KR101768669B1 - 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극 - Google Patents

자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극에 있어서, 열전소자용 반도체, 열전소자용 도전체 및 솔더를 준비하는 단계와; 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시켜 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 열전소자용 반도체를 가열시키지 않고 자기유도를 통해 단 시간 내에 열전소자용 도전체 및 솔더만 국부적으로 가열시켜, 도전체와 반도체가 자기유도가열에 의해 용융된 솔더를 통해 접합되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극 {Method of manufacturing a thermoelectric element for the electrode using a magnetic induction and the thermoelectric element electrode manufactured the same}
본 발명은 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자용 반도체를 가열시키지 않고 자기유도를 통해 빠른시간 내에 열전소자용 도전체 및 솔더만 국부적으로 가열시켜, 도전체와 반도체가 자기유도가열에 의해 용융된 솔더를 통해 접합되는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극에 관한 것이다.
열전 모듈, 펠티어 소자(Peltier device), 써모일레트릭 쿨러(Thermoelectric cooler, TEC), 써모일레트릭 모듈(Thermoelectric module, TEM) 등의 다양한 이름으로 불리고 있는 열전소자는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치이다. 열전소자는 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되며, 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 역할이 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.
일반적인 열전소자는 n-타입(n-type)과 p-타입(p-type)의 열반도체 소자 한 쌍이 기본 단위가 되며, 일반적인 모델의 경우 127쌍의 소자가 사용된다. 직류 전압을 열전소자 양단에 인가하게 되면 n-타입에서는 전자(electron)의 흐름에 따라, p-타입에서는 정공(hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내 전자의 포텐셜 에너지(potential energy) 차가 있기 때문에 포텐셜 에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 한다. 따라서 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 하는 원리이다. 이러한 흡열은 전류의 흐름과 n-타입, p-타입이 한 쌍인 써모일레트릭 커플(thermoelectric couple)의 수에 비례하게 된다.
이러한 열전소자의 n-타입 반도체와 p-타입 반도체는 열전소재를 이용하여 제조되며, 각 타입은 도전체(electrical conductor)에 결합 됨에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 도전체의 경우 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 코발트(Co) 등을 소재로 하여 판상으로 제조되는데, 열전소재로 제조되는 반도체의 경우 도전체와의 열팽창계수 차이에 고온에서 부정합이 일어나면서 계면 분리 현상이 나타나는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 종래에는 도전체와 결합하는 반도체의 단부에 도전체를 일체소결 또는 솔더링을 통해 먼저 도전체와 동일한 소재를 도금한 다음, 도금된 소재와 도전체를 결합시켜 도전체와 반도체가 분리되지 않도록 하는 기술이 알려져 있다. 대표적으로 '대한민국특허청 공개특허 제10-2011-0071874호 열전소자용 전극 및 그 제조방법' 또는 '대한민국특허청 공개특허 제10-2011-0071881호 열전소자 및 그 제조방법'과 같이 니켈분말을 몰드에 충진하고 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버에 세팅하는 단계와, 상기 챔버 내부를 진공화시켜 감압하고 상기 니켈분말을 가압하면서 직류펄스를 인가하여 니켈 용융온도보다 낮은 목표로 하는 소결 온도로 상승시키는 단계와, 상기 소결 온도에서 상기 분말을 가압하면서 상기 분말을 방전 플라즈마 소결하는 단계와, 상기 챔버의 온도를 냉각하여 소결체를 얻는 단계를 통해 니켈 소결체는 얻는다. 하지만 이와 같은 소결 방법을 이용하여 반도체와 일체 소결할 경우 소결되는 도전체가 균일하게 압축되지 않는 문제가 있다.
또한 종래기술 '대한민국특허청 공개특허 제10-2007-0030840호 열전 소자'에는 전기적으로 접속되어 있지 않은 두 접합대상 사이를 레이저 장치에 의한 레이저빔을 이용하여 가열하고, 이를 통해 전기적 접속이 가능하도록 하는 기술이 알려져 있다. 이와 같은 종래기술을 이용하여 열전소자의 도전체와 반도체 사이에 접합을 수행할 경우 고온의 열에 의해 반도체가 손상이 되는 문제점이 발생하게 된다.
대한민국특허청 공개특허 제10-2011-0071874호 대한민국특허청 공개특허 제10-2011-0071881호 대한민국특허청 공개특허 제10-2007-0030840호
따라서 본 발명의 목적은, 열전소자용 반도체를 가열시키지 않고 자기유도를 통해 단 시간 내에 열전소자용 도전체 및 솔더만 국부적으로 가열시켜, 도전체와 반도체가 자기유도가열에 의해 용융된 솔더를 통해 접합되는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 열전소자용 반도체, 열전소자용 도전체 및 솔더를 준비하는 단계와; 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시켜 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계는, 상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더를 배치하는 단계와; 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시키는 단계와; 용융된 상기 솔더의 상부에 상기 열전소자용 반도체를 적층 및 접합시키는 단계를 포함하거나, 상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더 및 상기 열전소자용 반도체를 적층 배치하는 단계와; 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시켜 상기 열전소자용 도전체와 상기 열전소자용 반도체를 접합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 1 내지 1000kHz의 고주파를 통해 자기유도가열이 이루어지며, 100 내지 300℃의 온도로 1 내지 60초 동안 자기유도가열이 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 목적은, 테루라이트(Te)계 열전소자용 반도체, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어진 열전소자용 도전체 및 주석(Sn)계 솔더를 준비하는 단계와; 상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더 및 상기 열전소자용 반도체를 순차적으로 적층 배치하는 단계와; 100 내지 1000kHz의 고주파를 발생시키는 자기유도코일에 1 내지 5kW의 전력을 인가하여 의해 발생된 교번 자기장(alternating magnetic field)을 이용하여 상기 열전소자용 도전체 및 상기 솔더를 1 내지 10초 동안 자기유도가열시키고, 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시키는 단계와; 상기 열전소자용 반도체를 상기 열전소자용 도전체 방향으로 가압하여 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법에 의해서도 달성된다.
상기한 목적은 또한, 열전소자용 반도체와; 열전소자용 도전체와; 상기 열전소자용 도전체 및 상기 열전소자용 반도체의 사이에 배치되며, 자기유도가열을 통해 용융되어 상기 열전소자용 도전체 및 상기 열전소자용 반도체를 접합시키는 솔더를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법에 의해서도 달성된다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 열전소자용 반도체를 가열시키지 않고 자기유도를 통해 단 시간 내에 열전소자용 도전체 및 솔더만 국부적으로 가열시켜, 도전체와 반도체가 자기유도가열에 의해 용융된 솔더를 통해 접합되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자용 전극의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전소자용 전극 제조방법의 순서도이고,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전소자용 전극 제조방법의 순서도이고,
도 4는 열전소자용 도전체인 구리와 솔더 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 5는 열전소자용 도전체인 니켈과 솔더 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 6은 열전소자용 반도체인 p-타입 비스무스-테루라이트계 반도체와 솔더 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 7은 열전소자용 반도체인 p-타입 비스무스-테루라이트계에 은이 혼합된 반도체와 솔더 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 8은 열전소자용 반도체인 n-타입 비스무스-테루라이트계 반도체와 솔더 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 9는 열전소자용 도전체인 구리, 솔더, 니켈 블럭 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 10은 열전소자용 도전체인 구리, 솔더, 열전소자용 반도체인 p-타입 비스무스-테루라이트계 반도체 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 11은 열전소자용 도전체인 구리, 솔더, 열전소자용 반도체인 p-타입 비스무스-테루라이트계에 은이 혼합된 반도체 간의 접합을 나타낸 사진이고,
도 12는 열전소자용 도전체인 구리, 솔더, 열전소자용 반도체인 n-타입 비스무스-테루라이트계 반도체 간의 접합을 나타낸 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법 및 이를 통해 제조된 열전소자용 전극을 상세히 설명한다.
자기유도를 통해 제조된 열전소자용 전극은 열전소자용 반도체(10)와, 열전소자용 도전체(30)와, 솔더(50)를 포함한다.
열전소자용 반도체(10)는 길이방향을 따라 서로 평행하도록 배치되어 있으며, 양단부는 열전소자용 도전체(30)와 결합되어 있다. 이때 열전소자용 반도체(10)의 양단부에 결합된 열전소자용 도전체(30)는 각각 다른 열전소자용 반도체(10)와 결합되는 구조로 이루어진다. 이러한 열전소자용 반도체(10)는 테루라이트(Te)계 반도체가 바람직하며, 더욱 바람직한 반도체는 납-주석-테루라이트(Pb-Sn-Te), 납-테루라이트-비스무스(Pb-Te-Bi), p형 반도체인 비스무스-주석-테루라이트(Bi-Sb-Te), n형 반도체인 비스무스-테루라이트-셀레늄(Bi-Te-Se) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이나, 이 이외에도 알려진 다양한 반도체 소재를 적용할 수 있다.
열전소자용 도전체(30)는 외부로부터 공급받은 전류를 열전소자용 반도체(10)에 공급하는 역할을 하며, 열전소자용 반도체(10)를 연결할 수 있도록 결합되어 있다. 이러한 열전소자용 도전체(30)는 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
솔더(solder, 50)는 열전소자용 반도체(10) 및 열전소자용 도전체(30)의 사이에 배치되며, 자기유도가열을 통해 용융되어 열전소자용 반도체(10) 및 열전소자용 도전체(30)를 접합시키는 역할을 한다. 이러한 솔더(50)는 자기유도에 의해 가열될 수 있도록 도전성 소재인 것을 사용해야 하며, 바람직한 솔더(50)의 소재는 주석-납(Sn-Pb), 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu), 주석-구리(Sn-Cu), 주석-비스무스(Sn-Bi), 주석-아연(Sn-Zn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같은 구조 및 소재로 이루어진 본 발명의 열전소자용 전극은 다음과 같은 방법을 통해 제조되어진다.
도 2에 도시된 바와 같이 제1실시예에 따른 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법은 먼저, 열전소자용 반도체(10), 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)를 준비한다(S1a). 여기서 열전소자용 반도체(10) 및 열전소자용 도전체(30)는 열전소자를 형성할 수 있도록 적당한 크기로 절단된 상태인 것을 준비한다.
준비된 열전소자용 도전체(30)의 상부에 솔더(50)를 배치한다(S2a). 솔더(50)의 경우 열전소자용 도전체(30)의 폭보다 작도록 형성하여 용융되더라도 열전소자용 도전체(30) 밖으로 이탈하여 흘러내리지 않도록 한다. 또한 열전소자용 도전체(30)의 상부에 접합될 한 쌍의 열전소자용 반도체(10)의 단면적에 맞춰진 한 쌍의 솔더(50)를 열전소자용 도전체(30)의 상부에 배치하거나, 하나의 솔더(50)만 배치하여 하나의 솔더(50)로 한 쌍의 열전소자용 반도체(10) 모두를 접합시킬 수 있다.
다음으로 자기유도가열을 통해 솔더(50)를 용융시킨다(S3a).
자기유도코일에 의해 발생된 교번 자기장(alternating magnet field)을 통해 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)를 자기유도가열한다. 고주파를 발생시키는 자기유도코일에 전력을 인가하면 교번 자기장이 발생하게 되고, 이를 통해 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)가 자기유도가열이 된다. 이때 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)가 가열될 수 있는 이유는, 전자유도 작용에 의해 맴돌이 전류(eddy current)를 발생시키고, 발생된 맴돌이 전류는 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)의 전기적 저항에 의해 열을 발생시킬 수 있기 때문이다. 이와 같이 열이 발생하게 되면 솔더(50)가 용융상태가 된다.
본 발명에서 고주파를 통해 자기유도가열을 하는 이유는, 고주파를 이용하면 단시간 내에 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50) 만 가열될 수 있기 때문이다. 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)는 도전성이 높기 때문에 단 시간 내에 가열되지만, 열전소자용 반도체(10)의 경우 자기 내에 노출되더라도 가열되는 데 시간이 많이 소요된다. 따라서 열전소자용 반도체(10)는 가열되지 않고 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(10)만 가열되도록 고주파를 이용하여 짧은 시간 내에 자기유도가열을 수행하는 것이 바람직하다. 종래의 경우 열전소자용 도전체(30) 및 열전소자용 반도체(10)를 접합시키기 위해 가열을 수행할 때 열전소자용 반도체(10)에 열이 가해져 열전소자용 반도체(10)가 열에 의해 손상되는 문제점이 있었다. 하지만 이와 같이 자기유도가열을 통해 단시간 내에 가열을 수행할 경우 열전소자용 도전체(30)와 솔더(50)만 가열되고 열전소자용 반도체(10)는 가열되지 않아 손상을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라 솔더(50)의 경우 단 시간 내에 순간적으로 가열시켜야 용융 및 접합이 잘 되기 때문에, 이를 위해서도 단 시간 내에 가열을 수행할 수 있는 고주파를 이용하는 것이 바람직하다. 고주파는 1 내지 1000kHz 범위인 것이 바람직한데, 1kHz 미만일 경우 솔더(50)의 용융 시간이 오래 걸리기 때문에 열전소자용 반도체(10)가 함께 가열될 우려가 있으며, 1000kHz를 초과할 경우 주파수가 너무 높아 가열 온도가 높게 상승하며 이로 인해 열전소자용 도체(30)가 손상될 우려가 있다. 더욱 바람직한 고주파의 범위는 100 내지 1000kHz이다.
고주파를 통해 발생되는 자기유도가열은 100 내지 300℃ 범위 내에서 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)가 가열되는 것이 바람직하며, 이때 1 내지 60초 동안 자기유도가열되는 것이 바람직하다. 자기유도가열 온도가 100℃ 미만일 경우 솔더(50)가 제대로 용융되지 않으며, 300℃를 초과할 경우 솔더(50) 뿐만 아니라 열전소자용 도전체(30)에도 용융되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한 자기유도가열 시간이 1초 미만일 경우 솔더(50)가 충분히 용융되지 못하며, 60초를 초과할 경우 열전소자용 반도체(30)까지 가열되는 문제가 있다. 더 바람직한 자기유도가열 시간은 1 내지 10초이다. 이와 같은 온도 및 시간의 범위 내로 자기유도코일을 작동시키기 위한 전력은 1 내지 50kW, 보다 바람직하게는 1 내지 5kW가 되도록 한다.
마지막으로 용융된 솔더(50)의 상부에 열전소자용 반도체(30)를 적층 및 접합시킨다(S4). 자기유도가열을 통해 용융된 솔더(50)의 상부에 열전소자용 반도체(10)를 적층시키키고, 열전소자용 반도체(10)를 열전소자용 도전체(30) 방향으로 가압하여 열전소자용 도전체(30)-솔더(50)-열전소자용 반도체(10)가 서로 밀착되도록 한다. 이후에 솔더(50)가 냉각되면서 열전소자용 반도체(10)와 열전소자용 도전체(30)가 접합된다. 이와 같이 솔더(50) 용융 후에 열전소자용 반도체(10)를 적층시킬 경우 열전소자용 반도체(30)가 자기장에 노출되지 않아 가열되지 않는다는 장점이 있다.
제2실시예에 따른 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법은 열전소자용 반도체(10), 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50)를 준비하는 단계(S1b)는 제1실시예의 S1a 단계와 동일하지만, 이후의 단계에 있어서는 차이가 있다.
제2실시예에서는 열전소자용 도전체(30)의 상부에 솔더(50) 및 열전소자용 반도체(10)를 적층 배치한다(S2b). 제1실시예에서는 열전소자용 도전체(30)의 상부에 솔더(50)만 적층한 후 이를 용융하였지만, 여기에서는 처음부터 열전소자용 도전체(30)의 상부에 솔더(50)와 열전소자용 반도체(10)를 함께 적층한다.
이후에 자기유도가열을 통해 솔더(50)를 용융시켜 열전소자용 도전체(30)와 열전소자용 반도체(10)를 접합한다(S3b). 이때 자기유도가열 조건은 제1실시예와 동일한 조건으로 이루어진다. 제2실시예와 같이 열전소자용 반도체(10)가 미리 적층되어 있더라도 고주파를 이용하여 자기유도가열을 단 시간 내에 수행하기 때문에 열전소자용 반도체(10)를 제외한 열전소자용 도전체(30) 및 솔더(50) 만 가열된다. 이를 통해 솔더(50)가 용융되며, 솔더(50)가 용융됨과 동시에 양측에 배치된 열전소자용 반도체(10) 및 열전소자용 도전체(30)가 접합된다. 이때 열전소자용 반도체(10)를 열전소자용 도전체(30) 방향으로 가압하게 되면 더욱 견고하게 서로 결합된다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 좀 더 상세하게 설명한다.
<실시예>
열전소자용 도전체 또는 열전소자용 반도체의 상부에 솔더를 배치하한다. 여기에 100kHz의 자기장을 갖는 자기유도코일을 배치하고 자기유도코일에 2.5kW의 전력을 공급하여 자기장을 형성한다. 자기유도코일에 의해 솔더에 자기유도가열이 일어나는데, 이때 온도는 5초에서 약 120℃, 8초에서 약 220℃로 초당 30℃씩 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 열전소자용 도전체로 구리(Cu)를 사용하고, 주석(Sn) 96.5중량부, 은(Ag) 3.0중량부, 구리(Cu) 0.5중량부로 이루어진 솔더를 열전소자용 도전체의 상부에 배치한 것이다. 도 4a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체 및 솔더의 사진이고, 도 4b는 약 114℃로 온도가 상승했을 때를 나타낸 사진으로 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있다. 도 4c는 약 119℃에서 솔더가 거의 액체로 변하는 사진이고, 도 4d는 220℃에서 완전히 용융된 상태로 접촉각은 13°로 확인되었다. 마지막으로 도 4e는 용융을 통해 접합된 솔더 및 열전소자용 도전체를 나타낸 사진이다.
도 5는 열전소자용 도전체로 니켈(Ni)을 사용하고, 주석(Sn) 96.5중량부, 은(Ag) 3.0중량부, 구리(Cu) 0.5중량부로 이루어진 솔더를 열전소자용 도전체의 상부에 배치한 것이다. 도 5a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체 및 솔더의 사진이고, 도 5b는 약 60℃로 온도가 상승했을 때를 나타낸 사진으로 솔더가 조금 부푼 것을 확인할 수 있고, 도 5c는 약 115℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있다. 도 5d는 약 120℃에서 솔더가 거의 액체로 변한 것을 나타내며, 도 5e는 약 220℃에서 솔더가 완전히 용융된 상태로 접촉각은 33°인 것을 확인할 수 있다. 도 5f는 용융을 통해 접합된 솔더 및 열전소자용 도전체를 나타낸 사진이다.
도 6은 열전소자용 반도체로 p-타입인 비스무스-테루라이트(BiTe)계 반도체를 사용하고, 주석(Sn) 96.5중량부, 은(Ag) 3.0중량부, 구리(Cu) 0.5중량부로 이루어진 솔더를 열전소자용 반도체의 상부에 배치한 것이다. 도 6a는 자기유도가열 전 열전소자용 반도체 및 솔더의 사진이고, 도 6b는 약 63℃에서 솔더가 조금 부푼 것을 확인할 수 있는 사진이고, 도 6c는 약 115℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 6d는 약 120℃에서 솔더가 거의 용융된 것을 나타낸 사진이고, 도 6e는 약 220℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 접촉각이 약 39°인 것을 확인할 수 있다. 도 6f는 용융을 통해 접합된 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
도 7은 열전소자용 반도체로 p-타입인 비스무스-테루라이트(BiTe)계 반도체에 은(Ag)을 혼합한 것을 사용하고, 주석(Sn) 96.5중량부, 은(Ag) 3.0중량부, 구리(Cu) 0.5중량부로 이루어진 솔더를 열전소자용 반도체의 상부에 배치한 것이다. 도 7a는 자기유도가열 전 열전소자용 반도체 및 솔더의 사진이고, 도 7b는 약 54℃에서 솔더가 조금 부푼 것을 확인할 수 있는 사진이고, 도 7c는 약 119℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 7d는 약 126℃에서 솔더가 거의 용융된 것을 나타낸 사진이고, 도 7e는 약 220℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 접촉각이 약 37°인 것을 확인할 수 있다. 도 7f는 용융을 통해 접합된 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
도 8은 열전소자용 반도체로 n-타입인 비스무스-테루라이트(BiTe)계 반도체를 사용하고, 주석(Sn) 96.5중량부, 은(Ag) 3.0중량부, 구리(Cu) 0.5중량부로 이루어진 솔더를 열전소자용 반도체의 상부에 배치한 것이다. 도 8a는 자기유도가열 전 열전소자용 반도체 및 솔더의 사진이고, 도 8b는 약 50℃에서 솔더가 조금 부푼 것을 확인할 수 있는 사진이고, 도 8c는 약 115℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 8d는 약 119℃에서 솔더가 거의 용융된 것을 나타낸 사진이고, 도 8e는 약 220℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 접촉각이 약 51°인 것을 확인할 수 있다. 도 8f는 용융을 통해 접합된 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
도 9는 열전소자용 도전체의 상부에 솔더를 올리고, 솔더 상부에 니켈 블럭을 적층한 후 이를 자기유도가열하는 것을 나타낸 도면이다. 여기서 열전소자용 도전체는 구리(Cu)이며, 솔더는 63중량부의 주석(Sn), 37중량부의 납(Pb)으로 이루어진 것을 사용한다. 도 9a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체, 솔더 및 니켈 블럭의 사진이고, 도 9b는 약 115℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 9c는 액체로 변한 솔더로 인해 니켈 블럭이 점점 밑으로 빨려들어가는 것을 나타낸 사진이고, 도 9d는 약 119℃에서 솔더가 대부분 액체로 용융된 것을 나타낸 사진이다. 도 9e는 약 180℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 이때 접촉각은 약 36°인 것을 확인할 수 있으며, 도 9f는 솔더 용융을 통해 접합된 열전소자용 도전체 및 니켈 블럭을 나타낸 사진이다.
도 10은 열전소자용 도전체로 구리(Cu), 열전소자용 반도체로 p-타입인 비스무스-테루라이트(Bi-Te)계, 솔더로 63중량부의 주석(Sn), 37중량부의 납(Pb) 혼합물을 사용하여 접합실험을 한 결과이다. 도 10a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체, 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이고, 도 10b는 약 114℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 10c는 액체로 변한 솔더로 인해 열전소자용 반도체가 점점 열전소자용 도전체와 근접되는 것을 나타낸 사진이고, 도 10d는 약 120℃에서 솔더가 대부분 액체로 용융된 것을 나타낸 사진이다. 도 10e는 약 180℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 이때 접촉각은 약 39°인 것을 확인할 수 있으며, 도 10f는 솔더 용융을 통해 접합된 열전소자용 도전체 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
도 11은 열전소자용 도전체로 구리(Cu), 열전소자용 반도체로 p-타입인 비스무스-테루라이트(Bi-Te)계에 은(Ag)이 혼합된 반도체, 솔더로 63중량부의 주석(Sn), 37중량부의 납(Pb) 혼합물을 사용하여 접합실험을 한 결과이다. 도 11a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체, 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이고, 도 11b는 약 114℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 11c는 액체로 변한 솔더로 인해 열전소자용 반도체가 점점 열전소자용 도전체와 근접되는 것을 나타낸 사진이고, 도 11d는 약 121℃에서 솔더가 대부분 액체로 용융된 것을 나타낸 사진이다. 도 11e는 약 180℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 이때 접촉각은 약 47°인 것을 확인할 수 있으며, 도 10f는 솔더 용융을 통해 접합된 열전소자용 도전체 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
도 12는 열전소자용 도전체로 구리(Cu), 열전소자용 반도체로 n-타입인 비스무스-테루라이트(Bi-Te)계, 솔더로 63중량부의 주석(Sn), 37중량부의 납(Pb) 혼합물을 사용하여 접합실험을 한 결과이다. 도 12a는 자기유도가열 전 열전소자용 도전체, 솔더 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이고, 도 12b는 약 113℃에서 솔더가 조금씩 녹는 것을 확인할 수 있는 사진이다. 도 12c는 액체로 변한 솔더로 인해 열전소자용 반도체가 점점 열전소자용 도전체와 근접되는 것을 나타낸 사진이고, 도 12d는 약 120℃에서 솔더가 대부분 액체로 용융된 것을 나타낸 사진이다. 도 12e는 약 180℃에서 완전히 용융된 솔더를 나타낸 사진으로 이때 접촉각은 약 48°인 것을 확인할 수 있으며, 도 10f는 솔더 용융을 통해 접합된 열전소자용 도전체 및 열전소자용 반도체를 나타낸 사진이다.
종래의 경우 열전소자용 도전체 및 열전소자용 반도체를 접합하기 위해 가열 및 가압을 이용하였으며, 이와 같은 가열 및 가압으로 인해 열전소자용 반도체가 손상되고 제대로 구동하지 못하는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 고주파와 단 시간 내에 자기유도가열을 수행하여 열전소자용 도전체 및 솔더 만 가열을 실시하였으며, 이로 인해 열전소자용 반도체는 가열되지 않아 열전소자용 반도체가 손상되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한 단 시간 내에 열전소자가 제조되기 때문에 생산성이 증가되는 장점이 있다.
10: 열전소자용 반도체
30: 열전소자용 도전체
50: 솔더

Claims (8)

  1. 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법에 있어서,
    열전소자용 반도체, 열전소자용 도전체 및 솔더를 준비하는 단계와;
    자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시켜 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 솔더는 용융되더라도 상기 열전소자용 도전체 밖으로 이탈하여 흘러내리지 않도록 상기 열전소자용 도전체의 폭보다 작도록 형성하며,
    상기 자기유도가열은 100 내지 300℃의 온도로 1 내지 60초 동안 이루어져 상기 열전소자용 반도체는 가열되지 않고 상기 열전소자용 도전체 및 상기 솔더만 가열되는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계는,
    상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더를 배치하는 단계와;
    자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시키는 단계와;
    용융된 상기 솔더의 상부에 상기 열전소자용 반도체를 적층 및 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계는,
    상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더 및 상기 열전소자용 반도체를 적층 배치하는 단계와;
    자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시켜 상기 열전소자용 도전체와 상기 열전소자용 반도체를 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    1 내지 1000kHz의 고주파를 통해 자기유도가열이 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열전소자용 도전체는 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 코발트(Co) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  7. 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법에 있어서,
    테루라이트(Te)계 열전소자용 반도체, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)로 이루어진 열전소자용 도전체 및 주석(Sn)계 솔더를 준비하는 단계와;
    상기 열전소자용 도전체의 상부에 상기 솔더 및 상기 열전소자용 반도체를 순차적으로 적층 배치하는 단계와;
    100 내지 1000kHz의 고주파를 발생시키는 자기유도코일에 1 내지 5kW의 전력을 인가하여 의해 발생된 교번 자기장(alternating magnetic field)을 이용하여 상기 열전소자용 도전체 및 상기 솔더를 1 내지 10초 동안 자기유도가열시키고, 자기유도가열을 통해 상기 솔더를 용융시키는 단계와;
    상기 열전소자용 반도체를 상기 열전소자용 도전체 방향으로 가압하여 상기 열전소자용 반도체 및 상기 열전소자용 도전체를 접합하는 단계를 포함하며,
    상기 솔더는 용융되더라도 상기 열전소자용 도전체 밖으로 이탈하여 흘러내리지 않도록 상기 열전소자용 도전체의 폭보다 작도록 형성하며,
    상기 자기유도가열은 100 내지 300℃의 온도로 1 내지 60초 동안 이루어져 상기 열전소자용 반도체는 가열되지 않고 상기 열전소자용 도전체 및 상기 솔더만 가열되는 것을 특징으로 하는 자기유도를 이용한 열전소자용 전극 제조방법.
  8. 열전소자용 전극에 있어서,
    열전소자용 반도체와;
    열전소자용 도전체와;
    상기 열전소자용 도전체 및 상기 열전소자용 반도체의 사이에 배치되며, 자기유도가열을 통해 용융되어 상기 열전소자용 도전체 및 상기 열전소자용 반도체를 접합시키는 솔더를 포함하며,
    상기 솔더는 용융되더라도 상기 열전소자용 도전체 밖으로 이탈하여 흘러내리지 않도록 상기 열전소자용 도전체의 폭보다 작도록 형성하며,
    상기 자기유도가열은 100 내지 300℃의 온도로 1 내지 60초 동안 이루어져 상기 열전소자용 반도체는 가열되지 않고 상기 열전소자용 도전체 및 상기 솔더만 가열되는 것을 특징으로 하는 열전소자용 전극.
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