KR20200091574A - Thermoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자의 조립 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to an assembly structure of a thermoelectric element.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.Thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs due to the movement of electrons and holes inside a material, which means direct energy conversion between heat and electricity.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. The thermoelectric element is a device that uses a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
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.The thermoelectric device can be divided into a device that uses a temperature change of electrical resistance, a device that uses the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and a device that uses a Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by a current. . Thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic parts, and communication parts. For example, the thermoelectric element may be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like. Accordingly, the demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements is increasing.
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 레그의 솔더링 부위에 기계적으로 높은 전단응력이 전달된다. 이때, 고온부 측 기판과 솔더 사이에 연신성을 가지는 접합층을 배치하여, 솔더링 부위로 전달되는 전단 응력을 완화해주는 역할을 한다. 그러나, 이러한 접합층은 기판이 과열 팽창하는 경우, 전단 응력 완화에 한계가 있으며, 솔더링 부위에 크랙이 발생하는 문제가 있다.The thermoelectric element includes a substrate, an electrode, and a thermoelectric leg, and a plurality of thermoelectric legs are disposed in an array form between the upper substrate and the lower substrate, a plurality of upper electrodes are disposed between the plurality of thermoelectric legs and the upper substrate, and a plurality of A plurality of lower electrodes are disposed between the thermoelectric leg and the lower substrate. At this time, one of the upper substrate and the lower substrate may be a low temperature portion, and the other may be a high temperature portion. When a thermoelectric element is applied to a device for power generation, the larger the temperature difference between the low temperature and high temperature parts, the higher the power generation performance. Accordingly, the temperature of the high-temperature portion may increase to 200°C or higher. When the temperature of the high temperature portion is 200°C or higher, mechanically high shear stress is transmitted to the soldering portion of the leg due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the electrode on the high temperature portion. At this time, a bonding layer having stretchability is disposed between the substrate on the high temperature side and the solder, and serves to relieve shear stress transmitted to the soldering site. However, such a bonding layer has a limitation in relaxation of shear stress when the substrate overheats, and cracks are generated in the soldering portion.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 접합 구조를 제공하는 것이다.Technical problem to be achieved by the present invention is to provide a junction structure of a thermoelectric element.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 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 저온부이고, 상기 제2 금속기판은 고온부이며, 상기 제2 수지층은 상기 복수의 제2 전극과 직접 접촉하는 제1 점착층과, 상기 제1 점착층과 이격 적층되어 상기 제2 금속기판과 직접 접촉하는 제2 점착층과, 상기 제1 점착층과 상기 제2 점착층의 사이에 적층되는 절연층을 포함할 수 있다.The thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a first metal substrate, a first resin layer disposed on the first metal substrate, a plurality of first electrodes disposed on the first resin layer, and the plurality of first electrodes. On a plurality of P-type thermoelectric legs and on a plurality of N-type thermoelectric legs, on the plurality of P-type thermoelectric legs and on a plurality of N-type thermoelectric legs, on a plurality of second electrodes, on the plurality of second electrodes A second resin layer disposed on the second resin layer, and a second metal substrate disposed on the second resin layer, wherein the first metal substrate is a low temperature portion, the second metal substrate is a high temperature portion, and the second resin layer is A first adhesive layer directly contacting the plurality of second electrodes, a second adhesive layer stacked apart from the first adhesive layer and directly contacting the second metal substrate, and the first adhesive layer and the second adhesive layer It may include an insulating layer laminated between the layers.
상기 제1 금속기판 및 제2 금속기판은 알루미늄을 포함할 수 있다.The first metal substrate and the second metal substrate may include aluminum.
상기 제1 점착층 및 제2 점착층은 폴리실록산(Polysiloxan)계 점착제일 수 있다.The first adhesive layer and the second adhesive layer may be polysiloxane (Polysiloxan)-based adhesive.
상기 제1 점착층 및 제2 점착층은 150 내지 200℃의 온도에서 1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다.The first adhesive layer and the second adhesive layer may have a bonding strength of 1 kgf/mm 2 or less at a temperature of 150 to 200°C.
