KR20130024686A - HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME - Google Patents

HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME Download PDF

Info

Publication number
KR20130024686A
KR20130024686A KR1020110118941A KR20110118941A KR20130024686A KR 20130024686 A KR20130024686 A KR 20130024686A KR 1020110118941 A KR1020110118941 A KR 1020110118941A KR 20110118941 A KR20110118941 A KR 20110118941A KR 20130024686 A KR20130024686 A KR 20130024686A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
type thermoelectric
type
thermoelectric material
electrode
thermoelectric module
Prior art date
Application number
KR1020110118941A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101300758B1 (en
Inventor
박경순
이가원
김준영
Original Assignee
세종대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 세종대학교산학협력단 filed Critical 세종대학교산학협력단
Publication of KR20130024686A publication Critical patent/KR20130024686A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101300758B1 publication Critical patent/KR101300758B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/855Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising compounds containing boron, carbon, oxygen or nitrogen
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

PURPOSE: A highly efficient π-type thermoelectric module for power generation and a method for fabricating the same are provided to improve the adhesion of a substrate and an electrode by using metal gauze and metal paste. CONSTITUTION: A lower electrode(124) is formed on a lower plate(150). An upper electrode(122) is formed on an upper plate(110). A P-n thermal thermoelectric material(130,140) is formed between the upper electrode and the lower electrode. The p-n thermoelectric material includes a pillar p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material. The P-n thermoelectric material has a rectangular shape.

Description

발전용 고효율 π형 열전모듈 및 그의 제조 방법{HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME}High-efficiency π-type thermoelectric module for power generation and its manufacturing method {HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

본원은 p형 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는 발전용 고효율 π형 열전 모듈, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present application provides a high efficiency π for power generation comprising a p-type Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and an n-type Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) thermoelectric material It relates to a type thermoelectric module, and a method of manufacturing the same.

열전재료(thermoelectric material)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 재료를 총칭하는 것으로, 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크 효과를 이용한 재료, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에 효과를 이용한 재료 등이 있다.Thermoelectric material is a generic term for materials that use various effects of heat and electricity interactions.Thermistors are used to stabilize circuits, detect heat, power, light, and the Seebeck effect. The material used, the material using the Peltier effect used for a refrigerator or a thermostat, etc. are mentioned.

특히, 최근 전 세계적으로 화석 연료사용에 따른 환경오염 문제, 에너지 고갈 문제 등이 심각하게 대두되면서, 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과를 이용한 재료를 대체 에너지 창출을 위해 연구가 활발히 진행되고 있다. 열전재료를 이용한 발전용 열전 모듈은, 양단에서의 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열 이동시 n형 열전재료와 p형 열전재료에서 각각 전자와 홀(hole)이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써, 전기적 에너지가 발생된다.In particular, as the environmental pollution problem and the energy depletion problem caused by the use of fossil fuels have become serious all over the world, researches are actively conducted to create alternative energy for materials using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated due to temperature difference. It is becoming. In the thermoelectric module for power generation using thermoelectric materials, electrons and holes are moved from the high end to the low end in the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material, respectively, when the heat is transferred from the hot end region to the cold end region due to the temperature difference at both ends. By moving, electrical energy is generated.

또한, 발전용 π형 열전 모듈의 효율은 p형 및 n형 열전재료의 열기전력, 열전도도 및 전기 비저항과 같은 열전특성과 열전모듈 쌍(pair) 수에 의해 결정된다. 무소음, 무진동으로 유지하고, 보수가 필요 없고, 신뢰성이 높은 열전발전은 초기에는 군사용 전원 장치를 비롯한 특수 소형 전원 장치에의 응용을 위해 개발되었으나, 온도차만 부여하면 발전이 가능하므로 100℃ 미만의 저열원에서 1,000℃ 정도의 고열원에 걸쳐 이용 가능한 열원의 종류가 다양하며 산업 폐열을 이용한 열전 발전기, 대체 독립 전원 등의 분야로 용도가 크게 확대되고 있다.In addition, the efficiency of the π-type thermoelectric module for power generation is determined by thermoelectric characteristics such as thermoelectric power, thermal conductivity and electrical resistivity of p-type and n-type thermoelectric materials and the number of pairs of thermoelectric modules. Thermoelectric power generation with no noise, no vibration, no maintenance, and high reliability, was initially developed for application to special small power supplies, including military power supplies. There are various types of heat sources available from sources to high heat sources, such as 1,000 ℃, and their use is expanding to fields such as thermoelectric generators using industrial waste heat and alternative independent power sources.

대한민국 공개특허출원공보 제 10-2010-0116748 호는 플라즈마 아크 방전에 의해 형성된 p형 반도체 및 n형 반도체를 이용하여 형성된 열전모듈에 대하여 개시하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제 10-0853749 호는 p형 열전재료와 n형 열전재료 2쌍이 직렬로 연결된 열전 발전용 단위 모듈을 제조하고 상기 단위 모듈 복수개가 직렬로 연결된 열전 세트를 사용함으로써, 각 모듈별로 저항값과 단선 여부의 확인이 용이하도록 하여, 고장에 대한 원인 분석 및 해결이 간단하고 대량의 모듈을 손쉽게 연결할 수 있는 열전 발전용 단위 모듈과 이를 포함하는 열전 세트 및 그 제조 방법에 관하여 개시하고 있다.Korean Unexamined Patent Application Publication No. 10-2010-0116748 discloses a thermoelectric module formed using a p-type semiconductor and an n-type semiconductor formed by plasma arc discharge. In addition, Korean Patent No. 10-0853749 discloses a thermoelectric power unit module in which two pairs of p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material are manufactured in series, and by using a thermoelectric set in which a plurality of the unit modules are connected in series, for each module. Disclosed are a thermoelectric power unit module, a thermoelectric set including the same, and a method of manufacturing the same, which make it easy to check a resistance value and disconnection, and easily analyze and solve a cause of a failure, and easily connect a large number of modules. .

그러나, 열전모듈의 출력 특성의 향상을 위해 열전모듈의 제조 공정 개발이 여전히 요구되고 있다. However, development of a manufacturing process of the thermoelectric module is still required to improve the output characteristics of the thermoelectric module.

본원은 p형 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는 발전용 고효율 π형 열전모듈, 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.The present application provides a high efficiency π for power generation comprising a p-type Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and an n-type Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) thermoelectric material To provide a thermoelectric module, and a method of manufacturing the same.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 하부 기판 상에 형성된 하부 전극 및 상부 기판 상에 형성된 상부 전극; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에, 서로 마주보는 기둥 형상의 p형 열전재료 및 기둥 형상의 n형 열전재료가 교대로 배치되어 있는 형상을 이루는 복수의 p-n 열전재료를 포함하는 발전용 π형 열전모듈로서, 상기 p형 열전재료는 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료를 포함하고, 상기 n형 열전재료는 Ca1 -yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는 발전용 π형 열전모듈을 제공할 수 있다.The first aspect of the present application, the lower electrode formed on the lower substrate and the upper electrode formed on the upper substrate; And a plurality of pn thermoelectric materials including a plurality of pn thermoelectric materials in a shape in which columnar p-type thermoelectric materials and columnar n-type thermoelectric materials are alternately disposed between the upper electrode and the lower electrode. A thermoelectric module, wherein the p-type thermoelectric material includes Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material, and the n-type thermoelectric material is Ca 1 -y Dy y MnO 3 (0 ≦ y≤1) It is possible to provide a π-type thermoelectric module for power generation including a thermoelectric material.

본원의 제 2 측면은, 하기를 포함하는, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법을 제공할 수 있다:A second aspect of the present application can provide a method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation, including:

p형 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 성형체를 각각 소결하여 기둥 모양의 p형 열전재료 및 기둥 모양의 n형 열전재료를 제조하는 단계;p-type thermoelectric with columnar shape by sintering p-type Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and n-type Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) Manufacturing a material and a columnar n-type thermoelectric material;

하부 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode on the lower substrate;

상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료 각각의 일면에 상부 전극을 형성하는 단계;Forming an upper electrode on one surface of each of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material;

상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료의 상기 상부 전극이 형성된 일면의 반대 면을 상기 하부 전극에 각각 접착하여, 서로 마주보는 기둥 형상의 상기 p형 열전재료 및 상기 기둥 형상의 n형 열전재료를 교대로 배치하여 복수의 π형 열전모듈을 형성하는 단계; 및The p-type thermoelectric material and the column-shaped n-type thermoelectric material are adhered to each other by adhering opposite surfaces of one surface on which the upper electrode of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are formed to the lower electrode, respectively. Alternately arranging to form a plurality of π-type thermoelectric modules; And

상기 상부 전극 상에 상부 기판을 접착하는 단계.Adhering an upper substrate on the upper electrode.

본원에 의하여, p형 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는 발전용 고효율 π형 열전모듈, 및 그의 제조 방법이 제공된다. 구체적으로, 전극의 형성 시 금속 페이스트 및/또는 금속 거즈(gauze)를 이용함으로써 전극과 기판의 접착력을 향상시킬 수 있으며, 이로써 상기 π형 열전모듈의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. By the present application, for power generation comprising p-type Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and n-type Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) thermoelectric material A high efficiency [pi] type thermoelectric module and a manufacturing method thereof are provided. Specifically, the adhesion between the electrode and the substrate may be improved by using a metal paste and / or metal gauze when forming the electrode, thereby improving output characteristics of the π-type thermoelectric module.

도 1a는 본원의 일 구현예에 따른 π형 열전모듈의 내부 구성을 보인 단면도이다.
도 1b는 본원의 일 구현예에 따른 π형 열전모듈의 상면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본원의 일 구현예에 따른 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 고효율 발전용 π형 Ca2.76Cu0.24Co4O9/Ca0.8Dy0.2MnO3 열전모듈을 나타낸 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가진 π형 (a) 2쌍 열전모듈과 (b) 4쌍 열전모듈을 나타낸 사진이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 π형 열전모듈의 출력 특성 측정 장치를 나타낸 사진이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 혼합물 전극의 전기전도도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9 열전재료와 Ag 전극 계면을 나타낸 도면이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 n형 Ca0 .8Dy0 .2MnO3 열전재료와 Ag 전극의 계면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 Ag 페이스트 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 380℃일 때 온도차별 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 530℃일 때 온도차별 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도에 따른 π형 단위 열전모듈의 온도차를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 380℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 510℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 550℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 611℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 672℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 713℃일 때 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 600℃일 때 π형 2쌍 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 21은 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도가 664℃일 때 π형 4쌍 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 22는 본원의 일 실시예에 따른 고온부의 온도별 π형 1쌍, 2쌍, 및 4쌍 열전모듈의 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
Figure 1a is a cross-sectional view showing the internal configuration of the π-type thermoelectric module according to an embodiment of the present application.
Figure 1b is a top view of the π-type thermoelectric module according to an embodiment of the present application.
2A to 2E are views for explaining a method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation according to an embodiment of the present application.
Figure 3 is a picture showing a π-type Ca 2.76 Cu 0.24 Co 4 O 9 / Ca 0.8 Dy 0.2 MnO 3 thermoelectric module for high efficiency power generation according to an embodiment of the present application.
FIG. 4 is a photograph showing π-type (a) two-pair thermoelectric module and (b) four-pair thermoelectric module having an (Ag paste + Ag gauze) electrode according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a photograph showing an output characteristic measuring apparatus of a π-type thermoelectric module according to an exemplary embodiment of the present application.
Figure 6 is a graph showing the electrical conductivity of the (Ag paste + Ag gauze) mixture electrode according to an embodiment of the present application.
7 is a view showing a p-type Ca 2 .76 Cu 0 .24 Co 4 O 9 thermoelectric material and Ag electrode interface according to one embodiment of the present application.
8 is n-type in accordance with one embodiment of the present Ca 0 .8 Dy 0 .2 MnO 3 A diagram showing an interface between a thermoelectric material and an Ag electrode.
9 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module having an Ag paste electrode according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
FIG. 10 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module having an (Ag paste + Ag gauze) electrode according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
FIG. 11 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module having a temperature difference when a temperature of a high temperature part is 380 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 12 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module having a temperature difference when a temperature of a high temperature part is 530 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
13 is a graph illustrating a temperature difference of a π-type unit thermoelectric module according to a temperature of a high temperature part according to an exemplary embodiment of the present application.
14 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 380 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
15 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 510 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
16 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 550 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
17 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 611 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
18 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 672 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
19 is a graph illustrating output characteristics of a π-type unit thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 713 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
20 is a graph showing the output characteristics of the π-type two-pair thermoelectric module when the temperature of the high temperature unit according to an embodiment of the present application is 600 ℃.
21 is a graph illustrating output characteristics of a π-type four-pair thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 664 ° C. according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 22 is a graph illustrating output characteristics of π-type 1 pair, 2 pair, and 4 pair thermoelectric modules for each temperature of a high temperature part according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합" 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term “combination of these” included in the expression of the mark of the form refers to one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the elements described in the mark of the form of Markus, wherein the components It means to include one or more selected from the group consisting of.

이하, 본원에 대하여 도면을 참조하여 구현예와 실시예를 이용하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본원에 이러한 구현예와 실시예에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it is not limited to these embodiments and examples herein.

본원의 제 1 측면은, 하부 기판 상에 형성된 하부 전극 및 상부 기판 상에 형성된 상부 전극; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에, 서로 마주보는 기둥 형상의 p형 열전재료 및 기둥 형상의 n형 열전재료가 교대로 배치되어 있는 형상을 이루는 복수의 p-n열전재료를 포함하는 발전용 π형 열전모듈로서, 상기 p형 열전재료는 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료를 포함하고, 상기 n형 열전재료는 Ca1 -yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는, 발전용 π형 열전모듈을 제공할 수 있다.The first aspect of the present application, the lower electrode formed on the lower substrate and the upper electrode formed on the upper substrate; And a plurality of pn thermoelectric materials comprising a plurality of pn thermoelectric materials in a shape of alternately arranged columnar p-type thermoelectric materials and columnar n-type thermoelectric materials between the upper electrode and the lower electrode. A thermoelectric module, wherein the p-type thermoelectric material includes Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material, and the n-type thermoelectric material is Ca 1 -y Dy y MnO 3 (0 ≦ y≤1) It is possible to provide a π type thermoelectric module for generating power, including a thermoelectric material.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 p-n 열전재료는 사각 형태를 이루는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 복수의 p-n 열전재료는 일방향으로 교번하여 배치되거나, 또는 상기 일방향의 직각 방향으로도 교번하여 배치될 수 있고, 또는 3차원적으로 교번하여 배치될 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present application, the plurality of p-n thermoelectric materials may be formed in a square shape, but is not limited thereto. For example, the plurality of p-n thermoelectric materials may be alternately arranged in one direction, alternately arranged in a direction perpendicular to the one direction, or three-dimensional alternatingly.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 p-n 열전재료는 교대로 배치되어 있는 1개 내지 4개 상기 p형 열전재료 및 1개 내지 4개 상기 n형 열전재료를 포함하여 사각 형태를 이루는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the plurality of pn thermoelectric materials may be in a square shape including one to four p-type thermoelectric materials and one to four n-type thermoelectric materials that are alternately arranged. However, it is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료를 전기적으로는 직렬로 열적으로는 병렬로 되도록 π형으로 연결한 모듈의 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to the exemplary embodiment of the present application, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material may be in the form of a module connected in a π type such that they are electrically connected in series and thermally in parallel, but is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 하기를 포함하는, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법을 제공할 수 있다:A second aspect of the present application can provide a method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation, including:

p형 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료 각각 소결하여 기둥 모양의 p형 열전재료 및 기둥 모양의 n형 열전재료를 제조하는 단계;p type Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and n type Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) thermoelectric material Manufacturing a material and a columnar n-type thermoelectric material;

하부 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode on the lower substrate;

상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료 각각의 일면에 상부 전극을 형성하는 단계;Forming an upper electrode on one surface of each of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material;

상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료의 상기 상부 전극이 형성된 일면의 반대 면을 상기 하부 전극에 각각 접착하여, 서로 마주보는 기둥 형상의 상기 p형 열전재료 및 상기 기둥 형상의 n형 열전재료가 교대로 배치되어 복수의 π형 열전모듈을 형성하는 단계; 및The p-type thermoelectric material and the column-shaped n-type thermoelectric material are adhered to each other by adhering opposite surfaces of one surface on which the upper electrode of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are formed to the lower electrode, respectively. Alternately arranged to form a plurality of π-type thermoelectric modules; And

상기 상부 전극 상에 상부 기판을 접착하는 단계.Adhering an upper substrate on the upper electrode.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 발전용 π형 열전모듈의 2개 이상을 이용하여 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판을 접합하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the method may further include bonding the upper substrate and the lower substrate using two or more of the π-type thermoelectric module for power generation, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 p형 열전재료의 소결 온도는 약 800℃ 내지 약 1,000℃ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the sintering temperature of the p-type thermoelectric material may be about 800 ° C. to about 1,000 ° C., but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 n형 열전재료의 소결 온도는 약 1,100℃ 내지 약 1,300℃ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the sintering temperature of the n-type thermoelectric material may be about 1,100 ℃ to about 1,300 ℃, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제조 방법은 상기 π형 열전모듈을 가압한 후 약 500℃ 내지 약 1,000℃ 에서 열처리하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the manufacturing method may further include heat treatment at about 500 ° C. to about 1,000 ° C. after pressurizing the π-type thermoelectric module, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 각각 금속 분말을 함유하는 페이스트를 소결하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the upper electrode and the lower electrode may be formed by sintering a paste containing a metal powder, respectively, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 분말은 Au, Ag, Pd, Ni, Cu 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal powder may include a metal selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Ni, Cu, and combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은, 상기 상부 기판 및 하부 기판 상에 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트 층, 금속 거즈(gauze), 및 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트 층을 순차적으로 적층함으로써 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 각각에 접착되어 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, each of the upper electrode and the lower electrode may include a paste layer containing the metal powder, a metal gauze, and the paste layer containing the metal powder on the upper substrate and the lower substrate. By sequentially stacking, the upper substrate and the lower substrate may be bonded to each other, but are not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 거즈(gauze)는 Au, Ag, Pd, Ni, Cu 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal gauze may include, but is not limited to, a metal selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Ni, Cu, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 스크린 프린팅 공정을 이용하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the upper electrode and the lower electrode may be formed using a screen printing process, but is not limited thereto.

도 1a는 본원의 일 구현예에 따른 π형 열전모듈의 내부 구성을 보인 단면도이고, 도 1b는 본원의 일 구현예에 따른 π형 열전모듈의 상면도이다.Figure 1a is a cross-sectional view showing the internal configuration of the π-type thermoelectric module according to an embodiment of the present application, Figure 1b is a top view of the π-type thermoelectric module according to an embodiment of the present application.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 π형 열전모듈(100)은 상부 기판(110) 및 하부 기판(150)에 의해 상/하면 외관이 형성될 수 있다. π형 열전모듈(100)의 상/하부의 절연을 위해, 상기 상부 기판(110) 및 상기 하부 기판(150)은, 예를 들어, 알루미나(Al2O3) 절연 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As illustrated in FIGS. 1A and 1B, the π-type thermoelectric module 100 according to the exemplary embodiment of the present disclosure may have upper and lower surfaces formed by the upper substrate 110 and the lower substrate 150. For insulating the upper and lower portions of the π-type thermoelectric module 100, the upper substrate 110 and the lower substrate 150 may be, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) insulating substrate. It is not limited.

상기 상부 기판(110)의 하면과 상기 하부 기판(150)의 상면에는 전극(120)이 구비될 수 있다. 상기 전극(120)은 π형 열전모듈(100)에서 전원의 흐름을 안내하는 것으로, 상기 상부 기판(110)의 하면과 접촉하는 상부 전극(122)과, 상기 하부 기판(150)의 상면과 접촉하는 하부 전극(124)을 포함할 수 있다.An electrode 120 may be provided on a lower surface of the upper substrate 110 and an upper surface of the lower substrate 150. The electrode 120 guides the flow of power in the π-type thermoelectric module 100. The electrode 120 contacts the lower surface of the upper substrate 110 and the upper surface of the lower substrate 150. The lower electrode 124 may be included.

상기 상부 전극(122) 및 상기 하부 전극(124)은 π형 열전모듈(100)에서 전류가 많이 흐를 수 있도록 전기전도성이 높은 재질이 바람직하다. 구체적으로, 상기 상부 전극(122) 및 상기 하부 전극(124)은 각각 금속 분말을 함유하는 페이스트를 소결하여 형성된 것일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 금속 분말은, 예를 들어, Au, Ag, Pd, Ni, Cu 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 전도성이 우수한 소재로 형성될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 상부 전극(122) 및 상기 하부 전극(124)은 각각은, 상기 상부 기판(110) 및 상기 하부 기판(150) 상에 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트(paste) 층, 금속 거즈(gauze), 및 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트 층을 순차적으로 적층함으로써 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 각각에 접착되어 형성된 것일 수 있다.The upper electrode 122 and the lower electrode 124 are preferably made of a material having high electrical conductivity such that a large amount of current flows in the π-type thermoelectric module 100. Specifically, the upper electrode 122 and the lower electrode 124 may be formed by sintering a paste containing a metal powder, respectively. In more detail, the metal powder may be formed of a material having excellent conductivity, including, for example, selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Ni, Cu, and combinations thereof. In one embodiment, the upper electrode 122 and the lower electrode 124, each of the paste layer containing the metal powder on the upper substrate 110 and the lower substrate 150, The metal gauze and the paste layer containing the metal powder may be sequentially laminated to be bonded to each of the lower substrate and the upper substrate.

상기 상부 전극(122)과 하부 전극(124)의 일면에는, 서로 마주보는 기둥 형상의 p형 열전재료(130) 및 기둥 형상의 n형 열전재료(140)가 교대로 배치되어 복수의 π형 열전모듈이 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 상부 전극(122)의 하면 우측에는 p형 열전재료(130)가 구비되며, 상기 p형 열전재료(130)로부터 좌측으로 이격된 곳에는 n형 열전재료(140)가 구비된다. 그리고, 상기 하부 전극(124)의 상면 좌측에는 n형 열전재료(140)가 구비되며, 상기 n형 열전재료(140)로부터 우측으로 이격된 곳에는 p형 열전재료(130)가 구비된다. 따라서, 상부 기판(110)과 하부 기판(150)은 서로 교차되게 연결되어 p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140)가 전기적으로 직렬을 이룰 수 있도록 한다. p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140)의 직렬연결에 의하여 복수의 p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140) 커플이 하나의 전기 에너지 이동로를 형성한다. 따라서, 상기 복수의 p-n 열전재료는 사각 형태를 이룰 수 있다. 상기 복수의 p-n 열전재료(140, 150)는 기둥 형상으로 형성되며, 가공의 용이성 측면에서 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 p형 열전재료(130) 및 상기 n형 열전재료(140)로는 산화물이 사용될 수 있다. 산화물 소재의 경우, 지속적인 연구 개발로 사용온도 범위가 확대되었고, 비산화물 재료에 비해 환경 친화적이며, 공기 중에서 장시간 사용 가능하고, 경량화, 소형화에 용이하다. 본원의 일 구현예에 있어서, p형 열전재료(130)로는 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료, 상기 n형 열전재료(140)로는 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료가 사용될 수 있다. 상기 열전재료는 열전 재료의 성능을 나타내는 척도인 출력인자 값이 우수하다.
On one surface of the upper electrode 122 and the lower electrode 124, a columnar p-type thermoelectric material 130 and a columnar n-type thermoelectric material 140 that face each other are alternately arranged to form a plurality of π-type thermoelectrics. Modules may be provided. In more detail, a p-type thermoelectric material 130 is provided on a lower right side of the upper electrode 122, and an n-type thermoelectric material 140 is provided at a position spaced to the left from the p-type thermoelectric material 130. do. In addition, an n-type thermoelectric material 140 is provided on the upper left side of the lower electrode 124, and a p-type thermoelectric material 130 is provided at a position spaced to the right from the n-type thermoelectric material 140. Accordingly, the upper substrate 110 and the lower substrate 150 are connected to each other to allow the p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140 to be electrically in series. By the series connection of the p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140, the plurality of p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140 couple together to form one electric energy path. Thus, the plurality of pn thermoelectric materials may have a rectangular shape. The plurality of pn thermoelectric materials 140 and 150 may be formed in a columnar shape, and may be formed in a rectangular columnar shape in view of ease of processing, but are not limited thereto. In this case, an oxide may be used as the p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140. In the case of oxide materials, the continuous use of R & D has expanded the temperature range, and it is more environmentally friendly than non-oxide materials, can be used for a long time in the air, and is easy to lighten and downsize. In one embodiment of the present application, the p-type thermoelectric material 130, Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material, the n-type thermoelectric material 140, Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0 ≦ y ≦ 1) thermoelectric material may be used. The thermoelectric material has an excellent output factor value that is a measure of the performance of the thermoelectric material.

이어서, 본원에 따른 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법에 대해 설명한다.Next, the manufacturing method of the p type thermoelectric module for power generation which concerns on this application is demonstrated.

도 2a 내지 도 2e는 본원의 일 구현예에 따른 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법을 설명하기로 한다.2A to 2E are views for explaining a method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation according to an embodiment of the present application. With reference to Figures 2a to 2e will be described a method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation according to an embodiment of the present application.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, p형 열전재료(130)의 열전재료로 Ca3 -xCuxCo4O9(0≤x≤3), n형 열전재료(140)의 열전재료로 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 각각의 분말을 합성하여 p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140)를 제조한다. First, as shown in FIG. 2A, the thermoelectric material of the p-type thermoelectric material 130 is Ca 3 -x Cu x Co 4 O 9 (0 ≦ x ≦ 3), and the thermoelectric material of the n-type thermoelectric material 140. Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) , each of the composite powder to produce a p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140.

상기 열전재료는 열전재료의 출력인자(power factor) 값이 크다. 즉, 열전 변환 성능이 양호하다. 따라서, 종래의 열전 변환 재료를 대체하거나 종래의 열전재료에 추가하여 열전 변환 재료에 유용하게 이용될 수 있다.The thermoelectric material has a large power factor value. That is, the thermoelectric conversion performance is good. Therefore, it can be usefully used in thermoelectric conversion materials in place of or in addition to conventional thermoelectric conversion materials.

상기 합성된 상기 p형 열전재료 분말 및 상기 n형 열전재료 분말은 약 150 nm 이하의 크기의 분말 상태로 된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 p형 열전재료 분말 및 상기 n형 열전재료 분말을 미리 준비된 몰드(미도시)에 넣은 후 가압하여 성형체를 제조하고, 이를 소결할 수 있다. 소결 공정은 통상 산화물 열전 분말이 소결되는 대기 분위기와 온도, 예를 들어, 상기 p형 열전재료(130)는 약 900℃의 온도에서 소결될 수 있고, 상기 n형 열전재료(140)는 약 1,200℃에서 소결되어 형성될 수 있다. 상기 소결 공정으로 제조한 상기 p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140) 펠릿(pellet)을 가로와 세로 길이를 약 3 mm 내지 약 15 mm로, 높이가 약 20 mm 내지 약 30 mm인 기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 가공의 용이성 측면에서 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있으나, 크기 및 형상은 제한되는 것은 아니다.The synthesized p-type thermoelectric material powder and the n-type thermoelectric material powder may be in a powder state having a size of about 150 nm or less, but is not limited thereto. The p-type thermoelectric material powder and the n-type thermoelectric material powder may be put into a mold (not shown) prepared in advance, and then pressurized to produce a molded body, and then sintered. In the sintering process, an atmospheric atmosphere and a temperature at which oxide thermoelectric powder is sintered, for example, the p-type thermoelectric material 130 may be sintered at a temperature of about 900 ° C., and the n-type thermoelectric material 140 may be about 1,200. It may be formed by sintering at ℃. The p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140 pellets prepared by the sintering process have a width and length of about 3 mm to about 15 mm, and a height of about 20 mm to about 30 mm. Phosphorus may be formed in a pillar shape, in terms of ease of processing may be formed in a square pillar shape, but the size and shape is not limited.

이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(150)의 상에 하부 전극(124)을 형성할 수 있다. π형 열전모듈(100)의 상/하부의 절연을 위해 상부 기판(110) 및 하부 기판(150)은 알루미나(Al2O3) 절연 기판을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the lower electrode 124 may be formed on the lower substrate 150. The upper substrate 110 and the lower substrate 150 may use an alumina (Al 2 O 3 ) insulating substrate to insulate the upper and lower portions of the π-type thermoelectric module 100, but is not limited thereto.

일 구현예에 있어서, 상기 하부 전극(124)의 형성은 미리 준비된 메탈마스크(metal mask, 미도시) 또는 메탈메쉬(metal mash, 미도시)를 안착시킨 다음, 볼밀 가공된 은이나 구리와 같은 금속 분말을 메탈마스크 또는 메탈메쉬로 통과시켜 전극(120)을 형성시킬 수 있다.In one embodiment, the lower electrode 124 may be formed by depositing a metal mask (not shown) or a metal mash (not shown), which is prepared in advance, and then a metal such as ball milled silver or copper. The electrode 120 may be formed by passing the powder through a metal mask or a metal mesh.

즉, 상기 메탈마스크 또는 메탈메쉬에는 상기 전극(120)이 형성될 위치에 미세한 구멍이 천공 형성되도록 하고, 이러한 미세 구멍을 통해 상기 은이나 구리 같은 금속 분말이 통과하도록 함으로써 하부 기판(150)의 상에 하부 전극(124)이 스크린 프린팅 되도록 할 수 있다.That is, fine holes are formed in the metal mask or metal mesh at the position where the electrode 120 is to be formed, and the metal powder such as silver or copper passes through the micro holes to pass on the lower substrate 150. The lower electrode 124 can be screen printed on.

이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상부 전극(122) 또는 하부 전극(124)이 형성된 열전재료 배치 단계에서는 p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140)를 일방향으로 교번시켜 배치하며, 상기 일방향의 직각 방향으로도 교번하여 배치되는 복수의 열전재료를 배치하여, p형 열전재료(130) 및 n형 열전재료(140) 한 쌍을 π형 단위 모듈로 하여 복수의 π형 단위 모듈을 구비하고, 서로 나란히 배치할 수 있다. 상기 복수의 p-n 열전재료는 사각 형태를 이룰 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 2C, in the thermoelectric material arrangement step in which the upper electrode 122 or the lower electrode 124 is formed, the p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140 are alternately arranged in one direction. By arranging a plurality of thermoelectric materials that are alternately arranged in the direction perpendicular to the one direction, a plurality of π-type unit modules using a pair of p-type thermoelectric material 130 and n-type thermoelectric material 140 as π-type unit modules It may be provided, and can be arranged side by side with each other. The plurality of p-n thermoelectric materials may have a rectangular shape.

이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 p형 열전재료(130) 및 상기 n형 열전재료(140) 각각의 일면에 상부 전극(122)을 형성할 수 있다. 상기 상부 전극(122)은 상기 하부 전극(124)과 동일하게 형성할 수 있으므로 이하 중복기재를 생략한다. Subsequently, as illustrated in FIG. 2D, an upper electrode 122 may be formed on one surface of each of the p-type thermoelectric material 130 and the n-type thermoelectric material 140. Since the upper electrode 122 may be formed in the same manner as the lower electrode 124, a redundant substrate is omitted.

이어서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 상부 전극(122) 상에 상부 기판(110)을 접합할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 상부 전극(122) 상에 상기 상부 기판(110)을 압력을 가하면서 열처리함으로써, π형 열전모듈(100)을 형성할 수 있다.
Subsequently, as illustrated in FIG. 2E, the upper substrate 110 may be bonded onto the upper electrode 122. In one embodiment, the π-type thermoelectric module 100 may be formed by applying heat to the upper substrate 110 while applying pressure to the upper electrode 122.

이하, 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments and drawings.

1. 실험방법
1. Experimental method

1) π형 열전모듈의 제작1) Fabrication of π type thermoelectric module

가) π형 단위 열전모듈의 제작A) Fabrication of π type unit thermoelectric module

900℃에서 소결한 p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9와 1,250℃에서 소결한 n형 Ca0 .8Dy0 .2MnO3 열전재료를 이용하여 π형 열전모듈을 제작하였다. 제조한 p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9와 n형 Ca0 .8Dy0 .2MnO3 열전재료를 절단한 후 대략 7 mm x 9 mm x 25 mm의 크기로 가공하였다. 본 실시예에서는 전극의 종류에 따른 단위 열전모듈의 출력 특성을 비교하기 위해 Ag 페이스트만을 전극으로 사용한 열전모듈과 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 혼합물을 전극으로 사용한 열전모듈을 각각 제작하였다. 이때 4 mm의 두께를 갖는 20 mm x 20 mm 크기의 알루미나 기판을 사용하였다.By using the n-type Ca 0 .8 Dy 0 .2 MnO 3 thermoelectric material sintered at 900 ℃ .24 a p-type Ca 2 .76 Cu 0 Co 4 O 9 and sintered at 1,250 ℃ prepare a π-type thermoelectric module. Cutting the manufacture of p-type Ca 2 .76 Cu 0 .24 Co 4 O 9 and the n-type Ca 0 .8 Dy 0 .2 MnO 3 thermoelectric material was then machined to a size of approximately 7 mm x 9 mm x 25 mm . In this embodiment, in order to compare the output characteristics of the unit thermoelectric module according to the type of electrode, a thermoelectric module using only Ag paste as an electrode and a thermoelectric module using a mixture of (Ag paste + Ag gauze) as electrodes were manufactured. At this time, an alumina substrate having a size of 20 mm x 20 mm having a thickness of 4 mm was used.

우선, Ag 페이스트 전극을 가진 열전모듈의 경우, 알루미나 기판 한쪽 면에 Ag 페이스트를 인쇄한 후, p형 및 n형 열전재료의 한쪽 면에 Ag 페이스트를 각각 인쇄하였다. 그 후 알루미나 기판과 두 열전재료를 접합시킨 후, 12.3 kPa의 압력을 가해주면서 700℃에서 1 시간 동안 열처리하여 열전모듈을 제작하였다. 그리고 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가진 열전모듈의 경우, 알루미나 기판 위에 Ag 페이스트를 인쇄한 후 그 위에 두께 0.1 mm의 Ag 거즈(80 mesh)를 부착하고, Ag 거즈 위에 Ag 페이스트를 덧발라서 Ag 거즈 사이에 Ag 페이스트가 스며들어 서로 접착이 잘 되도록 하였다. p형 및 n형 열전재료의 한쪽 면 위에 Ag 페이스트를 각각 인쇄하였다. 그 후 Ag 전극이 부착된 기판과 p형/n형 열전재료를 Ag 페이스트로 접합시킨 후 앞에서 제조한 열전모듈과 마찬가지로 12.3 kPa의 압력을 가해주면서 700℃에서 1 시간 동안 열처리하였다. 제작한 다른 두 전극을 가지는 p형 단위 열전모듈의 사진을 도 3에 나타내었다.
First, in the case of a thermoelectric module having an Ag paste electrode, Ag paste was printed on one side of the alumina substrate, and then Ag paste was printed on one side of the p-type and n-type thermoelectric materials, respectively. Then, after bonding the alumina substrate and the two thermoelectric materials, a thermoelectric module was prepared by heat treatment at 700 ℃ for 1 hour while applying a pressure of 12.3 kPa. In the case of a thermoelectric module having an (Ag paste + Ag gauze) electrode, Ag paste was printed on an alumina substrate, and then Ag Ag gauze (80 mesh) having a thickness of 0.1 mm was attached thereon, and Ag paste was coated on Ag gauze. Ag pastes permeated between the gauze to ensure good adhesion to each other. Ag pastes were printed on one side of the p-type and n-type thermoelectric materials, respectively. Subsequently, the substrate to which the Ag electrode was attached and the p-type / n-type thermoelectric material were bonded with Ag paste, and then heat-treated at 700 ° C. for 1 hour while applying a pressure of 12.3 kPa as in the thermoelectric module prepared above. 3 shows a photo of a p-type unit thermoelectric module having two different electrodes.

나) π형 2쌍 및 4쌍 열전모듈의 제작B) Fabrication of π-type 2-pair and 4-pair thermoelectric modules

더 높은 출력 특성을 얻기 위해 π형 2쌍 및 4쌍 열전모듈을 제작하였다. 앞에서 제작한 두 종류의 단위 열전모듈 가운데, (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 단위 열전모듈의 출력 특성이 더 양호하기 때문에 본 실시예에서는 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 2쌍 및 4쌍 열전모듈을 제작하였다. π형 단위 열전모듈을 직렬로 연결하여 2쌍 열전모듈을 제작하였으며, 2쌍 열전모듈을 두 개 제작한 후 이들 두 열전모듈을 (Ag 페이스트+Ag 거즈)로 직렬 연결하여 4쌍 열전모듈을 제작하였다. 제작한 π형 2쌍 및 4쌍 열전모듈의 사진을 도 4에 나타내었다.
To obtain higher output characteristics, π-type 2-pair and 4-pair thermoelectric modules were fabricated. Of the two types of unit thermoelectric modules manufactured above, the output characteristics of the unit thermoelectric module having the (Ag paste + Ag gauze) electrode are better, so in this embodiment, two pairs and four having the (Ag paste + Ag gauze) electrode A double thermoelectric module was produced. Two pairs of thermoelectric modules were manufactured by connecting π-type unit thermoelectric modules in series, and two pairs of thermoelectric modules were manufactured, and then four pairs of thermoelectric modules were manufactured by connecting these two thermoelectric modules in series with (Ag paste + Ag gauze). It was. The π-type 2-pair and 4-pair thermoelectric modules thus produced are shown in FIG. 4.

2) 열전재료와 전극의 접합 특성 분석2) Analysis of junction characteristics of thermoelectric materials and electrodes

가) 전극의 특성A) Characteristics of the electrode

고온용 π형 열전모듈을 제작하기 위해서는 고온에서 높은 전도성과 안정성을 가지는 전극이 필요하다. 고온 전도성 전극은 일반적으로 Au, Ag, Pd, Ni, Cu 같은 금속 분말과 무기 결합제, 유기 결합제를 혼합하여 페이스트로 만들어 사용하고 있다. 그 중에서도 Ag 페이스트는 Au 페이스트에 비해 경제적이며, 높은 온도에서도 전도성이 높기 때문에 많이 사용되고 있다. 따라서 본 실시예에서는 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 혼합물을 전극으로 사용하였으며, 이 전극의 고온 전기전도도를 4단자법으로 100℃ ~ 800℃에서 측정하였다.
In order to manufacture π-type thermoelectric module for high temperature, an electrode having high conductivity and stability at high temperature is required. High temperature conductive electrodes are generally used as a paste by mixing metal powders such as Au, Ag, Pd, Ni, Cu, inorganic binders and organic binders. Among them, Ag paste is more economical than Au paste and is widely used because of its high conductivity even at high temperatures. Therefore, in the present embodiment, a mixture of (Ag paste + Ag gauze) was used as an electrode, and high temperature electrical conductivity of the electrode was measured at 100 ° C. to 800 ° C. by a four-terminal method.

나) 열전재료와 전극 계면에서의 원소 분포B) Element distribution at the interface of thermoelectric material and electrode

p형/n형 열전재료와 전극의 접합 계면에서의 원소확산은 열전모듈의 출력 특성 및 접합강도에 큰 영향을 미친다. 접합 후 열전재료 내부로 Ag의 확산과 Ag 전극으로 열전재료 구성 원소의 확산을 알아보기 위해 12.3 kPa의 압력을 가해 주면서 700℃에서 1 시간 동안 열처리한 열전모듈의 p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9/전극 계면과 n형 Ca0 .8Dy0 .2MnO3/전극 계면에서 EDS 분석을 하였다.
Element diffusion at the junction between the p-type / n-type thermoelectric material and the electrode has a great influence on the output characteristics and the bonding strength of the thermoelectric module. After bonding, p-type Ca 2 .76 Cu 0. Of a thermoelectric module heat-treated at 700 ° C. for 1 hour while applying a pressure of 12.3 kPa to investigate the diffusion of Ag into the thermoelectric material and the diffusion of constituent elements of the thermoelectric material with the Ag electrode . 24 Co 4 O 9 / electrode was the interface between the n-type Ca 0 .8 .2 0 Dy EDS analysis in the MnO 3 / electrode interface.

3) 제작한 π형 열전모듈의 출력 특성 측정3) Measurement of output characteristics of manufactured π type thermoelectric module

제작한 π형 열전모듈의 출력 특성을 향상시키기 위해 발열 히터와 냉각수 이동 각형 파이프를 열전모듈에 접촉시켜 고온부(Th)와 저온부(Tc)의 온도차(T=Th-Tc)를 크게 하였다. 히터는 니크롬선 발열체를 사용하였으며, 냉각수 이동 각형 파이프에 호수를 연결하여 냉각수를 흘려주었다. 또한 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도를 측정하기 위해 p형 및 n형 열전재료와 접합되어 있는 고온부의 알루미나 기판과 저온부의 알루미나 기판에 각각 K-형 열전대를 설치하였다. 다음으로, 열전모듈의 양단에 온도차가 있을 때 발생하는 전류 및 전압을 측정하기 위해 n형 및 p형 열전재료의 저온부에 Ag 거즈를 부착한 후, 이 Ag 거즈와 구리 전선을 연결하였다. 출력 특성 측정을 위해 준비한 열전모듈 및 장치를 도 5에 나타내었다. 정 전류 공급기(Keithley 2400)로 열전모듈에 미세 전류를 흘려주면서 이때 발생하는 기전력을 디지털 멀티메타(Fluke 87-3)로 측정하여 열전모듈의 출력을 산출하였다.
In order to improve the output characteristics of the manufactured π-type thermoelectric module, the heating heater and the coolant moving square pipe are brought into contact with the thermoelectric module to greatly increase the temperature difference (T = T h -T c ) between the high temperature part (T h ) and the low temperature part (T c ). It was. The heater used a nichrome wire heating element, and connected the lake to the coolant moving square pipe to flow the coolant. In addition, K-type thermocouples were installed on the alumina substrate and the low temperature alumina substrate bonded to the p-type and n-type thermoelectric materials to measure the temperature of the hot and cold portions of the thermoelectric module. Next, Ag gauze was attached to the low temperature portions of the n-type and p-type thermoelectric materials in order to measure the current and voltage generated when there is a temperature difference at both ends of the thermoelectric module, and then the Ag gauze and the copper wire were connected. 5 shows a thermoelectric module and a device prepared for measuring output characteristics. A microcurrent was flowed through the thermoelectric module using a constant current supply (Keithley 2400), and the electromotive force generated at this time was measured by a digital multimeter (Fluke 87-3) to calculate the output of the thermoelectric module.

2. 결과 및 고찰2. Results and discussion

1) 열전재료와 전극의 접합 특성1) Bonding Characteristics of Thermoelectric Materials and Electrodes

도 6은 100℃~800℃ 구간에서 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 혼합물 전극의 전기전도도를 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 Ag 전극의 전기전도도는 감소하였으며, 100℃와 800℃에서 전기전도도는 각각 3.84×104 Ω-1cm- 1와 1.69×104 Ω-1cm-1이다. Figure 6 shows the electrical conductivity of the (Ag paste + Ag gauze) mixture electrode in the range of 100 ℃ ~ 800 ℃. The electrical conductivity of the Ag electrode decreased with increasing temperature, and the electrical conductivity was 3.84 × 10 4 Ω -1 cm - 1 and 1.69 × 10 4 Ω -1 cm -1 at 100 ℃ and 800 ℃, respectively.

도 7은 p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9 열전재료와 Ag 전극을 보여주는 사진이다. 도 7에서 보여지는 바와 같이 부착된 Ag 전극의 두께는 대략 20 ㎛이다. Ag는 열전재료 내부로 거의 확산하지 않았으나, Ca2 .76Cu0 .24Co4O9의 구성 원소인 Ca, Cu, Co, 그리고 O는 Ag 전극의 내부로 소량 확산하였고, 이들 원소가운데 Cu가 가장 많이 확산하였다. 도 8은 n형 Ca0 .8Dy0 .2MnO3 열전재료와 Ag 전극을 보여주는 사진이며, 부착된 Ag 전극의 두께는 대략 27 ㎛이다. p형 Ca2 .76Cu0 .24Co4O9와 마찬가지로 Ag는 열전재료 내부로 거의 확산하지 않았지만, Ca0 .8Dy0 .2MnO3 구성 원소인 Ca, Dy, Mn, 그리고 O는 Ag 전극의 내부로 소량 확산하였다.
Figure 7 is a photograph of the p-type .24 Ca 2 .76 Cu 0 Co 4 O 9 thermoelectric material with Ag electrode. As shown in FIG. 7, the thickness of the attached Ag electrode is approximately 20 μm. Although Ag is not substantially diffuse into the thermoelectric material, Ca 2 Cu .76 0 .24 Co 4 O configuration element of Ca, Cu, Co, O and 9 was a small amount of the Ag diffusion into the electrode, among these elements is Cu The most spread. Figure 8 is an n-type Ca 0 .8 Dy 0 .2 MnO 3 Photo shows the thermoelectric material and the Ag electrode, and the thickness of the attached Ag electrode is approximately 27 μm. a p-type Ca 2 Cu 0 .76 .24 Like Co 4 O 9 Ag did not substantially diffuse into the thermoelectric material, Ca 0 .8 Dy 0 .2 MnO 3 in the constituent elements Ca, Dy, Mn, Ag and O, A small amount diffused into the electrode.

2) 두 다른 전극 형태를 가지는 π형 단위 열전모듈의 출력 특성2) Output characteristics of π-type unit thermoelectric module having two different electrode types

가) Ag 페이스트 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈 A) π-type unit thermoelectric module with Ag paste electrode

냉각수를 흘려주지 않은 상태에서 Ag 페이스트 전극을 가지는 단위 열전모듈의 출력 특성을 측정하였다. 고온부의 온도가 395℃일 때 저온부의 온도는 177℃로, 온도차는 218℃이며, 이 온도차에서 개회로 기전력은 52.3 mV이었다. 다음으로 열전모듈에 0 mA~200 mA 범위의 미세전류를 흘려주었을 때 발생하는 전압(V)과 전류(I)를 측정하였으며, 이 결과를 이용하여 전력(W)을 산출하였다. 도 7에 단위 열전모듈의 V-I와 W-I의 관계를 나타내었다. 도 9에서 최대 출력의 값은 2.41 mW임을 알 수 있다.
The output characteristics of the unit thermoelectric module having the Ag paste electrode in the state without flowing the cooling water were measured. When the temperature of the high temperature portion was 395 ° C, the temperature of the low temperature portion was 177 ° C, the temperature difference was 218 ° C, and the open circuit electromotive force was 52.3 mV at this temperature difference. Next, the voltage (V) and the current (I) generated when a microcurrent in the range of 0 mA to 200 mA were applied to the thermoelectric module were measured, and the power (W) was calculated using the result. 7 shows the relationship between VI and WI of the unit thermoelectric module. In Figure 9 it can be seen that the value of the maximum output is 2.41 mW.

나) (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈B) π-type unit thermoelectric module with (Ag paste + Ag gauze) electrode

Ag 페이스트를 전극으로 사용한 단위 열전모듈과 마찬가지로, 냉각수를 흘려주지 않은 상태에서 고온부의 온도가 392℃일 때 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 혼합물 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈의 출력 특성을 얻었다. 여기서 고온부와 저온부의 온도차는 230℃로서 앞에서 측정한 열전모듈에 비해 12℃ 컸으나, 개회로 기전력은 52.2 mV로 거의 비슷하였다. (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈에 0 mA ~200 mA 범위의 미세전류를 흘려주면서 발생하는 전압과 전류를 측정하였으며, 도 10에 π형 단위 열전모듈의 V-I와 W-I의 관계를 나타내었다. 최대 출력의 값은 2.81 mW이었다.
Similarly to the unit thermoelectric module using the Ag paste as an electrode, the output characteristics of the π-type unit thermoelectric module having a mixture electrode (Ag paste + Ag gauze) when the temperature of the high temperature portion was 392 ° C. without cooling water was obtained. Here, the temperature difference between the hot and cold parts was 230 ° C, which was 12 ° C greater than the thermoelectric module measured above, but the open circuit electromotive force was about 52.2 mV. (Ag paste + Ag gauze) The voltage and current generated while flowing a microcurrent in the range of 0 mA to 200 mA to a π-type unit thermoelectric module having an electrode were measured. The relationship is shown. The maximum output value was 2.81 mW.

다) 다른 두 Ag 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈의 출력 특성 비교C) Comparison of output characteristics of π-type unit thermoelectric module with two different Ag electrodes

전극의 형태에 따른 단위 열전모듈의 출력 특성을 비교하기 위해, 표 1에서 Ag 페이스트 전극과 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 가지는 π형 단위 열전모듈의 온도차, 개회로 기전력 및 출력을 요약하였다. 본 실시예에서는 더 우수한 출력 특성을 보인 (Ag 페이스트+Ag 거즈) 전극을 이용하여 π형 2쌍 및 4쌍 열전모듈을 제작하였다. 그 후 고온부의 온도, 온도차 및 열전모듈 쌍의 개수에 따른 출력 특성을 연구하였다.In order to compare the output characteristics of the unit thermoelectric module according to the electrode type, Table 1 summarizes the temperature difference, the open circuit electromotive force, and the output of the π-type unit thermoelectric module having an Ag paste electrode and an (Ag paste + Ag gauze) electrode. In this embodiment, π-type 2-pair and 4-pair thermoelectric modules were fabricated using (Ag paste + Ag gauze) electrodes with better output characteristics. After that, the output characteristics of the high temperature section, the temperature difference and the number of thermoelectric module pairs were studied.

Figure pat00001
Figure pat00001

3) 고온부의 온도의 크기에 따른 π형 단위 열전모듈의 출력 특성3) Output characteristics of π-type unit thermoelectric module according to the temperature of high temperature part

고온부의 온도를 380℃로 고정하고 유량을 조절하여 온도차가 출력 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 냉각수를 흘려주기 전에는 온도차가 190℃이었지만, 냉각수를 흘려줌으로써 온도차는 265℃로 크게 증가하였다. 이 두 온도차 하에서 전압과 전류를 측정하고, 이를 이용하여 산출한 출력의 값을 도 11에 나타내었다. 온도차가 190℃인 경우, 개회로 기전력과 최대 출력의 값은 각각 31.4 mV와 1.25 mW이며, 또한 온도차가 265℃인 경우, 개회로 기전력과 최대 출력의 값은 각각 43.8 mV와 2.42 mW이었다. The effect of temperature difference on the output characteristics was investigated by fixing the temperature of the hot part at 380 ° C and adjusting the flow rate. Before the cooling water flowed, the temperature difference was 190 ° C, but by flowing the cooling water, the temperature difference greatly increased to 265 ° C. Voltage and current were measured under these two temperature differences, and the output values calculated using the same are shown in FIG. 11. When the temperature difference was 190 ° C, the values of the open circuit electromotive force and the maximum output were 31.4 mV and 1.25 mW, respectively. Also, when the temperature difference was 265 ° C, the values of the open circuit electromotive force and the maximum output were 43.8 mV and 2.42 mW, respectively.

또한 고온부의 온도가 530℃이고 온도차가 215℃와 260℃일 때 출력 특성을 도 12에 나타내었다. 온도차가 215℃일 때 개회로 기전력과 최대 출력의 값은 각각 41.4 mV와 2.39 mW이고, 또한 온도차가 260℃일 때 개회로 기전력과 최대 출력의 값은 50.1 mV와 3.75 mW로 나타났다. 이들 결과로부터 온도차가 클수록 출력이 크게 증가함을 알 수 있다.In addition, the output characteristics are shown in FIG. 12 when the temperature of the high temperature part is 530 ° C and the temperature difference is 215 ° C and 260 ° C. When the temperature difference is 215 ℃, the open circuit electromotive force and the maximum output are 41.4 mV and 2.39 mW, respectively, and when the temperature difference is 260 ℃, the open circuit electromotive force and the maximum output are 50.1 mV and 3.75 mW. From these results, it can be seen that the output increases significantly as the temperature difference is large.

도 13은 고온부의 온도가 250℃~720℃일 때 냉각수를 흘려줌으로써 발생한 온도차를 나타낸 그래프이다. 고온부의 온도가 증가할수록 온도차가 거의 직선적으로 증가하였으며, 고온부의 온도가 380℃, 510℃, 550℃, 611℃, 672℃, 및 713℃일 때 온도차는 각각 250℃, 269℃, 293℃, 305℃, 324℃, 및 346℃이었다. 여러 다른 고온부의 온도에서 온도차, 개회로 기전력, 및 출력을 표 2에 나타냈으며, 고온부의 온도별 p형 단위 열전모듈의 V-I 및 W-I의 관계를 도 14 내지 도 19에 각각 나타냈다. 고온부의 온도가 380℃, 510℃, 550℃, 611℃, 672℃, 및 713℃일 때 최대 출력의 값은 각각 2.42 mW, 3.65 mW, 4.26 mW, 5.70 mW, 7.13 mW, 및 8.42 mW로서, 고온부의 온도가 증가할수록 출력이 증가함을 알 수 있었다.13 is a graph showing a temperature difference generated by flowing cooling water when the temperature of the high temperature part is 250 ° C to 720 ° C. As the temperature of the hot portion increased, the temperature difference increased almost linearly. When the temperature of the hot portion increased to 380 ° C, 510 ° C, 550 ° C, 611 ° C, 672 ° C, and 713 ° C, the temperature difference was 250 ° C, 269 ° C, 293 ° C, respectively. 305 ° C, 324 ° C, and 346 ° C. The temperature difference, the open circuit electromotive force, and the output at the temperatures of the various high temperature parts are shown in Table 2, and the relationship between V-I and W-I of the p-type unit thermoelectric module for each temperature of the high temperature part is shown in FIGS. 14 to 19, respectively. When the temperature of the hot portion is 380 ° C, 510 ° C, 550 ° C, 611 ° C, 672 ° C, and 713 ° C, the values of the maximum output are 2.42 mW, 3.65 mW, 4.26 mW, 5.70 mW, 7.13 mW, and 8.42 mW, respectively. As the temperature of the hot portion increases, the output increases.

Figure pat00002
Figure pat00002

4) π형 2쌍 열전모듈의 출력 특성4) Output Characteristics of π-type 2 Pair Thermoelectric Module

큰 기전력을 얻기 위해서는 여러 쌍의 열전모듈을 직렬로 연결하는 것이 필요하다. 본 실시예에서는 π형 2쌍 및 4쌍의 열전모듈을 제작하여 출력 특성을 평가하였다. 도 20은 고온부의 온도가 600℃이고, 온도차가 317℃일 때, p형 2쌍 열전모듈의 V-I와 W-I 특성을 나타낸 그래프이다. 이 조건에서 개회로 기전력과 최대 출력 값은 각각 134 mV와 15.33 mW이었다. 이 출력은 앞에서 언급한 고온부 온도가 611℃일 때 얻은 단위 열전모듈의 출력(5.7 mW)에 비해 약 2.7배 증가하였다. 2배 이상의 출력을 보인 것은 2쌍 열전모듈의 출력을 측정할 때 온도차(317℃)가 단위 열전모듈의 출력을 측정할 때의 온도차(305℃)보다 더 크기 때문인 것으로 생각된다.
In order to obtain large electromotive force, it is necessary to connect several pairs of thermoelectric modules in series. In this embodiment, two pairs and four pairs of π-type thermoelectric modules were manufactured to evaluate output characteristics. 20 is a graph showing VI and WI characteristics of a p-type two-pair thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 600 ° C. and the temperature difference is 317 ° C. FIG. Under these conditions, the open circuit electromotive force and maximum output value were 134 mV and 15.33 mW, respectively. This output is about 2.7 times higher than the output of the unit thermoelectric module (5.7 mW), which was obtained when the temperature of the hot part was 611 ° C. The more than twice the output is considered to be because the temperature difference (317 ° C) is greater than the temperature difference (305 ° C) when measuring the output of the unit thermoelectric module when measuring the output of the two pairs of thermoelectric modules.

5) π형 4쌍 열전모듈의 출력 특성5) Output Characteristics of π-Type 4 Pair Thermoelectric Module

도 21은 고온부의 온도가 664℃이고, 온도차가 321℃일 때, π형 4쌍 열전모듈의 V-I와 W-I의 관계를 보여주고 있다. 측정한 개회로 기전력과 최대 출력 값은 각각 282 mV과 31.12 mW이었다. π형 단위 열전모듈, 2쌍 열전모듈, 그리고 4쌍 열전모듈의 고온부 온도별 출력 특성을 종합하여 도 22에 나타내었다.
21 shows the relationship between VI and WI of the π-type 4-pair thermoelectric module when the temperature of the high temperature part is 664 ° C and the temperature difference is 321 ° C. The measured open circuit electromotive force and maximum output value were 282 mV and 31.12 mW, respectively. 22 shows the output characteristics of the π-type unit thermoelectric module, the two pair thermoelectric module, and the four pair thermoelectric module according to the temperature of the high temperature section.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above description, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present application.

100: 열전모듈
110: 상부 기판
120: 전극
122: 상부 전극
124: 하부 전극
130: p형 열전재료
140: n형 열전재료
150: 하부 기판
100: thermoelectric module
110: upper substrate
120: electrode
122: upper electrode
124: lower electrode
130: p-type thermoelectric material
140: n-type thermoelectric material
150: lower substrate

Claims (12)

하부 기판 상에 형성된 하부 전극 및 상부 기판 상에 형성된 상부 전극; 및
상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에, 서로 마주보는 기둥 형상의 p형 열전재료 및 기둥 형상의 n형 열전재료가 교대로 배치되어 있는 형상을 이루는 복수의 p-n열전재료
를 포함하는 발전용 π형 열전모듈로서,
상기 p형 열전재료는 Ca3 - xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료를 포함하고, 상기 n형 열전재료는 Ca1 - yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 포함하는 것인,
발전용 π형 열전모듈.
A lower electrode formed on the lower substrate and an upper electrode formed on the upper substrate; And
A plurality of pn thermoelectric materials forming a shape in which columnar p-type thermoelectric materials and columnar n-type thermoelectric materials that face each other are alternately arranged between the upper electrode and the lower electrode.
As a π-type thermoelectric module for power generation, including
The p-type thermoelectric material includes Ca 3 - x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material, and the n-type thermoelectric material is Ca 1 - y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) Including a thermoelectric material,
Π type thermoelectric module for power generation.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 p-n 열전재료는 사각 형태를 이루는 것인, 발전용 π형 열전모듈.
The method of claim 1,
The plurality of pn thermoelectric material is a square shape, π type thermoelectric module for power generation.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 p-n 열전재료는 교대로 배치되어 있는 1개 내지 4개 상기 p형 열전재료 및 1개 내지 4개 n형 열전재료를 포함하여 사각 형태를 이루는 것인, 발전용 π형 열전모듈.
The method of claim 1,
The plurality of pn thermoelectric material to form a square shape, including one to four of the p-type thermoelectric material and one to four n-type thermoelectric material are alternately arranged, π type thermoelectric module for power generation.
p형 Ca3-xCuxCo4O9(0≤x≤3) 열전재료 및 n형 Ca1-yDyyMnO3(0≤y≤1) 열전재료를 각각 소결하여 기둥 모양의 p형 열전재료 및 기둥 모양의 n형 열전재료를 제조하는 단계;
하부 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료 각각의 일면에 상부 전극을 형성하는 단계;
상기 p형 열전재료 및 상기 n형 열전재료의 상기 상부 전극이 형성된 일면의 반대 면을 상기 하부 전극에 각각 접착하여, 서로 마주보는 기둥 형상의 상기 p형 열전재료 및 기둥 형상의 상기 n형 열전재료가 교대로 배치되는 형상을 이루는 복수의 π형 열전모듈을 형성하는 단계; 및
상기 상부 전극 상에 상부 기판을 접착하는 단계
를 포함하는, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
p-type Ca 3-x Cu x Co 4 O 9 (0≤x≤3) thermoelectric material and n-type Ca 1-y Dy y MnO 3 (0≤y≤1) thermoelectric material Manufacturing a thermoelectric material and a columnar n-type thermoelectric material;
Forming a lower electrode on the lower substrate;
Forming an upper electrode on one surface of each of the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material;
The p-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material and the column-shaped n-type thermoelectric material are bonded to each other by attaching opposite surfaces of one surface on which the upper electrode of the n-type thermoelectric material is formed to the lower electrode. Forming a plurality of π-type thermoelectric modules having a shape of alternately arranged ones; And
Adhering an upper substrate on the upper electrode
Including, the manufacturing method of π-type thermoelectric module for power generation.
제 4 항에 있어서,
상기 발전용 π형 열전모듈의 2개 이상을 이용하여 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판을 접합하는 단계를 추가 포함하는, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
And bonding the upper substrate and the lower substrate using two or more of the π-type thermoelectric modules for power generation.
제 4 항에 있어서,
상기 p형 열전재료의 소결 온도는 800℃ 내지 1,000℃인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
The sintering temperature of the p-type thermoelectric material is 800 ℃ to 1,000 ℃, the manufacturing method of π-type thermoelectric module for power generation.
제 4 항에 있어서,
상기 n형 열전재료의 소결 온도는 1,100℃ 내지 1,300℃인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
The sintering temperature of the n-type thermoelectric material is 1,100 ℃ to 1,300 ℃, the manufacturing method of π-type thermoelectric module for power generation.
제 4 항에 있어서,
상기 π형 열전모듈을 가압한 후 500℃ 내지 1,000℃에서 열처리하는 것을 추가 포함하는, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
After the pressurizing the π-type thermoelectric module further comprises a heat treatment at 500 ℃ to 1,000 ℃, manufacturing method of the π-type thermoelectric module for power generation.
제 4 항에 있어서,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 각각 금속 분말을 함유하는 페이스트를 소결하여 형성된 것인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
And the upper electrode and the lower electrode are each formed by sintering a paste containing metal powder.
제 9 항에 있어서,
상기 금속 분말은 Au, Ag, Pd, Ni, Cu 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 9,
The metal powder comprises a metal selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Ni, Cu, and combinations thereof.
제 4 항에 있어서,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은, 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판 상에 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트 층, 금속 거즈, 및 상기 금속 분말을 함유하는 페이스트 층을 순차적으로 적층함으로써 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 각각에 접착되어 형성되는 것인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 4, wherein
Each of the upper electrode and the lower electrode is formed by sequentially laminating a paste layer containing the metal powder, a metal gauze, and a paste layer containing the metal powder on the upper substrate and the lower substrate. Method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation, which is bonded to each of the lower substrate.
제 11 항에 있어서,
상기 금속 거즈는 Au, Ag, Pd, Ni, Cu 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것인, 발전용 π형 열전모듈의 제조 방법.
The method of claim 11,
The metal gauze comprises a metal selected from the group consisting of Au, Ag, Pd, Ni, Cu and combinations thereof, the method of manufacturing a π-type thermoelectric module for power generation.
KR1020110118941A 2011-08-30 2011-11-15 HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME KR101300758B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110086816 2011-08-30
KR20110086816 2011-08-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130024686A true KR20130024686A (en) 2013-03-08
KR101300758B1 KR101300758B1 (en) 2013-08-29

Family

ID=48176711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110118941A KR101300758B1 (en) 2011-08-30 2011-11-15 HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101300758B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101598028B1 (en) * 2014-11-11 2016-02-26 연세대학교 산학협력단 A concentrated solar thermoelctric energy generator using phase change material and lens
KR20190064923A (en) * 2017-12-01 2019-06-11 현대자동차주식회사 Manufacturing method for a thermoelectric moduel

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1737053B1 (en) * 2004-03-25 2012-02-29 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
KR101195122B1 (en) * 2009-04-23 2012-10-29 한국기계연구원 Manufacturing method of Thermoelectric module

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101598028B1 (en) * 2014-11-11 2016-02-26 연세대학교 산학협력단 A concentrated solar thermoelctric energy generator using phase change material and lens
KR20190064923A (en) * 2017-12-01 2019-06-11 현대자동차주식회사 Manufacturing method for a thermoelectric moduel

Also Published As

Publication number Publication date
KR101300758B1 (en) 2013-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20090133734A1 (en) Thermoelectric Conversion Module
US20120145209A1 (en) Thermoelectric element and thermoelectric module including the same
TW201023408A (en) Thermoelectric device
US20130118541A1 (en) Thermoelectric module and method of manufacturing the same
US20160056363A1 (en) Freestanding Thermoelectric Energy Conversion Device
KR20100025067A (en) Thermoelectric module using substrate with prominence and depression
JP2004273489A (en) Thermoelectric conversion module and its manufacturing method
Nakamura et al. Power-Generation Performance of a π-Structured Thermoelectric Module Containing Mg 2 Si and MnSi 1.73
AU2012230650B2 (en) Structure useful for producing a thermoelectric generator, thermoelectric generator comprising same and method for producing same
KR101300758B1 (en) HIGHLY EFFICIENT π-TYPE THERMOELECTRIC MODULE FOR POWER GENERATION AND PREPARING METHOD OF THE SAME
KR20130071759A (en) Cooling thermoelectric moudule and method of manufacturing method of the same
JP3501394B2 (en) Thermoelectric conversion module
KR20160115430A (en) Thermoelectric device moudule and device using the same
JP2018093152A (en) Thermoelectric power generation device
KR102076159B1 (en) Thermo electric device
JP6781982B2 (en) Thermoelectric conversion module and its manufacturing method
KR102021664B1 (en) Multi-multi-array themoeletric generator and its manufacturing method
KR20170098564A (en) Thermo electric element
TW202002341A (en) Thermoelectric conversion module and method for manufacturing thermoelectric conversion module
CN106784278B (en) Thermoelectric conversion device
EP3442039B9 (en) Thermoelectric conversion module
KR20190038098A (en) Thermo electric element
KR102423607B1 (en) Thermoelectric module
JPH02155280A (en) Thermoelectric device
Wang et al. Structural design and manufacture of high packing density micro-thermoelectric power generators using thermoelectric films

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160729

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170717

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee