KR102020155B1 - 열전 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

열전 소자 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102020155B1
KR102020155B1 KR1020180127393A KR20180127393A KR102020155B1 KR 102020155 B1 KR102020155 B1 KR 102020155B1 KR 1020180127393 A KR1020180127393 A KR 1020180127393A KR 20180127393 A KR20180127393 A KR 20180127393A KR 102020155 B1 KR102020155 B1 KR 102020155B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
electrode
substrate
resin layer
insulating resin
Prior art date
Application number
KR1020180127393A
Other languages
English (en)
Inventor
박주현
양승호
황병진
손경현
양승진
박정구
연병훈
최종일
장봉중
이태희
Original Assignee
엘티메탈 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘티메탈 주식회사 filed Critical 엘티메탈 주식회사
Priority to KR1020180127393A priority Critical patent/KR102020155B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102020155B1 publication Critical patent/KR102020155B1/ko
Priority to PCT/KR2019/013176 priority patent/WO2020085681A1/ko

Links

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—
    • H01L35/04—
    • H01L35/16—
    • H01L35/18—
    • H01L35/34—
    • 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
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • H10N10/81—Structural details of 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
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 슬릿이 구비된 금속계 기판을 사용함으로써, 열적 안정성과 고온 내구성 확보와 더불어 열전 특성이 개선된 열전 소자를 제공한다.

Description

열전 소자 및 그 제조방법{THERMOELECTRIC DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 복수의 슬릿(slit)이 구비된 금속계 기판을 사용함으로써, 열적 안정성, 고온 내구성 확보와 더불어 열전 특성이 개선된 열전 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전 현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이는 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(seebeck effect)로 구분된다.
최근 에너지 관련 자원의 원가가 급등하고 환경오염이 심해지는 등의 문제를 해결하기 위하여 열전 소자(thermoelectric element) 및 열전 모듈(thermoelectric module)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들은 폐열발전 등의 열전발전이나 능동 냉각에 적용되고 있다.
일반적으로 열전 소자는 열전 레그, 전극, 및 기판으로 구성되며, 상기 열전 레그로서 N형 반도체와 P형 반도체가 사용된다. 복수의 쌍을 이루는 N형과 P형 반도체를 각각 평면에 배열한 후, 이들을 금속 전극을 이용해 직렬로 연결하여 열전 소자를 구성할 수 있다.
한편 기판으로 널리 사용되고 있는 종래 세라믹 기판은 열전도도가 비교적 낮기 때문에, 열전 소자의 열저항 감소에 한계가 있다. 특히, 세라믹계 DBC(direct bonded cupper) 기판은 고온 영역 (≥ 300℃)에서 크랙 등이 발생하여 열전 소자의 특성 저하가 현저히 발생하게 되며, 전술한 DBC 기판 상에 금속 전극이 직접 배치되어 열전 소자를 구성하는 경우, 각 pair 간 높이를 균일하게 제작하는데 한계가 있다. 이에 따라, 전술한 세라믹계 기판을 구비하는 열전 소자의 특성 저하가 필수적으로 초래되는 문제점이 있다. 아울러 종래 세라믹계 DBC 기판은 고온 크랙 발생으로 인해 기판의 크기나 형상을 다양화하기에는 한계가 있었다.
한편 본 발명자들은 종래 세라믹계 기판 대신 내열성 수지층이 형성된 금속계 기판을 채용함으로써, 우수한 열적 안정성, 고온 하중에 따른 내구성 강화 및 열전특성이 개선된 열전소자를 제공하고자 하였다.
그러나, 전술한 구성을 가진 2개의 금속계 기판(예, 금속적층판)을 사용하여 열전 소자를 구성시, 온도 상승에 따른 금속계 기판의 열팽창 발생 및 이로 인한 열전 레그의 박리가 초래되고, 결과적으로 열전 소자의 출력 특성이 제대로 발휘되지 않고, 최종 제품의 신뢰성 저하가 초래된다는 것을 착안하였다.
이에, 본 발명은 종래 세라믹계 기판을 내열성 수지층이 형성된 금속계 기판으로 변경하되, 열팽창시 유연성을 부여할 수 있도록 복수의 슬릿(slit)이 일면에 구비된 금속계 기판을 사용함으로써, 열팽창에 따른 고온에서의 열적 안정성, 내구성 강화 및 열전특성이 보다 상승된 열전 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 일면에 제1절연성 수지층이 형성된 도전성 제1기판; 상기 제1기판과 대향 배치되며, 일면에 제2절연성 수지층이 형성된 도전성 제2기판; 상기 제1절연 수지층 상에 배치된 제1전극; 상기 제2절연 수지층 상에 배치된 제2전극; 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 개재된 복수의 열전 레그를 포함하되, 상기 도전성 제1기판과 상기 도전성 제2기판 중 적어도 하나는 당해 기판의 길이방향에 따라 소정 간격으로 이격하여 형성된 복수의 슬릿(Slit)을 구비하는 열전 소자를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 슬릿 간의 이격 거리는 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응하는 크기와 같거나 또는 보다 클 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 슬릿은, 상기 제1전극 또는 제2전극을 중심으로 상호 대칭을 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 슬릿은, 제1 방향을 따라 형성되는 슬릿 너비; 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향을 따라 형성되는 슬릿 길이; 및 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하며, 상기 기판에 수직한 방향을 따라 형성되는 슬릿 깊이를 가지며, 상기 슬릿 깊이(depth)는 각각 당해 제1기판 또는 제2기판의 전체 두께를 기준으로 70 내지 90%일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 슬릿의 수평 단면 형상은 사각형, 원형, 타원형, 스트라이프형, 마름모형 및 다각형 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 유리전이온도(Tg)가 250℃ 이상인 고내열성 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고내열성 수지는 페놀 노볼락 에폭시 수지 및 다가 페놀형 에폭시 수지 중에서 선택된 적어도 1종의 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층은 각각 세라믹 필러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층의 두께는 각각 10 내지 150 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1~2 기판과 제1~2 전극은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 코발트(Co) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 열전 레그는 Bi-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sb-Te계, Sm-Co계, 전이금속 규화물계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계, 하프휘슬러(Half heusler) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 열전반도체 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 슬릿(Slit)을 구비하는 도전성 제1기판과 도전성 제2기판 중 하나는 발열부일 수 있다.
또한 본 발명은 전술한 열전 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제조방법은, 절연 수지층의 양면에 금속층이 구비된 금속적층판 2개를 준비하는 단계; 상기 2개의 금속적층판의 일면에 배치된 금속층을 각각 식각하여 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극과 제2전극이 서로 대향하도록 배치한 후, 이들 사이에 복수의 열전 레그를 배치하는 단계; 및 상기 2개의 금속적층판 중 어느 하나의 금속적층판 타면 상에, 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응되는 크기를 같거나 또는 보다 큰 간격으로 이격하여 복수의 슬릿(slit)을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 내열성 수지층이 형성되고, 타면에 복수의 슬릿이 형성된 금속계 기판을 사용하고, 상기 내열성 수지층 위에 소정의 패턴화된 전극을 배열하는 구성을 채용함으로써, 열적 안정성 및 내구성 면에서 종래 세라믹계 기판, 및 복수의 슬릿을 미포함하는 금속계 기판을 사용하는 열전 소자보다 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명에서는 기존 사용하는 DBC나 순수 금속기판 대신 상대적으로 중량이 가볍고 가격이 낮은 소재를 기판으로 적용할 수 있으므로, 최종 제품의 신뢰성(내구성)을 향상시키고, 경제성을 도모할 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 종래 세라믹 기판에 비해, 다양한 형태 및 대면적 크기를 갖는 금속계 기판을 제한 없이 사용할 수 있으므로, 열전 소자의 높은 설계 자유도를 확보할 수 있으며, 제 1기판과 제 2기판의 단면 또는 양면에 슬릿(slit)을 적용할 수 있으므로, 열팽창에 따른 제품 특성 저하를 근본적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 보다 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 패턴화된 제1전극과 제2전극, 및 복수의 슬릿이 구비된 도전성 제1기판 및 도전성 제2기판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 패턴화된 제1전극과 제2전극, 및 복수의 슬릿이 구비된 도전성 제1기판 및 도전성 제2기판의 평면도이다.
도 6은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 및 2의 열전 소자를 이용한 출력 변화율 평가 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이때 본 명세서 전체 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구조를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "위에" 또는 "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 위쪽에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 그리고, 본원 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 임의의 순서 또는 중요도를 나타내는 것이 아니라 구성요소들을 서로 구별하고자 사용된 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
<열전 소자>
본 발명은 열전소자를 구성하는 기판(substrate)의 재질과 구조 변경을 통해, 열적 안정성, 고온 하중에 따른 내구성과 제품 신뢰성을 확보함과 동시에 열전 특성을 개선할 수 있는 열전 소자를 제공한다.
즉, 종래 전기절연성 세라믹계 기판(예, DBC)을 사용하거나 금속계 기판을 이용하여 열전 소자를 제작하는 경우, 소재 간의 열팽창계수의 차이에 의해 소자가 나타내는 출력 특성이 저하되는 현상이 일어나게 된다. 이와 달리, 본 발명에서는 일면에 절연 수지층이 형성되고, 타면에 복수의 슬릿(slit)이 구비된 도전성 기판을 채용함으로써, 전술한 열전 소자의 출력특성 저하를 개선할 수 있다. 이때, 상기 절연 수지층은 산화알루미늄 등의 당 분야에 공지된 세라믹 필러를 포함할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 2는 상기 열전 소자(100)의 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자(100)는, 일면에 제1절연성 수지층(12a)이 형성된 도전성 제1기판(11a); 상기 도전성 제1기판(11a)과 대향 배치되고, 일면에 제2절연성 수지층(12b)이 형성된 도전성 제2기판(11b); 상기 제1절연 수지층(12a) 상에 배치된 제1전극(20a); 상기 제2절연 수지층(12b) 상에 배치된 제2전극(20b); 및 상기 제1전극(20a)과 상기 제2전극(20b) 사이에 개재(介在)된 복수의 열전 레그(30)를 포함하되, 상기 도전성 제1기판(11a)과 도전성 제2기판(11b) 중 적어도 하나는 제1 및 제2 절연성 수지층(12a, 12b)이 비형성된 기판의 타면에 형성된 복수의 슬릿(40)을 포함한다.
도전성 제1기판(11a)은 열전 소자(100)에 전원이 인가될 때 발열 또는 흡열 반응을 일으키는 것으로, 당 분야에 공지된 통상의 도전성 금속 재질로 구성될 수 있다. 일례로, 상기 도전성 제1기판(11a)은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하며, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전성 제1기판(11a)은 평판 형상일 수 있으며, 그 크기나 두께 등에 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 도전성 제1기판(11a)의 두께는 0.5 내지 2mm일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 1.5mm, 보다 바람직하게는 0.6 내지 0.8mm일 수 있다.
이때 기판의 흡열과 발열의 발생 위치는 전류의 방향에 따라 변경 가능하며, 도전성 제1기판(11a)에 흡열반응이 발생하는 경우 방열패드가 적용될 수도 있다.
한편 도전성 제1기판(11a) 상에 제1전극(20a)이 직접적으로 배치될 경우 전기적으로 통하게 되므로, 이들 사이에는 전기절연성 물질이 개재(介在)되어야 한다. 또한 금속계 기판을 사용할 경우, 열전 소자의 온도 상승에 따른 금속 재질의 급속한 열팽창으로 인해 열전 레그의 박리 및 열전소자의 출력특성 소실 등의 문제가 초래될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 제1전극(20a)이 배치되는 도전성 제1기판(11a)의 일면 상에 제1절연성 수지층(12a)이 형성되고, 타면 상에 소정 간격으로 이격된 복수의 슬릿(slit, 40)을 구비한다.
본 발명에서는 온도 상승에 따른 금속 재질 기판의 열팽창 특성을 고려하여, 슬릿(40)의 개수나 크기를 적절히 조절하여 형성할 수 있다. 상기 제1도전성 기판(11a) 상에 형성되는 슬릿(40)의 개수는 특별히 제한되지 않으며, 기판의 크기에 따라 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 2개 이상의 복수 개일 수 있으며, 구체적으로 2 내지 수십 개, 보다 구체적으로 2 내지 10개 내외일 수 있다.
또한 복수의 슬릿(40) 중 어느 하나의 슬릿과, 이에 인접하는 다른 슬릿 사이에는 소정의 이격 거리가 형성된다. 이러한 복수의 슬릿(40) 간의 이격 거리는 특별히 제한되지 않으며, 금속 재질 기판의 열팽창 특성을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 일 구현예를 들면, 복수의 슬릿(40) 간의 이격거리는 후술되는 제1전극(20a) 또는 제2전극(20b)의 평면에 대응하는 크기와 같거나 또는 이보다 큰 것일 수 있으며, 바람직하게는 한쌍의 P형 열전 레그(30a)와 N형 열전 레그(30b)를 포함하여 단위 셀을 형성하는 크기에 대응될 수 있다. 일례로, 1.35 내지 1.45 mm일 수 있다.
구체적으로, 복수의 슬릿(40)은, 제1 방향(예, 기판의 길이방향)을 따라 형성되는 슬릿 너비; 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향을 따라 형성되는 슬릿 길이; 및 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하며, 상기 도전성 제1-2 기판(11a, 11b)에 수직한 방향(예, 기판의 두께 방향)을 따라 형성되는 슬릿 깊이를 갖는다. 특히, 복수의 슬릿(40)은 실질적으로 동일한 슬릿 깊이(depth)를 갖는다. 이러한 슬릿의 깊이는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 각각 당해 도전성 제1기판(11a) 또는 도전성 제2기판(11b)의 전체 두께를 기준으로 70 내지 90%일 수 있다. 또한 상부에서 바라볼 때, 슬릿의 길이는 상기 도전성 제1기판(11a)의 길이방향(제1방향)과 수직한 방향(제2방향)의 길이와 동일할 수 있으며, 슬릿의 너비는 도전성 제1-2기판(11a, 11b)의 길이방향(제1방향)에 따른 전체 길이를 기준으로 대략 7 내지 10%일 수 있다.
일례로, 가로×세로×두께가 40.5 × 40.5 × 0.7 (mm)인 도전성 제1기판을 사용시, 슬릿의 깊이는 0.49 내지 0.63 mm이며, 슬릿 너비는 3.0 내지 4.0 mm이고, 슬릿 길이는 40.5 mm의 크기를 가질 수 있다. 다른 일례로, 가로×세로×두께가 40.5 × 40.5 × 1.5 (mm)인 도전성 제1기판을 사용시, 슬릿의 깊이는 1.05 내지 1.35 mm 이며, 슬릿 너비는 3.0 내지 4.0 mm 이고, 슬릿 길이는 40.5 mm의 크기를 가질 수 있다. 그러나 전술한 수치에 특별히 한정되지 않으며, 사용하고자 하는 기판의 크기에 따라 적절히 변형 및 조절 가능하다.
복수의 슬릿(40)은 수평 단면 형상을 볼 때, 복수의 음각 패턴이 규칙적으로 배치되는 구조를 갖는다. 이러한 음각 패턴의 수평 단면 형상은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 사각형, 원형, 타원형, 스트라이프형, 마름모형 및 다각형 중 어느 하나일 수 있다. 그 외, 다양한 패턴 형상을 적용할 수 있다.
상기 복수의 슬릿(40)은, 절연성 제1수지층(12a)이 비형성되는 도전성 제1기판(11a)의 일면 상에 형성되되, 바람직하게는 도전성 제1기판(11a)의 절연성 제1수지층(12a) 상에 배치되는 제1전극(20a)을 중심으로 상호 대칭을 이루도록 형성된다. 구체적으로, 제1전극(20a)의 중심을 지나는 제1방향선(예, 제1전극의 장축 길이방향)을 기준으로 좌우대칭 또는 중심대칭(centrosymmetrically) 구조를 갖도록 배치될 수 있다.
도전성 제1기판(11a)의 일면 상에 형성되는 제1절연 수지층(12a)은 성막이 용이한 전기절연성 물질을 사용할 수 있으며, 일례로 당 분야에 공지된 통상의 열경화성 수지(resin) 및 열가소성 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 고온 영역(≥ 300℃)에서 지속적인 열전 성능을 발휘하기 위해서, 상기 제1절연 수지층(12a)은 유리전이온도(Tg)가 250℃ 이상, 바람직하게는 250 내지 300℃인 내열성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1절연 수지층(12a)으로 사용 가능한 열경화성 수지의 비제한적인 예로는, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 알키드 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 요소 수지, 식물성유 변성 페놀수지, 크실렌 수지, 구아나민 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 비닐에스테르 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 푸란 수지, 폴리이미드 수지, 시아네이트 수지, 말레이미드 수지 및 벤조시클로부텐 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 열경화성 수지는 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 및 요소 수지로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
에폭시 수지는 당 분야에 공지된 통상적인 에폭시 수지를 제한 없이 사용할 수 있으며, 1분자 내에 할로겐 원소를 비포함하면서, 에폭시기가 2개 이상 존재하는 것이 바람직하다. 사용 가능한 에폭시 수지의 비제한적인 예를 들면, 비스페놀A형/F형/S형 수지, 페놀 노볼락 에폭시 수지, 다가 페놀형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 알킬페놀 노볼락형 에폭시, 바이페닐형, 아랄킬(Aralkyl)형, 나프톨(Naphthol)형, 디시클로펜타디엔형 또는 이들의 혼합 형태 등이 있다. 보다 구체적인 예를 들면, 비스페놀A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 안트라센 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 테트라메틸 비페닐형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 S 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 페놀 공축 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 코레졸 공축 노볼락형 에폭시 수지, 방향족 탄화수소 포름알데히드 수지 변성 페놀 수지형 에폭시 수지, 트리페닐 메탄형 에폭시 수지, 테트라 페닐에탄형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔 페놀 부가반응형 에폭시 수지, 페놀 아랄킬형 에폭시 수지, 다관능성 페놀 수지, 나프톨 아랄킬형 에폭시 수지 등이 있다. 이때 전술한 에폭시 수지를 단독 사용하거나 또는 2종 이상 혼용할 수도 있다. 바람직한 일례를 들면, 상기 고내열성 에폭시 수지는, 페놀 노볼락 에폭시 수지 및 다가 페놀형 에폭시 수지 중에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것이다. 여기서, 다가 페놀형 에폭시 수지는 분자 내 평균 에폭시기 수가 2개 이상, 바람직하게는 2~4개인 에폭시 수지를 지칭한다.
또한 사용 가능한 열가소성 수지의 비제한적인 예로는, 올레핀 수지, 아크릴 수지, 고무(rubber) 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 구체적인 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리이미드, 테프론(PTFE), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(NBR), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 러버(ABS), 카르복실-말단화된 부타디엔 아크릴로니트릴 러버(CTBN), 폴리부타디엔(polybutadiene), 스티렌(styrene)-부타디엔(butadiene)-에틸렌 수지(SEBS), 탄소수 1~8의 측쇄사슬을 함유하는 아크릴산(acrylic acid) 및/또는 메타크릴산 (methacrylic acid) 에스테르 수지(아크릴 고무), 또는 이들의 1종 이상의 혼합물 등이 있다. 전술한 열가소성 수지는, 열경화성 수지인 에폭시 수지와의 반응이 가능한 관능기를 함유하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 아미노기, 카르복실(carboxyl)기, 에폭시기, 수산기, 메톡시기, 및 이소사이아네이트기로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 관능기이다. 이러한 관능기는 에폭시 수지와 강한 결합을 형성하므로, 경화 이후 내열성이 향상되어 바람직하다.
제1절연 수지층(12a)은 전술한 내열성 수지 이외에, 세라믹 필러(분말)를 더 포함할 수 있다.
세라믹 필러는 당 분야에 공지된 통상의 무기 필러를 제한 없이 사용할 수 있으며, 사용 가능한 세라믹 필러의 비제한적인 예로는, 천연 실리카(natural silica), 용융 실리카(Fused silica), 비결정질 실리카(amorphous silica), 결정 실리카(crystalline silica) 등과 같은 실리카류; 보에마이트(boehmite), 알루미나, 탈크(Talc), 구형 유리, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 마그네시아, 클레이, 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리섬유, 붕산알루미늄, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산칼슘, 티탄산마그네슘, 티탄산비스무스, 지르콘산바륨, 지르콘산칼슘, 질화붕소, 질화규소, 또는 운모(mica) 등이 있다. 전술한 분말을 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 알루미늄산화물 등의 금속산화물 형태의 필러를 사용하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일례를 들면, 제1절연 수지층(12a)은 세라믹 필러가 포함된 에폭시 수지층일 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄산화물과 에폭시 수지가 혼합된 수지층일 수 있다.
세라믹 필러의 평균 입경(D50)은 특별히 한정되지 않으나, 분산성을 고려할 때, 평균 입경이 약 0.1 내지 20 ㎛, 구체적으로 0.5 내지 15 ㎛인 것이 바람직하다. 또한 평균 입경이 상이한 2종 이상의 세라믹 필러를 혼용할 수도 있다. 상기 세라믹 필러의 형상 역시 특별히 제한되지 않으며, 일례로 구형, 판상형, 침상형, 섬유형, 가지형, 원뿔형, 피라미드형 및 무정형(無定形)으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
또한 세라믹 필러는 그대로 에폭시 수지와 혼합하여 사용할 수 있으며, 또는 유기물로 이미 표면처리된 세라믹 필러를 사용할 수도 있다. 이와 같이 유기물로 표면처리된 세라믹 필러를 사용할 경우, 수지와의 상용성이 우수하여 에폭시 수지의 유전특성, 내열성, 가공성 등을 보다 개선할 수 있기 때문이다. 상기 유기물은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 레진, 또는 실란 커플링제 등을 사용할 수 있다. 또한 세라믹 필러를 유기물로 표면 처리하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 유기물, 예컨대 비닐기-함유 실란 커플링제가 포함된 용액에 세라믹 필러를 투입한 후 건조시키는 방법을 들 수 있다.
본 발명에서 세라믹 필러의 함량은, 제1절연 수지층(12a)의 기계적 물성이나 기타 물성 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 일례로, 세라믹 필러의 함량은 절연 수지층(12a)을 구성하는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 0 내지 70 중량부, 구체적으로 5 내지 50 중량부, 보다 구체적으로 10 내지 30 중량부일 수 있다.
전술한 제1절연 수지층(12a)의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 일례로, 제1절연 수지층(12a)의 두께는 20 내지 150 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 120 ㎛일 수 있다.
본 발명에서는 전술한 도전성 제1기판(11a)과 대향하는 위치에, 일면에 제2절연 수지층(12b)이 형성된 도전성 제2기판(11b)이 배치된다. 구체적으로, 도전성 제1기판(11a)의 일면에 형성된 제1절연 수지층(12a)과 도전성 제2기판(11b)의 일면에 형성된 제2절연 수지층(12b)은 서로 마주보도록 배치된다. 여기서, 도전성 제2기판(11b)과 제2절연 수지층(12b)은 각각 전술한 도전성 제1기판(11a) 및 제1절연 수지층(12a)의 구성이 그대로 적용될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
서로 마주보도록 배치된 제1절연 수지층(12a)과 제2절연 수지층(12b) 상에 각각 제1전극(20a)과 제2전극(20b)이 배치된다.
제1전극(20a)과 제2전극(20b)의 재질은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에서 전극으로 사용되는 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 제1전극(20a)과 제2전극(20b)은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 독립적으로 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 금속을 사용할 수 있다. 그 외, 니켈, 금, 은, 티타늄 등을 더 포함할 수 있다. 그 크기 또한 다양하게 조절할 수 있다.
상기 제1전극(20a)과 제2전극(20b)은 소정의 형상으로 패턴화될 수 있으며, 그 형상은 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 하기 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 패턴화될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 열전 레그(30)는 복수의 P형 열전 레그(30a)와 N형 열전 레그(30b)를 각각 포함하며, 이러한 복수의 쌍을 이루는 N형과 P형의 열전 레그(30a, 30b)들이 일방향으로 교번하여 배치된다. 이와 같이 일방향으로 이웃하는 P형 열전 레그(30a) 및 N형 열전 레그(30b)는 그 상면 및 하면이 각각 제1전극(20a) 및 제2전극(20b)과 전기적으로 직렬 연결된다. 이때 전기적으로 연결되는 한쌍의 P형 열전 레그(30a)와 N형 열전 레그(30b)는 단위 셀을 형성할 수 있다. 이러한 각각의 열전 레그(30a, 30b)는 열전반도체 기재를 포함한다.
상기 열전 레그(30)에 포함되는 열전반도체는 전기가 인가되면 양단에 온도차가 발생하거나, 또는 그 양단에 온도차가 발생하면 전기가 발생하는 당 업계의 통상적인 재료로 형성될 수 있다. 일례로, 전이금속, 희토류 원소, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소 및 16족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 열전반도체를 하나 이상 사용할 수 있다. 여기서, 희토류 원소의 예로는 Y, Ce, La 등이 있으며, 상기 전이금속의 예로는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, 및 Re 중 하나 이상일 수 있으며, 상기 13족 원소의 예로는 B, Al, Ga, 및 In 중 하나 이상일 수 있으며, 상기 14족 원소의 예로는 C, Si, Ge, Sn, 및 Pb 중 하나 이상일 수 있으며, 상기 15족 원소의 예로는 P, As, Sb, 및 Bi 중 하나 이상일 수 있고, 상기 16족 원소의 예로는 S, Se, 및 Te 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
사용 가능한 열전 반도체로는 비스무트(Bi), 텔레륨(Te), 코발트(Co), 사마륨(Sb), 인듐(In), 및 세륨(Ce) 중 적어도 2개 이상을 포함하는 조성으로 이루어진 질 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는, Bi-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sb-Te계, Sm-Co계, 전이금속 규화물계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계, 하프휘슬러(Hafl heusler) 또는 이들의 조합 등이 있다. 구체적인 일례를 들면, Bi-Te계 열전반도체로는 Sb 및 Se가 도펀트로서 사용된 (Bi,Sb)2(Te,Se)3계 열전반도체를 예시할 수 있으며, Co-Sb계 열전반도체로서는 CoSb3계 열전반도체를 예시할 수 있으며, Sb-Te계 열전반도체로서는 AgSbTe2, CuSbTe2를 예시할 수 있고, Pb-Te계 열전반도체로서는 PbTe, (PbTe)mAgSbTe2 등을 예시할 수 있다. 상기 열전반도체는 소정 크기를 갖는 입자일 수 있으며, 예를 들어 평균 입경이 약 0.01 내지 약 100 ㎛의 범위일 수 있다.
이와 같은 열전 반도체는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 상기 열전 반도체는 용융방사 회전법(melt-spining)이나 기상원자화법(gas atomization) 등을 수행한 후 가압소결법을 순차적으로 진행하여 제조될 수 있다. 이러한 P형 열전 레그(30a) 및 N형 열전 레그(30b)를 포함하는 열전 레그(30)는 절단 가공 등의 방법으로 소정의 형상, 일례로 직육면체의 형상으로 형성하여 열전 소자에 적용될 수 있다.
선택적으로, 상기 열전 소자(100)는 상기 제1전극(20a)과 상기 열전 레그(30) 사이; 및 상기 열전 레그(30)와 제2전극(20b) 사이에 배치되는 접합재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 접합재는 당 분야에 공지된 통상의 접합재 성분을 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 접합재는 Sn과; Pb, Al, 및 Zn 중 적어도 하나의 제1금속을 포함하는 조성; 또는 상기 제1금속;과 Ni, Co, 및 Ag 중 적어도 하나의 제2금속을 포함하는 조성으로 이루어질 수 있다.
선택적으로, 상기 열전 소자(100)는 상기 제1전극(20a)과 상기 열전 레그(30) 사이; 및 상기 열전 레그(30)와 제2전극(20b) 사이에 배치되는 확산방지층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 확산방지층은 당 분야에 공지된 통상의 성분을 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 탄탈늄(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 티타늄(Ti)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열전 소자(100)의 일 구현예에서 제1전극(20a) 및 제2전극(20b)은 전력 공급원에 전기적으로 연결될 수 있다. 외부에서 DC 전압을 인가했을 때 p형 열전 레그(30a)의 정공과 n형 열전 레그(30b)의 전자가 이동함으로써 열전 레그 양단에서 발열과 흡열이 일어날 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열전 소자(100)의 일 구현예에서, 제1전극(20a) 및 제2 전극(20b) 중 적어도 하나는 열 공급원에 노출될 수 있다. 외부 열 공급원에 의하여 열을 공급받으면 전자와 정공이 이동하면서 열전소자에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으킬 수 있다.
전술한 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자는, 일례로 열전냉각시스템 또는 열전발전시스템에 구비될 수 있다. 이러한 열전발전 시스템은 온도차를 이용하여 발전을 일으키는 통상의 시스템을 의미하며, 일례로 폐열로, 차량용 열전발전 시스템, 태양광 열전발전 시스템 등을 들 수 있다. 또한 열전냉각 시스템은 마이크로 냉각시스템, 범용냉각기기, 공조기, 폐열 발전 시스템 등을 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로, 본 발명에서 Bi-Te계 또는 Co-Sb계 열전 레그를 사용할 경우, 고온 사용 온도대를 갖기 때문에 발전 출력을 높일 수 있으며, 고온 하중에 따른 내구성 강화와 우수한 열적 안정성을 발휘하여 최종 제품의 높은 신뢰성을 가질 수 있다. 본 발명에서 복수의 슬릿(slit)이 구비되는 도전성 기판은 발열부이거나 또는 냉각부일 수 있으며, 특히 열팽창시 유연성 부여 효과를 발휘하기 위해서 발열부인 것이 바람직하다.
상기 열전발전 시스템 및 열전냉각 시스템의 각 구성 및 제조방법에 대해서는 당 분야에 공지되어 있는 바, 본 명세서에서는 구체적인 기재를 생략한다.
한편 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자(200)의 단면을 간략히 도시한 단면도이다. 도 3에서 도 1~2와 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하 도 3에 대한 설명에서는 도 1~2와 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 차이점에 대해서만 설명한다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 소자(200)는, 도전성 제1기판(11a)의 일면에 복수의 슬릿(40)이 형성된 도 2의 실시예와 달리, 복수의 슬릿(40)이 구비된 도전성 제2기판(11b)을 사용한다. 구체적으로, 상기 도전성 제2기판(11b)은 일면에 제2절연 수지층(12b)이 형성되고, 타면에 복수의 슬릿(40)이 구비된다.
그 외, 도 3의 실시예에서 각 구성 요소의 재료와 구조 등에 대한 설명은 도 1 및 2의 열전 소자(100)의 설명이 그대로 적용될 수 있다.
한편 도 1 내지 3에서는 복수의 슬릿(40)이 각각 도전성 제1기판(11a)과 도전성 제2기판(11b) 중 어느 하나에 형성된 실시예를 구체적으로 예시하고 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 도전성 기판(11a, 11b) 모두에 형성되거나, 상기 도전성 기판(11a, 11b)의 단면 및/또는 양면에 형성되는 실시예 역시 본 발명의 범주에 속한다.
아울러, 도 1 내지 3에서는 제1절연 수지층 (12a)과 제2절연 수지층 (12b)이 각각 단일층으로 형성된 실시예를 구체적으로 예시하고 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 절연 수지층 (12a, 12b)의 개수, 형상, 크기는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 절연 수지층 (12a, 12b)의 구성은 특별히 제한되지 않으며, 다양한 형태와 크기를 갖도록 자유롭게 변형 가능하다. 또한 상기 절연 알루미늄산화물과 에폭시 수지 혼합층 (12a, 12b)은 전기 절연성을 유지하는 범위 내에서, 당 분야에 공지된 통상의 무기계 필러 및/또는 유기계 필러를 더 포함할 수 있다.
<열전 소자의 제조방법>
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따라 전술한 열전 소자의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법이나 순서에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 소자는, 당 분야에 공지된 수지 부착 금속박 및/또는 금속 적층판을 이용하여 제조될 수 있으며, 바람직하게는 동박적층판(CCL, copper clad laminate)일 수 있다.
상기 제조방법의 일 실시형태를 들면, (i) 절연 수지층의 양면에 금속층이 구비된 금속적층판 2개를 준비하는 단계('S10 단계'); (ii) 상기 2개의 금속적층판의 일면에 배치된 금속층을 각각 식각하여 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계('S20 단계'); iii) 상기 제1전극과 제2전극이 서로 대향하도록 배치한 후, 이들 사이에 복수의 열전 레그를 배치하는 단계('S30 단계'); 및 (iv) 상기 2개의 금속적층판 중 어느 하나의 금속적층판 타면 상에, 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응되는 크기를 같거나 또는 보다 큰 간격으로 이격하여 복수의 슬릿(slit)을 형성하는 단계('S40 단계') (를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기 제조방법을 각 공정 단계별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
우선, 열전 소자의 기판으로 사용될 2개의 금속적층판을 준비한다.
금속적층판은 절연 수지층을 중심으로 하여 이의 양면에 금속층이 적층된 형태를 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 금속층은 서로 동일하거나 또는 상이한 금속 성분으로 구성될 수 있으며, 일례로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
2개의 금속적층판 중에서 하나의 금속적층판 양면에 배치된 금속층(예, 제1금속층, 제2금속층) 중 하나는 도전성 제1기판으로 사용되며, 다른 하나는 식각을 통해 소정의 형태로 패턴화된 제1전극으로 형성된다. 마찬가지로, 2개의 금속적층판 중에서 다른 하나의 금속적층판 양면에 배치된 금속층 중 하나는 도전성 제2기판으로 사용되며, 다른 하나는 제2전극으로 형성된다. 이때 식각법은 당 분야에 공지된 에칭법을 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 물리적 식각, 화학적 식각 또는 이들 모두를 조합하여 적용할 수 있다.
패턴화된 제1전극과 제2전극 상에 복수의 열전 레그(30)를 배치 및 접합하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야에 공지된 방법을 사용할 수 있다. 이때 접합재로는 Sn 및 Pb, Al, Zn 중 하나 또는 그 이상의 제1금속; 또는 상기 제1금속과 Ni, Co, Ag 등의 제2금속을 혼합하여 적용될 수 있다.
열전 레그는 당 분야에 공지된 열전반도체, 예컨대 Bi-Te 또는 Co-Sb계 열전 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 열전 재료를 이용하여 열전레그를 제조하는 방법의 일례를 들면, Bi-Te 또는 CoSb계 열전재료를 RSP를 이용하여 용융시킨 후 리본 제작 또는 원료 분말 배합 후 열처리 등의 소성을 통해 1차적으로 상(phase)을 형성한다. 이후 핫 프레스(Hot press) 및 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 등을 통해 소결하여 소결체를 형성한 후, 목적 두께에 맞게 슬라이싱을 진행하고, 최종 두께에 맞게 랩핑(lapping)을 진행하여 소재의 높이를 1/100 이내로 조절한다. 단차가 제어된 열전 소재의 표면에 Co, Ni, Cr, 및 W 등의 표면 코팅을 진행한 후, 최종적으로 재료의 크기에 맞게 다이싱(dicing)을 실시하여 열전 레그가 제조된다.
본 발명에 따라 제1전극과 제2전극 사이에 복수의 열전 레그를 배치 및 접합하는 단계의 구체적인 일례를 들면, 제1전극(20a)의 패턴에 맞게 접합재 페이스트를 일정 두께로 도포하고, 그 위에 n형 및 p형의 열전 레그를 배열한다. 이후 반대쪽인 대향전극(제2전극)의 경우 접합재만 도포한 상태에서 기존에 제작되어 있는 n형 및 p형 열전 레그가 배열된 부분에 배치하여 열전 소자의 구성을 완료한다.
열전 레그가 배치된 2개의 금속적층판 중에서, 도전성 제1기판(또는 도전성 제2기판)으로 사용하고자 하는 금속적층판의 일면 상에 복수의 슬릿(slit)을 형성한다. 일 구현예를 들면, 복수의 슬릿 간의 이격거리는, 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응하는 크기와 같거나 보다 크게 조절할 수 있다. 구체적으로 복수의 슬릿은, 하기 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 한쌍의 P형 및 N형 열전 레그가 접속되어 하나의 열전소자(예, 단위 셀)가 완성될 수 있는 다수의 열전소자 단위영역(미도시)이 가로 및 세로 방향을 따라 구획된 구조일 수 있고, 각 단위영역을 구획하는 경계부에는 소잉라인이 형성될 수 있다. 이와 같이, 2개의 금속적층판 중 하나에 복수의 슬릿을 형성하는 방법은 당 분야에 공지된 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로, 레이저 커팅, 기계적 펀칭, 또는 절단 휠 등을 사용할 수 있다.
이어서, 300 내지 500℃로 열처리하여 최종 접합한 후 전선을 연결하여 열전 소자의 제작을 완료한다.
한편 본 발명에서는 금속적층판을 이용하여 열전 소자를 제조하는 방법을 구체적으로 설명하고 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 당 분야의 공지된 금속판 위에 에폭시 수지 등의 절연 수지를 도포한 후, 도포된 절연수지층 상에 소정의 전극 패턴을 구성한 후 열처리하여 고착화된 것을 도전성 기판으로 사용하는 것도 본 발명의 범주에 속한다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시하는 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
Al 기판(두께: 0.7 mm) 위에 에폭시 수지(Tg: 250℃)가 도포되고 그 위에 소정의 형상으로 패턴화된 Cu 전극이 배치된 40.5×40.5 크기의 기판을 도전성 제1기판으로 이용하였다. 상기 도전성 제1기판은 에폭시 수지층을 중심으로 일면에 Al층과 타면에 Cu층이 배치된 금속적층판을 사용하였으며, 이중 Cu 층을 소정의 패턴으로 식각하여 Cu 전극을 형성한 것이다. 상기 도전성 제1기판과 동일한 구성을 갖는 기판을 도전성 제2기판(대향기판)으로 사용하였다.
상기 Cu 전극(제1전극) 상에 접합재를 도포하고, 그 위에 Bi-Te계 열전 레그를 배치한 후, 대향전극으로 도전성 제2기판의 Cu 전극(제2전극)을 배치하였다. 이후 열처리 설비를 이용하여 약 300℃에서 열처리하여 접합한 후, 도전성 제2기판의 타면(예, 제2전극 비형성면)에 복수의 슬릿(silt)을 형성하여 실시예 1의 열전 소자를 제작하였다.
이때, 슬릿(Slit)은 40.5×40.5 크기를 갖는 기판을 기준으로 제작한 것으로서, 일정한 간격으로 가로 9개, 세로 9개를 각각 약 0.5 mm의 깊이로 형성하였다. 복수의 슬릿 간의 간격(이격 거리)은 가로와 세로 각각 3.5 mm 수준이며, 크기는 0.3 mm 수준으로 절단 휠을 이용하여 진행하였다(하기 도 4(b) 참조).
[실시예 2]
Al 기판(두께: 1.5 mm) 위에 에폭시 수지(Tg: 250℃)가 도포되고 그 위에 소정의 형상으로 패턴화된 Cu 전극이 배치된 40.5×40.5 크기의 기판을 각각 도전성 제1기판과 도전성 제2기판으로 이용한 후, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 실시예 2의 열전 소자를 제작하였다.
이때 슬릿은 40.5×40.5 크기를 갖는 기판을 기준으로 제작한 것으로서, 일정한 간격으로 가로 9개, 세로 9개를 각각 약 1.2 mm의 깊이로 형성하였다. 복수의 슬릿 간의 간격(이격 거리)은 가로와 세로 각각 3.5 mm 수준이며, 크기는 0.3 mm 수준으로 절단 휠을 이용하여 진행하였다(하기 도 4(b) 참조).
[실시예 3]
Al 기판(두께: 0.7 mm) 위에 에폭시 수지(Tg: 250℃)가 도포되고 그 위에 소정의 형상으로 패턴화된 Cu 전극이 배치된 40.5×140.5 크기의 기판을 각각 도전성 제1기판과 도전성 제2기판으로 이용한 후, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 실시하여 실시예 3의 열전 소자를 제작하였다.
이때 슬릿은 40.5×140.5 크기를 갖는 기판을 기준으로 제작한 것으로서, 일정한 간격으로 가로 9개, 세로 39개를 각각 약 0.5 mm의 깊이로 형성하였다. 복수의 슬릿 간의 간격(이격 거리)은 가로와 세로 각각 3.5 mm 수준이며, 크기는 0.3 mm 수준으로 절단 휠을 이용하여 진행하였다(하기 도 5 참조).
[비교예 1]
상용 DBC 기판 (Ferrotec社, 200 pair DBC)을 이용하여 접합재를 도포한 후, 그 위에 열전 소재를 올린 후, 반대쪽 전극을 동일한 DBC 전극을 이용하여 배열한 후에 열처리 설비를 이용하여 약 300℃에서 열처리하여 비교예 1의 열전 소자를 제작하였다. 이때 적용된 기판 및 전극을 제외하고, 나머지 재료와 공정은 실시예 1과 동일하게 진행하였으며, 별도의 슬릿(slit)은 제작하지 않았다.
[비교예 2]
별도의 슬릿(slit)을 제작하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법을 실시하여 비교예 2의 열전 소자를 제작하였다.
[실험예 1] 열전 소자의 최초 저항 평가
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 열전 소자의 특성을 하기와 같이 평가하였다.
구체적으로, 각 기판을 사용하여 제작된 열전 소자의 단위저항을 4probe 설비를 이용하여 고유 저항을 각각 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
저항 (Ω)
1 2 3 평균값
실시예 1 2.015 2.025 1.998 2.013
실시예 2 2.022 2.023 2.015 2.020
실시예 3 6.125 6.205 6.186 6.172
비교예 1 1.982 2.051 1.985 2.006
비교예 2 6.135 6.185 6.195 6.171
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 다양한 재질 별로 구성된 실시예 1~2의 열전 소자는 비교예 1의 소자에 비해 5% 내외로 균일한 저항값을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 특히 실시예 1~2 대비 3배의 열전 레그(leg)를 이용하여 제작된 실시예 3의 경우 대략 3배 수준의 저항을 나타내어 비교예 1의 열전 소자 대비 균일하다는 것을 알 수 있었다.
또한 슬릿(slit)의 유무를 제외하고는, 동일하게 제작된 실시예 3과 비교예 2의 열전 소자는 동등 수준의 저항을 나타냈으며, 이후 출력 평가에서 문제가 없음을 예상할 수 있다. 이와 같이 균일한 저항값은 출력값 [출력 = (OCV)^2/4R]에 많은 영향을 주지 않을 것으로 추정된다.
[실험예 2] 출력 변화율 평가
실시예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에서 제조된 각각의 소자(크기: 40.5×40.5×3t, 40.5×140.5)에 대하여, 출력평가 설비를 이용하여 반복에 따른 출력 변화 결과를 평가하였다. 이들의 결과는 도 6 에 각각 나타내었다.
여기서, 소자의 출력 평가는 제조된 각 열전소자를 이용하여 출력 평가 설비에 장착한 후 약 60 kgf의 하중을 인가하였으며, 이후 고온부 온도를 300℃, 저온 냉각부 온도를 30℃로 유지시킨 후 수 회 반복하여 데이터를 얻을 수 있었다.
실험 결과, 비교예 1의 열전소자는 10회 이전부터 출력 특성이 현저히 저하되는 반면, 실시예 1~3의 열전소자는 100회를 반복하더라도 출력 변화율이 유지되는 것을 알 수 있었다. 또한 실시예 3과 동일하게 제작하되, 슬릿(slit)을 비포함하는 비교예 2의 열전 소자는 20회 평가시 출력이 아예 측정되지 않는다는 것을 알 수 있었다. 이는 고온에 의한 금속계 기판의 열팽창에 의해 열전 레그가 박리되어 소자의 출력특성이 일어나지 않는 것으로 추정된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 열전 소자는 기판의 재질 변경 및 구조 변경에 따라 열적 안정성 및 내구성이 강화되어, 열전 특성이 유의적으로 개선되었음을 확인할 수 있었다.
100, 200: 열전 소자
10a: 제1 금속적층판
11a: 도전성 제1 기판
12a: 제1절연 수지층
20a: 제1전극
30: 열전 레그
30a: P형 열전 레그
30b: N형 열전 레그
20b: 제2전극
10b: 제2 금속적층판
11b: 도전성 제2기판
12b: 제2절연 수지층
40: 슬릿

Claims (13)

  1. 일면에 제1절연 수지층이 형성된 도전성 제1기판;
    상기 제1기판과 대향 배치되며, 일면에 제2절연 수지층이 형성된 도전성 제2기판;
    상기 제1절연 수지층 상에 배치된 제1전극;
    상기 제2절연 수지층 상에 배치된 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 개재된 복수의 열전 레그를 포함하는 열전 소자로서,
    상기 도전성 제1기판과 상기 도전성 제2기판 중 하나는 제1절연 수지층 또는 제2 절연 수지층이 비형성된 타면 상에, 당해 기판의 길이방향에 따라 소정 간격으로 이격하여 형성된 복수의 슬릿(Slit)을 구비하되,
    상기 슬릿의 깊이(depth)는 당해 기판의 전체 두께를 기준으로 70 내지 90%이며,
    상기 복수의 슬릿을 구비하는 도전성 제1 기판과 도전성 제2 기판 중 하나는 발열반응을 일으키는 발열부인 것을 특징으로 하는 열전발전용 열전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿 간의 이격 거리는 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응하는 크기와 같거나 큰 것이 특징인 열전발전용 열전 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은, 상기 제1전극 또는 제2전극을 중심으로 상호 대칭을 이루도록 형성되는 열전발전용 열전 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬릿은,
    제1 방향을 따라 형성되는 슬릿 너비;
    상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향을 따라 형성되는 슬릿 길이; 및
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 직교하며, 상기 기판에 수직한 방향을 따라 형성되는 슬릿 깊이를 가지는, 열전발전용 열전 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 수평 단면 형상은 사각형, 원형, 타원형, 스트라이프형, 마름모형 및 다각형 중 어느 하나인 열전발전용 열전 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 유리전이온도(Tg)가 250℃ 이상인 고내열성 수지를 포함하는, 열전발전용 열전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고내열성 수지는 페놀 노볼락 에폭시 수지 및 다가 페놀형 에폭시 수지 중에서 선택된 적어도 1종의 에폭시 수지를 포함하는 열전발전용 열전 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층은 각각 세라믹 필러를 포함하는 열전발전용 열전 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연 수지층과 제2절연 수지층의 두께는 각각 10 내지 150 ㎛인 열전발전용 열전 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1~2 기판과 제1~2 전극은 서로 동일하거나 또는 상이하며, 각각 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 코발트(Co) 중 적어도 하나를 포함하는 열전발전용 전 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열전 레그는 Bi-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sb-Te계, Sm-Co계, 전이금속 규화물계, 스쿠테르다이트(Skuttrudite)계, 규화물(Silicide)계, 하프휘슬러(Half heusler) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 열전반도체 물질을 포함하는 열전발전용 열전 소자.
  12. 삭제
  13. 절연 수지층의 양면에 금속층이 구비된 금속적층판 2개를 준비하는 단계;
    상기 2개의 금속적층판의 일면에 배치된 금속층을 각각 식각하여 제1전극과 제2전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극과 제2전극이 서로 대향하도록 배치한 후, 이들 사이에 복수의 열전 레그를 배치하는 단계; 및
    상기 2개의 금속적층판 중 하나의 금속적층판 타면 상에, 상기 제1전극 또는 제2전극의 평면에 대응되는 크기를 같거나 또는 보다 큰 간격으로 이격하여 복수의 슬릿(slit)을 형성하는 단계
    를 포함하는 제1항에 기재된 열전발전용 열전 소자의 제조방법.
KR1020180127393A 2018-10-24 2018-10-24 열전 소자 및 그 제조방법 KR102020155B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180127393A KR102020155B1 (ko) 2018-10-24 2018-10-24 열전 소자 및 그 제조방법
PCT/KR2019/013176 WO2020085681A1 (ko) 2018-10-24 2019-10-08 열전 소자 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180127393A KR102020155B1 (ko) 2018-10-24 2018-10-24 열전 소자 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102020155B1 true KR102020155B1 (ko) 2019-09-10

Family

ID=67950957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180127393A KR102020155B1 (ko) 2018-10-24 2018-10-24 열전 소자 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102020155B1 (ko)
WO (1) WO2020085681A1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020085681A1 (ko) * 2018-10-24 2020-04-30 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
CN112164746A (zh) * 2020-09-01 2021-01-01 西安交通大学 温差发电器件
KR102248813B1 (ko) * 2019-12-02 2021-05-11 엘티메탈 주식회사 다공성 열전재료의 제조방법 및 상기 다공성 열전재료를 포함하는 열전 소자
WO2021112566A1 (ko) * 2019-12-06 2021-06-10 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
WO2021141302A1 (ko) * 2020-01-07 2021-07-15 엘지이노텍 주식회사 열전소자
EP4084100A4 (en) * 2019-12-24 2023-12-27 LG Innotek Co., Ltd. THERMOELECTRIC DEVICE

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000068564A (ja) * 1998-08-18 2000-03-03 Dainippon Screen Mfg Co Ltd ペルチェ素子
WO2014084363A1 (ja) * 2012-11-29 2014-06-05 京セラ株式会社 熱電モジュール

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4013918B2 (ja) * 2004-04-26 2007-11-28 ヤマハ株式会社 熱電モジュール用基板、その製造方法及び熱電モジュール
JP2016029695A (ja) * 2014-07-25 2016-03-03 日立化成株式会社 熱電変換モジュールおよびその製造方法
KR102020155B1 (ko) * 2018-10-24 2019-09-10 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000068564A (ja) * 1998-08-18 2000-03-03 Dainippon Screen Mfg Co Ltd ペルチェ素子
WO2014084363A1 (ja) * 2012-11-29 2014-06-05 京セラ株式会社 熱電モジュール

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020085681A1 (ko) * 2018-10-24 2020-04-30 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
KR102248813B1 (ko) * 2019-12-02 2021-05-11 엘티메탈 주식회사 다공성 열전재료의 제조방법 및 상기 다공성 열전재료를 포함하는 열전 소자
WO2021112566A1 (ko) * 2019-12-06 2021-06-10 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
KR20210071842A (ko) * 2019-12-06 2021-06-16 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
KR102463859B1 (ko) * 2019-12-06 2022-11-07 엘티메탈 주식회사 열전 소자 및 그 제조방법
EP4084100A4 (en) * 2019-12-24 2023-12-27 LG Innotek Co., Ltd. THERMOELECTRIC DEVICE
WO2021141302A1 (ko) * 2020-01-07 2021-07-15 엘지이노텍 주식회사 열전소자
US11937505B2 (en) 2020-01-07 2024-03-19 Lg Innotek Co., Ltd. Thermoelectric device
CN112164746A (zh) * 2020-09-01 2021-01-01 西安交通大学 温差发电器件
CN112164746B (zh) * 2020-09-01 2022-12-06 西安交通大学 温差发电器件

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020085681A1 (ko) 2020-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102020155B1 (ko) 열전 소자 및 그 제조방법
CA2840059C (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion power generation device
AU2021202294B2 (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
CA1232363A (en) Thermoelectric generator and method for the fabrication thereof
JP2012038980A (ja) 熱電変換モジュールおよびその製造方法
KR20150021367A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
CN105745771A (zh) 热电元件、包含所述热电元件的热电模块以及热量转换装置
KR20160126803A (ko) 열전모듈
KR20240046141A (ko) 열전 소자
JP6145664B2 (ja) 熱電変換モジュールの製造方法
CN107534077B (zh) 热电元件、热电模块及包括该热电模块的热转换装置
KR102463859B1 (ko) 열전 소자 및 그 제조방법
KR20160058161A (ko) 열전 변환 장치의 제조 방법
KR102149098B1 (ko) 열전 소자 및 이에 포함되는 솔더 페이스트
KR20180029746A (ko) 열전모듈
KR101945765B1 (ko) 고효율 열전 소재의 제조 방법 및 열전 모듈의 제조방법
JP4882855B2 (ja) 熱電変換モジュールとその製造方法
KR20180091197A (ko) 열전 소자
KR102367202B1 (ko) 열전 소자
KR102363224B1 (ko) 다층 확산방지층을 포함하는 열전 소재 및 이를 구비하는 열전 소자
KR102501544B1 (ko) 열전 소자 및 그의 보수 방법
KR20160125678A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
AU2014268196B2 (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion power generation system
KR20160129638A (ko) 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치
SE2151195A1 (en) Laminated graphene-based thermally conductive film and pad and method for manufacturing the film and pad

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant