KR20070030840A - 열전 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 생산성이 높고, 비교적 원재료 비용이 낮고, 환경 부하가 작은 열전 소자, 중간체, 모듈 및 그들의 제조 방법을 제공하는 것이다. P형 및 N형 재료로 이루어지는 하나 이상의 P 및 N 피스가 절연층을 사이에 두고 교대로 배치된 블럭체이며, 서로 대향하는 단부면에서 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 블록체의 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 블럭체를 복수 배열하여, 전극에서 인접하는 블럭체에 가교를 하고, 또한 전기적인 직렬 결합을 연장한 열전 소자, 그 열전 소자를 이용한 중간체, 그 중간체를 이용한 열전 모듈을 제공한다. 이때, P형 및 N형 재료로서, 통상의 열전대에 이용되는 재료를 이용하면 보다 바람직하다. 인접하는 P 및 N 피스는 그 경계부에서 일부 전기적으로 접합된다.

열전 모듈, 열전도판, 열전 블럭체, P 피스, N 피스, 절연층, 전극, 적층체

Description

열전 소자{THERMOELECTRIC DEVICE}

본 발명은 열전 소자(열전 변환 소자를 포함) 및 그 제조 방법에 관한 것이고, P형 재료 및 N형 재료를 이용한 열전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 제베크 효과에 의한 온도차 발전(열 발전)이나, 펠티에 효과에 의한 전자 냉각ㆍ발열을 가능하게 하는 P형 및 N형 재료로 이루어지는 P형 및 N형 피스를 구비하는 열전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열전 소자는 P형 열전 반도체와 N형 열전 반도체를 금속 전극을 통해 접합하여, PN 접합쌍을 형성한다. 이 PN 접합쌍 사이에 온도차를 부여하는 것에 의해 제베크 효과를 기초로 하는 전력을 발생하므로 발전 장치로서 기능하고, 또한 소자에 전류를 흐르게 하는 것에 의해 접합부의 한쪽에서 냉각, 다른 쪽에서 발열이 일어나는 소위 펠티에 효과를 이용한 온도 제어 장치로서 이용된다.

이 열전 소자는 몇십 내지 몇백 개의 복수개의 PN 접합쌍(열전 소자)을 직렬로 형성한 열전 모듈에 조립되어 사용되는 것이 일반적이다. 이 열전 모듈로서의 열전 소자는, 구조체로서의 형태를 유지하는 동시에 PN 접합쌍을 형성하기 위한 금속 전극을 갖는 2매의 기판과, 그 사이에 끼워진 복수개의 P형 및 N형 열전 반도체와, P형 및 N형 소자와 금속 전극 사이를 접합하기 위한 접합재로 구성되어 있다.

여기서, P형 및 N형 열전 반도체 재료로서는, 예를 들어 Bi-Te계 재료, Fe-Si계 재료, Si-Ge계 재료, Co-Sb계 재료 등을 들 수 있지만, 특히 Bi-Te계 재료가 바람직하게 이용된다.

이상과 같이, 열전 소자는 P형 및 N형의 열전 반도체 2종류를 접속하는 것에 의해 π형(파이형) 소자로서 제공되고, 이러한 소자를 다수 직렬로 접속하여 열전 소자 집합체를 형성하고, 열전 변환 모듈을 구성하고 있다. 열전 소자 재료로서는, 상술한 바와 같이 Bi₂Te₃계가 주로 이용되고 있지만, 원료 비용이 높고, 고온 안정성이 결여되고, 가공성이 부족하고, 환경 부하도 크다고 판단되고 있다. 또한, PN 접합이 리드판을 통해 행해질 때에는, 리드판과의 접촉 저항이 커져 재료 본래의 성능을 충분히 발휘할 수 없는 우려가 있다. 한편, 저렴하고 고온 안정성이 우수한 금속계 재료는 제베크 계수가 작기 때문에, 충분한 전압을 얻기 위해서는 PN 접합쌍을 다량으로 직렬로 접속하는 것이 특히 바람직하다.

이러한 다수의 직렬 접속된 PN 접합쌍은, 예를 들어 2개의 기판 사이에 이들의 π형 소자를 복수 배치한 것이 있다(특허 문헌 1).

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평11-251649호 공보(도1)

그러나, Bi₂Te₃계 재료로 이루어지는 P형 및 N형 열전 반도체는 가공성이 나쁘고, 대량으로 제조하는 경우에는, 특히 생산성이 낮아지는 경향이 있다. 또한, 이러한 반도체는 원료 비용이 높고, 환경 부하가 큰 것에 비추어, 대량으로 제조하는 데에는 반드시 적합하다고는 할 수 없다.

