KR20180093366A - Thermoelectric module and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Provided are a thermoelectric generator module and a manufacturing method thereof capable of preventing bending due to temperature difference. The thermoelectric generator module includes a thermoelectric element array, a plurality of first electrodes, a plurality of second electrodes, a plurality of first divided substrates, and a plurality of second divided substrates. The thermoelectric element array includes a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements alternately arranged one by one. The first electrodes connect each of the P-type thermoelectric elements to adjacent one of the N-type thermoelectric elements at one side of the thermoelectric element array. The second electrodes connect each of the plurality of P-type thermoelectric elements to the other adjacent one of the N-type thermoelectric elements at the other side of the thermoelectric element array. The first divided substrates support the first electrodes and are spaced apart from each other. The second divided substrates support the second electrodes and are spaced apart from each other.

Description

열전 발전 모듈 및 그 제조 방법 {THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}[0001] THERMOELECTRIC MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF [0002]

본 발명은 열전 발전 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도 차이에 의한 휨 현상을 억제할 수 있는 열전 발전 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a thermoelectric module, and more particularly, to a thermoelectric module capable of suppressing warping due to a temperature difference and a method of manufacturing the same.

열전 발전 모듈은 고온측 열교환기와 저온측 열교환기 사이에 열전 변환 소자를 배치하여 온도 차를 이용해 발전하는 모듈이다. 열전 변환 소자는, 상이한 금속을 접합하여 전기 회로를 구성하고 양쪽 접속점에 온도 차이가 있으면 회로에 열기전력이 발생하는 제벡 효과(Seebeck effect)를 응용한 것이다.The thermoelectric power generation module is a module that generates electricity by using a temperature difference by arranging a thermoelectric conversion element between a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger. The thermoelectric conversion element is applied to a Seebeck effect in which electric power is generated in a circuit when a different metal is joined to constitute an electric circuit and there is a temperature difference between both connection points.

열전 변환 소자는 P형 반도체 열전 재료로 형성된 P형 소자와, N형 반도체 열전 재료로 형성된 N형 소자로 구분되며, P형 소자와 N형 소자가 전극에 의해 직렬 접속되어 열전 발전 모듈을 구성한다. 그리고 두 개의 기판이 열전 변환 소자와 전극을 양측에서 지지한다. 기판은 열 전도도가 높은 세라믹 재료로 형성된다.The thermoelectric conversion element is divided into a P-type element formed of a P-type semiconductor thermoelectric material and an N-type element formed of an N-type semiconductor thermoelectric material, and the P-type element and the N-type element are connected in series by electrodes to constitute a thermoelectric module . Two substrates support thermoelectric conversion elements and electrodes on both sides. The substrate is formed of a ceramic material having high thermal conductivity.

그런데 열전 발전 모듈이 300℃ 이상의 고온에서 동작 시, 열전 발전 모듈에 가해지는 온도 차이로 인해 온도가 낮은 저온부 방향으로 휨 현상(warpage)이 발생할 수 있다. 이때 세라믹 재료는 연성이 있는 금속 재료와 달리 충분히 변형하지 못하므로 기판에 스트레스가 누적되고, 열전 변환 소자와 전극에 지속적인 스트레스를 가하여 피로 파괴를 유발할 수 있다.However, when the thermoelectric module operates at a high temperature of 300 ° C or more, warpage may occur in a low temperature region where the temperature is low due to the temperature difference applied to the thermoelectric module. At this time, the ceramic material is not deformed sufficiently, unlike the soft metal material, so that stress is accumulated on the substrate and fatigue breakdown can be caused by applying a constant stress to the thermoelectric conversion element and the electrode.

본 발명은 온도 차이에 의한 휨 현상과, 이로 인한 피로 파괴를 억제할 수 있는 열전 발전 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric module and a method of manufacturing the same that can prevent a bending phenomenon due to a temperature difference and a fatigue breakage caused thereby.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈은 열전 소자 어레이, 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 복수의 제1 분할 기판, 및 복수의 제2 분할 기판을 포함한다. 열전 소자 어레이는 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자를 포함한다. 복수의 제1 전극은 열전 소자 어레이의 일측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제2 전극은 열전 소자 어레이의 타측에서 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자와 연결한다. 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극을 지지하며, 서로 이격된다. 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극을 지지하며, 서로 이격된다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a thermoelectric element array, a plurality of first electrodes, a plurality of second electrodes, a plurality of first divided substrates, and a plurality of second divided substrates. The thermoelectric element array includes a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements alternately arranged one by one. The plurality of first electrodes connect each of the plurality of P-type thermoelectric elements to one of the neighboring N-type thermoelectric elements at one side of the thermoelectric element array. The plurality of second electrodes connect each of the plurality of P-type thermoelectric elements to the other adjacent one of the N-type thermoelectric elements at the other side of the thermoelectric element array. The plurality of first divided substrates support a plurality of first electrodes and are spaced apart from each other. The plurality of second divided substrates support a plurality of second electrodes and are spaced apart from each other.

복수의 제2 전극은 열전 소자 어레이 중 하나의 열전 소자만큼 복수의 제1 전극에 대해 어긋나게 위치할 수 있고, 열전 소자 어레이는 전기적으로 직렬 접속될 수 있다.The plurality of second electrodes may be positioned as shifted from the plurality of first electrodes by one thermoelectric element of the thermoelectric element array, and the thermoelectric element arrays may be electrically connected in series.

복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 하나의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리될 수 있다.The plurality of first divided substrates may be divided into one first electrode unit of the plurality of first electrodes and the plurality of second divided substrates may be divided into one second electrode unit of the plurality of second electrodes.

다른 한편으로, 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리될 수 있다.On the other hand, the plurality of first divided substrates may be divided into two or more first electrodes of the plurality of first electrodes, and the plurality of second divided substrates may be divided into two or more of the plurality of second electrodes . ≪ / RTI >

다른 한편으로, 복수의 제1 분할 기판은 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리된 제1 그룹과, 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리된 제2 그룹을 포함할 수 있다.On the other hand, the plurality of first divided substrates may be divided into two or more first electrodes of the plurality of first electrodes, and the plurality of second divided substrates may be divided into two or more of the plurality of second electrodes And a second group separated by one second electrode unit among the plurality of second electrodes.

열전 발전 모듈은 복수의 제1 금속층과 복수의 제2 금속층을 더 포함할 수 있다. 복수의 제1 금속층은 복수의 제1 분할 기판의 외면에 위치할 수 있고, 제1 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가질 수 있다. 복수의 제2 금속층은 복수의 제2 분할 기판의 외면에 위치할 수 있으며, 제2 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가질 수 있다.The thermoelectric module may further include a plurality of first metal layers and a plurality of second metal layers. The plurality of first metal layers may be located on the outer surface of the plurality of first divided substrates, and may have the same material and the same thickness as the first electrodes. The plurality of second metal layers may be located on the outer surface of the plurality of second divided substrates, and may have the same material and the same thickness as the second electrodes.

