KR102415245B1 - 열전소자 - Google Patents

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오수경
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치되고 P형 및 N형 반도체를 포함하는 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 그리고 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 기판은 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극이 수직으로 중첩된 제1 영역을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극 중 적어도 하나는 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 기판의 제1 외곽을 향하도록 연장된 연장부를 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는, 상기 연장부의 말단과 상기 제1 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배이다.

Description

열전소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 기판 및 전극 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, 상부 기판과 하부 기판 사이에 복수의 열전 레그가 배치되고, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
열전소자의 열전달 성능을 향상시키기 위하여, 금속기판을 사용하고자 하는 시도가 늘고 있다.
일반적으로, 열전소자는 미리 마련된 금속기판 상에 전극 및 열전 레그를 순차적으로 적층하는 공정에 따라 제작될 수 있다. 금속기판이 사용되는 경우, 열전도 측면에서는 유리한 효과를 얻을 수 있으나, 고전압 환경 하에서의 응용 분야에 있어서는 내전압 특성을 추가적으로 확보하여야 하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전도 성능, 내전압 성능 및 절연 저항이 모두 개선된 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 포함하는 제1 금속기판; 상기 제1 금속기판 상에 배치되고, 상기 제1 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제3 관통홀 및 상기 제2 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제4 관통홀을 포함하는 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부; 상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물; 상기 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부; 상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 절연층; 그리고 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 상기 제1 금속기판의 형상을 정의하는 제1 외곽, 제2 외곽, 제3 외곽 및 제4 외곽을 포함하고, 상기 제1 외곽 및 상기 제4 외곽은 서로 대향하고, 상기 제2 외곽 및 상기 제3 외곽은 상기 제1 외곽 및 상기 제4 외곽 사이에서 서로 대향하고, 상기 제1 전극부는 상기 제2 전극부와 수직으로 중첩된 제1 영역을 포함하고, 상기 제1 전극부는 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 외곽을 향하도록 연장된 제1 연장부를 더 포함하고, 상기 제3 관통홀 및 상기 제4 관통홀은 상기 제1 영역 내측에 형성되고, 상기 제1 절연층은 상기 제3 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제1 홀 배치 영역 및 상기 제4 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제2 홀 배치 영역을 포함하고, 상기 제1 연장부 및 상기 제2 홀 배치 영역 각각은 상기 제1 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치되고, 상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는, 상기 제1 연장부와 상기 제2 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배이고, 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제3 관통홀의 가장자리 간 최단거리 및 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제4 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제4 관통홀의 가장자리 간 최단거리는 각각 상기 제1 절연층 두께의 50배 내지 180배이다.
상기 제2 외곽으로부터 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀 및 상기 제4 관통홀 중 적어도 하나와 가장 인접한 제1 전극까지의 최단 거리는 상기 제2 외곽으로부터 상기 제1 연장부까지의 최단거리의 90% 내지 110% 이내일 수 있다.
상기 제1 연장부와 상기 제2 외곽 간 최단 거리는 12mm 이상일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀 및 제 4 관통홀 중 적어도 하나의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제3 관통홀 및 상기 제4 관통홀 중 적어도 하나 간 최단거리는 8mm 이상일 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는, 상기 제1 연장부와 상기 제1 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배일 수 있다.
상기 제2 금속기판은 상기 제1 관통홀 및 상기 제3 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제5 관통홀을 포함하고, 상기 제5 관통홀, 제3 관통홀 및 제1 관통홀을 관통하는 체결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 홀 배치영역 및 상기 제2 홀 배치영역 중 적어도 하나의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 4배 내지 8배일 수 있다.
상기 제2 금속기판 상에 배치되고, 상기 제5 관통홀과 대응하는 위치에 형성된 제6 관통홀을 포함하는 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 체결부재는 상기 제6 관통홀을 관통할 수 있다.
상기 제5 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경보다 클 수 있다.
상기 제5 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경의 1.1배 내지 2.0배일 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 제1 전극부 사이에 배치되고 상기 제1 관통홀과 대응하는 위치에 형성된 제7 관통홀을 포함하는 제3 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층, 상기 제2 절연층 및 상기 제3 절연층 중 적어도 하나는 수지 및 무기물을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속기판은 상기 제1 영역 내측에 형성된 제8 관통홀 및 제9 관통홀을 더 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 제8 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제10 관통홀 및 상기 제9 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제11 관통홀을 더 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 제10 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제3 홀 배치 영역 및 상기 제11 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제4 홀 배치 영역을 포함하고, 상기 제3 홀 배치영역은 상기 제1 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 전극부는 상기 제1 연장부와 나란히 배치되도록 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 외곽을 향하도록 연장된 제2 연장부를 더 포함하고, 상기 제2 연장부 및 상기 제4 홀 배치 영역 각각은 상기 제3 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는, 상기 제2 연장부와 상기 제3 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 중 상기 제8 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제8 관통홀의 가장자리 간 최단거리 및 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제9 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제9 관통홀의 가장자리 간 최단거리는 각각 상기 제1 절연층 두께의 50배 내지 180배일 수 있다.
상기 제3 외곽으로부터 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제8 관통홀 및 상기 제9 관통홀 중 적어도 하나와 가장 인접한 제1 전극까지의 최단 거리는 상기 제3 외곽으로부터 상기 제2 연장부까지의 최단거리의 90% 내지 110% 이내일 수 있다.
10초 동안 AC 1kV 내지 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 절연 파괴없이 유지되는 내전압 특성을 가질 수 있다.
