WO2022060112A1 - 열전소자 - Google Patents

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WO2022060112A1
WO2022060112A1 PCT/KR2021/012659 KR2021012659W WO2022060112A1 WO 2022060112 A1 WO2022060112 A1 WO 2022060112A1 KR 2021012659 W KR2021012659 W KR 2021012659W WO 2022060112 A1 WO2022060112 A1 WO 2022060112A1
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insulating layer
substrate
region
disposed
electrode
Prior art date
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PCT/KR2021/012659
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English (en)
French (fr)
Inventor
양태수
원부운
이승환
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엘지이노텍 주식회사
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to an insulating layer of the thermoelectric element.
  • thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.
  • thermoelectric element is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
  • Thermoelectric devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .
  • Thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts.
  • the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric element is increasing.
  • the thermoelectric element includes a substrate, an electrode, and a thermoelectric leg, a plurality of thermoelectric legs are disposed between the upper substrate and the lower substrate in an array form, a plurality of upper electrodes are disposed between the plurality of thermoelectric legs and the upper substrate, and a plurality of A plurality of lower electrodes are disposed between the thermoelectric leg and the lower substrate.
  • one of the upper substrate and the lower substrate may be a low-temperature portion, and the other may be a high-temperature portion.
  • thermoelectric element in order to improve the heat conduction performance of the thermoelectric element, attempts to use a metal substrate are increasing.
  • thermoelectric element may be manufactured according to a process of sequentially stacking an electrode and a thermoelectric leg on a previously prepared metal substrate.
  • a metal substrate is used, an advantageous effect can be obtained in terms of heat conduction, but there is a problem in that reliability is lowered during long-term use due to a low withstand voltage.
  • thermoelectric device in which both thermal conduction performance and withstand voltage performance are improved.
  • thermoelectric element includes a first substrate, a first insulating layer disposed on the first substrate, a second insulating layer disposed on the first insulating layer, and disposed on the second insulating layer a first electrode, a semiconductor structure disposed on the first electrode, a second electrode disposed on the semiconductor structure, and a second substrate disposed on the second electrode, the composition of the first insulating layer is different from the composition of the second insulating layer, wherein the first insulating layer includes a first region disposed on the first substrate and a second region disposed between the first region and the second insulating layer, , the particle size (D50) of the inorganic filler included in the second region is greater than the particle size (D50) of the inorganic filler included in the first region.
  • a thickness of the first region may be greater than a thickness of the second region.
  • the thickness of the first region may be 1.2 to 3 times the thickness of the second region.
  • the thickness of the first region may be 1.5 to 2.5 times the thickness of the second region.
  • a particle size (D50) of the particles included in the second region may be 5 ⁇ m to 15 ⁇ m, and a particle size (D50) of the inorganic filler included in the first region may be 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • An arithmetic mean roughness (Ra) of a surface facing the second insulating layer in the second region may be 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the inorganic filler may include aluminum oxide.
  • a portion of a side surface of the first electrode may be buried in the second insulating layer.
  • the first insulating layer includes a composite including at least one of an Al-Si bond, an Al-O-Si bond, a Si-O bond, an Al-Si-O bond, and an Al-O bond, 2
  • the insulating layer may be a resin layer made of a resin composition including at least one of an epoxy resin and a silicone resin and an inorganic filler.
  • thermoelectric element includes a substrate, an insulating layer disposed on the substrate, an electrode disposed on the insulating layer, and a semiconductor structure disposed on the electrode, wherein the insulating layer is the substrate a first region disposed on the first region, a second region disposed on the first region, and a third region disposed on the second region and filling a portion of a side surface of the electrode, included in the second region
  • the particle size (D50) of the inorganic filler is larger than the particle size (D50) of the inorganic filler included in the first region.
  • the particle size (D50) of the inorganic filler included in the second region is 5 ⁇ m to 15 ⁇ m
  • the particle size (D50) of the inorganic filler included in the first region is 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m
  • the thickness of the first region may be 1.2 to 3 times the thickness of the second region.
  • thermoelectric device having excellent performance and high reliability can be obtained.
  • the bonding strength between the insulating layer and the electrode may be improved, and thus, a thermoelectric device having improved thermal conductivity as well as withstand voltage performance may be obtained. Accordingly, when the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to a power generation device, high power generation performance can be obtained, and when the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to a cooling device, high cooling or heating performance can be obtained.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention can be applied not only to small-sized applications, but also large-scale applications such as vehicles, ships, steel mills, and incinerators.
  • thermoelectric element 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element.
  • thermoelectric element 2 is a perspective view of a thermoelectric element.
  • thermoelectric element 3 is a perspective view of a thermoelectric element including a sealing member.
  • thermoelectric element 4 is an exploded perspective view of a thermoelectric element including a sealing member.
  • thermoelectric element 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 6 is a cross-sectional view of a structure between a substrate, an insulating layer, and an electrode of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7(a) is a cross-sectional view of the bonding structure according to the embodiment
  • FIG. 7(b) is a cross-sectional view of the bonding structure according to Comparative Example 1
  • FIG. 7(c) is a cross-sectional view of the bonding structure according to Comparative Example 2
  • 7( d ) is a cross-sectional view of a bonding structure according to Comparative Example 3.
  • thermoelectric element 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 9 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 10 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 11 illustrates a junction structure of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as "at least one (or more than one) of A and (and) B, C", it is combined as A, B, C It may include one or more of all possible combinations.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include a case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • top (above) or under (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components.
  • upper (upper) or lower (lower) when expressed as "upper (upper) or lower (lower)", the meaning of not only an upper direction but also a lower direction based on one component may be included.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element
  • FIG. 2 is a perspective view of the thermoelectric element
  • 3 is a perspective view of a thermoelectric element including a sealing member
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the thermoelectric element including a sealing member.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper substrate. (160).
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surfaces of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is formed between the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 140 . It is disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140 . Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150 .
  • a pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and electrically connected may form a unit cell.
  • thermoelectric leg 130 when a voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182 , a current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect.
  • the substrate through which flows absorbs heat and acts as a cooling unit, and the substrate through which current flows from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated and act as a heating unit.
  • a temperature difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 when a temperature difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is applied, electric charges in the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 move due to the Seebeck effect, and electricity may be generated. .
  • lead wires 181 and 182 are illustrated as being disposed on the lower substrate 110 in FIGS. 1 to 4 , the present invention is not limited thereto, and the lead wires 181 and 182 are disposed on the upper substrate 160 or lead wires ( One of 181 and 182 may be disposed on the lower substrate 110 , and the other may be disposed on the upper substrate 160 .
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric legs including bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.
  • P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the P-type thermoelectric leg 130 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Sb-Te, which is a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the N-type thermoelectric leg 140 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Se-Te, a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • thermoelectric leg may be referred to as a semiconductor structure, a semiconductor device, a semiconductor material layer, a semiconductor material layer, a semiconductor material layer, a conductive semiconductor structure, a thermoelectric structure, a thermoelectric material layer, a thermoelectric material layer, a thermoelectric material layer, etc. there is.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stack type.
  • the bulk-type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk-type N-type thermoelectric leg 140 heat-treats a thermoelectric material to manufacture an ingot, grinds the ingot and sieves to obtain a powder for the thermoelectric leg, and then It can be obtained through the process of sintering and cutting the sintered body.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be polycrystalline thermoelectric legs.
  • the laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by coating a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking the unit member and cutting the unit through the process. can be obtained
  • the pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes.
  • the height or cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 is calculated as the height or cross-sectional area of the P-type thermoelectric leg 130 . may be formed differently.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, or the like.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a stacked structure.
  • the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by laminating a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-shaped substrate and then cutting them. Accordingly, it is possible to prevent material loss and improve electrical conductivity properties.
  • Each structure may further include a conductive layer having an opening pattern, thereby increasing adhesion between the structures, decreasing thermal conductivity, and increasing electrical conductivity.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may be formed to have different cross-sectional areas within one thermoelectric leg.
  • the cross-sectional area of both ends arranged to face the electrode in one thermoelectric leg may be formed to be larger than the cross-sectional area between the two ends. Accordingly, since a large temperature difference between the ends can be formed, thermoelectric efficiency can be increased.
  • thermoelectric figure of merit ZT
  • Equation (1) The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a figure of merit (ZT).
  • ZT The thermoelectric figure of merit (ZT) can be expressed as in Equation (1).
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V/K]
  • ⁇ is the electrical conductivity [S/m]
  • ⁇ 2 ⁇ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]).
  • T is the temperature
  • k is the thermal conductivity [W/mK].
  • k can be expressed as a ⁇ cp ⁇ , a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is the specific heat [J/gK], ⁇ is the density [g/cm 3 ].
  • thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element In order to obtain the thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and a thermoelectric figure of merit (ZT) can be calculated using the measured Z value.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 130 .
  • the upper electrode 150 disposed between the thermoelectric legs 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and nickel (Ni), and has a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm. can When the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may deteriorate and the electrical conductivity performance may be lowered, and if it exceeds 0.3 mm, the conduction efficiency may be lowered due to an increase in resistance. .
  • the lower substrate 110 and the upper substrate 160 facing each other may be a metal substrate, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 1.5 mm.
  • the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 1.5 mm, heat dissipation characteristics or thermal conductivity may be excessively high, and thus the reliability of the thermoelectric element may be deteriorated.
  • the insulating layer 170 is respectively between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 . ) may be further formed.
  • the insulating layer 170 may include a material having a thermal conductivity of 1 to 20 W/mK.
  • the sizes of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different.
  • the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be larger than the volume, thickness, or area of the other. Accordingly, heat absorbing performance or heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • at least one of the volume, thickness, or area of a substrate on which a sealing member for protection from the external environment of the thermoelectric module is disposed is different from that of a substrate disposed in a high temperature region for the Seebeck effect, applied as a heating region for the Peltier effect, or It may be greater than at least one of the volume, thickness or area of the substrate.
  • a heat dissipation pattern for example, a concave-convex pattern
  • a concave-convex pattern may be formed on the surface of at least one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 . Accordingly, the heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • the concave-convex pattern is formed on a surface in contact with the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 , bonding characteristics between the thermoelectric leg and the substrate may also be improved.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper substrate 160 .
  • a sealing member 190 may be further disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 .
  • the sealing member 190 is disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 on the side surfaces of the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 .
  • the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 may be sealed from external moisture, heat, contamination, and the like.
  • the sealing member 190 includes the outermost portions of the plurality of lower electrodes 120 , the outermost portions of the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 , and the plurality of upper electrodes 150 .
  • the sealing case 192, the sealing case 192 and the lower substrate 110, the sealing material 194, and the sealing case 192 and the upper substrate 160 are disposed spaced apart from the outermost side of the predetermined distance. It may include a sealing material 196 disposed on the. As such, the sealing case 192 may contact the lower substrate 110 and the upper substrate 160 via the sealing materials 194 and 196 .
  • the sealing materials 194 and 196 may include at least one of an epoxy resin and a silicone resin, or a tape in which at least one of an epoxy resin and a silicone resin is applied to both surfaces.
  • the sealing materials 194 and 194 serve to seal between the sealing case 192 and the lower substrate 110 and between the sealing case 192 and the upper substrate 160, and the lower electrode 120, the P-type thermoelectric leg ( 130), the sealing effect of the N-type thermoelectric leg 140 and the upper electrode 150 may be increased, and may be mixed with a finishing material, a finishing layer, a waterproofing material, a waterproofing layer, and the like.
  • a sealing material 194 for sealing between the sealing case 192 and the lower substrate 110 is disposed on the upper surface of the lower substrate 110, and a sealing material for sealing between the sealing case 192 and the upper substrate 160 ( 196 may be disposed on the side of the upper substrate 160 .
  • a guide groove G for drawing out the lead wires 181 and 182 connected to the electrode may be formed in the sealing case 192 .
  • the sealing case 192 may be an injection-molded product made of plastic or the like, and may be mixed with a sealing cover.
  • the above description of the sealing member is only an example, and the sealing member may be modified in various forms.
  • an insulating material may be further included to surround the sealing member.
  • the sealing member may include a heat insulating component.
  • lower substrate 110 lower electrode 120 , upper electrode 150 , and upper substrate 160 are used, but for ease of understanding and convenience of explanation, they will be arbitrarily referred to as upper and lower portions. However, the positions may be reversed so that the lower substrate 110 and the lower electrode 120 are disposed thereon, and the upper electrode 150 and the upper substrate 160 are disposed thereunder.
  • thermoelectric element in order to improve the heat conduction performance of the thermoelectric element, attempts to use a metal substrate are increasing.
  • the thermoelectric element includes a metal substrate, an advantageous effect can be obtained in terms of heat conduction, but there is a problem in that the withstand voltage is lowered.
  • a withstand voltage performance of 2.5 kV or more is required.
  • a plurality of insulating layers having different compositions may be disposed between the metal substrate and the electrode.
  • an object is to obtain a thermoelectric device having improved both heat conduction performance and withstand voltage performance by improving the bonding force at the interface between a plurality of insulating layers.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a structure between a substrate, an insulating layer, and an electrode of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • the thermoelectric element 300 includes a first substrate 310 , a first insulating layer 320 disposed on the first substrate 310 , and a first insulating A second insulating layer 324 disposed on the layer 320 , a plurality of first electrodes 330 disposed on the second insulating layer 324 , a plurality of first electrodes 330 disposed on the plurality of first electrodes 330 .
  • the descriptions of the first substrate 110 , the first electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , the second electrode 150 , and the second substrate 160 of 4 are the same. can be applied
  • a heat sink may be further disposed on the first substrate 310 or the second substrate 380 , and a sealing member is disposed between the first substrate 310 and the second substrate 380 . may be further disposed.
  • the electric wire may be connected to the low-temperature side of the thermoelectric element 300 .
  • equipment for an application to which the thermoelectric element 300 is applied may be mounted on the high temperature side of the thermoelectric element 300 .
  • equipment for ships may be mounted on the high-temperature side of the thermoelectric element 300 . Accordingly, both the low-temperature side and the high-temperature side of the thermoelectric element 300 may require withstand voltage performance.
  • the high-temperature side of the thermoelectric element 300 may require higher thermal conductivity than the low-temperature side of the thermoelectric element 300 .
  • Copper substrates have higher thermal and electrical conductivity than aluminum substrates.
  • the substrate disposed on the low-temperature side of the thermoelectric element 300 among the first and second substrates 310 and 380 is an aluminum substrate, and the high-temperature side of the thermoelectric element 300 .
  • the substrate disposed on the may be a copper substrate, but is not limited thereto.
  • thermoelectric element 300 When the substrate disposed on the low-temperature side of the thermoelectric element 300 is an aluminum substrate and the substrate disposed on the high-temperature side of the thermoelectric element 300 is a copper substrate, the copper substrate has higher electrical conductivity than the aluminum substrate, so the thermoelectric element In order to maintain the withstand voltage performance of the high temperature part of 300, a separate configuration may be required.
  • the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 are disposed on the first substrate 310 , and the first electrode is disposed on the second insulating layer 324 .
  • 330 is disposed.
  • the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 may have different compositions.
  • different compositions may mean different types of substances, or may mean that the types of substances are the same but have different contents.
  • the first insulating layer 320 may include a composite including silicon and aluminum and an inorganic filler.
  • the composite may be an organic-inorganic composite composed of an alkyl chain and an inorganic material containing an Si element and an Al element, and may be at least one of an oxide, a carbide, and a nitride containing silicon and aluminum.
  • the composite may include at least one of an Al-Si bond, an Al-O-Si bond, a Si-O bond, an Al-Si-O bond, and an Al-O bond.
  • the composite including at least one of an Al-Si bond, an Al-O-Si bond, a Si-O bond, an Al-Si-O bond, and an Al-O bond has excellent insulation performance, and thus high withstand voltage performance can be obtained
  • the composite may be an oxide, carbide, or nitride further containing titanium, zirconium, boron, zinc, or the like along with silicon and aluminum.
