KR20160005588A - 온도센서 - Google Patents

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KR20160005588A
KR20160005588A KR1020140084760A KR20140084760A KR20160005588A KR 20160005588 A KR20160005588 A KR 20160005588A KR 1020140084760 A KR1020140084760 A KR 1020140084760A KR 20140084760 A KR20140084760 A KR 20140084760A KR 20160005588 A KR20160005588 A KR 20160005588A
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semiconductor element
thermoelectric
insulating substrate
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KR1020140084760A
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이성호
김석
유상용
이영수
정재연
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 열전 모듈은, 상부 절연 기판; 하부 절연 기판; 상기 상부 절연 기판과 상기 하부 절연 기판 사이에 배치된 열전소자; 및 상기 열전소자와 상기 하부 절연 기판 사이에 형성되고 상기 열전소자에 전류를 인가하거나 상기 열전소자로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 전극을 포함하고, 상기 열전소자는 상부에 제1 연결부가 형성된 p형 반도체 소자와 상부에 제2 연결부가 형성된 n형 반도체 소자를 포함하며, 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부는 서로 전기적으로 직접 연결되어, 경계면이 줄어들고, 접촉 저항이 감소하여 주울열에 의한 손실이 줄어들어, 효율이 높고 성능이 향상되며, 온도 센서로서 사용되는 경우, 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있고 재료비를 절감할 수 있다.

Description

온도센서{temperature sensor}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것이다.
온도센서는 오븐, 냉장고 등 가정용 제품의 일정한 온도 유지를 모니터링하기 위한 필수적인 부품이다. 또한 산업 설비에서도 정밀한 온도 유지와 조절 같은 모니터링은 고부가가치 제품 생산을 위한 설비의 필수 조건이라고 할 수 있다. 따라서, 일상 생활 및 산업 분야를 포함한 거의 모든 분야에서 온도 모니터링을 위한 온도 센서는 필수라고 할 수 있다. 현재 판매되고 있는 온도센서는 측정하고자 하는 온도 범위 및 해상도 등에 따라 여러 가지 형태가 존재한다.
열전현상은 크게 두 가지 기술로 나눌 수 있는데, 펠티에 효과를 응용한 냉각 기술 및 제벡 효과를 이용한 에너지 발전(energy harvesting) 기술로 분류되며, 두 경우 모두 향후 기업의 흥망성쇠를 좌우할 만큼 중요한 기술이라고 할 수 있다. 특히, 현 시점에서 화석에너지 사용의 급증으로 인한 지구온난화 및 에너지 고갈 문제는 신재생에너지 개발에 대한 연구를 가속화시키고 있다. 또한, 모든 장비 및 전자기기는 투입된 대부분의 에너지를 열의 형태로 버리고 있다.
따라서, 버려지는 열 에너지를 재사용하여 새로운 영역에 응용할 수 있다면 에너지 위기를 극복하는 좋은 방법론이 될 것이다. 그 일례로 자동차폐열, 폐기물 소각로, 제철소, 발전소, 지열, 전자기기, 체온 등에서 버려지는 많은 폐열을 이용하여 전기에너지로 재생산하려는 노력이 세계적으로 많이 연구되고 있는 실정이다.
특히 열전발전은 체적발전이며 다른 발전과 융합이 가능하므로 미래에 대한 응용성 면에서 매우 큰 장점을 가지고 있다. 냉각분야에서도 IT 산업의 발달과 더불어 전자부품의 소형화, 고전력화, 고집적화, 슬림화에 따라 발열량이 증가하고 있으며, 발생된 열은 전자기기의 오작동 및 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 열전소자를 사용하고 있으며, 열전소자의 무소음, 빠른 냉각속도, 국부냉각 등의 기능을 충분히 활용한다면 그 응용성은 더욱 커질 수밖에 없다.
종래의 열전소자는 크게 n형 반도체, p형 반도체, p-n 접합을 연결하는 금속전극 및 세라믹 기판으로 구성되며, 이것을 단일 모듈이라고 한다. 단일 모듈이 냉각 또는 발전소자로서 사용되기 위해서는 n형과 p형 반도체에서 전하들을 생성한 후, n형과 p형 반도체가 전극을 통하여 회로에 연결되어야만 한다.
따라서, 단일 모듈의 효율을 높이기 위해서는 모듈을 구성하는 각 부분의 고효율화 및 구성하는 각 부분 간의 효율을 서로 최적이 되도록 설계해야 한다. 또한 단일 모듈은 낮은 성능을 갖고 있기 때문에 실제로는 단일 모듈이 여러 개 구성되어 있는 복합 모듈을 사용하는 것이 일반적인 관례이다.
