KR20150040590A - 단위열전모듈 및 이를 포함하는 열전모듈, 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전 반도체 소자를 포함하는 단위열전모듈의 기판에 이웃하는 기판과 물리적 또는 전기적으로 연결가능한 도전성 연결부를 구비하여 다수의 열전모듈을 연결하여 열전효율이 높은 장비를 제공한다.

Description

단위열전모듈 및 이를 포함하는 열전모듈, 냉각장치{THERMOELECTRIC ELEMENT THERMOELECTRIC MOUDULE USING THE SAME, AND COOLING DEVICE USING THERMOELECTRIC MOUDULE}

본 발명이 실시예들은 냉각용으로 사용되는 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생됨으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.

여기서, 상기 펠티어(Peltier) 효과는 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p타입(p-type) 재료의 정공과 n타입(n-type) 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡(Seeback) 효과는 외부 열원에서 열을 공급받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.

이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며, 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.

이러한 열전소자를 적용하는 열전모듈의 경우, 하나의 단위체로 사용되기 보다는 다수의 열전모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 냉각장치를 구성하여 보다 높은 열전효과를 구현하기 위한 디바이스를 구현하는 경우로 적용되고 있다. 이 경우 다수의 열전모듈을 연결하기 위해서는 각 열전모듈의 배치구조와 전기적 연결 등의 문제로 설치의 제약을 받거나 한정된 장비 내에 구현하기가 어려운 문제가 발생하고 있다.

본 발명의 실시예는 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 열전 반도체 소자를 포함하는 단위열전모듈의 기판에 이웃하는 기판과 물리적 또는 전기적으로 연결가능한 도전성 연결부를 구비하여 다수의 열전모듈을 연결하여 열전효율이 높은 장비를 구현할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판; 상기 제1 및 제2기판 사이에 제1반도체소자와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자를 포함하는 단위셀; 및 상기 단위셀과 전기적으로 연결되는 도전성 연결부를 포함하는 단위 열전모듈을 제공한다.

본 발명의 실시형태에 따르면, 열전 반도체 소자를 포함하는 단위열전모듈의 기판에 이웃하는 기판과 물리적 또는 전기적으로 연결가능한 도전성 연결부를 구비하여 다수의 열전모듈을 연결하여 열전효율이 높은 장비를 구현할 수 있는 효과가 있다.

특히, 단위열전모듈간 결합을 용이하게 하여, 별도의 전기적 연결을 위한 납땝이나 와이어링 공정, 배선을 설치하기 위한 공간 확보 등의 문제를 일소하여 전기 연결부분의 길이를 매우 짧게 형성하여 손실 전력 및 열전효율의 하락을 방지함은 물론, 설치 장소에 맞는 범용적인 설계가 가능한 장점이 구현된다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 단위셀을 포함하는 단위열전모듈의 일 실시예를 도시한 요부 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 단위 열전모듈의 구현 실시예를 도시한 개념도이다.
도 4는 도 3의 제2기판(150)상에 형성되는 도전성 연결부 형상에 대한 평면 개념도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태의 적용예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전모듈을 다수 개를 연결하여 열전모듈을 형성하는 경우, 결합구조에 대한 실시예를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 단위열전모듈간의 결합구조의 다양한 변형설계의 예를 도시한 것이다.
도 9는 적층형 열전소자를 적용한 단위열전소자의 구조를 예시한 것이다.
도 10은 상술한 적층형 열전소자의 배치 구조를 도시한 것이며, 도 11은 적층형 열전소자의 사이에 삽입되는 전도성층의 형태를 도시한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 단위셀을 포함하는 단위열전모듈의 일 실시예를 도시한 요부 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 단위 열전모듈의 구현 실시예를 도시한 개념도이다.

도시된 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 단위열전모듈은, 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)을 포함하며, 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀을 포함하며, 특히 상기 단위셀과 전기적으로 연결되는 도전성 연결부(210a, 210b, 220a, 220b)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단위열전모듈(100a)은 한 쌍의 반도체소자(120, 130)로 구성되는 단위셀을 하나 또는 둘 이상 구비할 수 있으며, 특히 이 경우 단위셀을 이루는 열전소자의 경우, 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류를 공급하는 회로선을 기판 상에 직접 형성하거나 인접하게 형성하는 도전성 연결부(210a, 210b)를 구비하고, 상기 반도체 소자의 전극(160b)와 전기적으로 연결하는 구조를 구비할 수 있다.