상기 제1 절연층의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 크고, 상기 제1 금속기판의 면적보다 작을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전모듈은 상기 열전모듈; 상기 열전모듈의 상기 제1 금속기판과 인접하여 유동하는 제1 유체; 상기 열전모듈의 상기 제2 금속기판과 인접하여 유동하는 제2 유체; 및 상기 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성되고, 제12 관통홀을 포함하는 제1 유체유동부를 포함하고, 상기 제2 유체의 온도는 상기 제1 유체의 온도보다 높고, 상기 제1 관통홀, 상기 제3 관통홀 및 상기 제12 관통홀을 관통하는 체결부재를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 성능뿐만 아니라, 내전압 성능 및 절연저항까지 개선된 열전소자를 얻을 수 있다. 이에 따라, 고전압 환경 하에서의 애플리케이션에서 추가적으로 요구되는 내전압 특성을 만족시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판 및 전극의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 사시도이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판 및 전극의 일부의 단면도이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 복수 개 연결한 배치도이다.
도 12는 기판 외곽과 전선 연결부 간의 거리에 따른 절연저항을 측정한 결과이다.
도 13은 홀의 가장자리와 전극 간 거리에 따른 내전압을 측정한 결과이다.
도 14는 절연층의 두께에 대한 홀의 가장자리와 전극 간 거리에 따른 열저항을 측정한 결과이다.
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 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 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 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다. 도 3은 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이고, 도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 다결정 열전 레그를 위하여, 열전 레그용 분말을 소결할 때, 100MPa 내지 200MPa로 압축할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 100 내지 150MPa, 바람직하게는 110 내지 140MPa, 더욱 바람직하게는 120 내지 130MPa로 소결할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 150 내지 200MPa, 바람직하게는 160 내지 195MPa, 더욱 바람직하게는 170 내지 190MPa로 소결할 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)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(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)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. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021095187580-pat00001
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, cp 는 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 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있으며, 후술할 제1 절연층(220) 및 제2 절연층(270)과 대응될 수 있다. 또한, 각 절연층은 복수의 층으로 형성될 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 하부기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부기판(110)의 면적은 상부기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부기판(110)의 면적이 상부기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재(190)가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재(190)는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재(194) 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스(192)가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재(194, 196)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재(194, 194)는 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이를 실링하는 실링재(194)는 하부 기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 실링하는 실링재(196)는 상부기판(160)의 측면에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적보다 클 수 있다. 한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 리드선(180, 182)를 인출하기 위한 가이드 홈(G)이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스(192)는 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.
한편, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 1(a) 또는 도 1(b)에서 도시하는 구조를 가질 수 있다. 도 1(a)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 및 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2)을 포함할 수 있다. 또는, 도 1(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 각각 배치되는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)을 포함할 수 있다. 또는, 열전 레그(130, 140)는 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 각각과 하부 기판(110) 및 상부 기판(160) 각각 사이에 적층되는 금속층을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 전술한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다. 열전 소재층(132, 142)이 다결정인 경우, 열전소재층(132, 142), 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제1 도금층(134-1, 144-1)의 접합력 및 열전소재층(132, 142), 제2 버퍼층(136-2, 146-2) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 간의 접합력이 높아질 수 있다. 이에 따라, 진동이 발생하는 애플리케이션, 예를 들어 차량 등에 열전소자(100)가 적용되더라도 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)로부터 이탈되어 탄화되는 문제를 방지할 수 있으며, 열전소자(100)의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
그리고, 금속층은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 금속층 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속층의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(136-1, 146)-1 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 Te를 포함하는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치되면, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역으로 인하여 열전소재층 내 전기 저항이 증가하는 문제를 방지할 수 있다.
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이고, 도 6(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 분해사시도이고, 도 6(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자 상에 히트싱크가 배치된 열전모듈의 사시도이다. 도 7 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 일부의 단면도이고, 도 9 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 복수 개 연결한 배치도이다. 도 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈(1000)은 열전소자(200) 및 열전소자(200) 상에 배치된 히트싱크(300)를 포함한다.
열전소자(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 절연층(220), 제1 절연층(220) 상에 배치된 복수의 제1 전극(230), 복수의 제1 전극(230) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 상에 배치된 복수의 제2 전극(260), 복수의 제2 전극(260) 상에 배치된 제2 절연층(270) 및 제2 절연층(270) 상에 배치된 제2 기판(280)을 포함한다. 도시되지 않았으나, 제1 기판(210)과 제2 기판(280) 사이에는 제1 절연층(220), 복수의 제1 전극(230), 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250), 복수의 제2 전극(260) 및 제2 절연층(270)을 둘러싸도록 실링부재가 더 배치될 수 있다.
여기서, 제1 전극(230), P형 열전 레그(240), N형 열전 레그(250), 제2 전극(260)은 각각 도 1 내지 2에서 설명한 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)에 대응할 수 있으며, 도 1 내지 2에서 설명한 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
여기서, 제1 기판(210) 및 제2 기판(280) 중 적어도 하나는 금속 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(210) 및 제2 기판(280) 중 적어도 하나는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 제1 기판(210) 및 제2 기판(280)은 이종 소재로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(210) 및 제2 기판(220) 중 내전압 성능이 더 요구되는 기판은 알루미늄 기판으로 이루어지고, 열전도 성능이 더 요구되는 기판은 구리 기판으로 이루어질 수도 있다.
도시되지 않았으나, 복수의 제1 전극(230)과 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 사이에는 솔더층이 배치되어 복수의 제1 전극(230)과 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)를 접합할 수 있다. 그리고, 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)과 복수의 제2 전극(260) 사이에는 솔더층이 배치되어 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)과 복수의 제2 전극(260)을 접합할 수 있다. 그리고, 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 사이에는 솔더층이 배치되어 제2 기판(280)과 히트싱크(300)를 접합할 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.
한편, 일반적으로 열전소자(200)의 저온부 측에 배치된 전극에 전원이 연결되므로, 고온부 측에 비하여 저온부 측에 더욱 높은 내전압 성능이 요구될 수 있다. 이에 반해, 열전소자(200)의 구동 시 열전소자(200)의 고온부 측은 고온, 예를 들어 약 180℃이상에 노출될 수 있으며, 전극, 절연층 및 기판의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극, 절연층 및 기판 간의 박리가 문제될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(200)의 고온부 측은 저온부 측에 비하여 더욱 높은 열충격 완화 성능이 요구될 수 있다. 이에 따라, 고온부 측의 구조와 저온부 측의 구조를 다르게 할 수도 있다.
