KR20160115240A - 열전모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소결 열전소재와 단결정 열전소재를 조합하여 열전모듈을 구성함에 있어서 소결 열전소재와 단결정 열전소재의 저항 차이를 최소화하여 저항 매칭을 간소화함과 함께 열전 성능을 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열전모듈은 p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수개 포함하며, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는, 소결 열전소재와, 상기 소결 열전소재의 양단 상에 구비되어 물질의 고상확산을 방지하는 확산방지층과, 상기 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 구비되는 금속블록층을 포함하여 구성되며, 상기 금속블록층은 상기 소결 열전소재보다 상대적으로 전기저항값이 낮은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소결 열전소재와 단결정 열전소재를 조합하여 열전모듈을 구성함에 있어서 소결 열전소재와 단결정 열전소재의 저항 차이를 최소화하여 저항 매칭을 간소화함과 함께 열전 성능을 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전모듈은 열전소자의 펠티어 효과(Peltier effect) 또는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하는 장치로서, 열전소자에 전기를 인가하는 경우 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 효과를 활용한 냉각장치로 이용될 수 있고, 열전소자의 양단에 온도차를 부여하는 경우 기전력이 발생되는 제벡 효과를 활용한 발전장치로 이용될 수 있다. 이와 같은 열전모듈은 도 1에 도시한 바와 같이, p형 열전소재(111)와 n형 열전소재(112)가 한 쌍(110)을 이루어 전기적으로는 직렬 연결되며, 열적으로는 병렬 연결되는 구조를 갖는다.
열전모듈의 성능은 모듈의 구조뿐만 아니라 열전소재가 갖고 있는 열전 성능지수(figure of merit)에 의해 직접적으로 결정된다. 열전소재마다 열전 성능지수가 최적화되는 온도가 다르며, 상온에서는 비스무스-텔레륨(Be-Ti) 계열 합금이 가장 우수한 열전 성능지수를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이에, 단결정 형태의 비스무스-텔레륨 계열 합금이 열전소재로 널리 이용되고 있다. 그러나, 단결정 형태의 열전소재는 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, 단결정 비스무스-텔레륨 계열 합금은 반데르발스(Van der Waals) 결합을 갖고 있어 깨지기 쉬운 특성이 있다. 이는 열전소재의 가공 및 모듈 조립시 크랙이 발생할 확률이 커 불량률을 증가시키는 원인이 된다. 둘째, 단결정의 제조시 일반적으로 존멜팅(zone melting) 방법이 사용되는데, 존멜팅법에 의해 형성되는 잉곳(ingot)은 조성편차가 있어 상부와 하부를 절단하고 가운데 부분만 사용할 수밖에 없어 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 단결정 열전소재의 문제점을 극복하기 위해 최근에는 단결정 열전소재를 대신 소결체 열전소재를 사용하는 방식이 제시되고 있다. 현재, 소결 방식으로 제조된 p형 열전소재는 단결정 p형 열전소재에 근접한 특성을 나타내고, 소결 방식으로 제조된 n형 열전소재는 단결정 n형 열전소재보다 열전 특성이 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 이에, p형은 소결 열전소재를 이용하고 n형은 단결정 열전소재를 이용하는 방식이 대안으로 제시되고 있다. p형 열전소재만이라도 소결 열전소재를 이용하면 가격 경쟁력을 크기 높일 수 있기 때문이다.
한편, 소결 열전소재의 저항은 단결정 열전소재의 저항보다 높아 소결 열전소재의 적용시 저항 매칭이 요구된다. 구체적으로, 열전모듈은 p형 열전소재와 n형 열전소재가 직렬 연결되는 구조임에 따라 전압이 인가되면 p형 열전소재와 n형 열전소재 각각에 가해지는 전압은 p형 열전소재와 n형 열전소재 각각의 저항에 비례한다. p형 열전소재의 저항과 n형 열전소재의 저항이 서로 달라 p형 열전소재와 n형 열전소재에 인가되는 전압이 상이하게 되면 열전 성능이 저하된다. 도 2a는 단결정 열전소재만을 사용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것이고, 도 2b는 소결 열전소재(p)와 단결정 열전소재(n)를 혼용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 소결 열전소재(p)와 단결정 열전소재(n)를 혼용한 경우 열전소재간의 저항이 상이하여 열전모듈의 성능이 저하됨을 알 수 있다. 이와 같은 이유로, p형 열전소재의 저항과 n형 열전소재의 저항을 동일하게 설계하는 저항 매칭 과정이 요구된다. 이러한 저항 매칭을 위해, 종래의 경우 열전모듈의 면적, 금속배선의 면적, p형 열전소재와 n형 열전소재의 면적 및 높이 등을 재설계하는 방식을 택하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 소결 열전소재와 단결정 열전소재를 조합하여 열전모듈을 구성함에 있어서 소결 열전소재와 단결정 열전소재의 저항 차이를 최소화하여 저항 매칭을 간소화함과 함께 열전 성능을 향상시킬 수 있는 열전모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전모듈은 p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수개 포함하며, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는, 소결 열전소재와, 상기 소결 열전소재의 양단 상에 구비되어 물질의 고상확산을 방지하는 확산방지층과, 상기 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 구비되는 금속블록층을 포함하여 구성되며, 상기 금속블록층은 상기 소결 열전소재보다 상대적으로 전기저항값이 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, 다른 하나는 단결정 열전소재로 구성되며, 상기 금속블록층의 기하학적 형상 제어를 통해, p형 열전소재와 n형 열전소재의 저항 차이가 조절될 수 있다.
상기 열전 셀의 일단측에 제 1 금속배선이 구비되고 다른 일단측에 제 2 금속배선이 구비되며, 제 1 금속배선은 열전 셀 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재를 전기적으로 연결시키며, 제 2 금속배선은 이웃하는 열전 셀의 p형 열전소재와 n형 열전소재를 전기적으로 연결시킨다.
또한, 상기 금속블록층은, 상기 p형 열전소재의 일단에 구비되는 경우 제 1 금속배선 또는 제 2 금속배선과 연결되며, p형 열전소재의 양단에 구비되는 경우 제 1 금속배선, 제 2 금속배선 각각과 연결되며, 상기 금속블록층이 구비되지 않는 경우 확산방지층이 제 1 금속배선 또는 제 2 금속배선과 연결된다.
상기 금속블록층은 Cu, Ni, Al 중 어느 하나로 구성되고, 상기 확산방지층은 Ni 또는 Ni계 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 열전모듈의 제조방법은 p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수개 포함하는 열전모듈의 제조방법에 있어서, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는, 소결 열전소재를 준비하는 단계; 상기 소결 열전소재의 양단 상에 확산방지층을 형성하는 단계; 및 상기 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 금속블록층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전모듈 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
소결 열전소재와 결정질 열전소재를 혼용하여 열전모듈을 구성함에 있어서, 소결 열전소재의 일측에 저항 매칭을 위한 금속블록층을 구비시킴으로써 소결 열전소재와 결정질 열전소재의 저항 차이를 최소화하여 열전모듈의 열전성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 열전모듈의 구성도.
도 2a는 단결정 열전소재만을 사용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것.
도 2b는 소결 열전소재(p)와 단결정 열전소재(n)를 혼용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈의 구성도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 열전소재를 포함하는 p형 열전소재의 구성도.
도 2a는 단결정 열전소재만을 사용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것.
도 2b는 소결 열전소재(p)와 단결정 열전소재(n)를 혼용한 열전모듈의 저항 및 성능 특성을 나타낸 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈의 구성도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 열전소재를 포함하는 p형 열전소재의 구성도.
본 발명은 소결 열전소재와 단결정 열전소재를 이용하여 각각 p형 열전소재와 n형 열전소재를 구성함에 있어서, 소결 열전소재의 일단 또는 양단에 금속블록층을 구비시킴으로써 소결 열전소재와 단결정 열전소재의 저항 차이를 최소화하는 기술을 제시한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈은 복수의 열전 셀(30)을 구비하며, 상기 열전 셀(30)은 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)로 이루어진다. 상기 복수의 열전 셀(30)은 이웃하여 반복 배치되며, 이에 따라 열전모듈은 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)가 교번하여 반복 배치되는 형태를 이룬다.
상기 열전 셀(30)을 구성하는 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)는, 제 1 금속배선(331)을 통해 서로 전기적으로 연결됨과 함께 제 2 금속배선(332)을 통해 이웃하는 열전 셀(30)의 n형 열전소재(320), p형 열전소재(310)와 각각 전기적으로 연결된다. 즉, 열전 셀(30)의 일단측에 제 1 금속배선(331)이 구비되고 다른 일단측에 제 2 금속배선(332)이 구비되며, 제 1 금속배선(331)은 열전 셀(30) 내의 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)를 전기적으로 연결시키며, 제 2 금속배선(332)은 이웃하는 열전 셀(30)의 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)를 전기적으로 연결시킨다.
상기 p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320) 중 어느 하나는 소결 열전소재(311)를 포함하여 구성되며, 다른 하나는 단결정 열전소재로 구성된다. 일 실시예로, 상기 p형 열전소재(310)는 소결 열전소재(311)를 포함하여 구성되고, 상기 n형 열전소재(320)는 단결정 열전소재로 구성될 수 있다. 상기 소결 열전소재(311)는 열전분말을 소결(sintering)하여 제조한 것을 의미하며, 상기 단결정 열전소재는 단결정 구조를 갖는 열전소재를 의미한다. 상기 소결 열전소재(311)의 제조방법으로 냉간압축법, 열간압축법, 스파크 플라즈마 소결법 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 이하의 설명에서는, p형 열전소재(310)는 소결 열전소재(311)를 포함하여 구성되고, 상기 n형 열전소재(320)는 단결정 열전소재로 구성되는 것을 중심으로 설명하기로 한다.
소결 열전소재(311)를 포함하여 구성되는 p형 열전소재(310)는 다음과 같은 구조를 갖는다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 p형 열전소재(310)는 소결 열전소재(311), 확산방지층(312) 및 금속블록층(313)을 포함하여 이루어진다.
상기 확산방지층(312)(diffusion barrier)은 상기 소결 열전소재(311)의 양단 상에 구비되며, 상기 금속블록층(313)은 상기 소결 열전소재(311) 양단의 확산방지층(312) 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층(312) 상에 구비된다. 즉, 상기 소결 열전소재(311) 상에 확산방지층(312) 및 금속블록층(313)이 순차적으로 적층된 형태를 이루며, 상기 금속블록층(313)은 p형 열전소재(310)의 일단(도 4b 및 도 4c 참조) 또는 양단(도 4a 참조)에 구비될 수 있다.
상기 금속블록층(313)은, 상기 p형 열전소재(310)의 일단에 구비되는 경우 제 1 금속배선(331) 또는 제 2 금속배선(332)과 연결되며, p형 열전소재(310)의 양단에 구비되는 경우 제 1 금속배선(331), 제 2 금속배선(332) 각각과 연결된다. 또한, 상기 금속블록층(313)이 구비되지 않는 경우에는 확산방지층(312)이 제 1 금속배선(331) 또는 제 2 금속배선(332)과 연결되는 형태를 이룬다.
상기 확산방지층(312)은 물질의 고상확산(solid state diffusion)을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 소결 열전소재(311)와 금속배선 사이의 고상확산 또는 소결 열전소재(311)와 금속블록층(313) 사이의 고상확산을 방지시킨다. 상기 확산방지층(312)은 Ni 또는 Ni계 합금으로 이루어질 수 있으며, 상기 소결 열전소재(311) 상에 전기도금법 등을 통해 형성할 수 있다.
상기 금속블록층(313)은 상기 소결 열전소재(311)보다 낮은 전기저항을 갖는 물질로 이루어져 p형 열전소재(310)의 전체 전기저항을 낮추는 역할을 한다. Bi-Te계 소결 열전소재(311)의 경우, 대략 10-3 Ωㅇcm의 비저항값을 가지며, 이에 상기 금속블록층(313)은 10-3 Ωㅇcm 보다 작은 비저항을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 실시예로 Cu, Ni, Al 중 어느 하나의 물질로 구성될 수 있다. 참고로, Cu, Ni, Al 등의 비저항은 약 10-5 Ωㅇcm 정도이다. 상기 금속블록층(313)은 상기 확산방지층(312) 상에 주석(Sn)을 이용한 납땜 방식으로 형성하거나, 스크린인쇄 또는 스퍼터링 등의 방법을 통해 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈에 있어서, p형 열전소재(310)는 소결 열전소재(311) 및 금속블록층(313)을 포함하여 구성되고, n형 열전소재(320)는 단결정 열전소재로 구성되는데, 상기 p형 열전소재(310)가 소결 열전소재(311)보다 상대적으로 전기저항이 낮은 금속블록층(313)을 포함함에 따라 금속블록층(313)의 길이(또는 기하학적 형상)를 제어함으로써 소결 열전소재(311)의 전체 전기저항값을 조절할 수 있게 된다. 금속블록층(313)의 기하학적 형상을 제어하여 소결 열전소재(311)의 전체 전기저항값을 조절할 수 있음은, 금속블록층(313)의 기하학적 형상을 제어함으로써 p형 열전소재(310)의 저항과 n형 열전소재(320)의 저항이 거의 일치되도록 조절할 수 있음을 의미한다. 종래의 경우, p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)의 저항 매칭을 위해 열전모듈의 면적, 금속배선의 면적, p형 열전소재(310)와 n형 열전소재(320)의 면적, 높이 등의 설계가 요구되었으나, 본 발명의 경우 금속블록층(313)의 기하학적 형상 제어만으로 저항 매칭이 가능하게 된다.
한편, 상술한 바에 있어서 수직형 열전모듈을 일 실시예로 하여 설명하였으나, 열전 셀이 수평 배치되는 수평형 열전모듈, 열전 셀이 원통 형태로 배치되는 관형 열전모듈 모두에 본 발명에 따른 열전 셀 구조가 적용될 수 있다.
30 : 열전 셀 310 : p형 열전소재
311 : 소결 열전소재 312 : 확산방지층
313 : 금속블록층 320 : n형 열전소재
331 : 제 1 금속배선 332 : 제 2 금속배선
311 : 소결 열전소재 312 : 확산방지층
313 : 금속블록층 320 : n형 열전소재
331 : 제 1 금속배선 332 : 제 2 금속배선
Claims (11)
- p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수개 포함하며,
상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며,
상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는,
소결 열전소재와,
상기 소결 열전소재의 양단 상에 구비되어 물질의 고상확산을 방지하는 확산방지층과,
상기 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 구비되는 금속블록층을 포함하여 구성되며,
상기 금속블록층은 상기 소결 열전소재보다 상대적으로 전기저항값이 낮은 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며, 다른 하나는 단결정 열전소재로 구성되며,
상기 금속블록층의 기하학적 형상 제어를 통해, p형 열전소재와 n형 열전소재의 저항 차이가 조절되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열전 셀의 일단측에 제 1 금속배선이 구비되고 다른 일단측에 제 2 금속배선이 구비되며, 제 1 금속배선은 열전 셀 내의 p형 열전소재와 n형 열전소재를 전기적으로 연결시키며, 제 2 금속배선은 이웃하는 열전 셀의 p형 열전소재와 n형 열전소재를 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- 제 3 항에 있어서, 상기 금속블록층은, 상기 p형 열전소재의 일단에 구비되는 경우 제 1 금속배선 또는 제 2 금속배선과 연결되며, p형 열전소재의 양단에 구비되는 경우 제 1 금속배선, 제 2 금속배선 각각과 연결되며,
상기 금속블록층이 구비되지 않는 경우 확산방지층이 제 1 금속배선 또는 제 2 금속배선과 연결되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속블록층은 Cu, Ni, Al 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산방지층은 Ni 또는 Ni계 합금인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
- p형 열전소재와 n형 열전소재로 이루어지는 열전 셀을 복수개 포함하는 열전모듈의 제조방법에 있어서,
상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는 소결 열전소재를 포함하여 구성되며,
상기 p형 열전소재와 n형 열전소재 중 어느 하나는,
소결 열전소재를 준비하는 단계;
상기 소결 열전소재의 양단 상에 확산방지층을 형성하는 단계; 및
상기 소결 열전소재 양단의 확산방지층 중 적어도 어느 하나 이상의 확산방지층 상에 금속블록층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 확산방지층은 전기도금법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 확산방지층은 납땜, 스크린인쇄, 스퍼터링 중 어느 한 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 금속블록층은 Cu, Ni, Al 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 확산방지층은 Ni 또는 Ni계 합금인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 제조방법.
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