KR102434259B1 - 열전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되며, 상기 제1 금속기판과 직접 접촉하는 제1 수지층, 상기 제1 수지층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 수지층, 그리고 상기 제2 수지층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 상기 제1 수지층과 직접 접촉하는 제1 바닥면 및 상기 제1 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제2 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제1 측벽을 포함하고, 상기 제2 금속기판은 상기 제2 수지층과 직접 접촉하는 제2 바닥면 및 상기 제2 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제1 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제2 측벽을 포함하며, 상기 제1 측벽의 적어도 일부 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부는 서로 평행하도록 배치되고, 서로 평행하도록 배치된 상기 제1 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이에는 실링재가 더 배치된다.

Description

열전소자{THERMOELECTRIC ELEMENT}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 조립 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 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.
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.
특히, 열전소자의 슬림화, 냉각성능 및 조립 용이에 대한 니즈가 점점 커지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 조립 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되며, 상기 제1 금속기판과 직접 접촉하는 제1 수지층, 상기 제1 수지층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 수지층, 그리고 상기 제2 수지층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 상기 제1 수지층과 직접 접촉하는 제1 바닥면 및 상기 제1 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제2 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제1 측벽을 포함하고, 상기 제2 금속기판은 상기 제2 수지층과 직접 접촉하는 제2 바닥면 및 상기 제2 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제1 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제2 측벽을 포함하며, 상기 제1 측벽의 적어도 일부 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부는 서로 평행하도록 배치되고, 서로 평행하도록 배치된 상기 제1 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이에는 실링재가 더 배치된다.
상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 각각은 서로 평행하게 배치된 적어도 2개의 측벽을 포함할 수 있다.
상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 중 적어도 하나는 적어도 3개의 측벽을 포함할 수 있다.
상기 제1 측벽은 3개의 측벽을 포함하고, 상기 제2 측벽은 4개의 측벽을 포함하며, 상기 제2 측벽의 상기 4개의 측벽 중 하나에는 홈이 형성되고, 상기 제1 측벽의 상기 3개의 측벽은 상기 제2 측벽의 상기 4개의 측벽 중 상기 홈이 형성되지 않은 측벽들에 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 각각은 4개의 측벽을 포함하며, 상기 제1 측벽의 4개의 측벽 중 하나에는 홀이 형성되고, 상기 제2 측벽의 4개의 측벽 중 하나에는 홈이 형성되며, 상기 홀이 형성된 제1 측벽 중 하나와 상기 홈이 형성된 제2 측벽 중 하나는 서로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있다.
상기 제1 바닥면과 상기 제2 측벽 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있다.
상기 제1 바닥면과 상기 제2 측벽 사이에 상기 실링재가 더 배치될 수 있다.
상기 제1 금속기판 및 상기 제2 금속기판은 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 바닥면의 두께는 상기 제2 바닥면의 두께보다 작고, 상기 제1 바닥면의 폭은 상기 제2 바닥면의 폭보다 클 수 있다.
상기 제1 금속기판은 고온부 측에 배치되고, 상기 제2 금속기판은 저온부 측에 배치될 수 있다.
상기 제1 측벽의 외벽면에 배치된 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 히트싱크는 상기 제1 측벽의 외벽면과 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전도도가 우수하고, 열손실이 낮으며, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 금속 지지체와의 접합 강도가 높고, 제작 공정이 간단하다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 슬림하게 제작할 수 있으며, 이에 따라 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도의 한 예이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 분해사시도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 금속기판의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 금속기판의 제1 바닥면의 상면도이다.
도 10은 도 9의 열전소자의 단면도이다.
도 11은 도 9의 열전소자의 일부 단면 확대도이다.
도 12 내지 13은 도 9의 열전소자에 포함되는 전극의 형상이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 금속기판의 제1 바닥면의 상면도이다.
도 15는 도 14의 열전소자의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 17(a)는 비교예 1에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 17(b)는 비교예 2에 따른 열전소자의 단면도이며, 도 17(c)는 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 열전소자의 단면도의 한 예이다.
도 1을 참조하면, 열전소자(30)는 제1 수지층(31), 복수의 제1 전극(32), 복수의 P형 열전 레그(33), 복수의 N형 열전 레그(34), 복수의 제2 전극(35) 및 제2 수지층(36)을 포함한다.
여기서, 제1 금속기판(37) 상에 제1 수지층(31)이 배치되고, 제2 수지층(36) 상에 제2 금속기판(38)이 배치될 수 있다.
제1 금속기판(37) 및 제2 금속기판(38)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다. 제1 금속기판(37) 및 제2 금속기판(38)은 제1 수지층(31), 복수의 제1 전극(32), 복수의 P형 열전 레그(33) 및 복수의 N형 열전 레그(34), 복수의 제2 전극(35), 제2 수지층(36) 등을 지지할 수 있으며, 열전소자(30)가 적용되는 애플리케이션에 직접 부착되는 영역일 수 있다. 이에 따라, 제1 금속기판(37) 및 제2 금속기판(38)은 각각 제1 금속지지체 및 제2 금속지지체와 혼용될 수 있다.
이때, 제1 수지층(31), 복수의 제1 전극(32), 복수의 P형 열전 레그(33), 복수의 N형 열전 레그(34), 복수의 제2 전극(35) 및 제2 수지층(36)의 측면을 외부의 이물질 또는 수분으로부터 보호하기 위하여, 제1 금속기판(37)과 제2 금속기판(38) 사이에 실링부재(39)가 더 배치될 필요가 있다. 여기서, 실링부재(39)는 수지를 포함하는 실링재(39-1)뿐만 아니라, 제1 금속기판(37)과 제2 금속기판(38) 사이를 일정 간격으로 유지하기 위한 플라스틱 사출 성형물인 실링 가이드(39-2)를 더 포함한다. 실링 가이드(39-2)를 지지하기 위하여, 제1 금속기판(37) 및 제2 금속기판(38), 특히 하부에 배치되는 제1 금속기판(37)은 필요 이상으로 두꺼워질 필요가 있으며, 이에 따라 슬림한 두께를 가지는 열전소자(30)를 구현하기가 어려워질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속기판과 제2 금속기판의 형상을 변형하여 제1 금속기판과 제2 금속기판 사이를 안정적으로 실링하면서도, 열전소자의 전체적인 두께를 슬림하게 구현하고자 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 분해사시도이고, 도 5 내지 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 금속기판의 다양한 실시예를 나타낸다.
도 2 내지 4를 참조하면, 열전소자(100)는 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(160)을 포함한다.
복수의 제1 전극(120)은 제1 수지층(110)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 복수의 제2 전극(150)은 제2 수지층(160)과 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 복수의 제1 전극(120) 및 복수의 제2 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 제1 전극(120)과 제2 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
각 제1 전극(120) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)가 배치될 수 있으며, 각 제2 전극(150) 상에는 각 제1 전극(120) 상에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 중 하나가 겹쳐지도록 한 쌍의 N형 열전 레그(140) 및 P형 열전 레그(130)가 배치될 수 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 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(140)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(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. 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.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018058175447-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.
열전소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 제1 수지층(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 복수의 제1 전극(120), 그리고 제2 수지층(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 복수의 제2 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 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.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속기판(170) 상에 제1 수지층(110)이 배치되고, 제2 수지층(160) 상에 제2 금속기판(180)이 배치될 수 있다.
제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)은 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150), 제2 수지층(160) 등을 지지할 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(100)가 적용되는 애플리케이션에 직접 부착되는 영역일 수 있다. 이에 따라, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)은 각각 제1 금속지지체 및 제2 금속지지체와 혼용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제1 금속기판(170)은 제1 수지층(110)과 직접 접촉하는 제1 바닥면(172) 및 제1 바닥면(172)의 가장자리의 적어도 일부로부터 열전소자의 상부를 향하는 방향, 예를 들어 제2 금속기판(180)을 향하는 방향으로 연장된 제1 측벽(174)을 포함한다. 그리고, 제2 금속기판(180)은 제2 수지층(160)과 직접 접촉하는 제2 바닥면(182) 및 제2 바닥면(182)의 가장자리의 적어도 일부로부터 열전소자의 하부를 향하는 방향, 예를 들어 제1 금속기판(170)을 향하는 방향으로 연장된 제2 측벽(184)을 포함한다.
이에 따라, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180) 각각은 "ㄷ"자의 단면 형상을 가질 수 있다.
이때, 제1 측벽(174)의 적어도 일부 및 제2 측벽(184)의 적어도 일부는 소정 간격으로 이격되어 서로 평행하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 측벽(174)의 적어도 일부는 제2 측벽(184)의 적어도 일부보다 바깥쪽에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 측벽(174)의 적어도 일부의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 적어도 일부의 외벽면(1840) 사이에는 실링재(190)가 더 배치될 수 있다. 여기서, 실링재(190)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(190)는 제1 측벽(174)의 적어도 일부의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 적어도 일부의 외벽면(1840) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(160)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
이와 같이, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180) 각각이 제1 바닥면(172) 및 제2 바닥면(182) 각각에 대하여 수직하는 방향으로 연장된 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)을 가지고, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)이 실링재(190)에 의하여 실링될 경우, 플라스틱 사출 성형물인 실링 가이드를 별도로 필요로 하지 아니하므로, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)의 두께, 특히 제1 금속기판(170)의 두께를 줄일 수 있다. 예를 들어, 실링 가이드를 지지하기 위하여, 제1 금속기판(170)의 두께가 최소 4mm 이상이 되어야 하지만, 실링 가이드가 생략될 경우 제1 금속기판(170)의 두께를 0.5 내지 1.5mm 수준으로 형성하는 것이 가능하다. 이에 따라, 열전소자(100)의 전체 두께를 줄일 수 있으므로, 냉각성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 실링 가이드가 생략될 경우, 실링 가이드를 조립하기 위한 부품도 생략될 수 있으므로, 조립 공정이 간편해지고, 공정 불량이 발생할 가능성도 최소화될 수 있다. 또한, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)으로 인하여 열전소자(100)의 가장자리가 견고하게 지지되므로, 열전소자의 휨 등을 방지할 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 실링재(190)는 제1 측벽(174)의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 외벽면(1840) 사이뿐만 아니라, 제2 측벽(184)과 제1 바닥면(172) 사이에 더 배치될 수도 있다. 즉, 실링재(190)는 "ㄴ"자 형상으로 더 배치될 수도 있으며, 이에 따라 제1 수지층(110), 복수의 제1 전극(120), 복수의 P형 열전 레그(130), 복수의 N형 열전 레그(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(160)의 실링 효과를 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 측벽(174)의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 외벽면(1840)에는 요철이 형성될 수도 있다. 이에 따라 제1 측벽(174)의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 외벽면(1840)과 실링재(190) 간의 접합 면적이 넓어지므로, 실링 효과가 더욱 개선될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 측벽(174)의 내벽면(1740) 및 제2 측벽(184)의 외벽면(1840) 사이의 거리(d1)는 0.5mm 내지 1.5mm이고, 서로 평행하도록 배치되는 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)의 높이(h)는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있으며, 제2 측벽(184) 및 제1 바닥면(172) 간의 거리(d2)는 0.5mm 내지 1.5mm일 수 있다. 제1 측벽(174), 제2 측벽(184) 및 제1 바닥면(172)이 이러한 수치 범위를 만족시키며 배치될 경우, 고온부 및 저온부 중 하나, 예를 들어 저온부인 제1 측벽(174)과 고온부 및 저온부 중 다른 하나, 예를 들어 고온부인 제2 측벽(184) 사이의 단열이 가능하면서도, 실링 가이드 없이 실링재(190)만으로 실링이 가능하므로, 우수한 냉각성능을 얻을 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184) 각각은 서로 평행하게 배치된 2개의 측벽(1741, 1742, 1841, 1842)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 측벽(174)의 2개의 측벽(1741, 1742) 중 하나의 측벽(1741)과 제2 측벽(184)의 2개의 측벽(1841, 1842) 중 하나의 측벽(1841)은 서로 대응하도록 배치되고, 제1 측벽(174)의 2개의 측벽(1741, 1742) 중 다른 측벽(1742)과 제2 측벽(184)의 2개의 측벽(1841, 1842) 중 다른 측벽(1842)은 서로 대응하도록 배치될 수 있다. 여기서, 두 측벽이 서로 대응하여 배치된다는 것은, 두 측벽 중 하나의 적어도 일부 및 다른 하나의 적어도 일부가 서로 평행하도록 배치되고, 서로 평행하도록 배치된 한 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 다른 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이에 실링재가 배치되는 것을 의미할 수 있다.
또는, 도 6을 참조하면, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184) 각각은 3개의 측벽(1741, 1742, 1743, 1841, 1842, 1843)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 측벽(174)의 3개의 측벽(1741, 1742, 1743) 각각은 제2 측벽(184)의 3개의 측벽(1841, 1842, 1843) 각각에 서로 대응하도록 배치될 수 있다.
또는, 도 7을 참조하면, 제1 측벽(174)은 3개의 측벽(1741, 1742, 1743)을 포함하고, 제2 측벽(184)은 4개의 측벽(1841, 1842, 1843, 1844)을 포함할 수 있다. 이때, 전원 연결 라인(200)을 인출하기 위하여, 제2 측벽(184) 중 하나에는 홈(202)이 형성될 수 있으며, 3개의 제1 측벽(1741, 1742, 1743)은 4개의 제2 측벽(1841, 1842, 1843, 1844) 중 홈(202)이 형성되지 않은 측벽들에 평행하도록 배치될 수 있다.
또는, 도 8을 참조하면, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)은 각각 4개의 측벽(1741, 1742, 1743, 1744, 1841, 1842, 1843, 1844)을 포함할 수 있다. 이때, 전원 연결 라인(200)을 인출하기 위하여, 제2 측벽(184) 중 하나에는 홈(202)이 형성될 수 있으며, 제1 측벽(174) 중 하나에는 홀(204)이 형성되며, 홈(202)이 형성된 제2 측벽(184)과 홀(204)이 형성된 제2 측벽(174)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172)의 면적은 제1 수지층(110)의 면적보다 클 수 있으며, 제2 금속기판(180)의 제2 바닥면(182)의 면적은 제2 수지층(160)의 면적보다 클 수 있다. 즉, 제1 수지층(110)은 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있고, 제2 수지층(160)은 제2 금속기판(180)의 제2 바닥면(182) 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있다.
이때, 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172)의 폭 길이는 제2 금속기판(180)의 제2 바닥면(182)의 폭 길이보다 크고, 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172)의 두께는 제2 금속기판(180)의 제2 바닥면(182)의 두께보다 작을 수 있다. 이에 따라, 제1 금속기판(170)은 고온부 측에 배치되어 열을 방출하는 방열부이고, 제2 금속기판(180)은 저온부 측에 배치되어 열을 흡수하는 흡열부일 수 있다.
열전성능을 높이기 위하여, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180)에는 히트싱크가 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172)의 외부 및 제1 측벽(174)의 외벽면에는 제1 히트싱크(300)가 배치되고, 제2 금속기판(180)의 제2 바닥면(182)의 외부 및 제2 측벽(184)의 외벽면에는 제2 히트싱크(302)가 배치될 수 있다. 이때, 제1 히트싱크(300) 및 제2 히트싱크(302) 각각은 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180) 각각과 일체로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 금속기판(170) 및 제2 금속기판(180) 각각이 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)을 포함하는 경우, 제1 측벽(174) 및 제2 측벽(184)에도 히트싱크를 배치할 수 있으므로, 열전성능을 더욱 높일 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 금속기판(170)과 제2 금속기판(180) 간의 단열을 위하여, 제1 금속기판(170)의 측벽(174)에만 히트싱크를 배치하고, 제2 금속기판(180)의 측벽(184)에는 히트싱크를 배치하지 않을 수도 있다.
다시, 도 2 내지 4를 참조하면, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어질 수 있다. 여기서, 무기충전재는 에폭시 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.
제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)의 두께는 0.02 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.6mm일 수 있으며, 열전도도는 1W/mK이상, 바람직하게는 10W/mK이상, 더욱 바람직하게는 20W/mK 이상일 수 있다. 제1 수지층(110)과 제2 수지층(160)의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 제1 수지층(110) 및 제2 수지층(160)이 온도 변화에 따라 수축 및 팽창을 반복하더라도, 제1 수지층(110)과 제1 금속기판(170) 간의 접합 및 제2 수지층(160)과 제2 금속기판(180) 간의 접합에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
이를 위하여, 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 있으며, 질화붕소 응집체의 표면은 하기 단위체 1을 가지는 고분자로 코팅되거나, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부는 하기 단위체 1을 가지는 고분자에 의하여 충전될 수 있다.
단위체 1은 다음과 같다.
[단위체 1]
Figure 112018058175447-pat00002
여기서, R1, R2, R3 및 R4 중 하나는 H이고, 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 선택되고, R5는 선형, 분지형 또는 고리형의 탄소수 1 내지 12인 2가의 유기 링커일 수 있다.
한 실시예로, R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지 중 하나는 C2~C3 알켄에서 선택되며, 나머지 중 다른 하나 및 또 다른 하나는 C1~C3 알킬에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 고분자는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다.
[단위체 2]
Figure 112018058175447-pat00003
또는, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중 H를 제외한 나머지는 C1~C3 알킬, C2~C3 알켄 및 C2~C3 알킨으로 구성된 그룹에서 서로 상이하도록 선택될 수도 있다.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자가 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅되고, 질화붕소 응집체 내 공극의 적어도 일부를 충전하면, 질화붕소 응집체 내의 공기층이 최소화되어 질화붕소 응집체의 열전도 성능을 높일 수 있으며, 판상의 질화붕소 간의 결합력을 높여 질화붕소 응집체의 깨짐을 방지할 수 있다. 그리고, 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체 상에 코팅층을 형성하면, 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 응집체의 코팅층 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 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.
이와 같이, 제1 금속기판(170)과 복수의 제1 전극(120) 사이에 제1 수지층(110)이 배치되면, 별도의 세라믹 기판 없이도 제1 금속기판(170)과 복수의 제1 전극(120) 사이의 열전달이 가능하며, 제1 수지층(110) 자체의 접착 성능으로 인하여 별도의 접착제 또는 물리적인 체결 수단이 필요하지 않다. 이에 따라, 열전소자(100)의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있다.
여기서, 제1 금속기판(170)은 제1 수지층(110)과 직접 접촉할 수 있다. 이를 위하여, 제1 금속기판(170)의 양면 중 제1 수지층(110)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(170)의 제1 수지층(110)과 마주보는 면에는 표면거칠기가 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 금속기판(170)과 제1 수지층(110) 간의 열압착 시 제1 수지층(110)이 들뜨는 문제를 방지할 수 있다. 본 명세서에서, 표면거칠기는 요철을 의미하며, 표면 조도와 혼용될 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 금속기판, 수지층 및 전극 간의 배치 관계를 더욱 상세하게 설명하고자 한다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 금속기판의 제1 바닥면의 상면도이고, 도 10은 도 9의 열전소자의 단면도이며, 도 11은 도 9의 열전소자의 일부 단면 확대도이고, 도 12 내지 13은 도 9의 열전소자에 포함되는 전극의 형상이다. 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 제1 금속기판의 제1 바닥면의 상면도이고, 도 15는 도 14의 열전소자의 단면도이다.
도 9 내지 11을 참조하면, 제1 금속기판(170)의 제1 바닥면(172) 양면 중 제1 수지층(110)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(170)의 제1 수지층(110)과 마주보는 면은 제1 영역(900) 및 제2 영역(902)을 포함하며, 제2 영역(902)은 제1 영역(900)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 제1 영역(900)은 제1 금속기판(170)의 가장자리로부터 가운데 영역을 향하여 소정 거리 내에 배치될 수 있으며, 제1 영역(900)은 제2 영역(902)을 둘러쌀 수 있다.
이때, 제2 영역(902)의 표면거칠기는 제1 영역(900)의 표면거칠기보다 크고, 제1 수지층(110)은 제2 영역(902) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 수지층(110)은 제1 영역(900)과 제2 영역(902) 간의 경계로부터 소정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 수지층(110)은 제2 영역(902) 상에 배치되되, 제1 수지층(110)의 가장자리는 제2 영역(902) 내부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(902)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈(400)의 적어도 일부에는 제1 수지층(110)의 일부, 즉 제1 수지층(110)에 포함되는 에폭시 수지(600) 및 무기충전재의 일부(604)가 스며들 수 있으며, 제1 수지층(110)과 제1 금속기판(170) 간의 접착력이 높아질 수 있다.
다만, 제2 영역(902)의 표면거칠기는 제1 수지층(110)에 포함되는 무기충전재 중 일부의 입자크기 D50보다는 크고, 다른 일부의 입자크기 D50보다는 작게 형성될 수 있다. 여기서, 입자크기 D50은 입도분포곡선에서 중량 백분율의 50%에 해당하는 입경, 즉 통과질량 백분율이 50%가 되는 입경을 의미하며, 평균 입경과 혼용될 수 있다. 제1 수지층(110)이 무기충전재로 산화알루미늄과 질화붕소를 포함할 경우를 예로 들면, 산화알루미늄은 제1 수지층(110)과 제1 금속기판(170) 간의 접착 성능에 영향을 미치지 않지만, 질화붕소는 표면이 매끄러우므로 제1 수지층(110)과 제1 금속기판(170) 간의 접착 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(902)의 표면거칠기를 제1 수지층(110)에 포함되는 산화알루미늄의 입자크기 D50보다는 크되, 질화붕소의 입자크기 D50보다는 작게 형성하면, 제2 영역(902)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈 내에는 산화알루미늄만이 배치되며, 질화붕소는 배치될 수 없으므로, 제1 수지층(110)과 제1 금속기판(170)은 높은 접합 강도를 유지할 수 있다.
이에 따라, 제2 영역(902)의 표면거칠기는 제1 수지층(110) 내에 포함된 무기충전재 중 크기가 상대적으로 작은 무기충전재(604), 예를 들어 산화알루미늄의 입자크기 D50의 1.05 내지 1.5배이고, 제1 수지층(110) 내에 포함된 무기충전재 중 크기가 상대적으로 큰 무기충전재(602), 예를 들어 질화붕소의 입자크기 D50의 0.04 내지 0.15배일 수 있다.
전술한 바와 같이, 질화붕소 응집체의 입자크기 D50이 250 내지 350㎛이고, 산화알루미늄의 입자크기 D50이 10 내지 30㎛인 경우, 제2 영역(902)의 표면거칠기는 1 내지 50㎛일 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(902)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈 내에는 산화알루미늄만이 배치되며, 질화붕소 응집체는 배치되지 않을 수 있다.
이에 따르면, 제2 영역(902)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈 내 에폭시 수지 및 무기충전재의 함량은 제1 금속기판(170)과 복수의 제1 전극(120) 사이의 가운데 영역에서 에폭시 수지 및 무기충전재의 함량과 상이할 수 있다.
이러한 표면거칠기는 표면거칠기 측정기를 이용하여 측정될 수 있다. 표면거칠기 측정기는 탐침을 이용하여 단면 곡선을 측정하며, 단면 곡선의 산봉우리선, 골바닥선, 평균선 및 기준길이를 이용하여 표면거칠기를 산출할 수 있다. 본 명세서에서, 표면거칠기는 중심선 평균 산출법에 의한 산술평균 거칠기(Ra)를 의미할 수 있다. 산술평균 거칠기(Ra)는 아래 수학식 2를 통하여 얻어질 수 있다.
Figure 112018058175447-pat00004
즉, 표면거칠기 측정기의 탐침을 얻은 단면 곡선을 기준길이 L만큼 뽑아내어 평균선 방향을 x축으로 하고, 높이 방향을 y축으로 하여 함수(f(x))로 표현하였을 때, 수학식 2에 의하여 구해지는 값을 ㎛미터로 나타낼 수 있다.
한편, 도 12 내지 13을 참조하면, 복수의 제1 전극(120) 중 적어도 하나는 제1 수지층(110)을 향하여 배치된 제1 면(121), 즉 제1 수지층(110)과 마주보는 제1 면(121) 및 제1 면(121)의 반대면, 즉 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)를 향하여 배치된 제2 면(122), 즉 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 마주보는 제2 면(122)을 포함하며, 제1 면(121)의 폭 길이(W1)와 제2 면(122)의 폭 길이(W2)는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제2 면(122)의 폭 길이(W2)는 제1 면(121)의 폭 길이(W1)의 0.8 내지 0.95배일 수 있다. 이와 같이, 제1 면(121)의 폭 길이(W1)가 제2 면(122)의 폭 길이(W2)보다 크면, 제1 수지층(110)과의 접촉 면적이 넓어지므로, 제1 수지층(110)과 제1 전극(120) 간의 접합 강도가 높아질 수 있다.
특히, 도 13을 참조하면, 제1 면(121)과 제2 면(122) 사이의 측면(123)은 소정의 곡률을 가지는 곡면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 면(122)과 측면(123) 사이는 소정의 곡률을 가지는 라운드 형상일 수도 있다. 이에 따르면, 복수의 제1 전극(120) 사이를 절연성 수지로 채우기 용이하며, 이에 따라 복수의 제1 전극(120)은 제1 수지층(110) 상에서 안정적으로 지지될 수 있으며, 복수의 제1 전극(120)들이 가까운 거리로 배치되더라도 이웃하는 전극에 전기적인 영향을 미치지 않을 수 있다.
이때, 제1 전극(120)은 Cu층으로 이루어지거나, Cu, Ni 및 Au가 순차적으로 적층된 구조를 가지거나, Cu, Ni 및 Sn이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
도 14 내지 15를 참조하면, 제1 금속기판(170)의 양면 중 제1 수지층(110)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(170)의 제1 수지층(110)과 마주보는 면은 제1 영역(900) 및 제1 영역(900)에 의하여 둘러싸이고, 제1 영역(900)보다 표면거칠기가 크게 형성된 제2 영역(902)을 포함하되, 제3 영역(904)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 제3 영역(904)은 제2 영역(902)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 제3 영역(904)은 제2 영역(902)에 의하여 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 그리고, 제2 영역(902)의 표면거칠기는 제3 영역(904)의 표면거칠기보다 크게 형성될 수 있다.
이때, 제1 수지층(110)은 제1 영역(900)과 제2 영역(902) 간 경계로부터 소정 거리 이격되도록 배치되되, 제1 수지층(110)은 제2 영역(902)의 일부 및 제3 영역(904)를 커버하도록 배치될 수 있다.
제1 금속기판(170)과 제1 수지층(110) 간의 접합 강도를 높이기 위하여, 제1 금속기판(170)과 제1 수지층(110) 사이에는 접착층(800)이 더 배치될 수 있다.
접착층(800)은 제1 수지층(110)을 이루는 에폭시 수지 조성물과 동일한 에폭시 수지 조성물일 수 있다. 예를 들어, 제1 수지층(110)을 이루는 에폭시 수지 조성물과 동일한 에폭시 수지 조성물을 미경화 상태로 제1 금속기판(170)과 제1 수지층(110) 사이에 도포한 후, 경화된 상태의 제1 수지층(110)을 적층하고, 고온에서 가압하는 방식으로 제1 금속기판(170)과 제1 수지층(110)을 접합할 수 있다.
이때, 접착층(800)의 일부, 예를 들어 접착층(800)을 이루는 에폭시 수지 조성물의 에폭시 수지 일부 및 무기충전재 일부는 제2 영역(902)의 표면거칠기에 따른 홈의 적어도 일부에 배치될 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 1 내지 15에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 16을 참조하면, 복수의 제1 전극(120)의 측면(123)의 일부는 제1 수지층(110) 내에 매립된다. 이때, 제1 수지층(110) 내에 매립된 복수의 제1 전극(120)의 측면(123)의 높이(H1)는 복수의 제1 전극(120)의 두께(H)의 0.1 내지 0.8배, 바람직하게는 0.2 내지 0.6배일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 전극(120)의 측면(123)의 일부가 제1 수지층(110) 내에 매립되면, 복수의 제1 전극(120)과 제1 수지층(110) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(120)과 제1 수지층(110) 간의 열전달 성능 및 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다. 제1 수지층(110) 내에 매립된 복수의 제1 전극(120)의 측면(123)의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(120)의 두께(H)의 0.1배 미만일 경우, 복수의 제1 전극(120)과 제1 수지층(110) 간의 열전달 성능 및 접합 강도를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 제1 수지층(110) 내에 매립된 복수의 제1 전극(120)의 측면(123)의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(120)의 두께(H)의 0.8배를 초과할 경우 제1 수지층(110)이 복수의 제1 전극(120) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
이때, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110)의 두께(T1)는 20 내지 80㎛이고, 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110)의 두께(T2)는 80 내지 200㎛일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110)의 두께(T1)와 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110)의 두께(T2)가 상이할 경우, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110) 내 무기충전재의 분포는 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110) 내 무기충전재의 분포와 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 수지층(110)이 D50이 40 내지 200㎛인 질화붕소 및 D50이 10 내지 30㎛인 산화알루미늄을 포함하는 경우, 질화붕소 및 산화알루미늄이 제1 수지층(110) 내에 전체적으로 고르게 분산되더라도, 부분적으로는 그 분포가 상이할 수 있다. 예를 들어, D50이 40 내지 200㎛인 질화붕소의 밀도는 약 2.1g/cm3이고, D50이 10 내지 30㎛인 산화알루미늄의 밀도는 약 3,95 내지 4.1g/cm3이다. 이에 따라, 밀도가 높고 크기가 작은 산화알루미늄은 상대적으로 밀도가 낮고 크기가 큰 질화붕소에 비하여 밑으로 가라앉는 경향이 있다. 특히, 제1 수지층(110) 내 복수의 제1 전극(120) 아래에 배치되는 영역, 즉 두께가 T1인 영역에서는 T1에 비하여 입자 크기가 큰 무기충전재는 복수의 제1 전극(120) 사이의 영역, 즉 두께가 T2인 영역으로 밀려날 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110) 내 무기충전재의 분포는 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110) 내 무기충전재 분포와 상이할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110) 내 전체 무기충전재에 대한 질화붕소의 함량 비(예, 중량비)는 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110) 내 전체 무기충전재에 대한 질화붕소의 함량 비(예, 중량비)보다 작을 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 전극(120) 아래의 제1 수지층(110) 내 무기충전재의 입자 크기 D50은 복수의 제1 전극(120) 사이의 제1 수지층(110) 내 무기충전재의 입자 크기 D50보다 작을 수 있다. 산화알루미늄은 제1 수지층(110)과 복수의 제1 전극(120) 간의 접착 성능에 영향을 미치지 않지만, 질화붕소는 표면이 매끄러우므로 제1 수지층(110)과 복수의 제1 전극(120) 간의 접착 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 실시예와 같이 복수의 제1 전극(120)이 제1 수지층(110) 내에 매립되면 복수의 제1 전극(120) 아래에 배치되는 제1 수지층(110) 내 질화붕소의 함량이 줄어들게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(120)이 제1 수지층(110) 내에 매립되지 않는 경우에 비하여 복수의 제1 전극(120)과 제1 수지층(110) 간의 접합 강도를 높일 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 성능을 설명하고자 한다.
도 17(a)는 비교예 1에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 17(b)는 비교예 2에 따른 열전소자의 단면도이며, 도 17(c)는 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 표 1은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예에 따른 부피 및 저온부 측의 온도 측정 결과이다.
도 17(a) 내지 도 17(c)를 참조하면, 제1 금속기판과 제2 금속기판 사이에 동일한 종류 및 사이즈의 제1 수지층, 제1 전극, 열전레그, 제2 전극 및 제2 수지층을 배치하였다.
도 17(a)를 참조하면, 비교예 1에서는 4mm 두께이며 43mm*43mm의 면적을 가지는 평판 형상의 제1 금속기판 및 7mm 두께이며 40mm*40mm의 면적을 가지는 평판 형상의 제2 금속기판을 사용하였고, 도 17(b)를 참조하면, 비교예 2에서는 1mm 두께이며 43mm*43mm의 면적을 가지는 평판 형상의 제1 금속기판 및 5mm 두께이며 40mm*40mm의 면적을 가지는 평판 형상의 제2 금속기판을 사용하였으며, 도 17(c)에서는 1mm 두께이며 43mm*43mm의 면적을 가지는 평판 형상의 가장자리에 4mm의 폭을 가지는 측벽이 형성된 “ㄷ”자 형상의 제1 금속기판 및 5mm 두께이며 40mm*40mm의 면적을 가지는 평판 형상의 가장자리에 7mm의 폭을 가지는 측벽이 형성된 “ㄷ”자 형상의 제2 금속기판을 사용하였다. 비교예 1 및 비교예 2에서는 실링 가이드 및 실링재를 이용하여 제1 수지층, 제1 전극층, 열전 레그, 제2 전극층 및 제2 수지층의 측면을 실링하였고, 실시예에서는 실링재만을 이용하여 제1 금속기판의 측벽과 제2 금속기판의 측벽 사이를 실링하였다. 비교예 1에서 열전소자의 전체 높이는 14mm이고, 비교예 2 및 실시예에서 열전소자의 전체 높이는 각각 9mm로 제작되었다.
실험번호 내부 부피(cm3) 금속기판 부피(cm3) 전체 부피(cm3) 저온부 측 온도(℃)
비교예 1 11.2 7.4 18.6 -21.5
비교예 2 8.0 1.8 9.8 -23.0
실시예 8.0+3.9 1.8+2.0 9.8+5.9 -23.3
표 1을 참조하여, 비교예 1 및 비교예 2를 비교하면 금속기판의 두께가 작을수록 열전소자의 부피가 작아지며, 이에 따라 저온부 측 온도도 낮아짐을 알 수 있다. 이로부터 금속기판의 두께가 작을수록 냉각 성능이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 금속기판이 측벽을 가지는 실시예에서는 비교예 2에 비하여 더욱 우수한 냉각 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는 도 18을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 정수기에 적용된 예를 설명한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기의 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 정수기(1)는 원수 공급관(12a), 정수 탱크 유입관(12b), 정수탱크(12), 필터 어셈블리(13), 냉각 팬(14), 축열조(15), 냉수 공급관(15a), 및 열전장치(1000)을 포함한다.
원수 공급관(12a)은 수원으로부터 정수 대상인 물을 필터 어셈블리(13)로 유입시키는 공급관이고, 정수 탱크 유입관(12b)은 필터 어셈블리(13)에서 정수된 물을 정수 탱크(12)로 유입시키는 유입관이고, 냉수 공급관(15a)은 정수 탱크(12)에서 열전장치(1000)에 의해 소정 온도로 냉각된 냉수가 최종적으로 사용자에게 공급되는 공급관이다.
정수 탱크(12)는 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수되고 정수 탱크 유입관(12b)을 통해 유입된 물을 저장 및 외부로 공급하도록 정수된 물을 잠시 수용한다.
필터 어셈블리(13)는 침전 필터(13a)와, 프리 카본 필터(13b)와, 멤브레인 필터(13c)와, 포스트 카본 필터(13d)로 구성된다.
즉, 원수 공급관(12a)으로 유입되는 물은 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수될 수 있다.
축열조(15)가 정수 탱크(12)와, 열전장치(1000)의 사이에 배치되어, 열전장치(1000)에서 형성된 냉기가 저장된다. 축열조(15)에 저장된 냉기는 정수 탱크(12)로 인가되어, 정수 탱크(120)에 수용된 물을 냉각시킨다.
냉기 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록, 축열조(15)는 정수 탱크(12)와 면접촉될 수 있다.
열전장치(1000)은 상술한 바와 같이, 흡열면과 발열면을 구비하며, P 형 반도체 및 N형 반도체 상의 전자 이동에 의해, 일측은 냉각되고, 타측은 가열된다.
여기서, 일측은 정수 탱크(12) 측이며, 타측은 정수 탱크(12)의 반대측일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 19를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 냉장고에 적용된 예를 설명한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 적용된 냉장고의 블록도이다.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전장치(1000)을 포함한다.
냉장고 내는 심온 증발실 커버(23)에 의하여 심온 저장실과 심온 증발실로 구획된다.
상세히, 상기 심온 증발실 커버(23)의 전방에 해당하는 내부 공간이 심온 저장실로 정의되고, 심온 증발실 커버(23)의 후방에 해당하는 내부 공간이 심온 증발실로 정의될 수 있다.
심온 증발실 커버(23)의 전면에는 토출 그릴(23a)과 흡입 그릴(23b) 이 각각 형성될 수 있다.
증발실 구획벽(24)은 인너 캐비닛의 후벽으로부터 전방으로 이격되는 지점에 설치되어, 심온실 저장 시스템이 놓이는 공간과 메인 증발기(25)가 놓이는 공간을 구획한다.
메인 증발기(25)에 의하여 냉각되는 냉기는 냉동실로 공급된 뒤 다시 메인 증발기 쪽으로 되돌아간다.
열전장치(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전장치(1000)서 발생되는 흡열 현상을 이용하여 서랍 어셈블리에 저장된 음식물을 섭씨 영하 50도 이하의 초저온 상태로 신속하게 냉각시키는데 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전장치(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 냉장고 내에서 서랍 어셈블리를 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 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 열전소자가 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 열전소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 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 열전소자가 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 열전소자가 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 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 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 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 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.

Claims (13)

  1. 제1 금속기판,
    상기 제1 금속기판 상에 배치되며, 상기 제1 금속기판과 직접 접촉하는 제1 수지층,
    상기 제1 수지층 상에 배치된 복수의 제1 전극,
    상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극,
    상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 수지층, 그리고
    상기 제2 수지층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고,
    상기 제1 금속기판은 상기 제1 수지층과 직접 접촉하는 제1 바닥면 및 상기 제1 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제2 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제1 측벽을 포함하고,
    상기 제2 금속기판은 상기 제2 수지층과 직접 접촉하는 제2 바닥면 및 상기 제2 바닥면의 가장자리의 적어도 일부로부터 상기 제1 금속기판을 향하는 방향으로 연장된 제2 측벽을 포함하며,
    상기 제1 측벽의 적어도 일부 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부는 서로 평행하도록 배치되고,
    서로 평행하도록 배치된 상기 제1 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이에는 실링재가 더 배치되는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 각각은 서로 평행하게 배치된 적어도 2개의 측벽을 포함하는 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 중 적어도 하나는 적어도 3개의 측벽을 포함하는 열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 측벽은 3개의 측벽을 포함하고, 상기 제2 측벽은 4개의 측벽을 포함하며,
    상기 제2 측벽의 상기 4개의 측벽 중 하나에는 홈이 형성되고,
    상기 제1 측벽의 상기 3개의 측벽은 상기 제2 측벽의 상기 4개의 측벽 중 상기 홈이 형성되지 않은 측벽들에 평행하도록 배치되는 열전소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽 각각은 4개의 측벽을 포함하며,
    상기 제1 측벽의 4개의 측벽 중 하나에는 홀이 형성되고,
    상기 제2 측벽의 4개의 측벽 중 하나에는 홈이 형성되며,
    상기 홀이 형성된 제1 측벽 중 하나와 상기 홈이 형성된 제2 측벽 중 하나는 서로 평행하도록 배치되는 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측벽의 적어도 일부의 내벽면 및 상기 제2 측벽의 적어도 일부의 외벽면 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm인 열전소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 바닥면과 상기 제2 측벽 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm인 열전소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 바닥면과 상기 제2 측벽 사이에 상기 실링재가 더 배치된 열전소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속기판 및 상기 제2 금속기판은 알루미늄으로 이루어진 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바닥면의 두께는 상기 제2 바닥면의 두께보다 작고, 상기 제1 바닥면의 폭은 상기 제2 바닥면의 폭보다 큰 열전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속기판은 고온부 측에 배치되고, 상기 제2 금속기판은 저온부 측에 배치된 열전소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 측벽의 외벽면에 배치된 히트싱크를 더 포함하는 열전소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 제1 측벽의 외벽면과 일체로 형성되는 열전소자.
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