KR101075772B1 - 열전 모듈 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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KR101075772B1
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김용석
이성호
오용수
구태곤
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 열전 모듈에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 및 제 2 기판의 내측 면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 중 열을 흡수하는 고온단 측의 기판과 인접하는 고온부 충진재 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판과 인접하는 저온부 충진재를 포함하는 하이브리드 충진재;를 포함하는 열전 모듈이 제공된다.

Description

열전 모듈 및 이를 제조하는 방법{Thermoelectric module and method for fabricating the same}
본 발명은 열전 모듈 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 수분 등의 침투를 방지하여 열전 모듈 내에 크랙 또는 부식이 발생되지 않는 열전 모듈 및 열전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
열전 모듈(Thermoelectric Module)은 고체 상태(Solid State) 방식의 히트 펌프(Heat Pump)로 작동하며, 냉각기로도 또는 가열기로도 이용이 가능하다. 구조가 간단하면서도 신뢰성이 높고, 기계적 작동부품이 없기 때문에 기존의 컴프레서(Compressor) 등을 이용한 냉각기와 비교하여 보면, 소음과 진동이 없을 뿐만 아니라 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
또한, 간단한 조작으로 정밀하고 신속한 온도 조절 및 냉각/가열 전환이 가능하여, 고정밀 냉각기/항온기, 광부품 소자, 광학 센서 및 정밀 전자제품에 적용되고 있다.
또한, 열전 모듈은 직류전원의 극성을 바꾸어 줌으로써 하나의 모듈에서 냉각과 가열을 동시에 구현할 수 있기 때문에, 공조장치(Air Handling Unit) 등에도 효과적으로 활용될 수 있다. 그 밖에 예컨대 소형 냉장기, 화장품 냉장고, 와인 냉장기, 냉온정수기, 차량용 냉방시트, 반도체 설비, 정밀 항온조 등의 냉각/항온 장치로 이용될 수 있다.
이러한 열전 모듈을 제작하기 위해서 소자의 크기, 특성, 접합, 패키징 등이 중요한 이슈가 된다. 모듈의 설계 및 제작 방법에 따라 특성 및 내구성, 신뢰성, 기타 환경변화에 따른 열전 모듈의 특성이 결정될 수 있다.
열전 모듈은 열을 흡수하여 상대적으로 온도가 높은 고온단과 열을 방출하여 상대적으로 온도가 낮은 저온단을 구비하며, 이러한 고온단과 저온단의 온도 차에 의해 고온단과 저온단의 열팽창이 차이가 나게 되고, 이러한 열팽창의 차이에 열전 모듈의 열화 차이가 발생하게 되는 문제를 발생시킨다.
또한 고온단과 저온단의 열팽창의 차이는 열전 모듈의 수축과 팽창의 차이를 일으켜 들뜸을 일으키고, 수분 침투가 발생시켜 열전 모듈의 크랙 및 부식을 발생시키는 등의 문제를 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 열전 모듈은 고온단과 저온단의 온도 차에 의한 열팽창의 차이에 의한 열화 차이 및 수분 침투 등에 의해 발생되는 크랙 및 부식 등이 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 고온부 충진재 및 저온부 충진재로 이루어진 하이브리드 충진재를 충진하여 열전 모듈의 열팽창의 차이에 의한 열화 차이 및 수분 침투 등에 의해 발생되는 크랙 및 부식 등의 문제점을 해결할 수 있는 열전 모듈 및 이를 제조하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 열전 모듈을 제공하는 것이다. 상기 열전 모듈은 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 및 제 2 기판의 내측 면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극; 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 중 열을 흡수하는 고온단 측의 기판과 인접하는 고온부 충진재 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판과 인접하는 저온부 충진재를 포함하는 하이브리드 충진재;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하이브리드 충진재는 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되되, 상기 제1 기판과 제 2 기판 사이를 완전히 충진하지 않고 빈공간이 존재하도록, 상기 제 1 기판의 내측 면, 제 1 전극의 표면, 열전 소자의 표면, 제 2 전극의 표면 및 제 2 기판의 내측 면 상에 일정 두께로 도포될 수 있다.
