KR20170032111A - 열전 모듈 - Google Patents

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KR20170032111A
KR20170032111A KR1020150129936A KR20150129936A KR20170032111A KR 20170032111 A KR20170032111 A KR 20170032111A KR 1020150129936 A KR1020150129936 A KR 1020150129936A KR 20150129936 A KR20150129936 A KR 20150129936A KR 20170032111 A KR20170032111 A KR 20170032111A
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Abstract

본 발명은 출력이 향상되면서도 열적 안정성이 우수하여 높은 온도에서도 내구성이 개선된 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 열전 모듈은, 금속 재질로 구성된 전극; 상기 전극의 일단에 접합되어 BiTe계 열전 재료로 구성된 p형 레그; 및 상기 전극의 타단에 접합되어 스쿠테루다이트계 열전 재료로 구성된 n형 레그를 포함한다.

Description

열전 모듈{Thermoelectric module}
본 발명은 열전 기술에 관한 것으로서, 특히 출력이 향상되고, 열적 안정성이 우수한 열전 모듈에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
열전 모듈은, 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전 레그와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전 레그로 이루어진 p-n 열전 레그 한 쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은, p형 열전 레그와 n형 열전 레그 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.
열전 모듈에 대해서는, 우수한 출력과 함께, 열적 안정성이 요구된다. 특히, 열전 발전 장치와 같이 열전 모듈은 상온보다 훨씬 높은 온도에서 사용되는 경우가 많으므로, 이러한 높은 온도 조건에서도 열적 안정성이 일정 수준 이상 유지될 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 출력이 향상되면서도 열적 안정성이 우수하여 높은 온도에서도 내구성이 개선된 열전 모듈 및 이를 포함하는 열전 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 모듈은, 금속 재질로 구성된 전극; 상기 전극의 일단에 접합되어 BiTe계 열전 재료로 구성된 p형 레그; 및 상기 전극의 타단에 접합되어 스쿠테루다이트계 열전 재료로 구성된 n형 레그를 포함한다.
여기서, 상기 p형 레그와 상기 n형 레그는, 수평 단면적이 서로 다른 기둥 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 n형 레그는, 상기 p형 레그보다 작은 수평 단면적을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 n형 레그의 수평 단면적에 대한 상기 p형 레그의 수평 단면적의 비는 1 초과 5 이하가 되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 BiTe계 열전 재료는, 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
BixSb2 - xTe3
상기 화학식 1에서, 0<x≤2이다.
또한, 상기 스쿠테루다이트계 열전 재료는, Co4Sb12를 기본 구조로 하는 것일 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, p형 레그와 n형 레그에 대하여 서로 다른 계열의 열전 재료가 이용된 하이브리드 형태의 열전 모듈이 제안된다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, p형 레그와 n형 레그의 크기가 다르게 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 열전 모듈의 출력이 향상되고, 우수한 열적 안정성을 확보하여, 내구성이 개선될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 300도나 그 이하의 온도 조건에서 우수한 성능을 나타내는 열전 모듈이 제공될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예의 해석에 사용된 열전 모듈의 형태를 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 4는, 도 3의 구성에서 하나의 p형 레그 및 하나의 n형 레그를 포함하는 유닛 커플의 측면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 열전 모듈에 대하여, ANSYS 시뮬레이션 출력 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 여러 실시예에 따른 열전 모듈에 대하여, ANSYS 시뮬레이션을 통해 외부 저항에 따른 효율(Efficiency)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 전극(100), p형 열전 레그(200) 및 n형 열전 레그(300)를 포함한다.
상기 전극은, 전기 전도성 재질, 특히 금속 재질로 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 전극은 금속인 Cu, Al, Ni, Au, Ti 등 또는 이들의 합금 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 전극은 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극은, 구리판 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 전극은 양단에 p형 레그와 n형 레그가 용이하게 접합될 수 있도록 일방향이 상대적으로 긴 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
상기 p형 레그는, 전극의 일단에 접합되며, p형 열전 재료로 구성될 수 있다. 특히, 상기 p형 레그는, BiTe계 열전 재료로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 p형 레그는, 다음의 화학식 1로 표시되는 BiTe계 열전 재료로 구성될 수 있다.