상기 절연층은 폴리이미드(Polyimide) 재질일 수 있다.The insulating layer may be made of polyimide.
상기 제1 점착층과 상기 절연층 사이에 제3 점착층을 더 포함할 수 있다.A third adhesive layer may be further included between the first adhesive layer and the insulating layer.
상기 제2 점착층과 상기 절연층 사이에 제4 점착층을 더 포함할 수 있다.A fourth adhesive layer may be further included between the second adhesive layer and the insulating layer.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 전극 사이를 점착성 물질로 접합하여, 기판의 열팽창에 의하여 레그의 솔더링 부위로 기계적 전단 응력이 전달되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by bonding the substrate and the electrode with an adhesive material, it is possible to effectively prevent the mechanical shear stress from being transferred to the soldering portion of the leg by thermal expansion of the substrate.
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 12는 실시예와 비교예에 따른 열전 소자의 온도 싸이클 시험에 대한 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
2 is a top view of a first metal substrate included in a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
3 is a side view of a first metal substrate included in a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
4 is a partially enlarged view of FIG. 3.
5 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
6 is an exploded perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
7 is a partially enlarged view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a state in which a thermoelectric device is generating power according to an embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
10 is a partially enlarged view of FIG. 9.
11 is a view showing a state in which power is applied to a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
12 is a graph showing a rate of change of resistance to a temperature cycle test of a thermoelectric device according to Examples and Comparative Examples.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.However, the technical spirit of the present invention is not limited to some embodiments described, but may be implemented in various different forms, and within the technical spirit scope of the present invention, one or more of its components between embodiments may be selectively selected. It can be used by bonding and substitution.
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.In addition, terms (including technical and scientific terms) used in the embodiments of the present invention, unless specifically defined and described, can be generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. It can be interpreted as meaning, and commonly used terms, such as predefined terms, may interpret the meaning in consideration of the contextual meaning of the related technology.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, the terms used in the embodiments of the present invention are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention.
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.In the present specification, a singular form may also include a plural form unless specifically stated in the phrase, and is combined with A, B, and C when described as "at least one (or more than one) of A and B, C". It can contain one or more of all possible combinations.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.In addition, in describing the components of the embodiments of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used.
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.These terms are only for distinguishing the component from other components, and the term is not limited to the nature, order, or order of the component.
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.And, when a component is described as being'connected','coupled' or'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also to the component It may also include the case of'connected','coupled' or'connected' due to another component between the other components.
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.Further, when described as being formed or disposed in the "top (top) or bottom (bottom)" of each component, the top (top) or bottom (bottom) is one as well as when the two components are in direct contact with each other It also includes a case in which another component described above is formed or disposed between two components. In addition, when expressed as "up (up) or down (down)", it may include the meaning of the downward direction as well as the upward direction based on one component.
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.1 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a top view of a first metal substrate included in the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an embodiment of the present invention A side view of a first metal substrate included in a thermoelectric device according to an example, FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3, FIG. 5 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a view of the present invention It is an exploded perspective view of a thermoelectric element according to an embodiment.
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.1 to 6, the thermoelectric element includes a
제1 금속기판(110)은 판형으로 형성된다. 제1 금속기판(110)은 제2 금속기판(180)과 마주하도록 이격 배치된다. 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 등으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)은 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 면적은 40mmx40mm내지 200mmx200mm이고, 두께는 1 내지 100mm일 수 있다. 이때, 제1 금속기판(110)과 제2 금속기판(180)의 면적 또는 두께는 동일하거나, 서로 다를 수 있다.The
이때, 열전소자에 전압을 인가하면, 제1 금속기판(110)은 펠티에 효과로 인하여 열을 흡수하여 저온부로 작용하고, 제2 금속기판(180)은 열을 방출하여 고온부로 작용한다. At this time, when a voltage is applied to the thermoelectric element, the
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.On the other hand, when different temperatures are applied to the
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.Here, the
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. 2 to 4, a surface on which the
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.At this time, the surface roughness of the
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.However, the surface roughness of the
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. The surface roughness can be measured using a surface roughness meter. The surface roughness measuring instrument measures the cross-sectional curve using a probe, and can calculate the surface roughness using the peak, valley, average and reference lengths of the cross-section curve. In this specification, the surface roughness may mean arithmetic mean roughness (Ra) by the center line average calculation method. The arithmetic mean roughness Ra can be obtained through Equation 2 below.
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.That is, when the cross-section curve obtained by the probe of the surface roughness measuring instrument is extracted by the reference length L, and the average line direction is the x-axis, and the height direction is the y-axis, it is expressed by the function (f(x)). The obtained value can be expressed in μm.
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.At this time, although not shown in the drawings, the
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. The
제1 수지층(120)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물로 이루어지거나, PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물로 이루어질 수도 있다. The
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. Here, the inorganic filler may be included as 68 to 88 vol% of the epoxy resin composition. If the inorganic filler is included below 68 vol%, the thermal conductivity effect may be low, and when the inorganic filler is included in excess of 88 vol%, the adhesion between the resin layer and the metal substrate may be lowered, and the resin layer may be easily broken.
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.The epoxy resin may include an epoxy compound and a curing agent. In this case, the curing agent may be included in a volume ratio of 1 to 10 based on 10 volume ratio of the epoxy compound. Here, the epoxy compound may include at least one of a crystalline epoxy compound, an amorphous epoxy compound and a silicone epoxy compound. The crystalline epoxy compound may include a mesogen structure. Mesogen is a basic unit of a liquid crystal and includes a rigid structure. In addition, the amorphous epoxy compound may be a conventional amorphous epoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule, for example, bisphenol A or glycidyl ether derivative derived from bisphenol F. Here, the curing agent may include at least one of an amine-based curing agent, a phenol-based curing agent, an acid anhydride-based curing agent, a polymercaptan-based curing agent, a polyaminoamide-based curing agent, an isocyanate-based curing agent and a block isocyanate-based curing agent, and two or more kinds of curing agents It can also be used by mixing.
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 판상 질화붕소이거나, 판상 질화붕소가 뭉쳐진 질화붕소 응집체일 수 있으며, 질화붕소의 표면은 고분자 수지로 코팅될 수 있다. 여기서, 질화붕소와 결합할 수 있거나, 질화붕소의 표면을 코팅할 수 있다면, 어떠한 고분자 수지도 이용될 수 있다. 고분자 수지는, 예를 들어 아크릴계 고분자 수지, 에폭시계 고분자 수지, 우레탄계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌계 고분자 수지, EVA(ethylene vinyl acetate copolymer)계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지 및 PVC(polyvinyl chloride)계 고분자 수지로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 그리고, 고분자 수지는 하기 단위체 1을 가지는 고분자 수지일 수도 있다.The inorganic filler may include aluminum oxide and nitride, and the nitride may be included as 55 to 95 wt% of the inorganic filler, more preferably 60 to 80 wt%. When the nitride is included in this numerical range, it is possible to increase the thermal conductivity and bonding strength. Here, the nitride may include at least one of boron nitride and aluminum nitride. Here, the boron nitride may be a plate-like boron nitride or a boron nitride agglomerate in which the plate-like boron nitride is agglomerated, and the surface of the boron nitride may be coated with a polymer resin. Here, any polymer resin may be used as long as it can be combined with boron nitride or coated on the surface of boron nitride. The polymer resin includes, for example, acrylic polymer resin, epoxy polymer resin, urethane polymer resin, polyamide polymer resin, polyethylene polymer resin, EVA (ethylene vinyl acetate copolymer) polymer resin, polyester polymer resin and PVC ( polyvinyl chloride) polymer resin. Further, the polymer resin may be a polymer resin having the following unit 1.
단위체 1은 다음과 같다. Unit 1 is as follows.
