KR101068647B1 - Thermoelectric energy conversion module having spring structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수개의 열전에너지 변환요소를 전기적으로 접속하여 구성한 열전에너지 변환모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a thermoelectric energy conversion module configured by electrically connecting a plurality of thermoelectric energy conversion elements.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈은, 서로 대향하는 제1 열전도성 기판과 제2 열전도성 기판과, 상기 제1 열전도성 기판과 제2 열전도성 기판의 사이 공간에서 사방으로 배치된 열전요소, 및 상기 열전요소를 직렬 연결하는 연결전극을 포함하고, 상기 열전요소 또는 상기 연결전극은 지그재그(zigzag) 형상의 스프링 구조를 갖는다.The thermoelectric energy conversion module according to an embodiment of the present invention is disposed in all directions in a space between a first thermally conductive substrate and a second thermally conductive substrate facing each other, and a space between the first thermally conductive substrate and the second thermally conductive substrate. And a thermoelectric element and a connection electrode connecting the thermoelectric elements in series, wherein the thermoelectric element or the connection electrode has a zigzag spring structure.
열전소자, 스프링구조, 유연기판 Thermoelectric element, spring structure, flexible board
Description
본 발명은 복수개의 열전에너지 변환요소를 전기적으로 접속하여 구성한 열전에너지 변환모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a thermoelectric energy conversion module configured by electrically connecting a plurality of thermoelectric energy conversion elements.
제벡(Seebeck) 효과나 펠티에(Peltier) 효과 등 열의 흐름과 전류가 서로 영향을 미치는 물리 현상은 "열전 효과(thermoelectric effects)"로 총칭된다. 그리고, 열전 효과는 다른 열전 성능(thermoelectric properties: 熱電性能)을 갖는 이종금속이나 이종 반도체를 접합한 회로에서 발생한다.Physical phenomena in which heat flow and current affect each other, such as the Seebeck effect or the Peltier effect, are collectively called "thermoelectric effects." The thermoelectric effect is generated in a circuit in which dissimilar metals or dissimilar semiconductors having different thermoelectric properties are bonded.
이러한 이종금속이나 이종 반도체의 접합부에 온도차가 있는 경우, 이 회로에서 전류가 발생하는데, 이를 제벡(Seebeck) 효과라 하며, 제벡 효과는 열에너지를 전기 에너지로 이용하는 각종 발전 장치에 이용된다.When there is a temperature difference in the junction of such dissimilar metals or dissimilar semiconductors, a current is generated in this circuit, which is called a Seebeck effect, and the Seebeck effect is used in various power generation apparatuses using thermal energy as electrical energy.
그리고, 이종금속 회로나 이종 반도체를 접합한 회로에 직류전류를 인가하면, 상기 접합부의 한쪽은 발열하고, 다른 쪽은 흡열하는 현상이 일어나는데, 이 현상을 펠티에(Peltier) 효과라 하며, 펠티에(Peltier) 효과는 CPU(Central Processing Unit)를 포함하는 각종 칩(chip)과 디바이스(device) 등을 열전냉각 하 는데 이용되고 있다. When a direct current is applied to a dissimilar metal circuit or a circuit in which dissimilar semiconductors are bonded, one side of the junction generates heat and the other endothermic occurs. This phenomenon is called a Peltier effect, and is a Peltier effect. Effects are used to thermoelectrically cool various chips and devices, including central processing units (CPUs).
이러한 제벡 효과를 이용한 열전 발전 장치와 펠티에 효과를 이용한 열전 냉각 장치를 통칭하여 열전 에너지 변환모듈이라 한다.The thermoelectric power generation device using the Seebeck effect and the thermoelectric cooling device using the Peltier effect are collectively called a thermoelectric energy conversion module.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 스프링 형상의 요소를 도입하여 외력을 흡수하여 외부 충격에 강한 신뢰성 있는 열전에너지 변환모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.Based on the technical background as described above, an object of the present invention is to provide a reliable thermoelectric energy conversion module resistant to external impact by absorbing external force by introducing a spring-shaped element.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈은, 서로 대향하는 제1 열전도성 기판과 제2 열전도성 기판과, 상기 제1 열전도성 기판과 제2 열전도성 기판의 사이 공간에서 사방으로 배치된 열전요소, 및 상기 열전요소를 직렬 연결하는 연결전극을 포함하고, 상기 열전요소 또는 상기 연결전극은 지그재그(zigzag) 형상의 스프링 구조를 갖는다.The thermoelectric energy conversion module according to an embodiment of the present invention is disposed in all directions in a space between a first thermally conductive substrate and a second thermally conductive substrate facing each other, and a space between the first thermally conductive substrate and the second thermally conductive substrate. And a thermoelectric element and a connection electrode connecting the thermoelectric elements in series, wherein the thermoelectric element or the connection electrode has a zigzag spring structure.
상기 지그재그 형상의 스프링 구조는 꺽어지는 부분이 라운드지게 이루어지거나, 직각으로 이루어지거나, 예각으로 이루어질 수 있다.The zig-zag-shaped spring structure may be made of a rounded portion, rounded at right angles, or at an acute angle.
상기 열전요소는 p형 반도체와 n형 반도체가 교번하여 배치될 수 있다.The thermoelectric element may be alternately disposed p-type semiconductor and n-type semiconductor.
상기 제1 열전도성 기판과 제2 열전도성 기판 중 적어도 하나는 유연성 기판으로 이루어질 수 있다.At least one of the first thermally conductive substrate and the second thermally conductive substrate may be made of a flexible substrate.
상기 열전요소의 재료는 Bi, Te, Se, Sb 및 이들의 화합물로 이루어지는 군 에서 선택된 물질을 사용할 수 있다. The material of the thermoelectric element may be a material selected from the group consisting of Bi, Te, Se, Sb and their compounds.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈에 의하면, 전극과 열전요소 중 적어도 한 곳에 스프링 형상을 도입함으로써 전극과 열전요소의 접합부가 심하게 변형되지 않도록 하기 때문에 본딩 특성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.According to the thermoelectric energy conversion module according to the embodiment of the present invention as described above, the bonding property of the electrode and the thermoelectric element is not severely deformed by introducing a spring shape to at least one of the electrode and the thermoelectric element, so that the bonding characteristics are excellent. You can get it.
또한, 접는(flexible) 태양전지 또는 접는(flexible) 모니터와 같은 모바일 응용제품에 사용될 경우 전극과 열전요소가 외력을 충분히 흡수할 수 있는 스프링 구조를 갖기 때문에 제품의 내구성 향상 및 신뢰성 확보를 기대할 수 있다.In addition, when used in mobile applications such as a flexible solar cell or a flexible monitor, the electrode and the thermoelectric element have a spring structure capable of sufficiently absorbing external force, thereby improving product durability and securing reliability. .
또한, 전극, 열전요소, 기판 간의 열팽창 계수의 차이에 기인하는 열적 불일치(thermal mismatch)에 의하여 발생되는 열변형은 스프링 구조에 의하여 흡수될 수 있다.In addition, thermal deformation caused by thermal mismatch due to the difference in thermal expansion coefficient between the electrode, the thermoelectric element, and the substrate can be absorbed by the spring structure.
나아가, 열전요소에 스프링 형상이 도입되면 열전요소의 길이가 증가하게 되는 효과를 얻을 수 있으며, 이를 통하여 열전성능의 향상을 기대할 수 있다.Furthermore, when the spring shape is introduced into the thermoelectric element, the length of the thermoelectric element may be increased, thereby improving the thermoelectric performance.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소 에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
도 1은 일반적인 이종 반도체를 이용한 열전에너지 변환모듈을 도시한 사시도이고, 도 2의 (a)와 (b)는 도 1에 도시된 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a perspective view illustrating a thermoelectric energy conversion module using a heterogeneous semiconductor in general, and FIGS. 2A and 2B illustrate some of the thermoelectric energy conversion modules shown in FIG. 1.
