KR102045716B1 - Electrode material for thermo electric module, thermo electric module including the same and methods for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르는 것인 열전모듈용 전극소재에 관한 것이다. 본 발명의 열전모듈용 전극소재는 열전소재와의 열팽창계수 차이를 작게하여 우수한 신뢰성을 나타낸다. 또한, 전극소재와 스커테루다이트(skutterudite)계 열전소재를 고속승온 브레이징 공정을 이용하여 접합함으로써, 증대된 계면특성을 구현하여 발전출력 성능이 향상되는 효과가 있다.
[식 1]
xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
The present invention comprises Ti and Cu, the Ti and Cu composition relates to an electrode material for a thermoelectric module according to the following formula 1. The electrode material for a thermoelectric module of the present invention exhibits excellent reliability by reducing the difference in coefficient of thermal expansion with the thermoelectric material. In addition, the electrode material and the scutterudite-based thermoelectric material are bonded by using a high-speed brazing process, thereby realizing an increased interfacial property, thereby improving power generation output performance.
[Equation 1]
xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

Description

열전모듈용 전극소재, 이를 포함하는 열전모듈 및 이의 제조방법{ELECTRODE MATERIAL FOR THERMO ELECTRIC MODULE, THERMO ELECTRIC MODULE INCLUDING THE SAME AND METHODS FOR PREPARING THE SAME}Electrode material for thermoelectric module, thermoelectric module including same and manufacturing method thereof {ELECTRODE MATERIAL FOR THERMO ELECTRIC MODULE, THERMO ELECTRIC MODULE INCLUDING THE SAME AND METHODS FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 열전모듈용 전극소재, 이를 포함하는 열전모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode material for a thermoelectric module, a thermoelectric module including the same and a manufacturing method thereof.

열전변환(Thermoelectric conversion)이란 열에너지와 전기에너지 사이의 에너지 변환을 의미한다. 이는 열과 전기의 가역적이고 직접적인 에너지 변환 현상으로서, 열전소재 내부의 전자(electron) 및/또는 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다.Thermoelectric conversion refers to the energy conversion between thermal energy and electrical energy. This is a reversible and direct energy conversion phenomenon of heat and electricity, which is caused by the movement of electrons and / or holes in the thermoelectric material.

열전현상은 접점에 의하여 연결된 2개의 이종(dissimilar) 재료에 외부로부터 인가된 전류에 의해 이종 재료의 접점에서 열이 방출되거나 흡수되는 펠티어 효과(Peltier effect), 접점에 의하여 연결된 2개의 이종 재료 양단의 온도차로부터 기전력이 발생하는 제벡 효과(Seebeck effect) 및 소정의 온도 기울기를 가지는 재료에 전류가 흐르면 열이 방출되거나 흡수되는 톰슨 효과(Thomson effect)를 포함한다.Thermoelectric phenomena is a Peltier effect in which heat is dissipated or absorbed at a contact of a dissimilar material by a current applied from the outside to two dissimilar materials connected by a contact, and a dissimilar material connected between the two dissimilar materials connected by a contact. Seebeck effect of generating electromotive force from temperature difference and Thomson effect in which heat is released or absorbed when current flows through a material having a predetermined temperature gradient.

상기 열전현상을 이용하면 컴퓨터, 자동차 엔진 등에서 발생하는 열이나 각종 산업 폐열 등을 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 펠티에 효과를 이용하면 냉매가 필요없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다. 최근 신에너지 개발, 폐에너지 회수, 환경 보호 등에 대한 관심이 증가하면서, 열전발전에 대한 관심도 함께 높아지고 있다.The thermoelectric phenomenon may convert heat generated from a computer, an automobile engine, or various industrial waste heat into electrical energy, and the Peltier effect may be used to implement various cooling systems without using a refrigerant. Recently, as interest in new energy development, waste energy recovery, and environmental protection increases, interest in thermoelectric power is also increasing.

열전발전을 위한 단위 디바이스는 열전모듈이며, 일반적으로 절연기판-전극-열전소재-전극-절연기판의 대칭적인 구조로 제작된다. 300℃ 이상의 고온에서 사용되는 중고온 열전발전모듈의 경우 구성 소재 간 열팽창계수 차이가 클 경우 열응력에 의한 파괴가 발생할 수 있다. 또한 열전소재와 전극 간 계면에 기공 등의 결함구조가 형성되면 열전발전모듈의 성능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.The unit device for thermoelectric power generation is a thermoelectric module, and is generally manufactured in a symmetrical structure of an insulating substrate, an electrode, a thermoelectric material, an electrode, and an insulating substrate. In the case of the high-temperature thermoelectric power module used at a high temperature of 300 ° C. or higher, if the thermal expansion coefficient difference between the constituent materials is large, breakage due to thermal stress may occur. In addition, if a defect structure such as pores is formed at the interface between the thermoelectric material and the electrode, there is a problem that the performance of the thermoelectric power module may be reduced.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 열전소재와 열팽창 계수차이가 거의 없는 전극소재 및 이를 구비하여 구동 신뢰성을 극대화시킬 수 있도록 하는 열전모듈 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide an electrode material having almost no difference between the thermoelectric material and the coefficient of thermal expansion and to provide a thermoelectric module and a method of manufacturing the same to maximize the driving reliability.

