KR20120123829A - 열전 모듈 - Google Patents

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KR20120123829A
KR20120123829A KR1020110041400A KR20110041400A KR20120123829A KR 20120123829 A KR20120123829 A KR 20120123829A KR 1020110041400 A KR1020110041400 A KR 1020110041400A KR 20110041400 A KR20110041400 A KR 20110041400A KR 20120123829 A KR20120123829 A KR 20120123829A
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ferrite
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최동혁
김용석
이성호
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 스핀 제벡 효과를 나타낼 수 있는 열전 소자를 이용한 열전 모듈로써, 복수 개의 상부 금속 전극이 배열된 상부 기판, 복수 개의 하부 금속 전극이 배열된 하부 기판, 상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극에 의해 전기적으로 교대로 접합되는 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자 및 상기 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 구비되는 페라이트 소자를 포함하되, 상기 페라이트 소자의 상단 및 하단은 상기 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극과 접합하는 새로운 열전 모듈을 제시한다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀 제벡 효과를 이용한 열전 모듈에 관한 것이다.
열전 모듈은 크게 제백(Seeback) 효과를 이용한 발전이나, 펠티어(Peltier) 효과를 이용한 냉각의 두 가지 응용처가 있다.
제백 효과는 열전 소자 양단의 온도차가 있을 때 기전력이 발생하는 현상으로 이를 이용하여 폐열발전이나 체온을 이용한 소형전자소자(예컨대, 시계)의 전원, 방사능 반감 열을 이용한 우주 탐사선의 전원 등으로 쓰이고 있다.
반대로 열전 소자의 양단에 전류를 흘리면 전하를 따라 열이 이동하여 한쪽은 냉각이 되고 다른 쪽은 가열이 되는 현상을 펠티어 효과라 하는데, 이를 이용하면 기계적 동작이 없는 순전히 전자만을 이용한 냉각장치를 만들 수 있다.
도 1은 종래 열전 모듈(100)의 내부를 나타낸 사시도이고, 도 2는 종래 열전 모듈(100)에 구비된 p,n형 반도체 소자 및 금속 전극의 구조도로써, 종래 열전 모듈(100)은 크게 절연 기판(1), 금속 전극(2), p형 반도체 소자(3) 및 n형 반도체 소자(4)로 구성되며, 정공이 이동하는 p형 반도체 소자와 전자가 이동하는 n형 반도체 소자가 금속 전극을 통해 전기적으로 직렬로 연결된 직렬형 단일 모듈 형태를 가진다.
이와 같은 형태의 종래 열전 모듈(100)이 구현되는 작동 상태를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, n형 열전 반도체 소자(4)와 p형 열전 반도체 소자(3)가 금속 전극(2)을 매개로 전기적으로 직렬 연결되어 리드선(5)을 통해 직류 전류(D.C)를 인가하면, (-)로 대전된 금속/반도체 접점(6, 7)에서는 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 열전반도체 내부로 이동되어 흡열이 일어나고, (+)로 대전된 금속/반도체 접점(8, 9)에서는 전자의 열에너지 방출에 의해 방열이 일어나게 된다.
하지만, 상기 열전재료를 활용하여 최적화된 경우라도 n형 열전 반도체와 p형 열전 반도체가 한 쌍으로 된 열전쌍의 공급전력당 흡열 및/또는 방열량은 매우 미미하다. 이러한 이유로 종래 열전 모듈(100)이 냉각 장치 등에 실제로 활용되는 경우에는 상기 열전쌍을 복수 개 연결하여 흡열 및/또는 방열량을 양적으로 늘리고 있으며, 이에 따라 제조 단가에 비해 효율이 떨어지는 문제가 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 열전 모듈(100)은 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 합선(short)을 방지하기 위하여 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자들이 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는데, 종래 열전 모듈(100)과 같은 형태의 모듈 구성으로는 외부의 작은 충격에도 쉽게 파손되어 결국 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자가 합선되는 문제가 있다.
또한, 종래 열전 모듈(100)은 복수 개의 쌍으로 이루어진 n,p형 반도체 소자가 금속 전극을 매개로 전기적으로 직렬로 연결된 직렬형 단일 모듈 형태로 구성되어 있으므로, 단일 모듈 중 어느 하나라도 고장이 발생하면 전체 복합 모듈이 작동하지 못하는 치명적인 약점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수 개의 상부 금속 전극이 배열된 상부 기판과, 복수 개의 하부 금속 전극이 배열된 하부 기판과, 상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극에 의해 전기적으로 교대로 접합되는 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자 및 상기 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 구비되는 페라이트 소자으로 구성된 열전 모듈을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실시예는 복수 개의 상부 금속 전극이 배열된 상부 기판;복수 개의 하부 금속 전극이 배열된 하부 기판;상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극에 의해 전기적으로 교대로 접합되는 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자; 및 상기 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 구비되는 페라이트 소자;를 포함하되, 상기 페라이트 소자의 상단 및 하단은 상기 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극과 접합되는 열전 모듈을 제공한다.
