KR101324668B1 - 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 - Google Patents

열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하부기판의 상면에 하부전극을 형성하는 제 1 단계; 하부전극의 상면에 P형 반도체 및 N형 반도체를 인쇄하는 제 2 단계; 하부전극, P형 반도체 및 N형 반도체의 측면에 단열재를 충진하는 제 3 단계; P형 반도체 및 N형 반도체의 상면에 상부전극을 형성하는 제 4 단계; 및 상부전극의 상면에 상부기판을 접착하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 구현한바, 전극, P형 반도체 및 N형 반도체가 스크린 프린팅에 의해 기판에 형성됨으로써, 전극, P형 반도체 및 N형 반도체의 두께를 미세하게 조절하여 박막화가 가능한 효과가 있다. 또한, 다양한 크기 및 형상을 가지는 열전모듈을 구현할 수 있고, 제조공정이 단순화되어 생산성이 향상되며 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 유연한 재질의 기판을 사용하여 펠티어 소자의 자유로운 형상 제조가 가능하고, 이로 인해 대상체의 굴곡면에도 부착하는 등 대상체의 형상 자유도가 커지는 효과가 있다. 또한, 피부감지속도만큼 빠른 온도 변화를 유도함으로써 온열감제시장치와 같은 촉감제시 모듈로도 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈{Method for Manufacturing Thermoelectric Module and Thermoelectric Module Thereby}
본 발명은 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연성 재질의 기판을 사용하여 용응분야의 범위를 확대할 수 있고, 스크린 프린팅공법을 이용하여 박막화가 가능한 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.
열전모듈은 크게 제백(Seeback) 효과를 이용한 소자 또는 펠티어(Peltier) 효과를 이용한 소자의 두 가지 응용분야가 있다.
제백 소자는 양단의 온도차가 발생할 때 기전력이 발생하는 현상으로 이를 이용하여 폐열발전 또는 체온을 이용한 시계와 같은 소형전자소자의 전원, 방사능 반감 열을 이용한 우주 탐사선의 전원 등으로 사용된다.
펠티어 소자는 양단에 전류를 흘리면 전하를 따라 열이 이동하여 일측은 냉각이 되고, 타측은 가열이 되는 현상을 의미한다. 이를 이용하면 기계적 동작이 없는 순전히 전자만을 이용한 가열 또는 냉각장치를 만들 수 있다.
이러한 열전모듈을 이용한 냉각은 기존의 컴프레셔 타입의 냉각기에 비해 냉각 효율은 떨어지지만 상대적으로 기계적인 소음이 없고, 온도 제어가 정확하며, 반응 응답시간이 짧아져 비교적 낮지 않은 온도(섭씨 5℃ 내지 10℃)를 유지하거나, 소형의 냉장고에서는 비교적 높은 냉각효율을 가지므로 널리 사용되고 있다.
한편, 각종 반도체칩의 고밀도 집적 배열로 인한 공간 활용의 극대화는 반도체 관련 기술분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이러한 고밀도 집적 배열은 이 기술분야에서 초기에는 주로 나노 공정의 개발로 인한 반도체 칩의 소형화를 통하여 주도되는 것이었으나, 현재는 반도체 칩의 적층 배열을 통하여 제한된 면적 안에서 고밀도 집적을 이루려는 기술(Multi-Chip Package)이 대두하고 있다.
이러한 반도체칩의 적층기술에 있어서, 당면과제는 각 반도체칩에서 발생하는 발열의 해결이다. 즉, 반도체칩의 발열은 저전력 소모, 저항요소의 감소의 노력에도 불구하고 작동신호의 주파수 증가 등의 요인으로 인하여 항상 문제시되고 있다.
특히, 다수의 층을 이루어 서로 가깝게 위치하는 각 반도체 칩에서 발생한 열은 적층된 층 사이에 축적되므로 반도체 칩의 성능저하나 파손의 문제를 가져오게 된다. 이러한 발열 문제를 해결하기 위한 기술로 박막형태의 열전반도체를 구비한 열전모듈을 이용한 냉각기술이 있다.
종래의 열전모듈은 크게 알루미나 기판, 열전소자 및 구리와 같은 금속전극의 3부분으로 구성되어 있다. 이 3부분을 전기적, 열적으로 연결하기 위해 이들 사이를 납땜하거나(열전소자와 구리 전극 사이), 필러(Filler)와 같은 접합제로 접합되어 있고(구리 전극과 알루미나 기판 사이), 열전소자의 특성을 유지하기 위하여 고온 확산방지층이 형성되어 있다.
