KR101947237B1 - 열전 모듈 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 열전 펠렛들과, 상기 열전 펠렛들의 일면과 대응하는 제1 전극들과, 상기 열전 펠렛들의 타면과 대응하는 제2 전극들과, 상기 제1 전극들을 절연하는 절연 기판을 포함하는 열전 모듈을 제조하기 위한 열전 모듈 제조 장치에 관한 것으로서, 상기 열전 모듈이 고정되는 고정 트레이를 구비하는 고정 유닛; 상기 열전 펠렛들의 일면과 상기 제1 전극들 사이에 개재된 제1 접합제층을 가열 가능한 제1 가열 부재를 구비하며, 상기 절연 기판이 상기 제1 가열 부재를 향하도록 상기 고정 트레이가 장착되는 제1 다이; 상기 열전 펠렛들의 타면과 상기 제2 전극들 사이에 개재된 제2 접합제층을 가열 가능한 제2 가열 부재를 구비하며, 상기 제2 전극과 대면하도록 설치되는 제2 다이; 및 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 적어도 하나를 이송하여, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 사이의 거리를 조절 가능한 이송 유닛을 포함한다.

Description

열전 모듈 제조 장치{Apparatus of manufacturing thermoelectric module}
본 발명은 열전 모듈 제조 장치에 관한 것이다.
열전 모듈은 그 양면의 온도 차를 이용하여 기전력을 발생하는 제베크효과(seebeck effect)를 이용한 열전 발전 시스템에 이용되고 있다.
열전 모듈에 의한 열전 발전 시에는 흡열부와 방열부 사이의 온도차이를 크게 유지함에 따라 열전 발전의 출력량을 증가시킬 수 있다. 이때, 열원으로부터 열전 모듈로 전달되는 열전달율이 그 발전의 출력량에 큰 영향을 미친다.
열전모듈은 서로 반대극성인 복수의 열전 펠렛들(N형 반도체 및 P형 반도체)이 교대로 배열되고, 열전 펠렛들은 전극들에 의해 전기적으로 직렬 연결되며, 각 전극에는 절연기판이 부착될 수 있다.
전극들은, 열전 모듈의 흡열부와 대응하며 고온의 열이 인가되는 제1 전극들과, 열전 모듈의 방열부와 대응하며 저온의 열이 인가되는 제2 전극들을 구비한다. 제1 전극들과 제2 전극들은 각각, 전도성을 갖는 접합제에 의해 열전 펠렛들에 접합된다. 그런데, 제1 전극들과 제2 전극들은 사용 온도가 서로 다르므로, 열전 펠렛과 제1 전극들은 용융점이 높은 제1 접합제를 이용해 접합하고, 열전 펠렛과 제2 전극들은 용융점이 높은 제2 접합제를 이용해 접합한다.
이러한 열전 모듈을 제조하기 위한 종래의 열전 모듈 제조 장치는, 고온의 분위기 하에서 제1 접착제를 이용해 열전 펠렛과 제1 전극들을 접합한 후 저온의 분위기 하에서 제2 접착제를 이용해 열전 펠렛과 제2 전극들을 접합한다.
이러한 종래의 열전 모듈 제조 장치는 열전 펠렛과 제1 전극들을 접합할 때의 고온의 분위기에 의해 제2 전극들이 접합되는 열전 모듈의 표면에 산화가 발생한다. 따라서, 종래의 열전 모듈 제조 장치는, 제2 전극들의 접합을 위한 습윤성(wettability)에 약 영향을 미치는 문제점과, 전기전도도, 열전도도가 저하되어 열전 모듈의 성능이나 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 열전 모듈 제조 장치는 전극들의 접합 공정을 2번에 걸쳐 실시함으로 인해 열전 모듈의 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극들의 접합 공정 시에 열전 펠렛에 산화가 발생하지 않도록 구조를 개선한 열전 모듈 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 1회의 접합 공정을 통해 열전 펠렛들과 전극들을 모두 접합할 수 있도록 구조를 개선한 열전 모듈 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 모듈 제조 장치는, 열전 펠렛들과, 상기 열전 펠렛들의 일면과 대응하는 제1 전극들과, 상기 열전 펠렛들의 타면과 대응하는 제2 전극들과, 상기 제1 전극들을 절연하는 절연 기판을 포함하는 열전 모듈을 제조하기 위한 열전 모듈 제조 장치에 있어서, 상기 열전 모듈이 고정되는 고정 트레이를 구비하는 고정 유닛; 상기 열전 펠렛들의 일면과 상기 제1 전극들 사이에 개재된 제1 접합제층을 가열 가능한 제1 가열 부재를 구비하며, 상기 절연 기판이 상기 제1 가열 부재를 향하도록 상기 고정 트레이가 장착되는 제1 다이; 상기 열전 펠렛들의 타면과 상기 제2 전극들 사이에 개재된 제2 접합제층을 가열 가능한 제2 가열 부재를 구비하며, 상기 제2 전극과 대면하도록 설치되는 제2 다이; 및 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 적어도 하나를 이송하여, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 사이의 거리를 조절 가능한 이송 유닛을 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 다이는, 상기 고정 트레이가 장착되는 장착홈과, 상기 제1 가열 부재와 상기 장착홈 사이를 연통하는 안내홀을 구비하며, 상기 제1 가열 부재는 상기 안내홀을 통해 외부 노출된 절연 기판과 대응하도록 설치된다.
바람직하게, 상기 제1 가열 부재는 상기 절연 기판을 향해 레이저빔을 조사하여 상기 제1 접합제층을 가열 가능한 레이저 헤드이다.
바람직하게, 상기 고정 트레이는, 상기 절연 기판과 상기 제1 가열 부재 사이를 연통시키도록 천공된 삽입홀과, 상기 절연 기판을 지지하도록 상기 삽입홀에 삽입되며 상기 레이저빔을 투과 가능한 재질을 갖는 투과창을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 이송 유닛은, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 어느 하나에 고정된 적어도 하나의 실린더 본체와, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 다른 하나에 고정되며 상기 실린더 본체에 의해 왕복 이송되는 적어도 하나의 실린더 로드를 구비한다.
바람직하게, 상기 고정 유닛은, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 관통하도록 마련되는 복수의 가이드 리브들을 갖고 상기 고정 트레이에 분리 가능하게 장착되는 가이드 부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 가이드 부재는, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 일 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제1 가이드 리브들을 갖는 제1 가이드 부재와, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 상기 일 방향과 미리 정해진 각도를 이루는 타 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제2 가이드 리브들을 갖는 제2 가이드 부재를 구비한다.
바람직하게, 상기 고정 트레이는 상기 가이드 리브들이 각각 삽입되는 복수의 리브 삽입홈들을 구비한다.
바람직하게, 상기 가이드 부재는, 상기 제1 접합제층 및 상기 제2 접합제층의 가열 시에는 상기 고정 트레이로부터 분리된다.
바람직하게, 상기 제2 가열 부재는, 상기 제2 전극들 중 어느 하나와 대면하도록 마련되며 상기 제2 접합제층을 가열 가능한 복수의 히터들은 구비하며, 상기 복수의 히터들은 각각, 상기 이송 유닛들에 의해 상기 제2 전극들 중 어느 하나와 가압 접촉된다.
바람직하게, 상기 제2 가열 부재는, 상기 복수의 히터들 중 어느 하나를 상기 제2 전극들 중 어느 하나를 향해 탄성 가압 가능한 복수의 탄성 부재들을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 제2 가열 부재는, 상기 열전 펠렛들의 설치 간격과 대응하도록 형성된 복수의 히터 삽입홈들을 갖는 가압 블록을 더 구비하며, 상기 탄성 부재들은 각각 상기 히터 삽입홈들 중 어느 하나의 내측면에 안착되고, 상기 히터들은 각각 상기 히터 삽입홈들 중 어느 하나에 상기 탄성 부재들 중 어느 하나에 의해 탄성 지지되도록 삽입된다.
바람직하게, 상기 제1 가열 부재는 상기 제1 접합제층의 용융점과 대응하는 열을 상기 절연 기판과 제1 전극을 매개로 상기 제1 접합제층에 전달 가능하게 마련되고, 상기 제2 가열 부재는 상기 제2 접합제층의 용융점과 대응하는 열을 상기 제2 전극을 매개로 상기 제2 접합제층에 전달 가능하게 마련된다.
본 발명에 따른 열전 모듈 제조 장치는, 열전 모듈의 흡열부와 대응하는 전극의 접합 공정과 열전 모듈의 방열부와 대응하는 전극의 접합 공정을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 열전 펠렛의 접합면에 산화가 발생하는 것을 방지 가능하고, 전극의 접합을 위한 습윤성(wettability)을 안정적으로 확보할 수 있다. 또한, 본 발명은, 열전 모듈의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있고, 열전 모듈의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 모듈 제조 장치의 정면도.
도 2는 열전 모듈의 정면도.
도 3은 도 1에 도시된 고정 유닛의 일 예를 나타내는 단면도.
도 4는 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치의 분리 사시도.
도 5는 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치의 결합 사시도.
도 6은 도 1에 도시된 가열 부재들과 열전 모듈의 위치 관계를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치에 있어서, 열전 모듈이 제2 다이에 의해 가압된 상태를 나타내는 결합 사시도.
도 8은 도 4에 도시된 가열 부재들을 이용해 열전 펠렛과 전극을 접합하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 2에 도시된 열전 펠렛들의 단차가 전극에 의해 보상된 상태를 나타내는 도면.
도 10은 도 1에 고정 유닛의 다른 예를 나타내는 단면도.
