KR20180013144A - 열전소자 - Google Patents

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KR20180013144A
KR20180013144A KR1020160096386A KR20160096386A KR20180013144A KR 20180013144 A KR20180013144 A KR 20180013144A KR 1020160096386 A KR1020160096386 A KR 1020160096386A KR 20160096386 A KR20160096386 A KR 20160096386A KR 20180013144 A KR20180013144 A KR 20180013144A
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thermoelectric leg
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김종현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판 및 상기 P형 열전 레그와 상기 N형 열전 레그를 직렬로 연결하는 전극을 포함하되, 상기 전극은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 교대로 배치되고, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그에 결합되며 상기 전극 상에 돌출되게 배치된 돌출부를 포함할 수 있다.

Description

열전소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 기판 사이에 복수의 열전 레그가 배치되고, 복수의 열전 레그와 기판 사이에 전극이 배치된다. 이때, 전극은 복수의 열전 레그를 직렬 연결한다. 예를 들어, 하나의 전극 상에 P형 열전 레그와 N형 열전 레그가 배치되며, 상기 N형 열전 레그는 다른 P형 열전 레그와 함께 다른 전극 상에 배치될 수 있다.
종래의 열전소자는 열전 레그와 전극 사이의 접촉 저항이 매우 크고, 이로 인하여 열 및 전기적 특성에서의 손실이 발생하여 열전소자 전체의 특성이 저하되는 문제점이 있다. 열전 레그에서 전극으로 이동하는 열의 이동 속도가 열전소자의 성능을 결정하는 중요한 인자이기 때문에, 이를 극대화한다면 이러한 문제점이 완화될 수 있다.
따라서, 열전 레그에서 전극으로 열의 이동 속도를 증가시키기 위한 기술의 제공이 요구 된다.
한국공개특허 제2016-0005588호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열전 레그와 전극 사이의 접촉 저항을 감소시킨 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판 및 상기 P형 열전 레그와 상기 N형 열전 레그를 직렬로 연결하는 전극을 포함하되, 상기 전극은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 교대로 배치되고, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그에 결합되며 상기 전극 상에 돌출되게 배치된 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 레그와 전극 사이의 접촉 저항이 감소하여 열 및 전기적 손실을 완화함으로써 열전소자 전체의 특성을 향상 시킨 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 전극의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 전극의 제조 공정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 전극의 사시도이다. 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조를 자세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자(200)는, 제1 기판(210), 제 1 기판(210) 상에 교대로 배치되는 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240), P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240) 상이 배치되는 제2 기판(260), P형 열전 레그(230)와 N형 열전 레그(240)를 직렬로 연결하는 전극(220, 250, 270) 및 돌출부(225, 255, 257, 275)을 포함할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위하여 열전 레그(230, 240)은 P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)를 모두 포함하여 지칭할 때 사용한다.
도 3에는 열전 레그(230, 240)가 각각 1개씩만 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않으며, 복수의 P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)가 교대로 제1 기판(210)과 제2 기판(260) 사이에 배치될 수 있다.
전극(220, 250, 270)은 P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)를 직렬로 연결한다. 전극(220, 270)은 P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)의 옆으로 다른 열전 레그가 존재하지 않기 때문에, P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)의 하단에만 각각 연결된다. 그 외의 전극(250)은 P형 열전 레그(230)과 N형 열전 레그(240)를 직렬로 연결할 수 있다.
돌출부(225, 255, 257, 275)는 전극(220, 250, 270) 상에 돌출되게 배치된다. 이하 설명의 편의를 위하여, 전극(250) 상에 돌출된 돌출부(255)를 대상으로 설명하지만, 나머지 돌출부(225, 257, 275)도 동일한 구조 및 형상을 가질 수 있다. 돌출부(225, 255, 257, 275)는 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 이격되 위치에 돌출될 수 있으며, P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 일단에 각각 결합될 수 있다. 따라서 각 돌출부(225, 255, 257, 275) 간의 이격 거리는, P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 이격 거리와 돌출부(225, 255, 257, 275)의 폭(Wout, Win)에 의해서 결정될 수 있다.
돌출부(255)는 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)가 상기 전극과 접합되는 부분을 내부에 포함할 수 있다. 돌출부(255)는 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)가 상기 전극과 접합되는 부분을 둘러 싸면서 전극(250) 상에 돌출될 수 있다. 전극(250) 상에 돌출되는 돌출부(255)는 전극(250)에 접합되는 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 측면에 형성될 수 있다.
돌출부(255)는 전극(250)과 동일한 소재일 수 있다. 돌출부(255)는 전극(250)과 동일한 소재로 구성되지 않는 경우에는, 전기전도성 또는 열전도성을 가진 소재일 수 있다. 돌출부(255)는 열과 전기 중에서 적어도 하나를 전극(250)에 전달하거나, 전극(250)으로부터 전달 받을 수 있다.
돌출부(255)는 전극(250)과 일체형으로 형성되거나, 전극(250) 상에 별도로 부착되어 형성될 수 있다. 일체형으로 형성되는 경우에는 전극(250)의 제조 공정에서 돌출부(255)가 함께 형성될 수 있다. 별도로 부착되는 경우, 전극(250)의 제조가 끝난 후, 별도의 공정으로 전극(250)에 돌출되게 부착될 수 있다.
도 4를 참조하면, 돌출부(255)는 위에서 바라본 평면 상의 형상은 폐루프 형상일 수 있다. 돌출부(255)는 전극(250)의 표면 위로 일정 정도 돌출되며, 상기 돌출된 부분이 폐루프를 형성할 수 있다. 돌출부(255)는 돌출되고 상부 표면에서 내부로 함몰된 하나의 함몰부를 포함함으로써, 상기 폐루프 형상을 형성할 수 있다.
돌출부(255)는 전극(250) 위로 높이 h 만큼 돌출될 수 있다. 높이(h)는 열전 레그의 길이의 0.1% 보다 크고 50% 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 열전 소자(200)에 포함된 모든 열전 레그(230, 240)의 길이가 100[um] 인 경우, 돌출부(255)의 높이(h)는 0.1 [um] 보다 크고 50[um] 보다 작아야 한다. 돌출부(255)가 열전 레그의 길이의 0.1%보다 낮게 돌출되면, 돌출부(255)를 통해서 열이 열전 레그에 전달되는 효과가 거의 없으며 종래 기술과 차이가 없을 수 있다. 돌출부(255)가 열전 레그의 길이의 50%이상 돌출되면, 마주보는 돌출부(255)가 맞닿게 되어, 열이 돌출부(255)를 통해서만 전도되므로 오히려 전극으로 열이 전달되는 효율이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
돌출부(255)의 내부폭(Win)은 열전 레그(230, 240)의 폭과 같을 수 있다. 내부폭(Win)이 열전 레그(230, 240)의 폭과 같게 되면, 돌출부(255)의 내부면과 열전 레그(230, 240)의 외부면이 접촉될 수 있다. 돌출부(255)와 전극(250)은 열전도성 또는 전기전도성을 가지기 때문에, 돌출부(255)와 열전 레그(230, 240)이 접촉하게 되면, 결과적으로 열전 레그(230, 240)과 전극(250)의 접촉 면적이 늘어나게 되는 효과가 있다. 따라서, 돌출부(255)가 열전 레그(230, 240)이 접촉됨으로써, 열전 레그(230, 240)과 전극(250)의 접촉 저항이 감소하게 됨으로써, 열전소자(200)의 열 및 전기 특성이 향상되는 효과가 있다.
이러한 효과를 수식으로 설명하면 다음과 같다.
열전소자에서 열전 레그와 전극의 등가 저항(Req)는 다음 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
Rsn은 N형 열전 레그의 단위 길이 저항, Ln은 N형 열전 레그의 길이, Wn은 N형 열전 레그의 폭, Rsp는 P형 열전 레그의 단위 길이 저항, Lp는 P형 열전 레그의 길이, Wp는 P형 열전 레그의 폭, ρcp는 P형 열전 레그와 전극의 접촉 저항, ρcn은 N형 열전 레그와 전극의 접촉 저항 및 Lc는 열전 레그와 전극의 접촉되는 부분의 길이를 나타낸다.
위 수식에 따르면, 돌출부(255)가 전극(250)이 접촉하게 되면, Lc 값이 증가하게 되고, 이에 따라서 Req 값은 감소하게 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 돌출부(255)는 열전 레그(230, 240)에 접촉될 수 있도록 내부폭(Win)을 가져야 한다. 열전 레그(230, 240)는 돌출부(255)의 내부 공간에 위치하면서, 전극(250)과 접합되고, 돌출부(255)와 접촉되는 영역을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극의 사시도이다. 도 5와 도6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자(400)을 자세하게 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자(400)은 제1 기판(410), 제 1 기판(410) 상에 교대로 배치되는 P형 열전 레그(430) 및 N형 열전 레그(440), P형 열전 레그(430) 및 N형 열전 레그(440) 상이 배치되는 제2 기판(660), P형 열전 레그(430)와 N형 열전 레그(440)를 직렬로 연결하는 전극(420, 450, 470) 및 돌출부(425, 455, 275)을 포함할 수 있다.
열전소자(400)은 열전소자(200)과 같은 명칭을 가지는 부분은 동일하기 때문에, 설명의 중복을 방지하기 위하여 자세한 설명은 생략한다. 열전소자(400)과 열전소자(200)의 차이점은, 열전소자(400)의 전극(450)상에 하나의 돌출부(455)만이 배치된다는 것이다.
도 6을 참조하면, 돌출부(455)는 N형 열전 레그(430)과 P형 열전 레그(440)이 전극과 접합하는 부분의 사이의 이격된 부분(480)에도 돌출되는 것을 포함할 수 있다. 즉, 돌출부(455)는 표면에서 내부로 함몰된 두 개의 함몰부를 포함하는 일체형으로 상기 전극 상이 돌출되어 배치될 수 있다. 상기 두 개의 함몰부는, N형 열전 레그(430)과 P형 열전 레그(440)과 각각 결합될 수 있다. 일체형의 돌출부(455)는 N형 열전 레그(430)과 P형 열전 레그(440) 사이의 열 전달 효율을 더 높일 수 있는 효과가 있다.
도 6에 도시된, 돌출부(455)의 높이 및 폭은 돌출부(255)와 동일할 수 있으므로, 설명의 중복을 방지하기 위하여 생략한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 전극의 제조 공정을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하여, 열전소자의 전극의 제조 공정을 설명한다.
실리콘 웨이퍼(710) 상에 전극층(720)을 형성하고, 전극층(720) 상에 PR(Photo Resist, 이하 “PR”)(730)을 증착한다(a). PR은 스핀(spin)코팅(coating)으로 전극층(720) 상에 증착될 수 있다.
PR(730) 상에 마스크(mask)를 이용하여 노광한다(b). 상기 마스크는 폐루프 형상을 포함할 수 있다. PR은 빛에 노출되면 화학반응이 일어나 용해도 특성이 변하는 감광성 물질이다. 본 발명에서는, 상기 마스크 위에서 노광함으로써, 빛이 닿지 않는 PR(730) 상에 돌출부를 형성할 수 있다.
PR(730)을 현상한다(c). 빛에 노출된 PR(730)의 부분은 화학적으로 변하기 되고, 디벨로퍼(developer) 용액으로 빛에 노출된 부분을 녹여낼 수 있다.
PR(730)이 덮고 있지 않은 부분을 에칭(etching) 한다(d). 상기 에칭은 드라이(dry) 에칭 또는 웨(wet) 에칭을 이용할 수 있고, 상기 에칭에 의해서 돌출부의 형상이 전극층(720)에 형성된다.
전극층(720)상에 남아 있는 PR(730)을 제거한다(e). PR(730)이 제거되면, 전극층(720)의 상부면 표면에서 내부로 함몰된 부분을 형성된다. 이에 따라서, 전극층(730)과 일체형인 돌출부가 형성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
종래의 열전소자 100
실시예에 따른 열전소자 200
다른 실시예에 따른 열전소자 400

Claims (11)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그;
    상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판;
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 위에 배치되며 상기 P형 열전 레그와 상기 N형 열전 레그를 직렬로 연결하는 전극;및,
    상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중에서 적어도 하나에 결합되며 상기 전극 상에 돌출되게 배치된 돌출부;를 포함하는,
    열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그의 길이의 0.1 [%] 보다 크고 50 [%] 보다 작은 높이를 가지는,
    열전소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    돌출된 부분이 형성하는 영역의 내부에 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그가 상기 전극과 접합되는 부분을 포함하는,
    열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 전극에 접합되는 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 측면에 형성되는,
    열전소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 돌출부의 평면상의 형상은 폐루프 형상인,
    열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 전극과 일체형으로 형성된,
    열전소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 전극에 별도로 부착되어 형성된,
    열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    인접한 상기 N형 열전 레그와 상기 P형 열전 레그의 이격된 위치에 돌출되는 것을 포함하는,
    열전소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    표면에서 내부로 함몰된 두 개의 함몰부를 포함하며, 상기 함몰부에 상기 N형 열전 레그 및 상기 P형 열전 레그의 일단이 각각 결합하는,
    열전소자.
  10. 실리콘 웨이퍼 상에 전극층을 형성하고 상기 전극층 상에 PR을 증착하는 단계;
    상기 PR 상에 마스크를 이용하여 노광하는 단계;
    상기 PR을 현상하는 단계;
    상기 PR이 덮고 있지 않은 부분을 에칭(etching) 하는 단계; 및
    상기 PR을 제거하는 단계를 포함하는,
    열전소자 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마스크는,
    폐루프 형상을 포함하는,
    열전소자 제조 방법.
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