KR102673303B1

KR102673303B1 - 열전소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102673303B1
Application number: KR1020190076418A
Authority: KR
Inventors: 이후담; 김병욱; 이우주; 곽진우
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2024-06-10
Also published as: KR20210001020A

Abstract

본 발명에 따른 열전소자는, 절연성의 기판; 상기 기판 상에 배치되는 복수의 제1 전극; 상기 복수의 제1 전극 상에 배치되는 복수의 열전펠렛; 상기 열전펠렛을 상기 제1 전극과 연결하는 접합재; 및 상기 복수의 열전펠렛 상에 배치되어, 상기 복수의 열전펠렛을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극을 포함한다.

Description

열전소자 및 그 제조방법{THERMOELECTRIC DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

열전 현상(thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이는 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다.

최근 에너지 관련 자원의 원가가 급등하고 환경오염이 심해지는 등의 문제를 해결하기 위하여 열전소자(thermoelectric element) 및 열전 모듈(thermoelectric module)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들은 폐열발전 등의 열전발전이나 능동 냉각에 적용되고 있다.

이러한 열전소자에서 열전현상을 일으키는 소재와 각 전극을 연결하기 위해, 접합재를 이용할 수 있다. 그러나 일반적으로 사용되는 접합재의 경우, 고온이 발생할 때, 다량의 열에 의해 파손될 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고온에 노출되는 부위를 개선한 열전소자와 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자는, 절연성의 기판; 상기 기판 상에 배치되는 복수의 제1 전극; 상기 복수의 제1 전극 상에 배치되는 복수의 열전펠렛; 상기 열전펠렛을 상기 제1 전극과 연결하는 접합재; 및 상기 복수의 열전펠렛 상에 배치되어, 상기 복수의 열전펠렛을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자 제조방법은, 절연성의 기판 상의 복수의 제1 전극과, 복수의 열전펠렛을 접합재를 이용해 접합시켜서 1차 모듈을 형성하는 단계; 상기 1차 모듈의 일부를, 상변화재가 담긴 용기에 침지시키는 단계; 상기 1차 모듈의 나머지 일부에, 전극 형상 구조체를 조립하는 단계; 상기 1차 모듈과 상기 전극 형상 구조체의 상면에, 상기 복수의 열전펠렛을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 전극을 형성함으로써 형성된 열전소자를 상기 용기로부터 빼내는 단계를 포함하고, 상기 전극 형상 구조체는, 상기 복수의 제2 전극들 중 서로 인접한 제2 전극들을 서로 구분하는 복수의 전극분리벽을 구비한다.

이에 따라, 고온에 노출되는 고온부에서 접합재의 파손을 줄일 수 있다.

고가의 접합재를 사용하지 않고도 고온부의 전극과 열전펠렛을 연결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 일부 영역을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈을 용기에 침지한 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 전극 형상 구조체를 조립한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 구조체를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 전단계 전극을 형성한 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 형성된 전단계 전극을 가공하여 제2 전극을 형성해 열전소자를 제조한 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 일 변형예에 따른 열전소자의 용기의 외벽을 슬라이딩 가능하게 구성한 상황을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 다른 변형예에 따른 열전소자의 용기에 배출공이 형성되고, 지그를 더 포함하도록 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)와 그 제조방법에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)의 평면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)의 일부 영역을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)는, 기판(10), 제1 전극(20), 접합재(60) 및 제2 전극(50)을 포함하고, 전극 형상 구조체(40)와 절연층을 더 포함할 수 있다.

기판(10)

기판(substrate, 10)은 절연성을 가지는 재질을 포함하여 구성된 구성요소이다. 기판(10)을 구성하는 재질은, 세라믹계이거나 금속계일 수 있으나, 기판(10)의 내측을 구성하는 소재가 도전성을 가진다 해도, 그 표면에 절연처리가 이루어져 절연성을 가질 수 있다. 표면을 절연처리 하기 위해, 기판(10)의 외측면을 구성하는 절연성의 수지층을 기판(10)이 더 가질 수 있다.

기판(10)은 평판형으로 형성되어, 후술할 열전소자(1)의 구성요소들이 안착되어 고정될 수 있다. 후술할 제1 전극(20)이 기판(10)에 바로 안착되므로, 기판(10)과 제1 전극(20)이 전기적으로 서로 통하지 않기 위해, 기판(10)이 절연성을 가지는 재질을 포함할 수 있다.

제1 전극(20)

제1 전극(20)은 기판(10) 상에 배치되는, 전기가 통하는 구성요소이다. 따라서 제1 전극(20)은 도전성의 소재로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(20)은 구리로 구성될 수 있으나, 그 재질의 종류는 이에 제한되지 않는다.

제1 전극(20)은, 복수로 구성될 수 있다. 복수의 제1 전극(20) 각각은, 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 즉 제1 전극(20)이 기판(10)과 열전펠렛(30) 사이에 배치되어, 2개의 열전펠렛(30)을 기판(10) 상에서 연결하는 역할을 한다.

도 2에 도시된 것과 같이, 제1 전극(20)이, 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있다. 복수의 열전펠렛(30)이 가로 방향과 세로 방향을 가지는 격자형으로 배치되는 경우, 어떠한 일 제1 전극(20)은 가로로 길게 배치되어, 가로 방향을 따라 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있고, 다른 제1 전극(20)은 세로로 길게 배치되어, 세로 방향을 따라 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있다. 복수의 제1 전극(20)의 배치는 소정의 형상으로 패턴화 될 수 있다.

각각의 제1 전극(20)은, 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)들로 구성된 열전펠렛(30) 쌍 중 서로 다른 열전펠렛(30) 쌍을 연결할 수 있다. 각각의 열전펠렛(30) 쌍은, 하나의 p형 열전펠렛(32)과 하나의 n형 열전펠렛(31)을 포함할 수 있다. 따라서 어떠한 제1 전극(20)이 연결하는 열전펠렛(30) 쌍과, 동일한 열전펠렛(30) 쌍을 연결하는 제1 전극(20)은 존재하지 않을 수 있다. 이러한 복수의 제1 전극(20)들은, 서로 이격되어 배치될 수 있다.

이러한 제1 전극(20)의 배치는 제2 전극(50)에 대해서도 마찬가지로 적용될 수 있다. 복수의 제1 전극(20), 복수의 제2 전극(50) 및 복수의 열전펠렛(30)이 상술한 방식으로 연결되어, 직렬로 연결되어 하나의 전류 경로를 형성할 수 있다.

제1 전극(20)은, 열전펠렛(30)에 의해 생성된 전기를 외부의 축전장치(미도시)로 전달하도록, 외부의 축전장치와 연결될 수 있다. 이러한 축전장치와 연결되는 제1 전극(20)은, 직렬로 연결된 전류 경로의 말단에 위치한 제1 전극(20)일 수 있다.

접합재(60)

접합재(60)는 열전펠렛(30)을 제1 전극(20)과 연결하는 구성요소이다. 접합재(60)는 주석(Sn)을 포함하는 재질로 구성될 수 있으나, 그 구성이 이에 제한되지는 않는다. 접합재(60)에 가열이 이루어짐에 따라 용융이 일어나고, 용융된 접합재(60)가 제1 전극(20)에 도포되고, 열전펠렛(30)이 접합재(60)가 도포된 영역에 안착된 뒤, 접합재(60)가 경화되어 열전펠렛(30)과 제1 전극(20)의 물리적, 전기적 접합이 이루어질 수 있다.

열전펠렛(30)

열전펠렛(30)은 복수의 제1 전극(20) 상에 배치되는 구성요소로, 전기가 인가되면 양단에 온도차를 가지거나, 양단에 온도차가 생기면 전기를 발생시키는 열전반도체이다.

이러한 복수의 열전펠렛(30)은, p형 열전펠렛(32)과 n형 열전펠렛(31)을 포함할 수 있다. 각각의 종류의 열전펠렛(30)은, 교번적으로 배치되어 제1 전극(20) 및 제2 전극(50)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 따라서 전기적으로 연결되기 위해, 복수의 제1 전극(20) 및 복수의 제2 전극(50)이 복수의 열전펠렛(30)의 일면과 타면에 각각 접촉한다. 다만 각각의 열전펠렛(30)은 서로 이격되어, 전기적으로 직접 연결되지 않을 수 있다.

열전펠렛(30)은 도시된 것과 같이 직육면체의 형상으로 형성될 수 있다. 열전펠렛(30)은 일 방향으로 길게 연장되어, 연장된 방향 일단에 위치한 면이 제1 전극(20)에 연결되고, 타단에 위치한 면이 제2 전극(50)에 연결될 수 있다. 그러나 열전펠렛(30)의 형상은 이에 제한되지 않는다.

각각의 전극(20, 50)에 연결된 전력공급원(미도시)이 전기를 인가해, 전극(20, 50)에 연결된 열전펠렛(30)에도 전기가 인가될 수 있다. 전기가 인가되면, p형 열전펠렛(32)의 정공과 n형 열전펠렛(31)의 전자가 이동함으로써, 각각의 열전펠렛(30) 양단에서 발열과 흡열이 일어날 수 있다.

또한 제1 전극(20) 및 제2 전극(50) 중 적어도 하나가 열원에 노출될 수 있다. 열원에 의하여 전극(20, 50)이 열을 공급받을 경우, 전자와 정공이 이동함에 따라 열전펠렛(30)에 전류의 흐름이 생겨, 전기를 생산할 수 있다.

복수의 열전펠렛(30)들은, 제1 전극(20)이 저온부가 되고, 제2 전극(50)이 고온부가 되도록 배치된다. 따라서 만일 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)를 이용해 폐열발전시스템을 구성할 경우, 제2 전극(50)이 위치한 면을, 열원과 인접하도록 배치할 수 있다.

제2 전극(50)

제2 전극(50)은 전기가 통하는 구성요소이다. 따라서 제2 전극(50)은 도전성의 소재로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제2 전극(50)은 알루미늄을 포함하는 재질로 구성될 수 있으나, 그 재질의 종류는 이에 제한되지 않는다.

제2 전극(50)은 복수로 구성되고, 복수의 열전펠렛(30) 상에 배치되어, 복수의 열전펠렛(30)을 직렬로 연결할 수 있다. 복수의 제2 전극(50) 각각은, 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 즉 제2 전극(50)이 기판(10)과 열전펠렛(30) 사이에 배치되어, 2개의 열전펠렛(30)을 기판(10) 상에서 연결하는 역할을 한다.

도 2에 도시된 것과 같이, 제2 전극(50)이, 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있다. 복수의 열전펠렛(30)이 가로 방향과 세로 방향을 가지는 격자형으로 배치되는 경우, 어떠한 일 제2 전극(50)은 가로로 길게 배치되어, 가로 방향을 따라 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있고, 다른 제2 전극(50)은 세로로 길게 배치되어, 세로 방향을 따라 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 연결할 수 있다. 복수의 제2 전극(50)의 배치는 소정의 형상으로 패턴화 될 수 있다.

각각의 제2 전극(50)은, 서로 다른 열전펠렛(30) 쌍을 연결할 수 있다. 따라서 어떠한 제2 전극(50)이 연결하는 열전펠렛(30) 쌍과, 동일한 열전펠렛(30) 쌍을 연결하는 제2 전극(50)은 존재하지 않을 수 있다. 이러한 복수의 제2 전극(50)들은, 서로 이격되어 배치될 수 있다.

동시에 복수의 제2 전극(50)은, 복수의 제1 전극(20)에 의해서 전기적으로 연결되지 않은 서로 인접한 2개의 열전펠렛(30)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 즉 제1 전극(20)에 의해서 연결되는 열전펠렛(30) 쌍과, 제2 전극(50)에 의해서 연결되는 열전펠렛(30) 쌍은, 중복되지 않을 수 있다.

제2 전극(50)의 표면 중 열전펠렛(30)과 접촉하지 않은 면에는, 절연성의 절연층이 배치될 수 있다. 이러한 절연층은, 세라믹 소재를 포함하는 소재로 구성될 수 있으나, 그 소재가 이에 제한되지 않는다. 또한 절연층 이후에 제2 전극(50)과 연결되는 다른 기판(10)이 더 배치될 수 있다.

제2 전극(50)은, 열전펠렛(30)에 의해 생성된 전기를 외부의 축전장치로 전달하도록, 외부의 축전장치와 연결될 수 있다. 이러한 축전장치와 연결되는 제2 전극(50)은, 직렬로 연결된 전류 경로의 말단에 위치한 제2 전극(50)일 수 있다.

전극 형상 구조체(40)

전극 형상 구조체(40)를 설명하기 위해, 도 6을 더 참조할 수 있다. 전극 형상 구조체(40)는, 제2 전극(50)의 형성을 위해 마련되는 틀과 같은 구성요소이다. 전극 형상 구조체(40)는 내벽인 복수의 전극분리벽(41)을 구비한다. 전극분리벽(41)은, 서로 인접한 제2 전극(50)들을 서로 구분하는 내벽이다.

전극분리벽(41)에 의해 구분된 공간인 구분 공간(43)은, 다시 전극 공간(431)과 펠렛 공간(432)으로 나뉠 수 있다. 다만 구분 공간(43)과 펠렛 공간(432) 사이에는, 서로를 구분하는 물리적인 구성이 존재하지 않을 수 있다.

구분 공간(43)에는 펠렛분리벽(42)이 배치될 수 있다. 펠렛분리벽(42)은, 구분 공간(43)의 영역 중 열전펠렛(30)과 인접한 영역에 배치될 수 있다. 펠렛분리벽(42)과 전극분리벽(41)에 의해 정의되는 공간은 펠렛 공간(432)으로, 이 공간에는 열전펠렛(30)의 일부가 삽입될 수 있다. 따라서 펠렛분리벽(42)은 서로 인접한 열전펠렛(30)들의 사이에 배치될 수 있다.

펠렛분리벽(42)이 존재하지 않아 전극분리벽(41)에 의해서만 정의되는 공간은 전극 공간(431)으로, 전극 공간(431)에는 제2 전극(50)이 배치될 수 있다. 펠렛 공간(432)과 전극 공간(431)이 서로 연결되므로, 펠렛 공간(432)에 삽입된 열전펠렛(30)과 전극 공간(431)에 배치된 제2 전극(50)이 서로 접촉하여 연결될 수 있다. 전극분리벽(41)에 의해서 각각의 제2 전극(50)이 분리됨에 따라, 각각의 제2 전극(50)들이 서로 직접적으로 연결되지 않을 수 있다.

구분 공간(43)은, 일 방향을 따라 개구될 수 있다. 따라서 도시된 것과 같이, 상하로 개방된 구멍과 같은 형태로 형성될 수 있다.

전극 형상 구조체(40)의 형상은, 제2 전극(50)이 배치되기 위한 패턴을 따라서 형성될 수 있다. 그러나 도 6에서 도시된 전극 형상 구조체(40)의 형상에 그 형상이 제한되지는 않는다.

전극 형상 구조체(40)의 가장 외측에 위치한 부분은, 후술할 제조과정에서 필요한 용기(70)의 가장 외측에 위치한 외벽(71)에 안착될 수 있다. 이에 대해서는, 도 4에 대한 설명에서 자세히 설명한다.

열전소자(1) 제조방법

도 9를 더 참조하고, 각 단계의 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1) 제조방법에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈을 도시한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 도전성의 기판(10) 상의 복수의 제1 전극(20)과, 복수의 열전펠렛(30)을 접합재(60)를 이용해 접합시켜서 1차 모듈을 형성하는 단계(S10)가 수행된다. 따라서 1차 모듈은 기판(10), 제1 전극(20), 접합재(60) 및 열전펠렛(30)을 포함한다.

1차 모듈을 형성하는 단계는, 기판(10)을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 기판(10)이 준비되면, 기판(10) 상에 복수의 제1 전극(20)을 배치하는 단계가 수행된다. 제1 전극(20)은 기판(10) 상에 마스킹 후 증착되거나, 증착된 후 식각되는 등의 방식으로 형성될 수 있으나, 그 형성되는 방식이 이에 제한되지는 않는다.

제1 전극(20) 상에 접합재(60)를 도포하는 단계가 수행될 수 있다. 접합재(60)는 저온에서 사용하기에 적합하고 제1 전극(20)에 대해 젖음성이 좋은 접합재(60)가 사용될 수 있다. 접합재(60)가 도포되기 위해, 접합재(60)는 먼저 용융될 수 있다.

접합재(60)가 도포된 제1 전극(20) 상에, 복수의 열전펠렛(30)을 배치하는 단계가 수행될 수 있다. 복수의 열전펠렛(30)은, 소정의 전기 흐름에 맞게, 원하는 전기 경로를 만족시킬 수 있도록 복수의 제1 전극(20) 상에 배열될 수 있다. 상술한 것과 같이, p형 열전펠렛(32)과 n형 열전펠렛(31)이 교번적으로 배치될 수 있다.

접합재(60)를 경화시켜 열전펠렛(30)과, 열전펠렛(30)에 연결된 제1 전극(20)을 접합시키는 단계가 수행될 수 있다. 즉 열전펠렛(30)을 제1 전극(20)에 고정함에 따라, 1차 모듈이 형성된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈을 용기(70)에 침지한 상태를 도시한 도면이다.

도 4를 더 참조하면, 1차 모듈의 일부를, 상변화재(PF)가 담긴 용기(70)에 침지시키는 단계가 수행된다(S20). 용기(70)는, 일측이 개방된 그릇의 형태로 형성되어, 형성된 공간에 상변화재(PF)를 수용한다. 이러한 용기(70)의 내부 공간의 높이는, 1차 모듈의 높이보다 작게 형성될 수 있다.

상변화재(PF)가 용기(70)에 수용된 상태에서 1차 모듈이 용기(70) 내로 진입하여 침지되기 위해서, 상변화재(PF)를 가열해서 용융시키는 단계가 수행될 수 있고. 용융된 상변화재(PF)에 1차 모듈을 침지시키는 단계가 수행될 수 있다.

상변화재(PF)는 접합재(60)나 열전펠렛(30)의 성능에 영향을 주지 않는 온도에서 상변화를 일으켜 용융되는 소재이다. 상변화재(PF)는, 파라핀 또는 파라핀 기반 소재일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 전극 형상 구조체(40)를 조립한 상태를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 형상 구조체(40)를 도시한 사시도이다.

도 5 및 도 6을 더 참조하면, 1차 모듈의, 침지되지 않은 나머지 일부에, 전극 형상 구조체(40)를 조립하는 단계(S30)가 수행될 수 있다. 1차 모듈의 침지되지 않은 나머지 일부는, 열전펠렛(30)의 일부분일 수 있다. 따라서, 전극 형상 구조체(40)의 펠렛 공간(432)이 열전펠렛(30)에 조립되도록, 전극 형상 구조체(40)가 용기(70)에 안착되는 방식으로 조립이 이루어질 수 있다.

전극 형상 구조체(40)를 조립하는 단계는, 용기(70)에 담긴 상변화재(PF)를 굳히는 단계를 포함할 수 있다. 상변화재(PF)가 파라핀인 경우, 상온과 같은 상태를 만들어 주는 것 만으로도 상변화재(PF)를 응고시킬 수 있다.

상변화재(PF)가 응고됨에 따라, 상변화재(PF) 상에 어떠한 사물을 안착시켜도 침지가 일어나지 않을 수 있다. 따라서 이러한 상태에서 상변화재(PF)로부터 돌출된 상기 1차 모듈의 나머지 일부에, 전극 형상 구조체(40)를 조립하는 단계가 수행될 수 있다. 열전펠렛(30)의 돌출된 일부가 펠렛 공간(432)으로 삽입되고, 전극 형상 구조체(40)의 가장 외측에 위치한 영역은, 용기(70)의 가장 외측에 위치한 외벽(71)에 안착될 수 있다.

펠렛분리벽(42)의 높이는, 상변화재(PF)로부터 돌출된 열전펠렛(30)의 높이 이하일 수 있다. 전극분리벽(41)의 높이는, 상변화재(PF)로부터 돌출된 열전펠렛(30)의 높이보다 높을 수 있다. 상변화재(PF)로부터 돌출된 열전펠렛(30)의 높이는, 전체 열전펠렛(30)의 높이의 1/3과 같거나 이보다 작을 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 전단계 전극(500)을 형성한 상태를 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 모듈에 형성된 전단계 전극(500)을 가공하여 제2 전극(50)을 형성해 열전소자(1)를 제조한 상태를 도시한 도면이다.

도 7과 도 8을 더 참조하면, 1차 모듈과 전극 형상 구조체(40)의 상면에, 복수의 열전펠렛(30)을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극(50)을 형성하는 단계(S40)가 수행될 수 있다.

제2 전극(50)을 형성하는 단계는, 1차 모듈과 전극 형상 구조체(40)의 상면에, 전단계 전극(500)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 도 7에서 확인할 수 있다. 전단계 전극(500)을 형성하는 단계에서는, 용사 코팅, 페이스트 도포, PVD(Physical Vapor Deposition) 등의 방식으로 전단계 전극(500)을 형성할 수 있다. 전단계 전극(500)을 형성하기 위해, 전극 소재를 전극 형상 구조체(40)의 상면에 채워 넣을 수 있다. 전극 소재는 알루미늄을 포함할 수 있다.

이러한 전극 소재는 전극 공간(431)을 채울 수 있지만, 전극분리벽(41)의 상면에도 안착될 수 있어서, 전극 형상 구조체(40)의 상면 전체를 덮는 전단계 전극(500)을 형성할 수 있다. 전극 소재가 굳어져 전단계 전극(500)을 형성한다.

제2 전극(50)을 형성하는 단계는, 전단계 전극(500)을 삭제하여, 복수의 제2 전극(50)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 도 8에서 확인할 수 있다. 전극분리벽(41)보다 높게 형성된 전단계 전극(500)을 기계가공하여 면삭함에 따라, 전극 공간(431)에 위치한 제2 전극(50)만이 남아, 인접한 제2 전극(50)간의 직접적인 전기적 연결이 차단된다. 전단계 전극(500)을 삭제하는 방법은, 물리적 마찰에 의해 전단계 전극(500)을 갈아내는 방법, 적절한 물질을 이용한 화학적 에칭, 기계요소에 의해 강한 힘을 가하여 이루어지는 기계적 절삭을 포함할 수 있다.

이러한 과정을 거쳐 제2 전극(50)을 형성함에 따라, 열전펠렛(30)과 제2 전극(50) 사이에, 저온부인 제1 전극(20)과 같이 접합재(60)가 배치되지 않는다 해도 서로 잘 접합될 수 있다. 따라서 고온부에 접합재가 배치되는 경우, 고온부에 가해지는 다량의 열에너지에 의해, 접합재가 파손되어 발생하는 문제점을, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자(1)는 가지지 않을 수 있다. 또한 고온의 접합재를 고온부에 사용하여 열전펠렛(30)과 제2 전극(50)을 접할할 필요가 사라진다.

제2 전극(50)이 형성된 후, 제2 전극(50) 상에 절연성의 절연층을 형성하는 단계가 더 수행될 수 있다.

제2 전극(50)을 형성함으로써 형성된 열전소자(1)를 상기 용기(70)로부터 빼내는 단계(S50)가 수행된다. 열전소자(1)를 상기 용기(70)로부터 빼내는 단계는, 용기(70)를 가열하여 상변화재(PF)를 녹이는 단계를 포함할 수 있다. 상변화재(PF)를 액화시켜서, 상변화재(PF)로부터 열전소자(1)가 분리될 수 있다. 이후 열전소자(1)와 용기(70)를 서로 분리하는 단계가 수행될 수 있다.

전극 형상 구조체(40)는, 열전소자(1)의 형성이 완료된 후 기계가공을 통해 제거될 수도 있다.

도 10과 도 11을 참조하여, 상변화재(PF)를 용기(70)로부터 빼내기 위한 구조에 대해서 설명한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예의 일 변형예에 따른 열전소자(1)의 용기의 외벽(71)을 슬라이딩 가능하게 구성한 상황을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예의 일 변형예에 따르면, 용기의 외벽(71)이, 용기(70)의 다른 부분에 대해 슬라이딩 가능하게 결합된 상태로 제공될 수 있다. 따라서, 용기의 외벽(71)이 도 8과 같은 위치에 배치된 상태에서 가열이 이루어져 상변화재(PF)가 용융된 후, 도 10에 도시된 것과 같이 용기의 외벽(71)이 슬라이딩하여, 외벽(71)과 전극분리벽(41) 사이에 배출구(72)를 형성할 수 있고, 이러한 배출구(72)를 통해 용융된 상변화재(PF)가 용기(70)의 외부로 배출될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예의 다른 변형예에 따른 열전소자(1)의 용기(70)에 배출공(73)이 형성되고, 지그(80)를 더 포함하도록 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예의 다른 변형예에 따르면, 용기(70)에 구멍인 배출공(73)이 형성될 수 있다. 배출공(73)은 용기(70)의 바닥에 복수 개 형성될 수 있다. 따라서, 용기(70)에 대한 가열이 이루어져 상변화재(PF)가 용융되면, 배출공(73)을 통해서 용융된 상변화재(PF)가 배출될 수 있다. 다만 최초 액체상태의 상변화재(PF)를 용기(70)에 담고 굳히기 위해서, 배출공(73)이 차단되어야 한다. 이 때 배출공(73)을 통해서 상변화재(PF)가 배출되지 않도록, 배출공(73)을 차단하는 지그(80)를 열전소자(1)가 더 포함할 수 있다. 지그(80)는 용기(70)의 하단부를 감싸는 형상으로 형성되되, 용기(70)와 결합될 때 배출공(73)을 차단할 수 있도록 형성될 수 있다. 따라서 도 4의 단계에서 상변화재(PF)를 용기(70)에 부어줄 때에는 용기(70)에 지그(80)가 결합된 상태일 수 있고, 열전소자(1)가 완성된 상태에서 상변화재(PF)를 배출하기 위한 상태에 도달하면, 지그(80)가 용기(70)로부터 분리될 수 있다. 또한 이러한 배출이 가능하도록, 기판(10)에도 구멍이 형성되어, 용융된 상변화재(PF)가 용기(70)의 배출공(73)에 도달하도록 할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 열전소자
10 : 기판
20 : 제1 전극
30 : 열전펠렛
31 : n형 열전펠렛
32 : p형 열전펠렛
40 : 전극 형상 구조체
41 : 전극분리벽
42 : 펠렛분리벽
43 : 구분 공간
50 : 제2 전극
60 : 접합재
70 : 용기
71 : 용기의 외벽
72 : 외벽과 전극분리벽 사이의 배출구
73 : 배출공
80 : 지그
431 : 전극 공간
432 : 펠렛 공간
500 : 전단계 전극
PF : 상변화재

Claims

절연성의 기판;
상기 기판 상에 배치되는 복수의 제1 전극;
상기 복수의 제1 전극 상에 배치되는 복수의 열전펠렛;
상기 열전펠렛을 상기 제1 전극과 연결하는 접합재;
상기 복수의 열전펠렛 상에 배치되어, 상기 복수의 열전펠렛을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극; 및
상기 복수의 제2 전극들 중 서로 인접한 제2 전극들을 서로 구분하는 복수의 전극분리벽을 구비하는 전극 형상 구조체를 더 포함하고,
상기 복수의 전극분리벽에 의해 정의되는 복수의 구분 공간에 상기 제2 전극들이 각각 배치되어 상기 복수의 열전펠렛과 접촉하고,
상기 전극 형상 구조체는, 상기 제2 전극에 의해 서로 연결되는 서로 인접한 상기 열전펠렛들의 사이에 배치되되, 상기 제2 전극의 표면 중 상기 열전펠렛과 접촉하는 면을 지지하도록 상기 전극분리벽으로부터 연장되는 펠렛분리벽;을 더 포함하는, 열전소자.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 열전펠렛은, p형 열전펠렛과 n형 열전펠렛을 포함하고,
상기 p형 열전펠렛과 n형 열전펠렛이 교번적으로 직렬로 연결되도록, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극이 상기 복수의 열전펠렛에 접촉하는, 열전소자.
제4항에 있어서,
상기 제1 전극은, 서로 인접한 2개의 상기 열전펠렛을 서로 전기적으로 연결하고,
상기 제2 전극은, 상기 제1 전극에 의해서 전기적으로 연결되지 않은 서로 인접한 2개의 상기 열전펠렛을 서로 전기적으로 연결하는, 열전소자.
제1항에 있어서,
상기 제2 전극의 표면 중 상기 열전펠렛과 접촉하지 않은 면에 배치되는, 절연성의 절연층을 더 포함하는, 열전소자.
제6항에 있어서,
상기 절연층은, 세라믹 소재를 포함하는 소재로 구성되는, 열전소자.
절연성의 기판 상의 복수의 제1 전극과, 복수의 열전펠렛을 접합재를 이용해 접합시켜서 1차 모듈을 형성하는 단계;
상기 1차 모듈의 일부를, 상변화재가 담긴 용기에 침지시키는 단계;
상기 1차 모듈의 나머지 일부에, 전극 형상 구조체를 조립하는 단계;
상기 1차 모듈과 상기 전극 형상 구조체의 상면에, 상기 복수의 열전펠렛을 직렬로 연결하는 복수의 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제2 전극을 형성함으로써 형성된 열전소자를 상기 용기로부터 빼내는 단계를 포함하고,
상기 전극 형상 구조체는, 상기 복수의 제2 전극들 중 서로 인접한 제2 전극들을 서로 구분하는 복수의 전극분리벽 및 상기 제2 전극에 의해 서로 연결되는 서로 인접한 상기 열전펠렛들의 사이에 배치되되 상기 제2 전극의 표면 중 상기 열전펠렛과 접촉하는 면을 지지하도록 상기 전극분리벽으로부터 연장되는 펠렛분리벽을 구비하는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 전극 형상 구조체를 조립하는 단계는,
상기 용기에 담긴 상변화재를 굳히는 단계; 및
응고된 상기 상변화재로부터 돌출된 상기 1차 모듈의 나머지 일부에, 상기 전극 형상 구조체를 조립하는 단계를 포함하는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 전극 형상 구조체는, 상기 1차 모듈의 나머지 일부에 조립될 때, 가장 외측에 위치한 부분이, 상기 용기의 가장 외측에 위치한 외벽에 안착되는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 복수의 제2 전극을 형성하는 단계는,
상기 1차 모듈과 상기 전극 형상 구조체의 상면에, 전단계 전극을 형성하는 단계; 및
상기 전단계 전극을 삭제하여, 상기 복수의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 열전소자 제조방법.
제11항에 있어서
상기 전단계 전극을 형성하는 단계는,
용사 또는 페이스트 도포의 방식으로 전단계 전극을 형성하는 단계인, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 열전소자를 상기 용기로부터 빼내는 단계는,
상기 용기를 가열하여 상기 상변화재를 녹이는 단계; 및
상기 열전소자와 상기 용기를 서로 분리하는 단계를 포함하는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 1차 모듈을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 상기 복수의 제1 전극을 배치하는 단계;
상기 제1 전극 상에 용융된 상기 접합재를 도포하는 단계;
상기 복수의 열전펠렛을 상기 접합재가 도포된 제1 전극 상에 배치하는 단계; 및
상기 접합재를 경화시켜 상기 복수의 열전펠렛과 상기 제1 전극을 접합시키는 단계를 포함하는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 제2 전극 상에, 절연성의 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 열전소자 제조방법.
제8항에 있어서
상기 상변화재는, 파라핀인, 열전소자 제조방법.