KR102626845B1 - 열전 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
복잡하지 않고 저비용으로 구현할 수 있으며 우수한 접합 특성을 가진, 열전 모듈과 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소재; 금속 재질로 구성되어 열전 소재 사이에 연결된 전극; 상기 열전 소재와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소재와 상기 전극을 접합시키는 접합층; 및 상기 접합층과 상기 열전 소재 사이에 개재되는 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 포함한다.
Description
본 발명은 열전 모듈 관련 열전 기술에 관한 것으로서, 특히 전극과 열전 소재 사이의 접합 부분을 개선한 열전 모듈과 그 제조 방법에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
열전 모듈은, 홀이 이동하여 전기에너지를 발생시키는 p형 열전 소재(thermoelectric element : TE)와 전자가 이동하여 전기에너지를 발생시키는 n형 열전 소재로 이루어진 p-n 열전 소재 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 또한, 이러한 열전 모듈은 p형 열전 소재와 n형 열전 소재 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.
종래 열전 모듈의 경우, 전극과 열전 소재 사이를 접합하기 위해, 솔더링(soldering) 방식이 많이 이용되어 왔다. 예를 들어, Sn계 솔더 페이스트나 Pb계 솔더 페이스트를 이용하여 전극과 열전 소재 사이를 접합하는 것이다. 그런데, 이와 같은 솔더 페이스트는, 녹는점이 낮아 높은 온도 조건에서 열전 모듈을 구동하는 데에 한계가 있다. 예를 들어, 열전 소재와 전극 간 접합을 위해 Sn계 솔더 페이스트가 이용된 열전 모듈의 경우, 200℃ 이상의 온도에서 구동되기 어렵다.
최근에는 고온에서의 공정 및 구동이 가능하도록 메탈라이징층을 이용해 전극과 열전 소재 사이의 접합력을 강화하는 것이 제안되어 있다.
도 1은 메탈라이징층을 포함하는 기존 열전 소자의 단면도이다.
열전 소자(10)의 메탈라이징층(40)은 금속 전극(60)과 열전 반도체(20) 사이에 존재하는 접합층(50)의 접합력을 향상시키기 위해 열전 반도체(20)와 접합층(50)과의 접속 부위에 형성한다. 메탈라이징층(40)과 열전 반도체(20) 사이에는 확산방지막(30)을 더 형성할 수 있다.
일반적으로 메탈라이징층(40)에는 무전해 니켈/금도금(ENIG, Electroless Nickel Immersion Gold) 기술이 주로 활용되고 있다. ENIG 공정은 탈지, 에칭, 산세, 프리딥, 촉매, 포스트딥, 무전해 Ni 도금, 헹굼, 무전해 Au 도금, 헹굼 및 건조의 단계를 포함한다. 따라서, 공정이 매우 복잡하고, 비용이 많이 발생하며, 도금 작업 변수에 따라서 접합 계면의 미세 조직 변화, 부식 등으로 인하여 접속 부위에 접합 불량이 발생하는 문제점이 있다. ENIG 공정 후에도, 환경적으로 습기, 배출 가스에 의한 접합 불량, 부식성(corrosive) 부산물에 의한 접촉 저항 변화가 발생할 수 있으며, 이는 열전 소자(10) 성능에 심각한 불량을 초래할 수 있다.
ENIG의 접합 불량 문제 개선을 위해 ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 기술도 개발되었으나, 도금 공정 기술의 한계인 공정의 복잡성 및 고비용 문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.
열전 모듈에서의 열전 소재(열전 반도체), 접합층, 전극간의 접합력은 열전 모듈의 (기계적) 내구성을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 복잡하지 않은 공정으로, 그리고 저비용으로, 접합력을 우수하게 하는 기술 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 솔더링에 의하지 않기 때문에 종래의 접합 방식에 비해 높은 온도에서도 열전 모듈이 안정적으로 구동될 수 있으면서, 도금에 의하지 않고 메탈라이징층을 형성해 복잡하지 않고 저비용으로 구현할 수 있으며 우수한 접합 특성을 가진, 열전 모듈과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소재; 금속 재질로 구성되어 열전 소재 사이에 연결된 전극; 상기 열전 소재와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소재와 상기 전극을 접합시키는 접합층; 및 상기 접합층과 상기 열전 소재 사이에 개재되는 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 포함한다.
상기 전극은 복수 개일 수 있으며 이러한 전극은 기판에 구비되어 있을 수 있다. 상기 확산방지층/메탈라이징층은 Ti층/Ag층인 것이 바람직하다.
상기 Ti층의 두께는 2㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 0.5㎛ 이상이다. 바람직하게, 상기 Ti층의 두께는 4㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 1㎛ 이상이다.
상기 열전 소재의 표면 조도 Ra는 0.2 초과 0.8 미만인 것이 바람직하다. 이를 위해 가공처리되어 있을 수 있다. 특히 0.3 이상 0.7 이하인 것이 바람직하다.
상기 접합층은, Ni, Sn, Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 하나 이상의 금속을 구비할 수 있다. 바람직하게, 상기 접합층은 Ag 소결 페이스트(sinter paste)를 이용한 층이다.
또한, 상기 열전 소재는, 비쓰무스 텔루라이드(bismuth telluride)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 하프휘슬러(Half heusler)계 등의 열전 반도체로 구성될 수 있다.
