KR102332357B1 - Thermoelectric moudule and device using the same - Google Patents
Thermoelectric moudule and device using the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102332357B1 KR102332357B1 KR1020200092017A KR20200092017A KR102332357B1 KR 102332357 B1 KR102332357 B1 KR 102332357B1 KR 1020200092017 A KR1020200092017 A KR 1020200092017A KR 20200092017 A KR20200092017 A KR 20200092017A KR 102332357 B1 KR102332357 B1 KR 102332357B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- semiconductor device
- substrate
- insulating layer
- metal substrate
- disposed
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 112
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 17
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 10
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910017767 Cu—Al Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 18
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910016339 Bi—Sb—Te Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018110 Se—Te Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003748 selenium group Chemical group *[Se]* 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H01L35/32—
-
- H01L35/02—
-
- H01L35/16—
-
- H01L35/18—
-
- H01L35/30—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
본 발명이 실시예들은 냉각용으로 사용되는 열전소자 및 열전모듈에 관한 것으로, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하여 방열효율을 높일 수 있도록 하여 열전모듈의 박형화를 구현할 수 있도록 한다.Embodiments of the present invention relate to a thermoelectric element and a thermoelectric module used for cooling, and by forming different areas of the first substrate and the second substrate to increase heat dissipation efficiency, the thermoelectric module can be thinned. .
Description
본 발명의 실시예들은 열전모듈에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a thermoelectric module.
열전소자를 제조하는 방식에서는 잉곳(Ingot) 형태의 소재를 열처리하고, 분말로 분쇄(Ball Mill)한 후, 미세 사이즈로 시빙(sieving)한 후, 다시 소결 공정을 거친후 필요한 열전소자의 크기로 절단(cutting)하는 공정을 거쳐서 제조된다. 이러한 벌크형 열전소자를 제조하는 공정에서는 분말의 소결후 커팅시 많은 부분의 재료 손실이 발생하게 되며, 양산화하는 경우 벌크형 소재의 크기 측면에서 균일성이 떨어지게 되며, 이러한 열전소자의 두께를 박형화하기 어려워, 박형화(slim)요구되는 제품에 적용이 어려운 문제가 있었다.In the method of manufacturing a thermoelectric element, the material in the form of an ingot is heat-treated, crushed into a powder (Ball Mill), sieved to a fine size, and then again sintered to the size of the required thermoelectric element. It is manufactured through a cutting process. In the process of manufacturing such a bulk type thermoelectric element, a large portion of material loss occurs during cutting after sintering of the powder. There was a problem in that it was difficult to apply to products requiring slimming.
특히, 이러한 기존의 열전소자를 활용한 열전모듈의 경우, 하부에 히트싱크(Heat sink)와 팬(Fan) 등의 장비가 장착되어야 하는바, 크기와 두께가 급격히 증가하게 되며, 이로 인해 실제 제품에 적용하기 위해서는 공간적 제약을 받게 되는 문제도 발생하게 된다.In particular, in the case of a thermoelectric module using such an existing thermoelectric element, equipment such as a heat sink and a fan must be installed at the bottom, and the size and thickness of the thermoelectric module increase rapidly. In order to apply it, there is also the problem of being subject to spatial restrictions.
본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하여 방열효율을 높일 수 있도록 하여 열전모듈의 박형화를 구현할 수 있도록 하며, 특히, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하는 경우 방열측의 기판의 면적을 크게 형성하여 열전달율을 높임으로써, 히트싱크를 제거하여 냉각 디바이스의 소형화, 박형화를 구현할 수 있는 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.Embodiments of the present invention are intended to solve the above-described problem, and by forming different areas of the first substrate and the second substrate to increase heat dissipation efficiency, the thermoelectric module can be thinned, and in particular, the first When the area of the substrate and the second substrate are formed differently, the area of the substrate on the heat dissipation side is increased to increase the heat transfer rate, thereby removing the heat sink to provide a thermoelectric module that can reduce the size and thickness of the cooling device. do.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 유전층; 상기 제1 유전층 상에 배치된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되고, 전기적으로 연결되는 P형 반도체소자와 N형 반도체소자를 포함하는 적어도 하나의 단위셀; 상기 P형 반도체소자와 상기 N형 반도체소자 상에 배치된 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 배치된 제2 유전층; 상기 제2 유전층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 서로 마주보며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 금속 기판이고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 체적이 서로 다르고, 상기 제2 기판의 면적이 상기 제1 기판의 면적보다 크며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 면적 비는 1:1.2 내지 5이다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a first substrate; a first dielectric layer disposed on the first substrate; a first electrode layer disposed on the first dielectric layer; at least one unit cell disposed on the first electrode layer and including a P-type semiconductor device and an N-type semiconductor device electrically connected to each other; a second electrode layer disposed on the P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device; a second dielectric layer disposed on the second electrode layer; a second substrate disposed on the second dielectric layer, wherein the first substrate and the second substrate face each other, the first substrate and the second substrate are metal substrates, the first substrate and the second substrate The volumes of the two substrates are different from each other, the area of the second substrate is larger than the area of the first substrate, and the area ratio of the first substrate and the second substrate is 1:1.2 to 5.
상기 제2 기판의 체적은 상기 제1 기판의 체적보다 클 수 있다.A volume of the second substrate may be greater than a volume of the first substrate.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 두께는 서로 다를 수 있다. The thickness of the first substrate and the second substrate may be different from each other.
상기 제2 기판의 두께는 상기 제1 기판의 두께보다 두꺼울 수 있다. A thickness of the second substrate may be greater than a thickness of the first substrate.
상기 제2 기판의 한 표면에 요철패턴이 형성될 수 있다. An uneven pattern may be formed on one surface of the second substrate.
상기 요철패턴은 상기 제2 기판과 상기 제2 유전층 사이에 배치된 복수의 요철패턴일 수 있다.The concave-convex pattern may be a plurality of concavo-convex patterns disposed between the second substrate and the second dielectric layer.
상기 제2 기판의 상기 한 표면은 상기 P형 반도체소자와 상기 N형 반도체소자를 향하여 배치될 수 있다.The one surface of the second substrate may be disposed toward the P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device.
상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층의 열전도도는 5 내지 10W/mK일 수 있다.Thermal conductivity of the first dielectric layer and the second dielectric layer may be 5 to 10 W/mK.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 Cu, Cu 합금 및 Cu-Al 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first substrate and the second substrate may include at least one of Cu, a Cu alloy, and a Cu-Al alloy.
상기 제1 유전체층 및 상기 제2 유전체층의 두께는 0.01mm 내지 0.1mm일 수 있다.A thickness of the first dielectric layer and the second dielectric layer may be 0.01 mm to 0.1 mm.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 Cu, Ag 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first electrode layer and the second electrode layer may include at least one of Cu, Ag, and Ni.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층의 두께는 0.01 내지 0.3mm일 수 있다.The thickness of the first electrode layer and the second electrode layer may be 0.01 to 0.3 mm.
상기 P형 반도체소자 및 상기 N형 반도체소자는, BiTe계 주원료물질에 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물일 수 있다.The P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device may be a mixture in which Bi or Te is mixed with a BiTe-based main raw material.
상기 P형 반도체소자 및 상기 N형 반도체소자의 높이는 0.01mm 내지 0.5mm일 수 있다.The height of the P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device may be 0.01 mm to 0.5 mm.
상기 P형 반도체소자의 체적과 상기 N형 반도체소자의 체적은 상이할 수 있다.A volume of the P-type semiconductor device may be different from a volume of the N-type semiconductor device.
상기 N형 반도체소자의 체적은 상기 P형 반도체소자의 체적보다 클 수 있다.A volume of the N-type semiconductor device may be greater than a volume of the P-type semiconductor device.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 유전층; 상기 제1 유전층 상에 배치된 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되고, 전기적으로 연결되는 P형 반도체소자와 N형 반도체소자를 포함하는 적어도 하나의 단위셀; 상기 P형 반도체소자와 상기 N형 반도체소자 상에 배치된 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 배치된 제2 유전층; 상기 제2 유전층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 서로 마주보며, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 금속 기판이고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 체적이 서로 다르고, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 면적은 서로 다르며, 상기 P형 반도체소자와 상기 N형 반도체소자 중 적어도 하나는 서로 적층되는 2 이상의 단위부재를 포함하고, 각 단위부재는 기재 및 상기 기재 상의 반도체층을 포함하며, 인접하는 단위부재들 사이에는 전도층이 배치되고, 각 단위부재는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판에 평행하게 배치된다.A thermoelectric module according to another embodiment of the present invention includes a first substrate; a first dielectric layer disposed on the first substrate; a first electrode layer disposed on the first dielectric layer; at least one unit cell disposed on the first electrode layer and including a P-type semiconductor device and an N-type semiconductor device electrically connected to each other; a second electrode layer disposed on the P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device; a second dielectric layer disposed on the second electrode layer; a second substrate disposed on the second dielectric layer, wherein the first substrate and the second substrate face each other, the first substrate and the second substrate are metal substrates, the first substrate and the second substrate The volumes of the two substrates are different from each other, the areas of the first substrate and the second substrate are different from each other, and at least one of the P-type semiconductor device and the N-type semiconductor device includes two or more unit members stacked on each other, each The unit member includes a substrate and a semiconductor layer on the substrate, a conductive layer is disposed between adjacent unit members, and each unit member is disposed parallel to the first substrate and the second substrate.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하여 방열효율을 높일 수 있도록 하여 열전모듈의 박형화를 구현할 수 있도록 한다.According to an embodiment of the present invention, the area of the first substrate and the second substrate are formed differently to increase heat dissipation efficiency, so that the thermoelectric module can be made thinner.
특히, 제1기판 및 제2기판의 면적을 상이하게 형성하는 경우 방열측의 기판의 면적을 크게 형성하여 열전달율을 높임으로써, 히트싱크를 제거하여 냉각 디바이스의 소형화, 박형화를 구현할 수 있는 장점도 구현된다.In particular, when the area of the first substrate and the second substrate are formed differently, the heat transfer rate is increased by forming a large area of the substrate on the heat dissipation side, thereby eliminating the heat sink to realize the miniaturization and thinness of the cooling device. do.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시트 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(ΔT)가 현저하게 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by stacking unit members including a semiconductor layer on a sheet substrate to implement a thermoelectric element, the thermal conductivity is lowered and the electrical conductivity is increased, so that the cooling capacity (Qc) and the temperature change rate (ΔT) ) can provide a thermoelectric element and a thermoelectric module that are remarkably improved.
아울러, 적층구조의 단위부재 사이에 전도성 패턴층을 포함시켜 전기전도도를 극대화할 수 있으며, 전체적인 벌크타입의 열전소자에 비해 현저하게 두께가 박형화되는 효과가 있다.In addition, it is possible to maximize the electrical conductivity by including a conductive pattern layer between the unit members of the stacked structure, and there is an effect that the thickness is significantly reduced compared to the overall bulk-type thermoelectric element.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 요부를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구현예를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열패턴의 구현예를 도시한 예시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈을 구성하는 열전소자의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것이다.1 is a conceptual diagram illustrating a main part of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
2 is an exemplary diagram illustrating an embodiment of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary view showing an embodiment of a heat dissipation pattern according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 illustrate an embodiment of a thermoelectric element constituting a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
6 shows various modifications of the conductive layer (C) according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Hereinafter, the configuration and operation according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference, regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 요부를 도시한 개념도이며, 도 2는 도 1의 열전모듈을 적용한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈의 구현예를 도시한 예시도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a main part of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exemplary view showing an embodiment of a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention to which the thermoelectric module of FIG. 1 is applied.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150), 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하며, 특히, 상기 제1기판 및 상기 제2기판의 체적이 서로 다르게 형성될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다.1 and 2 , in the thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, a
이 경우 단위셀을 이루는 열전소자의 경우, 한쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다. In this case, in the case of the thermoelectric element constituting the unit cell, one side may be composed of a P-type semiconductor as the
특히, 본 발명에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제1기판(140)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제2기판(150)의 면적을 넓게 형성할 수 있도록 하여, 열전도율을 높이고, 방열효율을 높여 종래의 열전모듈에서의 히트싱크를 제거할 수 있도록 할 수 있다. In particular, in the present invention, the area of the
구체적으로, 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. Specifically, for the
금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. In the case of a metal substrate, Cu or Cu alloy, Cu-Al alloy, etc. can be applied, and the thickness that can be reduced in thickness can be formed in the range of 0.1mm to 0.5mm.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 제2기판(150)의 면적을 제1기판(140)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다. 도 1에 도시된 도면에서도 제1기판(140)의 폭(b1)이 제2기판(150)의 폭(b2)보다 좁게 형성되며, 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다.In the embodiment according to the present invention, the area of the
이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다. In this case, when the area of the
아울러, 상기 제2기판(150)의 경우, 도 3에 도시된 것과 같이, 제2기판의 표면에 방열패턴(151, 152), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제2기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제2기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다. 방열패턴의 형상은 도 3에 도시된 것에 한정하는 것은 아니며, 다양한 형상과 구조로 변형될 수 있다.In addition, in the case of the
또한, 상기 제1기판(140)의 두께(a1)를 상기 제2기판(150)의 두께(a2) 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.In addition, the thickness a1 of the
또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/mK의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다.In addition, in the case of the
상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우(도 2 참조) 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다.The
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용될 수 있는 다양한 열전소자의 형태에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, various types of thermoelectric elements that can be applied to a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described.
