KR20230094293A - 유연성 열전모듈 - Google Patents

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KR20230094293A
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Abstract

본 발명은, 중심부(A)를 기준으로 방사 형태로 열전소자들이 복수 개 배치되고, 상기 열전소자(100)는 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 유연성을 나타내어 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있고, 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자들을 배치함으로써 열전 효율 및 방열 특성이 향상될 수 있다.

Description

유연성 열전모듈{Flexible thermoelectric module}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연성을 나타내어 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있고, 중심부를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자들을 배치함으로써 열전 효율 및 방열 특성이 향상될 수 있는 유연성 열전모듈에 관한 것이다.
열전현상은 독일의 물리학자 티.제이.제벡(T.J.Seebeck)이 처음 발견하였으며, 서로 다른 두개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 현상으로서, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시키는 것이다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다.
프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견하였는데, 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 펠티에효과(Peltier Effect)라고 한다.
윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에효과와 제벡효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였으며, 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였다.
열전모듈, 펠티어소자, 써모일렉트릭 쿨러(ThermoElectric Cooler; TEC), 써모일렉트릭 모듈(ThermoElectric Module; TEM) 등의 다양한 이름으로 불리고 있는 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)(저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치)이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되며, 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.
일반적인 열전소자는 N 타입과 P 타입 열전반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 된다. 직류(DC) 전압을 양단에 인가하면 N 타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P 타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 써모일렉트릭 커플(thermoelectric couple)(N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 된다.
그러나, 종래의 열전소자는 유연성이 없으므로 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 없는 한계가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1101711호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유연성을 나타내어 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있고, 중심부를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자들을 배치함으로써 열전 효율 및 방열 특성이 향상될 수 있는 유연성 열전모듈을 제공함에 있다.
본 발명은, 중심부(A)를 기준으로 방사 형태로 열전소자들이 복수 개 배치되고, 상기 열전소자(100)는 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈을 제공한다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)의 사이에 구비된 상기 반도체 소자(140)는 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 포함할 수 있고, 상기 P형 반도체 소자(P)와 상기 N형 반도체 소자(N)는 전기적으로 서로 연결되어 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리머 재질로 이루어진 기판일 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리이미드(poly imide) 또는 실리콘(silicon) 계열의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 BN, Al2O3, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로 부터 선택된 1종 이상의 방열 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 0.1∼1 ㎜의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 반도체 소자(140) 및 상기 전극층(130, 150)의 열화를 방지하기 위해 유기물 또는 무기물로 코팅 처리될 수 있다.
상기 유기물은 유연성을 갖는 폴리이미드(PI) 또는 실리콘계열의 폴리머일 수 있다.
상기 무기물은 실리카(Silica), Al2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(130)은 동심원을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있고, 상기 제2 전극층(150)도 동심원을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 유연성을 나타내어 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있고, 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자들을 배치함으로써 열전 효율 및 방열 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면을 보여주는 도면이다.
도 2는 열전소자의 배치 및 연결관계를 나타낸 단면도이다.
도 3은 유연성 열전모듈을 보여주는 사시도로서 열전소자의 배치 및 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 도 3의 평면도에서 동심원을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈은, 중심부(A)를 기준으로 방사 형태로 열전소자들이 복수 개 배치되고, 상기 열전소자(100)는 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함한다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)의 사이에 구비된 상기 반도체 소자(140)는 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 포함할 수 있고, 상기 P형 반도체 소자(P)와 상기 N형 반도체 소자(N)는 전기적으로 서로 연결되어 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리머 재질로 이루어진 기판일 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리이미드(poly imide) 또는 실리콘(silicon) 계열의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 BN, Al2O3, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로 부터 선택된 1종 이상의 방열 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 0.1∼1 ㎜의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 반도체 소자(140) 및 상기 전극층(130, 150)의 열화를 방지하기 위해 유기물 또는 무기물로 코팅 처리될 수 있다.
상기 유기물은 유연성을 갖는 폴리이미드(PI) 또는 실리콘계열의 폴리머일 수 있다.
