KR101304428B1 - 열전 레그, 그 제조방법 및 발전용 열전 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따르는 열전 레그는, 양단에 각각 제1전극과 제2전극이 연결되는 열전 레그에 있어서, 상기 제1전극에 연결되며, 저온용 열전 조성물로 형성되는 제1바디와, 상기 제2전극에 연결되며, 고온용 열전 조성물로 형성되는 제2바디 및 상기 제1바디와 상기 제2바디의 사이에 형성되어, 상기 제1바디 및 상기 제2바디와 각각 결합하는 메탈포일(metal foil)을 포함함으로써, 각 온도 부위별로 우수한 열전특성을 갖는 열전재료를 하나의 열전 레그에 함께 합성함으로써, 넓은 온도 범위에서 보다 우수한 열전특성을 갖는다.

Description

열전 레그, 그 제조방법 및 발전용 열전 모듈{Thermoelectric leg, method for manufacturing thereof and thermoelectric module for generation}
본 발명은 발전용 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전용 열전 모듈에 사용되는 열전 레그, 그 제조방법 및 열전 레그를 포함하는 발전용 열전 모듈에 관한 것이다.
열전 소자(thermoelectric element)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자를 총칭하는 것으로, 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크효과를 이용한 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에소자 등이 있다.
특히, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크효과를 이용한 소자는, 최근 전 세계적으로 화석 연료 사용에 따른 환경오염 문제, 에너지 고갈 문제 등이 심각하게 대두되면서, 대체 에너지로서 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 열전 소자를 이용하여 대체 에너지원으로 구성한 발전용 열전 모듈은, 양단에서의 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열 이동시 n형 열전 소자와 p형 열전 소자에서 각각 전자와 홀(hole)이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써, 전기적 에너지가 발생된다.
또한, 발전용 열전 모듈의 효율은 n형 및 p형 열전 소자의 열기전력, 열전도도 및 전기 비저항과 같은 열전특성과 열전소자 커플(couple) 수에 의해 결정된다. 무소음, 무진동으로 유지, 보수가 필요 없고, 신뢰성이 높은 열전발전은 초기에는 군사용 전원 장치를 비롯한 특수 소형 전원 장치에의 응용을 위해 개발되었으나, 온도차만 부여하면 발전이 가능하므로 100℃ 미만의 저열원에서 1000℃ 정도의 고열원에 걸쳐 이용 가능한 열원의 종류가 다양하기 때문에 산업 폐열을 이용한 열전 발전기, 대체 독립 전원 등의 분야로 경제적 용도가 크게 확대되고 있다.
본 발명의 일실시예들은 내부 저항이 낮아 발전 효율을 향상시킬 수 있는 열전 레그를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예들은 열환경에 노출시에도 그 특성 변화가 크지 않으며, 열전특성이 우수할 뿐만 아니라 열전특성의 열적 안정성도 동시에 확보할 수 있는 열전 레그를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르는 열전 레그는, 양단에 각각 제1전극과 제2전극이 연결되는 열전 레그에 있어서, 상기 제1전극에 연결되며, 저온용 열전 조성물로 형성되는 제1바디와, 상기 제2전극에 연결되며, 고온용 열전 조성물로 형성되는 제2바디 및 상기 제1바디와 상기 제2바디의 사이에 형성되어, 상기 제1바디 및 상기 제2바디와 각각 결합하는 메탈포일(metal foil)을 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 메탈포일은 은 및 구리가 기설정된 비율로 혼합되어 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 열전 레그가 P형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 안티몬 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납, 주석 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 열전 레그가 N형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 셀레늄 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 P형과 N형이 일방향으로 교번하여 배치되며, 상기 일방향의 직각방향으로도 교번하여 배치되어, 매트릭스 형상을 이루는 복수의 열전 레그 및 상기 P형과 N형 열전 레그의 상면 또는 하면에 형성되어 서로 전기적으로 연결하는 전극을 포함하고, 상기 열전 레그는, 저온용 열전 조성물로 형성되는 제1바디와, 고온용 열전 조성물로 형성되는 제2바디 및 상기 제1바디와 상기 제2바디의 사이에 형성되어, 상기 제1바디 및 상기 제2바디와 각각 결합하는 메탈포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전용 열전 모듈을 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 메탈포일은 은 및 구리가 기설정된 비율로 혼합되어 