KR20210019812A

KR20210019812A - 열전소결재료 제조장치 및 열전소결재료 제조방법

Info

Publication number: KR20210019812A
Application number: KR1020190098898A
Authority: KR
Inventors: 강성원; 이명진
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2021-02-23

Abstract

실시예에 따른 열전소결재료 제조장치는 제 1 챔버; 상기 제 1 챔버의 하부에 배치되는 제 2 챔버를 포함하고, 상기 제 1 챔버에는 열전소재를 수용하는 제 1 반응용기; 및 상기 제 1 반응용기를 가열하는 제 1 가열 부재가 배치되고, 상기 제 2 챔버에는 상기 제 1 반응용기에서 생성되는 열전소재 용융물을 수용하는 제 2 반응용기; 상기 제 2 반응용기를 가열하는 제 2 가열 부재 및 상기 제 2 반응용기의 하부에 배치되는 롤러가 배치되고, 상기 제 2 반응용기의 상부에는 상기 열전소재 용융물이 직접 전달되는 전달 부재가 연결된다.

Description

열전소결재료 제조장치 및 열전소결재료 제조방법{APPARATUS FABRICATING THERMO ELECTRIC SINTERED AND METHOD FOR THERMO ELECTRIC SINTERED}

실시예는 열전소결재료 제조장치 및 열전소결재료 제조방법에 대한 것이다.

열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.

열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.

열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.

열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전 성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.

상기 열전 소자는 P형 및 N형의 열전 레그를 포함하며, 상기 열전 레그는 열전소결재료을 소결하여 형성되는 열전 소결체에 의해 제조될 수 있다.

이러한 열전소결재료은 열전 재료를 용해 및 합성하여 리본 형상의 분말로 형성할 수 있다.

한편, 종래에는 열전소결재료을 형성하기 위해 열전 재료를 용융 후 냉각하여 잉곳을 형성한 후, 상기 잉곳을 분쇄하여 다시 용융 및 스피닝(spinning) 공정을 통해 최종적으로 리본 형상의 열전소결재료을 형성하였다.

그러니, 상기 공정의 경우, 2번의 용융 공정을 거치면서 원재료의 비율이 변화되어 열전소결재료의 특성에 영향을 줄 수 있고, 공정단계가 길어지면서 공정 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 열전소결재료 제조장치가 요구된다.

실시예는 공정 중 열전소결재료의 혼합 비율을 유지하면서, 향상된 공정 효율을 구현할 수 있는 열전소결재료 제조장치를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 열전소결재료 제조방법은 제 1 반응용기에 열전소재를 수용하는 단계; 상기 제 1 반응용기를 가열하여 열전소재를 용융하는 단계; 상기 제 1 반응용기를 회전하여 열전소재 용융물을 전달 부재로 전달하는 단계; 상기 전달 부재를 통해 상기 열전소재 용융물이 제 2 반응용기에 수용되는 단계; 및 상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계를 포함한다.

실시예에 따른 열전소결재료 제조장치 및 열전소결재료 제조 방법은 열전소결재료의 공정 효율을 향상시킬 수 있고, 열전소결재료의 특성을 향상시킬 수 있다.

종래에는 열전소결재료을 제조하기 위해, 열전소재를 용융(melting)하여 냉각시켜 잉곳을 제조한 후, 상기 잉곳을 분쇄하여 다시 용융하여 스피닝(spinning) 공정을 거쳐 리본 형상의 열전소결재료을 형성하였다.

이에 따라, 서로 분리된 다른 챔버에서 2번의 용융 공정을 거치게 되므로 공정 효율이 저하될 수 있고, 중간 단계에서 열전소재의 배합비율이 변화되어 열전소결재료의 특성이 저하되는 문제점이 있었다.

