KR100906484B1 - 산화물 열전반도체 모듈의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

산화물 열전반도체 모듈의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화물 열전 반도체를 이용한 고온 발전용 모듈 접합을 위한 보조 장치로서 세라믹 기판 재료에 인쇄된 전극과 산화물 열전 재료의 고온 접합을 용이하게 하기 위한 장치이다. 이 장치는 고온에 직접적으로 노출되는 장치로 고온 변형이 적고 기계적 성질의 변화가 적은 Ni합금계 등 금속을 이용하여 설계되었으며 금속형틀 상판, 금속형틀 하판, 볼트와 너트를 구성되어 있으며 n, p형의 열전 반도체 쌍, 세라믹기판, 접합전극으로 구성된 산화물 열전 모듈을 용이하게 제작하기 위한 장치이다.
열전반도체, 압발생부, 지지판, p형 열전반도체, n형 열전반도체

Description

산화물 열전반도체 모듈의 제조 방법 및 장치{Processing and equipments for oxide thermoelectric module}
본 발명은 열전반도체 모듈용 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전반도체 모듈 제조시 지속적인 압을 가할 수 있도록 함으로써 열전반도체 모듈의 신뢰성(열전성능) 확보 및 전도도를 향상 시킬 수 있도록 한 열전반도체 모듈용 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열전반도체는 금속형 열전반도체 모듈과 산화물 열전반도체 모듈(이하에서는, 열전반도체 모듈로 칭함)로 대분되며, 상기 금속형 열전반도체 모듈은 사용온도가 낮아 고온 환경에서 직접적으로 사용할 수 없는 단점을 가지고 있는 반면에, 열전반도체 모듈의 경우에는 160℃ 이상의 고온에 직접적으로 사용가능하다.
한편, 상기한 열전반도체 모듈은 일반적인 발전 장치와 달리 기계적인 작동부분이 필요 없고 다만, Ca 계열의 p형 열전소자와, In 계열의 n형 열전소자와 같 이 서로 다른 두 계열의 열전반도체 소자를 이용하여 양단간의 온도차가 발생하면 제벡(Seebeck)효과에 의해 열전소자 양단간에 전압차가 발생하여 이로 인해 열전 발전이 가능한 소자이다.
첨부된 도면 중 도 1은 종래의 일반적인 열전반도체 모듈을 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이 열전반도체 모듈의 구조는 상하로 간격을 두고 평행하게 배열된 두 층의 상/하부 세라믹기판(10, 10')과, 상기 각각의 세라믹기판상(10, 10')에 스퍼터링된 상/하부 도체층(20, 20') 및 각각의 도체층(20, 20')에 접착된 p형 열전반도체 기둥(30) 및 n형 열전반도체 기둥(40)으로 이루어진다.
여기서, 상기한 도체층(20, 20')은 상/하부 세라믹기판(10, 10')의 저면 및 상면으로부터 기판전극(21, 21'), 접합전극(22, 22') 및 메탈라이징(23, 23')으로 구성된다.
상술한 구조를 갖는 종래의 일반적인 열전반도체 모듈에 전압을 인가하면 전자가 p형 열전반도체 기둥에서 n형 열전반도체 기둥으로 흐르면서 전열 변화가 유발됨으로써 한쪽 즉, 상부 세라믹기판은 가열되고 반대면인 하부 세라믹기판은 냉각된다. 즉, 상기 열전반도체 모듈의 신뢰성인 전열성능 및 열전성능은 상/하부 세라믹기판의 열전도도와 p형 및 n형 열전반도체 기둥과 도체층 사이의 접합강도에 의해 좌우된다.
다시 말해, 열전반도체 모듈에 전압을 인가시 지속적으로 일정한 압착력을 가하는 것에 의해 열전반도체 모듈의 신뢰성인 전열성능 및 열전성능을 확보할 수 있는 것이다.
