KR20110136619A - 이종 열전소자를 구비한 열전모듈 - Google Patents

Abstract

이종 열전소자를 구비한 열전모듈이 개시된다. 개시된 열전모듈은 열원과 접촉되는 제1 절연기판과 소정 거리 이격된 제2 절연기판, 상기 제2 절연기판 상에 배치된 복수의 p-n 열전소자, 상기 복수의 p-n 열전소자 중 하나의 열전소자의 p형 열전소자와 인접된 다른 열전소자의 n형 열전소자의 하부를 연결하는 제1전극 및 상기 각 p-n 열전소자의 상부에서 상기 각 p--열전소자의 p형 열전소자와 n형 열전소자를 연결하는 제2전극을 구비한다.
상기 제1 절연기판의 상기 열원과 접촉되는 제1영역으로부터 멀어지는 방향으로 점차 온도가 낮아지는 복수의 영역에서, 각 영역 상의 열전소자는 서로 다른 물질로 형성된다.

Description

이종 열전소자를 구비한 열전모듈{Thermoelectric module having hetero-type thermoelectric elements}

열원의 온도 구배가 존재하는 경우, 온도대역에 따라 열전효율이 높은 열전소자를 사용하는 열전변환 효율이 향상된 발전용 열전모듈에 관한 것이다.

열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 포논(phonon)의 이동, 즉 열에너지의 이동이 발생하는 현상이다. 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다.

열전 모듈(thermoelectric module)은 정공이 이동하며 열에너지를 이동시키는 p-type 소자와 전자가 이동하며 열에너지를 이동시키는 n-type 소자로 이루어진 p-n 열전소자를 구비한다. 열전모듈은 통상 직렬로 연결된 복수의 p-n 열전소자를 구비한다.

제벡효과를 이용하는 열전 발전모듈은 열원의 온도가 전체적으로 일정한 경우, 종래의 열전 모듈과 같이 동일한 소재로 이루어진 p-n 열전소자를 사용할 수 있다.

그러나, 일반적인 열원은 임의의 온도 구배(temperature gradient)를 나타내는 것이 일반적이며, 이경우 동일한 소재의 p-n 열전소자를 사용하는 경우 열전 효율이 감소될 수 있다.

열원의 온도구배에 따라 각각의 온도 영역에서의 최적의 성능을 보이는 서로 다른 열전재료로 구성한 고효율의 열전발전모듈을 제공한다.

일 실시예에 따른 이종 열전소자를 구비한 열전모듈은: 열원과 접촉되는 제1 절연기판과 소정 거리 이격된 제2 절연기판;

상기 제2 절연기판 상에 배치된 복수의 p-n 열전소자;

상기 복수의 p-n 열전소자 중 p형 열전소자와 인접된 다른 열전소자의 n형 열전소자의 하부를 연결하는 제1전극; 및

상기 각 p-n 열전소자의 상부에서 상기 각 p-n 열전소자의 p형 열전소자와 n형 열전소자를 연결하는 제2전극;을 구비하며,

상기 제1 절연기판은 상기 제2전극 상에 배치되며, 상기 제1 절연기판의 상기 열원의 고온부와 접촉되는 제1영역으로부터 멀어지는 방향으로 점차 온도가 낮아지는 복수의 영역에서, 각 영역 상의 열전소자는 서로 다른 종류의 열전물질로 형성된다.

상기 복수의 p-n 열전소자는 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 p-n 열전소자의 양단은 부하에 연결되어서 상기 부하에 전기를 공급한다.

일 국면에 따르면, 상기 제1영역은 상기 제1 절연기판의 일측에 형성되며, 상기 복수의 영역은 상기 제1영역으로부터 멀어지는 방향으로 구분된 제2영역과 제3영역이며, 상기 제1영역 상에 배치된 제1 열전소자들과, 상기 제2영역 및 제3영역에 각각 배치된 제2 열전소자들과 제3열전소자들은 서로 다른 재료로 형성되며, 상기 제1 열전소자, 제2 열전소자, 제3 열전소자로 순차적으로 각각 고온, 중온, 저온에서의 열전효율이 높은 재료로 형성된다.

