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KR20070026586A - 열전변환 모듈 - Google Patents

열전변환 모듈 Download PDF

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KR20070026586A
KR20070026586A KR1020067026232A KR20067026232A KR20070026586A KR 20070026586 A KR20070026586 A KR 20070026586A KR 1020067026232 A KR1020067026232 A KR 1020067026232A KR 20067026232 A KR20067026232 A KR 20067026232A KR 20070026586 A KR20070026586 A KR 20070026586A
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KR
South Korea
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thermally conductive
thermoelectric conversion
type semiconductor
electrode
conductive good
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020067026232A
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English (en)
Inventor
고오 다까하시
Original Assignee
아르재 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 아르재 가부시키가이샤 filed Critical 아르재 가부시키가이샤
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Abstract

저렴한 열전도성 양호 기판으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성이 담보되는 열전 변환 모듈을 제공한다. 열전 변환 소자는 π형으로 접속되는 P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)로 구성된다. 전극(3 내지 5)은 상기 열전변환 소자의 양단부면에 접속된다. 열전도성 양호 기판(8, 9)은 전극(3 내지 5)에 접촉된다. 열전도성 양호 기판(8, 9)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 열전도성 양호 기판(8, 9)과 전극(3 내지 5) 사이에 양극 산화막(10)이 설치된다. 열전변환 모듈(20)은 열전도성 양호 기판(8, 9)이 저렴한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 양극 산화막(10)에서 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성을 담보할 수 있다.
열전도성 양호 기판, 양극 산화막, P형 반도체, N형 반도체, 열전변환 모듈

Description

열전변환 모듈{THERMOELECTRIC CONVERSION MODULE}
본 발명은 열전변환 모듈(thermoelectric conversion module)에 관한 것이다. 특히, 제벡 효과(seebeck effect)나 펠티에 효과(peltier effect)를 이용한 열전변환 모듈의 구성에 관한 것이다.
제벡 효과나 펠티에 효과 등 열의 흐름과 전류가 서로 영향을 미치는 물리 현상은 "열전 효과(thermoelectric effects)"로 총칭된다. 그리고, 열전 효과는 다른 열전능(thermoelectric properties: 熱電能)을 갖는 금속이나 반도체를 접합한 회로에서 발생한다. 상기 접합부에 온도차가 있는 경우, 이 회로에서 전류가 발생하는 현상은 제벡 효과라 한다. 제벡 효과를 갖는 열전변환 모듈은 예를 들어 발전 장치로서 이용되고 있다.
한편, 전술한 회로에 전류를 흐르게 하면, 상기 접합부의 한쪽은 발열하고, 다른 쪽은 흡열하는 현상이 일어나고, 이 현상은 펠티에 효과라 한다. 펠티에 효과를 이용하는 열전변환 모듈은 펠티에 소자라고도 불리운다. 이 펠티에 소자는 예를 들어 CPU(Central Processing Unit) 등을 열전 냉각하는 데 이용되고 있다.
대표적인 열전변환 모듈은 P형 반도체와 N형 반도체의 상이한 열전변환 재료를 병렬로 배치하고, P형 반도체와 N형 반도체를 π형(π-shape)으로 직렬 접속하 여 폐회로를 구성하고 있다. 이 폐회로에 일방향으로 전류를 흐르게 하였을 때에, P형 반도체와 N형 반도체의 접합부에 있어서는 전류 방향에 의존하여 열이 방출, 또는 흡수된다.
상기 구성을 갖는 열전변환 모듈은 P형 반도체 및 N형 반도체의 한쪽 단면이 흡열하고, P형 반도체 및 N형 반도체의 다른 쪽 단면이 발열한다. 한편, 상기 구성을 갖는 열전변환 모듈에 있어서, P형 반도체 및 N형 반도체의 한쪽 단면이 저온측이 되도록 하고, P형 반도체 및 N형 반도체의 다른 쪽 단면이 고온측이 되도록 하여, P형 반도체 및 N형 반도체의 양 단부면 사이에 온도차를 부여함으로써 상기 폐회로에 전류가 흘러 전력으로서 취출할 수 있다.