이하, 제1 기판(210) 상에 배치된 제1 전극(230)에 터미널 전극(400)이 연결되는 것을 중심으로 설명한다.
전술한 바와 같이, 제1 기판(210) 상에 제1 절연층(220)이 배치되고, 제1 절연층(220) 상에 복수의 제1 전극(230)이 배치된다.
이때, 복수의 제1 전극(230)은 복수의 전극 외곽을 형성하도록 배치될 수 있으며, 제1 기판(210)은 복수의 전극 외곽에 대응하는 복수의 기판 외곽을 가질 수 있다. 여기서, 전극 외곽은 복수의 제1 전극(230)의 가장자리를 의미할 수 있고, 기판 외곽은 제1 기판(210)의 가장자리를 의미할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(230)이 사각 형상으로 배치되는 경우, 복수의 제1 전극(230)은 제1 내지 제4 전극 외곽(E1~E4)을 가질 수 있고, 제1 기판(210)은 제1 내지 제4 전극 외곽(E1~E4)에 각각 대응하는 제1 내지 제4 기판 외곽(S1~S4)을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터미널 전극은 전선을 연결하기 위한 전극으로, 제1 절연층(220) 상에서 복수의 제1 전극(230)과 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 이에 따라, 터미널 전극은 복수의 제1 전극(230)에 포함되는 구성, 즉 복수의 제1 전극(230) 중 하나인 것으로 표현될 수도 있다. 또는, 터미널 전극은 복수의 제1 전극(230) 사이에서 복수의 제1 전극(230) 중 적어도 하나와 직접 또는 간접 연결되도록 배치되는 것으로 표현될 수도 있다.
터미널 전극은 제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401)으로 구분될 수 있으며, 각 터미널 전극(400, 401)은 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420)과 전기적으로 연결되도록 유효영역으로부터 제1 내지 제4 기판 외곽(S1~S4) 중 어느 하나를 향하여 각각 연장된 연장부를 포함할 수 있다. 여기서, 연장부는 터미널 전극(400, 401)에 포함되고, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420)이 배치되는 영역을 의미할 수 있다. 또는, 연장부는 터미널 전극(400, 401) 자체를 의미할 수도 있으며, 이에 따라 연장부와 터미널 전극(400, 401)이 혼용될 수도 있다. 이때, 인접 소자 간 직렬, 병렬 또는 직-병렬 등의 연결 형태에 따라 제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401)의 연장부는 각각 단수 또는 복수로 분기되어 연장될 수 있다. 본 명세서에서 유효영역은 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극이 수직으로 중첩된 영역, 즉 펠티에 효과 또는 제벡 효과를 실질적으로 구현하도록 복수의 P형 열전레그(140) 및 N형 열전레그(150)가 배치된 영역으로 정의될 수 있다. 제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401)의 연장부 상에는 각각 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420)이 배치될 수 있으며, 각 연결 유닛(410, 420)은 터미널 전극(400, 401)과 외부의 단자를 전기적으로 연결시키는 커넥터 장치일 수 있다. 예를 들어, 제1 터미널 전극(400)의 연장부 상에는 적어도 하나의 (-) 단자가 제1 연결 유닛(410)과 연결되고, 제2 터미널 전극(401)의 연장부에는 적어도 하나의 (+) 단자가 제2 연결 유닛(420)과 연결될 수 있으나, 각 터미널 전극(400, 401)의 연장부 및 각 연결 유닛(410, 420)의 개수, 배치 형태 및 외부 단자의 극성은 이에 한정되지 않는다.
제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401) 각각은 복수의 제1 전극(230) 또는 제2 전극(260) 중 하나와 직접 또는 간접으로 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401) 각각이 복수의 제1 전극(230) 또는 제2 전극(260) 중 하나와 간접적으로 연결되는 경우, 각각의 제1 터미널 전극(400) 및 제2 터미널 전극(401) 상에는 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 중 적어도 하나가 배치될 수 있다. 이에 따라, 터미널 전극(400)의 위치는 열전소자(200)의 절연저항에 영향을 미칠 수 있다. 절연저항은 소정의 전압을 가했을 때 절연체가 나타내는 전기저항을 의미하며, 열전소자(200)가 고전압 환경에 노출되는 경우 또는 복수의 열전소자(200)가 연결되어 구동되는 경우 등에는 소정의 절연저항을 만족하여야 한다. 예를 들어, 열전소자(200)는 500V의 dc 전압을 가해주었을 때 500MΩ이상의 절연저항을 가지는 요건이 만족되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터미널 전극(400)의 위치를 이용하여 절연저항을 개선하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터미널 전극(400)이 제1 전극 외곽(E1)에 배치된 복수의 제1 전극(230) 중 일부에 연결되거나, 제1 전극 외곽(E1)에 배치된 복수의 제1 전극(230) 사이에 배치되는 경우, 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)는 제2 내지 제4 전극 외곽(E2~E4) 및 제2 내지 제4 기판 외곽(S2~S4) 간의 거리(d2~d4)보다 길 수 있다. 이때, 터미널 전극(400)은 제1 기판(210)과 제2 기판(280) 사이에서 제1 절연층(220), 복수의 제1 전극(230), 복수의 P형 열전소자(240) 및 복수의 N형 열전소자(250), 복수의 제2 전극(260) 및 제2 절연층(270)을 둘러싸도록 배치된 실링부재(미도시)의 외부에 인출될 수 있다.
여기서, 터미널 전극(400)과 제1 기판 외곽(S1) 간의 최단거리(A1)는 12mm 이상, 바람직하게는 14mm 이상, 더욱 바람직하게는 16mm이상일 수 있다.
그리고, 제1 기판 외곽(S1)에 연결되는 제2 기판 외곽(S2)와 터미널 전극(400) 간의 최단거리(B1) 및 제1 기판 외곽(S1)에 연결되는 제3 기판 외곽(S3)과 터미널 전극(401) 간의 최단거리(B2)는 각각 12mm 이상, 바람직하게는 14mm 이상, 더욱 바람직하게는 16mm 이상일 수 있다.
