KR102310806B1 - 열전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 그리고 상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극을 고정시키는 전극 고정 부재를 포함하며, 상기 전극 고정 부재는 제1 방향의 복수의 제1 라인, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향의 복수의 제2 라인 및 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단 및 상기 복수의 제2 라인의 양 끝단에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1 홈 내에 삽입되는 제3 라인을 포함하고, 상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 사이에 배치된다.

Description

열전소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 기판 및 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, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 및 하부기판 사이에 복수의 상부전극 및 복수의 하부전극이 배치된다. 여기서, 상부전극 및 하부전극은 열전 레그들을 직렬 연결한다.
일반적으로, 상부기판과 상부전극 사이 및 하부기판과 하부전극 사이는 직접 본딩되거나, 접착층에 의하여 접착될 수 있다. 상부기판과 상부전극 및 하부기판과 하부전극이 직접 본딩될 경우, 접착층에 의하여 접착되는 경우에 비하여 열전도도 측면에서는 유리하나, 기판과 전극 간 열팽창 계수 차가 커서 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다. 한편, 상부기판과 상부전극 및 하부기판과 하부전극이 접착층에 의하여 접착되는 경우, 리플로우 공정 시 접착층이 열화되어 기판으로부터 전극이 떨어지기 쉬운 문제가 있다.
이에 따라, 열전도도 및 신뢰도 측면에서의 성능 저하 없이 기판과 전극을 고정하는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 기판 및 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 가장자리에 복수의 제1 홈이 형성된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 그리고 상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극을 고정시키는 전극 고정 부재를 포함하며, 상기 전극 고정 부재는 제1 방향의 복수의 제1 라인, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향의 복수의 제2 라인 및 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단 및 상기 복수의 제2 라인의 양 끝단에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1 홈 내에 삽입되는 제3 라인을 포함하고, 상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 사이에 배치된다.
상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 사이에서 상기 복수의 제1 전극과 밀착하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극 사이에는 접착층이 더 배치될 수 있다.
상기 복수의 제2 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 사이에서 상기 접착층 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제1 홈과 소정 간격으로 이격된 지점의 적어도 일부에는 복수의 제2 홈이 형성되며, 상기 전극 고정 부재는 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단으로부터 상기 소정 간격으로 이격된 지점에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제2 홈 내에 삽입되는 제4 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 홈의 깊이는 상기 제1 기판의 높이의 0.1 내지 0.9배일 수 있다.
상기 복수의 제1 홈의 적어도 일부는 상기 제3 라인 및 접착제로 채워질 수 있다.
상기 전극 고정 부재는 절연성 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자는 가장자리에 복수의 제1 홈이 형성된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극, 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 그리고 상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극을 고정시키는 전극 고정 부재를 포함하며, 상기 전극 고정 부재는 제1 방향의 복수의 제1 라인, 상기 복수의 제1 라인과 서로 교차하여 복수의 개구부를 형성하는 제2 방향의 복수의 제2 라인 및 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단 및 상기 복수의 제2 라인의 양 끝단에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1 홈 내에 삽입되는 제3 라인을 포함하고, 상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 상에 배치되고, 각 개구부 내에는 하나의 제1 전극 상에 배치되는 P형 열전 레그 및 상기 하나의 제1 전극과 이웃하는 다른 제1 전극 상에 배치되는 N형 열전 레그가 배치된다.
각 개구부를 이루는 두 개의 제1 라인은 상기 복수의 제1 전극과 밀착하도록 배치되고, 두 개의 제2 라인은 상기 복수의 제1 전극 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전도도가 우수하고, 신뢰성이 높으면서도 기판과 전극 사이가 단단하게 고정되는 열전소자를 얻을 수 있다. 이에 따라, 고온의 리플로우 공정 시 또는 와이어링 작업 시 전극과 기판 간의 접착력이 약화되더라고 전극이 기판으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 전극 상에 배치된 한 쌍의 열전레그가 서로 접합하는 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 도 1의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부기판 및 하부전극 상에 전극 고정 부재가 배치된 상면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부기판 및 하부전극의 상면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전극 고정 부재의 사시도이다.
도 8은 도 5의 Y1에 대한 단면도이다.
도 9는 도 5의 Y2에 대한 단면도이다.