이러한 종래의 열전모듈은 알루미나 기판을 사용함으로써 알루미나 기판과 구리 전극과의 접합이 필요하는 등 제조공정이 번거로우며, 접합계면에서의 물성 차이에 의한 전기저항이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 납땜층이 구비됨에 따라 P형 반도체 및 N형 반도체가 납땜층으로부터 오염되는 것을 방지하기 위하여 장벽층이 더 구비되어야 하고, 이로 인해 열전모듈의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있고, 공정수가 증가하여 불량율이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 납땜층을 형성하기 위한 솔더링(Soldering) 공정은 많은 시간이 요구되므로 생산성을 저하하는 문제점이 있고, 이로 인해 열전모듈의 제조 단가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 알루미나 기판은 열전도성이 우수하지만, 금속에 비해서는 매우 낮은 열전도성으로 인해 열전모듈의 효율 향상에 한계가 있으며, 알루미나 기판이 고가여서 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 알루미나 기판은 휘어짐의 한계가 있어 대상체가 굴곡을 이루고 있는 경우에는 사용이 불가능한 문제점이 있다.
KR1063920 10
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 유연성 재질의 기판을 사용하여 용응분야의 범위를 확대할 수 있고, 스크린 프린팅공법을 이용하여 박막화가 가능한 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 하부기판의 상면에 하부전극을 형성하는 제 1 단계; 하부전극의 상면에 P형 반도체 및 N형 반도체를 인쇄하는 제 2 단계; 하부전극, P형 반도체 및 N형 반도체의 측면에 단열재를 충진하는 제 3 단계; P형 반도체 및 N형 반도체의 상면에 상부전극을 형성하는 제 4 단계; 및 상부전극의 상면에 상부기판을 접착하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
이때, 하부기판 및 상부기판은 유연성 재질로 이루어진다.
또한, 하부기판 및 상부기판은 켑톤, 폴리이미드 또는 OHP 필름이다.
또한, 제 2 단계에서는 P형 반도체 및 N형 반도체는 가압성형 공법을 통해 인쇄한다.
또한, 제 2 단계에서는 분말상태의 P형 열전물질 및 N형 열전물질을 사용하여 P형 반도체 및 N형 반도체를 인쇄한다.
또한, 분말 상태의 P형 열전물질 및 N형 열전물질은 기계적 분쇄에 의해 제조되거나, 용융상태에서 분사하여 분말로 만든다.
또한, P형 열전물질 및 N형 열전물질은 전기전도성을 증가시키기 위하여 전도성 폴리머가 혼합되어 페이스트화한다.
또한, 제 3 단계 이후 단열재를 경화시키기 위해 자외선을 조사하는 제 3-1 단계;를 더 포함한다.
또한, 단열재는 폴리우레탄이다.
또한, 단열재는 박막형태로 도포된다.
또한, 하부전극 및 상부전극은 서로 일부 겹쳐지는 위치에 형성된다.
또한, 제 5 단계는, 상부전극의 상면에 접착제를 도포하는 제 5-1 단계; 및 접착제 상면에 상부기판을 위치하여 접착하는 제 5-2 단계;를 포함한다.
또한, 접착제는 전기 부도체 열전도성 폴리머이다.
또한, 제 5-2 단계는 기계적 압착을 통해 접착한다.
다른 카테고리로써, 본 발명의 목적은 전술한 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 열전모듈에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면 전극, P형 반도체 및 N형 반도체가 스크린 프린팅에 의해 기판에 형성됨으로써, 전극, P형 반도체 및 N형 반도체의 두께를 미세하게 조절하여 박막화가 가능한 효과가 있다.
또한, 다양한 크기 및 형상을 가지는 열전모듈을 구현할 수 있고, 제조공정이 단순화되어 생산성이 향상되며 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 유연한 재질의 기판을 사용하여 펠티어 소자의 자유로운 형상 제조가 가능하고, 이로 인해 대상체의 굴곡면에도 부착하는 등 대상체의 형상 자유도가 커지는 효과가 있다.
또한, 피부감지속도 만큼 빠른 온도 변화를 유도함으로써 온열감제시장치와 같은 촉감제시 모듈로도 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 단열재가 구비되어 반도체의 좌우방향, 즉 측면방향의 열전달로 인한 열손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 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 발명에 따른 열전모듈 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 열전모듈이 제조되는 단계를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
<열전모듈 제조방법>
도 1은 본 발명에 따른 열전모듈 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열전모듈이 제조되는 단계를 나타내는 사시도이다. 먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하부기판(100)의 상면에 하부전극(200)을 형성한다(S100). 이때, 하부기판(100)은 유연하게 휘어질 수 있는 재질로 사용되는 것이 좋고, 바람직하게는 켑톤(Kepton), 폴리이미드(PI) 또는 OHP 필름을 사용한다. 이러한 재질을 사용할 수 있는 이유는 후술하는 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)를 인쇄하는 방법이 저온가압성형 공법을 사용하기 때문에 사용이 가능하다. 이와 같이, 하부 기판을 유연한 재질을 사용함으로써 열전모듈(10)의 자유로운 형상 변화가 가능하고, 이로 인해서 굴곡면을 갖는 대상체에도 부착이 가능하고, 대상체의 형상 자유도가 커짐으로써 응용범위가 확대된다. 또한, 하부전극(200)은 메탈 마스크와 같은 마스크를 이용하여 스크린 프린팅 방법을 통해 형성한다.
또한, 하부전극(200)은 열전모듈(10)에 전원이 인가될 때 전원의 흐름을 안내하는 것으로, 하부 기판의 상면 일측에 적어도 하나 이상 구비된다.
다음으로, 하부전극(200)의 상부면에 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)가 각각 한 개씩 서로 소정 간격 이격되도록 스크린 프린팅 방법을 통해 인쇄된다(S200). P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)는 동시에 인쇄할 수도 있고, P형 반도체(300) 또는 N형 반도체(400) 중 어느 하나를 먼저 인쇄한 후, 나머지 하나를 순차적으로 인쇄할 수도 있다. 이때, P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)는 볼밀 공법과 같은 기계적 분쇄 또는 용융상태에서 분사하여 분말로 만드는 방법 등을 통해 분말상태의 P형 열전물질 및 N형 열전물질을 사용하여 가압성형 공법을 통해 인쇄한다. 여기서, 볼밀 공법은 4시간 내지 8시간 동안 실시되되, 8시간이 넘지 않도록 한다. 이러한 P형 열전물질 및 N형 열전물질은 전기전도성을 증가시키기 위하여 전도성 폴리머가 혼합되어 페이스트화한 것을 사용한다.
다음으로, 반도체의 측면 방향의 열전달로 인한 열손실을 방지하기 위하여 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 측면에 단열재(500)를 충진한다(S300). 이때, 단열재(500)는 폴리우레탄을 사용하고, 박막형태로 도포된다. 이와 같이, 단열재(500)의 도포는 유연한 기판을 사용하기 때문에 용이하게 단열재(500)를 도포할 수 있다.
다음으로, 단열재(500)를 경화시키기 위해 자외선을 조사한다(S310).
다음으로, P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 상면에 상부전극(600)을 형성한다(S400). 이때, 상부전극(600) 형성과정은 하부전극(200)의 형성과 마찬가지로 마스크를 이용하여 프린팅한다. 이러한 상부전극(600)은 하부전극(200)과 서로 일부 겹쳐지도록 형성한다.
마지막으로 상부전극(600)의 상면에 상부기판(700)을 접착한다(S500). 이때, 상부기판(700)의 접착은 상부전극(600)의 상면에 전기 부도체 열전도성 폴리머와 같은 접착제를 도포(S510)한 후, 접착제 상면에 상부기판(700)의 위치를 고정한 후 기계적 압착을 통해 상부기판(700)을 접착한다(S520). 이때, 상부기판(700)은 전술한 하부기판(100)과 마찬가지로 유연한 재질로 이루어진다.
<열전모듈의 구성>
본 발명에 따른 열전모듈(10)은 전술한 과정을 통해 제조되며, 하부기판(100)의 상부 일측에 형성되는 하부전극(200), 하부전극(200)의 상부에 구비되는 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400), P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 측면에 구비되는 단열재(500), P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 상부에 하부전극(200)과 일부 겹쳐지도록 형성되는 상부전극(600) 및 상부전극(600)의 상부에 접착되는 상부기판(700)으로 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 열전모듈
100 : 하부기판
200 : 하부전극
300 : P형 반도체
400 : N형 반도체
500 : 단열재
600 : 상부전극
700 : 상부기판

Claims (15)

  1. 유연성 재질로 이루어진 하부기판(100)의 상면에 하부전극(200)을 형성하는 제 1 단계(S100);
    전기전도성을 증가시키기 위하여 전도성 폴리머가 혼합되어 페이스트화된 분말상태의 P형 열전물질 및 N형 열전물질을 사용하여, 상기 하부전극(200)의 상면에 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)를 인쇄하는 제 2 단계(S200);
    상기 하부전극(200), P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 측면에 단열재(500)를 충진하는 제 3 단계(S300);
    상기 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)의 상면에 상부전극(600)을 형성하는 제 4 단계(S400); 및
    상기 상부전극(600)의 상면에 유연성 재질로 이루어진 상부기판(700)을 접착하는 제 5 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부기판(100) 및 상부기판(700)은 켑톤(Kepton), 폴리이미드(PI) 또는 OHP 필름인 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 단계(S200)에서는 상기 P형 반도체(300) 및 N형 반도체(400)는 가압성형 공법을 통해 인쇄하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 분말 상태의 P형 열전물질 및 N형 열전물질은 기계적 분쇄에 의해 제조되거나, 용융상태에서 분사하여 분말로 만드는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 단계(S300) 이후 상기 단열재(500)를 경화시키기 위해 자외선을 조사하는 제 3-1 단계(S310);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 단열재(500)는 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 단열재(500)는 박막형태로 도포되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 하부전극(200) 및 상부전극(600)은 서로 일부 겹쳐지는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 5 단계(S500)는,
    상기 상부전극(600)의 상면에 접착제를 도포하는 제 5-1 단계(S510); 및
    상기 접착제 상면에 상기 상부기판(700)을 위치하여 접착하는 제 5-2 단계(S520);를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 접착제는 전기 부도체 열전도성 폴리머인 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제 5-2 단계(S520)는 기계적 압착을 통해 접착하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  15. 제1항, 제3항, 제4항, 제6항, 제8항 내지 제14항 중 적어도 어느 한 항에 따른 열전모듈 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
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