KR20190038098A - Thermo electric element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극과 레그 간의 접착력을 높일 수 있으며, 솔더의 이동 또는 확장으로 인한 열전 레그 간 불필요한 단락을 방지하는 것이 가능한 열전 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to a thermoelectric element capable of enhancing an adhesive force between an electrode and a leg and preventing unnecessary short-circuiting between thermoelectric legs due to movement or expansion of solder.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.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.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. 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.
열전 소자는 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.The thermoelectric element can be classified into a device using a temperature change of electrical resistance, a device using a Seebeck effect that generates electromotive force by a temperature difference, a device using a Peltier effect that is a phenomenon in which heat is generated by heat or a heat is generated .
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.Thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic components, and communication components. For example, a thermoelectric element can be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like. As a result, there is a growing demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements.
도 1은 종래의 열전 소자의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이고, 도 3은 종래의 열전소자의 단락 불량을 보여주는 사진이다.FIG. 1 is a perspective view of a conventional thermoelectric element, FIG. 2 is a sectional view taken along line A-A 'of FIG. 1, and FIG. 3 is a photograph showing a short circuit failure of a conventional thermoelectric element.
종래의 열전 소자(100)는 기판(140, 150), 전극(161, 162) 및 열전 레그(120, 130)를 포함하며, 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 사이에 복수의 열전 레그(120, 130)가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그(120, 130)와 하부 기판(140) 및 상부 기판(150) 사이에 복수의 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)이 배치된다. 여기서, 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)은 열전 레그(120, 130)들을 직렬 연결한다.A conventional
열전 소자는 복수의 전극(161, 162)이 배치된 기판 상에 어레이 형태의 열전 레그(120, 130)를 배치한 후, 리플로우(reflow) 공정을 거치는 표면 실장 기술(Surface Mount Technology, SMT)에 의하여 조립될 수 있다. 일반적으로, 하부 전극(161)과 열전 레그(120, 130) 사이 및 상부 전극(162)과 열전 레그(120, 130) 각각의 사이는 솔더층(171, 172)에 의하여 접합될 수 있다.The thermoelectric element includes a surface mount technology (SMT) in which arrays of
하지만, 종래의 열전 소자는 도 2 및 도 3을 참조하면, 리플로우 공정을 거칠 경우 솔더층(171, 172)의 일부가 녹으며 열에 의해 부풀어 오르는 확장 영역(S)을 형성하며, 이러한 확장 영역(S)은 점성이 낮아져, 전극 간에 인접한 부분(X)으로 흘러 넘치게 되며, 이 경우 상호 인접하는 전극 간에 단락(short)이 발생하는 문제가 있다. (도 3의 V 참조)2 and 3, when a conventional thermoelectric element is subjected to a reflow process, a part of the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전극과 레그 간의 접착력을 높일 수 있으며, 솔더의 이동 또는 확장으로 인한 열전 레그 간 불필요한 단락을 방지하는 것이 가능한 열전 소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a thermoelectric device capable of increasing an adhesive force between an electrode and a leg and preventing an unnecessary short circuit between thermoelectric legs due to movement or expansion of solder.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판 및 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 전극을 포함하고, 상기 제 1 기판의 양 면 중 상기 제 2 기판과 마주보는 한 면에는 오목부 및 볼록부가 교대로 배열되고, 상기 제 2 기판의 양 면 중 상기 제 1 기판과 마주보는 한 면에는 볼록부 및 오목부가 교대로 배열되며, 상기 제 1 기판의 볼록부는 상기 제 2 기판의 오목부에 대향하고, 상기 제 2 기판의 볼록부는 상기 제 1 기판의 오목부에 대향하며, 상기 복수의 열전 레그는 상기 제 1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 포함하고, 상기 복수의 제 1 전극 각각은 상기 제 1 기판과 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나 사이에 배치되고, 상기 복수의 제 2 전극 각각은 상기 제 2 기판과 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나 사이에 배치되며, 상기 제 1 기판의 오목부와 상기 제 2 기판의 볼록부 사이 또는 상기 제 1 기판의 볼록부와 상기 제 2 기판의 오목부 사이 각각에는 적어도 하나의 열전 레그가 배치된다.A thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a first substrate, a plurality of thermoelectric legs disposed on the first substrate, a second substrate disposed on the plurality of thermoelectric legs, And an electrode including a plurality of first electrodes disposed between the legs and a plurality of second electrodes disposed between the second substrate and the plurality of thermoelectric legs, And a convex portion and a concave portion are alternately arranged on one surface of the second substrate opposite to the first substrate, and convex portions and concave portions are alternately arranged on one surface of the second substrate, And the plurality of thermoelectrons are arranged on the first substrate in a plurality of P-type portions arranged alternately on the first substrate, Thermoregent Wherein each of the plurality of first electrodes is disposed between at least one of the first substrate, the P-type thermoelectric leg, and the N-type thermoelectric leg, and each of the plurality of second electrodes Type thermoelectric transducer and the N-type thermoelectric transducer, wherein the first substrate is disposed between the second substrate and at least one of the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg, and the space between the concave portion of the first substrate and the convex portion of the second substrate, At least one thermoelectric leg is disposed between the recesses of the second substrate.
