KR20210028494A - 열전모듈 - Google Patents

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KR20210028494A
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유영삼
김종현
이세운
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판, 상기 제2 기판 상에 배치된 접착층, 그리고 상기 접착층 상에 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가지며, 각 패턴은, 상기 제2 기판과 마주하며, 상기 접착층과 직접 접촉하도록 배치된 제1면, 상기 제1면의 한 말단으로부터 상부를 향하도록 연장된 제2면, 상기 제2 기판과 마주하도록 상기 제2 면으로부터 연장된 제3면, 그리고 제1면의 상기 한 말단과 대향하는 다른 말단으로부터 상부를 향하도록 연장되고 인접한 패턴의 제3면과 연결된 제4면을 포함하고, 상기 제3면과 상기 제2 기판 간의 거리는 상기 제1면과 상기 제2 기판 간의 거리보다 크고, 상기 제3면의 폭은 상기 제1면의 폭보다 크다.

Description

열전모듈{THERMO ELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 기판 및 히트싱크의 접합에 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, 상부 기판과 하부 기판 사이에 복수의 열전 레그가 배치되고, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
한편, 열전소자의 양 기판 중 적어도 하나에는 히트싱크가 배치될 수 있다. 이를 위하여, 기판과 히트싱크를 일체로 형성하고자 하는 시도가 있으나, 기판의 면적이 커질수록 평탄도를 일정하게 유지하는 것이 어려워지므로, 대면적 애플리케이션에서는 기판과 히트싱크를 일체로 형성하는데 제작 공정 상 어려움이 있다.
이에 따라, 기판과 히트싱크를 별도로 제작한 후 접합시트를 이용하여 접합하거나 솔더링을 이용하여 접합하고자 하는 시도가 있다.
솔더링에 의하여 접합할 경우에 접합시트에 의하여 접합할 경우에 비하여 접합력이 높다.
다만, 기판과 히트싱크 사이에 배치된 솔더층 내에 기포가 존재할 수 있으며, 기포로 인하여 기판과 히트싱크 사이의 열전달 성능 및 접합 성능이 저하될 수 있다.
이에 따라, 기판과 히트싱크 사이의 열전달 성능 및 접합 성능을 동시에 높일 수 있는 구조가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판과 히트싱크 사이의 열전달 성능 및 접합 성능이 모두 개선된 열전모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극, 상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판, 상기 제2 기판 상에 배치된 접착층, 그리고 상기 접착층 상에 배치된 히트싱크를 포함하고, 상기 히트싱크는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가지며, 각 패턴은, 상기 제2 기판과 마주하며, 상기 접착층과 직접 접촉하도록 배치된 제1면, 상기 제1면의 한 말단으로부터 상부를 향하도록 연장된 제2면, 상기 제2 기판과 마주하도록 상기 제2 면으로부터 연장된 제3면, 그리고 상기 제1면의 상기 한 말단과 대향하는 다른 말단으로부터 상부를 향하도록 연장되고 인접한 패턴의 제3면과 연결된 제4면을 포함하고, 상기 제3면과 상기 제2 기판 간의 거리는 상기 제1면과 상기 제2 기판 간의 거리보다 크고, 상기 제3면의 폭은 상기 제1면의 폭보다 크다.
상기 제1면과 상기 제2면 사이에서 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하는 제5면 및 상기 제1면과 상기 제4면 사이에서 상기 제1면과 상기 제4면을 연결하는 제6면 중 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각과 상이할 수 있다.
상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각보다 클 수 있다.
상기 제5면과 상기 제2면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각보다 클 수 있다.
상기 제2면과 상기 제4면은 서로 평행할 수 있다.
상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각 및 상기 제5면과 상기 제2면이 이루는 내각은 각각 둔각을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 접착층은 상기 제5면 및 상기 제6면 중 적어도 하나의 적어도 일부와 직접 접촉할 수 있다.
상기 제5면 및 상기 제6면 중 적어도 하나의 적어도 일부와 직접 접촉하는 접착층의 최고 높이는 상기 제1면과 직접 접촉하는 접착층의 최고 높이보다 높을 수 있다.
상기 제3면의 폭의 가운데 지점에 대응하는 상기 제2 기판의 적어도 일부 상에는 상기 접착층이 배치되지 않을 수 있다.
각 패턴의 상기 제2면 및 상기 제4면 간의 거리는 각 패턴의 상기 제5면 및 상기 제6면 간의 거리보다 크고, 각 패턴의 상기 제2면 및 인접하는 다른 패턴의 상기 제4면 간의 거리는 각 패턴의 상기 제5면 및 인접하는 다른 패턴의 제6면 간의 거리보다 작을 수 있다.
각 패턴의 상기 제1면의 폭은 각 패턴의 상기 제2면으로부터 상기 제4면까지의 거리의 0.2 내지 0.4배일 수 있다.
상기 제1면으로부터 상기 제5면까지의 최고높이는 상기 제1면 아래에 배치된 접착층의 두께의 1.5 내지 3배일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전모듈을 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 히트싱크 간의 열전달 성능뿐만 아니라, 접합 성능까지 개선되고 내구성이 높은 열전모듈을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 히트싱크를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
도 4는 열전소자의 기판과 히트싱크 간의 접합 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이다.
도 6은 도 5의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이다.
도 7은 도 5의 실시예에 따른 열전모듈의 일부 단면도의 확대도이다.
도 8은 히트싱크의 공기 유로의 면적에 대한 차압 비를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다.
도 10은 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 상면도이다.
도 11은 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이다.
도 12는 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 일부의 구체예이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다.
도 14는 도 13의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 상면도이다.
도 15는 도 13의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다.
도 19 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예의 사시도이고, 도 24는 도 23의 열변환장치의 분해사시도이다.
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 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다. 도 3은 히트싱크를 포함하는 열전모듈의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 기판과 히트싱크 간의 접합 예를 나타낸다.
