KR102459953B1 - Thermo electric leg and thermo electric element comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 제1 솔더층, 상기 복수의 제1 솔더층 상에 배치된 복수의 제1 버퍼층, 상기 복수의 제1 버퍼층 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 버퍼층, 상기 복수의 제2 버퍼층 상에 배치된 복수의 제2 솔더층, 상기 복수의 제2 솔더층 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 비 및 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 비는 각각 1대 0.125 내지 0.85이다.A thermoelectric element according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a plurality of first electrodes disposed on the first substrate, a plurality of first solder layers disposed on the plurality of first electrodes, and the plurality of first electrodes. a plurality of first buffer layers disposed on one solder layer, a plurality of thermoelectric legs disposed on the plurality of first buffer layers, a plurality of second buffer layers disposed on the plurality of thermoelectric legs, a plurality of second buffer layers on the plurality of second buffer layers A plurality of second solder layers disposed on the plurality of second solder layers, a plurality of second electrodes disposed on the plurality of second solder layers, and a second substrate disposed on the plurality of second electrodes, wherein the plurality of thermoelectric legs A height ratio of the plurality of first buffer layers to a height ratio of the plurality of first buffer layers, and a height ratio of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of second buffer layers are 1 to 0.125 to 0.85, respectively.
Description
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자에 포함되는 열전 레그에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to a thermoelectric leg included in the thermoelectric element.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.The thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 레그와 N형 열전 레그를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. A thermoelectric element is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
열전소자는 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 등으로 구분될 수 있다.Thermoelectric devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.Thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts. For example, the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric element is increasing.
일반적으로, 열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.In general, a thermoelectric element includes a substrate, an electrode, and a thermoelectric leg, a plurality of thermoelectric legs are disposed between an upper substrate and a lower substrate in an array form, and a plurality of upper electrodes are disposed between the plurality of thermoelectric legs and the upper substrate, , a plurality of lower electrodes are disposed between the plurality of thermoelectric legs and the lower substrate.
도 1은 열전 레그의 높이와 출력 파워(out power) 간의 상관 관계를 나타낸다. 이는 각각의 사이즈가 1.7mm*1.7mm인 127쌍의 열전 레그를 포함하는 40mm*40mm의 열전소자에 대하여 고온부 온도 473K, 저온부 온도 308K 및 dT 165K의 조건 하에서 열전 레그의 높이에 따른 출력 파워를 시뮬레이션한 결과이다. 도 2는 열전 레그의 높이와 최대 응력(maximum stress) 간의 상관 관계를 나타낸다. 이는 각각의 사이즈가 1.7mm*1.7mm인 127쌍의 열전 레그를 포함하는 40mm*40mm의 열전소자에 대하여 고온부 온도 500K, 저온부 온도 300K 및 dT(200K)의 조건 하에서 열전 레그의 높이에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다. 여기서, 최대 응력은 접합 물질 내에서의 최대 내부 응력을 의미할 수 있다.1 shows a correlation between a height of a thermoelectric leg and an output power (out power). This simulates the output power according to the height of the thermoelectric leg under the conditions of a high temperature part temperature of 473K, a low temperature part temperature of 308K, and dT 165K for a 40mm*40mm thermoelectric element including 127 pairs of thermoelectric legs each having a size of 1.7mm*1.7mm. is a
도 1을 참조하면, 열전 레그의 높이가 낮을수록 출력 파워가 높다. 이에 따라, 열전 레그의 높이가 낮아질수록 발전량이 증가함을 알 수 있다. 열전소자가 펠티에 소자인 경우, 열전 레그의 높이가 낮아질수록 최대 흡열량이 증가함을 알 수 있다. Referring to FIG. 1 , the lower the height of the thermoelectric leg, the higher the output power. Accordingly, it can be seen that the amount of power generation increases as the height of the thermoelectric leg decreases. When the thermoelectric element is a Peltier element, it can be seen that the maximum heat absorption increases as the height of the thermoelectric leg decreases.
다만, 도 2를 참조하면, 열전 레그의 높이가 낮을수록 열전 레그와 전극 간의 접합에 걸리는 응력이 증가하게 된다. 즉, 열전소자가 구동되면 고온부 측의 온도가 높아지게 되며, 이에 따라 고온부 측의 기판 및 전극이 열팽창하게 된다. 고온부 측의 전극의 열팽창 계수와 고온부 측의 전극에 접촉하는 열전 레그의 열팽창 계수가 상이하므로, 고온부 측의 전극과 열전 레그 간 접촉면에는 응력이 발생하게 된다. 열전 레그의 높이가 낮을수록, 즉 응력이 증가할수록 열전 레그가 틸팅(tilting)되는 각도가 커지게 되며, 이로 인하여 열전소자의 신뢰성이 낮아질 수 있다.However, referring to FIG. 2 , as the height of the thermoelectric leg decreases, the stress applied to the junction between the thermoelectric leg and the electrode increases. That is, when the thermoelectric element is driven, the temperature of the high temperature part increases, and accordingly, the substrate and the electrode on the high temperature part thermally expand. Since the coefficient of thermal expansion of the electrode on the high temperature side is different from the coefficient of thermal expansion of the thermoelectric leg in contact with the electrode on the side of the high temperature side, stress is generated in the contact surface between the electrode on the high temperature side and the thermoelectric leg. As the height of the thermoelectric leg is lowered, that is, as the stress is increased, the angle at which the thermoelectric leg is tilted is increased, thereby reducing the reliability of the thermoelectric element.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 성능이 우수한 열전소자 및 이에 포함되는 열전 레그를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance and a thermoelectric leg included therein.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 제1 솔더층, 상기 복수의 제1 솔더층 상에 배치된 복수의 제1 버퍼층, 상기 복수의 제1 버퍼층 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 버퍼층, 상기 복수의 제2 버퍼층 상에 배치된 복수의 제2 솔더층, 상기 복수의 제2 솔더층 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 비 및 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 비는 각각 1대 0.125 내지 0.85이다. A thermoelectric element according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a plurality of first electrodes disposed on the first substrate, a plurality of first solder layers disposed on the plurality of first electrodes, and the plurality of first electrodes. a plurality of first buffer layers disposed on one solder layer, a plurality of thermoelectric legs disposed on the plurality of first buffer layers, a plurality of second buffer layers disposed on the plurality of thermoelectric legs, a plurality of second buffer layers on the plurality of second buffer layers A plurality of second solder layers disposed on the plurality of second solder layers, a plurality of second electrodes disposed on the plurality of second solder layers, and a second substrate disposed on the plurality of second electrodes, wherein the plurality of thermoelectric legs A height ratio of the plurality of first buffer layers to a height ratio of the plurality of first buffer layers, and a height ratio of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of second buffer layers are 1 to 0.125 to 0.85, respectively.
