KR102271150B1 - 히트 싱크 및 이를 포함하는 열전 소자 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 히트 싱크는 내부에 소정 공간이 형성되며 일측이 개방된 방열 플레이트와, 상기 방열 플레이트의 일측에 배치된 개폐부와, 상기 개폐부를 통해 방열 플레이트 내의 제1 영역에 배치된 PCM 모듈과, 상기 방열 플레이트 내의 제2 영역에 배치된 열 전달 부재를 포함할 수 있다.
실시예는 PCM 모듈을 교체하도록 방열 플레이트의 구조롤 변경함으로써, 히트 싱크의 가공 단가 상승을 방지할 수 있으며, 제품화를 용이하게 이룰 수 있는 효과가 있다.

Description

히트 싱크 및 이를 포함하는 열전 소자{HEAT SINK AND THERMO ELECTRIC ELEMENT HAVING THE SAME}
본 발명은 히트 싱크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열 성능을 향상시키기 위한 히트 싱크 및 이를 포함하는 열전 소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
이러한 열전 소자의 일측에는 방열 효과를 향상시키기 위해 히트 싱크가 구비될 수 있다. 히트 싱크는 몸체와 몸체의 일측으로부터 돌출 형성된 방열핀으로 이루어져 있다.
종래 히트 싱크는 방열 효과를 향상시키기 위해 몸체 내부에 상 변화 물질(Pjase Change Meterial, PCM)을 충진하여 사용하고 있으나, 수명이 다된 경우, 히트 싱크 전체를 교체해야 하는 단점이 있다. 또한, 히트 싱크 전체를 교체할 경우, PCM 소재의 충진을 위한 히트 싱크의 가공 공정이 더해져 단가가 상승되는 문제점이 발생된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 PCM 소재의 교체가 가능한 히트 싱크의 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예에 따른 히트 싱크는 내부에 소정 공간이 형성되며 일측이 개방된 방열 플레이트와, 상기 방열 플레이트의 일측에 배치된 개폐부와, 상기 개폐부를 통해 방열 플레이트 내의 제1 영역에 배치된 PCM 모듈과, 상기 방열 플레이트 내의 제2 영역에 배치된 열 전달 부재를 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 열전 소자는 서로 대향 배치되는 하부 기판 및 상부 기판과, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그와, 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극과, 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극과, 상기 하부 기판 및 상부 기판 중 어느 하나의 기판 상에 배치되는 히트 싱크를 포함할 수 있다.
실시예는 PCM 모듈을 교체하도록 방열 플레이트의 구조롤 변경함으로써, 히트 싱크의 가공 단가 상승을 방지할 수 있으며, 제품화를 용이하게 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 방열 내부 몸체 내부에 PCM 모듈과는 별도로 대류 영역을 형성함으로써, 방열 효과를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 대류 영역을 PCM 모듈을 둘러싸도록 형성함으로써, 고른 영역에서 방열 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 PCM 모듈의 일측에 돌출부를 형성함으로써, 히트 싱크와의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 히트 싱크가 구비된 열전 소자를 나타낸 개략 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 레그를 중심으로 나타낸 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 4는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 5는 도 4의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 6은 단위 열전 레그의 절단된 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9는 PCM 모듈이 히트 싱크 내부에 배치된 모습을 나타낸 평면도이다.
도 10 내지 도 12는 제2 실시예에 따른 히트 싱크의 다양한 구조를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 히트 싱크가 구비된 열전 소자를 나타낸 개략 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 레그를 중심으로 나타낸 개략 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160), 내부에 PCM 모듈(194)이 배치된 히트 싱크(190)를 포함할 수 있다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017025101067-pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, P형 열전 레그(130)는 제1단면적을 가지는 제1소자부(132), 제1소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)를 연결하며 제3단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제1단면적 또는 제2단면적보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 소자부(132) 및 제2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제1소자부(132)와 제2소자부(136) 간의 온도차(T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다.
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
이와 마찬가지로 N형 열전 레그(140)도 P형 열전 레그(130)과 동일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다.
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다.
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다.
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다.
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 4(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다.
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다.
도 5는 도 4의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 5를 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 5(c) 및 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.
도 6은 단위 열전 레그의 절단된 모습을 나타낸 도면이다. 단위 열전 레그(1300)는 도 6에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기 전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.
도 1로 돌아가서, 히트 싱크(190)는 상부 기판(160) 상에 형성될 수 있다. 이와 다르게, 히트 싱크(190)는 하부 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 이와 다르게, 히트 싱크(190)는 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 상에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 히트 싱크(190)는 PCM 모듈(194)의 교체가 가능한 구조로 형성될 수 있다. 이로부터 히트 싱크(190)의 제작에 따른 히트 싱크(190)의 가공 단가 감소 및 제품화를 용이하게 추진할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 다양한 실시예의 히트 싱크의 구조에 대해 살펴보기로 한다.
도 7은 제1 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 단면도이고, 도 8 및 도 9는 PCM 모듈(194)이 히트 싱크(190) 내부에 배치된 모습을 나타낸 평면도이다.
도 7을 참조하면, 히트 싱크(190)는 내부에 소정 공간이 형성되며 일측이 개방된 방열 플레이트(191)와, 상기 방열 플레이트(191)의 일측에 배치된 개폐부(192)와, 상기 개폐부(192)를 통해 일측이 개방된 방열 플레이트(191) 내의 제1 영역에 배치된 PCM 모듈(194)을 포함할 수 있다.
방열 플레이트(191)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 방열 플레이트(191) 내부에는 사각 박스 형상의 내부 공간이 형성될 수 있다. 이러한 공간의 형상은 한정되지 않는다. 방열 플레이트(191)의 일측은 내부 공간과 연통되도록 개방될 수 있다. 이로부터 PCM 모듈(194)은 방열 플레이트(191) 내부로 삽입될 수 있다. 방열 플레이트(191)의 일측에는 방열 플레이트(191)의 내부 공간을 밀폐시키기 위한 개폐부(192)가 형성될 수 있다.
개폐부(192)는 일측이 방열 플레이트(191)에 고정된 상태에서 타측이 회전되어 방열 플레이트(191)의 내부를 밀폐시킬 수 있다. 개폐부(192)의 구조는 이에 한정되지 않으며 PCM 모듈(194)을 인입 및 인출하기 위한 개폐 구조라면 다양한 구조로 형성될 수 있다.
방열 플레이트(191)의 일측에는 다수의 방열핀(193)이 형성될 수 있다. 방열핀(193)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 방열핀(193)의 재질은 이에 한정되지 않는다. 방열핀(193)은 방열 플레이트(191) 내부에 별도로 부착되어 형성될 수 있다. 이와 다르게, 방열핀(193)은 방열 플레이트(191)와 일체로 형성될 수 있다. 방열핀(193)은 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 방열핀(193)의 형상은 원 기둥, 다각 기둥을 포함할 수 있다. 방열핀(193)은 평면에서 보았을 경우, 라인 형상으로 형성될 수 있다. 방열핀(193)의 구조는 이에 한정되지 않는다. 방열핀(193)은 서로 일정 간격 이격되도록 형성될 수 있다. 방열핀(193)은 방열 효율을 더욱 높이기 위해 서로 다른 간격으로 이격 배치될 수도 있다.
상기 방열 플레이트(191)의 내부 공간에는 PCM 모듈(194)이 배치될 수 있다. PCM 모듈(194)은 상 변화 물질(194b)이 충진된 금속 재질의 금속 몸체(194a)를 포함할 수 있다.
상 변화 물질(194b)은 특정 온도에서 고체에서 액체, 액체에서 고체, 기체에서 액체로 상이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열조절 기능을 하는 물질을 의미하며, 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출하는 혁신적인 온도 조절 기능 물질이다.
상 변화 물질(194b)이 상 변화시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열이라고 하며, 고체와 액체 간의 상 변화와 관련된 열을 응용열이라고 한다.
상 변화시 잠열은 에너지 저장에 중요한 역할을 하는데, 현열에 비해 잠열은 상변화 온도에서 수십 배에서 수백배의 에너지 저장 능력과 방출 능력을 가지기 때문에 기존 현열을 이용하는 에너지 절약 소재들보다 탁월한 기능을 한다.
따라서, 본 발명에서는 히트 싱크(190)에 상 변화 물질(194b)을 사용하여 방열 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
상 변화 물질(194b)은 별도의 모듈로 구성하기 위해 금속 재질의 금속 몸체(194a)를 구비하고, 금속 몸체(194a) 내에 상 변화 물질(194b)이 충진되어 PCM 모듈(194)을 이룰 수 있다.
PCM 모듈(194)은 개폐부(192)에 의해 방열 플레이트(191)의 내부가 개방되면 PCM 모듈(194)이 방열 플레이트(191)의 내부 공간에 장착될 수 있으며, PCM 모듈(194)이 방열 플레이트(191) 내부에 장착되면 개폐부(192)는 방열 플레이트(191)의 내부 공간을 밀폐시키게 된다.
PCM 모듈(194)의 면적은 방열 플레이트(191) 내의 내부 공간의 면적과 동일하거나 작게 형성될 수 있다. PCM 모듈(194)은 히트 싱크(190)와 점 접촉하여 방열 효과를 이룰 수 있으나, 방열 플레이트(191)의 내부에서 열이 고르게 교환될 수 있도록 대류 영역이 존재하는 것이 보다 효과적일 수 있다.
도 8 및 도 9는 PCM 모듈이 히트 싱크 내부에 배치된 모습을 나타낸 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, PCM 모듈(194)은 방열 플레이트(191) 내의 제1 영역에 배치될 수 있다. PCM 모듈(194)의 상부 및 하부면은 방열 플레이트(191)의 내측면과 접촉될 수 있다. PCM 모듈(194)의 3개의 측면은 방열 플레이트(191)의 내측면과 접촉될 수 있다. 이로 인해 PCM 모듈(194)과 방열 플레이트(191)는 점 접촉을 통해 열 전도가 이루어질 수 있다.
방열 플레이트(191) 내의 제2 영역에는 대류 영역이 형성될 수 있다. 이를 위해 방열 플레이트(191) 내의 제2 영역에는 열 전달 부재(S)가 더 포함될 수 있다. 열 전달 부재(S)는 공기를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 열 전달 부재(S)는 물, 가스를 포함할 수 있다. 제2 영역은 방열 플레이트(191) 내부 공간의 5% 내지 10%를 포함할 수 있다.
제2 영역이 방열 플레이트(191) 내부 공간의 5% 미만으로 형성될 경우, 전도 영역 증가로 대류 효과가 사라지게 된다. 제2 영역이 방열 플레이트(191) 내부 공간의 10%를 초과할 경우, 공기 영역이 급격히 증가하여 열 저항이 크게 작용하게 되고, 이로 인해 대류 효과가 사라질 수 있다.
또한, PCM 모듈(194)은 3개의 측면이 방열 플레이트(191)와 접촉되기 때문에 PCM 모듈(194)은 방열 플레이트(191) 내부에서 안정적으로 고정될 수 있게 된다. 이를 위해 PCM 모듈(194)에는 방열 플레이트(191)에 고정시키기 위해 별도의 고정 부재가 더 형성될 수 있다.
이와 다르게, 대류 영역은 PCM 모듈(194)의 둘러싸도록 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, PCM 모듈(194)은 방열 플레이트(191) 내의 제1 영역에 배치될 수 있다. PCM 모듈(194)의 상부 및 하부면은 방열 플레이트(191)와 접촉될 수 있다. PCM 모듈(194)의 측면은 방열 플레이트(191)와 이격 배치될 수 있다. 이로 인해 PCM 모듈(194)의 상부 및 하부면을 통해 방열 플레이트(191)와 열 전도가 이루어질 수 있다.
방열 플레이트(191) 내의 제2 영역에는 대류 영역이 형성될 수 있다. 이를 위해 방열 플레이트(191) 내의 제2 영역에는 열 전달 부재(S)가 더 포함될 수 있다. 제2 영역은 방열 플레이트(191) 내부 공간의 5% 내지 10%를 포함할 수 있다.
대류 영역은 PCM 모듈(194)을 둘러싸도록 배치되기 때문에 고른 영역에서 대류 효과를 이룰 수 있게 된다. 즉, PCM 모듈(194)은 방열 플레이트(191)와 점 접촉하여 열 전도가 되면서 방열 플레이트(191) 내부에서 고르게 대류 효과를 이루게 되므로, 방열 효과는 보다 향상될 수 있다.
도 10 내지 도 12는 제2 실시예에 따른 히트 싱크의 다양한 구조를 나타낸 단면도이다. 또한, 앞서 설명과 중복된 내용은 생략하도록 하며, 동일하게 적용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 히트 싱크(290)는 내부 공간이 형성되며 일측이 개방된 방열 플레이트(291)와, 상기 방열 플레이트(291)의 일측에 배치된 개폐부(292)와, 상기 개폐부(292)를 통해 방열 플레이트 내의 제1 영역에 배치된 PCM 모듈(291)과, 상기 방열 플레이트(291) 내의 제2 영역에 배치된 열 전달 부재를 포함할 수 있다.
PCM 모듈(294)은 방열 플레이트(291) 내의 제1 영역에 배치될 수 있으며, 방열 플레이트(291) 내의 제2 영역에는 대류 영역이 형성될 수 있다. 대류 영역에는 열 전달 부재가 더 포함될 수 있다. 제2 영역은 방열 플레이트(291) 내부 공간의 5% 내지 10%를 포함할 수 있다.
PCM 모듈(294)은 상 변화 물질(294b)이 충진된 금속 재질의 금속 몸체(294a)를 포함할 수 있다. PCM 모듈(294)의 일측에는 돌출부(295)가 형성될 수 있다. 돌출부(295)는 방열 플레이트(291) 내측면과 접촉될 수 있다. 돌출부(295)는 방열 플레이트(291) 내측면과의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다. 이와 더불어, 돌출부(295)는 PCM 모듈(294)이 방열 플레이트(291)의 내측에 안정적으로 고정시키는 역할을 할 수 있다. 돌출부(295)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 돌출부(295)는 PCM 모듈(294)의 금속 몸체(294a)와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
돌출부(295)는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 돌출부(295)는 단면이 삼각 형상 구조로 형성될 수 있다. 돌출부(295)는 삼각 형상 외에 사각 형상을 포함하는 다각 형상으로 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 돌출부(295)는 원 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 돌출부(295)는 끝단을 라운드지도록 형성함으로써, 방열 플레이트(291)와의 접촉 면적을 보다 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 돌출부(295)는 사각 바 형상으로 형성될 수 있다. 돌출부(295)는 제1 돌출부(295a)와 제2 돌출부(295b)가 상하로 이격 배치될 수 있다. 돌출부(295)는 다수개로 형성됨으로써, 방열 플레이트(291)와의 접촉 면적을 보다 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
상기와 같이, 돌출부(295)는 방열 플레이트(291)와의 접촉 면적을 넓히도록 보다 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기에서는 히트 싱크를 열전 소자에 부착된 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 열을 방출하는 전자 부품 및 엘이디 조명장치, 선풍기, 에어컨 등의 생활 용품에 직접 부착될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 하부 기판 120: 하부 전극
130: P형 열전 레그 140: N형 열전 레그
150: 상부 전극 160: 상부 기판
190: 히트 싱크 194: PCM 모듈

Claims (10)

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  8. 서로 대향 배치되는 하부 기판 및 상부 기판;
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그;
    상기 P형 및 N형 열전 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극;
    상기 P형 및 N형 열전 레그와 상기 상부 기판을 연결하는 상부 전극; 및
    상기 상부 기판 상에 배치되는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 히트 싱크의 하면은 상기 상부 기판의 상면과 직접 접촉하고,
    상기 P형 열전 레그는,
    상기 상부 전극과 마주하는 상기 하부 전극의 상면 상에 배치되며 제1단면적을 가지는 제1소자부;
    상기 하부 전극과 마주하는 상기 상부 전극의 하면 상에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부; 및
    상기 제1 및 제2소자부 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2소자부를 연결하며, 제3단면적을 가지는 연결부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3단면적은 수평방향에 대한 단면적이고,
    상기 제3단면적은 상기 제1 또는 제2단면적보다 작고,
    상기 히트 싱크는 내부에 소정 공간이 형성되며 일측이 개방된 방열 플레이트와, 상기 방열 플레이트의 일측에 배치된 개폐부와, 상기 개폐부에 의해 일측이 개방된 상기 방열 플레이트 내의 제1 영역에 배치된 PCM 모듈과, 상기 방열 플레이트 내의 제2 영역에 배치된 열 전달 부재를 포함하고,
    상기 히트 싱크와 접하는 상기 상부 기판의 상면 면적은, 상기 제1 및 제2 단면적보다 큰 열전 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열 전달 부재는 상기 PCM 모듈의 일측 또는 전체를 둘러싸도록 배치되는 열전 소자.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 영역은 상기 방열 플레이트 내부 공간의 5% 내지 10%를 포함하는 열전 소자.
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