상기 복수의 제 1 전극과 상기 복수의 열전 레그 각각의 사이에 배치되는 제 1 솔더층 및 상기 복수의 제 2 전극과 상기 복수의 열전 레그 각각의 사이에 배치되는 제 2 솔더층을 구비하는 복수의 솔더층을 더 포함할 수 있다.A first solder layer disposed between the plurality of first electrodes and the plurality of thermoelectric legs, and a plurality of second solder layers disposed between the plurality of second electrodes and each of the plurality of thermoelectrons, And may further include a solder layer.
상기 P형 열전 레그 또는 상기 N형 열전 레그는 이웃하는 적어도 하나의 상기 P형 열전 레그 또는 상기 N형 열전 레그와 배치 높이가 상이할 수 있다.The P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may have a different arrangement height from the at least one adjacent P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg.
상기 복수의 열전 레그는 높이가 동일할 수 있다.The plurality of thermoelectric legs may have the same height.
상기 복수의 제 1 전극 중 적어도 하나는 상기 제 1 기판의 오목부에 배치된 제 1 접속부, 상기 제 1 기판의 볼록부에 배치된 제 2 접속부 및 상기 제 1 접속부와 상기 제 2 접속부를 연결하는 연결부를 포함하거나, 또는, 상기 복수의 제 2 전극 중 적어도 하나는 상기 제 2 기판의 오목부에 배치된 제 1 접속부, 상기 제 2 기판의 볼록부에 배치된 제 2 접속부 및 상기 제 1 접속부와 상기 제 2 접속부를 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.At least one of the plurality of first electrodes includes a first connecting portion disposed in a concave portion of the first substrate, a second connecting portion disposed in a convex portion of the first substrate, and a second connecting portion connecting the first connecting portion and the second connecting portion Wherein at least one of the plurality of second electrodes includes a first connection portion disposed in a concave portion of the second substrate, a second connection portion disposed in a convex portion of the second substrate, And a connection unit connecting the second connection unit.
상기 복수의 열전 레그 각각의 측면에 배치된 절연체를 더 포함할 수 있다.And an insulator disposed on a side surface of each of the plurality of thermoelectric legs.
상기 절연체는 절연 테이프일 수 있다.The insulator may be an insulating tape.
상기 복수의 솔더층 중 적어도 하나의 솔더층은 배치된 열전소자의 외측으로 확장 형성된 확장부를 포함하며, 상기 솔더층의 확장부는 이웃한 열전 소자에 배치된 전극 및 솔더와 이격될 수 있다.At least one solder layer of the plurality of solder layers includes an extension extended to the outside of the thermoelectric element disposed, and the extension of the solder layer may be spaced apart from electrodes and solder disposed in neighboring thermoelectric elements.
상기 제 1 기판의 오목부와 볼록부의 간의 높이 차는 함께 적층된 상기 전극과 상기 솔더층의 두께 대비 1.5배 내지 5배일 수 있다.The height difference between the concave portion and the convex portion of the first substrate may be 1.5 to 5 times the thickness of the electrode and the solder layer stacked together.
상기 열전 소자의 높이는 함께 적층된 상기 전극과 상기 솔더층의 두께 대비 1/5배 내지 1/2배일 수 있다.The height of the thermoelectric element may be 1/5 to 1/2 times the thickness of the electrode and the solder layer stacked together.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소자의 조립을 위하여 리플로우 공정을 거치는 과정에서 발생하는 불량을 줄일 수 있다. According to the embodiment of the present invention, a thermoelectric device having excellent performance can be obtained. Particularly, according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce defects occurring during the reflow process for assembling the thermoelectric elements.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 레그 간의 접착력을 높일 수 있으며, 솔더의 이동 또는 확장으로 인한 열전 레그 간 불필요한 단락을 방지할 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, it is possible to increase the adhesive force between the electrode and the leg, and to prevent an unnecessary short-circuit between the thermoelectric legs due to the movement or expansion of the solder.
