KR20120102961A - Method for preparing thermoelectric device - Google Patents

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KR20120102961A
KR20120102961A KR1020110020903A KR20110020903A KR20120102961A KR 20120102961 A KR20120102961 A KR 20120102961A KR 1020110020903 A KR1020110020903 A KR 1020110020903A KR 20110020903 A KR20110020903 A KR 20110020903A KR 20120102961 A KR20120102961 A KR 20120102961A
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KR
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porous
thermoelectric device
nanomaterial layer
thermoelectric element
coating
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KR1020110020903A
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김용석
최동혁
이성호
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삼성전기주식회사
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a thermoelectric element is provided to improve thermoelectric performance by forming a nano-material layer for maximizing phonon scattering on the porous area. CONSTITUTION: A porous thermoelectric element is manufactured. A nano-material layer is formed on the internal or external surface of the porous thermoelectric element. The porous thermoelectric element is formed by mixing base material of the porous thermoelectric element, a doping agent, and foaming mixture. The nano-material layer is nano-coated on the external surface of the porous thermoelectric element. The nano coating is micro arc discharge coating. The micro arc discharge coating is performed under the condition of pH9-11.

Description

열전소자의 제조방법{Method for preparing thermoelectric device}Thermoelectric device manufacturing method {Method for preparing thermoelectric device}

본 발명은 열전소자의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric element.

화석에너지 사용의 급증은 지구온난화 및 에너지고갈 문제를 야기시킨다. 이와 같은 문제의 대응책으로 최근에는 신재생에너지 개발 및 열전소자 개발 프로그램이 한국을 포함한 세계 각국에서 활발히 진행되고 있다. 특히, 모든 장비 및 전자기기는 열역학적으로 카르노 순환(Carnot cycle)의 한계를 극복하지 못하므로 버려지는 열은 투입된 에너지의 대부분을 차지하고 있다. 따라서, 버려지는 열 에너지를 재사용하여 새로운 영역에 응용할 수 있다면 에너지 위기를 극복하는 좋은 방법론이 될 것이다. The proliferation of fossil energy use causes global warming and energy depletion. In response to such problems, recently, renewable energy development and thermoelectric element development programs have been actively conducted in various countries around the world including Korea. In particular, since all equipment and electronics do not thermodynamically overcome the limitations of the Carnot cycle, the waste heat accounts for most of the energy input. Therefore, if the waste heat energy can be reused and applied to new areas, it will be a good methodology to overcome the energy crisis.

  한편, 열전 소자 및 모듈은 크게 제베크 효과(seebeck effect)를 이용하는 발전분야와 펠티에 효과(peltier effect)를 응용한 냉각분야로 양분된다. 냉각분야에서는 IT산업의 발달과 더불어 전자부품의 소형화, 고전력화, 고집적화, 슬림화에 따라 발열량이 증가하고 있으며, 발생된 열은 전자기기의 오작동 및 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용하고 있다. Meanwhile, thermoelectric devices and modules are largely divided into a power generation field using the seebeck effect and a cooling field using the peltier effect. In the cooling field, heat generation increases with the development of the IT industry, along with the miniaturization, high power consumption, high integration, and slimness of electronic components, and the generated heat acts as an important factor to reduce the malfunction and efficiency of electronic devices.

이러한 문제점 해결을 위하여 열전 소자를 사용하고 있으며, 또한 열전소자의 장점인 무소음, 빠른 냉각속도, 국부 냉각, 친환경성을 고려한다면 앞으로의 응용성은 더욱 커질 수밖에 없다. In order to solve this problem, the thermoelectric device is used. Also, considering the noiselessness, fast cooling speed, local cooling, and eco-friendliness of the thermoelectric device, the applicability in the future is inevitably increased.

발전 분야에서도 자동차, 폐기물 소각로, 제철소, 발전소, 지열, 전자기기, 체온 등에서 버려지는 많은 폐열을 이용하여 전기에너지로 재생산하려는 노력이 세계적으로 많이 연구되고 있는 실정이다. 특히 열전 발전은 체적 발전이며 다른 발전과 융합이 가능하므로 미래에 대한 응용성은 매우 크다고 할 수 있다. 또한, 전기에너지를 생산하는 동안 지구 오염물질을 방출하지 않아, 친환경성과도 부합되므로 앞으로 열전 발전의 전파속도는 가속화될 것이다. In the field of power generation, many efforts are being studied worldwide to reproduce electric energy by using a large amount of waste heat discarded from automobiles, waste incinerators, steel mills, power plants, geothermal energy, electronic devices, and body temperature. In particular, thermoelectric power generation is a volumetric power generation, and can be combined with other power generations, so the applicability to the future is very large. In addition, since it does not emit global pollutants during the production of electrical energy, it is also compatible with environmentally friendly performance, which will accelerate the propagation speed of thermoelectric power.

그러나, 열전 냉각 및 발전의 상용화는 세계적으로 보편화되지 않았으며, 그 연구도 국가출원연구소 및 학계의 랩(lab) 규모 정도로 행해지고 있는 실정이다. 최근 에너지가격의 상승과 환경문제의 해결책으로 열전소자 및 모듈이 많이 연구되며, 그 응용성을 고려한다면 미래의 시장은 크다고 할 수 있다. However, the commercialization of thermoelectric cooling and power generation has not been universalized worldwide, and the research is also being carried out on the scale of labs of national application institutes and academia. Recently, many thermoelectric devices and modules have been studied as solutions for rising energy prices and environmental problems. Considering their applicability, the future market is large.

기존의 열전 소자는 금속 원료를 일정 성분비로 혼합하여 기계적 합금화에 의해 주로 제조된다. 즉, 벌크 형태의 열전소자는 초기 용해, 파쇄, 소결이라는 기본적 공정을 이용하며, 여기에 도펀트를 첨가하여 p-type, n-type의 반도체를 제조한다. 또한, 상기 제조된 반도체 파우더를 용융시킨 후 잉곳(ingot) 형태로 성장시킨 후, 분쇄 및 냉각, 가압, 소성 공정 등을 통하여 열전소자를 만들게 된다. Conventional thermoelectric elements are mainly manufactured by mechanical alloying by mixing metal raw materials in a certain component ratio. That is, the bulk type thermoelectric element uses a basic process of initial melting, crushing, and sintering, and a dopant is added thereto to manufacture p-type and n-type semiconductors. In addition, the prepared semiconductor powder is melted and grown in the form of an ingot, thereby making a thermoelectric device through a pulverization and cooling, pressurization, and baking process.

상기와 같은 공정을 이용하여 열전 소자를 제조하는 경우, 제작시간이 길고 생산 수율 자체도 30~40%로 낮기 때문에 양산성에 큰 문제점이 발생하게 된다. 또한, 상기 제조된 열전 소자를 활용하여 모듈을 제작하게 되는데 모듈 제작에 있어서 금속화(metallization) 소자의 기판 패턴 형성, 소자와 이종접합 등의 추가 공정을 진행하게 되는데 이로 인해서 모듈의 신뢰성 향상 및 양산 수율의 저하 등을 유발시키게 된다.  When the thermoelectric device is manufactured using the above process, the production time is long and the production yield itself is low as 30 to 40%, which causes a large problem in mass productivity. In addition, the module is manufactured by using the manufactured thermoelectric element, and in the fabrication of the module, additional processes such as forming a substrate pattern of a metallization element, and heterojunction with the element are performed, thereby improving reliability and mass-producing the module. It will cause a decrease in yield.

결국 기존 공정들은 공정 프로세스가 복잡하고 또한 공정 조건을 제어하기 어려워, 고가의 공정비가 포함되며 또한 재현성이 있는 소자 및 모듈 제작이 어렵다는 단점을 갖고 있다.
As a result, the existing processes have a disadvantage that the process process is complicated and difficult to control the process conditions, which includes expensive process costs and makes it difficult to manufacture reproducible devices and modules.

본 발명에서는 상기와 같은 종래 기술의 문제들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제조 공정이 간단하고, 공정 조건의 제어가 용이할 뿐만 아니라, 재현성이 우수한 열전소자와 모듈의 제조방법을 제공하는 데 있다. In the present invention, to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thermoelectric element and a module having a simple manufacturing process, easy control of process conditions, and excellent reproducibility. There is.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 제조방법은 다공성 열전 소자를 제조하는 단계; 및 상기 다공성 열전 소자의 내부 또는 외부 표면에 나노 물질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. Method for manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is to prepare a porous thermoelectric device; And forming a nanomaterial layer on the inner or outer surface of the porous thermoelectric device.

상기 다공성 열전 소자는 열전 소자의 모재, 도핑 물질 및 발포 혼합체를 혼합하여 압출 성형시킨 것일 수 있다. The porous thermoelectric device may be formed by mixing and extruding a base material, a doping material, and a foamed mixture of the thermoelectric device.

상기 나노 물질층은 금속 및 비금속 물질로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 형성되는 것일 수 있다.The nanomaterial layer may be formed of one or more materials selected from the group consisting of metal and nonmetal materials.

상기 나노 물질층을 형성하는 금속은 Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, 및 Nb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The metal forming the nanomaterial layer may be at least one selected from the group consisting of Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, and Nb.

또한, 상기 나노 물질층을 형성하는 비금속은 SiO, TiO2, BaTiO3, 및 Fe2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.In addition, the base metal forming the nanomaterial layer may be one or more selected from the group consisting of SiO, TiO 2 , BaTiO 3 , and Fe 2 O 3 .

상기 나노 물질층은 상기 열전 소자의 다공성 외부 표면에 나노 코팅시킴으로서 형성되는 것일 수 있다. The nanomaterial layer may be formed by nanocoating a porous outer surface of the thermoelectric device.

상기 나노 코팅은 마이크로 아크 방전 코팅일 수 있다. The nano coating may be a micro arc discharge coating.

상기 마이크로 아크 방전 코팅은 pH 9~11의 조건에서 수행될 수 있다. The micro arc discharge coating may be carried out at the pH 9-11 conditions.

상기 마이크로 아크 방전 코팅은 25~50℃의 저온 조건에서 수행될 수 있다. The micro arc discharge coating may be carried out at low temperature conditions of 25 ~ 50 ℃.

상기 나노 코팅은 기상 분사법으로 수행될 수 있다. The nano-coating may be performed by gas phase spraying.

상기 나노 물질층은 상기 열전 소자의 내부 기공에 직접 주입시켜 형성될 수 있다. The nanomaterial layer may be formed by directly injecting into the internal pores of the thermoelectric device.

상기 열전 소자의 내부 기공에 나노 물질을 직접 주입시, 초음파 진동을 이용할 수 있다. Ultrasonic vibration may be used when the nanomaterial is directly injected into the internal pores of the thermoelectric device.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 추가적으로 산화방지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the method may further include forming an antioxidant film.

상기 산화방지막은 에폭시 실리콘 수지 형성 후 알루미늄 및 구리 호일을 통하여 열가압하여 형성되는 것일 수 있다. The anti-oxidation film may be formed by thermally pressing through aluminum and copper foil after forming an epoxy silicone resin.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 물질층은 2층 이상으로 형성될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the nanomaterial layer may be formed of two or more layers.

본 발명의 실시예에 따르면, 다공성 열전 소자 제조 후 상기 다공성 표면 또는 그 내부에 포논산란을 극대화 할 수 있는 나노물질층을 형성함으로써 열전도도 감소에 따른 열전성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면적을 넓게 유지함으로써 소자를 얇고 소형화함으로써 고집적 응용품에 대응할 수 있고, 나노물질층에 금속 및 비금속 물질을 자유롭게 형성함으로써 열전소자의 설계가 용이하다. 공정시간이 단축되고 내화학성 및 내구성과 같은 고신뢰성이 확보되며, 모듈 제작시 발생하는 재료의 산화문제를 해결할 수 있으며 이에 따른 각층의 결합력 강도가 우수하며, 도핑 물질을 포함함 소자 혼합을 균일하게 제어할 수 있으며 다성분계의 열전소자층 제작이 용이하다.
According to the exemplary embodiment of the present invention, after the porous thermoelectric device is manufactured, a nanomaterial layer capable of maximizing phonon scattering may be formed on the porous surface or the inside thereof, thereby improving thermoelectric performance according to thermal conductivity reduction. In addition, by keeping the surface area wide, the device can be made thin and small to cope with high-integration applications, and the thermoelectric device can be easily designed by freely forming metal and nonmetal materials in the nanomaterial layer. The process time is shortened and high reliability such as chemical resistance and durability can be secured, and the problem of oxidation of materials generated during module manufacturing can be solved, and the bonding strength of each layer is excellent, and the doping material is included. Controllable and easy to manufacture multi-component thermoelectric element layer.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 열전소자 플레이트(plate)의 주사전자현미경 사진이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 열전소자의 표면에 나노물질층이 코팅된 후의 표면의 주사전자현미경 사진이다.
1 is a scanning electron micrograph of a porous thermoelectric plate according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 is a scanning electron micrograph of the surface after the nanomaterial layer is coated on the surface of the porous thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise" and / or "comprising" specifies the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or groups of these. It is not intended to exclude the presence or the addition of one or more other shapes, numbers, acts, members, elements and / or groups.

본 발명은 포논 산란 극대화를 통한 열전도도를 감소시킬 수 있는 열전 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 다공성 열전 소자를 제조하는 단계; 및 상기 다공성 열전 소자의 내부 또는 외부 표면에 나노 물질층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device capable of reducing thermal conductivity through maximizing phonon scattering, specifically, manufacturing a porous thermoelectric device; And forming a nanomaterial layer on the inner or outer surface of the porous thermoelectric device.

상기 다공성 열전 소자는 열전 소자의 모재, 도핑 물질 및 발포 혼합체를 혼합하여 압출 성형시켜 제조할 수 있다. The porous thermoelectric device may be manufactured by mixing and extruding a base material, a doping material, and a foamed mixture of the thermoelectric device.

상기 열전소자 모재로는 BiTe, Znsb, InSe, CoSb, PbTe, GeTe, 및 FeSi로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 것이나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.The thermoelectric element base material is one or more selected from the group consisting of BiTe, Znsb, InSe, CoSb, PbTe, GeTe, and FeSi, but is not particularly limited thereto.

또한, 상기 모재에 혼합되는 도핑 물질로는 Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, 및 Nb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 것을 사용한다. 경우에 따라서 입경 사이즈가 너무 큰 경우, 파쇄, 분쇄 등을 통하여 입경 사이즈를 작게 만든다. In addition, at least one selected from the group consisting of Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, and Nb is used as the doping material mixed in the base material. In some cases, when the particle size is too large, the particle size is made small by crushing or pulverizing.

여기에 TiH2, ZrH2, PVC, PVA, PMEA, 메틸셀룰로오즈, 모노글리세리드, 알부민, 젤라틴, 알킬황산염, 및 전분으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 발포 용액에 알콜, 아세톤, 톨루엔 등의 용매를 넣어 발포혼합체를 만든 후 이를 원하는 틀에 넣고 압출시킨다. A solvent such as alcohol, acetone, toluene is added to at least one foaming solution selected from the group consisting of TiH 2 , ZrH 2 , PVC, PVA, PMEA, methylcellulose, monoglycerides, albumin, gelatin, alkyl sulfates, and starch. To make a foamed mixture, which is then extruded into a desired mold.

압출 성형은 소정의 다공도 확보를 위하여 일정한 온도와 압력하에서 진행하 는 것이 바람직하며, 예를 들면, 400~600℃의 온도와 20~100 Mpa의 압력에서 수행할 수 있다. Extrusion molding is preferably carried out at a constant temperature and pressure to ensure a predetermined porosity, for example, it can be carried out at a temperature of 400 ~ 600 ℃ and a pressure of 20 ~ 100 Mpa.

또한, 원하는 기공 크기와 형태 조절을 위해서는 상기 열전 소자의 모재, 도핑물질 및 발포혼합체의 조성비를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 상기 열전 소자 모재에 P형 또는 N형 도핑 물질을 1~10중량% 의 범위 내에서 조절하여 각각의 소자를 제조할 수 있다.In addition, in order to control the desired pore size and shape, the composition ratio of the base material, the doping material, and the foamed mixture of the thermoelectric device may be controlled. Each device can be manufactured by adjusting within the range of.

그 다음 단계는, 상기 다공성 열전 소자의 내부 또는 외부 표면에 나노 물질층을 형성하는 단계이다. The next step is to form a nanomaterial layer on the inner or outer surface of the porous thermoelectric element.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 물질층은 포논 산란 극대화를 위해 상기 열전 소자의 다공성 외부 표면에 나노 코팅시킴으로써 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the nanomaterial layer may be formed by nanocoating a porous outer surface of the thermoelectric element to maximize phonon scattering.

상기 나노 물질층은 다공성 기공 표면에 포논 산란층을 다수 형성하기 위해 금속, 및 비금속 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 상기 다공성 열전 소자 제조시 사용된 도핑 물질인 Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, 및 Nb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 사용하거나, 또는 SiO, TiO2, BaTiO3, 및 Fe2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 비금속을 포함할 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.The nanomaterial layer may be at least one selected from metals and nonmetals to form a large number of phonon scattering layers on a porous pore surface. For example, Sb, Se, and Ni, which are doping materials used in manufacturing the porous thermoelectric device, may be used. At least one metal selected from the group consisting of Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, and Nb, or 1 selected from the group consisting of SiO, TiO 2 , BaTiO 3 , and Fe 2 O 3 It may include more than one type of nonmetal, but is not limited thereto.

또한, 상기 다공성 열전 소자의 표면에 나노물질층 형성을 위한 나노 코팅은 상기 금속 및 비금속 물질들을 이용하여 건식, 벌크, 습식 방법 등을 이용하여 코팅할 수 있으며, 코팅 방법이 특별히 한정되는 것은 아니다. In addition, the nano-coating for forming a nanomaterial layer on the surface of the porous thermoelectric device may be coated using a dry, bulk, wet method using the metal and non-metallic materials, the coating method is not particularly limited.

코팅 방법은 우선 강산을 사용하지 않음으로써 pH가 9~11인 약알카리성 수용액에 펄스(pulse)와 전류밀도, 전압의 조건 차이를 발생하여 나노 물질층을 코팅한다. 이를 마이크로 아크 방전 코팅방법이라 명명하며 이러한 공정을 사용함으로써 25~50℃와 같은 저온에서 약알카리 용액을 사용하여 친환경 조건에서 빠른 공정시간으로 제조할 수 있다. The coating method does not use a strong acid to coat the nanomaterial layer by generating a difference between pulse, current density, and voltage in a weakly alkaline aqueous solution having a pH of 9-11. This is called a micro-arc discharge coating method, and by using such a process, it is possible to prepare a fast process time in an environment-friendly condition using a weak alkali solution at a low temperature such as 25 ~ 50 ℃.

상기 약알칼리성 수용액은 KNO3, KCl, K2HPO4, KOH, K2SO4, 및K3PO4로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 알칼리 수용액을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The weak alkaline aqueous solution may use one or more alkaline aqueous solutions selected from the group consisting of KNO 3 , KCl, K 2 HPO 4 , KOH, K 2 SO 4 , and K 3 PO 4 , but is not limited thereto.

이는 종래 기술이 강산을 이용함으로 인해 내산성이 떨어지는 문제들을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 강산을 사용하여 50℃ 이상의 고온에서 코팅하지 않기 때문에 비용 면에서도 유리한 효과를 가진다. This not only solves the problems of poor acid resistance due to the use of a strong acid, but also has an advantageous effect in terms of cost since it does not coat at a high temperature of 50 ° C. or more using a relatively strong acid.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 금속 및 비금속 물질을 졸(Sol) 상태로 만들어 에어로 졸, 콜드 스프레이(cold spray)와 같은 기상 분사법으로 나노물질층을 코팅할 수도 있다. According to another embodiment of the present invention, the metal and non-metallic materials may be made into a sol state and the nanomaterial layer may be coated by a gas phase spraying method such as an aerosol or cold spray.

또한, 다수의 혼합 코팅물질을 만들어 하이브리드(hybrid) 코팅 물질을 형성함으로써 다층 형성 계면에 따른 열전도도 감소 효과를 공정 단순화로 극대화 시킬 수도 있다.In addition, by forming a plurality of mixed coating materials to form a hybrid (hybrid) coating material can be maximized by the process simplification of the thermal conductivity reduction effect according to the multi-layer forming interface.

경우에 따라서는 상기 나노물질층을 Sb-> Ag-> Ni 등과 같이 2층 이상의 다층으로 형성할 수도 있으며, 상기 물질들의 종류와 순서는 다양하게 선택될 수 있다. In some cases, the nanomaterial layer may be formed in a multilayer of two or more layers such as Sb-> Ag-> Ni, and the type and order of the materials may be variously selected.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 나노 물질층은 상기 열전 소자의 내부 기공에 직접 주입시켜 형성시킬 수도 있다. In addition, according to another preferred embodiment of the present invention, the nanomaterial layer may be formed by direct injection into the internal pores of the thermoelectric element.

즉, 열전 소자의 모재, 바인더 및 발포혼합체를 넣어 혼합한 후 이를 주어진 몰드에 캐스팅하여 탈바인더와 소결을 진행하여 다공성 열전 소자를 제조한다. 이후 캐스팅 필름을 제거한 후 상부에 금속 및 비금속 물질을 Spreading 한 후 초음파 진동을 이용해 상기 다공성 열전 소자의 내부 기공에 주입되도록 한다. 이후 HIP, SPS 등과 같은 공정을 통하여 소결을 진행한다. That is, after mixing the base material, the binder and the foam mixture of the thermoelectric element, and cast it in a given mold to proceed with the binder and sintering to produce a porous thermoelectric element. After the casting film is removed, metal and non-metallic materials are spread on the upper portion, and then injected into the internal pores of the porous thermoelectric element using ultrasonic vibration. After sintering through a process such as HIP, SPS.

본 발명에 따른 나노물질층은 0.01~1㎛의 두께, 바람직하게는 0.1~0.1 ㎛의 두께를 가지는 것일 수 있다.The nanomaterial layer according to the present invention may have a thickness of 0.01 to 1 μm, preferably 0.1 to 0.1 μm.

또한, 추가적으로 산화를 막기 위해서는 에폭시 수지를 표면에 약간 바른 후 알루미늄 또는 구리 호일을 붙인 후 압착하여 산화방지막을 형성할 수도 있다.
In addition, in order to prevent oxidation, an epoxy resin may be slightly applied to the surface, and then aluminum or copper foil may be attached and then compressed to form an antioxidant film.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.

실시예Example 1 One

열전소자의 모재로서 BiTe, ZnSb를 사용하고, 여기에 도핑물질로서 Ag을 혼합하고, 메틸셀룰로오즈 발포 용액에 톨루엔을 추가하여 발포 혼합체를 만들고, 이를 일정한 틀에 넣고 압출 성형시켜 다공성 열전 소자를 제조하였다. 압출성형은 450℃ 온도, 50MPa의 압력 조건하에서 진행하였다.BiTe and ZnSb were used as a base material of the thermoelectric element, Ag was mixed as a doping material, and toluene was added to the methyl cellulose foam solution to make a foamed mixture, which was put in a fixed mold and extruded to prepare a porous thermoelectric element. . Extrusion was carried out at a temperature of 450 ° C. and a pressure of 50 MPa.

그 다음, 상기 다공성 열전 소자의 표면에 Ni을 습식 코팅법으로 코팅시켰다. 코팅 조건은 pH 10의 KOH 수용액에 마이크로 아크 방전 코팅을 이용하여 30℃에서 진행하여, 두께 0.1 ㎛의 나노물질층을 형성시켰다.
Then, Ni was coated on the surface of the porous thermoelectric element by a wet coating method. Coating conditions were carried out at 30 ℃ using a micro arc discharge coating in a KOH aqueous solution of pH 10, to form a nanomaterial layer of 0.1 ㎛ thickness.

실험예Experimental Example 1 One

상기 실시예 1에서, 나노물질층이 형성되기 전의 다공성 열전소자의 플레이트(도 1)와, 나노물질층이 형성된 후의 표면 형태(도 2)를 주사전자현미경으로 측정하였으며 그 결과를 다음 도 1~2에 나타내었다.In Example 1, the plate of the porous thermoelectric element before the nanomaterial layer was formed (FIG. 1) and the surface form after the nanomaterial layer was formed (FIG. 2) were measured by a scanning electron microscope. 2 is shown.

다음 도 1은 다공성 열전 소자의 표면 사진으로서, 기공 사이즈가 불균일하고 입자 형태가 다양하며 입자 분포가 큰 열전소자 물질층을 형성한 것을 알 수 있다.Next, FIG. 1 is a surface photograph of a porous thermoelectric device, and it can be seen that a thermoelectric material layer having a large pore size, various particle shapes, and a large particle distribution is formed.

반면, 상기 다공성 열전 소자의 표면에 Ag 나노 물질층을 코팅시킨 다음 도 2의 경우, 입자 기공이 균일하고 판형의 나노 물질층이 결정상으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 보다 균질하고 다양한 도핑물질이 작은 크기로 코팅 가능한 열전소자 제조가 가능함을 알 수 있다.On the other hand, after coating the Ag nanomaterial layer on the surface of the porous thermoelectric device in Figure 2, it can be seen that the particle pores are uniform and the plate-shaped nanomaterial layer is formed in the crystalline phase. Accordingly, it can be seen that a more homogeneous and various doping material can be manufactured with a coating capable of coating a small size.

Claims (15)

다공성 열전 소자를 제조하는 단계; 및
상기 다공성 열전 소자의 내부 또는 외부 표면에 나노 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 열전 소자의 제조방법.
Manufacturing a porous thermoelectric element; And
The method of manufacturing a thermoelectric device comprising the step of forming a nanomaterial layer on the inner or outer surface of the porous thermoelectric device.
제 1항에 있어서, 상기 다공성 열전 소자는 열전 소자의 모재, 도핑 물질 및 발포 혼합체를 혼합하여 압출 성형시킨 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the porous thermoelectric device is formed by mixing and extruding a base material, a doping material, and a foamed mixture of the thermoelectric device.
제 1항에 있어서, 상기 나노 물질층은 상기 열전 소자의 다공성 외부 표면에 나노 코팅시킴으로서 형성되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the nanomaterial layer is formed by nanocoating a porous outer surface of the thermoelectric device.
제 3항에 있어서, 상기 나노 코팅은 마이크로 아크 방전 코팅인 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 3, wherein the nano coating is a micro arc discharge coating.
제 4항에 있어서, 상기 마이크로 아크 방전 코팅은 pH 9~11의 조건에서 수행되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 4, wherein the micro arc discharge coating is performed at a condition of pH 9-11.
제 5항에 있어서, 상기 마이크로 아크 방전 코팅은 25~50℃의 온도 조건에서 수행되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 5, wherein the micro arc discharge coating is performed at a temperature of 25 ° C. to 50 ° C. 7.
제 3항에 있어서, 상기 나노 코팅은 기상 분사법인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 3, wherein the nano-coating is a gas phase spraying method.
제 1항에 있어서, 상기 나노 물질층은 금속 및 비금속 중에서 선택되는 1종 이상의 물질로 형성되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the nanomaterial layer is formed of at least one material selected from metals and nonmetals.
제 8항에 있어서, 상기 나노 물질층을 형성하는 금속은 Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, 및 Nb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the metal forming the nanomaterial layer is one or more selected from the group consisting of Sb, Se, Ni, Ag, Cu, Zn, Mn, Y, Fe, and Nb. Way.
제 8항에 있어서, 상기 나노 물질층을 형성하는 비금속은 SiO, TiO2, BaTiO3, 및 Fe2O3로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 8, wherein the base metal forming the nanomaterial layer is at least one selected from the group consisting of SiO, TiO 2 , BaTiO 3 , and Fe 2 O 3 .
제 1항에 있어서, 상기 나노 물질층은 상기 열전 소자의 내부 기공에 직접 주입시켜 형성되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the nanomaterial layer is formed by direct injection into internal pores of the thermoelectric device.
제 11항에 있어서, 상기 열전 소자의 내부 기공에 도핑 물질을 직접 주입시, 초음파 진동을 이용하는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 11, wherein ultrasonic vibration is used when a doping material is directly injected into the internal pores of the thermoelectric element.
제 11항에 있어서, 추가적으로 산화방지막을 형성하는 단계를 포함하는 열전 소자의 제조방법.
12. The method of claim 11, further comprising forming an antioxidant film.
제 13항에 있어서, 상기 산화방지막은 에폭시 실리콘 수지 형성 후 Al, Cu 포일을 열가압하여 형성되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 13, wherein the anti-oxidation film is formed by thermally pressing Al and Cu foils after forming an epoxy silicone resin.
제 1항에 있어서, 상기 나노 물질층은 2층 이상으로 형성되는 것인 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the nanomaterial layer is formed of two or more layers.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101493792B1 (en) * 2013-11-08 2015-02-17 한국과학기술원 Flexible thermoelectric device and fabricating method thereof
KR20150044823A (en) * 2013-10-17 2015-04-27 주식회사 엘지화학 Thermoelectric materials and their manufacturing method
KR20180135555A (en) * 2017-06-13 2018-12-21 한국과학기술원 Thermoelectric module having 3-dimensional coupling structure with density gradient and method for manufacturing the same

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