KR20220054564A - 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 배치되고, 상기 제1 절연층과 조성 및 탄성이 상이한 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 수지층이다.
Description
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 기판 및 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, 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.
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.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 알루미늄 기판의 표면을 아노다이징 처리하여 내전압을 높이고자 하는 시도가 있으나, 아노다이징 처리된 금속기판과 전극 간의 접합이 어려운 문제가 있다.
이에 따라, 열전도 성능뿐만 아니라, 내전압 성능 및 접합 성능이 모두 개선된 열전소자가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전도 성능, 내전압 성능 및 접합 성능이 모두 개선된 열전소자의 기판 및 절연층 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 기판; 상기 기판 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층; 상기 제2 절연층 상에 배치되고, 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 하부 전극, 및 제2 하부 전극; 상기 제1 하부 전극, 및 상기 제2 하부 전극 각각 상에 상기 제1 방향을 따라 서로 이격되어 배치된 제1 반도체 구조물, 및 제2 반도체 구조물; 및 상기 제1 하부 전극 상의 제1 반도체 구조물 및 제2 반도체 구조물 중 하나와 상기 제2 하부 전극 상의 제1 반도체 구조물 및 제2 반도체 구조물 중 하나 상에 상기 제1 방향을 따라 배치된 상부 전극을 포함하고, 상기 제1 하부 전극, 및 상기 제2 하부 전극 각각의 일부는 상기 제2 절연층에 매립되고, 상기 제2 절연층의 상면은 상기 제1 하부 전극과 상기 제2 하부 전극 사이에 배치되고, 상기 기판을 향하여 오목한 오목면을 포함하고, 상기 오목면은 상기 상부 전극과 수직 방향을 따라 중첩되고, 상기 오목면의 상기 제1 방향의 폭은 상기 상부 전극의 상기 제1 방향의 폭보다 작다.
상기 기판은 상기 제1 절연층이 배치된 상면을 포함하고, 상기 제1 하부 전극은 상기 제1 반도체 구조물 및 상기 제2 반도체 구조물이 배치된 상면, 및 상기 상면과 마주보는 하면을 포함하고, 상기 제2 절연층의 오목면과 상기 기판의 상면 사이의 제1 거리는 상기 제1 하부 전극의 상면과 상기 기판의 상면 사이의 제2 거리보다 작을 수 있다.
상기 제1 거리는 상기 제1 하부 전극의 하면과 상기 기판의 상면 사이의 제3 거리보다 클 수 있다.
상기 제1 하부 전극은 상기 제1 하부 전극의 상면과 상기 제1 하부 전극의 하면 사이에 위치한 측면을 포함하고, 상기 제1 하부 전극의 측면은 상기 제2 절연층과 접촉하는 제1 면을 포함하고, 상기 제1 면의 상기 수직 방향의 높이는 상기 제1 하부 전극의 상기 수직 방향의 두께의 0.1 배 내지 0.9 배일 수 있다.
상기 기판을 기준으로 상기 제1 하부 전극의 최고 높이는 상기 제2 절연층의 최고 높이보다 높을 수 있다.
상기 제2 절연층의 상기 수직 방향의 두께는 35 ㎛ 이상이고, 상기 제1 하부 전극의 상기 수직 방향의 두께는 10㎛ 이상일 수 있다.
상기 제1 반도체 구조물 또는 상기 제2 반도체 구조물의 상기 제1 방향의 폭은 상기 제2 절연층의 오목면의 상기 제1 방향의 폭보다 클 수 있다.
상기 제2 절연층의 상기 수직 방향의 두께는 상기 제1 절연층의 상기 수직 방향의 두께보다 클 수 있다.
상기 제1 절연층은 상기 제2 절연층을 구성하는 물질과 다른 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층은 수지, 및 무기충전재를 포함하고, 상기 무기충전재는 산화알루미늄, 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 실리콘, 및 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 무기충전재는 상기 수지층의 60wt% 이상 80wt% 이하로 포함될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층; 상기 제2 절연층 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 하부 전극; 상기 복수의 하부 전극 각각의 상에 배치된 복수의 반도체 구조물; 상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 상부 전극을 포함하고, 상기 제2 절연층은 상기 복수의 상부 전극과 수직 방향을 따라 중첩되는 중첩부를 포함하고, 상기 중첩부의 상면은 상기 기판을 향하여 오목한 오목면을 포함하고, 상기 복수의 상부 전극 각각의 폭은 상기 오목면의 폭보다 크다.
상기 복수의 하부 전극은 제1 방향을 따라 서로 이격되어 배치된 제1 하부 전극, 및 제2 하부 전극을 포함하고, 상기 제1 하부 전극 상에 배치된 복수의 반도체 구조물은 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 반도체 구조물, 및 제2 반도체 구조물을 포함하고, 상기 제2 하부 전극 상에 배치된 복수의 반도체 구조물은 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 제3 반도체 구조물, 및 제4 반도체 구조물을 포함하고, 상기 복수의 상부 전극은 상기 제1 하부 전극 상에 배치된 제2 반도체 구조물, 및 상기 제2 하부 전극 상에 배치된 제3 반도체 구조물과 연결된 제1 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 상부 전극의 상기 제1 방향의 폭은 상기 중첩부의 상기 제1 방향의 폭보다 클 수 있다.
상기 제1 하부 전극은 상기 제2 절연층에 일부 매립되고, 상기 제1 하부 전극은 상기 복수의 반도체 구조물이 배치된 상면, 상기 상면과 마주보는 하면, 및 상기 상면과 상기 하면 사이에 배치되고, 상기 수직 방향을 따라 배치된 측면을 포함하고, 상기 제2 절연층의 오목면과 상기 기판 사이의 상기 수직 방향의 제1 높이는 상기 제1 하부 전극의 상면과 상기 기판 사이의 상기 수직 방향의 제2 높이보다 작을 수 있다.
상기 제1 높이는 상기 제1 하부 전극의 하면과 상기 기판 사이의 상기 수직 방향의 제3 높이보다 클 수 있다.
상기 제1 하부 전극의 측면은 상기 제2 절연층의 중첩부와 접촉하는 제1 면을 포함하고, 상기 제1 면의 높이는 상기 제1 하부 전극의 측면의 상기 수직 방향의 높이의 0.1배 내지 0.9배일 수 있다.
상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층이 포함하는 물질과 상이한 물질을 포함하고, 상기 제2 절연층의 상기 수직 방향의 두께는 상기 제1 절연층의 상기 수직 방향의 두께보다 클 수 있다.
상기 제1 절연층의 두께는 35 ㎛ 보다 작고, 상기 제2 절연층의 두께는 35 ㎛ 보다 크고, 상기 전극의 두께는 10 ㎛ 보다 클 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 접합 성능까지 개선된 열전소자를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 전극 간의 접합력과 기판과 히트싱크 간의 접합력이 모두 높은 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 열전소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 절연층의 표면거칠기를 측정한 결과이고, 도 9는 비교예에 따른 절연층의 표면거칠기를 측정한 결과이다.
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 실시예에 따른 절연층의 표면거칠기를 측정한 결과이고, 도 9는 비교예에 따른 절연층의 표면거칠기를 측정한 결과이다.
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. 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, 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.
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.
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 단면도이다. 도 1 내지 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(300)는 제1 기판(310), 제1 기판(310) 상에 배치된 제1 절연층(320), 제1 절연층(320) 상에 배치된 제2 절연층(330), 제2 절연층(330) 상에 배치된 복수의 제1 전극(340), 복수의 제1 전극(340) 상에 배치된 복수의 P형 열전 레그(350) 및 복수의 N형 열전 레그(355), 복수의 P형 열전 레그(350) 및 복수의 N형 열전 레그(355) 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. 도시되지 않았으나, 제1 기판(310) 또는 제2 기판(380)에는 히트싱크가 더 배치될 수도 있다. 도시되지 않았으나, 제1 기판(310)과 제2 기판(380) 사이에는 실링부재가 더 배치될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 전극(340) 또는 제2 전극(360)에는 전원이 연결되며, 와이어가 절연층 및 기판을 관통하여 인출되거나, 기판 및 절연층 상에서 측면으로 인출될 수 있다.
여기서, 제1 전극(340), P형 열전 레그(350), N형 열전 레그(360), 제2 전극(370)은 각각 도 1 내지 2에서 설명한 상부전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 하부전극(150)에 대응할 수 있으며, 도 1 내지 2에서 설명한 내용이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다.
여기서, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380) 중 적어도 하나는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 제1 기판(310) 및 제2 기판(380)은 이종 소재로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(310) 및 제2 기판(320) 중 내전압 성능이 더 요구되는 기판은 알루미늄 기판으로 이루어지고, 열전도 성능이 더 요구되는 기판은 구리 기판으로 이루어질 수도 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. 본 명세서에서, 내전압 성능은 기판 상에 절연층을 배치한 후 기판에 한 단자를 연결하고, 절연층의 9개의 포인트에 대하여 각각 다른 단자를 연결하여 AC 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 10초 동안 절연 파괴 없이 유지되는지를 테스트하는 방법으로 측정되었다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 기판(310)과 제1 전극(340) 사이에는 2층의 절연층이 배치될 수 있다. 즉, 제1 기판(310) 상에는 제1 절연층(320)이 배치되고, 제1 절연층(320) 상에는 제2 절연층(330)이 배치되며, 제2 절연층(330) 상에는 제1 전극(340)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 절연층(320)의 한 면은 제1 기판(310)과 직접 접촉하고, 제1 절연층(320)의 다른 면은 제2 절연층(330)과 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제2 절연층(330)은 제1 전극(340)과 직접 접촉할 수도 있다.
여기서, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(330)은 서로 상이한 조성 및 탄성을 가질 수 있다. 즉, 제1 절연층(320)은 절연 성능 및 열전도 성능을 가지는 조성으로 이루어지고, 제2 절연층(330)은 절연 성능 및 열전도 성능과 함께 접착 성능 및 열충격 완화 성능을 가지는 조성으로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(330)이 모두 절연 성능 및 열전도 성능을 가지되, 제1 절연층(320)의 내전압 성능은 제2 절연층(330)의 내전압 성능보다 높고, 제2 절연층(330)의 열전도 성능은 제1 절연층(320)의 열전도 성능보다 높을 수 있다. 여기서, 내전압 성능이 상대적으로 높다는 것은 AC 2.5kV의 전압 및 1mA의 전류 하에서 절연 파괴 없이 상대적으로 긴 시간 동안 유지되는 것을 의미할 수 있다.
이를 위하여, 제1 절연층(320)은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 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 하이브리드 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 수 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(330)과의 접합 강도가 높아질 수 있다. 특히, 후술하는 바와 같이, 제2 절연층(330)이 수지층으로 이루어진 경우, 제1 절연층(320)의 표면 거칠기에 의하여 형성된 홈 사이에 제2 절연층(330)의 수지층이 스며들기 쉬우므로, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(330) 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 공정에 형성되기 때문에 표면거칠기가 0.1㎛이상으로 형성될 수 있다 도 8은 알루미늄 기판 상에 본 발명의 실시예에 따라 제1 절연층(320)을 형성한 3개의 샘플에 대한 표면 거칠기를 측정한 그래프이고, 도 9는 알루미늄 기판을 아노다이징한 3개의 샘플에 대한 표면 거칠기를 측정한 그래프이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 절연층의 표면 거칠기가 0.1㎛ 이상으로 형성될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 제2 절연층(330)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(330)은 제1 절연층(320)과 제1 전극(340) 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. 무기충전재가 질화물을 포함하는 경우, 질화물은 무기충전재의 55 내지 95wt%로 포함될 수 있으며, 더 좋게는 60 내지 80wt% 일 수 있다. 질화물이 이러한 수치범위로 포함될 경우, 열전도도 및 접합 강도를 높일 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
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(330)이 PDMS(polydimethylsiloxane) 수지 및 산화알루미늄을 포함하는 수지 조성물인 경우, 제1 절연층(320) 내 실리콘의 함량(예를 들어, 중량비)은 제2 절연층(330) 내 실리콘의 함량보다 높게 포함되고, 제2 절연층(330) 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(330) 내 산화알루미늄이 열전도 성능 향상에 주로 기여할 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(330)이 모두 절연 성능 및 열전도 성능을 가지되, 제1 절연층(320)의 내전압 성능은 제2 절연층(330)의 내전압 성능보다 높고, 제2 절연층(330)의 열전도 성능은 제1 절연층(320)의 열전도 성능보다 높을 수 있다.
