KR20200089673A - 절연 전열 기판, 열전 변환 모듈, 및, 절연 전열 기판의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이 절연 전열 기판은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열 전달층과, 이 열 전달층의 일방의 면측에 배치 형성된 도전층과, 상기 도전층과 상기 열 전달층 사이에 형성된 유리층을 갖고, 상기 도전층은, 은의 소성체로 구성되어 있고, 상기 유리층의 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 열 전달층과 도전층을 구비하고, 이들 열 전달층과 도전층이 전기적으로 절연된 절연 전열 기판, 이 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈, 및, 절연 전열 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은, 2017년 12월 6일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-234319호 및 2018년 11월 20일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2018-217595호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
열전 변환 모듈은, 제베크 효과 혹은 펠티에 효과를 갖는 열전 변환 소자를 사용하여, 열 에너지를 전기 에너지로, 혹은, 전기 에너지를 열 에너지로 변환하는 것이다.
상기 서술한 열전 변환 모듈에 있어서는, 예를 들어, n 형 열전 변환 소자와 p 형 열전 변환 소자를 교대로 직렬 접속한 구조의 것이 제안되어 있다. 이와 같은 열전 변환 모듈에 있어서는, 복수의 열전 변환 소자의 일단측 및 타단측에 각각 전열판이 배치되고, 이들 전열판에 각각 배치 형성된 도전층에 의해 열전 변환 소자끼리가 직렬 접속된 구조로 되어 있다.
그리고, 열전 변환 소자의 일단측에 배치 형성된 전열판과 열전 변환 소자의 타단측에 배치 형성된 전열판 사이에서 온도차를 발생시킴으로써, 제베크 효과에 의해, 전기 에너지를 발생시키는 것이 가능해진다.
혹은, 열전 변환 소자에 전류를 흘림으로써, 펠티에 효과에 의해, 열전 변환 소자의 일단측에 배치 형성된 전열판과 열전 변환 소자의 타단측에 배치 형성된 전열판 사이에 온도차를 발생시키는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 서술한 전열판으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 금속 기판의 표면에 법랑층이 형성되고, 이 법랑층의 금속 기판과는 반대측에 전극이 형성된 법랑 기판이 사용되는 경우가 있다. 이 법랑 기판에 있어서는, 법랑층에 의해, 금속 기판과 전극이 전기적으로 절연된 구조로 되어 있다.
또, 상기 서술한 법랑 기판은, 예를 들어 LED 소자를 사용한 LED 모듈 등에 있어서도 사용되고 있다.
여기서, 상기 서술한 법랑 기판에 있어서는, 절연성을 확보하기 위해 법랑층의 두께가 비교적 두껍게 형성되어 있는 점에서, 적층 방향의 열 저항이 커져, 소자에 있어서 발생한 열을 충분히 전열시키지 못할 우려가 있었다.
또, 법랑층이 두꺼운 경우, 법랑층에 사용하는 유리와, 법랑층 상에 형성하는 회로용 금속의 열 팽창차로 인해, 고온하에서는 열 응력에 의해 계면이 파괴될 우려가 있었다.
본 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 충분한 절연성을 가짐과 함께 높은 전열성을 갖고, 비교적 용이하게 제조하는 것이 가능한 절연 전열 기판, 및, 이 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈, 및, 상기 서술한 절연 전열 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 절연 전열 기판은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열 전달층과, 이 열 전달층의 일방의 면측에 배치 형성된 도전층과, 상기 도전층과 상기 열 전달층 사이에 형성된 유리층을 갖고, 상기 도전층은, 은의 소성체로 구성되어 있고, 상기 유리층의 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 절연 전열 기판에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열 전달층의 일방의 면에, 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내인 유리층을 개재하여 도전층이 형성되어 있으므로, 열 전달층과 도전층 사이의 절연성을 확보할 수 있음과 함께, 적층 방향의 열 저항을 작게 할 수 있어, 전열성이 우수하다.
또, 도전층이 은의 소성체로 구성되어 있으므로, 은을 함유하는 페이스트를 패턴상으로 도포하고 소성함으로써, 도전층에 회로 패턴을 형성할 수 있다.
여기서, 본 발명의 절연 전열 기판에 있어서는, 상기 유리층은, 상기 열 전달층의 일방의 면에 패턴상으로 형성된 구성으로 해도 된다.
이 경우, 열 전달층의 일방의 면에 유리층이 패턴상으로 형성되고, 이 유리층 상에 도전층이 형성되어 있으므로, 유리층이 표면에 크게 노출되어 있지 않아, 취급성이 우수하다.
또한, 도전층의 패턴은 유리층의 패턴의 치수와 완전히 동일하거나, 그것보다 작게 하면 된다.
또, 본 발명의 절연 전열 기판에 있어서는, 상기 도전층의 두께가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 도전층의 두께가 상기 서술한 바와 같이 규정되어 있으므로, 도전층에 있어서의 전기 전도성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 절연 전열 기판에 있어서는, 상기 열 전달층은, 복수의 블록체로 분할되어 있고, 하나의 블록체에 대해, 각각 상기 유리층 및 상기 도전층이 형성되어 있는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 열 전달층이 복수의 블록체로 분할되어 있으므로, 열 팽창 계수가 상이한 열 전달층 및 유리층의 접합 면적을 비교적 작게 구성할 수 있어, 이것들의 열 팽창차로 인한 휨 등을 억제할 수 있다. 또, 스켈리턴형 또는 하프 스켈리턴형의 열전 변환 모듈용의 절연 전열 기판으로서 이용할 수 있다.
또, 본 발명의 절연 전열 기판에 있어서는, 상기 열 전달층의 타방의 면측에도, 상기 유리층 및 상기 도전층이 형성되어 있는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 상기 열 전달층의 일방의 면측 및 타방의 면측에 각각 상기 유리층 및 상기 도전층이 형성되어 있으므로, 상기 열 전달층의 양면에 각각 열전 변환 소자를 배치 형성할 수 있어, 적층형의 열전 변환 모듈을 구성할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 모듈은, 복수의 열전 변환 소자와, 이들 열전 변환 소자의 일단측에 배치 형성된 제 1 도전층 및 타단측에 배치 형성된 제 2 도전층을 갖고, 상기 제 1 도전층 및 상기 제 2 도전층을 개재하여 복수의 상기 열전 변환 소자가 전기적으로 접속하여 이루어지는 열전 변환 모듈로서, 상기 열전 변환 소자의 일단측 및 타단측의 적어도 일방 또는 양방에, 상기 서술한 절연 전열 기판이 배치 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 경우, 상기 열전 변환 소자의 일단측 및 타단측의 적어도 일방 또는 양방에, 상기 서술한 절연 전열 기판이 배치 형성되어 있으므로, 적층 방향의 열 전도성이 우수하여, 열전 변환 소자의 열을 열 전달층으로 효율적으로 전달할 수 있다. 따라서, 열전 변환 효율이 우수해진다.
또, 도전층과 열 전달층 사이의 절연성이 확보되어 있으므로, 사용 전압에 있어서의 내전압성을 가지고 있어, 안정적으로 사용하는 것이 가능해진다.
본 발명의 절연 전열 기판의 제조 방법은, 상기 서술한 절연 전열 기판의 제조 방법으로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판의 일방의 면에, 유리 페이스트를 도포하고 소성하여, 유리층을 형성하는 유리층 형성 공정과, 상기 유리층 상에, 유리 함유 은 페이스트를 도포하고 소성하여, 도전층을 형성하는 도전층 형성 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성으로 된 절연 전열 기판의 제조 방법에 의하면, 유리 페이스트를 도포하고 소성하여, 유리층을 형성하는 유리층 형성 공정과, 상기 유리층 상에, 유리 함유 은 페이스트를 도포하고 소성하여, 도전층을 형성하는 도전층 형성 공정을 구비하고 있으므로, 열 전달층의 일방의 면에 도전층 및 유리층을 비교적 용이하게 형성할 수 있어, 절연 전열 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
또, 유리 함유 은 페이스트를 패턴상으로 도포하고 소성함으로써, 도전층에 회로 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 유리 함유 은 페이스트의 도포를 복수 회 실시하여, 도포 두께를 확보해도 된다.
여기서, 본 발명의 절연 전열 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 도전층 형성 공정에서는, 유리 함유 은 페이스트를 도포한 후에, 추가로 은 페이스트를 도포하고, 그 후, 소성을 실시하는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 은의 소성체의 두께를 확보하는 것이 가능해져, 도전층의 저항을 작게 할 수 있다.
또, 본 발명의 절연 전열 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 유리층 형성 공정에 있어서는, 상기 유리 페이스트를 패턴상으로 도포하는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 알루미늄판 (열 전달층) 의 일방의 면 중 도전층이 형성되는 영역에만 유리층이 형성되므로, 대형의 알루미늄판을 사용하여 복수 장의 절연 전열 기판을 형성하고, 그 후, 유리층이 형성되어 있지 않은 영역에서 알루미늄판을 절단할 수 있어, 더욱 효율적으로 절연 전열 기판을 제조하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 절연 전열 기판의 제조 방법에 있어서는, 상기 유리층을 패턴상으로 형성한 상기 유리층 상에 상기 도전층을 형성하고, 그 후, 상기 알루미늄판을 복수의 블록체로 분할하는 구성으로 해도 된다.
이 경우, 상기 열 전달층이 복수의 블록체로 분할된 구조의 절연 전열 기판을 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 충분한 절연성을 가짐과 함께 높은 전열성을 갖고, 비교적 용이하게 제조하는 것이 가능한 절연 전열 기판, 및, 이 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈, 및, 상기 서술한 절연 전열 기판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판을 구비한 열전 변환 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 제조 방법 및 열전 변환 모듈의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 제조 방법 및 열전 변환 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 6 은, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 8 은, 도 7 에 나타내는 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈의 개략 설명도이다.
도 9 는, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다.
도 10 은, 도 9 에 나타내는 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 제조 방법 및 열전 변환 모듈의 제조 방법을 나타내는 플로도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태인 절연 전열 기판의 제조 방법 및 열전 변환 모듈의 제조 방법의 개략 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 6 은, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다. (a) 가 상면도, (b) 가 측면도이다.
도 8 은, 도 7 에 나타내는 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈의 개략 설명도이다.
도 9 는, 본 발명의 다른 실시형태인 절연 전열 기판의 개략 설명도이다.
도 10 은, 도 9 에 나타내는 절연 전열 기판을 사용한 열전 변환 모듈의 개략 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 각 실시형태는, 발명의 취지를 보다 잘 이해시키기 위해 구체적으로 설명하는 것으로, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해, 편의상, 주요부가 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 할 수 없다.
본 실시형태에 관련된 열전 변환 모듈 (10) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태인 제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30) 과, 복수의 기둥상을 이루는 열전 변환 소자 (11) 를 구비하고 있다.
복수의 기둥상을 이루는 열전 변환 소자 (11) 의 길이 방향의 일단측 (도 1 에 있어서 하측) 에 제 1 절연 전열 기판 (20) 이 배치 형성되고, 열전 변환 소자 (11) 의 길이 방향의 타단측 (도 1 에 있어서 상측) 에 제 2 절연 전열 기판 (30) 이 배치 형성되어 있고, 제 1 절연 전열 기판 (20) 에 형성된 제 1 도전층 (25) 및 제 2 절연 전열 기판 (30) 에 형성된 제 2 도전층 (35) 에 의해, 복수의 기둥상을 이루는 열전 변환 소자 (11) 가 전기적으로 직렬 접속되어 있다.
본 실시형태인 열전 변환 모듈 (10) 에 있어서는, 예를 들어, 제 1 절연 전열 기판 (20) 측을 저온부로 하고, 제 2 절연 전열 기판 (30) 측을 고온부로 하여 사용되고, 열 에너지와 전기 에너지의 변환이 실시된다.
제 1 절연 전열 기판 (20) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 1 열 전달층 (21) 과, 이 제 1 열 전달층 (21) 의 일방의 면에 제 1 유리층 (23) 을 개재하여 적층된 제 1 도전층 (25) 을 가지고 있다.
본 실시형태인 제 1 절연 전열 기판 (20) 에 있어서는, 제 1 유리층 (23) 은 패턴상으로 형성되어 있고, 제 1 절연 전열 기판 (20) 의 일방의 면 중 제 1 도전층 (25) 이 형성되어 있지 않은 영역에는, 제 1 유리층 (23) 이 형성되어 있지 않다.
여기서, 제 1 열 전달층 (21) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판으로 구성되어 있고, 그 두께가 예를 들어 0.1 mm 이상으로 되어 있다.
또한, 알루미늄으로는, 예를 들어, 순도 99 mass％ 이상의 알루미늄 (2N 알루미늄), 순도 99.9 mass％ 이상의 알루미늄 (3N 알루미늄), 순도 99.99 mass％ 이상의 알루미늄 (4N 알루미늄) 등의 순알루미늄을 사용할 수 있다. 알루미늄 합금으로는, 예를 들어, A6061 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 제 1 열 전달층 (21) 을 구성하는 알루미늄판으로서, A6061 합금을 사용하고 있다.
제 1 도전층 (25) 은, 은의 소성체로 구성되어 있고, 제 1 열 전달층 (21) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 회로 패턴상으로 형성되어 있다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 제 1 도전층 (25) 의 두께 (ta) 가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다.
제 1 열 전달층 (21) 과 제 1 도전층 (25) 사이에 개재되는 제 1 유리층 (23) 은, 제 1 열 전달층 (21) 과 제 1 도전층 (25) 을 전기적으로 절연하는 절연층으로서 기능한다.
여기서, 제 1 유리층 (23) 의 두께 (tg) 가 5 ㎛ 미만인 경우에는, 열전 변환 모듈 (10) 을 제작하는 경우에 있어서, 열전 변환 소자 (11) 를 접합할 때의 가압이나, 열전 변환 모듈 (10) 을 사용할 때의 가압에 의해, 제 1 유리층 (23) 이 파손되고, 제 1 열 전달층 (21) 과 제 1 도전층 (25) 이 단락되어, 열전 변환 모듈의 발전 성능이 저하될 우려가 있다. 한편, 제 1 유리층 (23) 의 두께 (tg) 가 50 ㎛ 를 초과하는 경우에는, 제 1 유리층 (23) 과 제 1 열 전달층 (21) 의 계면에서 박리가 발생할 우려가 있다.
이상으로부터, 본 실시형태에 있어서는, 제 1 유리층 (23) 의 두께 (tg) 를 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 규정하고 있다.
또한, 열전 변환 모듈 (10) 의 제작시나 사용시의 가압에 의한 제 1 유리층 (23) 의 파손을 더욱 억제하기 위해서는, 제 1 유리층 (23) 의 두께 (tg) 의 하한을 10 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 제 1 유리층 (23) 과 제 1 열 전달층 (21) 의 계면에서의 박리를 더욱 억제하기 위해서는, 제 1 유리층 (23) 의 두께 (tg) 의 상한을 40 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 25 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
제 2 절연 전열 기판 (30) 은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 제 2 열 전달층 (31) 과, 이 제 2 열 전달층 (31) 의 일방의 면에 제 2 유리층 (33) 을 개재하여 적층된 제 2 도전층 (35) 을 가지고 있다.
이 제 2 절연 전열 기판 (30) 은, 상기 서술한 제 1 절연 전열 기판 (20) 과 동일한 구성으로 되어 있고, 은의 소성체로 이루어지는 제 2 도전층 (35) 의 두께 (ta) 가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내로 되고, 제 2 열 전달층 (31) 과 제 2 도전층 (35) 사이에 개재되는 제 2 유리층 (33) 의 두께 (tg) 가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있다. 또, 제 2 열 전달층 (31) 은 A6061 합금으로 구성되어 있고, 그 두께가 0.1 mm 이상으로 되어 있다.
또, 제 2 절연 전열 기판 (30) 에 있어서는, 제 2 유리층 (33) 은 패턴상으로 형성되어 있고, 제 2 절연 전열 기판 (30) 의 일방의 면 중 제 2 도전층 (35) 이 형성되어 있지 않은 영역에는, 제 2 유리층 (33) 이 형성되어 있지 않다.
여기서, 제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33) 을 구성하는 유리로는, 납 (Pb) 을 함유하지 않는 무연 (無鉛) 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
무연 유리로는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 무연 유리로는, Bi2O3, ZnO, 및 B2O3 을 필수 성분으로 하고, 이것에, SiO2, Al2O3, Fe2O3, CuO, CeO2, ZrO2, Li2O, Na2O, 및 K2O 등의 알칼리 금속 산화물, 그리고 MgO, CaO, BaO, 및 SrO 등의 알칼리 토금속 산화물에서 선택되는 1 종 이상이, 필요에 따라 적절히 첨가된 것을 사용할 수 있다.
열전 변환 소자 (11) 는, n 형 열전 변환 소자 (11a) 와 p 형 열전 변환 소자 (11b) 를 가지고 있고, 이들 n 형 열전 변환 소자 (11a) 와 p 형 열전 변환 소자 (11b) 가 교대로 배열되어 있다.
또한, 이 열전 변환 소자 (11) 의 일단면 및 타단면에는, 메탈라이즈층 (도시 없음) 이 각각 형성되어 있다. 메탈라이즈층으로는, 예를 들어, 니켈, 은, 코발트, 텅스텐, 또는 몰리브덴 등이나, 혹은 그것들의 금속 섬유로 형성된 부직포 등을 사용할 수 있다. 또한, 메탈라이즈층의 최표면 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35) 과의 접합면) 은, Au 또는 Ag 로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
n 형 열전 변환 소자 (11a) 및 p 형 열전 변환 소자 (11b) 는, 예를 들어, 텔루르 화합물, 스커터루다이트, 충전 스커터루다이트, 허슬러, 하프 허슬러, 클래스레이트, 실리사이드, 산화물, 또는 실리콘 게르마늄 등의 소결체로 구성되어 있다.
n 형 열전 변환 소자 (11a) 의 재료로서, 예를 들어, Bi2Te3, PbTe, La3Te4, CoSb3, FeVAl, ZrNiSn, Ba8Al16Si30, Mg2Si, FeSi2, SrTiO3, CaMnO3, ZnO, 또는 SiGe 등이 사용된다.
또, p 형 열전 변환 소자 (11b) 의 재료로서, 예를 들어, Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe, TAGS (＝ Ag-Sb-Ge-Te), Zn4Sb3, CoSb3, CeFe4Sb12, Yb14MnSb11, FeVAl, MnSi1.73, FeSi2, NaxCoO2, Ca3Co4O7, Bi2Sr2Co2O7, 또는 SiGe 등이 사용된다.
또한, 도펀트에 의해 n 형과 p 형의 양방을 취할 수 있는 화합물과, n 형이나 p 형의 어느 일방만의 성질을 가지는 화합물이 있다.
다음으로, 상기 서술한 본 실시형태인 절연 전열 기판 (제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30)) 의 제조 방법, 및, 열전 변환 모듈 (10) 의 제조 방법에 대해, 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다.
(유리층 형성 공정 S01)
먼저, 제 1 열 전달층 (21) 이 되는 알루미늄판 (41) 의 일방의 면, 및, 제 2 열 전달층 (31) 이 되는 알루미늄판 (51) 의 일방의 면에, 후술하는 유리 분말을 함유하는 유리 페이스트 (42, 52) 를 도포하고, 소성을 실시하여, 제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33) 을 형성한다. 또한, 이 유리 페이스트에는 은은 함유되어 있지 않다.
본 실시형태에 있어서는, 유리 페이스트를 패턴상으로 도포하고 소성함으로써, 제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33) 을 패턴상으로 형성하고 있다.
또한, 유리 페이스트의 도포 방법에 한정은 없고, 기존의 방법을 적절히 선택하는 것이 바람직하다.
또, 예를 들어, 유리 페이스트의 도포 횟수를 조정함으로써, 원하는 두께의 제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33) 을 얻을 수 있다.
또한, 유리 페이스트 (42, 52) 의 소성 조건은, 대기 분위기, 가열 온도 : 400 ℃ 이상 600 ℃ 이하, 가열 온도에서의 유지 시간 : 10 분 이상 60 분 이하의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
(도전층 형성 공정 S02)
다음으로, 제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33) 상에, 유리 함유 은 페이스트 (43, 53) 를 도포하고, 필요가 있으면, 추가로 은 페이스트를 도포하고, 건조 후에 소성하여, 제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35) 을 형성한다.
또한, 은 페이스트에는 유리 분말은 함유되어 있지 않다. 또, 유리 함유 은 페이스트로는, 후술하는 유리 분말과 은 성분을 함유하는 페이스트이다. 은 성분은 은 페이스트와 동일하게 할 수 있다.
여기서, 본 실시형태에서는, 제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35) 의 두께를 확보하기 위해, 유리 함유 은 페이스트를 도포하고, 그 위에 은 페이스트를 도포하고 있다.
또한, 은 페이스트 또는 유리 함유 은 페이스트의 도포 방법에 한정은 없고, 기존의 방법을 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 또, 유리 함유 은 페이스트 및 은 페이스트를 각각 복수 회 도포해도 된다.
이와 같이, 도포 횟수를 조정함으로써, 제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35) 의 두께를 원하는 두께로 할 수 있다.
또한, 은 페이스트 또는 유리 함유 은 페이스트의 소성 조건은, 대기 분위기, 가열 온도 : 400 ℃ 이상 600 ℃ 이하, 가열 온도에서의 유지 시간 : 10 분 이상 60 분 이하의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시형태에 있어서 유리 페이스트 및 유리 함유 은 페이스트에 함유되는 유리 분말은, 상기 서술한 바와 같이 무연 유리 분말로 되어 있고, 구체적인 조성은,
Bi2O3 : 68 질량％ 이상 93 질량％ 이하,
ZnO : 1 질량％ 이상 20 질량％ 이하,
B2O3 : 1 질량％ 이상 11 질량％ 이하,
SiO2 : 5 질량％ 이하,
Al2O3 : 5 질량％ 이하,
Fe2O3 : 5 질량％ 이하,
CuO : 5 질량％ 이하,
CeO2 : 5 질량％ 이하,
ZrO2 : 5 질량％ 이하,
알칼리 금속 산화물 : 2 질량％ 이하,
알칼리 토금속 산화물 : 7 질량％ 이하로 되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 유리 페이스트는, 유리 분말과, 용제로 이루어진다. 또, 은 페이스트는, 은 분말과, 용제로 이루어진다. 유리 함유 은 페이스트는, 은 분말과, 유리 분말과, 용제로 이루어진다. 또한, 필요에 따라 수지나 분산제를 함유해도 된다. 또, 은 분말 대신에, 산화은과 환원제를 함유시켜도 된다.
이상과 같이 하여, 본 실시형태인 절연 전열 기판 (제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30)) 이 제조된다.
(열전 변환 소자 접합 공정 S03)
그리고, 열전 변환 소자 (11) 의 일단측에 제 1 절연 전열 기판 (20) 의 제 1 도전층 (25) 을 접합하고, 열전 변환 소자 (11) 의 타단측에 제 2 절연 전열 기판 (30) 의 제 2 도전층 (35) 을 접합한다. 또한, 열전 변환 소자 접합 공정 S03 에 있어서의 열전 변환 소자 (11) 와 제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35) 의 접합 방법은, 특별히 제한은 없고, 기존의 방법을 적절히 선택하여 적용할 수 있다. 예를 들어, 은 접합재를 사용하여, 열전 변환 소자와 도전층을 접합하는 방법이 있다.
이상의 공정에 의해, 본 실시형태인 열전 변환 모듈 (10) 이 제조된다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 절연 전열 기판 (제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30)) 에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 의 일방의 면에, 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내인 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 을 개재하여 도전층 ((제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 이 형성되어 있으므로, 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 과 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 사이의 절연성을 충분히 확보할 수 있음과 함께, 적층 방향의 열 저항을 작게 할 수 있어, 전열성이 우수하다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 이 패턴상으로 형성되어 있고, 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 의 일방의 면 중 도전층 ((제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 이 형성되지 않는 영역에는 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 이 형성되지 않으므로, 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 이 표면에 크게 노출되어 있지 않아, 취급성이 우수하다.
또, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 이, 은의 소성체로 구성되어 있고, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 의 두께 (ta) 가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있으므로, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 에 있어서의 전기 전도성을 확보할 수 있다.
본 실시형태인 열전 변환 모듈 (10) 에 의하면, 열전 변환 소자 (11) 의 일단측에 제 1 절연 전열 기판 (20) 이 배치 형성되고, 열전 변환 소자 (11) 의 타단측에 제 2 절연 전열 기판 (30) 이 배치 형성되어 있으므로, 적층 방향의 열 전도성이 우수하여, 열전 변환 소자 (11) 의 열을 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 으로 효율적으로 전달할 수 있다. 따라서, 열전 변환 효율이 우수해진다.
또, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 과 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 사이의 절연성이 확보되어 있으므로, 사용 전압에 있어서의 내전압성을 가지고 있어, 안정적으로 사용하는 것이 가능해진다.
본 실시형태인 절연 전열 기판 (제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30)) 의 제조 방법에 의하면, 유리 페이스트를 도포하고 소성하여, 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 을 형성하는 유리층 형성 공정 S01 과, 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 상에, 은 페이스트 또는 유리 함유 은 페이스트를 도포하고 소성하여, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 을 형성하는 도전층 형성 공정 S02 를 구비하고 있으므로, 열 전달층 (제 1 열 전달층 (21) 및 제 2 열 전달층 (31)) 의 일방의 면에 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 및 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 을 비교적 용이하게 또한 자유로운 패턴으로 형성할 수 있어, 제 1 절연 전열 기판 (20) 및 제 2 절연 전열 기판 (30) 을 효율적으로 제조할 수 있다.
또, 은 페이스트 또는 유리 함유 은 페이스트를 패턴상으로 도포하고 소성함으로써, 도전층 (제 1 도전층 (25) 및 제 2 도전층 (35)) 에 회로 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 유리층 형성 공정 S01 에 있어서, 유리 페이스트를 패턴상으로 도포하고 소성하여, 유리층 (제 1 유리층 (23) 및 제 2 유리층 (33)) 을 패턴상으로 형성하고 있으므로, 알루미늄판의 일방의 면 중 도전층이 형성되지 않는 영역에는 유리층이 형성되지 않고, 대형의 알루미늄판을 사용하여 복수 장의 절연 전열 기판을 형성하고, 그 후, 알루미늄판을 절단함으로써, 더욱 효율적으로 절연 전열 기판을 제조하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에서는, 유리 페이스트 및 유리 함유 은 페이스트에 함유되는 유리로서 비납계의 유리를 사용하고 있으므로, 환경에 대한 부하를 경감시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 경우는 없고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 열전 변환 모듈에 사용하는 절연 전열 기판을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 경우는 없고, 본 발명의 절연 전열 기판을 LED 모듈에 사용해도 된다. 또, 본 발명의 절연 전열 기판을 펠티에 모듈에 사용해도 된다.
또, 본 실시형태에서는, 유리층을 형성하는 유리의 조성으로서, 상기 서술한 조성의 무연 유리를 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 경우는 없고, 다른 조성의 유리를 사용해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 열 전달층을 형성하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 A6061 합금을 예로 들어 설명하였지만, 이것으로 한정되는 경우는 없고, 다른 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기 서술한 조성의 무연 유리 분말을 함유하는 유리 페이스트를 사용하여 유리층을 형성하는 것으로서 설명하였지만, 이것으로 한정되는 경우는 없고, 다른 조성의 유리 분말을 함유하는 유리 페이스트를 사용해도 된다.
예를 들어, SiO2, TiO2, R2O (R 은 알칼리 금속) 를 주성분으로 하고, 부성분으로서 알칼리 토금속의 산화물, ZnO, P2O5 및 Sb2O3 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 유리 분말을 사용해도 된다. 이 조성의 유리 분말을 함유하는 유리 페이스트에 있어서는, 형성되는 유리층의 열 팽창 계수가 비교적 크고, 도전층을 구성하는 금속에 근사하기 때문에, 휨을 억제하는 것이 가능해진다. 또, 소성 온도를 예를 들어 600 ∼ 650 ℃ 로 비교적 높게 설정할 수 있어, 치밀한 은의 소성체를 형성하는 것이 가능해진다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 예를 들어, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 열 전달층 (121) 의 일면의 전체에 유리층 (123) 이 형성되고, 이 유리층 (123) 상에, 도전층 (125) 이 패턴상으로 형성된 구조의 절연 전열 기판 (120) 이어도 된다.
혹은, 예를 들어, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 열 전달층 (221) 의 일면의 유리층 (223) 이 패턴상으로 형성되고, 패턴상으로 형성된 유리층 (223) 상에, 도전층 (225) 이 형성된 구조의 절연 전열 기판 (220) 이어도 된다.
또한, 예를 들어, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 열 전달층 (321) 이 복수의 블록체로 분할되고, 하나의 블록체에 대해, 각각 유리층 (323) 및 도전층 (325) 이 형성된 구조의 절연 전열 기판 (320) 이어도 된다.
이 경우, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 열전 변환 소자 (11) 의 일단측에 도 7 에 나타내는 절연 전열 기판 (320) 이 배치 형성되고, 열전 변환 소자 (11) 의 타단측에 열 전달층 (331) 으로서 히트 싱크 (열 교환기) 를 갖는 절연 회로 기판 (330) 이 배치 형성된 구조의 열전 변환 모듈 (310) 을 구성할 수 있다. 이 구성의 열전 변환 모듈 (310) 에 있어서는, 열전 변환 소자 (11) 의 일단측이 구속되어 있지 않기 때문에, 열 변형의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 도 7 에 나타내는 절연 전열 기판 (320) 에 있어서는, 제조 방법에 특별히 제한은 없지만, 열 전열층 (321) 이 되는 알루미늄판의 일면에 유리층 (323) 을 패턴상으로 형성함과 함께, 이 유리층 (323) 상에 도전층 (325) 을 형성하고, 그 후, 상기 알루미늄판을 복수의 블록체로 분할함으로써, 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다. 여기서, 알루미늄판을 절단함으로써 복수의 블록체로 분할해도 되고, 알루미늄판을 타발 (打拔) 가공함으로써 복수의 블록체로 분할해도 된다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 예를 들어, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 열 전달층 (421) 의 일면 및 타면에, 각각 유리층 (423) 및 도전층 (425) 이 형성된 구조의 절연 전열 기판 (420) 이어도 된다.
이 경우, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 절연 전열 기판 (420) 을 개재하여 복수의 열전 변환 소자 (11) 가 적층된 구조의 열전 변환 모듈 (410) 을 구성하는 것이 가능해진다.
실시예
본 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.
상기 서술한 실시형태와 동일한 방법으로 표 1 에 나타내는 구조의 절연 전열 기판을 제작하였다.
표 1 에 기재된 열 전달층 상에 유리 페이스트를 표 1 에 기재된 두께가 되도록 도포 횟수를 조정하여 도포한 후, 소성하여, 유리층을 형성하였다. 유리층 상에 유리 함유 은 페이스트를 도포하고, 건조시킨 후, 은 페이스트를 표 1 에 기재된 두께가 되도록 도포 횟수를 조정하여 도포한 후, 소성하여 도전층을 형성하고, 절연 전열 기판을 얻었다. 또한, 본 발명예 1, 본 발명예 2, 본 발명예 11, 본 발명예 12 에 대해서는, 은 페이스트를 도포하지 않고, 본 발명예 1, 본 발명예 2, 본 발명예 11, 본 발명예 12 이외의 본 발명예 및 비교예에서는, 은 페이스트를 복수 회 도포하였다.
얻어진 절연 전열 기판에 대해, 이하와 같이 하여, 도전층 및 유리층의 두께, 도전층과 유리층의 박리, 도전층과 열 전달층의 절연성을 평가하였다. 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
(도전층 및 유리층의 두께)
도전층 및 유리층의 두께는, 얻어진 절연 전열 기판의 단면을 레이저 현미경 (키엔스사 제조 VK-X200, 배율 1000 배) 으로 관찰하고, 레이저 현미경 부속의 스케일로 측정하였다. 각 층에 대해 임의의 3 개 지점에서 측정을 실시하고, 그 산술 평균치를 도전층 및 유리층의 두께로 하였다.
(도전층과 유리층의 박리)
얻어진 절연 전열 기판을 육안으로 확인하고, 도전층과 유리층 사이에 박리가 발생하고 있던 경우를 「B」, 발생하고 있지 않았던 경우를 「A」로 평가하였다.
