KR20000068798A

KR20000068798A - 열전 장치

Info

Publication number: KR20000068798A
Application number: KR1019997003430A
Authority: KR
Inventors: 히라이시히사토
Original assignee: 하루타 히로시; 시티즌 도케이 가부시키가이샤
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-11-25
Also published as: EP0954036A4; WO1999010937A1; AU8751098A; KR100320761B1; EP0954036A1; RU2173007C2; CN1236488A; US6314741B1; JP3219279B2

Abstract

n 형 및 p 형 열전 반도체(8, 9)를 각 단면이 거의 동일면의 배선 단면(3a, 3b)을 형성하도록 규칙적으로 배치함과 동시에, 절연체를 통해 각 열전 반도체(8, 9)를 접합 일체화하고, 양 배선 단면(3a, 3b)에 n 형 및 p 형 열전 반도체(8, 9)를 교대로 전기적으로 접속하는 배선 전극(7)을 설치하고, 각 n 형 및 p 형 열전 반도체(8, 9)를 전기적으로 직렬 접속하여 열전 소자 블록(3)으로 한다. 이 열전 소자 블록(3)의 직렬 접속된 열전 반도체의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체에 각각 전기적으로 접속한 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 형성한다. 이 열전 소자 블록(3)의 한 쪽 배선 단면(3a)을 가요성 기판(2)의 개구부(2a)를 통해서 절연층을 통해 하부 열전도판(1)의 상면을 고착하여 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 가요성 기판(2)에 설치한 입출력 전극 쌍(10a, 10b)에 전기적으로 접속하여 열전 장치(20)를 얻는다.

Description

열전 장치{THERMOELECTRIC DEVICE}

열전 쌍은 그 양단에 온도차를 부여함으로써 전압을 발생한다. 이것이 지벡 효과이고, 전압을 전기 에너지로서 취출하는 발전 장치로서 이용할 수 있다. 열전 발전은 열 에너지에서 전기 에너지로 직접 변환할 수 있기 때문에, 폐열 이용에 대표되는 열 에너지의 유효한 이용법으로서 주목받고 있다.

한편, 열전 쌍에 전류를 흐르게 하면 일단에서는 발열이 발생하고, 타단에서는 흡열이 발생한다. 이것이 펠티에 효과이고, 이 흡열 현상을 이용하여 냉각 장치를 얻을 수 있다. 이러한 냉각 장치는 기구 부품을 포함하지 않고 소형화도 가능하므로 이동식 냉장고 또는 레이저나 집적 회로 등의 국부 냉각기로서 활용되고 있다.

이 열전 쌍과 같은 열전 소자를 사용한 발전 장치나 냉각 장치(열전 장치)는, 구조가 간단하여 다른 발전 장치나 냉각 장치에 비해서 소형화에도 유리한 조건을 구비하고 있기 때문에 유용성이 높다. 예를 들면, 산화 환원 전지에 나타나는 전해액의 누설이나 소모의 문제가 없다고 하는 점으로부터, 전자식 손목 시계 등의 휴대형 전자기기에 내장하는 발전 장치로서의 응용이 기대되고 있다.

여기서, 열전 장치의 일반적인 구조로서, 예컨대, 일본 특허 공개 공보 소58-64075호에 개시되어 있는 바와 같이, p 형과 n 형의 다른 도전형의 열전 반도체를 규칙적으로 배치하여 다수의 열전 쌍을 이차원적으로 배열하고, 각 열전 쌍을 전극판에 의해 전기적으로 직렬 접속한 구조가 있다.

이 구조의 경우, 각 열전 쌍을 이차원적으로 설치하고, 이들 열전 쌍으로 구성되는 열전 소자는 대개 판형이 된다. 또한, 열전 소자의 표면과 이면은 열전 쌍의 온(溫)접점이 위치하는 면과 냉(冷)접점(냉각점)이 위치하는 면이 되며, 열전 발전 소자의 경우에는 그 표면과 이면에 온도차를 부여함으로써 열전 발전이 행해진다.

그런데, 이러한 열전 장치의 응용이 기대되고 있는 휴대형 전자 기기는 통상 실온에 근접한 온도에서 사용되기 때문에, 기기 내부의 온도차는 그다지 기대할 수 없고, 손목 시계의 경우라면, 장착한 팔의 체온과 외부 기온에 의해 2 ℃ 정도의 온도차를 얻을 수 있을 뿐이다.

그런데, 열전 쌍의 출력 전압은 현재, 상온 부근에서 성능 지수가 가장 높다고 알려진 BiTe계 재료를 사용하더라도, 한 쌍당 400 μV/℃ 정도이므로, 이 BiTe 계 재료를 사용한 열전 쌍을 손목 시계에 내장하면, 한 쌍당 800 μV의 출력 전압밖에 얻을 수 없다. 따라서, 시계를 구동하는 데 필요한 1.5 V 이상의 전압을 얻기 위해서는, 약 2000쌍 이상의 열전 쌍을 내장해야 한다.

더구나, 손목 시계의 경우는, 수납 부분의 내부 면적이 대단히 작고, 이 한정된 작은 수납 공간에 열전 쌍 이외에 기계 부품이나 전기 회로 부품도 수납해야 하므로, 가능한 한 열전 소자 자체의 외형을 작게 하는 것도 필수 조건이 된다.

