WO2019143140A1 - 열전 소자 - Google Patents

열전 소자 Download PDF

Info

Publication number
WO2019143140A1
WO2019143140A1 PCT/KR2019/000681 KR2019000681W WO2019143140A1 WO 2019143140 A1 WO2019143140 A1 WO 2019143140A1 KR 2019000681 W KR2019000681 W KR 2019000681W WO 2019143140 A1 WO2019143140 A1 WO 2019143140A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reinforcing portion
substrate
disposed
thermoelectric
layer
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/000681
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
성명석
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지이노텍 주식회사 filed Critical 엘지이노텍 주식회사
Priority to US16/959,249 priority Critical patent/US11508894B2/en
Priority to CN201980008693.XA priority patent/CN111615754B/zh
Publication of WO2019143140A1 publication Critical patent/WO2019143140A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4256—Details of housings
    • G02B6/4262—Details of housings characterised by the shape of the housing
    • G02B6/4265—Details of housings characterised by the shape of the housing of the Butterfly or dual inline package [DIP] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4266—Thermal aspects, temperature control or temperature monitoring
    • G02B6/4268—Cooling
    • G02B6/4271—Cooling with thermo electric cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/02208—Mountings; Housings characterised by the shape of the housings
    • H01S5/02216—Butterfly-type, i.e. with electrode pins extending horizontally from the housings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02251—Out-coupling of light using optical fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
    • H01S5/02415—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling by using a thermo-electric cooler [TEC], e.g. Peltier element

