KR102448420B1 - 열전 소자 - Google Patents

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성명석
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Abstract

실시예는 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판, 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극 및 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되는 제 1 리드선을 포함하고, 상기 제 1 리드선은 심재, 상기 심재의 외측에 배치된 접합층 및 상기 심재와 상기 접합층 사이에 배치된 확산 방지층을 포함하는 열전 소자를 개시한다.

Description

열전 소자{THERMOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리드선의 접합 신뢰성이 향상된 열전 소자에 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, 온도차에 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.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판의 크랙, 손상발생을 방지하거나 현저히 줄일 수 있는 가능한 열전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판; 상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되는 제 1 리드선; 을 포함하고, 상기 제 1 리드선은 심재; 상기 심재의 외측에 배치된 접합층; 및 상기 심재와 상기 접합층 사이에 배치된 확산 방지층; 을 포함한다.
상기 심재의 직경은 상기 접합층의 두께 대비 20배~600배이고, 상기 접합층의 두께는 상기 확산 방지층의 두께 대비 5배~100배일 수 있다.
상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고, 상기 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 접합층은 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은 전체 중량에 대하여 중량%로, 0%일 수 있다.
상기 확산 방지층은 상기 심재의 외주면에 배치된 제 1 확산 방지층; 및 상기 제 1 확산 방지층의 외주면에 배치된 제 2 확산 방지층을 포함할 수 있다.
상기 심재의 직경은 상기 접합층의 두께 대비 100배~150배이고, 상기 접합층의 두께는 상기 제 1 확산 방지층 및 상기 제 2 확산 방지층의 두께 대비 2배 ~ 10배일 수 있다.
상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고, 상기 제 1 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제 2 확산 방지층은 팔라듐(Pd)을 포함하고, 상기 접합층은 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은 전체 중량에 대하여 중량%로, 0%일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판, 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극 및 상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되는 제 1 리드선; 을 포함하고, 상기 제 1 리드선은 상기 제 1 기판에 접합 되는 접합부와 상기 접합부에서 외측으로 연장되는 연장부를 포함하고, 상기 접합부 및 상기 연장부 각각은 심재; 및 상기 심재의 외측에 배치된 접합층; 을 포함하고, 상기 접합부의 접합층의 두께는 상기 연장부의 접합층의 두께 보다 클 수 있다.
상기 제 1 리드선의 상기 접합부 및 상기 연장부 각각은 상기 심재와 상기 접합층 사이에 배치된 확산 방지층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 접합부의 확산 방지층의 두께는 상기 연장부의 확산 방지층의 두께와 동일할 수 있다.
상기 접합부의 접합층의 두께는 상기 연장부의 접합층의 두께 대비 10배~25배인 큰 열전 소자.
상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고, 상기 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 접합층은 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은 전체 중량에 대하여 중량%로, 0%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 리드선의 접합 신뢰성이 열전 소자를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 효율이 향상된 열전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 열전 소자의 사시도이고,
도 2는 일반적인 열전 소자의 측면도이고,
도 3은 일반적인 열전 소자의 리드선의 단면도이고,
도 4는 도 3의 리드선을 촬영한 이미지이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 제조하기 위한 공정을 개략적으로 나타내는 블록도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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 설명하는 데 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 특정일 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.
우선은 도 1 내지 도 4를 참조하여, 일반적인 열전 소자에 대해 설명한다.
도 1은 일반적인 열전 소자의 사시도이고, 도 2는 일반적인 열전 소자의 측면도이고, 도 3은 일반적인 열전 소자의 리드선의 단면도이고, 도 4는 도 3의 리드선을 촬영한 이미지이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일반적인 열전 소자(100)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 하부 기판(140), 상부 기판(150), 전극(160) 및 리드선(180)을 포함한다.
전극(160)은 제 1 전극(161) 및 제 2 전극(162)을 포함하고, 리드선(180)은 일측에서 제 1 전극(161)에 솔더(S) 접합 된 제 1 리드선(181)과 타측에서 제 1 전극(161)에 솔더(S) 접합된 제 2 리드선(182)을 포함한다.
하부 전극(161)은 하부 기판(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(162)은 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(161)과 상부 전극(162) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(120)로부터 N형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(130)로부터 P형 열전 레그(120)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(120)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(130)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(120) 및 N형 열전 레그(130)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(120) 또는 벌크형 N형 열전 레그(130)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(120) 또는 적층형 N형 열전 레그(130)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(120) 및 N형 열전 레그(130)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(130)의 단면적을 P형 열전 레그(120)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018005725428-pat00001
여기서,
Figure 112018005725428-pat00002
는 제벡계수[V/K]이고,
Figure 112018005725428-pat00003
는 전기 전도도[S/m]이며,
Figure 112018005725428-pat00004
는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고 T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는
Figure 112018005725428-pat00005
로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며,
Figure 112018005725428-pat00006
는 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(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 상부 전극(162)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상호 대향하는 하부 기판(140)과 상부 기판(150)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(140)과 상부 기판(150)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(140)과 하부 전극(161) 사이 및 상부 기판(150)과 상부 전극(162) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 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.
