KR102412389B1 - Thermoelectric device moudule and device using the same - Google Patents

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박찬영
조윤경
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 열전모듈의 장착 범위를 효율화할 수 있는 구조에 대한 것으로, 특히 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 제1기판 또는 상기 제2기판을 관통하는 배선연결홀;을 더 포함하는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.An embodiment of the present invention relates to a structure capable of increasing the mounting range of a thermoelectric module efficiently. In particular, in an embodiment of the present invention, a first substrate having a plurality of first electrodes; a second substrate facing the first substrate and having a plurality of second electrodes; and a plurality of thermoelectric elements disposed between the first substrate and the second substrate and electrically connected to the first electrode and the second electrode, wherein the thermoelectric element passes through the first substrate or the second substrate To provide a thermoelectric module further comprising a wiring connection hole.

Description

열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치{THERMOELECTRIC DEVICE MOUDULE AND DEVICE USING THE SAME}Thermoelectric module and thermal conversion device including same

본 발명의 실시예는 열전모듈의 장착 범위를 효율화할 수 있는 구조에 대한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a structure capable of increasing the mounting range of a thermoelectric module efficiently.

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.In general, a thermoelectric element including a thermoelectric conversion element has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair. When a temperature difference is applied between these PN junction pairs, power is generated by the Seeback effect, so that the thermoelectric element can function as a power generating device. In addition, due to the Peltier effect in which one side of a PN junction pair is cooled and the other is heated, thermoelectric elements can also be used as temperature control devices.

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.Such a thermoelectric element is applied to a device for cooling or heating, or equipment for power generation, so that various thermal conversion effects can be realized. A thermoelectric element applied to a cooling and warming device may be used as a temperature control device due to the Peltier effect in which one side of a PN junction pair is cooled and the other side is heated. Accordingly, interest is focused on a method capable of increasing the efficiency of the thermoelectric element.

특히, 다양한 장비에 적용되는 열전모듈의 특성상, 장착의 편의성 증진을 통해 응용범위를 넓힐 수 있는 필요성이 있다.In particular, due to the characteristics of the thermoelectric module applied to various equipment, there is a need to expand the application range by improving the convenience of mounting.

본 발명의 실시예는 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히, 상호 대향하는 기판에 전극을 노출시키는 관통홀을 구현하고, 여기에 외부의 단자와 커넥팅 될 수 있는 도전핀 구조의 연결부재를 구비하여 별도의 도선이 없이도 적용이 필요한 장비에 직접 장착이 가능한 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.An embodiment of the present invention has been devised to solve the above-described problem, and in particular, a through-hole for exposing an electrode on a substrate facing each other is implemented, and a connecting member having a conductive pin structure that can be connected to an external terminal here It is possible to provide a thermoelectric module that can be directly mounted on the equipment that needs to be applied without a separate lead wire.

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 제1기판 또는 상기 제2기판을 관통하는 배선연결홀;을 더 포함하는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.As a means for solving the above problems, in an embodiment of the present invention, a first substrate having a plurality of first electrodes; a second substrate facing the first substrate and having a plurality of second electrodes; and a plurality of thermoelectric elements disposed between the first substrate and the second substrate and electrically connected to the first electrode and the second electrode, wherein the thermoelectric element passes through the first substrate or the second substrate To provide a thermoelectric module further comprising a wiring connection hole.

본 발명의 실시예에 따르면, 상호 대향하는 기판에 전극을 노출시키는 관통홀을 구현하고, 여기에 외부의 단자와 커넥팅 될 수 있는 도전핀 구조의 연결부재를 구비하여 별도의 도선이 없이도 적용이 필요한 장비에 직접 장착이 가능한 열전모듈을 제공할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, a through hole for exposing an electrode is implemented in a substrate facing each other, and a connection member having a conductive pin structure that can be connected to an external terminal is provided, so that application is required without a separate conducting wire. This has the effect of providing a thermoelectric module that can be directly mounted on the equipment.

특히, 별도의 배선을 솔더링이나 본딩접합이 아닌 커넥팅 구조로 결합할 수 있는바, 탈착이 용이하며, 유지 보수에도 탁월한 응용성이 보장된다.In particular, since separate wiring can be combined with a connecting structure rather than soldering or bonding, it is easy to remove and maintain, and excellent applicability is guaranteed.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하여 방열효율을 높일 수 있도록 하여 열전모듈의 박형화를 구현할 수 있도록 한다. 특히, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하는 경우 방열측의 기판의 면적을 크게 형성하여 열전달율을 높임으로써, 히트싱크를 제거하여 냉각 디바이스의 소형화, 박형화를 구현할 수 있는 장점도 구현된다.According to another embodiment of the present invention, by forming different areas of the first substrate and the second substrate to increase heat dissipation efficiency, the thermoelectric module can be made thinner. In particular, when the area of the first substrate and the second substrate are formed differently, the heat transfer rate is increased by forming a large area of the substrate on the heat dissipation side, thereby eliminating the heat sink to realize the miniaturization and thinness of the cooling device. do.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시트 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(△T)가 현저하게 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있다. 아울러, 적층구조의 단위부재 사이에 전도성 패턴층을 포함시켜 전기전도도를 극대화할 수 있으며, 전체적인 벌크타입의 열전소자에 비해 현저하게 두께가 박형화되는 효과가 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, by stacking unit members including a semiconductor layer on a sheet substrate to implement a thermoelectric element, the thermal conductivity is lowered and the electrical conductivity is increased, so that the cooling capacity (Qc) and the temperature change rate ( It is possible to provide a thermoelectric element and a thermoelectric module in which ΔT) is remarkably improved. In addition, it is possible to maximize electrical conductivity by including a conductive pattern layer between the unit members of the stacked structure, and there is an effect that the thickness is significantly reduced compared to the overall bulk-type thermoelectric element.

