KR20170127994A - 열전소자 및 열전소자 제조 방법 - Google Patents

열전소자 및 열전소자 제조 방법 Download PDF

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Abstract

부식을 방지하고, 내구성을 높일 수 있도록, 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 및 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하는 열전소자를 제공한다.

Description

열전소자 및 열전소자 제조 방법{THERMOELECTRIC MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전소자 및 열전소자 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열전소자는 이극형 반도체를 조합했을 때에 생기는 냉각효과를 이용한 소자이다. 열전소자는 직류 전원의 공급만으로 열에너지를 빼앗기거나 열에너지를 방출하여 냉각, 가열, 항온 및 발전을 동시에 이룰 수 있게 된다. 이에, 열전소자는 전류의 방향을 전환하는 것으로 온도 승하강이 가능하여, 온도 제어가 필요한 곳에서 폭넓게 사용되고 있다.
열전소자는 복수개로 배열되는 반도체와, 반도체 상단과 하단에 배치되는 전극, 반도체 상하단에서 전극에 접합 설치되는 열전달판을 포함한다.
열전소자는 고체 구조로 높은 신뢰성과 온도 제어가 용이한 장점이 있으나, 저온 구현에 따른 결로와 습기에 의해 열전소자가 부식되는 심각한 문제가 있다.
또한, 점차적으로 열전소자의 사양이 높아짐에 따라 고출력에 의한 발열로 내부 용해납이 녹거나, 열전소자의 발열면과 냉각면 사이의 온도차가 커져 열팽창이나 열수축 등의 물리적 충격으로 인해 열전소자가 손상되는 문제가 나타나고 있다.
이에, 부식을 방지할 수 있도록 된 열전소자 및 열전소자 제조 방법을 제공한다.
또한, 내구성을 높일 수 있도록 된 열전소자 및 열전소자 제조 방법을 제공한다.
또한, 열전도를 높일 수 있도록 된 열전소자 및 열전소자 제조 방법을 제공한다.
본 구현예의 열전소자는, 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 및 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함할 수 있다.
본 구현예의 열전소자는 상기 기판과 전극 사이에 설치되는 신축성 완충재를 더 포함할 수 있다.
상기 완충재는 에폭시 수지로 이루어질 수 있다.
본 구현예의 열전소자는 반도체가 원형으로 이루어지고, 기판에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서가 설치된 구조일 수 있다.
본 구현예의 열전소자는 반도체 양 선단에 배치된 두 개의 기판 중 적어도 일측 기판이 실링부재보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부를 형성하고, 상기 연장부에는 기판의 전극과 연결되는 보조단자가 설치되며, 상기 보조단자에 전류를 인가하기 위한 전선이 접속되는 구조일 수 있다.
상기 보조단자는 상기 전극에 일체로 형성될 수 있다.
상기 보조단자는 상기 연장부의 모서리를 따라 굽어져 연장된 구조일 수 있다.
본 구현예의 열전소자는, 반도체 양 선단에 배치된 두 개의 기판 중 적어도 일측 기판이 분할되어 복수개의 플레이트로 이루어질 수 있다.
상기 복수개의 플레이트는 서로 간격을 두고 배치되고, 각 플레이트 사이는 실링부재가 설치되어 내부를 밀폐하는 구조일 수 있다.
상기 실링부재는 경화성 에폭시 수지로 이루어질 수 있다.
상기 반도체는 전극과 접하는 단부에 도금 피막이 형성될 수 있다.
본 구현예의 열전소자는 상기 기판에 열전소자를 관통하는 구멍이 형성된 구조일 수 있다.
상기 구멍은 기판의 중앙부에 형성될 수 있다.
본 구현예의 열전소자 제조 방법은 열전달을 위한 기판 상에 전극을 배열 설치하는 일단 배열 단계, 전극에 반도체의 일단을 부착하는 부착 단계, 반도체의 타단에 전극을 배열하여 부착하는 타단 배열 단계, 반도체 타단에 부착된 전극 상에 기판을 부착하는 기판부착단계를 포함할 수 있다.
상기 일단 배열 단계에서, 기판 상에 전극을 배열 설치하기 전에 기판 상에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 타단 배열 단계 이후 전극 상에 기판을 부착하기 전에 반도체 타단에 부착된 전극과 기판 사이에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 신축성 완충재는 에폭시 계열일 수 있다.
상기 제조 방법은 전극에 전선을 연결하는 단계 및 기판 사이를 실링하여 내부를 밀폐하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제조 방법은 전극과 접하는 반도체의 단부에 도금 피막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 열팽창이나 열수축에 의한 물리적 충격을 완화시킴으로써, 고출력 하에서도 열전소자의 내구성을 높일 수 있게 된다.
또한, 열전소자의 내습성이 개선되어 습기에 의한 부식을 방지하고 수명을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 대면적의 열전소자 제조가 가능하게 된다.
또한, 고전류 인가에 따른 고열을 신속하고 효과적으로 방열시킬 수 있어, 고열에 의해 전선의 접점부위가 떨어지는 것을 방지하고, 열전소자의 기계적 강도를 개선할 수 있게 된다.
또한, 열전도가 개선되어 고효율 고출력의 열전소자를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열전소자를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 열전소자를 도시하고 있으며, 도 3은 본 실시예에 따른 열전소자의 단면 상태를 도시하고 있다.
본 실시예의 열전소자(10)는 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체(11), 상기 반도체(11)의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체(11) 사이를 전기적으로 연결하는 전극(14,15), 상기 반도체(11)의 양측 선단에서 각각 상기 전극(14,15)을 덮어 설치되는 기판(16,17), 및 상기 기판(16,17)의 외주부를 따라 기판(16,17) 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재(18)를 포함한다.
상기 반도체(11)는 N형 반도체(12)와 P형 반도체(13)로 이루어지며, 서로 교대로 배치되고 상단과 하단에서 각각 전극(14,15)이 설정된 패턴으로 N형 반도체(12)와 P형 반도체(13)를 전기적으로 연결한다. 이하 설명에서 도면부호 (11)는 N형 또는 P형에 무관하게 반도체를 지칭하며, 도면부호 (12)와 (13)은 각각 N형 반도체와 P형 반도체를 지칭한다. 그리고, 상 또는 상부라 함은 도 2에서 z축 방향을 따라 위쪽을 의미하고, 하 또는 하부이라 함은 z축 방향을 따라 아래쪽을 의미한다.
상기 전극(14,15)은 반도체(11)의 상단과 하단에 각각 배치되어 이웃하는 반도체(11)의 상단 사이 및 하단 사이를 각각 전기적으로 연결한다. 상기 전극(14,15)은 반도체(11)의 상단에 배치되는 상단 전극(14)과 반도체(11)의 하단에 배치되는 하단전극(15)으로 이루어진다. 이하 설명에서 전극(14,15)은 상단전극과 하단전극 전체를 지칭할 수 있다.
상기 전극(14,15)의 배치 구조에 따라 열전소자(10) 내 전체 반도체(11)는 직렬로 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체(11)를 직렬 연결시키도록 배치된 전극 중 시작과 끝쪽에 배치된 전극이 단자 역할을 하며, 상기 전극에 전선(19)이 연결되어 반도체(11)에 전류를 인가할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 반도체(11)는 분말 야금 압축 가공 공정을 통해 분말 형태의 열전금속을 고온 고압으로 압축 가공하여 제조할 수 있다. 본 실시예에서 상기 반도체는 압축강도가 35MPa 내지 80MPa일 수 있다.
이와 같이, 반도체(11)의 압축강도가 획기적으로 높아져 열전소자(10)의 성능을 2.8 내지 2.95×10-3K-1(25℃ 진공 상태)까지 높일 수 있게 된다. 따라서, 종래와 비교하여 전기적 에너지를 열로 혹은 온도차를 열로 바꾸는 효율을 20 내지 28% 개선할 수 있게 된다.
또한, 상기 반도체(11)의 압축강도를 높임으로써, 반도체(11)의 기계적 강도와 치밀도를 높일 수 있게 된다. 이에, 열전소자(10)의 기계적 강도를 증가시킬 수 있고, 종래 구현이 어려웠던 고효율(100와트 이상)의 열전소자를 제조할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 반도체(11)는 전극(14,15)과 접하는 단부에 도금 피막(22)이 형성될 수 있다. 상기 도금 피막(22)은 열전도가 높은 금속일 수 있다. 상기 도금 피막(22)은 예를 들어, 금(Au), 은, 구리 또는 알루미늄이 도금된 구조일 수 있다. 반도체(11)의 단부에 도금 피막을 형성하여 열전도가 뛰어난 금속을 도포함으로써, 열전도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 도금피막(22)을 통해 부식성이 큰 Bi2Te3 금속 표면을 코팅함으로써, 부식 방지 효과를 높일 수 있고, 반도체(11) 접합을 위한 솔더의 디퓨전(diffusion)을 방지할 수 있게 된다.
