KR101471036B1 - Tubular thermoelectric module and method for manufacturing the same - Google Patents

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thermoelectric
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백승협
김진상
강종윤
김성근
윤석진
권범진
최지원
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한국과학기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a tubular thermoelectric module and a method for manufacturing the same, capable of: minimizing electrical resistance through a structure that a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are directly bonded, and maximizing a pair of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material that are included in a thermoelectric module, thereby improving electromotive force of the thermoelectric module. The tubular thermoelectric module according to the present invention comprises: multiple unit thermoelectric plates which are sequentially stacked and have ring shapes; and insulation layers which are respectively formed among the unit thermoelectric plates. Each of the unit thermoelectric plates includes one or multiple thermocouples. The thermocouple is a pair of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are connected through a medium of a horizontal bonding layer in the unit thermoelectric plate, the neighboring p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material of the unit thermoelectric plate are connected in a medium of a vertical bonding layer, and the horizontal bonding layer and the vertical bonding layer are bonded by expanding the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material.

Description

관형 열전모듈 및 그 제조방법{Tubular thermoelectric module and method for manufacturing the same}Tubular thermoelectric module and method of manufacturing same

본 발명은 관형 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 p형 열전소재와 n형 열전소재가 직접 접합되는 구조를 통해 전기적 저항을 최소화함과 함께 열전모듈 내에 구비되는 p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍을 최대화하여 열전모듈의 기전력을 증대시킬 수 있는 관형 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a tubular thermoelectric module and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a tubular thermoelectric module and a method of manufacturing the same, Type thermoelectric material and maximizing the pair of n-type thermoelectric materials to increase the electromotive force of the thermoelectric module and a method of manufacturing the same.

열전모듈은 열전소자의 펠티어 효과(Peltier effect) 또는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는 장치로서, 열전소자에 전기를 인가하는 경우 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 효과를 활용한 냉각장치로 이용될 수 있고, 열전소자의 양단에 온도차를 부여하는 경우 기전력이 발생되는 제벡 효과를 활용한 발전장치로 이용될 수 있다. The thermoelectric module utilizes the Peltier effect or the Seebeck effect of a thermoelectric element and is used as a cooling device utilizing a Peltier effect in which one end generates heat and the other end absorbs heat when electricity is applied to the thermoelectric element And when the temperature difference is applied to both ends of the thermoelectric element, it can be used as a power generation device utilizing the Seebeck effect in which an electromotive force is generated.

IT 산업의 발달과 더불어 전자부품의 소형화, 고전력화, 고집적화, 슬림화에 따라 발열량이 증가하고 있으며, 발생된 열은 전자기기의 오작동 및 효율을 떨어뜨리는 주요 요인으로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 열전소자의 냉각 기능을 활용하고자 하는 시도가 계속되고 있으며, 나아가 열전소자의 장점인 무소음, 빠른 냉각속도, 국부냉각, 친환경성을 고려한다면 열전소자의 냉각장치로의 응용성은 더욱 커질 것으로 기대된다. With the development of the IT industry, the amount of heat generated is increasing due to miniaturization, high power consumption, high integration and slimness of electronic parts, and the generated heat is a main factor that lowers malfunction and efficiency of electronic devices. In order to solve these problems, attempts have been made to utilize the cooling function of the thermoelectric element. Further, considering the advantages of the thermoelectric element such as noiselessness, fast cooling rate, local cooling, and environment friendliness, It is expected to grow even larger.

또한, 발전분야에서도 자동차, 폐기물 소각로, 제철소, 발전소, 지열, 전자기기, 체온 등에서 버려지는 많은 폐열을 전기에너지로 재생산하려는 노력이 세계적으로 많이 이루어지고 있다. 특히, 열전발전은 체적발전이며, 다른 발전과 융합이 가능하여 향후 응용가능성은 매우 크다고 할 수 있다. 이와 함께, 전기에너지를 생산하는 과정에서 오염물질을 방출하지 않아 친환경성과도 부합되어 앞으로 열전발전의 전파속도는 가속화될 것으로 예상된다. In the field of power generation, many efforts have been made worldwide to reproduce waste heat, which is abandoned in automobiles, waste incinerators, steelworks, power plants, geothermal heat, electronic devices and body temperature, as electric energy. In particular, thermoelectric power generation is volumetric power generation, and it is possible to fuse with other power generation, so that the applicability is very high in the future. At the same time, it is expected that the propagation speed of thermoelectric power generation will accelerate in the future because it does not emit pollutants in the process of producing electric energy, and it is also compatible with environmentally friendly performance.

열전발전의 가능성을 현실화하기 위해서는 저에너지 밀도의 폐열을 이용한 효과적인 발전이 실현되어야 하는데, 이를 위해서는 넓은 면적의 열전모듈을 설치하는 것이 요구되며, 열전모듈 제작공정의 단순화를 통한 저렴한 생산비용이 전제되어야 한다. In order to realize the possibility of thermoelectric power generation, it is necessary to realize efficient power generation using waste heat of low energy density. To achieve this, it is required to install a large area thermoelectric module, and a low production cost is required by simplifying the process of manufacturing thermoelectric module .

종래의 열전모듈 기술을 살펴보면, p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍이 반복 배치되고, 각 쌍의 열전소재는 전극에 의해 연결되는 형태를 이룬다. 한국공개특허공보 제2007-37583호(특허문헌 1)를 살펴보면, p형 열전소자와 n형 열전소자가 교대 배열되고 이웃하는 p형 열전소자와 n형 열전소자는 전극에 의해 직렬 연결되는 구조를 제시하고 있다. 또한, 'Preparation of ring-shaped thermoelectric legs from PbTe powders for tubular thermoelectric module(Andreas Schmitz et al. J. Electro. Mater., 42, 1702 (2013))(비특허문헌 1)' 제시된 기술을 살펴보면, 환형의 p형 열전소재와 n형 열전소재를 반복 배치시키고, 열전소재의 내주면 및 외주면에 Ni 재질의 금속링을 구비시켜 p형 열전소재와 n형 열전소재가 금속링에 의해 전기적으로 연결되는 구조를 제시하고 있다. In the conventional thermoelectric module technology, pairs of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are repeatedly arranged, and each pair of thermoelectric materials is connected by an electrode. Korean Unexamined Patent Application Publication No. 2007-37583 (Patent Document 1) discloses a structure in which p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are alternately arranged and neighboring p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are serially connected by electrodes I am suggesting. (Non-Patent Document 1) [0062] In the case of the proposed technique, the ring-shaped thermoelectric legs are formed in a ring shape, for example, a ring-shaped thermoelectric legs from PbTe powders for tubular thermoelectric module (Andreas Schmitz et al., J. Electro. Mater. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are repeatedly arranged, and a metal ring of Ni material is provided on the inner circumferential surface and the outer circumferential surface of the thermoelectric material to electrically connect the p- I am suggesting.

상기 특허문헌 1 및 비특허문헌 1에 개시된 기술의 경우, 공통적으로 p형 열전소재와 n형 열전소재의 전기적 연결을 위해 전극을 적용하고 있다. 그러나, p형 열전소재와 n형 열전소재의 전기적 연결이 전극에 의해 매개됨에 따라 열전소재와 전극 사이의 계면에서 전기적 저항이 필연적으로 존재하게 되어 열전모듈의 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 전극과 열전소재 사이가 기계적, 열적 응력에 의해 손상될 가능성이 상존하며, 전극이 적용됨에 따라 제조공정이 복잡해지고 제조단가가 상승되는 문제점이 있다.
In the case of the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, an electrode is commonly applied to electrically connect a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material. However, as the electrical connection between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is mediated by the electrodes, electrical resistance is inevitably present at the interface between the thermoelectric material and the electrodes, thereby reducing the efficiency of the thermoelectric module. In addition, there is a possibility that the electrode and the thermoelectric material are damaged by mechanical and thermal stress, and as the electrode is applied, the manufacturing process becomes complicated and the manufacturing cost increases.

