KR20200098304A - 열전소자 - Google Patents

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KR20200098304A KR1020190016271A KR20190016271A KR20200098304A KR 20200098304 A KR20200098304 A KR 20200098304A KR 1020190016271 A KR1020190016271 A KR 1020190016271A KR 20190016271 A KR20190016271 A KR 20190016271A KR 20200098304 A KR20200098304 A KR 20200098304A
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되는 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 그리고 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나는, 고분자 수지, 상기 고분자 수지 내에 분산된 제1 충전재, 그리고 상기 제1 충전재가 분산된 상기 고분자 수지 내에 배치된 제2 충전재를 포함하고, 상기 제1 충전재는 구형 충전재이고, 상기 제2 충전재는 망상 구조를 가지는 시트형 충전재이며, 상기 제1 충전재의 일부는 상기 제2 충전재의 공극 내에 배치된다.

Description

열전소자{THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 절연층에 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.
열전소자의 열전달 성능을 향상시키기 위하여, 금속기판을 사용하고자 하는 시도가 늘고 있다. 일반적으로, 열전소자는 미리 마련된 금속기판 상에 절연층, 전극, 열전 레그를 순차적으로 적층하는 공정에 따라 제작될 수 있다. 이에 따라, 절연층의 한 면에는 금속기판이 배치되고, 다른 면에는 전극이 배치될 수 있다. 이때, 절연층은 고분자 수지를 포함할 수 있으며, 고분자 수지와 금속기판 간의 열팽창 계수는 약 10배 정도 차이가 날 수 있다. 열전소자가 차량 등과 같이 고온에 반복적으로 노출되어야 하는 애플리케이션에 적용될 경우, 금속기판, 절연층 및 전극 간 열팽창 계수의 차이로 인하여 금속기판과 절연층 간 계면 또는 절연층과 전극 간 계면에 손상이 가해질 수 있다.
도 1(a)는 금속기판 상에 절연층 및 전극이 순차적으로 적층된 단면을 나타내고, 도 1(b)는 금속기판과 절연층 사이에 이격이 발생한 계면의 단면을 촬영한 사진이고, 도 1(c) 및 도 1(d)는 금속기판과 절연층 사이가 이격된 경우 절연층의 손상을 촬영한 사진이다.
도 1(a) 내지 도 1(d)를 참조하면, 금속기판(10), 절연층(11) 및 전극(12)이 반복적으로 열팽창을 할 경우, 금속기판(10)과 절연층(11) 사이에 이격이 발생함을 알 수 있고, 금속기판(10)과 절연층(11) 사이에 이격이 발생하는 과정에서 절연층(11)이 손상됨을 알 수 있다. 절연층이 손상될 경우, 금속기판과 전극이 직접 접촉할 수 있으며, 이에 따라 열전소자에 쇼트가 발생하며, 결과적으로 열전소자의 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자의 절연층을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 금속기판, 상기 제1 금속기판 상에 배치되는 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 그리고 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나는, 고분자 수지, 상기 고분자 수지 내에 분산된 제1 충전재, 그리고 상기 제1 충전재가 분산된 상기 고분자 수지 내에 배치된 제2 충전재를 포함하고, 상기 제1 충전재는 구형 충전재이고, 상기 제2 충전재는 망상 구조를 가지는 시트형 충전재이며, 상기 제1 충전재의 일부는 상기 제2 충전재의 공극 내에 배치된다.
상기 제2 충전재의 두께는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나의 두께의 50 내지 90%일 수 있다.
상기 제2 충전재의 부피는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나의 부피의 20 내지 60%일 수 있다.
상기 제2 충전재는 부직포 형태의 망상 구조 또는 직조 형태의 망상 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 충전재의 평균 공극 직경은 상기 제1 충전재의 D90보다 클 수 있다.
상기 제2 충전재는 셀룰로오스 및 PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 충전재는 산화알루미늄, 그래핀, 산화아연, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속기판의 적어도 일부에는 요철이 형성되고, 상기 제2 충전재의 일부는 상기 요철에 의하여 형성된 홈 내에 배치될 수 있다.
상기 제1 금속기판은 구리를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 Si를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자 내 금속기판과 절연층 간의 접합력 및 절연층과 전극 간의 접합력을 모두 개선하여 고온 환경에 반복하여 노출되더라도 열전소자 내 절연층이 손상되거나 박리되는 문제를 방지할 수 있고, 이에 따라 신뢰성 및 내구성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다.