(도전층과 열 전달층의 절연성)
얻어진 절연 전열 기판의 도전층과 열 전달층 사이의 전기 저항을 테스터 (YOKOGAWA 사 제조 TY720) 에 의해 측정하고, 이 테스터의 도통 체크 모드에서 500 Ω 미만인 경우를 「B」, 도통이 확인되지 않았던 경우를 「A」로 평가하였다.
유리층의 두께가 3 ㎛ 로 된 비교예 1, 비교예 4 에 있어서는, 도전층과 유리층의 절연성이 나빠졌다.
유리층의 두께가 70 ㎛ 로 된 비교예 2, 3, 비교예 5, 6 에 있어서는, 도전층과 유리층 사이에서 박리가 발생하였다.
이에 대하여, 유리층의 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 된 본 발명예 1 ∼ 20 에 있어서는, 도전층과 유리층 사이에서 박리는 발생하지 않았다. 또, 도전층과 유리층의 절연성도 충분하였다.
이상으로부터, 본 발명예에 의하면, 충분한 절연성을 가짐과 함께 높은 전열성을 갖고, 비교적 용이하게 제조하는 것이 가능한 절연 전열 기판을 제공 가능한 것이 확인되었다.
10 : 열전 변환 모듈
11 : 열전 변환 소자
20 : 제 1 절연 전열 기판 (절연 전열 기판)
21 : 제 1 열 전달층 (열 전달층)
23 : 제 1 유리층 (유리층)
25 : 제 1 도전층 (도전층)
30 : 제 2 절연 전열 기판 (절연 전열 기판)
31 : 제 2 열 전달층 (열 전달층)
33 : 제 2 유리층 (유리층)
35 : 제 2 도전층 (도전층)
41, 51 : 알루미늄판
120, 220, 320, 420 : 절연 전열 기판
121, 221, 321, 421 : 열 전달층
123, 223, 323, 423 : 유리층
125, 225, 325, 425 : 도전층
310, 410 : 열전 변환 모듈
11 : 열전 변환 소자
20 : 제 1 절연 전열 기판 (절연 전열 기판)
21 : 제 1 열 전달층 (열 전달층)
23 : 제 1 유리층 (유리층)
25 : 제 1 도전층 (도전층)
30 : 제 2 절연 전열 기판 (절연 전열 기판)
31 : 제 2 열 전달층 (열 전달층)
33 : 제 2 유리층 (유리층)
35 : 제 2 도전층 (도전층)
41, 51 : 알루미늄판
120, 220, 320, 420 : 절연 전열 기판
121, 221, 321, 421 : 열 전달층
123, 223, 323, 423 : 유리층
125, 225, 325, 425 : 도전층
310, 410 : 열전 변환 모듈
Claims (10)
- 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 열 전달층과, 이 열 전달층의 일방의 면측에 배치 형성된 도전층과, 상기 도전층과 상기 열 전달층 사이에 형성된 유리층을 갖고,
상기 도전층은, 은의 소성체로 구성되어 있고,
상기 유리층의 두께가 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판. - 제 1 항에 있어서,
상기 유리층은, 상기 열 전달층의 일방의 면에 패턴상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 도전층의 두께가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 전달층은, 복수의 블록체로 분할되어 있고, 하나의 블록체에 대해, 각각 상기 유리층 및 상기 도전층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 전달층의 타방의 면측에도, 상기 유리층 및 상기 도전층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판. - 복수의 열전 변환 소자와, 이들 열전 변환 소자의 일단측에 배치 형성된 제 1 도전층 및 타단측에 배치 형성된 제 2 도전층을 갖고, 상기 제 1 도전층 및 상기 제 2 도전층을 개재하여 복수의 상기 열전 변환 소자가 전기적으로 접속하여 이루어지는 열전 변환 모듈로서,
상기 열전 변환 소자의 일단측 및 타단측의 적어도 일방 또는 양방에, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 전열 기판이 배치 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 전열 기판의 제조 방법으로서,
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 알루미늄판의 일방의 면에, 유리 페이스트를 도포하고 소성하여, 유리층을 형성하는 유리층 형성 공정과,
상기 유리층 상에, 유리 함유 은 페이스트를 도포하고 소성하여, 도전층을 형성하는 도전층 형성 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 도전층 형성 공정에서는, 유리 함유 은 페이스트를 도포한 후에, 추가로 은 페이스트를 도포하고, 그 후, 소성을 실시하는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판의 제조 방법. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 유리층 형성 공정에 있어서는, 상기 유리 페이스트를 패턴상으로 도포하는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 유리층을 패턴상으로 형성한 상기 유리층 상에 상기 도전층을 형성하고, 그 후, 상기 알루미늄판을 복수의 블록체로 분할하는 것을 특징으로 하는 절연 전열 기판의 제조 방법.
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