또한, 상기 페라이트 소자는 ...중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 열전 모듈을 제공한다.
또한, 상기 페라이트 소자의 일측면은 p형(또는 n형) 반도체 소자와 접합하고/하거나, 상기 페라이트 소자의 타측면은 n형(또는 p형) 반도체 소자와 접합하는 열전 모듈을 제공한다.
또한, 상기 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극은 상기 n형 반도체 소자가 접합하는 n영역과, 상기 p형 반도체 소자가 접합하는 p영역, 상기 페라이트 소자가 접합하는 f',f'',f'''영역으로 형성되는 열전 모듈을 제공한다.
또한, 상기 f'영역의 단면적은 각 n영역 또는 p영역의 단면적보다 크게 형성되는 열전 모듈을 제공한다.
본 발명에 따르면, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자에 의한 열의 이동 외 페라이트 소자에 의한 열의 이동이 이루어져 열전 성능을 높일 수 있다.
또한, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 페라이트 소자를 구비함으로써 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 합선(short)을 방지할 수 있고, 열전 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, p형 반도체 소자 또는 n형 반도체 소자에 불량이 발생하더라도 페라이트 소자에 의해 열전 모듈의 작동 상태를 유지할 수 있으므로 제품의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 종래 열전 모듈(100)의 내부를 나타낸 사시도.
도 2는 종래 열전 모듈(100)에 구비된 p,n형 반도체 소자 및 금속 전극의 구조도.
도 3은 본 발명에 따른 열전 모듈의 내부를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 열전 모듈에 포함된 p,n형 반도체 소자, 페라이트 소자 및 금속 전극의 구조도.
도 5는 본 발명에 따른 열전 모듈에 포함된 상부 금속 전극의 일부만을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 열전 모듈에 포함된 하부 금속 전극의 일부만을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이밖에도 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전 모듈(200)의 내부를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 열전 모듈(200)에 포함된 p,n형 반도체 소자(260), 페라이트 소자(270) 및 금속 전극의 구조도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈(200)은 복수 개의 상부 금속 전극(210)이 배열된 상부 기판(220), 복수 개의 하부 금속 전극(230)이 배열된 하부 기판(240), 상기 상부 기판(220) 및 하부 기판(240) 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 상부 금속 전극(210) 및 하부 금속 전극(230)에 의해 전기적으로 교대로 접합되는 p형 반도체 소자(250) 및 n형 반도체 소자(260), 그리고 상기 p형 반도체 소자(250)와 n형 반도체 소자(260) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 페라이트 소자(270)는 스핀 제벡 효과(Spin Seebeck Effect)를 나타내는 열전 재료로 이루어질 수 있고, 스핀 제벡 효과(Spin Seebeck Effect)를 나타내는 열전 재료란 자기화된 금속을 가열하면 업 스핀(up-spin)을 갖는 전자는 따뜻한 영역으로 이동하고, 반면에 다운 스핀(down-spin)을 갖는 전자는 차가운 영역으로 이동하여 상이한 스핀 극성에 의해 전자 혹은 정공의 이동 없이도 전자의 스핀 방향만으로 스핀 전압이 생성되는 효과를 나타낼 수 있는 재료로써, 여기에는 구체적으로 반도체 특성을 가진 종래 열전 모듈에서 사용되는 n,p타입의 일반 열전 재료가 아닌 소프트 페라이트(soft ferrite) 재료를 의미하며, 소프트 페라이트라 함은 전기적으로 전자의 이동이 없는 절연체로써, 전자 스핀의 배열로 인하여 생기는 자기적 특성을 가지고 외부자기장에 의해 스핀 배열의 방향이 쉽게 바뀌는 자성 재료를 말한다. 대표적인 소프트 페라이트로써, NiZnCu-ferrite와 같은 MeOFe2O3 (여기서, Me는 Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd을 포함할 수 있다.)의 화학식을 가지는 스피넬계 페라이트(spinel ferrite), Re3Fe5O12(여기서, Re는 희토류 원소 계열의 모든 원소를 포함할 수 있다.)의 화학식을 가지는 가아넷계 페라이트(garnet ferrite) 및 금속 산화물 중 연자성을 띄는 모든 자성재료를 들 수 있다.
따라서, 상기 페라이트 소자(270)는 스피넬계 페라이트(spinel ferrite), 가아넷계 페라이트(garnet ferrite) 및 금속 산화물 중에서 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 페라이트 소자(270)의 일측면은 p형(또는 n형) 반도체 소자와 접합하고, 상기 페라이트 소자(270)의 타측면은 n형(또는 p형) 반도체 소자와 접합할 수 있다. 또는, 상기 페라이트 소자(270)의 일측면은 p형(또는 n형) 반도체 소자와 접합하거나 상기 페라이트 소자(270)의 타측면은 n형(또는 p형) 반도체 소자와 접합할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 열전 모듈에 사용되는 상기 페라이트 소자(270)는 스피넬계 페라이트(spinel ferrite), 가아넷계 페라이트(garnet ferrite) 및 금속 산화물 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 산화철(Fe2O3)을 주성분으로 하는 세라믹 자성체로써 전도성이 없으므로, 상기 페라이트 소자(270)의 한쪽 측면 또는 양쪽 측면이 상기 p형 또는 n형 반도체 소자(260)와 접합하더라도 하기 상술하는 p,n 반도체 소자에 의한 열의 이동에 영향을 미치지 않으며, 상기 페라이트 소자(270)의 한쪽 측면 또는 양쪽 측면이 상기 p형 또는 n형 반도체 소자(260)와 접합하여 형성되는 경우 외력으로부터 p형 또는 n형 반도체 소자(260)의 형태를 유지시킬 수 있어 열전 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 열전 모듈(200)에 포함된 상부 금속 전극(210)의 일부만을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 열전 모듈(200)에 포함된 하부 금속 전극(230)의 일부만을 나타낸 도면으로써, 도 5 및 도 6을 참조하여 상기 p형 반도체 소자(250)와 n형 반도체 소자(260) 사이에 구비되는 상기 페라이트 소자(270)와 상부 및 하부 금속 전극(210, 230) 사이의 연결 구조에 대해 구체적으로 살펴보면, 상기 페라이트 소자(270)의 상단 및 하단은 상기 상부 금속 전극(210) 및 하부 금속 전극(230) 각각과 접합할 수 있다.
이에 따라, 상기 각 상부 금속 전극(210) 및 하부 금속 전극(230)은 상기 n형 반도체 소자(260)가 접합하는 n영역과, 상기 p형 반도체 소자(250)가 접합하는 p영역, 상기 페라이트 소자(270)가 접합하는 f영역으로 형성될 수 있고, 특히, 상기 f영역은 세 개의 영역(f',f'',f''')으로 이루어질 수 있다.
도 5에 도시된 상기 복수 개의 상부 금속 전극(210) 중 부호 211, 212, 213로 표시된 상부 금속 전극(210)(이하, 각각 211, 212, 213번 금속 전극이라 칭함) 및 도 6에 도시된 상기 복수 개의 하부 금속 전극(230) 중 부호 231, 232로 표시된 하부 금속 전극(230)(이하, 각각 231번, 232번 금속 전극이라 칭함)을 일례로 살펴보면, 상기 211번 금속 전극 중 f'영역과 접합하는 페라이트 소자의 하단은 각각 231번 금속 전극의 f''영역과 232번 금속 전극의 f''영역과 접합하고, 상기 231번 금속 전극 중 f'영역과 접합하는 페라이트 소자의 상단은 각각 211번 금속 전극의 f''영역과 212번 금속 전극의 f''영역과 접합하고, 상기 232번 금속 전극 중 f'영역과 접합하는 페라이트 소자의 상단은 각각 211번 금속 전극의 f'''영역과 213번 금속 전극의 f''영역과 접합하며, 기타 나머지 p형 반도체 소자(250)와 n형 반도체 소자(260) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270) 역시 이와 같은 구조로 상기 상부 및 하부 금속 전극(210, 230)과 연결될 수 있다.
즉, 상기 f영역 중 f'영역은 상기 상부 금속 전극(210)의 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270)의 상단과 상기 상부 금속 전극(210)이 접합하는 영역(또는, 상기 하부 금속 전극(230)의 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270)의 하단과 상기 하부 금속 전극(230)이 접합하는 영역)이고, f'' 또는 f'''영역은 상기 상부 금속 전극(210)의 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270)의 하단과 상기 하부 금속 전극(230)이 접합하는 영역(또는, 상기 하부 금속 전극(230)의 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250) 사이에 구비되는 페라이트 소자(270)의 상단과 상기 상부 금속 전극(210)이 접합하는 영역)이 된다.