  • the composite may be obtained through a heat treatment process after mixing aluminum with at least one of an inorganic binder and an organic/inorganic mixed binder.
  • the inorganic binder may include, for example, at least one of silica (SiO 2 ), metal alkoxide, boron oxide (B 2 O 3 ), and zinc oxide (ZnO 2 ).
  • Inorganic binders are inorganic particles, but when they come in contact with water, they become sol or gel, which can serve as a binding agent.
  • at least one of silica (SiO 2 ), metal alkoxide, and boron oxide (B 2 O 3 ) serves to increase the adhesion between aluminum or the adhesion with the first substrate 310
  • zinc oxide (ZnO 2 ) is the second 1 It may serve to increase the strength of the insulating layer 320 and increase the thermal conductivity.
  • the inorganic filler may be dispersed in the composite and may include at least one of aluminum oxide and nitride.
  • the nitride may include at least one of boron nitride and aluminum nitride.
  • the second insulating layer 324 may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS). Accordingly, the second insulating layer 324 may improve insulation, bonding strength, and heat conduction performance between the first insulating layer 320 and the first electrode 330 .
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the inorganic filler may be included in 60 to 80 wt% of the resin layer.
  • the thermal conductivity effect may be low, and when the inorganic filler is included in more than 80wt%, it is difficult for the inorganic filler to be evenly dispersed in the resin, and the resin layer may be easily broken.
  • the epoxy resin may include an epoxy compound and a curing agent.
  • the curing agent may be included in a volume ratio of 1 to 10 with respect to 10 volume ratio of the epoxy compound.
  • the epoxy compound may include at least one of a crystalline epoxy compound, an amorphous epoxy compound, and a silicone epoxy compound.
  • the inorganic filler may include at least one of aluminum oxide and nitride.
  • the nitride may include at least one of boron nitride and aluminum nitride.
  • the particle size D50 of the boron nitride agglomerates may be 250 to 350 ⁇ m, and the particle size D50 of the aluminum oxide may be 10 to 30 ⁇ m.
  • the particle size D50 of the boron nitride agglomerate and the particle size D50 of the aluminum oxide satisfy these numerical ranges, the boron nitride agglomerate and the aluminum oxide can be evenly dispersed in the resin layer, thereby providing an even heat conduction effect and adhesion performance throughout the resin layer.
  • the content (eg, weight ratio) of silicon in the first insulating layer 320 is determined by the second insulating layer 324 .
  • the content of the silicon is higher than the content of silicon, and the content of aluminum in the second insulating layer 324 may be higher than the content of aluminum in the first insulating layer 320 .
  • silicon in the first insulating layer 320 may mainly contribute to the improvement of the withstand voltage performance
  • the aluminum oxide in the second insulating layer 324 may mainly contribute to the improvement of the thermal conductivity performance.
  • both the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 have insulating performance and thermal conductivity, but the withstand voltage performance of the first insulating layer 320 is the withstand voltage performance of the second insulating layer 324 .
  • the heat-conducting performance of the second insulating layer 324 may be higher than that of the first insulating layer 320 .
  • the second insulating layer 324 is formed by applying a resin composition in an uncured state or semi-cured state to the first insulating layer 320, and then disposing and pressing a plurality of first electrodes 330 arranged in advance. can be formed in this way. Accordingly, a portion of the side surfaces of the plurality of first electrodes 330 may be buried in the second insulating layer 324 .
  • the height H1 of the side surfaces of the plurality of first electrodes 330 buried in the second insulating layer 324 is 0.1 to 1 times the thickness H of the plurality of first electrodes 330 , preferably 0.2 to 0.9 times, more preferably 0.3 to 0.8 times.
  • the contact area between the plurality of first electrodes 330 and the second insulating layer 324 is increased.
  • heat transfer performance and bonding strength between the plurality of first electrodes 330 and the second insulating layer 324 may be further increased.
  • the plurality of first electrodes 330 buried in the second insulating layer 324 is less than 0.1 times the thickness H of the plurality of first electrodes 330 , the plurality of first electrodes It may be difficult to sufficiently obtain heat transfer performance and bonding strength between the 330 and the second insulating layer 324 , and the height H1 of the side surfaces of the plurality of first electrodes 330 embedded in the second insulating layer 324 is increased.
  • the thickness H of the plurality of first electrodes 330 is greater than one time, the second insulating layer 324 may come up on the plurality of first electrodes 330 , and thus there is a possibility of an electrical short circuit. there is.
  • the thickness of the second insulating layer 324 between the plurality of first electrodes 330 may decrease from the side of each electrode toward the central region, so that the vertex may have a gentle 'V' shape. Accordingly, the insulating layers 320 and 324 between the plurality of first electrodes 330 have a difference in thickness, and have the highest height T2 in a region in direct contact with the side surfaces of the plurality of first electrodes 330 . , the height T3 in the central region may be lower than the height T2 in the region in direct contact with the side surfaces of the plurality of first electrodes 330 .
  • the height T3 of the central region of the insulating layers 320 and 324 between the plurality of first electrodes 330 may be the lowest in the insulating layers 320 and 324 between the plurality of first electrodes 330 .
  • the height T1 of the insulating layers 320 and 324 under the plurality of first electrodes 330 is higher than the height T3 of the central region of the insulating layers 320 and 324 between the plurality of first electrodes 330 . could be lower.
  • the composition of the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 is different from each other, and accordingly, the hardness, the elastic modulus, the tensile strength of the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324, At least one of elongation and Young's modulus may be changed, and accordingly, it is possible to control withstand voltage performance, heat conduction performance, bonding performance, thermal shock mitigation performance, and the like.
  • the weight ratio of the composite and the inorganic filler to the entire first insulating layer 320 may be higher than the weight ratio of the inorganic filler to the entire second insulating layer 324 .
  • the composite may be a composite including silicon and aluminum, more specifically, a composite including at least one of oxide, carbide, and nitride including silicon and aluminum.
  • the weight ratio of the ceramic, that is, the composite, and the inorganic filler to the entire first insulating layer 320 exceeds 80 wt%
  • the weight ratio of the ceramic to the entire second insulating layer 324, that is, the inorganic filler is 60 to It may be 80 wt%.
  • the hardness of the first insulating layer 320 is the second The hardness of the insulating layer 324 may be higher than that of the insulating layer 324 . Accordingly, the first insulating layer 320 may have high withstand voltage performance and high thermal conductivity at the same time, and the second insulating layer 324 may have higher elasticity than the first insulating layer 320 , and the second insulating layer 324 may have a higher elasticity than the first insulating layer 320 .
  • the layer 324 may improve adhesion performance between the first insulating layer 320 and the first electrode 330 , and may alleviate thermal shock when the thermoelectric element 300 is driven.
  • elasticity may be expressed as tensile strength.
  • the tensile strength of the second insulating layer 324 may be 2 to 5 MPa, preferably 2.5 to 4.5 MPa, more preferably 3 to 4 MPa, and the tensile strength of the first insulating layer 320 is 10 MPa to 100 Mpa, preferably 15 MPa to 90 MPa, more preferably 20 MPa to 80 MPa.
  • the thickness of the second insulating layer 324 is more than 1 time and not more than 3.5 times the thickness of the first insulating layer 320, preferably not less than 1.05 times and not more than 2 times, more preferably not less than 1.1 times to not more than 1.5 times.
  • the thickness of the first insulating layer 320 is 35 ⁇ m or less
  • the thickness of the second insulating layer 324 is more than 35 ⁇ m and less than 80 ⁇ m, preferably more than 35 ⁇ m and less than 70 ⁇ m, more preferably It may be greater than 35 ⁇ m and less than or equal to 50 ⁇ m.
  • the thickness of the first insulating layer 320 and the thickness of the second insulating layer 324 each satisfy these numerical ranges, it is possible to simultaneously obtain withstand voltage performance, heat conduction performance, bonding performance, and thermal shock mitigation performance.
  • the first insulating layer 320 and the second Due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the insulating layers 324, a shear stress is applied to the interface between the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324, and accordingly, the first insulating layer 320 and the second insulating layer ( 324) occurs, and the thermal resistance increases. Accordingly, the bonding force between the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 may affect the performance of the thermoelectric element 300 , and when the thermoelectric element 300 is applied to a power generation device, power generation performance can have a major impact on
  • the side in contact with the second insulating layer 324 among both surfaces of the first insulating layer 320 in order to increase the bonding strength between the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 , the side in contact with the second insulating layer 324 among both surfaces of the first insulating layer 320 .
  • a first insulating layer 320 is disposed on a first substrate 310
  • a second insulating layer 324 is disposed on the first insulating layer 320
  • a second insulating layer A plurality of first electrodes 330 are disposed on 324 .
  • the same contents as those described in FIG. 5 are duplicated. omit
  • the first insulating layer 320 is disposed between the first region 3201 and the first region 3201 and the second insulating layer 324 disposed on the first substrate 310 . and a second region 3202 .
  • the particle size D50 of the inorganic filler included in the second region 3202 is different from the particle size D50 of the inorganic filler included in the first region 3201 , and the inorganic filler included in the second region 3202 .
  • the particle size D50 may be greater than the particle size D50 of the inorganic filler included in the first region 3201 .
  • the inorganic filler may include at least one of boron nitride and aluminum oxide.
  • the smaller the particle size (D50) of the inorganic filler the shorter the distance between the inorganic fillers, so that the thermal conductivity in the first insulating layer 320 may increase, but surface roughness is formed on the surface of the first insulating layer 320 . can be difficult to do.
  • the particle size D50 of the inorganic filler included in the second region 3202 disposed on the second insulating layer 324 side is the first region (D50) disposed on the first substrate 310 side.
  • the particle size (D50) of the inorganic filler included in 3201 is larger than that, surface roughness may be formed on the surface bonding to the second insulating layer 324 among both surfaces of the first insulating layer 320. Accordingly, the first The bonding strength between the insulating layer 320 and the second insulating layer 324 may be increased, and the thermal conductivity of the first insulating layer 320 may be increased.
  • each of the first region 3201 and the second region 3202 is illustrated as including an inorganic filler having the same size, but is not limited thereto.
  • Both the first region 3201 and the second region 3202 include inorganic fillers of different sizes, and the particle size D50 of the inorganic fillers included in the second region 3202 is included in the first region 3201. It may mean larger than the particle size (D50) of the inorganic filler.
  • the particle size (D50) means a particle size when the cumulative percentage reaches 50% as a result of particle size analysis.
  • the particle size D50 may mean that 50% of particles larger than the corresponding particle size are present and 50% of particles smaller than the corresponding particle size are present.
  • the boundary between the first region 3201 and the second region 3202 has a grain size (D50) in the direction from the first substrate 310 to the second insulating layer 324 in the first insulating layer 320 .
  • D50 grain size in the direction from the first substrate 310 to the second insulating layer 324 in the first insulating layer 320 .
  • the thickness D1 of the first region 3201 may be greater than the thickness D2 of the second region 3202 .
  • the thickness D1 of the first region 3201 is 1.2 to 3 times, preferably 1.5 to 2.5 times, more preferably 1.75 to 2.25 times the thickness D2 of the second region 3202.
  • the inorganic filler included in the second region 3202 forms a surface roughness on the surface of the first insulating layer 320 to increase bonding strength with the second insulating layer 324 , and the first region 3202 ), the inorganic filler may serve to increase the thermal conductivity of the first insulating layer 320 .
  • the first insulating layer 320 has a high bonding strength with the second insulating layer 324 . In addition, it may have high thermal conductivity.
  • the particle size D50 of the inorganic filler included in the second region 3202 is 5 ⁇ m to 15 ⁇ m, preferably 7 ⁇ m to 12 ⁇ m, and the particle size D50 of the inorganic filler included in the first region 3201 .
  • ) may be 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m to 1.5 ⁇ m.
  • the surface roughness Ra of the surface in contact with the second insulation layer 324 among both surfaces of the first insulation layer 320 is in contact with the first substrate 310 among both surfaces of the first insulation layer 320 . It may be greater than the surface roughness (Ra) of the surface.
  • the surface roughness Ra of the surface in contact with the second insulating layer 324 among both surfaces of the first insulating layer 320 is 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, preferably 0.75 ⁇ m to 4 ⁇ m, more preferably may be formed to be 0.9 ⁇ m to 3 ⁇ m, and the first insulating layer 320 may have high thermal conductivity as well as high bonding strength with the second insulating layer 324 .
  • the surface roughness (Ra) may be measured using a surface roughness measuring instrument. The surface roughness meter measures the cross-sectional curve using a probe, and the surface roughness can be calculated using the peak, valley floor, average line and reference length of the cross-sectional curve.
  • the surface roughness may mean an arithmetic mean roughness (Ra) by a centerline average calculation method. That is, in the present specification, the surface roughness Ra may mean an average value of the absolute values of the lengths from the center line of the roughness surface to the cross-sectional curve within the reference length.
  • the surface roughness Ra may be obtained through Equation 2 below.
  • the surface roughness (Ra) of the surface in contact with the second insulating layer 324 among both surfaces of the first insulating layer 320 is 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, preferably 0.75 ⁇ m to 4 ⁇ m, more preferably When the thickness is 0.9 ⁇ m to 3 ⁇ m, the contact area between the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 is widened, and accordingly, the contact area between the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 is increased.
  • the bonding strength can be increased.
  • the resin layer of the second insulating layer 324 is easily permeated between the grooves formed by the surface roughness of the first insulating layer 320, so that the first The bonding strength between the insulating layer 320 and the second insulating layer 324 may be further increased.
  • the surface roughness of the first insulating layer 320 and the recess of the second insulating layer 324 vertically overlap, the shear modulus is improved, and the bending of the substrate due to thermal stress is improved. can do.
  • the recess of the second insulating layer 324 may mean a region in which the first electrode 330 is disposed.
  • a silicon-aluminum composite in which aluminum oxide having a particle size distribution of 0.5 ⁇ m to 1 ⁇ m and a particle size (D50) of 0.8 ⁇ m is dispersed on a copper substrate having a thickness of 0.3 mm is coated to a thickness of about 23 ⁇ m.
  • the silicon-aluminum composite having a particle size distribution of 7 ⁇ m to 12 ⁇ m and in which aluminum oxide having a particle size (D50) of 9 ⁇ m is dispersed is coated to a thickness of about 12 ⁇ m and cured to form a first insulating layer 320 . was formed.
  • a resin composition including PDMS and aluminum oxide was screen-printed to a thickness of 50 ⁇ m on the first insulating layer 320 to form a second insulating layer 324 , and then the electrode 330 was compressed and thermosetted. .
  • Comparative Example 1 a silicon-aluminum composite in which aluminum oxide having a particle size distribution of 0.5 ⁇ m to 1 ⁇ m and a particle size (D50) of 0.8 ⁇ m is dispersed on a copper substrate having a thickness of 0.3 mm was applied to a thickness of about 35 ⁇ m.
  • the first insulating layer 320 was formed by coating and curing. Then, a resin composition including PDMS and aluminum oxide was screen-printed to a thickness of 50 ⁇ m on the first insulating layer 320 to form a second insulating layer 324 , and then the electrode 330 was compressed and thermosetted. .
  • Comparative Example 2 a silicon-aluminum composite in which aluminum oxide having a particle size distribution of 7 ⁇ m to 12 ⁇ m and a particle size (D50) of 9 ⁇ m is dispersed on a copper substrate having a thickness of 0.3 mm was applied to a thickness of about 35 ⁇ m.
  • the first insulating layer 320 was formed by coating and curing. Then, a resin composition including PDMS and aluminum oxide was screen-printed to a thickness of 50 ⁇ m on the first insulating layer 320 to form a second insulating layer 324 , and then the electrode 330 was compressed and thermosetted. .
