KR20110119334A - 열전 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

열전 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20110119334A
KR20110119334A KR1020100038972A KR20100038972A KR20110119334A KR 20110119334 A KR20110119334 A KR 20110119334A KR 1020100038972 A KR1020100038972 A KR 1020100038972A KR 20100038972 A KR20100038972 A KR 20100038972A KR 20110119334 A KR20110119334 A KR 20110119334A
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thermoelectric
thermoelectric element
fluid flow
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KR1020100038972A
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이성호
김용석
구태곤
오용수
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삼성전기주식회사
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing

Abstract

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 및 제 2 기판의 내측면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자;를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 배치된 절연층과 내부에 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 구비하는 열전 모듈 및 이의 제조 방법을 개시한다.

Description

열전 모듈 및 이의 제조방법{Thermoelectric module and method for manufacturing the same}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 내부에 구비하는 적어도 하나의 기판을 포함하는 열전 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석에너지 사용의 급증은 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제를 야기시키고 있어, 최근 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 열전 모듈에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
여기서, 열전모듈은 열전소자의 양단에 온도차를 부여할 경우 기전력이 발생하는 제백(seebeck) 효과를 하는 발전장치 또는 열전소자에 직류를 인가할 경우 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어(peltier)효과를 이용하는 냉각장치로 이용될 수 있다.
이와 같은 열전모듈은 상하부 전극과, 상하부 전극 사이에 배치된 열전소자를 포함할 수 있다. 여기서, 상하부 전극의 각 상면에는 열전 모듈을 지지하기 위한 기판이 배치된다. 이때, 기판은 우수한 전기 절연성을 갖는 알루미나 기판을 주로 사용되고 있다.
그러나, 알루미나 기판은 낮은 열전도도를 가짐에 따라, 열전모듈의 열전 성능 및 전열 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 열전 모듈에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 구체적으로 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 내부에 구비하는 적어도 하나의 기판을 포함하여, 기판을 통한 방열 효과를 증대시켜 효율을 증대시킬 수 있는 열전 모듈 및 이의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 열전 모듈을 제공하는 것이다. 상기 열전 모듈은 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판; 상기 제 1 및 제 2 기판의 내측면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자;를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 배치된 절연층과 내부에 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 절연층은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연층의 두께 범위는 0.2㎛ 내지 10㎛를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 개재할 수 있다.
또한, 상기 열전소자는 상기 제 1 및 제 2 전극과 솔더에 의해 서로 접합될 수 있다.
또한, 상기 유체 흐름 라인의 진행방향과 상기 제 1 전극의 장방향 또는 상기 제 2 전극의 장방향은 서로 일치되며, 상기 유체 흐름 라인은 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 상을 경유할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다. 상기 제조방법은 제 1 기판상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극상에 제 1 솔더층을 형성하는 단계; 상기 제 1 솔더층상에 열전소자를 배치시키는 단계; 상기 열전소자와 제 2 솔더층과 제 2 전극이 서로 대응되도록 상기 제 1 기판상에 제 2 기판을 제공하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 기판에 리플로우 공정을 수행하여 제 1 및 제 2 솔더층에 의해 제 1 및 제 2 전극과 열전소자를 서로 접합시키는 단계;를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 내부에 구비하며, 상기 유체 흐름 라인을 구비하는 기판은 그 상면에 절연층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 절연층은 상기 유체 흐름 라인을 구비하는 기판상에 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 0.2㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 형성할 수 있다.
본 발명의 열전 모듈은 유체 흐름 라인을 내부에 구비된 기판을 이용함으로써, 열을 빠른 속도로 열전소자로 방열시키거나 흡열시킬 수 있어, 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1 에 도시된 열전 모듈의 일부의 단면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 열전모듈의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1 에 도시된 열전 모듈의 일부의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열전 모듈(100)은 서로 마주하며 이격된 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)과, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)사이에 개재된 제 1 및 제 2 전극(140, 170)과 열전소자(160)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 열전소자(160)와 제 1 및 제 2 전극(140, 170)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 열전소자(160)가 다수개로 구비될 경우, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 다수개의 열전소자(160)들을 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제 1 기판(110a) 및 제 2 기판(110b)은 외부장치와 접합되어 열전소자(160)의 열교환을 통해 외부로부터 열을 흡열시키거나 외부로 열을 방열시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 제 1 기판(110a) 및 제 2 기판(110b)은 외부장치와 열전소자(160)간의 열전달을 수행하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 열전모듈의 효율은 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)의 열전도율에 의한 영향을 받을 수 있다.
이를 위해, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 우수한 열전도율을 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 알루미늄 및 구리등으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 우수한 열전도율을 가질 수 있어, 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인(120)을 구비함으로써, 열전도율을 더 높일 수 있다. 이에 따라, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)은 열을 더 빠른 속도로 열전소자(160)로 방열시키거나 흡열시킬 수 있어, 열전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 유체는 기체와 액체의 상변화를 통해 열을 전달하는 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 유체는 낮은 비점을 갖는 액체, 예컨대 아세톤 및 알콜등일 수 있다.