도 1및 도 2를 참조하면, 열전 에너지 변환 모듈(10)은 열전요소인 p형 반도체(1)와 n형 반도체(2)가 교대로 전후 좌우 사방(四方)으로 배열되어 있다. 1 and 2, in the thermoelectric
그리고, p형 반도체(1) 및 n형 반도체(2)는 연결전극(3)에 각각 접속되어 있고, 한쪽 단부측에 배치되는 p형 반도체(1)의 하단부면에는 외부 기기와 접속되는 제1 단자전극(4)이 연결되고, 다른 쪽 단부측에 배치되는 n형 반도체(2)의 하단부면에는 외부 기기와 접속되는 제2 단자전극(5)이 연결된다.The p-
각각의 p형 반도체(1) 및 n형 반도체(2)는 제1 단자전극(4)과 제2 단자전극(5) 사이에 π형으로 연결전극(3)을 통해 직렬 접속되어 있다. 즉, 교번하여 배치되는 p형 반도체(1)와 n형 반도체(2)를 연결전극(3)이 상단부와 하단부로 번갈아 위치하면서 직렬로 연결하고 있으며, 상기 제1 단자전극(4)으로부터 제2 단자전극(5)까지 사행(蛇行)하면서 전체 반도체(1, 2)가 직렬 연결된다.Each of the p-
한편, p형 반도체(1) 및 n형 반도체(2)의 상단부면에 접속되는 연결전극(3)에는 제1 열전도성 기판(thermally conductive substrate)(6)이 접촉된다. 그리고, p형 반도체(1) 및 n형 반도체(2)의 하단부면에 접속되는 연결전극(3)과 단자전극들(4, 5)에는 제2 열전도성 기판(7)이 접촉된다.On the other hand, a first thermally
그리고, 직류 전원이 제1 단자전극(4)과 제2 단자전극(5) 사이에 접속되되, 제2 단자전극(5)을 플러스(+)측으로 하고, 제2 단자전극(4)을 마이너스(-)측으로 하여 열전에너지 변환모듈(10)에 전류가 흐르게 하면, p형 반도체(1)와 n형 반도체(2)의 접합부에 있어서는 전류 방향에 의존하여 제1 열전도성 기판(6)에서는 열을 흡수하여 냉각되고, 제2 열전도성 기판(7)에서는 열을 방출하여 가열된다.Then, a direct current power source is connected between the
이러한 구성에 따라 열전에너지 변환모듈(10)에 전류를 흘리면 열전에너지 변환모듈(10)이 열전 냉각 모듈로 이용될 수 있다.According to this configuration, when the current flows through the thermoelectric
한편, 제1 단자전극(4)과 제2 단자전극(5) 사이에 부하를 접속하여 폐회로를 구성하고, 제1 열전도성 기판(6)을 저온측으로 하고, 제2 열전도성 기판(7)을 고온측으로 하여 제1 열전도성 기판(6)과 제2 열전도성 기판(7) 사이에 온도차를 부여하면 폐회로에 전류가 흘러 전력을 얻을 수 있다.On the other hand, a load is connected between the
이러한 구성에 따라, 열전에너지 변환모듈(10)에 열에너지를 가하면 열전 에너지 변환모듈(10)이 발전 모듈로 이용될 수 있다.According to this configuration, when the thermal energy is applied to the thermoelectric
상기 제1 열전도성 기판(6)과 제2 열전도성 기판(7) 중 적어도 하나는 유연성 기판으로 이루어질 수 있다.At least one of the first thermally
그런데 이러한 열전에너지 변환모듈(10)은 본딩(bonding) 특성이 떨어지는 단점이 있어서 작은 충격에도 쉽게 파손되거나 접지상태가 변해 오작동을 일으킬 수 있다. 그리고 이러한 열전에너지 변환모듈(10)는 최대온도로부터 최저온도로의 변화가 반복해서 일어남에 따라 피로 수명이 단축되는 문제점이 있다. 또한 열전에너지 변환모듈(10)이 모바일 응용제품에 사용될 경우 변형을 흡수할 수 있는 구조가 필요하다.However, the thermoelectric
도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.3 (a) and 3 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈(20)의 연결전극(13)은 중앙부에 스프링 구조를 갖도록 형성된다. 상기 연결전극(13)은 열전요소인 p형 반도체(1)와 n형 반도체(2)가 접촉하는 접속부(13a)와 이들 접속부(13a) 사이를 연결하는 연결부(13b)로 구성된다. 이 때, 상기 연결부(13b)는 지그재그(zigzag) 형상의 스프링 구조로 이루어진다. 3, the
상기 지그재그 형상의 스프링 구조는, 도 3에 도시된 바와 같이, 꺾어지는 부분이 예각을 이루도록 형성될 수 있으며, 도시하지 않았지만, 선택적으로 라운드지게 이루어지거나 직각으로 이루어질 수도 있다.The zigzag spring structure, as shown in Figure 3, may be formed so that the bent portion at an acute angle, although not shown, may be optionally rounded or at right angles.
