KR102281065B1 - 열전모듈 및 이를 포함하는 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함하는 열전모듈에 관한 것이다.

Description

열전모듈 및 이를 포함하는 냉각장치{COOLING THERMOELECTRIC MOUDULE AND DEVICE USING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 냉각용으로 사용되는 열전모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생됨으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.
여기서, 상기 펠티어(Peltier) 효과는 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p타입(p-type) 재료의 정공과 n타입(n-type) 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡(Seeback) 효과는 외부 열원에서 열을 공급받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.
이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며, 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.
열전모듈의 제조 시, N형 반도체소자 및 P형 반도체소자로 이루어진 단위모듈을 절연 수지 등으로 실링을 하게 되는데, 이는 외부로부터의 노출을 차단하여 방수 및 절연하기 위한 것이다. 그러나 모듈 내에 동일한 실링 재료를 사용할 경우 소자 내부에 열이 축적되고 냉각효율을 저하시킬 수 있다. 도 1을 참조하면, 모듈 내에 한 종류의 실링 재료(S)를 사용하면, 발열부(Zr)에서 발생하는 열이 발열부(Zr)의 하부 기판뿐만 아니라 흡열부(Zㅁ) 근접의 열전소재와 실링 부분을 통해서 방출(H2)된다. 또한, 발열부(Zr)에서 발생한 열이 직접적으로 흡열부(Za)로 전달(H3)되거나, 외부의 열(H4)이 흡열부로 전달되어 냉각 성능을 저하시키게 된다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함하는 열전모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명의 실시예에서는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함하는 열전모듈을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면으로, 상기 열전모듈을 포함하는 냉각 장치를 제공한다.
본 실시예에 따르면, 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함하는 열전모듈을 제공하여, 외부와의 단열로 냉기가 모두 냉각부에 집중될 수 있도록 하고, 발열부에서 발생하는 열은 국부적으로 발열부 주위에 방출시켜 흡열부에 열 전달을 최소화함으로써 냉각효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 열전모듈에서의 열이동을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전모듈의 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 열전모듈의 예시적인 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 열전모듈에서의 열이동을 나타낸 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전모듈(100)의 예시적인 단면도이고, 도 3은 본 실시예에 따른 열전모듈(100)의 예시적인 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전모듈(100)은 서로 대향하는 제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b), 한 쌍의 반도체소자(120)로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 열전모듈부의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함한다.
제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b)은 DBC(Direct Bond Copper) 기판일 수 있다. DBC 기판의 양면은 구리로 본딩이 되어 있으므로 솔더링이나 와이어 본딩이 가능하다. DBC 기판의 일반적인 구조는 도 2에 나타낸 바와 같이, 절연 기재인 세라믹 기재층(112a, 112b)의 상면에 접합된 상부 구리층(114a, 114b) 및 세라믹 기재층(112a, 112b)의 상면에 접합된 상부 구리층(114a, 114b), 세라믹 기재층(112a, 112b)의 하면에 접합된 하부 구리층(116a, 116b)로 이루어져 있다. 여기서, "상부 구리층"은 제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b)을 기준으로 열전모둘(100)의 외부 측면에 접합되어 있는 구리층을 의미하고, "하부 구리층"은 열전모듈(100)의 내부 측면, 즉 반도체소자(120)와 접합하고 있는 구리층을 지칭한다.
제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b)의 세라믹 기재층(112a, 112b)은 산화 알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4) 또는 산화 베릴륨(BeO) 등의 절연재일 수 있다. 세라믹 기재층(112a, 112b)의 두께는 0.1㎜ 내지 1㎜일 수 있다. 세라믹 기재층(112a, 112b)의 두께가 0.1㎜ 미만일 경우에는 제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b)의 강도가 충분하지 못하여 불량이 발생할 수 있고, 또한 통전의 우려가 있다. 반면 두께가 1㎜를 초과할 경우, 세라믹 재질의 특성상 열전모듈의 무게가 증가하여 바람직하지 않다.