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 열전 레그는 상기 전극과 접촉하는 상부와 하부에 확산 방지층이 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 확산 방지층은 니켈, 코발트 또는 철 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 열전 레그의 각 바디를 구성하도록 조성비에 따라, 원료들을 석영관에 장입하는 단계와, 상기 석영관 내부를 기 설정된 압력이하로 형성한 후, 가스를 채워 석영관을 밀봉시키는 단계와, 상기 밀봉된 석영관을 로(furnace)에 넣어 원료들을 용융시키는 단계와, 상기 용융된 원료들을 락킹로(rocking furnace)를 이용하여, 균일하게 혼합시키면서 용융하는 단계와, 상기 용융된 원료들을 공랭시킨 뒤, 파쇄하여 각각 고온용 열전 분말 및 저온용 열전 분말을 형성하는 단계 및 몰드에 상기 제1바디를 구성하는 저온용 열전 분말, 상기 제1바디와 제2바디에 배치되는 메탈포일 및 상기 제2바디를 구성하는 고온용 열전 분말을 장입하고, 기설정된 온도 및 압력하에서 프레스 가공하는 단계를 포함하는 열전 레그의 제조방법을 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 프레스 가공하는 단계는 350℃ 내지 450℃에서 150MPa 내지 250MPa의 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.
상기의 본 발명의 일실시예에 따른 열전 레그는, 열환경에 노출시에도 그 특성 변화가 크지 않으며, 열전특성이 우수할 뿐만 아니라 열전특성의 열적 안정성을 동시에 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르는 상기한 열전 레그는, 각 온도 부위별로 우수한 열전특성을 갖는 열전재료를 하나의 열전 레그에 함께 합성함으로써, 넓은 온도 범위에서 보다 우수한 열전특성을 갖는다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 발전용 열전 모듈은 내부 저항을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 열전 레그의 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발전용 열전 모듈을 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 A-A' 절취선에 따라 자른 발전용 열전 모듈의 단면도.
도 4는 도 2의 B-B' 절취선에 따라 자른 발전용 열전 모듈의 일부 구성 요소만을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐(Pd)만으로 형성된 메탈포일(P형)을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐만으로 형성된 메탈포일(N형)을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐 및 은을 혼합하여 형성된 메탈포일을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 은과 구리를 혼합하여 형성된 메탈포일을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 도면.
도 9 내지 도 11은 각각의 샘플들에 대한 전기 비저항, Seebeck 계수 및 전기 비저항과 Seebeck 계수를 이용하여 PF를 계산하여 표시한 그래프를 나타낸 도면.
도 12 내지 도 14는 각각의 샘플들에 대한 전기 비저항, Seebeck 계수 및 전기 비저항과 Seebeck 계수를 이용하여 PF를 계산하여 표시한 그래프를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 열전 레그, 그 제조방법 및 발전용 열전 모듈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르는 열전 레그(210)의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 순도 99.999%의 Sn, Pb, Sb, Te, Bi, Se 원료를 염산, 질산, 아세톤, 에탄올 등을 이용하여 세척한 후, 각 원료들을 조성비에 따라 정밀 저울을 이용하여 각 원료들을 칭량하여 준비한다. 그리고, 상기 칭량된 원료들을 석영관 앰플에장입하고, 앰플 내부 압력을 일정 압력(10-5 Torr) 이하의 진공에 가까운 상태로 만든 후, 아르곤(Ar) 가스를 채워 밀봉시킨다. 밀봉된 앰플을 전기로에 넣어 800℃ 이상 1000℃ 이하의 온도에 5시간~48시간 동안 용융시킨다. 그리고 균일한 용융과 혼합을 위해 요동로(rocking furnace)를 이용하며, 용융이 완료된 후에도 원료들 간의 균일한 혼합을 위해 10시간 동안 락킹(rocking)을 더 실시한다. 그리고, 일정 시간 및 온도에서 용융된 원료를 furnace에서 공랭 (air cooling)한다. 이후, 상기 잉곳을 유발에서 파쇄하여 325메쉬의 체에 걸려 원료 파우더를 제조하게 된다. 제조된 분말을 Hot pressing 용 몰드에 저온용 분말, 금속막, 중온용 분말 순서로 장입한다. 그 후 상기의 분말-금속막-분말 원료를 핫 프레스(hot press)법을 이용하여 일정 지름과 높이를 가지는 봉상의 시편을 제조한다. 그리고, 상기 봉상의 시편을 방전가공기를 이용하여 핫 프레스 방향과 동일한 방향으로 절단하여 소정 크기의 열전 레그(210)를 제조하게 된다. 여기에서, 핫 프레스 공정은 350℃ 내지 450℃에서 150MPa 내지 250MPa 의 압력조건 하에서 대략 1시간 동안 이루어지게 된다.
상기한 제조공정에 의하여 제조된 열전 레그(210)는 도 1에서 도시한 바와 같이, 저온용 열전 조성물로 형성된 제1바디(211)와, 고온용 열전 조성물로 형성된 제2바디(212)가위치하게 되며, 그 사이에는 메탈포일(metal foil, 213)이 형성된다. 특히, 메탈 포일(213)은 은 및 구리가 일정 비율로 혼합되어 형성된다. 바람직하게는 은과 구리는 71 대 29의 원자비를 갖도록 형성될 수 있다.
열전 레그(210)가 P형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 안티몬 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납, 주석 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 바람직하게는 저온용 열전 조성물은 (Bi0 .25Sb0 .75)2Te3로, 고온용 열전 조성물은 (Pb0 .6Sn0 .4)Te로 형성한다.
열전 레그(210)가 N형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 셀레늄 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 바람직하게는 저온용 열전 조성물은 Bi2(Se0 .06Te0 .94)3으로, 고온용 열전 조성물은 Pb와 Te를 52 대 50의 원자비를 갖도록 형성한다.
열전 소자를 이루는 p, n형의 열전 레그(thermoelectric leg, 210)는 통상적으로 한가지 열전물질(thermoelectric materials)로 이루어져 있다. 그러나 열전재료는 열전특성이 온도에 따라 변화하기 때문에 넓은 온도영역에서 우수한 열전특성을 균일하게 나타내기 힘들다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르는 상기한 열전 레그(210)는, 각 온도 부위별로 우수한 열전특성을 갖는 열전재료를 하나의 열전 레그(210)에 함께 합성함으로써, 넓은 온도 범위에서 보다 우수한 열전특성을 나타낼 수 있게 되었다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발전용 열전 모듈을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A' 절취선에 따라 자른 발전용 열전 모듈의 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B' 절취선에 따라 자른 발전용 열전 모듈의 일부 구성 요소만을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 발전용 열전 모듈은 열전 레그(210), 전극(220), 내열성 절연 필름(230), 스테인리스 패키지(240) 및 인출 전선(250)을 포함한다.
열전 레그(210)는 p형 열전 레그와 n형 열전 레그가 일방향으로 교번하여 배치되며, 일방향의 직각방향으로도 교번하여 배치되어, 평면상에서 볼 때(도 4 참고), 매트릭스 형상을 이룰 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 열전 레그(210)는, 전극(220)과 접촉하는 상부와 하부에 확산 방지층(도시하지 않음)을 더 형성하는 것이 가능하다. 이는 열전 레그(210)와 전극(220) 사이의 확산을 방지하기 위한 것이다. 확산 방지층으로는 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 철(Fe) 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전극(220)은 일방향으로 이웃하는 p형과 n형 열전 레그(210)의 상면 또는 하면에 구리(Cu) 또는 은(Ag) 재질로 형성되어, 이웃하는 p형과 n형 열전 레그(210)를 서로 전기적으로 연결하는 열전 레그 연결 전극(221)을 포함한다. 또한, 전극(220)은 일방향의 양단 열전 레그로부터 돌출시킨 돌출 전극(222)과, 이웃하는 돌출 전극(222)을 선택적으로 용착하는 용착 전극(223)을 포함한다.
