KR20210118645A

KR20210118645A - 열전 장치

Info

Publication number: KR20210118645A
Application number: KR1020200035163A
Authority: KR
Inventors: 이세운; 김종현; 유영삼
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-10-01

Abstract

실시예에 따르면 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 및 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하는 열전 소자; 및 상기 제2 기판 상에 이격 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 히트싱크;를 포함하고, 상기 제2 기판은 상기 제2 전극과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역, 및 상기 제2 전극과 상기 수직 방향으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 핀은 인접한 핀 간의 이격 거리가 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 상이한 열전 장치를 개시한다.

Description

열전 장치{THERMOELECTRIC DEVICE}

본 발명은 열전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자와 열전소자에 연결되는 히트싱크의 구조에 관한 것이다.

열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.

열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.

열전소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.

열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.

또한, 열전소자는 열 교환을 위한 열교환 부재와 결합하여 이용될 수 있다. 이 때, 열교환 부재와 열전소자 간의 결합에 따른 열효율 감소하고 차압에 따른 손상이 발생하는 문제가 존재한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자에 연결되는 히트싱크의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 및 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하는 열전 소자; 및 상기 제2 기판 상에 이격 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 히트싱크;를 포함하고, 상기 제2 기판은 상기 제2 전극과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역, 및 상기 제2 전극과 상기 수직 방향으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 복수 개의 핀은 인접한 핀 간의 이격 거리가 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 상이하다.

상기 이격 거리는 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역 상에서 더 클 수 있다.

상기 제2 기판은 하면 및 상기 하면에 마주하는 상면을 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 하면 상에 배치되고, 상기 상면은 상기 복수 개의 핀과 접할 수 있다.

상기 히트싱크는 상기 복수 개의 핀을 연결하는 연결부재를 포함할 수 있다.

상기 연결부재는, 상기 상면과 접하는 제1 연결부재 및 상기 제1 연결부재와 마주보는 제2 연결부재를 포함할 수 있다.

상기 복수 개의 핀은 일단부가 상기 제1 연결부재와 연결되고, 타단부가 상기 제2 연결부재와 연결될 수 있다.

상기 제2 연결부재의 길이는 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역에서 더 클 수 있다.

상기 제2 영역은 상기 수직 방향으로 상기 제2 연결부재와 중첩될 수 있다.

상기 제2 전극은 제1 방향으로 제1 길이가 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제2 길이보다 작고, 상기 수직 방향은 상기 제1 기판에서 상기 제2 기판을 향?h 방향이고, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 서로 수직하고 상기 수직 방향에 수직한 방향일 수 있다.

상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 교번하여 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열 효율이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전장치를 얻을 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전장치의 히트싱크와 열전소자 간의 위치 관계를 통해 히트싱크를 통한 열효율을 개선하고 히트싱크의 형상변환에 따른 차압 발생을 방지하는 열전 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 포함된 발전모듈의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈의 분해사시도이고,
도 3 및 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈의 일부 확대도이고,
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치의 평면도이고,
도 6 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈에 포함되는 열전소자의 사시도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전 장치의 사시도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 상부 기판 및 사부 전극의 평면도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 하부 기판 및 하부 전극을 도시한 평면도이고,
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이고,
도 12는 제1 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고,
도 13은 도 12에서 AA'로 절단된 단면도이고,
도 14는 도 12에서 BB'로 절단된 단면도이고,
도 15는 도 12에서 CC'로 절단된 단면도이고,
도 16은 도 12의 변형예이고,
도 17은 도 12의 다른 변형예이고,
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이고,
도 19는 제2 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고,
도 20은 도 19에서 DD'로 절단된 단면도이고,
도 21은 도 19에서 EE'로 절단된 단면도이고,
도 22는 도 19에서 FF'로 절단된 단면도이고,
도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이고,
도 24는 제3 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고,
도 25는 도 24에서 II'로 절단된 단면도이고,
도 26은 도 24에서 JJ'로 절단된 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치에 포함된 발전모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈의 분해사시도이고, 도 3 및 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈의 일부 확대도이고, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치의 평면도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈에 포함되는 열전소자의 단면도 및 사시도이다.

먼저, 본 발명의 열전 장치는 발전장치 또는 발전장치로 이루어진 발전 시스템 등에 이용될 수 있다. 예컨대, 발전시스템은 발전장치 및 유체관을 포함하며, 유체관으로 유입되는 유체는 자동차, 선박 등의 엔진이나 또는 발전소, 제철소 등에서 발생되는 열원일 수 있다. 다만, 이러한 내용에 제한되는 것은 아니다. 그리고 유체관으로부터 배출되는 유체의 온도는 유체관으로 유입되는 유체의 온도보다 낮다. 예를 들어, 유체관으로 유입되는 유체의 온도는 100℃이상, 바람직하게는 200℃이상, 더욱 바람직하게는 220℃내지 250℃일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니고, 열전소자의 저온부 및 고온부 간 온도 차에 따라 다양하게 적용될 수 있다.

그리고 발전장치는 유체관과 인접하게 배치되어 유체의 에너지를 이용하여 발전을 수행할 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 덕트(1100), 제1 열전 장치(1200), 제2 열전 장치(1300), 분기부(1400), 이격부재(1500), 쉴드 부재(1600) 및 단열부재(1700)를 포함한다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 가이드 플레이트(1800) 및 지지프레임(1900)을 더 포함한다.

덕트(1100), 제1 열전 장치(1200), 제2 열전 장치(1300), 분기부(1400), 이격부재(1500), 쉴드 부재(1600) 및 단열부재(1700)는 하나의 모듈로 조립될 수 있으며, 본 명세서에서 이를 발전모듈이라 지칭할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발전장치(1000)는 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체 및 덕트(1100)의 외부에 배치된 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)의 히트싱크(1220, 1320)를 통과하는 제2 유체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.

본 명세서에서, 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 제1 유체의 온도는 덕트(1100)의 외부에 배치된 열전 장치(1200, 1300)의 히트싱크(1220, 1320)를 통과하는 제2 유체의 온도보다 낮을 수 있다. 본 명세서에서, 제1 유체는 냉각용 냉각수일 수 있고, 제2 유체는 고온의 기체일 수 있다. 이를 위하여, 제1 열전 장치(1200)는 덕트(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전 장치(1300)는 덕트(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전 장치(1200)와 제2 열전 장치(1300) 각각의 양면 중 덕트(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서, 덕트(1100)는 냉각부라 지칭될 수 있다.

덕트(1100)로 유입되는 제1 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 덕트(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 제1 유체의 온도는 덕트(1100)로 유입되는 제1 유체의 온도보다 높을 수 있다. 각 덕트(1100)는 제1 표면(1110), 제1 표면(1110)에 대향하며 제1 표면(1110)과 평행하게 배치된 제2 표면(1120), 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에 배치된 제3 표면(1130) 및 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에서 제3 표면(1130)에 수직하도록 배치된 제4 표면(1140), 제3 표면(1130)에 대향하도록 배치된 제5 표면(1150) 및 제4 표면(1140)에 대향하도록 배치된 제6 표면(1160)을 포함하며, 덕트 내부로 제1 유체가 통과한다. 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각에 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)가 배치된 경우, 제3 표면(1130)은 제2 유체가 유입되는 방향에 배치된 표면이고, 제4 표면(1140)은 제1 유체가 유입 및 배출되는 방향에 배치된 표면일 수 있다. 이를 위하여, 덕트(1100)의 제4 표면(1140)에는 제1 유체 유입구(1142) 및 제1 유체 배출구(1144)가 형성될 수 있다. 제1 유체 유입구(1142) 및 제1 유체 배출구(1144)는 덕트(1100) 내 유체 통과 관과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 유입구(1142)로부터 유입된 제1 유체는 유체 통과 관을 통과한 후 제1 유체 배출구(1144)로부터 배출될 수 있다.