상기 무기물은 실리카(Silica), Al2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(130)은 동심원을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있고, 상기 제2 전극층(150)도 동심원을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명은 재료의 양단간의 온도차가 주어지면 제벡(Seebeck) 효과에 의해 전압이 발생하는 것을 이용하는 열전발전(Thermoelectric Power Generation)과 재료의 양단간에 직류전류를 인가하면 한 면이 발열하고 다른 면이 흡열하는 펠티에(Peltier) 효과를 이용하는 열전냉각(Thermoelectric Cooling) 등의 열·전기에너지 직접 변환이 가능하고, 유연성을 나타내어 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있는 열전모듈을 제시한다.
제벡 효과를 이용한 열전발전은 신뢰성이 높고, 출력 안정성이 높을 뿐만 아니라 이산화탄소(CO2)를 발생하지 않는 발전이므로 친환경적이고, 펠티에 효과를 이용한 열전냉각은 정밀 온도 제어가 가능하고, 응답속도가 빠르며, 소음이 나지 않을 뿐만 아니라 프레온 가스를 방생하지 않는 냉각이므로 친환경적이다.
도 1 내지 도 5는 유연성 열전모듈을 보여주는 도면으로, 도 1은 열전소자의 단면을 보여주는 도면이고, 도 2는 열전소자의 배치 및 연결관계를 나타낸 단면도이고, 도 3은 유연성 열전모듈을 보여주는 사시도로서 열전소자의 배치 및 연결관계를 나타낸 도면이며, 도 4은 도 3의 평면도이고, 도 5는 도 3의 평면도에서 동심원(136)을 나타낸 도면이다. 도 3 내지 도 5에서는 열전소자의 배치 및 연결관계를 더욱 명확히 보여주기 위하여 제2 유연성기판(120)을 도시하지 않았다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하여 구성된다.
열전소자(100)는 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함할 수 있다.
제1 유연성 기판(110)과 제2 유연성 기판(120)은 서로 마주보며 이격되도록 배치될 수 있다.
제1 전극층(130)과 제2 전극층(150)은 제1 유연성 기판(110)과 제2 유연성 기판(120) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전극층(130)은 제1 유연성 기판(110)의 상부에 구비되고, 제2 전극층(150)은 제2 유연성 기판(120)의 하부에 구비될 수 있다. 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 제1 전극층(130)을 배치한다. 예컨대, 복수 개의 제1 전극층(130)을 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 배치한다. 복수 개의 제1 전극층(130)은 동심원(136)을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다. 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 제2 전극층(150)을 배치한다. 예컨대, 복수 개의 제2 전극층(150)을 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 배치한다. 복수 개의 제2 전극층(150)도 동심원(136)을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다. 상기 동심원(136)은 중심부(A)을 기준으로 동일 반경으로 원 형태를 이루고 있을 수 있다.
반도체 소자(140)는 상기 제1 전극층(130)과 제2 전극층(150) 사이에 구비될 수 있다.
제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)의 사이에 구비된 반도체 소자(140)는 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 포함할 수 있다. P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 전기적으로 서로 연결되어 펠티어 효과를 구현하게 된다. 반도체 소자(140)는 서로 직렬 연결될 수 있다. 제1 전극층(130)은 서로 이웃한 한 쌍의 N형 반도체 소자(N)의 일단과 P형 반도체 소자(P)의 일단을 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 제2 전극층(150)은 서로 이웃한 한 쌍의 N형 반도체 소자(N)의 타단과 P형 반도체 소자(P)의 타단을 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 재질로 이루어진 기판일 수 있다. 예컨대, 제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 BN, Al2O3, Si3N4, SiC, 이들의 혼합물 등의 방열 필러를 더 포함할 수도 있다. 상기 방열 필러는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 기판을 제조하는 과정에서 폴리머 원료와 함께 투입되어 폴리머 내에 함유될 수 있다.
