KR101469374B1 - 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR101469374B1 KR20130081972A KR20130081972A KR101469374B1 KR 101469374 B1 KR101469374 B1 KR 101469374B1 KR 20130081972 A KR20130081972 A KR 20130081972A KR 20130081972 A KR20130081972 A KR 20130081972A KR 101469374 B1 KR101469374 B1 KR 101469374B1
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김성엽
윤형석
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판에 일정간격으로 실장되고, 서로 대향되는 상판 및 하판 사이에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기 지름의 복합재료 기둥으로 무수히 많이 형성하여 열전소자 층을 형성한 복수의 열전발전부품; 및 상기 기판에 실장되어 상기 열전발전부품들을 직렬 또는 병렬로 접속시키는 부품연결회로;를 포함하는 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시킨 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 갖는 열전발전부품을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화함으로써 대용량 및 안정적으로 전력생산이 가능하고, 회로변경을 통한 다양한 구조물에 적용이 가능하며, 종래 열전모듈에 비해 획기적으로 개선된 발전효율의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있고, 부품 내부에서 단락이 발생하여 일부분이 정상적으로 작동하지 않더라도 다른 부분에 위치에 있는 열전발전부품에 의해 안정적인 전력 생산 및 공급이 가능한 효과가 있으며, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하여 제품의 활용성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Description

고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법{High Efficiency Thermoelectric Power Generation Module and Method of Manufacturing the Same}
본 발명은 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥을 다수 형성한 열전소자 층을 형성한 열전발전부품을 이용하여 발전효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 고효율 열전 발전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 신 에너지 개발, 폐 에너지 회수, 환경보호 등에 대한 관심이 고조되면서, 열전소자에 대한 관심도 높아지고 있다.
열전현상은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 재료 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지거나(Peltier effct) 역으로 두 물질 간의 온도차에 의해 기전력이 발생(Seebeck effect)하는 현상으로, 열전소자는 열을 전기로 또는 전기를 열로 직접 변환시키는 기능을 갖는 금속 또는 세라믹 소자를 말한다.
이러한 제백효과(Seebeck effect)를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기에너지로 변환할 수 있고, 펠티에 효과(Peltier effct)를 이용하면, 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
종래의 열전소자는 주로 벌크 타입 또는 나노 타입으로 제작이 되고 있으나, 벌크 타입은 열전지수(ZT)가 낮아 효율성이 낮은 소자만 제작되고, 고효율의 나노 소자는 제작비가 크게 증가되는 문제점이 있었다.
일본공개특허: 2002-111082 (공개일 2002. 04. 12)
한국공개특허: 2007-0037583 (공개일 2007. 04. 05)
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서,
본 발명의 목적은 P형과 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성한 열전발전부품을 기판 위에 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량 및 안정적인 전력을 생산할 수 있는 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 일 관점에 따른 고효율 열전발전모듈의 일 실시 예는 기판; 상기 기판에 일정간격으로 실장되고, 서로 대향되는 상판 및 하판 사이에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기 지름의 복합재료 기둥으로 무수히 많이 형성하여 열전소자 층을 형성한 복수의 열전발전부품; 및 상기 기판에 실장되어 상기 열전발전부품들을 직렬로 접속시키는 부품연결회로;를 포함한다.
여기서, 상기 부품연결회로는 일단부가 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판과 연결되고, 타단부가 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판과 연결되어 상기 열전발전부품들을 직렬연결시키는 것을 특징으로 한다.
상기 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합재료 기둥은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전발전부품의 상판 및 하판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전소자 층의 성능지수는
Figure 112013062779065-pat00001
(여기서, T는 온도차) 의 식으로 표현되고, 열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따른 고효율 열전발전모듈의 다른 실시 예는 기판; 상기 기판에 일정간격으로 실장되고, 서로 대향되는 상판 및 하판 사이에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기 지름의 복합재료 기둥으로 무수히 많이 형성하여 열전소자층을 형성한 복수의 열전발전부품; 및 상기 기판에 실장되어 상기 열전발전부품들을 병렬로 접속시키는 부품연결회로;를 포함한다.
여기서, 상기 부품연결회로는 일단부가 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판과 연결되고, 타단부가 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판과 연결되는 회로가 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복합재료 기둥은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전발전부품의 상판 및 하판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열전소자 층의 성능지수는
Figure 112013062779065-pat00002
(여기서, T는 온도차) 의 식으로 표현되고, 열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법의 일 실시 예는 하판 상에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 다수 형성하여 열전소자 층을 형성하고, 상기 열전소자 층의 상부에 상판을 적층하여 열전발전부품을 제작하는 S10단계; 상기 열전발전부품을 직렬 연결시키기 위한 부품연결회로를 기판 상에 실장하는 S20단계; 및 상기 기판 상에 실장된 부품연결회로에 상기 열전발전부품들을 접속시키는 S30단계;를 포함한다.
여기서, 상기 S10단계의 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥으로 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S10단계에서 열전소자 층은 일정한 각도를 갖고 회전하는 하판 상에 P형 반도체 및 N형 반도체를 증발시켜 나노 기둥을 형성하는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S30단계에서 부품연결회로의 일단부에는 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판이 연결되고 타단부에는 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판이 연결되어 상기 열전발전부품들의 직렬 접속이 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법의 다른 실시 예는 하판 상에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 다수 형성하여 열전소자 층을 형성하고, 상기 열전소자 층의 상부에 상판을 적층하여 열전발전부품을 제작하는 S10단계; 상기 열전발전부품을 병렬 연결시키기 위한 부품연결회로를 기판 상에 실장하는 S20단계; 및 상기 기판 상에 실장된 부품연결회로에 상기 열전발전부품들을 접속시키는 S30단계;를 포함한다.
여기서, 상기 S10단계의 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥으로 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S10단계에서 열전소자 층은 일정한 각도를 갖고 회전하는 하판 상에 P형 반도체 및 N형 반도체를 증발시켜 나노 기둥을 형성하는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S30단계에서 부품연결회로는 일단부에 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판과 연결되고, 타단부에 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판이 연결되는 회로가 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법에 따르면, DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시킨 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 갖는 열전발전부품을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화함으로써 대용량 및 안정적으로 전력생산이 가능하고, 회로변경을 통한 다양한 구조물에 적용이 가능하며, 종래 열전모듈에 비해 획기적으로 개선된 발전효율의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있고, 부품 내부에서 단락이 발생하여 일부분이 정상적으로 작동하지 않더라도 다른 부분에 위치에 있는 열전발전부품에 의해 안정적인 전력 생산 및 공급이 가능한 효과가 있으며, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하여 제품의 활용성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈에서 열전소자층의 복합재료 기둥을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈에서 열전발전부품의 구조와, 열전발전부품의 형태 및 그 제작공정을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 열전발전부품에서 열전소자의 개수 N에 따르는 발전 효율의 변화를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 부품연결회로를 확대 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법을 도시한 순서도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈을 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 부품연결회로를 확대 도시한 사시도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법을 도시한 순서도.
도 10은 본 발명에 따른 고효율 열전발전모듈이 다양한 분야에 적용된 상태를 도시한 사시도.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고효율 열전발전모듈 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈에서 열전소자층의 복합재료 기둥을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈에서 열전발전부품의 구조와, 열전발전부품의 형태 및 그 제작공정을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 열전발전부품에서 열전소자의 개수 N에 따르는 발전 효율의 변화를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 부품연결회로를 확대 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈은 기판(100)과, 상기 기판(100)에 일정간격으로 실장되는 열전발전부품(200)과, 상기 기판(100)에 실장되어 열전발전부품을 직렬로 접속시키는 부품연결회로(300)를 포함한다.
기판(100)은 열전발전모듈에 전원이 인가될 때 발열 또는 흡열 반응을 일으키는 것으로 열전도성이 좋고 일정 강도 이상을 가진 재질로 형성된다. 그리고, 기판(100)은 적용되는 분야에 따라 원형, 사각형, 곡면형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
도 2, 도 3에 도시된 바와 같이 열전발전부품(200)은 서로 대향되는 상판(210) 및 하판(220)과, 상판 및 하판(210,220) 사이에 다수의 열전소자가 배열되는 열전소자 층(230)을 포함한다.
여기서, 상판(210) 및 하판(220)은 구리(Cu) 패드로 이루어져 열전발전모듈에 전원이 인가될 때 전원의 흐름을 안내한다.
그리고, 열전소자 층(230)은 일정한 경사각을 갖고 회전하는 하판(220) 또는 상판(210) 상에 특정 재료를 증발시켜 나노 요소 층을 형성시키는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된다. 즉, 일정한 경사각을 갖고 회전하는 하판(220) 또는 상판(210) 상에 P형과 N형의 반도체 특성을 갖는 열전재료를 증발시켜 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성한다.
보다 자세히 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 복합재료 기둥을 형성한 열전소자는 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥을 형성하게 된다.
이때, P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되되, 구리(Cu) 패드로 이루어진 하판(220)의 상면에는 P형 반도체가 구비되고, 구리(Cu) 패드로 이루어진 상판(210)의 하면에는 N형 반도체가 구비되게 적층된다. 그리고, N형 전극인 상판(210)과 P형 전극인 하판(220)을 통해 전류가 흐르게 된다.
이러한 열전 발전부품(200)의 발전 성능 지수(ZT)는 아래의 식으로 평가될 수 있다.
Figure 112013062779065-pat00003
여기서, N은 열전소자의 갯수, Vs는 기전력값, κ는 P형 및 N형 반도체의 열전도도, ρ는 전기저항, T는 온도차를 말한다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 성능지수 ZT에 의해 결정되는 발전효율은 열전소자의 개수 N에 의해 급격히 증가함을 알 수 있다.
이와 같이 열전발전부품(200)은 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층한 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층(230)을 형성하여 발전 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이 부품연결회로(300)는 일정간격으로 실장되는 열전발전부품(200)을 직렬로 접속시킬 수 있도록 기판(100) 상에 실장된다.
부품연결회로(300)는 일단부가 일 열전발전부품(200)의 N형 전극인 상판(210)과 연결되고, 타단부가 이웃하는 타 열전발전부품(200)의 P형 전극인 하판(220)과 연결되어 전기적으로 직렬을 이룰 수 있게 구성된다. 즉, 부품연결회로(300)는 일단부와 타단부가 서로 어긋나도록 중앙부가 절곡되어 일단부가 열전발전부품의 상판(210)과 연결되고 타단부가 열전발전부품의 하판(220)과 연결되며 절곡부는 열전발전부품(200)의 높이와 동일한 높이를 갖도록 형성된다.
따라서, 기판(100)에 일정 간격으로 실장된 열전발전부품(200)들은 부품연결회로(300) 의해 직렬 접속이 이루어지고 아울러 직렬회로를 형성하게 된다.
상기와 같이 구성된 고효율 열전발전모듈의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 고효율 열전발전모듈의 제조방법은 열전발전부품(200)을 제작하는 S110단계와, 부품을 직렬 연결시키기 위한 부품연결회로(300)를 기판(100) 상에 실장하는 S120단계와, 부품연결회로(300)에 열전발전부품(200)을 접속시키는 S130단계를 포함한다.
먼저, S110단계는 구리(Cu)패드로 이루어진 하판(220)이 일정한 경사각을 갖고 회전수단에 의해 일전한 속도로 회전되도록 준비한 다음 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 일정 각도를 갖고 일정 속도로 회전되는 구리(Cu) 패드 상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고, 이어, N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시킨다. 이처럼 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 형성한다.(도 2 참조)
이때, 나노 기둥의 적층은 P형 반도체로 시작하여 N형 반도체로 끝나도록 하거나, 반대로 N형 반도체로 시작하여 P형 반도체로 끝나도록 적층시킨다. 이러한 나노 기둥은 구리(Cu)패드 상에 무수히 많이 배열되어 열전소자 층(230)을 형성한다.
이어, 열전소자 층(230)의 상면에 구리(Cu)패드로 이루어진 상판(210)을 적층시킨다. (도 3 참조)
그리고, S120단계는 기판(100) 상에 일정간격으로 실장 될 열전발전부품(200)의 간격에 맞추어 부품의 직렬 연결을 위한 부품연결회로(300)가 일정간격으로 실장된다.
그리고, S130단계에서 부품연결회로(300)의 일단부에는 일 열전발전부품(200)의 N형 전극인 상판(210)이 연결되고, 타단부에는 이웃하는 타 열전발전부품(200)의 P형 전극인 하판(220)이 연결되어 전기적으로 직렬 연결이 이루어지게 되며, 복수의 열전발전부품(200)들이 이러한 방식으로 연결되어 전체적으로 직렬 접속이 이루어진다.(도 5 참조)
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈을 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 부품연결회로를 확대 도시한 사시도이다.
도 7, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈은 기판(100)과, 상기 기판에 일정간격으로 실장되는 열전발전부품(200)과, 상기 기판에 실장되어 열전발전부품을 병렬로 접속시키는 부품연결회로(400)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예는 기판(100)에 실장되는 열전발전부품(200)들을 직렬 연결이 아닌 병렬로 연결시키기 위한 부품연결회로(400)를 포함하는 것이다. 여기서, 기판(100)과 열전발전부품(200)은 일 실시 예와 동일한 설명으로 이루어진다. 따라서, 동일한 설명으로 이루어진 기판과 열전발전부품에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이 부품연결회로(400)는 기판(100) 상에 일정간격으로 실장 될 열전발전부품(200)의 간격에 맞추어 기판(100) 상에 일정간격으로 실장되며, 일단부가 일 열전발전부품(200)의 N형 전극인 상판(210)과 연결되고, 타단부가 이웃하는 타 열전발전부품(200)의 P형 전극인 하판(220)과 연결되는 회로가 병렬로 연결되어 전기적으로 병렬을 이룰 수 있게 구성된다.
즉, 부품연결회로(400)는 일단부와 타단부가 서로 어긋나도록 중앙부가 절곡되어 일단부가 열전발전부품의 상판(210)과 연결되고 타단부가 열전발전부품의 하판(220)과 연결되며 절곡부는 열전발전부품(200)의 높이와 동일한 높이를 갖도록 형성되는 회로가 모두 연결되어 전기적으로 병렬연결이 이루어지게 구성되는 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이 다른 실시 예에 따른 고효율 열전발전모듈의 제조방법은 열전발전부품(200)을 제작하는 S210단계와, 부품을 병렬 연결시키기 위한 부품연결회로(400)를 기판(100) 상에 실장하는 S220단계와, 부품연결회로(400)에 열전발전부품(200)을 접속시키는 S230단계를 포함한다.
여기서, S210단계에서 제작되는 열전발전부품(200)은 일 실시 예의 열전발전모듈의 제조방법의 S110단계와 동일한 방법으로 제작된다.
그리고, S220단계는 기판(100) 상에 일정간격으로 실장 될 열전발전부품(200)의 간격에 맞추어 병렬구조의 부품연결회로(400)가 일정간격으로 실장되어 연결된다.
그리고, S230단계에서 병렬구조의 부품연결회로(400)의 일단부에는 일 열전발전부품(200)의 N형 전극인 상판(210)이 연결되고 타단부에는 이웃하는 타 열전발전부품(200)의 P형 전극인 하판(220)이 연결되어 열전발전부품(200)들의 병렬 접속이 이루어진다.(도 8 참조)
상기의 방법으로 제조되는 고효율 열전발전모듈은 도 10에 도시된 바와 같이 원통형, 곡면형, 사각형 등 다양한 형상의 패널에 적용되어 다양한 분야에 활용될 수 있고, 고효율의 전력생산이 가능하게 된다.
이와 같이 본 발명은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시킨 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 갖는 열전발전부품을 제작하고, 제작된 열전발전부품을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화함으로써 대용량 및 안정적인 전력생산이 가능하고, 회로변경을 통한 다양한 구조물에 적용이 가능하며, 종래 열전모듈에 비해 획기적으로 개선된 발전효율을 얻을 수 있게 된다.