따라서, 열전변환 모듈은 그 기본적인 구성은 대략 동일하며, 제벡 효과를 이용하여 발전할지, 펠티에 효과를 이용하여 온도 제어할지의 가역적인 작용이 가능하다. 따라서, 열전변환 모듈은 열전 발전 소자 모듈 및 펠티에 소자(열전 냉각 소자 모듈)로서 이용할 수 있다.
다음에, 종래의 대표적인 펠티에 소자로서의 열전변환 모듈을 도3을 이용하여 설명한다. 도3은 종래의 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 정면도이다. 도3에 있어서, 참조번호 1은 P형 반도체, 참조번호 2는 N형 반도체를 나타낸다. 도3에 도시한 바와 같이, P형 반도체(1)와 N형 반도체(2)는 교대로 병설되어 있다.
P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)는 전극(3)에서 π형으로 접속되어 있다. 한쪽 단부측에 배치되는 P형 반도체(1)의 하단부면에는 외부 접속되는 전극(4)이 접속되고, 다른 쪽 단부측에 배치되는 N형 반도체(2)의 하단부면에는 외부 접속되 는 전극(5)이 접속된다. P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)는 전극(4)과 전극(5) 사이에 π형으로 직렬 접속되어 있다.
도3에 있어서, P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)의 상단부면에 접속되는 전극(3)에는 열전도성 양호 기판(good thermally conductive substrate)(6)이 접촉된다. P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)의 하단부면에 접속되는 전극(3 내지 5)에는 열전도성 양호 기판(7)이 접촉된다. 질화알루미늄(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 전기 절연성을 갖는 세라믹이 열전도성 양호 기판(6, 7)으로 이용된다.
도3에 있어서, 직류 전원이 전극(4)과 전극(5) 사이에 접속된다. 따라서, 전극(5)을 플러스(+)측으로 하고, 전극(4)을 마이너스(-)측으로 하여 열전변환 모듈(30)에 전류가 흐르게 하면, 열전도성 양호 기판(6)은 냉각되고, 열전도성 양호 기판(7)은 가열된다.
한편, 도3에 있어서, 전극(4)과 전극(5) 사이에 부하를 접속하여 폐회로를 구성하고, 열전도성 양호 기판(6)을 저온측으로 하고, 열전도성 양호 기판(7)을 고온측으로 하여 열전도성 양호 기판(6)과 열전도성 양호 기판(7) 사이에 온도차를 부여함으로써 상기 폐회로에 전류가 흘러 전력으로서 취출할 수 있다.
도3과 유사한 구성을 갖는 한편 전기 절연막을 갖는 신규하면서 또한 유용한 열전 발전 소자 모듈이 개발되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에 의한 열전 발전 소자 모듈은 P형 열전변환 재료와 N형 열전변환 재료를 전극을 통해 교대로 연결하여 이루어지는 열전변환 소자 모듈이다. 이 모듈은 그 전극의 표면에 구조 단위로서 -(SiH2NH)-를 포함하는 폴리실라잔 용액을 도포하여 형성된 실리카막으로 이루어지는 전기 절연막을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
특허문헌 1의 발명에 따른 절연막은 내열성 및 열전도성이 우수하고, 상온으로부터 1300℃라는 넓은 온도 범위에서 유효하고, 특히 600 내지 1300℃와 같은 고온 영역에 있어서 유효하다고 하고 있다. 또한, 특허문헌 1의 발명에 따르면, 실리카 박막은 예를 들어 1㎛의 막 두께를 갖도록 매우 얇게 형성될 수 있기 때문에 열저항이 매우 최소화될 수 있다. 따라서, 열전변환 소자 모듈의 발전 성능을 실질적인 저하를 회피할 수 있는 것과 같은 우수한 효과가 보고되었다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2001-326394호 공보
도3에 도시된 종래의 대표적인 열전변환 모듈은 열전도성 양호 기판으로서, 전기 절연성과 열전도성을 고려하여 질화알루미늄이나 산화알루미늄 등의 세라믹이 이용되고 있다. 특허문헌 1의 발명에 따르면, 그의 실시예에 있어서 열전도성 양호 기판으로서 알루미나 자기(alumina porcelain)(Al2O3)가 이용되고 있다.
