KR20190139174A - 열전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 금속 지지체, 상기 금속 지지체 상에 배치되며, 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제1 열전도층, 상기 제1 열전도층의 상에 배치되며, 실리콘 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 제2 열전도층, 상기 제2 열전도층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 교대로 배치되는 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 배치되며, 상기 제2 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물로 이루어진 제3 열전도층, 그리고 상기 제3 열전도층 상에 배치되며, 상기 제1 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물로 이루어진 제4 열전도층을 포함하고, 상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층의 상면 및 상기 제1 열전도층의 측면을 둘러싸도록 배치되며, 상기 제3 열전도층은 상기 제4 열전도층의 상면 및 상기 제4 열전도층의 측면을 둘러싸도록 배치된다.
Description
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, 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. 여기서, 복수의 상부전극 및 복수의 하부전극은 열전 레그들을 직렬 또는 병렬 연결한다.
일반적으로, 상부 기판과 하부 기판은 산화알루미늄(Al2O3) 기판일 수 있다. 평탄도 문제로 인하여, 산화알루미늄(Al2O3) 기판은 일정 수준 이상의 두께를 유지하여야 하며, 이에 따라 열전소자 전체의 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 기판 및 전극 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 금속 지지체, 상기 금속 지지체 상에 직접 배치되며, 수지 조성물로 이루어진 제1 열전도층, 상기 제1 열전도층 상에 배치되며, 수지 조성물로 이루어진 제2 열전도층, 상기 제2 열전도층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되며, 상기 제1 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물 또는 상기 제2 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물로 이루어진 제3 열전도층을 포함하고, 상기 금속 지지체의 폭은 상기 제2 열전도층의 폭보다 크며, 상기 제1 열전도층의 폭은 상기 제2 열전도층의 폭과 상이하고, 상기 복수의 제1 전극의 측면의 적어도 일부는 상기 제2 열전도층에 매립되며, 상기 제2 열전도층은 이웃하는 복수의 제1 전극들 사이를 연결하도록 배치된다.
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층보다 두꺼운 영역을 가질 수 있다.
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층의 측면에서 상기 제1 열전도층보다 두꺼운 영역을 가질 수 있다.
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층의 측면으로부터 멀어질수록 얇아지는 영역을 가질 수 있다.
상기 제2 열전도층의 폭은 상기 제1 열전도층의 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 열전도층의 폭은 상기 제1 열전도층의 폭의 1.01 내지 1.2배일 수 있다.
상기 제1 열전도층의 열전도도는 상기 제2 열전도층의 열전도도보다 높을 수 있다.
상기 제1 열전도층 및 상기 제2 열전도층 각각은 무기충전재를 포함할 수 있다.
상기 제2 열전도층은 실리콘 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열전도층에 포함되는 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전도도가 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 얇은 두께로 구현 가능하면서도 온도 변화에 대한 저항성이 높으므로, 온도 변화에 따른 파손 또는 박리 현상을 최소화할 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 한 예이다.
도 4는 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 다른 예이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예시도이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예시도이다.
도 3은 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 한 예이다.
도 4는 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 다른 예이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예시도이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예시도이다.
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 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
하부전극(120)은 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 상부전극(150)은 상부기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부전극(120) 및 상부전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부전극(120)과 상부전극(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 하부전극(120) 및 상부전극(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.
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.
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, 하부기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부전극(120), 그리고 상부기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 하부기판(110)과 상부기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부기판(110)과 상부기판(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.
또한, 하부기판(110)과 상부기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전소자의 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.
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.
도 3은 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 한 예이고, 도 4는 열전소자의 하부 기판 측의 단면도의 다른 예이다.
도 3 내지 4를 참조하면, 열전소자(100)는 금속 지지체(200) 상에 배치될 수 있다. 열전소자(100)의 하부 기판(110)은 금속 지지체(200) 상에 배치되며, 하부 기판(110) 상에 복수의 하부 전극(120)이 배치될 수 있다.
P형 열전 레그, N형 열전 레그, 상부 전극 및 상부 기판에 관한 구조는 도 1 내지 2에서 설명한 바와 동일하므로, 중복되는 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 하부 기판(110)은 산화알루미늄(Al2O3) 기판일 수 있다. 이때, 산화알루미늄 기판의 평탄도 문제로 인하여, 하부 기판(110)의 두께(T1)는 0.65mm 이하로는 제작될 수 없다. 하부 기판(110)의 두께가 두꺼워지면, 하부 전극(120)의 두께도 함께 두꺼워져야 하며, 이에 따라 열전소자(100)의 전체 두께가 두꺼워져야 하는 문제가 있다.
도 4를 참조하면, 하부 기판(110)은 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도층일 수도 있다. 이때, 열전도층은 평탄도 문제를 가지지 않으므로, 산화알루미늄 기판에 비하여 얇은 두께(T2), 예를 들어 0.65mm 이하로 제작하는 것이 가능하다. 도 4에 도시된 구조에서 하부 전극(120)은, 에폭시 수지와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 열전도층 상에 Cu 기판을 배치하여 압착한 후, Cu 기판을 전극 형상으로 에칭하는 방법으로 제작될 수 있다. 다만, 하부 기판(110)의 두께가 0.65mm 이하로 얇아지면, 온도 변화에 취약해지며, 이에 따라 하부 기판(110)과 금속 지지체(200) 사이가 박리되어 열전 소자(100)의 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이며, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 하부 기판 측의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자(500) 의 하부 기판 측은 금속 지지체(510), 금속 지지체(510) 상에 배치된 제1 열전도층(520), 제1 열전도층(520) 상에 배치된 제2 열전도층(530) 및 제2 열전도층(530) 상에 배치된 복수의 제1 전극(540)을 포함한다. 도 1 내지 2에 도시한 바와 같이, 각 전극(540) 상에 한 쌍의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 배치되며, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 사이에 두고 상부 전극 및 상부 기판이 하부 전극 및 하부 기판과 대칭인 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에는 복수의 제1 전극(540)과 대칭인 복수의 제2 전극(미도시), 제2 열전도층(530)과 대칭인 제3 열전도층(미도시), 그리고 제1 열전도층(520)과 대칭인 제4 열전도층(미도시)이 더 배치될 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위하여 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 아래에 배치되는 금속 지지체(510), 제1 열전도층(520), 제2 열전도층(530) 및 복수의 제1 전극(540)을 중심으로 설명하지만, 이와 동일한 구조가 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 상부 기판 측도 이와 동일한 구조로 형성될 수 있다.
금속 지지체(510)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다. 금속 지지체(510)는 제1 열전도층(520), 제2 열전도층(530), 복수의 제1 전극(540), 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 등을 지지할 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(500)가 적용되는 애플리케이션에 직접 부착되는 영역일 수 있다. 이를 위하여, 금속 지지체(510)의 폭은 제1 열전도층(520)의 폭보다 클 수 있으며, 금속 지지체(510)의 두께는 제1 열전도층(520)의 두께보다 클 수 있다.
제1 열전도층(520)은 금속 지지체(510) 상에 배치되며, 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진다. 제1 열전도층(520)의 두께(T3)는 0.01 내지 0.65mm, 바람직하게는 0.01 내지 0.6mm, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.55mm일 수 있으며, 열전도도는 10W/mK이상, 바람직하게는 20W/mK이상, 더욱 바람직하게는 30W/mK 이상일 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 복수의 판상의 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체를 포함할 수도 있다. 무기충전재는 질화알루미늄을 더 포함할 수도 있다. 여기서, 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]
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]
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, 금속 지지체(510)와 제1 열전도층(520)은 별도의 접착제 없이 직접 접합될 수 있다. 이를 위하여, 제1 열전도층(520)을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물을 비경화 상태로 금속 지지체(510) 상에 도포하고, 도포된 수지 조성물 상에 경화된 상태의 제1 열전도층(520)을 적층한 후 고온에서 가압하면, 금속 지지체(510)와 제1 열전도층(520)이 직접 접착될 수 있다.
한편, 제2 열전도층(530)은 실리콘 수지 및 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어질 수 있다. 제2 열전도층(530)은 제1 열전도층(520)과 복수의 제1 전극(540) 사이에 배치되며, 제1 열전도층(520)과 복수의 제1 전극(540)을 접착시키는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물에 포함되는 실리콘 수지는 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있고, 제2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물에 포함되는 무기충전재는 산화알루미늄일 수 있다. 이러한 수지 조성물은 열전도 성능뿐만 아니라, 높은 인장강도(tensil strength), 높은 열팽창 계수 및 접착 성능을 가지며, 경화되더라도 유연한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 수지 조성물은 1.8W/mK 이상의 열전도 성능을 가질 수 있으며, 125ppm/℃이상의 선형 열팽창 계수를 가질 수 있다. 또한, 제2열전도층(530)의 열전도도는 제1열전도층(520)의 열전도도 보다 낮은 특성을 갖을 수 있다. 이에 따라, 제1 열전도층(520)과 복수의 전극(540)은 열전도 성능이 저하되지 않으면서도 안정적으로 접착될 수 있다. 이때, 제2 열전도층(530)의 두께(T4)는 제1 열전도층(520)의 두께(T3)의 0.001 내지 1배, 바람직하게는 0.01 내지 0.5배, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.2배일 수 있다. 제2 열전도층(530)의 두께가 이러한 수치 범위로 형성되면, 제1 열전도층(520)의 열전도 성능을 저해하지 않으면서도, 제1 열전도층(520)과 복수의 제1 전극(540) 간 접착력을 유지할 수 있다.
이를 위하여, 제2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물을 비경화 상태로 제1 열전도층(520) 상에 도포하고, 도포된 수지 조성물 상에 복수의 제1 전극(540)을 적층한 후 고온에서 가압하면, 복수의 제1 전극(540)과 제1 열전도층(520)은 제2 열전도층(530)을 통하여 접착될 수 있다. 이에 따라, 복수의 전극(540)의 측면(542)의 적어도 일부는 제2 열전도층(530)에 매립될 수 있다. 예를 들어, 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H)의 0.1 내지 0.9배, 바람직하게는 0.2 내지 0.8배, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7배가 제2 열전도층(530)에 매립될 수 있다. 제2 열전도층(530)에 매립된 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H1)가 복수의 제1 전극(540)의 측면의 두께(H)의 0.1배 미만이면, 복수의 제1 전극(540) 중 적어도 일부가 제2 열전도층(530)으로부터 이탈될 가능성이 있으며, 제2 열전도층(530)에 매립된 복수의 제1 전극(540)의 측면(542)의 두께(H1)가 복수의 전극(540)의 측면(542)의 두께(H)의 0.9배를 초과하면, 복수의 제1 전극(540)의 적어도 일부 상에 제2 열전도층(530)을 이루는 수지 조성물이 흘러 들어 전극과 P형 열전 레그 간 접합력 및 전극과 N형 열전 레그 간의 접합력을 약화시킬 수 있다.
한편, 제2 열전도층(530)은 제1 열전도층(520)의 상면(524)뿐만 아니라, 제1 열전도층(520)의 측면(522)도 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제1 열전도층(520)의 측면(522)과 접촉하는 금속 지지체(510)의 상면(512)에도 배치될 수 있다. 제2 열전도층(530)이 제1 열전도층(520)의 상면(524), 제1 열전도층(520)의 측면(522), 및 제1 열전도층(520)의 측면(522)과 접촉하는 금속 지지체(510)의 상면(512)에 배치되면, 제1 열전도층(520)의 가장자리에서 금속 지지체(510) 및 제1 열전도층(520) 간의 접합력을 높일 수 있으며, 온도 변화에 따라 제1 열전도층(520)의 가장자리가 금속 지지체(510)로부터 박리되는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 제2 열전도층(530)은 열팽창 계수가 높고, 경화되더라도 유연한 특성을 가지므로, 온도 변화에 의한 열 충격으로부터 완충 작용을 하여 제1 열전도층(510)과 복수의 제1 전극(540)을 보호할 수 있다.
이와 같이, 제2 열전도층(530)이 제1 열전도층(520)의 상면(524)뿐만 아니라 제1 열전도층(520)의 측면(522)도 둘러싸도록 배치되기 위하여, 제2 열전도층(530)의 폭(W2)은 제1 열전도층(520)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 열전도층(530)의 폭(W2)은 제1 열전도층(520)의 폭(W1)의 1.01 내지 1.2배일 수 있다. 제2 열전도층(530)의 폭(W2)이 제1 열전도층(520)의 폭(W1)보다 클 경우, 제1 열전도층(520)과 금속 지지체(510) 간의 접합력이 향상되며, 제1 열전도층(520)과 복수의 전극(540) 간 열충격이 완화될 수 있다.
한편, 도 6에서 도시된 바와 같이, 제2 열전도층(530)은 금속 지지체(510) 상에서 금속 지지체(510)의 상면(512)과 평행한 방향으로 더 연장될 수도 있다. 연장된 폭(W3)은 도 5에 도시된 구조를 가지는 제2 열전도층(530)의 폭(W2)의 0.001 내지 0.2배, 바람직하게는 0.01 내지 0.1배일 수 있다. 이와 같이, 제2 열전도층(530)이 금속 지지체(510) 상에서 금속 지지체(510)의 상면(512)과 평행한 방향으로 더 연장되면, 제2 열전도층(530)과 금속 지지체(510) 간의 접촉 면적이 넓어지므로, 제1 열전도층(520)의 가장자리가 금속 지지체(510)로부터 박리되는 문제를 방지할 수 있다.
또는, 도 7과 같이, 제2열전도층(530)은 제1 열전도층(520)의 측면(522)으로부터 옆으로 퍼지는 형상으로 배치될 수도 있다. 즉, 제2 열전도층(530)의 두께(T4)는 제1 열전도층(520)의 측면(522)에서 가장 두껍게 형성되고, 제1 열전도층(520)의 측면으로부터 멀어질수록 얇아질 수 있다. 이와 같이, 제2열전도층(530)의 폭(W4)이 넓게 배치되면, 제2 열전도층(530)과 금속 지지체(510) 간의 접촉 면적이 넓어지므로 제1 열전도층(520)과 금속 지지체(510)가 박리되는 문제를 해결할 수 있다.
또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 금속 지지체(510)에는 홈(514)이 형성되며, 제2 열전도층(530)은 금속 지지체(510)의 홈(514) 내에 더 배치될 수도 있다. 홈(514)은 제1 열전도층(520)의 가장자리를 따라 형성되며, 제1 열전도층(520)의 두께(T3)의 0.001 내지 2배, 바람직하게는 0.01 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1배의 깊이(D)로 형성될 수 있다. 이와 같이, 금속 지지체(510)에 홈(514)이 형성되고, 홈(514) 내에 제2 열전도층(530)이 더 배치되면, 제2 열전도층(530)과 금속 지지체(510) 간의 접촉 면적이 넓어지므로, 제1 열전도층(520)의 가장자리가 금속 지지체(510)로부터 박리되는 문제를 방지할 수 있다. 이때, 홈(514)은 제1 열전도층(520)의 가장자리를 따라 연속된 형상으로 금속 지지체(510)의 상면에 형성될 수 있다. 또는, 복수의 홈(514)이 제1 열전도층(520)의 가장자리를 따라 소정 간격으로 이격되어 파선 형상으로 금속 지지체(510)의 상면에 형성될 수도 있다.
또는, 도9에 도시된 바와 같이, 제1열전도층(520)의 측면(522)에 배치된 제2열전도층(530)의 폭(W5)는 금속 지지체(510)의 홈(514)의 폭(W6)보다 넓을 수 있다. 즉, 홈(514)에 배치된 제2열전도층(530)의 폭(W6)은 제1열전도층(520)의 측면(522)에 배치된 제2열전도층(530)의 폭(W5)보다 좁을 수 있다. 이와 같이 제2열전도층(530)의 폭(W5)가 넓게 배치되면 제2 열전도층(530)과 금속 지지체(510) 간의 접촉 면적이 넓어지므로 제1 열전도층(520)의 가장자리가 금속 지지체(510)로부터 박리되는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만 제1열전도층(520)의 측면(522)에 배치된 제2열전도층(530)의 폭(W5)는 금속 지지체(510)의 홈(514)의 폭(W6)보다 넓으며 금속 지지체(510)의 상면(512)에 접촉하여 배치될 수도 있다.
이하에서는 도 10를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예를 설명한다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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 열전 모듈(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 열전 모듈(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, 열전 모듈(1000)의 사이에 배치되어, 열전 모듈(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.
열전 모듈(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 열전 모듈(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예를 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예시도이다.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전 모듈(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.
열전 모듈(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전 모듈(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 열전 모듈(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 (10)
- 금속 지지체,
상기 금속 지지체 상에 직접 배치되며, 수지 조성물로 이루어진 제1 열전도층,
상기 제1 열전도층 상에 배치되며, 수지 조성물로 이루어진 제2 열전도층,
상기 제2 열전도층 상에 배치된 복수의 제1 전극,
상기 복수의 제1 전극 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 그리고
상기 복수의 제2 전극 상에 배치되며, 상기 제1 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물 또는 상기 제2 열전도층을 이루는 수지 조성물과 동일한 수지 조성물로 이루어진 제3 열전도층을 포함하고,
상기 금속 지지체의 폭은 상기 제2 열전도층의 폭보다 크며,
상기 제1 열전도층의 폭은 상기 제2 열전도층의 폭과 상이하고,
상기 복수의 제1 전극의 측면의 적어도 일부는 상기 제2 열전도층에 매립되며,
상기 제2 열전도층은 이웃하는 복수의 제1 전극들 사이를 연결하도록 배치되는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층보다 두꺼운 영역을 가지는 열전소자. - 제2항에 있어서,
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층의 측면에서 상기 제1 열전도층보다 두꺼운 영역을 가지는 열전소자. - 제3항에 있어서,
상기 제2 열전도층은 상기 제1 열전도층의 측면으로부터 멀어질수록 얇아지는 영역을 가지는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 열전도층의 폭은 상기 제1 열전도층의 폭보다 큰 열전소자. - 제5항에 있어서,
상기 제2 열전도층의 폭은 상기 제1 열전도층의 폭의 1.01 내지 1.2배인 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전도층의 열전도도는 상기 제2 열전도층의 열전도도보다 높은 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전도층 및 상기 제2 열전도층 각각은 무기충전재를 포함하는 열전소자. - 제8항에 있어서,
상기 제2 열전도층은 실리콘 수지를 더 포함하는 열전소자. - 제8항에 있어서,
상기 제1 열전도층에 포함되는 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 열전소자.
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