KR102474815B1 - 열전 변환 모듈 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스와, 베이스를 절연시키기 위해 베이스의 표면에 코팅되고 금속 산화물로 구성되는 코팅층을 포함하는 기판과, 기판 상에 교대로 배열되는 복수의 n형 열전 변환 소재 및 복수의 p형 열전 변환 소재와, 기판 상에 배치되어 교대로 배열된 복수의 열전 변환 소재들을 일측 및 타측에서 교대로 접속하는 복수의 전극을 포함하는, 열전 변환 모듈을 포함한다. 금속 또는 금속 합금은 금속 산화물보다 연성(ductility)이 더 높은 특성을 가진다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 열전 변환 모듈은 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스와, 금속 산화물로 구성되는 코팅층을 포함하는 기판을 구비함으로써, 기판의 열전도성이 향상되어 열전 변환 모듈의 열전 변환 성능이 향상될 수 있다.

Description

열전 변환 모듈 및 그의 제조 방법{THERMOELECTRIC CONVERSION MODULE AND A METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 열전 변환 모듈 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
열전모듈은 그 양면의 온도 차를 이용하여 기전력을 발생하는 제베크효과(seebeck effect)를 이용한 열전발전시스템에 이용되고 있다.
이러한 열전모듈에 의한 열전발전 시에는 고온부와 저온부 사이의 온도차이를 크게 유지함에 따라 열전발전의 출력량을 증가시킬 수 있다. 이때, 열원으로부터 열전모듈로 전달되는 열전달율이 그 발전의 출력량에 큰 영향을 미친다.
열전모듈을 이용해 열전발전을 이용하는 분야 중 하나로는 차량의 배기계의 폐열을 이용하는 것을 예로 들 수 있다.
종래의 열전모듈은 주로 세라믹 기판을 이용하여, 열전도성이 낮아 고온부 열원으로부터 열전모듈로 열전달 시 에너지 손실이 크고, 취성이 큰 세라믹의 특성상 파손되기가 쉬운 문제점이 존재하였다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 열전도성이 높고 열이나 진동에 장시간 노출되더라도 안정적인 구조를 유지할 수 있는 내구성이 뛰어난 열전모듈의 기판을 제공하는 것에 주목적이 있다.
또한, 열전모듈의 구성들과 결합하여 열전모듈 전체적인 구조적 강인성을 높이기 위한 기판을 제공하는 것에 주목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈은, 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스와, 상기 베이스를 절연시키기 위해 상기 베이스의 표면에 코팅되고 세라믹으로 구성되는 코팅층을 포함하는 기판과; 상기 기판 상에 교대로 배열되는 복수의 n형 열전 변환 소재 및 복수의 p형 열전 변환 소재와; 상기 기판 상에 배치되어 교대로 배열된 복수의 열전 변환 소재들을 일측 및 타측에서 교대로 접속하는 복수의 전극을 포함한다.
상기 금속 또는 금속 합금은 상기 세라믹보다 연성(ductility)이 더 높은 특성을 가진다.
상기 베이스는, 일측면에 내측으로 함몰된 함몰부가 형성되고, 상기 함몰부 내에 상기 전극이 배치되고, 인접한 상기 n형 열전 변환 소재와 상기 p형 열전 변환 소재가 상기 함몰부에 일부 삽입되어 상기 함몰부 내의 전극과 접합될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈용 기판은, 열 전도도가 일정값 이상(≥300W/mK)인 금속 합금으로 구성되는 베이스와; 상기 베이스의 표면에 코팅되고, 상기 금속 합금보다 전기 전도성이 낮은 특성을 가지는 세라믹으로 구성되는 코팅층을 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈의 제조 방법은, 금속 합금으로 구성된 베이스의 표면에 상기 금속 합금보다 전기 전도성이 낮은 세라믹을 도금하여 기판을 제조하는 단계와; 상기 기판에 복수의 전극을 형성하는 단계와; (c) 복수의 n형 열전 변환 소재 및 복수의 p형 열전 변환 소재를 상기 전극에 접합하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 열전 변환 모듈은, 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스와, 세라믹으로 구성되는 코팅층을 포함하는 기판을 구비함으로써, 기판의 열전도성이 향상되어 열전 변환 모듈의 열전 변환 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한, 금속 또는 금속 합금으로 베이스가 구성되고, 베이스의 표면에 얇은 절연 코팅층을 형성함으로써, 기판이 우수한 연성(ductility)을 가짐으로써 외력에 의해 쉽게 파손되지 않는 내구성을 가지는 장점도 있다.
또한, 베이스에 함몰부가 형성되고, 열전 변환 소재들이 함몰부 내로 일부 삽입되어 함몰부 내에 배치된 전극에 의해 서로 접속되게 구성됨으로써, 열전 변환 모듈이 구조적으로 강인성을 가지게 되는 장점도 있다.
한편, 베이스에 함몰부가 형성되어 열전 변환 모듈의 제작시 열전 변환 소재들의 결합 위치가 안내됨으로써, 제작의 편의성이 증대되는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
본 실시예에 따른 열전 변환 모듈은 교대로 배열되는 복수의 n형 열전 변환 소재(110) 및 복수의 p형 열전 변환 소재(120), 교대로 배열된 복수의 열전 변환 소재들을 고온 측 및 저온 측에서 교대로 접속하는 복수의 전극(130), 복수의 열전 변환 소재들(110, 120)과 복수의 전극(130)이 배열되는 기판(140)을 포함한다.
기판(140)은 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스(1411, 1421)와, 상기 베이스(1411, 1421)를 절연시키기 위해 상기 베이스(1411, 1421)의 표면에 코팅되고 세라믹으로 구성되는 코팅층(150)을 포함한다.
n형 열전 변환 소재(110)는 n타입 반도체소자로 이루어질 수 있다.
p형 열전 변환 소재(120)는 p타입 반도체소자로 이루어질 수 있다.
복수의 전극(130)은 n형 열전 변환 소재(110)와 p형 열전 변환 소재(120)를 전기적으로 직렬 연결하도록 구성될 수 있다.
복수의 전극(130)은 n형 열전 변환 소재(110)의 하단부(또는, 고온 측 단부)와 p형 열전 변환 소재(120)의 하단부(또는, 고온 측 단부)를 전기적으로 연결하는 고온 측 전극(131)과 n형 열전 변환 소재(110)의 상단부(또는, 저온 측 단부)와 p형 열전 변환 소재(120)의 상단부(또는, 저온 측 단부)를 전기적으로 연결하는 저온 측 전극(132)을 포함할 수 있다.
열전 변환 모듈의 발전 성능을 향상시키기 위해서는 열전 변환 소재(110, 120)의 고온부와 저온부의 온도차가 높을수록 유리하다. 예를 들면, 열전 변환 모듈은 차량의 배기가스의 열을 재사용함으로써, 차량의 배터리의 부하를 저감하는데 이용될 수 있다.
한편, 차량의 배기계에 설치된 열전 변환 모듈은 열이나 진동에 쉽게 노출된다.
종래에는 기판을 산화 알루미늄(Al2O3)나 질화 알루미늄(AlN)과 같은 세라믹만으로 구성할 경우 취성(brittleness)이 커서 파괴되기 쉬운 단점이 있고, 고분자 필름을 이용하는 경우에는 유연성은 좋은 반면에 고온에서 사용할 수 없는 단점이 존재하였다.
본 실시예에 따른 열전 변환 모듈은 위와 같은 단점을 개선하기 위해 안출된 것이다. 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈은, 일정 수준의 연성(ductility)을 가져 외력에 의해 쉽게 파손되지 않고, 열전 변환 모듈에서 요구되는 절연성도 가지는 기판(140)을 포함한다. 보다 구체적으로 기판(140)은 금속 합금으로 구성되는 베이스(1411, 1421)와, 베이스(1411, 1421)를 절연시키기 위해 베이스(1411, 1421)의 표면에 코팅되고 세라믹으로 구성되는 얇은 코팅층(150)을 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
여기서 연성(ductility)은 재료의 성질 중 하나로써, 인장력이 가해졌을 때 파괴되지 않고 변형을 견딜 수 있는 성질을 의미한다. 연성이 높을수록 인장력이 가해졌을 때 파괴되지 않고 더 많이 변형될 수 있다.
예를 들어, 연성이 높은 재료를 이용하여 기판을 제작하면 상대적으로 연성이 낮은 재료를 이용하여 기판을 제작하였을 때보다 외력에 의한 기판의 파괴가 방지될 수 있다.
본 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 특징을 이하에서보다 상술한다.
기판(140)은 금속 합금으로 구성되는 베이스(1411, 1421)와, 상기 베이스(1411, 1421)를 절연시키기 위해 상기 베이스(1411, 1421)의 표면에 코팅되고 세라믹으로 구성되는 코팅층(150)을 포함할 수 있다.
베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 또는 금속 합금은 코팅층(150)을 구성하는 세라믹보다 열 및 전기 전도성이 높은 특성을 가지는 것으로 선택될 수 있다.
또한, 기판(140)은 베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 또는 금속 합금의 열팽창 계수와 코팅층(150)을 구성하는 세라믹의 열팽창 계수가 서로 비슷한 값을 가지는, 금속 또는 금속 합금과 세라믹으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 기판(140)은 베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 또는 금속 합금의 열팽창 계수와 코팅층(150)을 구성하는 세라믹의 열팽창 계수의 비가 1:1 ~ 1.8:1 인 특성을 가지는, 금속 또는 금속 합금과 세라믹으로 구성될 수 있다.
베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 합금과 코팅층(150)을 구성하는 세라믹의 열팽창 계수의 차이가 클수록, 열전 변환 모듈을 고온에서 장시간 이용 시 베이스(1411, 1421)와 베이스(1411, 1421)를 덮고 있는 코팅층(150) 간의 열응력에 의해 기판(140)이 손상되거나 파손될 위험이 높다.
따라서, 베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 또는 금속 합금과 코팅층(150)을 구성하는 세라믹은 서로 열팽창 계수의 차이가 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 또는 금속 합금은 냉간 압연이 가능하고, 열 전도도가 세라믹(SiO2, Al2O3, Si 등)보다 우수한 특성을 가지는 것으로 선택될 수 있다.
예를 들면, 베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 스틸(Steel, 탄소 함유량에 따라 다양할 수 있음) 등 중에서 어느 하나일 수 있고, 금속 합금은 이와 같은 금속을 포함하는 합금일 수 있다.
또한, 코팅층(150)을 구성하는 세라믹은 금속(또는 금속 합금)에 도금이 가능한 재질일 수 있다. 코팅층(150)은 세라믹(ceramic)으로 구성될 수 있다. 세라믹은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로써, 내열성이 좋고 전도성이 낮아 절연재료로 적합하다.
예를 들면, 코팅층(150)은 산화 마그네슘(MgO)로 구성될 수 있다.
아래의 표 1을 참조하여 기판에 사용 가능한 물질들의 특성을 살펴보기로 한다.
조성 열전달 계수
(W/m·K)		 열팽창 계수
(10-6/K)		 파단강도
(Mpa)		 비고
Al2O3 35 8.4 4 종래의 기판을 구성하는 물질
AlN 140~180 4.5 2.6
Cu 380 16 40~100 본 실시예에 따른 기판을 구성하는 물질
MgO 30~60 9~12 2.8
종래의 기판을 구성하는데 사용되는 물질 중 하나인 산화 알루미늄(Al2O3)은 세라믹으로써 열전도도 및 전기전도도가 낮은 특성을 가진다. 이에 따라, 고온부 열원의 열이 기판을 통해 열전 변환 모듈 내부로 전도될 때 열손실이 발생하여, 열전 변환 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
또한, 산화 알루미늄(Al2O3)은 파단강도가 금속에 비해 낮다. 즉, 산화 알루미늄은 취성(brittleness)이 높아, 외력이 가해지면 변형되기보다 깨지기가 쉬운 특성이 있다. 따라서, 자동차의 배기계와 같이 장시간 진동과 열에 노출되는 환경에서 사용되기에는 다소 적합하지 않다.
종래의 기판을 구성하는데 사용되는 물질 중 하나인 질화 알루미늄(AlN)은 세라믹으로 분류되며 고열 전도율, 우수한 전기절연성, 낮은 열팽창 계수 등의 특성으로 인해 다양한 분야에서 방열판 또는 기판으로 이용된다. 하지만, 질화 알루미늄은 금속 또는 금속 합금에 비해서는 열전도도가 떨어지고, 파단강도가 약하다는 단점이 있다.
종래의 기판을 구성하는데 사용되는 구성에는 고분자 필름이 있다. 예를 들면, 폴리이미드(polyimide, PI)는 강직한 방향족 주쇄를 기본으로 하는 열적 안정성을 가진 고분자 물질로 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 내화학성, 내열성뿐만 아니라 절연 특성, 낮은 유전율을 가져 고분자 기판 재료로 쓰이고 있다. 고분자 필름의 내열성을 높이기 위한 연구가 계속되고 있으나, 상용화되어 대량으로 이용될 수 있는 폴리이미드 계열 고분자 필름의 내열 온도는 최대 300도 정도이다. 자동차의 배기계에 배치되는 열전 변환 모듈의 경우를 예로 들면, 열전 변환 모듈은 상황에 따라 300도 이상의 고온에 노출된다. 따라서, 이와 같은 열전 변환 모듈의 경우 고분자 필름을 사용하는 것은 적합하지 않다.
충격 등에 의해 쉽게 파손되지 않는 내구성과 300도 이상의 고온을 견딜 수 있는 내구성을 가지는 기판을 구성하기 위해 본 실시예에서는, 종래에는 주로 단일 물질로 기판을 구성하는 것과 달리, 금속 합금으로 기판(140)의 베이스(1411, 1421)를 형성한 이후에 베이스(1411, 1421)를 절연시키기 위해 전기전도성이 낮은 물질로 코팅층(150)을 형성한다는 것에 특징이 있다.
베이스(1411, 1421)를 구성하는 금속 합금은 열전도성이 높을수록 좋다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 코팅층(150)을 형성하는 세라믹과 열팽창 계수의 차이가 일정 수준 미만인 것이 바람직하다.
아래의 표 2를 참조하여 베이스(1411, 1421)를 구성하는 재질로써 바람직한 금속 합금을 설명하기로 한다.
구분 열전달 계수
(10-6W/m·K)		 열팽창 계수
(10-6/K)
Cu 386 16
Al 204 23
Steel
(05wt% C함유)		 54 12.5
표 2를 참조하면, 기판을 형성하기 위한 금속 합금으로 이용될 수 있는 금속의 예로써 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 철(Steel)을 들 수 있다.
예를 들면, 베이스(1411, 1421)는 열전달 계수가 스틸(steel)과 같거나 그보다 크고, 구리(copper)와 같거나 그보다 작은 금속 합금으로 구성될 수 있다. 즉, 베이스(1411, 1421)는 스틸 또는 구리를 포함하여 구성될 수 있고, 그 밖에도 열전달 계수가 스틸 이상 구리 이하인 특성을 가지는 금속 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다.
이 중 구리는 금속 중에서도 은 다음으로 전도성(conductivity)이 높은 물질이고, 알루미늄과 철은 구리보다 전도성이 낮다. 따라서, 열전 변환 모듈의 열전도 효율을 높이기 위해서는 구리 또는 구리 합금으로 기판(140)의 베이스(1411, 1421)를 구성하는 것이 바람직하다.
따라서, 이하에서는 구리 합금(Cu Alloy)로 기판(140)의 베이스(1411, 1421)를 형성하는 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
기판(140)의 두께는 0.75~1.5mm로 구비될 수 있다. 기판(140)의 두께가 0.75mm 이하이면 변형이 너무 쉬운 문제가 있다. 반대로, 기판(140)의 두께가 1.5mm 이상이면 열전 변환 모듈의 열효율이 저하되는 문제가 있다. 이는, 금속 기판의 열전도성이 높다고 하더라도, 고온부의 온도가 동일하다고 할 때 금속 기판의 두께가 클수록 전도되는 열에너지의 양은 감소되기 때문이다. 또한, 기판(140)을 필요 이상으로 두껍게 하는 것은 열전 변환 모듈의 무게와 부피를 증가시키며, 특히 금속 물질로 구성되는 기판의 경우에는 무게가 더 문제될 수 있다. 따라서, 기판(140)이 변형되기 쉬운 정도와 열효율을 고려할 때, 기판(140)의 두께는 0.75~1.5mm로 구비되는 것이 바람직하다.
베이스(1411, 1421)는 일측면에 내측으로 함몰된 함몰부(1412, 1422)가 형성되고, 함몰부들 사이의 융기부(1413, 1423)에 의해 각각의 함몰부(1412, 1422)가 구분될 수 있다.
함몰부(1412, 1422)와 융기부(1413, 1423)는 함몰부(1412, 1422) 내에 전극(131, 132)이 배치되고 열전 변환 소재(110, 120)가 일부 함몰부(1412, 1422)에 삽입되어 전극(131, 132)과 접합되도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 함몰부(1412, 1422)의 저면과 융기부(1413, 1423)의 단부 사이의 거리는 250㎛ 정도로 형성될 수 있다.
함몰부(1412, 1422)는 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120)가 배치될 수 있도록, 그에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 함몰부(1412, 1422)는 직사각형인 형상으로 형성될 수 있다. 함몰부(1412, 1422)는 함몰부(1412, 1422)에 배치되는 전극(131, 132)에 의해 전기적으로 접속되는 n형 열전 변환 소재(110)와 p형 열전 변환 소재(120)가 배열되는 방향으로 길게 형성되는 직사각형 형상으로 형성될 수 있다.
베이스(1411, 1421)는 복수의 함몰부(1412, 1422)가 복수의 열전 변환 소재들(110, 120)이 배열되는 방향으로 배열될 수 있다. 함몰부(1412, 1422) 사이의 융기부(1413, 1423)는 함몰부(1412, 1422) 내에 배치되는 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120)를 감싸서, 결합 위치를 안내할 뿐만 아니라 외부의 충격이나 이물질로부터 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120)의 접합을 보호할 수 있다.
이를 통해, 열전 변환 모듈의 내구성이 강화되고, 충격 또는 이물질의 유입을 저감시켜 열전 변환 성능을 향상시킬 수 있다.
코팅층(150)은 베이스(1411, 1421)보다 전기 전도성이 낮은 특성을 가지고, 또한 베이스(1411, 1421)를 구성하는 물질의 산화를 방지하는 산화 방지막의 기능도 할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 모듈은 베이스(1411, 1421)를 세라믹으로 코팅할 수 있다.
세라믹은 일반적으로 순수한 금속에 비해 열 및 전기전도성이 떨어지고, 취성이 큰 특성을 가진다. 또한, 세라믹은 반응성이 낮아 안정적인 물질이며, 이러한 특성을 이용해 금속의 표면을 세라믹으로 코팅하여 내부 금속의 산화를 방지할 수 있다.
본 실시예의 코팅층(150)을 구성하는 것으로써, 산화 알루미늄(Al2O3) 등도 이용될 수 있으나, 바람직하게는 산화 마그네슘(MgO)를 이용하는 것이 좋다.
위의 표 1을 참조하면, 산화 마그네슘은 구리와 비슷한 열팽창 계수를 가진다. 따라서, 자동차의 배기계와 같은 고온에서 기판(140)의 부분에 따라 열팽창 계수가 다름으로 인해 기판(140) 내에 발생될 수 있는 열응력을 최소화할 수 있다.
따라서, 이하에서는 산화 마그네슘으로 코팅층(150)을 구성하는 본 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
코팅층(150)은 100nm~200nm 두께의 산화 마그네슘 층으로 구성될 수 있다. 100nm 이하로 코팅층(150)을 형성하면, 절연이 불안정하여 n형 열전 변환 소재(110)와 p형 열전 변환 소재(120) 간에 쇼트가 발생할 우려가 있다. 반대로, 200nm 이상으로 코팅층(150)을 형성하게 되면 취성이 높은 세라믹의 특성상 깨지기가 쉬운 문제가 있다. 따라서, 코팅층(150)은 100nm ~ 200nm 두께로 베이스(1411, 1421)를 코팅하는 것이 바람직하다.
기판(140)의 함몰부(1412, 1422) 내에 배치되는 전극(131, 132)은 전도성이 높은 금속 재질로 구성될 수 있다. 전극(131, 132)은 구리(Cu)로 구성될 수 있다. 전극(131, 132)은 인접한 n형 열전 변환 소재(110)와 p형 열전 변환 소재(120)를 안정적으로 접속시키기 위해, 50~100um 정도의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
전극(131, 132)과 열전 변환 소재들(110, 120) 사이에는 접합층(160)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120) 사이의 접합은 천이 액상 확산 접합(Transient Liquid Phase Bonding, TLP bonding)으로 이루어질 수 있다. TLP접합 시 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120) 사이에는 별도의 접합 물질이 가해지게 되고, 전극(131, 132)과 열전 변환 소재(110, 120)가 접합된 이후에는 접합층이 남게 된다.
이와 같이 구성되는 기판(140)은 열전 변환 소재들(110, 120)을 기준으로 고온 측에 배치되는 고온 측 기판(140)과 저온 측 기판(140)을 포함할 수 있다. 고온 측 기판(140)과 저온 측 기판(140)은 앞서 설명한 기판(140)의 구조로 동일한 방식으로 구성되어, 고온 측 기판(140)과 저온 측 기판(140) 사이에 복수의 열전 변환 소재들(110, 120)과 복수의 전극들(131, 132)이 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 고온 측 기판(141)의 함몰부(1412)와 저온측 기판의 함몰부(1422)는 서로 교차되게 형성될 수 있다. 즉, 고온 측 기판(141)의 함몰부(1412)와 저온측 기판의 함몰부(1422)는 복수의 열전 변환 소재들(110, 120)을 고온 측과 저온 측에서 교대로 연결하는 복수의 전극들(131, 132)의 위치에 대응되는 위치에 함몰부(1412, 1422)가 형성될 수 있다.
이를 통해, 각각의 열전 변환 소재들이 고온 측 기판(141)의 함몰부(1412)와 저온 측 기판(142)의 함몰부(1422)에 의해 서로 다른 방향으로 지지될 수 있고, 열전 변환 소재들의 위치가 고정될 수 있다. 즉, 각각의 열전 변환소자들은 도 1의 상하 방향에서 기판들(141, 142)에 의해 지지되고, 도 1의 좌우 방향에서 함몰부들(1412, 1422)에 의해 지지됨으로써, 안정되게 고정될 수 있다.
이와 같이 구성되는 열전 변환 모듈은 금속 합금 소재의 베이스와 세라믹 소재의 코팅층이 형성되는 기판을 포함함으로써, 열전 변환 성능이 향상될 수 있고, 어느 정도 유연성을 가지므로 외력에 의해 쉽게 파손되지 않는 내구성을 가질 수 있다. 그리고, 내열성이 우수한 장점도 있다.
또한, 기판은 함몰부가 형성되어 전극 및 열전 변환 소재의 일부분이 삽입되어 결합됨으로써, 외부의 충격 또는 이물질들로부터 전극과 열전 변환 소재 간의 접합이 보호되며 접합이 안정되게 유지될 수 있다.
또한, 함몰부의 형상에 의해 열전 변환 모듈의 제작 시 결합 위치가 안내되므로, 제작의 편의성이 증대되는 장점도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도 2를 참조하여 열전 변환 모듈의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 고온 측 기판(141)의 베이스(1411)는 복수의 돌기가 외주면 상에 제1 방향과 제1 방향과 수직 방향인 제2 방향으로 배열된 롤러로 가압되어, 복수의 돌기에 대응되는 형상의 함몰부(1412)가 형성될 수 있다.
원하는 형상의 함몰부(1412)를 형성하기 위해, 롤러는 외주면 상에 일정 높이의 돌기들이 특정 간격으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 롤러는 롤러가 회전하며 진행하는 제1 방향으로 복수의 돌기들이 일정 간격으로 배열되고, 제1 방향에 수직되는 방향 즉 롤러의 회전축과 평행한 방향으로 복수의 돌기들이 일정 간격으로 배열될 수 있다.
롤러를 이용하여 베이스(1411)에 함몰부(1412)를 형성하는 과정은, 냉간 압연 방식으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 롤링 방식으로 베이스에 함몰부의 패턴을 형성함으로써, 기판의 생산성이 향상될 수 있다.
다음, 베이스(1411)는 산화 마그네슘으로 코팅되어, 베이스(1411)를 커버하는 코팅층(150)이 형성될 수 있다. 산화 마그네슘 도금은 산화-환원 반응을 이용하여 이루어질 수 있다.
예를 들면, 질산화 마그네슘(Mg(NO2)3)과 염화 마그네슘(MgCl)의 산화-환원 반응을 이용해 베이스(1411)의 표면을 산화 마그네슘으로 도금 처리할 수 있다. 산화-환원 반응을 이용한 금속의 도금 방법은 전원의 양(+)극에 도금하려는 순수 금속이나 합금을 연결하고, 전원의 음(-)극에 도금 처리를 하려는 대상인 물체(금속)를 연결하고, 전해질액 내부에 도금하려는 금속과 도금 처리를 하려는 물체를 둔 상태에서 전원을 가하는 방식을 이용할 수 있다.
이와 같이 산화-환원 방식의 도금방법을 이용하면 베이스 표면에 원하는 얇은 두께(본 실시예에서 100~200nm)로 균일한 코팅층을 형성할 수 있다.
다음, 형성된 고온 측 기판(141)의 함몰부(1412)에 고온 측 전극(131)을 형성할 수 있다. 전극은 구리로 형성될 수 있다. 구리로 구성된 고온 측 전극(131)은 구리 페이스트(Cu paste)나 포토 리소그래피(photolighography) 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 구리 페이스트는 구리와 바인더 등이 혼합된 페이스트를 전극을 형성할 위치에 도포한 후에 이를 열처리하는 방식으로 이루어질 수 있다. 포토 리소그래피는 금속패턴으로 만들어 놓은 마스크에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 기판 상에 전사시켜 복사하는 기술이다.
다음, 열전 변환 소재들(110, 120)을 고온 측 전극(131)과 접합시키기 위해 기판(1411)의 함몰부(1412)에 열전 변환 소재들(110, 120)을 배치할 수 있다. 열전 변환 소재들(110, 120)과 전극(131)의 접합을 위해, 그 사이에 접합제가 도포될 수 있다. 이때, 전극(131)과 열전 변환 소재들(110, 120)의 접합은 천이 액상 확산 접합(Transient Liquid Phase Bonding, TLP bonding)으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Ag3Sn을 이용하여 전극(131)과 열전 변환 소재들(110, 120)을 TLP 접합하여, 기존에 솔더층으로 접착시키는 것보다 접착되는 부분의 내열성을 향상시킬 수 있다.
다음, 저온 측 전극(132)이 형성된 저온 측 기판(142)과 열전 변환 소재(110, 120)가 배치된 고온 측 기판(141)을 접합시켜 열전 변환 모듈을 제작할 수 있다. 저온 측 기판(142)은 고온 측 기판(141)을 형성하는 과정과 동일한 방식으로 형성되고, 저온 측 전극(132)도 고온 측 전극(131)이 형성되는 과정과 동일한 방식으로 형성되고, 저온 측 전극(132)과 열전 변환 소재들(110, 120)도 고온 측 전극(131)과 열전 변환 소재들(110, 120)이 접합하는 방식과 동일한 방식으로 접합될 수 있다.
이와 같은 열전 변환 모듈의 제조 방법을 이용하여 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈을 생산할 수 있다. 특히, 패턴 롤링 방식으로 베이스에 함몰부를 형성하고, 형성된 베이스에 산화-환원 방식으로 코팅층을 형성하여 기판을 제조함으로써, 본 실시예에 따른 기판의 대량 생산이 용이하게 되는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 변환 모듈을 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예와 다른 부분을 중심으로 설명하기로 한다.
도 3에서 참조부호 141'은 본 발명의 다른 실시예에 다른 고온 측 기판(141')을 나타낸 것이고, 참조부호 170은 열전 변환 모듈의 케이싱(170)을 나타낸 것이고, 참조부호 200은 열원과 직접적으로 열교환하는 열 교환기(200)를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 측 기판(141')은 양단이 기판의 길이 방향과 수직되는 방향으로 연장되어 삽입부(143)를 형성할 수 있다. 고온 측 기판(141')은 열원과 열교환이 일어나는 열 교환기(200)에 적어도 일부가 삽입되어 결합하기 위해, 기판의 적어도 어느 일단이 열 교환기(200)를 향하여 연장되는 형상일 수 있다.
예를 들면, 열 교환기(200)는 차량의 배기가스가 유동하는 배기계의 배기관일 수 있다.
삽입부(143)은 압연 공정을 이용하여 기판에 함몰부(1412)를 형성하는 공정 이후에, 기판의 일부를 절곡하여 형성될 수 있다.
또는, 삽입부(143)은 기판에 별도의 부재를 접합시켜 구비될 수도 있다.
삽입부(143)를 기판에 구비하는 과정은 도 2를 참조하여 설명한 열전 변환 모듈의 제조 과정에서, 롤링을 이용하여 함몰부(1412)를 형성하는 과정 이후에 실시될 수 있다. 즉, 베이스(1411)는 함몰부(1412)가 형성된 이후, 베이스(1411)의 양단이 절곡되어 삽입부(143)가 형성될 수 있고, 이와 같이 형성된 베이스(1411)는 전극(131)과 접촉되는 적어도 일부의 표면이 산화 마그네슘 막으로 구성된 코팅층(150)으로 코팅될 수 있다.
삽입부(143)는 열 교환기 내부로 삽입되는 부분에는 코팅층(150)이 형성되지 않을 수 있다.
한편, 도 3에는 삽입부(143)가 고온 측 기판(141')와 직교 방향으로 형성되는 것으로 도시되고 있으나, 이와 달리 고온 측 기판(141')과 직교되는 방향을 기준으로 소정 각도를 이루며 형성될 수도 있다. 다만, 열 교환기(200)에 삽입되는데 용이하기 위해서는, 삽입부(143)는 삽입되는 방향으로 연장되는 형상인 것이 바람직하다.
도시되지는 않았으나, 열전 변환 모듈이 열 교환기에 수직되게 배치되는 경우, 즉 기판이 열 교환기에 수직되게 배치되는 경우, 기판이 길이 방향으로 더 길게 연장되어 열 교환기에 삽입될 수도 있다.
이와 같이 구성되는 열전 변환 모듈은 금속 재질로 구성되어 열전도성이 좋은 기판이 열 교환기 내부로 직접 삽입되어 열을 흡수함으로써, 열전 변환 모듈 내부로 열 에너지가 더 잘 전달될 수 있어 열전 변환 성능이 향상될 수 있는 이점이 있다.
또한, 열전 변환 모듈은 열 교환기와 열전 변환 모듈이 일체화되게 구성됨으로써, 열 교환기와 열전 변환 모듈 사이의 계면에서의 열에너지 손실이 최소화될 수 있는 이점도 있다.
또한, 열전 변환 모듈은 기판의 형상을 이루는 베이스가 금속 재질로 형성되어 함몰부나 삽입부를 형성하는 것과 같이 다양한 형상으로 제작이 용이하고, 열전 변환 모듈의 배치 환경에 따라 다양한 형상으로 적용 가능한 이점도 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 개념도이다.
본 발명의 또 다른 실시예가 본 발명의 일 실시예와 다른 부분은, 코팅층(250)의 형상에 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 코팅층(250)은 기판(140)의 테두리 전체를 감싸는 것이 아니라, 전극(130)과 기판(140)의 절연에 필요한 부분만 선택적으로 커버할 수 있다.
예를 들면, 코팅층(250)은 전극(130)과 기판(140) 사이에 마련되어, 전극(130)과 기판(140)이 서로 통전되는 것을 제한하거나 방지할 수 있다.
도 4와 같이, 코팅층(250)은 함몰부(1412)에 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 코팅층(250)은 함몰부(1412)의 내면을 커버하는 형상으로 구비되어, 전극(130)과 열전 소재들(110, 120)이 기판(140)(또는, 베이스(1411, 1421))와 통전되는 것을 방지할 수 있다.
위와 같이, 코팅층(250)을 필요한 부분에 선택적으로 마련함으로써, 기판(140) 전체를 커버하는 경우에 비해 소요되는 코팅층(250)의 재료의 양을 줄일 수 있고, 제작에 소요되는 시간 또는 비용 등을 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
110 : n형 열전 변환 소재
120 : p형 열전 변환 소재
130 : 전극
131 : 고온 측 전극
132 : 저온 측 전극
140 : 기판
141 : 고온 측 기판
142 : 저온 측 기판
1411, 1421 : 베이스
1412, 1422 : 함몰부
1413, 1423 : 융기부
143 : 삽입부
150, 250 : 코팅층
160 : 접착층
170 : 케이싱

Claims (17)

  1. 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 베이스와, 상기 베이스를 절연시키기 위해 상기 베이스의 표면에 코팅되고 금속 산화물로 구성되는 코팅층을 포함하는 기판;
    상기 기판 상에 교대로 배열되는 복수의 n형 열전 변환 소재 및 복수의 p형 열전 변환 소재; 및
    상기 기판 상에 배치되어 교대로 배열된 복수의 열전 변환 소재들을 일측 및 타측에서 교대로 접속하는 복수의 전극을 포함하고,
    상기 금속 또는 금속 합금은 상기 금속 산화물보다 연성(ductiliity)이 더 높은 특성을 가지고,
    상기 기판은,
    상기 금속 합금의 열팽창 계수와 상기 금속 산화물의 열팽창 계수의 비가 1:1 ~ 1.8:1 인 특성을 가지고,
    상기 금속 합금은, 구리 합금(Cu Alloy)이고,
    상기 금속 산화물은, 산화 마그네슘(MgO)이고,
    상기 기판은,
    열원과 열교환이 일어나는 열 교환기에 적어도 일부가 삽입되어 결합하기 위해, 상기 기판의 적어도 어느 일단이 상기 열 교환기를 향하여 연장되고,
    상기 기판에서 상기 열 교환기 내부로 삽입되는 부분에는 상기 코팅층이 형성되지 않는, 열전 변환 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스의 두께는, 0.75~1.5mm 인, 열전 변환 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는, 100~200nm인, 열전 변환 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극의 두께는, 50~100㎛인, 열전 변환 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 베이스는,
    일측면에 내측으로 함몰된 함몰부가 형성되고,
    상기 함몰부 내에 상기 전극이 배치되고, 인접한 상기 n형 열전 변환 소재와 상기 p형 열전 변환 소재가 상기 함몰부에 일부 삽입되어 상기 함몰부 내의 전극과 접합되는, 열전 변환 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 함몰부는, 상기 기판의 표면으로부터 함몰된 깊이가 200~300㎛인, 열전 변환 모듈.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 함몰부는,
    상기 복수의 n형 열전 변환 소재 및 복수의 p형 열전 변환 소재가 배열되는 방향으로 복수 개가 형성되는, 열전 변환 모듈.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 열전 변환 소재들의 고온 측 단부와 연결되는 고온 측 기판과, 상기 열전 변환 소재들의 저온 측 단부와 연결되는 저온 측 기판을 포함하고,
    상기 복수의 전극은,
    상기 열전 변환 소재들을 고온 측에서 연결하는 고온 측 전극과, 저온 측에서 연결하는 저온 측 전극을 포함하고,
    상기 고온 측 기판은,
    고온 측 함몰부가 복수 개 형성되어, 상기 고온 측 함몰부 내에 상기 고온 측 전극이 배치되고, 인접한 상기 n형 열전 변환 소재 및 상기 p형 열전 변환 소재가 일부 삽입되어 상기 고온 측 전극과 접합되고,
    상기 저온 측 기판은,
    저온 측 함몰부가 복수 개 형성되어, 상기 저온 측 함몰부 내에 상기 저온 측 전극이 배치되고, 상기 고온 측 전극에 의해 접속되지 않는, 인접한 상기 n형 열전 변환 소재 및 상기 p형 열전 변환 소재가 일부 삽입되어 상기 저온 측 전극과 접합되는, 열전 변환 모듈.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 코팅층은,
    상기 베이스의 표면의, 상기 함몰부가 형성되는 영역을 커버하는, 열전 변환 모듈.
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 코팅층은,
    상기 베이스의 표면의, 상기 복수의 전극과 인접하는 영역을 커버하는, 열전 변환 모듈.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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