그러나, 열전도성 양호 기판으로서 이용되는 질화알루미늄(AlN)은 전기 절연성 및 열전도성이 양호하지만, 일반적으로 고가라는 문제가 있다. 한편, 열전도성 양호 기판으로서 이용되는 산화알루미늄(Al2O3)은 저렴하고 전기 절연성이 양호하지만, 열전도성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 저렴한 열전도성 양호 기판으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성이 담보되는 열전변환 모듈을 제공하는 것이다.
발명자는 상기 목적을 충족시키기 위해 열전도성 양호 기판이 열저항이 낮은 일반 금속으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 전극 사이에 전기 절연막을 설치하는 구성으로 하여 이하와 같은 새로운 열전변환 모듈을 발명하였다.
열전변환 모듈의 일 태양에 따르면 π형으로 접속되는 P형 반도체 및 N형 반도체로 구성되는 열전변환 소자와, 상기 열전변환 소자의 양 단부면에 접속되는 전극과, 상기 전극에 접촉되는 열전도성 양호 기판을 구비하며, 상기 열전도성 양호 기판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 상기 전극 사이에 양극 산화막이 설치된다.
본 발명에 의한 열전변환 모듈은 π형으로 접속되는 P형 반도체 및 N형 반도체로 구성되는 열전변환 소자를 구비하고 있다. P형 반도체 및 N형 반도체로 구성되는 열전변환 소자는, 예를 들어 일반적으로 이용되고 있는 비스무트-텔루르 화합물, 안티몬-텔루르 화합물, 비스무트-텔루르-안티몬 화합물, 비스무트-텔루르-셀레늄 화합물 이외에, 납-게르마늄 화합물, 실리콘-게르마늄 화합물 등의 재료를 이용할 수 있다. P형 반도체 및 N형 반도체는 예를 들어 기둥 형상으로 형성되고, 상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 대략 평행하는 양단부면은 전기적 접속 단면을 갖고 있다.
그리고, P형 반도체 및 N형 반도체는 대략 동일한 높이를 갖고, 상기 P형 반도체 및 N형 반도체가 π형으로 접속된다. P형 반도체 및 N형 반도체가 π형으로 접속된다고 하는 것은, P형 반도체와 N형 반도체가 직렬로 접속되는 것을 의미한다.
본 발명에 의한 열전변환 모듈은 상기 열전변환 소자의 양 단부면에 접속되는 전극을 구비하고 있다. 전극은 예를 들어 평판 형상의 도전성 금속판일 수 있고, 전극의 전기 저항은 낮은 것이 바람직하다. 전극은 열전변환 소자의 양 단부면에 접합되어 전기적으로 접속될 수 있다. 예를 들어, 상기 접합은 땜납 또는 용접에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 전극은 열전변환 소자의 양 단부면에 도전성 접착제에 의해 접착되어 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, 예를 들어 전기 절연막에 동박판을 부착하고, 이 동박판을 패턴 에칭함으로써 전극이 형성될 수 있고, 이 패턴 에칭된 전극은 열전변환 소자의 양 단부면에 접촉되어 상기 열전변환 소자의 양 단부면에 상기 전극을 접속시킨다. 또, 패턴 에칭된 전극은 도전성 도금이 실시된다.
본 발명에 의한 열전변환 모듈은 상기 전극에 접촉되는 열전도성 양호 기판을 구비하고 있다. 예를 들어, 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판은 열 절연 지지 기둥으로 끼움 지지되고, 상기 전극에 접촉된다. 또한, 전극과 열전도성 양호 기판 사이에 실리콘 등의 열전도성 양호 재료가 제공되고, 열전도성 양호 기판이 상기 전극에 접촉될 수 있다.
