JP2013026617A

JP2013026617A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP2013026617A
Application number: JP2012126936A
Authority: JP
Inventors: Ju Hwan Yang; ファンヤン、ジュ; Dong Hyok Choi; ヒョクチョイ、ドン; Seung Ho Lee; ホリー、スン; Sung Kwon Wi; クォンウイ、スン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-02-04
Also published as: US20130014516A1; KR20130009442A

Abstract

【課題】熱電モジュールの放熱性能を増大させる手段の提供。
【解決手段】第１の基板１１０、第２の基板１２０、拡散防止層１３２、１３４及び熱電素子１４０を含む熱電モジュールであって、前記第１の基板及び第２の基板は、前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をする放熱層１１２，１２２と、前記放熱層の一面上に形成され、第１の突起部と第１の溝部からなる第１の矩形波パターンに形成される絶縁層１１４，１２４と、前記絶縁層の表面に形成された前記第１の溝部内に埋め込まれるように形成される電極層１１６，１２６と、が夫々積層される。これにより、上部及び下部基板の放熱層及び絶縁層の形状を矩形波に形成するため、夫々の総表面積が、ライン状に形成した場合より高くすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電モジュールに関し、特に、放熱性の高い基板を含む熱電モジュールに関する。

化石エネルギー使用の急増は地球温暖化及びエネルギー枯渇の問題を引き起こしており、これにより、熱電モジュール（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭｏｄｕｌｅ）に対する関心が高まっている。

熱電モジュールは、大気汚染を引き起こす原因物質の一つであるフロンガスなどに代えて冷却手段として活用されているだけでなく、ゼーベック効果（ＳｅｅｂｅｃｋＥｆｆｅｃｔ）による小型発電機としても広く用いられている素子である。

熱電モジュールは、熱電素子を介して金属が相互接地されて形成されたループに電流が流れると、フェルミエネルギー差により電位差が発生するようになり、電子が一方の金属面から他方に移動するために必要なエネルギーを持っていくため、吸熱または冷却が起こるようになる。

一方、他の金属面は前記電子が持ってきたエネルギーだけの熱エネルギーを逃がすことによって熱が発生するが、これがペルチェ効果（ＰｅｌｔｉｅｒＥｆｆｅｃｔ）であり、熱電素子による冷却装置の作動原理となる。

この際、前記半導体の種類及び電流の流れる方向によって吸熱と放熱の位置が決まり、材質によってその効果にも差が発生する。

図１は、一般的な構造の熱電モジュールを示す概略的な断面図である。

通常の熱電モジュール１０は、Ｎ型熱電素子１１とＰ型熱電素子１２とが電極３、６によって電気的に連結されており、これに直流電流が加えられると、上部及び下部基板１３、１４の何れか一つの基板では吸熱が、他の何れか一つの基板では放熱が起こる。この場合、上述したように、電流の方向によって吸熱と放熱の位置は変更されることができる。

この際、上部及び下部基板１３、１４は、高い熱伝達性及び絶縁性を有しなければならない。従って、最近は、上部及び下部基板１３、１４の熱伝達性及び絶縁性を向上させるための方法が模索されている。

韓国公開特許第１０−２００６−０００９９７６号公報韓国公開特許第１０−２０１０−００２５０６７号公報

本発明の実施形態は熱電モジュールに関するものであり、放熱性能を増大させるための手段を提供することをその目的とする。

前記課題を解決するための本発明の実施形態による熱電モジュールは、第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、前記第１の基板及び第２の基板は、前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をする放熱層と、前記放熱層の一面上に形成され、第１の突起部と第１の溝部からなる第１の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された前記第１の溝部内に埋め込まれるように形成される電極層と、が夫々積層される。

また、前記課題を解決するための本発明の実施形態による熱電モジュールは、第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、前記第１の基板及び第２の基板は、前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をし、長側の両面が互いに異なるパターンに形成される放熱層と、前記放熱層の前記両面のうち一面上に形成され、第１の突起部と第１の溝部とからなる第１の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された前記溝部内に埋め込まれるように形成される電極層と、が夫々積層される。