기존의 복합 모듈은 p-n으로 구성된 단일 모듈을 사용 조건에 맞게 직렬로 반복해서 형성한다. 각 단일 모듈은 금속전극으로 연결되며, 금속전극은 세라믹 기판과 연결되어 있다. 각 단일 모듈은 열원으로부터 서로 평행하게 설계되어 있으므로, 열원으로부터 반도체 재료 자체의 온도기울기는 단일 모듈 간 동일하다.
열전 모듈은 그 기능을 유지하기 위하여 히트 싱크로의 열 이동이 원활하게 이루어짐과 동시에 전극과 반도체 사이의 접촉 저항을 충분히 줄여야 효율이 높아질 수 있다. 현재는 이러한 이종 물질 간의 접합이 n형 반도체와 전극, p형 반도체와 전극 사이에 존재한다. 즉 이종 접합 간의 경계 면에서 열이 많이 발생하는 구조로 되어 있어, 열전 모듈의 효율이 떨어진다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은, 열전 모듈에 관한 것으로, 열전소자의 형태의 변경에 따라 한 번의 납땜에 의한 복합접합층의 형성만으로, 열전소자 간을 전기적으로 연결시키는 전극의 역할 및 열전소자와 절연기판을 기계적으로 연결시키는 접합재 등의 역할을 복합적으로 구현해낼 수 있어, 공정이 간단하여 제작비용이 절감되는 비대칭 열전소자를 이용한 열전 모듈에 관한 것이다.
KR 10-2010-0024028 A
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 과제는, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 접촉을 위한 전극을 제거하고 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자를 직접 접촉시킴으로써 이종 접합 간의 계면을 줄이고 접촉 저항을 줄여 주울열에 의한 손실을 줄임으로써 효율이 높고 성능이 향상된 열전 모듈을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈은, 상부 절연 기판; 하부 절연 기판; 상기 상부 절연 기판과 상기 하부 절연 기판 사이에 배치된 열전소자; 및 상기 열전소자와 상기 하부 절연 기판 사이에 형성되고 상기 열전소자에 전류를 인가하거나 상기 열전소자로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 전극을 포함하고, 상기 열전소자는 상부에 제1 연결부가 형성된 p형 반도체 소자와 상부에 제2 연결부가 형성된 n형 반도체 소자를 포함하며, 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부는 서로 전기적으로 직접 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈에서, 상기 p형 반도체 소자의 상면과 상기 n형 반도체 소자의 상면은 상기 상부 절연 기판에 직접 접합된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈에서, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 접촉을 위한 전극이 제거되고, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자가 직접 접촉됨으로써 이종 접합 간의 계면이 줄고 접촉 저항이 감소되어 주울열에 의한 손실이 줄어든다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈은 효율이 높고 향상된 성능을 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 모듈을 서모파일 온도 센서로 사용하는 경우, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 접촉을 위한 전극이 제거되어 접촉 저항의 감소로 인하여 주울열에 의한 손실을 최소화할 수 있기 때문에, 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있고 재료비를 절감할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 일반적인 열전 모듈에서 발생할 수 있는 열의 형태를 설명하기 위한 도면.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
도 3b는 본 발명의 제4 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
도 4a는 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
도 4b는 본 발명의 제6 실시예에 의한 열전 모듈을 도시한 단면도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, "제1", "제2", "일 면". "타 면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 열전 모듈에서 발생할 수 있는 열의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 열전 모듈(100)은 세라믹 기판(101, 102) 사이에 p형 반도체 소자(114), n형 반도체 소자(116), p형 반도체 소자(118) 및 n형 반도체 소자(120)를 포함하며, 상기 p형 반도체 소자(114)와 n형 반도체 소자(116)는 구리(Cu) 전극(104)에 의해 전기적으로 연결되어 p-n 접합을 형성하고, 상기 p형 반도체 소자(118)와 n형 반도체 소자(120)는 구리(Cu) 전극(108)에 의해 전기적으로 연결되어 p-n 접합을 형성한다.
또한, n형 반도체 소자(116)와 p형 반도체 소자(118)는 구리 전극(106)에 의해 전기적으로 직렬로 연결되어 있고, p형 반도체 소자(114)와 n형 반도체 소자(120)는 각각 구리 전극(110)과 구리 전극(112)에 연결되어 있다.
상기 구리 전극(110, 112)은 열전 모듈(100)에 전류를 인가하거나 열전 모듈(100)로부터 발생된 기전력을 인출하기 위한 전극이다.
도 1에 도시된 열전 모듈(100)의 구리 전극(110, 112)에 전기장을 인가하게 되면, 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 소자(114, 116, 118, 120) 내의 전자나 홀은 각각 (+)와 (-) 전극 쪽으로 이동하게 된다. 이 경우 반도체 소자(114, 116, 118, 120) 내의 전자나 홀은 이동 전에 흡수한 열에너지를 가지고 이동하는데 이러한 원리에 의해 열전 모듈(100)은 냉각 기능을 수행할 수 있다.
