KR102271221B1

KR102271221B1 - Thermo electric element

Info

Publication number: KR102271221B1
Application number: KR1020170031665A
Authority: KR
Inventors: 김종현; 강인석
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2021-07-01
Also published as: KR20180104852A

Abstract

실시예에 따른 열전 소자는 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 적어도 어느 하나의 기판 상에 배치되는 방열 플레이트와, 상기 방열 플레이트의 일측에 배치된 방열 핀을 포함하는 히트 싱크를 포함하고, 상기 히트 싱크는 금속 재질의 커버층과, 상기 커버층 내부에 배치된 전도성 물질층과 PCM 물질층을 포함하며, 상기 전도성 물질층과 PCM 물질층의 물질 함유량은 1:2 내지 1:4를 포함할 수 있다.The thermoelectric element according to the embodiment includes a lower substrate and an upper substrate that are disposed to face each other, a plurality of legs disposed between the lower substrate and the upper substrate, a lower electrode connecting the legs and the lower substrate, the legs and the A heat sink comprising an upper electrode connecting a lower substrate, a heat dissipation plate disposed on at least one of the lower substrate and the upper substrate, and a heat dissipation fin disposed at one side of the heat dissipation plate, the heat sink comprising: The sink may include a metal cover layer, a conductive material layer and a PCM material layer disposed inside the cover layer, and a material content of the conductive material layer and the PCM material layer may include 1:2 to 1:4. have.

Description

Thermoelectric element {THERMO ELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열 성능을 향상시키기 위한 열전 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to a thermoelectric element for improving heat dissipation performance.

열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.The thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.

열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. A thermoelectric element is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.

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.Thermoelectric devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .

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.Thermoelectric elements are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts. For example, the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric device is increasing.

이러한 열전 소자에는 방열을 위해 히트 싱크가 구비될 수 있다. 히트 싱크는 열전 소자의 발열량에 따라 그 크기가 증가하게 된다. 이를 방지하기 위해 히트 싱크 내부에는 방열 효율을 향상시키기 위해 상 변화 물질(Pjase Change Meterial, PCM)을 충진하여 사용하고 있다.A heat sink may be provided in such a thermoelectric element to dissipate heat. The size of the heat sink increases according to the amount of heat generated by the thermoelectric element. To prevent this, a phase change material (PCM) is filled and used inside the heat sink to improve heat dissipation efficiency.

하지만, PCM 자체의 낮은 열전도도로 인해 히트 싱크와 직접 접촉하는 영역은 빠르게 축열하게 되나, 히트 싱크와 직접 접촉하지 못하는 영역은 축열 효과가 떨어지는 문제점이 발생된다.However, due to the low thermal conductivity of the PCM itself, a region in direct contact with the heat sink is rapidly accumulating heat, but a region not in direct contact with the heat sink has a problem in that the thermal storage effect is poor.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 히트 싱크의 열 전달 효율을 향상시키기 위한 열전 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric device for improving heat transfer efficiency of a heat sink.

실시예는 커버층 내에 전도성 물질층을 패턴을 이루도록 형성함으로써, 전도성 물질층과 PCM 물질층의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다The embodiment has the effect of maximizing the heat dissipation effect by expanding the contact area between the conductive material layer and the PCM material layer by forming the conductive material layer in the cover layer to form a pattern.

또한, 실시예는 PCM 물질층의 축열 효과를 극대화시켜 히트 싱크의 부피가 커지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the embodiment has the effect of maximizing the heat storage effect of the PCM material layer to prevent the volume of the heat sink from increasing.

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 8은 제2 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 8의 방열 핀을 중심으로 나타낸 확대 단면도이다.
도 10 및 도 11은 제2 실시예에 따른 방열 핀의 다른 변형예를 나타낸 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a thermoelectric device having a heat sink according to an embodiment.
2 is a schematic perspective view showing the legs of the thermoelectric element according to the embodiment.
3 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.
4 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg having a stacked structure.
FIG. 5 illustrates a conductive layer formed between unit members in the laminate structure of FIG. 4 .
6 is a view showing a cut state of the unit thermoelectric leg.
7 is a cross-sectional view illustrating a heat sink according to the first embodiment.
8 is a cross-sectional view illustrating a heat sink according to a second embodiment.
9 is an enlarged cross-sectional view showing the heat dissipation fin of FIG. 8 as a center;
10 and 11 are cross-sectional views illustrating another modified example of the heat dissipation fin according to the second embodiment.

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. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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. Terms including an ordinal number such as second, first, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

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. When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that no other element is present in the middle.

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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or corresponding components are given the same reference numerals regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.

도 1은 실시예에 따른 히트 싱크가 구비된 열전 소자를 나타낸 개략 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 레그를 중심으로 나타낸 개략 사시도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a thermoelectric device having a heat sink according to an embodiment. 2 is a schematic perspective view showing the legs of the thermoelectric element according to the embodiment.

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. 1 and 2 , the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper portion. The substrate 160 may include a heat sink 190 having a PCM module 194 disposed therein.

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. The lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surfaces of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 is formed between the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 140 . It is disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140 . Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150 . A pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and electrically connected may form a unit cell.

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.For example, when a voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182 , a current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect. The substrate through which flows absorbs heat to act as a cooling unit, and the substrate through which current flows from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated and act as a heating unit.

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.Here, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric legs including bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials. P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium with respect to 100wt% of the total weight A mixture containing 99 to 99.999 wt% of a bismuth telluride (Bi-Te)-based main raw material containing at least one of (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and Bi or Te 0.001 It may be a thermoelectric leg comprising 1 wt% to 1 wt%. For example, the main raw material is Bi-Se-Te, and may further include Bi or Te in an amount of 0.001 to 1 wt% of the total weight. N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium with respect to 100wt% of the total weight A mixture containing 99 to 99.999 wt% of a bismuth telluride (Bi-Te)-based main raw material containing at least one of (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and Bi or Te 0.001 It may be a thermoelectric leg comprising 1 wt% to 1 wt%. For example, the main raw material is Bi-Sb-Te, and may further include Bi or Te in an amount of 0.001 to 1 wt% of the total weight.

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.The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stack type. In general, the bulk-type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk-type N-type thermoelectric leg 140 heat-treats a thermoelectric material to manufacture an ingot, grinds the ingot and sieves to obtain a powder for the thermoelectric leg, and then It can be obtained through the process of sintering and cutting the sintered body. The laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking and cutting the unit member. can be obtained

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. In this case, the pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes. For example, since the electrical conductivity properties of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 are different, the height or cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 is calculated as the height or cross-sectional area of the P-type thermoelectric leg 130 . may be formed differently.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a Seebeck index. The Seebeck index (ZT) can be expressed as in Equation (1).

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·c_p·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm²/S]이고, c_p 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm³]이다.Here, α is the Seebeck coefficient [V/K], σ is the electrical conductivity [S/m], and α ² σ is the power factor (Power Factor, [W/mK ² ]). And, T is the temperature, and k is the thermal conductivity [W/mK]. k can be expressed as a·c _p ·ρ, a is the thermal diffusivity [cm ² /S], c _p is the specific heat [J/gK], and ρ is the density [g/cm ³ ].

열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the Seebeck index of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and the Seebeck index (ZT) can be calculated using the measured Z value.

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.Here, the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 130 . The upper electrode 150 disposed between the thermoelectric legs 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), and nickel (Ni), and may have a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm. When the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may deteriorate and the electrical conduction performance may be lowered, and if it exceeds 0.3 mm, the conduction efficiency may be lowered due to an increase in resistance. .

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.In addition, the lower substrate 110 and the upper substrate 160 facing each other may be an insulating substrate or a metal substrate. The insulating substrate may be an alumina substrate or a flexible polymer resin substrate. The flexible polymer resin substrate has high permeability such as polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), polyethylene terephthalate (PET), and resin. Various insulating resin materials such as plastic may be included. The metal substrate may include Cu, a Cu alloy, or a Cu-Al alloy, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 0.5 mm. When the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 0.5 mm, heat dissipation characteristics or thermal conductivity may be excessively high, and thus the reliability of the thermoelectric element may be deteriorated. In addition, when the lower substrate 110 and the upper substrate 160 are metal substrates, a dielectric layer 170 is disposed between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 , respectively. This can be further formed. The dielectric layer 170 includes a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W/K, and may be formed to a thickness of 0.01 mm to 0.15 mm. When the thickness of the dielectric layer 170 is less than 0.01 mm, insulation efficiency or withstand voltage characteristics may be reduced, and if it exceeds 0.15 mm, thermal conductivity may be lowered, and thus heat dissipation efficiency may be reduced.

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. In this case, the sizes of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different. For example, the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be larger than the volume, thickness, or area of the other. Accordingly, heat absorbing performance or heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.

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. In addition, a heat dissipation pattern, for example, a concave-convex pattern, may be formed on at least one surface of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 . Accordingly, the heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved. When the concave-convex pattern is formed on a surface in contact with the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 , bonding characteristics between the thermoelectric leg and the substrate may also be improved.

한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. Meanwhile, the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, or the like.

본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다. According to an embodiment of the present invention, the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may be formed to have a wide width at a portion bonding to the electrode.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다. 3 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.

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.Referring to FIG. 3 , the P-type thermoelectric leg 130 includes a first device part 132 having a first cross-sectional area, a second device part having a second cross-sectional area and disposed at a position opposite to the first device part 132 . 136 , and a connection part 134 connecting the first element part 132 and the second element part 136 and having a third cross-sectional area. In this case, the cross-sectional area of the connection part 134 in an arbitrary area in the horizontal direction may be smaller than the first cross-sectional area or the second cross-sectional area.

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. In this way, when the cross-sectional areas of the first element part 132 and the second element part 136 are formed to be larger than the cross-sectional areas of the connection part 134 , the first element part 132 and the second element part 132 and the second element part 136 are made of the same amount of material. The temperature difference T between the parts 136 may be large. Accordingly, since the amount of free electrons moving between the hot side and the cold side increases, the amount of power generation increases, and the heating efficiency or cooling efficiency increases.

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. At this time, the width (B) of the cross-section having the longest width among the horizontal cross-sections of the connection part 134 and the width of the greater cross-section among the horizontal cross-sections of the first element part 132 and the second element part 136 (A or The ratio between C) may be 1:(1.5-4). Accordingly, power generation efficiency, heat generation efficiency, or cooling efficiency can be increased.

여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다. Here, the first element part 132 , the second element part 136 , and the connection part 134 may be integrally formed using the same material.

이와 마찬가지로 N형 열전 레그(140)도 P형 열전 레그(130)와 동일하게 형성될 수 있다.Likewise, the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in the same manner as the P-type thermoelectric leg 130 .

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.The thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention may have a stacked structure. For example, the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by stacking a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-shaped substrate and then cutting them. Accordingly, it is possible to prevent material loss and improve electrical conductivity properties.

도 4는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다. 4 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg having a stacked structure.

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. Referring to FIG. 4 , a semiconductor layer 1120 is formed by manufacturing a material including a semiconductor material in the form of a paste and then applying it on a substrate 1110 such as a sheet or a film. Accordingly, one unit member 1100 may be formed.

복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다. A multilayer structure 1200 is formed by stacking a plurality of unit members 1100a, 1100b, and 1100c, and then the unit thermoelectric leg 1300 can be obtained by cutting it.

이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다. In this way, the unit thermoelectric leg 1300 may be formed by a structure in which a plurality of unit members 1100 having a semiconductor layer 1120 formed on a substrate 1110 are stacked.

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.Here, the process of applying the paste on the substrate 1110 may be performed in various ways. For example, it may be performed by a tape casting method. In the tape casting method, a powder of a fine semiconductor material is mixed with at least one selected from an aqueous or non-aqueous solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer, and a surfactant to form a slurry It is a method of molding on a moving blade or a moving substrate after manufacturing in a (slurry) form. In this case, the substrate 1110 may be a film or sheet having a thickness of 10 μm to 100 μm, and as the applied semiconductor material, the P-type thermoelectric material or the N-type thermoelectric material for manufacturing the bulk-type device described above may be applied as it is.

단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(1100)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The process of arranging and stacking the unit members 1100 in a plurality of layers may be performed by pressing at a temperature of 50 to 250° C., and the number of stacked unit members 1100 may be, for example, 2 to 50. have. Thereafter, it may be cut to a desired shape and size, and a sintering process may be added.

이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다. The unit thermoelectric leg 1300 manufactured in this way can ensure uniformity of thickness, shape, and size, and can be advantageously reduced in thickness and material loss can be reduced.

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. The unit thermoelectric leg 1300 may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, or the like, and may be cut into a shape as illustrated in FIG. 4( d ).

한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다. Meanwhile, in order to manufacture a thermoelectric leg having a stacked structure, a conductive layer may be further formed on one surface of the unit member 1100 .

도 5는 도 4의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다. FIG. 5 illustrates a conductive layer formed between unit members in the laminate structure of FIG. 4 .

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. Referring to FIG. 5 , the conductive layer C may be formed on the opposite surface of the substrate 1110 on which the semiconductor layer 1120 is formed, and may be patterned to expose a portion of the surface of the substrate 1110 .

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. 5 shows various modifications of the conductive layer (C) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 5(a) and 5(b), a mesh-type structure including closed opening patterns c1 and c2, or as shown in FIGS. 5(c) and 5(d), It may be variously modified into a line-type structure including the open opening patterns c3 and c4.

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.Such a conductive layer (C) can increase the adhesive force between the unit members in the unit thermoelectric leg formed in a laminated structure of the unit members, lower the thermal conductivity between the unit members, and can improve the electrical conductivity. The conductive layer (C) may be a metal material, for example, Cu, Ag, Ni, etc. may be applied.

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.6 is a view showing a cut state of the unit thermoelectric leg. The unit thermoelectric leg 1300 may be cut in the direction shown in FIG. 6 . According to this structure, it is possible to lower the heat conduction efficiency in the vertical direction and at the same time improve the electric conduction characteristics, thereby increasing the cooling efficiency.

도 1로 돌아가서, 히트 싱크(190)는 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 상에 형성될 수 있다. 이와 다르게, 히트 싱크(190)는 상부 기판(160)과 하부 기판(110) 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 히트 싱크(190)의 내부에는 전도성 물질층과 PCM 물질층을 포함되어 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다.1 , the heat sink 190 may be formed on the lower substrate 110 and the upper substrate 160 . Alternatively, the heat sink 190 may be formed on any one of the upper substrate 160 and the lower substrate 110 . The heat sink 190 may include a conductive material layer and a PCM material layer to improve heat transfer efficiency.

도 7은 제1 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating a heat sink according to the first embodiment.

도 7에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 히트 싱크(190)는 방열 플레이트(192)와 상기 방열 플레이트(192)의 일측에 배치된 방열 핀(194)을 포함할 수 있다.7 , the heat sink 190 according to the first embodiment may include a heat dissipation plate 192 and a heat dissipation fin 194 disposed at one side of the heat dissipation plate 192 .

방열 플레이트(192)는 커버층(192a)과, 상기 커버층(192a) 내부에 배치된 전도성 물질층(192b)과 PCM 물질층(192c)을 포함할 수 있다. The heat dissipation plate 192 may include a cover layer 192a, a conductive material layer 192b and a PCM material layer 192c disposed inside the cover layer 192a.

커버층(192a)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 커버층(192a)은 Al 재질을 포함할 수 있다. 커버층(192a)의 내부에는 사각 박스 형상의 내부 공간이 형성될 수 있다. 커버층의 내부 형상은 이에 한정되지 않는다. The cover layer 192a may be formed of a metal material. The cover layer 192a may include an Al material. A rectangular box-shaped inner space may be formed inside the cover layer 192a. The inner shape of the cover layer is not limited thereto.

커버층(192a)의 내부에는 PCM 물질층(192c)이 배치될 수 있다. PCM 물질층(192c)은 커버층(192a) 내부에 채워질 수 있다. PCM 물질층(192c)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.A PCM material layer 192c may be disposed inside the cover layer 192a. The PCM material layer 192c may be filled in the cover layer 192a. The PCM material layer 192c refers to a latent heat material, heat storage material, or a material having a heat control function that can absorb or release a lot of heat while the phase changes from solid to liquid, from liquid to solid, from gas to liquid at a specific temperature, It is an innovative temperature control material that stores ambient heat on its own and releases it when needed.

PCM 물질층(192c)이 상 변화시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열이라고 하며, 고체와 액체 간의 상 변화와 관련된 열을 응용열이라고 한다.The heat absorbed or emitted by the PCM material layer 192c while maintaining the same temperature during the phase change is called latent heat, and the heat related to the phase change between the solid and the liquid is called applied heat.

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.During phase change, latent heat plays an important role in energy storage. Compared to sensible heat, latent heat has tens to hundreds of times the energy storage capacity and release capacity at the phase change temperature, so it performs better than energy-saving materials using sensible heat. .

따라서, 본 발명에서는 히트 싱크(190)에 PCM 물질층(192c)을 사용하여 방열 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.Accordingly, in the present invention, the heat dissipation efficiency can be further improved by using the PCM material layer 192c for the heat sink 190 .

전도성 물질층(192b)은 PCM 물질층(192c)의 열전도도보다 높은 재질로 형성될 수 있다. 전도성 물질층(192b)은 1W/mK의 열전도도보다 높을 수 있다. 이를 위해 전도성 물질층(192b)은 알루미늄(Al), 니켈-구리(Ni/Cu), 니켈(Ni), 구리(Cu), 스타늄(Sn), 및 아연(Zn) 중 적어도 하나의 금속 성분을 포함할 수 있다. The conductive material layer 192b may be formed of a material having higher thermal conductivity than the PCM material layer 192c. The conductive material layer 192b may have a thermal conductivity higher than 1 W/mK. To this end, the conductive material layer 192b may include at least one metal component of aluminum (Al), nickel-copper (Ni/Cu), nickel (Ni), copper (Cu), stanium (Sn), and zinc (Zn). may include.

전도성 물질층(192b)은 PCM 물질층(192c)보다 열전도도가 높은 재질로 형성함으로써, PCM 물질층(192c)에 열 전도 효과를 향상시킬 수 있다.The conductive material layer 192b may be formed of a material having higher thermal conductivity than the PCM material layer 192c, thereby improving the heat conduction effect of the PCM material layer 192c.

전도성 물질층(192b)은 PCM 물질층(192c)과 접촉 면적을 넓혀 PCM 물질층(192c)의 열 전달 효율을 높일 수 있다. 이를 위해 전도성 물질층(192b)은 금속 재질의 패턴 봉으로 형성될 수 있다.The conductive material layer 192b may increase the heat transfer efficiency of the PCM material layer 192c by increasing a contact area with the PCM material layer 192c. To this end, the conductive material layer 192b may be formed of a metal pattern rod.

전도성 물질층(192b)은 커버층(192a) 내에 채워진 PCM 물질층(192c) 사이에 배치될 수 있다. 전도성 물질층(192b)은 커버층(192a) 내에 배치되고, 그 사이에 PCM 물질층(192c)을 충진하게 된다. 전도성 물질층(192b)은 PCM 물질층(192c)을 상하로 분리할 수 있다. 전도성 물질층(192b)과 PCM 물질층(192c)은 상하로 적층되어 배치될 수 있다.The conductive material layer 192b may be disposed between the PCM material layers 192c filled in the cover layer 192a. The conductive material layer 192b is disposed in the cover layer 192a, and the PCM material layer 192c is filled therebetween. The conductive material layer 192b may separate the PCM material layer 192c vertically. The conductive material layer 192b and the PCM material layer 192c may be stacked vertically.

전도성 물질층(192b)과 PCM 물질층(192c)은 접촉 면적에 따라 PCM 물질의 열 전달 효율을 향상될 수 있기 때문에 전도성 물질층(192b)의 패턴들 간의 간격은 동일하게 형성될 수 있다. 열 전달 효율은 전도성 물질량/PCM 물질량에 의해 결정될 수 있다.Since the conductive material layer 192b and the PCM material layer 192c may improve heat transfer efficiency of the PCM material according to the contact area, the spacing between the patterns of the conductive material layer 192b may be the same. The heat transfer efficiency can be determined by the amount of conductive material/amount of PCM material.

전도성 물질량/PCM 물질량이 25% 내지 35% 일 때 열 전달 효율이 극대화될 수 있다. 전도성 물질량/PCM 물질량이 35%를 초과하면 PCM 물질량이 감소하여 축열 효과는 감소하게 된다. 전도성 물질량/PCM 물질량이 25% 미만이면 PCM 물질의 내부 열전달 효율 감소로 전체 방열량이 감소할 수 있다. 이를 위해 전도성 물질량과 PCM 물질량은 1:2 내지 1:4를 포함할 수 있다. 바람직하게는 전도성 물질량과 PCM 물질량은 1:2.85 내지 1:4를 포함할 수 있다.When the amount of conductive material / amount of PCM material is 25% to 35%, heat transfer efficiency can be maximized. If the amount of conductive material / amount of PCM material exceeds 35%, the amount of PCM material decreases and the heat storage effect decreases. If the amount of conductive material / amount of PCM material is less than 25%, the total amount of heat dissipation may be reduced due to reduction in internal heat transfer efficiency of the PCM material. For this, the amount of the conductive material and the amount of the PCM material may include 1:2 to 1:4. Preferably, the amount of the conductive material and the amount of the PCM material may include 1:2.85 to 1:4.

전도성 물질층(192b)은 두께(T1)는 PCM 물질층(192c)의 두께(T2)보다 작게 형성될 수 있다. 전도성 물질층(192b)의 패턴의 간격이 동일한 간격을 유지한다면 다수의 전도성 물질층(192b)의 두께(T1)는 서로 다르게 형성될 수도 있다.The conductive material layer 192b may have a thickness T1 that is smaller than a thickness T2 of the PCM material layer 192c. The thickness T1 of the plurality of conductive material layers 192b may be formed to be different from each other if the spacing of the patterns of the conductive material layer 192b is maintained at the same interval.

실시예는 커버층(192a) 내에 전도성 물질층(192b)을 패턴을 이루도록 형성함으로써, 전도성 물질층(192b)과 PCM 물질층(192c)의 접촉 면적을 넓혀 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.In the embodiment, by forming the conductive material layer 192b in the cover layer 192a to form a pattern, the contact area between the conductive material layer 192b and the PCM material layer 192c is widened to maximize the heat dissipation effect. .

방열 플레이트(192)의 일측에는 다수의 방열핀(194)이 형성될 수 있다. 방열핀(194)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 방열핀(194)의 재질은 이에 한정되지 않는다. 방열핀(194)은 방열 플레이트(192) 내부에 별도로 부착되어 형성될 수 있다. 이와 다르게, 방열핀(194)은 방열 플레이트(192)와 일체로 형성될 수 있다. 방열핀(194)은 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 방열핀(194)의 형상은 원 기둥, 다각 기둥을 포함할 수 있다. 방열핀(194)은 평면에서 보았을 경우, 라인 형상으로 형성될 수 있다. 방열핀(194)의 구조는 이에 한정되지 않는다. 방열핀(194)은 서로 일정 간격 이격되도록 형성될 수 있다. 방열핀(194)은 방열 효율을 더욱 높이기 위해 서로 다른 간격으로 이격 배치될 수도 있다.A plurality of heat dissipation fins 194 may be formed on one side of the heat dissipation plate 192 . The heat dissipation fins 194 may be formed of a metal material. The material of the heat dissipation fin 194 is not limited thereto. The heat dissipation fins 194 may be separately attached to the inside of the heat dissipation plate 192 to be formed. Alternatively, the heat dissipation fins 194 may be integrally formed with the heat dissipation plate 192 . The heat dissipation fins 194 may be formed in a rectangular column shape. The shape of the heat dissipation fin 194 may include a circular column or a polygonal column. The heat dissipation fins 194 may be formed in a line shape when viewed in a plan view. The structure of the heat dissipation fin 194 is not limited thereto. The heat dissipation fins 194 may be formed to be spaced apart from each other by a predetermined distance. The heat dissipation fins 194 may be spaced apart from each other at different intervals to further increase heat dissipation efficiency.

도 8은 제2 실시예에 따른 히트 싱크를 나타낸 단면도이다. 도 9는 도 8의 방열 핀을 중심으로 나타낸 확대 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a heat sink according to a second embodiment. 9 is an enlarged cross-sectional view showing the heat dissipation fin of FIG. 8 as a center;

도 8에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 히트 싱크(190)는 방열 플레이트(192)와 상기 방열 플레이트(192)의 일측에 배치된 다수의 방열 핀(194)을 포함할 수 있다. 여기서, 방열 핀(194)은 커버층(194a)과 커버층(194a) 내부에의 전도성 물질층(194b)과, PCM 물질층(194c)을 포함할 수 있다. 전도성 물질층(194b)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2 내지 1:4를 포함할 수 있다. 바람직하게는 전도성 물질층(194b)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2.85 내지 1:4를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 8 , the heat sink 190 according to the second embodiment may include a heat dissipation plate 192 and a plurality of heat dissipation fins 194 disposed on one side of the heat dissipation plate 192 . Here, the heat dissipation fin 194 may include a cover layer 194a, a conductive material layer 194b inside the cover layer 194a, and a PCM material layer 194c. The material content of the conductive material layer 194b and the PCM material layer 194c may include 1:2 to 1:4. Preferably, the material content of the conductive material layer 194b and the PCM material layer 194c may be 1:2.85 to 1:4.

커버층(194a)의 내부에는 PCM 물질층(194c)이 배치될 수 있다. PCM 물질층(194c)은 커버층(194a) 내부에 채워질 수 있다. 전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c)의 열전도도보다 높은 재질로 형성될 수 있다. 전도성 물질층(194b)은 1W/mK의 열전도도보다 높을 수 있다. A PCM material layer 194c may be disposed inside the cover layer 194a. The PCM material layer 194c may be filled in the cover layer 194a. The conductive material layer 194b may be formed of a material having higher thermal conductivity than the PCM material layer 194c. The conductive material layer 194b may have a thermal conductivity higher than 1 W/mK.

전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c)과 접촉 면적을 넓혀 PCM 물질층(194c)의 열 전달 효율을 높일 수 있다. 이를 위해 전도성 물질층(194b)은 금속 재질의 패턴 봉으로 형성될 수 있다.The conductive material layer 194b may increase the heat transfer efficiency of the PCM material layer 194c by increasing a contact area with the PCM material layer 194c. To this end, the conductive material layer 194b may be formed of a metal patterned rod.

전도성 물질층(194b)은 커버층(194a) 내에 채워진 PCM 물질층(194c) 사이에 배치될 수 있다. 전도성 물질층(194b)은 커버층(194a) 내에 배치되고, 그 사이에 PCM 물질층(194c)을 충진하게 된다. 전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c)을 상하로 분리할 수 있다. 전도성 물질층(194b)과 PCM 물질층(194c)은 상하로 적층되어 배치될 수 있다.The conductive material layer 194b may be disposed between the PCM material layers 194c filled in the cover layer 194a. The conductive material layer 194b is disposed within the cover layer 194a, and the PCM material layer 194c is filled therebetween. The conductive material layer 194b may separate the PCM material layer 194c vertically. The conductive material layer 194b and the PCM material layer 194c may be stacked vertically.

제2 실시예는 방열 핀 내부에 패턴 구조의 전도성 물질과 PCM 물질을 포함시킴으로써, 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.The second embodiment has the effect of maximizing the heat dissipation effect by including the conductive material and the PCM material having a pattern structure inside the heat dissipation fins.

도 10 및 도 11은 제2 실시예에 따른 방열 핀의 다른 변형예를 나타낸 단면도이다.10 and 11 are cross-sectional views illustrating another modified example of the heat dissipation fin according to the second embodiment.

도 10에 도시된 바와 같이, 방열 핀(194)은 커버층(194a)과 커버층(194a) 내부에의 전도성 물질층(194b)과, PCM 물질층(194c)을 포함할 수 있다. 전도성 물질층(194b)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2 내지 1:4를 포함할 수 있다. 바람직하게는 전도성 물질층(194b)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2.85 내지 1:4를 포함할 수 있다.10 , the heat dissipation fin 194 may include a cover layer 194a, a conductive material layer 194b inside the cover layer 194a, and a PCM material layer 194c. The material content of the conductive material layer 194b and the PCM material layer 194c may include 1:2 to 1:4. Preferably, the material content of the conductive material layer 194b and the PCM material layer 194c may be 1:2.85 to 1:4.

전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c)을 좌우로 분리하도록 형성할 수 있다. 전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c) 사이에 상하로 형성될 수 있다. 전도성 물질층(194b)의 폭(W1)은 PCM 물질층(194c)의 폭(W2)보다 작게 형성될 수 있다. 전도성 물질층(194b)의 패턴은 PCM 물질층(194c)의 자체의 열전도도를 높여 히트 싱의 방열 효과를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The conductive material layer 194b may be formed to separate the PCM material layer 194c left and right. The conductive material layer 194b may be formed vertically between the PCM material layers 194c. The width W1 of the conductive material layer 194b may be smaller than the width W2 of the PCM material layer 194c. The pattern of the conductive material layer 194b has the effect of increasing the thermal conductivity of the PCM material layer 194c itself to further improve the heat dissipation effect of the heat sink.

도 11에 도시된 바와 같이, 방열 핀(194)은 커버층(194a)과 커버층(194a) 내부에의 전도성 물질층(194b, 194d)과, PCM 물질층(194c)을 포함할 수 있다. 전도성 물질층(194b, 194d)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2 내지 1:4를 포함할 수 있다. 바람직하게는 전도성 물질층(194b, 194d)과 PCM 물질층(194c)의 물질 함유량은 1:2.85 내지 1:4를 포함할 수 있다.11 , the heat dissipation fin 194 may include a cover layer 194a, conductive material layers 194b and 194d inside the cover layer 194a, and a PCM material layer 194c. The material content of the conductive material layers 194b and 194d and the PCM material layer 194c may include 1:2 to 1:4. Preferably, the material content of the conductive material layers 194b and 194d and the PCM material layer 194c may be 1:2.85 to 1:4.

전도성 물질층은 PCM 물질층(194c)을 상하로 분리시키는 제1 전도성 물질층(194b)을 포함할 수 있다. 제1 전도성 물질층(194b)을 다수개가 상하로 이격 형성될 수 있다. 제1 전도성 물질층(194b)의 두께는 PCM 물질층(194c)의 두께보다 작게 형성될 수 있다.The conductive material layer may include a first conductive material layer 194b that vertically separates the PCM material layer 194c. A plurality of first conductive material layers 194b may be vertically spaced apart from each other. The thickness of the first conductive material layer 194b may be smaller than the thickness of the PCM material layer 194c.

전도성 물질층(194b)은 PCM 물질층(194c)을 좌우로 분리시키는 제2 전도성 물질층(194d)을 포함할 수 있다. 제2 전도성 물질층(194d)의 폭은 PCM 물질층(194c)의 폭 보다 작게 형성될 수 있다.The conductive material layer 194b may include a second conductive material layer 194d separating the PCM material layer 194c to the left and right. The width of the second conductive material layer 194d may be smaller than the width of the PCM material layer 194c.

제2 실시예에 따른 방열 핀은 전도성 물질층의 패턴을 다양하게 형성함으로써, PCM 물질층과의 접촉 면적을 넓혀 PCM 자체의 낮은 열전도도를 향상시켜 히트 싱크의 방열 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.The heat dissipation fin according to the second embodiment has the effect of maximizing the heat dissipation effect of the heat sink by forming various patterns of the conductive material layer, thereby increasing the contact area with the PCM material layer and improving the low thermal conductivity of the PCM itself. have.

