WO2020075890A1 - 벌크형 열전소자 제조 방법 - Google Patents

벌크형 열전소자 제조 방법 Download PDF

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WO2020075890A1
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thermoelectric element
manufacturing
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차진환
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주식회사 휴모트
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    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a bulk type thermoelectric element, and more particularly, to a method for manufacturing a bulk type thermoelectric element implemented not only to simplify the manufacturing process but also to reduce manufacturing cost.
  • the present invention claims the benefit of the filing date of Korean Patent Application No. 10-2018-0120192 filed on October 10, 2018, all of which is included in this specification.
  • thermoelectric elements are used in various fields, and they are used in various household appliances such as wine cellars and water purifiers in cosmetic refrigerators using an electronic cooling method using a Peltier effect.
  • thermoelectric energy harvesting which uses the Seebeck effect of a thermoelectric element to generate electricity with a small temperature difference, is also being widely applied and the demand for thermoelectric elements is increasing.
  • thermoelectric device there are limitations in manufacturing a thermoelectric device that are not solved, and thus the manufacturing process is complicated and there is a limitation in lowering the manufacturing cost.
  • the conventional thermoelectric element manufacturing process starts by manufacturing a P-type thermoelectric substrate and an N-type thermoelectric substrate from an ingot produced through a sintering process, and cutting the substrate to a desired size.
  • the cut piece pellets are usually cut to a size of about 1.4 ⁇ 1.4 ⁇ 1.6 mm thick, and the pellets are mounted by moving the P-type pellets and the N-type pellets on the electrode plate of the substrate on which the electrical connection pattern is made. When the lower substrate is soldered, it is connected to the electrode plate to complete the thermoelectric element.
  • thermoelectric element results in how many P-type N-type pellets are mounted in a unit area, performance can be improved if the P-type N-type pellets can be mounted at high density.
  • the conventional manufacturing technology has a problem in that it takes a lot of manufacturing time and labor cost for a small surface mounting operation to place hundreds of small pellets manually and place them on the electrode plate.
  • thermoelectric element manufacturing costs for making the thermoelectric element are high, and high-density surface mounting is not possible with the cutting method, so there is a limitation in manufacturing a high-density thermoelectric element.
  • the P-type and N-type substrates which are thermoelectric materials, are not completely cut, but only cut to a depth of um level and keep the root layer at the bottom, thereby simplifying the manufacturing process as well as reducing manufacturing cost.
  • a method of manufacturing a bulk type thermoelectric element implemented to be reduced is provided.
  • a method of manufacturing a bulk type thermoelectric element includes: slicing a material of a thermoelectric element to fabricate two types of substrates: P type (Type) and N type (Type); After the P-type pellets formed on the top of the P-type substrate and the N-type pellets formed on the top of the N-type substrate are alternately engaged, the bottom of each substrate is polished (grinded) to process the P-type pellets and N-type pellets. Forming a cross formed P / N layer; And assembling a ceramic substrate having conductive electrode pads (PAD) formed on upper and lower portions of the P / N layer to complete a thermoelectric element.
  • P type Type
  • N type Type
  • the bonding step includes applying an insulating resin on top of the underlying substrate; And it may include the step of fastening the rest of the substrate so as to mesh with the upper portion of the insulating resin coated substrate.
  • the step of forming the P / N layer after the step of grinding (grinding) the base layer, the upper and lower portions of the P / N layer where the electrode pads are positioned so that the electrode pads can be fastened.
  • the method may further include forming a pad fastening groove having a depth corresponding to the height of the electrode pad.
  • thermoelectric device 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a bulk type thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a bulk type thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • the whitening effect is, in short, an effect opposite to the Peltier effect, and is a phenomenon in which electricity is generated when a temperature difference is applied to both sides.
  • pellets can be assembled on top and bottom with P-type and N-type substrates attached, so no separate surface mounting is required.
  • pellets in the form of square protrusions are formed on the upper portion of the base layer so that the upper portion of the P-type substrate and the upper portion of the N-type substrate are engaged with each other.
  • Each substrate is sawed in a form formed by rowing (see FIG. 4 (c)) (S121).
  • the base layer is polished (grinded) so that only the P / N layer remains (S123), so that the base layer unnecessary for thermoelectric element manufacturing can be removed and only the P / N layer remains.
  • thermoelectric efficiency of the thermoelectric element As the pad fastening groove is formed, the space that can occur between the P / N layer and the ceramic substrate due to the height difference in the electrode pad is removed, thereby improving the thermoelectric efficiency of the thermoelectric element.
  • PN arrangement is completed simply by bonding the top and bottom with an insulating resin (resin material such as regin, urethane, silicone, etc.) after sawing to the required depth on a P-type or N-type substrate, so that a separate pellet moving mounting process is not necessary. do.
  • resin material such as regin, urethane, silicone, etc.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating another example of the steps of forming the P / N layer of FIG. 1.
  • the support jaw is inserted into a fastening groove, which will be described later, and is prevented from being shaken when joined by a resin, thereby helping to form a more robust and regular P / N layer.
  • a fastening groove having a shape corresponding to the shape of the support jaw is formed in the bottom portion of the groove formed between the support jaw and the opposed pellets (S125).
  • the step of grinding (grinding) the base layer (S123) may be performed by polishing the base layer to the base, thereby removing the base layer unnecessary for thermoelectric element manufacturing and leaving only the P / N layer.
  • thermoelectric device 6 is a view for explaining a method of manufacturing a bulk type thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element material circular substrate (plate) is sliced to manufacture a P-type and an N-type substrate, respectively, and (b) a conventional substrate manufacturing method of cutting a substrate through sawing processing.
  • a thermoelectric element material circular substrate (plate) is sliced to manufacture a P-type and an N-type substrate, respectively, and (b) a conventional substrate manufacturing method of cutting a substrate through sawing processing.
  • the base layer (role role)
  • only the required depth is processed
  • the P-type and N-type substrates are processed, and the support jaws and fastening grooves are formed in the upper and grooves of the P-type and N-type substrates.
  • the P-type and N-type substrates are joined with an insulating resin (resin material such as regin, urethane, silicone, etc.) by fastening so that the base is inserted into the fastening groove.
  • an insulating resin resin material such as regin, urethane, silicone, etc.

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Abstract

본 발명은 제조공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조원가를 절감할 수 있도록 구현한 벌크형 열전소자 제조 방법에 관한 것으로, 열전소자의 재료를 슬라이스하여 P형(Type)과 N형(Type)의 두 종류의 기판을 제작하는 단계; P형 기판의 상부에 형성되는 P형 펠렛과 N형 기판의 상부에 형성되는 N형 펠렛이 교대로 맞물리도록 접합시킨 후 각 기판의 하부를 연마(연삭) 가공하여 P형 펠렛과 N형 펠렛이 교차 형성되는 P/N층을 형성시키는 단계; 및 P/N층의 상부 및 하부에 도전성 전극 패드(PAD)가 형성된 세라믹 기판을 조립하여 열전소자를 완성시키는 단계를 포함한다.

Description

벌크형 열전소자 제조 방법
본 발명은 벌크형 열전소자 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조원가를 절감할 수 있도록 구현한 벌크형 열전소자 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 2018년 10월 10일 출원된 한국특허출원 제10-2018-0120192호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
최근 다양한 분야에서 열전소자가 활용되고 있는데, 펠티어(Peltier effect) 효과를 사용한 전자냉각방식으로 화장품 냉장고에서 와인셀러, 정수기 등 다양한 생활가전에 사용되고 있다.
특히, 에너지 하베스팅의 기술 확대로 열전소자의 지벡(Seebeck) 효과를 사용하여 작은 온도차로 전기를 발전시키는 열전 에너지 하베스팅 분야도 널리 확대 적용되고 있어 열전소자의 수요가 늘어나고 있다.
그러나, 열전소자를 제조하는데 있어 해결되지 못하는 한계점들이 존재하여 제조공정이 복잡하고 제조원가를 낮추는데도 한계점이 있어 소자의 가격을 낮추는데 한계가 있다.
종래의 열전소자 제조공정은, 재료를 소결 공정을 통하여 제조된 잉곳으로부터 P형 열전소자 기판과 N형 열전소자 기판을 제조하고, 이 기판을 원하는 사이즈로 절단 가공하는 데에서 출발한다.
절단 가공된 조각 펠렛들은 보통 가로 1.4 × 세로 1.4 × 두께 1.6mm 수준의 사이즈로 절단되고, 이 펠렛을 전기적 연결 패턴이 만들어진 기판의 전극판 위에 P형 펠렛과 N형 펠렛을 옮겨서 실장하고, 상부 및 하부 기판 사이를 납땜 처리하면 전극판에 연결되어 열전소자가 완성된다.
열전소자의 성능은 단위 면적에 얼마나 많은 P형 N형 펠렛을 실장하느냐로 귀결되므로, P형 N형의 펠렛을 작게 만들어 고밀도로 실장할 수 있다면 성능을 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래의 제조방법으로는, 열전소재의 특성상 아주 작은 펠렛으로 절단 가공하는데 한계점이 존재하여, 수 mm 수준이 대부분이고 수 um 수준으로 펠렛을 절단가공이 매우 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 종래의 제조기술로는 작게 만들어진 펠렛을 수작업으로 수백개를 옮겨서 전극판 위에 놓는 작은 표면 실장 작업에 많은 제조 시간이 소요되어 제조 기간 및 인건비가 많이 드는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 SMD 장치를 사용하여 자동화하고 대량 양산화를 하는 경우도 있지만, SMD 장치로 할 수 있는 펠렛 사이즈의 한계가 있어 이 또한 더 작은 펠렛을 자동으로 표면 실장하는 데 한계가 있다.
즉, 종래의 열전소자 제조 방법으로는, 열전소자를 만드는 제조 원가가 높고, 절단 가공방식으로는 고밀도의 표면 실장이 불가능하여 고밀도의 열전소자를 제조하는 데 한계점이 있다는 것이다.
본 발명의 일측면은 열전소재인 P형과 N형 기판 절단 가공시 완전히 절단 가공하지 않고 um 수준의 깊이만큼만 절단 가공하고 하부에 뿌리층을 유지하도록 하여 제조공정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조원가를 절감할 수 있도록 구현한 벌크형 열전소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법은, 열전소자의 재료를 슬라이스하여 P형(Type)과 N형(Type)의 두 종류의 기판을 제작하는 단계; P형 기판의 상부에 형성되는 P형 펠렛과 N형 기판의 상부에 형성되는 N형 펠렛이 교대로 맞물리도록 접합시킨 후 각 기판의 하부를 연마(연삭) 가공하여 P형 펠렛과 N형 펠렛이 교차 형성되는 P/N층을 형성시키는 단계; 및 P/N층의 상부 및 하부에 도전성 전극 패드(PAD)가 형성된 세라믹 기판을 조립하여 열전소자를 완성시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 P/N층을 형성시키는 단계는, P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 서로 맞물릴 수 있도록 사각 돌기 형태의 펠렛(Pellet)이 베이스층의 상부에 열을 지어 형성되는 형태로 각각의 기판을 쏘잉(Sawing) 가공하는 단계; 쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부를 절연 레진(Regin)으로 접합시키는 단계; 및 절연 레진이 경화되면, P/N층만 남도록 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 접합시키는 단계는, 하부에 놓인 기판의 상부에 절연 레진을 도포하는 단계; 및 나머지 기판을 절연 레진이 도포된 기판의 상부에 맞물리도록 체결시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연 레진은, 우레탄 또는 실리콘의 수지 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 펠렛은, 가로 250um × 세로 250um × 두께 500um의 규격으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 P/N층을 형성시키는 단계는, 상기 쏘잉(Sawing) 가공하는 단계 이후에, 가공된 펠렛의 상부 중심 부분을 따라 길이 방향으로 기 설정된 높이의 받침턱을 부착시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 P/N층을 형성시키는 단계는, 상기 받침턱과 대향하는 펠렛 사이에 형성되는 홈의 바닥 부분에 상기 받침턱의 형상에 대응하는 형태의 체결홈을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연 레진으로 접합시키는 단계는, 쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 맞물릴 시 상기 받침턱이 상기 체결홈에 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계는, 베이스층 연마시 상기 받침턱까지 연마시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 P/N층을 형성시키는 단계는, 상기 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계 이후에, 전극 패드가 체결될 수 있도록 전극 패드가 위치하는 P/N층의 상부 및 하부에 전극 패드의 높이에 대응하는 깊이의 패드 체결홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열전소자를 완성시키는 단계는, 리플로우 솔더링(Reflow soldering)을 이용하여 P/N층의 상부 및 하부에 세라믹 기판을 조립할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 취성이 약한 열전소재를 종래의 mm단위 절단보다 아주 작은 um단위의 절단 가공이 가능케 하며, 특히 완전 가공하여 펠렛의 형태로 있지 않고 기판상에 그대로 남아 있게 되어 별도의 펠렛 하나 하나를 이동하여 실장하지 않아도 된다는 혁신적인 제조공정 절감 효과와 인건비 절감효과가 있다.
수천 개의 펠렛이 P형과 N형 기판에 붙어있는 상태로 상하 접착 조립할 수 있어 별도의 표면실장이 필요없다.
즉, P형 N형 열전재료 기판상에 뿌리층을 갖는 열전소자들을 미세절단가공으로 만들어 펠렛 단위를 별도 표면실장을 위한 이동 없이 바로 제작하는 것이 가능하여, 절단 가공 사이즈의 한계점을 해결하는 동시에 작은 소자를 하나씩 이동할 필요가 없고, 단위면적 당 효율을 크게 개선시킴으로써 제조공정 단순화 및 제조원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 기존의 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 도 2의 P/N층을 형성시키는 단계의 일 예를 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 2의 P/N층을 형성시키는 단계의 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 기존의 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, (a) 열전소자 재료 원형 기판(플레이트) 잉곳을 슬라이스하여 P형(type)과 N형(type) 기판을 각각 제조하고, (b) 절단공정(Sawing)을 통해 P형과 N형의 펠렛(Pellet)을 각각 제조하는데, 보통 가로 1.4mm × 세로 1.4mm × 높이 1.6mm로 제조하게 되는데, 이때 재료의 특성상 사이즈를 작게 하기 위해 mm 이하(마이크로 단위) 사이즈 가공시에 칩핑(크랙)이 발생된다는 문제점을 가지게 된다.
(c) 각각의 P형과 N형 플레이트를 쏘잉 가공하여 제조한 각각의 P형과 N형 펠렛들을 수작업 또는 SMD(Surface Mount Device)를 이용하여 도전성 전극 패드(PAD)에 "pick & place"하거나, 지그를 이용하여 한번에 수 백 개의 펠렛을 이동시키게 된다. 이때, 1mm × 1mm × 1mm 이하 펠렛 자동이송에 의한 실장상에 한계(즉, 절단된 개별 펠렛을 하나씩 이동시켜 실장할 경우에 발생되는 핸들링상의 한계)가 발생된다는 문제점을 또한 가지게 된다.
(d) 마지막으로, 상부 및 하부 플레이트를 덮고 Reflow soldering 공정으로 실장 완료함으로서 열전소자의 제조가 마무리된다.
이와 같은 방식에 의하여 제조되는 열전소자는, 실리콘계가 아닌 Bi-Te계 플레이트의 P형과 N형으로 제조되는데, Bi-Te계는 취성이 약하여 쏘잉 가공시에 상술한 바와 같은 크랙이 쉽게 발생할 수 있다는 문제점을 가진다.
이에 따라, 기존의 열전소자 제조 방법은, 1) 펠렛의 이동 실장시에 수작업 또는 SMD 장비의 사용으로 인한 인건비나 장비에 소요되는 비용이 과다하여 제조원가가 상승하고, 2) 펠렛을 1개씩 이동 실장시켜야 하는 바 시간이 많이 소요되며, 3) 미세 펠렛 가공 시에 불량률 증가하게 되고, 이동 실장이 어려워 고밀도의 열전소재를 제조하기 힘들다는 한계상의 문제점이 존재하였다. 4) 또한, 기존의 열전소자 제조 방법에 의하면, 가로 40mm × 세로 40mm 넓이의 기판 상에 열전소자가 통상 P형 또는 N형의 펠렛(Pellet)으로 254개(P형과 N형의 펠렛이 결합한 커플이 127개)가 실장되는데, 기존의 열전소자 제조 방법으로는 최소 1mm × 1mm × 1mm 크기까지의 P형 또는 N형 펠렛을 제조하는 것이 한계이기 때문에, 가로 40mm × 세로 40mm 넓이의 기판 상에는 P형 또는 N형의 펠렛(Pellet)이 최대 24개/cm2만 실장될 수 있다는 한계를 가지고 있었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법은, 우선 열전소자의 재료를 슬라이스하여 P형(Type)과 N형(Type)의 두 종류의 기판을 제작한다(S110).
상술한 단계 S110에서 기판이 제작되면, P형 기판의 상부에 형성되는 P형 펠렛과 N형 기판의 상부에 형성되는 N형 펠렛이 교대로 맞물리도록 접합시킨 후 각 기판의 하부를 연마(연삭) 가공하여 P형 펠렛과 N형 펠렛이 교차 형성되는 P/N층을 형성시킨다(S120).
상술한 단계 S120에서 P/N층이 형성되면, P/N층의 상부 및 하부에 도전성 전극 패드(PAD)가 형성된 세라믹 기판을 조립하여 열전소자를 완성시킨다(S130).
일 실시예에서, 열전소자를 완성시키는 단계(S130)는, 리플로우 솔더링(Reflow soldering)을 이용하여 P/N층의 상부 및 하부에 세라믹 기판을 조립할 수 있다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 벌크형 열전소자 제조 방법에 의해 제조된 벌크형 열전소자는, 두 장의 금속판 또는 반도체 판으로 구성되어 제백 효과에 의한 기전력을 발생시키게 된다.
제백 효과를 발생하는 소자는, 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하고 거기에 온도 차를 주어 열기전력을 일으키는 회로 소자를 의미한다.
이 제백 효과(또는 현상)은, 1821년에 T. Seebeck이 Cu와 Bi 또는 Sb에 대하여 발견하였는데, 열기전력을 측정하여 온도로 환산하는 열전대식 온도계는 공업적으로도 널리 이용되고 있고, 고온에서 극저온까지 각종 열전대식이 개발되어 있다.
온도계측용의 열전대에는 은-금(철 첨가), 크로멜-금(철 첨가), 구리-콘스탄탄, 크로멜-콘스탄탄, 크로멜-알루멜, 백금ㆍ로듐-백금, 텅스텐-텅스텐 레늄 등 여러 가지가 있다.
한편, 반도체는, 금속에 비해서 열전능(제벡 계수)이 1000배나 크기 때문에 이것을 사용한 열기전력의 생성은 효율이 상대적으로 높은 편이다.
결국, 제백 효과는, 간단히 말해 펠티어 효과와는 반대되는 효과로서, 양면에 온도 차를 주면 전기가 생성되는 현상이다.
흡열과 방열의 양단에 온도차가 발생되면 n형 반도체의 경우, 고온단에 있는 전자들이 저온단에 있는 전자들보다 더 높은 운동에너지를 가지게 되어 고온단의 전자들이 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산하게 된다.
전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 "-" 로 대전되고 고온부는 "+"로 대전되어 상기 양단간에 전위차가 발생하며, 이것이 바로 제백(Seebak)전압이 된다.
생성된 제백전압은, 전자들을 고온단으로 되돌려 보내려는 방향으로 작용하며, 제백전위가 저온단으로 전자의 이동을 일으키는 열적 구동력과 정확히 균형을 이룰 때 평형상태로 된다.
이와 같이 양단 간의 온도차에 의해 발생하는 제백전압(V)을 열기전력(Thermoelectromotive force)이라고 한다.
상술한 단계 S130에 조립된 벌크형 열전소자에 의할 경우, 약 0.13mW 정도의 기전력을 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 벌크형 열전소자 제조 방법은, 취성이 약한 열전소재를 종래의 mm단위 절단보다 아주 작은 um 단위의 절단 가공이 가능케 하며, 특히 완전 가공하여 펠렛의 형태로 있지 않고 기판상에 그대로 남아 있게 되어 별도의 펠렛 하나 하나를 이동하여 실장하지 않아도 된다는 혁신적인 제조공정 절감 효과와 인건비 절감효과가 있다.
또한, 수 천 개의 펠렛이 P형과 N형 기판에 붙어있는 상태로 상하 접착 조립할 수 있어 별도의 표면실장이 필요없다.
즉, P형 N형 열전재료 기판상에 뿌리층을 갖는 열전소자들을 미세절단가공으로 만들어 펠렛 단위를 별도 표면 실장을 위한 이동 없이 바로 제작하는 것이 가능하여 절단 가공 사이즈의 한계점을 해결하고 동시에 작은 소자를 하나씩 이동할 필요가 없고, 단위면적 당 효율을 크게 개선시킴으로써 제조공정 단순화 및 제조원가 절감이 가능하다.
도 3은 도 2의 P/N층을 형성시키는 단계의 일 예를 설명하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, P/N층을 형성시키는 단계(S120)는, P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 서로 맞물릴 수 있도록 사각 돌기 형태의 펠렛(Pellet)이 베이스층의 상부에 열을 지어 형성되는 형태(도 4의 (c)참조)로 각각의 기판을 쏘잉(Sawing) 가공한다(S121).
이때, 펠렛의 크기는, 가로 125 ~ 250um × 세로 125 ~ 250um × 두께 100 ~ 500um로 형성됨이 바람직하다.
기존 방식에 의하여 제조된 열전소자의 펠릿은, 1mm × 1mm × 1mm 크기가 한계점이어서 제조상의 제약이 있었으나, 본 발명에 의할 경우 기존의 방식에 비하여 작은 크기의 펠렛을 제조하여도 크렉 등의 발생하지 않아 보다 효율이 좋은 열전소자의 제조가 가능하다.
상술한 단계 S121에서 쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부를 우레탄 또는 실리콘의 수지 재료로 형성되는 절연 레진(Regin)으로 접합시킨다(S122).
일 실시예에서, 접합시키는 단계(S122)는, 하부에 놓인 기판의 상부에 절연 레진을 도포하는 단계를 거친 후, 나머지 기판을 절연 레진이 도포된 기판의 상부에 맞물리도록 체결시키는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 S122에서 사용된 절연 레진이 경화되면, P/N층만 남도록 베이스층을 연마(연삭) 가공함으로써(S123), 열전소자 제조에 불필요한 베이스층은 제거하고 P/N층만 남도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 단계를 가지는 P/N층을 형성시키는 단계(S120)는, 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계 이후에, 전극 패드가 체결될 수 있도록 전극 패드가 위치하는 P/N층의 상부 및 하부에 전극 패드의 높이에 대응하는 깊이의 패드 체결홈을 형성하는 단계(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
패드 체결홈을 형성시킴에 따라, 전극 패드에 높이 차로 인해 P/N층과 세라믹 기판 사이에 발생할 수 있는 공간을 제거함으로써, 열전 소자의 열전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, (a) 열전소자 재료 원형 기판(플레이트) 잉곳을 슬라이스하여 P형과 N형 기판을 각각 제조하며, (b) 쏘잉 가공을 통해 기판을 절단하는 기존의 기판 제조 방법과는 달리, 베이스층(뿌리 역할)을 제외하고 필요한 깊이만을 가공하여, (c) P형과 N형 기판을 가공한다.
(d) P형 또는 N형 기판상에 필요한 깊이로 쏘잉 가공 후에 상하를 절연 레진(Regin, 우레탄, 실리콘 등의 수지 재료)으로 접합함으로써 간단히 P-N 배열이 완료되어 별도의 펠렛 이동 실장 공정이 필요 없게 된다.
(e) 레진의 경화 후에, 상부/하부 플레이트의 베이스층을 연마(연삭)가공하면 경화된 레진에 의해 견고하게 유지된 P형과 N형의 펠렛이 반복하여 교차 형성되는 P/N층만 남게 되며, (f) 전극 패드가 형성된 상부/하부 세라믹 기판을 P/N층의 상/하부에 조립하여 열전소자의 제조 공정이 완료하게 된다.
도 5는 도 1의 P/N층을 형성시키는 단계의 다른 예를 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, P/N층을 형성시키는 단계(S120)는, 쏘잉(Sawing) 가공하는 단계(S121) 이후에, 가공된 펠렛의 상부 중심 부분을 따라 길이 방향으로 기 설정된 높이의 받침턱을 부착시킨다(S124).
이때, 받침턱은, 후술하는 체결홈에 삽입되어 레진에 의한 접합시에 흔들이는 것이 방지되어 보다 견고하고 규칙적인 P/N층을 형성하도록 보조할 수 있다.
상술한 단계 S124에서 받침턱이 부착되면, 받침턱과 대향하는 펠렛 사이에 형성되는 홈의 바닥 부분에 받침턱의 형상에 대응하는 형태의 체결홈을 형성시킨다(S125).
일 실시예에서, 절연 레진으로 접합시키는 단계(S122)에서는, 전열 레진을 도포한 후, 쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 맞물릴 시 받침턱을 체결홈에 삽입시킴으로써 각 기판이 움직이는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계(S123)는, 베이스층 연마시 받침턱까지 연마시킴으로써, 열전소자 제조에 불필요한 베이스층은 제거하고 P/N층만 남도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 벌크형 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, (a) 열전소자 재료 원형 기판(플레이트) 잉곳을 슬라이스하여 P형과 N형 기판을 각각 제조하며, (b) 쏘잉 가공을 통해 기판을 절단하는 기존의 기판 제조 방법과는 달리, 베이스층(뿌리 역할)을 제외하고 필요한 깊이만을 가공하여, (c) P형과 N형 기판을 가공하고, P형과 N형 기판의 상부 및 홈에 받침턱 및 체결홈을 형성시킨다.
(d) P형 또는 N형 기판상에 필요한 깊이로 쏘잉 가공 후에, 받침턱이 체결홈에 삽입되도록 체결하여 절연 레진(Regin, 우레탄, 실리콘 등의 수지 재료)으로 P형과 N형 기판을 접합함으로써 간단히 P-N 배열이 완료되어 별도의 펠렛 이동 실장 공정이 필요 없게 된다.
(e) 레진의 경화 후에, 상부/하부 플레이트의 베이스층을 연마(연삭)가공하면 경화된 레진에 의해 견고하게 유지된 P형과 N형의 펠렛이 반복하여 교차 형성되는 P/N층만 남게 되며, (f) 전극 패드가 형성된 상부/하부 세라믹 기판을 P/N층의 상/하부에 조립하여 열전소자의 제조 공정이 완료하게 된다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 열전소자의 재료를 슬라이스하여 P형(Type)과 N형(Type)의 두 종류의 기판을 제작하는 단계;
    P형 기판의 상부에 형성되는 P형 펠렛과 N형 기판의 상부에 형성되는 N형 펠렛이 교대로 맞물리도록 접합시킨 후 각 기판의 하부를 연마(연삭) 가공하여 P형 펠렛과 N형 펠렛이 교차 형성되는 P/N층을 형성시키는 단계; 및
    P/N층의 상부 및 하부에 도전성 전극 패드(PAD)가 형성된 세라믹 기판을 조립하여 열전소자를 완성시키는 단계를 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 P/N층을 형성시키는 단계는,
    P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 서로 맞물릴 수 있도록 사각 돌기 형태의 펠렛(Pellet)이 베이스층의 상부에 열을 지어 형성되는 형태로 각각의 기판을 쏘잉(Sawing) 가공하는 단계;
    쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부를 절연 레진(Regin)으로 접합시키는 단계; 및
    절연 레진이 경화되면, P/N층만 남도록 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계를 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접합시키는 단계는,
    하부에 놓인 기판의 상부에 절연 레진을 도포하는 단계; 및
    나머지 기판을 절연 레진이 도포된 기판의 상부에 맞물리도록 체결시키는 단계를 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 레진은,
    우레탄 또는 실리콘의 수지 재료로 형성되는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 펠렛은,
    가로 125 ~ 250um × 세로 125 ~ 250um × 두께 100 ~ 500um의 규격으로 형성되는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 P/N층을 형성시키는 단계는,
    상기 쏘잉(Sawing) 가공하는 단계 이후에, 가공된 펠렛의 상부 중심 부분을 따라 길이 방향으로 기 설정된 높이의 받침턱을 부착시키는 단계를 더 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 P/N층을 형성시키는 단계는,
    상기 받침턱과 대향하는 펠렛 사이에 형성되는 홈의 바닥 부분에 상기 받침턱의 형상에 대응하는 형태의 체결홈을 형성시키는 단계를 더 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연 레진으로 접합시키는 단계는,
    쏘잉 가공된 P형 기판의 상부와 N형 기판의 상부가 맞물릴 시 상기 받침턱이 상기 체결홈에 삽입되는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계는,
    베이스층 연마시 상기 받침턱까지 연마시키는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 P/N층을 형성시키는 단계는,
    상기 베이스층을 연마(연삭) 가공하는 단계 이후에, 전극 패드가 체결될 수 있도록 전극 패드가 위치하는 P/N층의 상부 및 하부에 전극 패드의 높이에 대응하는 깊이의 패드 체결홈을 형성하는 단계를 더 포함하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자를 완성시키는 단계는,
    리플로우 솔더링(Reflow soldering)을 이용하여 P/N층의 상부 및 하부에 세라믹 기판을 조립하는, 벌크형 열전소자 제조 방법.
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