상기와 같은 열전 모듈은 바람직하게 열전 발전 장치로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소재 및 금속 재질로 구성된 복수의 전극을 준비하는 단계; 상기 열전 소재에 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 형성하는 단계; 및 상기 이중 증착막 위에 접합층을 개재하여 상기 열전 소재와 상기 전극을 접합시키는 단계를 포함한다.
상기 확산방지층/메탈라이징층은 Ti층/Ag층인 것이 바람직하며, 이 때, 증착법을 통해 상기 Ti층을 형성한 다음, 연속적으로 증착법을 통해 상기 Ag층을 형성하도록 한다.
특히, 상기 이중 증착막을 형성하는 단계는, 스퍼터링 장비의 챔버 안에 Ti 타겟과 Ag 타겟을 장착하는 단계; 상기 스퍼터링 장비 내 감압 분위기 형성 후, 상기 Ti 타겟을 이용해 상기 Ti층을 먼저 증착하는 단계; 및 상기 스퍼터링 장비를 열지 않고 그대로 상기 Ag 타겟을 이용해 상기 Ti층 위에 상기 Ag층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 이중 증착막을 형성하기 전에 상기 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2 초과 0.8 미만, 더 바람직하게는 0.3 이상 0.7 이하가 되도록 가공처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 고온에서도 안정적으로 구동될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 300℃ 정도의 온도는 물론, 400℃ 내지 500℃까지 안정적으로 구동될 수 있으며, 높게는 대략 800℃까지의 온도 조건에서도 접합층이 유지될 수 있으므로 구동될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 모듈에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 높은 접합 강도, 이를테면 10MPa 이상의 접합 강도를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면 기존의 도금 공정을 제거하고도 열전 모듈 제조가 가능하다. 연속적인 증착법을 통해 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막 구조를 형성함으로써 기존에 메탈라이징층을 형성하는 데에 이용하였던 도금 공정을 제거한다. 본 발명에 따르면 도금 공정 제거에 따라 전체 모듈 제조 공정을 단순화할 수 있고, 비용 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 열전 소재의 성능(확산방지기능, 열전특성)은 그대로 유지하고, 접합층과 열전 소재간의 접합력은 향상시킬 수 있으며, 도금 공정을 포함하지 않기에 간단한 방법으로 열전 모듈을 제조할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 메탈라이징층을 포함하는 기존 열전 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 실시예 1의 Ag층의 표면 및 비교예 1의 메탈라이징층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 2, 3에서 Ag층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 DSS 평가 결과 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 출력(power) 그래프이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 저항(R) 그래프이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 개방 전압(VOC)그래프이다.
도 1은 메탈라이징층을 포함하는 기존 열전 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 실시예 1의 Ag층의 표면 및 비교예 1의 메탈라이징층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 2, 3에서 Ag층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 DSS 평가 결과 그래프이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 출력(power) 그래프이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 저항(R) 그래프이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 개방 전압(VOC)그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 도 2의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈(90)은, 열전 소재(100), 전극(200), 접합층(300) 및 확산방지층(410)/메탈라이징층(420)의 이중 증착막(400)을 포함한다. 그리고, 이들 구조는 상부 기판(510)과 하부 기판(520) 사이에 구현이 될 수 있다.
우선, 열전 소재(100)는, 열전 반도체로 구성되며, 열전 레그라고도 불린다. 이러한 열전 소재(100)에는, p형 열전 소재(110)와 n형 열전 소재(120)가 포함될 수 있다. 열전 소재(100)의 높이, 즉 그 두께는 0.5 내지 5mm일 수 있다.
여기서, p형 열전 소재(110)는, p형 열전 반도체, 즉 p형 열전 재료로 구성되고, 양단 온도차에 의해 홀이 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다. 또한, n형 열전 소재(120)는, n형 열전 반도체, 즉 n형 열전 재료로 구성되며, 양단 온도차에 의해 전자가 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다. 그리고, 이러한 p형 열전 소재와 n형 열전 소재로 구성된 p-n 열전 소재 1쌍이 열전 모듈 구성의 기본 단위가 될 수 있다.
p형 열전 소재(110) 및 n형 열전 소재(120)에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트계, 실리사이드(silicide)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 비쓰무스 텔루라이드계가 바람직하다. 또한, p형 열전 소재와 n형 열전 소재는 동일한 계열의 열전 재료가 사용될 수도 있고, 서로 다른 계열의 열전 재료가 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈(90)의 경우, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 p형 열전 소재와 n형 열전 소재의 열전 재료로 이용될 수 있다.
p형 열전 소재 및 n형 열전 소재는, 각 원료의 혼합 단계, 열처리를 통한 합성 단계 및 소결 단계를 거치는 방식으로 제조될 수 있다. 소결 방법으로는, 열간 정수압 프레스(HIP), 핫 프레스, 방전 플라스마 소결(SPS), 압출 프레스 소결 등의 가압 소결을 이용하는 것이 가능하다. p형 열전 소재 및 n형 열전 소재는 적당한 크기를 가지는 몰드에 분말을 채워 성형한 후 이를 SPS와 같은 방식의 소결로 제조한 것일 수 있다. 아니면 커다란 소결체에서 적당한 크기로 잘라낸 것일 수 있다. 대개는 대량 생산을 위해 커다란 소결체를 제조한 후 이것을 예를 들면 육면체 모양으로 커팅해내 열전 레그들을 제조한다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 소재의 특정 제조 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
좀 더 상세히 설명하면, p형 열전 소재 및 n형 열전 소재는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형은 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형은 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이 때, 한 쌍의 p형 열전 소재 및 n형 열전 소재는 서로 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, p형 열전 소재 및 n형 열전 소재는 전기 전도 특성이 상이하므로, p형 열전 소재의 높이 또는 단면적을 n형 열전 소재의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에는, 도 2에 도시된 열전 모듈(90)과 같이, 다수의 p형 열전 소재 및 다수의 n형 열전 소재가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 p형 열전 소재와 다수의 n형 열전 소재는, 서로 다른 종류의 열전 소재가 교호적으로 배치되어 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
전극(200)은 상부 전극(210)과 하부 전극(220)을 포함한다. 전극(200)은, 전기 전도성 재질, 특히 금속 재질로 구성될 수 있다. 전기 손실을 최소화하기 위하여 전기 전도성이 높은 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 이를테면, 전극(200)은, Cu, Al, Ni, Au, Ti, Sn 등 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 전극(200)은 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극(200)은, 구리판 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 전극(200)은 양단에 열전 소재(100)와 용이하게 접합될 수 있도록 일 방향이 상대적으로 긴 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극(200)은 Cu층으로만 이루어질 수 있다. 또는, 전극(200)은 Cu, Ni 및 Au가 순차적으로 적층되거나, Cu, Ni 및 Sn이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
특히, 전극(200)은, p형 열전 소재(110)와 n형 열전 소재(120)의 위, 아래에 구비되어 이들 사이를 상호 연결할 수 있다. 전극(200)의 일단은 p형 열전 소재(110)에 접합 연결되고, 전극(200)의 타단은 n형 열전 소재(120)에 접합 연결될 수 있다.
한편, p형 열전 소재(110)와 n형 열전 소재(120)는 열전 모듈에 다수 포함될 수 있기 때문에, 전극(200) 역시, 열전 모듈에 다수 포함될 수 있다. 전극(200) 두께는 100 내지 300㎛일 수 있다.
접합층(300)은, 열전 소재(100)와 전극(200) 사이에 개재되어 열전 소재(100)와 전극(200)을 접합시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3의 구성을 참조하면, 접합층(300)은, 열전 소재(100)와 상부 전극(210) 사이에 개재되어, 열전 소재(100)의 상부와 상부 전극(210)의 하부를 상호 접합시킬 수 있고, 열전 소재(100)와 하부 전극(220)의 사이에도 개재되어, 열전 소재(100)의 하부와 하부 전극(220)의 상부를 상호 접합시킬 수 있다. 접합층(300)의 두께는 수십㎛일 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 열전 모듈에서, 접합층(300)은, Ni, Sn, Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 하나 이상의 금속을 구비할 수 있다. 이들 금속은 금속 입자를 포함한 페이스트를 이용해 도포하거나, PVD 방식으로 막을 형성하여 열전 소재(100) 위에 또는 전극(200) 위에 제공될 수 있다. 바람직하게, 접합층(300)은 Ag 소결 페이스트를 이용한 층이다. 또한, 접합층(300)은, Ag 소결 페이스트가 전극(200)과 열전 소재(100) 사이에 도포된 상태에서, 가열 및 가압에 의해 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 전극(200)이나 열전 소재(100) 위에 Ag 소결 페이스트를 도포한 후 Ag 소결 페이스트가 가운데에 오도록 전극(200)과 열전 소재(100)를 붙인 상태에서 최종 접합 과정에서 열과 압력을 인가해 소결하면 접합층(300)을 형성할 수 있다. 여기서, 접합층(300)을 형성하기 위한 소결 전 페이스트에 포함되는 Ag 분말은, 평균 입경이 0.1㎛ 내지 20㎛일 수 있다. 한편, 접합층(300)을 형성하는 페이스트는, 유기 바인더 및 솔벤트를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 접합층(300)을 형성하기 위한 Ag 소결 페이스트는, Ag 분말이 유기 바인더 및 솔벤트를 포함하는 수지용액에 분산된 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 접합층(300)은, Ag 소결 페이스트에 상온 이상의 열 및 수 내지 수십MPa의 압력이 인가됨으로써 형성될 수 있다. 특히, 접합층(300) 형성을 위해, Ag 소결 페이스트에는 상온 내지 100℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상의 열이 가해질 수 있다. 또한, 접합층(300)은, Ag 소결 페이스트에 3MPa 내지 30MPa, 바람직하게는 5MPa 내지 20MPa의 압력이 인가됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 접합층(300)의 접합 강도는, 1MPa 이상일 수 있다. 바람직하게는, 접합층(300)의 접합 강도는, 10MPa 이상일 수 있다.
이중 증착막(400)은 확산방지층(410)/메탈라이징층(420)으로 이루어진다. 적층의 순서는 열전 소재(100)에서 접합층(300)의 방향으로 확산방지층(410)이 먼저 오고 메탈라이징층(420)이 나중에 온다.
