KR102291733B1 - 열전모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 관통홀을 포함하는 제1 금속기판; 상기 제1 금속기판 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부; 상기 제1 전극부 상에 배치된 복수의 P형 및 N형 열전레그; 상기 복수의 P형 및 N형 열전레그 상에 배치되고 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부; 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 배치되고 제2 관통홀을 포함하는 제2 금속기판;을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 제1 전극부가 배치된 유효영역 및 상기 유효영역의 외곽에 형성된 외곽영역을 포함하고, 상기 제2 금속기판은 제2 전극부가 배치된 유효영역 및 상기 유효영역의 외곽에 형성된 외곽영역을 포함하고, 상기 제1 관통홀은 상기 제1 금속기판의 상기 유효영역의 일부를 점유하고, 상기 제2 관통홀은 상기 제2 금속기판의 상기 유효영역의 일부를 점유하고, 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀은 서로 대응되는 위치에 형성된다.
Description
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전모듈의 체결 구조에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
열전소자의 상부기판과 하부기판 중 하나는 고온부가 되고, 다른 하나는 저온부가 된다. 이때, 고온부의 기판과 저온부의 기판 사이에 온도 차이가 발생하면서, 고온부 기판에 열변형이 발생하여 기판의 접합 계면으로 응력이 집중되는 현상이 발생할 수 있다. 이로 인해 접합 계면 부분에 박리 및 크랙이 발생하여 제품의 품질을 떨어뜨릴 수 있다.
특히, 고온부 기판의 가장자리는 중앙부에 비하여 열 변형량이 높은 부분으로서, 고온부의 기판과 저온부의 기판의 가장자리를 체결할 경우, 열 변형에 의하여 접합 계면 부분에 응력의 집중이 가중될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전모듈의 체결 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 관통홀을 포함하는 제1 금속기판; 상기 제1 금속기판 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되고 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부; 상기 제1 전극부 상에 배치된 복수의 열전레그; 상기 복수의 열전레그 상에 배치되고 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부; 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 배치되고 제2 관통홀을 포함하는 제2 금속기판;을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 상기 제1 전극부가 배치된 제1 유효영역 및 상기 제1 유효영역의 외곽에 형성된 제1 외곽영역을 포함하고, 상기 제2 금속기판은 상기 제2 전극부가 배치된 제2 유효영역 및 상기 제2 유효영역의 외곽에 형성된 제2 외곽영역을 포함하고, 상기 제1 관통홀은 상기 제1 금속기판의 상기 제1 유효영역 내에 형성되고, 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀은 서로 대응되는 위치에 형성되고, 상기 제1 금속기판은 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제1 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 제1 전극들의 면을 잇는 가상의 선이 이루는 공간인 제1 홀 배치 영역을 포함하고, 상기 제1 홀 배치 영역의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 4배 이상이고, 1kV 이상의 내전압 특성을 갖는다.
서로 마주하는 상기 제1 관통홀의 크기와 상기 제2 관통홀의 크기는 서로 상이할 수 있다.
상기 제2 관통홀의 주변에 배치된 절연삽입부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 관통홀의 크기는 상기 제2 관통홀의 크기보다 작을 수 있다.
상기 제1 관통홀과 상기 제2 관통홀 및 상기 절연삽입부재 사이에 배치된 체결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 수지 및 무기충전재를 포함할 수 있다.
상기 수지는 에폭시 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기충전재는 알루미늄, 실리콘, 붕소 중 적어도 하나의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 홀 배치 영역은 복수일 수 있다.
상기 제1 홀 배치 영역의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 8배 이상이고, 2.5kV 이상의 내전압 특성을 가질 수 있다.
상기 제2 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경의 1.1배 내지 2.0배일 수 있다.
상기 제1 금속기판의 크기와 상기 제2 금속기판의 크기는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 금속기판의 외곽영역에 형성된 제3 관통홀을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 금속기판의 크기는 상기 제1 금속기판의 크기보다 작을 수 있다.
상기 제1 금속기판의 면적에 대한 상기 제2 금속기판의 면적의 비는 0.5 내지 0.95일 수 있다.
상기 제2 금속기판은 복수일 수 있다.
상기 제2 금속기판은 상기 복수의 제2 전극 중 상기 제2 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 제2 전극들의 면을 잇는 가상의 선이 이루는 공간인 제2 홀 배치 영역을 포함하고, 상기 제1 홀 배치 영역과 상기 제2 홀 배치 영역은 서로 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
상기 제1 금속기판과 상기 제1 절연층 사이에 배치되고, 수지 및 무기충전재를 포함하는 제3 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 제3 절연층은 동일한 물질을 포함할 수 있다.
상기 내전압 특성은 10초 동안 AC 1kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 절연 파괴 없이 유지되는 특성일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발전장치는 상기 열전모듈; 그리고 상기 열전모듈의 상기 제1 금속기판과 결합되며, 관통홀을 포함하는 냉각부;를 포함하고, 상기 냉각부의 관통홀은 상기 제1 관통홀과 대응되는 위치에 형성되고, 상기 냉각부의 관통홀과 상기 제1 관통홀 사이에 체결부재가 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고온부 기판 및 저온부 기판의 유효영역의 일부를 점유하도록 서로 체결시킴에 따라, 고온부 기판의 열변형을 줄이고 접합 부위에 응력이 집중되는 것을 방지하여, 열전모듈의 고온에서의 신뢰성과 내구성을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각각의 홀 배치 영역이 형성된 제한된 공간 내에서 공간의 낭비 없이, 복수의 P형 및 N형 열전 레그의 최적 배치가 가능하도록 하여 열전모듈의 발전 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 7은 복수의 제1 금속기판과 제2 금속기판 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 제1예를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에서 나타낸 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 중첩시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 제1 금속기판과 제2 금속기판 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 체결 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 7은 복수의 제1 금속기판과 제2 금속기판 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 제1예를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에서 나타낸 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 중첩시킨 상태를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 제1 금속기판과 제2 금속기판 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 발전모듈의 체결 구조를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 2개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 2개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈의 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 열전모듈은 하나의 제1 금속기판(110), 제1 수지층(120), 복수의 제1 전극(130), 복수의 P형 열전 레그(140), 복수의 N형 열전 레그(150), 복수의 제2 전극(160), 제2 수지층(170), 하나의 제2 금속기판(180), 체결부재(190) 및 단열재(200)를 포함하며, 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)은 체결부재(190)를 관통시키기 위한 적어도 하나의 관통홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나의 열전모듈은 하나의 제1 금속기판(110), 복수의 제2 금속기판(180) 및 하나의 제1 금속기판(110)과 복수의 제2 금속기판(180) 사이에 배치된 제1 수지층(120), 복수의 제1 전극(130), 복수의 P형 열전 레그(140), 복수의 N형 열전 레그(150), 복수의 제2 전극(160), 제2 수지층(170)을 포함하며, 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)은 체결부재(190)를 관통시키기 위한 적어도 하나의 관통홀을 포함할 수 있다.