前記課題を解決するための本発明の実施形態による熱電モジュールは、第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、前記第１の基板及び第２の基板は、前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をし、第１の矩形波パターンに形成される放熱層と、前記放熱層の上面に沿って形成され、第２の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の上面に沿って形成され、第３の矩形波パターンに形成される電極層と、が夫々積層される。

本発明の実施形態は熱電モジュールに関するものであり、本発明による熱電モジュールは、上部及び下部基板の放熱層及び絶縁層の形状を矩形波に形成するため、夫々の総表面積が、ライン状に形成した場合より２．５倍程度高くなることができる。

従って、熱電モジュールの上部及び下部基板夫々の表面積は、放熱層と絶縁層の表面積の和の５倍以上に形成されることができる。

これにより、本発明による熱電モジュールは、熱拡散係数も既存より５倍以上増加させることができるため、放熱性能を増加させることができる。

通常の熱電モジュールを示す図面である。本発明の第１実施形態による熱電モジュールを示す図面である。図２の上部基板を製造する方法を示す断面図である。図２の上部基板を製造する方法を示す断面図である。図２の上部基板を製造する方法を示す断面図である。図２の上部基板を製造する方法を示す断面図である。本発明の第２実施形態による上部基板を示す図面である。本発明の第３実施形態による上部基板を示す図面である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。しかし、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されない。

本発明を説明するにあたり、本発明に係わる公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は本発明においての機能を考慮して定義された用語であり、これは使用者、運用者の意図または慣例などによって変わることができる。従って、その定義は本明細書の全体における内容を基に下すべきであろう。

本発明の技術的思想は請求範囲によって決まり、以下の実施形態は本発明の技術的思想を本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に効率的に説明するための一つの手段に過ぎない。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による熱電モジュールを説明すると、次のとおりである。

図２は本発明の一実施形態による熱電モジュールを示す図面である。

図２に図示されたように、本発明による熱電モジュール１００は、基板１１０、１２０と、拡散防止層１３２、１３４と、熱電素子１４０と、を含む。

基板１１０、１２０は、熱電モジュール１００に電源が印加される時、発熱または吸熱反応を起こす。

本発明による基板１１０、１２０は、上部基板１１０及び下部基板１２０で構成され、この上部基板１１０及び下部基板１２０により上面及び下面の外観が形成される。

上述の上部基板１１０及び下部基板１２０は夫々、放熱層１１２、１２２と、絶縁層１１４、１２４と、電極層１１６、１２６と、が積層されて形成されることができる。

より具体的には、上部基板１１０は第１の放熱層１１２、第１の絶縁層１１４及び第１の電極層１１６が積層されて形成され、下部基板１２０は第２の放熱層１２２、第２の絶縁層１２４及び第２の電極層１２６が積層されて形成されることができる。

この際、本発明の第１実施形態による第１及び第２の放熱層１１２、１２２は同一の物質及び形状に形成されることができ、第１及び第２の絶縁層１１４、１２４も同一の物質及び形状に形成されることができ、第１及び第２の電極層１１６、１２６も同一の物質及び形状に形成されることができる。従って、本発明の明細書では、基板について説明するにあたり、上部基板１１０の第１の放熱層１１２、第１の絶縁層１１４及び第１の電極層１１６についてのみ説明し、下部基板１２０の第２の放熱層１２２、第２の絶縁層１２４及び第２の電極層１２６についての説明は、上部基板１１０と重複されるため省略する。

第１の放熱層１１２は、熱電モジュール１００に電源が印加される時、発熱または吸熱反応を起こすことができる。

このような第１の放熱層１１２は、第１の突起部１１２ａと第１の溝部１１２ｂとを有する矩形波パターンに形成されることができる。本発明において、第１の放熱層１１２を矩形波パターンに形成することは、ライン状に形成する場合より、総表面積を一例として２．５倍増加させることができるため熱拡散係数を高めることができ、これにより熱拡散速度を増大させることができるためである。

