KR20140123484A - 열전 발전기 모듈, 금속-세라믹 기판 및 금속 세라믹 기판을 생산하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온 영역(1a) 및 냉각 영역(1b)을 갖는 열전 발전기 모듈에 대한 것이며, 하나 이상의 제1 금속-세라믹 기판(2)과 하나 이상의 제2 금속-세라믹 기판(4) 그리고 다수의 열전 발생기 컴포넌트(NF)를 포함한다. 상기 제1 금속-세라믹 기판은 제1 세라믹층(6) 그리고 제1 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제1 구조를 갖는 금속화(4)를 가지며 고온 영역으로 할당된다. 상기 제2 금속-세라믹 기판(4)은 제2 세라믹층(7) 그리고 제2 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제2 구조를 갖는 금속화(5)을 가지며 냉각영역으로 할당된다. 상기 다수의 열전 발생기 컴포넌트(NF)는 상기 금속-세라믹 구조(2, 3)의 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 제2 구조를 갖는 금속화(5) 사이에 위치한다.
실질적으로, 제1 금속-세라믹 기판(2)은 고온 영역(1a)으로 할당되고, 하나 이상의 강철 도는 고급 강철(8)을 가지며, 상기 제1 세라믹층(6)은 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 하나 이상의 강철 또는 고급 강철(8)층 사이에 배치된다. 본 발명은 또한 관련된 금속-세라믹 기판 그리고 이를 생산하는 방법에 대한 것이기도 하다.
실질적으로, 제1 금속-세라믹 기판(2)은 고온 영역(1a)으로 할당되고, 하나 이상의 강철 도는 고급 강철(8)을 가지며, 상기 제1 세라믹층(6)은 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 하나 이상의 강철 또는 고급 강철(8)층 사이에 배치된다. 본 발명은 또한 관련된 금속-세라믹 기판 그리고 이를 생산하는 방법에 대한 것이기도 하다.
Description
본 발명은 청구항 1항의 전제부에 따른 열전 발전기 모듈, 청구항 24항에 따른 관련 금속-세라믹 기판 그리고 청구항 34항에 따른 금속-세라믹을 생산하는 방법에 대한 것이다.
열전 발전기 동작 모드는 기본적으로 알려져 있다. 혈 흐름은 열전 발전기 컴포넌트의 고온 영역과 냉각 영역 사이 온도 차이에 의해 발생 되며, 열전 발전기 컴포넌트를 통해 전기 에너지로 변환된다. 열전 반도체 재로부터 생성된 열전 발전기 컴포넌트는 이 같은 목적으로 위해 사용된다.
열을 전기적 에너지로 직접 변환시키기 위한 열전 발전기의 사용은 현재 자동차 산업에서 시험 되고 있으며, 배기 가스의 잔류 열로부터 내부 자동차 에너지 시스템을 위한 전기 에너지를 회복하도록 하기 위함이다. 초기 단계 발견에 따르면, 자동차 연료 소모가 상당히 줄어들 수 있다.
그러나, 자동차의 배기 가스 영역, 특히 배기 가스 시스템의 영역 내에 열전 반도체 재로부터 발생된 열전 발전기 컴포넌트의 배치가 문제가 된다. 배기 가스 또는 고온 영역 내 40℃ 와 800℃ 사이 온도 변화에 견딜 수 있는 온도 변화에 대한 높은 저항을 갖는 열전 발전기 또는 열전 발전기 모듈이 이 같은 목적을 위해 필요 하다.
또한, 금속-세라믹 기판, 바람직하게 인쇄 회로 기판의 광범위한 실시 예가 알려져 있으며, 하나 이상의 세라믹층 그리고 세라믹층의 표면 측 하나에 적용된 하나 이상의 금속을 가지며, 상기 금속은 전도성 트랙, 접촉 영역 또는 조임 영역(fastening zones)을 형성하도록 구성된다.
예를 들면, 상기 "DCB"(직접 구리 접합) 방법은 금속 층 또는 판, 바람직하게는 구리 판 또는 포일을 서로 또는 세라믹 또는 세라믹층에 연결시키는 것으로 알려져 있다. 특히 금속판 또는 구리판이나 구리 포일을 사용하여, 그 표면 측에서, 금속과 반응 가스(산소)의 화학적 화합물로부터 형성된 코팅층("용융 층")을 갖는다. US-PS 37 44 120 또는 DE-PS 23 19 854에서 설명된 이와 같은 방법으로, 이 같은 층 또는 이 같은 코팅(용융 층)이 금속(예를 들어 구리)의 융점 이하의 융점을 가진 공정 시스템을 형성하며, 금속 포일 도는 구리 포일을 상기 세라믹에 적용하고 그리고 모든 층들을 가열시킴으로써, 이들 층들이 특히 용융 층 또는 산화물층 영역에서만 금속 또는 구리를 용융함에 의해 서로 연결될 수 있도록 한다. 이 같은 타입의 DCB 방법은 다음에 예를 들면 다음의 방법 단계를 포함한다:
- 균일한 구리 산화물층이 만들어지도록 구리 포일을 산화한다;
- 균일한 구리 산화물층을 갖는 구리 포일을 세라믹층에 적용한다;
- 상기 화합물을 1025 내지 1083 ℃ 사이, 거의 1071 ℃의 처리 온도로 가열한다;
- 실온으로 냉각한다.
또한, "활성 납땜 방법"은 세라믹 재 또는 세라믹층으로 특히 구리층 또는 구리 포일의 금속화를 형성하는 금속 층 또는 금속 포일의 연결에 대하여, DE 22 13 115 및 EP-A-153 618에서 알려져 있다. 특히 금속-세라믹 기판을 생산하기 위해 사용된 이 같은 방법에서, 금속 포일, 가령 구리 포일, 그리고 알루미늄 니트라이드 세라믹과 같은 세라믹 기판 사이에 하드 납땜을 사용하여 약 800-1000 ℃의 온도에서 한 연결이 만들어지며, 이는 구리, 실버 및/또는 금과 같은 주 컴포넌트에 추가하여 활성 금속을 포함할 수 있기도 하다. 이 같은 활성 금속은, 예를 들면 Hf, Ti, Zr, Nb, Ce 그룹 중 한 원소이며, 화학 반응의 결과로 하드 납땜과 세라믹 사이의 연결을 만들며, 반면에 상기 하드 납땜과 금속 사이 연결은 금속 하드 납땜 연결이다.
펠티에 소자(Peltier element)로 알려진 형태의 열전 발전기 컴포넌트가 또한 알려져 있으며, 이는 전류 흐름으로 온도 차이를 발생시키며, 또는 온도 차이의 존재로 전류 흐름을 발생시킨다. 이 같은 타입의 펠티에 소자는 각기 다른 에너지 레벨을 갖는, 두 개의 입방형 반도체 소자, 즉 p-전도 또는 n-전도를 포함하고, 이는 금속 브리지를 통해 한 측면에서 서로 연결된다. 여기서, 상기 금속 브리지는 동시에 열 연결 영역을 형성하기도 하며, 이는 바람직하게 세라믹으로 적용되고 이에 의해 서로 절연된다. p-전도 및 n-전도 입방형 반도체 소자는 따라서 금속 브리지를 통해 각 경우 상호 연결되며, 특히 펠티에 소자의 직렬 연결이 만들어지도록 한다.
상기 언급된 종전 기술로부터, 본 발명의 목적은 열전 발전기모듈 그리고 관련된 금속-세라믹 기판 그리고 이를 생산하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 상기 열전 발전기 모듈은 온도 변화에 높은 저항을 가지며, 특히 자동차의 배기 가스 영역에서 열전 발전기 컴포넌트의 배치를 가능하게 한다. 열전 발전기 모듈은 청구항 1항에 따라 형성되어 이 같은 목적을 달성하도록 한다. 관련된 금속-세라믹 기판 및 이를 생산하기 위한 방법이 청구항 24항 및 34항 각 각에서 개시된다.
고온 영역 및 냉각 영역을 갖는 본 발명에 따른 열전 발전기 모듈의 중요 특징은, 고온 영역으로 할당되며 제1 세라믹층 그리고 제1 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제1 구조를 갖는 금속화를 갖는 하나 이상의 제1 금속-세라믹 기판을 포함하며, 냉각 영역으로 할당되며 제2 세라믹층 그리고 제2 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제2 구조를 갖는 금속화를 갖는 하나 이상의 제2 금속-세라믹 기판을 포함하고, 또한 금속-세라믹 구조의 제1 구조를 갖는 금속화와 제2 구조를 갖는 금속화 사이에 수용된 다수의 열전 발생기 컴포넌트(NF)를 포함하며, 특히 고온 영역으로 할당된 제1 금속-세라믹 기판이 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층을 가지며, 상기 제1 세라믹층이 제1 구조를 갖는 금속화와 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층 사이에 배치된다는 것이다. 본 발명에 따른 열전 발전기 모듈의 고온 영역에 제공된 강철층 또는 고급 강철층에 의해, 특히 자동차 배기 가스 시스템의 영역 내에 또는 그 같은 영역으로 자동차의 배기 가스 영역에 간단하고 신뢰할 수 있는 모듈의 부착이 가능하게 된다. 예를 들면, 이 같은 모듈은 강철층 또는 고급 강철층을 통하여 자동차의 배기 가스부분에 직접 부착될 수 있다.
본 발명의 특징에 따라, 열전 발전기 모듈은 예를 들면, 하나 이상의 구리층이 제1 세라믹층과 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층 사이에 제공되며,
및/또는
냉각 영역으로 할당된 상기 제2 금속-세라믹 기판이 적어도 하나의 내 부식성 금속 층을 가지며, 제2 세라믹층이 제2 구조를 갖는 금속화(second structured metallisation)와 내 부식성 금속 층 사이에 배치되고,
및/또는
상기 내 부식성 금속 층이 고급 강철층, 알루미늄층 또는 구리층에 의해 형성되며,
및/또는
상기 제1 및 제2 금속화가 이들이 다수의 금속 접촉 영역을 형성시키고, 이들은 장방형 및/또는 정사각형인 것이 바람직하고,
상기 장방형 금속 접촉 영역의 길이 측이 그 너비 측 길이의 두 배이며,
및/또는
상기 장방형 금속 접촉 영역의 길이 측면이 모듈 횡축(transverse axis)에 평행하며, 장방형 금속 접촉 영역의 너비 측면이 종축(longitudinal axis)에 평행하고,
및/또는
길이 측면(longitudinal sides)이 0.5mm와 10mm 사이이며, 너비 측면(broad sides)은 0.2mm와 5mm 사이이며,
및/또는
상기 금속 접촉 영역이 매트릭스-유사 방식으로 각 세라믹층의 표면 측에 배치되고,
및/또는
상기 장방형 금속 접촉 영역이 금속 종축와 평행한 행을 형성하며 모듈 횡축에 평행한 열을 형성하고,
및/또는
두 인접한 장방형 금속 접촉 영역이 모듈 횡축 방향으로 0.1mm 내지 2mm의 간격을 가지며,
및/또는
두 인접한 장방형 금속 접촉 영역이 모듈 종축 방향으로 0.1mm 내지 2mm의 간격을 가지고,
상기 언급한 특징이 각 경우에 개별적으로 또는 조합하여 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 발전기 모듈의 바람직한 변경 예에서, 분리 라인 또는 사전에 결정된 점선이 각 세라믹층에서 서로 떨어져 배치된 바람직하게 장방형의 금속 접촉 영역들 사이로 안내되고, 상기 라인들이 모듈 횡축 방향으로 및/또는 모듈 종축 방향으로 진행된다. 이들 라인들은 슬릿, 노치 및/또는 스코어 형태로 말들어지며, 분리 라인 또는 사전에 결정된 점선의 슬릿, 노치 및/또는 스코어 깊이는 상기 금속화를 수용하는 세라믹층의 표면 측으로부터 시작하는 각 세라믹층의 층 두께 1/4 이상 연장된다. 높은 온도 변동에 의해 발생되는 세라믹에서의 재료 파괴는 특히 분리 라인 또는 사전에 결정된 점선으로 인하여 조정되어 흡수되는 것이 바람직하며, 상기 세라믹층이 파괴된다 하여도 열전 발전기 모듈의 작용은 계속하여 보장될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 상기 열전 발전기 모듈은 한 실시 예로서, 상기 세라믹층이 0.1mm 내지 1.0mm 사이 범위의 층 두께를 갖는, 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 산화물로부터 만들어지도록 형성되며,
및/또는
제1 및 제2 구조를 갖는 금속화가 금속 층 또는 금속 포일의 형태로 구성되고, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 1.5mm 사이 범위의 층 두께를 갖는 구리 또는 구리 합금으로부터 만들어지고,
및/또는
상기 금속화에 부분적으로 금속 표면층이 제공되고, 더욱 특별히는 니켈, 실버 또는 니켈 합금이나 실버 합금으로 만들어진 표면층이 제공되며,
및/또는
상기 열전 발전기 컴포넌트(N, P)가 각기 달리 도핑된 반도체 재로부터 생성된 펠티에 소자 형태로 구성되며, 상기 반도체 재의 두께가 0.5mm와 8mm 사이인 것이 바람직하고, 상기 언급된 특징들은 개별적으로 각 경우에 또는 조합하여 사용가능하다.
본 발명 열전 발전기 모듈의 또 다른 변경 예에서, 상기 열 전도 및 신뢰도가 다음과 같이 개선된다:
상기 강철층 또는 고급 강철층 및/또는 내 부식성 금속 층이 다수의 부분 내에 형성되고, 상기 강철층 또는 고급 강철층 및/또는 내 부식성 금속 층의 적어도 두 부분이 서로 떨어져 위치하여, 상기 세라믹층의 하나 이상의 외부에서 자유로이 접근 가능한 표면 부분이 만들어지도록 하고,
상기 강철층 또는 고급 강철층 및/또는 내 부식성 금속 층이 구축되고 성형되며,
상기 강철층 또는 고급 강철층 및/또는 내 부식성 금속 층이 세라믹층의 가장자리 영역을 지나 바깥 측으로 돌출하는 영역 내에 주변 비드(peripheral bead)를 가지며, 상기 언급된 특징들이 각각 개별적으로 또는 조합하여 사용가능한 것이다.
본 발명은 또한 열전 발전기 모듈에서 사용하기 위한 금속-세라믹 기판에 대한 것이며, 하나 이상의 세라믹층 그리고 세라믹층에 적용된 하나 이상의 구조를 갖는 금속화를 포함하며, 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층이 특히 제공되며, 상기 세라믹층이 상기 구조를 갖는 금속화와 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층 사이에 배치된다.
본 발명에 따라, 상기 금속-세라믹 기판이 예로서 다음과 같이 형성된다:
하나 이상의 구리층이 상기 세라믹층과 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층 사이에 제공되며,
및/또는
상기 금속화가 장방형이고, 서로 떨어져 배치되는 것이 바람직한, 다수의 금속 접촉 영역을 형성하도록 구성되고,
및/또는
장방형 금속 접촉 영역의 길이 측면이 너비 측면의 두 배이고, 상기 길이 측면이 0.5 mm 와 10 mm 사이이고, 상기 너비 측면이 0.2 mm 와 5 mm 사이이며,
및/또는
상기 금속 접촉 영역이 세라믹층의 표면 측에서 매트릭스-유사 방식으로 배치되며, 특히 행과 열로 배치되고,
및/또는
분리 라인 또는 정해진 점선이 금속 접촉 영역들 사이에서 세라믹층 내로 안내되고, 그리고 슬릿, 노치, 및/또는 스코어(slits, notches and/or scores) 형태로 발생되며,
및/또는
분리 라인 또는 사전에 정해진 점선의 슬릿, 노치 및/또는 스코어가 상기 금속화를 수용하는 세라믹층의 표면 측으로부터 시작하는 각 세라믹층의 층 두께 1/4 이상 연장되고,
및/또는
상기 세라믹층이 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 지르코늄 산화물을 갖는 알루미늄 산화물로부터 만들어지고, 0.1mm 내지 1.0mm 사이 범위의 층 두께를 갖는 것이 바람직하며,
및/또는
제1 및 제2 구조를 갖는 금속화가 금속 층 또는 금속 포일의 형태로 구성되고, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 1.5mm 사이 범위의 층 두께를 갖는 구리 또는 구리 합금으로부터 구성되고,
및/또는
상기 금속화에 부분적으로 금속 표면층이 제공되고, 더욱 특별히는 니켈, 실버 또는 니켈 합금이나 실버 합금으로 형성된 표면층이 제공되며, 상기 설명된 특징들은 각 경우 개별적으로 또는 조합으로 사용가능하다.
본 발명은 또한 하나 이상의 세라믹층 그리고 세라믹층에 적용된 하나 이상의 구조를 갖는 금속화(structured metallisation)를 포함하며, 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층이 상기 세라믹층 맞은편 표면에 직접 또는 간접적으로 적용되는, 열전 발전기 모듈을 위한 특히 프린트 회로 기판 형태의 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법에 대한 것이다.
상기 본 발명에 따른 방법은 상기 금속화가 다수의 금속 접촉 층이 형성되고 세라믹층에서 매트릭스-유사 방식으로 형성되도록 구성되며,
및/또는
분리 라인 또는 사전에 결정된 점선이 레이저 처리 또는 절단(sawing)에 의해 장방형 접촉 영역들 사이에서, 특히 슬릿, 노치 및/또는 스코어(score)의 형태로 세라믹층 내로 삽입되고,
및/또는
상기 세라믹층이 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 지로코늄 산화물을 갖는 알루미늄 산화물로부터 만들어지며, 구리층 또는 구리 합금으로 이루어진 금속화가 DCB 접합에 의해 연결되며,
및/또는
상기 강철층 또는 고급 강철층이 하드 납땜, 활성 납땜 또는 접착에 의해 상기 세라믹층에 직접 연결되고, 상기 언급된 특징들이 각 경우에 개별적으로 또는 조합하여 사용가능하다.
본원 명세서 표현, "적절히", "상당히", 또는 "예를 들면"은 각 경우 정확한 값에서 +/- 10%의 편차를 의미하며, 바람직하게는 +/- 5%의 편차, 및/또는 기능에 대한 심각하지 않은 변경의 편차를 의미한다.
본 발명의 가능한 응용, 개발, 장점은 도면을 참고로 한 다음의 설명으로부터 명확할 것이다. 모든 설명 특징 및/또는 특징들은 개별적으로 또는 조합으로 본 발명에 기본이 되는 것이며, 청구항 또는 종속 청구항에서 이들 특징 요약과는 독립인 것이다. 청구항의 내용은 명세서의 일부를 구성한다.
본 발명은 예시적인 실시 예를 도시한 도면과 관련하여 하기에서 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 고온 측으로 할당된 금속-세라믹 기판의 구조를 갖는 금속화의 평면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시에 대한 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 또 다른 선택적 실시에 대한 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판 배치를 포함하는 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판의 스택을 포함하는 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 도 6에 따른 두 금속-세라믹 기판의 스택 배치에 대한 선택적인 실시 예를 포함하는 열전 발전기 모듈을 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시 예에 대한 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 구조 강철층 또는 고급 강철층 또는 내 부식성 금속층으로 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 10은 각기 다른 그리드 패턴을 갖는 그리드-유사 강철층 또는 고급 강철층 또는 내 부식성 금속층을 개략적으로 도시한 도면.
도 11은 도 1에 따른 열전 발생기의 선택적 실시 예에 대한 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 12는 주변 비드(peripheral bead)를 갖는 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시 예와 관련된 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 고온 측으로 할당된 금속-세라믹 기판의 구조를 갖는 금속화의 평면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시에 대한 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 또 다른 선택적 실시에 대한 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판 배치를 포함하는 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판의 스택을 포함하는 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 도 6에 따른 두 금속-세라믹 기판의 스택 배치에 대한 선택적인 실시 예를 포함하는 열전 발전기 모듈을 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시 예에 대한 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 구조 강철층 또는 고급 강철층 또는 내 부식성 금속층으로 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 10은 각기 다른 그리드 패턴을 갖는 그리드-유사 강철층 또는 고급 강철층 또는 내 부식성 금속층을 개략적으로 도시한 도면.
도 11은 도 1에 따른 열전 발생기의 선택적 실시 예에 대한 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 12는 주변 비드(peripheral bead)를 갖는 도 3에 따른 열전 발전기 모듈의 선택적 실시 예와 관련된 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따라 고온 영역과 냉각 영역을 가지며, 상호 대행된 표면상에 구조를 갖는 금속화(structured metallisation)(4, 5)를 갖는 두 바람직한 플레이트와 같은 금속-세라믹 기판(2, 3)을 포함하는 열전 발전기 모듈의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다. 자동차 산업에서 본 발명에 따라 열전 발전기 모듈(1)의 사용으로, 고온 영역(1a)이 40 ℃ 와 800 ℃ 사이의 온도 변동에 노출되고, 냉각 영역(1b)이 40 ℃ 와 125 ℃ 사이의 온도 변동에 노출될 수 있다.
각 구조를 갖는 금속화(4, 5)는 다수의 바람직하게 반대 접촉 영역(4', 5')을 형성하며, 상기 구조를 갖는 금속화(4, 5)는 가령 0.03 mm 와 0.6 mm 사이 층 두께를 갖는다.
각기 달리 도핑된 열전 발전기 컨포넌트(N,P)는 금속-세라믹 기판(2, 3)의 마주보며 구조를 갖는 금속화(4, 5) 사이에서 수용되며, 더욱 특별히 각 열전 발전기 컴포넌트(N,P)는 제1 구조를 갖는 금속화(4)의 접촉 영역(4')에 그리고 제2 구조를 갖는 금속화(5)의 마주보는 접촉 영역(5')의 한 부분에 열적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 여기서, 열전 발전기 컴포넌트(N, P)는 바람직하게 직렬로 연결되며 열전 반도체 재로부터 만들어지고, 즉, 펠티에 소자의 형태로 제공되고, 이들 각각은 n-도핑 반도체 소자 N 그리고 p-도핑 반도체 소자 P를 포함한다. 예로서, 비스무트 텔루르 화합물 또는 실리콘 게르마늄 또는 실리콘 망간이 p- 및 n-도핑 반도체 재로서 사용될 수 있다. 화학 물질, PbTe, SNTE, ZnSb를 기초로 한 물질 또는 스커터루다이트(scutterudites), 포접 화합물(clathrates) 및/또는 칼 코겐 화합물(chalcogenides)의 패밀리 물질도 가능하다. 반도체 소자 N, P의 두께는 예를 들면 0.5 mm와 8 mm 사이이다.
전기 에너지를 발생 시기키 위해, 열전 발전기 모듈(1)의 고온 영역(1a)이 열적으로 전기적으로 가열 소스에 연결되며, 상기 열전 발전기 모듈(1)의 냉각 영역(1b)가 열적으로 그리고 전기적으로 냉각 소스에 연결되어, 마주보는 고온 및 냉각 영역(1a, 1b) 사이에서 온도 차이가 발생 되도록 한다. 열전 발전기 모듈(1)의 사용으로, 고온 영역(1a)이 가령 모터 자동차의 배기 가스 영역에 배치되며, 바람직하게 모터 자동차의 배기 가스에 직접 또는 간접적으로 또는 직접적으로 열적으로 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 상기 냉각 영역(1b)은 바람직하게 냉각되며 이 같은 목적으로 예를 들면 모터 자동차의 냉각 회로 내로 일체화된다. 고온 및 냉각 영역(1a, 1b) 사이 온도 차이로 인해, 열 흐름이 열전 발전기 모듈(1)에서 발생되며, 열전 발전기 컴포넌트(N, P)에 의해 전기 에너지로 변환된다.
도 1 및 도 3에 따른 본 예시적인 실시 예에서, 고온 영역(1a)에 할당된 하나 이상의 제1 금속-세라믹 기판(2) 그리고 냉각 영역(1b)에 할당된 제2 금속-세라믹 기판(3)이 제공된다. 그러나, 본 발명은 어떤 방법으로도 열전 발전기 모듈(1) 마다 두 금속-세라믹 기판으로 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명에 따른 열전 발전기 모듈(1)은 더미 형태(stacked form)로 쌓인 다수의 그와 같은 금속-세라믹 기판 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시 예에서 제1 금속-세라믹 기판(2)은 하나 이상의 제1 세라믹층(6)을 가지며, 표면(6')으로, 그 표면의 제1 구조를 갖는 금속화(4)가 적용된다. 이와 유사하게, 제2 금속-세라믹 기판(3)은 하나 이상의 제2 세라믹층(7)을 포함하며, 그 표면 측(7')으로 제2 구조를 갖는 금속화(5)가 적용된다. 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 층 두께는 0.1mm 고 1mm 사이, 바람직하게는 0.3과 0.4mm 사이이다. 본 발명에 따라, 고온 영역(1a)에 할당된 제1 금속-세라믹 기판(2)은 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)을 가지며, 제1 세라믹층(6)은 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 적어도 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 배치된다.
바람직한 실시 예에서, 상기 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)이 예를 들어 자동차의 배기 장치에서 또 다른 금속 컴포넌트에 열전도 연결을 위해 제공된다. 단순 조임(simplified fastening)을 위해, 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)이 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 부분적으로 제1 세라믹층(6) 가장자리를 지나 돌출할 수 있으며, 따라서 용접 또는 납땜 연결 및/또는 탈착 가능 연결의 돌출부를 위한 조임 부분(fastening region)을 형성할 수 있다.
도 1 및 3에 따른 바람직한 실시 예에서, 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)이, 특히 단단한 납땜, 액티브 납땜 또는 접착에 의해, 제1 구조를 갖는 금속화(4) 반대편에서 제1 세라믹층(6)의 표면 측(6'')으로 직접 납땜 또는 접착된다. 도 4에 따른 선택적 실시 예에서, 구리 층(9)이 제1 세라믹층(6)과 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 제공될 수 있으며, 제1 세라믹층(6)의 표면 측(6'')으로 구리층(9)의 연결은 "직접 구리 접착" 방법 또는 AMB 방법에 의해 발생 된다. 상기 구리층(9)은 하드 용접 또는 소프트 용접 또는 접착 등에 의해 강철층 또는 고급 강철층(8)에 연결된다.
또한, 냉각 영역(1b)에 할당된 제2 금속-세라믹 기판(3)이 하나 이상의 내 부식성(corrosion-resistant) 금속층(10), 바람직하게 고급 강철층, 알루미늄층 또는 구리층을 가지며, 상기 내 부식성 금속층(10)이 제2 구조를 갖는 금속화(5) 반대편 제2 세라믹층(7)의 표면 측(7'')에 접착된다. 만약 상기 내 부식성 금속 층(10)이 구리층의 형태로 구성된다면, 상기 연결은 다시 "직접-구리 접착" 방법 또는 AMB 방법으로 발생 될 수 있으며, 또는 하드 납땜, 액티브 납땜 또는 접착에 의해 고급 강철층 또는 알루미늄층의 형태로 구성된다.
제1 및 제2 금속화(4, 5)에 의해 형성된 금속 접촉 영역(4', 5')은 장방형이며 각각이 두 마주하는 길고 넓은 사이드(a, b)를 갖는다. 따라서 이들은 전자 컴포넌트의 연결을 위한 패드로 알려진 것을 형성하며, 특히 열전 발전기 컴포너트(N,P)를 형성한다. 이 같은 목적으로, 납땜 층 또는 납땜이 세라믹층(6) 반대편에 금속 접촉 영역(4', 5') 표면 측에 적용되며, n- 또는 p-도핑 반도체 소자 N, P의 각 접착 영역으로의 땜납 연결이 발생 되고, 금속 접촉 영역(4', 5')의 하나에 의해 각 경우에 금속 브리지가 n- 및 p- 도핑 반도체 소자 N, P 사이에서 발생 되어 펠티에 소자(Peltier element)를 발생시킨다. 따라서 이미 알려져 있는 그리고 도면에 설명되며 금속 접촉 영역(4', 5')에 연결되는 상기 n- 또는 p-도핑 반도체 소자 N, P의 사행 경로(meandering course)가 생성된다.
금속 브리지를 형성시키기 위해, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 긴 측면은 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 너비 측면(b)의 두배이다, 즉 긴 측면과 너비 측면(a, b)의 비가 2:1이다. 예를 들면, 상기 길이 측면(longitudinal side)은 0.5mm 와 10mm 사이이고, 너비 측면(broad side)(b)은 0.1 mm 와 2 mm 사이이다.
실시 예로서, 열전 발전기 모듈(1)은 모듈 종 축(LA) 그리고 이에 수직으로 놓인 모듈 횡 축(QA)을 갖는다. 바람직한 실시 예에서, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')이 제1 또는 제2 세라믹층(6, 7) 상에 배치되어 상기 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 길치 측이 모듈 횡 축(QA)에 평행하게 진행하도록 하며, 상기 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 너비 측(b)은 상기 모듈 종 축(LA)에 평행하게 진행되도록 한다. 상기 제1 및 제2 금속-세라믹 기판(2, 3)은 제1 및 제2 구조를 갖는 금속화(4, 5)와 서로 마주하여, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')이 이들 사이에 갭을 만들도록, 특히 가령, 제2 구조를 갖는 금속화(5)의 장방형 금속 접촉 영역(5')에 의해, n- 및 p-도핑 반도체 소자 N, P를 위한 금속 브리지가 형성되고, 이것이 제1 구조를 갖는 금속화(4)의 두 인접한 장방형 금속 접촉 영역(4')에 연결되도록 한다. 다수의 펠티에 소자의 직렬 연결이 따라서 열(S1-Sy)로 형성되며, 이들 열로 형성된 직렬 연결의 펠티에 소자가 다음에 서로 직렬로 연결된다.
제1 금속-세라믹 기판(2)의 접촉 영역(4')의 개략적 도면이 도 2에서 도시된다. 상기 장방형 금속 접촉 영역(4')은 특히 장방형 금속 접촉 영역(4')이 모듈 종 축(LA)을 따라 평행한 행(R1, R2, Rx) 그리고 또한 모듈 횡 축(QA)을 따라 평행한 열(S1, S2, S3, Sy)을 형성하도록, 각 세라믹층(6)의 표면 측(6')에서 매트릭스와 같이 배열되는 것이 바람직하다. 입방형 금속 접촉 영역(5')은 또한 바람직하게 장방형 제1 및/또는 제2 금속-세라믹 기판(2, 3)의 에지 영역에서 선택적으로 사용될 수 있으며, 하나의 p- 또는 n-도핑 반도체 소자 P, N의 연결이 필요하다.
행(R1, R2, Rx)으로 할당된 상기 접촉 영역(4')은 서로 일정하게 떨어져 있으며 이들의 가로 측면(a) 하나에서 서로 경계를 이룬다. 행(R1, R2, Rx)의 두 인접한 접촉 영역(4') 사이 거리는 예를 들면 0.1mm 와 2mm 사이이며, 바람직하게 0.4mm 와 0.6mm 사이이다.
유사하게, 열(S1, S2, S3, Sy)로 할당된 접촉 영역(4', 5')은 마찬가지로 각각의 세라믹층(6, 7)에서 서로 떨어져 배열되며, 특히 예를 들면 0.1mm 와 2mm 사이 거리로, 바람직하게 0.4mm와 0.6mm 사이 거리로 떨어져 배열되며, 두 열(S1, S2, S3, Sy)의 두 인접 접촉 영역(4', 5')이 이들의 너비 측(b) 가운데 하나를 통하여 서로 경계를 갖는다.
분리 라인 또는 정해진 점선(11, 11')은 바람직하게 모듈 횡 축(QA) 방향 및/또는 모듈 종 축(LA) 방향으로 진행하는 각 세라믹층(6, 7)에서 서로 떨어져 배치된 장방형 금속 접촉 영역(4', 5') 사이 세라믹층(6,7) 내로 삽입된다. 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')에 의해 나뉜 각 세라믹층(6)의 영역 부분은 따라서 장방형 금속 접촉 영역(4', 5') 각각으로 할당되며, 하나 또는 둘 이상의 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')을 따라 세라믹층(6, 7)의 깨지는 경우, 열전 발전기 모듈(1)로의 손상이 피하여 질 수 있다.
상기 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')은 슬릿, 노치, 및/또는 스코어 및/또는 마이크로크랙 삽입의 형태로 제공될 수 있으며, 이는 금속화(4', 5')를 수용하는 표면 측(6', 7')으로부터 시작하여, 각 세라믹층(6, 7)의 층 두께 적어도 10분의 1 이상 연장된다. 상기 슬릿, 노치 및/또는 스코어 형태의 리세스는 0.1mm 와 1mm 사이 일 수 있는 각 세라믹층(6, 7)의 층 두께 1/4 내지 3/4 두께를 갖는다.
상기 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')은 구조를 갖는 금속화(4, 5)의 적용 후, 바람직하게는 모든 납땜 또는 접착 처리의 종료 후, 특히 예를 들면 자르기(sawing)와 같은 레이저 처리 또는 기계 가공 처리에 의해 상기 세라믹층(6, 7) 내로 삽입된다. 레이저-사용 절삭 방법 또는 열 충격 처리는 바람직하게 마이크로 충격을 만들기 위해 사용된다.
상기 세라믹층(6, 7)은 알루미늄 산화물(A1203) 및/또는 알루미늄 니트라이드(AIN) 및/또는 실리콘 니트라이드(Si3N4) 및/또는 지르코늄 옥사이드가 있는 알루미늄 산화물(Al2O3 + ZrO2)로 구성된다. 제1 및 제2 구조를 갖는 금속화(4, 5)는 금속층 또는 금속 포일 형태로, 더욱 특별히는 구리 또는 구리 합금의 형태로 구성되는 것이 좋다. 만약 상기 세라믹층들이 상기 언급된 세라믹(Al2O3, AlN, Si3N4, Al2O3 + ZrO2)으로 구성된다면, 특히 구리 또는 구리 합금으로 만들어진 금속화(4, 5)의 경우, 상기 구조를 갖는 금속화(4, 5)를 형성하는 상기 금속 층 또는 금속 포일은 DCR 방법의 사용과 결부된다.
또한, 설명되지 않은 한 실시 예에서, 상기 금속화(4, 5)에는 적어도 부분적으로 금속이 제공될 수 있으며, 예를 들면 니켈, 실버, 또는 니켈 합금 및 실버 합금으로 구성된 표면층과 같은, 내 부식성 표면층이 제공된다. 이 같은 타입의 금속 표면 층은, 세라믹층(6, 7) 및 그 구조화(structuring)에 금속화(4, 5)의 적용이 있은 후, 따라서 발생된 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')으로 적용되는 것이 바람직하다. 상기 표면층은 예를 들면 전기적 및/또는 화학적 증착 및/또는 분무 또는 저온 가스 분무함으로써, 적절한 방법으로 적용된다. 특히 니켈의 사용으로, 예를 들면 금속 표면층은 0.002 mm 와 0.015 mm 사이 범위의 층 두께를 갖는다. 실버로 구성된 표면층의 경우, 이는 0.00015 mm 와 0.05 mm 사이 범위의 층 두께, 바람직하게는 0.01μm 와 3μm 사이 범위의 층 두께를 갖는다. 바람직하게는 이 같은 타입의 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 내 부식성 표면 코팅으로 인해, 열전 발전기 컴포넌트(GB)의 접착 영역으로의 납땜 층 또는 납땜의 적용 그리고 납땜의 연결이 개선된다.
도 5는 본 발명에 따른 열전 발전기 모듈(1)의 한 실시 예이며, 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판 배치가 한 공동 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 한 공동 내 부식성 금속 층(10)을 통해 상호 연결된다. 이와 유사하게, 이와 같은 타입의 두 개 이상의 금속-세라믹 기판 배치는 한 공통 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 한 공통 내 부식성 금속층(10)을 통해 연결될 수 있기도 하다. 한 바람직한 실시 예에서, 비드(bead)(도 5에서 도시되지 않은), 즉 채널-형상 디프레션이 손으로 또는 기계에 의해 만들어져서, 각각이 공동 강철층 또는 고급 강철층(8) 내에서 및/또는 공동 내 부식성 금속층(10) 내에서 적어도 두 연속된 금속-세라믹 기판 배치 사이에 삽입되어서 열 스트레스를 보상하도록 한다.
본 발명에 따른 열전 발전기 모듈(1)의 또 다른 두 실시 예가 도 6 및 도 7에서 설명되며, 적어도 하나의 혼합 기판을 가지며, 각 경우 기본적으로 도 1에 따른 두 금속-세라믹 기판 배치 스택을 포함한다. 도 6에 따른 실시 예에서, 도 1에 따라 형성된 상기 금속-세라믹 기판 배치는 공동 금속 층(12), 바람직하게는 구리층을 통해 상호 연결된다. 도 7은 변경 실시 예로서 두 금속-세라믹 기판 배치의 제2 금속화(6, 7)가 한 공동 세라믹층(13) 상에 위치함을 도시한다.
도 8 내지 12는 본 발명에 따른 열전 발전기 모듈(1)의 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속층(10)을 도시한다.
열전 발전기 모듈(1)을 통한 개략적인 단면이 도 3에서와 유사하게, 도 8에서 실시 예로서 설명된다. 그러나, 도 3과 비교하여 차이는 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 다수의 부분으로 형성되며, 결과적으로 생성된 적어도 두 개의 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 서로 떨어져 위치하며, 따라서 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 표면 측(6'', 7'')이 각각 자유롭게 적어도 부분적으로 접근가능하다. 따라서 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 하나 이상의 극단적으로 자유로운 표면 부분(6''', 7''')이 각각 발생된다. 이는 상기 고온 영역(1a)에서 개선된 고온 흡수를 가능하게 하며 냉각 영역(1b)에서 개선된 냉각을 가능하게 한다. 적어도 두 개의 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 바람직하게 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 가장자리를 지나 하나 이상의 가장자리 영역을 통해 외향으로 돌출할 수 있으며, 따라서 조임 부분을 형성할 수 있다.
도 9 및 10은 구조 강철층 또는 고급강철층(8) 또는 내 부식성 금속층(10)의 또 다른 선택적 실시 예이며, 강철층 또는 고급강철층(8) 또는 내 부식성 금속층(10)이 그리드와 같은 방식으로 형성되어 다수의 자유롭게 접근가능한 표면 부분(6''', 7''')을 발생시키도록 한다. 그리드와 같은 강철층, 고급강철층(8)의 개략적인 측 단면이 도 10에서 도시되며, 이 경우, 다수의 각기 다른 그리드 구조가 일례로서 제공된다. 상기 그리드 구조는 바람직하게 장방형 프레임 부분(8') 그리고 다수의 연결 웹 부분(8'')에 의해 형성되며, 이들은 서로 대략 평행하고 그리고 서로 다른 형상 볼록함을 갖는다. 예를 들면, 상기 볼록함은 원형, 삼각형, 장방형, 직사각형 또는 다이아몬드 형이다. 이 같은 타입의 그리드-유사 강철층 또는 고급 강철 층(8) 또는 내 부식성 금속 층(10)은 바람직하게 펀칭에 의해 발생되며, 다음에 접착 또는 땜납에 의해 표면 측(6'', 7'')에 연결되고, 그리드 구조를 묘사하는 접착 또는 그리드 구조를 묘사하는 땜납이 바람직하게 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 표면 측(6'', 7'')에 적용된다. 다수의 윈도우-유사 자유롭게 접근가능한 표면 부분(6''', 7''')이 상기 설명된 그리드 구조에 의해 발생된다.
강철층 또는 고급 강철 층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)의 효과적인 표면을 증가시키기 위해, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 도 11에 따른 변경 실시 예에서 도시되며, 예를 들면 리세스(14, 15)가 다수의 리브-유사 표면 부분들이 생성되도록 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10) 내로 안내된다.
도 12는 열전 발전기 모듈(1)의 한 변경 실시 예이며, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및 내 부식성 금속 층(10)이 제1 및 제2 세라믹층(6, 7)의 가장자리 영역을 지나 바깥 측으로 돌출하며, 이들 각각이 주변 비드(16, 16')를 갖고, 상기 비드가 바람직하게 서로를 향하도록 된다. 여기서 다시 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및 내 부식성 금속 층(10)의 주변 비드(16, 16')는 조임 영역(fastening regions)을 형성시킨다.
상기 강철층 또는 고급 강철층(8)은 몰리브덴 및/또는 니켈/코발트의 비율에 따라바람직한 합금강의 바람직한 변형 예로서 생성된다. 따라서 세라믹층(6)의 열팽창 계수에 적응하는 것이 가능하다.
특히, 다음 조성의 합금 강이 사용될 수 있다:
· 50 % - 60 % 철
· 27 % - 31 % 니켈
· 15 % - 19 % 코발트
일 예로서, 54 % 철, 29 % 니켈 및 17 % 코발트로 구성된 합금 강이 특히 적합하다.
본 발명은 실시 예에 기초하여 상기에서 설명되었다. 본 발명의 기본을 형성하는 발명 사상을 벗어나지 않는 한도에서 여러 변경 및 수정이 가능함은 두말할 나위가 없다.
1 열정 발전기 모듈
1a 고온 영역
1b 냉각 영역
2 제1 금속-세라믹 기판
3 제2 금속-세라믹 기판
4 제1 구조를 갖는 금속
4' 접촉 영역
5 제2 구조를 갖는 금속
5' 접촉 영역
6 제1 세라믹층
6', 6'' 표면 측
6''' 자유로이 접근가능한 표면 부분
7 제2 세라믹층
7', 7'' 표면 측
7''' 자유로이 접근가능한 표면 부분
8 강철층 또는 높은-등급 강철층
8' 프레임 부
8'' 연결 웹 부
9 구리층
10 내식성 금속 층
10' 프레임 부
10'' 연결 웹 부
11, 11' 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선
12 일반 금속 층
13 공통 세라믹층
14 리세스
15 리세스
16, 16' 주변 헤드
a 길이 측면
b 너비 측면
c 간격
d 간격
N, P 열전 발생기 컴포넌트 또는 n-/p-도핑 반도체 소자
LA 모듈 종 측
QA 모듈 횡 축
R1, R2, Rx 행
S1, S2, S3 Sy 열
1a 고온 영역
1b 냉각 영역
2 제1 금속-세라믹 기판
3 제2 금속-세라믹 기판
4 제1 구조를 갖는 금속
4' 접촉 영역
5 제2 구조를 갖는 금속
5' 접촉 영역
6 제1 세라믹층
6', 6'' 표면 측
6''' 자유로이 접근가능한 표면 부분
7 제2 세라믹층
7', 7'' 표면 측
7''' 자유로이 접근가능한 표면 부분
8 강철층 또는 높은-등급 강철층
8' 프레임 부
8'' 연결 웹 부
9 구리층
10 내식성 금속 층
10' 프레임 부
10'' 연결 웹 부
11, 11' 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선
12 일반 금속 층
13 공통 세라믹층
14 리세스
15 리세스
16, 16' 주변 헤드
a 길이 측면
b 너비 측면
c 간격
d 간격
N, P 열전 발생기 컴포넌트 또는 n-/p-도핑 반도체 소자
LA 모듈 종 측
QA 모듈 횡 축
R1, R2, Rx 행
S1, S2, S3 Sy 열
Claims (31)
- 고온 영역으로 할당되며 제1 세라믹층(6) 그리고 제1 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제1 구조를 갖는 금속화(4)을 갖는 하나 이상의 제1 금속-세라믹 기판(2)을 포함하며, 냉각 영역으로 할당되며 제2 세라믹층(7) 그리고 제2 세라믹층에 적용된 하나 이상의 제2 구조를 갖는 금속화(5)을 갖는 하나 이상의 제2 금속-세라믹 기판(4)을 포함하고, 또한 금속-세라믹 구조(2, 3)의 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 제2 구조를 갖는 금속화(5) 사이에 수용된 다수의 열전 발생기 컴포넌트(NF)를 포함하며, 고온 영역(1a)으로 할당된 제1 금속-세라믹 기판(2)이 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)을 가지며, 상기 제1 세라믹층(6)이 제1 구조를 갖는 금속화(4)와 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 배치되는, 고온 영역(1a) 및 냉각 영역(1b)을 갖는 열전 발전기 모듈에 있어서,
제1 및 제2 금속화는 이들이 장방형 또는 입방형인 다수의 금속 접촉 영역(4', 5')을 형성하도록 하는 구조이며, 분리 라인 또는 정해진 점선(11, 11')이 각각의 세라믹층(6, 7)에서 서로 일정한 거리를 갖도록 배열된 장방형 금속 접촉 영역(4', 5') 사이에서 세라믹층(6,7) 내로 안내되고, 그리고 모듈 횡 축(QA) 방향으로 또는 모듈 종 축(LA) 방향으로 진행되며, 또한 상기 분리 라인 또는 정해진 점선(11, 11')이 슬릿, 노치, 또는 스코어 또는 마이크로크랙의 삽입의 형태로 발생 됨을 특징으로 하는 고온 영역(1a) 및 냉각 영역(1b)을 갖는 열전 발전기 모듈. - 제1 항에 있어서, 하나 이상의 구리 층(9)이 제1 세라믹층(6)과 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 제공됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1 항 또는 2항에 있어서, 냉각 영역(1b)으로 할당된 상기 제2 금속-세라믹 기판(3)이 적어도 하나의 내 부식성 금속 층(10)을 가지며, 제2 세라믹층(7)이 제2 구조를 갖는 금속화(5)와 내 부식성 금속 층(10) 사이에 배치됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제3항에 있어서, 상기 내 부식성 금속 층(10)이 고급 강철층, 알루미늄층 또는 구리층에 의해 형성됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1 항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 종 측(a)이 그 횡 측(b) 길이의 두 배임을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1 항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 길이 측면(a)이 모듈 횡축(QA)에 평행하며, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 너비 측면(b)이 종축(LA)에 평행함을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제5항 또는 6항에 있어서, 길이 측면(longitudinal sides)(a)이 0.5mm와 10mm 사이이며, 너비 측면(broad sides)(b)은 0.2mm와 5mm 사이임을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 접촉 영역(4', 5')이 매트릭스-유사 방식으로 각 세라믹층(6, 7)의 표면 측에 배치됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제8항에 있어서, 상기 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')이 금속 종축(LA)와 평행한 행(R1, R2, Rx)을 형성하며 모듈 횡축(QA)에 평행한 열(S1, S2, S3, Sy)을 형성함을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 두 인접한 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')이 모듈 횡축(QA) 방향으로 0.1mm 내지 2mm의 간격(d)을 가짐을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서, 두 인접한 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')이 모듈 종축(LA) 방향으로 0.1mm 내지 2mm의 간격(c)을 가짐을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항에 있어서, 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')의 슬릿, 노치 및/또는 스코어가 상기 금속화(4, 5)를 수용하는 세라믹층(6, 7)의 표면 측(6', 7')으로부터 시작하는 각 세라믹층(6, 7)의 층 두께 1/10 이상 연장됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 또는 12항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')의 슬릿, 노치 및/또는 스코어가 세라믹층(6, 7)의 레이저 처리 또는 기계 가공에 의해 발생됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 13항에 있어서, 상기 세라믹층(6, 7)이 0.1mm 내지 1.0mm 사이 범위의 층 두께를 갖는, 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 산화물로부터 만들어짐을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 구조를 갖는 금속화(4, 5)가 금속 층 또는 금속 포일의 형태로 구성되고, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 1.5mm 사이 범위의 층 두께를 갖는 구리 또는 구리 합금으로부터 구성됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 제1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속화(4, 5)에 부분적으로 금속 표면층이 제공되고, 더욱 특별히는 니켈, 실버 또는 니켈 합금이나 실버 합금으로 만들어진 표면층이 제공됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 열전 발전기 컴포넌트(N, P)가 각기 달리 도핑된 반도체 재로부터 생성된 펠티에 소자 형태로 구성되며, 상기 반도체 재의 두께가 0.5mm와 8mm 사이임을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 다수의 부분 내에 형성되고, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)의 적어도 두 부분이 서로 떨어져 위치하여, 상기 세라믹층(6, 7)의 하나 이상의 외부에서 자유로이 접근 가능한 표면 부분(6''', 7''')이 만들어지도록 함을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 구축되고 성형 됨을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8) 및/또는 내 부식성 금속 층(10)이 세라믹층(6, 7)의 가장자리 영역을 지나 바깥 측으로 돌출하는 영역 내에 주변 비드(16, 16')를 가짐을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈.
- 하나 이상의 세라믹층(6) 그리고 세라믹층(6)에 적용된 하나 이상의구조를 갖는 금속화(4)를 포함하며, 상기 금속-세라믹 기판(2)이 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)을 가지며, 상기 세라믹층(6)이 상기 구조를 갖는 금속화(4)와 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 배치되는, 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 열전 발전기 모듈(1)에서 사용하기 위한 금속-세라믹 기판에 있어서,
상기 금속화(4)가 다수의 금속 접촉 영역(4')을 형성하도록 구축되며, 상기 금속 접촉 영역이 장방형이고, 서로 떨어져 배치되는 것이 바람직하며, 분리 라인 또는 사전에 결정된 점선(11, 11')이 금속 접촉 영역(4')들 사이 세라믹층(6) 내로 안내되고 슬릿, 노치 및/또는 스코어 및/또는 마이크로크랙 삽입 형태로 만들어지는 것이 바람직함을 특징으로 하는 열전 발전기 모듈(1)에서 사용하기 위한 금속-세라믹 기판. - 제21항에 있어서, 하나 이상의 구리층(9)이 세라믹층(6)과 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8) 사이에 제공됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항에 있어서, 장방형 금속 접촉 영역(4', 5')의 길이 측면(a)이 너비 측면(b)의 두 배이고, 상기 길이 측면(a)이 0.5 mm 와 10 mm 사이이고, 상기 너비 측면(b)이 0.2 mm 와 5 mm 사이임을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항 또는 23항에 있어서, 상기 금속 접촉 영역(4')이 세라믹층(6)의 표면 측에서 매트릭스-유사 방식으로 배치되며, 특히 행(R1, R2, Rx)과 열(S1, S2, S3, S4, Sy)로 배치됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항에 있어서, 분리 라인 또는 사전에 정해진 점선(11, 11')의 슬릿, 노치 및/또는 스코어가 적어도 상기 금속화(4)를 수용하는 세라믹층의 표면 측(6')으로부터 시작하는 세라믹층(6)의 층 두께 1/10 이상 연장됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항 내지 25항 중 한 항에 있어서, 세라믹층(6)이 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 지르코늄 산화물이 있는 알루미늄 산화물로부터 만들어지며, 0.1mm 내지 1.0mm 사이 범위의 층 두께를 가짐을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항 내지 26항 중 한 항에 있어서, 상기 구조를 갖는 금속화(4)가 금속층 또는 금속 포일의 형태로 구성되고, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 1.5mm 사이 범위의 층 두께를 갖는 구리 또는 구리 합금으로부터 구성됨 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 제21항 내지 27항 중 한 항에 있어서,상기 금속화(4)에 부분적으로 금속 표면층이 제공되고, 더욱 특별히는 니켈, 실버 또는 니켈 합금이나 실버 합금으로 만들어진 표면층이 제공됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판.
- 하나 이상의 세라믹층(6) 그리고 세라믹층(6)에 적용된 하나 이상의 구조를 갖는 금속화(4)를 포함하며, 하나 이상의 강철층 또는 고급 강철층(8)이 상기 세라믹층(6, 7) 맞은편 표면(6')에 직접 또는 간접적으로 적용되는, 열전 발전기 모듈(1)을 위한 특히 프린트 회로 기판 형태의 금속-세라믹 기판(2)을 생성하기 위한 방법에 있어서,
상기 금속화(4)가 다수의 금속 접촉층(4', 5')이 형성되고 세라믹층(6)에서 매트릭스-유사 방식으로 형성되도록, 그리고 분리 라인 또는 사전에 결정된 점선(11, 11')이 레이저 처리 또는 절단(sawing)에 의해 장방형 접촉 영역(4', 5') 사이에서, 특히 슬릿, 노치 및/또는 다수의 마이크로 크랙 삽입의 형태로 세라믹층(6, 7) 내로 삽입되도록 구성됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법 - 제29 항에 있어서, 상기 세라믹층(6)이 알루미늄 산화물, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드 또는 지로코늄 산화물을 갖는 알루미늄 산화물로부터 만들어지며, 구리층 또는 구리 합금으로 이루어진 금속화(4)가 DCB 접합 또는 활성 납땜에 의해 연결됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법.
- 제29항 또는 30항에 있어서, 상기 강철층 또는 고급 강철층(8)이 하드 납땜, 활성 납땜 또는 접착에 의해 상기 세라믹층(6, 7)에 직접 연결됨을 특징으로 하는 금속-세라믹 기판을 생성하기 위한 방법.
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