상부 구리층(114a, 114b)은 세라믹 기재층(112a, 112b)의 일면에 화학 기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 이베이퍼레이터(evaporator), 스퍼터(sputter), 구리층의 직접 압착 등의 방법을 이용하여 세라믹 기재층(112a, 112b)의 전면 또는 일부에 형성된다. 상부 구리층(114a, 114b)의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
하부 구리층(116a, 116b)은 세라믹 기재층(112a, 112b)의 상기 일면과 다른 일면, 즉 세라믹 기재층(112a, 112b)이 서로 대향하는 면에 형성될 수 있다. 형성방법으로는 상부 구리층(114a, 114b)과 마찬가지로 화학 기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 이베이퍼레이터(evaporator), 스퍼터(sputter), 구리층의 직접 압착 등의 방법을 이용하여 세라믹 기재층(112a, 112b)의 전면 또는 일부에 형성된다. 하부 구리층(116a, 116b)은 반도체소자(120)와 접합되어 반도체소자(120)의 전극이 되므로, 반도체소자(120)의 형태 및 배치에 따라서 적절히 패터닝 될 수 있다. 하부 구리층(116a, 116b)의 두께는 50㎛ 내지 500㎛일 수 있다.
본 실시예에서, 반도체소자(120)는 P형 반도체 또는 N형 반도체 재료를 적용하여 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자를 적용할 수 있다. 벌크형(Bulk type)이란 반도체 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물을 의미한다. 이러한 벌크형 소자는 하나의 일체형 구조로 형성될 수 있다. P형 반도체소자(122 또는 124) 또는 N형 반도체소자(122 또는 124)는 비스무스-텔루륨계(Bi-Te) 반도체소자일 수 있다.
N형 반도체소자(122 또는 124)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무스-텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g 내지 1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001 중량% 내지 0.1 중량% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
P형 반도체소자(122 또는 124)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무스-텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001 중량% 내지 1.0 중량%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g 내지 1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001 중량% 내지 0.1 중량% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
본 실시예에서, 실링재(130)는 제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b)의 대향하는 내부 영역의 일부 또는 전부 충진될 수 있다. 실링재(130)는 이는 외부로부터의 노출을 차단하여 방수 및 절연하기 위한 것이다. 실링재(130)는 절연체로 이루어질 수 있고, 상기 절연체로는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 테플론 수지 또는 운모 등을 사용할 수 있다. 본 실시예의 열전모듈은 제1 기판(110a) 및 제2 기판(110b) 중 어느 한 쪽은 발열부, 다른 한 쪽은 흡열부로서 작동하게 된다. 상기 발열부에서 방출되는 열이 상기 흡열부로 흘러들어 가는 것을 방지하기 위하여 상기 발열부와 접촉되는 실링재(134) 및 상기 흡열부측과 접촉되는 실링재(132)는 열전도도가 서로 상이한 두 종류의 실링 재료를 사용한다.
본 실시예에 따른 열전모듈은 서로 다른 재질 및 특성을 가지는 반도체소자(130)가 쌍을 이루며 배치되며, 쌍을 이루는 각각의 반도체소자(120)는 금속전극에 의해 전기적으로 연결되는 단위열전소자가 다수 개가 배치되는 구조로 구현될 수 있다. 특히, 이 경우 단위열전소자를 이루는 열전소자의 경우, 한 쪽은 P형 반도체소자(122 또는 124) 및 N형 반도체소자(122 또는 124)로 구성될 수 있다. P형 반도체소자(122 또는 124) 및 N형 반도체소자(122 또는 124)는 하부 구리층(116a, 116b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(142, 144)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.
도 4는 본 실시예에 따른 열전모듈에서의 열이동을 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 실링재는(132, 134)는 단위열전소자의 상반부(上半部) 영역 및 하반부(下半部) 영역에 충진되는 서로 다른 열전도도를 갖는 이종(異種)의 절연체이다. 발열부(Zr)에서 방출되는 열(H2)이 흡열부(Za)로 흘러들어 가는 것을 방지하기 위하여 발열부(Zr)와 접촉되는 실링재(134) 및 흡열부(Za)측과 접촉되는 실링재(132)는 열전도도가 서로 상이한 두 종류의 실링 재료를 사용한다.
