KR20190088701A - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예는 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 상기 제 1 기판의 하면과 측면의 일부 상에 배치된 제 1 보강부; 를 포함하는 열전 소자를 개시한다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 크랙, 손상발생을 방지하거나 현저히 줄일 수 있는 구조를 가진 열전 소자에 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, 온도차에 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.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판의 크랙, 손상발생을 방지하거나 현저히 줄일 수 있는 가능한 열전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그; 상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판; 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 상기 제 1 기판의 하면과 측면의 일부 상에 배치된 제 1 보강부; 를 포함한다.
상기 제 2 기판의 상면과 측면의 일부 상에 배치된 제 2 보강부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 보강부는 상기 제 1 기판의 하면에 배치된 하면 보강부; 및 상기 하면 보강부에서 연장되며 상기 제 1 기판의 측면에 배치된 측면 보강부; 를 포함할 수 있다.
상기 제 1 기판의 측면은 장측면과 단측면을 포함하고, 상기 장측면의 너비는 상기 장측면 상에 배치된 상기 측면 보강부의 전체 너비 이하일 수 있다.
상기 제 1 기판의 측면은 단측면과 장측면을 포함하고, 상기 장측면의 너비는 상기 장측면 상에 배치된 상기 측면 보강부의 전체 너비 이하일 수 있다.
상기 측면 보강부는 상기 제 1 기판의 단측면과 장측면이 이루는 모서리 영역에 배치된 제 1 측면 보강부 및 상기 제 1 기판의 장측면에서 너비 방향 중심 영역에 배치된 제 2 측면 보강부; 를 포함할 수 있다.
상기 하면 보강부는 상기 제 1 기판의 하면에 배치된 제 1 층; 상기 제 1 층에 배치된 제 2 층; 및 상기 제 2 층에 배치된 제 3 층을 포함하고, 상기 측면 보강부는 상기 하면 보강부의 제 1 층으로 구성될 수 있다.
상기 제 1 층은 구리로 구성되고, 상기 제 2 층은 니켈로 구성되고, 상기 제 3 층은 금으로 구성될 수 있다.
상기 제 1 보강부의 높이는 상기 제 1 기판의 높이 대비 0.2배 내지 1.5배 일 수 있다.
상기 제 1 보강부는 상기 측면 보강부에서 연장되며 상기 제 1 기판의 상면에 배치된 상면 보강부; 를 포함하고, 상기 상면 보강부는 상기 복수의 열전 레그 및 상기 전극과 이격될 수 있다.
상기 상면 보강부와 상기 전극 사이에 배치된 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판의 크랙, 손상발생을 방지하거나 현저히 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 효율이 향상된 열전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이고,
도 4는 도 2의 4 영역 확대도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 6은 도 5의 B-B선 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 8은 도 7의 C-C선 단면도이고,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 10은 도 9의 D-D선 단면도이고,
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이고,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 버터플라이형 LD(butterfly type laser diode) 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이고,
도 4는 도 2의 4 영역 확대도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 6은 도 5의 B-B선 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 8은 도 7의 C-C선 단면도이고,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고,
도 10은 도 9의 D-D선 단면도이고,
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이고,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 버터플라이형 LD(butterfly type laser diode) 모듈을 나타낸 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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 설명하는 데 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 관계 없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고, 도 3은 도 2의 B-B선 단면도이고, 도 4는 도 2의 4 영역 확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자(100)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 하부 기판(140), 상부 기판(150), 보강부(170), 전극(160) 및 리드선(180)을 포함한다.
전극(160)은 제 1 전극(161) 및 제 2 전극(162)을 포함하고, 리드선(180)은 제 1 전극(161)에 연결된 제 1 리드선(181) 및 제 2 전극(162)에 연결된 제 2 리드선(182)을 포함한다.
하부 전극(161)은 하부 기판(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(162)은 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(161)과 상부 전극(162) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(120)로부터 N형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(130)로부터 P형 열전 레그(120)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(120)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(130)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(120) 및 N형 열전 레그(130)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(120) 또는 벌크형 N형 열전 레그(130)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(120) 또는 적층형 N형 열전 레그(130)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(120) 및 N형 열전 레그(130)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(130)의 단면적을 P형 열전 레그(120)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 
는 제벡계수[V/K]이고, 
는 전기 전도도[S/m]이며, 
는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 
로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, 
는 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(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 상부 전극(162)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상호 대향하는 하부 기판(140)과 상부 기판(150)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. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(140)과 하부 전극(161) 사이 및 상부 기판(150)과 상부 전극(162) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 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.
복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 하부 전극(161)과 상부 전극(162)들과 이격 되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 전극(161, 262)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
그리고 각 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치되며, 각 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치될 수 있다.
즉, P형 열전 레그(120)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치되며, N형 열전 레그(130)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치될 수 있다. 하부 전극(161)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 중 P형 열전 레그(120)가 복수의 하부 전극(162) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(130)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(162)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 하부 전극(162)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
이때, 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
보강부(170)는 하부 기판(140)의 하부에 배치된 하부 보강부(171)와 상부 기판(150)의 하부에 배치된 상부 보강부(172)를 포함한다.
여기서, 보강부(170)는 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 상에 전기 도금 또는 용사와 같은 공정에 의해 배치될 수 있다.
한편, 하부 기판(140)은 직사각 형태로, 서로 대향하는 한 쌍의 단측면(141)과 서로 대향하는 한 쌍의 장측면(142)을 포함한다.
여기서, 장측면(142)은 제 1 너비(W1)를 갖는다.
하부 보강부(171)는 하부 기판(140)의 하면에 배치된 하면 보강부(171a)와 하부 기판(140)의 단측면(141)과 장측면(142)에 배치된 측면 보강부(171b)를 포함한다.
여기서, 상부 보강부(172)도 상부 기판(150)의 상면에 배치된 상면 보강부와 상부 기판(150)의 단측면과 장측면에 배치된 측면 보강부를 포함할 수 있다.
다만, 이하에서는 하부 기판(140)에 배치된 하부 보강부(171)를 통해 본 발명의 일 실시예를 설명한다.
하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1)에 비해 작거나 동일할 수 있다.
한편, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 1.5배로 구성될 수 있다.
여기서, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)가 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 미만인 경우, 하부 기판(140)에 전해지는 외력을 억제할 수 없으며, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)가 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 1.5배 초과인 경우, 필요 이상으로 측면 보강부(171b)가 구성될 뿐만 아니라, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)와 측면 보강부(171b)가 필요치 않게 접촉될 수 있어 P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130) 사이에서 전기적 단락이 발생할 수 있다.
또한, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 1배로 구성되는 것이 바람직하며, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 0.8배로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 너비(W2)는 하부 기판(140)의 장측면(142)의 너비(W1)와 동일하거나 보다 클 수 있다.
즉, 너비 방향에서 측면 보강부(171b)는 하부 기판(140)의 장측면(142)을 모두 덮을 수 있다. 여기서, 측면 보강부(171b)가 하부 기판(140)의 장측면(142)을 모두 덮는 것은 동일 높이 기준에서 너비 방향으로 하부 기판(140)의 장측면(142)에 측면 보강부(171b)가 모두 배치된 것을 의미할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 하면 보강부(171a)는 복수의 금속층을 포함할 수 있다.
복수의 금속층은 제 1 층(11), 제 2 층(12) 및 제 3 층(13)을 포함한다.
제 1 층(11)은 하부 기판(140)의 하면에 배치되고, 경제적이며 두께 형성이 유리한 제 1 금속으로 구성될 수 있다.
제 2 층(12)은 제 1 층(11)에 배치되고, 제 1 층(11)과 제 3 층(13) 사이에 접착성을 향상시키는 제 2 금속으로 구성될 수 있다.
제 3 층(13)은 제 2 층(12)에 배치되고, 산화 방지성이 우수하며 외부 기기와 접합되기 용이한 제 3 금속으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 금속은 구리로 구성되며, 제 2 금속은 니켈로 구성되며, 제 3 금속은 금으로 구성될 수 있다.
여기서, 복수의 금속층에서 제 1 층(11)은 대략 95% 내외의 체적을 차지하며, 제 2 층(12)은 대략 10% 내외의 체적을 차지하며, 제 3 층(13)은 1% 내외의 체적을 차지할 수 있다.
