KR101945765B1 - 고효율 열전 소재의 제조 방법 및 열전 모듈의 제조방법 - Google Patents

고효율 열전 소재의 제조 방법 및 열전 모듈의 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 열전 소재의 제조 방법은, 층상 구조를 갖는 열전 물질의 파우더로부터 1차 성형체를 형성하는 단계, 상기 1차 성형체를 압출하여 압출체를 형성하는 단계, 상기 압출체를, 압출 방향에 수직한 단면에 따라 절단하여 복수의 절편을 형성하는 단계 및 상기 절편들을, 상기 압출 방향에 수직한 방향으로 적층하고, 상기 압출 방향에 수직한 방향으로 가압하여 2차 성형체를 형성하는 단계를 포함한다. 이에 따르면, 열전 소재의 열전 성능 및 열전 모듈의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

고효율 열전 소재의 제조 방법 및 열전 모듈의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR THERMOELECTRIC MATERIAL HAVING HIGH EFFICIENCY AND MANUFACTURING METHOD FOR THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 소재에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 고효율 열전 소재의 제조 방법 및 열전 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
열전 소재란 소재 양 단 간에 온도 차를 주었을 때, 전기 에너지가 생기고, 반대로 소재에 전기 에너지를 주었을 때, 소재 양 단 간에 온도 차가 생기는 에너지 변환 소재를 말한다.
열전 현상은 크게 제벡(Seebeck) 효과를 이용한 열전 발전이나, 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 전자 냉각의 두가지 현상을 통칭하고 있다. 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기 에너지로 변환할 수 있고, 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하면 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
상기의 현상을 이용한 열전 소자는 구조가 간단하고 안정적인 특성을 가지며, 취급이 용이하여 온도차에 의한 발전, 반도체 레이저의 온도 제어, 정수기의 냉각, 자동차 시트의 냉각, 소형 냉장고등 적용범위가 넓으며 열전 소재의 성능을 향상시키기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
상기 열전 소재로 제조되는 열전소자의 발전 효율과 냉각 효율은 재료의 성능과 밀접한 관계가 있다. 실온근방 (253K ~573K)에서 가장 효과적인 열전 소재로는 Bi-Sb-Te-Se계 합금으로 알려지고 있으며 열전 성능지수 (ZT)는 1내외로 알려지고 있다.
여기에서 열전 성능지수(ZT)란 열전 소재의 발전 능력과 냉각 능력 등을 나타내는 지표로서, 열전 성능지수(ZT)는 아래와 같은 수식을 통해 나타낼 수 있다.
ZT = S2σ/κT (S=열기전력,σ=전기전도도, κ=열전도도, T= 절대온도)
열전 소재의 에너지 변환 효율이 높다는 것은 열전 성능지수(ZT)가 높다는 것을 의미하고, 성능지수를 높이기 위해서는 전기전도도와 제벡(Seebeck) 계수를 향상시켜야하는 반면, 열전도도는 감소시켜야 한다. 즉, 열전 소재의 경우 높은 전기전도도와 낮은 열전도도의 특성 제어가 필요하다.
전술한 Bi-Sb-Te-Se계 합금소재는, 층상구조화합물로, 결정구조에 의한 열전기적특성에 이방성을 갖는 반도체재료이다. 즉, 결정의 배향에 따라 그 열전성능지수가 달라지므로 열전 소재의 성능을 높이기 위해서는 배향도를 향상시키는 기술이 요구된다.
한국특허출원공개 제10-2000-0028741에 기재된 방법은 덩어리 형태의 열전 소재 성능을 향상시키기 위해 압출 (extrusion) 방식을 이용하고 1차 배향된 소재를 배향성을 일치시켜 2차로 다시 압출하여 그 배향성을 더욱 배가하는 방법을 제시하고 있다. 이 방식에서 배향성은 압출비 (압출 다이에 투입되는 소재 면적 대비 토출되는 면적 비)에 의해 크게 의존한다. 이 방법에 의하면 최종 압출된 소재의 면적은 좁을 수밖에 없어 열전 모듈 제작에 필요한 유용한 면적을 얻기가 어렵다.
특허문헌 1: 한국특허출원공개 제10-2000-0028741A
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 높은 배향성을 가지면서 동시에 열전 모듈 제작에 용이한 크기를 갖는 열전 소재를 제조하는 방법 및 이를 이용한 열전 모듈의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법은, 층상 구조를 갖는 열전 물질의 파우더로부터 1차 성형체를 형성하는 단계, 상기 1차 성형체를 압출하여 압출체를 형성하는 단계, 상기 압출체를, 압출 방향에 수직한 단면에 따라 절단하여 복수의 절편을 형성하는 단계 및 상기 절편들을, 상기 압출 방향에 수직한 방향으로 적층하고, 상기 압출 방향에 수직한 방향으로 가압하여 2차 성형체를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전 물질은, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 Bi-Sb-Te-Se 계 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 압출체는, 상기 열전 물질의 층상 구조에 평행한 제1 결정면에 평행한 방향으로 배향된다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 성형체는, 5MPa 내지 500 MPa의 압력 조건에서 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 성형체를 형성하는 단계에서, 상기 절편들은 몰드 안에 배치되며, 상기 절편들의 길이는, 상기 몰드 내부 공간에서 상기 절편들의 길이 방향에 평행한 폭보다 작다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전 소재의 제조 방법은, 상기 2차 성형체를 소결하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 성형체는 핫프레스 또는 방전플라즈마법에 의해 소결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 성형체의 소결 온도는 300℃ 내지 600℃이다.
본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법은, 상기 열전 소재를, 상기 압출 방향에 수직한 단면에 따라 절단하여 판 형상의 모재를 형성하는 단계, 상기 모재를 상기 압출 방향에 평행한 단면에 따라 절단하여 열전 소재 유닛을 형성하는 단계 및 상기 열전 소재 유닛의 양단에 제1 기판 및 제2 기판을 각각 결합하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전 모듈의 제조 방법은, 상기 모재를 절단하기 전에, 상기 모재의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 금속층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 기판은 상기 열전 소재 유닛과 접촉하는 제1 연결 배선을 포함하고, 상기 제2 기판은 상기 열전 소재 유닛과 접촉하는 제2 연결 배선을 포함한다.
본 발명에 따르면, 열전 소재의 배향을 증가시킴으로써, 열전 성능을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 압출체를 이용하는 경우보다, 열전 모듈의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 열전 물질의 이방성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 1차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 압출 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 압출체의 절단 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 2차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 2차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법에서, 열전 소재의 1차 절단 단계를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법에서, 열전 소재의 2차 절단 단계를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 11은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 열전성능지수, 열전도도, 전기비저항 및 제벡계수를 나타내는 그래프이다.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 열전 물질의 이방성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 1차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 압출 단계를 설명하기 위한 사시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 압출체의 절단 단계를 설명하기 위한 사시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 2차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소재의 제조 방법에서, 2차 성형체를 준비하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 열전 파우더를 준비한다(S10).
상기 열전 파우더는 N-형 또는 P-형 열전 파우더일 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 파우더는, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계, Bi-Sb-Te-Se 등과 같은 2원소계, 3원소계 및 4원소계 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전 파우더는, 예를 들어, Bi-Te계에 셀레늄(Se) 등이 첨가되어 N-형이 되거나, 안티몬(Sb) 등이 첨가되어 P-형이 될 수 있으며, 상기 원소 이외에 SbI3, Cu, Ag, CuCl2 등 불순물 주입을 통한 N,P형도 가능하다. 또한, 상온에서 유리한 열전 재료 뿐만 아니라 중, 고온 영역에서 뛰어난 열전 특성을 나타내는 판상 구조의 결정을 갖는 재료도 동일하게 적용될 수 있다.
상기 열전 파우더를 얻기 위하여 공지의 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 파우더를 구성하는 각 성분의 원료를, 볼 밀링법(ball-milling), 기계적 합금방법, 용융 방사법(melt-spin) 등 다양한 방법으로 처리하여 얻어질 수 있다. 상기 열전 파우더의 크기는 수 nm 내지 수백 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 상기 열전 파우더의 열전 물질은, 육각판상형태와 같은 판상 구조를 가질 수 있으며, 따라서, 이로부터 형성된 결정립 역시 판상 구조 또는 판상 구조의 배열로 이루어진 층상 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 열전 물질은 전기적 특성, 열전 특성에 대하여 이방성을 갖는다. 구체적으로, 층상 구조에 평행한, 즉, 상기 열전 물질의 제1 결정면(P1, ab플레인)에 평행한 방향(D1)을 따라, 높은 열전 성능을 가질 수 있으며, 상기 제1 결정면(P1)에 수직한 방향(D2, c축)을 따라 상대적으로 낮은 열전 성능을 가질 수 있다.
다음으로, 상기 열전 파우더를 성형하여 1차 성형체를 형성한다(S20).
예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 몰드(5) 내에 열전 파우더(6)를 배치(장입)하고, 프레스(7)로 가압하여 성형체(9, 10)를 얻을 수 있다. 상기 성형체(9, 10)의 형상은 몰드(5)의 형상에 따라, 직육면체, 원기둥 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 성형체의 형상은 이후에 수행될 압출 과정에서 이용되는 압출 다이의 형상에 적합하도록 설계될 수 있다.
예를 들어, 상기 1차 성형체의 성형은, 상온(약 20 내지 30℃) 내지 500℃에서 이루어질 수 있으며, 가해지는 압력은 5MPa 내지 500 MPa 일 수 있다.
다음으로, 상기 1차 성형체를 압출하여 압출체를 형성한다(S30). 상기 1차 성형체는 배향 이방성을 갖지 않거나 매우 낮은 배향도를 가지나, 상기 압출 과정을 통하여 상기 열전 소재의 배향도가 높아질 수 있다.
예를 들어, 상기 압출은, 가압 면적 보다 작은 면적을 갖는 토출구를 통하여, 압출 대상을 통과시킴으로써 이루어질 수 있다. 도 3을 참조하면, 1차 성형체(10)가 원기둥 형상을 갖는 경우, 상기 1차 성형체(10)를 실린더 형상의 압출 다이(11)에 장입하고, 가압하여, 토출구(13a)를 통해 압출함으로써, 압출체(14)를 얻을 수 있다. 상기 1차 성형체(10)에 압력이 가해지는 가압면의 직경(L1)은 토출구(13a)의 직경(E1) 보다 크다. 또한, 1차 성형체(9)가 직사각형 형상을 갖는 경우, 상기 1차 성형체(9)를 직사각형 형상의 압출 다이(12)에 장입하고, 가압하여, 토출구(13b)를 통해 압출함으로써, 압출체(15)를 얻을 수 있다. 상기 1차 성형체(9)에 압력이 가해지는 가압면의 폭(L2)은 토출구(13b)의 폭(E2) 보다 크다. 상기 압출체(14, 15)의 형상은 토출구(13a, 13b)의 형상에 따라, 결정될 수 있으며, 예를 들어, 상기 압출체(14, 15)는 원기둥 또는 직각 기둥 등의 형상을 가질 수 있다.
상기 압출을 통해 얻어지는 배향 이방성은, 압출 방향 및 상기 열전 물질의 결정 구조에 따른다. 구체적으로, 상기 열전 물질이 판상 구조의 결정립을 갖는 경우, 판상 구조가 압출 방향(X1)에 평행하도록, 즉, 상기 제1 결정면(P1)이 상기 압출 방향(X1)에 평행하도록 배향이 이루어진다. 따라서, 상기 압출체(14, 15)는, 압출 방향으로 높은 열전 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 압출 단계에서의 온도는 300oC 내지 600oC 일 수 있으며, 토출 속도는 분당 1mm 내지 20cm일 수 있다.
상기 압출 단계에서, 압출 다이의 주입부와 토출부의 면적비(압출비)는 압출된 소재의 배향 정도를 결정하는 중요변수이다. 예를 들어, 상기 압출비는 5 내지 50일 수 있다. 따라서, 압출체의 면적은 프레스의 크기 등에 의해 제한되어 넓은 면적을 얻기가 힘들다. 열전 모듈을 제조할 경우, 열전 특성의 이방성을 고려하여, 압출 방향의 양단에 전극을 부착하여야 할 필요가 있기 때문에, 압출체의 모듈 설계상의 제한을 가져올 수 있으며, 모재로부터 얻어지는 열전 소재 유닛의 수가 작아 제조 효율을 증가시키기 어렵다.
따라서, 이하에서는, 압출체의 면적(압출 방향에 수직한 면적) 및 배향성을 증가시킬 수 있는 단계를 수행한다.
다음으로, 상기 압출체를, 상기 압출 방향(X1)에 수직한 단면을 따라 절단한다(S40).
다음으로, 상기 절편들(14c, 15c)을 적층하고 가압하여 2차 성형체를 형성한다(S50).
도 6을 참조하면, 성형기의 몰드(5) 안에, 압출 방향(X1)에 수직하는 방향(X2)으로 절편(14c, 15c)들을 적층하고, 상기 적층 방향(X2)을 따라, 상기 절편(14c, 15c)들을 프레스(7)로 가압하여 2차 성형체(16, 17)를 형성한다.
상기 2차 성형체(16, 17)는, 몰드(5)의 형상에 따라, 직사각형 형상, 원기둥 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 상기 2차 성형체(16, 17)는, 압출 방향(X1)으로의 배향된 구조를 가지면서, 복수의 압출체가 적층되어 형성되므로, 상기 압출체(14, 15)에 비교하여 상기 압출 방향에 수직한 방향(X2)으로 증가된 길이를 가질 수 있다. 따라서, 열전 모듈의 제작 용이성을 증가시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 몰드(5) 안에 배치되는 절편(14c, 15c)의 길이(G)는 상기 몰드(5) 내부 공간의 직경(H) 또는 상기 절편의 길이 방향의 폭(H)보다 작을 수 있다. Bi-Sb-Te-Se 등과 같은 판상 구조의 열전 물질에서, 압력이 가해질 경우, 판상 구조에 평행한 제1 결정면(P1)이 압력이 가해지는 방향과 수직한 방향으로 정렬되는 경향이 있다. 따라서, 상기 2차 성형 과정을 통하여, 열전 소재의 압출 방향(X1)으로의 배향성이 증가할 수 있으며, 몰드 내부 길이보다 작은 길이의 절편(14c, 15c)을 이용할 경우, 열전 물질의 압축 및 신장이 허용됨으로써 결정립의 배향을 위한 거동이 가능할 수 있다. 결과적으로, 압출 공정에서 배향이 충분히 이루어지지지 못한 결정립의 배향을 증가시킴으로써, 열전 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 절편(14c, 15c)의 길이(G)는 상기 몰드(5) 내부 공간에서 상기 절편과 평행한 방향의 폭(H)의 50% 내지 95%일 수 있다.
예를 들어, 상기 2차 성형체(16, 17)의 성형은, 상온(약 20 내지 30℃)에서 이루어질 수 있으며, 가해지는 압력은 5MPa 내지 500 MPa 일 수 있다.
다음으로, 상기 2차 성형체를 소결한다(S60). 예를 들어, 방전플라즈마 소결 또는 핫프레스 등의 방법으로 상기 2차 성형체를 소결함으로써, 열전 소재의 성능지수를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면, 도 6에서 얻어진 2차 성형체(16, 17)를 방전플라즈마 다이 또는 핫프레스 다이(18, 19)에 넣고, 고온에서 가압 소결하여 소결체(20, 21)를 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 소결 단계에서, 상기 2차 성형체(16, 17)의 가압 및 통전(플라즈마) 방향은, 상기 2차 성형에서의 가압 방향(X2)와 동일할 수 있으며, 즉, 압출 방향(X1)과 수직할 수 있다. 바람직하게, 상기 방전플라즈마 다이 또는 핫프레스 다이(18, 19)의 직경 또는 폭(J, K)은 상기 2차 성형체(16, 17)의 직경 또는 폭(H)보다 클 수 있다. 이러한 구성은, 상기 소결 과정에서, 상기 2차 성형체(16, 17)의 배향을 증가시켜, 열전 소재의 성능을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 소결 단계에서, 온도는 300oC 내지 600oC일 수 있으며, 압력은 5MPa 내지 500MPa 일 수 있다. 또한, 소결 시간은 1분 내지 10시간 동안 진행 되는 것이 적절하다.
본 발명에 따르면, 열전 소재의 배향을 증가시킴으로써, 열전 성능을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 압출체를 이용하는 경우보다, 열전 모듈의 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 열전 소재를 이용한 열전 모듈의 제조 방법을 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법에서, 열전 소재의 1차 절단 단계를 도시한 사시도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 제조 방법에서, 열전 소재의 2차 절단 단계를 도시한 사시도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 열전 모듈을 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 열전 소재를 일 방향을 따라 1차적으로 절단한다. 상기 열전 소재는 위에서 설명된 방법에 의해 제1 방향(X1)으로 압출 및 배향된 열전 소재일 수 있으며, 이하에서는 직육면체 형상을 갖는 열전 소재(20)를 예시로 설명하기로 한다.
상기 열전 소재의 배향 방향(X1)에 수직한 평면으로, 상기 열전 소재를 절단하여, 도 9에 도시된 것과 같이 판(플레이트) 형상을 갖는 모재(20c)를 형성한다. 상기 모재(20c)는 두께 방향으로 배향성을 가지며, 두께(T)는 절단 간격에 의해 정해질 수 있다. 상기 모재(20c)의 가로 길이(J) 및 세로 길이(L)는, 절단 전 열전 소재에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플레이트 형상의 모재(20c)의 상면 및 하면 중 적어도 하나에는 금속층이 형성될 수 있다. 상기 금속층은, 열전 소재의 고상 확산을 방지하는 역할을 하는 확산 방지층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속층은 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어질 수 있으며, 전기도금, 무전해도금, 열증착, 전자빔 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속층은, 상기 확산 방지층 위에 배치되며, 구리, 알루미늄 등과 같은 낮은 전기저항을 갖는 금속으로 이루어진 블록층을 더 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 모재(20c)를, 상기 배향 방향(X1)과 평행하며, 서로 수직한 평면을 따라 분할하여, 열전 소자 유닛(22)을 형성한다. 종래의 방법에 따라 압출로 얻어진 열전 소재의 경우, 압출 방향(배향 방향)에 수직하는 방향의 길이 또는 폭이 작을 수 밖에 없다. 따라서, 모재의 압출 방향에 수직한 단면의 크기가 작으므로, 모재로부터 얻어지는 열전 소자 유닛의 수가 작으며, 크기가 제한된다. 그러나, 본 발명에 따를 경우, 압출체를 적층하여 2차 성형체를 형성함으로써, 모재의 압출 방향에 수직한 단면의 크기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 모재로부터 얻어지는 열전 소자 유닛의 수를 크게 늘릴 수 있으며, 다양한 크기의 유닛 설계가 가능하다.
다음으로, 상기 열전 소자 유닛(22)을 제1 기판(30) 및 제2 기판(40)과 결합한다.
도 10을 참조하면, 상기 열전 소자 유닛(22)은, 열전 소재부(22a)를 포함하며, 상기 열전 소재부(22a)의 배향 방향(X1)을 따라 양단에 결합된, 제1 금속층(22b) 및 제2 금속층(22c)을 포함한다. 상기 제1 금속층(22b) 및 상기 제2 금속층(22c)은, 기설명된 확산 방지층 및 블록층 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(30) 및 상기 제2 기판(40)은, 상기 열전 소재부(22a)의 배향 방향(X1)을 따라, 상기 열전 소자 유닛(22)의 양단에 결합된다. 예를 들어, 상기 제1 기판(30)은, 상기 제1 금속층(22b)에 결합될 수 있으며, 상기 제2 기판(40)은 상기 제2 금속층(22c)에 결합될 수 있다.
상기 제1 기판(30)은 제1 베이스 기판(31) 및 제1 연결 배선(32)을 포함할 수 있다. 상기 제1 베이스 기판(31)은, 유리, 실리콘 산화물, 고분자 등과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 연결 배선(32)은, 상기 제1 베이스 기판(31)과 상기 열전 소자 유닛(22) 사이에 배치될 수 있으며, 예를 들어 금속 등과 같은 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제1 연결 배선(32)은 상기 제1 금속층(22b)과 접촉하여, 상기 열전 소자 유닛(22)을 인접하는 열전 소자 유닛(23)과 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 소자 유닛은 P형 열전 소자일 수 있으며, 상기 인접하는 열전 소자 유닛(23)은 N형 열전 소자일 수 있다.
상기 제2 기판(40)은, 제2 베이스 기판(41) 및 제2 연결 배선(42)을 포함할 수 있다. 상기 제2 연결 배선(42)은 상기 제2 베이스 기판(41)과 상기 열전 소자 유닛(22) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 베이스 기판(41) 및 상기 제2 연결 배선(42)의 구성은, 상기 제1 베이스 기판(31) 및 상기 제1 연결 배선(32)의 구성과 유사하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따르면, 열전 모듈의 제작 용이성을 개선할 수 있으며, 높은 열전 성능의 열전 모듈을 얻을 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통하여, 본 발명에 따른 열전 소재의 제조 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
실시예 1
Bi-Te-Se 계 조성이 Bi2Te2.7Se0.3 인 열전파우더를 가압 성형하여 원기둥 형상(직경 20mm)의 1차 성형체를 얻는다. 상기 1차 성형체를 직경 3mm 크기(압출비=44)의 토출구로 압출하여 압출체를 제조하였다. 이때 압출온도는 400oC 이고 압출 속도는 분당 5mm 로 하였다.
상기 압출체를 길이방향으로 길이가 10mm 가 되도록 절단하고, 절단된 압출체를 크기가 12x12mm2인 사각 다이에 압출방향이 프레스와 수직이 되도록 채워 넣고 압력을 가하여 2차 성형체를 형성하였다. 상기 2차 성형은 상온에서 이루어졌으며, 압력은 150 MPa로 하였다. 상기 2차 성형체를 방전플라즈마 소결하여 열전소재를 제조하였다. 상기 방전플라즈마의 소결 온도는 450oC 이며 압력은 50MPa로 하였다.
상기에 의해 얻어진 시료를 압력을 가한 방향과 수직인 방향으로 절단하여, 압출 방향(배향 방향)으로의 열전물성을 측정하고, 비교예로서, 압출체(비교예1) 및 상기 압출체를 500oC에서 30시간 열처리한 시료(비교예 2)의 열전물성을 측정하였다.
도 11은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 열전성능지수, 열전도도, 전기비저항 및 제벡계수를 나타내는 그래프이다. 도 11에서, Z는 열전성능지수를 나타내고, k는 열전도도를 나타내고, ρ는 전기비저항을 나타내고, S는 제벡계수를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 압출만 하거나(비교예1), 압출 후 열처리(소결)를 진행한 경우(비교예2)에 비하여, 본 발명의 실시예에 따라, 압출체를 압출 방향과 수직한 방향으로 적층하여 2차 성형하고, 소결한 경우 더 높은 전도도와 열전 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은, 소규모 발전, 각종 장치의 냉각 및 온도 제어 등을 위한 열전 모듈의 제조에 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 층상 구조를 갖는 열전 물질의 파우더로부터 1차 성형체를 형성하는 단계;
    상기 1차 성형체를 압출하여 압출체를 형성하는 단계;
    상기 압출체를, 압출 방향에 수직한 단면에 따라 절단하여 복수의 절편을 형성하는 단계; 및
    상기 절편들을, 몰드 내에서 상기 압출 방향에 수직한 방향으로 적층하고, 상기 적층 방향으로 가압하여 상기 몰드의 내부 공간에 대응되는 형상을 갖는 2차 성형체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 2차 성형체를 형성하는 단계에서, 상기 절편들의 길이는, 상기 몰드의 내부 공간에서 상기 절편들의 길이 방향에 평행한 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전 물질은, Bi-Te계, Sb-Te계, Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 Bi-Sb-Te-Se 계 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압출체는, 상기 열전 물질의 층상 구조에 평행한 제1 결정면에 평행한 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2차 성형체는, 5MPa 내지 500 MPa의 압력 조건 하에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 2차 성형체를 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2차 성형체는 핫프레스 또는 방전플라즈마법에 의해 소결되는 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 2차 성형체의 소결 온도는 300℃ 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 열전 소재의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 의해 제조된 열전 소재를, 상기 압출 방향에 수직한 단면에 따라 절단하여 판 형상의 모재를 형성하는 단계;
    상기 모재를 상기 압출 방향에 평행한 단면에 따라 절단하여 열전 소재 유닛을 형성하는 단계; 및
    상기 열전 소재 유닛의 양단에 제1 기판 및 제2 기판을 각각 결합하는 단계를 포함하는 열전 모듈의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 모재를 절단하기 전에, 상기 모재의 상면 및 하면 중 적어도 일면에 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 기판은 상기 열전 소재 유닛과 접촉하는 제1 연결 배선을 포함하고, 상기 제2 기판은 상기 열전 소재 유닛과 접촉하는 제2 연결 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈의 제조 방법.

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