이때, 발열부(Zr)에 열전도도가 높은 실링 재료를 사용하여 대부분의 열(H1, H2) 방출을 발열부(Zr)로 유도할 수 있다. 반면, 흡열부(Za)에는 열전도도가 낮은 재료를 사용하여 냉각부위에 소자 외부로부터의 열 및 발열부(Zr)로부터 방출되는 열이 흡열부(Za)로 흘러들어 가는 열을 차단할 수 있다. 상기 열전도도는 상술한 절연체의 종류, 점도 또는 밀도 등에 의하여 달라질 수 있고, 상기 절연체를 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
본 실시예의 다른 측면에 따른 냉각 장치는 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및 서로 다른 열전도도를 가지며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역의 적어도 일 영역에 도포되는 적어도 2종의 실링재를 포함하는 열전모듈로 구성된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 단위열전소자의 상 하부의 기판의 표면에 발열부 및 흡열부의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉, 하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 장비로도 응용이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 열전모듈
110: 기판
120: 반도체소자
130: 실링재
Za: 흡열부
Zr: 발열부
H: 발산열

Claims (9)

  1. 서로 대향하는 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에 배치되어 전극에 의해 각각의 말단이 서로 전기적으로 연결되고, P형 반도체소자 및 N형 반도체소자로 이루어진 한 쌍의 반도체소자로 구성되는 적어도 1 이상의 단위열전소자; 및
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에서 상기 단위열전소자의 상반부 영역 사이에 도포되는 제1실링재 및 상기 제1실링재와 다른 열전도도를 가지며 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판이 대향하는 내부 영역에서 상기 단위열전소자의 하반부 영역 사이에 도포되는 제2실링재;를 포함하며,
    상기 제1 기판은 제1 구리층, 제2 구리층 및 상기 제1 구리층 및 상기 제2 구리층 사이에 배치되는 제1 세라믹 기재층을 포함하며,
    상기 제2 기판은 제3 구리층, 제4 구리층 및 상기 제3 구리층 및 상기 제4 구리층 사이에 배치되는 제2 세라믹 기재층을 포함하며,
    상기 제1 구리층 및 상기 제4 구리층 각각은 상기 제1 세라믹 기재층 및 상기 제2 세라믹 기재층의 표면에 형성되어 열전 모듈의 외부면을 이루며,
    상기 제2 구리층 및 상기 제3 구리층 각각은 상기 열전 모듈의 내부면에서 상기 제1 세라믹 기재층 및 상기 제2 세라믹 기재층의 표면에 형성되어 상기 단위열전소자에 전기적으로 결합되는 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 실링재는 상기 제2 구리층과 접촉하며, 상기 제2 실링재는 상기 제3 구리층 및 상기 제1 실링재와 접촉하는 열전모듈.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 구리층 및 상기 제3 구리층은,
    상기 P형 반도체소자 및 상기 N형 반도체소자의 배치에 따라 패터닝되는 열전모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 기재층은,
    산화 알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화실리콘(Si3N4) 및 산화 베릴륨(BeO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 기재인 열전모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 P형 반도체소자 또는 상기 N형 반도체소자는,
    비스무스-텔루륨계(Bi-Te) 반도체소자로,
    비스무스 및 텔루륨을 주원료물질로 하여,
    안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 붕소(B), 갈륨(Ga), 은(Ag), 구리(Cu) 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 더 포함하는 복합체로 이루어지는 열전모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 실링재 및 상기 제2 실링재는,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 대향하는 내부 영역의 일부 또는 전부에 충진되는 열전모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 세라믹 기재층 및 상기 제2 세라믹 기재층 각각의 두께는 0.1㎜ 내지 1㎜이고,
    상기 제1 구리층 및 상기 제4 구리층 각각의 두께는 50㎛ 내지 500㎛이고,
    상기 제2 구리층 및 상기 제3 구리층 각각의 두께는 50㎛ 내지 500㎛인 열전모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 실링재 및 상기 제2 실링재는,
    에폭시 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 테플론 수지 및 운모로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 재료로 이루어지는 열전모듈.
  9. 청구항 1, 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 따른 열전모듈을 포함하는 냉각 장치.
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