상기 복수의 제1 버퍼층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 선팽창 계수는 상기 복수의 열전 레그의 선팽창 계수보다 클 수 있다.The linear expansion coefficients of the plurality of first buffer layers and the linear expansion coefficients of the plurality of second buffer layers may be greater than the linear expansion coefficients of the plurality of thermoelectric legs.
상기 복수의 제1 버퍼층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 선팽창 계수는 상기 복수의 제1 솔더층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 솔더층의 선팽창 계수보다 작을 수 있다.The linear expansion coefficients of the plurality of first buffer layers and the linear expansion coefficients of the plurality of second buffer layers may be smaller than the linear expansion coefficients of the plurality of first solder layers and the linear expansion coefficients of the plurality of second solder layers.
상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 비 및 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 비는 각각 1대 0.375 내지 0.625일 수 있다.A ratio of heights of the plurality of thermoelectric legs to heights of the plurality of first buffer layers and a ratio of heights of the plurality of thermoelectric legs to heights of the plurality of second buffer layers may be 1:1 to 0.375 to 0.625, respectively.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층은 알루미늄을 포함할 수 있다.The plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers may include aluminum.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 알루미늄층, 그리고 상기 알루미늄층에 배치된 니켈 도금층을 포함하며, 상기 니켈 도금층은 상기 복수의 열전 레그를 향하도록 배치될 수 있다.Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers may include an aluminum layer and a nickel plating layer disposed on the aluminum layer, and the nickel plating layer may be disposed to face the plurality of thermoelectric legs.
상기 복수의 제1 버퍼층의 폭 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 폭은 상기 복수의 열전 레그의 폭보다 작을 수 있다. Widths of the plurality of first buffer layers and widths of the plurality of second buffer layers may be smaller than widths of the plurality of thermoelectric legs.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 상기 복수의 열전 레그 각각의 가장자리로부터 소정 간격으로 이격된 영역 내에 배치될 수 있다. Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers may be disposed in an area spaced apart from an edge of each of the plurality of thermoelectric legs by a predetermined distance.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 상기 복수의 열전 레그 각각의 한 측면으로부터 제1 거리만큼 이격되고, 상기 한 측면에 대향하는 다른 측면으로부터 제2 거리만큼 이격된 영역 내에 배치되며, 상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 서로 상이할 수 있다.Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers is disposed in an area spaced apart from one side of each of the plurality of thermoelectric legs by a first distance and spaced apart by a second distance from the other side opposite to the one side. and the first distance and the second distance may be different from each other.
상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 각각은 0.2 내지 1mm일 수 있다.Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers may have a height of 0.2 to 1 mm.
상기 복수의 열전 레그는 P형 열전레그 및 N형 열전레그를 포함할 수 있다.The plurality of thermoelectric legs may include a P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 성능이 우수하며, 잦은 온도 변화 시에도 높은 신뢰성 및 내구성을 유지할 수 있는 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 전극에 안정적으로 결합하면서도, 우수한 열전 성능을 제공하는 열전 레그를 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric device having excellent thermoelectric performance and maintaining high reliability and durability even in frequent temperature changes. In particular, it is possible to obtain a thermoelectric leg stably coupled to the electrode and providing excellent thermoelectric performance.
도 1은 열전 레그의 높이와 출력 파워(out power) 간의 상관 관계를 나타낸다.
도 2는 열전 레그의 높이와 최대 응력(maximum stress) 간의 상관 관계를 나타낸다.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 6 내지 7은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 8은 도 6 내지 7의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자와 비교예에 따른 열전소자의 틸팅 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다.
도 13 내지 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 열전 레그의 높이 및 버퍼층의 높이에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 열전 레그의 폭 및 버퍼층의 높이에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.1 shows a correlation between a height of a thermoelectric leg and an output power (out power).
2 shows the correlation between the height of the thermoelectric leg and the maximum stress.
3 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and FIG. 4 is a perspective view of the thermoelectric element.
5 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.
6 to 7 show a method of manufacturing a thermoelectric leg having a stacked structure.
8 illustrates a conductive layer formed between unit members in the laminate structure of FIGS. 6 to 7 .
9(a) is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9(b) is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining a tilting angle of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention and a thermoelectric element according to a comparative example.
11 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to another embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to another embodiment of the present invention.
13 to 14 are cross-sectional views of a thermoelectric element according to still another embodiment of the present invention.