Definitions

  • thermoelectric element relates to a thermoelectric element, and more particularly, to a thermoelectric element having a structure capable of preventing or significantly reducing cracks and damages of a substrate.
  • Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material, which means direct energy conversion between heat and electricity.
  • Thermoelectric elements are collectively referred to as elements utilizing thermoelectric phenomenon and have a structure in which a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
  • thermoelectric element can be classified into a device using a temperature change of electrical resistance, a device using a Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and a device using a Peltier effect, which is a phenomenon in which heat is generated by heat or heat is generated.
  • thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic components, and communication components.
  • a thermoelectric element can be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like.
  • thermoelectric performance of thermoelectric elements there is a growing demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements.
  • thermoelectric device capable of preventing or significantly reducing cracks and damages of a substrate.
  • thermoelectric device includes a first substrate, a plurality of thermoelectric legs disposed on the first substrate, A second substrate disposed on the plurality of thermoelectrons at an upper portion of the first substrate; An electrode including a plurality of first electrodes disposed between the first substrate and the plurality of thermoelectric legs, and a plurality of second electrodes disposed between the second substrate and the plurality of thermoelectric legs; A first reinforcing portion disposed on a lower surface and a part of a side surface of the first substrate; .
  • a second reinforcement disposed on a top surface and a part of a side surface of the second substrate; As shown in FIG.
  • the first reinforcing portion includes a bottom reinforcement portion disposed on a lower surface of the first substrate; And a side reinforcing part extending from the lower surface reinforcing part and disposed on a side surface of the first substrate; . ≪ / RTI >
  • the side surface of the first substrate may include a long side surface and a short side surface, and the width of the long side surface may be less than the full width of the side surface reinforcing portion disposed on the long side surface.
  • the side surface of the first substrate may include a short side surface and a long side surface, and the width of the long side surface may be less than the full width of the side surface reinforcing portion disposed on the long side surface.
  • the side reinforcing portion includes a first side reinforcing portion disposed at an edge area formed by a short side surface and a long side surface of the first substrate and a second side reinforcing portion disposed at a widthwise center region from a long side surface of the first substrate; . ≪ / RTI >
  • the reinforcing portion comprises: a first layer disposed on a lower surface of the first substrate; A second layer disposed on the first layer; And a third layer disposed on the second layer, wherein the side reinforcing portion may be a first layer of the bottom surface reinforcing portion.
  • the first layer may be made of copper
  • the second layer may be made of nickel
  • the third layer may be made of gold.
  • the height of the first reinforcing portion may be 0.2 to 1.5 times the height of the first substrate.
  • first reinforcing portion is a top surface reinforcing portion extending from the side reinforcing portion and disposed on an upper surface of the first substrate; And the top surface reinforcing portion may be spaced apart from the plurality of thermoelectric legs and the electrodes.
  • thermoelectric device having excellent performance can be obtained.
  • thermoelectric element with improved heat conduction efficiency can be obtained.
  • thermoelectric device 1 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • thermoelectric device 2 is a side view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line A-A in Fig. 2,
  • Fig. 4 is an enlarged view of four regions in Fig. 2,
  • thermoelectric device 5 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along the line B-B in FIG. 5,
  • thermoelectric device 7 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 9 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric leg of a thermoelectric device is a thermoelectric leg of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a butterfly type laser diode (LD) module to which a thermoelectric device is applied according to an embodiment of the present invention.
  • LD laser diode
  • the terms including ordinal, such as second, first, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component.
  • / or < / RTI &gt includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • FIG. 2 is a side view of a thermoelectric transducer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2
  • FIG. 4 is a cross- Fig.
  • thermoelectric device 100 includes a P-type thermoelectric leg 120, an N-type thermoelectric leg 130, a lower substrate 140, an upper substrate 150, A reinforcing portion 170, an electrode 160, and a lead wire 180.
  • the electrode 160 includes a first electrode 161 and a second electrode 162 and the lead wire 180 is connected to the first lead 181 and the second electrode 162 connected to the first electrode 161 And a second lead wire 182.
  • the lower electrode 161 is disposed between the lower substrate 140 and the lower surfaces of the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130
  • the upper electrode 162 is disposed between the upper substrate 150 and the P- Type thermoelectric transducer 120 and the upper surface of the N-type thermoelectric transducer 130. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 120 and the plurality of N-type thermoelectric legs 130 are electrically connected by the lower electrode 161 and the upper electrode 162.
  • a pair of P-type thermoelectric legs 120 and N-type thermoelectric legs 130, which are disposed between the lower electrode 161 and the upper electrode 162 and are electrically connected to each other, may form a unit cell.
  • the current flows from the P-type thermoelectric leg 120 to the N-type thermoelectric leg 130 due to the Peltier effect.
  • the substrate through which the current flows can act as a cooling part, and the substrate through which the current flows from the N-type thermoelectric leg 130 to the P-type thermoelectric leg 120 can be heated to act as a heat generating part.
  • the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130 may be bismuth telluride (Bi-Te) thermoelectric legs containing bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.
