KR102621181B1 - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 열전 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및 상기 레그와 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나의 전극을 연결하는 접착 부재를 포함하고, 상기 접착 부재는 솔더 물질 및 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화 물질은 상기 접착 부재 전체에 대해 10 중량% 내지 50 중량% 미만 만큼 포함한다.
Description
실시예는 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, 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.
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.
이러한 열전 소자는 발열부의 열이 흡열부의 열로 이동되지 않도록 하기 위해 열전달부재를 배치하여 발열부의 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
그러나, 열전소자의 발열량이 커짐에 따라 열전달부재의 크기도 증가되며, 방열판의 크기가 커질수록 전체 열전 모듈의 크기가 증가될 수 있다.
따라서, 열전소자의 발열량이 커지더라도 슬림한 크기를 구현할 수 있는 열전 모듈이 요구된다.
실시예는 향상된 효율 및 슬림한 두께를 구현할 수 있는 열전 소자를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 열전 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및 상기 레그와 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나의 전극을 연결하는 접착 부재를 포함하고, 상기 접착 부재는 솔더 물질 및 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화 물질은 상기 접착 부재 전체에 대해 10 중량% 내지 50 중량% 미만 만큼 포함한다.
실시예에 따른 열전 소자는 전극과 레그를 접착하는 접착 부재의 내부에 열을 흡수할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 접착 부재의 내부에는 열을 흡수 및 방출할 수 있는 상변화 물질을 포함할 수 있다.
이에 따라, 발열부의 열을 상기 접착 부재가 흡수할 수 있고, 이에 따라, 상기 발열부 상에 배치되는 열전달 부재의 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 접착 부재가 열을 흡수함으로써, 발열부 및 흡열부의 온도를 감소시킬 수 있고, 이에 따라, 전극 사이의 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 높아질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 접착 부재의 다양한 구성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 실시예에 따른 접착 부재를 적용할 때 온도 감소의 효과를 도시한 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 12 내지 도 14는 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재를 도시한 도면들이다.
도 15는 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 접착 부재의 다양한 구성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 실시예에 따른 접착 부재를 적용할 때 온도 감소의 효과를 도시한 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 12 내지 도 14는 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재를 도시한 도면들이다.
도 15는 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
7본 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 1 및 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 포함할 수 있다.
상기 하부 전극(120)은 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다.
이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(120)과 상기 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 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.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 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.
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.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 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.
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, 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(120), 그리고 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 하부 전극(120) 또는 상기 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(110)과 상기 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.
금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(110)과 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 상부 기판(160)과 상기 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다.
상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160) 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.
또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 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.
상기 P형 열전 레그(130)와 상기 하부 전극(120) 및 상기 P형 열전 레그(130)와 상기 상부 전극(130)은 서로 접착될 수 있다. 또한, 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 하부 전극(120) 및 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 상부 전극(130)은 서로 접착될 수 있다.
자세하게, 상기 P형 열전 레그(130)와 상기 하부 전극(120) 사이, 상기 P형 열전 레그(130)와 상기 상부 전극(130) 사이, 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 상부 전극(130) 사이에는 레그와 전극을 연결하는 접착 부재(180)가 배치될 수 있다.
상기 접착 부재(180)는 금속 페이스트 및 상변화 물질을 포함할 수 있다.
상기 금속 페이스트는 합금 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 페이스트는 솔더(solder) 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 솔더 물질은 Sn-Ag-Cu계, Sn-Ag계, Sn-Bi계, Sn-Cu계, Sn-Zn계 합금을 포함할 수 있다.
상기 상변화 물질은 상기 P형 열전 레그(130)와 상기 N형 열전 레그(140)에서 나오는 열을 흡수할 수 있다. 상기 상변화 물질은 일정 온도 범위 내에서 물리적 상태를 변화시키는 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 고체-액체 상변화가 발생하는 경우에는, 상변화 물질이 용융 온도로 가열되고 용용 동안에 많은 잠열을 흡수하고 저장할 때 상변화 물질은 고체 상태로부터 액체 상태로 변경될 수 있다. 저장된 열은 상변화 물질이 냉각될 때 일정한 온도 범위 내에서 외부 대기로 방출되며 이에 따라 액체 상태에서 고체 상태로 역 변환이 일어날 수 있다.