한국공개특허공보 제2007-37583호Korean Patent Publication No. 2007-37583

Preparation of ring-shaped thermoelectric legs from PbTe powders for tubular thermoelectric module(Andreas Schmitz et al. J. Electro. Mater., 42, 1702 (2013))Preparation of ring-shaped thermoelectric legs from PbTe powders for tubular thermoelectric module (Andreas Schmitz et al., J. Electro. Mater., 42, 1702 (2013))

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, p형 열전소재와 n형 열전소재가 직접 접합되는 구조를 통해 전기적 저항을 최소화하고 제조공정을 간소화할 수 있는 관형 열전모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Disclosure of the Invention The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a tubular thermoelectric module which can minimize electrical resistance and simplify a manufacturing process through a structure in which a p- The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 열전모듈 내에 구비되는 p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍을 최대화하여 열전모듈의 기전력을 증대시킬 수 있는 관형 열전모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide a tubular thermoelectric module capable of maximizing a pair of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material in a thermoelectric module to increase the electromotive force of the thermoelectric module and a method of manufacturing the same.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관형 열전모듈은 순차적으로 적층된 고리 형상의 복수의 단위 열전판 및 상기 단위 열전판들 사이에 각각 구비되는 절연층을 포함하여 이루어지며, 상기 단위 열전판은 하나 또는 복수의 열전쌍으로 구성되며, 상기 열전쌍은 p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍이며, 상기 단위 열전판 내에서 p형 열전소재와 n형 열전소재는 수평 접합층을 매개로 연결되며, 이웃하는 단위 열전판의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 수직 접합층을 매개로 연결되며, 상기 수평접합층과 수직 접합층은 p형 열전소재 및 n형 열전소재가 확장되어 접합된 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, a tubular thermoelectric module according to the present invention comprises a plurality of annular unit thermoelectric plates sequentially stacked and an insulating layer provided between the unit thermoelectrons, Wherein the thermocouple is a pair of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material, and in the unit thermoelectric plate, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are connected through a horizontal bonding layer The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the neighboring unit thermoelectric plates are connected to each other through the vertical bonding layer, and the horizontal bonding layer and the vertical bonding layer are formed by extending the p-type thermoelectric material and the n- .

상기 단위 열전판들 사이에 각각 구비되는 복수의 수직 접합층에 있어서, 홀수층의 수직 접합층의 구비 위치와 짝수층의 수직 접합층의 구비 위치는 서로 다르다. 또한, 상기 절연층에 수직 개구부가 구비되며, 상기 수직 개구부 내에 상기 수직 접합층이 구비된다. 이와 함께, 상기 수평 접합층은 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 사이에 구비되며, 상기 수평 접합층은 단위 열전판의 내경 부위와 외경 부위에 교번하여 배치된다. In the plurality of vertical bonding layers provided between the unit thermoelectric plates, the position of the vertical bonding layer of the odd number layer and the position of the vertical bonding layer of the even number layer are different from each other. Further, a vertical opening is provided in the insulating layer, and the vertical bonding layer is provided in the vertical opening. In addition, the horizontal bonding layer is provided between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, and the horizontal bonding layer is alternately arranged on the inner diameter portion and the outer diameter portion of the unit thermoelectric plate.

상기 p형 열전소재와 n형 열전소재는 동일한 부채꼴 형상이며, 상기 단위 열전판에 있어서 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재는 교번하여 배열된다. 이웃하는 단위 열전판의 마주보는 열전소재는 서로 다른 도전형이다. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material have the same fan shape, and the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are alternately arranged in the unit thermoelectric plate. The opposing thermoelectric materials of adjacent thermoelectric plates are of different conductivity types.

상기 p형 열전소재는 p형 반도체로서 안티모니를 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금이고, 상기 n형 열전분말로는 n형 반도체로서 셀레늄을 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금을 사용할 수 있다. 상기 단위 열전판의 내경에 밀착되는 파이프 형상의 동축이 더 구비될 수 있으며, 상기 동축의 표면에는 절연물질이 코팅될 수 있다. The p-type thermoelectric material may be a bismuth-telluride-based alloy containing antimony as a p-type semiconductor, and a bismuth-telluride-based alloy containing selenium as an n-type semiconductor may be used as the n-type thermoelectric powder. The coaxial unit may further include a pipe-shaped coaxial member that is in close contact with the inner diameter of the unit thermoelectric plate, and the surface of the coaxial unit may be coated with an insulating material.

본 발명에 따른 관형 열전모듈의 제조방법은 동일한 부채꼴 형상을 갖는 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 준비하는 단계와, 몰드 내에 p형 열전소재와 n형 열전소재를 교번, 배치하여 고리 형상의 단위 열전판 형태를 형성하고, 상기 단위 열전판 형태 상에 절연층을 적층하는 과정을 반복하여, 단위 절연판 형태 사이에 절연층이 삽입된 구조물을 완성하는 단계와, 상기 구조물을 열압축하여 관형 열전모듈을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 몰드 내에 완성된 구조물에 있어서, 단위 열전판 형태 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 이격, 배치되며, 상기 절연층은 이웃하는 단위 열전판 형태의 p형 열전소재와 n형 열전소재의 일부를 노출시키는 수직 개구부를 구비하며, 상기 열압축에 의해, 상기 단위 열전판 형태 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 일부가 확장되어 수평 접합층을 형성하며, 이웃하는 단위 열전판 형태의 p형 열전소재와 n형 열전소재의 일부가 상기 수직 개구부로 확장되어 수직 접합층을 형성하며, 단위 열전판 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 상기 수평 접합층을 매개로 연결되고 이웃하는 단위 열전판의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 상기 수직 접합층을 매개로 연결되는 것을 특징으로 한다. A method of manufacturing a tubular thermoelectric module according to the present invention includes the steps of preparing a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material having the same fan shape, and arranging a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material alternately in the mold, Forming a unit thermoelectric plate form and repeating a process of laminating the insulation layer on the unit thermoelectric plate form to complete a structure in which an insulating layer is inserted between unit insulation plate forms; Wherein the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the unit thermoelectric plate form are spaced apart from each other, and the insulating layer is in the form of a neighboring unit thermoelectric plate Type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material in the form of a unit thermoelectric plate, wherein the p-type thermoelectric material and the n- And a part of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the form of a neighboring thermoelectric plate form a vertical bonding layer to form a vertical bonding layer, The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are connected via the horizontal bonding layer, and the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the adjacent unit thermoelectric plate are connected through the vertical bonding layer.

상기 동일한 부채꼴 형상을 갖는 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 준비하는 단계는, p형 열전분말과 n형 열전분말 각각을 원통 형상으로 소결한 후, 소결된 소결체를 수직 방향으로 일정 두께로 슬라이싱함과 함께 원통의 중심을 기준으로 일정 각도별로 절단하여 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 제작할 수 있다. Preparing the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material having the same fan shape by sintering each of the p-type thermoelectric powder and the n-type thermoelectric powder into a cylindrical shape, and then sintering the sintered material to a predetermined thickness in the vertical direction And the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material can be manufactured by cutting at a certain angle based on the center of the cylinder.

