KR20210119799A - 열전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 접합층, 상기 제1 접합층 상에 배치된 제2 절연층, 상기 제2 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 제3 절연층, 그리고 상기 제3 절연층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어지고, 상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층이고, 상기 제1 접합층은 실란 커플링제를 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, 열전소자의 열전도 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. 열전소자의 내전압을 개선하기 위하여 금속기판과 전극 사이에 배치되는 절연층의 조성 또는 구조를 변형하고자 하는 시도가 있으나, 절연층의 조성 또는 구조에 따라 열전소자의 열전도 성능이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전도 성능 및 내전압 성능이 모두 개선된 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 접합층, 상기 제1 접합층 상에 배치된 제2 절연층, 상기 제2 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 제3 절연층, 그리고 상기 제3 절연층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어지고, 상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층이고, 상기 제1 접합층은 실란 커플링제를 포함한다.
상기 실란 커플링제는 에폭시기, 아미노기 및 비닐기 중 적어도 하나의 작용기를 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 제1 접합층은 서로 화학적으로 결합하고, 상기 제1 접합층과 상기 제2 절연층은 서로 화학적 결합할 수 있다.
상기 제1 접합층의 두께는 1 내지 5㎛일 수 있다.
상기 제2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 크고, 상기 제1 절연층의 두께는 상기 제1 접합층의 두께보다 클 수 있다.
상기 제3 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층일 수 있다.
상기 제3 절연층과 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어진 제4 절연층, 그리고 상기 제3 절연층과 상기 제4 절연층 사이에 배치되고 실란 커플링제를 포함하는 제2 접합층을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 절연층과 상기 제2 기판 사이에 배치된 산화알루미늄층을 더 포함하고, 상기 제2 기판은 알루미늄 기판일 수 있다.
상기 산화알루미늄층은 상기 알루미늄 기판의 표면 전체에 배치될 수 있다.
상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 중 적어도 하나에 배치된 히트싱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 발전장치는 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성된 제1 유체 유동부, 상기 제1 유체 유동부와 결합하는 열전소자, 그리고 상기 열전소자와 결합하며, 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체가 유동하도록 유로가 형성된 제2 유체 유동부를 포함하고, 상기 열전소자는, 상기 제1 유체 유동부와 결합된 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 접합층, 상기 제1 접합층 상에 배치된 제2 절연층, 상기 제2 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 제3 절연층, 그리고 상기 제3 절연층 상에 배치되고, 상기 제2 유체 유동부와 결합된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어지고, 상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층이고, 상기 제1 접합층은 실란 커플링제를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전도 성능뿐만 아니라, 내전압 성능이 개선된 열전소자를 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 발전장치에 적용될 경우, 높은 발전 성능을 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 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 9는 제1 기판 상에 제1 절연층, 제1 접합층 및 제2 절연층을 배치하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 접합 구조를 나타낸다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 실링부재를 포함하는 열전소자의 사시도이다.
도 4는 실링부재를 포함하는 열전소자의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 9는 제1 기판 상에 제1 절연층, 제1 접합층 및 제2 절연층을 배치하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 접합 구조를 나타낸다.
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.
도 1 내지 도 4에서 리드선(181, 182)이 하부 기판(110)에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 리드선(181, 182)이 상부 기판(160)에 배치되거나, 리드선(181, 182) 중 하나가 하부 기판(110)에 배치되고, 나머지 하나가 상부 기판(160)에 배치될 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. 예를 들어, 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되거나, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되거나 또는 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링부재가 배치되는 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나가 다른 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나보다 더 클 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. 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.
한편, 전술한 바와 같이, 열전소자의 열전도 성능을 향상시키기 위하여, 금속 기판을 사용하고자 하는 시도가 늘고 있다. 다만, 열전소자가 금속 기판을 포함하는 경우, 열전도 측면에서는 유리한 효과를 얻을 수 있으나, 내전압이 낮아지는 문제가 있다. 특히, 열전소자가 고전압 환경 하에 적용되는 경우, 2.5kV 이상의 내전압 성능이 요구되고 있다. 열전소자의 내전압 성능을 개선하기 위하여 금속 기판과 전극 사이에 조성이 서로 상이한 복수의 절연층을 배치할 수 있다. 다만, 복수의 절연층 간 낮은 계면 접착력으로 인하여 리플로우 환경과 같은 고온 노출 시 복수의 절연층 간 열팽창 계수 차에 의한 전단응력이 발생할 수 있으며, 이에 따라 복수의 절연층 간 계면의 접합이 파괴되어 에어캡(air cap)이 발생할 수 있다. 복수의 절연층 간 계면의 에어캡은 기판의 열저항을 상승시킬 수 있으며, 이에 따라 열전소자 양단의 온도 차를 감소시키며, 열전소자가 발전장치에 적용되는 경우 발전장치의 발전 성능을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 절연층 간 계면의 접합력을 향상시켜 열전도 성능 및 내전압 성능이 모두 개선된 열전소자를 얻고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이며, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(300)는 제1 기판(310), 제1 기판(310) 상에 배치된 제1 절연층(320), 제1 절연층(320) 상에 배치된 제1 접합층(322), 제1 접합층(322) 상에 배치된 제2 절연층(324), 제2 절연층(324) 상에 배치된 복수의 제1 전극(330), 복수의 제1 전극(330) 상에 배치된 복수의 P형 열전레그(340) 및 복수의 N형 열전레그(350), 복수의 P형 열전레그(340) 및 복수의 N형 열전레그(350) 상에 배치된 복수의 제2 전극(360), 복수의 제2 전극(360) 상에 배치된 제3 절연층(370) 및 제3 절연층(370) 상에 배치된 제2 기판(380)을 포함한다.
도 5 내지 도 8에 도시되지 않았으나, 제1 기판(310) 또는 제2 기판(380)에는 히트싱크가 더 배치될 수 있고, 제1 기판(310)과 제2 기판(380) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수도 있다.
일반적으로, 전선은 열전소자(300)의 저온부 측에 연결될 수 있다. 또한, 열전소자(300)의 고온부 측에는 열전소자(300)가 적용되는 애플리케이션의 기자재가 탑재될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(300)의 저온부 측 및 고온부 측 모두 내전압 성능이 요구될 수 있다.
한편, 열전소자(300)의 고온부 측은 열전소자(300)의 저온부 측에 비하여 더욱 높은 열전도 성능이 요구될 수 있다. 구리 기판은 알루미늄 기판에 비하여 열전도도 및 전기전도도가 높다. 이에 따라, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380) 중 열전소자(300)의 저온부 측에 배치되는 기판은 알루미늄 기판이고, 열전소자(300)의 고온부 측에 배치되는 기판은 구리 기판일 수 있으며, 저온부 측의 높은 내전압 성능 및 고온부 측의 높은 방열 성능을 모두 만족시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(310) 상에 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)이 배치되고, 제2 절연층(324) 상에 제1 전극(330)이 배치된다.
이때, 제1 절연층(320)은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수도 있다. 여기서, 복합체는 Si 원소와 Al 원소를 포함하는 무기물과 알킬 체인으로 구성된 유무기 복합체일 수 있으며, 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 알루미늄 간 밀착력 또는 제1 기판(310)과의 밀착력을 높이는 역할을 하며, 산화아연(ZnO2)은 제1 절연층(320)의 강도를 높이고, 열전도율을 높이는 역할을 할 수 있다.
여기서, 복합체는 제1 절연층(320) 전체의 80wt% 이상, 바람직하게는 85wt% 이상, 더욱 바람직하게는 90wt%이상으로 포함될 수 있다.
이때, 제1 절연층(320)에는 0.1㎛ 이상의 표면 거칠기(Ra)가 형성될 수도 있다. 표면 거칠기는 복합체를 이루는 입자가 제1 절연층(320)의 표면으로부터 돌출되어 형성될 수 있으며, 표면거칠기 측정기를 이용하여 측정될 수 있다. 표면거칠기 측정기는 탐침을 이용하여 단면 곡선을 측정하며, 단면 곡선의 산봉우리선, 골바닥선, 평균선 및 기준길이를 이용하여 표면거칠기를 산출할 수 있다. 본 명세서에서, 표면거칠기는 중심선 평균 산출법에 의한 산술평균 거칠기(Ra)를 의미할 수 있다. 산술평균 거칠기(Ra)는 아래 수학식 2를 통하여 얻어질 수 있다.
즉, 표면거칠기 측정기의 탐침을 얻은 단면 곡선을 기준길이 L만큼 뽑아내어 평균선 방향을 x축으로 하고, 높이 방향을 y축으로 하여 함수(f(x))로 표현하였을 때, 수학식 2에 의하여 구해지는 값을 ㎛미터로 나타낼 수 있다.
이와 같이, 제1 절연층(320)의 표면 거칠기(Ra)가 0.1㎛ 이상인 경우, 제2 절연층(330)과의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 제2 절연층(324)과의 접합 강도가 높아질 수 있다. 특히, 후술하는 바와 같이, 제2 절연층(324)이 수지층으로 이루어진 경우, 제1 절연층(320)의 표면 거칠기에 의하여 형성된 홈 사이에 제2 절연층(324)의 수지층이 스며들기 쉬우므로, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 사이의 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다.
이때, 제1 절연층(320)은 습식 공정을 통하여 제1 기판(310) 상에 형성될 수 있다. 여기서, 습식 공정은 스프레이 코팅 공정, 딥 코팅 공정, 스크린 프린팅 공정 등일 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)의 두께를 제어하기 용이하며, 다양한 조성의 복합체를 적용하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320)이 실리콘 및 알루미늄을 포함하는 복합체로 이루어지며, 습식 공정으로 형성되기 때문에 표면거칠기가 0.1㎛이상으로 형성될 수 있다.
한편, 제2 절연층(324)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(324)은 제1 절연층(320)과 제1 전극(330) 간의 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 무기충전재는 수지층의 60 내지 80wt%로 포함될 수 있다. 무기충전재가 60wt%미만으로 포함되면, 열전도 효과가 낮을 수 있으며, 무기충전재가 80wt%를 초과하여 포함되면 무기충전재가 수지 내에 고르게 분산되기 어려우며, 수지층은 쉽게 깨질 수 있다.
그리고, 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. 무기충전재는 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
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.
제2 절연층(324)이 PDMS(polydimethylsiloxane) 수지 및 산화알루미늄을 포함하는 수지 조성물인 경우, 제1 절연층(320) 내 실리콘의 함량(예를 들어, 중량비)은 제2 절연층(324) 내 실리콘의 함량보다 높게 포함되고, 제2 절연층(324) 내 알루미늄의 함량은 제1 절연층(320) 내 알루미늄의 함량보다 높게 포함될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320) 내 실리콘이 내전압 성능 향상에 주로 기여하며, 제2 절연층(324) 내 산화알루미늄이 열전도 성능 향상에 주로 기여할 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)이 모두 절연 성능 및 열전도 성능을 가지되, 제1 절연층(320)의 내전압 성능은 제2 절연층(324)의 내전압 성능보다 높고, 제2 절연층(324)의 열전도 성능은 제1 절연층(320)의 열전도 성능보다 높을 수 있다.
한편, 제2 절연층(324)은 미경화 상태 또는 반경화 상태의 수지 조성물을 제1 절연층(320) 상에 도포한 후, 미리 정렬된 복수의 제1 전극(330)을 배치하고 가압하는 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)의 표면거칠기(Ra)에 의한 홈 내에 제2 절연층(324)을 이루는 수지 조성물이 스며들게 되어 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간의 접합 강도가 높아질 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(330)의 측면의 일부는 제2 절연층(324) 내에 매립될 수 있다. 이때, 제2 절연층(324) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)는 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 0.1 내지 1.0배, 바람직하게는 0.2 내지 0.9배, 더 바람직하게는 0.3 내지 0.8배일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 전극(330)의 측면의 일부가 제2 절연층(324) 내에 매립되면, 복수의 제1 전극(330)과 제2 절연층(324) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(330)과 제2 절연층(324) 간의 열전달 성능 및 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다. 제2 절연층(324) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 0.1배 미만일 경우, 복수의 제1 전극(330)과 제2 절연층(324) 간의 열전달 성능 및 접합 강도를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 제2 절연층(324) 내에 매립된 복수의 제1 전극(330)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(330)의 두께(H)의 1.0배를 초과할 경우 제2 절연층(324)이 복수의 제1 전극(330) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
더 자세하게는, 복수의 제1 전극(330) 사이에서 제2 절연층(324)의 두께는 각각의 전극 측면에서 중심영역으로 갈수록 감소하여, 꼭지점이 원만한 'V'형상을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 제1 전극(330) 사이의 제2 절연층(324)은 두께의 편차를 가지며, 복수의 제1 전극(330)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)가 가장 높고, 중심영역에서의 높이(T3)는 복수의 제1 전극(330)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)보다 낮을 수 있다. 즉, 복수의 제1 전극(330) 사이의 제2 절연층(324)의 중심영역 높이(T3)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 제2 절연층(324) 내에서 가장 낮을 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(330) 아래의 제2 절연층(324)의 높이(T1)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 제2 절연층(324)의 중심영역 높이(T3)보다 더 낮을 수 있다.
한편, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 조성에 따라 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 경도, 탄성 계수, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나가 달라질 수 있으며, 이에 따라 내전압 성능, 열전도 성능, 접합 성능 및 열충격 완화 성능 등을 제어하는 것이 가능하다.
예를 들어, 제1 절연층(320) 전체에 대한 복합체의 중량비는 제2 절연층(324) 전체에 대한 무기충전재의 중량비보다 높을 수 있다. 전술한 바와 같이, 복합체는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite), 더욱 구체적으로는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 복합체일 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(320) 전체에 대한 복합체의 중량비는 80wt%를 초과하고, 제2 절연층(324) 전체에 대한 무기충전재의 중량비는 60 내지 80wt%일 수 있다. 이와 같이, 제1 절연층(320)에 포함되는 복합체의 함량이 제2 절연층(324)에 포함되는 세라믹 입자의 함량보다 높은 경우, 제1 절연층(320)의 경도가 제2 절연층(324)의 경도보다 높을 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(320)은 높은 내전압 성능 및 높은 열전도 성능을 동시에 가질 수 있고, 제2 절연층(324)은 제1 절연층(320)보다 높은 탄성을 가질 수 있으며, 제2 절연층(324)은 제1 절연층(320)과 제1 전극(330) 사이의 접착 성능을 높일 수 있으며, 열전소자(300)의 구동 시 열충격을 완화할 수 있다. 이때, 탄성은 인장강도(tensile strength)로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(324)의 인장강도는 2 내지 5MPa, 바람직하게는 2.5 내지 4.5MPa, 더욱 바람직하게는 3 내지 4MPa일 수 있고, 제1 절연층(320)의 인장강도는 10MPa 내지 100Mpa, 바람직하게는 15MPa 내지 90MPa, 더욱 바람직하게는 20MPa 내지 80MPa일 수 있다.
이때, 제1 절연층(320)의 두께는 20 내지 70㎛, 바람직하게는 30 내지 60㎛, 더욱 바람직하게는 40 내지 50㎛이고, 제2 절연층(330)의 두께는 80 내지 120㎛, 바람직하게는 90 내지 110㎛, 더욱 바람직하게는 95 내지 105㎛일 수 있다. 이때, 제2 절연층(324)의 두께는 제1 절연층(320)의 두께의 1.2배 내지 3.5배, 바람직하게는 1.2배 내지 3배, 더욱 바람직하게는 1.2배 내지 2.5배일 수 있다.
제1 절연층(320)의 두께 및 제2 절연층(324)의 두께가 각각 이러한 수치 범위를 만족시키는 경우, 내전압 성능, 열전도 성능, 접합 성능 및 열충격 완화 성능을 동시에 얻는 것이 가능하다. 특히, 제1 절연층(320)의 두께가 20㎛ 미만이면 높은 내전압 성능을 얻기 어려우며, 제2 절연층(324)의 열팽창에 의하여 깨지기 쉽고, 70㎛를 초과하면 열전도 성능이 낮아질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 사이에는 제1 접합층(322)이 배치될 수 있고, 이에 따라 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324)은 제1 접합층(322)에 의하여 접합될 수 있다. 이때, 제1 접합층(322)은 실란 커플링제를 포함할 수 있다.
도 9는 제1 기판 상에 제1 절연층, 제1 접합층 및 제2 절연층을 배치하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 9(a)를 참조하면, 제1 기판(310) 상에 제1 절연층(320)을 배치한 후, 제1 절연층(320) 상에 실란 커플링제를 코팅한다. 여기서, 제1 기판(310)은 구리 기판일 수 있고, 제1 절연층(320)은 20 내지 70㎛의 두께로 코팅될 수 있다. 그리고, 실란 커플링제는 제1 절연층(320) 상에 1 내지 5㎛의 두께로 코팅될 수 있다. 이에 따르면, 실란 커플링제는 제1 절연층(320)의 표면에 수소 결합으로 흡착될 수 있다.
이후, 도 9(b)를 참조하면, 순차적으로 적층된 제1 기판(310), 제1 절연층(320) 및 실란 커플링제는 열경화될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)과 실란 커플링제 사이에는 탈수 축합 반응이 일어나며, 이와 동시에 제1 절연층(320)의 유기 재료와 실란 커플링제의 유기 재료 간 물리 화학적 결합이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(320)과 실란 커플링제는 화학적으로 결합되며, 결과적으로 실란 커플링제의 작용기에 의하여 제1 절연층(320)이 표면 개질될 수 있다.