도 1 내지 2를 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 금속 기판일 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. 다만, 여기에서 설명한 금속 기판의 두께는 예시적인 것이며, 열전소자(100)의 크기 및 적용되는 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 금속 기판은, 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 또는 알루미늄-구리 합금 기판일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며 열전도 성능이 높은 금속으로 이루어진 기판일 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 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 절연층(170)은 수지 조성물 및 무기충전재를 포함할 수 있다. 수지 조성물은 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있으며, 무기충전재는 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 절연층(170)은 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서 절연성은 인접한 층 간의 절연은 물론 고전압 하에서의 절연 파괴를 방지하는 내전압 특성을 의미할 수 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 68 내지 88vol%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 68vol%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 88vol%를 초과하여 포함되면 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 수지 조성물이 에폭시 수지를 포함하는 경우, 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. 수지 조성물이 실리콘 수지를 포함하는 경우, 실리콘 수지는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
무기충전재는 방열 또는 절연 특성을 갖는 산화물 및 질화물 중 적어도 하나를 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 있으며, 산화물은 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화아연 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
질화물이 질화붕소를 포함하는 경우, 질화붕소는 응집체 형태로 적용될 수 있으며, 이때, 질화붕소 응집체의 입자크기 D50은 250 내지 350㎛이고, 산화알루미늄의 입자크기 D50은 10 내지 30㎛일 수 있다. 질화붕소 응집체의 입자크기 D50과 산화알루미늄의 입자크기 D50이 이러한 수치 범위를 만족할 경우, 질화붕소 응집체와 산화알루미늄이 수지층 내에 고르게 분산될 수 있으며, 이에 따라 수지층 전체적으로 고른 열전도 효과 및 접착 성능을 가질 수 있다.
도시되지 않았으나, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에 배치된 절연층(170) 중 적어도 하나는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 이때, 복수의 층 각각은 동일하거나 서로 상이한 수지 조성물 또는 무기충전재를 포함하여 형성될 수 있으며, 각각의 층 두께는 서로 상이할 수 있다. 이에 따라, 절연층(170)은 절연성, 접합력 및 열전도 성능 중 적어도 하나의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또는, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판일 수도 있다. 절연 기판은 열전도 성능 및 절연 성능을 가지는 세라믹 기판 또는 고분자 수지로 이루어진 기판일 수 있다. 세라믹 기판은, 예를 들어 산화알루미늄 기판, 질화알루미늄 기판 등일 수 있다.
또는, 상호 대향하는 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. 바람직하게는, 하부 기판(110)의 체적, 두께 또는 면적을 상부 기판(160)의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성하여 고온영역 또는 저온영역에 선택적으로 배치할 수 있다. 예를 들어, 방열 성능의 상대적 향상을 통한 열전달 효율 최적화가 필요한 경우, 하부기판(110)은 고온영역에 배치될 수 있으며, 이와는 반대로 흡열 성능의 상대적 향상을 통한 열전달 효율 최적화가 필요한 경우, 하부기판(110)은 저온영역에 배치될 수 있다. 다른 예로서, 외부환경으로부터 열전모듈의 보호를 위한 실링부재가 하부기판(110) 상에 배치되는 경우, 저온영역 또는 고온영역과의 결합을 위하여 별도의 접합 또는 체결영역이 하부기판(110)에 형성되는 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.
도시되지 않았으나, 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다. 실링부재는 하부기판(110)과 상부기판(160) 사이에서 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링부재는, 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, 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이에 배치되는 실링재 및 실링 케이스와 상부 기판(160) 사이에 배치되는 실링재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 실링 케이스는 실링재를 매개로 하여 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 실링 케이스가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 직접 접촉할 경우 실링 케이스를 통해 열전도가 일어나게 되고, 결과적으로 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차가 낮아지는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 실링재는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수 있다. 실링재는 실링 케이스와 하부 기판(110) 사이 및 실링 케이스와 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. 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 1(a) 또는 도 1(b)에서 도시하는 구조를 가질 수 있다. 도 1(a)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), 및 열전 소재층(132, 142)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 적층되는 제2 도금층(134-2, 144-2)을 포함할 수 있다. 또는, 도 1(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 금속층을 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, 금속층은 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 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속층의 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.
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다. 본 명세서에서, 하부 기판(110)은 제1 기판(110)과 혼용될 수 있고, 하부 전극(120)은 제1 전극(120)과 혼용될 수 있으며, 상부 전극(150)은 제2 전극(150)과 혼용될 수 있고, 상부 기판(160)은 제2 기판(160)과 혼용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상부 기판, 즉 제2 기판(160) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 이때, 히트싱크(200)는 히트싱크(200)를 통과하는 공기와 면접촉할 수 있도록 평판 형상의 기재를 이용하여 공기 유로를 형성하도록 구현될 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 소정의 피치(P) 및 높이(H)를 가지는 반복적인 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접히는 구조를 가질 수 있다.
한편, 제2 기판(160)과 히트싱크(200)를 접합하기 위하여, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이에는 고분자 수지 및 금속 중 적어도 하나를 포함하는 층으로 이루어진 접착층(300)을 배치하고, 압력 또는 열을 가하거나, 압력과 열을 동시에 가하는 접합 공정을 통하여 제2 기판(160)과 히트싱크(200)를 접합할 수 있다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이에 배치된 접착층(300)은 접합 공정 이후에도 다수의 기포가 남아있을 수 있다. 접착층(300)은 고분자 수지와 금속물질의 혼합물로서 경화되기 이전에는 페이스트 형태일 수 있다. 고분자 수지는 접착층(300)에 유동성을 부여하여 제2 기판(160) 상에 도포를 용이하게 할 수 있으며, 금속물질은 주석(Sn), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하도록 하여, 제2 기판(160)과 히트싱크(200)와의 접합력 및 열전달 특성을 부여할 수 있다. 다수의 기포는 고분자 수지 내에 포함되어 있을 수 있으며, 이러한 기포로 인하여 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 열전달 경로가 줄어들게 되므로, 열전달 성능이 낮아질 수 있다. 또한, 이러한 기포로 인하여 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합 성능이 낮아질 수 있다.