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.Although it has been described above that the heat sink is attached to the thermoelectric element, the present invention is not limited thereto, and may be directly attached to an electronic component that emits heat, an LED lighting device, an electric fan, or an air conditioner.

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. The thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to a device for power generation, a device for cooling, a device for heating, and the like. Specifically, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is mainly an optical communication module, a sensor, a medical device, a measuring device, aerospace industry, a refrigerator, a chiller, an automobile ventilation seat, a cup holder, a washing machine, a dryer, and a wine cellar. , water purifiers, power supplies for sensors, thermopiles, and the like.

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. Here, as an example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is a PCR (Polymerase Chain Reaction) device. PCR equipment is equipment for determining the nucleotide sequence of DNA by amplifying DNA, and it requires precise temperature control and thermal cycle. To this end, a Peltier-based thermoelectric element may be applied.

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. As another example in which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is a photodetector. Here, the photodetector includes an infrared/ultraviolet detector, a charge coupled device (CCD) sensor, an X-ray detector, and a Thermoelectric Thermal Reference Source (TTRS). A Peltier-based thermoelectric element may be applied for cooling the photodetector. Accordingly, it is possible to prevent a change in wavelength, a decrease in output, and a decrease in resolution due to an increase in the temperature inside the photodetector.

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. As another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, an immunoassay field, an in vitro diagnostics field, a general temperature control and cooling system, Physical therapy fields, liquid chiller systems, blood/plasma temperature control, etc. Accordingly, precise temperature control is possible.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다. Another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device is an artificial heart. Accordingly, power can be supplied to the artificial heart.

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. Examples of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention applied to the aerospace industry include a star tracking system, a thermal imaging camera, an infrared/ultraviolet detector, a CCD sensor, the Hubble Space Telescope, and a TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor may be maintained.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다. As another example in which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry, there are a cooling device, a heater, a power generation device, and the like.

이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다. In addition, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to power generation, cooling, and heating in other industrial fields.

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.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it can be done.

110: 하부 기판 120: 하부 전극
130: P형 열전 레그 140: N형 열전 레그
150: 상부 전극 160: 상부 기판
190: 히트 싱크 192: 방열 플레이트110: lower substrate 120: lower electrode
130: P-type thermoelectric leg 140: N-type thermoelectric leg
150: upper electrode 160: upper substrate
190: heat sink 192: heat dissipation plate

Claims

a lower substrate and an upper substrate disposed to face each other;
a P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg disposed between the lower substrate and the upper substrate;
a lower electrode disposed between a lower bottom surface of each of the P-type and N-type thermoelectric legs and the lower substrate;
an upper electrode disposed between an upper bottom surface of each of the P-type and N-type thermoelectric legs and the upper substrate;
a first heat sink including a first heat dissipation plate disposed on the lower substrate and first heat dissipation fins disposed at one side of the first heat dissipation plate; and
a second heat sink including a second heat dissipation plate disposed on the upper substrate and a second heat dissipation fin disposed at one side of the second heat dissipation plate;
The upper surface of the first heat sink is in direct contact with the lower surface of the lower substrate,
The lower surface of the second heat sink is in direct contact with the upper surface of the upper substrate,
The P-type thermoelectric leg,
a first element part disposed on an upper surface of the lower electrode facing the upper electrode and having a first cross-sectional area;
a second element portion disposed on a lower surface of the upper electrode facing the lower electrode and having a second cross-sectional area; and
It is disposed between the first and second element parts and includes a connecting part connecting the first and second element parts and having a third cross-sectional area,
the first and second cross-sectional areas are greater than the third cross-sectional areas;
The heat sink includes a metal cover layer, a conductive material layer and a PCM material layer disposed inside the cover layer, and a material content of the conductive material layer and the PCM material layer is 1:2 to 1:4 and,
An area of a top surface of the upper substrate in contact with the first heat sink and an area of a bottom surface of the lower substrate in contact with the second heat sink are greater than the first and second cross-sectional areas.

The method of claim 1,
The conductive material layer includes at least one first conductive material layer separating the PCM material layer up and down.

The method of claim 1,
The conductive material layer includes at least one second conductive material layer separating the PCM material layer to left and right.

The method of claim 1,
The conductive material layer includes at least one first conductive material layer separating the PCM material layer up and down, and at least one second conductive material layer separating the PCM material layer from left to right.

5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The thermal conductivity of the conductive material layer is higher than that of the PCM material layer.

6. The method of claim 5,
The thermal conductivity of the conductive material layer is higher than 1W/mK thermoelectric element.