KR102359057B1

KR102359057B1 - 열전 소자

Info

Publication number: KR102359057B1
Application number: KR1020170096985A
Authority: KR
Inventors: 조용상
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2022-02-07
Also published as: KR20240046140A; KR20230167330A; KR102606657B1; KR102606657B9; KR20220019005A; KR20190013046A; KR102652904B1

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 상기 제1 기판 및 상기 복수의 제1 전극 사이에 배치되는 복수의 제1 접착층, 그리고 상기 제2 기판 및 상기 복수의 제2 전극 사이에 배치되는 복수의 제2 접착층을 포함하며, 상기 복수의 제1 접착층은 상기 복수의 제1 전극 별로 구분되도록 배치되고, 상기 복수의 제2 접착층은 상기 복수의 제2 전극 별로 구분되도록 배치된다.

Description

열전 소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자 및 그의 기판 구조에 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.

열전 소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부 기판 및 하부 기판 사이에 복수의 상부 전극 및 복수의 하부 전극이 배치된다. 여기서, 상부 전극 및 하부 전극은 열전 레그들을 직렬 연결한다.

일반적으로, 상부 기판과 상부 전극 사이 및 하부 기판과 하부 전극 사이는 접착층에 의하여 접착될 수 있다. 도 1은 열전 소자에 포함되는 기판 및 전극 구조의 한 예를 나타내며, 도 2는 도 1의 단면도를 나타낸다. 도 1 내지 2를 참조하면, 기판(10)의 전면 상에 접착층(12)이 도포되며, 접착층(12) 상에 복수의 전극(14)이 어레이 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 각 전극(14) 상에 한 쌍의 열전 레그(미도시)를 접합하기 위한 한 쌍의 솔더(16)가 인쇄될 수 있다. 이때, 기판(10)은 세라믹 기판으로, 약 20W/mK의 열전도도를 가질 수 있고, 전극(14)은 약 100W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 열전 소자에 전원이 인가되면, 상부 기판 및 하부 기판 중 하나는 발열면이 되어 팽창할 가능성이 높아지게 되고, 나머지 하나는 흡열면이 되어 수축할 가능성이 높아지게 되나, 기판(10)과 전극(14) 사이에 배치되는 접착층(12)은 기판(10)과 전극(14) 간의 열충격을 흡수하는 완충제의 역할을 할 수 있다.

그러나, 접착층(12)은 약 1.9W/mK의 낮은 열전도도를 가지므로, 접착층(12)이 기판(10) 상에 과도하게 도포되면 열전 소자의 냉각 용량 및 방열 특성이 낮아질 수 있다. 또한, 접착층(12)과 솔더(16)는 서로 섞이지 않은 특성으로 인하여, 열전 레그의 접합 시 전극(14) 바깥으로 밀려난 잔류 솔더(16)가 접착층(12)을 통하여 이웃하는 다른 전극(14)으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 이웃하는 전극(14)들이 솔더(16)에 의하여 서로 연결되어 쇼트가 발생할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 소자의 기판 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 상기 제1 기판 및 상기 복수의 제1 전극 사이에 배치되는 복수의 제1 접착층, 그리고 상기 제2 기판 및 상기 복수의 제2 전극 사이에 배치되는 복수의 제2 접착층을 포함하며, 상기 복수의 제1 접착층은 상기 복수의 제1 전극 별로 구분되도록 배치되고, 상기 복수의 제2 접착층은 상기 복수의 제2 전극 별로 구분되도록 배치되고, 상기 복수의 제1 접착층 중 적어도 하나는 이웃하여 배치된 다른 제1 접착층들을 향하여 연장되어 배치되고, 상기 복수의 제1 접착층 중 적어도 하나의 연장부는 이웃하여 배치된 다른 제1 접착층들 중 적어도 하나의 연장부와 이격되어 배치된다.

상기 연장부는 상기 복수의 제 1 전극 중 적어도 하나 및 이웃하는 다른 제1전극 사이의 중간 지점으로 갈수록 얇아질 수 있다.

상기 연장부의 높이는 상기 복수의 제 1 접착층 중 적어도 하나의 높이의 0.25 내지 0.75배일 수 있다.

상기 복수의 제1 접착층 중 적어도 하나의 연장부는 이웃하여 배치된 다른 제1 접착층들 중 적어도 하나의 연장부와 접촉할 수 있다.

상기 복수의 제2 접착층 중 적어도 하나의 연장부는 이웃하여 배치된 다른 제2 접착층들 중 적어도 하나의 연장부와 이격될 수 있다.

상기 복수의 제2 접착층 중 적어도 하나의 연장부는 이웃하여 배치된 다른 제2 접착층들 중 적어도 하나의 연장부와 접촉될 수 있다.

상기 복수의 제2 접착층 중 적어도 하나는 이웃하여 배치된 다른 제2 접착층들을 향하여 연장될 수 있으며, 상기 연장부의 높이는 상기 복수의 제 2 접착층 중 적어도 하나의 높이의 0.25 내지 0.75배일 수 있다.

상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 하나 사이에 배치되는 상기 제1 접착층의 두께는 60 내지 80㎛일 수 있고, 상기 제2 기판과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나 사이에 배치되는 상기 제2 접착층의 두께는 60 내지 80㎛ 일 수 있다.

상기 복수의 제1 접착층은 수지 및 상기 수지 내에 분산되는 무기 충전재를 포함할 수 있다.

상기 복수의 제1 접착층 중 적어도 하나의 연장부 및 상기 복수의 제2접착층 중 적어도 하나의 연장부는 상기 무기 충전재를 포함하지 않을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 흡열부 및 발열부 간의 온도 차가 증가하여 효율 계수, 냉각 능력 및 방열 특성이 개선된 열전 소자를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 접착층의 사용량을 줄여 재료비를 절감할 수 있으며, 솔더의 이동으로 인한 전극 간 쇼트를 방지할 수 있다.

도 1은 열전 소자에 포함되는 기판 및 전극 구조의 한 예를 나타낸다.
도 2는 도 1의 단면도를 나타낸다.
도 3은 열전소자의 단면도이다.
도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 한 예이고, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 다른 예이며, 도 9(c)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 또 다른 예이다.
도 10은 비교예에 따라 기판의 전면 상에 접착층이 도포된 후 복수의 전극이 배치된 구조의 평면도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 복수의 전극의 패턴에 따라 복수의 접착층이 구분되어 배치된 구조의 평면도이다.

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 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.

도 3내지 4를 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)을 포함한다.

하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 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.

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.

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 포함할 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. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 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 포함할 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.

또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 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.

또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 평면도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 단면도이다. 도 3 내지 4와 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.

도 5 내지 7을 참조하면, 열전 소자(500)는 제1 기판(510), 제1 기판(510) 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그(520) 및 복수의 N형 열전 레그(530), 복수의 P형 열전 레그(520) 및 복수의 N형 열전 레그(530) 상에 배치되는 제2 기판(540), 제1 기판(510)과 복수의 P형 열전 레그(520) 및 복수의 N형 열전 레그(530) 사이에 배치되는 복수의 제1 전극(550), 그리고 제2 기판(540)과 복수의 P형 열전 레그(520) 및 복수의 N형 열전 레그(530) 사이에 배치되는 복수의 제2 전극(560)을 포함한다.

이때, 복수의 제1 전극(550) 및 복수의 제2 전극(560)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 복수의 제1 전극(550) 및 복수의 제2 전극(560)은 각각 m*n의 어레이 형태로 배치되되, 가장자리에 추가의 제1 전극(550) 및 제2 전극(560)이 배치될 수도 있다. 각 제1 전극(550)은 이웃하는 다른 제1 전극(550)들과 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 제1 전극(550)은 이웃하는 다른 제1 전극(550)들과 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격되어 배치될 수 있다.

그리고, 각 제1 전극(550)에는 한 쌍의 P형 열전 레그(520) 및 N형 열전 레그(530)가 배치되며, 각 제2 전극(560)에는 한 쌍의 P형 열전 레그(520) 및 N형 열전 레그(530)가 배치될 수 있다. 이를 위하여, 제1 전극(550) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(520) 및 N형 열전 레그(530)를 접합하기 위한 솔더(570)가 도포될 수 있다.

그리고, P형 열전 레그(520)의 한 면은 제1 전극(550)에 배치되고, 다른 면은 제2 전극(560)에 배치되며, N형 열전 레그(530)의 한 면은 제1 전극(550)에 배치되고, 다른 면은 제2 전극(560)에 배치될 수 있다. 제1 전극(550)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(520) 및 N형 열전 레그(530) 중 P형 열전 레그(520)가 복수의 제2 전극(560) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(530)는 이와 이웃하는 다른 제2 전극(560)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(520) 및 복수의 N형 열전 레그(530)는 복수의 제1 전극(550) 및 복수의 제2 전극(560)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자(500)는 제1 기판(510) 및 복수의 제1 전극(550) 사이에 배치되는 복수의 제1 접착층(580)과 제2 기판(540) 및 복수의 제2 전극(560) 사이에 배치되는 복수의 제2 접착층(590)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 접착층(580) 및 제2 접착층(590)은 접착 성능을 가지는 수지 조성물을 포함할 수 있다. 수지 조성물 내에는 열전도 성능을 가지는 무기 충전재가 분산될 수 있다. 예를 들어, 무기 충전재는 직경이 50 내지 70㎛일 수 있으며,물질은 산화알루미늄일 수 있다. 이에 따라, 제1 접착층(580) 및 제2 접착층(590)은 접착 성능뿐만 아니라, 방열 성능도 가질 수 있다.

이때, 복수의 제1 접착층(580)은 복수의 제1 전극(550) 별로 구분되도록 배치될 수 있고, 복수의 제2 접착층(590)은 복수의 제2 전극(550) 별로 구분되도록 배치될 수 있다.

즉, 제1 접착층(580)은 제1 기판(510)의 전면에 도포되는 것이 아니라, 서로 이격되어 배치된 각 제1 전극(550) 별로 도포될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 접착층(590)은 제2 기판(540)의 전면에 도포되는 것이 아니라, 서로 이격되어 배치된 각 제2 전극(560) 별로 도포될 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(510)의 적어도 일부 상에는 제1 접착층(580)이 배치되지 않는 영역이 존재하고, 제2 기판(540)의 적어도 일부 상에는 제2 접착층(590)이 배치되지 않는 영역이 존재할 수 있다.

이에 따라, 제1 접착층(580) 및 제2 접착층(590)은 제1 기판(510) 및 제2 기판(540)에 대한 열충격을 흡수하는 완충제의 역할을 하면서도, 기판 상에 과도하게 도포되지 않아 열전 소자(500)의 냉각 용량 및 방열 특성을 양호하게 유지시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 접착층(580) 및 제2 접착층(590)의 도포량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 재료비를 절감할 수 있고, 잔류 솔더의 이동에 따른 쇼트를 방지하는 것이 가능하다.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.

도 8을 참조하면, 제1 기판(510) 상에 복수의 제1 전극(550)이 배치되는 패턴에 대응하도록 복수의 제1 접착층(580)을 도포한다(S800). 이때, 각 접착층(580)은 이웃하는 다른 접착층(580)과 이격하도록 도포되며, 각 제1 전극(550)의 폭에 대하여 +0.3mm 이내, 길이에 대하여 +0.3mm이내의 공차로 도포될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(510) 상에 제1 접착층(540)을 전면으로 도포하는 경우에 비하여, 약 60 내지 84%의 양으로 제1 접착층(540)을 도포하는 것이 가능하다.

이와 함께, 복수의 제1 전극(550)을 소정의 패턴에 따라 정렬한 후, 필름에 부착시킨다(S810). 이때, 복수의 제1 전극(550)은 지그를 이용하여 정렬할 수 있다. 그리고, 필름은 PE(polyethylene) 필름일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

다음으로, 필름 상에 부착된 복수의 제1 전극(550)을 단계 S800에서 도포된 복수의 제1 접착층(580) 상에 배치한 후(S820), 고온에서 가압한다(S830). 이때, 복수의 제1 전극(550)의 패턴 및 복수의 제1 접착층(580)의 패턴을 고려하여, 각 접착층(580)의 측면과 각 제1 전극(550)의 측면 간의 거리가 0.15mm 이내가 되도록 배치할 수 있다.

다음으로, 필름을 제거한다(S840).

이하, 도 8의 제조 방법에 따라 제조된 열전 소자의 기판 및 전극 구조를 더욱 구체적으로 설명한다.

도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 한 예이고, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 다른 예이며, 도 9(c)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 기판 및 전극 구조의 확대도의 또 다른 예이다.

도 9(a) 내지 9(c)를 참조하면, 제1 기판(510) 상에 제1 전극(550)이 이웃하는 다른 제1 전극(550)들과 이격되어 배치되며, 제1 기판(510)과 제1 전극(550) 사이에 제1 접착층(580)이 배치될 수 있다. 제1 접착층(580)은 접착 성능을 가지는 수지 조성물을 포함할 수 있다. 수지 조성물 내에는 열전도 성능을 가지는 무기 충전재가 분산될 수 있다. 예를 들어, 무기 충전재는 직경이 50 내지 70㎛일 수 있으며, 물질은 산화알루미늄일 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(510)과 제1 전극(550) 사이에 배치되는 제1 접착층(580)의 두께는 약 60 내지 80㎛일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 각 제1 접착층(580)은 제1 전극(550) 별로 구분될 수 있다.

특히, 도 9(a)를 참조하면, 복수의 제1 접착층(580) 중 적어도 하나는 이웃하여 배치된 다른 제1 접착층(580)들과 이격될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 접착층(580) 중 적어도 하나의 측면으로부터 이에 대응하는 제1 전극(550)의 한 측면까지의 거리(d)는 복수의 제1 전극(550) 중 이웃하여 배치되는 제1 전극(550)들 사이의 거리(D)의 0.3배 이하일 수 있다. 이에 따라, 하나의 제1 전극(550) 및 이와 이웃하는 다른 제1 전극(550) 사이에는 제1 접착층(580)이 없는 구간이 생길 수 있으며, 이에 따라 냉각 성능 및 방열 특성이 우수하며, 솔더의 이동에 따라 전극 간 쇼트가 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

예를 들어, 하나의 제1 전극(550) 및 이에 이웃하여 배치되는 다른 제1 전극(550) 간의 거리(D)는 0.5 내지 0.8mm일 수 있고, 복수의 제1 접착층(580) 중 적어도 하나의 한 측면으로부터 이에 대응하는 제1 전극(550)의 한 측면까지의 거리(d)는 0 내지 0.15mm일 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(550)과 제1 기판(510) 간의 접합 강도가 보장되고, 제1 기판(510) 측의 열충격을 흡수하면서도, 냉각 성능 및 방열 특성이 우수하며, 솔더의 이동에 따라 전극 간 쇼트가 발생하는 문제를 방지하는 열전 소자를 얻을 수 있다.

한편, 도 9(b) 및 도 9(c)를 참조하면, 제1 접착층(580) 상에 제1 전극(550)을 배치한 후 고온에서 가압하는 제조 공정 상, 제1 기판(510) 상에 도포된 제1 접착층(580)의 일부는 측면으로 흘러갈 수 있으며, 연장부(d2, d3)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(550) 중 적어도 하나 및 이와 이웃하는 다른 제1 전극(550) 사이에 배치되는 제1 접착층(580)의 두께는 제1 기판(510)과 복수의 제1 전극(550) 중 적어도 하나 사이에 배치되는 제1 접착층(580)의 두께보다 얇은 구간(d2) 즉, 연장부가 존재할 수 있다. 즉, 제1 접착층(580)의 두께는 복수의 제1 전극(550) 중 적어도 하나의 측면으로부터 복수의 제1 전극(550) 중 적어도 하나 및 이웃하는 다른 제1 전극(550) 사이의 중간 지점으로 갈수록 얇아지는 구간(d2, d3) 즉, 연장부가 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(510)과 제1 전극(550) 사이에 배치되는 제1 접착층(580)의 두께는 약 60 내지 80㎛인 경우, 제1 전극(550)들 측면 사이에서 제1 접착층(580)의 두께가 얇아지는 구간(d2, d3)의 두께는 0 내지 60㎛, 바람직하게는 0 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 0 내지 15㎛일 수 있다. 이 구간(d2, d3) 내에 배치되는 제1 접착층(580)에는 무기 충전재가 분산되지 않을 수 있다.

상기 연장부(d2, d3)의 두께가 0㎛ 인 것은 상기 복수의 제1 접착층(580)은 연장부를 포함하지 않는 것이며, 상기 연장부(d3)의 두께만 0㎛ 인 것은 연장부(d2)는 포함하나 연장부(d2)는 이격되어 있음을 의미할 수 있다. 반대로 연장부(d3)는 공정에 의해 접촉될 수 있으며, 이 때는 연장부(d3)는 0을 초과하는 임의의 두께(단, 복수의 제 1 접착층(580)의 두께보다는 얇음)를 가질 수 있다.

또한, 제 1 기판(510)과 제 1 전극(550) 사이에 배치되는 제 1 접착층(580)의 두께 대비 제1 전극(550)들 측면 사이에서 제1 접착층(580)의 두께가 얇아지는 구간(d2, d3)의 두께의 비율은 1:1 내지 1:0.75, 1:0.75 내지 1:0.25, 또는 1:0.25 내지 1:0 일 수 있다. 또는, 제 1 기판(510)과 제 1 전극(550) 사이에 배치되는 제 1 접착층(580)의 두께 대비 제1 전극(550)들 측면 사이에서 제1 접착층(580)의 두께가 얇아지는 구간(d2, d3)의 두께의 비율은 1:0 내지 1:1, 바람직하게는 1:0 내지 1:0.75, 더욱 바람직하게는 1:0.25 내지 1: 0.75일 수도 있다. 이 구간(d2, d3) 내에 배치되는 제1접착층(580)에는 무기 충전재가 분산되지 않을 수 있다.

상술한 연장부(d2, d3)에 대한 내용은 복수의 제 2 접착층(590)에도 동일하게 적용될 수 있으므로 중복되는 내용은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 도 9(a) 내지 (c) 중 하나의 기판 및 전극 구조를 가지거나, 도 9(a) 내지 (c) 중 적어도 2가지가 혼재된 기판 및 전극 구조를 가질 수 있다.

도 10은 비교예에 따라 기판의 전면 상에 접착층이 도포된 후 복수의 전극이 배치된 구조의 평면도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 기판 상에 복수의 전극의 패턴에 따라 복수의 접착층이 구분되어 배치된 구조의 평면도이며, 표 1은 비교예와 실시예에 따른 열전 소자의 성능 비교 결과를 나타낸 표이다.

실험번호	전압(V)	I_Qc(A)	Qc(W)	dT(℃)	COP
비교예(샘플 1)	12.00	4.242	56.767	64.56	1.115
비교예(샘플 2)	12.00	4.217	56.740	64.58	1.112
실시예(샘플 1)	12.00	4.612	51.095	61.62	0.923
실시예(샘플 2)	12.00	4.628	52.070	61.74	0.936

표 1을 참조하면, 비교예에 대비하여, 실시예에 따르면 전류(I_Qc)는 약 8.8% 감소하였으나, 효율계수인 COP(Coefficient of Performance)는 약 19.9% 증가하였으며, 냉각 능력인 Qc는 약 11% 증가하였고, 흡열부와 발열부 간의 온도 차인 dT는 약 2.89℃ 증가하였음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 명세서에서, 설명의 편의를 위하여 제1 기판(510), 제1 접착층(580) 및 제1 전극(550)을 중심으로 설명하였으나, 동일한 구조가 제2 기판(540), 제2 접착층(590) 및 제2 전극(560)에도 적용될 수 있다. 또는, 제1 기판(510), 제1 접착층(580) 및 제1 전극(550) 측에만 본 발명의 실시예와 같은 구조가 적용되고, 제2 기판(540), 제2 접착층(590) 및 제2 전극(560) 측에서는 제2 접착층(590)이 제2 기판(540)의 전면에 도포되는 구조를 가질 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.

Claims

하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치된 절연층;
상기 절연층 상에 배치된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 배치된 반도체 구조물;
상기 반도체 구조물 상에 배치된 상부 전극; 및
상기 상부 전극 상에 배치된 상부 기판을 포함하고,
상기 절연층은 상기 하부 전극과 수직 방향으로 중첩된 중첩부, 및 상기 중첩부 주위에 배치된 주변부를 포함하고,
상기 주변부의 상면은 상기 하부 기판을 향하여 오목한 오목면을 포함하고,
상기 오목면은 상기 하부 기판과 상기 수직 방향으로 이격된 열전 소자.
제1 항에 있어서,
상기 하부 전극은 상기 수직 방향에 대하여 수직한 수평 방향으로 서로 이격된 복수 개의 전극을 포함하고,
상기 중첩부는 상기 복수 개의 전극 각각과 상기 수직 방향으로 중첩된 복수의 제1 영역을 포함하고,
상기 주변부는 상기 복수의 제1 영역 사이에 위치한 제2 영역을 포함한 열전 소자.
삭제
제2 항에 있어서,
상기 복수 개의 전극은 제1 전극, 및 상기 제1 전극과 제1 방향을 따라 가장 인접하도록 이격된 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 가장 인접하도록 이격된 제3 전극을 포함한 열전 소자.
제4 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 제1 방향에 따른 이격 거리는 0.5 mm 이상인 열전 소자.
제5 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 상기 제1 방향에 따른 이격 거리는 0.8 mm 이하인 열전 소자.
제4 항에 있어서,
상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 제3 전극은 각각 상기 절연층과 마주보는 하면, 상기 하면과 마주보는 상면, 및 상기 하면과 상기 상면 사이에 배치된 측면을 포함하고,
상기 측면은 상기 제1 방향으로 연장된 제1 측면, 및 상기 제2 방향으로 연장된 제2 측면을 포함한 열전 소자.
제7 항에 있어서,
상기 오목면은 상기 제1 전극의 제2 측면과 상기 제2 전극의 제2 측면 사이에 배치된 제1 오목면, 및 상기 제1 전극의 제1 측면과 상기 제3 전극의 제1 측면 사이에 배치된 제2 오목면을 포함하는 열전 소자.
제8 항에 있어서,
상기 제1 오목면의 상기 제1 방향의 폭은 0.5mm 이상이고 0.8 mm 이하이며,
상기 제2 오목면의 상기 제2 방향의 폭은 0.5mm 이상이고 0.8 mm 이하인 열전 소자.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 하부 기판, 및 상기 상부 기판은 금속을 포함하고,
상기 절연층은 무기 충전재를 포함한 열전 소자.
제1 항에 있어서,
상기 오목면과 상기 하부 기판 사이의 상기 수직 방향에 따른 최단 거리는 0 ㎛ 초과인 열전 소자.
제1 항에 있어서,
상기 하부 기판과 상기 하부 전극 사이의 상기 수직 방향에 따른 이격 거리는 60 ㎛ 내지 80 ㎛ 인 열전 소자.
제11 항에 있어서,
상기 무기 충전재는 직경이 50 ㎛ 내지 70 ㎛ 인 제1 충전재를 포함하는 열전 소자.