KR20130033865A

KR20130033865A - 열전모듈 및 열전모듈 제조방법

Info

Publication number: KR20130033865A
Application number: KR1020110097813A
Authority: KR
Inventors: 양주환; 최동혁; 이성호
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-04
Also published as: US20130074897A1; JP2013074291A

Abstract

본 발명은 열전모듈 및 열전모듈 제조방법에 관한 것으로, 기판, 하부전극 및 열전반도체를 포함하는 것에 있어서, 상기 하부전극의 노출된 표면 전체, 상기 열전반도체의 노출된 표면 중 일부 및 상기 기판의 노출된 표면 중 일부에 일체로 형성된 절연층; 상기 열전반도체의 상부면 일부가 노출되도록 상기 절연층에 구비되는 접촉홀; 및 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 구비되어 적어도 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극; 을 더 포함하며, 박막형으로 구현될 수 있으므로 방열효율이 향상되는 동시에 칩 등과 함께 실장될 경우 이를 포함하는 전기전자장치의 소형화에 유리하다.

Description

열전모듈 및 열전모듈 제조방법{THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURING METHOD FOR THEREMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 열전모듈 및 열전모듈 제조방법에 관한 것이다.

화석에너지 사용의 급증으로 인하여 지구온난화에 따른 기후변화 및 에너지고갈 문제가 심각하게 대두되고 있다.

최근들어 이러한 문제들을 해결하기 위한 대응책으로 신재생에너지 개발 및 열전소자 개발 프로그램이 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

한편, 모든 장비 및 전자기기는 열역학적으로 카르노 사이클(Carnot cycle)의 한계를 극복하지 못하기 때문에, 투입된 에너지의 대부분이 불필요하게 버려지고 있다. 따라서, 버려지는 열 에너지를 재사용하여 새로운 영역에 응용할 수 있다면 에너지 위기를 극복하는 좋은 방법론이 될 것이다.

열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분

IT산업의 발달과 더불어 전자부품의 소형화, 고전력화, 고집적화, 슬림화에 따라 발열량이 증가하고 있으며, 발생된 열은 전자기기의 오작동 및 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용하고 있는데, 이러한 문제점 해결을 위하여 열전 소자의 냉각기능을 활용하고자 하는 시도가 계속되고 있으며, 또한, 열전소자의 장점인 무소음, 빠른 냉각속도, 국부냉각, 친환경성을 고려한다면 앞으로의 응용성은 더욱 커질 것으로 기대된다.

또한, 발전분야에서도 자동차, 폐기물 소각로, 제철소, 발전소, 지열, 전자기기, 체온 등에서 버려지는 많은 폐열을 이용하여 전기에너지로 재생산하려는 노력이 세계적으로 많이 이루어지고 있는 실정이다. 특히 열전발전은 체적발전이며 다른 발전과 융합이 가능하므로 향후 응용 가능성은 매우 크다고 할 수 있다.

또한, 전기에너지를 생산하는 과정에서 오염물질을 방출하지 않아, 친환경성과도 부합되므로 앞으로 열전발전의 전파속도는 가속화될 것으로 예상된다.

다만, 열전냉각 및 발전의 상용화는 세계적으로 보편화되지 않았으며, 그 연구도 국가출연 연구기관 및 학계의 소규모 실험실 규모에서 진행되고 있는 실정이다.

그러나, 최근 에너지 관련 자원원가의 급등으로 인한 제반 문제 및 환경오염문제 등을 해결하기 위하여 열전소자 및 모듈에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 응용가능성 및 장점 등을 고려한다면 미래의 시장은 크다고 할 수 있다.

이러한 상황에 발맞추어, 본 발명에서는 열전소자의 응용성 극대화를 위하여, 열전소자 및 모듈의 효율을 극대화 시킬 수 있는 최적의 설계를 제안하고자 한다.

일반적인 열전 장치는 열전 소자, 전극, 기판(substrate)으로 구성된 모듈부와 이러한 모듈에 DC 전원을 공급하는 전원부로 구분할 수 있다. 도 1은 일반적인 열전 모듈의 구성을 보인 일부절개 사시도이다.