제1 유연성 기판(110)은 0.1∼1 ㎜ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 유연성 기판(110)의 두께가 0.1㎜ 보나 얇거나 1㎜를 초과할 경우는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
제2 유연성 기판(120)도 0.1∼1 ㎜ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제2 유연성 기판(120)의 두께가 0.1㎜ 보나 얇거나 1㎜를 초과할 경우는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
제1 전극층(130) 및 제2 전극층(150)은 Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd 등의 금속 또는 이들의 금속합금 재질로 이루어질 수 있다. 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(150)은 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 전기적으로 연결한다. 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(150)의 두께는 0.01∼0.5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(150)의 두께가 0.01㎜ 미만일 경우에는 전기 전도율이 불량할 수 있으며, 0.5㎜를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도 효율이 낮아질 수 있다.
P형 반도체 소자(P)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 네오비늄(Nb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 알칼리금속(Alkali metal), 알칼리토금속(Alkali earth metal) 및 란타나이드금속(Lanthanide metal)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 물질 등을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
N형 반도체 소자(N)는 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In), 주석(Sn), 알칼리금속(Alkali metal), 알칼리토금속(Alkali earth metal) 및 란타나이드금속(Lanthanide metal)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 물질 등을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 서로 대향하게 구비되며, P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N) 한 쌍이 단위셀을 이룬다. P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 그 형상이나 크기가 동일할 수 있으나, 냉각 효율을 개선하기 위하여 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체 소자의 체적과 상이하게 형성할 수도 있다. 예컨대, N형 반도체 소자의 직경을 P형 반도체 소자의 직경보다 더 크게 형성함으로써 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있다.
제1 전극층(130)과 반도체 소자(140) 사이에는 제1 솔더(132)가 구비될 수 있고, 반도체 소자(140)와 제2 전극층(150) 사이에는 제2 솔더(134)가 구비될 수 있다. 상기 제1 솔더(132)는 반도체 소자(140)와 제1 전극층(130)을 접합하고, 상기 제2 솔더(134)는 반도체 소자(140)와 제2 전극층(150)을 접합하는 역할을 한다. 상기 제1 및 제2 솔더(132, 134)는 은(Ag), PbSn, CuAgSn 등과 같이 솔더링에 사용되는 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈은 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함하는 열전소자(100)가 방사형 구조로 배치된다. 열전소자(100)는 동일 간격으로 방사형 구조로 배치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고 열전소자(100)와 열전소자(100) 사이의 간격이 서로 다를 수도 있음은 물론이다.
일 예로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자들을 배치함으로써, 열전 효율 및 방열 특성이 향상될 수가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전모듈은 유연성을 나타내며, 따라서 곡면부나 불규칙한 표면을 갖는 부재에도 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈은 반도체 소자(140) 및 전극층(130, 150)의 열화를 방지하기 위해서 유기물 또는 무기물로 코팅 처리 될 수 있다. 상기 유기물로 유연성 기판(110, 120)과 동일한 폴리이미드(PI) 또는 실리콘계 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 코팅용 유기물에는 열전도도를 낮추기 위해 방열 필러가 적용되지 않는 것이 바람직하다. 상기 무기물은 실리카(Silica), Al2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유연성 열전모듈에는 외부의 전원 또는 소자 등과 전기적으로 연결하기 위한 전극선(L1, L2)이 구비될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연성 열전모듈을 제조하는 방법을 설명한다.
제1 유연성 기판(110)을 준비한다. 제1 유연성 기판(110)은 유연성이 있는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 유연성 기판(110)은 BN, Al2O3, Si3N4, SiC, 이들의 혼합물 등의 방열 필러를 더 포함할 수도 있다. 상기 방열 필러는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 제1 유연성 기판을 제조하는 과정에서 폴리머 원료와 함께 투입되어 폴리머 내에 함유될 수 있다. 제1 유연성 기판(110)은 0.1∼1 ㎜ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 유연성 기판(110)의 두께가 0.1㎜ 보나 얇거나 1㎜를 초과할 경우는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
제1 유연성 기판(110)에 제1 전극층(130)을 형성하기 위해 마스킹(Masking) 한다. 제1 전극층(130)이 형성될 영역은 개방하고 그 이외의 부분은 차폐하는 포토레지스트를 도포하여 마스킹 할 수 있다. 상기 마스킹은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 수행한다. 제1 전극층(130)은 동심원(136)을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다. 상기 동심원(136)은 중심부(A)을 기준으로 동일 반경으로 원 형태를 이루고 있을 수 있다.
마스킹된 제1 유연성 기판(110)에 E-beam 증착 장치를 이용하여 전극물질을 증착하고, 포토레지스트를 제거한다. 상기와 같은 과정을 통해 제1 전극층(130)이 형성되게 된다. 제1 전극층(130)은 Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd 등의 금속 또는 이들의 금속합금 재질로 이루어질 수 있다. 제1 전극층(130)의 두께는 0.01∼0.5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 제1 전극층(130)의 두께가 0.01㎜ 미만일 경우에는 전기 전도율이 불량할 수 있으며, 0.5㎜를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도 효율이 낮아질 수 있다. 제1 전극층(130)은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 형성한다.
제1 전극층(130)에 반도체 소자(140)를 접합시킨다. 반도체 소자(140)는 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 포함할 수 있다. P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 전기적으로 서로 연결되어 제벡 및 펠티어 효과를 구현하게 된다. 제1 전극층(130)은 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 전기적으로 연결한다. 반도체 소자(140)는 서로 직렬 연결되게 한다. 예컨대, 제1 전극층(130)은 서로 이웃한 한 쌍의 N형 반도체 소자(N)의 일단과 P형 반도체 소자(P)의 일단을 전기적으로 연결되게 한다.
P형 반도체 소자(P)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 네오비늄(Nb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In), 주석(Sn), 지르코늄(Zr), 알칼리금속(Alkali metal), 알칼리토금속(Alkali earth metal) 및 란타나이드금속(Lanthanide metal)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 물질 등을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
N형 반도체 소자(N)는 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In), 주석(Sn), 알칼리금속(Alkali metal), 알칼리토금속(Alkali earth metal) 및 란타나이드금속(Lanthanide metal)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 물질 등을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 서로 대향하게 배치하며, P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N) 한 쌍이 단위셀을 이룬다. P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)는 그 형상이나 크기가 동일할 수 있으나, 냉각 효율을 개선하기 위하여 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체 소자의 체적과 상이하게 형성할 수도 있다. 예컨대, N형 반도체 소자의 직경을 P형 반도체 소자의 직경보다 더 크게 형성함으로써 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있다.
제1 전극층(130)과 반도체 소자(140) 사이에는 제1 솔더(132)가 구비될 수 있다. 상기 제1 솔더(132)는 반도체 소자(140)와 제1 전극층(130)을 접합하는 역할을 한다. 상기 제1 솔더(132)는 은(Ag), PbSn, CuAgSn 등과 같이 솔더링에 사용되는 재질로 이루어질 수 있다.
제2 유연성 기판(120)을 준비한다. 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 유연성 기판(120)은 BN, Al2O3, Si3N4, SiC, 이들의 혼합물 등의 방열 필러를 더 포함할 수도 있다. 상기 방열 필러는 PI(poly imide), 실리콘(silicon) 등의 폴리머 재질로 제2 유연성 기판을 제조하는 과정에서 폴리머 원료와 함께 투입되어 폴리머 내에 함유될 수 있다. 제2 유연성 기판(120)은 0.1∼1 ㎜ 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제2 유연성 기판(120)의 두께가 0.1㎜ 보나 얇거나 1㎜를 초과할 경우는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
제2 유연성 기판(120)에 제2 전극층(150)을 형성하기 위해 마스킹(Masking) 한다. 제2 전극층(150)이 형성될 영역은 개방하고 그 이외의 부분은 차폐하는 포토레지스트를 도포하여 마스킹 할 수 있다. 상기 마스킹은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 수행한다. 제2 전극층(150)은 동심원(136)을 따라 서로 이격되게 구비될 수 있다. 상기 동심원(136)은 중심부(A)을 기준으로 동일 반경으로 원 형태를 이루고 있을 수 있다.