도 10은 도 5의 X1에 대한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 기판 및 전극 배치 방법을 설명하는 순서도이다.
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 도 1의 단면도를 나타낸다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
하부전극(120)은 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 상부전극(150)은 상부기판(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 하부전극(120) 및 상부전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부전극(120)과 상부전극(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 하부전극(120) 및 상부전극(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 112017101438920-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, 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부전극(120), 그리고 상부기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부기판(110)과 상부기판(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. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부기판(110)과 상부기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부기판(110)과 하부전극(120) 사이 및 상부기판(160)과 상부전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부기판(110)과 상부기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부기판(110)과 상부기판(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, 하부기판(110)과 상부기판(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, 하부기판(110)과 하부전극(120) 사이 및 상부기판(160)과 상부전극(150) 사이는 직접 본딩되거나, 접착층에 의하여 접착될 수 있다. 하부기판(110)과 하부전극(120) 사이 및 상부기판(160)과 상부전극(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, 하부기판(110) 상에 접착층(190)이 도포되며, 접착층(190) 상에 복수의 하부전극(120)이 어레이 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 각 하부전극(120) 상에 한 쌍의 열전 레그(미도시)가 접합될 수 있다. 설명의 편의를 위하여 하부기판(110) 및 하부전극(120)의 구조를 중심으로 설명하나, 이로 제한되는 것은 아니며, 상부기판(160) 및 상부전극(150)에도 동일한 구조가 적용될 수 있다. 이때, 하부기판(110)은 세라믹 기판으로, 약 20W/mK의 열전도도를 가질 수 있고, 하부전극(120)은 약 100W/mK의 열전도도를 가질 수 있다. 열전소자(100)에 전원이 인가되면, 상부기판(160) 및 하부기판(110) 중 하나는 발열면이 되어 팽창할 가능성이 높아지게 되고, 나머지 하나는 흡열면이 되어 수축할 가능성이 높아지게 되나, 접착층(190)은 하부기판(110)과 하부전극(120)또는 상부기판(160)과 상부전극(150)) 간의 열충격을 흡수하는 완충제의 역할을 할 수 있다.
그러나, 접착층(190)은 열에 취약하므로, 약 300℃ 이상에서 처리되는 리플로우 공정 시 접착층(190)이 열화되어 하부기판(110)으로부터 하부전극(120)이 이탈되기 쉬운 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 고정 부재를 이용하여 기판과 전극 사이를 고정하고자 한다. 이하, 설명의 편의를 위하여 하부기판과 하부전극을 예로 들어 설명하나, 동일한 구조가 상부기판 및 상부전극에도 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부기판 및 하부전극 상에 전극 고정 부재가 배치된 상면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부기판 및 하부전극의 상면도이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 전극 고정 부재의 사시도이다. 그리고, 도 8은 도 5의 Y1에 대한 단면도이고, 도 9는 도 5의 Y2에 대한 단면도이며, 도 10은 도 5의 X1에 대한 단면도이다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 하부기판(이하, 제1 기판과 혼용될 수 있다)(110) 상에 하부전극(이하, 복수의 제1 전극과 혼용될 수 있다)(120)이 배치된다. 이때, 복수의 제1 전극(120)은 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수이다)의 어레이 형태를 가질 수 있고, 하나의 열은 이웃하는 다른 열과 소정 간격으로 이격되어 배치되며, 이와 마찬가지로 하나의 행은 이웃하는 다른 행과 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 제1 기판(110)과 복수의 제1 전극(120) 사이에는 접착층(190)이 배치될 수 있다. 각 제1 전극(120) 상에는 한 쌍의 N형 열전레그(130)와 P형 열전레그(140)가 배치된다. 이 외에, 도 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다. 도시되지 않았으나, 제1 전극(120)은 솔더에 의하여 한 쌍의 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140)와 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(110)의 가장자리에는 복수의 제1 홈(112)이 형성된다. 이때, 복수의 제1 홈(112)은 제1 기판(110)의 가장자리에 형성되되, 복수의 제1 전극(120)이 배치되지 않을 지점에 미리 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 홈(112)은 복수의 제1 전극(120) 중 최외각 열 및 최외각 행을 이루는 각 제1 전극(120)의 측면에 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 복수의 제1 홈(112)은 복수의 제1 전극(120) 중 최외각 열 및 최외각 행을 이루는 각 제1 전극(120)의 길이 방향의 한 측면의 중간 지점에 형성될 수 있다. 여기서, 길이 방향은 제1 전극(120)의 형상이 직사각형 형상인 것을 가정할 때, 길이가 긴 방향을 의미할 수 있고, 길이 방향으로 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140)가 배치될 수 있다. 즉, 각 제1 전극(120)의 길이 방향의 한 측면의 중간 지점은 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140) 사이의 측면에 해당하는 지점일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자(100)는 제1 기판(110)과 복수의 제1 전극(120)을 고정시키는 전극 고정 부재(200)를 더 포함한다. 이를 위하여, 전극 고정 부재(200)의 일부는 제1 기판(110)에 형성된 복수의 제1 홈(112) 중 적어도 일부에 끼워질 수 있으며, 전극 고정 부재(200)의 다른 일부는 복수의 제1 전극(120) 상에 배치될 수 있다.
