JP2013258414A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基板に電極とＰ型半導体及びＮ型半導体がプリンティング工法によって形成される熱電モジュールを提供する。
【解決手段】熱電モジュールは、セラミック又はアルミニウムから上下面が形成され、発熱又は吸熱する上部基板１１０及び下部基板１２０と、前記上部基板１１０及び下部基板１２０の一面に、電気伝導性金属と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成されて、供給された電源の流れを案内する電極１３０と、及び前記電極１３０の間において離隔され、熱電粉末と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成された複数のＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０を含んで構成され、前記上部基板１１０と下部基板１２０と電極１３０とＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が、同時に加熱及び加圧されて焼結と同時に互いに接合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板に電極とＰ型半導体及びＮ型半導体がプリンティング工法によって形成される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールは、主にゼーベック効果を利用した発電と、ペルティエ効果を利用した冷却とに用いられている。

ゼーベック効果は導電体両端間の温度差によって起電力が発生する現象で、これを利用して廃熱発電や体温を利用した小型電子素子（例えば、時計）の電源、放射物質の崩壊熱を利用した宇宙船の電源などに使われている。

一方、異なる導電体を接合した物体両端に電流を流せば、接合点において熱の吸収と放出が起きる現象をペルティエ効果というが、これを利用すれば機械的動作がない純粋に電子のみを利用した冷却装置を作ることができる。

このような熱電モジュールを利用した冷却は、全体的な冷却効率の面において、従来のコンプレッサー方式の冷却機には及ばないが、相対的に機械騒音を発生させず、正確で速い温度制御が可能であることから、それほど低い冷温（５〜１０℃）維持を要求しない、例えば小型冷蔵庫などでは、比較的高い冷却効率を発揮するため多く利用されている。

以下、従来技術による熱電モジュールの構成を添付された図面を参照して説明する。

図１に示しているように、熱電モジュール１０の上下面には上部基板１１及び下部基板１２が設けられる。前記上部基板１１及び下部基板１２は熱を放出・吸収するもので、一定距離を持って上下離隔された状態で保持される。

前記上部基板１１と下部基板１２の間にはＮ型半導体１５及びＰ型半導体１６が配置される。前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６は、熱電素材が一定の形状と一定の大きさを有するように形成された要素として、前記上部基板１１と下部基板１２の間に交互配置される。

前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６と上部基板１１の間には連結導線１７が設けられる。前記連結導線１７はＮ型半導体１５とＰ型半導体１６が連結されるようにする構成である。

前記連結導線１７の下側には金属層２５が設けられる。前記金属層２５は連結導線１７から移動する原子がＮ型半導体１５及びＰ型半導体１６に移動することを防止するためのもので、前記金属層２５はニッケルから形成され、燐又はホウ素を少量含有することになる。

即ち、前記金属層２５は熱電特性の低下を遮断して安定化を図り得るようにするもので、前記金属層２５は連結導線にコーティング処理される。

前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６の間にはバリヤー層２７が設けられる。前記バリヤー層２７はＮ型半導体１５及びＰ型半導体１６が、後述されるハンダ付け層２６より汚染されることを防止する。

前記金属層２５とバリヤー層２７の間にはハンダ付け層２６が設けられる。前記ハンダ付け層２６は金属層２５とバリヤー層２７の相互接着状態を維持させるための構成である。

前記ハンダ付け層２６中の下側に位置したハンダ付け層２６の下面にはＮ接点２０及びＰ接点２１がそれぞれ設けられる。

前記Ｎ接点２０とＰ接点２１は相互離隔された状態で前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６の下面に付着され、前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６に電源を供給する。

しかし、前記のように構成される熱電モジュール１０は、次のような問題点がある。

即ち、前記Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６の上下側にはハンダ付け層２６が設けられる。このようなハンダ付け層２６は、Ｎ型半導体１５及びＰ型半導体１６が上部基板１１及び下部基板１２に固定されるようにするためのものである。