도시되지 않았으나, 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수도 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 제1 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 방열핀이 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적은, 예를 들어 덕트(1100)의 단면적의 1 내지 40%일 수 있다. 이에 따르면, 제1 유체의 유동에 방해를 주지 않으면서도, 높은 열전변환 효율을 얻는 것이 가능하다. 이때, 방열핀은 제1 유체의 유동에 방해를 주지 않는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 방열핀은 제1 유체가 흐르는 방향을 따라 형성될 수 있다. 즉, 방열핀은 제1 유체 유입구로부터 제1 유체 배출구를 향하는 방향으로 연장된 플레이트 형상일 수 있으며, 복수의 방열핀은 소정의 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 방열핀은 덕트(1100)의 내벽과 일체로 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유체 통과부(2200)를 통해 흐르는 제2 유체의 방향과 덕트(1100)를 통해 흐르는 제1 유체의 유입/배출 방향은 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 유체의 유입/배출 방향과 제2 유체의 통과 방향은 약 90°상이할 수 있다. 이에 따르면, 전 영역에서 고른 열변환 성능을 얻는 것이 가능하다. 한편, 제1 열전 장치(1200)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 상에 배치되고, 제2 열전 장치(1300)는 덕트(1100)의 제2 표면(1120) 상에서 제1 열전 장치(1200)에 대칭하도록 배치될 수 있다.

제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)는 스크류 또는 코일 스프링을 이용하여 덕트(1100)와 체결될 수 있다. 이에 따라, 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)는 덕트(1100)의 표면에 안정적으로 결합할 수 있다. 또는, 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300) 중 적어도 하나는 열전달물질(thermal interface material, TIM)을 이용하여 덕트(1100)의 표면에 접착될 수도 있다. 코일 스프링 및/또는 열전달물질(thermal interface material, TIM) 및/또는 스크류를 이용함으로써 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)에 인가되는 열의 균일도를 고온에서도 균일하게 제어할 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300) 각각은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각에 배치된 열전소자(1210, 1310) 및 열전소자(1210, 1310)에 배치된 히트싱크(1220, 1320)를 포함한다. 이와 같이, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면에 제1 유체가 흐르는 덕트(1100)가 배치되고, 다른 면에 히트싱크(1220, 1320)가 배치되며, 히트싱크(1220, 1320)를 통하여 제2 유체가 통과하면, 열전소자(1210, 1310)의 흡열면과 방열면 간 온도 차를 크게 할 수 있으며, 이에 따라 열전변환 효율을 높일 수 있다. 이때, 제1 표면(1110)으로부터 열전소자(1210) 및 히트싱크(1220)를 향하는 방향을 제1 방향으로 정의할 경우, 히트싱크(1220)의 제1 방향 길이는 열전소자(1210)의 제1 방향 길이보다 길 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체와 히트싱크(1220) 간 접촉 면적이 늘어나므로, 열전소자(1210)의 흡열면의 온도가 높아질 수 있다. 히트싱크는 흡열/수열을 수행할 수 있다.

도 4를 참조하면, 히트싱크(1220, 1320)와 열전소자(1210, 1310)는 복수의 체결부재(1230, 1330)에 의하여 체결될 수 있다. 여기서, 체결부재(1230, 1330)는 코일 스프링 또는 스크류 등일 수 있다. 이를 위하여, 히트싱크(1220, 1320)와 열전소자(1210, 1310)의 적어도 일부에는 체결부재(1230, 1330)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)과 체결부재(1230, 1330) 사이에는 별도의 절연체(1240, 1340)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연체(1240, 1340)는 체결부재(1230, 1330)의 외주면을 둘러싸는 절연체 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연체일 수 있다. 예를 들어, 절연체(1240, 1340)는 링 형상일 수 있다. 링 형상을 가지는 절연체(1240, 1340)의 내주면은 체결부재(1230, 1330)의 외주면에 배치되고, 절연체(1240, 1340)의 외주면은 관통홀(S)의 내주면에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 체결부재(1230, 1330)와 히트싱크(1220, 1320) 및 열전소자(1210, 1310) 사이가 절연될 수 있다.

이때, 열전소자(1210, 1310)의 구조는 도 6 및 도 7에 예시된 열전소자(100)의 구조를 가질 수 있다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.

하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.

예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.

여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다.

P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.

이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.

이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.

열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.

여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.

그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다. 이때, 절연층(170)은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기물을 포함하는 수지 조성물이거나, 실리콘과 무기물을 포함하는 실리콘 복합체로 이루어진 층이거나, 산화알루미늄층일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 질화물 및 탄화물 중 적어도 하나일 수 있다.

이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 즉, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 여기서, 두께는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 대한 두께일 수 있으며, 면적은 기판(110)으로부터 상부 기판(160)을 향하는 방향에 수직하는 방향에 대한 면적일 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부 기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부 기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전소자의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부 기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부 기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부 기판(110)의 면적이 상부 기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전 장치의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.

또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.

도시되지 않았으나, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 사이에서 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.

이때, 덕트(1100) 상에 배치되는 하부 기판(110)은 알루미늄 기판일 수 있으며, 알루미늄 기판은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120) 각각과 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착될 수 있다. 알루미늄 기판은 열전달 성능이 우수하므로, 열전소자(1210, 1310)의 양면 중 한 면과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 용이하다. 또한, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100)가 열전달물질(thermal interface material, TIM)에 의하여 접착되면, 알루미늄 기판과 제1 유체가 흐르는 덕트(1100) 간의 열전달이 방해 받지 않을 수 있다. 여기서, 열전달물질(TIM)은 열전달 성능 및 접착 성능을 가지는 물질이며, 예를 들어 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나 및 무기물을 포함하는 수지 조성물일 수 있다. 여기서, 무기물은 알루미늄, 붕소, 규소 등의 산화물, 탄화물 또는 질화물일 수 있다.

도 5를 참조하면, 이격부재(1500)는 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2) 및 덕트(1100)와 접촉하여, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)와 덕트(1100) 사이를 소정 간격으로 이격시킬 수 있다. 여기서, 접촉은 직접 접촉하는 것뿐만 아니라, 다른 매개체를 통하여 간접 접촉하는 것도 의미할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이격부재(1500)는 상술한 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에 배치될 수 있다. 분기부(1400)가 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이의 제3 표면(1130)에 배치된 경우, 이격부재(1500)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에서 제3 표면(1130)에 수직하도록 배치되는 제4 표면(1140)에 배치될 수 있다.

여기서, 분기부(1400)가 배치되는 제3 표면(1130)은 제2 유체가 유입되는 방향에 배치된 표면이고, 이격부재(1500)가 배치되는 제4 표면(1140)은 제1 유체가 유입되는 방향에 배치된 표면일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이격부재(1500)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제1 가이드 플레이트(1800-1) 간의 수평 거리 및 덕트(1100)의 제2 표면(1120)과 제2 가이드 플레이트(1800-2) 간의 수평 거리를 소정 거리로 이격시킨다. 이에 따라, 제1 열전 장치(1200)의 제1 히트싱크(1220)와 제1 가이드 플레이트(1800-1) 간의 수평 거리 및 제2 열전 장치(1300)의 제2 히트싱크(1320)와 제2 가이드 플레이트(1800-2) 간의 수평 거리가 소정 거리로 이격될 수 있다. 이때, 이격부재(1500)는 단열재를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)를 따라 흐르는 제2 유체와 덕트(1100) 내부를 흐르는 제1 유체 사이를 단열할 수 있다.

이를 위하여, 이격 부재(1500)는 분기부(1400)가 배치된 덕트(1100)의 제3 표면(1130)과 수직하는 제4 표면(1140)에 배치된 내측 영역(1510), 내측 영역(1510)으로부터 제1 표면(1110)을 향하여 연장된 제1 외측 영역(1520), 그리고 내측 영역(1510)으로부터 제2 표면(1120)을 향하여 연장된 제2 외측 영역(1530)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 외측 영역(1520)의 제1 면(1522)은 제1 표면(1110)에 배치되고, 제1 외측 영역(1520)의 제2 면(1524)은 제1 가이드 플레이트(1800-1)에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 외측 영역(1530)의 제1 면(1532)은 제2 표면(1120)에 배치되고, 제2 외측 영역(1530)의 제2 면(1534)은 제2 가이드 플레이트(1800-2)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제1 가이드 플레이트(1800-1)는 제1 외측 영역(1520)의 제1 면(1522) 및 제2 면(1524) 간 거리(T)만큼 이격될 수 있고, 덕트(1100)의 제2 표면(1120)과 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 제2 외측 영역(1530)의 제1 면(1532) 및 제2 면(1534) 간 거리(T)만큼 이격될 수 있으며, 히트싱크와 가이드 플레이트가 소정 거리(t)를 유지할 수 있으므로, 제2 유체의 압력 차 및 제2 유체의 유동 공간이 최적화될 수 있다. 본 명세서에서, 제2 유체의 압력 차는 제2 유체가 열전 장치의 히트싱크를 통과하기 전과 통과한 후의 제2 유체의 압력 차를 의미할 수 있다. 히트싱크의 길이가 l인 경우, 히트싱크의 길이(l) 및 히트싱크와 가이드 플레이트 간 거리(t)의 합은 이격부재(1500)의 제2 영역의 제1 면(1522) 및 제2 면(1524) 간 거리(T) 또는 이격부재(1500)의 제3 영역의 제1 면(1532) 및 제2 면(1534) 간 거리(T)간 거리, 즉 덕트(1100)와 가이드 플레이트(1800) 간 거리와 같을 수 있다.

다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 열전 장치(1200), 덕트(1100) 및 제2 열전 장치(1300) 간의 실링 및 단열 효과를 높이기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 단열부재(1700)는, 예를 들어 덕트(1100)의 표면 중 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)가 배치된 영역을 제외한 표면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 및 제2 유체의 열손실을 방지할 수 있으며, 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300) 각각의 저온부 및 고온부 간 온도 차를 크게 하여 발전 성능을 높일 수 있다. 또한, 실드 부재(1600)는 덕트(1100)의 표면 중 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)가 배치된 영역을 제외한 표면에 배치될 수 있다. 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)에 연결된 배선 및 커넥터를 외부 습기 또는 오염으로부터 보호할 수 있다.

한편, 가이드 플레이트(1800)는 유체 통과부(2200) 내에서 제2 유체의 흐름을 가이드하는 플레이트이며, 유체 통과부(2200) 내로 유입된 제2 유체는 가이드 플레이트(1800)를 따라 흐른 후 배출될 수 있다.

제1 가이드 플레이트(1800-1)는 제1 열전 장치(1200)와 마주보도록 배치되고, 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 제2 열전 장치(1300)와 마주보도록 배치될 수 있고, 제2 유체는 제1 열전 장치(1200)와 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전 장치(1300)와 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.

이때, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)의 양측은 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)로 연장될 수 있다. 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2)는 유체 통과부(2200)의 입구, 즉 제1 연결부(2400)를 향하여 연장되는 플레이트이고, 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)는 유체 통과부(2200)의 출구, 즉 제2 연결부(2500)를 향하여 연장되는 플레이트를 의미할 수 있다. 이때, 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2), 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2) 및 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)는 일체로 연결된 플레이트일 수 있다. 제1 열전 장치(1200)에 마주보며 배치된 제1 가이드 플레이트(1800-1) 및 제2 열전 장치(1300)에 마주보며 배치된 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 일정한 거리(d3)를 유지하며 대칭하여 배치될 수 있다. 여기서, 제1 가이드 플레이트(1800-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2) 간의 거리(d3)는 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 제2 가이드 플레이트(1800-2)를 향하는 수평 방향의 거리일 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 제1 열전 장치(1200) 및 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전 장치(1300) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 일정한 유속으로 통과할 수 있으므로, 균일한 열전 성능을 얻을 수 있다. 이에 반해, 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 연장된 제1 유체 수집 플레이트(1810-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2)로부터 연장된 제2 유체 수집 플레이트(1810-2) 사이의 거리(d4, d4')는 유체 통과부(2200)의 입구에 가까워질수록 멀어지도록 대칭하여 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유체 수집 플레이트(1810-1) 및 제2 유체 수집 플레이트(1810-2) 사이의 거리는 제1 유체 수집 플레이트(1810-1)로부터 제2 유체 수집 플레이트(1810-2)를 향하는 수평 방향의 거리일 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1 가이드 플레이트(1800-1)로부터 연장된 제1 유체 확산 플레이트(1820-1) 및 제2 가이드 플레이트(1800-2)로부터 연장된 제2 유체 확산 플레이트(1820-2) 사이의 거리도 유체 통과부(2200)의 출구에 가까워질수록 멀어지도록 대칭하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 유체 통과부(2200)의 입구를 통하여 유입된 제2 유체는 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2)에서 모아진 후 열전 장치(1200, 1300)와 가이드 플레이트(1800) 사이를 통과하고, 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)에서 확산된 후 유체 통과부(2200)의 출구를 통하여 배출될 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체가 열전 장치(1200, 1300)와 가이드 플레이트(1800) 사이를 통과하기 전과 통과한 후의 제2 유체의 압력 차를 최소화할 수 있으므로, 제2 유체가 유체 통과부(2200)의 입구 방향으로 역류하는 문제를 방지할 수 있다.

이때, 지지 프레임(1900)은 제1 내지 제2 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2), 제1 내지 제2 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 제1 내지 제2 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)를 지지한다. 즉, 지지 프레임(1900)은 제1 지지프레임(1900-1) 및 제2 지지 프레임(1900-2)을 포함하고, 제1 지지프레임(1900-1) 및 제2 지지 프레임(1900-2) 사이에 제1 내지 제2 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2), 제1 내지 제2 유체 수집 플레이트(1810-1, 1810-2) 및 제1 내지 제2 유체 확산 플레이트(1820-1, 1820-2)가 고정될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 분기부(1400)는 유체 통과부(2200)로 유입되는 제2 유체를 분기할 수 있다. 분기부(1400)에 의하여 분기된 제2 유체는 제1 열전 장치(1200)와 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전 장치(1300)와 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.

분기부(1400)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110)과 제2 표면(1120) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 덕트(1100)의 제3 표면(1130)이 제2 유체가 유입되는 방향을 향하도록 배치되는 경우, 분기부(1400)는 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 측에 배치될 수 있다. 또는, 분기부(1400)는 유체 역학적 원리에 의하여 덕트(1100)의 제3 표면(1130)에 대향하는 제5 표면(1150) 측에도 배치될 수 있다.

분기부(1400)는 덕트(1100)의 제3 표면(1130) 상에서 제3 표면(1130)의 양단으로부터 제3 표면(1130)의 양단 사이의 중심으로 갈수록 제3 표면(1130)과의 거리가 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 분기부(1130)가 배치되는 제3 표면(1130)은 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)과 거의 수직하며, 분기부(1400)는 덕트(1100)의 제1 표면(1110) 및 제2 표면(1120)에 대하여 경사지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 분기부(1400)는 우산 형상 또는 지붕 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 유체, 예를 들어 폐열이 분기부(1400)를 통하여 분기되며 발전장치의 양면에 배치된 제1 열전 장치(1200) 및 제2 열전 장치(1300)에 접촉하도록 가이드될 수 있다. 즉, 제2 유체는 분기부(1400)를 통하여 분기되어, 제1 열전 장치(1200)와 제1 가이드 플레이트(1800-1) 사이 및 제2 열전 장치(1300)와 제2 가이드 플레이트(1800-2) 사이를 통과할 수 있다.

한편, 제1 열전 장치(1200)의 제1 히트싱크(1220) 외측과 제2 열전 장치(1300)의 제2 히트싱크(1320) 외측 사이의 폭(W1)은 분기부(1400)의 폭(W2)보다 클 수 있다. 여기서, 제1 히트싱크(1220) 외측과 제2 히트싱크(1320) 외측 각각은 덕트(1100)를 향하는 측의 반대 측을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320) 각각은 복수의 방열핀을 포함할 수 있고, 복수의 방열핀은 기체의 흐름을 방해하지 않는 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 방열핀은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 또는, 복수의 방열핀은 기체가 흐르는 제2 방향을 따라 유로가 형성되도록 폴딩되어 있는 형상을 가질 수도 있다. 이때, 제1 열전 장치(1200)의 제1 히트싱크(1220)와 제2 열전 장치(1300)의 제2 히트싱크(1320) 사이의 최대 폭(W1)은 덕트(1100)를 기준으로 제1 히트싱크(1220)의 가장 먼 지점으로부터 제2 히트싱크(1320)의 가장 먼 지점까지의 거리를 의미할 수 있으며, 분기부(1400)의 최대 폭(W2)은 덕트(1100)의 제3 표면(1130)과 가장 가까운 영역에서의 분기부(1400)의 폭을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제2 유체의 흐름이 분기부(1400)에 의하여 방해 받지 않고, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320)로 직접 전달될 수 있다. 이에 따라, 제2 유체와 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320) 간의 접촉 면적이 커지게 되어, 제1 히트싱크(1220) 및 제2 히트싱크(1320)가 제2 유체로부터 받는 열량이 늘어나며, 발전 효율이 높아질 수 있다.

한편, 제1 가이드 플레이트(1800-1)는 제1 열전 장치(1200)의 제1 히트싱크(1220)와 소정 간격 이격되도록 대칭으로 배치되고, 제2 가이드 플레이트(1800-2)는 제2 열전 장치(1300)의 제2 히트싱크(1320)와 소정 간격 이격되도록 대칭으로 배치될 수 있다. 여기서, 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)와 각 열전 장치의 히트싱크 간 간격은 각 열전 장치의 히트싱크와 접촉하는 제2 유체가 히트싱크를 통과하기 전과 후의 압력차에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 발전 성능에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 발전 성능을 최적화시키기 위하여 요구되는 간격으로 가이드 플레이트(1800-1, 1800-2)와 각 열전 장치의 히트싱크 간 간격을 유지하고자 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전 장치의 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 상부 기판 및 사부 전극의 평면도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 하부 기판 및 하부 전극을 도시한 평면도이고, 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 장치(TD)는 열전소자(200), 열전소자(200) 상에 배치되는 히트싱크(300) 및 전극 연결부(400)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함한다. 또한, 제1 기판(210)과 제2 기판(280) 사이에는 제1 절연층(220)이 배치될 수 있다. 그리고 도시하지 않았지만, 복수의 제1 전극(230), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 제2 전극(260) 및 제2 절연층(270)을 둘러싸도록 실링부재(미도시됨)가 더 배치될 수 있다.

여기서, 제1 전극(230), P형 열전 레그(240), N형 열전 레그(250), 제2 전극(260)은 각각이 도 6 내지 7에서 설명한 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)에 대응할 수 있다. 또한, 제1 기판(210)은 하부 기판(110)에, 제2 기판(280)은 상부 기판(160)에 대응하고, 제1 절연층(220)과 제2 절연층(270)은 절연층(170)에 대응하므로, 도 6 내지 7에서 설명한 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.

또한, 제1 기판(210) 및 제2 기판(280) 중 적어도 하나는 금속 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(210) 및 제2 기판(280) 중 적어도 하나는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 제1 기판(210) 및 제2 기판(280)은 이종 소재로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(210) 및 제2 기판(280) 중 내전압 성능이 더 요구되는 기판은 알루미늄 기판으로 이루어지고, 열전도 성능이 더 요구되는 기판은 구리 기판으로 이루어질 수도 있다.

본 명세서에서, 내전압 성능은 소정의 전압 및 소정의 전류 하에서 소정의 기간 동안 절연 파괴 없이 유지되는 특성을 의미할 수 있다. 예를 들어, AC 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 10초 동안 절연 파괴 없이 유지되는 경우, 내전압은 2.5kV라고 할 수 있다.

또한, 열전소자(200)의 저온부 측에 배치된 전극에 전원이 연결되므로, 고온부 측에 비하여 저온부 측에 더욱 높은 내전압 성능이 요구될 수 있다. 이에 반해, 열전소자(200)의 구동 시 열전소자(200)의 고온부 측은 고온, 예를 들어 약 180℃이상에 노출될 수 있으며, 전극, 절연층 및 기판의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극, 절연층 및 기판 간의 박리가 문제될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(200)의 고온부 측은 저온부 측에 비하여 더욱 높은 열충격 완화 성능이 요구될 수 있다. 이에 따라, 고온부 측의 구조와 저온부 측의 구조를 다르게 할 수도 있다.

이하, 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 전극(230)에 전극 연결부(400)가 연결되는 것을 설명한다.

전술한 바와 같이, 제1 기판(210) 상에 제1 절연층(220)이 배치되고, 제1 절연층(220) 상에 복수의 제1 전극(230)이 배치된다.

이때, 복수의 제1 전극(230)은 복수의 전극 외곽을 형성하도록 배치될 수 있으며, 제1 기판(210)은 복수의 전극 외곽에 대응하는 복수의 기판 외곽을 가질 수 있다. 여기서, 전극 외곽은 복수의 제1 전극(230)의 가장자리를 의미할 수 있고, 기판 외곽은 제1 기판(210)의 가장자리를 의미할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(230)이 사각 형상으로 배치되는 경우, 복수의 제1 전극(230)은 제1 내지 제4 전극 외곽(E1~E4)을 가질 수 있고, 제1 기판(210)은 제1 내지 제4 전극 외곽(E1~E4)에 각각 대응하는 제1 내지 제4 기판 외곽(S1~S4)을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전극 연결부(400)는 극성이 서로 상이한 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결 유닛(410)에 (-) 단자가 연결되는 경우, 제2 연결 유닛(420)에 (+) 단자가 연결될 수 있다. 예를 들어, 전극 연결부(400)의 제1 연결 유닛(410)은 복수의 제1 전극(230) 중 하나와 (-) 단자를 연결하고, 제2 연결 유닛(420)은 복수의 제1 전극(230) 중 다른 하나와 (+) 단자를 연결할 수 있다. 이에 따라, 전극 연결부(400)의 위치는 열전소자(200)의 절연저항에 영향을 미칠 수 있다. 절연저항은 소정의 전압을 가했을 때 절연체가 나타내는 전기저항을 의미하며, 열전소자(200)는 소정의 절연저항을 만족하여야 한다. 예를 들어, 열전소자(200)는 500V의 dc 전압을 가해주었을 때 500MΩ이상의 절연저항을 가지는 요건이 만족되어야 한다.

실시예에 따르면, 전극 연결부(400)가 제1 전극 외곽(E1)에 배치된 복수의 제1 전극(230) 중 일부에 연결되는 경우, 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)는 제2 내지 제4 전극 외곽(E2~E4) 및 제2 내지 제4 기판 외곽(S2~S4) 간의 거리(d2~d4)보다 길 수 있다. 이때, 전극 연결부(400)는 제1 기판(210)과 제2 기판(280) 사이에서 제1 절연층(220), 복수의 제1 전극(230), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 제2 전극(260) 및 제2 절연층(270)을 둘러싸도록 배치된 실링부재(미도시)의 외부에 인출될 수 있다.

여기서, 전극 연결부(400)와 제1 기판 외곽(S1) 간의 최단거리(A1)는 12mm 이상, 바람직하게는 14mm 이상, 더욱 바람직하게는 16mm이상일 수 있다.

그리고, 제1 기판 외곽(S1)에 연결되는 제2 기판 외곽(S2)과 제1 연결 유닛(410) 간의 최단거리(B1) 및 제1 기판 외곽(S1)에 연결되는 제3 기판 외곽(S3)과 제2 연결 유닛(420) 간의 최단거리(B2)는 각각 12mm 이상, 바람직하게는 14mm 이상, 더욱 바람직하게는 16mm 이상일 수 있다.

또는, 제1 기판 외곽(S1)과 제2 기판 외곽(S2)이 만나는 지점, 즉 제1 기판 외곽(S1)과 제2 기판 외곽(S2) 사이의 꼭지점으로부터 제1 연결 유닛(410)까지의 최단거리(F1) 및 제1 기판 외곽(S1)과 제3 기판 외곽(S3)이 만나는 지점, 즉 제1 기판 외곽(S1)과 제3 기판 외곽(S3) 사이의 꼭지점으로부터 제2 연결 유닛(420)까지의 최단거리(F2)는 각각 16mm 이상, 바람직하게는 19mm 이상, 더욱 바람직하게는 21mm 이상일 수 있다.

이와 같이, 기판 외곽과 전극 연결부(400) 간의 거리를 조절하면, 500V의 DC 전압 하에서 절연저항이 500MΩ 이상인 열전소자를 얻을 수 있다.

이때, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 전선이 착탈방식으로 끼워지는 커넥터일 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극 연결부(400), 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 실링부재의 외부에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 와이어 연결이 간편하며, 전극과 와이어 간 단선 가능성을 최소화할 수 있다.

또한, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 실리콘을 포함하는 수지로 실링될 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연저항 및 내전압 성능을 더욱 높일 수 있다.

또한, 제1 절연층(220)은 제1 기판(210) 상에서 복수 개의 제1 전극(230)과 전극 연결부(400) 하부에 배치되고, 제1 전극(230) 및 전극 연결부(400)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(230) 및 전극 연결부(400)는 제1 절연층(220)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다.

제1 절연층(220)은 면적이 제2 절연층(270)보다 클 수 있다. 이에, 제1 절연층(220)은 일부가 제2 절연층(270)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다.

제2 절연층(270)은 제2 전극(260)과 제2 기판(280) 사이에 배치될 수 있다. 제2 절연층(270)의 면적은 복수 개의 제2 전극(260)의 전체 면적보다 클 수 있다. 이에, 복수 개의 제2 전극(260)은 제2 절연층(270)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다.

