JP6275962B2 - 熱電冷却モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電冷却モジュール及びその製造方法に関し、より詳しくは、アルミニウム層を陽極酸化して多孔質アルミナを形成することで、接合抵抗の減少により熱電冷却モジュールの効率を向上させることができる熱電冷却モジュールに関する。

熱電素子とは、ゼーベック効果、ペルチェ効果、トムソン効果といった、熱と電気を相互に関係づける現象を利用した素子の総称であり、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を金属電極同士の間に接合させることにより、ＰＮ接合対を形成する構造である。このようなＰＮ接合対の間に温度差を設けると、ゼーベック効果(Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ)によって電力が発生し、これにより熱電素子は発電装置として機能をする。又、ＰＮ接合対のいずれか一方は冷却され、他方は発熱するペルチェ効果(Ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ)により、熱電素子は温度制御装置として用いることもできる。

ここで、上記ペルチェ効果は、図１に示すように、外部でＤＣ電圧を加えたときＰ型熱電材料の正孔とＮ型熱電材料の電子が移動することにより、材料の両端に発熱と吸熱を起こす現象である。上記ゼーベック効果は、図２に示すように、外部熱源から熱が供給されると、電子と正孔が移動しながら材料に流れが生じ、発電を起こす現象をいう。

このような熱電材料を用いた能動冷却は、素子の熱的安定性を改善させ、振動と騒音がなく、別の凝縮器と冷媒を使用しないため、体積が小さく、環境に優しい方法として認識されている。このような熱電材料を用いた能動冷却の応用分野には、無冷媒冷蔵庫、エアコン、種々のマイクロ冷却システムなどがあり、特に、種々のメモリ素子に熱電素子を装着すると、従来の冷却方式に比べて体積は減らしながら、素子を均一で且つ安定した温度に維持させることが可能であるので、素子の性能を向上させることができる。

以下、従来技術による熱電モジュールの構成を添付の図面を参照して説明する。

図３は、従来技術による熱電モジュールの構成を示す縦断面図である。
図に示すように、上記熱電モジュールの上下面には絶縁基板の第１基板(下部基板)１１及び第２基板(上部基板)１２が備えられる。上記第１基板１１及び第２基板１２は、熱を放出又は吸熱する役割を行うものであり、一定の距離をおいて上下方に離隔された状態に維持される。

上記第１基板１１及び第２基板１２との間には、Ｐ型熱電素子４１とＮ型熱電素子４２が備えられる。上記Ｐ型熱電素子４１及びＮ型熱電素子４２は、熱電材料が一定の形状及び大きさを有するように形成される要素であって、上記第１基板１１と第２基板１２との間に交互に配置される。

上記Ｐ型熱電素子４１及びＮ型熱電素子４２と第１基板１１及び第２基板１２との間には金属電極２０が備えられる。上記金属電極２０は、Ｐ型熱電素子４１とＮ型熱電素子４２とを電気的に接続させる構成である。

上記金属電極２０とＰ型熱電素子４１及びＮ型熱電素子４２との間には、金属の拡散を防ぐために拡散防止膜３０をさらに含むことができる。

このような従来の熱電モジュールは、特許文献１に開示されているように熱電モジュールから発散する熱を外部に発散したり、外部の熱を吸熱するために熱電素子の両側面に放熱板が取り付けられる。

このように、従来の電子製品などの放熱素子としての熱電モジュールは、発熱部位に放熱板を接合して発熱部位の熱を外部に放出するが、経時により発熱部位の温度が上がり、冷却面側への対流現象により熱平衡(ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ)状態になり、放熱素子としての役割を適切に果たすことができないという問題点が生じた。

韓国登録特許第１０-０７６６６１２号公報

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、アルミニウムの陽極酸化により多孔質アルミナとアルミニウムが接触されている一体型構造である第１及び第２基板を形成することで、接合抵抗の減少により熱電冷却モジュールの効率を向上させることができ、コストの低減効果も実現できる熱電冷却モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために提供される本発明の熱電冷却モジュールは、金属電極が形成され互いに対向する第１基板及び第２基板と、第１基板及び第２基板との間に形成される複数の熱電素子とを含み、第１基板及び第２基板は、アルミニウム層と、アルミニウム層の互いに対向する面の一部に形成されるアルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃)層と、を含む。

本発明によると、放熱板としてのアルミニウム層と、陽極酸化法により形成された絶縁体であって、熱電素材の接合体として用いられるアルミナ層とを一体型に形成することにより、接合抵抗を減少させ、熱電冷却モジュールの効率性を向上させ、コストを低減させる効果を有するようになる。

