KR20230010417A - 열전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 절연층, 상기 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 접합층, 상기 접합층 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 절연층의 상면은 상기 제1 전극과 수직으로 중첩되는 제1 오목면을 포함하고, 상기 접합층은 상기 제1 오목면 및 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되는 제1 영역 및 상기 제1 오목면과 수직으로 중첩되고 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역의 보이드(void) 밀도는 상기 제2 영역의 보이드 밀도보다 작다.
Description
본 발명은 열전소자에 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 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
열전소자의 제조 공정 상 기판, 전극 및 열전 레그 간 접합을 위하여 고온의 환경에서 처리될 수 있다. 일반적으로, 전극 및 열전 레그는 솔더층이 도포된 전극 상에 열전 레그를 배치한 후 고온에서 처리하는 리플로우(reflow) 과정을 통하여 접합될 수 있다. 리플로우 과정을 거친 솔더층 내에는 다수의 보이드(void)가 존재할 수 있다. 도 1은 리플로우 후 솔더층 내에 존재하는 보이드를 나타내는 사진이다. 도 1을 참조하면, 전극과 열전레그 사이에 배치되는 영역 내에 다수의 보이드가 존재함을 알 수 있다. 이러한 보이드로 인하여 전극과 열전 레그 간 접합력, 열전도도 및 전기전도도가 낮아질 수 있으며, 결과적으로는 열전소자의 신뢰성이 낮아질 수 있다.
또한, 전극 상에 솔더층이 과량 도포된 경우, 리플로우 과정을 거치면서 녹은 솔더층 상에서 열전 레그가 미끄러지거나 틀어질 수 있다. 이에 따라, 열전 레그와 전극이 서로 밀접하게 접합될 수 없거나, 한 쌍의 열전 레그 간 쇼트가 발생하는 문제가 생길 수도 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 신뢰성이 우수한 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전극과 열전 레그 간 접합력을 개선하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 절연층, 상기 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 접합층, 상기 접합층 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 절연층의 상면은 상기 제1 전극과 수직으로 중첩되는 제1 오목면을 포함하고, 상기 접합층은 상기 제1 오목면 및 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되는 제1 영역 및 상기 제1 오목면과 수직으로 중첩되고 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역의 보이드(void) 밀도는 상기 제2 영역의 보이드 밀도보다 작다.
상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 제2 영역의 최고 두께는 상기 제1 영역의 최고 두께보다 클 수 있다.
상기 제2 영역의 적어도 일부는 상기 반도체 구조물의 측면에 배치될 수 있다.
상기 절연층의 상면은 상기 제1 전극과 수직으로 중첩되지 않는 제2 오목면을 더 포함하고, 상기 접합층은 상기 제1 전극의 측면에서 상기 제2 오목면과 수직으로 중첩되는 제3 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 영역은 상기 제2 오목면과 접촉하지 않을 수 있다.
상기 접합층은 솔더를 포함할 수 있다.
상기 접합층의 면적은 상기 반도체 구조물의 면적의 1.4배 이하일 수 있다.
상기 반도체 구조물은 상기 제1 전극 상에서 서로 이격되도록 배치된 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자를 포함하며, 상기 접합층은 상기 제1 전극과 상기 제1 반도체 소자 사이에 배치된 제1 접합층 및 상기 제1 전극과 상기 제2 반도체 소자 사이에 배치된 제2 접합층을 포함하고, 상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 각각 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자와 수직으로 중첩되지 않는 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 상기 제1 전극 상에서 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 사이의 상기 제1 전극 상에서 서로 연결될 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제1 접합층 사이에 배치된 제1 도금층 및 상기 제1 전극과 상기 제2 접합층 사이에 배치된 제2 도금층을 더 포함하고, 상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층 각각의 면적은 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자가 상기 제1 전극을 향하도록 배치된 면들 각각의 면적 이상이고, 상기 제1 도금층의 면적 및 상기 제2 도금층의 면적의 합은 상기 제1 전극의 면적보다 작을 수 있다.
상기 절연층은 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 그리고 상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층을 포함하고, 상기 제1 오목면 및 상기 제2 오목면은 상기 제2 절연층에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 성능 및 접합 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저온부와 고온부 간의 요구되는 성능 차를 모두 만족시키는 열전소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
도 1은 리플로우 후 솔더층 내에 존재하는 보이드를 나타내는 사진이다.
도 2는 열전소자의 단면도이다.
도 3은 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 전극 및 접합층의 상면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 12 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 내 솔더층에 존재하는 보이드를 나타내는 사진이다.
도 2는 열전소자의 단면도이다.
도 3은 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 전극 및 접합층의 상면도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 12 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 내 솔더층에 존재하는 보이드를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 2개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 2개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2는 열전소자의 단면도이고, 도 3은 열전소자의 사시도이다. 도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이고, 도 5는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 2 내지 3을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
도 2 내지 도 5에서 리드선(181, 182)이 하부 기판(110)에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 리드선(181, 182)이 상부 기판(160)에 배치되거나, 리드선(181, 182) 중 하나가 하부 기판(110)에 배치되고, 나머지 하나가 상부 기판(160)에 배치될 수도 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 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서 열전 레그는 반도체 구조물, 반도체 소자, 반도체 재료층, 반도체 물질층, 반도체 소재층, 도전성 반도체 구조물, 열전 구조물, 열전 재료층, 열전 물질층, 열전 소재층 등으로 지칭될 수도 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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 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.
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. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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.
열전 소자의 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(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 예를 들어, 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되거나, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되거나 또는 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 배치되는 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나가 다른 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나보다 더 클 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 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. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재(190)가 더 배치될 수도 있다. 실링부재(190)는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재(190)는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재(194) 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스(192)가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재(194, 196)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재(194, 194)는 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이를 실링하는 실링재(194)는 하부 기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 실링하는 실링재(196)는 상부기판(160)의 측면에 배치될 수 있다. 한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 리드선(181, 182)를 인출하기 위한 가이드 홈(G)이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스(192)는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다. 다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 열전레그는 솔더에 의하여 접합될 수 있다. 전극과 열전레그를 접합하기 위한 리플로우 공정 후 솔더에 남아있는 보이드(void)는 열전소자의 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 열전레그 간 솔더 내 보이드를 최소화하여 열전소자의 장기적인 신뢰성을 개선하고자 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 2 내지 도 5에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(300)는 제1 기판(310), 제1 기판(310) 상에 배치된 제1 절연층(320), 제1 절연층(320) 상에 배치된 복수의 제1 전극(330), 복수의 제1 전극(330) 상에 배치된 복수의 P형 열전레그(340) 및 복수의 N형 열전레그(350), 복수의 P형 열전레그(340) 및 복수의 N형 열전레그(350) 상에 배치된 복수의 제2 전극(360), 복수의 제2 전극(360) 상에 배치된 제2 절연층(370) 및 제2 절연층(370) 상에 배치된 제2 기판(380)을 포함한다.
제1 기판(310), 제1 전극(330), P형 열전레그(340), N형 열전레그(350), 제2 전극(360) 및 제2 기판(380) 각각에 대하여 도 2 내지 도 5의 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전레그(130), N형 열전레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
도 6에 도시되지 않았으나, 제1 기판(310) 또는 제2 기판(380)에는 히트싱크가 더 배치될 수 있고, 제1 기판(310)과 제2 기판(380) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(310) 상에 제1 절연층(320)이 배치되고, 제1 절연층(320) 상에 제1 전극(330)이 배치된다. 이때, 제1 전극(330)의 측면의 일부는 제1 절연층(320) 내에 매립될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(320) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)는 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 0.1 내지 1배, 바람직하게는 0.2 내지 0.9배, 더 바람직하게는 0.3 내지 0.8배일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 전극(330)의 측면의 일부가 제1 절연층(320) 내에 매립되면, 복수의 제1 전극(330)과 제1 절연층(320) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(330)과 제1 절연층(320) 간의 열전달 성능 및 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다. 제1 절연층(320) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 0.1배 미만일 경우, 복수의 제1 전극(330)과 제1 절연층(320) 간의 열전달 성능 및 접합 강도를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 제1 절연층(320) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 1배를 초과할 경우 제1 절연층(320)이 복수의 제1 전극(330) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
이에 따르면, 제1 절연층(320)의 상면은 제1 전극(330)과 수직으로 중첩되는 제1 오목면(320R1) 및 제1 전극(330)과 수직으로 중첩되지 않는 제2 오목면(320R2)을 포함할 수 있다. 제1 전극(330)은 제1 오목면(320R1) 상에 배치되고, 제1 오목면(320R1)과 제1 기판(310) 간의 제1 수직 거리(T1)는 제2 오목면(320R2)과 제1 기판(310) 간의 제2 수직 거리(T2~T3)보다 작을 수 있다. 더 자세하게는, 복수의 제1 전극(330) 사이에서 제1 절연층(320)의 두께는 각각의 전극 측면에서 중심영역으로 갈수록 감소하여, 꼭지점이 완만한 'V'형상을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 제1 전극(330) 사이의 제1 절연층(320)은 두께의 편차를 가지며, 복수의 제1 전극(330)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)가 가장 높고, 중심영역에서의 높이(T3)는 복수의 제1 전극(330)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)보다 낮을 수 있다. 즉, 복수의 제1 전극(330) 사이의 제1 절연층(320)의 중심영역 높이(T3)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 제1 절연층(320) 내에서 가장 낮을 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(330) 아래의 제1 절연층(320)의 높이(T1)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 제1 절연층(320)의 중심영역 높이(T3)보다 더 낮을 수 있다. 제1 절연층(320)이 제2 오목면(320R2)을 포함함으로써, 제1 절연층에 인가되는 응력을 완화할 수 있어, 절연층의 크랙이나 박리 등의 문제를 개선할 수 있다.
또한, 제1 오목면(320R1)의 폭은 제2 오목면(320R2)의 폭보다 크게 배치될 수 있다. 따라서, 전극을 기판 상에 조밀하게 배치하는 구조가 가능해질 수 있어, 열전 소자의 발전 성능 또는 온도 조절 성능을 개선할 수 있다.
한편, 도시되지 않았으나, 제1 절연층(320)은 제1 기판(310) 상에 배치되는 제1-1 절연층 및 제1-1 절연층 상에 배치되는 제1-2 절연층을 포함할 수 있고, 제1 오목면(320R1) 및 제2 오목면(320R2)은 제1-2 절연층에 포함될 수 있다. 이때, 제1-1 절연층은 예시적으로 수지 물질을 포함할 수 있고, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite) 및 무기충전재를 포함할 수 있다. 여기서, 복합체는 Si 원소와 Al 원소를 포함하는 무기물과 알킬 체인으로 구성된 유무기 복합체일 수 있으며, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 복합체는 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체는 절연 성능이 우수하며, 이에 따라 높은 내전압 성능을 얻을 수 있다. 또는, 복합체는 실리콘 및 알루미늄과 함께 티타늄, 지르코늄, 붕소, 아연 등을 더 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물일 수도 있다. 이를 위하여, 복합체는 무기바인더 및 유무기 혼합 바인더 중 적어도 하나와 알루미늄을 혼합한 후 열처리하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 무기바인더는, 예를 들어 실리카(SiO2), 금속알콕사이드, 산화붕소(B2O3) 및 산화아연(ZnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기바인더는 무기입자이되, 물에 닿으면 졸 또는 겔화되어 바인딩의 역할을 할 수 있다. 이때, 실리카(SiO2), 금속알콕사이드 및 산화붕소(B2O3) 중 적어도 하나는 알루미늄 간 밀착력 또는 제1 기판(310)과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnO2)은 제1-1 절연층의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다. 무기충전재는 복합체 내에 분산될 수 있으며, 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 제1-2 절연층은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제1-2 절연층은 제1-1 절연층과 제1 전극(330) 간의 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 60 내지 80wt%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 60wt%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 80wt%를 초과하여 포함되면 무기충전재가 수지 내에 고르게 분산되기 어려우며, 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이에 따르면, 제1-1 절연층 및 제1-2 절연층의 조성은 서로 상이하며, 이에 따라 제1-1 절연층 및 제1-2 절연층의 경도, 탄성 계수, 인장강도, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나가 달라질 수 있으며, 이에 따라 내전압 성능, 열전도 성능, 접합 성능 및 열충격 완화 성능 등을 제어하는 것이 가능하다. 이때, 제1-2 절연층의 두께는 제1-1 절연층의 두께의 1배 초과 3.5배 이하, 바람직하게는 1.05배 이상 2배 이하, 더욱 바람직하게는 1.1배 이상 내지 1.5배 이하일 수 있다. 제1-1 절연층의 두께 및 제1-2 절연층의 두께가 각각 이러한 수치 범위를 만족시키는 경우, 내전압 성능, 열전도 성능, 접합 성능 및 열충격 완화 성능을 동시에 얻는 것이 가능하다. 그리고, 제1-1 절연층 및 제1-2 절연층은 상이한 열팽창 계수를 가질 수 있다. 이에 따르면, 열전소자(300)가 장기간 고온에 노출될 경우, 응력에 의하여 열전소자(300)가 휘는 현상이 발생할 수 있고, 열전소자의 장기적인 신뢰성, 내구성이 저하되며, 열전소자가 발전장치에 적용되는 경우 발전장치의 발전 성능을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 전극(330)과 열전레그(340, 350)는 접합층(600)에 의하여 접합될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 전극 및 접합층의 상면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 전극(330) 상에 접합층(600)이 배치되고, 접합층(600) 상에 P형 열전 레그(340) 및 N형 열전 레그(350)가 배치된다. 여기서, 접합층(600)은 솔더를 포함할 수 있다. 