KR101586551B1 - 열전 발전기 제조에 유용한 구조물, 이를 포함하는 열전 발전기, 및 그 제조 방법 - Google Patents

열전 발전기 제조에 유용한 구조물, 이를 포함하는 열전 발전기, 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전 발전기의 제조에 유용한 구조물, 이를 포함하는 열전 발전기, 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 열전 발전기 제조에 유용한 구조물을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 구조물은, 절연 재료 스트라이프에 의해 분리되거나 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공되는 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프 및 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 포함하고, 각각 하나의 n-형 스트라이프와 하나의 p-형 스트라이프를 연결하며 상호 전기적으로 접촉하지 않는 복수의 도전성 재료 스트라이프를 포함하며, 상기 구조물에는 폴리머 기판이 없으며, 상기 방법은 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 단일 제조 단계에서 공동-형성하는 단계; 및 도전성 재료 스트라이프에 의해 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프 사이의 접속부를 형성하는 단계를 포함한다. 열전 발전기 제조에 유용한 구조물은 상기 방법에 의해 얻어질 수 있다. 열전 발전기는 적어도 하나의 이러한 구조물을 포함한다.

Description

열전 발전기 제조에 유용한 구조물, 이를 포함하는 열전 발전기, 및 그 제조 방법{STRUCTURE USEFUL FOR PRODUCING A THERMOELECTRIC GENERATOR, THERMOELECTRIC GENERATOR COMPRISING SAME AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 열전 발전기 제조에 유용한 구조물, 이를 포함하는 열전 발전기, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
열전 발전기(Thermoelectric generators: TEG)는 "제벡(Seebeck) 효과"(또는 "열전 효과")로 지칭되는 현상을 사용하여 열(온도 차이)을 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 상이한 제벡 전위를 갖는 두 개의 이종 금속(도체) 또는 반도체가 각 단부에서 접촉되어 있을 때, 이들 단부의 온도가 상이하면 전압이 얻어진다(즉, 제벡 효과). 반대로, 인가된 전류가 펠티어 효과로 인해 두 단부 사이에 온도 차이를 유도할 수 있다. 따라서, 열전 장치는 전류에 의해 열을 전달하는 쿨러 또는 열펌프일 수 있다. 통상적인 열전 발전기는 상호 연결되어 열전쌍을 형성하는 두 개의 반도체 재료, 즉 p-도프(doped) 열전 소자 및 n-도프 열전 소자를 포함한다. 열전쌍은 이후 전기적으로 직렬 연결되고 열적으로 병렬 연결된다. 열전 발전기는 한 개 내지 수백 개의 열전쌍을 수용할 수 있다. 열전 발전기는 다양한 상황에 적용될 수 있으며, 열 수확뿐 아니라 냉각 목적을 위한 대체 에너지 해결책을 제공한다.
TEG는 예컨대 소규모 용도에 사용될 수 있으며, 이 경우 열기관(보다 부피가 큼)은 가능하지 않을 것이다. 오늘날 관심을 끌고있는 다른 적용 분야는 예컨대 기존 발전소의 에너지 효율을 증대시키기 위해 전기를 역시 대규모로 발전시키기 위한 (임의의 소정 소스로부터의) "폐"열/"폐"온도차의 사용이며, 이 경우에도 그 에너지 함량은 일절 사용되지 않으면서 다량의 "폐"열이 발생된다.
발전을 위한 TEG의 사용을 더 확장시키기 위해서는, 그러나, 간단하고 신뢰성 있으며 규모 확대 가능한(up-scalable) 제조 방법을 찾아내야 하는 바, 왜냐면 현재 기술은 포토리소그래픽 방법과 같은 보다 복잡하고 고가인 공정이 요구되는 단점을 여전히 안고 있기 때문이다. 또한, TEG는 가능한 한 안정되어야 하고, 폭넓은 온도 범위에 걸쳐서 작동할 수 있어야 하며, 예컨대 전기 발생을 위해 사용되는 "폐"열의 높은 온도 및/또는 큰 온도 변동에 의해 너무 손상되지 않아야 한다.
그러나, 현재 기술은 여전히 상기 목적에 대해 만족스러운 해결책을 제시하지 못하고 있다.
종래의 열전 발전기는 보통 열전 재료의 잉곳을 특정 벌크의 열전 소자로 절단하고 이들 열전 소자를 납땜 등의 기술을 통해서 전극 상에 접합함으로써 제조된다. 열전 발전기를 제조하는 이 기술은 종종, n-형 재료 또는 p-형 재료의 수백 개의 다리를 상호 근접하여 배치하고 이후 이들을 나란히 쌍으로 배치할 것을 요구하므로 시간 소모적이고 비싸다. 이 제조 방법은 열전 장치 제조 기술의 향상을 요구한다. 종래의 열전 발전기 제조에서 마주치는 문제는 열전 소자의 두께가 1.5 mm 미만일 때 열전 소자의 극히 낮은 수율이다. 이는 열전 재료 잉곳의 절단이 어렵기 때문이다. 열전 소자의 소형화는 매우 어렵다. 그 결과, 열전 모듈로 제조될 수 있는 열전쌍의 개수가 제한된다. 장치의 효율을 제한하는 다른 문제는 다리와 인터커넥터 사이의 접촉 저항이다. 따라서, 열전 발전기의 전체 효율이 상당히 낮다. 요약하면, 종래의 방법을 사용해서는 콤팩트한 고성능 열전 발전기를 제조하기가 매우 어렵다.
US 5,959,341호, US 6,025,554호, US 6,127,619호 및 US 2009/0025772 A1호는 열전 모듈을 개시하고 있으며, 이러한 모듈을 제조하기 위한 특히 시간 소모적이고 여전히 비싸며 규모 확대가 어려운 번거로운 방법을 기술한다.
WO 2009/148309호는 예컨대 TEG 제조 방법을 기재하고 있다. 기재된 방법은 종래의 포토리소그래픽 방법의 사용과 연관된 단점의 일부를 극복하는 것을 목적으로 한다. 그러나, WO 2009/148309호에 제시된 방법도 상당히 복잡한 다단계 방법이다. 또한, WO 2009/148309호는 열적 안정성을 크게 저하시키는 가요성 기판, 통상 폴리머 기판의 사용을 요한다.
WO 2009/045862호는 TEG를 제조하기 위한 종래 방법의 다른 예를 기재하고 있다. 이 방법에서는, p-형 또는 n-형 재료가 가요성 기판 상에 증착되고, 이후 증착된 n-형 및 p-형 재료의 권상(rolled-up) 실린더 각각이 연결되어 TEG를 제조한다. 유사한 절차가 WO 2010/007110호, US 2008/0156364 A호 및 JP 9107129 A호에도 개시되어 있다. 그러나, 이들 방법 및 제조된 TEG는 모두, 기재된 폴리머 가요성 기판이 고온에서 안정적이지 않기 때문에 사용 도중뿐만 아니라 제조와 관련한 온도 제한과 같은 다양한 단점을 여전히 갖고 있다. 또한, 이들 종래 기술을 이용한 대량 생산은 특히 상당히 복잡한 다단계 제조 공정으로 인해 구상하기 어렵다.
L.A. Salam 등에 의한 "테이프 캐스팅 방법에 의한 철 다이실리사이드 열전 발전기의 제조(Fabrication of iron disilicide thermoelectric generator by tape casting method)", Materials and Design 20 (1999) 223-228은 반도체성 및 절연성 세라믹 재료 층들의 다중-층으로 구성되는 열전 발전기의 제조에 관한 것이다.
US 6,872,879호는 발전기의 두 대향면에 다수의 열전쌍을 형성하기 위해 교호적으로 배치되고 그 단부에서 연결되는 다수의 n형 및 p형 반도체 소자를 포함하는 열전 발전기에 관한 것이다.
EP-A-2128907호는 열전 변환 모듈용 기판으로서, 주성분으로 세라믹 재료를 포함하는 가요성 기판에 관한 것이다.
JP-A-09092891호는 결합된 적층형 열전극 소자인 열전 소자로서, p-형 반도체와 n-형 반도체가 적층되고 절연 세라믹 층을 통해서 접합되는 열전 소자를 개시하고 있다.
US 2008/0289677호는 복수 층의 적층체로 구성되고 얇은 열전 구조물을 생성하기 위해 처리되거나 수정되는 열전 소자에 관한 것이다.
JP-A-04018772호는 높은 성능지수를 갖는 열전소자 용으로 사용되는 급냉 박판의 제조에 관한 것이다.
이 기술에서의 장래성은 열전 재료에 대한 연구로 인해 지난 15년에 걸쳐서 증가되었지만, 하기의 여러 가지 문제가 여전히 상업적 실시를 막고 있다:
I. 높은 연소 온도에서 최적의 열적, 전기적 및 기계적 특성을 조합하는 보다 양호한 열전 재료에 대한 필요성;
Ⅱ. 이들 재료의 전기적 접촉 및 현실 세계 열전 발전기에 대한 그 통합, 즉 높은 접촉 저항;
Ⅲ. 이들 발전기를 제조하기 위한 저렴하고, 규모 확대 가능하며, 효과적인 제조 방법에 대한 필요성.
따라서, 이들 단점을 해결하는 TEG를 제조하고 상기 목적들 중 적어도 하나를 수행하기 위한 방법을 제공할 필요가 있다. 또한, 고도로 신뢰성 있고, 간단하며, 저렴한 TEG가 추구되며, 따라서 이 발전 기술은 더 많은 용도에 사용될 수 있다.
본 발명의 전체 목적은 토류-풍부성(earth-abundant) 재료를 포함하는, 에너지 고밀도이고 규모 확대 가능하며 저렴한 열전 발전기 기술을 생성하는 것이다.
본 발명은 청구항 1 내지 15의 요지에 의해 이들 목적을 해결한다.
본 발명은 청구항 1에 한정된 열전 발전기의 제조에 유용한 구조물을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 바람직한 실시예는 하기 설명뿐만 아니라 각각의 종속항에 기술되어 있다. 본 발명의 방법에 따라 준비될 구조물은 절연 재료 스트라이프에 의해 분리되거나 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공되는 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프 및 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 포함하고, 각각 하나의 n-형 스트라이프와 하나의 p-형 스트라이프를 연결하며 상호 전기적으로 접촉하지 않는 복수의 도전성 재료 스트라이프를 추가로 포함하며, 상기 구조물에는 폴리머 기판이 없는 것을 특징으로 한다. 상기 방법은 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 단일 제조 단계에서 공동-형성(co-form)하는 단계; 및 도전성 재료 스트라이프에 의해 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프 사이의 접속부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 TEG 제조에 유용한 구조물을 제공하고, 상기 구조물은 절연 재료 스트라이프에 의해 분리되거나 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공되는 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프 및 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 포함하고, 상기 구조물에는 폴리머 기판이 없으며, 상기 구조물은 상기 방법에 의해 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 언급되는 구조물에 폴리머 기판이 없다는 특징은 본 발명에 따라 채용되는 기판(본 명세서에서 한정되는 n-형 및 p-형 재료가 그 위에 제공됨)이 폴리머 재료로 구성되지 않거나 폴리머 재료를 포함하지 않음을 정의한다. 이와 관련하여 언급되는 폴리머 재료는 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리이미드 등과 같은 이와 관련하여 종래에 사용되는 통상적인 폴리머 및 실리콘을 포함하는 임의의 종류의 유기 폴리머 재료이다.
이상에 따르면, 본 발명의 제 1 옵션은 n-형(n) 스트라이프, p-형(p) 스트라이프 및 절연 재료(i) 스트라이프가 나란히 제공되는 구조물이다. 이러한 구조물은 공지된 테이프 캐스팅 등의 방법에 의해 제조될 수 있다. 다수의 이들 형태의 스트라이프를 나란히 조립하여 다중 스트라이프를 갖는 구조물을 얻을 수 있다. 이는 절연 재료에 의해 (테이프 유동 방향에 평행하게) 분리된 n-형 및 p-형 페이스트를 테이프 캐스팅함으로써 달성될 수 있다. 이렇게 얻어진 구조물은 [(n)(i)(p)(i)]x로 기술될 수 있다(n-형 스트라이프, 절연 스트라이프, p-형 스트라이프, 절연 스트라이프로 구성되는 "반복 유닛들", x는 나란히 제공되는 반복 유닛의 개수임). 두 개의 외부 스트라이프가 절연 스트라이프이도록 하나의 추가 절연 재료 스트라이프가 제공될 때 바람직하다. 이는 전기 절연을 보장하고, 안정성에 관하여 장점을 제공하며, n-형/p-형 스트라이프에 대한 보호를 제공한다.
