KR100238365B1 - 열전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류입력단자를 여러개 갖추고, N, P형 열전반도체칩의 적재가 편리하게 설계된 구리전극 패턴을 갖춘 열전모듈과, 그 모듈을 부분화 하여 다양한 흡열량을 갖춘 모듈을 제작하는 것에 관한 것으로, N형 및 P형칩들이 한줄씩 교대로 적재되도록 구리전극 패턴이 구성되어 있기 때문에, 적재시 혼동이 적고, 모듈 제작시 최소의 지그만을 사용하여 다양한 흡열량을 갖춘 모듈을 제작할 수 있으며, 제작시 국부적인 칩의 파손 등이 발생한 경우에 파손된 부위와 같은 전류입력단자를 통하여 전류가 흐르는 부위를 제외한 나머지 부분을 독립적으로 사용할 수 있는 경제적 효과를 제공할 수 있다. 또한, 모듈의 입력단자를 여러개 두어 독립적으로 작동하며 부분화 할 수 있도록 절단하여 다양한 흡열량을 갖춘 모듈들을 한꺼번에 같은 지그를 이용해서 제작함으로써 경제적으로 모듈을 제조할 수 있고, 또한 열전냉각이나 가열기에 응용할 때, 모든 입력단자에 전류를 가하고, 일정온도로 피냉각체나 피가열체를 유지한 후, 전력낭비를 줄이도록 일부단자에만 전류가 입력되게 하여 불필요한 전력낭비를 줄이면서 일정온도를 계속 유지할 수 있는 장점을 갖추고 있다.

Description

열전모듈

본 발명은 다수의 전류입력단자를 갖춘 열전모듈에 관한 것으로, 특히 전류입력단자를 여러개 갖춘 열전모듈과 한개의 모듈에서 다양한 흡열량을 갖춘 열전모듈에 관한 것이다.

열전소자는 제1도에서 나타낸 것과 같이, 복수의 Bi-Te계 N형칩(14; N형 열전반도체칩)과 P형칩(13; P형 열전반도체칩)이 교대로 배열되고, 칩간에 구리전극(15)이 연결되어 전류가 흐르면, N, P접합쌍의 한쪽 부분에는 흡열이, 반대쪽 접합부위에서는 발열이 발생하는 펠티에(peltier)효과를 발생하도록 설계된 소자로서, 차량용 냉·온장고, 김치독 냉장고, 컴퓨터 CPU냉각기, 공장제어 반 냉각기, 레이저 다이오드 등 전자부품의 냉각에 널리 사용되고 있다.

다음, 종래의 열전모듈의 구조를 제1도 및 제2도를 참조해서 설명한다.

도면에 도시한 바와 같이 알루미나판(40㎜×40㎜×0.635㎜)상에 Pb-Sn계, 또는 Bi-Sn계 페이스트(paste)를 금속마스크나 금속메쉬망을 통과시켜 스크린 프린팅한다. 그 후, 두개의 알루미나판중 하나에 칩의 적재위치에 1.7㎜×1.7㎜의 구멍을 254개 구비된 금속이나 내열플라스틱판을 올려놓고, 구멍이 있는 부분에 교대교대로 P, N칩을 삽입해서 열판위에서 솔더링하여 접합한 후, 다른 구리전극이 부착된 알루미나판을 솔더링하여 붙인 구조로 되어 있다.

종래에 이용되고 있는 열전모듈의 형태에서 N, P칩들의 적재위치 및 설계되어 있는 알루미나와 같은 세라믹기판상의 N형칩 및 P형칩의 배열과, 구리전극 패턴들은 각각 도 2a, b, c에 나타나 있는 구조로 되어 있다. 따라서, 제2도의 b, c는 전류의 +방향이 N형칩에서 P형칩 방향으로 흐를 때, 각각 흡열측 및 발열측의 알루미나기판상에 부착된 구리전극의 패턴을 나타낸다. 전류의 방향이 반대로 P형칩에서 N형칩으로 변환되면, 각각 발열측 및 흡열측이 된다. 그런데, 제2a도에서와 같이 세라믹기판과 접합된 구리전극상의 지정된 위치에 복수의 N, P형칩을 교대로 적재하는 경우에 X축방향 및 Y축방향 모두 P, N, P, N쌍으로 교대로 이루어져 있기 때문에, 핀셋으로 수동적재시 혼란이 발생하기 쉽고, 잘못 적재된 경우에 제성능을 발휘하지 못하는 등의 문제점이 있었다. 특히, 자동으로 칩을 집고, 적재시 교대로 양쪽방향으로 다른 P, N쌍들이 적재되기 때문에, 적재가 용이하지 않고, 잘못해서 칩이 쓰러졌을 때, N, P칩을 구분하기도 어려운 문제점이 있었다.

또한, 일반적으로 많이 사용되는 40×40㎜ 세라믹판과, P, N형칩의 쌍수가 127개로 구성된 열전모듈에 전류가 1쌍의 +, -단자를 통해서 공급되는 구조는 254개의 P, N칩중 어느 하나라도 제작과정이나 사용중 파손 등에 의해 P. N접합이 분리된 경우에 전체적으로 전류가 흐르지 않기 때문에, 사용이 불가능하게 된다. 또한, 다양한 흡열량의 소형모듈의 제작시 알루미나기판상에 Mo계나 W계를 메탈라이징 한 후, 구리전극의 솔더링 또는 알루미나와 구리의 직접접합후 에칭법을 이용하여 원하는 패턴으로 형성함에 있어서 각각의 다른 흡열량을 갖춘 모델마다 모듈용 구리전극 접합 및 패턴형성에 이르기까지 각각 다른 전 공정을 모드 거쳐야 하고, 필요한 지그도 공유될 수 없기 때문에, 각 모델마다 새로 준비해야 하는 등의 단점이 있다. 구체적으로는 큰 모듈의 제작시 칩들의 쓰러짐을 방지하는 지그가 각 모델마다 필요하고, 구리전극에 솔더의 스크린 프린팅도 큰 모듈의 제작시와 같은 공정이 필요하며, 모델마다 금속메쉬(Metal Mesh)가 필요하기 때문에 큰 모듈이나 작은 모듈이나 제작비가 차이가 없는 등의 문제점이 있기 때문에, 보다 간편하고 경제적인 방법으로 다양한 흡열량을 갖춘 열전모듈을 제작할 필요성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 세라믹기판상에, N, P칩들이 X축, Y축 양방향에서 N, P, N, P와 같이 교대로 배열되도록 설계된 구리전극형태를 X축이나 Y축중 한축방향에서 P형이나 N형중의 동일형태의 칩들이 배열되도록 구리전극형태를 설계하여 칩적재시 혼돈을 방지하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열전모듈에 기존의 1쌍의 +, -단자가 공급되도록 되어 있는 것을 최소 2개 이상, 최대 칩의 적재열이나 행중의 하나의 최대수까지 공급이 가능하도록 해서 열전모듈내의 칩파손이나 칩과 구리전극간의 접합불량 등에 따른 불량이 발생하는 경우에도 동일 입력단자로 전류가 공급되는 부위를 제외하고 다른 전류입력단자가 연결된 열전모듈의 부분은 정상적인 작동이 가능하도록 설계된 구리전극패턴을 갖춘 열전모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

제1도는 종래의 구조로서, 범용 Bi-Te계 열전모듈의 구조도,

제2a도는 종래의 구조로서, 열전모듈에서 칩의 적재위치를 나타내는 도면,

제2b도는 종래의 구조로서, 열전모듈에서 흡열측 세라믹판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제2c도는 종래의 구조로서, 열전모듈에서 발열측 세라믹기판상의 전극패턴을 나타내는 도면,

제3a도는 열전모듈에서 칩의 적재위치를 나타내는 도면,

제3b도는 열전모듈에서 흡열측 세라믹판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제3c도는 열전모듈에서 발열측 세라믹기판상의 전극패턴을 나타내는 도면,

제4a도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 칩간의 적재위치를 나타내는 도면,

제4b도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 흡열측 세라믹기판상의 전극패턴을 나타내는 도면,

제4c도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 발열측 세라믹기판상의 전극패턴을 나타내는 도면,

제5a도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 칩간의 적재위치를 나타내는 도면,

제5b도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 흡열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제5c도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 발열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제6a도는 1쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 칩의 적재위치를 나타내는 도면,

제6b도는 1쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 흡열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제6c도는 1쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 발열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제7a도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 칩의 적재위치를 나타내는 도면,

제7b도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 흡열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제7c도는 2쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 발열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제8a도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 칩의 적재위치를 나타내는 도면,

제8b도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 흡열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제8c도는 4쌍의 입력단자를 갖춘 열전모듈의 발열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제9a도는 31쌍의 칩의 적재가 가능한 구리전극이 부착된 알루미나의 흡열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제9b도는 31쌍의 칩의 적재가 가능한 구리전극이 부착된 알루미나의 발열측 세라믹기판의 전극패턴을 나타내는 도면,

제9c도는 31쌍의 칩의 적재가 가능한 구리전극이 부착된 알루미나의 칩의 적재위치를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 전기절연 세라믹판(냉각측) 12 : 전기절연 세라믹판(발열측)

13 : P형 Bi-Te계 열전반도체칩 14 : N형 Bi-Te계 열전반도체칩

15 : 구리전극(전기전도체) 16 : 전류입력단자(+)

17 : 전류입력단자(-)

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제라믹기판상에 복수의 Bi-Te계 N형칩과 P형칩이 교대로 배열되고, 칩간에 구리전극이 연결되어 있는 열전모듈에 있어서, X축 또는 Y축중의 한축방향으로 일렬로 배치되면서, P형열과 N형열을 서로 교대로 배치한 복수의 P형칩 또는 N형칩과; 이 복수이 P형칩 또는 N형칩이 교대로 적재되도록 구성된 구리전극 및; 이 구리전극에 +, -의 전류가 흐를 수 있게 접속된 복수의 전류입력단자를 구비하여 구성되고, 상기 복수의 전류입력단자는 최소 둘 이상, 최대 칩의 적재열 또는 행의 수와 동일한 수로 구성되어 필요에 따라 전류의 량을 조절할 수 있게 되어 있는 것을 특징으로 한다.

[실시예]

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 전류입력단자가 1개 들어가는 열전모듈의 경우에 구리전극상에 제3a도와 같은 위치에 적재시키기 위해 구리전극의 패턴설계를 한 구리전극패턴이 제3b도 및 제3c도에 나타나 있다. 또한, 제4a도와 제4b도 및 제4c도는 전류입력단자가 2쌍이 되도록 설계한 경우를 나타내는 패턴도이고, 그리고, 제5a도와 제5b도 및 제5c도는 전류입력단자가 4쌍이 되도록 설계한 경우를 나타낸 패턴도이다. 또한, 다른 경우에 있어서, 제6a도과 제6b도 및 제6c도는 전류입력단자가 1쌍이 되도록 설계한 경우를 나타낸 패턴도이고, 제7a도와 제7b도 및 제7c도는 전류입력단자가 2쌍이 되도록 설계한 경우를 나타낸 패턴도이며, 제8a도와 제8b도 및 제8c도는 전류입력단자가 4쌍이 되도록 설계한 경우를 나타내는 패턴도이다.

제3a도와, 제4a도, 제5a도, 제6a도, 제7a도, 제8a도에 나타난 바와 같이, 한줄은N형칩들로만 배치되어 있고, 다음줄은 P형, 그 다음줄은 다시 N형 등으로 교대로 배열되어 있다. 이런 배열에 의한 칩의 배열은 기존의 배열방식인 제2a도와 같이 X축 및 Y축방향 모두 P, N을 하나씩 교대로 배열하지 않고, 한줄씩 같은 종류의 칩이 적재하는 구조로 되어 있기 때문에, 칩을 적재할 때, 혼동이적고, 칩마운터에 의한 자동적재시 적재시간 단축 및 불량률의 저하 등의 이점이 있다. 또한, 각각 독립적으로 입력단자에 전류를 공급할 수 있고, 국부적으로 칩이 파손될 경우, 파손부위를 제외한 나머지 부분에 대한 정상작동이 가능하기 때문에, 상응하는 흡열량을 요구하는 열전 냉각기 및 가열기 등에 적용할 수 있다. 또, 일정한 공정에 의해 본 발명에 따른 동일한 모듈을 생산할 경우에도 필요에 따라 모듈을 절단하여 부분적으로 사용할 수 있기 때문에, 하나의 생산공겅으로 다양한 크기의 모듈을 생산할 수 있다.

다입력단자를 갖춘 열전모듈을 냉각기나 가열기로 사용중 장시간 사용 등의 원인으로 일부 입력단자가 들어있는 부위가 냉각이나 가열 등의 성능을 발휘하지 못할 경우에 나머지 입력단자가 들어있는 부위는 계속 작동되어 정상적인 작동시보다 효율은 적지만 최소 50% 정도의 효율로서 유지가 가능하기 때문에, 종래와 같이 작동이 정지함에 의한 여러가지 문제점을 해소할 수 있다.

또한, 다양한 온도제어가 필요한 냉각기에서 냉각을 하고, 일정온도에 도달되어 항온이 유지될 때, 여러개의 모듈중 일부 부분만을 작동하게 하여 불필요한 전력낭비를 줄일 수 있다. 따라서, 초기에 모든 입력단자에 전류가 입력되어 냉각을 시작하고, 원하는 온도에 도달되면 열전대에 의해서 냉각되는부위의 온도를 인식하여 릴레이가 일부 입력단자의 전류흐름을 차단시켜서 일부에만 전류가 흐르도록 하여 불필요한 전력의 손실을 방지할 수 있다.

상기와 같은 모듈의 파손에 따른 냉각능력을 표 1에 나타낸다.

[표 1]

다음, 본 발명에 따른 열전모듈의 제조방법을 설명한다.

흡열량 13W를 갖춘 31개의 P, N쌍으로 이루어진 열전모듈은 우선 알루미나 기판을 10×40×0.635㎜의 크기로 2매를 준비하고 Mo-Mn페이스트를 알루미나판 전면에 스크린 프린트한다. 그 후, 메탈라이징(metallizing) 열처리 후 Pb-Sn계 또는 Bi-Sn계 페이스트를 스크린프린팅하고, 0.4㎜의 구리판을 그 위에 올려놓고 솔더링하여 접합한다. 그리고, 그 위에 Ni도금을 1㎛의 두께로 실시하고 선택에칭에 의해 제9a도 및 제9b도와 같은 형태로 구리전극의 형태를 제작한다. 그 후, Pb-Sn계 또는 Bi-Sn계 페이스트를 스크린프린팅하고, 그 위에 제9c도와 같은 시편 적재위치에 구멍이 있는 지그를 설치하고, P, N칩들을 X, Y축방향으로 교대교대로 설치하고 약 230℃에서 솔더링하여 접합한 후 빼내고, 동일한 방법으로 반대측 알루미나판상의 구리전극과 칩들을 접합함으로써, 알루미나기판 크기(10×40×0.635㎜)에 31개의 P, N쌍을 갖는 흡열량 13W의 열전모듈이 제작된다.

다음, 본 발명에 따른 열전모듈의 다른 제조방법을 설명한다.

알루미나기판을 40×40×0.635㎜의 크기로 2매를 준비하고, Mo-Mn페이스트를 알루미나판 전면에 스크린프린트하고, 메탈라이징 열처리후, Pb-Sn계 또는 Bi-Sn계 페이스트를 스크린프린트하고, 0.4㎜의 구리판을 그 위에 올려놓고 솔더링하여 접합한다. 그 위에 Ni도금을 1㎛ 실시하고, 선택에칭법에 의해 제5b도 및 제5c도와 같은 형태로 구리전극형태를 제작한다. 그 후, Pb-Sn계 또는 Bi-Sn계 페이스트를 스크린프린트하고, 그 위에 시편 적재위치에 구멍이 있는 지그를 설치하고 P, N칩들을 X, Y축방향으로 교대교대로 설치하고, 약 230℃에서 솔더링하여 접합을 한 후, 지그를 빼내고 같은 방법으로 반대측 알루미나판상의 구리전극과 칩들을 접합하여 알루미나기판 크기(40×40×0.635㎜)에 124개의 P, N쌍을 갖춘 열전모듈이 제작된다. 그 후, 열전모듈을 1/4부분씩 절단해서 한꺼번에 알루미나 크기 10×40㎜, 칩 31쌍인 열전모듈 4개를 제작할 수 있었다. 이와 같이 해서 본 실시예에서 열전모듈 4개 제작시 소요되는 각종 지그 및 작업횟수가 종래의 방법에 비해 대폭 감소하게 된다.

상기와 같은 종래방법과의 차이점을 표 2에서 나타낸다.

[표 2]

따라서, 표 2에서 나타낸 바와 같이, 기존 방법에 비해서 한번 제조된 시편에서 4개의 시편을 얻을 수 있기 때문에, 여러 공정에서의 작업횟수가 감소하였고, 사용되는 금속마스크의 수나 적재지그 등의 수가 적어도 되기 때문에 상당한 이점을 갖추고 있다.

한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양하게 실시할 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 칩 적재시 혼돈을 방지할 수 있고, 열전모듈내의 칩의 파손이나 칩과 구리전극과의 접합불량 등에 의해 불량이 발생한 경우에도 다른 전원입력단자가 연결된 열전모듈의 부분에 의해 정상적으로 작동이 가능하기 때문에 일부 불량이 생기더라도 사용할 수 있게 된다.

또한, 전류입력단자를 여러개 들어가도록 만들고 한번의 공정으로 제작된 열전모듈을 필요한 흡열량에 상응하도록 다수의 모듈로 절단하여 보다 저렴하게 소형모듈을 제작할 수 있다.

Claims (1)

1. 세라믹기판상에 복수의 Bi-Te계 N형칩과 P형칩이 교대로 배열되고, 칩간에 구리전극이 연결되어 있는 열전모듈에 있어서,

   X측 또는 Y축중의 한축방향으로 일렬로 배치되면서, P형열과 N형열을 서로 교대로 배치한 복수의 P형칩 또는 N형칩과;

   이 복수의 P형칩 또는 N형칩이 교대로 적재되도록 구성된 구리전극 및;

   이 구리전극에 +, -의 전류가 흐를 수 있게 접속된 복수의 전류입력단자를 구비하여 구성되고,

   상기 복수의 전류입력단자는 최소 둘 이상, 최대 칩의 적재열 또는 행의 수와 동일한 수로 구성되어 필요에 따라 전류의 량을 조절할 수 있게 되어 있는 것을 특징으로 하는 열전모듈.

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