한편, 열전 소자를 외부 회로와 전기적으로 접속하기 위해서는 배선이 필요한데, 전술한 일본 특허 공개 공보 소58-64075호에 개시되어 있는 바와 같이, 직렬로 접속한 열전 쌍의 양단에 위치하는 전극판에 각각 도선을 접속하여 배선을 끌어낸다.

이와 같이, 열전 장치를 손목 시계에 내장한 경우에는, 그 크기를 가능한 한 작게 하고, 그러면서도 필요한 전압을 취출하도록 해야 한다. 그러나, 크기를 작게 함에 따라서, 전압을 취출하기 위한 전극판도 작게 해야 한다.

이 때문에, 이 전극판에 도선을 이어 외부 회로로 접속하는 것은 매우 어려워진다. 결국, 실용상 필수적이라고 하는 열전 장치와 외부 회로와의 전기적 접속의 실시가 어려워지고, 응용이 기대되는 휴대형 전자 기기에 열전 장치를 내장하는 것이 어려워진다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 지벡 효과(seebeck effect)를 이용한 발전 장치에 사용하는 열전 장치, 또는 펠티에 효과(peltier effect)를 이용한 냉각 장치에 사용하는 열전 장치에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 소형이면서 고성능인 열전 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열전 장치의 제1 실시예를 나타내는 분해 사시도.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따른 수직면에 의한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 열전 장치의 제2 실시예를 나타내는 도 2와 동일한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 열전 장치의 제3 실시예를 나타내는 도 2와 동일한 단면도.

도 5는 그 열전 소자 블록의 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 열전 장치의 제4 실시예를 나타내는 도 2와 동일한 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 열전 장치의 제5 실시예를 나타내는 평면도.

도 8은 본 발명에 따른 열전 장치의 제6 실시예를 나타내는 평면도.

본 발명은 이러한 문제를 해결하여, 소형이면서 고성능인 열전 장치로부터 외부 회로로의 전기적인 접속을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 열전 장치는 다음 구성을 채용한다.

즉, 서로 길이가 같은 기둥 모양의 제1 도전형의 열전 반도체 및 제2 도전형의 열전 반도체가 양 단면에서 거의 동일 면을 이루는 배선 단면을 형성하도록 규칙적으로 배치되어 절연체를 통해 접합 일체화되고, 상기 각 배선 단면에 있어서 제1 및 제2 도전형의 열전 반도체가 배선 전극에 의해서 교대로 직렬 접속된 열전 소자 블록을 구성한다.

상기 열전 소자 블록에 상기 직렬 접속된 열전 반도체의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체에 각각 전기적으로 접속한 접속 전극 쌍을 설치한다.

또한, 상기 열전 소자 블록의 외형보다 큰 상면을 가지며, 열전도성이 좋은 절연재 또는 금속으로 형성되고, 적어도 상면에 절연층을 갖는 열전도판과, 상기 열전도판과는 전기적으로 절연되어 그 열전도판의 상면 측에 설치된 입출력 전극 쌍으로 열전 장치를 구성한다.

그리고, 상기 열전 소자 블록의 한 쪽 배선 단면이 열전도판의 상면에 고착되고, 상기 각각의 접속 전극과 상기 각각의 입출력 전극이 도전 부재에 의해 전기적으로 접속된 것이다.

또, 상기 접속 전극 쌍은 열전 소자 블록의 배선 단면 이외의 면(측면)에 설치하면 좋다.

그 경우, 상기 열전 소자 블록의 직렬 접속된 열전 반도체의 적어도 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체를, 배선 단면 이외의 면에 노출시키고, 상기 면에 각 열전 반도체의 노출면에 각각 전기적으로 접속한 접속 전극 쌍을 설치하면 좋다.

또한, 상기 열전도판의 상면 측에 상기 열전 소자 블록의 외형에 대응하는 개구부를 갖고, 상기 입출력 전극 쌍이 설치된 가요성(flexible) 배선 기판(FPC) 등의 절연 기판을 설치하고, 상기 열전 소자 블록의 한 쪽 배선 단면이 그 절연 기판의 개구부를 통해서 열전도판의 상면에 고착되고, 접속 전극 쌍과 절연 기판에 설치된 입출력 전극 쌍이 전기적으로 접속되도록 구성하여도 좋다.

또한, 상기 열전 소자 블록의 한 쪽 배선 단면에 접속 전극쌍을 설치하고, 상기 열전도판을 고단부와 그 주위의 저단부를 갖는 2단 형상으로 하고, 상기 열전도판의 상면 측에 그 고단부를 끼워 넣는 개구부를 갖는 동시에 상면에 입출력 전극 쌍을 설치한 FPC 등의 절연 기판을 설치하고, 상기 열전 소자 블록의 한 쪽 배선 단면을 상기 열전도판의 고단부의 상면에 고착하고, 접속 전극 쌍과 절연 기판상의 입출력 전극 쌍을 근접하여 대향시켜 각각 대향하는 전극 끼리를 도전 부재에 의해서 전기적으로 접속하도록 구성하여도 좋다.