또는, 제1 기판 외곽(S1)과 제2 기판 외곽(S2)이 만나는 지점, 즉 제1 기판 외곽(S1)과 제2 기판 외곽(S2) 사이의 꼭지점으로부터 터미널 전극(400)까지의 최단거리(F1) 및 제1 기판 외곽(S1)과 제3 기판 외곽(S3)이 만나는 지점, 즉 제1 기판 외곽(S1)과 제3 기판 외곽(S3) 사이의 꼭지점으로부터 터미널 전극(401)까지의 최단거리(F2)는 각각 12mm 이상, 바람직하게는 14mm 이상, 더욱 바람직하게는 16mm 이상일 수 있다.
이와 같이, 기판 외곽과 터미널 전극(400) 간의 거리를 조절하면, 500V의 dc 전압 하에서 절연저항이 500MΩ 이상인 열전소자를 얻을 수 있다.
더 자세하게는, 기판 외곽과 터미널 전극(400, 401) 간의 거리(A1, B1, F1, A2, B2, F2)에 대한 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)의 비는 1.2 내지 2.5일 수 있다. 즉, 유효 영역과 제1 기판 외곽(S1) 간 최단거리(d1)는 터미널 전극(400, 401)의 말단과 제1 기판 외곽(S1) 간 최단거리(A1, A2)의 1.2 내지 2.5배일 수 있다. 여기서, 유효 영역은 복수의 제1 전극(230)과 복수의 제2 전극(260)이 수직으로 중첩된 영역을 의미할 수 있다. 예를 들어, 터미널 전극(400, 401)과 제1 기판 외곽(S1) 간의 최단거리(A1)가 12mm인 경우, 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)는 14.5 내지 30mm일 수 있다. 만약, 기판 외곽과 터미널 전극(400, 401) 간의 거리(A1, B1, F1, A2, B2, F2)에 대한 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)의 비가 1.2 미만이면, 터미널 전극(400, 401)에 배치된 제1 연결 유닛(410) 또는 제2 연결 유닛(420)과 제1 전극 외곽(E1)을 따라 배치된 복수의 제1 전극(230) 간 쇼트로 인하여 스파크가 발생할 수 있다. 반면에, 기판 외곽과 터미널 전극(400, 401) 간의 거리(A1, B1, F1, A2, B2, F2)에 대한 제1 전극 외곽(E1) 및 제1 기판 외곽(S1) 간의 거리(d1)의 비가 2.5를 초과하면, 유효 영역, 즉 열전 레그를 배치할 수 있는 영역의 면적이 실질적으로 좁아지게 되므로, 열전모듈이 제벡 효과를 이용하는 발전모듈일 경우, 발전량이 줄어들 수 있다.
이때, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 전선이 착탈방식으로 끼워지는 커넥터일 수 있다. 전술한 바와 같이, 터미널 전극(400)의 일부, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 실링부재의 외부에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 와이어 연결이 간편하며, 전극과 와이어 간 단선 가능성을 최소화할 수 있다.
또한, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 실리콘을 포함하는 수지로 실링될 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연저항 및 내전압 성능을 더욱 높일 수 있다.
한편, 도 5 및 7을 참조하면, 적어도 하나의 제1 관통홀(700)이 제1 기판(210) 및 제1 절연층(220)을 관통하도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 관통홀(700)은 도 9 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 체결부재(900)가 관통하기 위한 체결홀일 수 있다. 체결부재(900)는 히트싱크(300)로부터 제1 기판(210)까지 연결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 열전소자가 제백 효과를 이용하는 발전장치인 경우, 체결부재(900)는 히트싱크(300)로부터 제1 기판(210) 하부에 배치된 제1 유체 유동부(미도시)까지 연결될 수 있다. 다른 실시예로서, 제1 기판(210)과 제1 유체유동부(미도시)는 제1 기판(210) 상 유효영역의 외측에서 다른 체결부재를 통하여 연결될 수 있다. 제1 유체유동부는 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성될 수 있으며, 경우에 따라 제1 유체유동부를 생략하고, 제1 유체가 직접적으로 제1 기판(210)으로 유동할수록 할 수 있다. 자세하게는, 제1 기판(210)과 인접하여 제1 유체가 유동하도록 하고, 제2 기판(270) 및 히트싱크(300)와 인접하여 제2 유체가 유동할 수 있다. 이때, 히트싱크(300)는 제2 유체가 유동하도록 유로가 형성된 제2 유체유동부일 수 있다. 이때, 제2 유체의 온도는 제1 유체의 온도보다 더 높을 수 있다. 다른 실시예로서, 제1 유체의 온도는 제2 유체의 온도보다 더 높을 수 있으며, 본 경우, 히트싱크(300)는 생략되거나, 제1 기판(210)에 연결될 수 있다. 제2 유체와 제1 유체의 온도 차의 절대값은 40℃이상, 바람직하게는 70℃이상, 더 바람직하게는 95℃내지 185℃일 수 있다.
여기서, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)는 8mm 이상, 바람직하게는 8mm 내지 12mm, 더욱 바람직하게는 8mm 내지 10mm, 더욱 바람직하게는 8mm 내지 9mm일 수 있다. 이때, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)는 제1 절연층(220)의 두께(b)의 50배 이상, 바람직하게는 50배 내지 180배일 수 있다. 이에 따르면, 고전압 하에서 전극에서 스파크가 발생하더라도, 기판에 영향을 미치지 않을 정도의 충분한 절연거리를 확보할 수 있으므로, 높은 내전압 성능을 가지는 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 제1 절연층(220)의 두께(b)의 50배 미만인 경우, 제1 절연층(220)의 열저항 증가로 인하여 열전달 특성이 저하되며, 이에 따라 발전량이 감소할 수 있다. 이에 반해, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 제1 절연층(220)의 두께(b)의 180배를 초과하는 경우, 제1 절연층(220)의 열저항이 감소하여 열전달 특성이 향상되나, 열전레그를 배치할 수 있는 면적이 줄어들 수 있으며, 제1 절연층(220)이 고온에서 박리될 가능성이 높아지게 된다.
한편, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)와 제1 절연층(220)의 두께(b) 간의 비는 제1 절연층(220)의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 제1 절연층(220)은 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(220)은 수지 및 무기물을 포함하는 수지층이거나 무기물 단독의 층 중 적어도 하나로 이루어진 층일 수 있다. 무기물은 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 붕소, 아연 등을 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이 중에서 알루미늄의 산화물인 산화알루미늄의 경우, 산화알루미늄의 함량에 따라 내전압 특성이 좌우될 수 있다. 예를 들어, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 동일한 조건 하에, 제1 절연층(220)에 산화알루미늄의 함량이 상대적으로 많은 수지층인 경우, 제1 절연층(220)에 산화알루미늄의 함량이 상대적으로 적은 수지층인 경우에 비하여 더욱 얇은 두께로 동일한 성능의 내전압을 얻을 수 있으며, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 동일한 조건 하에, 제1 절연층(220)이 산화알루미늄을 포함하는 무기물 단독의 층인 경우, 제1 절연층(220)이 수지층인 경우에 비하여 더욱 얇은 두께로 동일한 성능의 내전압을 얻을 수 있다.
이때, 제1 기판(210)에는 복수의 제1 관통홀(700)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 홀 배치 영역(702)도 복수 개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(210)은 4개의 제1 관통홀(700) 및 4개의 홀 배치 영역(702)을 포함할 수 있다. 여기서, 홀 배치 영역(702)은 제1 관통홀(700)과 가장 인접하되 서로 이웃하는 전극들의 면을 잇는 가상의 선이 이루는 공간으로 정의될 수 있다. 홀 배치 영역(702)은 다각형의 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 사각형의 형태로 형성될 수 있다. 홀 배치 영역(702) 내에는 복수의 제1 전극(230)은 배치되지 않을 수 있다.
이때, 복수의 제1 전극(230) 중에서 홀 배치 영역(702)과 인접한 2개(230-1, 230-2)는 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있으며, 홀 배치 영역(702)과 인접한 다른 2개(230-3, 230-4)도 길이 방향이 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(230) 중 2의 배수 개는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 더 자세하게는 복수의 제1 전극(230) 중 적어도 16개(230-1, ..., 230-4)는 제2 방향(X)을 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 나머지 제1 전극(230)들은 길이 방향이 제1 방향(Y)으로 향하도록 배치될 수 있다.
또한, 홀 배치 영역(702) 중 어느 하나와 인접하여 제2 방향(X)을 향하도록 배치되는 4개의 제1 전극(230-1, ..., 230-4) 중 적어도 하나에 인접한 2n개(n은 1 이상의 정수)의 제1 전극(230-2n)도 길이 방향이 제2 방향(X)으로 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 2n개의 제1 전극(230-2n)이 배치되는 위치는 복수의 제2 전극(260)의 배치 구조에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 여기서, 홀 배치 영역(702)과 2n개의 제1 전극(230-2n) 사이에는 복수의 전극이 배치될 수 있다. 단, 2n개의 제1 전극(230-2n)들은 홀 배치 영역(702)을 정의하는 각 가상의 선으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되어 제2 방향(X)으로 배치될 수 있다.
이때, 터미널 전극의 연장부도 홀 배치 영역(702)을 정의하는 각 가상의 선으로부터 연장된 연장선이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치될 수 있다.
도 5에서는 2n개의 제1 전극(230-2n)이 제2 방향(X)으로 배치된 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 2n개의 제2 전극이 제1 방향(Y)으로 배치될 수도 있다.
가장자리 영역에서 서로 대향하도록 제2 방향(X)으로 배치된 2개의 행은 제1 기판(210)에 배치된 제1 전극(230)에 포함되거나, 또는 제2 기판(280)에 배치된 제2 전극(260)에 포함될 수 있다.
한편, 홀 배치 영역(702)의 면적은 하나의 제1 전극(230) 면적의 4배 이상, 바람직하게는 6배 이상, 더 바람직하게는 8배 이상일 수 있다. 홀 배치 영역(702)의 면적이 하나의 제1 전극(230) 면적의 4배 미만일 경우, AC 1kV 이상의 고전압 하에서 전류가 제1 관통홀(700)을 통해 제1 기판(210)으로 이동하여 열전모듈의 전기적 파괴가 야기될 수 있다. 따라서, 고전압 하에서의 응용분야에 있어서는 열전모듈의 전기적 파괴를 방지하기 위해 충분한 절연거리의 확보가 중요하다. 홀 배치 영역(702)의 면적이 하나의 제1 전극(230) 면적의 8배 이상일 경우, AC 2.5kV 이상의 고전압 하에서도 전기적 파괴가 발생되지 않는다.
또한, 복수의 제1 전극(230) 중 제1 기판(210)의 제1 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접하게 배치되는 전극들은 모두 주기적으로 배치될 수 있으며, 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 절곡 영역이 없는 직선이 되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 가장 인접한 모든 제1 전극(230)에서 각 제1 전극(230)의 4개의 전극면들 중 제1기판(210)의 제1 가장자리와 가장 인접한 전극면들은 일방향을 따라, 제거된 영역 없이 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 동일한 간격을 이루며 배치됨을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 직선인 경우, 복수의 제1 전극(230) 중 제1 열(도면 미표시)의 모든 전극은 주기적으로 배치되어 있음을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(210)에 복수의 제1 전극(230)을 배치할 때 공정의 복잡도를 줄일 수 있으며, 제2 기판(280)에 배치되는 제2 전극(260)들 및 제1 전극(230)들과 제2 전극(260)들 사이에 배치되는 열전레그의 배치 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 제1 기판(210)의 가장자리 및 제1 기판(210)의 가장자리와 가장 인접하게 배치된 제1 전극(230)들 간 최단거리가 일정하게 유지되므로, 제1 기판(210)의 가장자리와 가장 인접하게 배치된 제1 전극(230)들은 균일한 전기적 특성을 가질 수 있다.
만약, 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 가장 인접하게 배치된 전극면들을 잇는 가상의 선의 시작점과 끝점 사이의 경로가 절곡 영역을 포함하는 경우, 복수의 제1 전극(230) 중 제1 열의 전극 중 일부가 제거되거나 함몰된 영역이 포함되어 배치의 주기성이 상실됨을 의미할 수 있다. 절곡 영역에서 제1 기판(210)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 기판(210)의 제1 가장자리와 더 멀리 배치되는 열이며, 최외곽 열이 아닐 수 있다. 절곡 영역을 포함하도록 제1 전극(230)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(230) 중 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 마주하는 제2 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제N 열), 복수의 제1 전극(230) 중 제1 기판(210)의 제1 가장자리와 제2 가장자리 사이의 제3 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제1 행) 및 복수의 제1 전극(230) 중 제1 기판(210)의 제3 가장자리와 마주하는 제4 가장자리(도면 미표시)와 가장 인접한 전극들(제M 행)은 모두 제1 기판(210)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 복수의 제1 전극(230)에 연결되거나, 제1 열, 제N 열, 제1 행 및 제M 행 중 어느 하나에 배치된 복수의 제1 전극(230) 사이에 배치되거나, 제1 열, 제N 열, 제1 행 및 제M 행 중 어느 하나에 배치된 제1 전극(230)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 기판(210)의 대응하는 각 가장자리와 일정한 간격을 가지도록 배치될 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 제1 기판(210)에 형성된 제1 관통홀(700)의 벽면의 적어도 일부에 제1 절연층(220)이 더 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 열전소자의 내전압 성능은 더욱 개선될 수 있다.
한편, 도 6(a)와 6(b) 및 9 내지 도 10을 참조하면, 적어도 하나의 제2 관통홀(800)이 히트싱크(300), 제2 기판(280) 및 제2 절연층(270)을 관통하도록 형성되고, 적어도 하나의 체결부재(900)가 히트싱크(200), 제2 기판(280) 및 제2 절연층(270)에 형성된 적어도 하나의 제2 관통홀(800)과 제1 기판(210) 및 제1 절연층(220)에 형성된 적어도 하나의 제1 관통홀(700)을 통과할 수 있다.
이때, 도 10(a) 내지 10(c)에 도시된 바와 같이, 제2 관통홀(800)과 인접한 제2 기판(280)의 상면 또는 체결부재(900)의 외주면의 적어도 일부에는 적어도 하나의 절연삽입부재(910)가 더 배치되어, 절연거리가 더 확보될 수 있으므로, 열전소자의 내전압 성능은 더욱 개선될 수 있다. 바람직하게는, 제2 관통홀(800)의 가장자리로부터 제2 전극 간 최단거리도 8mm 이상을 만족하는 것이 내전압 성능에 효과적일 수 있다. 도 10(b) 및 도 10(c)를 참조하면, 절연삽입부재(910)는 제2 관통홀(800)과 체결부재(900) 사이에 배치될 수 있다. 도 10(b)를 참조하면, 절연삽입부재(910)가 제2 관통홀(800) 내에만 배치될 경우, 절연삽입부재(910)의 폭만큼 제2 관통홀(800)의 직경은 제1 관통홀(700)의 직경보다 클 수 있다. 이때, 제2 관통홀(800)의 가장자리로부터 제2 전극 간 최단거리가 상대적으로 감소될 수 있으나, 감소된 폭만큼 절연삽입부재(910)의 제2 관통홀(800) 내 배치로 인하여, 절연효과의 감소는 없으며, 결과적으로 내전압 성능에는 영향이 미치지 않는다. 이때, 제2 관통홀의 직경은 제1 관통홀의 직경의 1.1배 내지 2.0배일 수 있다. 도시되지 않았으나, 복수의 제1 전극(230)과 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250) 사이, 복수의 P형 열전 레그(240) 및 복수의 N형 열전 레그(250)과 복수의 제2 전극(260) 사이 및 제2 기판(280)과 히트싱크(300) 사이 중 적어도 하나에는 솔더층이 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 관통홀(700)은 터미널 전극(400)이 배치되는 영역에 대응하도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 기판 외곽(S2)으로부터 제1 관통홀(700)의 가장자리 간의 최단거리(C1)는 제2 기판 외곽(S2)으로부터 터미널 전극(400) 간의 최단거리(B1)의 ±10%이내일 수 있다. 이와 마찬가지로, 제3 기판 외곽(S3)으로부터 제1 관통홀(700)의 가장자리 간의 최단거리(C2)는 제3 기판 외곽(S3)으로부터 터미널 전극(400) 간의 최단거리(B2)의 90% 내지 110% 이내일 수 있다. 전술한 바와 같이, 절연저항을 높이기 위하여 터미널 전극(400)과 제2 기판 외곽(S2) 및 제3 기판 외곽(S3) 간 거리는 소정 거리 이상을 만족시켜야 한다. 제1 관통홀(700)이 터미널 전극(400)의 위치에 대응하도록 형성될 경우, 절연성 확보는 물론, 열전소자(200) 및 히트싱크(300) 간의 안정적인 체결이 가능하며, 복수의 제1 전극(230)의 배치가 용이하다.
