KR102391643B1 - 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 - Google Patents

열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 열전모듈 제조방법은 전도성 탄성 매트릭스 내부에 열전소재가 삽입된 복합체를 제조하는 단계; 상기 복합체를 소정 두께로 커팅하여, 복수 개의 단위 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 단위 복합체의 표면에 노출된 열전소재 중 적어도 한 면에 확산방지층을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 {MANUFACTURING METHOD FOR THERMOELECTRIC MODULE AND THERMOELECTRIC MODULE THEREOF}
본 발명은 열전모듈 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.
열전발전모듈은 열에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 한편, 열전현상은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 재료 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지거나(펠티에 효과, Peltier effect), 역으로 두 물질 간의 온도차에 의해 기전력이 발생(제백효과, Seebeck effect)하는 현상이다. 이러한 제백효과를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기에너지로 변환할 수 있고, 펠티에 효과를 이용하면, 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 통상적인 열전모듈을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 열전모듈(1)은 P형 열전소재(50) 및 N형 열전소재(52)를 포함한다. 또한, P형 열전소재(50) 및 N형 열전소재(52)는 각각 상부 및 하부에 확산방지층(40, 42, 44, 46), 접합층(30, 32, 34, 36) 및 전극소재(20, 22, 24)가 순차적으로 형성되며, 전극소재(20, 22, 24)는 각각 절연성의 기판(10, 12)과 접촉한다.
종래 열전모듈은 구리(Cu) 전극으로 패터닝된 알루미나(Al2O3) 소재의 기판에 접합층을 도포한 다음, 확산방지층이 도금된 N형 및 P형 열전소재를 배열 및 접합하여 제조하였다.
한편 상기 열전모듈은 N형 및 P형 열전소재를 수 십 내지 수 백 쌍을 배열하여 배열하여 제조하는데, 상기 열전소재의 크기는 수 밀리미터로 매우 작기 때문에, 상기 열전소재를 배열하고 접합하는 공정이 매우 복잡하고 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다.
또한, 상기 접합층이 열전소재로 확산되는 것을 방지하기 위해 열전소재 상하부에 니켈 도금층 등의 확산방지층을 형성해야 하는데, 종래에는 상기 확산방지층 형성 이후 열전소재와 접합층을 접합하기 때문에, 이 과정에서 상기 확산방지층이 박리되는 문제점이 있었다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2012-0057448호(2012.06.05 공개, 발명의 명칭: 열전소자 및 열전소자의 제조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 열전모듈 제조시 열전소재의 확산방지층의 손상을 방지하여 신뢰성이 우수한 열전모듈 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공정의 단순화가 가능하며, 생산성 및 경제성이 우수한 열전모듈 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 열전모듈 제조방법에 의해 제조된 열전모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 열전모듈 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 열전모듈 제조방법은 전도성 탄성 매트릭스 내부에 열전소재가 삽입된 복합체를 제조하는 단계; 상기 복합체를 소정 두께로 커팅하여, 복수 개의 단위 복합체를 형성하는 단계; 및 상기 단위 복합체의 표면에 노출된 열전소재 중 적어도 한 면에 확산방지층을 형성하는 단계;를 포함한다.
한 구체예에서 상기 전도성 탄성 매트릭스는 탄성체; 및 상기 탄성체에 분산된 전도성 성분;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 탄성체는 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 공중합체(SBR), 니트릴-부타디엔 공중합체(NBR), 열가소성 탄성중합체(TPE), 천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR), 클로로프렌 고무(CR) 및 우레탄 엘라스토머 중 하나 이상을 포함하며, 상기 전도성 성분은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 전도성 카본 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 탄성 매트릭스는 복수 개의 스페이서가 소정의 간격으로 삽입될 수 있다.
한 구체예에서 상기 복합체는, 금속 몰드; 상기 금속 몰드 내부에 소정의 간격으로 이격 형성된 전도성 탄성 매트릭스; 및 상기 전도성 탄성 매트릭스의 내부에 삽입된 열전소재;를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 확산방지층은, 상기 단위 복합체 및 니켈(Ni) 전극을 전해액에 침지하는 단계; 상기 단위 복합체 및 니켈 전극에 전압을 인가하여 전해도금하는 단계; 및 상기 전해도금이 완료된 단위 복합체에 무전해도금을 실시하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 전해도금시 1.5~2.5V의 전압을 인가할 수 있다.
한 구체예에서 상기 무전해도금은 70~85℃의 무전해도금액에 상기 단위 복합체를 침지하여 실시할 수 있다.
한 구체예에서 상기 형성된 확산방지층과 기판을 접합하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 확산방지층과 기판을 접합하는 단계는, 상기 단위 복합체 표면에 노출된 열전소재의 일면에 형성된 제1 확산방지층과 제1 기판을 접합하는 단계; 상기 단위 복합체의 전도성 탄성 매트릭스를 제거하는 단계; 및 상기 열전소재의 타면에 형성된 제2 확산방지층과 제2 기판을 접합하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
한 구체예에서 상기 열전소재는 스커터루다이트(skutterudite)계, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 Bi-Sb-Te-Se계 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 확산방지층은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 열전모듈 제조방법에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.
본 발명의 열전모듈 제조방법을 적용시, 열전소재의 확산방지층의 손상을 방지하여 신뢰성이 우수하며, 단순화가 가능하며, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.
도 1은 통상적인 열전모듈을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 열전모듈 제조방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 복합체를 나타낸 것이다.
도 4(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 복합체를 제조하는 과정을 나타낸 것이며, 도 4(b)는 본 발명의 한 구체예에 따라 형성된 단위 복합체를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따라 제조된 복합체의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 구체예에 따라 제조된 복합체의 단면도이다.
도 7는 본 발명의 전해도금에 의한 확산방지층 형성을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 열전모듈 제조시 기판과 열전소재 확산방지층의 접합 과정을 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
열전모듈 제조방법
본 발명의 하나의 관점은 열전모듈 제조방법에 관한 것이다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 열전모듈 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 열전모듈 제조방법은 (S10) 복합체 제조단계; (S20) 단위 복합체 형성단계; 및 (S30) 확산방지층 형성단계;를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 열전모듈 제조방법은 (S10) 전도성 탄성 매트릭스 내부에 열전소재가 삽입된 복합체를 제조하는 단계; (S20) 상기 복합체를 소정 두께로 커팅하여, 복수 개의 단위 복합체를 형성하는 단계; 및 (S30) 상기 단위 복합체의 표면에 노출된 열전소재 중 적어도 한 면에 확산방지층을 형성하는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 열전모듈 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 복합체 제조단계
상기 단계는 전도성 탄성 매트릭스 내부에 열전소재가 삽입된 복합체를 제조하는 단계이다. 상기 전도성 탄성 매트릭스를 적용시, 열전소재의 확산방지층 형성과, 기판과 열전소재의 접합을 용이하게 실시할 수 있으며, 열전모듈의 신뢰성, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 탄성 매트릭스는 탄성체; 및 상기 탄성체에 분산된 전도성 성분;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 탄성체는 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 공중합체(SBR), 니트릴-부타디엔 공중합체(NBR), 열가소성 탄성중합체(TPE), 천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR), 클로로프렌 고무(CR) 및 우레탄 엘라스토머 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 성분은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 전도성 카본 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체예에서 상기 전도성 카본은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래파이트(graphite), 카본 블랙(carbon black) 및 환원 그래핀(reduced graphene oxide) 중 하나 이상 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 성분은 구형, 타원형, 다면체형 또는 무정형일 수 있다. 한 구체예에서 상기 전도성 성분의 평균크기는, 0.001~1mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 평균크기는, 상기 전도성 성분의 최대 길이를 의미할 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 탄성 매트릭스는 탄성체 100 중량부에 대하여 전도성 성분 0.1~30 중량부를 포함할 수 있다. 상기 범위로 포함시, 성형성과 전기전도성이 우수하며, 열전소재 표면에 확산방지층 형성이 용이할 수 있다. 예를 들면, 0.5~20 중량부 포함될 수 있다. 다른 예를 들면 1~10 중량부 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 복합체를 나타낸 것이고, 도 4(a)은 본 발명의 한 구체예에 따른 복합체를 제조하는 과정을 나타낸 것이며, 도 4(b)는 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 단위복합체를 나타낸 것이다.
상기 도 3 및 도 4(a)를 참조하면, 전도성 탄성 매트릭스(110)에 형성된 관통부에 열전소재(121, 122)를 삽입하여 복합체(100)를 제조할 수 있다.
상기 도 4(a)와 같이, 전도성 탄성 매트릭스는 열전소재 형상에 대응하는 관통부가 형성되어, 상기 열전소재가 삽입되어 복합체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 관통부는 후술한 기판에 형성된 전극의 패턴과 일치하도록 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 전도성 탄성 매트릭스의 크기는 열전소재 및 기판에 형성되는 전극 패턴에 따라 상이할 수 있다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 전도성 탄성 매트릭스를 이용한 복합체(100) 제조시, 전도성 탄성 매트릭스(110)에 복수 개의 스페이서(140)가 소정의 간격으로 삽입될 수 있다. 스페이서(140)를 삽입시, 복합체의 커팅이 용이하며, 전도성 탄성 매트릭스 및 내부에 삽입된 열전소재의 손실을 최소화할 수 있다.
한 구체예에서 상기 커팅시 가공 블레이드는 두께 0.3mm 이하인 것을 사용할 수 있다. 상기 조건에서 열전소재 손실을 최소화할 수 있다.
예를 들면, 상기 전도성 탄성 매트릭스를 가공한 다음, 복수 개의 스페이서를 장입하고, 상기 전도성 탄성 매트릭스와 스페이서를 천공하여, 열전소재 삽입을 위한 관통부를 형성할 수 있다.
한 구체예에서 스페이서(140)에 사용되는 소재는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 열가소성 수지 또는 금속 소재일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한 구체예에서 상기 열전소재는, P형 열전소재 및 N형 열전소재를 포함하며, 통상적인 것을 사용할 수 있다. 한 구체예에서 상기 P형 및 N형 열전소재는 각각 스커터루다이트(skutterudite)계, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 Bi-Sb-Te-Se계 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 스커터루다이트계(skutterudite) 열전소재는 CoSb3계, FeSb3계 및 (Fe-Co-Ni)Sb3계 중 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명은 전도성 탄성 매트릭스를 직접 가공하여 복합체를 제조하거나, 금속을 성형하여 상기 전도성 탄성 매트릭스과 조립하여 복합체를 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따라 제조된 복합체의 평면도이며, 도 6은 본 발명의 다른 구체예에 따라 제조된 복합체의 단면도이다.
상기 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 구체예에서 상기 복합체는, 금속 몰드를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 복합체(101)는, 금속 몰드(150); 금속 몰드(150) 내부에 소정의 간격으로 이격 형성된 전도성 탄성 매트릭스(111); 및 전도성 탄성 매트릭스(1110)의 내부에 삽입된 열전소재(121, 122);를 포함할 수 있다.
상기 금속 몰드는, 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 철(Fe) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 성분을 적용시, 전기 전도성이 우수하며, 후술할 전해 도금이 용이할 수 있다.
한 구체예에서 상기 금속 몰드의 크기는 전도성 탄성 매트릭스, 열전소재 및 기판에 형성되는 전극 패턴에 따라 상이할 수 있다.
한 구체예에서 상기 금속 몰드는 상기 전도성 탄성 매트릭스에 대응하는 관통부가 형성되어, 상기 전도성 탄성 매트릭스가 삽입될 수 있다. 또한, 상기 전도성 탄성 매트릭스는 열전소재 형상에 대응하는 관통부가 형성되어, 상기 열전소재가 삽입되어 복합체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 전도성 탄성 매트릭스의 관통부는, 후술한 기판에 형성된 전극의 패턴과 일치하도록 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 금속 몰드 및 전도성 탄성 매트릭스에는, 복수 개의 스페이서(spacer)(141)가 소정의 간격으로 삽입될 수 있다. 상기 스페이서를 형성시, 복합체의 커팅이 용이하며, 전도성 탄성 매트릭스 및 내부에 삽입된 열전소재의 손실을 최소화할 수 있다. 구체예에서 상기 커팅시 가공 블레이드는 두께 0.3mm 이하인 것을 사용할 수 있다. 상기 조건에서 열전소재 손실을 최소화할 수 있다.
예를 들면, 금속 분말 및 스페이서를 함께 가공하여, 전도성 탄성 매트릭스에 대응하는 관통부가 형성된 금속 몰드를 형성하고, 상기 금속 몰드와 스페이서에 형성된 관통부에 대응하는 전도성 탄성 매트릭스를 삽입한 다음, 상기 전도성 탄성 매트릭스를 천공하여, 열전소재 삽입을 위한 관통부를 형성할 수 있다.
(S20) 단위 복합체 형성단계
상기 단계는 상기 복합체를 소정 두께로 커팅하여, 복수 개의 단위 복합체를 형성하는 단계이다. 도 4(b)는 본 발명의 한 구체예에 따라 형성된 단위 복합체를 나타낸 것이다. 상기 도 4(b)를 참조하면 상기 커팅된 단위 복합체(200)의 적어도 하나의 표면에 열전소재가 노출될 수 있다. 한 구체예에서 상기 커팅은 0.01~50mm 두께로 실시할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
(S30) 확산방지층 형성단계
상기 단계는 상기 단위 복합체의 표면에 노출된 열전소재 중 적어도 한 면에 확산방지층을 형성하는 단계이다.
열전소재와 기판에 형성된 전극을 접합하여 열전모듈을 제조시, 상기 열전소재의 접합 대상면에 확산방지층이 형성된다. 상기 확산방지층은 전해도금으로 형성되며, 본 발명의 전도성 탄성 매트릭스를 적용시, 열전소재와 접촉하는 상기 전도성 탄성 매트릭스로 인해 열전소재에 전극이 형성되므로, 전해도금법을 이용한 확산방지층 형성이 가능하다.
종래 도금방법은, 열전소재에 도금층을 형성한 다음, 열전소재를 커팅하는 방법을 사용하였다. 그러나, 상기 가공시 열전소재에 형성된 도금층이 박리되거나, 전압의 극성을 인가하기 위해 열전소재에 금속부재를 연결해야 하는 문제가 있었다. 그러나 본 발명은 상기 커팅된 소재를 전도성 고무 성형체에 장입하여 도금을 하기 때문에, 상기 열전소재에 금속부재를 연결하지 않고 전해도금이 가능한 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 전해도금에 의한 확산방지층 형성 방법을 나타낸 모식도이다. 상기 도 7을 참조하면 상기 확산방지층은, 단위 복합체(200) 및 니켈(Ni) 전극을 전해액에 침지하는 단계; 단위 복합체(200) 및 니켈 전극에 전압을 인가하여 전해도금하는 단계; 및 상기 전해도금이 완료된 단위 복합체에 무전해도금을 실시하는 단계;를 포함하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 전해도금시 1.5~2.5V의 전압을 인가할 수 있다. 상기 조건에서 전해액에 침지된 열전소재에 버블(bubble)이 발생하는 것을 방지하면서, 전해도금이 용이하게 실시될 수 있다.
한 구체예에서 상기 무전해도금은 70~85℃의 무전해도금액에 상기 단위 복합체를 침지하여 실시할 수 있다. 또한, 상기 무전해도금액은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 확산방지층은 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 확산방지층의 두께는, 1㎛~0.5mm일 수 있다. 상기 범위에서 기판과의 접합성이 우수하면서, 기판 접합시 접합층에 포함되는 원소가 열전 소재에 확산되는 현상을 방지할 수 있다.
(S40) 기판 접합단계
본 발명의 한 구체예에서, 상기 확산방지층 형성단계 이후, 상기 형성된 열전소재의 확산방지층과 기판을 접합하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 구체예에 따른 열전모듈 제조시 기판과 열전소재 확산방지층의 접합 과정을 나타낸 것이다.
상기 도 8을 참조하면, 상기 확산방지층과 기판을 접합하는 단계는 상기 단위 복합체(200) 표면에 노출된 열전소재의 일면에 형성된 제1 확산방지층과 제1 기판(300)을 접합하는 단계; 상기 단위 복합체의 전도성 탄성 매트릭스를 제거하는 단계; 및 상기 열전소재의 타면에 형성된 제2 확산방지층과 제2 기판(302)을 접합하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
예를 들면, 도 8(a)와 같이 소정의 제1 전극패턴(310)이 형성된 제1 기판(300)을 마련하고, 도 8(b)와 같이 단위복합체(200) 일면의 열전소재에 형성된 제1 확산방지층을 제1 기판(300)에 형성된 제1 전극패턴(310)과 접합하고, 도 8(c)와 같이 전도성 탄성 매트릭스를 제거한 다음, 도 8(d)와 같이 단위복합체(200) 타면의 열전소재에 형성된 제2 확산방지층과, 제2 기판(302)에 형성된 제2 전극패턴(312)을 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 전도성 탄성 매트릭스 및 금속 몰드는, 통상의 방법으로 제거될 수 있다.
