KR102396156B1 - 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전모듈(thermoelectric module)을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하되, 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 복수 개의 소결체를 형성할 수 있도록 구현한 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것으로, 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입하는 확산방지재하부장입단계; 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입하는 열전소재장입단계; 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입하는 확산방지재상부장입단계; 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 확산방지재하부장입단계, 열전소재장입단계 및 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행하는 반복수행단계; 및 하부확산방지재, 열전소재 및 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결하는 접합소결단계를 포함한다.

Description

열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈{Method for manufacturing thermoelectric module and thermoelectric module manufactured thereby}
본 발명의 기술 분야는 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것으로, 특히 열전모듈(thermoelectric module)을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하되, 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 복수 개의 소결체를 형성할 수 있도록 구현한 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 관한 것이다.
열전 발전은 이종의 두 금속 또는 반도체로 접합되어 있는 구조체의 양단에 온도차를 형성하였을 때, 전압이 발생하는 '제벡 효과'를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 방식을 말한다. 열전 발전에 쓰이는 기본 모듈을 열전 모듈, 열전반도체 모듈, 열전반도체 소자 또는 열전소자라고 한다.
이러한 열전소자를 개발함에 있어서 요소기술이라 할 수 있는 확산방지층의 개발이 중요한데, 보편화되어 있는 확산방지층 기술은 도금을 통해 진행하는 기술이 대부분이며, 도금의 방식은 무전해 도금과 전해 도금으로 나누어진다. 보편적으로 저가형의 무전해 도금(비정질 형태)이 많이 쓰이며, 전해 도금의 경우에는 금액적인 면을 떠나, 도금된 코팅층의 결정화 구조로 코팅층 형성에 어려움이 있다.
도금을 통한 확산방지층 형성 기술들은 보편적으로 열전 발전모듈이 아닌, 열전 냉각모듈에 많이 쓰이며, 특히 도금 공정은 소재와의 화학적 결합이 아닌, 기계적 결합 방식의 결합 구도를 가지고 있다. 이러한 결합 방식은 도금 소재와 도금을 입히는 모재와의 열팽창 계수, 기계적 강도, 응력, 마찰력 등의 특성이 달라 도금층 형성 두께의 한계를 가지고 있다.
보편적으로 10(㎛) 이내의 두께를 형성하였을 때, 가공 또는 열 인가 상태 등에서 제품(모재)에서의 박리가 적다. 도금 공법을 통해 확산방지층을 형성하면, 접합재(솔더 페이스트; 대표적으로 Pb계와 Pb 프리(free)계로 나뉨)와 확산방지층과의 확산, 또는 확산방지층과 소재와의 확산으로 IMC(inter metalic compound)가 형성된다. 이렇게 형성된 IMC들은 대부분 취성이 강하여 기계적 강도가 약하거나, 열 충격에 약해 내부 균열이 잘 형성되어 열전 발전모듈의 내구성을 취약하게 만든다.
보편적인 솔더링 방식으로 접합되었을 경우의 열전소자 내 IMC들은 1~2(㎛) 두께를 형성하며, 열전 발전에서 운용되는 200(℃) 이상의 배ㅇ폐열을 갖는 온도구간에서 필수적으로 이루어지는 1000 h 이상 급의 신뢰성 테스트에서는 수십~수백 ㎛ 이상의 IMC들이 형성된다. 이로 인하여, 도금으로 형성된 확산방지층들은 대부분 신뢰성(실제 사용 조건)에서 사용이 불가하다. 이는 10(㎛) 이내에 형성된 도금층이 IMC로 완전 변환ㅇ형성 및 성장되어 접합재와 소재구간의 경계라 할 수 있는 확산방지층의 역할을 할 수 없고, 접합재와 소재구간의 화합물 형성이 자유로워지며, 열전 발전 성능을 저하시킴과 동시에 모듈의 전기적ㅇ열적ㅇ 기계적 신뢰성 모두를 저하시키기 때문이다.