구체적으로, 전극 고정 부재(200)는 제1 방향의 복수의 제1 라인(202), 제1 방향과 교차하는 제2 방향의 복수의 제2 라인(204), 그리고 복수의 제1 라인(202)의 양 끝단 및 복수의 제2 라인(204)의 양 끝단에서 복수의 제1 라인(202) 및 복수의 제2 라인(204)과 수직하는 방향으로 연장되어 복수의 제1 홈(112) 내에 삽입되는 제3 라인(206)을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 제1 라인(202)과 복수의 제2 라인(204)은 서로 교차하여 복수의 개구부(210)를 형성한다. 예를 들어, 복수의 제1 라인(202)과 복수의 제2 라인(204)은 메쉬 형상을 이룰 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 라인(202)의 적어도 일부 각각은 복수의 제1 전극(120) 상에 배치되되, 한 쌍의 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 복수의 제1 라인(202)의 적어도 일부 각각은 한 쌍의 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140) 사이에서 복수의 제1 전극(120)과 밀착하도록 배치될 수 있다. 즉, 개구부(210)를 기준으로 할 때, 각 개구부(210) 내에는 하나의 제1 전극(120) 상에 배치되는 N형 열전레그(130) 및 하나의 제1 전극(120)과 이웃하는 다른 제1 전극(120) 상에 배치되는 P형 열전레그(140)가 배치될 수 있으며, 각 개구부(210)를 이루는 두 개의 제1 라인(202)은 한 쌍의 N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140) 사이에서 복수의 제1 전극(120)과 밀착하도록 배치되며, 두 개의 제2 라인(204)은 복수의 제1 전극(120) 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 전극 고정 부재(200)가 복수의 제1 전극(120) 상에 밀착하도록 배치되며, 제1 기판(110)에 형성된 복수의 제1 홈(112)에 끼워지면, 제1 기판(110)과 복수의 제1 전극(120)은 단단하게 고정될 수 있으며, 복수의 제1 전극(120) 중 적어도 일부가 제1 기판(110)으로부터 이탈되는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 전극 고정 부재(200)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극 고정 부재(200)는 세라믹 물질, 더욱 구체적으로는 알루미나로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 전극 고정 부재(200)가 복수의 제1 전극(120) 상에 밀착하도록 배치되더라도, 전극 고정 부재(200)가 열전소자(100)에 전기적인 영향을 미치지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(110)과 복수의 제1 전극(120) 사이에는 접착층(190)이 더 배치되며, 복수의 제2 라인(204)의 적어도 일부 각각은 복수의 제1 전극(120) 사이에서 접착층(190) 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 메쉬 형상의 전극 고정 부재(200)는 안정적인 지지 강도를 가지면서도, N형 열전레그(130) 및 P형 열전레그(140)의 배열에 방해를 하지 않을 수 있다.