  • the P-type thermoelectric leg 120 is made of a material selected from the group consisting of antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron 99 to 99.999 wt% of a bismuth telluride (Bi-Te) based raw material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and 0.001 Lt; / RTI > to 1 wt%.
  • the base material may be Bi-Se-Te, and may further contain Bi or Te in an amount of 0.001 to 1 wt% of the total weight.
  • the N-type thermoelectric leg 130 is made of selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B) 99 to 99.999 wt% of a bismuth telluride (Bi-Te) based raw material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium (In) and 0.001 Lt; / RTI > to 1 wt%.
  • the base material may be Bi-Sb-Te and may further contain Bi or Te in an amount of 0.001 to 1 wt% of the total weight.
  • the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130 may be formed in a bulk or laminated form.
  • the bulk type P-type thermoelectric leg 120 or the bulk type N-type thermoelectric leg 130 is manufactured by preparing an ingot by heat-treating the thermoelectric material, pulverizing and sieving the ingot to obtain a thermoelectric leg powder, Sintered body, and cutting the sintered body.
  • the laminated P-type thermoelectric leg 120 or the laminated N-type thermoelectric leg 130 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, then stacking and cutting the unit member Can be obtained.
  • the pair of P-type thermoelectric legs 120 and the N-type thermoelectric legs 130 preferably have the same shape and the same height, and may have different shapes and volumes.
  • the electrical conduction characteristics of the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130 are different from each other, the sectional area of the N-type thermoelectric leg 130 is different from that of the P- It is possible.
  • thermoelectric performance index (figure of merit, ZT).
  • ZT thermoelectric performance index
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V / K]
  • ⁇ is the electric conductivity [S / m]
  • ⁇ 2 ⁇ is the power factor (W / mK 2 ).
  • T is the temperature
  • k is the thermal conductivity [W / mK].
  • k is a ⁇ c p ⁇ ⁇ where a is the thermal diffusivity [cm 2 / S], cp is the specific heat [J / gK], and ⁇ is the density [g / cm 3 ].
  • thermoelectric performance index of the thermoelectric element In order to obtain the thermoelectric performance index of the thermoelectric element, the Z value (V / K) is measured using a Z meter, and the thermoelectric performance index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
  • the lower substrate 120 is disposed between the lower substrate 140 and the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130.
  • the upper electrode 162 disposed between the thermoelectric legs 130 may include at least one of copper (Cu), silver (Ag), and nickel (Ni).
  • the lower substrate 140 and the upper substrate 150 facing each other may be an insulating substrate or a metal substrate.
  • the insulating substrate may be an alumina substrate or a polymer resin substrate having flexibility.
  • the flexible polymer resin substrate having flexibility has high permeability such as polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), polyethylene terephthalate (PET) Plastic, and the like.
  • the insulating substrate may be a fabric.
  • the metal substrate may comprise Cu, a Cu alloy, or a Cu-Al alloy.
  • a dielectric layer is further formed between the lower substrate 140 and the lower electrode 161 and between the upper substrate 150 and the upper electrode 162, respectively .
  • the dielectric layer may include a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K.
  • the sizes of the lower substrate 140 and the upper substrate 150 may be different.
  • the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 140 and the upper substrate 150 may be greater than the volume, thickness, or area of the other.
  • the heat absorption performance or the heat radiation performance of the thermoelectric element can be enhanced.
  • the plurality of lower electrodes 161 and the plurality of upper electrodes 162 may be arranged in an array of m * n (where m and n may be integers of 1 or more, and m and n may be the same or different) But are not limited thereto.
  • Each of the lower electrode 161 and the upper electrode 162 may be disposed apart from the adjacent lower electrode 161 and the upper electrode 162.
  • the lower electrode 161 and the upper electrode 162 may be spaced apart from each other by a distance of about 0.5 to 0.8 mm from the adjacent electrodes 161 and 262.
  • a pair of P-type thermoelectric legs 120 and N-type thermoelectric legs 130 are disposed on each of the lower electrodes 161. Under the respective upper electrodes 162, a pair of P-type thermoelectric legs 120 and N Type thermoelectric leg 130 may be disposed.
  • the lower surface of the P-type thermoelectric leg 120 is disposed on the lower electrode 161, the upper surface is disposed on the upper electrode 162, the lower surface of the N-type thermoelectric leg 130 is disposed on the lower electrode 161 And the upper surface may be disposed on the upper electrode 162.
  • the thermoelectric leg 130 may be disposed on the other lower electrode 162 adjacent thereto. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 120 and the plurality of N-type thermoelectric legs 130 can be connected in series through the plurality of lower electrodes 161 and the plurality of lower electrodes 162.
  • a pair of lower solder layers for bonding a pair of the P-type thermoelectric legs 120 and the N-type thermoelectric legs 130 may be coated on the lower electrode 161.
  • a pair of P-type thermoelectric legs 120 and an N-type thermoelectric leg 130 may be disposed, respectively.
  • the reinforcing portion 170 includes a lower reinforcing portion 171 disposed at a lower portion of the lower substrate 140 and an upper reinforcing portion 172 disposed at a lower portion of the upper substrate 150.
  • the reinforcing portion 170 may be disposed on the lower substrate 140 and the upper substrate 150 by a process such as electroplating or spraying.
  • the lower substrate 140 may include a pair of short side surfaces 141 facing each other and a pair of long side surfaces 142 facing each other in a rectangular shape.
  • the long side 142 has a first width W1.
  • the lower reinforcing portion 171 includes a bottom reinforcing portion 171a disposed on the lower surface of the lower substrate 140 and a side surface 141 and a side reinforcing portion 171b disposed on the long side surface 142 of the lower substrate 140, . ≪ / RTI >
