KR102304603B1 - 열전모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상호간 소정 간격 이격하여 교번 배치되는 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 포함하는 복수개의 열전소자; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판의 대향면에 배치되어 상기 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 전기적으로 직렬 연결하는 제1전극과 제2전극; 및 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자와 전기적으로 연결되고 타단은 리드선에 연결되는 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자를 포함하는 열전 모듈을 제공한다.

Description

열전모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전 발전 또는 전자 냉동 등에 이용되는 열전 모듈에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 모듈은 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 모듈은 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 모듈은 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있으며, 표면에 굴곡을 갖는 다양한 구조체에는 유연성을 갖는 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
또한, 열전 모듈은 외부로부터 전원을 공급받기 위하여 모듈의 외측에 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 주재료로하는 포스트(post)전극이 배치된다. 그러나 포스트 전극은 열전 모듈상에서 열전현상에 기여하지 않는 소자로써 별도의 면적을 차지한다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율이 향상된 열전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상호간 소정 간격 이격하여 교번 배치되는 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 포함하는 복수개의 열전소자; 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판의 대향면에 배치되어 상기 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 전기적으로 직렬 연결하는 제1전극과 제2전극; 및 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자와 전기적으로 연결되고 타단은 리드선에 연결되는 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자를 포함하는 열전 모듈을 제공한다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자의 상부 표면 및 하부 표면은 금속도금 처리 될 수 있다.
상기 상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자의 상부 표면 및 하부 표면은 금(Au)으로 도금 처리 될 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 상호 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 상기 말단 반도체 소자와 직렬 연결될 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 직렬 연결된 말단 반도체 소자와 동일한 유형(type)의 반도체 소자일 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 상기 말단 반도체 소자와 병렬 연결될 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 병렬 연결된 말단 반도체 소자와 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
상기 제3반도체 소자는 상기 말단 반도체 소자와 직렬 연결되고, 상기 제4반도체 소자는 상기 말단 반도체 소자와 병렬 연결될 수 있다.
상기 제3반도체 소자는 직렬 연결된 말단 반도체 소자와 동일한 유형의 반도체 소자이고, 상기 제4반도체 소자는 병렬 연결된 말단 반도체 소자와 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
상기 제 1 기판 및 제 2 기판 중 하나의 기판은 방열영역(Hot Side)으로 다른 기판의 면적보다 넓은 면적을 가질 수 있다.
상기 제3반도체 소자 및 상기 제4반도체 소자는 상기 방열영역을 이루는 기판에 배치될 수 있다.
본 발명인 열전 모듈은 별도의 포스트 전극 없이 외부로부터 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 열전 현상에 기여하지 않으면서 별도의 면적을 차지하는 포스트 전극을 제거함으로써 모듈을 소형화 할 수 있다.
또한, 열전 현상에 기여하는 반도체 소자를 포스트 전극으로 사용함으로써 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 평면도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 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.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 평면도이다.
도1 및 도2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열전 모듈(1)은 제 1 기판(10), 제 2 기판(20), 제1반도체 소자(51), 제2반도체 소자(52), 제3반도체 소자(53), 제4반도체 소자(54), 제1전극(30), 제2전극(40)을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 기판(10)의 일면에는 제1전극(30)이 배치될 수 있다. 제 1 기판(10)은 예를 들면 Cu 기판, Cu 합금 기판, Cu-Al 합금 기판, Al2O3 기판 등일 수 있다. 제1전극(30)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 포함할 수 있으며, 두께는 0.01mm 내지 0.3mm 범위일 수 있다. 도시되지 않았으나, 제 1 기판(10)과 제1 전극(30) 사이에는 유전체층(미도시)이 형성될 수도 있다. 제 1 기판(10)의 타면에는 열원(heat source)(미도시)이 마련될 수 있다.
유전체층의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.1mm를 초과하는 경우에는 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다.
제1반도체 소자(51)와 제2반도체 소자(52)는 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 사이에 배치되며 제1전극(30)과 제2전극(40)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(40)은 제 2 기판(20)과 제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(30)은 제 1 기판(10)과 제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 제1전극(30)과 제2전극(40)은 각각 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)의 대향면상에서 소정 간격 이격되어 배치됨으로써 복수의 제1반도체 소자(51)와 제2반도체 소자(52)는 제1전극(30) 및 제2전극(40)에 의하여 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
제1전극(30) 및 제2전극(40)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 제1전극(30) 및 제2전극(40)의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 제1전극(30)및 제2전극(40)의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계의 반도체 소자일 수 있다.
예를 들어, 제1반도체 소자(51)는 P형 반도체 소자로써 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
그리고, 제2반도체 소자(52)는 N형 반도체 소자로써 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 직경은 1~3mm일 수 있다.