디퓨전(diffusion)은 금속학적으로 확산이라고 하는 데, 시간이 흐르면서 담배연기가 공중으로 퍼지듯이 반도체 접합에 사용된 납이 반도체인 열전금속 속으로 퍼져 나가는 현상을 의미한다. 저온에서의 용이한 작업성 때문에 열전소자를 제조함에 있어서 세라믹과 열전금속인 반도체를 납으로 용접하여 접합하게 된다. 금속의 내구성에 가장 치명적인 원소는 납, 크롬, 실리콘, 인, 황 등으로, 반도체 접합을 위해 사용된 납이 서서히 반도체 속으로 들어가 딱딱하게 굳어지게 된다. 이에, 반도체가 시효 경화되면서 외부의 작은 충격에도 쉽게 파손되는 문제가 발생된다.
본 실시예의 반도체(11)는 납이 접합되는 표면에 도금 피막(22)이 형성됨으로써, 도금 피막이 납의 유입을 차단하게 된다. 따라서, 본 실시예의 반도체는 납의 디퓨전 현상을 방지하여 외부 충격에 대해 반도체의 강성을 높이고 파손을 방지할 수 있게 된다. 아울러, 반도체에 형성된 도금 피막은 금과 같이 자체적으로 신축성을 가지고 있어, 외부 충격을 흡수함으로써 반도체에 가해지는 충격을 보다 완화시킬 수 있게 된다.
상기 반도체(11)는 단면이 원형인 구조일 수 있다.
본 실시예의 경우 반도체가 압출 공정을 통해 제조됨에 따라 압출공정에서 원료가 토출되는 노즐의 단면을 원형으로 함으로써, 보다 용이하게 원형 단면 구조의 반도체를 제조할 수 있다. 물론, 원형 구조 외에 사각 등 다각형태의 단면구조를 갖는 노즐을 사용하는 경우 사각 등 다각의 단면구조를 갖는 반도체 역시 용이하게 제조 가능하다. 종래의 경우 판재를 직각으로 절단하여 반도체를 제조함에 따라 원형의 반도체 제조가 거의 불가능하였다.
본 실시예에서 상기 반도체가 원형으로 이루어짐에 따라 다양한 기능의 열전소자 구현이 가능하다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
상기 기판(16,17)은 상단 전극(14)쪽에 배치되는 상부기판(16)과 하단 전극(15)쪽에 배치되는 하부기판(17)으로 이루어진다. 이하 설명에서 기판(16,17)은 상부기판과 하부기판 전체를 지칭할 수 있다.
상기 두 개의 기판(16,17)은 반도체(11) 전체를 덮는 크기로 이루어져 상단전극(14)과 하단전극(15) 외측에서 각 전극(14,15)에 부착되어 열전소자(10)의 대향되는 양면을 이룬다. 상기 두 개의 기판(16,17) 사이에 복수개의 반도체(11)가 배치되는 것이다. 상기 기판(16,17)은 그 사이에 배치되는 반도체(11)를 외부로부터 보호하며 외부로 열을 전달하는 열전달체로서 작용하게 된다. 예를 들어, 상기 기판(16,17)은 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 열전소자(10)의 둘레를 따라 상기 두 개의 기판(16,17) 사이에 상기 실링부재(18)가 설치된다.
상기 실링부재(18)는 반도체의 열팽창 계수와 대응되는 열팽창 계수를 갖는 경화성 에폭시 수지로 이루어질 수 있다.
실링부재(18)가 R Butyl 고무 계열의 실리콘 재질로 이루어지는 경우, 시간이 지남에 따라 실리콘 도포 부분의 미세 틈새(micro porosity) 발생으로 수분이 내부로 침투하고, 접착력 저하로 열전소자의 내구성이 떨어지게 된다.
본 실시예의 경우, 열전소자 가동시 열팽창 계수를 감안하여 실링부재(18)가 경화성 에폭시 수지로 이루어짐에 따라, 실링부재가 반도체 열팽창 또는 열수축시 같은 비율로 팽창 수축되어 열전소자 실링 상태를 계속 유지할 수 있게 된다. 이에, 외부 수분이 열전소자(10) 내부로 침투하는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다. 따라서, 열전소자의 내부 반도체 및 금속성분의 부식을 방지하고 수분에 의한 합선 발생을 방지할 수 있게 된다.
열전소자 가동시 금속의 팽창과 실링부재의 열팽창 계수가 상이한 경우 외부 습기와 공기가 유입됨과 더불어 실링부재 설치 부분에서의 강도가 약해져 조립시 열전소자 모서리 부분이 깨지게 된다.
상기와 같이, 본 실시예의 실링부재는 반도체의 열팽창계수와 같은 열팽창계수를 갖는 경화성 에폭시 수지로 이루어짐에 따라 반도체 열팽창 또는 열수축시 같은 비율로 팽창 수축되어 계속 열전소자 모서리 부분을 부착 지지하는 상태를 유지하게 된다. 이에, 실링부재(18)가 설치되는 부분인 열전소자(10) 모서리 부분의 강성을 높여 열전소자 조립시 기판(16,17)의 모서리 파손을 최소화할 수 있게 된다.
경화성 에폭시 수지는 외부 충격에 대한 흡수율이 낮을 수 있으나, 언급한 바와 같이, 본 실시예의 반도체(11)는 열전금속 분말을 고압으로 압출하여 제조됨에 따라 압축강도가 높아 외부 충격에 충분히 견딜 수 있는 강성을 확보하고 있으므로, 경화성 에폭시 수지가 기판(16,17) 사이에 설치되더라도 외부 충격에 대해 반도체 등 열전소자가 손상되는 것을 최소화할 수 있게 된다.
본 실시예의 열전소자(10)는 상기 기판(16,17) 중 적어도 어느 하나의 기판과 전극(14,15) 사이에 설치되는 신축성 완충재(20)를 더 포함할 수 있다.
상기 완충재는 상부기판(16) 또는 하부기판(17)에 설치되거나, 상부기판과 하부기판 모두에 설치될 수 있다.
상기 완충재(20)는 예를 들어, 기판(16,17) 상에 도포되어 설치될 수 있다. 또한, 상기 완충재(20)는 미리 제조되어 판 형태의 구조로 이루어질 수 있다.
상기 완충재(20)는 신축성과 내열성을 갖는 재질에서 선택될 수 있으며, 예를 들어 실리콘 등 에폭시 계열의 수지로 이루어질 수 있다.
열전소자에 전기를 공급하면 반도체의 팽창과 수축이 일어나며 지속적인 팽창 수축에 따라 굉장한 응력이 발생된다. 완충재(20)는 자체의 신축성을 통해, 열전소자(10) 구동시 반도체(11)나 전극(14,15)의 열팽창과 열수축을 흡수하여 열전소자(10)에 가해지는 물리적 충격을 완충시키게 된다.
따라서, 고출력하에서 열전소자(10)의 내구성을 높일 수 있게 된다.
이하, 본 실시예의 열전소자 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
열전소자 제조 과정을 살펴보면, 열전달을 위한 기판 상에 전극을 배열 설치하는 일단 배열 단계, 전극에 반도체의 일단을 부착하는 부착 단계, 반도체의 타단에 전극을 배열하여 부착하는 타단 배열 단계, 반도체 타단에 부착된 전극 상에 기판을 부착하는 기판부착단계를 포함한다.
또한, 전극에 전선을 연결하는 단계를 더 포함하며, 최종적으로 기판과 기판 사이를 실링하여 내부를 밀폐하는 단계를 더 포함한다.
이에, 준비된 기판 상에 설정된 패턴에 따라 전극을 배열하여 설치하고, 배열된 전극에 반도체의 일단을 부착한다. 그리고, 반도체의 타단에 전극을 설정된 패턴에 따라 배열하여 부착한 후, 반도체 타단에 설치된 전극에 기판을 부착한다. 전극과 반도체는 예를 들어 솔더(solder) 접합 공정을 통해 접합될 수 있다. 상기 과정 중에 일측 전극에 전선을 연결하고, 최종적으로 기판 사이를 에폭시 수지로 실링하여 열전소자가 제조된다.
여기서, 본 실시예의 제조 방법은 기판과 전극을 부착하기 전에 기판 상에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 상기 완충재는 두 개의 기판 중 일측 기판에만 설치될 수 있다. 상기 완충재는 두 개의 기판 모두에 설치가 가능하나, 상하 두 개의 기판 모두에 설치시 반도체 냉각, 가열 작용에 따른 열전도 속도가 떨어질 수 있다.
이에, 본 제조 방법은 상기 일단 배열 단계에서, 기판 상에 전극을 배열 설치하기 전에 기판 상에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 제조 방법은 완충재가 일측 기판 뿐만 아니라 모든 기판과 전극 사이에도 설치될 수 있다. 이를 위해 본 제조 방법은 상기 타단 배열 단계 이후 전극 상에 기판을 부착하기 전에 반도체 타단에 부착된 전극과 기판 사이에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 완충재 설치 단계는, 액상의 완충재를 기판 상에 분사하거나 칠하여 부착 설치할 수 있다.
상기한 구조 외에 완충재를 별도로 판 형태로 제조하고, 제조된 판상의 완충재를 기판 상에 부착하여 설치할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 신축성 완충재는 실리콘 등 에폭시 계열의 수지일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따라 제조된 열전소자는 기판과 전극 사이에 설치된 신축성 완충재가 열전소자 구동시 반도체나 전극의 열팽창과 열수축을 흡수함으로써, 열전소자에 가해지는 물리적 충격을 완충시키게 된다.
또한, 본 실시예의 제조 방법은 전극과 접하는 반도체의 단부에 도금 피막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 도금 피막은 금(Au)이 도금된 구조일 수 있다. 반도체(11)의 단부에 금 도금 피막이 형성됨에 따라 열전도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 반도체(11) 접합을 위한 솔더의 디퓨전(diffusion)을 방지할 수 있게 된다.
도 4은 다른 실시예의 열전소자로, 온도 제어 기능이 구현된 열전소자를 예시하고 있다. 이하 설명에서 열전소자의 각 구성부 중 이미 언급한 부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 열전소자(10)는 반도체(11)가 원형으로 이루어지고 기판(16,17)에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서(25)가 설치된 구조로 되어 있다.
상기 온도센서(25)는 다양한 온도 검출 방식으로 구현될 수 있으며, 온도센서 또는 온도센서와 연결된 전선은 반도체(11) 사이를 지나 기판 외측으로 연장될 수 있다.
본 실시예의 열전소자(10)는 반도체(11)가 원형으로 제조됨에 따라 기판에 종횡으로 배치된 반도체들 사이에 형성되는 공간의 크기를 극대화할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종횡으로 배치된 4개의 반도체(11) 사이에 형성되는 공간이 바로 온도센서(25)를 설치할 수 있도록 허용된 공간이 된다. 열전소자(10)의 크기를 줄이면서도 온도센서의 설치가 가능하기 위해서는 상기 공간이 충분히 확보되어야 한다.
언급한 바와 같이, 본 실시예의 경우 반도체(11)가 원형으로 이루어짐에 따라 상기 공간의 크기가 충분히 확보되어, 반도체 사이에 온도센서를 설치하면서도 열전소자의 크기를 줄일 수 있게 된다.
여기서 상기 반도체(11)는 압출 공정을 통해 제조됨에 따라 원형 외에 타원형태나 반원형태 등 다양한 구조로도 용이하게 제조 가능하므로, 예를 들어 반원형태의 반도체를 사용하는 경우 상기 공간을 보다 크게 확보할 수 있다.
도 4에서 비교예도 도시된 것은 종래 사각의 반도체가 사용된 열전소자이다. 비교예의 경우 반도체가 사각형태로 이루어짐에 따라 반도체의 모서리에 의해 반도체 사이의 공간 크기가 줄어들게 된다. 이에, 비교예의 경우 본 실시예와 달리 반도체 사이의 공간을 충분히 확보하기 어려워 온도센서를 설치하기 어려운 문제가 있다. 비교예에서 온도센서를 설치하기 위해서는 반도체의 크기를 줄이거나 반도체의 배치 간격을 넓혀야 하므로, 열전소자의 크기가 커지는 문제가 발생된다.
이와 같이, 본 실시예의 열전소자는 그 크기를 보다 작게하면서도 내부에 온도센서를 구비할 수 있고, 내부에 온도센서를 구비함으로써 기존의 열전소자 표면에 설치되는 알루미늄 블록을 구비하지 않고도 온도 제어가 가능하게 된다.
도 5는 또 다른 실시예의 열전소자를 도시하고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예의 열전소자(10)는 반도체(11) 양 선단에 배치된 두 개의 기판(16,17) 중 적어도 일측 기판이 실링부재(18)보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부(30)를 형성하고, 상기 연장부(30)에는 기판의 전극(14,15)과 연결되는 보조단자(32)가 설치되며, 상기 보조단자(32)에 전류를 인가하기 위한 전선(19)이 접속되는 구조일 수 있다. 이하 설명에서 이미 언급한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 기재하며 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 연장부(30)는 기판(16,17) 상에 일체로 형성될 수 있다.
본 실시예의 열전소자(10)는 두 개의 기판(16,17) 중 전선(19)이 연결되는 전극(14,15)이 배치된 쪽의 기판(16,17)에 연장부(30)가 형성되어 다른 쪽의 기판보다 그 크기가 더 큰 구조로 되어 있다.
도 5는 열전소자(10)를 이루는 두 개의 기판(16,17) 중 전선(19)이 연결되는 하부기판(17)에 연장부(30)가 형성되어 상부기판(16)보다 더 큰 구조를 예시하고 있다. 이하 도 5에 도시된 바와 같이 하부기판(17)에 연장부가 설치된 구조를 예로서 설명한다.
이에, 상기 열전소자(10)는 상부기판(16)과 하부기판(17) 사이에 실링부재(18)가 설치되었을 때, 실링부재(18) 외측면을 기준으로 하부기판(17)에 형성된 연장부(30)가 실링부재(18) 밖에 위치하여 외부에 노출된 상태를 이룬다.
상기 연장부(30)에는 전극(도 2의 15 참조)과 연결되는 보조단자(32)가 설치된다. 따라서, 상기 열전소자(10)는 실링부재(18) 외측에 위치한 보조단자(32)에 전선(19)을 연결하는 것으로 전극(15)에 전선(19)을 전기적으로 연결할 수 있게 된다. 본 실시예에서 상기 보조단자(32)는 전선(19)이 접합되는 전극(15)과 일체로 형성된 구조일 수 있다. 예를 들어, 전선(19)과 접합되는 전극(15)의 일측 선단이 연장부(30)로 연장되어 보조단자(32)를 형성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보조단자(32)는 상기 연장부(30)의 모서리를 따라 굽어져 연장된 구조일 수 있다. 상기 보조단자(32)는 상기한 구조 외에 직선 형태나 굽어진 형태 등 다양한 형태를 이룰 수 있다.
이와 같이, 하부기판(17)에 열전소자(10)의 실링부재(18) 외측으로 연장되는 연장부(30)를 형성하고, 상기 연장부(30) 상에서 보조단자(32)를 매개로 전선(19)이 전극(15)과 연결되도록 함으로써, 고열에 의해 전극(15)에서 전선(19)이 떨어져 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.
즉, 열전소자(10)의 실링부재(18) 외측에 위치한 상기 연장부(30)와 연장부(30)에 형성된 보조단자(32)를 통해 열이 방열됨으로써, 보조단자(32)에 연결된 전선(19)이 고열에 의해 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.
100와트 이상의 고효율 열전소자의 경우 전극의 높은 전류로 인해 발열이 증가하므로 전극과 열전소자가 부착된 부분이 고열에 의해 녹아 전선이 떨어져 분리되는 현상이 발생된다. 상기 전극과 전선은 솔더 접합되어 있어 고열에 의해 접합부가 녹아 전선이 떨어지게 되는 것이다. 이에, 고효율 열전 소자의 경우 기계적 강도를 확보하더라도 고열에 의해 구현이 쉽지 않다.
본 실시예의 열전소자(10)는 종래 실링부재(18)로 둘러쌓인 열전소자(10) 내부에 위치한 전선(19)의 연결부를 열전소자(10) 외측에 위치시킴으로써, 고열에 의한 영향을 최소화할 수 있게 된다. 더욱이 상기 연장부(30)와 보조단자(32)는 열전소자(10) 외측에서 방열플레이트로서 작용하여, 열전소자(10)의 고열을 방열시키게 된다. 여기서, 보조단자(32)는 연장부(30)와의 접촉면적을 크게 할 수 있도록 충분히 넓은 크기로 형성될 수 있다. 이에, 보조단자(32)로 인가된 고열이 연장부(30)를 통해 방열되어 보다 신속하게 냉각될 수 있다.
따라서, 연장부(30)의 보조단자(32)와 전선(19)의 접합부위에서의 온도가 충분히 낮아져 전선(19)이 분리되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예는 기판의 연장부(30)를 통해 방열 효과를 높임으로써 기계적 강도를 높인 고효율의 열전소자(10)를 구현할 수 있게 된다.
알려진 바와 같이, 열전소자는 전자부품 중에서 전류가 굉장히 높으며, 이는 동일 저항을 가지고 있는 다른 부품에 비해 발열이 높다는 것을 의미한다. 대면적의 열전소자의 경우 최대 55×55mm 정도의 크기를 갖고 있고, 전기적 발열의 한계성으로 인해 통상 크기와는 무관하게 100와트 급으로 사용되고 있다. 100와트 급 이상의 출력을 구현하고자 하는 경우에는, 예를 들어 열전소자의 특성을 12V 10A 보다는 24V 5A로 조절하여 가급적 전압을 높이고 전류를 낮추게 된다.
열전소자의 면적을 최소화하면서 출력을 극대화하기 위해서는, 예를 들어 40×40mm에 24V 10A 이상의 전류를 인가하여야 하나, 이 경우 열전소자 면적 한계성과 높은 전류에 따른 발열로 전선, 열전소자와 세라믹 혹은 열전소자와 내부 완충재인 글루(glue)의 용접시 사용된 용해납이 녹아 버리게 된다.
따라서, 언급한 바와 같이 본 실시예의 열전소자는 기판의 연장부(30)를 통해 방열 효과를 높임으로써 보다 작은 면적의 고출력의 열전소자를 구현할 수 있게 된다.
