KR20110139210A - 열전 변환 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

대향하여 배치된 1쌍의 통전(通電) 가압부재(2)의 서로 대향하는 면의 각각에 전극(4)을 배치하는 공정과, 그 전극(4) 사이에 복수 개의 열전 변환 재료(3)를 개장(介裝)하는 공정과, 상기 통전 가압부재(2)로 상기 전극(4) 및 상기 열전 변환 재료(3)에 압력을 가하면서, 상기 전극(4) 및 상기 열전 변환 재료(3)에 통전함으로써, 상기 전극(4)과 상기 열전 변환 재료(3)를 접합하는 공정을 구비한 열전 변환 소자의 제조방법으로서, 추가로, 상기 전극(4)과 상기 열전 변환 재료(3) 사이에, 도전성 금속 분체를 포함하는 소성(塑性)을 가진 중간층(5)을 형성하는 공정을 구비한다.

Description

열전 변환 소자의 제조방법{Method of producing thermoelectric conversion device}

본 발명은, 열전 변환 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전극 사이에 열전 변환 소자를 개장(介裝)하여, 전극과 열전 변환 소자에 통전(通電)함으로써 전극과 열전 변환 소자의 접합을 행하는 열전 변환 소자의 제조방법에 관한 것이다.

제베크 효과를 이용한 열전 변환 소자는, 열에너지를 전기에너지로 변환하는 특성을 갖는다. 이 특성을 이용하여, 산업·민생용 프로세스나 이동체로부터 배출되는 열에너지를 유효한 전력으로 변환할 수 있기 때문에, 열전 변환 소자는, 환경문제를 배려한 에너지 절약 기술로서 주목되고 있다.

이러한 열전 변환 소자는, 일반적으로, 복수 개의 열전 변환 재료(p형 및 n형)를 복수의 전극과 접합하여 구성된다. 이 열전 변환 재료는, 다음과 같이 하여 제조된다. 먼저, 좌우에 배치된 1쌍의 다이스, 및 상하에 배치된 1쌍의 펀치로 형성되는 공간 내에 소결재료가 충전된다. 다음으로, 이 소결재료를 펀치로 상하로부터 프레스하면서, 소결재료에 직접 전류를 흘림으로써(펄스 통전함으로써), 열전 변환 재료가 제조된다. 이와 같이, 소결로를 데우는 것이 아니라, 전류를 흘림으로써 생성되는 줄 발열을 사용하기 때문에, 좁은 범위만의 가열이 가능해진다. 그 결과, 소결시간이 짧아져, 가열시의 온도 불균일이 적어진다.

이러한 펄스 통전에 의한 소결은, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있다. 그리고, 열전 변환 재료를 전극에 접합하여 열전 변환 소자를 제조하는 방법은, 예를 들면 특허문헌 2에 개시되어 있다(특히 특허문헌 2의 도 14 참조).

그러나, p형 및 n형의 열전 변환 재료를 전극에 접합하는 경우에, 열전 변환 재료 상호의 높이의 편차에 의해, 어느 한 열전 변환 재료와 이에 대응하는 전극 사이에 접합강도 등의 접합상태에 편차가 생기는 경우가 있다. 그 때문에, 전극과 열전 변환 소자 사이의 접합 계면이 용이하게 박리되어, 접합되어 있지 않은 부분이 생기는 경우가 있다. 또한, 이러한 박리가 생기지는 않더라도, 접합 불량이 발생하여, 접합 계면에서의 열적 저항이나 전기적 저항에 편차를 발생시키는 경우가 있다.

복수의 열전 변환 재료를 전극에 접합할 때는, 열전 변환 재료 및 전극을 상하로부터 가압하고, 열전 변환 재료 및 전극에 전류를 흘린다. 이때, 열전 변환 재료에 높이의 편차가 있어 일부의 열전 변환 재료와, 이에 대응하는 전극이 충분히 접합되어 있지 않은 상태에 있으면, 이 열전 변환 재료와 전극 사이의 계면 저항이 커진다. 그 결과, 계면 저항이 큰 부분이 발열되어, 부분적으로 온도가 올라가게 된다. 이러한 부분적인 온도 상승은, 열전 변환 소자의 열전 특성에 영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 전극과 열전 변환 재료 사이에 극간이 생기면, 프레스시에 하중이 집중되는 부분이 생겨, 균등한 하중의 인가가 불가능해진다.

일본국 특허공개 제2003-46149호 공보 일본국 특허공개 제2004-221464호 공보

본 발명은 상기 종래기술을 고려한 것으로서, 열전 변환 재료에 높이의 편차가 있더라도, 열전 변환 재료와 전극의 적절한 접합을 가능하게 하는 열전 변환 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열전 변환 소자의 제조방법은, 대향하여 배치된 1쌍의 통전(通電) 가압부재의 서로 대향하는 면의 각각에 전극을 배치하는 공정과, 그 전극 사이에 복수 개의 열전 변환 재료를 개장(介裝)하는 공정과, 상기 통전 가압부재로 상기 전극 및 상기 열전 변환 재료에 압력을 가하면서, 상기 전극 및 상기 열전 변환 재료에 통전함으로써, 상기 전극과 상기 열전 변환 재료를 접합하는 공정을 구비한 열전 변환 소자의 제조방법으로서, 추가로, 상기 전극과 상기 열전 변환 재료 사이에, 도전성 금속 분체를 포함하는 소성(塑性)을 가진 중간층을 형성하는 공정을 구비한다.

바람직하게는, 상기 중간층은, 상기 금속 분체를 포함한 페이스트상의 접착재료여도 된다.

바람직하게는, 상기 금속 분체는, 확산성이 높은 금속으로 되어 있어도 된다.

구체적으로 상기 금속 분체는, 구리 또는 니켈이어도 된다.

본 발명의 열전 변환 소자의 제조방법에 의하면, 전극과 열전 변환 재료 사이에, 도전성 금속 분체를 포함하는 변형 가능한 중간층이 구비된다. 이 때문에, 열전 변환 재료에 높이의 편차가 있더라도, 전극과 열전 변환 재료 사이의 극간의 크기에 따라 중간층이 변형되어 높이의 편차를 보완하기 때문에, 모든 열전 변환 재료를 전극에 대해 균일하게 접합시킬 수 있다. 또한, 중간층에는 금속 분체가 포함되기 때문에, 전극과 열전 변환 재료 사이에 양호한 도전성을 유지할 수 있다. 따라서, 통전 가압에 의한 열전 변환 소자의 제조를 지장없이 행할 수 있다.

예를 들면, 중간층을 페이스트상의 접착재료로 형성한 경우, 보다 한층 확실하게 전극과 열전 변환 재료를 접합할 수 있다. 또한, 페이스트상의 접착재료를 사용함으로써, 전극과 열전 변환 재료 사이에 접착재료를 도포하는 것만으로 용이하게 중간층을 설치할 수 있기 때문에, 재료의 취급이 용이해져, 제조시의 작업효율이 향상된다.

예를 들면, 확산성이 높은 금속으로 금속 분체를 형성한 경우, 전극과 열전 변환 재료 사이의 접합강도를 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 금속 분체로서 구리 또는 니켈을 사용한 경우, 이들 금속은 확산성이 높고, 양호한 도전성도 겸비하고 있다. 이 때문에, 열전 변환 재료에 있어서의 높이의 편차를 보완하는 동시에, 양호한 접합강도를 실현하는데 있어서, 이들 금속은 중간층에 포함되는 금속 분체로서 매우 적합하다.

도 1은 본 발명의 일실시형태의 열전 변환 소자의 제조방법에 사용되는 열전 변환 소자의 제조장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 A부 확대도이다.

이하, 도면을 토대로 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일실시형태의 열전 변환 소자의 제조방법에 사용되는 열전 변환 소자의 제조장치의 개략도이다. 또한, 도 2는 도 1의 A부 확대도이다.

도시되는 바와 같이, 열전 변환 소자의 제조장치(1)는, 상하에 배설(配設)된 통전 가압부재인 1쌍의 펀치(2)를 포함한다. 펀치(2)는, 도전성을 갖는 재료(예를 들면 흑연)에 의해 구성된다. 이들 펀치(2) 사이에, 복수 개의 열전 변환 재료(3)이 배설된다(도면에서는 6개의 열전 변환 재료(3)).

이때, 열전 변환 재료(3)는 p형과 n형이 번갈아 배설된다. 또한, pn 접합구조를 갖는 열전 변환 재료를 사용하는 경우는, 하나의 전극(4)에 접합되는 2개의 열전 변환 재료의 한쪽이 p형, 다른 쪽이 n형이 되도록, 즉 상이한 열전 특성의 열전 변환 재료가 서로 이웃하여 연결되도록 배설된다. 열전 변환 재료(3)는, 예를 들면 직경이 2 ㎜, 길이가 5 ㎜~10 ㎜이고, 이것이 5개씩 5열의 합계 25개 나열되어 배설된다(도 1에서는 6개의 열전 변환 소자를 일렬로 나열한 것을 예시). 펀치(2)는, 예를 들면 한변이 35 ㎜~40 ㎜인 각형 단면을 갖고, 두께가 5 ㎜~6 ㎜이다.

이들 복수 개의 열전 변환 재료(3)는, 각각 이웃하는 열전 변환 재료(3)가 전극(4)을 매개로 연결되어 있다. 즉, 열전 변환 재료(3)가 직렬로 접속되도록, 각 열전 변환 재료(3)의 상단부는 그 하단부가 연결되는 열전 변환 재료(3)와는 상이한 열전 변환 재료(3)와, 전극(4)을 매개로 연결된다. 전극(4)으로서는, 예를 들면 구리가 사용된다.

열전 변환 재료(3)와 전극(4) 사이에, 추가로 중간층(5)이 설치된다. 중간층(5)은, 도전성 금속 분체를 포함하고, 소성을 가지고 있어 변형 가능한 상태로 형성된다. 따라서, 펀치(2)의 가압에 의해 그 형상이 찌부러지도록 변화시킬 수 있다. 또한, 중간층(5)의 두께는 10 ㎛ 정도이다.

열전 변환 소자를 제조할 때는, 대향하여 배설된 1쌍의 펀치(2)의 서로 대향하는 면에 전극(4)이 배설되고, 전술한 바와 같은 순번으로 열전 변환 재료(3)가 배열된다. 열전 변환 재료(3)와 전극(4) 사이에 중간층(5)을 형성한 후, 양측 펀치(2)를 열전 변환 재료(3)의 방향으로 가압하면서, 전극(4) 및 열전 변환 재료(3)에 전류를 흘림으로써, 열전 변환 재료(3)와 전극(4)이 확산 접합(플라즈마 접합)된다. 그 결과, 열전 변환 소자가 제조된다. 이러한 통전 가압은, 진공, 질소가스 또는 불활성 가스 분위기의 챔버(미도시) 내에서 행해진다.

상기 중간층(5)을 설치함으로써, 복수 개의 열전 변환 재료(3)의 상호간에 높이의 편차가 있었다고 하더라도, 전극(4)과 열전 변환 재료(3) 사이의 극간의 크기에 따라 중간층이 변형되어 이것을 보완한다. 즉, 높이가 비교적 낮은 열전 변화 재료(3)와 전극(4) 사이의 중간층(5)은, 펀치(2)에 의한 가압 후에도 그대로이지만, 높이가 비교적 높은 열전 변환 재료(3)와 전극(4) 사이의 중간층(5)은 가압에 의해 찌부러뜨러져 변형된다. 이것에 의해, 중간층(5)을 매개로 열전 변환 재료(3)의 전부가 균일하게 전극(4)에 접합되기 때문에, 안정한 열전 특성을 갖는 열전 변환 소자를 얻을 수 있다. 이 중간층(5)에는 금속 분체가 포함되기 때문에, 전극(4)과 열전 변환 재료(3) 사이에는 양호한 도전성을 유지할 수 있다. 따라서, 통전 가압에 의한 열전 변환 소자의 제조에 지장을 초래하는 경우는 없다. 또한, 중간층(5)은 각 열전 변환 재료(3)의 양측 단부에 배치해도 되고, 편측 단부에만 배치해도 된다.

또한, 중간층(5)을 페이스트상의 재료로 형성하는 것도 가능하다. 구체적으로는, 이러한 재료는, 금속 분체에 대해 에폭시 수지 등의 유기 바인더를 사용하여 형성된 페이스트상의 접착재료이다. 이러한 재료가 갖는 접착능력에 의해, 전극(4)과 열전 변환 재료(3)를 확실하게 접합할 수 있다. 이 경우, 페이스트상의 접착재료를 도포하는 것만으로 중간층(5)을 설치할 수 있기 때문에, 재료의 취급이 용이해져, 열전 변환 소자를 제조할 때의 작업효율이 향상된다.

또한, 중간층(5)에 포함하는 금속 분체로서, 확산성이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 통전 가압에 의해 열전 변환 재료(3)와 전극(4)을 접합하는 경우, 양자의 계면을 매개로 서로 성분 확산이 발생하여, 이때의 성분의 합금화에 의해 열전 변환 재료(3)와 전극(4)이 접합된다. 따라서, 확산성이 높으면 높을수록, 전극과 열전 변환 재료 사이의 접합강도가 향상된다.

또한, 금속 분체로서, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 금속은 확산성이 높고, 도전성도 겸비하고 있기 때문에, 상기 효과(높이의 편차의 흡수와 접합강도의 향상)를 실현하는데 있어서 매우 적합하다.

이상으로, 본 발명의 일실시형태의 열전 변환 소자의 제조장치에 대한 설명을 마치나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에서 사용한 각 요소의 치수나 재질 등은, 특허청구의 범위 내에 있어서, 필요에 따라 다양하게 변경 가능하다.

1 열전 변환 소자의 제조장치
2 펀치
3 열전 변환 재료
4 전극
5 중간층

Claims (4)

1. 대향하여 배치된 1쌍의 통전(通電) 가압부재의 서로 대향하는 면의 각각에 전극을 배치하는 공정과, 그 전극 사이에 복수 개의 열전 변환 재료를 개장(介裝)하는 공정과, 상기 통전 가압부재로 상기 전극 및 상기 열전 변환 재료에 압력을 가하면서, 상기 전극 및 상기 열전 변환 재료에 통전함으로써, 상기 전극과 상기 열전 변환 재료를 접합하는 공정을 구비한 열전 변환 소자의 제조방법으로서,
   추가로, 상기 전극과 상기 열전 변환 재료 사이에, 도전성 금속 분체를 포함하는 소성(塑性)을 가진 중간층을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중간층은, 상기 금속 분체를 포함한 페이스트상의 접착재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속 분체로서, 확산성이 높은 금속이 사용되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 금속 분체는, 구리 또는 니켈로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자의 제조방법.

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