반면에, 실시예에 따른 열전소결재료 제조장치 및 열전소결재료 제조 방법은 한번의 용융 공정을 거친 후, 바로 스피닝 공정을 진행할 수 있으므로, 열전소결재료 제조 공정을 단순화하여 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 열전소재 용융물을 냉각하는 단계를 생략할 수 있으므로, 중간 단계에서 열전 소재의 배합비가 변화되는 것을 방지할 수 있어 구현하고자 하는 열전소결재료을 제조할 수 있어, 열전소결재료의 특성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 열전소결재료 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전소결재료 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 열전소결재료 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 실시예에 따른 열전소결재료 제조 방법에 의해 제조되는 분말에 의해 제조되는 열전 소결체를 포함하는 열전소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 열전소결재료 제조 방법에 의해 제조되는 분말에 의해 제조되는 열전 소결체를 포함하는 열전소자의 일 단면도를 도시한 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 열전 레그의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한개이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다.

또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 열전소결재료 제조장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 열전소결재료 제조장치(1000)는 제 1 챔버(1100) 및 제 2 챔버(1200)를 포함할 수 있다.

상기 제 1 챔버(1100) 및 상기 제 2 챔버(1200)는 서로 연결될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 챔버(1100)는 상기 제 2 챔버(1200)의 상부에 배치되고, 상기 제 1 챔버(1100)와 상기 제 2 챔버(1200)는 서로 연결될 수 있다.

상기 제 1 챔버(1100)와 상기 제 2 챔버(1200)는 서로 개별 구동될 수 있다. 즉, 상기 제 1 챔버(1100)가 구동될 때, 상기 제 2 챔버(1200)는 구동되지 않을 수 있다. 또한, 상기 제 2 챔버(1200)가 구동될 때, 상기 제 1 챔버(1100)는 구동되지 않을 수 있다.

또는, 상기 제 1 챔버(1100)와 상기 제 2 챔버(1200)는 서로 동시 구동될 수 있다. 즉, 상기 제 1 챔버(1100)와 상기 제 2 챔버(1200)는 서로 동시에 함께 구동될 수 있다.

상기 제 1 챔버(1100)에는 제 1 반응용기(110)가 배치될 수 있다. 상기 제 1 반응용기(110)는 상기 열전소결재료를 형성하기 위한 열전소재를 수용할 수 있다. 상기 제 1 반응용기(110)는 열전소재의 용융 공정에 따른 고온의 온도에 견딜 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 반응용기(110)는 상기 열전소재의 용융온도 이상의 융점을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 반응용기(110)는 석영(quartz)을 포함할 수 있다.

상기 제 1 반응용기(110)는 회전가능할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 반응용기는 약 10° 내지 약 180°의 각도만큼 회전 가능할 수 있다.

또한, 상기 제 1 반응용기(110)는 원통형의 형상, 또는 사각형의 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 열전소재는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전소재는 Bi₂Te_3-ySe_y(0.1<y<0.4)를 포함할 수 있다. 한편, Bi의 증기 압력은 768℃에서 10Pa이고, Te의 증기 압력은 769℃에서 104Pa이고, Se의 증기 압력은 685℃에서 105Pa이다.

따라서, 일반적인 용융 온도(600~800℃)에서 Te와 Se의 증기 압력이 높아, 휘발성이 크다. 따라서, 열전소결재료를 제조할 때, Te 및 Se 중 적어도 하나의 휘발을 고려하여 칭량할 수 있다. 즉, Te 및 Se 중 적어도 하나를 1 내지 10 중량부로 더 포함시킬 수 있다. 예를 들어, N형 레그 제조하기 위한 열전소결재료를 제조할 때, Bi₂Te₃ _- _ySe_y(0.1<y<0.4) 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 Te 및 Se를 더 포함시킬 수도 있다.

상기 제 1 반응용기(110)의 외부면에는 제 1 가열 부재(210)가 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 반응용기(110)의 외부면에는 상기 제 1 반응용기(110)에 열을 가하는 제 1 가열 부재(210)가 배치될 수 있다.

자세하게, 상기 제 1 가열 부재(210)는 발열 유도부를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 반응용기(110)는 상기 발열 유도부에 의해 스스로 발열 될 수 있다. 상기 발열 유도부는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 제 1 반응용기(110)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 제 1 반응용기(110)에 수용되는 열전소재를 원하는 온도로 가열할 수 있다.

상기 제 2 챔버(1200)에는 제 2 반응용기(120)가 배치될 수 있다. 상기 제 2 반응용기(120)는 상기 제 1 반응용기(110)에서 생성된 열전소재의 용융물을 수용할 수 있다.

상기 제 2 반응용기(120)는 상기 열전소재의 용융물 온도를 견딜 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 2 반응용기(120)는 상기 열전소재의 용융온도 이상의 융점을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제 2 반응용기(120)는 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 반응용기(120)는 원통형의 형상, 또는 사각형의 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제 2 반응용기(120)는 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 반응용기(120)의 바닥면에는 약 0.4㎜의 직경을 가지는 복수의 노즐을 포함할 수 있다.

상기 열전소재의 용융물은 상기 제 2 반응용기(120)로 이동한 후, 상기 노즐을 통해, 상기 제 2 반응용기(120)의 하부 방향으로 전달될 수 있다.

상기 제 2 반응용기(120)의 상부에는 상기 제 1 반응용기(110)에서 생성된 열전소재의 용융물을 상기 제 2 반응용기(120)의 내부로 전달하는 전달 부재(300)가 연결될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 반응용기(110)에서 생성된 열전소재의 용융물은 상기 전달 부재(300)를 통해 상기 제 2 반응용기(120)의 내부로 이동할 수 있다.

상기 전달 부재(300)는 상기 열전소재의 용융물 온도를 견딜 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 전달 부재(300)는 상기 열전소재의 용융온도 이상의 융점을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 전달 부재(300)는 석영을 포함할 수 있다.

상기 제 2 반응용기(120)의 외부면에는 제 2 가열 부재(220)가 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 반응용기(120)의 외부면에는 상기 제 2 반응용기(120)에 열을 가하는 제 2 가열 부재(220)가 배치될 수 있다.

자세하게, 상기 제 2 가열 부재(220)는 발열 유도부를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 2 반응용기(120)는 상기 발열 유도부에 의해 스스로 발열될 수 있다. 상기 발열 유도부는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 제 2 반응용기(120)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 제 2 반응용기(120)에 수용되는 열전소재 용융물이 냉각되지 않도록 일정 온도로 가열할 수 있다.

상기 전달 부재(300)의 외부면에는 제 3 가열 부재(230)가 배치될 수 있다. 즉, 상기 전달 부재(300)를 통해 전달되는 열전소재 용융물이 전달 중 온도가 감소되는 것을 방지하기 위해, 상기 전달 부재(300)의 외부면에는 제 3 가열 부재(230)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 가열 부재(230)는 흑연을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 3 가열 부재(230)에는 유도 가열 가능한 흑연 튜브로 형성될 수 있다. 즉, 상기 전달 부재(300)의 전체 또는 일부분은 상기 튜브 형상의 제 3 가열 부재(230)에 삽입될 수 있다.

상기 제 2 반응용기(120)의 하부에는 롤러(500)가 배치될 수 있다. 상기 제 2 반응용기(120)에 수용된 상기 열전소재 용융물은 상기 제 2 반응용기(120) 하부의 노즐을 통해 상기 롤러(500)로 전달될 수 있다.

자세하게, 상기 롤러(500)는 약 1000 rpm의 속도로 회전되고, 상기 노즐을 통해 상기 롤러(500)와 접촉되는 열전소재 용융물의 온도는 급속하게 감소하여 급속 응고 됨으로써, 리본 또는 플레이크(flake) 형상의 열전소결재료가 형성될 수 있다.

상기 롤러(500)는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 롤러(500)는 구리(Cu) 등의 금속을 포함할 수 있다.

한편, 상기 전달 부재(300)의 상부에는 거리 제어 부재(400)가 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 전달 부재(300)의 상부는 상기 거리 제어 부재(400)와 연결될 수 있다.

상기 거리 제어 부재(400)는 탄성이 있는 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 거리 제어 부재(400)는 플렉서블할 수 있다. 상기 거리 제어 부재(400)는 상기 제 2 반응용기(120)와 상기 롤러(500)의 거리를 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 제 2 챔버(1200)의 압력을 고려하여, 상기 제 2 반응용기(120)와 상기 롤러(500)의 거리를 변화시킬 수 있고, 상기 롤러 방향으로 분사되는 노즐의 위치를 제어함으로써, 상기 열전소재 용융물을 상기 롤러(500) 방향으로 안정적으로 분사할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 앞서 설명한 열전소결재료 제조장치를 이용하여 열전소결재료를 제조하는 공정을 설명한다.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 열전소결재료 제조방법은, 제 1 반응용기에 열전소재를 수용하는 단계(ST10), 상기 제 1 반응용기를 가열하여 열전소재를 용융하는 단계(ST20), 상기 제 1 반응용기를 회전하여 열전소재 용융물을 전달 부재로 전달하는 단계(ST30), 상기 전달 부재를 통해 상기 열전소재 용융물이 제 2 반응용기에 수용되는 단계(ST40), 상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계(ST50)를 포함할 수 있다.

먼저, 도 3을 참조하면, 제 1 반응용기에 열전소재를 수용하는 단계에서는, 열전소결재료를 형성하기 위한 열전재료(M)를 제 1 반응용기(110)에 장입할 수 있다. 상기 열전소결재료를 형성하기 위한 열전재료(M)는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고순도(99.999%) 원소상 Bi, Te 및 Se의 그래뉼을 제조하고자 하는 열전 재료의 화학식에 맞게 계량하여, 상기 제 1 반응용기(110)에 장입할 수 있다.

이어서, 도 4를 참조하면, 상기 제 1 반응용기를 가열하여 열전소재를 용융하는 단계에서는 상기 제 1 반응용기(110)를 가열하여 상기 제 1 반응용기(110) 내에 수용되는 열전소재를 용융시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 반응용기의 외부에 배치되는 유도코일을 이용하여 상기 열전소재의 용융온도까지 제 1 반응용기를 가열하여 열전소재를 용융하여 열전소재 용융물(M')을 형성할 수 있다.

이어서, 도 5를 참조하면, 상기 제 1 반응용기를 회전하여 열전소재 용융물을 전달 부재로 전달하는 단계 및 상기 전달 부재를 통해 상기 열전소재 용융물이 제 2 반응용기에 수용되는 단계에서는, 상기 제 1 반응용기(110)의 열전소재 용융물(M')을 제 2 반응용기(120)에 연결된 전달 부재(300)에 전달할 수 있다.

자세하게, 상기 제 1 반응용기(110)의 입구를 상기 제 2 반응용기 방향으로 일정 각도 만큼 회전하여, 상기 제 1 반응용기(110) 내부에 수용되어 있는 상기 열전소재 용융물(M')을 상기 전달 부재(300)로 이동시킬 수 있다.

이어서, 상기 전달 부재(300)를 통해 상기 제 2 반응용기(120)의 내부로 상기 열전소재 용융물(M')을 전달함으로써, 열전소재 용융물(M')을 제 2 반응용기(120)에 수용할 수 있다.

이때, 상기 전달 부재(300) 및 상기 제 2 반응용기(120)의 외부에는 가열 부재가 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 전달 부재(300) 및 상기 제 2 반응용기(120)의 외부에는 상기 열전소재 용융물(M')의 온도를 유지하기 위한 가열 부재가 배치됨으로써, 상기 열전소재 용융뮬(M')이 냉각되어 상변화되는 것을 방지할 수 있다.

이어서, 도 6을 참조하면, 상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계에서는, 상기 제 2 반응용기(120)에 수용된 상기 열전소재 용융뮬(M')을 하부의 롤러(500)로 전달할 수 있다. 이에 따라, 상기 롤러(500)로 전달되는 상기 열전소재 용융뮬(M')은 급속 응고되어, 리본 형상의 분말(R(을 형성할 수 있다.

한편, 상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계 이전에 상기 제 2 반응용기와 상기 롤러의 거리를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

자세하게, 상기 제 2 반응용기(120)의 상부와 연결되는 거리 제어 부재(400)를 통해, 상기 제 2 반응용기(120)와 상기 롤러(500)의 거리를 원하는 위치로 제어할 수 있다.

이에 따라, 상기 롤러(500)로 분사되는 열전소재 용융물을 안정적으로 롤러 방향으로 분사시킬 수 있어, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.

종래에는 열전소결재료를 제조하기 위해, 열전소재를 용융(melting)하여 냉각시켜 잉곳을 제조한 후, 상기 잉곳을 분쇄하여 다시 용융하여 스피닝(spinning) 공정을 거쳐 리본 형상의 열전소결재료을 형성하였다.

상기 리본형상의 열전소결재료는 소결 공정을 통해 소결체로 형성될 수 있다. 이어서, 소결 과정을 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.

이때, 열전소결재료은 비정질 리본과 함께 소결될 수 있다. 열전소결재료가 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다.

한 예로, 비정질 리본은 열전 레그가 상부 전극과 접합하기 위한 면 및 하부 전극과 접합하기 위한 면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 또는 하부 전극 방향으로 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 하부 비정질 리본, 열전 레그용 분말 및 상부 비정질 리본이 몰드 내에 순차적으로 배치된 후 소결될 수 있다. 이때, 하부 비정질 리본 및 상부 비정질 리본 상에는 각각 표면 처리층이 형성될 수도 있다. 표면 처리층은 도금법, 스퍼터링법, 증착법 등에 의하여 형성되는 박막으로, 반도체 재료인 열전 레그용 분말과 반응하더라도 성능 변화가 거의 없는 니켈 등이 사용될 수 있다.

다른 예로, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수도 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 레그용 분말을 채우고, 소결할 수 있다.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 실시예에 따른 열전소결재료 제조 방법에 의해 제조되는 분말에 의해 제조되는 열전 소결체가 적용되는 열전 소자의 일례를 설명한다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 열전소자(2000)는 하부 기판(610), 하부 전극(620), P형 열전 레그(630), N형 열전 레그(640), 상부 전극(650) 및 상부 기판(660)을 포함할 수 있다.

상기 하부 전극(620)은 상기 하부 기판(610)과 상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(650)은 상기 상부 기판(660)과 상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다.

이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(630) 및 복수의 N형 열전 레그(640)는 상기 하부 전극(620) 및 상기 상부 전극(650)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(620)과 상기 상부 전극(650) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(630) 및 N형 열전 레그(640)는 단위 셀을 형성할 수 있다.

예를 들어, 리드선(680)을 통하여 상기 하부 전극(620) 및 상기 상부 전극(650)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(630)로부터 상기 N형 열전 레그(640)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(640)로부터 P형 열전 레그(630)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.

여기서, P형 열전 레그(630) 및 N형 열전 레그(640)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다.

상기 P형 열전 레그(630)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.

상기 N형 열전 레그(640)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.

상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(630) 또는 벌크형 N형 열전 레그(640)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(630) 또는 적층형 N형 열전 레그(640)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.

도 9를 참조하면, 실시예에 따른 상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640) 중 적어도 하나의 열전 레그(700)는 열전 소재층(710), 열전 소재층(710)의 한 면 및 상기 한 면에 대향하는 다른 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770), 열전 소재층(710)과 제1 금속층(760) 사이에 배치되는 제1 접합층(740) 및 열전 소재층(710)과 제2 금속층(770) 사이에 배치되는 제2 접합층(750), 그리고 제1 금속층(760)과 제 1 접합층(740) 사이에 배치되는 제 1 도금층(720) 및 제2 금속층(770)과 제 2 접합층(750) 사이에 배치되는 제 2 도금층(730)을 포함한다. 이때, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740)은 서로 직접 접촉하고, 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 접합층(740)과 제1 도금층(720)은 서로 직접 접촉하고, 제2 접합층(750)과 제2 도금층(730)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 도금층(720)과 제1 금속층(760)은 서로 직접 접촉하고, 제2 도금층(730)과 제2 금속층(770)은 서로 직접 접촉할 수 있다.

열전 소재층(710)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(710)은 P형 열전 레그(630) 또는 N형 열전 레그(640)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.

그리고, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.

제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다.

열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 사이 및 열전 소재층(710)과 제2 도금층(730) 사이에는 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)은 Te를 포함할 수 있다.

이에 따라, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높고, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높다. 그리고, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면까지의 Te 함량 또는 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면까지의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면의 Te 함량 대비 0.8 내지 1배일 수 있다.

이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(630) 및 N형 열전 레그(640)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(630)와 N형 열전 레그(640)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(640)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(630)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.

열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.

여기서, 상기 하부 기판(610)과 상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(620), 그리고 상기 상부 기판(660)과 상기 P형 열전 레그(630) 및 상기 N형 열전 레그(640) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(650)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.

상기 하부 전극(620) 또는 상기 상부 전극(650)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.

그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(610)과 상기 상부 기판(660)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다.

절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다.

금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.

또한, 상기 하부 기판(610)과 상기 상부 기판(660)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(610)과 상기 하부 전극(620) 사이 및 상기 상부 기판(660)과 상기 상부 전극(650) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다.

상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.

이때, 상기 하부 기판(610)과 상기 상부 기판(660)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(610)과 상기 상부 기판(660) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.

또한, 상기 하부 기판(610)과 상기 상부 기판(660) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(630) 또는 N형 열전 레그(640)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.

상기 열전소자 모듈은 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 상기 열전소자 모듈은 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 열전소자 모듈이 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.

상기 열전소자 모듈이 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.

상기 열전소자 모듈이 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.

상기 열전소자 모듈이 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.

상기 열전소자 모듈이 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.

상기 열전소자 모듈이 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.

이 외에도 상기 열전소자 모듈은 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

제 1 챔버;
상기 제 1 챔버의 하부에 배치되는 제 2 챔버를 포함하고,
상기 제 1 챔버에는 열전소재를 수용하는 제 1 반응용기; 및 상기 제 1 반응용기를 가열하는 제 1 가열 부재가 배치되고,
상기 제 2 챔버에는 상기 제 1 반응용기에서 생성되는 열전소재 용융물을 수용하는 제 2 반응용기; 상기 제 2 반응용기를 가열하는 제 2 가열 부재 및 상기 제 2 반응용기의 하부에 배치되는 롤러가 배치되고,
상기 제 2 반응용기의 상부에는 상기 열전소재 용융물이 직접 전달되는 전달 부재가 연결되는 열전소결재료 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 전달 부재는 석영을 포함하는 열전소결재료 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 전달 부재의 외부면에 배치되는 제 3 가열 부재를 더 포함하는 열전소결재료 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 전달 부재와 연결되는 거리 제어 부재를 더 포함하고,
상기 거리 제어 부재는 플렉서블한 열전소결재료 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 반응용기는 회전가능한 열전소결재료 제조장치.
제 1 반응용기에 열전소재를 수용하는 단계;
상기 제 1 반응용기를 가열하여 열전소재를 용융하는 단계;
상기 제 1 반응용기를 회전하여 열전소재 용융물을 전달 부재로 전달하는 단계;
상기 전달 부재를 통해 상기 열전소재 용융물이 제 2 반응용기에 수용되는 단계; 및
상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계를 포함하는 열전소결재료 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 전달 부재를 통해 상기 열전소재 용융물이 제 2 반응용기에 수용되는 단계 및 상기 제 2 반응용기의 노즐을 통해 상기 열전소재 용융물을 롤러로 분사하는 단계 사이에 상기 제 2 반응용기와 상기 롤러의 거리를 제어하는 단계를 더 포함하는 열전소결재료 제조방법.
제 7항에 있어서,
상기 제 2 반응용기와 상기 롤러의 거리는 상기 전달 부재와 연결되는 거리 제어 부재에 의해 제어되고,
상기 거리 제어 부재는 플렉서블한 열전소결재료 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 전달 부재는 석영을 포함하고,
상기 전달 부재는 상기 전달 부재의 외부면에 배치되는 가열 부재에 의해 열전소재 용융물의 용융 온도가 유지되는 열전소결재료 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 전달 부재는 석영을 포함하는 열전소결재료 제조방법.
제 6항에 있어서,
상기 열전소결재료 제조방법에 의해 제조되는 열전소결재료는 리본 또는 플레이크(flake) 형상의 열전소결재료인 열전소결재료 제조방법.