KR102373052B1

KR102373052B1 - 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치

Info

Publication number: KR102373052B1
Application number: KR1020150062139A
Authority: KR
Inventors: 노명래
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2022-03-11
Also published as: KR20160129641A

Abstract

본 발명의 실시예는 열전소자반도체의 두께 제어를 자유롭게 구현할 수 있는 구조의 열전모듈에 대한 것으로, 다수의 제1전극을 구비한 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극을 구비한 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자;를 포함하며, 상기 열전소자는 지주부재의 외표면에 열전반도체층이 피복된 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

Description

열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치{THERMOELECTRIC DEVICE MOUDULE AND DEVICE USING THE SAME}

본 발명의 실시예는 열전소자반도체의 두께 제어를 자유롭게 구현할 수 있는 구조의 열전모듈에 대한 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.

이러한 열전소자는 냉각용 또는 온열용 장치나, 발전용 장비에 적용되어 다양한 열전환 효과를 구현할 수 있게 된다. 냉각 및 온열장치에 적용되는 열전소자는 PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다. 이에, 열전소자의 효율을 높일 수 있는 방식에 관심이 모아지고 있다.

기본적으로 열전소자를 매우 얇은 박막형, 이를 테면 20um로 구현하는 경우, 열전반도체물질을 증착하여 구현하기에는 매우 많은 시간이 소요되어 공정 효율화가 어렵게 되는 문제가 있다. 열전소자의 두께가 너무 얇은 경우에는 기판과의 접촉저항의 열전소자 전체저항의 대부분을 차지하게 되어, 열전효율을 저해하는 문제로 작용하게 된다.

본 발명의 실시예는 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히, 열전소자의 구조를 내부에 필요한 두께와 폭을 가지는 지주부재를 구현하고, 지주부재외부에 열전물질을 코팅하는 구조로 열전 반도체 소자를 구현할 수 있도록 해, 열전소자를 구현하는 공정 시간을 현저하게 감소시켜 공정효율을 높일 수 있도록 하는 동시에 일정 두께 이상으로 열전소자를 구현하게 되어 열전효율을 높일 수 있는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 다수의 제1전극을 구비한 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극을 구비한 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자;를 포함하며, 상기 열전소자는 지주부재의 외표면에 열전반도체층이 피복된 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자의 구조를 내부에 필요한 두께와 폭을 가지는 지주부재를 구현하고, 지주부재외부에 열전물질을 코팅하는 구조로 열전 반도체 소자를 구현할 수 있도록 해, 열전소자를 구현하는 공정 시간을 현저하게 감소시켜 공정효율을 높일 수 있도록 하는 동시에 일정 두께 이상으로 열전소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.

특히, 열전소자의 구조를 내부의 기둥 역할을 수행하는 지주부재의 외부에 열전소재를 증착등의 공정으로 구현하여 피복하는 경우, 동일한 단면적을 가지며 낮은 높이를 가지는 구조의 열전소자에 비해 월등한 열전성능을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구조를 도시한 단면개념도이며, 도 2는 도 1의 열전모듈의 제조공정 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구현예를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구조를 도시한 단면개념도이며, 도 2는 도 1의 열전모듈의 제조공정 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 다수의 제1전극(160a)을 구비한 제1 기판(140), 상기 제1 기판(140)과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극(160b)을 구비한 제2 기판(150) 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자(120, 130)를 포함하여 구성된다. 특히, 이 경우, 상기 열전소자(120, 130)는 내측에 중심 기둥 역할을 구행하는 지주부재(121a, 131a)의 외표면에 열전반도체층(121b, 131b)이 형성되는 구조로 구현될 수 있도록 한다.

