KR102414392B1 - 열전 테이프 - Google Patents

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KR102414392B1
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Abstract

본 발명의 적어도 일부 태양은 열전 테이프에 관한 것이다. 열전 테이프는 복수의 비아를 갖는 기재, 병렬로 연결되는 일련의 가요성 열전 모듈, 및 열전 테이프를 따라 종방향으로 이어지는 2개의 전도성 버스를 포함한다. 각각의 가요성 열전 모듈은 복수의 p형 열전 요소 및 복수의 n형 열전 요소를 포함한다. 일련의 가요성 열전 모듈은 전도성 버스에 전기적으로 연결된다.

Description

열전 테이프
본 발명은 열전 모듈, 디바이스, 및 테이프에 관한 것이다.
전기 에너지 생성을 위해 온도 구배를 이용하도록 열전 발전기가 연구되어 왔다. 전통적으로, 열전 발전기는 n형 및 p형 재료를 갖는데, 이들은 n형 및 p형 재료를 통한 온도 구배 또는 열플럭스(heat flux)에 따라 전위를 생성한다. 광범위한 응용에서 재생가능 에너지를 위해 폐열(heat waste)을 하베스팅(harvesting)하기 위한 다양한 노력이 있어 왔다. 예를 들어, 열 에너지가 파이프로부터 소산되는 경우, 에너지는 파이프의 표면으로부터 직접 수집될 수 있다. 또한, 하베스팅된 에너지는, 파이프를 따른 다양한 위치 및 연결부에 대한 누출을 검출할 수 있는 무선 센서를 동작시키기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 태양은 열전 테이프에 관한 것이다. 열전 테이프는 복수의 비아를 갖는 가요성 기재, 가요성 기재와 통합되고 병렬로 연결되는 일련의 가요성 열전 모듈, 열전 테이프를 따라 종방향으로 평행하게 이어지는 2개의 전도성 버스, 및 가요성 기재의 표면 상에 배치되는 열 전도성 접착제 층을 포함한다. 각각의 가요성 열전 모듈은 복수의 p형 열전 요소 및 복수의 n형 열전 요소를 포함하는데, 여기서 복수의 p형 열전 요소 각각은 n형 열전 요소에 연결된다. 일련의 가요성 열전 모듈은 전도성 버스에 전기적으로 연결된다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그의 일부를 구성하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다. 도면에서,
도 1a는 열전 모듈의 하나의 예시적인 개략 실시 형태의 사시도이다. 도 1b는 도 1a에 도시된 열전 모듈의 평면도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 열전 모듈의 단면도이다.
도 1d는 열전 모듈의 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다.
도 1e는 열전 모듈의 또 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다.
도 2a는 열전 모듈의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면도이다.
도 2b는 열전 모듈의 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다.
도 2c는 열전 모듈의 하나의 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 열전 테이프 및 그것이 사용될 수 있는 방식의 일 실시 형태를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 열전 모듈을 제조하는 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다.
도면에서, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시한다. 일정한 축척으로 도시되지 않을 수 있는 전술된 도면은 본 발명의 다양한 실시 형태를 기재하고 있지만, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 언급된 바와 같이 다른 실시 형태가 또한 고려된다. 모든 경우에, 본 발명은 현재 개시되는 개시 내용을 명백한 한정으로서가 아니라 예시적인 실시 형태의 표현으로서 기술한다. 본 발명의 범주 및 사상 내에 속하는 다수의 다른 변형예 및 실시 형태가 당업자에 의해 고안될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양, 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 상기의 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내의 모든 수(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은, 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상들을 갖는 실시 형태들을 포괄한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 "또는" 은 일반적으로, 그 내용이 명백히 달리 지시하지 않는 한, "및/또는" 을 포함하는 의미로 사용된다.
"하부", "상부", "밑에", "바로 아래에", "보다 위에", 및 "상부에"를 포함하지만 이에 한정되지 않는 공간적으로 관련된 용어는, 본 명세서에 사용되는 경우, 요소(들)의 서로에 대한 공간적 관계를 기술하기 위한 용이한 설명을 위해 사용된다. 그러한 공간적으로 관련된 용어들은 도면들에 도시되고 본 명세서에 설명된 특정 배향에 부가하여, 사용 또는 동작 시의 장치의 상이한 배향들을 포괄한다. 예를 들어, 도면에 도시된 대상이 반전되거나 뒤집히면, 다른 요소 아래에 또는 밑에 있는 것으로 이전에 기술된 부분이 이때는 그들 다른 요소 위에 있을 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 예를 들어 요소, 구성요소 또는 층이 다른 요소, 구성요소 또는 층 "상에", "그에 연결되어", "그에 결합되어" 또는 "그와 접촉하여" 있는 것으로 기술되는 경우에, 이는, 예를 들어, 특정한 요소, 구성요소 또는 층 바로 위에 있거나, 그에 직접 연결되거나, 그와 직접 결합되거나 또는 그와 직접 접촉할 수 있거나, 또는 개재되는 요소, 구성요소 또는 층들이 특정 요소, 구성요소 또는 층 상에 있거나, 그에 연결되거나, 그와 결합되거나 또는 그와 접촉할 수 있다. 예를 들어 요소, 구성요소 또는 층이 다른 요소 "바로 위에" 있거나, "그에 직접 연결"되거나, "그에 직접 결합"되거나 또는 "그와 직접 접촉"하는 것으로 지칭될 때, 예를 들어 개재하는 요소, 구성요소 또는 층은 없다.
열전 모듈로도 지칭되는 열전 디바이스는, 웨어러블 디바이스 및 무선 센서에 대한 전원으로서 뿐만 아니라 온도 제어 응용을 위한 냉각원으로서 사용될 수 있다. 열전 모듈은 온도 차이를 전력으로 변환하고, 전형적으로, 전력을 생성하도록 전기적으로 연결되는 다수의 n형 및 p형 열전 요소를 포함한다. 예를 들어, 열전 모듈은 체열(body heat)을 이용하여 건강 관리 모니터링 워치와 같은 웨어러블 전자기기에 대한 전력을 생성할 수 있다. 추가로, 열전 모듈은, 건강 신호를 모니터링하기 위해, 예를 들어 심전도(ECG, electrocardiography) 모니터링을 위해 동물 또는 사람의 몸 상에 부착되는 패치형 센서에 대한 전원으로서 사용될 수 있다. 열전 디바이스 및 모듈은 전력 생성 또는 냉각 응용에 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 태양은 가요성 열전 모듈에 관한 것이다. 일부 실시 형태에서, 열전 모듈은, 예를 들어 두께가 1 mm 이하로 얇다. 일부 경우에, 열전 모듈의 열 저항은 열원의 열 저항과 매칭되어, 최적의 전력 변환이 달성되게 한다. 일부 실시 형태에서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 약 0.5 K-㎠/W인데, 이는 액체 열교환기와 통상 연관되는 단위 면적 열 저항에 대한 값에 가깝다. 일부 실시 형태에서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 미만이다. 가요성 열전 모듈이 액체 열교환기의 (비교적 낮은) 단위 면적 열 저항에 매칭될 수 있기 때문에, 가요성 열전 모듈은 이러한 비교적 높은 플럭스의 열원에서도 전력을 효과적으로 생성할 수 있다.
본 발명의 일부 태양은 열전 테이프에 관한 것이며, 여기서 각각의 테이프는 복수의 열전 모듈을 갖는다. 일부 경우에, 열전 테이프는 병렬로 연결되는 복수의 열전 모듈을 포함한다. 일부 경우에, 열전 테이프의 일 섹션이 테이프로부터 분리되어 전원으로서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 열전 테이프는 생성된 전력을 출력하는 데 사용될 수 있는 2개의 와이어를 포함한다.
도 1a는 열전 모듈(100A)의 하나의 예시적인 개략 실시 형태의 사시도이고, 도 1b는 열전 모듈(100A)의 평면도이고, 도 1c는 열전 모듈(100A)의 단면도이다. 일부 경우에, 열전 모듈(100A)은 가요성이다. 열전 모듈(100A)은 기재(110), 복수의 열전 요소(120), 제1 세트의 커넥터(130), 및 제2 세트의 커넥터(140)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 기재(110)는 가요성이다. 도 1a에 도시된 실시 형태에서, 기재(110)는 복수의 비아(115)를 포함한다. 일부 경우에, 비아 중 적어도 일부는 전기 전도성 재료(117)로 충전된다. 가요성 기재(110)는 제1 기재 표면(111) 및 제1 기재 표면(111)에 반대편인 제2 기재 표면(112)을 갖는다. 복수의 열전 요소(120)는 복수의 p형 열전 요소(122) 및 복수의 n형 열전 요소(124)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 복수의 열전 요소(120)는 가요성 기재의 제1 표면(111) 상에 배치된다. 일부 실시 형태에서, 복수의 p형 및 n형 열전 요소(122, 124) 중 적어도 일부는 복수의 비아에 전기적으로 연결되며, 여기서 p형 열전 요소(122)는 n형 열전 요소(124)에 인접해 있다. 일부 경우에, 전극으로도 지칭되는 제1 세트의 커넥터(130)는 기재(110)의 제2 표면(112) 상에 배치되며, 여기서 제1 세트의 커넥터 각각은 제1 쌍의 인접 비아(115)에 전기적으로 연결된다. 일부 경우에, 제2 세트의 커넥터(140)는 복수의 p형 및 n형 열전 요소(122, 124) 상에 배치되며, 여기서 제2 세트의 커넥터 각각은 한 쌍의 인접한 p형 열전 요소 및 n형 열전 요소에 전기적으로 연결된다. 일부 실시 형태에서, 제2 세트의 커넥터(140)는 열전 요소(120) 상에 인쇄된다. 이러한 예시적인 열전 모듈에서의 열의 흐름 및 열전체(thermoelectric)에서의 전류의 흐름은, 열전 모듈(100)이 사용 중일 때 대체로 기재(110)를 가로지르거나 그에 수직이다. 일부 실시 형태에서, 대부분의 열은 복수의 비아(115)를 통해 전파된다.
일부 실시 형태에서, 열전 모듈(100)은 미리정의된 열원(도시되지 않음)과 함께 사용되고, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 이하의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 20% 이하의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 열전 모듈(100)은 열을 전달하는 수동 구성요소의 나머지의 열 저항의 그것과 동일한 매칭 열 저항을 갖도록 설계된다. 열 저항은, 예를 들어 열전 요소의 패킹 밀도, 열전 요소의 치수에 의해 변화될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 기재(110)는 가요성 기재일 수 있다. 일부 구현예에서, 기재(110)는, 예를 들어 폴리이미드와 같은 중합체 재료를 사용할 수 있으며, 이는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 액정 중합체(LCP), 폴리올레핀, 플루오로중합체 기반 필름, 실리콘, 셀룰로오스 등을 포함할 수 있다. 기재(110)의 두께는 20 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 기재(110)의 두께는 100 마이크로미터 미만일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 기재(110)는 복수의 비아(115)를 포함할 수 있다. 비아(115)는 통상 기재를 관통하는 개구이다. 일부 경우에, 복수의 비아(115)는 기재 내에 대체로 동일한 간격으로 배치된다. 비아(115)의 폭은 0.05 mm 내지 5 mm의 범위, 또는 0.5 mm 내지 2 mm의 범위, 또는 0.1 내지 0.5 mm의 범위에서 변할 수 있다. 인접한 비아들 사이의 간격은 100 μm 내지 10 mm의 범위, 또는 1 mm 내지 5 mm의 범위에서 변할 수 있다. 비아는, 예를 들어 레이저 드릴링, 다이 절단, 이온 밀링, 또는 화학적 에칭 등과 같은 다양한 기법으로 형성될 수 있다. 기재 내에 비아 또는 공동을 형성 및 구성하는 것에 대한 더 많은 기법이, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2013/0294471호에 제공되어 있다.
일부 경우에, 비아(115)의 축은 기재(110)의 주 평면에 대체로 수직이다. 일부 경우에, 비아(115)의 축은 기재의 주 평면으로부터 25° 내지 90°의 각도로 있을 수 있다. 일 실시 형태에서, 비아(115)의 축은 기재의 주 평면으로부터 25° 내지 40° 범위의 각도로 있다. 일부 실시 형태에서, 비아(115)는 전도성 재료(117), 예를 들어 금속, 금속 복합재, 탄소 나노튜브 복합재, 다층 그래핀 등으로 충전될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 비아(115)는 구리 또는 다른 금속으로 부분적으로 충전될 수 있고, 열전 재료로 부분적으로 충전될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전도성 재료(117)는 50% 이상의 구리를 포함한다.
열전 요소(120)는 다양한 열전 재료를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 열전 재료는 Bi2Te3, Sb2Te3, 또는 이들의 합금과 같은 칼코게나이드(chalcogenide)이다. 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜))과 같은 유기 중합체, 또는 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트)와 같은 유기 복합재이다. 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 규소 웨이퍼 상에 형성되고 기재(110) 상에 조립되기 전에 다이로 다이싱되는 칼코게나이드 초격자(superlattice)이다. 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 다공성 규소의 도핑된 형태인데, 이는 기재(110) 상에 조립하기 전에 다이로 다이싱된다.
유기 중합체를 열전체로서 사용할 때, 요구되는 처리 온도는 칼코게나이드 열전 재료와 비교할 때 감소될 수 있고, 매우 다양한 덜 고가의 가요성 기재 재료, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 셀룰로오스가 적용가능하게 된다. 일부 경우에, 칼코게나이드 재료를 별개로, 예를 들어 규소 웨이퍼 상의 초격자 형태로 처리함으로써, 종래의 열전체에 비해 에너지 변환 효율(ZT 값)을 개선하는 것이 가능하다.
일부 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 기재 바로 위에 인쇄 또는 분배되는 열전 재료에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우에, 열전 요소(120)는 기재(110)의 비아(115) 바로 위에 인쇄 또는 분배될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 요소는 페이스트 형태의 열전 재료의 인쇄에 의해 형성된다. 열전체의 인쇄 이후에, 모듈은 열처리되어 페이스트의 결합제가 열분해되고 열전 입자가 고형체로 소결되게 한다. 이러한 실시 형태는 0.01 내지 0.10 mm 범위의 두께를 갖는, 모듈 내의 매우 얇은 열전 재료를 허용한다.
열전 요소(120)는, 예를 들어 박막 가공, 나노-재료 가공, 미세-전기기계 가공, 또는 테이프 캐스팅을 포함하는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 일례에서, 출발 기재는, 직경이 100 mm 내지 305 mm(4" 내지 12")의 범위이고 두께가 0.1 내지 1.0 mm의 범위인 규소 웨이퍼일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열전 재료는, 예를 들어, 스퍼터링, 화학 증착, 또는 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)에 의해 출발 기재 상에 침착될 수 있다. 일 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 MBE에 의해 칼코게나이드 초격자로서 형성될 수 있다. 열전 응용을 위한 이러한 초격자 구조의 예는 Bi2Te3 / Sb2Te3 초격자 및 PbTe / PbS 초격자를 포함한다. 적절한 도핑에 의해, n형 열전 초격자 및 p형 열전 초격자 둘 모두가 제조될 수 있다. 침착 이후에, 규소 웨이퍼는 기재(110) 상에 장착하기 위해 열전 요소(120)로 다이싱될 수 있다. 열전 요소(120)의 폭은 0.05 내지 5 mm의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 1.0 mm의 범위일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 규소 웨이퍼는 규소 나노필라멘트, 나노홀, 또는 다른 나노구조체, 예컨대 다공성 규소의 형성을 위한 기재로서 사용된다. 규소 나노구조체는 이어서, 예를 들어 마그네슘, 납, 또는 비스무트 규화물 상(phase)의 형성을 통해 화학적으로 개질될 수 있다. 적절한 도핑에 의해, n형 열전 나노구조체 및 p형 열전 나노구조체 둘 모두가 제조될 수 있다. 나노구조체의 형성 이후에, 규소 웨이퍼는 중합체 기재 상에 장착하기 위해 열전 요소(120)로 다이싱될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열전 재료는 기재(110)에 접합되기 전에 전사 층으로서 규소 기재로부터 제거될 수 있으며, 이 경우에 접합될 열전 요소 층의 두께는 0.01 내지 0.2 mm의 범위일 수 있다.
다른 실시 형태에서, 열전 요소는 테이프 캐스팅 공정으로부터 형성될 수 있다. 테이프 캐스팅에서, 페이스트 형태의 무기 전구체 재료가, 알루미나, 질화알루미늄, 지르코니아, 탄화규소, 몰리브덴과 같은 매끄러운 내화성 세터(refractory setter) 상에 캐스팅되거나 실크-스크리닝된다(silk-screened). 이어서, 테이프는 고온에서 소결되어 0.1 내지 5.0 mm 범위의 두께로 원하는 열전 화합물을 형성한다. 소결 이후, 테이프는 다이 형태로 기재(110) 상에 장착하기 위해 다이싱된 열전 요소(120)일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 세트의 커넥터는 금속, 예를 들어, 구리, 은, 금, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 몰리브덴 등, 또는 이들의 조합으로부터 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 세트의 커넥터는 구리로부터 형성된다. 예를 들어, 커넥터는 스퍼터링에 의해, 전착(electrodeposition)에 의해, 또는 구리 시트의 라미네이션에 의해 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 구리 패턴은 건조 필름 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 방식로 형성되고, 이어서 에칭될 수 있다. 제1 세트의 커넥터(130)의 두께는 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위일 수 있다. 일 실시 형태에서, 구리 커넥터(130)를 갖는 폴리이미드 기재(110)는 가요성 인쇄 회로 기술을 사용할 수 있다. 가요성 회로 기술에 대한 상세사항은, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,611,046호 및 제7,012,017호에 제공되어 있다.
열전 요소(120)의 상부 위에 일 세트의 제2 커넥터(140)가 배치된다. 커넥터(140)는, 예를 들어 침착되거나 인쇄된 금속 패턴으로부터 형성될 수 있다. 금속은, 예를 들어 구리, 은, 금, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 몰리브덴, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 금속 패턴은 금속-복합재 잉크 또는 페이스트를 사용하여 실크 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 다른 실시 형태에서, 금속 패턴은 플렉소그래픽 인쇄 또는 그라비어 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 금속 패턴은 잉크 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 또 다른 일부 실시 형태에서, 금속 패턴은 스퍼터링 또는 화학 증착(CVD)에 의해 침착되고, 이어서 포토리소그래픽 패턴화 및 에칭될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 커넥터(140)는 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 모듈(100A)의 두께는 1 mm 이하이다. 일부 구현예에서, 열전 모듈(100A)의 두께는 0.3 mm 이하이다. 일부 경우에, 열전 모듈(100A)의 두께는 50 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 범위이다.
일부 실시 형태에서, 두 세트의 커넥터(130, 140)의 일부의 적어도 각각은 2개의 인접한 열전 요소들 - 하나의 p형 열전 요소 및 하나의 n형 열전 요소 - 사이에 전기 연결부를 형성한다. 일 실시 형태에서, 커넥터(130)는 제1 쌍의 열전 요소를 전자적으로 연결하고, 커넥터(140)는 제2 쌍의 열전 요소를 전자적으로 연결하며, 여기서 제1 쌍의 열전 요소 및 제2 쌍의 열전 요소는 하나의 열전체를 공통으로 갖는다. 일부 경우에, 2개의 인접한 열전 요소들(120) 사이의 간격은 커넥터(130, 140) 배치 정확도에 부분적으로 의존할 수 있다. 하나의 예시적인 실시 형태에서, 커넥터 배치 정확도는 10 마이크로미터이고 2개의 인접한 열전 요소들(120) 사이의 간격은 10 마이크로미터이다.
일부 실시 형태에서, 열전 모듈(110A)은 접합 구성요소(150)를 포함한다. 도 1c에 도시된 실시 형태에서, 접합 구성요소는 열전 요소(120)와 전도성 재료로 충전된 비아(115) 사이에 배치된다. 일부 실시 형태에서, 접합 구성요소(150)는, 예를 들어 솔더 재료, 전도성 접착제 등을 포함하는 접합 재료를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 접합 재료는 납, 주석, 비스무트, 은, 인듐, 또는 안티몬의 다양한 혼합물을 함유하는 솔더 재료일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 접합 재료는 이방성 전도성 접착제, 예를 들어 3M 접착제 7379일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 접합 구성요소(150)의 폭은 비아(115)의 폭보다 크다. 일부 실시 형태에서, 열전 요소(120)의 폭은 비아(115)의 폭보다 크다. 일 실시 형태에서, 열전 요소와 비아 사이의 폭의 차이는 열전 요소의 두께 이상이다. 일례로서, 열전 요소의 두께가 80 마이크로미터인 경우, 열전 요소와 비아 사이의 폭의 차이는 80 마이크로미터 이상이다. 일 실시 형태에서, 열전 요소의 폭은 비아의 폭과 실질적으로 동일하다.
일부 실시 형태에서, 열전 요소들(120) 사이의 공간에 절연체(160)가 배치된다. 일부 경우에, 절연체(160)는 최종 금속화 단계 동안 열전 요소(120)의 면들을 보호할 수 있다. 일부 경우에, 절연체(160)는 열전 요소들 사이의 공간을 충전하고 열전 요소(120)의 상부와 접촉하지 않는다. 일부 다른 경우에, 절연체(160)는 열전 요소(120)의 상부의 일부분을 덮는다. 일 실시 형태에서, 절연체(160)는, 실크 스크리닝 또는 드롭-온-디맨드(drop-on-demand)(잉크젯) 인쇄에 의해 페이스트 또는 잉크로서 적용될 수 있는 저온 가용성(fusible) 무기 재료이다. 일례는 붕소 또는 나트륨 도핑된 실리케이트 또는 유리 프릿(frit) 재료로부터 제조된 페이스트일 것이다. 인쇄 이후에, 유리 프릿은 열전 요소 둘레에 밀봉부를 형성하도록 제자리에 용융될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 절연체(160)는 실크 스크린 인쇄 공정, 드롭-온-디맨드 인쇄 공정에 의해, 또는 플렉소그래픽 또는 그라비어 인쇄에 의해 적용될 수 있는 유기 재료이다. 인쇄가능한 유기 절연체 재료의 예는 아크릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 폴리이미드, 실리콘, 및 셀룰로오스 재료를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 절연체는 실세스퀴옥산, 벤조사이클로부탄, 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴레이트, 또는 폴리벤조아졸과 같은 광-이미지 형성가능 유기 유전체 재료이다. 다른 실시 형태에서, 절연체(160)는, 예를 들어, 메트-알킬 또는 메트-알콕시 실록산 화합물과 같은 전구체를 사용하여 스핀-온(spin-on) 유리로서 형성된다. 침착 이후에, 스핀-온 유리는 포토레지스트 및 에칭 기법을 사용하여 패턴화될 수 있다.
일부 구현예에서, 열전 모듈(110A)을 가로질러 여러 부위에서 기재에 직접 저점도 유전체 액체 용액의 절연체(160)를 적용하기 위해 "드롭-온-디맨드" 노즐의 어레이가 사용될 수 있다. 액체는 유동하여, 모세관 압력에 의해 인접한 열전 요소들 사이의 공간 내에 분산될 것이다. 액체 절연체(160)가 열전 요소들 사이의 미세채널 내에서 유동하는 동안, 액체 절연체(160)는 열전 요소의 상부 에지에 의해 한정되는 레벨 미만으로 제한되어서, 액체 절연체(160)가 열전 요소(120)의 상부 면 상으로 유동하거나 이를 덮지 않게 한다. 일부 경우에, 액체 절연체(160)는 캐리어 용매 또는 경화성 단량체에 용해된 중합체 재료일 수 있다. 일부 경우에, 액체 절연체(160)는 리올로지(rheology), 표면 에너지 및 채널 기하형상에 의해 좌우되는, 각각의 분배 부위로부터의 소정 거리로 이동한다. 일부 경우에, 액체 절연체(160)는 열전 요소들(120) 사이의 간격의 연속 커버리지(coverage)를 보장하기 위해 기재(110) 내의 주기적인 부위에서 분배된다.
도 1d는 열전 모듈(100D)의 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다. 열전 모듈(100D)은 기재(110), 복수의 열전 요소(120), 제1 세트의 커넥터(130), 및 제2 세트의 커넥터(140)를 포함한다. 동일한 라벨을 갖는 구성요소들은 도 1a의 대응하는 구성요소들과 동일하거나 유사한 구성, 제조 공정, 재료, 조성, 기능 및/또는 관계를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 기재(110)는 가요성이다. 일부 실시 형태에서, 기재(110)는 복수의 비아(115)를 포함한다. 가요성 기재(110)는 제1 기재 표면(111) 및 제1 기재 표면(111)에 반대편인 제2 기재 표면(112)을 갖는다. 복수의 열전 요소(120)는 복수의 p형 열전 요소(122) 및 복수의 n형 열전 요소(124)를 포함한다.
도 1d에 도시된 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 비아(115) 내에 배치된다. 일부 경우에, 열전 요소는 열전 재료를 포함한다. 일 실시 형태에서, 열전 재료는 Bi2Te3(n형) 또는 Sb2Te3(p형)과 같은 V-VI 칼코게나이드 화합물이다. V-VI 칼코게나이드는 때때로, Bi2Te3-XSeX(n형) 또는 Bi0.5Sb1.5Te3(p형)과 같은 합금 혼합물을 통해 개선된다. 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 PbTe 또는 SnTe 또는 SnSe와 같은 IV-VI 칼코게나이드 재료로부터 형성된다. IV-VI 칼코게나이드는 때때로, PbXSb1-XTe 또는 NaPb20SbTe22와 같이, 도핑을 통해 개선될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 Mg2SiXBi10X 및 Mg2Si0.6Sn0.4와 같은 도핑된 버전을 포함하는, Mg2Si와 같은 규화물로부터 형성된다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 재료는 Ba2Ga16Ge30과 같은 클라트레이트(clathrate) 화합물로부터 형성된다. 또 다른 실시 형태에서, 열전 재료는 BaxLayCo4Sb12 또는 BaxInyCo4Sb12와 같은 스커터루다이트(skutterudite) 화합물로부터 형성된다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 재료는 CaMnO3, NaXCoO2 또는 Ca3Co4O9와 같은 전이 금속 산화물 화합물로부터 형성될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기에 열거된 무기 재료는 일반적으로 분말 공정에 의해 합성된다. 분말 공정에서, 구성 재료는 특정 비율들에 따라 분말 형태로 함께 혼합되고, 이어서 분말들은, 분말들이 반응하여 원하는 화합물을 형성할 때까지 서로 가압되고 고온에서 소결된다. 소결 이후에, 분말은 연삭되고 결합제 또는 용매와 혼합되어 슬러리, 잉크 또는 페이스트를 형성할 수 있다. 일부 구현예에서, 페이스트 형태의 열전 요소(120)는 실크 스크린 침착 공정에 의해 또는 닥터-블레이드(doctor-blade) 공정에 의해 기재(110) 내의 비아(115)에 추가될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 요소(120)는 또한 "드롭-온-디맨드" 잉크젯 공정에 의해 비아(115) 내에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 요소(120)는 또한 건조 분말 제트 또는 에어로졸 공정에 의해 비아(115)에 추가될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 요소(120)는 또한 플렉소그래픽 또는 그라비어 인쇄에 의해 비아(115)에 추가될 수 있다.
분말 합성 공정에 대한 대안적인 실시 형태에서, 정확한 화학량론의 열전 입자가, 반응성 침전에 의해 용매 혼합물로부터 직접 형성 및 회수될 수 있다. 다른 대안적인 실시 형태에서, 열전 재료는 용매 내에서 반응하고, 이어서 나노입자 잉크로서 직접 사용하기 위한 콜로이드 현탁액으로서 용매 중에 유지될 수 있다.
일부 경우에, 비아(115) 내로의 열전 재료의 인쇄 이후에, 기재(110)는 열처리되어 결합제가 열분해되고, 열전 재료가 벌크형 열 및 전기 전도성을 갖는 고형체로 소결되게 한다.
일 실시 형태에서, 기재(110) 내의 비아(115)는 티오펜 PEDOT와 같은 탄소계 유기 재료로 충전될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 PEDOT:PSS 또는 PEDOT:ToS와 같은 복합재로부터 형성될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 폴리아닐린(PANi)으로부터 형성될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 폴리페닐렌 비닐렌(PPV)으로부터 형성될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 요소(120)는 무기물과 유기물 사이의 복합재에 의해 형성될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 열전 요소(120)는, 예를 들어 탄소 나노와이어, 텔루륨 나노와이어, 또는 은 나노와이어와 같은 나노필라멘트와 전도성 유기 결합제 사이에 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 유기 열전 재료로 형성된 열전 요소는, 실크 스크린 공정에 의해, 또는 잉크젯 공정에 의해, 또는 플렉소그래픽 또는 그라비어 인쇄에 의해 비아(115) 내에 침착될 수 있다.
도 1e는 열전 모듈(100E)의 또 다른 예시적인 실시 형태의 단면도이다. 열전 모듈(100E)은 제1 기재(110), 제2 기재(114), 복수의 열전 요소(120), 제1 세트의 커넥터(130), 및 제2 세트의 커넥터(140)를 포함한다. 동일한 라벨을 갖는 구성요소들은 도 1a 내지 도 1c의 대응하는 구성요소들과 동일하거나 유사한 구성, 제조 공정, 재료, 조성, 기능 및/또는 관계를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 기재(110, 114) 중 하나 또는 둘 모두는 가요성이다. 일부 실시 형태에서, 기재들(110, 114) 둘 모두는 복수의 비아(115)를 포함한다. 일부 경우에, 전도성 재료(117)가 비아(115) 내에 배치된다. 복수의 열전 요소(120)는 복수의 p형 열전 요소(122) 및 복수의 n형 열전 요소(124)를 포함한다.
일부 경우에, 열전 요소(120)는 접합 구성요소(150)를 통해 제1 또는 하부 기재(110) 내의 전도성 재료(117)로 충전된 비아(115) 중 각각의 비아의 상부 위에 접합된다. 이어서, 제2 기재(114)는 제1 기재(110)의 상부 위에 위치되고 접합 구성요소(150)를 통해 접합되어, 제2 기재(114) 내의 전도성 재료(117)로 충전된 비아(115) 중 각각의 비아가 열전 요소(120) 중 하나의 열전 요소와 전기적 접촉을 이루게 한다.
도시된 실시 형태에서, 커넥터(130, 140)는 연속 전류가 하나의 열전 요소로부터 다른 열전 요소로 흐를 수 있도록 제1 및 제2 기재들(110, 114) 둘 모두 상에 배열된다. 일부 실시 형태에서, 열전 요소를 통해 흐를 때, n형 및 p형 다이 내의 전류의 흐름은 반대 방향인데, 예를 들어, 전류는 n형 열전 요소에서 하부로부터 상부로 흐르고 p형 열전 요소에서 상부로부터 하부로 흐른다. 이러한 예시적인 열전 모듈에서의 열의 흐름 및 열전체에서의 전류의 흐름은, 대체로 2개의 기재(110, 114)의 평면을 가로지르거나 그에 수직이다. 일부 실시 형태에서, 절연체(160)는, 실크 스크리닝 또는 드롭-온-디맨드(잉크젯) 인쇄에 의해 페이스트 또는 잉크로서 적용될 수 있는 저온 가용성 무기 재료이다. 일부 실시 형태에서, 절연체(160)는 가스 형태의 절연 재료, 예를 들어 공기이다.
도 2a는 열전 모듈(200A)의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면도이다. 열전 모듈(200)은 복수의 비아(115)를 갖는 제1 기재(110), 비아(115) 내에 배치된 복수의 열전 요소(120), 제1 세트의 커넥터(130), 제2 세트의 커넥터(140), 선택적인 마모 보호 층(210), 마모 보호 층(210)에 대한 선택적인 이형 라이너(220), 선택적인 접착제 층(230), 및 접착제 층(230)에 대한 선택적인 이형 라이너(240)를 포함한다. 동일한 라벨을 갖는 구성요소들은 도 1a 내지 도 1e의 대응하는 구성요소들과 동일하거나 유사한 구성, 제조 공정, 재료, 조성, 기능 및/또는 관계를 가질 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 마모 보호 층(210)은 제1 세트의 커넥터(130)에 인접하게 배치되고, 이형 라이너는 마모 보호 층에 인접하게 배치된다. 일부 경우에, 접착제 층(230)은 제1 세트의 커넥터 및 제2 세트의 커넥터(140) 중 하나에 인접하게 배치되고, 이형 라이너(240)는 접착제 층(230)에 인접하게 배치된다. 일부 실시 형태에서, 마모 보호 층 및/또는 접착제 층은 기계적 강건성을 제공하는 열 전도성 특성에 따라 선택되는데, 예를 들어, 접착제 재료와 혼합되는 탄소 나노튜브 복합재 또는 그래핀 박막이 선택된다.
도 2b는 열전 모듈(200B)의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면도이다. 열전 모듈(200B)은 제1 세트의 비아(115)를 갖는 제1 기재(110), 제1 세트의 비아(115) 내에 배치된 제1 세트의 열전 요소(120), 제2 세트의 비아(255)를 갖는 제2 기재(250), 제2 세트의 비아(255) 내에 배치된 제2 세트의 열전 요소(260), 제1 기재와 제2 기재 사이에 개재된 복수의 전도성 접합 구성요소(270), 제1 세트의 커넥터(130), 및 제2 세트의 커넥터(140)를 포함한다. 동일한 라벨을 갖는 구성요소들은 도 1a 내지 도 1e의 대응하는 구성요소들과 동일하거나 유사한 구성, 제조 공정, 재료, 조성, 기능 및/또는 관계를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 기재(110) 및 제2 기재(250) 중 적어도 하나는 가요성이다. 일부 경우에, 각각의 전도성 접합 구성요소(270)는 제1 세트의 비아(115) 중 제1 비아 및 제2 세트의 비아(255) 중 제2 비아에 정렬된다.
일부 실시 형태에서, 제1 세트의 커넥터(130)는 접합 구성요소(270)로부터 멀리 제1 기재(110)의 표면 상에 배치되고, 제1 세트의 커넥터(130) 각각은 제1 세트의 비아(115) 중 제1 쌍의 인접한 비아(116)에 전기적으로 연결되고 있다. 일부 경우에, 제2 세트의 커넥터(140)는 접합 구성요소(270)로부터 멀리 제2 가요성 기재의 표면 상에 배치되고, 제2 세트의 커넥터 각각은 제2 세트의 비아(255) 중 제2 쌍의 인접한 비아(256)에 전기적으로 연결되고 있다. 도시된 실시 형태에서, 제1 쌍의 인접한 비아(116) 및 제2 쌍의 인접한 비아(256)는 하나의 정렬된 비아 및 하나의 정렬되지 않은 비아를 갖는다. 도시된 바와 같이, 전류는 기재(110, 250)에 대체로 수직인 방향(281, 282)으로 흐를 수 있다.
일부 실시 형태에서, p형 열전 요소(122) 및 n형 열전 요소(124)의 상이한 것이 제1 세트의 비아(115) 중 2개의 인접한 비아 내에 배치된다. 그러한 실시 형태에서, p형 열전 요소(262) 및 n형 열전 요소(264)의 상이한 것이 제2 세트의 비아(255) 중 2개의 인접한 비아 내에 배치된다. 추가로, 제1 가요성 기재(110) 내의 비아(115)는 동일한 유형의 열전 요소를 갖는 제2 가요성 기재(250) 내의 비아(255)와 대체로 정렬된다.
일부 실시 형태에서, 인접한 접합 구성요소들(270) 사이에 절연 재료(280)가 배치된다. 일부 실시 형태에서, 접합 구성요소(270)는 전도성 접착제 재료, 예를 들어 이방성 전도성 필름, 전기 전도성 접착제 전사 테이프 등을 사용할 수 있다. 절연 재료(280)는, 예를 들어 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 실리콘 등일 수 있다.
도 2c는 열전 모듈(200C)의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면도이다. 열전 모듈(200C)은 제1 세트의 비아(115)를 갖는 제1 기재(110), 제1 세트의 비아(115) 내에 배치된 제1 세트의 열전 요소(120), 제2 세트의 비아(255)를 갖는 제2 기재(250), 제2 세트의 비아(255) 내에 배치된 제2 세트의 열전 요소(260), 제1 기재와 제2 기재 사이에 개재된 복수의 전도성 접합 구성요소(270), 제1 세트의 커넥터(130), 및 제2 세트의 커넥터(140)를 포함한다. 동일한 라벨을 갖는 구성요소들은 도 1a 내지 도 1e의 대응하는 구성요소들과 동일하거나 유사한 구성, 제조 공정, 재료, 조성, 기능 및/또는 관계를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 기재(110) 및 제2 기재(250) 중 적어도 하나는 가요성이다. 일부 경우에, 각각의 전도성 접합 구성요소(270)는 제1 세트의 비아(115) 중 제1 비아 및 제2 세트의 비아(255) 중 제2 비아에 정렬된다.
일부 실시 형태에서, 제1 세트의 열전 요소(120)는 제1 유형의 열전 요소, 예를 들어, p형 또는 n형 열전 요소의 것이다. 그러한 실시 형태에서, 제2 세트의 열전 요소(260)는, 제1 유형의 열전 요소와는 상이한 제2 유형의 열전 요소의 것이다. 예를 들어, 제1 유형의 열전 요소는 p형이고 제2 유형의 열전 요소는 n형이거나, 또는 그 반대이다. 도시된 실시 형태에서, 제1 유형의 열전 요소 및 제1 전도성 재료(117)가 제1 세트의 비아(115) 중 2개의 인접한 비아 내에 배치된다. 제2 유형의 열전 요소 및 제2 전도성 재료(257)가 제2 세트의 비아(255) 중 2개의 인접한 비아 내에 배치된다. 그러한 실시 형태에서, 제1 기재(110) 내의 제1 유형의 열전 요소를 갖는 비아는 제2 기재(250) 내의 제2 전도성 재료(257)를 갖는 비아와 대체로 정렬된다. 제1 전도성 재료(117)를 갖는 비아는 제2 기재(250) 내의 제2 유형의 열전 요소를 갖는 비아와 대체로 정렬된다. 일부 경우에, 제1 전도성 재료(117)는 제2 전도성 재료(257)와 동일하다. 일부 경우에, 제1 전도성 재료(117)는 제2 전도성 재료(257)와 상이하다.
일부 실시 형태에서, 열전 모듈은 테이프 형태로 제공될 수 있다. 일부 경우에, 테이프는 롤 형태이다. 도 3a 내지 도 3e는 열전 테이프(300) 및 그것이 사용될 수 있는 방식의 일 실시 형태를 도시한다. 도 3b는 열전 테이프(300)의 분해도이다. 일부 실시 형태에서, 열전 테이프(300)는 가요성 기재(305), 복수의 열전 모듈(310), 및 열전 테이프를 따라 종방향으로 평행하게 이어지는 2개의 전도성 버스(321, 322)를 포함한다. 열전 모듈(310)은 본 명세서에 기술된 열전 모듈의 임의의 구성을 사용할 수 있다. 일부 경우에, 가요성 기재(305)는 복수의 비아를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 복수의 열전 모듈(310)은 병렬로 연결된다. 열전 모듈(310)은 주어진 온도 구배에 대해 소정량의 전류 및 전압을 생성한다. 동일한 밀도의 n형 및 p형 열전 요소들이 포함되는 것을 고려하면, 더 큰 크기의 모듈은 더 높은 출력 전류 및 전압을 제공한다. 또한, 더 높은 밀도의 열전 요소는 더 높은 출력 전압을 생성한다.
일부 경우에, 열전 테이프(300)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 가요성 기재(305)의 제1 표면 상에 배치된 열 전도성 접착제 층(330)을 포함한다. 일부 경우에, 열전 테이프(300)는 선택적인 보호 필름(335)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 열 절연 재료의 스트라이프(341)가 열전 테이프(300)를 따라 종방향으로 배치된다. 일부 경우에, 열 절연 재료의 2개의 스트라이프(341, 342)가 열전 테이프(300)를 따라 종방향으로 배치되는데, 열 절연 재료의 2개의 스트라이프 각각은 열전 테이프(300)의 에지에 배치된다. 일부 실시 형태에서, 열 절연 재료는 서로 겹쳐짐으로써, 예를 들어 열 파이프 둘레에 감싸일 때, 테이프들 사이의 간격을 통해 누출되는 열 손실을 방지할 것이다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 일부 경우에, 열전 테이프(301)의 일 섹션이, 예를 들어 열전 모듈(313) 내에서 분리되어, 열전 테이프의 일 섹션이 열전 모듈(311, 312)을 포함하도록 할 수 있다. 열전 테이프(301)의 일 섹션은, 도 3d에 도시된 바와 같이 버스(321, 322)에서 전력을 출력함으로써 전원으로서 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열전 테이프(300)는 복수의 절취선(line of weakness)(350)을 포함하며, 여기서 각각의 절취선은 일련의 가요성 열전 모듈(310) 중 인접한 2개의 가요성 열전 모듈들 사이에 배치된다. 그러한 실시 형태에서, 절취선(350)은 열전 테이프의 일 섹션의 분리를 허용한다. 일부 경우에, 열전 테이프(301)의 일 섹션이 전력 요건에 기초하여 설계될 수 있다.
도 3e는, 예를 들어 스팀 파이프와 같은 열원 둘레를 감싸기 위한 열전 테이프(301)의 섹션의 예시적인 사용을 도시한다. 일부 경우에, 열 절연 스트라이프(360)가 열전 모듈들(310) 사이에 배치된다. 일부 경우에, 열 절연 스트라이프(360)는 도 3a에 도시된 열전 테이프(300)의 열 절연 스트라이프(341, 342)로부터 형성된다.
도 4a 내지 도 4d는 열전 모듈을 제조하는 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다. 단계 중 일부는 선택적이다. 단계 중 일부는 순서가 변경될 수 있다. 도 4a는 열전 모듈을 제조하는 조립 라인의 하나의 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다. 공정은 도 1d에 도시된 바와 같은 열전 모듈을 생성할 수 있다. 그러한 구현예에서, 열전 모듈은 더 적은 층을 가지므로 얇을 수 있어서, 모듈이 더 높은 가요성을 가질 수 있고 화력(thermal power)을 전력으로 변환하는 데 효과적일 수 있게 한다. 열전 모듈의 각각의 구성요소는 본 명세서에 기술된 대응하는 구성요소의 임의의 구성 및 실시 형태를 사용할 수 있다. 먼저, 제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 갖는 가요성 기재를 제공한다(단계(410A)). 다음으로, 가요성 기재의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하는데, 여기서 제1 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 갖는다(단계(420A)). 일부 경우에, 제1 전도성 층은 가요성 인쇄 회로 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 경우에, 제1 전도성 층은 스퍼터링, 전착에 의해, 또는 전도성 시트의 라미네이션에 의해 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 전도성 층의 패턴은 건조 필름 레지스트를 사용하여 포토리소그래피 방식으로 형성되고, 이어서 에칭될 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 제1 전도성 층의 패턴은 금속-복합재 잉크 또는 페이스트를 사용하여 실크 스크린 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우에, 제1 전도성 층의 패턴은 플렉소그래픽 인쇄 또는 그라비어 인쇄에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우에, 제1 전도성 층의 패턴은 잉크 인쇄에 의해 형성될 수 있다.
일부 경우에, 조립 라인은, 예를 들어 가요성 기재로부터 재료를 제거함으로써 가요성 기재 내에 다수의 비아를 생성한다(단계(430A)). 일부 실시 형태에서, 비아 중 적어도 일부는 커넥터의 제1 어레이의 단부에 대응하여 위치된다. 비아를 형성하기 위한 방법은 레이저 드릴링, 다이 절단, 이온 밀링, 화학적 에칭 등을 포함한다. 제1 전도성 층이 구리 시트의 라미네이션에 의해 형성된 경우, 라미네이션 접착제는 또한 에칭 단계 동안 비아의 하부로부터 제거된다. 추가로, 비아 중 적어도 일부를 열전 재료로 충전한다(단계(440A)). 일부 구현예에서, 페이스트 형태의 열전 재료는 실크 스크린 침착 공정에 의해 또는 닥터-블레이드 공정에 의해 비아에 추가될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 재료는 분말 공정에 의해 합성된다. 분말 공정에서, 구성 재료는 특정 비율들에 따라 분말 형태로 함께 혼합되고, 이어서 분말들은, 분말들이 반응하여 원하는 화합물을 형성할 때까지 서로 가압되고 고온에서 소결된다. 소결 이후에, 분말은 연삭되고 결합제 또는 용매와 혼합되어 슬러리, 잉크 또는 페이스트를 형성할 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 재료는 또한 "드롭-온-디맨드" 잉크젯 공정에 의해 비아 내에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 재료는 또한 건조 분말 제트 또는 에어로졸 공정에 의해 비아에 추가될 수 있다. 일부 구현예에서, 열전 재료는 또한 플렉소그래픽 또는 그라비어 인쇄에 의해 비아에 추가될 수 있다.
일부 구현예에서, 열전 재료는 결합제 재료를 포함한다. 선택적으로, 열전 모듈을 가열하여 결합제 재료를 제거한다(단계(450A)). 일부 실시 형태에서, 결합제 재료는, 예를 들어 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등일 수 있다. 일부 경우에, 비아에 추가되는 열전 재료가 잉크 또는 페이스트 형태인 경우, 열전 재료로 충전된 기재는 열처리되어 페이스트 내의 결합제 및 용매가 증발되거나 열분해되게 하여, 열전 재료가 벌크형 열 및 전기 전도성을 갖는 고형체로 소결되게 한다. 유기 결합제의 열분해는 120℃ 내지 300℃의 온도 범위에 걸쳐 일어날 수 있다. 열전 재료의 소결은 200℃ 내지 500℃의 온도 범위에 걸쳐 일어날 수 있다. 일부 구현예의 경우, 열전 재료의 산화를 피하기 위해, 질소 또는 형성 가스의 분위기에서 열전 재료를 열처리하는 것이 바람직하다.
다음으로, 가요성 기재의 제2 표면에 제2 패턴화된 전도성 층을 적용하는데, 여기서 제2 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 갖는다(단계(460A)). 일부 실시 형태에서, 커넥터의 제2 어레이의 단부 중 적어도 일부는 비아 중 적어도 일부에 대응하여 위치된다. 제2 전도성 층 및 그의 패턴은 제1 전도성 층 및 그의 패턴을 형성하는 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
일부 구현예에서, 조립 라인은 제2 패턴화된 전도성 층 상에 열 전도성 접착제 재료를 적용한다(단계(470A)). 일부 경우에, 이형 라이너를 선택적으로 갖는 접착제 층이 열전 모듈의 표면 위에 코팅되거나 라미네이팅될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열 전도성 특성을 갖는 접착제 층을 제공하는 것이 바람직하다. 이것은 접착제의 매트릭스 내에 금, 은 또는 탄소 입자, 필라멘트, 또는 플레이크를 분산시키는 것과 같은 당업계에 공지된 기법에 의해 달성될 수 있다. 열 전도성 접착제 층의 두께는 바람직하게는 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위이다. 접착제 층은 수성 또는 용매 기반 코팅 공정 중 어느 하나에 의해 또는 고온-용융(hot-melt) 압출 공정에 의해 열전 모듈 상에 직접 코팅될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 열 전도성 접착제 층은, 이형 라이너와 함께 열전 모듈의 상부 위에 라미네이팅될 수 있는 별개의 테이프 물품으로서 준비된다.
도 4b는 열전 모듈을 제조하는 조립 라인의 다른 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다. 공정은 도 1e에 도시된 바와 같은 열전 모듈을 생성할 수 있다. 열전 모듈의 각각의 구성요소는 본 명세서에 기술된 대응하는 구성요소의 임의의 구성 및 실시 형태를 사용할 수 있다. 각각의 단계는 도 4a에 기술된 대응하는 단계의 임의의 실시 형태를 사용할 수 있다. 먼저, 2개의 가요성 기재, 즉, 기재 1 및 기재 2 - 둘 모두가 제1 및 제2 표면들을 가짐 - 를 제공한다(단계(410B)). 기재 1의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성한다(단계(420B)). 기재 2의 제1 표면에 제2 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성한다(단계(430B)). 두 기재 모두 내에 다수의 비아를 생성하며, 비아 중 일부는 커넥터의 대응하는 어레이의 단부에 대응하여 위치된다(단계(440B)). 두 기재 모두의 비아를 전기 전도성 재료로 충전한다(단계(450B)). 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 용액, 잉크, 페이스트 또는 고체의 형태일 수 있다. 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 임의의 실현가능한 공정에 의해, 예를 들어 인쇄에 의해, 진공 증착에 의해, 실크 스크린 인쇄 등에 의해 비아 내에 충전된다.
선택적으로, 하나 또는 두 기재 모두의 제2 표면에 전기 전도성 접합 또는 접착제 재료를 적용한다(단계(455B)). 기재 2의 제2 표면 상에 열전 요소를 배치하여 기재 2 내의 비아와 정렬한다(단계(460B)). 선택적으로, 열전 요소들 사이의 공간을 절연체로 충전한다(단계(465B)). 두 기재 모두를, 기재 내의 비아가 정렬되도록 제2 표면을 서로를 향해 대면시킴으로써 정렬 및 부착한다(단계(470B)). 그러한 구현예에서, 전도성 층은 조립체의 외부 표면 상에 있고, 열전 요소는 2개의 기재들 사이에 있다. 선택적으로, 두 기재 모두와 열전 요소의 연결부를 강화시키고 라미네이션을 마무리하기 위해 조립체를 가열한다(단계(475B)).
도 4c는 열전 모듈을 제조하는 조립 라인의 다른 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다. 공정은 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같은 열전 모듈을 생성할 수 있다. 열전 모듈의 각각의 구성요소는 본 명세서에 기술된 대응하는 구성요소의 임의의 구성 및 실시 형태를 사용할 수 있다. 각각의 단계는 도 4a에 기술된 대응하는 단계의 임의의 실시 형태를 사용할 수 있다. 먼저, 제1 및 제2 표면들을 갖는 가요성 기재를 제공한다(단계(410C)). 기재 1의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성한다(단계(420C)). 두 기재 모두 내에 다수의 비아를 생성하며, 비아 중 일부는 커넥터의 대응하는 어레이의 단부에 대응하여 위치된다(단계(430C)). 두 기재 모두의 비아를 전기 전도성 재료로 충전한다(단계(440C)). 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 용액, 잉크, 페이스트 또는 고체의 형태일 수 있다. 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 임의의 실현가능한 공정에 의해, 예를 들어 인쇄에 의해, 진공 증착에 의해, 실크 스크린 인쇄 등에 의해 비아 내에 충전된다.
선택적으로, 기재의 제2 표면에 전기 전도성 접합 또는 접착제 재료를 적용한다(단계(445C)). 기재의 제2 표면 상에 열전 요소를 배치하여 기재 내의 비아와 정렬한다(단계(450C)). 선택적으로, 열전 요소들 사이의 공간을 절연체로 충전한다(단계(455C)). 열전 요소의 전체 표면에 제2 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성한다(단계(460C)). 선택적으로, 두 기재 모두와 열전 요소의 연결부를 강화시키고 라미네이션을 마무리하기 위해 조립체를 가열한다(단계(465C)).
도 4d는 열전 모듈을 제조하는 조립 라인의 다른 예시적인 공정의 흐름도를 도시한다. 공정은 도 2c에 도시된 바와 같은 열전 모듈을 생성할 수 있다. 열전 모듈의 각각의 구성요소는 본 명세서에 기술된 대응하는 구성요소의 임의의 구성 및 실시 형태를 사용할 수 있다. 각각의 단계는 도 4a에 기술된 대응하는 단계의 임의의 실시 형태를 사용할 수 있다. 먼저, 2개의 가요성 기재, 즉, 기재 1 및 기재 2 - 둘 모두가 제1 및 제2 표면들을 가짐 - 를 제공한다(단계(410D)). 기재 1의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성한다(단계(420D)). 기재 2의 제1 표면에 제2 패턴화된 전도성 층을 적용하며, 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성한다(단계(430D)). 두 기재 모두 내에 다수의 비아를 생성하며, 비아 중 일부는 커넥터의 대응하는 어레이의 단부에 대응하여 위치된다(단계(440D)).
두 기재 모두의 비아 중 일부를 상이한 유형의 열전 재료로 충전한다(단계(450D)). 일부 경우에, 모든 다른 비아가 열전 재료로 충전된다. 두 기재 모두의 나머지 비아를 전기 전도성 재료로 충전한다(단계(460D)). 예를 들어, 기재 1의 비아의 절반은 p형 열전 재료로 충전되고 기재 1의 나머지 비아는 전도성 재료로 충전되고; 기재 2의 비아의 절반은 n형 열전 재료로 충전되고 기재 2의 나머지 비아는 전도성 재료로 충전된다. 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 용액, 잉크, 페이스트 또는 고체의 형태일 수 있다. 일부 경우에, 전기 전도성 재료는 임의의 실현가능한 공정에 의해, 예를 들어 인쇄에 의해, 진공 증착에 의해, 실크 스크린 인쇄 등에 의해 비아 내에 충전된다.
선택적으로, 하나 또는 두 기재 모두의 제2 표면에 전기 전도성 접합 또는 접착제 재료를 적용한다(단계(465D)). 기재 2의 제2 표면 상에 열전 요소를 배치하여 기재 2 내의 비아와 정렬한다(단계(460D)). 선택적으로, 열전 요소들 사이의 공간을 절연체로 충전한다(단계(465D)). 두 기재 모두를, 기재 1 내의 열전 재료로 충전된 비아가 기재 2 내의 전기 전도성 재료로 충전된 비아와 정렬되도록 제2 표면을 서로를 향해 대면시킴으로써 정렬 및 부착한다(단계(470D)). 유사하게, 기재 1 내의 전기 전도성 재료로 충전된 비아는 기재 2 내의 열전 재료로 충전된 비아와 정렬된다. 그러한 구현예에서, 전도성 층은 조립체의 외부 표면 상에 있다. 선택적으로, 두 기재 모두의 충전된 비아들 사이의 연결부를 강화시키고 라미네이션을 마무리하기 위해 부착된 기재를 가열한다(단계(475D)).
실시예
실시예 1
금속 충전된 비아를 갖는 열전 모듈
도 1c에 나타낸 바와 같은 열전 모듈을 조립하였다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 1.0 mm 비아(115)를 2.5 mm 마다, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수된 0.1 mm 두께의 200 × 50 mm 가요성 폴리이미드 기재(110) 내로 천공하였다. 기재(110)를 통해 화학적으로 밀링함으로써 비아를 제조하였다. 화학 증착(CVD) 및 전기화학 침착에 의해 비아(115) 내에 침착되는 구리로 비아(115)를 충전하였다. 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수된 이방성 전도성 접착제 7379의 0.2 mm 층을, 접합 구성요소(150)로서 구리 충전된 비아(115)의 상부에 침착시켰다. 중국 지앙시 소재의 Thermonamic, Inc.로부터 입수된 교호하는 p형 Sb2Te3 및 n형 Bi2Te3 0.5 mm 두께의 열전 요소(122, 124)를, 요소 전사에 의해 비아(115)를 덮는 접합 구성요소(150) 상에 침착시켰다. 0.5 mm 두께의 폴리우레탄 절연체(160)를 드롭-온-디맨드 인쇄에 의해 열전 요소들(122, 124) 사이에 위치시켰다. 4.3 × 1.8 × 0.1 mm 구리 커넥터(130)를 제2 기재(112) 상에 전기화학 침착에 의해 침착시켰다. 4.3 × 1.8 × 0.1 mm 은 커넥터(140)를 가요성 폴리이미드 기재의 제1 기재 표면(111) 상에 실크 스크린 인쇄를 통해 침착시켜, p형 및 n형 열전 요소(122, 124)를 연결하였다.
실시예 2
열전 요소 충전된 비아를 갖는 열전 모듈
도 1d에 나타낸 바와 같은 열전 모듈을 조립하였다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 1.0 mm 비아(115)를 2.5 mm 마다, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터 입수된 0.1 mm 두께의 200 × 50 mm 가요성 폴리이미드 기재(110) 내로 천공하였다. 기재(110)를 통해 화학적으로 밀링함으로써 비아를 제조하였다. 미국 뉴욕주 톨만 소재의 Super Conductor Materials, Inc.로부터 입수된 분말에 의해 잉크-제형화된 교호하는 p형 Sb2Te3 및 n형 Bi2Te3 열전 요소들(122, 124)로 비아(115)를 충전하였는데, 이들은 실크 스크린 인쇄에 의해 비아(115) 내에 침착되었다. 4.3 × 1.8 × 0.1 mm 구리 커넥터(130)를 제2 기재 표면(112) 상에 전기화학 침착에 의해 침착시켰다. 4.3 × 1.8 × 0.1 mm 은 커넥터(140)를 가요성 폴리이미드 기재의 제1 기재 표면(111) 상에 실크 스크린 인쇄를 통해 침착시켜, p형 및 n형 열전 요소(122, 124)를 연결하였다.
실시예 3
열전 테이프
도 3a에 나타낸 바와 같은 테이프 형태로 구성된 열전 모듈을 조립하였다. 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에서 0.1 mm 두께의 가요성 폴리이미드 기재를 제조하여, 다수의 열전 모듈(310)을 포함하는 30 미터 길이의 테이프를 구성하였다. 30 μm 두께의 구리 전도성 버스(321, 322)를 갖는 폴리이미드 기재를, 종방향으로 배열된 열전 모듈(310)에 전기적으로 병렬로 연결하였다. 실시예 1에서 조립된 열전 모듈을 사용하여 테이프의 단일 모듈(311)을 구성하였다. 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company로부터의 은 입자 로딩된 전도성 접착제 전사 테이프 9704를 열전도성 접착제 층(330)에 사용하였다.
예시적인 실시 형태
항목 A1. 가요성 열전 모듈로서,
전기 전도성 재료로 충전되는 복수의 비아를 포함하고, 제1 기재 표면 및 제1 기재 표면에 반대편인 제2 기재 표면을 갖는 가요성 기재;
가요성 기재의 제1 표면 상에 배치되는 복수의 p형 열전 요소 및 복수의 n형 열전 요소 - 복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 적어도 일부는 복수의 비아에 전기적으로 연결되고, p형 열전 요소는 n형 열전 요소에 인접해 있음 -;
가요성 기재의 제2 표면 상에 배치되는 제1 세트의 커넥터 -
제1 세트의 커넥터 각각은 한 쌍의 인접한 비아를 전기적으로 연결함 -; 및
복수의 p형 및 n형 열전 요소 상에 직접 인쇄되는 제2 세트의 커넥터 - 제2 세트의 커넥터 각각은 한 쌍의 인접한 p형 및 n형 열전 요소에 전기적으로 연결됨 - 를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A2. 항목 A1에 있어서,
복수의 p형 및 n형 열전 요소들 사이에 배치되는 절연체를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A3. 항목 A1 또는 항목 A2에 있어서,
복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 하나의 열전 요소와 비아 사이에 배치되는 접합 구성요소를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A4. 항목 A1 내지 항목 A3 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 1 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 A5. 항목 A1 내지 항목 A4 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 0.3 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 A6. 항목 A1 내지 항목 A5 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 및 제2 세트의 커넥터 중 하나에 인접하게 배치되는 마모 보호 층을 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A7. 항목 A1 내지 항목 A6 중 어느 하나의 항목에 있어서, 마모 보호 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A8. 항목 A1 내지 항목 A7 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 및 제2 세트의 커넥터 중 하나에 인접하게 배치되는 접착제 층을 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A9. 항목 A8에 있어서,
접착제 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A10. 항목 A1 내지 항목 A9 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 A11. 항목 A1 내지 항목 A10 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 요소는 칼코게나이드, 유기 중합체, 유기 복합재, 및 다공성 규소 중 적어도 하나를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A12. 항목 A1 내지 항목 A11 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 액정 중합체(LCP), 폴리올레핀, 플루오로중합체 기반 필름, 실리콘, 셀룰로오스, 또는 이들의 조합을 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 A13. 항목 A1 내지 항목 A12 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈이 사용 중일 때 가요성 기재에 대체로 수직으로 열이 전파되는, 가요성 열전 모듈.
항목 A14. 항목 A13에 있어서, 대부분의 열은 복수의 비아를 통해 전파되는, 가요성 열전 모듈.
항목 A15. 항목 A1 내지 항목 A14 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈이 미리정의된 열원과 함께 사용될 때, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 미만의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는, 가요성 열전 모듈.
항목 A16. 항목 A1 내지 항목 A15 중 어느 하나의 항목에 있어서, 전기 전도성 재료는 50% 이상의 구리를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B1. 가요성 열전 모듈로서,
제1 세트의 비아를 포함하고, 제1 표면 및 제1 표면에 반대편인 제2 표면을 포함하는 제1 가요성 기재,
제1 세트의 비아 중 적어도 일부 내에 배치되는 제1 세트의 열전 요소,
제1 가요성 기재의 제1 표면 상에 배치되는 제1 세트의 커넥터 - 제1 세트의 커넥터 각각은 제1 세트의 비아 중 한 쌍의 인접한 비아에 전기적으로 연결됨 -,
제2 세트의 비아를 포함하는 제2 가요성 기재,
제1 가요성 기재와 제2 기재 사이에 개재되는 복수의 전도성 접합 구성요소 - 각각의 전도성 접합 구성요소는 제1 세트의 비아 중 제1 비아 및 제2 세트의 비아 중 제2 비아에 정렬됨 -,
제2 세트의 비아 중 적어도 일부 내에 배치되는 제2 세트의 열전 요소, 및
제1 가요성 기재로부터 멀리 제2 가요성 기재의 표면 상에 배치되는 제2 세트의 커넥터를 포함하고,
제2 세트의 커넥터 각각은 제2 세트의 비아 중 한 쌍의 인접한 비아에 전기적으로 연결되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B2. 항목 B1에 있어서, p형 열전 요소 및 n형 열전 요소의 상이한 것이 제1 세트의 비아 중 2개의 인접한 비아 내에 배치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B3. 항목 B2에 있어서, p형 열전 요소 및 n형 열전 요소의 상이한 것이 제2 세트의 비아 중 2개의 인접한 비아 내에 배치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B4. 항목 B1 내지 항목 B3 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 가요성 기재는 제2 가요성 기재에 부착되어, 제1 가요성 기재 내의 비아가 동일한 유형의 열전 요소를 갖는 제2 가요성 기재 내의 비아와 대체로 정렬되게 하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B5. 항목 B1 내지 항목 B4 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 세트의 열전 요소는 제1 유형의 열전 요소의 것인, 가요성 열전 모듈.
항목 B6. 항목 B5에 있어서, 제2 세트의 열전 요소는, 제1 유형의 열전 요소와는 상이한 제2 유형의 열전 요소의 것인, 가요성 열전 모듈.
항목 B7. 항목 B6에 있어서, 제1 유형의 열전 요소 및 제1 전도성 재료가 제1 세트의 비아 중 2개의 인접한 비아 내에 배치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B8. 항목 B7에 있어서, 제2 유형의 열전 요소 및 제2 전도성 재료가 제2 세트의 비아 중 2개의 인접한 비아 내에 배치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B9. 항목 B8에 있어서, 제1 가요성 기재는 제2 가요성 기재에 부착되어, 제1 가요성 기재 내의 제1 유형의 열전 요소를 갖는 비아가 제2 가요성 기재 내의 제2 전도성 재료를 갖는 비아와 대체로 정렬되게 하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B10. 항목 B9에 있어서, 제1 전도성 재료를 갖는 비아가 제2 가요성 기재 내의 제2 유형의 열전 요소를 갖는 비아와 대체로 정렬되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B11. 항목 B8에 있어서, 제1 전도성 재료는 제2 전도성 재료와 동일한, 가요성 열전 모듈.
항목 B12. 항목 B1 내지 항목 B11 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 p형 및 n형 열전 요소들 사이에 배치되는 절연체를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B13. 항목 B1 내지 항목 B12 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 하나의 열전 요소와 비아 사이에 배치되는 접합 구성요소를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B14. 항목 B1 내지 항목 B13 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 1 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 B15. 항목 B1 내지 항목 B14 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 0.3 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 B16. 항목 B1 내지 항목 B15 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 및 제2 세트의 커넥터 중 하나에 인접하게 배치되는 마모 보호 층을 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B17. 항목 B1 내지 항목 B16 중 어느 하나의 항목에 있어서, 마모 보호 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B18. 항목 B1 내지 항목 B17 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 및 제2 세트의 커넥터 중 하나에 인접하게 배치되는 접착제 층을 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B19. 항목 B18에 있어서,
접착제 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B20. 항목 B1 내지 항목 B19 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 B21. 항목 B1 내지 항목 B20 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 요소는 칼코게나이드, 유기 중합체, 유기 복합재, 및 다공성 규소 중 적어도 하나를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B22. 항목 B1 내지 항목 B21 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 실리콘, 셀룰로오스, 또는 이들의 조합을 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 B23. 항목 B1 내지 항목 B22 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈이 사용 중일 때 가요성 기재에 대체로 수직으로 열이 전파되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B24. 항목 B23에 있어서, 대부분의 열은 제1 세트의 비아 및 제2 세트의 비아를 통해 전파되는, 가요성 열전 모듈.
항목 B25. 항목 B1 내지 항목 B24 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈이 미리정의된 열원과 함께 사용될 때, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 미만의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는, 가요성 열전 모듈.
항목 C1. 가요성 열전 모듈로서,
제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 갖는 가요성 기재를 제공하는 단계;
가요성 기재의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하는 단계 - 제1 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 가짐 -;
가요성 기재로부터 재료를 제거함으로써 가요성 기재 상에 복수의 비아를 생성하는 단계 - 비아 중 적어도 일부는 커넥터의 제1 어레이의 단부에 대응하여 위치됨 -;
비아 중 적어도 일부를 열전 재료로 충전하는 단계; 및
가요성 기재의 제2 표면에 제2 패턴화된 전도성 층을 적용하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되고,
제2 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 갖고,
커넥터의 제2 어레이의 단부 중 적어도 일부는 비아 중 적어도 일부에 대응하여 위치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 C2. 항목 C1에 있어서, 열전 재료는 결합제 재료를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C3. 항목 C2에 있어서, 방법은,
열전 모듈을 가열하여 결합제 재료를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C4. 항목 C1 내지 항목 C3 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은,
제2 패턴화된 전도성 층 상에 열 전도성 접착제 재료를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C5. 항목 C1 내지 항목 C4 중 어느 하나의 항목에 있어서, 제1 패턴화된 전도체 층을 적용하는 단계는 비아 중 적어도 하나를 열전 재료로 충전하는 단계에 선행하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C6. 항목 C1 내지 항목 C5 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 1 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 C7. 항목 C1 내지 항목 C6 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 0.3 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 C8. 항목 C1 내지 항목 C7 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은,
제1 및 제2 전도성 층 중 하나의 전도성 층에 인접하게 마모 보호 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C9. 항목 C8에 있어서, 방법은,
마모 보호 층에 인접하게 이형 라이너를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C10. 항목 C1 내지 항목 C9 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은,
제1 및 제2 전도성 층들 중 적어도 하나에 인접하게 접착제 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C11. 항목 C10에 있어서, 방법은,
접착제 층에 인접하게 이형 라이너를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C12. 항목 C1 내지 항목 C11 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 C13. 항목 C1 내지 항목 C12 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 재료는 칼코게나이드, 유기 중합체, 유기 복합재, 및 다공성 규소 중 적어도 하나를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C14. 항목 C1 내지 항목 C13 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 실리콘, 셀룰로오스, 또는 이들의 조합을 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 C15. 항목 C1 내지 항목 C14 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈이 미리정의된 열원과 함께 사용될 때, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 미만의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는, 가요성 열전 모듈.
항목 D1. 가요성 열전 모듈로서,
제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 갖는 가요성 기재를 제공하는 단계;
가요성 기재의 제1 표면에 제1 패턴화된 전도성 층을 적용하는 단계 - 제1 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제1 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 가짐 -;
가요성 기재로부터 재료를 제거함으로써 가요성 기재 상에 복수의 비아를 생성하는 단계 - 비아 중 적어도 일부는 커넥터의 제1 어레이의 단부에 대응하여 위치됨 -;
비아 중 적어도 일부를 전기 전도성 재료로 충전하는 단계;
기재의 제2 표면 상에 열전 요소를 배치하여 비아와 정렬하는 단계; 및
열전 요소의 상부에 제2 패턴화된 전도성 층을 인쇄하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되고,
제2 전도성 층의 패턴은 커넥터의 제2 어레이를 형성하고 각각의 커넥터는 2개의 단부를 갖고,
커넥터의 제2 어레이의 단부 중 적어도 일부는 열전 요소 중 적어도 일부에 대응하여 위치되는, 가요성 열전 모듈.
항목 D2. 항목 D1에 있어서, 열전 요소 중 적어도 하나는 결합제 재료를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D3. 항목 D2에 있어서, 방법은,
열전 모듈을 가열하여 결합제 재료를 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D4. 항목 D1 내지 항목 D3 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은 제1 또는 제2 전도성 층 상에 열 전도성 접착제 재료를 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D5. 항목 D1 내지 항목 D4 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은 열전 요소들 사이에 절연체를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D6. 항목 D1 내지 항목 D5 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은 열전 요소 중 하나의 열전 요소와 비아 사이에 접합 구성요소를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D7. 항목 D1 내지 항목 D6 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 1 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 D8. 항목 D1 내지 항목 D7 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈의 두께는 0.3 mm 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 D9. 항목 D1 내지 항목 D8 중 어느 하나의 항목에 있어서, 방법은 제1 및 제2 전도성 층 중 적어도 하나에 인접하게 마모 보호 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D10. 항목 D9에 있어서, 방법은 마모 보호 층에 인접하게 이형 라이너를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D11. 항목 D1에 있어서, 방법은 제1 및 제2 전도성 층 중 적어도 하나에 인접하게 접착제 층을 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D12. 항목 D11에 있어서, 방법은 접착제 층에 인접하게 이형 라이너를 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D13. 항목 D1 내지 항목 D12 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 열전 모듈의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 가요성 열전 모듈.
항목 D14. 항목 D1 내지 항목 D13 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 요소는 칼코게나이드, 유기 중합체, 유기 복합재, 및 다공성 규소 중 적어도 하나를 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D15. 항목 D1 내지 항목 D14 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 실리콘, 셀룰로오스, 또는 이들의 조합을 포함하는, 가요성 열전 모듈.
항목 D16. 항목 D1 내지 항목 D15 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 모듈이 미리정의된 열원과 함께 사용될 때, 열전 모듈은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 미만의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는, 가요성 열전 모듈.
항목 E1. 열전 테이프로서,
복수의 비아를 갖는 가요성 기재;
가요성 기재와 통합되고 병렬로 연결되는 일련의 가요성 열전 모듈 - 각각의 가요성 열전 모듈은,
복수의 p형 열전 요소, 및
복수의 n형 열전 요소를 포함하고, 복수의 p형 열전 요소 중 적어도 일부는 n형 열전 요소에 연결됨 -;
열전 테이프를 따라 종방향으로 이어지는 2개의 전도성 버스 - 일련의 가요성 열전 모듈은 전도성 버스에 전기적으로 연결됨 -; 및
가요성 기재의 표면 상에 배치되는 열 전도성 접착제 층을 포함하는, 열전 테이프.
항목 E2. 항목 E1에 있어서, 열전 테이프를 따라 종방향으로 배치되는 열 절연 재료의 스트라이프를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E3. 항목 E1 또는 항목 E2에 있어서, 열전 테이프를 따라 종방향으로 배치되는 열 절연 재료의 2개의 스트라이프를 추가로 포함하고, 열 절연 재료의 2개의 스트라이프 각각은 열전 테이프의 에지에 배치되는, 열전 테이프.
항목 E4. 항목 E1 내지 항목 E3 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 테이프는 롤의 형태인, 열전 테이프.
항목 E5. 항목 E1 내지 항목 E4 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 절취선을 추가로 포함하고, 각각의 절취선은 일련의 가요성 열전 모듈 중 인접한 2개의 가요성 열전 모듈들 사이에 배치되는, 열전 테이프.
항목 E6. 항목 E1 내지 항목 E5 중 어느 하나의 항목에 있어서, 각각의 열전 모듈은 복수의 p형 및 n형 열전 요소들 사이에 배치되는 절연체를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E7. 항목 E1 내지 항목 E6 중 어느 하나의 항목에 있어서, 각각의 열전 모듈은 복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 하나의 열전 요소와 비아 사이에 배치되는 접합 구성요소를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E8. 항목 E1 내지 항목 D7 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 테이프의 두께는 1 mm 이하인, 열전 테이프.
항목 E9. 항목 E1 내지 항목 E8 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 테이프의 두께는 0.3 mm 이하인, 열전 테이프.
항목 E10. 항목 E1 내지 항목 E9 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재의 제1 면 상에 배치되는 제1 전도성 층을 추가로 포함하고, 제1 전도성 층은 제1 세트의 커넥터를 형성하는 패턴을 갖는, 열전 테이프.
항목 E11. 항목 E10에 있어서, 제1 면에 반대편인, 가요성 기재의 제2 면 상에 배치되는 제2 전도성 층을 추가로 포함하고, 제2 전도성 층은 제2 세트의 커넥터를 형성하는 패턴을 갖는, 열전 테이프.
항목 E12. 항목 E11에 있어서, 제1 세트의 커넥터 및 제2 세트의 커넥터 각각은 한 쌍의 열전 요소를 전기적으로 연결하는, 열전 테이프.
항목 E13. 항목 E12에 있어서, 제1 세트의 커넥터 중 제1 커넥터는 제1 쌍의 열전 요소를 전기적으로 연결하고, 제2 세트의 커넥터 중 제2 커넥터는 제2 쌍의 열전 요소를 전기적으로 연결하고, 제1 쌍의 열전 요소 및 제2 쌍의 열전 요소는 오직 하나의 열전 요소를 공통으로 갖는, 열전 테이프.
항목 E14. 항목 E11에 있어서, 제1 및 제2 전도성 층 중 적어도 하나에 인접하게 배치되는 마모 보호 층을 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E15. 항목 E14에 있어서, 마모 보호 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E16. 항목 E11에 있어서, 제1 및 제2 전도성 층 중 적어도 하나에 인접하게 배치되는 접착제 층을 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E17. 항목 E16에 있어서, 접착제 층에 인접하게 배치되는 이형 라이너를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
항목 E18. 항목 E1 내지 항목 E17 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 테이프의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 열전 테이프.
항목 E19. 항목 E1 내지 항목 E18 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 요소는 칼코게나이드, 유기 중합체, 유기 복합재, 및 다공성 규소 중 적어도 하나를 포함하는, 열전 테이프.
항목 E20. 항목 E1 내지 항목 E19 중 어느 하나의 항목에 있어서, 가요성 기재는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리아라미드, 실리콘, 셀룰로오스, 또는 이들의 조합을 포함하는, 열전 테이프.
항목 E21. 항목 E1 내지 항목 E20 중 어느 하나의 항목에 있어서, 열전 테이프의 일부분이 미리정의된 열원과 함께 사용될 때, 열전 테이프의 일부분은 미리정의된 열원의 열 저항으로부터 10% 미만의 절대차를 갖는 열 저항을 갖는, 열전 테이프.
항목 E22. 항목 E1 내지 항목 E21 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 비아 중 적어도 일부는 전기 전도성 재료로 충전되는, 열전 테이프.
항목 E23. 항목 E1 내지 항목 E22 중 어느 하나의 항목에 있어서, 전기 전도성 재료는 50% 이상의 구리를 포함하는, 열전 테이프.
항목 E24. 항목 E1 내지 항목 E23 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 비아 중 적어도 일부는 p형 열전 요소로 충전되는, 열전 테이프.
항목 E25. 항목 E1 내지 항목 E24 중 어느 하나의 항목에 있어서, 복수의 비아 중 적어도 일부는 n형 열전 요소로 충전되는, 열전 테이프.
그러한 실시 형태들이 본 발명의 다양한 태양의 설명을 용이하게 하기 위해 상세히 기술되어 있기 때문에, 본 발명이 전술된 특정의 실시예 및 실시 형태로 제한되는 것으로 간주되어서는 안된다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물들에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 기술적 사상 및 범주 내에 속하는 다양한 변형들, 등가의 공정들, 및 대안적인 장치들을 포함한 본 발명의 모든 태양을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (16)

  1. 열전 테이프로서,
    복수의 비아를 갖는 가요성 기재 - 복수의 비아는 제1 세트의 커넥터에 의해 연결됨 -;
    가요성 기재와 통합되고 병렬로 연결되는 일련의 가요성 열전 모듈 - 각각의 가요성 열전 모듈은,
    복수의 p형 열전 요소, 및
    복수의 n형 열전 요소를 포함하고, 복수의 p형 열전 요소 중 적어도 일부는 제2 세트의 커넥터에 의해 n형 열전 요소에 연결되고, 복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 적어도 일부는 복수의 비아에 전기적으로 연결됨 -;
    열전 테이프를 따라 종방향으로 이어지는 2개의 전도성 버스 - 일련의 가요성 열전 모듈은 전도성 버스에 전기적으로 연결됨 -;
    가요성 기재의 표면 상에 배치되는 열 전도성 접착제 층; 및
    열전 테이프를 따라 종방향으로 배치되는 열 절연 재료의 스트라이프를 포함하는, 열전 테이프.
  2. 제1항에 있어서,
    열전 테이프를 따라 종방향으로 배치되는 열 절연 재료의 2개의 스트라이프를 추가로 포함하고, 열 절연 재료의 2개의 스트라이프 각각은 열전 테이프의 에지에 배치되는, 열전 테이프.
  3. 제1항에 있어서, 열전 테이프는 롤의 형태인, 열전 테이프.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 열전 모듈은,
    복수의 p형 및 n형 열전 요소 중 하나의 열전 요소와 비아 사이에 배치되는 접합 구성요소를 추가로 포함하는, 열전 테이프.
  5. 제1항에 있어서,
    가요성 기재의 제1 면 상에 배치되는 제1 전도성 층을 추가로 포함하고, 제1 전도성 층은 제1 세트의 커넥터를 형성하는 패턴을 갖는, 열전 테이프.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 면에 반대편인, 가요성 기재의 제2 면 상에 배치되는 제2 전도성 층을 추가로 포함하고, 제2 전도성 층은 제2 세트의 커넥터를 형성하는 패턴을 갖는, 열전 테이프.
  7. 제1항에 있어서, 열전 테이프의 단위 면적 열 저항은 1.0 K-㎠/W 이하인, 열전 테이프.
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