한편, 제2 절연층(330)은 미경화 상태 또는 반경화 상태의 수지 조성물을 제1 절연층(320) 상에 도포한 후, 미리 정렬된 복수의 제1 전극(340)을 배치하고 가압하는 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)의 표면거칠기(Ra)에 의한 홈 내에 제2 절연층(330)을 이루는 수지 조성물이 스며들게 되어 제1 절연층(320)과 제2 절연층(330) 간의 접합 강도가 높아질 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(340)의 측면의 일부는 제2 절연층(330) 내에 매립될 수 있다. 이때, 제2 수지층(330) 내에 매립된 복수의 제1 전극(340)의 측면의 높이(H1)는 복수의 제1 전극(340)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(340)의 측면의 일부가 제2 절연층(330) 내에 매립되면, 복수의 제1 전극(340)과 제2 절연층(330) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(340)과 제2 절연층(330) 간의 열전달 성능 및 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다. 제2 절연층(330) 내에 매립된 복수의 제1 전극(340)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(340)의 두께(H)의 0.1배 미만일 경우, 복수의 제1 전극(340)과 제2 절연층(330) 간의 열전달 성능 및 접합 강도를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 제2 절연층(330) 내에 매립된 복수의 제1 전극(340)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(340)의 두께(H)의 1.0배를 초과할 경우 제2 절연층(330)이 복수의 제1 전극(340) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
더 자세하게는, 복수의 제1 전극(340) 사이에서 제2 절연층(330)의 두께는 각각의 전극 측면에서 중심영역으로 갈수록 감소하여, 꼭지점이 원만한 'V'형상을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 제1 전극(340) 사이의 제2 절연층(330)은 두께의 편차를 가지며, 복수의 제1 전극(340)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)가 가장 높고, 중심영역에서의 높이(T3)는 복수의 제1 전극(340)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)보다 낮을 수 있다. 즉, 복수의 제1 전극(340) 사이의 제2 절연층(330)의 중심영역 높이(T3)는 복수의 제1 전극(340) 사이의 제2 절연층(330) 내에서 가장 낮을 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(340) 아래의 제2 절연층(330)의 높이(T1)는 즉, 복수의 제1 전극(340) 사이의 제2 절연층(330)의 중심영역 높이(T3)보다 더 낮을 수 있다.
한편, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(330)의 조성에 따라 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(330)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(330) 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(320) 전체에 대한 무기충전재의 중량비는 60 내지 80wt%일 수 있다. 이와 같이, 제1 절연층(320)에 포함되는 복합체의 함량이 제2 절연층(330)에 포함되는 세라믹 입자의 함량보다 높은 경우, 제1 절연층(320)의 경도가 제2 절연층(330)의 경도보다 높을 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(320)은 높은 내전압 성능 및 높은 열전도 성능을 동시에 가질 수 있다.
이에 따라, 제2 절연층(330)은 제1 절연층(320)보다 높은 탄성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(330)은 제1 절연층(320)과 제1 전극(340) 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(330)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 35㎛이고, 제2 절연층(330)의 두께는 20 내지 70㎛, 바람직하게는 30 내지 60㎛, 더욱 바람직하게는 35 내지 50㎛일 수 있다. 이때, 제2 절연층(330)의 두께는 제1 절연층(320)의 두께의 1배 내지 3.5배, 바람직하게는 1배 내지 3배, 더욱 바람직하게는 1배 내지 2배일 수 있다.