유체 흐름 라인(120)은 유체의 충진공간을 가지기 위해 단면으로 봤을 때, 원형의 관통 형상을 가질 수 있으나, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다.
이에 더하여, 유체 흐름 라인(120)의 진행방향은 제 1 및 제 2 전극(140, 170)의 장방향과 일치할 수 있으며, 이때, 유체 흐름 라인(120)은 제 1 및 제 2 전극(140, 170)을 경유하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 유체 흐름 라인(120)은 제 1 및 제 2 전극(140, 170)과의 접촉 면적을 증대시킬 수 있어, 열 전달 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 유체 흐름 라인(120)은 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)에 각각 구비되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 유체 흐름 라인(120)은 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b) 중 어느 하나의 기판에만 구비될 수도 있다.
이에 더하여, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 내측면에 절연층(130)을 배치시켜, 제 1 및 제 2 기판(110a, 110b)의 전기 절연성을 부여할 수 있다. 이때, 절연층(130)은 열전 모듈(100)을 형성하는 공정을 견딜 수 있는 내구성을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 절연층(130)은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여기서, 절연층(130)의 두께는 0.2㎛ 내지 10㎛의 범위내로 형성할 수 있다. 이는, 절연층(130)의 두께가 0.2㎛ 미만일 경우, 절연성을 확보하기 어렵기 때문이다. 반면, 절연층(130)의 두께가 10㎛를 초과할 경우, 제 1 기판(110a) 또는 제 2 기판(110b)과 열전소자(160)간의 열전도율을 저하시킬 수 있기 때문이다.
이에 더하여, 절연층(130)은 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)의 절연성을 확보하는 역할뿐만 아니라, 제 1 기판(110a)과 제 2 기판(110b)에 유체 흐름 라인(120)을 형성하는 공정에 의해 발생된 공극을 메우는 역할을 더 수행할 수 있다. 이로써, 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(140)사이와, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(170)사이에서 공극에 의해 열전달이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 열전소자(160)는 P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)를 포함할 수 있다. 이때, P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)는 동일한 평면상에 교대로 배열될 수 있다.
이때, 제 1 및 제 2 전극(140, 170)은 열전소자(160)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 이때, 한쌍의 P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)는 그 하면에 배치된 제 1 전극(140)에 의해 전기적으로 접속되고, 이웃한 다른 한쌍의 P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)는 그 상면에 배치된 제 2 전극(170)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
제 1 전극(140) 및 제 2 전극(170)과 열전소자(160)는 솔더(180)에 의해 서로 접합되어 있을 수 있다. 여기서, 솔더(180)는 PbSn 또는 CuAgSn등과 같이 Sn을 포함할 수 있다.
이에 더하여, 제 1 및 제 2 전극(140, 170)은 와이어(190)에 의해 외부 전원부와 접속되어, 외부 전원부로 전원을 공급하거나 공급받을 수 있다. 즉, 열전 모듈(100)이 발전장치의 역할을 할 경우, 전원을 외부 전원부로 공급할 수 있으며, 냉각장치의 역할을 할 경우, 전원을 외부 전원부로부터 공급받을 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 각 구성간의 경계면 사이에 열전도성 구리스가 개재될 수 있다. 예컨대, 열전도성 구리스(thermal grease)는 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(140) 사이, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(170) 사이, 열전소자(160)와 제 1 전극(140) 사이 및 열전소자(160)와 제 2 전극(170) 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 개재될 수 있다. 여기서, 열전도성 구리는 각 경계면에서 형성된 공극을 메우는 역할을 하여, 공극에 의해 열전도율이 저하되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나에 유체 흐름 라인을 구비함으로써, 외부와 열전소자간의 열전도율을 높일 수 있어, 열전모듈의 효율을 더욱 높일 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 열전 모듈을 제조하기 위해, 먼저 제 1 기판(110a)을 제공한다. 여기서, 제 1 기판(110a)의 내부에 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인(120)이 구비되어 있을 수 있다. 여기서, 유체는 열에 의한 상변화를 통해 열을 전달할 수 있는 액체, 예컨대 알콜 및 아세톤일 수 있다. 이때, 유체 흐름 라인(120)은 밀봉되어 있어, 외부와 차단되어 있을 수 있다.
제 1 기판(110a)에 유체 흐름 라인(120)을 형성하는 방법은 서로 대응된 홈라인을 구비한 상하판을 합착함으로써 형성할 수 있다. 이후, 제 1 기판(110a)은 후술 될 열전소자들을 평탄하게 지지하기 위해, 제 1 기판(110a)의 표면에 연마 공정 및 세척 공정을 더 수행할 수 있다.
제 1 기판(110a)은 우수한 열전도율을 갖는 금속 재질로 이루어져 있을 수 있다. 여기서, 제 1 기판(110a)은 전도성 재질로 이루어짐에 따라, 제 1 기판상에 제 1 절연층(130a)을 형성한다.
제 1 절연층(130a)은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 절연층(130a)을 형성하는 방법의 예로서는, 인쇄법, ALD(Atom layer deposion)법, 스퍼터법, E-beam법 및 CVD법등일 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다. 또한, 제 1 절연층(130a)의 두께는 절연성 확보 및 열전도율에 대한 영향을 고려하여, 0.2㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 기판(110a)상에 제 1 절연층(130a)을 형성한 후, 제 1 절연층(130a)상에 제 1 전극(140)을 형성한다. 여기서, 제 1 전극(140)은 도전물질을 증착하여 도전막을 형성한 후, 도전막을 패터닝하여 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니며, 예컨대 제 1 전극(140)은 도금공정 및 인쇄공정등을 통해 형성할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 제 1 전극(140)을 형성한 후, 제 1 전극(140)상에 제 1 솔더층(180a)을 형성한다. 제 1 솔더층(180a)은 PbSn 또는 CuAgSn등과 같이 Sn을 포함하는 도전성 페이스트를 인쇄하여 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제 1 솔더층(180a)을 형성한 후, 제 1 솔더층(180a)상에 열전소자(160)를 배치시킨다. 여기서, 열전소자(160)는 P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)를 포함할 수 있으며, 이때, P형 반도체(160a)와 N형 반도체(160b)를 서로 교대로 배치시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 한편, 유체 흐름 라인(120)을 구비한 제 2 기판(110b)을 제공한다. 제 2 기판(110b)의 내측면에 제 2 절연층(130b), 제 2 전극(170) 및 제 2 솔더층(180b)을 순차적으로 형성한다. 여기서, 제 2 절연층(130b), 제 2 전극(170) 및 제 2 솔더층(180b)은 상술한 제 1 절연층(130a), 제 1 전극(140) 및 제 1 솔더층의 재질 및 형성방법등을 통해 형성할 수 있다.
이후, 열전소자(160)와 제 2 전극(170)이 서로 접촉하도록 제 1 기판(110a)상에 제 2 기판(110b)을 배치시킨 후, 리플로우 공정을 통해 제 1 및 제 2 전극(140, 170)과 열전소자(160)를 서로 접합시킴으로써, 열전 모듈을 제조할 수 있다.
이에 더하여, 도면에는 도시하지 않았으나, 각 구성간의 경계면, 예컨대 제 1 기판(110a)과 제 1 전극(140) 사이, 제 2 기판(110b)과 제 2 전극(170) 사이, 열전소자(160)와 제 1 전극(140) 사이 및 열전소자(160)와 제 2 전극(170) 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 형성할 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이, 유체 흐름 라인을 구비한 기판을 이용하여 열전 모듈을 제조함으로써, 열전 효율을 향상시킬 수 있는 열전 모듈을 제조할 수 있다.
100 : 열전모듈
110a : 제 1 기판
110b : 제 2 기판
120 : 유체 흐름 라인
130 : 절연층
140 : 제 1 전극
160 : 열전소자
170 : 제 2 전극
180 : 솔더