또한, 복수 개의 제2 전극(260)은 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)를 사이에 두고 복수 개의 제1 전극(230)과 마주보게 배치될 수 있다. 복수 개의 제1 전극(230)과 복수 개의 제2 전극(260)은 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 제1 전극(230)과 복수 개의 제2 전극(260)은 직렬로 연결될 수 있다.

그리고 복수 개의 제2 전극(260)은 각각이 제2 기판(280) 또는 제2 절연층(270) 하부에서 동일한 형상으로 나열될 수 있다. 예컨대, 제2 전극(260)은 제1 방향(X축 방향)으로 길이가 제2 방향(Y축 방향)으로 길이보다 크게 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 제2 전극(260)은 장변이 제1 방향으로 대칭으로 배치되고, 단변이 제2 방향으로 대칭 배치되면서, 동일한 형상으로 배치될 수 있다. 다만, 이러한 구조는 전극 연결의 구조 등에 따라 변경될 수 있다. 여기서, 제1 방향은 수직 방향에 수직한 방향으로 X축 방향 등으로 설명한다. 제2 방향은 제1 방향에 수직한 방향이며 Y축 방향 등으로 설명한다. 제3 방향은 상술한 수직 방향으로 제1 기판에서 제2 기판을 향한 방향과 동일하며 Z축 방향 등으로 설명한다.

히트싱크(300)는 제2 기판(280) 상에 위치할 수 있다. 히트싱크(300)는 제2 기판(280)과 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있으며, 상술한 도 1 내지 도 5에서 설명한 히트싱크(1220, 1320)에 대응할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 히트싱크(300)는 제2 전극(260)의 위치에 대응하여 형상이 변경될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

도 12는 제1 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고, 도 13은 도 12에서 AA'로 절단된 단면도이고, 도 14는 도 12에서 BB'로 절단된 단면도이고, 도 15는 도 12에서 CC'로 절단된 단면도이고,

도 12 내지 도 15를 참조하면, 제1 실시예에 따른 열전 장치는 상술한 바와 같이 열전소자(200) 및 히트싱크(300)를 포함한다. 그리고 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

실시예로, 제2 기판(280) 상에는 히트싱크(300)가 배치되며, 히트싱크(300)와 접할 수 있다. 이 때, 제2 기판(280)은 상면(280a)과 하면(280b)을 포함할 수 있다. 그리고 제2 기판(280)의 상면(280a)은 히트싱크(300)와 접할 수 있다. 또한, 제2 기판(280)의 하면(280b)에는 제2 전극(260)(또는 제2 절연층(270)이 배치되어 제2 제2 전극(260)(또는 제2 절연층(270))이 제2 기판(280)의 하면(280b)과 접할 수 있다.

또한, 제2 기판(280)은 제1 영역(P1) 및 제2 영역(P2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(P1)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되는 영역이다. 그리고 제2 영역(P2)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되지 않는 영역이다. 이러한 제2 영역(P2)은 인접한 제2 전극(260) 간의 이격 영역과 대응한 영역일 수 있다. 이하에서는 제2 기판(280)의 제1 영역(P1) 및 제2 영역(P2) 상에서 히트싱크(300)의 위치 관계에 대해 설명한다.

구체적으로, 히트싱크(300)는 복수 개의 핀(310)과 연결부재(320)를 포함할 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 XZ 평면 또는 YZ평면에서 제2 기판(280)의 상면(280a)에서 상부 즉, 수직 방향으로 연장될 수 있다.

그리고 복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향) 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 제1 실시예에서, 복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.

이러한 복수 개의 핀(310)은 제1 영역(P1)에서 인접한 핀 간의 이격 거리와 제2 영역(P2)에서 인접한 핀 간의 이격 거리가 서로 상이할 수 있다. 실시예로, 복수 개의 핀(310)은 인접한 핀 간의 이격 거리가 제1 영역(P1)보다 제2 영역(P2)에서 더 클 수 있다.

구체적으로, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 이격 거리(이하 '제1 이격 거리(SL1)')는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 이격 거리(이하 '제2 이격 거리(SL2)')와 상이할 수 있다. 또한, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1)는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2)보다 작을 수 있다. 즉, 제2 이격 거리(SL2)는 제1 이격 거리(SL1)보다 클 수 있다. 이러한 이격 거리(예, 제1,2 이격 거리)는 후술하는 제1 연결부재(321), 핀(310) 및 제2 연결부재(322)가 배열되는 방향으로 인접한 핀 간의 거리일 수 있다. 이에 따라, 제1 실시예에서 제1 이격 거리(SL1)와 제2 이격 거리(SL2)는 제1 방향(X축 방향)으로 길이를 의미한다.

이러한 구성에 의하여, 제1 영역(P1) 상에서 히트싱크(300) 주위를 통과하는 유체로부터 흡수한 열이 기판(280)을 지나 제2 전극(260)으로 용이하게 전달될 수 있다. 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 특히, 후술하는 연결부재(예, 제1 연결부재) 간의 접촉 영역에서 제2 전극(260)으로의 경로가 감소하여 열 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀 간의 이격 거리(예, 제2 이격 거리)를 증가시켜 복수 개의 핀(310)에 의해 유체의 차압이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 차압은 유체가 발전장치를 통과하기 전과 후의 압력 차이를 의미한다. 다시 말해, 실시예에 따른 열전 장치는 발전장치 또는 이를 포함하는 발전시스템에서 유체의 차압을 감소시켜 차압에 따른 기계적 손상 발생을 최소화할 수 있다.

또한, 제2 영역(P2) 상에 핀(310)이 부재한 경우 인접한 핀(310) 간의 이격 거리는 제2 영역(P2)의 이격 거리에 대응할 수 있다. 이는 후술하는 다른 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.

그리고 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 교번하여 배치될 수 있다. 다시 말해, 제2 전극이 행과 열을 따라 어레이 형태로 배치되어 열전 장치의 발전 성능 또는 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 인접한 핀(P1) 간의 제1 이격 거리(SL1)가 제1 영역(P1) 상에서 동일 또는 상이할 수 있다. 복수 개의 제2 전극(260)에 대응하여, 제1 영역(P1)도 복수 개일 수 있다.

실시예로, 복수 개의 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(P1) 간의 제1 이격 거리도 제1 영역(P1) 각각의 위치에 따라 상이할 수 있다. 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-2 이격 거리(SL1b)가 서로 상이할 수 있다. 이 때, 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-2 이격 거리(SL1)는 동일한 제2 전극 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1-1 이격 거리(SL1a)가 제1-2 이격 거리(SL1b)보다 클 수 있다. 즉, 제2 전극(260)과 수직 방향으로 중첩 면적에 대응하여 제1 이격 거리가 조정될 수 있다. 이로써, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-3 이격 거리(SL1c)는 서로 상이할 수 있다. 또는 제1-2 이격 거리(SL1b)와 제1-4 이격 거리(SL1d)는 서로 상이할 수 있다. 이 대, 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-2 이격 거리(SL1b)는 제1-3 이격 거리(SL1c)와 제1-4 이격 거리(SL1d)와 서로 상이한 제2 전극(260) 상에 위치할 수 있다.

예컨대, 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-2 이격 거리(SL1b)는 제1-3 이격 거리(SL1c)와 제1-4 이격 거리(SL1d)보다 작을 수 있다. 그리고 제1-1 이격 거리(SL1a)와 제1-2 이격 거리(SL1b)는 제1-3 이격 거리(SL1c)와 제1-4 이격 거리(SL1d)보다 유체 유입구에 인접하게 위치할 수 있다. 즉, 실시예에 따르면 유체 유입구에 인접할수록 제1 이격 거리를 작게 설정하여, 히트싱크(300)의 차압을 유지하면서 고온 간의 열교환을 향상시킬 수 있다. 이 때, 동일한 제2 전극 상에서 제1 이격 거리는 동일 또는 상이할 수 있다.

연결부재(320)는 이격 배치되는 인접한 핀(310) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 연결부재(320)는 이격 배치되는 인접한 핀(310)을 서로 연결할 수 있다.

실시예에 따르면, 연결부재(320)는 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)를 포함할 수 있다. 제1 연결부재(321)는 제2 기판(280)의 상면(280a)과 접할 수 있다. 그리고 제2 연결부재(322)는 제2 기판(280)의 상면(280a)과 이격되고 제2 기판(280)의 상면(280a) 상부에 위치할 수 있다.

제1 연결부재(321)는 핀(310)과 연결될 수 있다. 실시예로, 제1 연결부재(321)는 일단부 및 타단부 중 적어도 하나가 핀(310)과 접할 수 있다.

제2 연결부재(322)는 핀(31)과 연결될 수 잇다. 실시예로, 제2 연결부재(322)는 일단부 및 타단부 중 적어도 하나가 핀(310)과 접할 수 있다.

핀(310)은 일단부가 제1 연결부재(321)와 접하여 연결되고, 타단부가 제2 연결부재(322)와 접하여 연결될 수 있다.

이러한 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)는 핀을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)는 핀(310)을 기준으로 대칭으로 배치되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)는 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되지 않을 수 있다.

또한, 제2 전극(260)은 복수 개일 수 있다. 도면 상으로 복수 개의 제2 전극(260)은 제2-1 전극(260-1), 제2-2 전극(260-2), 제2-3 전극(260-3) 및 제2-4 전극(260-4)을 포함할 수 있다.

제2-1 전극(260-1)과 제2-2 전극(260-2)은 제1 방향(X축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다. 그리고 제2-3 전극(260-3)과 제2-4 전극(260-4)은 제1 방향(X축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다. 또한, 제2-1 전극(260-1)과 제2-3 전극(260-3)은 제2 방향(Y축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다. 그리고 제2-2 전극(260-2)과 제2-4 전극(260-4)은 제2 방향(Y축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다.

실시예에 따르면, 복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 그리고 제1 방향에 수직한 제2 방향(Y축 방향)으로 제2 전극(260) 상에 배치된 핀(310)은 1개로, 제2 방향으로 배치된 제2 전극(260)과 중첩되는 핀(310)은 같을 수 있다. 제2 방향(Y축 방향)으로 제2 전극(260) 상에 배치된 제1 연결부재(321)도 1개이며, 제2 방향으로 배치된 제2 전극(260)과 중첩되는 핀(310)은 같을 수 있다. 또한, 제2 방향(Y축 방향)으로 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 연결부재(322)도 1개로, 제2 방향으로 배치된 제2 전극(260)과 중첩되는 핀(310)은 같을 수 있다. 예를 들어, 제2-1 전극(260-1)과 제2-3 전극(260-3) 상에는 배치된 복수 개의 핀(310)이 서로 동일할 수 있다. 또한, 제2-2 전극(260-2)과 제2-4 전극(260-4) 상에는 배치된 복수 개의 핀(310)이 동일할 수 있다.

실시예로, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 연장하여 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 핀(310)은 평면(XY) 상에서 제2 방향(Y축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 또한, 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)도 평면(XY 상에서) 제2 방향(Y축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제1 방향(X축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부재(321), 핀(310), 제2 연결부재(322) 및 핀(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 순차 반복하여 배치될 수 있다.

또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2)가 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1)와 상이하므로, 제2 연결부재(322)의 길이도 영역에 따라 상이할 수 있다.

실시예로, 제2 이격 거리(SL2)가 제1 이격 거리(SL1)보다 크므로, 제2 영역(P2) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 클 수 있다. 제2 연결부재(322)의 길이는 인접한 제1 연결부재(321) 또는 인접한 제2 연결부재(322) 상호 간을 향한 방향과 동일한 방향으로의 길이이다. 이에 따라, 실시예에 따른 열전 장치는 차압을 감소함과 동시에 열 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 실시예에서 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322)만이 배치될 수 있다. 이에, 제2 영역(P2)은 제2 연결부재(322)와만 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 차압 감소를 개선할 수 있다.

또한, 실시예에 따르면 제2 전극(260)은 상술한 바와 같이 제1 방향(X축 방향)으로 제1 길이(EL1)가 제2 방향(Y축 방향)으로 제2 길이(EL2)보다 작을 수 있다. 이 때, 제2 전극(260)과 접하여 연결되는 P형 열전 레그(240)와 N형 열전 레그(250)는 제2 방향(Y축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다.

실시예에 따른 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 하나의 전극(예, 제2 전극) 상에 배치되는 P형 열전 레그(240)와 N형 열전 레그(250)가 배치되는 방향에 대응하여 연장될 수 있다. 이로써, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제2 전극의 장변을 따라 연장되므로, 실시예에 따른 열전 장치는 고온의 유체와 히트싱크 간의 열교환 시간이 증가하여 열 효율이 향상시킬 수 있다.

다만, P형 열전 레그(240)와 N형 열전 레그(250)가 제1 방향(X축 방향)으로 나란히 배치되는 경우, 제2 전극(260)의 형상이 P형 열전 레그(240)와 N형 열전 레그(250)에 대응하여 변경될 수 있음을 이해해야 한다.

도 16은 도 12의 변형예이고, 도 17은 도 12의 다른 변형예이다.

도 16을 참조하면, 변형예에 따른 열전 장치는 상술한 바와 같이 열전소자(200) 및 히트싱크(300)를 포함한다. 그리고 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 제2 기판(280)은 상면(280a)과 하면(280b)을 포함할 수 있다. 제2 기판(280)의 상면(280a)은 히트싱크(300)와 접할 수 있다. 그리고 제2 기판(280)의 하면(280b)에는 제2 전극(260)(또는 제2 절연층(270)이 배치되어 제2 기판(280)의 하면(280b)과 접할 수 있다.

또한, 제2 기판(280)은 제1 영역(P1) 및 제2 영역(P2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(P1)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되는 영역이다. 제2 영역(P2)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되지 않는 영역이다. 제2 영역(P2)은 인접한 제2 전극(260) 간의 이격 영역과 대응할 수 있다.

히트싱크(300)는 복수 개의 핀(310)과 연결부재(320)를 포함할 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향) 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 제1 실시예에서, 복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 인접한 핀 간의 이격 거리가 제1 영역(P1)보다 제2 영역(P2)에서 더 클 수 있다. 구체적으로, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1)는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2)와 상이할 수 있다. 또한, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1)는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2)보다 작을 수 있다. 즉, 제2 이격 거리(SL2)는 제1 이격 거리(SL1)보다 클 수 있다. 본 실시예에서 제1 이격 거리(SL1)와 제2 이격 거리(SL2)는 제1 방향(X축 방향)으로 길이를 의미한다. 이러한 구성에 의하여, 제1 영역(P1) 상에서 히트싱크(300) 주위를 통과하는 유체로부터 흡수한 열이 기판(280)을 지나 제2 전극(260)으로 용이하게 전달될 수 있다. 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 특히, 후술하는 연결부재(예, 제1 연결부재) 간의 접촉 영역에서 제2 전극(260)으로의 경로가 감소하여 열 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀 간의 이격 거리(예, 제2 이격 거리)를 증가시켜 복수 개의 핀(310)에 의해 유체의 차압이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 차압은 유체가 발전장치를 통과하기 전과 후의 압력 차이를 의미한다. 다시 말해, 실시예에 따른 열전 장치는 발전장치 또는 이를 포함하는 발전시스템에서 유체의 차압을 감소시켜 차압에 따른 기계적 손상 발생을 최소화할 수 있다.

또한, 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 교번하여 배치될 수 있다. 다시 말해, 제2 전극이 행과 열을 따라 어레이 형태로 배치되어 열전 장치의 발전 성능 또는 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 연결부재(320)는 상술한 바오 k같이 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)를 포함할 수 있다. 제1 연결부재(321)는 제2 기판(280)의 상면(280a)과 접할 수 있다. 그리고 제2 연결부재(322)는 제2 기판(280)의 상면(280a)과 이격되고 제2 기판(280)의 상면(280a) 상부에 위치할 수 있다.

또한, 제1 연결부재(321)는 핀(310)과 연결될 수 있다. 제1 연결부재(321)는 일단부 및 타단부 중 적어도 하나가 핀(310)과 접할 수 있다. 제2 연결부재(322)는 핀(31)과 연결될 수 잇다. 실시예로, 제2 연결부재(322)는 일단부 및 타단부 중 적어도 하나가 핀(310)과 접할 수 있다. 그리고 핀(310)은 일단부가 제1 연결부재(321)와 접하여 연결되고, 타단부가 제2 연결부재(322)와 접하여 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)는 핀을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)는 핀(310)을 기준으로 대칭으로 배치되지 않을 수 있다.

또한, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제2 방향(Y축 방향)을 따라 연장하여 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 핀(310)은 평면(XY) 상에서 제2 방향(Y축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 또한, 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)도 평면(XY 상에서) 제2 방향(Y축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제1 방향(X축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부재(321), 핀(310), 제2 연결부재(322) 및 핀(310)은 제1 방향(X축 방향)으로 순차 반복하여 배치될 수 있다.

또한, 제2 이격 거리(SL2)가 제1 이격 거리(SL1)보다 크므로, 제2 영역(P2) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 클 수 있다. 제2 연결부재(322)의 길이는 인접한 제1 연결부재(321) 또는 인접한 제2 연결부재(322) 상호 간을 향한 방향과 동일한 방향으로의 길이이다. 이에 따라, 실시예에 따른 열전 장치는 차압을 감소함과 동시에 열 효율을 개선할 수 있다.

변형예에서, 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322)와 핀(310)의 일부가 배치될 수 있다. 다시 말해, 핀(310)은 적어도 일부가 인접한 제2 전극 사이에 배치되며, 제2 영역(P2)과 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다.

이에, 제2 영역(P2) 상에서 핀(310)은 제2 전극(260)의 외측면과 적어도 일부 중첩될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 히트싱크가 고온의 유체로부터 받은 열량을 제2 전극(260)으로 전달함에 있어서 전달 효율이 향상할 수 있다. 이는 핀(310)을 통해 제2 전극(260)으로 열을 전달하는데 있어서, 제2 전극의 전체 즉, 제2 전극의 상면 전체로 열이 전달되어 열 전달율이 증가하기 때문이다.

도 17을 참조하면, 다른 변형예에 따른 열전 장치는 상술한 변형예에 따른 열전 장치와 이하에서 설명하는 내용을 제외하고 동일하게 적용될 수 있다.

다른 변형예에 따른 열전 장치에서 제2 영역(P2)에는 제1 연결부재(321), 제2 연결부재(322) 및 핀(310)이 배치될 수 있다.

구체적으로, 제2 영역(P2) 상에는 적어도 하나 이상의 핀(310)이 배치될 수 있다. 이에, 복수 개의 핀(310) 중 적어도 하나가 제2 영역(P2)과 중첩될 수 있다.

또한, 제1 연결부재(321)는 적어도 하나가 일부 영역이 제2 영역(P2) 상에 배치되어 제2 영역(P2)과 중첩될 수 있다. 이로써, 제1 연결부재(321)는 제1 영역(P1) 및 제2 영역(P2) 상에 모두 배치될 수도 있다.

또한, 제2 연결부재(322)는 적어도 하나가 인접한 제2 전극(260)의 외측면(260a) 사이에 배치될 수 있다.

제2 영역(P2)에서 제2 전극(260)의 외측면(260a)은 인접한 핀(310)과 이격 거리(d11)를 가질 수 있다.

예컨대, 인접한 제2 전극(260)의 외측면(260a) 사이에 하나의 핀(310)이 배치되고, 상기 하나의 핀(310)에 인접한 핀(310)은 제2 영역(P2)과 일부 중첩되거나 제1 영역(P1) 상에 배치될 수도 있다. 또는, 인접한 제2 전극(260)의 외측면(260a) 사이에 2개이사으이 핀(310)이 배치될 수도 있다.

이러한 구성에 의하여, 상술한 바와 같이 히트싱크가 고온의 유체로부터 받은 열량을 제2 전극(260)으로 전달함에 있어서 전달 효율이 향상할 수 있다. 또한, 변형예에 따른 열전 장치는 제2 영역(P2) 상에서 제2 연결부재의 제1 방향으로 길이를 줄여 제조 상에서 히트싱크를 가압하여 제2 기판(280)의 상면(280a)과의 접합을 수행하는 경우 연결부재에 가해지는 힘에 의해 연결부재의 형상이 변하는 현상을 방지할 수 있다.

도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이고, 도 19는 제2 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고, 도 20은 도 19에서 DD'로 절단된 단면도이고, 도 21은 도 19에서 EE'로 절단된 단면도이고, 도 22는 도 19에서 FF'로 절단된 단면도이고,

도 18 내지 도 22를 참조하면, 제2 실시예에 따른 열전 장치는 상술한 바와 같이 열전소자(200) 및 히트싱크(300)를 포함한다.

제2 실시예에서 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 제1 실시예와 마찬가지로 도 1 내지 도 6 내지 도 10에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

먼저, 제2 기판(280)은 제1 영역(P1) 및 제2 영역(P2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(P1)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되는 영역이다. 제2 영역(P2)은 제2 전극(260)과 수직 방향(Z축 방향)으로 중첩되지 않는 영역이다. 제2 영역(P2)은 인접한 제2 전극(260) 간의 이격 영역과 대응할 수 있다.

그리고 제2 기판(280)은 상면(280a)과 하면(280b)을 포함할 수 있다. 제2 기판(280)의 상면(280a)은 히트싱크(300)와 접할 수 있다. 그리고 제2 기판(280)의 하면(280b)에는 제2 전극(260)(또는 제2 절연층(270)이 배치되어 제2 기판(280)의 하면(280b)과 접할 수 있다.

또한, 히트싱크(300)는 복수 개의 핀(310)과 연결부재(320)를 포함할 수 있다. 복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향) 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다. 제2 실시예에서, 복수 개의 핀(310)은 제2 방향(Y축 방향)으로 이격 배치될 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 인접한 핀 간의 이격 거리가 제1 영역(P1)보다 제2 영역(P2)에서 더 클 수 있다. 구체적으로, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1')는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2')와 상이할 수 있다. 또한, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1')는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2')보다 작을 수 있다. 즉, 제2 이격 거리(SL2')는 제1 이격 거리(SL1')보다 클 수 있다. 이러한 이격 거리(예, 제1,2 이격 거리)는 후술하는 제1 연결부재(321), 핀(310) 및 제2 연결부재(322)가 배열되는 방향으로 인접한 핀 간의 거리일 수 있다. 이에 따라, 제2 실시예에서 제1 이격 거리(SL1')와 제2 이격 거리(SL2')는 제2 방향(Y축 방향)으로 길이를 의미한다.

이러한 구성에 의하여, 제1 영역(P1) 상에서 히트싱크(300) 주위를 통과하는 유체로부터 흡수한 열이 기판(280)을 지나 제2 전극(260)으로 용이하게 전달될 수 있다. 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 특히, 후술하는 연결부재(예, 제1 연결부재) 간의 접촉 영역에서 제2 전극(260)으로의 경로가 감소하여 열 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀 간의 이격 거리(예, 제2 이격 거리)를 증가시켜 복수 개의 핀(310)에 의해 유체의 차압이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 실시예에 따른 열전 장치는 발전장치 또는 이를 포함하는 발전시스템에서 유체의 차압을 감소시켜 차압에 따른 기계적 손상 발생을 최소화할 수 있다.

또한, 제1 영역(P1)과 제2 영역(P2)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 교번하여 배치될 수 있다. 즉, 제2 전극이 행과 열을 따라 어레이 형태로 배치되어 열전 장치의 발전 성능 또는 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 제1 연결부재(321), 핀(310) 및 제2 연결부재(322)는 서로 접하고 연결될 수 있다. 이에 대한 설명은 제1 실시예에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 제2 전극(260)은 복수 개일 수 있다. 도면 상으로 복수 개의 제2 전극(260)은 제2-1 전극(260-1), 제2-2 전극(260-2), 제2-3 전극(260-3) 및 제2-4 전극(260-4)을 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 제2 방향(Y축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 이에, 동일한 행에 배치된 전극은 동일한 핀(310) 하부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2-1 전극(260-1)과 제2-2 전극(260-2) 상에는 배치된 복수 개의 핀(310)이 서로 동일할 수 있다. 또한, 제2-3 전극(260-3)과 제2-4 전극(260-4) 상에는 배치된 복수 개의 핀(310)이 동일할 수 있다.

또한, 제2 실시예에서 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제1 방향(X축 방향)을 따라 연장하여 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 핀(310)은 평면(XY) 상에서 제1 방향(X축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 또한, 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)도 평면(XY 상에서) 제1 방향(X축 방향)으로 연장되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제2 방향(Y축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부재(321), 핀(310), 제2 연결부재(322) 및 핀(310)은 제2 방향(Y축 방향)으로 순차 반복하여 배치될 수 있다.

또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2')가 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1')와 상이하므로, 제2 연결부재(322)의 길이도 영역에 따라 상이할 수 있다.