  • Comparative Example 3 on a copper substrate having a thickness of 0.3 mm, aluminum oxide having a particle size distribution of 0.5 ⁇ m to 1 ⁇ m and a particle size (D50) of 0.8 ⁇ m and a particle size distribution of 7 ⁇ m to 12 ⁇ m, and a particle size (D50) of 9
  • a silicon-aluminum composite in which ⁇ m aluminum oxide is dispersed in a weight ratio of 2:1 was coated to a thickness of about 35 ⁇ m and cured to form a first insulating layer 320 .
  • a resin composition including PDMS and aluminum oxide was screen-printed to a thickness of 50 ⁇ m on the first insulating layer 320 to form a second insulating layer 324 , and then the electrode 330 was compressed and thermosetted. .
  • FIG. 7(a) is a cross-sectional view of the bonding structure according to the embodiment
  • FIG. 7(b) is a cross-sectional view of the bonding structure according to Comparative Example 1
  • FIG. 7(c) is a cross-sectional view of the bonding structure according to Comparative Example 2
  • 7( d ) is a cross-sectional view of a bonding structure according to Comparative Example 3.
  • FIG. Table 1 shows the results of comparing the withstand voltage evaluation, surface roughness (Ra), bonding force (N) and thermal conductivity (W/mK) of Examples and Comparative Examples 1 to 3 .
  • the withstand voltage performance may refer to a characteristic maintained without dielectric breakdown for 1 minute under the conditions of a voltage of AC 2.5 kV, a current of 10 mA, and 60 Hz.
  • withstand voltage performance after placing an insulating layer on the substrate, one terminal is connected to the substrate, and the other terminals are connected to each of the 9 points of the insulating layer for 1 minute under the conditions of AC 2.5kV, 10mA current, and 60Hz. It was measured by testing whether it was maintained without dielectric breakdown during the period. Then, the shear stress was measured using a force that damages the junction between the first insulating layer and the second insulating layer with respect to the three electrodes using a push-pull gauge.
  • the first insulating layer 320 has a particle size distribution of 0.5 ⁇ m to 1 ⁇ m and a particle size (D50) of 0.8 ⁇ m, aluminum oxide, and 7 ⁇ m to 12 ⁇ m, and oxide having a particle size (D50) of 9 ⁇ m.
  • D50 particle size distribution of 0.5 ⁇ m to 1 ⁇ m and a particle size (D50) of 0.8 ⁇ m, aluminum oxide, and 7 ⁇ m to 12 ⁇ m, and oxide having a particle size (D50) of 9 ⁇ m.
  • Comparative Example 3 including all aluminum, but without layer division, large-sized aluminum oxide sinks down, and it can be seen that there is no effect of increasing surface roughness (Ra) and bonding strength.
  • a first insulating layer 320 and a second insulating layer 324 are sequentially disposed between the first substrate 310 and the first electrode 330 , and the second electrode 360 .
  • the third insulating layer 370 may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler, and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS). Accordingly, the third insulating layer 370 may improve insulation, bonding strength, and heat conduction performance between the second electrode 360 and the second substrate 380 .
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • At this time, at least one of the composition, thickness, hardness, elastic modulus, tensile strength, elongation, and Young's modulus of the third insulating layer 370 is the composition, thickness, and hardness of the second insulating layer 324 , It may be the same as or different from at least one of elastic modulus, tensile strength, elongation, and Young's modulus.
  • at least one of the composition, thickness, hardness, elastic modulus, tensile strength, elongation, and Young's modulus of the third insulating layer 370 according to the positions of the high temperature part and the low temperature part of the thermoelectric element 300 . may be different from at least one of a composition, thickness, hardness, elastic modulus, tensile strength, elongation, and Young's modulus of the second insulating layer 324 .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention. It is a cross section. Since the contents of the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 are the same as those described with reference to FIGS. 5 to 7 , a redundant description will be omitted.
  • the structure may have a symmetrical structure between the first substrate 310 and the first electrode 330 and between the second substrate 380 and the second electrode 360 . That is, the first insulating layer 320 and the second insulating layer 324 are sequentially disposed between the first substrate 310 and the first electrode 330 , and the second electrode 360 and the second substrate 380 are sequentially disposed. ), the third insulating layer 370 and the fourth insulating layer 374 may be sequentially disposed.
  • the third insulating layer 370 may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS), and the fourth insulating layer (
  • the 374 may include a composite including silicon and aluminum.
  • the fourth insulating layer 374 has the second insulating layer on both sides. 3 A surface roughness Ra of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m may be formed on the surface in contact with the insulating layer 370 .
  • a first insulating layer 320 and a second insulating layer 324 are sequentially disposed between the first substrate 310 and the first electrode 330 , and the second electrode
  • a third insulating layer 370 may be disposed between 360 and the second substrate 380 .
  • the third insulating layer 370 may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler, and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the second substrate 380 may be an aluminum substrate, and an aluminum oxide layer 376 may be further disposed between the third insulating layer 370 and the second substrate 380 .
  • the aluminum oxide layer 376 may be an aluminum oxide layer separately stacked on the second substrate 380 , or an aluminum oxide layer oxidized by surface treatment of the second substrate 380 , which is an aluminum substrate.
  • the aluminum oxide layer may be formed by anodizing the second substrate 380 that is an aluminum substrate, or may be formed by a dipping process or a spraying process.
  • the aluminum oxide layer 376 is a surface on which the third insulating layer 370 is disposed as well as a side on which the third insulating layer 370 is disposed among both surfaces of the second substrate 380 . It can also be arranged on the opposite side of
  • the aluminum oxide layer 376 may be disposed on the entire surface of the second substrate 380 .
  • the aluminum oxide layer 376 may increase the withstand voltage performance without increasing the thermal resistance of the second substrate 380 , and may prevent corrosion of the surface of the second substrate 380 .
  • the first substrate 310 When the first substrate 310 is disposed on a high temperature portion of the thermoelectric element 300 and the second substrate 380 is disposed on a low temperature portion of the thermoelectric element 300, the first substrate ( The 310 may be a copper substrate, and the second substrate 380 may be an aluminum substrate.
  • the withstand voltage of the aluminum substrate may be increased.
  • the manufacturing process can be simplified.
  • a heat sink may be bonded to at least one of the first substrate 310 and the second substrate 380 .
  • thermoelectric element 11 illustrates a junction structure of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • the thermoelectric element 300 may be fastened by a plurality of fastening members 400 .
  • the plurality of fastening members 400 fasten the heat sink 390 and the first substrate 310 or the heat sink 390 .
  • the first substrate 310 and the second substrate (not shown) and the cooling unit (not shown) may be coupled, or the first substrate 310 and the second substrate (not shown) may be coupled.
  • the second substrate (not shown) and the cooling unit (not shown) may be connected through another fastening member outside the effective area on the second substrate (not shown).
  • a through hole S through which the fastening member 400 passes may be formed in the heat sink 390 , the first substrate 310 , the second substrate (not shown), and the cooling unit (not shown).
  • a separate insulating insertion member 410 may be further disposed between the through hole S and the fastening member 400 .
  • the separate insulating inserting member 410 may be an insulating inserting member surrounding the outer circumferential surface of the fastening member 400 or an insulating inserting member surrounding the wall surface of the through hole S. According to this, it is possible to increase the insulation distance of the thermoelectric element.
  • the shape of the insulating inserting member 410 may be as illustrated in FIGS. 11 (a) and 11 (b).
  • the insulating inserting member 410 forms a step in the through-hole S region formed in the first substrate 310 to form a part of the wall surface of the through-hole S. It may be arranged to surround.
  • the insulating insertion member 410 forms a step in the region of the through hole S formed in the first substrate 310 to form a first surface on which the second electrode (not shown) is disposed along the wall surface of the through hole S. It may be arranged to extend up to .
  • the diameter d2' of the through hole S of the first surface in contact with the first electrode of the first substrate 310 is that of the first surface in contact with the second electrode of the second substrate. It may be the same as the diameter of the through hole.
  • the diameter d2' of the through hole S formed on the first surface of the first substrate 310 is the through hole formed on the second surface opposite to the first surface. It may be different from the diameter d2 of the hole S.