나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열전소자 자체의 구조를 상부와 하부의 폭이 중심부의 폭보다 넓은 구조로 구현하여, 열전효율을 극대화함으로써, 동일한 소재량으로 발전효율을 증가시킬 수 있도록 한다. 특히, 이는 동등한 발전성능에 대한 열전소자의 재료비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.Furthermore, according to another embodiment of the present invention, the thermoelectric element itself has a structure in which the width of the upper and lower portions is wider than the width of the center, thereby maximizing the thermoelectric efficiency, so that the power generation efficiency can be increased with the same amount of material. do. In particular, this has the effect of reducing the material cost of the thermoelectric element for equivalent power generation performance.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 요부를 도시한 개념도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 변형예를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 다른 열전소자의 다른 구조를 도시한 개념도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 구현예의 예시도이다.
1 and 2 are conceptual views illustrating main parts of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
3 to 5 are conceptual diagrams illustrating a modified example of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
6 is a conceptual diagram illustrating another structure of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are exemplary views of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.

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.
Hereinafter, the configuration and operation according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference, regardless of the reference numerals, and a redundant description thereof will be omitted. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소모듈의 구조를 설명하기 위한 개념도이며 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소모듈의 작용예를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for explaining the structure of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an example of operation of the thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈(100)은 다수의 제1전극(160a)을 구비한 제1 기판(140)과, 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 포함한다. 특히, 상기 열전모듈(100)은 상기 제1기판 또는 상기 제2기판을 관통하는 배선연결홀(S)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 1 and 2 , a thermoelectric module 100 according to an embodiment of the present invention includes a first substrate 140 having a plurality of first electrodes 160a, and a second substrate 150 having a plurality of second electrodes 160b and disposed between the first substrate and the second substrate, and electrically connected to the first electrode and the second electrode It includes a plurality of thermoelectric elements (120, 130). In particular, the thermoelectric module 100 may be configured to further include a wiring connection hole S penetrating the first substrate or the second substrate.

상기 배선연결홀(S)은 도 1에 도시된 것과 같이, 상기 제1기판 또는 상기 제2기판의 내측 표면에 배치되는 제1전극 또는 제2전극과 전기적으로 연결되는 구조의 도전성 구조물인 도전부재(161)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 도전부재(161)은 추후 상기 열전모듈(100)의 장착 대상물(T)에 구현되는 접속단자(G)에 삽입되는 구조로 결합하여, 열전모듈과 전기적으로 연결될 수 있도록 할 수 있도록 한다. 이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은, 별도의 전선이나 도선을 이용하여 본징을 하거나 솔더링을 하는 과정이 불필요하며, 바로 전극과 대상장비가 직접 커넥팅 구조로 결합될 수 있도록 하여 구조가 간단해지며, 장착 및 유지보수의 편의성이 확보될 수 있도록 할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the wiring connection hole S is a conductive member having a structure electrically connected to the first electrode or the second electrode disposed on the inner surface of the first substrate or the second substrate. It may be configured to further include (161). The conductive member 161 is coupled in a structure to be inserted into the connection terminal G implemented on the mounting object T of the thermoelectric module 100 later so that it can be electrically connected to the thermoelectric module. Through this, the thermoelectric module according to the embodiment of the present invention does not require bonding or soldering using a separate wire or conducting wire, and has a simple structure because the electrode and the target device can be directly coupled in a connecting structure. This can be done so that the convenience of installation and maintenance can be secured.

상기 배선연결홀(S)은 도 1에 도시된 것과 같이, 제1기판(140) 또는 상기 제2기판(150)에 배치될 수 있으며, 기본적으로 상기 제1전극(160a)이나 상기 제2전극(160b)의 표면이 노출되는 구조로 상기 제1기판 또는 상기 제2기판 상에 배치될 수 있도록 한다. 물론, 도시된 구조에서는 배선연결홀의 홀구조가 직선형으로 구현되어 있으나, 변형예로 이러한 배선연결홀이 절곡되는 구조로 구현될 수 있으며, 배선연결홀의 내부에 도전물질이 충진되며, 배선연결홀의 표면에 노출되는 도전물질과 결합하는 핀구조의 도전부재가 결합되는 구조로 구현하는 것도 가능하다. 이러한 변형예는 다양한 장비에서 결합부위를 구현하기 위해 기본 구조에서 변형이 필요한 경우 용이하게 설계 변경이 가능한 구조로 구현할 수 있는 자유도가 보장되는 장점이 있다.The wiring connection hole S may be disposed on the first substrate 140 or the second substrate 150 as shown in FIG. 1 , and basically the first electrode 160a or the second electrode In a structure in which the surface of 160b is exposed, it can be disposed on the first substrate or the second substrate. Of course, in the illustrated structure, the hole structure of the wiring connection hole is implemented in a straight shape, but as a modification, it may be implemented in a structure in which the wiring connection hole is bent, a conductive material is filled in the wiring connection hole, and the surface of the wiring connection hole It is also possible to implement a structure in which a conductive member of a fin structure coupled to a conductive material exposed to the fin is coupled. This modified example has an advantage in that the degree of freedom that can be implemented in a structure that can be easily designed for design change is guaranteed when deformation is required from the basic structure to implement the coupling site in various equipment.

이러한 구조의 다른 예로는, 도 3 및 도 4의 경우와 같이, 복수의 단위셀(기판 사이에 한 쌍의 열전소자가 배치된 구조)을 포함하는 구조의 열전모듈에서도, 외각부에 배치되는 인접하는 단위셀(Tx)의 각각의 전극부(일예로 제1전극부)를 도전패턴(163)으로 연결하고, 배선연결홀의 내벽과 제1기판의 상부 일부에 패턴이 구현되는 구조(도 4)로 구현하는 것도 가능하다. 즉, 열전소자(120)와 인접하는 다른 열전소자(130) 각각에 배치되는 제1전극의 구조를 도 4에 도시된 것과 같이 절곡형 구조로 구현하여, 배선연결홀의 내벽과 제1기판(140) 외부로 연장하여 구현되는 도전패턴(163) 구조로 구현하는 경우에는 하나의 배선연결홀을 통해 전원을 인가할 수 있는 구조로 구현하는 것도 가능하다.As another example of such a structure, as in the case of FIGS. 3 and 4 , even in a thermoelectric module having a structure including a plurality of unit cells (a structure in which a pair of thermoelectric elements are disposed between a substrate), adjacent ones disposed in the outer shell A structure in which each electrode part (for example, a first electrode part) of the unit cell Tx is connected with a conductive pattern 163, and a pattern is implemented on an inner wall of a wiring connection hole and an upper part of the first substrate (FIG. 4) It is also possible to implement That is, the structure of the first electrode disposed on each of the other thermoelectric elements 130 adjacent to the thermoelectric element 120 is implemented as a bent structure as shown in FIG. 4 , so that the inner wall of the wiring connection hole and the first substrate 140 are formed. ), when implemented as a structure of the conductive pattern 163 implemented by extending to the outside, it is also possible to implement a structure in which power can be applied through one wiring connection hole.

또는, 도 4에 도시된 것과 같이, 상호 대향하는 기판 사이에 복수의 단위셀을 구비하는 구조의 열전모듈에서 기판에 각각 2개의 배선연결홀을 구현하고, 도전부재(S)를 각각 구현하는 구조로 변형하여 구현하는 것도 가능하다.Alternatively, as shown in FIG. 4 , in a thermoelectric module having a structure including a plurality of unit cells between opposing substrates, two wiring connection holes are implemented in a substrate, respectively, and a conductive member S is implemented respectively. It is also possible to implement it by transforming it into

따라서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구조에서는, 배선연결홀을 하나 또는 둘 이상의 구조로 구현하는 것이 가능하며, 이러한 배선연결홀에 구비되는 도전부재나 도전패턴 구조물로 인해, 외부의 전원인가 구조를 간소화하거나, 장착구조를 단순화할 수 있게 된다.Accordingly, in the structure of the thermoelectric module according to the embodiment of the present invention described above, it is possible to implement one or two or more wiring connection holes, and due to the conductive member or conductive pattern structure provided in these wiring connection holes, external It becomes possible to simplify the power supply structure of the device or to simplify the mounting structure.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 다른 구성을 설명하기로 한다.Hereinafter, another configuration of the thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용되는 상술한 상호 대향하여 배치되는 제1기판(140)과 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, 배선연결홀의 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.Referring to FIG. 5 , the first substrate 140 and the second substrate 150 disposed to face each other applied to the thermoelectric module according to the embodiment of the present invention are usually an insulating substrate, such as an alumina substrate, or having flexibility. A polymer resin may be used, or in the case of an embodiment of the present invention, heat dissipation efficiency and thinning may be realized by using a metal substrate. Of course, when a metal substrate is used, a separate dielectric layer (not shown) is formed on the contact surface between the first and second electrodes 160a and 160b embedded in the first and second substrates 140 and 150 . It is preferable to further include. Furthermore, even in the case of a wiring connection hole, it can be implemented so that it can be insulated through an insulating film. In the case of a metal substrate, Cu or Cu alloy, Cu-Al alloy, etc. can be applied. Furthermore, a substrate having flexibility may be applied to the substrate according to the embodiment of the present invention. These are polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), polyethylene terephthalate (PET), high permeability plastics such as resin (resin), such as various insulating properties A resin material can be used.

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. 즉, 도 3에 도시된 도면에서도 제1기판(140)의 폭이 제2기판(150)의 폭보다 좁게 형성되며, 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다.In addition, in another embodiment according to the present invention, the area of the second substrate 150 may be formed in a range of 1.2 to 5 times the area of the first substrate 140 to form different volumes. That is, even in the drawing shown in FIG. 3 , the width of the first substrate 140 is formed to be narrower than the width of the second substrate 150 , and in this case, the areas of the substrates of the same thickness are formed to be different from each other, so that the volume is different. do.

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. In this case, when the area of the second substrate 150 is formed to be less than 1.2 times that of the first substrate 140, there is no significant difference from the existing heat conduction efficiency, so there is no meaning of thinning, and when it exceeds 5 times, the thermoelectric module It is difficult to maintain the shape (eg, opposing structures facing each other), and the heat transfer efficiency is significantly reduced.

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 두께(를 상기 제2기판(150)의 두께 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.In addition, in the case of the second substrate 150, a heat dissipation pattern (not shown), such as an uneven pattern, is formed on the surface of the second substrate to maximize the heat dissipation characteristics of the second substrate, and through this, the existing heat sink It is possible to secure more efficient heat dissipation characteristics even by deleting the configuration of In this case, the heat dissipation pattern may be formed on one or both of the surfaces of the second substrate. In particular, when the heat dissipation pattern is formed on a surface in contact with the first and second semiconductor devices, heat dissipation characteristics and bonding characteristics between the thermoelectric device and the substrate may be improved. In addition, by forming the thickness of the first substrate 140 thinner than the thickness of the second substrate 150 , it is possible to facilitate the inflow of heat from the cold sied and to increase the heat transfer rate.

상기 제1전극 및 제2전극(160a, 160b)은 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.The first and second electrodes 160a and 160b electrically connect the first semiconductor element 120 and the second semiconductor element 130, which are thermoelectric elements, by using an electrode material such as Cu, Ag, or Ni. The thickness of the electrode layer may be formed in the range of 0.01mm ~ 0.3mm. More preferably, it can be implemented in a range of 10 μm to 20 μm.

이 경우, 상기 열전소자(120, 130)은 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)가 하나의 전극에 구비될 수 있으며, 이러한 구조가 다수 개가 도 3의 구조와 같이 모듈화 될 수 있게 된다. 특히, 이 경우 본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 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.In this case, as for the thermoelectric elements 120 and 130 , the first semiconductor element 120 and the second semiconductor element 130 may be provided on one electrode, and a plurality of these structures may be modularized as in the structure of FIG. 3 . be able to In particular, in this case, the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 according to the present invention may be a semiconductor device formed in a bulk type by applying a P-type semiconductor or an N-type semiconductor material. The bulk type refers to a structure formed by pulverizing an ingot, which is a semiconductor material, followed by a miniaturization ball-mill process, and then cutting a sintered structure. Such a bulk-type device may be formed as one integrated structure.

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.The P-type semiconductor or N-type semiconductor material is the N-type semiconductor device, selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B) ), gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), and a main raw material consisting of a bismuth telluride-based (BiTe-based) containing indium (In), and 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It can be formed using a mixture of Bi or Te corresponding to . For example, the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and Bi or Te may be formed by adding a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te. That is, Bi When the weight of -Se-Te is 100 g, it is preferable to add Bi or Te to be added in the range of 0.001 g to 1.0 g. As described above, the weight range of the material added to the above-described main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity does not decrease, so improvement of the ZT value cannot be expected. have

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.The P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium ( A mixture of a main raw material consisting of bismuth telluride (BiTe) including Te), bismuth (Bi), and indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It is preferable to form using For example, the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and Bi or Te may be formed by further adding a weight corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Sb-Te. That is, when 100 g of Bi-Sb-Te is added, the additionally mixed Bi or Te may be added in the range of 0.001 g to 1 g. The weight range of the material added to the above-mentioned main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity decreases, so that the improvement of the ZT value cannot be expected.

아울러, 나아가, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하여 열전모듈은 열전소자의 구조를 도 1의 구조와 같이 구현하는 것 외에도, 상기 제1기판 및 상기 제2기판의 체적이 서로 다르게 형성될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다.In addition, the thermoelectric module including the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention implements the structure of the thermoelectric element as shown in FIG. 1 , and the first substrate and the second substrate have different volumes. make it possible In the embodiment of the present invention, the term 'volume' is defined to mean an internal volume formed by the outer circumferential surface of the substrate.

이 경우 열전소자의 경우, 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 도전부재(S)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다. In this case, in the case of the thermoelectric element, one side of the first semiconductor element 120 is a P-type semiconductor and the second semiconductor element 130 is an N-type semiconductor, and the first semiconductor and the second semiconductor are metal electrodes. The Peltier effect is realized by the conductive member S connected to the 160a and 160b, a plurality of such structures are formed, and a current is supplied to the semiconductor device through an electrode.

특히, 본 발명에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제1기판(140)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제2기판(150)의 면적을 넓게 형성할 수 있도록 하여, 열전도율을 높이고, 방열효율을 높여 종래의 열전모듈에서의 히트싱크를 제거할 수 있도록 할 수 있다. In particular, in the present invention, by the Peltier effect, the area of the second substrate 150 forming the heat dissipation area (Hot side) can be formed wider than the area of the first substrate 140 forming the cooling area (Cold side). It is possible to remove the heat sink in the conventional thermoelectric module by increasing the thermal conductivity and heat dissipation efficiency.

또한, 본 발명이 실시예에 따른 열전소자의 구조는 도 1 내지 도 3에 도시된 구조와 같이 원통형, 직육면체 또는 정육면체의 입체 구조와 같이 동일한 폭을 가지는 구조로 구현되는 것 외에, 도 6에 도시된 구조와 같은 형상을 가질 수 있다.In addition, the structure of the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. 6 , in addition to being implemented as a structure having the same width as the three-dimensional structure of a cylindrical, rectangular parallelepiped or cube as shown in FIGS. 1 to 3 . It may have the same shape as the built-in structure.

구체적으로, 본 발명이 실시예에 따른 열전모듈에 적용되는 열전소자는, 도 6에 도시된 구조와 같이, 제1기판 및 제2기판 상에 수용되는 제1전극 및 제2전극의 노출표면에 접합하는 부분의 폭이 넓게 구현되는 구조로 구현될 수 있다.Specifically, the thermoelectric element to which the present invention is applied to the thermoelectric module according to the embodiment, as shown in FIG. 6 , is formed on the exposed surfaces of the first and second electrodes accommodated on the first and second substrates. It may be implemented in a structure in which the width of the joining portion is wide.

이러한 구조를 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자(120)는, 제1단면적을 가지는 제1소자부(122), 상기 제1소자부(122)와 대향하는 위치에 제2단면적을 가지는 제2소자부(126) 및 상기 제1소자부(122)와 상기 제2소자부(126)를 연결하는 제3단면적을 가지는 연결부(124)를 포함하는 구조로 구현될 수 있다. 특히 이 경우, 상기 연결부(124)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적보다 작게 구현되는 구조로 마련될 수 있다.6, the thermoelectric element 120 according to another embodiment of the present invention includes a first element unit 122 having a first cross-sectional area, the first element unit 122 and A structure including a second element portion 126 having a second cross-sectional area at an opposing position and a connecting portion 124 having a third cross-sectional area connecting the first element portion 122 and the second element portion 126 to each other can be implemented as In particular, in this case, the cross-sectional area of the connection part 124 in an arbitrary area in the horizontal direction may be provided to be smaller than the first cross-sectional area and the second cross-sectional area.

이러한 구조는 동일한 재료를 가지고 정육면체 구조와 같은 단일 단면적을 가지는 구조의 열전소자와 동량의 재료를 적용하는 경우, 제1소자부와 제2소자부의 면적을 넓히고, 연결부의 길이를 길에 구현할 수 있게 됨으로써, 제1소자부와 제2소자부 사이의 온도차(△T)를 크게 할 수 있는 장점이 구현될 수 있게 된다. 이러한 온도차를 증가시키면, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아져 전기의 발전량이 증가되며, 발열이나 냉각의 경우 그 효율이 높아지게 된다.This structure has the same material and when the same amount of material as a thermoelectric element having a structure having a single cross-sectional area such as a cube structure is applied, the area of the first element part and the second element part is widened, and the length of the connection part can be implemented in the road As a result, the advantage of increasing the temperature difference ΔT between the first element part and the second element part can be realized. If the temperature difference is increased, the amount of free electrons moving between the hot side and the cold side increases, thereby increasing the amount of electricity generated, and the efficiency increases in the case of heat generation or cooling.

따라서, 본 실시예에 따른 열전소자(120)은 연결부(124)의 상부 및 하부에 평판형 구조나 다른 입체 구조로 구현되는 제1소자부 및 제2소자부의 수평 단면적을 넓게 구현하고, 연결부의 길이를 연장하여 연결부의 단면적을 좁힐 수 있도록 한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 연결부의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 수평단면적 중 더 큰 단면의 폭(A or C)의 비율이 1:(1.5~4)의 범위를 충족하는 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 이 범위를 벗어나는 경우에는, 열전도가 발열측에서 냉각측으로 전도되어 오히려 발전효율을 떨어뜨리거나, 발열이나 냉각효율을 떨어뜨리게 된다.Accordingly, the thermoelectric element 120 according to the present embodiment has a wide horizontal cross-sectional area of the first element part and the second element part implemented in a flat structure or other three-dimensional structure on the upper and lower portions of the connection part 124 , and the connection part By extending the length, it is possible to narrow the cross-sectional area of the connection part. In particular, in the embodiment of the present invention, the width (B) of the cross-section having the longest width among the horizontal cross-sections of the connection part, and the width (A or Let the ratio of C) be implemented in a range that satisfies the range of 1: (1.5~4). When it is out of this range, heat conduction is conducted from the heat generating side to the cooling side, and the power generation efficiency is rather reduced, or the heat generation or cooling efficiency is lowered.

이러한 구조의 실시예의 다른 측면에서는, 상기 열전소자(120)는, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자의 길이방향의 두께(a1, a3)는, 상기 연결부의 길이방향 두께(a2)보다 작게 구현되도록 형성될 수 있다.In another aspect of the embodiment of this structure, in the thermoelectric element 120 , the lengthwise thicknesses a1 and a3 of the first element portion and the second element are smaller than the lengthwise thickness a2 of the connection portion. It may be formed to be implemented.

나아가, 본 실시예에서는, 제1소자부(122)의 수평방향의 단면적인 상기 제1단면적과 제2소자부(126)의 수평방향의 단면적인 상기 제2단면적이 서로 다르게 구현할 수 있다. 이는 열전효율을 조절하여 원하는 온도차를 쉽게 제어하기 위함이다. 나아가, 상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는 상호 일체로 구현되는 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우 각각의 구성은 상호 동일한 재료로 구현될 수 있다.
Furthermore, in the present embodiment, the first cross-sectional area of the first element unit 122 in the horizontal direction and the second cross-sectional area of the second element unit 126 in the horizontal direction may be different from each other. This is to easily control the desired temperature difference by adjusting the thermoelectric efficiency. Furthermore, the first element part, the second element part, and the connection part may have a structure that is integrally implemented with each other, and in this case, each of the components may be implemented with the same material as each other.

또한, 도 7 내지 도 9을 참조하면, 이는 도 1 내지 도 6에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현하는 다른 방식을 설명한 실시예이다.In addition, referring to FIGS. 7 to 9 , this is an embodiment illustrating another method of implementing the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 1 to 6 .

즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 상술한 반도체소자의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.That is, in another embodiment of the present invention, the structure of the semiconductor device described above may be implemented as a structure of a stacked structure rather than a bulk type structure, thereby making it possible to further improve the thickness and cooling efficiency.

구체적으로는, 도 7에서의 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.Specifically, the structure of the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 in FIG. 7 is formed as a unit member in which a plurality of structures coated with a semiconductor material are stacked on a sheet-shaped substrate and then cut. It can prevent material loss and improve electrical conductivity.

이에 대해서 도 7을 참조하면, 도 7은 상술한 적층 구조의 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다. 도 7에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 7에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(120)은 기재(111) 상에 반도체 층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7 in this regard, FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a process for manufacturing the unit member having the above-described stacked structure. According to FIG. 7 , a material including a semiconductor material is prepared in the form of a paste, and the paste is applied on a substrate 111 such as a sheet or film to form a semiconductor layer 112 to form one unit member 110 . to form The unit member 110 forms a stacked structure by stacking a plurality of unit members 100a, 100b, and 100c as shown in FIG. 7 , and then cutting the stacked structure to form a unit thermoelectric element 120 . That is, the unit thermoelectric element 120 according to the present invention may be formed in a structure in which a plurality of unit members 110 in which a semiconductor layer 112 is laminated on a substrate 111 are laminated.

상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.In the above-described process, the process of applying the semiconductor paste on the substrate 111 may be implemented using various methods, for example, tape casting, that is, a very fine semiconductor material powder in an aqueous or non-aqueous solvent ( solvent) and a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer, and a surfactant to prepare a slurry, and then use a moving blade or moving carrier. It can be implemented as a process of molding according to the desired purpose with a constant thickness above. In this case, the thickness of the substrate can use materials such as films and sheets in the range of 10 μm to 100 μm, and as the semiconductor material to be applied, the P-type material and N-type material for manufacturing the bulk-type device described above can be applied as it is. Of course.

상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The process of arranging and stacking the unit members 110 in multiple layers can be formed into a stacked structure by pressing at a temperature of 50° C. to 250° C., and in the embodiment of the present invention, the number of stacking of these unit members 110 is 2 It can be done in the range of ~50. Thereafter, a cutting process may be performed to a desired shape and size, and a sintering process may be added.

상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 1 내지 도 5에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조와 같이, 원통형 구조나 정육면체나 직육면체의 구조로 절단하거나, 또는 도 6의 형상을 구현하여 도 7의 (d)의 형상으로 절단하여 구현할 수 있게 된다.The unit thermoelectric element formed by stacking a plurality of unit members 110 manufactured according to the above-described process can ensure uniformity in thickness and shape size. That is, the conventional bulk-shaped thermoelectric element cuts the sintered bulk structure after ingot pulverization and miniaturization ball-mill processes. It was difficult to cut to one size, and there was a problem in that it was difficult to reduce the thickness due to the thickness of 3 mm to 5 mm. There is almost no material loss, the material has a uniform thickness, and the uniformity of the material can be secured. application becomes possible. The finally implemented structure is like the structure of the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention described above in FIGS. 1 to 5, cut into a cylindrical structure, a cube or a rectangular parallelepiped structure, or by implementing the shape of FIG. It can be realized by cutting into the shape of (d).

특히, 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.In particular, in the manufacturing process of the unit thermoelectric element according to the embodiment of the present invention, a process of forming a conductive layer on the surface of each unit member 110 during the process of forming the stacked structure of the unit members 110 is further included. can make it happen

즉, 도 7의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 8의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다. That is, the conductive layer having the structure of FIG. 8 may be formed between the unit members of the stacked structure of FIG. 7C . The conductive layer may be formed on a surface opposite to the surface of the substrate on which the semiconductor layer is formed. This can increase the electrical conductivity compared to the case of full-surface coating, and at the same time improve the bonding force between each unit member, and realize the advantage of lowering the thermal conductivity.

즉, 도 8에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 8의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 8의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT(℃) 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다. 상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.That is, what is shown in FIG. 8 shows various modifications of the conductive layer (C) according to the embodiment of the present invention, and the pattern in which the surface of the unit member is exposed is shown in FIGS. 8(a) and (b) As shown in, a mesh-type structure including a closed opening pattern (c 1 , c 2 ) or an open opening pattern (c 3 , c 4 ) as shown in (c) and (d) of FIG. 8 ) It can be designed with various modifications to a line type including The above conductive layer not only increases the adhesive force between the unit members inside the unit thermoelectric element formed in a stacked structure of unit members, but also lowers the thermal conductivity between the unit members and improves the electrical conductivity. The cooling capacity (Qc) and ΔT (°C) are improved compared to the bulk type thermoelectric element, and in particular, the power factor is increased by 1.5 times, that is, the electrical conductivity is increased by 1.5 times. The increase in electrical conductivity is directly related to the improvement of thermoelectric efficiency, and thus the cooling efficiency is improved. The conductive layer may be formed of a metal material, and all metal-based electrode materials made of Cu, Ag, Ni, and the like are applicable.

도 7에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 1 및 도 6에 도시된 열전모듈에 적용하는 경우, 즉 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.When the unit thermoelectric element of the stacked structure described above in FIG. 7 is applied to the thermoelectric module shown in FIGS. 1 and 6 , that is, between the first substrate 140 and the second substrate 150 in the embodiment of the present invention. In the case of implementing a thermoelectric module with a unit cell having a structure including an electrode layer by disposing a thermoelectric element according to the Compared to that, it is possible to realize a remarkable reduction in thickness.

또한, 도 9에 도시된 것과 같이, 도 7에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 8의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 9 , the thermoelectric elements 120 and 130 described above in FIG. 7 are horizontally arranged in an upper direction (X) and a lower direction (Y), as shown in (a) of FIG. 8 . The thermoelectric element according to the embodiment of the present invention may be implemented by arranging it so as to be able to, and cutting it as in (c).

이러한 도 9의 (c)의 구조는, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위열전소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.In the structure of FIG. 9(c), the thermoelectric module may be formed in a structure in which the first and second substrates and the semiconductor layer and the surfaces of the substrate are adjacent to each other, but as shown in (b), the thermoelectric module A structure in which the device itself is erected vertically so that side portions of the unit thermoelectric device are disposed adjacent to the first and second substrates is also possible. In such a structure, the distal end of the conductive layer is exposed on the side surface than in the horizontal arrangement structure, and the cooling efficiency can be further increased by lowering the heat conduction efficiency in the vertical direction and improving the electric conductivity characteristics at the same time.

상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 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. As described above, in the thermoelectric element applied to the thermoelectric module of the present invention that can be implemented in various embodiments, the shapes and sizes of the first semiconductor element and the second semiconductor element facing each other are the same, but in this case, the P-type Considering that the electrical conductivity of the semiconductor device and the electrical conductivity characteristics of the N-type semiconductor device are different from each other and act as a factor impeding the cooling efficiency, one volume is formed differently from the volume of the other semiconductor device facing each other It is also possible to improve the cooling performance.

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.In other words, differently forming the volumes of the semiconductor devices disposed opposite to each other is to form a largely different overall shape, to widen the diameter of one of the cross-sections in a semiconductor device having the same height, or to form a semiconductor device having the same shape. It is possible to implement in a way that the height or the diameter of the cross section is different. In particular, by forming the diameter of the N-type semiconductor device larger than that of the P-type semiconductor device, the volume can be increased to improve the thermoelectric efficiency.

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.The thermoelectric element of various structures and the thermoelectric module including the same according to the embodiment of the present invention described above are water or liquid depending on the characteristics of the heat generation and heat absorbing parts on the surface of the power generation module or the upper and lower substrates as described above. It can be used for cooling by taking heat from a medium, such as, or for heating by transferring heat to a specific medium. That is, in the thermoelectric module of various embodiments of the present invention, the configuration of a cooling device implemented by improving cooling efficiency is described as an embodiment, but the substrate on the opposite side of which cooling is performed is used for heating a medium using heat generation characteristics. It can be applied to the device being used. That is, it can be applied to equipment that implements cooling and heating functions in one device at the same time.

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.
In the detailed description of the present invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention, and should be defined by the claims as well as the claims and equivalents.

110: 단위부재
111: 기재
112: 반도체층
120: 열전소자
122: 제1소자부
124: 연결부
126: 제2소자부
130: 열전소자
132: 제1소자부
134: 연결부
136: 제2소자부
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
161: 도전부재
162: 도전패턴
S: 배선연결홀
110: unit member
111: description
112: semiconductor layer
120: thermoelectric element
122: first element unit
124: connection
126: second element unit
130: thermoelectric element
132: first element unit
134: connection
136: second element unit
140: first substrate
150: second substrate
160a, 160b: electrode layer
161: conductive member
162: challenge pattern
S: wiring connection hole

Claims (12)

제1 기판;
상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부;
상기 제1 전극부 상에 배치된 복수의 반도체소자를 포함하는 반도체소자부;
상기 반도체소자부 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부; 그리고
상기 제2 전극부와 제1면이 마주하도록 배치된 제2 기판;을 포함하고,
상기 제2 기판은,
상기 제2 전극부 중 서로 이격된 한 쌍의 제2 전극 상에서 상기 제1면 및 상기 제1면의 반대면인 제2면 사이를 각각 홀하도록 형성된 한 쌍의 배선연결홀을 포함하고,
상기 한 쌍의 배선연결홀 내에 배치되며, 상기 한 쌍의 제2 전극과 연결된 한 쌍의 제1 도전부재를 더 포함하고,
상기 한 쌍의 배선연결홀 각각은 상기 제2면으로부터 상기 제1면을 향하는 제1 방향으로 상기 제1 기판과 중첩되며,
상기 한 쌍의 배선연결홀은 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 서로 중첩되고,
상기 한 쌍의 제1 도전부재와 접촉하는 한 쌍의 제2 도전부재를 더 포함하고,
상기 한 쌍의 제2 도전부재 각각의 상기 제1 방향의 두께는 상기 제2 기판의 두께보다 크고,
상기 한 쌍의 제2 도전부재 각각의 상기 제1 방향과 수직한 상기 제2 방향의 폭은 상기 한 쌍의 배선연결홀 각각의 폭보다 작은 열전모듈.
a first substrate;
a first electrode unit including a plurality of first electrodes disposed on the first substrate;
a semiconductor device unit including a plurality of semiconductor devices disposed on the first electrode unit;
a second electrode unit including a plurality of second electrodes disposed on the semiconductor element unit; and
a second substrate disposed so that the second electrode part and the first surface face each other;
The second substrate is
and a pair of wiring connection holes formed to each hole between the first surface and a second surface opposite to the first surface on a pair of second electrodes spaced apart from each other among the second electrode parts,
It is disposed in the pair of wiring connection holes, further comprising a pair of first conductive members connected to the pair of second electrodes,
Each of the pair of wiring connection holes overlaps the first substrate in a first direction from the second surface toward the first surface,
The pair of wiring connection holes overlap each other in a second direction perpendicular to the first direction,
Further comprising a pair of second conductive members in contact with the pair of first conductive members,
A thickness of each of the pair of second conductive members in the first direction is greater than a thickness of the second substrate;
A width of each of the pair of second conductive members in the second direction perpendicular to the first direction is smaller than a width of each of the pair of wiring connection holes.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 제1 도전부재는 상기 한 쌍의 배선연결홀의 측면에 접촉하는 열전모듈.
According to claim 1,
The pair of first conductive members are in contact with side surfaces of the pair of wiring connection holes.
제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 제2 전극 각각은 상기 한 쌍의 제1 도전부재 각각과 일체로 형성된 열전모듈.
6. The method of claim 5,
Each of the pair of second electrodes is integrally formed with each of the pair of first conductive members.
제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 제1 도전부재는 적어도 일부가 상기 제2면과 접촉하는 열전모듈.
6. The method of claim 5,
At least a portion of the pair of first conductive members is in contact with the second surface.
제7항에 있어서,
상기 제1 기판의 면적과 상기 제2 기판의 면적은 서로 상이한 열전모듈.
8. The method of claim 7,
An area of the first substrate and an area of the second substrate are different from each other.
제8항에 있어서,
상기 제2 기판의 면적은 상기 제1 기판의 면적의 1.2배 내지 5배인 열전모듈.
9. The method of claim 8,
An area of the second substrate is 1.2 to 5 times that of the first substrate.
제7항에 있어서,
상기 한 쌍의 제1 도전부재의 표면은 적어도 일부가 상기 제2면 상에서 노출된 열전모듈.
8. The method of claim 7,
At least a portion of the surface of the pair of first conductive members is exposed on the second surface.
제10항에 있어서,
상기 한 쌍의 제1 도전부재 각각의 상면은 상기 측면의 접촉부로부터 연장되어 형성된 열전모듈.
11. The method of claim 10,
An upper surface of each of the pair of first conductive members extends from a contact portion of the side surface of the thermoelectric module.
제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 배선연결홀 각각의 중심에는 상기 한 쌍의 제1 도전부재가 배치되지 않은 열전모듈.
6. The method of claim 5,
The thermoelectric module in which the pair of first conductive members is not disposed at the center of each of the pair of wiring connection holes.
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