본 발명의 일 측면에 따르면, Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르는 것인 열전모듈용 전극소재 가 제공된다.According to an aspect of the present invention, Ti and Cu, the Ti and Cu composition is provided according to the following formula 1 electrode material for a thermoelectric module.

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

상기 전극소재의 열팽창계수가 9.4 × 10-6/℃ 내지 12.1 × 10-6/℃일 수 있다.The thermal expansion coefficient of the electrode material may be 9.4 × 10 -6 / ℃ to 12.1 × 10 -6 / ℃.

본 발명의 다른 측면에 따르면 Ti 및 Cu 분말을 하기 식 1에 따라 칭량하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 분말을 소결하는 단계를 포함하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, the step of weighing and mixing Ti and Cu powder according to Equation 1; And it provides a method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module comprising the step of sintering the mixed powder.

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

상기 Ti 및 Cu 분말의 직경이 10μm 이하일 수 있다.The diameter of the Ti and Cu powder may be 10 μm or less.

상기 소결이 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 수행될 수 있다.The sintering may be performed using the discharge plasma sintering method.

상기 소결이 1.0×10-2 torr 이하의 진공도 조건에서 1 내지 30 분 동안 수행 되며, 상기 Ti 및 Cu 분말에 가하여지는 압력은 10 내지 60MPa 조건에서 수행될 수 있다.The sintering is carried out for 1 to 30 minutes at a vacuum condition of 1.0 × 10 -2 torr or less, and the pressure applied to the Ti and Cu powder may be performed at 10 to 60MPa conditions.

상기 소결이 10 내지 300℃/min의 승온 속도로 수행될 수 있다. The sintering may be performed at a temperature rising rate of 10 to 300 ℃ / min.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상/하면을 형성하며 발열 또는 흡열하는 상부기판 및 하부기판; 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 구비되어 공급된 전원의 흐름을 안내하는 전극; 및 상기 전극의 일면에서 서로 이격 형성된 다수의 P형반도체 및 N형반도체를 포함하고, 상기 전극은 Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르는 것인 열전모듈이 제공된다.According to another aspect of the invention, the upper substrate and the lower substrate to form a heat generation or endotherm; An electrode provided between the upper substrate and the lower substrate to guide the flow of the supplied power; And a plurality of P-type semiconductors and N-type semiconductors spaced apart from each other on one surface of the electrode, wherein the electrode includes Ti and Cu, and the Ti and Cu compositions are provided according to Equation 1 below. .

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85). xTi (1-x) Cu (0.65 <x <0.85).

상기 P형반도체 및 N형반도체가 스커테루다이트계 반도체일 수 있다.The P-type semiconductor and the N-type semiconductor may be a scrutherite-based semiconductor.

상기 P형 반도체가 Fe3 . 4Co0 . 6Sb12계, Fe3 .4- xCo0 .6+ xSb12계, 및 Fe3 .4+ xCo0 .6- xSb12계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The P-type semiconductor is Fe 3 . 4 Co 0 . 6 12 Sb-based, Fe 3 .4- x Co x Sb 12 0 .6+-based, and Fe 3 0 .4+ x Co x Sb 12 .6- system may be at least one selected from.

상기 N형 반도체가 Co4Sb12계 및 Co4 - xFexSb12계 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.Is the N-type semiconductor-based and Co 4 Sb 12 Co 4 - may be at least one selected from 12-based x Fe x Sb.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 열전모듈의 상/하면 외관을 형성하는 상부기판 또는 하부기판의 일면에 상부전극 또는 하부전극을 형성하는 전극형성단계; 상기 상부전극과 하부전극 중 어느 하나의 일면에 P형반도체와 N형반도체를 접합하는 접합단계를 포함하고, 상기 접합단계는 브레이징 공정에 의해 수행되는 것인 열전모듈의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, the electrode forming step of forming an upper electrode or a lower electrode on one surface of the upper substrate or lower substrate to form the upper / lower surface of the thermoelectric module; And a bonding step of bonding the P-type semiconductor and the N-type semiconductor to one surface of one of the upper electrode and the lower electrode, wherein the bonding step is performed by a brazing process.

상기 브레이징 공정이 600 내지 750℃에서 수행될 수 있다. The brazing process may be performed at 600 to 750 ° C.

상기 브레이징 공정이 20℃/min 이상의 승온속도로 수행될 수 있다. The brazing process may be performed at a temperature rising rate of 20 ° C./min or more.

상기 브레이징 공정이 1 내지 30 분 동안 수행될 수 있다.The brazing process may be performed for 1 to 30 minutes.

상기 브레이징 공정이 Ag 및 Cu 중에서 선택된 1종 이상의 접합용 금속을 이용하여 수행될 수 있다. The brazing process may be performed using at least one bonding metal selected from Ag and Cu.

본 발명의 열전모듈용 전극소재는 열전소재와의 열팽창계수 차이를 작게하여 우수한 신뢰성을 나타낸다. The electrode material for a thermoelectric module of the present invention exhibits excellent reliability by reducing the difference in coefficient of thermal expansion with the thermoelectric material.