도 1(a)는 금속기판 상에 절연층 및 전극이 순차적으로 적층된 단면을 나타내고, 도 1(b)는 금속기판과 절연층 사이에 이격이 발생한 계면의 단면을 촬영한 사진이고, 도 1(c) 및 도 1(d)는 금속기판과 절연층 사이가 이격된 경우 절연층의 손상을 촬영한 사진이다.
도 2는 한 실시예에 따른 열전소자의 일부의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 금속기판, 절연층 및 전극의 단면을 도시한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 금속기판, 절연층 및 전극의 적층 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 실시예 1 내지 3에서 사용한 제2 충전재를 나타낸다.
도 12는 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따라 형성된 절연층의 표면을 나타낸다.
도 13은 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따른 절연층의 열분해 온도 그래프이다.
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 2는 한 실시예에 따른 열전소자의 일부의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(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 하부 전극(120) 및 상부 전극(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. 또는, 하부전극(120) 및 상부전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 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 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 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 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 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. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 다결정 열전 레그를 위하여, 열전 레그용 분말을 소결할 때, 100MPa 내지 200MPa로 압축할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 100 내지 150MPa, 바람직하게는 110 내지 140MPa, 더욱 바람직하게는 120 내지 130MPa로 소결할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(130)의 소결 시 열전 레그용 분말을 150 내지 200MPa, 바람직하게는 160 내지 195MPa, 더욱 바람직하게는 170 내지 190MPa로 소결할 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 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.
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. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, Cu, Al, Cu 합금, Al 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 5~20W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.35mm의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.35mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)은 제1 금속 기판(110)과 혼용되고, 상부 기판(160)은 제2 금속 기판(160)과 혼용될 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 금속기판(110) 및 제2 금속기판(160) 중 적어도 하나에는 히트싱크가 배치될 수도 있다. 예를 들어, 제1 금속기판(110)의 양면 중 제1 절연층(170)이 배치되는 면의 반대 면에는 히트싱크가 부착될 수 있고, 제2 금속기판(160)의 양면 중 제2 절연층(172)이 배치되는 면의 반대 면에는 히트싱크가 부착될 수 있다. 또는, 제1 금속기판(110)과 히트싱크는 일체로 형성될 수도 있고, 제2 금속기판(160)과 히트싱크는 일체로 형성될 수도 있다.
제1 금속기판(110)의 면적은 제1 절연층(170)의 면적보다 클 수 있으며, 제2 금속기판(160)의 면적은 제2 절연층(172)의 면적보다 클 수 있다. 즉, 제1 절연층(170)은 제1 금속기판(110)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있고, 제2 절연층(172)은 제2 금속기판(160)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 이격된 영역 내에 배치될 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나는 금속 기판이고, 다른 하나는 절연 기판일 수도 있다.
하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 바람직하게는, 하부기판(110)의 체적, 두께 또는 면적은 상부기판(160)의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나 보다 더 크게 형성될 수 있다.
이때, 하부기판(110)은 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되는 경우, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되는 경우 또는 후술할 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우에 상부기판(160) 보다 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나를 더 크게 할 수 있다. 이때, 하부기판(110)의 면적은 상부기판(160)의 면적대비 1.2 내지 5배의 범위로 형성할 수 있다. 하부기판(110)의 면적이 상부기판(160)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 열전달 효율 향상에 미치는 영향은 높지 않으며, 5배를 초과하는 경우에는 오히려 열전달 효율이 현저하게 떨어지며, 열전모듈의 기본 형상을 유지하기 어려울 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 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. 열전소자(100)는 하부기판(110), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 상부기판(160)을 포함한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재(190)가 더 배치될 수도 있다. 실링부재(190)는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 제1 절연층(170), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 제2 절연층(172)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(170), 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부전극(150) 및 제2 절연층(172)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재(190)는, 복수의 하부전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 실링 케이스(192), 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재(194) 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재(196)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스(192)는 실링재(194, 196)를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스(192)가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스(192)를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 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 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 기밀하는 역할을 하며, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있고, 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 실링 케이스(192)와 하부 기판(110) 사이를 실링하는 실링재(194)는 하부 기판(110)의 상면에 배치되고, 실링케이스(192)와 상부 기판(160) 사이를 실링하는 실링재(196)는 상부기판(160)의 측면에 배치될 수 있다. 이를 위하여, 하부 기판(110)의 면적은 상부 기판(160)의 면적보다 클 수 있다. 한편, 실링 케이스(192)에는 전극에 연결된 리드선(181, 182)를 인출하기 위한 가이드 홈이 형성될 수 있다. 이를 위하여, 실링 케이스(192)는 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물일 수 있으며, 실링 커버와 혼용될 수 있다. 다만, 실링부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도시되지 않았으나, 실링부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 도 2(b)에서 도시하는 구조를 가질 수도 있다. 도 2(b)를 참조하면, 열전 레그(130, 140)는 열전 소재층(132, 142), 열전 소재층(132, 142)의 한 면 상에 적층되는 제1 도금층(134-1, 144-1), 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2), 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 각각 배치되는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)을 포함할 수 있다. 또는, 열전 레그(130, 140)는 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 각각과 하부 기판(110) 및 상부 기판(160) 각각 사이에 적층되는 금속층(138-1, 148-1, 138-2, 148-2)을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 열전 소재층(132, 142)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(132, 142)은 전술한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다. 열전 소재층(132, 142)이 다결정인 경우, 열전소재층(132, 142), 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제1 도금층(134-1, 144-1)의 접합력 및 열전소재층(132, 142), 제2 버퍼층(136-2, 146-2) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 간의 접합력이 높아질 수 있다. 이에 따라, 진동이 발생하는 애플리케이션, 예를 들어 차량 등에 열전소자(100)가 적용되더라도 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)로부터 이탈되어 탄화되는 문제를 방지할 수 있으며, 열전소자(100)의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
그리고, 금속층(138-1, 148-1, 138-2, 148-2)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)은 열전 소재층(132, 142) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 금속층(138-1, 148-1, 138-2, 148-2) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속층(138-1, 148-1, 138-2, 148-2)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 사이 및 열전 소재층(132, 142)과 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버퍼층(136-1, 146)-1 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(132, 142)과 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2) 사이에 Te를 포함하는 제1 버퍼층(136-1, 146-1) 및 제2 버퍼층(136-2, 146-2)이 배치되면, 열전 소재층(132, 142) 내 Te가 제1 도금층(134-1, 144-1) 및 제2 도금층(134-2, 144-2)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역으로 인하여 열전소재층 내 전기 저항이 증가하는 문제를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 리드선(181, 182)을 통하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 측의 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 측의 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
또는, 제1 전극(120) 측의 기판 및 제2 전극(150) 측의 기판 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 열전성능 및 신뢰성을 높이기 위하여, 제1 금속기판(110)과 복수의 제1 전극(120) 사이 및 제2 금속기판(160)과 복수의 제2 전극(150) 사이의 열 전달이 가능하여야 할 뿐만 아니라, 절연이 보장되어야 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 금속기판, 절연층 및 전극의 단면을 도시하고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타내고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타내며, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 절연층에 포함되는 충전재를 나타내고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 금속기판, 절연층 및 전극의 적층 방법을 나타내는 순서도이다. 금속기판(110), 절연층(170) 및 전극(120)에 관하여 도 2 내지 5에서 설명한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. 설명의 편의를 위하여 제1 절연층(170)을 중심으로 설명하지만, 이로 제한되는 것은 아니며, 동일한 구성이 제2 절연층(172)에도 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 절연층(170)은 고분자 수지(700), 고분자 수지(700) 내에 분산된 제1 충전재(702) 및 제1 충전재(702)가 분산된 고분자 수지(700) 내에 배치된 제2 충전재(704)를 포함한다.
도 7 내지 9를 참조하면, 제2 충전재(704)는 망상 구조를 가지는 시트형 충전재일 수 있다. 망상 구조를 가지는 시트형 충전재는 절연 성능을 가지는 선형 형상의 재료 또는 섬유 형상의 재료로 이루어질 수 있다. 제2 충전재(704)는 도 7에 도시된 바와 같이, 섬유 형상의 재료를 부정방향으로 배열하여 시트 형상으로 압착한 부직포 형태의 망상 구조일 수 있다. 또는, 제2 충전재(704)는 도 8 내지 9에 도시된 바와 같이, 섬유 형상의 재료를 소정의 규칙으로 배열하여 시트 형상으로 압착한 망상 구조일 수도 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 직조 형태의 망상 구조를 가지거나, 도 9에 도시된 바와 같이 한 방향으로 평행한 성분을 포함하도록 배열된 형태를 가질 수도 있다.