여기서, 접착층(190)은 접착 성능을 가지는 수지 조성물을 포함할 수 있다. 수지 조성물 내에는 열전도 성능을 가지는 무기 충전재가 분산될 수 있다. 예를 들어, 무기 충전재는 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 이에 따라, 접착층(190)은 접착 성능뿐만 아니라, 방열 성능도 가질 수 있다. 그리고, 접착층(190)이 제1 기판(110)의 전면 상에 도포되는 것을 예로 들고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 접착층(190)은 복수의 제1 전극(120) 별로 구분되도록 배치될 수도 있다. 즉, 접착층(190)은 제1 기판(110)의 전면에 도포되는 것이 아니라, 서로 이격되어 배치된 각 제1 전극(120) 별로 도포될 수 있다. 이에 따라, 제1 기판(110)의 적어도 일부 상에는 접착층(190)이 배치되지 않는 영역이 존재할 수 있다. 접착층(190)은 제1 기판(110)에 대한 열충격을 흡수하는 완충제의 역할을 하면서도, 기판 상에 과도하게 도포되지 않아 열전소자(100)의 냉각 용량 및 방열 특성을 양호하게 유지시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 접착층(190)의 도포량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 재료비를 절감할 수 있고, 잔류 솔더의 이동에 따른 쇼트를 방지하는 것이 가능하다.
한편, 도 8을 참조하면, 복수의 제1 라인(202) 및 복수의 제2 라인(204)의 두께(D)는 0.1mm 내지 1mm, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.9mm, 더욱 바람직하게는 0.3mm 내지 0.8mm일 수 있다. 이에 따르면, 전극 고정 부재(200)는 안정적인 지지 강도를 가질 수 있으며, 제1 전극(120)과 N형 열전레그(130) 또는 P형 열전레그(140)를 접합하기 위한 솔더가 리플로우 공정을 통하여 녹더라도, 녹은 솔더가 이웃하는 열전레그 또는 전극 측으로 흐르는 현상은 복수의 제1 라인(202) 및 복수의 제2 라인(204)에 의하여 차단될 수 있다.
도시되지 않았으나, 복수의 제1 라인(202)의 두께 및 복수의 제2 라인(204)의 두께는 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 제1 라인(202)은 복수의 제1 전극(120) 상에 배치되고, 복수의 제2 라인(204)은 복수의 제1 전극(120) 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 제2 라인(204)의 두께는 복수의 제1 라인(202)의 두께에 비하여 전극의 두께만큼 더 클 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 제1 기판(110)에 형성된 복수의 제1 홈(112)의 깊이(H2)는 제1 기판(110)의 높이(H1)의 0.1 내지 0.9배, 바람직하게는 0.3 내지 0.9배, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 0.9배일 수 있다. 이에 따라, 전극 고정 부재(200)가 제1 기판(110)에 형성된 복수의 제1 홈(112)에 안정적으로 결합할 수 있으며, 전극 고정 부재(200)의 제3 라인(206)이 제1 기판(110)의 하면으로 튀어나오는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 복수의 제1 홈(112)의 폭(W1)은 제3 라인(206)의 폭(W2)보다 클 수 있고, 복수의 제1 홈(110)의 벽면과 제3 라인(206) 간의 공차는 접착제로 채워질 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 홈(112)에 전극 고정 부재(200)를 용이하게 장착할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 제1 기판(110) 상에는 복수의 제1 홈(112)과 소정 간격으로 이격된 지점의 적어도 일부에 복수의 제2 홈(114)이 더 형성되며, 전극 고정 부재(200)는 복수의 제1 라인(202)의 양 끝단으로부터 소정 간격으로 이격된 지점에서 복수의 제1 라인(202) 및 복수의 제2 라인(204)과 수직하는 방향으로 연장되어 복수의 제2 홈(114) 내에 삽입되는 제4 라인(208)을 더 포함할 수 있다. 이에 따르면, 전극 고정 부재(200)가 제1 기판(110)에 더욱 안정적으로 결합할 수 있다. 복수의 제2 홈(114)은, 예를 들어 복수의 제1 전극(120) 중 최외각 열에 인접하는 열 또는 최외각 행에 인접하는 행 주변에 형성될 수 있다. 즉, 소정 간격은 복수의 제1 전극(120)의 가로 방향의 간격일 수 있다. 여기서, 가로 방향은 제1 전극(120)이 직사각형이라 가정할 때 길이가 짧은 방향을 의미할 수 있다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 기판 및 전극 배치 방법을 설명하는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 제1 기판(110)의 가장자리에 복수의 홈(112, 114)을 형성한다(S1100). 여기서, 홈(112, 114)의 깊이는 제1 기판(110)의 높이의 0.1 내지 0.9배일 수 있다.