[단위체 1][Unit 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. Here, one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is H, and the other is selected from the group consisting of C 1 to C 3 alkyl, C 2 to C 3 alkene and C 2 to C 3 alkyne, and R 5 May be a linear, branched or cyclic divalent organic linker having 1 to 12 carbon atoms.
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 고분자 수지는 하기 단위체 2를 포함할 수 있다. In one embodiment, one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 other than H is selected from C 2 to C 3 alkene, the other of the other and the other from C 1 to C 3 alkyl Can be selected. For example, the polymer resin according to the embodiment of the present invention may include the following unit 2.
[단위체 2][Unit 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.Alternatively, the rest of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 other than H may be selected to be different from each other in a group consisting of C 1 to C 3 alkyl, C 2 to C 3 alkene, and C 2 to C 3 alkyne. have.
이와 같이, 단위체 1 또는 단위체 2에 따른 고분자 수지가 질화붕소에 코팅되면 작용기를 형성하기 용이해지며, 질화붕소 상에 작용기가 형성되면, 수지와의 친화도가 높아질 수 있다.As described above, when the polymer resin according to unit 1 or unit 2 is coated on boron nitride, functional groups are easily formed, and when functional groups are formed on boron nitride, affinity with the resin may be increased.
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 있다As described above, when the
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.The plurality of
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. The plurality of P-type
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.In this case, the P-type
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.The P-type
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. At this time, the pair of P-type
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. The performance of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be represented by a thermoelectric performance index. The thermoelectric performance index (ZT) can be expressed by Equation 1.
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.Here, α is Seebeck coefficient [V/K], σ is electrical conductivity [S/m], and α 2 σ is power factor (W/mK 2 ). And, T is temperature, and k is thermal conductivity [W/mK]. k can be expressed as a·cp·ρ, a is thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is specific heat [J/gK], and ρ is density [g/cm 3 ].
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the thermoelectric performance index of a thermoelectric element, Z value (V/K) is measured using a Z meter, and Seebeck index (ZT) can be calculated using the measured Z value.
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.The P-type
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 솔더에 크랙이 형성될 수 있다. 여기서, 제2 전극(160)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The plurality of
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.The
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. 이때, 제1 수지층의 두께(T1) 보다 제2 수지층의 두께(T2)가 크거나 같을 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.At this time, the sizes of the
제1 수지층(120)과 상기 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. The bonding strength between the
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 부분 확대도이다.7 is a partially enlarged view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 제2 수지층(170)은 제1 점착층(171), 제2 점착층(172) 및 절연층을 포함한다. 예를 들어, 제2 수지층은 폴리이미드(Polyimide) 막의 양면에 점착층이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7, the