이들 열전 장치에 있어서, 상기 열전 소자 블록의 다른 쪽 배선 단면에 그 배선 전극과 절연하여 상부 열전도판을 고착하여 설치하면 좋다. 그 상부 열전도판은 두께 방향으로 탄성을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 복수 개의 열전 소자 블록을 배치할 수 있게 상기 열전도판을 형성하고, 그 열전도판 상에 복수 개의 열전 소자 블록을 각각 한 쪽 배선 단면을 상기 열전도판의 상면에 고착시켜 배치한 열전 장치를 구성하여도 좋다.

그 경우, 서로 인접하는 열전 소자 블록의 접속 전극과 전기적으로 접속되는 상기 입출력 전극의 한 쪽과 다른 쪽을 열전도판 상에서 서로 접속함으로써, 복수 개의 열전 소자 블록을 직렬로 접속할 수 있다. 이 열전도판은 환형(環形)으로 형성하여도 좋다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 있어서의 최적의 실시예를 자세히 설명한다.

(제1 실시예: 도 1 및 도 2)

우선, 본 발명에 따른 열전 장치의 제1 실시예에 대하여, 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1에 나타내는 열전 장치(20)는 하부 열전도판(1), 가요성 배선 기판(2), 열전 소자 블록(3), 상부 열전도판(4)을 주요 구성 부품으로 하여, 이들을 도 1에 나타내는 배치로 서로 조립하여 일체화한 것이다.

하부 열전도판(1)과, 상부 열전도판(4)은 어느 것이나 두께 방향에서의 열전도성이 좋은 직사각형 판재이다. 어느 것이나, 열전도성이 좋아야 하기 때문에, 그 재질은 동이나 알루미늄과 같은 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 열전 장치(20)를 기기에 부착하여 사용할 때에, 이 기기의 구조체와 열전 소자 블록(3) 사이의 열구배를 가능한 한 적게 하여, 열전 장치(20)로서의 성능을 향상시키기 위해서 이다. 하부 열전도판(1)의 상면(1a)은 열전 소자 블록(3)의 외형보다 크다.

하부 열전도판(1) 및 상부 열전도판(4)은 각각 열전 소자 블록(3)의 상하의 배선 단면에 고착하므로, 고착할 때에 열전 소자 블록(3)의 후술하는 배선 단면에 설치되어 있는 다수의 배선 전극(7) 사이에 단락이 발생하면 문제가 된다. 그 때문에, 열전 소자 블록(3)을 고착하는 하부 열전도판(1)의 상면(1a) 및 상부 열전도판(4)의 하면(4a)에는 각각 절연층을 형성하고 있다. 각 열전도판(1, 4)을 알루미늄판으로 하는 경우에는, 알루미나이트 처리를 시행함으로써, 절연층으로서 표면에 산화 알루미늄의 절연막을 형성할 수 있다.

또는, 금속판의 표면에 절연 도포막을 형성하거나, 절연 시트를 점착하여 절연층을 형성할 수도 있다.

또한, 후술한 바와 같이 하부 열전도판(1)과 상부 열전도판(4)을 접착재로 열전 소자 블록(3)에 고착하는 경우는 그 접착재에 의한 접착층을 절연층으로 할 수도 있다.

그러나, 접착층은 두께의 제어가 용이하지 않고, 의도하지 않은 단락을 발생시킬 우려도 있으므로, 하부 열전도판(1)의 적어도 상면(1a) 및 상부 열전도판(4)의 적어도 하면(4a)은 절연층으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 이들 열전도판(1, 4)으로서 열전도성이 좋은 절연체(예를 들면 알루미나 등의 세라믹스판)를 사용할 수도 있고, 그 경우는 전체가 절연층이므로, 이러한 단락의 문제는 발생하지 않는다.

가요성 배선 기판(이하「FPC」라고 약칭함)(2)은 폴리이미드나 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 베이스 필름으로 이루어진 범용의 것이면 되고, 금형에 의한 블랭킹(blanking) 가공에 의해 하부 열전도판(1)에 거의 대응하는 외형을 이루고, 열전 소자 블록(3)의 외형에 대응하는 개구부(2a)를 갖는다. 그리고, 도시된 실시예에서는 우변부에 한 쌍의 돌출부(2b, 2c)를 설치하고 있다.

FPC(2)는 개구부(2a)를 설치하고 있는 점이 중요하지만, 이 개구부(2a)는 열전 소자 블록(3)의 외주가 딱 들어맞을 정도의 크기로 형성한다. 이 개구부(2a)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 열전 소자 블록(3)과 하부 열전도판(1)사이에 FPC(2)의 베이스 필름이 개재하지 않도록 하기 위해서 형성한 것이다. 또한, 돌출부(2b, 2c)의 상면에는, 베이스 필름에 점착된 동박(銅箔)을 에칭으로 패터닝하여 한 쌍의 입출력 전극(10a, 10b)을 형성하고 있다.

열전 소자 블록(3)은 각각 기둥 모양을 하는 제1 도전형인 p 형의 열전 반도체(8)와 제2 도전형인 n 형의 열전 반도체(9)를, 양 단면에서 거의 동일 면을 이루는 배선 단면(3a, 3b)을 형성하도록, 규칙적으로 서로 이간되어 다수 개 배열하고, 도 2에 도시하는 바와 같이 절연재(22)(예를 들면 에폭시 수지)를 통해 접합 일체화하여 이루어진다.

이 열전 소자 블록(3)은 예를 들면 일본 특허 공개 공보 소63-70463호에 개시되어 있는 방법에 의해서 제작된다. 또, 이 실시예에서는, p 형 열전 반도체(8)로서 BiTeSb의 소결체, n 형 열전 반도체(9)로서 BiTeSe의 소결체를 사용하고 있다.

이 열전 소자 블록(3)은 상면 및 하면이 배선 단면(3a, 3b)을 형성하고 있으며, 거기에 각각 다수의 배선 전극(7)을 형성하여, 각 p 형 열전 반도체(8)와 n 형 열전 반도체(9)를 도 2에 도시하는 바와 같이 교대로 직렬로 접속하고 있다.

그리고, 이 열전 소자 블록(3)의 배선 단면(3a, 3b) 이외의 일 측면(3c)의 하부에, 도 1에 도시하는 바와 같이 한 쌍의 접속 전극(6a, 6b)을 형성하고 있다. 이 접속 전극(6a, 6b)은 열전 소자 블록(3)을 구성하는 직렬 접속된 열전 반도체(8, 9)의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체(8e, 9e)에 각각 전기적으로 접속되어 있다.

접속 전극(6a, 6b)과 다수의 배선 전극(7)은 어느 것이나 금속 마스크를 사용한 진공 증착법에 의해 형성할 수 있지만, 재질에 니켈(Ni)과 금(Au)을 사용하여, 양자의 총 막 두께가 1.5 ㎛ 정도의 적층막으로서 형성할 수 있다. 또, 접속 전극(6a, 6b)은 측면(3c)과 하면의 배선 단면(3b)에 걸치는 연속체로서 형성되며, 직렬 접속의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체(8e, 9e)의 각각 하단면에 접속하고 있다.

이 열전 소자 블록(3)은 그 일례로서, 도 1에 나타내는 외형 형상으로, 폭 8 mm, 안길이 5 mm, 높이 2 mm의 크기로, 약 1100쌍의 p 형 열전 반도체(8)와 n 형 열전 반도체(9)에 의한 열전 쌍을 포함할 수 있다. 이 열전 소자 블록(3)에 대하여 열전도판(1, 4)을 개재시키지 않고서 배선 단면(3a, 3b)에 직접 1.5 ℃의 온도차를 부여할 때 0.65 V의 개방 전압을 얻을 수 있었다.

이 열전 소자 블록(3)은 FPC(2)의 개구부(2a)를 통해서, 아래쪽의 배선 단면(3b)을 접착제에 의해 하부 열전도판(1)의 상면(1a)에 접착함과 함께 상측의 배선단면(3a)에 동일한 접착제에 의해서 배선 단면(3a)과 동일한 크기의 상부 열전도판(4)의 하면(4a)을 접착한다.

이 때, 이 접착제의 층이 두꺼우면 열접촉의 저하를 초래하기 때문에, 접착층은 매우 얇게 하는(수 ㎛정도로 한다) 것이 필요하다. 접착제로서는, 예컨대 열경화성의 에폭시 수지를 사용한다.

그리고, FPC(2)는 입출력 전극(10a, 10b)을 형성한 돌출부(2b, 2c)를 돌출시켜 유연성을 갖게 하고, 하부 열전도판(1)의 상면(1a)에 점착제 또는 접착제로써 고착하여 일체화한다.

이 때, FPC(2)는 개구부(2a)를 설치하고 있으므로, 열전 소자 블록(3)과 하부 열전도판(1)의 사이에 삽입되는 일은 없다. 따라서, 열전도성이 낮은 FPC(2)의 베이스 필름의 영향으로 열구배가 생기는 일없이, 하부 열전도판(1)의 상면(1a)과 배선 단면(3b)의 열접촉이 긴밀하게 되어 온도차가 대단히 작아지므로, 열전 장치(20)로서의 실효 성능이 저하하는 일은 없다.

더욱, 이 FPC(2)상의 쌍의 입출력 전극(10a, 10b)과 열전 소자 블록(3)에 설치된 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 각각 은 페이스트 등의 도전 부재(21)에 의해, 도 2에 도시하는 바와 같이 접합하여 전기적으로 접속함으로써, 열전 장치(20)가 완성된다.

입출력 전극 쌍(10a, 10b)과 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 전기적으로 접속하는 도전부재(21)로서는 은 페이스트의 대신에 땜납을 사용하여도 좋고, 또한 특수한 경우로서는 와이어 본딩을 사용하는 것도 가능하다.

이렇게 해서 얻어진 열전 장치(20)에 대하여, 그 하부 열전도판(1)과 상부 열전도판(4) 사이에 1.5℃의 온도차를 부여할 때, 0.61 V의 개방 전압을 얻을 수 있었다. 이와 같이, 열전 소자 블록(3) 단체의 경우에 비해서 출력 전압의 저하는 거의 보이지 않았다.

또한, 이 열전 장치(20)는 열전 소자 블록(3)을 구성하는 직렬 접속된 열전 반도체의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체(8e, 9e)에 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 접속하고, 이 접속 전극 쌍(6a, 6b)을 입출력 전극 쌍(10a, 10b)에 접속하고 있다. 따라서, 유연성이 있는 FPC(2)에 형성된 돌출부(2b, 2c)를 용수철성을 갖는 소켓에 끼움으로써 용이하게 외부 회로에 접속하여, 열전 소자 블록(3)의 출력 전압을 용이하게 외부 회로로 취출할 수 있다.

또, 이상 설명한 하부 열전도판(1), 상부 열전도판(4) 및 열전 소자 블록(3)의 상호의 형상은, 열전 장치(20)를 장착하는 장치에 의존하는 설계적 사항이고, 이 실시예는 그 일례이다. 또한, 입출력 전극(10a, 10b)을 형성하는 기판을 가요성 기판으로 하고 있지만, 유연성이 없는 프린트 기판 혹은 단순한 절연 기판을 사용하여도 좋다.

(제2 실시예: 도 3)

다음에, 본 발명에 따른 열전 장치의 제2 실시예를 도 3을 참조하여 설명한다. 또, 도 3은 이 실시예의 열전 장치의 도 2와 동일한 단면도이고, 도 1 및 도 2와 대응하는 부분에는 동일 부호를 부여하고 있다.

이 실시예의 열전 장치(20)는 제1 실시예와 비교하여, 하부 열전도판(1)의 형상, 열전 소자 블록(3)에 있어서의 접속 전극(6)의 형성 장소, FPC(2)의 개구부(2 a)의 형상이 각각 상이하기 때문에, 이하 이 상위점을 중심으로 설명하고, 제1 실시예(10)와 공통인 점에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.

도 3에 나타내는 하부 열전도판(1)은 상면이 평탄한 판형이 아니라, 열전 소자 블록(3)의 폭(도 3에서 좌우 방향의 길이)보다도 좁은 폭의 고단부(1b)와 그 주위의 저단부(1c)를 갖는 2단 형상으로 하고 있다.

FPC(2)는 개구부(2a)를 가지며, 그것이 하부 열전도판(1)의 고단부(1b)에 대응하는 형상으로 되어 있다. 그리고, 그 개구부(2a)의 도 3에 있어서의 좌우 양 가장자리 부근으로부터 상면에 한 쌍의 입출력 전극(10a, 10b)이 각각 외측으로 연장하여 설치되어 있다.

열전 소자 블록(3)에는, 그 아래쪽의 배선 단면(3b)의 도 3에 있어서의 좌우 양 단부 부근에 한 쌍의 접속 전극(6a, 6b)을 형성하고 있다.

이 실시예의 열전 장치(20)는 다음과 같이 하여 완성한다.

우선, FPC(2)를 하부 열전도판(1)의 고단부(1b)를 개구부(2a)에 삽입 통과시켜서 그 저단부(1c)에 점착제 등에 의해 고정한다.

이어서, 열전 소자 블록(3)의 배선 단면(3b)을 하부 열전도판(1)의 고단부(1b)의 상면에, 절연성의 접착제에 의한 접착층(31)을 형성하여 접착하고, 열전 소자 블록(3)을 고착한다. 이 상태에서, 열전 소자 블록(3)의 배선 단면(3b)에 설치된 한 쌍의 접속 전극(6a, 6b)과, FPC(2)에 설치한 한 쌍의 입출력 전극(10a, 10b)이 각각 근접하여 평행하게 대향한다. 그래서, 이 대향하는 전극(6a, 10a) 및 전극(6b, 10b)을 그 극간에 도전 페이스트나 땜납 등의 도전 부재(21)를 충전하여 전기적으로 접속한다. 이에 따라 열전 장치(20)가 완성된다.

이 열전 장치(20)는 접속 전극(6a, 6b)과 입출력 전극(10a, 10b)이 약간의 공극을 통하여 대향 배치되기 때문에, 도전 부재(21)에 의한 접속의 안정성이 향상한다.

또한, 접속 전극(6a, 6b)을, 열전 소자 블록(3)의 배선 전극(7)을 형성한 배선 단면(3b)에 동시에 형성하면 좋으므로, 접속 전극(6)과 배선 전극(7)의 제조가 용이하게 된다.

또한, 이 실시예에서는 상부 열전도판을 생략하고 있지만, 필요에 따라서 이것을 설치하여도 좋다. 또한, 하부 열전도판(1)의 고단부(1b)의 상면에 접착층(31)을 두께를 안정화하여 설치하면, 이 접착층(31)이 절연층이 되어 배선 단면(3b)에 설치되어 있는 배선 전극(7)의 절연성을 확보할 수 있기 때문에, 하부 열전도판(1)으로서 절연 피복이 없는 금속판을 사용하는 것도 가능하다.

(제3 실시예: 도 4 및 도 5)

다음에, 본 발명에 따른 열전 장치의 제3 실시예를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.

도 4는 그 열전 장치의 도 2와 동일한 단면도이고, 도 5는 그 열전 소자 블록(3)만을 나타내는 사시도이고, 도 1 내지 도 3과 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

이 실시예에 있어서의 열전 장치(20)는 FPC(2)를 사용하지 않고서 입출력 전극(10a, 10b)을 하부 열전도판(1)의 상면에 직접 형성한 점, 열전 소자 블록(3)의 접속 전극(6a, 6b)의 설치 방법이 다른 점 및 상부 열전도판(4)을 생략하고 있는 점에서 제1 실시예와 상이하다. 그래서, 이와 같은 상이점을 중심으로 설명하고, 그 밖의 제1 실시예와 공통된 점에 대해서는 자세한 설명은 생략한다.

이 실시예에 있어서의 열전 소자 블록(3)은 도 5에 도시하는 바와 같이, 그 대향하는 양 측면(3c, 3d)에, p 형 열전 반도체(8)와 n 형 열전 반도체(9)의 직렬 접속의 적어도 양 단부에 대응하는 p 형 열전 반도체(8e) 및 n 형 열전 반도체(9e)를 노출시키도록 가공하고 있다. 그리고, 이 양 측면(3a, 3d)의 하부에, 한 접속 전극(6a, 6b)을, 각각 열전 반도체(8e, 9e)의 노출면에 전기적으로 접속시켜 설치하고 있다.

이 열전 소자 블록(3)의 배선 단면(3b)을 절연성 접착제에 의한 접착층(31)을 통해 하부 열전도판(1)의 상면(1a)에 접착하고, 접속 전극 쌍(6a, 6b)과 입출력 전극 쌍(10a, 10b)을 각각 도전 페이스트나 땜납 등의 도전 부재(21)에 의해서 전기적으로 접속한다.

이와 같이 하면, FPC(2)를 사용하지 않기 때문에, 사용하는 부재의 수가 감소하는 이점이 있어, 조립 공정도 용이하게 된다. 또, 본 실시예에서는 하부 열전도판(1)으로서, 절연재인 순(純)알루미나로 이루어진 세라믹스 판을 사용하고, 이 상면에 Cr와 Cu의 적층 박막을 스퍼터링법으로 형성하여, 에칭에 의해서 패터닝하여 입출력 전극(10a, 10b)을 형성하였다.

열전 소자 블록(3)은 직렬 접속의 양단의 열전 반도체(8e, 9e)를 포함하는 양 측면(3c, 3d)을 따르는 열의 열전 반도체(8, 9)를 노출시키고 있지만, 그것들의 열전 반도체는 단지 배선용으로서밖에 기능하지 않게 된다.

(제4의 실시예: 도 6)

다음에, 본 발명에 따른 열전 장치의 제4 실시예를 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 이 열전 장치의 도 2와 동일한 단면도이고, 도 1 내지 도 5와 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

이 실시예의 열전 장치(20)는 제1 실시예의 열전 장치(20)와 비교하여, 상부 열전 도판으로서 탄성 열전도판(14)을 사용한 점, 열전 소자 블록(3)을 제3 실시예와 동일한 측면 노출형으로 하고, 한 쌍의 접속 전극(6a, 6b)을 좌우의 측면에 설치하여, 그것과 전기적으로 접속되는 FPC(2)측의 한 쌍의 입출력 전극(10a, 10b)도, 개구부(2a)의 좌우에 분산하여 설치한 점에서 상이하다. 그러나, 그 밖의 점은 제1 실시예와 공통이므로, 그들이 자세한 설명을 생략한다.

탄성 열전도판(14)은 0.15 mm 정도의 두께를 갖는 2장의 동판(14a, 14b) 사이에 얇은 동제(銅製)의 골함석(14c)을 사용하여, 이들을 용접하여 일체화하고, 판의 두께 방향으로 탄성을 가지도록 한 것이다.

이 탄성 열전도판(14)은 열전 소자 블록(3)에 절연성의 접착제로 고착함으로써, 그 접착층(31)에 의해서 배선 단면(3a)상의 배선 전극의 절연성을 확보할 수 있다. 그러나, 적어도 열전 소자 블록(3)에 접합되는 측의 표면에 전기적인 절연층을 갖는 것이 바람직하고, 또한 판의 두께 방향으로의 열전도성이 손상하지 않도록 해야만 한다. 그 때문에, 아래쪽의 동판(14b)의 하면에, 알루미나 막을 용사에 의해 형성하여 절연층을 설치하도록 하면 좋다.

열전 장치(20)를 휴대형 전자 기기 등에 내장하여 사용할 때, 그 열전 장치와 기기와의 열적인 접촉을 긴밀하게 하는 것이 중요하다. 그 때문에, 이 실시예에서는 탄성 열전도판(14)을 사용하여, 열전 장치(20)의 두께 방향으로 탄성을 갖게 하도록 하였기 때문에, 이러한 기기의 설계상의 가공 치수 오차 등을 이 탄성으로 흡수함과 동시에, 긴밀한 열 접촉을 실현할 수 있다.

(제5 실시예: 도 7)

다음에, 본 발명에 따른 열전 장치의 제5 실시예에 대하여, 도 7의 평면도에 의해서 설명한다.

상술한 각 실시예의 열전 장치(20)는 1개의 열전 소자 블록(3)이 하부 열전도판(1)상에 고정된 구조였다. 그러나, 본 발명의 열전 장치(20)에는, 복수의 열전 소자 블록(3)이 동일한 하부 열전도판상에 실장된 구조의 것도 포함된다.

