KR20050000514A - 양면 펠티어 접합을 이용하는 열전 장치 및 그 열전장치의 제조 방법 - Google Patents

양면 펠티어 접합을 이용하는 열전 장치 및 그 열전장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전 장치와 이 장치를 제조하는 방법으로서, 반대의 전도 방식의 열전 소자(23, 27)들은 열원 부재(25)의 각각의 대향 측면 상에 배치되어 있다. 히트 싱크(20, 29)는 열전 소자(23, 27)의 양측면 상에 배치되어 있다. 펠티어 금속 접점들은 열전 소자와 각각의 열원 부재 및 히트 싱크 사이에 배치되어 있다. 복수 개의 장치는 열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 배열로 혹은 열적으로 병렬, 전기적으로 병렬인 배열로 함께 배치될 수 있다. 상기 소자들의 배치는 상기 소자들의 쌍을 통한 전류 흐름의 방향이 금속 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일해지도록 해준다.

Description

양면 펠티어 접합을 이용하는 열전 장치 및 그 열전 장치의 제조 방법 {THERMOELECTRIC DEVICE UTILIZING DOUBLE-SIDED PELTIER JUNCTIONS AND METHOD OF MAKING THE DEVICE}
전체 내용이 본 명세서에서 관련 기술로서 합체되어 있는 미국 특허 제6,330,150호에는 열전 장치와 그 열전 장치의 제조 방법이 개시되어 있으며, 상기 특허의 도 6에 도시된 바와 같이 복수 개의 열전 소자(p, n)들은 헤더의 동일한 면 상에 배치되어 있다. 상호 접속 부재들의 표면은 헤더의 표면에 대해 평행하다. 상기 열전 장치의 단면도가 도 1에 도시되어 있다.
상기 열전 장치는 냉각 헤더의 동일한 측면 상에 배치되어 있는 복수 개의 열전 소자들을 포함한다. p형 열전 소자(13)는 금속배선(metalization)(12)에 의해 제1 히트 싱크(10) 상의 전기 리드선(11)에 그 일측면이 접속되어 있다. 펠티어 접합 금속배선(예컨대, Cr/Au, Ni/Au, Cr/Au/Ni/Au)은 전기적으로 도전성이 있다. 상기 p형 열전 소자(13)는 펠티어 접합 금속배선(16)에 의해 열원(예컨대, 헤더)(17)에 그 타측면이 접속되어 있다. 소자(14)는 Cr/Au 등의 저항성 금속배선이며, 소자(15)는 Ni와 같은 확산 배리어(diffusion barrier)이다. n형 열전 소자(19)는 펠티어 접합 금속배선(20)에 의해 히트 싱크(10) 상의 전기 리드선(21)에 그 일측면이 접속되어 있다. 상기 n형 열전 소자(19)는 펠티어 접합 금속배선(16)에 의해 열원(17)에 그 타측면이 접속되어 있다. 소자(18)는 소자(14)와 같은 저항성 금속배선이다. 전압 극성(+,-)은 냉각용을 도시되어 있다.
p형 및 n형 열전 소자(13, 19) 양자용으로 통상적인 하나의 히트 싱크(10)와, 열전 소자용으로 통상적인 하나의 열원(예컨대, 헤더)(17)이 존재한다. 상기 n형 및 p형 소자들은 모듈 제작 도중에 헤더(17)의 동일한 측면 상에서 혼합(intermingling)되며, 이것은 제조 공정을 복잡하게 만들 수 있다.
본 발명은 종래의 열전 장치(thermoelectric device)의 배열과 비교하여 그 열전 장치의 효율성 및 제조 능력을 향상시키도록 배치된 복수 개의 열전 소자(thermoelement)들을 구비한 열전 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술의 열전 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전 장치의 열 흐름(heat flow)을 도시하는 개략도이다.
도 4는 열 적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 본 발명에 따른 열전 모듈의 개략도이다.
도 5는 열 적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 본 발명에 따른 열전 모듈의 개략도이다.
도 6은 열 적으로 병렬, 전기적으로 병렬인 본 발명에 따른 열전 모듈의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열전 장치의 치수를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 초격자(superlattice) 열전 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 열전 모듈의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 열전 모듈의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 열전 모듈의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 열전 모듈의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 열전 모듈의 제조 단계를 도시한 단면도이다.
본 발명의 하나의 목적은 개량된 열전 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전 장치의 제조를 단순화시키는 데 있다.
이러한 목적 및 다른 목적들은 열원 부재와, 상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 하나의 전도 방식의 제1 열전 소자와, 상기 열원 부재의 일측면에 반대인 열원 부재의 타측면 상에 접속되어 있는 동시에 상기 하나의 전도 방식에 반대인 전도 방식의 제2 열전 소자를 포함하는 열전 장치에 의해 달성된다.
제1 히트 싱크는 상기 제1 열전 소자에 부착될 수 있고, 또한 제2 히트 싱크는 상기 제2 열전 소자에 부착될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열전 소자에 접점이 형성되어도 좋다. 상기 제1 및 제2 열전 소자는 상기 제1 및 제2 열전 소자를 통한 전류 흐름의 방향이 상기 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열전 소자는 각각 벌크 소자, 박막 소자 혹은 초격자 소자일 수 있다.
본 발명의 목적을 또한 제1 전도 방식의 제1 열전 소자와, 상기 제1 전도 방식과 반대인 전도 방식의 제2 열전 소자와, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 사이에 배치된 열원 부재를 포함하는 열전 장치에 의해 달성된다.
상기 제1 및 제2 열전 소자에는 접점이 형성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 열전 소자와 상기 접점은 상기 제1 및 제2 열전 소자를 통한 전류 흐름의 방향이 상기 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있다.
제1 히트 싱크는 상기 제1 열전 소자에 부착될 수 있고, 또한 제2 히트 싱크는 상기 제2 열전 소자에 부착될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열전 소자는 각각 벌크 소자, 박막 소자 혹은 초격자 소자일 수 있다.
본 발명의 목적은 또한 열원 부재와, 상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 단 하나의 전도 방식의 복수 개의 제1 열전 소자와, 상기 열원 부재의 일측면에 반대인 열원 부재의 타측면 상에 접속되어 있는 동시에 상기 하나의 전도 방식에 반대인 전도 방식의 복수 개의 제2 열전 소자를 포함하는 열전 장치에 의해 달성된다.
제1 히트 싱크는 상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각에 부착될 수 있고,제2 히트 싱크는 상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각에 부착될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열전 소자와 상기 접점은, 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각각의 쌍을 통한 전류 흐름의 방향이 상기 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 열전 소자는 각각 벌크 소자, 박막 소자 혹은 초격자 소자일 수 있다.
본 발명의 목적은 하나의 전도 방식의 열전 소자들만이 열원 부재의 양측면 중 각각에 있게 되도록 열원 부재의 양측면에 제1 및 제2 열전 소자들을 배치하는 단계를 포함하는 열전 장치를 조작하는 방법에 의해 달성될 수 있다. 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각 쌍을 통한 전류의 흐름을 초래하도록 각각의 열전 소자들과 열원 부재 사이에 접점을 배치할 수 있다.
본 발명의 보다 완벽한 이해와 본 발명의 부수적인 여러 장점들은 첨부 도면과 관련하여 고찰한 이하의 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 쉽게 이해될 것이다.
도면을 참조하면, 전체의 도면을 걸쳐 같은 참조 번호는 동일하거나 일치하는 구성 부품들을 지시하며, 보다 구체적으로 도 2에는 본 발명의 제1의 실시예에 따른 장치가 도시되어 있다. 도 2는 전압 극성(+, -)이 냉각용으로 도시되어 있는 장치의 개략적인 도면이다. 이 도면은 축척으로 도시된 것이 아니지만 상기 장치의 특징들을 나타내기 위해 도시된 것임을 주목해야 한다. 구성 요소들의 치수는 이하에서 설명될 것이지만, 본 발명은 이러한 특정의 치수에만 한정되는 것은 아니다.상기 장치는 냉각 헤더(cooling header)의 양측면 상에 배치된 복수 개의 열전 소자를 포함한다. p형 열전 소자(27)는 펠티어 접합 금속배선(Peltier junction metalization)(28)에 의해 제1 히트 싱크(29) 상의 전기 리드선(30)에 그 일측면이 접속되어 있다. 상기 펠티어 접합 금속배선은 전기적으로 도전성이 있다. 상기 p형 열전 소자(27)는 펠티어 접합 금속배선(26)에 의해 열원(헤더)(25) 상의 접점(31)에 그 타측면이 접속되어 있다. n형 열전 소자(23)는 펠티어 접합 금속배선(22)에 의해 히트 싱크(20) 상의 전기 리드선(21)에 그 일측면이 접속되어 있다. 상기 n형 열전 소자(23)는 펠티어 접합 금속배선(24)에 의해 열원(25) 상의 접점(31)에 그 타측면이 접속되어 있다.
n형 및 p형 열전 소자들은 유기금속 화학 증착법(MOCVD), 화학 증착법(CVD), 분자선 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy) 및 다른 에피택셜/비에피택셜 프로세스 등의 기술을 이용하여 기판 상에 성장 혹은 증착 혹은 전달된 수 미크론 내지 수십 미크론 범위의 두께의 박막이다. 상기 박막은 박막 초격자 혹은 비초격자 열전 재료, 양자-우물(quantum-well)(2차원으로 양자 구속 타입) 및 양자-도트(quantum-dot)(3차원으로 양자 구속 타입) 구조의 재료, 그리고 비 양자 구속(non-quantum-confined) 재료로 구성될 수 있다. 또한, 벌크 재료(bulk material)로부터 박리되는 재료를 사용해도 좋다.
상기 헤더(17)의 양측면 상에 p형 및 n형 열전 소자(13, 19)를 구비하도록 함으로써 얻게 되는 장점은 히트 소스 헤더의 일측면 상의 모든 p형 소자들의 배치와 이에 대응하게 히트 소스 헤더의 타측면 상의 n형 소자들의 배치를 단순화시키는 데 있다.