ペルチェ効果による熱電冷却を示す概略図である。 ゼーベック効果による熱電発電を示す概略図である。 従来技術の形態による熱電モジュールの内部構成を示す断面図である。 本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの断面図である。 本発明によりアルミニウムを陽極酸化して多孔質アルミナを形成した基板の斜視図である。 本発明によりアルミニウムを陽極酸化して多孔質アルミナを形成した基板の断面図である。 アルミニウム層に陽極酸化されたアルミナ層の上部の実際のイメージを示すものである。 アルミニウム層に陽極酸化されたアルミナ層の断面の実際のイメージを示すものである。 本発明の望ましい実施例による金属電極及び熱電素子が形成された基板の上面図である。 本発明の望ましい実施例に係る熱電冷却モジュールの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示す製造工程図である。 本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示す製造工程図である。 本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示す製造工程図である。 本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示す製造工程図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳しく説明する。但し、本発明はこれらにより限定されるものではない。本明細書に亘って同じ構成要素に対しては同じ符号を付す。

本発明は、アルミニウム層上に陽極酸化されたアルミナ層を形成した一体型の基板を備えることにより、接合抵抗の減少により効率を向上させ、コストを低減することができる熱電冷却モジュールを提供することをその要旨とする。

図４は、本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの断面図であり、図５及び図６は、本発明によりアルミニウムを陽極酸化して多孔質アルミナが形成された基板の斜視図及び断面図であり、図７及び図８は、基板の上部及び断面の実際のイメージを示すものであり、図９は、本発明の望ましい実施例による金属電極及び熱電素子が形成された基板の上面図である。

図を参照すると、本発明の熱電冷却モジュール１００は、金属電極１３０が形成され互いに対向する第１及び第２基板１１０、１２０と、上記第１及び第２基板１１０、１２０の間に形成される複数の熱電素子１４１、１４２とを含んでなる。

特に、上記第１及び第２基板１１０、１２０は、図５ に示すように、アルミニウム層１１１、１２１及び陽極酸化により形成された多孔質アルミナ(Ａｌ₂Ｏ₃)層１１２、１２２からなり、上記アルミナ層１１２、１２２は、互いに対向するそれぞれのアルミニウム層１１１、１２１の一部に形成される。上記第１及び第２基板１１０、１２０は、アルミニウムとアルミナの一体型構造であって、上記アルミニウム層１１１、１２１は、放熱板の役割をして発熱部位の熱をシステムの外部に放熱させ、上記多孔質アルミナ層１１２、１２２は絶縁層であって、熱電素子１４１、１４２の接合体として用いられる。

従来の熱電冷却モジュールは、発熱部位に異種素材の放熱板を接合したが、本発明は、アルミニウムの陽極酸化によりアルミニウム-アルミナといった一体型の構造を実現することにより、接触抵抗を減少させ、熱電冷却モジュールの効率を向上させるのみでなく、コストの低減効果も達成することができる。

この際、第１及び第２基板１１０、１２０に形成されたアルミナ層１１２、１２２は、互いに対向する構造であり、相互に対応する。したがって、第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２は、互いに面積が同一であることが望ましく、形状及び厚さも同一であることが望ましいが、互いに必ずしも一致する必要はない。

アルミニウム層１１１、１２１とアルミナ層１１２、１２２からなる第１及び第２基板１１０、１２０は、図５及び図９に示すように円形に形成することも可能であるが、これに限定されるのではなく、楕円形又は四角形などの多角形に形成することができることは勿論である。

上記アルミナ層１１２、１２２の厚さ(ｄ)は３０〜２００μｍであることが望ましく、３０μｍ未満である場合には、電気伝導度が存在して絶縁体としての役割を果たすことができなくなる。

又、上記第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２の面積は、上記アルミニウム層１１１、１２１の面積の５〜５０％であることが望ましい。これは、アルミナ層１１２、１２２の面積がアルミニウム層１１１、１２１の面積の５０％を超えると、発熱部位の熱が冷却部位に拡散され、冷却部位の温度が上昇して放熱素子としての役割を果たすことができなくなるからであり、５％以下である場合には、熱電素子１４１、１４２の接続が困難になる。

金属電極１３０は、上記第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２上に形成され、複数のＰ型熱電素子１４１とＮ型熱電素子１４２が互いに離隔されて上記金属電極１３０を介して電気的に接続される。上記金属電極１３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＺｎを含む群から選択される少なくとも１種の金属又はこれらの金属を含む合金で形成することができ、Ｐ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２は、当該技術分野において一般的に用いられる材料、例えば、ＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料などの熱電材料を適宜ドープして用いることができる。

