KR20220058886A - 열전소자 - Google Patents

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KR20220058886A
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치되고, 상기 제1 절연층의 면적보다 작은 면적을 갖는 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에 배치된 복수의 반도체 구조물, 및 상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 제2 절연층은 상기 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 반도체 구조물이 수직으로 중첩되는 중첩 영역 및 상기 중첩 영역에서 상기 기판의 제1 외측을 향하여 돌출된 돌출 패턴을 포함한다.

Description

열전소자
본 발명은 열전소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부기판과 하부기판 사이에 복수의 열전 레그가 어레이 형태로 배치되며, 복수의 열전 레그와 상부기판 사이에 복수의 상부 전극이 배치되고, 복수의 열전 레그와 및 하부기판 사이에 복수의 하부전극이 배치된다.
열전소자의 제조 공정 상 기판, 전극 및 열전 레그 간 접합을 위하여 고온의 환경에서 처리될 수 있다. 이에 따르면, 소재 간 열팽창 계수의 차로 인하여 기판에 휨 현상이 발생할 수 있으며, 이는 열전소자의 장기적인 신뢰성, 내구성 및 발전성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판의 휨 현상이 개선된 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제1 절연층, 상기 제1 절연층 상에 배치되고, 상기 제1 절연층의 면적보다 작은 면적을 갖는 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제1 전극 각각 상에 배치된 복수의 반도체 구조물, 및 상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 제2 절연층은 상기 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 반도체 구조물이 수직으로 중첩되는 중첩 영역 및 상기 중첩 영역에서 상기 기판의 제1 외측을 향하여 돌출된 돌출 패턴을 포함한다.
상기 돌출 패턴의 폭은 상기 중첩 영역의 폭보다 작을 수 있다.
상기 돌출 패턴과 상기 기판의 제1 외측은 서로 이격될 수 있다.
상기 돌출 패턴의 돌출 길이는 상기 돌출 패턴으로부터 상기 제1 외측까지의 길이보다 클 수 있다.
상기 돌출 패턴은 서로 이격되도록 배치된 제1 돌출 패턴 및 제2 돌출 패턴을 포함할 수 있다.
상기 제1 돌출 패턴 및 상기 제2 돌출 패턴 간 이격 거리는 상기 기판에서 상기 제1 외측과 수직하는 제2 외측 및 상기 제1 돌출 패턴 간 거리와 상기 기판에서 상기 제1 외측과 수직하고 상기 제2 외측과 마주보는 제3 외측 및 상기 제2 돌출 패턴 간 거리 각각의 0.9 내지 2배일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극에서 상기 제1 외측을 향하도록 돌출된 제1 터미널 전극 및 제2 터미널 전극을 더 포함하고, 상기 제1 터미널 전극 및 상기 제2 터미널 전극은 각각 상기 제1 돌출 패턴 및 상기 제2 돌출 패턴 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 터미널 전극 및 상기 제2 터미널 전극 각각의 면적은 상기 복수의 제1 전극 각각의 면적보다 클 수 있다.
상기 제1 외측에서 상기 제1 절연층과 접촉하고, 상기 제1 외측과 마주보는 제4 외측에서 상기 제2 절연층과 접촉하도록 배치되는 실링부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 절연층은 제1 오목부 및 상기 제1 오목부의 주위에 배치되는 제2 오목부를 포함하고, 상기 복수의 제1 전극은 각각 상기 제1 오목부 상에 배치되고, 상기 제1 오목부와 상기 기판 사이의 제1 수직 거리는 상기 제2 오목부와 상기 기판 사이의 제2 수직 거리보다 작을 수 있다.
상기 제1 절연층은 상기 제1 기판의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 수 있다.
상기 제1 절연층의 조성과 상기 제2 절연층의 조성은 서로 상이할 수 있다.
상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 상부 기판을 더 포함하고, 상기 상부 기판은 상기 돌출 패턴과 수직으로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 복수의 제1 전극은 서로 이격되도록 배치된 제1 전극 그룹 및 제2 전극 그룹을 포함하고, 상기 복수의 제2 전극은 서로 이격되도록 배치된 제3 전극 그룹 및 제4 전극 그룹을 포함하며, 상기 제1 전극 그룹과 상기 제3 전극 그룹은 상기 기판에 대하여 수직하는 방향으로 서로 중첩되고, 상기 제2 전극 그룹과 상기 제4 전극 그룹은 상기 기판에 대하여 수직하는 방향으로 서로 중첩될 수 있다.
상기 상부 기판은 상기 제3 전극 그룹 상에 배치된 제1 상부 기판, 그리고 상기 제1 상부 기판과 이격되며 상기 제4 전극 그룹 상에 배치된 제2 상부 기판을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판의 휨 현상을 개선하여 장기적인 신뢰성, 내구성 및 발전성능이 높은 열전소자를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판과 전극 사이에 배치되는 절연층 및 기판의 구조를 이용하여 접합 성능, 열전도 성능 및 내전압 성능을 가질 뿐만 아니라, 기판의 휨 현상이 개선된 열전소자를 얻을 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 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이다.
도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 분해사시도이며, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전모듈에서 히트싱크와 제2 기판 간 접합 구조를 나타낸다.
도 13은 열전소자의 상부 기판이 단일 기판일 때의 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 열전소자의 상부 기판이 분할 기판일 때의 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 제2 절연층이 전면 도포된 모델에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 제2 절연층이 패턴 도포된 모델에 따른 시뮬레이션 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 2개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 2개의 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. 이에 따라, 본 명세서에서 열전 레그는 반도체 구조물, 반도체 소자, 반도체 재료층, 반도체 물질층, 반도체 소재층, 도전성 반도체 구조물, 열전 구조물, 열전 재료층, 열전 물질층, 열전 소재층 등으로 지칭될 수도 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. 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 pct00001
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(181, 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.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 1 내지 도 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5를 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(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. 제1 기판(310), 제1 전극(330), P형 열전레그(340), N형 열전레그(350), 제2 전극(360) 및 제2 기판(380) 각각에 대하여 도 1 내지 도 4의 제1 기판(110), 제1 전극(120), P형 열전레그(130), N형 열전레그(140), 제2 전극(150) 및 제2 기판(160)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
도 5에 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.