  • the insulating insertion member 410 is disposed only on a portion of the upper surface of the first substrate 310 without forming a step in the through-hole S region, or the through-hole (
  • the diameter d2' of the through hole S formed in the first surface of the first substrate 310 is that of the first surface. It may be the same as the diameter d2 of the through hole S formed in the second surface, which is the opposite surface.
  • the diameter d2' of the through hole S of the first surface in contact with the first electrode of the first substrate 310 is the second It may be larger than the diameter of the through hole of the first surface in contact with the second electrode of the substrate.
  • the diameter d2 ′ of the through hole S on the first surface of the first substrate 310 may be 1.1 to 2.0 times the diameter of the through hole on the first surface of the second substrate 310 .
  • thermoelectric element Since it is insignificant, insulation breakdown of the thermoelectric element may be caused, and the diameter d2' of the through hole S of the first surface of the first substrate 310 is 2.0 times the diameter of the through hole of the first surface of the second substrate. When it exceeds, the size of the area occupied by the through hole S is relatively increased, so that the effective area of the first substrate 310 is reduced, and the efficiency of the thermoelectric element may be reduced.
  • the diameter d2' of the through hole S formed on the first surface of the first substrate 310 is the through hole formed on the second surface opposite to the first surface. It may be different from the diameter d2 of the hole S.
  • the diameter d2′ of the through hole S formed in the first surface of the first substrate 310 is It may be the same as the diameter d2 of the through hole S formed in the second surface opposite to the first surface.
  • the first substrate 310 is a high-temperature side substrate and the second substrate 380 is a low-temperature side substrate as an example, but is not limited thereto.
  • the first substrate 310 may be a low-temperature side substrate, and the second substrate 380 may be a high-temperature side substrate.
  • thermoelectric element when the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a power generation device using the Seebeck effect, the thermoelectric element may be coupled to the first fluid flow part and the second fluid flow part.
  • the first fluid flow part may be disposed on one of the first and second substrates of the thermoelectric element, and the second fluid flow part may be disposed on the other of the first and second substrates of the thermoelectric element.
  • a flow path may be formed in at least one of the first fluid flow part and the second fluid flow part so that at least one of the first fluid and the second fluid flows, and in some cases, one of the first fluid flow part and the second fluid flow part. At least one may be omitted, and at least one of the first fluid and the second fluid may flow directly to the substrate of the thermoelectric element.
  • the first fluid may flow adjacent to one of the first substrate and the second substrate, and the second fluid may flow adjacent to the other one.
  • the temperature of the second fluid may be higher than the temperature of the first fluid.
  • the first fluid flow unit may be referred to as a cooling unit.
  • the temperature of the first fluid may be higher than the temperature of the second fluid.
  • the second fluid flow unit may be referred to as a cooling unit.
  • the heat sink 390 may be connected to a substrate on which a fluid having a higher temperature flows among the first fluid flow part and the second fluid flow part.
  • the absolute value of the temperature difference between the first fluid and the second fluid may be 40°C or higher, preferably 70°C or higher, and more preferably 95°C to 185°C.
  • thermoelectric element or thermoelectric module according to an embodiment of the present invention When the thermoelectric element or thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is used in a transport mechanism such as a ship or a vehicle, power can be generated using waste heat discharged from the exhaust side of the engine, and the generated energy is stored in a battery of the transport device, etc. It can be supplied to various devices in the transport mechanism, for example, lighting, gas circulation device, and the like.
  • the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is disposed on the intake side of the engine, the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention may be used as a temperature control device as well as a power generation device.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used as a temperature control device, the fuel efficiency of the engine may be improved by increasing the amount of gas injected into the engine by lowering the temperature of the gas injected into the engine. Accordingly, the engine in the transport mechanism and the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention affect each other, and may have functional integrity or technical interlocking. In addition, in the shipping industry and transportation industry using a transport mechanism to which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied, transportation cost reduction and an eco-friendly industrial environment can be created due to the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention. It is possible to achieve functional integrity or technical interoperability with the thermoelectric element according to the present invention.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used in a power plant, the efficiency of the fuel used compared to the produced energy can be adjusted using the heat generated in the power plant, and accordingly, the present invention by adjusting the energy production cost and the eco-friendly industrial environment
  • the thermoelectric element and the power plant according to the embodiment of the present invention may achieve functional integrity or technical interlocking.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention When the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is used in a plant such as a steel mill, energy consumption in the plant can be reduced by generating energy through power generation using waste heat generated in the plant, and used as a temperature control device If necessary, since other components of the plant are affected by controlling the temperature in the manufacturing stage of the product or the plant, the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention and other components of the plant can achieve functional integrity or technical interlocking.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be used as a low-power supply device for supplying energy to a temperature sensor or oath of a wireless network. That is, it is possible to achieve a permanent energy supply to a sensor, etc., and when used as a power supply device for a temperature sensor installed underground or a temperature sensor, functional integrity or technical interoperability with the wireless network system can be achieved.
  • thermoelectric element may be used as a temperature control device, and when used in an electric vehicle, a battery charging device, etc., by controlling the temperature of the electric vehicle or battery charging device, the stability of the electric vehicle or the battery charging device is increased, etc. Functions can achieve functional unity or technical interoperability.

Landscapes

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  • Inorganic Chemistry (AREA)
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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 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 절연층의 조성은 상기 제2 절연층의 조성과 상이하며, 상기 제1 절연층은 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 영역 및 상기 제1 영역과 상기 제2 절연층 사이에 배치된 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 크다.

Description

열전소자
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 기판과 절연층 간 접합력 또는 절연층과 전극 간 접합력이 낮아 기판, 절연층 및 전극 간 분리 또는 박리가 일어날 수 있으며, 이는 열전소자의 열전도 성능을 낮출 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 제2 절연층, 상기 제2 절연층 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물, 상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고, 상기 제1 절연층의 조성은 상기 제2 절연층의 조성과 상이하며, 상기 제1 절연층은 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 영역 및 상기 제1 영역과 상기 제2 절연층 사이에 배치된 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 크다.
상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께보다 클 수 있다.
상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께의 1.2배 내지 3배일 수 있다.
상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께의 1.5배 내지 2.5배일 수 있다.
상기 제2 영역에 포함된 입자의 입도(D50)는 5㎛ 내지 15㎛이고, 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 0.1㎛ 내지 3㎛일 수 있다.
상기 제2 영역에서 상기 제2 절연층과 마주보는 면의 산술평균 거칠기(Ra)는 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
상기 무기충전재는 산화알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 측면의 일부는 상기 제2 절연층 내에 매립될 수 있다.
상기 제1 절연층은 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체(composite)를 포함하고, 상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자는 기판, 상기 기판 상에 배치된 절연층, 상기 절연층 상에 배치된 전극, 그리고 상기 전극 상에 배치된 반도체 구조물을 포함하고, 상기 절연층은 상기 기판 상에 배치된 제1 영역, 상기 제1 영역 상에 배치된 제2 영역 및 상기 제2 영역 상에 배치되고 상기 전극의 측면의 일부를 매립하는 제3 영역을 포함하고, 상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 크다.
상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 5㎛ 내지 15㎛이고, 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 0.1㎛ 내지 3㎛이고, 상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께의 1.2배 내지 3배일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수하고, 신뢰성이 높은 열전소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 절연층과 전극 간 접합 강도가 개선될 수 있으며, 이에 따라 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 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자가 냉온장치에 적용될 경우, 높은 냉각 또는 온열 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 한 실시예에 따른 열전소자의 기판, 절연층 및 전극 간 구조의 단면도이다.
도 7(a)은 실시예에 따른 접합 구조의 단면도이고, 도 7(b)는 비교예 1에 따른 접합 구조의 단면도이며, 도 7(c)는 비교예 2에 따른 접합 구조의 단면도이고, 도 7(d)는 비교예 3에 따른 접합 구조의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 11은 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. 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.
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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. 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 파괴될 수 있다. 복수의 절연층 간 계면의 분리는 기판의 열저항을 상승시킬 수 있으며, 이에 따라 열전소자 양단의 온도 차를 감소시키고, 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 한 실시예에 따른 열전소자의 기판, 절연층 및 전극 간 구조의 단면도이다. 도 1 내지 도 4에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 6을 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 5 내지 도 6에 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.
예를 들어, 전선은 열전소자(300)의 저온부 측에 연결될 수 있다. 또한, 열전소자(300)의 고온부 측에는 열전소자(300)가 적용되는 애플리케이션의 기자재가 탑재될 수 있다. 예를 들어, 열전소자(300)의 고온부 측에는 선박용 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. 열전도 성능 및 내전압 성능을 모두 만족시키기 위하여, 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 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 열전소자(300)의 저온부 측에 배치되는 기판은 알루미늄 기판이고, 열전소자(300)의 고온부 측에 배치되는 기판은 구리 기판인 경우, 구리 기판이 알루미늄 기판에 비하여 전기전도도가 높으므로, 열전소자(300)의 고온부 측 내전압 성능을 유지하기 위하여 별도의 구성이 필요할 수 있다.
이에 따라, 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. 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)은 서로 다른 조성을 가질 수 있다. 여기서, 서로 다른 조성은 물질의 종류가 상이한 것을 의미할 수도 있고, 물질의 종류가 동일하되 함량이 상이한 것을 의미할 수도 있다.
예를 들어, 제1 절연층(320)은 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.
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 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.
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.
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 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, 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.
한편, 열전소자(300)의 제조 공정 상 리플로우 과정에서 고온 노출 시 또는 열전소자(300)의 구동 시 고온부 측 기판이 잦은 빈도로 고온에 노출되는 경우, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324) 간 열팽창 계수의 차로 인하여 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 계면에 전단응력이 가해지며, 이에 따라 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)의 계면에 들뜸이 발생하고, 열저항이 상승하게 된다. 이에 따라, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324) 간의 접합력은 열전소자(300)의 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 열전소자(300)가 발전장치에 적용되는 경우, 발전성능에 큰 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324) 간 접합력을 높이기 위하여, 제1 절연층(320)의 양면 중 제2 절연층(324)과 접촉하는 면에 표면조도를 형성하고자 한다.
도 6을 참조하면, 제1 기판(310) 상에 제1 절연층(320)이 배치되고, 제1 절연층(320) 상에 제2 절연층(324)이 배치되며, 제2 절연층(324) 상에 복수의 제1 전극(330)이 배치된다. 여기서, 제1 기판(310), 제1 절연층(320), 제2 절연층(324) 및 복수의 제1 전극(330)과 관련하여, 도 5에서 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 절연층(320)은 제1 기판(310) 상에 배치된 제1 영역(3201) 및 제1 영역(3201)과 제2 절연층(324) 사이에 배치된 제2 영역(3202)을 포함한다. 이때, 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 제1 영역(3201)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)와 상이하며, 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 제1 영역(3201)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 클 수 있다. 이때, 무기충전재는 질화붕소 및 산화알루미늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 무기충전재의 입도(D50)가 클수록 제1 절연층(320)의 표면에 표면조도를 형성하기 용이하며, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간 접합력을 높일 수 있으나, 무기충전재 사이의 거리의 증가로 인하여 제1 절연층(320) 내의 열전도도가 낮아질 수 있다. 반면에, 무기충전재의 입도(D50)가 작을수록 무기충전재 사이의 거리가 짧아져 제1 절연층(320) 내의 열전도도가 높아질 수 있으나, 제1 절연층(320)의 표면에 표면조도를 형성하기 어려워질 수 있다.
본 발명의 실시예와 같이, 제2 절연층(324) 측에 배치된 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)가 제1 기판(310) 측에 배치된 제1 영역(3201)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 클 경우, 제1 절연층(320)의 양면 중 제2 절연층(324)과 접합하는 면에 표면조도가 형성될 수 있으므로, 이에 따라 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간 접합력이 높아질 수 있을 뿐만 아니라, 제1 절연층(320)의 열전도도를 높일 수 있다. 도 6에서 제1 영역(3201) 및 제2 영역(3202) 각각은 크기가 동일한 무기충전재를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 영역(3201) 및 제2 영역(3202) 모두 서로 상이한 크기의 무기충전재를 포함하되, 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)가 제1 영역(3201)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 큰 것을 의미할 수 있다. 본 명세서에서, 입도(D50)는 입도 분석 결과 누적 백분율이 50%에 도달할 때의 입도를 의미한다. 예를 들어, 입도(D50)은 해당 입도보다 큰 입자가 50% 존재하고, 해당 입도보다 작은 입자가 50% 존재함을 의미할 수 있다. 본 명세서에서, 제1 영역(3201) 및 제2 영역(3202) 간 경계는 제1 절연층(320) 내 제1 기판(310)으로부터 제2 절연층(324)을 향하는 방향으로 입도(D50)의 변화율이 최대인 영역을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(3201)의 두께(D1)는 제2 영역(3202)의 두께(D2)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(3201)의 두께(D1)는 제2 영역(3202)의 두께(D2)의 1.2배 내지 3배, 바람직하게는 1.5 내지 2.5배, 더욱 바람직하게는 1.75 내지 2.25배일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재는 제1 절연층(320)의 표면에 표면조도를 형성하여 제2 절연층(324)과의 접합력을 높이고, 제1 영역(3202)에 포함된 무기충전재는 제1 절연층(320)의 열전도도를 높이는 역할을 할 수 있다. 제1 영역(3201)의 두께(D1)와 제2 영역(3202)의 두께(D2)가 이러한 조건을 만족할 경우, 제1 절연층(320)은 제2 절연층(324)과 높은 접합력을 가질 뿐만 아니라, 높은 열전도도를 가질 수도 있다.
이때, 제2 영역(3202)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 5㎛ 내지 15㎛, 바람직하게는 7㎛ 내지 12㎛이고, 제1 영역(3201)에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 0.1㎛ 내지 3㎛, 바람직하게는 0.5㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다. 이에 따르면, 제1 절연층(320)의 양면 중 제2 절연층(324)과 접촉하는 면의 표면 거칠기(Ra)는 제1 절연층(320)의 양면 중 제1 기판(310)과 접촉하는 면의 표면 거칠기(Ra)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(320)의 양면 중 제2 절연층(324)과 접촉하는 면의 표면 거칠기(Ra)는 0.5㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 0.75㎛ 내지 4㎛, 더욱 바람직하게는 0.9㎛ 내지 3㎛로 형성될 수 있으며, 제1 절연층(320)은 제2 절연층(324)과 높은 접합력을 가질 뿐만 아니라, 높은 열전도도를 가질 수도 있다. 여기서, 표면거칠기(Ra)는 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, 표면 거칠기는 중심선 평균 산출법에 의한 산술평균 거칠기(Ra)를 의미할 수 있다. 즉, 본 명세서에서, 표면 거칠기(Ra)는 기준 길이 내 조도 표면의 중심선에서 단면 곡선까지의 길이의 절대값의 평균값을 의미할 수 있다. 표면 거칠기(Ra)는 아래 수학식 2를 통하여 얻어질 수 있다.
Figure PCTKR2021012659-appb-img-000002
즉, 표면거칠기 측정기의 탐침을 이용하여 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 양면 중 제2 절연층(324)과 접촉하는 면의 표면 거칠기(Ra)는 0.5㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 0.75㎛ 내지 4㎛, 더욱 바람직하게는 0.9㎛ 내지 3㎛로 형성되면, 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 제1 절연층(320)과 제2 절연층(324) 간의 접합 강도가 높아질 수 있다. 특히, 제2 절연층(324)이 수지층으로 이루어진 경우, 제1 절연층(320)의 표면거칠기에 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. 또한, 제1 절연층(320)의 표면거칠기와 제2 절연층(324)의 리세스가 수직 중첩될 경우, 전단 계수(shear modulus)가 좋아지며, 열응력 등으로 인하여 기판이 휘는 현상을 개선할 수 있다. 여기서, 제2 절연층(324)의 리세스는 제1 전극(330)이 배치된 영역을 의미할 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 구조의 접합 성능 및 열전도도를 설명하고자 한다.
실시예에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 0.5㎛ 내지 1㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 0.8㎛인 산화알루미늄이 분산된 실리콘-알루미늄 복합체(composite)를 약 23㎛의 두께로 코팅하고 경화한 후, 7㎛ 내지 12㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 9㎛인 산화알루미늄이 분산된 실리콘-알루미늄 복합체를 약 12㎛의 두께로 코팅하고 경화하여 제1 절연층(320)을 형성하였다. 그리고, 제1 절연층(320) 상에 PDMS 및 산화알루미늄을 포함하는 수지조성물을 50㎛ 두께로 스크린 프린팅하여 제2 절연층(324)을 형성한 후, 전극(330)을 압착하고 열경화하였다.
비교예 1에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 0.5㎛ 내지 1㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 0.8㎛인 산화알루미늄이 분산된 실리콘-알루미늄 복합체(composite)를 약 35㎛의 두께로 코팅하고 경화하여 제1 절연층(320)을 형성하였다. 그리고, 제1 절연층(320) 상에 PDMS 및 산화알루미늄을 포함하는 수지조성물을 50㎛ 두께로 스크린 프린팅하여 제2 절연층(324)을 형성한 후, 전극(330)을 압착하고 열경화하였다.
비교예 2에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 7㎛ 내지 12㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 9㎛인 산화알루미늄이 분산된 실리콘-알루미늄 복합체(composite)를 약 35㎛의 두께로 코팅하고 경화하여 제1 절연층(320)을 형성하였다. 그리고, 제1 절연층(320) 상에 PDMS 및 산화알루미늄을 포함하는 수지조성물을 50㎛ 두께로 스크린 프린팅하여 제2 절연층(324)을 형성한 후, 전극(330)을 압착하고 열경화하였다.
비교예 3에서는 두께가 0.3mm인 구리 기판 상에 0.5㎛ 내지 1㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 0.8㎛인 산화알루미늄과 7㎛ 내지 12㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 9㎛인 산화알루미늄이 2:1의 중량비로 분산된 실리콘-알루미늄 복합체(composite)를 약 35㎛의 두께로 코팅하고 경화하여 제1 절연층(320)을 형성하였다. 그리고, 제1 절연층(320) 상에 PDMS 및 산화알루미늄을 포함하는 수지조성물을 50㎛ 두께로 스크린 프린팅하여 제2 절연층(324)을 형성한 후, 전극(330)을 압착하고 열경화하였다.
도 7(a)은 실시예에 따른 접합 구조의 단면도이고, 도 7(b)는 비교예 1에 따른 접합 구조의 단면도이며, 도 7(c)는 비교예 2에 따른 접합 구조의 단면도이고, 도 7(d)는 비교예 3에 따른 접합 구조의 단면도이다. 표 1은 실시예 및 비교예 1 내지 비교예 3의 내전압 평가, 표면 거칠기(Ra), 접합력(N) 및 열전도도(W/mK)를 비교한 결과이다. 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 제1 절연층 및 제2 절연층 간의 접합이 손상되는 힘을 이용하여 전단응력을 측정하였다.
실험번호 제1 절연층의 층 수 내전압 평가 표면 거칠기(Ra, ㎛) 접합력(N) 열전도도(W/mK)
실시예 2 Pass 1.004 187, 191, 195 12.6
비교예 1 1 Pass 0.183 43, 39, 42 13.8
비교예 2 1 pass 1.122 219, 223, 223 8.2
비교예 3 1 pass 0.210 51, 55, 56 14.1
표 1을 참조하면, 제1 절연층 및 제2 절연층의 구조를 가지는 실시예 및 비교예 1 내지 비교예 3에서 모두 내전압 평가를 통과하였음을 알 수 있다. 실시예에서는 접합력 및 열전도도가 모두 높으나, 제1 절연층(320)이 0.5㎛ 내지 1㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 0.8㎛인 산화알루미늄만을 포함하는 비교예 1에서는 열전도도는 높으나 표면 거칠기(Ra) 및 접합력이 현저히 낮고, 제1 절연층(320)이 7㎛ 내지 12㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 9㎛인 산화알루미늄만을 포함하는 비교예 2에서는 표면 거칠기(Ra) 및 접합력은 높으나 열전도도가 현저히 낮음을 알 수 있다. 또한, 제1 절연층(320)이 0.5㎛ 내지 1㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 0.8㎛인 산화알루미늄과 7㎛ 내지 12㎛의 입도 분포를 가지며 입도(D50)가 9㎛인 산화알루미늄을 모두 포함하되, 층 구분이 없는 비교예 3에서는 큰 사이즈의 산화알루미늄이 아래로 가라앉게 되어 결국 표면 거칠기(Ra) 및 접합력 증가의 효과가 없음을 알 수 있다. 한편, 다시 도 5를 참조하면, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에는 제1 절연층(320) 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, 인장강도, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나는 제2 절연층(324)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 인장강도, 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, 인장강도, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나는 제2 절연층(324)의 조성, 두께, 경도, 탄성 계수, 인장강도, 연신율(elongation) 및 영률(Young's modulus) 중 적어도 하나와 달라질 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이며, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 제1 절연층(320) 및 제2 절연층(324)에 관한 내용은 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한 내용과 동일하므로, 중복된 설명을 생략한다.
도 8을 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) 및 제2 절연층(324)이 순차적으로 배치되고, 제2 전극(360)과 제2 기판(380) 사이에는 제3 절연층(370) 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 수 있다. 제1 절연층(320)의 양면 중 제2 절연층(324)과 접촉하는 면에 0.5㎛ 내지 5㎛의 표면조도(Ra)가 형성되는 것과 마찬가지로, 제4 절연층(374)의 양면 중 제3 절연층(370)과 접촉하는 면에도 0.5㎛ 내지 5㎛의 표면조도(Ra)가 형성될 수 있다.
또는, 도 9 내지 도 10을 참조하면, 제1 기판(310)과 제1 전극(330) 사이에는 제1 절연층(320) 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 9에 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 10에 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 9 내지 도 10의 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 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 접합 구조를 나타낸다.
도 11을 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 11(a) 및 도 11(b)에 예시된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 도 11(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 11(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 11(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.
본 명세서에서, 제1 기판(310)이 고온부 측 기판이고, 제2 기판(380)이 저온부 측 기판인 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제1 기판(310)이 저온부 측 기판이고, 제2 기판(380)이 고온부 측 기판일 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.
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. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치된 제1 절연층,
    상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층,
    상기 제2 절연층 상에 배치된 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 배치된 반도체 구조물,
    상기 반도체 구조물 상에 배치된 제2 전극, 그리고
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 기판을 포함하고,
    상기 제1 절연층의 조성은 상기 제2 절연층의 조성과 상이하며,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 기판 상에 배치된 제1 영역 및 상기 제1 영역과 상기 제2 절연층 사이에 배치된 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 큰 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께보다 큰 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께의 1.2배 내지 3배인 열전소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께의 1.5배 내지 2.5배인 열전소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 영역에 포함된 입자의 입도(D50)는 5㎛ 내지 15㎛이고, 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 0.1㎛ 내지 3㎛인 열전소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 영역에서 상기 제2 절연층과 마주보는 면의 산술평균 거칠기(Ra)는 0.5㎛ 내지 5㎛인 열전소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기충전재는 산화알루미늄을 포함하는 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 측면의 일부는 상기 제2 절연층 내에 매립된 열전소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체(composite)를 포함하고,
    상기 제2 절연층은 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나와 무기충전재를 포함하는 수지 조성물로 이루어진 수지층인 열전소자.
  10. 기판,
    상기 기판 상에 배치된 절연층,
    상기 절연층 상에 배치된 전극, 그리고
    상기 전극 상에 배치된 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 기판 상에 배치된 제1 영역, 상기 제1 영역 상에 배치된 제2 영역 및 상기 제2 영역 상에 배치되고 상기 전극의 측면의 일부를 매립하는 제3 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)는 상기 제1 영역에 포함된 무기충전재의 입도(D50)보다 큰 열전소자.
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