두 단계 변화 (즉, 고체-액체 상변화 및 액체- 고체 상변화)의 공정에서, 저장 또는 방출되는 에너지는 상변화의 잠열일 수 있다. 상변화 물질의 온도는 물리적 상태가 변경되어 상변화가 완료되기 전에는 거의 변하지 않아 상변화 물질은 넓은 온도 플랫폼을 가질 수 있다. 따라서, 상변화 물질의 온도는 변화하지 않지만, 흡수 또는 방출되는 잠열의 양이 매우 클 수 있다.
상기 상변화 물질은 낮은 상변화점 및 높은 열 분해 온도를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상변화 물질은 상기 접착 부재의 접착 공정 온도 이상의 끓는점을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 상변화 물질은 약 200℃ 이상의 끓는점을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 상변화 물질은 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 이코산(Icosane), 트리아콘탄(Triacontane), 테트라콘탄(Tetracontane), 펜타코탄(Pentacontane) 및 헥사코탄(Hexacontane) 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 솔더 물질과 상가 상변화 물질은 서로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 접착 부재는 상기 솔더 물질의 내부에 상변화 물질이 분산된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 상변화 물질을 별도의 밀봉 부재에 의해 밀봉하는 공정을 생략할 수 있다. 자세하게, 상기 상변화 물질이 상변화하는 경우에도 상기 솔더 물질이 상기 상변화 물질을 밀봉하는 역할을 동시에 할 수 있으므로, 별도의 밀봉 부재 등을 생략할 수 있다.
상기 솔더 물질과 상기 상변화 물질의 양은 서로 다를 수 있다. 자세하게, 상기 상변화 물질의 양은 상기 솔더 물질의 양보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 상변화 물질은 상기 접착 부재 전체에 대해 약 50 중량% 미만으로 포함될 수 있다. 더 자세하게, 상기 상변화 물질은 상기 접착 부재 전체에 대해 약 10 중량% 내지 약 50 중량% 미만으로 포함될 수 있다.
상기 상변화 물질은 상기 접착 부재 전체에 대해 약 50 중량%을 초과하여 포함되는 경우, 접착 부재의 전체적인 접착력이 저하될 수 있고, 이에 따라, 전극과 레그의 접착력이 저하되어 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 단층으로 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 접착 부재(180)는 상기 솔더 물질 및 상기 상변화 물질을 포함하는 제 1층(180a)만을 포함하는 단층으로 배치될 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 다층으로 배치될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 제 1 층(180a) 및 제 2 층(180b)을 포함할 수 있다. 자세하게, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 상기 하부 전극(120)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 사이 및 상기 상부 전극(150)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 사이에 배치되는 제 1층(180a) 및 상기 제 1 층(180a) 상에 배치되는 제 2 층(180b)을 포함할 수 있다.
즉, 상기 제 1층(180a)은 전극과 접촉할 수 있고, 상기 제 2 층(180b)은 레그와 접촉하며 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1층(180a)은 상기 솔더 물질을 포함할 수 있고, 상기 제 2 층(180b)은 상기 솔더 물질 및 상기 상변화 물질을 포함할 수 있다. 또는, 도 5를 참조하면, 상기 제 1층(180a)은 상기 솔더 물질 및 상기 상변화 물질을 포함할 수 있고, 상기 제 2 층(180b)은 상기 솔더 물질을 포함할 수 있다.
즉, 상기 전극 또는 상기 레그와 접촉하는 상기 접착 부재(180)의 적어도 일면은 순수한 벌크 솔더 물질만을 포함하는 층을 배치함으로써, 레그와 전극의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 제 1 층(180a), 제 2 층(180b) 및 제 3 층(180c)을 포함할 수 있다. 자세하게, 도 6을 참조하면, 상기 접착 부재(180)는 상기 하부 전극(120)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 사이 및 상기 상부 전극(150)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 사이에 배치되는 제 1층(180a), 상기 제 1 층(180a) 상에 배치되는 제 2 층(180b) 및 상기 제 2층(180a) 상에 배치되는 제 3층(180c)을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1층(180a) 및 상기 제 3층(180c)은 상기 솔더 물질을 포함할 수 있고, 상기 제 2 층(180b)은 상기 솔더 물질 및 상기 상변화 물질을 포함할 수 있다.