또한, 전극소재와 스커테루다이트(skutterudite)계 열전소재를 고속승온 브레이징 공정을 이용하여 접합함으로써, 증대된 계면특성을 구현하여 발전출력 성능이 향상되는 효과가 있다.In addition, the electrode material and the scutterudite-based thermoelectric material are bonded by using a high-speed brazing process, thereby realizing an increased interfacial property, thereby improving power generation output performance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 스커테루다이트계 열전소재와 Ti-Cu 복합체형 전극소재의 접합면에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열전모듈의 발전출력 측정 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열전모듈을 이용하여 온도차 400℃ 조건에서 1000시간 동안 측정한 발전출력밀도의 변화 거동 평가 결과이다.
FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a bonding surface of a scutterrudite-based thermoelectric material and a Ti-Cu composite electrode material manufactured according to an embodiment of the present invention.
2 is a result of measuring the power generation output of a thermoelectric module manufactured according to an embodiment of the present invention.
3 is a change evaluation result of the power output density measured for 1000 hours in a temperature difference 400 ℃ condition using a thermoelectric module manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to various examples. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

본 발명은 열전모듈용 전극소재, 이를 포함하는 열전모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode material for a thermoelectric module, a thermoelectric module including the same and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일 측면에 따르면, Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르는 것인 열전모듈용 전극소재가 제공된다.According to an aspect of the present invention, Ti and Cu, the Ti and Cu composition is provided according to the following formula 1 electrode material for a thermoelectric module.

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

본 발명자들은 스커테루다이트계 열전소재를 이용한 중고온용 열전발전 모듈을 개발하던 중, Ti과 Cu의 복합체의 성분비를 상기 식 1과 같이 제어하면 스커테루다이트계 열전소재와 유사한 열팽창계수가 구현되어 이를 전극소재로 적용하면 400 이상의 온도차에서도 열전소재와 전극 간 계면이 파괴되지 않는 신뢰성이 높은 모듈제조가 가능하다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors of the present invention, while developing a high-temperature thermoelectric power module using a scurterite-based thermoelectric material, when the composition ratio of the composite of Ti and Cu is controlled as in Equation 1, a thermal expansion coefficient similar to that of the scutterite-based thermoelectric material is realized. When applied as an electrode material, it was found that even with a temperature difference of 400 or more, it was possible to manufacture a highly reliable module that does not destroy the interface between the thermoelectric material and the electrode, thereby completing the present invention.

이에 따라, 상기 전극소재의 열팽창계수는 9.4 × 10-6/℃ 내지 12.1 × 10-6/℃일 수 있고, 바람직하게는 9.8 × 10-6/℃ 내지 11.3 × 10-6/℃일 수 있다. N형 스커테루다이트계 열전소재인 Co4Sb12계 합금의 열팽창계수는 약 10.1×10-6/℃ ~ 11.5×10-6/℃ 범위이고, P형 스커테루다이계 열전소재인 Fe3 . 4Co0 . 6Sb12계 합금의 열팽창계수는 약 9.8×10-6/℃ ~ 11.3×10-6/℃ 범위의 값을 갖는다. Accordingly, the thermal expansion coefficient of the electrode material may be 9.4 × 10 -6 / ℃ to 12.1 × 10 -6 / ℃, preferably 9.8 × 10 -6 / ℃ to 11.3 × 10 -6 / ℃. . The thermal expansion coefficient of the Co 4 Sb 12 alloy, which is an N-type scrutherite-based thermoelectric material, is in the range of about 10.1 × 10 −6 / ° C. to 11.5 × 10 −6 / ° C., and Fe 3 . 4 Co 0 . The thermal expansion coefficient of the 6 Sb 12 based alloy has a value in the range of about 9.8 × 10 −6 / ° C. to 11.3 × 10 −6 / ° C.

그러나 Cu의 열팽창계수는 약 17×10-6/℃로 Cu를 전극으로 사용할 경우 열팽창계수 차이가 40% 정도이므로, 고온에서 안정적인 계면을 유지하는 것이 불가능하다. 따라서 열팽창계수가 상대적으로 작은 Ti(열팽창계수 약 8.6×10-6/℃) 과의 복합체 제조를 통하여 스커테루다이트계 열전소재의 열팽창계수인 9.8 ~ 11.5×10-6/℃를 구현할 수 있다. However, since the coefficient of thermal expansion of Cu is about 17 × 10 −6 / ° C., the difference in coefficient of thermal expansion is about 40% when Cu is used as an electrode, and thus it is impossible to maintain a stable interface at high temperature. Therefore, through the preparation of a composite with a relatively small thermal expansion coefficient Ti (thermal expansion coefficient of about 8.6 × 10 -6 / ℃) it is possible to implement a thermal expansion coefficient of 9.8 ~ 11.5 × 10 -6 / ℃ of the scutterite-based thermoelectric material.

이와 같이, 본 발명에 따른 상기 전극소재는 열전모듈에서 반도체로 사용되는 스커테루다이트계 열전소재와 열팽창계수 차이가 다른 전극 소재에 비하여 매우 작으므로, 고온에서도 열전소재와 전극 간 계면이 분리되거나 하는 등의 문제가 없다는 장점이 있다.As described above, the electrode material according to the present invention is very small compared to other electrode materials having different thermal expansion coefficients from that of the skudrudite-based thermoelectric material used as a semiconductor in the thermoelectric module, so that the interface between the thermoelectric material and the electrode is separated even at a high temperature. There is an advantage that there is no such problem.