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 예시적으로 수지 물질을 포함할 수 있고, 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite) 및 무기충전재를 포함할 수 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. 무기충전재는 복합체 내에 분산될 수 있으며, 산화알루미늄 및 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 질화물은, 질화붕소 및 질화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 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.
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 가압 후 경화 공정을 통해 구성할 수 있다. 이에 따라, 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 1배, 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 1배를 초과할 경우 제2 절연층(324)이 복수의 제1 전극(330) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
이와 같이, 제2 절연층(324)은 제1 오목부(R1) 및 제1 오목부(R1)의 주위에 배치되는 제2 오목부(R2)를 포함할 수 있다. 복수의 제1 전극(330)은 각각 제1 오목부(R1) 상에 배치되고, 제1 오목부(R1)와 제1 기판(310) 사이의 제1 수직 거리는 제2 오목부(R2)와 제1 기판(310) 사이의 제2 수직 거리보다 작을 수 있다. 더 자세하게는, 복수의 제1 전극(330) 사이에서 제2 절연층(324)의 두께는 각각의 전극 측면에서 중심영역으로 갈수록 감소하여, 꼭지점이 완만한 'V'형상을 가질 수 있다. 따라서, 복수의 제1 전극(330) 사이의 절연층(320, 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 절연층(320, 324)의 중심영역 높이(T3)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 절연층(320, 324) 내에서 가장 낮을 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(330) 아래의 절연층(320, 324)의 높이(T1)는 복수의 제1 전극(330) 사이의 절연층(320, 324)의 중심영역 높이(T3)보다 더 낮을 수 있다. 제2 절연층(324)이 제2 오목부(R2)를 포함함으로써, 절연층에 인가되는 응력을 완화할 수 있어, 절연층의 크랙이나 박리 등의 문제를 개선할 수 있다.
한편, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 조성은 서로 상이하며, 이에 따라 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 경도, 탄성 계수, 인장강도, 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 복합체 및 무기충전재의 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 세라믹, 즉 복합체 및 무기충전재의 중량비는 80wt%를 초과하고, 제2 절연층(324) 전체에 대한 세라믹, 즉 무기충전재의 중량비는 60 내지 80wt%일 수 있다. 이와 같이, 제1 절연층(320)에 포함되는 복합체 및 무기충전재의 함량이 제2 절연층(324)에 포함되는 무기충전재의 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 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, 제2 절연층(324)의 두께는 제1 절연층(320)의 두께의 1배 초과 3.5배 이하, 바람직하게는 1.05배 이상 2배 이하, 더욱 바람직하게는 1.1배 이상 내지 1.5배 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(320)의 두께는 35㎛ 이하이고, 제2 절연층(324)의 두께는 35㎛초과 80㎛ 이하, 바람직하게는 35㎛초과 70㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 35㎛초과 50㎛ 이하일 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. 또한, 제2 오목부(R2)의 오목한 상면은 전극(330)의 저면과 기판의 상면 사이의 수직 방향의 높이보다 크고, 전극(330)의 상면과 기판의 상면 사이의 수직 방향의 높이보다 작게 배치할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 전극(330)을 안정적으로 매립하면서, 절연층에 인가되는 응력을 효율적으로 완화할 수 있다.
또한, 제1 오목부(R1)의 폭은 제2 오목부(R2)의 폭보다 크게 배치될 수 있다. 따라서, 전극을 기판 상에 조밀하게 배치하는 구조가 가능해질 수 있어, 열전 소자의 발전 성능 또는 온도 조절 성능을 개선할 수 있다.
다만, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)은 상이한 열팽창 계수를 가질 수 있다. 이에 따르면, 열전소자(300)가 장기간 고온에 노출될 경우, 응력에 의하여 열전소자(300)가 휘는 현상이 발생할 수 있고, 열전소자의 장기적인 신뢰성, 내구성이 저하되며, 열전소자가 발전장치에 적용되는 경우 발전장치의 발전 성능을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320)에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 큰 제2 절연층(324)의 배치 구조를 이용하여 기판의 휨 현상을 개선하고자 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이고, 도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 분해사시도이며, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 6 내지 도 7을 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(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. 제2 기판(380) 상에는 히트싱크(390)가 더 배치될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
열전소자(300)에 전압을 인가하면, 제1 기판(310)은 펠티에 효과(Peltier effect)에 따라 열을 흡수하여 저온부로 작용하고, 제 2 기판(380)은 열을 방출하여 고온부로 작용할 수 있다. 또는, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380)에 서로 다른 온도를 가하면, 온도 차에 의해 고온 영역의 전자가 저온 영역으로 이동하면서 열기전력이 발생한다. 이를 제벡 효과(Seebeck effect)라고 하며, 이로 인한 열기전력에 의하여 열전소자의 회로 내에 전기가 발생할 수 있다.
제1 기판(310)에는 복수의 제1 관통홀(311)이 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 기판(380)에는 복수의 제2 관통홀(미도시)이 형성될 수 있으며, 복수의 제1 관통홀(311)은 복수의 제2 관통홀에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 결합부재(미도시)는 복수의 제1 관통홀(311)과 복수의 제2 관통홀을 통과할 수 있으며, 복수의 결합부재(미도시)에 의하여 제1 기판(310)과 제2 기판(380)이 고정될 수 있다.