복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 하부 전극(161)과 상부 전극(162)들과 이격 되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 전극(161, 262)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
그리고 각 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치되며, 각 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치될 수 있다.
즉, P형 열전 레그(120)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치되며, N형 열전 레그(130)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치될 수 있다. 하부 전극(161)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 중 P형 열전 레그(120)가 복수의 하부 전극(162) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(130)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(162)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 하부 전극(162)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
이때, 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 리드선(180)은 내측의 심재(10), 중간층(11) 및 접합층(12)을 포함한다.
심재(10)는 일정한 직경을 갖는 환봉 형상으로 구성되고, 그 재질은 구리(Cu)를 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
중간층(11)은 내측의 심재(10)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 심재(10)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 심재(10)와 접합층(12) 사이에서 접합성을 향상시킨다.
접합층(12)은 중간층(11)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며 실질적으로 솔더(S)에 의해 제 1 전극(161)에 접합 되는 영역으로, 그 재질은 주석(Sn)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 심재(10)의 구리(Cu)는 중간층(11)을 통과하여 접합층(12)으로 확산되어, 접합층(12)의 주석(Sn)과 반응하여 금속간 화합물(intermetallic)을 형성한다.
도 4의 이미지 중 제 1 영역(A)은 심재(10)의 외측의 단면을 촬영한 영역이며, 제 2 영역(B)은 접합층(12)이며 심재(10)의 구리(Cu)가 확산되어 전체 중량%에서 60% 이상의 구리(Cu)가 존재하는 영역이며, 제 3 영역(C)은 접합층(12)이며 심재(10)의 구리(Cu)가 확산되어 전체 중량%에서 대략 10%의 구리(Cu)가 존재하는 영역이며, 접합층(12)의 외각 측 영역으로 심재(10)의 구리(Cu)가 확산되어 전체 중량%에서 대략 5%의 구리(Cu)가 존재하는 영역이다.
즉, 심재(10)의 구리(Cu)는 접합층(12)의 외각 측 영역까지 확산하여, 접합층(12)의 전 영역에서 심재(10)의 구리(Cu)와 접합층(12)의 주석(Sn)이 반응하여 금속간 화합물(intermetallic)을 형성할 수 있다.
이러한 금속간 화합물은 솔더링 접합성을 저하시키며, 크랙 전파가 용이하여 이종 금속 간 계면 박리 발생하는 영역으로 신뢰성 측면에서 악영향을 초래할 수 있는 문제가 있다.
이하에서는 도 5를 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 도 1 내지 도 3에 도시된 열전 소자에 비해 리드선(280)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 리드선(280)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 리드선(280)은 내측의 심재(20), 확산 방지층(21) 및 접합층(22)을 포함한다.
심재(20)는 일정한 직경을 갖는 환봉 형상으로 구성되고, 그 재질은 구리(Cu)를 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, 심재(20)의 직경(T1)은 대략 3000㎛로 설정될 수 있으며, 이는 전체 리드선(280)의 직경 대비 95% 이상을 차지할 수 있다.
확산 방지층(21)은 제 1 확산 방지층(21a) 및 제 2 확산 방지층(21b)을 포함할 수 있다.
제 1 확산 방지층(21a) 및 제 2 확산 방지층(21b) 각각은 심재(20)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 대략 0.2㎛ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.
제 1 확산 방지층(21a)은 내측의 심재(20)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 심재(20)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 심재(20)의 구리(Cu)가 외측으로 확산되는 것을 방지하는 배리어 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 제 1 확산 방지층(21a)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
제 2 확산 방지층(21b)은 내측의 제 1 확산 방지층(21a)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 심재(20)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 제 1 확산 방지층(21a)과 유사 또는 동일한 두께를 가질 수 있다.
