[0001]【技术领域】
[0002][0001]본 발명은 열전소자에 관한 것이다.
[0003]【背景技术】
[0004][0002]열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
[0005][0003]열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
[0006][0004]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.
[0007][0005]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.
[0008][0006]열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 상부전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
[0009][0007]이를 위하여, 기판 상에 어레이 형태의 복수의 전극을 배치한 후, 복수의 전극 상에 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 정렬하여 배치하여야 한다. 이때, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 정교하게 정렬하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 정렬된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 복수의 전극 상에 배치하여 솔더링하는 과정에서 뒤틀림이 발생할 수 있다.
[0010][0008]본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자를 제공하는 것이다.
[0011][0009]본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 금속층, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 상기 복수의 금속층 중 일부와 상기 제1 기판 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 복수의 금속층 중 나머지 일부와 상기 제2 기판 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 P형 열전 레그 중 하나인 제1 P형 열전 레그의 한 면은 상기 복수의 금속층 중 하나인 제1 금속층의 한 면과 접촉하고, 상기 복수의 N형 열전 레그 중 하나인 제1 N형 열전 레그의 한 면은 상기 제1 금속층의 다른 면과 접촉하며, 상기 제1 N형 열전 레그의 다른 면은 상기 복수의 금속층 중 다른 하나인 제2 금속층의 한 면과 접촉하고, 상기 복수의 P형 열전 레그 중 다른 하나인 제2 P형 열전 레그의 한 면은 상기 제2 금속층의 다른 면과 접촉하며, 상기 제2 P형 열전 레그의 다른 면은 상기 복수의 금속층 중 또 다른 하나인 제3 금속층의 한 면과 접촉하고, 상기 복수의 N형 열전 레그 중 다른 하나인 제2 N형 열전 레그의 한 면은 상기 제3 금속층의 다른 면과 접촉하며, 상기 제1 금속층은 상기 복수의 제1 전극 중 하나와 접촉하고, 상기 제2 금속층은 상기 복수의 제2 전극 중 하나와 접촉하며, 상기 제3 금속층은 상기 복수의 제1 전극 중 다른 하나와 접촉한다.
[0012][0010]상기 복수의 제1 전극 중 하나가 상기 제1 금속층과 접촉하는 면적 및 상기 제1 기판과 접촉하는 면적은 서로 동일할 수 있다.
[0013][0011]상기 복수의 제1 전극 중 하나가 상기 제1 금속층과 접촉하는 면적 및 상기 제1 기판과 접촉하는 면적은 서로 상이할 수 있다.
[0014][0012]상기 복수의 제1 전극 중 하나가 상기 제1 기판과 접촉하는 면적은 상기 복수의 제1 전극 중 하나가 상기 제1 금속층과 접촉하는 면적보다 넓을 수 있다.
[0015][0013]상기 복수의 제1 전극 중 하나의 일부 및 상기 복수의 제2 전극 중 다른 하나의 일부는 상기 제1 기판 내에 매립되고, 상기 복수의 제2 전극 중 하나의 일부는 상기 제2 기판 내에 매립될 수 있다.
[0016][0014]상기 제1 금속층, 상기 제2 금속층 및 상기 제3 금속층의 폭은 각각 100 내지 500㎛이고, 상기 복수의 제1 전극 중 하나, 상기 복수의 제2 전극 중 하나 및 상기 복수의 제1 전극 중 다른 하나의 폭은 각각 상기 제1 금속층, 상기 제2 금속층 및 상기 제3 금속층의 폭의 1 내지 10배일 수 있다.
[0017][0015]상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그는 Bi 및 Te를 포함하고, 상기 제1 금속층, 상기 제2 금속층 및 상기 제3 금속층은 각각 전극층, 상기 전극층의 양면에 각각 배치된 제1 도금층 및 제2 도금층, 그리고 상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층에 배치되며, Te를 포함하는 제1 접합층 및 제2 접합층을 포함하고, 상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 하나는 P형 열전 레그와 직접 접촉하고, 다른 하나는 N형 열전 레그와 직접 접촉할 수 있다.