이하에서는 본 발명의 열전모듈용 전극소재의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module according to the present invention will be described.

본 발명의 다른 측면에 따르면, Ti 및 Cu 분말을 하기 식 1에 따라 칭량하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 분말을 소결하는 단계를 포함하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, the step of weighing and mixing Ti and Cu powder according to the following formula 1; And it provides a method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module comprising the step of sintering the mixed powder.

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

Ti 및 Cu 분말의 직경은 복합체의 특성과 직결되므로 복합체의 밀도, 열적/기계적 특성을 고려하여 분말의 직경을 선택하나, 바람직하게는 10μm 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 5μm 이하일 수 있다. 분말의 직경이 10μm를 초과하는 경우에는 Ti 및 Cu의 복합구조의 특징을 나타내는 Ti-Cu 간 계면밀도가 현저히 감소하여 원하는 열팽창계수 특성이 구현되지 않는 문제가 있다.Since the diameters of the Ti and Cu powders are directly related to the properties of the composite, the diameter of the powder is selected in consideration of the density and thermal / mechanical properties of the composite, but preferably 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less. When the diameter of the powder exceeds 10 μm, the interfacial density between Ti and Cu, which is characteristic of the composite structure of Ti and Cu, is significantly reduced, so that the desired coefficient of thermal expansion may not be realized.

상기 식 1에 따른 조성은 열전소재인 스커테루다이트계 합금과 열팽창계수 차이를 작게 하기 위한 것임은 상기에서 설명한 바와 같고, 보다 바람직하게는 열팽창계수 차이가 15% 이내가 되도록 하기 위함이다.The composition according to Equation 1 is to reduce the difference in the coefficient of thermal expansion and the scouterite-based alloy, which is a thermoelectric material, as described above, and more preferably to make the difference in thermal expansion coefficient within 15%.

상기 식 1을 만족하도록 Ti 및 Cu 분말을 칭량하고 혼합한다. 상기 혼합은 특별하게 한정하는 것은 아니나, 예를 들어, 유발, 볼밀 등을 이용하여 수행될 수 있고 바람직하게는 볼밀을 이용하여 수행될 수 있다. 볼밀을 이용할 경우, 각각의 분말을 기계적으로 더욱 작게 분쇄하면서 균일하게 혼합할 수 있는 장점이 있다.Ti and Cu powders are weighed and mixed to satisfy Equation 1 above. The mixing is not particularly limited, but may be performed using, for example, a mortar, a ball mill, and the like, and preferably, may be performed using a ball mill. When using a ball mill, there is an advantage that can be uniformly mixed while grinding each powder mechanically smaller.

혼합이 완료된 상기 Ti 및 Cu 분말을 소결하여 소결체를 제조함으로써, 열전모듈용 전극소재가 제조되며, 상기 소결은 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering; SPS)법을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다. 방전 플라즈마 소결법은 단시간에 목적하는 재료를 합성하거나 소결하는 것이 가능한 기술로써 소결한 덩어리 형태의 소재에서도 혼합분말에서의 특성크기를 유지할 수 있다.By sintering the mixed Ti and Cu powder to produce a sintered body, an electrode material for a thermoelectric module is manufactured, and the sintering is preferably performed using a spark plasma sintering (SPS) method. The discharge plasma sintering method is a technique capable of synthesizing or sintering a desired material in a short time, and can maintain the characteristic size in the mixed powder even in the sintered agglomerate material.

보다 상세하게는 Ti-Cu 혼합분말을 구비된 그라파이트 몰드에 장입하고, 챔버 내부를 진공상태로 한 후 펀치로 1축으로 가압하면서, 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하여 소결한다. 이때 진공도는 전극소재 소결체의 산화를 방지하기 위해 1.0×10-2 torr 이하인 것이 바람직하다.More specifically, the Ti-Cu mixed powder is charged into a graphite mold, and the chamber inside is vacuumed and pressurized in one axis with a punch, followed by sintering by applying a DC pulse current in a direction parallel to the pressing direction. At this time, the degree of vacuum is preferably 1.0 × 10 -2 torr or less to prevent oxidation of the electrode material sintered body.

상기 소결은 800 내지 1000℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 850 내지 950℃에서 수행될 수 있다. 소결 온도가 800℃ 미만인 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있고, 소결 온도가 1000℃ 초과하는 경우에는 과도한 입자의 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably performed at 800 to 1000 ℃, more preferably may be carried out at 850 to 950 ℃. If the sintering temperature is less than 800 ℃ sintered body may not be good due to incomplete sintering, if the sintering temperature is more than 1000 ℃ sintering at the sintering temperature of the above range because the mechanical properties may be lowered due to excessive growth of particles It is desirable to.

또한, 소결시의 승온속도는 10 내지 300℃/min인 것이 바람직하다. 승온 속도가 10℃/min 미만인 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지는 단점이 있고, 300℃/min을 초과하는 경우에는 소결온도의 제어가 어려울 수 있다.Moreover, it is preferable that the temperature increase rate at the time of sintering is 10-300 degreeC / min. If the temperature increase rate is less than 10 ℃ / min has a disadvantage in that the productivity takes a long time, if it exceeds 300 ℃ / min it may be difficult to control the sintering temperature.

상기 Ti 및 Cu 분말에 가하여지는 압력이 10 내지 60 Mpa일 수 있다. 가압 압력이 10MPa 미만인 경우에는 혼합분말 입자 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 밀도를 얻을 수 없고, 가압 압력이 60 MPa을 초과하는 경우에는 그 이상의 효과는 기대할 수 없고 고압에 따른 몰드, 유압장치 등의 설계가 추가됨으로써 설비 제작 비용이 증가할 수 있다.The pressure applied to the Ti and Cu powder may be 10 to 60 Mpa. If the pressurization pressure is less than 10MPa, there will be many voids between the mixed powder particles, so that the desired density cannot be obtained.If the pressurization pressure exceeds 60 MPa, further effects cannot be expected. The additional cost of equipment can be increased.

상기 소결이 1 내지 30 분 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 1 내지 5 분 동안 수행될 수 있다. 과도하게 긴 시간 동안 소결을 진행할 경우 입자성장 현상에 의해 Ti 및 Cu의 입자크기가 커져 원하는 열팽창계수 특성이 구현되지 않는 문제가 발생 할 수 있다.The sintering can be carried out for 1 to 30 minutes, preferably for 1 to 5 minutes. If sintering is performed for an excessively long time, the particle size of Ti and Cu may increase due to particle growth, which may cause a problem in that desired thermal expansion coefficient characteristics are not realized.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전극소재가 적용되는 열전모듈이 제공되며, 보다 상세하게는 상/하면을 형성하며 발열 또는 흡열하는 상부기판 및 하부기판; 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 구비되어 공급된 전원의 흐름을 안내하는 전극; 및 상기 전극의 일면에서 서로 이격 형성된 다수의 P형반도체 및 N형반도체를 포함하고, 상기 전극은 Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르는 것인 열전모듈이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric module to which the electrode material is applied, and more specifically, the upper substrate and the lower substrate to form an upper / lower surface and generate heat or endotherm; An electrode provided between the upper substrate and the lower substrate to guide the flow of the supplied power; And a plurality of P-type semiconductors and N-type semiconductors spaced apart from each other on one surface of the electrode, wherein the electrodes include Ti and Cu, and the Ti and Cu compositions are provided according to the following Equation 1. .

[식 1][Equation 1]

xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)

상기 P형반도체 및 N형반도체가 스커테루다이트계 반도체일 수 있으며, 보다 상세하게는 상기 P형 반도체는 Fe3 . 4Co0 . 6Sb12계, Fe3 .4- xCo0 .6+ xSb12계, 및 Fe3 .4+ xCo0 .6-xSb12계 등을 사용할 수 있으나 바람직하게는 Fe3 . 4Co0 . 6Sb12계 P형 반도체일 수 있고, 상기 N형 반도체는 Co4Sb12계 및 Co4 - xFexSb12계 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 Co4Sb12계 N형 반도체일 수 있다.The P-type semiconductor and the N-type semiconductor may be a skutterrudite-based semiconductor, more specifically, the P-type semiconductor is Fe 3 . 4 Co 0 . 6 12 Sb-based, Fe 3 .4- x Co x Sb 12 0 .6+-based, and Fe 3 .4+ x Co 0 .6- x Sb can use the system 12, etc., but preferably Fe 3. 4 Co 0 . 6 Sb 12- based P-type semiconductor, the N-type semiconductor may be used Co 4 Sb 12- based and Co 4 - x Fe x Sb 12 , etc., preferably Co 4 Sb 12- based N-type semiconductor have.

상술한 바와 같이 본 발명의 전극소재는 스커테루다이트계 열전소재와 열팽창계수의 차이가 작아 고온에서도 열전소재와 전극 간 계면이 분리되거나 하는 등의 문제가 없다는 장점이 있다.As described above, the electrode material of the present invention has an advantage that there is no problem such that the interface between the thermoelectric material and the electrode is separated even at a high temperature due to a small difference in the coefficient of thermal expansion between the scurterite-based thermoelectric material and the electrode.

또한, 본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 열전모듈의 상/하면 외관을 형성하는 상부기판 또는 하부기판의 일면에 상부전극 또는 하부전극을 형성하는 전극형성단계; 상기 상부전극과 하부전극 중 어느 하나의 일면에 P형반도체와 N형반도체를 접합하는 접합단계를 포함하고, 상기 접합단계는 브레이징 공정에 의해 수행되는 것인 열전모듈의 제조방법이 제공된다. In addition, according to another aspect of the invention, the electrode forming step of forming an upper electrode or a lower electrode on one surface of the upper substrate or lower substrate to form the upper / lower surface of the thermoelectric module; And a bonding step of bonding the P-type semiconductor and the N-type semiconductor to one surface of one of the upper electrode and the lower electrode, wherein the bonding step is performed by a brazing process.

상기 접합용 소재의 조성은 매우 다양하나, 본 발명에서는 Ag와 Cu를 주성분으로 하고 Zn, Sn, In, Ti과 같은 원소를 포함하는 합금을 사용하는 것이 보다 바람직하다.The composition of the bonding material is very diverse, but in the present invention, it is more preferable to use an alloy containing Ag and Cu as main components and containing elements such as Zn, Sn, In, and Ti.

한편, 고속승온 브레이징 공정을 이용하여 전극소재와 스커테루다이트계 열전소자를 접합하는 경우 증대된 계면특성을 구현하여 증대된 성능의 발전출력을 나타낼 수 있으므로, 브레이징 공정을 이용하여 전극소재와 스커테루다이트계 열전소자를 접합하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the electrode material and the scutterudite thermoelectric element are bonded by using the high-speed brazing process, the increased interfacial characteristics can be realized to show an increased power generation output. Therefore, the electrode material and the skirt are used by the brazing process. It is preferable to join a die-type thermoelectric element.

상기 브레이징 공정은 550 내지 750℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 600 내지 750℃에서 수행될 수 있다. 일반적으로 브레이징 공정 온도는 낮은 것이 바람직하나, 스쿠터루다이트계 열전모듈 제조를 위한 금속 필러(metal filler) 또는 고온 솔더(solder) 의 공정온도가 550℃ 이상인 점 및 브레이징 공정 온도가 열전소재의 소결온도 보다 높게 되면 열전소재의 조성 또는 미세구조에 변화가 발생하여 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로, 550 내지 750에서 수행되는 것이 바람직하다.The brazing process may be performed at 550 to 750 ° C, preferably at 600 to 750 ° C. In general, the brazing process temperature is preferably low, but the process temperature of the metal filler or the high temperature solder for manufacturing a scooter ludite-based thermoelectric module is 550 ° C. or higher and the brazing process temperature is higher than the sintering temperature of the thermoelectric material. When high, since a change may occur in the composition or the microstructure of the thermoelectric material, a problem may occur in which the performance is deteriorated. Therefore, it is preferably performed at 550 to 750.

상기 브레이징 공정은 20℃/min 이상의 승온속도로 수행되는 것이 바람직하다. 브레이징 공정을 통한 접합 공정에 사용되는 금속 필러 또는 고온 솔더와 같은 소재들은 빠른 속도로 승온을 진행해서 접합온도에 도달하는 것이 우수한 접합특성을 구현하는데 바람직하므로, 20℃/min 이상의 승온속도로 수행되는 것이 바람직하다.The brazing process is preferably carried out at a temperature increase rate of 20 ℃ / min or more. Materials such as metal fillers or high temperature solders used in the joining process through the brazing process are preferred to achieve excellent bonding characteristics because it is desirable to achieve a good joining property by rapidly increasing the temperature to reach the joining temperature. It is preferable.

상기 브레이징 공정은 1 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 브레이징 공정을 통한 접합 공정에 사용되는 금속 필러 또는 고온 솔더와 같은 소재들은 빠른 속도로 승온을 진행해서 접합온도에 도달하는 것이 우수한 접합특성을 구현하는데 바람직하므로, 1 내지 30 분 동안 수행되는 것이 바람직하다.The brazing process is preferably performed for 1 to 30 minutes. Materials such as metal fillers or high temperature solders used in the joining process through the brazing process are preferably carried out for 1 to 30 minutes because it is desirable to achieve a good joining property by rapidly increasing the temperature and reaching the joining temperature. .

실시예Example

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an Example is given and this invention is demonstrated more concretely. The following examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1~5: 열전모듈용 전극소재의 열팽창계수 평가 1 ~ 5: Evaluation of thermal expansion coefficient of electrode material for thermoelectric module

평균 입경이 5㎛인 구형의 Ti과 Cu 분말을 준비하였다. 화학식이 xTi(1-x)Cu에서 x = 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80 및 0.85로 각각 칭량 후 볼밀을 이용하여 혼합 및 분쇄하였다. 혼합분말을 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여 소결하였다.Spherical Ti and Cu powders having an average particle diameter of 5 µm were prepared. Formulas were weighed in xTi (1-x) Cu with x = 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80 and 0.85, respectively, and then mixed and ground using a ball mill. The mixed powder was sintered using a discharge plasma sintering apparatus.

실시예 1~5 및 비교예 1에서 제조된 Ti-Cu 복합체형 전극소재의 열팽창계수 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The thermal expansion coefficient measurement results of the Ti-Cu composite electrode material prepared in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.

열팽창계수(×10-6/℃)Thermal expansion coefficient (× 10 -6 / ℃) 실시예 1(35Ti-65Cu)Example 1 ( 35 Ti- 65 Cu) ~9.4~ 9.4 실시예 2(30Ti-70Cu)Example 2 ( 30 Ti- 70 Cu) ~10.1~ 10.1 실시예 3(25Ti-75Cu)Example 3 ( 25 Ti- 75 Cu) ~10.9~ 10.9 실시예 4(20Ti-80Cu)Example 4 ( 20 Ti- 80 Cu) ~11.5~ 11.5 실시예 5(15Ti-85Cu)Example 5 ( 15 Ti- 85 Cu) ~12.1~ 12.1 비교예 1(40Ti-60Cu)Comparative Example 1 ( 40 Ti- 60 Cu) ~8.8~ 8.8 (스커테루다이트계) Co4Sb12계 N형 반도체(Skerterite) Co 4 Sb 12 N-type Semiconductor 10.1 - 11.510.1-11.5 (스커테루다이트계) Fe3.4Co0.6Sb12계 P형
반도체
(Skerterite system) Fe 3.4 Co 0.6 Sb 12 series P type
semiconductor
9.8 - 11.39.8-11.3

실시예Example 6: 열전모듈의 계면 구조 평가 6: Evaluation of Interface Structure of Thermoelectric Module

P형 및 N형 스커테루다이트계 열전소자와 실시예 2에 따른 30Ti-70Cu 복합체형 전극소재를 고온 솔더를 이용하여 급속승온 브레이징 공정으로 접합하였다.P-type and N-type scrutherite-based thermoelectric elements and the 30 Ti- 70 Cu composite electrode material according to Example 2 were bonded by a rapid heating brazing process using a high temperature solder.

이때 브레이징 공정 조건은 진공 중에서 승온속도 100℃/min, 최고온도 650℃, 유지시간 5분의 조건으로 진행하였다. At this time, the brazing process conditions were carried out under the conditions of the temperature increase rate 100 ℃ / min, the maximum temperature 650 ℃, holding time 5 minutes in vacuum.

접합면의 미세구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 도 1에 나타내었다.The photograph of observing the microstructure of the bonding surface with a scanning electron microscope (SEM) is shown in FIG. 1.

도 2의 (a)는 P형 스커테루다이트계 열전소자와 실시예 2에서 제조한 30Ti-70Cu 복합체형 전극소재의 계면구조이고, (b)는 N형 스커테루다이트계 열전소자와 실시예 2에서 제조한 30Ti-70Cu 복합체형 전극소재의 계면구조이다. 미세구조에서 알 수 있듯이 기공 등의 결함구조가 전혀 없는 우수한 계면구조가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.Figure 2 (a) is the interfacial structure of the P-type skauterite-based thermoelectric element and the 30Ti-70Cu composite electrode material prepared in Example 2, (b) is an N-type skaterudite-based thermoelectric element and Example 2 The interfacial structure of 30Ti-70Cu composite electrode material manufactured by As can be seen from the microstructure, it can be seen that an excellent interface structure without any defect structure such as pores is formed.

실시예Example 7: 열전모듈의 성능평가 7: Performance Evaluation of Thermoelectric Modules

알루미나 기판 위에 실시예 2에 따른 30Ti-70Cu 복합체형 전극소재를 부착하고, P형 및 N형 스커테루다이트계 열전소자 2쌍을 고온 솔더를 이용하여 급속승온 브레이징 공정으로 접합하여 bicouple 열전모듈을 제작하였다. The 30Ti-70Cu composite electrode material according to Example 2 was attached onto the alumina substrate, and two pairs of P-type and N-type scutterudite-based thermoelectric elements were bonded by a high temperature soldering process to produce a bicouple thermoelectric module. It was.

제작한 모듈의 성능평가를 위해 온도차 377.7℃, 425.7℃, 474℃ 및 521.8℃ 조건에서 발전출력을 측정하고 그 결과를 도 2에 나타내었다. For evaluating the performance of the fabricated module, the power generation power was measured at 377.7 ° C., 425.7 ° C., 474 ° C. and 521.8 ° C., and the results are shown in FIG. 2.

또한, 온도차 약 400℃ 조건에서 1000시간 동안 유지하여 발전출력밀도의 변화 거동을 평가하고 도 3에 나타내었다.In addition, the temperature difference is maintained for about 1000 hours at about 400 ℃ condition to evaluate the change behavior of power generation output density is shown in FIG.

도 2를 참조하면, 온도차 400℃ 기준으로 약 0.7 W/cm2의 높은 출력밀도를 나타내며, 일반적인 브레이징 공정(승온속도 10℃/min, 최고온도 650℃, 유지시간 5분)으로 제조한 발전모듈 대비 20% 이상 증대된 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.   Referring to FIG. 2, a power generation module exhibiting a high power density of about 0.7 W / cm 2 based on a temperature difference of 400 ° C. and manufactured by a general brazing process (raising rate of 10 ° C./min, maximum temperature of 650 ° C., holding time of 5 minutes) is shown. It can be seen that the performance is increased by more than 20%.

도 3을 참조하면, 발전모듈의 초기 구동 안정화에 요구되는 1시간까지는 발전출력이 약간 증가하는 거동을 나타내었고, 50시간까지 출력밀도가 5% 수준 감소한 후 1000 시간까지 변화가 없는 매우 안정적인 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 3, power generation output was slightly increased up to 1 hour required for stabilization of the initial operation of the power generation module, and a very stable behavior without change until 1000 hours after the power density was reduced by 5% by 50 hours. It was confirmed that it was shown.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be obvious to those of ordinary skill in the field.

Claims (17)

삭제delete 삭제delete Ti 및 Cu 분말을 하기 식 1에 따라 칭량하여 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 분말을 소결하는 단계를 포함하고,
상기 Ti 및 Cu 분말의 직경이 10μm 이하인 것을 특징으로 하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법.
[식 1]
xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
Weighing and mixing Ti and Cu powder according to Equation 1 below; And
Sintering the mixed powder,
Method for producing an electrode material for a thermoelectric module, characterized in that the diameter of the Ti and Cu powder is 10μm or less.
[Equation 1]
xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
삭제delete 제3항에 있어서,
상기 소결이 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법.
The method of claim 3,
The method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module, characterized in that the sintering is performed using the discharge plasma sintering method.
제3항에 있어서,
상기 소결이 1.0×10-2 torr 이하의 진공도 조건에서 1 내지 30 분 동안 수행 되며, 상기 Ti 및 Cu 분말에 가하여지는 압력은 10 내지 60 MPa인 것을 특징으로 하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법.
The method of claim 3,
The sintering is carried out for 1 to 30 minutes in a vacuum condition of 1.0 × 10 -2 torr or less, the pressure applied to the Ti and Cu powder is a manufacturing method of the electrode material for a thermoelectric module, characterized in that 10 to 60 MPa.
제3항에 있어서,
상기 소결이 800 내지 1000℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법.
The method of claim 3,
The sintering method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module, characterized in that carried out at 800 to 1000 ℃.
제3항에 있어서,
상기 소결이 10 내지 300℃/min의 승온 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈용 전극소재의 제조방법.
The method of claim 3,
The sintering method of manufacturing an electrode material for a thermoelectric module, characterized in that carried out at a temperature rising rate of 10 to 300 ℃ / min.
상/하면을 형성하며 발열 또는 흡열하는 상부기판 및 하부기판;
상기 상부기판 및 하부기판 사이에 구비되어 공급된 전원의 흐름을 안내하는 전극; 및
상기 전극의 일면에서 서로 이격 형성된 다수의 P형반도체 및 N형반도체를 포함하고,
상기 전극은 Ti 및 Cu를 포함하고, 상기 Ti 및 Cu 조성은 하기 식 1에 따르며,
상기 전극은 Ti 및 Cu 분말을 하기 식 1에 따라 칭량하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 분말을 소결하는 단계를 포함하여 제조되고, 상기 Ti 및 Cu 분말의 직경이 10μm 이하인 것인 열전모듈.
[식 1]
xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
An upper substrate and a lower substrate that form upper and lower surfaces and generate heat or endotherm;
An electrode provided between the upper substrate and the lower substrate to guide the flow of the supplied power; And
It comprises a plurality of P-type semiconductor and N-type semiconductor formed spaced apart from each other on one surface of the electrode,
The electrode includes Ti and Cu, the Ti and Cu composition is in accordance with the following formula 1,
The electrode is weighed and mixed according to the following equation 1 Ti and Cu powder; And a step of sintering the mixed powder, wherein the diameters of the Ti and Cu powders are 10 μm or less.
[Equation 1]
xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
제9항에 있어서,
상기 P형반도체 및 N형반도체가 스커테루다이트계 반도체인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
The method of claim 9,
The P-type semiconductor and the N-type semiconductor thermoelectric module, characterized in that the skewrudite-based semiconductor.
제10항에 있어서,
상기 P형 반도체가 Fe3 . 4Co0 . 6Sb12계 P형 반도체인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
The method of claim 10,
The P-type semiconductor is Fe 3 . 4 Co 0 . A thermoelectric module comprising a 6 Sb 12- based P-type semiconductor.
제10항에 있어서,
상기 N형 반도체가 Co4Sb12계 N형 반도체인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
The method of claim 10,
And the N-type semiconductor is a Co 4 Sb 12- based N-type semiconductor.
열전모듈의 상/하면 외관을 형성하는 상부기판 또는 하부기판의 일면에 상부전극 또는 하부전극을 형성하는 전극형성단계;
상기 상부전극과 하부전극 중 어느 하나의 일면에 P형반도체와 N형반도체를 접합하는 접합단계를 포함하고,
상기 접합단계는 브레이징 공정에 의해 수행되며,
상기 전극은 Ti 및 Cu 분말을 하기 식 1에 따라 칭량하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 분말을 소결하는 단계를 포함하여 제조되고,
상기 Ti 및 Cu 분말의 직경이 10μm 이하인 것인 열전모듈의 제조방법.
[식 1]
xTi(1-x)Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
An electrode forming step of forming an upper electrode or a lower electrode on one surface of an upper substrate or a lower substrate forming an upper / lower surface appearance of the thermoelectric module;
And bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor to one surface of one of the upper electrode and the lower electrode,
The bonding step is performed by a brazing process,
The electrode is weighed and mixed according to the following equation 1 Ti and Cu powder; And sintering the mixed powder,
Method for producing a thermoelectric module of which the diameter of the Ti and Cu powder is 10μm or less.
[Equation 1]
xTi (1-x) Cu (0.65 ≤ x ≤ 0.85)
제13항에 있어서,
상기 브레이징 공정이 550 내지 750℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
The method of claim 13,
The brazing process is a method of manufacturing a thermoelectric module, characterized in that performed at 550 to 750 ℃.
제13항에 있어서,
상기 브레이징 공정이 20℃/min 이상의 승온속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
The method of claim 13,
The brazing process is a method of manufacturing a thermoelectric module, characterized in that carried out at a temperature increase rate of 20 ℃ / min or more.
제13항에 있어서,
상기 브레이징 공정이 1 내지 30 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
The method of claim 13,
Method for producing a thermoelectric module, characterized in that the brazing process is performed for 1 to 30 minutes.
제13항에 있어서,
상기 브레이징 공정이 Ag 및 Cu 중에서 선택된 1종 이상의 접합용 금속을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
The method of claim 13,
The brazing process is a method of manufacturing a thermoelectric module, characterized in that performed using at least one metal for bonding selected from Ag and Cu.
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