이에 따라, 전극(220)은, 도 4에 나타내어진 열전 레그(210)의 매트릭스 형상에 대하여 지그재그 방향으로 진행하는 화살표의 진행 방향과 같이, 전체의 열전 레그(210)를 전기적으로 직렬연결한다. 열전 레그(210)의 직렬연결에 의하여 복수의 n형 열전 레그 및 p형 열전 레그 커플이 하나의 전기 에너지 이동로를 형성할 수 있다.
내열성 절연 필름(230)은 교번하여 배치되는 열전 레그(210) 사이에 충전되며, 전극(220)이 형성된 열전 레그(210)의 외면에 코팅된다. 따라서, 내열성 절연 필름(230)은 각 열전 레그(210) 사이를 절연하며, 전극(220)이 형성된 열전 레그(210) 상면과 하면, 그리고 외각에 위치하는 열전 레그(210)들의 측면을 외부로부터 절연한다. 여기서, 내열성 절연 필름(230)은 고내열성을 가지며 절연이 잘되는 고분자 재질인, 폴리이미드로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에서는, 종래의 발전용 열전 모듈에서 p형과 n형 열전 레그 사이에 공기 절연층을 두는 것과 달리, 얇은 내열성 절연 필름을 사용함으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 내열성 절연 필름에 의한 절연층이 종래에 비하여 좁아지므로, 동일 면적당 열전 레그의 개수인, 충진율이 증가하여 열전 모듈의 전체 단면적이 증가하며, 이에 따라, 열전 모듈의 내부 저항을 감소시킬 수 있기 때문에 발전 효율이 향상된다. 아울러, 내열성 절연 필름은, 공기 절연층에 비하여 내열 효과와 절연 효과가 우수하며, 열전 모듈의 기계적 강도도 증가하기 때문에, 압축 또는 전단응력에 대한 안정성도 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는, 종래의 발전용 열전 모듈에서 열이 유입되고 배출되는 상하부의 절연을 위해 알루미나 절연판을 사용하는 것과 달리, 얇은 내열성 절연 필름으로 상하부를 절연함으로써, 열전 모듈을 소형화시킬 수 있고, 제조 공정을 용이하게 하며 제조 비용을 절감할 수 있다.
스테인리스 패키지(240)는 코팅된 내열성 절연 필름(230) 상에 형성되어, 외부로부터의 충격 등으로부터 열전 모듈을 보호한다.
한편, 스테인리스 패키지(240)를 내열성 절연 필름(230) 상에 형성할 때, 진공 압착시킴으로써, 스테인리스 패키지(240) 내부의 열전 모듈을 진공 분위기로 만든다. 이에 따라, 열전도율이 감소하기 때문에, 열전 모듈에서 열이 유입되는 상층과 열이 배출되는 하층의 온도차 유지가 용이해진다. 또한, 열전 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있고, 공기층에 의한 저항 발생을 방지할 수 있다.
인출 전선(250)은 직렬연결을 이루는 전극(230)의 양단, 즉 도 4에서 화살표의 인입 부분과 화살표의 인출 부분의 돌출 전극(222) 각각에 연결되며, 스테인리스 패키지(240)로부터 인출되어 한 쌍을 이룬다. 인출 전선(250)을 통하여 열전 레그(210)에서 발생되는 전기 에너지가 외부로 출력된다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 발전용 열전 모듈은 내부 저항을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 레그 중 각각 메탈 포일(213)로서, 팔라듐(Pd)만으로 형성된 메탈 포일(P형), 팔라듐만으로 형성된 메탈포일(N형), 팔라듐 및 은을 혼합하여 형성된 메탈포일, 은과 구리를 혼합하여 형성된 메탈포일을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 팔라듐만으로 형성된 메탈포일의 경우에는 도 5 및 도 6에서 보이는 바와 같이, 크랙이 관찰됨을 알 수 있다. 이 크랙으로 인하여, 팔라듐만을 이용한 메탈포일을 포함하는 열전 레그의 경우에는, 후술하는 바와 같이 전기 비저항이 다른 샘플들에 비하여 높게 나타나는 현상을 확인할 수 있었다.
도 9 내지 도 11은 각각의 샘플들에 대한 전기 비저항, Seebeck 계수 및 전기 비저항과 Seebeck 계수를 이용하여 PF를 계산하여 표시한 그래프이다. 여기서 1st는 저온용 열전 조성물인 (Bi0 .25Sb0 .75)2Te3 이고, 2nd는 고온용 열전 조성물인 (Pb0.6Sn0.4)Te 이고, 3rd는 Pd을 사용한 열전레그이고, 4th는 Pd 와 Ag를 3 대 1의 원자비를 갖도록 형성한 메탈 포일(213)로 열전레그를 제조한 것이며, 5th는 Ag 와 Cu를 71 대 29의 원자비를 갖도록 형성한 메탈 포일(213)로 열전레그를 제조한 것이다.
일반적으로, 열전발전 및 열전냉각을 위해 재료로 사용되는 열전재료는 열전특성이 증가할수록 열전소자의 성능이 향상된다. 그 열전성능을 결정하는 것은, 열기전력(V), 제벡 계수(α), 펠티어 계수(π), 톰슨 계수(τ), 네른스트 계수(Q), 에팅스하우젠 계수(P), 전기 전도율(σ), 출력 인자(PF), 성능 지수(Z), 무차원성능지수(ZT=α2σT/κ(여기에서, T는 절대온도이다)), 열전도율(κ), 로렌츠수(L),전기 저항율(ρ) 등의 물성이다. 특히, 무차원성능지수(ZT)는 열전 변환에너지 효율을 결정하는 중요한 요소로써, 성능 지수(Z=α2σ/κ)의 값이 큰 열전 재료를 사용하여 열전 소자를 제조함으로써, 냉각 및 발전의 효율을 높일 수 있게 된다.
Power factor는 성능지수 중 분자가 해당되는 부분(α2σ)으로 열전재료의 전기적 특성이며, PF가 클수록 정해진 온도차에서 발생하는 열전 발전 출력이 증가한다.
도시한 바와 같이, Ag 및 Cu를 메탈 포일(213)로 사용한 열전 레그(5th)의 경우, 약 450K 이상에서 다른 열전 레그(3th, 4th) 및 저온용 열전 조성물(1st) 및 고온용 열전 조성물(2nd)에 비하여 PF가 더 우수함을 알 수 있다. 특히 Ag 및 Cu를 메탈 포일(213)로 사용한 열전 레그(5th)의 경우, 450K 이상에서 뿐만 아니라, 300K 근방의 저온에서도 기존의 고온용 열전 조성물보다 월등히 우수한 PF를 보임을 알 수 있다.
도 12 내지 도 14은 각각의 샘플들에 대한 전기 비저항, Seebeck 계수 및 전기 비저항과 Seebeck 계수를 이용하여 PF를 계산하여 표시한 그래프이다.
여기서 1st는 (Pb0 .6Sn0 .4)Te 로 제1바디(211)를 형성하고, Ag 와 Cu를 71 대 29의 원자비를 갖도록 형성한 메탈 포일(213)을 사이에 두고, 제2바디(212)를 (Bi0.25Sb0.75)2Te3로 형성한 열전레그이고, 2nd는 앞서 본 바와 같이, (Bi0 .25Sb0 .75)2Te3 로 제1바디(211)를 형성하고, Ag 와 Cu를 71 대 29의 원자비를 갖도록 형성한 메탈 포일(213)을 사이에 두고, 제2바디(212)를 (Pb0 .6Sn0 .4)Te로 형성한 열전레그이다. 또한 3th는 1st와 2nd의 평균값이고, 4th 및 5th는 (Pb0 .6Sn0 .4)Te와 (Bi0 .25Sb0 .75)2Te3의 열전특성을 비교할 수 있도록 도시한 것이다.