열원(25)으로부터 나오는 에너지는 펠티어 접합부에 인터페이스로 접속/연통(interfaced/communicated) 된다. 이것은 공기의 흐름이나 다른 높은 열전달 계수의 액체, 예컨대 물이나 탄화불소 유체의 흐름에 의해 달성될 수 있다. 이것은 도 3에 도시되어 있다. 열은 예컨대, 금속배선(24, 26)에 의해 형성된 펠티어 접합부에서 열원 유체로부터 병렬식(화살표 32로 개략적으로 표시됨)으로 흡수된다. 헤더(20, 29) 상에 평행하게 쌓인 열은 제거된다(화살표 33 과 34로 각각 개략적으로 표시됨). 도 3에 도시된 이러한 배치에 있어서, 전류는 금속(28)에서 p형 열전 소자(27)를 통해, 펠티어 접합부를 통해 그리고 n형 열전 소자(23)를 통해 금속(22)으로 흐른다. p형 열전 소자(27)는 Bi2Te3/Sb2Te3초격자 혹은 Si/Ge 초격자 등의 p형 재료로 구성될 수 있으며, n형 열전 소자(23)는 Bi2Te3/Bi2Te3- xSex초격자 혹은 Si/Ge 초격자 등의 n형 재료로 구성될 수 있다. 개개의 초격자 층들 사이에서 교번하는 격자 상수를 지닌 열전 재료로 이루어진 다른 적절한 초격자가 또한 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 배치는 미국 특허 제6,300,150호에 개시된 바와 같이 헤더의 동일한 측면 상에서 n형 및 p형 요소들의 혼합(intermingling)과 관련한 문제점을 해결한다. 이러한 문제의 해결로 인해, p-n 커플(couple), 나아가 풀-스케일(full-scale) 모듈을 생성하기 위해 p형 및 n형 열전 소자들의 어셈블리에서 실질적인 장점이 도출될 수 있다. 이것은 또한 고밀도(large-scale) 웨이퍼를 사용하는 데에도더욱 편리하게 만들 수 있다. 예컨대, 유사한 형태의 열전 재료의 증착, 증착된 열전 재료의 패턴화, 그리고 이에 후속하는 금속화는 동일한 열전 장치의 웨이퍼 상에서 일어날 수 있다. 상기 장치 웨이퍼는 적절한 열전도율을 가질 경우 헤더 자체를 구성할 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 증착된 장치의 층들은 장치 웨이퍼로부터 제거되고 또 헤더 상에 접착될 수 있다.
상기 열전 소자들은 모듈을 형성하도록 다수의 형상으로 배치될 수 있다. 열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 양면 펠티어 접합 모듈을 도시한 도 4에 그 일례가 예시되어 있다. 상기 헤더의 동일한 측면 상에 형성된 동일한 전도 방식의 요소들을 구비하는 3개의 열전 장치(40, 41, 42)가 열원(44)과 히트 싱크(헤더)(43, 45)에 접속되어 있다. 열의 움직임은 개략적으로 화살표로 도시되어 있다. 이 전압 극성(+, -)의 배열은 냉각용으로 도시되어 있다.
열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 양면 펠티어 접합 모듈의 또 다른 예가 도 5에 도시되어 있다. 이 모듈은 열원(헤더)(54)과 히트 싱크(헤더)(53, 55)에 접속된 열전 장치(50, 51, 52)를 포함한다. 열전달은 화살표로 표시되어 있다. 상기 헤더에 대한 상기 장치의 n 및 p형 소자의 배향은 교체될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 전술한 "혼합(intermingled)" 형상에서, 도 4에 제안된 양면 펠티어 접합 개념에 따라 헤더의 동일한 측면 상에서 종래의 p형 및 n형의 연장부인 장치(50)의 n형 소자는 상호 접속부(56)에 의해 장치(51)의 p형 소자에 접속되어 있으며, 장치(51)의 n형 소자는 상호 접속부(57)에 의해 장치(52)의 p형 소자에 접속되어 있다. 여기서, 전기 리드선(56, 57)은 인접하는 장치들 사이에서 전기적 상호접속을 제공한다. 이러한 전기 리드선이나 상호 접속부들은 필요에 따라 헤더(53, 55)에서 컴팩트한 동축의 전기 지그(jig)를 통해 경로가 정해질 수 있다는 것에 주목해야 한다. 전기적인 경로를 지정하는 것은 도 4의 모듈의 경우보다 더 간단하다. 더욱이, 동일한 경우, 이러한 전기 리드선은 이 전기 리드선이 히트 싱크 쪽에 있는 한 열의 "발열체(radiator)"로서 사용될 수 있다. 예컨대, 미국 특허 출원번호 제10/169,721호를 참조하기 바라며, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에서 관련 기술로서 합체되어 있다.
미국 특허 제6,300,150호에 개시된 열 적으로 병렬이고, 전기적으로 직렬인 단일면 펠티어 접합 열전 모듈에 비해 도 5에 도시된 바와 같은 열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 열전 모듈의 잠재적인 하나의 장점은 펠티어 접합에서의 상호 접속부 저항이 상당히 감소될 수 있다는 것이다. 이러한 상호 접속부 저항의 감소는 본 발명에서 펠티어 금속배선을 통해 흐르는 전류가 열전 소자를 통해 흐르는 전류의 방향을 따른다는 사실로부터 도출된다. 이것은 측면 방향에 비해 수직 방향으로 저항을 감소시키기가 더 용이하다는 사실로부터 쉽게 이해할 수 있다.
열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 양면 펠티어 접합 열전 모듈이 도 6에 도시되어 있다. 장치(60, 61, 62)들은 히트 싱크(헤더)(63, 65)와 열원(헤더)(64)에 접속되어 있다. 열 흐름은 화살표로 표시되어 있다. 장치(60-62)의 각각의 p형 소자는 상호 접속부(66)에 접속되어 있고, 장치(60-62)의 각각의 n형 소자는 상호 접속부(67)에 접속되어 있다. 이러한 배치는 전류 요구 조건이 낮을 때 낮은-T(낮은 냉각 온도 요구 조건 혹은 대기로부터 낮은 가열 온도 요구 조건) 시스템에 특히유용할 수 있다. 낮은 전류 요구 조건은 전술한 바와 같이 장치의 병렬식 확립(parallel confirmation)으로 충족될 수 있지만, 전기적인 경로를 정하는 것은 또한 도 4의 장치에 비해 현저하게 더 간단해진다.
양호하게는, 상기 p형 및 n형 열전 소자들은 벌크 재료 혹은 박막 재료로 형성된다. 상기 장치들은 용례에 알맞은 임의의 치수일 수 있다. 도 7은 일반적인 열전 소자의 치수를 도시하고 있다. 도 7에서, p형 열전 소자(70)는 접점(71, 72) 사이에 접속되어 있다. 박막형 장치에 있어서, l은 약 1.0 ㎛ 내지 1000 ㎛, w는 약 10 ㎛ 내지 1000 ㎛, 그리고 h는 약 1.0 ㎛ 내지 1000 ㎛의 범위에 속한다. 벌크 장치의 경우, l, h 및 w는 각각 통상 1 mm이다. n형 열전 소자에 대한 기본적인 치수는 성능 지수(figure-of-merit)(ZT), 열전도율(K), 그리고 전체의 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 Venkatasubramanian 등의 명의의, Nature, 제413권, 제597-602면(2001. 10. 11일자)에 개시되어 있는 바와 같이 n형 및 p형 소자의 제벡(Seebeck) 계수(∝) 및 전기 전도도(σ) 등의 다른 파라미터에 따라 p형 열전 소자에 대한 기본적인 치수와 유사한 것으로 예측된다. 본 명세서에서는 열전 소자의 단면이 직사각형인 것으로 도시되어 있지만, 원형 단면 또는 다른 단면을 또한 사용할 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시된 열전 소자의 상기 치수 l 과 w, 열원 플레이트의 깊이, 그리고 이에 대응하는 히트 싱크 플레이트의 치수들은 열전달 계수를 최적화시키도록 설정될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이 펠티어 금속배선(71, 72)의 높이는 더 양호한 열전달을 위해 열원 플레이트의 높이와 상이하게 만들 수 있다(예컨대, 소자(71)의 높이 ≒ 소자(28, 30)의 높이를 더한 높이, 그리고 소자(72)의 높이 ≒ 소자(22, 31)의 높이를 더한 높이). 예컨대, 열원 플레이트의 높이가 더 높을수록 더 용이한 유체 흐름을 유발할 수 있는 반면(채널의 높이는 열원 플레이트 내에서 펠티어 금속의 높이임), 펠티어 금속배선의 높이가 더 작아질수록 더 낮은 펠티어 금속배선의 전기 저항을 유발할 수 있다.
본 발명에 따른 n형 및 p형 열전 소자의 또 다른 예가 도 8에 도시되어 있다. n형 열전 소자(83)는 펠티어 금속배선(82)에 의해 히트 싱크(헤더)(80)의 전기 리드선(81)에, 그리고 펠티어 금속배선(84)에 의해 열원(헤더)(85)의 전기 리드선(91)에 접속되어 있는 초격자 열전 소자(평행선들에 의해 개략적으로 도시됨)이다. p형 열전 소자(87)는 펠티어 금속배선(88)에 의해 히트 싱크(헤더)(89)의 전기 리드선(90)에, 그리고 펠티어 금속배선(86)에 의해 열원(헤더)(85)의 전기 리드선(91)에 접속되어 있는 초격자 열전 소자이다. 초격자 n형 및 p형 열전 소자들에 있어서, 전류 흐름은 초격자 인터페이스를 통해 수직이거나 대략 수직이다는 것에 주목해야 한다. 전류는 p형 열전 소자에서 n형 열전 소자로 진행하는 동안 펠티어 접합 금속배선을 통해 동일한 방향으로 계속 흐른다. 초격자 열전 소자들은 도 4 내지 도 6에 도시된 것과 같은 임의의 구조에 사용되어도 좋다.
본 발명에 따른 장치는 펠티어 접합 금속배선 저항을 낮출 수 있으며, 그리고 현저한 손실 없이 작동(열전달) 유체와 펠티어 접한 금속배선 사이에서 효율적인 열 전달을 달성할 수 있다. 양면 펠티어 접합 구조를 이용하여 효과적으로 복사 및 대류 열 손실을 줄일 수 있다. 상기 p형 및 n형 열전 소자는 또한 양자-구속(quantum-confined) 구조 혹은 양자-도트(quantum-dot) 초격자 재료일 수 있다. 이러한 재료는 또한 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 형상으로 배열될 수 있다. 본 발명에 따른 열전 장치는 또한 AlN, Al2O3, 다이아몬드, BeO 등의 열 스프레더(spreader)/플레이트, 혹은 양호한 열전도율을 갖는 다른 재료와 함께 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 장치는 또한 캐스캐이딩(cascading) 혹은 다단 열전 냉각기 개념과 조합될 수 있다. 예컨대, 전체 내용이 본 명세서에 합체되어 있는 미국 특허 제6,505,468호를 참조하기 바란다.
