KR102545378B1 - 열전 레그용 소결체 및 이를 포함하는 열전 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 P형 열전 레그 중 적어도 하나는, Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재, 그리고 상기 열전 소재의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층을 포함한다.

Description

열전 레그용 소결체 및 이를 포함하는 열전 소자{PELLET FOR THERMO ELECTRIC LEG AND THERMO ELECTRIC ELEMENT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 열전소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등이 있다.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함한다. 열전 레그는 열전소자의 성능을 좌우하는 중요한 지표일 수 있다. 일반적으로, 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그용 소결체를 얻는다. 그리고, 열전 레그용 소결체를 절단하여 열전 레그를 얻는다.
이러한 열전 레그용 소결체는 도 1 내지 2에서 도시하는 바와 같이, 벽개면(cleavage plane)을 가진다. 이에 따라, 절단 과정에서 크랙이 발생할 가능성이 높다. 또한, 열전 소자의 구동 시 상부 기판과 하부 기판의 온도 차에 의하여 전단응력이 발생하며, 이에 따라 열전 레그가 깨질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 레그용 소결체 및 이를 포함하는 열전 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재, 그리고 상기 열전 소재의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층을 포함한다.
상기 연자성층은 Fe 및 Si를 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
상기 연자성층의 두께는 16㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 연자성층은 상기 열전 소재의 서로 대향하는 두 개의 측면에 배치될 수 있다.
상기 열전 소재의 상면 및 하면에 각각 배치되는 제1 도금층 및 제2 도금층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 P형 열전 레그 중 적어도 하나는, Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재, 그리고 상기 열전 소재의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체의 제조 방법은 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 분말을 준비하는 단계, 제1 연자성층 및 제2 연자성층 사이에 상기 열전 분말을 배치하는 단계, 상기 제1 연자성층, 상기 제2 연자성층 및 상기 열전 분말을 동시에 소결하여 소결체를 생성하는 단계, 그리고 상기 소결체를 절단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법은 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 분말을 준비하는 단계, 제1 연자성층 및 제2 연자성층 사이에 상기 열전 분말을 배치하는 단계, 상기 제1 연자성층, 상기 제2 연자성층 및 상기 열전 분말을 동시에 소결하여 소결체를 생성하는 단계, 상기 소결체를 절단하여 열전 레그를 생성하는 단계, 그리고 기판 상에 배치된 전극 상에 상기 열전 레그를 배치하는 단계를 포함한다.
상기 전극과 평행하게 배치되는 상기 열전 레그의 상면 또는 하면은 상기 열전 레그의 절단면일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 전도도가 개선된 열전 레그 및 파워 팩터(power factor)가 높은 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 열전 레그를 제조하기 위하여 소결체를 절단하는 과정 중에 크랙이 발생할 가능성을 낮출 수 있다. 또한, 열전 소자 구동 시 전단응력에 의한 열전 레그의 파손 가능성을 낮출 수 있다.
도 1 내지 2는 열전 레그용 소결체를 나타낸다.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 사시도이고, 도 6은 도 5의 열전 레그의 단면도이며, 도 7은 도 5의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 사시도이고, 도 9는 도 8의 열전 레그의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따라 소결체를 절단하는 공정을 나타낸다.
도 12는 비교예에 따른 열전 레그용 소결체의 단면의 SEM 사진이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체의 단면의 SEM 사진이다.
도 14는 연자성층의 SEM 사진이고, 도 15는 연자성층의 성분을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 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, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 열전소자의 단면도이고, 도 4는 열전소자의 사시도이다.
도 3내지 4를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016070607911-pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전 레그용 소결체의 측면에 연자성층을 배치한다. 여기서, 연자성층은 자성 리본일 수 있다. 이에 따라, 열전 레그의 전기 전도도를 증가시킬 뿐만 아니라, 열전 레그의 측면 강도를 강화하여 절단 시 크랙을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 사시도이고, 도 6은 도 5의 열전 레그의 단면도이며, 도 7은 도 5의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 5 내지 7을 참조하면, P형 열전 레그(130)는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재(132), 그리고 열전 소재(132)의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층(134, 136)을 포함한다. 여기서, 제1 연자성층(134)은 열전 소재의 한 측면에 배치되고, 제2 연자성층(136)은 제1 연자성층(134)이 배치된 측면과 대향하는 측면에 배치될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130)의 하면은 하부 기판(110) 상에 배치된 하부 전극(120) 상에 배치되며, P형 열전 레그(130)의 상면에는 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 순차적으로 배치될 수 있다.
이와 같이, P형 열전 레그(130)의 양 측면에 연자성층(134, 136)이 배치되면, P형 열전 레그(130) 내의 전기 전도도가 개선될 수 있다. P형 열전 레그(130) 내의 전기 전도도는 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 열전 소자의 파워 팩터(power factor)에 영향을 미치므로, 본 발명의 실시예에 따르면 열전 소자의 파워 팩터 및 성능을 개선할 수 있다.
또한, P형 열전 레그(130)의 양 측면에 연자성층(134, 136)이 배치되면, P형 열전 레그(130)의 강도가 개선되므로, 절단 공정 중에 크랙이 발생하거나, 열전 소자의 구동 시 파손될 가능성이 낮아지게 된다.
이때, 연자성층(134, 136)은 Fe 및 Si를 포함하는 합금을 포함할 수 있으며, Fe를 92.5 내지 95wt%로 포함하고, Si를 5 내지 7.5wt%로 포함할 수 있다. 연자성층이 이와 같은 함량으로 Fe 및 Si를 포함하면, 열전 레그의 전기 전도도를 높일 뿐만 아니라, 강도를 개선할 수 있다. 여기서, 연자성층(134, 136)의 두께는 16㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 연자성층(134, 136)의 두께가 이러한 수치 범위로 포함되면, 열전 레그의 전기 전도도를 높일 뿐만 아니라, 강도를 개선할 수 있다.
또한, 열전 소재(132)는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 분말 또는 판상 플레이크를 포함할 수 있다. 판상 플레이크는 리본 형상과 혼용될 수 있다. 열전 소재가 판상 플레이크인 경우, 열전 레그는 C축 성장이 가능하며, 열전 레그에는 전위 배열(dislocation array)이 형성될 수 있다. 열전 레그가 C축으로 배향되고, 전위 배열이 형성되면, 포논(phonon)의 스캐터링(scattering)이 제어됨에 따라, 열전 성능이 더욱 개선될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 레그는 상면 및 하면에 배치되는 도금층을 더 포함할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 레그의 사시도이고, 도 9는 도 8의 열전 레그의 단면도이다.
도 8 내지 9를 참조하면, P형 열전 레그(130)는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재(132), 그리고 열전 소재(132)의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층(134, 136)을 포함한다. 이때, 연자성층(134, 136)은 Fe 및 Si를 포함하는 합금을 포함할 수 있으며, 연자성층(134, 136)의 두께는 16㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 여기서, 제1 연자성층(134)은 열전 소재의 한 측면에 배치되고, 제2 연자성층(136)은 제1 연자성층(134)이 배치된 측면과 대향하는 측면에 배치될 수 있다.
그리고, P형 열전 레그(130)는 상면에 배치되는 제1 도금층(137) 및 하면에 배치되는 제2 도금층(138)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 도금층(137) 및 제2 도금층(138)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 5 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(137) 및 제2 도금층(138)은 열전 소재(132) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 전극 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 전극의 산화를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자를 제조하는 방법을 설명한다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 열전 소재를 열처리하여, 잉곳(ingot)을 제조한다(S100). 여기서, 열전 소재는 Bi, Te 및 Sb를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재는 Bi2Sb2-xTe3(0.4<x<0.5)를 포함할 수 있다.
다음으로, 잉곳을 분쇄한다(S110). 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법 또는 아토마이징 기법에 따라 분쇄된 후, 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등에 의하여 밀링될 수 있다. 여기서, 도핑용 첨가제가 더 첨가될 수도 있다. 도핑용 첨가제는 Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다.
다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 분말을 얻는다(S120). 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.
다음으로, 두 연자성층 사이에 열전 분말을 배치한 후(S130), 연자성층과 열전 분말을 동시에 소결하여 소결체를 생성한다(S140). 여기서, 연자성층은 도 14에서 도시하는 연자성층일 수 있으며, 도 15에 따른 성분을 가질 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.
다음으로, 소결체를 절단하여 열전 레그를 생성한다(S150). 소결체를 절단하는 공정은 도 11에 도시되어 있다. 열전 분말을 양 연자성층 사이에 배치한 후 소결한 소결체는 X 방향 및 Y 방향을 따라 절단될 수 있으며, 이는 하나의 열전 레그가 될 수 있다. 이와 같이, 절단 표면에 연자성층이 배치되는 경우, 절단 표면의 강도가 개선되며, 절단 시 크랙 발생 가능성이 줄어들게 된다.
다음으로, 단계 S150의 열전 레그를 기판 상에 배치된 전극 상에 배치한다(S160). 이때, 단계 S150에서 절단된 열전 레그를 90˚ 회전하여 전극 상에 배치할 수 있다. 이에 따라, 전극과 평행하게 배치되는 열전 레그의 상면 또는 하면은 단계 S150에서 절단된 열전 레그의 절단면이고, 연자성층은 열전 레그의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 및 하부 전극 간의 전기 전도도를 개선할 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 이용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 12는 비교예에 따른 열전 레그용 소결체의 단면의 SEM 사진이고, 도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체의 단면의 SEM 사진이다.
비교예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위하여, 비드(bead) 형태의 Bi, Te 및 Sb를 Bi0 . 5Te3Sb1 .5의 조성으로 칭량하였다. 그리고, 비활성 분위기에서 원재료를 녹인 후 냉각시켜 잉곳을 제조하였다. 잉곳을 아토마이징 기법으로 분쇄하여 구형의 플레이크를 얻은 후, 밀링하여, 열전 분말을 얻었다. 체거름을 통하여 10㎛이하의 입자 크기를 가지는 분말을 분리하고, 몰드(Mold)에 담아 SPS 장비로 소결하였다.
실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위하여, 비드(bead) 형태의 Bi, Te 및 Sb를 Bi0 . 5Te3Sb1 .5의 조성으로 칭량하였다. 그리고, 비활성 분위기에서 원재료를 녹인 후 냉각시켜 잉곳을 제조하였다. 잉곳을 아토마이징 기법으로 분쇄하여 구형의 플레이크를 얻은 후, 체거름을 통하여 10㎛이하의 입자 크기를 가지는 분말을 분리하였다. 몰드(Mold)의 바닥에 연자성층을 배치한 후, 체거름한 분말을 배치하고, 분말 상에 연자성층을 다시 배치한 후, SPS 장비로 소결하였다.
이때, 연자성층은 도 14의 SEM 및 도 15의 성분을 가지며, 구체적으로는 Si가 5.48wt% 포함되고, Fe가 94.52wt% 포함되는 연자성층이다.
도 12 및 13을 비교하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열전 레그용 소결체의 단면의 측면에는 연자성층에 의한 경계면이 형성됨을 알 수 있다.
표 1은 비교예의 열전 레그용 소결체의 온도 별 전기 전도도 및 파워 팩터(PF)를 나타내고, 표 2는 실시예의 열전 레그용 소결체의 온도 별 전기 전도도 및 파워 팩터(PF)를 나타낸다.
Temp. (℃) 전기전도도
(S/m)		 제백계수
(V/K)		 PF
(W/m K^2)
25 5.81E+04 2.26E-04 2.97E-03
50 5.29E+04 2.30E-04 2.80E-03
100 4.25E+04 2.38E-04 2.42E-03
Temp. (℃) 전기전도도
(S/m)		 제백계수
(V/K)		 PF
(W/m K^2)
25 1.26E+05 1.56E-04 3.07E-03
50 1.16E+05 1.59E-04 2.93E-03
100 9.74E+04 1.60E-04 2.49E-03
표 1 내지 2를 참조하면, 실시예에 따른 열전 레그용 소결체는 비교예에 따른 열전 레그용 소결체에 비하여 약 2배 높은 전기 전도도를 가짐을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 열전 레그용 소결체의 PF는 비교예에 따른 열전 레그용 소결체의 PF보다 높으며, 특히 25℃에서는 3W/mK2 이상 PF를 얻음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 열전소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판

Claims (16)

  1. Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재, 그리고
    상기 열전 소재의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층
    을 포함하고,
    상기 연자성층은 Fe 및 Si를 포함하는 자성 리본이고,
    상기 열전 소재와 상기 연자성층은 동시에 소결된 열전 레그용 소결체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연자성층의 두께는 16㎛ 내지 20㎛인 열전 레그용 소결체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연자성층은 상기 열전 소재의 서로 대향하는 두 개의 측면에 배치되는 열전 레그용 소결체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전 소재의 상면 및 하면에 각각 배치되는 제1 도금층 및 제2 도금층을 더 포함하는 열전 레그용 소결체.
  6. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 복수의 P형 열전 레그 중 적어도 하나는,
    Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 소재, 그리고
    상기 열전 소재의 측면의 적어도 일부에 배치되는 연자성층
    을 포함하고,
    상기 연자성층은 Fe 및 Si를 포함하는 자성 리본이고,
    상기 열전 소재와 상기 연자성층은 동시에 소결된 열전 소자.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연자성층의 두께는 16㎛ 내지 20㎛인 열전 소자.
  9. 열전 레그용 소결체의 제조 방법에 있어서,
    Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 분말을 준비하는 단계,
    제1 연자성층 및 제2 연자성층 사이에 상기 열전 분말을 배치하는 단계,
    상기 제1 연자성층, 상기 제2 연자성층 및 상기 열전 분말을 동시에 소결하여 소결체를 생성하는 단계, 그리고
    상기 소결체를 절단하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 연자성층 및 상기 제2 연자성층은 Fe 및 Si를 포함하는 자성 리본인 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 연자성층의 두께는 16㎛ 내지 20㎛인 제조 방법.
  12. 열전 소자의 제조 방법에 있어서,
    Bi, Te 및 Sb를 포함하는 열전 분말을 준비하는 단계,
    제1 연자성층 및 제2 연자성층 사이에 상기 열전 분말을 배치하는 단계,
    상기 제1 연자성층, 상기 제2 연자성층 및 상기 열전 분말을 동시에 소결하여 소결체를 생성하는 단계,
    상기 소결체를 절단하여 열전 레그를 생성하는 단계, 그리고
    기판 상에 배치된 전극 상에 상기 열전 레그를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 연자성층 및 상기 제2 연자성층은 Fe 및 Si를 포함하는 자성 리본인 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연자성층의 두께는 16㎛ 내지 20㎛인 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전극과 평행하게 배치되는 상기 열전 레그의 상면 또는 하면은 상기 열전 레그의 절단면인 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 연자성층 및 상기 제2 연자성층은 상기 열전 레그의 측면에 배치되는 제조 방법.
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