제 2 확산 방지층(21b)은 심재(20)의 구리(Cu)가 제 1 확산 방지층(21a)을 통과하여 외측으로 확산되는 것을 방지하는 2 차 배리어 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제 2 확산 방지층(21b)은 접합층(22) 사이에서 접합성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 제 1 확산 방지층(21a)은 팔라듐(Pd)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
접합층(22)은 제 2 확산 방지층(21b)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며 실질적으로 솔더(S)에 의해 제 1 전극에 접합 되는 영역으로, 그 재질은 주석(Sn)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
접합층(22)은 대략 0.2㎛ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있으며, 이는 심재(20)의 직경 대비 대략 1/150배 내지 1/100배로 설정될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 접합층(22)의 두께를 솔더(S) 접합을 위한 최소 두께로 유지할 수 있으며, 제 1 확산 방지층(21a)과 제 2 확산 방지층(21b)을 통해 심재(20)의 구리(Cu) 성분이 접합층(22) 측으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
이를 통해 심재(20)와 접합층(22) 사이에서 금속간 화합물이 형성되지 않고, 계면 박리가 발생하지 않기 때문에 신뢰성이 높은 접속을 구현할 수 있다.
이하에서는 도 6을 함께 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 도 1 내지 도 3에 도시된 열전 소자에 비해 리드선(380)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 리드선(380)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선(380)은 내측의 심재(30), 확산 방지층(31) 및 접합층(32)을 포함한다.
심재(30)는 일정한 직경을 갖는 환봉 형상으로 구성되고, 그 재질은 구리(Cu)를 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, 심재(30)의 직경(T1)은 대략 3000㎛로 설정될 수 있으며, 이는 전체 리드선(380)의 직경 대비 90% 이상을 차지할 수 있다.
확산 방지층(31)은 심재(30)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 대략 0.2㎛ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.
확산 방지층(31)은 내측의 심재(30)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 심재(30)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 심재(30)의 구리(Cu)가 외측으로 확산되는 것을 방지하는 배리어 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 확산 방지층(31)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
또한, 확산 방지층(31)은 접합층(32) 사이에서 접합성을 향상시킬 수 있다.
접합층(32)은 확산 방지층(31)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며 실질적으로 솔더(S)에 의해 제 1 전극에 접합 되는 영역으로, 그 재질은 주석(Sn)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, 접합층(32)은 대략 5㎛ 내지 15㎛의 두께를 가질 수 있으며, 이는 심재(30)의 직경 대비 대략 1/20배 내지 1/600배로 설정될 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 접합층(32)의 두께를 증가시켜 접합층(32)의 외주면 까지 심재(30)의 구리(Cu) 성분이 확산되는 것을 방지하며, 접합층(32)과 솔더(S)의 접합성을 향상시킬 수 있어 신뢰성이 높은 접속을 구현할 수 있다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 함께 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 제조하기 위한 공정을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선을 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 도 1 내지 도 3에 도시된 열전 소자에 비해 리드선(480)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 리드선(480)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선(480)은 수조(1)에 담긴 주석(Sn) 용액(2)을 통과하면서, 심재(40)의 외측에 접합층(42)을 형성한다.
여기서, 리드선(480)은 권출롤(3)에서 권출되어, 권취롤(4) 측으로 이송되며 권취될 수 있다.
여기서, 권출롤(3)과 권취롤(4) 사이에는 리드선(480)의 장력을 조절하기 위한 복수의 버퍼롤(5)이 배치될 수 있다.
권출롤(3)과 권취롤(4)은 제어부(미도시)의 의해 서로 동일한 속도 또는 상이한 속도로 회전할 수 있으며, 리드선(480)의 피치 이송을 통해 단일 피치에 대응되는 거리만큼 회전한 후 일정 시간 정지될 수 있다.
이를 통해 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선(480)은 절단선(CL)에 인접한 제 1 영역(E)에서 주변의 제 2 영역(F) 보다 두께가 큰 제 1 두께(T7)를 가질 수 있다.
여기서, 제 1 영역(E)은 열전 소자의 제 1 전극에 접합 되는 접합부로 구현될 수 있으며, 제 2 영역(F)은 접합부에서 외측으로 연장되는 연장부로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 리드선(480)은 내측의 심재(40), 확산 방지층(41) 및 접합층(42)을 포함한다.
심재(40)는 일정한 직경을 갖는 환봉 형상으로 구성되고, 그 재질은 구리(Cu)를 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, 심재(40)의 직경(T1)은 대략 3000㎛로 설정될 수 있으며, 이는 전체 리드선(480)의 직경 대비 90% 이상을 차지할 수 있다.
확산 방지층(41)은 심재(40)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 대략 0.2㎛ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다.
확산 방지층(41)은 내측의 심재(40)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며, 심재(40)에 비해 매우 얇은 두께를 가지며, 심재(40)의 구리(Cu)가 외측으로 확산되는 것을 방지하는 배리어 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 확산 방지층(41)은 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
또한, 확산 방지층(41)은 접합층(42) 사이에서 접합성을 향상시킬 수 있다.
접합층(42)은 제 1 접합층(42a)과 제 2 접합층(42b)을 포함한다.
제 1 접합층(42a)은 제 2 영역(F)에 배치되며, 확산 방지층(41)의 외표면을 감싸며 일정한 두께(T6)의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성될 수 있고, 그 재질은 주석(Sn)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
제 2 접합층(42b)은 제 1 영역(E)에 배치되며, 확산 방지층(41)의 외표면을 감싸는 실질적으로 일정한 두께(T7)의 환 형상의 단면을 갖는 관상으로 구성되며 실질적으로 솔더(S)에 의해 제 1 전극에 접합 되는 영역으로, 그 재질은 주석(Sn)을 주성분으로 하는 합금으로 제조될 수 있다.
여기서, 제 1 접합층(42a)은 대략 2㎛ 정도의 두께를 가질 수 있으며, 제 2 접합층(42b)은 대략 5㎛ 내지 15㎛의 두께를 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 실질적으로 솔더(S)가 접합 되는 접합부 영역(E)에서 선택적으로 접합층(42)의 두께를 증가시켜 접합층(42b)의 외주면 까지 심재(40)의 구리(Cu) 성분이 확산되는 것을 방지하며, 접합층(42b)과 솔더(S)의 접합성을 향상시킬 수 있어 신뢰성이 높은 접속을 구현할 수 있으며, 솔더(S)가 접합 되지 않은 연장부 영역(F)에서는 접합층(42a)의 두께를 상대적으로 작게 하여, 사용되는 재료비를 절감할 수 있어 경제적이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: P형 열전 레그 130: N형 열전 레그
140: 하부 기판 150: 상부 기판
161: 하부 전극 162: 상부 전극
180, 280, 380, 480: 리드선

Claims (14)

  1. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그;
    상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및
    상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되는 제 1 리드선; 을 포함하고,
    상기 제 1 리드선은
    심재;
    상기 심재의 외측에 배치된 접합층; 및
    상기 심재와 상기 접합층 사이에 배치된 확산 방지층;을 포함하고,
    상기 확산 방지층은 상기 심재의 외표면을 모두 감싸고,
    상기 제 1 리드선은
    상기 제 1 기판에 접합되는 접합부와
    상기 접합부에서 외측으로 연장되는 연장부를 포함하고,
    상기 접합부의 접합층의 두께는 상기 연장부의 접합층의 두께보다 큰 열전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 심재의 직경은 상기 접합층의 두께 대비 20배~600배이고,
    상기 접합층의 두께는 상기 확산 방지층의 두께 대비 5배~100배인 열전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고,
    상기 접합층은 주석(Sn)을 포함하는 열전 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은
    전체 중량에 대하여 중량%로, 0%인 열전 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산 방지층은
    상기 심재의 외주면에 배치된 제 1 확산 방지층; 및
    상기 제 1 확산 방지층의 외주면에 배치된 제 2 확산 방지층을 포함하는 열전 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 심재의 직경은 상기 접합층의 두께 대비 100배~150배이고,
    상기 접합층의 두께는 상기 제 1 확산 방지층 및 상기 제 2 확산 방지층의 두께 대비 2배 ~ 10배인 열전 소자.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 제 1 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고,
    상기 제 2 확산 방지층은 팔라듐(Pd)을 포함하고,
    상기 접합층은 주석(Sn)을 포함하는 열전 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은
    전체 중량에 대하여 중량%로, 0%인 열전 소자.
  9. 제 1 기판,
    상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그;
    상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 및
    상기 제 1 전극에 전기적으로 연결되는 제 1 리드선; 을 포함하고,
    상기 제 1 리드선은
    상기 제 1 기판에 접합 되는 접합부와
    상기 접합부에서 외측으로 연장되는 연장부를 포함하고,
    상기 접합부 및 상기 연장부 각각은
    심재; 및
    상기 심재의 외측에 배치된 접합층; 을 포함하고,
    상기 접합부의 접합층의 두께는 상기 연장부의 접합층의 두께보다 크고,
    확산 방지층은 상기 심재의 외표면을 모두 감싸고,
    상기 접합층은 상기 확산 방지층의 외표면을 모두 감싸는 열전 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 리드선의 상기 접합부 및 상기 연장부 각각은
    상기 심재와 상기 접합층 사이에 배치된 확산 방지층; 을 더 포함하는 열전 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 접합부의 확산 방지층의 두께는 상기 연장부의 확산 방지층의 두께와 동일한 열전 소자.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 접합부의 접합층의 두께는 상기 연장부의 접합층의 두께 대비 10배~25배인 큰 열전 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 심재는 구리(Cu)를 포함하고,
    상기 확산 방지층은 니켈(Ni)을 포함하고,
    상기 접합층은 주석(Sn)을 포함하는 열전 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접합층의 외주면에서 구리 함량은
    전체 중량에 대하여 중량%로, 0%인 열전 소자.
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