냉각 이외에, 전술한 장치들은 전력 전환(power conversion)에도 응용할 수 있다. 도 1 내지 도 8에서는, 열은 히트 싱크 플레이트보다 더 고온인 열원 플레이트 내에 흡수되고 히트 싱크 플레이트에 배치될 것이기 때문에 외부 전류를 생성한다. 이것은 열전 장치가 소정의 모드에서 작동할 때 냉각기나 히터에 전류 공급원으로 제공되는 구조와 대조를 이룬다.
이러한 장치들은 도 9 내지 도 13에 도시된 것과 같이 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 제조에 사용하기 위해 미국 특허 제6,300,150호에 개시된 제조 방법을 응용 및/또는 채택할 수 있다. 도 9에서, 대응하는 펠티어 금속배선(104-106)을 지닌 열전 소자(101-103)를 구비하는 기판(100)의 단면도가 도시되어 있다. 이 열전 소자들은 n형 혹은 p형 일 수 있고, 또 벌크, 박막 혹은 초격자 타입의 소자일 수 있다. 상기 열전 소자들은 통상적으로 개시된 기법을 사용하여 기판(100) 상에서 층으로서 형성된다. 그 다음, 펠티어 금속배선의 층은 상기 기판 상의 층에형성될 수 있다. 개개의 소자(101-103)들은 포토리소그래피 및 에칭 등의 표준 패턴화 기법(standard patterning technique)을 사용하여 희망하는 치수로 형성된다. 상기 소자들은 매트릭스와 같은 임의의 패턴으로 형성될 수 있다.
접속부(108, 109, 110)를 포함하여 소정 패턴의 접속부를 구비하는 히트 싱크(냉각 헤더)(107)는 펠티어 금속배선(104-106)을 통해 상기 소자들에 부착된다. 상기 접속부(108-110) 및 금속배선(104-106)은 가능한 저항이 낮은 전지 접점을 형성한다. 헤더(107) 상의 접속부들은 희망에 따라 열전 소자들에 접속부 및/또는 상호 접속부를 제공하기 위해 소정의 패턴을 형성한다. 상기 기판은 그 다음 도 11에 도시된 바와 같이 제거되고, 금속배선(111, 112, 113)을 형성하는 제2 펠티어 금속배선은 기판(100)이 제거될 열전 소자쪽에 형성된다. 그 대안으로, 열전 소자들의 적어도 몇몇은 직접 헤더(107) 상에 증착될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열전 소자의 재료가 증착되거나 에칭 처리될 기판은 서셉터를 포함하는 장치에서 증착에 의해 전구체(precursor, 예컨대, 금속-유기체) 크래킹 온도(cracking temperature)보다 낮은 온도로 유지되며, 상기 서셉터는 석영 등의 낮은 열전도율을 지닌 광투과성 물질로 구성되고 기판이 탑재될 분리기를 구비한다. 상기 서셉터는 전구체 크래킹 온도로 가열되는 반면에, 기판은 분리기에 의해 낮은 증착 온도로 유지된다. 상기 기판은 분리기를 통해 기판으로 전달된 흑체(black body) 복사에 의해 가열된다. 전술한 미국 특허 제6,071,351호에 개시된 것과 같은 방법에 의해, 열전 재료는 헤더 상에 증착될 수 있다. 본 발명에 따른 헤더는 반도체 웨이퍼 자체를 포함할 수 있으며, 이러한 저온 기법에 의해 집적 회로 소자 혹은 전력 스위칭 소자를 포함하는 처리된 반도체 웨이퍼일 수 있다.
그 다음 접속부(115, 116, 117)를 구비하는 열원(헤더)(114)은 금속배선(111-113)을 통해 도 12에 도시된 봐와 같이 열전 소자들에 부착된다. 상기 헤더(114) 내의 접속부는 열전 소자(101-103)들을 헤더(114)의 반대편에 배열될 열전 소자들에 접속하기 위해 희망하는 패턴으로 배치된다.
열전 소자(101-103)에 정반대의 전도 방식을 갖는 타입의 또 다른 열전 소자들의 세트는 도 9 내지 도 11에서 전술한 바와 같은 동일한 방법으로 설치된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 제2 세트의 열전 소자(121, 122, 123)들은 펠티어 금속배선(124, 125, 126)을 통해 히트 싱크(헤더)(127)의 접점(128, 129, 130)에 부착된다. 상기 열전 소자(121-123)들은 펠티어 금속배선(118, 119, 120)을 통해 헤더(114)의 접속부(115-117)에 부착된다. 그 대안으로, 열전 소자와 펠티어 금속 배선의 적어도 몇몇은 헤더(127) 상에 직접 증착될 수 있다. 상기 헤더 접속부의 상이한 패턴이 열전 소자의 직렬 혹은 병렬의 전기 접속부를 생성할 수 있다.
