熱電模塊和用於製造該熱電模塊的方法與流程

2023-06-19 15:05:41 2

相關申請的交叉引用

本申請基於2016年3月30日向韓國知識產權局提交的第10-2016-0038028號的韓國專利申請並要求其優先權權益，該申請的全部內容通過該引用結合於此用於所有目的。

本發明涉及一種熱電模塊，更具體而言，涉及這樣一種熱電模塊：其通過採用重量輕的柔性有機熱電元件而具有增強的抗衝擊性和抗熱震性，因此容易地應用於各種系統，並且具有顯著增強的熱電能量產生性能，本發明還涉及用於製造這種熱電模塊的方法。

背景技術：

已知的熱電模塊可以利用由在其兩側的溫差而形成熱電動勢的塞貝克效應(seebackeffect)來發電。通過將這種熱電模塊應用至車輛，使得車輛的廢熱可以得到有效的利用。

在相關技術的熱電模塊中，其一側安裝在排出具有高溫的廢熱的車輛的排氣系統組件(排氣管、排氣歧管等)，而水冷式冷卻系統安裝在該熱電模塊的另一側上，以便確保溫差。

作為應用於車輛的熱電模塊的熱電元件，無機鉍碲基(bite-based)熱電元件得到廣泛使用。

然而，鉍碲基熱電元件具有較低的抗衝擊性，並且容易受熱震動而損害，並且具有較低的耐久性和高價格，並且重量重，從而增加了熱電能量產生系統的總體重量。

近來，已經對採用有機熱電元件的熱電模塊進行了研究和開發，由於相比於無機熱電元件，有機熱電元件價格低、重量輕、並且是柔性的，從而將有機熱電元件應用至車輛時，不會存在結構上的限制。

然而，相關技術的有機熱電元件形成為薄的，具有納米單位的厚度，所以存在對在縱向方向上產生的溫差(在熱側和冷側之間的溫差)的限制。

另外，相關技術的有機熱電元件存在多種問題，這些問題在於：在製造過程中，由隔熱材料形成的隔離物需要形成在p型熱電元件和n型熱電元件之間，從而可以預計由於用於去除隔離物的溶劑所導致的汙染，加工時間會延長，並且製造成本會增加。

公開於該本發明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有技術。

技術實現要素：

本發明的各個方面致力於提供一種熱電模塊，其簡化製造過程從而減小製造成本，並且具有從數微米至數百微米變化的厚度範圍，從而穩定地維持縱向方向的溫差(在熱側和冷側之間的溫度)以及水平方向的溫差，因而增強了熱電能量的產生性能。本發明還涉及用於製造該熱電模塊的方法。

根據本發明的示例性實施方案，熱電模塊包括：多個p型熱電元件，其由有機材料形成；多個n型熱電元件，其在多個p型熱電元件之間平行地設置，並且由金屬形成；第一電極部，其配置為連接多個n型熱電元件的每個的上端和多個p型熱電元件的每個的上端；以及第二電極部，其配置為連接多個n型熱電元件的每個的下端和多個p型熱電元件的每個的下端，其中，第一電極部、第二電極部和多個n型熱電元件由金屬形成。

多個p型熱電元件可以由導電聚合物材料形成。

多個p型熱電元件可以由pedot:pss形成。

所述第一電極部、第二電極部和多個n型熱電元件可以形成為同一主體。

所述多個n型熱電元件的每個的上端和第一電極部可以通過插置在其間的導電膠而粘接，而所述多個n型熱電元件的每個的下端和第二電極部可以通過插置在其間的導電膠而粘接。

所述多個p型熱電元件和所述多個n型熱電元件可以配置為具有不同的面積。

所述多個p型熱電元件的每個的面積可以大於所述多個n型熱電元件的每個的面積。

所述多個n型熱電元件的每個的面積與所述多個p型熱電元件的每個的面積的比可以為1:16至1:300。

所述多個n型熱電元件的每個的面積與所述多個p型熱電元件的每個的面積的比可以為1:150至1:270。

根據本發明的另一示例性實施方案，一種用於製造熱電模塊的方法包括：p型熱電元件形成階段，其通過幹化導電聚合物溶液而形成聚合物膜的形式的p型熱電元件；附接階段，其將多個p型熱電元件附接至基底；以及n型熱電元件連接階段，其將由金屬形成的n型熱電元件串聯連接在多個p型熱電元件之間。

所述p型熱電元件形成階段可以包括：膜形成階段，其將pedot:pss溶液填充容器，並且幹化pedot:pss溶液，以形成pedot:pss膜；浸泡階段，其將pedot:pss膜浸泡在有機溶劑中；以及膜分離階段，其將pedot:pss膜從容器中分離。

在所述浸泡階段中，pedot:pss膜可以與容器一起浸泡在有機溶劑中，並且該有機溶劑可以是乙二醇(eg)或二甲基亞碸(dmso)。

在所述膜形成階段中，通過在幹化pedot:pss溶液之前重複地將pedot:pss溶液填充容器，從而可以調節多個p型熱電元件的每個的厚度。

在所述附接階段中，將多個p型熱電元件可以安裝在基底上，並且隨後在高溫氣氛下幹化，從而使多個p型熱電元件能夠附接至基底。

本發明的方法和裝置具有其它的特性和優點，這些特性和優點從併入本文中的附圖和隨後的具體實施方案中將是顯而易見的，或者將在併入本文中的附圖和隨後的具體實施方案中進行詳細陳述，這些附圖和具體實施方案共同用於解釋本發明的特定原理。

附圖說明

圖1為示出了根據本發明的各個示例性實施方案的熱電模塊的平面視圖。

圖2為示出了根據本發明的各個示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法的流程圖。

圖3為示出了在根據本發明的示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法中，利用導電聚合物溶液填充容器的過程的視圖。

圖4為示出了在根據本發明的示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法中，在容器中的導聚合物溶液被幹化為形成容器內的聚合物膜的狀態的視圖。

圖5為示出了在根據本發明的示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法中，將聚合物膜與容器一起浸泡的過程的視圖。

圖6為示出了在根據本發明的示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法中，將聚合物膜從容器分離的過程的視圖。

圖7為示出了在根據本發明的示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法中，將聚合物膜附接至基底的視圖。

應當了解，所附附圖並不必須是按比例繪製的，其呈現了某種程度上經過簡化的說明本發明的基本原理的各個特徵。本文所公開的本發明的具體設計特徵包括例如具體尺寸、方向、位置和外形將部分地由具體所要應用和使用的環境來確定。

在這些圖中，貫穿附圖的多幅圖，相同的附圖標記指代本發明的相同或等同的部分。

附圖中每個元件的附圖標記

10:熱電模塊

11:p型熱電元件

12:n型熱電元件

13:第一電極部

14:第二電極部

15:基底。

具體實施方式

下面將詳細說明本發明的各個實施方案，其示例將在附圖中示出並且在下文進行描述。雖然本發明與示例性實施方案相結合進行描述，但是應當了解，本說明書並非旨在將本發明限制為那些示例性實施方案。相反，本發明旨在不但覆蓋這些示例性實施方案，而且覆蓋可以包括在由所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍之內的各種替換形式、修改形式、等效形式以及其它實施方案。

參考圖1，根據本發明的各個示例性實施方案的熱電模塊10可以包括：由有機材料形成的多個p型熱電元件11、放置為在多個p型熱電元件11之間平行的多個n型熱電元件12、連接n型熱電元件12的上端和p型熱電元件11的上端的第一電極部13、以及連接n型熱電元件12的下端和p型熱電元件11的下端的第二電極部14。

p型熱電元件11可以由有機材料形成，並且可以容易地在基底15上以微米(μm)單位形成。

p型熱電元件11可以由導電聚合物材料形成，並且，p型熱電元件11可以由pedot:pss(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate，聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯)形成，以具有增強的導電性並有助於其厚度的調節。

基底15可以由柔性材料形成，p型熱電元件11可以在基底15上以微米(μm)單位形成，因此，熱電模塊10可以在整體上是輕量的和柔性的。

多個p型熱電元件11可以附接至基底15，並且可以設置為彼此平行。

p型熱電元件11可以由配置為實現高性能的有機材料形成，但是n型熱電元件12不具有配置為執行高量性能的有機材料，因此，n型熱電元件12可以由包括鎳(ni)等等的金屬形成。

多個n型熱電元件12可以設置為在多個p型熱電元件11之間平行。

第一電極部13可以製備在n型熱電元件12的上端，並且連接至p型熱電元件11的上端。根據各個示例性實施方案，第一電極部13可以由與n型熱電元件12的金屬相同的金屬形成。

第二電極部14可以製備在n型熱電元件12的下端，並且連接至p型熱電元件11的下端。根據各個示例性實施方案，第二電極部14可以由與n型熱電元件12的金屬相同的金屬形成。

根據各個示例性實施方案，第一電極部13和第二電極部14可以相對於n型熱電元件12而形成為同一的主體。第一電極部13可以從n型熱電元件12的上端沿著一個方向延伸，從而在第一側連接至相鄰的p型熱電元件11的上端，而第二電極部14可以從n型熱電元件12的下端沿著第二方向延伸，從而在第二側連接至相鄰的p型熱電元件11的下端。例如，第一電極部13和第二電極部14可以從n型熱電元件12的上端和下端在彼此相反的方向上延伸。

根據另一示例性的實施方案，第一電極部13和第二電極部14可以相對於n型熱電元件12而獨立地形成，並且可以通過粘合或焊接而連接至n型熱電元件12的上端和下端。

導電膠16可以插置在p型熱電元件11的上端和第一電極部13之間，從而粘接p型熱電元件11的上端和第一電極部13，並且導電膠16可以插置在p型熱電元件11的下端和第二電極部14之間，從而粘接p型熱電元件11的下端和第二電極部14。通過導電膠16，p型熱電元件11與電極部13和14之間的電接觸特性可以得到增強。

在此，導電膠16可以由包括金(au)、鉑(pt)、銀(ag)和鎳(ni)的金屬膠或金屬環氧樹脂(metalepoxy)形成。考慮到導電膠16的擴展特性，導電膠16可以施加為不超過第一電極部13和第二電極部14與p型熱電元件11之間的接觸面積的一半。

與此同時，p型熱電元件11和n型熱電元件12可以具有不同的面積，以增強熱電能量的產生性能。

由於p型熱電元件11形成為比n型熱電元件12具有更大的面積，電阻可能會減小從而增大導電性，因此，在熱側和冷側之間的溫差可以得到穩定的維持，從而增強熱電模塊10的熱電能量的產生性能。

n型熱電元件11的面積和p型熱電元件12的面積的比可以為1:16至1:300。

此外，n型熱電元件11的面積和p型熱電元件12的面積的比可以為1:150至1:270。

參見圖2，根據各個示例性實施方案的用於製造熱電模塊的方法可以包括：p型熱電元件形成階段(s1)，其通過幹化導電聚合物溶液而形成聚合物膜形式的p型熱電元件11；附接階段(s2)，其將多個p型熱電元件11附接至基底15；以及n型熱電元件連接階段(s3)，其將由金屬形成的n型熱電元件12串聯連接在多個p型熱電元件11之間。

p型熱電元件形成階段(s1)可以包括膜形成階段(s1-1)、浸泡階段(s1-2)和膜分離階段(s1-3)。

在膜形成階段(s1-1)中，如圖3所示，可以將pedot:pss溶液22a填充容器21，並隨後在從室溫到低於110℃溫度的溫度範圍內進行幹化，從而形成如圖4所示的pedot:pss膜22。在此，pedot:pss溶液22a可以是已通過水溶液過濾器去除雜質的溶液。1wt％至2wt％的pedot:pss可以一般性的分散在水中。粉末狀態的pedot:pss可以具有高粘度但是具有低導電性。因此，可以使用pedot:pss溶液22a。

容器21可以由具有釋放(release)特性的材料(包括聚四氟乙烯，即teflon)形成，並且可以由帶有光滑表面具有耐化學腐蝕性的材料形成。

另外，在pedot:pss溶液22a幹化之前，可以重複施加pedot:pss溶液22a以調節pedot:pss膜22的厚度。

在浸泡階段(s1-2)中，如圖5所示，在容器21中幹化的pedot:pss膜22可以與容器21一起被浸泡至浸泡容器25中的有機溶劑26(s1-2)。以這種方式，通過將pedot:pss膜22與容器21一起浸泡，可以避免對pedot:pss膜22的損壞。在此，有機溶劑可以是乙二醇(ethyleneglycol，eg)或二甲基亞碸(dimethylsulfoxide，dmso)。

通過浸泡，pedot:pss膜22可以從容器21分離。另外，由於pedot:pss膜22的pss的一部分通過浸泡(去摻雜，dedoping)而被去除，pedot:pss膜22的導電性可以得到增強。

在膜分離階段(s1-3)，如圖6所示，可以適當地切除pedot:pss膜22的邊緣，並且pedot:pss膜22可以隨後從容器21分離，從而形成膜形式的p型熱電元件11(請參考圖7)。

在附接階段(s2)中，如圖7所示，通過如上所述的p型熱電元件形成階段(s1)形成的p型熱電元件11可以安裝在基底15上，並隨後在高溫環境(在溫度為130℃的爐內)下幹化，以使得p型熱電元件11具有從數微米至數百微米的厚度範圍，以穩定地附接至基底15。

以這種方式，由於形成了聚合物膜的形式的p型熱電元件11，其厚度可以實現為數微米至數百微米的單位，因此，能夠有效的形成在縱向方向的溫差(在熱側和冷側之間的溫差)以及在水平方向的溫差。

在n型熱電元件連接階段(s3)，由金屬形成的n型熱電元件12可以串聯連接在多個p型熱電元件11之間。

如上所述，根據本發明的示例性實施方案，由於製造過程簡化，所以可以降低製造成本，並且由於p型熱電元件通過幹化聚合物溶液(例如pedot:pss等)而以聚合物膜的形式形成，所以其厚度可以實現為數微米至數百微米的單位。因此，由於有效地獲得了在縱向方向的溫差(在熱側和冷側之間的溫差)以及在水平方向的溫差，所以熱電能量的產生性能可以增強。

前面對本發明具體示例性實施方案所呈現的描述是出於說明和描述的目的。前面的描述並不想要成為毫無遺漏的，也不是想要把本發明限制為所公開的精確形式，顯然，根據上述教導很多改變和變化都是可能的。選擇示例性實施方案並進行描述是為了解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的其它技術人員能夠實現並利用本發明的各種示例性實施方案及其各種選擇形式和修改形式。本發明的範圍意在由所附權利要求書及其等效形式所限定。