<화학식 1>
BixSb2 - xTe3.
여기서, x는 0<x≤2의 범위를 가질 수 있다.
상기 n형 레그는, 전극의 타단에 접합되며, n형 열전 재료로 구성될 수 있다. 특히, 상기 n형 레그는, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 재료로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 레그는, Co4Sb12를 기본 구조로 하는 스쿠테루다이트계 열전 재료로 구성될 수 있다.
Co4Sb12를 기본 구조로 하는 스쿠테루다이트계 열전 재료의 일례로, 다음의 화학식 2로 표시되는 화합물 반도체를 들 수 있다.
<화학식 2>
InxMyCo4-m-aAmSb12-n-z-bXnQ'z
여기서, M은 Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Ag, Cd, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상이고, A는 Fe, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상이며, X는 Si, Ga, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상이고, Q'은 O, S 및 Se로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나 이상이며, 0<x<1, 0<y<1, 0≤m≤1, 0≤n<9, 0<z≤2, 0≤a≤1, 0<b≤3 및 0<n+z+b<12일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 전극의 양단에 접합된 p형 레그와 n형 레그가 서로 다른 계열의 열전 모듈로 이루어질 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, p형 레그로서 칼코게나이드계인 BiTe계 재료가 이용되고 n형 레그로서 스쿠테루다이트계 재료가 이용된 하이브리드 열전 모듈 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 모듈의 출력이 향상되고, 우수한 열적 안정성을 확보하여 내구성이 개선될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈의 경우, n형 레그로서 BiTe계가 아닌 스쿠테루다이트계 열전 재료가 이용됨으로써, 300도 이하의 온도에서 보다 적합하게 이용될 수 있다.
한편, 상기 p형 레그 및 n형 레그는, 각 원료의 혼합 단계, 열처리를 통한 합성 단계 및 소결 단계를 거치는 방식으로 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 레그의 특정 제조 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 전극은, 열전 레그 사이, 보다 구체적으로는 p형 레그와 n형 레그 사이에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극은, 일단이 p형 레그에 결합되고, 타단이 n형 레그에 결합될 수 있다. 따라서, n형 레그 및 p형 레그는, 전극에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 열전 모듈에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 p형 레그 및 다수의 n형 레그가 포함될 수 있다. 그리고, 상기 전극은, 이러한 열전 레그의 양단에 각각 결합될 수 있다. 따라서, 상기 전극은, 본 발명에 따른 열전 모듈에 다수 구비될 수 있다.
상기 전극은, 각 열전 레그의 단부에 부착될 수 있다. 예를 들어, 일부 전극은, 하면이 n형 레그의 상단 및 p형 레그의 상단에 부착될 수 있다. 또한, 다른 전극은, 상면이 n형 레그의 하단 및 p형 레그의 하단에 부착될 수 있다. 이때, 전극을 통한 n형 레그와 p형 레그의 전기적 연결 방식은 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 n형 레그의 상단과 하단에 각각 연결된 전극은, 서로 다른 p형 레그에 연결될 수 있다.
한편, 각 전극에는, 1개의 n형 레그와 1개의 p형 레그가 결합될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 1개의 전극에 다수의 p형 레그 및 다수의 n형 레그가 결합될 수 있다.
상기 p형 레그와 n형 레그는, 기둥 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 레그와 n형 레그는, 원기둥 또는 각기둥 형태로 형성될 수 있다.
특히, 상기 p형 레그와 상기 n형 레그는, 수평 단면적이 서로 다른 기둥 형태로 형성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는, 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 2를 참조하면, 상기 p형 레그와 상기 n형 레그는, 모두 사각 기둥 형태로 구성될 수 있다. 즉, p형 레그와 n형 레그는 전극과 평행하게 수평 방향으로 잘랐을 때의 단면적, 다시 말해 수평 단면적이 사각형으로 구성될 수 있다.
