KR100807068B1 - 열전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자와 열전장치의 재료가 되는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펠티에 효과가 있는 열전물질로 만들어진 펠리트, 박막,, 열전물질의 장치 등이 있어, 종래 기술이 열전도로 인해 누설되는 열량이 많아서, 열효율이 낮은 문제점을 해소하는 것에 관한 것이다.

종래 기술은 누설열량의 감소 방안으로, 격자열전도율의 감소를 목표로 노력하고 있지만 열효율 24％에 머물고 있는 문제가 있다.

본 발명은 종래 기술과는 다르게 격자열전도 면적을 축소시켜서 격자열전도량을 감소하며, 그에 따른 부작용을 해소하고 있다. 대표도를 통해 설명한다면, 열전물질은 흡열 발열하는 부분(1)들이 최대의 열전성능을 가진 캐리어 농도를 가지고 있고, 금속전극(4)과 접합이 되어 있다. 그리고 흡열 발열하는 부분(1)의 면적보다 격자열전도가 되는 단면적이 축소되고, 그 축소에 반비례로 캐리어 농도가 큰 구성으로 된 부분(2)이 있어, 격자열전도로 인한 열량이 감소되며, 전기저항 증가의 부작용을 방지할 수 있는 특징이 있다. 그리고 열전냉각용의 열전물질의 경우 이 부분(2)은 냉각하는 핀(5)과 접촉하여 누설열을 감소할 수 있는 특징이 있다. 그리고 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)과 흡열 발열하는 부분(1)을 흡열 발열하는 부분(1)과 같은 크기의 단면적과, 큰 캐리어 농도를 가진 구성으로 연결하는 부분(3)들이 있어, 캐리어가 원활이 이동할 수 있고, 전기저항의 부작용이 없는 구조와 구성이 특징이다. 본 발명은 열전물질의 열전도의 누설 열량을 2 중으로 부작용 없이 감소하여 높은 열효율을 얻을 수 있는 것이 특징이다.

본 발명은 열전소자와 열전장치와 열전냉각장치와 열전발전 장치를 고효율로 만들수 있는 방법을 제공하며, 공해 방지와 에너지 절약과 경제적 효과가 크다.

열전물질, 흡열 발열하는 부분, 격자열전도 열량, 격자열전도 단면적이 축소된 부분, 캐리어 농도, 냉각 핀과 접촉할 수 있는 부분, 캐리어 농도를 크게 하여 연결하는 부분,

Description

열전소자{The element device of the thermoelectric}

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 열전소자의 측면도
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 열전소자의 측면도
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 열전소자의 측면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 열전물질이 금속전극과 접합되어 흡열 발열을 하며, 최대의 열전성능의 캐리어 농도를 가지고 있는 부분.

2: 격자열전도 단면적이 축소되며, 그에 반비례로 큰 캐리어 농도를 가지고 있고, 열전냉각용은 냉각 핀과 접촉할 수 있는 부분.

3: 흡열 발열하는 부분과 격자열전도 단면적이 축소된 부분을 큰 캐리어 농도를 가지고 연결하는 부분.

4: 금속전극.

5: 열전 냉각용의 냉각하는 핀.

본 발명은 펠티에 효과를 이용하는 열전소자에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 열전소자 혹은 열전장치의 재료가 되는 펠레트 또는 박막 등 다양한 형태로 만들어진 열전물질들이 있어, 본 발명은 그 열전물질들의 격자열전도 열량을 부작용 없이 감소시키고, 열전냉각용은 누설열을 냉각하는 핀과 접촉할 수 있는 구조와 구성이 있어, 열효율을 높이는 것에 관한 것이다.

종래 기술의 펠티에 효과가 있는 열전물질들은 다양한 종류가 개발되었으며, 그 종류들은 Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3, CsBi4Te6, PbTe, PbS, PbSe, Zn4Sb3, 등의 계통과, skutterudite 계통과, LaFeSb 계통과, LaCo206 계통과, 그리고 Bi, Sb, B, Si, Ge, Te, Se, Ga, In 등의 단독원소들과 같은 열전물질들이 있다.

그리고 종래 기술은 열전소자 혹은 열전장치로 만들기 위하여, 상기의 다양한 종류의 열전물질들을 펠리트, 다층펠리트, 선, 박막. 다층박막, 세그먼트, 초격자구조, 열전 장치, 등의 다양한 형태로 만들고 있다.

종래 기술의 열전냉각과 열전발전은 많은 장점이 있지만, 그러나 열전물질의 열효율이 보통 10％, 최고 24％에 불과하며, 냉매압축기화형의 열효율 40％ 보다 작다. 그러므로 종래기술은 에너지 소모가 많고, 비경제적이므로, 냉각장치와 발전장치로 많이 사용되지 못하는 문제점이 있다.