또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있고, 부품 내부에서 단락이 발생하여 일부분이 정상적으로 작동하지 않더라도 다른 부분에 위치에 있는 열전발전부품에 의해 안정적인 전력 생산 및 공급이 가능하며, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하여 제품의 활용성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
100: 기판 200: 열전발전부품
210: 상판 220: 하판
230: 열전소자 층 300, 400: 부품연결회로

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판에 일정간격으로 실장되고, 구리(Cu)패드로 이루어진 하판과, 상기 하판 상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고 이어 N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키는 방법으로 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 다수 형성한 열전소자 층과, 상기 열전소자 층의 상면에 적층되고 구리(Cu)패드로 이루어진 상판으로 이루어진 열전발전부품;
    상기 기판상에 실장되어 상기 열전발전부품들을 직렬로 연결시키는 부품연결회로;
    를 포함하는 고효율 열전발전모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자 층은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자 층의 성능지수는
    Figure 112014079318300-pat00004
    (여기서, T는 온도차) 의 식으로 표현되고, 열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈.
  7. 기판;
    상기 기판에 일정간격으로 실장되고, 구리(Cu)패드로 이루어진 하판과, 상기 하판 상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고 이어 N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키는 방법으로 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 다수 형성한 열전소자 층과, 상기 열전소자 층의 상면에 적층되고 구리(Cu)패드로 이루어진 상판으로 이루어진 열전발전부품;
    상기 기판상에 실장되어 상기 열전발전부품들을 병렬로 연결시키는 부품연결회로;
    를 포함하는 고효율 열전발전모듈.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 열전소자 층은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈.
  11. 삭제
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 열전소자 층의 성능지수는
    Figure 112013062779065-pat00005
    (여기서, T는 온도차) 의 식으로 표현되고, 열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈.
  13. 하판 상에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 다수 형성하여 열전소자 층을 형성하고, 상기 열전소자 층의 상부에 상판을 적층하여 열전발전부품을 제작하는 S110단계; 상기 열전발전부품을 직렬 연결시키기 위한 부품연결회로를 기판 상에 실장하는 S120단계; 및 상기 기판 상에 실장된 부품연결회로에 상기 열전발전부품들을 접속시키는 S130단계;를 포함하고,
    상기 S110단계는 구리(Cu)패드로 이루어진 하판이 일정 경사각을 갖고 일정 속도로 회전되도록 준비하는 단계; 상기 회전되는 하판 상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고, 이어, N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키는 방법으로 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 다수 형성한 열전소자 층을 형성하는 단계; 상기 열전소자 층의 상면에 구리(Cu)패드로 이루어진 상판을 적층시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 S110단계에서 열전소자 층은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 S130단계에서 부품연결회로의 일단부에는 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판이 연결되고 타단부에는 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판이 연결되어 상기 열전발전부품들의 직렬 접속이 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
  17. 하판 상에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 다수 형성하여 열전소자 층을 형성하고, 상기 열전소자 층의 상부에 상판을 적층하여 열전발전부품을 제작하는 S210단계; 상기 열전발전부품을 병렬 연결시키기 위한 부품연결회로를 기판상에 실장하는 S220단계; 및 상기 기판상에 실장된 부품연결회로에 상기 열전발전부품들을 접속시키는 S230단계;를 포함하고,
    상기 S210단계는 구리(Cu)패드로 이루어진 하판이 일정 경사각을 갖고 일정 속도로 회전되도록 준비하는 단계; 상기 회전되는 하판상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고, 이어, N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키는 방법으로 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 다수 형성한 열전소자 층을 형성하는 단계; 상기 열전소자 층의 상면에 구리(Cu)패드로 이루어진 상판을 적층시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 S210단계에서 열전소자 층은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 S230단계에서 부품연결회로는 일단부에 일 열전발전부품의 N형 전극인 상판과 연결되고, 타단부에 이웃하는 타 열전발전부품의 P형 전극인 하판이 연결되는 회로가 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 고효율 열전발전모듈의 제조방법.
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