15 is a simulation result of maximum stress according to a height of a thermoelectric leg and a height of a buffer layer of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
16 is a simulation result of maximum stress according to a width of a thermoelectric leg and a height of a buffer layer of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
17 is a block diagram of a water purifier to which a thermoelectric element is applied according to an embodiment of the present invention.
18 is a block diagram of a refrigerator to which a thermoelectric element is applied according to an embodiment of the present invention.
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. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
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. Terms including an ordinal number such as second, first, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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. When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or corresponding components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.3 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and FIG. 4 is a perspective view of the thermoelectric element.
도 3 내지 4를 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.3 to 4 , the
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. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다. The
예를 들어, 리드선(181, 182)을 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.For example, when a voltage is applied to the
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)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(140)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.Here, the P-type
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.The P-type
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다. In this case, the pair of P-type
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a Seebeck index. The Seebeck index (ZT) may be expressed as in Equation (1).
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.Here, α is the Seebeck coefficient [V/K], σ is the electrical conductivity [S/m], and α 2 σ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]). And, T is the temperature, k is the thermal conductivity [W/mK]. k can be expressed as a·c p ·ρ, a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], c p is the specific heat [J/gK], ρ is the density [g/cm 3 ].
열전소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the Seebeck index of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and the Seebeck index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
여기서, 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), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.Here, the
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)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. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어질 수 있다. 이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께는 0.02 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있으며, 열전도도는 1W/mK이상, 바람직하게는 10W/mK이상, 더욱 바람직하게는 20W/mK 이상일 수 있다. 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께가 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 장착되는 지지체(미도시) 또는 히트싱크(미도시)와의 접합에는 영향을 미치지 않을 수 있다. In addition, the
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.To this end, the epoxy resin may include an epoxy compound and a curing agent. In this case, the curing agent may be included in a volume ratio of 1 to 10 with respect to 10 volume ratio of the epoxy compound. Here, the epoxy compound may include at least one of a crystalline epoxy compound, an amorphous epoxy compound, and a silicone epoxy compound. The crystalline epoxy compound may include a mesogen structure. A mesogen is a basic unit of a liquid crystal and includes a rigid structure. And, the amorphous epoxy compound may be a conventional amorphous epoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule, for example, may be a glycidyl ether product derived from bisphenol A or bisphenol F. Here, the curing agent may include at least one of an amine-based curing agent, a phenol-based curing agent, an acid anhydride-based curing agent, a polymercaptan-based curing agent, a polyaminoamide-based curing agent, an isocyanate-based curing agent, and a block isocyanate-based curing agent, and two or more curing agents may be used in combination.
무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물을 포함할 수 있으며, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화붕소는 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체일 수 있으며, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다. The inorganic filler may include aluminum oxide and nitride, and the nitride may include at least one of boron nitride and aluminum nitride. Here, the boron nitride may be a boron nitride aggregate in which plate-shaped boron nitride is aggregated, and the surface of the boron nitride aggregate is coated with a polymer having the following
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1][Unit 1]
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다. wherein one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is H, and the other is selected from the group consisting of C 1 -C 3 alkyl, C 2 -C 3 alkene and C 2 -C 3 alkyne, and R 5 may be a linear, branched or cyclic divalent organic linker having 1 to 12 carbon atoms.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다. In one embodiment, one of R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 other than H is selected from C 2 -C 3 alkene, and the other and the other one of the other is selected from C 1 -C 3 alkyl. can be selected. For example, the polymer according to an embodiment of the present invention may include the following
[단위체 2][Unit 2]
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.Alternatively, the remainder of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 except for H may be selected to be different from each other from the group consisting of C 1 -C 3 alkyl, C 2 -C 3 alkene, and C 2 -C 3 alkyne. have.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.In this way, when the polymer according to
이와 같이, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 에폭시 수지 조성물로 이루어지면, 에폭시 수지 조성물 자체의 접착 성능으로 인하여 히트 싱크 또는 금속 지지체와의 접합 시 별도의 접착제 또는 물리적인 체결 수단이 필요하지 않다. 이에 따라, 열전소자의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있다.As such, when the
또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Al, Al 합금, Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~50W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.Alternatively, the insulating substrate may be a fabric. The metal substrate may include Al, Al alloy, Cu, Cu alloy or Cu-Al alloy. In addition, when the
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. In this case, the sizes of the
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. In addition, a heat dissipation pattern, for example, a concave-convex pattern, may be formed on the surface of at least one of the
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. Meanwhile, the P-type
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다. According to an embodiment of the present invention, the P-type
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다. 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 열전 레그(130)는 제1단면적을 가지는 제1소자부(132), 제1소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)를 연결하며 제3 단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제1단면적 또는 제2단면적보다 작게 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the
이와 같이, 제1 소자부(132) 및 제2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제1소자부(132)와 제2소자부(136) 간의 온도차(T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다. In this way, when the cross-sectional areas of the
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다. At this time, the width (B) of the cross-section having the longest width among the horizontal cross-sections of the
여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다. Here, the
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.The thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention may have a stacked structure. For example, the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by stacking a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-shaped substrate and then cutting them. Accordingly, it is possible to prevent material loss and improve electrical conductivity properties.
도 6은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다. 6 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg having a stacked structure.