본 발명은 상술한 바와 같은 과제에 비추어 이루어진 것이고, 대량으로 생산해도 생산성이 높고, 비교적 원재료 비용이 낮고, 환경 부하가 작은 열전 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

P형 및 N형 재료에, 통상 열전대(thermocouple)로서 이용되는 재료를 이용하는 것에 의해, 생산성을 유지하면서 비용이나 환경 부하를 제어할 수 있다. 또한, 통상 열전대로서 이용되는 재료의 특성에 맞춘 제조 방법으로 함으로써 생산성의 향상이 기대된다.

통상 열전대로서 이용되는 재료는, 통상 K 타입 열전대로서 알려진 크로멜-알루멜, R 타입 열전대로서 알려진 백금-백금 로듐, T 타입 열전대로서 알려진 구리-콘스탄탄, AF 타입 열전대로서 알려진 금ㆍ철-크로멜, E 타입 열전대로서 알려진 크로멜-콘스탄탄, S 타입 열전대로서 알려진 백금-백금 10 ％ 로듐, G 타입 열전대로서 알려진 텅스텐-텅스텐 26 ％ 레늄 등을 포함할 수 있다. 이들 중, 크로멜-알루멜이 그 사용의 편리함과 가격으로부터 특히 바람직하게 이용될 수 있다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 이하와 같은 것을 제공한다.

(1) 절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는 P형 재료로 이루어지는 1 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 1 이상의 N 피스를 포함하는 열전 블럭체이며, 각각 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배열되고 서로 대향하는, 상기 열전 블럭체의 외면을 구성하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 열전 블럭체.

여기서, P 피스 또는 N 피스는, P형 또는 N형 재료로 구성되는 PN 열전 소자의 구성 요소가 될 수 있는 것이며, 소정의 크기를 갖는 것이다. 이 소정의 크기는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 절연층을 사이에 두고 교대로 배치할 수 있는 크기와 형상을 갖는 것이다. 예를 들어, 각 피스가 육면체인 경우, 세로가 0.5 내지 5 ㎜, 가로가 0.5 내지 5 ㎜, 높이가 1 내지 20 ㎜이면 좋고, 보다 바람직하게는 세로가 1 내지 5 ㎜, 가로가 1 내지 5 ㎜, 높이가 2 내지 10 ㎜이면 좋고, 더 바람직하게는, 세로가 1 내지 3 ㎜, 가로가 1 내지 3 ㎜, 높이가 3 내지 7 ㎜이면 좋다. 이때, P 및 N 피스 사이에 끼워지는 절연층의 각각의 접촉면은 대략 동일형상인 것이 바람직하다. 또한, P형 또는 N형 재료는, 일반적으로 열전 소자에 이용되는 재료를 포함할 수 있다. 이들의 재료는, 이하에 서술하는 가공에 적합한 것이 더 바람직하다.

절연층은, 이 절연층이 없으면 인접하는 P 피스 및 N 피스가 접촉하는 면에 실시할 수 있다. 이러한 절연층은, 이들의 P 피스 및/또는 N 피스의 표면에 피복된 것이라도 좋고, 또한, 예를 들어 P 피스 및 N 피스 사이에 끼워지는 절연 필름이라도 좋다. 또한, 여기서 말하는 절연층은, 고체로 한정하지 않고 액체나 기체를 포함할 수 있다. 따라서, P 피스 및 N 피스 사이에 공간을 마련하는 경우를 포함할 수 있다. 여기서, 절연층은, 열전 소자가 그 기능을 발휘하는 데 충분한 전기적 절연 효과를 갖고 있으면 충분하다.

또한, P 피스 및 N 피스가 교대로 배치되는 상태는, P 피스의 옆에 N 피스가 배치되고, 그 N 피스 옆에 P 피스가, 그 P 피스 옆에 N 피스가 배치되는 상태이면 좋다. 따라서, 이 교호 배치 방향은 P 및 N 피스를 적층하여 연장해 가는 방향에 상당한다. 교호 배치 방향으로 연장하기 때문에, 열전 블럭체는 결과적으로 폭이 좁은 봉형을 하고 있어도 좋다. 이 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행한 열전 블럭체를 규정하는 외면 중 2개의 대향하는 단부면은, 상기 열전 블럭체를 구성하는 복수의 PN 열전 소자의 방열측면 혹은 흡열측면, 또는 고온 측면 혹은 저온 측면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사각 봉형의 열전 블럭체가, 다이스형의 P 피스 및 N 피스를 교호 방향(즉, 사각봉의 축방향)으로 교대로 배치한다고 하면, 사각봉의 4개의 측면 중 서로 대향하는 2개의 측면이, 여기서 말하는 2개의 대향하는 단부면에 상당한다고 판단된다. 또한, 이때 2종류의 서로 대향하는 측면이 있지만, 서로 대향하는 측면(P 피스 및 N 피스를 규정하는 단부면에도 상당)에 있어서는, 인접하는 P 피스 및 N 피스를 엇갈리게 용접하는 용접부를 포함할 수 있는 2개의 대향하는 측면이 상당한다.

이들의 PN 열전 소자는, 일반적으로 대향하는 단부면에 전기적 접속부를 갖고, 각각 방열측 혹은 흡열측, 또는 고온측 혹은 저온측을 형성한다. 따라서, 이들의 단부면이 각각 1개의 평면 상에 일직선으로 배열되는 것에 의해 방열측면 혹은 흡열측면, 또는 고온 측면 혹은 저온 측면을 구성하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 대향하는 각각의 단부면의 인접하는 P 및 N 피스의 경계부는 용접되어 전기적으로 접속되어 있다. 인접하는 P 및 N 피스 사이에는 절연층이 배치되어 있기 때문에, 단부면 근방에서는 서로 절연되어 있지만, 이 용접에 의해 절연층의 일부 파단 혹은 절연층을 넘은 브릿지가 생길 수 있다. 이 용접은, 서로 대향하는 단부면에 있어서, 상기 교호 배치 방향에 관해, 엇갈리게 용접ㆍ접속되어 있기 때문에, 소위 π 접속이 이 교호 배치 방향을 따라, 지그재그하면서 직렬로 접속(연쇄)되어 가게 된다.

상기 열전 블럭체는 P 피스 또는 N 피스 중 어느 쪽에서도 개시할 수 있고, 각각 교호 배치되어 어느 쪽에서도 종료할 수 있다. 이러한 열전 블럭체가 위상을 다르게 하여 병설되는 것은, 바로 옆에 인접하는 열전 블럭체의 PN 반도체의 교호 배치가 정돈되어 있지 않은 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 인접하는 2개의 열전 블럭체가, 각각의 교호 배치 방향을 거의 평행하게 정돈하도록 서로 근접하여 배치된 경우, 예를 들어 제1 열전 블럭체의 P 피스가 제2 열전 블럭체의 N 피스와 인접하는 관계를 의미할 수 있다.

전극은 전극판이나 리드선을 포함해도 좋다. 전극판은, 일반적으로는 리드라고도 불리고, 열전 소자로 이루어지는 열전 블럭체에 전원을 공급 등을 하기 위해 이용되어도 좋다. 전극판에는, 통상 전극으로서 이용되는 어떠한 재료도 적용할 수 있다. 열전 블럭체의 단부는, 상술한 교호 배치 방향에 있어서 단부의 쪽으로 되는 부분을 의미할 수 있고, 전체의 단부를 포함해도 좋다. 동일한 대향 관계라 함은, 상술한 서로 대향하는 2개의 면의 관계이며, 그 위치가 방열측 혹은 흡열측(또는, 고온측 혹은 저온측)에 대해 서로 일치하고 있는 것을 의미해도 좋다. 예를 들어, 2개의 단부면이 동일한 대향 관계에 있다고 한 경우, 그들의 단부면은 모두 방열측이거나 모두 흡열측으로 된다. 또한, 동일한 대향 관계에 있는 2개의 단부면은, 때로는 모두 상면에 위치하고, 또는 모두 하면에 위치한다.

(2) 상기 P 피스가 열전대의 음극 재료로 이루어지고, 상기 N 피스가 상기 열전대의 양극 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 열전 블럭체.

(3) 상기 P 피스가 알루멜로 이루어지고, 상기 N 피스가 크로멜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 열전 블럭체.

(4) 상기 용접 접합은 미세 용접에 의한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 열전 블록체.

본 발명의 용접 접합에는, 땜납(soft soldering)이나 땜납재(brazing)를 이용한 경질 땜납(hard soldering) 등의 다양한 공지의 어떠한 용접 기술도 적용 가능하지만, 미세 용접에 의한 것이 보다 바람직하다. 이러한 미세 용접에는 전기 저항 용접, TIG 용접, 스폿 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 등의 다양한 용접 기술을 적용할 수 있다. CO₂ 레이저, YAG 레이저, 반도체 레이저 등의 레이저 용접 기술을 적용하는 것이 보다 바람직하다.

(5) 절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는 P형 재료로 이루어지는 1 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 1 이상의 N 피스를 포함하는 제1 열전 블럭체에 있어서,

각각 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배열되고 서로 대향하는상기 제1 열전 블럭체의 외면을 포함하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 제1 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 제1 열전 블럭체와,

절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는 P형 재료로 이루어지는 1 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 1 이상의 N 피스를 포함하는 제2 열전 블럭체에 있어서,

각각 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배치되고 서로 대향하는상기 제2 열전 블럭체의 외면을 포함하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 제2 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 제2 열전 블럭체이며, 상기 제1 열전 블럭체와 위상을 다르게 하여, 상기 제1 및 제2 열전 블럭체 각각의 상기 교호 배치 방향이 대략 평행하게 되도록 병설되어 있는 상기 제2 열전 블럭체와, 상기 제1 및 제2 열전 블럭체를 연결하는 전극이며, 상기 교호 배치 방향에 있어서 상기 제1 및 제2 열전 블럭체의 각각의 대략 단부에 위치하고 동일한 대향 관계에 있는 각각의 P 피스의 단부면 및 N 피스의 단부면에 인접시킴으로써, 상기 P 및 N 피스 사이를 전기 접촉시켜 상기 제1 및 제2 열전 블럭체를 전기적으로 접속하는 전극으로 이루어지는 열전 모듈.

(6) 상기 P 피스가 열전대의 음극 재료로 이루어지고, 상기 N 피스가 상기 열전대의 양극 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재된 열전 모듈.

(7) 상기 P 피스가 알루멜로 이루어지고, 상기 N 피스가 크로멜로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재된 열전 모듈.

(8) 상기 용접 접합은 미세 용접에 의한 것을 특징으로 하는 (5) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 열전 모듈.

(9) 제1 재료로 이루어지는 제1 시트 부재 및 제2 재료로 이루어지는 제2 시트 부재를 적층하여 적층체를 얻는 적층 공정과, 상기 적층체를 절단하고, 상기 제1 및 제2 재료의 줄무늬 모양 시트 부재를 얻는 제1 절단 공정과, 상기 줄무늬 모양 시트 부재의 한쪽의 면에 있어서, 1개 걸러 경계부를 용접하는 제1 용접 공정과, 상기 줄무늬 모양 시트 부재의 다른 쪽의 면에 있어서, 상기 제1 용접 공정의 용접과는 위상을 다르게 하여 1개 걸러 경계부를 용접하고, 상기 한쪽의 면 및 다른 쪽의 면에서의 접합에 의해, 엇갈린 지그재그 결합으로 되는 용접 줄무늬 모양 시트 부재를 얻는 상기 제2 용접 공정과, 상기 용접 줄무늬 모양 시트 부재를 절단하여 직사각형의 열전 블럭체를 얻는 직사각형 절단 공정과, 복수의 상기 직사각형의 열전 블럭체를 병설하는 병설 공정과, 인접하는 상기 직사각형의 열전 블럭체에 전극판에 의해 가교(架橋)를 행하는 가교 공정으로 이루어지는 열전 블럭 집합체의 제조 방법.

(10) 상기 (9)에 기재된 방법으로 제조한 열전 블럭 집합체를 이용하여 열전 소자 모듈을 제조하는 방법.

본 발명에 따르면, 열전 소자를 생산성을 높게 유지하면서 대량으로 제조할 수 있고, 원재료 비용이나 환경 부하를 제어하기 쉬운 열전 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예인 열전 모듈을 도시하는 부분 파단 사시도이다.

도2는 도1의 열전 모듈의 작성에 있어서, 2종류의 재료로 이루어지는 박판을 적층하여 적층체를 얻는 모양을 도시하는 사시도이다.

도3A는 도2에서 얻은 적층체를 판형으로 절단하는 모양을 도시하는 사시도이다.

도3B는 도3A에서 얻은 판의 표면에 레이저 용접을 하는 모양을 도시하는 사시도이다.

도3C는 도3A에서 얻은 판의 이면에 레이저 용접을 하는 모양을 도시하는 사시도이다.

도4는 도3A 내지 도3C에서 용접한 박판을 직사각형으로 절단하여 열전 블럭체를 얻는 모양을 도시하는 사시도이다.

도5는 도4에서 얻은 열전 블럭체를 병설하는 모양을 도시하는 사시도이다.

도6은 도4에서 병설한 열전 블럭체를 접속하는 모양을 도시하는 사시도이다.

도7은 도6에서 병설되어 접속된 열전 블럭체의 집합체를 어셈블하여 열전 모듈을 얻는 모양을 도시하는 사시도이다.

도8은 본 발명의 별도의 실시예인 열전 모듈의 작성에 있어서, 2종류의 박을 적층하는 모양을 도시하는 측면도이다.

도9A는 도8에서 적층한 적층체의 측면에 레이저 용접을 행하여 얻은 적층체의 측면을 도시하는 도면이다.

도9B는 도8에서 적층한 적층체의 측면에 레이저 용접을 행하는 모양을 도시하는 확대도이다.

도10은 도9A 및 도9B에서 용접한 적층체를 가늘게 절단하는 모양을 도시한 도면이다.

도11은 도10에서 얻은 가늘게 절단한 적층체를 병설하고, 전체적으로 직렬로 접속하는 모양을 도시한 도면이다.

도12는 도11에서 얻은 직렬 접속된 집합체를 기판 상에 배치한 모양을 나타내는 도면이다.

도13은 본 발명의 실시예인 열전 모듈을 작성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

[부호의 설명]

10, 110 : 열전 모듈

12, 14 : 열전도판

16 : 열전 블럭체

18 : P 피스

20 : N 피스

22, 122 : 절연층

24, 26, 124, 126 : 전극

34 : 적층체

36 : 적층판

40 : 레이저 장치

42, 48, 142 : 용접부

112, 114 : 알루미나판

116 : 열전대 어레이

118 : 알루멜

120 : 크로멜

이하에, 본 발명에 적절한 실시 형태에 대해 도면을 기초로 하여 설명한다.

도1에 본 발명의 하나의 실시예로 되는 열전 모듈(10)의 부분 파단 개략도를 도시한다.

상측에 있는 고온측(또는 저온측)의 열전도판(12)과 하측에 있는 저온측(또는 고온측)의 열전도판(14) 사이에, 복수의 열전 블럭(16)이 병설되어 있고, 상기 고온측 및 저온측 열전도판(12, 14)에 열전도 가능한 상태에서 끼움 지지되어 있다. 각 열전 블럭체(16)는 그 측면 방향으로 서로 이격되어 있어 전기적인 절연 등을 담보하고 있다. 또한, 각 열전 블럭체(16)는, 각각 P형 재료로 이루어지는 P 피스(18) 및 N형 재료로 이루어지는 N 피스(20)가 교대로 접속 배치되고, 봉형으로 연장하고 있다. 이들의 인접하는 P 및 N 피스의 경계에는 전기적 절연을 위해, 소위 절연층(22)이 배치되어 있다.

인접하는 열전 블럭체(16)는 서로 위상이 어긋나 P 및 N 피스를 교호 배치하고 있기 때문에, 측면 방향 바로 근처의 피스(예를 들어, N 피스)는 다른 종류의 피스(예를 들어, P 피스)로 되어 있다. 예를 들어, 임의의 열전 블럭체(16)의 P 피스(18)의 측면 방향 바로 근처의 피스이며, 인접하는 열전 블럭체(16)의 피스는 N 피스로 되어 있다.

인접하는 열전 블럭체(16)는, 상기 교호 배치 방향의 단부(동일 방향)에 있어서, 전극(24)으로 가교되어 있어, 열전 블럭체(16) 사이의 전기적 도전이 담보되어 있다. 이 교호 배치 방향의 다른 쪽의 단부는, 마찬가지로 전극에 의해, 상기 인접하는 열전 블럭체(16)와는 반대측에서 인접하는 열전 블럭체(16)와 가교 접속이 행해지고, 복수의 열전 블럭체(16)에 있어서, 1개의 직렬 접합된 다수의 열전 피스에 의한 결합을 형성하고 있다.

열전 모듈(10)의 좌측 단부 및 우측 단부에 있는 열전 블럭체(16)에는 리드 전극(26)이 각각 접속되어 있고, 외부 전원으로부터의 전력의 공급, 또는 열전 효과에 의한 발전한 전기의 송전을 행할 수 있다.

한편, 상술에서는 P형 및 N형 반도체로서 기재하고 있지만, 열전대의 일반적인 음극 재료 및 양극 재료로 재배치하여 기술할 수 있다. 예를 들어, 크로멜ㆍ알루멜 열전대 재료를 이용한 경우, P형 반도체로서는 알루멜을, N형 반도체로서는 크로멜을 이용하게 된다. 열전대의 일반적인 재료로서는, 이하의 표면을 참조한다.

[표 1]

도2 내지 도7에 있어서, 상기 열전 모듈(10)을 제조하는 방법을 모식적으로 나타낸다.

도2는, 얇은 알루멜판(30)의 한쪽 면(31)에 절연 처리를 실시한 것과, 얇은 크로멜판(32)의 한쪽 면(33)에 절연 처리를 실시한 것을 교대로 적층하는 모양을 도시하고 있다. 알루멜판(30)의 판 두께(t1)는 약 2 ㎜이고, 크로멜판(32)의 판 두께(t2)는 약 2 ㎜이다. 절연 처리에 의해, 각각의 면(31, 33)에는 절연을 위한 유기 필름이 실시되어 있고, 교호 적층에 수반하여 접착제적 역할을 할 수 있다. 이러한 적층을 원하는 층수만큼 행하여, 목적으로 하는 적층체(34)를 얻는다.

도3A는, 적층체(34)를 절단면(AA)에 있어서, 박판으로 절단하는 공정을 나타내고 있다. 절단은, 통상의 파인 커터(fine cutter) 등으로 행하는 것이 가능하다. 화살표 B와 같이 분리된 알루멜과 크로멜로 이루어지는 줄무늬 모양의 박판(36)의 판 두께(H1)는 2 ㎜이다.

도3B에서는, 얻어진 줄무늬 모양의 박판(36)을 2개의 큰 판면의 한쪽을 위 측면 상에서 아래로, 다른 쪽을 아래 측면 상에서 위를 향하게 하여 세워두고, 상면(38)의 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)이 경계의 절연층(22)을 사이에 두고 배치되어 있는 모양을 알 수 있다(도1 참조). 상면(38)으로부터 노출되어 있는 절연층(22)은 알루멜 및 크로멜의 경계부로 되고, 이 상태에서는 전기적으로 접속되어 있지 않다. 그래서, 이 경계부(도면 중에서는, 좌우로 연장하는 선으로서 표현)를 레이저 장치(40)에 의한 레이저빔(41)에 의해 가열하고, 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)의 상면(38)에서의 전기적 접속을 화살표 C에 따라서 연속적으로 행한다. 이 용접부(42)에서는, 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)의 상면(38)에서의 전기적 접 속이 행해지고 있게 된다. 이 레이저 용접은, 상기 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)의 경계부인 좌우로 연장하는 선부를 전방으로부터 안으로, 1개 걸러 행해 간다.

다음에, 화살표 D에 따라서, 줄무늬 모양의 박판(36)을 반전시켜, 앞 공정의 상면(38)을 하측으로 하여 다시 세워둔다(도3C). 도3B에 있어서 용접된 용접부(42)는, 이 도면에서는 하측에 배치되어 있다. 여기서는, 다른 쪽의 면(46)에 있어서, 상술한 바와 같은 레이저 용접을 행하고, 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)을 다른 쪽의 면(46)에 있어서 용접ㆍ접합을 화살표 E와 같이 연속적으로 행한다. 이에 의해, 용접부(48)에 의해 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)을 다른 쪽의 면(46)에 있어서 전기적으로 접속할 수 있다. 이 용접은 다른 쪽의 면(46) 상에서 1개 걸러 행하지만, 상술한 상면(38)과는 엇갈리게 되도록 행한다. 이것에 의해, 알루멜층(18) 및 크로멜층(20)은, 전방으로부터 안으로 지그재그하면서 직렬로 전기적으로 접속되어 있게 된다.

도4는, 레이저 용접을 그 양면에 있어서 엇갈리게 행한 줄무늬 모양의 박판(36)을 절단하는 공정을 나타내고 있다. 절단은 파인 커터로 행할 수 있고, 화살표 G와 같이 분리되어 열전 블럭체(16)를 형성한다. 이 열전 블럭체(16)의 높이(H1)는 줄무늬 모양의 박판(36)의 판 두께와 일치하고, 폭(D1)은 이 공정에서의 절단 폭(D1)에 일치한다. 여기서는, H1 및 D1 모두 2 ㎜로 한다.

도5는, 도4에서 잘라낸 열전 블럭체(16a, 16b, 16c)를 좌측으로부터 차례로 폭(D2)의 간격을 두고 병설한 모양을 도시하고 있다. 열전 블럭체는 용접부(42, 48)를 통해, PN 접합이 직렬로 교호 배치 방향을 따라 지그재그하면서 접속되어 있 는 것을 알 수 있다. 이때, 각 열전 블럭체(16a, 16b, 16c)의 높이(H1)가 일치하고 있는 것이 바람직하다. 각 열전 블럭체(16a, 16b, 16c)의 상면 및 하면이 방열측 혹은 흡열측, 또는 고온측 혹은 저온측으로 되는 바, 열전도판(12, 14)으로의 열 전달을 균일하게 행하는 것이 바람직하기 때문이다. 또한, 열전도판(12, 14)의 면내에서의 균일한 온도가 바람직하다.

도6은, 상술한 바와 같이 하여 소정수의 열전 블럭체(16)를 배열한 것에, 리드 전극(26) 및 전극(24)을 설치하고(화살표 H), P형 및 N형 반도체를 전체적으로 직렬로 접속하는 모양을 도시하고 있다. 각 열전 블럭체(16)의 단부에 있어서, 전극(24)을 교대로 접속하는 것에 의해, 각 열전 블럭체(16)를 모두 직렬로 배열할 수 있다. 도7은, 이와 같이 하여 접속된 열전 블럭체(16)의 집합체를 상하의 열전도판(12, 14)에서 끼우는(화살표 J) 모양을 도시하고 있다. 이와 같이 하여, 도1의 열전 모듈을 제작할 수 있다.

도8 내지 도12는, 본 발명의 또 다른 하나의 실시예를 나타내는 것이다.

도8은, 면내를 절연화 처리한 100 ㎜ × 5 ㎜ × 2 ㎜의 알루멜판(118)을 25매와, 동일 사이즈의 동일 개수의 크로멜판(120)을 교대로 적층하여, 적층판(136)으로 하는 모양을 도시하고 있다. 절연화 처리는 알루멜판(118)의 상면(131) 및 크로멜판(120)의 상면(132)에 행하고 있다. 이에 의해, 알루멜판(118) 및 크로멜판(120) 사이에 절연층(122)이 형성되게 된다.

도9A 및 도9B는, 적층판(136)의 면내에 알루멜판(118)과 크로멜판(120)의 접점부를 1개 걸러 선형으로 용접하는 모양(도9B) 및 용접 후의 적층판(136)(도9A)을 도시하고 있다. 이 면의 용접부(142)는 알루멜판(118)과 크로멜판(120)의 좌측으로부터 우측으로 향하는 경계선을 상하 방향 1개 걸러 용접하는 것에 의해 형성되어 있다. 여기에 도시되어 있는 면에 대해 반대측의 면은 용접 위치가 어긋나도록 용접이 행해진다.

도10은, 용접 후의 적층판(136)을 절단선 F-F를 따라 파인 커터로 폭 2 ㎜의 직사각형으로 절단하여 열전 블럭체(116a, 116b, 116c, 116d)로 분리(화살표 G') 하는 모양을 도시하고 있다. 여기서, 폭을 2 ㎜로 한 것은, 폭을 보다 넓게(예를 들어 4 ㎜) 하면, 단위 면적당 배열할 수 있는 열전 블럭체(116)의 개수가 적어지게 되기 때문에 온도차에 의해 생기는 전위가 낮아지고, 보다 폭을 좁게 하면 취급이 보다 번잡해지기 때문이다. 그러나, 이 폭은 고정적인 것은 아니고, 용도에 따라서 적절하게 선택되는 것은 물론이다. 이와 같이 하여, 막대형의 알루멜-크로멜 열전대를 25쌍 갖는 열전대 어레이로 한다.

도11 및 도12에 도시하는 바와 같이, 이 열전대 어레이(또는 열전 블럭체)(116)를 50개, 120 ㎜ × 120 ㎜ × 2 ㎜의 열전도판으로서의 알루미나판(114) 상에 직렬로 접속하고, 배치ㆍ고정한다. 각 열전 블럭체(116) 사이는, 리드선(124)을 각 열전 블럭체(116) 각각의 단부에서 용접하는 것에 의해 행한다. 또한, 외부 단자(126)를 직렬로 접속한 복수의 열전 블럭체(116)의 양단부에 용접에 의해 접속한다. 또한 상면으로부터 알루미나판(도시하지 않음)을 나사에 의해 고정함으로써, 알루멜-크로멜 열전대가 1250쌍 집적된 열전 모듈로 한다.

도13에 지금까지 설명한 열전 모듈의 제조 방법을 흐름도로 나타낸다. 우 선, 열전 소자로서 이용하는 2종류의 박(A, B) 각각의 한쪽 면(양면이라도 좋음)의 절연화 처리를 행한다(S110). 다음에, 이 2종류의 박(A, B)을 적층하고, 적층체로 한다(S120). 얻어진 AㆍB 적층체를 필요에 따라 박판형으로 절단한다(S130). 적층체의 폭이 충분히 좁은 경우에는, 이 절단 공정은 생략할 수 있다. 다음에, 박판으로 된 AB 적층체 박판의 양단부면에 있어서, AB 경계를 1개 걸러 용접한다(S140). 이때, 이면과 표면은 엇갈리게 용접된다. 용접한 AB 적층 박판을 직사각형으로 절단한다(S150). AB 적층체의 직사각형의 열전 블럭체(어레이라고도 함)를 분리하고, 평면 상에 병설하여 배치한다(S160). 위치가 고정된 열전 블럭체의 단부에서 엇갈리게 리드 접속을 행한다(S170). 마지막으로, 열전도판을 상술한 바와 같이 배치된 열전 블럭체의 집합체의 상면 및 하면에 부착하여 열전 소자 모듈을 조립한다(S180).

[실험예]

도8 내지 도12에 도시하는 바와 같이, 또한 도13의 흐름에 따라서 작성한 열전 모듈의 하면을 히터로 가열하고 상면을 냉각함으로써, 상하면에 약 175 K의 온도차를 부여한 결과, 개방 전압 8.75 V, 최대 출력 10.1 W가 얻어졌다. 또한, 이 열전 모듈에 8 A의 전류를 흐르게 한 결과 59 W의 냉각량이 얻어졌다.

이상과 같이 P형 및 N형의 재료(반도체, 금속 박판 등을 포함함)를 교대로 적층시킨 후, 양단부의 PN 계면을 교대로 용접한 후, 적층면에 대해 수직으로 재단하는 것에 의해, 용이하게 적층 매수에 따른 PN 접합 어레이를 작성할 수 있다. 또한, PN 접합 어레이를 복수개 직렬로 연결함으로써, 다량의 PN 접합을 갖는 열전 변환 모듈을 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는, P형 재료로 이루어지는 하나 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 하나 이상의 N 피스를 포함하는 열전 블럭체이며,

   각기 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배치되고 서로 대향하는, 상기 열전 블럭체의 외면을 포함하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 열전 블럭체.
2. 제1항에 있어서, 상기 P 피스가 열전대의 음극 재료로 이루어지고, 상기 N 피스가 상기 열전대의 양극 재료로 이루어지는 열전 블럭체.
3. 제2항에 있어서, 상기 P 피스가 알루멜로 이루어지고, 상기 N 피스가 크로멜로 이루어지는 열전 블럭체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 접합은 미세 용접에 의한 것인 열전 블럭체.
5. 절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는, P형 재료로 이루어지는 하나 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 하나 이상의 N 피스를 포함하는 제1 열전 블럭체에 있어서, 각기 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배치되고 서로 대향하는, 상기 제1 열전 블럭체의 외면을 포함하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 제1 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 제1 열전 블럭체와,

   절연층을 사이에 두고 교대로 배치되고 교호 배치 방향으로 연장하는, P형 재료로 이루어지는 하나 이상의 P 피스 및 N형 재료로 이루어지는 하나 이상의 N 피스를 포함하는 제2 열전 블럭체에 있어서, 각기 상기 교호 배치 방향으로 실질적으로 평행하게 배치되고 서로 대향하는, 상기 제2 열전 블럭체의 외면을 포함하는 단부면 사이에서, 인접하는 상기 P 피스 및 N 피스의 경계부가 엇갈리게 용접 접합되고, 상기 제2 열전 블럭체의 상기 P 피스 및 N 피스가 전기적으로 지그재그로 직렬 결합되어 있는 제2 열전 블럭체이며, 상기 제1 열전 블럭체와 위상을 다르게 하여, 상기 제2 열전 블럭체 상기 교호 배치 방향이 상기 제1 열전 블럭체의 것과 대략 평행하게 되도록 병설되어 있는 상기 제2 열전 블럭체와,

   상기 제1 및 제2 열전 블럭체의 사이에서 접속하는 전극이며, 상기 교호 배치 방향에 있어서 상기 제1 및 제2 열전 블럭체의 각각의 대략 단부에 위치되고 동일한 대향 관계에 있는 개별 P 피스의 단부면 및 N 피스의 단부면 각각에 인접됨으로써, 상기 P 및 N 피스 사이를 도통시켜 상기 제1 및 제2 열전 블럭체를 전기적으로 접속하는 전극으로 이루어지는 열전 모듈.
6. 제5항에 있어서, 상기 P 피스가 열전대의 음극 재료로 이루어지고, 상기 N 피스가 상기 열전대의 양극 재료로 이루어지는 열전 모듈.
7. 제5항에 있어서, 상기 P 피스가 알루멜로 이루어지고, 상기 N 피스가 크로멜로 이루어지는 열전 모듈.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 접합은 미세 용접에 의한 것인 기재의 열전 모듈.
9. 제1 재료로 이루어지는 제1 시트 부재 및 제2 재료로 이루어지는 제2 시트 부재를 적층하여 적층체를 얻는 적층 공정과,

   상기 적층체를 절단하고, 상기 제1 및 제2 재료의 줄무늬 모양 시트 부재를 얻는 제1 절단 공정과,

   상기 줄무늬 모양 시트 부재의 제1 면에 있어서, 1개 걸러 경계부를 용접하는 제1 용접 공정과,

   상기 줄무늬 모양 시트 부재의 제2 면에 있어서, 상기 제1 용접 공정의 용접과는 위상을 다르게 하여 1개 걸러 경계부를 용접하고, 상기 제1 면 및 제2 면에서의 접합에 의해, 엇갈린 지그재그 결합으로 되는 용접 줄무늬 모양 시트 부재를 얻는 상기 제2 용접 공정과,

   상기 용접된 줄무늬 모양 시트 부재를 절단하여 직사각형의 열전 블럭체를 얻는 직사각형 절단 공정과,

   복수의 상기 직사각형의 열전 블럭체를 병설하는 병설 공정과,

   인접하는 상기 직사각형의 열전 블럭체에 전극판에 의해 가교를 행하는 가교 공정으로 이루어지는 열전 블럭 집합체의 제조 방법.
10. 제9항에 기재된 방법으로 제조한 열전 블럭 집합체를 이용하여 열전 소자 모듈을 제조하는 방법.

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