이와 같은 구조를 갖는 종래의 열전반도체 모듈은 압착력을 가하기 위하여 상부 세라믹기판의 상면에 소정의 하중을 갖는 철판등과 같은 부재를 안착시켜 접합시키게 되므로 동일한 하중으로 압착력이 전달되지 않고 편중된 하중 또는 적정하중에 미달되는 압착력이 가해지는 등의 문제로 인하여 불량률 증가와 함께 전열성능 및 열전성능 등의 신뢰성을 확보할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자, 상부 세라믹기판에 지속적으로 균일한 압착력을 가함으로써 열전반도체 모듈의 신뢰성인 전열성능 및 열전성능을 향상시킬 수 있도록 한 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상부 지지판과; 상기 상부지지판에 일단이 연결되며, 인/입출가능한 복수개의 지지봉과; 상기 지지봉의 타단에 연결되는 하부 지지판과; 상기 복수개의 지지봉에 압을 제공하기 위한 압발생부와; 상기 상부 지지판의 저면에 부착된 압착감지용 센서와; 상기 압착감지용 센서로부터 센싱된 값에 대응되게 예입력된 압력값을 항상 유지가능하도록 한 제어부를 포함하여 이루어진 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 상부지지판의 저면 및 하부지지판 상면에는 위치 확보 를 위한 홈이 각각 요설됨을 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 압착감지용 센서가 상부 지지판의 저면에 요설된 홈의 중앙부에 위치되어 이루어진 것을 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 압발생부가 유압 또는 공압 중 선택된 어느 하나로 구성됨을 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다. 또한 본 발명은 상기 하부지지판 및 상부지지판에 세리믹 기판을 안착시키고 상기 기판 상에 Ag 페이스트로 전극을 형성하고, 메탈라이징된 산화물 반도체의 양 끝단에 Ag페이스를 프린팅한 후 하부지지판 및 상부지지판의 전극부분에 n, p형의 쌍으로 배열한 후 상기 n, p형 반도체에 순차적으로 Ag-Ag-Au 전극을 동일한 높이로 형성하여 접합부를 형성함을 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 상부지지판 및 하부지지판이 Ni계열 합금 또는 스테인레스 또는 Ti 합금임을 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 접합부가 Au층이 더 형성되어 Ag-Au-Ag-Au가 순차적으로 배열된 4층으로 구성됨 열전반도체 모듈용 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 열전반도체 모듈용 제조 장치는, 상부 지지판과; 상기 상부지지판에 일단이 연결되며, 인/입출가능한 복수개의 지지봉과; 상기 지지봉의 타단에 연결되는 하부 지지판과; 상기 복수개의 지지봉에 압을 제공하기 위한 압발생부와; 상기 상부 지지판의 저면에 부착된 압착감지용 센서와; 상기 압착감지용 센서로부터 센싱된 값에 대응되게 예입력된 압력값을 항상 유지가능하도록 한 제어부;를 포함하여 구성된다.
상기 상부지지판의 저면과 및 하부지지판 상면에는 위치 확보용 홈이 요설됨을 더 포함하여 이루어진다.
상기 압착감지용 센서는 상부지지판의 저면에 요설된 홈의 중앙부에 위치되어 이루어진다.
상기 압발생부는 유압 또는 공압 중 선택된 어느 하나로 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 열전반도체 모듈용 제조장치에 따르면, 상부 세라믹기판에 지속적으로 균일한 압착력을 가함으로써 열전반도체 모듈의 신뢰성인 전열성능 및 열전성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 열전반도체 모듈용 제조 장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이 상하로 간격을 두고 평행하게 배열된 두 층의 상/하부 세라믹기판(10, 10')과, 상기 각각의 세라믹기판상(10, 10')에 스퍼터링된 상/하부 도체층(20, 20') 및 각각의 도체층(20, 20')에 접착된 p형 열전반도체 기둥(30) 및 n형 열전반도체 기둥(40)으로 이루어진 열전반도체 모듈(도 1참조)의 상/하부 세라믹기판을 압착 및 가압시키기 위한 상/하부 지지판(110, 120)이 구비된다.
그리고, 상기 상/하부 지지판(110, 120)의 저면 및 상면에는 상/하부 세라믹기판(10, 10')의 위치를 결정하여 유동을 방지하기 위한 홈(112, 122)이 형성된다.
또한, 상기 상부 지지판(110)의 저면에 형성된 홈(112, 122)에는 장치 구동에 따른 상부지지판(110)이 하향 이동하여 상기 상부 세라믹기판(10)의 상면에 압착을 가할 때 압착력을 센싱하여 항상 동일한 압착력이 상기 상부 세라믹기판의 상부에 가해질 수 있도록 하기 위한 압착감지용 센서(150)가 구비된다.
이때, 상기 상/하부 지지판(110, 120)의 저면과 상부에는 각 일단이 고정되어 유압 제공에 대응되게 인/입출됨에 됨에 따른 상기 상부 지지판(110)이 상,하 이동가능하도록 유압 인입부와 유출부를 갖는 복수개의 지지봉(130)이 구비된다.
즉, 상기 상/하부 지지판(110, 120)은 지지봉(130)에 의해 상하로 간격을 두고 평행하게 구비된다.
또한, 상기 복수개의 지지봉(130)에 유압을 각각 제공하기 위한 압발생부(140)가 구비된다. 상기 압발생부(140)는 장치의 구동에 따른 압착감지용 센서(150)로부터 센싱된 값에 대응되게 제어하기 위한 제어부(160)가 구비된다. 아울러, 상기 제어부(160)에는 압력값을 입력하기 위한 복수개의 버튼이 구비된다.
한편, 상기한 압발생부(140)는 유압을 일예로 하여 설명하였으나, 이에 한정 하는 것은 아니며, 상기 복수개로 구비되는 지지봉(130)을 인/입출가능하도록 하는 것에 족하며, 예컨대, 공압을 발생하는 것으로도 가능하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 열전반도체 모듈용 제조 장치를 이용하여 열전반도체 모듈을 제조할 경우에는 상하로 간격을 두고 평행하게 배열된 두 층의 상/하부 세라믹기판과, 상기 각각의 세라믹기판상에 스퍼터링된 상/하부 도체층 및 각각의 도체층에 접착된 p형 열전반도체 기둥 및 n형 열전반도체 기둥으로 이루어진 열전반도체 모듈을 하부 지지판(120)의 상면에 구비된 홈(122)에 안착시킨다.
이와 같이 하부 지지판(120)의 홈(122)에 열전반도체 모듈이 안착되면, 제어부(160)에 구비된 버튼을 이용하여 최적의 압착력을 제공하기 위한 압착력을 입력한 후 장치를 구동시킨다.
상기 장치 구동으로 인하여 압발생부(140)로부터 유압이 인/입출가능한 지지봉(130)의 유입부측으로 제공되고, 그로 인하여 장치의 상부 지지판(110)이 하향 이동하여 열전반도체 모듈의 상부세라믹 기판의 상부면을 압착시키게 된다.
이때, 상기 상부 지지판(110)의 저면 홈(112)에 구비된 압착감지용 센서(150)는 압력을 지속적으로 센싱하게 되고, 센싱된 값은 제어부(160)측으로 인가되어 진다.
즉, 장치가 구동하게 되면, 상기 압착감지용 센서(150)에 의해 상부 지지판(110)에서 가하는 압착은 상기 제어부(160)에 예입력값으로 항상 일정하게 유지되어 진다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장치의 하부 지지판과 상부지지판의 개념도 및 상기 장치 이용한 열전반도체 모듈의 제조단계 상 접합체의 분해도를 나타낸 것이다.
우선 도 3을 참고하여 설명하면 본 발명에 의한 모듈은 세라믹기판(210)에 Ag 페이스트를 스크린 프린팅 하여 전극(220)을 형성하고, 소성된 세라믹 기판(210)을 기판 크기로 가공된 홈(122)을 하부지지판(120)에 주입하여 준비한다.
한편 도 4는 상부지지판을 도시한 것으로서, 상기 하부지지판과 동일한 크기를 가지고 있으며. Ag전극(320), 세라믹 기판(310), 기판 크기로 가공된 홈(112)로 구성되어 있다. 전극의 패턴은 열전쌍의 개수에 따라 변형이 가능하며 금속 고정 장치의 크기 또한 기판의 크기에 따라 다양하게 제작이 가능하다.
도 5는 산화물 열전 모듈의 접합에 관한 전체 분해 개념도를 나타낸 것으로서, 메탈라이징된 산화물 반도체의 양 끝단에 Ag페이스를 얇게 프린팅한 후 하부지지판(120)의 전극부분(220)에 n, p형의 쌍으로 배열한다. 이 후 n, p형의 육면체(510)와 Ag-Ag-Au 전극(540-530-520)의 높이는 거의 일정한 높이를 유지 할 수 있도록 가공오차를 최소로 한다. 도 5와 같이 형태로 채결된 모듈 제작을 위한 금속 형틀은 도 2와 같은 형태로 단단히 고정 시킨후 Ag 소성온도 영역으로 전체를 소성한다. 이런 경로로 접한된 전극은 접합부의 높이 차이로 인한 n, p형 산화물 반도체 쌍의 전극저항의 차이를 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
한편 상기 고정 장치는 고온에서 안정한 금속인 Ni계열 합금 (또는 스테인레 스, Ti 합금)을 사용함이 바람직하며, 세라믹 기판은 Al2O3, 접합부는 Ag-(Au)-Ag-Au의 3 내지 4층으로 구성됨 바라직하며, Au 박판은 100㎛정도 두께로 제작된 시트를 사용하여 산화물 반도체에 직접 라미네이팅할 수 있다.
도 6은 Ca 계열 p 형 열전소자, In 계열 n 형 열전소자 2쌍을 이용하여 종래의 모듈 접합방법과 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장치와 상기 실시예를 이용하여 열전반도체 모듈을 접합시켰을 때의 접합강도에 대한 비교 그래프이다.
