KR20190096620A - 열전소자 - Google Patents

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KR20190096620A
KR20190096620A KR1020180016281A KR20180016281A KR20190096620A KR 20190096620 A KR20190096620 A KR 20190096620A KR 1020180016281 A KR1020180016281 A KR 1020180016281A KR 20180016281 A KR20180016281 A KR 20180016281A KR 20190096620 A KR20190096620 A KR 20190096620A
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김종현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 아래에 배치되는 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층, 그리고 상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층의 측면과 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 측면에 배치되는 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽을 더 포함한다.

Description

열전소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자 및 그의 전극 구조에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 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.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부 기판 및 하부 기판 사이에 복수의 상부 전극 및 복수의 하부 전극이 배치된다. 여기서, 상부 전극 및 하부 전극은 열전 레그들을 직렬 연결한다. 열전소자는 복수의 전극이 배치된 기판 상에 어레이 형태의 열전 레그를 배치한 후, 리플로우(reflow) 공정을 거치는 표면 실장 기술(Surface Mount Technology, SMT)에 의하여 조립될 수 있다. 일반적으로, 전극과 열전 레그 사이는 솔더에 의하여 접합될 수 있다. 다만, 리플로우 공정을 거칠 경우 솔더의 일부가 녹아 열전 레그와 전극 간 접합력이 약해지거나, 열전 레그가 회전하는 문제가 생길 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 아래에 배치되는 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층, 그리고 상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층의 측면과 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 측면에 배치되는 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽을 더 포함한다.
상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면을 제외한 면을 따라 배치되고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면을 제외한 면을 따라 배치될 수 있다.
상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면과 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면 사이에는 격벽이 더 배치될 수 있다.
상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면과 상기 격벽 사이의 적어도 일부 및 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면과 상기 격벽 사이의 적어도 일부는 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽 및 상기 격벽은 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 솔더층의 측면에 직접 접촉하고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 솔더층의 측면에 직접 접촉할 수 있다.
상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 열전 레그의 측면과 이격되도록 배치되고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 열전 레그의 측면과 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 P형 가이드 벽의 높이 및 상기 N형 가이드 벽의 높이는 각각 상기 P형 솔더층의 높이 및 상기 N형 솔더층의 높이 각각의 1.1 내지 1.5배일 수 있다.
상기 P형 가이드 벽의 폭 길이 및 상기 N형 가이드 벽의 폭 길이는 각각 상기 P형 솔더층의 폭 길이 및 상기 N형 솔더층의 폭 길이 각각의 0.05배 이상일 수 있다.
상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽의 녹는점은 상기 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층의 녹는점보다 높을 수 있다.
상기 상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하며, 절연성일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자의 조립을 위하여 리플로우 공정을 거치는 과정에서 발생하는 불량을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 열전 레그 간의 접착력을 높일 수 있으며, 솔더의 이동으로 인한 열전 레그 간 쇼트를 방지할 수 있고, 열전 레그가 전극으로부터 이탈하거나, 열전 레그가 전극 상에서 회전하는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 열전소자에 포함되는 기판 및 전극 구조의 한 예를 나타낸다.
도 4는 열전소자에 포함되는 전극 및 열전 레그 구조의 한 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 열전 레그가 배치된 사시도이다.
도 6은 도 5의 상면도이다.
도 7은 도 5의 단면도이다.
도 8은 도 5와 같은 구조를 가지는 전극 배치의 상면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 열전 레그가 배치된 상면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 배치된 열전 레그가 배치된 상면도이다.
도 11은 도 10의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 배치된 열전 레그가 배치된 상면도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 열전소자를 제조하는 과정 중 가이드 벽 및 솔더층을 형성하는 공정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.
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 사시도이며, 도 3은 열전소자에 포함되는 기판 및 전극 구조의 한 예를 나타내고, 도 4는 열전소자에 포함되는 전극 및 열전 레그 구조의 한 예를 나타낸다.
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 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 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(Te)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 열전소자의 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.
열전소자의 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 포함할 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. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어질 수 있다. 이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께는 0.02 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있으며, 열전도도는 1W/mK이상, 바람직하게는 10W/mK이상, 더욱 바람직하게는 20W/mK 이상일 수 있다. 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 두께가 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 장착되는 지지체(미도시) 또는 히트싱크(미도시)와의 접합에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
이를 위하여, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물을 포함할 수 있으며, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화붕소는 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체일 수 있으며, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure pat00002
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure pat00003
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.
