○ 테그웨이의 유연열전소자(FTED)는 상용 열전소자와는 달리, 열전소자의 세라믹 기판이 제거된 형태를 갖고 있다. 따라서 클램핑, 에폭시 본딩 등과 같은 상용 열전소자를 기준으로 한 일반적인 어셈블리(조립) 방법과는 절차와 방법에 있어서 차이가 있다. 어셈블리 방법에 있어서의 특별한 관리가 요구된다.
1) 검토 사항
○ 유연 열전소자(Flexible Thermoelectric device, FTED / Flexible Thermoelelctric module, FTEM, FTE)는 세라믹 기판을 사용하지 않는 고유연성 열전소자로써, 열전소자 양면의 전극이 외부로 노출되어 있다. 따라서 방열판 및 냉각대상체 등의 접합 표면이 전기 전도성 표면을 가진 경우에는 직접 부착되어서는 안된다. 특히 열전냉각의 경우에는 감전 등의 인체 상해 뿐만 아니라 시스템의 심각한 손상이 일으키게 된다.
Fig 1. A photo of the FTED product (Tegway, model S090A021079)
○ 또한 열전발전의 경우에도 전도성 접합 표면을 통해 전류가 바이패스 되어서 인체 상해의 가능성은 감소하지만 발전성능(효율)이 크게 영향을 받게 된다.
○ 따라서 FTED를 이용한 열전시스템 제작을 위해서는 방열판(그리고 대상체)의 표면에 절연층을 형성시키거나 FTED 표면에 절연필름을 이용한 절연층을 신규 도입하여 시스템을 조립하여야 한다.
Fig 2. Assembly of thermoelectric devices using insulation films
2) 절연성 표면에 대한 조립 (알루미늄 방열판의 경우)
○ 알루미늄 재질의 방열판은 양극산화피막(아노다이징, Anodizing) 처리를 하여 손쉽게 전기 절연성 피막을 만들 수 있다. 아노다이징 공정은 안정한 부동태 절연피막을 형성시킬 수 있는 방법으로, 공정 제어를 통한 피막 두께의 조절이 가능하고 경제적으로도 저렴한 절연피막 형성방법이다.
○ 절연피막이 형성된 방열판에 FTED를 부착하는 경우, 방열그리스를 이용하여 클램핑 방법에 의한 시스템 조립이 가능하다. 일반적 클램핑 방법에 의한 시스템 조립절차를 따르도록 한다.
○ 참고로, 방열그리스는 접합 계면의 굴곡(표면의 미세요철)을 채우는 수준에서 최소한의 두께(~20㎛)로 바르도록 한다. 방열그리스의 두께가 두꺼워지면 계면에서의 열저항이 증가하며, 특히 방열그리스가 FTED 내부의 폴리머 층으로 침투하여 열전성능을 감소시킬 수 있다.
Fig 3. Assembly of Anodized Heat Sink and FTED
3) 전도성 표면에 대한 조립
○ 방열판 또는 대상체의 접합 표면이 전기전도성 표면을 가진 경우에는 고열전도성·전기절연 필름을 사용하여 시스템을 조립하도록 한다.
○ 절연필름 접합방법은 열전도성 양면형 절연테이프를 기본으로 열전시스템을 조립하며, 열확산용 그라파이트 필름을 제품(방열판, 대상체)과 FTED 표면에 부착된 절연필름 사이에 넣어서 사용할 수도 있다.
- 양면형 절연 필름(테이프) : double side adhesive Film(tape)
- 그라파이트 필름(시트) : Graphite Film(sheet)
○ 먼저, 양면형 절연필름은 고열전도성의 전기절연필름으로 ‘열전도성 양면테이프’로 구매가 가능하다. 접합계면에서의 열저항을 줄여주기 위해 ~5㎛ 수준의 두께를 권장하며, 20㏁(50DCV) 이상의 절연저항을 가지는 제품을 선택하도록 한다.
○ 부착순서는 양면 테이프의 보호필름 한쪽을 벗겨내어 FTED에 먼저 부착한다. 이때 FTED의 양쪽에 양면 테이프를 먼저 부착하면 열전소자의 양쪽에서 동일한 장력이 작용하기 때문에 FTED의 유연성은 기대할 수 없게 된다.
Fig 4. The attachment order of the double-sided tape
○ 따라서 FTED의 한면에 테이프를 부착한 후에 나머지 보호필름을 벗겨 방열판(또는 제품)에 부착하며, 이후 순차적으로 FTED의 반대면에 양면 테이프와 제품(또는 방열판)을 부착하여 시스템 조립을 완료하도록 한다.
○ 만약에 FTED와 제품 간에 기계적 체결(클램핑)이 가능한 경우에는, FTED에 부착된 양면 테이프의 반대쪽 보호필름을 벗겨내지 않은 상태에서 방열그리스를 도포하고 클램핑에 의해 시스템을 조립할 수도 있다. (이 경우에 양면 테이프를 대신하여 단면 테이프를 사용할 수 있다.)
Fig 5. The attachment order of the double-sided tape
○ 다음으로, 양면형 절연 필름(테이프) 위에 추가하여 그라파이트 필름(그라파이트/보호필름)을 붙여 시스템을 조립할 수 있다. 또는 그라파이트/절연필름(PET)/보호필름이 합쳐진 절연성 그라파이트 필름을 단독으로 열전소자에 붙여 사용할 수 도 있다.
○ 그라파이트 필름은 수평방향의 열전도율이 매우 우수하여 열전소자의 부착면 전체에 걸쳐 균일한 열흡수 (또는 열방출)을 가능하게 하여 열전시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
○ 필름의 보호필름을 벗겨내어 열전소자 표면에 부착된 양면형 절연필름 위에 붙이거나, 절연성 그라파이트 필름의 경우에는 열전소자에 직접 붙여 절연성 확보와 함께 균일한 열확산을 가능하게 한다. 시스템의 구성상황에 따라 열전소자의 일면 또는 양면에 동시 적용이 가능하다.
○ 부착 방법은 항상 열전소자의 일면을 기준으로 부착하기 시작하며, 접합층 내에 기포가 들어가지 않도록 주의한다. 또한 열전소자의 양면에 다른 종류의 필름(양면형 절연필름 대 그라파이트필름)을 동시에 사용하게 되면 열전소자의 사용중에 열전소자가 휘어질 수 있기 때문에 주의하도록 한다.
Fig 6. Assembling thermoelectric modules using graphite film