KR102358897B1 - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극의 적어도 하나 및 상기 복수의 제2 전극의 적어도 하나 중 적어도 하나는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 하나만이 배치된 절단 전극이고, 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각에는 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극의 두께보다 두껍게 형성된다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
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.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 열전 소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부 기판 및 하부 기판 사이에 복수의 상부 전극 및 복수의 하부 전극이 배치된다.
열전 소자는 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있으며, 적용되는 애플리케이션에 따라 요구되는 크기 및 디자인이 상이할 수 있다. 특히, 열전 소자가 발전용 장치에 적용되는 경우, 열원의 크기 및 형상을 반영하여 열전 소자가 제작될 필요가 있다. 그러나, 열원의 크기 및 형상에 따라 열전 소자의 크기를 제작하는 것은 공정 상 어려움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 애플리케이션에 적용 가능한 열전 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극의 적어도 하나 및 상기 복수의 제2 전극의 적어도 하나 중 적어도 하나는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 하나만이 배치된 절단 전극이고, 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각에는 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그는 m개의 행 및 n개의 열로 교대로 배치되며, 상기 절단 전극에는 m개의 행 및 n개의 열에 있는 4개의 모서리 중 하나에 배치된 P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그가 배치될 수 있다.
제1 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격은 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격보다 넓고, 상기 제1 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격보다 넓을 수 있다.
상기 제1 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격의 1.2 내지 2배이고, 상기 제1 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격의 1.2 내지 2배일 수 있다.
상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 두께보다 2 내지 30배 두꺼울 수 있다.
상기 절단 전극은 제1 절단 전극 및 상기 제1 절단 전극과 동일한 열 또는 동일한 행 상의 제2 절단 전극을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 크고, 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 클 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 중 적어도 하나의 두께는 1 내지 3mm일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 위치에 대응되는 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판에 관통홀이 형성되며, 전원 공급을 위한 와이어거 상기 관통홀을 관통하여 상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극에 연결될 수 있다.
상기 홈과 상기 와이어는 함께 솔더링될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적용되는 애플리케이션에 따라 다양한 형상 및 크기를 가지는 열전 소자를 얻을 수 있다. 예를 들어, 열전 소자가 발전용 장치에 적용되는 경우, 열원의 형상 및 크기에 열전 소자를 일치시킬 수 있으므로, 발전 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3및 도 4는 본 발명의 한 실시에에 따른 열전 소자를 제작하는 방법을 설명하기 위한 사시도 및 상면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이다.
도 6은 도 5의 열전 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이다.
도 8은 도 7의 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 단자부 연결을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 병렬연결한 상면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3및 도 4는 본 발명의 한 실시에에 따른 열전 소자를 제작하는 방법을 설명하기 위한 사시도 및 상면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이다.
도 6은 도 5의 열전 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이다.
도 8은 도 7의 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 단자부 연결을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 병렬연결한 상면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 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 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 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.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 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 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 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) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 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 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 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.
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.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 한 실시에에 따른 열전 소자를 제작하는 방법을 설명하기 위한 사시도 및 상면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 기판(1110), 하부 전극(1120), P형 열전 레그(1130), N형 열전 레그(1140), 상부 전극(1150) 및 상부 기판(1160)을 포함하는 열전 어레이(1100)를 제작한 후, 이를 소정의 형상 또는 사이즈로 절단한다.
열전 어레이(1000)는 하부 기판(1110) 및 상부 기판(1160) 상에 각각 하부 전극(1120) 및 상부 전극(1150)을 배치하고, 하부 전극(1120) 상에 P형 열전 레그(1130) 및 N형 열전 레그(1140)을 배치한 후, P형 열전 레그(1130) 및 N형 열전 레그(1140) 상에 미리 마련된 상부 기판(1160)과 상부 전극(1150)을 배치하여 가압하는 방법으로 제작될 수 있다. 또는, 열전 어레이(1100)는 하부 기판(1110) 상에 하부 전극(1120)을 배치하고, 하부 전극(1120) 상에 P형 열전 레그(1130) 및 N형 열전 레그(1140)을 배치하며, P형 열전 레그(1130) 및 N형 열전 레그(1140) 상에 상부 전극(1150)을 배치하고, 상부 전극(1150) 상에 상부 기판(1160)을 배치한 후 가압하는 방법으로 제작될 수도 있다. 이와 같이, 열전 어레이(1100)는 다양한 방법으로 제작될 수 있으며, 교대로 배치된 복수의 P형 열전 레그(1130) 및 복수의 N형 열전 레그(1140)가 복수의 하부 전극(1120) 및 복수의 상부 전극(1150)을 통하여 직렬로 연결되면 된다.
그리고, 미리 제작된 열전 어레이(1100)는 레이저 가공에 의하여 절단되거나, 블레이드에 의하여 절단될 수 있다. 이때, 열전 어레이(1100)의 하부 기판(1110) 및 상부 기판(1160)은 동시에 절단될 수 있으며, 이에 따라 하부 기판(1110)에 배치된 하부 전극(1120) 또는 상부 기판(1160)에 배치된 상부 전극(1150)도 함께 절단될 수 있다.
이와 같이, 미리 제작된 열전 어레이(1100)를 절단하면, 사이즈 또는 형상 측면에서 커스터마이징된 열전소자를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이고, 도 6은 도 5의 열전 소자의 단면도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제작된 열전 소자의 상면도이고, 도 8은 도 7의 열전 소자의 단면도이다. 설명의 편의를 위하여 도 5 및 도 7에서는 상부 기판(160)이 생략된 채로 도시되어 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자(100)는 도 3 및 도 4에서 도시한 열전 어레이(1100)를 원하는 형상 및 크기로 절단하여 제작된 열전 소자(100)이다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 열전 소자(100)는 도 3 및 도 4의 A 영역을 절단하는 방법으로 제작된 열전 소자이고, 도 7 및 도 8에 도시된 열전 소자(100)는 도 3 및 도 4의 B 영역을 절단하는 방법으로 제작된 열전 소자이다.
열전 소자(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. 도 1 내지 2에서 설명한 바와 같이, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 기판(110) 상에 배치되며, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 상에는 상부 기판(160)이 배치된다. 그리고, 하부 기판(110)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 사이에는 복수의 하부 전극(120)이 배치되고, 상부 기판(160)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140) 사이에는 복수의 상부 전극(150)이 배치된다.
이때, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 하부 전극(120)의 적어도 하나 및 복수의 상부 전극(150)의 적어도 하나 중 적어도 하나는 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 중 하나만이 배치된 절단 전극(200)이며, 절단 전극(200)을 제외한 나머지 복수의 하부 전극(120) 및 복수의 상부 전극(150) 각각에는 한 쌍의 P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)가 배치될 수 있다. 절단 전극(200)은 열전 어레이(1100)를 소정의 형상 또는 사이즈로 절단하여 열전 소자를 제작하는 과정에서 하부 기판(1110) 및 상부 기판(1160)과 함께 절단된 전극을 의미한다. 이때, 상면에서 봤을 때, 절단 전극(200)의 면적은 절단 전극(200)이 아닌 나머지 전극의 면적의 30 내지 70%, 바람직하게는 40 내지 60%, 더욱 바람직하게는 45 내지 55%일 수 있다. 절단 전극(200)의 면적이 이러한 수치 범위를 만족시키는 경우, 열전 어레이(1100)로부터 절단되어 제작된 열전 소자(100)의 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)은 열전 소자(100) 내에서 끊어지거나 쇼트되는 일 없이 안정적으로 직렬 연결될 수 있다.
복수의 P형 열전 레그(130)와 복수의 N형 열전 레그(140)는 m개의 행 및 n개의 열로 교대로 배치되며, 절단 전극(200)은 4개의 모서리 중 적어도 하나에 배치되고, 절단 전극(200)에는 m개의 행 및 n개의 열에 있는 4개의 모서리 중 하나에 배치된 P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그가 배치될 수 있다. 여기서, m, n은 각각 독립적인 1 이상의 정수일 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 절단 전극(200)은 오른쪽 상부 모서리에 배치된 제1 절단 전극(202) 및 제1 절단 전극(202)과 대각선 방향, 즉 왼쪽 하부 모서리에 배치된 제2 절단 전극(204)을 포함하고, 제1 절단 전극(202)에는 오른쪽 상부 모서리에 배치된 P형 열전 레그(130)가 배치되며, 제2 절단 전극(204)에는 왼쪽 하부 모서리에 배치된 N형 열전 레그(140)가 배치될 수 있다. 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 절단 전극(200)은 오른쪽 상부 모서리에 배치된 제1 절단 전극(202) 및 제1 절단 전극(202)과 동일한 열 또는 동일한 행에서 반대 편, 즉 왼쪽 상부 모서리에 배치된 제2 절단 전극(204)을 포함하고, 제1 절단 전극(202)에는 오른쪽 상부 모서리에 배치된 P형 열전 레그(130)가 배치되며, 제2 절단 전극(204)에는 왼쪽 상부 모서리에 배치된 N형 열전 레그(140)가 배치될 수 있다. 여기서, 절단 전극(200)이 모두 상부 전극(150)인 경우만을 예로 들고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 절단 전극(200) 중 하나는 상부 전극(150)이고 나머지 하나는 하부 전극(120)이거나, 모두 하부 전극(120)일 수도 있다.
이때, 제1 방향에서 복수의 하부 전극(120) 간 간격(d1)은 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 복수의 하부 전극(120) 간 간격(d2)보다 넓고, 제1 방향에서 복수의 상부 전극(150) 간 간격(d1)은 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 복수의 상부 전극(150) 간 간격(d2)보다 넓으며, 절단 전극(200)의 절단면(C)은 제2 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향에서 복수의 하부 전극(120) 간 간격(d1)은 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 복수의 하부 전극(120) 간 간격(d2)의 1.2 내지 2배, 바람직하게는 1.3 내지 1.8배, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 1.6배일 수 있고, 제1 방향에서 복수의 상부 전극(150) 간 간격(d1)은 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 복수의 상부 전극(150) 간 간격(d2)의 1.2 내지 2배, 바람직하게는 1.3 내지 1.8배, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 1.6배일 수 있다. 이와 같이, 제1 방향에서의 전극 간 간격이 제2 방향에서의 전극 간 간격보다 넓을 경우, 제2 방향으로 절단하기가 용이하며, 열전 어레이(1100)의 절단 시 열전 레그에 손상이 가해지는 문제를 방지할 수 있다.
도 5에 도시한 열전 소자의 X1에 대한 단면도인 도 6(a) 및 도 5에 도시한 열전 소자의 X2에 대한 단면도인 도 6(b)를 참조하면, 절단 전극(200) 및 절단 전극(200)이 배치된 상부 기판(150)은 일치된 절단면(C)을 가진다. 뿐만 아니라, 하부 기판(110) 및 상부 기판(150)도 일치된 절단면(C)을 가진다.
도 7에 도시한 열전 소자의 X3에 대한 단면도인 도 8을 참조하면, 절단 전극(200) 및 절단 전극(200)이 배치된 상부 기판(150)은 일치된 절단면(C)을 가진다. 뿐만 아니라, 하부 기판(110) 및 상부 기판(150)도 일치된 절단면(C)을 가진다.
도시되지 않았지만, 절단 전극(200) 및 절단 전극(200)이 배치된 상부 기판(150)의 절단면(C)은 표면의 거칠기 형성 방향이 동일할 수 있으며, 절단되지 않은 타면보다 거칠기가 클 수 있다. 또한, 절단 전극(200)의 절단면(C)은 절단 되지 않은 타면에 비해 단면적이 커질 수 있다. 이는 절단 시 밀림 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 이와 마찬가지로,하부 기판(110) 및 상부 기판(150)의 절단면(C)은 절단되지 않은 타면보다 거칠기가 클 수 있으며, 절단 되지 않은 타면에 비해 단면적이 커질 수 있다.
이는 하나의 기판에 열전 레그를 배치한 후, 나머지 기판을 접합하는 방식으로 제작된 열전소자가 아니라, 미리 제작된 열전 어레이를 절단하는 방식으로 제작된 열전소자이기 때문이다. 이에 따르면, 하부 기판(110)과 상부 기판(150)이 정확하게 일치된 측면을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 리플로우 공정 시 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 비틀어지는 문제도 방지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 단자부 연결을 설명하기 위한 단면도이다. 설명의 편의를 위하여 도 5의 Y1에 대한 단면도를 예로 들어 설명한다.
도 9를 참조하면, 복수의 상부 전극(150) 중 일부의 두께(T1)는 나머지 일부의 두께(T2)보다 클 수 있고, 이와 마찬가지로 도시되지 않았지만, 복수의 하부 전극(120) 중 일부의 두께(T1)는 나머지 일부의 두께(T2)보다 클 수 있다. 예를 들어, 복수의 하부 전극(120) 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 크고, 복수의 상부 전극(150) 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 클 수 있다. 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극은 절단 전극(200)과 동일한 열 또는 동일한 행에 배치된 전극일 수 있으며, 절단 전극(200)일 수도 있다.
예를 들어, 복수의 하부 전극(120) 중 일부의 두께(T1)는 1 내지 3mm, 바람직하게는 1.5 내지 2.5mm일 수 있으며, 나머지 일부의 두께(T2)는 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm일 수 있다. 그리고, 복수의 상부 전극(150) 중 일부의 두께(T1)는 1 내지 3mm, 바람직하게는 1.5 내지 2.5mm일 수 있으며, 나머지 일부의 두께(T2)는 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm일 수 있다.
또한, 복수의 하부 전극(120) 중 일부의 두께(T1)는 나머지 일부의 두께(T2)보다 2 내지 30배 클 수 있으며, 바람직하게는 5내지 12.5배 클 수 있다. 그리고 복수의 상부 전극(150) 중 일부의 두께(T1)는 나머지 일부의 두께(T2)보다 2 내지 30배 클 수 있으며, 바람직하게는 5내지 12.5배 클 수 있다.