본 발명에 의한 열전변환 모듈은 상기 열전도성 양호 기판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의한 열전도성 양호 기판에 이용될 수 있는 알루미늄은 순알루미늄일 수 있고, 99.7 내지 99.0%의 순도를 갖는 공업용 순알루미늄이 입수의 용이성이나 가격의 면에서 바람직하다.
또한, 예를 들어 본 발명에 의한 열전도성 양호 기판에 적용되는 알루미늄 합금은 내식성을 목적으로 하여 가공 경화에 의해 강화되는 Al-Mg 화합물 또는 Al-Mn 화합물일 수 있고, 열처리성도 있고 내식성도 좋은 Al-Mg-Si 화합물일 수 있다. 본 발명에 의한 열전도성 양호 기판을 다이캐스트 등 주물용 알루미늄 합금으로 제조하기 위해서는, Al-Cu 화합물, Al-Cu-Si 화합물(라우탈 등), Al-Si 화합물(실루민 등), Al-Mg 화합물(히드로날륨 등), Al-Cu-Mg-Ni 화합물(Y 합금 등)이 사용될 수 있다(이상의 알루미늄 합금의 분류는 "이와나미 물리 및 화학 사전 제5판"에서 발췌).
또한, 본 발명에 의한 열전변환 모듈은 상기 열전도성 양호 기판과 상기 전극 사이에 양극 산화막이 설치되는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 열전변환 모듈은 대향하는 2개의 면에 있어서 π형으로 접속되는 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전변환 소자와, 상기 열전변환 소자의 π형 접속을 위해 상기 대향하는 2개의 면에 각각 배치되는 전극과, 상기 전극 중 적어도 한쪽 면에 배치된 전극에 접촉되는 열전도성 양호 기판을 구비하는 열전변환 모듈이며, 상기 열전도성 양호 기판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 접촉되는 상기 전극 사이에 양극 산화막이 설치되는 것을 특징으로 해도 좋다.
질화알루미늄(AlN)이나 산화알루미늄(Al2O3)과 비교하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 열저항이 작지만 양호한 도전성을 갖고 있기 때문에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판을 전극에 접촉하면 전극 사이가 단락한다. 따라서, 양호한 도전성을 갖는 열전도성 양호 기판과 전극 사이에 전기 절연성을 갖는 양극 산화막을 설치하여 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성을 담보하였다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열전변환 모듈은 열전도성 양호 기판이 저렴한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 전극 사이에 전기 절연성을 갖는 양극 산화막을 설치하여 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성을 담보할 수 있다.
본 발명의 제1 태양에 기재된 바와 같은 열전변환 모듈의 제2 태양에 따르면, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판에 상기 양극 산화막이 형성된다.
양극 산화는 전기 분해시에 양극에서 일어나는 산화 반응이며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 황산 등의 전기 분해액 중에서 전기 분해하여 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 표면에 형성되는 Al2O3의 양극 산화막은 전기 절연성을 갖고 있다.
이와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판에 전기 절연성을 갖는 양극 산화막을 형성함으로써, 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성을 담보할 수 있다.
전해 직후의 양극 산화막은 다공성의 비정질의 Al2O3이지만, 비등수 처리, 가열 증기 처리를 행하면 밀봉 처리된다. 이 상태에서는 내식성, 전기 절연성이 양호하다. 이와 같이, 열전도성 양호 기판에 형성된 양극 산화막에, 예를 들어 밀봉 처리함으로써 열전도성 양호 기판의 전극 접촉면의 표면 거칠기가 작아져 접촉 열저항을 작게 할 수 있다.
본 발명은 전극에 접촉되는 열전도성 양호 기판의 전체에 양극 산화막이 형성된다고는 할 수 없다. 대향하는 한쪽의 열전도성 양호 기판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 양극 산화막이 형성되고, 대향하는 다른 쪽 열전도성 양호 기판이 예를 들어 질화알루미늄(AlN)으로 이루어져 있어도 좋다. 예를 들어 펠티에 소자에 있어서, 냉각측의 열전도성 양호 기판이 질화알루미늄으로 이루어지고, 방열측 열전도성 양호 기판이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 양극 산화막이 형성되어 있어도 된다.