즉, 상기 전극 또는 상기 레그와 접촉하는 상기 접착 부재(180)의 면은 순수한 벌크 솔더 물질만을 포함하는 층을 배치함으로써, 레그와 전극의 접착력을 향상시킬 수 있다.
실시예에 따른 열전 소자는 전극과 레그를 접착하는 접착 부재의 내부에 열을 흡수할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 접착 부재의 내부에는 열을 흡수 및 방출할 수 있는 상변화 물질을 포함할 수 있다.
이에 따라, 발열부의 열을 상기 접착 부재가 흡수할 수 있고, 이에 따라, 상기 발열부 상에 배치되는 열전달 부재의 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 접착 부재가 열을 흡수함으로써, 발열부 및 흡열부의 온도를 감소시킬 수 있고, 이에 따라, 전극 사이의 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 높아질 수 있다.
이하, 실시예들 및 비교예들에 따른 열전 소자의 제조 방법을 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
하부 기판 상에 하부 전극
비교예
접착 부재가 상변화 물질을 포함하지 않고, 솔더 물질만을 포함하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 열전 소자를 제조한 후, 흡열부와 발열부의 온도 변화를 측정하였다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 열전 소자는 비교예에 따른 열전 소자에 비해 흡열부와 발열부의 온도가 감소되는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 소자는 접착 부재에 포함되는 상변환 물질에 의해 발열부 및/또는 흡열부의 열이 흡수되므로, 흡열부와 발열부의 전체적인 온도가 감소되는 것을 알 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 열전 레그(130)는 제 1 단면적을 가지는 제 1 소자부(132), 제 1 소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제 2 단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)를 연결하며 제 3 단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제 1 단면적 또는 제 2 단면적보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제 1 소자부(132)와 제 2 소자부(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.
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.
여기서, 제 1 소자부(132), 제 2 소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
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.
도 9는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 9를 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.
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다.
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다.
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.
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다.
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 9(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다.
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다.
도 10은 도 9의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 10을 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 10(c) 및 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
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.
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 11에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한, 실시예에 따른 열전 소자는 열전달부재와 함께 배치될 수 있다.
도 12 내지 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소재 상에 배치되는 열전달부재의 개념도이다.
도 12 내지 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부재(2200)는 제1평면(2210) 및 제2평면(2220)을 가지는 평판형상의 기재로, 공기 유로(C1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(2200A)을 포함할 수 있다.
도 12 내지 14에서 도시한 바와 같이, 유로패턴(2200A)은 일정한 피치(P1, P2)와 높이(T1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접는 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이, 열전달부재(2200)의 제1 평면(2210) 및 제2 평면(2220)에는 공기가 면접촉하며, 유로패턴(2200A)에 의하여 공기가 면접촉하는 면적이 최대화될 수 있다.
도 12를 참조하면, 공기가 유로 방향(C1)으로 유입되는 경우, 공기가 제1평면(2210)과 제2평면(222)에 고르게 접촉하며 이동하여, 유로 방향(C2)으로 진행될 수 있다. 이에 따라, 단순한 평판 형상의 기재에 비하여 공기와의 접촉 면이 넓으므로, 흡열이나 발열의 효과가 증가하게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기의 접촉 면적을 더욱 증대하기 위하여, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(2230)을 형성할 수도 있다.
나아가, 도 13에 도시된 바와 같이, 저항패턴(2230)은 공기가 유입되는 방향으로 일정한 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출 구조물로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 저항패턴(2230)과 공기 간의 마찰을 극대화할 수 있으므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 높일 수 있다. 또한, 저항패턴(2230)의 앞 부분의 기재 면에 홈(2240)을 형성할 수도 있다. 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부는 홈(2240)을 통과하여 기재의 전면과 후면 사이를 이동하므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 더욱 높일 수 있다.
저항패턴(2230)이 제1평면(2210)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 평면(2220)에 형성될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 유로패턴은 다양한 변형예를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 14(a)와 같이 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, 도 14(b)와 같이 첨부를 가지는 패턴이 반복하여 형성되거나, 도 14(c) 및 도 14(d)에 도시된 바와 같이 단위패턴이 다각형 구조를 가질 수도 있다. 도시되지 않았으나, 패턴의 표면(B1, B2)에 저항패턴이 형성될 수 있음은 물론이다.
도 14에서는 유로패턴이 일정한 주기 및 높이를 가지고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유로패턴의 주기 및 높이(T1)는 불균일하게 변형될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전 레그는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15를 참조하면, 열전 소재를 열처리하여, 잉곳(ingot)을 제조한다(S100). 열전 소재는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재는 Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4)를 포함할 수 있다. 한편, Bi의 증기 압력은 768℃에서 10Pa이고, Te의 증기 압력은 769℃에서 104Pa이고, Se의 증기 압력은 685℃에서 105Pa이다. 따라서, 일반적인 용융 온도(600~800℃)에서 Te와 Se의 증기 압력이 높아, 휘발성이 크다. 따라서, 열전 레그 제작 시, Te 및 Se 중 적어도 하나의 휘발을 고려하여 칭량할 수 있다. 즉, Te 및 Se 중 적어도 하나를 1 내지 10 중량부로 더 포함시킬 수 있다. 예를 들어, N형 레그 제작 시, Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4) 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 Te 및 Se를 더 포함시킬 수도 있다.
다음으로, 잉곳을 분쇄한다(S110). 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법에 따라 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 판상 플레이크의 열전 소재가 얻어질 수 있다.
다음으로, 판상 플레이크의 열전 소재를 도핑용 첨가제와 함께 밀링(milling)한다(S120). 이를 위하여, 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등이 이용될 수 있다. 여기서, 도핑용 첨가제는, 예를 들어 Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다.
다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 레그용 분말을 얻는다(S130). 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 레그용 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.
다음으로, 열전 레그용 분말을 소결한다(S140). 소결 과정을 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.
이때, 열전 레그용 분말은 비정질 리본과 함께 소결될 수 있다. 열전 레그용 분말이 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다.
한 예로, 비정질 리본은 열전 레그가 상부 전극과 접합하기 위한 면 및 하부 전극과 접합하기 위한 면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 또는 하부 전극 방향으로 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 하부 비정질 리본, 열전 레그용 분말 및 상부 비정질 리본이 몰드 내에 순차적으로 배치된 후 소결될 수 있다. 이때, 하부 비정질 리본 및 상부 비정질 리본 상에는 각각 표면 처리층이 형성될 수도 있다. 표면 처리층은 도금법, 스퍼터링법, 증착법 등에 의하여 형성되는 박막으로, 반도체 재료인 열전 레그용 분말과 반응하더라도 성능 변화가 거의 없는 니켈 등이 사용될 수 있다.
다른 예로, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수도 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 레그용 분말을 채우고, 소결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 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.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 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.
Claims (9)
- 하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판;
상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그;
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극;
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및
상기 레그와 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나의 전극을 연결하는 접착 부재를 포함하고,
상기 접착부재는 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 포함하고,
상기 제 1 층은 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나의 전극과 접촉하고,
상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 상기 제 3 층과 접촉하고,
상기 제 3 층은 상기 레그와 접촉하고,
상기 제 1 층 및 상기 제 3 층은 솔더 물질을 포함하고,
상기 제 2 층은 솔더 물질 및 상변화 물질을 포함하고,
상기 제 1 층과 상기 제 3 층의 두께의 합은 상기 제 2 층의 두께보다 크고,
상기 제 2 층의 상변화 물질의 양은 상기 솔더 물질의 양보다 작은 열전 소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 상변화 물질은 상기 솔더 물질의 끓는점보다 높은 끓는점을 가지는 물질을 포함하는 열전 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 상변화 물질은 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 이코산(Icosane), 트리아콘탄(Triacontane), 테트라콘탄(Tetracontane), 펜타코탄(Pentacontane) 및 헥사코탄(Hexacontane) 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 열전 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 상변화 물질은 상기 솔더 내부에 분산되는 열전 소자.
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