이와 같이, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 에폭시 수지 조성물로 이루어지면, 에폭시 수지 조성물 자체의 접착 성능으로 인하여 히트 싱크 또는 금속 지지체와의 접합 시 별도의 접착제 또는 물리적인 체결 수단이 필요하지 않다. 이에 따라, 열전소자의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있다.
또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 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 포함할 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, 열전소자의 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, 열전소자의 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.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 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.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
한편, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이는 직접 본딩되거나, 접착층에 의하여 접착될 수 있다. 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이가 직접 본딩될 경우, 접착층에 의하여 접착되는 경우에 비하여 열전도도 측면에서는 유리하나, 기판과 전극 간 열팽창 계수 차가 커서 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.
도 3 내지 4를 참조하면, 하부 기판(110) 상에 접착층이 도포되며, 접착층 상에 복수의 하부 전극(120)이 어레이 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 각 하부 전극(120) 상에 한 쌍의 열전 레그(130, 140)가 접합될 수 있다. 설명의 편의를 위하여 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)의 구조를 중심으로 설명하나, 이로 제한되는 것은 아니며, 상부 기판(160) 및 상부 전극(150)에도 동일한 구조가 적용될 수 있다.
각 하부 전극(120) 상에 한 쌍의 열전 레그(130, 140)가 솔더(190)를 통하여 접합될 수 있다. 다만, 300℃ 이상에서 처리되는 리플로우 공정 시 솔더(190)가 녹아 이웃하는 열전 레그(130, 140) 또는 하부 전극(120)으로 흘러 쇼트가 일어나거나, 하부 전극(120)과 열전 레그(130, 140) 간의 접합력이 약화되어 열전 레그(130, 140)가 미끄러지거나, 회전하는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 상에 열전 레그를 배치하는 구조를 변경하여 전극과 열전 레그 간의 접합력을 높이고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 열전 레그가 배치된 사시도이고, 도 6은 도 5의 상면도이며, 도 7은 도 5의 단면도이고, 도 8은 도 5와 같은 구조를 가지는 전극 배치의 상면도이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 열전 레그가 배치된 상면도이다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 배치된 열전 레그가 배치된 상면도이고, 도 11은 도 10의 단면도이다. 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 전극 상에 배치된 열전 레그가 배치된 상면도이다. 하부 기판, 하부 전극, P형 열전 레그, N형 열전 레그, 상부 전극 및 상부 기판에 대하여, 도 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다. 이하, 전극과 열전 레그 간의 구조는 하부 전극과 열전 레그 간의 구조에 적용되거나, 상부 전극과 열전 레그 간의 구조에 적용될 수 있다. 또는, 이하의 전극과 열전 레그 간의 구조는 하부 전극과 열전 레그 간의 구조 및 상부 전극과 열전 레그 간의 구조에 모두 적용될 수도 있다.
도 5 내지 8을 참조하면, 각 전극(500) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)가 배치된다. 여기서, 전극(500)은 도 1 내지 4에서 설명한 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)일 수 있다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 복수의 전극(500)은 m*n(여기서, m, n은 각각 1이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 전극(500)은 이웃하는 다른 전극(500)들과 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 전극(500)은 이웃하는 다른 전극(500)들과 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
그리고, P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)는 각각 도 1 내지 4에서 설명한 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)일 수 있다. 이때, 전극(500) 상에는 전극(500)과 한 쌍의 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)를 접합하기 위한 한 쌍의 솔더층(530, 540)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 솔더층(530, 540) 상에 한 쌍의 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)가 배치될 수 있다. 여기에서, 한 쌍의 솔더층(530, 540)은 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층과 혼용될 수 있으며, 각각의 P형 솔더층은 각각의 P형 열전 레그와 직접 접촉하는 솔더층이고, 각각의 N형 솔더층은 각각의 N형 열전 레그와 직접 접촉하는 솔더층을 의미할 수 있다. 여기서, P형 솔더층(530)과 N형 솔더층(540)은 동일한 소재로 이루어진 솔더층일 수 있다. 도시되지 않았으나, 전극(500) 상에는 도금층이 더 배치될 수도 있다. 도금층은 예를 들어, 니켈, 주석, 은 등을 포함할 수 있다. 전극(500) 상에 도금층이 배치된 후 솔더층이 배치되면, 서멀 그리스 또는 접착제 없이도 전극과 솔더층이 접합할 수 있으므로, 전극과 솔더층 간의 열교환 효율이 높아지며, 열전소자의 컴팩트화가 가능하다.
한편, 전극(500) 상에는 한 쌍의 가이드 벽(550, 560)이 더 배치될 수 있으며, 한 쌍의 가이드 벽(550, 560)은 한 쌍의 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)의 측면과 한 쌍의 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)의 측면에 배치될 수 있다. 여기에서, 한 쌍의 가이드 벽(550, 560)은 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽과 혼용될 수 있으며, P형 가이드 벽(550)은 P형 솔더층(530) 및 P형 열전 레그(510) 측에 배치되는 가이드 벽이고, N형 가이드 벽(560)은 N형 솔더층(540) 및 N형 열전 레그(520) 측에 배치되는 가이드 벽을 의미할 수 있다. P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)은 절연 성능을 가진 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)의 녹는점은 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)의 녹는점보다 높을 수 있다. 이를 위하여, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하며, 금속 상에 접착 가능할 수 있다. 예를 들어, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)은 구리, 알루미늄, 니켈, 주석 등과 같은 금속과의 박리강도가 25℃에서 20N/mm2 이상, 90℃에서 15N/mm2 이상, 125℃에서 12 N/mm2 이상, 150℃에서 4 N/mm2 이상일 수 있다. 이와 같이, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)이 절연 성능을 가질 경우, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)이 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)과 접촉하거나, P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)와 접촉하더라도 열전소자의 성능에 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)이 금속 상에 접착 가능할 경우, 전극(500)과 직접 접착될 수 있으므로, 열전소자로부터 쉽게 이탈되지 않을 수 있다.
이에 따라, 열전소자의 조립을 위하여 한 쌍의 솔더층(530, 540) 상에 한 쌍의 열전 레그(510, 520)를 배치한 후 리플로우(reflow) 공정 동안 고온에 노출할 경우, 솔더층(530, 540)이 녹더라도 가이드 벽(550, 560)은 녹지 않을 수 있으므로, P형 열전 레그(510) 또는 N형 열전 레그(520)가 기울어지더라도, 가이드 벽(550, 560)에 의하여 가로막히게 되어, P형 열전 레그(510)와 N형 열전 레그(520)가 서로 쇼트되는 문제를 방지할 수 있다.
이때, P형 가이드 벽(550)은 P형 솔더층(530)의 측면에 직접 접촉하고, N형 가이드 벽(560)은 N형 솔더층(540)의 측면에 직접 접촉할 수 있다. 이에 따라, 리플로우 공정 시 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)의 일부가 녹게 되더라도 P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)은 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)을 지지할 수 있으므로, P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)가 회전하거나, P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)으로부터 이탈되는 문제를 방지할 수 있다.
이때, P형 가이드 벽(550)의 높이(h2) 및 N형 가이드 벽(560)의 높이(h2)는 각각 P형 솔더층(530)의 높이(h1) 및 N형 솔더층(540)의 높이(h1) 각각의 1.1 내지 1.5배일 수 있다. 예를 들어, P형 솔더층(530)의 높이(h1) 또는 N형 솔더층(540)의 높이(h1)가 100㎛인 경우, P형 가이드 벽(550)의 높이(h2) 또는 N형 가이드 벽(560)의 높이(h2)는 110 내지 150㎛일 수 있다. P형 가이드 벽(550)의 높이(h2) 및 N형 가이드 벽(560)의 높이(h2)가 각각 P형 솔더층(530)의 높이(h1) 및 N형 솔더층(540)의 높이(h1) 각각의 1.1배 미만일 경우, 솔더층이 녹으면서 부풀어 가이드 벽을 타고 넘치는 현상이 발생할 수 있다. 그리고, P형 가이드 벽(550)의 높이(h2) 및 N형 가이드 벽(560)의 높이(h2)가 각각 P형 솔더층(530)의 높이(h1) 및 N형 솔더층(540)의 높이(h1) 각각의 1.5배를 초과할 경우, 솔더층 및 가이드 벽을 프린팅하기 용이하지 않을 수 있다.
그리고, P형 가이드 벽(550)은 P형 열전 레그(510)의 측면을 따라 배치되되, P형 열전 레그(510)의 측면과 이격되도록 배치되고, N형 가이드 벽(560)은 N형 열전 레그(520)의 측면을 따라 배치되되, N형 열전 레그(520)의 측면과 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, P형 가이드 벽(550)과 P형 열전 레그(510) 간의 이격 거리(D3)는 P형 솔더층(530)의 폭 길이(D1)의 0.01 내지 0.1배, 바람직하게는 0.02 내지 0.08배, 더욱 바람직하개는 0.04 내지 0.06배일 수 있다. 그리고, N형 가이드 벽(560)과 N형 열전 레그(520) 간의 이격 거리(D3)는 N형 솔더층(540)의 폭 길이(D1)의 0.01 내지 0.1배, 바람직하게는 0.02 내지 0.08배, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 0.06배일 수 있다. P형 가이드 벽(550)과 P형 열전 레그(510) 사이 및 N형 가이드 벽(560)과 N형 열전 레그(520) 사이가 이러한 거리로 이격되면, 리플로우 공정 중 녹은 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)의 일부가 P형 가이드 벽(550)의 벽면 및 N형 가이드 벽(560)의 벽면을 따라 올라 갈 수 있다. 이에 따라, 가이드 벽, 솔더층 및 열전 레그 간의 접합 강도가 높아질 수 있다.
한편, P형 가이드 벽(550)의 폭 길이(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 폭 길이(D2)는 각각 P형 솔더층(530)의 폭 길이(D1) 및 N형 솔더층(540)의 폭 길이(D1) 각각의 0.05배 이상일 수 있다. 여기서, P형 가이드 벽(550)의 폭 길이(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 폭 길이(D2)는 P형 가이드 벽(550)의 두께(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 두께(D2)와 혼용될 수 있다. 예를 들어, P형 솔더층(530)의 폭 길이(D1) 및 N형 솔더층(540)의 폭 길이(D1) 각각이 4mm인 경우, P형 가이드 벽(550)의 폭 길이(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 폭 길이(D2)는 0.2mm 이상일 수 있다. P형 가이드 벽(550)의 폭 길이(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 폭 길이(D2)는 각각 P형 솔더층(530)의 폭 길이(D1) 및 N형 솔더층(540)의 폭 길이(D1) 각각의 0.05배 미만일 경우, 리플로우 공정 시 솔더층의 부피 팽창에 의하여 가이드 벽이 무너질 가능성이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, P형 가이드 벽(550)의 폭 길이(D2) 및 N형 가이드 벽(560)의 폭 길이(D2)는 각각 P형 솔더층(530)의 폭 길이(D1) 및 N형 솔더층(540)의 폭 길이(D1) 각각의 0.05배를 초과할뿐만 아니라, 전극(500)의 가장자리까지 연장되도록 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 리플로우 공정 시 솔더층이 부피 팽창하더라도 가이드 벽이 무너질 가능성이 없어지므로, 열전 레그의 이탈 또는 회전을 더욱 안정적으로 방지할 수 있다. 또한, 가이드 벽은 전극보다 열전도도가 낮으므로, 가이드 벽이 전극(500)의 가장자리까지 연장되어 배치될 경우 하부 기판 측과 상부 기판 측 간 단열 효과를 일으킬 수 있다. 이에 따라, 하부 기판 측과 상부 기판 측의 열평형이 억제되며, 온도 차(ΔT)를 높은 수준으로 유지할 수 있어, 열전소자의 성능을 높일 수 있다.
이때, P형 가이드 벽(550)은 P형 솔더층(530)의 측면을 따라 배치되되, P형 솔더층(530)의 측면 중 N형 솔더층(540)과 마주보는 면(532)을 제외한 면을 따라 배치될 수 있다. 이와 마찬가지로, N형 가이드 벽(560)은 N형 솔더층(540)의 측면을 따라 배치되되, N형 솔더층(540)의 측면 중 P형 솔더층(530)과 마주보는 면(542)을 제외한 면을 따라 배치될 수 있다. 이와 같이, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)이 "ㄷ"자 형상으로 배치되면, 리플로우 공정 중 솔더가 녹아 퍼질 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
한편, 도 10 내지 11을 참조하면, P형 솔더층(530)의 측면 중 N형 솔더층(540)과 마주보는 면(532)과 N형 솔더층(540)의 측면 중 P형 솔더층(530)과 마주보는 면(542) 사이에는 격벽(570)이 더 배치될 수도 있다. 이때, P형 솔더층(530)의 측면 중 N형 솔더층(540)과 마주보는 면(532)과 격벽(570) 사이의 적어도 일부 및 N형 솔더층(540)의 측면 중 P형 솔더층(530)과 마주보는 면(542)과 격벽(570) 사이의 적어도 일부는 이격되도록 배치될 수 있다. 여기서, 격벽(570)의 높이, 폭 길이 및 소재는 전술한 P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560)의 높이, 폭 길이 및 소재와 동일하거나, 유사할 수 있다.
이에 따라, 열전소자의 조립을 위하여 한 쌍의 솔더층(530, 540) 상에 한 쌍의 열전 레그(510, 520)를 배치한 후 리플로우(reflow) 공정 동안 고온에 노출할 경우, 솔더층(530, 540)이 녹더라도 격벽(570)은 녹지 않아 솔더층(530, 540)이 격벽(570)을 넘어 흐르는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 솔더층(530, 540)의 일부가 녹아 P형 열전 레그(510) 또는 N형 열전 레그(520)가 기울어지더라도, 격벽(570)에 의하여 가로막히므로, P형 열전 레그(510)와 N형 열전 레그(520)가 서로 쇼트되는 문제를 방지할 수 있다.
또는, 도 12를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560) 각각은 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540) 각각을 따라 "ㄷ"자 형상으로 배치되되, P형 가이드 벽(550)은 P형 솔더층(530)의 측면 중 N형 솔더층(540)과 마주보는 면(532)에 대향하는 면(534)을 제외한 면을 따라 배치되고, N형 가이드 벽(560)은 N형 솔더층(540)의 측면 중 P형 솔더층(530)과 마주보는 면(542)에 대향하는 면(544)을 제외한 면을 따라 배치될 수도 있다. 이에 따르면, P형 가이드 벽(550) 및 N형 가이드 벽(560) 각각은 P형 솔더층(530) 및 N형 솔더층(540)의 각각과 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)의 각각의 4면 중 3면에 배치되어 P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)의 이탈 또는 회전을 방지할 뿐만 아니라, P형 열전 레그(510) 및 N형 열전 레그(520)가 서로 쇼트되는 문제를 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 14는 열전소자를 제조하는 과정 중 가이드 벽 및 솔더층을 형성하는 공정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 기판 상에 복수의 전극을 배치한다(S1300). 이때, 기판 및 복수의 전극 사이에는 접착층이 배치될 수 있다. 이를 위하여, 기판 상에 접착제를 도포한 후, 복수의 전극을 적층할 수 있다. 또는, 플렉서블한 필름, 예를 들어 PE(polyethylene) 필름에 정렬된 복수의 전극을 부착시키고, 미리 접착제가 도포된 기판 상에 복수의 전극을 배치한 후, 필름을 제거할 수도 있다. 또는, 접착 성능이 있는 반경화 상태의 수지층 상에 금속층을 배치한 후 열압착하고, 금속층을 에칭하여 복수의 전극을 형성할 수도 있다. 이때, 수지층은 기판을 대체할 수 있다.
다음으로, 각 전극(500) 상에 가이드 벽을 인쇄한다(S1310). 이를 위하여, 도 14(a) 및 14(b)에 도시된 바와 같이, 가이드 벽은 마스크를 이용하여 인쇄될 수 있다.
다음으로, 각 전극(500) 상에 솔더층(530, 540)을 도포한다(S1320). 이를 위하여, 도 14(c) 및 14(d)에 도시된 바와 같이, 솔더층(530, 540)은 솔더 마스크를 이용하여 인쇄될 수 있다.
다음으로, 한 쌍의 솔더층(530, 540) 상에 열전 레그(510, 520)를 배치한 후, 리플로우 공정을 거친다(S1330). 여기서, 리플로우 공정은 솔더층의 녹는점보다 높고, 가이드 벽의 녹는점보다 낮은 온도 하에서 행해질 수 있다. 이에 따라, 열전 레그가 회전하거나, 솔더층의 일부가 가이드 벽을 넘어 흐르는 문제를 방지할 수 있다.
이하에서는 도 15를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 정수기에 적용된 예를 설명한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기(1)는 원수 공급관(12a), 정수 탱크 유입관(12b), 정수탱크(12), 필터 어셈블리(13), 냉각 팬(14), 축열조(15), 냉수 공급관(15a), 및 열전장치(1000)을 포함한다.
원수 공급관(12a)은 수원으로부터 정수 대상인 물을 필터 어셈블리(13)로 유입시키는 공급관이고, 정수 탱크 유입관(12b)은 필터 어셈블리(13)에서 정수된 물을 정수 탱크(12)로 유입시키는 유입관이고, 냉수 공급관(15a)은 정수 탱크(12)에서 열전장치(1000)에 의해 소정 온도로 냉각된 냉수가 최종적으로 사용자에게 공급되는 공급관이다.
정수 탱크(12)는 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수되고 정수 탱크 유입관(12b)을 통해 유입된 물을 저장 및 외부로 공급하도록 정수된 물을 잠시 수용한다.
필터 어셈블리(13)는 침전 필터(13a)와, 프리 카본 필터(13b)와, 멤브레인 필터(13c)와, 포스트 카본 필터(13d)로 구성된다.
즉, 원수 공급관(12a)으로 유입되는 물은 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수될 수 있다.
축열조(15)가 정수 탱크(12)와, 열전장치(1000)의 사이에 배치되어, 열전장치(1000)에서 형성된 냉기가 저장된다. 축열조(15)에 저장된 냉기는 정수 탱크(12)로 인가되어, 정수 탱크(120)에 수용된 물을 냉각시킨다.
냉기 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록, 축열조(15)는 정수 탱크(12)와 면접촉될 수 있다.
열전장치(1000)은 상술한 바와 같이, 흡열면과 발열면을 구비하며, P 형 반도체 및 N형 반도체 상의 전자 이동에 의해, 일측은 냉각되고, 타측은 가열된다.
여기서, 일측은 정수 탱크(12) 측이며, 타측은 정수 탱크(12)의 반대측일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 16을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 냉장고에 적용된 예를 설명한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전장치(1000)을 포함한다.
냉장고 내는 심온 증발실 커버(23)에 의하여 심온 저장실과 심온 증발실로 구획된다.
상세히, 상기 심온 증발실 커버(23)의 전방에 해당하는 내부 공간이 심온 저장실로 정의되고, 심온 증발실 커버(23)의 후방에 해당하는 내부 공간이 심온 증발실로 정의될 수 있다.
심온 증발실 커버(23)의 전면에는 토출 그릴(23a)과 흡입 그릴(23b) 이 각각 형성될 수 있다.
증발실 구획벽(24)은 인너 캐비닛의 후벽으로부터 전방으로 이격되는 지점에 설치되어, 심온실 저장 시스템이 놓이는 공간과 메인 증발기(25)가 놓이는 공간을 구획한다.
메인 증발기(25)에 의하여 냉각되는 냉기는 냉동실로 공급된 뒤 다시 메인 증발기 쪽으로 되돌아간다.
열전장치(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전장치(1000)서 발생되는 흡열 현상을 이용하여 서랍 어셈블리에 저장된 음식물을 섭씨 영하 50도 이하의 초저온 상태로 신속하게 냉각시키는데 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 냉장고 내에서 서랍 어셈블리를 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 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 열전소자가 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 열전소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 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 열전소자가 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 열전소자가 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 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 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 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 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 (11)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 제1 전극,
    상기 복수의 제1 전극에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고
    상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하고,
    상기 복수의 제1 전극 각각 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며,
    상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 아래에 배치되는 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층, 그리고
    상기 복수의 제1 전극 각각 상에서 상기 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층의 측면과 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 측면에 배치되는 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽을 더 포함하는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면을 제외한 면을 따라 배치되고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면을 제외한 면을 따라 배치되는 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면과 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면 사이에는 격벽이 더 배치된 열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 P형 솔더층의 측면 중 상기 N형 솔더층과 마주보는 면과 상기 격벽 사이의 적어도 일부 및 상기 N형 솔더층의 측면 중 상기 P형 솔더층과 마주보는 면과 상기 격벽 사이의 적어도 일부는 이격되도록 배치되는 열전소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽 및 상기 격벽은 동일한 소재로 이루어진 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 솔더층의 측면에 직접 접촉하고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 솔더층의 측면에 직접 접촉하는 열전소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 P형 가이드 벽은 상기 P형 열전 레그의 측면과 이격되도록 배치되고, 상기 N형 가이드 벽은 상기 N형 열전 레그의 측면과 이격되도록 배치되는 열전소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 P형 가이드 벽의 높이 및 상기 N형 가이드 벽의 높이는 각각 상기 P형 솔더층의 높이 및 상기 N형 솔더층의 높이 각각의 1.1 내지 1.5배인 열전소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 P형 가이드 벽의 폭 길이 및 상기 N형 가이드 벽의 폭 길이는 각각 상기 P형 솔더층의 폭 길이 및 상기 N형 솔더층의 폭 길이 각각의 0.05배 이상인 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽의 녹는점은 상기 한 쌍의 P형 솔더층 및 N형 솔더층의 녹는점보다 높은 열전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상기 한 쌍의 P형 가이드 벽 및 N형 가이드 벽은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하며, 절연성인 열전소자.
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