도 1은 종래의 열전 소자의 사시도이고,
도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이고,
도 3은 종래의 열전소자의 단락 불량을 보여주는 사진이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이고,
도 5는 도 4의 제 1 기판과 제 2 기판을 나타낸 분해 사시도이고,
도 6은 도 4의 B-B'선 단면도이고,
도 7은 도 4의 C-C'선 단면도이고,
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이다.1 is a perspective view of a conventional thermoelectric element,
2 is a sectional view taken along the line A-A 'in Fig. 1,
3 is a photograph showing a short circuit defect of a conventional thermoelectric element,
4 is an exploded perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention,
5 is an exploded perspective view showing the first substrate and the second substrate of FIG. 4,
6 is a sectional view taken along the line B-B 'in Fig. 4,
7 is a cross-sectional view taken along line C-C 'of FIG. 4,
8-10 are illustrations of thermoelectric legs of thermoelectric elements according to another embodiment of the present invention.
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.The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
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.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. For example, without departing from the scope of the present invention, 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. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 제 1 기판과 제 2 기판을 나타낸 분해 사시도이고, 도 6은 도 4의 B-B'선 단면도이고, 도 7은 도 4의 C-C'선 단면도이다.FIG. 4 is an exploded perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is an exploded perspective view showing the first substrate and the second substrate of FIG. 4, FIG. 6 is a cross- And FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line C-C 'of FIG.
우선 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 P형 열전 레그(220), N형 열전 레그(230), 하부 기판(240), 상부 기판(250), 하부 전극(261), 상부 전극(262) 및 솔더층(271, 272)을 포함한다.4, a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a P-type
하부 전극(261)은 하부 기판(240)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(262)은 상부 기판(250)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(220) 및 복수의 N형 열전 레그(230)는 하부 전극(261) 및 상부 전극(262)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(261)과 상부 전극(262) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 단위 셀을 형성할 수 있다.The
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(261) 및 상부 전극(262)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(220)로부터 N형 열전 레그(230)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(230)로부터 P형 열전 레그(220)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.For example, when a voltage is applied to the
여기서, P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(220)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(230)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.Here, the P-type
P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(220) 또는 벌크형 N형 열전 레그(230)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(220) 또는 적층형 N형 열전 레그(230)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.The P-type
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(220)와 N형 열전 레그(230)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(230)의 단면적을 P형 열전 레그(220)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.At this time, the pair of the P-type
한편, P형 열전 레그(220)와 N형 열전 레그(230)의 측면에는 높이 방향(Z축 방향)으로 절연체(221, 231)가 배치된다.
이러한 절연체(221, 231)는 후술할 솔더층의 확장부가 접촉될 경우, 이웃한 열전 레그(220, 230) 간의 불필요한 전기적 단락을 방지하기 위한 것으로, 절연 재질의 절연 테이프 또는 튜브 등으로 구현될 수 있다.These
절연체(221, 231)는 열전 레그(220, 230)의 모든 측면을 감싸도록 형성될 수도 있으며, 불필요한 전기적 접촉이 예상되는 일부 측면에만 형성될 수 있다. 또한, 절연체(221, 231)는 열전 레그(220, 230)의 측면에서 높이 방향(Z축 방향)을 모두 덮도록 형성될 수도 있으며, 이웃하는 열전 레그(220, 230)의 배치 높이 차(H1)를 고려하여, 특정 높이 범위 내에서 선택적으로 형성될 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. The performance of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention can be represented by a Gebeck index. The whiteness index (ZT) can be expressed by Equation (1).