1) 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자1) A semiconductor device formed in a bulk type
본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용하여 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자를 적용할 수 있다. 벌크형(Bulk type)이란 반도체 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 건친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물을 의미한다. 이러한 벌크형 소자는 하나의 일체형 구조로 형성될 수 있다.The
이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.Such a P-type semiconductor or N-type semiconductor material is that the N-type semiconductor device is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B) ), gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), and a main raw material consisting of bismuth telluride (BiTe) including indium (In), and 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It can be formed using a mixture of Bi or Te corresponding to . For example, the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and Bi or Te may be formed by adding a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te. That is, Bi When the weight of -Se-Te is 100 g, it is preferable to add Bi or Te to be added in the range of 0.001 g to 1.0 g. As described above, the weight range of the material added to the above-mentioned main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt % to 0.1 wt %, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity cannot be expected to improve the ZT value. have
상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.The P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium ( Te), bismuth (Bi), a mixture of a main raw material consisting of bismuth telluride (BiTe) including indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It is preferable to form using . For example, the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and Bi or Te may be formed by further adding a weight corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Sb-Te. That is, when 100 g of Bi-Sb-Te is added, the additionally mixed Bi or Te may be added in the range of 0.001 g to 1 g. The weight range of the material added to the above-mentioned main raw material is significant in that, outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity does not decrease, so that the improvement of the ZT value cannot be expected.
2) 적층형 구조의 단위열전소자2) Unit thermoelectric element with stacked structure
본 발명의 다른 실시예에서는 상술한 반도체소자의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the structure of the above-described semiconductor device may be implemented as a structure of a stacked structure instead of a bulk type structure, thereby making it possible to further improve the thickness and cooling efficiency.
구체적으로는, 도 1에서의 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.Specifically, the structure of the
이에 대해서 도 4를 참조하면, 도 4는 상술한 적층 구조의 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다. 도 4에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 2에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위열전소자(120)은 기재(111) 상에 반도체 층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4 in this regard, FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a process for manufacturing the unit member having the above-described stacked structure. According to FIG. 4 , a material including a semiconductor material is prepared in the form of a paste, and the paste is applied on a substrate 111 such as a sheet or film to form a semiconductor layer 112 to form one unit member 110 . to form The unit member 110 is formed by stacking a plurality of unit members 100a, 100b, and 100c as shown in FIG. 2 to form a stacked structure, and then cutting the stacked structure to form a unit
상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.In the above-described process, the process of applying the semiconductor paste on the substrate 111 may be implemented using various methods, for example, tape casting, that is, a very fine semiconductor material powder in an aqueous or non-aqueous solvent ( solvent) and a binder, plasticizer, dispersant, defoamer, and surfactant to prepare a slurry, and then use a moving blade or moving carrier It can be implemented as a process of molding according to a desired purpose with a constant thickness above. In this case, the thickness of the substrate can use a film or sheet in the range of 10um to 100um, and the applied semiconductor material is the P-type material and the N-type material for manufacturing the bulk-type device described above. Of course.
상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The process of arranging and stacking the unit members 110 in multiple layers can be formed into a stacked structure by pressing at a temperature of 50° C. to 250° C., and in the embodiment of the present invention, the number of stacking of these unit members 110 is 2 It can be done in the range of ~50. Thereafter, a cutting process may be performed to a desired shape and size, and a sintering process may be added.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다.The unit thermoelectric element formed by stacking a plurality of unit members 110 manufactured according to the above-described process can ensure uniformity in thickness and shape size. That is, the conventional bulk-shaped thermoelectric element cuts the sintered bulk structure after ingot pulverization and miniaturization ball-mill processes. It is difficult to cut to one size, and there was a problem in that it was difficult to reduce the thickness due to the thickness of 3 mm to 5 mm. There is almost no material loss, the material has a uniform thickness, so the uniformity of the material can be secured, and the thickness of the entire unit thermoelectric element can be reduced to 1.5 mm or less, and it can be used in various shapes. application becomes possible.