실시예로, 제2 이격 거리(SL2')가 제1 이격 거리(SL1')보다 크므로, 제2 영역(P2) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 클 수 있다. 여기서, 제2 연결부재(322)의 길이는 인접한 제1 연결부재(321) 또는 인접한 제2 연결부재(322) 상호 간을 향한 방향과 동일한 방향으로의 길이이다. 그리고 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 크므로, 열전 장치는 차압을 감소함과 동시에 열 효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 실시예에서 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322)만이 배치될 수 있다. 제2 영역(P2)은 제2 연결부재(322)와만 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 차압 감소를 개선할 수 있다.

또는, 상술한 바와 같이 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322) 및 핀(310)의 일부가 배치될 수 있다.

또는, 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322), 핀(310) 및 제1 연결부재(321)의 적어도 일부가 배치될 수 있다.

또한, 실시예에 따르면 제2 전극(260)은 상술한 바와 같이 제1 방향(X축 방향)으로 제1 길이가 제2 방향(Y축 방향)으로 제2 길이보다 작을 수 있다. 이 때, 제2 전극(260)과 접하여 연결되는 P형 열전 레그(240)와 N형 열전 레그(250)는 제2 방향(Y축 방향)으로 나란히 배치될 수 있다.

도 23은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자 및 히트싱크를 포함하는 열전 장치의 사시도이고, 도 24는 제3 실시예에 따른 열전 장치의 구성요소를 도시한 평면도이고, 도 25는 도 24에서 II'로 절단된 단면도이고, 도 26은 도 24에서 JJ'로 절단된 단면도이다.

도 23 내지 도 26을 참조하면, 제3 실시예에 따른 열전 장치는 상술한 바와 같이 열전소자(200) 및 히트싱크(300)를 포함한다.

제3 실시예에서 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 다른 실시예들과 마찬가지로 도 1 내지 도 6 내지 도 10에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 인접한 핀 간의 이격 거리가 제1 영역(P1)보다 제2 영역(P2)에서 더 클 수 있다. 제3 실시예에서, 인접한 핀 간의 이격 거리는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)으로 길이를 의미한다.

구체적으로, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1'')는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2'')와 상이할 수 있다. 또한, 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1'')는 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2'')보다 작을 수 있다. 즉, 제2 이격 거리(SL2'')는 제1 이격 거리(SL1'')보다 클 수 있다.

이 때, 제1 이격 거리(SL1'')는 제1 방향(X축 방향)으로의 길이 또는 제2 방향(Y축 방향)으로의 길이를 의미할 수 있으며, 서로 간에 같거나 다를 수 있다. 마찬가지로, 제2 이격 거리(SL2'')도 제1 방향(X축 방향)으로의 길이 또는 제2 방향(Y축 방향)으로의 길이를 의미할 수 있으며, 서로 간에 같거나 다를 수 있다.

다만, 상술한 바와 같이 제1 이격 거리(SL1'')는 제2 이격 거리(SL2'')보다 작으므로, 제1 영역(P1) 상에서 히트싱크(300) 주위를 통과하는 유체로부터 흡수한 열이 기판(280)을 지나 제2 전극(260)으로 용이하게 전달될 수 있다.

이에, 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 특히, 후술하는 연결부재(예, 제1 연결부재) 간의 접촉 영역에서 제2 전극(260)으로의 경로가 감소하여 열 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀 간의 이격 거리(예, 제2 이격 거리)를 증가시켜 복수 개의 핀(310)에 의해 유체의 차압이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

그리고 제3 실시예에 따른 열전 장치는 발전장치 또는 이를 포함하는 발전시스템에서 유체의 차압을 감소시켜 차압에 따른 기계적 손상 발생을 최소화할 수 있다.

그리고 연결부재(320)는 이격 배치되는 인접한 핀(310) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 연결부재(320)는 이격 배치되는 인접한 핀(310)을 서로 연결할 수 있다.

그리고 제1 연결부재(321), 핀(310) 및 제2 연결부재(322)는 서로 접하고 연결될 수 있다. 이에 대한 설명은 상기 다른 실시예들에서 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

복수 개의 핀(310)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 이에, 동일한 행 또는 열에 배치된 전극은 서로 다른 핀(310) 하부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2-1 전극(260-1) 내지 제2-4 전극(260-4) 상에는 서로 상이한 핀(310) 즉, 이격 배치된 핀(310)이 위치할 수 있다.

또한, 제3 실시예에서 핀(310), 제1 연결부재(321) 및 제2 연결부재(322)는 제1 실시예 또는 제2 실시예와 달리 제1 방향(X축 방향) 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 인접한 전극 사응로 연장되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제3 실시예에서, 히트싱크(300)는 제1 연결부재(321)와 제2 연결부재(322)가 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)으로 교번하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부재(321), 핀(310), 제2 연결부재(322) 및 핀(310)은 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)으로 순차 반복하여 배치될 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 제2 영역(P2) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제2 이격 거리(SL2')가 제1 영역(P1) 상에서 인접한 핀(310) 간의 제1 이격 거리(SL1')와 상이하므로, 제2 연결부재(322)의 길이도 영역에 따라 상이할 수 있다.

제3 실시예에서, 제2 이격 거리(SL2'')가 제1 이격 거리(SL1'')보다 크므로, 제2 영역(P2) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 클 수 있다. 그리고 제2 연결부재(322)의 길이가 제1 영역(P1) 상에서 제2 연결부재(322)의 길이보다 크므로, 열전 장치는 차압을 감소함과 동시에 열 효율을 개선할 수 있다.

또한, 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322)만이 배치될 수 있다. 제2 영역(P2)은 제2 연결부재(322)와만 제3 방향(Z축 방향)으로 중첩될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 차압 감소를 개선할 수 있다.

또는, 상술한 변형예가 적용되어 제2 영역(P2)에는 제2 연결부재(322) 및 핀(310)의 일부가 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다.

즉, 실시예에 따른 열전 소자를 포함한 발전용 장치, 냉각용 장치, 온영용 장치, 차량 등의 이송체 또는 다양한 전기 장치도 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 일 예로, 발전 시스템은 선박, 자동차, 발전소, 지열, 등에서 발생하는 열원을 통해 발전할 수 있다. 그리고 발전 시스템에서는 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 발전 장치를 배열할 수 있다. 따라서, 열원이 복수의 분기부를 통해 복수의 발전 장치로 균일하게 주입되어 히트싱크에 인가되는 열을 균일하게 함으로써 히트싱크의 휨을 방지하고, 발전 모듈(예로, 열전 장치)의 신뢰성을 개선할 수 있다. 또한, 분기부와 가이드 플레이트 사이의 수평 방향의 거리를 제어함에 따라 발전 효율을 개선하여, 선박이나 차량 등의 운송 장치의 연료 효율을 개선할 수 있다. 따라서 해운업, 운송업에서는 운송비나 유지 비용 등의 비용 절감과 친환경 산업 환경을 조성할 수 있고, 제철소 등 제조업에 적용되는 경우 유지 비용 등을 절감할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 및 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하는 열전 소자; 및
상기 제2 기판 상에 이격 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 히트싱크;를 포함하고,
상기 제2 기판은 상기 제2 전극과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역, 및 상기 제2 전극과 상기 수직 방향으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하고,
상기 복수 개의 핀은 인접한 핀 간의 이격 거리가 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에서 서로 상이한 열전 장치.
제1항에 있어서,
상기 이격 거리는 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역 상에서 더 큰 열전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 기판은 하면 및 상기 하면에 마주하는 상면을 포함하고,
상기 제2 전극은 상기 하면 상에 배치되고, 상기 상면은 상기 복수 개의 핀과 접하는 열전 장치.
제3항에 있어서,
상기 히트싱크는 상기 복수 개의 핀을 연결하는 연결부재를 포함하는 열전 장치.
제4항에 있어서,
상기 연결부재는,
상기 상면과 접하는 제1 연결부재 및 상기 제1 연결부재와 마주보는 제2 연결부재를 포함하는 열전 장치.
제5항에 있어서,
상기 복수 개의 핀은 일단부가 상기 제1 연결부재와 연결되고, 타단부가 상기 제2 연결부재와 연결되는 열전 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 연결부재의 길이는 상기 제1 영역보다 상기 제2 영역에서 더 큰 열전 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 영역은 상기 수직 방향으로 상기 제2 연결부재와 중첩되는 열전 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 제1 방향으로 제1 길이가 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 제2 길이보다 작고,
상기 수직 방향은 상기 제1 기판에서 상기 제2 기판을 향?h 방향이고,
상기 제1 방향 및 제2 방향은 서로 수직하고 상기 수직 방향에 수직한 방향인 열전 장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 교번하여 배치되는 열전 장치.