KR102120270B1 - 열전 발전 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

온도 차에 의한 휨 현상을 예방할 수 있는 열전 발전 모듈 및 이의 제조 방법을 제공한다. 열전 발전 모듈은 열전 소자 어레이, 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 복수의 제1 분할 기판, 및 복수의 제2 분할 기판을 포함한다. 열전 소자 어레이는 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자를 포함한다. 복수의 제1 전극은 열전 소자 어레이의 일측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제2 전극은 열전 소자 어레이의 타측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극을 지지하며, 서로 이격된다. 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극을 지지하며, 서로 이격된다.

Description

열전 발전 모듈 및 그 제조 방법 {THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 열전 발전 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도 차이에 의한 휨 현상을 억제할 수 있는 열전 발전 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
열전 발전 모듈은 고온측 열교환기와 저온측 열교환기 사이에 열전 변환 소자를 배치하여 온도 차를 이용해 발전하는 모듈이다. 열전 변환 소자는, 상이한 금속을 접합하여 전기 회로를 구성하고 양쪽 접속점에 온도 차이가 있으면 회로에 열기전력이 발생하는 제벡 효과(Seebeck effect)를 응용한 것이다.
열전 변환 소자는 P형 반도체 열전 재료로 형성된 P형 소자와, N형 반도체 열전 재료로 형성된 N형 소자로 구분되며, P형 소자와 N형 소자가 전극에 의해 직렬 접속되어 열전 발전 모듈을 구성한다. 그리고 두 개의 기판이 열전 변환 소자와 전극을 양측에서 지지한다. 기판은 열 전도도가 높은 세라믹 재료로 형성된다.
그런데 열전 발전 모듈이 300℃ 이상의 고온에서 동작 시, 열전 발전 모듈에 가해지는 온도 차이로 인해 온도가 낮은 저온부 방향으로 휨 현상(warpage)이 발생할 수 있다. 이때 세라믹 재료는 연성이 있는 금속 재료와 달리 충분히 변형하지 못하므로 기판에 스트레스가 누적되고, 열전 변환 소자와 전극에 지속적인 스트레스를 가하여 피로 파괴를 유발할 수 있다.
본 발명은 온도 차이에 의한 휨 현상과, 이로 인한 피로 파괴를 억제할 수 있는 열전 발전 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈은 열전 소자 어레이, 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 복수의 제1 분할 기판, 및 복수의 제2 분할 기판을 포함한다. 열전 소자 어레이는 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자를 포함한다. 복수의 제1 전극은 열전 소자 어레이의 일측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제2 전극은 열전 소자 어레이의 타측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극을 지지하며, 서로 이격된다. 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극을 지지하며, 서로 이격된다.
복수의 제2 전극은 열전 소자 어레이 중 하나의 열전 소자만큼 복수의 제1 전극에 대해 어긋나게 위치할 수 있고, 열전 소자 어레이는 전기적으로 직렬 접속될 수 있다.
복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 하나의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리될 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리될 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리된 제1 그룹과, 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리된 제2 그룹을 포함할 수 있다.
열전 발전 모듈은 복수의 제1 금속층과 복수의 제2 금속층을 더 포함할 수 있다. 복수의 제1 금속층은 복수의 제1 분할 기판의 외면에 위치할 수 있고, 제1 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가질 수 있다. 복수의 제2 금속층은 복수의 제2 분할 기판의 외면에 위치할 수 있으며, 제2 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가질 수 있다.
열전 발전 모듈은, 복수의 제1 분할 기판을 지지하는 제1 프레임과, 복수의 제2 분할 기판을 지지하는 제2 프레임을 더 포함할 수 있다.
제1 프레임은 복수의 제1 분할 기판에 대응하는 복수의 제1 개구부를 포함할 수 있고, 복수의 제1 금속층은 복수의 제1 개구부에 끼워질 수 있다. 제2 프레임은 복수의 제2 분할 기판에 대응하는 복수의 제2 개구부를 포함할 수 있고, 복수의 제2 금속층은 복수의 제2 개구부에 끼워질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법은, 적어도 하나의 제1 전극이 배치된 복수의 제1 분할 기판을 준비하는 단계와, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하는 단계와, 적어도 하나의 제2 전극이 배치된 복수의 제2 분할 기판을 준비하는 단계와, 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자로 이루어진 열전 소자 어레이를 사이에 두고 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제2 분할 기판을 적층 및 접합하는 단계를 포함한다.