특히, 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.In particular, in the manufacturing process of the unit thermoelectric element according to the embodiment of the present invention, a process of forming a conductive layer on the surface of each unit member 110 during the process of forming the stacked structure of the unit member 110 is further included. can make it happen
즉, 도 4의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 5의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다. 즉, 도 5에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 5의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 5의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT(℃)가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다. 상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.That is, the conductive layer having the structure of FIG. 5 may be formed between the unit members of the stacked structure of FIG. 4C . The conductive layer may be formed on the opposite surface of the substrate on which the semiconductor layer is formed. This can increase the electrical conductivity compared to the case where the entire surface is applied, and at the same time improve the bonding force between each unit member, and realize the advantage of lowering the thermal conductivity. That is, what is shown in FIG. 5 shows various modifications of the conductive layer (C) according to the embodiment of the present invention, and the pattern in which the surface of the unit member is exposed is shown in FIGS. 5(a) and (b). As shown in, a mesh-type structure including a closed opening pattern (c 1 , c 2 ) or an open opening pattern (c 3 , c 4 ) as shown in (c) and (d) of FIG. 5 ) It can be designed by variously deforming into a line type including The above conductive layer not only increases the adhesive force between the unit members inside the unit thermoelectric element formed in a stacked structure of unit members, but also lowers the thermal conductivity between the unit members and improves the electrical conductivity. The cooling capacity (Qc) and ΔT (°C) are improved compared to the bulk type thermoelectric element, and in particular, the power factor is increased by 1.5 times, that is, the electrical conductivity is increased by 1.5 times. The increase in electrical conductivity is directly related to the improvement of thermoelectric efficiency, and thus the cooling efficiency is improved. The conductive layer may be formed of a metal material, and any metal-based electrode material made of Cu, Ag, Ni, or the like may be applied.
도 4에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 1 및 도 2에 도시된 열전모듈에 적용하는 경우, 즉 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층 및 유전체층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.When the unit thermoelectric element of the stacked structure described above in Fig. 4 is applied to the thermoelectric module shown in Figs. 1 and 2, that is, between the
또한, 도 6에 도시된 것과 같이, 도 4에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치되어, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위열전소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.In addition, as shown in FIG. 6 , the
상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 또한, 단위셀을 이루며 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다. 즉, 상호 대향하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 할 수 있다.As described above, in the thermoelectric element applied to the thermoelectric module of the present invention that can be implemented in various embodiments, the shape and size of the first semiconductor element and the second semiconductor element that form a unit cell and face each other are the same. However, in this case, considering that the electrical conductivity of the P-type semiconductor device and the electrical conductivity characteristics of the N-type semiconductor device are different from each other and act as a factor impeding the cooling efficiency, one volume of the other semiconductor device facing each other is It is also possible to form different from the volume to improve the cooling performance. In other words, differently forming the volumes of the semiconductor elements of the unit cells disposed opposite to each other can form a largely different overall shape, widen the diameter of one of the cross-sections in a semiconductor element having the same height, or have the same shape. In a semiconductor device, it is possible to implement a method of varying the height or diameter of the cross section. In particular, the diameter of the N-type semiconductor device can be formed to be larger than that of the P-type semiconductor device to increase the volume, thereby improving the thermoelectric efficiency.
상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 단위셀의 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉,하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 장비로도 응용이 가능하다.The thermoelectric element of various structures and the thermoelectric module including the same according to an embodiment of the present invention described above take heat from a medium such as water or liquid according to the characteristics of the heat generating and heat absorbing portion on the surface of the substrate at the upper and lower portions of the unit cell. It can be used to implement cooling or to heat by transferring heat to a specific medium. That is, in the thermoelectric module of various embodiments of the present invention, the configuration of a cooling device implemented by improving cooling efficiency is described as an embodiment, but the substrate on the opposite side of which cooling is performed is used for heating a medium using heat generation characteristics. It can be applied to the device being used. That is, it can be applied to equipment that implements cooling and heating functions in one device at the same time.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. The technical spirit of the present invention should not be limited to the above-described embodiments of the present invention, and should be defined by the claims as well as the claims and equivalents.