제1 절연층(320)의 두께 및 제2 절연층(330)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(330)의 열팽창에 의하여 깨지기 쉽고, 35㎛를 초과하면 열전도 성능이 낮아질 수 있다.
한편, 제2 기판(380) 측에 배치되는 절연층(370)도 제1 기판(310) 측에 배치되는 절연층(320, 330)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 기판(380) 측에 배치되는 절연층(370)은 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어진 제3 절연층(372) 및 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체로 이루어진 제4 절연층(374)을 포함할 수 있다.
이때, 제4 절연층(374)은 제2 기판(380)과 직접 접촉하고, 제3 절연층(372)은 제4 절연층(374)과 제2 전극(360) 사이에 배치될 수 있다. 제3 절연층(372)에 관한 구체적인 설명은 제2 절연층(330)에 관한 설명과 동일하게 적용될 수 있으며, 제4 절연층(374)에 관한 구체적인 설명은 제1 절연층(320)에 관한 설명과 동일하게 적용될 수 있다.
또는, 제3 절연층(372)은 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어지고, 제4 절연층(374)도 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수도 있다. 이때, 제3 절연층(372)을 이루는 수지층과 제4 절연층(374)을 이루는 수지층은 동일한 조성일 수도 있고, 상이한 조성일 수도 있다. 여기서, 상이한 조성이라 함은 수지의 종류, 수지의 함량, 무기충전재의 종류 및 무기충전재의 함량 중 적어도 하나가 상이한 것을 의미할 수 있다.
한편, 일반적으로 열전소자(300)의 저온부 측에 배치된 전극에 전원이 연결되므로, 고온부 측에 비하여 저온부 측에 더욱 높은 내전압 성능이 요구될 수 있다. 이에 반해, 열전소자(300)의 구동 시 열전소자(300)의 고온부 측은 고온, 예를 들어 약 180℃이상에 노출될 수 있으며, 전극, 절연층 및 기판의 서로 다른 열팽창 계수로 인하여 전극, 절연층 및 기판 간의 박리가 문제될 수 있다. 이에 따라, 열전소자(300)의 고온부 측은 저온부 측에 비하여 더욱 높은 열충격 완화 성능이 요구될 수 있다. 이에 따라, 고온부 측 절연층의 구조와 저온부 측 절연층의 구조를 다르게 할 수도 있다.
이하, 제1 기판(310)이 열전소자(300)의 저온부 측에 배치되고, 제2 기판(380)이 열전소자(300)의 고온부 측에 배치되는 것을 가정하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 제2 기판(380) 측 제4 절연층(374)의 두께는 제1 기판(310) 측 제1 절연층(320)의 두께보다 작고, 제2 기판(380) 측 제3 절연층(372)의 두께는 제1 기판(310) 측 제2 절연층(330)의 두께보다 클 수 있다. 또는, 도 7을 참조하면, 제1 기판(310)측의 절연층은 제1 절연층(320)과 제2 절연층(330)으로 이루어지되, 제2 기판(380) 측의 절연층(370)은 에폭시 수지 조성물 및 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로만 이루어질 수도 있다.
이에 따라, 고온부 측의 열충격 완화 성능을 높일 수 있으며, 고온부 측의 기판과 전극 간 열팽창 계수의 차로 인하여 발생할 수 있는 박리 가능성을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (1)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 배치되는 제2 절연층;
상기 제2 절연층 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 하부 전극;
상기 복수의 하부 전극 각각의 상에 배치된 복수의 반도체 구조물;
상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 상부 전극을 포함하고,
상기 제2 절연층은 상기 복수의 상부 전극과 수직 방향을 따라 중첩되는 중첩부를 포함하고,
상기 중첩부의 상면은 상기 기판을 향하여 오목한 오목면을 포함하고,
상기 복수의 상부 전극 각각의 폭은 상기 오목면의 폭보다 큰 열전 소자.
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