KR20180088070A - 열전소자 모듈 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 열전소자 모듈은, 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및 상기 하부 기판 상에 배치될 수 있다.
Description
실시예는 열전소자 모듈에 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.
한편, 앞서 설명하였듯이. 열전소자는 전류를 공급하여 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생시킬 수 있으며, 이에 따라, 외부의 제어 장치로 통해 열전소자 모듈 내부의 전류 및 전압을 제어해야 한다,
그러나, 이러한 제어 장치에 의해 열전소자 모듈의 전체적인 부피가 증가될 수 있어 소형화가 어려울 수 있다.
따라서, 소형화를 구현할 수 있는 새로운 열전소자 모듈이 요구된다.
실시예는 소형화를 구현하고 향상된 신뢰성을 가지는 열전소자 모듈을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 열전소자 모듈은, 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및 상기 하부 기판 상에 배치될 수 있다.
실시예에 따른 열전소자 모듈은 열전소자 모듈의 전압 또는 전류를 제어하는 칩을 포함할 수 있다.
즉, 열전소자 모듈 및 배터리와 연결되는 칩을 별도의 구성으로 배치하지 않고, 열전소자 모듈의 내부에 직접 배치함으로써, 열전소자 모듈의 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 열전소자 모듈에 직접 칩을 배치함으로써, 열전소자 모듈의 내부에서 변화하는 온도 차이 및 전압 변화를 보다 정밀하게 측정하여 배터리로 전달할 수 있으므로, 보다 정확한 제어를 할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 열전소자 모듈은 소형화를 구현할 수 있으며, 향상된 신뢰성을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면들이다.
도 5는 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면들이다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 열전 소자의 다른 단면도를 도시한 도면들이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 12는 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면들이다.
도 5는 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면들이다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 열전 소자의 다른 단면도를 도시한 도면들이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 12는 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 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 1 및 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150), 상부 기판(160) 및 칩(200)을 포함할 수 있다.
상기 하부 전극(120)은 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다.
이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(120)과 상기 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 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 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(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 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.
[수학식 1]
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, 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(120), 그리고 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 하부 전극(120) 또는 상기 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(110)과 상기 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 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(110)과 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 상부 기판(160)과 상기 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다.
상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(110)과 상기 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, 상기 하부 기판(110)과 상기 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.
상기 P형 열전 레그(130)와 상기 하부 전극(120) 및 상기 P형 열전 레그(130)와 상기 상부 전극(130)은 서로 접착될 수 있다. 또한, 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 하부 전극(120) 및 상기 N형 열전 레그(140)와 상기 상부 전극(130)은 서로 접착될 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 칩(200)은 상기 하부 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 상기 칩(200)은 상기 하부 기판(110)에 실장될 수 있다. 상기 칩(200)은 상기 하부 기판(110)의 중앙 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 칩(200)은 상기 하부 기판(110)의 가장자리 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 칩(200)은 상기 하부 전극(120)들 사이에 배치될 수 있다.
상기 칩(200)은 인쇄회로기판(250)을 통해 상기 하부 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 칩(200)은 상기 인쇄회로기판(250) 상에 배치되고, 상기 인쇄회로기판(250)은 상기 하부 기판(110) 상에서 솔더링 접합 등을 통해 상기 하부 기판(110) 상에 실장될 수 있다.
상기 칩(200)은 상기 열전소자 모듈의 외부에 배치되는 배터리와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 칩(200)은 파워 부스터 IC 칩(Power Booster IC Chip)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 칩(200)은 Dc-Dc 컨버터 회로, 로드 매칭(Load Matching) 회로. 배터리 충전기(Battert Charger), Low Drop Out Regulator(LDO) 및 벅 부스터(Buck Booster) 등을 포함할 수 있다.
상기 Dc-Dc 컨버터 회로는 낮은 온도 차에서 발생하는 열전소자의 낮은 전압을 필요로 하는 전압으로 승압 해주는 회로 역할을 한다.
또한, 상기 로드 매칭(Load Matching) 회로는 Maximum Power Point Tracking 회로에 내장되며, 최대 전력으로 발전하도록 열전소자에서 생성된 전압의 50%로 설정되도록하는 역할을 한다.
또한, 배터리 충전기는 열전소자 모듈과 연결되는 배터리 등으로 충전이 되도록 하여 과충전, 과방전을 방지하는 역할을 한다.
또한, Low Drop Out Regulator(LDO)는 지정된 전압으로 일정한 전압이 발생하도록 즉, 아웃풋(output) 전압을 일정하게 하기 위해서 가변저항 값을 계속 바꿔주는 회로 역할을 한다.
또한, 벅 부스터(Buck Booster)는 감압 직류-직류 변환기 발전 소자에서 발생된 전압이 과도한 전압이 발생하였을 때 필요로 하는 전압으로 감압하는 역할을 한다.
상기 칩(200)이 파워 부스터 IC 칩을 포함하는 경우, 열전소자 모듈의 외부에 배치되는 배터리와 연결되어, 열전소자 모듈의 전압을 제어할 수 있다. 자세하게, 상기 칩(200)은 상기 열전소자에서 하부 기판 및 상부 기판 사이에의 온도차에 의해 발생하는 전압을 승압해주는 역할을 할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 열전소자 모듈은 열전소자 모듈 내부에 배치되는 파워 부스터 IC 칩을 이용하여 열전소자 모듈의 온도 등의 환경에 따라 적정한 전압을 유지할 수 있게 한다.
즉, 실시예에 따른 열전소자 모듈에서 필요한 전압보다 낮은 전압이 발생하는 경우, 상기 칩(200)을 통해 외부의 배터리로 연결하여, 전압을 승압하여 열전소자 모듈이 적정한 전압을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
상기 칩(200)은 전력 제어 유닛 IC 칩을 포함할 수 있다. 상기 전력 제어 유닛 IC 칩은 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도를 측정하여 열전소자 모듈의 전력을 제어할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 칩(200) 상에는 센서(210)가 배치될 수 있다. 상기 센서(210)는 온도 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서(210)는 상기 열전소자 모듈의 온도를 측정할 수 있다. 자세하게, 상기 센서(210)는 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도 즉, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도 차이를 측정하여 상기 칩(200)에 전달할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서(210)에 의해 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도 차이가 설정값보다 큰 경우, 상기 배터리에서 상기 열전소자 모듈로 인가되는 전력의 크기를 작게할 수 있다.
또는, 상기 센서(210)에 의해 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도 차이가 설정값보다 작은 경우, 상기 배터리에서 상기 열전소자 모듈로 인가되는 전력의 크기를 크게할 수 있다.
즉, 상기 센서(210)에 의해서 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 온도 차이를 측정하고, 상기 온도 차이와 설정온도를 상기 전력 제어 유닛 IC 칩을 통해 비교하고, 각각의 온도 차이와 설정온도 값에 따라, 배터리에서 열전소자 모듈로 인가되는 전력 값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 센서(210)는 상기 하부 기판(110) 또는 상기 상부 기판(160)의 온도를 측정 할 수 있으며, 상기 하부 기판(110) 또는 상기 상부 기판(160)과 직접 접촉하거나 반대로 직접 접촉하지 않고 온도를 측정 할 수도 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 열전소자 모듈은 배터리로부터 열전소자 모듈의 온도 차이에 따라 적정한 전력을 인가받을 수 있다.
상기 칩(200)이 파워 부스터 IC 칩 또는 전력 제어 유닛 IC 칩을 포함하는 것에 따라, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 발열부 및 냉각부의 위치는 서로 달라질 수 있다.
실시예에 따른 열전소자 모듈은 열전소자 모듈의 전압 또는 전류를 제어하는 칩을 포함할 수 있다.
즉, 열전소자 모듈 및 배터리와 연결되는 칩을 별도의 구성으로 배치하지 않고, 열전소자 모듈의 내부에 직접 배치함으로써, 열전소자 모듈의 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다.
또한, 열전소자 모듈에 직접 칩을 배치함으로써, 열전소자 모듈의 내부에서 변화하는 온도 차이 및 전압 변화를 보다 정밀하게 측정하여 배터리로 전달할 수 있으므로, 보다 정확한 제어를 할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 열전소자 모듈은 소형화를 구현할 수 있으며, 향상된 신뢰성을 가질 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.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 열전 레그(130)는 제 1 단면적을 가지는 제 1 소자부(132), 제 1 소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제 2 단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)를 연결하며 제 3 단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제 1 단면적 또는 제 2 단면적보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제 1 소자부(132)와 제 2 소자부(136) 간의 온도차(△T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다.
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제 1 소자부(132), 제 2 소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
도 9는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다.
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다.
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다.
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다.
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 9(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다.
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다.
도 10은 도 9의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 10을 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 10(c) 및 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 11에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 열전 소재를 열처리하여, 잉곳(ingot)을 제조한다(S100). 열전 소재는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재는 Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4)를 포함할 수 있다. 한편, Bi의 증기 압력은 768℃에서 10Pa이고, Te의 증기 압력은 769℃에서 104Pa이고, Se의 증기 압력은 685℃에서 105Pa이다. 따라서, 일반적인 용융 온도(600~800℃)에서 Te와 Se의 증기 압력이 높아, 휘발성이 크다. 따라서, 열전 레그 제작 시, Te 및 Se 중 적어도 하나의 휘발을 고려하여 칭량할 수 있다. 즉, Te 및 Se 중 적어도 하나를 1 내지 10 중량부로 더 포함시킬 수 있다. 예를 들어, N형 레그 제작 시, Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4) 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 Te 및 Se를 더 포함시킬 수도 있다.
다음으로, 잉곳을 분쇄한다(S110). 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법에 따라 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 판상 플레이크의 열전 소재가 얻어질 수 있다.
다음으로, 판상 플레이크의 열전 소재를 도핑용 첨가제와 함께 밀링(milling)한다(S120). 이를 위하여, 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등이 이용될 수 있다. 여기서, 도핑용 첨가제는, 예를 들어 Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다.
다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 레그용 분말을 얻는다(S130). 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 레그용 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.
다음으로, 열전 레그용 분말을 소결한다(S140). 소결 과정을 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.
이때, 열전 레그용 분말은 비정질 리본과 함께 소결될 수 있다. 열전 레그용 분말이 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다.
한 예로, 비정질 리본은 열전 레그가 상부 전극과 접합하기 위한 면 및 하부 전극과 접합하기 위한 면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 또는 하부 전극 방향으로 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 하부 비정질 리본, 열전 레그용 분말 및 상부 비정질 리본이 몰드 내에 순차적으로 배치된 후 소결될 수 있다. 이때, 하부 비정질 리본 및 상부 비정질 리본 상에는 각각 표면 처리층이 형성될 수도 있다. 표면 처리층은 도금법, 스퍼터링법, 증착법 등에 의하여 형성되는 박막으로, 반도체 재료인 열전 레그용 분말과 반응하더라도 성능 변화가 거의 없는 니켈 등이 사용될 수 있다.
다른 예로, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수도 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 레그용 분말을 채우고, 소결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (9)
- 하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판;
상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그;
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극;
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극; 및
상기 하부 기판 상에 배치되어 전력을 제어하는 칩을 포함하는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩은 상기 하부 기판에 실장되는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩은 상기 복수 개의 레그들 사이에 배치되는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩은 상기 하부 기판의 끝단 상에 배치되는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 하부 기판 상에 배치되는 인쇄회로기판을 더 포함하고,
상기 칩은 상기 인쇄회로기판 상에 배치되는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩 상에 배치되는 센서부를 더 포함하고,
상기 센서부는 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 온도 차이를 측정하는 열전소자 모듈. - 제 6항에 있어서,
상기 칩은 상기 센서부에 의해 측정되는 온도 차이와 설정값을 비교하고,
상기 비교값에 따라 전력량을 제어하는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩은 외부의 배터리와 전기적으로 연결되는 열전소자 모듈. - 제 1항에 있어서,
상기 칩은 파워 부스터 IC 칩 및 전력 제어 유닛 IC 칩 중 적어도 하나를 포함하는 열전소자 모듈.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170012664A KR20180088070A (ko) | 2017-01-26 | 2017-01-26 | 열전소자 모듈 |
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| KR1020170012664A KR20180088070A (ko) | 2017-01-26 | 2017-01-26 | 열전소자 모듈 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20180088070A true KR20180088070A (ko) | 2018-08-03 |
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ID=63250127
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| KR1020170012664A KR20180088070A (ko) | 2017-01-26 | 2017-01-26 | 열전소자 모듈 |
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| KR (1) | KR20180088070A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200071488A (ko) * | 2018-12-11 | 2020-06-19 | 엘지이노텍 주식회사 | 열전모듈 |
| KR20210089322A (ko) * | 2020-01-08 | 2021-07-16 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 열전소자를 이용한 레이더 송수신시스템의 열제어장치 |
-
2017
- 2017-01-26 KR KR1020170012664A patent/KR20180088070A/ko not_active Application Discontinuation
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| KR20210089322A (ko) * | 2020-01-08 | 2021-07-16 | 엘아이지넥스원 주식회사 | 열전소자를 이용한 레이더 송수신시스템의 열제어장치 |
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