여기서, 상기 고온부 충진재는 상기 고온단 측의 기판의 열팽창에 대응하는 재질을 구비하며, 상기 저온부 충진재는 상기 저온단 측의 기판의 열팽창에 대응하는 재질을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 세라믹 기판이며, 상기 고온부 충진재의 재질은 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 적어도 어느 하나가 혼합된 재질일 수 있다.
또한, 상기 저온부 충진재는 파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 재질일 수 있다.
여기서, 상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스를 더 개재할 수 있다.
또한, 상기 열전소자는 상기 제 1 및 제 2 전극과 솔더에 의해 서로 접합될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전 모듈 제조 방법을 제공하는 것이다. 상기 열전 모듈 제조 방법은 제 1 전극, 제 1 솔더층 및 열전소자가 적층되어 배치된 제 1 기판을 형성하는 단계; 상기 열전 소자와 대응되는 제 2 전극 및 제 2 솔더층이 적층되어 배치된 제 2 기판을 형성하는 단계; 상기 제 1 기판 상에 상기 제 2 기판을 배치시키고, 리플로우 공정을 수행하여 상기 제 1 및 제 2 솔더층에 의해 제 1 및 제 2 전극과 열전소자를 서로 접합시켜 상기 제 1 기판과 제 2 기판을 접합시키는 단계; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 상기 제 1 기판과 제 2 기판 중 열을 흡수하는 고온단 측의 기판과 인접하는 고온부 충진재 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판과 인접하는 저온부 충진재를 포함하는 하이브리드 충진재를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 세라믹 기판일 수 있다.
이때, 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계는 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 어느 하나가 혼합된 고온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 저온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 및 딥핑법을 이용하여 상기 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료를 상기 접합된 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 충진하여 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계는 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 어느 하나가 혼합된 고온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 저온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 및 함침법을 이용하여 상기 고온부 충진재 원료를 상기 제 1 기판의 내측 면, 제 1 전극의 표면 및 열전 소자의 일부의 표면 상에 도포하고, 상기 저온부 충진재 원료를 제 2 기판의 내측 면, 제 2 전극의 표면 및 열전 소자의 나머지 일부의 표면 상에 도포하여 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 형성할 수 있다.
본 발명은 열팽창의 차이에 의한 열화 차이 및 열팽창의 차이에 의해 발생된 들뜸으로의 수분 침투 등에 의해 발생되는 크랙 및 부식 등이 발생되지 않는 열전 모듈 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 보여 주는 단면도들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 보여 주는 단면도들이다.
본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈(100)은 서로 마주하며 이격된 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)과 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)의 내측면에 각각 개재된 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)과, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b) 사이에 개재된 열전소자(130)를 포함할 수 있다.
또한, 열전 모듈(100)은 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b) 사이에 충진된 하이브리드 충진재(140)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 열전소자(130)와 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 열전소자(130)가 다수 개로 구비될 경우, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 다수 개의 열전소자(130)들을 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제 1 기판(110a) 및 제 2 기판(110b)은 외부장치와 접합되어 열전소자(130)의 열교환을 통해 외부로부터 열을 흡열시키거나 외부로 열을 방열시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 제 1 기판(110a) 및 제 2 기판(110b)은 외부장치와 열전소자(130) 간의 열전달을 수행하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 열전모듈(100)의 효율은 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)의 열전도율에 의한 영향을 받을 수 있다.