상기 도전성 연결부는 도 1의 구조와 같이, 상기 반도체 소자의 전극(160b)과는 이격되는 구조로 형성되되, 제1기판 또는 제2기판 상에 패터닝된 구조로 형성될 수 있으며, 이와는 달리 도 2의 도시 구조처럼, 제1기판 또는 제2기판과는 이격되는 도전성 금속패턴으로 구현할 수도 있다.

이상의 구조를 도 3과 같은 단위열전모듈로 구현한 예를 들어 살펴보면, 본 발명의 실시형태에 따른 단위 열전모듀은 제1기판(140), 제2기판(150) 사이에 배치되는 다수의 단위셀을 포함할 수 있으며, 특히 제1기판(140) 또는 제2기판(150)의 표면에 도전성 연결부(210a, 210b)를 형성하고, 상기 도전성연결부(210)과 상기 단위셀의 반도체소자와 접촉하는 전극을 전기적으로 연결하는 구조(w:와이어)를 가지게 구현될 수 있다. 이 경우 상기 도전성연결부(210a, 210b)는 상기 제1기판 또는 상기 제2기판 표면에 상호 대향되도록 배치되는 한 쌍의 금속패턴의 형태로 구현할 수 있으며, 상기 금속패턴은 제1기판 또는 제2기판의 에지부 또는 테두리 부에 상기 반도체소자와 접촉하는 전극과 쇼트가 나지 않도록 형성할 수 있다. 물론, 경우에 따라선 금속패턴 자체를 반도체소자와 접촉하는 전극과 전기적으로 연결되는 패턴 구조로 구현하는 것도 가능하다.

도 4는 도 3의 제2기판(150)상에 형성되는 도전성 연결부 형상에 대한 평면 개념도를 도시한 것이다. 단위셀(C) 부분은 간략하게 표시하고, 단위셀 부분과 이격되는 영역에 도전성연결부(210a, 210b)를 형성할 수 있는 예를 도시한 것이다. 상기 도전성연결부(210a, 210b)의 형상은 제2기판의 폭방향을 따라서 라인 형태의 금속패턴 구조로 형성하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양하게 변형설계될 수 있음은 물론이다. 도시된 도 4의 구조의 예를 들면, 도전성연결부(210a, 210b)의 크기는 0.1mm~50mm 이하로 단위셀의 크기 보다 크게 형성할 수 있다. 물론, 이 경우 하나의 단위열전모듈에 포함되는 단위셀 내의 반도체 소자와 다른 단위열전모듈의 반도체소자의 전극연결은 1선 이상 연결이 가능하며, 이러한 연결은 연결선을 다수화하거나 연결선을 짧게 형성하여 저항을 낮춤으로써, 입력 파워 및 효율 손실을 줄일 수 있는바, 본 발명의 도전성연결부는 종래의 와이어를 통한 단위열전모듈간의 연결보다 현저한 저항감소 및 효율증진을 구현할 수 있다.(입력파워(w)는 전압(V)과 전류(I)에 비례하여 결정되며, 전압(V)이 일정하게 공급되는 상황에서 저항값(R)을 낮추게 되면 전류값(I)이 거치게 되는바, 최종적으로 입력파워가 증가되기 때문이다.)

상술한 구조의 본 발명의 실시예에 따른 단위열전모듈은, 후술하는 상기의 단위열전모듈을 2 이상 결합하는 구조에서는 상기 도전성연결부를 매개로 다수의 단위열전모듈이 결합하여 배치 설계의 효율성을 높일 수 있도록 하는 효과가 구현될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시형태의 적용예를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 것은 단위열전모듈(100c)의 구조를 다수 배치하여 열전모듈을 구현하는 경우, 단위열전모듈(100c) 자체에 도전성연결부를 형성하는 것이 아니라, 단위열전모듈의 외부에 도전패턴부(T1, T2)를 형성하고, 내부의 다수의 단위열전모듈을 회로배선(181, 182)를 통해 각각 상기 도전패턴부(T1, T2)에 연결되도록 하여, 열전소자의 높은 성능이 필요한 장치의 경우, 다수의 열전소자를 연결하여 배치하기 용이한 구조로 구현할 수 있도록 할 수 있다.