  • the upper reinforcing portion 172 may include a top reinforcing portion disposed on the upper surface of the upper substrate 150 and a side reinforcing portion disposed on the side surface and the long side of the upper substrate 150.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 may be smaller or equal to the height T1 of the lower substrate 140.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 may be 0.2 to 1.5 times the height T1 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 is less than 0.2 times the height T1 of the lower substrate 140, an external force transmitted to the lower substrate 140 can be suppressed
  • the height T2 of the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 is more than 1.5 times the height T1 of the lower substrate 140
  • the side reinforcing portion 171b is constituted more than necessary
  • the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130 can be in contact with the side surface reinforcing portion 171b unnecessarily, so that the P-type thermoelectric leg 120 and the N- A short circuit may occur.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 is 0.2 to 1 times the height T1 of the lower substrate 140, It is more preferable that the height T2 of the side reinforcing portion 171b of the lower substrate 140 is 0.2 to 0.8 times the height T1 of the lower substrate 140.
  • the width W2 of the side reinforcing portion 171b of the lower reinforcing portion 171 may be equal to or greater than the width W1 of the long side 142 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portions 171b may cover all the long side surfaces 142 of the lower substrate 140.
  • the side surface reinforcement portion 171b covers the entire long side surface 142 of the lower substrate 140 so that the side surface reinforcement portion 171b is formed on the long side surface 142 of the lower substrate 140 in the width direction It may mean that they are all disposed.
  • the bottom surface reinforcing portion 171a may include a plurality of metal layers.
  • the plurality of metal layers include a first layer (11), a second layer (12), and a third layer (13).
  • the first layer 11 may be disposed on the lower surface of the lower substrate 140 and may include a first metal that is economical and advantageous in thickness formation.
  • the second layer 12 may be disposed on the first layer 11 and may include a second metal that enhances adhesion between the first layer 11 and the third layer 13.
  • the third layer 13 may be disposed on the second layer 12, and may include a third metal that is excellent in oxidation resistance and is easy to be bonded to an external device.
  • the first metal may comprise copper
  • the second metal may comprise nickel
  • the third metal may comprise gold
  • the first layer 11 occupies about 95% of the volume
  • the second layer 12 occupies about 10% of the volume
  • the third layer 13 occupies about 1% Of the total volume.
  • the side reinforcing portion 171b may be formed only of a first layer made of a first metal such as copper so as to be excellent in heat exchange with the lower substrate 140 without being bonded to an external device.
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 illustrates a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line B-B of FIG.
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention differs from the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 in the configuration of the reinforcing portion 270, Only the configuration of the reinforcing portion 270 differentiated will be described in detail and the detailed description of the same reference numerals will be omitted.
  • the reinforcing portion 270 includes a lower reinforcing portion 271 disposed at a lower portion of the lower substrate 140 and an upper reinforcing portion 272 disposed at a lower portion of the upper substrate 150.
  • the reinforcing portion 270 may be disposed on the lower substrate 140 and the upper substrate 150 by a process such as electroplating or spraying.
  • the lower reinforcing portion 271 includes a bottom reinforcing portion 271a disposed on the lower surface of the lower substrate 140 and a side surface 141 and a side reinforcing portion 271b disposed on the long side surface 142 of the lower substrate 140, .
  • the upper reinforcing portion 272 may include a top reinforcing portion disposed on an upper surface of the upper substrate 150 and a side reinforcing portion disposed on a side surface and a long side of the upper substrate 150.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 may be smaller or equal to the height T1 of the lower substrate 140.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 may be 0.2 to 1.5 times the height T1 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 is less than 0.2 times the height T1 of the lower substrate 140, an external force transmitted to the lower substrate 140 can be suppressed And the height T2 of the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 is more than 1.5 times the height T1 of the lower substrate 140, the side reinforcing portion 271b is constituted more than necessary.
  • the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg 130 can be in unnecessary contact with the side surface reinforcing portion 271b, electrical contact between the P-type thermoelectric leg 120 and the N- A short circuit may occur.
  • the height T2 of the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 is preferably 0.2 to 1 times the height T1 of the lower substrate 140, More preferably, the height T2 of the side reinforcing portion 271b is 0.2 to 0.8 times the height T1 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portion 271b of the lower reinforcing portion 271 includes a first side reinforcing portion 271b 'and a second side reinforcing portion 271b ".
  • the first side reinforcing portion 271b ' is disposed in an edge region 140a formed by the long side 142 and the short side 141 of the lower substrate 140.
  • the first side reinforcing portion 271b ' is disposed in a portion of the pair of long side surfaces 142 and the short side surface 141 in the corner region 140a, and has a substantially' C 'shape.
  • the second side surface reinforcing portion 271b is disposed in a central region having a predetermined range from the center CL of the long side surface 142 of the lower substrate 140 to the one side and the other side in the width direction.
  • the width W31 of the first side reinforcing portion 271b 'and the width W32 of the second side reinforcing portion 271b "in the width direction of the side reinforcing portion 271b are set to a total width W3 I have.
  • the total width W3 of the side reinforcing portion 271b is greater than the overall width W3 of the side surface reinforcement portion 271b of the lower substrate 140
  • the width W1 of the protruding portion 22a may be smaller than the width W1 of the protrusion 22a.
