KR101139837B1 - 열전모듈 제조장치 및 그에 의해 제조된 열전모듈 - Google Patents

Abstract

절연격막으로 충진된 펠릿 상에 상부 및 하부전극을 간단하고 불량이 일어나지 않도록 형성하는 열전모듈의 제조장치 및 그에 의해 제조된 열전모듈을 제시한다. p형과 n형 열전반도체 펠릿들 사이에 절연체로 충진되고 p형과 n형 열전반도체 펠릿이 쌍을 이루어 교대로 줄지어 배치되면서 하나로 묶인 다발의 적어도 일측면에 형성된 전극층을 패터닝하는 장치에 있어서, 패터닝하는 장치는 레이저빔에 의해 전극층을 식각하여 서로 분리된 열전회로를 형성하는 레이저빔 식각기와 이에 의해 제조된 열전회로를 포함한다.

열전반도체, 절연격막, 펠릿, 레이저 식각기, 식각

Description

열전모듈 제조장치 및 그에 의해 제조된 열전모듈{Apparatus of manufacturing thermoelectric module and thermoelectric module manufactured by the apparatus}

본 발명의 열전모듈 제조장치 및 그 열전모듈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 식각 기술을 이용하여 고 집적된 열전 모듈의 제조장치 및 그에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.

전자 냉각 모듈 또는 열전발전 모듈은 상하의 전극 사이에 다수의 p형 열전 반도체 소자들과 n형 열전 반도체 소자들을 전기적으로 교대로 연결하고, 직류 전류를 흐르게 하여 발생하는 펠티어(Peltier) 효과를 냉각 또는 가열,발전 수단으로 이용하는 모듈이다. 예를 들어, 열전모듈은 첨단 의료기기에 내장된 다수의 적외선 다이오드를 냉각시키기 위하여 각각의 다이오드를 감싸는 역할에 사용할 수 있고 온도차를 이용한 발전을 위해 사용 할 수 있다.

도 1은 종래의 열전모듈을 나타내는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 전자 냉각 모듈은 상부 전극(10)과 하부 전극(12) 사이에 펠릿 형태의 다수의 p형과 n형의 열전 반도체들(20, 22)이 간격(W1)을 유지하면서 교대로 줄지어 배치된다. 도면 에 표현되지는 않았지만, 하부 전극(12)에는 리드선이 부착되어 직류전류가 인가된다.

열전모듈은 방열 처리를 위한 용량 및 크기를 기준으로 범용 또는 마이크로 전자 냉각 모듈로 구분된다. 통상적으로 범용 열전모듈의 경우 약 40㎜*40㎜ 정도인 반면에 열전모듈은 8㎜*8㎜보다 작다. 간격(W1)은 인접한 펠릿(20, 22) 사이에 형성된 간격으로서, 이는 극성이 서로 다른 p형, n형 펠릿(20, 22) 사이에 적절한 절연 상태가 유지되도록 하기 위한 것이다. 이와 같은 간격(W1)은 종래의 열전모듈의 크기와 부피를 줄이는 데 한계가 되고 있다.

보다 구체적으로, 상기 간격(W1)은 전기적인 절연을 위한 최소한 공간으로서, 범용 모듈의 경우 약 0.8㎜ 그리고 마이크로 모듈의 경우에는 약 0.3~0.5㎜가 요구된다. 이로 인하여, 0.4㎜급 마이크로 모듈의 경우에는 접합할 수 있는 펠릿의 수는 25개를 넘지 못한다. 이에 따라 종래의 열전모듈은 특정한 한계 크기 이하의 소형 모듈을 제조할 수 없으며, 특히 첨단 장비에 내장된 발열체 부품이 아무리 작아진다고 해도 이를 냉각시켜 주기 위한 열전모듈의 크기를 줄일 수 없는 문제가 있다.

한편, 열전모듈의 크기를 줄이기 위하여 펠릿 사이에 절연격막을 배치하여 전기적인 절연을 이루고 펠릿을 집적하는 방법이 제시되었다. 즉, 팰릿 사이에 절연 격막을 형성하고 소잉(sawing) 공정을 거쳐 얻어진 펠릿의 상하 양쪽 표면에 솔더 코팅, 즉 금속제 접합제를 도포하고, 이에 맞추어 상부 및 하부 전극을 접합시킨 후에 리드선을 부착하여 열전모듈을 완성한다.