일반적으로, 구리 기판의 열팽창계수(CTE)는 약 18*10-6/mK이고, 열전레그의 열팽창계수(CTE)는 약 17.5*10-6/mK이며, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 열팽창계수는 구리 기판 및 열전레그의 열팽창계수보다 크고, 제2 절연층(324)의 열팽창계수는 제1 절연층(320)의 열팽창계수보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층(324)의 접합 성능 및 제1 절연층(320)의 내전압 성능을 모두 만족시키기 위하여, 제2 절연층(324)의 열팽창계수는 제1 절연층(320)의 열팽창계수의 2배 이상이 될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 절연층(324)을 제1 절연층(320)의 일부 상에만 배치하여 기판의 휨 현상을 최소화하고자 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 절연층(324)의 면적은 제1 절연층(320)의 면적보다 작을 수 있다. 즉, 제2 절연층(324)은 제1 절연층(320)의 전면이 아닌 일부 상에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간 열팽창계수 차로 인한 제1 기판(310)의 휨 현상을 개선하며, 열응력을 완화할 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(330) 또는 열전레그(340, 350)이 탈락되거나, 전기적으로 개방되는 문제를 방지할 수 있으며, 열전달 효과를 개선할 수 있고, 최종적으로는 열전소자의 발전량 또는 냉각 특성을 개선할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 6 내지 도 7을 참조하면, 제2 절연층(324)은 복수의 제1 전극(330), 복수의 반도체 구조물(340, 350) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1)을 포함할 수 있다. 이하, 본 명세서에서, 수직 방향은 제1 기판(310)으로부터 제2 기판(380)을 향하는 방향(Z방향)을 의미할 수 있다.
그리고, 제2 절연층(324)은 복수의 제1 전극(330), 복수의 반도체 구조물(340, 350) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1)에서 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)을 향하여 돌출된 돌출 패턴(P2, P3)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 외측(S1)은 제1 기판(310)의 가장자리를 이루는 제1 내지 제4 외측(S1~S4) 중 하나이며, 복수의 제1 전극(330)으로부터 복수의 터미널 전극(T1, T2)이 돌출되는 방향에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(324)의 중첩 영역(P1)과 제1 기판(310)의 제1 외측(S1) 간 거리는 제1 절연층(324)의 중첩 영역(P1)과 제1 기판(310)의 나머지 외측(예, S2~S4) 간 거리보다 크다. 본 명세서에서, 터미널 전극(T1, T2)은 전선을 연결하기 위한 전극으로, 제2 절연층(324) 상에서 복수의 제1 전극(330)과 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 터미널 전극(T1, T2) 각각의 면적은 복수의 제1 전극(330) 각각의 면적보다 클 수 있으며, 이에 따라, 각 터미널 전극(T1, T2) 상에는 전선 연결을 위한 커넥터(C1, C2)가 배치될 수 있다. 터미널 전극(T1, T2)이 복수의 제1 전극(330)으로부터 제1 외측(S1)을 향하여 돌출될 경우, 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)으로부터 제4 외측(S4)을 향하는 거리, 즉 Y 방향 거리는 제1 기판(310)의 제2 외측(S2)으로부터 제3 외측(S3)을 향하는 거리, 즉 X 방향 거리보다 클 수 있다.
이때, 터미널 전극(T1, T2) 중 커넥터(C1, C2)가 배치되는 영역은 복수의 반도체 구조물(340, 350), 복수의 제2 전극(360), 제3 절연층(370), 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)와 수직 방향(예, 도 7의 Z방향)으로 중첩되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 커넥터(C1, C2)에 리드선을 연결하기 용이하다.
이와 같이, 터미널 전극(T1, T2) 중 커넥터(C1, C2)가 배치되는 영역이 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)와 수직 방향으로 중첩되지 않을 경우, 제1 외측(S1)도 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)와 수직 방향으로 중첩되지 않을 수 있다. 즉, 도 6 내지 7에 도시된 바와 같이, 제1 외측(S1)에 수직하는 제2 외측(S2)의 적어도 일부 및 제3 외측(S3)의 적어도 일부는 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)와 수직 방향으로 중첩되지만, 제1 외측(S1) 전부는 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)와 수직 방향으로 중첩되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 돌출 패턴(P2, P3)은 서로 이격되도록 배치된 제1 돌출 패턴(P2) 및 제2 돌출 패턴(P3)을 포함하며, 제1 돌출 패턴(P2) 상에 제1 터미널 전극(T1)이 배치되고, 제2 돌출 패턴(P3) 상에 제2 터미널 전극(T2)이 배치될 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(310)의 일부에는 제2 절연층(324)이 배치되지 않을 수 있으므로, 열팽창계수가 큰 제2 절연층(324)으로 인하여 제1 기판(310)이 휘는 문제를 최소화할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 돌출 패턴(P2, P3)의 폭(W1+W2)는 복수의 제1 전극(330), 복수의 반도체 구조물(340, 350) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1)의 폭(W)보다 작을 수 있으며, 돌출 패턴(P2, P3)과 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)은 서로 이격될 수 있다. 본 명세서에서, 폭은 X방향의 거리로 정의되고, 길이는 Y방향의 거리로 정의될 수 있다. 이에 따르면, 복수의 제1 전극(330), 복수의 반도체 구조물(340, 350) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1)과 제1 기판(310)의 제1 외측(S1) 간 일부에 제2 절연층(324)이 배치되지 않으므로, 제1 기판(310)의 Y 방향으로의 휨을 줄일 수 있다.
이때, 제1 돌출 패턴(P2) 및 제2 돌출 패턴(P3) 간 이격 거리(d1)는 제1 기판(310)의 제2 외측(S2)과 제1 돌출 패턴(P2) 간 거리(d2) 및 제1 기판(310)의 제3 외측(S3)과 제2 돌출 패턴(P3) 간 거리(d3) 각각의 0.9 내지 2배, 바람직하게는 0.95 내지 1.5배, 더욱 바람직하게는 0.97 내지 1.2배일 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(310)의 제2 외측(S2) 및 제3 외측(S3) 사이에서 제2 절연층(324)이 배치되지 않은 영역 및 제1 돌출 패턴(P2)과 제2 돌출 패턴(P3) 사이에서 제2 절연층(324)이 배치되지 않은 영역이 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3)의 열팽창에 대한 완충 작용을 하므로, 제1 기판(310)의 X 방향에 대한 휨을 줄일 수 있으며, 제1 기판(310)의 X 방향에 대한 휨은 제1 기판(310)의 X 방향 중심에 대하여 대칭일 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 돌출 패턴(P2, P3)과 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)은 서로 이격될 수 있다. 이에 따르면, 돌출 패턴(P2, P3)과 제1 기판(310)의 제1 외측(S1) 사이에서 제2 절연층(324)이 배치되지 않은 영역은 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3)의 열팽창에 대한 완충 작용을 하므로, 제1 기판(310)의 Y축 방향에 대한 휨을 줄일 수 있다.
이때, 실링부재(미도시)는 제1 외측(S1)에서 제1 절연층(320)과 접촉하도록 배치되고, 제4 외측(S4)에서 제2 절연층(324)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 즉, 제2 절연층(324)은 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)에 배치되지 않으므로, 터미널 전극(T1, T2)으로 인하여 제1 기판(310)의 Y축 방향 길이가 길어지더라도, 제1 기판(310)의 Y축 방향 휨을 줄일 수 있다. 이때, 돌출 패턴(P2, P3)의 돌출 길이(D1)는 돌출 패턴(P2, P3)으로부터 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)까지의 길이(D2)보다 클 수 있다. 이에 따르면, 제1 기판(310)의 Y방향 길이가 필요 이상으로 길지 않으므로, 제1 기판(310)의 Y 방향에 대한 휨을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320)은 제1 기판(310)의 가장자리, 즉 제1 기판(310)의 제1 내지 제4 외측(S1~S4)의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 제1 절연층(320)이 제1 기판(310)의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 경우, 제1 기판(310)의 가장자리는 제1 절연층(320)의 열팽창에 따른 완충 역할을 할 수 있으므로, 제1 기판(310)의 휨을 줄일 수 있다. 또한 예시적으로, 제1 절연층(320)의 열팽창계수는 제1 기판(310)의 열팽창계수와 다를 수 있고, 제1 기판(310)의 열팽창계수보다 클 수 있다.
이와 마찬가지로, 제2 절연층(324)은 제1 절연층(320)의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 제2 절연층(324)이 제1 절연층(320)의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치될 경우, 제1 절연층(320)의 가장자리는 제2 절연층(324)의 열팽창에 따른 완충 역할을 할 수 있으므로, 제1 기판(310)의 휨을 줄일 수 있다. 또한, 예시적으로, 제2 절연층(324)의 열팽창계수는 제1 절연층(320)의 열팽창계수보다 클 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 제2 기판(380)은 복수의 제2 전극(360) 상에 배치되며, 이때, 제2 기판(380)은 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3)과 수직으로 중첩되지 않을 수 있다. 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3) 상에는 터미널 전극(T1, T2)이 배치되고, 터미널 전극(T1, T2) 상에는 전선 연결을 위한 커넥터(C1, C2)가 배치되므로, 제2 기판(380)은 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3)과 수직으로 중첩되지 않을 경우, 커넥터를 통한 전선 연결이 용이하다.
도 6을 참조하면, 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2)는 제1 전극(330) 주변에 배치될 수 있다. 제1 전극(330)은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 서로 상이한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2)도 X축 방향의 길이가 서로 상이하거나 Y축 방향의 길이가 서로 상이한 복수의 형상을 가질 수 있다. 복수의 제1 전극(330) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역 내에서, 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2)가 전극과 전극 사이에 위치하는 구조를 가질 수 있으며, 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P3)에는 오목부가 아닌 평탄부가 위치할 수 있다. 따라서, 제1 기판(310)에서 제2 절연층(324)으로 인가되는 응력을 X축 방향 및 Y축 방향으로 완화하여 기판의 휨 현상을 방지할 수 있고, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 크랙이나 박리 현상을 방지할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 터미널 전극(T1)과 전극(330) 사이의 거리가 복수의 제1 전극(330) 각각의 사이 거리에 비해 크기 때문에 제2 절연층(324)의 돌출 패턴(P2, P2)에서는 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2)가 평탄부로 나타날 수 있고, 복수의 제1 전극(330) 사이에 배치된 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2) 보다 X축 방향 폭 및 Y축 방향 길이가 큰 오목부가 배치될 수도 있다. 제2 절연층(324)의 제2 오목부(R2)가 복수의 제1 전극(330) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1)에서 서로 다른 폭을 갖고, 돌출 패턴(P2, P3)에서 갖는 폭도 서로 상이한 구조를 가질 수 있기 때문에, 기판의 휨을 억제하는 효과를 가질 수 있고, 제2 절연층(324)의 크랙이나 박리를 방지하는 데에 효과적일 수 있다.
상술한 실시 예에서는 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324)를 별도로 배치한 구성에 대하여 개시하였으나, 이에 한정하지 않고 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324)는 단일층으로 배치될 수 있다. 단일층으로 배치되는 경우에도 상술한 열전도 특성과 내전압 특성을 확보하기 위해 무기물 충전재를 포함하는 수지 물질이 적용될 수 있지만, 이에 한정하지 않는다. 또한, 단일층으로 배치되는 경우에도 제2 절연층(324)의 패턴은 같은 형태를 취할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 기판의 휨을 줄이기 위하여, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380) 중 적어도 하나를 분할된 복수의 기판으로 구성할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 사시도이며, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 사시도이고, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 기판, 절연층 및 전극의 상면도이다.
도 8 내지 도 11을 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(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. 제2 기판(380) 상에는 히트싱크(390)가 더 배치될 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 기판(380)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384)을 포함할 수 있으며, 제1 기판(310) 및 제2 기판(380)에 포함되는 각 제2 기판(381, 382, 383, 384)에는 결합부재(미도시)가 통과하기 위한 관통홀이 형성될 수 있다.