이때, 섬유 형상의 재료는 그래핀, 셀룰로오스, PET(polyethylene terephthalate), 산화알루미늄, 산화아연, 산화지르코늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 절연 성능, 탄성, 열전도 성능을 가지며 망상 구조를 구현할 수 있는 물질이면 어떠한 물질이라도 무방하다.
다시, 도 6을 참조하면, 전술한 바와 같이, 절연층(170)은 고분자 수지(700) 및 제1 충전재(702)를 포함한다. 제1 충전재(702)는 고분자 수지(700) 내에 분산될 수 있으며, 본 명세서에서는 제1 충전재(702)가 분산된 고분자 수지(700)를 고분자 수지 조성물이라 한다.
여기서, 고분자 수지(700)는 에폭시 수지이거나 실리콘 수지일 수 있다. 실리콘 수지는, 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)일 수 있다.
제1 충전재(702)는 고분자 수지 조성물의 20 내지 70vol%로 포함될 수 있다. 제1 충전재(702)가 20vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 70vol%를 초과하여 포함되면 고분자 수지 내 분산이 어려울 수 있으며, 망상 충전재(704)의 분포가 상대적으로 적으므로 금속기판(110)과 절연층(170) 사이 또는 절연층(170)과 전극(120) 사에에 이격이 발생하여 결과적으로 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
제1 충전재(702)는 절연 성능 및 열전도도 및 고분자 수지와의 친화도 등을 고려하여 선택될 수 있으며, 예를 들어, 산화알루미늄, 질화알루미늄 및 질화붕소 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 구형일 수 있다. 제1 충전재(702)가 질화알루미늄 또는 질화붕소인 경우, 고분자 수지와의 친화도를 개선하기 위하여 질화알루미늄 또는 질화붕소의 표면을 개질할 수도 있다.
제1 충전재(702)의 입자크기 D50은 0.5 내지 150㎛, 바람직하게는 1 내지 70㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 30㎛일 수 있다. 본 명세서에서, D10은 입도분석자료에서 통과 백분율의 10%에 대응하는 입경을 의미하고, D50은 입도분석자료에서 통과 백분율의 50%에 대응하는 입경을 의미하며, D90은 입도분석자료에서 통과 백분율의 90%에 대응하는 입경을 의미할 수 있다. 제1 충전재(702)의 입자크기 D50이 이러한 수치 범위를 만족할 경우, 제1 충전재(702)가 고분자 수지 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 절연층 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 충전재(704)는 고분자 수지(700) 내에 제1 충전재(702)가 분산되어 있는 고분자 수지 조성물 내에 배치되며, 이에 따라 절연층(170)이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 절연층(170)은 제2 충전재(704)로 인하여 금속기판(110)과의 접합 강도 및 전극(120)과의 접합 강도가 모두 높아질 수 있으며, 제2 충전재(704)의 망상 구조로 인하여 제1 충전재(702)가 고르게 배치되므로 열전도 성능도 개선될 수 있다.
이를 위하여, 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 금속 기판(110)을 마련한 후(S100), 금속 기판(110)의 한 면 상에 망상 구조를 가지는 시트형 충전재인 제2 충전재(704)를 배치하고(S110), 제2 충전재(704)에 제1 충전재(702)가 분산되어 있는 고분자 수지 조성물을 뿌린 후(S120), 전극(120)을 부착하고(S130), 압착 및 열경화하는 과정(S140)을 거쳐 제조될 수 있다.
이에 따라, 고분자 수지 조성물은 제2 충전재(704)의 공극을 채우며, 제1 충전재(702)의 일부는 제2 충전재(704)의 공극 내에 배치될 수 있다.