추가적으로, 본 발명은 전술한 미국 가출원번호 제60/428,753호에 개시된 바와 같이 단극형 커플(unipolar couple)의 각 단부를 가로질러 매우 높은 온도차를 달성하기 위해 2 개의 전기 단자와 3 개의 온도 단자를 갖는 단극형 p-p 혹은 n-n형 커플을 이용하는 트랜스써미스터(transthermistor)를 열전 장치용으로 사용할 수 있다. 예컨대, p-p형 트랜스써미스터 단극형 커플은, 비록 완전한 모듈이 p-p 혹은 n-n 단극형 트랜스써미스터 커플 세트와 함께 구성될 수 있지만, 모듈 소자로 용이하게 통합되도록 n-n 트랜스써미스터 단극형 커플과 조합하여 사용될 수 있다.이러한 단극형 트랜스써미스터 소자의 장점 중에는, 높은 성능 지수(ZT)를 지닌 p형 혹은 n형 열전 소자와 같은 단지 하나의 방식의 단극형 소자를 사용하는 것이 포함된다. 전류는 단극형 소자들의 쌍의 각각을 가로질러 온도차가 형성되도록 단극형 소자의 쌍을 통해 양방향으로 구동된다. 예컨대, 본 발명에 있어서, 모듈은 종래의 p-n형 커플을 형성하기 위해 300K에서 성능 지수(ZT)가 -1.2 내지 1.9인 n형 Bi2Te3을 기반으로 한 초격자 열전 소자와 결합시키는 대신 300K에서 성능 지수(ZT)가 -2.5인 단지 p형 Bi2Te3/Sb2Te3초격자 열전 소자만을 사용하여 제조될 수 있다. 그 대안으로, 본 발명은 300K에서 성능 지수(ZT)가 매우 낮은 p형 PbTe를 기반으로 한 초격자 열전 소자와 결합시키는 대신 300K에서 성능 지수(ZT)가 -1.6인 단지 n형 PbTeSe/PbTe 양자-도트 초격자 열전 소자만을 사용할 수 있다. 이러한 접근법에 있어서, 도 2에 도시된 열전 소자(27)는 n형 열전 소자로 구성되며, 전류는 열원(25)을 확실히 냉각시키기 위해 열전 소자(27, 23)를 통해 양방향으로 구동될 수 있다.
본 발명의 양면 펠티어 접합 장치에 수많은 응용을 적용할 수 있다. 이러한 응용으로는 실온에 가까운 냉각 응용(예컨대, 냉동기 및 에어 컨디셔닝 유닛 및 다른 냉각 장치에서 압력을 기초로 한 냉각 엔진의 교체, 반도체 IC 및 전원 장치의 열 관리에서 강제 공냉의 교체 혹은 추가, 그리고 액체상 변화 냉각의 교체 혹은 추가 등) 뿐만 아니라 극저온 냉각 응용에도 확대될 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 하나의 응용으로 전기 모터와 발전기에 설치된 초전도 코일(superconductioncoil)을 냉각하는 것이 있다. 이 경우, 본 발명의 열전 장치는 초전도 코일과 열 적으로 접촉 상태로 놓이게 된다. 초전도 코일과의 열 접촉은 미국 특허 제6,505,468호에 개시된 기술과 유사하게 이루어진다. 전력 소모가 큰 산업용 모터와 발전기는 초전도 코일을 사용하면 매우 유리할 수 있다. 산업용 모터와 발전기에 초전도 코일을 응용함으로써 회전자의 저항 손실을 상당히 줄이게 된다(즉, I2R). I2R 손실의 감소는 초전도 코일의 냉각에 필요한 여분의 동력을 보충하는 것 이상이다. 몇몇 고온 초전도체는 자계의 존재 하에서 (전기 모터 혹은 발전기 등) 77K의 액체 질소 온도로 초전도되고 있는 동안 이러한 액체 질소 초전도체의 전류 운반 능력은 저하된다. 따라서, 초전도 코일을 30 내지 50K로 유지하기 위해 자계의 존재 하에서 전류 운반 능력이 저하되지 않는 고가의 액체 헬륨(4.2K의 온도에서)이 사용된다.
더욱 구체적으로 말하면, 본 발명의 양면 펠티어 접합 장치는 냉각 혹은 전력 헤더로서 집적 회로 칩 혹은 전력 스위칭 소자의 이면(裏面)과 열적으로 접촉 상태로 사용될 수 있다. 이면, 특히 그것이 전기적으로 도전성인 이면은 전류를 열전 소자로 구속하기 위해 적절하게 변형될 필요가 있다. 적절한 준비의 일례로는 칩의 이면에서의 p-n 접합 격리이며, 그것에 따라 전류는 의도한 열전 전기 소자를 통해 즉, 그 소자에 구속되고 칩 이면의 전도에 의한 분로(分路)를 만들지 않고 흐르게 된다. 전류의 유사한 구속을 달성하기 위해 상기 이면의 다른 변형이 가능할 수 있다. 그 다음, 이면은 열을 추출하기 위해 사용될 수 있고, 이 열은 발전 등의다른 목적을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 열을 이용하여 발생된 전력은 다른 회로 혹은 다른 냉각 장치로 공급하는 데 사용될 수 있다.
그 대안으로, 집적 회로 칩 혹은 반도체 전력 스위칭 소자의 상기 이면 혹은 전면은 본 발명의 양면 펠티어 접합 장치에 열적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 수많은 변형 및 수정은 전술한 교시의 견지에서 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위 내에서 본 명세서에서 구체적으로 한정한 것 이상으로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (50)

  1. 열원 부재(heat source member)와;
    상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 하나의 전도 방식의 제1 열전 소자(thermoelectric element)와;
    상기 열원 부재의 타측면 상에 설치되어 있는 동시에 상기 하나의 전도 방식과 반대인 전도 방식의 제2 열전 소자
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 열전 소자들은 상기 열원 부재의 두께를 가로질러 접속되는 것인 열전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 제2 열전 소자에 부착된 제2 히트 싱크를 더 포함하는 열전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자 상에 형성되고 상기 제1 열전 소자와 상기 열원 부재 사이에 접속되어 있는 제1 금속 접점과;
    상기 제2 열전 소자 상에 형성되고 상기 제2 열전 소자와 상기 열원 부재 사이에 접속되어 있는 제2 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열원 부재 내에 형성되고 상기 제1 및 제2 금속 접점에 접속되어 있는 제3 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 접점의 각각은 펠티어 금속 접점을 포함하는 열전 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 제2 열전 소자에 부착된 제2 히트 싱크와;
    상기 제1 열전 소자 상에 형성되고 상기 제1 열전 소자와 상기 제1 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제3 금속 접점과;
    상기 제2 열전 소자 상에 형성되고 상기 제2 열전 소자와 상기 제2 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제4 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자와 상기 제1 및 제2 금속 접점은, 상기 제1 및 제2 열전 소자를 통한 전류 흐름의 방향이 상기 제1 및 제2 금속 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치되어 있는 것인 열전 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 벌크 소자, 박막 소자 및 초격자 소자 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 초격자 소자는 Bi2Te3/Sb2Te3초격자 혹은 Si/Ge 초격자 중 하나 이상을 포함하는 열전 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 초격자 소자는 상기 열원 부재에 평행하게 배치된 상이한 열전 재료들로 구성되는 동시에 1보다 큰 성능 지수(ZT)를 갖는 층들을 포함하는 열전 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 양자-우물(quantum-well) 재료 및 양자-도트(quantum-dot) 구조의 재료 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 열원 부재는 냉각 유닛과 에어 컨디셔닝 유닛 중 하나 이상에서 열교환기에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 열원 부재는 초전도 소자에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 열원 부재는 집적 회로와 반도체 전력 스위칭 소자 중 하나 이상에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  15. 제1 전도 방식의 제1 열전 소자와;
    상기 제1 전도 방식과 반대인 전도 방식의 제2 열전 소자와;
    상기 제1 및 제2 열전 소자를 열원 부재의 두께를 가로질러 전기적으로 접속시키도록 상기 제1 및 제2 열전 소자들 사이에 배치된 열원 부재
    를 포함하는 열전 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자 상에 형성되어 상기 제1 열전 소자와 상기 열원 부재에 접촉하는 제1 금속 접점과;
    상기 제2 열전 소자 상에 형성되어 상기 제2 열전 소자와 상기 열원 부재에 접촉하는 제2 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 열원 부재 내에 형성되고 상기 제1 및 제2 금속 접점에 접속되어 있는 제3 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 접점의 각각은 펠티어 금속 접점을포함하는 열전 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 제2 열전 소자에 부착된 제2 히트 싱크와;
    상기 제1 열전 소자 상에 형성되고 상기 제1 열전 소자와 상기 제1 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제3 금속 접점과;
    상기 제2 열전 소자 상에 형성되고 상기 제2 열전 소자와 상기 제2 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제4 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자와 상기 제1 및 제2 금속 접점은, 상기 제1 및 제2 열전 소자를 통한 전류 흐름의 방향이 상기 제1 및 제2 금속 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치되어 있는 것인 열전 장치.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 제2 열전 소자에 부착된 제2 히트 싱크를 포함하는 열전 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각각은 벌크 소자, 박막 소자 및 초격자 소자 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  23. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 벌크 소자, 박막 소자 및 초격자 소자 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 초격자 소자는 Bi2Te3/Sb2Te3초격자 혹은 Si/Ge 초격자 중 하나 이상을 포함하는 열전 장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 초격자 소자는 열원 부재에 평행하게 배치된 상이한 열전 재료들로 구성되는 동시에 1 보다 큰 성능 지수(ZT)를 갖는 층들을 포함하는 열전 장치.
  26. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 양자-우물 재료 및 양자-도트 구조의 재료 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  27. 제15항에 있어서, 상기 열원 부재는 냉동 유닛과 에어 컨디셔닝 유닛 중 하나 이상에서 열교환기에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  28. 제15항에 있어서, 상기 열원 부재는 초전도 소자에 열적으로 접속되어 있는것인 열전 장치.
  29. 제15항에 있어서, 상기 열원 부재는 집적 회로와 반도체 전력 스위칭 소자 중 하나 이상에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  30. 열원 부재와;
    상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 하나의 전도 방식의 복수 개의 제1 열전 소자와;
    상기 열원 부재의 타측면 상에 설치되어 있는 동시에 상기 하나의 전도 방식과 반대인 하나의 전도 방식의 복수 개의 제2 열전 소자
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 제1 열전 소자와 상기 복수 개의 제2 열전 소자들은 상기 열원 부재의 두께를 가로질러 접속되는 것인 열전 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각에 부착된 제2 히트 싱크를 더 포함하는 열전 장치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각에 형성되고 상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각과 상기 열원 부재 사이에 접속되어 있는 제1 금속 접점과;
    상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각에 형성되고 상기 복수 개의 제2 열전 소자와 상기 열원 부재 사이에 접속되어 있는 제2 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 열원 부재 내에 형성되고 상기 제1 및 제2 금속 접점에 각각 접속되어 있는 복수 개의 제3 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 접점의 각각은 펠티어 금속 접점을 포함하는 열전 장치.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각에 부착된 제1 히트 싱크와;
    상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각에 부착된 제2 히트 싱크와;
    상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각에 형성되고 상기 복수 개의 제1 열전 소자의 각각과 상기 제1 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제3 금속 접점과;
    상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각에 형성되고 상기 복수 개의 제2 열전 소자의 각각과 상기 제2 히트 싱크 사이에 접속되어 있는 제4 금속 접점을 더 포함하는 열전 장치.