よって、熱電モジュール１０には人体に有害な物質が含まれることから、作業者の安全性の面では好ましくない。

また、前記ハンダ付け層２６が設けられることで、バリヤー層２７の形成が必要不可欠になってくる。

よって、熱電モジュール１０の厚さが厚くなるだけではなく、生産工程が増えることで不良率が急増するという問題点がある。

さらに、ハンダ付け層２６を形成するためのハンダ付け工程は多くの時間が要求されるので、生産性を低下させ、熱電モジュール１０の価格を上昇させる要因になるので好ましくない。

本発明は、前記のような問題点を解決するためのもので、電極とＰ型半導体及びＮ型半導体を、プリンティング工法、具体的にはスクリーンプリンティング工法を利用して形成することで、薄膜化された熱電モジュールを提供することを目的とする。

また、本発明は、スクリーンプリンティング工法を利用して形成することで、多様な大きさ及び形状の具現が可能な熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明による熱電モジュールは、セラミック又はアルミニウムから上下面が形成され、発熱又は吸熱する上部基板及び下部基板と、前記上部基板又は下部基板の一面に、電気伝導性金属と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成されて、供給された電源の流れを案内する電極と、前記電極の間において離隔され、熱電粉末と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成された複数のＰ型半導体及びＮ型半導体を含んで構成され、前記上部基板と下部基板と電極とＰ型半導体とＮ型半導体が、同時に加熱及び加圧されて焼結と同時に互いに接合されることを特徴とする。
また、前記上部基板と下部基板と電極とＰ型半導体とＮ型半導体が、予め用意された型に装着された状態で、加熱及び加圧されることを特徴とする。

前記電極は、銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）からなる粉末と有機溶剤が混合されたペーストを焼結して形成される。

前記熱電粉末と有機溶剤が混合されたペーストにおいて、前記熱電粉末は４０〜９５％の体積比率を有する。

前記熱電粉末と混合された有機溶剤は、前記熱電粉末の焼成温度以下において除去される。なお、前記プリンティング工法はスクリーンプリンティング工法である。

本発明による熱電モジュールでは、電極とＰ型半導体及びＮ型半導体がスクリーンプリンティングによって基板に形成される。

よって、電極とＰ型半導体及びＮ型半導体の厚さを正確に制御することで、薄膜化が可能になる利点がある。

また、多様な大きさ及び形状を有する熱電モジュールの具現が可能になる利点がある。

さらに、製造工程が単純化されることで、生産性が向上し、製造コストを節減できるという利点がある。

従来技術による熱電モジュールの構成を示す縦断面図。 本発明による熱電モジュールの内部構成を示した縦断面図。 本発明による熱電モジュールの製造方法の順番を示したフローチャート。 本発明による熱電モジュールの製造方法の一実施例において、熱電モジュールの内部変化を示した縦断面図。 本発明による熱電モジュールの一構成であるＰ型半導体粉末がボールミル加工された状態の拡大像。 本発明による熱電モジュールの一構成であるＮ型半導体粉末がボールミル加工された状態の拡大像。 ボールミル加工条件による本発明の熱電モジュールの一構成であるＰ型半導体の熱電性能を示すグラフ。 本発明による熱電モジュールの製造方法において、水素還元段階前後の熱電粉末の熱電性能を比較したグラフ。 本発明による熱電モジュールの製造方法において、電極形成段階が完了した時点の熱電モジュールの平面図。 本発明による熱電モジュールの製造方法において、半導体形成段階が完了した時点の熱電モジュールの平面図。 本発明による熱電モジュールの製造方法において、モジュール形成段階が完了した時点の熱電モジュールの内部状態の拡大像。 本発明による熱電モジュールの製造方法の他の実施例において、熱電モジュールの内部変化を示した縦断面図。 本発明による熱電モジュールの製造方法の他の実施例において、半導体形成段階が完了した時点の熱電モジュールの平面図。

以下、本発明による熱電モジュールの構成を図２を参照して説明する。図２は、本発明による熱電モジュールの内部構成を示す縦断面図である。

図２に示しているように、本発明による熱電モジュール１００は上部基板１１０及び下部基板１２０によって上下面の外観が形成される。前記上部基板１１０及び下部基板１２０は熱電モジュール１００に電源が印加される時発熱又は吸熱反応を起こすものとして、熱電導性が良く一定強度以上を有する材質から形成される。

