KR20210088980A - 열전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 하부 금속기판, 상기 하부 금속기판 상에 배치된 하부 절연층, 상기 하부 절연층 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 하부 전극, 상기 복수의 하부 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치되고 서로 이격되도록 배치된 복수의 상부 전극, 상기 복수의 상부 전극 상에 배치된 상부 절연층, 그리고 상기 상부 절연층 상에 배치된 상부 금속기판을 포함하고, 상기 하부 절연층은 상기 하부 금속기판 상에 배치된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에서 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층을 포함한다.
Description
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. 이때, 상부기판과 하부기판 중 하나는 저온부가 되고, 나머지 하나는 고온부가 될 수 있다.
한편, 열전소자가 발전용 장치에 적용되는 경우, 저온부와 고온부 간의 온도 차가 클수록 발전 성능이 높아진다. 예를 들어, 고온부는 200℃ 이상으로 온도가 올라갈 수 있다. 고온부의 온도가 200℃ 이상이 되면, 고온부 측 기판과 전극 간 열팽창 계수 차로 인하여 고온부 측 기판에 열응력이 가해지며, 이에 따라 전극 구조가 파괴될 수 있다. 전극 구조가 파괴되면, 전극 상에 배치된 솔더와 열전 레그 간 접합면에 크랙이 가해질 수 있으며, 이는 열전소자의 신뢰성을 낮출 수 있다.
한편, 열전소자의 열전달 성능을 향상시키기 위하여, 금속기판을 사용하고자 하는 시도가 늘고 있다. 일반적으로, 열전소자는 미리 마련된 금속기판 상에 전극 및 열전 레그를 순차적으로 적층하는 공정에 따라 제작될 수 있다. 금속기판이 사용되는 경우, 열전도 측면에서는 유리한 효과를 얻을 수 있으나, 내전압이 낮아 장기간 사용 시 신뢰성이 낮아지는 문제가 있다.
이에 따라, 열전도 성능뿐만 아니라, 내전압 성능 및 열응력 완화 성능이 모두 개선된 열전소자가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전도 성능, 내전압 성능 및 열응력 완화 성능이 모두 개선된 열전소자의 절연층을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 하부 금속기판, 상기 하부 금속기판 상에 배치된 하부 절연층, 상기 하부 절연층 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 하부 전극, 상기 복수의 하부 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치되고 서로 이격되도록 배치된 복수의 상부 전극, 상기 복수의 상부 전극 상에 배치된 상부 절연층, 그리고, 상기 상부 절연층 상에 배치된 상부 금속기판을 포함하고, 상기 하부 절연층은 상기 하부 금속기판 상에 배치된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에서 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층을 포함한다.
상기 복수의 하부 전극은 상기 복수의 제2 절연층에 대응하도록 상기 복수의 제2 절연층 상에 배치될 수 있다.
상기 복수의 하부 전극 간 이격 거리는 상기 복수의 제2 절연층 간 이격 거리의 0.6배 내지 2.8배일 수 있다.
상기 복수의 제2 절연층 중 적어도 하나는 상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 측면의 일부에 더 배치될 수 있다.
상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 측면의 일부에 배치된 상기 복수의 제2 절연층 중 적어도 하나의 최대 두께는 상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 최대 두께의 0.2 내지 0.75배일 수 있다.
상기 제1 절연층의 열팽창계수는 상기 제2 절연층의 열팽창계수보다 클 수 있다.
상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 클 수 있다.
상기 제1 절연층은 실리콘 수지 및 무기물을 포함하는 수지층이고, 상기 제2 절연층은 산화알루미늄층 또는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어진 복합체층일 수 있다.
상기 상부 절연층은 상기 상부 금속기판 아래에 배치된 제3 절연층 및 상기 제3 절연층 아래에 배치된 제4 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제4 절연층은 서로 이격되도록 배치된 복수의 제4 절연층일 수 있다.
상기 복수의 상부 전극은 상기 복수의 제4 절연층에 대응하도록 상기 복수의 제4 절연층 아래에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 성능뿐만 아니라, 내전압 성능 및 열응력 완화 성능까지 개선된 열전소자를 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 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이다.
도 7은 도 6의 기판, 절연층 및 전극의 제작 공정을 나타내는 도면이다.
도 8(a)는 실시예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 8(b)는 실시예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우 예상되는 변화를 나타낸다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 실시예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다.
도 10(a)는 비교예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 10(b)는 비교예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우 예상되는 변화를 나타낸다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 비교예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다.
도 12는 열전소자의 기판과 히트싱크 간 접합 구조를 예시한다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이다.
도 7은 도 6의 기판, 절연층 및 전극의 제작 공정을 나타내는 도면이다.
도 8(a)는 실시예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 8(b)는 실시예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우 예상되는 변화를 나타낸다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 실시예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다.
도 10(a)는 비교예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 10(b)는 비교예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우 예상되는 변화를 나타낸다.
도 11(a) 및 도 11(b)는 비교예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다.
도 12는 열전소자의 기판과 히트싱크 간 접합 구조를 예시한다.
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 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이고, 도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
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.
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. 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, 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 3 내지 도 4에 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 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, 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, 194)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(180, 182)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. 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.
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.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 단면도이며, 도 7은 도 6의 기판, 절연층 및 전극의 제작 공정을 나타내는 도면이다.
도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자(500)는 기판(510), 기판(510) 상에 배치된 절연층(520), 절연층(520) 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극(530) 및 복수의 전극(530) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그(미도시)를 포함한다.
여기서, 기판(510), 절연층(520) 및 복수의 전극(530)은 도 1 내지 도 4의 하부 기판(110), 절연층(170) 및 하부 전극(120)이거나, 도 1 내지 도 4의 상부 기판(160), 절연층(170) 및 상부 전극(150)일 수 있다. 도 1 내지 도 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. 여기서, 기판(510)은 금속기판, 예를 들어 알루미늄 기판, 구리 기판, 알루미늄-구리 합금 기판일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 고온부 측 기판은 구리 기판이고, 저온부 측 기판은 알루미늄 기판일 수도 있다. 구리 기판은 알루미늄 기판에 비하여 열전도도 및 전기전도도가 높다. 이에 따라, 저온부 측에 요구되는 높은 내전압 성능 및 고온부 측에 요구되는 높은 열전도 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
일반적으로, 열전소자(500)의 구동 시 열전소자(500)의 고온부 측은 고온에 장시간 노출될 수 있으며, 전극과 기판 간의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극과 기판 간의 계면에는 전단응력이 전달될 수 있다. 본 명세서에서, 전극과 기판 간의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극과 기판 간의 계면에 전달된 전단응력을 열응력이라 한다. 열응력이 소정 수준을 넘어서면, 전극 상에 배치된 솔더와 열전 레그 간 접합면에 크랙이 가해질 수 있으며, 이는 열전소자의 성능을 저하시키고, 신뢰성을 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판(510)과 전극(530) 사이에는 절연층(520)이 배치되며, 절연층(520)은 기판(510)과 전극(530) 간의 열팽창계수 차로 인한 열응력을 완화시키기 위하여 이층으로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 절연층(520)은 기판(510) 상에 배치된 제1 절연층(522) 및 제1 절연층(522) 상에서 제1 절연층(522)과 전극(530) 사이에 배치된 제2 절연층(524)를 포함한다. 여기서, 제2 절연층(524)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층(524)일 수 있다.
이에 따르면, 제1 절연층(522)은 제2 절연층(524)에 비하여 기판(510)에 더 가깝게 배치되며, 제1 절연층(522)은 기판(510)의 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축되는 과정에서 열응력의 일부를 흡수하므로, 제2 절연층(524)에 가해지는 열응력을 줄일 수 있다.
특히, 제1 절연층(522) 상에서 복수의 제2 절연층(524)이 서로 이격되도록 배치될 경우, 제1 절연층(522) 상에는 제2 절연층(524)이 배치되지 않는 영역(A)이 있을 수 있다. 이에 따르면, 기판(510)의 온도 변화에 따라 제1 절연층(522)이 팽창 또는 수축되더라도, 제1 절연층(522)의 팽창 또는 수축에 따른 힘이 제2 절연층(524)에 미치는 영향을 최소화할 수 있으며, 제1 절연층(522)의 팽창 또는 수축에 따라 제2 절연층(524)이 함께 변형되는 문제를 방지할 수 있다.
이때, 제1 절연층(522)의 열팽창계수는 제2 절연층(524)의 열팽창계수보다 클 수 있다. 또는, 제1 절연층(522)의 영률(Young's modulus)은 제2 절연층(524)의 영률보다 작을 수 있다. 그리고, 제2 절연층(524)의 내전압 성능은 제1 절연층(522)의 내전압 성능보다 클 수 있다. 또는, 제2 절연층(524)의 열전도 성능은 제1 절연층(522)의 열전도 성능보다 클 수 있다. 이에 따르면, 기판(510)의 팽창 또는 수축 시 기판(510)과 접촉하는 제1 절연층(522)이 함께 팽창 또는 수축되므로, 절연층(520)에 가해지는 열응력은 최소화될 수 있다. 또한, 전극(530)과 접촉하는 제2 절연층(524)으로 인하여 절연층(520) 전체의 내전압 성능 및 열전도 성능을 높일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 열응력 완화, 내전압 성능 및 열전도 성능을 모두 가지는 열전소자의 절연층 구조를 얻을 수 있다.
한편, 복수의 전극(530)은 복수의 제2 절연층(524)에 대응하도록 복수의 제2 절연층(524) 상에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 절연층(524) 각각은 복수의 전극(530) 각각마다 배치될 수 있다. 또는, 제2 절연층(524)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층(524)을 포함하되, 각 제2 절연층(524)에는 복수의 전극(530)이 서로 이격되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 각 제2 절연층(524)에는 서로 이격되도록 배치된 2개의 전극(530), 4개의 전극(530), 8개의 전극(530), 또는 16개의 전극(530)이 배치될 수 있다. 이와 같이, 열팽창계수가 상대적으로 큰 제1 절연층(522)이 기판(510) 상에 전면적으로 배치되고, 열팽창계수가 상대적으로 작은 제2 절연층(524)이 제1 절연층(522) 상에 서로 이격되도록 복수로 배치되며, 복수의 제2 절연층(524)과 복수의 전극(530)이 대응하도록 배치되는 경우, 기판(510)의 온도 변화에 따라 제1 절연층(522)이 팽창 또는 수축되더라도 제2 절연층(524)은 열변형되지 않을 수 있으며, 이에 따라, 전극(530)의 구조가 파괴되는 문제도 방지할 수 있다.
이를 위하여, 제1 절연층(522)의 조성은 제2 절연층(524)의 조성과 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(522)은 실리콘 수지 및 무기물을 포함하는 수지층일 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(522)의 영률(Young's modulus)은 1 내지 150MPa, 바람직하게는 1 내지 100MPa, 더욱 바람직하게는 1 내지 65MPa, 더욱 바람직하게는 5 내지 60MPa, 더 바람직하게는 10 내지 50MPa일 수 있다. 본 실시예에서, 영률은 200℃이하에서의 영률을 의미할 수 있으며, 바람직하게는 150℃ 내지 200℃ 사이의 온도에서의 영률을 의미할 수 있다. 열전소자가 발전용으로 적용되는 경우, 열전소자의 고온부와 저온부 간 온도 차가 클수록 발전 성능이 높아질 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 고온부는 150℃ 이상, 바람직하게는 180℃ 이상, 더욱 바람직하게는 200℃ 이상이 될 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서 제1 절연층(522)의 영률을 정의하는 기준 온도는 150℃ 내지 200℃ 사이의 온도가 될 수 있다. 제1 절연층(522)의 영률이 이러한 수치범위를 만족할 경우, 기판이 열팽창되더라도 제1 절연층이 함께 늘어나므로, 기판과 전극 사이의 열응력은 최소화될 수 있고, 열전레그에 크랙이 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 여기서, 온도별 영률은 동적기계분석(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)장비로 측정이 가능하다.
이때, 제1 절연층(522)의 영률이 1MPa 미만인 경우, 제1 절연층(522)이 기판과 전극 사이를 지지하기 어려워지므로, 외부의 작은 충격 또는 진동 환경 하에서 열전소자의 신뢰성이 쉽게 약해질 수 있다. 이에 반해, 제1 절연층(522)의 영률이 150MPa을 초과하는 경우, 기판과 전극 간의 열응력이 커지게 되므로 열전소자 내 계면에 크랙이 발생할 가능성이 높아지게 된다.
이때, 제1 절연층(522)에 포함되는 실리콘 수지는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있고, 무기물은 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 붕소 및 아연 중 적어도 하나의 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, PDMS의 분자량은 5,000 내지 30,000g/mol, 바람직하게는 15,000 내지 30,000g/mol일 수 있다. PDMS의 분자량이 이러한 수치범위를 만족하는 경우, PDMS의 사슬 간 결합력이 향상될 수 있으므로, 제1 절연층(522)이 1 내지 150MPa의 영률을 가질 수 있다. 이때, 제1 절연층(522)은 가교제를 더 포함할 수 있으며, 가교제의 분자량은 500 내지 2000g/mol, 바람직하게는 1,000 내지 2,000g/mol일 수 있다. 가교제의 분자량이 커질수록 가교제의 사슬길이는 길어질 수 있다.
한편, 무기물은 제1 절연층(522)에서 60 내지 90wt%, 바람직하게는 80 내지 90wt%로 포함될 수 있다. 이때, 제1 절연층(522)의 무기물은 D50이 30 내지 40㎛일 수 있다. 이에 따르면, 방열 경로가 최적화될 수 있으므로, 제1 절연층(522)의 열전도도를 2W/mK 이상, 바람직하게는 3W/mK 이상으로 높일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1 절연층(522)은 기판과 전극 간 열팽창 계수 차에 따른 열응력을 완화할 뿐만 아니라, 기판과 전극 간 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 고온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률과 저온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률은 서로 상이할 수도 있다. 고온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률은 저온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 고온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률은 1 내지 65MPa이고, 저온부 측 기판(510)에 배치되는 제1 절연층(522)의 영률은 65MPa 이상, 바람직하게는 65 내지 150MPa일 수 있다. 이에 따라, 고온부 측의 기판(510)이 열팽창되더라도 제1 절연층(522)이 함께 늘어날 수 있으므로, 기판과 전극 사이의 열응력은 최소화될 수 있고, 열전레그에 크랙이 발생하는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고온부 측 제1 절연층(522)은 더욱 높은 열응력 완화 성능을 요구하므로, 고온부 측 제1 절연층(522)의 두께는 저온부 측 제1 절연층(522)의 두께보다 더 두꺼울 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 절연층(524)의 내전압 성능은 제1 절연층(522)의 내전압 성능보다 높을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 내전압 성능은 AC 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 10초 동안 절연 파괴 없이 유지되는 특성을 의미할 수 있다. 이를 위하여, 제2 절연층(524)은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(524)은 산화알루미늄층일 수 있다. 또는, 제2 절연층(524)은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수도 있다. 여기서, 복합체는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 복합체는 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체는 절연 성능이 우수하며, 이에 따라 높은 내전압 성능을 얻을 수 있다. 또는, 복합체는 실리콘 및 알루미늄과 함께 티타늄, 지르코늄, 붕소, 아연 등을 더 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물일 수도 있다. 이를 위하여, 복합체는 무기바인더 및 유무기 혼합 바인더 중 적어도 하나와 알루미늄을 혼합한 후 열처리하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 무기바인더는, 예를 들어 실리카(SiO2), 금속알콕사이드, 산화붕소(B2O3) 및 산화아연(ZnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기바인더는 무기입자이되, 물에 닿으면 졸 또는 겔화되어 바인딩의 역할을 할 수 있다. 이때, 실리카(SiO2), 금속알콕사이드 및 산화붕소(B2O3) 중 적어도 하나는 금속과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnO2)은 제2 절연층(524)의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다.
이때, 제1 절연층(522)의 수지 함량은 제2 절연층(524)의 수지 함량보다 높을 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(522)의 접착력은 제2 절연층(524)의 접착력보다 높고, 제1 절연층(522)의 열팽창계수는 제2 절연층(524)의 열팽창계수보다 높을 수 있으며, 제2 절연층(524)의 내전압 성능 및 열전도 성능은 제1 절연층(522)의 내전압 성능 및 열전도 성능보다 높을 수 있다.
제1 절연층(522)의 두께는 제2 절연층(524)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(522)의 두께는 60 내지 150㎛, 바람직하게는 70 내지 130㎛, 더욱 바람직하게는 80 내지 110㎛일 수 있다. 그리고, 제2 절연층(524)의 두께는 10 내지 50㎛, 바람직하게는 20 내지 40㎛일 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(522)은 절연층(520)에 가해지는 열응력을 완화할 수 있고, 내전압 성능 및 열전도 성능이 높은 열전소자를 얻을 수 있다.
한편, 도 5(a) 및 5(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)와 상이할 수 있다. 즉, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)보다 클 수 있다. 또는, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)보다 작을 수도 있다. 예를 들어, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)의 0.6배 내지 2.8배일 수 있으며, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)가 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)의 0.6배 미만인 경우, 제2 절연층(524)과 전극(530)과의 접촉 면적이 상대적으로 작아, 고온에서의 제2 절연층(524)의 열변형에 의한 영향은 최소화될 수 있으나, 전압의 증가에 따라 본 영역에서 쉽게 절연파괴가 발생되어 내전압특성이 저하될 수 있으며, 제2 절연층(524)로부터 전극(530)이 탈락될 수 있다. 또한, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)가 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)의 2.8배를 초과하는 경우, 제2 절연층(524)과 전극(530)과의 접촉 면적이 상대적으로 커지므로, 내전압특성이 향상되고, 제2 절연층(524)로부터 전극(530)이 탈락을 방지할 수 있으나, 고온에서의 제1 절연층(522)의 열응력이 제2 절연층(524)에도 전달되어 제2 절연층(524)에도 열변형이 발생될 수 있으며, 제한된 면적 내에서 복수의 전극(530)의 배치 개수는 상대적으로 감소될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)의 0.6배 내지 0.99배, 바람직하게는 0.65 배 내지 0.95배, 더욱 바람직하게는 0.7배 내지 0.9배일 수 있다. 이에 따르면, 고온에서의 제2 절연층(524)의 열변형에 의하여 전극(530)에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또는, 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 전극(530) 간 이격 거리(d3)는 복수의 제2 절연층(524) 간 이격 거리(d2)의 1.01배 내지 2.8배, 바람직하게는 1.05 배 내지 2.5배, 더욱 바람직하게는 1.1배 내지 2.2배일 수 있다. 이에 따르면, 전계가 몰리는 각 전극(530)의 가장자리에 제2 절연층(524)이 배치되므로, 열전소자의 내전압 성능이 더욱 높아질 수 있다.
도시되지 않았으나, 도 5에 따른 열전소자의 제조방법은 제2 절연층(524)이 배치된 전극(530)을 제1 절연층(522) 상에 배치한 후 경화하거나, 제1 절연층(522) 상에 제2 절연층(524)를 배치한 후 별도의 스크라이빙 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
또는, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(530) 중 적어도 하나의 측면에는 제2 절연층(524)의 적어도 일부가 더 배치될 수 있다. 즉, 복수의 전극(530) 중 적어도 하나의 측면의 일부는 제2 절연층(524)에 매립될 수 있으며, 복수의 전극(530) 중 적어도 하나의 측면에 배치된 복수의 제2 절연층(524) 중 적어도 하나의 최대 두께(T2)는 복수의 전극(530) 중 적어도 하나의 최대 두께(T3)의 0.2 내지 0.75배, 바람직하게는 0.25 내지 0.6배, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.5배일 수 있다.
이에 따르면, 전계가 몰리는 각 전극(530)의 가장자리에 제2 절연층(524)이 배치되므로, 열전소자의 내전압 성능이 더욱 높아질 수 있다.
특히, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(530) 중 적어도 하나의 측면에 제2 절연층(524)의 적어도 일부가 더 배치되면, 각 전극(530)의 수평 방향을 통한 열 손실을 줄일 수 있으므로, 열전소자의 열전성능을 더욱 개선할 수 있다.
도 6에 따른 열전소자를 제작하기 위하여, 도 7(a)를 참조하면, 시트(70) 상에 복수의 전극(530)을 배치한다. 여기서, 시트(70)는 서멀 시트 또는 이형 필름일 수 있다. 다음으로, 도 7(b)를 참조하면, 전극(530) 상에 마스크(M)를 배치한 후, 제2 절연층(524)을 이루는 소재로 스프레이 코팅을 수행한다. 이때, 마스크의 오픈 영역은 전극(530)의 폭보다 클 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(524)은 전극(530)의 측면에도 형성될 수 있다. 다음으로, 도 7(c)를 참조하면, 기판(510) 상에 제1 절연층(522)을 이루는 소재를 미리 도포한 후, 도 7(a) 및 도 7(b)의 단계를 통하여 형성된 전극(530) 및 제2 절연층(524)을 전사한다. 그리고, 도 7(d)를 참조하면, 제1 절연층(522)의 경화 후 시트(70)를 전극(530)으로부터 떼어내어 제조할 수 있으나, 본 제조 방법에 한정되지 않는다.
이에 따르면, 제1 절연층(522) 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층(524) 및 복수의 제2 절연층(524) 상에 배치된 복수의 전극(530)을 포함하고, 전극(530)의 측면에 제2 절연층(524)이 더 배치된 열전소자를 얻을 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 효과를 설명하고자 한다.
도 8(a)는 실시예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 8(b)는 실시예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우 예상되는 변화를 나타내며, 도 9(a) 및 도 9(b)는 실시예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다. 도 10(a)는 비교예에 따른 열전소자의 단면 구조이고, 도 10(b)는 비교예에 따른 열전소자가 고온의 조건 하에 장시간 노출될 경우의 변화를 나타내며, 도 11(a) 및 도 11(b)는 비교예에 따른 열전소자의 응력 및 뒤틀림(warpage)를 시뮬레이션한 결과이다.
도 8(a)와 같이, 실시예에 따른 열전소자(500)는 기판(510), 기판(510) 상에 전면 배치된 제1 절연층(522), 제1 절연층(522) 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층(524) 및 복수의 제2 절연층(524) 상에 배치된 복수의 전극(530)을 포함하고, 제1 절연층(522)의 열팽창계수는 제2 절연층(524)의 열팽창계수보다 크다. 이에 따르면, 실시예에 따른 열전소자(500)가 고온에 장시간 노출될 경우, 도 8(b)와 같이 기판(510) 및 제1 절연층(522)의 열변형 대비하여, 제2 절연층(524)의 열변형은 상대적으로 작다.
이에 반해, 도 10(a)와 같이, 비교예에 따른 열전소자(600)는 기판(610), 기판(610) 상에 전면 배치된 제1 절연층(622), 제1 절연층(622) 상에 전면 배치된 제2 절연층(624) 및 제2 절연층(624) 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극(630)을 포함하고, 제2 절연층(624)의 열팽창계수는 제1 절연층(622)의 열팽창계수보다 크다. 즉, 실시예에 따른 열전소자(500)의 제1 절연층(522)과 비교예에 따른 열전소자(600)의 제2 절연층(624)은 동일한 조성을 가지고, 실시예에 따른 열전소자(500)의 제2 절연층(524)과 비교예에 따른 열전소자(600)의 제1 절연층(622)은 동일한 조성을 가질 수 있다. 이에 따르면, 비교예에 따른 열전소자(600)가 고온에 장시간 노출될 경우, 제1 절연층(622)의 열응력에 의해 열전소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
이는 도 9 및 도 11로부터 알 수 있다. 도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제2 절연층(524)에 가해지는 최대 응력은 262MPa이고, 평균 응력은 32.37MPa이며, 최대 뒤틀림은 1.56mm임을 알 수 있다. 이에 반해, 도 11(a) 및 도 11(b)를 참조하면, 비교예에 따른 제1 절연층(622)에 가해지는 최대 응력은 831MPa이고, 평균 응력은 214.47MPa이며, 최대 뒤틀림은 1.8mm임을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 고온에 장시간 노출 시에도 절연층에 가해지는 열응력이 낮으며, 뒤틀림이 적게 나타나므로, 절연층의 파손 또는 전극 구조의 파괴 등으로 인하여 열전 레그에 크랙이 가해지는 것을 방지할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 기판, 절연층 및 전극의 구조는 열전소자의 고온부 측 및 저온부 측 중 적어도 하나에 적용될 수 있다.
이때, 열전소자의 고온부 측 기판에는 히트싱크(200)가 더 배치될 수 있다.
도 12는 열전소자의 기판과 히트싱크 간 접합 구조를 예시한다.
도 12를 참조하면, 히트싱크(200)와 기판(510)은 복수의 체결부재(400)에 의하여 체결될 수 있다. 이를 위하여, 히트싱크(200)와 기판(510)에는 체결부재(400)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)과 체결부재(400) 사이에는 별도의 절연체(410)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연체(410)는 체결부재(400)의 외주면을 둘러싸는 절연체 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연체일 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연거리를 넓히는 것이 가능하다.
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 (11)
- 하부 금속기판,
상기 하부 금속기판 상에 배치된 하부 절연층,
상기 하부 절연층 상에 서로 이격되도록 배치된 복수의 하부 전극,
상기 복수의 하부 전극 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그,
상기 복수의 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그 상에 배치되고 서로 이격되도록 배치된 복수의 상부 전극,
상기 복수의 상부 전극 상에 배치된 상부 절연층, 그리고,
상기 상부 절연층 상에 배치된 상부 금속기판을 포함하고,
상기 하부 절연층은
상기 하부 금속기판 상에 배치된 제1 절연층 및 상기 제1 절연층 상에서 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 절연층을 포함하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 하부 전극은 상기 복수의 제2 절연층에 대응하도록 상기 복수의 제2 절연층 상에 배치된 열전소자. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 하부 전극 간 이격 거리는 상기 복수의 제2 절연층 간 이격 거리의 0.6배 내지 2.8배인 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제2 절연층 중 적어도 하나는 상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 측면의 일부에 더 배치된 열전소자. - 제4항에 있어서,
상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 측면의 일부에 배치된 상기 복수의 제2 절연층 중 적어도 하나의 최대 두께는 상기 복수의 하부 전극 중 적어도 하나의 최대 두께의 0.2 내지 0.75배인 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층의 열팽창계수는 상기 제2 절연층의 열팽창계수보다 큰 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층의 두께는 상기 제2 절연층의 두께보다 큰 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층은 실리콘 수지 및 무기물을 포함하는 수지층이고, 상기 제2 절연층은 산화알루미늄층 또는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어진 복합체층인 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 상부 절연층은 상기 상부 금속기판 아래에 배치된 제3 절연층 및 상기 제3 절연층 아래에 배치된 제4 절연층을 포함하는 열전소자. - 제9항에 있어서,
상기 제4 절연층은 서로 이격되도록 배치된 복수의 제4 절연층인 열전소자. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 상부 전극은 상기 복수의 제4 절연층에 대응하도록 상기 복수의 제4 절연층 아래에 배치된 열전소자.
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