이때, 제1 연결 유닛(410) 및 제2 연결 유닛(420) 각각은 동일한 극성을 가지는 2개의 단자에 연결될 수 있다. 즉, 제1 연결 유닛(410)에 복수의 제1 전극(230) 중 하나와 연결되어 분기된 2개의 (-) 단자가 연결될 수 있고, 제2 연결 유닛(420)에는 복수의 제1 전극(230) 중 다른 하나와 연결되어 분기된 2개의 (+) 단자가 연결될 수 있다. 이에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 복수의 열전소자가 직-병렬 방식으로 서로 연결될 수 있으며, 최소한의 면적으로 높은 전력변환효율을 얻을 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(220)은 수지 및 무기물을 포함하는 수지층이거나 무기물 단독의 층 중 적어도 하나로 이루어진 층 일 수 있다. 여기서 무기물은 알루미늄 또는 산화알루미늄을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 절연층(220)은 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 하이브리드 바인더 중 적어도 하나와 알루미늄을 혼합한 후 열처리하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 무기바인더는, 예를 들어 실리카(SiO2), 금속알콕사이드, 산화붕소(B2O3) 및 산화아연(ZnOx) 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 알루미늄 간 밀착력 또는 제1 기판(210)과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnOx)은 제1 절연층(220)의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다.
여기서, 복합체는 제1 절연층(220) 전체의 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 이상, 더욱 바람직하게는 90wt%이상으로 포함될 수 있다.
제1 절연층(220)은 습식 공정을 통하여 제1 기판(210) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 습식 공정은 스프레이 코팅 공정, 딥 코팅 공정, 스크린 프린팅 공정 등일 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(220)의 두께를 제어하기 용이하며, 다양한 조성의 복합체를 적용하는 것이 가능하다.
또는, 제1 절연층(220)은 에폭시 수지 및 무기물을 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다.
여기서, 무기물은 수지층의 60 내지 90wt%로 포함될 수 있다. 무기물이 60wt%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기물이 90wt%를 초과하여 포함되면 무기물이 수지 내에 고르게 분산되기 어려우며, 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 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. 무기물은 산화알루미늄을 포함할 수 있으며, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 더 포함할 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 수지층 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 수지층 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
또는, 제1 절연층(220)은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite) 및 에폭시 수지 및 무기물을 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층을 모두 포함할 수도 있다. 예를 들어, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite) 및 수지층이 순차적으로 적층되거나, 교대로 적층될 수 있다.
또는 제1 절연층(220)은 산화알루미늄층일 수도 있다. 제1 기판(210)이 알루미늄 기판인 경우, 제1 절연층(220)은 제1 기판(210)을 표면산화하는 방법으로 형성될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
표 1 및 도 12는 기판 외곽과 전선 연결부 간의 거리에 따른 저항을 측정한 결과이다.
거리(mm) 저항(MΩ)
5.5 100
8 350
10 380
11 430
12 510
14.2 550
저항을 측정하기 위하여, 전선 연결부의 (+)단자와 (-)단자를 연결한 후 이를 절연저항계의 (+)단자에 연결하고, 기판에 절연저항계의 (-)단자를 연결한 후 500V의 dc 전압을 가하였다. 전선 연결부와 제1 기판 외곽 간 거리(A1)에 따른 저항을 측정하였다. 그 결과, 전선 연결부와 제1 기판 외곽 간 거리(A1)가 12mm 이상인 경우 500V dc 전압 하에서 500MΩ 이상의 저항이 얻어짐을 알 수 있다.
표 2 및 도 13은 홀의 가장자리와 전극 간 거리에 따른 내전압을 측정한 결과이고, 표 3 및 도 14는 절연층의 두께에 대한 홀의 가장자리와 전극 간 거리에 따른 열저항을 측정한 결과이다.
전극-홀 간 거리(a, mm) 절연층 두께(제1실시예, ㎛) 절연층 두께(제2 실시예, ㎛) a+b(mm) 내전압(kV) a/b
0.5 45 - 0.545 0.5 -
0.5 95 - 0.59 0.5 -
8 45 - 8.045 1.0 178
8 70 - 8.07 1.9 114
8 90 - 8.09 2.5 89
8.5 90 - 8.59 2.5 94
0.5 - 20 0.52 0.7 -
0.5 - 40 0.54 1.3 -
8 - 20 8.02 1.3 400
8 - 40 8.04 2.5 -
8.5 - 40 8.54 2.5 -
8.5 - 80 8.58 2.7 106
여기서, 내전압 성능은 기판 상에 절연층을 배치한 후 기판에 한 단자를 연결하고, 절연층의 9개의 포인트에 대하여 각각 다른 단자를 연결하여 1mA의 전류 하에서 10초 동안 절연 파괴 없이 유지되는 전압을 테스트하기 위한 제1 절연층은 알루미늄 또는 산화알루미늄을 포함하지 않는 제1 실시예 및 알루미늄 또는 산화알루미늄을 포함하는 제2 실시예를 대상으로 측정되었다.
표 2 및 도 13을 참조하면, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 제1 전극 간 최단거리(a)가 8mm이상인 경우, 제1 실시예 및 제2 실시예 모두 1kV 이상의 내전압 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 14를 참조하면, 제1 절연층(220)의 두께(b)에 대한 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 낮을수록 열저항이 증가하며, 이에 따라 열전달 특성이 저하되고, 제1 절연층(220)의 두께(b)에 대한 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 높을수록 열저항이 감소하며, 이에 따라 열전달 특성이 향상됨을 알 수 있다.
이에 따라, 제1 관통홀(700)의 가장자리로부터 복수의 제1 전극(230) 간 최단거리(a)가 제1 절연층(220)의 두께(b)의 50배 이상, 바람직하게는 50배 내지 180배 이상인 경우, 내전압 특성 및 열전달 특성을 동시에 만족시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 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.