본 발명의 구조물에서, 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프는 상호 직접 접촉하지 않는다. 대신에, 일 실시예에서, 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프는 절연 재료 스트라이프에 의해 분리된다. 다른 실시예에서, 상기 스트라이프들은 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공된다. 어느 경우에나, 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프는 상호 직접 접촉하지 않도록 공동-형성된다.
바람직한 실시예에서, 절연 스트라이프는 세라믹 재료를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 구조물이 전술한 스트라이프들로 구성될 때, 즉 추가 스트라이프가 존재하지 않을 때 바람직하다. 그러나, 본 발명에 따른 구조물은 그들 사이에 소정 개수의 절연 스트라이프를 갖는 다수의 n-형 및 p-형 재료 스트라이프를 포함할 수 있음은 자명하다. 임의의 소정 개수의 이들 스트라이프는 예컨대 2개(즉, 하나의 n-형 스트라이프 및 하나의 p-형 스트라이프) 내지 수백 개, 예를 들면 2 내지 1000개 존재할 수 있으며, 여러 실시예에서 10개 내지 500개, 50개 내지 300개, 75개 내지 200개, 80개 내지 150개, 또는 80개 내지 120개, 예를 들면 약 100개 등이 존재할 수 있다. 이들 개수의 스트라이프를 갖는 구조물은 또한 소정 개수의 절연 스트라이프를 포함하며, 따라서 인접하는 n-형 재료 스트라이프와 p-형 재료 스트라이프는 적절하게 분리된다.
본 발명에 따르면, 열전 발전기의 비용-효과적인 제조 방법이 제공된다. 본 발명은 열전 재료 잉곳으로부터의 벌크 열전 소자를 사용하는 대신에 단일 프로세스 단계로 제조되는 열전쌍(n-형 및 p-형) 어레이를 유리하게 채용한다. 열전 소자는 예컨대 열전쌍을 절연 재료에 의해 분리되는 n-형 및 p-형 재료의 어레이로 "나란히(side by side)" 선택적으로 캐스팅하는 테이프 캐스팅에 의해 얻어진다. 개별 열전 소자의 위치, 형상 및 크기는 따라서 테이프 캐스팅 프로세스의 패턴에 의해 미리 결정된다. 열전쌍을 단일 프로세스 단계로 형성함으로써, 상기 방법은 잉곳을 벌크 열전 소자로 절단한 후 이들을 납땜 등의 기술을 통해서 전극 상에 접합시키는 것과 같이 열전쌍이 개별 제조되는 종래의 TEG 프로세스에 비해서 비용 효과적이다. 이는 열전 발전기에 유용한 구조물을 제조하기 위한 저렴하고 규모 확대 가능하며 효과적인 제조 방법을 가능하게 한다.
스트라이프 용도로 세라믹 재료(이하에서 추가로 설명 및 예시됨)를 사용할 때, 본 발명의 추가 장점은, 먼저 세라믹 슬러리 또는 페이스트(결합제와 혼합되고 경우에 따라 용매와 혼합되는 세라믹 분말 등)로부터 구조물이 준비되고, 따라서 예컨대 테이프 캐스팅 및 건조(당업자에게 공지되어 있듯이 100℃와 같은 낮은 온도에서) 이후 생소지(green body)가 얻어지며 이 생소지가 절단 및 성형(예를 들면 나선형으로 권상) 이후 소결과 같은 추가 공정을 겪을 수 있다는 것이다. 따라서 구조물의 형상은 초기 캐스팅 이후에 수정될 수 있다.
예컨대, 열전 발전기는 전술한 구조물의 장방형 스트립을 (그린 상태에서) 절단함으로써 준비될 수 있으며; 이들 스트립은 가요성이고, 주성분으로서 예컨대 세라믹 재료로 제조된다. 이후 이들 스트립은 예컨대 세라믹 분말이 소정 온도에서 소결되기 전에 롤링되어 형상화될 수 있다. 최종 결과물은 다단계 열전 모듈이다.