종래기술의 열효율이 낮은 가장 큰 원인은 열전물질의 격자열전도도와 캐리어의 열전도도가 높아서 열전도로 인하여 다량의 열이 누설되기 때문이다. 격자열전도는 부도체의 열전도 방법과 같은 것으로써, 양성자들이 진동으로 열을 전달하는 포논에 의해 이루어지고 있고, 캐리어의 열전도는 전자와 정공의 캐리어에 의하여 금속과 같은 방법으로 이루어진다.

격자열전도로 열이 누설되면 열효율이 낮아진다. 열전냉각의 경우는 전자 캐 리어와 정공 캐리어가 흡열부분에서 열을 흡수하여 발열부분으로 열을 이동시켜 놓아도, 격자열전도로 인해 발열부의 열이 누설되어 다시 흡열부로 되돌아가기 때문에 열효율이 낮아진다. 그리고 열전 발전의 경우도 전자와 정공 캐리어에 의한 열확산 현상으로 인한 열전발전의 열량보다도 격자 열전도로 인한 누설 열량이 더 많아서 열효율이 낮아진다.

그러므로 종래기술은 열전물질의 격자열전도 열량 감소를 중요 목표로 삼고 있어, 다양한 종류의 열전물질들의 포논의 산란, nano dot, nano wire, 양자우물, 다충박막 초격자구조 등의 기술을 연구 중에 있지만, 최고 24％ 정도의 낮은 열효율을 가지고 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 종래 기술의 중요 목표가 단지 열전물질의 단위면적당 격자열전도 열량인 격자열전도율만을 감소시켜, 격자열전도열량을 감소하려는 것과는 달리한다.

대표도를 통해 설명한다면, 본 발명은 종래 기술과는 달리 열전물질의 격자열전도율은 문제삼지 않고 있고, 열전물질의 격자열전도 단면적을 축소시킨 부분(2)의 구조로 격자열전도 열량을 감소시키고 있으며, 그리고 그 부분(2)의 열전냉각용은 냉각하는 핀(5)을 접촉할 수 있어 누설열을 냉각할 수 있다.

종래 기술의 열전물질은 열전성능이 최대 상태의 캐리어 농도로 되어 있다. 그런 상태에서 열전물질의 격자열전도가 되는 단면적을 축소하면, 그에 비례하여 캐리어도 감소하며, 그로 인해 전기저항과 주울열이 증대되고, 출력 전류는 감소하는 부작용이 발생한다.

그러므로 본 발명은 상기 부작용을 해소하기 위해, 열전물질의 격자열전도 단면적을 축소하는 구조의 부분(2)의 펠티에 효과가 있는 구성원소의 배합비율을 조정하거나, 전자 캐리어의 숫자를 증가시키는 도판트 또는 정공 캐리어의 숫자를 증가시키는 악섭터의 함유량을 조절함으로써, 상기 전자 캐리어, 정공 캐리어인 캐리어 농도를 크게 증가시키는 구성이 있으며, 그리고 그 부분(2)은 열전냉각용 소자의 경우 냉각하는 핀이 형성되어, 캐리어에 의한 열전도까지 감소할 수 있는 구성과 구조가 특징이다.

그리고 단면적이 큰 흡열 발열하는 부분(1)으로부터, 단면적이 작은 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)으로 캐리어가 이동하거나, 또는 그와 반대 방향으로 캐리어가 이동할 때 흡열 발열하는 부분(1)에서는 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)에 접합된 부분만 전류가 소량 통할 수 있고, 그 나머지 부분은 캐리어의 이동 곤란으로 인해 전기저항이 증대하게 되는 부작용이 발생한다.

그러므로 본 발명은 흡열 발열하는 부분(1)과 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)을 연결하는 구성의 부분(3)이 있으며, 그 연결하는 부분(3)의 캐리어 농도를 크게 증가시키되 상기 연결하는 부분(3)의 단면적은 흡열 발열하는 부분(1)과 같은 구조로 하고 있어, 상기 부작용을 해소할 수 있다.

본 발명의 구조와 구성은 부작용 없이, 격자열전도와 캐리어의 열전도로 인한 누설열을 감소할 수 있으며, 열효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

본 발명이 강구한 수단과 구성을 상세히 설명한다면 다음과 같다. 본 발명은 다양한 종류의 열전물질로 만든 열전물질의 펠리트, 다층 펠리트, 박박, 다층박막, 세그먼트, 열전장치에 있어서 모두 적용되는 구조와 구성을 가지고 있는 것이 특징 이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 그 개념을 설명한다면, 본 발명은 열전소자의 최대 열전성능의 캐리어 농도를 가지는 구성으로 되어 있는 흡열 발열하는 부분(1)들이 금속전극(4)과 접합되는 구조가 형성되어 있다. 그리고 상기 흡열 발열하는 부분(1)보다 격자열전도가 되는 단면적이 축소된 구조의 부분(2)에서 펠티에 효과가 있는 구성원소의 배합비율을 조정하거나, 전자 캐리어의 숫자를 증가시키는 도판트 또는 정공 캐리어의 숫자를 증가시키는 악섭터의 함유량을 증가시킴으로써, 캐리어 농도를 증가시키는 구성으로 되어 있고, 그 부분(2)은 열전냉각용 소자 또는 장치의 경우 냉각용 핀(5)을 형성할 수 있는 구조로 형성되어 있다. 그리고 흡열 발열하는 부분(1)과 격자열전도가 되는 단면적을 축소하는 부분(2)을 연결하는 부분(3)이 형성되며, 상기 연결하는 부분(3) 역시 단면적을 축소하는 부분(2)과 마찬가지로 큰 캐리어 농도를 가지도록 형성된다.

본 발명의 금속전극(4)과 접합되어 흡열 발열하는 부분(1)의 작용은 N 형 열전물질일 때는 전자 캐리어가 마이너스에서 플러스로 이동하고, 그와는 반대로 P 형 열전물질일 때는 정공 캐리어가 플러스에서 마이너스로 이동한다. N 형의 전자 캐리어와 P 형의 정공 캐리어는 이동 방향이 서로 반대로 되어 있다. 그러나 그 이외는 전자와 정공이 모두 같은 작용을 한다. 전자 캐리어와 정공 캐리어가 금속전극(4)으로부터 페르미 에너지 준위가 보다 더 높은 열전물질로 이동할 때는 에너지 준위 차이만큼의 흡열현상이 일어나고, 그리고 전자 캐리어, 정공 캐리어가 열전물질로부터 페르미 에너지 준위가 보다 더 낮은 금속전극(4)으로 이동할 때는 에너지 준위 차이만큼 열을 방출하여 발열현상이 일어난다. 그리고 전자 캐리어와 정공 캐리어가 흡열 발열하는 부분(1)으로부터 에너지 준위의 수준이 서로 같은 열전물질의 중간부분을 통과할 때는 흡열작용도 발열작용도 일어나지 않고, 그리고 전자 캐리어와 정공 캐리어는 그 숫자가 부족하면 전기저항이 발생하고, 그 숫자가 많으면 열전도가 증대된다.

본 발명에 있어서 금속전극(4)과 연결되어 흡열 발열하는 부분(1)들은 제벡계수와 전기전도도와 열전도도의 조합에 의해 열전성능이 최상의 상태가 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 여기에서 제벡계수는 열전물질의 양단의 온도차이에 따라 나타나는 기전력에 의한 전압을 의미한다. 그러므로 제벡계수가 커서 출력전압이 크게 나타나는 열전물질일수록 좋다. 그리고 전기전도도는 열전물질의 양단간에 발생하는 전기 저항이다. 전기저항이 크면 주울열이 발생하므로, 전기전도도가 커서 전기가 잘 통하여 큰 출력을 낼수록 좋다. 그리고 열전도도는 작아서 열전물질의 양단간의 온도차이가 크게 유지될수록 좋다.

그런데 문제점은 제벡계수와 전기전도도와 열전도도는 모두 전자 캐리어와 정공 캐리어의 숫자 농도에 의존하고 있다는 것이다. 그러므로 제벡계수를 높이려고 캐리어의 숫자를 줄이면, 전기전도도가 작아져서 전기저항과 주울열이 발생한다. 그리고 전기전도도를 크게 하려고 캐리어의 숫자를 증가시키면, 열전도도가 높아져서 온도차이가 작아지고 제벡계수도 감소한다.

그러므로 열전물질은 상기의 요소들을 감안하여 최대의 열전성능이 나타나는 캐리어의 숫자 농도를 선택하게 되는데, 그 캐리어의 농도는 10^-19 - 10^-20 cm^-3으로써, 반도체 수준이며, 금속의 전자농도의 거의 1/1,000의 수준이다.