도 6은 상술한 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전모듈을 다수 개를 연결하여 열전모듈을 형성하는 경우, 결합구조에 대한 실시예를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 제1기판 또는 제2기판 상에 도전성연결부(210a, 210b)를 포함하는 다수의 단위열전모듈(100a, 100b, 100c, 100d)을 상호 연결하는 경우, 상기 도전성 연결부(210a, 210b)는, 상기 제1기판 또는 상기 제2기판에 이웃하는 단위열전모듈과 전기적 연결이 가능한 커넥터(310, 320)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 커넥터는 도 6에 도시된 것과 같이, 수커넥터(310)과 암커넥터(320)의 형상을 가질 수 있으며, 결합이 필요로하는 개소에 다수 개를 배치할 수 있다. 물론, 상기 커넥터는 각 단위열전모듈의 도전성연결부와 전기적으로 연결되는 구조로 형성한다.

이러한 커넥터를 장착하여 단위열전모듈간의 전기적 및 물리적 연결을 구현하여 결합 및 배치 설계를 용이하게 할 수 있으며, 각 단위열전모듈 간의 연결은 1 개 이상의 커넥터 연결을 통하여 이루어지며 필요에 따라 그 이상 연결을 할 수 있다. 이는 종래의 기술과 같이 전선의 납땝 공정없이 단위열전모듈과 단위열전모듈간의 연결을 가능하게 함은 물론, 다수의 열전모듈을 결합하여 구현하는 전체 시스템에서 전선이 차지해야할 공간을 제거할 수 있어 다양한 공간활용이 가능하게 되는 장점이 구현된다. 특히, 전선의 길이가 짧아지면 저항이 감소하게 되며, 이에 따라 단위열전모듈에 가해지는 입력파워의 손실 및 효율손실을 줄일 수 있게 된다.

도 7 및 도 8은 단위열전모듈간의 결합구조의 다양한 변형설계의 예를 도시한 것이다.

즉, 단위열전모듈을 구성하는 제2기판(150)의 테두리부분에 단차를 형성하는 연결형단차부(P1, P2)를 형성하는 경우, 이웃하는 단위열전모듈간에 상기 연결형단차부(P1, P2)를 매개로 결합할 수 있으며, 물론 이 경우 도전성연결부(210)를 연결형 단차부 표면에 형성하여 전기적 연결이 가능하도록 할 수 있다. 도전성연결부(210)는 물론 반도체소자의 전극(160a, 160b)와 전기적으로 연결됨은 자명하다.

이러한 연결형 단차부(P1, P2)의 경우 결합시 단위열전모듈의 외부로 튀어나오는 부분이 없이 매끄러운 연결이 가능하게 하며, 결합길이를 더욱 짧게 하여 입력파워의 손실을 줄일 수 있게 된다.

이러한 결합구조는 도 8과 같이, 제1기판이나 제2기판의 테두리부에 연결형 단차부의 변형구조로 요입홈(Q1)과 돌출부(Q2)의 구조를 형성하여 조립결합이 가능하도록 구현하는 것도 가능하다. 물론, 이 경우 상기 요입홈(Q1)과 돌출부(Q2)에는 반도체소자의 전극(160a, 160b)과 전기적으로 연결되는 도전라인(241, 242)이 구비될 수 있으며 요입홈(Q1)과 돌출부(Q2)의 마찰하는 표면에 도전성연결부(240, 250)를 금속패턴 형태로 구현하는 것도 가능하다.

상술한 것과 같이, 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 단위열전모듈은 2 이상 결합하여 열전모듈을 형성하고, 이러한 열전모듈을 포함하는 냉각장치에 적용될 수 있다.

이하에서는, 상술한 본 발명의 실시 형태에 따른 단위열전모듈의 구성 및 재질을 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3의 실시형태에 따른 단위열전모듈을 구성하는 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하거나, 도전성연결부가 형성되는 면에 절연층이 더 포함되어 구성될 수 있다.

또한, 상기 단위열전모듈을 구성하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자는 P형 반도체소자 또는 N형 반도체소자로 구성될 수 있으며, N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

상기 P형 반도체소자는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

이하에서는, 상술한 재료를 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용될 수 있는 다양한 열전소자의 형태에 대해 설명하기로 한다.

1) 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자

본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용하여 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자를 적용할 수 있다. 벌크형(Bulk type)이란 반도체 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물을 의미한다. 이러한 벌크형 소자는 하나의 일체형 구조로 형성될 수 있다.

2) 적층형 구조의 단위열전소자

본 발명의 다른 실시예에서는 상술한 반도체소자의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.

구체적으로는, 도 1에서의 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다. 즉, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재 상에 페이스트를 도포하여 반도체층을 형성하여 하나의 단위부재를 형성한다. 이러한 다수의 단위부재를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자은 기재 상에 반도체층이 적층된 단위부재이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다. 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.

도 9는 상술한 적층형 열전소자를 적용한 단위열전소자의 구조를 예시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 적층형 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 즉, 도 9의 실시예는 단위셀 중 하나만 도시한 것이다. 특히, 이 경우 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은, 상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 도 1 내지 도 3에서 상술한 적층형 구조의 열전소자를 적용할 수 있음은 물론이다. 또한, 도 9의 단위열전소자의 구성 중 제1기판(140) 또는 제2기판(150) 상에는 도 1 내지 도 3에서 상술한 도전성연결부를 형성할 수 있음은 물론이며, 도 6 내지 도 8에서의 커넥터나 단차형 연결부 등을 적용할 수도 있다.

상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 9에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나체가 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다.

또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다. 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율이 크게 저하되며, 0.1mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다.

상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다

이와 같이, 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 적층형 열전소자를 배치하고, 전극층 및 유전체층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(T)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.

또한, 도 10에 도시된 것과 같이, 도 9에서 상술한 열전소자(120, 130)은 도 10의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치되어, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

특히, 도 10의 적층형 열전소자의 경우, 각 반도체층의 사이 사이에는 도 11의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.

즉, 도 11에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 3의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c₁, c₂)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 3의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c₃, c₄)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT(℃) 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다.

상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 단위열전모듈
110: 단위부재
111: 기재
112: 반도체층
120: 단위소자
130: 단위소자
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층
181, 182: 회로선
210a, 210b, 220a, 220b: 도전성연결부
310, 320: 커넥터

Claims (12)

1. 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판;
   상기 제1 및 제2기판 사이에 제1반도체소자와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자를 포함하는 단위셀; 및
   상기 단위셀과 전기적으로 연결되는 도전성 연결부를 포함하는 단위열전모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 도전성 연결부는,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판 상의 금속패턴인 단위열전모듈.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 금속패턴은,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판 표면에 상호 대향되도록 배치되는 한쌍의 금속패턴인 단위열전모듈.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 금속패턴은,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판과 이격되어 상호 대향되도록 배치되는 한상의 금속패턴인 단위열전모듈.
   
5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도전성 연결부는,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판에 이웃하는 단위열전모듈과 전기적 연결이 가능한 커넥터를 더 포함하는 단위열전모듈.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도전성 연결부는,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판의 적어도 어느 하나에 이웃하는 단위열전모듈에 결합되는 연결형 단차부를 더 포함하는 단위열전모듈.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 연결형 단차부는,
   상기 제1기판 또는 상기 제2기판의 두께 방향으로 단차가 형성되며, 상기 단차 표면에 전극패턴을 더 포함하는 단위열전모듈.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1반도체소자 및 제2반도체소자 중 적어도 어느 하나는,
   벌크(Bulk) 형 구조의 열전소자인 단위열전모듈.
   
9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1반도체소자 및 제2반도체소자 중 적어도 어느 하나는,
   기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재가 2 이상 적층되는 단위열전소자인 단위열전모듈.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단위열전소자는,
    인접하는 단위부재 상의 전도층을 더 포함하는 단위열전모듈.
    
11. 청구항 1 내지 3 중 어느 한항의 단위열전모듈을 2 이상 포함하며,
    상기 2 이상의 단위열전모듈이 이웃하는 단위열전모듈의 도전성 연결부와 전기적으로 연결되는 열전모듈.
    
12. 청구항 11의 열전모듈을 포함하는 냉각장치.

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