여기서, 
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the whiteness index of the thermoelectric element, the Z value (V / K) is measured using a Z meter, and the Zebek index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
여기서, 하부 기판(240)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(250)과 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 사이에 배치되는 상부 전극(262)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(240)과 상부 기판(250)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(240)과 상부 기판(250)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(240)과 하부 전극(261) 사이 및 상부 기판(250)과 상부 전극(262) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다. The
이때, 하부 기판(240)과 상부 기판(250)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(240)과 상부 기판(250) 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.At this time, the sizes of the
하부 기판(240)과 상부 기판(250) 각각은 서로 마주보는 면에 복수의 오목부와 볼록부를 형성한다.Each of the
하부 기판(240)은 상부 기판(250)을 마주보는 상면에 주변 보다 높이(두께)가 작게 형성된 적어도 하나의 오목부(241)와, 상면에 주변 보다 높이(두께)가 크게 형성된 적어도 하나의 볼록부(242)를 포함한다. 이에 따라 하부 기판(240)의 오목부(241)와 볼록부(242)는 제 1 높이 차(H1)를 갖도록 형성된다.The
이러한 오목부(241)는 하부 기판(240)의 상면에 에칭 또는 레이저 식각 등의 공정을 통해 음각 형성 방식으로 형성되며, 하부 기판(240)의 상면에 오목부(241)와 이웃한 볼록부(242)가 서로 구별되도록 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 하부 기판(240)의 상면에 코팅, 증착 등의 공정을 통해 양각 형성 방식으로 볼록부(242)를 형성하여 오목부(241)와 이웃한 볼록부(242)가 하부 기판(240)의 상면에서 서로 구별되도록 형성할 수 있다. 물론, 오목부(241)는 음각 형성 방식으로 형성하고 볼록부(242)는 양각 형성 방식으로 형성하여 하부 기판(240)의 상면에 오목부(241)와 이웃한 볼록부(242)가 서로 구별되도록 형성될 수 있다.The
하부 기판(240)의 오목부(241)와 볼록부(242)는 반복적인 패턴을 갖도록 교대로 배열될 수 있다.The
이러한 하부 기판(240)의 오목부(241)와 볼록부(242) 각각은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 하부 기판(240)의 상면에서 Y축 방향으로 일측에서 타측까지 연결되는 하나의 라인으로 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 하부 기판(240)의 상면에는 X축 방향으로 반복적인 라인의 그루브(groove)가 형성될 수 있다.4 and 5, each of the
또한, 도시하지 않았지만 하부 기판(240)의 상면에는 하나의 오목부와 하나의 볼록부가 반복적으로 배열된 격자 무늬가 형성될 수 도 있다.In addition, although not shown, a grid pattern may be formed on the upper surface of the
상부 기판(250)은 상부 기판(240)을 마주보는 하면에 주변 보다 높이(두께)가 낮게 형성된 적어도 하나의 오목부(251)와, 상면에 주변 보다 높이(두께)가 크게 형성된 적어도 하나의 볼록부(252)를 포함한다. 이에 따라 상부 기판(250)의 오목부(251)와 볼록부(252)는 제 1 높이 차(H1)를 갖도록 형성된다.The
이러한 오목부(251)는 상부 기판(250)의 하면에 에칭 또는 레이저 식각 등의 공정을 통해 음각 형성 방식으로 형성되며, 상부 기판(250)의 하면에 오목부(251)와 이웃한 볼록부(252)가 서로 구별되도록 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 상부 기판(250)의 상면에 코팅, 증착 등의 공정을 통해 양각 형성 방식으로 볼록부(252)를 형성하여 오목부(251)와 이웃한 볼록부(252)가 하부 기판(250)의 하면에서 서로 구별되도록 형성할 수 있다. 물론, 오목부(251)는 음각 형성 방식으로 형성하고 볼록부(252)는 양각 형성 방식으로 형성하여 상부 기판(250)의 하면에 오목부(251)와 이웃한 볼록부(252)가 서로 구별되도록 형성될 수 있다.The
상부 기판(250)의 오목부(251)와 볼록부(252)는 반복적인 패턴을 갖도록 교대로 배열될 수 있다. The
이러한 상부 기판(250)의 오목부(251)와 볼록부(252) 각각은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상부 기판(250)의 하면에서 Y축 방향으로 일측에서 타측까지 연결되는 하나의 라인으로 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 상부 기판(250)의 하면에는 X축 방향으로 반복적인 라인의 그루브(groove)가 형성될 수 있다.As shown in FIGS. 4 and 5, the
또한, 도시하지 않았지만 상부 기판(250)의 하면에는 하나의 오목부와 하나의 볼록부가 반복적으로 배열된 격자 무늬가 형성될 수 도 있다.Although not shown, a grid pattern may be formed on the lower surface of the
한편, 하부 기판(240)의 볼록부(242)와 상부 기판(250)의 오목부(251)는 서로 대향하도록 배열되고, 하부 기판(240)의 오목부(241)와 상부 기판(250)의 볼록부(252)는 서로 대향하도록 배열되어, 하부 기판(240)과 상부 기판(250) 간의 높이 차를 일정하게 유지할 수 있다.The
하부 기판(240)의 볼록부(242)와 상부 기판(250)의 오목부(251) 사이에 적어도 하나의 열전 레그(220, 230)가 배치될 수 있으며, 하부 기판(240)의 오목부(241)와 상부 기판(250)의 볼록부(252) 사이에 적어도 하나의 열전 레그(220, 230)가 배치될 수 있다.At least one
즉, 하부 기판(240)의 오목부(241) 상에 배치된 적어도 하나의 열전 레그(220, 230)와 하부 기판(240)의 볼록부(242) 상에 배치된 적어도 하나의 열전 레그(220, 230)는 오목부(241)와 볼록부(242) 간의 높이 차이인 제 1 높이 차(H1)로 배치 높이가 상이하다.That is, at least one