여기서, p형 레그의 수평 단면적과 n형 레그의 수평 단면적은 각각 Ap와 An으로 나타낼 수 있으며, 이들은 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 구성에서, p형 레그의 수평 단면적의 가로 길이 및 세로 길이를 각각 W2 및 L2라 하고, n형 레그의 가로 길이 및 세로 길이를 각각 W3 및 L3라 한다. 이때, p형 레그의 수평 단면적 Ap는 W2×L2로 나타낼 수 있고, n형 레그의 수평 단면적 An은 W3×L3로 나타낼 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 열전 모듈은, Ap(즉, W2×L2)와 An(즉, W3×L3)이 서로 다른 값을 갖도록 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 열전 모듈은, n형 레그가 p형 레그보다 작은 수평 단면적을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성에서, 열전 모듈은 Ap>An의 관계가 되도록 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 2의 구성에서, p형 레그는 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2)가 모두 3.6 mm가 되도록 구성될 수 있다. 이때, n형 레그는 가로 길이(W3) 및 세로 길이(L3)가 모두 3.6 mm보다 작은 3.4 mm, 3.2 mm, 3.0 mm 등이 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, p형 레그와 n형 레그가 BiTe계 및 스쿠테루다이트계로서 서로 다른 계열로 구성될 뿐 아니라, 크기가 다르게 구성됨으로써, 열전 모듈의 효율이 최적화될 수 있다.
특히, 상기 n형 레그의 수평 단면적에 대한 상기 p형 레그의 수평 단면적의 비는 1 초과 5 이하일 수 있다. 그리고, 이는 다음과 같은 관계식으로 표현될 수 있다.
1<Ap/An≤5
더욱이, 상기 n형 레그의 수평 단면적에 대한 상기 p형 레그의 수평 단면적의 비(Ap/An)는 1 초과 2 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 실시예에서, p형 레그의 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2)가 모두 3.6 mm이고, n형 레그의 가로 길이(W3) 및 세로 길이(L3)가 모두 3.4 mm라고 할 때, Ap/An은 대략 1.121일 수 있다.
다른 예로, 상기 실시예에서, p형 레그의 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2)가 모두 3.6 mm이고, n형 레그의 가로 길이(W3) 및 세로 길이(L3)가 모두 3.2 mm라고 할 때, Ap/An은 대략 1.266일 수 있다.
또 다른 예로, 상기 실시예에서, p형 레그의 가로 길이(W2) 및 세로 길이(L2)가 모두 3.6 mm이고, n형 레그의 가로 길이(W3) 및 세로 길이(L3)가 모두 3.0 mm라고 할 때, Ap/An은 대략 1.440일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, n형 레그의 수평 단면적에 대한 상기 p형 레그의 수평 단면적의 비(Ap/An)는 1을 초과하도록 구성될 수 있다.
이 밖에, 상기 p형 레그와 n형 레그의 높이(H), 전극의 두께(T1)나 길이(L1) 등은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, H는 2.0 mm, T1은 0.3mm, L1은 9.0 mm일 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 레그나 전극 등의 특정 크기로 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은, 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 알루미나 등의 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 기판의 특정 재질로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기판은, 사파이어, 실리콘, SiN, SiC, AlSiC, 석영 등 다양한 재질로 구성될 수 있다.
상기 기판은, 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극과 같은 열전 모듈의 여러 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시킬 수 있고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호할 수 있다. 또한, 상기 기판은, 전극 등이 장착되도록 함으로써, 열전 모듈의 기본적인 형태를 유지하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 도 1에 도시된 바와 같이, 열전 레그의 상부에 결합된 전극의 상부 및 열전 레그의 하부에 결합된 전극의 하부에 모두 구비될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 전극은 다양한 방식으로 기판의 표면에 구비될 수 있다. 이를테면, 상기 전극은, DBC(Direct Bonded Copper), ABM(Active Metal Brazing) 등과 같은 다양한 방식으로 기판의 표면에 형성될 수 있다. 또는, 상기 전극은 접착제 등을 통해 기판에 구비될 수도 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 장치에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
비교예
BiTe계 열전 재료로서 p형 레그 및 n형 레그를 구성하고, ANSYS 시뮬레이션을 이용한 유한 요소법(Finite Element Method; FEM)을 수행하여 열전 모듈의 특성을 해석하였다. 이때, 해석에 사용된 BiTe계 p형 레그의 온도별 재료 특성은 아래의 표 1에 기재된 바와 같고, 해석에 사용된 BiTe계 n형 레그의 온도별 재료 특성은 아래의 표 2에 기재된 바와 같다. 그리고, 해석에 사용된 열전 모듈의 형태는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다. 즉, 도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 해석에 사용된 열전 모듈의 형태를 개략적으로 나타내는 상면도이고, 도 4는 도 3의 구성에서 하나의 p형 레그 및 하나의 n형 레그를 포함하는 유닛 커플의 측면도이다. 다만, 설명의 편의를 위해, 도 3에서는 상부 기판이 표시되지 않도록 하고, 도 4에서는 상부 기판 및 하부 기판이 모두 표시되지 않도록 하였다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 해석에 사용된 열전 모듈의 p형 레그 및 n형 레그는 모두, 가로 길이 및 세로 길이가 각각 3.6 mm이고, 높이가 2.0 mm로 구성되었다. 그리고, 이러한 p형 레그-n형 레그 쌍은 열전 모듈에 32쌍이 포함되도록 구성되었다. 그리고, 열전 모듈에 포함된 전극은, 가로 길이가 8.6 mm, 세로 길이가 3.6 mm, 높이가 0.3 mm로 구성되었다. 또한, 열전 모듈에 포함된 기판은, 가로 길이 및 세로 길이가 각각 41.0 mm이고, 높이가 0.635 mm로 구성되었다.
Figure pat00001
Figure pat00002
실시예 1
상기 비교예와 동일한 형태의 열전 모듈을 구성하되, n형 레그의 재료 종류만을 달리하여 ANSYS 시뮬레이션을 수행하였다. 보다 구체적으로, 본 실시예 1의 경우, 표 2의 특성을 갖는 BiTe계 열전재료 대신에, 표 3의 특성을 갖는 스쿠테루다이트계 열전재료를 이용하여 n형 레그를 구성하였다. 다시 말해, 본 실시예 1의 경우, 표 1의 특성을 갖는 BiTe계 p형 레그와 표 3의 특성을 갖는 스쿠테루다이트계 n형 레그를 포함하는 열전 모듈을, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 형태로 구성하였다.
Figure pat00003
상기와 같이 구성된 비교예 및 실시예 1의 열전 모듈에 대하여, ANSYS 시뮬레이션을 통해 출력을 비교하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 이때, 해석에 사용된 열전 모듈의 고온 측 온도는 300℃이고 저온 측 온도는 50℃로 구성하였고, 전극은 구리 전극으로서, 16.78 nΩ·m의 저항과 401 W·m-1·K-1의 열전도도를 갖도록 하였다. 그리고, 실제 열전 모듈에서 일어나는 열접촉 컨덕턴스(thermal contact conductance; TCC)를 고려한 해석을 수행하였다.
도 5를 참조하여 ANSYS 시뮬레이션으로 해석한 결과를 살펴보면, p형 레그 및 n형 레그를 모두 BiTe계 재료로 구성한 비교예의 열전 모듈에 비해, p형 레그는 BiTe계 재료로 구성하고 n형 레그는 스쿠테루다이트계 재료로 구성한 실시예 1의 열전 모듈의 출력이 높게 나오는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 40000 W/m2℃에서, 비교예의 열전 모듈의 출력은 13.930 W인 반면, 실시예 1의 열전 모듈의 출력은 16.455 W로서, 비교예에 비해 약 18% 정도 출력이 향상된 것이 확인될 수 있다.
이와 같은 실험 결과에 의하면, 본 발명과 같이 p형 레그와 n형 레그를 BiTe계 재료 및 스쿠테루다이트계 재료로 서로 달리 구성한 하이브리드형 열전 모듈의 경우, p형 레그와 n형 레그를 모두 BiTe계로 구성한 열전 모듈에 비해, 출력 성능이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈은, p형 레그와 n형 레그에 대하여 수평 단면적이 서로 다른 기둥 형태로 구성될 수 있다. 이에 대한 효과를 확인하기 위해 다음과 같은 추가 실시예를 구성하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 설명된 내용대로 도 4에 도시된 바와 같은 유닛 커플을 구성하되, 실시예 1에 비해 n형 레그의 수평 단면적 크기만을 달리 구성하고, 나머지 조건은 모두 동일하게 구성하였다. 즉, 상기 실시예 1의 구성에서는 n형 레그와 p형 레그는 모두 가로 길이와 세로 길이가 3.6 mm로서 서로 동일하게 구성되었으나, 본 실시예 2의 구성에서는 n형 레그의 가로 길이와 세로 길이가 각각 3.6 mm가 아닌 3.4 mm로 구성되어, 스쿠테루다이트계 n형 레그와 BiTe계 p형 레그의 수평 단면적 크기가 서로 다르게 구성되도록 하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에 비해 n형 레그의 수평 단면적 크기만을 달리 구성하고, 나머지 조건은 모두 동일한 형태로 유닛 커플을 구성하였다. 즉, 상기 실시예 1의 구성에서, n형 레그의 가로 길이와 세로 길이를 각각 3.2 mm로 구성하여, 스쿠테루다이트계 n형 레그와 BiTe계 p형 레그의 수평 단면적 크기를 다르게 하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에 비해 n형 레그의 수평 단면적 크기만을 달리 구성하고, 나머지 조건은 모두 동일한 형태로 유닛 커플을 구성하였다. 즉, 상기 실시예 1의 구성에서, n형 레그의 가로 길이와 세로 길이를 각각 3.0 mm로 구성하여, 스쿠테루다이트계 n형 레그와 BiTe계 p형 레그의 수평 단면적 크기를 다르게 하였다.
이와 같이 구성된 실시예 2 내지 4의 열전 모듈과 상기 실시예 1의 열전 모듈에 대하여, ANSYS 시뮬레이션을 통해 외부 저항에 따른 효율(Efficiency)을 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이때, ANSYS 시뮬레이션의 조건은, 특별히 언급되지 않은 이상, 앞선 비교예 및 실시예 1에 대하여 설명된 조건과 동일하다고 할 수 있다.
도 6에 도시된 시뮬레이션 결과를 참조하면, p형 레그와 n형 레그의 수평 단면적이 서로 동일하게 구성된 실시예 1에 비해, p형 레그와 n형 레그의 수평 단면적이 서로 다르게 구성된 실시예 2 내지 4의 경우, 최대 효율이 향상됨을 알 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 6의 결과에서, p형 레그의 수평 단면적이 12.96 mm2로 고정된 상태에서, n형 레그의 단면적이 12.96 mm2, 11.56 mm2, 10.24 mm2, 9.00 mm2로 변경될수록, 최대 효율이 점차 향상되고 있다. 특히, 실시예 4를 살펴보면, 로드 매칭(load matching) 조건에서 최대 효율이 대략 7.6%까지 확인되고 있으며, 이는 대략 7.1%의 최대 효율을 나타내는 실시예 1에 비해 현저하게 향상된 효과라는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈의 경우, p형 레그와 n형 레그의 수평 단면적의 크기를 서로 달리 구성함으로써, 특히 p형 레그의 수평 단면적 크기를 n형 레그의 수평 단면적 크기보다 크게 함으로써, 열전 모듈의 효율이 향상될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 전극
200: p형 레그
300: n형 레그
400: 기판

Claims (7)

  1. 금속 재질로 구성된 전극;
    상기 전극의 일단에 접합되어 BiTe계 열전 재료로 구성된 p형 레그; 및
    상기 전극의 타단에 접합되어 스쿠테루다이트계 열전 재료로 구성된 n형 레그
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 p형 레그와 상기 n형 레그는, 수평 단면적이 서로 다른 기둥 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 n형 레그는, 상기 p형 레그보다 작은 수평 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 n형 레그의 수평 단면적에 대한 상기 p형 레그의 수평 단면적의 비는 1 초과 5 이하인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 BiTe계 열전 재료는, 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
    <화학식 1>
    BixSb2 - xTe3
    상기 화학식 1에서, 0<x≤2이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스쿠테루다이트계 열전 재료는, Co4Sb12를 기본 구조로 하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 발전 장치.
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