KR101580041B1 - 신축성 열전모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신축성 열전모듈에 관한 것으로서, 상부기판 및 하부기판, 상기 상부기판 및 상기 하부기판에 각각 접합된 복수의 전극, 상기 상부기판의 전극과 상기 하부기판의 전극 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자 및 n형 열전소자, 상기 p형 열전소자와 상기 n형 열전소자가 전기적으로 직렬연결되도록 상기 상부기판의 전극들 사이를 연결하고 상기 하부기판의 전극들 사이를 연결하는 신축성 배선을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 신축성 열전모듈은, 기판의 일부에 연통되어 형성된 복수의 써멀비아전극을 구비한 상부기판 및 하부기판, 상기 상부기판의 써멀비아전극과 상기 하부기판의 써멀비아전극 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자 및 n형 열전소자, 상기 p형 열전소자와 상기 n형 열전소자가 전기적으로 직렬연결되도록 상기 상부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하고 상기 하부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하는 신축성 배선을 포함하여 이루어질 수도 있다.

Description

신축성 열전모듈{Stretchable Thermoelectric Module}
본 발명은 신축성 열전모듈 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 상세하게는 열과 전기의 직접변환이 가능한 소자로서 전자냉각, 열전발전 등에 이용되는 열전모듈에 관한 것이다.
열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열과 전기의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각모듈과 열전발전모듈은 p형 열전소자들과 n형 열전소자들이 전기적으로는 직렬연결되어 있으며 열적으로는 병렬연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 p형 열전소자와 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 저온단 (cold junction) 부위에서 고온단 (hot junction) 부위로 펌핑되어 저온단 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열의 이동과 함께 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.
전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치를 비롯하여 산업폐열을 이용한 열전발전기, 자동차 폐열을 이용한 열전발전기 및 인체 열을 이용한 에너지 하비스팅용 미세 열전발전기 등으로 경제적 용도가 크게 증대하고 있다.
도 1에 종래 기술에 의한 열전모듈(10)의 종단면 모식도를 나타내었다. 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 열전모듈(10)의 상면과 하면에는 각기 상부기판(11)과 하부기판(11)이 구비되어 있으며 상부기판(11)과 하부기판(11)의 사이에는 다수의 p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)가 구비된다. 상부기판(11)을 통해 힛 소스의 열이 p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)로 전달되며, 하부기판(11)을 통해 p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)로부터 열이 힛 싱크로 방출된다.
상부기판(11)과 하부기판(11) 사이에 구비되는 p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)들은 일반적으로 육면체 형상의 일정한 크기를 갖는 요소로서 p형 열전소자(15)들과 n형 열전소자(16)들이 전기적으로는 직렬연결되고 열적으로는 병렬연결된 구조를 갖도록 상부기판(11)과 하부기판(11)에 구비한 전극층(12)에 교번하여 접합된다. 상부기판(11) 및 하부기판(11)은 주로 알루미나와 같은 세라믹 소재로 이루어지며, 전극층(12)은 니켈 코팅한 구리로 구비하는 것이 일반적이다. p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)를 전극층(12)에 접합시 열전소자(15,16)가 솔더의 땜납에 오염되는 것을 방지하기 위해 p형 열전소자(15)와 n형 열전소자(16)의 위 면과 아래 면에 베리어(barrier)층(17)이 구비될 수 있다.
그러나 상기와 같이 구성되는 기존 기술에 의한 열전모듈(10)은 신축성이 낮은 소재들로 이루어져 있어 최근 대두되고 있는 신축성 전자 소자 또는 플랙시블 전자 소자로서 이용되기에는 한계가 있다. 특히, 열전모듈(10)에 외력에 의해 신축이 가해질 때 전극층(12)이 파단되거나 상부기판(11) 및 하부기판(11)으로부터 박리되는 문제가 발생할 수 있어서 소자기능을 유지하기 어렵게 될 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 기존 기술에 의한 열전모듈의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 플랙시블 전자소자로서 기능할 수 있도록 신축성을 갖는 열전모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 신축성 열전모듈은, 상부기판 및 하부기판, 상기 상부기판 및 상기 하부기판에 각각 접합된 복수의 전극, 상기 상부기판의 전극과 상기 하부기판의 전극 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자 및 n형 열전소자, 상기 p형 열전소자와 상기 n형 열전소자가 전기적으로 직렬연결되도록 상기 상부기판의 전극들 사이를 연결하고 상기 하부기판의 전극들 사이를 연결하는 신축성 배선을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신축성 배선은 이차원 물결 형상 또는 말굽 형상이거나 삼차원 물결 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신축성 배선은 탄소나노튜브와 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 탄소나노튜브, 금속 및 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 금속과 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신축성 열전모듈은 모듈 내부가 신축성 고분자로 채워질 수도 있다.