하지만, 위의 방법은 솔더 코팅 후에 상부 및 하부 전극을 하나씩 절연격막이 형성된 펠릿 상에 부착해야 하는 번거로움이 있다. 즉, 상부 및 하부 전극을 형성하기 위해서는 반드시 솔더 코팅이 필요하고, 정확하게 정렬하여 전극들을 부착해야 하므로, 공정이 복잡하고 불량이 발생하기 쉬워 작업 효율이 저하된다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 절연격막으로 충진된 펠릿 상에 상부 및 하부전극을 간단하고 불량이 일어나지 않도록 형성하는 열전모듈의 제조장치를 제공하는 데 있다. 또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 장치에 의해 제조된 전자 냉각 모듈을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 열전모듈의 제조장치는 p형과 n형 열전반도체 펠릿들 사이에 절연체로 충진되고, 상기 p형과 n형 열전반도체 펠릿이 쌍을 이루어 교대로 줄지어 배치되면서 하나로 묶인 다발의 적어도 일측면에 형성된 전극층을 패터닝하는 장치에 있어서, 상기 패터닝하는 장치는 레이저빔에 의해 상기 전극층을 식각하여 서로 분리된 열전회로를 형성하는 레이저빔 식각기를 포함한다.

본 발명의 제조장치에 있어서, 상기 레이저빔은 스폿의 크기가 조절되어 상기 전극층이 식각되는 폭을 결정할 수 있으며, 상기 열전회로 상에 상기 모듈을 보호하기 위한 절연막을 형성하는 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 열전모듈은 p형과 n형 열전반도체 펠릿들 사이에 절연체로 충진되고, 상기 p형과 n형 열전반도체 펠릿이 쌍을 이루어 교대로 줄지어 배치되면서 하나로 묶인 다발 형태의 열전반도체 펠릿 및 상기 펠릿의 적어도 일측면에 형성되면서, 상기 p형과 n형으로 쌍을 이루는 펠릿을 서로 전기적으로 연결하면서, 상기 쌍들이 스폿크기를 조절할 수 있는 레이저빔에 의해 서로 분리된 열전회로를 포함한다.

본 발명의 바람직한 냉각 모듈에 있어서, 상기 절연체는 상기 펠릿들의 표면을 코팅되거나 상기 펠릿들 사이에 충진되거나 상기 펠릿들의 표면을 코팅한 후에 상기 펠릿들 사이에 충진 될 수 있다. 또한 상기 열전회로 상에는 상기 모듈을 보호하기 위한 절연막이 더 형성할 수 있고, 상기 절연막은 저온 환경과 고온 환경에 따라 재질이 결정될 수 있으며, 상기 저온 환경에 사용되는 절연막은 폴리이미드, 에폭시 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명의 열전모듈의 제조장치 및 그에 의해 제조된 열전모듈은 레이저빔에 의해 열전회로를 형성함으로써, 절연격막으로 충진된 펠릿 상에 상부 및 하부전극을 간단하고 불량이 일어나지 않도록 할 수 있다. 또한 열전회로 상에 절연막을 더 형성함으로써, 사용환경에 따라 절연막의 재질을 다양하게 선택할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한 다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 절연재로 충진된 펠릿 상에 레이저 식각 기술로 간단하고 불량이 없는 상부 및 하부전극을 형성하는 열전모듈의 제조장치를 제시한다. 이를 위해, 먼저 펠릿 사이의 간격을 절연재로 충진하는 과정을 살펴보고, 이어서 절연재가 충진된 펠릿 상에 레이저 식각기술로 상부 및 하부전극을 형성하는 과정을 설명하기로 한다. 나아가, 상부 및 하부전극 상에 상기 모듈을 보호하는 절연막을 형성하여 열전모듈을 완성하는 방법을 상세하게 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 열전모듈을 제조하는 과정을 설명하는 흐름도이다. 도 3a 내지 도 3f는 도 2의 열전모듈의 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 공정사시도들이다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, p형 열전 반도체 또는 n형 열전 반도체로 이루어진 벌크 형태의 열전 재료를 슬라이싱(slicing)하거나 파우더법을 이용하여 상기 p형 또는 n형 열전재료를 슬랩(slap)화 한다(S10). 즉, 슬라이싱 또는 슬랩을 통하여 일정한 두께(d)를 가진 평판 형태의 열전재료(100)를 형성한다.

이어서, 평판 형태의 열전재료를 일정한 간격(W2)을 가지도록 한쪽 방향으로 다이싱(dicing)한다. 이때, 간격(W2)은 추후에 절연재로 충진할 공간이다. 이에 따라, 평판 형태의 열전재료는 한쪽 방향의 길이가 긴 직육면체 기둥 형태의 다수개 의 열전재료(101)로 분리된다.

