(210)과 달리 판상형이 아니라 꺾인 구조를 갖는다. 다시 말해, 꺾인 구조를 갖는 제2 전극층(240) 상에 형성된 제2 기판(210)도 2개의 꺾인 부분을 가지면서 제2 전극층(240)에 밀착되도록 형성될 수 있다. 도 5에서 설명의 편의상 P형 열전 소자(160) 상단의 제2 전극층(240) 위에만 제2 기판(210)을 도시하였으나, 제2 기판(210)이 연장되어 N형 열전 소자(260) 상단의 제2 전극층(240) 위 또한 제2 기판(210)으로 덮일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 7은 도 6의 실시예에 따른 열전 모듈에서 전극 구조를 나타내기 위한 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 도 1 및 도 3에서 설명한 실시예와 대체로 동일하지만, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 높이가 낮은 P형 열전 소자(160)와 수직 방향으로 중첩하도록 위치하는 더미 금속층(300)을 더 포함한다. 더미 금속층(300)은 제2 기판(210)과 제2 전극층(240) 사이에 위치할 수 있다. 더미 금속층(300)과 제2 전극층(240) 사이에 접합층(310)이 형성될 수 있다. 접합층(310)은 제2 전극층(240)에 더미 금속층(300)을 부착하기 위한 것이며, Pb, Al, Ni, Sn, Cu, Ti, Mo, Al, Ag 및 이들의 합금과 같은 금속 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
더미 금속층(300)은 P형 열전 소자(160)의 개수와 동일한 개수로 복수개 형성되거나 P형 열전 소자(160)의 개수보다 적은 수로 형성될 수 있다. 출력을 극대화하려면 저항은 작고 온도차는 커져야 하는데, 더미 금속층(300)을 사용하지 않을 경우 대비하여 더미 금속층(300)을 사용할 경우, 꺾인 전극 구조의 전기 회로 안에 더미 금속층(300)이 들어가지 않기 때문에 총저항은 그대로이지만, 열원으로부터 열을 전달하는 열흐름 경로는 추가되는 것이다. 따라서, 더미 금속층(300)을 사용하지 않을 때 대비하여, 최소화되어 있는 총저항을 유지하면서도 온도차를 크게 만들어서 출력을 극대화시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 절연 코팅층을 나타내는 사시도이다.
도 8을 참고하면, 제1 전극층(140) 및 제2 전극층(240) 상에 절연 코팅층(135, 235)이 형성되어 도 1에서 설명한 제1 기판(110)과 제2 기판(210)을 대체할 수 있다. 여기서, 절연 코팅층(235)은 더미 금속층(300) 위에도 형성될 수 있다. 절연 코팅층(235)은 절연체일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 더미 금속층과 절연성 기판 구조를 나타내는 사시도이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 제2 기판(210)은, 도 1에서 설명한 제2 기판(210)과 달리 판상형이 아니라 꺾인 구조를 갖는다. 다시 말해, 꺾인 구조를 갖는 제2 전극층(240) 상에 형성된 제2 기판(210)도 2개의 꺾인 부분을 가지면서 제2 전극층(240)에 밀착되도록 형성될 수 있다. 이때, 더미 금속층(300)은 제2 기판(210) 위에 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 더미 금속층을 나타내는 단면도이다. 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 모듈에 포함된 상하부 더미 금속층을 나타내는 단면도이다.
도 10을 참고하면, 도 10의 실시예는 도 6의 변형예이며, 더미 금속층(302)은 도 6의 실시예와 달리 P형 열전 소자(162) 보다 열 전달 부재(100)에 가까이 위치한다.
도 11을 참고하면, 도 11의 실시예는 도 10의 변형예이며, 더미 금속층은 상부 더미 금속층(306)과 하부 더미 금속층(304)을 포함하고, 상부 더미 금속층(306)과 하부 더미 금속층(304) 사이에 높이가 낮은 P형 열전 소자(164)가 위치한다.
도 10 및 도 11에서 설명한 실시예는 더미 금속층의 종류, 본 도면에서는 도시하지 않았지만 접합 소재의 종류, 이웃하는 구성 요소들과의 열팽창 계수 매칭, 접합 강도 및 접합 특성, 열전 소재를 제외한 다른 구성 요소들의 열안정성 등에 따라 유도될 수 있는 구조이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 열 전달 부재
140: 제1 전극층
240: 제2 전극층
160, 162, 164: P형 열전 소자
260: N형 열전 소자
200: 냉각 부재
300, 302: 더미 금속층

Claims (15)

  1. 열 전달 부재와 냉각 부재 사이에 위치하는 복수의 열전 소자 그리고
    상기 열 전달 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이 및 상기 냉각 부재와 상기 복수의 열전 소자 사이에 각각 위치하는 제1 전극층 및 제2 전극층을 포함하고,
    상기 복수의 열전 소자는 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자를 포함하고, 서로 이웃하는 P형 열전 소자와 N형 열전 소자의 높이가 서로 다르며,
    서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자에 걸쳐 형성된 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 선택된 하나의 전극층은 적어도 2개의 꺾인 부분을 가지며,
    상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자와 수직 방향으로 중첩하도록 위치하는 더미 금속층을 더 포함하는 열전 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전극층은 서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자의 상단면과 상기 N형 열전 소자의 상단면에 동시에 배치되는 열전 모듈.
  3. 제2항에서,
    서로 이웃하는 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자에 걸쳐 형성된 상기 전극층의 두께는 균일한 열전 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 선택된 다른 하나의 전극층은, 상기 P형 열전 소자와 이웃하는 상기 N형 열전 소자가 아닌 다른 N형 열전 소자의 하단면과 상기 P형 열전 소자의 하단면에 걸쳐 하나의 평면상에 형성되는 열전 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 P형 열전 소자의 높이가 상기 N형 열전 소자의 높이보다 낮은 열전 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 열전 소자의 외부에 배치되고, 상기 복수의 열전 소자를 기준으로 서로 다른 일측에 위치하는 제1 기판 및 제2 기판을 더 포함하는 열전 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나는 알루미나를 포함하는 열전 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 선택된 하나의 기판은, 상기 적어도 2개의 꺾인 부분을 갖는 전극층에 대응하도록 적어도 2개의 꺾인 부분을 갖는 열전 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자의 수평 방향의 길이가 서로 다른 열전 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 P형 열전 소자의 길이가 상기 N형 열전 소자의 길이보다 긴 열전 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 높은 열전 소자 상단면에 접합하고 있는 절연체를 더 포함하는 열전 모듈.
  12. 삭제
  13. 제1항에서,
    상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 높은 열전 소자 상단면 및 상기 더미 금속층 상단면에 접합하고 있는 절연체를 더 포함하는 열전 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 더미 금속층은, 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자 아래 위치하는 열전 모듈.
  15. 제1항에서,
    상기 더미 금속층은 상부 더미 금속층과 하부 더미 금속층을 포함하고, 상기 상부 더미 금속층과 상기 하부 더미 금속층 사이에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자 중 높이가 낮은 열전 소자가 위치하는 열전 모듈.
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