반대로, 열전 모듈(100)의 양단에 온도차가 발생하면 전압 차이가 발생하여 기전력이 발생되므로 구리 전극(110, 112) 간의 기전력을 감지하면 열전 모듈(100)을 온도 센서로서 사용할 수 있다.
이러한 냉각 기능을 수행하거나 온도 센서로서 사용되는 두 가지 경우 모두 전자와 홀의 원활한 이동이 있어야 한다. 만약 전자나 홀이 이동 중에 어떠한 방해물에 부딪힌다면 열전 모듈의 효과는 떨어질 수밖에 없다.
도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 열전 모듈(100)은 수학식 1과 같이 이론적으로 열을 흡수할 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 첫번째 항목은 열전소자에 의한 열 펌핑 효과이며, 열전소자의 제벡 계수(
Figure pat00002
), 인가 전류(I) 및 온도(T)에 의존함을 알 수 있다. 따라서, 재료적인 관점에서 개선시켜야 할 요소이다.
두번째 항목은 주울열에 의한 손실이다. 동일 재료 내에서 열이 발생할 수도 있지만, 이종 재료 간의 접합부에서 더 많은 열이 발생할 수 있다. 특히, 이 항목은 전류(I)의 제곱승에 비례하고 저항(R)에 비례하기 때문에, 개선해야만 하는 부분이다.
마지막 항목은 열평형에 의한 부분으로 열전도 계수(K)와 온도 차(
Figure pat00003
)와 관련되며, 히트 싱크와 관련된 부분이다.
수학식 1로부터 열전 모듈이 최대한 흡수할 수 있는 열량은 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00004
수학식 2에서 알 수 있듯이, 전류 또는 저항에 의한 주울열을 감소시키면 열전 모듈의 성능을 향상시킬 수 있고 향상된 열전 모듈의 성능으로 인해 열전 모듈을 온도 센서로서 사용하는 경우 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있으며 재료비를 감소시킬 수 있다. 결론적으로, 최대 흡열량의 성능을 낼 수 있는 열전 모듈을 제조하면, 열전 모듈로 구성된 서모파일(thermopile) 온도 센서의 성능도 개선될 것이다.
도 2a 및 도 2b에 각각 도시된 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 의한 열전 모듈은 하나의 열전소자를 포함하는 단일 열전 모듈이고, 도 3a 내지 도 4b에 각각 도시된 제3 실시예 내지 제6 실시예에 의한 열전 모듈은 2개의 열전소자가 직렬로 연결된 복합 열전 모듈이다.
본 발명의 제1 실시예 내지 제6 실시예에 의한 열전 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같은 열전 모듈(100)에서 전자나 홀의 이동을 어렵게 하는 전극(104)과 반도체 소자(114, 116) 사이의 계면 또는 전극(108)과 반도체 소자(118, 120) 사이의 계면을 제거하고 p형 반도체 소자(114)와 n형 반도체 소자(116)를 전기적으로 직접 연결하여 열전소자의 접촉 저항을 감소시킴으로써 최대 흡열량의 성능을 낼 수 있도록 열전 모듈의 효과를 높이는 구조이다.
특히, 도 3a 및 도 3b에 도시된 본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 의한 열전 모듈은, 추가적으로 도 1에 도시된 열전 모듈(100)에서 반도체 소자(116)와 반도체 소자(118) 간의 직렬 연결을 위한 전극(106)을 제거하고, n형 반도체 소자(116)와 p형 반도체 소자(118)를 전기적으로 직접 연결함으로써 열전소자의 접촉 저항을 감소시켜 최대 흡열량의 성능을 낼 수 있도록 열전 모듈의 효과를 높이는 구조이다.
우선, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 의한 열전 모듈(200)에 대해 설명하기로 한다.
도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 열전 모듈(200)은, 상부 절연 기판(202), 하부 절연 기판(204), 상기 상부 절연 기판(202)과 상기 하부 절연 기판(204) 사이에 배치된 열전소자(201), 및 상기 열전소자(201)와 상기 하부 절연 기판(204) 사이에 형성되고 상기 열전소자(201)에 전류를 인가하거나 상기 열전소자(201)로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 제1 전극(214) 및 제2 전극(216)을 포함한다.
상기 열전소자(201)는 상부에 제1 연결부(210)가 형성된 p형 반도체 소자(206)와 상부에 제2 연결부(212)가 형성된 n형 반도체 소자(208)를 포함하며, 상기 p형 반도체 소자(206)의 제1 연결부(210)와 상기 n형 반도체 소자(208)의 제2 연결부(212)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 상기 p형 반도체 소자(206)의 상면(218)과 상기 n형 반도체 소자(208)의 상면(220)은 상기 상부 절연 기판(202)의 하면(222)에 직접 접합되어 있다.