다음으로, 제1 기판(110) 상에 접착층(190)을 도포한다(S1110). 여기서, 접착층(190)은 접착 성능을 가지는 수지 조성물을 포함할 수 있으며, 제1 기판(110)의 홈(112, 114) 내에 접착제가 흘러 들어갈 수도 있다.
다음으로, 접착층(190) 상에 복수의 제1 전극(120)을 어레이 형태로 배치한다(S1120). 이때, 복수의 제1 전극(120)은 m*n(여기서, m, n은 각각 1 이상의 정수이다)의 어레이 형태를 가질 수 있고, 하나의 열은 이웃하는 다른 열과 소정 간격으로 이격되어 배치되며, 이와 마찬가지로 하나의 행은 이웃하는 다른 행과 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
다음으로, 어레이 형태의 복수의 제1 전극(120) 상에 전극 고정 부재(200)를 배치한 후 가압한다(S1130). 이때, 전극 고정 부재(200)의 제3 라인(206) 및 제4 라인(208)이 제1 기판(110)의 홈(112, 114) 내에 삽입되고, 제1 전극(120)의 길이 방향의 중간 지점, 즉 N형 열전레그(130)가 배치될 영역 및 P형 열전레그(140)가 배치될 영역의 사이에 제1 라인(202)이 배치되도록 할 수 있다. 이에 따라, 전극 고정 부재(200)는 제1 기판(110)과 복수의 제1 전극(120)을 단단하게 고정할 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 (10)

  1. 가장자리에 복수의 제1 홈이 형성된 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극,
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 그리고
    상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극을 고정시키는 전극 고정 부재를 포함하며,
    상기 전극 고정 부재는 제1 방향의 복수의 제1 라인, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향의 복수의 제2 라인 및 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단 및 상기 복수의 제2 라인의 양 끝단에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1 홈 내에 삽입되는 제3 라인을 포함하고,
    상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 상에서 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 사이에 배치되는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 사이에서 상기 복수의 제1 전극과 밀착하도록 배치되는 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극 사이에는 접착층이 더 배치되는 열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제2 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 사이에서 상기 접착층 상에 배치되는 열전소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제1 홈과 소정 간격으로 이격된 지점의 적어도 일부에는 복수의 제2 홈이 형성되며,
    상기 전극 고정 부재는 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단으로부터 상기 소정 간격으로 이격된 지점에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제2 홈 내에 삽입되는 제4 라인을 더 포함하는 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 홈의 깊이는 상기 제1 기판의 높이의 0.1 내지 0.9배인 열전소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 제1 홈의 적어도 일부는 상기 제3 라인 및 접착제로 채워지는 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 고정 부재는 절연성 물질로 이루어진 열전소자.
  9. 가장자리에 복수의 제1 홈이 형성된 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제1 전극,
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되며, 각각에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되는 복수의 제2 전극, 그리고
    상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극을 고정시키는 전극 고정 부재를 포함하며,
    상기 전극 고정 부재는 제1 방향의 복수의 제1 라인, 상기 복수의 제1 라인과 서로 교차하여 복수의 개구부를 형성하는 제2 방향의 복수의 제2 라인 및 상기 복수의 제1 라인의 양 끝단 및 상기 복수의 제2 라인의 양 끝단에서 상기 복수의 제1 라인 및 상기 복수의 제2 라인과 수직하는 방향으로 연장되어 상기 복수의 제1 홈 내에 삽입되는 제3 라인을 포함하고,
    상기 복수의 제1 라인의 적어도 일부 각각은 상기 복수의 제1 전극 상에 배치되고,
    각 개구부 내에는 하나의 제1 전극 상에 배치되는 P형 열전 레그 및 상기 하나의 제1 전극과 이웃하는 다른 제1 전극 상에 배치되는 N형 열전 레그가 배치되는 열전소자.
  10. 제9항에 있어서,
    각 개구부를 이루는 두 개의 제1 라인은 상기 복수의 제1 전극과 밀착하도록 배치되고, 두 개의 제2 라인은 상기 복수의 제1 전극 사이에 배치되는 열전소자.
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