この際、第１の放熱層１１２は、一例として、導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの金属で形成されることができる。

第１の絶縁層１１４は、第１の放熱層１１２と第１の電極層１１６との間に形成され、放熱の役割をするとともに、第１の放熱層１１２と第１の電極層１１６との間の電気的ショート（Ｓｈｏｒｔ）が発生しないように絶縁体として用いられることができる。

このような第１の絶縁層１１４は、第１の放熱層１１２の表面に沿って形成されることにより、第２の突起部１１４ａと第２の溝部１１４ｂとを有する矩形波パターンに形成されることができる。

従って、第１の絶縁層１１４も、第１の放熱層１１２と同様に、ライン状に形成する場合より、総表面積が一例として２．５倍増加されるため熱拡散係数を高めることができ、これにより熱拡散速度を増大させることができる。

この際、第１の絶縁層１１４は、一例として、絶縁性及び放熱性の高い絶縁物質であるアルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）、窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）、及びポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）の何れか一つで形成されることができる。

第１の電極層１１６は、熱電素子１４０と電気的に連結されるように形成され、熱電モジュール１００に電源が印加される時、電源の流れを案内することができる。

このような第１の電極層１１６は、第１の絶縁層１１４の第２の溝部１１４ｂに埋め込まれるように形成されることができ、電気伝導度の高い導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの金属で形成されることができる。

拡散防止層１３０は、熱電素子１４０の上面と第１の電極層１１６の下面との間に形成され、第１の電極層１１６の電極物質が熱電素子１４０に拡散して駆動信頼性を低下させることを防止する第１の拡散防止層１３２と、熱電素子１４０の下面と第２の電極層１２６の上面との間に形成され、第２の電極層１２６の電極物質が熱電素子１４０に拡散して駆動信頼性を低下させることを防止する第２の拡散防止層１３４と、を含んで構成されることができる。

熱電素子１４０は、第１及び第２の電極層１１６、１２６の間に形成され、第１及び第２の電極層１１６、１２６に直流電流が加えられると、上部基板１１０では放熱が、下部基板１２０では吸熱が発生する。しかし、本発明の一実施形態はこれに限定されず、下部基板１２０では放熱が、上部基板１１０では吸熱が発生することもできる。

さらに具体的には、熱電素子１４０の上部面は第１の電極層１１６の下面と接触するように形成され、熱電素子１４０の下面は第２の電極層１２６の上面と接触するように形成されることができる。

このような熱電素子１４０は、Ｐ型熱電素子ＰとＮ型熱電素子Ｎとを含んで構成されることができる。

この際、熱電素子１４０は、一例として、ビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）及びアンチモン（Ｓｂ）の何れか一つの物質または少なくとも一つ以上を組み合わせた物質で形成されることができる。

このように、本発明による熱電モジュール１００は、上部及び下部基板１１０、１２０の放熱層１１２、１２２及び絶縁層１１４、１２４の形状を矩形波に形成することにより、夫々の総表面積が、ライン状に形成する場合より２．５倍程度高くなることができる。

従って、熱電モジュール１００の上部及び下部基板１１０、１２０夫々の表面積は、放熱層１１２、１２２及び絶縁層１１４、１２４の表面積の和の５倍以上に形成されることができる。これにより、熱電モジュール１００は、熱拡散係数も既存より５倍以上増加させることができるため、放熱性能を増加させることができる。

図３ａから図３ｄは、図２の上部基板を製造するための方法を示す断面図である。

まず、図３ａに図示されたように、凹凸状の第１の予備電極層１１６ａを形成する。

より具体的には、金属物質を蒸着した後、乾式または湿式エッチング工程によって凹凸状の上部面を有する第１の予備電極層１１６ａを形成することができる。

この際、第１の予備電極層１１６ａの上部面に形成された凹凸間の距離（Ａ）は、一例として５〜１００μｍであることができ、各凹凸の高さ（Ｂ）は、一例として２〜１０μｍであることができる。

ここで、金属物質は一例として、導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つであることができる。

次に、図３ｂに示すように、第１の予備電極層１１６ａの表面に沿って矩形波パターンの第１の絶縁層１１４を形成する。

より具体的には、第１の予備電極層１１６ａの全面に高分子絶縁物質を蒸着し、コンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）に第１の絶縁層１１４を形成することができる。

この際、高分子絶縁物質は、絶縁性及び放熱性の高い絶縁物質であるアルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）、窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）、及びポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）の何れか一つで形成されることができる。

次に、図３ｃに示すように、第１の絶縁層１１４の表面に沿ってコンフォーマルに金属物質を蒸着し、第１の放熱層１１２を形成することができる。

この際、金属物質は一例として、導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの金属物質であることができる。

その後、図３ｄに示すように、第１の予備電極層１１６ａの下部面をエッチング工程によって除去し、第１の絶縁層１１４の溝内部に埋め込まれるように第１の電極層１１６を形成することにより、上部基板１１０を完成することができる。

この際、エッチング工程は、一例として、ラッピング（Ｌａｐｐｉｎｇ）またはポリッシング（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程であることができる。

従って、熱電モジュール１００の上部及び下部基板１１０、１２０夫々の表面積は、放熱層１１２、１２２及び絶縁層１１４、１２４の表面積の和の５倍以上に形成されることができる。これにより、熱電モジュール１００は熱拡散係数も既存より５倍以上増加させることができるため、放熱性能を増加させることができる。

図４は本発明の第２実施形態による上部基板を示す断面図である。

図４に図示されたように、本発明の第２実施形態による上部基板１１０は、第１の放熱層１１２と、第１の絶縁層１１４と、第１の電極層１１６と、を含む。

第１の放熱層１１２は、熱電モジュール（図１の１００）に電源が印加される時、発熱または吸熱反応を起こすことができる。

第１の放熱層１１２の一面は突起部１１２ａ及び溝部１１２ｂを有する矩形波パターンに形成されることができ、第１の放熱層１１２の他面は後述する第１の絶縁層１１４と接触される面であり、ライン状に形成されることができる。

本発明において、第１の放熱層１１２の一面を矩形波パターンに形成することは、両面をライン状に形成する場合より、総表面積を一例として１．５倍以上増加させて熱拡散係数を増加させることができ、これにより熱拡散速度も増加させることができるためである。

この際、第１の放熱層１１２は一例として、導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの金属で形成されることができる。

このような第１の絶縁層１１４は、第１の放熱層１１２の他面の表面に沿って形成されることによりライン状に形成されることができる。

この際、第１の絶縁層１１４は一例として、絶縁性及び放熱性の高い絶縁物質であるアルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）、窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）、及びポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）の何れか一つで形成されることができる。

第１の電極層１１６は、熱電素子（図１の１４０）と電気的に連結されるように形成され、熱電モジュール１００に電源が印加される時、電源の流れを案内することができる。

このような第１の電極層１１６は複数個で形成されることができ、第１の絶縁層１１４の他面上に一定間隔を隔てて形成されることができる。

この際、前記第１の電極層１１６は、電気伝導度の高い導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの金属で形成されることができる。

一方、本発明の第２実施形態では、上部及び下部基板１１０、１２０のうち上部基板１１０についてのみ記載したが、下部基板１２０も上部基板１１０と同一の構成及び形状に形成され、説明が重複されるため省略する。

図５は本発明の第３実施形態による上部基板を示す断面図である。

図５に図示されたように、本発明の第３実施形態による上部基板１１０は、第１の放熱層１１２と、第１の絶縁層１１４と、第１の電極層１１６と、を含む。

第１の放熱層１１２は矩形波パターンに形成されることができる。ここで、本発明の第１の放熱層１１２を矩形波パターンに形成することは、両面をライン状に形成する場合より、総表面積を一例として２．５倍以上増加させて熱拡散係数を増加させることができ、これにより、熱拡散速度も増加させることができるためである。

このような第１の絶縁層１１４は、第１の放熱層１１２の他面の表面に沿って形成されることにより、第１の放熱層１１２と同様に矩形波パターンに形成されることができる。これにより、第１の絶縁層１１４は、両面をライン状に形成する場合より、表面積を一例として２．５倍以上増加させて熱拡散係数を増加させることができるため、熱拡散速度も増加させることができる。

このような第１の電極層１１６は、第１の絶縁層１１４の他面の表面に沿って形成されることにより、第１の絶縁層１１４と同様に矩形波パターンに形成されることができる。これにより、ライン状に形成する場合より、第１の電極層１１６の表面積が一例として２．５倍以上増加され、熱拡散係数を増加させることができるため、熱拡散速度も増加させることができる。

このように、本発明による熱電モジュール１００は、基板１１０、１２０の放熱層１１２、１２２、絶縁層１１４、１２４及び電極層１１６、１２６夫々の形状を矩形波パターンに形成し、総熱拡散係数を７．５倍以上に高めることができ、これにより、熱拡散速度を増加させることができる。

なお、上記では、上部基板１１０及び下部基板１２０の両方の放熱層１１２の形状が、矩形波パターンに形成されている場合を説明したが、上部基板１１０及び下部基板１２０の少なくとも一方の放熱層１１２の形状のみが矩形波パターンに形成されていてもよい。また、上部基板１１０と下部基板１２０とが異なる形態であってもよい。例えば、上部基板１１０の形態が第１実施形態の形態であり、下部基板１２０の形態が第２実施形態又は第３実施形態の形態であってもよい。

１００熱電モジュール

Claims

第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、
前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方は、
前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をする放熱層と、前記放熱層の一面上に形成され、第１の突起部と第１の溝部からなる第１の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された前記第１の溝部内に埋め込まれるように形成される電極層と、が夫々積層される熱電モジュール。
前記放熱層は、
第２の突起部と第２の溝部からなる第２の矩形波パターンに形成される請求項１に記載の熱電モジュール。
前記第１の矩形波パターンは、
前記第２の矩形波パターンの一面を包むように形成される請求項２に記載の熱電モジュール。
第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、
前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方は、
前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をし、長手方向に形成されたパターンが一方の面と他方の面とで互いに異なる放熱層と、前記放熱層の前記一方の面上に形成され、第１の突起部と第１の溝部とからなる第１の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された前記溝部内に埋め込まれるように形成される電極層と、が夫々積層される熱電モジュール。
前記放熱層の前記一方の面は、
第２の突起部と第２の溝部からなる第２の矩形波パターンに形成される請求項４に記載の熱電モジュール。
前記放熱層の前記他方の面は、ライン状に形成される請求項５に記載の熱電モジュール。
第１の基板、第２の基板、拡散防止層及び熱電素子を含む熱電モジュールであって、
前記第１の基板及び前記第２の基板の少なくとも一方は、
前記熱電モジュールに電源が印加される時、発熱または吸熱反応をし、第１の矩形波パターンに形成される放熱層と、前記放熱層の一方側の面に沿って形成され、第２の矩形波パターンに形成される絶縁層と、前記絶縁層の一方側の面に沿って形成され、第３の矩形波パターンに形成される電極層と、が夫々積層される熱電モジュール。
前記放熱層は、
銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの導電性金属物質を含む請求項１から７の何れか１項に記載の熱電モジュール。
前記絶縁層は、
前記放熱層と前記電極層との間に配列され、前記放熱層と前記電極層との間の電気的ショートを防止する請求項１から８の何れか１項に記載の熱電モジュール。
前記絶縁層は、
絶縁性及び放熱性の高い絶縁物質であるアルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ）、窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅ）、シリカ（Ｓｉｌｉｃａ）、及びポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）の何れか一つを含む請求項１から９の何れか１項に記載の熱電モジュール。
前記電極層は、
電気伝導度の高い導電性金属である銅（Ｇｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）の何れか一つの導電性金属物質を含む請求項１から０の何れか１項に記載の熱電モジュール。