상기 상부 절연 기판(202) 및 하부 절연 기판(204)은 세라믹 기판을 포함하여 다양한 유형의 절연 기판을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 의한 열전 모듈(200)은, p형 반도체 소자(206)와 n형 반도체 소자(208)가 제1 연결부(210)와 제2 연결부(212)에 의해 전기적으로 직접 연결되고, p형 반도체 소자(206)의 상면(218)과 n형 반도체 소자(208)의 상면(220)이 상부 절연 기판(202)의 하면(222)과 직접 접촉되어 있기 때문에, 경계면이 줄어들어, 접촉 저항에 의한 주울열에 의한 손실이 감소된다. 따라서, 동일한 전력이 인가되는 경우, 접촉 저항에 의한 접촉 열이 줄어들어 열전 모듈의 효율을 높이고 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 모듈(200)의 양단에 온도차가 발생하여 기전력이 발생하는 경우, 접촉 저항을 줄임으로써 열전 모듈의 효율을 높일 수 있고, 열전 모듈(200)을 온도 센서로서 사용하는 경우, 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있으며, 재료비를 절감할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, p형 반도체 소자(206)로서 SbTe 계열의 반도체가 사용되고, n형 반도체 소자(208)로서 BiTe 계열의 반도체가 사용되며, 전극(214, 216)으로서 Cu, Al, Ni 등의 물질이 사용될 수 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
도 2b를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 의한 열전 모듈(200)에 대해 설명하기로 한다.
도 2b에 도시된 열전 모듈(200)은 도 2a에 도시된 열전 모듈(200)과 거의 동일하다. 다만, 도 2b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 의한 열전 모듈(200)은 상부 절연 기판(202)의 하면(222)에 형성된 밀착부(223) 및 상부 절연 기판(202)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(204)에 고정시키는 고정부(224)를 더 포함하고 있다는 점이 도 2a에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 열전 모듈(200)과 상이하다.
상기 밀착부(223)는, p형 반도체 소자(206)의 제1 연결부(210)와 n형 반도체 소자(208)의 제2 연결부(212)가 서로 밀착되도록 상부 절연 기판(202)의 하면에 형성된다. 본 발명의 제2 실시예에서, 상기 밀착부(223)는 상기 상부 절연 기판(202)과 일체로 형성되지만, 별도의 밀착부(223)가 상기 상부 절연 기판(202)에 접합됨으로써 형성될 수도 있다.
상기 밀착부(223)는, p형 반도체 소자(206)와 n형 반도체 소자(208)의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 p형 반도체 소자(206)의 제1 연결부(210)와 n형 반도체 소자(208)의 제2 연결부(212)를 서로 밀착시키는 역할을 한다.
또한, 상기 고정부(224)는, p형 반도체 소자(206)의 상면(218)과 n형 반도체 소자(208)의 상면(220)이 상부 절연 기판(202)의 하면(222)에 밀착되도록 상부 절연 기판(202)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(204)에 고정시킨다.
도 2b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 의한 열전 모듈(200)의 동작은 도 2a에 도시된 열전 모듈(200)의 동작과 동일하므로 생략하기로 한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 의한 열전 모듈(300)에 대해 설명하기로 한다.
도 3a에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)은 p형 반도체 소자(306), n형 반도체 소자(308), p형 반도체 소자(310), n형 반도체 소자(312)가 반복 순환되어 서로 전기적으로 직접 연결되는 구조로 되어 있다.
도 3a에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)은, 상부 절연 기판(302), 하부 절연 기판(304), 서로 전기적으로 직렬로 연결된 제1 열전소자(307)와 제2 열전소자(311)가 상기 상부 절연 기판(302)과 상기 하부 절연 기판(304) 사이에 배치된 열전소자부(301), 및 상기 열전소자부(301)와 상기 하부 절연 기판(304) 사이에 형성되고 상기 열전소자부(301)에 전류를 인가하거나 상기 열전소자부(301)로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 제1 전극(326)과 제2 전극(328)을 포함한다.
상기 제1 열전소자(307)는 상부에 제1 연결부(314)가 형성된 p형 반도체 소자(306) 및 상부에 제2 연결부(316)가 형성되고 하부에 제3 연결부(318)가 형성된 n형 반도체 소자(308)를 포함한다.
상기 제2 열전소자(311)는 상부에 제1 연결부(322)가 형성되고 하부에 제4 연결부(320)가 형성된 p형 반도체 소자(310) 및 상부에 제2 연결부(324)가 형성된 n형 반도체 소자(312)를 포함한다.