그리고, 두꺼운 하부 전극(120) 및 두꺼운 상부 전극(150)의 적어도 일부의 측면에는 홈(G)이 형성되며, 전원 공급을 위한 와이어(181, 182)가 홈(G) 내에 연결될 수 있다. 이때, 와이어(181, 182)는 솔더링을 통하여 홈(G) 내에 고정될 수 있다.
그리고 도시되지 않았지만, 두꺼운 하부 전극(120) 및 두꺼운 상부 전극(150)은 가장 인접한 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)에 관통홀이 형성되어 전원 공급을 위한 와이어(181, 182)가 관통홀을 관통하여 두꺼운 하부 전극(120) 및 두꺼운 상부 전극(150)과 연결될 수 있다. 또한, 관통홀과 대응되는 위치에서 두꺼운 하부 전극(120) 및 두꺼운 상부 전극(150)에 홈(G)이 형성될 수 있으며, 전원 공급을 위한 와이어(181,182)가 관통홀을 관통하여 홈(G) 내에 연결될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 병렬연결한 상면도이다. 설명의 편의를 위하여 도 7에서 설명한 중복된 내용은 생략하기로 한다.
도 10 을 참조하면, 동일한 발전 전력을 위한 발전 소자로 사용할 경우 병렬 연결을 하게 되면 직렬 연결 대비 높은 전류 값을 얻을 수 있다. 또한, 병렬 연결 시 소자사이에 간격이 존재하여 보다 많은 면적에서 열을 흡수 할 수 있다.
또한, 설명의 편의를 위해서 절단 전극의 위치를 가장 가깝게 배치하는 것을 도시하였지만, 절단 전극의 위치를 가장 멀리 배치하여도 와이어(181, 812)의 길이을 가변시켜 원하는 크기 및 형상으로 자류롭게 배치할 수 있다.
이와 같이, 미리 제작된 열전 어레이(1000) 내 어느 부분을 절단하더라도 와이어(181, 182)의 연결이 가능하므로, 원하는 크기 및 형상으로 자유롭게 커스터마이징하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (13)
- 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판,
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
상기 복수의 제1 전극의 적어도 하나 및 상기 복수의 제2 전극의 적어도 하나 중 적어도 하나는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 하나만이 배치된 절단 전극이고,
상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각에는 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며,
상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극의 두께보다 두껍고,
상기 절단 전극의 면적은 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각의 면적의 30 내지 70%이고,
상기 절단 전극과 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 일치된 절단면을 갖는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그는 m개의 행 및 n개의 열로 교대로 배치되며,
상기 절단 전극에는 m개의 행 및 n개의 열에 있는 4개의 모서리 중 하나에 배치된 P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그가 배치되는 열전소자. - 제2항에 있어서,
제1 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격은 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격보다 넓고,
상기 제1 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격보다 넓은 열전소자. - 제3항에 있어서,
상기 제1 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제1 전극 간 간격의 1.2 내지 2배이고,
상기 제1 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격은 상기 제2 방향에서 상기 복수의 제2 전극 간 간격의 1.2 내지 2배인 열전소자. - 제3항에 있어서,
상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제 1 전극 및 복수의 제 2 전극의 두께보다 2 내지 30배 두꺼운 열전소자. - 제3항에 있어서,
상기 절단 전극은 제1 절단 전극 및 상기 제1 절단 전극과 동일한 열 또는 동일한 행 상의 제2 절단 전극을 포함하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 크고,
상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 두께는 나머지 전극의 두께보다 큰 열전소자. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 중 적어도 하나의 두께는 1 내지 3mm인 열전소자. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 중 적어도 하나의 측면에는 홈이 형성되며, 전원 공급을 위한 와이어가 상기 홈 내에 연결되는 열전소자. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극의 위치에 대응되는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판에 관통홀이 형성되며, 전원 공급을 위한 와이어거 상기 관통홀을 관통하여 상기 복수의 제1 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 가장자리 열 또는 가장자리 행에 배치된 전극에 연결되는 열전소자. - 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판,
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
상기 복수의 제1 전극의 적어도 하나 및 상기 복수의 제2 전극의 적어도 하나 중 적어도 하나는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 하나만이 배치된 절단 전극이고,
상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각에는 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며,
상기 절단 전극과 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판은 일치된 절단면을 갖고,
상기 절단 전극 상에 배치된 상기 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 중 하나의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극 각각에 배치된 상기 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 두께보다 얇은 열전소자. - 제11항에 있어서,
상기 절단 전극의 두께는 상기 절단 전극을 제외한 나머지 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극의 두께보다 두꺼운 열전소자. - 제11항에 있어서,
상기 절단 전극의 측면에는 홈이 형성되며, 전원 공급을 위한 와이어가 상기 홈 내에 연결되는 열전소자.
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