図示されていないが、上記金属電極１３０とＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２の間に接着力を改善するためのバッファ層(図示せず)と金属の拡散を防止するための拡散防止膜(図示せず)をさらに含むことができ、上記拡散防止膜はニッケルであることが望ましい。

図１０は、本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示すフローチャートである。図を参照すると、先ず、第１基板１１０及び第２基板１２０を形成する(Ｓ１０)。具体的には、用意したアルミニウム試験片にマスクを利用して、陽極酸化法によって(Ｓ１１)多孔質アルミナ層１１２、１２２を形成することにより(Ｓ１２)、アルミニウム-アルミナの一体型構造を有する第１基板及び第２基板１１０、１２０を製造する。上記アルミニウムの陽極酸化は、１ｗｔ％Ｈ₃ＰＯ₄(リン酸)、１℃で電圧１９５Ｖを１０時間以上印加して行われるものであり、この際、アルミナ層１１２、１２２が形成される面積は、上記アルミニウム層１１１、１２１の面積の５〜５０％であることが望ましく、アルミナ層１１２、１２２の厚さは３０〜２００μｍであることが望ましいが、これは上述した通りである。又、上記第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２は、互いに同一の面積、形状、及び厚さを有するように形成されることが望ましい。

その後、第１基板１１０及び第２基板１２０におけるアルミナ層１１２、１２２上に金属電極１３０を形成するが(Ｓ２０)、上記金属電極１３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＺｎを含む群から選択される少なくとも１種の金属又はこれらの金属を含む合金で形成することができる。

次いで、上記第１基板１１０の金属電極１３０上にＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料などの熱電材料を適宜ドープしてＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２を対で形成する(Ｓ３０)。

この際、図示していないが、上記金属電極１３０とＰ型とＮ型熱電素子１４１、１４２との間に接着力を改善するためのバッファ層と金属の拡散を防止するための拡散防止膜を形成する工程をさらに含むことができる。

その後、下部基板である上記第１基板１１０における金属電極１３０上に形成されたＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２が電気的に接続されるように金属電極１３０が形成されている上部基板、すなわち、第２基板１２０を接合して(Ｓ４０)熱電冷却モジュールを製造する。

図１１〜図１４は、本発明の望ましい実施例による熱電冷却モジュールの製造方法を示す製造工程図である。

図を参照すると、互いに対向する第１基板１１０及び第２基板１２０は、アルミニウム層１１１、１２１の一部に陽極酸化によって形成されたアルミナ層１１２、１２２からなる。上記アルミニウムの陽極酸化は、１ｗｔ％Ｈ₃ＰＯ₄(リン酸)、１℃で電圧１９５Ｖを１０時間以上印加して行うことができる。上記第１基板１１０及び第２基板１２０は図５及び図９に示すように円形であり、楕円形又は四角形などの多角形の構造を有することもできるが、以下の説明では、図５及び図９に示すように円形である場合を前提として説明する。

この際、アルミナ層１１２、１２２の厚さは３０〜２００μｍであることが望ましく、アルミナ層１１２、１２２の面積は、アルミニウム層１１１、１２１の面積の５〜５０％であることが望ましい。図１１に示すように、第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２の厚さ、形状、及び、面積は同一であることが望ましいが、互いに必ずしも一致する必要はない。

その後、第１及び第２基板１１０、１２０においてアルミナ層１１２、１２２上に金属電極１３０を形成し、複数のＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２を相互に接続対になるように上記第１基板１１０上に形成された金属電極１３０上に形成する。図１３には、一対のＰ型及びＮ型の熱電素子のみが図示されているが、これは前述のように、第１基板１１０は円形であることを前提としたので、図１３の上面図は図９と同一である。したがって、図９に示すように、一対のＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２が前後に配置されることも可能であり、一列に配置されることも可能であり、このような配置形態には制限がない。この際、金属の拡散を防止するために金属電極１３０とＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２の間に拡散防止膜を形成する工程をさらに含むことができる。

次いで、複数のＰ型及びＮ型熱電素子１４１、１４２は、金属電極１３０を介してそれぞれの一端が電気的に接続されるように第２基板１２０を接合する。

このように、本発明は、アルミニウムの陽極酸化によりアルミニウム-アルミナの一体型構造の基板１１０、１２０を実現することで、接触抵抗の減少により熱電冷却モジュールの効率を向上させ、且つコストの低減効果を達成することができる。

