KR102442799B1 - 열전 소자 - Google Patents
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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, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자에 포함되는 전극에 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, 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 등이 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전 소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 열전 레그가 배치되고, 열전 레그와 상부 기판 및 하부 기판 사이에 상부 전극 및 하부 전극이 배치된다. 여기서, 상부 전극 및 하부 전극은 열전 레그들을 직렬 연결하며, 열 및 전기를 전달한다. 이때, 상부 전극 및 하부 전극의 열 흐름 및 전기 흐름에 따라 열전 소자의 성능이 좌우될 수 있다.
일반적으로, 전극은 구리(Cu)로 이루어지며, 기판 상에 전기 도금 공법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전극 내 Cu의 성장 방향은 일정하지 않고 여러 방향으로 혼재되어 있으며, 수 많은 그레인(grain)이 존재할 수 있다. 이러한 그레인들로 인해 전극 내 포논 스캐터링(phonon scattering)이 발생할 수 있다. 포논 스캐터링은 전극 내 열 흐름을 저해할 수 있으며, 이로 인하여 열전 소자의 열전 성능이 낮아질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열 흐름 성능이 향상된 열전 소자를 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, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이할 수 있다.
상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 제1 기판 사이에 배치되는 복수의 제3 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 복수의 제4 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자의 성장 방향과 상이할 수 있다.
상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 장치는 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, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한 열전 소자를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 전극 내의 열 흐름 및 전기 흐름을 최적화시켜, 높은 성능을 가지는 열전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 모식도이다.
도 4는 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 열전 소자의 전극의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 모식도이다.
도 4는 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 열전 소자의 전극의 SEM 사진이다.
도 11은 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.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 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.
예를 들어, 리드선을 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(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 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 열전 레그일 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 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.
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·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 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.
한편, 일반적으로, 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)로 이루어지며, 전기 도금 공법을 이용하여 형성된다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)의 Cu의 성장 방향은 일정하지 않으며, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에는 Cu가 뭉쳐진 그레인(grain)이 다수 존재하게 된다. 도 3은 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 모식도이고, 도 4는 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 단면의 SEM 사진이다. 도 3 내지 4를 참조하면, 전극 내 Cu의 성장 방향은 일정하지 않으며, Cu가 뭉쳐진 그레인이 다수 존재하고, 기판과 평행한 방향으로 결이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 경우, 그레인들은 기판으로부터 열전 레그 방향으로의 열 흐름 시 또는 열전 레그로부터 기판 방향으로의 열 흐름 시 포논 스캐터링(phonon scattering)을 일으켜, 열 흐름을 저해하고, 열전 소자의 열전 성능을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전극의 성장 방향 및 조성을 제어하여 열 흐름을 개선하고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 5 내지 6을 참조하면, 열전 소자(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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
여기서, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장한다. 즉, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자의 성장 방향은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, 열 흐름이 용이하다.
이를 위하여, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다. 이때, Cu는 97.4wt% 내지 99wt%로 포함되며, Cr은 1 내지 2.6wt%로 포함될 수 있다. 스퍼터링에 의하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 증착하는 경우, Cr은 C축 성장의 시드가 될 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향으로 균일하게 성장할 수 있다. 이때, Cr이 상기 수치 범위 이내로 포함되는 경우, Cu가 균일한 방향으로 성장할 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 하부 기판(110) 상에 하부 전극(120)을 형성하기 위하여 Cu 및 Cr을 스퍼터링한다(S700). 이때, Cu는 97.4wt% 내지 99wt%로 포함하며, Cr은 1 내지 2.6wt%로 포함하는 합금을 스퍼터링할 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120)을 구성하는 입자가 C 축 방향으로 균일하게 성장할 수 있다.
그리고, 스퍼터링으로 증착된 하부 전극(120) 상에 열전 레그를 형성한다(S710). 이때, 미리 제조된 벌크형 열전 레그 또는 적층형 열전 레그를 하부 전극(120) 상에 형성할 수 있다. 또는, 하부 전극(120) 상에 열전 소재를 직접 증착하여 열전 레그를 형성할 수도 있다.
다음으로, 열전 레그 상에 상부 전극(150)을 형성하기 위하여 Cu 및 Cr을 다시 스퍼터링한다(S720). 그리고, 이와 같이 형성된 상부 전극(150) 상에 상부 기판(160)을 합착한다(S730).
한편, 도 5 내지 7에서는 하부 전극 및 상부 전극이 모두 C축 방향으로 성장하는 예를 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다. 도 5 내지 7과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 8을 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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 리드선을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 직류 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 상부 기판(160)은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 하부 기판(110)은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
이를 위하여, 하부 전극(120)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장할 수 있다. 즉, 하부 전극(120)을 구성하는 입자의 성장 방향은 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, N형 열전 레그(140)로부터 하부 전극(120)을 통하여 하부 기판(110)으로의 열 흐름이 용이하다.
이때, 하부 전극(120)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다.
이에 반해, 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 전극(120)을 구성하는 입자와 성장 방향이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축-b축)으로 성장될 수 있다. 이때, 상부 기판(160)은 Cu를 포함하며, 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다. 이에 따라, P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 향하는 상부 전극(150)의 전기 흐름이 용이하다.
이와 같이, 발열부로 작용하는 하부 기판(110)과 접합하는 하부 전극(120)의 열 흐름을 개선하고, 냉각부로 작용하는 상부 기판(160)과 접합하는 상부 전극(150)의 전기 흐름을 개선할 경우, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 냉각 장치의 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극은 이중층으로 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 열전 소자의 전극의 SEM 사진이다. 도 5 내지 8과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 9 내지 10을 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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
이때, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장할 수 있다. 즉, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자의 성장 방향은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 열 흐름이 용이하다.
이를 위하여, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다.
한편, 하부 전극(120) 및 하부 기판(110) 사이에는 추가 하부 전극(170)이 더 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160) 사이에는 추가 상부 전극(180)이 더 배치될 수 있다. 이때, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)을 구성하는 입자는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자와 성장 방향이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)을 구성하는 입자는 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축 또는 b축)으로 성장될 수 있다. 이때, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)은 Cu를 포함하며, 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다. 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)과 같이, Cu 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축 또는 b축)으로 성장되면, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180) 내 전기 흐름이 용이해진다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 전극을 이중층으로 구성할 경우, 열전 레그와 전극 간의 열 흐름이 용이해짐과 동시에, 전극 내 전기 흐름이 용이해지므로, 열전 소자의 열전 성능을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 전극 내에서도 입자의 성장 방향을 다르게 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 11을 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 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
이때, 각 하부 전극(120) 및 각 상부 전극(150)은 입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향, 즉 C 축으로 성장하는 영역(122, 152) 및 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향, 즉 a 축 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)으로 구분될 수 있다.
입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향, 즉 C 축으로 성장하는 영역(122, 152)은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하는 영역이고, 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향, 즉 a 축 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하지 않는 영역일 수 있다.
이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하는 영역이 입자가 C 축으로 성장하는 영역(122, 152)으로 구성되면, 열전 레그와 전극 간의 열 흐름이 용이해질 수 있다. 그리고, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)가 접하지 않는 영역이 입자가 a 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)으로 구성되면, 전극 내 전기 흐름이 용이해질 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전 성능을 높일 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.
100: 열전 소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판
Claims (13)
- 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, 그리고
상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
상기 복수의 전극은,
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이한 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하는 열전 소자. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되는 열전 소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장한 열전 소자. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함하는 열전 소자. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성되는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제3 전극, 그리고
상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제4 전극을 더 포함하는 열전 소자. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 제3 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자의 성장 방향과 상이한 열전 소자. - 제9항에 있어서,
상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 제3 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장한 열전 소자. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 제3 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함하는 열전 소자. - 제11항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 제3 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성되는 열전 소자. - 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, 그리고
상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
상기 복수의 전극은,
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이한 열전 소자를 포함하는 냉각 장치.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |