KR20130064539A

KR20130064539A - 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130064539A
Application number: KR1020110131198A
Authority: KR
Inventors: 이병영; 송석진; 채석병
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단; (주) 세노텍
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-18
Also published as: KR101396534B1

Abstract

본 발명은 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 제1 전극이 형성된 콜드 플레이트와, 제2 전극이 형성된 핫 플레이트 및 상기 콜드 플레이트와 핫 플레이트 사이에 교대로 병설된 P형 반도체 및 N형 반도체를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 메탈라이징 방법을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자와 이의 제조 방법을 제공한다.

Description

열전 제어 소자 및 이의 제조 방법{THERMOELECTRIC CONTROL ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 접합 강도를 향상시킬 수 있는 열전 제어용 소자에 관한 것이다.

서로 다른 종류의 반도체소자를 접합하여 전기 회로를 형성하고, 직류 전류를 흘리면 한쪽 접합부에서는 발열 현상이 발생하고, 다른 쪽 접합부에서는 흡열 현상이 발생한다. 이러한 현상은 펠티어 효과(Peltier effect)라 불린다. 펠티어 효과를 이용하여 대상물을 전자적으로 냉각하는 것을 열전 냉각이라 하고, 이러한 목적으로 구성된 소자를 열전 냉각 소자 또는 펠티어 소자라 한다.

또한, 두 개의 접합부 사이에 온도차를 발생시키면 온도차에 비례한 기전력이 발생한다. 이 현상을 제백 효과(Seebeck effect)라 하고, 발생한 기전력을 이용하여 행하는 발전은 열전 발전이라 한다.

열전 냉각은 고체 소자에 의한 냉각이기 때문에 유해한 냉매 가스를 사용할 필요가 없고, 소음 발생도 없으며 국부 냉각도 가능하다는 특징이 있다. 또한, 전류 방향의 전환으로 펠티어 효과에 의한 가열도 가능하기 때문에 정밀한 온도 조절이 가능하다. 게다가 구조가 간단하여 다른 발전 장치나 냉각 장치에 비해서 소형화에도 유리한 조건을 구비하고 있어 유용성이 높다.

열전효과를 갖는 소자를 열전 모듈 또는 열전 변환 모듈이라고 한다. 통상의 열전모듈은 일반적으로 p형과 n형으로 이루어진 두 종류의 열전반도체 소자를 배열한다. 이어서, 열전 반도체 소자를 금속전도판에 납땜하여 접합하여, π형 직렬회로를 구성하고, 이렇게 구성된 열전 반도체소자 및 금속 전도판을 세라믹 기판에 끼워서 구성한 것이 열전 제어 모듈로서 넓게 사용되고 있다.

그러나, 기존의 열전 제어 모듈은 구리 도금(Copper Plating) 공법으로 제작하기 때문에 저온(약 300도 이하)에서는 큰 문제가 없었다. 하지만, 고품질 초소형 또는 고온 약 350도 이상에서는 접착성이 약한 단점이 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해소하기 위해 메탈라이징 방법을 이용한 전극 접합을 통해 고온 및 고품질의 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해소하기 위해 접합 강도 5.5kgf/㎠를 유지하고, 납땜성 1.6㎟(4sec)에서 W/T(wetness) 80%이상인 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 제1 전극이 형성된 콜드 플레이트와, 제2 전극이 형성된 핫 플레이트 및 상기 콜드 플레이트와 핫 플레이트 사이에 교대로 병설된 P형 반도체 및 N형 반도체를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 메탈라이징 방법을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자를 제공한다.

상기 P형 반도체와 N형 반도체는 파이(π)형으로 접속된 것을 특징으로 한다.

상기 메탈리이징 방법으로는 무전해 도금, 용사, 진공증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅, 기상도금 또는 페이스트 부착법을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 메탈라이징을 통해 제작된 제1 및 제2 전극으로 사용되는 금속은 Cu, Ag, Au, Pt, W, Pd, Ni, Co, Ta, Ti, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

상기 콜드 플레이트 및 핫 플레이트의 베이스 판으로 알루미나 또는 AlN(Aluminum Nitride)을 포함하는 세라믹판을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 콜드 플레이트 표면의 제1 전극은 콜드 플레이트이 상면의 상측에 수평 방향으로 연장된 제1 상측 연장 전극과, 상면의 표면에 다수의 제1 사각 전극과, 상면의 하측에 수평 방향으로 연장된 제1 하측 연장 전극과, 상기 제1 하측 연장 전극 양측에 제1 외부 접속 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 핫 플레이트 표면의 제2 전극은 핫 플레이트 표면에 형성된 다수의 제2 사각 전극과, 상기 사각 전극의 하측 양단에 위치한 제2 외부 접속 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열전 제어 소자의 제조 방법에 있어서, 콜드 플레이트용 베이스 판 및 핫 플레이트용 베이스 판을 마련하는 단계와, 상기 콜드 플레이트용 베이스 판 상에 메탈라이징 방법을 통해 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 핫 플레이트용 베이스 판 상에 메탈라이징 방법을 통해 제2 전극을 형성하는 단계 및 상기 콜드 플레이트와 핫 플레이트의 제1 및 제2 전극 사이에 P형 반도체와 N형 반도체를 교번으로 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자의 제조 방법을 제공한다.

상기 베이스 판으로 알루미나 또는 AlN을 포함하는 세라믹판을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상면의 상측에 수평 방향으로 연장된 제1 상측 연장 전극과, 상면의 표면에 다수의 제1 사각 전극과, 상면의 하측에 수평 방향으로 연장된 제1 하측 연장 전극과, 상기 제1 하측 연장 전극 양측에 제1 외부 접속 전극을 포함하는 제 1 전극이 메탈라이징 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자용 콜드 플레이트를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 표면에 형성된 다수의 제2 사각 전극과, 상기 사각 전극의 하측 양단에 위치한 제2 외부 접속 전극을 포함하는 제2 전극이 메탈라이징 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자용 핫 플레이트를 제공한다.

이와 같이 하여 본 발명은 메탈라이징 방법을 이용한 전극 접합을 통해 고온 및 고품질의 열전 제어 소자를 제작할 수 있다. 또한, 이를 통해 접합 강도 5.5kgf/㎠를 유지하고, 납땜성 1.6㎟(4sec)에서 W/T 80%이상인 열전 제어 소자를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 제어 소자의 도면.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 제어 소자의 콜드 플레이트의 도면.
도 3은 일 실시예에 따른 핫 플레이트의 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 콜드 플레이트와 핫 플레이트의 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석 되어야 할 것이다. 이러한 이유로 본 발명의 열전 제어 소자 및 이의 제조 방법의 구성부들의 구성은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 한도 내에서 상이해질 수 있음을 명확히 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 제어 소자의 도면이다.

도 2는 일 실시예에 따른 열전 제어 소자의 콜드 플레이트의 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 핫 플레이트의 도면이다.

도 4는 일 실시예에 따른 콜드 플레이트와 핫 플레이트의 사진이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(10)이 형성된 콜드 플레이트(100)와, 제2 전극(20)이 형성된 핫 플레이트(200)와, 상기 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200) 사이에 교대로 병설되어 파이(π)형으로 접속된 P형 반도체(300)와 N형 반도체(400)를 구비한다.

또한, 일 P형 반도체(300)의 하단부면에는 외부 접속되는 제1 외부 접속전극(500)과, 일 N형 반도체(400)의 하단부면에는 외부 접속되는 제2 외부 접속전극(600)이 형성된다.

여기서, 상기 P형 반도체(300)와 N형 반도체(400)는 제1 및 제2 전극(10, 20) 사이에서 파이(π)형으로 직렬 접속된다.

여기서, 상기 반도체의 재료로 Bi₂Te₃ 및 Sb₂Te₃를 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 N형 반도체(400)로 Bi₂Te₃를 사용하고, P형 반도체(300)로 Sb₂Te₃를 사용하는 것이 효과적이다.

상술한 구조의 열전 제어 소자에 DC전원을 인가하여 전류가 각 N형 반도체(400)로 부터 P형 반도체(300)로 흐르게 될 경우, 펠티어 효과로 인해 소자의 상측에서 흡열반응이 일어난다. 이에 따라 소자의 콜드 플레이트(100)에서 냉각 작용이 발생하게 된다. 그리고, 이와는 반대로 소자의 핫 플레이트(200)에서는 발열반응이 일어나게 되고, 이에 따라 흡수된 열이 방출된다. 즉, N-P형으로 구성된 반도체의 상부는 흡열부로 작용하고, P-N형으로 구성된 반도체의 하부는 방열부로 작용한다. 물론 전원의 연결 방향을 반전시켜 흡열부와 방열부의 방향을 전환시킬 수도 있다.

종래에는 앞서 언급한 바와 같이 세라믹 플레이트 상에 전극을 납땜하여 구조적 안전성을 향상시켰다. 하지만, 납땜에 의한 전극 형성은 고온에서 사용할 수 없는 단점이 있다. 이는 고온에서 납땜 부위가 녹아 떨어지거나 인접 전극과의 접속에 의한 소자 불량이 발생하는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서는 상기 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200) 표면에 금속 메탈라이징 방법을 통해 제1 및 제2 전극(10, 20)을 형성함으로 인해 접합 강도의 향상은 물론 고온에서도 동작이 가능한 열전 제어 소자를 제작하였다.

상기 플레이트로는 절연성이면서도 열 전도성이 우수한 막을 사용하는 것이 효과적이다. 본 실시예에서는 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200)로는 세라믹을 사용한다. 이때 상기 세라믹으로는 AlN, Al₂O₃ 등을 사용하는 것이 효과적이다. 물론 이에 한정되지 않고, 앞서와 같이 열전도성이 우수한 절연성 박막을 상기 콜드 플레이트(100) 및 핫 플레이트(200)로 사용할 수 있다.

본 실시예에서는 상기 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200) 상에 금속 메탈라이징 방법을 통해 제1 및 제2 전극(10, 20)을 형성한다. 여기서, 사용되는 금속으로는 Cu, Ag, Au, Pt, W, Pd, Ni, Co, Ta, Ti, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 물론 본 실시예에서는 Ag 메탈라이징 방법을 통해 상기 제1 및 제 2 전극(10, 20)을 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 메탈라이징 방법으로는 무전해 도금, 용사, 진공증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅, 기상도금 및 페이스트 부착법등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극(10, 20)의 형성은 구리를 직접 세라믹 판 위에 알루미나 또는 AlN을 이용하는 접합 기술인 DBC공법을 통해 제작할 수도 있다.

상기 콜드 플레이트(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 알루미나로 구성된 사각 판 형태로 제작된다. 또한, 콜드 플레이트(100)의 표면에는 다수의 제1 전극(10)이 형성된다. 상기 제1 전극(10)들은 도면 상면의 상측에 수평 방향으로 연장된 4개의 제1 상측 연장 전극(11)과, 상면의 표면에 다수의 제1 사각 전극(12)과, 상면의 하측에 수평 방향으로 연장된 3개의 제1 하측 연장 전극(13)과, 상기 제1 하측 연장 전극(13) 양측에 제1 외부 접속 전극(14)을 구비한다. 앞서와 같이 상기 전극들은 메탈라이징 방법으로 제작된다.

또한, 핫 플레이트(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 알루미나로 구성된 사각 판 형태로 제작된다. 핫 플레이트(200)의 표면에도 다수의 제2 전극(20)이 형성된다. 상기 제2 전극(20)들은 도면에 도시된 바와 같이 상면의 표면에 형성된 다수의 제2 사각 전극(21)과 상기 사각 전극의 하측 양단에 위치한 제2 외부 접속 전극(22)을 구비한다. 또한, 제2 전극(20)도 메탈라이징 방법으로 제작된다.

하기에서는 상술한 열전 제어 소자의 제조 방법에 관해 설명한다.

먼저, 도 2에서와 같이 콜드 플레이트용 베이스 판을 마련한다.

상기 베이스 판은 앞서 언급한 바와 같이 세라믹 판을 사용하는 것이 효과적이다.

세라믹으로 구성된 콜드 플레이트용 베이스 판 상에 메탈라이징 방법을 통해 제1 전극(10)을 형성한다. 바람직하게는 Ag 메탈라이징을 통해 제1 전극(10)을 형성한다.

이를 통해 Ag전극이 850도 이상에서도 품질과 특성을 유지할 수 있다. 그리고, 접합 강도를 6.0kgf/㎠ 이상 유지할 수 있다. 또한, 솔더어빌러티(Solderability)가 1.6㎟(4sec)W/T 90%이상이 가능하다.

그리고, 이와 같은 Ag 메탈라이징으로 미세 전극 인쇄 공정을 사용하는 것이 효과적이다.

이와 같이 콜드 플레이트용 베이스 판 상에 Ag 메탈라이징 방법으로 제1 전극(10)을 형성하여 콜드 플레이트(100)를 제작한다.

또한, 도 3에서와 같이 핫 플레이트용 세라믹 판을 마련한다. 그리고, 세라믹 판 상에 Ag 메탈라이징을 통해 제2 전극(20)을 형성한다. 이를 통해 앞서와 같은 특징을 갖는 핫 플레이트(200)를 제작한다.

이어서, 상기 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200)의 제1 및 제2 전극(10, 20) 사이에 P형 반도체(300)와 N형 반도체(400)를 교번으로 배치하고, 이들 사이에 절연물을 충진하여 열전 제어 소자를 제작한다.

물론 이에 한정되지 않고, 상기 열전 제어 소자는 별도의 절연판 상에 홀을 형성하고, 이 홀 내측에 P형 반도체(300)와 N형 반도체(400)를 교번으로 충진한다. 이어서, 상기 절연판 상에 앞서 언급한 콜드 플레이트(100)와 핫 플레이트(200)를 접합시킨다. 이를 통해 열전 제어 소자를 제작할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 세라믹판 상에 메탈라이징 방법을 통해 콜드용 전극 및 핫용 전극을 형성하여 콜드 플레이트와 핫 플레이트를 제작한다. 그리고, 이와 같이 제작된 콜드 플레이트와 핫 플레이트를 N형 반도체와 P형 반도체로 구성된 몸체의 상하에 위치시킴으로 인해 다양한 구조의 열전 제어 소자에 적용할 수 있다.

또한, 상술한 메탈라이징 방법을 통해 전극을 제작함으로 인해 초정밀 극소 모듈 소자를 개발할 수도 있다.

상술한 바와 같이 제작된 열전 제어 소자는 냉온수기, 제습기 및 차량 냉장고와 같은 생활 가전용으로 사용될 수 있다. 또한, 반도체용 설비, 열량계, 분전반 냉각기 및 공작 기계 냉각기 등과같은 산업용으로도 활용가능하고, 블랙박스 냉각장치, 항공전자제어 장치의 냉각 설비 및 열 조절용등과 같은 항공용으로 사용될 수 있다. 발전기, 발열기 및 냉각기와 같은 우주용으로 사용 가능하고, 적외선 탐지기, 미사일 유도용 회로 냉각기 및 레이저 관측 장비 등과 같은 군사용 및 항온조, 혈액보관기, 발열기 및 냉각용 설비와 같이 의료용으로 사용이 가능하다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10, 20 : 전극
100 : 콜드 플레이트
200 : 핫 플레이트
300 : P형 반도체
400 : N형 반도체

Claims

제1 전극이 형성된 콜드 플레이트;
제2 전극이 형성된 핫 플레이트; 및
상기 콜드 플레이트와 핫 플레이트 사이에 교대로 병설된 P형 반도체 및 N형 반도체를 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극은 메탈라이징 방법을 통해 제작된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제1항에 있어서,
상기 P형 반도체와 N형 반도체는 파이(π)형으로 접속된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제1항에 있어서,
상기 메탈리이징 방법으로는 무전해 도금, 용사, 진공증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅, 기상도금 또는 페이스트 부착법을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제1항에 있어서,
상기 메탈라이징을 통해 제작된 제1 및 제2 전극으로 사용되는 금속은 Cu, Ag, Au, Pt, W, Pd, Ni, Co, Ta, Ti, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제1항에 있어서,
상기 콜드 플레이트 및 핫 플레이트의 베이스 판으로 알루미나 또는 AlN을 포함하는 세라믹판을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제5항에 있어서,
상기 콜드 플레이트 표면의 제1 전극은 콜드 플레이트이 상면의 상측에 수평 방향으로 연장된 제1 상측 연장 전극과, 상면의 표면에 다수의 제1 사각 전극과, 상면의 하측에 수평 방향으로 연장된 제1 하측 연장 전극과, 상기 제1 하측 연장 전극 양측에 제1 외부 접속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
제5항에 있어서,
상기 핫 플레이트 표면의 제2 전극은 핫 플레이트 표면에 형성된 다수의 제2 사각 전극과, 상기 사각 전극의 하측 양단에 위치한 제2 외부 접속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자.
열전 제어 소자의 제조 방법에 있어서,
콜드 플레이트용 베이스 판 및 핫 플레이트용 베이스 판을 마련하는 단계;
상기 콜드 플레이트용 베이스 판 상에 메탈라이징 방법을 통해 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 핫 플레이트용 베이스 판 상에 메탈라이징 방법을 통해 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 콜드 플레이트와 핫 플레이트의 제1 및 제2 전극 사이에 P형 반도체와 N형 반도체를 교번으로 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 베이스 판으로 알루미나 또는 AlN을 포함하는 세라믹판을 사용하는 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자의 제조 방법.
상면의 상측에 수평 방향으로 연장된 제1 상측 연장 전극과,
상면의 표면에 다수의 제1 사각 전극과,
상면의 하측에 수평 방향으로 연장된 제1 하측 연장 전극과,
상기 제1 하측 연장 전극 양측에 제1 외부 접속 전극을 포함하는 제 1 전극이 메탈라이징 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자용 콜드 플레이트.
표면에 형성된 다수의 제2 사각 전극과,
상기 사각 전극의 하측 양단에 위치한 제2 외부 접속 전극을 포함하는 제2 전극이 메탈라이징 방법을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 열전 제어 소자용 핫 플레이트.