도 7은 복수 개의 열전 소자 블록(3)을 분산시켜 배치한 구조의 일례를 나타낸 것으로, 지금까지의 각 도면과 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

본 실시예에서의 열전도판(11)은 도 7에 파선으로 나타내는 바와 같이 복수 개(도시된 실시예에서는 3개)의 열전 소자 블록(3)을 간격을 두고 일렬로 배열할 수 있도록 가늘고 길게 형성되어 있다.

그리고, 그 열전도판(11)상에, 복수의 개구부(25a)를 열지어 설치한 가요성 배선 기판(FPC)(25)을 고정한다. 이 FPC(25)의 개구부(25a) 사이의 상면에는, 인접하는 열전 소자 블록(3)의 접속 전극 쌍(6a, 6b)의 한 쪽과 다른 쪽에 전기적으로 접속되는 입출력 전극을 겸한 배선 패턴(50, 50)이 형성되어 있다. 또한 이 FPC(25)의 길이 방향의 양 단부에는 돌출부(25b, 25c)가 설치되고, 그 상면에 양 단부에 탑재되는 열전 소자 블록(3)의 접속 전극 쌍(6a, 6b)의 한 쪽에 접속되는 단자 전극(51a, 51b)이 형성되어 있다.

이 실시예에 있어서의 복수 개의 각 열전 소자 블록(3)은 그 배열 방향의 양 측면에 각각 접속 전극 쌍(6a, 6b)의 한 쪽과 다른 쪽을 나눠 설정한다.

그래서, 이 복수 개의 열전 소자 블록(3)을 각각 하측의 배선 단면을 FPC(25)의 개구부(25a)를 통하여 열전도판(11)의 상면에 절연층을 통해 고착한다.

그 열전 소자 블록(3)의 한 쪽의 접속 전극(6a)과 인접하는 열전 소자 블록(3)의 다른 쪽 접속 전극(6b)을 각각 같은 배선 패턴(50)에 도시하지 않은 도전 페이스트 혹은 땜납 등의 도전 부재에 의해서 접속한다. 그리고, 한 쪽 단부에 탑재되는 열전 소자 블록(3)의한 쪽 접속 전극(6a)은 단자 전극(51a)과, 다른 쪽 단부에 탑재되어 열전 소자 블록(3)의 다른 쪽 접속 전극(6b)은 단자 전극(51b)에 각각 도전 부재에 의해서 접속된다.

이렇게 하여, 복수 개의 열전 소자 블록(3, 3,…)을 직렬로 접속할 수 있어, 보다 높은 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이 함으로써, 복수의 열전 소자 블록(3)을 열전도판(11)상에 분산시켜 배치하는 것이 되므로, 열전 장치(20)로서의 설계 자유도가 향상되고, 또한 개개의 열전 소자 블록(3)의 제조 수율 면도 유리해진다.

또, 이 실시예에서의 열전 소자 블록(3)은 기본적으로 제4 실시예에 있어서의 열전 소자 블록(3)과 동일한 것으로 하고 있지만, 이미 설명한 다른 실시예와 같이 하는 것도 가능하다.

또한, FPC을 사용하지 않고서, 배선 패턴(50) 및 단자 전극(51a, 51b)을 적어도 상면에 절연층을 갖는 열전도판(11)상에 직접 형성할 수 있다. 그 경우, 배선 패턴(50) 및 단자 전극(51a, 51b)은 증착 등에 의해 동시에 형성하면 된다.

(제6 실시예: 도 8)

마지막으로, 본 발명에 따른 열전 장치의 제6 실시예를 도 8의 평면도를 참조하여 설명한다. 이 도 8에 있어서 도 7과 대응하는 부분에는 동일한 부호를 부여한다.

본 실시예에서는, 전술한 제5 실시예와 같이 복수 개의 열전 소자 블록(3)을 분산시켜 배치한 구조의 열전 장치(20)의 예를 나타낸다. 이 실시예에 있어서 제5 실시예와 서로 상이한 점은, 열전도판(11)이 환형으로 형성되어 있는 점과, FPC를 사용하지 않고서, 적어도 상면에 절연층을 갖는 환형의 열전도판(11)의 상면에 직접 배선 패턴(50) 및 단자 전극(51a, 51b)을 형성한 점이다.

따라서, 각 열전 소자 블록(3)이 열전도판(11)을 따라서 대략 원주 상에 배치되어 있다. 그 외는 제5 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

이와 같이, 열전 장치(20)를 환형으로 하면, 예를 들면 손목 시계의 발전 장치로서 사용하는 경우, 시계 구동 기구부와, 그 외측에 설치되는 시계 외장 사이의 공간에 배치하는 것이 용이하게 된다. 그 경우, 열전 장치(20)의 내측의 원형의 공간(60) 내에 시계의 이동부(movement:구동 기구부)와 전기 회로부를 수납할 수 있다. 따라서, 손목 시계의 발전 장치로서의 유효성이 높은 열전 장치가 된다.

또, 이 실시예와 전술된 제5 실시예에 있어서, 각 열전 소자 블록(3)을 모두 직렬로 접속한 예를 설명하였지만, 용도에 따라서는, 다수의 열전 소자 블록중의 그 일부 또는 전부를 병렬로 접속하도록 하여도 좋다. 그 경우는, 접속의 형태에 대응하여 접속 전극(6a, 6b)의 위치나 배선 패턴(50)의 레이아웃을 변경하면 좋다.