도 11은 도 4에 도시된 가열 부재들을 이용해 열전 펠렛과 전극을 접합하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 모듈 제조 장치의 정면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전 모듈 제조 장치(1)(이하, '열전 모듈 제조 장치(1)'라고 함)는, 열전 모듈(10)이 고정되는 고정 유닛(20)과, 열전 펠렛(11, 12)과 제1 전극(13)을 접합 가능한 제1 다이(30)와, 열전 펠렛(11, 12)과 제2 전극(14)을 접합 가능한 제2 다이(40)와, 제1 다이(30)와 제2 다이(40) 사이의 간격을 조절 가능한 이송 유닛(50)을 포함할 수 있다.
도 2는 열전 모듈의 정면도이다.
먼저, 열전 모듈(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 열전 펠렛들(11, 12)과, 열전 펠렛들(11, 12)의 일면과 대응하는 제1 전극들(13)과, 상기 일면과 반대되는 열전 펠렛들(11, 12)의 타면과 대응하는 제2 전극들(14)과, 열전 펠렛들(11, 12)과 제1 전극들(13) 사이에 개재되는 제1 접합제층(16)과, 열전 펠렛(11, 12)과 제2 전극들(14) 사이에 개재되는 제2 접합제층(17)과, 제1 전극들(13)을 절연하는 절연 기판(15)을 포함할 수 있다.
열전 펠렛들(11, 12)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 반대 극성을 갖는 제1 열전 펠렛들(11)과 제2 열전 펠렛들(12)을 포함한다. 예를 들어, 제1 열전 펠렛(11)이 N형 반도체이면 제2 열전 펠렛(12)은 P형 반도체이고, 제1 열전 펠렛(11)이 P형 반도체이면 제2 열전 펠렛(12)은 N형 반도체이다. 이러한 제1 열전 펠렛들(11)과 제2 열전 펠렛들(12)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 교대로 배치된다.
열전 펠렛들(11, 12)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(10)의 흡열부와 방열부 중 어느 하나와 대응하는 일면에 마련되는 제1 접합면(11a, 12a)과, 열전 모듈(10)의 흡열부와 방열부 중 다른 하나와 대응하는 타면에 마련되는 제2 접합면(11b, 12b)을 구비한다. 이하에서는, 제1 접합면(11a, 12a)은 열전 모듈(10)의 흡열부와 대응하고, 제2 접합면(11b, 12b)은 열전 모듈(10)의 방열부와 대응하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하기로 한다.
제1 전극들(13)은, 서로 인접하게 배치된 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12)의 제1 접합면들(11a, 12a)을 전기적으로 연결하도록 마련된다. 이를 위하여, 제1 전극들(13)은 각각, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 인접하게 배치된 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12) 중 어느 하나의 제1 접합면(11a, 12a) 및 다른 하나의 제1 접합면(11a, 12a)과 각각 접하도록 마련된다.
제2 전극들(14)은, 서로 인접하게 배치된 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12)의 제2 접합면들(11b, 12b)을 전기적으로 연결하도록 마련된다. 이를 위하여, 제2 전극들(14)은 각각, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 인접하게 배치된 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12) 중 어느 하나의 제2 접합면(11b, 12b) 및 다른 하나의 제2 접합면(11b, 12b)과 각각 접하도록 마련된다. 이러한 제2 전극들(14)은, 후술할 히터들(45)에 의해 가압될 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 연결부(14a)가 휘어질 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 제2 전극들(14)은 포일 형상을 갖거나 1 ㎜ 이하의 두께를 가질 수 있다.
제1 접합제층(16)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전 펠렛(11, 12)의 제1 접합면(11a, 12a)과 제1 전극(13)의 일면 사이에 개재되도록 마련된다. 예를 들어, 제1 접합제층(16)은, 제1 접합제가 열전 펠렛(11, 12)의 제1 접합면(11a, 12a)과 제1 전극(13)의 일면 중 어느 하나에 도포되어 형성될 수 있다. 제1 접합제는 열전 모듈(10)의 실 사용 시에 열전 모듈(10)의 흡열부에 상대적으로 고온이 인가됨을 고려해 상대적으로 용융점이 높은 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 접합제는 Ag 기반의 브레이징 필러일 수 있다.
제2 접합제층(17)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전 펠렛(11, 12)의 제2 접합면(11b, 12b)과 제2 전극(14)의 일면 사이에 개재되도록 마련된다. 예를 들어, 제2 접합제층(17)은, 제2 접합제가 열전 펠렛(11, 12)의 제2 접합면(11b, 12b)과 제2 전극(14)의 일면 중 어느 하나에 도포되어 형성될 수 있다. 제2 접합제는 열전 모듈(10)의 실 시사용 시에 열전 모듈(10)의 방열부에 상대적으로 저온이 인가됨을 고려해 상대적으로 용융점이 낮은 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 접합제는 Ag 기반의 thermal paste일 수 있다.
절연 기판(15)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(13)의 타면과 접하도록 마련된다. 절연 기판(15)은, 제1 전극(13)을 외부로부터 절연 가능한 절연성 소재로 형성된다. 예를 들어, 절연 기판(15)은, 알루미나 기타 절연성을 갖는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
한편, 제2 전극(14)은 외부로부터 절연될 수 있도록 절연 처리되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 열전 모듈(10)의 실사용 시에는 제2 전극(14)에 고열전도성의 절연 물질을 배치하여 제2 전극(14)의 쇼트를 방지할 수 있다. 고열전도성의 절연 물질은, 실리콘 기반의 열전도성 paste 또는 sheet일 수 있다. 특히, paste는 전기적으로 절연성을 가짐과 동시에 열전도도가 높은 알루미나, 보론 나이트라이드와 같은 세라믹계 필러를 함유한 소재일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 고정 유닛의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치의 분리 사시도이며, 도 5는 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치의 결합 사시도이다.
다음으로, 고정 유닛(20)은, 열전 모듈(10)을 제1 다이(30)에 장착할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 고정 유닛(20)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(10)을 고정하는 고정 트레이(21)와, 열전 펠렛들(11, 12)을 미리 정해진 배치 형태로 정렬하는 가이드 부재(23, 25)와, 열전 모듈(10)과 가이드 부재(23, 25)를 커버하는 고정 커버(27)를 구비할 수 있다.
고정 트레이(21)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고정홈(21a)과, 복수의 연통홀들(21b)과, 복수의 제1 리브 삽입홈들(21c)과, 복수의 제2 리브 삽입홈(21d)들을 구비할 수 있다.
고정홈(21a)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(10)과 대응하도록 고정 트레이(21)의 상면이 개구되어 형성된다. 이러한 고정홈(21a)에는, 절연 기판(15)이 고정홈(21a)의 내측면에 의해 안착되도록 열전 모듈(10)이 삽입되어 고정된다. 즉, 고정홈(21a)에는, 제2 전극(14)이 고정홈(21a)의 개구부 쪽을 향하도록 열전 모듈(10)이 고정된다.
연통홀들(21b)은 각각, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정홈(21a)과 연결되되 열전 펠렛들(11, 12) 중 어느 하나와 대응하도록 고정 트레이(11)의 바닥면에 천공된다. 이러한 연통홀들(21b)은 각각, 고정홈(21a)과 후술할 제1 다이(30)의 안내홀들(33, 35)을 연통시킨다. 그러면, 후술할 제1 가열 부재(32)에서 방출된 레이저빔(LV)은 안내홀들(33, 35)과 연통홀(21b)을 순차적으로 통과하여 열전 모듈(10)에 조사될 수 있다.
제1 리브 삽입홈들(21c)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 고정 트레이(21)의 일측벽에 일 방향을 따라 형성되되 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격과 대응하도록 형성된다. 이러한 제1 리브 삽입홈들(21c)에는 후술할 제1 가이드 부재(23)의 제1 가이드 리브들(23a)이 각각 삽입될 수 있다.
제2 리브 삽입홈들(21d)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 일측벽과 수직을 이루는 고정 트레이(21)의 타측벽에 타 방향으로 따라 형성되되 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격과 대응하도록 형성된다. 이러한 제2 리브 삽입홈(21d)들에는 후술할 제2 가이드 부재(25)의 제2 가이드 리브들(25a)이 각각 삽입될 수 있다.
가이드 부재(23, 25)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 가이드 부재(23)와, 제2 가이드 부재(25)를 구비할 수 있다.
제1 가이드 부재(23)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격을 각각 일 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제1 가이드 리브들(23a)을 가질 수 있다. 제1 가이드 부재(23)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 가이드 리브들(23a)이 각각 고정 트레이(21)의 제1 리브 삽입홈들(21c) 중 어느 하나에 삽입되어 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격을 일 방향으로 관통하도록, 고정 트레이(21)에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 이러한 제1 가이드 부재(23)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 가이드 리브들(23a)이 제1 전극(13) 또는 절연 기판(15)에 안착되도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 가이드 부재(25)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 한 쌍의 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격을 각각 상기 일 방향과 수직을 이루는 일 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제2 가이드 리브들(25a)을 가질 수 있다. 이러한 제2 가이드 부재(25)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 가이드 리브들(25a)이 각각 고정 트레이(21)의 제2 리브 삽입홈(21d)들 중 어느 하나에 삽입되어 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 간격을 타 방향으로 관통하도록, 고정 트레이(21)에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 이러한 제2 가이드 부재(25)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 가이드 리브들(25a)이 제1 가이드 리브들(23a)에 안착되도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 가이드 부재들(23, 25)은, 가이드 리브들(23a, 25a)을 통해 열전 펠렛들(11, 12)을 일 방향과 타 방향으로 각각 지지한다. 따라서, 가이드 부재들(23, 25)은, 열전 펠렛들(11, 12)을 미리 정해진 배치 형태로 정렬할 수 있다.