110: 단위부재
111: 기재
112: 반도체층
120: 단위열전소자
130: 단위열전소자
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층
181, 182: 회로선110: unit member
111: description
112: semiconductor layer
120: unit thermoelectric element
130: unit thermoelectric element
140: first substrate
150: second substrate
160a, 160b: electrode layer
170a, 170b: dielectric layer
181, 182: circuit line
Claims (18)
상기 제1 금속 기판 상에 배치된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극층;
상기 제1 전극층 상에 배치된 반도체 소자;
상기 반도체 소자 상에 배치된 제2 전극층;
상기 제2 전극층 상에 배치된 제2 절연층; 그리고
상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속 기판을 포함하고,
상기 제1 금속 기판의 상기 제1 절연층을 향하도록 배치된 제1면의 면적은 상기 제2 금속 기판의 상기 제2 절연층을 향하도록 배치된 제2면의 면적보다 크고,
상기 제1면과 평행한 상기 제1 절연층의 수평방향 폭은 상기 제2면과 평행한 상기 제2 절연층의 수평방향 폭 이하이며,
상기 제2 금속 기판의 두께는 상기 제1 금속 기판의 두께보다 작고,
상기 제1 금속 기판에 복수의 요철패턴이 형성되고, 상기 복수의 요철패턴의 적어도 일부는 모서리가 만곡된 다각 형상인 열전모듈.a first metal substrate;
a first insulating layer disposed on the first metal substrate;
a first electrode layer disposed on the first insulating layer;
a semiconductor device disposed on the first electrode layer;
a second electrode layer disposed on the semiconductor device;
a second insulating layer disposed on the second electrode layer; and
a second metal substrate disposed on the second insulating layer;
An area of the first surface of the first metal substrate facing the first insulating layer is larger than an area of the second surface of the second metal substrate facing the second insulating layer,
A horizontal width of the first insulating layer parallel to the first surface is less than or equal to a horizontal width of the second insulating layer parallel to the second surface,
The thickness of the second metal substrate is smaller than the thickness of the first metal substrate,
A thermoelectric module in which a plurality of concave-convex patterns are formed on the first metal substrate, and at least a portion of the plurality of concavo-convex patterns has a polygonal shape with curved corners.
상기 복수의 요철패턴은 상기 제1면에 형성되고, 상기 요철패턴은 상기 제1 절연층과 직접 접촉하는 열전모듈. The method of claim 1
The plurality of concave-convex patterns are formed on the first surface, and the concave-convex patterns are in direct contact with the first insulating layer.
상기 반도체 소자는 서로 이격되도록 배치된 복수의 반도체 소자를 포함하고,
상기 복수의 요철패턴의 적어도 일부는 상기 복수의 반도체 소자 사이에 배치되는 열전모듈.5. The method of claim 4,
The semiconductor device includes a plurality of semiconductor devices disposed to be spaced apart from each other,
At least a portion of the plurality of concavo-convex patterns is disposed between the plurality of semiconductor devices.
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 열전도도는 5 내지 10W/mK인 열전모듈.According to claim 1,
The thermoelectric module has a thermal conductivity of 5 to 10 W/mK of the first insulating layer and the second insulating layer.
상기 제1 금속 기판 및 상기 제2 금속 기판은 Cu, Cu 합금 및 Cu-Al 합금 중 적어도 하나를 포함하는 열전모듈.According to claim 1,
wherein the first metal substrate and the second metal substrate include at least one of Cu, a Cu alloy, and a Cu-Al alloy.
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 두께는 각각 0.01mm 내지 0.1mm인 열전모듈.According to claim 1,
A thermoelectric module having a thickness of 0.01 mm to 0.1 mm, respectively, of the first insulating layer and the second insulating layer.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 Cu, Ag 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 열전모듈.According to claim 1,
The first electrode layer and the second electrode layer include at least one of Cu, Ag, and Ni.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층의 두께는 0.01 내지 0.3mm인 열전모듈.11. The method of claim 10,
The first electrode layer and the second electrode layer have a thickness of 0.01 to 0.3 mm.
상기 반도체 소자는,
BiTe계 주원료물질에 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물인 열전모듈.According to claim 1,
The semiconductor device is
A thermoelectric module that is a mixture of Bi or Te with BiTe-based main raw material.
