KR20200091573A - 열전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되며, 상기 제1 금속기판에 배치되는 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 배치되는 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 저온부고, 상기 제2 금속기판은 고온부이며, 상기 제2 수지층은 상기 복수의 제2 전극과 직접 접촉하는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어 상에 적층되고 상기 제2 금속기판과 직접 접촉하는 제2 레이어를 포함한다.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자의 접합 구조에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 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. 열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전 소자는 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. 이때, 상부기판과 하부기판 중 하나는 저온부가 되고, 나머지 하나는 고온부가 될 수 있다. 열전 소자가 발전용 장치에 적용되는 경우, 저온부와 고온부 간의 온도 차가 클수록 발전 성능이 높아진다. 이에 따라, 고온부는 200℃ 이상으로 온도가 올라갈 수 있다. 고온부의 온도가 200℃ 이상이 되면, 고온부 측 기판과 전극 간 열팽창 계수 차로 인하여 레그와 솔더 사이에 기계적으로 높은 전단응력이 전달된다. 이때, 레그와 솔더 사이에 가해지는 전단응력을 완화하기 위하여, 기판과 전극 사이의 접합층을 일정 두께 이상으로 형성할 수 있다. 그러나, 접합층의 두께가 두꺼워 질수록 열저항이 떨어지면서 열전 소자의 발전 성능이 떨어지는 문제점이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 접합 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되며, 상기 제1 금속기판에 배치되는 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 배치되는 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 금속기판은 저온부고, 상기 제2 금속기판은 고온부이며, 상기 제2 수지층은 상기 복수의 제2 전극과 직접 접촉하는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어 상에 적층되고 상기 제2 금속기판과 직접 접촉하는 제2 레이어를 포함하고, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어는 서로 직접 접촉할 수 있다.
상기 제1 금속기판 및 제2 금속기판은 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
상기 제2수지층의 두께는 상기 제1수지층의 두께보다 크거나 같을 수 있다.
상기 제1수지층의 두께에 대한 제2수지층의 두께의 비는 1 내지 5일 수 있다.
상기 제1 레이어는 매트릭스 수지와 절연성 필러를 포함하고, 상기 제2 레이어는 상기 매트릭스 수지와 전도성 필러를 포함할 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.
상기 절연성 필러는 산화알루미늄을 포함하며, 상기 전도성 필러는 Ag을 포함할 수 있다.
상기 제1 레이어의 열전도도는 1.5 내지 2W/mK이고, 상기 제2 레이어의 열전도도는 6.5 내지 7W/mK 일 수 있다.
상기 제1 레이어의 두께에 대한 상기 제2 레이어의 두께의 비는 0.2 내지 2.5일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 전극 사이의 접합층 두께를 확보하여, 레그의 솔더링 부위에 가해지는 전단 응력을 완화하고, 고온에서 열전 소자의 내구성을 높일 수 있다. 동시에, 접합층의 기판과 접합하는 부분을 전도성이 우수한 물질로 구성하여, 접합층의 두께가 증가함에 따라 열전도도가 저하되는 현상을 방지하고, 열전 소자의 발전 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 측면도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자가 발전 중인 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 10은 도 9의 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자에 전원을 인가한 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 측면도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자가 발전 중인 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 10은 도 9의 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자에 전원을 인가한 상태를 도시한 도면이다.
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 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 상면도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자에 포함되는 제1 금속기판의 측면도이고, 도 4는 도 3의 부분 확대도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 열전 소자는 제1 금속기판(110), 제1 수지층(120), 복수의 제1 전극(130), 복수의 P형 열전 레그(140), 복수의 N형 열전 레그(150), 복수의 제2 전극(160), 제2 수지층(170), 제2 금속기판(180) 및 실링 수단(190)을 포함한다.
제1 금속기판(110)은 판형으로 형성된다. 제1 금속기판(110)은 제2 금속기판(180)과 마주하도록 이격 배치된다. 제1 금속기판(110)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금으로 이루어질 수 있다. 특히, 제1 금속기판(110)은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 이때, 열전소자에 전압을 인가하면, 제1 금속기판(110)은 펠티에 효과(Peltier effect)에 따라 열을 흡수하여 저온부로 작용하고, 제 2 금속기판(180)은 열을 방출하여 고온부로 작용한다.
한편, 제1 금속기판(110)에 서로 다른 온도를 가하면, 온도 차에 의해 고온 영역의 전자가 저온 영역으로 이동하면서 열기전력이 발생한다. 이를 제백 효과(Seebeck effect)라고 하며, 이로 인한 열기전력에 의하여 열전소자의 회로 내에 전기가 발생한다.
여기서, 제1 금속기판(110)은 제1 수지층(120)과 직접 접촉할 수 있다. 이를 위하여, 제1 금속기판(110)은 양면 중 제1 수지층(120)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(110)의 제1 수지층(120)과 마주보는 면의 전체 또는 부분에 표면거칠기가 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 금속기판(110)과 제1 수지층(120) 간의 열압착 시 제1 수지층(120)이 들뜨는 문제를 방지할 수 있다. 본 명세서에서, 표면거칠기는 요철을 의미하며, 표면 조도와 혼용될 수도 있다.
도 2 내지 4를 참조하면, 제1 금속기판(110)의 양면 중 제1 수지층(120)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(110)의 제1 수지층(120)과 마주보는 면은 제1 영역(112) 및 제2 영역(114)을 포함하며, 제2 영역(114)은 제1 영역(112)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 제1 영역(112)은 제1 금속기판(110)의 가장자리로부터 가운데 영역을 향하여 소정 거리 내에 배치될 수 있으며, 제1 영역(112)은 제2 영역(114)을 둘러쌀 수 있다.
이때, 제2 영역(114)의 표면거칠기는 제1 영역(112)의 표면거칠기보다 크고, 제1 수지층(120)은 제2 영역(114) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 수지층(120)은 제1 영역(112)과 제2 영역(114) 간의 경계로부터 소정 거리만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 수지층(120)은 제2 영역(114) 상에 배치되되, 제1 수지층(120)의 가장자리는 제2 영역(114) 내부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(114)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈(400)의 적어도 일부에는 제1 수지층(120)의 일부, 즉 제1 수지층(120)에 포함되는 에폭시 수지(600) 및 무기충전재의 일부(604)가 스며들 수 있으며, 제1 수지층(120)과 제1 금속기판(110) 간의 접착력이 높아질 수 있다.
다만, 제2 영역(114)의 표면거칠기는 제1 수지층(120)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(120)이 무기충전재로 산화알루미늄과 질화붕소를 포함할 경우를 예로 들면, 산화알루미늄은 제1 수지층(120)과 제1 금속기판(110) 간의 접착 성능에 영향을 미치지 않지만, 질화붕소는 표면이 매끄러우므로 제1 수지층(120)과 제1 금속기판(110) 간의 접착 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(114)의 표면거칠기를 제1 수지층(120)에 포함되는 산화알루미늄의 입자크기 D50보다는 크되, 질화붕소의 입자크기 D50보다는 작게 형성하면, 제2 영역(114)의 표면거칠기에 의하여 형성된 홈 내에는 산화알루미늄만이 배치되며, 질화붕소는 배치되기 어려우므로, 제1 수지층(120)과 제1 금속기판(110)은 높은 접합 강도를 유지할 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.
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.
이때, 도면에는 도시하지 아니하였지만, 제1 금속기판(110)은 전면에 제2 영역(114)에 대응하는 표면거칠기가 형성되는 것이 가능하다. 또한, 제1 금속기판(110)에 형성된 표면거칠기는 후술할 제2 금속기판(180)에 동일하게 적용될 수 있다.
제1 수지층(120)은 제1 금속기판(110) 상에 배치된다. 제1 수지층(120)은 제1 금속기판(110)보다 적은 면적으로 형성된다. 이에, 제1 수지층(120)은 제1 금속기판(110)의 가장 자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역에 배치될 수 있다.
제1 수지층(120)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어지거나, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물로 이루어질 수도 있다.
이와 같이, 제1 금속기판(110)과 복수의 제1 전극(130) 사이에 제1 수지층(120)이 배치되면, 별도의 세라믹 기판 없이도 제1 금속기판(110)과 복수의 제1 전극(130) 사이의 열전달이 가능하며, 제1 수지층(120) 자체의 접착 성능으로 인하여 별도의 접착제 또는 물리적인 체결 수단이 필요하지 않다. 특히, 제1 수지층(120)은 기존 세라믹 기판에 비하여 현저하게 얇은 두께로 구현할 수 있으므로, 복수의 제1 전극(130)과 제1 금속기판(110) 간의 열전달 성능을 개선할 수 있으며, 열전소자의 전체적인 사이즈를 줄일 수도 있다.
복수의 제1전극(130)은 제1 수지층(120) 상에 배치된다. 그리고 제1 전극(130) 상에는 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)가 배치된다. 이때, 제1 전극(130)은 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)와 전기적으로 연결된다. 여기서, 제1 전극(130)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)는 제1 전극(130) 상에 배치된다. 이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 제1 전극(130)과 솔더링(Soldering)에 의하여 접합될 수 있다.
이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(140)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(150)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(140) 및 N형 열전 레그(150)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(140) 또는 벌크형 N형 열전 레그(150)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(140) 또는 적층형 N형 열전 레그(150)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(140) 및 N형 열전 레그(150)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(140)와 N형 열전 레그(150)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(150)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수로 나타낼 수 있다. 열전성능 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, cp는 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.
P형 열전 레그(140) 또는 N형 열전 레그(150)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. 또는, P형 열전 레그(140) 또는 N형 열전 레그(150)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(140) 또는 N형 열전 레그(150)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.
복수의 제2 전극(160)은 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)의 상에 배치된다. 이때, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)는 제2 전극(160)에 솔더링에 의하여 접합될 수 있다. 이때, 솔더링된 부분은 전단으로 응력이 가해질 경우 솔더링 부분에 크랙이 형성될 수 있다. 여기서, 제2 전극(160)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 수지층(170)은 복수의 제2 전극(160) 상에 배치된다. 그리고, 제2 수지층(170) 상에는 제2 금속기판(180)이 배치된다. 제2 수지층(170)은 제2 금속기판(180)보다 적은 면적으로 형성될 수 있다. 이에, 제2 수지층(170)은 제2 금속기판(180)의 가장 자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있다.
이때, 제1 수지층(120)과 제2 수지층(170)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 수지층(120)과 제2 수지층(170) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 제2 수지층(170)과 직접 접촉하는 복수의 제2 전극(160) 또는 제2 금속기판(180)과의 접합강도는 제1 수지층(120)과 직접 접촉하는 복수의 제1 전극(130) 또는 제1 금속기판(110)과의 접합강도 대비 더 낮을 수 있다. 제1 수지층(120)과 복수의 제1 전극(130) 또는 제1 금속기판(110)과의 접합 강도는 5kgf/mm2 이상일 수 있으며, 바람직하게는 10kgf/mm2 이상, 더 바람직하게는 15kgf/mm2 이상일 수 있다. 이에 반해, 제2 수지층(170)과 복수의 제2 전극(160) 또는 제2 금속기판(180)과의 접합 강도는 1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다.
이때, 제1 수지층의 두께(T1) 보다 제2 수지층의 두께(T2)가 크거나 같을 수 있다. 바람직하게는, 제1 수지층(120)의 두께(T1)는 약 40㎛이고, 제2 수지층(170)의 두께(T2)는 40 내지 200㎛일 수 있다. 즉, 제1 수지층(120)의 두께(T1)에 대한 제2 수지층(170)의 두께(T2)의 비는 1 내지 5일 수 있다.
제2 수지층(170)은 P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)에서 발생된 열을 제 2 금속기판(180)에 전달하는 동시에, 제 2 금속기판(180)과 제2 전극(160) 사이에 전류가 통하는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해, 제2 수지층(170)은 제2 전극(160)에 인접한 부분은 절연성을 가지고, 제2 금속기판(180)에 인접한 부분은 열전도성을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대도이다.
도 7을 참조하면, 제2 수지층(170)은 제1 레이어(171) 및 제2 레이어(172)를 포함한다.
제1 레이어(171)는 제2 전극(160)과 직접 접촉한다. 제1 레이어(171)는 절연성을 가지며, 제2 전극(160)에 흐르는 전류가 제2 금속기판(180)으로 전달되는 것을 차단하는 역할을 한다. 이를 위해, 제1 레이어(171)는 매트릭스 수지와 절연성 필러를 포함할 수 있다. 여기서, 매트릭스 수지는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 절연성 필러는 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화붕소 등의 세라믹 분말을 포함할 수 있다. 바람직하게는 세라믹 분말은 50 내지 99wt%로 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는 산화알루미늄분말은 50 내지 99wt%로 포함될 수 있다. 이때, 제1 레이어(171)의 열전도도는 1.5 내지 3.5 W/mK 일 수 있다.
제2 레이어(172)는 제1 레이어(171) 상에 배치되고 제2 금속기판(180)과 직접 접촉한다. 제2 레이어(172)는 제1 레이어(171)와 직접 접촉한다. 이때, 제2 레이어(172)는 전도성을 가지어, P형 열전 레그(140) 및 N형 열전 레그(150)에서 발생하는 열을 제2 금속기판(180)에 전달한다.
제2 레이어(172)는 매트릭스 수지와 전도성 필러를 포함할 수 있다. 여기서 매트릭스 수지는 실리콘 수지를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 레이어(172)에 적용된 매트리스 수지는 제1 레이어(171)에 적용된 매트릭스 수지와 동일한 것이 바람직하다. 또한, 전도성 필러는 은(Ag)계, 금(Au)계, 알루미늄(Al)계 등의 금속 분말을 포함할 수 있다. 바람직하게는 금속 분말은 50 내지 99wt%로 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는 은(Ag)계 금속 분말은 50 내지 99wt%로 포함될 수 있다. 이때, 제2 레이어(172)의 열전도도는 6.0 내지 10.0W/mK 일 수 있다.
여기서 제1 레이어(171) 및 제2 레이어(172)는 점착성 또는 접착성을 가질 수 있다.
제1 레이어(171)의 두께(t1)는 약 40 내지 100㎛ 일 수 있다. 이때, 제1 레이어(171)의 두께(t1)가 40㎛ 미만일 경우, 절연성이 확보되지 않아 통전의 위험이 있으며, 제1 레이어(171)의 두께(t2)가 40㎛ 보다 증가할 경우, 열전도도가 감소하는 현상이 발생하며 열전 소자의 발전 성능이 떨어지게 된다. 또한, 제2 레이어(172)의 두께(t2)는 40 내지 200㎛일 수 있다. 즉, 제1 레이어(171)의 두께(t1)에 대한 제2 레이어(172)의 두께(t2)의 비는 0.2 내지 2.5일 수 있다.
제2 금속기판(180)은 제 1 금속기판(110)에 마주하여 제2 수지층(170) 상에 배치된다. 제2 금속기판(180)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금으로 이루어질 수 있다. 특히, 제2 금속기판(180)은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 이때, 발전을 위해 제2 금속기판(180)을 고온영역에 배치하거나, 열전 소자에 전류를 가해 제2 금속기판(180)을 펠티에 효과에 의한 고온부로 적용할 수 있다.
이때, 제2 금속기판(180)은 양면 중 제2 수지층(170)이 배치되는 면, 즉 제1 금속기판(180)의 제2 수지층(170)과 마주보는 면의 전체 또는 부분에 표면거칠기가 형성될 수 있다.
여기서, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 면적은 40mmx40mm 내지 200mmx200mm이고, 두께는 1 내지 100mm일 수 있다. 이때, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 면적 또는 두께는 동일하거나, 서로 다를 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자가 발전 중인 상태를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 열전 소자의 제2 금속기판(180)을 고온 영역에 배치하고, 제1 금속기판(110)을 저온 영역에 배치하면, 제벡 효과에 의해 직렬 연결된 복수의 열전 레그 간 전자의 이동으로 전기가 생성된다. 이때, 고온에 노출된 제2 금속기판(180)은 열에 의해 부피가 팽창할 수 있다. 이때, 제 2 금속기판(180)의 수평 방향 팽창으로 인하여, 제2 수지층(170)에 전단 방향 응력이 가해질 수 있다. 전단 응력은 제2 전극(160)의 솔더링 부분까지 전달되어, 솔더링 부분에 크랙(Crack)을 발생시키며, 고온에서의 내구성을 저하시킬 수 있다. 이때, 실시예에 따른 열전 소자는 제2 수지층(170)의 두께를 확보하여, 솔더링 접합 부분에 전달되는 전단 응력을 완화하고, 고온에서의 내구성을 확보할 수 있다. 도시되지 않았으나, 열전 소자에 전압이 인가되었을 때 펠티어 효과에 의해 제2 금속기판(180)이 고온부 작동 시에 발생하는 열팽창에도 동일하게 적용될 수 있다.
다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 실링 수단(190)은 제1 수지층(120)의 측면과 제 2수지층(170)의 측면에 배치될 수 있다, 즉, 실링 수단(190)은 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180) 사이에 배치되며, 제1 수지층(120)의 측면, 복수의 제1 전극(130)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)의 최외곽, 복수의 제2 전극(150)의 최외곽 및 제2 수지층(170)의 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 수지층(120), 복수의 제1 전극(130), 복수의 P형 열전 레그(140), 복수의 N형 열전 레그(150), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다.
여기서, 실링 수단(190)은 제1 수지층(120)의 측면, 복수의 제1 전극(130)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(140) 및 복수의 N형 열전 레그(150)의 최외곽, 복수의 제2 전극(150)의 최외곽 및 제2 수지층(170)의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 제2 금속기판(180) 사이에 배치되는 실링재(194), 실링케이스(192)와 제1 금속기판(110) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링케이스(192)가 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(180)과 직접 접촉할 경우 실링케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 △T가 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, 196)는 실링케이스(192)와 제1 금속기판(110) 사이 및 실링케이스(192)와 제2 금속기판(180) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 제1 수지층(120), 복수의 제1 전극(130), 복수의 P형 열전 레그(140), 복수의 N형 열전 레그(150), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(170)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 와이어(W1, W2)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.
실링 수단(190)의 구조를 구체적으로 도시하고 있으나, 이는 예시에 지나지 않으며, 실링 수단(190)은 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도시되지 않았으나, 실링 수단(190)를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링 수단(190)은 단열 성분을 포함할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 부분 확대도이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자에 전원을 인가한 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 수지층(200)은 복수의 레이어를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 레이어는 적어도 3 개 이상이며, 서로 직접 접촉될 수 있다. 이때, 제2 수지층(200)에 포함된 레이어의 개수는 변형 가능하다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제2 수지층(200)은 제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)를 포함한다. 이때, 제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)는 서로 다른 재질로 이루어진다. 또한, 제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)는 서로 다른 열전도도를 가질 수 있다. 제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)는 제1 금속기판(110)에서 제2 금속기판(180)으로 갈수록 열전도성이 높은 순으로 배치된다.
제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)는 매트릭스 수지와 전도성 필러 또는 절연성 필러를 포함할 수 있다. 여기서 매트릭스 수지는 실리콘 수지를 포함할 수 있으며, 예를 들어 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 내지 제4 레이어(211,212,213,214)에 포함된 전도성 필러 또는 절연성 필러는 함량은 상이할 수 있다.