열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하기 전, 제1 전극 위에 제1 접합층 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와, 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 제2 전극에 제2 접합층 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 금속 페이스트는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말과, 주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함할 수 있다.
열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하기 전, 제1 전극과 마주할 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자의 일면에 제1 확산 방지층을 형성하는 단계와, 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 제2 전극과 마주할 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자의 일면에 제2 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 및 제2 확산 방지층은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 확산 방지층은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 및 동시 소결법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
복수의 제1 분할 기판은 제1 프레임에 의해 지지될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 제2 프레임에 의해 지지될 수 있다. 제1 및 제2 프레임은 접합하는 단계 이후 복수의 제1 및 제2 분할 기판으로부터 분리될 수 있다.
실시예들에 따르면, 복수의 분할 기판이 이격되어 있으므로, 각각의 분할 기판은 이웃한 분할 기판에 영향을 미치지 않고 길이 방향으로 팽창할 수 있다. 따라서 열전 발전 모듈은 휨 없이 전체적인 평탄성을 유지할 수 있고, 피로 파괴를 방지하여 신뢰성과 사용 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다. 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 열전 소자 어레이(10), 복수의 제1 전극(20), 복수의 제2 전극(30), 복수의 제1 분할 기판(40), 및 복수의 제2 분할 기판(50)을 포함한다.
열전 소자 어레이(10)는 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)를 포함한다. 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)는 매트릭스 형상으로 배치되며, 동일 평면 상에서 서로 직교하는 두 방향, 즉 X 방향과 Y 방향을 따라 하나씩 교대로 배열될 수 있다.
P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 및 셀레늄(Se) 중 적어도 두 종류의 원소를 주성분으로 하는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계 열전 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 소자(11)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 및 안티몬(Sb)을 포함할 수 있고, N형 열전 소자(12)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 및 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)는 스쿠테루다이트(Skutterudite)((Co, Ni)As3), 반-호이슬러(half-heusler) 화합물, 및 규화물(silicide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)의 재료는 전술한 예시로 한정되지 않는다.
복수의 제1 전극(20)은 열전 소자 어레이(10)의 일측(도면을 기준으로 하측)에 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11) 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자(12)와 전기적으로 연결한다. 복수의 제1 전극(20) 각각은 이웃한 두 개의 열전 소자(11, 12)와 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성된다.
복수의 제2 전극(30)은 열전 소자 어레이(10)의 타측(도면을 기준으로 상측)에 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11) 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자(12)와 전기적으로 연결한다. 복수의 제2 전극(30) 각각은 이웃한 두 개의 열전 소자(11, 12)와 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성된다.
복수의 제2 전극(30)은 복수의 제1 전극(20)에 대해 열전 소자(11, 12) 하나만큼 어긋나게 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)는 복수의 제1 전극(20)과 복수의 제2 전극(30)에 의해 전기적으로 직렬 접속된다. 그리고 직렬 회로의 양단에는 두 개의 리드선(60)이 접속되어 열전 소자 어레이(10)에서 발생된 전력을 외부로 인출한다.
복수의 제1 전극(20)과 복수의 제2 전극(30)은 전기 전도도와 열 전도도가 높은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 제1 전극(20)과 열전 소자(11, 12) 사이에 제1 접합층과 제1 확산 방지층이 위치할 수 있고, 제2 전극(30)과 열전 소자(11, 12) 사이에 제2 접합층과 제2 확산 방지층이 위치할 수 있다. 제1 및 제2 접합층과 제1 및 제2 확산 방지층에 대해서는 후술하는 제조 방법에서 상세하게 설명한다.
복수의 제1 분할 기판(40)은 복수의 제1 전극(20) 각각을 지지하며, 복수의 제2 분할 기판(50)은 복수의 제2 전극(30) 각각을 지지한다. 즉 복수의 제1 분할 기판(40) 각각의 일면에 하나의 제1 전극(20)이 위치하고, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각의 일면에 하나의 제2 전극(30)이 위치한다.
통상의 열전 발전 모듈에서 복수의 제1 전극은 단일 기판에 형성되고, 복수의 제2 전극은 다른 단일 기판에 형성된다. 그러나 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 단일 기판 대신, 하나의 제1 전극(20) 단위로 분리된 복수의 제1 분할 기판(40)과, 하나의 제2 전극(30) 단위로 분리된 복수의 제2 분할 기판(50)을 포함한다.
복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 높은 열 전도성과 고온 안정성을 가지며 비전도성인 세라믹 재료, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 및 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 여기에 지르코늄(Zr)과 이트륨(Y)을 더 포함할 수 있다.
제1 전극(20)은 높은 열 전도도를 구현하기 위해 별도의 접합층 없이 제1 분할 기판(40)의 표면에 직접 본딩 또는 도금된 구리막 또는 알루미늄막으로 구성될 수 있다. 제2 전극(30) 또한 높은 열 전도도를 구현하기 위해 별도의 접합층 없이 제2 분할 기판(50)의 표면에 직접 본딩 또는 도금된 구리막 또는 알루미늄막으로 구성될 수 있다.
복수의 제2 분할 기판(50)은 열원과 접할 수 있고, 복수의 제1 분할 기판(40)은 냉각부와 접할 수 있다. 즉 열전 발전 모듈(100)에서 복수의 제2 분할 기판(50)은 고온부가 될 수 있고, 복수의 제1 분할 기판(40)은 저온부가 될 수 있다. 열전 소자 어레이(10) 양측의 온도 차에 의해 직렬 접속된 열전 소자 어레이(10)에서 전류가 흐르며 발전이 이루어진다.
단일 기판을 구비한 통상의 열전 발전 모듈에서는 고온부에 해당하는 기판 전체가 팽창하며, 저온부 방향으로 휘는 현상이 발생한다. 평평한 열원과 평평한 냉각부 사이에 설치된 열전 발전 모듈이 휘어지면 열 전달에 악영향을 미칠 수 있고, 휘어짐을 강제로 구속할 경우 스트레스가 누적되어 장기 구동 시 파괴되는 현상이 나타날 수 있다.
그러나 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)에서는 복수의 제2 분할 기판(50) 사이의 이격 공간이 제2 분할 기판(50)의 팽창을 수용한다. 따라서 복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 이웃한 제2 분할 기판(50)에 영향을 미치지 않고 길이 방향으로 팽창할 수 있으며, 복수의 제2 분할 기판(50)은 휨 없이 전체적인 평탄성을 유지할 수 있다.
또한, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)에서는 분할 기판(40, 50)과 전극(20, 30) 사이 및 전극(20, 30)과 열전 소자(11, 12) 사이의 계면에서 전단 방향으로 가해지는 힘이 대폭 감소한다. 그 결과, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 복수의 제2 분할 기판(50)에 스트레스가 누적되지 않으므로 피로 파괴를 방지할 수 있으며, 신뢰성과 사용 수명을 향상시킬 수 있다.
하기 표 1에 단일 기판을 구비한 비교예의 열전 발전 모듈과 전술한 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈(하기 표에서는 '실시예'로 표기)의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 조건은 초기 온도 250℃, 작동 시 고온부 온도 500℃ 및 저온부 온도 30℃로 설정되었다.
비교예 실시예 (실시예/비교예)
×100
Z 방향 변위(㎛) 211 25 11.85%
열전 소자
스트레스(MPa)		 -541 -473 87.43%
비교예의 열전 발전 모듈과 제1 실시예의 열전 발전 모듈은 기판을 제외한 나머지 구성들이 동일하며, 시뮬레이션에 적용된 열전 소자와 전극 및 기판의 물성을 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서 전극은 구리(Cu) 전극이고, 기판은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함한다.
밀도
(g/cc)		 영률
(GPa)		 열팽창계수
(㎛/m℃)		 포아송 비 두께(㎛)
전극 8.93 110 16.4 0.343 300
기판 3.96 370 5.5 0.21 1,000
열전 소자 7.2 120 13 0.266 2,000
표 1을 참고하면, 제1 실시예의 열전 발전 모듈은 분할 기판의 열 팽창으로 인해 전체적인 평탄성을 유지할 수 있으며, 실시예에서 Z 방향(도 1 참조)의 최대 변위는 비교예 대비 11.85% 수준으로 극히 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 열전 발전 모듈을 구성하는 재료들 중 가장 취약한 부분은 열전 소자인데, 제1 실시예에서 열전 소자에 가해지는 스트레스는 비교예 대비 감소한 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 제2 실시예의 열전 발전 모듈(200)에서 복수의 제1 분할 기판(40) 각각은 이웃한 두 개의 제1 전극(20)을 지지한다. 복수의 제1 분할 기판(40) 각각은 이웃한 두 개의 제1 전극(20)과 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 제1 분할 기판(40)의 일면에 두 개의 제1 전극(20)이 나란히 위치한다.
복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 이웃한 두 개의 제2 전극(30) 또는 하나의 제2 전극(30)을 지지한다. 복수의 제2 분할 기판(50)은 두 개의 제2 전극(30)을 지지하는 제1 그룹의 제2 분할 기판(51)과, 하나의 제2 전극(30)을 지지하는 제2 그룹의 제2 분할 기판(52)으로 구분될 수 있다.
제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51) 각각은 이웃한 두 개의 제2 전극(30)과 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 제2 분할 기판(51)의 일면에 두 개의 제2 전극(30)이 나란히 위치한다. 제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51)은 열전 발전 모듈(200)의 중앙부에 위치할 수 있고, Y 방향을 따라 복수의 제1 분할 기판(40)에 대해 열전 소자(11, 12) 하나만큼 어긋나게 위치할 수 있다.
제2 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(52) 각각의 일면에 하나의 제2 전극(30)이 위치한다. 제2 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(52)은 열전 발전 모듈(100)의 양측 모서리에 위치할 수 있으며, Z 방향을 따라 두 개의 제1 분할 기판(40)과 중첩될 수 있다.
제2 실시예의 열전 발전 모듈(200)은 복수의 제1 분할 기판(40)과 제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51)이 두 개의 전극 단위로 분리된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
제2 실시예에서 제1 분할 기판(40)과 제1 그룹에 속하는 제2 분할 기판(51)은 제1 실시예의 경우보다 확장된 크기를 가지지만, 분할 기판들 사이의 이격 공간을 통해 분할 기판의 열팽창을 수용할 수 있으므로, 휨 현상을 예방하는 효과는 제1 실시예와 실질적인 차이가 없다.
한편, 열전 소자 어레이(10)를 이루는 열전 소자(11, 12)의 크기에 따라 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 세 개 또는 그 이상의 전극 단위로 분리된 구조를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 제3 실시예 및 제4 실시예의 열전 발전 모듈(300,400)은 복수의 제1 분할 기판(40) 각각의 외면에 위치하는 제1 금속층(71)과, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각의 외면에 위치하는 제2 금속층(72)을 포함한다. 이때 '외면'은 제1 전극(20) 또는 제2 전극(30)이 형성된 면(내면)과 반대되는 면을 의미한다.
제1 금속층(71)은 제1 전극(20)과 같은 물질로 형성될 수 있고, 제1 전극(20)과 같은 두께를 가질 수 있다. 제2 금속층(72)은 제2 전극(30)과 같은 물질로 형성될 수 있으며, 제2 전극(30)과 같은 두께를 가질 수 있다. 양면이 같은 금속층으로 덮인 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 열 팽창 시 휨 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
제3 실시예의 열전 발전 모듈(300)은 제1 금속층(71)과 제2 금속층(72)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다. 제4 실시예의 열전 발전 모듈(400)은 제1 금속층(71)과 제2 금속층(72)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 8과 도 9를 참고하면, 제5 실시예의 열전 발전 모듈(500)은 복수의 제1 분할 기판(40)을 지지하는 제1 프레임(80)과, 복수의 제2 분할 기판(50)을 지지하는 제2 프레임(90)을 포함한다.
제1 프레임(80)은 복수의 제1 분할 기판(40) 모두와 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 복수의 제1 분할 기판(40) 각각에 대응하는 복수의 제1 개구부(81)를 가진다. 제2 프레임(90)은 복수의 제2 분할 기판(50) 모두와 접촉할 수 있는 크기로 형성되고, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각에 대응하는 복수의 제2 개구부(91)를 가진다.
제1 프레임(80)은 제1 분할 기판(40)의 거동에 영향을 미치지 않도록 연성이 있는 금속으로 형성될 수 있으며, 복수의 제1 분할 기판(40) 전체를 지지할 수 있으면서 쉽게 휘어질 수 있는 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(80)은 0.05mm 내지 0.5mm 두께의 알루미늄(Al) 또는 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 제2 프레임(90) 또한 같은 이유로 0.05mm 내지 0.5mm 두께의 알루미늄(Al) 또는 스테인리스강으로 형성될 수 있다.
제1 전극(20)이 제1 프레임(80)과 접촉하거나 제2 전극(30)이 제2 프레임(90)과 접촉하면 열전 소자 어레이(10) 전체가 단락된다. 이를 방지하기 위해 제1 분할 기판(40)의 외면에 위치한 제1 금속층(71)이 제1 개구부(81)에 끼워지는 방식으로 복수의 제1 분할 기판(40)이 제1 프레임(80)에 결합될 수 있다.
또한, 제2 분할 기판(50)의 외면에 위치한 제2 금속층(72)이 제2 개구부(91)에 끼워지는 방식으로 복수의 제2 분할 기판(50)이 제2 프레임(90)에 결합될 수 있다.
이 경우 제1 프레임(80)은 Z 방향을 따라 복수의 제1 분할 기판(40) 및 복수의 제1 전극(20)과 이격되어 열전 소자 어레이(10)의 단락을 방지할 수 있다. 제2 프레임(90) 또한 Z 방향을 따라 복수의 제2 분할 기판(50) 및 복수의 제2 전극(30)과 이격되어 열전 소자 어레이(10)의 단락을 방지할 수 있다.
제5 실시예의 열전 발전 모듈(500)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제3 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이고, 도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 10과 도 11을 참고하면, 제6 실시예의 열전 발전 모듈(600)은 복수의 제1 분할 기판(40)을 지지하는 제1 프레임(80)과, 복수의 제2 분할 기판(50)을 지지하는 제2 프레임(90)을 포함한다. 제6 실시예의 열전 발전 모듈(600)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제4 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
제1 프레임(80)은 제1 개구부(81)의 크기와 개수를 제외하고 전술한 제5 실시예의 제1 프레임과 같은 구성으로 이루어진다. 제2 프레임(90) 또한 제2 개구부(91)의 크기와 개수를 제외하고 전술한 제5 실시예의 제2 프레임과 같은 구성으로 이루어진다. 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)에 의해 일체로 결합되어 안정적으로 지지된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위해 기본적으로 제1 실시예의 열전 발전 모듈을 도시한 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명한다.
일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법은, 적어도 하나의 제1 전극(20)이 배치된 복수의 제1 분할 기판(40)을 준비하는 제1 단계와, 각각의 제1 전극(20) 위에 P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)를 배치하는 제2 단계와, 적어도 하나의 제2 전극(30)이 배치된 복수의 제2 분할 기판(50)을 준비하는 제3 단계와, 열전 소자 어레이(10)를 사이에 두고 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)을 적층 후 접합하는 제4 단계를 포함한다.
제1 단계에서 복수의 제1 분할 기판(40)은 제1 프레임(80, 도 8 참조)에 의해 지지될 수 있고, 제3 단계에서 복수의 제2 분할 기판(50)은 제2 프레임(90, 도 8 참조)에 의해 지지될 수 있다. 제1 및 제2 프레임(80, 90)은 제4 단계 이후 복수의 제1 및 제2 분할 기판(40, 50)으로부터 분리되거나(제1 실시예 내지 제4 실시예), 분리되지 않고 남을 수 있다(제5 실시예 및 제6 실시예).
열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 단계와 제2 단계 사이에서 복수의 제1 전극(20) 위로 제1 접합층(도시하지 않음) 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와, 제1 전극(20)과 마주할 P형 열전 소자(11) 및 N형 열전 소자(12)의 일면에 제1 확산 방지층(도시하지 않음)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제1 금속 페이스트는 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말; 및 주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함할 수 있으며, 선택적으로 바인더, 분산제, 및 용제를 더 포함할 수 있다.
제1 확산 방지층은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 제1 확산 방지층(22)은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 또는 동시 소결법 등의 방법으로 형성될 수 있다.
열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제3 단계와 제4 단계 사이에서 복수의 제2 전극(30) 위로 제2 접합층(도시하지 않음) 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포하는 단계와, 제2 전극(30)과 마주할 P형 열전 소자(11) 및 N형 열전 소자(12)의 일면에 제2 확산 방지층(도시하지 않음)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제2 금속 페이스트는 전술한 제1 금속 페이스트와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 제2 확산 방지층은 전술한 제1 확산 방지층과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 제2 확산 방지층의 형성 방법은 제1 확산 방지층의 형성 방법과 같을 수 있다.
제4 단계에서, 접합은 고온에서 가압 소결하는 과정으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 접합은 약 0.1MPa 내지 약 200MPa의 압력 및 약 200℃ 내지 약 400℃의 온도에서 가압 소결하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때 압력과 온도는 전술한 범위로 한정되지 않으며, 제1 금속 및 제2 금속으로 선택되는 금속 분말의 용융점 이상의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
전술한 접합에 의해 제1 및 제2 금속 페이스트는 각각 제1 및 제2 접합층이 되며, 제1 및 제2 접합층에 의해 열전 소자 어레이(10)는 제1 및 제2 전극(20, 30)에 접합된다. 제1 및 제2 확산 방지층은 고온에서 안정적으로 막의 형태를 유지하고, 열전 소자(11, 12) 등에 포함된 원소가 제1 및 제2 접합층 내부 등으로 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400, 500, 600: 열전 발전 모듈
10: 열전 소자 어레이 11: P형 열전 소자
12: N형 열전 소자 20: 제1 전극
30: 제2 전극 40: 제1 분할 기판
50: 제2 분할 기판 60: 리드선
71: 제1 금속층 72: 제2 금속층
80: 제1 프레임 81: 제1 개구부
90: 제2 프레임 91: 제2 개구부

Claims (17)

  1. 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자를 포함하는 열전 소자 어레이;
    상기 열전 소자 어레이의 양측에서 상기 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 연결하여 상기 열전 소자 어레이를 직렬 접속하는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극;
    상기 복수의 제1 전극을 지지하며 서로 이격된 복수의 제1 분할 기판;
    상기 복수의 제2 전극을 지지하며 서로 이격된 복수의 제2 분할 기판;
    상기 복수의 제1 분할 기판 각각의 외면에 위치하는 복수의 제1 금속층;
    상기 복수의 제2 분할 기판 각각의 외면에 위치하는 복수의 제2 금속층;
    상기 복수의 제1 금속층이 끼워지는 복수의 제1 개구부를 구비하며, 상기 복수의 제1 분할 기판과 결합되어 상기 복수의 제1 분할 기판을 지지하는 제1 프레임; 및
    상기 복수의 제2 금속층이 끼워지는 복수의 제2 개구부를 구비하며, 상기 복수의 제2 분할 기판과 결합되어 상기 복수의 제2 분할 기판을 지지하는 제2 프레임
    을 포함하는 열전 발전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 전극은 상기 열전 소자 어레이 중 하나의 열전 소자만큼 상기 복수의 제1 전극에 대해 어긋나게 위치하는 열전 발전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 하나의 제1 전극 단위로 분리되고,
    상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리되는 열전 발전 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리되고,
    상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리되는 열전 발전 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리되고,
    상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리된 제1 그룹과, 상기 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리된 제2 그룹을 포함하는 열전 발전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 금속층은 상기 제1 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가지며,
    상기 복수의 제2 금속층은 상기 제2 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가지는 열전 발전 모듈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 일면에 적어도 하나의 제1 전극이 배치되고, 타면에 적어도 하나의 제1 금속층이 배치된 복수의 제1 분할 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하는 단계;
    일면에 적어도 하나의 제2 전극이 배치되고, 타면에 적어도 하나의 제2 금속층이 배치된 복수의 제2 분할 기판을 준비하는 단계;
    복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자로 이루어진 열전 소자 어레이를 사이에 두고 상기 복수의 제1 분할 기판과 상기 복수의 제2 분할 기판을 적층 및 접합하는 단계;
    복수의 제1 개구부를 구비한 제1 프레임을 준비하고, 상기 제1 금속층이 상기 제1 개구부에 끼워지도록 상기 복수의 제1 분할 기판과 상기 제1 프레임을 결합하는 단계; 및
    복수의 제2 개구부를 구비한 제2 프레임을 준비하고, 상기 제2 금속층이 상기 제2 개구부에 끼워지도록 상기 복수의 제2 분할 기판과 상기 제2 프레임을 결합하는 단계
    를 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극 위에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자를 배치하기 전, 상기 제1 전극 위에 제1 접합층 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와,
    상기 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 상기 제2 전극 위에 제2 접합층 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계를 더 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속 페이스트는,
    니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말; 및
    주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극 위에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자를 배치하기 전, 상기 제1 전극과 마주할 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 일면에 제1 확산 방지층을 형성하는 단계와,
    상기 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 상기 제2 전극과 마주할 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 일면에 제2 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 확산 방지층은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함하며, 단일층 또는 다중층으로 형성되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 확산 방지층은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 및 동시 소결법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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