KR101593498B1

KR101593498B1 - 소결층을 포함하는 열전모듈 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101593498B1
Application number: KR1020140093917A
Authority: KR
Inventors: 황창원
Original assignee: 주식회사 제펠
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: KR20160013309A

Abstract

구조 및 제조공정이 간단하고, 솔더링이 배제되어 열전소자로의 불필요한 확산을 방지하며, 전극과 열전소자와의 결합력을 높이며, 히트싱크가 견고하게 성형되는 소결층을 포함하는 열전모듈 및 그 제조 방법을 제시한다. 그 모듈 및 방법은 P형 열전소자 및 n형 열전소자와, 열전소자들 사이에 위치하는 절연격막 및 열전소자들 상에 위치하며, 금속 분말이 소결된 소결층을 포함하고, 소결층은 상기 열전소자들의 전극이거나, 전극 및 히트싱크의 역할을 동시에 하는 방열전극이며 방향성 레이저 빔에 의해 소결되어 층층이 적층되어 이루어진다.

Description

소결층을 포함하는 열전모듈 및 그 제조 방법{Thermoelectric module having sintered layer and method of manufacturing the module}

본 발명은 열전모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저에 의해 소결층을 형성하여 기존의 솔더링(soldering)을 배제한 열전모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

열전현상(thermoelectric effect)은 열과 전기 사이의 가역적이고 직접적인 에너지 변환되는 것이며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생한다. 열전현상은 냉각 분야에 이용되는 펠티어 효과(Peltier effect)와 발전 분야에 활용되고 있는 제벡 효과(Seebeck effect)로 구분된다. 열전냉각은 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경적이다. 최근에는, 고효율의 열전냉각재료가 개발되어 냉장고, 에어컨 등 그 응용분야가 확대되고 있다. 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서는 온도 차이에 의한 열전발전이 가능하며, 태양에너지 사용이 불가능한 우주 탐사선에도 이러한 열전발전 시스템을 사용하고 있다. 열전모듈은 크게 절연기판, n형 및 p형의 열전소자 그리고 구리와 같은 금속전극의 세 부분으로 구성되어 있다.

종래의 열전모듈은 열전소자와 금속전극을 접합하기 위하여, 솔더링 기법을 사용하였다. 솔더링은 구성요소인 납(Pb) 또는 주석(Sn)이 열전소자 내부로 확산되므로, 별도의 확산방지층(anti-diffusion layer)이 필요하다. 열전모듈을 제조하는 공정에서, 열충격에 의해 열전소자와 확산방지층의 박리가 일어나거나 심지어 열전재료에 크랙(crack)이 발생하기도 한다. 일본공개특허 제1998-190070호는 주석, 비스무트 또는 안티몬 등으로 이루어진 별도의 확산방지층을 부가하고 있으나, 이는 별도의 확산방지층을 만들어야 하는 비용과 시간이 소요되고, 원하는 수준의 부착력을 얻지 못하고 있다.

한편, 열전모듈은 열의 흡입 및 방출이 원활하게 이루어져야 한다. 열의 출입을 효과적으로 수행하기 위하여, 열전모듈은 통상적으로 핀 타입의 히트싱크(heat sink)인 방열핀을 기판에 부착한다. 이를 위해, 기판과 방열핀 사이에 접착제를 바르고, 열 및 압력을 가하여, 히트싱크를 완성한다. 종래의 열전모듈은 히트싱크로의 열 흐름이 기판에 의해 방해받으므로, 열이 출입하는 효율이 떨어진다. 또한, 히트싱크와 기판 사이의 부착력이 약하면, 히트싱크로의 열전달이 제대로 이루어지지 않거나 심지어 히트싱크가 탈락되기도 한다. 앞에서 설명한 확산방지층 및 히트싱크는 열전모듈의 구조 및 제조공정이 복잡해지는 요인이 된다. 열전모듈이 복잡해지면, 품질을 관리해야 하는 요소가 많아지고, 그만큼의 인력 및 시간이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구조 및 제조공정이 간단하고, 솔더링이 배제되어 열전소자로의 불필요한 확산을 방지하며, 전극과 열전소자와의 결합력을 높이며, 히트싱크가 견고하게 성형되는 소결층을 포함하는 열전모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 소결층을 포함하는 열전모듈은 P형 열전소자 및 n형 열전소자와, 상기 열전소자들 사이에 위치하는 절연격막 및 상기 열전소자들 상에 위치하며, 금속 분말이 소결된 소결층을 포함한다. 이때, 상기 소결층은 상기 열전소자들의 전극이거나, 전극 및 히트싱크의 역할을 동시에 하는 방열전극이다.

본 발명의 열전모듈에 있어서, 상기 절연격막은 상기 열전소자들이 삽입되는 공간이 확보된 절연 프레임으로부터 이루어질 수 있다. 상기 소결층 및 상기 열전소자가 접촉하는 부분은 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링일 수 있다. 상기 전극에 성형된 히트싱크는 핀 형태 또는 기둥 형태일 수 있다. 상기 소결층은 상기 금속 분말이 방향성 에너지 빔에 의해 층층으로 소결되어 쌓인 것일 수 있다. 상기 금속 분말은 구리, 알루미늄, 철 및 그들의 합금 중에 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 열전모듈은 솔더링이 배제될 수 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 소결층을 포함하는 열전모듈의 제조 방법은 P형 및 n형 열전소자들이 삽입되는 공간이 확보된 절연 프레임을 준비하고, 상기 공간에 상기 열전소자들을 삽입하며, 상기 열전소자들 상에 방향성 에너지 빔으로 금속 분말을 소결한 소결층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 소결층은 상기 열전소자들의 전극이거나, 전극 및 히트싱크의 역할을 동시에 하는 방열전극이다.

본 발명의 열전모듈의 제조 방법에 있어서, 상기 방향성 에너지 빔은 레이저일 수 있다. 상기 소결층은 상기 금속 분말로 이루어진 층이 각각 소결된 복수개의 층이 적층되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 소결층을 포함하는 열전모듈 및 그 제조 방법에 의하면, 레이저로 소결되어 형성된 소결층을 열전소자 상에 형성함으로써, 구조 및 제조공정이 간단하고, 솔더링이 배제되어 열전소자로의 불필요한 확산을 방지할 수 있다. 또한, 레이저 소결로 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링이 형성되므로 전극과 열전소자와의 결합력을 높일 수 있다. 열전모듈의 열의 출입이 원활하게 하는 히트싱크가 견고하게 성형될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 소결층을 포함하는 제1 열전모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 소결층을 포함하는 제2 열전모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 소결층을 포함하는 제3 열전모듈을 나타내는 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 제1 열전모듈을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의한 제2 열전모듈을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 제3 열전모듈을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 방향성 에너지 빔(beam)으로 소결되어 형성된 소결층을 열전소자 상에 형성함으로써, 구조 및 제조공정이 간단하고, 솔더링이 배제되어 열전소자로의 불필요한 확산을 방지하며, 전극과 열전소자와의 결합력을 높이며, 히트싱크가 견고하게 성형되는 열전모듈 및 그 제조 방법을 제시한다. 이를 위해, 상기 방향성 에너지 빔에 의해 열전소자 상에 형성되는 소결층에 대하여 구체적으로 알아보고, 소결층과 더불어 히트싱크를 구성하는 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 여기서, 방향성 에너지 빔은 고에너지의 광학 펄스를 방출하는 것으로, 레이저가 대표적이다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 의한 소결층을 포함하는 제1 열전모듈(100)을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면도이다. 여기서, 방향성 에너지 빔은 레이저로 대표하여 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, p형 열전소자(20) 및 n형 열전소자(24)는 반도체로 이루어진 벌크 형태의 열전재료로 이루어지며, 슬라이싱(slicing) 또는 슬랩(slap)에 의해 일정한 두께를 가진 장방형이다. 절연격막(22)은 p형 열전소자(20) 및 n형 열전소자(24) 사이의 간격이 위치한다. 절연격막(22)을 포함하는 열전소자들(20, 24)은 매트릭스 형태와 같이 다발 모양으로 일체화된다. 절연격막(22)은 그 재료와 이를 형성하는 방법은 특별하게 제한되지 않는다. 바람직하게는 화학증착중합에 의해 형성된 폴리이미드 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌; 듀퐁사의 파릴린) 중에서 선택할 수 있다. 또한, 서로 접착되는 중공 입자의 집합체, 예를 들면 입경 3~30㎛ 정도의 다수의 중공 유리 비즈(glass beads)를 규산 유리계의 접착제로 접착한 중공 유리 비즈의 집합체일 수 있다.

상부 및 하부전극(10, 12)은 각각 열전소자들(20, 24)의 양면에 서로 대향되어 위치한다. 상부 및 하부전극(10, 12)을 이루는 물질은 다양하게 선택할 수 있으나, 전기전도성이 우수한 것이 바람직하다. 전극들(10, 12)은 이하에서 상세하게 설명하겠지만, 열전소자들(20, 24)과 금속간화합물(intermetallic compound), 고용체(solid solution) 및 클러스터링(clustering)을 이루는 금속이 바람직하다. 전극들(10, 12)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그들의 합금일 수 있다. 전극들(10, 12)의 두께는 열전소자들(22, 24))과의 전기적인 결합력을 충분하게 유지하기 위하여 약 100㎛ 이내인 것이 바람직하다. 상부 및 하부전극(10, 12)은 금속 분말이 레이저에 의해 소결되어 이루어진 소결층이다. 상부 및 하부전극(10, 12)을 형성하기 위하여, 횡단면으로 얇게 분리된 복수개의 상기 금속 분말층을 소결시켜 결합한다. 레이저 소결은 분말 형태의 금속을 층을 이루게 하여, 레이저로 소결시켜 층층으로 쌓아가는 방법이다.

구체적으로, 상기 레이저의 방출은 전극(10, 12)이 슬라이스를 형성하도록, 컴퓨터와 같은 제어장치에 연결시켜, 상기 방출을 제어하거나 한정할 수 있다. 전극(10, 12)의 첫 번째 슬라이스를 형성시키기 위해 분말층을 노출시킨 후에, 분말의 두 번째 층이 전극(10, 12) 영역에 성형되어 부착된다. 두 번째 슬라이스를 생성하도록 상기 레이저가 스캔한다. 레이저 소결은 전극(10, 12)을 이루는 분말층이 레이저에 노출되기 전에, 열전소자들(20, 24) 상에 분말층을 평탄하게 수평으로 결착시킬 수 있다. 상기 방법을 반복하여 수행하면, 슬라이스의 적층에 의해 전극(10, 12)이 완성된다. 상기 레이저의 에너지는 슬라이스를 빠르게 형성시키기에 충분한 양이며, 분말층이 레이저에 노출되기 전에, 녹는점 또는 녹는점에 가까운 환경을 조성할 수 있다.

열전소자(20, 24)는 통상적으로 Bi-Te계 합금, Co-Sb계 합금, Pb-Te계 합금, Ge-Te계 합금, Mg-Si계 합금 등이 사용된다. 레이저 소결에 의해 상부 및 하부전극(10, 12)을 형성하면, 전극들(10, 12)의 금속 및 열전소자(20, 24)는 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 형성한다. 상기 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링은 전극들(10, 12) 및 열전소자(20, 24)와의 접합강도를 높여, 접합의 신뢰도를 높인다. 금속간화합물은 성분 금속의 원자들이 비교적 간단한 정수비로 결합되고 각 성분 금속의 원자가 결정격자 내에서 특정한 위치를 차지하고 있는 합금이다. 금속간화합물은 원래의 성분 금속에서 얻을 수 없었던 고내열성, 내마모성 등을 가진다. 본 발명의 열전모듈은 가해지는 레이저의 에너지를 조절하여 상기 금속간화합물 층의 두께 및 물성을 조절할 수 있다.

고용체는 전극들(10, 12)을 이루는 금속과 열전소자(20, 24)가 완전하게 균일한 상을 이룬 고체의 혼합물이다. 고용체는 열전소자(20, 24) 원자 사이의 틈에 전극들(10, 12)의 원자가 끼어들어가 있는 침입형 고용체와 정연하게 늘어서 있는 고체의 원자를 밀어내고 그 자리로 대신 들어가는 치환형 고용체가 있다. 클러스터링은 전극들(10, 12)의 원자가 열전소자(20, 24)에서 집단화를 이루는 것을 말한다. 고용체 및 클러스터링은 원래의 성분 금속에서 얻을 수 없었던 고내열성, 내마모성 등을 가진다. 본 발명의 열전모듈은 가해지는 레이저의 에너지를 조절하여 상기 고용체 및 클러스터링 층의 두께 및 물성을 조절할 수 있다.

본 발명의 전극들(10, 12)은 종래의 열전모듈과는 달리 솔더링(soldering)이 없이, 열전소자들(20, 24)에 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 통하여 직접 접합된다. 솔더링이 없으면, 솔더링재의 구성요소인 납(Pb) 또는 주석(Sn)이 열전소자 내부로 확산되는 것을 막기 위한 확산방지층(anti-diffusion layer)이 요구되지 않는다. 이에 따라, 열전모듈을 제조하는 공정에서, 열충격에 의해 열전소자와 확산방지층의 박리가 일어나거나, 열전재료에 크랙(crack)이 발생하는 것을 차단할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 열전모듈(100)은 솔더링, 확산방지층 등을 생략할 수 있으므로, 제조하는 공정이 단순해진다.

전극들(10, 12) 상에는 히트싱크(30)가 열전소자(20, 24)의 양측에 배치된다. 히트싱크(30)는 제1 열전모듈(100)로부터 열을 흡수하여 외부로 발산한다. 히트싱크(30)는 표면적을 넓혀서 열방출 효율을 최대한으로 높이고 있다. 이에 따라, 히트싱크(30)는 다양한 형상을 가진다. 제1 열전모듈(100)은 핀(fin) 형태의 히트싱크(30)를 제시하였다. 히트싱크(30)의 재료는 열전도성이 우수한 것이 바람직하다. 히트싱크(30)는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 그들의 합금일 수 있다. 히트싱크(30)의 크기는 본 발명의 열전모듈의 특성 및 사용되는 환경 등에 따라 적절하게 조절될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 소결층을 포함하는 제2 열전모듈(200)을 나타내는 사시도이다. 제2 열전모듈(200)은 전극들과 히트싱크가 일체로 된 것을 제외하고는 제1 열전모듈(100)과 동일하다. 이에 따라, 동일한 참조부호에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3에 의하면, 제2 열전모듈(200)은 제1 열전모듈(100)에서의 p형 열전소자(20), n형 열전소자(24) 및 절연격막(22)을 가진다. 제2 열전모듈(200)은 전극 및 방열을 동시에 수행하는 방열전극(32)이 열전소자(20, 24) 각각에 레이저 소결에 의해 형성된다. 방열전극(32)은 전기전도성이 우수하고, 열전소자들(20, 24)과 접합력이 좋은 금속이 바람직하다. 방열전극(32)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그들의 합금일 수 있다. 열전소자(20, 24)는 통상적으로 Bi-Te계 합금, Co-Sb계 합금, Pb-Te계 합금, Ge-Te계 합금, Mg-Si계 합금 등이 사용된다. 레이저 소결에 의해 방열전극(32)을 형성하면, 방열전극(32)의 금속 및 열전소자(20, 24)가 접촉하는 부분은 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 형성된다. 상기 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링은 방열전극(32) 및 열전소자(20, 24)와의 접합강도를 높여, 접합의 신뢰도를 높인다.

방열전극(32)은 솔더링을 배제시키므로, 솔더링재의 구성요소인 납(Pb) 또는 주석(Sn)이 열전소자 내부로 확산되므로, 이를 막기 위한 확산방지층(anti-diffusion layer)이 요구되지 않는다. 이에 따라, 열전모듈을 제조하는 공정에서, 열충격에 의해 열전소자와 확산방지층의 박리가 일어나거나, 열전재료에 크랙(crack)이 발생하는 것을 원천적으로 차단할 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 열전모듈(100)은 전극을 형성하는 공정, 솔더링, 확산방지층 등이 생략되므로, 제조하는 공정이 단순해진다. 방열전극(32)은 표면적을 넓혀서 열방출 효율을 최대한으로 높일 수 있는 핀(fin) 형태가 좋다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 소결층을 포함하는 제3 열전모듈(300)을 나타내는 사시도이다. 제3 열전모듈(200)은 히트싱크가 변형된 것을 제외하고는 제1 열전모듈(100)과 동일하다. 이에 따라, 동일한 참조부호에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 4에 의하면, 제3 열전모듈(300)은 제1 열전모듈(100)에서의 p형 열전소자(20), n형 열전소자(24), 절연격막(22) 및 상부 및 하부전극(10, 12)을 포함한다. 상부 및 하부전극(10, 12)은 제1 열전모듈(100)에서와 같이 레이저 소결에 의해 형성된 소결층이다. 상부 및 하부전극(10, 12)에는 복수개의 방열기둥(34)이 부착된다. 방열기둥(34)은 제1 열전모듈(100)로부터 열을 흡수하여 외부로 발산하는 역할을 한다. 방열기둥(34)은 열전도성이 우수한 것이 바람직하고, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 그들의 합금일 수 있다. 본 발명의 제3 열전모듈(300)은 제1 열전모듈(100)의 장점을 그대로 유지하면서, 열전모듈이 사용되는 환경에 따라, 히트싱크를 다양하게 변경할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제1 내지 제3 열전모듈(100, 200, 300)을 제조하는 방법을 제시한다. 제1 내지 제3 열전모듈(100, 200, 300)의 열전소자(20, 24), 절연격막(22)은 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 본 발명의 실시예는 레이저 소결에 용이하게 적용할 수 있도록, 종래와는 다른 방법을 제공한다. 또한, 레이저 소결에 의해, 제1 내지 제3 열전모듈(100, 200, 300)의 전극 및 히트싱크를 제작하는 과정을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 의한 제1 열전모듈(100)을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다. 이때, 설명의 편의를 위하여, 제1 열전모듈(100)의 일부를 절단하여 표시하였다. 또한, 전극 및 히트싱크에 관해서는, 제1 열전모듈(100)의 일측에 대해서만 설명하였다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 먼저 열전소자(20, 24)를 삽입할 수 있는 공간(42)을 가진 절연 프레임(40)을 준비한다. 절연 프레임(40)은 본 발명의 제1 열전모듈(100)에 따라, 열전소자(20, 24)를 삽입하는 공간(42)이 기하학적으로 다양하게 배치될 수 있다. 여기서는, 격자형 공간(42)을 가진 절연 프레임(40)을 예로 들었다. 절연 프레임(40)은 절연 특성을 가진 재료이면 모두 가능하나, 바람직하게는 화학증착중합에 의해 형성된 폴리이미드 또는 폴리(치환되거나 비치환된 p-크실릴렌; 듀퐁사의 파릴린) 중에서 선택할 수 있고, 서로 접착되는 중공 입자의 집합체, 예를 들면 입경 3~30㎛ 정도의 다수의 중공 유리 비즈(glass beads)를 규산 유리계의 접착제로 접착한 중공 유리 비즈의 집합체일 수 있다.

그후, 절연 프레임(40)의 공간(42)에 열전소자(20, 24)를 삽입한다. 이때, 열전소자(20, 24) 및 절연 프레임(40)은 동일한 평면 프로파일(profile)을 가질 수 있고, 경우에 따라 열전소자(20, 24)가 절연 프레임(40) 상으로 돌출될 수도 있다. 이어서, 열전소자(20, 24) 상에 상부 전극(10)을 레이저 소결에 의해 소결하여 형성한다. 구체적으로, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그들의 합금으로 이루어진 금속분말을 레이저로 소결시키면서 층층으로 쌓아 소결층을 형성한다. 이때, 레이저는 열이 가해진 금속분말이 결합하고 응고되도록 한다. 즉, 상부전극(10)은 횡단면으로 얇게 분리된 각 금속 분말층들이 레이저 소결되어 이루어진다.

열전소자(20, 24)는 통상적으로 Bi-Te계 합금, Co-Sb계, Pb-Te계 합금, Ge-Te계 합금, Mg-Si계 합금 등이 사용된다. 레이저 소결에 의해 상부전극(10)을 형성하면, 상부전극(10)의 금속 및 열전소자(20, 24)는 접촉부위에서 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 형성한다. 상기 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링은 상부전극(10) 및 열전소자(20, 24)와의 접합강도를 높여, 접합의 신뢰도를 높인다. 열전소자(20, 24)와 상부전극(10)으로 이루어지는 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링의 물성을 향상하기 위하여, 상부전극(10)의 금속의 종류, 함량을 열전소자(20, 24)의 합금에 대응하여 적절하게 조절할 수 있다. 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링의 물성이란 상기 물질의 전기전도도, 경도 등을 말한다. 이때, 절연 프레임(40)은 열전소자(20, 24)의 위치가 안정되게 배치되게 하여, 레이저 소결에 적합한 절연격막(22)을 이루도록 도움을 준다.