상기 제1 열전소자(307)의 p형 반도체 소자(306)의 제1 연결부(314)와 n형 반도체 소자(308)의 제2 연결부(316)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 상기 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 제1 연결부(322)와 n형 반도체 소자(312)의 제2 연결부(324)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 상기 제1 열전소자(307)의 p형 반도체 소자(306)의 상면(330)과 n형 반도체 소자(308)의 상면(332)은 상기 상부 절연 기판(302)의 하면(338)에 직접 접합되어 있다.
또한, 상기 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 상면(334)과 n형 반도체 소자(312)의 상면(336)은 상기 상부 절연 기판(302)의 하면(338)에 직접 접합되어 있다.
또한, 상기 제1 열전소자(307)의 n형 반도체 소자(312)의 하부에 형성된 제3 연결부(318)와 상기 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 하부에 형성된 제4 연결부(320)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 제1 열전소자(307)의 n형 반도체 소자(308)의 하면(340)과 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 하면(342)은 상기 하부 절연 기판(304)의 상면(344)에 직접 접합되어 있다.
본 발명의 제3 실시예에 의한 열전소자부(301)는 서로 전기적으로 직렬로 연결된 2개의 열전소자들(307, 311)을 포함하지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 서로 전기적으로 직렬로 연결된 3개 이상의 열전소자들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)은 p형 반도체 소자(306), n형 반도체 소자(308), p형 반도체 소자(310), n형 반도체 소자(312)가 반복 순환되어 서로 전기적으로 연결되는 구조로 되어 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, n형 반도체 소자, p형 반도체 소자, n형 반도체 소자, p형 반도체 소자가 반복 순환되어 서로 전기적으로 연결되는 구조로 되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)에서, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 배치 순서는 한정되지 않고, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자가 번갈아 반복 배치되면 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)은, p형 반도체 소자(306)와 n형 반도체 소자(308)가 제1 연결부(314)와 제2 연결부(316)에 의해 전기적으로 직접 연결되고, p형 반도체 소자(310)와 n형 반도체 소자(312)가 제1 연결부(322)와 제2 연결부(324)에 의해 전기적으로 직접 연결되며, p형 반도체 소자들(306, 310)의 상면들(330, 334)과 n형 반도체 소자들(308, 312)의 상면들(332, 336)이 직접 상부 절연 기판(302)의 하면(338)과 접촉되고, 제1 열전소자(307)의 n형 반도체 소자(308)의 제3 연결부(318)와 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 제4 연결부(320)가 서로 전기적으로 직접 연결되며, 제1 열전소자(307)의 n형 반도체 소자(308)의 하면(340)과 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 하면(342)이 하부 절연 기판(304)의 상면(344)에 직접 접합되어 있기 때문에, 경계면이 줄어들어, 접촉 저항에 따른 주울열에 의한 손실이 감소된다.
따라서, 동일한 전력이 인가되는 경우, 접촉 저항으로 인한 접촉 열이 줄어들어 열전 모듈의 효율을 높이고 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 모듈(300)의 양단에 온도차가 발생하여 기전력이 발생하는 경우, 접촉 저항을 줄임으로써 열전 모듈의 효율을 높일 수 있고, 열전 모듈(300)을 온도 센서로서 사용하는 경우, 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있으며, 재료비를 절감할 수 있다.
도 3b를 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 의한 열전 모듈(300)에 대해 설명하기로 한다.
도 3b에 도시된 열전 모듈(300)은 도 3a에 도시된 열전 모듈(300)과 거의 동일하다. 다만, 도 3b에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 의한 열전 모듈(300)은 상부 절연 기판(302)의 하면(338)에 형성된 제1 밀착부(346a, 346b)와, 하부 절연 기판(304)의 상면(344)에 형성된 제2 밀착부(348) 및 상부 절연 기판(302)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(304)에 고정시키는 고정부(350)를 더 포함하고 있다는 점이 도 3a에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 의한 열전 모듈(300)과 상이하다.
상기 제1 밀착부(346a)는 p형 반도체 소자(306)와 n형 반도체 소자(308)의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 p형 반도체 소자(306)의 제1 연결부(314)와 n형 반도체 소자(308)의 제2 연결부(316)를 서로 밀착시킨다.
또한, 상기 제1 밀착부(346b)는 p형 반도체 소자(310)와 n형 반도체 소자(312)의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 p형 반도체 소자(310)의 제1 연결부(322)와 n형 반도체 소자(312)의 제2 연결부(324)를 서로 밀착시킨다.
또한, 상기 제2 밀착부(348)는 제1 열전소자(307)의 n형 반도체 소자(308)의 제3 연결부(318)와 제2 열전소자(311)의 p형 반도체 소자(310)의 제4 연결부(320)를 서로 밀착시킨다.
본 발명의 제3 실시예에서, 상기 제1 밀착부(346a, 346b)는 상기 상부 절연 기판(302)과 일체로 형성되지만, 별도의 제1 밀착부(346a, 346b)가 상기 상부 절연 기판(302)에 접합됨으로써 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에서, 상기 제2 밀착부(348)는, 상기 하부 절연 기판(304)과 일체로 형성되지만, 별도의 제2 밀착부(348)가 상기 하부 절연 기판(304)에 접합됨으로써 형성될 수도 있다.
또한, 상기 고정부(350)는, p형 반도체 소자(306, 310)의 상면(330, 334)과 n형 반도체 소자(308, 312)의 상면(332, 336)이 상부 절연 기판(302)의 하면(338)에 밀착되도록 상부 절연 기판(302)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(304)에 고정시킨다.
도 3b에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 의한 열전 모듈(300)의 동작은 도 3a에 도시된 열전 모듈(300)의 동작과 동일하므로 생략하기로 한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여, 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 의한 열전 모듈(400)에 대해 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 의한 열전 모듈(400)은 p형 반도체 소자(406), n형 반도체 소자(408), 전극(422), p형 반도체 소자(410), n형 반도체 소자(412)가 반복 순환되고, 제1 열전소자(407)와 제2 열전소자(411)의 각각의 p형 및 n형 반도체 소자(406과 408 및 410과 412)의 상부는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있으며, 제1 열전소자(407)와 제2 열전소자(411)는 전극(422)을 통해 서로 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 구조로 되어 있다.
도 4a에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈(400)은, 상부 절연 기판(402), 하부 절연 기판(404), 전극(422)을 통해 서로 전기적으로 직렬로 연결된 제1 열전소자(407)와 제2 열전소자(411)가 상기 상부 절연 기판(402)과 상기 하부 절연 기판(404) 사이에 배치된 열전소자부(401), 및 상기 열전소자부(401)와 상기 하부 절연 기판(404) 사이에 형성되고 상기 열전소자부(401)에 전류를 인가하거나 상기 열전소자부(401)로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 제1 전극(424)과 제2 전극(426)을 포함한다.
상기 제1 열전소자(407)는 상부에 제1 연결부(414)가 형성된 p형 반도체 소자(406)와 상부에 제2 연결부(416)가 형성된 n형 반도체 소자(408)를 포함한다.
상기 제2 열전소자(411)는 상부에 제1 연결부(418)가 형성된 p형 반도체 소자(410)와 상부에 제2 연결부(420)가 형성된 n형 반도체 소자(412)를 포함한다.
상기 제1 열전소자(407)의 p형 반도체 소자(406)의 제1 연결부(414)와 n형 반도체 소자(408)의 제2 연결부(416)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 상기 제2 열전소자(411)의 p형 반도체 소자(410)의 제1 연결부(418)와 n형 반도체 소자(412)의 제2 연결부(420)는 서로 전기적으로 직접 연결되어 있다.
또한, 상기 제1 열전소자(407)의 p형 반도체 소자(406)의 상면(430)과 n형 반도체 소자(408)의 상면(432)은 상기 상부 절연 기판(402)의 하면(438)에 직접 접합되어 있다.
또한, 상기 제2 열전소자(411)의 p형 반도체 소자(410)의 상면(434)과 n형 반도체 소자(412)의 상면(436)은 상기 상부 절연 기판(402)의 하면(438)에 직접 접합되어 있다.
또한, 상기 제1 열전소자(407)의 n형 반도체 소자(408)의 하면(440)과 상기 제2 열전소자(411)의 p형 반도체 소자(410)의 하면(442)은 전극(422)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있고, 상기 전극(422)은 하부 절연 기판(404)의 상면(444)에 형성되어 있다.
본 발명의 제5 실시예에 의한 열전소자부(401)는 서로 전기적으로 직렬로 연결된 2개의 열전소자들(407, 411)을 포함하지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 서로 전기적으로 직렬로 연결된 3개 이상의 열전소자들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈(400)은 p형 반도체 소자(406), n형 반도체 소자(408), p형 반도체 소자(410), n형 반도체 소자(412)가 반복 순환되어 서로 전기적으로 연결되는 구조로 되어 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, n형 반도체 소자, p형 반도체 소자, n형 반도체 소자, p형 반도체 소자가 반복 순환되어 서로 전기적으로 연결되는 구조로 되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈(400)에서, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 배치 순서는 한정되지 않고, p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자가 번갈아 반복 배치되면 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈(400)은, p형 반도체 소자(406)와 n형 반도체 소자(408)가 제1 연결부(414)와 제2 연결부(416)에 의해 전기적으로 직접 연결되고, p형 반도체 소자(410)와 n형 반도체 소자(412)가 제1 연결부(418)와 제2 연결부(420)에 의해 전기적으로 직접 연결되며, p형 반도체 소자들(406, 410)의 상면들(430, 434)과 n형 반도체 소자들(408, 412)의 상면들(432, 436)이 직접 상부 절연 기판(402)의 하면(438)과 접촉되어 있기 때문에, 경계면이 줄어들어, 접촉 저항에 따른 주울열에 의한 손실이 감소된다.
따라서, 동일한 전력이 인가되는 경우, 접촉 저항으로 인한 접촉 열이 줄어들어 열전 모듈의 효율을 높이고 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 모듈(400)의 양단에 온도차가 발생하여 기전력이 발생하는 경우, 접촉 저항을 줄임으로써 열전 모듈의 효율을 높일 수 있고, 열전 모듈(400)을 온도 센서로서 사용하는 경우, 온도 센서의 분해능을 향상시킬 수 있으며, 재료비를 절감할 수 있다.
도 4b를 참조하여, 본 발명의 제6 실시예에 의한 열전 모듈(400)에 대해 설명하기로 한다.
도 4b에 도시된 열전 모듈(400)은 도 4a에 도시된 열전 모듈(400)과 거의 동일하다. 다만, 도 4b에 도시된 본 발명의 제6 실시예에 의한 열전 모듈(400)은 상부 절연 기판(402)의 하면(438)에 형성된 제1 밀착부(446a, 446b) 및 상부 절연 기판(402)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(404)에 고정시키는 고정부(448)를 더 포함하고 있다는 점이 도 4a에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 의한 열전 모듈(400)과 상이하다.
상기 제1 밀착부(446a)는 p형 반도체 소자(406)와 n형 반도체 소자(408)의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 p형 반도체 소자(406)의 제1 연결부(414)와 n형 반도체 소자(408)의 제2 연결부(416)를 서로 밀착시킨다.
또한, 상기 제1 밀착부(446b)는 p형 반도체 소자(410)와 n형 반도체 소자(412)의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 p형 반도체 소자(410)의 제1 연결부(418)와 n형 반도체 소자(412)의 제2 연결부(420)를 서로 밀착시킨다.
본 발명의 제4 실시예에서, 상기 제1 밀착부(446a, 446b)는 상기 상부 절연 기판(402)과 일체로 형성되지만, 별도의 제1 밀착부(446a, 446b)가 상기 상부 절연 기판(402)에 접합됨으로써 형성될 수도 있다.
또한, 상기 고정부(448)는, p형 반도체 소자(406, 410)의 상면(430, 434)과 n형 반도체 소자(408, 412)의 상면(432, 436)이 상부 절연 기판(402)의 하면(438)에 밀착되도록 상부 절연 기판(402)을 소정 간격 이격시켜 하부 절연 기판(404)에 고정시킨다.
도 4b에 도시된 본 발명의 제6 실시예에 의한 열전 모듈(400)의 동작은 도 4a에 도시된 열전 모듈(400)의 동작과 동일하므로 생략하기로 한다.
본 발명의 제1 내지 제6 실시예에 의한 열전 모듈들은 서모파일 온도 센서, 냉각 모듈 및 에너지 발전 모듈로서 사용될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100, 200, 300, 400 : 온도센서
101, 202, 302, 402 : 상부 절연 기판
102, 204, 304, 404 : 하부 절연 기판
104, 106, 108, 110, 112. 214, 216, 326, 328, 424, 426 : 전극
114, 118, 206, 306, 310, 406, 410 : p형 반도체 소자
116, 120, 208, 308, 312, 408, 412 : n형 반도체 소자
201, 301, 401 : 열전소자부
210, 314, 322, 414, 418 : 제1 연결부
212, 316, 324, 416, 420 : 제2 연결부
224, 350, 448 : 고정부
307, 407 : 제1 열전소자
311, 411 : 제2 열전소자
318 : 제3 연결부
320 : 제4 연결부

Claims (13)

  1. 상부 절연 기판;
    하부 절연 기판;
    상기 상부 절연 기판과 상기 하부 절연 기판 사이에 배치된 열전소자; 및
    상기 열전소자와 상기 하부 절연 기판 사이에 형성되고 상기 열전소자에 전류를 인가하거나 상기 열전소자로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 전극을 포함하고,
    상기 열전소자는 상부에 제1 연결부가 형성된 p형 반도체 소자와 상부에 제2 연결부가 형성된 n형 반도체 소자를 포함하며,
    상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부는 서로 전기적으로 직접 연결되는 온도센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 p형 반도체 소자의 상면과 상기 n형 반도체 소자의 상면은 상기 상부 절연 기판의 하면에 직접 접합되는 온도센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부가 밀착되도록 상기 상부 절연 기판의 하면에 형성된 밀착부를 더 포함하고,
    상기 밀착부는 상기 p형 반도체 소자와 상기 n형 반도체 소자의 바깥쪽 면들의 일부와 접촉되어 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부를 밀착시키는 온도센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 p형 반도체 소자의 상면과 상기 n형 반도체 소자의 상면이 상기 상부 절연 기판의 하면에 밀착되도록 상기 상부 절연 기판을 소정 간격 이격시켜 상기 하부 절연 기판에 고정시키는 고정부를 더 포함하는 온도센서.