도 1을 참조하면, 열전 소자(thermoelectric element)에는 일반적으로 N형과 P형 반도체가 사용되며 복수의 쌍을 이루는 N형과 P형 반도체를 평면에 배열하고 이를 다시 금속 전극을 이용해 직렬로 연결하여 열전 모듈을 구성할 수 있다.

도 1에 예시한 바와 같이, 종래의 일반적인 열전 모듈은 기본적으로, 열전 소자, 금속전극, 세라믹 기판을 포함하여 구성되며, 이것을 단일 모듈이라 칭할 수 있다.

한편, 종래의 일반적인 열전모듈들은 열전소자의 두께가 비교적 두꺼운 편이었는데, 이로 인하여 흡열부로부터 방열부로의 열의 이동경로가 작아지는데 한계가 있었으며, 이때문에 방열성능 또는 가열성능을 향상시키는데 한계가 있었다.

따라서, 박형으로 구현된 열전모듈에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다.

한편, 특허문헌1에는 기판과 전극 사이에 스크린프린팅공법으로 절연층을 구비하는 열전모듈이 기재되어 있다.

특허문헌1에 기재된 기술을 포함하여 종래의 일반적인 기술로는 박형의 열전모듈을 구현하고자 할 경우 열전반도체의 형성 및 상하부 전극과의 결합이 곤란하고, 상하부 전극 사이의 거리가 현저하게 좁아지게 됨에 따라 절연성을 확보하기가 곤란하다는 문제가 있었다.

또한, 종래에는 복수 개의 열전반도체들을 전기적으로 연결함에 있어서, 전극을 지그재그로 배치해 왔는데, 이로 인하여 열전반도체의 갯수가 수 ~ 수십개에 이르는 경우에도 음극단자 및 양극단자를 하나씩만 구비하여 전원을 인가받아야만 했다.

그런데, 이러한 경우, 각각의 열전반도체를 구동시키기 위하여 필요한 구동전압을 V1 라고 하고, 열전모듈을 구성하는 열전반도체의 수를 N이라고 하면, 총 N×V1 만큼의 전원이 상기 음극단자 및 양극단자 사이에 인가되어야만 열전모듈이 구동될 수 있다는 한계가 있었다.

특허문헌1 : 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0116747호

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 박형으로 구현될 수 있는 열전모듈 및 열전모듈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 저전압으로도 구동이 가능한 열전모듈 및 열전모듈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은, 기판, 하부전극 및 열전반도체를 포함하는 것에 있어서, 상기 하부전극의 노출된 표면 전체, 상기 열전반도체의 노출된 표면 중 일부 및 상기 기판의 노출된 표면 중 일부에 일체로 형성된 절연층; 상기 열전반도체의 상부면 일부가 노출되도록 상기 절연층에 구비되는 접촉홀; 및 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 구비되어 적어도 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극; 을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 열전반도체는 1 ~ 50 um의 두께로 상기 하부전극상에 구비될 수 있다.

또한, 상기 열전반도체의 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위로 결정될 수 있다.

또한, 상기 열전반도체는 1 ~ 50 um로 의 두께로 상기 하부전극상에 구비되되, 그 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위 내에서 결정될 수 있다.

또한, 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 일면이 접촉되는 이방 전도성 필름을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉되는 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은, 상기 열전반도체는 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 포함하고, 상기 열전반도체는 X축 방향으로 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 교대로 위치하되 P형 열전반도체가 최초로 위치하고 N형 열전반도체가 최후로 위치되도록 배열되며, 상기 하부전극은 X축 방향으로 2개 씩의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되게 배열되고, 상기 하부전극과 열전반도체의 X축 방향의 배열로 이루어지는 제1배열단위가 X축과 평행을 이루며 Y축 방향으로 반복하여 배치될 수 있다.

이때, 상기 상부전극은, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결할 수 있다.

또한, 상기 상부전극은, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체를 제외한 나머지 열전반도체에 대하여, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결할 수 있다.