마스킹된 제2 유연성 기판(120)에 E-beam 증착 장치를 이용하여 전극물질을 증착하고, 포토레지스트를 제거한다. 상기와 같은 과정을 통해 제2 전극층(150)이 형성되게 된다. 제2 전극층(150)은 Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd 등의 금속 또는 이들의 금속합금 재질로 이루어질 수 있다. 제2 전극층(150)의 두께는 0.01∼0.5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 제2 전극층(150)의 두께가 0.01㎜ 미만일 경우에는 전기 전도율이 불량할 수 있으며, 0.5㎜를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도 효율이 낮아질 수 있다. 제2 전극층(150)은 중심부(A)를 기준으로 다수 개를 방사 형태로 열전소자(100)들을 배치하는 것을 고려하여 형성한다.
제2 전극층(150)에 제1 전극층(130) 위에 형성된 반도체 소자(140)를 접합시킨다. 제2 전극층(150)과 반도체 소자(140) 사이에는 제2 솔더(134)가 구비될 수 있다. 상기 제2 솔더(134)는 반도체 소자(140)와 제2 전극층(150)을 접합하는 역할을 한다. 상기 제2 솔더(134)는 은(Ag), PbSn, CuAgSn 등과 같이 솔더링에 사용되는 재질로 이루어질 수 있다.
제2 전극층(150)은 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 전기적으로 연결한다. 제1 전극층(130)은 서로 이웃한 한 쌍의 N형 반도체 소자(N)의 일단과 P형 반도체 소자(P)의 일단을 전기적으로 연결되게 하고, 제2 전극층(150)은 서로 이웃한 한 쌍의 N형 반도체 소자(N)의 타단과 P형 반도체 소자(P)의 타단을 전기적으로 연결되게 한다.
이렇게 제조된 유연성 열전모듈은 반도체 소자(140) 및 전극층(130, 150)의 열화를 방지하기 위해서 유기물 또는 무기물로 코팅 처리할 수도 있다. 상기 유기물로 유연성 기판(110, 120)과 동일한 폴리이미드(PI) 또는 실리콘계 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 코팅용 유기물에는 열전도도를 낮추기 위해 방열 필러가 적용되지 않는 것이 바람직하다. 상기 무기물은 실리카(Silica), Al2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 유연성 열전모듈에는 외부의 전원 또는 소자 등과 전기적으로 연결하기 위한 전극선(L1, L2)을 형성할 수도 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 열전소자
110: 제1 유연성 기판
120: 제2 유연성 기판
130: 제1 전극층
132: 제1 솔더
134: 제2 솔더
140: 반도체 소자
150: 제2 전극층

Claims (10)

  1. 중심부(A)를 기준으로 방사 형태로 열전소자들이 복수 개 배치되고,
    상기 열전소자(100)는 제1 유연성 기판(110), 제1 전극층(130), 반도체 소자(140), 제2 전극층(150) 및 제2 유연성 기판(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)의 사이에 구비된 상기 반도체 소자(140)는 P형 반도체 소자(P)와 N형 반도체 소자(N)를 포함하고,
    상기 P형 반도체 소자(P)와 상기 N형 반도체 소자(N)는 전기적으로 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리머 재질로 이루어진 기판인 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 유연성이 있는 폴리이미드(poly imide) 또는 실리콘(silicon) 계열의 폴리머 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 유연성 기판(110) 및 제2 유연성 기판(120)은 BN, Al2O3, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로 부터 선택된 1종 이상의 방열 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유연성 기판(110) 및 상기 제2 유연성 기판(120)은 0.1∼1 ㎜의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자(140) 및 상기 전극층(130, 150)의 열화를 방지하기 위해 유기물 또는 무기물로 코팅 처리된 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유기물은 유연성을 갖는 폴리이미드(PI) 또는 실리콘계열의 폴리머인 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  9. 제7항에 있어서, 상기 무기물은 실리카(Silica), Al2O3 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극층(130)은 동심원을 따라 서로 이격되게 구비되고,
    상기 제2 전극층(150)도 동심원을 따라 서로 이격되게 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 유연성 열전모듈.
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