이를 위하여, 제2 충전재(704)를 이루는 섬유 형상의 재료의 평균 직경은 제1 충전재(702)의 D50보다 클 수 있다. 이에 따르면, 제1 충전재(702)를 포함하는 고분자 수지 조성물이 제2 충전재(704)의 공극 내로 스며드는 과정에서 제1 충전재(702)로 인하여 제2 충전재(704)를 이루는 섬유 형상의 재료의 구조가 휘어지는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 제2 충전재(704)의 평균 공극 직경(D)은 제1 충전재(702)의 직경보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 충전재(704)의 평균 공극 직경(D)은 제1 충전재(702)의 D90보다 클 수 있다. 제2 충전재(704)의 평균 공극 직경은 제1 충전재(702)의 D90보다 작으면, 제2 충전재(704)의 공극을 통과하지 못한 제1 충전재(702)의 양이 많아질 수 있으며, 이에 따라 금속기판(110)에 가까운 영역보다 전극(120)에 가까운 영역에서 제1 충전재(702)의 함량이 높아질 수 있으므로, 절연층(170) 내 열전도 성능에 영향을 미치는 제1 충전재(702)가 고르게 분산되지 못하여, 절연층(170)의 열전도 성능이 낮아질 수 있다. 또한, 제1 충전재(702)는 구형의 충전재일 수 있다. 제1 충전재(702)가 구형이면, 제1 충전재(702)를 포함하는 고분자 수지 조성물이 제2 충전재(704)의 공극 내로 스며드는 과정에서 제1 충전재(702)가 제2 충전재(704)를 이루는 섬유 형상의 재료와 접촉하더라도 부드럽게 미끄러질 수 있으므로, 제1 충전재(702)가 절연층(170) 내부에 고르게 분산될 수 있다.
한편, 절연층(170)의 두께는 0.01 내지 0.6mm, 바람직하게는 0.02 내지 0.3mm, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.15mm일 수 있으며, 제2 충전재(704)의 두께는 절연층(170)의 두께의 50 내지 90%, 바람직하게는 60 내지 85%, 더욱 바람직하게는 70 내지 80%일 수 있고, 제2 충전재(704)의 부피는 절연층(170)의 부피의 20 내지 60%, 바람직하게는 35 내지 55%, 더욱 바람직하게는 40 내지 50%일 수 있다. 제2 충전재(704)의 두께가 이러한 수치범위의 하한보다 낮으면, 제2 충전재(704)가 절연층(170)의 하부 또는 상부에 치우치게 되어 금속기판(110) 측 및 전극 금속기판(120) 측 접합 강도와 전극(120) 측 접합 강도가 달라질 수 있으며, 제2 충전재(704)의 두께가 이러한 수치범위의 상한보다 높으면 전극들 사이에서 절연층(170)이 노출되는 표면이 고르지 않아 전극(120)과의 접합 강도가 낮아질 수 있으며, 절연층(170)의 열전도율이 낮아질 수 있다. 제2 충전재(704)의 부피가 이러한 수치범위의 하한보다 낮으면, 제2 충전재(704)로 인한 접합 강도 향상의 효과가 미미할 수 있으며, 이러한 수치 범위의 상한보다 높으면 전극(120)과의 접합 강도가 낮아질 수 있고, 절연층(170)의 열전도율이 낮아질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속기판(110)의 적어도 일부에는 요철이 형성되고, 제2 충전재(704)의 일부는 요철에 의하여 형성된 홈 내에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제2 충전재(704)는 금속기판(110)의 표면 상에 더욱 단단하게 고정되므로, 절연층(170)과 금속기판(110) 간의 접합 강도를 개선할 수 있으며, 절연층(170)과 금속기판(110) 간의 표면적이 증가하게 되어 열전달 성능도 높아질 수 있다.
이와 같이, 금속기판(110)에 형성된 요철의 크기, 즉 표면거칠기는 0.01 내지 50㎛, 바람직하게는 0.1 내지 20㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 10㎛, 더욱 바람직하게는 1 내지 5㎛일 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서 요철은 마이크로텍스쳐와 혼용될 수 있다. 요철은, 예를 들어 에칭 공정 등에 의하여 형성될 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 이용하여 본 발명의 실시예의 효과를 설명하고자 한다.
도 11은 실시예 1 내지 3에서 사용한 제2 충전재를 나타내고, 도 12는 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따라 형성된 절연층의 표면을 나타내며, 도 13은 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따른 절연층의 열분해 온도 그래프이며, 표 1은 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따른 인장강도, 내전압 특성 및 열분해 온도 결과를 나타낸다.