또한, 상기 열전반도체에서, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀을 통하여 열전반도체의 표면에 일면이 접촉되는 이방 전도성 필름을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 하부전극 또는 상부전극의 두께는 1 ~ 5um이고, 상기 절연층의 상부면은 상기 열전반도체의 상부면을 기준으로 하여 수직방향으로 10um 이하로 이격된 위치에 형성되는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법은, 기판에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극상에 열전반도체를 형성하는 단계; 상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 열전반도체를 형성하는 단계는, 휘발성 수지와 열전반도체 재료를 포함하는 페이스트를 상기 하부전극상에 인쇄하여 10 ~ 50 um의 두께를 갖는 열전반도체를 형성하는 것일 수 있다.

또한, 상기 열전반도체를 형성하는 단계는, 상기 하부전극상에 열전반도체를 스퍼터링 또는 이-빔(E-Beam) 방식으로 증착하여 1 ~ 5 um의 두께를 갖는 열전반도체를 형성하는 것일 수 있다.

또한, 상기 열전반도체는 1 ~ 50 um로 의 두께로 상기 하부전극상에 구비되되, 그 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위 내에서 결정되는 것일 수 있다.

또한, 상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계는, 상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연필름을 진공접착하는 것일 수 있다.

또한, 상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계는, 상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 산화막(Oxide)을 형성하는 것일 수 있다.

또한, 상기 접촉홀을 형성하는 단계는, 상기 절연층에서 열전반도체의 상부면 일부를 에칭하는 것일 수 있다.

또한, 상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에, 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에, 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키고, 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 하부전극 또는 상부전극의 두께는 1 ~ 5um가 되게 하고, 상기 절연층의 상부면은 상기 열전반도체의 상부면을 기준으로 하여 수직방향으로 10um 이하로 이격된 위치에 형성되도록 하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법은, 기판에 하부전극을 형성하고, 상기 하부전극상에 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 형성하는 단계; 상기 기판, 하부전극, P형 열전반도체 및 N형 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 P형 열전반도체와 N형 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및 상기 접촉홀에 의하여 노출된 P형 열전반도체와 N형 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 상기 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 전기적으로 연결하난 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 열전반도체는 X축 방향으로 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 교대로 위치하되 P형 열전반도체가 최초로 위치하고 N형 열전반도체가 최후로 위치되도록 배열되며, 상기 하부전극은 X축 방향으로 2개 씩의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되게 배열되고, 상기 하부전극과 열전반도체의 X축 방향의 배열로 이루어지는 제1배열단위가 X축과 평행을 이루며 Y축 방향으로 반복하여 배치되도록 할는 것일 수 있다.

이때, 상기 상부전극을 형성하는 단계는, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되도록 상부전극을 형성하는 것일 수 있다.

또한, 상기 상부전극을 형성하는 단계는, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체를 제외한 나머지 열전반도체에 대하여, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결도록 상부전극을 형성하는 것일 수 있다.

또한, 상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀에 의하여 노출된 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀에 의하여 노출된 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키고, 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법은, 기판에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극상에 열전반도체를 형성하는 단계; 상기 열전반도체의 상부면 내부에 이형부를 형성하는 단계; 상기 기판, 하부전극, 열전반도체 및 이형부 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 이형부를 제거하여, 상기 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및 상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 박막형으로 구현될 수 있으므로 방열효율이 향상되는 동시에 칩 등과 함께 실장될 경우 이를 포함하는 전기전자장치의 소형화에 유리하다는 유용한 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 열전반도체와 전원단자의 연결부가 보다 효율적으로 구현될 수 있으며, 연결부의 신뢰성이 향상될 수 있다.

또한, 하나의 열전모듈 일측에 각각 동일한 전압이 인가되는 병렬 형태의 배열단위가 구비됨에 따라 종래보다 낮은 전압으로 다수의 열전반도체를 구동함할 수 있게 된다는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 일반적인 열전모듈 구조를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 예시한 수직단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈의 적용예를 예시한 수직단면도이다.
도 5A 내지 5G는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법을 보인 공정사시도이다.
도 6A 내지 6G는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법을 보인 공정사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 예시한 사시도고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈을 개략적으로 예시한 수직단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 기판(110), 하부전극(120), 열전반도체(130), 상부전극(150)을 포함할 수 있다.

상기 기판(110)은 열전모듈을 지지하는 역할과 방열 또는 흡열대상과 접촉하여 흡열 또는 방열 작용을 수행하는 것으로, 일반적인 열전모듈에서 사용되는 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.

하부전극(120)은 상기 기판(110)상에 다양한 방식으로 형성되어 열전반도체(130)들에 전원을 공급하거나 열전반도체(130)들을 전기적으로 연결하는 역할을 수행하는 것으로 스크린 프린팅(Screen Printing) 방식으로 구현될 수 있다.

이때, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 박막 형상으로 구현되는 것을 특징으로 하므로, 이러한 본 발명의 특징에 부합되기 위해서는 상기 하부전극(120) 또한 박막으로 구현되어는 것이 유리하며, 이를 위하여 스퍼터링(Supttering) 또는 이-빔(E-Beam) 방식으로 증착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부전극(120)의 두께는 1~5 um 범위로 구현되는 것이 바람직하다.

열전반도체(130)는 상기 하부전극(120)상에 형성되어 전기에너지에 의하여 열을 이동시키거나 상하부의 온도차이에 의하여 전기에너지를 발생시키는 역할을 수행할 수 있다.

이때, 열전반도체(130)는 P형 열전반도체(131)와 및 N형 열전반도체(132)를 포함하며, 박막형 열전모듈을 구현하기 위하여 1 내지 50 um의 두께로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 열전반도체(130)는 열처리에 따라 휘발되는 특성을 갖는 수지와 열전반도체(130) 재료를 혼합한 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 상기 하부전극(120)상에 코팅하는 방법으로 구현될 수 있다.

또한, 스퍼터링 또는 이-빔 방식으로 5um 이하의 두께를 갖는 열전반도체(130)가 하부전극(120) 상에 구현되는 것이 바람직하다.

이때, 열전반도체(130)의 수평단면적 대비 두께, 즉 두께/단면적은 0.1 내지 1의 범위에 있을 수 있다. 상기 범위를 초과할 경우 열전도도가 감소되어 냉각효율의 감소를 유발하며, 상기 범위 미만일 경우 상부전극(150)과 하부전극(120) 사이에서 직접적인 열전달이 이루어지므로 역시 냉각효율이 감소된다.

상기 절연층(140)은 기판(110), 하부전극(120) 및 열전반도체(130) 상에 구비되어 쇼트현상을 방지하고 열전반도체(130) 등을 보호하는 역할을 수행한다.

또한, 열전모듈의 박막화를 위하여, 30 ~ 60 um 두께의 절연필름을 진공접착 방식으로 접착함으로써 구현될 수 있다.

이때, 성형특성, 기계적 특성이 우수하고 재료원가가 비교적 저렴한 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound)를 코팅하는 방식으로 절연층(140)을 구현할 수도 있다.

또한, 플라즈마 인핸스드 CVD(Plasma Enhanced CVD)법을 통한 산화막 형성방법으로 구현될 수 있으며, 이 방법으로 두께 5um 인 절연층(140)을 형성하는 것이 열전모듈의 박막화에 유리하다.

한편, 상기 절연층(140)은 기판(110), 하부전극(120) 및 열전반도체(130)의 노출된 상부면 전체에 일괄적으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 열전반도체(130)의 상부면은 상부전극(150)에 의하여 전기적으로 연결되어야 하므로 상기 열전반도체(130)의 상부면에 구비된 절연층(140)에는 접촉홀(141)이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 접촉홀(141)은 절연층(140)의 일괄 형성 후 에칭 방식으로 노출이 필요한 영역의 절연층(140)을 제거하는 방식으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 절연층(140)을 형성하기 전 단계에 접촉홀(141)이 구비될 부분에 이형부(142)를 형성하고, 절연층(140) 형성이 종료된 이후에 상기 이형부(142) 부분을 제거함으로써 접촉홀(141)을 형성하는 방식을 적용할 수 있다.

상기 접촉홀(141)은 열전반도체(130)의 상부면 전체 또는 일부에 형성될 수 있는데, 상부전극(150)과 하부전극(120) 사이의 쇼트현상을 방지하기 위하여 상기 접촉홀(141)은 열전반도체(130)의 상부면에서 중심부 영역에 형성되는 것이 바람직하다.

상부전극(150)은 상기 절연층(140)의 표면 및 접촉홀(141)에 형성되어 열전반도체(130)를 전기적으로 연결하는 역할을 수행한다.

이때, 열전모듈의 박막화를 위하여 상부전극(150)의 두께는 1 ~ 5um 의 범위에서 형성하는 것이 바람직하고, 전술한 하부전극(120)의 구현방법과 유사하게 스크린 프린팅 방식이나 , 스퍼터링, 이-빔 등의 증착방식을 적용하여 구현될 수 있다.

한편, 열전모듈의 양단에 위치하는 열전반도체(130)의 접촉홀(141)에는 이방 전도성 필름(160)(Anisotropic Conductive Film ; ACF)이 부착될 수 있다. 종래에는 솔더접합 등의 방식으로 전원선(도 1의 60 참조)과 전극(도 1의 20 참조) 사이를 전기적으로 접합시키는 방법이 주로 사용되었으나, 박막화 및 전원선 연결부의 신뢰성을 고려할 때 이방 전도성 필름(160)을 사용하여 전원이 연결될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 열전반도체(130)의 상부면에 접촉홀(141)이 구비되는데, 이러한 접촉홀(141)과 전극패턴(171)을 직접적으로 연결함에 있어서도, 이방 전도성 필름(160)의 필러에 의한 전도성 확보가 가능한 이방 전도성 필름(160)을 적용하는 것이 바람직하다.

즉, 열전반도체(130)의 표면에는 이방 전도성 필름(160)의 일면이 부착되고, 이방 전도성 필름(160)의 타면에는 전극패턴(171)이 접촉됨으로써 전극패턴(171)을 통하여 공급되는 전원이 열전반도체(130)에 전달될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전극패턴(171)은 연성인쇄회로기판(170)(Flexible Printed Circuit Board ; FPCB)에 형성된 상태에서 상기 이방 전도성 필름(160)에 접촉되도록 할 수 있다.

한편, 상기 열전반도체(130)는 P형 열전반도체(131)와 N형 열전반도체(132)를 포함한다.

통상적으로 열전모듈은 수 내지 수백 개의 열전반도체(130)의 조합으로 이루어지는데, 종래의 일반적인 열전모듈은 하나의 열전모듈을 이루는 열전반도체들을 모두 직렬로 연결하고, 직렬연결된 열전반도체 중 일단과 타단에 위치하는 열전반도체와 연결되는 전극에 리드부 등을 구비하여 + 전원단자 한개와 - 전원단자 하나를 각각 연결함으로써 전원을 공급하는 형태를 채용하고 있었다.

그러나, 상기와 같은 방식은 수 많은 열전반도체를 구동하기 위한 전압이 +전원단자와 -전원단자를 통해 인가되어야만 했기 때문에 상대적으로 고전압이 인가되어야만 열전반도체(130)의 방열 또는 흡열 기능이 구현될 수 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 저전압 구동이 가능하도록 열전반도체(130), 하부전극(120) 및 상부전극(150)으로 이루어지는 제1배열단위를 병렬로 배치하고, 제1배열단위들 각각에 전압이 인가될 수 있도록 하는 열전모듈을 제안하게 된 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, X축 방향으로 P형 열전반도체(131)와 N형 열전반도체(132)가 교대로 위치하되 P형 열전반도체(131)가 최초로 위치하고 N형 열전반도체(132)가 최후로 위치되도록 배열되며, 상기 하부전극(120)은 X축 방향으로 2개 씩의 열전반도체(130)가 전기적 직렬로 연결되게 배열되고, 상기 하부전극(120)과 열전반도체(130)의 X축 방향의 배열로 이루어지는 제1배열단위가 X축과 평행을 이루며 Y축 방향으로 반복하여 배치되도록 하였다.

이때, 상기 상부전극(150)은 X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체(130)를 전기적 직렬로 연결되도록 하는데, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체(131)와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체(132)를 제외한 나머지 열전반도체(130)를 전기적 직렬로 연결도록 구현된다.

또한, 상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체(131)와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체(132)의 상부면에 구비된 접촉홀(141)을 통하여 열전반도체(130)의 표면는 이방 전도성 필름(160)을 결합한다.

또한, 상기 이방 전도성 필름(160)의 타면에 접촉되는 전극패턴(171)을 결합함으로써 각각의 제1배열단위를 이루는 열전반도체(130)들만 구동할 수 있는 전압을 인가할 수 있도록 하여 종래보다 저전압으로도 열전모듈을 구동할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈의 적용예를 예시한 수직단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈은 종래의 일반적인 열전모듈에 비하여 극히 얇은 두께로 구현될 수 있으므로 방열효율이 탁월하며, 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈을 방열수단으로 구비하여 전기전자장치를 구현할 경우 전체적으로 슬림화가 가능해 질 수 있는 것이다.

도 5A 내지 5G는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법을 보인 공정사시도이다.

이하에서는, 도 5A 내지 5G를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법을 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 도 5A에 예시된 바와 같이 기판(110)에 하부전극(120)을 형성한다.

이때, 열전모듈의 박막화를 위하여, 상기 하부전극(120)은 스퍼터링(Supttering) 또는 이-빔(E-Beam) 방식으로 증착되어 1~5 um 두께로 구현되는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 5B에 예시된 바와 같이 상기 하부전극(120)상에 열전반도체(130)를 형성한다.

열전반도체(130)는 열처리에 따라 휘발되는 특성을 갖는 수지와 열전반도체(130) 재료를 혼합한 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 상기 하부전극(120)상에 코팅하는 방법으로 구현될 수 있다.

또한, 스퍼터링 또는 이-빔 방식으로 5um 이하의 두께를 갖는 열전반도체(130)가 하부전극(120) 상에 구현될 수 있다.

다음으로, 도 5C에 예시된 바와 같이 기판(110), 하부전극(120) 및 열전반도체(130) 상에 절연층(140)을 형성한다.

이때, 절연층(140)은 30 ~ 60 um 두께의 절연필름을 진공접착 방식으로 접착함으로써 구현될 수 있다.

또한, 플라즈마 인핸스드 CVD(Plasma Enhanced CVD)법을 통한 산화막 형성방법으로 5um 두께의 절연층(140)을 구현할 수 있다.

다음으로, 도 5D에 예시된 바와 같이 열전반도체(130)의 상부면을 노출시키는 접촉홀(141)을 형성한다.

접촉홀(141)은 절연층(140)의 일괄 형성 후 에칭 방식으로 노출이 필요한 영역의 절연층(140)을 제거하는 방식으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 5E에 예시된 바와 같이 상부전극(150)을 형성한다.

이때, 열전모듈의 박막화를 위하여 상부전극(150)의 두께는 1 ~ 5um 의 범위에서 형성하는 것이 바람직하고, 전술한 하부전극(120)의 구현방법과 유사하게 스크린 프린팅 방식이나 , 스퍼터링, 이-빔 의 증착방식을 적용하여 구현될 수 있다.

다음으로, 도 5F 및 도 5G에 예시된 바와 같이, 상기 접촉홀(141)에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체(130)의 표면에 이방 전도성 필름(160)의 일면을 접촉시키고, 전극패턴(171)이 구비되는 연성회로기판(110)을 상기 이방 전도성 필름(160)의 타면에 접촉시킨다.

이때, 전술한 바와 같이, 열전반도체(130), 상하부 전극으로 이루어지는 제1배열단위를 병렬로 배치하고, 제1배열단위들 각각에 전압이 인가될 수 있도록, 이방 전도성 필름(160)의 타면에 접촉되는 전극패턴(171)을 결합할 수 있다.

이에 따라, 각각의 제1배열단위를 이루는 열전반도체(130)들만 구동할 수 있는 전압을 인가할 수 있도록 하여 종래보다 저전압으로도 열전모듈을 구동할 수 있게 된다.

도 6A 내지 6G는 본 발명의 일실시예에 따른 열전모듈 제조방법을 보인 공정사시도이다.

도 6A 내지 6G를 참조하면, 도 6C에 예시한 바와 같이 열전반도체(130)의 상부면에 이형부(142)를 형성하고, 도 6D에 예시한 바와 같이 절연층(140)을 형성한 후, 상기 이형부(142)를 제거함으로써 도 6E에 예시한 바와 같이 접촉홀(141)을 구현할 수 있게 된다.

다른 과정들은 전술한 도 5A 내지 도 5G를 참조한 설명과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 기판
20 : 하부전극
50 : 열전반도체
60 : 전원선
110 : 기판
120 : 하부전극
130 : 열전반도체
131 : P형 열전반도체
132 : N형 열전반도체
140 : 절연층
141 : 접촉홀
142 : 이형부
150 : 상부전극
160 : 이방 전도성 필름
170 : 연성인쇄회로기판
171 : 전극패턴

Claims

기판, 하부전극 및 열전반도체를 포함하는 것에 있어서,
상기 하부전극의 노출된 표면 전체, 상기 열전반도체의 노출된 표면 중 일부 및 상기 기판의 노출된 표면 중 일부에 일체로 형성된 절연층;
상기 열전반도체의 상부면 일부가 노출되도록 상기 절연층에 구비되는 접촉홀; 및
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 구비되어 적어도 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극; 을 더 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전반도체는 1 ~ 50 um의 두께로 상기 하부전극상에 구비되는 것인
열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전반도체의 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위로 결정되는 것인
열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전반도체는 1 ~ 50 um로 의 두께로 상기 하부전극상에 구비되되, 그 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위 내에서 결정되는 것인 열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 일면이 접촉되는 이방 전도성 필름을 더 포함하는 열전모듈.
제5항에 있어서,
상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉되는 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 더 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 열전반도체는 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 포함하고,
상기 열전반도체는 X축 방향으로 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 교대로 위치하되 P형 열전반도체가 최초로 위치하고 N형 열전반도체가 최후로 위치되도록 배열되며,
상기 하부전극은 X축 방향으로 2개 씩의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되게 배열되고,
상기 하부전극과 열전반도체의 X축 방향의 배열로 이루어지는 제1배열단위가 X축과 평행을 이루며 Y축 방향으로 반복하여 배치되는 것인 열전모듈.
제7항에 있어서,
상기 상부전극은,
X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결하는 것인 열전모듈.
제7항에 있어서,
상기 상부전극은,
상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체를 제외한 나머지 열전반도체에 대하여, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결하는 것인 열전모듈.
제7항에 있어서,
상기 열전반도체에서,
상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀을 통하여 열전반도체의 표면에 일면이 접촉되는 이방 전도성 필름을 더 포함하는 열전모듈.
제10항에 있어서,
상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉되는 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 더 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서,
상기 하부전극 또는 상부전극의 두께는 1 ~ 5um이고,
상기 절연층의 상부면은 상기 열전반도체의 상부면을 기준으로 하여 수직방향으로 10um 이하로 이격된 위치에 형성되는 것인 열전모듈.
기판에 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부전극상에 열전반도체를 형성하는 단계;
상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 열전반도체를 형성하는 단계는,
휘발성 수지와 열전반도체 재료를 포함하는 페이스트를 상기 하부전극상에 인쇄하여 10 ~ 50 um의 두께를 갖는 열전반도체를 형성하는 것인
열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 열전반도체를 형성하는 단계는,
상기 하부전극상에 열전반도체를 스퍼터링 또는 이-빔(E-Beam) 방식으로 증착하여 1 ~ 5 um의 두께를 갖는 열전반도체를 형성하는 것인
열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 열전반도체는 1 ~ 50 um로 의 두께로 상기 하부전극상에 구비되되, 그 두께는 수평단면적의 0.1 ~ 1배의 범위 내에서 결정되는 것인 열전모듈 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계는,
상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연필름을 진공접착하는 것인
열전모듈 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계는,
상기 기판, 하부전극 및 열전반도체 상에 산화막(Oxide)을 형성하는 것인
열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 접촉홀을 형성하는 단계는,
상기 절연층에서 열전반도체의 상부면 일부를 에칭하는 것인
열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에,
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키는 단계;를 더 포함하는 열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에,
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 한 개의 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키고, 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉시키는 단계를 더 포함하는 열전모듈 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 하부전극 또는 상부전극의 두께는 1 ~ 5um가 되게 하고,
상기 절연층의 상부면은 상기 열전반도체의 상부면을 기준으로 하여 수직방향으로 10um 이하로 이격된 위치에 형성되도록 하는 것인 열전모듈 제조방법.
기판에 하부전극을 형성하고, 상기 하부전극상에 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 형성하는 단계;
상기 기판, 하부전극, P형 열전반도체 및 N형 열전반도체 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 P형 열전반도체와 N형 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및
상기 접촉홀에 의하여 노출된 P형 열전반도체와 N형 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 상기 P형 열전반도체와 N형 열전반도체를 전기적으로 연결하난 상부전극을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 열전반도체는 X축 방향으로 P형 열전반도체와 N형 열전반도체가 교대로 위치하되 P형 열전반도체가 최초로 위치하고 N형 열전반도체가 최후로 위치되도록 배열되며,
상기 하부전극은 X축 방향으로 2개 씩의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되게 배열되고,
상기 하부전극과 열전반도체의 X축 방향의 배열로 이루어지는 제1배열단위가 X축과 평행을 이루며 Y축 방향으로 반복하여 배치되는 것인 열전모듈 제조방법.
제23항에 있어서,
상기 상부전극을 형성하는 단계는,
X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체가 전기적 직렬로 연결되도록 상부전극을 형성하는 것인 열전모듈 제조방법.
제23항에 있어서,
상기 상부전극을 형성하는 단계는,
상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체를 제외한 나머지 열전반도체에 대하여, X축 방향으로 연속되게 배열된 두 개의 열전반도체를 전기적 직렬로 연결도록 상부전극을 형성하는 것인 열전모듈 제조방법.
제23항에 있어서,
상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에,
상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀에 의하여 노출된 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키는 단계;를 더 포함하는 열전모듈 제조방법.
제23항에 있어서,
상기 접촉홀을 형성하는 단계 이후에,
상기 제1배열단위의 일단에 위치되는 P형 열전반도체와 상기 제1배열단위의 타단에 위치되는 N형 열전반도체의 상부면에 구비된 접촉홀에 의하여 노출된 열전반도체의 표면에 이방 전도성 필름의 일면을 접촉시키고, 전극패턴이 구비되는 연성회로기판을 상기 이방 전도성 필름의 타면에 접촉시키는 단계를 더 포함하는 열전모듈 제조방법.
제23항에 있어서,
상기 하부전극 또는 상부전극의 두께는 1 ~ 5um가 되게 하고,
상기 절연층의 상부면은 상기 열전반도체의 상부면을 기준으로 하여 수직방향으로 10um 이하로 이격된 위치에 형성되도록 하는 것인 열전모듈 제조방법.
기판에 하부전극을 형성하는 단계;
상기 하부전극상에 열전반도체를 형성하는 단계;
상기 열전반도체의 상부면 내부에 이형부를 형성하는 단계;
상기 기판, 하부전극, 열전반도체 및 이형부 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 이형부를 제거하여, 상기 열전반도체의 상부면을 노출시키는 접촉홀을 형성하는 단계; 및
상기 접촉홀에 의하여 노출된 적어도 둘 이상의 열전반도체의 표면과 상기 절연층의 상부면 일부에 접촉되어 둘 이상의 열전반도체들을 전기적으로 연결하는 상부전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 열전모듈 제조방법.