상부전극(10)에 핀 형태의 히트싱크를 형성하는 방법은 다양하다. 그 방법은 별도로 제작된 히트싱크를 부착하거나 레이저 소결에 의해 히트싱크를 성형할 수 있다. 별도로 제작된 히트싱크를 부착하는 것은 잘 알려진 방법에 의한다. 여기서는 도 5c에서와 같이 레이저 소결에 의해 히트싱크를 성형하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 상부전극(10) 상에 핀(fin) 형태의 히트싱크(30)를 레이저 소결에 의해 성형한다. 히트싱크(30)를 레이저 소결에 의해 성형하는 방법은 상부전극(10)에서 설명한 바와 동일하다. 다만, 성형된 히트싱크(30)의 형상이 상부전극(10)과 차이가 있을 뿐이다. 히트싱크(30)는 상부전극(10)과 동일하거나 다른 물질일 수 있다. 상부전극(10)의 금속 및 히트싱크(30)는 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 형성한다. 상기 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링은 상부전극(10) 및 히트싱크(30)와의 접합강도를 높여, 접합의 신뢰도를 높인다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 의한 제2 열전모듈(200)을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다. 이때, 설명의 편의를 위하여, 제2 열전모듈(200)의 일부를 절단하여 표시하였다. 또한, 방열전극에 대한 설명은 제2 열전모듈(200)의 일측으로 한정하였다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제2 열전모듈(200)은 먼저 제1 열전모듈(100)에서와 마찬가지로 절연 프레임(40)의 공간(42)에 열전소자(20, 24)를 삽입한다. 그후, 전극 및 방열을 동시에 수행하는 방열전극(32)을 열전소자(20, 24) 각각에 레이저 소결에 의해 형성한다. 방열전극(32)은 전기전도성이 우수하고, 열전소자들(20, 24)과 접합력이 좋은 금속이 바람직하다. 방열전극(32)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe) 및 그들의 합금일 수 있다. 레이저 소결에 의해 방열전극(32)을 형성하면, 방열전극(32)의 금속 및 열전소자(20, 24)는 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링을 형성한다. 상기 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링은 방열전극(32) 및 열전소자(20, 24)와의 접합강도를 높여, 접합의 신뢰도를 높인다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 의한 제3 열전모듈(200)을 제조하는 과정을 나타내는 공정사시도들이다. 이때, 설명의 편의를 위하여, 제3 열전모듈(300)의 일부를 절단하여 표시하였다. 또한, 방열전극에 대한 설명은 제3 열전모듈(300)의 일측에 대해서만 실시하였다.

도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 제3 열전모듈(300)은 먼저 제1 열전모듈(100)에서와 같이, 절연 프레임(40)의 공간(42)에 열전소자(20, 24)를 삽입하고, 상부전극(10)을 열전소자(20, 24) 각각에 레이저 소결에 의해 형성한다. 그후, 상부전극(10)에 복수개의 방열기둥(34)을 부착한다. 방열기둥(34)은 상부전극(10)이 고결되기 전에, 압력으로 상부전극(10)에 삽입할 수 있다. 필요에 따라, 방열기둥(34)의 접착성을 높이기 위하여, 방열기둥(34)을 부착한 후에 열처리를 할 수 있다. 방열기둥(34)은 열전도성이 우수한 것이 바람직하고, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 그들의 합금일 수 있다. 제3 열전모듈(300)은 본 발명의 열전모듈에 히트싱크를 형성할 수 있는 방법을 다양하게 제시하는 하나의 사례이다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10, 12; 상부 및 하부전극
20, 24; p형 및 n형 열전소자
22; 절연격막
30, 32, 34; 히트싱크
40; 절연 프레임
100, 200, 300; 제1 내지 제3 절연모듈

Claims

P형 열전소자 및 n형 열전소자;
상기 열전소자들 사이에 위치하는 절연격막; 및
상기 열전소자들 상에 위치하며, 금속 분말이 소결된 소결층을 포함하고,
상기 소결층은 상기 열전소자들의 전극 및 히트싱크의 역할을 동시에 하는 방열전극이고,
상기 히트싱크는 핀 형태 또는 기둥 형태인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서, 상기 절연격막은 상기 열전소자들이 삽입되는 공간이 확보된 절연 프레임으로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서, 상기 소결층 및 상기 열전소자가 접촉하는 부분은 금속간화합물, 고용체 및 클러스터링인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
삭제
제1항에 있어서, 상기 소결층은 상기 금속 분말이 방향성 에너지 빔에 의해 층층으로 소결되어 쌓인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 구리, 알루미늄, 철 및 그들의 합금 중에 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
제1항에 있어서, 상기 열전모듈은 솔더링이 배제된 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈.
P형 및 n형 열전소자들이 삽입되는 공간이 확보된 절연 프레임을 준비하는 단계;
상기 공간에 상기 열전소자들을 삽입하는 단계; 및
상기 열전소자들 상에 방향성 에너지 빔으로 금속 분말을 소결한 소결층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 소결층은 상기 열전소자들의 전극 및 히트싱크의 역할을 동시에 하는 방열전극이고,
상기 히트싱크는 핀 형태 또는 기둥 형태인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 방향성 에너지 빔은 레이저인 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 소결층은 상기 금속 분말로 이루어진 층이 각각 소결된 복수개의 층이 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 소결층을 포함하는 열전모듈의 제조방법.