Claims (21)

  1. 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 포함하는 제1 금속기판;
    상기 제1 금속기판 상에 배치되고, 상기 제1 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제3 관통홀 및 상기 제2 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제4 관통홀을 포함하는 제1 절연층,
    상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극을 포함하는 제1 전극부;
    상기 제1 전극부 상에 배치된 반도체 구조물;
    상기 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하는 제2 전극부;
    상기 제2 전극부 상에 배치된 제2 절연층; 그리고
    상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고,
    상기 제1 금속기판은 상기 제1 금속기판의 형상을 정의하는 제1 외곽, 제2 외곽, 제3 외곽 및 제4 외곽을 포함하고,
    상기 제1 외곽 및 상기 제4 외곽은 서로 대향하고,
    상기 제2 외곽 및 상기 제3 외곽은 상기 제1 외곽 및 상기 제4 외곽 사이에서 서로 대향하고,
    상기 제1 전극부는 상기 제2 전극부와 수직으로 중첩된 제1 영역을 포함하고,
    상기 제1 전극부는 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 외곽을 향하도록 연장된 제1 연장부를 더 포함하고,
    상기 제3 관통홀 및 상기 제4 관통홀은 상기 제1 영역 내측에 형성되고,
    상기 제1 절연층은 상기 제3 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제1 홀 배치 영역 및 상기 제4 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제2 홀 배치 영역을 포함하고,
    상기 제1 연장부 및 상기 제2 홀 배치 영역 각각은 상기 제1 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치되고,
    상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는,
    상기 제1 연장부와 상기 제2 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배이고,
    상기 제1 홀 배치 영역을 이루는 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제3 관통홀의 가장자리 간 최단거리 및 상기 제2 홀 배치 영역을 이루는 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제4 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제4 관통홀의 가장자리 간 최단거리는 각각 상기 제1 절연층 두께의 50배 내지 180배인 열전모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 외곽으로부터 상기 제2 외곽과 상기 제3 관통홀 사이에 배치된 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀과 가장 인접한 제1 전극의 상기 제3 관통홀과 가장 인접한 측면까지의 최단 거리는 상기 제2 외곽으로부터 상기 제1 연장부까지의 최단거리의 90% 내지 110% 이내인 열전모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 연장부와 상기 제2 외곽 간 최단 거리는 12mm 이상인 열전모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 중 상기 제3 관통홀 및 제 4 관통홀 중 적어도 하나의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제3 관통홀 및 상기 제4 관통홀 중 적어도 하나 간 최단거리는 8mm 이상인 열전모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는,
    상기 제1 연장부와 상기 제1 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배인 열전모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 금속기판은 상기 제1 관통홀 및 상기 제3 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제5 관통홀을 포함하고,
    상기 제5 관통홀, 제3 관통홀 및 제1 관통홀을 관통하는 체결부재를 더 포함하는 열전모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 홀 배치 영역 및 상기 제2 홀 배치 영역 중 적어도 하나의 크기는 상기 복수의 제1 전극 중 어느 하나의 크기의 4배 내지 8배인 열전모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 금속기판 상에 배치되고, 상기 제5 관통홀과 대응하는 위치에 형성된 제6 관통홀을 포함하는 히트싱크를 더 포함하는 열전모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 체결부재는 상기 제6 관통홀을 관통하는 열전모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제5 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경보다 큰 열전모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제5 관통홀의 직경은 상기 제1 관통홀의 직경의 1.1배 내지 2.0배인 열전모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층과 상기 제1 전극부 사이에 배치되고 상기 제1 관통홀과 대응하는 위치에 형성된 제7 관통홀을 포함하는 제3 절연층을 더 포함하는 열전모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 절연층, 상기 제2 절연층 및 상기 제3 절연층 중 적어도 하나는 수지 및 무기물을 포함하는 열전모듈.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속기판은 상기 제1 영역 내측에 형성된 제8 관통홀 및 제9 관통홀을 더 포함하고,
    상기 제1 절연층은 상기 제8 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제10 관통홀 및 상기 제9 관통홀과 대응되는 위치에 형성된 제11 관통홀을 더 포함하고,
    상기 제1 절연층은 상기 제10 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제3 홀 배치 영역 및 상기 제11 관통홀과 가장 인접하며 서로 이웃하도록 배치되는 상기 복수의 제1 전극의 면들을 잇는 가상의 선들이 이루는 공간인 제4 홀 배치 영역을 포함하고,
    상기 제3 홀 배치 영역은 상기 제1 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치된 열전모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 상기 제1 연장부와 나란히 배치되도록 상기 제1 영역으로부터 상기 제1 외곽을 향하도록 연장된 제2 연장부를 더 포함하고,
    상기 제2 연장부 및 상기 제4 홀 배치 영역 각각은 상기 제3 홀 배치 영역을 정의하는 가상의 선들로부터 연장된 연장선들이 이루는 가상의 공간과 적어도 일부가 중첩되도록 배치된 열전모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제1 외곽 간 최단 거리는,
    상기 제2 연장부와 상기 제3 외곽 간 최단 거리의 1.2 내지 2.5배인 열전모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 중 상기 제8 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제8 관통홀의 가장자리 간 최단거리 및 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제9 관통홀의 가장자리로부터 가장 인접한 제1 전극과 상기 제9 관통홀의 가장자리 간 최단거리는 각각 상기 제1 절연층 두께의 50배 내지 180배인 열전모듈.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제3 외곽으로부터 상기 복수의 제1 전극 중 상기 제8 관통홀 및 상기 제9 관통홀 중 적어도 하나와 가장 인접한 제1 전극까지의 최단 거리는 상기 제3 외곽으로부터 상기 제2 연장부까지의 최단거리의 90% 내지 110% 이내인 열전모듈.
  19. 제2항에 있어서,
    10초 동안 AC 1kV 내지 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 절연 파괴없이 유지되는 내전압 특성을 가지는 열전모듈.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층의 면적은 상기 제1 영역의 면적보다 크고, 상기 제1 금속기판의 면적보다 작은 열전모듈.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 열전모듈;
    상기 열전모듈의 상기 제1 금속기판과 인접하여 유동하는 제1 유체;
    상기 열전모듈의 상기 제2 금속기판과 인접하여 유동하는 제2 유체; 및
    상기 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성되고, 제12 관통홀을 포함하는 제1 유체유동부를 포함하고,
    상기 제2 유체의 온도는 상기 제1 유체의 온도보다 높고,
    상기 제1 관통홀, 상기 제3 관통홀 및 상기 제12 관통홀을 관통하는 체결부재를 더 포함하는 발전모듈.
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