다른 국면에 따르면, 상기 제1영역은 상기 제1 절연기판의 중앙부분에 형성되며, 상기 복수의 영역은 상기 제1영역으로부터 멀어지는 방사방향으로 형성된 제2영역과 제3영역을 구비하며, 상기 제1영역 상에 배치된 제1 열전소자들과, 상기 제2영역 및 제3영역에 각각 배치된 제2 열전소자들과 제3열전소자들은 서로 다른 재료로 형성되며, 상기 제1 열전소자, 제2 열전소자, 제3 열전소자로 순차적으로 각각 고온, 중온, 저온에서의 열전효율이 높은 재료로 형성된다.

상기 실시예에 따른 이종 열전소자를 구비한 열전모듈은, 온도구배가 형성되는 영역에서 온도 분포에 따라 선별한 열전재료를 사용한 열전소자를 배치함으로써 열전 변환효율이 증가된다. 또한, 단일 열전모듈을 사용하므로 다수의 열전모듈을 구성하여 효율을 높이는 시스템보다 시스템 구성공정이 간단해진다.

도 1a 및 도 1b는 p형과 n형 열전소재의 성능지수를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈의 투시 평면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈의 투시 평면도이다.
도 5는 도 4의 V-V' 선단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이종 열전소자를 구비한 열전모듈을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

열전재료의 성능은 무차원 성능지수(dimensionless figure of merit)로 통칭되는 수학식 1과 같이 정의되는 ZT값을 사용한다.

여기서, Z는 figure of merit, S는 제벡계수, σ는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.

현재까지 개발된 p형과 n형 열전소재의 성능지수는 도 1과 같다.

열전 소재의 최대 ZT는 대략 1 수준이다.

도 1a 및 도 1b에서 보듯이, 열원의 온도에 따라 열전소재의 성능지수는 변화하기 때문에, 열전효율을 향상시키기 위해서는 적용온도에서 효율과 안정성이 높은 재료를 선택적으로 사용하여야 한다. 예를 들어 상온 ~ 250℃ 구간에서는 BiTe계 소재를 사용할 수 있고, 250℃ ~ 450℃ 구간에서는 PbTe계 소재를 사용함으로써 열전효율을 증가시킬 수 있다.

차량용 열전발전 시스템의 경우, 열전모듈을 장착할 수 있는 머플러에서 엔진과 인접한 부분의 온도는 약 350℃ 이기 때문에 일반적으로 PbTe계 또는 CoSb계 소재로된 열전소자를 사용할 수 있으나, 엔진과 거리가 먼 부분에서는 열원의 온도가 상대적으로 낮아 동일한 열전소자를 사용하는 경우, 열전효율이 감소될 수 있다. 이 경우, BiTe계 소재로 제작한 열전모듈을 저온부에 적용할 수 있다.

그러나, 이와 같이 고온부와 저온부에서 각각 서로 다른 재료로 된 열전모듈을 사용하는 경우, 열전모듈의 수가 상대적으로 많아지므로, 시스템 구성이 어렵고 열전 시스템을 위한 배선 시스템이 복잡해 질 수 있다. 특히, CPU 또는 furnace와 같이 내부특정부분의 발열온도가 높고, 고온부와 저온부가 임의의 구배로 섞여 있는 경우, 위의 다수의 열전모듈을 적용하는 시스템 구성이 어렵다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈(100)의 투시 평면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도이다. 도 2는 후술하는 제1 절연기판이 없는 상태의 평면도이다.

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 열원(H)이 일측에 있으며, 열원(H)으로부터 다른 쪽으로 점차 온도가 낮아진다. 즉, 열원(H)으로부터 멀어지는 방향으로 고온영역(A1), 중온영역(A2), 저온영역(A3)이 순차적으로 형성된다. 열원(H)과 접촉되게 제1 절연기판(110)이 배치되며, 제1 절연기판(110)으로부터 열원(H)과 마주보게 제2 절연기판(120)이 배치된다. 제1 절연기판(110) 상에 복수의 p-n 열전소자들이 직렬로 연결되어 있다.

복수의 p-n 열전소자는 고온영역(A1) 상에 형성된 제1 열전소자(131), 중온영역(A2)에 형성된 제2열전소자(132), 저온영역(A3)에 형성된 제3열전소자(133)를 구비한다.

각 열전소자(131, 132, 133)는 p-type 열전소자(p1, p2, p3) 및 n-type 열전소자(n1, n2, n3)와, p-type 열전소자 및 n-type 열전소자를 그 상부에서 연결하는 상부전극(112)과, 하나의 열전소자의 n-type 열전소자와 인접한 다른 열전소자의 p-type 열전소자를 연결하는 하부전극(122)을 구비한다. 각 열전소자들은 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 열전소자들의 양단에 배치된 하부전극(122')은 각각 리드전극(124)으로 연결되어서 미도시된 부하(load)에 직류전압을 공급한다.

일 실시예에 따른 열전모듈은 선형적인 온도구배가 발생하는 경우에 적용이 가능한 열전발전 모듈로 하나의 절연기판에 공급온도에 따라 서로 다른 고효율 소재를 적용(고온, 중온 및 저온용 열전소자)하고, 하나의 절연기판과 한 쌍의 리드전극을 사용하므로 여러 개의 개별 모듈로 구성된 시스템에 비해 제작공정이 간단하며, 각각의 온도 영역에서 열전효율이 높은 소재를 열전소자로 사용하는 것이 가능하므로 열전모듈의 발전효율이 증대된다.

상기 실시예에 따른 열전모듈을 적용시 열전 효율의 증가를 예시한다.

고온영역, 중온영역 및 저온영역의 온도가 각각 500℃, 350℃, 200℃인 경우, 전체 온도영역에 500℃에서 열전성능이 높은 CoSb계 열전소자만을 적용하면 500℃, 350℃, 200℃에서 열전성능지수 ZT가 각각 0.8, 0.6, 0.4이므로, 제2절연기판측의 온도를 50℃로 가정했을 때, 각 영역에서의 발전효율은 각각 11.3%, 7.1%, 3.1%로 각 영역이 동일하다고 가정하였을 때, 평균 열전효율은 7.1%가 된다. 이러한 열전모듈에 500℃, 350℃, 200℃에서 높은 열전성능을 나타내는 CoSb, PbTe, BiTe계 열전소자를 각각 적용하면 열전성능지수를 높은 0.8 이상의 수준으로 유지할 수 있어 발전효율이 각각 11.3%, 8.8%, 5.3%로 높아지며, 따라서 평균효율이 8.4%가 되어 효율이 약 18% 증대된다.

또한 서로 다른 열전재료로 이루어진 열전소자를 하나의 모듈로 제조하여 시스템에 장착되므로 동일한 효과를 구현할 수 있는 CoSb, PbTe, BiTe계 열전소자로 각각 제조한 열전모듈 3개를 연속적으로 배열한 시스템에 비해 제조 공정이 간소화 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈의 투시 평면도이며, 도 5는 도 4의 V-V' 선단면도이다. 도 4는 후술하는 제1 절연기판이 없는 상태의 평면도이다.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 열원(H)이 중앙에 있으며, 열원(H)으로부터 바깥 쪽으로 방사선 형상으로 점차 온도가 낮아진다. 즉, 열원(H)으로부터 바깥쪽으로 고온영역(A1), 중온영역(A2), 저온영역(A3)이 순차적으로 형성된다. 열원(H) 상으로 제1 절연기판(210)이 배치되며, 제1 절연기판(210) 상에 복수의 p-n 열전소자들이 직렬로 연결되어 있다. 복수의 열전소자 상으로 제2 절연기판이 배치된다.

복수의 p-n 열전소자는 고온영역(A1) 상에 형성된 제1 열전소자(231), 중온영역(A2)에 형성된 제2열전소자(232), 저온영역(A3)에 형성된 제3열전소자(233)를 구비한다.

각 열전소자(231, 232, 233)는 p-type 열전소자(p1, p2, p3) 및 n-type 열전소자(n1, n2, n3)와, p-type 열전소자 및 n-type 열전소자를 그 상부에서 연결하는 상부전극(212)과, 하나의 열전소자의 n-type 열전소자와 인접한 다른 열전소자의 p-type 열전소자를 연결하는 하부전극(222)을 구비한다. 각 열전소자들은 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 열전소자들의 양단에 배치된 하부전극(222')은 각각 리드전극(224)으로 연결되어서 미도시된 부하(load)에 직류전압을 공급한다.

열전모듈(200)은 열원(H)이 중앙부의 특정 부분에 집중되어 등고선 형태의 온도 구배가 발생하는 경우에 적용이 가능한 열전모듈로 하나의 절연기판에 공급온도에 따라 서로 다른 고효율 소재를 적용(고온, 중온 및 저온용 열전소자)한 모듈이다.

여러 개의 개별 모듈로 시스템을 구성할 경우 최소 9개의 모듈이 필요하나(고온부 1개, 중온부 4개, 저온부 4개) 본 발명의 실시예에서는 하나의 열전모듈(200)로 적용이 가능하여 제작공정이 간소화 된다. 각각 온도대역에서 효율이 높은 소재를 열전소자로 사용하는 것이 가능하여 열전모듈의 발전효율이 증대된다. 발생한 전기는 하나의 도전선을 통해 회수된다.

상술한 실시예에서는 열원이 한 곳에만 있는 것을 도시하였으나, 본 발명의 실시예는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 열원이 서로 이격되게 둘 이상으로 형성될 수 있고, 열원의 주위로부터 이격된 곳으로 온도 구배가 형성될 수 있다. 열원과 접촉하는 제1 절연기판에서 온도분포에 따라서 복수의 영역으로 나누고, 각 영역에서 사용되는 열전재료를 열전효율을 기준으로 선택할 수 있다. 이러한 구성은 상술한 실시예로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예들을 기준으로 본 발명이 설명되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 열원과 접촉되는 제1 절연기판과 소정 거리 이격된 제2 절연기판;
   상기 제2 절연기판 상에 배치된 복수의 p-n 열전소자;
   상기 복수의 p-n 열전소자 중 하나의 열전소자의 p형 열전소자와 인접된 다른 열전소자의 n형 열전소자의 하부를 연결하는 제1전극; 및
   상기 각 p-n 열전소자의 상부에서 상기 각 p-n 열전소자의 p형 열전소자와 n형 열전소자를 연결하는 제2전극;을 구비하며,
   상기 제1 절연기판은 상기 제2전극 상에 배치되며, 상기 제1 절연기판의 상기 열원과 접촉되는 제1영역으로부터 멀어지는 방향으로 점차 온도가 낮아지는 복수의 영역에서, 각 영역 상의 열전소자는 서로 다른 물질로 형성된 이종 열전소자를 구비한 열전모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 p-n 열전소자는 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 p-n 열전소자의 양단은 부하에 연결되어서 상기 부하에 전기를 공급하는 이종 열전소자를 구비한 열전모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1영역은 상기 제1 절연기판의 일측에 형성되며, 상기 복수의 영역은 상기 제1영역으로부터 멀어지는 방향으로 구분된 제2영역과 제3영역이며,
   상기 제1영역 상에 배치된 제1 열전소자들과, 상기 제2영역 및 제3영역에 각각 배치된 제2 열전소자들과 제3열전소자들은 서로 다른 재료로 형성되며,
   상기 제1 열전소자, 제2 열전소자, 제3 열전소자로 순차적으로 저온에서의 열전효율이 높은 재료로 형성된 이종 열전소자를 구비한 열전모듈.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1영역은 상기 제1 절연기판의 중앙부분에 형성되며, 상기 복수의 영역은 상기 제1영역으로부터 멀어지는 방사방향으로 형성된 제2영역과 제3영역을 구비하며,
   상기 제1영역 상에 배치된 제1 열전소자들과, 상기 제2영역 및 제3영역에 각각 배치된 제2 열전소자들과 제3열전소자들은 서로 다른 재료로 형성되며,
   상기 제1 열전소자, 제2 열전소자, 제3 열전소자로 순차적으로 저온에서의 열전효율이 높은 재료로 형성된 이종 열전소자를 구비한 열전모듈.

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