솔더는, 예를 들어 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 이를 포함하는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu) 및 납(Pb) 중 적어도 하나의 화합물을 포함하여 형성될 수 있다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610A, 610B) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함한다. 접합층(600)이 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되는 경우, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)를 접합하기 위한 리플로우 공정 동안 제1 기판(310) 및 제1 전극(330)이 고온에 노출되더라도, 제1 절연층(320)이 제1 기판(310) 및 제1 전극(330)에 가해지는 열충격을 완충할 수 있으며, 특히, 제1 전극(330)의 바닥면뿐만 아니라 제1 전극(330)의 측면에 가해지는 열충격이 완충될 수 있다.
이때, 제2 영역(620A, 620B)은 제1 영역(610A, 610B)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)를 접합층(600)으로 접합하기 위한 리플로우 공정 동안, 제1 영역(610A, 610B) 내의 기체가 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)과 수직으로 중첩되지 않은 제2 영역(620A, 620B)을 통하여 외부로 배출될 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(610A, 610B)의 보이드(void) 밀도는 제2 영역(620A, 620B)의 보이드 밀도보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(610A, 610B)의 보이드(void) 밀도는 제2 영역(620A, 620B)의 보이드 밀도의 0.1 내지 0.95배, 바람직하게는 0.1 내지 0.5배, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.3배일 수 있다. 여기서, 보이드는 접합층(600) 내부에서 솔더로 채워지지 않은 빈 공간을 의미할 수 있으며, 보이드 밀도는 단위 부피당 보이드 개수 또는 단위 부피당 보이드 부피를 의미할 수 있다. 또는, 보이드 밀도는 접합층(600) 내 임의의 절단면에 대하여, 단위 면적당 보이드 개수 또는 단위 면적당 보이드 면적을 의미할 수도 있다. 이에 따르면, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350) 사이의 보이드를 최소화할 수 있으며, 열전소자의 신뢰성을 높일 수 있다.
이를 위하여, 리플로우 공정을 진행하기 위하여, 제1 전극(330) 상에는 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)의 면적의 1배 이상, 바람직하게는 1.2배 이상, 더욱 바람직하게는 1.4배 이상의 솔더가 도포될 수 있다. 이에 따르면, 리플로우 공정 동안 솔더가 수축되더라도 접합층(600)은 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)과 수직으로 중첩되지 않은 제2 영역(620A, 620B)을 포함할 수 있으며, 제2 영역(620A, 620B)을 통하여 제1 영역(610A, 610B) 내의 기체가 외부로 배출될 수 있다.
이때, 접합층(600)의 면적은 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)의 면적의 1.4배 이하일 수 있다. 이에 따르면, 접합층(600)의 제1 영역(610A, 610B) 내 보이드 밀도를 최소화하면서도, 솔더의 과량 도포로 인하여 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)가 미끄러지거나 뒤틀리는 문제 및 이로 인하여 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 제1 전극(330) 간 접합력이 낮아지거나 P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350)가 쇼트되는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 접합층(600)은 제1 전극(330)과 P형 열전 레그(340) 사이에 배치된 제1 접합층(600A) 및 제1 전극(330)과 N형 열전 레그(350) 사이에 배치된 제2 접합층(600B)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 접합층(600A) 및 제2 접합층(600B)은 각각 P형 열전 레그(340) 및 N형 열전 레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 영역을 포함할 수 있다.