비교예에서는 금속기판 상에 실리콘 수지 및 산화알루미늄으로 이루어진 고분자 수지 조성물을 적용한 후 전극을 부착하였고, 실시예 1에서는 금속기판 상에 도 11(a)의 제2 충전재를 배치한 후 비교예에서 사용한 고분자 수지 조성물과 동일한 고분자 수지 조성물을 적용한 후 전극을 부착하였으며, 실시예 2에서는 금속기판 상에 도 11(b)의 제2 충전재를 배치한 후 비교예에서 사용한 고분자 수지 조성물과 동일한 고분자 수지 조성물을 적용한 후 전극을 부착하였고, 실시예 3에서는 금속기판 상에 도 11(c)의 제2 충전재를 배치한 후 비교예에서 사용한 고분자 수지 조성물과 동일한 고분자 수지 조성물을 적용한 후 전극을 부착하였다.
비교예, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3 모두 절연층의 총 두께는 80±5㎛가 되도록 제작하였으며, 실시예 1에서 제2 충전재의 두께는 70±5㎛이고, 제2 충전재의 부피는 절연층의 부피의 40vol%가 되도록 제작하였고, 실시예 2에서 제2 충전재의 두께는 70±5㎛이고, 제2 충전재의 부피는 절연층의 부피의 46vol%가 되도록 제작하였으며, 실시예 3에서 제2 충전재의 두께는 40±5㎛이고, 제2 충전재의 부피는 절연층의 부피의 32vol%가 되도록 제작하였다.
비교예, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제작한 절연층 상에 배치된 전극의 상면을 도 12(a), 도 12(b), 도 12(c) 및 도 12(d)와 같이 각각 관찰할 수 있었다. 도 12(a) 내지 도 12(d)를 비교하면, 절연층이 고분자 수지 조성물로만 이루어진 도 12(a)에서는 매끄러운 절연층의 표면을 관찰할 수 있으며, 절연층이 고분자 수지 조성물과 제2 충전재를 포함하는 도 12(b) 내지 12(d)에서는 제2 충전재의 모양에 따라 요철이 있는 절연층의 표면을 관찰할 수 있다. 도 12(b) 내지 12(d)와 같이, 절연층의 표면에 요철이 있는 경우 금속기판과 절연층 간의 접촉 면적과 접합력 및 절연층과 전극 간의 접촉 면적과 접합력이 높아질 수 있다.
비교예, 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제작된 절연층에 대하여 20*50mm의 시편을 이용하여 인장강도를 측정하였으며, 파괴전압(breakdown voltage)에 의하여 내전압 특성을 측정하였고, TGA 그래프로 열분해 온도를 측정하였다.
실험번호 비교예 실시예 1 실시예 2 실시예 3
인장강도(kgf) 0.2 3.2 4.6 2.4
내전압특성(kV) 0.5 4 4 2.4
열분해온도(℃) 398.66 418.35 415.37 400.47
표 1 및 도 13를 참조하면, 비교예에 비하여 실시예 1 내지 3에서 현저히 높은 인장강도, 내전압 특성 및 열분해 온도를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 특히, 직조 형상의 망상 구조를 사용한 실시예 2에서 가장 높은 인장강도를 얻을 수 있음을 알 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)

  1. 제1 금속기판,
    상기 제1 금속기판 상에 배치되는 제1 절연층,
    상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 배치된 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그,
    상기 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치된 제2 전극,
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 절연층, 그리고
    상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 금속기판을 포함하고,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나는,
    고분자 수지, 상기 고분자 수지 내에 분산된 제1 충전재, 그리고 상기 제1 충전재가 분산된 상기 고분자 수지 내에 배치된 제2 충전재를 포함하고,
    상기 제1 충전재는 구형 충전재이고,
    상기 제2 충전재는 망상 구조를 가지는 시트형 충전재이며,
    상기 제1 충전재의 일부는 상기 제2 충전재의 공극 내에 배치된 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전재의 두께는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나의 두께의 50 내지 90%인 열전소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전재의 부피는 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층 중 적어도 하나의 부피의 20 내지 60%인 열전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전재는 부직포 형태의 망상 구조 또는 직조 형태의 망상 구조를 가지는 열전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전재의 평균 공극 직경은 상기 제1 충전재의 D90보다 큰 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전재는 그래핀, 셀룰로오스, PET(polyethylene terephthalate), 산화알루미늄, 산화아연, 산화지르코늄 중 적어도 하나를 포함하는 열전소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 충전재는 산화알루미늄, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속기판의 적어도 일부에는 요철이 형성되고,
    상기 제2 충전재의 일부는 상기 요철에 의하여 형성된 홈 내에 배치된 열전소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속기판은 구리를 포함하는 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 Si를 포함하는 열전소자.
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