도 2 및 도 3b에 의하면, 한쪽 방향의 길이가 긴 기둥 형태의 열전 재료 각각의 표면을 절연체로 코팅하거나 절연체로 충진하여, 상기 간격(W2)을 절연격막으로 매립한다(S12). 여기서, 코팅된 절연체나 충진된 절연체를 절연격막(103)이라고 한다. 구체적으로, 표면이 절연체로 코팅된 다수개의 열전재료(101)를 간격(W2)을 가진 매트릭스(matrix) 형태로 스태킹(stacking)하거나, 상기 간격(W2)을 가지는 다수개의 열전재료(101)를 매트릭스 형태로 스태킹한 후에 상기 간격(W2)을 절연체로 충진한다. 이에 따라, 장방형의 열전재료(101)들은 매트릭스 형태와 같이 다발 모양으로 일체화된다. 경우에 따라, 먼저 표면을 절연체로 코팅한 후에 표면에 코팅된 절연체와 동일하거나 다른 절연체로 상기 간격(W2)을 채울 수 있다.

절연재는 그 재료와 이를 형성하는 방법은 특별하게 제한되지 않는다. 바람직하게는 화학증착중합에 의해 형성된 폴리이미드 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌; 듀퐁사의 파릴린) 중에서 선택할 수 있고, 서로 접착되는 중공 입자의 집합체, 예를 들면 입경 3~30㎛ 정도의 다수의 중공 유리 비즈(glass beads)를 규산 유리계의 접착제로 접착한 중공 유리 비즈의 집합체일 수 있다. 중공 유리 비즈는 중공체의 탄력에 근거하는 유연성을 가지고 또한 500℃ 이상의 내열성을 가진다.

도 2 및 도 3c를 참조하면, 매트릭스 형태로 묶여서 다발 모양으로 일체화된 열전재료(101)를 일정한 높이(h)만큼 되도록 잘라서 다수개의 열전 펠릿(105)들을 형성한다(S14). 여기서, 개개의 열전 펠릿(105)은 본 발명의 실시예에 의한 전자 냉각 모듈을 이루는 열전 소자이다. 이때, 다수개의 열전 펠릿(105)들도 앞에서와 같이 매트릭스 형태로 다발 모양을 가진다.

도 2 및 도 3d에 의하면, 다발 모양의 다수개의 열전 펠릿(105)의 양측의 전면에 전극층(110, 112)을 형성한다(S16). 이때, 나중에 리드선이 연결될 전극층을 하부전극층(112)이라고 하고, 리드선이 연결되지 않는 전극층을 상부전극층(110)이라고 한다. 전극층(110, 112)을 이루는 물질은 다양하게 선택할 수 있으나 구리(Cu)가 바람직하며, 전극층(110, 112)의 두께는 펠릿(105) 사이에 전기적인 결합력을 구조적으로 유지하기 위하여 약 100㎛ 이내인 것이 바람직하다.

전극층(110, 112)을 형성하는 방법은 제한하지 않으나, 플라즈마 스프레이(spray) 코팅법이나 증착법이 바람직하다. 플라즈마 스프레이 코팅법은 고온, 고속의 플라즈마 불꽃 내의 선(wire) 또는 분말 형태의 재료를 공급하여 코팅하는 방법이다. 상기 방법은 용융된 분말을 코팅하므로 코팅 속도가 매우 빠르고 코팅층은 분말의 조성을 거의 그대로 유지하기 때문에 코팅층의 조성의 조절이 쉬울 뿐 아니라 복합재료 등도 쉽게 코팅할 수 있다. 증착법은 열 증착법, 전자빔 증착법, 스퍼터링법, 화학기상증착 등이 있으나 그 중에서 열 증착 또는 전자빔 증착법을 사용하는 것이 좋다.

도 2 및 도 3e에 따르면, 다수개의 열전 펠릿(105)들 양측의 전면에 형성된 전극층(110, 112)을 레이저 식각기(120)를 이용하여 패터닝(patterning)하여 직렬 열전회로(110a, 112a)를 형성한다(S18). 즉, 레이저 식각기(120)에 의해 전극층(110, 112)은 p형과 n형으로 쌍을 이루는 펠릿(105)을 서로 전기적으로 연결하면 서, 상기 쌍들이 서로 분리된 열전회로(110a, 112a)를 이룬다. 여기서, 나중에 리드선이 연결될 열전회로는 하부전극(112a)이라고 하며, 리드선이 연결되지 않는 열전회로는 상부전극(110a)이라고 한다. 이에 따라, 상부전극(110a) 사이와 하부전극(112a) 사이는 절연격막(103)이 노출된다.

구체적으로, 레이저 식각기(120)에 의해 발생하는 레이저빔을 전극층(110, 112)에 조사하면, 레이저빔에 의해 전극층(110, 112)이 식각된다. 레이저 식각기(120)를 사용하면, 레이저빔의 스폿크기를 조절하여 전극층(110, 112)을 균일하고 정밀하게 패터닝할 수 있으며, 작업시간을 단축할 수 있다. 이때, 레이저빔은 200㎚ 내지 400㎚ 사이의 자외선 파장대역 또는 900㎚ 내지 1100㎚ 사이의 적외선 파장대역일 수 있다.

도 2 및 도 3f를 참조하면, 상부전극(110a) 또는 하부전극(112a)의 표면에 절연막(140)을 형성하고, 하부전극(112a)에는 도시된 바와 같이 리드선(130)을 부착한다(S20). 절연막(140)은 본 발명의 모듈을 외부환경이나 충격으로부터 보호하기 위한 것으로, 용도에 따라 적합한 물질로 형성할 수 있다. 구체적으로 저온 환경에 사용하는 열전모듈인 경우는 폴리이미드, 에폭시와 같은 고분자 물질이 바람직하며, 고온 환경에 사용하는 전자 냉각 모듈은 세라믹같이 고온에서도 잘 견디는 물질이 바람직하다.

저온 환경에 사용되는 절연막(140)은 화학증착중합에 의해 형성된 폴리이미드, 에폭시 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌; 듀퐁사의 파릴린) 중에서 선택할 수 있고, 고온 환경에서 사용되는 절연막(140)은 앞에서 설명한 플라즈마 스프레이 코팅법이나 증착법에 의해 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 열전모듈은 레이저 식각기(120)를 이용하여 상부전극(110a) 및 하부전극(112a)을 형성함으로써, 균일하고 정밀하게 패터닝할 수 있으며 작업시간을 단축할 수 있다. 이에 따라, 종래와 같이 하부 및 하부 전극을 형성하기 위해서는 솔더 코팅을 하는 것 보다, 공정이 단순하고 불량의 발생을 없앨 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 종래의 열전모듈을 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 열전모듈을 제조하는 과정을 설명하는 흐름도이다.

도 3a 내지 도 3f는 도 2의 열전모듈의 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 공정사시도들이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100; 열전재료 103; 절연격막

105; 열전 펠릿 110, 112; 전극층

110a; 상부전극 112a; 하부전극

120; 레이저 식각기 140; 절연막

Claims (8)

1. p형과 n형 열전반도체 펠릿들 사이에 절연체로 충진되고, 상기 p형과 n형 열전반도체 펠릿이 쌍을 이루어 교대로 줄지어 배치되면서 하나로 묶인 다발의 적어도 일측면에 형성된 전극층을 패터닝하는 장치에 있어서,

   상기 열전반도체 펠릿의 적어도 일측면의 전면에 코팅 또는 증착에 의해 형성되는 전극층에 대하여 레이저빔의 스폿의 크기를 조절하여 상기 전극층이 식각되는 폭을 결정하고, 상기 레이저 빔에 의해 서로 분리된 열전회로를 형성하는 레이저빔 식각기; 및

   상기 열전회로의 표면에 코팅 또는 증착에 의해 절연막을 형성하는 절연막 형성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. p형과 n형 열전반도체 펠릿들 사이에 절연체로 충진되고, 상기 p형과 n형 열전반도체 펠릿이 쌍을 이루어 교대로 줄지어 배치되면서 하나로 묶인 다발 형태의 열전반도체 펠릿;

   상기 펠릿의 적어도 일측면의 전면에 코팅 또는 증착에 의해 형성되고, 상기 p형과 n형으로 쌍을 이루는 펠릿을 서로 전기적으로 연결하면서, 상기 쌍들은 스폿크기를 조절할 수 있는 레이저빔에 의해 서로 분리된 상부전극 및 하부전극; 및

   상기 상부전극 및 하부전극의 표면에 코팅 또는 증착에 의해 덮이는 절연막을 포함하는 열전모듈.
5. 제4항에 있어서, 상기 절연체는 상기 펠릿들의 표면을 코팅되거나 상기 펠릿들 사이에 충진되거나 상기 펠릿들의 표면을 코팅한 후에 상기 펠릿들 사이에 충진된 것인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
6. 삭제
7. 제4항에 있어서, 상기 절연막은 저온 환경과 고온 환경에 따라 재질이 결정되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
8. 제7항에 있어서, 상기 저온 환경에 사용되는 절연막은 폴리이미드, 에폭시 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전모듈.

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