KR102436929B1 - An sintering apparatus for thermoelectric material including diffusion barrier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전재료와 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 고주파 유도가열하여, 각 재료의 투자율 차이에 의해 높은 융점의 확산방지층용 재료와 전극용 재료를 소결시킴과 동시에 열전재료의 열화를 방지하여 다층 열전소자의 최적성능이 유지되도록 할 수 있다.
이러한 본 발명은, 두 종류 이상의 열전재료 및 상기 열전재료 사이에 배치되는 확산방지층용 재료가 적층된 챔버와, 상기 챔버 상하단에서 적층된 재료들을 가압시키는 가압 유닛이 형성되어 상기 적층된 재료들을 소결시키는 소결부를 포함하는 열전소자 소결장치에 있어서, 상기 챔버 외측에 배치되며, 상기 소결부로 소결 시 적층된 재료들을 고주파 유도가열시켜, 상기 열전재료와 확산방지층용 재료의 투자율 차이에 의해 상기 확산방지층용 재료가 열전재료보다 높은 온도로 소결되도록 안내하는 고주파 유도가열부를 더 포함하여, 상기 열전재료와 확산방지층용 재료를 동시 소결시키는 것을 특징으로 한다.The present invention uses high-frequency induction heating of a thermoelectric material, a material for a diffusion barrier layer, and a material for an electrode, sintering a material for a diffusion barrier layer and an electrode material having a high melting point due to the difference in magnetic permeability of each material, and at the same time prevents deterioration of the thermoelectric material. It is possible to maintain the optimal performance of the multilayer thermoelectric element.
The present invention provides a chamber in which two or more types of thermoelectric materials and a material for a diffusion barrier layer disposed between the thermoelectric materials are stacked, and a pressurizing unit for pressing the stacked materials at upper and lower ends of the chamber is formed to sinter the stacked materials. In the thermoelectric sintering apparatus including a sintering part, it is disposed outside the chamber, and by high-frequency induction heating of the materials laminated during sintering by the sintering part, the material for the diffusion barrier layer due to the difference in magnetic permeability between the thermoelectric material and the material for the diffusion barrier layer Further comprising a high-frequency induction heating unit for guiding to sinter to a higher temperature than the heating thermoelectric material, characterized in that the sintering of the thermoelectric material and the material for the diffusion barrier layer at the same time.

Description

확산방지층을 포함하는 다층 열전소자용 동시 소결 장치{An sintering apparatus for thermoelectric material including diffusion barrier}Simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric device including a diffusion barrier layer

본 발명은 열전소자용 소결 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 확산방지층을 포함하는 다층 열전소자를 소결시키는 위한 동시 소결 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sintering apparatus for a thermoelectric element, and more particularly, to a simultaneous sintering apparatus for sintering a multilayer thermoelectric element including a diffusion barrier layer.

일반적으로 열전소자는 열전모듈, 펠티어소자, 써모일렉트릭 쿨러(Thermoelectric cooler; TEC), 써모일렉트릭 모듈(Thermoelectric module; TEM) 등의 다양한 명칭으로 불리고 있다. In general, a thermoelectric element is called by various names such as a thermoelectric module, a Peltier element, a thermoelectric cooler (TEC), and a thermoelectric module (TEM).

열전소자는 N 타입과 P 타입의 열전재료, 니켈(Ni), 코발트(Co)와 같은 전극으로 크게 구성된다. 그리고 여기에 확산방지층(anti-diffusion layer)이 더 포함될 수 있는데, 확산방지층은 주로 열전 반도체 소자와 전극 사이에 배치됨으로써 열전재료와 전극 사이의 상호확산을 방지하는 역할을 한다.The thermoelectric element is largely composed of N-type and P-type thermoelectric materials, and electrodes such as nickel (Ni) and cobalt (Co). And an anti-diffusion layer may be further included here. The diffusion barrier layer is mainly disposed between the thermoelectric semiconductor element and the electrode, thereby preventing mutual diffusion between the thermoelectric material and the electrode.

이러한 열전소자의 양단에 직류(DC) 전압을 인가하면 N 타입의 열전재료에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P 타입의 열전재료에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 된다. 이때 인가 전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부의 위치가 서로 바뀌고, 열의 흐름도 반대가 된다.When a direct current (DC) voltage is applied to both ends of such a thermoelectric element, heat flows from the heat absorbing part to the heating part according to the flow of electrons in the N-type thermoelectric material and the flow of holes in the P-type thermoelectric material. will move At this time, if the polarity of the applied voltage is changed, the positions of the heat absorbing part and the heat generating part are changed, and the flow of heat is also reversed.

이런 원리를 통해, 열전소자는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 열펌프(Heat pump) 역할을 하거나, 양단의 온도 차이에 의해 열전소자 내부의 전자와 정공을 이동시켜 기전력을 발생시키는 열전 발전기(Thermoelectric generation, TEG) 역할을 할 수 있다.Through this principle, the thermoelectric element acts as a heat pump that absorbs heat from a low-temperature heat source and gives heat to a high-temperature heat source, or moves electrons and holes inside the thermoelectric element by the temperature difference between the two ends to generate an electromotive force. It can serve as a thermoelectric generator (TEG) that generates

한편, 최근 다수의 열전재료를 접합한 다층 열전소자에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 다층 열전소자는 여러 종류의 열전재료를 전류가 흐르는 방향에 따라 수직으로 쌓아 다층 접합 구조를 이루도록 한 것을 의미한다. 이러한 다층 열전소자는 하나의 열전소자 안에 다양한 종류의 열전재료가 포함되는 구조로서, 하나의 열전재료로 구성된 기존의 열전소자를 단순 배열하는 것과는 구조적 차이가 있다. 또한, 다층 열전소자는 기존의 열전소자와 비교했을 때 차지하는 면적 대비 높은 효율을 낼 수 있는 장점이 있다.On the other hand, recently, research on a multi-layer thermoelectric device in which a plurality of thermoelectric materials are bonded is being actively conducted. A multilayer thermoelectric element means that several types of thermoelectric materials are vertically stacked according to the direction in which current flows to form a multilayer junction structure. Such a multilayer thermoelectric element has a structure in which various types of thermoelectric materials are included in one thermoelectric element, and has a structural difference from a simple arrangement of conventional thermoelectric elements composed of one thermoelectric material. In addition, the multilayer thermoelectric element has an advantage in that it can achieve high efficiency compared to the area occupied by the conventional thermoelectric element.

이와 관련된 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1470393호 "확산방지층이 포함된 다층 접합 구조의 열전소자와 그 제조 방법"이 있다. 도 1은 전술한 선행기술에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 개략도이다. 도 1을 참조하여, 다층 열전소자는 서로 다른 온도 영역대에서 최대의 성능지수를 보이는 적어도 두 종류의 열전재료(A, B,)의 분말로 제조된다.As a related prior art, there is Republic of Korea Patent Publication No. 10-1470393 "thermoelectric element having a multilayer junction structure including a diffusion barrier layer and a manufacturing method therefor". 1 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a thermoelectric element according to the prior art described above. Referring to FIG. 1 , the multilayer thermoelectric device is manufactured from powders of at least two types of thermoelectric materials (A, B,) that exhibit the maximum figure of merit in different temperature ranges.

이러한 다층 열전소자의 열전성능을 최대화하기 위해서는, 열전재료 사이의 접합부에 확산방지층을 두어 열전재료간의 물질 확산에 의한 열전성능 저하를 방지하는 것이 필요하다.In order to maximize the thermoelectric performance of such a multilayer thermoelectric device, it is necessary to provide a diffusion barrier layer at the junction between the thermoelectric materials to prevent deterioration of the thermoelectric performance due to material diffusion between the thermoelectric materials.

그러나 다층 열전소자에서 열전재료는 반금속인 반면 확산방지층용 재료와 전극용 재료는 고융점 금속으로 이루어지는 경우가 많은데, 열전재료의 융점 온도와 확산방지층용 재료 및 전극용 재료의 융점 온도 차이가 너무 커서 동시 소결에 큰 어려움이 있었다.However, in a multilayer thermoelectric device, the thermoelectric material is a semi-metal, whereas the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode are often made of a high melting point metal. There was a great difficulty in simultaneous sintering.

예를 들어, 소결 온도를 비교적 낮은 융점의 열전재료 중심으로 공정을 설계하면 높은 융점의 확산방지층용 재료 또는 전극용 재료가 제대로 소결되지 않는 문제가 발생한다. 이와 반대로, 소결 온도를 비교적 높은 융점의 확산방지층용 재료 또는 전극용 재료 중심으로 공정을 설계하면 낮은 융점의 열전재료가 열화되어 최종 소결체의 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.For example, if the sintering temperature is designed around a thermoelectric material having a relatively low melting point, a problem arises that the material for the diffusion barrier layer or the material for the electrode having a high melting point is not sintered properly. On the contrary, if the sintering temperature is designed around the material for the diffusion barrier layer or the material for the electrode having a relatively high melting point, the thermoelectric material having a low melting point is deteriorated and the performance of the final sintered body is deteriorated.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 다층 열전소자 소결 시 한번에 각 재료에 적절한 온도를 가할 수 있도록 하여 다층 열전소자의 최적성능을 유지시킬 수 있는 다층 열전소자용 동시 소결 장치가 필요하다.Therefore, in order to solve this problem, there is a need for a simultaneous sintering apparatus for a multi-layer thermoelectric element that can maintain the optimal performance of the multi-layer thermoelectric element by allowing an appropriate temperature to be applied to each material at once during sintering of the multi-layer thermoelectric element.

대한민국 등록특허공보 제10-1470393호 "확산방지층이 포함된 다층 접합 구조의 열전소자와 그 제조 방법"Republic of Korea Patent Publication No. 10-1470393 "Thermoelectric element having a multilayer junction structure including a diffusion barrier layer and manufacturing method therefor" 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0057448호 "열전소자 및 열전소자의 제조 방법"Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0057448 "Thermoelectric element and method of manufacturing a thermoelectric element"

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전재료와 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 고주파 유도가열하여, 각각의 재료들이 가지는 융점에 따라 적절한 온도로 소결되도록 하는 다층 열전소자용 동시 소결 장치의 제공을 과제로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art, and by high-frequency induction heating of a thermoelectric material, a material for a diffusion barrier layer, and a material for an electrode, sintering at an appropriate temperature according to the melting point of each material. The provision of a sintering apparatus is made into a subject.

본 발명에 의한 다층 열전소자용 동시 소결 장치는, 두 종류 이상의 열전재료와, 상기 열전재료 사이에 배치되고 크롬(Cr), 니켈(Ni), 플라티늄(Pt), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au) 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함하는 확산방지층용 재료가 적층된 챔버; 상기 챔버 상하단에서 적층된 재료들을 가압시키는 가압 유닛이 형성되어 상기 적층된 재료들을 소결시키는 소결부; 및 상기 챔버 외측에 배치되되 상기 챔버의 외주면을 따라 권선되는 유도코일을 포함하고, 상기 소결부로 소결 시 적층된 재료들을 고주파 유도가열시키는 고주파 유도가열부;를 포함하여, 상기 챔버의 상측 또는 하측에는 전극용 재료가 상기 열전재료와 접하도록 배치되고, 상기 고주파 유도가열부는, 상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료의 투자율 차이에 의해 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료가 상기 열전재료보다 높은 온도로 소결되도록 유도하여, 상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 동시 소결시키되, 상기 열전재료보다 상기 확산방지층용 재료와 전극용 재료에 열이 집중되도록 하여 상기 확산방지층용 재료와 전극용 재료를 소결시킴과 동시에 상기 열전재료의 열화를 방지하며, 상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 동시에 유도가열하더라도, 상기 투자율 차이에 의해 상기 열전재료보다 융점이 높은 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료에 에너지 전달이 집중되어 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료가 상기 열전재료보다 높은 온도로 소결되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.Simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric device according to the present invention includes two or more types of thermoelectric materials, and chromium (Cr), nickel (Ni), platinum (Pt), titanium (Ti), tungsten (W) and disposed between the thermoelectric materials. ), silicon (Si), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au) and at least one metal powder selected from the group consisting of alloys thereof a chamber in which the material for the diffusion barrier layer is laminated; a sintering unit having a pressurizing unit for pressing the stacked materials at the upper and lower ends of the chamber to sinter the stacked materials; and a high-frequency induction heating unit disposed outside the chamber and including an induction coil wound along the outer circumferential surface of the chamber, and configured to high-frequency induction heating the stacked materials during sintering with the sintering unit; including, at the upper or lower side of the chamber The electrode material is disposed so as to be in contact with the thermoelectric material, and the high-frequency induction heating unit is configured such that the material for the diffusion barrier layer and the electrode material are higher than the thermoelectric material due to a difference in magnetic permeability between the thermoelectric material, the diffusion barrier layer material and the electrode material. By inducing sintering at a high temperature, the thermoelectric material, the material for the diffusion barrier layer, and the material for the electrode are simultaneously sintered, but heat is concentrated on the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode rather than the thermoelectric material, so that the material for the diffusion barrier layer and The diffusion barrier layer, which sinters the electrode material and prevents deterioration of the thermoelectric material, and has a higher melting point than the thermoelectric material due to the difference in magnetic permeability even when the thermoelectric material, the diffusion barrier layer material, and the electrode material are induction heated at the same time It is characterized in that the energy transfer is concentrated on the material for the material and the material for the electrode to induce the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode to be sintered at a higher temperature than the thermoelectric material.

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또한, 본 발명의 상기 소결부는, 열간 가압 소결법(Hot Pressing, HP), 스파크 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS) 및 플라즈마 활성화 소결법(Plasma Assisted Sintering, PAS) 중 하나 이상을 이용하여 상기 열전재료 및 확산방지층용 재료를 소결시키는 것을 특징으로 하는 확산방지층을 포함할 수 있다.In addition, the sintering unit of the present invention, the thermoelectric material and the thermoelectric material and It may include a diffusion barrier layer, characterized in that for sintering the material for the diffusion barrier layer.

또한, 본 발명의 상기 열전재료는, Bi-Te계 합금 분말, Pb-Te계 합금 분말, Ge-Si계 합금 분말, Fe-Si계 합금 분말, Mg-Si계 합금 분말, Co-Sb계 합금 분말, TAGS(Te-Sb-Ge-Ag)계 합금 분말 및 Mn-Si계 합금 분말로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함하거나 경사기능재료(FGM)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확산방지층을 포함할 수 있다.In addition, the thermoelectric material of the present invention, Bi-Te-based alloy powder, Pb-Te-based alloy powder, Ge-Si-based alloy powder, Fe-Si-based alloy powder, Mg-Si-based alloy powder, Co-Sb-based alloy A diffusion barrier layer comprising at least one metal powder selected from the group consisting of powder, TAGS (Te-Sb-Ge-Ag)-based alloy powder and Mn-Si-based alloy powder or made of a gradient functional material (FGM) can do.

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본 발명에 의한 다층 열전소자용 동시 소결 장치에 따르면, 열전재료와 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 고주파 유도가열하여, 각 재료의 투자율 차이에 의해 열전재료보다 확산방지층용 재료와 전극용 재료에 열이 집중되도록 함으로써, 높은 융점의 확산방지층용 재료와 전극용 재료를 소결시킴과 동시에 열전재료의 열화를 방지하여 다층 열전소자의 최적성능이 유지되도록 할 수 있다.According to the simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric element according to the present invention, by high-frequency induction heating of a thermoelectric material, a material for a diffusion barrier layer, and a material for an electrode, the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode are better than the thermoelectric material due to the difference in magnetic permeability of each material. By concentrating the heat, it is possible to sinter the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode having a high melting point, and at the same time to prevent the deterioration of the thermoelectric material, so that the optimal performance of the multilayer thermoelectric element can be maintained.

도 1은 종래 발명에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층 열전소자용 동시 소결 장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다층 열전소자용 동시 소결 장치의 다양한 소결 방식을 설명하는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a thermoelectric element according to the related art.
2 is a front view of a simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating various sintering methods of the simultaneous sintering apparatus for a multi-layer thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 2 및 3을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 . However, in describing the present invention, a description of a function or configuration already known will be omitted in order to clarify the gist of the present invention.

한편, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.On the other hand, the embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. Examples of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다층 열전소자용 동시 소결 장치의 정면도이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 다층 열전소자용 동시 소결 장치는 챔버(100), 열전소자 소결장치(200) 및 고주파 유도가열부(300)를 포함한다.2 is a front view of a simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 , the simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric element according to an embodiment of the present invention includes a chamber 100 , a thermoelectric element sintering apparatus 200 , and a high-frequency induction heating unit 300 .

챔버(100)는 열전재료(A)와 확산방지층용 재료(B) 및 전극용 재료(C)가 적층되는 것으로, 소결 시 내부가 진공이 되도록 할 수 있다. In the chamber 100, a thermoelectric material (A), a material for a diffusion barrier layer (B), and a material for an electrode (C) are stacked, and the inside of the chamber 100 may be vacuumed during sintering.

여기서 열전재료(A)는 두 종류 이상으로 이루어지는데, 각 종류별로 최고의 열전성능을 나타내는 온도가 다를 수 있다. 그리고 확산방지층용 재료(B)는 다른 종류의 열전재료(A) 사이 또는 열전재료(A)와 전극용 재료(C) 사이에 배치되어, 열전재료(A) 간 또는 열전재료(A)와 전극용 재료(C) 간의 물질 확산에 의해 열전성능 저하가 발생되는 것을 방지할 수 있다.Here, the thermoelectric material (A) is made of two or more types, and each type may have a different temperature indicating the best thermoelectric performance. And the diffusion barrier layer material (B) is disposed between the thermoelectric material (A) of different types or between the thermoelectric material (A) and the electrode material (C), between the thermoelectric material (A) or the thermoelectric material (A) and the electrode It is possible to prevent deterioration of thermoelectric performance due to material diffusion between the molten materials (C).

전극용 재료(C)는 후속 공정에서 접합시킬 수 있으나, 열전재료(A)와 확산방지층용 재료(B)과 함께 동시 소결되도록 할 수 있다. 동시 소결시킬 경우, 전극용 재료(C)는 챔버(100)의 상측 또는 하측에 열전재료(A)와 접하도록 배치될 수 있다. The electrode material (C) may be bonded in a subsequent process, but it may be simultaneously sintered together with the thermoelectric material (A) and the diffusion barrier layer material (B). In the case of simultaneous sintering, the electrode material (C) may be disposed in contact with the thermoelectric material (A) on the upper or lower side of the chamber 100 .

구체적으로, 열전재료(A)는 Bi-Te계 합금 분말, Pb-Te계 합금 분말, Ge-Si계 합금 분말, Fe-Si계 합금 분말, Mg-Si계 합금 분말, Co-Sb계 합금 분말, TAGS(Te-Sb-Ge-Ag)계 합금 분말 및 Mn-Si계 합금 분말로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함하거나 경사기능재료(FGM)로 이루어질 수 있다.Specifically, the thermoelectric material (A) is Bi-Te-based alloy powder, Pb-Te-based alloy powder, Ge-Si-based alloy powder, Fe-Si-based alloy powder, Mg-Si-based alloy powder, Co-Sb-based alloy powder , TAGS (Te-Sb-Ge-Ag)-based alloy powder and Mn-Si-based alloy powder may include one or more metal powder selected from the group consisting of, or may be made of a gradient functional material (FGM).

또한, 확산방지층용 재료(B) 또는 전극용 재료(C)는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 플라티늄(Pt), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au) 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함할 수 있다. 단, 확산방지층용 재료는 상술된 종류에 한정되는 것만은 아니고 융점이 1,000℃ 넘는 금속 또는 중금속이라면 다양하게 사용할 수 있다.In addition, the diffusion barrier layer material (B) or electrode material (C) is chromium (Cr), nickel (Ni), platinum (Pt), titanium (Ti), tungsten (W), silicon (Si), manganese (Mn) ), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), and may include one or more metal powders selected from the group consisting of alloys thereof. However, the material for the diffusion barrier layer is not limited to the above-mentioned type, and can be used in various ways as long as it has a melting point of more than 1,000°C or a heavy metal.

소결부(200)는 챔버(100)에 적층된 열전재료(A), 확산방지층용 재료(B) 및 전극용 재료(C)를 소결시키는 것으로서, 가압 유닛(210) 및 전원 공급 유닛(250)을 포함할 수 있다. 가압 유닛(210)은 챔버(100)의 상하단에 구비되어, 챔버(100)에 적층된 재료들을 가압시킨다. 전원 공급 유닛(250)은 챔버(100)에 적층된 재료들에 대하여 전기 에너지를 가하도록 전원을 공급한다.The sintering unit 200 sinters the thermoelectric material (A), the diffusion barrier layer material (B) and the electrode material (C) stacked in the chamber 100 , and a pressurization unit 210 and a power supply unit 250 . may include The pressing unit 210 is provided at the upper and lower ends of the chamber 100 to pressurize the materials stacked in the chamber 100 . The power supply unit 250 supplies power to apply electrical energy to the materials stacked in the chamber 100 .

구체적으로, 도 3을 참조하여, 소결부(200)는 열간 가압 소결법(Hot Pressing, HP), 스파크 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS) 및 플라즈마 활성화 소결법(Plasma Assisted Sintering, PAS) 중 하나 이상을 이용하여 열전재료(A), 확산방지층용(B) 및 전극용 재료(C)를 소결시키도록 이루어질 수 있다.Specifically, with reference to Figure 3, the sintering unit 200 is a hot pressing sintering method (Hot Pressing, HP), spark plasma sintering method (Spark Plasma Sintering, SPS) and plasma activated sintering method (Plasma Assisted Sintering, PAS) at least one It can be made to sinter the thermoelectric material (A), the diffusion barrier layer (B), and the electrode material (C) by using it.

열간 가압 소결법(HP)은 도 3의 (a)와 같이 챔버(100) 내의 재료들을 가압하는 동시에 가열하는 방식으로 수행된다. 열간 가압 소결법(HP)이 적용되는 경우, 소결부(200)는 가압 유닛(210)을 작동시켜 챔버(100) 내부에 적층된 재료들을 가압하도록 한다.The hot pressing sintering method (HP) is performed in a manner of simultaneously heating and pressing the materials in the chamber 100 as shown in FIG. 3 ( a ). When the hot pressing sintering method (HP) is applied, the sintering unit 200 operates the pressing unit 210 to pressurize the materials stacked in the chamber 100 .