[実験例１] アルミナの厚さによる電気伝導度
アルミニウムの自然酸化により形成された１０ｎｍ厚さのアルミナ層、及びアルミニウムを陽極酸化して形成された２０μｍ及び３０μｍ厚さのアルミナ層による電気伝導度(＝厚さ/｛抵抗×面積｝)[Ｓ/ｍ]を比較実験して以下の表１の結果を得た。ここで、アルミニウムシートの直径は４ｃｍであり、厚さは１ｃｍであり、陽極酸化されたアルミナの面積は１２.５６ｃｍ²(直径２ｃｍ)である。

アルミニウムシートに自然酸化により１０ｎｍの厚さのアルミナ層が形成された場合、抵抗実測値は１０^-4Ωであり、電気伝導度は７.９６×１０⁴[Ｓ/ｍ]であり、陽極酸化により２０μｍ厚さのアルミナ層が形成された場合の抵抗実測値は１.７×１０^-2Ωであり、電気伝導度は４.６９×１０²[Ｓ/ｍ]であった。しかしながら、陽極酸化により３０μｍ厚さのアルミナ層が形成された場合には、抵抗実測値はオーバーロードであって、電気伝導度は０、すなわち、アルミナ層は絶縁体を意味することになる。このように、陽極酸化により形成されたアルミナ層の厚さが３０μｍ以下である場合には、アルミナ層は絶縁体としての役割を果たすことができないことが分かる。

[実験例２] アルミニウム層とアルミナ層との面積比率による経時温度変化
ＬＥＤに取り付けられた熱電冷却モジュールのサンプルによる時間別の冷却部位の温度変化を比較観察し、表２の結果が得られた。ここで、サンプルＡは、アルミナの面積がアルミニウムの面積の１００％、サンプルＢは、アルミナの面積がアルミニウムの面積の５０％である場合であって、電力は同一に０.３７Ｗ(１.０Ｖ×０.３７Ａ)を印加した。

上記表２から分かるように、時間の経過によりアルミナの面積がアルミニウムの面積の５０％であるサンプルＢと、アルミナの面積がアルミニウムの面積の１００％であるサンプルＡとの冷却部位の温度差が大きくなるが、これは、サンプルＡのようにアルミニウムの全体面積にアルミナが形成された場合、発熱部位の熱が冷却部位に拡散されながら、冷却部位の温度が上昇するためである。したがって、アルミナ層は、アルミニウム層の面積と同一に形成されるのではなく、一部のみに、望ましくは、アルミニウム層の面積の５〜５０％の範囲内でアルミナが形成されることが望ましい。

１１、１１０ 第１基板
１２、１２０ 第２基板
２０、１３０ 金属電極
３０ 拡散防止膜
４１、１４１ Ｐ型熱電素子
４２、１４２ Ｎ型熱電素子
１１１、１２１ アルミニウム層
１１２、１２２ アルミナ層

Claims (6)

1. 金属電極が形成され互いに対向する第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板及び第２基板との間に形成される複数の熱電素子とを含み、
   前記第１基板及び第２基板は、
   複数のアルミニウム層と、
   前記複数のアルミニウム層の互いに対向するそれぞれの面の一部に嵌め込まれた複数のアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)層とを含み、
   前記複数のアルミナ層の厚さは、前記複数のアルミニウム層のそれぞれの表面の一部に嵌め込まれるように３０〜２００μｍであり、
   前記第１基板及び第２基板は、前記複数のアルミニウム層に陽極酸化が施されることにより、前記複数のアルミニウム層と前記複数のアルミナ層との一体型構造を有し、
   前記複数のアルミニウム層は円形であり、
   前記複数のアルミナ層は、発熱部位から冷却部位への熱拡散を防止するために前記複数のアルミニウム層の中心から前記アルミニウム層の面積の５％〜５０％を占める円形である、熱電冷却モジュール。
2. 前記複数のアルミニウム層の直径は４ｃｍであり、厚さは１ｃｍであり、
   前記複数のアルミナ層の直径は２ｃｍであり、厚さは３０μｍであり、面積は１２．５６ｃｍ ^２ である、請求項１に記載の熱電冷却モジュール。
3. 前記複数のアルミナ層の電気伝導度は０である、請求項１に記載の熱電冷却モジュール。
4. 前記モジュールの冷却部位での温度差の経時変化は０〜３℃の範囲である、請求項１に記載の熱電冷却モジュール。
5. 前記金属電極は、
   Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＺｎを含む群から選択される少なくとも１種の金属又は、これらの金属を含む合金からなる、請求項１に記載の熱電冷却モジュール。
6. 前記金属電極と前記熱電素子との間に形成される拡散防止膜をさらに含む請求項１に記載の熱電冷却モジュール。