복수의 하부 전극(261) 및 복수의 상부 전극(262)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(261)과 상부 전극(262)은 이웃하는 다른 하부 전극(261)과 상부 전극(262)들과 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(261)과 상부 전극(262)은 이웃하는 다른 전극(261, 262)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격되어 배치될 수 있다.The plurality of
그리고 각 하부 전극(261) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 배치되며, 각 상부 전극(262) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 배치될 수 있다. A pair of P-type
즉, P형 열전 레그(220)의 하면은 하부 전극(261)에 배치되고, 상면은 상부 전극(262)에 배치되며, N형 열전 레그(230)의 하면은 하부 전극(261)에 배치되고, 상면은 상부 전극(262)에 배치될 수 있다. 하부 전극(261)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230) 중 P형 열전 레그(220)가 복수의 하부 전극(262) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(230)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(262)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(220) 및 복수의 N형 열전 레그(230)는 복수의 하부 전극(261) 및 복수의 하부 전극(262)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.That is, the lower surface of the P-type
한편, 도 4 및 도 6을 참조하면, 복수의 상부 전극(262) 중 X축 방향으로 이웃하는 P형 열전 레그(220)와 N형 열전 레그(230)를 전기적으로 연결하는 상부 전극(262)은 제 1 접속부(262a), 제 2 접속부(262b) 및 연결부(262c)를 포함한다.4 and 6, an
제 1 접속부(262a)는 상부 기판(250)의 오목부(251)와 N형 열전 레그(230) 사이에 배치되며, 제 2 접속부(262b)는 상부 기판(250)의 볼록부(252)와 P형 열전 레그(220) 사이에 배치되고, 연결부(262c)는 볼록부(252)와 오목부(251) 사이에서 볼록부(252)의 측면을 따라 배치되어 제 1 접속부(262a)와 제 2 접속부(262b)를 연결한다.The first connecting
물론, 이는 설명의 편의를 위해 도 4의 일부 영역(B-B'선 단면)을 예를 들어 설명한 것이며, 하부 전극(261)이 제 1 접속부, 제 2 접속부 및 연결부를 포함하도록 형성될 수 있으며, 상부 기판(250)의 오목부(251)와 P형 열전 레그(220) 사이에 상부 전극(262)의 제 1 접속부(262a)가 배치될 수도 있다.Of course, this is illustrated by way of example for the sake of convenience in the partial region (B-B 'line section) of FIG. 4, and the
이때, 하부 전극(261) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층(271)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층(271) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 각각 배치될 수 있다.At this time, a pair of
한편, 한 쌍의 하부 솔더층(271)은 서로 이격되어 배치될 수 있다.On the other hand, the pair of
또한, 상부 전극(262) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)를 접합하기 위한 한 쌍의 상부 솔더층(272)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 상부 솔더층(272) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(220) 및 N형 열전 레그(230)가 각각 배치될 수 있다.Under the
한편, 한 쌍의 상부 솔더층(272)은 서로 이격되어 배치될 수 있다.On the other hand, the pair of upper solder layers 272 may be disposed apart from each other.
*이러한 복수의 솔더층(271, 272) 중 적어도 일부는 리플로우 공정 중 일부가 녹으며 열에 의해 부풀어 오르는 확장부(S)를 형성하며, 이러한 확장부(S)는 점성이 낮아져 열전 레그(220, 230)의 외측으로 이동 또는 확장된다.At least a portion of the plurality of
한편, 도 6 및 도 7에 도시된 확장부(S)의 형성 위치는 설명의 편의를 위한 일 예에 불과하며, 확장부(S)는 각각의 솔더층(271, 272)에서 불규칙하게 형성될 수 있어 본 발명의 도면으로 확장부(S)의 형성 위치를 한정하는 것은 아니다. 6 and 7 are merely examples for convenience of explanation, and the extension portion S is formed irregularly in each of the solder layers 271 and 272 The present invention is not limited to the position where the extended portion S is formed.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 이웃하는 열전 레그(220, 230)의 배치 높이 및 이웃하는 전극(261, 262) 또는 솔더층(271, 272)의 배치 높이가 상이하여, 복수의 솔더층(271, 272)에서 형성된 확장부(S)가 이웃한 전극(261, 262) 또는 솔더층(271, 272)에 직접 접촉되지 않도록 이격되므로 불필요한 전기적 단락을 방지할 수 있다.However, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention differs from the arrangement height of the adjacent
또한, 열전 레그(220, 230)의 측면에 절연체(221, 231)가 형성되어 있어, 복수의 솔더층(271, 272)에서 형성된 확장부(S)는 이웃한 열전 레그(220, 230)에 직접 접촉되지 않아 불필요한 전기적 단락을 방지할 수 있다.