본 발명에서 이러한 원통형 열전 모듈은 조립이 훨씬 더 용이하고, 대량 생산 기회를 제공하며, 종래 프로세스에 비해 적은 체적의 재료로 상이한 출력을 제공하기 위해 실제 적용에 따라서 규모 확대될 수 있다.
바람직하게 전술한 스트립은 테이프 캐스팅, 스프레이 코팅 또는 공압출 등(테이프 캐스팅이 바람직함)과 같은 간단한 산업상 제조 방법을 가능하게 하는 재료들로 제조된다. 적합한 재료는 특히 세라믹 재료인데, 이는 출발 재료로서 슬러리의 사용을 가능하게 하며, 따라서 예컨대 임의의 소정 개수의 스트립의 동시 테이프 캐스팅이 실시될 수 있다. 이어서, 얻어진 습식(그린) 보디(시트)는 이후 경우에 따라서 제 1 건조 단계를 겪게 되고, 어느 경우에나 통상 다수의 적절한 피스로 절단되며, 이들 피스는 이후 추가 소결 공정을 겪기 전에 적층 또는 권상되어 실린더를 형성하고 따라서 최종 응고 구조물이 얻어진다.
구조물 내의 스트라이프의 통상적인 치수는 (테이프 캐스팅에 의해 준비된 구조물과 관련하여) 다음과 같이 선택될 수 있다:
폭(w): 1 내지 100 mm, 예를 들면 5 내지 50 mm
두께(t): 0.05 내지 5 mm, 예를 들면 0.1 내지 2 mm, 바람직하게 0.5 내지 1 mm
길이(l)(테이프 이동 방향＊): 2 내지 1000 mm, 예를 들면 5 내지 200 mm, 바람직하게 20 내지 100 mm.
＊테이프 이동 방향은 여러 도면에 도시되어 있으며, 생산 중에 테이프가 테이프 캐스터에 대해 이동할 때 따르는 축에 의해 규정된다.
테이프 캐스팅 방법에 추가적으로, 층상 구조물을 준비하기 위한 다른 방법, 특히 공압출 프로세스 등이 고려될 수 있다.
세라믹 재료의 바람직한 사용으로 인해 건조 및 소결(통상 800℃ 이상의 온도에서)이 요구되며, 따라서 결과적인 층들은 유사한, 바람직하게 약 10% 이내, 보다 바람직하게 5% 이하 내의 열팽창 계수를 갖는 재료에 의해 바람직하게 제조되어야 한다. 세라믹 재료가 화학적으로 안정적이기 때문에, 최종 제품은 이후 침습 환경에서의 안정성뿐 아니라 높은 열적 안정성을 갖는 고도로 안정적인 층이 얻어지는 장점을 제공한다. 세라믹 재료의 테이프 캐스팅 또한 주지된 기술이며 따라서 저렴한 대량 생산이 가능하다.
본 발명의 구조물의 각 층에 적합한 재료는 다음과 같다:
n-형 재료: 도프 ZnAlO, LaNi03, CaMn03, Co 도프 베타-FeSi2,
p-형 재료: Li 도프 NiO, Cr 도프 베타-FeSi2; 도프 Ca3Co409
절연 재료: K20-BaO-Si02, BaO-Al203-Si02
그러나, 이들 재료는 단지 예시적인 예로서 언급된 것임을 알아야 한다. 이들 재료는 테이프 캐스팅에 의해 효율적으로 신뢰성있게 제조될 수 있는 매우 비싼 구조물의 준비를 가능하게 한다.
전술한 구조물은 특히 TEG의 형성에 적합하다. (전술한 롤링 또는 적층에 의해) 소정 형상으로 이미 만들어진 소결/연소된 시트의 n-형 및 p-형 스트라이프는 이후, 주지된 표준 방법에 의해, 은 페이스트 또는 분말로 제조된 것과 같은 접촉 스트라이프(전도체)에 의해 도포될 수 있으며, 따라서 n-형 스트라이프와 p-형 스트라이프 사이의 소정 연결이 이루어지고 블록이 얻어진다. 이들 도전성 재료 스트라이프는 하나의 n-형 재료 스트라이프와 하나의 p-형 재료 스트라이프를 연결하며, 각각 상호 전기 접촉하지 않는다. 따라서 TEG의 제조를 위해 도면에 도시된 절단과 같은 적절한 추가 처리 단계 이후에 구조물을 사용할 수 있다. 다수의 이러한 블록은 이후 TEG의 중앙 유닛이 얻어지도록 배선에 의해 소정 방식으로 연결될 수 있다. 이들 연결된 블록을 적절한 하우징 등 내에 적절히 배치함으로써, TEG가 얻어진다. 이들 제조 단계는 전술한 순서로 실시될 수 있지만, 도면에 도시하듯이 방법 단계들의 다른 순서를 사용할 수도 있다.
본 발명의 특정한 일 실시예에서, 접촉 스트라이프는 n-형 및 p-형 재료 스트라이프를 제공하기 위한 제조 단계 중에, 예를 들면 테이프 캐스팅 공정 중에 이미 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이들 접촉 스트라이프는 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅 또는 기타 적합한 방법에 의해 은 페이스트(도 1 참조)와 같은 적합한 도전성 재료의 스트라이프를 적용함으로써 테이프 캐스팅 중에 제공될 수 있으며, 따라서 구조물은 임의의 후속 프로세스 단계 이전에 이미 요구되는 기능(n-형, p-형, 절연체, 커넥터)을 모두 포함한다. 각각의 도전성 재료 스트라이프는 하나의 p-형 스트라이프를 정확히 하나의 n-형 스트라이프와 연결하며, 임의의 다른 도전성 스트라이프에는 전기적으로 연결되지 않는다.
필수 요소들, 즉 n-형, p-형 및 절연 층이 간단한 주지된 프로세스에 의해 얻어질 수 있기 때문에, 본 발명에 의하면 TEG를 대량 생산하기 위한 용이한 방법이 제공된다. 본 발명의 TEG는 폭넓은 온도 범위에 걸쳐서 안정적인 기능이며, 따라서 광범위한 적용 분야에서의 그 사용 가능성을 제공한다.
도 1에는 본 발명에 따른 TEG를 취득하기 위한 한 가지 방법이 도시되어 있다. 도 1a에는 3개의 절연 스트라이프에 추가적으로 네 개의 스트라이프(n-형 층 플러스 p-형 층)를 포함하는 구조물에 대한 테이프 캐스팅 프로세스가 개략 도시되어 있다. 도 1b는 접촉 층의 도포를 도시하며, 이어서 도 1c에 도시된 절단이 이루어진다. 도 1d는 전기 배선이 부착되고, 이어서 세라믹 생소지를 감아서 롤로 만들고, 이후 소결하는 것을 도시한다. 도 1e는 마지막으로 최종 TEG를 도시한다.
도 2는 본 발명의 TEG 및 구조물을 취득하기 위한 다른 방법을 도시한다. 도 2a는 도 1a에 대응한다. 도 2b에서는 세라믹 생소지가 절단되어 블록으로 적층되며, 이들 블록은 다시 도 2c에서 도전층으로 도포된다. 도 2d는 블록의 조립 및 배선의 적용을 도시하며, 이어서 도 2e는 최종 TEG를 도시한다.
본 발명에 따른 구조물에 대한 두 번째 옵션은 예컨대 시트형 기판 형태의 절연 재료 상에 n-형 및 p-형 재료 스트라이프를 제공하는 것이다. 각각의 n-형 및 p-형 재료 스트라이프 사이에는 보이드(공간적 분리)가 제공되며 이는 소정의 절연을 제공한다. 이러한 구조물은 전술한 장점들(제조 용이성 등)을 여전히 제공하는 한편으로 (절연 기판으로 인해) 더 높은 기계적 안정성을 제공할 수 있다. 제 1 옵션과 관련하여 전술한 모든 바람직한 실시예는 재료의 선택, 스트라이프의 치수, 제조 공정 등과 같은 제 2 옵션에 대해서도 유효하다. 이 특정 실시예는 또한, 먼저 절연 기판이 제공되고, 이어서 n-형 스트라이프와 p-형 스트라이프가 적층되는 테이프 캐스팅 방법에 의해 준비될 수 있다. n-형 및 p-형 재료 스트라이프 사이의 보이드는 통상 제 1 옵션에 대해 전술한 범위에 있다.