이를 위해, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 열전도율은 높은 세라믹으로 이루어질 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 우수한 열전도율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 알루미늄 및 구리 등으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 우수한 열전도율을 가질 수 있어, 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 내측면, 정확하게는 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(120a) 사이 및 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(120b) 사이에는 금속으로 이루어진 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)과 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b) 사이를 절연하기 위한 절연층(미도시)을 배치시켜, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)의 전기 절연성을 부여할 수 있다. 이때, 절연층은 열전 모듈(100)을 형성하는 공정을 견딜 수 있는 내구성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 절연층은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여기서, 절연층의 두께는 0.2㎛ 내지 10㎛의 범위내로 형성할 수 있다. 이는, 절연층의 두께가 0.2㎛ 미만일 경우, 절연성을 확보하기 어렵기 때문이다. 반면, 절연층의 두께가 10㎛를 초과할 경우, 제 1 기판(110a) 또는 제 2 기판(110b)과 열전소자(130) 간의 열전도율을 저하시킬 수 있기 때문이다.
이에 더하여, 절연층은 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 절연성을 확보하는 역할뿐만 아니라, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)에 형성된 공극을 메우는 역할을 더 수행할 수 있다. 이로써, 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(120a) 사이와, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(120a) 사이에서 공극에 의해 열전달이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 열전소자(130)는 P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)를 포함할 수 있다. 이때, P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)는 동일한 평면상에 교대로 배열될 수 있다.
이때, 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)은 열전소자(130)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 이때, 한 쌍의 P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)는 그 하면에 배치된 제 1 전극(120a)에 의해 전기적으로 접속되고, 이웃한 다른 한 쌍의 P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)는 그 상면에 배치된 제 2 전극(120b)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
제 1 전극(120a) 및 제 2 전극(120b)과 열전소자(130)는 솔더(150)에 의해 서로 접합되어 있을 수 있다. 여기서, 솔더(150)는 PbSn 또는 CuAgSn등과 같이 Sn을 포함할 수 있다.
이에 더하여, 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)은 와이어(160)에 의해 외부 전원부와 접속되어, 외부 전원부로 전원을 공급하거나 공급받을 수 있다. 즉, 열전 모듈(100)이 발전장치의 역할을 할 경우, 전원을 외부 전원부로 공급할 수 있으며, 냉각장치의 역할을 할 경우, 전원을 외부 전원부로부터 공급받을 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 각 구성 간의 경계면 사이에 열전도성 구리스가 개재될 수 있다. 예컨대, 열전도성 구리스(thermal grease)는 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(120a) 사이, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(120b) 사이, 열전소자(130)와 제 1 전극(120a) 사이 및 열전소자(130)와 제 2 전극(120a) 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 개재될 수 있다. 여기서, 열전도성 구리는 각 경계면에서 형성된 공극을 메우는 역할을 하여, 공극에 의해 열전도율이 저하되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
하이브리드 충진재(140)는 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 사이에 개재되어 있다.
여기서, 제 1 기판(110a)이 열을 흡수하는 고온단 측이고, 제 2 기판(110b)가 열을 방출하는 저온단 측이라 가정하면, 하이브리드 충진재(140)는 열을 흡수하는 고온단 측의 기판인 제 1 기판(110a)과 인접하는 고온부 충진재(140a) 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판인 제 2 기판(110b)과 인접하는 저온부 충진재(140b)를 포함하고 있다. 이때, 제 1 기판(110a)이 저온단 측이고, 제 2 기판(110b)가 고온단 측이라고 한다면, 고온부 충진재(140a)와 저온부 충진재(140b)의 위치가 서로 바뀔 수 있다.
고온부 충진재(140a)와 저온부 충진재(140b)는 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 열팽창 차이에 의해 발생되는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 상기에서 상술한 바와 같이 고온단 측인 제 1 기판(110a)과 저온단 측인 제 2 기판(110b)은 서로 온도가 다르고, 이러한 다른 온도에 의해 열팽창에 차이가 발생하여 열전 모듈에 열화 차이 또는 크랙 및 부식을 발생시키는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
이는 고온부 충진재(140a)가 고온단 측인 제 1 기판(110a)의 열팽창에 대응하는 재질을 구비되며, 저온부 충진재(140b)가 저온단 측인 제 2 기판(110b)의 열팽창에 대응하는 재질을 구비됨으로써 이루어질 수 있다. 즉, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 사이에 하이브리드 충진재(140)으로 충진하되, 고온단 측인 제 1 기판(110a)의 열팽창과 동일하거나 유사한 재질로 이루어진 고온부 충진재(140a)가 제 1 기판(110a)과 인접하도록 충진되고, 저온단 측인 제 2 기판(110b)의 열팽창과 동일하거나 유사한 재질로 이루어진 저온부 충진재(140b)가 제 2 기판(110b)과 인접하도록 충진됨으로써 이루어질 수 있다.