한편, 하부 기판(240)의 오목부(241)와 볼록부(242) 사이의 제 1 높이 차(H1)는 함께 적층되어 형성된 하부 전극(261)과 하부 솔더링(271)의 제 2 두께(H2) 대비 1.5배 내지 5배로 형성될 수 있다. 바람직하게는 2배 내지 4배로 형성될 수 있다.The first height difference H1 between the
제 1 높이 차(H1)가 제 2 두께(H2) 대비 1.5배 이하로 형성되면, 솔더층(271, 272)으로부터 확장부(S)가 형성될 시, 확장부(S)와 이웃하는 전극(261, 262) 또는 솔더층(271, 272) 사이에 이격되는 높이 차를 유지할 수 없어 불필요한 전기적 접촉이 발생하기 용이하며, 제 1 높이 차(H1)가 제 2 두께(H2) 대비 5배 이상으로 형성되면, 불필요한 열전 소자의 사이즈 커짐을 야기한다.When the extension S is formed from the solder layers 271 and 272, the extension S is formed adjacent to the electrode S adjacent to the extension S, 261 and 262 or the solder layers 271 and 272 can not be maintained and unnecessary electrical contact is easily generated and the first height difference H1 is 5 times or more the second thickness H2 The size of the unnecessary thermoelectric element is increased.
또한, 하부 기판(240)의 오목부(241)와 볼록부(242) 사이의 제 1 높이 차(H1)는 열전 레그(220, 230)의 제 3 높이(H3) 대비 1/5배 내지 1/2배로 형성될 수 있다. 바람직하게는 1/4배 내지 1/3로 형성될 수 있다.The first height difference H1 between the
제 1 높이 차(H1)가 제 3 높이(H3) 대비 1/5배 이하로 형성되면, 솔더층(271, 272)으로부터 확장부(S)가 형성될 시, 확장부(S)와 이웃하는 전극(261, 262) 또는 솔더층(271, 272) 사이에 이격되는 높이 차를 유지할 수 없어 불필요한 전기적 접촉이 발생하기 용이하며, 제 1 높이 차(H1)가 제 3 높이(H3) 대비 1/2배 이상으로 형성되면, 불필요한 열전 소자의 사이즈 커짐을 야기함은 물론이며 하부 솔더층(271)에서 형성된 확장부(S)와 이웃하는 상부 솔더층(272) 또는 상부 전극(262) 사이에 불필요한 전기적 접촉이 발생하기 용이하다.If the first height difference H1 is less than 1/5 times the third height H3, when the extension S is formed from the solder layers 271 and 272, The height difference between the
이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예를 설명한다.Hereinafter, a thermoelectric leg of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 10. FIG.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이다.8-10 are illustrations of thermoelectric legs of thermoelectric elements according to another embodiment of the present invention.
발명의 다른 실시예에서는 상술한 열전 레그의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.In 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.
구체적으로는, 도 8에서의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.Specifically, the structure of the P-type
이에 대해서 도 8을 참조하면, 도 8은 상술한 적층 구조의 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다.Referring to FIG. 8, FIG. 8 is a conceptual diagram of a process for manufacturing the unit member of the above-described laminated structure.
도 8에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 8에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(120)은 기재(111) 상에 반도체층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.8, a material including a semiconductor material is formed into a paste, a paste is applied on a substrate 111 such as a sheet or a film to form a semiconductor layer 112 to form a single unit member 110 . 8, a plurality of unit members 100a, 100b, and 100c are stacked to form a laminated structure, and then the unit structure 110 is cut to form the unit
상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재 위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.The process of applying the semiconductor paste on the substrate 111 in the above-described process can be realized by various methods. For example, 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. In this case, materials such as films and sheets having a thickness in the range of 10 to 100 μm 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.