  36. 제32항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자와 상기 제1 및 제2 금속 접점은, 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각 쌍을 통한 전류 흐름의 방향이 상기 제1 및 제2 금속 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일하도록 배치되어 있는 것인 열전 장치.
  37. 제30항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각각은 벌크 소자, 박막 소자 및 초격자 소자 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  38. 제30항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 및 제2 열전 소자는 열적으로 병렬, 전기적으로 직렬인 배열로 상호 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  39. 제30항에 있어서, 상기 복수 개의 제1 및 제2의 열전 소자는 열적으로 병렬, 전기적으로 병렬인 배열로 상호 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  40. 제30항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 벌크 소자, 박막 소자 및 초격자 소자 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  41. 제40항에 있어서, 상기 초격자 소자는 Bi2Te3/Sb2Te3초격자 혹은 Si/Ge 초격자 중 하나 이상을 포함하는 열전 장치.
  42. 제40항에 있어서, 상기 초격자 소자는 열원 부재에 평행하게 배치된 상이한 열전 재료들로 구성되는 동시에 1 보다 큰 성능 지수(ZT)를 갖는 층들을 포함하는 열전 장치.
  43. 제30항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들 중 하나 이상은 양자-우물 재료 및 양자-도트 구조의 재료 중 하나를 포함하는 열전 장치.
  44. 제30항에 있어서, 상기 열원 부재는 냉각 유닛과 에어 컨디셔닝 유닛 중 하나 이상에서 열교환기에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  45. 제30항에 있어서, 상기 열원 부재는 초전도 소자에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  46. 제30항에 있어서, 상기 열원 부재는 집적 회로와 반도체 전력 스위칭 소자 중 하나 이상에 열적으로 접속되어 있는 것인 열전 장치.
  47. 열원 부재와;
    상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 소정의 전도 방식의 제1 열전 소자와;
    상기 열원 부재의 타측면 상에 설치되어 있는 동시에 상이한 전도 방식의 제2 열전 소자
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 열전 소자들은 상기 열원 부재의 두께를 가로질러 접속되며,
    상기 제1 및 제2 열전 소자는 상기 열전 소자의 각각을 가로지르는 온도차를 형성하기 위해 서로 반대되는 전류 흐름을 갖는 것인 열전 장치.
  48. 하나의 전도 방식의 열전 소자들만이 열원 부재의 양측면 중 각각에 설치되도록 열원 부재의 양측면에 열원 부재의 두께를 가로질러 접속된 제1 및 제2 열전 소자들과, 상기 열전 소자들의 각각과 상기 열원 부재 사이의 금속 접점을 구비하는 열전 장치를 조작하는 방법으로서,
    상기 금속 접점을 통한 전류 흐름의 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 상기 제1 및 제2 열전 소자의 각 쌍을 통한 전류의 흐름을 초래하는 단계를 포함하는 열전 장치의 조작 방법.
  49. 열원 부재와, 상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 제1 전도 방식의 제1 열전 소자와, 상기 열원 부재의 타측면 상에 설치되어 있는 동시에 제2 전도 방식의 제2 열전 소자를 포함하는 열전 장치로서, 상기 제1 및 제2 열전 소자들이 상기 열원 부재의 두께를 가로질러 접속되는 것인 상기 열전 장치를 제조하는 방법으로서,
    서셉터가 전구체 크래킹 온도보다 낮은 온도로 유지되는 제1 증착 시스템 내에서 상기 제1 열전 소자의 적어도 일부로서 제1 열전 재료를 증착시키는 단계와;
    서셉터가 전구체 크래킹 온도보다 낮은 온도로 유지되는 제2 증착 시스템 내에서 상기 제2 열전 소자의 적어도 일부로서 제2 열전 재료를 증착시키는 단계
    를 포함하는 열전 장치의 제조 방법.
  50. 열원 부재와, 상기 열원 부재의 일측면에 접속되어 있는 제1 전도 방식의 제1 열전 소자와, 상기 열원 부재의 타측면 상에 설치되어 있는 동시에 제2 전도 방식의 제2 열전 소자를 포함하고, 상기 제1 및 제2 열전 소자들이 상기 열원 부재의 두께를 가로질러 접속되어 있는 열전 장치로서, 상기 열전 장치는,
    서셉터가 전구체 크래킹 온도보다 낮은 온도로 유지되는 제1 증착 시스템 내에서 상기 제1 열전 소자의 적어도 일부로서 제1 열전 재료를 증착시키는 단계와;
    서셉터가 전구체 크래킹 온도보다 낮은 온도로 유지되는 제2 증착 시스템 내에서 상기 제2 열전 소자의 적어도 일부로서 제2 열전 재료를 증착시키는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 것인 열전 장치.
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