열전 발전 모듈은, 복수의 제1 분할 기판을 지지하는 제1 프레임과, 복수의 제2 분할 기판을 지지하는 제2 프레임을 더 포함할 수 있다.The thermoelectric power generation module may further include a first frame for supporting the plurality of first divided substrates and a second frame for supporting the plurality of second divided substrates.

제1 프레임은 복수의 제1 분할 기판에 대응하는 복수의 제1 개구부를 포함할 수 있고, 복수의 제1 금속층은 복수의 제1 개구부에 끼워질 수 있다. 제2 프레임은 복수의 제2 분할 기판에 대응하는 복수의 제2 개구부를 포함할 수 있고, 복수의 제2 금속층은 복수의 제2 개구부에 끼워질 수 있다.The first frame may include a plurality of first openings corresponding to the plurality of first divided substrates, and the plurality of first metal layers may be sandwiched between the plurality of first openings. The second frame may include a plurality of second openings corresponding to the plurality of second divided substrates, and the plurality of second metal layers may be sandwiched between the plurality of second openings.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법은, 적어도 하나의 제1 전극이 배치된 복수의 제1 분할 기판을 준비하는 단계와, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하는 단계와, 적어도 하나의 제2 전극이 배치된 복수의 제2 분할 기판을 준비하는 단계와, 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자로 이루어진 열전 소자 어레이를 사이에 두고 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제2 분할 기판을 적층 및 접합하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes the steps of preparing a plurality of first divided substrates on which at least one first electrode is disposed, A step of arranging a plurality of second divided substrates on which at least one second electrode is disposed, a step of arranging a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of thermoelectric element arrays each comprising a plurality of N-type thermoelectric elements And laminating and joining the first divided substrate and the plurality of second divided substrates.

열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하기 전, 제1 전극 위에 제1 접합층 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와, 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 제2 전극에 제2 접합층 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric power generation module includes the steps of applying a first metal paste for forming a first bonding layer on a first electrode and then drying the same on a first electrode before arranging a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element on the first electrode, A second metal paste for forming a second bonding layer is applied to the second electrode before the second divided substrate of the second divided substrate is laminated, and then dried.

제1 및 제2 금속 페이스트는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말과, 주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함할 수 있다.The first and second metal pastes may be formed by mixing a powder of a first metal selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), and silver (Ag) (Zn), bismuth (Bi), and indium (In).

열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하기 전, 제1 전극과 마주할 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자의 일면에 제1 확산 방지층을 형성하는 단계와, 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 제2 전극과 마주할 P형 열전 소자 및 N형 열전 소자의 일면에 제2 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric module includes forming a first diffusion preventing layer on one surface of a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element facing the first electrode before arranging the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element on the first electrode And forming a second diffusion preventing layer on one surface of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element facing the second electrode before stacking the plurality of second divided substrates.

제1 및 제2 확산 방지층은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 확산 방지층은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 및 동시 소결법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.The first and second diffusion barrier layers may be formed of at least one selected from the group consisting of Ni, Ti, Co, Ru, Ta, Hf, Nb, Zr, (V), and copper (Cu), and may be formed of a single layer or a multilayer. The first and second diffusion preventing layers may be formed by any one of a sputtering method, an ion plating method, a chemical vapor deposition method, and a simultaneous sintering method.

복수의 제1 분할 기판은 제1 프레임에 의해 지지될 수 있고, 복수의 제2 분할 기판은 제2 프레임에 의해 지지될 수 있다. 제1 및 제2 프레임은 접합하는 단계 이후 복수의 제1 및 제2 분할 기판으로부터 분리될 수 있다.The plurality of first divided substrates may be supported by the first frame and the plurality of second divided substrates may be supported by the second frame. The first and second frames may be separated from the plurality of first and second divided substrates after the joining step.

실시예들에 따르면, 복수의 분할 기판이 이격되어 있으므로, 각각의 분할 기판은 이웃한 분할 기판에 영향을 미치지 않고 길이 방향으로 팽창할 수 있다. 따라서 열전 발전 모듈은 휨 없이 전체적인 평탄성을 유지할 수 있고, 피로 파괴를 방지하여 신뢰성과 사용 수명을 향상시킬 수 있다.According to the embodiments, since the plurality of divided substrates are spaced apart from each other, each of the divided substrates can expand in the longitudinal direction without affecting the adjacent divided substrates. Therefore, the thermoelectric module can maintain the overall flatness without warpage, prevent fatigue fracture, and improve reliability and service life.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.1 is a perspective view of a thermoelectric module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a plurality of first divided substrates and a plurality of first electrodes among the thermoelectric module shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the thermoelectric module cut along the line III-III in FIG.
4 is a perspective view of a thermoelectric module according to a second embodiment of the present invention.
5 is a perspective view showing a plurality of first divided substrates and a plurality of first electrodes among the thermoelectric module shown in FIG.
6 is a perspective view of a thermoelectric module according to a third embodiment of the present invention.
7 is a perspective view of a thermoelectric module according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is an exploded perspective view of a thermoelectric module according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the thermoelectric module cut along the line IX-IX of FIG.
10 is an exploded perspective view of a thermoelectric module according to a sixth embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of the thermoelectric module cut along the line XI-XI in FIG.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다. 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric module according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view illustrating a plurality of first divided substrates and a plurality of first electrodes among the thermoelectric module shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the thermoelectric module cut along the line III-III in FIG.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 열전 소자 어레이(10), 복수의 제1 전극(20), 복수의 제2 전극(30), 복수의 제1 분할 기판(40), 및 복수의 제2 분할 기판(50)을 포함한다.1 to 3, the thermoelectric module 100 of the first embodiment includes a thermoelectric element array 10, a plurality of first electrodes 20, a plurality of second electrodes 30, A substrate 40, and a plurality of second divided substrates 50.

열전 소자 어레이(10)는 하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)를 포함한다. 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)는 매트릭스 형상으로 배치되며, 동일 평면 상에서 서로 직교하는 두 방향, 즉 X 방향과 Y 방향을 따라 하나씩 교대로 배열될 수 있다.The thermoelectric element array 10 includes a plurality of P-type thermoelectric elements 11 and a plurality of N-type thermoelectric elements 12 alternately arranged one by one. The plurality of P-type thermoelectric elements 11 and the plurality of N-type thermoelectric elements 12 are arranged in a matrix and alternately arranged in two directions orthogonal to each other on the same plane, that is, one in the X direction and one in the Y direction .

P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 안티몬(Sb), 및 셀레늄(Se) 중 적어도 두 종류의 원소를 주성분으로 하는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)계 열전 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, P형 열전 소자(11)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 및 안티몬(Sb)을 포함할 수 있고, N형 열전 소자(12)는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te), 및 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. The P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 are made of a bismuth-based material containing at least two elements of bismuth (Bi), tellurium (Te), antimony (Sb), and selenium And may include a ruthenium (Bi-Te) thermoelectric material. For example, the P-type thermoelectric element 11 may include bismuth (Bi), tellurium (Te), and antimony (Sb), and the N-type thermoelectric element 12 may include bismuth (Bi) Te), and selenium (Se).

다른 한편으로, P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)는 스쿠테루다이트(Skutterudite)((Co, Ni)As3), 반-호이슬러(half-heusler) 화합물, 및 규화물(silicide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)의 재료는 전술한 예시로 한정되지 않는다.On the other hand, the P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 are made of a material such as Skutterudite ((Co, Ni) As 3 ), a half-heusler compound, and silicide. The materials of the P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 are not limited to the examples described above.

복수의 제1 전극(20)은 열전 소자 어레이(10)의 일측(도면을 기준으로 하측)에 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11) 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자(12)와 전기적으로 연결한다. 복수의 제1 전극(20) 각각은 이웃한 두 개의 열전 소자(11, 12)와 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성된다.복수의 제2 전극(30)은 열전 소자 어레이(10)의 타측(도면을 기준으로 상측)에 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11) 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자(12)와 전기적으로 연결한다. 복수의 제2 전극(30) 각각은 이웃한 두 개의 열전 소자(11, 12)와 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성된다.The plurality of first electrodes 20 are located on one side (lower side with respect to the drawing) of the thermoelectric element array 10 and each of the plurality of P-type thermoelements 11 is connected to one of the adjacent N-type thermoelectric elements 12). Each of the plurality of first electrodes 20 is formed so as to be in contact with the two adjacent thermoelectric elements 11 and 12. The plurality of second electrodes 30 are formed on the other side of the thermoelectric element array 10 (Upper side with reference to the drawing), and electrically connects each of the plurality of P-type thermoelectric elements 11 to the other adjacent one of the N-type thermoelectric elements 12. Each of the plurality of second electrodes 30 is formed to have a size capable of simultaneously contacting two thermoelectric elements 11 and 12 adjacent to each other.

복수의 제2 전극(30)은 복수의 제1 전극(20)에 대해 열전 소자(11, 12) 하나만큼 어긋나게 위치하며, 복수의 P형 열전 소자(11)와 복수의 N형 열전 소자(12)는 복수의 제1 전극(20)과 복수의 제2 전극(30)에 의해 전기적으로 직렬 접속된다. 그리고 직렬 회로의 양단에는 두 개의 리드선(60)이 접속되어 열전 소자 어레이(10)에서 발생된 전력을 외부로 인출한다.The plurality of second electrodes 30 are positioned to be shifted by one thermoelectric element 11 or 12 with respect to the plurality of first electrodes 20 and a plurality of P type thermoelectric elements 11 and a plurality of N type thermoelectric elements 12 Are electrically connected in series by the plurality of first electrodes 20 and the plurality of second electrodes 30. Two lead wires 60 are connected to both ends of the series circuit to draw out the power generated in the thermoelectric element array 10 to the outside.

복수의 제1 전극(20)과 복수의 제2 전극(30)은 전기 전도도와 열 전도도가 높은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 제1 전극(20)과 열전 소자(11, 12) 사이에 제1 접합층(21)과 제1 확산 방지층(22)이 위치할 수 있고, 제2 전극(30)과 열전 소자(11, 12) 사이에 제2 접합층(31)과 제2 확산 방지층(32)이 위치할 수 있다. 제1 및 제2 접합층(21, 31)과 제1 및 제2 확산 방지층(22, 32)에 대해서는 후술하는 제조 방법에서 상세하게 설명한다.복수의 제1 분할 기판(40)은 복수의 제1 전극(20) 각각을 지지하며, 복수의 제2 분할 기판(50)은 복수의 제2 전극(30) 각각을 지지한다. 즉 복수의 제1 분할 기판(40) 각각의 일면에 하나의 제1 전극(20)이 위치하고, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각의 일면에 하나의 제2 전극(30)이 위치한다.The plurality of first electrodes 20 and the plurality of second electrodes 30 may include copper (Cu) or aluminum (Al) having high electrical conductivity and high thermal conductivity. The first bonding layer 21 and the first diffusion preventing layer 22 can be positioned between the first electrode 20 and the thermoelectric elements 11 and 12 and the second electrode 30 and the thermoelectric elements 11 and 12 The second bonding layer 31 and the second diffusion preventing layer 32 may be disposed between the first bonding layer 31 and the second bonding layer 31. [ The first and second bonding layers 21 and 31 and the first and second diffusion preventing layers 22 and 32 will be described later in detail in a manufacturing method to be described later. And the plurality of second divided substrates 50 support the plurality of second electrodes 30, respectively. That is, one first electrode 20 is located on one side of each of the plurality of first divided substrates 40, and one second electrode 30 is located on one side of each of the plurality of second divided substrates 50.

통상의 열전 발전 모듈에서 복수의 제1 전극은 단일 기판에 형성되고, 복수의 제2 전극은 다른 단일 기판에 형성된다. 그러나 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 단일 기판 대신, 하나의 제1 전극(20) 단위로 분리된 복수의 제1 분할 기판(40)과, 하나의 제2 전극(30) 단위로 분리된 복수의 제2 분할 기판(50)을 포함한다.In a conventional thermoelectric module, a plurality of first electrodes are formed on a single substrate, and a plurality of second electrodes are formed on another single substrate. However, the thermoelectric module 100 of the first embodiment is different from the thermoelectric module 100 of the first embodiment in that a plurality of first divided substrates 40 separated in units of one first electrode 20 and a plurality of first divided substrates 40 separated in units of one second electrode 30 And a plurality of second divided substrates (50).

복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 높은 열 전도성과 고온 안정성을 가지며 비전도성인 세라믹 재료, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 및 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 여기에 지르코늄(Zr)과 이트륨(Y)을 더 포함할 수 있다.The plurality of first divided substrates 40 and the plurality of second divided substrates 50 may be made of ceramic materials having high thermal conductivity and high temperature stability and being nonconductive such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN ), And silicon nitride (Si 3 N 4 ), and may further include zirconium (Zr) and yttrium (Y).

제1 전극(20)은 높은 열 전도도를 구현하기 위해 별도의 접합층 없이 제1 분할 기판(40)의 표면에 직접 본딩 또는 도금된 구리막 또는 알루미늄막으로 구성될 수 있다. 제2 전극(30) 또한 높은 열 전도도를 구현하기 위해 별도의 접합층 없이 제2 분할 기판(50)의 표면에 직접 본딩 또는 도금된 구리막 또는 알루미늄막으로 구성될 수 있다.The first electrode 20 may be composed of a copper film or an aluminum film directly bonded or plated on the surface of the first divided substrate 40 without a separate bonding layer to realize a high thermal conductivity. The second electrode 30 may also be composed of a copper film or an aluminum film directly bonded or plated on the surface of the second divided substrate 50 without a separate bonding layer to realize a high thermal conductivity.

복수의 제2 분할 기판(50)은 열원과 접할 수 있고, 복수의 제1 분할 기판(40)은 냉각부와 접할 수 있다. 즉 열전 발전 모듈(100)에서 복수의 제2 분할 기판(50)은 고온부가 될 수 있고, 복수의 제1 분할 기판(40)은 저온부가 될 수 있다. 열전 소자 어레이(10) 양측의 온도 차에 의해 직렬 접속된 열전 소자 어레이(10)에서 전류가 흐르며 발전이 이루어진다.The plurality of second divided substrates 50 can be in contact with the heat source, and the plurality of first divided substrates 40 can contact the cooling unit. That is, in the thermoelectric power generation module 100, the plurality of second divided substrates 50 can be high temperature portions, and the plurality of first divided substrates 40 can be low temperature portions. The electric current flows in the thermoelectric element array 10 connected in series by the temperature difference on both sides of the thermoelectric element array 10, and the electric power is generated.

단일 기판을 구비한 통상의 열전 발전 모듈에서는 고온부에 해당하는 기판 전체가 팽창하며, 저온부 방향으로 휘는 현상이 발생한다. 평평한 열원과 평평한 냉각부 사이에 설치된 열전 발전 모듈이 휘어지면 열 전달에 악영향을 미칠 수 있고, 휘어짐을 강제로 구속할 경우 스트레스가 누적되어 장기 구동 시 파괴되는 현상이 나타날 수 있다.In a conventional thermoelectric power generation module having a single substrate, the entire substrate corresponding to the high temperature portion expands, and bending toward the low temperature portion occurs. If the thermoelectric module installed between the flat heat source and the flat cooling part is bent, the heat transfer may be adversely affected. If the curl is forcibly restrained, the stress may accumulate and may be destroyed during long-term operation.

그러나 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)에서는 복수의 제2 분할 기판(50) 사이의 이격 공간이 제2 분할 기판(50)의 팽창을 수용한다. 따라서 복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 이웃한 제2 분할 기판(50)에 영향을 미치지 않고 길이 방향으로 팽창할 수 있으며, 복수의 제2 분할 기판(50)은 휨 없이 전체적인 평탄성을 유지할 수 있다.However, in the thermoelectric module 100 of the first embodiment, the spacing space between the plurality of second divided substrates 50 accommodates the expansion of the second divided substrate 50. Accordingly, each of the plurality of second divided substrates 50 can expand in the longitudinal direction without affecting the adjacent second divided substrates 50, and the plurality of second divided substrates 50 can maintain the overall flatness without warping .

또한, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)에서는 분할 기판(40, 50)과 전극(20, 30) 사이 및 전극(20, 30)과 열전 소자(11, 12) 사이의 계면에서 전단 방향으로 가해지는 힘이 대폭 감소한다. 그 결과, 제1 실시예의 열전 발전 모듈(100)은 복수의 제2 분할 기판(50)에 스트레스가 누적되지 않으므로 피로 파괴를 방지할 수 있으며, 신뢰성과 사용 수명을 향상시킬 수 있다.In the thermoelectric power generation module 100 of the first embodiment, at the interface between the divided substrates 40 and 50 and the electrodes 20 and 30 and between the electrodes 20 and 30 and the thermoelectric elements 11 and 12, The applied force is greatly reduced. As a result, since the stress is not accumulated in the plurality of second divided substrates 50, the thermoelectric module 100 of the first embodiment can prevent fatigue failure, and can improve reliability and service life.

하기 표 1에 단일 기판을 구비한 비교예의 열전 발전 모듈과 전술한 제1 실시예에 따른 열전 발전 모듈(하기 표에서는 '실시예'로 표기)의 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 조건은 초기 온도 250℃, 작동 시 고온부 온도 500℃ 및 저온부 온도 30℃로 설정되었다.Table 1 below shows the simulation results of the thermoelectric module according to the comparative example having a single substrate and the thermoelectric module according to the first embodiment described above (indicated as 'example' in the following table). The simulation conditions were set at an initial temperature of 250 ° C, a high temperature of 500 ° C and a low temperature of 30 ° C during operation.

비교예Comparative Example 실시예Example (실시예/비교예)
×100(Examples / Comparative Example)
× 100 Z 방향 변위(㎛)Z direction displacement (탆) 211211 2525 11.85%11.85% 열전 소자
스트레스(MPa)Thermoelectric element
Stress (MPa) -541-541 -473-473 87.43%87.43%

비교예의 열전 발전 모듈과 제1 실시예의 열전 발전 모듈은 기판을 제외한 나머지 구성들이 동일하며, 시뮬레이션에 적용된 열전 소자와 전극 및 기판의 물성을 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서 전극은 구리(Cu) 전극이고, 기판은 산화알루미늄(Al2O3)을 포함한다.The thermoelectric power generating module of the comparative example and the thermoelectric power generating module of the first embodiment are the same except for the substrate, and the physical properties of the thermoelectric element, the electrode, and the substrate applied to the simulation are shown in Table 2 below. In Table 2, the electrode is a copper (Cu) electrode and the substrate includes aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

밀도
(g/cc)density
(g / cc) 영률
(GPa)Young's modulus
(GPa) 열팽창계수
(㎛/m℃)Coefficient of thermal expansion
(占 퐉 / m 占 폚) 포아송 비Poisson rain 두께(㎛)Thickness (㎛) 전극electrode 8.938.93 110110 16.416.4 0.3430.343 300300 기판Board 3.963.96 370370 5.55.5 0.210.21 1,0001,000 열전 소자Thermoelectric element 7.27.2 120120 1313 0.2660.266 2,0002,000

표 1을 참고하면, 제1 실시예의 열전 발전 모듈은 분할 기판의 열 팽창으로 인해 전체적인 평탄성을 유지할 수 있으며, 실시예에서 Z 방향(도 1 참조)의 최대 변위는 비교예 대비 11.85% 수준으로 극히 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 열전 발전 모듈을 구성하는 재료들 중 가장 취약한 부분은 열전 소자인데, 제1 실시예에서 열전 소자에 가해지는 스트레스는 비교예 대비 감소한 것을 알 수 있다. Referring to Table 1, the thermoelectric module of the first embodiment can maintain the overall flatness due to the thermal expansion of the divided substrate. In the embodiment, the maximum displacement of the Z direction (see FIG. 1) is 11.85% Low. Also, the weakest part of the materials constituting the thermoelectric module is the thermoelectric element, and it can be seen that the stress applied to the thermoelectric element in the first embodiment is reduced as compared with the comparative example.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시한 열전 발전 모듈 중 복수의 제1 분할 기판과 복수의 제1 전극을 도시한 사시도이다.FIG. 4 is a perspective view of a thermoelectric module according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a perspective view illustrating a plurality of first divided substrates and a plurality of first electrodes among the thermoelectric module shown in FIG.

도 4와 도 5를 참고하면, 제2 실시예의 열전 발전 모듈(200)에서 복수의 제1 분할 기판(40) 각각은 이웃한 두 개의 제1 전극(20)을 지지한다. 복수의 제1 분할 기판(40) 각각은 이웃한 두 개의 제1 전극(20)과 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 제1 분할 기판(40)의 일면에 두 개의 제1 전극(20)이 나란히 위치한다. Referring to FIGS. 4 and 5, in the thermoelectric module 200 of the second embodiment, each of the plurality of first divided substrates 40 supports two neighboring first electrodes 20. Each of the plurality of first divided substrates 40 is formed to have a size capable of simultaneously contacting two adjacent first electrodes 20 and two first electrodes 20 are formed on one surface of the first divided substrate 40, Are located side by side.

복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 이웃한 두 개의 제2 전극(30) 또는 하나의 제2 전극(30)을 지지한다. 복수의 제2 분할 기판(50)은 두 개의 제2 전극(30)을 지지하는 제1 그룹의 제2 분할 기판(51)과, 하나의 제2 전극(30)을 지지하는 제2 그룹의 제2 분할 기판(52)으로 구분될 수 있다.Each of the plurality of second divided substrates 50 supports two neighboring second electrodes 30 or one second electrode 30. The plurality of second divided substrates 50 includes a first group of second divided substrates 51 for supporting the two second electrodes 30 and a second group of substrates 51 for supporting one of the second electrodes 30, And a two-divided substrate 52.

제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51) 각각은 이웃한 두 개의 제2 전극(30)과 동시에 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 제2 분할 기판(51)의 일면에 두 개의 제2 전극(30)이 나란히 위치한다. 제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51)은 열전 발전 모듈(200)의 중앙부에 위치할 수 있고, Y 방향을 따라 복수의 제1 분할 기판(40)에 대해 열전 소자(11, 12) 하나만큼 어긋나게 위치할 수 있다.Each of the plurality of second divided substrates 51 belonging to the first group is formed so as to be in contact with the adjacent two second electrodes 30 at the same time, The two electrodes 30 are positioned side by side. The plurality of second divided substrates 51 belonging to the first group may be located at the central portion of the thermoelectric module 200 and the plurality of thermoelectric elements 11 and 12 ).

제2 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(52) 각각의 일면에 하나의 제2 전극(30)이 위치한다. 제2 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(52)은 열전 발전 모듈(100)의 양측 모서리에 위치할 수 있으며, Z 방향을 따라 두 개의 제1 분할 기판(40)과 중첩될 수 있다.One second electrode 30 is located on one surface of each of the plurality of second divided substrates 52 belonging to the second group. The plurality of second divided substrates 52 belonging to the second group may be located at both side edges of the thermoelectric module 100 and may be overlapped with the two first divided substrates 40 along the Z direction.

제2 실시예의 열전 발전 모듈(200)은 복수의 제1 분할 기판(40)과 제1 그룹에 속하는 복수의 제2 분할 기판(51)이 두 개의 전극 단위로 분리된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.The thermoelectric power generation module 200 of the second embodiment has a structure in which the first divided substrate 40 and the plurality of second divided substrates 51 belonging to the first group are separated in units of two electrodes, The same or similar configuration as the embodiment.

제2 실시예에서 제1 분할 기판(40)과 제1 그룹에 속하는 제2 분할 기판(51)은 제1 실시예의 경우보다 확장된 크기를 가지지만, 분할 기판들 사이의 이격 공간을 통해 분할 기판의 열팽창을 수용할 수 있으므로, 휨 현상을 예방하는 효과는 제1 실시예와 실질적인 차이가 없다. In the second embodiment, the first divided substrate 40 and the second divided substrate 51 belonging to the first group have a larger size than that of the first embodiment, The effect of preventing the warping phenomenon is not substantially different from that of the first embodiment.

한편, 열전 소자 어레이(10)를 이루는 열전 소자(11, 12)의 크기에 따라 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50) 각각은 세 개 또는 그 이상의 전극 단위로 분리된 구조를 가질 수 있다.On the other hand, the plurality of first divided substrates 40 and the plurality of second divided substrates 50 are arranged in units of three or more electrodes according to the sizes of the thermoelectric elements 11 and 12 constituting the thermoelectric element array 10 It can have a separate structure.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 사시도이다.FIG. 6 is a perspective view of a thermoelectric module according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a perspective view of a thermoelectric module according to a fourth embodiment of the present invention.

도 6과 도 7을 참고하면, 제3 실시예 및 제4 실시예의 열전 발전 모듈(300,400)은 복수의 제1 분할 기판(40) 각각의 외면에 위치하는 제1 금속층(71)과, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각의 외면에 위치하는 제2 금속층(72)을 포함한다. 이때 '외면'은 제1 전극(20) 또는 제2 전극(30)이 형성된 면(내면)과 반대되는 면을 의미한다. 6 and 7, the thermoelectric generator modules 300 and 400 of the third and fourth embodiments include a first metal layer 71 located on the outer surface of each of the plurality of first divided substrates 40, And a second metal layer (72) located on the outer surface of each of the second divided substrates (50). The 'outer surface' means a surface opposite to the surface (inner surface) on which the first electrode 20 or the second electrode 30 is formed.

제1 금속층(71)은 제1 전극(20)과 같은 물질로 형성될 수 있고, 제1 전극(20)과 같은 두께를 가질 수 있다. 제2 금속층(72)은 제2 전극(30)과 같은 물질로 형성될 수 있으며, 제2 전극(30)과 같은 두께를 가질 수 있다. 양면이 같은 금속층으로 덮인 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 열 팽창 시 휨 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.The first metal layer 71 may be formed of the same material as that of the first electrode 20 and may have the same thickness as the first electrode 20. The second metal layer 72 may be formed of the same material as the second electrode 30 and may have the same thickness as the second electrode 30. The plurality of first divided substrates 40 and the plurality of second divided substrates 50 covered with the same metal layer on both sides can effectively suppress the warping phenomenon at the time of thermal expansion.

제3 실시예의 열전 발전 모듈(300)은 제1 금속층(71)과 제2 금속층(72)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다. 제4 실시예의 열전 발전 모듈(400)은 제1 금속층(71)과 제2 금속층(72)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.The thermoelectric module 300 of the third embodiment has the same or similar structure as the first embodiment except that the first metal layer 71 and the second metal layer 72 are added. The thermoelectric module 400 of the fourth embodiment has the same or similar constitution as the second embodiment except that the first metal layer 71 and the second metal layer 72 are added.

도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이고, 도 9는 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.FIG. 8 is an exploded perspective view of a thermoelectric module according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the thermoelectric module cut along the line IX-IX of FIG.

도 8과 도 9를 참고하면, 제5 실시예의 열전 발전 모듈(500)은 복수의 제1 분할 기판(40)을 지지하는 제1 프레임(80)과, 복수의 제2 분할 기판(50)을 지지하는 제2 프레임(90)을 포함한다.8 and 9, the thermoelectric module 500 of the fifth embodiment includes a first frame 80 for supporting a plurality of first divided substrates 40, and a plurality of second divided substrates 50 And a second frame (90) supporting the second frame (90).

제1 프레임(80)은 복수의 제1 분할 기판(40) 모두와 접촉할 수 있는 크기로 형성되며, 복수의 제1 분할 기판(40) 각각에 대응하는 복수의 제1 개구부(81)를 가진다. 제2 프레임(90)은 복수의 제2 분할 기판(50) 모두와 접촉할 수 있는 크기로 형성되고, 복수의 제2 분할 기판(50) 각각에 대응하는 복수의 제2 개구부(91)를 가진다.The first frame 80 is formed to be in contact with all of the plurality of first divided substrates 40 and has a plurality of first openings 81 corresponding to each of the plurality of first divided substrates 40 . The second frame 90 is formed to be in contact with all of the plurality of second divided substrates 50 and has a plurality of second openings 91 corresponding to each of the plurality of second divided substrates 50 .

제1 프레임(80)은 제1 분할 기판(40)의 거동에 영향을 미치지 않도록 연성이 있는 금속으로 형성될 수 있으며, 복수의 제1 분할 기판(40) 전체를 지지할 수 있으면서 쉽게 휘어질 수 있는 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(80)은 0.05mm 내지 0.5mm 두께의 알루미늄(Al) 또는 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 제2 프레임(90) 또한 같은 이유로 0.05mm 내지 0.5mm 두께의 알루미늄(Al) 또는 스테인리스강으로 형성될 수 있다.The first frame 80 may be formed of a flexible metal so as not to affect the behavior of the first divided substrate 40. The first frame 80 may support the entirety of the first divided substrates 40, It can have an appropriate thickness. For example, the first frame 80 may be formed of aluminum (Al) or stainless steel having a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm. The second frame 90 may also be formed of aluminum (Al) or stainless steel with a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm for the same reason.

제1 전극(20)이 제1 프레임(80)과 접촉하거나 제2 전극(30)이 제2 프레임(90)과 접촉하면 열전 소자 어레이(10) 전체가 단락된다. 이를 방지하기 위해 제1 분할 기판(40)의 외면에 위치한 제1 금속층(71)이 제1 개구부(81)에 끼워지는 방식으로 복수의 제1 분할 기판(40)이 제1 프레임(80)에 결합될 수 있다. If the first electrode 20 contacts the first frame 80 or the second electrode 30 contacts the second frame 90, the entire thermoelectric element array 10 is short-circuited. A plurality of first divided substrates 40 are bonded to the first frame 80 in such a manner that a first metal layer 71 located on the outer surface of the first divided substrate 40 is fitted in the first openings 81 Can be combined.

또한, 제2 분할 기판(50)의 외면에 위치한 제2 금속층(72)이 제2 개구부(91)에 끼워지는 방식으로 복수의 제2 분할 기판(50)이 제2 프레임(90)에 결합될 수 있다.A plurality of second divided substrates 50 are coupled to the second frame 90 in such a manner that a second metal layer 72 located on the outer surface of the second divided substrate 50 is fitted in the second openings 91 .

이 경우 제1 프레임(80)은 Z 방향을 따라 복수의 제1 분할 기판(40) 및 복수의 제1 전극(20)과 이격되어 열전 소자 어레이(10)의 단락을 방지할 수 있다. 제2 프레임(90) 또한 Z 방향을 따라 복수의 제2 분할 기판(50) 및 복수의 제2 전극(30)과 이격되어 열전 소자 어레이(10)의 단락을 방지할 수 있다.In this case, the first frame 80 is spaced apart from the plurality of first divided substrates 40 and the plurality of first electrodes 20 along the Z direction, thereby preventing the thermoelectric element array 10 from being short-circuited. The second frame 90 is also spaced apart from the plurality of second divided substrates 50 and the plurality of second electrodes 30 along the Z direction to prevent the thermoelectric element array 10 from being short-circuited.

제5 실시예의 열전 발전 모듈(500)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제3 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.The thermoelectric module 500 of the fifth embodiment has the same or similar configuration as that of the third embodiment except that the first frame 80 and the second frame 90 are added.

도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 분해 사시도이고, 도 11은 도 10의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선을 기준으로 절개한 열전 발전 모듈의 단면도이다.FIG. 10 is an exploded perspective view of a thermoelectric module according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric module cut along a line XI-XI in FIG.

도 10과 도 11을 참고하면, 제6 실시예의 열전 발전 모듈(600)은 복수의 제1 분할 기판(40)을 지지하는 제1 프레임(80)과, 복수의 제2 분할 기판(50)을 지지하는 제2 프레임(90)을 포함한다. 제6 실시예의 열전 발전 모듈(600)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제4 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.10 and 11, the thermoelectric module 600 of the sixth embodiment includes a first frame 80 for supporting a plurality of first divided substrates 40, and a plurality of second divided substrates 50 And a second frame (90) supporting the second frame (90). The thermoelectric module 600 of the sixth embodiment has the same or similar constitution as the fourth embodiment except that the first frame 80 and the second frame 90 are added.

제1 프레임(80)은 제1 개구부(81)의 크기와 개수를 제외하고 전술한 제5 실시예의 제1 프레임과 같은 구성으로 이루어진다. 제2 프레임(90) 또한 제2 개구부(91)의 크기와 개수를 제외하고 전술한 제5 실시예의 제2 프레임과 같은 구성으로 이루어진다. 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)은 제1 프레임(80)과 제2 프레임(90)에 의해 일체로 결합되어 안정적으로 지지된다.The first frame 80 has the same configuration as that of the first frame of the fifth embodiment except for the size and the number of the first openings 81. The second frame 90 also has the same configuration as the second frame of the fifth embodiment except for the size and the number of the second openings 91. The plurality of first divided substrates 40 and the plurality of second divided substrates 50 are integrally joined by the first frame 80 and the second frame 90 and are stably supported.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법에 대해 설명한다. 설명의 편의를 위해 기본적으로 제1 실시예의 열전 발전 모듈을 도시한 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described. For convenience of explanation, the thermoelectric module of the first embodiment will be basically described with reference to Figs. 1 to 3.

일 실시예에 따른 열전 발전 모듈의 제조 방법은, 적어도 하나의 제1 전극(20)이 배치된 복수의 제1 분할 기판(40)을 준비하는 제1 단계와, 각각의 제1 전극(20) 위에 P형 열전 소자(11)와 N형 열전 소자(12)를 배치하는 제2 단계와, 적어도 하나의 제2 전극(30)이 배치된 복수의 제2 분할 기판(50)을 준비하는 제3 단계와, 열전 소자 어레이(10)를 사이에 두고 복수의 제1 분할 기판(40)과 복수의 제2 분할 기판(50)을 적층 후 접합하는 제4 단계를 포함한다.A method of manufacturing a thermoelectric module according to an embodiment includes a first step of preparing a plurality of first divided substrates 40 on which at least one first electrode 20 is disposed, A second step of disposing the P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 on the first electrode 30 and the third step of arranging the plurality of second divided substrates 50 on which the at least one second electrode 30 is disposed, And a fourth step of laminating and bonding a plurality of first divided substrates 40 and a plurality of second divided substrates 50 with the thermoelectric element array 10 interposed therebetween.

제1 단계에서 복수의 제1 분할 기판(40)은 제1 프레임(80, 도 8 참조)에 의해 지지될 수 있고, 제3 단계에서 복수의 제2 분할 기판(50)은 제2 프레임(90, 도 8 참조)에 의해 지지될 수 있다. 제1 및 제2 프레임(80, 90)은 제4 단계 이후 복수의 제1 및 제2 분할 기판(40, 50)으로부터 분리되거나(제1 실시예 내지 제4 실시예), 분리되지 않고 남을 수 있다(제5 실시예 및 제6 실시예).In the first step, the plurality of first divided substrates 40 can be supported by the first frame 80 (see Fig. 8), and in the third step, the plurality of second divided substrates 50 can be supported by the second frame 90 , See Fig. 8). The first and second frames 80 and 90 can be separated from the first and second divided substrates 40 and 50 after the fourth step (first to fourth embodiments) (Fifth embodiment and sixth embodiment).

열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제1 단계와 제2 단계 사이에서 복수의 제1 전극(20) 위로 제1 접합층(21) 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와, 제1 전극(20)과 마주할 P형 열전 소자(11) 및 N형 열전 소자(12)의 일면에 제1 확산 방지층(22)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric power generation module includes the steps of applying a first metal paste for forming a first bonding layer (21) on a plurality of first electrodes (20) and drying the first metal paste between a first step and a second step, The method may further include forming a first diffusion preventing layer 22 on one side of the P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 facing the electrode 20. [

제1 금속 페이스트는 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말; 및 주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함할 수 있으며, 선택적으로 바인더, 분산제, 및 용제를 더 포함할 수 있다.The first metal paste may include at least one powder of a first metal selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), and silver (Ag); And at least one second metal powder selected from the group consisting of tin (Sn), zinc (Zn), bismuth (Bi), and indium (In), and optionally a binder, a dispersant, and a solvent .

제1 확산 방지층(22)은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 제1 확산 방지층(22)은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 또는 동시 소결법 등의 방법으로 형성될 수 있다.The first diffusion preventing layer 22 is formed of at least one selected from the group consisting of Ni, Ti, Co, Ru, Ta, Hf, Nb, Zr, (V), and copper (Cu), and may be formed of a single layer or a multilayer. The first diffusion preventing layer 22 may be formed by a method such as sputtering, ion plating, chemical vapor deposition, or co-sintering.

열전 발전 모듈의 제조 방법은, 제3 단계와 제4 단계 사이에서 복수의 제2 전극(30) 위로 제2 접합층(31) 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포하는 단계와, 제2 전극(30)과 마주할 P형 열전 소자(11) 및 N형 열전 소자(12)의 일면에 제2 확산 방지층(32)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric power generating module includes the steps of: applying a second metal paste for forming a second bonding layer (31) on a plurality of second electrodes (30) between a third step and a fourth step; Type thermoelectric element 12 and the P-type thermoelectric element 11 and the N-type thermoelectric element 12 facing the first and second diffusion preventing layers 32 and 30, respectively.

제2 금속 페이스트는 전술한 제1 금속 페이스트와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 제2 확산 방지층(32)은 전술한 제1 확산 방지층(22)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 제2 확산 방지층(32)의 형성 방법은 제1 확산 방지층(22)의 형성 방법과 같을 수 있다.The second metal paste may include the same material as the first metal paste described above, and the second diffusion preventing layer 32 may include the same material as the first diffusion preventing layer 22 described above. The method of forming the second diffusion preventing layer 32 may be the same as the method of forming the first diffusion preventing layer 22.

제4 단계에서, 접합은 고온에서 가압 소결하는 과정으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 접합은 약 0.1MPa 내지 약 200MPa의 압력 및 약 200℃ 내지 약 400℃의 온도에서 가압 소결하는 과정으로 이루어질 수 있다. 이때 압력과 온도는 전술한 범위로 한정되지 않으며, 제1 금속 및 제2 금속으로 선택되는 금속 분말의 용융점 이상의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.In the fourth step, the joining may be performed by pressing and sintering at a high temperature. For example, the bonding may be performed by pressure sintering at a pressure of about 0.1 MPa to about 200 MPa and a temperature of about 200 < 0 > C to about 400 < 0 > C. At this time, the pressure and the temperature are not limited to the above-mentioned range, and it is preferable that the pressure and the temperature are performed at a temperature higher than the melting point of the metal powder selected from the first metal and the second metal.

전술한 접합에 의해 제1 및 제2 금속 페이스트는 각각 제1 및 제2 접합층(21, 31)이 되며, 제1 및 제2 접합층(21, 31)에 의해 열전 소자 어레이(10)는 제1 및 제2 전극(20, 30)에 접합된다. 제1 및 제2 확산 방지층(22, 32)은 고온에서 안정적으로 막의 형태를 유지하고, 열전 소자(11, 12) 등에 포함된 원소가 제1 및 제2 접합층(21, 31) 내부 등으로 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.The first and second metal pastes become the first and second bonding layers 21 and 31 respectively and the first and second bonding layers 21 and 31 form the thermoelectric element array 10 And is bonded to the first and second electrodes 20 and 30. The first and second diffusion preventing layers 22 and 32 stably maintain the shape of the film at a high temperature and the elements included in the thermoelectric elements 11 and 12 are formed in the first and second bonding layers 21 and 31 It is possible to effectively prevent diffusion.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100, 200, 300, 400, 500, 600: 열전 발전 모듈
10: 열전 소자 어레이 11: P형 열전 소자
12: N형 열전 소자 20: 제1 전극
30: 제2 전극 40: 제1 분할 기판
50: 제2 분할 기판 60: 리드선
71: 제1 금속층 72: 제2 금속층
80: 제1 프레임 81: 제1 개구부
90: 제2 프레임 91: 제2 개구부100, 200, 300, 400, 500, 600: thermoelectric module
10: Thermoelectric element array 11: P-type thermoelectric element
12: N-type thermoelectric element 20: first electrode
30: second electrode 40: first divided substrate
50: second divided substrate 60: lead wire
71: first metal layer 72: second metal layer
80: first frame 81: first opening
90: second frame 91: second opening

Claims (17)

하나씩 교대로 배열된 복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자를 포함하는 열전 소자 어레이;
상기 열전 소자 어레이의 일측에서 상기 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 어느 하나의 N형 열전 소자와 연결하는 복수의 제1 전극;
상기 열전 소자 어레이의 타측에서 상기 복수의 P형 열전 소자 각각을 이와 이웃한 다른 하나의 N형 열전 소자와 연결하는 복수의 제2 전극;
상기 복수의 제1 전극을 지지하며 서로 이격된 복수의 제1 분할 기판; 및
상기 복수의 제2 전극을 지지하며 서로 이격된 복수의 제2 분할 기판
을 포함하는 열전 발전 모듈.A thermoelectric element array including a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements alternately arranged one by one;
A plurality of first electrodes connecting each of the plurality of P-type thermoelectric elements with one of the neighboring N-type thermoelectric elements at one side of the thermoelectric element array;
A plurality of second electrodes connecting each of the plurality of P-type thermoelectric elements with another one of the plurality of N-type thermoelectric elements adjacent to the plurality of P-type thermoelectric elements on the other side of the thermoelectric element array;
A plurality of first divisional substrates supporting the plurality of first electrodes and spaced apart from each other; And
And a plurality of second divided substrates which support the plurality of second electrodes and are spaced apart from each other,
And a thermoelectric module. 제1항에 있어서,
상기 복수의 제2 전극은 상기 열전 소자 어레이 중 하나의 열전 소자만큼 상기 복수의 제1 전극에 대해 어긋나게 위치하며,
상기 열전 소자 어레이는 전기적으로 직렬 접속되는 열전 발전 모듈.The method according to claim 1,
Wherein the plurality of second electrodes are positioned to be shifted from the plurality of first electrodes by one thermoelectric element of the thermoelectric element array,
Wherein the thermoelectric element array is electrically connected in series. 제2항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 하나의 제1 전극 단위로 분리되고,
상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리되는 열전 발전 모듈.3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of first divided substrates are divided into one first electrode unit of the plurality of first electrodes,
Wherein the plurality of second divided substrates are separated by one second electrode among the plurality of second electrodes. 제2항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리되고,
상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리되는 열전 발전 모듈. 3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of first divided substrates are divided into two or more first electrodes of the plurality of first electrodes,
Wherein the plurality of second divided substrates are divided into two or more second electrodes of the plurality of second electrodes. 제2항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판은 상기 복수의 제1 전극 중 두 개 이상의 제1 전극 단위로 분리되고,
상기 복수의 제2 분할 기판은 상기 복수의 제2 전극 중 두 개 이상의 제2 전극 단위로 분리된 제1 그룹과, 상기 복수의 제2 전극 중 하나의 제2 전극 단위로 분리된 제2 그룹을 포함하는 열전 발전 모듈.3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of first divided substrates are divided into two or more first electrodes of the plurality of first electrodes,
Wherein the plurality of second divided substrates are divided into a first group separated by a unit of two or more second electrodes among the plurality of second electrodes and a second group divided by one of the plurality of second electrodes Containing thermoelectric module. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판의 외면에 위치하며, 상기 제1 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가지는 복수의 제1 금속층과,
상기 복수의 제2 분할 기판의 외면에 위치하며, 상기 제2 전극과 같은 물질 및 같은 두께를 가지는 복수의 제2 금속층
을 더 포함하는 열전 발전 모듈.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
A plurality of first metal layers located on an outer surface of the plurality of first divided substrates and having the same material and the same thickness as the first electrodes,
A plurality of second metal layers which are located on an outer surface of the plurality of second divided substrates and have the same material and the same thickness as the second electrodes,
Further comprising a thermoelectric module. 제6항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판을 지지하는 제1 프레임과,
상기 복수의 제2 분할 기판을 지지하는 제2 프레임
을 더 포함하는 열전 발전 모듈.The method according to claim 6,
A first frame for supporting the plurality of first divided substrates,
And a second frame for supporting the plurality of second divided substrates
Further comprising a thermoelectric module. 제7항에 있어서,
상기 제1 프레임은 상기 복수의 제1 분할 기판에 대응하는 복수의 제1 개구부를 포함하고,
상기 복수의 제1 금속층은 상기 복수의 제1 개구부에 끼워지는 열전 발전 모듈.8. The method of claim 7,
Wherein the first frame includes a plurality of first openings corresponding to the plurality of first divided substrates,
And the plurality of first metal layers are sandwiched between the plurality of first openings. 제7항에 있어서,
상기 제2 프레임은 상기 복수의 제2 분할 기판에 대응하는 복수의 제2 개구부를 포함하고,
상기 복수의 제2 금속층은 상기 복수의 제2 개구부에 끼워지는 열전 발전 모듈.8. The method of claim 7,
The second frame includes a plurality of second openings corresponding to the plurality of second divided substrates,
And the plurality of second metal layers are sandwiched between the plurality of second openings. 적어도 하나의 제1 전극이 배치된 복수의 제1 분할 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 전극 위에 P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 배치하는 단계;
적어도 하나의 제2 전극이 배치된 복수의 제2 분할 기판을 준비하는 단계;
복수의 P형 열전 소자와 복수의 N형 열전 소자로 이루어진 열전 소자 어레이를 사이에 두고 상기 복수의 제1 분할 기판과 상기 복수의 제2 분할 기판을 적층 및 접합하는 단계
를 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.Preparing a plurality of first divided substrates on which at least one first electrode is disposed;
Disposing a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element on the first electrode;
Preparing a plurality of second divided substrates on which at least one second electrode is disposed;
A step of stacking and joining the plurality of first divided substrates and the plurality of second divided substrates with a thermoelectric element array comprising a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements interposed therebetween
Wherein the thermoelectric module is a thermoelectric module. 제10항에 있어서,
상기 제1 전극 위에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자를 배치하기 전, 상기 제1 전극 위에 제1 접합층 형성을 위한 제1 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계와,
상기 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 상기 제2 전극 위에 제2 접합층 형성을 위한 제2 금속 페이스트를 도포 후 건조하는 단계를 더 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Applying and drying a first metal paste for forming a first bonding layer on the first electrode before arranging the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element on the first electrode,
Further comprising coating a second metal paste for forming a second bonding layer on the second electrode and then drying the second metal paste before stacking the plurality of second divided substrates. 제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 금속 페이스트는,
니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 및 은(Ag)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 제1 금속의 분말; 및
주석(Sn), 아연(Zn), 비스무트(Bi), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 제2 금속의 분말을 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the first and second metal pastes are made of a metal,
A powder of a first metal that is at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), and silver (Ag); And
Wherein the second metal powder is at least one selected from the group consisting of Sn, Zn, Bi, and In. 제11항에 있어서,
상기 제1 전극 위에 상기 P형 열전 소자와 상기 N형 열전 소자를 배치하기 전, 상기 제1 전극과 마주할 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 일면에 제1 확산 방지층을 형성하는 단계와,
상기 복수의 제2 분할 기판을 적층하기 전, 상기 제2 전극과 마주할 상기 P형 열전 소자 및 상기 N형 열전 소자의 일면에 제2 확산 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 열전 발전 모듈의 제조 방법.12. The method of claim 11,
Forming a first diffusion preventing layer on one surface of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element facing the first electrode before the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are disposed on the first electrode, Wow,
Forming a second diffusion barrier layer on one side of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element facing the second electrode before stacking the plurality of second divided substrates, Way. 제13항에 있어서,
상기 제1 및 제2 확산 방지층은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 하프늄(Hf), 나이오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 또는 질화물을 포함하며, 단일층 또는 다중층으로 형성되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.14. The method of claim 13,
The first and second diffusion barrier layers may be formed of at least one selected from the group consisting of Ni, Ti, Co, Ru, Ta, Hf, Nb, Zr, (V), and copper (Cu), and is formed of a single layer or a multilayer. 제13항에 있어서,
상기 제1 및 제2 확산 방지층은 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 및 동시 소결법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.14. The method of claim 13,
Wherein the first and second diffusion barrier layers are formed by any one of sputtering, ion plating, chemical vapor deposition, and co-sintering. 제10항에 있어서,
상기 복수의 제1 분할 기판은 제1 프레임에 의해 지지되고,
상기 복수의 제2 분할 기판은 제2 프레임에 의해 지지되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the plurality of first divided substrates are supported by a first frame,
And the plurality of second divided substrates are supported by the second frame. 제16항에 있어서,
상기 제1 및 제2 프레임은 상기 접합하는 단계 이후 상기 복수의 제1 및 제2 분할 기판으로부터 분리되는 열전 발전 모듈의 제조 방법.17. The method of claim 16,
Wherein the first and second frames are separated from the plurality of first and second divided substrates after the joining step.
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