또한, 상기 상부기판 또는 상기 하부기판은 강성도가 다른 신축성 고분자들이 연결되어 이루어질 수 있으며, 이때 상기 전극과 접합되어 있는 부분은 상대적으로 강성도가 높은 고분자로, 상기 전극과 접합되어 있지 않은 부분은 상대적으로 강성도가 낮은 고분자로 연결되어 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전극은 상기 p형 열전소자 및 상기 n형 열전소자와 소자접합층을 통하여 접합되어 있을 수 있고, 상기 소자접합층은 솔더 또는 전도성 접착제를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이때, 상기 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 상부기판 또는 상기 하부기판은, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 유리(SiO2), 글라스-세라믹, 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4), 실리콘(Si) 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부기판 또는 상기 하부기판은, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전극은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 p형 열전소자는 p형 (Bi,Sb)2Te3, Sb2Te3, Bi2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, Zn4Sb3, MnSi, FeSi2, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.,
상기 n형 열전소자는 n형 Bi2(Te,Se)3, Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, FeSi2, CoSi, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 신축성 열전모듈은, 기판의 일부에 연통되어 형성된 복수의 써멀비아전극을 구비한 상부기판 및 하부기판, 상기 상부기판의 써멀비아전극과 상기 하부기판의 써멀비아전극 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자 및 n형 열전소자, 상기 p형 열전소자와 상기 n형 열전소자가 전기적으로 직렬연결되도록 상기 상부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하고 상기 하부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하는 신축성 배선을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 신축성 배선은 이차원 물결 형상 또는 말굽 형상이거나, 삼차원 물결 형상인 것이 바람직하다.
상기 신축성 배선은 탄소나노튜브와 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 탄소나노튜브, 금속 및 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 금속과 신축성 고분자의 복합재료로 이루어질 수 있다.
상기 신축성 열전모듈은 모듈 내부가 신축성 고분자로 채워지는 것도 바람직하다.
상기 써멀비아전극을 포함하는 상기 상부기판 또는 상기 하부기판에 절연층이 형성되는 것도 바람직하다.
상기 전극은 상기 p형 열전소자 및 상기 n형 열전소자와 소자접합층을 통하여 접합되어 있을 수 있고, 상기 소자접합층은 솔더 또는 전도성 접착제를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하며, 이때, 상기 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 써멀비아전극은 비아접착층을 개재하여 기판에 형성될 수도 있다.
상기 상부기판 또는 상기 하부기판은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 유리(SiO2), 글라스-세라믹, 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4), 실리콘(Si) 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상부기판 또는 상기 하부기판은 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것도 바람직하다.
상기 써멀비아전극은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 p형 열전소자는 p형 (Bi,Sb)2Te3, Sb2Te3, Bi2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, Zn4Sb3, MnSi, FeSi2, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
상기 n형 열전소자는 n형 Bi2(Te,Se)3, Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, FeSi2, CoSi, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
상기 비아접착층은 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 절연층은 페릴렌(Pyrelene), 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함한 고분자 소재의 코팅 또는 라미네이션을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연층은 SiO2 , Al2O3, AlN, SiC, Si3N4, Si 중에서 적어도 어느 하나를 포함한 세라믹 코팅을 사용하여 이루어지는 것도 바람직하다.
본 발명에 따른 신축성 열전모듈은 외력에 대한 신축성을 가짐으로써 최근 다양하게 요구되고 있는 신축성 전자소자로서 활용될 수 있으며, 특히 외력에 의한 지속적인 신축에 따른 전극의 파단이나 박리를 막을 수 있어 안정적인 소자 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 기존 기술에 의한 열전모듈의 개략적인 단면도.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도, 도 2의 (b)는 신축성 열전모듈이 외력(F)에 의해 신장되었을 때의 모식도.
도 3의 (a) ~ (d)는 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 배선의 모식도.
도 4의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도, 도 4의 (b)는 신축성 열전모듈이 굽어졌을 때를 나타내는 모식도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 모듈 내부를 신축성 고분자로 채워서 이루어진 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도.
도 6의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따라 강성도가 서로 다른 신축성 고분자들을 사용한 신축성 기판을 사용하여 이루어진 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도, 도 6의 (b)는 외력(F)에 의해 신장되었을 때의 모식도.
도 7의 (a)는 본 발명에 따른 일실시예에 따른 써멀비아전극이 구비된 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도, 도 7의 (b)는 외력(F)에 의해 신장되었을 때의 모식도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 모듈 내부를 신축성 고분자로 채워서 이루어진 써멀비아전극을 구비한 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 써멀비아전극이 형성된 기판 표면에 절연층이 구비되어 있는 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 써멀비아전극과 기판 사이에 비아접착층이 개재되어 있는 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 써멀비아전극을 구비한 신축성 열전모듈의 또 다른 예를 나타내는 개략적인 단면도.
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같은 기존 기술에 의한 열전모듈(10)은 신축성이 낮은 소재들로 이루어져 있어 신축성 전자소자로서 이용되기 어렵고, 특히, 열전모듈(10)에 반복적인 신축이 가해질 때 전극층(12)이 파단되거나 상부기판(11) 및 하부기판(11)으로부터 박리되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 종래 열전모듈에서 p형 열전소자와 n형 열전소자를 전기적으로 직렬로 연결하기 위해 p형 열전소자와 n형 열전소자 사이에 걸쳐 형성되어 있는 기존 전극 달리 p형 열전소자 및 n형 열전소자에 접합되는 각 전극을 분리하고 이 전극들 사이를 신축성 배선으로 연결함으로써 외력에 의한 신축 응력을 신축성 배선이 흡수하도록 신축성 열전모듈을 구성하였다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 신축성 열전모듈(20)은 상부기판(21) 및 하부기판(21)과, 상부기판(21) 및 하부기판(21)에 각각 접합된 복수의 전극들(22)과, 상부기판(21)의 전극(22)과 하부기판(21)의 전극(22) 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)와, 이들을 전기적으로 직렬연결되도록 상부기판(21)의 전극(22)들 사이를 연결하고 하부기판(21)의 전극(22)들 사이를 연결하는 신축성 배선(23)을 포함하여 이루어진다.
각 전극(22)은 소자접합층(24)을 통하여 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)에 접합되게 된다. 소자 접합층(24)으로는 솔더 또는 전도성 접착제가 사용될 수 있다.
신축성 배선(23)은 전기전도성과 함께 신축성을 가지는 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 형태는 신축시 응력을 흡수할 수 있는 구조가 바람직하다.
신축성 배선(23)의 형태를 보여주는 실시예가 도 3의 (a) ~ (d)에 도시되어 있다. 신축성 배선(23)은 (a) 및 (b)와 같이 이차원 물결 형상 또는 말굽 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, (c) 및 (d)와 같이 물결 형상이 삼차원적으로 형성되는 것도 바람직하다. 이러한 형태 이외에도 신축응력을 흡수할 수 있는 형태라면 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
신축성 배선(23)은 신축성 고분자에 전기전도성이 좋은 금속이나 CNT(탄소나노튜브)가 복합된 복합재료가 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, CNT, 금속 및 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 금속과 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, CNT와 신축성 고분자의 복합재료로 이루어질 수 있다. 이러한 복합재료의 구성은 신축성 및 전기전도성이 확보되는 방향으로 다양하게 이루어질 수 있다.
도 2의 (b)는 신축성 열전모듈이 외력(F)에 의해 신장되었을 때를 보여주는 모식도이다. 도시된 바와 같이, 외력(F)에 의해 열전모듈(20)이 신장되는 경우 도 3에 도시된 형태로 이루어진 신축성 배선(23)이 늘어나면서 신축 응력을 흡수하여 열전소자(25, 26)와 전극(22)에 미치는 응력을 최소화하게 된다. 따라서 반복된 신축에도 소자 안정성을 유지하면서 기능할 수 있게 된다.
도 4의 (b)에서는 신축성 열전모듈(20)이 굽어졌을 때를 모식도로 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, 휘어지는 방향에 따라 신축성 배선(23)의 늘어나는 정도가 달라질 수 있으며, 따라서 다양한 방향에서 인가되는 외력(F)에 대해서도 신축성 배선(23)이 신장이 가능하여 플랙서블 전자소자로서 기능할 수 있게 된다.
상부기판(21) 또는 하부기판(21)은, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 유리(SiO2), 글라스-세라믹, 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4), 실리콘(Si) 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어질 수도 있으며, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어질 수도 있다.
또한, 전극(22)은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극(22)은 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)와 소자접합층(24)을 통하여 접합되는데, 이때, 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
p형 열전소자(25)는 p형 (Bi,Sb)2Te3, Sb2Te3, Bi2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, Zn4Sb3, MnSi, FeSi2, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.,
n형 열전소자(26)는 n형 Bi2(Te,Se)3, Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, FeSi2, CoSi, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
도 5는 모듈 내부를 신축성 고분자로 채워서 이루어진 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 본 발명에 따른 신축성 열전모듈(20)은 신축성을 향상시키기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 모듈 내부의 빈 공간을 신축성 고분자(51)로 채워서 구성될 수도 있다. 이 경우, 신축성 배선(23)과 함께 모듈 내부에 충진된 신축성 고분자(51)가 신축성을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 신축성 열전모듈은 상부기판 및 하부기판도 신축성 있는 구조로 구성할 수 있는데, 그 일실시예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 (a)는 강성도가 서로 다른 신축성 고분자들을 사용한 신축성 기판을 사용하여 이루어진 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이며, 도 6의 (b)는 외력(F)에 의해 신장되었을 때를 나타내는 모식도이다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상부기판(21) 또는 하부기판(21)은 강성도가 다른 신축성 고분자들이 연결되어 이루어져 강성도 차이에 따른 신축응력 흡수효과를 가질 수 있다. 바람직하게는 전극(22)과 접합되어 있는 부분은 상대적으로 강성도가 높은 고분자로, 전극(22)과 접합되어 있지 않은 부분은 상대적으로 강성도가 낮은 고분자로 연결되어 이루어지는 것이 신축응력 흡수에 유리하다.
본 발명에 따른 신축성 열전모듈은 발명자가 최초로 개발한 써멀비아전극이 구비된 열전모듈의 형태로도 구현될 수 있다.
도 1에 도시된 기존의 열전모듈은 알루미나와 같은 세라믹 소재로 형성한 상부기판(11)과 하부기판(11)의 낮은 열전도도로 인해 상부기판(11)과 하부기판(11)의 열저항이 크기 때문에 p형과 n형 열전소자(15,16)의 양단에서 실제로 발생하는 온도차가 열전모듈(10)의 고온단과 저온단에 가해주는 온도차에 비해 크게 저하하여 열전모듈(10)의 성능이 낮아지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 기판의 일부를 연통하는 비아홀부에 전극을 형성하고 이 전극을 통해 p형과 n형 열전소자를 접합시킴으로써, 이렇게 형성된 전극을 통해 힛 소스(heat source)로부터 열전소자로의 열전달과 열전소자로부터 힛 싱크(heat sink)로의 열방출이 이루어져 성능이 크게 개선된 열전모듈을 제공하게 된다.
발명자는 이렇게 기판의 일부를 연통하는 비아홀부에 형성되어 기판과 일체를 이루는 새로운 개념의 전극을 "써멀비아전극(thermal-via electrode)"이라고 명명하였다. 본 발명에서 써멀비아전극은 세라믹 또는 고분자 기판에 전극접합층을 통해 접합된 전극과는 구별되는 용어로써, 기판의 일부를 연통하는 비아홀부에 형성되거나 기판의 일부에 형성된 비아홈부에 형성되어 기판과 일체로 이루어지는 전극을 통칭하여 정의한다. 따라서, 본 발명에서 써멀비아전극은 세라믹 기판에 접합된 기존의 전극과는 달리 기판의 일부에 형성되어 기판과 일체를 이루는 것이라면 모두 이에 포함될 수 있을 것이다.
도 7은 써멀비아전극이 구비된 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 신축성 열전모듈(20)은, 기판의 일부에 연통되어 형성된 복수의 써멀비아전극(71)을 구비한 상부기판(21) 및 하부기판(21)과, 상부기판(21)의 써멀비아전극(71)과 하부기판(21)의 써멀비아전극(71) 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)와, 이들이 전기적으로 직렬연결되도록 상부기판(21)의 써멀비아전극(71)들 사이를 연결하고 하부기판(21)의 써멀비아전극(71)들 사이를 연결하는 신축성 배선(23)을 포함하여 이루어진다.
본 실시예에서 써멀비아전극(71)은 상부기판(21) 및 하부기판(21)을 연통하여 기판보다 약간 외부로 돌출되어 있는 구조이다. 이러한 써멀비아전극(71) 사이를 신축성 배선(23)으로 연결하게 된다.
각 전극(22)은 소자접합층(24)을 통하여 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)에 접합되게 된다. 소자 접합층(24)으로는 솔더 또는 전도성 접착제가 사용될 수 있다.
신축성 배선(23)은 전기전도성과 함께 신축성을 가지는 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 형태는 신축시 응력을 흡수할 수 있는 구조가 바람직하다.
신축성 배선(23)의 바람직한 형태는 전술한 바와 같이 도 3의 (a) ~ (d)에 도시되어 있다. 신축성 배선(23)은 (a) 및 (b)와 같이 이차원 물결 형상 또는 말굽 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, (c) 및 (d)와 같이 물결 형상이 삼차원적으로 형성되는 것도 바람직하다. 이러한 형태 이외에도 신축응력을 흡수할 수 있는 형태라면 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
신축성 배선(23)은 신축성 고분자에 전기전도성이 좋은 금속이나 CNT(탄소나노튜브)가 복합된 복합재료가 사용되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, CNT, 금속 및 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, 금속과 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지거나, CNT와 신축성 고분자의 복합재료로 이루어질 수 있다. 이러한 복합재료의 구성은 신축성 및 전기전도성이 확보되는 방향으로 다양하게 이루어질 수 있다.
도 7의 (b)는 신축성 열전모듈이 외력(F)에 의해 신장되었을 때를 보여주는 모식도이다. 도시된 바와 같이, 외력(F)에 의해 열전모듈(20)이 신장되는 경우 도 3에 도시된 형태로 이루어진 신축성 배선(23)이 늘어나면서 신축 응력을 흡수하여 열전소자(25, 26)와 전극(22)에 미치는 응력을 최소화하게 된다. 따라서 반복된 신축에도 소자 안정성을 유지하면서 기능할 수 있게 된다.
본 발명의 신축성 열전모듈(20)은 상부기판(21) 또는 하부기판(21) 중 어느 하나가 써멀비아전극(71)이 포함된 기판으로 구성되고 나머지는 도 2에 도시된 바와 같은 일반적인 기판으로 구성될 수도 있다.
상부기판(21) 또는 하부기판(21)은, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 유리(SiO2), 글라스-세라믹, 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4), 실리콘(Si) 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어질 수도 있으며, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어질 수도 있다.
또한, 써멀비아전극(71)은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 써멀비아전극(71)은 p형 열전소자(25) 및 n형 열전소자(26)와 소자접합층(24)을 통하여 접합되는데, 이때, 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
p형 열전소자(25)는 p형 (Bi,Sb)2Te3, Sb2Te3, Bi2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, Zn4Sb3, MnSi, FeSi2, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.,
n형 열전소자(26)는 n형 Bi2(Te,Se)3, Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, FeSi2, CoSi, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
도 8은 모듈 내부를 신축성 고분자로 채워서 이루어진 써멀비아전극을 구비한 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 신축성 열전모듈(20)은 모듈 내부의 빈 공간을 신축성 고분자로 채워서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 신축성 배선(23)과 함께 모듈 내부에 충진된 신축성 고분자(51)가 신축성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 9는 써멀비아전극이 형성된 기판 표면에 절연층이 구비되어 있는 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 써멀비아전극(71)이 구비된 상부기판(21) 및 하부기판(21)에 추가적으로 절연층(91)이 구비될 수도 있다. 절연층(91)은 페릴렌(Pyrelene), 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함한 고분자 소재의 코팅 또는 라미네이션을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 절연층(91)은 SiO2 , Al2O3, AlN, SiC, Si3N4, Si 중에서 적어도 어느 하나를 포함한 세라믹 코팅을 사용하여 이루어지는 것도 바람직하다.
도 10은 써멀비아전극과 기판 사이에 비아접착층이 개재되어 있는 신축성 열전모듈의 개략적인 단면도이다. 본 실시예에서는 써멀비아전극(71)과 기판(21) 사이에 비아접착층(101)을 개재함으로써 기판(21)과 써멀비아전극(71) 사이의 접착력을 향상시키게 된다.
비아접착층(101)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 11 및 도 12는 써멀비아전극을 구비한 신축성 열전모듈의 또 다른 예를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 11에 도시된 실시예에서는 도 7과 달리 써멀비아전극(71)이 상부기판(21) 및 하부기판(21)보다 돌출되어 있지 않은 구조이며, 기판(21)을 가로질러 써멀비아전극(71)들 사이를 신축성 배선(23)이 연결되게 된다. 본 실시예에서의 신축성 배선(23)의 바람직한 예도 도 3에 도시된 바와 같으며, 배선을 구성하는 재료도 전술한 바와 같이 신축성과 전기전도성을 함께 가질 수 있는 복합재료가 바람직하다.
도 12에 도시된 실시예는 써멀비아전극(71)과 기판(21) 사이에 비아접착층(101)을 개재한 것을 제외하고는 도 11에 도시된 실시예와 동일하다. 따라서 특징은 전술한 바와 같다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10. 기존 기술에 의한 열전 모듈
11. 기존 기술에 의한 기판 12. 전극층
13. 소자접합층 15. p형 열전소자
16. n형 열전소자 17. 베리어(barrier)층
20. 신축성 열전모듈
21. 기판 22. 전극
23. 신축성 배선 24. 소자접합층
25. p형 열전소자 26. n형 열전소자
27. 베리어(barrier)층 51. 신축성 고분자
61. 고분자층 71. 써멀비아전극
91. 절연층 101. 비아접착층

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  18. 기판의 일부에 연통되어 형성된 복수의 써멀비아전극을 구비한 상부기판 및 하부기판;
    상기 상부기판의 써멀비아전극과 상기 하부기판의 써멀비아전극 사이에 교번 배열하여 접합되어 있는 p형 열전소자 및 n형 열전소자;
    상기 p형 열전소자와 상기 n형 열전소자가 전기적으로 직렬연결되도록 상기 상부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하고 상기 하부기판의 써멀비아전극들 사이를 연결하는 신축성 배선;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 배선은 이차원 물결 형상 또는 말굽 형상인 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 배선은 삼차원 물결 형상인 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 배선은 탄소나노튜브와 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 배선은 탄소나노튜브, 금속 및 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 배선은 금속과 신축성 고분자의 복합재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  24. 제 18항에 있어서,
    상기 신축성 열전모듈은 모듈 내부가 신축성 고분자로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  25. 제 18항에 있어서,
    상기 써멀비아전극을 포함하는 상기 상부기판 또는 상기 하부기판에 절연층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  26. 제 18항에 있어서,
    상기 전극은 상기 p형 열전소자 및 상기 n형 열전소자와 소자접합층을 통하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 소자접합층은 솔더 또는 전도성 접착제를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 솔더는 주석(Sn)에 은(Ag), 구리(Cu), 비스무스(Bi), 인듐(In), 아연(Zn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 금(Au) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  29. 제 18항에 있어서,
    상기 써멀비아전극은 비아접착층을 개재하여 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  30. 제 18항에 있어서,
    상기 상부기판 또는 상기 하부기판은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 유리(SiO2), 글라스-세라믹, 실리콘카바이드(SiC), 질화실리콘(Si3N4), 실리콘(Si) 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  31. 제 18항에 있어서,
    상기 상부기판 또는 상기 하부기판은 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  32. 제 18항에 있어서,
    상기 써멀비아전극은 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 금(Au), 백금(Pt), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  33. 제 18항에 있어서,
    상기 p형 열전소자는 p형 (Bi,Sb)2Te3, Sb2Te3, Bi2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, Zn4Sb3, MnSi, FeSi2, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  34. 제 18항에 있어서,
    상기 n형 열전소자는 n형 Bi2(Te,Se)3, Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, skutterudite, AgPbmSbTe2 +m, FeSi2, CoSi, Mg2Si 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 벌크, 나노컴포지트, 박막, 슈퍼레티스(superlattice), 나노튜브, 양자점 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  35. 제 29항에 있어서,
    상기 비아접착층은 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속으로 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  36. 제 25항에 있어서,
    상기 절연층은 페릴렌(Pyrelene), 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론, FR4, 실리콘(silicone), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 중에서 적어도 하나를 포함한 고분자 소재의 코팅 또는 라미네이션을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
  37. 제 25항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2 , Al2O3, AlN, SiC, Si3N4, Si 중에서 적어도 어느 하나를 포함한 세라믹 코팅을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 신축성 열전모듈.
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