WO2017014584A1 - 열전 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

열전 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2017014584A1
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thermoelectric
bonding layer
layer
electrode
thermoelectric module
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PCT/KR2016/007965
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이대기
김동식
박예록
이재기
임병규
최현우
박철희
이승협
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주식회사 엘지화학
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    • H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth

Definitions

  • thermoelectric technology and more particularly, to a thermoelectric module capable of processing and driving at a high temperature and a manufacturing method thereof.
  • thermoelectric power that is, a thermoelectric phenomenon.
  • thermoelectric phenomena means the reversible and direct conversion of energy between temperature differences and electrical voltages.
  • thermoelectric materials that exhibit thermoelectric phenomena that is, thermoelectric semiconductors
  • thermoelectric semiconductors have been researched due to their environmentally friendly and sustainable advantages in power generation and cooling.
  • the power can be directly generated from industrial waste heat, automotive waste heat, etc., and thus useful for improving fuel efficiency or CO 2 reduction, interest in thermoelectric materials is increasing.
  • thermoelectric module a pair of p-n thermoelectric elements including a p-type thermoelectric element (TE) for moving holes to move thermal energy and an n-type thermoelectric element for moving electrons to move thermal energy may be a basic unit.
  • the thermoelectric module may include an electrode connecting the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element.
  • thermoelectric module a soldering method is often used to join the electrode and the thermoelectric element.
  • a soldering method is often used to join the electrode and the thermoelectric element.
  • an electrode and a thermoelectric element are often bonded using Sn type solder paste or Pb type solder paste.
  • thermoelectric module using Sn-based solder paste for bonding between a thermoelectric element and an electrode it is difficult to drive at a temperature of 200 ° C. or higher.
  • thermoelectric module using the Pb-based solder paste it is difficult to drive at a temperature of 300 ° C or more.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and provides a thermoelectric module and a method of manufacturing the bonding technology is applied so that the thermoelectric module can be stably operated at a high temperature compared to the conventional bonding method such as soldering. It aims to do it.
  • thermoelectric module for achieving the above object, a plurality of thermoelectric elements consisting of a thermoelectric semiconductor; An electrode composed of a metal material and connected between the thermoelectric elements; And a bonding layer interposed between the thermoelectric element and the electrode to bond the thermoelectric element and the electrode, the paste including two or more kinds of metal powders, the bonding layer including a metal compound composed of the two or more kinds of metals. do.
  • the two or more metals may include one or more post-transition metals and one or more transition metals.
  • the two or more metals may be Ni and Sn.
  • the bonding layer may further include at least one metal of Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au, and Pt.
  • Ni and Sn may be included in the bonding layer in a ratio of (15 to 50) :( 85 to 50).
  • the bonding layer may be formed by sintering the paste including the two or more metal powders in a TLPS method to transform the two or more metal powders into the metal compound.
  • thermoelectric element may be composed of a skuterudite-based thermoelectric semiconductor.
  • thermoelectric module according to the present invention may further include a metallization layer composed of a metal, an alloy, or a metal compound interposed between the thermoelectric element and the bonding layer.
  • the metallization layer may be configured in a form in which two or more different layers are stacked.
  • a NiP layer may be further included between the bonding layer and the electrode.
  • thermoelectric generator according to the present invention for achieving the above object may include a thermoelectric module according to the present invention.
  • thermoelectric module includes the steps of preparing a plurality of thermoelectric elements composed of a thermoelectric semiconductor and a plurality of electrodes composed of a metallic material; Interposing a paste including two or more metal powders between the thermoelectric element and the electrode; And
  • It may comprise the step of sintering the paste in a TLPS method.
  • thermoelectric module according to the present invention can be stably driven even at high temperatures.
  • the thermoelectric module according to the present invention may be stably driven up to 400 ° C. to 500 ° C. as well as a temperature of about 300 ° C., and may be driven even at a temperature condition of up to approximately 800 ° C.
  • thermoelectric module according to the present invention can be more usefully applied to the thermoelectric power module.
  • thermoelectric module in the case of a thermoelectric module according to the present invention, it may have a high bonding strength, for example, a bonding strength of 10 MPa or more.
  • thermoelectric module 1 is a view schematically showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of portion A of FIG. 1.
  • thermoelectric module 3 is a view schematically showing a part of a thermoelectric module according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric elements and electrodes are cross-sectional layered photographs of a junction structure between thermoelectric elements and electrodes according to Examples 1 to 4 of the present invention.
  • 9-12 is the graph which showed the bonding strength measurement result of the bonding layer about Examples 1-4 of this invention.
  • FIG. 13 is a photograph of a cross-sectional layer shape image of a junction structure between a thermoelectric element and an electrode of the thermoelectric module according to Comparative Example 1.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a cross-sectional layer shape image photographed after performing annealing for a predetermined time with respect to Comparative Example 1 of FIG. 13.
  • FIG. 15 is a graph showing a result of measuring a resistance value of a solder joint layer with increasing temperature of a thermoelectric module according to Comparative Example 2.
  • thermoelectric module 1 is a view schematically showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is an enlarged view of part A of FIG.
  • thermoelectric module according to the present invention includes a thermoelectric element 100, an electrode 200, and a bonding layer 300.
  • the thermoelectric element 100 is composed of a thermoelectric semiconductor and is also called a thermoelectric module.
  • the thermoelectric element 100 may include a p-type thermoelectric element 110 and an n-type thermoelectric element 120.
  • the p-type thermoelectric element 110 is composed of a p-type thermoelectric semiconductor, that is, a p-type thermoelectric material, and the holes may move to move thermal energy.
  • the n-type thermoelectric element 120 is composed of an n-type thermoelectric semiconductor, that is, an n-type thermoelectric material, and electrons may move to transfer thermal energy.
  • a pair of p-n thermoelectric elements including the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element may be a basic unit of the thermoelectric element.
  • the p-type thermoelectric element 110 and the n-type thermoelectric element 120 include chalcogenide, skutterudite, silicide, clathrate, and half whistlers. Various kinds of thermoelectric materials such as half heusler) may be included. In addition, the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element may be the same series of thermoelectric materials may be used, and different series of thermoelectric materials may be used. In the thermoelectric module according to the present invention, various kinds of thermoelectric semiconductors known at the time of filing the present invention may be used as thermoelectric materials of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements.
  • the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element may be manufactured by going through a mixing step of each raw material, a synthesis step through heat treatment, and a sintering step.
  • the present invention is not necessarily limited to the specific manufacturing method of such a thermoelectric element.
  • thermoelectric module As shown in FIG. 1, a plurality of p-type thermoelectric elements and a plurality of n-type thermoelectric elements may be included.
  • the plurality of p-type thermoelectric elements and the plurality of n-type thermoelectric elements may be configured such that different types of thermoelectric elements are alternately arranged and interconnected.
  • the electrode 200 may be made of an electrically conductive material, in particular a metal material.
  • the electrode 200 may include Cu, Al, Ni, Au, Ti, or an alloy thereof.
  • the electrode 200 may be configured in a plate shape.
  • the electrode 200 may be configured in the form of a copper plate.
  • the electrode 200 may be configured in the form of a rectangular plate having a relatively long direction in one direction so as to be easily bonded to both ends of the thermoelectric element.
  • the electrode 200 may be provided between the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element to interconnect them. That is, one end of the electrode may be connected to the p-type thermoelectric element, and the other end of the electrode may be connected to the n-type thermoelectric element.
  • thermoelectric module since a plurality of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements may be included in the thermoelectric module, the electrode may also be included in the thermoelectric module.
  • the bonding layer 300 may be interposed between the thermoelectric element and the electrode to bond the thermoelectric element and the electrode.
  • the bonding layer 300 may be disposed such that a thermoelectric element is positioned at an upper portion and an electrode is positioned at a lower portion thereof, thereby bonding the lower portion of the thermoelectric element and the upper portion of the electrode to each other.