Claims (10)

  1. 서로 마주하며 이격되도록 배치된 제 1 및 제 2 기판;
    상기 제 1 및 제 2 기판의 내측면에 각각 배치된 제 1 및 제 2 전극; 및
    상기 제 1 및 제 2 전극사이에 개재되며, 상기 제 1 및 제 2 전극과 전기적으로 접합된 열전소자;
    를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 일면에 배치된 절연층과 내부에 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 구비하는 열전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성된 열전 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 두께 범위는 0.2㎛ 내지 10㎛를 갖는 열전 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 개재하는 열전 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 제 1 및 제 2 전극과 솔더에 의해 서로 접합된 열전 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 흐름 라인의 진행방향과 상기 제 1 전극의 장방향 또는 상기 제 2 전극의 장방향은 서로 일치되며, 상기 유체 흐름 라인은 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 상을 경유하는 열전 모듈.
  7. 제 1 기판상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극상에 제 1 솔더층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 솔더층상에 열전소자를 배치시키는 단계;
    상기 열전소자와 제 2 솔더층과 제 2 전극이 서로 대응되도록 상기 제 1 기판상에 제 2 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 기판에 리플로우 공정을 수행하여 제 1 및 제 2 솔더층에 의해 제 1 및 제 2 전극과 열전소자를 서로 접합시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 열을 전달하는 유체의 이동을 위한 유체 흐름 라인을 내부에 구비하며,
    상기 유체 흐름 라인을 구비하는 기판은 그 상면에 절연층을 형성하는 열전 모듈의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 유체 흐름 라인을 구비하는 기판상에 SiO2, Al2O3, TiO2, ZnO, NiO 및 Y2O3 중 어느 하나로 형성하는 열전 모듈의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 절연층은 0.2㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성하는 열전 모듈의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 1 전극 사이, 상기 제 2 기판과 제 2 전극 사이, 상기 열전소자와 제 1 전극 사이 및 상기 열전소자와 상기 제 2 전극 사이 중 적어도 어느 하나의 사이에 열전도성 구리스(thermal grease)를 더 형성하는 열전 모듈의 제조 방법.
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