한국등록특허 제10-1670229호(2016.10.24. 등록)는 소결 열전소재와 단결정 열전소재를 조합하여 열전모듈을 구성함에 있어서 소결 열전소재와 단결정 열전소재의 저항 차이를 최소화하여 저항 매칭을 간소화함과 함께 열전 성능을 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법에 관하여 개시되어 있다. 개시된 기술에 따르면, p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수 개 포함하며, p형 열전소재는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, n형 열전소재는 단결정 열전소재로 구성되며, p형 열전소재는, 소결 열전소재와, 소결 열전소재의 양단 상에 구비되어 물질의 고상확산을 방지하는 확산방지층과, 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 구비되는 금속블록층을 포함하여 구성되며, 금속블록층은 소결 열전소재보다 상대적으로 전기저항 값이 낮고, 금속블록층의 기하학적 형상 제어를 통해, p형 열전소재와 n형 열전소재의 저항 차이가 조절되는 것을 특징으로 한다.
한국등록특허 제10-1470393호(2014.12.02. 등록)는 확산방지층이 포함된 다층 접합 구조의 열전모듈과 그 제조 방법에 관하여 개시되어 있는데, 서로 다른 온도 영역대에서 최대의 성능지수를 보이는 적어도 두 종류의 열전재료의 분말로 각각의 성형체를 제조하는 단계; 성형체 위에 확산방지층을 형성하는 단계; 및 성형체를 몰드 안에 적층하고 진공 챔버 내에 몰드를 세팅하여 방전 플라즈마 소결 방식으로 열전재료를 접합 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 개시된 기술에 따르면, 저온 영역, 중온 영역, 고온 영역과 같이 각각의 온도 영역대에서 높은 열전효율을 보이는 재료들을 접합하여 넓은 온도 영역에 걸쳐 전체 효율이 높은 열전모듈을 제조할 수 있고, 이러한 다층 접합 구조의 열전모듈을 집적하면 기존의 열전모듈에 비하여 효율이 높은 열전모듈을 제조할 수 있으며, 또한 한 번의 방전 플라즈마 소결 공정을 통하여 다수의 열전재료와 확산방지층의 소결과 접합을 동시에 하게 되어, 소결 및 접합에 소요되는 시간이 짧기 때문에 이종물질간의 반응으로 인한 층이 형성되지 않으며, 특히 이러한 층의 형성을 방지하고자 확산방지층을 형성하므로 불필요하고 열전성능이 낮은 층의 형성을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 종래의 기술에서는, 열전모듈을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하더라도 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 한 개의 소결체만 형성할 수 있으므로, 대량 생산에 매우 취약한 단점을 가지고 있다.
한국등록특허 제10-1670229호 한국등록특허 제10-1470393호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 어려움, 한계 또는 단점을 해결하기 위한 것으로, 열전모듈(thermoelectric module)을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하되, 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 복수 개의 소결체를 형성할 수 있도록 구현한 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하는 수단으로는, 본 발명의 한 특징에 따르면, 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입하는 확산방지재하부장입단계; 상기 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입하는 열전소재장입단계; 상기 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입하는 확산방지재상부장입단계; 상기 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 상기 확산방지재하부장입단계, 상기 열전소재장입단계 및 상기 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행하는 반복수행단계; 및 상기 하부확산방지재, 상기 열전소재 및 상기 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결하는 접합소결단계를 포함하는 열전모듈 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 열전모듈 제조 방법은, 상기 확산방지재하부장입단계 이전에, 이형제가 코팅된 몰드에 이형제가 코팅된 하부펀치를 장착하는 하부펀치장착단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재하부장입단계는, 평탄지그를 이용하여 상기 하부확산방지재를 평탄화시켜 주는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재하부장입단계는, 상기 하부확산방지재를 분말화시켜 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재하부장입단계는, 상기 하부확산방지재로 Mo, Co, Ni, Al 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재하부장입단계는, 상기 하부확산방지재를 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열전소재장입단계는, 상기 열전소재로 PbTe, Bi2Te3, CoSb3 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열전소재장입단계는, 상기 열전소재를 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열전소재장입단계는, 상기 열전소재를 벌크화시켜 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재상부장입단계는, 평탄지그를 이용하여 상기 상부확산방지재를 평탄화시켜 주는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 확산방지재상부장입단계는, 상기 상부확산방지재를 분말화시켜 사용하거나, Mo, Co, Ni, Al 중 적어도 하나를 이용하거나, 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 상기 확산방지재하부장입단계, 상기 열전소재장입단계 및 상기 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 2 회에서 수회 