스핀 제벡 효과를 나타낼 수 있는 페라이트 소자(270)에 있어서, 상기 상부 및 하부 금속 전극(210, 230)은 상기와 같은 연결 구조를 통해 상기 복수 개의 하부 금속 전극(230) 중 제1 금속 전극(233)을 플러스(+) 측으로 하고, 제2 금속 전극(234)을 마이너스(-) 측으로 하여 직류 전압을 인가하면, 스핀 제벡 효과에 의해 상기 페라이트 소자(270) 내 전자들의 스핀 방향이 정렬되어 상기 페라이트 소자(270)의 상부면은 주위로부터 열을 흡수하고 상기 페라이트 소자(270)의 하부면은 열을 방출함으로써 열의 이동이 발생한다.
또한, 상기와 같은 연결 구조를 통해 상기 복수 개의 하부 금속 전극(230) 중 제1 금속 전극(233)을 플러스(+) 측으로 하고, 제2 금속 전극(234)을 마이너스(-) 측으로 하여 직류 전압을 인가하면, 상기 p형 반도체 소자(250) 내의 정공은 (-)극으로, 상기 n형 반도체 소자(260) 내의 전자는 (+)극으로 이동하게 된다. 이때, 정공과 전자 모두 상부 금속 전극(210)으로부터 열을 갖고 하부 금속 전극(230)으로 이동하여 상부 기판(220) 부에서는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부 기판(240) 부에서는 열을 방출하여 열의 이동이 발생한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열전 모듈(200)에 따르면, n,p형 반도체 소자(250)에 의한 열의 이동에 더하여 상기 페라이트 소자(270)에 의한 열의 이동이 발생하므로, 종래 n,p형 타입으로만 구성된 열전 모듈에 비해 열전 성능이 크게 향상될 수 있고, 상기 페라이트 소자(270)에 의해 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250) 사이를 이격시킬 수 있어 종래 열전 모듈(100)과 달리 n형 반도체 소자(260)와 p형 반도체 소자(250)가 합선(short)되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 p형 반도체 소자(250) 또는 n형 반도체 소자(260)에 불량이 발생하더라도 페라이트 소자(270)에 의해 열전 모듈의 작동 상태를 유지할 수 있으므로 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 f'영역의 단면적은 각 n영역 또는 p영역의 단면적보다 크게 형성될 수 있다. f'영역의 단면적이 각 n영역 또는 p영역의 단면적보다 크게 형성되는 경우 스핀 제벡 효과를 나타낼 수 있는 상기 페라이트 소자(270) 내 전자가 증가하여 열전 성능이 향상될 수 있다.
그 외에도 본 발명에 따른 열전 모듈(200)에 있어서 상기 페라이트 소자(270)가 구비될 수 있는 형태는 상기 페라이트 소자(270)가 상기 상부 및 하부 금속 전극(210, 230)과 접합하여 열전 모듈로써 작동할 수 있는 범위 내에서 다양하게 구성될 수 있음은 당업자 입장에서 당연하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
1 : 절연 기판
2 : 금속 전극
3, 250 : p형 반도체 소자
4, 260 : n형 반도체 소자
5 : 리드선
6, 7 : (-)로 대전된 금속/반도체 접점
8, 9 : (+)로 대전된 금속/반도체 접점
100 : 종래 열전 모듈
200 : 본 발명에 따른 열전 모듈
210, 211, 212, 213 : 상부 금속 전극
220 : 상부 기판
230, 231, 232 : 하부 금속 전극
233 : 제1 금속 전극
234 : 제2 금속 전극
240 : 하부 기판
270 : 페라이트 소자

Claims (5)

  1. 복수 개의 상부 금속 전극이 배열된 상부 기판;
    복수 개의 하부 금속 전극이 배열된 하부 기판;
    상기 상부 기판 및 하부 기판 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극에 의해 전기적으로 교대로 접합되는 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자; 및
    상기 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자 사이에 구비되는 페라이트 소자;
    를 포함하되, 상기 페라이트 소자의 상단 및 하단은 상기 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극과 접합하는 열전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페라이트 소자는 스피넬계 페라이트(spinel ferrite), 가아넷계 페라이트(garnet ferrite) 및 금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 열전 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 페라이트 소자의 일측면은 p형(또는 n형) 반도체 소자와 접합하고/하거나, 상기 페라이트 소자의 타측면은 n형(또는 p형) 반도체 소자와 접합하는 열전 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 금속 전극 및 하부 금속 전극은 상기 n형 반도체 소자가 접합하는 n영역과, 상기 p형 반도체 소자가 접합하는 p영역, 상기 페라이트 소자가 접합하는 f',f'',f'''영역으로 형성되는 열전 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 f'영역의 단면적은 각 n영역 또는 p영역의 단면적보다 크게 형성되는 열전 모듈.
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