KR102378760B1 - 열전 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR102378760B1
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Abstract

실시 예는 강도 및 열전 특성이 향상된 열전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 한 실시 예의 열전 소자는 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치되며, 열전 재료 및 규소를 포함한다.

Description

열전 소자 및 이의 제조 방법{THERMO ELECTRIC DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 열전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
열전 현상은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 재료 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지거나(Peltier effect), 역으로 두 물질간의 온도 차에 의해 기전력이 발생(Seebeck effect)하는 현상이다. 열전 소자는 상기와 같은 열전 현상을 이용하여 열을 전기로 또는 전기를 열로 직접 변환시키는 기능을 갖는 금속 또는 세라믹 소자를 말한다.
열전 소자는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하면 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 그리고, 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하면 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
열전 소자는 상부 기판과 하부 기판 사이에 N형 및 P형의 반도체 셀이 배치되고, N형 열전 셀과 P형 열전 셀이 서로 연결된다. 상기와 같은 열전 소자는 적층형 방식으로 형성할 수 있다. 적층형 방식은 열전 재료를 포함하는 페이스트를 이용하고 이를 경화 및 소결시켜 형성할 수 있다.
구체적으로, 열전 재료, 바인더, 가소제, 분산제 및 용매를 혼합하여 페이스트를 형성할 수 있다. 바인더, 가소제, 분산제 및 용매는 페이스트의 합성을 위한 것이다. 상기와 같은 페이스트를 필름 상에 도포하고 이를 경화시켜 열전 시트를 형성한다. 그리고, 필름에서 열전 시트를 박리한 후, 복수 개의 열전 시트를 적층하고 이를 소결시켜 N형 및 P형의 셀을 형성한다.
그런데, 페이스트에 함유된 바인더에 의해 N형 및 P형의 셀의 강도 및 성능이 저하될 수 있다.
구체적으로, 페이스트에 함유된 바인더가 적으면 열전 시트를 필름에서 박리할 때 열전 시트가 깨질 수 있다. 반대로 페이스트에 바인더가 너무 많이 함유된 경우에는 페이스트를 경화시킬 때, 열전 시트에 공극이 발생하거나 바인더가 완전히 증발되지 않아 남아있는 바인더에 의해 셀의 열전 특성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명 실시 예는 강도 및 열전 특성이 향상된 열전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 실시 예의 열전 소자는 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치되며, 열전 재료 및 규소를 포함한다. 이 때, 커플링제는 실란계(Silane), 아크릴레이트계(Acylate), 티탄산염계(Titanate), 크롬계(Chrome) 커플링제 중 선택될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 실시 예의 열전 소자의 제조 방법은 열전 재료와 커플링제를 용매에 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계; 상기 페이스트를 경화시켜 열전 시트를 형성하는 단계; 복수의 열전 시트를 적층하는 단계; 및 적층한 상기 열전 시트를 소결하여 열전 셀을 형성하는 단계를 포함한다. 이 때, 커플링제는 실란계(Silane), 아크릴레이트계(Acylate), 티탄산염계(Titanate), 크롬계(Chrome) 커플링제 중 선택될 수 있다.
실시 예의 열전 소자 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 열전 시트를 형성하기 위한 페이스트가 커플링제를 더 포함하여 이루어져, 커플링제가 바인더 및 열전 재료와 동시에 결합한다. 따라서, 바인더 분자와 열전 재료 분자 사이에 강한 힘(intermolecular force)이 작용하여, 열전 시트의 물리적 강도가 향상된다. 이에 따라, 필름으로부터 열전 시트를 박리할 때 열전 시트가 깨지는 현상을 방지할 수 있다.
둘째, 페이스트에 함유되는 바인더의 중량 백분율(wt%)을 감소시켜, 바인더가 감소된 만큼 열전 재료의 중량 백분율이 증가되어 열전 재료 특성이 향상될 수 있다. 따라서, 상기와 같은 열전 시트로 이루어진 N형 열전 셀 및 P형 열전 셀을 포함하는 열전 소자의 열전 특성이 향상된다.
셋째, 커플링제가 실란 커플링제인 경우, N형 열전 셀 및 P형 열전 셀이 열전 재료와 규소(Si)를 포함하여 이루어진다. 이 때, 규소(Si)가 도펀트로 기능하여 N형 열전 셀과 P형 열전 셀의 열전 특성이 더욱 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명 실시 예의 열전 시트를 제조하는 흐름도이다.
도 2는 일반적인 열전 시트의 구조를 도시한 모형도이다.
도 3은 본 발명 실시 예의 열전 시트의 구조를 도시한 모형도이다.
도 4는 본 발명 실시 예의 열전 소자의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 구성 요소가 다른 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성 요소가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성 요소가 상기 두 구성 요소 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 실시 예의 열전 소자 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 실시 예의 열전 시트를 제조하는 흐름도이다.
도 1과 같이, 본 발명 실시 예의 열전 시트는 열전 재료, 바인더, 가소제, 분산제, 커플링제 및 용매를 혼합하여 페이스트를 제조(S5)한다.
열전 재료는 비스무트-텔레늄(Bi2Te3)을 포함하는 N형 열전 재료 또는 P형 열전 재료이다. N형 열전 재료는 Bi2Te3 -x-ySexCuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2Te3 -xSex(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 그리고, P형 열전 재료는 Bi2 -x- ySbx -yTe3Cuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2 -xSbxTe3(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 이 때, 열전 재료의 중량 백분율(wt%)은 60 내지 90일 수 있다.
바인더는 롱 체인 폴리머(Long Chain Polymer)로, 유기 용매에 분산된 열전 재료를 결합시킨다. 특히, 바인더는 열전 시트에 성형성을 부여하여 열전 시트의 강도를 향상시킨다. 상기와 같은 바인더는 폴리비닐부틸레이트(polyvinyl butyrate; PVB), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA), 아크릴계(Acrylic), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 등에서 선택될 수 있다. 이 때, 바인더의 중량 백분율(wt%)은 0.1 내지 3일 수 있다.
가소제는 바인더의 유리전이온도를 낮추어 페이스트의 유동특성, 유연성, 탄성, 접착성 및 가공성 등을 부여하기 위해 페이스트에 포함된다. 일반적으로, 바인더는 분자량이 커, 바인더 분자들끼리 서로 끌어당기는 힘이 매우 강하다. 따라서, 가소제는 바인더의 분자 사이에서 바인더 분자들이 서로 엉키는 것을 방지하여 페이스트에 가소성을 부여할 수 있다. 가소제는 프탈산디옥틸(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Di-n-butyl phthalate; DBP), 프탈산디이소데실(Diisodecyl phthalate), 프탈산디에틸(Diethyl phthalate), 디헥실프탈레이트(Di-n-hexyl phthalate; DNHP), 프탈산디이소부틸(Diisobutyl phthalate), 올레오일 사르코신(Oleoyl sarcosine) 등에서 선택될 수 있다. 이 때, 가소제의 중량 백분율(wt%)은 0.1 내지 3일 수 있다.
그리고, 분산제는 페이스트 내에서 열전 재료, 바인더, 가소제의 분산성을 향상시킨다. 상기와 같은 분산제는 프탈레이트(Phthalate), 지방산(fatty acids), 멘헤이든어유(menhaden fish oil) 등에서 선택될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 이 때, 분산제의 중량 백분율(wt%)은 0.1 내지 3일 수 있다.
상술한 열전 재료, 바인더, 가소제, 분산제, 커플링제는 톨루엔(Toluene)과 같은 용매에 혼합된다. 용매는 이에 한정하지 않으며, 용매의 중량 백분율(wt%)은 0.1 내지 30일 수 있다.
그런데, 일반적인 열전 시트는 페이스트에 함유된 바인더에 의해 열전 시트의 강도 및 성능이 저하될 수 있다. 구체적으로, 페이스트에 함유된 바인더가 적으면 열전 시트를 필름에서 박리할 때 열전 시트가 깨질 수 있다. 반대로 페이스트에 바인더가 너무 많이 함유된 경우에는, 페이스트를 경화시킬 때 열전 시트에 공극이 발생하거나 바인더가 완전히 증발되지 않아 남아있는 바인더에 의해 셀의 열전 특성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명 실시 예의 열전 시트는 바인더의 양을 최소화하고 동시에 시트의 강도를 향상시키기 위해, 페이스트가 커플링제(coupling agent)를 더 포함하여 이루어진다. 커플링제는 실란계(Silane), 아크릴레이트계(Acylate), 티탄산염계(Titanate), 크롬계(Chrome) 등과 같은 종류에서 선택될 수 있다. 이 때, 커플링제의 중량 백분율(wt%)은 0.01~3일 수 있다.
일반적인 열전 시트를 형성하기 위한 페이스트는 하기 표 1과 같은 중량 백분율을 갖는 조성물로 형성될 수 있다.
구분 물질 중량 백분율(wt%)
열전 재료 비스무트-텔레늄(Bi2Te3) 73.3
바인더 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 5
가소제 올레오일 사르코신(Oleoyl sarcosine) 1
분산제 프탈레이트(Phthalate) 1.8
용매 톨루엔(Toluene) 18.9
총(Total) 페이스트 100
그러나, 본 발명 실시 예의 열전 시트를 제조하기 위한 페이스트는 하기 표 2와 같은 중량 백분율을 갖는 조성물로 형성될 수 있다.
구분 물질 중량 백분율(wt%)
열전 재료 비스무트-텔레늄(Bi2Te3) 75.3
바인더 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 2
가소제 올레오일 사르코신(Oleoyl sarcosine) 1
분산제 프탈레이트(Phthalate) 1.8
커플링제 실란계 커플링제 0.01~1
용매 톨루엔(Toluene) 18.9
총(Total) 페이스트 100
상기 표 1과 표 2를 비교하면, 본 발명 실시 예의 열전 소자를 형성하기 위한 페이스트는 일반적인 페이스트에 비해 바인더의 중량 백분율이 감소된다. 구체적으로, 바인더의 중량 백분율이 2로 감소되고, 0.01 내지 1의 커플링제를 포함하여 이루어진다. 따라서, 바인더가 감소된 만큼 열전 재료의 중량 백분율을 증가시킬 수 있다.
커플링제의 양이 너무 적은 경우 커플링제가 열전 재료와 바인더에 결합될 수 없어, 열전 시트가 깨지는 것을 방지할 수 없다. 따라서, 커플링제의 중량 백분율은 0.1이상일 수 있다. 또한, 커플링제의 중량 백분율이 너무 높은 경우에는 열전 시트의 강도는 향상되나, 열전 재료 대비 커플링제의 함량이 증가하여 열전 시트의 특성이 감소될 수 있다. 따라서, 커플링제는 바인더의 중량 백분율보다 낮으며, 커플링제는 0.01 내지 1의 중량 백분율을 가질 수 있다.
특히, 실란계 커플링제는 유기물 및 무기물과 상호작용을 할 수 있는 두 가지 관능기를 가지고 있다. 따라서, 페이스트에 실란계 커플링제가 포함된 경우, 실란계 커플링제가 열전 재료와 바인더의 결속력을 강화시켜, 열전 시트의 강도가 향상될 수 있다. 이 때, 실란계 커플링제는 하기 화학식 1의 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 화학식 2의 3-Glycidoxypropyl methyldimethoxysilane, 화학식 3의 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, 화학식 4의 3-Glycidoxypropyl methyldimethoxysilane 및 화학식 5의 3-Glycidoxypropyl triethoxysilane 중 선택될 수 있으며, 이에 한정하지는 않는다.
Figure 112015063522266-pat00001
Figure 112015063522266-pat00002
Figure 112015063522266-pat00003
Figure 112015063522266-pat00004
Figure 112015063522266-pat00005
다시 도 1을 참조하면, 상기와 같이 제조된 페이스트를 필름 상에 도포(S10)한 후, 페이스트를 경화시켜 용매가 제거된 열전 시트를 형성(S15)한다. 이 때, 열전 시트는 필름 상에서 경화된 페이스트를 지칭하는 것으로, 열전 시트는 열전 재료, 바인더, 가소제, 분산제, 커플링제를 포함한다. 이어, 필름으로부터 열전 시트를 박리(S20)한다.
상기와 같은 본 발명 실시 예의 열전 시트는 커플링제가 바인더 및 열전 재료와 동시에 결합함으로써, 바인더 분자와 열전 재료 분자 사이에 강한 힘(intermolecular force)이 작용한다. 따라서, 필름으로부터 열전 시트를 박리할 때, 열전 시트가 깨지는 현상을 방지할 수 있다. 더욱이, 페이스트에 함유되는 바인더의 중량 백분율이 감소되어, 바인더가 감소된 만큼 열전 재료의 중량 백분율을 증가된다. 따라서, 열전 재료의 비율이 향상되어 열전 시트의 열전 특성이 향상될 수 있다.
도 2는 일반적인 열전 시트의 구조를 도시한 모형도로, 열전 재료와 바인더만을 도시하였다. 그리고, 도 3은 본 발명 실시 예의 열전 시트의 구조를 도시한 모형도로, 열전 재료, 바인더 및 커플링제를 도시하였다.
도 2와 같이, 일반적인 열전 시트는 바인더(6)가 열전 재료(5)들을 서로 연결한다. 그러나, 도 3과 같이, 커플링제(7)를 포함하는 본 발명의 열전 시트는 커플링제(7)가 바인더(6) 및 열전 재료(5)와 동시에 결합된다. 따라서, 열전 재료(5)들의 결합력이 향상되고 밀도가 높아져, 열전 시트의 열전 특성이 향상되며 물리적 강도가 높아질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명 실시 예의 열전 소자의 제조 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명 실시 예의 열전 소자의 단면도이다.
도 4와 같이, 본 발명 실시 예의 열전 소자는 제 1 전극(15a)을 포함하는 제 1 기판(10a)과 제 2 전극(15b)을 포함하는 제 2 기판(10b), 제 1 기판(10a)과 제 2 기판(10b) 사이에 배치되어 제 1 전극(15a) 및 제 2 전극(15b)을 통해 전기적으로 연결된 N형 열전 셀(40)과 P형 열전 셀(50), N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)의 일측과 제 1 전극(15a) 사이에 배치된 제 1 솔더(20), 및 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)의 타측과 제 2 전극(15b) 사이에 배치된 제 2 솔더(30)를 포함한다.
본 발명 실시 예의 열전 소자의 제조 방법은 제 1 전극(15a)을 포함하는 제 1 기판(10a) 상에 제 1 솔더(20)를 인쇄하고, 제 2 전극(15b)을 포함하는 제 2 기판(10b)제 2 기판(10b) 상에 제 2 솔더(30)를 인쇄한다. 제 1 솔더(20)는 제 1 전극(15a) 상에 인쇄되며, 제 2 솔더(30)는 제 2 전극(15b) 상에 인쇄된다. 이 때, 제 1, 제 2 솔더(20, 30)는 전도성을 갖는 물질로 이루어져, 제 1 솔더(20)는 제 1 전극(15a)과 전기적으로 연결되고, 제 2 솔더(30)는 제 2 전극(15b)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 기판(10a)과 제 2 기판(10b)은 Al2O3(Alumina), BN(Boron Nitride) 및 탄소 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 탄소 소재는, 예를 들면 알루미늄 실리콘 카바이드 복합 재료(AlSiC), 흑연(Graphite), 카본 블랙(Caron Black), 그래핀(Graphene), 풀러렌(fullerene), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 이들로부터 선택된 혼합물 중 하나일 수 있다.
그리고, 제 1 기판(10a) 상에 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)을 위치시킨다. N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)은 각각 제 1 솔더(20) 상에 배치된다. 그리고, N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)과 제 2 솔더(30)가 접하도록 제 2 기판(10b)을 위치시킨다.
N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)은 상술한 본 발명 실시 예의 열전 소자를 이용하여 형성할 수 있으며, N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)을 형성하는 단계를 설명하면 다음과 같다.
N형 열전 셀(40)은 두 개 이상의 N형 열전 시트(40a)가 적층된 구조로 이루어진다. 즉, N형 열전 재료, 바인더, 분산제, 가소제, 커플링제 및 용매를 혼합하여 형성된 페이스트를 경화시켜 용매가 제거된 N형 열전 시트를 형성하고, 하나 또는 복수 개의 N형 열전 시트(40a)를 적층 한다. 이 때, 적층하는 N형 열전 시트(40a)의 개수를 조절하여 N형 열전 셀(40)의 두께를 조절할 수 있다.
그리고, 적층된 N형 열전 시트(40a)를 400℃ 내지 500℃에서 소결시키면, 바인더, 분산제, 가소제 및 커플링제는 제거되어 N형 열전 재료만 남게 된다. 이어, 소결된 N형 열전 시트(40a)를 절단하여 N형 열전 셀(40)을 형성할 수 있다. 이 때, N형 열전 재료는 Bi2Te3-x-ySexCuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2Te3 -xSex(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
그리고, P형 열전 셀(50)은 두 개 이상의 P형 열전 시트(50a)가 적층된 구조로 이루어진다. 구체적으로, P형 열전 재료 바인더, 가소제, 분산제, 커플링제 및 용매를 혼합하여 형성된 페이스트를 경화시켜 용매가 제거된 P형 열전 시트(50a)를 형성한다. 그리고, 하나 또는 복수 개의 P형 열전 시트(50a)를 적층 한 후, 적층된 P형 열전 시트(50a)를 400℃ 내지 500℃에서 소결시키면, 바인더, 가소제, 분산제, 가소제 및 커플링제는 휘발되어 P형 열전 재료만 남게 된다. 이어, 소결된 P형 열전 시트(50a)를 절단하여 P형 열전 셀(50)을 형성할 수 있다. 이 때, P형 열전 재료는 Bi2 -x- ySbx -yTe3Cuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2 -xSbxTe3(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
특히, 커플링제는 상술한 바와 같이 실란계(Silane), 아크릴레이트계(Acylate), 티탄산염계(Titanate), 크롬계(Chrome) 등과 같은 종류에서 선택될 수 있다. 커플링제의 양이 너무 적은 경우 커플링제가 열전 재료와 바인더에 결합될 수 없어, 열전 시트가 깨지는 것을 방지할 수 없다. 따라서, 커플링제의 중량 백분율은 0.1wt%이상이다. 또한, 커플링제의 중량 백분율이 너무 높은 경우에는 열전 시트의 강도는 향상되나, 열전 재료 대비 커플링제의 함량이 증가하여 열전 시트의 특성이 감소될 수 있다. 따라서, 커플링제는 바인더의 중량 백분율보다 낮으며, 커플링제는 0.01wt% 내지 1wt%의 중량 백분율을 갖는다.
특히, 실란계 커플링제(Silane coupling agent)를 사용하는 경우, 열전 시트(40a, 50a)를 소결시키면 바인더, 가소제 및 분산제는 휘발되나, 실란계 커플링제의 규소(Si)는 남게 된다. 열전 시트(40a, 50a)에 남아있는 규소(Si)의 함량은 하기와 같다.
먼저, 상술한 화학식 1 내지 화학식 5의 실란계 커플링제의 분자량과 규소(Si)의 원자 질량에 따른 규소(Si)의 함량율이 표 3과 같다.
실란계 커플링제 종류 총 분자량(g/mol) 규소의 원자 질량 (g/mol) 규소 함량율(%)
화학식 1 246.4 28.1 11.4
화학식 2 220.3 28.1 12.7
화학식 3 236.3 28.1 11.9
화학식 4 248.4 28.1 11.3
화학식 5 278.4 28.1 10.1
그런데, 소결 공정에 의해 실란계 커플링제는 규소를 중심으로 양 단의 기능기가 제거되어 규소만 남게 되므로, 실란계 커플링제의 중량 백분율에 따라 열전 시트(40a, 50a)에 남아 있는 규소의 함량은 표 4와 같다.
실란계 커플링제의 중량 백분율(wt%) 화학식 1의 실란계 커플링제의 구소 잔존 함량(wt%) 화학식 2의 실란계 커플링제의 구소 잔존 함량(wt%) 화학식 3의 실란계 커플링제의 구소 잔존 함량(wt%) 화학식 4의 실란계 커플링제의 구소 잔존 함량(wt%) 화학식 5의 실란계 커플링제의 구소 잔존 함량(wt%)
0.01 0.0011 0.0013 0.0012 0.0011 0.0010
1 0.1140 0.1275 0.1189 0.1131 0.1009
즉, N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)이 열전 재료와 0.001wt% 내지 0.130wt%의 규소(Si)를 포함하여 이루어져, 규소(Si)가 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)의 도펀트로 기능할 수 있다. 따라서, N형 열전 셀(40)과 P형 열전 셀(50)의 열전 특성이 더욱 향상될 수 있다.
이어, 제 1 기판(10a)과 제 2 기판(10b) 사이에서 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)이 제 1 기판(10a)과 제 2 기판(10b)에 고정되도록 제 1, 제 2 솔더(20, 30)를 경화시키는 리플로우 공정을 실시한다. 리플로우 공정에 의해 제 1, 제 2 솔더(20, 30)가 용융된다. 따라서, 제 1 솔더(20)와 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)이 서로 부착되고, 제 2 솔더(30)와 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)이 서로 접착될 수 있다.
즉, 본 발명 실시 예의 열전 소자는 커플링제를 함유하는 페이스트를 이용하여 형성된 N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)을 포함하여 이루어져, N형 열전 셀(40) 및 P형 열전 셀(50)의 강도가 향상된다. 특히, 페이스트가 실란 커플링제를 포함하는 경우, N형 열전 셀(40)과 P형 열전 셀(50)에 실란 커플링제의 규소(Si)가 남아, 규소(Si)가 도펀트로 기능하여 N형 열전 셀(40)과 P형 열전 셀(50)의 열전 특성이 더욱 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
5: 열전 재료 6: 바인더
7: 커플링제 10a: 제 1 기판
10b: 제 2 기판 15a: 제 1 전극
15b: 제 2 전극 20: 제 1 솔더
30: 제 2 솔더 40: N형 열전 셀
40a: N형 열전 시트 50: P형 열전 셀
50a: P형 열전 시트

Claims (14)

  1. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판; 및
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치되며, 열전 재료 및 규소를 포함하는 열전 셀을 포함하고,
    상기 열전 셀은 적층된 복수의 열전 시트를 포함하며,
    상기 열전 재료는 비스무트-텔레늄(Bi2Te3)을 포함하고,
    상기 규소는 상기 열전 셀의 0.001 내지 0.13wt%로 포함되고,
    상기 열전 시트는 상기 열전 재료, 바인더 및 실란계 커플링제를 포함하는 페이스트로부터 소결되고,
    상기 바인더는 상기 페이스트 총 중량을 기준으로 0.1 내지 3wt%로 포함되고,
    상기 실란계 커플링제는 상기 페이스트 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1wt%로 포함되는 열전 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 열전 재료, 바인더 및 실란계 커플링제를 용매에 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계;
    상기 페이스트를 경화시켜 열전 시트를 형성하는 단계;
    복수의 열전 시트를 적층하는 단계; 및
    적층한 상기 열전 시트를 소결하여 열전 셀을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 열전 재료는 비스무트-텔레늄(Bi2Te3)을 포함하고,
    상기 열전 셀은 0.001 내지 0.13wt%의 규소를 포함하고,
    상기 바인더는 상기 페이스트 총 중량을 기준으로 0.1 내지 3wt%로 포함되고,
    상기 실란계 커플링제는 상기 페이스트 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1wt%로 포함되는 열전 소자의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 페이스트를 형성하는 단계는 상기 용매에 가소제 및 분산제를 더 혼합하는 열전 소자의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐부틸레이트(polyvinyl butyrate; PVB), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA), 아크릴계(Acrylic), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral) 중 선택된 열전 소자의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가소제는 프탈산디옥틸(Dioctyl phthalate), 디부틸프탈레이트(Di-n-butyl phthalate; DBP), 프탈산디이소데실(Diisodecyl phthalate), 프탈산디에틸(Diethyl phthalate), 디헥실프탈레이트(Di-n-hexyl phthalate; DNHP), 프탈산디이소부틸(Diisobutyl phthalate), 올레오일 사르코신(Oleoyl sarcosine) 중에서 선택된 열전 소자의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 분산제는 프탈레이트(Phthalate), 지방산(fatty acids), 멘헤이든어유(menhaden fish oil)에서 선택된 열전 소자의 제조 방법.
  14. 삭제
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