热电模块和用于制造该热电模块的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年3月30日向韩国知识产权局提交的第10-2016-0038028号的韩国专利申请并要求其优先权权益，该申请的全部内容通过该引用结合于此用于所有目的。

本发明涉及一种热电模块，更具体而言，涉及这样一种热电模块：其通过采用重量轻的柔性有机热电元件而具有增强的抗冲击性和抗热震性，因此容易地应用于各种系统，并且具有显著增强的热电能量产生性能，本发明还涉及用于制造这种热电模块的方法。

背景技术：

已知的热电模块可以利用由在其两侧的温差而形成热电动势的塞贝克效应(seebackeffect)来发电。通过将这种热电模块应用至车辆，使得车辆的废热可以得到有效的利用。

在相关技术的热电模块中，其一侧安装在排出具有高温的废热的车辆的排气系统组件(排气管、排气歧管等)，而水冷式冷却系统安装在该热电模块的另一侧上，以便确保温差。

作为应用于车辆的热电模块的热电元件，无机铋碲基(bite-based)热电元件得到广泛使用。

然而，铋碲基热电元件具有较低的抗冲击性，并且容易受热震动而损害，并且具有较低的耐久性和高价格，并且重量重，从而增加了热电能量产生系统的总体重量。

近来，已经对采用有机热电元件的热电模块进行了研究和开发，由于相比于无机热电元件，有机热电元件价格低、重量轻、并且是柔性的，从而将有机热电元件应用至车辆时，不会存在结构上的限制。

然而，相关技术的有机热电元件形成为薄的，具有纳米单位的厚度，所以存在对在纵向方向上产生的温差(在热侧和冷侧之间的温差)的限制。

另外，相关技术的有机热电元件存在多种问题，这些问题在于：在制造过程中，由隔热材料形成的隔离物需要形成在p型热电元件和n型热电元件之间，从而可以预计由于用于去除隔离物的溶剂所导致的污染，加工时间会延长，并且制造成本会增加。

公开于该本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的各个方面致力于提供一种热电模块，其简化制造过程从而减小制造成本，并且具有从数微米至数百微米变化的厚度范围，从而稳定地维持纵向方向的温差(在热侧和冷侧之间的温度)以及水平方向的温差，因而增强了热电能量的产生性能。本发明还涉及用于制造该热电模块的方法。

根据本发明的示例性实施方案，热电模块包括：多个p型热电元件，其由有机材料形成；多个n型热电元件，其在多个p型热电元件之间平行地设置，并且由金属形成；第一电极部，其配置为连接多个n型热电元件的每个的上端和多个p型热电元件的每个的上端；以及第二电极部，其配置为连接多个n型热电元件的每个的下端和多个p型热电元件的每个的下端，其中，第一电极部、第二电极部和多个n型热电元件由金属形成。

多个p型热电元件可以由导电聚合物材料形成。

多个p型热电元件可以由pedot:pss形成。

所述第一电极部、第二电极部和多个n型热电元件可以形成为同一主体。

所述多个n型热电元件的每个的上端和第一电极部可以通过插置在其间的导电胶而粘接，而所述多个n型热电元件的每个的下端和第二电极部可以通过插置在其间的导电胶而粘接。

所述多个p型热电元件和所述多个n型热电元件可以配置为具有不同的面积。

所述多个p型热电元件的每个的面积可以大于所述多个n型热电元件的每个的面积。

所述多个n型热电元件的每个的面积与所述多个p型热电元件的每个的面积的比可以为1:16至1:300。

所述多个n型热电元件的每个的面积与所述多个p型热电元件的每个的面积的比可以为1:150至1:270。

根据本发明的另一示例性实施方案，一种用于制造热电模块的方法包括：p型热电元件形成阶段，其通过干化导电聚合物溶液而形成聚合物膜的形式的p型热电元件；附接阶段，其将多个p型热电元件附接至基底；以及n型热电元件连接阶段，其将由金属形成的n型热电元件串联连接在多个p型热电元件之间。

所述p型热电元件形成阶段可以包括：膜形成阶段，其将pedot:pss溶液填充容器，并且干化pedot:pss溶液，以形成pedot:pss膜；浸泡阶段，其将pedot:pss膜浸泡在有机溶剂中；以及膜分离阶段，其将pedot:pss膜从容器中分离。

在所述浸泡阶段中，pedot:pss膜可以与容器一起浸泡在有机溶剂中，并且该有机溶剂可以是乙二醇(eg)或二甲基亚砜(dmso)。

在所述膜形成阶段中，通过在干化pedot:pss溶液之前重复地将pedot:pss溶液填充容器，从而可以调节多个p型热电元件的每个的厚度。

在所述附接阶段中，将多个p型热电元件可以安装在基底上，并且随后在高温气氛下干化，从而使多个p型热电元件能够附接至基底。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方案中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方案中进行详细陈述，这些附图和具体实施方案共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

图1为示出了根据本发明的各个示例性实施方案的热电模块的平面视图。

图2为示出了根据本发明的各个示例性实施方案的用于制造热电模块的方法的流程图。

图3为示出了在根据本发明的示例性实施方案的用于制造热电模块的方法中，利用导电聚合物溶液填充容器的过程的视图。

图4为示出了在根据本发明的示例性实施方案的用于制造热电模块的方法中，在容器中的导聚合物溶液被干化为形成容器内的聚合物膜的状态的视图。

图5为示出了在根据本发明的示例性实施方案的用于制造热电模块的方法中，将聚合物膜与容器一起浸泡的过程的视图。

图6为示出了在根据本发明的示例性实施方案的用于制造热电模块的方法中，将聚合物膜从容器分离的过程的视图。

图7为示出了在根据本发明的示例性实施方案的用于制造热电模块的方法中，将聚合物膜附接至基底的视图。

应当了解，所附附图并不必须是按比例绘制的，其呈现了某种程度上经过简化的说明本发明的基本原理的各个特征。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图中，贯穿附图的多幅图，相同的附图标记指代本发明的相同或等同的部分。

附图中每个元件的附图标记

10:热电模块

11:p型热电元件

12:n型热电元件

13:第一电极部

14:第二电极部

15:基底。

具体实施方式

下面将详细说明本发明的各个实施方案，其示例将在附图中示出并且在下文进行描述。虽然本发明与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换形式、修改形式、等效形式以及其它实施方案。

参考图1，根据本发明的各个示例性实施方案的热电模块10可以包括：由有机材料形成的多个p型热电元件11、放置为在多个p型热电元件11之间平行的多个n型热电元件12、连接n型热电元件12的上端和p型热电元件11的上端的第一电极部13、以及连接n型热电元件12的下端和p型热电元件11的下端的第二电极部14。

p型热电元件11可以由有机材料形成，并且可以容易地在基底15上以微米(μm)单位形成。

p型热电元件11可以由导电聚合物材料形成，并且，p型热电元件11可以由pedot:pss(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate，聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯)形成，以具有增强的导电性并有助于其厚度的调节。

基底15可以由柔性材料形成，p型热电元件11可以在基底15上以微米(μm)单位形成，因此，热电模块10可以在整体上是轻量的和柔性的。

多个p型热电元件11可以附接至基底15，并且可以设置为彼此平行。

p型热电元件11可以由配置为实现高性能的有机材料形成，但是n型热电元件12不具有配置为执行高量性能的有机材料，因此，n型热电元件12可以由包括镍(ni)等等的金属形成。

多个n型热电元件12可以设置为在多个p型热电元件11之间平行。

第一电极部13可以制备在n型热电元件12的上端，并且连接至p型热电元件11的上端。根据各个示例性实施方案，第一电极部13可以由与n型热电元件12的金属相同的金属形成。

第二电极部14可以制备在n型热电元件12的下端，并且连接至p型热电元件11的下端。根据各个示例性实施方案，第二电极部14可以由与n型热电元件12的金属相同的金属形成。

根据各个示例性实施方案，第一电极部13和第二电极部14可以相对于n型热电元件12而形成为同一的主体。第一电极部13可以从n型热电元件12的上端沿着一个方向延伸，从而在第一侧连接至相邻的p型热电元件11的上端，而第二电极部14可以从n型热电元件12的下端沿着第二方向延伸，从而在第二侧连接至相邻的p型热电元件11的下端。例如，第一电极部13和第二电极部14可以从n型热电元件12的上端和下端在彼此相反的方向上延伸。

根据另一示例性的实施方案，第一电极部13和第二电极部14可以相对于n型热电元件12而独立地形成，并且可以通过粘合或焊接而连接至n型热电元件12的上端和下端。

导电胶16可以插置在p型热电元件11的上端和第一电极部13之间，从而粘接p型热电元件11的上端和第一电极部13，并且导电胶16可以插置在p型热电元件11的下端和第二电极部14之间，从而粘接p型热电元件11的下端和第二电极部14。通过导电胶16，p型热电元件11与电极部13和14之间的电接触特性可以得到增强。

在此，导电胶16可以由包括金(au)、铂(pt)、银(ag)和镍(ni)的金属胶或金属环氧树脂(metalepoxy)形成。考虑到导电胶16的扩展特性，导电胶16可以施加为不超过第一电极部13和第二电极部14与p型热电元件11之间的接触面积的一半。

与此同时，p型热电元件11和n型热电元件12可以具有不同的面积，以增强热电能量的产生性能。

由于p型热电元件11形成为比n型热电元件12具有更大的面积，电阻可能会减小从而增大导电性，因此，在热侧和冷侧之间的温差可以得到稳定的维持，从而增强热电模块10的热电能量的产生性能。

n型热电元件11的面积和p型热电元件12的面积的比可以为1:16至1:300。

此外，n型热电元件11的面积和p型热电元件12的面积的比可以为1:150至1:270。

参见图2，根据各个示例性实施方案的用于制造热电模块的方法可以包括：p型热电元件形成阶段(s1)，其通过干化导电聚合物溶液而形成聚合物膜形式的p型热电元件11；附接阶段(s2)，其将多个p型热电元件11附接至基底15；以及n型热电元件连接阶段(s3)，其将由金属形成的n型热电元件12串联连接在多个p型热电元件11之间。

p型热电元件形成阶段(s1)可以包括膜形成阶段(s1-1)、浸泡阶段(s1-2)和膜分离阶段(s1-3)。

在膜形成阶段(s1-1)中，如图3所示，可以将pedot:pss溶液22a填充容器21，并随后在从室温到低于110℃温度的温度范围内进行干化，从而形成如图4所示的pedot:pss膜22。在此，pedot:pss溶液22a可以是已通过水溶液过滤器去除杂质的溶液。1wt％至2wt％的pedot:pss可以一般性的分散在水中。粉末状态的pedot:pss可以具有高粘度但是具有低导电性。因此，可以使用pedot:pss溶液22a。

容器21可以由具有释放(release)特性的材料(包括聚四氟乙烯，即teflon)形成，并且可以由带有光滑表面具有耐化学腐蚀性的材料形成。

另外，在pedot:pss溶液22a干化之前，可以重复施加pedot:pss溶液22a以调节pedot:pss膜22的厚度。

在浸泡阶段(s1-2)中，如图5所示，在容器21中干化的pedot:pss膜22可以与容器21一起被浸泡至浸泡容器25中的有机溶剂26(s1-2)。以这种方式，通过将pedot:pss膜22与容器21一起浸泡，可以避免对pedot:pss膜22的损坏。在此，有机溶剂可以是乙二醇(ethyleneglycol，eg)或二甲基亚砜(dimethylsulfoxide，dmso)。

通过浸泡，pedot:pss膜22可以从容器21分离。另外，由于pedot:pss膜22的pss的一部分通过浸泡(去掺杂，dedoping)而被去除，pedot:pss膜22的导电性可以得到增强。

在膜分离阶段(s1-3)，如图6所示，可以适当地切除pedot:pss膜22的边缘，并且pedot:pss膜22可以随后从容器21分离，从而形成膜形式的p型热电元件11(请参考图7)。

在附接阶段(s2)中，如图7所示，通过如上所述的p型热电元件形成阶段(s1)形成的p型热电元件11可以安装在基底15上，并随后在高温环境(在温度为130℃的炉内)下干化，以使得p型热电元件11具有从数微米至数百微米的厚度范围，以稳定地附接至基底15。

以这种方式，由于形成了聚合物膜的形式的p型热电元件11，其厚度可以实现为数微米至数百微米的单位，因此，能够有效的形成在纵向方向的温差(在热侧和冷侧之间的温差)以及在水平方向的温差。

在n型热电元件连接阶段(s3)，由金属形成的n型热电元件12可以串联连接在多个p型热电元件11之间。

如上所述，根据本发明的示例性实施方案，由于制造过程简化，所以可以降低制造成本，并且由于p型热电元件通过干化聚合物溶液(例如pedot:pss等)而以聚合物膜的形式形成，所以其厚度可以实现为数微米至数百微米的单位。因此，由于有效地获得了在纵向方向的温差(在热侧和冷侧之间的温差)以及在水平方向的温差，所以热电能量的产生性能可以增强。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其各种选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。