KR101673992B1 - 고효율 마이크로 열전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 쌍의 기판의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 쌍이 기판 사이의 공간이 10~20 마이크로미터인 마이크로 열전소자에 있어서, 한 쌍의 기판 사이의 공간을 최대한 확보하여 열전소자의 발전 효율을 향상시킨 고효율 마이크로 열전소자에 관한 것이다.

Description

고효율 마이크로 열전소자{High efficiency Micro Thermoelectric Devices}

본 발명은 한 쌍의 기판의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 한 쌍의 기판 사이의 공간이 10~20 마이크로미터인 마이크로 열전소자에 있어서, 기판 사이의 공간을 최대한 확보하여 열전소자의 발전 효율을 향상시킨 고효율 마이크로 열전소자에 관한 것이다.

열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 n형과 p형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 냉각기판에서 가열기판으로 펌핑되어 냉각기판 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동 시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.

전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.

도 1에는 통상의 열전소자(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전소자(10)는 제1 기판(1), 제2 기판(2), 제1 열전레그(3), 제2 열전레그(4) 및 전극(5)을 포함하여 이루어진다. 제1 기판(1)은 판상으로 열원(미도시)에 부착되며, 제2 기판(2)은 판상으로 제1 기판(1)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에는, 제1 열전레그(3)와 제2 열전레그(4)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 열전레그(3, 4)는 제1 기판(1)과 제2 기판(2)의 온도 차에 따라 전기를 발생하거나, 전류를 통해 제1 기판(1) 또는 제2 기판(2)을 발열시키기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(5)은 제1 및 제2 열전레그(3, 4)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(3, 4)를 전기적으로 연결한다.

상기와 같은 구성에 의해 상온보다 높은 온도를 갖는 열원에 열전소자(10)를 부착하면, 열원에 맞닿는 제1 기판(1)과, 상온에 노출된 제2 기판(2)의 온도차에 의해 제1 및 제2 열전레그(3, 4)가 발전하며, 전극(5)을 통해 발전된 전기를 전달하게 된다.

이때, 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이의 공간 즉 제1 및 제2 열전레그(3, 4)가 위치한 레그공간이 어느 정도 확보되어야 레그공간에 존재하는 공기를 통해 열이 차단(단열)되고, 제1 기판(1)과 제2 기판(2)의 온도차가 유지됨에 따라 발전 성능이 유지될 수 있다.

최근에는 초소형 고감도 센서와 마이크로 발전소자 및 마이크로 냉각소자의 필요성이 대두됨에 따라 두께가 수십 마이크로미터 이내인 마이크로 열전소자가 개발되고 있는데, 열전소자의 두께가 감소됨에 따라 한 쌍의 기판 사이의 레그공간 역시 매우 협소하여 레그공간에 열차단(단열)을 위한 공기가 충분히 확보되지 못하게 되고, 제1 기판의 열이 전도나 복사 등으로 인해 제2 기판에 쉽게 전달되어 발전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.

단순히 레그의 길이를 늘려 레그공간을 확보하는 방법도 고려할 수 있으나, 통상적으로 사용되는 스퍼터링이나 진공증착에 의해 레그의 길이를 길게 할 경우 공정시간이 너무 오래 걸리며, 레그의 길이가 일정수치 이상 늘어나게 되면, 특성이 변하여 원하는 성능을 얻을 수 없는 단점이 있다.

따라서 수십 마이크로미터의 두께를 갖는 마이크로 열전소자의 레그공간을 확보하여 마이크로 열전소자의 발전 효율을 향상시키기 위한 기술의 개발이 요구된다.

한국공개특허 제2014-0110811호(2014.09.17. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 두께가 수십 마이크로미터 이하인 마이크로 열전소자를 제작함에 있어서, 레그와 기판 사이에 구비된 전극의 길이를 늘려 한 쌍의 기판 사이의 레그공간을 확보한 고효율 마이크로 열전소자를 제공함에 있다.

다른 실시예로, 레그와 레그 사이에 위치한 기판의 내면을 내측으로 식각하여 한 쌍의 기판 사이의 레그공간을 확보한 고효율 마이크로 열전소자를 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예의 고효율 마이크로 열전소자는, 한 쌍이 이격 배치되는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 복수 개가 교번되어 이격 배치되는 제1 열전레그 및 제2 열전레그; 상기 제1 열전레그와 제2 열전레그를 교번하여 전기적으로 직렬 연결하는 전극; 을 포함하며, 상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나는, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 공간 확보를 위해 내면에서 내측으로 함몰되는 식각공간; 을 더 포함한다.

이때, 상기 식각공간은, 상기 제1 기판의 내면에서 내측으로 함몰된 제1 식각공간; 및 상기 제2 기판의 내면에서 내측으로 함몰된 제2 식각공간; 으로 구성되되, 제1 및 제2 식각공간은, 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그 사이의 공간에 형성된다.

본 발명의 다른 실시예의 고효율 마이크로 열전소자는, 한 쌍이 이격 배치되는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 복수 개가 교번되어 이격 배치되는 제1 열전레그 및 제2 열전레그; 상기 제1 열전레그와 제2 열전레그를 교번하여 전기적으로 직렬 연결하는 전극; 을 포함하며, 상기 전극은, 제1 기판과 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그 사이에 형성되는 제1 전극과, 제2 기판과 상기 제1 및 제2 열전레그 사이에 형성되는 제2 전극으로 구분되고, 상기 제1 전극은 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 공간 확보를 위해 상기 제2 기판을 향해 일정 길이를 갖도록 연장 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 공간 확보를 위해 상기 제1 기판을 향해 일정 높이를 갖도록 연장 형성된다.

이때, 상기 제1 전극은, 상기 제1 기판과 제1 열전레그 사이에 일정 높이를 갖도록 형성된 제1-1전극; 상기 제1 기판과 제2 열전레그 사이에 일정 높이를 갖도록 형성된 제1-2전극; 상기 제1-1전극과, 제1-2 전극을 전기적으로 연결하되, 상기 제1-1전극 및 제1-2 전극의 높이보다 낮은 높이를 갖는 제1 연결부; 를 포함하고, 상기 제2 전극은, 상기 제2 기판과 제1 열전레그 사이에 일정 높이를 갖도록 형성된 제2-1전극; 상기 제2 기판과 제2 열전레그 사이에 일정 높이를 갖도록 형성된 제2-2전극; 상기 제2-1전극과, 제2-2 전극을 전기적으로 연결하되, 상기 제2-1전극 및 제2-2 전극의 높이보다 낮은 높이를 갖는 제2 연결부; 를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고효율 마이크로 열전소자는 수십 마이크로미터 이내의 두께를 갖는 열전소자에 있어서, 한 쌍이 기판 사이에 형성된 레그공간을 기존의 마이크로 열전소자에 비해 넓게 확보하여, 한 쌍의 기판 사이의 단열 성능 확보에 따른 마이크로 열전소자의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 레그의 길이를 길게하지 않고, 상대적으로 제조 공정이 수월한 전극의 적층이나 기판의 식각을 이용해 레그공간을 확보했기 때문에 기존의 제조공정에서 적은 추가 비용과 시간으로 제작이 가능한 장점이 있다.

도 1은 통상의 열전소자 개략단면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 열전소자 개략단면도
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 열전소자 개략단면도

이하, 상기와 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 고효율 마이크로 열전소자에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

- 실시 예 1 (식각 형)

도 2에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 열전소자(100, 이하 "열전소자")의 개략단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 제1 열전레그(130), 제2 열전레그(140) 및 전극(150)을 포함하여 이루어진다. 제1 및 제2 기판(110, 120)은 열전소자에 적용되는 통상의 실리콘 웨이퍼일 수 있다.

제1 기판(110)은 판상으로 열원에 부착되며, 제2 기판(120)은 판상으로 제1 기판(110)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에는, 제1 및 제2 열전레그(130, 140)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 열전레그(130, 140)는 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 온도 차에 따라 전기를 발생하기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(150)은 제1 및 제2 열전레그(130, 140)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(130, 140)를 전기적으로 연결한다.

이때 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자(100)는 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이의 공간 즉 레그공간을 확보하기 위해 다음과 같은 특징적인 구성을 갖는다.

도시된 바와 같이 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 상에는 식각공간(111, 121)이 형성될 수 있다. 식각공간(111, 121)은 제1 기판(110)의 상면에서 하방으로 함몰 형성되는 제1 식각공간(111)과 제2 기판(120)의 하면에서 상방으로 함몰 형성되는 제2 식각공간(121)으로 구분된다. 제1 및 제2 식각공간(111, 121)은 제1 및 제2 기판(120)의 내면을 내측으로 식각하여 형성될 수 있다. 따라서 제1 및 제2 식각공간(111, 121) 만큼 제1 기판과 제2 기판(110, 120) 사이의 레그공간이 더 확보되어 상기 공간에 충진되는 공기를 통해 제1 기판과 제2 기판(110, 120) 사이의 열차단 성능을 확보하게 된다.

제1 식각공간(111)은 제1 기판(110)의 내면에 형성되되 제1 및 제2 열전레그(130, 140) 사이의 공간에 형성될 수 있고, 제2 식각공간(121)은 제2 기판(120)의 내면에 형성되되 제1 및 제2 열전레그(130, 140) 사이의 공간에 형성될 수 있다.

- 실시 예 2 (전극 확장 형)

도 3에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 열전소자(200, 이하 "열전소자")의 개략단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 열전소자(200)는 제1 기판(210), 제2 기판(220), 제1 열전레그(230), 제2 열전레그(240) 및 전극(250, 260)을 포함하여 이루어진다. 제1 및 제2 기판(210, 220)은 열전소자에 적용되는 통상의 실리콘 웨이퍼일 수 있다.

제1 기판(210)은 판상으로 열원에 부착되며, 제2 기판(220)은 판상으로 제1 기판(210)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(210)과 제2 기판(220) 사이에는, 제1 및 제2 열전레그(230, 240)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 열전레그(230, 240)는 제1 기판(210)과 제2 기판(220)의 온도 차에 따라 전기를 발생하기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(250, 260)은 제1 및 제2 열전레그(230, 240)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(230, 240)를 전기적으로 연결한다.

이때 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자(200)는 제1 기판(210)과 제2 기판(220) 사이의 공간 즉 레그공간을 확보하기 위해 다음과 같은 특징적인 구성을 갖는다.

도시된 바와 같이 전극(250, 260)은 제1 기판(210)과 제1 및 제2 열전레그(230, 240) 사이에 형성된 제1 전극(250)과, 제2 기판(220)과 제1 및 제2 열전레그(230, 240) 사이에 형성된 제2 전극(260)으로 구분된다. 이때 제1 전극(250)은 제1 기판(210)과 제2 기판(220) 사이의 거리가 길어지도록 제2 기판(220)을 향하여 연장 형성될 수 있고, 제2 전극(260)은 제1 기판(210)과 제2 기판(220) 사이의 거리가 길어지도록 제1 기판(210)을 향하여 연장 형성될 수 있다. 즉 제1 전극(250)과 제2 전극(260)의 높이가 증가됨에 따라 제1 기판(210)과 제2 기판(220) 사이의 거리가 증가하고 이에 따라 레그공간도 확보될 수 있다.

보다 상세하게 제1 전극(250)은 제1 기판(210)과 제1 열전레그(230) 사이에 형성되며, 제2 기판(220)을 향하여 일정 높이를 갖는 제1-1전극(251)과, 제1 기판(210)과 제2 열전레그(240) 사이에 형성되며, 제2 기판(220)을 향하여 일정 높이를 갖는 제1-2전극(252)과, 제1-1전극(251)과 제1-2전극(252)을 전기적으로 연결하는 제1 연결부(253)를 포함하여 구성된다.

이때, 제1 연결부(252)는 제1-1전극(251)과 제1-2전극(252)의 높이보다 낮은 높이를 갖도록 구성될 수 있다. 이는 제1-1전극(251)과 제1-2전극(252) 사이에 제1 공간(255)을 추가 확보하여 열차단 성능을 향상시키기 위함이다.

또한, 제2 전극(260)은 제2 기판(220)과 제1 열전레그(230) 사이에 형성되며, 제1 기판(210)을 향하여 일정 높이를 갖는 제2-1전극(261)과, 제2 기판(220)과 제2 열전레그(240) 사이에 형성되며, 제1 기판(210)을 향하여 일정 높이를 갖는 제2-2전극(262)과, 제2-1전극(261)과 제2-2전극(262)을 전기적으로 연결하는 제2 연결부(263)를 포함하여 구성된다.

이때, 제2 연결부(262) 역시 제2-1전극(261)과 제2-2전극(262)의 높이보다 낮은 높이를 갖도록 구성될 수 있다. 이는 제2-1전극(261)과 제2-2전극(262) 사이에 제2 공간(265)을 추가 확보하여 열차단 성능을 향상시키기 위함이다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100, 200 : 열전소자
110, 210 : 제1 기판
120, 220 : 제2 기판
130, 230 : 제1 열전레그
140, 240 : 제2 열전레그
111 : 제1 식각공간 121 : 제2 식각공간
150 : 전극
250 : 제1 전극 251 : 제1-1전극
252 : 제1-2전극 253 : 제1 연결부
255 : 제1 공간
260 : 제2 전극 261 : 제2-1전극
262 : 제2-2전극 263 : 제2 연결부
265 : 제2 공간

Claims (4)

1. 한 쌍이 이격 배치되는 제1 기판 및 제2 기판;
   상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 복수 개가 교번되어 이격 배치되는 제1 열전레그 및 제2 열전레그;
   상기 제1 열전레그와 제2 열전레그를 교번하여 전기적으로 직렬 연결하는 전극; 을 포함하며,
   상기 제1 기판 및 제2 기판 중 적어도 하나는, 상기 제1 기판과 제2 기판 사이의 공간 확보를 위해 내면에서 내측으로 함몰되는 식각공간; 을 더 포함하되,
   상기 식각공간은,
   상기 제1 기판 또는 제2 기판 상에 복수 개가 이격 배치되는 전극과 전극 사이에 형성되는, 고효율 마이크로 열전소자.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 식각공간은,
   상기 제1 기판의 내면에서 내측으로 함몰된 제1 식각공간; 및
   상기 제2 기판의 내면에서 내측으로 함몰된 제2 식각공간; 으로 구성되되
   제1 및 제2 식각공간은, 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그 사이의 공간에 형성되는, 고효율 마이크로 열전소자.
   
3. 삭제
4. 삭제

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