  • the side reinforcing portions 271b may be covered in the width direction, except for a part of the long side surface 142 of the lower substrate 140.
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line C-C of FIG.
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention differs from the thermoelectric device according to the embodiment of FIG. 2 in the configuration of the reinforcing portion 370, Only the configuration of the reinforcing portion 370 different from that of the first embodiment will be described in detail and the detailed description of the same reference numerals will be omitted.
  • the reinforcing portion 370 includes a lower reinforcing portion 371 disposed at a lower portion of the lower substrate 140 and an upper reinforcing portion 372 disposed at a lower portion of the upper substrate 150.
  • the reinforced portion 370 may be disposed on the lower substrate 140 and the upper substrate 150 by a process such as electroplating or spraying.
  • the lower reinforcing portion 371 includes a bottom reinforcing portion 371a disposed on the lower surface of the lower substrate 140 and a side surface 141 and a side reinforcing portion 371b disposed on the long side surface 142 of the lower substrate 140, .
  • the upper reinforcing portion 372 may include a top reinforcing portion disposed on an upper surface of the upper substrate 150 and a side reinforcing portion disposed on a side surface and a longitudinal side of the upper substrate 150.
  • the height T3 of the side reinforcing portion 371b of the lower reinforcing portion 371 is larger than the height T1 of the lower substrate 140 and the upper surface of the lower substrate 140 is the upper surface of the side reinforcing portion 371b The same plane can be achieved.
  • the side reinforcing portions 371b may cover the entire long side surface 142 of the lower substrate 140 in the width direction and the height direction.
  • the side reinforcing portion 371b may mean that the side reinforcing portion 371b is disposed on all sides of the long side surface 142 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portion 371b of the lower reinforcing portion 371 includes the P-type thermoelectric leg 120, the N-type thermoelectric leg 130, the first electrode 161 and the second electrode 162, 181 and the second second lead wire 182, or an insulating member (not shown) is disposed between them.
  • thermoelectric device is arranged such that the lower reinforcing portion 371 surrounds the lower surface and the side surface of the lower substrate 140, so that the lower substrate 140 is deformed and damaged by the external force .
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
  • FIG. 9 a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
  • FIG. 9 is a side view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a sectional view taken along the line D-D in FIG.
  • thermoelectric device according to another embodiment of the present invention differs from the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 in the configuration of the reinforcing portion 470, Only the configuration of the reinforcing portion 470 differentiated will be described in detail, and the detailed description of the same reference numerals will be omitted.
  • the reinforcing portion 470 includes a lower reinforcing portion 471 disposed at a lower portion of the lower substrate 140 and an upper reinforcing portion 472 disposed at a lower portion of the upper substrate 150.
  • the reinforcing portion 470 may be disposed on the lower substrate 140 and the upper substrate 150 by a process such as electroplating or spraying.
  • the lower reinforcing portion 471 includes a bottom reinforcing portion 471a disposed on the lower surface of the lower substrate 140 and a side reinforcing portion 471b disposed on the side surface 141 and the long side surface 142 of the lower substrate 140, And a top surface reinforcing portion 471c disposed on a part of the upper surface of the lower substrate 140.
  • the upper reinforcing portion 472 is also formed on the upper surface of the upper substrate 150 and the upper surface of the upper substrate 150 and the lower surface of the upper substrate 150, And a bottom surface reinforcing portion.
  • FIG. 1 Another embodiment of the present invention will be described with reference to a lower reinforcement portion 471 disposed on the lower substrate 140.
  • the height T4 of the side reinforcing portion 471b of the lower reinforcing portion 471 is larger than the height T1 of the lower substrate 140 and the upper surface of the side reinforcing portion 471b is larger than the height T3 of the upper surface of the lower substrate 140 It can be arranged high.
  • the side reinforcing portions 471b can cover all the long side surfaces 142 of the lower substrate 140.
  • the side reinforcing portion 471b may mean that the side reinforcing portion 471b is disposed on all sides of the long side surface 142 of the lower substrate 140.
  • the upper surface reinforcing portion 471c extends from the end of the side reinforcing portion 471b and can cover a part of the upper surface of the lower substrate 140.
  • the upper surface reinforcing portion 471c of the lower reinforcing portion 471 includes the P-type thermoelectric leg 120, the N-type thermoelectric leg 130, the first electrode 161 and the second electrode 162, 181 and the second second lead wire 182, or an insulating member (not shown) is disposed between them.
  • thermoelectric device since the lower reinforcement 471 surrounds the lower surface and the side surface of the lower substrate 140 and is disposed to surround a part of the upper surface, And damage due to external force can be prevented.
  • thermoelectric leg of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 13.
  • FIG. 11 a thermoelectric leg of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 13.
  • thermoelectric leg of a thermoelectric device is a thermoelectric leg of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • the structure of the thermoelectric leg may be implemented as a structure of a laminate structure rather than a bulk structure, thereby further improving the thinning and cooling efficiency.
  • the structure of the P-type thermoelectric leg 120 and the N-type thermoelectric leg in FIG. 11 is formed as a unit member in which a plurality of structures coated with a semiconductor material are laminated on a sheet-like base material, And the electric conduction characteristics can be improved.
  • FIG. 11 is a conceptual view of a process for manufacturing the unit member of the above-described laminated structure.
  • a semiconductor layer 1120 is formed by applying paste to a substrate 1110 such as a sheet or a film, . 11, a plurality of unit members 1100a, 1100b, and 1100c are stacked to form a stacked structure, and then the stacked structure is cut to form a unit thermoelectric element 1200.
