KR101063920B1 - 베어타입 열전모듈의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 구리판의 일면에 열분사법 또는 저온분사법으로 알루미나 분말을 접착시켜 알루미나층을 형성시키는 제1단계와; 상기 알루미나층이 형성된 구리판을 인접하는 p형 소자 및 n형 소자를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 소정 형상으로 절단시키는 제2단계와; 상기 절단된 알루미나층이 형성된 구리판의 타면에 p형 소자 및 n형 소자를 일정 간격을 두고 접합시켜 p형 소자 및 n형 소자를 직렬로 연결시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어타입 열전모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 종래의 열전모듈과 달리 알루미나 기판을 사용하지 않으므로 알루미나 기판과 구리 전극 사이의 접합 문제가 없어 열전모듈의 제조공정이 간단해지며, 또한, 알루미나 기판과 구리 전극 사이의 접합층이 존재하지 않게 되므로, 열전발전시 열원으로부터 흡수할 수 있는 열원 이용율의 개선이 가능하여 열전 발전 효율을 향상을 기대할 수 있으며, 고가의 알루미나 기판을 사용하지 않아도 되므로 열전모듈의 제조 단가 및 열전모듈의 가격을 인하시키는 효과가 있다.
열전모듈 열전소자 알루미나 기판 베어타입

Description

베어타입 열전모듈의 제조방법{manufacturing method of bare type thermoelectric module}
본 발명은 열전모듈에 관한 것으로서, 특히 종래의 절연 기판인 알루미나 기판 등을 사용하지 않고 전극으로 사용되는 구리판이 알루미나층을 형성시켜 이를 절단하여 열전소자 간을 전기적으로 연결시켜 제조방법을 간단히 하고 비용을 절감시키는 베어타입 열전모듈의 제조방법 및 그 열전모듈에 관한 것이다.
일반적으로 열전모듈은 펠티어(Peltier) 효과와 제벡(seebeck) 효과를 이용한 것으로, 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환시스템으로, 극전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환할 수 있으며, 또한 제벡 효과에 의해 모듈 양단 간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 장치이다.
이와 같은 열전모듈은 냉각용과 발전용이 있으며, 빠르고 우수한 냉각효과 또는 발전효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부피가 매우 작기 때문에 차세대 냉각 및 발전소자로 각광받고 있으며, 특히 냉각용 전자소자와 같이 시스템의 안정성을 요하나 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 요하는 경우, 온도의 정밀 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되어지고 있고, 발전용은 배폐열과 같은 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는데 사용되어지고 있다.
도 1은 종래의 열전모듈에 대한 개략적인 사시도이다. 본 발명에서는 냉각용 열전모듈(10)을 중심으로 설명하고자 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 열전모듈은 알루미나(Al2O3) 등과 같은 세라믹(ceramics) 재질의 기판(11)(12) 사이에 n형과 p형의 열전소자(13)들을 배열시켜 형성되며, p형 소자와 n형 소자를 구리와 같은 금속전극(14)에 접합시키고 상기 회로 p-n쌍(couple) 양분지단의 극을 각각 -,+로 되도록 직류 전류를 흘리면, 펠티어 효과에 따라 p형 소자 내의 정공은 -극으로, n형 소자 내의 전자는 반대극으로 이끌리게 된다.
이때 정공과 전자 모두 상부의 p-n접합부 전극으로부터 열을 갖고 하부 양분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 접합부에서는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부의 양분지단은 열을 방출하게 된다. 전류의 흐름을 반대로 하면, 이와 반대의 효과가 일어난다.
한편, 발전용 모듈은 모듈의 양단에 일정 온도차를 형성시키면 제벡효과에 의해 모듈에서 직류전압이 발생하여 전기에너지를 얻을 수 있게 되는 것이다.
따라서 열전모듈은 냉각용 또는 가열용으로 사용될 수 있어 온도조절이 필요한 장치에 매우 적절하며, 열에너지로부터 전기에너지를 생성시킬 수 있어 발전용으로도 이용할 수 있다.
종래의 이러한 열전모듈은 상술한 바와 같이 크게 알루미나 기판, 열전소자 그리고 구리와 같은 금속전극의 3부분으로 구성되어 있다. 이 3부분을 전기적, 열적으로 연결하기 위해 이들 사이를 납땜하거나(열전소자와 구리 전극 사이), 필러(filler)와 같은 접합재로 접합되어 있고(구리 전극과 알루미나 기판 사이), 또한 열전소자의 특성을 유지하기 위해 고온 확산방지층이 형성되어 있다.
상기와 같이 종래의 열전모듈은 알루미나 기판을 사용함으로써 알루미나 기판과 구리 전극과의 접합이 필요하는 등 제조공정이 번거로우며, 접합계면에서의 물성 차이에 의한 전기저항이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 알루미나 기판은 열전도성이 우수하지만, 금속에 비해서는 매우 낮은 열전도성으로 인해 열전모듈의 효율 향상에 한계가 있으며, 상기 알루미나 기판이 일반적으로 고가여서 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 절연 기판인 알루미나 기판 등을 사용하지 않고 전극으로 사용되는 구리판이 알루미나층을 형성시켜 이를 절단하여 열전소자 간을 전기적으로 연결시켜 제조방법을 간단히 하고 비용을 절감시키는 베어타입 열전모듈의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 구리판의 일면에 열분사법 또는 저온분사법으로 알루미나 분말을 접착시켜 알루미나층을 형성시키는 제1단계와; 상기 알루미나층이 형성된 구리판을 인접하는 p형 소자 및 n형 소자를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 소정 형상으로 절단시키는 제2단계와; 상기 절단된 알루미나층이 형성된 구리판의 타면에 p형 소자 및 n형 소자를 일정 간격을 두고 접합시켜 p형 소자 및 n형 소자를 직렬로 연결시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어타입 열전모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 알루미나층은, 두께가 50~500㎛인 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 종래의 열전모듈과 달리 알루미나 기판을 사용하지 않으므로 알루미나 기판과 구리 전극 사이의 접합 문제가 없어 열 전모듈의 제조공정이 간단해지는 효과가 있다.
또한, 알루미나 기판과 구리 전극 사이의 접합층이 존재하지 않게 되므로, 열전발전시 열원으로부터 흡수할 수 있는 열원 이용율의 개선이 가능하여 열전 발전 효율을 향상을 기대할 수 있으며, 고가의 알루미나 기판을 사용하지 않아도 되므로 열전모듈의 제조 단가 및 열전모듈의 가격을 인하시키는 효과가 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 베어타입(bare type) 열전모듈에 대한 사시도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열전모듈(100)은 베어타입(bare type) 즉, 종래의 알루미나판이나, 산화알루미늄이 형성된 알루미늄판과 같은 절연 기판이 없는 열전모듈로써, 전극과 기판의 역할을 동시에 하는 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)과, 열전소자(110)만으로 구성된 것이다. 물론, 구리판과 열전소자를 접합하기 위한 접합층(s)은 존재한다.
본 발명에 따른 베어타입 열전모듈(100)을 제조하기 위해서는, 구리판(120)의 일면에 열분사법 또는 저온분사법으로 알루미나 분말을 접착시켜 알루미나층(130)을 먼저 형성시킨다. 상기 알루미나층의 두께는 50~500㎛ 정도가 바람직하며, 이는 전기 절연 성능을 유지하고, 열전발전을 위한 외부 열원으로부터 열을 흡수하기 위해 필요한 정도의 열전도성을 가지는 두께이다.
그 다음 상기 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)을, 인접하는 p형 소자 및 n형 소자를 전기적으로 연결시킬 수 있을 정도의 크기로 절단시킨다. 일반적으로 열전모듈은 p형 소자 및 n형 소자가 교대로 배열형성되어 있는데, 각 인접하는 p형 소자 및 n형 소자는 서로 전기적으로 연결되어 전체적으로 직렬 연결을 이루도록 형성되므로, 상기 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)은 이 인접하는 p형 소자 및 n형 소자만을 전기적으로 연결시킬 수 있을 정도의 크기로 절단되게 된다.
그리고, 상기 절단된 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)의 타면, 즉 알루미나층(130)이 형성되지 않은 면에 상기 p형 소자 및 n형 소자를 일정 간격을 두고 접합시켜, 상기 p형 소자 및 n형 소자를 직렬로 연결시킨다. 여기에서 상기 구리판(120)과 열전소자(110) 간의 접합을 위한 접합층(s)은, 납땜으로 구현되는데, 납땜 물질은 전기적 저항이 작고, 비용이 저렴한 Sn-Pb 복합물, Sn-Ag-Cu 복합물, Sn-Cu 복합물, Sn-Bi 화합물 또는 Sn-Zn 화합물 등을 사용한다.
이와 같이 알루미나층이 형성된 구리판은, 열전소자 간을 연결시키기 위해 소정 크기로 절단되어 종래의 전극의 역할을 함과 동시에, 다른 쪽 면에는 알루미나층이 형성되어 절연 및 열전도성이 뛰어난 종래의 기판의 역할을 하게 되어, 알루미나 기판의 제조 공정 및 구리 전극과 기판과의 접합 공정 등이 존재하지 않게 되므로 제조방법 및 제조단가를 인하시킬 뿐만 아니라, 열전발전시 열원으로부터 흡수할 수 있는 열원 이용율의 개선이 가능하여 열전 발전 효율을 향상을 기대할 수 있게 된다.
도 1 - 종래의 열전모듈에 대한 개략적인 단면도.
도 2 - 본 발명에 따른 베어타입 열전모듈에 대한 사시도.
도 3 - 본 발명에 따른 베어타입 열전모듈의 일부분에 대한 단면도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
10 : 종래의 열전모듈 11, 12 : 기판
13 : 열전소자 14 : 금속전극
100 : 본 발명에 따른 열전모듈 110 : 열전소자
120 : 구리판 130 : 알루미나층

Claims (4)

  1. 구리판(120)의 일면에 열분사법 또는 저온분사법으로 알루미나 분말을 접착시켜 알루미나층(130)을 형성시키는 제1단계와;
    상기 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)을 인접하는 p형 소자 및 n형 소자를 전기적으로 연결시킬 수 있도록 소정 형상으로 절단시키는 제2단계와;
    상기 절단된 알루미나층(130)이 형성된 구리판(120)의 타면에 p형 소자 및 n형 소자를 일정 간격을 두고 접합시켜 p형 소자 및 n형 소자를 직렬로 연결시키는 제3단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어타입 열전모듈의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 알루미나층(130)은,
    두께가 50~500㎛인 것을 특징으로 하는 베어타입 열전모듈의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07321378A (ja) * 1994-05-27 1995-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱電素子およびその製造方法
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