KR20190114889A - 열전 모듈 - Google Patents

Abstract

열전 모듈이 개시된다. 열전 모듈은, 제1 전극이 설치된 제1 기판과, 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판과, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 배치되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 열전 소자를 포함하고, 열전 소자는, 상기 기판과의 사이에는, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 확산 방지층이 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합된다.

Description

열전 모듈{THERMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 확산 방지층의 안정적인 접합이 가능한 열전 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고, 이것은 열기전력(Thermo-electromotive force)이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다.

이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.

이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.

열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다.

더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.

이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.

열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다.

더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.

열전 모듈은, 홀 캐리어(hole carrier)에 의해 전류가 흐르는, p형 열전 소자(thermoelectric element: TE)와, 전자(electron)에 의해서 전류가 흐르는, n형 열전 소자로 이루어진 p-n 열전 소자 1쌍이 기본 단위를 이룰 수 있다. 또한, 열전 모듈은 p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.

열전 소자는 일반적으로 봉형 또는 기둥형 구조로 형성되고, 일단을 고온으로 유지하고 타단을 저온으로 유지한 상태로, 온도차에 제곱에 비례한 전력을 얻을 수 있다.

이러한 열전 소자에 이용하는 열전 재료는 성능을 최적으로 하는 사용 온도 범위가 있고, 사용 온도에서 발전 출력 또는 발전 효율을 최대로 하기 위해 복수의 열전 재료를 온도차를 따르도록 접합해 이용한다. 여기서, 열전 재료를 기계 구조적으로도 전기적으로도 직렬로 접합해서 이루어지는 소자를 세그먼트 열전 소자라고 부른다.

한편, 열전 모듈은, 전극과 열전 소자의 사이 부분은 솔더링(soldering) 방식으로 접합될 수 있다.

특히, 종래에는 전극과 열전 소자의 사이 부분을 Sn계 또는 Pb계의 솔더 페이스트를 이용하여 전극과 열전 소자의 사이를 접합한다.

그러나, 전술한 Sn계 또는 Pb계 솔더 페이스트는 열전 모듈의 최대 상시 구동 온도 섭씨 250도 이하로 제한되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는, 확산 방지층이 은(Ag) 소결 접합으로 열전 소자와 전극의 사이에 안정적으로 소결 접합되는 열전 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는, 제1 전극이 설치된 제1 기판과, 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판과, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 배치되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 열전 소자를 포함하고, 열전 소자는, 상기 기판과의 사이에는, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 확산 방지층이 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합된다.

열전 소자는, 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자일 수 있다.

열전 소자는 BiTe계 열전 소자일 수 있다.

확산 방지층은 BiTe계 열전 소자를 형성하는 BiTe 웨이퍼의 표면 조도를 0.5㎛ 내지 1㎛로 가공한 상태에서 상기 열전 소자와 상기 기판과의 사이에 증착 형성될 수 있다.

확산 방지층은 1㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성될 수 있다.

확산 방지층과 전극의 사이의 대면하는 표면에는 NiP/Au 또는 NiP/Pd/Au 도금될 수 있다.

은을 포함하는 접합층은, 250˚C 내지 350˚C의 온도 조건에서 5 내지 30Mpa의 압력 조건에서 가압 소결 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 확산 방지층이 열전소자와 전극의 사이에 표면 박리가 발생되지 않은 상태로 안정적으로 형성되어, 은(Ag) 소결 접합으로 용이하게 접합될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BiTe계 열전 소자와 확산 방지층 및 전극의 적층 상태를 개략적으로 도시한 요부 분해 사시도이다.
도 3은 BiTe 웨이퍼에 확산 방지층을 형성한 후, 테이프 테스트(tape test)한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BiTe 웨이퍼의 표면 조도 0.7㎛로 가공된 표면 이미지를 개략적으로 도시한 요부 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈의 출력 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈의 효율 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(100)은, 제1 전극(11)이 설치된 제1 기판(10)과, 제1 기판(10)에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판(20)과, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 배치되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되는 열전 소자(30)를 포함한다.

제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 열전 소자(30)를 사이에 두고 양측에 각각 배치되어 열전 소자를 지지하도록 설치될 수 있다.

제1 기판(10)은 본 실시예에서 고온부로 적용될 수 있다. 이러한 제1 기판(10)은 열전 소자와 대면하는 방향이 편평하게 형성되어 열전 소자를 안정적으로 지지할 수 있다.

제1 기판(10)은 알루미나(alumina), 질화알미늄(AIN) 등의 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

제2 기판(20)은 본 실시예에서 저온부로 적용될 수 있다. 이러한 제2 기판(20)은열전 소자(30)를 사이에 두고 제1 기판(10)에 대향하는 위치에 설치되는 것으로, 제1 기판(10)과 함께 열전 소자(30)를 안정적으로 지지할 수 있다.

제2 기판(20)은, 알루미나(alumina), 질화알미늄(AIN) 등의 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

이러한 제2 기판(20)에는 방열 효율의 향상을 위해 방열부재(미도시)가 형성되는 것도 가능하다.

한편, 열전 소자(30)는 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 의해 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 전기적으로 연결된 상태로 배치될 수 있다.

이러한 열전 소자(30)는 제1 전극(11)과 제2 전극(21)의 사이에 전기적으로 연결되는 BiTe계 열전 소자로 적용될 수 있다. 이하에서 열전 소자와 BiTe계 열전 소자는 동일 참조 번호를 사용한다.

즉, 열전 소자(30)는, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에서 전기적으로 연결되며 상대적으로 저온 영역에서 성능 효율이 극대화되는 BiTe 계 열전 소자로 적용될 수 있다.

한편, 열전 소자(30)는 기판(10, 20)과의 사이에 확산 방지층(40)이 형성될 수 있다. 참조번호 41은 접착층을 말한다.

확산 방지층(40)은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있다.

확산 방지층(40)은 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합될 수 있다. 이러한 확산 방지층(40)은, 250˚C 내지 350˚C의 온도 조건에서 5 내지 30Mpa의 압력 조건에서 가압 소결 형성될 수 있다.

이와 같이 확산 방지층(40)이 열전 소자(30)와 기판(10, 20)의 사이에 형성되는 것은, 열전 재료가 서로간에 확산되는 것을 방지하도록 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BiTe계 열전 소자와 확산 방지층 및 전극의 적층 상태를 개략적으로 도시한 요부 분해 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이. 확산 방지층(40)이 BiTe계 열전 소자(30)에 증착법으로 형성되기 전에 BiTe계 열전 소자(30)를 형성하는 BiTe 웨이퍼의 표면 조도를 0.5㎛ 내지 1㎛로 가공한다. 이하에서 BiTe 웨이퍼와 BiTe계 열전 소자는 동일 참조 번호를 사용한다.

즉, 본 실시예의 열전 모듈(100)은, BiTe계 열전 소자(30)의 형성을 위한 평판형의 BiTe 웨이퍼에 확산 방지층(40)을 형성한 후 막대 형상으로 슬라이싱하여 형성될 수 있다.

여기서, BiTe 웨이퍼(30)는 열전 모듈(100) 제조를 위한 적층전에 표면 조도(Ra)를 0.5㎛ 내지 1㎛ 범위를 갖도록 가공될 수 있다.

도 3은 BiTe 웨이퍼에 확산 방지층을 형성한 후, 테이프 테스트(tape test)한 결과를 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, BiTe 웨이퍼의 중앙부(A)의 표면 조도는 0.48㎛로 형성되어 0.5㎛ 내지 1㎛ 범위를 미달하도록 형성되는 바, 확산 방지층이 박리된 상태를 나타낸다.

또한, BiTe 웨이퍼의 외곽부(B)의 표면 조도는 0.75㎛로 형성되어 0.5㎛ 내지 1㎛에 포함되는 바, 확산 방지층은 표면 박리가 발생되지 않은 상태로 안정적인 접합 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 BiTe 웨이퍼의 표면 조도 0.7㎛로 가공된 표면 이미지를 개략적으로 도시한 요부 도면이다. 도 4와 같이 표면 조도 0.7㎛ 상태에서 균일 가공된 양호한 상태를 확인할 수 있다.

한편, BiTe 웨이퍼의 표면 조도가 1㎛를 초과하는 경우에는 BiTe 웨이퍼의 표면 크랙(crack)이 발생되어 소자 저항이 증가되고 접합력이 약화될 수 있다.

이러한 확산 방지층(40)은 본 실시예에서 1㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이와 같이, 확산 방지층(40)이 1㎛ 내지 10㎛의 범위로 형성되고, 보다 바람직하게는 4㎛ 내지 5㎛ 범위로 형성될 수 있다.

이와 같이, 확산 방지층(40)이 1㎛ 내지 10㎛의 두께 범위로 형성되는 바, 열전 재료가 서로간에 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 출력 특성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 효율 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 열전 모듈(100)은, 출력 특성과 효율 특성이 향상된 상태를 확인할 수 있다.

한편, 확산 방지층(40)과 전극(11, 21)의 사이의 대면하는 표면에는 NiP/Au 또는 NiP/Pd/Au 도금될 수 있다.

이와 같이, NiP/Au 또는 NiP/Pd/Au 도금이 확산 방지층(40)과 전극(11,21)의 사이의 대면하는 표면에 실시되는 바, 확산 방지층(40)이 은(Ag) 소결 접합으로 용이하게 접합될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 열전 모듈(100)은, 확산 방지층(40)이 BiTe 웨이퍼와 전극의 사이에 표면 박리가 발생되지 않은 상태로 안정적으로 형성되어, 은(Ag) 소결 접합으로 용이하게 접합될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다. 도 1 내지 도 6과 동일 참조 번호는 동일 또는 유사 기능의 동일 또는 유사부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 모듈(200)의 열전 소자(130)는, 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 의해 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 전기적으로 연결된 상태로 배치될 수 있다.

열전 소자(130)는 제1 전극(11)과 제2 전극(21)의 사이에 전기적으로 연결되는 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자로 적용될 수 있다.

따라서, 열전 소자(130)는 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에서 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되는 부분에 상대적으로 고온 영역에서 성능 효율이 극대화되도록 형성될 수 있다.

이러한 열전 소자(30)는 기판(10, 20)과의 사이에 확산 방지층(40)이 형성될 수 있다.

확산 방지층(40)은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있다.

이와 같이 확산 방지층(40)이 열전 소자(30)와 기판(10, 20)의 사이에 형성되어 열전 재료가 서로간에 확산되는 것을 방지할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10...제1 기판 11...제1 전극
20...제2 기판 21...제2 전극
30...열전 40...확산 방지층
41...접착층

Claims (7)

1. 제1 전극이 설치된 제1 기판;
   상기 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판 및
   상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 배치되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 열전 소자;
   를 포함하고,
   상기 열전 소자는, 상기 기판과의 사이에는, 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 확산 방지층이 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합되는 열전 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열전 소자는, 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자인 열전 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열전 소자는 BiTe계 열전 소자인 열전 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 확산 방지층은 상기 BiTe계 열전 소자를 형성하는 BiTe 웨이퍼의 표면 조도를 0.5㎛ 내지 1㎛로 가공한 상태에서 상기 열전 소자와 상기 기판과의 사이에 증착 형성되는 열전 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 확산 방지층은 1㎛ 내지 10㎛의 두께로 형성되는 열전 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 확산 방지층과 상기 전극의 사이의 대면하는 표면에는 NiP/Au 또는 NiP/Pd/Au 도금되는 열전 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 은을 포함하는 접합층은, 250˚C 내지 350˚C의 온도 조건에서 5 내지30Mpa의 압력 조건에서 가압 소결 형성되는 열전 모듈.

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