KR102391797B1 - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따르면, 일면에 제1전극이 배치되는 상부 기판; 상기 상부 기판의 일면과 대향하는 일면에 제2전극이 소정 간격으로 이격하여 배치되는 안착부가 마련되고, 상기 안착부 사이에 개구부가 마련되어 유체의 이동경로를 제공하는 하부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되며 상기 제1전극과 상기 제2전극을 통하여 전기적으로 연결되는 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 포함하는 열전 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전 발전 또는 전자 냉동 등에 이용되는 열전 소자에 관한 것이다.
제베크 효과(Seebeck effect)나 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하는 열전 장치는 통상적으로 이종의 금속이나 반도체가 교대로 다수 배열되도록 모듈화된 형태로 제공된다.
일반적으로 열전 소자는 교호적으로 배열된 P형 열전반도체 및 N형 열전반도체와, P형 열전반도체와 N형 열전반도체들을 상호 직렬로 연결하는 복수개의 전극과, 전극이 배치되는 기판을 포함한다.
이러한 열전 소자는 P형 열전반도체 및 N형 열전반도체의 접합부에서 발생하는 열이 상부 및 하부 기판을 경유하여 방열판으로 전달되는 구조상 열전모듈의 흡열 성능과 방열 성능이 떨어지는 취약점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 소자 내부와 방열판 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열전 소자를 제공하는데 있다.
또한, 열전 소자 내부의 열에 의하여 발생하는 기판 면적의 증감에 따라 열전 소자 내부의 소자에 전달되는 스트레스를 방지할 수 있는 열전 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일면에 제1전극이 배치되는 상부 기판; 상기 상부 기판의 일면과 대향하는 일면에 제2전극이 소정 간격으로 이격하여 배치되는 안착부가 마련되고, 상기 안착부 사이에 개구부가 마련되어 유체의 이동경로를 제공하는 하부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되며 상기 제1전극과 상기 제2전극을 통하여 전기적으로 연결되는 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 포함하는 열전 소자를 제공한다.
상기 안착부와 상기 개구부의 면적 비율은 상기 하부 기판의 소재, 상기 하부 기판의 두께 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판간의 이격 거리 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다.
상기 하부 기판의 타면에는 방열판이 마련될 수 있다.
상기 개구부를 통하여 상기 방열판으로 유체의 이동경로를 제공할 수 있다.
상기 개구부의 폭은 소정의 오차를 가지고 상기 제2전극의 이격 간격과 동일할 수 있다.
상기 하부 기판은 격자 구조로 이루어져 있으며, 상기 안착부는 상기 격자 구조의 격자점에 마련될 수 있다.
본 발명인 열전 소자는 열전 소자 내부와 방열판 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있고, 열전 소자 내부의 열에 의하여 발생하는 기판 면적의 증감에 따라 열전 소자 내부의 소자에 전달되는 스트레스를 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대 단면도이고,
도3 내지 도6은 본 발명의 실시예에 따른 하부 기판의 평면도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대 단면도이고,
도3 내지 도6은 본 발명의 실시예에 따른 하부 기판의 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.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대 단면도이고, 도3은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 평면도이다.
도1 내지 도3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 상부 기판(10), 하부 기판(20), 제1반도체 소자(51)와 제2반도체 소자(52)를 포함하여 구성될 수 있다.
상부 기판(10)의 일면에는 제1전극(30)이 배치될 수 있다. 상부 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, 상부 기판(10)과 제1 전극(30) 사이에는 유전체층이 형성될 수도 있다. 상부 기판(10)의 타면에는 열원(heat source)(100)이 마련될 수 있다.
제1반도체 소자(51)와 제2반도체 소자(52)는 상부 기판(10)과 하부 기판(20) 사이에 배치되며 제1전극(30)과 제2전극(40)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(40)은 하부 기판(20)과 제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(30)은 상부 기판(10)과 제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 제1전극(30)과 제2전극(40)은 각각 상부 기판(10)과 하부 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.
제1반도체 소자(51) 및 제2반도체 소자(52)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)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) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 그리고, 제2반도체 소자(52)는 N형 반도체 소자로써 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
하부 기판(20)은 상부 기판(10)의 일면과 대향하는 일면에 제2전극(40)이 소정 간격으로 이격하여 배치되는 안착부(22)가 마련되고, 안착부(22) 사이에 개구부(21)가 마련되어 유체의 이동경로를 제공할 수 있다.
하부 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, 하부 기판(20)과 제2 전극(40) 사이에는 유전체층이 형성될 수도 있다.
안착부(22)는 제2전극(40)의 이격 간격에 따라 마련될 수 있으며, 개별 안착부(22)의 면적은 제2전극(40)의 면적과 소정의 오차를 가지고 동일하게 마련될 수 있다. 안착부(22)는 하부 기판(20)의 모서리로부터 연장되는 지지대에 의하여 고정되며 동일한 간격을 가지고 배열될 수 있으며, 개구부(21)의 폭은 소정의 오차를 가지고 제2전극(40)의 이격 간격과 동일하게 형성될 수 있다.
안착부(22)를 고정하기 위한 지지대(23, 24)는 하부 기판(20)의 모서리로부터 연장되는 복수개의 가로 평행 지지대(23)와 세로 평행 지지대(24) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 가로 평행 지지대(23) 및 세로 평행 지지대(24)의 두께, 배열 간격, 배열 개수, 배열 형태는 하부 기판(20) 외부로의 열 전달 효율 및 하부 기판(20)의 열 팽창 계수에 따라 결정될 수 있다. 가로 평행 지지대(23) 및 세로 평행 지지대(24)는 안착부(22)와 개구부(21)의 면적 비율을 결정하게 되며, 열전 소자 내부에서 발생되는 열의 이동 경로를 결정하게 된다.
하부 기판(20)은 가로 평행 지지대(23) 및 세로 평행 지지대(24)에 의하여 격자 구조로 이루어 질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 메쉬 구조, 가로 평행 지지대가 평행하게 배열되어 있는 구조, 세로 평행 지지대가 평행하게 배열되어 있는 구조 등 다양한 구조로 이루어 질 수 있다.
안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 클 수록 열전 소자 내부에서 발생되는 열이 외부 방향으로 전달되는 효율이 높지만, 열에 의한 하부 기판(20)의 팽창 및 수축에 취약해지며, 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 작을 수록 열전 소자 내부에서 발생되는 열이 외부 방향으로 전달되는 효율은 낮아지지만, 열에 의한 하부 기판(20)의 팽창 및 수축에는 강해진다. 따라서, 안착부(22)와 개구부(21)의 면적 비율은 하부 기판(20) 외부로의 열 전달 효율 및 하부 기판(20)의 열 팽창 계수에 따라 결정될 수 있으며, 이는 안착부(22)와 개구부(21)의 면적 비율이 하부 기판(20)의 소재, 하부 기판(20)의 두께 및 상부 기판(10)과 하부 기판(20)간의 이격 거리 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다는 것을 의미한다.
예를 들어 하부 기판(20)의 소재가 열 팽창 계수가 큰 소재인 경우 열 팽창에 따른 열전 소자의 스트레스를 줄이기 위하여 안착부(22)를 지지하는 지지대(23, 24)를 촘촘히 배치하여 제2전극(40)을 견고하게 고정할 수 있으며, 상대적으로 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적 비율은 줄어들 수 있다.
또한, 예를 들어 하부 기판(20)의 두께가 얇은 경우 열 팽창에 따른 열전 소자의 스트레스를 줄이기 위하여 안착부(22)를 지지하는 지지대(23, 24)를 촘촘히 배치하여 제2전극(40)을 견고하게 고정할 수 있으며, 상대적으로 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적 비율은 줄어들 수 있다.
또한, 예를 들어 상부 기판(10)과 하부 기판(20)의 이격 거리가 멀어 열전 소자 내부에서 열의 대류 면적이 넓게 형성되는 경우에는 상대적으로 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적 비율을 크게 하여 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서는 하부 기판(20)의 모서리를 연결하는 가로 평행지지대(23)와 세로 평행 지지대(24)가 격자 구조로 마련되어 있으며, 각각의 격자점에는 안착부(22)가 마련된다. 제2전극(40)은 각각의 안착부(22)에 배치될 수 있다. 본 실시예의 열전 소자는 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 상대적으로 좁게 형성되어 있지만, 제2전극(40)이 가로 평행 지지대(23)와 세로 평행 지지대(24)에 의하여 고정됨으로써 하부 기판(20)의 가로 및 세로 방향으로 가해지는 열 팽창 스트레스에 강하게 형성되어 있다.
하부 기판(20)의 타면에는 방열판(200)이 마련될 수 있다. 열전 소자 내부에서 발생되는 열은 개구부(21)를 통하여 방열판(200)으로 이동할 수 있다. 열전 소자는 개구부(21)를 통하여 방열판(200)과 연통될 수 있으며, 개구부(21)는 열전 소자 내부에서 발생된 열을 방열판(200)으로 안내하는 이동경로를 제공하게 된다.
도4 내지 도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하부 기판의 평면도이다.
도4를 참고하면, 하부 기판(20)의 모서리를 연결하는 가로 평행지지대(23)를 따라 복수개의 안착부(22)가 길이 방향을 따라 소정 간격 이격되어 마련된다. 제2전극은 각각의 안착부(22)에 배치될 수 있으며, 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 상대적으로 넓게 마련되어 있다.
도5를 참고하면, 하부 기판(20)의 모서리를 연결하는 복수개의 가로 평행지지대(23)를 따라 복수개의 안착부(22)가 길이 방향을 따라 소정 간격 이격되어 마련된다. 제2전극은 각각의 안착부(22)에 배치될 수 있다. 본 실시예의 열전 소자는 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 상대적으로 좁게 형성되어 있지만, 제2전극이 복수개의 가로 평행 지지대(23)에 의하여 고정됨으로써 하부 기판(20)의 가로 방향으로 가해지는 열 팽창 스트레스에 강하게 형성되어 있다.
도6을 참고하면, 하부 기판(20)의 모서리를 연결하는 복수개의 가로 평행지지대(23)와 복수개의 세로 평행 지지대(24)가 격자 구조로 마련되어 있으며, 복수개의 격자점을 커버하도록 안착부(22)가 마련된다. 제2전극은 각각의 안착부(22)에 배치될 수 있다. 본 실시예의 열전 소자는 안착부(22) 대비 개구부(21)의 면적이 매우 좁게 형성되어 있지만, 제2전극이 복수개의 가로 평행 지지대(23)와 복수개의 세로 평행 지지대(24)에 의하여 고정됨으로써 하부 기판(20)의 가로 및 세로 방향으로 가해지는 열 팽창 스트레스에 매우 강하게 형성되어 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: 상부 기판
20: 하부 기판
21: 개구부
22: 안착부
30: 제1전극
40: 제2전극
51: 제1반도체 소자
52: 제2반도체 소자
20: 하부 기판
21: 개구부
22: 안착부
30: 제1전극
40: 제2전극
51: 제1반도체 소자
52: 제2반도체 소자
Claims (6)
- 일면에 제1전극이 배치되는 상부 기판;
상기 상부 기판의 일면과 대향하는 일면에 제2전극이 소정 간격으로 이격하여 배치되는 안착부가 마련되고, 상기 안착부 사이에 개구부가 마련되어 유체의 이동경로를 제공하는 하부 기판; 및
상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되며 상기 제1전극과 상기 제2전극을 통하여 전기적으로 연결되는 제1반도체 소자와 제2반도체 소자를 포함하는 열전 소자에 있어서,
상기 개구부는 상기 하부 기판을 관통하며, 상기 제1반도체 소자 및 상기 제2반도체 소자 사이의 공간, 상기 제2전극 사이의 이격 공간과 상기 하부 기판의 외부를 상기 열전 소자의 높이 방향으로 연통시켜 유체의 이동 경로를 제공하는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 안착부와 상기 개구부의 면적 비율은 상기 하부 기판의 소재, 상기 하부 기판의 두께 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판간의 이격 거리 중 적어도 하나에 따라 결정되는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 하부 기판의 타면에는 방열판이 마련되는 열전 소자. - 제3항에 있어서,
상기 개구부를 통하여 상기 방열판으로 상기 유체의 이동경로를 제공하는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 개구부의 폭은 소정의 오차를 가지고 상기 제2전극의 이격 간격과 동일한 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 하부 기판은 격자 구조로 이루어져 있으며, 상기 안착부는 상기 격자 구조의 격자점에 마련되는 열전 소자.
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| KR1020160013318A KR102391797B1 (ko) | 2016-02-03 | 2016-02-03 | 열전 소자 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| KR102391797B1 true KR102391797B1 (ko) | 2022-04-28 |
Family
ID=59651631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160013318A KR102391797B1 (ko) | 2016-02-03 | 2016-02-03 | 열전 소자 |
Country Status (1)
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2016
- 2016-02-03 KR KR1020160013318A patent/KR102391797B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170092235A (ko) | 2017-08-11 |
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