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열전모듈 제조 방법은, 상기 반복수행단계 이후에, 이형제가 코팅된 상부펀치를 장착하는 상부펀치장착단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 접합소결단계는, 고온 고압을 상기 하부확산방지재, 상기 열전소재 및 상기 상부확산방지재의 복수 개에 인가하여 동시에 접합 소결하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 접합소결단계는, 동시소결 방식으로 HP, SPS, PAS 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 접합소결단계는, 상기 확산방지재를 분말 상태로 하고 상기 열전소재를 벌크 상태로 동시소결을 진행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열전모듈 제조 방법은, 상기 접합소결단계 후, 몰드로부터 소결체를 해체한 다음에, 소결체의 표면을 가공하는 표면가공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 몰드 높이에 따라 반복 회수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 상기 격판을 몰드의 재질과 동일한 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 상기 격판으로 그라파이트, 초경, SUS, SK11 중 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 상기 격판의 외경을 몰드 내경에 100(㎛) 마이너스 공차 적용 하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 반복수행단계는, 상기 격판의 두께를 소결체 두께의 2배 이상으로 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제를 해결하는 수단으로는, 본 발명의 다른 한 특징에 따르면, 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입하는 확산방지재하부장입단계; 상기 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입하는 열전소재장입단계; 상기 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입하는 확산방지재상부장입단계; 상기 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 상기 확산방지재하부장입단계, 상기 열전소재장입단계 및 상기 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행하는 반복수행단계; 및 상기 하부확산방지재, 상기 열전소재 및 상기 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결하는 접합소결단계를 포함하는 열전모듈 제조 방법에 의해 제조된 열전모듈을 제공한다.
본 발명의 효과로는, 열전모듈(thermoelectric module)을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하되, 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 복수 개의 소결체를 형성할 수 있도록 구현한 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈을 제공함으로써, 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 열전모듈 내 IMC의 두께를 수십(㎛)으로 제어할 수 있으며, 이로 인해 기계적 특성을 향상시켜 줄 수 있으며, 열 충격에 강한 확산방지층(diffusion barrier; DB)을 형성할 수 있으며, 이에 따라 열전모듈의 내구성을 강화시키고 열전 특성을 상승시킴과 동시에 신뢰성을 향상시켜 줄 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 몰드 내부를 단면으로 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 접합소결단계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 확산방지층을 설명하는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 의한 확산방지층을 설명하는 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 1에 있는 접합소결단계에서의 소결 조건을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 1에 있는 접합소결단계 후 소결체 해체를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 소결체 표면 가공을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 의한 IMC 형성을 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열전모듈에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈 제조 방법을 설명하는 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 몰드 내부를 단면으로 설명하는 도면이며, 도 3은 도 1에 있는 접합소결단계를 설명하는 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 확산방지층을 설명하는 도면이며, 도 5는 종래 기술에 의한 확산방지층을 설명하는 도면이며, 도 6 및 도 7은 도 1에 있는 접합소결단계에서의 소결 조건을 설명하는 도면이며, 도 8은 도 1에 있는 접합소결단계 후 소결체 해체를 설명하는 도면이며, 도 9는 본 발명에 의한 소결체 표면 가공을 설명하는 도면이며, 도 10은 본 발명에 의한 IMC 형성을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 열전모듈 제조 방법은, 확산방지재하부장입단계(S110), 열전소재장입단계(S120), 확산방지재상부장입단계(S130), 반복수행단계(S140), 접합소결단계(S150)를 포함한다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 확산방지재하부장입단계(S110) 이전에, 도 2에 도시된 바와 같이, 이형제가 코팅된 몰드에 이형제가 코팅된 하부펀치를 장착해 주는 단계(즉, 하부펀치장착단계)(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
확산방지재하부장입단계(S110)는, 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입해 준다.
일 실시 예에서, 확산방지재하부장입단계(S110)는, 평탄지그를 이용하여 몰드 하부에 장입한 하부확산방지재를 평탄화시켜 줄 수 있다.
일 실시 예에서, 확산방지재하부장입단계(S110)는, 하부확산방지재를 분말화시켜 사용함으로써, 균일한 확산방지층(diffusion barrier; DB)의 두께를 유지하도록 해 줄 수 있다.
일 실시 예에서, 확산방지재하부장입단계(S110)는, 하부확산방지재로 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 등 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
일 실시 예에서, 확산방지재하부장입단계(S110)는, 하부확산방지재를 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용할 수 있다.
열전소재장입단계(S120)는, 확산방지재하부장입단계(S110)에서 장입한 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입해 준다.
일 실시 예에서, 열전소재장입단계(S120)는, 레드 텔루라이드(lead telluride; PbTe), 비스무드 텔루라이드(bismuth telluride; Bi2Te3), 스커터러다이트(skutterudite; CoSb3) 등의 열전소재들 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
일 실시 예에서, 열전소재장입단계(S120)는, 열전소재를 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용할 수 있다.
일 실시 예에서, 열전소재장입단계(S120)는, 열전소재를 소결체(즉, 벌크)화시켜 사용함으로써, 균일한 확산방지층의 두께를 유지하도록 해 줄 수 있다.
확산방지재상부장입단계(S130)는, 열전소재장입단계(S120)에서 장입한 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입해 준다.
일 실시 예에서, 확산방지재상부장입단계(S130)는, 평탄지그를 이용하여 열전소재 위에 장입한 상부확산방지재를 평탄화시켜 줄 수 있다.
일 실시 예에서, 확산방지재상부장입단계(S130)는, 상부확산방지재를 분말화시켜 사용하거나, Mo, Co, Ni, Al 등 중 적어도 하나를 이용하거나, 동종 또는 이종의 서로 다른 소재로 사용할 수 있다.
반복수행단계(S140)는, 확산방지재상부장입단계(S130)에서 장입한 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 확산방지재하부장입단계(S110), 열전소재장입단계(S120) 및 확산방지재상부장입단계(S130)를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행해 준다.
일 실시 예에서, 반복수행단계(S140)는, 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 확산방지재하부장입단계(S110), 열전소재장입단계(S120) 및 확산방지재상부장입단계(S130)를 수행하는 동작을 최소 2 회 이상(바람직하게는, 3회) 반복 수행해 줌으로써, 두 개 이상의 소결체(바람직하게는, 3개의 소결체)를 한 번에 형성할 수 있도록 해 준다.
일 실시 예에서, 반복수행단계(S140)는, 소결 몰드 내에 격판을 위치시켜 줌으로써, 3개의 소결체뿐만이 아니라, 그 이상의 복수 개 소결체도 동시에 제작할 수 있도록 해 준다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 반복수행단계(S140) 이후에, 도 2에 도시된 바와 같이, 이형제가 코팅된 상부펀치를 장착해 주는 단계(즉, 상부펀치장착단계)(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
접합소결단계(S150)는, 반복수행단계(S140) 후에 장입된 하부확산방지재, 열전소재 및 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결해 준다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 동시소결 방식을 이용하는데, 이때 고온 고압을 하부확산방지재, 열전소재 및 상부확산방지재의 복수 개에 인가하여 동시에 접합 소결함으로써, 확산방지층, 열전소재층 및 확산방지층의 적층 구조를 가진 소결체를 복수 개로 형성시켜, 대량 생산뿐만 아니라, 원료 소재의 고유 특성을 유지하면서도, 높은 밀도와 높은 기계적 강도를 가지도록 해 줄 수 있다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 동시소결 방식으로 HP(hot press; 열간 프레스), SPS(spark plasma sintering; 방전 플라즈마 소결), PAS(pulsed current sintering; 펄스 통전 소결) 등 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 확산방지재를 분말 상태로 동시소결을 진행함으로써, IMC(inter metalic compound)의 형성을 제어할 수 있으며, 이때 형성되는 IMC의 두께를 기본 수십(㎛) 이내로 할 수 있다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 확산방지재를 분말 상태로 하고 열전소재를 소결체(벌크) 상태로 동시소결을 진행함으로써, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 균일한 확산방지층의 두께를 유지하도록 해 줄 수 있으며, 이에 확산방지층의 두께를 자율 제어 가능하며, 확산방지층 제어 및 가공성이 우수하여 확산방지층의 박리가 없도록 할 수 있다. 