이 제6 실시예는 FPC를 사용하고 있지 않으므로 구조를 간략화할 수 있다. 그러나, 제5 실시예의 경우와 같이 FPC(2)를 사용할 수도 있다. 그 경우는, FPC도 열전도판(11)과 동일한 환형으로 형성한다.

발명에 따른 열전 장치는, 소형이면서 열전 쌍 수가 매우 많은 고성능인 열전 소자 블록과 외부 회로와의 접속을 용이하게 하고 안정성을 확실하게 할 수 있다.

그 때문에, 소형 고성능인 열전 소자 블록을 휴대형 전자 기기 등에 내장하여 사용하는 것이 매우 용이하게 된다.

예를 들면, 본 발명에 따른 열전 장치를 발전용의 열전 소자로서 사용하면, 소형으로 높은 출력 전압을 얻을 수 있으므로 손목 시계 등의 휴대형 전자 기기에 있어서의 전원으로서의 온도차 발전 장치로서 이용할 수 있다.

Claims

서로 길이가 같은 기둥 모양의 제1 도전형의 열전 반도체 및 제2 도전형의 열전 반도체가 양 단면에서 거의 동일 면을 이루는 배선 단면을 형성하도록 규칙적으로 배치되어 절연체를 통하여 접합 일체화되고, 상기 각 배선 단면에 있어서 제1 및 제2 도전형의 열전 반도체가 배선 전극에 의해서 교대로 직렬 접속된 열전소자 블록과;

상기 열전 소자 블록의 상기 직렬 접속된 열전 반도체의 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체에 각각 전기적으로 접속한 접속 전극 쌍과;

상기 열전 소자 블록의 외형보다 큰 상면을 가지며 열전도성이 좋은 절연재 또는 금속으로 형성되어 적어도 상기 상면에 절연층을 갖는 열전도판과;

상기 열전도판과는 전기적으로 절연되고 상기 열전도판의 상면 측에 설치된 입출력 전극 쌍을 구비하고,

상기 열전 소자 블록의 한 쪽의 배선 단면이 상기 열전도판의 상면에 고착되고, 상기 각각의 접속 전극과 상기 각각의 입출력 전극이 도전 부재에 의해 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제1항에 있어서, 상기 접속 전극 쌍은 상기 열전 소자 블록의 배선 단면 이외의 면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제2항에 있어서, 상기 열전 소자 블록의 상기 직렬 접속된 열전 반도체의 적어도 일단부와 타단부에 대응하는 열전 반도체가 상기 배선 단면 이외의 면에 노출하고, 상기 면에 상기 각 열전 반도체의 노출면에 각각 전기적으로 접속한 접속 전극 쌍이 설치된 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도판의 상면 측에 상기 열전 소자 블록의 외형에 대응하는 개구부를 갖고,

상기 입출력 전극 쌍이 설치된 절연 기판을 설치하고,

상기 열전 소자 블록의 한 쪽의 배선 단면이 상기 절연 기판의 개구부를 통해서 상기 열전도판의 상면에 고착되고, 상기 접속 전극 쌍과 상기 절연 기판에 설치된 입출력 전극 쌍이 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제4항에 있어서, 상기 절연 기판이 가요성 배선 기판인 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제4항에 있어서, 상기 접속 전극 쌍이 상기 열전 소자 블록의 배선 단면 이외의 면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전 소자 블록의 상기 한 쪽 배선 단면에 상기 접속 전극 쌍을 설치하고,

상기 열전도판이 고단부와 그 주위의 저단부를 갖는 2단 형상으로 되어 있고,

상기 열전도판의 상면 측에 상기 고단부를 삽입시키는 개구부를 가짐과 동시에 상면에 상기 입출력 전극 쌍을 설치한 절연 기판을 설치하고,

상기 열전 소자 블록의 상기 한 쪽 배선 단면을 상기 열전도판의 고단부의 상면에 고착하고, 상기 접속 전극 쌍과 상기 절연 기판상의 입출력 전극 쌍을 근접하여 대향시켜 각각 대향하는 전극 끼리를 도전 부재에 의해서 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제6항에 있어서, 상기 절연 기판이 가요성 배선 기판인 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전 소자 블록의 다른 쪽 배선 단면에 상기 배선 전극과 절연하여 상부 열전도판을 고착한 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제9항에 있어서, 상기 상부 열전도판이 두께 방향으로 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도판은 복수 개의 열전 소자 블록을 탑재할 수 있도록 형성되어 있고, 상기 열전도판 상에 복수 개의 열전 소자 블록을 배치하고 각각 상기 한 쪽 배선 단면을 상기 열전도판의 상면에 고착시켜 배치한 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제11항에 있어서, 서로 인접하는 상기 열전 소자 블록의 상기 접속 전극과 전기적으로 접속되는 상기 입출력 전극의 한 쪽과 다른 쪽을 상기 열전도판상에서 서로 접속시킴으로써 상기 복수 개의 열전 소자 블록을 직렬로 접속한 것을 특징으로 하는 열전 장치.
제12항에 있어서, 상기 열전도판이 환형으로 형성된 것을 특징으로 하는 열전 장치.