예를 들면, 상기 접합은, 솔더 페이스트 또는 은(Ag) 페이스트를 사용하여 실시할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 기판 및 제2 기판에는 각각 단위 복합체의 열전소재 패턴에 대응하는 전극 패턴이 형성될 수 있다. 한 구체예에서 상기 전극은, 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 탄소나노튜브(CNT)중 하나 이상을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 기판은 상부 기판 또는 하부 기판일 수 있다. 또한, 상기 제2 기판은 하부 기판 또는 상부 기판일 수 있다.
열전모듈 제조방법에 의해 제조된 열전모듈
본 발명의 다른 관점은 상기 열전모듈 제조방법에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.
본 발명은 전도성 탄성 매트릭스를 사용하여 열전소재에 전극이 형성되기 때문에 전해도금이 가능하여 열전모듈 제조시, 열전소재의 확산방지를 위한 확산방지층의 박리를 방지할 수 있으며, 열전모듈용 열전소재의 확산방지층 형성과, 배열 및 접합 공정의 단순화가 가능할 수 있다. 또한 상기 전도성 탄성 매트릭스에 형성된 열전소재의 패턴은, 기판의 전극 패턴과 일치하여 설계하기 때문에, 기판에 정밀하게 배열할 수 있어 신뢰성이 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
스커터루다이트(skutterudite)계 P형 열전소재 및 N형 열전소재를 준비하였다. 탄성체(에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM)) 100 중량부 및 상기 탄성체에 분산된 전도성 성분(카본블랙) 0.5~10 중량부를 포함하는 전도성 탄성 매트릭스에, 상기 열전소재가 삽입되기 위한 관통부를 형성하였다.
또한, 상기 전도성 탄성 매트릭스에 복수 개의 스페이서를 3mm 간격으로 이격하여 삽입하였다. 그 다음에, 상기 P형 및 N형 열전소재를 상기 전도성 탄성 매트릭스 내부의 관통부에 삽입하여, 복합체를 제조하였다.
상기 복합체를 0.1mm 두께의 절단 블레이드를 사용하여 2mm 두께로 커팅하여 양면에 열전소재가 노출된, 복수 개의 단위 복합체를 형성하였다.
그 다음에, 상기 단위 복합체 및 니켈(Ni) 전극을 전해액에 침지하고, 상기 단위 복합체에 1.5~2.5V의 음전압을 인가하고, 및 니켈 전극에 1.5~2.5 V의 양전압을 인가하여 전해도금하였다. 상기 전해도금이 완료된 단위 복합체를 70~85℃의 무전해도금액에 침지하여, 30분 동안 무전해도금을 실시하여 상기 단위 복합체 양면에 노출된 열전소재에 니켈(Ni)을 포함하는 10㎛ 두께의 제1 확산방지층 및 제2 확산방지층을 형성하였다.
알루미나 소재로 형성되며, 표면에 전극 패턴이 형성된 제1 기판 및 제2 기판을 준비하고, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 상기 단위 복합체 표면에 노출된 열전소재의 일면에 형성된 제1 확산방지층과 제1 기판의 전극 패턴과 접합하고 상기 단위 복합체의 전도성 탄성 매트릭스를 절단하여 제거하였다. 그 다음에, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 상기 열전소재의 타면에 형성된 제2 확산방지층과 제2 기판의 전극 패턴을 접합하여 열전모듈을 제조하였다.
실시예 2
전도성 탄성 매트릭스가 삽입되기 위한 관통부가 소정 간격으로 이격 형성된 금속(구리(Cu)) 소재의 몰드를 준비하였다. 그 다음에, 상기 금속 몰드의 관통부에 상기 실시예 1과 동일한 전도성 탄성 매트릭스를 삽입하고, 상기 전도성 탄성 매트릭스 내부에 상기 실시예 1과 동일한 P형 및 N형 열전소재를 삽입하여 복합체를 제조하였다. 이때, 상기 금속 몰드와 전도성 탄성 매트릭스에 복수 개의 스페이서를 3mm 간격으로 이격하여 단위 복합체를 형성하였다.
그 다음에, 상기 단위 복합체 및 니켈(Ni) 전극을 전해액에 침지하고, 상기 단위 복합체에 1.5~2.5V의 음전압을 인가하고, 및 니켈 전극에 1.5~2.5 V의 양전압을 인가하여 전해도금하였다. 상기 전해도금이 완료된 단위 복합체를 70~85℃의 무전해도금액에 침지하여, 30분 동안 무전해도금을 실시하여 상기 단위 복합체 양면에 노출된 열전소재에 니켈(Ni)을 포함하는 10㎛ 두께의 제1 확산방지층 및 제2 확산방지층을 형성하였다.
알루미나 소재로 형성되며, 표면에 전극 패턴이 형성된 제1 기판 및 제2 기판을 준비하고, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 상기 단위 복합체 표면에 노출된 열전소재의 일면에 형성된 제1 확산방지층과 제1 기판의 전극 패턴과 접합하고 상기 단위 복합체의 금속 몰드 및 전도성 탄성 매트릭스를 절단하여 제거하였다. 그 다음에, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 상기 열전소재의 타면에 형성된 제2 확산방지층과 제2 기판의 전극 패턴을 접합하여 열전모듈을 제조하였다.
상기 실시예 1~2의 열전모듈 제조시, 전도성 매트릭스와 금속 몰드를 통하여 열전소재에 전극이 형성되기 때문에 상기 열전소재에 별도의 금속 부재를 연결하지 않고도 전해도금이 가능하였으며, 열전모듈 제조시, 열전소재의 확산방지를 위한 확산방지층의 박리가 발생하지 않음을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
1: 열전모듈 10, 12: 기판
20, 22, 24: 전극소재
30, 32, 34, 36: 접합층
40, 42, 44: 확산방지층
50: P형 열전소재 52: N형 열전소재
100: 복합체
110, 111: 전도성 탄성 매트릭스 121, 122: 열전소재
140, 141: 스페이서 150: 금속 몰드
200: 단위 복합체 210: 전극
300: 제1 기판 302: 제2 기판
310: 제1 전극 패턴 312: 제2 전극 패턴

Claims (13)

  1. 전도성 탄성 매트릭스 내부에 열전소재가 삽입된 복합체를 제조하는 단계;
    상기 복합체를 소정 두께로 커팅하여, 복수 개의 단위 복합체를 형성하는 단계; 및
    상기 단위 복합체의 표면에 노출된 열전소재 중 적어도 한 면에 확산방지층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 탄성 매트릭스는 탄성체; 및 상기 탄성체에 분산된 전도성 성분;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄성체는 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 공중합체(SBR), 니트릴-부타디엔 공중합체(NBR), 열가소성 탄성중합체(TPE), 천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR), 클로로프렌 고무(CR) 및 우레탄 엘라스토머 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 전도성 성분은 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 전도성 카본 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 탄성 매트릭스는 복수 개의 스페이서가 소정의 간격으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복합체는,
    금속 몰드;
    상기 금속 몰드 내부에 소정의 간격으로 이격 형성된 전도성 탄성 매트릭스; 및
    상기 전도성 탄성 매트릭스의 내부에 삽입된 열전소재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 확산방지층은,
    상기 단위 복합체 및 니켈(Ni) 전극을 전해액에 침지하는 단계;
    상기 단위 복합체 및 니켈 전극에 전압을 인가하여 전해도금하는 단계; 및
    상기 전해도금이 완료된 단위 복합체에 무전해도금을 실시하는 단계;를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전해도금시 1.5~2.5V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 무전해도금은 70~85℃의 무전해도금액에 상기 단위 복합체를 침지하여 실시하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 형성된 확산방지층과 기판을 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 확산방지층과 기판을 접합하는 단계는,
    단위 복합체 표면에 노출된 열전소재의 일면에 형성된 제1 확산방지층과 제1 기판을 접합하는 단계;
    상기 단위 복합체의 전도성 탄성 매트릭스를 제거하는 단계; 및
    상기 열전소재의 타면에 형성된 제2 확산방지층과 제2 기판을 접합하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열전소재는 스커터루다이트(skutterudite)계, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 Bi-Sb-Te-Se계 합금 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 확산방지층은 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조방법.
  13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항의 열전모듈 제조방법에 의해 제조된 열전모듈.


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