前記上部基板１１０の下面と下部基板１２０の上面には電極１３０が設けられる。前記電極１３０は、熱電モジュール１００に印加される電源の流れを案内するものとして、前記上部基板１１０の下面と接する上部電極１３２と、前記下部基板１２０の上面と接する下部電極１３４とを含んで構成される。

そして、前記上部電極１３２と下部電極１３４の一面には、後述されるＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０がそれぞれ一つずつ離隔されるように設けられる。

具体的に、前記上部電極１３２の下面左側にはＰ型半導体１４０、前記Ｐ型半導体１４０から右側に離隔された箇所にはＮ型半導体１５０が設けられる。

そして、前記下部電極１３４の上面左側にはＮ型半導体１５０、前記Ｎ型半導体１５０から右側に離隔された箇所にはＰ型半導体１４０が設けられる。

よって、前記上部基板１１０及び下部基板１２０に電源が供給されると、上部基板１１０と下部基板１２０は交互交差するように連結されて、Ｐ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が電気的に直列連結になるようにする。

前記上部基板１１０及び下部基板１２０は、熱電モジュール１００に供給される電源の損失を最小化するために電気伝導性が高い材質から形成される。具体的に、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の伝導性が優れた素材から形成されることが好ましい。

前記上部基板１１０と下部基板１２０の間にはＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が設けられる。前記Ｐ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０は、熱電特性を有する熱電粉末と有機溶剤が混合されたペーストを焼結して形成されたものとして、前記Ｐ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０を構成する熱電粉末の材質は周知の構成であるから、その詳細な説明は省略する。

以下、前記のような構成を有する熱電モジュール１００の製造方法の一実施例を図３〜図１１を参照して説明する。

図３は本発明による熱電モジュールの製造方法の順番を示したフローチャートで、図４は本発明による熱電モジュールの製造方法の一実施例において、熱電モジュールの内部変化を示した縦断面図で、図５〜図７は本発明による熱電モジュールの構成であるＰ型半導体粉末及びＮ型半導体粉末がボールミル加工された状態の拡大像、及び熱電性能を示すグラフである。

そして、図８は本発明による熱電モジュールの製造方法において、水素還元段階前後の熱電粉末の熱電性能を比較したグラフで、図９及び図１０は本発明による熱電モジュールの製造方法において、電極形成段階と半導体形成段階がそれぞれ完了した時点の熱電モジュールの平面図で、図１１は本発明による熱電モジュールの製造方法において、モジュール形成段階が完了した時点の熱電モジュールの内部状態の拡大像である。

先に、前記上部基板１１０と下部基板１２０を設けた後、前記Ｐ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０に使用される熱電粉末を製造する粉末製造段階Ｓ１００が実施される。前記粉末製造段階Ｓ１００は熱電粉末及びアルミニウムを、それぞれボールミル工法を利用して細かく粉砕する段階として、後述される電極形成段階Ｓ４００及び半導体形成段階Ｓ５００のための準備過程である。

前記ボールミル工程は、粉末にしようとする原料に圧縮、剪断、衝撃中の一つ又はこれらを組み合わせた機械的力を加えることによって実施される。

そして、本発明では、ボールミル工法を経た熱電粉末は、図５及び図６の拡大像のように２μｍ以内の直径を持ち、この時ボールミル工程は１〜１００時間実施されることが好ましい。

これは、前記ボールミル工程によって粉砕された熱電粉末は、図７に示しているように、１〜１００時間実施された時熱電性能が最も高く現れるためである。

以後、前記粉末製造段階Ｓ１００で細かく粉砕された熱電粉末を水素還元する水素還元段階Ｓ２００が実施される。前記水素還元段階Ｓ２００は熱電粉末の熱電性能を向上させるための過程として、図８に示しているように、水素還元後の熱電粉末は水素還元前の熱電粉末より熱電性能が向上されることが分かる。

続いて、水素還元段階Ｓ２００を経て熱電性能が向上された熱電粉末を有機溶剤と混合してペースト化するペースト段階Ｓ３００が行われる。

前記有機溶剤は、熱電モジュール１００の製造時に使われる熱電粉末の焼成温度以下において、完全除去が可能な物質を用いており、熱電粉末と有機溶剤の体積比率が４０〜９５％以上になるようにしている。これは、粉末の比率がこれより低い場合は焼結後内部に多くの気孔を残し、これより高い場合はペーストの流動が悪くなってプリンティングが困難であるためである。

以後、前記上部基板１１０又は下部基板１２０の一面に予め用意されたメタルマスク（図示していない）又はメタルメッシュ（図示していない）を安着させた後、ボールミル加工された銀又は銅などの金属粉末をメタルマスク又はメタルメッシュを通過させて電極１３０を形成する電極形成段階Ｓ４００が行われる。

即ち、前記メタルマスク又はメタルメッシュには前記電極１３０が形成される位置に微細孔が穿孔されるようにし、このような微細孔を通じて前記銀又は銅などの金属粉末が通過されるようにすることで、上部基板１１０又は下部基板１２０の一面に上部電極１３２又は下部電極１３４がスクリーンプリンティングされるようにする過程である。

よって、前記電極１３０は、銀又は銅からなる粉末状態で上部基板１１０又は下部基板１２０にスクリーンプリンティングされた後に、上部基板１１０又は下部基板１２０から分離されず付着された状態を保てるように、有機溶剤と混合されたペースト状態で適用されることが好ましい。

そして、前記電極形成段階Ｓ４００が完了した上部電極１３２又は下部電極１３４は、図４の一番上の図面のような縦断面を示し、図９のように等間隔で離隔された状態となる。

前記電極形成段階Ｓ４００で形成された上部電極１３２又は下部電極１３４は、６００〜８５０℃の温度で１〜３時間脱バインディング処理され、電極粉末と混合された有機溶剤が除去される。

以後、前記上部電極１３２の下面又は下部電極１３４の上面（本発明の実施例では下部電極１３４の上面が適用される）にＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０を形成する半導体形成段階Ｓ５００が実施される。

即ち、前記半導体形成段階Ｓ５００は、Ｐ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が下部電極１３４の上面にそれぞれ離隔された状態で同時に形成されるようにすることで、前記電極形成段階Ｓ４００と同様にスクリーンプリンティングによって行われる。

具体的に、前記下部電極１３４の上面に、電極１３０を形成するために予め用意されたメタルマスク又はメタルメッシュを安着させ、このようなメタルマスク又はメタルメッシュを前記ペーストが通過するようにすることで、下部電極１３４の上面にＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０を形成する過程である。

従って、前記半導体形成段階Ｓ５００で使われるメタルマスク又はメタルメッシュには、Ｐ半導体及びＮ型半導体１５０が形成される位置に微細孔が穿孔されるべきであることは自明である。

そして、前記半導体形成段階Ｓ５００が完了した下部基板１２０は、図４の上から２番目の図面のような状態になり、図１０に示しているように、下部電極１３４の前方、上下部にＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が離隔された状態で形成される。

前記電極１３０の上に形成されたＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０は、２５０℃以下の非酸化性雰囲気中、１〜３時間脱バインディング処理され、熱電粉末と混合された有機溶剤が除去される。

以後、前記電極形成段階Ｓ４００で上部電極１３２が形成された上部基板１１０と、前記半導体形成段階Ｓ５００でＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が同時に形成された下部基板１２０とを接合してモジュールを形成するモジュール形成段階Ｓ６００が実施される。

前記モジュール形成段階Ｓ６００は、図４の一番下の図面のように、予め用意された型（図示していない）に前記電極形成段階で上部電極１３２が形成された上部基板１１０と、前記半導体形成段階Ｓ５００でＰ型半導体１４０及びＮ型半導体１５０が形成された下部基板１２０とを、対向させて安着させた状態で、加熱加圧して焼結する過程である。

一般的に、加熱加圧焼結工程は熱電粉末が焼結される温度範囲で行われるが、本発明に用いたＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ或いはＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系では３００〜５５０℃の温度範囲で実施した。この時、初期段階では真空、後の焼結段階では非酸化性雰囲気の中で行った。

以下、前記熱電モジュール１００の製造方法の他の実施例を図１２及び図１３を参照して説明する。

図１２は本発明による熱電モジュールの製造方法の他の実施例において、熱電モジュールの内部変化を示した縦断面図であり、図１３は本発明による熱電モジュールの製造方法の他の実施例において、半導体形成段階が完了した時点の熱電モジュールの平面図である。

なお、熱電モジュール１００の製造方法の他の実施例において、前記一実施例と同一な過程に対しては詳しい説明を省略し、差異点のある半導体形成段階Ｓ５００及びモジュール形成段階Ｓ６００に対してのみ説明することにする。

この実施例による半導体形成段階Ｓ５００では、上部電極１３２が形成された上部基板１１０の下面にはＮ型半導体１５０を形成し、下部電極１３４が形成された下部基板１２０の上面にはＰ型半導体１４０を形成し、前記Ｎ型半導体１５０とＰ型半導体１４０は予め用意されたメタルマスク又はメタルメッシュを利用してスクリーンプリンティングされる。

即ち、前記メタルマスク又はメタルメッシュは、Ｎ型半導体１５０を形成するためのものと、Ｐ型半導体１４０を形成するためのものがそれぞれ用意され、前記それぞれのメタルマスク又はメタルメッシュの微細孔は相互一致しないように穿孔される。

具体的に、前記それぞれのメタルマスクに形成された微細孔は、電極の一面にＰ型半導体１４０とＮ型半導体１５０の何れか一つのみを形成するためのものであるから、前記それぞれのメタルマスクを重ね合せた時、それぞれに形成された微細孔は相互位置がずれるようになる。

したがって、前記メタルマスク又はメタルメッシュを利用してスクリーンプリンティングにより形成されたＰ型半導体１４０とＮ型半導体１５０は、図１２の一番下の断面図が示しているように、同一電極内において、同一垂直線上に位置しない一対の離隔された状態を維持することになる。

以後、前記半導体形成段階Ｓ５００でＮ型半導体１５０が形成された上部基板１１０と、Ｐ型半導体１４０が形成された下部基板１２０を、図１２の一番下の断面図が示しているように、対向させて型（図示していない）の内部に安着させた後、加熱加圧して焼結することで、モジュール形成段階Ｓ６００が完了する。

一般的に、加熱加圧焼結工程は熱電粉末が焼結される温度範囲で行われるが、本発明に用いたＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ或いはＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系では３００〜５５０℃の温度範囲で実施した。この時、初期段階では真空、後の焼結段階では非酸化性雰囲気の中で行った。

以上、実施例を中心に本発明を説明したが、本発明は例示の実施例に限定されるものではなく、本発明の思想と範囲を離れることなく、多様な変形と修正が可能であることは、当業者にとって明らかである。

例えば、本発明の一実施例では、半導体形成段階Ｓ５００で下部電極１３４の上面にＮ型半導体１５０とＰ型半導体１４０が離隔された状態で同時に形成されるように構成したが、必要によっては上部電極１３２の下面にＮ型半導体１５０とＰ型半導体１４０が形成されるように構成することもできることは自明である。

Claims (2)

1. セラミック又はアルミニウムから上下面が形成され、発熱又は吸熱する上部基板及び下部基板と、
   前記上部基板又は下部基板の一面に、電気伝導性金属と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成されて、供給された電源の流れを案内する電極と、
   前記電極の間において離隔され、熱電粉末と有機溶剤が混合されたペーストをスクリーンプリンティングして形成された複数のＰ型半導体及びＮ型半導体を含んで構成され、
   前記上部基板と下部基板と電極とＰ型半導体とＮ型半導体が、同時に加熱及び加圧されて焼結と同時に互いに接合されることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記上部基板と下部基板と電極とＰ型半導体とＮ型半導体が、予め用意された型に装着された状態で、加熱及び加圧されることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。