한편, 측면 보강부(171b)는 외부 기기와 접합 되지 않으며, 하부 기판(140)과 열교환이 우수할 수 있도록, 구리와 같은 제 1 금속으로 이루어진 제 1 층으로만 구성될 수 있다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고, 도 6은 도 5의 B-B선 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자에 비해 보강부(270)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 보강부(270)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
보강부(270)는 하부 기판(140)의 하부에 배치된 하부 보강부(271)와 상부 기판(150)의 하부에 배치된 상부 보강부(272)를 포함한다.
여기서, 보강부(270)는 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 상에 전기 도금 또는 용사와 같은 공정에 의해 배치될 수 있다.
하부 보강부(271)는 하부 기판(140)의 하면에 배치된 하면 보강부(271a)와 하부 기판(140)의 단측면(141)과 장측면(142)에 배치된 측면 보강부(271b)를 포함한다.
여기서, 상부 보강부(272)도 상부 기판(150)의 상면에 배치된 상면 보강부와 상부 기판(150)의 단측면과 장측면에 배치된 측면 보강부를 포함할 수 있다.
다만, 이하에서는 하부 기판(140)에 배치된 하부 보강부(271)를 통해 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1)에 비해 작거나 동일할 수 있다.
한편, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 1.5배로 구성될 수 있다.
여기서, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)가 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 미만인 경우, 하부 기판(140)에 전해지는 외력을 억제할 수 없으며, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)가 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 1.5배 초과인 경우, 필요 이상으로 측면 보강부(271b)가 구성될 뿐만 아니라, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)와 측면 보강부(271b)가 필요치 않게 접촉될 수 있어 P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130) 사이에서 전기적 단락이 발생할 수 있다.
또한, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 1배로 구성되는 것이 바람직하며, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(H2)는 하부 기판(140)의 높이(H1) 대비 0.2배 내지 0.8배로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)는 제 1 측면 보강부(271b')와 제 2 측면 보강부(271b")를 포함한다.
제 1 측면 보강부(271b')는 하부 기판(140)의 장측면(142)과 단측면(141)이 이루는 모서리 영역(140a)에 배치된다. 여기서, 제 1 측면 보강부(271b')는 모서리 영역(140a)서 한 쌍의 장측면(142) 일부와 단측면(141)에 배치되어, 대략 'ㄷ'형상을 갖는다.
제 2 측면 보강부(271b")는 너비 방향에서 하부 기판(140)의 장측면(142)의 중심(CL)에서 일측 및 타측으로 소정의 범위를 갖는 중심 영역에 배치된다.
여기서, 측면 보강부(271b)는 너비 방향에서 제 1 측면 보강부(271b')의 너비(W31, W33)와 제 2 측면 보강부(271b")의 너비(W32)을 전체 너비(W3)로 가진다.
한편, 제 1 측면 보강부(271b')와 제 2 측면 보강부(271b")는 이격되어 배치되므로, 측면 보강부(271b)의 전체 너비(W3)는 하부 기판(140)의 장측면(142)의 너비(W1) 보다 작을 수 있다.
즉, 너비 방향에서 측면 보강부(271b)는 하부 기판(140)의 장측면(142) 일부를 제외하고 덮을 수 있다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고, 도 8은 도 7의 C-C선 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자에 비해 보강부(370)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 보강부(370)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
보강부(370)는 하부 기판(140)의 하부에 배치된 하부 보강부(371)와 상부 기판(150)의 하부에 배치된 상부 보강부(372)를 포함한다.
여기서, 보강부(370)는 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 상에 전기 도금 또는 용사와 같은 공정에 의해 배치될 수 있다.
하부 보강부(371)는 하부 기판(140)의 하면에 배치된 하면 보강부(371a)와 하부 기판(140)의 단측면(141)과 장측면(142)에 배치된 측면 보강부(371b)를 포함한다.
여기서, 상부 보강부(372)도 상부 기판(150)의 상면에 배치된 상면 보강부와 상부 기판(150)의 단측면과 장측면에 배치된 측면 보강부를 포함할 수 있다.
다만, 이하에서는 하부 기판(140)에 배치된 하부 보강부(371)를 통해 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다.
하부 보강부(371)의 측면 보강부(371b)의 높이(H3)는 하부 기판(140)의 높이(H1)에 비해 크며, 하부 기판(140)의 상면은 측면 보강부(371b)의 상면과 동일면을 이룰 수 있다.