상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다.In the process of laminating the unit members 110 in a multi-layer structure, the unit members 110 may be laminated by pressing at a temperature of 50 to 250 ° C. In the embodiment of the present invention, 50 < / RTI >
이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.Thereafter, a cutting process can be performed in a desired shape and size, and a sintering process can be added.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 4에서 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 레그의 구조와 같이, 정육면체나 직육면체의 구조로 절단하여 구현할 수 있게 된다.The unit thermoelectric elements in which a plurality of unit members 110 manufactured in accordance with the above-described processes are stacked can secure 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, However, in the unit thermoelectric element of the laminated structure according to the embodiment of the present invention, 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.
특히, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 단위열전소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.Particularly, in the step of manufacturing a unit thermoelectric element according to another embodiment of the present invention, a step of forming a conductive layer on the surface of each unit member 110 during the step of forming a laminated structure of the unit member 110 Can be implemented.
즉, 도 8의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 7의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.That is, the same conductive layer as the structure of FIG. 7 can be formed between the unit members of the laminated structure of FIG. 8 (c). The conductive layer may be formed on the opposite side of the substrate surface on which the semiconductor layer is formed. In this case, 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. As a result, the electrical conductivity can be increased, the bonding force between the unit members can be improved, and the advantage of lowering the thermal conductivity can be realized.
즉, 도 9에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 9의 (a), (b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 9의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT() 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다. 상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.9 shows various modifications of the conductive layer C according to the embodiment of the present invention. The pattern in which the surface of the unit member is exposed includes the patterns shown in Figs. 9 (a) and 9 (b) As shown in Figs. 9 (c) and 9 (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, or the like may be used.
도 8에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 4에 도시된 열전 소자에 적용하는 경우, 즉 하부 기판(240)과 상부 기판(250)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.When the unit thermoelectric element of the laminated structure described above is applied to the thermoelectric element shown in FIG. 4, that is, the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is disposed between the
또한, 도 10에 도시된 것과 같이, 도 8에서 상술한 열전소자는 도 9의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향 및 하부방향으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.As shown in FIG. 10, the thermoelectric elements shown in FIG. 8 may be arranged horizontally in the upward direction and the downward direction, as shown in FIG. 9 (a) The thermoelectric element according to the embodiment of the present invention may be cut.
이러한 도 10의 (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.10 (c), the thermoelectric elements can be formed by arranging the upper and lower substrates, the semiconductor layers, and the surfaces 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.
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.As described above, in the 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. Thus, the volume of one of them is formed differently from the volume of other semiconductor elements So that the cooling performance can be improved.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
220: P형 열전 레그
230: N형 열전 레그
240: 하부 기판
250: 상부 기판
261: 하부 전극
262: 상부 전극
271: 하부 솔더층
272: 상부 솔더층220: P-type thermoelectric leg 230: N-type thermoelectric leg
240: lower substrate 250: upper substrate
261: lower electrode 262: upper electrode
271: bottom solder layer 272: top solder layer
Claims (10)
상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그;
상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판; 및
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; 을 포함하고,
상기 제 1 기판의 양 면 중 상기 제 2 기판과 마주보는 한 면에는 오목부 및 볼록부가 교대로 배열되고,
상기 제 2 기판의 양 면 중 상기 제 1 기판과 마주보는 한 면에는 볼록부 및 오목부가 교대로 배열되며,
상기 제 1 기판의 볼록부는 상기 제 2 기판의 오목부에 대향하고,
상기 제 2 기판의 볼록부는 상기 제 1 기판의 오목부에 대향하며,
상기 복수의 열전 레그는 상기 제 1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 포함하고,
상기 복수의 제 1 전극 각각은 상기 제 1 기판과 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나 사이에 배치되고,
상기 복수의 제 2 전극 각각은 상기 제 2 기판과 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나 사이에 배치되며,
상기 제 1 기판의 오목부와 상기 제 2 기판의 볼록부 사이 또는 상기 제 1 기판의 볼록부와 상기 제 2 기판의 오목부 사이 각각에는 적어도 하나의 열전 레그가 배치되는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
A first substrate;
A plurality of thermoelectrons disposed on the first substrate;
A second substrate disposed on the plurality of thermoelectric legs; And
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; / RTI >
Wherein a concave portion and a convex portion are alternately arranged on one surface of the first substrate facing the second substrate,
Wherein a convex portion and a concave portion are alternately arranged on one surface of the second substrate facing the first substrate,
The convex portion of the first substrate is opposed to the concave portion of the second substrate,
The convex portion of the second substrate is opposed to the concave portion of the first substrate,
Wherein the plurality of thermoelectric legs include a plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs alternately arranged on the first substrate,
Each of the plurality of first electrodes is disposed between at least one of the first substrate, the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg,
Each of the plurality of second electrodes is disposed between at least one of the second substrate, the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg,
Wherein at least one thermoelectric leg is disposed between each concave portion of the first substrate and the convex portion of the second substrate or between the convex portion of the first substrate and the concave portion of the second substrate.