제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이에 배치되는 접착층(300) 내의 기포의 양은 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이의 접합 면적, 두께 또는 접착층(300)의 재질 등에 따라 달라질 수 있다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이의 접합 면적 또는 두께가 커질수록, 또는 접착층(300) 내 고분자 수지의 함량이 클수록 접착층(300) 내에 생성된 기포는 외부로 빠져나가기 어려워 접합 공정 이후에도 다수의 기포가 남아있을 수 있다. 히트싱크(200)의 피치를 줄여 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 사이의 접합 면적을 줄일 경우, 접착층(300) 내의 기포의 양은 줄어들 수 있으나, 고온 또는 저온의 공기가 히트싱크(200) 영역으로 강제 유동되는 응용 분야에 있어서는, 오히려 공기의 저항이 높아지고, 인접 영역의 공기 압력은 상승한다. 이로 인해, 히트싱크(200) 영역을 통과하지 못하고 정체된 공기의 일부는 역류하여 주변 시스템에 악영향을 미칠 수 있으며, 히트싱크(200)를 통과한 공기도 적정 유동량을 만족하지 못할 수 있다. 따라서, 열전모듈 또는 이를 적용한 열전시스템의 효율 저하를 방지하기 위해 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력 차를 최소화시켜야 함이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 열전달 성능, 접합 성능 및 발전 성능이 모두 개선된 히트싱크 또는 기판의 구조를 제시하고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈의 단면도이고, 도 6은 도 5의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이며, 도 7은 도 5의 실시예에 따른 열전모듈의 일부 단면도의 확대도이다. 여기서, 열전소자(100)의 상세한 구조, 즉 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150), 상부 기판(160) 및 절연층(170)에 관한 내용은 도 1 내지 2에서 설명된 내용과 동일하게 적용될 수 있으므로, 설명의 편의를 위하여, 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 제2 기판(160) 상에 접착층(300)이 배치되고, 접착층(300) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200)는 접착층(300)에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 히트싱크(200)는 상부 기판(160), 즉 제2 기판(160)에 배치되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예와 동일한 구조의 히트싱크(200)가 하부 기판(110), 즉 제1 기판(110)에 배치될 수도 있고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 모두에 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 제1 패턴(X1), 제2 패턴(X2) 및 제3 패턴(X3)를 포함하며, 이들 패턴들은 순차적으로 연결되는 일체의 평판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 패턴(X1, X2, X3)은 순차적으로 연결된 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)을 포함하며, 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240) 각각은 복수일 수 있다.
제1면(210)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2면(220)은 제1면(210)의 제1 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제4면(240)은 제1면(210)의 제1 말단과 대향하는 제2 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제3면(230)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 이격되도록 제2면(220)으로부터 연장되고, 인접한 패턴의 제4면(240)으로부터 연장되어 서로 연결된 면일 수 있다. 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)은 순차적으로 접히는 구조를 가지는 일체의 평판일 수 있다. 또한, 제1면(210)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있으며, 제3면(230)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있다. 본 실시예에서 평행의 의미는 제2 기판(160)의 상면 즉, 접착층(300)과 직접 접촉하는 면과 제1면(210) 또는 제3면(230)이 이루는 내각이 2° 이내인 것으로 정의할 수 있다.
여기서, 상부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 멀어지는 방향을 의미할 수 있고, 하부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 가까워지는 방향을 의미할 수 있다. 즉, 제3면(230)과 제2 기판(160) 간의 거리는 제1면(210)과 제2 기판(160) 간의 거리보다 클 수 있다.
제1 패턴(X1)의 제2면(220)은 제1 패턴(X1)과 인접하는 제2 패턴(X2)의 제4면(240)에 제1 패턴(X1)의 제3면(230)을 매개로 연결되며, 이와 마찬가지로 제2 패턴(X2)의 제2면(220)은 제2 패턴(X2)과 인접하는 제3 패턴(X3)의 제4면(240)에 제2 패턴(X2)의 제3면(230)을 매개로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제3면(230)의 폭(W3)은 제1면(210)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 이를 위하여, 제1면(210)과 제2면(220) 사이에서 제1면(210)과 제2면(220)을 연결하는 제5면(250) 및, 제1면(210)과 제4면(240) 사이에서 제1면(210)과 제4면(240)을 연결하는 제6면(260) 중 어느 하나를 더 포함하거나, 모두 포함할 수 있다. 제1면(210)과 제5면(250)이 이루는 내각(θ1)은 제2면(220)과 제3면(230) 간의 경계에서 제2면(220)과 제3면(230)이 이루는 내각(θ2)과 상이할 수 있다. 또한, 제5면(250)과 제2면(220)이 이루는 내각(θ3) 은 제2면(220)과 제3면(230) 간의 경계에서 제2면(220)과 제3면(230)이 이루는 내각(θ2)과 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1면(210)과 제5면(250) 간의 경계에서 제1면(210)과 제5면(250)이 이루는 내각(θ1)은 제2면(220)과 제3면(230) 간의 경계에서 제2면(220)과 제3면(230)이 이루는 내각(θ2)보다 클 수 있다. 그리고, 제5면(250)과 제2면(220) 간의 경계에서 제5면(250)과 제2면(220)이 이루는 내각(θ3)은 제2면(220)과 제3면(230) 간의 경계에서 제2면(220)과 제3면(230)이 이루는 내각(θ2)보다 클 수 있다. 제1면(210)과 제4면(240) 사이에서 제1면(210)과 제4면(240)을 연결하는 제6면(260)을 더 포함할 경우, 제6면(260)은 제5면(250)과 거의 대칭되는 형상을 이루도록 형성될 수 있다. 따라서, 제6면(260)이 제1면(210)과 이루는 내각(θ4) 또는 제4면(240)과 이루는 내각(θ5)은 전술한 θ1 및 θ3에서의 관계에서와 같이 동일하게 적용될 수 있다. 도 7(a) 및 도 7(b)에서는 제1면(210)과 제2면(220) 사이에 제5면(250)이 배치되고, 제1면(210)과 제4면(240) 사이에 제5면(250)과 대칭하는 제6면(260)이 배치되는 예를 중심으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 도 5(a) 및 도 6(a)에 도시된 바와 같이 제1면(210)과 제2면(220) 사이에 제5면(250)이 배치되고 제1면(210)과 제4면(240)은 직접 연결될 수도 있고, 도시되지 않았으나, 제1면(210)과 제4면(220) 사이에 제6면(260)이 배치되고 제1면(210)과 제2면(220)은 직접 연결될 수도 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 제1면(210)과 제2면(220) 간의 경계에서 제1면(210)과 제5면(250)이 이루는 내각(θ1)은 90°를 초과하며 둔각을 이루며, 제2면(220)과 제3면(230) 간의 경계에서 제2면(220)과 제3면(230)이 이루는 내각(θ2)은 거의 직각임을 알 수 있다. 이에 따르면, 제1면(210)과 접착층(300) 간의 접촉 면적이 좁아질 수 있으므로, 접착층(300) 내의 기포를 줄일 수 있다. 또한, 히트싱크(200)를 이루는 패턴들의 패턴 별 피치(P)는 그대로 유지하면서, 제1면(210)과 접착층(300) 간의 접촉 면적을 좁힐 수 있으므로, 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력 차이를 최소화 할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 제1 패턴(X1)의 제2면(220) 및 제2 패턴(X2)의 제4면(240) 간의 거리(d1)는 제1 패턴(X1)의 제5면(250) 및 제2 패턴(X2)의 제6면(260) 간의 거리(d2)보다 작고, 제2 패턴(X2)의 제4면(240) 및 제2 패턴(X2)의 제2면(220) 간의 거리(d3)는 제2 패턴(X1)의 제5면(250) 및 제2 패턴(X2)의 제6면(260) 간의 거리(d4)보다 클 수 있다. 이에 따르면, 히트싱크(200)를 이루는 패턴들의 패턴 별 피치(P)는 그대로 유지하면서, 제1면(210)과 접착층(300) 간의 접촉 면적을 좁힐 수 있으며, 공기가 통과하는 유로의 면적도 실질적으로 줄어드는 것이 아니므로, 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력 차이를 최소화 할 수 있다. 이때, 각 패턴별 제1면(210)의 폭(W1)은 패턴의 피치, 예를 들어 제1 패턴(X1)의 제4면(240)으로부터 제2 패턴(X2)의 제4면(240)까지의 거리의 0.2 내지 0.4배일 수 있고, 제5면(250) 또는 제6면(260)의 제1면(210)으로부터 최고 높이는 제1면(210) 아래에 배치된 접착층(300)의 두께의 1.5 내지 3배일 수 있다. 예를 들어, 패턴의 피치가 3.76mm인 경우, 제1면(210)의 폭(W1)은 0.75 내지 1.5mm, 바람직하게는 0.85 내지 1.35mm, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1.2일 수 있으며, 접착층(300)의 두께가 1.5mm인 경우 제5면(250) 또는 제6면(260)의 제1면(210)으로부터 제최고 높이는 3 내지 4.5mm일 수 있다. 이에 따르면, 패턴의 피치를 줄이지 않으면서도 접착층(300)과 접합되는 제1면(210)의 면적을 최소화할 수 있으므로, 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력 차를 최소화 할 수 있다.
한편, 도 7(a)에 도시한 바와 같이, 접착층(300)은 제1면(210) 아래에서 제1면(210)과 직접 접촉하도록 배치되지만, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 접착층(300)의 일부는 제5면(250) 및 제6면(260)의 적어도 일부와도 직접 접촉할 수도 있다. 이에 따라, 제5면(250) 및 제6면(260)의 적어도 일부와 직접 접촉하는 접착층(300)의 최고 높이(h2)는 제1면(210)과 직접 접촉하는 접착층(300)의 최고 높이(h1)보다 높을 수 있다. 이는 제2 기판(160) 상에 접착층(300)을 도포하고 접착층(300) 상에 제1면(210)을 배치한 후 가압하는 과정에서 접착층(300)이 제5면(250) 및 제6면(260) 측으로 새어나간 후 경화되는 과정에 의해 형성될 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 제1면(210)뿐만 아니라, 제5면(250) 및 제6면(260)에도 배치되어 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력이 높아질뿐만 아니라, 접착층(300)의 최고 높이(h2)로 인하여 기포가 접착층(300) 밖으로 빠져나가기 더욱 용이해질 수 있다.
이때, 접착층(300)은 제2 기판(160)의 전면에 도포될 수 있으나, 바람직하게는, 제1면(210)이 배치되는 영역에만 도포될 수도 있다. 이에 따라, 제3면(230)에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제3면(230)의 폭의 가운데 지점에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)을 이루는 재료의 양을 최소화할 수 있으며, 제2 기판(160)과 제3면(230) 간의 이격 공간이 넓어짐에 따라 공기의 유동이 효율적으로 발생할 수 있다.
도 8은 히트싱크의 공기 유로의 면적에 대한 공기의 압력차를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 공기의 면적이 1일 경우를 기준으로 공기의 면적 대한 비율이 감소할수록 공기의 압력차에 대한 비율은 증가함을 알 수 있다. 즉, 히트싱크(200)의 피치가 감소할수록 히트싱크의 공기 유로의 면적은 작아지며, 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력차는 커짐을 알 수 있으며, 이는 히트싱크의 공기 유로의 면적이 작아질수록 공기 저항 및 주변 영역의 공기 압력이 상승하여 히트싱크를 통한 공기 흐름에 제약이 가해짐을 의미할 수 있다.
예를 들어, 동일 영역 내에 배치된 히트싱크의 면적, 높이 및 평판의 두께가 동일한 두 개의 히트싱크 중 어느 하나의 피치를 1/2로 축소할 경우에서의 실제 공기의 면적은 다른 어느 하나 대비 약 0.9배로 감소하며, 이로 인한 공기의 압력차의 비율은 약 1.1로서 약 10%이상 증가할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예와 같이 히트싱크를 설계할 경우, 접착층(300)과의 접촉면적을 최소화하면서, 공기의 면적이 실질적으로 크게 줄어들지 않을 수 있으므로, 기판과 히트싱크 간의 접합 성능은 개선하면서도 열전 성능은 저하시키지 않는 열전모듈을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이고, 도 10은 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 상면도이며, 도 11은 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이고, 도 12는 도 9의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 일부의 구체예이다. 여기서, 열전소자(100)의 상세한 구조, 즉 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 절연층(170)은 별도로 도시하지 않았으며, 도 1 내지 2에서 설명된 구조가 동일하게 적용될 수 있으므로, 설명의 편의를 위하여, 중복된 설명을 생략한다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 제2 기판(160) 상에 접착층(300)이 배치되고, 접착층(300) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200)는 접착층(300)에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 히트싱크(200)는 상부 기판(160), 즉 제2 기판(160)에 배치되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예와 동일한 구조의 히트싱크(200)가 하부 기판(110), 즉 제1 기판(110)에 배치될 수도 있고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 모두에 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 제1 패턴(X1), 제2 패턴(X2) 및 제3 패턴(X3)를 포함하며, 이들 패턴들은 순차적으로 연결되는 일체의 평판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 패턴(X1, X2, X3)은 순차적으로 연결된 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)을 포함하며, 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240) 각각은 복수일 수 있다.
제1면(210)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2면(220)은 제1면(210)의 제1 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제4면(240)은 제1면(210)의 제1 말단과 대향하는 제2 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제3면(230)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 이격되도록 제2면(220)으로부터 연장되고, 인접한 패턴의 제4면(240)으로부터 연장되어 서로 연결될 수 있다. 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)은 순차적으로 접히는 구조를 가지는 일체의 평판일 수 있다. 또한, 제1면(210)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있으며, 제3면(230)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있다. 본 실시예에서 평행의 의미는 제2 기판(160)의 상면 즉, 접착층(300)과 직접 접촉하는 면과 제1면(210) 또는 제3면(230)이 이루는 내각이 2° 이내인 것으로 정의할 수 있다.
여기서, 상부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 멀어지는 방향을 의미할 수 있고, 하부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 가까워지는 방향을 의미할 수 있다. 즉, 제3면(230)과 제2 기판(160) 간의 거리는 제1면(210)과 제2 기판(160) 간의 거리보다 클 수 있다.
제1 패턴(X1)의 제2면(220)은 제1 패턴(X1)과 인접하는 제2 패턴(X2)의 제4면(240)에 제1 패턴(X1)의 제3면(230)을 매개로 연결되며, 이와 마찬가지로 제2 패턴(X2)의 제2면(220)은 제2 패턴(X2)과 인접하는 제3 패턴(X3)의 제4면(240)에 제2 패턴(X2)의 제3면(230)을 매개로 연결될 수 있다. 이때, 접착층(300)은 제2 기판(160)의 전면에 도포될 수 있으나, 바람직하게는, 제1면(210)이 배치되는 영역에만 도포될 수도 있다. 이에 따라, 제3면(230)에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제3면(230)의 폭의 가운데 지점에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)을 이루는 재료의 양을 최소화할 수 있으며, 제2 기판(160)과 제3면(230) 간의 이격 공간이 넓어짐에 따라 공기의 유동이 효율적으로 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1면(210)에는 소정 간격 또는 불규칙한 간격으로 형성된 복수의 홀(212)이 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 복수의 홀(212) 중 적어도 일부를 통하여 돌출되어 제1면(210) 상에 배치될 수 있다. 이는 제2 기판(160) 상에 접착층(300)을 도포하고 접착층(300) 상에 제1면(210)을 배치한 후 가압하는 과정에서 접착층(300)이 제1면(210)의 홀(212)을 통하여 새어나간 후 경화되는 과정에 의해 형성될 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 제1면(210)의 하면뿐만 아니라, 제1면(210)의 상면에도 배치되므로, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력이 높아질뿐만 아니라, 제1면(210) 상에 돌출된 접착층(300)으로 인하여 기포가 접착층(300) 밖으로 빠져나가기 더욱 용이해질 수 있다. 여기서, 홀(212)은 에칭 공법 또는 드릴 공법 등을 이용하여 가공될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
이때, 제1면(210)에 형성된 복수의 홀(210)의 면적은 제1면(210)의 면적의 10 내지 30%일 수 있다. 복수의 홀(210)의 면적은 제1면(210)의 면적의 10% 미만이면 접착층(300) 내 기포가 빠져나가기 어려울 수 있으며, 복수의 홀(210)의 면적은 제1면(210)의 면적의 30%를 초과하면 제1면(210)과 제2 기판(160) 간의 접합력이 저하될 수 있다.
또는, 복수의 홀(212) 중 적어도 하나의 홀의 직경은 제1면(210)의 폭(W1), 즉 제1 패턴(X1)의 제4면(240)과 제1 패턴(X1)의 제2면(220) 간의 거리의 25 내지 75%일 수 있다. 홀(212)의 직경이 제1 패턴(X1)의 제4면(240)과 제1 패턴(X1)의 제2면(220) 간의 거리의 25% 미만이면 접착층(300) 내 기포가 빠져나가기 어려울 수 있으며, 홀(212)의 직경이 제1 패턴(X1)의 제4면(240)과 제1 패턴(X1)의 제2면(220) 간의 거리의 75%를 초과하면 제1면(210)과 제2 기판(160) 간의 접합력이 저하되거나 공기의 저항이 증가될 수 있다.
한편, 도 12를 참조하면, 홀의 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 12(a)를 참조하면, 제1면(210)의 최저점(210-L)과 최고점(210-H)에서 홀(212)의 직경은 동일할 수 있다. 또는 도 12(b)를 참조하면, 제1면(210)의 최저점(210-L)과 최고점(210-H)에서 홀(212)의 직경은 상이할 수 있다. 예를 들어, 최고점(210-H)에서 홀(212)의 직경은 제1면(210)의 최저점(210-L)에서 홀(212)의 직경보다 클 수 있다. 이때, 최고점(210-H)에서 홀(212)의 직경은 제1면(210)의 폭(W1), 즉 제1 패턴(X1)의 제4면(240)과 제2 패턴(X2)의 제2면(220) 간의 거리의 75 내지 100%일 수 있다. 이와 같이, 최고점(210-H)에서 홀(212)의 직경을 제1면(210)의 최저점(210-L)에서 홀(212)의 직경보다 크게 형성하면, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력은 저하시키지 않으면서, 접착층(300) 내 기공이 빠져나갈 수 있는 경로는 증가할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이고, 도 14는 도 13의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 상면도이며, 도 15는 도 13의 실시예에 따른 열전모듈에 포함되는 히트싱크의 사시도이다. 여기서, 열전소자(100)의 상세한 구조, 즉 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 절연층(170)은 별도로 도시하지 않았으며, 도 1 내지 2에서 설명된 구조가 동일하게 적용될 수 있으므로, 설명의 편의를 위하여, 중복된 설명을 생략한다. 그리고, 도 9 내지 도 12에서 설명된 내용 중 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 제1면(210)과 제2면(220) 간의 경계 및 제1면(210)과 제4면(240) 간의 경계를 따라 적어도 하나의 슬릿(214)이 더 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 슬릿(214)을 통하여 돌출되어 제1면(210) 및 제2면(220) 상에 더 배치될 수 있으며, 제1면(210) 및 제4면(240) 상에 더 배치될 수 있다. 이는 제2 기판(160) 상에 접착층(300)을 도포하고 접착층(300) 상에 제1면(210)을 배치한 후 가압하는 과정에서 접착층(300)이 슬릿(214)을 통하여 새어나간 후 경화되는 과정에 의해 형성될 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 제1면(210)의 하면뿐만 아니라, 제1면(210)의 상면 및 제2면(220)에도 배치되므로, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력이 높아질뿐만 아니라, 제1면(210) 및 제2면(220) 상에 돌출된 접착층(300)으로 인하여 기포가 접착층(300) 밖으로 빠져나가기 더욱 용이해질 수 있다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다. 여기서, 열전소자(100)의 상세한 구조, 즉 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 절연층(170)은 별도로 도시하지 않았으며, 도 1 내지 2에서 설명된 구조가 동일하게 적용될 수 있으므로, 설명의 편의를 위하여, 중복된 설명을 생략한다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 제2 기판(160) 상에 접착층(300)이 배치되고, 접착층(300) 상에 히트싱크(200)가 배치된다. 제2 기판(160)과 히트싱크(200)는 접착층(300)에 의하여 접합될 수 있다. 여기서, 히트싱크(200)는 상부 기판(160), 즉 제2 기판(160)에 배치되는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 실시예와 동일한 구조의 히트싱크(200)가 하부 기판(110), 즉 제1 기판(110)에 배치될 수도 있고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(160) 모두에 배치될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트싱크(200)는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가질 수 있다. 즉, 히트싱크(200)는 제1 패턴(X1) 및 제2 패턴(X2)를 포함하며, 이들 패턴들은 순차적으로 연결되는 일체의 평판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 패턴(X1, X2, X3)은 순차적으로 연결된 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)을 포함하며, 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240) 각각은 복수일 수 있다.
제1면(210)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 직접 접촉하도록 배치될 수 있다. 제2면(220)은 제1면(210)의 제1 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제4면(240)은 제1면(210)의 제1 말단과 대향하는 제2 말단으로부터 상부를 향하도록 연장될 수 있다. 제3면(230)은 제2 기판(160)과 마주하되, 접착층(300)과 이격되도록 제2면(220)으로부터 연장되고, 인접한 패턴의 제4면(240)으로부터 연장되어 서로 연결될 수 있다. 제1면(210), 제2면(220), 제3면(230) 및 제4면(240)은 순차적으로 접히는 구조를 가지는 일체의 평판일 수 있다. 또한, 제1면(210)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있으며, 제3면(230)은 제2 기판(160)과 평행할 수 있다. 본 실시예에서 평행의 의미는 제2 기판(160)의 상면 즉, 접착층(300)과 직접 접촉하는 면과 제1면(210) 또는 제3면(230)이 이루는 내각이 2° 이내인 것으로 정의할 수 있다.
여기서, 상부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 멀어지는 방향을 의미할 수 있고, 하부는 제2 기판(160) 상에서 제2 기판(160)과 가까워지는 방향을 의미할 수 있다. 즉, 제3면(230)과 제2 기판(160) 간의 거리는 제1면(210)과 제2 기판(160) 간의 거리보다 클 수 있다.
제1 패턴(X1)의 제2면(220)은 제1 패턴(X1)과 인접하는 제2 패턴(X2)의 제4면(240)에 제1 패턴(X1)의 제3면(230)을 매개로 연결되며, 이와 마찬가지로 제2 패턴(X2)의 제2면(220)은 제2 패턴(X2)과 인접하는 제3 패턴(X3)의 제4면(240)에 제2 패턴(X2)의 제3면(230)을 매개로 연결될 수 있다.
이때, 접착층(300)은 제2 기판(160)의 전면에 도포될 수 있으나, 바람직하게는, 제3면(230)에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제3면(230)의 폭의 가운데 지점에 대응하는 제2 기판(160)의 적어도 일부 상에는 접착층(300)이 배치되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)을 이루는 재료의 양을 최소화할 수 있으며, 제2 기판(160)과 제3면(230) 간의 이격 공간이 넓어짐에 따라 공기의 유동이 효율적으로 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 기판(160) 상에는 규칙적으로 반복된 소정의 홈(162)이 형성되며, 접착층(300) 및 제1면(210)은 홈(162) 내에 배치될 수 있다.
이때, 각 홈(162)은 바닥면(162-1) 및 바닥면(162-1)의 양 측면으로부터 상부를 향하도록 연장된 양 벽면(162-2, 162-3)을 포함하고, 바닥면(162-1) 상에 접착층(300) 및 제1면(210)이 순차적으로 적층될 수 있다.
이때, 홈(162) 내에는 제1면(210)과 연결된 제2면(220)의 일부 및 제4면(240)의 일부가 더 배치되며, 접착층(300)은 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3)과 제2면(220)의 일부 및 제4면(240)의 일부 사이에 더 배치될 수 있다.
이에 따르면, 홈(162)으로 인하여 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합 면적이 실질적으로 늘어나게 되므로, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력이 높아질 수 있다. 또한, 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3)과 제2면(220)의 일부 및 제4면(240)의 일부 사이에 배치된 접착층(300)으로 인하여 접착층(300) 내 기포가 빠져나갈 수 있는 경로가 늘어날 수 있다.
각 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3)과 각 홈(162)에 수용된 각 패턴 사이의 이격 거리의 합은 0.2 내지 1.0mm 일 수 있다. 이에 따르면, 히트싱크(200)의 각 패턴의 제1면(210)이 제2 기판(160)의 홈(162) 내에 수용될 수 있다. 예를 들어, 각 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3)과 각 홈(162)에 수용된 각 패턴 사이의 이격 거리의 합이 0.2mm 미만이면, 제2 기판(160)과 히트싱크(200)간 접합 공정 중 가해지는 열에 의해 히트싱크(200)의 패턴 중 일부가 팽창되어 홈(162)으로부터 이탈되거나, 홈(162)의 형상변형 또는 접합력 저하 등을 야기시켜 결과적으로 히트싱크(200)의 특성을 저하시킬 수 있다. 또한, 각 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3)과 각 홈(162)에 수용된 각 패턴 사이의 이격 거리의 합이 1.0mm를 초과할 경우, 도포되어야 할 솔더의 양이 지나치게 많아지며, 이에 따라 접착층 내에 기포가 발생할 가능성이 높아지게 된다.
이때, 홈(162)의 한 벽면(162-3)과 이웃하는 다른 홈(162)의 한 벽면(162-2)은 연결면(162-4)을 통하여 서로 연결될 수 있다. 이때, 연결면(162-4)은 히트싱크(200)의 제3면(230) 아래에서 제3면(230)과 평행하게 배치될 수 있다. 여기서, 연결면(162-4)과 제3면(230) 간의 거리(T1)는 제1면(210)과 제3면(230) 간 수직 거리의 0.8배 이상이고, 1배 미만일 수 있다. 연결면(162-4)과 제3면(230) 간의 거리(T1)는 제1면(210)과 제3면(230) 간 수직 거리의 0.8배 미만이면, 홈의 깊이가 너무 깊어지게 되어 홈 내에 채워져야 하는 솔더의 양이 증가하게 되며, 이에 따라 접착층 내 기포의 발생 가능성도 높아지게 된다. 또한, 연결면(162-4)과 제3면(230) 간의 거리(T1)가 짧아질수록 공기가 유동하는 면적이 충분히 제공되지 않으므로, 히트싱크(200) 영역을 통과하기 이전과 히트싱크(200) 영역을 통과한 후의 공기의 압력차가 증가할 가능성이 있다.
한편, 도 17을 참조하면, 접착층(300)은 각 홈(162)의 벽면(162-2, 162-3)과 연결면(162-4) 간의 경계의 적어도 일부에 더 배치될 수 있다. 이는 제2 기판(160)의 홈(162) 내에 접착층(300)을 도포하고 접착층(300) 상에 히트싱크(200)의 제1면(210)을 배치한 후 가압하는 과정에서 접착층(300)이 홈(162)의 벽면(162-2, 162-3)을 따라 연결면(162-4) 위로 흘러간 후 경화되는 과정에 의해 형성될 수 있다. 이에 따르면, 접착층(300)은 제1면(210)의 하면뿐만 아니라, 제2면(220), 제3면(230)과 함께 홈(162)의 연결면(162-4)에도 배치되므로, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합 면적이 높아질뿐만 아니라, 연결면(162-4) 상에 돌출된 접착층(300)으로 인하여 기포가 접착층(300) 밖으로 빠져나가기 더욱 용이해질 수 있다.
한편, 도 18을 참조하면, 홈(162) 내에는 노치가 더 형성될 수도 있다. 여기서, 노치는 작은 홈을 의미할 수 있으며, V자 형상, U자 형상 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 홈(162)의 바닥면(162-1) 및 양 벽면(162-2, 162-3) 간의 경계를 따라 적어도 하나의 노치(164)가 더 형성되거나, 홈(162)의 양 벽면(162-2, 162-3) 중 적어도 하나에 바닥면(162-1)에 대하여 수직하는 방향으로 적어도 하나의 노치(164)가 더 형성될 수 있으며, 형성된 노치(164) 내에는 접착층(300)이 더 배치될 수 있다.
이에 따르면, 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간 접합 면적이 늘어나게 되어 제2 기판(160)과 히트싱크(200) 간의 접합력이 높아질뿐만 아니라, 노치를 통하여 접착층(300) 내 기포가 빠져나갈 수 있는 경로가 늘어날 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 실시예는 서로 조합될 수도 있다.
도 19 내지 도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈의 일부의 단면도이다.
도 19를 참조하면, 도 5에 따른 실시예 및 도 9에 따른 실시예가 조합될 수 있다. 즉, 히트싱크(200)의 제1면(210)의 폭이 제3면(230)의 폭보다 좁게 형성되되, 제1면(210)에 홀(212)이 형성될 수 있다.
또는, 도 20을 참조하면, 도 5에 따른 실시예 및 도 16에 따른 실시예가 조합될 수 있다. 즉, 히트싱크(200)의 제1면(210)의 폭이 제3면(230)의 폭보다 좁게 형성되되, 제2 기판(160)에 홈(162)이 형성되어 제1면(210)이 홈(162) 내에 배치될 수 있다.
또는, 도 21을 참조하면, 도 5에 따른 실시예, 도 9에 따른 실시예 및 도 16에 따른 실시예가 조합될 수 있다. 즉, 히트싱크(200)의 제1면(210)의 폭이 제3면(230)의 폭보다 좁게 형성되되, 제1면(210)에 홀(212)이 형성되며, 제2 기판(160)에 홈(162)이 형성되어 제1면(210)이 홈(162) 내에 배치될 수 있다.
또는, 도 22를 참조하면, 도 9에 따른 실시예 및 도 16에 따른 실시예가 조합될 수도 있다. 즉, 제1면(210)에 홀(212)이 형성되되, 제2 기판(160)에 홈(162)이 형성되어 제1면(210)이 홈(162) 내에 배치될 수 있다.
이 외에도, 본 발명에 따른 실시예는 다양한 방법으로 조합될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 열변환장치에 적용될 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 열변환장치의 한 예의 사시도이고, 도 24는 도 23의 열변환장치의 분해사시도이다.
도 23 내지 도 24를 참조하면, 열변환장치(1000)는 덕트(1100), 제1 열전모듈(1200), 제2 열전모듈(1300) 및 기체 가이드 부재(1400)를 포함한다. 여기서, 열변환장치(1000)는, 덕트(1100)의 내부를 통해 흐르는 냉각용 유체 및 덕트(1100)의 외부를 통과하는 고온의 기체 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
이를 위하여, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 표면에 배치되고, 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제1 열전모듈(1200)과 제2 열전모듈(1300) 각각의 양면 중 덕트(1100)를 향하도록 배치되는 면이 저온부가 되며, 저온부와 고온부 간의 온도 차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체는 물일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 냉각 성능이 있는 다양한 종류의 유체일 수 있다. 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도는 100℃미만, 바람직하게는 50℃미만, 더욱 바람직하게는 40℃미만일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 덕트(1100)를 통과한 후 배출되는 냉각용 유체의 온도는 덕트(1100)로 유입되는 냉각용 유체의 온도보다 높을 수 있다.
냉각용 유체는 덕트(1100)의 냉각용 유체 유입구로부터 유입되어 냉각용 유체 배출구를 통하여 배출된다.
도시되지 않았으나, 덕트(1100)의 내벽에는 방열핀이 배치될 수 있다. 방열핀의 형상, 개수 및 덕트(1100)의 내벽을 차지하는 면적 등은 냉각용 유체의 온도, 폐열의 온도, 요구되는 발전 용량 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 제1 열전모듈(1200)은 덕트(1100)의 한 면에 배치되고 제2 열전모듈(1300)은 덕트(1100)의 다른 면에서 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치된다.
여기서, 제1 열전모듈(1200) 및 제1 열전모듈(1200)에 대칭하도록 배치되는 제2 열전모듈(1300)을 한 쌍의 열전모듈 또는 단위 열전모듈이라 지칭할 수도 있다.
덕트(1100)에는 공기가 유동하는 방향으로 기체 가이드 부재(1400), 실링부재(1800) 및 단열부재(1700)가 더 배치될 수도 있다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈이 적용되는 예는 이로 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈는 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.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 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 (12)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 절연층,
    상기 제1 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극,
    상기 복수의 제1 전극 상에 배치된 복수의 열전 레그,
    상기 복수의 열전 레그 상에 배치된 복수의 제2 전극,
    상기 복수의 제2 전극 상에 배치되는 제2 절연층,
    상기 제2 절연층 상에 배치된 제2 기판,
    상기 제2 기판 상에 배치된 접착층, 그리고
    상기 접착층 상에 배치된 히트싱크를 포함하고,
    상기 히트싱크는 소정의 패턴이 규칙적으로 반복되며 연결되는 형상을 가지며,
    각 패턴은,
    상기 제2 기판과 마주하며, 상기 접착층과 직접 접촉하도록 배치된 제1면,
    상기 제1면의 한 말단으로부터 상부를 향하도록 연장된 제2면,
    상기 제2 기판과 마주하도록 상기 제2 면으로부터 연장된 제3면, 그리고
    상기 제1면의 상기 한 말단과 대향하는 다른 말단으로부터 상부를 향하도록 연장되고 인접한 패턴의 제3면과 연결된 제4면을 포함하고,
    상기 제3면과 상기 제2 기판 간의 거리는 상기 제1면과 상기 제2 기판 간의 거리보다 크고,
    상기 제3면의 폭은 상기 제1면의 폭보다 큰 열전모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1면과 상기 제2면 사이에서 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하는 제5면 및 상기 제1면과 상기 제4면 사이에서 상기 제1면과 상기 제4면을 연결하는 제6면 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각과 상이한 열전모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각보다 큰 열전모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제5면과 상기 제2면이 이루는 내각은 상기 제2면과 상기 제3면 간의 경계에서 상기 제2면과 상기 제3면이 이루는 내각보다 큰 열전모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2면과 상기 제4면은 서로 평행한 열전모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1면과 상기 제5면이 이루는 내각 및 상기 제5면과 상기 제2면이 이루는 내각은 각각 둔각을 이루도록 배치된 열전모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 제5면 및 상기 제6면 중 적어도 하나의 적어도 일부와 직접 접촉하는 열전모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제5면 및 상기 제6면 중 적어도 하나의 적어도 일부와 직접 접촉하는 접착층의 최고 높이는 상기 제1면과 직접 접촉하는 접착층의 최고 높이보다 높은 열전모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3면의 폭의 가운데 지점에 대응하는 상기 제2 기판의 적어도 일부 상에는 상기 접착층이 배치되지 않은 열전모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    각 패턴의 상기 제2면 및 상기 제4면 간의 거리는 각 패턴의 상기 제5면 및 상기 제6면 간의 거리보다 크고,
    각 패턴의 상기 제2면 및 인접하는 다른 패턴의 상기 제4면 간의 거리는 각 패턴의 상기 제5면 및 인접하는 다른 패턴의 제6면 간의 거리보다 작은 열전모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    각 패턴의 상기 제1면의 폭은 각 패턴의 상기 제2면으로부터 상기 제4면까지의 거리의 0.2 내지 0.4배인 열전모듈.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제1면으로부터 상기 제5면까지의 최고높이는 상기 제1면 아래에 배치된 접착층의 두께의 1.5 내지 3배인 열전모듈.
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