제 2 기판(20)은 제 1 기판(10)과 대향하도록 배치될 수 있다. 제 1 기판(10)과 대향하는 제 2 기판(20)의 일면에는 제2전극(40)이 소정 간격으로 이격하여 배치될 수 있다.
제 2 기판(20)은 예를 들면 Cu 기판, Cu 합금 기판, Cu-Al 합금 기판, Al2O3 기판 등일 수 있다. 제2전극(40)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 포함할 수 있으며, 두께는 0.01mm 내지 0.3mm 범위일 수 있다. 도시되지 않았으나, 제 2 기판(20)과 제2 전극(40) 사이에는 유전체층이 형성될 수도 있다.
도시되지 않았으나, 제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 외표면을 따라 반도전층 및 절연층이 마련될 수 있다.
또한, 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)의 외표면을 따라 방열판(60)이 배치될 수 있다.
제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20) 중 하나의 기판은 방열영역(Hot Side)으로 다른 기판의 면적보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제 1 기판(10)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제 2 기판(20)의 면적을 넓게 형성하여, 열전도율을 높이고, 방열효율을 높일 수 있다. 구체적으로, 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 금속기판으로 형성하는 경우에는 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)에 형성되는 전극층과의 사이에 유전체층(미도시)이 더 포함될 수 있다.
이 때, 제 1 기판(10)과 대향하지 않는 별도 영역(extra area)의 제 2 기판(20)에는 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)가 배치될 수 있다. 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 방열영역을 이루는 제 2 기판(20) 중 제 1 기판(10)과 비교하여 수평축으로 넓게 연장되어 있는 별도의 영역에 배치될 수 있다. 이와는 달리 제 1 기판(10)이 방열영역을 이루는 경우에는 제 1 기판(10)의 면적이 제 2 기판(20)보다 넓게 형성될 수 있으며 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 제 1 기판(10)에 배치될 수 있다. 즉, 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 방열영역을 이루는 기판에 배치될 수 있다.
제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 제 2 기판(20)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(51-1, 52-1)와 전기적으로 연결되고 타단은 리드선(70)에 연결될 수 있다. 리드선(70)은 외부 전원(미도시)에 연결되어 있으며, 외부 전원으로부터 열전 모듈(1)로 전력을 공급하는 수단으로 사용될 수 있다.
제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 상호 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
제3반도체 소자(53)는 제 2 기판(20)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(51-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(70)에 연결될 수 있다. 제3반도체 소자(53)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(51-1, 52-1) 중 제1반도체 소자(51-1)와 직렬로 연결될 수 있으며, 제1반도체 소자(51-1)와 동일한 유형일 수 있다. 제3반도체 소자(53)는 예를 들어, 제1반도체 소자(51-1)와 동일한 P형 반도체 소자로써 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 제3반도체 소자(53)의 상부 표면(53a) 및 하부 표면(53b)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 제3반도체 소자(53)의 상부 표면(53a) 및 하부 표면(53b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
제4반도체 소자(54)는 제 2 기판(20)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(52-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(70)에 연결될 수 있다. 제4반도체 소자(54)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(51-1. 52-1) 중 제2반도체 소자(52-1)와 직렬로 연결될 수 있으며, 제2반도체 소자(52-1)와 동일한 유형일 수 있다. 제4반도체 소자(54)는 예를 들어, 제2반도체 소자(52-1)는 동일한 N형 반도체 소자로써 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입될 수 있다. 제4반도체 소자(54)의 상부 표면(54a) 및 하부 표면(54a)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 제4반도체 소자(54)의 상부 표면(54a) 및 하부 표면(54b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 각각 직렬 연결된 말단 반도체 소자(51-1.52-1)와 동일한 유형의 반도체 소자로 이루어짐으로써 방열영역을 이루는 제 2 기판(20) 상에서 냉각 기능을 수행할 수 있다. 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)는 방열영역을 이루는 제 2 기판(20)의 온도를 낮춤으로써 냉각영역을 이루는 제 1 기판(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 기판(10)의 냉각 효율은 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)에 의하여 낮아진 제 2 기판의 온도만큼 상승하게 된다. 예를 들어, 제 1 기판(10)의 온도가 20도이고, 제 2 기판(20)의 온도가 10도인 경우에 있어서, 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)에 의하여 제 2 기판의 온도가 2도만큼 낮아지는 경우, 제 1 기판(10)은 제 2 기판(20)의 변화된 온도만큼 18도로 낮아짐으로써, 제 1 기판(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제3반도체 소자(53) 및 제4반도체 소자(54)의 단면적, 두께, 주원료 물질의 종류 및 중량, 혼합물의 종류 및 중량 등은 상승시키고자 하는 제 1 기판(10)의 냉각 효율에 따라 결정될 수 있다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈(2)의 단면도이다.
도3을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈(2)는 제 1 기판(100), 제 2 기판(200), 제1반도체 소자(510), 제2반도체 소자(520), 제3반도체 소자(530), 제4반도체 소자(540), 제1전극(300), 제2전극(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
도3에서 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)는 각각 말단 반도체 소자와 병렬 연결되어 있으며, 이외의 구성은 동일하다. 이하 도1 및 도2와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도3을 참고하면, 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)는 제 2 기판(200)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(510―1, 520-1)와 전기적으로 연결되고 타단은 리드선(700)에 연결될 수 있다.
제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)는 상호 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
제3반도체 소자(530)는 제 2 기판(200)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(510-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(700)에 연결될 수 있다. 제3반도체 소자(530)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(510-1, 520-1) 중 제1반도체 소자(510-1)와 병렬로 연결될 수 있으며, 제1반도체 소자(510-1)와 다른 유형일 수 있다. 제3반도체 소자(530)는 예를 들어, 제1반도체 소자(510-1)와 다른 N형 반도체 소자로써 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입될 수 있다. 제3반도체 소자(530)의 상부 표면(530a) 및 하부 표면(530b)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제3반도체 소자(530)의 상부 표면(530a) 및 하부 표면(530b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
제4반도체 소자(540)는 제 2 기판(200)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(520-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(700)에 연결될 수 있다. 제4반도체 소자(540)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(510-1, 520-1) 중 제2반도체 소자(520-1)와 병렬로 연결될 수 있으며, 제2반도체 소자(520-1)와 다른 유형일 수 있다. 제4반도체 소자(540)는 예를 들어, 제2반도체 소자(520-1)와는 다른 P형 반도체 소자로써 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 제4반도체 소자(540)의 상부 표면(540a) 및 하부 표면(540b)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 제4반도체 소자(540)의 상부 표면(540a) 및 하부 표면(540b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)는 각각 병렬 연결된 말단 반도체 소자와 다른 유형의 반도체 소자로 이루어짐으로써 방열영역을 이루는 제 2 기판(200) 상에서 냉각 기능을 수행할 수 있다. 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)는 방열영역을 이루는 제 2 기판(200)의 온도를 낮춤으로써 냉각영역을 이루는 제 1 기판(100)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 기판(100)의 냉각 효율은 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)에 의하여 낮아진 제 2 기판(200)의 온도만큼 상승하게 된다. 예를 들어, 제 1 기판(100)의 온도가 20도이고, 제 2 기판(200)의 온도가 10도인 경우에 있어서, 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)에 의하여 제 2 기판(200)의 온도가 2도만큼 낮아지는 경우, 제 1 기판(100)은 제 2 기판(200)의 변화된 온도만큼 18도로 낮아짐으로써 제 1 기판(100)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제3반도체 소자(530) 및 제4반도체 소자(540)의 단면적, 두께, 주원료 물질의 종류 및 중량, 혼합물의 종류 및 중량 등은 상승시키고자 하는 제 1 기판(100)의 냉각 효율에 따라 결정될 수 있다.
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈(3)의 단면도이다.
도4를 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈(3)은 제 1 기판(1000), 제 2 기판(2000), 제1반도체 소자(5100), 제2반도체 소자(5200), 제3반도체 소자(5300), 제4반도체 소자(5400), 제1전극(3000), 제2전극(4000)을 포함하여 구성될 수 있다.
도3에서 제3반도체 소자(5300)는 말단 반도체 소자(5100-1)와 직렬 연결되고, 제4반도체 소자(5400)는 말단 반도체 소자(5200-1)와 병렬 연결되어 있으며, 이외의 구성은 동일하다. 이하 도1 및 도2와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도4를 참고하면, 제3반도체 소자(5300) 및 제4반도체 소자(5400)는 제 2 기판(2000)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(5100-1, 5200-1)와 전기적으로 연결되고 타단은 리드선(7000)에 연결될 수 있다.
제3반도체 소자(5300)는 직렬 연결된 말단 반도체 소자(5100-1)와 동일한 유형의 반도체 소자이고, 제4반도체 소자(5400)는 병렬 연결된 말단 반도체 소자(5200-1)와 다른 유형의 반도체 소자일 수 있다.
제3반도체 소자(5300)는 제 2 기판(2000)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(5100-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(7000)에 연결될 수 있다. 제3반도체 소자(5300)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(5100-1, 5200-1) 중 제1반도체 소자(5100-1)와 직렬로 연결될 수 있으며, 제1반도체 소자(5100-1)와 동일한 유형일 수 있다. 제3반도체 소자(5300)는 예를 들어, 제1반도체 소자(5100-1)와 동일한 P형 반도체 소자로써 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 제3반도체 소자(5300)의 상부 표면(5300a) 및 하부 표면(5300b)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서 제3반도체 소자(5300)의 상부 표면(5300a) 및 하부 표면(5300b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
제4반도체 소자(5400)는 제 2 기판(2000)에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자(5200-1)와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선(7000)에 연결될 수 있다. 제4반도체 소자(5400)는 열전 소자를 구성하는 2개의 말단 반도체 소자(5100-1, 5200-1) 중 제2반도체 소자(5200-1)와 병렬로 연결될 수 있으며, 제2반도체 소자(5200-1)와 다른 유형일 수 있다. 제4반도체 소자(5400)는 예를 들어, 제2반도체 소자(5200-1)는 다른 P형 반도체 소자로써 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 제4반도체 소자(5400)의 상부 표면(5400a) 및 하부 표면(5400b)은 금속으로 도금될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 제4반도체 소자(5400)의 상부 표면(5400a) 및 하부 표면(5400b)은 금(Au)으로 도금될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제3반도체 소자(5300)는 직렬 연결된 말단 반도체 소자(5100-1)와 동일한 유형의 반도체 소자이고, 제4반도체 소자(5400)는 병렬 연결된 말단 반도체 소자(5200-1)와 다른 유형의 반도체 소자로 이루어짐으로써 방열영역을 이루는 제 2 기판(2000) 상에서 냉각 기능을 수행할 수 있다. 제3반도체 소자(5300) 및 제4반도체 소자(5400)는 방열영역을 이루는 제 2 기판(2000)의 온도를 낮춤으로써 냉각영역을 이루는 제 1 기판(1000)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 기판(1000)의 냉각 효율은 제3반도체 소자(5300) 및 제4반도체 소자(5400)에 의하여 낮아진 제 2 기판(2000)의 온도만큼 상승하게 된다. 예를 들어, 제 1 기판(1000)의 온도가 20도이고, 제 2 기판(1000)의 온도가 10도인 경우에 있어서, 제3반도체 소자(5300) 및 제4반도체 소자(5400)에 의하여 제 2 기판(2000)의 온도가 2도만큼 낮아지는 경우, 제 1 기판(1000)은 제 2 기판(2000)의 변화된 온도만큼 18도로 낮아짐으로써 제 1 기판(1000)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제3반도체 소자(5300) 및 제4반도체 소자(5400)의 단면적, 두께, 주원료 물질의 종류 및 중량, 혼합물의 종류 및 중량 등은 상승시키고자 하는 제 1 기판(1000)의 냉각 효율에 따라 결정될 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.
10, 100, 1000: 제 1 기판
20, 200, 2000: 제 2 기판
30, 300, 3000: 제1전극
40, 400, 4000: 제2전극
51, 510, 5100: 제1반도체 소자
52, 520, 5200: 제2반도체 소자
53, 530, 5300: 제3반도체 소자
54, 540, 5400: 제4반도체 소자

Claims (12)

  1. 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에서 상호간 소정 간격 이격하여 교번 배치되는 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 포함하는 복수개의 열전소자;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판의 대향면에 배치되어 상기 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 전기적으로 직렬 연결하는 제1전극과 제2전극; 및
    상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 배치되며, 일단은 직렬 연결된 열전소자의 말단에 배치된 말단 반도체 소자와 전기적으로 연결되고, 타단은 리드선에 연결되는 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자를 포함하며,
    상기 제2기판은 방열영역(Hot Side)으로 상기 제1기판의 면적보다 넓은 면적을 가지며, 상기 제1기판과 비교하여 수평 방향으로 돌출 확장된 확장 영역을 포함하며,
    상기 제3반도체 소자 및 상기 제4반도체 소자는 상기 제2기판의 확장 영역에 배치되며,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자가 각각 상기 말단 반도체 소자와 직렬 연결되는 경우, 상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 직렬 연결된 말단 반도체 소자와 동일한 유형(type)의 반도체 소자로 구성되며,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자가 각각 상기 말단 반도체 소자와 병렬 연결되는 경우, 상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 병렬 연결된 말단 반도체 소자와 다른 유형의 반도체 소자로 구성되는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자의 상부 표면 및 하부 표면은 금속도금되어 있는 열전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자의 상부 표면 및 하부 표면은 금(Au)으로 도금되어 있는 열전 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 상호 다른 유형의 반도체 소자인 열전 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 상기 말단 반도체 소자와 직렬 연결되는 열전 모듈.
  6. 삭제
  7. 제4항에 잇어서,
    상기 제3반도체 소자 및 제4반도체 소자는 각각 상기 말단 반도체 소자와 병렬 연결되는 열전 모듈.
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제3반도체 소자는 상기 말단 반도체 소자와 직렬 연결되고, 상기 제4반도체 소자는 상기 말단 반도체 소자와 병렬 연결되는 열전 모듈.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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