  5. 상부 절연 기판;
    하부 절연 기판;
    서로 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 열전소자가 상기 상부 절연 기판과 상기 하부 절연 기판 사이에 배치된 열전소자부; 및
    상기 열전소자부와 상기 하부 절연 기판 사이에 형성되고 상기 열전소자부에 전류를 인가하거나 상기 열전소자부로부터 발생하는 기전력을 인출하기 위한 전극을 포함하고,
    상기 복수의 열전소자 각각은 상부에 제1 연결부가 형성된 p형 반도체 소자와 상부에 제2 연결부가 형성된 n형 반도체 소자를 포함하며,
    상기 각각의 열전소자의 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 n형 반도체 소자의 제2 연결부는 서로 전기적으로 직접 연결되는 온도센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 열전소자의 p형 반도체 소자와 n형 반도체 소자의 상면들은 상기 상부 절연 기판의 하면에 직접 접합되는 온도센서.
  7. 청구항 6에 있어서,
    i을 2 이상의 정수라 하고, j를 1 이상의 정수라 할 때,
    상기 열전소자부는 제1 내지 제i 열전소자를 포함하고,
    제j 열전소자의 n형 반도체 소자는 하부에는 제3 연결부를 더 포함하고,
    제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자는 하부에 제4 연결부를 더 포함하며,
    제j 열전소자의 n형 반도체 소자의 제3 연결부는 제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자의 제4 연결부와 서로 전기적으로 직접 연결되는 온도센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 내지 제i 열전소자 각각에 포함된 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부가 밀착되도록 상기 상부 절연 기판의 하면에 형성된 제1 밀착부를 더 포함하고,
    상기 제1 밀착부는 상기 제1 내지 제i 열전소자 각각에 포함된 상기 p형 반도체 소자와 상기 n형 반도체 소자의 바깥쪽 면들과 접촉되어 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부를 밀착시키는 온도센서.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 p형 반도체 소자들의 상면들과 상기 n형 반도체 소자들의 상면들이 상기 상부 절연 기판의 하면에 밀착되도록 상기 상부 절연 기판을 소정 간격 이격시켜 상기 하부 절연 기판에 고정시키는 고정부를 더 포함하는 온도센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제j 열전소자의 n형 반도체 소자의 제3 연결부와 제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자의 제4 연결부가 밀착되도록 상기 하부 절연 기판의 상면에 형성된 제2 밀착부를 더 포함하고,
    상기 제2 밀착부는 제j 열전소자의 n형 반도체 소자와 제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자의 바깥쪽 면들과 접촉되어 상기 제j 열전소자의 n형 반도체 소자의 제3 연결부와 상기 제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자의 제4 연결부를 서로 밀착시키는 온도센서.
  11. 청구항 6에 있어서,
    i을 2 이상의 정수라 하고, j를 1 이상의 정수라 할 때,
    상기 열전소자부는 제1 내지 제i 열전소자를 포함하고,
    제j 열전소자의 n형 반도체 소자의 하면과 제(j+1) 열전소자의 p형 반도체 소자의 하면은 도전체를 통해 서로 전기적으로 연결되는 온도센서.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 내지 제i 열전소자 각각에 포함된 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부가 밀착되도록 상기 상부 절연 기판의 하면에 형성된 제1 밀착부를 더 포함하고,
    상기 제1 밀착부는 상기 제1 내지 제i 열전소자 각각에 포함된 상기 p형 반도체 소자와 상기 n형 반도체 소자의 바깥쪽 면들과 접촉되어 상기 p형 반도체 소자의 제1 연결부와 상기 n형 반도체 소자의 제2 연결부를 밀착시키는 온도센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 p형 반도체 소자들의 상면들과 상기 n형 반도체 소자들의 상면들이 상기 상부 절연 기판의 하면에 밀착되도록 상기 상부 절연 기판을 소정 간격 이격시켜 상기 하부 절연 기판에 고정시키는 고정부를 더 포함하는 온도센서.
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