이때, 제1 접합층(600A) 및 제2 접합층(600B)은 제1 전극(330) 상에서 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 또는, 제1 접합층(600A) 및 제2 접합층(600B)은 P형 열전 레그(340) 및 N형 열전 레그(350) 사이의 제1 전극(330) 상에서 서로 연결될 수도 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 9(a)를 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610A, 610B) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함한다. 이때, 제2 영역(620A, 620B)은 제1 영역(610A, 610B)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
이때, 제2 영역(620A, 620B)의 최고 두께(L2)는 제1 영역(610A, 610B)의 최고 두께(L1)보다 클 수 있다. 이는 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)를 접합층(600)으로 접합하기 위한 리플로우 공정 동안, 제1 전극(330) 상에 도포된 솔더가 수축됨과 동시에 제1 영역(610A, 610B) 내의 기체가 제2 영역(620A, 620B)을 통하여 외부로 배출될 수 있는 경로 및 면적이 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 9(b)를 참조하면, 제2 영역(620A, 620B)의 적어도 일부는 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따르면, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)의 가장자리에서 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)의 접합 강도를 높일 수 있다.
도 10을 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620)을 포함한다. 이때, 제2 영역(620)은 제1 영역(610)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
한편, 접합층(600)은 제1 전극(330)의 측면에서 제1 절연층(320)의 제2 오목면(320R2)과 수직으로 중첩되는 제3 영역(630)을 더 포함할 수 있다. 제3 영역(630)은 제1 전극(330)의 측면의 일부에 배치되나, 제2 오목면(320R2)과 접촉하지 않도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 접합층(300)의 일부가 제1 전극(330)의 바깥으로 넘쳐흘러 이웃하는 제1 전극(330)과 전기적으로 연결되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)를 접합층(600)으로 접합하기 위한 리플로우 공정 동안, 제1 전극(330) 상에 도포된 솔더가 수축됨과 동시에 제1 영역(610) 내의 기체가 제2 영역(620) 및 제3 영역(630)을 통하여 외부로 배출되기 위한 경로가 증가할 수 있다.
도 11을 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610A, 610B) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함한다. 이때, 제2 영역(620A, 620B)은 제1 영역(610A, 610B)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
이때, P형 열전레그(340)와 N형 열전레그(350) 사이에 배치된 제2 영역(620A, 620B)의 수평방향의 폭은 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 제1 전극(330)의 가장자리 사이에 배치된 제2 영역(620A, 620B)의 수평방향의 폭보다 작을 수 있다. 이에 따르면, P형 열전레그(340)와 N형 열전레그(350) 사이에 배치된 솔더에 의하여 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)가 미끄러지거나 틀어지게 되어 P형 열전레그(340)와 N형 열전레그(350)가 접합하거나 쇼트되는 문제를 방지하면서도, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)를 접합층(600)으로 접합하기 위한 리플로우 공정 동안, 제1 전극(330) 상에 도포된 솔더가 수축됨과 동시에 제1 영역(610A, 610B) 내의 기체가 제2 영역(620A, 620B)을 통하여 외부로 배출되기 위한 경로 및 면적이 증가할 수 있다.
도 12 내지 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 12 내지 도 13을 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함한다. 이때, 제2 영역(620A, 620B)은 제1 영역(610A, 610B)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
도 12를 참조하면, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)는 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)를 포함하는 열전소재층(900A, 900B), 그리고 열전소재층(900A, 900B)의 한 면에 배치된 확산방지층((910A, 910B))을 포함할 수 있다. 이때, 확산방지층((910A, 910B))은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 확산방지층((910A, 910B))은 열전소재층((900A, 900B)) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te가 전극으로 확산되는 것을 막으므로, 열전소자의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 접합층(600)과의 젖음성이 우수하여 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350) 간 접합력을 높일 수 있다.
도 13을 참조하면, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)는 비스무스(Bi)-텔루륨(Te)를 포함하는 열전소재층(900A, 900B), 열전소재층(900A, 900B)의 한 면에 배치된 확산방지층(910A, 910B) 및 확산방지층(910A, 910B)의 한 면에 배치된 금속층(920A, 920B)을 포함할 수 있다. 여기서, 확산방지층(910A, 910B)은 열전소재층(900A, 900B) 및 금속층(920A, 920B) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 확산방지층((910A, 910B))은 니켈(Ni)을 포함하고, 금속층(920A, 920B)은 주석(Sn)을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 확산방지층((910A, 910B))은 열전소재층((900A, 900B)) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te가 전극으로 확산되는 것을 막으므로, 열전소자의 성능 저하를 방지할 수 있다. 그리고, 금속층(920A, 920B)은 접합층(600)과의 젖음성이 우수하여 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350) 간 접합력을 높일 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 일부 단면도이다.
