KR20160118747A - 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명이 실시예는 전극의 신뢰성을 확보할 수 있는 열전모듈에 대한 것으로, 다수의 제1전극을 구비한 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극을 구비한 제2 기판; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자; 및 상기 제1기판과 상기 제1전극사이, 상기 제2기판과 제2전극사이에 배치되며 탄성을 구비하는 완충패턴;을 포함하는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

Description

열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치{THERMOELECTRIC DEVICE MOUDULE AND DEVICE USING THE SAME}

본 발명이 실시예는 전극의 신뢰성을 확보할 수 있는 열전모듈에 대한 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.

이러한 열전소자는 냉각용 또는 온열용 장치나, 발전용 장비에 적용되어 다양한 열전환 효과를 구현할 수 있게 된다. 냉각 및 온열장치에 적용되는 열전소자는 PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다. 이에, 열전소자의 효율을 높일 수 있는 방식에 관심이 모아지고 있다.

기본적으로 열전소자를 매우 얇은 박막형, 열전모듈의 경우, 기판과 전극의 열팽창율의 차이로 인해 전극에 크랙(crack)이 발생하게 되는 문제가 있다.

본 발명의 실시예는 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히, 기판과 전극 사이에 일정한 탄성을 가지는 완충패턴을 배치하여, 전극의 파손(crack)을 방지할 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 다수의 제1전극을 구비한 제1 기판; 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극을 구비한 제2 기판; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자; 및 상기 제1기판과 상기 제1전극사이, 상기 제2기판과 제2전극사이에 배치되며 탄성을 구비하는 완충패턴;을 포함하는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 전극 사이에 일정한 탄성을 가지는 완충패턴을 배치하여, 전극의 파손(crack)을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구조를 도시한 단면 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용가능한 완충패턴 물질의 예시표이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 일 구현예를 도시한 것이다.

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 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구조를 도시한 단면개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 다수의 제1전극(160a)을 구비한 제1 기판(140), 상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극(160b)을 구비한 제2 기판(150), 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자(120, 130) 상기 제1기판과 상기 제1전극사이, 상기 제2기판과 제2전극사이에 배치되며 탄성을 구비하는 완충패턴(165a, 165b)을 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 이 경우, 상기 완충패턴(165a, 165b)은 특정 탄성계수를 가지는 물질로, 기판과 전극 사이에 배치되어, 전극의 크랙의 발생을 방지하는 기능을 수행할 수 있도록 한다. 이를 위해서, 상기 완충패턴(165a, 165b)의 탄성계수는, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수와 동일하거나 그 이하의 값을 가지도록 구현될 수 있다. 일 실시예로서, 상기 완충패턴(165a, 165b)의 탄성계수는, 3Gpa~329Gpa의 범위에서 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수는 70GPa~329GPa의 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 즉, 상기 완충패턴의 탄성계수는, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수와 동일하거나 그 이하의 값을 가지도록 하여 전극의 크랙 방지 효율을 높일 수 있도록 한다.

다만, 나아가, 열전모듈에서의 전극의 크랙 현상은 보통 기판과 전극의 영율(Young's Moudulus) 차이에서 발생하게 되는바, 이 경우 상기 제1기판 및 상기 제2기판의 탄성계수는 상기 완충패턴의 탄성계수 이하로 형성되도록 하여, 전극의 보호효율을 높일 수 있다. 일예로, 상술한 완충패턴의 탄성계수를 3~329GPa의 범위로 하는 경우, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 유연성을 가지는 합성수지재의 기판, 이를 테면 PI 또는 PET 를 이용하여 탄성계수 3GPa 이하로 구현될 수 있도록 한다.

특히, 전극이 크랙방지 효율을 극대화하기 위한 바람직한 실시예의 구조로는, 완충패턴의 탄성계수값이 기판과 전극의 사이값을 가지도록 구현할 수 있도록 한다. 즉, 탄성계수의 크기를 고려할 때, 기판<완충패턴<전극의 순으로 탄성계수가 순차로 커지는 구조로 구현할 수 있도록 한다. 이러한 예를 들면, 제1기판이나 제2기판을 PI로 구성하고, 완충패턴을 Mg로 구현하며, 이후 전극패턴을 Au 또는 Cu로 구현하는 경우, PI(3GPa)<Mg(45GPa)<Au(74GPa) or Cu(110GPa)과 같이 순차 배치할 수 있다.

나아가, 상기 완충패턴의 경우, Mg, TiN, Glass, Cu, Al, Au, Cu+Sn(Bronze), Cu+Zn(Brass), Silicon, Ni, Be, Mo 중 선택되는 어느 하나, 또는 둘 이상을 포함하여 구성될 수 있도록 한다. 이들 물질은 도 2에 도시된 것과 같이, 탄성계수가 3~329GPa의 범위를 충족하는 물질로 본 발명의 실시예에 부합하게 된다.

아울러, 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수는 70GPa~329GPa를 만족하는 물질로 구현될 수 있으며, 이러한 물질로는 아래의 표 1과 같이, Au, Ag, Cu, Al, Pt, Mo 중 선택되는 어느 하나로 구현될 수 있다.

{표 1}

또한, 상기 완충패턴(165a, 165b)은 도 1의 도시된 구조와 같이, 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 상기 제1기판 및 상기 제2기판과 접하는 면적 이상의 면적을 가지도록 구현될 수 있다. 나아가, 상기 완충패턴은, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 형상과 동일한 형상을 구비하도록 하여, 전극면의 전체적인 보호가 가능하도록 할 수 있다. 특히, 상기 완충패턴(165a, 165b)은 전극에서 발생한 열을 쉽게 방출할 수 있도록 하기 위해, 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 두께의 1%~5% 범위의 두께로 구현할 수 있도록 한다. 위 범위보다 두꺼운 경우에는 열방출효율을 저해하여 열전모듈의 기능이 떨어지게 되며, 더 얇은 경우에는 전극의 크랙 발생을 방지하는 완충기능의 성능이 떨어지게 된다.

상술한 상기 완충패턴(165a, 165b)에 적용되는 물질은 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이, 다양한 탄성계수를 가지는 물질을 적용할 수 있다. 다만, 완충효율의 측면에서 상술한 것과 같이, 탄성계수가 3~329GPa의 범위의 물질을 적용할 수 있음은 상술한 바와 같다.

도 3은 도 1에서 상술한 본 발명의 완충패턴을 기판과 전극사이에 구비한 구조가 다수 개로 구현한 열전모듈의 구현 예시도이다.

도 1 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 구성 부분을 설명하면, 상기 제1기판(140)과 상기 제2기판(150)은 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지를 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판을 사용하는 경우에는 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 매립되는 제1전극 및 제2전극(160a, 160b)과의 사이의 접촉면에 별도의 유전체층(미도시)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 기판은 박막형 구조 및 유연성을 가지는 구조로 구현될 수 있도록 하기 위해, 유연성을 가지는 기판을 적용할 수 있다. 이러한 것은, 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등 다양한 절연성 수지재를 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 상기 제2기판(150)의 면적을 제1기판(140)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다(도 3참조). 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다. 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다. 이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다. 아울러, 상기 제2기판(150)의 경우, 제2기판의 표면에 방열패턴(미도시), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제2기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제2기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제1기판(140)의 두께를 상기 제2기판(150)의 두께 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 상호 대향하여 배치되는 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 할 수 있다. 본 발명이 실시예에서는, 이를 구현하는 구조로는 상기 제2지주부재의 체적이 상기 제1지주부재의 체적보다 크게 구현할 수 있도록 한다.

또한, 상기 열전소자(120, 130)은 P형 물질로 이루어지는 제1반도체소자(120)와 N 형 물질로 이루어지는 제2반도체소자(130)으로 한 쌍의 기판 사이에 배치되는 단위셀 구조를 도 3의 구조와 같이 다수개가 구현되는 모듈로 구현할 수 있도록 한다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 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 반도체 재료는, 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.

본 발명의 실시예에서의 열전소자는 P형 열전반도재료가 제1지주부재(120b)에 피복되는 제1반도체소자(120)와, N형 열전반도체재료가 제2지주부재(130b)에 피복되는 제2반도체소자(130)의 한 쌍을 기판 상에 배치하는 구조의 단위셀을 다수 형성할 수 있도록 한다.

상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 상술한 것과 같이 발전용모듈이나, 또는 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉,하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 장비로도 응용이 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.

120: 제1반도체소자
130: 제2반도체소자
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극(제1전극, 제2전극)
165a, 165b: 완충패턴
181, 182: 배선

Claims (10)

1. 다수의 제1전극을 구비한 제1 기판;
   상기 제1 기판과 대향하여 배치되며, 다수의 제2전극을 구비한 제2 기판;
   상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 연결되는 복수의 열전소자; 및
   상기 제1기판과 상기 제1전극사이, 상기 제2기판과 제2전극 사이에 배치되며 탄성을 구비하는 완충패턴;
   을 포함하는 열전모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 완충패턴은,
   상기 제1전극 및 상기 제2전극이 상기 제1기판 및 상기 제2기판과 접하는 면적 이상의 면적을 가지는 열전모듈.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 완충패턴은,
   상기 제1전극 및 상기 제2전극의 형상과 동일한 형상을 구비하는 열전모듈.
   
4. 청구항 1에있어서,
   상기 완충패턴은,
   상기 제1전극 및 상기 제2전극의 두께의 1%~5% 범위의 두께로 구현되는 열전모듈.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 완충패턴의 탄성계수는,
   상기 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수와 동일하거나 그 이하의 값을 가지는 열전모듈.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1기판 및 상기 제2기판의 탄성계수는 상기 완충패턴의 탄성계수 이하의 값을 가지는 열전모듈.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 열전모듈은,
   제1기판 또는 제2기판 탄성계수<완충패턴 탄성계수<제1전극 또는 제2전극탄성계수의 관계를 만족하는 열전모듈.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 완충패턴의 탄성계수는, 3Gpa~329Gpa인 열전모듈.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 완충패턴은,
   Mg, TiN, Glass, Cu, Al, Au, Cu+Sn(Bronze), Cu+Zn(Brass), Silicon, Ni, Be, Mo 중 선택되는 어느 하나, 또는 둘 이상을 포함하는 열전모듈.
   
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1전극 및 상기 제2전극의 탄성계수는 70GPa~329GPa인 열전모듈.

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