확산방지층(410)/메탈라이징층(420)에서, 확산방지층(410)은 Ti, Zr 및 Mo 중 적어도 어느 하나이고, 메탈라이징층(420)은 Ag, Au 및 Pt 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 특히, 확산방지층(410)/메탈라이징층(420)은 Ti층/Ag층인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 Ti층의 두께는 2㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 0.5㎛ 이상이다. 바람직하게, 상기 Ti층의 두께는 4㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 1㎛ 이상이다. 이 정도 두께 이상일 때에 각 층은 확산방지, 메탈라이징의 역할을 만족스럽게 수행할 수 있다. 확산방지 기능을 하는 Ti층이 2㎛ 미만일 경우 전극(200)과 열전 소재(100)간 물질 확산을 방지하는 데 충분하지 않을 수 있고, 열전 성능의 저하를 유발할 수 있다. 또한, 메탈라이징 기능을 하는 Ag층이 0.5㎛ 미만이거나 10㎛ 이상이면 접합층(300)과 열전 소재(100)간의 접합력이 떨어져 박리가 일어날 수 있다.
바람직하게, 열전 소재(100)는 적어도 확산방지층(410)이 형성될 표면이 표면 조도 Ra(중심선 평균 거칠기)가 0.2 초과 0.8 미만이다. Ra < 0.2에서는 이중 증착막(400) 형성 후 다공성 특징이 없고, 접합력이 좋지 않다. Ra > 0.8에서는 이중 증착막(400) 형성 후 막 표면에 구멍이 너무 많아 막의 내구성이 낮아 접합력이 좋지 않다. 이러한 표면 조도를 가질 수 있도록 필요하다면 가공처리되어야 한다. 특히 표면 조도 Ra는 0.3 이상 0.7 이하임이 바람직하다.
표면 거칠기 곡선에서 산봉우리를 깎아 골을 메웠을 때 생기는 직선을 중심선이라고 하며, 그 중심선의 방향으로 측정길이 부분을 채취하고, 중심선으로부터 아래쪽에 있는 부분을 위쪽으로 접어서 얻은 윗부분 면적을 측정길이로 나눌 때 얻게 되는 값을 마이크로미터(㎛) 단위로 나타낸 것이 Ra이다. 즉, 중심선을 기준으로 거칠기의 면적을 측정길이로 나눈 값을 ㎛로 나타낸 것을 중심선 평균 거칠기(Ra)라고 한다. 중심선 표면 거칠기는 전기적인 직독식 표면 거칠기 측정기를 사용하여 직접 측정해서 구할 수 있다. 측정기로 표면 파상도의 성분을 제거하는 한계의 파장을 컷 오프(cutoff)라 한다. 측정길이는 원칙적으로 컷오프 값의 3배 또는 그 보다 큰 값을 취한다.
상기한 범위 내의 표면 조도를 가지는 열전 소재(100)의 위에 확산방지층(410)/메탈라이징층(420)으로 이루어진 이중 증착막(400)을 형성해야만 비로소 불규칙한 요철 및 다공성 특징을 가진 메탈라이징층(420)을 형성할 수 있고, 이러한 메탈라이징층(420)의 형상학적, 구조적 특징을 통해 접합력 향상을 도모할 수 있다.
이중 증착막(400)은 도 3에 도시된 바와 같이, 열전 소재(100)와 접합층(300) 사이에 개재된다. 이러한 구성에 의하면, 확산방지층(410)에 의해 불필요한 금속간 확산(예를 들어 열전 소재와 접합층 사이의 원자 확산)이 방지되고, 메탈라이징층(420)으로 인해 열전 소재(100)와 접합층(300) 사이의 접합력이 더욱 강화될 수 있다. 더욱이, 이중 증착막(400)은, 도금에 의해 형성하는 것이 아니고 말 그대로 증착법에 의해 형성한 막이기 때문에 공정을 단순하게 하면서 저비용으로 구현이 가능하다.
특히 확산방지층(410)/메탈라이징층(420)을 Ti층/Ag층으로 형성하면, 열전 소재(100)와 Ag일 수 있는 접합층(300) 사이의 접합성을 더욱 개선하고, 열전 소재(100)와 접합층(300) 사이의 원자 확산이 효과적으로 제한될 수 있다.
기판(500)은, 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(500)은, 알루미나 등의 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 기판(500)의 특정 재질로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기판(500)은, 사파이어, 실리콘, SiN, SiC, AlSiC, 석영 등 다양한 재질로 구성될 수 있다.
기판(500)은, 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극과 같은 열전 모듈의 여러 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시킬 수 있고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호할 수 있다. 또한, 기판(500)은, 전극 등이 장착되도록 함으로써, 열전 모듈의 기본적인 형태를 유지하도록 할 수 있다. 예를 들어, 기판(500)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전 소재(100)의 상부에 결합된 상부 전극(210)의 상부에 형성된 상부 기판(510), 및 열전 소재(100)의 하부에 결합된 하부 전극(220)의 하부에 형성된 하부 기판(520)으로 구비될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 전극(200)은 다양한 방식으로 기판(500)의 표면에 구비될 수 있다. 이를테면, 전극(200)은, DBC(Direct Bonded Copper), ABM(Active Metal Brazing) 등과 같은 다양한 방식으로 기판(500)의 표면에 형성될 수 있다. 또는, 전극(200)은 접착제 등을 통해 기판(500)에 구비될 수도 있다. 경우에 따라서는 기판(500)을 생략한 열전 모듈도 물론 가능하다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 장치에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 고온에서도 안정적으로 제조 및 구동될 수 있으므로, 열전 발전 장치에 적용되는 경우, 안정적인 성능이 기대될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하여, 먼저 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소재와 금속 재질로 구성된 복수의 전극을 준비한다(S110). 이 때, 열전 소재는 막대 형태로 구성되는 열전 레그이고, n형과 p형의 쌍을 기본적으로 하나 이상 포함한다. 전극은 앞서 설명한 바와 같이 판 형태로 구성될 수 있다. 전극은 이미 기판 위에 구비가 된 상태일 수 있다.
다음으로, 선택적인 단계로서, 바람직하게, 상기 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2 초과 0.8 미만이 되도록 가공처리한다. 더 바람직하게는 0.3 이상 0.7 이하의 범위를 갖도록 가공처리한다. 열전 소재를 소결체로부터 커팅하는 경우라면 커팅에 사용하는 와이어 쏘(wire saw)와 같은 도구에 의한 고유의 거칠기가 절단면에 발생할 수 있다. 또한, 열전 소재를 소결하는 데에 이용한 분말의 입도, 성형 및 소결의 압력, 온도, 그밖의 여러 인자에 의해 열전 소재의 표면의 거칠기가 나타날 수 있다. 표면 거칠기가 중요한 부위는 열전 소재 위에 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막이 직접 형성되어야 할 바로 그 부위이다. 적어도 이 부위의 열전 소재의 표면 조도 Ra가 상기한 범위 내에 있으면 가공처리는 생략할 수 있다. 표면 거칠기가 상기 범위를 벗어나는 경우 가공처리를 실시한다. 가공처리는 재료의 표면을 일부러 거칠게 만들거나 아니면 곱게 다듬는 데에 사용하는 각종 방법을 이용할 수 있으며, 그 예는 샌드블라스팅, 소잉(sawing), 밀링(milling), 래핑(lapping) 등이 될 수 있다. 후술하는 실험예에서는 래핑을 이용하였다. 래핑 기계는 고정반과 회전반 사이에 연마 대상물을 놓고 연마제를 주입하면서 압력을 가해 회전시켜 연마하는 것이다. 연마제 안의 연마입자 크기 조절을 통해 연마 대상물의 표면 거칠기를 조절할 수 있다. 수백 내지 수천mesh의 연마제를 주입하고 수 내지 수십 kgf/cm2의 압력을 가하면서 30분 내지 120분 간 열전 소재(100) 표면을 래핑하면 표면 거칠기 Ra 0.3 내지 0.7을 얻을 수 있다.
한편, 상기 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2 초과 0.8 미만이 되도록 가공처리하는 단계는, 소결체를 제조한 후 이것을 커팅하기 전에 수행할 수도 있다. 디스크 모양과 같이 비교적 넓은 두 표면을 가지는 소결체의 두 표면(마주보는 양면)을 가공처리한 후, 두 표면에 대해 수직이면서 서로에 대해서도 수직인 방향으로 가로 세로로 커팅하면 열전 레그들을 한꺼번에 제조할 수 있다. 커팅면이 아닌, 가공처리한 면에 대해 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 형성하면 된다.
다음으로, 상기 열전 소재에 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 형성한다(S120).
확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막은 상기한 바와 같은 표면 조도를 가지는 열전 소재의 표면에 형성한다. 그리고, 스퍼터링과 같은 PVD 방법에 의해 형성할 수 있다. 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 형성하는 재료에 따라 적합한 증착 방식 및 조건을 당업자는 선택할 수 있을 것이다. 증착 방식은 PVD 이외에도 CVD, 증기증착(vaporization), 이-빔 증착 등 일반적으로 어떠한 막, 특히 금속 등의 무기물 막을 성막하는 데에 있어 습식이 아닌 건식으로 진행하는 방법 중에서 이용될 수 있다.
상기 확산방지층/메탈라이징층은 Ti층/Ag층인 것이 바람직하며, 이 때, 증착법을 통해 상기 Ti층을 형성한 다음, 연속적으로 증착법을 통해 상기 Ag층을 형성하도록 한다. 특히, 상기 이중 증착막을 형성하는 단계는 스퍼터링에 의하는 것이 바람직하다. 잘 알려진 바와 같이 스퍼터링은 이온화된 가스 원자를 증착시키려는 물질(타겟)에 충돌시켜 물질을 분리해낸 후 이를 증착이 되어야 하는 대상(예를 들어, 기판) 쪽으로 퇴적시켜 박막을 형성하는 기술이다.
예를 들어 본 발명에서 Ti층/Ag층인 확산방지층/메탈라이징층을 형성하는 경우라면, 스퍼터링 장비의 챔버 안에 Ti 타겟과 Ag 타겟을 장착하는 단계; 상기 스퍼터링 장비 내 감압 분위기 형성 후, 상기 Ti 타겟을 이용해 상기 Ti층을 먼저 증착하는 단계; 및 상기 스퍼터링 장비를 열지 않고 그대로 상기 Ag 타겟을 이용해 상기 Ti층 위에 상기 Ag층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
감압 분위기로 적당한 진공도의 진공 상태를 만든 후 불활성 가스, 주로 Ar을 주입하고 타겟에 마이너스의 전압을 인가하고 열전 소재에는 플러스의 전압을 인가하여 글로우 방전을 발생시킨다. 글로우 방전 현상에 의해 불활성 가스가 이온화되고 타겟의 표면에 충돌되면, 타겟 구성 성분이 떨어져 나와 열전 소재 상에 막을 형성하게 된다. Ti도 그렇지만 Ag는 특히 고융점 금속이므로 증기화시키기 어려우며 진공 증착법으로 성막하기 어렵다. 그러므로 스퍼터링에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 스퍼터링 타겟의 순도를 조절하면 다른 불순물이나 활성 금속의 첨가없이 순수한 Ag만으로 된 메탈라이징층을 형성할 수 있다는 장점도 있다.
특히 스퍼터링에 의해 형성한 Ti층/Ag층은 치밀하고 막질이 강하며 증착 공정이 안정되어 있어 막질 두께의 제어가 정밀한 장점이 있다. 하나의 챔버 안에서 Ti 확산방지층을 형성한 후, 챔버로부터 열전 소재를 꺼내는 일이 없이 그대로 연속적으로 Ag 메탈라이징층을 형성할 수 있기 때문에, 그리고 습식이 아닌 건식에 의해서만 공정이 진행되며, 많은 단계가 필요하지 않기 때문에, ENIG를 이용하는 종래 기술 대비 매우 간단한 공정 구현이 가능한 장점, 그리고 저비용의 장점이 있다.
그리고 나서, 접합층을 형성한다(S130). 접합층은 전 단계에서 형성한 이중 증착막 위에 형성하여도 되고 전극 위에 형성하여도 된다.
이제 이중 증착막 위에 접합층을 개재하여 열전 소재와 전극을 접합시킨다(S140). 접합층의 종류나 형성 방법에 대해서는 앞의 실시예 부분을 참고할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 실험 결과, 본 발명에 의할 때 접합층과의 접착력이 더 우수하며, 열전성능은 변화없음을 확인하였다.
실시예 1
비쓰무스 텔루라이드(bismuth telluride) 분말 소재를 압출 소결한 원기둥 모양의 잉곳 소재를 와이어 쏘 장비를 통해 약 2 내지 3mm의 두께의 디스크 모양으로 슬라이싱 가공하였다. 그 후, 래핑 공정을 통해 이중 증착막을 형성시킬 디스크 양면의 표면 조도 Ra를 0.4 내지 0.7로 가공하였다.
래핑은 원하는 표면 조도를 얻을 수 있도록 수백 내지 수천mesh의 연마제 중 선택된 연마제를 주입하고 수 내지 수십 kgf/cm2의 압력을 가하면서 30분 내지 120분 간 열전 소재 표면을 연마하는 조건으로 실시하였다.
스퍼터링 장비의 챔버 안에 Ti 타겟과 Ag 타겟을 장착한 다음, 4×10－4 내지 13×10－4 Pa까지 배기해 감압 분위기 형성 후, Ar 가스압 수 Pa, 투입 전력 직류 수십 내지 수백W, 타겟 기판간 거리 수십 내지 수백mm의 조건에서 Ti 타겟을 이용한 스퍼터링을 실시해 Ti층을 먼저 증착하였다. 그런 다음 Ag 타겟을 이용해 상기 Ti층 위에 Ag층을 증착하였다.
Ti층/Ag층을 상기 디스크 양면에 형성하였고, 두 표면에 대해 수직이면서 서로에 대해서도 수직인 방향으로 가로 세로로 커팅하여 열전 레그들을 제조한다. 하단 전극 또는 전극 어레이(array) 위에 접합층 형성 재료인 Ag 소결 페이스트(Alpha metal, argomax 2020)를 바르고 이중 증착막이 올라간 표면과 맞닿도록 열전 레그를 장착한 뒤, 레그 윗 표면에 Ag 소결 페이스트를 바르고 상단 전극을 덮어준다. 이후, 상온 내지 250℃, Air 분위기, 압력(수 내지 수십 MPa), 5 내지 30분간 소결하여 접합층을 형성하여 모듈을 제작한다. 소결 접합을 통한 모듈 제작은 가압 소결 장비를 활용하였다. 가압 소결 장비는 챔버 안에, 일축 방향으로 프레스가 가능한 두 개의 프레스판에 히터를 장착하여 가열이 가능하게끔 구성되어 있는 것이다. 챔버안 분위기 조절할 수 있고, 가압 소결이 가능하다.
실시예
2
열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.3이 되도록 한 다음, 스퍼터링 방법을 이용한 Ti층/Ag층 이중 증착막을 형성하였다. 가공처리 및 이중 증착막의 성막 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예
1
열전 소재의 표면 조도 Ra가 실시예 1과 같은 값이 되도록 한 다음, ENIG를 이용하여 메탈라이징층을 형성하였다. 여기에 Ag 소결 페이스트를 이용해 전극과 접합하였다. 가공처리 조건 등 기타 ENIG를 제외한 나머지 공정 조건은 실시예 1과 동일하다.
ENIG를 이용한 메탈라이징층 형성 과정은 다음과 같다. 열전 소재 표면을 50℃아세톤 또는 이소프로필알콜에 15분간 담지하여 표면 유기물 및 이물질 제거(탈지), 물로 표면 세척(수세), 물중탕으로 95℃ Ni-P 도금용액을 준비 후, 10 분간 담지하여 두께 약 1 내지 2 ㎛ Ni-P-도금막 형성하였다. 수세 후 블로잉(blowing)하여 건조한 다음, MSC사에서 구매한 Au 도금 용액과 물을 1 : 9 부피비율로 섞어 희석한 뒤 약 85℃로 가열하여 준비하고, Ni-P 도금막 형성된 소재를 여기에 약 10분간 담지하여 50 내지 100nm 두께의 Au 도금막을 형성하였다. 마지막으로 수세 및 블로잉하여 마무리하였다.
비교예
2
열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2가 되도록 한 다음, 스퍼터링 방법을 이용한 Ti층/Ag층 이중 증착막을 형성하였다. 가공처리 및 이중 증착막의 성막 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예
3
열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.1이 되도록 한 다음, 스퍼터링 방법을 이용한 Ti층/Ag층 이중 증착막을 형성하였다. 가공처리 및 이중 증착막의 성막 조건은 실시예 1과 동일하다.
도 5는 실시예 1의 Ag층의 표면 및 비교예 1의 메탈라이징층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다. 각 사진에서 스케일 바의 크기는 10㎛이다. 스퍼터링을 통한 Ag층 증착 후 as-depo 상태이자 접합층을 형성하기 전의 메탈라이징층의 표면 상태를 관찰할 수 있다.
도 5에서 (a)는 실시예 1의 고배율 사진, (b)는 저배율 사진이다. 실시예 1의 Ag층을 보면 불규칙하고 깊이있는 요철 및 다공성 특징이 관찰된다. 도 5에서 (c)는 비교예 1의 고배율 사진, (d)는 저배율 사진이다. 비교예 1의 메탈라이징층 표면은 구멍이 없고 요철도 실시예 1보다 작다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 2, 3에서 Ag층의 표면을 관찰한 SEM 사진이다. 각 사진에서 스케일 바의 크기는 10㎛이다. 스퍼터링을 통한 Ag층 증착 후 as-depo 상태이자 접합층을 형성하기 전의 메탈라이징층의 표면 상태를 관찰할 수 있다.
도 6을 참조하면, 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.3인 것(실시예 2)부터 Ag층의 다공성 특징이 나타나며, 추가의 접합력 시험 결과 우수한 접합력을 확인하였다. 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2 이하인 비교예 2, 3에서는 Ag층에 다공성 특징이 없고 접합력도 나쁘게 나타났다.
열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.8인 경우도 실험하여 SEM 확인하였으나, 구멍이 너무 많아 막 자체의 내구성이 낮은 결과, 접합력이 당연히 좋지 않을 것으로 확인되었다.
따라서, 바람직한 열전 소재의 표면 조도 Ra는 0.2 초과 0.8 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.3 이상 0.7 이하이다. 이러한 표면 거칠기를 갖는 열전 소재 위에 이중 증착막을 형성할 때에, 앞서 본 바와 같이 불규칙한 요철 및 다공성의 Ag층을 형성할 수 있다.
이상의 실험 결과를 종합하면, 본 발명에서 열전 소재의 표면 조도 Ra가 특정 범위 내로 오게 하는 경우, Ti층/Ag층 연속 증착 공정을 적용해 불규칙한 요철 및 다공성 특징을 가지는 Ag층을 형성할 수 있다. Ag층이 이러한 구조적/형상학적 특징을 가질 때에, 여기에 접합층을 개재하여 전극과 접합시키는 경우 접합력 향상이 가능하다는 것을 접합력 시험으로 확인하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 대하여 접착력 시험기(Bondtester, Nordson DAGE 4000) 장치를 이용하여, 실온에서 3mm × 3mm 크기의 열전 소재 다이(die)에 전단 힘을 가해 소재가 전극에서 파단되는 순간의 전단 응력(shear strength)을 측정하는 이른바 DSS 평가를 실시하고, 그 결과를 표 1 및 도 7에 나타내었다. 도 7에서 x축은 샘플 종류별 측정 회차를 나타내고, y축은 전단 강도를 나타낸다.
표 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈의 경우, 높은 접합 강도를 가짐을 알 수 있다. 더욱이, 접합 강도가 10MPa 이상으로, 종래 도금법을 이용한 비교예에 비해 높은 접합 강도를 나타내고 있다. 그러므로, 이러한 측정 결과에 의하면, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 열전 소재와 전극 사이에 높은 접합 강도를 가질 수 있음을 알 수 있다.
특정 이론에 국한시키려는 의도 없이, 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈에서 접합력이 더 우수한 것은, 본 발명에 따라 형성한 Ag층의 표면에서의 "불규칙한 요철 및 다공성" 특징으로 인해 나타난다고 생각된다. 그리고, 이러한 표면 특징은 구체적으로 증착 공정에 앞서 열전 소재의 표면 거칠기를 평균 조도 Ra 0.3 이상 0.7 이하로 가공처리한 뒤 연속증착법을 통해 확산방지층인 Ti층과 메탈라이징층인 Ag층을 형성할 때에 나타나는 것임을 확인했다.
다음으로, 실시예 1 및 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 양단 온도차(dT)에 따른 출력(power), 저항(R), 개방 전압(VOC: Open Circuit Voltage)을 측정하여 각 결과를 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
측정기는 자체 제작 평가장비를 활용하였다.