도 6은 또 다른 실시예의 열전소자를 도시하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예의 열전소자(10)는 반도체(11) 양 선단에 배치된 두 개의 기판(16,17) 중 적어도 일측 기판이 분할되어 복수개의 플레이트(40)로 이루어질 수 있다. 이하 설명에서 이미 언급한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 기재하며 그 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 열전소자(10)를 이루는 두 개의 기판(16,17) 중 상부기판(16)이 4개의 플레이트(40)로 분할되어 배치된 구조를 예시하고 있다. 이하 도 6에 도시된 바와 같이, 상부기판(16)이 복수개의 플레이트(40)로 분할되어 배치된 구조를 예로서 설명한다. 상기 상부기판(16)은 4개의 플레이트(40)로 분할되는 구조 외에 2개, 3개 또는 4개 이상 다양한 개수로 분할될 수 있다.
상기 복수개의 플레이트(40)는 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 복수개의 플레이트(40)는 모여 하나의 상부기판(16)을 이룬다.
상기 복수개의 플레이트(40)는 서로 간격을 두고 배치된다. 상기 각 플레이트(40) 사이의 간격은 열전소자(10) 구동에 따라 플레이트(40)가 열팽창되거나 열수축되었을 때, 서로 간섭되면서 손상되지 않는 정도면 충분하며 특별히 한정되지 않는다.
상기 상부기판(16)의 플레이트(40) 사이에는 분리되어 있는 플레이트(40) 사이를 통해 외부 수분이 열전소자(10) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 실링부재(42)가 설치된다. 이에, 실링부재(42)가 플레이트(40) 사이를 막아 열전소자(10) 내부를 밀폐하게 된다.
상기 플레이트(40) 사이에 설치되는 실링부재(42)는 기판(16,17)과 기판(16,17) 사이에 설치되는 실링부재(18)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상부기판(16)을 다수개의 플레이트(40)로 분할하여 열전소자(10)의 일면에 배치함으로써, 고효율의 열전소자(10)를 보다 대형의 크기로 제조할 수 있게 된다.
100와트 이상의 고효율 열전소자의 경우 전극의 높은 전류로 인해 발열이 증가하므로 대면적의 열전소자로 제조할 경우, 대면적의 세라믹 기판이 열팽창 또는 열수축함에 따라 내구성이 떨어지게 된다. 이에, 고효율 열전소자의 경우 대면적의 크기로 제조하기 쉽지 않다.
본 실시예의 열전소자(10)는 종래 단일 형태로 된 기판을 분할하여 다수개의 플레이트로 기판을 형성함으로써, 대면적에 따른 내구성 저하를 최소화할 수 있게 된다. 따라서, 고효율 열전소자 구동시 기판으로 인가되는 물리적 충격이 분할된 각 플레이트(40)로 분산되어, 상대적으로 소형의 플레이트(40)가 열팽창 또는 열수축하게 된다. 이에, 대면적의 열전소자(10)라 하더라도 기판에 가해지는 열충격이 소형의 플레이트(40)로 분산되어 열전소자의 내구성을 높일 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예는 기판을 분할하여 열팽창이나 열수축에 따른 충격을 줄임으로써 대면적을 갖는 고효율의 열전소자를 구현할 수 있게 된다.
도 7은 또 다른 실시예의 열전소자를 도시하고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 실시예의 열전소자(10)는 기판(16,17)에 열전소자(10)를 관통하는 구멍(50)이 형성된 구조일 수 있다. 상기 구멍(50)은 열전소자(10)의 중앙부에 형성될 수 있다. 상기 구멍(50)은 열전소자(10)를 이루는 두 개의 기판(16,17)에 각각 동일한 위치에 형성된다.
상기 구멍(50)은 예를 들어, 레이저빔이 통과할 수 있거나, 온도센서가 설치될 수 있다. 상기 구멍(50)의 크기는 다양하게 변형가능하다.
본 실시예에서 상기 구멍(50)이 형성된 위치에서 기판과 기판 사이에는 실링부재(18)가 설치되어 열전소자(10) 내부를 밀페할 수 있다.
상기 구멍(50)은 기판(16,17)의 중앙부에 형성될 수 있다.
상기와 같이, 본 실시예의 열전소자(10)는 중앙에 구멍(50)이 형성됨으로써, 구멍(50)에 온도센서를 설치하거나 구멍(50)을 통해 열전소자(10)를 관통하는 레이저빔을 조사할 수 있어, 보다 다양한 장비에 활용할 수 있게 된다.
열전소자는 기판에 구멍을 형성하는 경우 기계적 강도가 낮아지게 된다. 언급한 바와 같이, 본 실시예의 열전소자(10)는 내부에 구비된 반도체가 분말 야금 압축 가공 공정을 통해 분말 형태의 열전금속을 고온 고압으로 압축 가공하여 제조됨에 따라 기계적 강도를 충분히 확보하고 있으므로, 본 실시예와 같이 기판(16,17)에 구멍(50)을 형성하더라도 외부 충격에 대해 열전소자(10)가 손상되는 것을 최소화할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 열전소자 11 : 반도체
12 : N형 반도체 13 : P형 반도체
14 : 상단전극 15 : 하단전극
16 : 상부기판 17 : 하부기판
18 : 실링부재 19 : 전선
20 : 완충재 22 : 도금 피막
25 : 온도센서 30 : 연장부
32 : 보조단자 40 : 플레이트
42 : 실링부재 50 : 구멍

Claims (26)

  1. 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재 및 상기 기판 중 적어도 어느 하나의 기판과 전극 사이에 설치되는 신축성 완충재를 포함하는 열전소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충재는 에폭시 수지를 포함하는 열전소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 실링부재보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부를 형성하고, 상기 연장부에는 기판의 전극과 연결되는 보조단자가 설치되며, 상기 보조단자에 전류를 인가하기 위한 전선이 접속되는 구조의 열전소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반도체 양 선단에 배치된 두 개의 기판 중 적어도 어느 하나의 기판이 분할되어 복수개의 플레이트로 이루어진 열전소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판에 열전소자를 관통하는 구멍이 형성된 구조의 열전소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반도체가 원형으로 이루어지고, 기판에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서가 설치된 구조의 열전소자.
  7. 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 및 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고,
    상기 기판 중 적어도 어느 하나의 기판은 실링부재보다 외측으로 돌출되도록 연장된 연장부를 형성하고, 상기 연장부에는 기판의 전극과 연결되는 보조단자가 설치되며, 상기 보조단자에 전류를 인가하기 위한 전선이 접속되는 구조의 열전소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보조단자는 상기 전극에 일체로 형성된 열전소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 보조단자는 상기 연장부의 모서리를 따라 굽어져 연장된 구조의 열전소자.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 양 선단에 배치된 두 개의 기판 중 적어도 어느 하나의 기판이 분할되어 복수개의 플레이트로 이루어진 열전소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판에 열전소자를 관통하는 구멍이 형성된 구조의 열전소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반도체가 원형으로 이루어지고, 기판에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서가 설치된 구조의 열전소자.
  13. 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고,
    상기 반도체 양 선단에 배치된 두 개의 기판 중 적어도 어느 하나의 기판이 분할되어 복수개의 플레이트로 이루어진 열전소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수개의 플레이트는 서로 간격을 두고 배치되고, 각 플레이트 사이는 실링부재가 설치되어 내부를 밀폐하는 구조의 열전소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 각 플레이트 사이에 설치되는 실링부재는 경화성 에폭시 수지를 포함하는 열전소자.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 열전소자를 관통하는 구멍이 형성된 구조의 열전소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체가 원형으로 이루어지고, 기판에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서가 설치된 구조의 열전소자.
  18. 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고,
    상기 기판에 열전소자를 관통하는 구멍이 형성된 구조의 열전소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 구멍은 기판의 중앙부에 형성되는 열전소자.
  20. 간격을 두고 배열되는 복수개의 반도체, 상기 반도체의 양측 선단에 각각 설정된 패턴으로 배치되어 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 전극, 상기 반도체의 양측 선단에서 각각 상기 전극을 덮어 설치되는 기판, 상기 기판 사이에 설치되어 내부를 밀폐하는 실링부재를 포함하고,
    상기 반도체가 원형으로 이루어지고, 기판에 배열된 반도체로 둘러 쌓인 공간 내에 온도센서가 설치된 구조의 열전소자.
  21. 제 1 항, 제 7 항, 제 13 항, 제 15 항 및 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체는 전극과 접하는 단부에 도금피막이 형성된 열전소자.
  22. 열전달을 위한 기판 상에 전극을 배열 설치하는 일단 배열 단계, 전극에 반도체의 일단을 부착하는 부착 단계, 반도체의 타단에 전극을 배열하여 부착하는 타단 배열 단계, 반도체 타단에 부착된 전극 상에 기판을 부착하는 기판부착단계, 및 상기 일단 배열 단계에서, 기판 상에 전극을 배열 설치하기 전에 기판 상에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 포함하는 열전소자 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전극에 전선을 연결하는 단계 및 기판 사이를 실링하여 내부를 밀폐하는 단계를 더 포함하는 열전소자 제조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 전극과 접하는 반도체의 단부에 도금피막을 형성하는 단계를 더 포함하는 열전소자 제조 방법.
  25. 제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타단 배열 단계 이후 전극 상에 기판을 부착하기 전에 반도체 타단에 부착된 전극과 기판 사이에 신축성 완충재를 설치하는 단계를 더 포함하는 열전소자 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 신축성 완충재는 에폭시 계열인 열전소자 제조 방법.
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