즉, 너비 방향 및 높이 방향에서 측면 보강부(371b)는 하부 기판(140)의 장측면(142)을 모두 덮을 수 있다. 여기서, 측면 보강부(371b)가 하부 기판(140)의 장측면(142)의 모든 측면 상에 측면 보강부(371b)가 배치된 것을 의미할 수 있다.
한편, 하부 보강부(371)의 측면 보강부(371b)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 제 1 전극(161) 및 제 2 전극(162), 제 1 리드선(181) 및 제 2 제 2 리드선(182)과는 이격되어 접촉되지 않거나, 이들 사이에 절연 부재(미도시)가 배치되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 하부 보강부(371)가 하부 기판(140)의 하면 및 측면을 모두 둘러싸도록 배치되므로, 하부 기판(140)의 변형 및 외력에 의한 손상을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자를 설명한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 측면도이고, 도 10은 도 9의 D-D선 단면도이다.
도 9 및 도 10 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자에 비해 보강부(470)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 보강부(470)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
보강부(470)는 하부 기판(140)의 하부에 배치된 하부 보강부(471)와 상부 기판(150)의 하부에 배치된 상부 보강부(472)를 포함한다.
여기서, 보강부(470)는 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 상에 전기 도금 또는 용사와 같은 공정에 의해 배치될 수 있다.
하부 보강부(471)는 하부 기판(140)의 하면에 배치된 하면 보강부(471a), 와 하부 기판(140)의 단측면(141)과 장측면(142)에 배치된 측면 보강부(471b) 및 하부 기판(140)의 상면 일부에 배치된 상면 보강부(471c)를 포함한다.
여기서, 상부 보강부(472)도 상부 기판(150)의 상면에 배치된 상면 보강부와 상부 기판(150)의 단측면과 장측면에 배치된 측면 보강부 및 상부 기판(150)의 하면 일부에 배치된 하면 보강부를 포함할 수 있다.
다만, 이하에서는 하부 기판(140)에 배치된 하부 보강부(471)를 통해 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다.
하부 보강부(471)의 측면 보강부(471b)의 높이(H4)는 하부 기판(140)의 높이(H1)에 비해 크며, 측면 보강부(471b)의 상면은 하부 기판(140)의 상면보다 높게 배치될 수 있다.
즉, 너비 방향 및 높이 방향에서 측면 보강부(471b)는 하부 기판(140)의 장측면(142)을 모두 덮을 수 있다. 여기서, 측면 보강부(471b)가 하부 기판(140)의 장측면(142)의 모든 측면 상에 측면 보강부(471b)가 배치된 것을 의미할 수 있다.
상면 보강부(471c)는 측면 보강부(471b)의 단부에서 연장되며, 하부 기판(140)의 상면 일부를 덮을 수 있다. 여기서, 하부 보강부(471)의 상면 보강부(471c)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 제 1 전극(161) 및 제 2 전극(162), 제 1 리드선(181) 및 제 2 제 2 리드선(182)과는 이격되어 접촉되지 않거나, 이들 사이에 절연 부재(미도시)가 배치되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자는 하부 보강부(471)가 하부 기판(140)의 하면과 측면을 모두 둘러싸며, 상면 일부를 둘러싸도록 배치되므로, 하부 기판(140)의 변형 및 외력에 의한 손상을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 11 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예를 설명한다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이다.
발명의 다른 실시예에서는 상술한 열전 레그의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로는, 도 11에서의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위 부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
이에 대해서 도 11을 참조하면, 도 11은 상술한 적층 구조의 단위 부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다.
도 11에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위 부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 11에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층 하여 적층 구조물을 형성하고, 이후 적층 구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(120)은 기재(111) 상에 반도체층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(111) 상에 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 기재 위에 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.
상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다.
이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 1에서 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 레그의 구조와 같이, 정육면체나 직육면체의 구조로 절단하여 구현할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 단위열전소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 11의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 7의 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 단위부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.
즉, 도 9에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 9의 (a), (b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 9의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 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.
도 11에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 1에 도시된 열전 소자에 적용하는 경우, 즉 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층을 포함하는 구조의 단위 셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.
또한, 도 13에 도시된 것과 같이, 도 11에서 상술한 열전소자는 도 9의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향 및 하부방향으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.
이러한 도 13의 (c)의 구조는, 상부 기판 및 하부 기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전 소자를 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위열전소자의 측면부가 상기 상부 및 하부 기판에 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.
상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P형 열전 레그의 전기전도도와 N형 열전 레그의 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.
이하에서는 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 버터플라이형 LD(butterfly type laser diode) 모듈을 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 버터플라이형 LD(butterfly type laser diode) 모듈을 나타낸 사시도이다.
버터플라이형(Butterfly type) LD 모듈은 온도 조절 기능을 갖는다.
도 14에 나타난 바와 같이, 버터플라이형 LD 모듈(20)은, 세라믹 패키지(21) 내부에 설치된 열전 소자(TEC)(100)와, 온도 센서인 서미스터(thermistor)(23)와, LD 칩(Chip)(24) 및, mPD 칩(Chip)(25)을 구비한다.
LD 칩(24) 및 mPD 칩(25)은 TEC(100) 상에 설치된다. 세라믹 패키지(21)는 헤르메틱 실링(hermetic sealing)이 된다. 버터플라이형 LD 모듈(20)은 넓은 영역의 대역폭(bandwidth) 및 온도 조절 기능을 갖는다는 장점이 있다.
세라믹 패키지(21) 외부의 렌즈(26)를 이용하여 빛을 집광시킨 후 파이버(27)에 정렬하게 된다. 이러한 버터플라이형 LD 모듈(20)도 정렬 방식의 관점에서 보면 능동 정렬(active alignment) 방식을 이용한 소자라 할 수 있다.
버터플라이형 LD 모듈(20)은 LD(24)가 금속판(metallic plate)(28)의 상면에 다이 본딩(die bonding) 될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: P형 열전 레그
130: N형 열전 레그
140: 하부 기판 150: 상부 기판
161: 하부 전극 162: 상부 전극
170, 270, 370, 370: 보강부
140: 하부 기판 150: 상부 기판
161: 하부 전극 162: 상부 전극
170, 270, 370, 370: 보강부
Claims (11)
- 제 1 기판,
상기 제 1 기판의 상부에 배치된 복수의 열전 레그;
상기 제 1 기판의 상부에서 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판;
상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극;
상기 제 1 기판의 하면과 측면의 일부 상에 배치된 제 1 보강부; 를 포함하는 열전 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 기판의 상면과 측면의 일부 상에 배치된 제 2 보강부; 를 더 포함하는 열전 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 보강부는
상기 제 1 기판의 하면에 배치된 하면 보강부; 및
상기 하면 보강부에서 연장되며 상기 제 1 기판의 측면에 배치된 측면 보강부; 를 포함하는 열전 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 기판의 측면은 장측면과 단측면을 포함하고,
상기 장측면의 너비는 상기 장측면 상에 배치된 상기 측면 보강부의 전체 너비 이하인 열전 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 기판의 측면은 단측면과 장측면을 포함하고,
상기 장측면의 너비는 상기 장측면 상에 배치된 상기 측면 보강부의 전체 너비 이하인 열전 소자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 측면 보강부는
상기 제 1 기판의 단측면과 장측면이 이루는 모서리 영역에 배치된 제 1 측면 보강부 및
상기 제 1 기판의 장측면에서 너비 방향 중심 영역에 배치된 제 2 측면 보강부; 를 포함하는 열전 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 하면 보강부는
상기 제 1 기판의 하면에 배치된 제 1 층;
상기 제 1 층에 배치된 제 2 층; 및
상기 제 2 층에 배치된 제 3 층을 포함하고,
상기 측면 보강부는 상기 하면 보강부의 제 1 층으로 구성되는 열전 소자.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 층은 구리로 구성되고,
상기 제 2 층은 니켈로 구성되고,
상기 제 3 층은 금으로 구성되는 열전 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 보강부의 높이는 상기 제 1 기판의 높이 대비 0.2배 내지 1.5배인 열전 소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 보강부는
상기 측면 보강부에서 연장되며 상기 제 1 기판의 상면에 배치된 상면 보강부; 를 포함하고,
상기 상면 보강부는 상기 복수의 열전 레그 및 상기 전극과 이격된 열전 소자.
- 제 10 항에 있어서,
상기 상면 보강부와 상기 전극 사이에 배치된 절연 부재를 더 포함하는 열전 소자.
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