제1 점착층(171)는 제2 전극(160)과 직접 접촉한다. 제1 점착층(171)는 점착성을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 점착층(171)는 폴리실록산(Polysiloxan)계 점착제일 수 있다. 이때, 제1 점착층(171)는 노출 온도가 증가할수록 접합 강도가 낮아진다. 즉, 노출 온도가 증가함에 따라 유동성이 높아지면서 제2 전극(160)과 접합된 부분이 유동적으로 변형될 수 있다. 이에, 제1 점착층(171)는 전단 응력이 가해져도 제2 전극(160)과 의 접합된 부분이 유동적으로 밀리면서 제2 전극(160)으로 전단 응력이 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이때, 제1 점착층(171)는 150 내지 200℃의 온도에서 1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제1 점착층(171)는 150 내지 200℃의 온도에서 0.5kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있으며, 더 바람직하게는, 제1 점착층(171)는 150 내지 200℃의 온도에서 0.1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다. The first
제2 점착층(172)는 제1 점착층(171)와 이격 적층되어, 제2 금속기판(180)과 직접 접촉한다. 이때, 제1 점착층(171)는 점착성을 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 점착층(171)는 폴리실록산(Polysiloxan)계 점착제일 수 있다. 이때, 제2 점착층(172)는 노출 온도가 증가할수록 접합 강도가 낮아진다. 즉, 노출 온도가 증가함에 따라 유동성이 높아지면서 제2 금속기판(180)과 접합된 부분이 유동적으로 변형될 수 있다. 이에, 제2 금속기판(180)이 고온에서 팽창하여도 제2 금속기판(180)과 의 접합된 부분이 유동적으로 밀리면서 제2 금속기판(180)으로부터 전단 응력이 가해지는 것을 차단할 수 있다. 이때, 제2 점착층(172)는 150 내지 200℃의 온도에서 1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제2 점착층(172)는 150 내지 200℃의 온도에서 0.5kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있으며, 더 바람직하게는, 제2 점착층(172)는 150 내지 200℃의 온도에서 0.1kgf/mm2 이하의 접합강도를 가질 수 있다. The second
제2 점착층(172)의 접합강도는 제1 점착층(171)의 접합강도와 동일하거나 더 높을 수 있다. The bonding strength of the second
절연층(173)은 제1 점착층(171)와 제2 점착층(172)의 사이에 적층된다. 이때, 절연층(173)의 일면은 제1 점착층(171)의 상면과 접촉하고, 타면은 제2 점착층(172)의 하면과 접촉한다. 절연층(173)은 제 2 전극(160)의 전류가 제2 금속기판(180)으로 전달되는 것을 차단한다. 절연층(173)은 폴리이미드(Polyimide) 재질일 수 있다. The insulating
절연층(173)의 두께(t1)는 1 내지 500㎛일 수 있다. 절연층(173)은 두께(t1)가 증가할수록 열전도성 및 열전파괴전압이 낮아져, 통전의 위험성이 낮아진다. 반면, 절연층(173)은 두께(t1)가 증가할수록 열전도도가 낮아져, 발전 성능이 저하되는 경향이 있다.The thickness t1 of the insulating
다음의 표 1은 절연층의 두께에 따른 절연파괴전압, 열전도도 및 열전도성을 나타낸 표이다.Table 1 below is a table showing the dielectric breakdown voltage, thermal conductivity and thermal conductivity according to the thickness of the insulating layer.
표 1을 살펴보면, 절연층(173)의 두께는 약 5 um일 수 있다. 이때, 절연층의 두께가 증가할수록 절연파괴전압은 높아지고, 열전도도 및 열전도성은 낮아지는 것을 알 수 있다. 이때, 열전 소자에서 요구되는 절연파괴전압은 1kV 미만으로서, 절연층의 두께를 약 5 um로 형성할 경우 과부하에 따른 파손 없이, 높은 열전도성을 확보할 수 있다. 이하, 표 2 및 도 12를 참조하여, 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.Looking at Table 1, the thickness of the insulating
하기의 표 2는 실시예와 비교예의 온도 싸이클 시험에 대한 측정 결과이고, 도 12는 실시에와 비교예의 온도 싸이클 시험의 싸이클(Cycle) 수에 대한 저항 변화율을 나타낸 그래프이다. Table 2 below shows measurement results for the temperature cycle test of Examples and Comparative Examples, and FIG. 12 is a graph showing the rate of change of resistance to the number of cycles of the temperature cycle tests of Examples and Comparative Examples.
비교예에 따른 열전 소자와 실시예에 따른 열전 소자 모두 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 소자이다. 비교예에 따른 열전 소자는 제1 수지층과 제2 수지층을 모두 5kgf/mm2 이상의 접합강도를 갖는 수지제로 형성한 반면, 실시예에 따른 열전 소자는 제1 수지층을 5kgf/mm2 이상의 접합강도를 갖는 수지제로 형성하고, 제2 수지층을 양면에 폴리실록산계 점착층이 형성된 폴리이미드계 필름으로 배치하였다. Both the thermoelectric element according to the comparative example and the thermoelectric element according to the embodiment have a first metal substrate, a first resin layer, a plurality of first electrodes, a plurality of P-type thermoelectric legs, a plurality of N-type thermoelectric legs, a plurality of second electrodes, It is a thermoelectric element for power generation of 40mmx40mm size including a second resin layer and a second metal substrate. In the thermoelectric element according to the comparative example, both the first resin layer and the second resin layer are formed of a resin having a bonding strength of 5 kgf/mm 2 or more, while the thermoelectric element according to the embodiment has a first resin layer of 5 kgf/mm 2 or more. It was formed of a resin having bonding strength, and the second resin layer was disposed as a polyimide-based film having polysiloxane-based adhesive layers on both sides.
온도 싸이클 시험은 제1 금속기판의 온도는 25℃로 유지시킨 상태에서, 제2 금속기판의 온도를 50℃에서 180℃로 변화하는 승온 스텝과, 온도를 180 ℃에서 50℃로 변화하는 감온 스텝을 한 번씩 수행하는 것을 1싸이클로 하여, 총 5000싸이클을 수행하였다. 이때, 승온 스텝에서 승온 속도는 30℃/min 이고, 감온 스텝에서 감온 속도는 22℃/min 이다.In the temperature cycle test, a temperature increase step of changing the temperature of the second metal substrate from 50° C. to 180° C. and a temperature reduction step of changing the temperature from 180° C. to 50° C. while maintaining the temperature of the first metal substrate at 25° C. It was performed as one cycle, and a total of 5000 cycles were performed. At this time, the temperature increase rate in the temperature increase step is 30°C/min, and the temperature reduction rate in the temperature reduction step is 22°C/min.
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표 2 및 도 12를 참조하면, 비교예에 따른 열전 소자는 0 내지 200 싸이클 까지는 저항이 급증하고 발전량이 급감하였으며, 200 싸이클이 초과되자 열전 소자의 파괴 현상이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예에 따른 열전소자는 5000 싸이클 동안 저항의 변화율은 모두 5% 이내로 변화하였고 발전량은 증가하였다. 또한, 5000 싸이클을 유지하는 동안 열전 소자의 파괴 현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.Referring to Table 2 and FIG. 12, the thermoelectric device according to the comparative example was able to confirm that the resistance increased rapidly from 0 to 200 cycles and the power generation amount decreased, and the destruction phenomenon of the thermoelectric device occurred when 200 cycles were exceeded. On the other hand, in the thermoelectric element according to the embodiment, the rate of change of resistance was changed within 5% during 5000 cycles, and the amount of power generation increased. In addition, it was confirmed that the destruction phenomenon of the thermoelectric element did not occur while maintaining the 5000 cycles.
즉, 실시예에 따른 열전 소자는 비교예에 따른 열전 소자와 비교하여 열변화에 따른 제품 내구성이 강하며, 고온에서의 발전 성능이 우수함을 알 수 있다.That is, it can be seen that the thermoelectric element according to the embodiment has stronger product durability due to thermal change and superior power generation performance at high temperatures compared to the thermoelectric element according to the comparative example.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자가 발전 중인 상태를 도시한 도면이다.8 is a view showing a state in which a thermoelectric device is generating power according to an embodiment of the present invention.
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)을 점착성 물질로 구성하여, 제2 금속기판(180)이 고온에서 팽창하여도 제2 수지층(170)이 제2 금속기판(180)에 대하여 유동적으로 밀리도록 구현하여, 솔더링 부분으로 전해지는 전단 응력을 완화하고, 열전소자의 고온 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.Referring to FIG. 8, when the
다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 실링 수단(190)은 제1 수지층(120)의 측면과 제2 수지층(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(140)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(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 5 and 6 again, the sealing means 190 may be disposed on the side surfaces of the
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(140)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. Here, the sealing means 190 is the side of the
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(140), 복수의 제2 전극(150) 및 제2 수지층(170)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. Here, the sealing material (194, 196) may include at least one of the epoxy resin and the silicone resin, or at least one of the epoxy resin and the silicone resin may include a tape coated on both sides. The sealing
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. Meanwhile, a guide groove G for drawing out the wires W1 and W2 connected to the electrode may be formed in the sealing case 192. To this end, the sealing case 192 may be an injection molding made of plastic or the like, and may be mixed with a sealing cover.
실링 수단(190)의 구조를 구체적으로 도시하고 있으나, 이는 예시에 지나지 않으며, 실링 수단(190)은 다양한 형태로 변형될 수 있다. Although the structure of the sealing means 190 is specifically shown, this is only an example, and the sealing means 190 may be modified in various forms.
도시되지 않았으나, 실링 수단(190)을 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링 수단(190)은 단열 성분을 포함할 수도 있다.Although not shown, a heat insulating material may be further included to surround the sealing means 190. Alternatively, the sealing means 190 may include an insulating component.
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.9 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention, FIG. 10 is a partially enlarged view of FIG. 9, and FIG. 11 shows a state in which power is applied to a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention It is a drawing.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2 수지층(200)은 복수의 점착층 및 절연층(220)을 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the
복수의 점착층는 적어도 3개 이상이며, 서로 직접 접촉될 수 있다. 이때, 제2 수지층(200)에 포함된 점착층의 개수는 변형 가능하다.The plurality of adhesive layers is at least three, and may be in direct contact with each other. At this time, the number of adhesive layers included in the
도 9 및 도 10을 참조하면, 제2 수지층(200)은 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214)를 포함한다, 이때, 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214)는 서로 다른 재질로 이루어진다. 또한, 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214)는 서로 다른 열전도도를 가질 수 있다. 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214)는 제1 금속기판(110)에서 제2 금속기판(180)으로 갈수록 열전도성이 높은 순으로 배치된다. 이때, 제2 전극(160) 및 제2 금속기판(180)과 직접 접촉하는 제1 점착층(211)와, 제4 점착층(214)는 점착성을 가질 수 있다.9 and 10, the
절연층(220)은 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214) 사이 중 어느 하나에 배치된다. 도면에서는 절연층(220)이 제2 점착층(212)와 제3 점착층(213) 사이에 배치되어 있으나, 제1 내지 제4 점착층(211,212,213,214) 사이 중 다른 위치에 배치되는 것도 가능하다. 이때, 절연층(220)은 절연성 재질로 이루어져, 제 2 전극(160)의 전류가 제2 금속기판(180)으로 전달되는 것을 차단한다. 절연층은 제2 전극(160)에 인접하게 배치될수록 전류 차단에 유리하나, 이를 한정하지 않는다. 이때, 절연층(220)은 폴리이미드(Polyimide) 재질일 수 있다. 또한 절연층(220)의 두께는 1 내지 500㎛일 수 있다, 예를 들어, 절연층(220)의 두께는 약 5㎛일 수 있다.The insulating
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. The thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to a power generation device, a cooling device, and a heating device. Specifically, the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is mainly an optical communication module, a sensor, a medical device, a measuring device, an aerospace industry, a refrigerator, a chiller, a car ventilation sheet, a cup holder, a washing machine, a dryer, and a wine cellar , Water purifier, sensor power supply, thermopile, etc.
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. Here, as an example in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, there is a PCR (Polymerase Chain Reaction) device. The PCR device is a device for amplifying DNA to determine the base sequence of DNA, and requires precise temperature control and a thermal cycle. To this end, a Peltier-based thermoelectric element may be applied.
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. Another example in which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device is a photo detector. Here, the photo detector includes an infrared/ultraviolet detector, a charge coupled device (CCD) sensor, an X-ray detector, and a thermoelectric thermal reference source (TTRS). For cooling of the photo detector, a Peltier-based thermoelectric element may be applied. Accordingly, it is possible to prevent a change in wavelength, a decrease in output, and a decrease in resolution due to an increase in temperature inside the photo detector.
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. Another example in which the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to medical devices, the field of immunoassay, the field of in vitro diagnostics, the temperature control and cooling systems, Physical therapy, liquid chiller systems, and blood/plasma temperature control. Accordingly, precise temperature control is possible.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다. Another example in which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device is an artificial heart. Accordingly, power can be supplied to the artificial heart.
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. Examples of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention applied to the aerospace industry include a star tracking system, a thermal imaging camera, an infrared/ultraviolet detector, a CCD sensor, a Hubble Space Telescope, and TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor can be maintained.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다. Other examples in which the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry include a cooling device, a heater, and a power generation device.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.In addition to this, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be applied to power generation, cooling, and warming in other industrial fields.
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.Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You can understand that you can.
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 점착층
172, 214: 제2 점착층
173,220: 절연층
180: 제2 금속기판
190: 실링 수단
212 : 제3 점착층
213 : 제4 점착층
220: 절연층110: first metal substrate
120: first resin layer
130: first electrode
140: P-type thermoelectric leg
150: N-type thermoelectric leg
160: second electrode
170,200: second resin layer
171, 211: first adhesive layer
172, 214: second adhesive layer
173,220: insulating layer
180: second metal substrate
190: sealing means
212: third adhesive layer
213: fourth adhesive layer
220: insulating layer
Claims (8)
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 저온부이고, 상기 제2 금속기판은 고온부이며,
상기 제2 수지층은 상기 복수의 제2 전극과 직접 접촉하는 제1 점착층과, 상기 제1 점착층과 이격 적층되어 상기 제2 금속기판과 직접 접촉하는 제2 점착층과, 상기 제1 점착층과 상기 제2 점착층의 사이에 배치된 절연층을 포함하는 열전 소자.The first metal substrate,
A first resin layer disposed on the first metal substrate,
A plurality of first electrodes disposed on the first resin layer,
A plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs disposed on the plurality of first electrodes,
A plurality of second electrodes disposed on the plurality of P-type thermoelectric legs and the plurality of N-type thermoelectric legs,
A second resin layer disposed on the plurality of second electrodes, and
A second metal substrate disposed on the second resin layer,
The first metal substrate is a low temperature portion, the second metal substrate is a high temperature portion,
The second resin layer includes a first adhesive layer directly contacting the plurality of second electrodes, a second adhesive layer stacked apart from the first adhesive layer and directly contacting the second metal substrate, and the first adhesive layer. A thermoelectric element comprising an insulating layer disposed between a layer and the second adhesive layer.
상기 제1 금속기판 및 제2 금속기판은 알루미늄 포함하는 열전 소자.According to claim 1,
The first metal substrate and the second metal substrate is a thermoelectric element comprising aluminum.
제1 수지층의 접합 강도는 제2 수지층의 접합 강도보다 높은 열전소자.According to claim 1,
A thermoelectric element having a bonding strength of the first resin layer higher than that of the second resin layer.
상기 제1 점착층 및 제2 점착층은 폴리실록산(Polysiloxan)계 점착제인 열전 소자.According to claim 1,
The first adhesive layer and the second adhesive layer are polysiloxane (Polysiloxan)-based adhesive thermoelectric elements.
상기 제1 점착층 및 제2 점착층은 150 내지 200℃의 온도에서 1kgf/mm2 이하의 접합강도를 갖는 열전 소자.According to claim 4,
The first adhesive layer and the second adhesive layer are thermoelectric elements having a bonding strength of 1 kgf/mm 2 or less at a temperature of 150 to 200°C.
상기 절연층은 폴리이미드(Polyimide)를 포함하는 열전 소자.According to claim 1,
The insulating layer is a thermoelectric device comprising a polyimide (Polyimide).
상기 제1 점착층과 상기 절연층 사이에 제3 점착층을 더 포함하는 열전 소자.According to claim 1,
A thermoelectric element further comprising a third adhesive layer between the first adhesive layer and the insulating layer.
상기 제2 점착층과 상기 절연층 사이에 제4 점착층을 더 포함하는 열전 소자.According to claim 1,
A thermoelectric element further comprising a fourth adhesive layer between the second adhesive layer and the insulating layer.
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