전기 비저항 및 Seebeck 계수는 고정된 측정 프로브를 이용하여 물성을 측정하여야 하므로, 1st와 2nd의 경우 측정되어지는 제1바디와 제2바디의 부피비는 다르다. 도시한 바와 같이, 고온용 열전재료와 저온용 열전재료의 부피비에 따라 특성이 변할 수 있음을 의미한다. 만약 부피가 50:50 인 경우의 PF를 측정하기 위해서는 1st와 같이 반대 배열을 한 샘플의 PF을 측정한 후 2nd의 특성과 평균을 내면 될 것이다. 도 14에서 알 수 있듯이 열전레그를 이루는 열전재료의 부피비에 따라 특성이 크게 변하는 것을 알 수 있다. 더욱이 50:50비율의 경우에는 전 온도영역에서 그 특성 변화가 크지 않고 고른 것을 알 수 있다. 따라서 열전모듈이 다양한 온도 영역에 위치하게 될 때 단일 열전재료를 이용하여 열전레그를 제조했을 때에 비하여 본 발명에 의한 열전레그의 출력 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
상기와 같이 설명된 열전 레그, 그 제조방법 및 발전용 열전 모듈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 양단에 각각 제1전극과 제2전극이 연결되는 열전 레그(Thermoelectric leg)에 있어서,
    상기 제1전극에 연결되며, 저온용 열전 조성물로 형성되는 제1바디;
    상기 제2전극에 연결되며, 고온용 열전 조성물로 형성되는 제2바디; 및
    상기 제1바디와 상기 제2바디의 사이에 형성되어, 상기 제1바디 및 상기 제2바디와 각각 결합하는 메탈포일(metal foil)을 포함하고,
    상기 메탈포일은 은 및 구리가 기설정된 비율로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 레그.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전 레그가 P형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 안티몬 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납, 주석 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 레그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전 레그가 N형이면, 상기 저온용 열전 조성물은 비스무트, 셀레늄 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 고온용 열전 조성물은 납 및 텔루늄 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 레그.
  5. P형과 N형이 일방향으로 교번하여 배치되며, 상기 일방향의 직각방향으로도 교번하여 배치되어, 매트릭스 형상을 이루는 복수의 열전 레그; 및
    상기 P형과 N형 열전 레그의 상면 또는 하면에 형성되어 서로 전기적으로 연결하는 전극을 포함하고,
    상기 열전 레그는,
    저온용 열전 조성물로 형성되는 제1바디;
    고온용 열전 조성물로 형성되는 제2바디; 및
    상기 제1바디와 상기 제2바디의 사이에 형성되어, 상기 제1바디 및 상기 제2바디와 각각 결합하는 메탈포일을 포함하고,
    상기 메탈포일은 은 및 구리가 기설정된 비율로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 레그.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열전 레그는 상기 전극과 접촉하는 상부와 하부에 확산 방지층이 형성되는 것을 특징으로 하는 발전용 열전 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 확산 방지층은 니켈, 코발트 또는 철 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 발전용 열전 모듈.
  9. 열전 레그의 제1바디 및 제2바디를 구성하도록 조성비에 따라, 원료들을 석영관에 장입하는 단계;
    상기 석영관 내부를 기 설정된 압력이하로 형성한 후, 가스를 채워 석영관을 밀봉시키는 단계;
    상기 밀봉된 석영관을 로(furnace)에 넣어 원료들을 용융시키는 단계;
    상기 용융된 원료들을 요동로(rocking furnace)를 이용하여, 균일하게 혼합시키면서 용융하는 단계;
    상기 용융된 원료들을 공랭시킨 뒤, 파쇄하여 각각 고온용 열전 분말 및 저온용 열전 분말을 형성하는 단계; 및
    몰드에 상기 제1바디를 구성하는 저온용 열전 분말, 상기 제1바디와 제2바디에 배치되는 메탈포일 및 상기 제2바디를 구성하는 고온용 열전 분말을 장입하고, 기설정된 온도 및 압력하에서 프레스 가공하는 단계를 포함하는 열전 레그의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프레스 가공하는 단계는 350℃ 내지 450℃에서 150MPa 내지 250MPa의 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 열전 레그의 제조방법.
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