KR102333422B1 - Bulk thermoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR102333422B1 KR1020200060132A KR20200060132A KR102333422B1 KR 102333422 B1 KR102333422 B1 KR 102333422B1 KR 1020200060132 A KR1020200060132 A KR 1020200060132A KR 20200060132 A KR20200060132 A KR 20200060132A KR 102333422 B1 KR102333422 B1 KR 102333422B1
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Abstract

본 발명은 벌크형 열전 소자의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 벌크형 열전 소자의 제조방법은, p형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들(31,32,33)과, n형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 n형 열전소자 셀들(41,42,43)을 준비하고; 상기 p형 열전소자 셀들과 n형 열전소자 셀들을 교호적으로 페어링하여 pn직렬 연결 어레이 패턴 내에 pn접합부(2)를 복수로 형성하고; 상기 pn접합부(2)가 형성된 열전소자 셀들의 하부 및 상부에 하부 도전 박막(12) 및 상부 도전 박막(50)을 형성하고; 상기 펠렛이 이루어지도록 상기 pn접합부(2)가 이격되도록 하는 갭(35)을 형성하기 위해 상기 하부 및 상부 도전 박막의 일부에서부터 상기 pn접합부를 커팅하고; 상기 펠렛이 이루어진 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 전기 배선(62,64)을 형성하는 것을 포함한다. 본 발명의 제조 방법에 따르면, 제조가 쉬우면서도 제조 원가가 저렴하고 고집적이 가능한 벌크형 열전소자 및 그 제조방법이 얻어진다. 또한 pn 소자의 연결을 위한 솔더링 공정이 필요 없으며 세라믹 기판도 요구되지 않는다.The present invention provides a method for manufacturing a bulk type thermoelectric device. In the method of manufacturing a bulk-type thermoelectric element according to an embodiment of the present invention, the p-type thermoelectric element cells 31, 32, 33 to form pellets by cutting the p-type thermoelectric material substrate, and the n-type thermoelectric material substrate by cutting the n-type thermoelectric material substrate to form pellets preparing n-type thermoelectric cells 41 , 42 , 43 to form ; forming a plurality of pn junctions (2) in a pn series connection array pattern by alternately pairing the p-type thermoelectric cells and the n-type thermoelectric cells; forming a lower conductive thin film 12 and an upper conductive thin film 50 on the lower and upper portions of the thermoelectric cells in which the pn junction 2 is formed; cutting the pn junction from a portion of the lower and upper conductive thin films to form a gap 35 that allows the pn junction 2 to be spaced apart to form the pellet; and forming electrical wirings 62 and 64 in the pn series connection array pattern made of the pellets. According to the manufacturing method of the present invention, a bulk-type thermoelectric element capable of easy manufacturing, low manufacturing cost, and high integration, and a manufacturing method thereof are obtained. Also, a soldering process for connecting pn devices is not required, and a ceramic substrate is not required.

Description

벌크형 열전 소자 및 그 제조방법{Bulk thermoelectric element and manufacturing method thereof}Bulk thermoelectric element and manufacturing method thereof

본 발명은 열전 소자의 제조에 관한 것으로, 특히 제조가 쉬우면서도 제조 원가가 저렴하고 고집적이 가능한 벌크형 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to the manufacture of a thermoelectric element, and more particularly, to a bulk-type thermoelectric element that is easy to manufacture, inexpensive and capable of high integration, and a method for manufacturing the same.

최근에, 열전소자는 다양한 곳에 사용되고 있으며 특히 IoT 센서가 확대 되면서 에너지 하베스팅 분야에서 그 응용이 더욱 확대되고 있다. Recently, thermoelectric devices are being used in various places, and in particular, as IoT sensors are expanding, their applications are further expanding in the field of energy harvesting.

통상의 열전 소자는 플래너 세라믹 기판에 연결 전극 패턴을 만든 후 그 위에 p형 및 n형 열전 소자 셀들을 개별 픽 앤 플레이스 방법으로 일정 간격을 유지하여 실장하는 방법에 의해 제조되어 왔다. 또한, p형 및 n형 열전 소자 셀들을 단위 열전 소자를 구성할 펠렛으로 형성하기 위해 pn소자의 전기적 연결은 솔더링에 의해 구현된다. A conventional thermoelectric element has been manufactured by making a connection electrode pattern on a planar ceramic substrate, and then mounting p-type and n-type thermoelectric element cells thereon by maintaining a predetermined distance using an individual pick-and-place method. In addition, in order to form the p-type and n-type thermoelectric element cells into pellets constituting a unit thermoelectric element, the electrical connection of the pn element is implemented by soldering.

따라서, 종래의 열전 소자 제조에는 깨지기 쉬운 세라믹 기판이 필요하고, 개별 픽 앤 플레이스 실장에 따른 한계에 기인하여 고밀도 실장이 어려웠다. 또한, 솔더링에 의한 pn소자의 전기적 연결은 열전 소자의 섭씨 300 도 이상의 고온 사용을 불가능 하게 하거나 어렵게 한다. Therefore, the conventional manufacturing of thermoelectric devices requires a fragile ceramic substrate, and high-density mounting is difficult due to limitations due to individual pick-and-place mounting. In addition, the electrical connection of the pn element by soldering makes it impossible or difficult to use the thermoelectric element at a high temperature of 300 degrees Celsius or more.

그러한 종래의 문제점들을 해결하여, 제조가 쉬우면서도 제조 원가가 저렴하고 고집적이 가능한 벌크형 열전소자 및 그 제조방법이 요구된다.To solve such conventional problems, there is a need for a bulk-type thermoelectric device capable of being easily manufactured, low in manufacturing cost, and capable of high integration, and a manufacturing method thereof.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 제조가 쉬우면서도 제조 원가가 저렴하고 고집적이 가능한 벌크형 열전소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a bulk-type thermoelectric element that is easy to manufacture, has a low manufacturing cost, and enables high integration, and a method for manufacturing the same.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따라, 벌크형 열전소자의 제조방법은, According to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, a method of manufacturing a bulk type thermoelectric element,

p형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들(31,32,33)과, n형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 n형 열전소자 셀들(41,42,43)을 준비하고;P-type thermoelectric cells (31, 32, 33) to form pellets by cutting the p-type thermoelectric material substrate, and n-type thermoelectric cells (41, 42, 43) to form pellets by cutting the n-type thermoelectric material substrate to prepare;

상기 p형 열전소자 셀들과 n형 열전소자 셀들을 교호적으로 페어링하여 pn직렬 연결 어레이 패턴 내에 pn접합부(2)를 복수로 형성하고;forming a plurality of pn junctions (2) in a pn series connection array pattern by alternately pairing the p-type thermoelectric cells and the n-type thermoelectric cells;

상기 pn접합부(2)가 형성된 열전소자 셀들의 하부 및 상부에 하부 도전 박막(12) 및 상부 도전 박막(50)을 형성하고;forming a lower conductive thin film 12 and an upper conductive thin film 50 on the lower and upper portions of the thermoelectric cells in which the pn junction 2 is formed;

상기 펠렛이 이루어지도록 상기 pn접합부(2)가 이격되도록 하는 갭(35)을 형성하기 위해 상기 하부 및 상부 도전 박막의 일부에서부터 상기 pn접합부를 커팅하고;cutting the pn junction from a portion of the lower and upper conductive thin films to form a gap 35 that allows the pn junction 2 to be spaced apart to form the pellet;

상기 펠렛이 이루어진 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 전기 배선(62,64)을 형성하는 것을 포함한다. and forming electrical wirings 62 and 64 in the pn series connection array pattern made of the pellets.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따라, 벌크형 열전 소자는,According to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem, a bulk type thermoelectric element,

서로 평행하게 배치된 p형 열전소자 셀들;p-type thermoelectric cells arranged parallel to each other;

pn직렬 연결 어레이 패턴을 이루도록 상기 p형 열전소자 셀들 사이에 일정한 간격을 가지고 배치되는 n형 열전소자 셀들;n-type thermoelectric cells arranged at regular intervals between the p-type thermoelectric cells to form a pn series connection array pattern;

펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들 및 n형 열전소자 셀들의 하부에 증착된 하부 도전 박막(12); a lower conductive thin film 12 deposited under the p-type thermoelectric cells and n-type thermoelectric cells to form pellets;

상기 펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들 및 n형 열전소자 셀들의 상부에 증착된 상부 도전 박막(50); 및 an upper conductive thin film 50 deposited on the p-type thermoelectric cells and n-type thermoelectric cells to form the pellet; and

상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 형성된 전기 배선(62,64)을 포함하되,including electrical wirings 62 and 64 formed in the pn series connection array pattern,

상기 펠렛이 이루어지도록 상기 p형 및 n형 열전소자 셀들 사이에는 상기 하부 및 상부 도전 박막의 일부에서부터 갭(35)이 형성된다. A gap 35 is formed from a portion of the lower and upper conductive thin films between the p-type and n-type thermoelectric cells to form the pellet.

본 발명에 따르면, 제조가 쉬우면서도 제조 원가가 저렴하고 고집적이 가능한 벌크형 열전소자 및 그 제조방법이 얻어진다. 또한 pn 소자의 연결을 위한 솔더링 공정이 필요 없으며 세라믹 기판도 요구되지 않는 효과가 있다.Advantageous Effects of Invention According to the present invention, a bulk-type thermoelectric device capable of being easily manufactured, having a low manufacturing cost, and capable of high integration, and a method for manufacturing the same are obtained. In addition, there is no need for a soldering process for connecting the pn device and a ceramic substrate is not required.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 펠렛을 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 직렬 연결 어레이 패턴의 제조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 pn 직렬 연결 어레이 패턴의 평면 형태를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 직렬 연결 어레이 패턴의 제조 순서를 종래의 제조 순서와 대비적으로 설명하는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 열전 소자의 펠렛을 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5의 pn직렬 연결 어레이 패턴의 제조를 설명하는 도면이다. 1 is a view showing a pellet of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are diagrams illustrating fabrication of a series-connected array pattern of thermoelectric elements according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a planar shape of a pn series connection array pattern according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a manufacturing procedure of a serial connection array pattern of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention in contrast to a conventional manufacturing procedure.
5 is a view showing a pellet of a thermoelectric element according to the prior art.
FIG. 6 is a view for explaining the manufacture of the pn series connection array pattern of FIG. 5 .

위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be more thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art, without any intention other than to provide convenience of understanding.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 펠렛을 도시하는 도면이다. 1 is a view showing a pellet of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 열전 소자의 펠렛(100)은 p형 열전소자 셀(30), n형 열전소자 셀(40), 하부 도전 박막(10,20), 및 상부 도전 박막(50)을 포함한다. Referring to FIG. 1 , a pellet 100 of a thermoelectric element includes a p-type thermoelectric cell 30 , an n-type thermoelectric cell 40 , lower conductive thin films 10 and 20 , and an upper conductive thin film 50 . do.

도 1에서 사이즈 D1 및 D3은 0.1 내지 1.6 mm 이고 D2는 0.1mm이다. 한편, 종래 기술의 경우에 픽 앤 플레이스 실장 한계로 인해 D1 및 D3은 1.0 내지 1.6 mm 이고 D2는 1.0mm이다. In Fig. 1, sizes D1 and D3 are 0.1 to 1.6 mm and D2 is 0.1 mm. Meanwhile, in the case of the prior art, D1 and D3 are 1.0 to 1.6 mm and D2 is 1.0 mm due to pick and place mounting limitations.

보다 구체적으로, 종래의 열전 소자는 제조공정상 개별 p형 및 n형소자를 핸들링해서 실장조립하므로 펠렛 사이즈를 최소화 하는데 한계가 있다. 그러므로 통상 1.0~1.6mm단위로 펠렛 사이즈가 결정된다. 조립시 갭의 간격(D2)에도 한계점이 발생하여 최소 1.0mm이상 간격이 있게 된다. More specifically, since the conventional thermoelectric element is mounted and assembled by handling individual p-type and n-type elements in the manufacturing process, there is a limit in minimizing the pellet size. Therefore, the pellet size is usually determined in units of 1.0~1.6mm. During assembly, a limit occurs in the gap (D2) of the gap, so that there is a gap of at least 1.0 mm.

이에 비해, 본 발명의 실시 예에서는 p형 및 n형 소자를 미리 접합한 상태에서 pn 간격부분만 미세 절단 가공을 실시함에 의해 갭의 간격(D2)이 0.1mm 정도로 형성될 수 있다. In contrast, in the embodiment of the present invention, the gap D2 may be formed to be about 0.1 mm by performing fine cutting only on the pn gap portion in a state in which the p-type and n-type devices are pre-bonded.

또한 종래의 열전 소자 제조 공정에서 펠렛을 만드는 절단 가공 시에 가로 세로 두 번의 가공이 소요되어 소재 특성 상 1.0mm이하 가공에서는 불량률이 높아진다. In addition, in the conventional thermoelectric element manufacturing process, when cutting to make pellets, it takes two processing horizontally and vertically, so that the defect rate increases in processing of 1.0 mm or less due to material characteristics.

이에 비해, 본 발명의 실시 예에서는 길이 방향으로 1회만 절단 가공함에 의해 가공 충격이 절반으로 감소되고 1.0mm이하의 가공이 가능하여 펠렛의 소형화 제작이 가능하다. 그러므로 본 발명의 실시 예에서는 pn 갭을 종래 대비 현저히 줄일 수 있으므로 종래 대비 실장율이 약 30%이상 높아져 열전 소자의 출력이 향상된다. In contrast, in the embodiment of the present invention, the processing impact is reduced by half by cutting only once in the longitudinal direction, and processing of 1.0 mm or less is possible, so that the pellet can be miniaturized. Therefore, in the embodiment of the present invention, since the pn gap can be significantly reduced compared to the prior art, the mounting rate is increased by about 30% or more compared to the prior art, thereby improving the output of the thermoelectric element.

결국 본 발명의 실시 예에 따르면 고상한 제조 방법에 의해 고밀도화 및 초소형화된 열전 소자가 제공된다. As a result, according to an embodiment of the present invention, a thermoelectric device with high density and miniaturization is provided by a sophisticated manufacturing method.

상기 열전소자의 펠렛(100)는 상기 상부 도전 박막(50)과 상기 하부 도전 박막(10,20)간의 온도 차에 의한 제백 효과를 이용하여 열전 발전을 수행한다. The pellet 100 of the thermoelectric element performs thermoelectric power generation by using the Seebeck effect due to a temperature difference between the upper conductive thin film 50 and the lower conductive thin film 10 and 20 .

p형 열전소자 셀(30)과 n형 열전소자 셀(40)은 상기 상부 도전 박막(50)과 상기 하부 도전 박막(10,20)을 통해 서로 연결되어 단위 pn 반도체 쌍을 형성한다. The p-type thermoelectric cell 30 and the n-type thermoelectric cell 40 are connected to each other through the upper conductive thin film 50 and the lower conductive thin film 10 and 20 to form a unit pn semiconductor pair.

p형 열전소자 셀(30)는 + 전극 단자와 연결되고, n형 열전소자 셀(40)은 - 전극 단자와 연결된다. The p-type thermoelectric cell 30 is connected to the + electrode terminal, and the n-type thermoelectric cell 40 is connected to the - electrode terminal.

상기 열전소자의 펠렛(100)은 두 개의 반도체 셀들로 구성되어 제백 효과에 의한 기전력을 발생한다. 제백 효과를 발생하는 소자는 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하고 거기에 온도 차를 주어 열기전력을 일으키는 회로 소자를 의미한다. 이 제백 효과(또는 현상)은 1821년에 T. Seebeck이 Cu와 Bi 또는 Sb에 대하여 발견하였다. 열기전력을 측정하여 온도로 환산하는 열전대식 온도계는 공업적으로도 널리 이용되고 있고, 고온에서 극저온까지 각종 열전대이 개발되어 있다. 온도계측용의 열전대에는 은-금(철 첨가), 크로멜-금(철 첨가), 구리-콘스탄탄, 크로멜-콘스탄탄, 크로멜-알루멜, 백금ㆍ로듐-백금, 텅스텐-텅스텐 레늄 등, 여러 가지가 있다. 한편 반도체는 금속에 비해서 열전능(제벡 계수)이 1000배나 크기 때문에 이것을 사용한 열기전력의 생성은 효율이 상대적으로 높은 편이다. The pellet 100 of the thermoelectric element is composed of two semiconductor cells to generate an electromotive force due to the Seebeck effect. A device that generates the Seebeck effect refers to a circuit device that bonds both ends of a metal or semiconductor and generates thermoelectric power by applying a temperature difference thereto. This Seebeck effect (or phenomenon) was discovered in 1821 by T. Seebeck for Cu and Bi or Sb. Thermocouple-type thermometers that measure thermoelectric power and convert it into temperature are widely used industrially, and various thermocouples have been developed from high temperature to cryogenic temperature. Thermocouples for temperature measurement include silver-gold (with iron), chromel-gold (with iron), copper-constantan, chromel-constantan, chromel-alumel, platinum/rhodium-platinum, tungsten-tungsten and rhenium, etc. , there are several On the other hand, since the thermoelectric capacity (Seebeck coefficient) of semiconductors is 1000 times greater than that of metals, the efficiency of thermoelectric generation using them is relatively high.

결국, 제백 효과는 간단히 말해 펠티어 효과와는 반대되는 효과로서, 양면에 온도 차를 주면 전기가 생성되는 현상이다. After all, the Seebeck effect is simply an effect opposite to the Peltier effect, in which electricity is generated when a temperature difference is applied to both surfaces.

흡열과 방열의 양단에 온도차가 발생되면 n형 반도체의 경우, 고온단에 있는 전자들이 저온단에 있는 전자들보다 더 높은 운동에너지를 가지게 되어 고온단의 전자들이 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산하게 된다. 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 " -" 로 대전되고 고온부는 " +" 로 대전되어 상기 양단간에 전위차가 발생하며, 이 것이 바로 제백(Seebak)전압이 된다. 생성된 제백전압은 전자들을 고온단으로 되돌려 보내려는 방향으로 작용하며, 제백전위가 저온단으로 전자의 이동을 일으키는 열적 구동력과 정확히 균형을 이룰 때 평형상태로 된다. 이와 같이 양단 간의 온도차에 의해 발생하는 제백전압(V)은 열기전력(Thermoelectromotive force)으로 불려진다. When a temperature difference occurs at both ends of endothermic and heat dissipation, in the case of an n-type semiconductor, the electrons at the high-temperature end have higher kinetic energy than the electrons at the low-temperature end, so that the electrons at the hot end diffuse to the cold end to lower their energy. do. As electrons move to the cold end, the cold end is charged with “-” and the hot end is charged with “+”, resulting in a potential difference between the two ends, which is the Seebak voltage. The generated Seeback voltage acts in a direction to return electrons to the high temperature end, and is in equilibrium when the Seebeck potential is precisely balanced with the thermal driving force that causes electrons to move to the low temperature end. As described above, the Seebeck voltage V generated by the temperature difference between the two ends is called a thermoelectromotive force.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 직렬 연결 어레이 패턴의 제조를 도시하는 도면이다. 2A to 2D are diagrams illustrating fabrication of a series-connected array pattern of thermoelectric elements according to an embodiment of the present invention.

도 2a의 이전에, p형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들(31,32,33)과, n형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 n형 열전소자 셀들(41,42,43)을 준비한다. 2a, p-type thermoelectric cells to form pellets by cutting the p-type thermoelectric material substrate (31, 32, 33), and n-type thermoelectric cells to form pellets by cutting the n-type thermoelectric material substrate ( 41, 42, 43) are prepared.

도 2a에서, 상기 p형 열전소자 셀들과 n형 열전소자 셀들을 교호적으로 페어링하여 pn직렬 연결 어레이 패턴 내에 pn접합부(2)를 복수로 형성한다. In FIG. 2A , the p-type thermoelectric cells and the n-type thermoelectric cells are alternately paired to form a plurality of pn junctions 2 in a pn series connection array pattern.

도 2b에서, 상기 pn접합부(2)가 형성된 열전소자 셀들의 하부 및 상부에 하부 도전 박막(12) 및 상부 도전 박막(50)을 형성한다. 상기 하부 도전 박막(12) 및 상부 도전 박막(50)은 솔더링 공정을 사용함이 없이, 스퍼터링 공정을 통해 형성되어, 열전 소자의 고온 사용이 보장된다. 스퍼터링 공정은 두 층간의 분자단위 접착을 제공하므로 솔더링에 의한 접착에 비해 열전달 특성이 우수하고 접착부의 접착력이 높다. In FIG. 2B , a lower conductive thin film 12 and an upper conductive thin film 50 are formed below and above the thermoelectric cells in which the pn junction 2 is formed. The lower conductive thin film 12 and the upper conductive thin film 50 are formed through a sputtering process without using a soldering process, so that high-temperature use of the thermoelectric element is guaranteed. Since the sputtering process provides molecular-level adhesion between the two layers, it has superior heat transfer properties and higher adhesion strength compared to adhesion by soldering.

도 2c에서, 상기 펠렛이 이루어지도록 상기 pn접합부(2)가 접합해소되고 이격되도록 하는 갭(35)을 형성하기 위해 상기 하부 및 상부 도전 박막의 일부에서부터 상기 pn접합부를 커팅한다. In FIG. 2C , the pn junction is cut from a portion of the lower and upper conductive thin films to form a gap 35 through which the pn junction 2 is separated and separated to form the pellet.

도 2d에서, 상기 펠렛이 이루어진 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 전기 배선(62,64)을 형성한다. 도 2d에서 도시된 바와 같이, 상기 전기 배선(62)은 상기 p형 열전소자 셀들중 최외부 셀이 위치된 상기 하부 도전 박막(12)에 연결되고, 상기 전기 배선(64)은 상기 n형 열전소자 셀들중 최외부 셀이 위치된 상기 하부 도전 박막(12)에 연결된다. In FIG. 2D , electrical wirings 62 and 64 are formed in the pn series connection array pattern including the pellets. As shown in FIG. 2D , the electric wiring 62 is connected to the lower conductive thin film 12 in which the outermost cell among the p-type thermoelectric cells is located, and the electric wiring 64 is connected to the n-type thermoelectric cell. It is connected to the lower conductive thin film 12 in which the outermost cell among the device cells is located.

도 2d의 공정 이후에, 방수 및 방습을 위해 연결 어레이 패턴을 둘러싸는 에폭시 몰딩 공정이 더 수행될 수 있다. After the process of FIG. 2D , an epoxy molding process surrounding the connection array pattern for waterproofing and moistureproofing may be further performed.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 pn 직렬 연결 어레이 패턴의 평면 형태를 도시하는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a planar shape of a pn series connection array pattern according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 펠렛이 이루어진 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 전기 배선(62,64,66)이 형성된 평면 구조가 보여진다. 도 3과 같이 제조된 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴을 정렬 실장하면, 열전 소자의 표준 모델을 제작 시 16회의 픽스 앤 플레이스가 소요된다. 이에 비해, 종래 기술의 경우에는 개별 실장 정렬이 이루어지므로 표준 모델을 제작 시 254회의 픽스 앤 플레이스가 소요된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 실장 조립 작업이 현저히 단축된다. Referring to FIG. 3 , a planar structure in which electrical wirings 62 , 64 , and 66 are formed in the pn series connection array pattern made of pellets is shown. When the pn series connection array pattern manufactured as shown in FIG. 3 is aligned and mounted, 16 times of fix and place are required to manufacture a standard model of a thermoelectric element. In contrast, in the case of the prior art, since individual mounting alignment is performed, it takes 254 fixes and places to manufacture a standard model. Therefore, according to the embodiment of the present invention, the mounting assembly operation is significantly shortened.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 직렬 연결 어레이 패턴의 제조 순서를 종래의 제조 순서와 대비적으로 설명하는 도면이다. 4 is a view for explaining a manufacturing sequence of a series-connected array pattern of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention in contrast to a conventional manufacturing sequence.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서는 상하 전극 기판 패턴 제작 및 포토 에칭 공정(S43)이 제거된다. 또한, 솔더링 리플로우 공정(S45)과 상하 전극판 연마 공정(S46)이 제거된다. 상기 솔더링 리플로우 공정은 땜납과 플럭스를 넣고 노의 내부를 통과시키는 공정이다. Referring to FIG. 4 , in the embodiment of the present invention, the upper and lower electrode substrate pattern fabrication and the photoetching process ( S43 ) are removed. In addition, the soldering reflow process (S45) and the upper and lower electrode plate polishing process (S46) are removed. The soldering reflow process is a process of putting solder and flux through the inside of a furnace.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 열전 소자의 표준 모델을 제작 시(S44) 16회의 픽스 앤 플레이스가 소요된다. In addition, in the embodiment of the present invention, 16 times of fix and place are required when manufacturing the standard model of the thermoelectric element (S44).

도 5는 종래 기술에 따른 열전 소자의 펠렛을 도시하는 도면이다. 5 is a view showing a pellet of a thermoelectric element according to the prior art.

도 5를 참조하면, 상부 세라믹 기판(70)과 하부 세라믹 기판(80)이 도 1 대비 추가로 구성된 것이 보여진다. 세라믹 기판은 취성이 높아 취급이 용이하지 않고, 파손이나 균열 시에 방습에 취약하다. 또한, 세라믹 기판은 열 저항을 유발하는 요인이다. 열전 소자의 구동 시에 냉각 혹은 가열 동작에 기인하여 열수축 혹은 열팽창이 일어난다. 세라믹 기판의 열수축 계수 혹은 열팽창 계수는 p형 혹은 n형의 열전 재료의 열수축 계수 혹은 열팽창 계수와는 상이하다. 따라서 세라믹 기판의 사용에 기인하여 제조된 열전 소자에는 미세한 크랙이 발생될 수 있다. 따라서, 열전 소자의 수명이 감소될 수 있다. Referring to FIG. 5 , it is shown that the upper ceramic substrate 70 and the lower ceramic substrate 80 are additionally configured compared to FIG. 1 . Ceramic substrates are not easy to handle due to their high brittleness, and are vulnerable to moisture resistance when damaged or cracked. In addition, the ceramic substrate is a factor inducing thermal resistance. When the thermoelectric element is driven, heat shrinkage or thermal expansion occurs due to a cooling or heating operation. The thermal contraction coefficient or thermal expansion coefficient of the ceramic substrate is different from the thermal contraction coefficient or thermal expansion coefficient of the p-type or n-type thermoelectric material. Accordingly, minute cracks may occur in the manufactured thermoelectric element due to the use of the ceramic substrate. Accordingly, the lifetime of the thermoelectric element may be reduced.

도 5의 열전 소자의 펠렛은 도 1에서 설명된 바와 같은 사이즈를 가지므로 도 1에 비해 상대적으로 크게 제조된다. Since the pellet of the thermoelectric element of FIG. 5 has the same size as that described in FIG. 1 , it is manufactured to be relatively larger than that of FIG. 1 .

도 6은 도 5의 pn직렬 연결 어레이 패턴의 제조를 설명하는 도면이다. FIG. 6 is a view for explaining the manufacture of the pn series connection array pattern of FIG. 5 .

하부 세라믹 기판(80)에 연결 전극 패턴을 만든 후 그 위에 p형 열전 소자 셀들을 개별 픽 앤 플레이스 방법으로 일정 간격을 유지하여 실장한다. After the connection electrode pattern is formed on the lower ceramic substrate 80 , p-type thermoelectric element cells are mounted thereon by maintaining a predetermined interval using an individual pick and place method.

또한, 상부 세라믹 기판(70)에 연결 전극 패턴을 만든 후 그 위에 n형 열전 소자 셀들을 개별 픽 앤 플레이스 방법으로 일정 간격을 유지하여 실장한다.In addition, after the connection electrode pattern is formed on the upper ceramic substrate 70 , the n-type thermoelectric element cells are mounted thereon by maintaining a predetermined interval using an individual pick and place method.

실장이 행해진 후 도 6의 가장 아래에 도시된 바와 같은 구조가 도 4와 같은 제조 공정을 거쳐 제작된다. After mounting is performed, a structure as shown at the bottom of FIG. 6 is manufactured through a manufacturing process as shown in FIG. 4 .

도 6과는 달리, 본 발명의 실시 예에서는 세라믹 열저항 및 솔더링 열저항이 제거되므로, 상대적으로 우수한 열전 소자의 출력 특성이 얻어진다. 일반화된 zt=1.0 비스무트 테루라이드 소재를 그대로 사용하더라도 동일면적에 실장밀도를 높이기 때문에, 종래 대비 30%이상 출력특성이 향상된다. Unlike FIG. 6 , in the embodiment of the present invention, since the ceramic thermal resistance and the soldering thermal resistance are removed, relatively excellent output characteristics of the thermoelectric element are obtained. Even if the generalized zt=1.0 bismuth teruride material is used as it is, the output characteristics are improved by more than 30% compared to the conventional one because the mounting density is increased in the same area.

이상에서와 같이 도면과 명세서를 통해 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 열전 소자의 일부 제조 공정, 제조 형태를 다양하게 변경 및 변형할 수 있을 것이다. As described above, an optimal embodiment has been disclosed through the drawings and the specification. Although specific terms are used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Therefore, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. For example, in other cases, some manufacturing processes and manufacturing forms of the thermoelectric element may be variously changed and modified without departing from the spirit of the present invention.

10,20: 하부 도전 박막
30: p형 열전소자 셀
40: n형 열전소자 셀
50: 상부 도전 박막
100: 펠렛10, 20: lower conductive thin film
30: p-type thermoelectric cell
40: n-type thermoelectric cell
50: upper conductive thin film
100: pellet

Claims (5)

벌크형 열전 소자의 제조방법에 있어서:
p형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 p형 열전소자 셀들(31,32,33)과, n형 열전재료 기판을 절단하여 펠렛을 형성할 n형 열전소자 셀들(41,42,43)을 준비하고;
상기 p형 열전소자 셀들과 n형 열전소자 셀들을 교호적으로 페어링하여 pn직렬 연결 어레이 패턴 내에 pn접합부(2)를 복수로 형성하고;
상기 pn접합부(2)가 형성된 열전소자 셀들의 하부 및 상부에 하부 도전 박막(12) 및 상부 도전 박막(50)을 형성하고;
상기 펠렛이 이루어지도록 상기 pn접합부(2)가 접합해소되고 이격되도록 하는 갭(35)을 형성하기 위해 상기 하부 및 상부 도전 박막의 일부에서부터 상기 pn접합부를 절단 가공을 통해 커팅하고;
상기 펠렛이 이루어진 상기 pn직렬 연결 어레이 패턴에 전기 배선(62,64)을 형성하는 것을 포함하며,
상기 전기 배선(62)은 상기 p형 열전소자 셀들중 최외부 셀이 위치된 상기 하부 도전 박막(12)에 연결되고,
상기 전기 배선(64)은 상기 n형 열전소자 셀들중 최외부 셀이 위치된 상기 하부 도전 박막(12)에 연결되는 벌크형 열전 소자의 제조방법.A method for manufacturing a bulk thermoelectric device, comprising:
P-type thermoelectric cells (31, 32, 33) to form pellets by cutting the p-type thermoelectric material substrate, and n-type thermoelectric cells (41, 42, 43) to form pellets by cutting the n-type thermoelectric material substrate to prepare;
forming a plurality of pn junctions (2) in a pn series connection array pattern by alternately pairing the p-type thermoelectric cells and the n-type thermoelectric cells;
forming a lower conductive thin film 12 and an upper conductive thin film 50 on the lower and upper portions of the thermoelectric cells in which the pn junction 2 is formed;
cutting the pn junction part through cutting processing from a part of the lower and upper conductive thin films to form a gap 35 that allows the pn junction part 2 to be separated and separated to form the pellet;
Including forming electrical wiring (62, 64) in the pn series connection array pattern made of the pellet,
The electrical wiring 62 is connected to the lower conductive thin film 12 in which the outermost cell among the p-type thermoelectric cells is located,
The electrical wiring 64 is connected to the lower conductive thin film 12 in which the outermost cell of the n-type thermoelectric cell is located. 제1항에 있어서, 상기 하부 도전 박막(12) 및 상기 상부 도전 박막(50)은 스퍼터링 공정을 통해 형성되는 벌크형 열전 소자의 제조방법.The method of claim 1 , wherein the lower conductive thin film 12 and the upper conductive thin film 50 are formed through a sputtering process. 제1항에 있어서, 상기 전기 배선(62,64)을 형성한 후에 에폭시 몰딩 공정이 더 수행되는 벌크형 열전 소자의 제조방법.The method of claim 1, wherein an epoxy molding process is further performed after forming the electrical wirings (62, 64). 삭제delete 삭제delete
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