스파크 플라즈마 소결법(SPS)과 플라즈마 활성화 소결법(PAS)은 챔버(100) 내의 재료들의 입자에 소정의 전압과 전류를 부가함으로써, 열적, 기계적, 전기적 에너지를 모두 활용한 소결법이다. 구체적으로, 재료 분말의 입자 간극에 직접 펄스상의 전기 에너지를 투입하여, 불꽃 스파크에 의해 순식간에 발생하는 스파크 플라즈마의 고에너지를 열확산, 전기장의 작용 등에 의해 효과적으로 응용하는 방식이다. Spark plasma sintering (SPS) and plasma activated sintering (PAS) are sintering methods utilizing all of thermal, mechanical, and electrical energy by applying a predetermined voltage and current to particles of materials in the chamber 100 . Specifically, it is a method in which pulsed electric energy is directly injected into the particle gaps of the material powder, and the high energy of the spark plasma generated instantly by the spark spark is effectively applied by thermal diffusion, the action of an electric field, or the like.

스파크 플라즈마 소결법(SPS)과 플라즈마 활성화 소결법(PAS)은 급속한 승온이 가능하므로 입자의 성장을 제어할 수 있으며, 단시간에 치밀한 소결체를 얻을 수 있다. 또한, 난소결 재료라도 용이하게 소결 가능하다는 장점이 있다.Spark plasma sintering (SPS) and plasma activated sintering (PAS) can control the growth of particles because the temperature can be increased rapidly, and a dense sintered body can be obtained in a short time. In addition, there is an advantage that it can be easily sintered even with a non-sintering material.

스파크 플라즈마 소결법(SPS) 또는 플라즈마 활성화 소결법(PAS)을 적용시키는 경우에는, 소결부(200)의 가압 유닛(210)과 전원 공급 유닛(250)이 모두 작동된다.When the spark plasma sintering method (SPS) or the plasma activated sintering method (PAS) is applied, both the pressurization unit 210 and the power supply unit 250 of the sintering unit 200 are operated.

다만 스파크 플라즈마 소결법(SPS)은 도 3의 (b)와 같이 일정한 크기의 직류(DC) 전압이 인가되는 반면에, 플라즈마 활성화 소결법(PAS)은 도 3의 (c)와 같이 일정 주파수의 펄스파가 인가되는 차이가 있다.However, in the spark plasma sintering method (SPS), a direct current (DC) voltage of a constant magnitude is applied as shown in FIG. There is a difference that is accepted.

전술한 소결법들을 비교해보면, 열간 가압 소결법(HP)은 가열효율이 낮은 반면에 스파크 플라즈마 소결법(SPS)과 플라즈마 활성화 소결법(PAS)은 전기적 에너지를 활용하므로 가열효율이 높은 편이다. 이에 따라, 스파크 플라즈마 소결법(SPS)과 플라즈마 활성화 소결법(PAS)의 소결에 소비되는 시간은 열간 가압 소결법(HP)에 비해 짧다.Comparing the above-described sintering methods, the hot pressure sintering method (HP) has a low heating efficiency, whereas the spark plasma sintering method (SPS) and the plasma activated sintering method (PAS) use electrical energy, so the heating efficiency is high. Accordingly, the time consumed for the sintering of the spark plasma sintering method (SPS) and the plasma activated sintering method (PAS) is shorter than that of the hot pressure sintering method (HP).

고주파 유도가열부(300)는 챔버(100) 외측에 배치되는 것으로서, 소결부(200)가 소결 시 챔버(100)에 적층된 재료들을 고주파 유도가열시키도록 형성된다. 이를 위해, 고주파 유도가열부(300)는 챔버(100)의 외주면을 따라 권선되는 유도코일을 포함할 수 있다.The high frequency induction heating unit 300 is disposed outside the chamber 100 , and the sintering unit 200 is formed to high frequency induction heating the materials stacked in the chamber 100 during sintering. To this end, the high frequency induction heating unit 300 may include an induction coil wound along the outer circumferential surface of the chamber 100 .

유도가열은 금속체의 전자기장 유도 현상을 이용하여 가열하는 것으로, 유도가열에서의 에너지 전달 효율은 유도가열의 대상이 되는 재료의 투자율 (permeability)에 비례한다. 일반적으로 반금속 재료는 금속 재료에 비해 투자율이 매우 낮은데, 이는 반금속 재료로 이루어지는 열전재료(A)의 투자율과 금속으로 이루어지는 확산방지층용 재료(B) 또는 전극용 재료(C)의 투자율을 비교하는 경우에도 마찬가지다.Induction heating is heating using the electromagnetic field induction phenomenon of a metal body, and the energy transfer efficiency in induction heating is proportional to the permeability of the material subject to induction heating. In general, semi-metal materials have very low magnetic permeability compared to metallic materials, which compares the magnetic permeability of a thermoelectric material (A) made of a semi-metal material with that of a diffusion barrier layer material (B) or electrode material (C) made of a metal. The same is true if

이러한 열전재료(A)와 확산방지층용 재료(B), 전극용 재료(C)의 투자율 차이 때문에, 각 재료를 동시에 유도가열하더라도 투자율이 비교적 높은 확산방지층용 재료(B)나 전극용 재료(C)에 에너지 전달이 보다 집중되고, 이에 따라 확산방지층용 재료(B)나 전극용 재료(C)가 열전재료(A)보다 높은 온도로 소결되도록 유도된다.Due to the difference in magnetic permeability between the thermoelectric material (A), the material for the diffusion barrier layer (B), and the material for the electrode (C), the material for the diffusion barrier layer (B) or the material for the electrode (C) has relatively high magnetic permeability even when each material is induction heated at the same time ), the energy transfer is more concentrated, and accordingly, the material for the diffusion barrier layer (B) or the material for the electrode (C) is induced to be sintered at a higher temperature than the thermoelectric material (A).

이러한 고주파 유도가열부(300)의 구성을 통하여, 융점이 비교적 낮은 열전재료(A)보다 융점이 매우 높은 확산방지층용 재료(B) 또는 전극용 재료(C)에 보다 높은 유도가열 에너지의 전달이 가능하므로, 각 재료에 적절한 온도로 소결이 가능하게 된다. 즉 고주파 유도가열부(300)는 열전재료(A)와 확산방지층용 재료(B),전극용 재료(C)의 투자율 차이에 의해 확산방지층용 재료(B) 및 전극용 재료(C)가 열전재료(A)보다 높은 온도로 소결되도록 유도하는 역할을 한다.Through the configuration of the high-frequency induction heating unit 300, the transfer of higher induction heating energy to the material for the diffusion barrier layer (B) or the material for the electrode (C) having a very high melting point than the thermoelectric material (A) having a relatively low melting point is achieved. Therefore, it is possible to sinter at a temperature suitable for each material. That is, in the high frequency induction heating unit 300, the material for the diffusion barrier layer (B) and the material for the electrode (C) are thermoelectric due to the difference in magnetic permeability between the thermoelectric material (A), the material for the diffusion barrier layer (B), and the material for the electrode (C). It serves to induce sintering at a higher temperature than material (A).

또한, 간편한 구성을 통하여 열전재료(A), 확산방지층용 재료(B) 및 전극용 재료(C)의 동시 소결을 가능하게 하는 효과가 있다.In addition, there is an effect of enabling simultaneous sintering of the thermoelectric material (A), the material for the diffusion barrier layer (B), and the material for the electrode (C) through a simple configuration.

이러한 구성에 의해, 본 발명에 따른 다층 열전소자용 동시 소결 장치는, 열전재료(A)와 확산방지층용 재료(B) 및 전극용 재료(C)를 고주파 유도가열하여, 각 재료의 투자율 차이에 의해 열전재료(A)보다 확산방지층용 재료(B)와 전극용 재료(C)에 열이 집중되도록 함으로써, 높은 융점의 확산방지층용 재료(B)와 전극용 재료(C)를 소결시킴과 동시에 열전재료의 열화를 방지하여 다층 열전소자의 최적성능이 유지되도록 할 수 있다.With this configuration, the simultaneous sintering apparatus for a multilayer thermoelectric element according to the present invention performs high-frequency induction heating of a thermoelectric material (A), a material for a diffusion barrier layer (B), and a material for an electrode (C), to increase the magnetic permeability of each material. The heat is concentrated on the material for the diffusion barrier layer (B) and the material for the electrode (C) rather than the thermoelectric material (A), thereby sintering the material for the diffusion barrier layer (B) and the material for the electrode (C) having a high melting point. By preventing the deterioration of the thermoelectric material, it is possible to maintain the optimal performance of the multilayer thermoelectric element.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 기술문서 번역 지원 시스템은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.The technical document translation support system according to the embodiment of the present invention can be modified and modified in various ways by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, without departing from the essential characteristics of the present invention. The scope of the technical idea of the present invention is not limited by this.

100 : 챔버
200 : 소결부
210 : 가압 유닛
250 : 전원 공급 유닛
300 : 고주파 유도가열부
A : 열전재료
B : 확산방지층용 재료
C : 전극용 재료100: chamber
200: sintering unit
210: pressurization unit
250: power supply unit
300: high frequency induction heating unit
A: Thermoelectric material
B: Material for diffusion barrier layer
C: material for electrode

Claims (5)

두 종류 이상의 열전재료와, 상기 열전재료 사이에 배치되고 크롬(Cr), 니켈(Ni), 플라티늄(Pt), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au) 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함하는 확산방지층용 재료가 적층된 챔버;
상기 챔버 상하단에서 적층된 재료들을 가압시키는 가압 유닛이 형성되어 상기 적층된 재료들을 소결시키는 소결부; 및
상기 챔버 외측에 배치되되 상기 챔버의 외주면을 따라 권선되는 유도코일을 포함하고, 상기 소결부로 소결 시 적층된 재료들을 고주파 유도가열시키는 고주파 유도가열부;를 포함하여,
상기 챔버의 상측 또는 하측에는 전극용 재료가 상기 열전재료와 접하도록 배치되고,
상기 고주파 유도가열부는,
상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료의 투자율 차이에 의해 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료가 상기 열전재료보다 높은 온도로 소결되도록 유도하여, 상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 동시 소결시키되,
상기 열전재료보다 상기 확산방지층용 재료와 전극용 재료에 열이 집중되도록 하여 상기 확산방지층용 재료와 전극용 재료를 소결시킴과 동시에 상기 열전재료의 열화를 방지하며,
상기 열전재료, 확산방지층용 재료 및 전극용 재료를 동시에 유도가열하더라도, 상기 투자율 차이에 의해 상기 열전재료보다 융점이 높은 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료에 에너지 전달이 집중되어 상기 확산방지층용 재료 및 전극용 재료가 상기 열전재료보다 높은 온도로 소결되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 확산방지층을 포함하는 다층 열전소자용 동시 소결 장치.two or more types of thermoelectric materials, and chromium (Cr), nickel (Ni), platinum (Pt), titanium (Ti), tungsten (W), silicon (Si), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au) and a chamber in which a material for a diffusion barrier layer comprising at least one metal powder selected from the group consisting of alloys is stacked;
a sintering unit having a pressurizing unit for pressing the stacked materials at the upper and lower ends of the chamber to sinter the stacked materials; and
A high-frequency induction heating unit disposed outside the chamber and including an induction coil wound along the outer circumferential surface of the chamber, and configured to high-frequency induction heating the stacked materials during sintering with the sintering unit;
An electrode material is disposed on an upper side or a lower side of the chamber to be in contact with the thermoelectric material,
The high frequency induction heating unit,
By inducing the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode to be sintered at a higher temperature than the thermoelectric material by the difference in magnetic permeability of the thermoelectric material, the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode, the thermoelectric material, the material for the diffusion barrier layer and the electrode Simultaneously sintering the material,
Heat is concentrated on the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode rather than the thermoelectric material, thereby sintering the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode and at the same time preventing deterioration of the thermoelectric material,
Even when the thermoelectric material, the material for the diffusion barrier layer, and the material for the electrode are induction heating at the same time, energy transfer is concentrated in the material for the diffusion barrier layer and the material for the electrode, which has a higher melting point than the thermoelectric material due to the difference in magnetic permeability, so that the material for the diffusion barrier layer And Simultaneous sintering device for a multilayer thermoelectric device comprising a diffusion barrier layer, characterized in that inducing the electrode material to be sintered at a higher temperature than the thermoelectric material. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 소결부는,
열간 가압 소결법(Hot Pressing, HP), 스파크 플라즈마 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS) 및 플라즈마 활성화 소결법(Plasma Assisted Sintering, PAS) 중 하나 이상을 이용하여 상기 열전재료 및 확산방지층용 재료를 소결시키는 것을 특징으로 하는 확산방지층을 포함하는 다층 열전소자용 동시 소결 장치. The method of claim 1,
The sintering unit,
It is characterized in that the thermoelectric material and the material for the diffusion barrier layer are sintered by using one or more of a hot pressing sintering method (Hot Pressing, HP), a spark plasma sintering method (SPS), and a plasma assisted sintering (PAS) method. Simultaneous sintering apparatus for a multi-layer thermoelectric device comprising a diffusion barrier layer. 제1 항에 있어서,
상기 열전재료는,
Bi-Te계 합금 분말, Pb-Te계 합금 분말, Ge-Si계 합금 분말, Fe-Si계 합금 분말, Mg-Si계 합금 분말, Co-Sb계 합금 분말, TAGS(Te-Sb-Ge-Ag)계 합금 분말 및 Mn-Si계 합금 분말로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말을 포함하거나, 경사기능재료(FGM)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확산방지층을 포함하는 다층 열전소자용 동시 소결 장치.The method of claim 1,
The thermoelectric material is
Bi-Te alloy powder, Pb-Te alloy powder, Ge-Si alloy powder, Fe-Si alloy powder, Mg-Si alloy powder, Co-Sb alloy powder, TAGS (Te-Sb-Ge- Ag)-based alloy powder and Mn-Si-based alloy powder containing at least one metal powder selected from the group consisting of, or a gradient functional material (FGM), characterized in that the diffusion barrier layer comprising a simultaneous sintering device for a multi-layer thermoelectric element. 삭제delete
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