상기 반도체 소자의 높이는 0.01mm 내지 0.5mm인 열전모듈.13. The method of claim 12,
The height of the semiconductor element is 0.01 mm to 0.5 mm thermoelectric module.
상기 반도체 소자는 P형 반도체소자와 N형 반도체 소자를 포함하고,
상기 P형 반도체 소자의 체적과 상기 N형 반도체소자의 체적은 상이한 열전모듈.According to claim 1,
The semiconductor device includes a P-type semiconductor device and an N-type semiconductor device,
A volume of the P-type semiconductor device and a volume of the N-type semiconductor device are different from each other.
상기 N형 반도체소자의 체적은 상기 P형 반도체소자의 체적보다 큰 열전모듈.15. The method of claim 14,
A volume of the N-type semiconductor device is greater than a volume of the P-type semiconductor device.
상기 복수의 요철 패턴 중 일부 요철 패턴의 크기는 다른 일부 요철 패턴의 크기와 상이한 열전모듈. According to claim 1,
The size of some of the plurality of uneven patterns is different from the size of some of the other uneven patterns.
상기 일부 요철 패턴 및 상기 다른 일부 요철 패턴은 소정 방향을 따라 교번하여 배치되는 열전모듈.18. The method of claim 17,
A thermoelectric module in which the partial concave-convex pattern and the other partial concave-convex pattern are alternately disposed along a predetermined direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200092017A KR102332357B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-07-24 | Thermoelectric moudule and device using the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020200007449A KR102139476B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Thermoelectric moudule and device using the same |
KR1020200092017A KR102332357B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-07-24 | Thermoelectric moudule and device using the same |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020200007449A Division KR102139476B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Thermoelectric moudule and device using the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20200092288A KR20200092288A (en) | 2020-08-03 |
KR102332357B1 true KR102332357B1 (en) | 2021-12-01 |
Family
ID=78933940
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020200092017A KR102332357B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-07-24 | Thermoelectric moudule and device using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102332357B1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004274072A (en) * | 2004-04-26 | 2004-09-30 | Yamaha Corp | Substrate for thermoelectric module, manufacturing method therefor, and the thermoelectric module |
JP2006319262A (en) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Okano Electric Wire Co Ltd | Thermoelectric conversion module |
KR100682409B1 (en) * | 2004-09-13 | 2007-02-15 | 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 | Electronic element and wiring structure with cooling effect, and electronic element for converting difference of temperature into voltage |
JP2007073889A (en) * | 2005-09-09 | 2007-03-22 | Chugoku Electric Power Co Inc:The | Thermoelectric conversion device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2873961B1 (en) * | 1998-02-02 | 1999-03-24 | 科学技術庁航空宇宙技術研究所長 | Thermoelectric converter |
-
2020
- 2020-07-24 KR KR1020200092017A patent/KR102332357B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004274072A (en) * | 2004-04-26 | 2004-09-30 | Yamaha Corp | Substrate for thermoelectric module, manufacturing method therefor, and the thermoelectric module |
KR100682409B1 (en) * | 2004-09-13 | 2007-02-15 | 도꾸리쯔교세이호진 상교기쥬쯔 소고겡뀨죠 | Electronic element and wiring structure with cooling effect, and electronic element for converting difference of temperature into voltage |
JP2006319262A (en) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Okano Electric Wire Co Ltd | Thermoelectric conversion module |
JP2007073889A (en) * | 2005-09-09 | 2007-03-22 | Chugoku Electric Power Co Inc:The | Thermoelectric conversion device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200092288A (en) | 2020-08-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102070390B1 (en) | Thermoelectric moudule and device using the same | |
KR102410398B1 (en) | Thermoelectric device moudule | |
KR20160117944A (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
KR102666119B1 (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
US20160204325A1 (en) | Thermoelectric Element, Thermoelectric Module Comprising Same, and Heat Conversion Apparatus | |
KR102281066B1 (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
KR102304713B1 (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
KR102304712B1 (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
CN111615754B (en) | Thermoelectric element | |
KR102332357B1 (en) | Thermoelectric moudule and device using the same | |
KR102139476B1 (en) | Thermoelectric moudule and device using the same | |
KR102412389B1 (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same | |
KR102355281B1 (en) | Thermo electric element | |
KR20160129636A (en) | Thermoelectric device moudule and device using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A107 | Divisional application of patent | ||
AMND | Amendment | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |