KR20220149335A - 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법 - Google Patents

금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220149335A
KR20220149335A KR1020210056829A KR20210056829A KR20220149335A KR 20220149335 A KR20220149335 A KR 20220149335A KR 1020210056829 A KR1020210056829 A KR 1020210056829A KR 20210056829 A KR20210056829 A KR 20210056829A KR 20220149335 A KR20220149335 A KR 20220149335A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
bonding
layer
metal
electrode
Prior art date
Application number
KR1020210056829A
Other languages
English (en)
Inventor
박수동
류병기
장정인
정재환
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020210056829A priority Critical patent/KR20220149335A/ko
Publication of KR20220149335A publication Critical patent/KR20220149335A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • H01L35/30—
    • H01L35/08—
    • H01L35/34—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 금속매개층을 포함하는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판; 및 상기 소자배열판의 상부에 접합되는 복수개의 열전레그;를 포함하고, 상기 소자배열판과 상기 열전레그 사이에 배치되는 금속매개층 및 접합재층;을 포함하는 것을 개시한다.
또한, 본 발명은 금속매개층을 포함하는 열전소자 접합방법에 관한 것으로, 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판을 예비 가열하는 단계; 상기 전극의 상부에 금속매개층과 접합재층을 차례대로 적층하는 단계; 및 상기 적층된 접합재층의 상부에 열전레그를 대응되게 위치시킨 후 가압하여 접합하는 단계;를 포함하는 것을 개시한다.

Description

금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법{Thermoelectric element including metal intermediary layer and bonding method thereof}
본 발명은 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전극과 열전레그 접합시 전기적, 열적 손실을 최소화 할 수 있도록 하는 금속매개층을 포함하여 열전소자를 접합하는 방법에 관한 것이다.
열전소자란 고체상의 재료 양단에 온도차가 존재하게 되어 열의존성을 갖는 캐리어(전자 또는 정공)가 이동하게 됨으로써 열기전력이 발생하는 소자를 말한다.
대표적인 예로는 Mg-Si계, Zn-Sb계, Ag-Sb-Te계 등이 있는데, 상기 열전소자는 P형 열전레그와 N형 열전레그를 전극들 사이에 접합하여 P/N접합 쌍을 형성하는 구조로 이루어진다. 이 때 상기 P/N접합 쌍의 양 끝단에 온도 차이를 부여하게 되며 제베크(seeback) 효과에 의해 전력이 발생되어 발전장치로 활용되거나, P/N 접합 쌍의 어느 한 쪽은 냉각되고 다른 한 쪽은 발열되는 펠티에(peltier)효과에 의해 온도제어장치로 활용되고 있다.
종래 열전소자의 접합방법으로는, 기판을 배치하고 전극 상에 P형 열전레그와 N형 열전레드를 접합하되, 열전레그와 전극 사이에 접합재를 배치하여 접합재가 용융되는 온도까지 가열을 함으로써 접합재에 의해 전극과 열전레그의 접합이 이루어지는 솔더링 또는 브레이징과 같은 접합방법을 사용하여 왔다.
그러나 종래의 접합방식의 경우, 전극와 열전레그 간 전합성을 높이고자 접합재에 충분한 양의 열이 가해지면서 접합재에 포함된 플럭스(flux)가 조기 활성됨에 따라 접합성이 감소하는 경향이 있다. 또한 상기 열전레그 또한 고열에 장시간 노출됨에 따라 열화가 발생하는 문제점이 있다.
관련하여 종래의 열전소자에 사용되는 접합재는 솔더 및 브레이징용 필러메탈을 사용하였다. 솔더의 경우 융점이 낮아 접함이 용이하며 접합 후에는 잔류응력이 적은 장점을 가지고 있기는 하나 고온의 환경에서 사용하는 경우에는 열전소자 사용 중 접합계면에 취성의 금속간 화합물을 생성됨에 따라 열전소자의 수명이 단축된다.
또한, 브레이징 필러메탈을 사용하는 경우에는 융점이 높음에 따라 고온에서 접합이 이루어져 높은 응력이 발생하게 되어 열전소자에 손상을 준다. 이를 위해 성분으로 Ag을 40% 이상 함유하는 방법이 있기는 하나 이 방법의 경우에는 단가를 높일 뿐만 아니라 그 접합력이 다소 감소하는 경향이 있다.
한편, 이러한 솔더와 브레이징용 필러메탈을 사용하는 경우 합금재료의 용융점에 의해 접합온도가 결정되며, 접합매개물로 사용되는 합금은 열전반도체 및 전극보다 융점이 낮아야 한다. 또한, 열전소자는 고온의 환경에서 사용되는데 이러한 경우, 융점이 낮은 재료에서 크리프(creep) 현상이 발생할 수 있다.
이를 해결하고자, ‘열전소자, 열전소자의 제조 방법 및 초경재료 접합방법(대한민국 등록번호: 10-1944036)’에 따르면, 전해도금을 이용하여 나노입자가 분산된 금속다층박막을 제조하고 이를 접합재로 사용하여 접합방법을 기술적으로 제시하고 있다.
그러나 상기 방법의 경우에는 초경재료에 열전소자를 접합하는 방법으로 한정되어 그 소재가 한정 될 뿐만 아니라, 초경재료에 별도의 금속 코팅층을 형성해야 될 뿐만 아니라 상부와 하부 접합재층으로 구분을 지어 중앙에 코어메탈을 추가적으로 포함되어야만 하기에 인장강도, 항복강도 등의 기계적 특성은 향상 되어도 이에 따른 저항이 전기적, 열적손실이 발생한다는 점에서 효율이 떨어진다.
또한,‘ITO 중간층을 포함하는 스커테루다이트 열전소재용 Ti 메탈라이징 구조와 그 형성 방법 및 ITO 중간층을 포함하여 Ti 메탈라이징된 스커테루다이트 열전소재와 그 제조 방법(대한민국 등록특허 10-2144070)’에 따르면, 열전소자에 확산을 방지하는 ITO 중간층을 포함하는 Ti메탈라이징층을 적용하여 금소화합물층을 얇게하고 열전소자의 효율을 증대시키는 것으로 제시하고 있다.
그러나 상기 방법의 경우에는 TI 포일의 표면에 별도의 ITO 층을 형성함으로써, 확산은 방지한다고 하여도 이에 따른 열적손실과 전기적 손실은 여전히 크게 남게 된다. 더욱이 해당 방법은 스커테루다이트 열전소자용도로 사용되는 방법으로 열전소자 종류 또한 한정적이다.
대한민국 등록특허 제10-1944036호 대한민국 등록특허 제10-2144070호
따라서 본 발명에서는 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 전극과 열전레그 접합시 접합재와 별도의 금속매개층을 추가함으로써 열전소자와의 접합에 용이할 뿐만 아니라 전기적 및 열적 손실이 적은 열전소자를 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 접합재의 하면에 구비되는 금속매개층은 접합부위가 소재 간의 열팽창계수 차이에 의하여 열응력이 감소함으로써 인장강도, 항복강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상시킴으로써 이를 이용한 열전소자 접합방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판; 및 상기 소자배열판의 상부에 접합되는 복수개의 열전레그;를 포함하고, 상기 소자배열판과 상기 열전레그 사이에 배치되는 금속매개층 및 접합재층;을 더 포함하여, 상기 금속매개층 및 접합재층에 의해 상기 전극과 상기 열전레그의 접합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 금속매개층은 상기 전극의 상면에 적층된 후, 상기 접합재층은 상기 금속매개층의 상면에 도포되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속매개층은 온도가 300~750℃에서 반응층을 생성하는 포일 또는 페이스트 형태의 금속으로 이루어지되, 1~10㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판을 예비 가열하는 단계; 상기 전극의 상부에 금속매개층과 접합재층을 차례대로 적층하는 단계; 및 상기 접합재층의 상부에 열전레그를 대응되게 위치시킨 후 가압하여 접합하는 단계;를 포함하고 상기 가압 시, 상기 열전레그의 상부를 냉각시켜 상기 전극과 상기 열전레그사이에 발생되는 열이 상기 열전레그의 상부로 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자 접합방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 가압하여 접합하는 단계에서는, 공냉 또는 수냉 방식으로 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 전기적, 열적 손실이 적은 금속포일을 포함하는 열전소자의 접합방법은, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 종래의 열전소자 접합방법으로는 솔더링 및 블레이징 접합 공정으로만 열전소자를 접합 만 가능하였으나 본원발명은 확산접합 또는 동시소결 공정을 이용하여도 접합이 가능한 효과가 있다.
둘째, 합금화 된 열전소자에도 안정적으로 접합되어 접합부의 인장강도, 항복강도, 인성 등의 기계적 물성을 향상 시키는 효과가 있다.
셋째, 열전레그와 전극사이에 접합재층 및 금속매개층을 같이 도포함으로써 전기적, 열적 손실을 최소화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자를 나타낸 사시도 이다.
도 2는 본 발명에 따른 열전소자를 나타낸 측면도 이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
일 양태로, 본 발명의 금속매개층이 포함된 열전소자에 관한 것으로, 도 1은 볼 발명에 따른 열전소자를 사시도로 나타낸 것으로, 도 1을 참고하면, 본 발명의 열전소자는 기판(22) 상에 배치된 전극(24)으로 이루어진 소자배열판(20)과, 전극(24)의 상면에 교번하여 배치되는 P형 열전레그(42)와 N형 열전레그(44)로 이루어진 열전레그(40)를 포함하여 구성된다.
상기 기판(22)은 절연 기판 또는 금속 기판으로 구성되어 있어 전극(24)의 하부를 받치는 역할을 하는데, 절연 기판의 경우에는 알루미나 기판 또는 절연층이 형성된 금속 판, 그리고 고분자수지 기판이 바람직하다.
상기 고분자수지의 예로는 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같이 다양한 종류가 사용 될 수 있다.
한편 상기 전극은 플레이트 형상으로 편평한 형태로 구성되며 하나의 기판(22)에 다수개로 배열 될 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 기판의(22)의 상면과, P형 열전레그(42) 및 N형 열전레그(44)의 하면 사이에 배치되어 열전레그(40)와 접합된다. 이때 상기 전극(24)에 의해 다수 개의 P형 열전레그(42)와 N형 열전레그(44)를 전기적으로 연결시킬 수 있게 된다.
관련하여, 상기 전극(24)은 Cu(구리), Ag(은), Ni(니켈), Al(알루미늄), Au(금), Cr(크롬), Ru(루비듐), Re(레늄), Pb(납), Sn(주석), In(인듐) 및 Zn(아연)을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종의 금속 또는 이들 금속을 포함하는 합금일 수 있으며, 상술한 종류에만 한정되는 것은 아니고 열전소자에 적용될 수 있는 전극소재라면 다양하게 사용될 수 있다.
열전레그(40)의 경우, 단일 열전소재로만 이루어지게 되면 특정 온도에서만 열전 특성이 나와 비효율적이기 때문에, 적층형 열전레그(40)와 같이 용융점이 서로 다른 열전재료를 상부방향으로 갈수록 용융점이 낮은 세그먼트를 형성하여 다양한 열전재료를 적층한 상태로 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 적층형 열전레그(40)는 열전 특성이 다르도록 용융점이 서로 다른 열전소재를 열처리하여 잉곳(ingot)으로 각각 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름 하여 분말상태로 제조한 후, 이를 소결하는 과정을 통해 얻어진 것을 세그먼트로 하여 적층한 것을 말한다.
또한, 보다 바람직하게는 열전레그의 표면부를 무전해도금이나 스퍼터링으로 형성한 금속 코팅층을 포함할 수 있는데 이는 열전레그의 소재의 종류에 따라 선택하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 Ni(니켈) 및 Cu(구리)를 코팅하는 것이 바람직하다.
단, 다양한 온도에서 열전 특성을 갖는 적층형 열전레그(40)를 사용하게 되면 열전레그(40)의 상부와 하부 간에 온도 편차가 발생 할 수밖에 없게 된다. 따라서 적층형 열전레그(40)의 길이방향에 따른 온도 구배를 고려하여 냉각을 통한 상부와 하부 간 온도 편차를 줄이는 것이 바람직하다.
한편, 상기 열전레그(40)가 상기 소자배열판(20)의 전극(24) 상면에 접합되기 위해서는 접합재를 도포하여 접합재층(30)을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 접합재층(30)은 고온 전극에서 접합이 가능한 접합재면 특별히 한정하지 않으며, 바람직한 예로는 브레이징 접합재로 구성된 접합재를 사용하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, Ti(티타늄), Zr(지르코늄), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), V(바나듐) 및 Nb(나이오븀)로부터 선택되는 적어도 1종의 활성 금속과 Sn(주석), In(인듐), Zn(아연), Cd(카드뮴) 및 C(탄소)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하고, 나머지가 실질적으로 Ag(은) 및 Cu(구리)합금으로 구성된 접합재를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 접합공정에 있어서, 상기 접합재층(30)과 상기 전극(24)의 접합에 금속매개층(10)을 더 포함한다. 관련하여 상기 금속매개층(10)은 금속원소로 이루어진 금속박막으로 Sn(주석), Cu(구리), Ag(은), Ni(니켈), Zn(아연), Cr(크롬), Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Se(셀레늄), Tc(테크네튬), Ru(루테늄), Rh(로듐), Pd(팔라듐), Cd(카드뮴), In(인듐), Sb(안티몬), Te(텔루륨), Os(오스뮴), Ir(이리듐), Pt(백금), Au(금), Tl(탈륨), Pb(납), Bi(비스무트), Ti(티타늄), V(바나듐), Ga(갈륨),Ge(저마늄), Al(알루미늄), Zr(지르코늄), Nb(나이오븀), Mo(몰리브덴), Hf(하프늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐),및 Re(레늄) 및 Po(폴로늄) 원소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속원소를 포함하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 열전재료와 전극사이에서 300 ~ 750℃ 온도에서 반응층을 생성하는 금속물질이 바람직하다.
이는, 온도가 300℃ 미만의 온도인 경우 중간층을 형성하지 못하여 접합강도 및 인장강도가 떨어질 수 있으며, 750℃ 초과 온도인 경우에는 전극이나, 열전레그가 열화될 수 있을 뿐만 아니라 접합물질이 상변화로 인한 물성저하가 발생하기 때문이다. 따라서 보다 더 바람직하게는 Sn(주석)을 사용하는 것이 바람직하다.
관련하여 상기 금속매개층(10)의 두께는 1~10㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 접합재층(30)과 소자배열판(20) 사이에서 중간층을 형성하여 충분한 효과를 전기적, 열적 손실 효과를 최소화 하기 위해서 이다.
이때, 금속매개층(10)의 두께가 10㎛ 초과 포함되는 경우 오히려 전기적, 열적 손실이 증가됨에 따라 부적절 하기에 상기 두께층을 조절이 반드시 요구된다.
추가로 상기 금속매개층(10)은 필름과 같은 포일 형태 또는 페이스트 형태로 사용되는 것이 바람직하며 특별히 한정하지는 않는다.
일 양태로, 본 발명은 금속매개층을 포함하는 열전소자 제조방법에 관한 것으로, 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판을 예비 가열하는 단계; 상기 전극의 상부에 금속매개층과 접합재층을 각각 적층하는 단계; 및 상기 적층된 접합재층의 상부에 열전레그를 대응되게 위치시킨 후 가압하여 접합하는 단계;를 거쳐 제조된다.
이에, 도 3의 순서도를 예로 설명하고자 한다.
먼저, 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판을 예비 가열하는 단계(S100)에서는 기판의 상면에 전극(24)을 배치하여 소자배열판(22)을 예비 가열하는 단계로, 이때의 예비가열은 직접가열 또는 유도가열 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 고주파 유도가열이 적용될 수 있는데, 이 경우 전극(24)의 재료 특성에 따라 고주파 전류가 전극(24)의 표면에 집중되는 표피효과(skineffect)가 발생함으로 인해, P형 열전레그(42)와 N형 열전레그(44)가 접합되는 부위만을 가열하게 된다.
이렇듯, 유도가열에 의하여 전극(24)을 예비 가열하는 시간을 단축시킬 수 있게 되며, 또한 외부 환경에 영향을 받지 않고 열이 전극(24)만으로 직접 가해 질수 있어 예비 가열의 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.
예비 가열은 300 내지 750℃에서 이루어질 수 있는데, 보다 바람직하게는 600 내지 650℃에서 이루어질 수 있다. 만약 예비 가열이 600℃ 미만에서 실시되면 접합재가 충분히 용융되지 못해 추후 접합부위에서 실제 전극(24)와 열전레그(40) 간에 접합이 이루어질 때 접합 안전성이 좋지 못해 전극(24)으로부터 열전레그(40)가 쉽게 박리되는 문제점이 발생한다.
반면 650℃를 초과하는 온도로 예비 가열이 이루어지면 전극(24)에 과도한열이 가해져 전극(24)과 열전레그(40)가 접합될 때 오히려 열전레그(40)의 상부로열이 쉽게 전달되어 열화가 발생하거나, 경우에 따라 접합재가 열전레그(40)의 외측으로 흘러나와 반도체 역할을 제대로 하지 못하는 문제점이 발생한다. 이에 따라예비 가열은 600 내지 650℃에서 이루어져야 하는 중요한 의미가 있다.
다음은 상기 전극의 상부에 금속매개층과 접합재층을 각각 적층하는 단계(S200)이다. 이때 상기 금속매개층과 접합재층에 대한 설명은 열전소자 구성에 전술한 바 있으므로, 그 설명을 생략하기로 한다.
마지막으로 상기 적층된 접합재층의 상부에 열전레그를 대응되게 위치시킨 후 가압하여 접합하는 단계(S300)이다. 이때 상기 가압은 유압실리더와 같은 프레스 등으로 이루어 질 수 있으며, 그 크기는 접합하고자 하는 각각의 열전레그(40)의 크기 또는 개수에 따라 다양하게 조절 될 수 있다.
관련하여 상기 가압의 압력은 30,000 내지 50,000Pa인 것이 좋은데, 만약 30,000Pa미만의 압력으로 가압하게 되면 전극(24)의 상면과 열전레그(40)의 하면이 접촉되는 부분이 균일한 접합이 어려워 전극(24)과 열전레그(40) 간의 접합 안정성을 달성하기에 다소 미미한 점이 있다. 이와 달리 50,000Pa를 초과하면 과도한 압력으로전극(24) 상에 도포되어 있던 접합재가 외부로 흘러나와 외관상 좋지 못할 뿐만 아니라, 기판(22)이나 열전레그(40)의 파손을 야기할 수 있는 우려가 있기 때문이다.
한편, 상기 가압공정에 있어서, 상기 열전레그(40)의 상부를 냉각시켜 상기 전극(24)과 상기 열전레그(40) 사이에 발생되는 열이 상기 열전레그(40)의 상부로 전달되지 않도록 공냉 또는 수냉 방식으로 냉각시키는 것이 바람직하다.
이는, 전극(24)과 접합되는 열전레그(40)의 최하단은 용융점이 가장 높은 세그먼트로 배치하고, 상부로 갈수록 용융점이 상대적으로 낮아지는 세그먼트를 다수배치하게 되면, 적층형 열전레그(40)의 최상단은 최하단에 비해 용융점이 가장 낮아 약간의 열에 노출되기만 하더라도 열에 민감할 수 밖에 없기 때문이다.
즉, 적층형 열전레그(40)를 사용하게 되면 열전레그(40)의 상부와 하부 간에 온도 편차가 발생할 수 밖에 없기 때문에, 적층형 열전레그(40)의 길이방향에 따른 온도 구배를 고려하여 냉각수 또는 냉기의 유체를 열전레그(40)에 간접적으로 접촉시킴으로써 열전레그(40) 방향으로 냉각을 제공하여 열전레그(40)의 상부와 하부 간 온도 편차를 줄일 수 있게 된다. 따라서 접합하는 단계에서 전극(24)과 열전레그(40)가 가압되는 순간, 이와 동시에 열전레그(40)의 상부를 냉각시켜 전극(24)과 열전레그(40) 사이에 발생되는 열이 열전레그(40)의 상부로 전달되지 않는 것이 중요하다 할 수 있다.
이때 냉각은 공냉 또는 수냉 방식으로 실시할 수 있는데, 공냉 방식은 열전레그(40)에 냉기로 이루어진 유체를 간접적으로 접촉하게 하여 열전레그(40)의 상부를 냉각시키는 과정으로 이루어질 수 있으며, 수냉 방식은 열전레그(40)에 냉각수로 이루어진 유체를 간접적으로 접촉하게 하여 열전레그(40)의 상부를 냉각시키는 과정으로 이루어질 수 있다.
특히 접합하는 단계에서 소자배열판(20) 상의 전극(24) 상부에 P형 열전레그(42)와 N형 열전레그(44)를 교번하여 일정 간격 이격되게 접근시킨 후, 0.5~1.5초 동안 대기 상태를 유지하다가, 이후 1~10초 동안 가압하여 전극(24)과 열전레그(40) 간의 경계면에서 접합이 이루어지며, 가압을 통해 접합이 이루어지는 동시에 P형 열전레그(42)와 N형 열전레그(44)에 공냉 또는 수냉 방식으로 간접적으로냉각시키면서, 냉각 환경을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.
관련하여, 상기 접합하는 단계에서 소자배열판(20)의 상부에 열전레그(40)를 위치시켜 0.5~1.5초 동안 대기하는 이유는, 전극(24)과 열전레그(40)의 위치 대응 여부를 파악하기 위함이며, 0.5초 미만으로 대기하게 되면 전극(24)과 열전레그(40)의 정렬이 흐트러져, 이후 공급되는 소자배열판(20)의 전극(24)과 열전레그(40) 간의 위치대응이 어려워 결국 생산성이 좋지 못하기 때문이다. 그리고 1.5초를 초과하여 대기하게 되면 대기하는 도중에 접합재가 전극(24)과 열전레그(40)가 접합되는 부분의 바깥쪽으로 흘러나와 외관이 좋지 못한 단점이 있기 때문이다.
또한 접합하는 단계에서 1초 미만으로 가압이 이루어지면 전극(24) 상에 도포된 접합재가 예비 가열을 통해 용융된 상태로 존재한다고 하더라도 전극(24) 상면과 열전레그(40) 하면이 충분히 접촉할 수 있는 시간이 아니게 되어 전극(24)과열전레그(40) 간 접합 불량 또는 이로 인한 열전 특성 불량이 발생할 수 있다. 반면 10초를 초과하여 가압이 이루어지게 되면 전극(24)과 열전레그(40)가 너무 오랜시간 동안 가압되어 열전레그(40)의 상부로 열이 전달되어 버리는 문제점이 발생한다. 이에 따라 접합은 1~10초 동안 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1 내지 4> 금속매개체가 포함된 열전소자 제조(브레이징 접합)
먼저 Ni도금된 TAGS형 열전레그와 Pb1.02-Te1-Bi0.002의 열전레그의 하단부에 브레이징 페이스트를 도포하고 상기 도포된 페이스트 상면에 10㎛의 Sn필름을 도포하였다.
다음으로 예비가열된 DBC 기판을 압전 공정을 거쳐서 접합을 진행 하였다.
이때, 상기 각 실시예에 따른 예비가열온도와 압전시간 및 이에 따른 결과는 아래 표 1에 별도로 표기하였다.
<비교예 1> 금속매개체가 포함되지 않은 열전소자 제조(솔더 접합)
상기 실시예와 동일한 열전레그 하단부에 솔더 페이스트를 도포하였다.
다음으로 예비가열된 DBC 기판을 압전 공정을 거쳐서 접합을 진행 하였다.
이때, 예비가열된 온도는 280℃의 환경에서 진행하였으며, 이에 따른 결과는 표 1에 별도로 표기하였다.
<비교예 2> 금속매개체가 포함되지 않은 열전소자 제조(브레이징 접합)
상기 실시예와 동일한 열전레그 하단부에 상기 실시예와 동일한 브레이징 페이스트를 도포하였다.
다음으로 예비가열된 DBC 기판을 압전 공정을 거쳐서 접합을 진행 하였다.
이때, 예비가열된 온도는 750℃의 환경에서 10초간 압전공정을 진행하였으며, 이에 따른 결과는 표 1에 별도로 표기하였다.
실시예
1 		실시예
2 		실시예
3 		실시예
4 		비교예
1 		비교예
2
예비
가열온도
(℃) 		700 720 720 740 280 720
압전시간
(초) 		30 10 20 20 - 10
접합제 도포
(㎛) 		10 10 10 10 10 10
금속매개층
(㎛) 		10 10 10 10 - -
<실험예 1> 소자의 온도 측정
상기 제조된 열전소자들의 온도를 측정하였으며, 이때 온도는 최저 온도와 최고점 온도 결과을 측정하였으며, 결과 값은 아래 표 2에 정리하여 표기하였다.
<실험예 2> 소자의 내부저항 측정
상기 제조된 열전소자들의 내부저항을 측정하였으며, 이때 내부저항 측정은전, 후로 구분하여 측정하였으며, 결과 값은 아래 표 2에 정리하여 표기하였다.
<실험예 3> 소자의 저항, 전류, 전압 및 전력 측정
상기 제조된 열전소자들의 저항, 전류, 전압 및 전력을 각각 측정하였으며, 결과 값은 아래 표 2에 정리하여 표기하였다.
실시예
1 		실시예
2 		실시예
3 		실시예
4 		비교예
1 		비교예
2
소자
내부저항 		전 0.0204 0.0180 0.0257 0.0208 - 0.0271
후 0.0227 0.0186 0.0307 0.0229 - 0.0289
온도 최저 30.1 30.9 36.0 33.5 34.7 30.5
최고 446.6 463.3 458.9 455.5 453.9 460.9
저항(Ω) 0.040 0.039 0.045 0.027 0.015 0.028
전류(A) 3.57 4.00 3.46 3.43 7.20 4.00
전압(V) 0.14 0.16 0.16 0.09 0.10 0.11
전력(W) 0.50 0.63 0.54 0.32 0.77 0.44
측정결과 소자의 내부저항이 비교예 1 내지 2 대비 감소하는 것을 확인 하였다. 보다 구체적으로는 실험 결과에 따르면, 실시예 2 조건인 예비가열 온도가 720℃에서 압전시간이 10초인 것이 소자 내부저항이 작은 것으로 측정되었으며, 열손실에 대한 결과는 700℃의 온도에서 예비가열되어 30초 압전시간을 거치는 것이 가장 적은 것으로 확인 되었다.
이에 대한 실험 결과는 그래프로 나타내었으며, 그래프는 가로축은 최저, 최고 온도차에 대한 것으로 표기하였고, 세로축은 전력에 대한 것으로 표기한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법에 관한 것으로, 전극과 열전레그 접합시 접합재와 별도의 금속매개층을 추가함으로써 열전소자와의 접합에 용이할 뿐만 아니라 전기적 및 열적 손실이 적은 열전소자를 제공할 수 있는 특징이 있다.
특히 접합재의 하면에 구비되는 금속매개층을 통해 접합부위가 소재 간의 열팽창계수 차이에 의하여 열응력이 감소함으로써 열전소자의 인장강도, 항복강도 및 인성 등 기계적 특성을 향상시킬 수 있는데 의미가 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 본직적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능 할 것이다. 따라서 본 발명에 개신된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 금속매개층
20: 소자배열판
22: 기판
24: 전극
30: 접합재층
40: 열전레그
42: P형 열전레그
44: N형 열전레그

Claims (5)

  1. 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판; 및
    상기 소자배열판의 상부에 접합되는 복수개의 열전레그;를 포함하고,
    상기 소자배열판과 상기 열전레그 사이에 배치되는 금속매개층 및 접합재층;을 더 포함하여,
    상기 금속매개층 및 접합재층에 의해 상기 전극과 상기 열전레그의 접합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속매개층은 상기 전극의 상면에 적층된 후, 상기 접합재층은 상기 금속매개층의 상면에 도포되는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속매개층은 300~750℃에서 반응층을 생성하는 포일 또는 페이스트 형태의 금속으로 이루어지되, 1~10㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자.
  4. 기판의 상면에 전극을 배치한 소자배열판을 예비 가열하는 단계;
    상기 전극의 상부에 금속매개층과 접합재층을 차례대로 적층하는 단계; 및
    상기 접합재층의 상부에 열전레그를 대응되게 위치시킨 후 가압하여 접합하는 단계;를 포함하고,
    상기 가압 시, 상기 열전레그의 상부를 냉각시켜 상기 전극과 상기 열전레그사이에 발생되는 열이 상기 열전레그의 상부로 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자 접합방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가압하여 접합하는 단계에서는,
    공냉 또는 수냉 방식으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 금속매개층을 포함하는 열전소자 접합방법.
KR1020210056829A 2021-04-30 2021-04-30 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법 KR20220149335A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210056829A KR20220149335A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210056829A KR20220149335A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220149335A true KR20220149335A (ko) 2022-11-08

Family

ID=84041408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210056829A KR20220149335A (ko) 2021-04-30 2021-04-30 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220149335A (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101944036B1 (ko) 2017-01-24 2019-01-30 서울시립대학교 산학협력단 열전소자, 열전소자의 제조 방법 및 초경재료 접합방법
KR102144070B1 (ko) 2018-12-31 2020-08-12 한국에너지기술연구원 ITO 중간층을 포함하는 스커테루다이트 열전소재용 Ti 메탈라이징 구조과 그 형성 방법 및 ITO 중간층을 포함하여 Ti 메탈라이징된 스커테루다이트 열전소재와 그 제조 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101944036B1 (ko) 2017-01-24 2019-01-30 서울시립대학교 산학협력단 열전소자, 열전소자의 제조 방법 및 초경재료 접합방법
KR102144070B1 (ko) 2018-12-31 2020-08-12 한국에너지기술연구원 ITO 중간층을 포함하는 스커테루다이트 열전소재용 Ti 메탈라이징 구조과 그 형성 방법 및 ITO 중간층을 포함하여 Ti 메탈라이징된 스커테루다이트 열전소재와 그 제조 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2377175B1 (en) Method for fabricating thermoelectric device
US7361590B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
TWI300619B (en) Electronic device
US9012760B2 (en) Thermoelectric device, electrode materials and method for fabricating thereof
CN103178204B (zh) 热电模块的固液扩散接合结构及其制造方法
JP6753869B2 (ja) 複合材料を製作するための方法
JP6287759B2 (ja) 半導体装置とその製造方法
JP6330786B2 (ja) 半導体装置の製造方法
US7670879B2 (en) Manufacturing method of semiconductor module including solid-liquid diffusion joining steps
JPWO2007119571A1 (ja) 半田層及びそれを用いたデバイス接合用基板並びに該デバイス接合用基板の製造方法
JP2020510990A (ja) 熱電モジュール
KR20220149335A (ko) 금속매개층을 포함하는 열전소자 및 이의 접합방법
WO2023053901A1 (ja) 接合材及び半導体パッケージ
JP5869781B2 (ja) 絶縁基板用積層材の製造方法
EP1734569B1 (en) Process for producing semiconductor module
JP6413230B2 (ja) 抵抗器及び抵抗器の製造方法
KR101944036B1 (ko) 열전소자, 열전소자의 제조 방법 및 초경재료 접합방법
JP6156693B2 (ja) 半導体装置の製造方法
KR102340798B1 (ko) 열전 소자 및 이를 포함하는 열전 모듈
JP6673635B2 (ja) 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク
KR102040780B1 (ko) 저온 접합용 박막체 접합 방법
WO2024014532A1 (ja) 複層接合体及びそれを用いた半導体装置、並びにこれらの製造方法
JP2018157080A (ja) 半導体装置の製造方法
FR3054721A1 (fr) Module electronique de puissance d&#39;un aeronef et procede de fabrication associe
JP5829426B2 (ja) 導電性被接合部材の接合方法