본 발명의 제2 태양에 따른 열전변환 모듈의 제3 태양에 따르면, 상기 양극 산화막은 0.1 내지 0.5㎛의 막 두께로 형성된다.
전술한 바와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판에 형성된 양극 산화막은 전기 절연성을 갖고 있다. 그리고, 양극 산화막의 막 두께가 두꺼울수록 전기 절연성이 증가한다고 생각할 수 있다. 한편, 양극 산화막의 막 두께가 두꺼울수록 열저항이 커진다고 생각할 수 있다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금에 형성되는 양극 산화막은 포러스형(다공질형) 피막의 경우, 그 평균 막 두께는 일반적으로 1 내지 100㎛의 범위에서 형성 가능하게 되어 있고, 전기 절연성 관점으로부터는 그 평균 막 두께는 20㎛ 이상으로 형성되는 것이 바람직하고, 열저항을 작게 하여 전기 절연성을 담보하는 관점으로부터는, 바람직하게는 그 평균 막 두께는 20 내지 80㎛의 범위에서 형성되고, 더 바람직하게는 그 평균 막 두께는 25 내지 60㎛의 범위에서 형성되고, 가장 바람직하게는 그 평균 막 두께는 30 내지 40㎛의 범위에서 형성된다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금에 형성되는 상기 양극 산화막은 배리어형 피막이 형성되는 것이 보다 바람직하다. 배리어형 피막은 예를 들어 붕산암모늄 등을 포함하는 중성액 중에서 형성되고, 치밀하고 전기 절연성이 우수한 것에 이점이 있다. 또한. 배리어형 피막은 전압과 리니어로 결정이 성장하므로 막 두께를 제어할 수 있다.
이와 같은 배리어형 피막의 경우, 그 평균 막 두께는 일반적으로 0.01 내지 0.8㎛의 범위에서 형성 가능하게 되어 있고, 전기 절연성 관점으로부터는 그 막 두께는 0.1㎛ 이상으로 형성되는 것이 바람직하고, 열저항을 작게 하여 전기 절연성을 담보하는 관점에서는, 그 막 두께는 0.1 내지 0.5㎛의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 내지 제3 태양에 따른 열전변환 모듈의 제4 태양에 따르면, 병설되는 복수의 상기 열전변환 소자는 상기 열전도성 양호 기판 사이에 끼워진다.
본 발명에 의한 열전변환 모듈은 상기 대향하는 2개의 면 사이에 상기 열전변환 소자와 병설되고 직렬로 접속되는 다른 하나의 π형으로 접속되는 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전변환 소자를 더 포함할 수 있다. 즉, 복수(임의의 수)의 열전변환 소자를 병설하는 열전변환 모듈도 본 발명에 포함될 수 있다.
"복수의 상기 열전변환 소자가 병설된다"라 함은, 예를 들어 기둥 형상으로 형성된 복수의 P형 반도체와 복수의 N형 반도체가 기립 설치된 상태에서 교대로 근접시켜 행과 열에 맞추어 배열된다고 생각되어도 좋다. 그리고, 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체는 대략 동일한 높이를 갖고, 복수의 P형 반도체와 복수의 N형 반도체가 π형으로 직렬 접속된다.
예를 들어 복수의 P형 반도체 및 복수의 N형 반도체는 교대로 배치되어 열을 이루고, 이 열 방향에 있어서 복수의 열전변환 소자의 양 단부면에 전극이 접속된다. 또한, 이 열방향의 양단부에 배치되는 한 쌍의 P형 반도체 및 N형 반도체의 한쪽 단면이 전극에 접속된다.
이들 복수의 전극은 한쪽 면에 배치되는 복수의 전극이 흡열측이 되고, 다른 쪽 면에 배치되는 복수의 전극이 방열측이 되도록 복수의 열전변환 소자가 배향을 맞추어 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 복수의 전극에 열전도성 양호 기판이 끼움 지지함으로써 접촉한다.
예를 들어, 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판 사이에 열절연 지지 기둥을 개재시켜 복수의 열전변환 소자를 끼움 지지해도 좋다. 또한, 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판 사이에 비도전성의 액상 패킹을 개재시키고, 액상 패킹이 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판을 접착함으로써 복수의 열전변환 소자를 끼움 지지해도 좋다.
이와 같이, 본 발명의 열전변환 모듈은 복수의 열전변환 소자가 배치되어 있으므로, 열전변환 소자의 개수를 적절하게 설정함으로써 열전 발전 소자 모듈로서는 원하는 전력을 얻을 수 있고, 펠티에 소자로서는 원하는 냉각 능력을 얻을 수 있다.
본 발명의 열전변환 모듈은 열전도성 양호 기판이 저렴한 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 열전도성 양호 기판과 전극 사이에 전기 절연성을 갖는 양극 산화막을 설치하여 열전도성 양호 기판과 전극 사이의 전기 절연성을 담보할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 정면도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
도3은 종래의 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 정면도이다.
[부호의 설명]
1 : P형 반도체
2 : N형 반도체
3 내지 5 : 전극
8, 9, 81, 91 : 열전도성 양호 기판
10 : 양극 산화막
20, 200 : 열전변환 모듈
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 정면도이다. 도2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전변환 모듈의 구성을 도시하는 분해 사시도이다. 또, 도3에서 도시된 종래의 구성품에 부여된 부호는 이하의 설명에 있어서 동일 부호를 부여하는 것으로 하고, 그 구성품의 설명을 할애하는 경우가 있다.
먼저, 도3에 도시된 종래의 열전변환 모듈에 대비되는 본 발명의 열전변환 모듈의 구성을 설명한다.
도1에 있어서, P형 반도체(1)와 N형 반도체(2)는 교대로 병설되어 있다. P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)는 전극(3)에서 π형으로 접속되어 있다. 한쪽 단부측에 배치되는 P형 반도체(1)의 하단부면에는 외부 접속되는 전극(4)이 접속되고, 다른 쪽 단부측에 배치되는 N형 반도체(2)의 하단부면에는 외부 접속되는 전극(5)이 접속되어 있다. 전극(4)과 전극(5) 사이에는 P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)가 π형으로 직렬 접속되어 있다.
도1에 있어서, P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)의 상단부면에 접속되는 전극(3)에는 열전도성 양호 기판(8)이 접촉되어 있다. P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)의 하단부면에 접속되는 전극(3 내지 5)에는 열전도성 양호 기판(9)이 접촉된다.
이 열전도성 양호 기판(8, 9)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 열전도성 양호 기판(8, 9)과 전극(3 내지 5) 사이에 양극 산화막(10)이 설치되어 있다. 양극 산화막(10)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판(8, 9)에 형성되어 있다. 양극 산화막(10)은 0.1 내지 0.5㎛의 막 두께로 형성되어 있다.
도1에 있어서, 전극(4)과 전극(5) 사이에 직류 전원을 접속하여 전극(5)을 플러스(+)측으로 하고, 전극(4)을 마이너스(-)측으로 하여 열전변환 모듈(20)에 전류를 흐르게 하면, 열전도성 양호 기판(8)은 냉각되고, 열전도성 양호 기판(9)은 가열된다.
한편, 도1에 있어서, 전극(4)과 전극(5) 사이에 부하를 접속하여 폐회로를 구성하고, 열전도성 양호 기판(8)을 저온측으로 하고, 열전도성 양호 기판(9)을 고온측으로 하여 열전도성 양호 기판(8)과 열전도성 양호 기판(9) 사이에 온도차를 부여함으로써 상기 폐회로에 전류가 흘러 전력으로서 취출할 수 있다.
다음에, 다른 실시 형태에 의한 열전변환 모듈의 구성을 설명한다.
도2에 있어서, 기둥 형상으로 형성된 32개의 P형 반도체(1)와 32개의 N형 반도체(2)가 교대로 배치되어 있다. 32개의 P형 반도체(1) 및 32개의 N형 반도체(2)는 대략 동일한 높이를 갖고, 32개의 P형 반도체(1)와 32개의 N형 반도체(2)가 π형으로 직렬 접속되어 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 32개의 P형 반도체(1) 및 32개의 N형 반도체(2)는 서로 배치되어 열을 이루고, 이 열 방향에 있어서 복수의 열전변환 소자의 양 단부 면에 전극(3)이 접속되어 있다. 또한, 이 열 방향의 양단부에 배치되는 한 쌍의 P형 반도체(1) 및 N형 반도체(2)의 한쪽 단면이 전극(3)으로 접속되어 있다.
도2에 있어서, 시단부열의 시단부행에 배치되는 P형 반도체(1)의 하단부면에는 외부 접속되는 전극(4)이 접속되고, 시단부열의 종단부행에 배치되는 N형 반도체(2)의 하단부면에는 외부 접속되는 전극(5)이 접속되어 있다. 전극(4)과 전극(5) 사이는 32개의 P형 반도체(1) 및 32개의 N형 반도체(2)가 π형으로 직렬 접속되어 있다.
이들 복수의 전극(3 내지 5)은 한쪽 면에 배치되는 복수의 전극(3)이 흡열측이 되고, 다른 쪽 면에 배치되는 복수의 전극(3 내지 5)이 방열측이 되도록 복수의 열전변환 소자가 배향을 갖추어 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 복수의 전극(3 내지 5)에 열전도성 양호 기판(81, 91)이 끼움 지지함으로써 접촉한다.
예를 들어, 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판(81, 91) 사이에 도시되지 않는 열절연 지지 기둥을 개재시켜, 복수의 열전변환 소자를 끼움 지지해도 좋다. 또한, 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판(81, 91) 사이에 비도전성의 도시되지 않는 액상 패킹을 개재시켜, 액상 패킹이 대향하는 한 쌍의 열전도성 양호 기판(81, 91)을 접착함으로써 복수의 열전변환 소자를 끼움 지지해도 좋다.
이 열전도성 양호 기판(81, 91)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 열전도성 양호 기판(81, 91)과 전극(3 내지 5) 사이에 양극 산화막(10)이 설치된다. 양극 산화막(10)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판(81, 91)에 형성된다. 양극 산화막(10)은 0.1 내지 0.5㎛의 막 두께 로 형성된다.
이와 같이, 열전변환 모듈(200)은 복수의 열전변환 소자가 배치되어 있으므로, 열전변환 소자의 개수를 적절하게 설정함으로써 열전 발전 소자 모듈로서는 원하는 전력을 얻을 수 있고, 펠티에 소자로서는 원하는 냉각 능력을 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 의한 열전변환 모듈의 작용을 설명한다.
도1 내지 도3에 도시되는 구성을 갖는 열전변환 모듈에 있어서, 열전도성 양호 기판은 열저항이 작고, 전기 절연성이 있는 것이 요구된다. 이와 같은 열전도성 양호 기판의 열저항은 일반적으로 이하의 식으로 구할 수 있다.
R(㎡ㆍK/W) = t(m)/k[W/(mㆍK)]
R : 열저항
t : 열전도성 양호 기판의 두께
k : 열전도율
여기서, 산화알루미늄으로 이루어지는 열전도성 양호 기판(이하, Al2O3 판이라 표기함)의 열전도율(k)을 전형적인 "20[W/(mㆍK)]"으로 두고, 질화알루미늄으로 이루어지는 열전도성 양호 기판(이하, AlN 판이라 표기함)의 열전도율(k)을 전형적인 "170[W/(mㆍK)]"으로 두고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판(이하, Al 판이라 표기함)의 열전도율(k)을 "230[W/(mㆍK)]"으로 두고, 두께 "1㎜"의 열전도성 양호 기판의 열저항을 상기 식으로부터 계산하면, 이하의 수치가 된다.