  • the unit thermoelectric element 1200 according to the present invention may be formed of a structure in which a plurality of unit members 1100 in which a semiconductor layer 1120 is laminated on a substrate 1110 are stacked.
  • the process of applying the semiconductor paste on the substrate 1110 in the above-described process can be realized by various methods.
  • tape casting that is, a very fine semiconductor material powder can be applied to a water- a slurry is prepared by mixing any one selected from a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer and a surfactant to prepare a slurry, And then molding it according to the desired thickness with a predetermined thickness.
  • materials such as films and sheets having a thickness in the range of 10 to 100 ⁇ m can be used as the base material, and the P-type material and the N-type material for recycling the above-mentioned bulk type device can be applied as they are Of course.
  • the unit members 1100 may be laminated by pressing at a temperature of 50 to 250 ° C.
  • a cutting process can be performed in a desired shape and size, and a sintering process can be added.
  • a unit thermoelectric element in which a plurality of unit members 1100 manufactured according to the above-described processes are stacked can ensure the uniformity of thickness and shape size. That is, the conventional bulk-shaped thermoelectric element cuts the sintered bulk structure after the ingot grinding and fine-finishing ball-mill processes, so that a large amount of material is lost in the cutting process,
  • the sheet laminate After the multilayer structure of sheet-like unit members is laminated, the sheet laminate It is possible to achieve uniformity of the bar material having a uniform thickness of the material and thickness of the whole unit thermoelectric device to be as thin as 1.5 mm or less, .
  • the structure finally implemented can be cut into a cube or a rectangular parallelepiped like the structure of the thermoelectric leg according to the embodiment of the present invention described above with reference to FIG.
  • a step of forming a conductive layer on the surface of each unit member 1100 in the step of forming a laminated structure of the unit member 1100 may be further included Can be implemented.
  • the same conductive layer as the structure of FIG. 12 can be formed between the unit members of the laminated structure of FIG. 11 (c).
  • the conductive layer may be formed on the opposite side of the substrate surface on which the semiconductor layer is formed.
  • the conductive layer may be formed as a patterned layer such that a region where the surface of the unit member is exposed is formed.
  • the conductive layer 12 shows various modifications of the conductive layer C according to the embodiment of the present invention.
  • the patterns in which the surface of the unit member is exposed include the patterns shown in Figs. 12 (a) and 12 (b) As shown in Figs. 12 (c) and 12 (d), a mesh type structure including closed-type opening patterns c1 and c2, as shown in Fig. Type, and the like.
  • the conductive layer is advantageous in that not only the adhesion between the unit members in the unit thermoelectric elements formed by the laminated structure of the unit members but also the thermal conductivity between the unit members is lowered and the electrical conductivity is improved, The cooling capacity (Qc) and? T () of the bulk type thermoelectric element are improved, and the power factor is 1.5 times, that is, the electric conductivity is increased 1.5 times.
  • the increase of the electric conductivity is directly related to the improvement of the thermoelectric efficiency, so that the cooling efficiency is improved.
  • the conductive layer may be formed of a metal material, and metal materials of Cu, Ag, Ni,
  • thermoelectric device is disposed between the lower substrate 140 and the upper substrate 150.
  • the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention is disposed between the lower substrate 140 and the upper substrate 150
  • the total thickness Th can be formed within a range of 1. mm to 1.5 mm. As compared with the case of using a conventional bulk type device, .
  • thermoelectric elements shown in FIG. 11 are cut as shown in FIG. 11 (c) so as to be arranged horizontally in the upward direction and the downward direction, .
  • thermoelectric elements can be formed by arranging the upper and lower substrates, the semiconductor layers, and the surface of the substrate so as to be adjacent to each other. However, as shown in (b) So that the side portions of the unit thermoelectric elements are arranged adjacent to the upper and lower substrates. In such a structure, the end portion of the conductive layer is exposed to the side surface rather than the horizontal arrangement structure, thereby lowering the heat conduction efficiency in the vertical direction and improving the electric conduction characteristic, thereby further improving the cooling efficiency.
  • thermoelectric device applied to the thermoelectric module of the present invention which can be implemented in various embodiments
  • the shapes and sizes of the mutually opposing P-type thermoelectric legs and N-type thermoelectric legs are the same, Considering that the electrical conductivity of the thermoelectric leg and the electrical conductivity of the N-type thermoelectric leg are different from each other, they act as an element that hinders the cooling efficiency, so that one of the volumes is formed to be different from the volume of other semiconductor elements So that the cooling performance can be improved.
  • thermoelectric device a butterfly type laser diode (LD) module to which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
  • LD laser diode
  • FIG. 14 is a perspective view showing a butterfly type laser diode (LD) module to which a thermoelectric device is applied according to an embodiment of the present invention.
  • LD laser diode
  • the Butterfly type LD module has temperature control function.
  • the butterfly type LD module 20 includes a thermoelectric element (TEC) 100 provided inside the ceramic package 21, a thermistor 23 as a temperature sensor, an LD chip A chip 24, and an mPD chip 25.
  • TEC thermoelectric element
  • the LD chip 24 and the mPD chip 25 are mounted on the TEC 100.
  • the ceramic package 21 becomes hermetic sealing.
  • the butterfly LD module 20 is advantageous in that it has a wide bandwidth and temperature control function.
  • Such a butterfly LD module 20 may also be referred to as an active alignment method in view of the alignment method.
  • the butterfly LD module 20 can be die-bonded to the upper surface of the metallic plate 28 of the LD 24.
  • thermoelectric leg 130 N-type thermoelectric leg

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

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

열전 소자
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 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.
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 A-A선 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 한 실시예에 따른 열전소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019000681-appb-M000001
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 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 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 포함할 수 있다.
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 포함할 수 있다.
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(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1)에 비해 작거나 동일할 수 있다.
한편, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 내지 1.5배로 구성될 수 있다.
여기서, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(T2)가 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 미만인 경우, 하부 기판(140)에 전해지는 외력을 억제할 수 없으며, 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(T2)가 하부 기판(140)의 높이(T1) 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(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 내지 1배로 구성되는 것이 바람직하며, 더욱 하부 보강부(171)의 측면 보강부(171b)의 높이(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 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 금속을 포함할 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 금속을 포함할 수 있다.
제 3 층(13)은 제 2 층(12)에 배치되고, 산화 방지성이 우수하며 외부 기기와 접합되기 용이한 제 3 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 금속은 구리를 포함하며, 제 2 금속은 니켈을 포함하며, 제 3 금속은 금을 포함할 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 수도 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(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1)에 비해 작거나 동일할 수 있다.
한편, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 내지 1.5배로 구성될 수 있다.
여기서, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(T2)가 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 미만인 경우, 하부 기판(140)에 전해지는 외력을 억제할 수 없으며, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(T2)가 하부 기판(140)의 높이(T1) 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(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 대비 0.2배 내지 1배로 구성되는 것이 바람직하며, 하부 보강부(271)의 측면 보강부(271b)의 높이(T2)는 하부 기판(140)의 높이(T1) 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(T3)는 하부 기판(140)의 높이(T1)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(T4)는 하부 기판(140)의 높이(T1)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(1110) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(1120)을 형성하여 하나의 단위 부재(1100)를 형성한다. 상기 단위부재(1100)은 도 11에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층 하여 적층 구조물을 형성하고, 이후 적층 구조물을 절단하여 단위열전소자(1200)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(1200)은 기재(1110) 상에 반도체층(1120)가 적층된 단위부재(1100)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(1110) 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(1100)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(1100)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(1100)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(1100)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(1100)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 11의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 12의 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 12에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 12의 (a), (b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 12의 (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 △T() 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 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.
[부호의 설명]
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

Claims (11)

  1. 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.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기판의 상면과 측면의 일부 상에 배치된 제 2 보강부; 를 더 포함하는 열전 소자.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 구리로 구성되고,
    상기 제 2 층은 니켈로 구성되고,
    상기 제 3 층은 금으로 구성되는 열전 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 보강부의 높이는 상기 제 1 기판의 높이 대비 0.2배 내지 1.5배인 열전 소자.
  10. 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.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상면 보강부와 상기 전극 사이에 배치된 절연 부재를 더 포함하는 열전 소자
PCT/KR2019/000681 2018-01-19 2019-01-17 열전 소자 WO2019143140A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/959,249 US11508894B2 (en) 2018-01-19 2019-01-17 Thermoelectric element
CN201980008693.XA CN111615754B (zh) 2018-01-19 2019-01-17 热电元件

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2018-0007116 2018-01-19
KR1020180007116A KR20190088701A (ko) 2018-01-19 2018-01-19 열전 소자

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019143140A1 true WO2019143140A1 (ko) 2019-07-25

Family

ID=67302354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2019/000681 WO2019143140A1 (ko) 2018-01-19 2019-01-17 열전 소자

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11508894B2 (ko)
KR (1) KR20190088701A (ko)
CN (1) CN111615754B (ko)
WO (1) WO2019143140A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111179778A (zh) * 2020-02-26 2020-05-19 昆山国显光电有限公司 一种显示面板及显示装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210062987A (ko) * 2019-11-22 2021-06-01 엘지이노텍 주식회사 열전소자

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120028687A (ko) * 2010-09-15 2012-03-23 삼성전기주식회사 비대칭 열전 모듈 및 그 제조방법
JP2012079803A (ja) * 2010-09-30 2012-04-19 Kyocera Corp 熱電モジュール
KR20130019883A (ko) * 2011-08-18 2013-02-27 삼성전기주식회사 열전 모듈 및 열전 모듈의 제조방법
KR20140123484A (ko) * 2012-01-31 2014-10-22 쿠라미크 엘렉트로닉스 게엠베하 열전 발전기 모듈, 금속-세라믹 기판 및 금속 세라믹 기판을 생산하기 위한 방법
JP2017069555A (ja) * 2015-09-28 2017-04-06 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3615870A (en) * 1968-09-04 1971-10-26 Rca Corp Thermoelement array connecting apparatus
JPH08162680A (ja) * 1994-11-30 1996-06-21 Sharp Corp 熱電変換装置
JP4161572B2 (ja) * 2001-12-27 2008-10-08 ヤマハ株式会社 熱電モジュール
JP2003318455A (ja) * 2002-04-19 2003-11-07 Da Vinch Co Ltd ペルチェ素子とその製造方法
CN101515628B (zh) * 2005-08-02 2011-03-09 株式会社东芝 热电装置及其制造方法
JP2009164498A (ja) * 2008-01-10 2009-07-23 Yamaha Corp 熱電モジュール
TWI405361B (zh) * 2008-12-31 2013-08-11 Ind Tech Res Inst 熱電元件及其製程、晶片堆疊結構及晶片封裝結構
KR101664482B1 (ko) * 2009-10-01 2016-10-10 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
KR102281065B1 (ko) * 2014-01-23 2021-07-23 엘지이노텍 주식회사 열전모듈 및 이를 포함하는 냉각장치
KR20160118747A (ko) 2015-04-03 2016-10-12 엘지이노텍 주식회사 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
CN106486592A (zh) * 2015-08-28 2017-03-08 华为技术有限公司 热电模块和热电交换装置
DE112018000874T5 (de) * 2017-02-15 2019-10-31 Ferrotec Holdings Corporation Gehäuse mit eingebautem thermoelektrischem element

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120028687A (ko) * 2010-09-15 2012-03-23 삼성전기주식회사 비대칭 열전 모듈 및 그 제조방법
JP2012079803A (ja) * 2010-09-30 2012-04-19 Kyocera Corp 熱電モジュール
KR20130019883A (ko) * 2011-08-18 2013-02-27 삼성전기주식회사 열전 모듈 및 열전 모듈의 제조방법
KR20140123484A (ko) * 2012-01-31 2014-10-22 쿠라미크 엘렉트로닉스 게엠베하 열전 발전기 모듈, 금속-세라믹 기판 및 금속 세라믹 기판을 생산하기 위한 방법
JP2017069555A (ja) * 2015-09-28 2017-04-06 三菱マテリアル株式会社 熱電変換モジュール及び熱電変換装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111179778A (zh) * 2020-02-26 2020-05-19 昆山国显光电有限公司 一种显示面板及显示装置
CN111179778B (zh) * 2020-02-26 2022-05-17 昆山国显光电有限公司 一种显示面板及显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20200335681A1 (en) 2020-10-22
CN111615754B (zh) 2024-04-16
US11508894B2 (en) 2022-11-22
KR20190088701A (ko) 2019-07-29
CN111615754A (zh) 2020-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102070390B1 (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
KR102561218B1 (ko) 열전모듈
WO2019143140A1 (ko) 열전 소자
KR20160117944A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2015026151A1 (ko) 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치
WO2021145621A1 (ko) 발전장치
WO2016159591A1 (ko) 열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2020246749A1 (ko) 열전소자
WO2019146990A1 (ko) 열전소자 및 그의 제조 방법
WO2019066354A1 (ko) 열전 소자
WO2018226046A1 (ko) 열변환장치
WO2018143780A1 (ko) 열전 소자
KR20160126804A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2021145677A1 (ko) 발전장치
KR20160129637A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2021029590A1 (ko) 열전장치
WO2020153799A1 (ko) 열전 소자
WO2021101267A1 (ko) 열전소자
WO2020130507A1 (ko) 열전 모듈
WO2017209549A1 (ko) 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자
WO2021201495A1 (ko) 열전 소자
WO2022124674A1 (ko) 열전 소자
WO2022060165A1 (ko) 열전소자
WO2019112200A1 (ko) 열전 모듈
KR102355281B1 (ko) 열전 소자

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19741648

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19741648

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1