이하, 실시예들 및 비교예들에 따른 열전 소자를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
비교예에 따른 열전 소자와 실시예에 따른 열전 소자 모두 도 1 구조와 같은 제1 금속기판, 제1 수지층, 복수의 제1 전극, 복수의 P형 열전 레그, 복수의 N형 열전 레그, 복수의 제2 전극, 제2 수지층 및 제2 금속기판을 포함하는 40mmⅹ40mm 크기의 발전용 열전 소자의 제1 금속기판 영역에 35 ℃, 제2 금속기판 영역에 200 ℃의 온도를 가한 환경에서의 측정 결과이다. 비교예에 따른 열전 소자는 제2 수지층을 모두 절연성을 가지는 수지제로 형성하였고, 실시예에 따른 열전 소자는 제2 수지층이 제1 레이어와 제2 레이어로 구성되고, 제1 레이어는 절연성을 가지고 제2 레이어는 전도성을 가지는 것으로 제작하였다. 이때, 제1 레이어의 두께는 40㎛로 고정하여 두고, 제2 레이어의 두께를 변경하여 열전 소자의 발전량과 발전량 감소율을 측정하였다.
| 제2 수지층 두께(㎛) |
비교예 | 실시예 | ||
| 발전량(W) | 발전량 감소율(%,P/  |
발전량(W) | 발전량 감소율(%,P/  |
|
| 40 | 7.2 | - | 7.2 | - |
| 80 | 7.0 | 12 | 7.0 | 3 |
| 120 | 5.5 | 24 | 6.8 | 6 |
| 160 | 4.9 | 32 | 6.5 | 10 |
| 200 | 3.6 | 50 | 6.2 | 14 |
표 1을 참조하면, 비교예에 따른 열전 소자는 제2 수지층의 두께가 증가할수록 발전량이 감소하며, 발전량 감소율이 증가함을 알 수 있다. 한편, 실시예에 따른 열전 소자는 제2 수지층의 두께가 증가할수록 발전량이 다소 감소하며, 발전량 감소율이 증가하지만, 비교예보다 발전량이 현저하게 적은 폭으로 감소함을 알 수 있다.
즉, 실시예에 따른 열전 소자는 열응력을 완화하기 위하여 제2 수지층의 두께를 증가시켜도 열전도성이 크게 떨어지지 않으며, 충분한 발전 성능을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 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 열전 소자가 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 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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 열전 소자가 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 열전 소자가 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 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 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 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 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.
110: 제1 금속기판
120: 제1 수지층
130: 제1 전극
140: P형 열전 레그
150: N형 열전 레그
160: 제2 전극
170,200: 제2 수지층
171, 211: 제1 레이어
172, 214: 제2 레이어
180: 제2 금속기판
190: 실링 수단
212: 제3 레이어
213: 제4 레이어
120: 제1 수지층
130: 제1 전극
140: P형 열전 레그
150: N형 열전 레그
160: 제2 전극
170,200: 제2 수지층
171, 211: 제1 레이어
172, 214: 제2 레이어
180: 제2 금속기판
190: 실링 수단
212: 제3 레이어
213: 제4 레이어
Claims (9)
- 제1 금속기판,
상기 제1 금속기판 상에 배치되는 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 배치되는 제2 금속기판을 포함하고,
상기 제1 금속기판은 저온부고, 상기 제2 금속기판은 고온부이며,
상기 제2 수지층은 상기 복수의 제2 전극과 직접 접촉하는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어 상에 배치되고 상기 제2 금속기판과 직접 접촉하는 제2 레이어를 포함하고,
상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어는 서로 직접 접촉하는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속기판 및 제2 금속기판은 알루미늄 포함하는 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2수지층의 두께는 상기 제1수지층의 두께보다 크거나 같은 열전 소자. - 제3항에 있어서,
상기 제1 수지층의 두께에 대한 제2 수지층의 두께의 비는 1 내지 5인 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 레이어는 매트릭스 수지와 절연성 필러를 포함하고,
상기 제2 레이어는 상기 매트릭스 수지와 전도성 필러를 포함하는 열전 소자. - 제5항에 있어서,
상기 매트릭스 수지는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함하는 열전 소자. - 제6항에 있어서,
상기 절연성 필러는 산화 알루미늄을 포함하며,
상기 전도성 필러는 Ag을 포함하는 열전 소자. - 제6항에 있어서,
상기 제1 레이어의 열전도도는 1.5 내지 3.5W/mK이고, 상기 제2 레이어의 열전도도는 6.0 내지 10.0W/mK 인 열전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 레이어의 두께에 대한 상기 제2 레이어의 두께의 비는 0.2 내지 2.5인 열전 소자.
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