고정 커버(27)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정홈(21a)과 대응하는 형상을 갖도록 형성된다. 이러한 고정 커버(27)는, 가이드 리브들(23a, 25a)과 열전 모듈(10)을 커버하도록 고정홈(21a)에 분리 가능하게 삽입된다.
도 6은 도 1에 도시된 가열 부재들과 열전 모듈의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
다음으로, 제1 다이(30)는 제1 접합제층(16)을 통해 열전 펠렛(11, 12)의 제1 접합면(11a, 12a)과 제1 전극(13)을 접합할 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 제1 다이(30)는, 제1 안내홀(33)과, 지지 블록(31)과, 제1 가열 부재(32)를 구비할 수 있다.
제1 안내홀(33)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정 트레이(21)의 연통홀들(21b)과 대응하도록 제1 다이(30)가 천공되어 형성된다. 이러한 제1 안내홀(33)은 고정 트레이(21) 쪽으로 갈수록 직경이 점진적으로 작아지는 테이퍼 형상을 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
지지 블록(31)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 다이(30)의 일면에 장착되어 설치된다. 이러한 지지 블록(31)은, 장착홈(34)과, 제2 안내홀(35)을 구비할 수 있다.
장착홈(34)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 후술할 가압 블록(41)과 대면하도록 지지 블록(31)의 일면에 형성된다. 장착홈(34)은 고정 트레이(21)를 지지할 수 있도록 고정 트레이(21)와 대응하는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 장착홈(34)에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 전극들(14)이 가압 블록(41) 쪽을 향하도록 고정 트레이(21)가 장착된다.
제2 안내홀(35)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정 트레이(21)의 연통홀들(21b)과 대응함과 함께, 장착홈(34) 및 제1 안내홀(33)과 각각 연결되도록 지지 블록(31)이 천공되어 형성된다.
제1 가열 부재(32)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 절연 기판(15)과 대면하도록 설치된다. 예를 들어, 제1 가열 부재(32)는, 연통홀들(21b)과 대응하도록 안내홀(33, 35)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다. 이러한 제1 가열 부재(32)는 제1 접합제층(16)의 용융점과 대응하는 열을 절연 기판(15)과 제1 전극(13)을 매개로 제1 접합제층(16)에 전달 가능하게 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 제1 접합제가 Ag 기반의 브레이징 필러인 경우에, 제1 가열 부재(32)는 제1 접합제층(16)을 450 ℃ 이상으로 승온 가능하게 마련된다. 예를 들어, 제1 가열 부재(32)는, 레이저빔(LV)을 방출 가능한 레이저 헤드(36)일 수 있다. 레이저 헤드(36)는, 레이저 노즐 또는 레이저 스캐너일 수 있다. 레이저 헤드(36)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 열전 펠렛들(11, 12)과 대응하도록 절연 기판(15)에 레이저빔(LV)을 조사할 수 있다.
다음으로, 제2 다이(40)는 제2 접합제층(17)을 통해 열전 펠렛(11, 12)의 제2 접합면(11b, 12b)과 제2 전극(14)을 접합할 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 제2 다이(40)는, 가압 블록(41)과, 제2 가열 부재(43)와, 탄성 부재(47)를 구비할 수 있다.
가압 블록(41)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정 트레이(21)에 고정된 열전 모듈(10)과 대면하도록 제2 다이(40)의 일면에 장착되어 설치된다. 이러한 가압 블록(41)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 열전 펠렛들(11, 12)과 대응하도록 개구된 복수의 히터 삽입홈들(41a)을 구비한다.
제2 가열 부재(43)는, 제2 접합제층(17)의 용융점과 대응하는 열을 제2 전극(14)을 매개로 제2 접합제층(17)에 전달 가능하게 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 제2 접합제가 Ag 기반의 thermal paste인 경우에, 제2 가열 부재(43)는 제2 접합제층(17)을 200 ℃ 미만으로 승온 가능하게 마련된다. 예를 들어, 제2 가열 부재(43)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 히터들(45)을 구비할 수 있다. 히터들(45)은 각각, 열전 펠렛(11, 12)의 단면적과 대응하는 단면적을 갖는 스틱 형상을 가질 수 있다. 히터들(45)은 각각 열전도도가 높은 금속 재질로 형성되고, 히터들(45)의 내부에는 외부로부터 공급된 전원에 의해 발열되는 열선(미도시)이 매설될 수 있다. 이러한 히터들(45)은 각각, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄성 부재(47)에 의해 지지되도록 히터 삽입홈들(41a) 중 어느 하나에 삽입되어 설치될 수 있다.
탄성 부재(47)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 히터 삽입홈(41a)의 내측면과 히터(45) 사이에 개재되도록 히터 삽입홈(41a)의 내측면에 안착되어 설치될 수 있다. 탄성 부재(47)는, 히터 삽입홈(41a)에 삽입된 히터(45)를 열전 펠렛(11, 12)을 향해 탄성 가압할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 탄성 부재(47)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 압축 코일 스프링일 수 있다.
다음으로, 이송 유닛(50)은, 제1 다이(30)와 제2 다이(40) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 마련된다. 이송 유닛(50)은 적어도 하나의 실린더 장치로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이송 유닛(50)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 다이(30)에 고정되는 실린더 본체(52)와, 제2 다이(40)에 고정되며 실린더 본체(52)에 의해 왕복 이송되는 실린더 로드(54)를 구비할 수 있다. 이러한 이송 유닛(50)은, 제2 다이(40)를 제1 다이(30)에 근접 또는 제1 다이(30)로부터 이격되도록 왕복 이송할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 열전 모듈 제조 장치에 있어서, 열전 모듈이 제2 다이에 의해 가압된 상태를 나타내는 결합 사시도이며, 도 8은 도 4에 도시된 가열 부재들을 이용해 열전 펠렛과 전극을 접합하는 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 도 2에 도시된 열전 펠렛들의 단차가 전극에 의해 보상된 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 도면을 참조하여, 열전 모듈 제조 장치(1)를 이용해 열전 모듈(10)을 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정 트레이(21)의 고정홈(21a)에 열전 모듈(10)을 고정한 후 가이드 부재들(23, 25)과 고정 커버(27)를 이용해 열전 펠렛들(11, 12)을 정렬한다. 이처럼 고정홈(21a)에 고정된 열전 모듈(10)은, 접합제층(16, 17)이 열전 펠렛들(11, 12)의 접합면(11a, 11b, 12a, 12b)과 전극들(13, 14) 사이에 개재되어 있을 뿐, 열전 펠렛들(11, 12)의 접합면(11a, 11b, 12a, 12b)과 전극들(13, 14)의 접합은 아직 이루어지지 않은 상태이다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 열전 모듈(10)이 고정된 고정 트레이(21)를 장착홈(34)의 미리 정해진 위치에 장착한다.
이후에, 도 7에 도시된 바와 같이, 가이드 부재들(23, 25)과 고정 커버(27)를 고정 트레이(21)로부터 분리한다.
다음으로, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 히터들(45)에 의해 제2 전극들(14)이 가압되도록 이송 유닛(50)을 이용해 제2 다이(40)를 제1 다이(30) 쪽으로 이송한다.
이후에, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(36)를 가동하여 절연 기판(15)을 향해 레이저빔(LV)을 방출함과 동시에 히터들(45)을 가동하여 제2 전극들(14)에 열을 인가한다.
그러면, 레이저빔(LV)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 절연 기판(15) 및 제1 전극(13)을 투과하여 제1 접합제층(16)에 조사된다. 이로 인해 제1 접합제층(16)은 레이저빔(LV)에 의해 용융점까지 가열되어 용융되고, 열전 펠렛(11, 12)의 제1 접합면(11a, 12a)과 제1 전극(13)은 이처럼 용융된 제1 접합제층(16)에 의해 접합된다.
히터들(45)은 각각, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 전극(14)을 매개로 제2 접합제층(17)을 가열한다. 이로 인해, 제2 접합제층(17)은 히터(45)에 의해 용융점까지 가열되어 용융되고, 열전 펠렛(11, 12)의 제2 접합면(11b, 12b)과 제2 전극(14)은 이처럼 용융된 제2 접합제층(17)에 의해 접합된다.
또한, 히터들(45)은, 각각, 이송 유닛(50)으로부터 전달된 구동력과 탄성 부재(47)로부터 전달된 탄성력을 통해 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)과 접합제층(16, 17)을 절연 기판(15) 쪽으로 탄성 가압할 수 있다. 이를 통해, 열전 펠렛(11, 12)의 접합면(11a, 11b, 12a, 12b)과 전극들(13, 14)의 계면 접합력을 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 제2 전극들(14)은 히터들(45)로부터 인가되는 가압력에 의해 연결부(14a)가 휘어질 수 있도록 미리 정해진 형상 또는 두께를 갖는다. 이로 인해, 도 9에 도시된 바와 같이, 공정 상의 공차로 인해 열전 펠렛들(11, 12) 사이에 단차가 발생한 경우에, 제2 전극들(14)의 연결부(14a)는 이러한 단차의 높이(H)만큼 휘어진다. 따라서, 열전 펠렛들(11, 12) 사이의 단차로 인해 열전 펠렛(11, 12)의 접합면(11a, 11b, 12a, 12b)과 전극들(13, 14)의 계면 접합력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 히터들(45)과 제2 전극들(14)이 서로 이격되도록 이송 유닛(50)을 이용해 제2 다이(40)를 이송한 후, 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)의 접합이 완료된 열전 모듈(10)을 고정 트레이(21)로부터 분리할 수 있다.
위와 같은, 열전 모듈 제조 장치(1)는, 국부적으로 열을 인가 가능한 레이저빔(LV)을 이용해 용융점이 상대적으로 높은 제1 접합제층(16)을 가열함과 동시에 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)을 탄성 가압 가능한 히터들(45)을 이용해 용융점이 상대적으로 낮은 제2 접합제층(17)을 가열한다. 따라서, 열전 모듈 제조 장치(1)는, 제1 접합제층(16)을 가열할 때 발생하는 고온에 인해 열전 모듈(10)의 방열부와 대응하는 열전 펠렛(11, 12)의 제2 접합면(11b, 12b)이 산화되는 것을 방지함으로써, 제2 전극들(14)의 접합을 위한 습윤성(wettability)을 안정적으로 확보할 수 있고, 열전 모듈(10)의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열전 모듈 제조 장치(1)는, 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)의 접합 시에 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14) 사이에 소정의 압력을 인가시킴으로써, 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)의 계면 접합력을 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 모듈 제조 장치(1)는, 고정 트레이(21)를 이용해 열전 모듈(10)을 미리 정해진 위치에 고정한 상태에서 열전 펠렛들(11, 12)과 전극들(13, 14)을 접합할 수 있으므로, 열전 모듈(10)의 성능과 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 열전 모듈 제조 장치(1)는, 열전 모듈(10)의 흡열부와 대응하는 제1 전극(13)과 열전 펠렛(11, 12)의 접합 공정, 및 열전 모듈(10)의 방열부와 대응하는 제2 전극(14)과 열전 펠렛(11, 12)의 접합 공정을 동시에 수행할 수 있으므로, 이러한 접합 공정들을 별도로 수행하는 경우에 비해 열전 모듈(10)의 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 열전 모듈 제조 방치(1)는, 열전 펠렛들(11, 12)과 제1 전극들(13)은 레이저빔(LV)을 이용해 접합하고 열전 펠렛들(11, 12)과 제2 전극들(14)은 히터들(45)을 이용해 접합하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 가열 부재(32)를 제2 가열 부재(43)와 같이 가압 블록, 히터들, 탄성 부재 등을 구비하도록 마련하여, 열전 펠렛들(11, 12)과 제1 전극들(13)을 히터들을 이용해 접합할 수도 있다.
도 10은 도 1에 고정 유닛의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
고정 유닛(20)은, 레이저 헤드(36)로부터 방출된 레이저빔(LV)이 절연 기판(15)에 조사될 수 있도록 안내홀들(33, 35)과 연통되는 복수의 연통홀들(21b)을 구비하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 고정 유닛은, 도 10에 도시된 바와 같이, 연통홀들(21b) 대신에, 열전 펠렛들(11, 12)과 대응하도록 천공된 삽입홀(28)과, 고정홈(21a)에 고정된 열전 모듈(10)을 지지 가능하도록 삽입홀(28)에 삽입되는 투과창(29)을 구비할 수 있다.
삽입홀(28)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 절연 기판(15)을 사이에 두고 열전 펠렛들(11, 12) 전부와 마주보도록 고정 트레이(21)의 바닥면에 천공되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
투과창(29)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 삽입홀(28)에 끼움 결합되도록 삽입홀(28)과 대응되는 형상을 갖는다. 투과창(29)은 레이저빔을 투과 가능한 재질로 형성된다. 예를 들어, 투과창(29)은 레이저빔을 투과 가능한 글래스(glass) 재질로 형성될 수 있다.
도 11은 도 4에 도시된 가열 부재들을 이용해 열전 펠렛과 전극을 접합하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다.
레이저 헤드(36)는, 각각의 연통홀들(21b)을 통해 각각의 제1 접합제층(16)에 레이저빔을 조사하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 레이저 헤드(36)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 빔 스팟이 절연 기판과 대응하는 직경을 갖는 레이저빔(LV2)을 투과창(29)을 통해 절연 기판(15)에 조사하도록 마련될 수 있다. 그러면, 절연 기판(15)은 레이저빔(LV2)에 의해 가열되고, 제1 접합체층들은 제1 전극들을 매개로 절연 기판으로부터 열을 전달 받아 동시에 가열된다. 이로 인해, 열전 펠렛들(11, 12)들은 제1 접합체층들(16)에 의해 제1 전극들(13)과 동시에 접합됨으로써, 열전 펠렛들(11, 12)과 제1 전극들(13)의 접합에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 열전 모듈 제조 장치
10 : 열전 모듈
11 : 제1 열전 펠렛
12 : 제2 열전 펠렛
13 : 제1 전극
14 : 제2 전극
15 : 절연 기판
16 : 제1 접합제층
17 : 제2 접합제층
20 : 고정 유닛
21 : 고정 트레이
23 : 제1 가이드 부재
25 : 제2 가이드 부재
27 : 고정 커버
28 : 삽입홀
29 : 투과창
30 : 제1 다이
31 : 지지 블록
32 : 제1 가열 부재
33 : 제1 안내홀
34 : 장착홈
35 : 제2 안내홀
36 : 레이저 헤드
40 : 제2 다이
41 : 가압 블록
41a : 히터 삽입홈
43 : 제2 가열 부재
45 : 히터
47 : 탄성 부재
50 : 이송 유닛
52 : 실린더 본체
54 : 실린더 로드

Claims (13)

  1. 열전 펠렛들과, 상기 열전 펠렛들의 일면과 대응하는 제1 전극들과, 상기 열전 펠렛들의 타면과 대응하는 제2 전극들과, 상기 제1 전극들을 절연하는 절연 기판을 포함하는 열전 모듈을 제조하기 위한 열전 모듈 제조 장치에 있어서,
    상기 열전 모듈이 고정되는 고정 트레이를 구비하는 고정 유닛;
    상기 열전 펠렛들의 일면과 상기 제1 전극들 사이에 개재된 제1 접합제층을 가열 가능한 제1 가열 부재를 구비하며, 상기 절연 기판이 상기 제1 가열 부재를 향하도록 상기 고정 트레이가 장착되는 제1 다이;
    상기 열전 펠렛들의 타면과 상기 제2 전극들 사이에 개재된 제2 접합제층을 가열 가능한 제2 가열 부재를 구비하며, 상기 제2 전극과 대면하도록 설치되는 제2 다이; 및
    상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 적어도 하나를 이송하여, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 사이의 거리를 조절 가능한 이송 유닛을 포함하고,
    상기 고정 유닛은, 상기 고정 트레이에 분리 가능하게 장착되는 가이드 부재를 구비하고,
    상기 열전 펠렛들은, 상기 가이드 부재에 의해 상기 절연 기판 상에서의 위치가 가이드 되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이는, 상기 고정 트레이가 장착되는 장착홈과, 상기 제1 가열 부재와 상기 장착홈 사이를 연통하는 안내홀을 구비하며,
    상기 제1 가열 부재는 상기 안내홀을 통해 외부 노출된 절연 기판과 대응하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가열 부재는 상기 절연 기판을 향해 레이저빔을 조사하여 상기 제1 접합제층을 가열 가능한 레이저 헤드인 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정 트레이는, 상기 절연 기판과 상기 제1 가열 부재 사이를 연통시키도록 천공된 삽입홀과, 상기 절연 기판을 지지하도록 상기 삽입홀에 삽입되며 상기 레이저빔을 투과 가능한 재질을 갖는 투과창을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이송 유닛은, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 어느 하나에 고정된 적어도 하나의 실린더 본체와, 상기 제1 다이와 상기 제2 다이 중 다른 하나에 고정되며 상기 실린더 본체에 의해 왕복 이송되는 적어도 하나의 실린더 로드를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 부재는, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 관통하도록 마련되는 복수의 가이드 리브들을 갖는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가이드 부재는, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 일 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제1 가이드 리브들을 갖는 제1 가이드 부재와, 상기 열전 펠렛들 사이의 간격을 상기 일 방향과 미리 정해진 각도를 이루는 타 방향으로 관통하도록 마련되는 복수의 제2 가이드 리브들을 갖는 제2 가이드 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고정 트레이는 상기 가이드 리브들이 각각 삽입되는 복수의 리브 삽입홈들을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가이드 부재는, 상기 제1 접합제층 및 상기 제2 접합제층의 가열 시에는 상기 고정 트레이로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가열 부재는, 상기 제2 전극들 중 어느 하나와 대면하도록 마련되며 상기 제2 접합제층을 가열 가능한 복수의 히터들은 구비하며,
    상기 복수의 히터들은 각각, 상기 이송 유닛들에 의해 상기 제2 전극들 중 어느 하나와 가압 접촉되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 가열 부재는, 상기 복수의 히터들 중 어느 하나를 상기 제2 전극들 중 어느 하나를 향해 탄성 가압 가능한 복수의 탄성 부재들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 가열 부재는, 상기 열전 펠렛들의 설치 간격과 대응하도록 형성된 복수의 히터 삽입홈들을 갖는 가압 블록을 더 구비하며,
    탄성 부재들은 각각 상기 히터 삽입홈들 중 어느 하나의 내측면에 안착되고,
    상기 히터들은 각각 상기 히터 삽입홈들 중 어느 하나에 상기 탄성 부재들 중 어느 하나에 의해 탄성 지지되도록 삽입되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가열 부재는 상기 제1 접합제층의 용융점과 대응하는 열을 상기 절연 기판과 제1 전극을 매개로 상기 제1 접합제층에 전달 가능하게 마련되고,
    상기 제2 가열 부재는 상기 제2 접합제층의 용융점과 대응하는 열을 상기 제2 전극을 매개로 상기 제2 접합제층에 전달 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 장치.
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