제1 금속기판(110)은 판형으로 형성된다. 또한, 제1 금속기판(110)은 냉각부(C) 또는 발열부(미도시) 상에 고정될 수 있다. 후술할 본 발명에 따른 실시예는 제1 금속기판(110)이 냉각부(C)에 고정된 예로 설명된다. 이때, 냉각부(C)에는 제1 금속기판(110)에 형성된 제1 관통홀(111)에 대응하는 위치에 홀(20h)이 형성되고, 후술할 체결부재(190)가 제1 관통홀(111)을 통과하여 홀(20h)에 삽입될 수 있다. 도 9 내지 11의 실시예에서와 같이 제1 금속기판(110)에는 외곽영역 즉, 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)가 배치되지 않은 영역에도 제3 관통홀(113)이 더 형성될 수 있으며, 이때, 체결부재(190)는 제3 관통홀(113) 및 제3 관통홀(113)과 대응하는 위치에 형성된 냉각부(C)의 홀(20h)에 삽입될 수 있다. 그리고, 제1 금속기판(110)과 냉각부(C) 사이에 방열패드(H)가 더 배치될 수도 있다.
제1 금속기판(110)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 열전모듈에 전압을 인가하면, 제1 금속기판(110)은 펠티에 효과(Peltier effect)에 따라 열을 흡수하여 저온부로 작용하고, 제 2 금속기판(180)은 열을 방출하여 고온부로 작용할 수 있다. 한편, 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)에 서로 다른 온도를 가하면, 온도 차에 의해 고온 영역의 전자가 저온 영역으로 이동하면서 열기전력이 발생한다. 이를 제벡 효과(Seebeck effect)라고 하며, 이로 인한 열기전력에 의하여 열전소자의 회로 내에 전기가 발생한다.
제1 금속기판(110)은 적어도 하나의 제1 관통홀(111)을 포함한다. 제1 관통홀(111)은 후술할 제2 금속기판(180)에 형성된 제2 관통홀(181)에 대응하는 위치에 형성된다. 그리고, 제1 관통홀(111)은 제1 금속기판(110)의 외곽과 소정 간격을 두고 형성될 수 있다. 이때, 제1 관통홀(111)과 제2 관통홀(181)로 체결부재(190)가 통과하면서, 체결부재(190)에 의하여 제1 금속기판(1110)과 제2 금속기판(180)이 고정될 수 있다. 이때, 복수의 제1 전극(130)과 접하는 제1 금속기판(110)의 제1 면에 형성된 제1 관통홀(111)의 직경 및 복수의 제2 전극(160)과 접하는 제2 금속기판(180)의 제1 면에 형성된 제2 관통홀(181)의 직경은 서로 동일할 수 있으나, 후술할 절연삽입부재의 배치 형태, 위치 등에 따라 복수의 제1 전극(130)과 접하는 제1 금속기판(110)의 제1 면에 형성된 제1 관통홀(111)의 직경 및 복수의 제2 전극(160)과 접하는 제2 금속기판(180)의 제1 면에 형성된 제2 관통홀(181)의 직경은 서로 상이할 수 있다.
제1 금속기판(110) 상에는 제1 수지층(120)이 도포되고 복수의 제1 전극(130)이 배치된다.
여기서, 제1 금속기판(110)은 제1 수지층(120)과 직접 접촉할 수 있다. 이를 위하여, 제1 금속기판(110)은 양면 중 제1 수지층(120)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(110)의 제1 수지층(120)과 마주보는 면의 전체 또는 부분에 표면거칠기가 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 금속기판(110)과 제1 수지층(120) 간의 열압착 시 제1 수지층(120)이 들뜨는 문제를 방지할 수 있다. 본 명세서에서, 표면거칠기는 요철을 의미하며, 표면 조도와 혼용될 수도 있다.
제1 수지층(120) 및 제2 수지층(170)은 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어질 수 있고, 수지는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지일 수 있다. 여기서, 무기충전재는 수지 조성물의 68 내지 88vol%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 68vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 88vol%를 초과하여 포함되면 수지층과 금속기판 간의 접착력이 낮아질 수 있으며, 수지층이 쉽게 깨질 수 있다.
에폭시 수지는 에폭시 화합물 및 경화제를 포함할 수 있다. 이때, 에폭시 화합물 10 부피비에 대하여 경화제 1 내지 10 부피비로 포함될 수 있다. 여기서, 에폭시 화합물은 결정성 에폭시 화합물, 비결정성 에폭시 화합물 및 실리콘 에폭시 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 결정성 에폭시 화합물은 메조겐(mesogen) 구조를 포함할 수 있다. 메조겐(mesogen)은 액정(liquid crystal)의 기본 단위이며, 강성(rigid) 구조를 포함한다. 그리고, 비결정성 에폭시 화합물은 분자 중 에폭시기를 2개 이상 가지는 통상의 비결정성 에폭시 화합물일 수 있으며, 예를 들면 비스페놀 A 또는 비스페놀 F로부터 유도되는 글리시딜에테르화물일 수 있다. 여기서, 경화제는 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리메르캅탄계 경화제, 폴리아미노아미드계 경화제, 이소시아네이트계 경화제 및 블록 이소시아네이트계 경화제 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 2 종류 이상의 경화제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물을 포함할 수 있으며, 질화물은 무기충전재의 55 내지 95wt%로 포함될 수 있으며, 더 좋게는 60~80wt% 일 수 있다. 질화물이 이러한 수치범위로 포함될 경우, 열전도도 및 접합 강도를 높일 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화붕소는 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체일 수 있다.
이때, 질화붕소 응집체의 입자크기 D50은 250 내지 350㎛이고, 산화알루미늄의 입자크기 D50은 10 내지 30㎛일 수 있다. 질화붕소 응집체의 입자크기 D50과 산화알루미늄의 입자크기 D50이 이러한 수치 범위를 만족할 경우, 질화붕소 응집체와 산화알루미늄이 에폭시 수지 조성물 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 수지층 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속기판(110) 측 및 제2 금속기판(180) 측 중 적어도 하나는 복수의 수지층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 수지층(120) 및 복수의 제1 전극(130) 사이에는 제3 수지층(미도시)이 더 배치될 수 있다. 또는, 복수의 제2 전극(160)과 제2 수지층(170) 사이에는 제4 수지층(미도시)이 더 배치될 수 있다. 이때, 제1 수지층(120)과 제3 수지층(미도시)의 조성, 영률, 열팽창계수 및 두께 중 적어도 하나는 서로 상이할 수 있다. 제2 수지층(170)과 제4 수지층(미도시)의 조성, 영률, 열팽창계수 및 두께 중 적어도 하나는 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 수지층(120) 및 제3 수지층(미도시) 중 하나가 수지 조성물인 경우, 다른 하나는 조성, 영률, 열팽창계수 및 두께 중 적어도 하나가 상이한 수지 조성물이거나, 산화알루미늄층이거나, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 있다. 여기서, 복합체는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 복합체는 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체는 절연 성능이 우수하며, 이에 따라 높은 내전압 성능을 얻을 수 있다. 또는, 복합체는 실리콘 및 알루미늄과 함께 티타늄, 지르코늄, 붕소, 아연 등을 더 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물일 수도 있다. 이를 위하여, 복합체는 무기바인더 및 유무기 혼합 바인더 중 적어도 하나와 알루미늄을 혼합한 후 열처리하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 무기바인더는, 예를 들어 실리카(SiO2), 금속알콕사이드, 산화붕소(B2O3) 및 산화아연(ZnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기바인더는 무기입자이되, 물에 닿으면 졸 또는 겔화되어 바인딩의 역할을 할 수 있다. 이때, 실리카(SiO2), 금속알콕사이드 및 산화붕소(B2O3) 중 적어도 하나는 금속과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnO2)은 수지층의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다. 본 명세서에서, 내전압 성능은 소정의 전압 및 소정의 전류 하에서 소정의 기간 동안 절연 파괴 없이 유지되는 특성을 의미할 수 있다. 예를 들어, AC 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 10초 동안 절연 파괴 없이 유지되는 경우, 내전압은 2.5kV라고 할 수 있다.