하기 예들은 본 발명을 추가로 예시한다.
[예]
21개의 스트라이프를 갖는 구조물을 테이프 캐스팅함으로써 구조물(l:w:t 100mm: 5mm: 1mm)이 얻어지고([(n)(i)(p)(i)]x x=5, 절연 스트라이프를 갖는 구조물의 양측을 커버하기 위한 하나의 절연 스트라이프가 추가됨), n-형 재료, 절연 재료 및 p-형 재료는 다음과 같이 선택되었다:
예 1: LaNi03/ K20-BaO-Si02/도프 Ca3Co409
예 2: CaMnO3/ K20-BaO-Si02/Li 도프 NiO
예 3: Co 도프 베타-FeSi2/ K20-BaO-Si02/Cr 도프 베타-FeSi2
얻어진 시트는 900℃(예 1), 1250℃(예 2) 및 1200℃(예 3)에서 소결되었다. 사용되는 재료, 특히 n-형 및 p-형 재료의 열팽창 계수가 매우 유사하도록 재료들이 선택되었기 때문에, 얻어진 세라믹 구조물은 어떠한 손상이나 변형도 보이지 않았으며 따라서 TEG 제조에 사용하기에 매우 적합한 제품이 얻어졌다.

Claims (15)

  1. 열전 발전기의 제조에 유용한 구조물을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 구조물은, 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공되는 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프 및 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 포함하고, 상기 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프 사이에 보이드(void)가 마련되며, 또한, 상기 구조물은 각각 하나의 n-형 스트라이프와 하나의 p-형 스트라이프를 연결하며 상호 직접 전기적으로 접촉하지 않는 복수의 도전성 재료 스트라이프를 포함하는, 구조물 제조 방법에 있어서,
    상기 구조물에는 폴리머 기판이 없으며,
    상기 방법은,
    적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 단일 제조 단계에서 형성하는 단계; 및
    도전성 재료 스트라이프에 의해 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 하나의 p-형 재료 스트라이프 사이의 접속부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    구조물 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프의 형성은 테이프 캐스팅, 스프레이 코팅 또는 공압출에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    구조물 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프의 형성은 테이프 캐스팅에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는
    구조물 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프의 형성에 의해 얻어진 생소지(green body)를 소결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    구조물 제조 방법.
  5. 열전 발전기 제조에 유용한 구조물로서, 상기 구조물은 절연 재료 상에 공간적으로 분리된 상태로 제공되는 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프 및 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프를 포함하며, 상기 적어도 하나의 n-형 재료 스트라이프와 적어도 하나의 p-형 재료 스트라이프 사이에 보이드(void)가 마련된, 상기 구조물에 있어서,
    상기 구조물에는 폴리머 기판이 없으며,
    상기 구조물은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 얻어질 수 있고,
    상기 n-형 재료는 LaNi03, CaMn03 및 Co 도프 베타-FeSi2뿐만 아니라 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    2 내지 1000 개의 스트라이프를 포함하는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 스트라이프는 테이프 캐스팅에 의해 생산될 수 있는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 p-형 스트라이프 및 n-형 스트라이프는 세라믹 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  9. 삭제
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 p-형 재료는 Li 도프 NiO, Cr 도프 베타-FeSi2 및 도프 Ca3Co409뿐만 아니라 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연 재료는 K20-BaO-Si02 및 BaO-Al203-Si02뿐만 아니라 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 구조물 내의 n-형 스트라이프 및 p-형 스트라이프의 치수는,
    폭(w): 1 내지 100 mm,
    두께(t): 0.05 내지 5 mm,
    길이(l): 2 내지 1000 mm로
    선택되는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 도전성 재료는 은을 포함하는 것을 특징으로 하는
    구조물.
  14. 제 5 항에 따른 구조물을 하나 이상 포함하는 열전 발전기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 5 항에 따른 구조물은 롤 또는 스택의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는
    열전 발전기.
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