KR20200010784A - 유연 열전모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전소자의 개별 정렬 공정이 필요 없고 유연 특성을 나타내는 열전소자 어셈블리, 유연 열전모듈, 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자의 면적 크기로 제조한 봉상 열전소재를 이용하고 소정 간격을 두고 고정 배열된 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재를 특정 크기의 틀에 담긴 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산에 완전히 담근 후 고체화한 유연 특성의 열전소자 에셈블리용 구조체를 제조하고, 상기 구조체가 열전모듈에 요구되는 열전소자의 정렬 구조를 형성하고 있고, p형 및 n형 열전소재 사이에 유연특성의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진되어 있어 절단 공정만으로 열전소자 에셈블리를 제조하며, 이를 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합하여 유연 열전모듈을 제조하는 것에 관한 것이다.

Description

유연 열전모듈 및 그 제조방법{Flexible thermoelectric module and fabrication method thereof}
본 발명은 유연 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자와 실리콘(silicone), 에폭시(epoxy) 또는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloane)을 충진재로 이용하여 제조한 유연 열전모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전소자(thermoelectric element)는 전형적으로 열 소스, 열 싱크 및 열전대열(Thermopile)을 포함하는 세 부분으로 구성된다. 여기서, 열전대열은 직렬로 연결된 복수의 열전대열로 구성되고, 열에너지의 일부를 전기 에너지로 변환하는 데 이용된다. 즉, 열전소자는 열전대열의 열전대들을 가로지르는 열 구배에 기초하여 전기파워를 생성한다.
열전소자는 "핫(Hot)" 측면 또는 접합을 통하여 열 에너지를 받아들이고, 열 에너지를 열전대열로 통과시켜 "콜드(Cold)" 측면 또는 접합을 통하여 방출함으로써, 열 에너지를 전기 파워로 변환하도록 작동한다.
열전소자들은 반도체 물질을 이용하여 형성된다. 반도체 물질들은 열전대를 형성하기 위해 전기적으로는 직렬로 연결되고 열적으로는 병렬로 연결되어, 두 접합을 형성한다. 반도체 물질들은 전형적으로 N형 및 P형이 있는데, 전형적인 열전 디바이스에서 P형 및 N형 팰렛 물질 사이에 전기적 도전성 연결이 형성되고, 캐리어들은 열 확산의 결과로 핫 접합에서 콜드 접합으로 이동되어 전류를 유도한다.
열전소자는 열전 발전을 이용한 특수 전원장치로의 사용과 열전 냉각을 이용한 정밀한 온도제어나 컴퓨터 관련 소형 냉각기와, 광통신레이저 냉각장치, 냉온수기의 냉각장치, 반도체 온도조절장치 등에 열전재료를 포함한 모듈형태로 광범위하게 사용되고 있다.
열전모듈(thermoelectric module)은 벌크 형태의 열전소자를 절단, 가공하여 얻은 수 ㎜ 크기의 조각을 조립하는 벌크 모듈, 10 ㎛ 이하의 두께를 갖는 열전소재로 구성된 박막모듈, 열전재료의 높이가 수십 ~ 500 ㎛의 후막 모듈 등이 있다.
일반적으로 사용되는 열전모듈은 세라믹 재질의 기판을 사용하므로 유연 특성을 나타내지 못한다. 최근 다양한 표면의 형상에 적용 가능한 장점으로 폴리머 기판을 이용한 유연 열전모듈이 개발되고 있으나, 모듈제조를 위해서는 세라믹 기판을 이용하는 모듈과 마찬가지로 복수의 열전소자를 전극 위에 개별적으로 정렬하거나 열전소자 정렬설비를 이용해야 한다(대한민국 등록특허 10-1153720; 및 등록특허 10-0975628).
이러한 열전소자 정렬 공정은 가격을 상승하는 요인이 될 뿐 아니라, 소자 정렬 공정 중에 열전소자의 기계적 손상을 유발하여 열전모듈의 구동 신뢰성에 문제를 발생하는 원인이 되므로 개별 열전소자의 정렬 공정이 필요 없는 열전모듈 제조 공정이 요구된다.
본 발명의 목적은 열전소자의 개별 정렬 공정이 필요 없고 유연 특성을 나타내는 열전소자 어셈블리, 유연 열전모듈, 및 이들의 제조방법을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 열전소자의 면적 크기로 제조한 봉상 열전소재를 이용하고 소정 간격을 두고 고정 배열된 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재를 특정 크기의 틀에 담긴 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산에 완전히 담근 후 고체화한 유연 특성의 열전소자 에셈블리용 구조체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 구조체가 열전모듈에 요구되는 열전소자의 정렬 구조를 형성하고 있으며, p형 및 n형 열전소재 사이에 유연특성의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진되어 있어 절단 공정만으로 열전소자 에셈블리를 제조할 수 있고, 이를 유연기판 위에 패터닝된 전극과 접합하여 유연 열전모듈을 제조할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 하부에는 열전소재 직경으로 형성된 고정용 홈이 복수 개 있고, 상부에는 열전소재를 삽입할 수 있는 열전소재 직경의 구멍이 복수 개 형성되어 있는 용기에 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산을 주입하는 단계;
2) 상기 용기 상부 구멍을 통해 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재를 삽입하여 하부 고정용 홈에 끼우는 단계;
3) 상기 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 삽입된 용기를 열처리를 통해 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산을 고체화하는 단계; 및
4) 상기 용기로부터 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진된 구조체를 분리하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
i) 본 발명에 따른 방법으로 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 제조하는 단계;
ii) 상기 어셈블리 제조용 구조체를 균일한 두께로 절단하는 단계; 및
iii) 절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층을 코팅하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
a) 본 발명에 따른 방법으로 유연 열전소자 어셈블리를 제조하는 단계;
b) 상기 열전소자 어셈블리를 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합하는 단계; 및
c) 열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)을 부착하는 단계;를 포함하는, 유연 열전모듈의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
복수의 봉상 n형 열전소재가 일정 간격을 두고 배열되고,
복수의 봉상 p형 열전소재가 상기 복수의 봉상 n형 열전소재들 사이에 일정 간격을 두고 배열되며,
상기 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진된,
유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체가 소정의 두께로 절단되어 있고,
절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층이 코팅되어 있는,
유연 열전소자 어셈블리를 제공한다.
아울러, 본 발명은
상기 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리가 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합되어 있고,
열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)이 부착되어 있는,
유연 열전모듈을 제공한다.
본 발명에 의한 유연 열전소자 어셈블리를 이용한 유연 열전모듈은 열전소자 정렬 공정의 필요성이 없기 때문에 기존 유연 열전모듈과 비교하여 뛰어난 가격 경쟁력을 가지며, 열전소자 정렬 공정 중에 발생할 수 있는 기계적 손상 문제가 전혀 없어 높은 신뢰성의 열전모듈을 제조할 수 있다.
또한, 열전모듈 구동의 신뢰성 확보를 위해 열전모듈 제조의 마지막 단계로 진행되는 열전소자 간 간극으로의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산의 주입공정에 의한 충진을 열전소자 어셈블리 제조 단계에서 이미 수행하며 주입공정 대비 고밀도의 충진이 가능하여 공정 간소화에 의한 가격 절감은 물론 열전모듈의 구동 신뢰성을 크게 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 p형 봉상 열전소재, n형 봉상 열전소재, 및 제조 용기를 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 액상의 실리콘 또는 에폭시가 채워져 있는 용기에 삽입되어 있는 모습을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명에 따른 용기로부터 분리된 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진된, 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체가 특정 두께로 절단된 절단체를 보여주는 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리 및 전극을 포함하는 유연 열전모듈을 보여주는 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 유연 특성을 나타내는 열전소자 어셈블리를 보여주는 그림이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
1) 하부에는 열전소재 직경으로 형성된 고정용 홈이 복수 개 있고, 상부에는 열전소재를 삽입할 수 있는 열전소재 직경의 구멍이 복수 개 형성되어 있는 용기에 액상의 실리콘(silicone), 에폭시(epoxy) 또는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloane)을 주입하는 단계;
2) 상기 용기 상부 구멍을 통해 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재를 삽입하여 하부 고정용 홈에 끼우는 단계;
3) 상기 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 삽입된 용기를 열처리를 통해 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산을 고체화하는 단계; 및
4) 상기 용기로부터 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진된 구조체를 분리하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 p형 열전소재 및 n형 열전소재는 반도체 물질로서 전형적인 열전 디바이스에서 P형 및 N형 열전소재 사이에 전기적 도전성 연결이 형성되고, 캐리어들은 열 확산의 결과로 핫 접합에서 콜드 접합으로 이동되어 전류를 유도하는 것이다.
예를 들면, 상기 p형 열전소재는 P형 반도체 소자로서, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
예를 들면, 상기 n형 열전소재는 N형 반도체 소자로서, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
상기 p형 열전소재 및 n형 열전소재는 봉상(막대형, 원통형)으로서 열간압출 공정으로 제조할 수 있으며, 봉상의 열전소재를 제조할 수 있다면 이에 한정되지 않는다.
상기 n형 봉상 열전소재는 복수 개 구비되어 소정 간격을 두고 배열되고, 상기 p형 열전소재는 복수 개 구비되어 복수의 n형 봉상 열전소재들 사이에 배열된다.
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재의 직경은 모듈에서 요구하는 크기대로 제조할 수 있으며, 열전모듈의 효율적인 구동을 고려하면 0.5 내지 7 mm인 것이 바람직하다. 봉상 열전소재의 길이는 100 내지 500 mm인 것이 바람직하며, 100 mm 보다 짧을 경우 생산 효율이 저하되며, 500 mm 보다 긴 경우에는 봉상 열전소재에 휨 현상이 발생할 수 있어 열전소자 제조를 위한 가공 공정에 문제가 발생할 수 있다.
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재는 각각 2 내지 300개인 것이 바람직하다. 마이크로 모듈의 경우 p형 및 n형 열전소자 2쌍으로 구성될 수 있으며, 발전모듈의 경우 전압을 높이기 위해 p형 및 n형 열전소자를 300쌍 수준으로 구성할 수 있다. p형 및 n형 열전소자가 300쌍 이상이 되면 열전모듈 구동 신뢰성에 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 열처리는 100 내지 250℃ 온도에서 1 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 1시간 이내로 열처리할 경우 유동성이 있는 액체상태가 형성될 수 있어 열전소자 어셈블리 구조를 유지하는 것이 어려울 수 있으며, 3시간 이상 열처리할 경우 과도하게 경화가 진행되어 플렉서블한 특성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명은
i) 본 발명에 따른 방법으로 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 제조하는 단계;
ii) 상기 어셈블리 제조용 구조체를 균일한 두께로 절단하는 단계; 및
iii) 절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층을 코팅하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 기능층은 상기 열전소재와 전극 사이의 전기적 연결을 제공하도록 설계된 연결소자를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기능층은 금속 소재로서 열전소재 표면에 코팅된 것이 바람직하다.
상기 기능층은 열전모듈 구동 시 열전소자와 전극 간 물질이 확산되어 모듈의 신뢰성 및 성능이 저하되는 것을 방지하는 확산방지층, 열전소자와 전극을 접합하는 공정을 진행함에 있어 접합특성을 향상하는 접합기능층이 코팅될 수 있다. 확산방지층으로는 Ni, Au, Mo 등이 사용 될 수 있으며, 접합기능층은 Sn, Sn합금, Au 등이 사용 될 수 있다.
상기 기능층의 두께는 5 - 50 μm인 것이 바람직하며, 5 μm 보다 얇을 경우 기능 특성을 발현하는데 문제가 있을 수 있으며, 50 μm 보다 두꺼울 경우에는 열전모듈의 성능을 저하하는 문제를 발생할 수 있다.
상기 기능층은 p형 및 n형 봉상 열전소재 단부의 단면적에 전체적으로 형성됨이 바람직하다.
상기 절단 구조체의 두께는 0.1 mm 내지 10 mm인 것이 바람직하다. 절단 구조체의 두께가 0.1 mm 보다 얇을 경우에는 박막 또는 후박을 형성하는 공정으로 제조하는 것이 바람직하며, 두께가 10 mm 이상이면 모듈의 효율이 저하되어 바람직하지 않다.
또한, 본 발명은
a) 본 발명에 따른 방법으로 유연 열전소자 어셈블리를 제조하는 단계;
b) 상기 열전소자 어셈블리를 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합하는 단계; 및
c) 열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)을 부착하는 단계;를 포함하는, 유연 열전모듈의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 전극은 열전소자 어셈블리의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 전기적으로 직렬 연결되도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들면, 제1전극과 제2전극은 p형 및 n형 봉상 열전소재가 전기적으로 직렬 연결되도록 마련될 수 있다.
제2 전극은 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재의 상부면에 배치되고, 제1 전극은 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재의 하부면 에 배치될 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 소정 간격 이격 배치되어 각각 한 쌍의 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재를 연결함으로써, 복수 개의 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재는 제1 전극 및 제2 전극에 의하여 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
상기 전극은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 이용하여 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재와 전기적으로 연결하며, 단위셀이 다수 연결되는 경우 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성할 수 있다.
상기 전극의 두께는 모듈에 흐르는 전류량에 따라 0.1 mm ~ 1.0 mm의 범위에서 형성될 수 있다. 상기 전극의 두께가 0.1 mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 1.0 mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
상기 전극은 CVD(chemical vapour deposition), 플라즈마 또는 스크린 코팅 처리에 의해 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 전극은 포일 형태의 소재를 이용하여 패터닝될 수 있다.
예를 들면, 상기 전극은 기판의 일면에 미리 준비된 메탈마스크(Metal Mask) 또는 메탈메쉬(Metal Mash)를 안착시킨 다음, 볼밀 가공된 은이나 동과 같은 금속 분말을 메탈마스크 또는 메탈메쉬로 통과시켜 형성할 수 있다. 즉, 상기 메탈마스크 또는 메탈메쉬에는 상기 전극이 형성되어질 위치에 미세한 구멍이 천공 형성되도록 하고, 이러한 미세 구멍을 통해 상기 은이나 동과 같은 금속 분말이 통과하도록 함으로써 기판의 일면에 전극이 스크린프린팅하여 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은
복수의 봉상 n형 열전소재가 일정 간격을 두고 배열되고,
복수의 봉상 p형 열전소재가 상기 복수의 봉상 n형 열전소재들 사이에 일정 간격을 두고 배열되며,
상기 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산이 충진된,
유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 제공한다.
여기서, 상기 n형 봉상 열전소재는 복수 개 구비되어 소정 간격을 두고 배열되고, 상기 p형 열전소재는 복수 개 구비되어 복수의 n형 봉상 열전소재들 사이에 배열된다.
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재의 직경은 모듈에서 요구하는 크기대로 제조할 수 있으며, 열전모듈의 효율적인 구동을 고려하면 0.5 내지 7 mm인 것이 바람직하다. 봉상 열전소재의 길이는 100 내지 500 mm인 것이 바람직하며, 100 mm 보다 짧을 경우 생산 효율이 저하되며, 500 mm 보다 긴 경우에는 봉상 열전소재에 휨 현상이 발생할 수 있어 열전소자 제조를 위한 가공 공정에 문제가 발생할 수 있다.
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재는 각각 2 내지 300개인 것이 바람직하다. 마이크로 모듈의 경우 p형 및 n형 열전소자 2쌍으로 구성될 수 있으며, 발전모듈의 경우 전압을 높이기 위해 p형 및 n형 열전소자를 300쌍 수준으로 구성할 수 있다. p형 및 n형 열전소자가 300쌍 이상이 되면 열전모듈 구동 신뢰성에 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 본 발명은
상기 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체가 소정의 두께로 절단되어 있고,
절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층이 코팅되어 있는,
유연 열전소자 어셈블리를 제공한다.
여기서, 상기 기능층은 상기 열전소재와 전극 사이의 전기적 연결을 제공하도록 설계된 연결소자를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기능층은 금속 소재로서 열전소재 표면에 코팅된 것이 바람직하다.
상기 절단 구조체의 두께는 0.1 mm 내지 10 mm인 것이 바람직하다. 절단 구조체의 두께가 0.1 mm 보다 얇을 경우에는 박막 또는 후박을 형성하는 공정으로 제조하는 것이 바람직하며, 두께가 10 mm 이상이면 모듈의 효율이 저하되어 바람직하지 않다.
아울러, 본 발명은
상기 본 발명에 따른 유연 열전소자 어셈블리가 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합되어 있고,
열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)이 부착되어 있는,
유연 열전모듈을 제공한다.
여기서, 상기 전극은 열전소자 어셈블리의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 전기적으로 직렬 연결되도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전극은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 이용하여 P형 봉상 열전소재 및 n형 봉상 열전소재와 전기적으로 연결하며, 단위셀이 다수 연결되는 경우 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성할 수 있다.
상기 전극의 두께는 모듈에 흐르는 전류량에 따라 0.1 mm ~ 1.0 mm의 범위에서 형성될 수 있다. 상기 전극의 두께가 0.1 mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 1.0 mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
상기 전극은 CVD(chemical vapour deposition), 플라즈마 또는 스크린 코팅 처리에 의해 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 전극은 포일 형태의 소재를 이용하여 패터닝될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
< 실시예 1> 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조
p형 및 n형 봉상 열전소재는 열간압출 공정으로 제조하였다. 직경 1.8 mm 및 직경 3.6 mm 직경의 p형 Bi0 . 44Sb1 . 56Te3 및 n형 Cu0 . 02Bi2Te2 . 7Se0 .3을 400 mm 길이로 각각 제조하였고, 이를 100 mm 길이로 절단하였다.
정사각형 형상에서 가로 4개 및 세로 4개 총 16개의 홈을 형성할 수 있는 자리 중 열전모듈 제조 시 lead wire가 연결되는 2곳을 제외한 총 14곳에 14개의 고정용 홈이 형성된 구조체를 하부 고정틀로 사용하였다. 봉상 열전소재의 직경에 맞추어 1개는 고정용 홈을 직경 1.8 mm로 다른 1개는 고정용 홈의 직경을 3.6 mm로 형성하였다. 1개는 가로 및 세로가 15 mm이고 다른 1개는 가로 및 세로가 30 mm인 2종류의 하부 고정틀 위에 가로 및 세로 길이가 동일하고 높이를 100 mm로 제작한 4각 기둥 형태의 용기를 부착하였다. 용기의 상단 옆면에는 충진재를 주입할 수 있는 지름 3 mm의 구멍을 형성하였다. 용기 상부에는 봉상 열전소재를 삽입할 수 있는 열전소재 직경의 구멍이 14개 형성된 구조체를 고정하였다.
< 실시예 2> 유연 열전소자 어셈블리의 제조
상기 용기의 상단 구멍에 봉상 열전소재 14개를 넣고 하부 고정틀의 홈에 끼워 넣었다.
상기 용기의 상단 옆면 주입구를 통해 액상의 에폭시를 주입한 후 150 oC에서 1시간 동안 열처리 하여 경화하였다.
열처리 후 용기를 제거하여 4각 기둥형태의 에폭시에 14개의 봉상 열전소재가 정렬된 구조체를 제조하였다.
상기 구조체를 두께 2 mm로 절단하고, 전기도금 공정을 이용하여 열전소재 양쪽 표면에 10 μm 두께로 Au를 코팅하여 유연 열전소자 어셈블리를 제조하였다.
< 실시예 3> 유연 열전모듈의 제조
폴리디메틸실록산을 이용하여 가로 및 세로 15 mm, 두께 0.5 mm의 유연 기판을 제조하고 Cu 포일을 이용하여 가로 6 mm, 세로 2 mm 크기의 전극을 부착하였다. 모듈 상단과 하단 Cu 전극 위에 스크린프린팅 공정으로 solder를 프린트하고, 유연 열전소자 어셈블리를 중간에 위치한 후 열처리를 통해 접합하고, lead wire를 연결하여 모듈제작을 완료하였다.
< 실험예 1> 유연 열전소자의 유연성 확인
제조한 2종의 유연 열전소자 어셈블리의 유연성 확인을 위해 곡률 3 cm 조건으로 반족적인 bending 실험을 진행하였다.
실험 결과, 100회의 실험 후에도 구조적인 안정성을 유지하는 것으로 확인되었다.
< 실험예 2> 유연 열전모듈의 열전효율 확인
유연 열전모듈의 발전 성능을 측정하였다.
실험 결과, 모듈 양단의 온도차 20℃ 조건에서 2 mW/cm2의 높은 출력밀도를 구현하였다.

Claims (12)

1) 하부에는 열전소재 직경으로 형성된 고정용 홈이 복수 개 있고, 상부에는 열전소재를 삽입할 수 있는 열전소재 직경의 구멍이 복수 개 형성되어 있는 용기에 액상의 실리콘 또는 에폭시를 주입하는 단계;
2) 상기 용기 상부 구멍을 통해 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재를 삽입하여 하부 고정용 홈에 끼우는 단계;
3) 상기 복수의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 삽입된 용기를 열처리를 통해 액상의 실리콘, 에폭시 또는 폴리디메틸실록산을 고체화하는 단계; 및
4) 상기 용기로부터 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘 또는 에폭시가 충진된 구조체를 분리하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재는 각각 2 내지 300개인 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 p형 및 n형 봉상 열전소재는 각각 직경 0.5 내지 7 mm인 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체의 제조방법.
i) 제1항의 방법으로 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체를 제조하는 단계;
ii) 상기 어셈블리 제조용 구조체를 균일한 두께로 절단하는 단계; 및
iii) 절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층을 코팅하는 단계;를 포함하는, 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 기능층은 상기 열전소재와 전극 사이의 전기적 연결을 제공하도록 설계된 연결소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 기능층은 금속 소재를 코팅한 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 두께는 0.1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 유연 열전소자 어셈블리의 제조방법.
a) 제4항의 방법으로 유연 열전소자 어셈블리를 제조하는 단계;
b) 상기 열전소자 어셈블리를 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합하는 단계; 및
c) 열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)을 부착하는 단계;를 포함하는, 유연 열전모듈의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 전극은 열전소자 어셈블리의 p형 및 n형 봉상 열전소재가 전기적으로 직렬 연결되도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 유연 열전모듈의 제조방법.
복수의 봉상 n형 열전소재가 일정 간격을 두고 배열되고,
복수의 봉상 p형 열전소재가 상기 복수의 봉상 n형 열전소재들 사이에 일정 간격을 두고 배열되며,
상기 복수의 봉상 p형 및 n형 열전소재들 사이에 고체화된 실리콘 또는 에폭시가 충진된,
유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체.
제10항의 유연 열전소자 어셈블리 제조용 구조체가 소정의 두께로 절단되어 있고,
절단된 구조체의 상하부 열전소재 표면에 기능층이 코팅되어 있는,
유연 열전소자 어셈블리.
제10항의 유연 열전소자 어셈블리가 유연 기판 위에 패터닝된 전극과 접합되어 있고,
열전모듈 구동을 위해 말단부 전극에 리드선(lead wire)이 부착되어 있는,
유연 열전모듈.

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