  • the bonding layer 300 may include a metal compound composed of two or more metals.
  • the metal compound may be a sintered body of a paste containing two or more kinds of metal powders. That is, the bonding layer 300 may include a material in which two or more kinds of metals included in the paste are transformed into metal compounds by sintering. Thus, it can be said that the bonding layer 300 is composed of a dissimilar metal paste bonding material.
  • the metal powder included in the paste before sintering for forming the bonding layer 300 may be 0.1um ⁇ 20um.
  • the reaction between these metals is more smooth, and a metal compound may be more easily formed to a predetermined level or more.
  • the metal powder included in the paste may have an average particle diameter of 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the paste for forming the bonding layer 300 may further include an organic binder and a solvent.
  • the dissimilar metal paste for forming the bonding layer 300 may be configured in a form in which two or more metal powders are dispersed in a resin solution containing two or more metals in an organic binder and a solvent.
  • the resin solution of the dissimilar metal paste may further include flux in order to prevent oxidation of the metal in the paste and to improve wettability.
  • the content of the resin solution in the paste may be 5wt% ⁇ 20wt% relative to the total weight of the paste.
  • the two or more kinds of metals included in the bonding layer 300 may include one or more kinds of post-transition metals and one or more kinds of transition metals. That is, the bonding layer 300 may be said to include a compound of at least one transition metal and at least one transition metal.
  • the two or more metals may be Ni and Sn. That is, in the thermoelectric module according to the present invention, the bonding layer 300 may include Ni as a transition metal and Sn as a post-transition metal to include such a metal compound of Ni and Sn.
  • the bonding layer 300 may be composed of only a single phase of the metal compound, or may be configured in a form in which the metal compound and the elements constituting the metal compound are mixed together.
  • the bonding layer 300 may be composed of only Ni-Sn compound.
  • the bonding layer 300 may be configured in a form in which Ni and Sn are mixed together with the Ni—Sn compound.
  • the total ratio of the metal compound may be 90% or more in the bonding layer 300 in order to secure the bonding strength of the bonding layer 300 stably.
  • the bonding layer 300 includes a Ni—Sn compound
  • Ni and Sn may be included in the bonding layer 300 at a weight ratio of (15-50) :( 85-50). .
  • the bonding strength of the bonding layer 300 can be stably ensured, while the specific resistance can be lowered and the thermal conductivity can be increased.
  • Ni and Sn may be included in the bonding layer 300 in a wt% ratio of (20 to 40): (80 to 60). More preferably, Ni and Sn may be included in the bonding layer 300 in a wt% ratio of (25 to 35): (75 to 65).
  • the bonding layer 300 may further include other additional metals in addition to the metal compound and the metal constituting them.
  • the bonding layer when the bonding layer includes a Ni—Sn compound, the bonding layer may further include at least one additional metal of Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au, and Pt in addition to Ni and Sn. Can be.
  • these additional metals when forming the bonding layer, can facilitate the sintering between Ni and Sn, or can react with Ni and Sn to improve the bonding layer properties.
  • the ratio of the additional metal may be 20 wt% or less of all the metal elements of the bonding layer in order to secure the strength of the bonding layer.
  • the ratio of the metal may be 10 wt% or less of all the metal elements of the bonding layer.
  • the bonding layer may include a dissimilar metal compound formed by sintering in a TLPS (Transient Liquid Phase Sintering) method.
  • TLPS Transient Liquid Phase Sintering
  • the bonding layer may be formed by sintering a TLPS paste containing two or more kinds of metal powders in a TLPS manner and deforming the two or more kinds of metal powders into a metal compound.
  • the bonding layer may be formed by sintering a paste including Ni powder, Sn powder, an organic binder, a solvent, and a flux by a TLPS method.
  • the bonding layer may include a Ni—Sn compound formed by TLPS sintering.
  • Ni-Sn ⁇ phase may be formed through the diffusion process.
  • Ni 3 Sn 4 may be formed as the ⁇ phase through TLPS.
  • the bonding layer may be formed by heating and pressing in a state in which the TLPS paste is applied between the electrode and the thermoelectric element.
  • the bonding layer may be formed by applying TLPS paste at a temperature of 300 ° C. or higher and a pressure of 0.1 MPa or more.
  • the TLPS paste may be heated with 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher.
  • the bonding layer may be formed by applying a pressure of 3 MPa to 30 MPa, preferably 5 MPa to 20 MPa, to the TLPS paste.
  • the bonding layer may have a porosity of 10% or less in order to ensure high bonding strength.
  • the bonding layer may have a porosity of 5% or less.
  • the bonding strength of the bonding layer may be 1 MPa or more. Preferably, the bonding strength of the bonding layer may be 10 MPa or more.
  • the resistivity of the bonding layer may be 100 u ⁇ ⁇ cm or less at 50 ° C. in order to ensure stable thermoelectric performance.
  • the resistivity of the bonding layer may be 65 u ⁇ ⁇ cm or less at 50 ° C.
  • the specific resistance of the bonding layer may be 125 u ⁇ ⁇ cm or less at 400 ° C. in order to ensure stable thermoelectric performance even at high temperature.
  • the resistivity of the bonding layer may be 90 u ⁇ ⁇ cm or less at 400 ° C.
  • the thermal conductivity of the bonding layer may be 8 W / m ⁇ K or more at 50 ° C. in order to ensure stable thermoelectric performance.
  • the thermal conductivity of the bonding layer may be 13 W / m ⁇ K or more at 50 ° C.
  • the thermal conductivity of the bonding layer may be 12 W / m ⁇ K or more at 400 ° C. in order to ensure stable thermoelectric performance.
  • the thermal conductivity of the bonding layer may be 16 W / m ⁇ K or more at 400 ° C.
  • thermoelectric element may be composed of a skutterudite-based thermoelectric semiconductor.
  • the n-type thermoelectric element and the p-type thermoelectric element may be composed of a skuterudite-based thermoelectric material having CoSb 3 as a basic structure.
  • the bonding strength between the thermoelectric element and the bonding layer can be further improved.
  • the bonding strength to the squaterite-based thermoelectric material can be further improved.
  • thermoelectric module according to the present invention may further include a metallization layer 400.
  • the metallization layer 400 may be interposed between the thermoelectric element and the bonding layer, as shown in FIG. 2.
  • the metallization layer 400 may be made of a metal, an alloy, or a metal compound.
  • the metallization layer 400 may include one or more of Ti, Ni, NiP, TiN, Mo, Zr, ZrSb, Cu, Nb, W, MoTi, hastelloy, SUS, INCONEL, and MONEL.
  • the bonding force between the thermoelectric element and the bonding layer can be further enhanced.
  • the metallization layer 400 can further improve the bonding property between the scrutherite-based thermoelectric element and the Ni-Sn bonding layer.
  • surface oxidation of the thermoelectric element can be prevented.
  • the metallization layer 400 can effectively prevent surface oxidation of the squaterite-based thermoelectric element.
  • atomic diffusion between the thermoelectric element and the bonding layer can be prevented.
  • the atomic diffusion between the scuterite-based thermoelectric element and the Ni-Sn junction layer can be effectively limited.
  • thermoelectric module 3 is a view schematically showing a part of a thermoelectric module according to another embodiment of the present invention.
  • a detailed description of parts to which the description of the embodiment of FIG. 2 can be similarly applied will be omitted, and the differences will be mainly described.
  • a metallization layer 400 is included between the bonding layer 300 and the thermoelectric element 100, and the metallization layer may be formed of two or more layers.
  • each unit layer constituting the metallization layer may be composed of different materials. That is, the metallization layer may be configured in a form in which two or more different layers are stacked.
  • the metallization layer 400 may include a first unit layer 410, a second unit layer 420, a third unit layer 430, and a fourth unit layer 440. It may be composed of four unit layers. In this case, each unit layer may include a different material. For example, NiP may be included in the first unit layer, Cu may be included in the second unit layer, Zr may be included in the third unit layer, and ZrSb may be included in the fourth unit layer.
  • the bonding strength of the bonding layer can be more effectively improved.
  • thermoelectric module according to the present invention may further include a NiP layer 500.
  • the NiP layer 500 is a layer including NiP and may be interposed between the electrode and the bonding layer, as shown in FIG. 1.
  • the bonding strength between the electrode and the thermoelectric element by the bonding layer can be further improved.
  • the NiP layer 500 can ensure that the bonding strength between the bonding layer 300 and the electrode 200 is stably ensured.
  • thermoelectric module according to the present invention may further include the Au plating layer 600.
  • the Au plating layer 600 is a plating layer made of Au, and may be interposed between the bonding layer and the electrode, as shown in FIG. 2.
  • the Au plating layer 600 may be interposed between the bonding layer and the NiP layer.
  • the metallization layer, the bonding layer, the Au plating layer, and the NiP plating layer may be sequentially arranged between the thermoelectric element and the electrode disposed below the upper portion.
  • the bonding to the thermoelectric performance of the thermoelectric module can be further enhanced.
  • oxidation of the electrode can be effectively prevented by the Au plating layer.
  • thermoelectric module according to the present invention may further include a substrate 700, as shown in FIG.
  • the substrate 700 may be made of an electrically insulating material.
  • the substrate may be made of a ceramic material such as alumina.
  • the present invention is not limited to the specific material of the substrate 700.
  • the substrate 700 may be made of various materials such as sapphire, silicon, SiN, SiC, AlSiC, quartz, and the like.
  • the substrate 700 may be disposed outside the thermoelectric module to electrically insulate various components of the thermoelectric module such as an electrode from the outside and protect the thermoelectric module from external physical or chemical elements.
  • the substrate 700 may be equipped with an electrode to maintain the basic shape of the thermoelectric module.
  • the substrate 700 may be provided at both the upper portion of the electrode coupled to the upper portion of the thermoelectric element 100 and the lower portion of the electrode coupled to the lower portion of the thermoelectric element.
  • the electrode 200 may be provided on the surface of the substrate 700 in various ways.
  • the electrode may be formed on the surface of the substrate in various ways such as direct bonded copper (DBC), active metal brazing (ABM), and the like.
  • the electrode may be provided on the substrate through an adhesive or the like.
  • thermoelectric module according to the present invention can be applied to various devices that apply thermoelectric technology.
  • the thermoelectric module according to the present invention can be applied to a thermoelectric generator. That is, the thermoelectric generator according to the present invention may include the thermoelectric module according to the present invention.
  • thermoelectric module according to the present invention since it can be stably manufactured and driven even at high temperatures, when applied to a thermoelectric generator, stable performance can be described.
  • thermoelectric module 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric elements composed of a thermoelectric semiconductor and a plurality of electrodes composed of a metallic material are prepared (S110).
  • the thermoelectric element may be configured in the form of a rod
  • the electrode may be configured in the form of a plate.
  • a paste having two or more kinds of metal powders may be interposed between the thermoelectric element and the electrode (S120).
  • the step S120 may be performed in a form in which a paste including Ni powder and Sn powder is applied to one end of an electrode, and a thermoelectric element is seated thereon.
  • the paste may further include an organic binder and a solvent together with the metal powder.
  • the paste of step S120 may be configured in a form in which two or more metal powders are dispersed in a resin solution containing an organic binder, a solvent, and a flux.
  • the metal powder included in the paste in step S120 may have an average particle diameter of about 0.1 ⁇ m to about 20 ⁇ m.
  • the average particle diameter of the metal powder included in the paste in the step S120 may be 0.5um ⁇ 10um.
  • At least one or more metals of Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au, and Pt may be added to the paste.
  • this paste may be sintered in the TLPS method (S130).
  • this step S130 two or more metal powders included in the paste in step S120 may be transformed into a metal compound.
  • the Ni—Sn compound may be formed in step S130.
  • the step S130 may be performed under heating and pressurizing conditions.
  • the step S130 may be performed under a temperature condition of 300 ° C. or higher, preferably 350 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher.
  • the step S130 may be performed under a pressure condition of 0.1MPa or more, preferably 3MPa to 30MPa, more preferably 5MPa to 20MPa.
  • thermoelectric module manufacturing method may further include forming a metallization layer between the bonding layer and the thermoelectric element.
  • thermoelectric module manufacturing method may further comprise forming a NiP layer between the bonding layer and the electrode.
  • the method of manufacturing a thermoelectric module according to the present invention may further include forming an Au plating layer between the bonding layer and the NiP layer.
  • thermoelectric modules having a NiP layer, a bonding layer, and a metallization layer sequentially disposed between a Cu electrode and a skuterudite-based thermoelectric element were manufactured as Example 1.
  • FIG. 3 a plurality of unit thermoelectric modules having a NiP layer, a bonding layer, and a metallization layer sequentially disposed between a Cu electrode and a skuterudite-based thermoelectric element were manufactured as Example 1.
  • the bonding layer is 27.3 wt% of Ni powder having an average particle diameter of 0.6um, 66.7wt% of Sn powder having an average particle diameter of 3.7um, 1.0wt% of sodium stearate, dihydro terpineol (dihydro) terpineol) was formed by heating and pressing a paste consisting of 5.0 wt%. In this case, heating and pressurization were performed in a manner of pressurizing to 15 MPa at 400 ° C. for 0.5 hour.
  • the metallization layer is comprised from four unit layers, NiP layer, Cu layer, Zr layer, and ZrSb layer were arrange
  • Such a metallization layer was formed in the form of sputtering a Zr layer, a Cu layer, a NiP layer, etc. on a thermoelectric element before formation of a bonding layer.
  • Example 2 A plurality of unit thermoelectric modules of the same material and size as those of Example 1, but using a junction and a metallization layer sequentially interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element, only the bonding layer and the metallization layer, Example 2 Prepared as.
  • the paste of the composition somewhat different from the bonding layer of Example 1 was used for the bonding layer. That is, the paste used to form the bonding layer of Example 2, 29.5 wt% Ni powder having an average particle diameter of 2um ⁇ 3um, 55.7wt% Sn powder having an average particle diameter of 10um, 10.3wt ethyl cellulose %, 4.5 wt% terpineol. Then, heating and pressurization for forming the bonding layer were performed in a manner of pressurizing at 5 MPa for 1 hour at 450 °C.
  • the metallization layer was made to consist of one unit layer of a NiP layer.
  • thermoelectric modules having the same material and size as those of Example 1 using a Cu electrode and a squaterite-based thermoelectric element, wherein a NiP layer, a bonding layer, and a metallization layer are sequentially interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element.
  • a NiP layer, a bonding layer, and a metallization layer are sequentially interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element.
  • the paste of the composition somewhat different from the bonding layer of Example 1 was used for the bonding layer. That is, the paste used to form the bonding layer of Example 3, 26.6 wt% Ni powder having an average particle diameter of 2um ⁇ 3um, 62.2wt% Sn powder having an average particle diameter of 1um, butyl methacrylate 1.4 wt%, dihydro terpineol (9.8 wt%) was included. And heating and pressurization for forming a bonding layer were carried out in a manner of pressurizing at 15 MPa for 0.5 hours at 400 °C.
  • the metallization layer was made to consist of two unit layers, a NiP layer and a Ti layer.
  • thermoelectric modules having a Cu electrode and a struterite-based thermoelectric element having the same material and size as those of Example 1, but having only a bonding layer interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element were manufactured as Example 4.
  • the paste of the composition somewhat different from the bonding layer of Example 1 was used for the bonding layer. That is, the paste used to form the bonding layer of Example 4 was 29.3 wt% of Ni powder having an average particle diameter of 3 ⁇ m, 54.7 wt% of Sn powder having an average particle diameter of 10 ⁇ m, and 11.8 wt of polyvinyl butyral. %, 4.2 wt% of dihydro terpineol. And heating and pressurization for forming a bonding layer were performed in a manner of pressurizing at 15 MPa for 1 hour at 450 °C.
  • 5 to 8 are cross-sectional layer shape photographs of the junction structure between the thermoelectric elements and the electrodes according to the first to fourth embodiments.
  • each of these layers is a NiP layer, a bonding layer, a NiP layer, a Cu layer, a Zr layer, and a ZrSb layer.
  • the empty space does not appear in the portion in which the bonding layer exists compared to the embodiment of FIG. 8, which may be due to the metallization layer 400 and / or the NiP layer 500. have. And, if such empty space does not appear in the bonding layer portion, it can be expected that the bonding strength between the electrode and the thermoelectric element can be more stably ensured.
  • Example 1 62 u ⁇ cm (50 ° C), 85 u ⁇ cm (400 ° C)
  • Example 3 57 u ⁇ cm (50 ° C), 88 u ⁇ cm (400 ° C)
  • Example 1 13 W / m * K (50 degreeC), 17 W / m * K (400 degreeC)
  • Example 3 13 W / m * K (50 degreeC), 16 W / m * K (400 degreeC)
  • Example 1 Less than 1%
  • Example 2 less than 5%
  • Example 3 Less than 5%
  • FIGS. 9-12 is a graph which shows the bonding strength measurement result of the bonding layer in Examples 1-4 of this invention. 9 to 12, the x axis represents the sample number and the y axis represents the shear strength.
  • thermoelectric module including the bonding layer according to various embodiments of the present invention has a high bonding strength.
  • the bonding strength is 10 MPa or more, and all show a higher bonding strength than that of the fourth embodiment.
  • the average bond strength for 17 samples was measured to be about 39.3 MPa. This is a very high strength as the bonding strength of the bonding layer of the thermoelectric module.
  • the average bond strength for the 16 samples was about 31.8 MPa, which is quite high.
  • thermoelectric module according to the present invention can have a high bonding strength between the thermoelectric element and the electrode.
  • thermoelectric device in which an electrode and a thermoelectric element are bonded according to the prior art was manufactured as follows.
  • thermoelectric modules having the same material and size as those of Example 1 and using a skuterudite-based thermoelectric element, with a bonding layer interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element, were prepared as Comparative Example 1.
  • the bonding layer used Heraeus Ag paste (mAgic Paste ASP016 / 043, pressure assisted) which is commercially available. Then, heating and pressurization for forming the bonding layer were performed in a manner of pressurizing at 15 MPa for 0.5 hour at 300 ° C.
  • the metallization layer was made to consist of one unit layer of an Ag layer.
  • thermoelectric modules having the same material and size as those of Example 1 and using a skuterudite-based thermoelectric element, with a bonding layer interposed between the Cu electrode and the thermoelectric element, were prepared as Comparative Example 2.
  • Henkel's lead-free solder paste (LOCTITE MULTICORE HF 200, 97SC (SAC305)) sold commercially was used. Then, to form a bonding layer, a reflow method was performed at 250 ° C. for 2 minutes.
  • the metallization layer was made to consist of one unit layer of a NiP layer.
  • thermoelectric module according to Comparative Example 1 a cross-sectional layer shape image of the junction structure between the thermoelectric element and the electrode was photographed and the results are shown in FIG. 13.
  • the thermoelectric module of Comparative Example 1 was annealed at 500 ° C. for 15 hours at a vacuum of 10 ⁇ 3 torr. And the result is shown in FIG.
  • FIG. 13 it can be seen that an Ag paste layer is interposed between the electrode and the thermoelectric element as shown by a portion B.
  • FIG. 14 it can be seen that a large pore is formed in a part of the Ag paste layer denoted by B ′.
  • thermoelectric module according to Comparative Example 2 the resistance value of the solder joint layer with increasing temperature was measured and the results are shown in FIG. 15.
  • the resistance value increases as the temperature increases, and the resistance rapidly rises above a certain temperature. This may be expected to increase resistance as the interconnection becomes weaker as the melting point of the solder forming the bonding layer approaches. Furthermore, referring to FIG. 15, the resistance value is no longer measured at about 330 ° C because the bonding layer by soldering is no longer measured by recording.
  • thermoelectric module according to the present invention the bonding strength of the bonding layer is high, particularly, even at high temperatures.

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Abstract

본 발명은, 높은 온도에서도 열전 모듈이 안정적으로 구동될 수 있도록 하는 접합 기술이 적용된 열전 모듈과 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자; 금속 재질로 구성되어 열전 소자 사이에 연결된 전극; 및 상기 열전 소자와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소자와 상기 전극을 접합시키고, 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 페이스트의 소결체로서, 상기 2종 이상의 금속으로 구성된 금속 화합물을 구비하는 접합층을 포함한다.

Description

열전 모듈 및 그 제조 방법
본 출원은 2015년 7월 21일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2015-0103223호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 열전 기술에 관한 것으로서, 특히 고온에서 공정 및 구동이 가능한 열전 모듈과 그 제조 방법에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 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, 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전소자(thermoelectric element : TE)와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전소자로 이루어진 p-n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 또한, 이러한 열전 모듈은 p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.
종래 열전 모듈의 경우, 전극과 열전 소자 사이를 접합하기 위해, 솔더링(soldering) 방식이 많이 이용되고 있다. 예를 들어, 종래에는, Sn계 솔더 페이스트나 Pb계 솔드 페이스트를 이용하여 전극과 열전 소자 사이가 접합되는 경우가 많다.
그런데, 이와 같은 솔더 페이스트는, 녹는점이 낮아 높은 온도 조건에서 열전 모듈을 구동하는 데에 한계가 있다. 예를 들어, 열전 소자와 전극 간 접합을 위해 Sn계 솔더 페이스트가 이용된 열전 모듈의 경우, 200℃ 이상의 온도에서 구동되기 어렵다. 또한, Pb계 솔더 페이스트가 이용된 열전 모듈의 경우, 300℃ 이상의 온도에서 구동되기 어렵다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 솔더링 등 종래의 접합 방식에 비해 높은 온도에서도 열전 모듈이 안정적으로 구동될 수 있도록 하는 접합 기술이 적용된 열전 모듈과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자; 금속 재질로 구성되어 열전 소자 사이에 연결된 전극; 및 상기 열전 소자와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소자와 상기 전극을 접합시키고, 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 페이스트의 소결체로서, 상기 2종 이상의 금속으로 구성된 금속 화합물을 구비하는 접합층을 포함한다.
여기서, 상기 2종 이상의 금속은, 1종 이상의 전이후 금속 및 1종 이상의 전이 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 2종 이상의 금속은, Ni과 Sn일 수 있다.
또한, 상기 접합층은, Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 하나 이상의 금속을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 Ni과 Sn은, (15~50):(85~50)의 비율로 상기 접합층에 포함될 수 있다.
또한, 상기 접합층은, 상기 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 페이스트가 TLPS 방식으로 소결되어 상기 2종 이상의 금속 분말이 상기 금속 화합물로 변형됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 열전 소자는, 스쿠테루다이트계 열전 반도체로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 금속, 합금 또는 금속화합물로 구성되어 상기 열전 소자와 상기 접합층 사이에 개재된 금속화층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속화층은, 서로 다른 둘 이상의 층이 적층된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 접합층과 상기 전극 사이에 NiP층을 더 포함할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자 및 금속 재질로 구성된 복수의 전극을 준비하는 단계; 상기 열전 소자와 상기 전극 사이에 2종 이상의 금속 분말이 포함된 페이스트를 개재시키는 단계; 및
TLPS 방식으로 상기 페이스트를 소결시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 고온에서도 안정적으로 구동될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 300℃ 정도의 온도는 물론, 400℃ 내지 500℃까지 안정적으로 구동될 수 있으며, 많게는 대략 800℃까지의 온도 조건에서도 구동될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 모듈에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 높은 접합 강도, 이를테면 10MPa 이상의 접합 강도를 가질 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5 내지 도 8은, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 대한 열전 소자와 전극 간 접합 구조의 단면층 형상 사진이다.
도 9 내지 도 12는, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 대한 접합층의 접합 강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은, 비교예 1에 따른 열전 모듈의 열전 소자와 전극 간 접합 구조의 단면층 형상 이미지를 촬영한 도면이다.
도 14는, 도 13의 비교예 1에 대하여 일정 시간 동안 어닐링을 수행한 후 촬영한 단면층 형상 이미지를 나타내는 도면이다.
도 15는, 비교예 2에 따른 열전 모듈의 온도 증가에 따른 솔더 접합층의 저항값 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 2는, 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 소자(100), 전극(200) 및 접합층(300)을 포함한다.
상기 열전 소자(100)는, 열전 반도체로 구성되며, 열전 레그(thermoelectric module)라고도 불린다. 이러한 열전 소자(100)에는, p형 열전 소자(110)와 n형 열전 소자(120)가 포함될 수 있다.
여기서, p형 열전 소자(110)는, p형 열전 반도체, 즉 p형 열전 재료로 구성되고, 홀이 이동하여 열에너지를 이동시킬 수 있다. 또한, n형 열전 소자(120)는, n형 열전 반도체, 즉 n형 열전 재료로 구성되며, 전자가 이동하여 열에너지를 이동시킬 수 있다. 그리고, 이러한 p형 열전 소자와 n형 열전 소자로 구성된 p-n 열전 소자 1쌍이 열전 소자의 기본 단위가 될 수 있다.
p형 열전 소자(110) 및 n형 열전 소자(120)에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 또한, p형 열전 소자와 n형 열전 소자는 동일한 계열의 열전 재료가 사용될 수도 있고, 서로 다른 계열의 열전 재료가 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 p형 열전 소자와 n형 열전 소자의 열전 재료로 이용될 수 있다.
상기 p형 열전 소자 및 상기 n형 열전 소자는, 각 원료의 혼합 단계, 열처리를 통한 합성 단계 및 소결 단계를 거치는 방식으로 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 열전 소자의 특정 제조 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 열전 모듈에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 p형 열전 소자 및 다수의 n형 열전 소자가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 다수의 p형 열전 소자와 다수의 n형 열전 소자는, 서로 다른 종류의 열전 소자가 교호적으로 배치되어 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 전극(200)은, 전기 전도성 재질, 특히 금속 재질로 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 전극(200)은, Cu, Al, Ni, Au, Ti 등 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전극(200)은 판상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은, 구리판 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 전극(200)은 양단에 열전 소자와 용이하게 접합될 수 있도록 일방향이 상대적으로 긴 직사각형 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
특히, 상기 전극(200)은, p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이에 구비되어 이들 사이를 상호 연결할 수 있다. 즉, 전극의 일단은 p형 열전 소자에 접합 연결되고, 전극의 타단은 n형 열전 소자에 접합 연결될 수 있다.
한편, p형 열전 소자와 n형 열전 소자는 열전 모듈에 다수 포함될 수 있기 때문에, 상기 전극 역시, 열전 모듈에 다수 포함될 수 있다.
상기 접합층(300)은, 열전 소자와 전극 사이에 개재되어 열전 소자와 전극을 접합시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2의 구성을 참조하면, 상기 접합층(300)은, 상부에 열전 소자가 위치하고 하부에 전극이 위치하도록 배치되어, 열전 소자의 하부와 전극의 상부를 상호 접합시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 열전 모듈에서, 상기 접합층(300)은, 2종 이상의 금속으로 구성된 금속 화합물을 구비할 수 있다. 여기서, 이러한 금속 화합물은, 2종 이상의 금속 분말이 포함된 페이스트의 소결체일 수 있다. 즉, 상기 접합층(300)은, 페이스트에 포함된 2종 이상의 금속이 소결에 의해 금속 화합물로 변형된 물질을 포함한다고 할 수 있다. 이에, 상기 접합층(300)은, 이종 금속 페이스트 접합재로 구성된다고 할 수 있다.
여기서, 접합층(300)을 형성하기 위한 소결 전 페이스트에 포함되는 금속 분말은, 평균 입경이 0.1um~20um 일 수 있다. 이 경우, 페이스트가 소결되어 접합층(300) 형성 시, 이러한 금속 들 간 반응이 보다 원활하여 금속 화합물이 보다 일정 수준 이상으로 용이하게 형성될 수 있다. 특히, 페이스트에 포함되는 금속 분말은, 평균 입경이 0.5um~10um일 수 있다.
한편, 상기 접합층(300)을 형성하는 페이스트는, 유기 바인더 및 솔벤트를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 접합층(300)을 형성하기 위한 이종 금속 페이스트는, 2종 이상의 금속이 유기 바인더 및 솔벤트를 포함하는 수지용액에 2종 이상의 금속 분말이 분산된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 이종 금속 페이스트의 수지 용액은, 페이스트 내의 금속의 산화 방지 및 젖음성(wettability) 향상을 위해, 플럭스(flux)를 더 포함할 수 있다. 이때, 페이스트에서 수지 용액의 함량은, 페이스트의 전체 중량 대비 5wt% ~20wt%일 수 있다.
또한, 상기 접합층(300)에 포함된 2종 이상의 금속은, 1종 이상의 전이후 금속 및 1종 이상의 전이 금속을 포함할 수 있다. 즉, 상기 접합층(300)은, 1종 이상의 전이후 금속과 1종 이상의 전이 금속의 화합물을 포함한다고 할 수 있다.
특히, 상기 2종 이상의 금속은, Ni과 Sn일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서 접합층(300)은, 전이 금속으로서 Ni를 포함하고 전이후 금속으로서 Sn을 포함함으로써, 이러한 Ni와 Sn의 금속 화합물을 포함한다고 할 수 있다.
여기서, 상기 접합층(300)은, 금속 화합물의 단일상으로만 구성될 수도 있고, 금속 화합물과 이러한 금속 화합물을 이루는 원소가 함께 혼합된 형태로 구성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 접합층(300)은, Ni-Sn 화합물로만 구성될 수 있다. 또는, 상기 접합층(300)은, Ni-Sn 화합물과 함께 Ni 및 Sn이 혼재된 형태로 구성될 수도 있다. 다만, 이처럼 금속 화합물과 단일 원소가 혼합된 경우, 상기 접합층(300)의 접합 강도를 안정적으로 확보하기 위해, 금속 화합물의 총 비율은 접합층(300)에서 90% 이상이 될 수 있다.
바람직하게는, 접합층(300)이 Ni-Sn 화합물을 포함하는 경우, Ni과 Sn은, wt%로 (15~50):(85~50)의 비율로 접합층(300)에 포함될 수 있다. Ni와 Sn이 이러한 비율로 접합층(300)에 포함될 때, 접합층(300)의 접합 강도가 안정적으로 확보되는 한편, 비저항이 낮아지고 열전도도가 증가될 수 있다.
특히, 이러한 구성에 있어서, Ni와 Sn은, wt%로 (20~40):(80~60)의 비율로 접합층(300)에 포함될 수 있다. 더욱 바람직하게는, Ni와 Sn은, wt%로 (25~35):(75~65)의 비율로 접합층(300)에 포함될 수 있다.
또한, 상기 접합층(300)은, 금속 화합물이나 이들을 구성하는 금속 이외에 다른 추가 금속을 더 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 접합층이 Ni-Sn 화합물을 포함하는 경우, 상기 접합층은 Ni, Sn 이외에 Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 적어도 하나 이상의 추가 금속을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 접합층 형성 시, 이러한 추가 금속들은 Ni와 Sn 간의 소결을 원활하게 해주거나, Ni 및 Sn과 반응하여 접합층 특성을 개선할 수 있다.
이때, 이러한 추가 금속의 비율은, 접합층의 강도 확보를 위해, 접합층의 전체 금속 원소의 20wt% 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속의 비율은, 접합층의 전체 금속 원소의 10wt% 이하일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 접합층은, TLPS(Transient Liquid Phase Sintering) 방식으로 소결되어 형성된 이종 금속 화합물을 포함할 수 있다.
즉, 상기 접합층은, 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 TLPS 페이스트가 TLPS 방식으로 소결되어, 이러한 2종 이상의 금속 분말이 금속 화합물로 변형됨으로써 형성된 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 접합층은, Ni 분말, Sn 분말, 유기 바인더, 솔벤트 및 플럭스를 포함하는 페이스트가 TLPS 방식으로 소결되어 형성된 것일 수 있다. 이때, 접합층에는, TLPS 소결로 인해 형성된 Ni-Sn 화합물이 포함될 수 있다.
보다 구체적으로, TLPS 방식으로 소결되는 경우, Ni 원자의 일부는 Sn 원자가 존재하는 Ni 원자 외부로 디퓨징 아웃(diffusing out)되고, Sn 원자는 Ni 원자의 내부로 디퓨징 인(diffusing in)될 수 있다. 그리고, 이러한 디퓨징 과정을 통해 Ni-Sn α phase가 형성될 수 있다. 예를 들어, TLPS를 통해 α phase로서 Ni3Sn4가 형성될 수 있다.
또한, 상기 접합층은, TLPS용 페이스트가 전극과 열전 소자 사이에 도포된 상태에서, 가열 및 가압에 의해 형성된 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 접합층은, TLPS용 페이스트가 300℃ 이상의 열 및 0.1MPa 이상의 압력이 인가됨으로써 형성될 수 있다. 특히, 상기 접합층 형성을 위해, TLPS용 페이스트에는 350℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상의 열이 가해질 수 있다. 또한, 상기 접합층은, TLPS용 페이스트에 3MPa~30MPa, 바람직하게는 5MPa~20MPa의 압력이 인가됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 접합층은, 높은 접합 강도를 확보하기 위해, 10% 이하의 공극률을 가질 수 있다. 특히, 상기 접합층은, 5% 이하의 공극률을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 접합층의 접합 강도는, 1MPa 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 접합층의 접합 강도는, 10MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 접합층의 비저항은, 안정적인 열전 성능 확보를 위해, 50℃에서 100uΩ·cm 이하일 수 있다. 특히, 상기 접합층의 비저항은, 50℃에서 65uΩ·cm 이하일 수 있다.
또한, 상기 접합층의 비저항은, 고온에서도 안정적인 열전 성능을 확보하기 위해, 400℃에서 125uΩ·cm 이하일 수 있다. 특히, 상기 접합층의 비저항은, 400℃에서 90uΩ·cm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 접합층의 열전도도는, 안정적인 열전 성능 확보를 위해, 50℃에서 8W/m·K 이상일 수 있다. 특히, 상기 접합층의 열전도도는, 50℃에서 13W/m·K 이상일 수 있다.
또한, 상기 접합층의 열전도도는, 안정적인 열전 성능 확보를 위해, 400℃에서 12W/m·K 이상일 수 있다. 특히, 상기 접합층의 열전도도는, 400℃에서 16W/m·K 이상일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 열전 소자는, 스쿠테루다이트(skutterudite)계 열전 반도체로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 n형 열전 소자와 p형 열전 소자는, CoSb3를 기본 구조로 하는 스쿠테루다이트계 열전 재료로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 소자와 접합층의 접합 강도가 더욱 향상될 수 있다. 특히, Ni-Sn 화합물을 포함하는 접합층의 경우, 스쿠테루다이트계 열전 재료에 대한 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 금속화층(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 금속화층(400)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전 소자와 접합층 사이에 개재될 수 있다. 그리고, 상기 금속화층(400)은, 금속, 합금 또는 금속화합물로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속화층(400)은, Ti, Ni, NiP, TiN, Mo, Zr, ZrSb, Cu, Nb, W, MoTi, hastelloy, SUS, INCONEL 및 MONEL 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 금속화층(400)으로 인해, 열전 소자와 접합층 사이의 접합력이 더욱 강화될 수 있다. 더욱이, 금속화층(400)은, 스쿠테루다이트계 열전 소자와 Ni-Sn 접합층 사이의 접합성을 더욱 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 소자의 표면 산화가 방지될 수 있다. 특히, 금속화층(400)은, 스쿠테루다이트계 열전 소자의 표면 산화를 효과적으로 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 소자와 접합층 사이의 원자 확산이 방지될 수 있다. 특히, 금속화층(400)에 의해, 스쿠테루다이트계 열전 소자와 Ni-Sn 접합층 사이의 원자 확산이 효과적으로 제한될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는, 앞선 도 2의 실시예에 대한 설명이 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 3을 참조하면, 접합층(300)과 열전 소자(100) 사이에 금속화층(400)이 포함되되, 이러한 금속화층은, 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다. 이때, 금속화층을 구성하는 각각의 단위층은, 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 즉, 상기 금속화층은, 서로 다른 둘 이상의 층이 적층된 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 금속화층(400)은, 제1 단위층(410), 제2 단위층(420), 제3 단위층(430), 제4 단위층(440)의 4개의 단위층으로 구성될 수 있다. 이때, 각각의 단위층에는 서로 다른 물질이 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 단위층에는 NiP가 포함되고, 제2 단위층에는 Cu가 포함되며, 제3 단위층에는 Zr이 포함되고, 제4 단위층에는 ZrSb가 포함될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 접합층의 접합 강도가 보다 효과적으로 향상될 수 있다.
또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 열전 모듈은, NiP층(500)을 더 포함할 수 있다. 상기 NiP층(500)은, NiP를 포함하는 층으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극과 접합층 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 접합층에 의한 전극과 열전 소자 사이의 접합 강도가 더욱 향상될 수 있다. 특히, NiP층(500)은, 접합층(300)과 전극(200) 사이의 접합 강도가 안정적으로 확보되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열전 모듈은 Au 도금층(600)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 Au 도금층(600)은, Au로 구성된 도금층으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 접합층과 전극 사이에 개재될 수 있다. 특히, 열전 모듈에 NiP층이 포함된 경우, 상기 Au 도금층(600)은, 접합층과 NiP층 사이에 개재될 수 있다.
따라서, 이 경우, 열전 소자와 그 하부에 위치한 전극 사이에는, 상부에서 하부 방향으로, 금속화층, 접합층, Au 도금층, NiP 도금층이 순차적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 모듈의 접합성 내지 열전 성능이 더욱 강화될 수 있다. 특히, 이 경우, Au 도금층에 의해 전극의 산화가 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(700)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(700)은, 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은, 알루미나 등의 세라믹 재질로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 기판(700)의 특정 재질로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기판(700)은, 사파이어, 실리콘, SiN, SiC, AlSiC, 석영 등 다양한 재질로 구성될 수 있다.
상기 기판(700)은, 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극과 같은 열전 모듈의 여러 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시킬 수 있고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호할 수 있다. 또한, 상기 기판(700)은, 전극 등이 장착되도록 함으로써, 열전 모듈의 기본적인 형태를 유지하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(700)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 열전 소자(100)의 상부에 결합된 전극의 상부 및 열전 소자의 하부에 결합된 전극의 하부에 모두 구비될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 전극(200)은 다양한 방식으로 기판(700)의 표면에 구비될 수 있다. 이를테면, 상기 전극은, DBC(Direct Bonded Copper), ABM(Active Metal Brazing) 등과 같은 다양한 방식으로 기판의 표면에 형성될 수 있다. 또는, 상기 전극은 접착제 등을 통해 기판에 구비될 수도 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 장치에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 고온에서도 안정적으로 제조 및 구동될 수 있으므로, 열전 발전 장치에 적용되는 경우, 안정적인 성능이 기재될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법에 의하면, 먼저 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자와 금속 재질로 구성된 복수의 전극이 준비된다(S110). 이때, 열전 소자는 막대 형태로 구성되고, 전극은 판 형태로 구성될 수 있다.
다음으로, 2종 이상의 금속 분말이 구비된 페이스트가 열전 소자와 전극 사이에 개재될 수 있다(S120). 예를 들어, 상기 S120 단계는, Ni 분말 및 Sn 분말이 구비된 페이스트가 전극의 일단 상부에 도포되고, 그 상부에 열전 소자가 안착되는 형태로 수행될 수 있다. 이때, 이러한 페이스트는, 금속 분말과 함께 유기 바인더 및 솔벤트를 더 구비할 수 있다. 특히, S120 단계의 페이스트는, 2종 이상의 금속 분말이 유기 바인더, 솔벤트 및 플럭스가 포함된 수지 용액에 분산된 형태로 구성될 수 있다.
상기 S120 단계에서 페이스트에 포함되는 금속 분말은, 평균 입경이 0.1um~20um일 수 있다. 바람직하게는, 상기 S120 단계에서 페이스트에 포함되는 금속 분말의 평균 입경은, 0.5um~10um일 수 있다.
한편, 상기 S120 단계는, 페이스트에 Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 적어도 하나 이상의 금속을 첨가할 수 있다.
그리고 나서, 이러한 페이스트는, TLPS 방식으로 소결될 수 있다(S130). 이러한 S130 단계에서는, S120 단계에서 페이스트에 포함된 2종 이상의 금속 분말이 금속 화합물로 변형될 수 있다. 예를 들어, S120 단계에서 페이스트에 Ni 및 Sn이 포함되어 있다면, S130 단계에서는 Ni-Sn 화합물이 형성될 수 있다.
특히, 상기 S130 단계는, 가열 및 가압 조건 하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 S130 단계는, 300℃ 이상, 바람직하게는 350℃ 이상, 더욱 바람직하게는 400℃ 이상의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 S130 단계는, 0.1MPa 이상, 바람직하게는 3MPa ~ 30MPa, 더욱 바람직하게는 5MPa ~ 20MPa의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 접합층과 열전 소자 사이에 금속화층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 접합층과 전극 사이에 NiP층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 접합층과 NiP층 사이에 Au 도금층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1
도 3의 구성에 도시된 바와 같이, Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자 사이에, NiP층, 접합층 및 금속화층이 순차적으로 배치된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 실시예 1로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 0.6um의 평균 입경을 갖는 Ni 분말 27.3 wt%, 3.7um의 평균 입경을 갖는 Sn 분말 66.7wt%, 소듐스테아레이트(sodium stearate) 1.0wt%, 디하이드로 터피네올(dihydro terpineol) 5.0 wt%로 구성된 페이스트를 가열 및 가압하여 형성하였다. 이때, 가열 및 가압은, 400℃에서 0.5시간 동안 15MPa로 가압하는 방식으로 수행되었다.
또한, 금속화층은, 4개의 단위층으로 구성되어 있는데, 접합층에서부터 열전 소자 방향으로 NiP층, Cu층, Zr층 및 ZrSb층이 순차적으로 배치되도록 하였다. 이러한 금속화층은, 접합층의 형성 전에, 열전 소자 위에 Zr층, Cu층, NiP층 등을 스퍼터링 방식으로 적층하는 형태로 형성하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 재질 및 크기의 Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자를 이용하되, Cu 전극과 열전 소자 사이에 접합층 및 금속화층만 순차적으로 개재된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 실시예 2로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 실시예 1의 접합층과 다소 다른 조성의 페이스트를 이용하였다. 즉, 실시예 2의 접합층을 형성하는데 이용된 페이스트는, 2um~3um의 평균 입경을 갖는 Ni 분말 29.5 wt%, 10um의 평균 입경을 갖는 Sn 분말 55.7wt%, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose) 10.3wt%, 터피네올(terpineol) 4.5 wt%를 포함하였다. 그리고, 접합층을 형성하기 위한 가열 및 가압은, 450℃에서 1시간 동안 5MPa로 가압하는 방식으로 수행되었다.
또한, 금속화층은, NiP층의 1개의 단위층으로 구성되게 하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 재질 및 크기의 Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자를 이용하되, Cu 전극과 열전 소자 사이에 NiP층, 접합층 및 금속화층이 순차적으로 개재된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 실시예 3으로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 실시예 1의 접합층과 다소 다른 조성의 페이스트를 이용하였다. 즉, 실시예 3의 접합층을 형성하는데 이용된 페이스트는, 2um~3um의 평균 입경을 갖는 Ni 분말 26.6 wt%, 1um의 평균 입경을 갖는 Sn 분말 62.2wt%, 부틸 메타크릴레이트(butyl methacrylate) 1.4wt%, 디하이드로 터피네올(dihydro terpineol) 9.8 wt%를 포함하였다. 그리고, 접합층을 형성하기 위한 가열 및 가압은, 400℃에서 0.5시간 동안 15MPa로 가압하는 방식으로 수행되었다.
또한, 금속화층은, NiP층과 Ti층의 2개의 단위층으로 구성되도록 하였다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 재질 및 크기의 Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자를 이용하되, Cu 전극과 열전 소자 사이에 접합층만이 개재된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 실시예 4로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 실시예 1의 접합층과 다소 다른 조성의 페이스트를 이용하였다. 즉, 실시예 4의 접합층을 형성하는데 이용된 페이스트는, 3um의 평균 입경을 갖는 Ni 분말 29.3 wt%, 10um의 평균 입경을 갖는 Sn 분말 54.7wt%, 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral) 11.8wt%, 디하이드로 터피네올(dihydro terpineol) 4.2 wt%를 포함하였다. 그리고, 접합층을 형성하기 위한 가열 및 가압은, 450℃에서 1시간 동안 15MPa로 가압하는 방식으로 수행되었다.
도 5 내지 도 8은, 상기 실시예 1 내지 4에 대한 열전 소자와 전극 간 접합 구조의 단면층 형상 사진이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 전극과 열전 소자 사이에, 다수의 층이 적층되어 있으며, 이들 각 층은 NiP층, 접합층, NiP층, Cu층, Zr층 및 ZrSb층임이 확인되었다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 전극과 열전 소자 사이에, 접합층 및 NiP층이 차례로 적층되어 있음이 확인되었다.
또한, 도 7을 참조하면, 전극과 열전 소자 사이에, NiP층, 접합층, NiP층 및 Ti층이 적층되어 있음이 확인되었다.
그리고, 도 8을 참조하면, 전극과 열전 소자 사이에 접합층만이 개재되어 있다.
더욱이, 도 8의 실시예에 비해 도 5 내지 7의 실시예에서 접합층이 존재하는 부분에 빈 공간이 나타나지 않고 있는데, 이는 금속화층(400) 및/또는 NiP층(500)에 의한 것이라 볼 수 있다. 그리고, 이처럼 빈 공간이 접합층 부분에 나타나지 않는 경우, 전극과 열전 소자 사이의 접합 강도가 더욱 안정적으로 확보될 수 있음이 예측될 수 있다.
그리고, 상기 실시예 1 및 3에 대하여, Linseis사의 LSR-3 장비를 사용하여 접합층의 비저항을 측정한 결과, 다음과 같은 측정 결과를 얻었다.
실시예 1: 62uΩ·cm (50℃), 85uΩ·cm (400℃)
실시예 3: 57uΩ·cm (50℃), 88uΩ·cm (400℃)
또한, 상기 실시예 1 및 3에 대하여, Netzsch사의 LFA457 장비를 사용하여 접합층의 열전도도를 측정한 결과, 다음과 같은 측정 결과를 얻었다.
실시예 1: 13W/m·K(50℃), 17W/m·K(400℃)
실시예 3: 13W/m·K(50℃), 16W/m·K(400℃)
또한, 상기 실시예 1 내지 4에 대하여, 이미지 분석 프로그램(ImageJ)의 analyze particles 방법으로 공극률을 측정한 결과, 다음과 같은 측정 결과를 얻었다.
실시예 1: 1% 미만
실시예 2: 5% 미만
실시예 3: 5% 미만
실시예 4: 40% 미만
그리고, 상기 실시예 1 내지 4에 대하여, 접착력 시험기(Bondtester, Nordson DAGE 4000) 장치를 이용하여, 열전 소자에 전단 힘을 가해 소자가 전극에서 파단되는 순간의 전단 응력(shear strength)을 측정하고, 그 결과를 도 9 내지 도 12에 나타내었다. 즉, 도 9 내지 도 12는, 본 발명의 실시예 1 내지 4에 대한 접합층의 접합 강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9 내지 도 12에서, x축은 샘플 번호를 나타내고, y축은 전단 강도를 나타낸다.
도 9 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 여러 실시예에 따른 접합층을 포함하는 열전 모듈의 경우, 높은 접합 강도를 가짐을 알 수 있다. 더욱이, 실시예 1 내지 3의 경우, 모두 접합 강도가 10MPa 이상으로, 실시예 4에 비해 높은 접합 강도를 나타내고 있다.
이는, 도 5 내지 8의 결과를 참조할 때, 실시예 4의 경우 전극과 열전 소자 사이에 빈 공간이 존재하는 반면, 실시예 1 내지 3의 경우 전극과 열전 소자 사이에 빈 공간이 존재하지 않아 이러한 접합 강도 향상 효과가 나타난다고 예측될 수 있다.
특히, 실시예 1의 경우, 17개의 샘플에 대한 평균 접합 강도가 약 39.3MPa로 측정되었다. 이는, 열전 모듈의 접합층의 접합 강도로서 매우 높은 강도이다. 뿐만 아니라, 실시예 3의 경우에도, 16개의 샘플에 대한 평균 접합 강도가 약 31.8MPa로 꽤 높은 수치를 나타내고 있다.
그러므로, 이러한 측정 결과에 의하면, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 열전 소자와 전극 사이에 높은 접합 강도를 가질 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 실시예와 비교하기 위해 종래 기술에 따라 전극과 열전 소자가 접합된 열전 소자를 다음과 같이 제작하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 재질 및 크기의 Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자를 이용하되, Cu 전극과 열전 소자 사이에 접합층이 개재된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 비교예 1로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 상용적으로 판매되고 있는 Heraeus사의 Ag 페이스트(mAgic Paste ASP016/043, pressure assisted)를 이용하였다. 그리고, 접합층을 형성하기 위한 가열 및 가압은, 300℃에서 0.5시간 동안 15MPa로 가압하는 방식으로 수행되었다.
또한, 금속화층은, Ag층의 1개의 단위층으로 구성되게 하였다.
비교예 2
실시예 1과 동일한 재질 및 크기의 Cu 전극과 스쿠테루다이트계 열전 소자를 이용하되, Cu 전극과 열전 소자 사이에 접합층이 개재된 형태의 다수의 단위 열전 모듈을 비교예 2로서 제조하였다.
여기서, 접합층은, 상용적으로 판매되고 있는 Henkel사의 무연 솔더 페이스트(LOCTITE MULTICORE HF 200, 97SC(SAC305))를 이용하였다. 그리고, 접합층을 형성하기 위하여, 250℃에서 2분 동안 리플로우 방식을 수행하였다.
또한, 금속화층은, NiP층의 1개의 단위층으로 구성되게 하였다.
먼저, 비교예 1에 따른 열전 모듈에 대하여, 열전 소자와 전극 간 접합 구조의 단면층 형상 이미지를 촬영하고 그 결과를 도 13에 나타내었다. 그리고, 이러한 비교예 1의 열전 모듈에 대하여, 10-3 torr의 진공도 상태에서 500℃로 15시간 동안 어닐링을 수행하였다. 그리고 그 결과를 도 14에 나타내었다.
먼저, 도 13을 참조하면, 전극과 열전 소자 사이에 B로 표시된 부분과 같이 Ag 페이스트 층이 개재되어 있음을 알 수 있다. 하지만, 도 14를 참조하면, B'로 표시된 Ag 페이스트 층의 일부에 큰 포어가 형성되어 있음을 알 수 있다.
그러므로, 이러한 결과를 살펴볼 때, Ag 신터 페이스트를 이용하여 전극과 열전 소자 사이를 접합한 경우, 고온 상태에서 포어가 형성됨으로써 접합성이 약화될 우려가 있음을 알 수 있다. 이러한 포어는, 페이스트 내부의 보이드가 고온에서 이동(migration) 및 성장(growth)하여 형성된 것으로 예측될 수 있다. 그러므로, 이러한 비교예 1과 같은 종래 열전 모듈의 접합층의 경우 고온 신뢰성 확보가 어려울 수 있다.
다음으로, 비교예 2에 따른 열전 모듈에 대하여, 온도 증가에 따른 솔더 접합층의 저항값을 측정하고 그 결과를 도 15에 나타내었다.
도 15를 참조하면, 온도가 상승함에 따라 저항값이 상승하다가, 일정 온도 이상에서는 저항이 급격하게 상승함을 알 수 있다. 이는, 접합층을 형성하는 솔더의 녹는점에 접근할수록 인터커넥션(interconnection)이 약해져 저항이 급상승하는 것이라 예측될 수 있다. 더욱이, 도 15를 살펴보면, 약 330℃ 부근에서 저항값이 더 이상 측정되지 않고 있는데, 이는 솔더링에 의한 접합층이 녹음으로써 더 이상 측정이 불가하기 때문이다.
이처럼, 상기 여러 실시예 및 비교예의 측정 결과를 통해 볼 때, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 접합층의 접합 강도가 높고, 특히 고온에서도 안정적으로 유지될 수 있다는 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (12)

  1. 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자;
    금속 재질로 구성되어 열전 소자 사이에 연결된 전극; 및
    상기 열전 소자와 상기 전극 사이에 개재되어 상기 열전 소자와 상기 전극을 접합시키고, 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 페이스트의 소결체로서, 상기 2종 이상의 금속으로 구성된 금속 화합물을 구비하는 접합층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2종 이상의 금속은, 1종 이상의 전이후 금속 및 1종 이상의 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2종 이상의 금속은, Ni과 Sn인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접합층은, Fe, Cu, Al, Zn, Bi, Ag, Au 및 Pt 중 하나 이상의 금속을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 Ni과 Sn은, (15~50):(85~50)의 비율로 상기 접합층에 포함된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접합층은, 상기 2종 이상의 금속 분말을 포함하는 페이스트가 TLPS 방식으로 소결되어 상기 2종 이상의 금속 분말이 상기 금속 화합물로 변형됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자는, 스쿠테루다이트계 열전 반도체로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    금속, 합금 또는 금속화합물로 구성되어 상기 열전 소자와 상기 접합층 사이에 개재된 금속화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속화층은, 서로 다른 둘 이상의 층이 적층된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접합층과 상기 전극 사이에 NiP층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 발전 장치.
  12. 열전 반도체로 구성된 복수의 열전 소자 및 금속 재질로 구성된 복수의 전극을 준비하는 단계;
    상기 열전 소자와 상기 전극 사이에 2종 이상의 금속 분말이 포함된 페이스트를 개재시키는 단계; 및
    TLPS 방식으로 상기 페이스트를 소결시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
PCT/KR2016/007965 2015-07-21 2016-07-21 열전 모듈 및 그 제조 방법 WO2017014584A1 (ko)

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