또는, 제2 수지층(170) 및 제4 수지층(미도시) 중 하나가 수지 조성물인 경우, 다른 하나는 조성, 영률, 열팽창계수 및 두께 중 적어도 하나가 상이한 수지 조성물이거나, 산화알루미늄층이거나, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 있다. 여기서 각 수지층은 절연층과 혼용될 수 있다.
복수의 제1 전극(130)은 제1 수지층(120) 상에 배치된다. 그리고 제1 전극(130) 상에는 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)가 배치된다. 이때, 제1 전극(130)은 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 제1 전극(130)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)는 제1 전극(130) 상에 배치된다. 이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 제1 전극(130)과 솔더링(Soldering)에 의하여 접합될 수 있다.
이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(150)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(140) 또는 벌크형 N형 열전 레그(150)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(140) 또는 적층형 N형 열전 레그(150)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(140)와 N형 열전 레그(150)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(150)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
P형 열전 레그(140) 또는 N형 열전 레그(150)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. 또는, P형 열전 레그(140) 또는 N형 열전 레그(150)는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
복수의 제2 전극(160)은 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)의 상에 배치된다. 이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 제2 전극(160)에 솔더링에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 제2 전극(160)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 수지층(170)은 복수의 제2 전극(160) 상에 배치된다. 그리고, 제2 수지층(170) 상에는 복수의 제2 금속기판(180)이 배치된다.
제2 금속기판(180)은 하나의 제 1 금속기판(110)에 마주하여 제2 수지층(170) 상에 배치된다. 제2 금속기판(180)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금으로 이루어질 수 있다.
제1 금속기판(110)의 면적과 제2 금속기판(180)의 면적은 동일할 수 있으며, 전술한 바와 같이, 제1 금속기판(110)에 제3 관통홀(113)이 형성된 경우, 제1 금속기판(110)의 면적은 제2 금속기판(180)의 면적보다 더 클 수 있다. 이때, 제1 금속기판(110)의 면적에 대한 제2 금속기판(180)의 면적 비는 0.50 내지 0.95, 바람직하게는 0.60 내지 0.90, 더욱 바람직하게는 0.70 내지 0.85일 수 있다.
다른 실시예로서, 상대적으로 더 큰 면적이 필요한 응용 분야 또는 열변형에 의한 영향을 더욱 최소화하여야 하는 경우, 제2 금속기판(180)은 하나의 제1 금속기판(110)에 대하여 복수로 분할하여 구비될 수 있다. 이때, 제1 금속기판(110)의 면적에 대한 각 제2 금속기판(180)의 면적 비는 0.10 내지 0.50, 바람직하게는 0.15 내지 0.45, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.40일 수 있다. 예를 들어, 하나의 제1 금속기판(110) 상에는 2개의 제2 금속기판(180)이 배치될 수 있다. 이때, 제2 금속기판(180)은 서로 이격 되도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 금속기판(110)은 면적 100mmx100mm이고, 제2 금속기판(180)은 각각 면적이 45mmx100mm이며, 서로 이격된 제2 금속기판(180)의 사이 간격은 약 10mm일 수 있다.
다른 예로서, 하나의 제1 금속기판(110) 상에는 4개의 제2 금속기판(180)이 배치될 수도 있다. 이때, 제2 금속기판(180)은 서로 이격 되도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 금속기판(110)은 면적 100mmx100mm이고, 제2 금속기판(180)은 각각 면적이 45mmx45mm이며, 서로 이격된 제2 금속기판(180)의 사이 간격은 약 10mm일 수 있다.
다른 예로서, 복수의 제2 금속기판(180)의 사이의 간격은 5mm 미만일 수 있다. 예를 들면, 제1 금속기판(110)은 면적 100mmx100mm이고, 제2 금속기판(180)은 면적이 49.5mmx49.5mm이며, 복수의 제2 금속기판(180)의 사이 간격은 2mm 이고, 복수의 제2 금속기판(180)의 사이를 연결하는 연결부재(230)는 폭이 2mm로 형성될 수 있다.
이때, 제1 금속기판(110)의 두께는 0.1mm 내지 2mm일 수 있다. 또한, 제2 금속기판(180)의 두께는 제1 금속기판(110)의 두께와 동일하거나 더 클 수 있다. 제2 금속기판(180)의 두께가 제1 금속기판(110) 두께보다 더 클 경우, 제2 금속기판(180)의 두께는 제1 금속기판(110) 두께의 1.1 내지 2.0배 일 수 있다. 여기서, 제2 금속기판(180)은 체결부재(190)에 의하여 굽힘 가능성이 있으므로, 제1 금속기판(110)보다 두께가 크게 형성될 수 있다.
제2 금속기판(180)에는 적어도 하나의 제2 관통홀(181)이 형성된다. 이때, 제2 관통홀(181)은 각 제2 금속기판(180)의 외곽영역(B2) 내측의 영역인 유효영역(B1)의 일부를 점유하도록 형성될 수 있다. 여기서, 유효영역은 펠티에 효과 또는 제벡 효과를 실질적으로 구현할 수 있는 복수의 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)가 배치된 영역으로 정의될 수 있으며, 본 유효영역 내에 터미널 전극이 배치될 수 있다. 터미널 전극은 외부의 단자 또는 전선과 연결될 수 있도록 유효영역으로부터 연장될 수 있으며, 복수의 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150) 중 적어도 하나 또는 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160) 중 적어도 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 본 영역에서 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160) 각각은 서로 수직으로 중첩될 수 있다. 제2 금속기판(180)에 형성된 제2 관통홀(181)은 제2 금속기판(180)의 외곽으로부터 소정 간격을 두고 형성될 수 있으며, 제2 관통홀(181)이 복수일 경우, 제2 금속기판(180)의 외곽으로부터 등간격으로 각각 이격 배치될 수 있다. 제2 관통홀(181)은 제1 관통홀(111)과 중첩되도록 배치되며, 체결부재(190)는 서로 대응하는 제1 관통홀(111)과 제2 관통홀(181)을 통과할 수 있다. 이처럼 체결부재(190)는 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 유효영역(A1, B1) 내 일부를 점유하도록 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)을 서로 고정시킴으로써, 열변형을 줄이고 접합 부위에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 유효영역(A1, B1)에 영향을 주지 않도록 각 기판의 외곽영역의(A2, B2) 일부 즉, 기판의 가장자리 영역을 체결할 경우, 각 기판 간 고정력은 상대적으로 높아질 수 있으나, 열전모듈을 100℃이상의 고온 환경에 노출시켜 제벡 효과를 이용하거나, 100℃이상의 열을 발생시키는 펠티에 효과를 이용하는 응용 분야에서는 오히려 저온부 영역과 고온부 영역이 받는 상대적인 열량의 차이에 의해 열전모듈의 손상이 야기될 수 있다. 예를 들어, 제벡 효과를 이용하는 열전모듈의 경우, 고온부 금속기판은 열에 의해 팽창되고, 저온부 금속기판은 별도의 냉각부재에 의해 수축되어, 상기 기판의 가장자리 영역에는 열응력이 집중된다. 이때 발생된 열응력은 각 기판 사이에 배치된 전극, 열전레그, 수지층에도 전달되어 취약한 계면에서부터 박리 및 크랙 등이 발생될 수 있으며, 결과적으로 열전모듈 손상에 의해 열전효율은 급감될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 제1 금속기판(110)과 복수의 제2 금속기판(180) 사이에서 제1 전극(130), P형 열전 레그(140), N형 열전 레그(150) 및 제2 전극(160)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(130), P형 열전 레그(140), N형 열전 레그(150) 및 제2 전극(160)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재는, 복수의 제1 전극(130)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)의 최외곽 및 복수의 상부전극(160)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스, 실링 케이스와 제1 금속기판(110) 사이에 배치되는 실링재 및 실링 케이스와 제2 금속기판(180) 사이에 배치되는 실링재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스는 실링재를 매개로 하여 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스가 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재는 실링 케이스와 제1 금속기판(110) 사이 및 실링 케이스와 제2 금속기판(180) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 제1 전극(130), P형 열전 레그(140), N형 열전 레그(150) 및 제2 전극(160)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스와 제1 금속기판(110) 사이를 실링하는 실링재는 제1 금속기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스와 제2 금속기판(180) 사이를 실링하는 실링재는 제2 금속기판(180)의 측면에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 제1 금속기판(110)의 면적은 제2 금속기판(180)의 전체 면적보다 클 수 있다. 한편, 실링 케이스에는 전극에 연결된 리드선를 인출하기 위한 가이드 홈이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다. 다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 제1 금속기판(110)에는 제1 관통홀(111)에 인접하여 제1 홀 배치 영역(112)이 형성된다. 제1 홀 배치 영역(112)은 제1 관통홀(111)과 가장 인접하되 서로 이웃하는 전극들의 면을 잇는 가상의 선(201, 202, 203, 204)이 이루는 공간으로 정의될 수 있다. 제1 홀 배치 영역(112)은 다각형의 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 사각형의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제1 홀 배치 영역(112) 내에는 복수의 제1 전극(130)은 배치되지 않을 수 있다. 또한, 제2 금속기판(180)에는 제1 금속기판(110)과 마주하는 면에 제2 관통홀(181)에 인접하여 제2 홀 배치 영역(182)이 형성된다. 제2 홀 배치 영역(182)은 제2 관통홀(181)과 가장 인접하되 서로 이웃하는 전극들의 면을 잇는 가상의 선(211, 212, 213, 214)이 이루는 공간으로 정의될 수 있다. 제2 홀 배치 영역(182)은 다각형의 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 사각형의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제2 홀 배치 영역(182) 내에는 복수의 제2 전극(160)은 배치되지 않을 수 있다.
체결부재(190)는 제1 금속기판(110)과 적어도 하나의 제2 금속기판(180)을 고정시킨다. 이때, 체결부재(190)의 일부는 제2 관통홀(181)과 제1 관통홀(111)을 통과하고, 단부가 냉각부(C)의 홀(20h)에 삽입 결합된다.
도 4를 참조하면, 체결부재(190)는 제1 부재(191)와 제2 부재(192)를 포함할 수 있다. 제1 부재(191)는 제2 관통홀(181)과 제1 관통홀(111)을 관통하고, 일단부가 냉각부(C)에 매립 고정된다. 이때, 제1 부재(191)의 외주에는 나사산이 형성될 수 있다. 제1 부재(191)의 직경은 제2 관통홀(181) 및 제1 관통홀(111)의 직경과 동일하거나 제2 관통홀(181) 및 제1 관통홀(111)의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
제2 부재(192)는 제1 부재(191)의 타단부에서 연장되어, 제2 관통홀(181)의 직경보다 큰 직경으로 형성된다. 제2 부재(192)는 제2 금속기판(180)이 제1 금속기판(110)로부터 벌어짐을 방지한다.
제2 금속기판(180)이 복수일 경우, 단열재(200)는 복수의 제2 금속기판(180) 사이의 이격 공간에 배치될 수 있다. 여기서 단열재(200)는 에폭시 수지, 실리콘 수지 및 세라믹 울 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단열재(200)는 전술한 실링부재 및 후술할 연결부재(230)와 혼용될 수 있다.
히트싱크(220)는 제2 금속기판(180) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 히트싱크(220)는 제2 금속기판(180)의 양면 중 제2 수지층(170)이 배치되는 면의 반대면에 배치될 수 있다. 이때, 제2 금속기판(180)과 히트싱크(220)는 일체로 형성될 수도 있다. 도시되지 않았으나, 제1 금속기판(110)에도 히트싱크가 형성될 수 있다. 히트싱크(220)는 각각 평판형상의 복수의 평면 기재(221)가 평행하게 배치되며, 평면 기재(221) 사이의 공간이 공기 유로를 형성하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 평면 기재(221) 사이 간격은 10mm 미만일 수 있다.
이하에서는 열전모듈의 다른 실시예에 따른 열전모듈(20)에 관하여 도 5 및 도 6을 참조로 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전모듈이 냉각부에 설치되는 상태를 도시한 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 열전모듈(20)은 복수의 제2 금속기판(180) 사이를 연결시키는 연결 부재(230)를 더 포함할 수 있다.
연결부재(230)는 복수의 제2 금속기판(180)의 사이를 접합하는 글루(Glue)일 수 있다. 이때, 열전모듈(20)은 복수의 제2 금속기판(180)의 이격 공간에 단열 처리를 생략할 수 있으나, 전술한 바와같이, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 사이에는 단열재(200)가 배치될 수 있다.
도시되지 않았으나, 열전모듈은 연결부재(230)를 생략하고, 복수의 제2 금속기판(180)의 일부로부터 각각 연장된 연장부재에 의하여 서로 연결 형성될 수 있다.
이때, 연장부재는 제2 금속기판(180)의 두께보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 금속기판(180)의 두께는 0.2mm 내지 4mm일 수 있으며, 연장 부재의 두께는 0.1mm 내지 2mm일 수 있다. 여기서, 연장부재의 두께에 대한 상기 복수의 제2 금속기판의 두께 비는 1 내지 2 이하일 수 있다.
연결부재(230)의 일면은 제2 금속기판(180)의 일면에 대비하여 함몰되면서 홈(241) 이 형성될 수 있다. 이때, 연결부재(230)는 십자 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 금속기판(110)의 면적이 100mmx100mm이고, 제2 금속기판(180)의 면적이 45mmx45mm이며 두께가 0.2mm 내지 4mm일 때, 연결부재(230)는 폭이 10mm이고, 두께가 0.1mm 내지 2mm이며, 연결부재(230)에 의하여 형성된 홈은 깊이가 0.1mm 내지 2mm 이하일 수 있다. 이처럼 연결부재(230)와 제2 금속기판(180)의 두께 차로 인하여 홈이 형성되면서, 제2 금속기판(180)의 중앙부 두께가 얇아지고 제2 금속기판(180)의 열변형이 완화되는 효과를 가질 수 있다.
본 명세서에서, 서로 이격된 복수의 제2 금속기판(180) 사이에 배치되어 복수의 제2 금속기판(180)을 연결하는 단열재(200), 연결부재(230) 및 연장부재를 통칭하여 연결부재라 할 수 있으며, 연결부재는 절연물질을 포함하는 절연부재일 수 있다.
이하에서는 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160)의 배치 방법에 대한 다양한 실시예에 관하여, 도 7 내지 도 11를 참조로 하여 설명하도록 한다.
도 7은 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 한 실시예를 도시한 도면이고, 도 8는 도 7에서 나타낸 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 중첩시킨 상태를 도시한 도면이며, 도 9 내지 도 11은 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 상에 제1 전극과 제2 전극을 배치하는 방법에 대한 다양한 실시예를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 복수의 제1 전극(130)은 제1 금속기판(110)이 제2 금속기판(180)과 마주하는 일면에 배치되고, 복수의 제2 전극(160)은 제2 금속기판(180)이 제1 금속기판(110)과 마주하는 일면에 배치된다. 이때, 복수의 제1 전극(130)은 제1 홀 배치 영역(112)을 비워두고 배치되고, 복수의 제2 전극은 제2 홀 배치 영역(182)을 비워두고 배치될 수 있으며, 제1 홀 배치 영역(112)의 위치와 제2 홀 배치 영역(182)의 위치는 서로 대응된다.
여기서, 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160) 각각은 장방 형상으로 형성되어, 장폭(W1)과 단폭(W2)이 구분된다. 이때, 배치되는 레그의 형상에 따라 제1 전극(130)과 제2 전극(160)의 단폭(W2)에 대한 장폭(W1)의 비는 가변적일 수 있으며, 바람직하게 제1 전극(130)과 제2 전극(160)의 단폭(W2)에 대한 장폭(W1)의 비는 2.05 내지 4.50일 수 있다. 본 명세서에서, 장폭의 방향을 길이 방향이라 지칭할 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)의 유효영역에 관통홀(111, 181)이 형성되지 않은 경우, 복수의 제1 전극(130)의 길이 방향은 모두 제1 방향(Y)으로 배치될 수 있다. 이때, 복수의 제2 전극(160) 중 유효영역의 가장자리 영역에서 서로 대향하는 2개의 열 또는 2개의 행에 배치된 전극의 적어도 일부는 제1 방향(Y)과 수직인 제2 방향(X)으로 배치되고, 나머지 전극들은 전극의 단폭(W2)만큼 복수의 제1 전극(130)으로부터 이동하여 적어도 일부가 중첩될 수 있다. 이를 통해 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180) 사이의 복수의 P형 및 N형 열전 레그를 모두 직렬로 연결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)의 유효영역에 적어도 하나의 관통홀(111, 181)이 형성된 경우, 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160) 중 가장자리 영역의 전극을 제외한 전극들의 길이 방향은 제1 방향(Y) 및 제1 방향(Y)과 수직인 제2 방향(X)을 혼재하여 배치할 수 있다.
이때, 복수의 제1 전극(130) 또는 복수의 제2 전극(160) 중에서, 가장자리 영역을 제외한 적어도 2개의 전극은 제1 방향(Y)과 수직인 제2 방향(X)으로 배치되고, 나머지 전극들은 제2 방향(X)와 수직인 제1 방향(Y)으로 배치될 수 있다.
상기 제1 홀 배치 영역(112) 또는 제2 홀 배치 영역(182)과 인접한 적어도 하나의 전극은 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치되고, 상기 적어도 하나와 인접한 다른 하나도 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 적어도 2개의 제1 전극(130)과 상기 적어도 2개의 제2 전극(160)은 서로 중첩되지 않거나, 일부가 중첩될 수 있다.
자세하게는, 제1 홀 배치 영역(112)에 인접한 복수의 제1 전극(130) 중에서 적어도 2개(130a, 130b)는 길이 방향이 제2방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 나머지 제1 전극(130)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)을 향하도록 배치될 수 있다.
이때, 제2 홀 배치 영역(182)에 인접한 복수의 제2 전극(160) 중에서 적어도 2개(160a, 160b)는 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 또한, 유효영역의 가장 자리에 배치된 복수의 제2 전극(160c)들 중 서로 대향하는 2개의 행도 길이 방향이 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 그리고, 나머지 제2 전극(160)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)을 향하도록 배치될 수 있다. 이때, 제2 방향(X)으로 배치된 제1 전극(130a, 130b)과, 제2 방향으로 배치된 제2 전극(160a, 160b)은 서로 중첩되지 않거나, 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다. 여기서, 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160)의 배치 형태는 서로 바꾸어 적용 가능하다.
보다 상세하게 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 전극(130) 중에서 가장자리 영역을 제외한 적어도 2개는 제1 홀 배치 영역(112)을 정의하는 각 가상의 선(201, 202, 203, 204)으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간(H1 또는 H2)과 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치될 수 있으며, 복수의 제2 전극(160) 중에서 가장자리 영역을 제외한 적어도 2개는 제2 홀 배치 영역(182)을 정의하는 각 가상의 선(211, 212, 213, 214)으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간(H3 또는 H4)과 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 이를 통해, 각각의 홀 배치 영역이 형성된 제한된 공간 내에서 복수의 P형 및 N형 열전 레그의 최적 배치가 가능하다. 여기서, 제1 홀 배치 영역(112) 및 제2 홀 배치 영역(182)의 개수, 위치 및 형상 등에 따라 제2 방향(X)으로 배치된 전극의 개수는 증가할 수 있다. 이때 제2 방향(X)으로 배치된 전극의 개수는 2의 배수 개일 수 있으며, 제2 방향(X)으로 배치된 전극들 중 적어도 2개는 상기 H1 내지 H4과 적어도 일부가 중첩되어 배치될 수 있다.
본 명세서에서 복수의 제1 전극(130)과 복수의 제2 전극(160) 각각의 전극 배치 형태는 서로 바꾸어 적용될 수 있으며, 제1 방향(Y) 및 제2 방향(X)은 이에 한정되지 않는다.
도 9를 참조하면, 복수의 제1 전극(130) 중에서 제1 홀 배치 영역(112)과 인접한 2개(130d, 130f)는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있으며, 상기 2개(130d, 130f)와 인접한 2개(130c, 130e)도 길이 방향이 동일하도록 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 그리고, 나머지 제1 전극(130)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)을 향하도록 배치될 수 있다.
이때, 복수의 제2 전극(160) 중에서 제2 홀 배치 영역(182)과 인접한 2개(160d, 160e)는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있으며, 제2 홀 배치 영역(182)과 인접한 다른 2개(160f, 160g)도 길이 방향이 동일하도록 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 또한, 가장자리 영역에서 서로 대향하는 2개의 행에 배치된 제2 전극(160h)들도 길이 방향이 제2 방향으로 향하도록 배치될 수 있다. 그리고, 나머지 제2 전극(160)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)을 향하도록 배치될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)에는 제1 관통홀(111)과 제2 관통홀(181)이 복수 개로 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1 홀 배치 영역(112)과 제2 홀 배치 영역(182)도 복수 개로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 제1 전극(130) 중에서 각 제1 홀 배치 영역(112)과 인접한 2개(130g, 130h)는 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있으며, 상기 2개(130g, 130h)와 인접한 2개(130i, 130j)도 길이 방향이 동일하도록 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 이때, 제1 홀 배치 영역(112)은 복수로 형성되고, 복수의 제1 전극(130) 중 2의 배수 개는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 더 자세하게는 복수의 제1 전극(130) 중 적어도 8개(130g,...,130n)는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 나머지는 제1 전극(130)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)으로 향하도록 배치될 수 있다.
이때, 제2 전극(160) 중에서 각 제2 홀 배치 영역(182)과 제1 방향(Y)으로 인접한 2개(160i, 160j)는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있으며, 제2 홀 배치 영역(182)과 인접한 다른 2개(160k, 160l)도 길이 방향이 동일하도록 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다.
이때, 제2 홀 배치 영역(182)은 복수로 형성되고, 복수의 제2 전극(160) 중 2의 배수 개는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 더 자세하게는 복수의 제2 전극(160) 중 적어도 8개 (160i,...,160p)는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 가장 자리 영역에서 서로 대향하는 2개의 행에 배치된 제2 전극(160q)들도 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 나머지는 제2 전극(160)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)으로 향하도록 배치될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제1 홀 배치 영역(112)은 복수로 형성되고, 복수의 제1 전극(130) 중에서 하나의 제1 홀 배치 영역(112)과 이격된 4개(130o, ...,130r)는 길이 방향이 제 2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 홀 배치 영역(112)과 상기 제1 전극(130o, ..., 130r) 사이에는 복수의 전극이 배치될 수 있다. 단, 상기 제1 전극(130o, ..., 130r)들은 제1 홀 배치 영역(112)을 정의하는 각 가상의 선으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(130) 중에서 다른 하나의 제1 홀 배치 영역(112)과 제1 방향으로 인접한 4개(130s, ..., 130v)는 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다.
이때, 제2 전극(160) 중에서 각 제2 홀 배치 영역(182)과 제1 방향(Y)으로 인접한 4개(160r, ..., 160u)(160v,..,160y)는 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)에는 제1 관통홀(111)과 제2 관통홀(181)이 복수 개로 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1 홀 배치 영역(112)과 제2 홀 배치 영역(182)도 복수 개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(110)은 4개의 제1 관통홀(111) 및 4개의 제1 홀 배치 영역(112)을 포함할 수 있고, 제2 금속기판(180)은 4개의 제2 관통홀(181) 및 4개의 제2 홀 배치 영역(182)을 포함할 수 있다.
이때, 복수의 제1 전극(130) 중에서 각 제1 홀 배치 영역(112)과 인접한 2개(130-1, 130-2)는 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있으며, 각 제1 홀 배치 영역(112)과 인접한 다른 2개(130-3, 130-4)도 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(130) 중 2의 배수 개는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 더 자세하게는 복수의 제1 전극(130) 중 적어도 16개(130-1, ..., 130-4)는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 나머지 제1 전극(130)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)으로 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 제1 홀 배치 영역(112) 중 어느 하나와 인접하여 제2 방향(X)을 향하도록 배치되는 4개의 제1 전극(130-1, ..., 130-4) 중 적어도 하나에 인접한 2n개(n은 1 이상의 정수)의 제1 전극(130-2n)도 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 2n개의 제1 전극(130-2n)이 배치되는 위치는 복수의 제2 전극(160)의 배치 구조에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 여기서, 제1 홀 배치 영역(112)과 2n개의 제1 전극(130-2n) 사이에는 복수의 전극이 배치될 수 있다. 단, 2n개의 제1 전극(130-2n)들은 제1 홀 배치 영역(112)을 정의하는 각 가상의 선으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다.
도 12에서는 2n개의 제1 전극(130-2n)이 제2 방향(X)으로 배치된 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 2n개의 제2 전극이 제1 방향(Y)으로 배치될 수도 있다.
제1 금속기판(110)과 복수의 제1 전극(130) 사이에 배치된 제1 수지층(120)과 제2 금속기판(180)과 복수의 제2 전극(160) 사이에 배치된 제2 수지층(170)이 도 12에만 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 도 7 내지 도 11의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 생략되어 있는 것으로, 동일 또는 유사한 구조의 제1 수지층(120) 및 제2 수지층(170)이 도 7 내지 도 11의 실시예에서도 적용될 수 있다.
이와 마찬가지로, 터미널 전극(500)이 도 12에만 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 동일 또는 유사한 구조의 터미널 전극(500)이 도 7 내지 도 11의 실시예에서도 적용될 수 있다.
도 7 내지 도 12에서 도시된 바와 같이, 가장 자리 영역에서 서로 대향하도록 제2 방향(X)으로 배치된 2개의 행은 제1 금속기판(110)에 배치된 제1 전극(130)에 포함되거나, 또는 제2 금속기판(180)에 배치된 제2 전극(160)에 포함될 수 있다.
이때, 복수의 제1 전극(130)과 접하는 제1 금속기판(110)의 제1 면에 형성된 제1 관통홀(111)의 직경(d1) 및 복수의 제2 전극(160)과 접하는 제2 금속기판(180)의 제1 면에 형성된 제2 관통홀(181)의 직경(d2)은 서로 동일할 수 있으나, 후술할 절연삽입부재의 배치 형태, 위치 등에 따라 복수의 제1 전극(130)과 접하는 제1 금속기판(110)의 제1 면에 형성된 제1 관통홀(111)의 직경(d1) 및 복수의 제2 전극(160)과 접하는 제2 금속기판(180)의 제1 면에 형성된 제2 관통홀(181)의 직경(d2)은 서로 상이할 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 12에서 도시된 바와 같이, 제1 홀 배치 영역(112)의 면적은 하나의 제1 전극(130) 면적의 4배 이상, 바람직하게는 6배 이상, 더 바람직하게는 8배 이상일 수 있다. 제1 홀 배치 영역(112)의 면적이 하나의 제1 전극(130) 면적의 4배 미만일 경우, AC 1kV 이상의 고전압 하에서 전류가 제1 관통홀(111)을 통해 제1 금속기판(110)으로 이동하여 열전모듈의 전기적 파괴가 야기될 수 있다. 따라서, 고전압 하에서의 응용분야에 있어서는 열전모듈의 전기적 파괴를 방지하기 위해 충분한 절연거리의 확보가 중요하다. 제1 홀 배치 영역(112)의 면적이 하나의 제1 전극(130) 면적의 8배 이상일 경우, AC 2.5kV 이상의 고전압 하에서도 전기적 파괴가 발생되지 않는다. 이와 동일하게, 제2 금속기판(180)에 형성된 제2 홀 배치 영역(182)의 면적도 하나의 제2 전극(160) 면적의 4배 이상, 바람직하게는 6배 이상, 더 바람직하게는 8배 이상일 수 있다.
또한, 도 7 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 전극(130) 중 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접하게 배치되는 전극들은 모두 주기적으로 배치될 수 있으며, 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 절곡 영역이 없는 직선이 되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접한 모든 제1 전극(130)에서 각 제1 전극(130)의 4개의 전극면들 중 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접한 전극면들은 일방향을 따라, 제거된 영역 없이 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 동일한 간격을 이루며 배치됨을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 직선인 경우, 복수의 제1 전극(130) 중 제1 열(도면 미표시)의 모든 전극은 주기적으로 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제1 금속기판(110)에 복수의 제1 전극(130)을 배치할 때 공정의 복잡도를 줄일 수 있으며, 제2 금속기판(180)에 배치되는 제2 전극(160)들 및 제1 전극(130)들과 제2 전극(160)들 사이에 배치되는 열전레그의 배치 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 제1 금속기판(110)의 가장자리 및 제1 금속기판(110)의 가장자리와 가장 인접하게 배치된 제1 전극(130)들 간 최단거리가 일정하게 유지되므로, 제1 금속기판(110)의 가장자리와 가장 인접하게 배치된 제1 전극(130)들은 균일한 전기적 특성을 가질 수 있다.
만약, 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 절곡 영역을 포함하는 경우, 복수의 제1 전극(130) 중 제1 열의 전극 중 일부가 제거되거나 함몰된 영역이 포함되어 배치의 주기성이 상실됨을 의미할 수 있다. 절곡 영역에서 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면은 제1 열의 다음 열인 제2 열(도면 미표시)에 배치된 전극면일 수 있다. 여기서, 제2 열은 제1 열에 비하여 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 더 멀리 배치되는 열이며, 최외곽 열이 아닐 수 있다. 관통홀을 추가 배치하기 위하여 절곡 영역을 포함하도록 제1 전극(130)들을 배치할 수는 있으나, 이에 따르면, 전술한 바와 같이 고전압 하에서의 응용분야에 있어서, 충분한 절연거리가 확보되지 않아 열전모듈의 전기적 파괴가 발생하거나, 제1 전극부의 유효영역이 감소하여 결과적으로 열전모듈의 효율이 저하될 수 있다.
이와 동일하게, 복수의 제1 전극(130) 중 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 마주하는 제2 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제N 열), 복수의 제1 전극(130) 중 제1 금속기판(110)의 제1 가장자리와 제2 가장자리 사이의 제3 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제1 행) 및 복수의 제1 전극(130) 중 제1 금속기판(110)의 제3 가장자리와 마주하는 제4 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제M 행)은 모두 제1 금속기판(110)의 각 가장자리와 가장 인접한 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 절곡 영역이 없는 직선이 되도록 배치될 수 있으나, 터미널 전극 배치 등의 설계에 따라 최외곽 열들 또는 최외곽 행들 중 어느 하나, 예를 들어 제1 열, 제N 열, 제1 행 및 제M 행 중 어느 하나만 예외적인 경로를 가질 수 있다. 예를 들어, 터미널 전극은 최외곽 열 또는 최외곽 행인 제1 열, 제N 열, 제1 행 및 제M 행 중 어느 하나에 배치된 제1 전극(130)에 연결되거나, 제1 열, 제N 열, 제1 행 및 제M 행 중 어느 하나에 배치된 제1 전극(130)으로부터 연장될 수 있다. 이에 따라, 최외곽 열들 및 최외곽 행들 중 터미널 전극이 배치되는 하나의 열 또는 행을 제외하고 나머지 열 또는 행은 제1 금속기판(110)의 대응하는 각 가장자리와 일정한 간격을 가지도록 배치될 수 있다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 접합 구조를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 열전소자(100)는 복수의 체결부재(400)에 의하여 체결될 수 있다. 복수의 체결부재(400)는 히트싱크(220)와 제2 금속기판(180)을 체결하거나, 히트싱크(220), 제2 금속기판(180)과 제1 금속기판(미도시)을 체결하거나, 히트싱크(220), 제2 금속기판(180), 제1 금속기판(미도시)과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제2 금속기판(180), 제1 금속기판(미도시) 과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제2 금속기판(180)과 제1 금속기판(미도시)을 체결할 수 있다.
이를 위하여, 히트싱크(220), 제2 금속기판(180), 제1 금속기판(미도시), 냉각부(미도시)에는 체결부재(400)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)은 전술한 제2 관통홀(181) 및 제1 관통홀(111)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 관통홀(181)과 체결부재(400) 사이에는 별도의 절연삽입부재(410)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연삽입부재(410)는 체결부재(400)의 외주면을 둘러싸는 절연삽입부재 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연삽입부재일 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연거리를 넓히는 것이 가능하다.
한편, 절연삽입부재(410)의 형상은 도 13(a) 및 도 13(b)에 예시된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 도 13(a)에 예시된 바와 같이, 절연삽입부재(410)는 제2 금속기판(180)에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또는, 절연삽입부재(410)는 제2 금속기판(180)에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면을 따라 제2 전극(미도시)이 배치되는 제1면까지 연장되도록 배치될 수도 있다.
도 13(a)를 참조하면, 제2 금속기판(180)의 제2 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 금속기판의 제1 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경과 동일할 수 있다. 이때, 절연삽입부재(410)의 형상에 따라, 제2 금속기판(180)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 상이할 수 있다. 도시되지 않았으나, 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하지 않고 제2 금속기판(180)의 상면의 일부에만 절연삽입부재(410)가 배치되거나, 제2 금속기판(180)의 상면으로부터 관통홀(S)의 벽면의 일부 또는 전부까지 절연삽입부재(410)가 연장되도록 배치되는 경우, 제2 금속기판(180)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수도 있다.
도 13(b)를 참조하면, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제2 금속기판(180)의 제2 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 금속기판의 제1 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경보다 클 수 있다. 이때, 제2 금속기판(180)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 금속기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1 내지 2.0배일 수 있다. 제2 금속기판(180)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제1 금속기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1배 미만이면, 절연삽입부재(410)의 절연효과가 미미하여 열전소자의 절연파괴가 야기될 수 있고, 제2 금속기판(180)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제1 금속기판의 제1면의 관통홀의 직경의 2.0배를 초과하면 관통홀(S)이 차지하는 영역의 크기가 상대적으로 증가하게 되어 제2 금속기판(180)의 유효면적이 줄어들게 되고, 열전소자의 효율이 저하될 수 있다.
그리고, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제2 금속기판(180)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 상이할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 금속기판(180)의 관통홀(S) 영역에 단차가 형성되지 않는 경우, 제2 금속기판(180)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예는 제1 전극(130) 또는 제2 전극(160) 중에서 제1 홀 배치영역(112) 또는 제2 홀 배치 영역(182)과 이격되어도 각각의 홀 배치 영역을 정의하는 각 가상의 선으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간 내에는 적어도 2개의 전극의 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치되어, 각각의 홀 배치 영역이 형성된 제한된 공간 내에서 공간의 낭비 없이, 복수의 P형 및 N형 열전 레그의 최적 배치가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
C: 냉각부
10: 열전모듈
110: 제1 금속기판
111: 제1 관통홀
112: 제1 홀 배치 영역
120: 제1 수지층
130: 복수의 제1 전극
140: 복수의 P형 열전 레그
150: 복수의 N형 열전 레그
160: 복수의 제2 전극
170: 제2 수지층
180: 제2 금속기판
181: 제2 관통홀
182: 제2 홀 배치 영역
190: 체결부재
200: 단열재
220: 히트싱크
230: 연결부재
10: 열전모듈
110: 제1 금속기판
111: 제1 관통홀
112: 제1 홀 배치 영역
120: 제1 수지층
130: 복수의 제1 전극
140: 복수의 P형 열전 레그
150: 복수의 N형 열전 레그
160: 복수의 제2 전극
170: 제2 수지층
180: 제2 금속기판
181: 제2 관통홀
182: 제2 홀 배치 영역
190: 체결부재
200: 단열재
220: 히트싱크
230: 연결부재
Claims (20)
- 제1 관통홀을 포함하는 제1 금속기판;
상기 제1 금속기판 상에 배치된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 배치되고 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부;
상기 제1 전극부 상에 배치된 복수의 열전레그;
상기 복수의 열전레그 상에 배치되고 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부;
상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층 상에 배치되고 제2 관통홀을 포함하는 제2 금속기판;을 포함하고,
상기 제1 금속기판은 상기 제1 전극부가 배치된 제1 유효영역 및 상기 제1 유효영역의 외곽에 형성된 제1 외곽영역을 포함하고,
상기 제2 금속기판은 상기 제2 전극부가 배치된 제2 유효영역 및 상기 제2 유효영역의 외곽에 형성된 제2 외곽영역을 포함하고,
상기 제1 관통홀은 상기 제1 금속기판의 상기 제1 유효영역 내에 형성되고,
상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀은 서로 대응되는 위치에 형성되고,
상기 제1 금속기판은 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제1 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 제1 전극들의 면들 중 상기 제1 관통홀과 가장 인접하는 면들을 잇는 가상의 선이 이루는 공간인 제1 홀 배치 영역을 포함하고,
상기 제1 홀 배치 영역의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 4배 이상이고,
1kV 이상의 내전압 특성을 갖는 열전모듈. - 제1항에 있어서,
서로 마주하는 상기 제1 관통홀의 크기와 상기 제2 관통홀의 크기는 서로 상이한 열전모듈. - 제2항에 있어서,
상기 제2 관통홀의 주변에 배치된 절연삽입부재를 더 포함하는 열전모듈. - 제3항에 있어서,
상기 제1 관통홀의 크기는 상기 제2 관통홀의 크기보다 작은 열전모듈. - 제4항에 있어서,
상기 제1 관통홀과 상기 제2 관통홀 및 상기 절연삽입부재 사이에 배치된 체결부재를 더 포함하는 열전모듈. - 제5항에 있어서,
상기 제1 절연층은 수지 및 무기충전재를 포함하는 열전모듈. - 제6항에 있어서,
상기 수지는 에폭시 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 무기충전재는 알루미늄, 실리콘, 붕소 중 적어도 하나의 화합물을 포함하는 열전모듈. - 제7항에 있어서,
상기 제1 홀 배치 영역은 복수인 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 홀 배치 영역의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 8배 이상이고,
2.5kV 이상의 내전압 특성을 갖는 열전모듈. - 제5항에 있어서,
상기 제2 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경의 1.1배 내지 2.0배인 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속기판의 크기와 상기 제2 금속기판의 크기는 서로 상이한 열전모듈. - 제11항에 있어서,
상기 제1 금속기판의 외곽영역에 형성된 제3 관통홀을 더 포함하는 열전모듈. - 제12항에 있어서,
상기 제2 금속기판의 크기는 상기 제1 금속기판의 크기보다 작은 열전모듈. - 제12항에 있어서,
상기 제1 금속기판의 면적에 대한 상기 제2 금속기판의 면적의 비는 0.5 내지 0.95인 열전모듈. - 제13항에 있어서,
상기 제2 금속기판은 복수인 열전모듈. - 제8항에 있어서,
상기 제2 금속기판은 상기 복수의 제2 전극 중 상기 제2 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 제2 전극들의 면을 잇는 가상의 선이 이루는 공간인 제2 홀 배치 영역을 포함하고,
상기 제1 홀 배치 영역과 상기 제2 홀 배치 영역은 서로 대응되는 위치에 형성된 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속기판과 상기 제1 절연층 사이에 배치되고, 수지 및 무기충전재를 포함하는 제3 절연층을 더 포함하는 열전모듈. - 제17항에 있어서,
상기 제1 절연층과 상기 제3 절연층은 동일한 물질을 포함하는 열전모듈. - 제1항에 있어서,
상기 내전압 특성은 10초 동안 AC 1kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 절연 파괴 없이 유지되는 특성인 열전모듈. - 제1항 및 제19항 중 어느 한 항에 따른 열전모듈; 그리고
상기 열전모듈의 상기 제1 금속기판과 결합되며, 관통홀을 포함하는 냉각부;를 포함하고,
상기 냉각부의 관통홀은 상기 제1 관통홀과 대응되는 위치에 형성되고,
상기 냉각부의 관통홀과 상기 제1 관통홀 사이에 체결부재가 배치된 발전모듈.
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