도 6을 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 6 , a
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c, 1100d)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다. A
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다. As described above, the unit
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.Here, the process of applying the paste on the
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃?의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(1100)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The process of arranging and stacking the
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다. The unit
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 6(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다. The unit
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 7에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.Meanwhile, the unit
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다. Meanwhile, in order to manufacture a thermoelectric leg having a stacked structure, a conductive layer may be further formed on one surface of the
도 8은 도 6 내지 7의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다. 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다. 8 illustrates a conductive layer formed between unit members in the laminate structure of FIGS. 6 to 7 . The conductive layer (C) may be formed on the opposite surface of the
도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 8(c) 및 도 8(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다. As shown in FIGS. 8(a) and 8(b), a mesh-type structure including closed opening patterns c1 and c2, or as shown in FIGS. 8(c) and 8(d), It may be variously modified into a line-type structure including the open opening patterns c3 and c4.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.Such a conductive layer (C) can increase the adhesion between the unit members in the unit thermoelectric leg formed in a laminated structure of the unit members, lower the thermal conductivity between the unit members, and can improve the electrical conductivity. The conductive layer (C) may be a metal material, for example, Cu, Ag, Ni, etc. may be applied.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전 레그와 전극 간의 안정적인 결합을 위하여, 열전 레그의 양 면에 버퍼층을 형성하고자 한다. According to an embodiment of the present invention, for stable coupling between the thermoelectric leg and the electrode, a buffer layer is formed on both surfaces of the thermoelectric leg.
도 9(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 9(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다. 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자와 비교예에 따른 열전소자의 틸팅 각도를 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다. 9(a) is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9(b) is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention. 10 is a view for explaining a tilting angle of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention and a thermoelectric element according to a comparative example. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to another embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg according to another embodiment of the present invention.
도 9(a) 및 9(b)를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자(900)는 제1 기판(910), 제1 기판(910) 상에 배치된 제1 전극(920), 제1 전극(920) 상에 배치된 제1 솔더층(930), 제1 솔더층(930) 상에 배치된 제1 버퍼층(940), 제1 버퍼층(940) 상에 배치된 P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952), P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952) 상에 배치된 제2 버퍼층(960), 제2 버퍼층(960) 상에 배치된 제2 솔더층(970), 제2 솔더층(970) 상에 배치된 제2 전극(980), 및 제2 전극(980) 상에 배치된 제2 기판(990)을 포함한다. Referring to FIGS. 9A and 9B , the
제1 기판(910), 제1 전극(920), P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952), 제2 전극(980) 및 제2 기판(990)은 각각 도 3 내지 4에서 설명한 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)에 대응할 수 있으며, 이와 관련하여 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.The
도 9(b)에서는 설명의 편의를 위하여 P형 열전 레그(950) 만을 예로 들어 설명하지만, 이로 제한되는 것은 아니며, 동일한 구조가 N형 열전 레그(952)에도 적용될 수 있다. In FIG. 9B , only the P-type
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(950)의 양단에는 버퍼층(940, 960)이 배치될 수 있다. 즉, 제1 솔더층(930)과 P형 열전 레그(950) 사이에는 제1 버퍼층(940)이 배치되고, P형 열전 레그(950)와 제2 솔더층(970) 사이에는 제2 버퍼층(960)이 배치될 수 있다. 여기서, 제1 버퍼층(940)의 높이(h1) 및 제2 버퍼층(960)의 높이(h2) 각각은 0.2 내지 1mm일 수 있다. 제1 버퍼층(940)의 높이(h1) 및 제2 버퍼층(960)의 높이(h2) 각각이 0.2mm 미만이면, 버퍼층의 기능을 하기 어려우며, 제1 버퍼층(940)의 높이(h1) 및 제2 버퍼층(960)의 높이(h2) 각각이 1mm를 초과하면 버퍼층이 박리되기 쉬워진다. According to an embodiment of the present invention, buffer layers 940 and 960 may be disposed at both ends of the P-type
제1 버퍼층(940)의 선팽창 계수 및 제2 버퍼층(960)의 선팽창 계수는 P형 열전 레그(950)의 선팽창 계수보다 크고, 제1 솔더층(930)의 선팽창 계수 및 제2 솔더층(970)의 선팽창 계수보다 작다. 여기서, 선팽창 계수는 열팽창에 의한 길이의 증가 비율을 온도 차로 나눈 값을 의미한다. 예를 들어, 금속의 선팽창 계수는 금속의 온도가 1℃ 오르는 데 대하여 금속의 길이가 늘어나는 비율을 의미할 수 있다. 일반적으로, 납의 선팽창 계수는 29*10-6/℃이고, 제1 솔더층(930) 및 제2 솔더층(970)은 납으로 이루어질 수 있다. 그리고, 열전 레그의 선팽창 계수는 약 10 내지 15*10-6/℃이다. 이에 따라, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960)의 선팽창 계수는 18 내지 26*10-6/℃, 바람직하게는 20 내지 25*10-6/℃일 수 있다. 제1 버퍼층(940)의 선팽창 계수 및 제2 버퍼층(960)의 선팽창 계수가 이러한 수치 범위를 벗어나는 경우, P형 열전 레그(950)의 선팽창 계수와 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960)의 선팽창 계수 간 차이가 커지게 되거나, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960)의 선팽창 계수와 제1 솔더층(930) 및 제2 솔더층(970)의 선팽창 계수 간 차이가 커지게 되어, P형 열전 레그(950)가 과도하게 틸팅되거나, 박리되는 문제가 발생할 수 있다.The linear expansion coefficient of the
이에 따라, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960)은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다.Accordingly, the
이때, P형 열전 레그(950)의 높이(H)와 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)의 비는 1 대 0.125 내지 0.85, 바람직하게는 1 대 0.375 내지 0.625일 수 있다. 이와 마찬가지로, P형 열전 레그(950)의 높이(H)와 제2 버퍼층(960)의 높이(h2)의 비는 1 대 0.125 내지 0.85, 바람직하게는 1 대 0.375 내지 0.625일 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(950)와 제1 솔더층(930) 사이에 제1 버퍼층(940)이 배치되고, P형 열전 레그(950)와 제2 솔더층(970) 사이에 제2 버퍼층(960)이 배치되면, P형 열전 레그(950)의 실제 높이(H)에 비하여 제1 솔더층(930)과 제2 솔더층(970) 간의 거리를 h1+h2만큼 더 크게 유지할 수 있다.In this case, the ratio of the height H of the P-type
열전소자가 구동될 경우, 고온부, 예를 들어 제2 기판(990) 측은 열팽창할 수 있다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이 비교예에 따른 열전소자, 즉 높이가 H인 열전 레그의 양단이 솔더층에 직접 접촉하는 경우에 비하여 도 10(b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자, 즉 높이가 H인 열전 레그의 양단에 높이가 각각 h1, h2인 제1 버퍼층(940), 제2 버퍼층(960)이 더 배치된 경우, 틸팅되는 각도가 줄어들 수 있다. When the thermoelectric element is driven, the high temperature portion, for example, the
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 레그의 높이를 낮은 수준으로 유지하여 출력 파워를 높이면서도, 열전 레그의 틸팅 각도를 줄여 열전소자의 신뢰성을 높일 수 있다. That is, according to an embodiment of the present invention, the reliability of the thermoelectric element can be improved by reducing the tilting angle of the thermoelectric leg while increasing the output power by maintaining the height of the thermoelectric leg at a low level.
이때, P형 열전 레그(950)의 높이(H)와 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)의 비가 이러한 수치범위를 벗어난 경우, 예를 들어 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)가 P형 열전 레그(950)의 높이(H)와 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)의 비의 하한치보다 낮을 경우 원하는 수준의 신뢰도를 얻기 어려울 수 있다. 그리고, 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)가 P형 열전 레그(950)의 높이(H)와 제1 버퍼층(940)의 높이(h1)의 비의 상한치보다 높을 경우 제1 버퍼층(940)이 박리될 가능성이 높아진다. At this time, when the ratio of the height H of the P-type
한편, 도 11을 참조하면, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 각각은 니켈 도금층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 각각이 알루미늄층(942, 962)을 포함하는 경우, 니켈 도금층(944, 964)은 알루미늄층(942, 964) 상에서 P형 열전 레그(950)를 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 니켈 도금층(944, 964)은 알루미늄층(942, 964)을 에칭하여 형성될 수 있다. 여기서, 니켈 도금층(944, 964)의 두께는 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 니켈 도금층(944, 964)은 P형 열전 레그(950) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 내 알루미늄층(942, 962) 간의 반응을 막으므로, 열전소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 내 알루미늄층(942, 962)의 산화를 방지할 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 11 , each of the
도 12를 참조하면, P형 열전 레그(950)와 니켈 도금층(944) 사이 및 P형 열전 레그(950) 및 니켈 도금층(964) 사이에는 접합층(946, 966)이 더 배치될 수도 있다. 이때, 접합층(946, 966)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 접합층(946, 966)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 접합층(946, 966) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 접합층의 두께가 이러한 수치 범위의 상한치를 초과하는 경우, 저항 변화율이 급격하게 증가할 수 있다. Referring to FIG. 12 , bonding layers 946 and 966 may be further disposed between the P-type
일반적으로, P형 열전 레그(950)에 포함되는 반도체 재료 중 Te는 니켈 도금층(944, 964)으로 확산되기 쉽다. P형 열전 레그(950) 내 Te가 니켈 도금층(944, 964) 내로 확산되면, P형 열전 레그(950)와 니켈 도금층(944, 964) 간의 경계 부근에는 Te에 비하여 Bi가 많이 분포하는 영역(이하, Bi 리치(rich) 영역이라 한다)이 생길 수 있다. Bi 리치 영역으로 인하여 P형 열전 레그(950) 내의 저항이 높아지며, 결과적으로 열전소자의 성능 저하를 일으킬 수 있다. In general, among the semiconductor materials included in the P-type
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, P형 열전 레그(950)와 니켈 도금층(944, 964) 사이에 Te를 포함하는 접합층(946, 966)을 미리 배치하여, P형 열전 레그(950) 내 Te가 니켈 도금층(944, 964)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.However, according to the embodiment of the present invention, bonding layers 946 and 966 including Te are preliminarily disposed between the P-type
도 13 내지 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 여기서, 도 9 내지 12와 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. 13 to 14 are cross-sectional views of a thermoelectric element according to still another embodiment of the present invention. Here, redundant descriptions of the same contents as those of FIGS. 9 to 12 will be omitted.
도 13 내지 14를 참조하면, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960)의 폭(W2)은 P형 열전 레그(950)의 폭 및 N형 열전 레그(952)의 폭(W1)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 각각은 P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952) 각각의 가장자리로부터 소정 간격으로 이격된 영역 내에 배치될 수 있다. 즉, 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 각각은 P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952) 각각의 한 측면으로부터 제1 거리(d1)만큼 이격되고, 한 측면에 대향하는 다른 측면으로부터 제2 거리(d2)만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있다. 13 to 14 , the width W2 of the
이와 같이, 제1 버퍼층(940)의 폭 및 제2 버퍼층(960)의 폭이 P형 열전 레그(950)의 폭 및 N형 열전 레그(952)의 폭보다 작으면, 열전소자의 구동에 의하여 고온부 측의 온도가 상승하여 제1 버퍼층(940) 또는 제2 버퍼층(960)이 열팽창하더라도, P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952)가 틸팅되는 각도를 최소화할 수 있다. 특히, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 거리(d1) 및 제2 거리(d2)는 상이할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952)의 측면 중 열전소자(900)의 가장자리를 향하여 배치된 측면과 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 간의 거리는 열전소자(900)의 중심을 향하여 배치된 측면과 제1 버퍼층(940) 및 제2 버퍼층(960) 간의 거리보다 클 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 구동에 의하여 고온부 측의 온도가 상승하여, 제1 버퍼층(940) 또는 제2 버퍼층(960)이 열전소자(900)의 가장자리를 향하여 열팽창하더라도 P형 열전 레그(950) 및 N형 열전 레그(952)가 틸팅되는 각도를 최소화할 수 있다.As such, when the width of the
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 열전 레그의 높이 및 버퍼층의 높이에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이고, 도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 열전 레그의 폭 및 버퍼층의 높이에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다. 15 is a simulation result of maximum stress according to a height of a thermoelectric leg and a height of a buffer layer of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a width of a thermoelectric leg of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention. and a simulation result of the maximum stress according to the height of the buffer layer.
도 15에서, 각각의 사이즈가 1.7mm*1.7mm인 127쌍의 열전 레그를 포함하는 40mm*40mm의 열전소자에 대하여 고온부 온도 500K, 저온부 온도 300K 및 dT(200K)의 조건 하에서 열전 레그의 높이(H) 별로 버퍼층의 높이(h)에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다.15, the height of the thermoelectric leg under the conditions of a high temperature part temperature of 500K, a low temperature part temperature of 300K and dT (200K) for a 40mm*40mm thermoelectric element including 127 pairs of thermoelectric legs each having a size of 1.7mm*1.7mm (200K) It is the result of simulating the maximum stress according to the height (h) of the buffer layer for each H).
도 16에서, 높이(H)가 1.6mm인 127쌍의 열전 레그를 포함하는 40mm*40mm의 열전소자에 대하여 고온부 온도 500K, 저온부 온도 300K 및 dT(200K)의 조건 하에서 열전 레그의 폭(W) 별로 버퍼층의 높이(h)에 따른 최대 응력을 시뮬레이션한 결과이다.In FIG. 16 , the width (W) of the thermoelectric leg under the conditions of a high temperature part temperature of 500K, a low temperature part temperature of 300K and dT (200K) for a 40mm*40mm thermoelectric element including 127 pairs of thermoelectric legs having a height (H) of 1.6mm (W) It is the result of simulating the maximum stress according to the height (h) of the buffer layer for each.
도 15를 참조하면, 열전 레그의 높이(H)가 1.6mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.2mm 이상인 조건, 열전 레그의 높이(H)가 1.2mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.2mm 이상인 조건, 및 열전 레그의 높이(H)가 0.8mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.3mm인 조건, 즉 열전 레그의 높이(H)와 버퍼층의 높이(h) 간의 비가 1:0.125 내지 1.25인 조건 하에서 최대 응력이 1.6*108Pa로 얻어짐을 알 수 있다. 15, the height (H) of the thermoelectric leg is 1.6 mm and the height (h) of the buffer layer is 0.2 mm or more, the height (H) of the thermoelectric leg is 1.2 mm, and the height (h) of the buffer layer is 0.2 mm or more The condition, and the condition that the height (H) of the thermoelectric leg is 0.8 mm and the height (h) of the buffer layer is 0.3 mm, that is, the ratio between the height (H) of the thermoelectric leg and the height (h) of the buffer layer is 1:0.125 to 1.25 It can be seen that the maximum stress is obtained as 1.6*10 8 Pa under
특히, 열전 레그의 높이(H)가 1.6mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.4mm 이상인 조건, 열전 레그의 높이(H)가 1.2mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.6mm 이상인 조건, 즉 열전 레그의 높이(H)와 버퍼층의 높이(h) 간의 비가 1:0.25 내지 0.85인 조건 하에서 최대 응력이 더 낮아짐을 알 수 있다. In particular, the height (H) of the thermoelectric leg is 1.6 mm and the height (h) of the buffer layer is 0.4 mm or more, the height (H) of the thermoelectric leg is 1.2 mm, and the height (h) of the buffer layer is 0.6 mm or more, that is, the thermoelectric leg It can be seen that the maximum stress is lower under the condition that the ratio between the height of the leg (H) and the height (h) of the buffer layer is 1:0.25 to 0.85.
특히, 열전 레그의 높이(H)가 1.6mm이고 버퍼층의 높이(h)가 0.6mm 이상인 조건, 즉 열전 레그의 높이(H)와 버퍼층의 높이(h) 간의 비가 1:0.375 내지 0.625인 조건 하에서 최대 응력이 약 1.4*108Pa로 낮아짐을 알 수 있다. In particular, under the condition that the height (H) of the thermoelectric leg is 1.6 mm and the height (h) of the buffer layer is 0.6 mm or more, that is, the ratio between the height (H) of the thermoelectric leg and the height (h) of the buffer layer is 1:0.375 to 0.625 It can be seen that the maximum stress is lowered to about 1.4*10 8 Pa.
도 16을 참조하면, 열전 레그의 높이(H)가 1.6mm인 조건 하에서, 열전 레그의 폭(W)이 1.7mm이고 버퍼층의 높이가 0.2mm 이상인 경우, 열전 레그의 폭(W)이 1.4mm이고 버퍼층의 높이가 약 0.25mm 이상인 경우, 열전 레그의 폭(W)이 1mm이고 버퍼층의 높이가 1mm 인 경우 최대 응력이 약 1.6*108Pa로 낮아짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 16 , under the condition that the height (H) of the thermoelectric leg is 1.6 mm, when the width (W) of the thermoelectric leg is 1.7 mm and the height of the buffer layer is 0.2 mm or more, the width (W) of the thermoelectric leg is 1.4 mm and when the height of the buffer layer is about 0.25 mm or more, it can be seen that when the width (W) of the thermoelectric leg is 1 mm and the height of the buffer layer is 1 mm, the maximum stress is lowered to about 1.6*10 8 Pa.
즉, 열전 레그의 높이(h)를 고정시킨 경우, 열전 레그의 폭(W)이 커질수록 최대 응력이 낮아짐을 알 수 있다. That is, it can be seen that when the height h of the thermoelectric leg is fixed, the maximum stress decreases as the width W of the thermoelectric leg increases.
이하에서는 도 17을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 정수기에 적용된 예를 설명한다.Hereinafter, an example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a water purifier will be described with reference to FIG. 17 .
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.17 is a block diagram of a water purifier to which a thermoelectric element is applied according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기(1)는 원수 공급관(12a), 정수 탱크 유입관(12b), 정수탱크(12), 필터 어셈블리(13), 냉각 팬(14), 축열조(15), 냉수 공급관(15a), 및 열전장치(1000)을 포함한다.The
원수 공급관(12a)은 수원으로부터 정수 대상인 물을 필터 어셈블리(13)로 유입시키는 공급관이고, 정수 탱크 유입관(12b)은 필터 어셈블리(13)에서 정수된 물을 정수 탱크(12)로 유입시키는 유입관이고, 냉수 공급관(15a)은 정수 탱크(12)에서 열전장치(1000)에 의해 소정 온도로 냉각된 냉수가 최종적으로 사용자에게 공급되는 공급관이다.The raw
정수 탱크(12)는 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수되고 정수 탱크 유입관(12b)을 통해 유입된 물을 저장 및 외부로 공급하도록 정수된 물을 잠시 수용한다.The
필터 어셈블리(13)는 침전 필터(13a)와, 프리 카본 필터(13b)와, 멤브레인 필터(13c)와, 포스트 카본 필터(13d)로 구성된다.The filter assembly 13 includes a
즉, 원수 공급관(12a)으로 유입되는 물은 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수될 수 있다.That is, water flowing into the raw
축열조(15)가 정수 탱크(12)와, 열전장치(1000)의 사이에 배치되어, 열전장치(1000)에서 형성된 냉기가 저장된다. 축열조(15)에 저장된 냉기는 정수 탱크(12)로 인가되어, 정수 탱크(120)에 수용된 물을 냉각시킨다.The
냉기 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록, 축열조(15)는 정수 탱크(12)와 면접촉될 수 있다.The
열전장치(1000)은 상술한 바와 같이, 흡열면과 발열면을 구비하며, P 형 반도체 및 N형 반도체 상의 전자 이동에 의해, 일측은 냉각되고, 타측은 가열된다.As described above, the
여기서, 일측은 정수 탱크(12) 측이며, 타측은 정수 탱크(12)의 반대측일 수 있다.Here, one side may be the purified
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.In addition, as described above, the
이하에서는 도 18을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 냉장고에 적용된 예를 설명한다.Hereinafter, an example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a refrigerator will be described with reference to FIG. 18 .
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.18 is a block diagram of a refrigerator to which a thermoelectric element is applied according to an embodiment of the present invention.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전장치(1000)을 포함한다.The refrigerator includes a simon evaporating
냉장고 내는 심온 증발실 커버(23)에 의하여 심온 저장실과 심온 증발실로 구획된다.The inside of the refrigerator is divided into a sim-on storage chamber and a sim-on evaporation chamber by a sim-on
상세히, 상기 심온 증발실 커버(23)의 전방에 해당하는 내부 공간이 심온 저장실로 정의되고, 심온 증발실 커버(23)의 후방에 해당하는 내부 공간이 심온 증발실로 정의될 수 있다.In detail, the inner space corresponding to the front of the simon evaporating
심온 증발실 커버(23)의 전면에는 토출 그릴(23a)과 흡입 그릴(23b) 이 각각 형성될 수 있다.A
증발실 구획벽(24)은 인너 캐비닛의 후벽으로부터 전방으로 이격되는 지점에 설치되어, 심온실 저장 시스템이 놓이는 공간과 메인 증발기(25)가 놓이는 공간을 구획한다.The evaporation
메인 증발기(25)에 의하여 냉각되는 냉기는 냉동실로 공급된 뒤 다시 메인 증발기 쪽으로 되돌아간다.The cold air cooled by the
열전장치(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전장치(1000)서 발생되는 흡열 현상을 이용하여 서랍 어셈블리에 저장된 음식물을 섭씨 영하 50도 이하의 초저온 상태로 신속하게 냉각시키는데 사용될 수 있다.The
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 냉장고 내에서 서랍 어셈블리를 효율적으로 냉각할 수 있다.In addition, as described above, the
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다. The thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to a device for power generation, a device for cooling, a device for heating, and the like. Specifically, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is mainly an optical communication module, a sensor, a medical device, a measuring device, aerospace industry, a refrigerator, a chiller, a car ventilation seat, a cup holder, a washing machine, a dryer, and a wine cellar. , water purifiers, power supplies for sensors, thermopiles, and the like.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전소자가 적용될 수 있다. Here, as an example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is a PCR (Polymerase Chain Reaction) device. PCR equipment is equipment for determining the nucleotide sequence of DNA by amplifying DNA, and it requires precise temperature control and thermal cycle. To this end, a Peltier-based thermoelectric element may be applied.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다. As another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is a photodetector. Here, the photodetector includes an infrared/ultraviolet detector, a charge coupled device (CCD) sensor, an X-ray detector, and a Thermoelectric Thermal Reference Source (TTRS). A Peltier-based thermoelectric element may be applied for cooling the photodetector. Accordingly, it is possible to prevent a change in wavelength, a decrease in output, and a decrease in resolution due to an increase in the temperature inside the photodetector.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다. As another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, an immunoassay field, an in vitro diagnostics field, a general temperature control and cooling system, Physical therapy fields, liquid chiller systems, blood/plasma temperature control, etc. Accordingly, precise temperature control is possible.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다. As another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is an artificial heart. Accordingly, power can be supplied to the artificial heart.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다. Examples of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention applied to the aerospace industry include a star tracking system, a thermal imaging camera, an infrared/ultraviolet detector, a CCD sensor, the Hubble Space Telescope, and a TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor may be maintained.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다. As another example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry, there are a cooling device, a heater, a power generation device, and the like.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.In addition, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to power generation, cooling, and heating in other industrial fields.