상기 복수의 제 1 전극과 상기 복수의 열전 레그 각각의 사이에 배치되는 제 1 솔더층 및 상기 복수의 제 2 전극과 상기 복수의 열전 레그 각각의 사이에 배치되는 제 2 솔더층을 구비하는 복수의 솔더층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
The method according to claim 1,
A first solder layer disposed between the plurality of first electrodes and the plurality of thermoelectric legs, and a plurality of second solder layers disposed between the plurality of second electrodes and each of the plurality of thermoelectrons, ≪ / RTI > further comprising a solder layer.
상기 P형 열전 레그 또는 상기 N형 열전 레그는 이웃하는 적어도 하나의 상기 P형 열전 레그 또는 상기 N형 열전 레그와 배치 높이가 상이한 것을 특징으로 하는 열전 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg is disposed at an arrangement height different from at least one of the P-type thermoelectric legs or the N-type thermoelectric legs adjacent to each other.
상기 복수의 열전 레그는 높이가 동일한 것을 특징으로 하는 열전 소자.
The method of claim 3,
Wherein the plurality of thermoelectric legs have the same height.
상기 복수의 제 1 전극 중 적어도 하나는 상기 제 1 기판의 오목부에 배치된 제 1 접속부, 상기 제 1 기판의 볼록부에 배치된 제 2 접속부 및 상기 제 1 접속부와 상기 제 2 접속부를 연결하는 연결부를 포함하거나,
또는, 상기 복수의 제 2 전극 중 적어도 하나는 상기 제 2 기판의 오목부에 배치된 제 1 접속부, 상기 제 2 기판의 볼록부에 배치된 제 2 접속부 및 상기 제 1 접속부와 상기 제 2 접속부를 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
The method of claim 3,
At least one of the plurality of first electrodes includes a first connecting portion disposed in a concave portion of the first substrate, a second connecting portion disposed in a convex portion of the first substrate, and a second connecting portion connecting the first connecting portion and the second connecting portion Including a connection,
Alternatively, at least one of the plurality of second electrodes may include a first connecting portion disposed in the concave portion of the second substrate, a second connecting portion disposed in the convex portion of the second substrate, and a second connecting portion disposed between the first connecting portion and the second connecting portion And a connecting portion for connecting the thermoelectric element and the thermoelectric element.
상기 복수의 열전 레그 각각의 측면에 배치된 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
3. The method of claim 2,
Further comprising an insulator disposed on a side of each of the plurality of thermoelectrons.
상기 절연체는 절연 테이프인 것을 특징으로 하는 열전 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the insulator is an insulating tape.
상기 복수의 솔더층 중 적어도 하나의 솔더층은 배치된 열전소자의 외측으로 확장 형성된 확장부를 포함하며,
상기 솔더층의 확장부는 이웃한 열전 소자에 배치된 전극 및 솔더와 이격된 것을 특징으로 하는 열전 소자.
The method according to claim 6,
At least one solder layer of the plurality of solder layers including an extension extending outwardly of the thermoelectric element disposed,
Wherein the extension of the solder layer is spaced apart from electrodes and solder disposed on neighboring thermoelectric elements.
상기 제 1 기판의 오목부와 볼록부의 간의 높이 차는
함께 적층된 상기 전극과 상기 솔더층의 두께 대비 1.5배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 열전 소자.
3. The method of claim 2,
The difference in height between the concave portion and the convex portion of the first substrate
And the thickness of the solder layer is 1.5 to 5 times the thickness of the electrode and the solder layer stacked together.
상기 열전 소자의 높이는
함께 적층된 상기 전극과 상기 솔더층의 두께 대비 1/5배 내지 1/2배인 것을 특징으로 하는 열전 소자.3. The method of claim 2,
The height of the thermoelectric element
And the thickness of the solder layer is 1/5 times to 1/2 times the thickness of the electrode and the solder layer stacked together.
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| JP2001196650A (en) * | 2000-01-13 | 2001-07-19 | Komatsu Ltd | Thermoelectric converting module |
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