이와 같이 형성되는 지그재그 형상의 스프링 구조를 갖는 연결전극(13)을 도입함으로써, 상기 연결전극(13)과 열전요소의 접합부가 심하게 변형되지 않게 되어 본딩 특성이 우수해지고, 외력을 충분히 흡수하여 적용되는 제품의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.By introducing the connecting
도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.4 (a) and 4 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈(30)의 열전요소인 p형 반도체(21)와 n형 반도체(22)는 지그재그 형상의 스프링 구조를 갖도록 형성된다. Referring to FIG. 4, the p-
상기 지그재그 형상의 스프링 구조는, 도 4에 도시된 바와 같이, 꺾어지는 부분이 예각을 이루도록 형성될 수 있으며, 도시하지 않았지만, 선택적으로 라운드지게 이루어지거나 직각으로 이루어질 수도 있다.The zigzag spring structure, as shown in Figure 4, may be formed so that the bent portion at an acute angle, although not shown, may be selectively rounded or at right angles.
이와 같이 형성되는 지그재그 형상의 스프링 구조를 갖는 열전요소를 도입함으로써, 연결전극(3)과 열전요소(21, 22)의 접합부가 심하게 변형되지 않게 되어 본딩 특성이 우수해지고, 외력을 충분히 흡수하여 적용되는 제품의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.By introducing a thermoelectric element having a zigzag spring structure formed as described above, the junction between the connecting
아울러 열전요소(21, 22)의 길이가 증가하게 됨에 따라 열전성능의 향상을 기대할 수 있다.In addition, as the length of the
도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.5 (a) and 5 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a third embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈(40)은 열전요소인 p형 반도체(21)와 n형 반도체(22)가 지그재그 형상의 스프링 구조로 이루어지고, 연결전극(13)은 중앙부에 스프링 구조를 갖도록 형성된다. 상기 연결전극(13)은 열전요소인 p형 반도체(21)와 n형 반도체(22)가 접촉하는 접속부(13a)와 이들 접속부(13a) 사이를 연결하는 연결부(13b)로 구성된다. 이 때, 상기 연결부(13b)는 지그재그(zigzag) 형상의 스프링 구조로 이루어진다. Referring to FIG. 5, in the thermoelectric
상기 지그재그 형상의 스프링 구조는, 도 5에 도시된 바와 같이, 꺾어지는 부분이 예각을 이루도록 형성될 수 있으며, 도시하지 않았지만, 선택적으로 라운드지게 이루어지거나 직각으로 이루어질 수도 있다.The zigzag spring structure, as shown in Figure 5, may be formed so that the bent portion at an acute angle, although not shown, may be selectively rounded or at right angles.
상기 각 실시예에 적용되는 열전요소의 재료로 Bi, Te, Se, Sb 및 이들의 화 합물로 이루어지는 군에서 선택된 물질을 사용할 수 있으며, 이에 따라 단순히 실리콘에 도핑하여 사용하는 경우보다 상기 열전요소의 효율을 향상시킬 수 있다.Materials selected from the group consisting of Bi, Te, Se, Sb, and combinations thereof may be used as the material of the thermoelectric element to be applied to each of the above embodiments. The efficiency can be improved.
이와 같이 형성되는 지그재그 형상의 스프링 구조를 갖는 연결전극(13)과 열전요소(21, 22)를 도입함으로써, 상기 연결전극(13)과 열전요소(21, 22)의 접합부가 심하게 변형되지 않게 되어 본딩 특성이 우수해지고, 외력을 충분히 흡수하여 적용되는 제품의 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.By introducing the connecting
아울러 열전요소(21, 22)의 길이가 증가하게 됨에 따라 열전성능의 향상을 기대할 수 있다.In addition, as the length of the
도 1은 일반적인 이종 반도체를 이용한 열전에너지 변환모듈을 도시한 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a thermoelectric energy conversion module using a general hetero semiconductor.
도 2의 (a)와 (b)는 도 1에 도시된 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.2 (a) and 2 (b) show a part of the thermoelectric energy conversion module shown in FIG.
도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.3 (a) and 3 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a first embodiment of the present invention.
도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.4 (a) and 4 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a second embodiment of the present invention.
도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전에너지 변환모듈의 일부를 도시한 도면이다.5 (a) and 5 (b) show a part of a thermoelectric energy conversion module according to a third embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1, 21 : p형 반도체 2 , 22: n형 반도체1, 21: p-
3, 13 : 연결전극 4 : 제1 단자전극3, 13 connection electrode 4: first terminal electrode
5 : 제2 단자전극 6 : 제1 열전도성 기판5 second
7 : 제2 열전도성 기판 7: second thermally conductive substrate
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