다음으로, 도 9(c)를 참조하면, 제2 절연층(324)이 80 내지 120㎛의 두께로 스크린 프린팅되고, 도 9(d)를 참조하면, 전극(미도시)을 배치한 후 압착 및 열경화될 수 있다. 이에 따르면, 실란 커플링제의 작용기와 제2 절연층(324) 사이에는 탈수 축합 반응이 일어나며, 이와 동시에 실란 커플링제의 작용기와 제2 절연층(324)의 유기 재료 간 물리 화학적 결합이 형성될 수 있다. 이에 따라, 실란 커플링제와 제2 절연층(324)은 화학적으로 결합될 수 있다.
이에 따르면, 조성 및 탄성이 상이한 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)은 제1 접합층(322)을 매개로 화학적으로 결합될 수 있으므로, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이의 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)이 고온에 노출되더라도 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324) 간 계면의 접합력이 유지될 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 제1 접합층(322)에 포함되는 실란 커플링제는 에폭시 그룹, 아미노 그룹 및 비닐 그룹 중 적어도 하나의 작용기를 포함할 수 있다. 에폭시 그룹을 포함하는 실란 커플링제는, 예를 들어 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl trimethoxysilane)일 수 있다. 아미노 그룹을 포함하는 실란 커플링제는, 예를 들어 3-아미노프로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane)일 수 있다. 비닐 그룹을 포함하는 실란 커플링제는, 예를 들어 비닐트리클로로실란(vinyltrichlorosilane)일 수 있다.
이때, 제1 접합층(322)의 두께는 1 내지 5㎛일 수 있다. 제1 접합층(322)의 두께가 1㎛ 미만이면, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)과의 화학적 결합에 참여하는 작용기가 부족하여 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324) 간 계면의 접합력이 원하는 수준으로 보장되지 않을 수 있다. 그리고, 제1 접합층(322)의 두께가 5㎛를 초과하면 열저항이 증가하여 발전량이 저하될 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 구조의 내전압 성능, 접합 성능 및 발전 성능을 설명하고자 한다.
비교예에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 45㎛ 두께의 제1 절연층(320)을 스프레이 코팅하고, 제1 절연층(320) 위에 100㎛ 두께의 제2 절연층(324)을 스크린 프린팅한 후 전극을 압착하고 열경화하였다.
실시예 1에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 45㎛ 두께의 제1 절연층(320)을 스프레이 코팅하고, 제1 절연층(320) 상에 비닐트리클로로실란을 2 내지 5㎛ 두께로 코팅한 후 열경화하고, 그 위에 100㎛ 두께의 제2 절연층(324)을 스크린 프린팅한 후 전극을 압착하고 열경화하였다.
실시예 2에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 45㎛ 두께의 제1 절연층(320)을 스프레이 코팅하고, 제1 절연층(320) 상에 3-아미노프로필트리메톡시실란을 2 내지 5㎛ 두께로 코팅한 후 열경화하고, 그 위에 100㎛ 두께의 제2 절연층(324)을 스크린 프린팅한 후 전극을 압착하고 열경화하였다.
실시예 3에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 45㎛ 두께의 제1 절연층(320)을 스프레이 코팅하고, 제1 절연층(320) 상에 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란을 2 내지 5㎛ 두께로 코팅한 후 열경화하고, 그 위에 100㎛ 두께의 제2 절연층(324)을 스크린 프린팅한 후 전극을 압착하고 열경화하였다.
비교예 및 실시예 1 내지 3에 대하여 내전압, 제1 절연층과 제2 절연층 간 전단응력 및 발전량을 측정하였다. 여기서, 내전압 성능은 AC 2.5kV의 전압, 10mA의 전류, 60Hz의 조건 하에서 1분 동안 절연 파괴 없이 유지되는 특성을 의미할 수 있다. 내전압 성능은 기판 상에 절연층을 배치한 후 기판에 한 단자를 연결하고, 절연층의 9개의 포인트에 대하여 각각 다른 단자를 연결하여 AC 2.5kV의 전압, 10mA의 전류, 60Hz의 조건 하에서 1분 동안 절연 파괴 없이 유지되는지를 테스트하는 방법으로 측정하였다. 그리고, 푸시풀게이지를 이용하여 3개의 전극에 대하여 전극 및 제2 절연층 간의 접합이 손상되는 힘을 이용하여 전단응력을 측정하였다. 표 1은 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따른 내전압, 전단응력 및 발전량을 측정한 결과를 나타낸다.
| 실험번호 | 내전압 평가 | 전단응력(N) | 발전량(W) | ||
| 비교예 | pass | pass | pass | 40, 41, 45 | 19.3 |
| pass | pass | Pass | |||
| pass | pass | Pass | |||
| 실시예 1 | pass | pass | pass | 96, 95, 99 | 25.4 |
| pass | pass | pass | |||
| pass | pass | pass | |||
| 실시예 2 | pass | pass | pass | 112, 118, 122 | 27.4 |
| pass | pass | pass | |||
| pass | pass | pass | |||
| 실시예 3 | pass | pass | pass | 214, 216, 222 | 32.0 |
| pass | pass | pass | |||
| pass | pass | pass | |||
표 1을 참조하면, 비교예 및 실시예 1 내지 실시예 3에서 모두 내전압 성능을 가지지만, 비교예에 비하여 실시예 1 내지 실시예 3에서 높은 전단응력 및 발전량을 가짐을 알 수 있다. 즉, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324)이 직접 접합되는 것에 비하여 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 사이에 실란 커플링제가 배치될 경우 더욱 높은 접합 강도로 접합됨을 알 수 있고, 결과적으로 발전략이 높아짐을 알 수 있다. 특히, 실시예 1 내지 실시예 3을 비교할 때, 에폭시 그룹을 가지는 실란 커플링제를 사용한 실시예 3에서 전단응력 및 발전량이 가장 높고, 아미노 그룹을 가지는 실란 커플링제를 사용한 실시예 2 및 비닐 그룹을 가지는 실란 커플링제를 사용한 실시예 1에서 순차적으로 높은 전단응력 및 발전량을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이는 에폭시 그룹을 가지는 실란 커플링제의 경우, 에폭시 그룹의 산소가 제2 절연층(324)의 수지층 내 실록산과 추가로 수소 결합을 하여 강한 접합력을 유지하기 때문인 것으로 예상된다.
한편, 도 5를 참조하면, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에는 제1 절연층(320), 제1 접합층((322) 및 제2 절연층(324)이 순차적으로 배치되고, 제2 전극(360)과 제2 기판(380) 사이에는 제3 절연층(370)이 배치된다. 이때, 제3 절연층(370)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제3 절연층(370)은 제2 전극(360)과 제2 기판(380) 간 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 제3 절연층(370)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나는 제2 절연층(324)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 열전소자(300)의 고온부 및 저온부의 위치에 따라 제3 절연층(370)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나는 제2 절연층(324)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나와 달라질 수 있다.
예를 들어, 제1 기판(310)은 열전소자(300)의 고온부에 배치되고, 제2 기판(380)은 열전소자(300)의 저온부에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(310)은 잦은 빈도로 고온에 노출되므로, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이는 열팽창 계수 차로 인하여 들뜸이 발생하기 쉽다. 본 발명의 실시예에 따라, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에 제1 절연층(320), 제1 접합층(322) 및 제2 절연층(324)이 배치되면, 잦은 빈도로 고온에 노출되더라도 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이는 높은 접합 강도로 유지될 수 있다.
또는, 도 6을 참조하면, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이와 제2 기판(380)과 제2 전극(360) 사이가 대칭되는 구조를 가질 수도 있다. 즉, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에는 제1 절연층(320), 제1 접합층((322) 및 제2 절연층(324)이 순차적으로 배치되고, 제2 전극(360)과 제2 기판(380) 사이에는 제3 절연층(370), 제2 접합층(372) 및 제4 절연층(374)이 순차적으로 배치될 수도 있다. 이때, 제3 절연층(370)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있고, 제4 절연층(374)은 제1 절연층(320)과 마찬가지로 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수도 있으며, 제2 접합층(372)은 실란 커플링제를 포함할 수 있다.
또는, 도 7 내지 도 8을 참조하면, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에는 제1 절연층(320), 제1 접합층((322) 및 제2 절연층(324)이 순차적으로 배치되고, 제2 전극(360)과 제2 기판(380) 사이에는 제3 절연층(370)이 배치될 수 있다. 이때, 제3 절연층(370)은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다.
그리고, 제2 기판(380)이 알루미늄 기판이며, 제3 절연층(370)과 제2 기판(380) 사이에는 산화알루미늄층(376)이 더 배치될 수도 있다. 이때, 산화알루미늄층(376)은 제2 기판(380)에 별도로 적층된 산화알루미늄층일 수도 있고, 알루미늄 기판인 제2 기판(380)을 표면처리하여 산화된 산화알루미늄층일 수도 있다. 예를 들어, 산화알루미늄층은 알루미늄 기판인 제2 기판(380)을 아노다이징(anodizing)하여 형성되거나, 디핑(dipping) 공정 또는 스프레이(spray) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 산화알루미늄층(376)은 제2 기판(380)의 양면 중 제3 절연층(370)이 배치된 면뿐만 아니라 제3 절연층(370)이 배치된 면의 반대면에도 배치될 수 있다.
또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 산화알루미늄층(376)은 제2 기판(380)의 전표면에 배치될 수도 있다.
이에 따르면, 산화알루미늄층(376)은 제2 기판(380) 측의 열저항을 높이지 않으면서도 내전압 성능을 높일 수 있으며, 제2 기판(380)의 표면의 부식을 방지할 수 있다. 제1 기판(310)이 열전소자(300)의 고온부에 배치되고, 제2 기판(380)이 열전소자(300)의 저온부에 배치되는 경우, 열전도 성능 및 내전압 성능을 최적화하기 위하여 제1 기판(310)은 구리 기판이고, 제2 기판(380)은 알루미늄 기판일 수 있다. 이때, 도 7 내지 도 8의 실시예와 같이 알루미늄 기판에 산화알루미늄층이 더 배치된 경우, 알루미늄 기판의 내전압을 높일 수 있다. 특히, 산화알루미늄층은 알루미늄 기판의 아노다이징에 의하여 용이하게 형성될 수 있으므로, 제작 공정이 단순화될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380) 중 적어도 하나에는 히트싱크가 접합될 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 접합 구조를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 열전소자(300)는 복수의 체결부재(400)에 의하여 체결될 수 있다. 예를 들어, 제1 기판(310)에 히트싱크(390)가 배치된 경우, 복수의 체결부재(400)는 히트싱크(390)와 제1 기판(310)을 체결하거나, 히트싱크(390), 제1 기판(310)과 제2 기판(미도시)을 체결하거나, 히트싱크(390), 제1 기판(310), 제2 기판(미도시)과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제1 기판(310), 제2 기판(미도시)과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제1 기판(310)과 제2 기판(미도시)을 체결할 수 있다. 또는, 제2 기판(미도시)과 냉각부(미도시)는 제2 기판(미도시) 상의 유효영역의 외측에서 다른 체결부재를 통하여 연결될 수도 있다.
이를 위하여, 히트싱크(390), 제1 기판(310), 제2 기판(미도시), 냉각부(미도시)에는 체결부재(400)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)과 체결부재(400) 사이에는 별도의 절연삽입부재(410)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연삽입부재(410)는 체결부재(400)의 외주면을 둘러싸는 절연삽입부재 또는 관통홀(S)의 벽면을 둘러싸는 절연삽입부재일 수 있다. 이에 따르면, 열전소자의 절연거리를 넓히는 것이 가능하다.
한편, 절연삽입부재(410)의 형상은 도 10(a) 및 도 10(b)에 예시된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 도 10(a)에 예시된 바와 같이, 절연삽입부재(410)는 제1 기판(310)에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면의 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 또는, 절연삽입부재(410)는 제1 기판(310)에 형성된 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하여 관통홀(S)의 벽면을 따라 제2 전극(미도시)이 배치되는 제1면까지 연장되도록 배치될 수도 있다.
도 10(a)를 참조하면, 제1 기판(310)의 제1 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제2 기판의 제2 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경과 동일할 수 있다. 이때, 절연삽입부재(410)의 형상에 따라, 제1 기판(310)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 상이할 수 있다. 도시되지 않았으나, 관통홀(S) 영역에 단차를 형성하지 않고 제1 기판(310)의 상면의 일부에만 절연삽입부재(410)가 배치되거나, 제1 금속기판(310)의 상면으로부터 관통홀(S)의 벽면의 일부 또는 전부까지 절연삽입부재(410)가 연장되도록 배치되는 경우, 제1 기판(310)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수도 있다.
도 10(b)를 참조하면, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제1 기판(310)의 제1 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제2 기판의 제2 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경보다 클 수 있다. 이때, 제1 기판(310)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제2 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1 내지 2.0배일 수 있다. 제1 기판(310)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제2 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1배 미만이면, 절연삽입부재(410)의 절연효과가 미미하여 열전소자의 절연파괴가 야기될 수 있고, 제1 기판(310)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제2 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 2.0배를 초과하면 관통홀(S)이 차지하는 영역의 크기가 상대적으로 증가하게 되어 제1 기판(310)의 유효면적이 줄어들게 되고, 열전소자의 효율이 저하될 수 있다.
그리고, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제1 기판(310)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 상이할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 기판(310)의 관통홀(S) 영역에 단차가 형성되지 않는 경우, 제1 기판(310)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수도 있다.
도시되지 않았으나, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 제백효과를 이용하는 발전장치에 적용되는 경우, 열전소자는 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부와 결합할 수 있다. 제1 유체 유동부는 열전소자의 제1 기판 및 제2 기판 중 하나에 배치되고, 제2 유체 유동부는 열전소자의 제1 기판 및 제2 기판 중 다른 하나에 배치될 수 있다. 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 적어도 하나에는 제1 유체 및 제2 유체 중 적어도 하나가 유동하도록 유로가 형성될 수 있으며, 경우에 따라 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 적어도 하나가 생략되고, 제1 유체 및 제2 유체 중 적어도 하나가 열전소자의 기판으로 직접적으로 유동할 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판 및 제2 기판 중 하나와 인접하여 제1 유체가 유동하고, 다른 하나와 인접하여 제2 유체가 유동할 수 있다. 이때, 제2 유체의 온도는 제1 유체의 온도보다 더 높을 수 있다. 이에 따라, 제1 유체 유동부는 냉각부라 지칭될 수도 있다. 다른 실시예로서, 제1 유체의 온도는 제2 유체의 온도보다 더 높을 수 있다. 이에 따라, 제2 유체 유동부는 냉각부라 지칭될 수 있다. 히트싱크(390)는 제1 유체 유동부 및 제2 유체 유동부 중 더 높은 온도의 유체가 흐르는 쪽의 기판에 연결될 수 있다. 제1 유체와 제2 유체 간 온도 차의 절대 값은 40℃ 이상, 바람직하게는 70℃ 이상, 더 바람직하게는 95℃ 내지 185℃일 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 (11)
- 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층,
상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 접합층,
상기 제1 접합층 상에 배치된 제2 절연층,
상기 제2 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 제3 절연층, 그리고
상기 제3 절연층 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
상기 제1 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어지고,
상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층이고,
상기 제1 접합층은 실란 커플링제를 포함하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 실란 커플링제는 에폭시기, 아미노기 및 비닐기 중 적어도 하나의 작용기를 포함하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층과 상기 제1 접합층은 서로 화학적으로 결합하고, 상기 제1 접합층과 상기 제2 절연층은 서로 화학적 결합하는 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 접합층의 두께는 1 내지 5㎛인 열전소자. - 제4항에 있어서,
상기 제2 절연층의 두께는 상기 제1 절연층의 두께보다 크고, 상기 제1 절연층의 두께는 상기 제1 접합층의 두께보다 큰 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제3 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층인 열전소자. - 제6항에 있어서,
상기 제3 절연층과 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어진 제4 절연층, 그리고
상기 제3 절연층과 상기 제4 절연층 사이에 배치되고 실란 커플링제를 포함하는 제2 접합층을 더 포함하는 열전소자. - 제6항에 있어서,
상기 제3 절연층과 상기 제2 기판 사이에 배치된 산화알루미늄층을 더 포함하고, 상기 제2 기판은 알루미늄 기판인 열전소자. - 제8항에 있어서,
상기 산화알루미늄층은 상기 알루미늄 기판의 표면 전체에 배치된 열전소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 중 적어도 하나에 배치된 히트싱크를 더 포함하는 열전소자. - 제1 유체가 유동하도록 유로가 형성된 제1 유체 유동부,
상기 제1 유체 유동부와 결합하는 열전소자, 그리고
상기 열전소자와 결합하며, 상기 제1 유체보다 고온인 제2 유체가 유동하도록 유로가 형성된 제2 유체 유동부를 포함하고,
상기 열전소자는,
상기 제1 유체 유동부와 결합된 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층,
상기 제1 절연층 상에 배치된 제1 접합층,
상기 제1 접합층 상에 배치된 제2 절연층,
상기 제2 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 제3 절연층, 그리고
상기 제3 절연층 상에 배치되고, 상기 제2 유체 유동부와 결합된 제2 기판을 포함하고,
상기 제1 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)로 이루어지고,
상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층이고,
상기 제1 접합층은 실란 커플링제를 포함하는 발전장치.
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