KR102366388B1 - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 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 상에 배치되는 제2 기판, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극, 그리고 상기 복수의 전극 사이에 배치되는 더미 패드를 포함한다.
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, 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 등이 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전 소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함한다. 기판 상에는 복수의 전극이 인접하여 배치되며, 각 전극 상에는 P형 열전 레그와 N형 열전 레그가 배치된다.
한편, 고온 고습 환경 하에서 열전 소자 내에 전압이 인가되면, 하나의 전극이 인접하는 다른 전극으로 마이그레이션(migration)하는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우, 열전 소자를 구성하는 회로가 쇼트될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 성능 및 신뢰성이 우수한 열전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 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 상에 배치되는 제2 기판, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극, 그리고 상기 복수의 전극 사이에 배치되는 더미 패드를 포함한다.
상기 복수의 전극은, 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 더미 패드는 상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제1 전극 사이에 배치되거나, 상기 제2 기판 상에서 상기 복수의 제2 전극 사이에 배치될 수 있다.
상기 더미 패드는 상기 복수의 제1 전극 사이에서 상기 복수의 제1 전극과 이격되어 배치되거나, 상기 복수의 제2 전극 사이에서 상기 복수의 제2 전극과 이격되어 배치될 수 있다.
상기 더미 패드는 Cu를 포함할 수 있다.
상기 더미 패드는 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 더미 패드 상에는 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그가 배치되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 성능 및 신뢰성이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 고온 또는 고습 환경 하에서 전극의 마이그레이션(migration)이 발생하더라도, 열전 소자를 구성하는 회로의 쇼트가 방지되는 구조를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 전극과 열전 레그 간의 관계를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 5는 전극의 마이그레이션 현상을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자이다.
도 3은 전극과 열전 레그 간의 관계를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 5는 전극의 마이그레이션 현상을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자이다.
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 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.
예를 들어, 리드선을 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(Ti)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. 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.
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.
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.
도 3은 전극과 열전 레그 간의 관계를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 하부 전극(120-1) 상에는 N형 열전 레그(140-1) 및 P형 열전 레그(130-1)가 배치된다. 그리고, 상부 전극(150-1) 아래에는 P형 열전 레그(130-1) 및 N형 열전 레그(140-2)가 배치된다. 그리고, 하부 전극(120-2) 상에는 N형 열전 레그(140-2) 및 P형 열전 레그(130-2)가 배치된다. 그리고, 상부 전극(150-2) 아래에는 P형 열전 레그(130-2) 및 N형 열전 레그(140-3)가 배치된다. 이와 같은 방법으로, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 통하여 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
한편, 도 4 내지 5에서 도시한 바와 같이, 고온 또는 고습 환경 하에서 열전 소자 내에 전압이 인가되는 경우, 전극의 마이그레이션(migration) 현상이 발생할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(120-2)이 인접하여 배치되는 하부 전극(120-5)를 향하여 성장하는 경우, 하부 전극(120-2)과 하부 전극(120-5)의 접촉으로 인하여 열전 소자(100)의 회로가 쇼트될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 사이에 더미 패드를 배치하여 전극의 마이그레이션으로 인한 쇼트를 방지하고자 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자이다. 설명의 편의를 위하여, 하부 기판, 하부 전극 및 열전 레그만을 도시하여 설명하고 있으나, 동일한 구조가 상부 기판 및 상부 전극에도 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 하부 기판(110) 상에는 복수의 하부 전극(120)이 배치되며, 각 하부 전극(120) 상에는 P형 열전 레그와 N형 열전 레그가 배치된다. 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그는 복수의 하부 전극(120) 및 복수의 상부 전극을 통하여 직렬 연결되며, 이를 통하여 전류가 흐를 수 있다.
그리고, 하부 기판(110) 상에서 복수의 하부 전극(120) 사이에 더미 패드(170)가 배치된다. 그리고, 더미 패드(170) 상에는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되지 않는다. 이에 따라, 열전 소자 내에 전압이 인가되더라도, 더미 패드(170)를 통해서는 전류가 흐르지 않는다.
이와 같이, 고온 또는 고습 환경 하에서 열전 소자 내에 전압이 인가되어 하부 전극(120-2)의 마이그레이션이 발생하더라도, 인접하는 하부 전극(120-5)과 접촉하지 않으므로, 열전 소자(100)의 회로의 쇼트를 방지할 수 있다.
이때, 더미 패드(170)는 하부 전극(120)과 동일한 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(120)이 구리(Cu)로 이루어지는 경우, 더미 패드(170)도 Cu로 이루어질 수 있다.
또는, 하부 전극(120)이 Cu로 이루어지는 경우, 더미 패드(170)는 Cu뿐만 아니라 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt)는 Cu와의 응집력이 우수한 소재이다. 따라서, 고온 또는 고습 환경 하에서 열전 소자 내에 전압이 인가되는 경우, 하부 전극(120)은 더미 패드(170) 방향으로 성장하게 된다. 이와 같이, 더미 패드(170)는 하나의 하부 전극(120-2)이 인접하는 하부 전극(120-5)으로 성장하는 경로를 차단하므로, 열전 소자(100) 내 회로의 쇼트를 방지할 수 있다.
이때, 더미 패드(170)는 복수의 하부 전극(120) 사이에서 복수의 하부 전극(120)과 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 더미 패드(170)의 폭이 100인 경우, 더미 패드(170)와 하부 전극(120) 간의 이격 거리는 1 내지 10일 수 있다. 더미 패드(170)와 하부 전극(120) 간의 이격 거리가 상기 범위 이내인 경우, 하부 전극(120)의 마이그레이션 시 더미 패드(170)로 성장하며, 인접 하부 전극(120)을 향하여 성장하는 경로를 차단하기 용이하다.
한편, 도 6에서는 더미 패드(170)와 양 하부 전극(120-2, 120-5) 간의 간격이 동일한 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7에서 도시한 바와 같이, 하나의 열의 하부 전극(120-1, 120-2, 120-3)과 더미 패드(170) 간의 간격은 인접하는 다른 열의 하부 전극(120-4, 120-5, 120-6)과 더미 패드(170) 간의 간격보다 좁게 형성될 수 있다. 이에 따라, 양쪽의 하부 전극(120-2, 120-5)이 동시에 동일한 더미 패드(170)에 접촉할 가능성을 낮출 수 있다.
한편, 도 6 내지 7에서는 전극의 길이와 더미 패드의 길이가 동일한 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더미 패드의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
도 8 내지 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸다.
도 8 내지 10을 참조하면, 하부 기판(110) 상에는 복수의 하부 전극(120)이 배치되며, 각 하부 전극(120) 상에는 P형 열전 레그와 N형 열전 레그가 배치된다. 복수의 P형 열전 레그와 복수의 N형 열전 레그는 복수의 하부 전극(120) 및 복수의 상부 전극을 통하여 직렬 연결되며, 이를 통하여 전류가 흐를 수 있다.
그리고, 하부 기판(110) 상에서 복수의 하부 전극(120) 사이에 더미 패드(170)가 배치된다. 그리고, 더미 패드(170) 상에는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되지 않는다. 이에 따라, 열전 소자 내에 전압이 인가되더라도, 더미 패드(170)를 통해서는 전류가 흐르지 않는다.
도 8에서 예시하는 바와 같이, 더미 패드(170)는 복수의 하부 전극(120-1, 120-2, 120-3)이 이루는 열에 대응하도록 배치될 수 있다. 이에 따르면, 더미 패드(170)를 형성하기 위한 공정이 간단하므로, 제조 비용이 저렴한 장점이 있다.
또는, 도 9에서 예시하는 바와 같이, 더미 패드(170)는 하나의 하부 전극(120-1)보다 작은 크기로 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 양쪽의 하부 전극이 하나의 더미 패드에 동시에 접촉할 가능성이 낮아질 수 있다.
또는, 도 10에서 예시하는 바와 같이, 도 8 및 도 9의 더미 패드 구조가 혼합되어 배치될 수도 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.
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
170: 더미 패드
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
170: 더미 패드
Claims (6)
- 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 상에 배치되는 제2 기판,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극, 그리고
상기 복수의 전극 사이에 배치되는 더미 패드를 포함하고,
상기 복수의 전극은,
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 포함하고,
상기 더미 패드는 상기 제1 기판 상에서 상기 복수의 제1 전극 중 제1 열 전극 및 제2 열 전극 사이에 배치되고,
상기 제1 열 전극과 상기 더미 패드 간 간격 및 상기 제2 열 전극과 상기 더미 패드 간 간격은 각각 상기 더미 패드의 폭의 1 내지 10%이고,
상기 제1 열 전극과 상기 더미 패드 간 간격은 상기 제2 열 전극과 상기 더미 패드 간 간격과 상이한 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 더미 패드는 상기 제2 기판 상에서 상기 복수의 제2 전극 사이에 더 배치되는 열전 소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 더미 패드는 Cu를 포함하는 열전 소자. - 제4항에 있어서,
상기 더미 패드는 은(Ag), 금(Au) 및 백금(Pt) 중 적어도 하나를 더 포함하는 열전 소자. - 제4항에 있어서,
상기 더미 패드 상에는 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그가 배치되지 않는 열전 소자.
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