상기 몰드는, 원통형의 케이스와, 상기 케이스의 중앙 부위에 구비되는 중앙 축을 포함하여 구성되며, 상기 케이스와 중앙 축 상에는 복수의 칸막이가 동일 각도로 이격되어 교번하여 구비되며, 상기 복수의 칸막이에 의해 케이스 내의 공간은 복수개로 구분되며, 상기 칸막이에 의해 한정되는 공간(이하, 칸막이 공간이라 함)의 평면 형상은 p형 열전소재 또는 n형 열전소재와 대응되는 부채꼴 형상을 이루며, 상기 몰드 내의 복수의 칸막이 공간에 p형 열전소재와 n형 열전소재가 교번, 배열되어 하나의 단위 열전판 형태가 완성되며, 상기 칸막이는 케이스와 중앙 축 사이에 중앙 축의 중심을 향하여 구비되며, 상기 칸막이의 길이는 케이스와 중앙 축 사이의 거리보다 짧아 상기 칸막이와 중앙 축 사이 또는 상기 칸막이와 케이스 사이에는 공간(이하, 수평 개구부라 칭함)이 형성되며, 상기 수평 개구부는 몰드의 내측 부위와 외측 부위에 교번하여 구비되는 형태를 갖는다. The mold includes a cylindrical case and a central shaft provided at a central portion of the case, wherein a plurality of partitions are alternately arranged at the same angle on the case and the central axis, and the plurality of partitions The space in the case is divided into a plurality of spaces, and the planar shape of the space defined by the partition (hereinafter, referred to as a partition space) has a fan shape corresponding to the p-type thermoelectric material or the n-type thermoelectric material, The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are alternately arranged in the partition space to complete one unit thermoelectric plate form. The partition is provided between the case and the central axis toward the center of the central axis, (Hereinafter referred to as " water ") between the partition and the central axis or between the partition and the case Opening hereinafter) is formed, wherein the horizontal openings in the form are provided alternately on the inner part and the outer part of the mold.

상기 절연층은 상기 단위 열전판 형태의 모든 면을 덮을 수 있는 고리 형상으로 이루어지며, 상기 절연층에는 절연 개구부와 수직 개구부가 구비되고, 상기 절연 개구부는 단위 열전판 내에서의 이웃하는 p형 열전소재와 n형 열전소재의 절연을 유도하기 위한 공간이고, 상기 수직 개구부는 수직 접착층 형성을 유도하기 위한 공간이다. Wherein the insulating layer is annular in shape to cover all the surfaces of the unit thermoelectric plate type, and the insulating layer is provided with an insulating opening and a vertical opening, and the insulating opening is formed by a neighboring p- Type thermoelectric material, and the vertical opening is a space for inducing the formation of the vertical adhesive layer.

상기 p형 열전분말과 n형 열전분말의 소결은 냉간압축법, 열간압축법, 스파크 플라즈마 소결법 중 어느 한 방법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 구조물의 열압축은 핫프레스법을 이용하며, 200∼400℃의 온도와 250∼350kg/cm2 압축 하중을 적용할 수 있다.
The sintering of the p-type thermoelectric powder and the n-type thermoelectric powder can be performed by any one of a cold compression method, a hot compression method and a spark plasma sintering method. In addition, the thermal compression of the structure is performed by a hot press method, and a temperature of 200 to 400 DEG C and a compressive load of 250 to 350 kg / cm < 2 > can be applied.

본 발명에 따른 관형 열전모듈 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The tubular thermoelectric module according to the present invention and its manufacturing method have the following effects.

p형 열전소재와 n형 열전소재가 전극의 매개 없이 국부적으로 직접 접합됨에 따라, 전극으로 인해 발생되는 전기적 저항을 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 전극이 구비되지 않음에 따라 제조공정을 간략화할 수 있고 제조비용을 절감할 수 있다. 이와 함께, 단위 열전판 내에 복수의 열전쌍이 구비되는 구조를 통해 열전모듈에 의한 기전력을 증대시킬 수 있다.
As the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are locally bonded directly to each other without mediation of the electrodes, the electrical resistance caused by the electrodes can be fundamentally solved. Further, since the electrode is not provided, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In addition, the electromotive force by the thermoelectric module can be increased through the structure in which a plurality of thermocouples are provided in the unit thermoelectric plate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈의 절개 사시도.
도 3은 도 2의 분리 사시도.
도 4a는 p형 열전소재 및 n형 열전소재의 제작 과정을 나타낸 참고도.
도 4b는 열전모듈의 열압축에 사용되는 몰드를 나타낸 참고도.
도 4c는 몰드 내에 적층되는 단위 열전판 및 절연층을 나타낸 참고도.
도 4d는 열압축 공정에 의해 형성되는 수평 접합층 및 수직 접합층을 나타낸 것으로서, (a)는 도 4c의 평면 기준이며, (b)는 도 4c의 A-A`선에 따른 단면 기준을 나타낸 참고도. 1 is a perspective view of a tubular thermoelectric module according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an exploded perspective view of a tubular thermoelectric module according to an embodiment of the present invention. FIG.
Figure 3 is an exploded perspective view of Figure 2;
4A is a reference diagram showing a manufacturing process of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material.
4B is a reference view showing a mold used for thermal compression of the thermoelectric module.
4C is a reference view showing a unit thermoelectric plate and an insulating layer laminated in a mold.
FIG. 4D shows a horizontal bonding layer and a vertical bonding layer formed by a thermal compression process, wherein FIG. 4A is a plan view reference of FIG. 4C, FIG. 4B is a reference view showing a cross- .

본 발명은 전극의 매개 없이 p형 열전소재와 n형 열전소재를 직접 접합시키는 기술을 제시한다. 구체적으로, 열압축 공정을 통해 p형 열전소재와 n형 열전소재를 국부적으로 직접 접합시킴으로써 p형 열전소재와 n형 열전소재 사이의 p-n 접합(p-n junction)을 구현하고 이를 통해 p형 열전소재와 n형 열전소재 사이의 전기적 저항을 최소화할 수 있는 열전모듈을 제시한다. The present invention provides a technique for directly bonding a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material without the intermediary of an electrode. Specifically, a pn junction (pn junction) between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material is realized by locally directly joining the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material through a thermal compression process, A thermoelectric module capable of minimizing the electrical resistance between the n-type thermoelectric materials is proposed.

한편, 열전모듈의 기전력(V)은 열전소재의 열기전력(α)과 열전소재 양단 간의 온도차(ΔT)의 곱으로 표시되며(V=αΔT), 열전모듈의 기전력(Vtot)은 열전소재 쌍의 수(n)에 비례한다(Vtot=nαΔT). 본 발명은 이와 같은 기술적 원리에 착안하여 열전모듈 내에서 p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍을 최대화할 수 있는 설계 구조를 제시한다. On the other hand, the electromotive force (V) of the thermoelectric module is shown by the product of the thermal electromotive force (α) and temperature difference (ΔT) between the thermal conductive material at both ends of the thermoelectric materials (V = αΔT), the electromotive force of the thermoelectric module (V tot) is a thermal material pairs proportional to the number (n) (V tot = nαΔT ). The present invention presents a design structure capable of maximizing a pair of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material in a thermoelectric module by paying attention to such a technical principle.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a tubular thermoelectric module and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈은 복수의 단위 열전판(110)을 구비한다. 상기 복수의 단위 열전판(110)은 순차적으로 적층된 형태를 이루며, 상기 단위 열전판(110)은 중앙부위가 개구된 원판 형태 즉, 고리 형상을 이룬다. 1 to 3, a tubular thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a plurality of unit thermoelectric plates 110. The plurality of unit thermoelectric plates 110 are stacked in order, and the unit thermoelectric plates 110 have a disk shape, that is, an annular shape with an open central portion.

상기 단위 열전판(110)은 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)로 이루어지는데, 구체적으로 하나 또는 복수의 열전쌍(10)으로 구성된다. 상기 열전쌍(10)은 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 쌍을 의미한다. 즉, 상기 단위 열전판(110)은 하나의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 쌍으로 이루어지거나 복수의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 쌍으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 열전쌍(10)을 구성하는 각각의 p형 열전소재(11)와 각각의 n형 열전소재(12)는 서로 동일한 형상을 갖는다. The unit thermoelectric plate 110 is composed of a p-type thermoelectric material 11 and an n-type thermoelectric material 12, and is made up of one or more thermocouples 10. The thermocouple 10 means a pair of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12. That is, the unit thermoelectric plate 110 is formed of a pair of one p-type thermoelectric material 11 and an n-type thermoelectric material 12, or a plurality of p-type thermoelectric materials 11 and n-type thermoelectric material 12 Lt; / RTI > Each of the p-type thermoelectric material 11 and each n-type thermoelectric material 12 constituting the thermocouple 10 have the same shape.

전술한 바와 같이, 상기 단위 열전판(110)은 고리 형상을 이루는데, 단위 열전판(110)이 하나의 열전쌍(10)으로 구성되는 경우 반고리 형상의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 조합으로 이루어지며, 단위 열전판(110)이 복수의 열전쌍(10)으로 구성되는 경우 복수의 열전쌍(10)은 이웃하여 배열되어 고리 형상을 이루며, 열전쌍(10)을 구성하는 각각의 p형 열전소재(11)와 각각의 n형 열전소재(12)는 동일 형상의 부채꼴을 띤다. 즉, 상기 단위 열전판(110)은 부채꼴 형상의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)가 교번하여 반복, 배치된 형태로 표현할 수 있다. 이 때, 각각의 열전쌍(10)은 이격되어 배치되며, 단위 열전판(110)이 하나의 열전쌍(10)으로 구성되는 경우 반고리 형상의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 이격, 배치된다. As described above, the unit thermoelectric plate 110 has an annular shape. When the unit thermoelectric plate 110 is composed of one thermocouple 10, a pendent type thermoelectric material 11 and an n-type thermoelectric material The plurality of thermocouples 10 are arranged adjacently to form an annular shape and the plurality of thermocouples 10 constitute a thermocouple 10. The plurality of thermocouples 10 may be arranged in a matrix form, Each of the p-type thermoelectric material 11 and each n-type thermoelectric material 12 has the same shape of a fan. That is, the unit thermoelectric plate 110 can be expressed in a form in which the fan-shaped p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are alternately repeated and arranged. In this case, each of the thermocouples 10 are spaced apart from each other. When the unit thermoelectric plate 110 is composed of one thermocouple 10, the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12, Are spaced apart.

상기 단위 열전판(110)을 구성하는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 수평 접합층(131)을 매개로 전기적으로 연결된다. 열전쌍(10)을 이루는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 수평 접합층(131)을 매개로 연결되며, 열전쌍(10)과 열전쌍(10) 역시 이웃하는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)가 수평 접합층(131)을 매개로 연결되는 구조를 이룬다. The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 constituting the unit thermoelectric plate 110 are electrically connected through a horizontal bonding layer 131. The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 constituting the thermocouple 10 are connected to each other through the horizontal bonding layer 131. The thermocouple 10 and the thermocouple 10 are also connected to each other through the p- Type thermoelectric material 12 and the n-type thermoelectric material 12 are connected via the horizontal bonding layer 131. [

상기 수평 접합층(131)은 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 열압축에 의해 p형 열전소재(11)의 일부 및 n형 열전소재(12)의 일부가 단위 열전판(110)의 평면 방향으로 확장된 것을 의미하며, 이에 따라 상기 수평 접합층(131)의 일측은 p형 열전소재(11), 상기 수평 접합층(131)의 다른 일측은 n형 열전소재(12)이며, 상기 수평 접합층(131)의 중앙부위에서 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 p-n 접합이 이루어진다고 할 수 있다. 종래 기술의 경우, p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 전기적 연결을 위해 별도의 전극이 매개체로 사용되나 본 발명은 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12) 각각이 확장되어 서로 연결되는 구조를 이룬다. The horizontal bonding layer 131 is formed by thermally compressing the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 so that a part of the p-type thermoelectric material 11 and a part of the n- Type thermoelectric material 11 is formed on one side of the horizontal bonding layer 131 and the other side of the horizontal bonding layer 131 is formed on the other side of the n-type thermoelectric material 12, and the pn junction of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 is formed on the central portion of the horizontal junction layer 131. In the prior art, a separate electrode is used as an intermediary for electrical connection between the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12. However, the present invention is not limited to the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 ) Are extended and connected to each other.

상기 단위 열전판(110)이 복수의 열전쌍(10)으로 구성됨에 따라, 상기 단위 열전판(110)에는 복수의 수평 접합층(131)이 구비되는데, 상기 복수의 수평 접합층(131)은 단위 열전판(110)의 내경 부위와 외경 부위에 교번하는 형태로 구비된다. 첫 번째 수평 접합층(131)이 내경 부위에 구비되며 두 번째 수평 접합층(131)은 외경 부위에 구비되고 세 번째 수평 접합층(131)은 다시 내경 부위에 구비되는 형태를 이룬다. Since the unit thermoelectric plate 110 is composed of a plurality of thermocouples 10, the unit thermoelectric plate 110 is provided with a plurality of horizontal bonding layers 131, And is provided in an alternating manner in the inner diameter portion and the outer diameter portion of the thermoelectric plate 110. [ The first horizontal bonding layer 131 is provided on the inner diameter portion, the second horizontal bonding layer 131 is provided on the outer diameter portion, and the third horizontal bonding layer 131 is further provided on the inner diameter portion.

한편, 상기 단위 열전판(110)과 단위 열전판(110) 사이에는 절연층(120)이 구비된다. 상기 절연층(120)은 기본적으로 이웃하는 두 단위 열전판(110)을 절연시킴과 함께 이웃하는 두 단위 열전판(110)의 국부적 접합을 유도하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 절연판은 상기 단위 열전판(110)과 마찬가지로 고리 형상을 이루며, 전체적으로 단위 열전판(110)의 모든 면을 덮을 수 있는 형상을 갖는다. 또한, 이웃하는 두 단위 열전판(110)의 국부적 접합을 위해 상기 절연층(120)에는 수직 접합층(132)을 위한 수직 개구부(122)가 구비되며, 해당 수직 개구부(122) 내에는 수직 접합층(132)이 구비된다. 상기 수직 접합층(132)은 p형 열전소재(11)의 일부 및 n형 열전소재(12)의 일부가 단위 열전판(110)의 수직 방향으로 확장된 것이며, 상기 수직 접합층(132)의 중앙부위에서 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 p-n 접합이 이루어진다고 할 수 있다. 상기 절연층(1220)은 Al2O3, SiOx, ZrOx 등으로 구성될 수 있다. Meanwhile, an insulating layer 120 is provided between the unit thermoelectric plate 110 and the unit thermoelectric plate 110. The insulating layer 120 basically insulates the adjacent two unit thermoelectric plates 110 and induces local bonding of the neighboring two unit thermoelectric plates 110. For this, the insulating plate has an annular shape similar to the unit thermoelectric plate 110, and has a shape that covers the entire surface of the unit thermoelectric plate 110 as a whole. The insulating layer 120 is provided with a vertical opening 122 for the vertical bonding layer 132 for local bonding of the neighboring two unit thermoelectric plates 110, A layer 132 is provided. The vertical bonding layer 132 is formed by extending a part of the p-type thermoelectric material 11 and a part of the n-type thermoelectric material 12 in the vertical direction of the unit thermoelectric plate 110, The pn junction of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 is formed on the central portion. The insulating layer 1220 may be made of Al 2 O 3 , SiO x , ZrO x, or the like.

상기 수직 접합층(132)에 의한 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 전기적 연결을 위해, 복수의 단위 열전판(110)은 다음과 같은 적층 구조를 갖는다. 이웃하는 두 단위 열전판(110)은 서로 다른 도전형의 열전소재가 마주보도록 적층되며, 이와 같은 적층 형태가 반복된다. In order to electrically connect the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 by the vertical bonding layer 132, the plurality of unit thermoelectric plates 110 have the following laminated structure. The neighboring two unit thermoelectric plates 110 are stacked so that thermoelectric materials of different conductivity types are opposed to each other, and such a lamination mode is repeated.

복수의 단위 열전판(110)이 적층된 구조에서, 단위 열전판(110)의 각 층마다 상기 절연층(120)이 반복, 구비되는데 이웃하는 절연층(120)의 수직 개구부(122) 위치는 서로 다르며, 이에 따라 각 층의 수직 접합층(132) 위치가 서로 다르다. 예를 들어, 제 1 층의 단위 열전판(110) 상의 수직 접합층(132)과 제 2 층의 단위 열전판(110) 상의 수직 접합층(132)의 구비 위치는 서로 다르다. 복수의 단위 열전판(110)의 적층 구조에서 홀수층의 수직 접합층(132)의 구비 위치를 동일하게 하고 짝수층의 수직 접합층(132)의 구비 위치를 동일하게 한 상태에서, 홀수층의 수직 접합층(132)의 구비 위치와 짝수층의 수직 접합층(132)의 구비 위치를 서로 다르게 할 수 있다. In the structure in which the plurality of unit thermoelectric plates 110 are laminated, the insulating layer 120 is repeatedly provided for each layer of the unit thermoelectric plates 110. The position of the vertical openings 122 of the adjacent insulating layer 120 is And thus the positions of the vertical bonding layers 132 of the respective layers are different from each other. For example, the positions of the vertical bonding layer 132 on the first thermoelectric module 110 and the vertical bonding layer 132 on the second thermoelectric module 110 are different from each other. In the laminated structure of the plurality of unit thermoelectric plates 110, the positions of the vertical bonding layers 132 of the odd-numbered layers are the same, and the positions of the even-numbered layers of the vertical bonding layers 132 are the same, The position of the vertical bonding layer 132 and the position of the vertical bonding layer 132 of the even layer may be made different from each other.

상기 복수의 단위 열전판(110)이 적층된 구조를 살펴보면, 각 단위 열전판(110)에서 수평 접합층(131)을 매개로 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)가 p-n 접합을 이룸과 함께 이웃하는 단위 열전판(110)은 수직 접합층(132)을 매개로 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)가 p-n 접합을 이룸을 알 수 있다. 또한, 각 단위 열전판(110)에서 수평 접합층(131)은 단위 열전판(110)의 내경 부위와 외경 부위에 교번하여 반복 배치되는 형태이고, 수직 접합층(132)의 경우 홀수층의 수직 접합층(132)과 짝수층의 수직 접합층(132)이 서로 다른 위치에 구비됨을 알 수 있다. The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are connected to each other through a horizontal bonding layer 131 in each unit thermoelectric plate 110 by pn Type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 form a pn junction via the vertical bonding layer 132. In addition, The horizontal bonding layer 131 in each unit thermoelectric plate 110 is alternately repeatedly disposed on the inner and outer diameters of the unit thermoelectric plate 110. In the case of the vertical bonding layer 132, It can be seen that the bonding layer 132 and the vertical bonding layer 132 of even layers are provided at different positions.

마지막으로, 상기 복수의 단위 열전판(110)이 적층된 구조물에 있어서, 상기 단위 열전판(110)의 내경에 밀착되는 파이프 형상의 동축(140)이 더 구비되어 본 발명의 열전모듈을 구성한다. 상기 동축(140) 표면 상에는 절연물질이 코팅되는 것이 바람직하며, 이는 동축(140)과 열전소재의 단락을 방지하기 위함이며 상기 절연물질로는 고무 등의 폴리머가 사용될 수 있다.
Lastly, in the structure in which the plurality of unit thermoelectric plates 110 are laminated, a pipe-shaped coaxial shaft 140 which is in close contact with the inner diameter of the unit thermoelectric plate 110 is further provided to constitute the thermoelectric module of the present invention . An insulating material may be coated on the surface of the coaxial shaft 140 to prevent a short circuit between the coaxial shaft 140 and the thermoelectric material, and a polymer such as rubber may be used as the insulating material.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈 제조방법을 설명하기로 한다. Next, a method of manufacturing a tubular thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described.

도 4a에 도시한 바와 같이, 먼저 부채꼴 형상의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)를 제작한다. p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 동일한 형상이며, 하나 또는 복수의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 쌍(열전쌍(10))을 조합하는 경우 고리를 이루며, 이와 같은 기하학적 조건의 전제 하에 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)를 제작한다. 즉, 하나의 단위 열전판(110)은 동일한 개수의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 조합으로 이루어지며, 하나의 단위 열전판(110)을 제작하기 위해서는 동일한 형상을 갖는 짝수개의 열전소재(p형과 n형 포함)가 요구된다. As shown in Fig. 4A, first, the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 having a fan shape are manufactured. The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 have the same shape, and a pair of thermoelectric elements 12 (thermocouple 10) is combined with one or a plurality of p- The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are fabricated under such a geometric condition. That is, one unit thermoelectric plate 110 is formed by combining the same number of p-type thermoelectric material 11 and n-type thermoelectric material 12, and in order to manufacture one unit thermoelectric plate 110, (Including p-type and n-type) are required.

p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 제작 과정은 재료의 차이가 있을 뿐 동일하게 진행된다. p형 열전소재(11)를 예로 하면, p형 반도체 특성을 갖는 p형 열전분말을 원통 형상의 몰드에 장입한 후 소결(sintering)하여 원통 형태의 소결체를 형성한다. 그런 다음, 제작된 소결체를 수직 방향으로 일정 두께로 슬라이싱(slicing)함과 함께 원통의 중심을 기준으로 일정 각도별로 절단한다. 절단된 소결체는 평면적으로 짝수개를 이룬다. The fabrication process of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 proceeds in the same manner with the difference of materials. Taking the p-type thermoelectric material 11 as an example, a p-type thermoelectric powder having a p-type semiconductor characteristic is charged into a cylindrical mold and then sintered to form a cylindrical sintered body. Then, the manufactured sintered body is sliced in a vertical direction to a predetermined thickness, and cut at a predetermined angle with respect to the center of the cylinder. The cut sintered body is even-numbered in plan view.

p형 열전분말로는 p형 반도체로서 안티모니를 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금(일 예로, Bi0.4Sb1.6Te3)을 이용할 수 있으며, 상기 n형 열전분말로는 n형 반도체로서 셀레늄을 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금(일 예로, Bi2Te2.7Se0.3)을 사용할 수 있다. 또한, p형 열전분말 또는 n형 열전분말의 소결방법으로 냉간압축법, 열간압축법, 스파크 플라즈마 소결법 중 어느 한 방법을 적용할 수 있다. 한편, 상기 p형 열전소재(11) 및 n형 열전소재(12)는 후속의 열압축 공정시 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 접합 용이성을 고려하여 0.1∼50mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. As the p-type thermoelectric powder, a bismuth-telluride-based alloy (for example, Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 ) containing antimony as the p-type semiconductor may be used. As the n-type thermoelectric powder, (E. G., Bi 2 Te 2.7 Se 0.3 ) may be used as the bismuth-telluride-based alloy. Further, any one of the cold compression method, the hot compression method, and the spark plasma sintering method can be applied as the sintering method of the p-type thermoelectric powder or the n-type thermoelectric powder. On the other hand, the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are formed in a thickness of 0.1 to 50 mm in consideration of easiness of joining the p-type thermoelectric material 11 and the n- It is preferable to have a thickness.

그런 다음, 절연층(120)을 준비한다(도 4c 참조). 상기 절연층(120)은 기본적으로 고리 형상을 이루며, 상기 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 조합물인 단위 열전판(110)의 모든 면을 덮을 수 있는 형상을 갖는다. 또한, 상기 절연층(120)에는 절연 개구부(121)와 수직 개구부(122)가 구비된다. 상기 절연 개구부(121)는 단위 열전판(110) 내에서의 이웃하는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 절연을 유도하기 위한 공간이고, 상기 수직 개구부(122)는 수직 접착층 형성을 유도하기 위한 공간이다. 전술한 바와 같이, 상기 수직 접착층은 이웃하는 단위 열전판(110)의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 접합을 매개하는 역할을 한다. Then, an insulating layer 120 is prepared (see FIG. 4C). The insulating layer 120 is basically annular and has a shape capable of covering all surfaces of the unit thermoelectric plate 110, which is a combination of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12. In addition, the insulating layer 120 is provided with an insulating opening 121 and a vertical opening 122. The insulating opening 121 is a space for inducing insulation between the adjacent p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 in the thermoelectric module 110, and the vertical opening 122 is a vertical This is a space for inducing the formation of an adhesive layer. As described above, the vertical adhesive layer mediates bonding between the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 of the adjacent unit thermoelectric plates 110. [

상기 절연 개구부(121)는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12) 사이에 위치하며, 상기 절연층(120)의 내경 부위와 외경 부위에 교번하여 구비된다. 또한, 상기 수직 개구부(122)는 p형 열전소재(11) 또는 n형 열전소재(12)가 구비되는 위치에 대응되는 지점에 구비된다. 절연 개구부(121)는 하나의 절연층(120) 내에 복수개 구비되나, 수직 개구부(122)는 절연층(120) 내에 1개만 존재한다. The insulating opening 121 is located between the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 and alternately disposed on the inner diameter portion and the outer diameter portion of the insulating layer 120. The vertical opening 122 is provided at a position corresponding to a position where the p-type thermoelectric material 11 or the n-type thermoelectric material 12 is provided. A plurality of insulating openings 121 are provided in one insulating layer 120, but only one vertical opening 122 exists in the insulating layer 120.

상기 p형 열전소재(11), n형 열전소재(12) 및 절연층(120)이 준비된 상태에서, 소정 형상의 몰드(40)를 준비한다(도 4b 참조). 상기 몰드(40)는 도 4b에 도시한 바와 같이 원통형의 케이스(41)와, 상기 케이스(41)의 중앙 부위에 구비되는 중앙 축(42)을 포함하여 구성되며, 상기 케이스(41)와 중앙 축(42) 상에는 복수의 칸막이(43)가 동일 각도로 이격되어 교번하여, 구비된다. 상기 복수의 칸막이(43)에 의해 케이스(41) 내의 공간은 복수개로 구분되며, 상기 칸막이(43)에 의해 정의되는 공간(이하, 칸막이 공간(43a)이라 함)의 평면 형상은 p형 열전소재(11) 또는 n형 열전소재(12)와 같이 부채꼴 형상을 이룬다. 또한, 상기 칸막이(43)는 케이스(41)와 중앙 축(42) 사이에 중앙 축(42)의 중심을 향하여 구비되며, 상기 칸막이(43)의 길이는 케이스(41)와 중앙 축(42) 사이의 거리보다 짧아 상기 칸막이(43)와 중앙 축(42) 사이 또는 상기 칸막이(43)와 케이스(41) 사이에는 공간(이하, 수평 개구부(44)라 칭함)이 형성되며, 상기 수평 개구부(44)는 전술한 수평 접합층(131)의 형성을 유도하는 역할을 한다. 상기 칸막이(43)가 케이스(41)와 중앙 축(42) 상에 교번하여 구비됨에 따라, 상기 수평 개구부(44)는 몰드(40)의 내측 부위와 외측 부위에 교번하여 구비되는 형태를 갖는다. 한편, 몰드(40) 내의 칸막이 공간(43a)은 짝수개이다. The mold 40 having a predetermined shape is prepared in a state in which the p-type thermoelectric material 11, the n-type thermoelectric material 12, and the insulating layer 120 are prepared (see Fig. 4B, the mold 40 includes a cylindrical case 41 and a central shaft 42 provided at a central portion of the case 41. The case 41 and the center On the shaft 42, a plurality of partitions 43 are alternately arranged at the same angle. The space in the case 41 is divided into a plurality of spaces by the plurality of partition 43 and a planar shape of a space defined by the partition 43 (hereinafter referred to as a partition space 43a) (11) or the n-type thermoelectric material (12). The partition 43 is disposed between the case 41 and the center shaft 42 toward the center of the center axis 42 and the length of the partition 43 is equal to the length of the case 41 and the center axis 42. [ A space (hereinafter referred to as a horizontal opening 44) is formed between the partition 43 and the central axis 42 or between the partition 43 and the case 41 so that the horizontal opening 44 44 serve to induce the formation of the horizontal bonding layer 131 described above. As the partition 43 is alternately provided on the case 41 and the central axis 42, the horizontal opening 44 is alternately provided on the inner side portion and the outer side portion of the mold 40. On the other hand, the partition space 43a in the mold 40 is an even number.

상기 몰드(40) 내의 복수의 칸막이 공간(43a)에 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)를 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 교번, 배열하여 하나의 단위 열전판(110) 형태를 완성한다. 그런 다음, 배열된 단위 열전판(110) 형태 상에 절연층(120)을 적층한다. 이어, 다시 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)를 교번, 배치한 후 절연층(120)을 적층한다. 이와 같은 과정을 반복, 실시한다. 이 때, 상하로 이웃하는 단위 열전판(110)의 마주보는 열전소재들은 서로 다른 도전형이 되도록 적층한다. 또한, 상기 절연층(120)이 상기 단위 열전판(110)들 사이에 개재되도록 함에 있어서, 홀수층의 절연층(120)의 수직 개구부(122)와 짝수층의 절연층(120)의 수직 개구부(122)의 구비 위치가 서로 다르도록 상기 절연층(120)을 구비시킨다. The p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are alternately arranged in a clockwise (or counterclockwise) manner in a plurality of partition spaces 43a in the mold 40 to form one unit thermoelectric plate 110 ) Form. Then, the insulating layer 120 is laminated on the arranged unit thermoelectric plate 110 form. Next, the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 are alternately arranged, and then the insulating layer 120 is laminated. Repeat this process. At this time, the opposing thermoelectric materials of the unit thermoelectric plates 110 adjacent to each other are laminated so as to have different conductivity types. The insulating layer 120 is interposed between the unit thermoelectric plates 110. The vertical openings 122 of the insulating layers 120 and the vertical openings 122 of the insulating layers 120 of the even- The insulating layer 120 may be provided so that the insulating layer 122 may have different positions.

상기 적층 과정을 통해, 복수의 단위 열전판(110)이 적층되고 단위 열전판(110)들 사이에는 절연층(120)이 삽입된 구조물이 완성된다. 상기 구조물에 있어서, 각 층마다 절연층(120)이 삽입, 구비됨에 따라, 수평 개구부(44) 및 수직 개구부(122)의 공간이 명확히 한정된다. Through the laminating process, a plurality of unit thermoelectric plates 110 are laminated and an insulation layer 120 is inserted between the unit thermoelectric plates 110. As the insulating layer 120 is inserted into each layer of the structure, the spaces of the horizontal opening 44 and the vertical opening 122 are clearly defined.

이와 같은 상태에서, 상기 구조물에 대해 열압축 공정을 실시한다. 상기 열압축 공정 실시에 의해, 단위 열전판(110) 내의 이웃하는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 상기 수평 개구부(44)로 확장되어 수평 접합층(131)을 형성하며, 이웃하는 단위 열전판(110)의 마주보는 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 수직 개구부(122)로 확장되어 수직 접합층(132)을 형성한다. 이에 따라, 단위 열전판(110) 내의 p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)는 수평 접합층(131)을 매개로 직렬 연결되며, 수직 적층된 단위 열전판(110)들은 수직 접합층(132)을 매개로 서로 직렬 연결된다(도 4d 참조). In this state, the structure is subjected to a thermal compression process. The thermal compression process is performed so that the adjacent p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 in the thermoelectric plate 110 are extended to the horizontal opening 44 to form the horizontal bonding layer 131 And the opposing p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 of the adjacent thermoelectric plate 110 are extended to the vertical opening 122 to form the vertical bonding layer 132. Accordingly, the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 in the unit thermoelectric plate 110 are connected in series through the horizontal bonding layer 131, and the vertically stacked unit thermoelectric plates 110 are vertically And are connected to each other in series via the bonding layer 132 (see Fig. 4D).

상기 열압축 공정 진행시, p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 재료에 따라 적절한 공정 조건이 요구되는데, p형 열전소재(11)와 n형 열전소재(12)의 균열이 발생되는 것을 방지하기 위해 200∼400℃의 온도와 250∼350kg/cm2 압축 하중을 적용하는 것이 바람직하다. Proper process conditions are required depending on the materials of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 in the course of the thermal compression process. The cracks of the p-type thermoelectric material 11 and the n-type thermoelectric material 12 It is preferable to apply a compression load of 250 to 350 kg / cm < 2 > at a temperature of 200 to 400 [deg.] C.

상기 열압축 공정을 진행하여 수평 접합층(131) 및 수직 접합층(132)을 형성한 다음, 상기 단위 열전판(110)의 내경에 밀착되는 파이프 형상의 동축(140)이 장착하면 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 열전모듈 제조방법은 완료된다.
After the horizontal bonding layer 131 and the vertical bonding layer 132 are formed by performing the thermal compression process and then a pipe-shaped coaxial shaft 140 adhering to the inner diameter of the unit thermoelectric plate 110 is mounted, The method of manufacturing the tubular thermoelectric module according to one embodiment is completed.

10 : 열전쌍 11 : p형 열전소재
12 : n형 열전소재 40 : 몰드
41 : 케이스 42 : 중앙 축
43 : 칸막이 43a : 칸막이 공간
44 : 수평 개구부 110 : 단위 열전판
120 : 절연층 121 : 절연 개구부
122 : 수직 개구부 131 : 수평 접합층
132 : 수직 접합층 140 : 동축10: thermocouple 11: p-type thermoelectric material
12: n-type thermoelectric material 40: mold
41: Case 42:
43: partition 43a: partition space
44: Horizontal opening 110: Unit thermo plate
120: insulating layer 121: insulating opening
122: vertical opening 131: horizontal bonding layer
132: vertical bonding layer 140: coaxial

Claims (15)

순차적으로 적층된 고리 형상의 복수의 단위 열전판; 및
상기 단위 열전판들 사이에 각각 구비되는 절연층을 포함하여 이루어지며,
상기 단위 열전판은 하나 또는 복수의 열전쌍으로 구성되며,
상기 열전쌍은 p형 열전소재와 n형 열전소재의 쌍이며,
상기 단위 열전판 내에서 p형 열전소재와 n형 열전소재는 수평 접합층을 매개로 연결되며, 이웃하는 단위 열전판의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 수직 접합층을 매개로 연결되며,
상기 수평접합층과 수직 접합층은 p형 열전소재 및 n형 열전소재가 확장되어 접합된 것이며,
이웃하는 단위 열전판의 마주보는 열전소재는 서로 다른 도전형인 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
A plurality of annular unit thermoelectric plates sequentially stacked; And
And an insulating layer provided between the unit thermoelectric plates,
Wherein the unit thermoelectric plate is composed of one or a plurality of thermocouples,
The thermocouple is a pair of a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material,
In the unit thermoelectric plate, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are connected via a horizontal bonding layer. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the adjacent unit thermoelectric plate are connected through a vertical bonding layer,
The horizontal bonding layer and the vertical bonding layer are formed by expanding and bonding the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material,
Wherein the opposing thermoelectric materials of the neighboring thermoelectric plates are of different conductivity types.
제 1 항에 있어서, 상기 단위 열전판들 사이에 각각 구비되는 복수의 수직 접합층에 있어서, 홀수층의 수직 접합층의 구비 위치와 짝수층의 수직 접합층의 구비 위치는 서로 다른 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The multilayer printed wiring board according to claim 1, wherein the plurality of vertical bonding layers provided between the unit thermoelectric plates are different in the position of the vertical bonding layer of the odd-numbered layer and the position of the vertical bonding layer of the even- Tubular thermoelectric module.
제 1 항에 있어서, 상기 절연층에 수직 개구부가 구비되며, 상기 수직 개구부 내에 상기 수직 접합층이 구비되는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The tubular thermoelectric module according to claim 1, wherein a vertical opening is provided in the insulating layer, and the vertical bonding layer is provided in the vertical opening.
제 1 항에 있어서, 상기 수평 접합층은 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 사이에 구비되며, 상기 수평 접합층은 단위 열전판의 내경 부위와 외경 부위에 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
2. The thermoelectric module according to claim 1, wherein the horizontal bonding layer is provided between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, and the horizontal bonding layer is alternately disposed on the inner diameter portion and the outer diameter portion of the unit thermoelectric plate. Thermoelectric module.
제 1 항에 있어서, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재는 동일한 부채꼴 형상이며, 상기 단위 열전판에 있어서 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재는 교번하여 배열되는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The thermoelectric module according to claim 1, wherein the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material have the same fan shape, and the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are alternately arranged in the unit thermoelectric plate. .
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 Al2O3, SiOx, ZrOx 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The tubular thermoelectric module according to claim 1, wherein the insulating layer is made of any one of Al 2 O 3 , SiO x , and ZrO x .
제 1 항에 있어서, 상기 p형 열전소재는 p형 반도체로서 안티모니를 포함하는 비스무스-텔라이드계열 합금이며, 상기 n형 열전소재는 n형 반도체로서 셀레늄을 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금인 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The n-type thermoelectric material according to claim 1, wherein the p-type thermoelectric material is a bismuth-telluride-based alloy containing antimony as a p-type semiconductor, and the n-type thermoelectric material is a bismuth-telluride-based alloy containing selenium Wherein the tubular thermoelectric module is a tubular thermoelectric module.
제 1 항에 있어서, 상기 단위 열전판의 내경에 밀착되는 파이프 형상의 동축이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈.
The tubular thermoelectric module according to claim 1, further comprising a pipe-shaped coaxial shaft closely contacting the inner diameter of the unit thermoelectric plate.
동일한 부채꼴 형상을 갖는 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 준비하는 단계;
몰드 내에 p형 열전소재와 n형 열전소재를 교번, 배치하여 고리 형상의 단위 열전판 형태를 형성하고, 상기 단위 열전판 형태 상에 절연층을 적층하는 과정을 반복하여, 단위 절연판 형태 사이에 절연층이 삽입된 구조물을 완성하는 단계;
상기 구조물을 열압축하여 관형 열전모듈을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 몰드 내에 완성된 구조물에 있어서,
단위 열전판 형태 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 이격, 배치되며,
상기 절연층은 이웃하는 단위 열전판 형태의 p형 열전소재와 n형 열전소재의 일부를 노출시키는 수직 개구부를 구비하며,
상기 열압축에 의해, 상기 단위 열전판 형태 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 일부가 확장되어 수평 접합층을 형성하며, 이웃하는 단위 열전판 형태의 p형 열전소재와 n형 열전소재의 일부가 상기 수직 개구부로 확장되어 수직 접합층을 형성하며, 단위 열전판 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 상기 수평 접합층을 매개로 연결되고 이웃하는 단위 열전판의 p형 열전소재와 n형 열전소재는 상기 수직 접합층을 매개로 연결되며,
상기 절연층은 상기 단위 열전판 형태의 모든 면을 덮을 수 있는 고리 형상으로 이루어지며,
상기 절연층에는 절연 개구부와 수직 개구부가 구비되고,
상기 절연 개구부는 단위 열전판 내에서의 이웃하는 p형 열전소재와 n형 열전소재의 절연을 유도하기 위한 공간이고, 상기 수직 개구부는 수직 접착층 형성을 유도하기 위한 공간인 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈의 제조방법.
Preparing a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material having the same fan shape;
The process of laminating the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material alternately in the mold to form an annular unit thermoelectric plate form and laminating the insulating layer on the unit thermo plate form is repeated, Completing the layered structure;
And thermally compressing the structure to manufacture a tubular thermoelectric module,
In the completed structure in the mold,
The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the unit thermoelectric plate form are spaced apart from each other,
Wherein the insulating layer has a p-type thermoelectric material in a neighboring thermoelectric plate form and a vertical opening in a portion of the n-type thermoelectric material,
By the thermal compression, a part of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the unit thermoelectric plate form are extended to form a horizontal bonding layer, and the p- and n-type thermoelectric materials Wherein the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the unit thermoelectric plate are connected to each other through the horizontal joining layer, and the p-type thermoelectric material and the n Type thermoelectric material is connected via the vertical bonding layer,
Wherein the insulating layer has an annular shape covering all surfaces of the unit thermoelectric plate,
Wherein the insulating layer is provided with an insulating opening and a vertical opening,
Wherein the insulating opening is a space for guiding the insulation between the neighboring p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material in the unit thermoelectric plate, and the vertical opening is a space for guiding the formation of the vertical adhesion layer. ≪ / RTI >
제 10 항에 있어서, 상기 동일한 부채꼴 형상을 갖는 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 준비하는 단계는,
p형 열전분말과 n형 열전분말 각각을 원통 형상으로 소결한 후, 소결된 소결체를 수직 방향으로 일정 두께로 슬라이싱함과 함께 원통의 중심을 기준으로 일정 각도별로 절단하여 p형 열전소재 및 n형 열전소재를 제작하는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈의 제조방법.
The method of claim 10, wherein preparing the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material having the same fan-
Each of the p-type thermoelectric powder and the n-type thermoelectric powder was sintered in a cylindrical shape, and then the sintered sintered body was sliced in a vertical direction to a predetermined thickness and cut at a predetermined angle with respect to the center of the cylinder, And a thermoelectric material is manufactured.
제 10 항에 있어서, 상기 몰드는,
원통형의 케이스와, 상기 케이스의 중앙 부위에 구비되는 중앙 축을 포함하여 구성되며, 상기 케이스와 중앙 축 상에는 복수의 칸막이가 동일 각도로 이격되어 교번하여 구비되며,
상기 복수의 칸막이에 의해 케이스 내의 공간은 복수개로 구분되며, 상기 칸막이에 의해 한정되는 공간(이하, 칸막이 공간이라 함)의 평면 형상은 p형 열전소재 또는 n형 열전소재와 대응되는 부채꼴 형상을 이루며, 상기 몰드 내의 복수의 칸막이 공간에 p형 열전소재와 n형 열전소재가 교번, 배열되어 하나의 단위 열전판 형태가 완성되며,
상기 칸막이는 케이스와 중앙 축 사이에 중앙 축의 중심을 향하여 구비되며, 상기 칸막이의 길이는 케이스와 중앙 축 사이의 거리보다 짧아 상기 칸막이와 중앙 축 사이 또는 상기 칸막이와 케이스 사이에는 공간(이하, 수평 개구부라 칭함)이 형성되며,
상기 수평 개구부는 몰드의 내측 부위와 외측 부위에 교번하여 구비되는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈의 제조방법.
11. The mold according to claim 10,
And a center shaft provided at a central portion of the case, wherein a plurality of partitions are alternately arranged at the same angle on the case and the central shaft,
The space in the case is divided into a plurality of spaces by the plurality of partitions, and the planar shape of the space defined by the partition (hereinafter, referred to as partition space) is a fan shape corresponding to the p-type thermoelectric material or n-type thermoelectric material , A p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are alternately arranged in a plurality of partition spaces in the mold to complete one unit thermoelectric plate form,
The partition is disposed toward the center of the central axis between the case and the central axis, and the length of the partition is shorter than the distance between the case and the central axis, so that a space is formed between the partition and the center shaft or between the partition and the case Quot;) is formed,
Wherein the horizontal openings are alternately provided on an inner side portion and an outer side portion of the mold.
삭제delete 제 10 항에 있어서, 상기 p형 열전분말과 n형 열전분말의 소결은 냉간압축법, 열간압축법, 스파크 플라즈마 소결법 중 어느 한 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈의 제조방법.
The method of manufacturing a tubular thermoelectric module according to claim 10, wherein the sintering of the p-type thermoelectric powder and the n-type thermoelectric powder is performed by any one of a cold compression method, a hot compression method and a spark plasma sintering method.
제 10 항에 있어서, 상기 p형 열전소재는 p형 반도체로서 안티모니를 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금이고, 상기 n형 열전소재는 n형 반도체로서 셀레늄을 포함하는 비스무스-텔루라이드계열 합금인 것을 특징으로 하는 관형 열전모듈의 제조방법. The thermoelectric material according to claim 10, wherein the p-type thermoelectric material is a bismuth-telluride-based alloy containing antimony as a p-type semiconductor, and the n-type thermoelectric material is a bismuth-telluride-based alloy containing selenium Wherein the tubular thermoelectric module is a thermoelectric module.
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