제1 기판(310)에는 복수의 제1 관통홀(311)이 형성될 수 있다. 그리고, 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384) 각각에는 제2 관통홀이 형성될 수 있으며, 복수의 제1 관통홀(311)은 제2 관통홀에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 결합부재(미도시)는 복수의 제1 관통홀(311)과 제2 관통홀을 통과할 수 있으며, 복수의 결합부재(미도시)에 의하여 제1 기판(310)과 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384)이 고정될 수 있다.
한편, 각 제2 기판(381, 382, 383, 384) 상에 각 히트싱크(391, 392, 393, 394)가 배치될 경우, 각 히트싱크(391, 392, 393, 394)에는 제3 관통홀이 형성될 수 있으며, 복수의 제1 관통홀(311)은 제2 관통홀 및 제3 관통홀에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 결합부재(미도시)는 복수의 제1 관통홀(311), 제2 관통홀 및 제3 관통홀을 통과할 수 있으며, 복수의 결합부재에 의하여 제1 기판(310), 제2 기판(380) 및 히트싱크(390)가 고정될 수 있다.
한편, 도 8 내지 도 10에서 도시된 바와 같이, 제2 기판(380)이 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384)로 분할된 경우, 제2 기판(380)이 고온에 잦은 빈도로 노출되더라도 제2 기판(380)이 열팽창에 의하여 열변형되는 문제를 방지할 수 있으며, 대면적 애플리케이션에 적용하기 용이하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384) 간 이격 영역에 절연체(1000)가 더 배치될 수도 있다. 이에 따르면, 절연체(1000)는 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384) 사이를 접합할 수 있으며, 이에 따라 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384) 간 이격 영역은 실링될 수 있다.
한편, 제2 기판(380)이 서로 이격되도록 배치된 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384)을 포함하는 경우, 제1 기판(310) 상에 배치되는 복수의 제1 전극(330)은 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384)에 대하여 대응하도록 배치될 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 전극(330)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극 그룹을 포함하고, 제2 전극(360)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극 그룹을 포함하며, 제1 전극(330)의 각 전극 그룹은 제2 전극(360)의 각 전극 그룹과 제1 기판(310)으로부터 제2 기판(380)을 향하는 방향으로 서로 중첩될 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 8을 참조하면, 제1 전극(330)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334)을 포함할 수 있고, 각 전극 그룹(331, 332, 333, 334)은 서로 이격되도록 배치된 복수의 전극(330E)을 포함할 수 있다. 도 8에서 도시되지 않았으나, 제2 전극(360)은 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334)과 각각 제1 기판(310)에 대하여 수직하는 방향으로 중첩되는 복수의 전극 그룹을 포함할 수 있다.
제1 터미널 전극(T1) 및 제2 터미널 전극(T2)이 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334) 중 하나로부터 돌출될 수 있다. 제1 터미널 전극(T1) 및 제2 터미널 전극(T2) 각각에는 커넥터(미도시)가 배치될 수 있으며, 이를 통하여 외부 전원과 연결될 수 있다. 한편, 제1 전극(330)은 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334) 중 적어도 일부를 연결하는 연결 전극부(330C)를 더 포함할 수 있다. 연결전극부(330C)는 예를 들어, 제1-1 전극 그룹(331) 및 제2-1 전극 그룹(332) 사이에 배치된 제1 연결전극(330C1), 제1-1 전극 그룹(331) 및 제1-2 전극 그룹(333) 사이에 배치된 제2 연결전극(330C2), 제1-2 전극 그룹(333) 및 제2-2 전극 그룹(334) 사이에 배치된 제3 연결전극(330C3) 및 제2-1 전극 그룹(332) 및 제2-2 전극 그룹(334)을 연결하는 제4 연결전극 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334)은 연결 전극부(330C)를 통하여 직접 또는 간접으로 다른 전극 그룹과 연결될 수 있으며, 제1 터미널 전극(T1) 및 제2 터미널 전극(T2)을 통하여 전기적 경로를 형성할 수 있다.
각 전극 그룹(331, 332, 333, 334)은 홀 배치 영역(310H)을 비워두고 배치될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제2 전극(360)도 홀 배치 영역(310H)에 대응하는 홀 배치 영역을 비워두고 배치될 수 있다. 여기서, 홀 배치 영역(310H)은 홀(311)에 가장 인접하도록 배치된 전극들(330E)의 홀(311)에 가장 인접하도록 배치된 가장자리를 연결한 가상의 선으로 이루어진 영역을 의미할 수 있다. 홀 배치 영역의 면적은 전극(330E)의 면적의 4배 이상, 바람직하게는 6배 이상, 더욱 바람직하게는 8배 이상일 수 있다. 이에 따르면, 홀(311)과 제1 전극(330) 간 소정의 이격 거리를 유지할 수 있으므로, 홀(311)을 통과하는 체결부재(미도시)과 제1 전극(330) 간 소정의 이격 거리를 유지할 수 있고, 이에 따라 열전모듈(300)의 내전압 성능이 AC 1kV 이상으로 유지될 수 있다.
이때, 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334) 간 이격 영역은 복수의 제2 기판(381, 382, 383, 384) 간 이격 영역에 대응할 수 있으며, 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334) 간 이격 거리는 각 전극 그룹(331, 332, 333, 334) 내 복수의 전극(330E) 간 이격 거리보다 클 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(330)은 제1-1 전극 그룹(331), 제1-1 전극 그룹(331)으로부터 제1 방향으로 이격되도록 배치된 제2-1 전극 그룹(332), 제1-1 전극 그룹(331)으로부터 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 이격되도록 배치된 제1-2 전극 그룹(333) 및 제1-2 전극 그룹(333)으로부터 제1 방향으로 이격되고, 제2-1 전극 그룹(332)으로부터 제2 방향으로 이격되도록 배치된 제2-2 전극 그룹(334)을 포함하는 경우, 제1-1 전극 그룹(331) 및 제1-2 전극 그룹(333)은 제2-1 전극 그룹(332) 및 제2-2 전극 그룹(334)과 제1 방향으로 이격되고, 제1-1 전극 그룹(331) 및 제2-1 전극 그룹(332)은 제1-2 전극 그룹(333) 및 제2-2 전극 그룹(334)과 제2 방향으로 이격될 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 더미부(900)가 복수의 전극 그룹((331, 332, 333, 334) 간 이격 영역의 적어도 일부에서 복수의 전극 그룹(331, 332, 333, 334)의 측면에 배치될 수 있다. 이와 같이, 더미부(900)가 배치되면, 제1 기판(310) 전체에 대하여 균일하게 응력이 가해질 수 있으므로, W자 휨 현상을 줄일 수 있다.
예를 들어, 제1 더미부(910)는 제1-1 전극 그룹(331) 및 제2-1 전극 그룹(332) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 더미부(920)는 제1-2 전극 그룹(333) 및 제2-2 전극 그룹(334) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제3 더미부(930)는 제1-1 전극 그룹(331) 및 제2-1 전극 그룹(332)과 제1-2 전극 그룹(333) 및 제2-2 전극 그룹(334) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 제1 더미부(910) 및 제2 더미부(920)는 제3 더미부(930)에 의하여 서로 이격될 수 있다. 또는, 제1 더미부(910)와 제3 더미부(930) 사이에는 제1 전극 그룹(331)과 제2 전극 그룹(332) 사이에 배치된 제1 연결전극(330C1)이 배치되고, 제2 더미부(920)와 제3 더미부(930) 사이에는 제1-2 전극 그룹(333)과 제2-2 전극 그룹(334) 사이에 배치된 제3 연결전극(330C3)이 배치될 수 있다.
이에 따르면, 제1 기판(310)이 고온에 노출될 경우 제1 기판(310)에 전체적으로 균일하게 응력이 가해지므로, 제1 기판(310)의 W자 휨 현상을 최소화할 수 있다.
이때, 제1 더미부(910), 제2 더미부(920) 및 제3 더미부(930) 중 적어도 하나는 각 전극 그룹에 포함된 각 전극(330E)과 동일한 형상 및 크기를 가지고, 서로 이격되도록 배치된 복수의 더미 구조물을 포함할 수 있다.
이에 따르면, 제1 기판(310)이 고온에 노출될 경우 제1 기판(310)에 전체적으로 균일하게 응력이 가해지므로, 제1 기판(310)의 W자 휨 현상을 최소화할 수 있으며, 제조 공정 상 더미부(900)의 설계 및 배치가 용이하다.
이때, 각 더미 구조물은 금속층일 수 있다. 예를 들어, 금속층은 전극(330E)과 동일한 재료, 형상 및 크기를 가지되, 금속층 상에 열전 레그가 배치되지 않으며, 금속층이 다른 전극(330E)과 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 이에 따르면, 제조 공정 상 더미부(900)의 설계 및 배치가 용이하다.
또는, 각 더미 구조물은 수지층일 수도 있다. 예를 들어, 수지층은 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 수지층은 내열 성능을 가지므로, 각 전극 그룹 간 열전도를 방지할 수 있으며, 각 전극 그룹 내 전극과 제1 기판 간 열전도 효율을 높일 수 있다. 또한, 이러한 수지층은 절연 성능을 가지므로, 제1 기판(310) 측의 내전압 성능을 높일 수 있다.
여기서, 제2 절연층(324)의 면적은 제1 절연층(320)의 면적보다 작을 수 있다. 즉, 제2 절연층(324)은 복수의 제1 전극(330), 복수의 반도체 구조물(340, 350) 및 복수의 제2 전극(360)이 수직으로 중첩되는 영역(P1) 및 이로부터 제1 기판(310)의 제1 외측(S1)을 향하여 돌출된 돌출 패턴(P2, P3)을 포함할 수 있다. 돌출 패턴(P2, P3) 상에는 터미널 전극(T1, T2)이 배치될 수 있으며, 돌출 패턴(P2, P2)은 제2 기판(381, 382, 383, 384)과 수직으로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
이 외에, 제1 기판(310), 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)과 관련된 세부적인 내용은 도 5 내지 도 7에서 설명한 내용과 동일하므로, 설명의 편의를 위하여 중복된 설명을 생략한다.
이에 따르면, 제1 기판(310) 측뿐만 아니라, 제2 기판(380) 측에서도 기판의 휨을 방지할 수 있으므로, 열전소자(300) 전체의 휨을 최소화할 수 있다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에서 히트싱크와 제2 기판 간 접합 구조를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 열전소자(300)는 복수의 결합부재(400)에 의하여 체결될 수 있다. 예를 들어, 제2 기판(380)에 히트싱크(390)가 배치된 경우, 복수의 결합부재(400)는 히트싱크(390)와 제2 기판(380)을 체결하거나, 히트싱크(390), 제2 기판(380)과 제1 기판(미도시)을 체결하거나, 히트싱크(390), 제2 기판(380), 제1 기판(미도시)과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제2 기판(380), 제1 기판(미도시)과 냉각부(미도시)를 체결하거나, 제2 기판(380)과 제1 기판(미도시)을 체결할 수 있다. 또는, 제1 기판(미도시)과 냉각부(미도시)는 제1 기판(미도시) 상의 유효영역의 외측에서 다른 체결부재를 통하여 연결될 수도 있다.
이를 위하여, 히트싱크(390), 제2 기판(380), 제1 기판(미도시), 냉각부(미도시)에는 결합부재(400)가 관통하는 관통홀(S)이 형성될 수 있다. 여기서, 관통홀(S)과 결합부재(400) 사이에는 별도의 절연삽입부재(410)가 더 배치될 수 있다. 별도의 절연삽입부재(410)는 결합부재(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 12(a) 및 도 12(b)에 예시된 바와 같을 수 있다.
도 12(a)를 참조하면, 제2 기판(280)의 제2 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 기판의 제1 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경과 동일할 수 있다. 이때, 절연삽입부재(410)의 형상에 따라, 제2 기판(380)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 제2 기판(380)의 상면의 일부에만 절연삽입부재(410)가 배치되거나, 제2 기판(380)의 상면으로부터 관통홀(S)의 벽면의 일부 또는 전부까지 절연삽입부재(410)가 연장되도록 배치되는 경우, 제2 기판(380)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수도 있다.
도 12(b)를 참조하면, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제2 기판(380)의 제2 전극과 접하는 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 기판의 제1 전극과 접하는 제1면의 관통홀의 직경보다 클 수 있다. 이때, 제2 기판(380)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1 내지 2.0배일 수 있다. 제2 기판(380)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제1 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 1.1배 미만이면, 절연삽입부재(410)의 절연효과가 미미하여 열전소자의 절연파괴가 야기될 수 있고, 제2 기판(380)의 제1 면의 관통홀(S)의 직경(d2')이 제1 기판의 제1면의 관통홀의 직경의 2.0배를 초과하면 관통홀(S)이 차지하는 영역의 크기가 상대적으로 증가하게 되어 제2 기판(380)의 유효면적이 줄어들게 되고, 열전소자의 효율이 저하될 수 있다.
그리고, 절연삽입부재(410)의 형상에 의하여, 제2 기판(380)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, 제2 기판(380)의 관통홀(S) 영역에 단차가 형성되지 않는 경우, 제2 기판(380)의 제1면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2')은 제1면의 반대면인 제2면에 형성된 관통홀(S)의 직경(d2)과 동일할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 휨 개선 효과를 시뮬레이션한 결과를 설명한다.
도 13은 열전소자의 상부 기판이 단일 기판일 때의 시뮬레이션 결과이고, 도 14는 열전소자의 상부 기판이 분할 기판일 때의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션에서, 기판의 열팽창계수는 18*10-6/mK이고, 열전레그의 열팽창계수는 17.5*10-6/mK이고, 제1 절연층의 열팽창계수는 30*10-6/mK이하이고, 제2 절연층의 열팽창계수는 92*10-6/mK인 것으로 설정하였으며, 도 13(a)의 모델에 따른 상부 기판은 도 7에 도시된 바와 같은 단일 기판이고, 도 14(a)의 모델에 따른 상부 기판은 도 9에 도시된 바와 같은 분할 기판으로 구성하였다. 하부 기판 측의 온도를 35℃로 고정하고, 상부 기판 측의 온도를 200℃에서 50℃까지 낮춘 후 다시 200℃로 올리는 과정을 1cycle로 하여 총 30 cycle 후 기판의 휨을 측정하였다. 도 13(b) 및 도 14(b)는 각각 30 cycle 후 도 13(a) 및 도 14(a)의 터미널 전극의 돌출 방향에 수직하는 방향(이하, 단축 방향)의 단면이고, 도 13(c) 및 도 14(c)는 각각 cycle 수에 따른 도 13(b) 및 도 14(b)의 1번 지점 및 2번 지점 사이의 변형 정도(deformation)를 나타내는 그래프이다. 도 13(c) 및 도 14(c)은 동일한 스케일(scale)을 가지는 그래프이다.
도 13(a) 내지 도 13(c)와 도 14(a) 내지 도 14(c)를 참조하면, 상부 기판을 분할 기판으로 구성할 경우, 기판의 단축 방향에 따른 휨을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있다. 즉, 상부 기판이 단일 기판인 경우, 1번 지점과 2번 지점 간 갭(도 13(a))에 대하여 상부 기판이 분할 기판인 경우, 1번 지점과 2번 지점 간 갭(도 14(a))의 비는 약 54%로 줄어들 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 제2 절연층이 전면 도포된 모델에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 16은 제2 절연층이 패턴 도포된 모델에 따른 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션에서, 기판의 열팽창계수는 18*10-6/mK이고, 열전레그의 열팽창계수는 17.5*10-6/mK이고, 제1 절연층의 열팽창계수는 30*10-6/mK이하이고, 제2 절연층의 열팽창계수는 92*10-6/mK인 것으로 설정하였으며, 상부 기판은 도 9에 예시된 바와 같은 분할 기판으로 구성하였다. 도 15의 모델에서는 제2 절연층을 제1 절연층의 전면 상에 도포하였고, 도 16의 모델에서는 도 6 및 도 8 등에 도시된 바와 같이 제2 절연층이 돌출 패턴을 가지도록 제1 절연층의 일부 상에 도포하였다.
하부 기판 측의 온도를 35℃로 고정하고, 상부 기판 측의 온도를 200℃에서 50℃까지 낮춘 후 다시 200℃로 올리는 과정을 1cycle로 하여 총 30 cycle 후 기판의 휨을 측정하였다. 도 15(b) 및 도 16(b)는 각각 30 cycle 후 도 15(a) 및 도 15(a)의 터미널 전극의 돌출 방향(이하, 장축 방향)에서 1번 지점 및 2번 지점 사이의 변형 정도(deformation)를 나타내는 그래프이다. 도 15(b) 및 도 16(b)는 동일한 스케일을 가지는 그래프이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 도 15의 모델에 비하여 도 16의 모델에서 1번 지점과 2번 지점 간 갭(gap), 즉 장축 방향의 휨이 현저하게 낮게 나타남을 알 수 있다. 즉, 제2 절연층이 전면 도포된 모델에서 1번 지점과 2번 지점 간 갭(도 15(b))에 대하여 제2 절연층이 패턴 도포된 모델에서 1번 지점과 2번 지점 간 갭(도 16(b))의 비는 약 53%으로 줄어들 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예와 같이, 제2 절연층을 패턴화하면, 기판의 휨 현상을 개선할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 제1 기판 및 제2 기판 중 하나를 분할 기판으로 구성하면, 기판의 휨 현상을 개선할 수 있음을 알 수 있다. 기판의 휨 형상 및 휨 폭이 개선될 경우, 열전소자 내 전극과 열전레그 간 접합면에서 발생하는 반력이 줄어들고, 열전소자와 냉각부 간 접합력이 높아질 수 있으며, 이에 따라 장기적인 신뢰성, 내구성 및 발전성능이 우수한 열전소자를 얻을 수 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.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 또는 열전 모듈이 선박, 자동차 등의 운송 기구에 이용되는 경우, 엔진의 배기 측으로부터 배출되는 폐열을 이용하여 발전할 수 있고, 발전된 에너지는 운송 기구의 배터리 등에 축전되어 운송 기구 내 각종 장치, 예를 들어 조명, 기체 순환 장치 등에 공급될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 엔진의 흡기 측에 배치되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전 장치뿐만 아니라, 온도 조절 장치로 이용될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 온도 조절 장치로 이용되는 경우, 엔진에 주입되는 기체의 온도를 낮추는 것에 의하여 엔진에 주입되는 기체의 양을 증가시킴으로써 엔진의 연료 효율을 개선할 수 있다. 이에 따라, 운송 기구 내 엔진과 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 서로 영향을 미치며, 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 적용된 운송 기구를 이용한 해운업, 운송업에서는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자로 인하여 운송비 절감과 친환경 산업 환경이 조성될 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 발전소에 이용되는 경우, 발전소에서 발생하는 열을 이용하여 생산 에너지 대비 사용 연료의 효율을 조절할 수 있고, 이에 따라 에너지 생산 비용과 친환경 산업 환경을 조정함으로써 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 발전소는 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 제철소 등의 플랜트에 이용되는 경우, 플랜트에서 발생하는 폐열을 이용한 발전을 통하여 에너지를 생산함으로써 플랜트에서 사용하는 에너지 소비를 절감할 수 있고, 온도 조절 장치로 이용되는 경우 제품의 제조 단계 또는 플랜트 내의 온도 조절을 함으로써 플랜트의 다른 구성들에 영향을 미치므로, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자와 플랜트의 다른 구성들은 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 무선 네트워크의 온도 센서나 선서에 에너지를 공급하기 위한 소전력 공급 장치로 이용될 수 있다. 즉, 센서 등에 영구적인 에너지 공급을 이룰 수 있어, 지하에 설치되는 온도 센서나 온도 센서의 전력 공급 장치로 이용되는 경우, 무선 네트워크 시스템과 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 온도 조절 장치로 이용될 수 있고, 전기차, 배터리 충전 장치 등에 이용되는 경우, 전기차나 배터리 충전 장치의 온도를 조절함으로써 전기차나 배터리 충전 장치의 안정성을 높이는 등의 기능을 통해 기능적 일체성 또는 기술적 연동성을 이룰 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 기판,
    상기 기판 상에 배치된 제1 절연층,
    상기 제1 절연층 상에 배치되고, 상기 제1 절연층의 면적보다 작은 면적을 갖는 제2 절연층,
    상기 제2 절연층 상에 배치된 복수의 제1 전극,
    상기 복수의 제1 전극 각각 상에 배치된 복수의 반도체 구조물, 및
    상기 복수의 반도체 구조물 상에 배치된 복수의 제2 전극을 포함하고,
    상기 제2 절연층은 상기 복수의 제1 전극, 상기 복수의 제2 전극 및 상기 복수의 반도체 구조물이 수직으로 중첩되는 중첩 영역 및 상기 중첩 영역으로부터 상기 기판의 가장자리를 이루는 복수의 외측 중 하나인 제1 외측을 향하여 돌출된 돌출 패턴을 포함하는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출 패턴의 폭은 상기 중첩 영역의 폭보다 작은 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌출 패턴과 상기 기판의 제1 외측은 서로 이격된 열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 돌출 패턴의 돌출 길이는 상기 돌출 패턴으로부터 상기 제1 외측까지의 길이보다 큰 열전소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 돌출 패턴은 서로 이격되도록 배치된 제1 돌출 패턴 및 제2 돌출 패턴을 포함하고,
    상기 제1 돌출 패턴 및 상기 제2 돌출 패턴 간 이격 거리는 상기 기판에서 상기 제1 외측과 수직하는 제2 외측 및 상기 제1 돌출 패턴 간 거리와 상기 기판에서 상기 제1 외측과 수직하고 상기 제2 외측과 마주보는 제3 외측 및 상기 제2 돌출 패턴 간 거리 각각의 0.9 내지 2배인 열전소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극에서 상기 제1 외측을 향하도록 돌출된 제1 터미널 전극 및 제2 터미널 전극을 더 포함하고,
    상기 제1 터미널 전극 및 상기 제2 터미널 전극은 각각 상기 제1 돌출 패턴 및 상기 제2 돌출 패턴 상에 배치된 열전소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 외측에서 상기 제1 절연층과 접촉하고, 상기 제1 외측과 마주보는 제4 외측에서 상기 제2 절연층과 접촉하도록 배치되는 실링부재를 더 포함하는 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 절연층은 제1 오목부 및 상기 제1 오목부의 주위에 배치되는 제2 오목부를 포함하고,
    상기 복수의 제1 전극은 각각 상기 제1 오목부 상에 배치되고, 상기 제1 오목부와 상기 기판 사이의 제1 수직 거리는 상기 제2 오목부와 상기 기판 사이의 제2 수직 거리보다 작은 열전소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 기판의 가장자리의 적어도 일부로부터 이격되도록 배치된 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 전극 상에 배치된 상부 기판을 더 포함하고,
    상기 상부 기판은 상기 돌출 패턴과 수직으로 중첩되지 않는 열전소자.
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