도 14를 참조하면, 접합층(600)은 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610A, 610B) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함한다. 이때, 제2 영역(620A, 620B)은 제1 영역(610A, 610B)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
이때, 제1 전극(330) 상에는 도금층(334A, 334B)이 배치될 수 있다. 도금층(334A, 334B)은 제1 전극(330)의 양면 중 P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350)를 향하도록 배치된 면에 배치될 수 있다. 도금층(334A, 334B)은, 예를 들어 니켈(Ni)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 팔라듐(Pd), 주석(Sn) 및 몰리브덴(Mo) 등 제1 전극(330)과 접합층(600) 간의 젖음성이 개선되며, 제1 전극(330) 내 이온의 확산을 방지할 수 있는 금속이면 모두 도금층(334A, 334B)으로 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도금층(334A, 334B)의 면적은 제1 전극(330)의 면적보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도금층(334A, 334B)는 제1 전극(330)의 일부 상에 배치될 수 있으며, P형 열전레그(340)에 대한 도금층(334A) 및 N형 열전레그(350)에 대한 도금층(334B)은 서로 이격되도록 배치되되, 도금층(334A, 334B)은 각각 제1 전극(330)의 가장자리로부터 이격된 영역에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 접합층(600A, 600B)은 도금층(334A, 334B) 주변에 배치되므로, 접합층(600A, 600B)이 제1 전극(330) 밖으로 흘러넘쳐 이웃하는 제1 전극(330)과 연결되거나, P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350) 사이에 배치되어 전기적으로 영향을 미칠 가능성을 최소화할 수 있다. 이를 위하여, 도금층(334A, 334B)은 제1 전극(330) 상에서 마스킹을 이용해서 선택적 도금 기법으로 형성되거나, 제1 전극(330) 상에 전체 도금된 후 레이저 스크라이빙 기법 등으로 패터닝될 수 있다. 그리고, 도금층(334A, 334B) 각각의 면적은 P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350) 각각의 양면 중 제1 전극(330)을 향하도록 배치된 면의 면적 이상일 수 있다. 예를 들어, 도금층(334A, 334B) 각각의 면적은 P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350) 각각의 양면 중 제1 전극(330)을 향하도록 배치된 면의 면적의 1 내지 1.4배, 바람직하게는 1 내지 1.3배, 더욱 바람직하게는 1 내지 1.2배일 수 있다. 이에 따르면, 제1 전극(330)과 P형 열전레그(340) 및 N형 열전레그(350)를 접합하기 위한 공정에서 접합층(600)과 도금층(334A, 334B) 간의 젖음성으로 인하여 접합층(600)은 도금층(334A, 334B) 주변으로 수축하게 되므로, 접합층(600)이 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1) 및 P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610A, 610B) 및 제1 절연층(320)의 제1 오목면(320R1)과 수직으로 중첩되고, P형 열전레그(340) 또는 N형 열전레그(350)와 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역(620A, 620B)을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(610A, 610B)의 기체가 제2 영역(620A, 620B)을 통하여 외부로 배출되므로, 제1 영역(610A, 610B)의 보이드 밀도를 낮출 수 있으며, 열전소자의 열전성능 및 신뢰성을 높일 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 내 솔더층에 존재하는 보이드를 나타내는 사진이다.
도 15를 참조하면, 열전레그와 수직으로 중첩되는 제1 영역(610)에 비하여, 열전레그와 수직으로 중첩되지 않고 제1 영역(610)의 측면에 배치되는 제2 영역(620)의 보이드 밀도가 높음을 알 수 있다.
도시되지 않았으나, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전소자의 제2 기판 상에 히트싱크가 배치될 수 있으며, 열전소자와 히트싱크는 복수의 결합부재에 의하여 결합될 수 있다. 제2 기판에 히트싱크가 배치된 경우, 복수의 결합부재는 히트싱크와 제2 기판을 체결하거나, 히트싱크, 제2 기판과 제1 기판을 체결하거나, 히트싱크, 제2 기판, 제1 기판과 냉각부(미도시)를 체결할 수 있다. 이를 위하여, 히트싱크, 제2 기판, 제1 기판, 냉각부에는 결합부재가 관통하는 관통홀이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀과 결합부재 사이에는 별도의 절연삽입부재가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연삽입부재는 결합부재의 외주면을 둘러싸는 절연삽입부재 또는 관통홀의 벽면을 둘러싸는 절연삽입부재일 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연거리를 넓히는 것이 가능하다.
도시되지 않았으나, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 제백효과를 이용하는 발전장치에 적용되는 경우, 열전소자는 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부와 결합할 수 있다. 제1 유체 유동부는 열전소자의 제1 기판 및 제2 기판 중 하나에 배치되고, 제2 유체 유동부는 열전소자의 제1 기판 및 제2 기판 중 다른 하나에 배치될 수 있다. 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 적어도 하나에는 제1 유체 및 제2 유체 중 적어도 하나가 유동하도록 유로가 형성될 수 있으며, 경우에 따라 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 적어도 하나가 생략되고, 제1 유체 및 제2 유체 중 적어도 하나가 열전소자의 기판으로 직접적으로 유동할 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판 및 제2 기판 중 하나와 인접하여 제1 유체가 유동하고, 다른 하나와 인접하여 제2 유체가 유동할 수 있다. 이때, 제2 유체의 온도는 제1 유체의 온도보다 더 높을 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 유동부는 냉각부라 지칭될 수도 있다. 다른 실시예로서, 제1 유체의 온도는 제2 유체의 온도보다 더 높을 수 있다. 이에 따라, 제2 유체 유동부는 냉각부라 지칭될 수 있다. 히트싱크는 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 더 높은 온도의 유체가 흐르는 쪽의 기판에 연결될 수 있다. 제1 유체와 제2 유체 간 온도 차의 절대 값은 40℃이상, 바람직하게는 70℃이상, 더 바람직하게는 95℃내지 185℃일 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 (13)
- 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치된 절연층,
상기 절연층 상에 배치된 제1 전극,
상기 제1 전극 상에 배치된 접합층,
상기 접합층 상에 배치된 반도체 구조물,
상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고
상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
상기 절연층의 상면은 상기 제1 전극과 수직으로 중첩되는 제1 오목면을 포함하고,
상기 접합층은 상기 제1 오목면 및 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되는 제1 영역 및 상기 제1 오목면과 수직으로 중첩되고 상기 반도체 구조물과 수직으로 중첩되지 않는 제2 영역을 포함하며,
상기 제1 영역의 보이드(void) 밀도는 상기 제2 영역의 보이드 밀도보다 작은 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸도록 배치된 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 영역의 최고 두께는 상기 제1 영역의 최고 두께보다 큰 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 영역의 적어도 일부는 상기 반도체 구조물의 측면에 배치된 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연층의 상면은 상기 제1 전극과 수직으로 중첩되지 않는 제2 오목면을 더 포함하고, 상기 접합층은 상기 제1 전극의 측면에서 상기 제2 오목면과 수직으로 중첩되는 제3 영역을 더 포함하는 열전소자. - 제5항에 있어서,
상기 제3 영역은 상기 제2 오목면과 접촉하지 않는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 접합층은 솔더를 포함하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 접합층의 면적은 상기 반도체 구조물의 면적의 1.4배 이하인 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 구조물은 상기 제1 전극 상에서 서로 이격되도록 배치된 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자를 포함하며,
상기 접합층은 상기 제1 전극과 상기 제1 반도체 소자 사이에 배치된 제1 접합층 및 상기 제1 전극과 상기 제2 반도체 소자 사이에 배치된 제2 접합층을 포함하고,
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 각각 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자와 수직으로 중첩되지 않는 영역을 포함하는 열전소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 상기 제1 전극 상에서 서로 이격되도록 배치된 열전소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자 사이의 상기 제1 전극 상에서 서로 연결된 열전소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제1 접합층 사이에 배치된 제1 도금층 및 상기 제1 전극과 상기 제2 접합층 사이에 배치된 제2 도금층을 더 포함하고,
상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층 각각의 면적은 상기 제1 반도체 소자 및 상기 제2 반도체 소자가 상기 제1 전극을 향하도록 배치된 면들 각각의 면적 이상이고, 상기 제1 도금층의 면적 및 상기 제2 도금층의 면적의 합은 상기 제1 전극의 면적보다 작은 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 그리고 상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층을 포함하고, 상기 제1 오목면 및 상기 제2 오목면은 상기 제2 절연층에 포함되는 열전소자.
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