[0018][0016]상기 전극층은 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층은 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하며, 상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층은 상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층에 포함된 금속 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
[0019][0017]본 발명의 실시예에 따르면, 열전도도가 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 제조 공정이 단순하면서도 높은 밀도로 열전레그를 배치하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 평판형(planar type)으로 제작될 수도 있다.
[0020]【附图说明】
[0021][0018]도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 4는 도 3의 열전소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3의 열전소자의 일부의 확대도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 7은 도 6의 열전소자의 일부의 확대도이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
[0022][0019]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.
[0023][0020]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.
[0024][0021]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.
[0025][0022]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.
[0026][0023]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.
[0027][0024]이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
[0028][0025]도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
[0029][0026]도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
[0030][0027]하부전극(120)은 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 상부전극(150)은 상부기판(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 하부전극(120) 및 상부전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부전극(120)과 상부전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
[0031][0028]예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부전극(120) 및 상부전극(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.
[0032][0029]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.
[0033][0030]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.
[0034][0031]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.
[0035][0032]본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[0036][0033]
[0037][0034]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.
[0038][0035]열전소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
[0039][0036]여기서, 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부전극(120), 그리고 상부기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0040][0037]그리고, 하부기판(110)과 상부기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부기판(110)과 상부기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
[0041][0038]또한, 하부기판(110)과 상부기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전소자의 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.
[0042][0039]이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
[0043][0040]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.
[0044][0041]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.
[0045][0042]다만, 도 1 내지 2와 같은 구조의 열전소자를 얻기 위해서는, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 교대로 정렬하여 배치하여야 한다. 이때, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 정교하게 정렬하는 것이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 정렬된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 복수의 전극 상에 배치하여 솔더링하는 과정에서 뒤틀림이 발생할 수 있다.
[0046][0043]또한, 도 1 내지 2와 같은 구조의 열전소자에서는 P형 열전 레그와 N형 열전 레그 사이가 이격되어 있다. 열전소자 내에서 이격된 공간이 차지하는 비율이 높을수록 열전소자의 단위면적 당 열전 효율은 낮아지게 될 수 있다.
[0047][0044]본 발명의 실시예에 따르면, 제작 공정이 단순하면서도 단위 면적 당 열전 레그가 차지하는 비율을 최대화한 열전 소자를 제공하고자 한다.
[0048][0045] 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 4는 도 3의 열전소자의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3의 열전소자의 일부의 확대도이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 7은 도 6의 열전소자의 일부의 확대도이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
[0049][0046]도 3을 참조하면, 열전소자(300)는 제1 기판(310), 제1 기판(310) 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그(320) 및 복수의 N형 열전 레그(330), 복수의 P형 열전 레그(320) 및 복수의 N형 열전 레그(330) 사이에 배치되는 복수의 금속층(340), 복수의 P형 열전 레그(320) 및 복수의 N형 열전 레그(330) 상에 배치되는 제2 기판(350), 복수의 복수의 금속층(340) 중 일부와 제1 기판(310) 사이에 배치되는 복수의 제1 전극(360), 그리고 복수의 금속층(340) 중 나머지 일부와 제2 기판(350) 사이에 배치되는 복수의 제2 전극(370)을 포함한다.
[0050][0047]이때, 제1 기판(310) 및 제2 기판(350)은 산화알루미늄 기판일 수 있다. 또는, 제1 기판(310) 및 제2 기판(350)은 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도 기판일 수도 있다. 열전도 기판의 두께는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 수 있다.
[0051][0048]이를 위하여, 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. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
[0052][0049]무기충전재는 산화알루미늄 및 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 무기충전재는 질화알루미늄을 더 포함할 수도 있다