도 6의 그래프에서도 알 수 있듯이 동일한 2쌍의 열전 소자로 약 160℃에서 전극 소성을 통하여 모듈을 제조할 경우 종래의 방법으로 접합하였을 경우는 0.15MPa의 접합 강도를 가지는데 비해, 본 발명에 따른 열전반도체 모듈용 제조 장치를 이용하여 제조된 열전반도체 모듈의 접합강도는 0.3 MPa 정도의 접합 강도를 보여 약 120% 정도의 성능이 향상된 열전반도체 모듈을 얻을 수 있게 된다. 이는 높은 압력을 유지하여 각각의 재료의 열팽창 계수 차이를 보상할 수 있도록 강제 제어함으로써 접합 계면의 접합 밀도를 향상시켜 강도향상에 기여함을 알 수 있다.
또한, 도 7은 Ca 계열 p 형 열전소자, In 계열 n 형 열전소자 2쌍을 이용하여 약 120 S/Cm와, 약 130 S/Cm의 전기 전도도를 갖는 p형 및 n형 열전반도체 기둥을 종래의 모듈 접합방법과 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장치 및 상기 실시예를 이용하여 모듈을 접합하였을 경우, 모듈의 특성 중 전극 접합에 그 특성이 크게 변화를 보이는 모듈의 전기 저항 특성을 비교한 그래프이다.
즉, 상기 그래프에서도 알 수 있듯이 종래의 방법으로 제조된 모듈의 경우는 전기 저항이 상온에서 0.8Ω에서 700℃에서 약 0.7Ω의 특성을 보이는데 비해 본 발명의 장치를 이용하여 제조된 모듈의 경우는 상온에서 0.5Ω에서 700℃에서 약 0.41Ω 정도의 값을 얻게 된다. 이는 동일한 소자의 특성 변화를 고려하였을 때 저항값의 차이는 세라믹 기판과 전극, 열전소자간의 접합 강도, 접합부의 형상 등이 종래의 방법보다 지그를 이용한 모듈 제조 방법이 우수한 특성을 보이므로 인하여 저항값의 향상을 나타내는 것으로 설명될 수 있다. 저항값의 향상은 곧 모듈의 출력 향상 직접적인 영향을 줄 수 있는 부분으로 종래의 방법은 모듈의 성능향상에 큰 기여를 할 것으로 판단되어 진다.
따라서, 본 장치로 제조된 열전반도체 모듈은 불량률 감소로 인한 전열성능 및 열전성능 등의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 일반적인 열전반도체 모듈를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열전 반도체 모듈용 제조장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하부지지판의 개념도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상부지지판의 개념도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 산화물 열전 모듈의 접합에 관한 전체 분해 개념도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장치에 의해 제조된 모듈과 종래기술에 의해 제조된 모듈의 접합강도를 비교한 그래프.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 장치에 의해 제조된 모듈과 종래기술에 의해 제조된 모듈의 전기 저항 특성을 비교한 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110 ; 상부 지지판 120 ; 하부지지판
130 ; 지봉 140 ; 압발생부
150 ; 압력측정센서 160 ; 제어부

Claims (7)

  1. 상부 지지판과;
    상기 상부지지판에 일단이 연결되며, 인/입출가능한 복수개의 지지봉과;
    상기 지지봉의 타단에 연결되는 하부 지지판과;
    상기 복수개의 지지봉에 압을 제공하기 위한 압발생부와;
    상기 상부 지지판의 저면에 부착된 압착감지용 센서와;
    상기 압착감지용 센서로부터 센싱된 값에 대응되게 예입력된 압력값을 항상 유지가능하도록 한 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부지지판의 저면과 및 하부지지판 상면에는 위치 확보를 위한 홈이 각각 요설됨을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 압착감지용 센서는 상부 지지판의 저면에 요설된 홈의 중앙부에 위치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압발생부는 유압 또는 공압 중 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부지지판 및 상부지지판에 세라믹 기판을 안착시키고 상기 기판 상에 Ag 페이스트로 전극을 형성하고,
    메탈라이징된 산화물 반도체의 양 끝단에 Ag페이스를 프린팅한 후 하부지지판 및 상부지지판의 전극부분에 n, p형의 쌍으로 배열한 후 상기 n, p형 반도체에 순차적으로 Ag-Ag-Au 전극을 동일한 높이로 형성하여 접합부를 형성함을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부지지판 및 하부지지판은 Ni계열 합금 또는 스테인레스 또는 Ti 합금임을 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    접합부는 Au층이 더 형성되어 Ag-Au-Ag-Au가 순차적으로 배열된 4층으로 구성됨 특징으로 하는 열전반도체 모듈용 제조 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040040046A (ko) * 2002-11-06 2004-05-12 코닉 시스템 주식회사 Ｌｃｄ 패널 제조용 가압장치
KR20070029431A (ko) * 2005-09-09 2007-03-14 삼성에스디아이 주식회사 기판 합착장치 및 이를 이용한 기판 합착방법

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