반면에, 종래 기술에서는 열전소재를 분말로 사용함으로써, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 확산방지층의 높이 균일성이 현저히 낮고, 박리 현상이 발생하거나, 크랙(crack)이 발생하는 등의 단점을 가지고 있다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 동종 또는 이종의 서로 다른 하부확산방지재, 동종 또는 이종의 서로 다른 열전소재 그리고 동종 또는 이종의 서로 다른 상부확산방지재를 동시에 접합 소결함으로써, 동종 또는 이종의 확산방지층, 동종 또는 이종의 열전소재층 그리고 동종 또는 이종의 확산방지층의 적층 구조를 가진 열전모듈로 형성시켜, 열 충격에 보다 더 강하고 기계적 특성이 보다 더 우수한 확산방지층을 형성하도록 할 수 있다.
일 실시 예에서, 접합소결단계(S150)는, 동시소결 시에 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 소결 조건으로 수행할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 접합소결단계(S150) 후, 도 8에 나타낸 바와 같이 몰드로부터 소결체를 해체한 다음에, 해당 소결체의 표면을 도 9에 나타낸 바와 같이 가공해 주는 단계(즉, 표면가공단계)(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 도 9와 같이 표면 가공된 소결체를 이용하여 도 10에 도시된 바와 같이 열전모듈을 제조할 시에, 확산방지층과 열전소재 간 IMC 형성을 수십(㎛) 이내로 할 수 있으며, 확산방지층과 접합재 간 IMC 형성이 1(㎛) 내외로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 열전모듈에 사용되는 열전소재와 확산방지재를 개발하여 사용하도록 하는데, 확산방지재를 분말화시켜 사용하고, 이때 높이의 균일성 유지와 두께 제어가 가능한 분말 입도로 하며, 이에 상부확산방지층과 하부확산방지층의 두께 제어가 가능하며, ±10(㎛) 내의 두께 오차를 가지도록 하며, 확산방지층과 접합재의 IMC 형성이 거의 없도록 하며, 확산방지층과 열전소재 간 IMC 형성이 수십(㎛) 미만으로 적거나 성장하지 않도록 해 준다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 열전모듈(thermoelectric module)을 제조할 때에 동시소결 공법을 이용하되, 하나의 장비에서 한 번의 소결 시에 복수 개의 소결체를 형성할 수 있도록 구현함으로써, 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 열전모듈 내 IMC의 두께를 수십(㎛)으로 제어할 수 있으며, 이로 인해 기계적 특성을 향상시켜 줄 수 있으며, 열 충격에 강한 확산방지층을 형성할 수 있으며, 이에 따라 열전모듈의 내구성을 강화시키고 열전 특성을 상승시킴과 동시에 신뢰성을 향상시켜 줄 수 있다. 또한, 상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 그 결과로, 250(℃) 이상으로 유지 가능한 신뢰성을 갖는 최대 발전 특성을 갖는 열전모듈을 제조해 줄 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 열전모듈 제조 방법은, 제작 목표에 따른 수량(예를 들어, 3개)에 맞추어, 이에 대응하여, 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 확산방지재하부장입단계(S110), 열전소재장입단계(S120) 및 확산방지재상부장입단계(S130)를 수행하는 동작을 반복하도록 할 수 있으며, 이때 몰드 높이에 따라 다중소결 수량을 결정할 수 있다. 여기서, 격판의 재질은 몰드의 재질과 동일한 것을 사용하며, 몰드의 재질은 그라파이트, 초경, SUS, SK11 등 다양하게 적용 가능하다. 또한, 격판의 외경은 몰드 내경에 100(㎛) 마이너스 공차 적용 하며, 격판의 두께는 계산된 소결체 두께의 2배 이상으로 해 줄 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 열전모듈 제조 방법에 의해 제조된 열전모듈은, 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입해 주는 확산방지재하부장입단계(S110); 확산방지재하부장입단계(S110)에서 장입한 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입해 주는 열전소재장입단계(S120); 열전소재장입단계(S120)에서 장입한 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입해 주는 확산방지재상부장입단계(S130); 확산방지재상부장입단계(S130)에서 장입한 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 확산방지재하부장입단계(S110), 열전소재장입단계(S120) 및 확산방지재상부장입단계(S130)를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행해 주는 반복수행단계(S140); 그리고 반복수행단계(S140) 후에 장입된 하부확산방지재, 열전소재 및 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결해 주는 접합소결단계(S150)를 포함한 열전모듈 제조 방법에 의해 제조된다.
상술한 바와 같은 열전모듈 제조 방법에 의해 제조된 열전모듈은, 동시소결 방식으로 확산방지층, 열전소재, 확산방지층 구조의 열전모듈을 제조하되, 하나의 장비를 이용한 1회 소결에서 다중으로 소결해 주도록 함으로써, 대량 생산이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 운용방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
S110: 확산방지재하부장입단계
S120: 열전소재장입단계
S130: 확산방지재상부장입단계
S140: 반복수행단계
S150: 접합소결단계

Claims (5)

  1. 이형제가 코팅된 몰드에 이형제가 코팅된 하부펀치를 장착하는 하부펀치장착단계; 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입하는 확산방지재하부장입단계; 상기 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입하는 열전소재장입단계; 상기 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입하는 확산방지재상부장입단계; 상기 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 상기 확산방지재하부장입단계, 상기 열전소재장입단계 및 상기 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행하는 반복수행단계; 및 상기 하부확산방지재, 상기 열전소재 및 상기 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결하는 접합소결단계를 포함하되;
    상기 반복수행단계는, 몰드 높이에 따라 반복 회수를 결정하며, 상기 격판을 몰드의 재질과 동일한 것을 사용하며, 상기 격판의 외경을 몰드 내경에 100(㎛) 마이너스 공차 적용 하고, 상기 격판의 두께를 소결체 두께의 2배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 확산방지재하부장입단계는,
    평탄지그를 이용하여 상기 하부확산방지재를 평탄화시켜 주는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 확산방지재하부장입단계는,
    상기 하부확산방지재를 분말화시켜 사용하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조 방법.
  5. 이형제가 코팅된 몰드에 이형제가 코팅된 하부펀치를 장착하는 하부펀치장착단계; 몰드 하부에 하부확산방지재를 장입하는 확산방지재하부장입단계; 상기 하부확산방지재 위에 열전소재를 장입하는 열전소재장입단계; 상기 열전소재 위에 상부확산방지재를 장입하는 확산방지재상부장입단계; 상기 상부확산방지재 위에 이형제가 코팅된 격판을 장입하고, 상기 확산방지재하부장입단계, 상기 열전소재장입단계 및 상기 확산방지재상부장입단계를 수행하는 동작을 기 설정해 둔 회수만큼 반복 수행하는 반복수행단계; 및 상기 하부확산방지재, 상기 열전소재 및 상기 상부확산방지재의 복수 개를 동시소결 방식으로 동시에 접합 소결하는 접합소결단계를 포함하되;
    상기 반복수행단계는, 몰드 높이에 따라 반복 회수를 결정하며, 상기 격판을 몰드의 재질과 동일한 것을 사용하며, 상기 격판의 외경을 몰드 내경에 100(㎛) 마이너스 공차 적용 하고, 상기 격판의 두께를 소결체 두께의 2배 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 제조 방법에 의해 제조된 열전모듈.
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