KR20130127712A - 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20130127712A KR1020120051441A KR20120051441A KR20130127712A KR 20130127712 A KR20130127712 A KR 20130127712A KR 1020120051441 A KR1020120051441 A KR 1020120051441A KR 20120051441 A KR20120051441 A KR 20120051441A KR 20130127712 A KR20130127712 A KR 20130127712A
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Abstract

본 발명은 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 상, 하부 기판의 대향면에 접합층을 형성하는 단계; 상기 상, 하부 기판의 접합층에 설정 패턴에 맞게 배열된 전극을 접합하여 가고정하는 단계; 상기 상, 하부 기판에 실장된 상기 전극 상에 설정 패턴으로 솔더를 인쇄하는 단계; 상기 하부 기판에 인쇄된 상기 솔더 상에 P형 및 N형 소자를 순차적으로 실장하는 단계; 상기 소자의 실장 후에 상기 상부 기판을 솔더링하는 단계; 및 상기 상, 하부 기판을 제조된 열전 모듈에서 탈거하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 열전 모듈 또는 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조 시 열전 모듈을 세라믹 기판을 생략한 골격(Skeleton)형으로 구비하여 접합 계면의 감소, 접합면에서의 열저항 감소, 열부하 감소, 기계적 접합 공정이 불필요하며, 열전 모듈과, 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 일체형으로 제작 가능한 효과가 있다.

Description

골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법 {SKELETON TYPE THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURE METHOD THEREOF AND THERMOELECTRIC UNIT HAVING SKELETON TYPE THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}
본 발명은 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전 모듈을 세라믹 기판 없이 골격형으로 구비 가능한 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열전 모듈은 열에너지와 전기에너지의 상호변환이 가능한 친환경적인 에너지재료로써, 알루미나 등의 세라믹기판을 사이에 두고 칩형태의 p형과 n형의 열전반도체가 전기적으로 직렬로 실장된 형태를 가지고 있다. 즉, 열전 모듈에 전기에너지를 인가하게 되면 열전반도체 내부의 전하(전자, 정공)는 열전모듈의 일단에서 열에너지를 흡수하여 반대면으로 이동시키며, 이로 인하여 열전모듈의 일면은 냉각이 되고 반대면은 발열이 된다. 이때 열전반도체에 의해 이동하는 열에너지는 다양한 접합계면을 가지게 되며, 열전모듈이 충분한 열에너지를 흡수(냉각)하여 반대면으로 이송(발열)하기 위해서는 다양한 접합계면에서의 열저항에 의한 열손실을 줄여줄 수 있는 방안이 절실히 요구된다.
이러한 열전모듈과 관련된 기술이 공개특허 제2010-0091861호 및 공개특허 제2011-0077492호에 제안된 바 있다.
이하에서 종래기술로서 공개특허 제2010-0091861호 및 공개특허 제2011-0077492호에 개시된 열전모듈 구조를 간략히 설명한다.
도 1은 공개특허 제2010-0091861호(이하 '종래기술 1'이라 함)에서 열전모듈의 제 1변형예들을 나타내는 도면이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 열전모듈은 직류전류가 통전되면 펠티어(Peltier) 효과에 따라 일측 접합부에서 열을 흡수하고 타측 접합부에서 열을 발산하는 열전소자(10)와, 열전소자(10)의 일면 및 타면에 구비되는 한 쌍의 기판(20,20')과, 열전소자(10) 및/또는 기판(20,20')측을 구속하여 전체 열전모듈을 피설치부(미도시; 열전모듈이 설치되는 물품)에 설치되도록 하는 모듈설치부재(30)를 구비한다.
여기서, 기판(20,20')은 세라믹 재질로 구성된 것이 널리 이용되고 있지만, 열전소자(10)로부터 방출되는 열기 또는 냉기를 용이하게 전달할 수 있는 소재라면 다양한 재질에 의해 구성될 수 있다. 특히, 신축성이 요구되는 물품이 나 장치에 설치되는 경우에는 열전도성을 갖는 고분자 시트로 구성될 수 있다.
그러나 종래기술 1에 의한 열전모듈은, 기판(20,20')은 세라믹 재질로 구성되어 상기 기판(20,20')과 열전소자(10)와의 사이에서 열팽창 계수차에 따른 열전소자와 세라믹 기판 간의 접합 계면이 존재하여 열손실이 발생하고, 접합면에서의 열저항이 발생하며, 기판 역시 열부하로 작용하는 문제점이 있었다.
도 2는 공개특허 제2011-0077492호(이하 '종래기술 2'라 한다)의 발전용 열전 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
종래기술 2의 열전 모듈은 상하 알루미나 기판(111, 112), 전극(131), 솔더(solder, 132), 열전 소자(133) 및 인출 전선(140)으로 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 종래의 발전용 열전모듈의 제조 공정은 다음과 같다.
먼저, 하부 알루미나 기판(111) 상에 구리(Cu) 또는 은(Ag) 페이스트를 [0007] 스크린 프린팅 기법을 통하여 패터닝(patternig) 후 소결하여 전극(131)을 형성한다. 다음으로, 전극(131) 상에 체 모양의 얇은 판을 이용하여 솔더(132)를 도포한다. 다음으로, 전극(131) 패터닝에 대응되도록 열전 소자(133)를 배치한 후, 160℃ ~ 200℃의 온도에서 프레스 공정을 거쳐 하부 알루미나 기판(111) 상의 전극(131)과 열전 소자(133)의 접합이 이루어진다. 다음으로, 상부 알루미나 기판(112)에도 전극 패터닝과 솔더 도포 공정을 거친 후, 마지막으로 160℃ ~ 200℃의 온도에서 프레스 공정을 거쳐 열전 모듈을 완성한다.
그러나 종래기술 2에 의한 열전모듈 역시 기판을 세라믹 알루미나 재질로 형성하여 열팽창 계수차에 따른 열전소자와 세라믹 알루미나 기판 간의 접합 계면이 존재하여 열손실이 발생하고, 접합면에서의 열저항이 발생하며, 기판 역시 열부하로 작용하는 문제점이 있었다.
KR 2010-0091861 A1 KR 2011-0077492 A1
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전 모듈 또는 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조 시 열전 모듈을 세라믹 기판을 생략한 골격(Skeleton)형으로 구비하여 접합 계면의 감소, 접합면에서의 열저항 감소, 열부하 감소, 기계적 접합 공정이 불필요한 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 열전 모듈과, 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 일체형으로 제작 가능한 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 상, 하부 기판의 대향면에 접합층을 형성하는 단계; 상기 상, 하부 기판의 접합층에 설정 패턴에 맞게 배열된 전극을 접합하여 가고정하는 단계; 상기 상, 하부 기판에 실장된 상기 전극 상에 설정 패턴으로 솔더를 인쇄하는 단계; 상기 하부 기판에 인쇄된 상기 솔더 상에 P형 및 N형 소자를 순차적으로 실장하는 단계; 상기 소자의 실장 후에 상기 상부 기판을 솔더링하는 단계; 및 상기 상, 하부 기판을 제조된 열전 모듈에서 탈거하는 단계를 포함하는 골격형 열전 모듈의 제조 방법을 통해 달성된다.
또한, 상기 접합층 형성 단계 이전에 상기 소자의 전극 부착면을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 소자 실장 단계는, 상기 소자를 정렬한 후 상기 솔더가 인쇄된 상기 하부 전극 상에 실장하는 단계와, 상기 솔더가 인쇄된 상기 하부 전극 상에 상기 소자를 정렬한 후 실장하는 단계, 및 상기 전극을 정렬한 후 상기 소자가 정렬된 정렬 지그에 실장하는 단계 중 어느 하나의 세부 단계로 실시할 수 있다.
또한, 본 발명은, 순차 배열되는 P형 및 N형 소자; 상기 소자의 양면에 형성되는 코팅층; 상기 소자의 양면에 교호되게 부착되는 전극; 및 상기 소자의 양면 코팅층과 상기 전극의 양면과의 사이에 개입되어 전극을 가고정시키는 접합층을 포함하는 골격형 열전 모듈을 통해 달성된다.
또한, 본 발명은, 상, 하부 기판의 대향면에 접합층을 형성하는 단계; 상기 상, 하부 기판의 접합층에 설정 패턴에 맞게 배열된 전극을 접합하여 가고정하는 단계; 상기 상, 하부 기판에 실장된 상기 전극 상에 설정 패턴으로 솔더를 인쇄하는 단계; 상기 하부 기판에 인쇄된 상기 솔더 상에 P형 및 N형 소자를 순차적으로 실장하는 단계; 상기 소자의 실장 후에 상기 상부 기판을 솔더링하는 단계; 상기 상, 하부 기판을 제조된 열전 모듈에서 탈거하는 단계; 상기 열전 모듈의 흡열면과 발열면에 접촉할 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판의 표면에 절연층을 각각 형성하는 단계; 및 상기 절연층에 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 밀착 고정시키는 단계;를 포함하는 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법을 통해 달성된다.
또한, 상기 절연층 형성 단계는 적어도 한 차례 이상 실시될 수 있다.
또한, 본 발명은, 순차 배열되는 P형 및 N형 소자; 상기 소자의 양면에 형성되는 코팅층; 상기 소자의 양면에 교호되게 부착되는 전극; 상기 소자의 양면 코팅층과 상기 전극의 양면과의 사이에 개입되어 전극을 가고정시키는 접합층; 상기 소자의 흡열면과 발열면에 형성되는 절연층; 및 상기 절연층에 밀착 고정되는 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 포함하는 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛을 통해 달성된다.
본 발명에 의하면, 열전 모듈 또는 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조 시 열전 모듈을 세라믹 기판을 생략한 골격(Skeleton)형으로 구비하여 접합 계면의 감소, 접합면에서의 열저항 감소, 열부하 감소, 기계적 접합 공정이 불필요하며, 열전 모듈과, 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 일체형으로 제작 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래기술 1에 의한 열전모듈의 제 1변형예들을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술 2에 의한 발전용 열전 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈의 공정도이다.
도 5는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈을 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 공정도이다.
도 8은 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛을 도시한 측면도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈 및 그 제조방법 그리고 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛 및 그 제조방법의 실시예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈의 제조방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈의 공정도가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 측면도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 실시 예에 의한 골격형 열전 모듈의 제조방법은 소자 준비 단계(S100), 전극 준비 단계(S110), 전극 정렬 단계(S120), 접합층 형성 단계(S130), 전극 가고정 단계(S140), 솔더 인쇄 단계(S150), 소자 실장 단계(S160), 솔더링 단계(S170) 그리고 기판 및 지그 탈거 단계(S180)를 포함한다.
소자 준비 단계(S100)는 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 양면 즉, 전극 부착면에 상, 하부 전극(214, 224)과의 부착성 향상과, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)와 상기 상, 하부 전극(214, 224) 간의 상호 확산방지 목적으로 코팅층(230a, 232a)을 형성하는 단계이다.
여기서, 소자 준비 단계(S100)는 상, 하부 코팅층(230a, 232a) 형성 시 1차 코팅층 형상 단계와 2차 코팅층 형성 단계로 세분화된다.
상기 1차 코팅층 형상 단계에 의해 형성되는 1차 코팅층은 Ni(니켈), W(텅스텐) 및 Mo(몰리브덴) 등으로 코팅하는 층이다. 그리고 상기 2차 코팅층 형상 단계에 의해 형성되는 2차 코팅층은 Au(금) 및 Sn(주석) 등으로 코팅하는 층이다.
한편, 상, 하부 코팅층(230a, 232a) 형성 시 1차 코팅층은 생략하고, 2차 코팅층만 형성할 수 있다. 더욱이, 상기 상, 하부 코팅층(230a, 232a)은 도금 방법 또는 증착 방법 등을 통해 형성되며, 상기 도금 방법으로는 전기 또는 무전해 등의 방법으로 구현 가능하고, 상기 증착 방법으로는 스퍼터링(Sputtering), 이온도금, 분사코팅 등의 방법 등으로 구현 가능하다.
전극 준비 단계(S110)는 구리(무산소동) 등의 재질로 형성된 상, 하부 전극(214, 224)을 준비하는 단계이다. 이때, 상기 상, 하부 전극(214, 224)은 전기와 열전도도 등이 우수한 재질로의 변경이 가능하다.
한편, 상기 전극 준비 단계(S110)에서는 상, 하부 전극(214, 224)에 코팅층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있으며, 상기 코팅층은 상기 소자 준비 단계(S100)에서 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 양면에 형성된 코팅층(230a, 232a)과 동일한 목적 및 방법으로 사전에 수행할 수 있다.
여기서, 상기 전극 준비 단계(S110)는 전기 또는 무전해 등의 도금 방법 등으로 구현할 수 있다. 그리고 상기 상, 하부 전극(214, 224)은 코팅층 없이 사용할 수도 있다.
전극 정렬 단계(S120)는 골격형 열전 모듈(200)의 모델별 전극 패턴에 맞게 상, 하부 전극(224, 214)을 정렬 지그(도면에 미도시)를 이용하여 배열하는 단계이다. 이때, 상기 전극 정렬 단계(S120)는 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 상, 하부 전극(214, 224)을 삽입한 전극 정렬 지그에 전극 고정(지지)용 필름(점착테이프)을 부착하여 가고정시킨 후 전극 정렬기(자동/진동 방식)를 통해 정위치로 정렬시키는 단계이다. 다시 말해서, 상기 전극 정렬 단계(S120)는 상기 상, 하부 전극(214, 224)별로 삽입한 전극 정렬 지그를 통해 정렬하는 것이다.
접합층 형성 단계(S130)는 임시 기판인 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)의 대향면(전극 부착면)에 상, 하부 접합층(212, 222)을 모델별 상, 하부 전극 패턴에 맞게 인쇄 등을 통해 형성하는 단계로, 상기 상, 하부 접합층(212, 222)이 글루(Glue) 접착제 등에 의한 접착층 또는 점착제에 의한 점착층을 통해 형성될 수 있다. [도 4 (b), (f) 참조]
여기서, 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)은 이에 한정하지 않고 전극을 임시로 점착하는데 사용되는 다양한 재질의 기판으로 변경 실시가 가능하다.
더욱이, 접합층 형성 단계(S130)는 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)의 대향면에 상, 하부 접합층(212, 222)이 서로 교호되게 배열 형성된다. 이는 소자가 P형 소자(230), N형 소자(232), P형 소자(230) 및 N형 소자(232) 순서로 연속 배열됨에 있어, 상기 소자 중 이웃한 상기 P형 소자(230)와 N형 소자(232)의 상면을 상부 접합층(212)을 통해 상부 전극(214)으로 연결할 수 있도록 상기 상부 접합층(212)을 배열 형성하고, 이웃한 상기 N형 소자(232)와 P형 소자(230)의 저면을 하부 접합층(222)을 통해 하부 전극(224)으로 연결할 수 있도록 상기 하부 접합층(222)을 배열 형성하는 것이다. 이렇게 상, 하부 전극(214, 224)이 P형 소자(230)와 N형 소자(232)를 상, 하면에서 교호되게 연결하는 것이다.
전극 가고정 단계(S140)는 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)의 상, 하부 접합층(212, 222)에 설정 패턴에 맞게 배열된 상, 하부 전극(214, 224)을 각각 접합하여 가고정하는 단계이다. [도 4 (c), (g) 참조]
솔더 인쇄 단계(S150)는 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)의 각각 실장된 상, 하부 전극(214, 224) 상에 설정 패턴으로 상, 하부 솔더층(216, 226)을 인쇄하는 단계이다. [도 4 (d), (h) 참조]
여기서, 상기 솔더 인쇄 단계(S150)는 상기 상, 하부 세라믹 기판(210, 220) 상에 실장된 상, 하부 전극(214, 224) 위에 솔더를 이용하여 상, 하부 솔더층(216, 226)을 모델별 전극 패턴에 맞게 인쇄하는 단계를 통해 구현하거나, 다르게는 접합층 형성 단계(S130)와 전극 가고정 단계(S140)를 거치지 않고 전극 정렬 단계(S120)를 통해 상, 하부 전극(214, 224)을 정렬 지그에 삽입한 상태로 상기 상, 하부 전극(214, 224)의 노출된 표면에 솔더를 이용하여 상, 하부 솔더층(216, 226)을 모델별 전극 패턴에 맞게 인쇄하는 단계를 통해 구현할 수 있다.
이때, 상기 솔더 인쇄 단계(S150) 중 하나인 상기 상, 하부 세라믹 기판(210, 220) 상에 실장된 상, 하부 전극(214, 224) 위에 솔더를 이용하여 상, 하부 솔더층(216, 226)을 모델별 전극 패턴에 맞게 인쇄하는 단계는 솔더 프린터(Solder Printer) 등을 통해 실시할 수 있다. 그리고 상기 솔더 인쇄 단계(S150) 중 다른 하나인 접합층 형성 단계(S130)와 전극 가고정 단계(S140)를 거치지 않고 전극 정렬 단계(S120)를 통해 상, 하부 전극(214, 224)을 정렬 지그에 삽입한 상태로 상기 상, 하부 전극(214, 224)의 노출된 표면에 솔더를 이용하여 상, 하부 솔더층(216, 226)을 모델별 전극 패턴에 맞게 인쇄하는 단계 역시 솔더 프린터 등을 통해 실시할 수 있다.
소자 실장 단계(S160)는 상기 하부 세라믹 기판(220)에 인쇄된 하부 솔더층(226) 상에 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 순차적으로 실장하는 단계로, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 각각 순차적으로 정렬한 후 상기 하부 솔더층(226)이 인쇄된 상기 하부 세라믹 기판(220) 상에 실장하는 제1 세부 단계와, 상기 하부 솔더층(226)이 인쇄된 상기 하부 세라믹 기판(220) 상에 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 각각 정렬한 후 실장하는 제2 세부 단계, 및 상기 하부 전극(224)을 정렬한 후 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)가 정렬된 소자 정렬용 지그에 실장하는 제3 세부 단계 중 어느 하나의 단계로 수행할 수 있다. [도 4 (i), (j) 참조]
즉, 상기 소자 실장 단계(S160)의 제1 세부 단계는 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)가 정렬된 소자 정렬용 지그에서 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 소자흡착 실장용 마운터(Mounter) 등으로 흡착한 후 상기 하부 솔더층(226)이 인쇄된 하부 전극(224) 상에 실장하는 방법을 나타낸다.
그리고 상기 소자 실장 단계(S160)의 제2 세부 단계는 상기 하부 솔더층(226)이 인쇄된 하부 전극(224) 상에 소자 정렬용 지그를 장착하고, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 정렬하여 실장하는 방법을 나타낸다.
마지막으로, 상기 소자 실장 단계(S160)의 제3 세부 단계는 상기 하부 전극(224)이 정렬된 소자 정렬용 지그에 상기 하부 전극(224)을 소자흡착 실장용 마운터 등으로 흡착한 후 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)가 정렬된 정렬 지그에 실장하는 방법을 나타낸다.
특히, 상기 제1, 2, 3 세부 단계에서는 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 상기 소자 정렬용 지그 내의 홀(소자의 패턴으로 홀 가공되어 있음)에 삽입한 후 소자 정렬용 지그를 진동 교반하여 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 정렬하는 것이다.
솔더링 단계(S170)는 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 순차적인 실장 후에 상기 상부 기판(202)을 솔더링하는 단계이다. [도 4 (k) 참조]
여기서, 상기 솔더링 단계(S170)는 제1 세부 단계와 제2 세부 단계로 구분할 수 있으며, 이 중 어느 하나의 단계를 택일하여 수행할 수 있다.
이때, 상기 솔더링 단계(S170)의 제1 세부 단계는 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 실장 후 상기 상부 기판(202)을 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232) 상에 실장하여 솔더링을 시행하는 단계이다.
다음으로, 상기 솔더링 단계(S170)의 제2 세부 단계는 상기 소자 실장 단계(S160)의 제2, 3 세부 단계를 연속적으로 수행하여 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 실장 후에 소자 정렬용 지그가 결합된 채로 솔더링을 시행하는 단계이다.
더욱이, 상기 솔더링 단계(S170)는 리플로우 퍼니스(Reflow furnace) 또는 핫플레이트(Hot Plate) 공정을 통해 구현될 수 있다.
기판 및 지그 탈거 단계(S180)는 상기 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)과 정렬 지그를 제조된 골격형 열전 모듈(200)에서 탈거하는 단계이다. [도 7 (m), (n) 참조]
더욱 상세하게, 기판 및 지그 탈거 단계(S180)는 상기 솔더링 단계(S170)의 제1 세부 단계를 연속 실시하여 솔더링 된 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)를 세척액 및 초음파세척을 통하여 임시 기판인 상기 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)과 분리시키는 제1 세부 단계와, 상기 솔더링 단계(S170)의 제2 세부 단계를 연속 실시하여 솔더링 된 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)와 상기 정렬 지그를 세척액 및 초음파세척을 통하여 일체형 열전 모듈(200)에서 분리시키는 제2 세부 단계를 택일하여 수행할 수 있다.
본 발명의 골격형 열전 모듈(200)은 도 5에 도시된 바와 같이 상, 하부 접합층(212, 222), 상, 하부 전극(214, 224), P형 소자(230) 및 N형 소자(232) 및 상, 하부 코팅층(230a, 232a)을 포함하며, 전류의 발생량을 극대화하기 위하여 흡열면과 발열면에 온도차를 크게 하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 골격형 열전 모듈(200)은 앞서 설명한 골격형 열전 모듈의 제조 방법을 통해 구현 가능하므로 이하에서는 간략한 구조에 대해 설명한다.
본 발명의 골격형 열전 모듈(200)은 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 상면에 상부 코팅층(230a), 상부 접합층(212), 상부 전극(214)이 순차 적층되는 구조로 형성되고, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 저면에 하부 코팅층(232a), 하부 접합층(222), 하부 전극(224)이 순차 적층되는 구조로 형성된다.
상, 하부 접합층(212, 222)은 임시 기판인 상, 하부 세라믹 기판(210, 220)의 대향면(전극 부착면)에 모델별 상, 하부 전극 패턴에 맞게 인쇄 등을 통해 형성되며, 글루(Glue) 접착제 등에 의한 접착층 또는 점착제에 의한 점착층이 형성될 수 있다.
상, 하부 전극(214, 224)은 구리(무산소동) 등의 재질로 형성되어, 전기와 열전도도 등이 우수한 재질로의 변경이 가능하며, 이중 하부 전극(224)에 양극과 음극이 연결된다.
P형 소자(230) 및 N형 소자(232)는 복수개가 상, 하부 전극(214, 224)의 사이에 순차적으로 설치되어 상기 상, 하부 전극(214, 224)에 의해 통전될 수 있게 π형이면서 직렬로 연결된다.
이때, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)는 그 양면에 코팅층(230a, 232a)을 형성하여 상, 하부 전극(214, 224)과의 부착성 향상과, 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)와 상기 상, 하부 전극(214, 224) 간의 상호 확산을 방지하게 된다.
이렇게, P형 소자(230) 및 N형 소자(232)가 교번되게 배치된 상태에서 상, 하부 전극(214, 224)을 통해 상기 P형 소자(230) 및 N형 소자(232)의 양면에 교호되게 접속되며, 상기 상, 하부 전극(214, 224)을 통한 접속 형상이 온도 전달 면적을 넓히기 위해 지그재그 형상 등으로 배열될 수 있다.
도 6에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법이 블록도로 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 공정도가 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛이 측면도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 실시 예에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법은 소자 준비 단계(300), 전극 준비 단계(310), 전극 정렬 단계(320), 접합층 형성 단계(330), 전극 가고정 단계(340), 솔더 인쇄 단계(350), 소자 실장 단계(360), 솔더링 단계(370), 기판 및 지그 탈거 단계(380), 절연층 형성 단계(S390), 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계(S400) 그리고 단자선 부착 단계(S410)를 포함한다.
이때, 상기 소자 준비 단계(300), 전극 준비 단계(310), 전극 정렬 단계(320), 접합층 형성 단계(330), 전극 가고정 단계(340), 솔더 인쇄 단계(350), 소자 실장 단계(360), 솔더링 단계(370), 기판 및 지그 탈거 단계(380)는 골격형 열전 모듈의 제조 방법과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
특히, 본 실시 예에 의한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법은 제작된 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 금속 블록(250, 252)을 접합시킴에 따라 상기 상하 금속 블록(250, 252)과의 일체형 구조를 채택하여 단위셀 형태의 유닛을 제조 가능하다. 이와 다르게 제작된 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 온도 조절 대상체와 방열판을 각각 접합시켜 상기 온도 조절 대상체와 방열판과의 일체형 구조를 채택할 수 있다.
하기에서는 상기 상하 절연층(250a, 252a)이 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 접합할 상하 금속 블록(250, 252)의 접합면에 각각 형성되어 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상기 상하 금속 블록(250, 252)이 접합하는 것으로 예시한다.
절연층 형성 단계(S390)는 상하 금속 블록(250, 252) 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 준비하기 위한 단계의 일종으로, 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 접합할 상하 금속 블록(250, 252) 또는 온도 조절 대상체와 방열판의 표면에 상하 절연층(250a, 252a)을 각각 형성하는 단계이다. [도 7 (o), (q) 참조]
더욱 상세히 설명하면, 절연층 형성 단계(S390)는 상하 금속 블록(250, 252)에서 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 각각 부착되는 부착면에 상하 절연층(250a, 252a)을 각각 형성하는 단계로, 1차 절연층 형성 단계와 2차 절연층 형성 단계로 나뉜다.
상기 1차 절연층 형성 단계는 구리 또는 알루미늄, 또는 그 합금 등의 재질로 형성된 상하 금속 블록(250, 252)의 표면에 1차 절연층을 형성하는 단계로, 아노다이징(Anodizing) 등을 포함하는 양극산화 피막처리방법 등을 통해 실현할 수 있다.
그리고 상기 2차 절연층 형성 단계는 상기 1차 절연층의 표면에 실리콘 또는 에폭시, 테플론 계열의 수지 등을 이용하여 인쇄하거나, 테이프 방식의 접착상태를 가지게 할 수 있다. 이렇게, 상기 2차 절연층 형성 단계에서 2차 절연층을 형성하고자 할 때 금속층에 산화피막을 입힐 수도 있고, 수지를 사용할 수도 있다. 특히, 2차 절연층 형성시 수지로 사용되는 경우, 수지의 경화 과정에서 금속 블록과 골격형 열전 모듈(200)과의 대향면을 붙이게 할 수 있다.
한편, 절연층 형성 단계(S390)는 1차 절연층 상에 2차 절연층을 순차적으로 적층시킬 수도 있고, 1차 절연층 형성 단계를 생략하고 2차 절연층 형성 단계만으로 이루어질 수도 있다.
상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계(S400)는 상하 절연층(250a, 252a)에 상하 금속 블록(250, 252) 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 밀착 고정시키는 단계로, 이하에서는 상하 금속 블록(250, 252)이 상기 상하 절연층(250a, 252a)에 접촉하는 것으로 예시한다. [도 7 (r) 참조]
즉, 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계(S400)는 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 절연층(250a, 252a) 즉, 1, 2차 절연층이 형성된 상하 금속 블록(250, 252)을 접합시키는 경우를 예로 들며, 2차 절연층의 형태에 따라 가온(상온~200℃), 가압(0.1~15kgf/cm2)하여 열경화 결합하거나, 테이프 방식의 접착이 이루어질 수 있다.
단자선 부착 단계(S410)는 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계(S400) 수행 후에 골격형 열전 모듈(200)의 상, 하부 전극(214, 224)의 양 끝단 단자부에 전원을 인가할 수 있도록 단자선(254)을 솔더링하여 부착하는 단계이다. [도 7 (s) 참조]
그리고 상기 단자선 부착 단계(S410) 수행 후에 성능 테스트 단계를 더 수행할 수 있다. 상기 성능 테스트 단계는 저항, 성능지수 등을 측정하여 단위셀 형태 제조를 완료하는 것이다.
그리고 상기 테스트 단계 수행 후에 유닛의 조립 단계가 더 수행될 수 있다. 상기 유닛 조립 단계는 일반적인 열전 모듈을 이용한 열전 유닛의 조립방법과 동일한 조립방법을 취하게 되며, 상기 열전 유닛 조립방법으로 기계적 체결(클랩핑) 또는 에폭시 본딩, 솔더 본딩 등을 통해 구현될 수 있다.
또한, 상기 테스트 단계 수행 전이나 후에는 실링을 강화(습기 방지) 하기 위해 에폭시 등을 이용하여 상하 금속 블록(250, 252)의 사이에서 노출된 골격형 열전 모듈(200)의 측벽을 따라 실링 처리하는 실링 처리 단계가 더 포함될 수 있다.
한편, 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 온도 조절 대상체와 방열판을 접합하는 경우에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다. 이 경우에도 절연층 형성 단계 및 온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계를 포함한다.
절연층 형성 단계는 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 금속 블록(250, 252)을 접합시키는 상기 절연층 형성 단계(S390)와 동일하며, 상하 절연층(250a, 252a)을 상기 상하 금속 블록(250, 252)이 아닌 온도 조절 대상체와 방열판에 형성하는 것만 상이하다.
온도 조절 대상체와 방열판 고정 단계는 열전 유닛의 제조 즉, 골격형 열전 모듈(200)과 결합시키는 단계로, 상기 골격형 열전 모듈(200)의 양단에 2차 절연층이 형성된 방열판 및 온도 조절 대상체를 순차적으로 위치하여 결합시키는 단계이다. 이때, 2차 절연층의 형태에 따라 가온(상온~200℃), 가압(0.1~15kgf/cm2)하여 열경화 결합하거나, 테이프 방식의 접착 등을 통해 이루어질 수 있다. 한편, 단위셀 형태의 조립에서와 같은 추가적 조립공정이 필요 없다.
본 발명의 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛(200')은 상, 하부 접합층(212, 222), 상, 하부 전극(214, 224), P형 소자(230) 및 N형 소자(232), 상, 하부 코팅층(230a, 232a)을 포함하는 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 절연층(250a, 252a)이 접합면에 형성된 상하 금속 블록(250, 252)을 각각 접합시키고, 골격형 열전 모듈(200)의 상, 하부 전극(214, 224) 중 양 끝단 단자부에 전원을 인가할 수 있도록 단자선(254)을 부착한다. 이때, 상기 상, 하부 접합층(212, 222), 상, 하부 전극(214, 224), P형 소자(230) 및 N형 소자(232) 및 상, 하부 코팅층(230a, 232a)은 골격형 열전 모듈(200)와 동일한 구조와 기능을 하므로 상세한 설명은 생략한다. 더욱이, 본 발명의 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛(200')은 앞서 설명한 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법을 통해 구현 가능하므로 이하에서는 간략한 구조에 대해 설명한다.
한편, 상기 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 금속 블록(250, 252) 대신에 온도 조절 대상체와 방열판을 대체하여 접합시킬 수도 있다. 이렇게, 상기 골격형 열전 모듈(200)의 흡열면과 발열면에 상하 금속 블록(250, 252) 대신 온도 조절 대상체와 방열판을 접합하여 유닛화 할 경우, 상기 온도 조절 대상체에서 발생하는 열을 상기 방열판을 통해 방열시킬 수 있는 것이다.
더욱이, 상하 금속 블록(250, 252)이 열전 모듈의 기판 역할을 담당하게 함으로써 열전 유닛의 제작에 따른 열전시스템의 두께를 줄여줄 수 있으며, 특히 다수의 접합계면 존재로 인한 열손실을 감소시켜 열전모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 골격형 열전 모듈 200': 열전 유닛
202: 상판 204: 하판
210, 220: 상, 하부 기판 212, 222: 상, 하부 접합층
214, 224: 상, 하부 전극 216, 226: 상, 하부 솔더층
230, 232: P형, N형 소자 250, 252: 상하 금속 블록
250a, 252a: 상하 절연층

Claims (7)

  1. 상, 하부 기판의 대향면에 접합층을 형성하는 단계;
    상기 상, 하부 기판의 접합층에 설정 패턴에 맞게 배열된 전극을 접합하여 가고정하는 단계;
    상기 상, 하부 기판에 실장된 상기 전극 상에 설정 패턴으로 솔더를 인쇄하는 단계;
    상기 하부 기판에 인쇄된 상기 솔더 상에 P형 및 N형 소자를 순차적으로 실장하는 단계;
    상기 소자의 실장 후에 상기 상부 기판을 솔더링하는 단계; 및
    상기 상, 하부 기판을 제조된 열전 모듈에서 탈거하는 단계를 포함하는 골격형 열전 모듈의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합층 형성 단계 이전에 상기 소자의 전극 부착면을 코팅하는 단계를 더 포함하는 골격형 열전 모듈의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소자 실장 단계는,
    상기 소자를 정렬한 후 상기 솔더가 인쇄된 상기 하부 전극 상에 실장하는 단계와,
    상기 솔더가 인쇄된 상기 하부 전극 상에 상기 소자를 정렬한 후 실장하는 단계, 및
    상기 전극을 정렬한 후 상기 소자가 정렬된 정렬 지그에 실장하는 단계 중 어느 하나의 세부 단계로 실시하는 골격형 열전 모듈의 제조 방법.
  4. 순차 배열되는 P형 및 N형 소자;
    상기 소자의 양면에 형성되는 코팅층;
    상기 소자의 양면에 교호되게 부착되는 전극; 및
    상기 소자의 양면 코팅층과 상기 전극의 양면과의 사이에 개입되어 전극을 가고정시키는 접합층을 포함하는 골격형 열전 모듈.
  5. 상, 하부 기판의 대향면에 접합층을 형성하는 단계;
    상기 상, 하부 기판의 접합층에 설정 패턴에 맞게 배열된 전극을 접합하여 가고정하는 단계;
    상기 상, 하부 기판에 실장된 상기 전극 상에 설정 패턴으로 솔더를 인쇄하는 단계;
    상기 하부 기판에 인쇄된 상기 솔더 상에 P형 및 N형 소자를 순차적으로 실장하는 단계;
    상기 소자의 실장 후에 상기 상부 기판을 솔더링하는 단계;
    상기 상, 하부 기판을 제조된 열전 모듈에서 탈거하는 단계;
    상기 열전 모듈의 흡열면과 발열면에 접촉할 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판의 표면에 절연층을 각각 형성하는 단계; 및
    상기 절연층에 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 밀착 고정시키는 단계;를 포함하는 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 절연층 형성 단계는 적어도 한 차례 이상 실시되는 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛의 제조방법.
  7. 순차 배열되는 P형 및 N형 소자;
    상기 소자의 양면에 형성되는 코팅층;
    상기 소자의 양면에 교호되게 부착되는 전극;
    상기 소자의 양면 코팅층과 상기 전극의 양면과의 사이에 개입되어 전극을 가고정시키는 접합층;
    상기 소자의 흡열면과 발열면에 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층에 밀착 고정되는 상하 금속 블록 또는 온도 조절 대상체와 방열판을 포함하는 골격형 열전 모듈이 적용된 열전 유닛.
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