Al2O3 판 : 5.0 × 10-5(㎡ㆍK/W)
AlN 판 : 5.88 × 10-6(㎡ㆍK/W)
Al 판 : 4.35 × 10-6(㎡ㆍK/W)
상기한 바와 같이, Al 판은 열저항이 가장 작은 수치를 나타내지만, Al 판은 도전성을 가지므로, 열전변환 소자의 양 단부면에 접속되는 전극에 직접 접촉시키는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판과 전극 사이에 양극 산화막이 설치되어 있다.
다음에, Al 판에 양극 산화막을 형성한 경우의 열저항을 산출한다. Al 판에 양극 산화막의 막 두께가 "0.5㎛"형성되고, "Al 판 + 양극 산화막"의 두께를 "1㎜"로 하면, 그 합성 열저항은 이하의 수치가 된다.
Al 판 + 양극 산화막(0.5㎛) : 4.37 × 10-6(㎡ㆍK/W)
이와 같이, Al 판에 양극 산화막을 형성한 경우의 열저항치는 "4.37 × 10-6"이고, Al 판 단독의 열저항치 "4.35 × 10-6"와 거의 바뀌지 않는 수치인 것을 이해할 수 있다. 또, 본 발명에 의한 양극 산화막은 배리어형이며, 그 막 두께를 0.5㎛로 얇게 할 수 있고, 내전압은 400 V 정도로 충분한 전기 절연성을 갖고 있다.
Al 판에 형성되는 양극 산화막은 포러스형 피막이 있지만, 포러스형 피막은 통상 20 내지 100㎛와 배리어형 피막에 비해 그 평균 막 두께가 두껍다. Al 판에 포러스형 피막의 평균 막 두께가 "40㎛"형성되고, "Al 판 + 포러스형 피막"의 두께를 "1㎜"라 하면, 그 합성 열저항은 이하의 수치가 된다.
Al 판 + 포러스형 피막(40㎛) : 6.17 × 10-6(㎡ㆍK/W)
이와 같이, Al 판에 포러스형 피막을 형성한 경우의 열저항치는 "6.17 × 10-6"이 되고, 전술한 AlN 판의 열저항치 "5.88 × 10-6"보다 열저항치가 커진다. 또, 여기서는 양극 산화막의 열전도율(k)을 "20[W/(mㆍK)]"으로 하였다. 따라서, 포러스형 피막의 경우에는 상기 열전도율의 수치보다 낮아진다고 생각할 수 있다. 그 경우, 상기 합성 열저항치는 더 커진다.
양극 산화막의 평균 막 두께(㎛)와 열저항치(㎡ㆍK/W)의 관계를 이하의 표1에 나타냈다. 표1에서, 양극 산화막의 열전도율(k)을 "20[W/(mㆍK)]"으로 가정하여 열저항을 산출하고 있다.
[표1]
막 두께(㎛) 열저항(㎡ㆍK/W)
1 0.5 0.02 × 10-6
2 1.0 0.05 × 10-6
3 2.0 0.10 × 10-6
4 10.0 0.50 × 10-6
5 20.0 1.00 × 10-6
6 40.0 2.00 × 10-6

Claims (4)

  1. π형으로 접속되는 P형 반도체 및 N형 반도체로 구성되는 열전변환 소자와, 상기 열전변환 소자의 각각의 단부면에 접속되는 전극과, 상기 전극에 접촉되는 열전도성 양호 기판을 구비하는 열전변환 모듈이며,
    상기 열전도성 양호 기판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하고, 상기 열전도성 양호 기판과 상기 전극 사이에 양극 산화막이 제공되는 열전변환 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극 산화막이 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열전도성 양호 기판에 형성되는 열전변환 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 양극 산화막은 0.1 내지 0.5㎛의 막 두께로 형성되는 열전변환 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 병설되는 복수의 열전변환 소자가 상기 열전도성 양호 기판 사이에 끼워지는 열전변환 모듈.
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