• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.93.2-93.2
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• 2018

최근 기후 변화 문제로 $CO_2$배출량 억제 정책에 따라 열전재료가 다양한 분야에 크게 주목 받고 있다. 열전 모듈은 전류를 흘려 온도차를 발생시키는 펠티어 효과와 온도차를 전력으로 변환하는 제백 효과를 이용한다. 열전발전용에 적용되는 상용 열전모듈의 경우, 열전소자의 접합부의 수는 수십 개 이상이다. 따라서 단 한 개의 접합 불량 열전소자가 모듈 전체의 열전성능에 큰 영향을 미친다. 현재 상용화 된 Bi-Te계 열전 모듈은 Bi-Te의 Te와 Sn계 솔더의 주성분인 Sn이 $250^{\circ}C$ 부근에서 취성의 Sn-Te계 금속 화합물을 형성한다고 알려져 있다. 이 때 생성된 Sn-Te 화합물은 열전모듈의 접합강도를 약화시키고 이로 인해 열전모듈의 접합 신뢰성을 크게 저하 시킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 솔더와 소자 사이에 확산방지층이 적용되고 있으며, 이 중에서 니켈합금이 가장 널리 적용되고 있다. 니켈층을 형성시키는 방법 중에서, 무전해 도금법은 간단하게 열전소자 표면 위에 도금 층을 균일한 두께로 만들어 낼 수 있다. 하지만, 니켈 도금층과 Bi-Te 소자 간에 화학적 결함이 존재하지 않기 때문에, 무전해 니켈 도금층의 밀착성이 떨어진다. 이 때. 소자 표면에 거칠기 효과(anchor effect)를 부여하기 위해 물리적 샌딩법을 사용하는데 이 방법의 경우 소자에 크랙 같은 손상을 미쳐 열전모듈의 신뢰성 저하를 가져온다. 그러므로 거칠기 효과를 부여하면서 소자에 손상을 최소화하는 습식 식각법을 개발하여 Bi-Te계 열전소자의 표면 조도를 조절하고 무전해 Ni-P 도금을 실시하였다. 그리고 열처리 유무에 따른 열전모듈의 접합강도를 측정하였으며, 제작한 열전 모듈의 접합부 및 파단부의 계면 분석하여 무전해 Ni-P도금을 위한 습식식각법(wet etching법)에 대하여 검토하였다. N-type은 질산과 구연산의 혼합수용액에, P-type은 왕수에 습식 식각처리를 해서 적당히 표면 조도를 조절한 후에 EPMA로 분석을 해본 결과 니켈 도금층과 Bi-Te 소자 간에 anchor effect가 부여 된 것을 확인했다. 습식 식각에 의해서 제조된 열전모듈의 접합강도는 종래의 알루미나 샌딩법으로 제조한 열전모듈 보다 높은 접합강도를 나타내었다.

• Electronics and Telecommunications Trends
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• v.27 no.1
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• pp.31-37
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• 2012

최근 들어 나노기술의 발전에 힘입어 청정 에너지를 구현할 수 있는 열전소자 분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 열전소자는 태양에너지를 이용한 발전뿐만 아니라, 체열, 폐열 및 지열 등을 이용한 발전 등 응용처가 매우 다양하며, 청정 에너지를 생산할 수 있는 미래 지향적인 특성을 가진 분야라 할 수 있다. 그러나 아직까지 나노기술을 기반으로 한 고효율의 열전소자는 기초 연구수준에서 그 가능성만 일부 선행 연구를 통하여 입증된 상태이다. 본고에서는 최근 들어 나노기술의 접목으로 새로이 주목 받고 있는 열전소자의 동작 원리에 대한 간략한 소개와 특히, 실리콘을 이용한 나노기술의 접목을 통한 열전소자의 최근 연구동향에 대하여 살펴보고자 한다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.104.1-104.1
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• 2018

열전소자는 열전현상을 이용한 재료로서 여기서 열전현상이란 열을 전기로 또는 전기를 열로 바꿀 수 있는 에너지 변환 현상을 의미한다. 그 중 Bi-Te계 열전소자는 $200^{\circ}C$이하의 온도에서 열전 효율이 우수하기 때문에 항공, 컴퓨터 등의 열전발전 또는 열전냉각 모듈에 널리 사용된다. 열전 모듈 제작시 Bi-Te 소자는 구리 기판에 접합하여 사용하게 되는데 이 때 솔더의 성분인 Sn과 기판의 Cu는 소자내로 확산하여 금속간 화합물을 형성한다. 이렇게 형성된 금속간 화합물은 접합강도를 저하시키는 원인뿐만 아니라 열전 성능을 저하시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 이러한 접합강도와 열전성능의 저하를 막기 위해 BiTe 소자의 표면에 $4{\mu}m$두께의 Ni-P 도금 공정을 추가하여 Ni-P 도금층이 Cu와 Sn의 확산을 막는 방지층 역할을 하게 한다. 그리고 도금한 소자를 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$로 커팅하여 구리 기판에 접합하여 열전 모듈을 제작하였다. 제작된 열전모듈의 단면을 EPMA분석한 결과 Ni-P 도금층이 확산방지층으로 잘 작용되었음을 확인하였다. 또한 접합강도 측정결과 도금을 하지 않은 Bi-Te소자에 비해 접합강도가 향상되었음을 확인하였다. 따라서 Ni-P도금을 실시함으로서 금속간 화합물 형성을 억제하고 열전모듈의 성능과 접합강도를 향상시킬 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.129-129
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• 2017

열전재료는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 가장 널리 사용되는 재료이다. $Bi_2Te_3$계 열전 재료는 400K 이하의 비교적 저온 영역에서 높은 성능지수(Dimensionless Figure of merit, ZT($={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$, ${\alpha}$: 제백계수, ${\sigma}$: 전기전도도, T: 절대온도, ${\kappa}$: 열전도도))를 나타내는 열전재료이며 자동차 시트나 정수기 등에 응용되고 있다. 열전모듈은 제조시 수십 개에서 수백 개 이상의 n형 및 p형 열전소자를 알루미나($Al_2O_3$)와 같은 세라믹 기판(substrate) 상에 접합된 동 전극 위에 전기적으로 서로 직렬로 접합시켜 제조한다. 기존의 열전모듈의 제조방법에는 동 전극 위에 위에 Sn합금 분말과 플럭스(flux)의 혼합물인 솔더페이스트를 스크린 인쇄법을 사용하여 동 전극에 도포한 다음, 그 위에 열전소자를 얹고 약 520K의 열풍을 가하여 솔더를 용융시켜 열전소자와 동 전극을 접합시킨다. 스크린 인쇄법에서는 인쇄 압력이 일정하지 않으면, 솔더페이스트 층의 두께가 균일하지 않게 되어 열전소자 접합부의 불량을 유발시킨다. 그러나 열모듈은 단 하나의 접합 불량이 모듈 전체의 열전변환성능에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 솔더페이스트를 도포하지 않고 열전소자를 직접 동 전극과 접합할 수 있는 방법을 고안하였다. 무전해도금을 이용한 니켈층을 형성시킨 $Bi_2Te_3$계 열전소자 표면에 약 $50{\mu}m$의 주석도금층을 전기도금법을 구사하여 형성시켰다. 그 후, wire cutting을 통하여 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$의 크기로 절단한 주석도금된 열전소자를 동 전극에 얹고 1.1KPa의 압력을 가하면서 523K의 핫플레이트 위에서 3분간 방치하여 직접(direct) 열압착 접합을 실시하였다. 접합부의 단면을 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 동 전극과 열전소자 사이의 계면에 용융 후 응고된 주석층이 결함없이 균일하게 형성된 양호한 접합부를 관찰할 수 있었다. 따라서, 솔더페이스트를 이용하지 않고, 열전소자 표면에 주석도금을 실시한 후, 동 전극과 직접 열압착 본딩을 실시하는 방법은 균일한 접합계면을 얻을 수 있는 새로운 공정으로 기대된다.

• The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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• v.15 no.2
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• pp.189-194
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• 2015

In this study, the heat radiation performance of COB LED according to the structure of thermoelectric device were compared. Thermoelectric device of the sheet copper structure and ceramic structure were used for bonding with the heating part of the COB LED. The temperature distribution in the bonding part of the thermoelectric device of COB LED was measured with a contact-type thermometer. The temperature variation of the thermoelectric device was measured by inputting the currents of 0.1A, 0.3A, 0.5A, and 0.7A. When 0.7A was applied, the temperature of the bonding part where there was a heat aggregation phenomenon of the COB LED was $59^{\circ}C$ for thermoelectric device of the sheet copper structure and $67^{\circ}C$ for the thermoelectric device of the ceramic structure. Therefore, the sheet copper thermoelectric device whose temperature was lower by $9^{\circ}C$ showed better heat radiation performance than those of the ceramic structure.

• Electronics and Telecommunications Trends
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• v.28 no.5
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• pp.93-99
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• 2013

열전소자는 태양에너지를 이용한 발전뿐만 아니라, 체열, 차량 폐열 및 지열 등의 다양한 폐열을 이용한 발전 등으로 매우 다양하게 활용되고 있다. 하지만 상온부근에서 널리 사용되는 $Bi_2Te_3$의 재료 희귀성으로 인하여 산업화 기술로써의 활용에 어려운 측면이 있다. 이러한 이유로, 최근에는 $Bi_2Te_3$를 대체할 수 있는 새로운 열전재료를 전세계적으로 활발히 연구하고 있다. 본고에서는 최근 들어 나노기술 접목으로 새로이 주목받고 있는 열전소자의 동작 원리에 대한 간략한 소개와 특히, 실리콘을 이용한 나노기술의 접목을 통한 열전소자의 최근 연구 동향에 대하여 살펴보고자 한다.

• Proceedings of the Korean Reliability Society Conference
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• 2004.07a
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• pp.123-128
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• 2004

본 논문에서는 가속 수명 시험을 통하여 열전소자의 수명 분포, 모수 등을 규명하였으며 고장 분석을 통하여 열전 소자의 수명 증가를 위한 대책 방안을 논의하였다. 가속 수명 시험 결과 열전 소자는 형상 모수 3,6인 Weibull 분포를 따름을 알 수 있었다. 열전 소자가 반도체 부품임에도 불구하고 형상 모수가 큰 이유는 반복 Bending에 의한 피로 파괴가 발생하기 때문임을 고장 분석을 통하여 규명하였다. 위의 고장 메커니즘을 설명할 수 있는 가속 모델식은 Coffin-Manson식으로 설명되어 질 수 있으며 가속수명시험 결과 재료 상수는 1.8임을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.81-81
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• 2018

Bi-Te계 열전소자는 상온에서의 열전 효율이 우수하기 때문에 항공, 컴퓨터 등의 열전발전 또는 열전냉각 모듈에 널리 사용된다. 이 열전소자를 활용한 열전모듈은 다수의 n형 및 p형 열전소자가 세라믹 위에 형성된 Cu 전극에 전기적으로 직렬이 되도록 서로 솔더링 접합이 되어 있는 구조를 가지고 있다. 이처럼 직렬 연결된 방식에서는 높은 접합강도를 필요로 한다. 열전모듈 제작 시 Bi-Te 계 소자를 바로 Cu 기판에 접합시키면 솔더에 들어있는 Sn과 기판의 Cu가 접합하는 과정에서 소재 내로 확산하여 접합강도를 저하시킨다. 이러한 열전모듈의 접합강도 저하를 막기 위해 무전해 Ni-W-P 도금층을 확산 방지층으로 적용하였다. 본 연구에서는 Ni-W-P 도금이 Bi-Te 계 열전 모듈의 접합강도에 미치는 영향을 조사하였다. 본 연구에서는 Bi-Te계 열전소자에 양호한 밀착성을 가지는 Ni-W-P 도금층을 형성시키기 위해서 알루미나 분말을 이용한 sand-blasting 방법을 사용하여 Bi-Te 소재 표면에 분사하는 방법으로 표면을 거칠게 하였다. 그 후 무전해 Ni-W-P 도금을 $85^{\circ}C$에서 20분간 실시하여 약 4um의 Ni-W-P 도금층을 형성시켰다. 열전 모듈은 Sn-Ag-Cu 솔더를 사용하여 제작하였으며 접합강도는 Bonding tester를 사용하여 측정하였다. 제작한 열전 모듈의 단면 및 파단면 관찰을 통하여 접합강도가 변하는 요인을 조사하였다. 제작한 열전 모듈의 단면을 FE-EPMA로 관찰한 결과 Ni-W-P 도금층이 Bi-Te 소자와 Sn과 Cu사이의 확산을 방지하는 확산방지층 역할을 하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 열처리 전 열전모듈과 200도, 150시간 열처리 후 접합강도를 각각 측정해 본 결과, 열처리 후의 접합강도가 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 Bi-Te계 열전모듈 제작에 무전해 Ni-W-P 도금층을 형성시키므로 인해 확산방지층의 생성과 접합강도의 상승에 도움을 주었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.268-268
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• 2011

열전소자를 사용하여 발광다이오드의 발열을 개선한다. 열전소자(Thermoelectric device: TED)의 펠티에효과(Peltier effect)를 이용하여 발광다이오드(Light Emitting Diodes: LED)의 접합온도 (Junction Temperature)를 제어한다. 열전소자의 구동 전력을 제어하여, 발광다이오드의 사용 전류에 대한 접합온도의 특성을 조사한다. 열전소자의 입력 전력 0.2W에 대하여, 일반 조명용 또는 표시 장치로 사용되는 1W급 고전력 LED를 정격전류(350 mA)로 구동할 때 접합온도를 최저 $69^{\circ}C$로 유지할 수 있다. 열전소자의 구동 전력이 0.2W일 때, 발광다이오드의 접합온도 $110^{\circ}C$에 대하여 최대 사용 가능 전류는 560 mA로 예측된다.

• Electronics and Telecommunications Trends
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• v.23 no.6
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• pp.12-21
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• 2008

최근 들어 나노기술의 발전에 힘입어 청정에너지를 구현할 수 있는 열전소자분야의 연구가 활발히 진행되고 있다. 열전소자는 태양에너지를 이용한 발전뿐만 아니라 체열, 폐열 및 지열 등을 이용한 발전 등 응용처가 매우 다양하며, 청정에너지를 생산할 수 있는 미래 지향적인 특성을 가진 분야라 할 수 있다. 그러나 아직까지 나노기술을 기반으로한 고효율의 열전소자는 기초 연구수준에서 그 가능성만 일부 선행 연구를 통하여 입증된 상태이다. 따라서 저비용, 고효율의 열전소자를 성공적으로 개발하게 된다면, 기술의 원천성 확보 및 초기 시장 점유에 매우 유리한 입지를 점할 수 있으리라 예측된다. 본 논문에서는 최근 들어 나노기술의 접목으로 새로이 주목받고 있는 열전소자의 동작 원리에 대한 간략한 소개와 이 분야의 최근 연구 동향 및 특허 동향에 대하여 살펴보고자 한다.