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.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it can be done.
Claims (11)
상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극,
상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 제1 솔더층,
상기 복수의 제1 솔더층 상에 배치된 복수의 제1 버퍼층,
상기 복수의 제1 버퍼층 상에 배치된 복수의 열전 레그,
상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 버퍼층,
상기 복수의 제2 버퍼층 상에 배치된 복수의 제2 솔더층,
상기 복수의 제2 솔더층 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고
상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 비 및 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 비는 각각 1대 0.125 내지 0.85이고,
상기 복수의 제1 버퍼층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 선팽창 계수는 상기 복수의 열전 레그의 선팽창 계수보다 크며,
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층은 알루미늄을 포함하는 열전소자.a first substrate;
a plurality of first electrodes disposed on the first substrate;
a plurality of first solder layers disposed on the plurality of first electrodes;
a plurality of first buffer layers disposed on the plurality of first solder layers;
a plurality of thermoelectric legs disposed on the plurality of first buffer layers;
a plurality of second buffer layers disposed on the plurality of thermoelectric legs;
a plurality of second solder layers disposed on the plurality of second buffer layers;
a plurality of second electrodes disposed on the plurality of second solder layers, and
a second substrate disposed on the plurality of second electrodes;
A ratio of the heights of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of first buffer layers and the height ratio of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of second buffer layers are respectively 1:125 to 0.85,
The coefficients of linear expansion of the plurality of first buffer layers and the coefficients of linear expansion of the plurality of second buffer layers are greater than the coefficients of linear expansion of the plurality of thermoelectric legs,
The plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers include aluminum.
상기 복수의 제1 버퍼층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 선팽창 계수는 상기 복수의 제1 솔더층의 선팽창 계수 및 상기 복수의 제2 솔더층의 선팽창 계수보다 작은 열전소자. The method of claim 1,
The coefficients of linear expansion of the plurality of first buffer layers and the coefficients of linear expansion of the plurality of second buffer layers are smaller than the coefficients of linear expansion of the plurality of first solder layers and the coefficients of linear expansion of the plurality of second solder layers.
상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 비 및 상기 복수의 열전 레그의 높이와 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 비는 각각 1대 0.375 내지 0.625인 열전소자.According to claim 1,
A thermoelectric element, wherein a ratio of the heights of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of first buffer layers and the height ratio of the plurality of thermoelectric legs to the heights of the plurality of second buffer layers is 1:1 to 0.375 to 0.625, respectively.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 알루미늄층, 그리고 상기 알루미늄층에 배치된 니켈 도금층을 포함하며,
상기 니켈 도금층은 상기 복수의 열전 레그를 향하도록 배치된 열전소자.According to claim 1,
Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers includes an aluminum layer and a nickel plating layer disposed on the aluminum layer,
The nickel plating layer is disposed to face the plurality of thermoelectric legs.
상기 복수의 제1 버퍼층의 폭 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 폭은 상기 복수의 열전 레그의 폭보다 작은 열전소자. According to claim 1,
Widths of the plurality of first buffer layers and widths of the plurality of second buffer layers are smaller than widths of the plurality of thermoelectric legs.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 상기 복수의 열전 레그 각각의 가장자리로부터 소정 간격으로 이격된 영역 내에 배치된 열전소자. 8. The method of claim 7,
Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers is disposed in a region spaced apart from an edge of each of the plurality of thermoelectric legs by a predetermined distance.
상기 복수의 제1 버퍼층 및 상기 복수의 제2 버퍼층 각각은 상기 복수의 열전 레그 각각의 한 측면으로부터 제1 거리만큼 이격되고, 상기 한 측면에 대향하는 다른 측면으로부터 제2 거리만큼 이격된 영역 내에 배치되며, 상기 제1 거리 및 상기 제2 거리는 서로 상이한 열전소자. 9. The method of claim 8,
Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers is disposed in an area spaced apart from one side of each of the plurality of thermoelectric legs by a first distance and spaced apart by a second distance from the other side opposite to the one side. and the first distance and the second distance are different from each other.
상기 복수의 제1 버퍼층의 높이 및 상기 복수의 제2 버퍼층의 높이 각각은 0.2 내지 1mm인 열전소자.The method of claim 1,
Each of the plurality of first buffer layers and the plurality of second buffer layers has a height of 0.2 to 1 mm.
상기 복수의 열전 레그는 P형 열전레그 및 N형 열전레그를 포함하는 열전소자.The method of claim 1,
The plurality of thermoelectric legs is a thermoelectric element including a P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg.
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