이 평가장비는 하부에서부터 냉각수 순환 블록/냉각부 금속 블록/측정 대상인 열전 모듈/고온부 금속 블록/히터 블록의 순서로 적층된 구조체를 포함하는 것으로, 이 구조체의 상하부에 수직 압력이 인가되도록 하였다(100kg). 냉각수 순환 블록 내부에는 냉각수가 순환하며(6℃) 히터 블록 내부 히터의 온도를 다양하게 변화시키면서(200, 250 및 300℃) 열전 모듈의 양단에 온도차를 발생시킨다. 이 때 열전 모듈의 양단 온도는 상기 언급된 '냉각수 금속 블록'과 '고온부 금속 블록'에 각각 위치한 별도의 온도 센서를 이용하여 측정할 수 있게 되어 있다.
출력, 저항 및 개방 전압 측정 방법은 다음과 같다. 상기 구조체에 포함된 열전 모듈은 계측기에 연결되어 있다. 계측기의 내부 저항이 다양하게 변화하고, 이와 동시에 계측기 양단에 연결된 전압계에서 전압을 측정할 수 있다. 열전 모듈의 출력은 (전압×전압)/(4×저항)으로 계산된다. 계측기의 내부 저항과 열전 모듈의 저항이 동일할 때 최대 출력이 얻어진다(열전 모듈의 저항은 최대 출력이 얻어질 때의 저항을 가리킴). 개방 전압의 경우 열전 모듈에 연결된 계측기의 내부 저항이 0일 때, 계측기의 양단에 연결된 전압계에서 얻어지는 전압을 읽은 수치로 하였다. 상기 출력, 저항 및 개방 전압 측정을 사전에 설정된 히터의 온도 지점에서 반복적으로 진행하였다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 비교예 1 대비 실시예 1의 열전 특성 변화가 없고 거의 동일하게 유지됨을 알 수 있다.
이처럼, 상기 실시예 및 비교예의 측정 결과를 통해 볼 때, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 종래 열전 소재의 성능(확산방지 기능, 열전 특성)은 그대로 유지하고, 접합층과 열전 반도체간의 접합력은 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 대비 열전 성능에 저하 없이, 접합 특성이 향상(진보)된 열전 모듈을 제조할 수 있다.
이상과 같이, 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 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
90: 열전 모듈 100: 열전 소자
110: p형 열전 소재 120: n형 열전 소재
200: 전극 210: 상부 전극
220: 하부 전극 300: 접합층
400: 이중 증착막 410: 확산방지층
420: 메탈라이징층 500: 기판
510: 상부 기판 520: 하부 기판
110: p형 열전 소재 120: n형 열전 소재
200: 전극 210: 상부 전극
220: 하부 전극 300: 접합층
400: 이중 증착막 410: 확산방지층
420: 메탈라이징층 500: 기판
510: 상부 기판 520: 하부 기판
Claims (11)
- 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소재;
금속 재질로 구성되어 열전 소재 사이에 연결된 전극;
상기 열전 소재와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소재와 상기 전극을 접합시키는 접합층; 및
상기 접합층과 상기 열전 소재 사이에 개재되는 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 포함하고,
상기 열전 소재의 표면 조도 Ra는 0.2 초과 0.8 미만이어서,
상기 메탈라이징층은 불규칙한 요철 및 다공성 특징을 가지는 것을 특징으로 하는 열전 모듈. - 제1항에 있어서, 상기 확산방지층/메탈라이징층은 Ti층/Ag층인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 Ti층의 두께는 2㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 0.5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 접합층은, Ni, Sn, Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 하나 이상의 금속을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
- 열전 반도체로 구성되고 표면 조도 Ra가 0.2 초과 0.8 미만인 복수의 열전 소재 및 금속 재질로 구성된 복수의 전극을 준비하는 단계;
상기 열전 소재에 확산방지층/메탈라이징층의 이중 증착막을 형성하여, 상기 메탈라이징층이 불규칙한 요철 및 다공성 특징을 가지도록 형성하는 단계; 및
상기 이중 증착막 위에 접합층을 개재하여 상기 열전 소재와 상기 전극을 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 확산방지층/메탈라이징층은 Ti층/Ag층인 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 Ti층의 두께는 2㎛ 이상이고, Ag층의 두께는 0.5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 증착법을 통해 상기 Ti층을 형성한 다음, 연속적으로 증착법을 통해 상기 Ag층을 형성하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 이중 증착막을 형성하는 단계는,
스퍼터링 장비의 챔버 안에 Ti 타겟과 Ag 타겟을 장착하는 단계;
상기 스퍼터링 장비 내 감압 분위기 형성 후, 상기 Ti 타겟을 이용해 상기 Ti층을 먼저 증착하는 단계; 및
상기 스퍼터링 장비를 열지 않고 그대로 상기 Ag 타겟을 이용해 상기 Ti층 위에 상기 Ag층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법. - 제6항에 있어서, 상기 이중 증착막을 형성하기 전에 상기 열전 소재의 표면 조도 Ra가 0.2 초과 0.8 미만이 되도록 가공처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
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| KR1020190112318A KR102626845B1 (ko) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 열전 모듈 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020190112318A KR102626845B1 (ko) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 열전 모듈 및 그 제조 방법 |
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|---|---|
| KR20210030759A KR20210030759A (ko) | 2021-03-18 |
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| KR1020190112318A KR102626845B1 (ko) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 열전 모듈 및 그 제조 방법 |
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