이때, 제 1 기판(110a) 및 제 2 기판(110b)이 세라믹 기판인 경우, 고온부 충진재(140a)는 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 적어도 어느 하나가 혼합된 재질로 이루어질 수 있으며, 저온부 충진재(140b)는 파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 재질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 고온부 충진재(140a)는 섬유강화플라스틱과 패럴린이 혼합된 재질로 이루어질 수 있으며, 저온부 충진재(140b)는 유리섬유와 파라핀이 혼합된 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 도 1에서는 제 1 기판(110a)의 내측 면과 제 2 기판(110b)의 내측 면 사이에 고온부 충진재(140a)와 저온부 충진재(140b)를 포함하는 하이브리드 충진재(140)가 충진되어 있는 것으로 도시하고 있으나, 필요하다면, 제 1 기판(110a)의 외측 면과 네 측면 상, 즉, 제 1 기판(110a)의 표면 전체에 걸쳐 고온부 충진재가 구비될 수 있으며, 제 2 기판(110b) 역시 외측 면과 네 측면, 즉, 제 2 기판(110b)의 표면 전체에 걸쳐 저온부 충진재가 구비될 수 있다. 이때, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 각각의 외측 면과 네 측면들에 구비된 고온부 충진재와 저온부 충진재는 내 측면들 사이에 구비된 고온부 충진재(140a)와 저온부 충진재(140b)에 비해 얇은 두께로 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈(200)은 서로 마주하며 이격된 제 1 및 제 2 기판(210a, 210b)과 제 1 및 제 2 기판(210a, 210b)의 내측면에 각각 개재된 제 1 및 제 2 전극(220a, 220b)과, 제 1 및 제 2 기판(210a, 210b) 사이에 개재된 열전소자(230)를 포함할 수 있다.
또한, 열전 모듈(200)은 제 1 및 제 2 기판(210a, 210b) 사이에 개재된 하이브리드 충진재(240)를 포함할 수 있다.
또한, 열전 모듈(200)은 제 1 전극(220a) 및 제 2 전극(220b)과 열전소자(230)를 연결하는 솔더(250)를 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 전극(220a, 220b)를 외부 전원부과 접속하는 와이어(260)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 열전 모듈(200)은 도 1을 참조하여 설명한 열전 모듈(100)와는 하이브리드 충진재(240)에서 차이가 있을 뿐 다른 구성인 제 1 및 제 2 기판(210a, 210b), 제 1 및 제 2 전극(220a, 220b), 열전 소자(230), 솔더(250), 와이어(260) 및 기타 구성은 도 1을 참조하여 설명한 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b), 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b), 열전 소자(130), 솔더(150), 와이어(160) 및 기타 구성과 동일함으로 이들 구성에 대한 자세한 설명은 생략하고, 차이가 있는 하이브리드 충진재(240)에 대해서만 설명한다.
본 실시 예의 하이브리드 충진재(240)는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 기판(210a)과 제 2 기판(210b) 사이에 개재되되, 제 1 기판(210a)의 내측 면, 제 1 전극(220a), 열전 소자(230), 제 2 전극(220b) 및 제 2 기판(210b)의 내측 면 등의 표면 상에 일정 두께로 도포된 형태로 구비된다. 정확하게는, 제 1 기판(210a)의 내측 면, 제 1 전극(220a), 열전 소자(230), 제 2 전극(220b) 및 제 2 기판(210b)의 내측 면 등의 노출된 표면 상에 일정 두께로 도포된 형태로 구비되어 열전 소자(230)들 사이는 완전히 충진하지 않고 빈 공간이 존재하도록 구비된다.
이때, 하이브리드 충진재(240)는 도 1을 참조하여 설명한 고온부 충진재(140a) 및 저온부 충진재(140b)와 마찬가지로 고온부 충진재(240a) 및 저온부 충진재(240b)를 구비하며, 각각 고온단 측인 제 1 전극(210a) 및 저온단 측인 제 2 전극(210b)과 인접하도록 구비된다.
하이브리드 충진재(240)의 고온부 충진재(240a) 및 저온부 충진재(240b)를 이루는 재질 및 기능은 도 1을 참조하여 설명한 고온부 충진재(140a) 및 저온부 충진재(140b)의 재질 및 기능은 동일함으로 자세한 설명은 생략한다.
도 3 내지 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 보여 주는 단면도들이다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 열전 모듈을 제조하기 위해, 먼저 제 1 기판(110a)을 제공한다.
제 1 기판(110a)은 세라믹으로 이루어진 세라믹 기판일 수 있다.
또한 제 1 기판(110a)는 우수한 열전도율을 갖는 금속 재질로 이루어져 있을 수 있으며, 제 1 기판(110a)이 금속 재질로 이루어질 경우, 제 1 기판(110a) 내측면 상에 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
절연층은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 여기서, 절연층을 형성하는 방법의 예로서는, 인쇄법, ALD(Atom layer deposion)법, 스퍼터법, E-beam법 및 CVD법등일 수 있으며, 그 두께는 절연성 확보 및 열전도율에 대한 영향을 고려하여, 0.2㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성할 수 있다.
제 1 기판(110a) 내측면 상에 제 1 전극(120a)을 형성한다. 여기서, 제 1 전극(120a)은 도전물질을 증착하여 도전막을 형성한 후, 도전막을 패터닝하여 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니며, 예컨대 제 1 전극(120a)은 도금공정 및 인쇄공정 등을 통해 형성할 수도 있다.
이어서, 제 1 전극(120a) 상에 제 1 솔더층(150a)을 형성한다. 제 1 솔더층(150a)은 PbSn 또는 CuAgSn등과 같이 Sn을 포함하는 도전성 페이스트를 인쇄하여 형성할 수 있다.
이어서, 제 1 솔더층(150a)상에 열전소자(130)를 배치시킨다. 여기서, 열전소자(130)는 P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)를 포함할 수 있으며, 이때, P형 반도체(130a)와 N형 반도체(130b)를 서로 교대로 배치시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 기판(110a) 상에 제 1 전극(120a), 제 1 솔더층(150a) 및 열전소자(130)를 형성하는 공정과 별개로 제 2 기판(110b)을 준비하고, 제 2 기판(110b)의 내측면 상에 제 2 전극(120b) 및 제 2 솔더층(150b)을 형성하는 공정을 진행한다.
이때, 제 2 기판(110b)는 제 1 기판(110a)과 동일하게 세라믹으로 이루어진 세라믹 기판일 수 있고, 우수한 열전도율을 갖는 금속 재질로 이루어져 있을 수 있으며, 제 2 기판(110b)이 금속 재질로 이루어질 경우, 제 2 기판(110b) 내측 면 상에 절연층(미도시)을 형성할 수 있다.
제 2 기판(110b)의 내측면 상에 제 2 전극(120b) 및 제 2 솔더층(150b)을 순차적으로 형성한다. 여기서, 절연층, 제 2 전극(120b) 및 제 2 솔더층(150b)은 도 3을 참조하여 설명한 절연층, 제 1 전극(120a) 및 제 1 솔더층(150a)의 재질과 동일할 수 있고, 동일한 형성 방법 등을 통해 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 열전소자(130)와 제 2 전극(120b)이 서로 접촉하도록 제 1 기판(110a)상에 제 2 기판(110b)을 배치시킨 후, 제 2 기판(110b) 또는 제 1 기판(110a)에 일정 압력을 가하면서, 리플로우 공정을 통해 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)과 열전소자(130)를 서로 접합시킴으로써, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)을 접합한다.
도 6을 참조하면, 접합된 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 사이에 하이브리드 충진재(140)를 충진하는 공정을 진행하여 열전 모듈(100)을 완성한다.
이때, 하이브리드 충진재(140)를 충진하는 공정은 우선 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료를 준비하는 공정을 진행한다. 고온부 충진재 원료는 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 어느 하나를 혼합하여 준비하고, 저온부 충진재 원료는 파라핀 또는 왁스에 유리섬유를 혼합하여 준비한다. 바람직하게는 고온부 충진재 원료는 섬유강화플라스틱과 패럴린을 혼합하여 준비하고, 저온부 충진재 원료는 유리섬유와 파라핀이 혼합하여 준비한다.
이어서, 저온부 충진재 원료 및 고온부 충진재 원료를 이용하여 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 사이에 고온부 충진재(140a) 및 저온부 충진재(140b)를 포함하는 하이브리드 충진재(140)를 충진하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈(100)을 형성한다.
이때, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b) 사이에 고온부 충진재(140a) 및 저온부 충진재(140b)를 충진하는 방법은 여러 방법이 있을 수 있으나, 대표적으로 디핑법을 이용하여 충진할 수 있다.
즉, 저온부 충진재 원료 및 고온부 충진재 원료를 용액 또는 슬러리 형태로 형성, 즉, 저온부 충진재 원료 용액 또는 고온부 충진재 원료 용액를 형성하거나, 저온부 충진재 원료 슬러리 또는 고온부 충진재 원료 슬러리로 형성한다. 이어서, 저온부 충진재 원료 용액 또는 저온부 충진재 원료 슬러리에 제 2 기판(110b)이 잠기되, 제 1 기판(110a)은 잠기지 않도록, 즉, 접합된 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)이 절반 정도 잠기도록 하여 저온단 측인 제 2 기판(110b) 측에 저온부 충진재(140b)를 형성하고, 고온부 충진재 원료 용액 또는 고온부 충진재 원료 슬러리에 제 1 기판(110a)이 잠기되, 접합된 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 나머지 부분이 잠기도록 하여 고온단 측인 제 1 기판(110a) 측에 고온부 충진재(140a)가 충진되도록 함으로써 충진할 수 있다.
이때, 상기에서는 저온부 충진재(140b)를 먼저 형성하고, 고온부 충진재(140a)를 형성하는 것으로 설명하고 있으나, 고온부 충진재(140a)를 먼저 형성한 후, 저온부 충진재(140b)를 형성할 수 있다.
한편, 도에서 도시하고 있지 않지만, 제 1 기판(110a)의 외측 면 및 네 측면 상에도 제 1 기판(110a) 측에 고온부 충진재(140a)를 형성할 때 고온부 충진재(140a)를 일정 두께로 동시에 형성할 수 있고, 제 2 기판(110b)의 외측 면 및 네 측면 상에서도 마찬가지로 저온부 충진재(140b)를 형성할 때, 저온부 충진재(140b)를 일정 두께로 형성할 수 있다.
이에 더하여, 도면에는 도시하지 않았으나, 각 구성간의 경계면, 예컨대 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(120a) 사이, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(120b) 사이, 열전소자(130)와 제 1 전극(120a) 사이 및 열전소자(130)와 제 2 전극(120b) 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스를 더 형성할 수도 있다.
이에 더하여, 도면에서는 도시하지 않았으나, 도 1에 도시된 열전 모듈(100)과 같이 제 1 전극(120a) 및 제 2 전극(120b)에 각각 와이어(160)가 연결되도록, 제 1 전극(120a) 및 제 2 전극(120b)에 와이어(160)를 연결하는 공정을 진행할 수도 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 보여 주는 단면도들이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법과 동일하게 우선, 제 1 기판(210a)을 준비하고, 제 1 기판(210a)의 내측 면 상에 제 1 전극(220a), 제 1 솔더층(250a) 및 열전소자(230)를 순차적으로 형성한다. 이어서, 제 2 기판(210b)을 준비하고, 제 2 기판(210b)의 내측 면 상에 제 2 전극(220b) 및 제 2 솔더층(250b)를 순차적으로 형성한다. 그리고, 열전소자(230)와 제 2 전극(220b)이 서로 접촉하도록 제 1 기판(210a)상에 제 2 기판(210b)을 배치시킨 후, 리플로우 공정을 통해 제 1 및 제 2 전극(220a, 220b)과 열전소자(230)를 서로 접합시켜 제 1 기판(210a)과 제 2 기판(220b)을 합착시킨다. 기타 세부적인 공정, 재질 등은 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열전 모듈의 제조 방법과 동일함으로 이를 참조한다.
도 8을 참조하여 설명하면, 접합된 제 1 기판(210a)과 제 2 기판(210b) 사이에 하이브리드 충진재(240)를 도포하는 공정을 진행하여 열전 모듈(200)을 완성한다.
이때, 하이브리드 충진재(240)를 도포하는 공정은 우선 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료를 준비하는 공정을 진행한다. 이때, 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료는 도 6을 참조하여 설명한 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료와 동일한 재질 및 동일한 방법으로 준비할 수 있음으로 자세한 설명은 생략한다.
본 실시 예에서는 하이브리드 충진재(240)를 함침법을 이용하여 형성할 수 있다.
즉, 저온부 충진재 원료 및 고온부 충진재 원료를 용액 또는 슬러리 형태로 형성, 즉, 저온부 충진재 원료 용액 또는 고온부 충진재 원료 용액를 형성하거나, 저온부 충진재 원료 슬러리 또는 고온부 충진재 원료 슬러리로 형성한다. 이어서, 저온부 충진재 원료 용액 또는 저온부 충진재 원료 슬러리에 제 2 기판(210b)을 잠기되, 제 1 기판(210a)은 잠기지 않도록, 즉, 접합된 제 1 기판(210a)과 제 2 기판(210b)이 절반 정도 잠기도록 한 후 함침시켜, 제 2 기판(210b)의 내측 면, 제 2 전극(220b) 및 열전 소자(230)의 일부의 표면 상에 일정 두께의 저온부 충진재(240b)를 형성하고, 고온부 충진재 원료 용액 또는 고온부 충진재 원료 슬러리에 제 1 기판(210a)을 잠기도록 하되, 접합된 제 1 기판(210a)과 제 2 기판(210b)의 나머지 부분이 잠기도록 하여 고온단 측인 제 1 기판(210a)의 내측 면, 제 1 전극(210b) 및 열전 소자(230)의 나머지 일부의 표면 상에 고온부 충진재(240a)가 일정 두께로 도포되도록 형성할 수 있다.
이때, 상기에서는 저온부 충진재(240b)를 먼저 도포하고, 고온부 충진재(240a)를 도포하는 것으로 설명하고 있으나, 고온부 충진재(240a)를 먼저 도포한 후, 저온부 충진재(240b)를 도포할 수 있다.
한편, 도에서 도시하고 있지 않지만, 제 1 기판(210a)의 외측 면 및 네 측면 상에도 제 1 기판(210a) 측에 고온부 충진재(240a)를 도포할 때 고온부 충진재(240a)를 일정 두께로 동시에 형성할 수 있고, 제 2 기판(210b)의 외측 면 및 네 측면 상에서도 마찬가지로 저온부 충진재(240b)를 도포할 때, 저온부 충진재(240b)를 일정 두께로 형성할 수 있다.
이에 더하여, 도면에는 도시하지 않았으나, 각 구성간의 경계면, 예컨대 제 1 기판(210a)과 제 1 전극(220a) 사이, 제 2 기판(210b)과 제 2 전극(220b) 사이, 열전소자(230)와 제 1 전극(220a) 사이 및 열전소자(230)와 제 2 전극(220b) 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스를 더 형성할 수도 있다.
이에 더하여, 도면에서는 도시하지 않았으나, 도 2에 도시된 열전 모듈(200)과 같이 제 1 전극(220a) 및 제 2 전극(220b)에 각각 와이어(260)가 연결되도록, 제 1 전극(220a) 및 제 2 전극(220b)에 와이어(260)를 연결하는 공정을 진행할 수도 있다.
100, 200 : 열전 모듈 110a, 210a : 제 1 기판
110b, 210b : 제 2 기판 120a, 220a : 제 1 전극
120b, 220b : 제 2 전극 130, 230 : 열전소자
140, 240 : 하이브리드 충진재 150, 250 : 솔더

Claims (12)

  1. 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판;
    상기 제 1 및 제 2 기판의 내측 면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극;
    상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자; 및
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 중 열을 흡수하는 고온단 측의 기판과 인접하는 고온부 충진재 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판과 인접하는 저온부 충진재를 포함하는 하이브리드 충진재;를 포함하는 열전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드 충진재는 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 개재되되, 상기 제1 기판과 제 2 기판 사이를 완전히 충진하지 않고 빈공간이 존재하도록, 상기 제 1 기판의 내측 면, 제 1 전극의 표면, 열전 소자의 표면, 제 2 전극의 표면 및 제 2 기판의 내측 면 상에 일정 두께로 도포된 열전 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온부 충진재는 상기 고온단 측의 기판의 열팽창에 대응하는 재질을 구비하며,
    상기 저온부 충진재는 상기 저온단 측의 기판의 열팽창에 대응하는 재질을 구비하는 열전 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판은 세라믹 기판이며,
    상기 고온부 충진재의 재질은 패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 적어도 어느 하나가 혼합된 재질인 열전 모듈.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판은 세라믹 기판이며,
    상기 저온부 충진재는 파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 재질인 열전 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스를 더 개재하는 열전 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 제 1 및 제 2 전극과 솔더에 의해 서로 접합된 열전 모듈.
  8. 제 1 전극, 제 1 솔더층 및 열전소자가 적층되어 배치된 제 1 기판을 형성하는 단계;
    상기 열전 소자와 대응되는 제 2 전극 및 제 2 솔더층이 적층되어 배치된 제 2 기판을 형성하는 단계;
    상기 제 1 기판 상에 상기 제 2 기판을 배치시키고, 리플로우 공정을 수행하여 상기 제 1 및 제 2 솔더층에 의해 제 1 및 제 2 전극과 열전소자를 서로 접합시켜 상기 제 1 기판과 제 2 기판을 접합시키는 단계; 및
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 상기 제 1 기판과 제 2 기판 중 열을 흡수하는 고온단 측의 기판과 인접하는 고온부 충진재 및 열을 방출하는 저온단 측의 기판과 인접하는 저온부 충진재를 포함하는 하이브리드 충진재를 형성하는 단계;를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판은 세라믹 기판인 열전 모듈의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계는
    패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 어느 하나가 혼합된 고온부 충진재 원료를 준비하는 단계;
    파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 저온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 및
    딥핑법을 이용하여 상기 고온부 충진재 원료 및 저온부 충진재 원료를 상기 접합된 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 충진하여 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계는
    패럴린 또는 테프론에 산화 지르코늄, 탄화규소, 타이타늄산칼륨 유리섬유 및 섬유강화플라스틱 중 어느 하나가 혼합된 고온부 충진재 원료를 준비하는 단계;
    파라핀 또는 왁스에 유리섬유가 혼합된 저온부 충진재 원료를 준비하는 단계; 및
    함침법을 이용하여 상기 고온부 충진재 원료를 상기 제 1 기판의 내측 면, 제 1 전극의 표면 및 열전 소자의 일부의 표면 상에 도포하고, 상기 저온부 충진재 원료를 제 2 기판의 내측 면, 제 2 전극의 표면 및 열전 소자의 나머지 일부의 표면 상에 도포하여 상기 하이브리드 충진재를 형성하는 단계를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 형성하는 열전 모듈의 제조 방법.
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