즉, 본 발명의 실시예에에 따른 열전모듈에 적용되는 열전소자는 전체 체적이 열전물질로 채워지는 구조가 아니라, 내부에 열전소재가 아닌 재질의 물질로 골격을 형성한 지주부재를 구현하여 원하는 높이와 두께로 자유롭게 설계를 구현할 수 있도록하며, 이 지주부재의 외표면에 열전재료를 증착, 코팅등을 통해 피복하여 구현되게 된다. 이러한 구조는 열전소자 전체를 증착공정을 통해 원하는 두께로 구현하기 어려운 문제를 일소하여 설계의 자유도를 높임과 동시에, 박막형 열전소자의 경우에도 열전소자의 높이를 용이하게 늘릴 수 있어 열전효율을 증가시킬 수 있게 된다.

구체적으로 도 1을 참조하여 보면, 한 쌍의 열전소자(120, 130)은 모두 동일한 구조로 구현될 수 있다. 상기 열전소자(120, 130)는 내측에 중심 기둥 역할을 구행하는 지주부재(121a)의 외표면에 열전반도체층(121b)이 피복되는 구조로 구현된다.

따라서, 상기 지주부재(121b)는 상기 열전반도체층(121b)와 상이한 물질로 형성되는 입체 구조물 형상을 가질 수 있으며, 그 단면이 원형, 타원형, 다각형 구조로 구현될 수 있다. 일예로, 본 발명의 실시예에서는 상기 지주부재(121a)은 가공의 편의성을 고려하여 감광성물질로 구현될 수 있으며, 이는 감광성 유리 또는 감광성수지(포토레지스트), DFR(Dry Film Resist)를 적용할 수 있다.

상기 열전반도체층(121b)은 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 이용하여 구현할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 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 Bi 또는 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 투입하는 것이 바람직하다. 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.

상기 P형 반도체 재료는, 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 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 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.

본 발명의 실시예에서의 열전소자는 P형 열전반도재료가 제1지주부재(120b)에 피복되는 제1반도체소자(120)와, N형 열전반도체재료가 제2지주부재(130b)에 피복되는 제2반도체소자(130)의 한 쌍을 기판 상에 배치하는 구조의 단위셀을 다수 형성할 수 있도록 한다.

또한, 상기 지주부재(120a, 130a)는 다양한 감광성 유리나 감광성 수지를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 감광성 수지는 포토리소그라피 공정에 적용되는 양성 감광제나 음성 감광제, 드라이필름 레지스트 등을 포함한다. 나아가 감광성 유리의 경우, 무기 분말과 감광성 유기성분을 필수성분으로 하는 감광성 세라믹스 조성물을 포함하는 것을 적용할 수 있다. 감광성 수지나 감광성 유리의 성분은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1기판(140)과 상기 제2기판(150)은 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지를 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판을 사용하는 경우에는 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 매립되는 제1전극 및 제2전극(160a, 160b)과의 사이의 접촉면에 별도의 유전체층(미도시)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 나아가, 배선연결홈의 경우에도 절연막을 통해 절연이 될 수 있도록 구현할 수 있다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 기판은 유연성을 가지는 기판을 적용할 수 있다. 이러한 것은, 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등 다양한 절연성 수지재를 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 상기 제2기판(150)의 면적을 제1기판(140)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다(도 3참조). 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다. 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다. 이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다. 아울러, 상기 제2기판(150)의 경우, 제2기판의 표면에 방열패턴(미도시), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제2기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제2기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제1기판(140)의 두께를 상기 제2기판(150)의 두께 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 상호 대향하여 배치되는 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 할 수 있다. 본 발명이 실시예에서는, 이를 구현하는 구조로는 상기 제2지주부재의 체적이 상기 제1지주부재의 체적보다 크게 구현할 수 있도록 한다.

상기 제1전극 및 제2전극(160a, 160b)은 복수 개 중 적어도 일부가 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 열전소자인 제1반도체 소자(120) 및 제2반도체 소자(130)를 전기적으로 연결한다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 10㎛~20㎛의 범위로 구현할 수 있다.

이러한 도 1에서 상술한 구조의 열전소자를 제조하는 공정을 도 2를 통해 설명하면 다음과 같다. 일 실시예로서, 상술한 지주부재(131b)를 감광성 유리로 구현하는 것을 설명한다.

우선, 도 2의 (a)와 같이, 제2기판(150) 상에 지주부재를 구현할 감광성 유리층(S)을 적층한다. 상기 감광성 유리부재(S)는 상술한 것과 같이, 다른 감광성 수지나 DFR로 구현될 수 있다. 아울러 도시되지는 않았으나, 상기 제2기판(150)의 표면에는 상술한 제2전극이나 유전체층의 형성되어 있는 것을 이용할 수 있다.

다음으로, 도 2의 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 감광성 유리층(S)에 대하여 노광, 현상등의 포토리소그라피 공정을 거쳐 패터닝을 통해 지지부재(131a)의 형상을 구현한다. 나아가, 동일한 공정으로, 제1기판(140) 상에 지지부재(121a)의 형상을 구현한다.

이후, 도 2의 (d)의 공정에서와 같이, 제1기판(140)과 제2기판(150)을 수직으로 세워서 증착방향을 향해 고정한 후, 회전시키며, 지지부재의 표면에 열전물질을 증착하여, 열전반도체층(121b, 131b)을 형성한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 열전반도체층은, 지지부재(121a, 131a)가 기판에 접해 있는 부분을 제외한, 측면부와 상면부 부분을 피복하는 구조로 형성되게 된다.

이후, 상기 제1기판과 제2기판을 접착제 혹은 솔더링 공정을 통해 접합하여 하나의 단위셀을 구현할 수 있게 되며, 이러한 구조를 다수로 구현하는 경우에는 열전모듈을 구현할 수 있게 된다.

상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 상술한 것과 같이 발전용모듈이나, 또는 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 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.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

120: 제1반도체소자
121a: 제1지주부재
121b: 열전반도체층
130: 제2반도체소자
131a: 제2지주부재
131b: 열전반도체층
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극(제1전극, 제2전극)
181, 182: 배선

Claims

제1 기판;
상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극;
상기 복수의 제1 전극 상에 각각 배치된 복수의 반도체 구조물;
상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극;
상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
상기 복수의 반도체 구조물은 상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극과 전기적으로 연결된 내측부, 및 상기 내측부를 둘러싸는 외측부를 포함하고,
상기 외측부는 상기 제1 전극과 연결되지 않고,
상기 반도체 구조물은 상기 외측부에서 두께가 상기 내측부에서 두께보다 큰 열전 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 제1 방향으로 배치되고,
상기 외측부의 상기 제1 방향의 두께와 상기 내측부의 상기 제1 방향 두께는 서로 상이한 열전모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 반도체 구조물은
복수의 지주부재 및 상기 복수의 지주부재에 피복된 열전반도체층을 포함하는 열전모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 지주부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 수직으로 배치되는 복수의 측면부를 포함하고,
상기 복수의 지주부재 중 하나의 측면부는 상기 복수의 지주부재 중 다른 하나의 측면부와 이격되고,
상기 열전반도체층은 상기 복수의 지주부재 각각의 측면부에 피복된 열전모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 지주부재는 감광성물질로 형성되는 열전모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 지주부재는,
감광성 유리 또는 감광성 수지인 열전모듈.
청구항 4에 있어서,
상기 열전반도체층은,
상기 지주부재의 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판을 향하여 배치된 면에 더 피복되는 구조인 열전모듈.
청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 구조물은,
P형 열전반도재료가 제1 지주부재에 피복되는 제1 반도체소자와,
N형 열전반도체재료가 제2 지주부재에 피복되는 제2 반도체소자를 포함하는 열전모듈.
청구항 8에 있어서,
상기 제2 지주부재의 체적이 상기 제1 지주부재의 체적보다 큰 열전모듈.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 열전모듈을 포함하는 열전환장치.