캐리어의 농도를 조절하는 성분은 열전물질의 종류에 따라서 모두 틀리다. 그렇지만 펠티에 효과가 있는 열전물질은 모두 2 개 이상의 원소로 이루어질 수 있기 때문에, 그 펠티에 효과가 있는 구성원소의 배합비율을 조정하고, 전자 캐리어 숫자를 증가시키는 도판트의 투입 양을 조절하거나, 또는 정공의 숫자를 증가시키는 악섭터의 투입 량을 조절하면 최대의 열전성능의 캐리어 농도를 가진 열전소자를 만들 수 있다.

실시예로 P 형인 Bi2Te3, Sb2Te3에 추가적으로 Te가 혼합되어 이루어지는 열전물질과, 그리고 N 형인 Bi2Te3, Bi2Se3에 추가적으로 CdI2가 함유되어 이루어지는 열전물질은 캐리어 농도가 대폭 향상되어 최대 열전성능의 캐리어 농도를 가지고 있다.

그리고 본 발명의 열전소자의 흡열 발열하는 부분(1)은 임의의 출력을 위한 전류와 열이 흐를 수 있는 단면적의 크기와 구조로 만들 수 있다.

실시예로 열전소자의 발열 부분과 흡열 부분의 구리 전극과 접합되는 면적은 1.45mm x 1.45mm 규격으로 만들 수도 있다.

본 발명의 열전물질의 격자열전도 열량을 감소하는 부분은 격자열전도가 되는 단면적을 축소하는 부분(2)이다. 그러나 만일 그 부분(2)의 열전물질의 캐리어 농도가 열전성능 최대의 상태로 제조 되었다면, 격자열전도 단면적을 축소하면, 정비례로 캐리어 농도가 부족하여, 전기 저항이 커지고, 출력이 감소되는 부작용이 발생하게 된다.

그러므로 본 발명은 상기 부작용을 해소하기 위해, 열전물질의 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)은 상기의 부작용이 없는 수준까지, 페르미 에너지 준위의 변동 없이, 단면적 축소에 반비례하여 캐리어의 농도를 증가시키는 구조와 구성을 가지고 있는 것이 특징이다.

실시예로 P 형인 Bi2Te3, Sb2Te3에 추가적으로 Sb가 혼합되어 이루어지는 열전물질과, 그리고 N 형인 Bi2Te3, Bi2Se3에 추가적으로 CdI2가 혼합되어 이루어지는 열전물질은 에너지 준위의 변동 없이, 열전성능 캐리어 농도보다 n 배의 큰 농도를 가질 수 있다.

상기의 P 형은 Sb를 첨가하면 Sb 를 첨가하지 않았을 때의 캐리어 농도보다 더 큰 캐리어의 농도를 얻을 수 있으며, Sb의 함량을 증가시킬수록 캐리어 농도가 증가되는 경향을 나타낸다. 또한 상기 N 형은 CdI2를 첨가하면 CdI2를 첨가하지 않았을 때의 캐리어 농도보다 더 큰 캐리어 농도를 얻을 수 있으며, CdI2의 함량을 증가시킬수록 캐리어 농도가 증가되는 경향을 나타낸다.

그리고 본 발명은 열전냉각용의 소자 또는 장치에는 열전물질의 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)에 냉각하는 핀을 형성할 수 있어, 캐리어에 의한 열전도를 감소시킬 수 있다.

냉각핀의 재질은 열전도성이 좋은 것이 우선이며, 그것이 구리와 알루미늄 등 도체이면 냉각 효율이 우수하지만, 합선의 위험성을 고려해야 하며, 부도체는 냉각효율은 작지만. 합선의 위험성이 없다. 상기 냉각하는 핀은 발열하는 부분과 흡열하는 부분으로부터 단열재 등으로 열전도적으로 격리하여 장치하여야 되며, 발열 부분의 세라믹 기판이 아닌, 별도의 냉각 기판 또는 냉각 구조물 또는 히트 파이프 등의 냉각장치에 연결하는 것이 바람직하다.

실시예로 알루미늄 선 또는 알루미늄 판의 가공하여 만든 냉각하는 핀(5)을 양극산화 부도체로 만들어, 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)들에 접촉하게 하고, 그 접촉된 나머지 부분은 단열재로 감싸서 외부로 인출하여 냉각할 수 있다.

그리고 캐리어의 농도가 작고 단면적이 큰 흡열 발열하는 부분(1)으로부터, 단면적이 작은 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)으로 캐리어가 이동하거나, 또 는 그와 반대 방향으로 캐리어가 이동할 때, 열전물질의 캐리어가 부족하면 집중적으로 모여들거나 확산하여 이동하기가 곤란하므로, 전기저항이 증가하게 되는 부작용이 발생한다. 그러므로 상기 부작용을 해소하기 위해, 본 발명은 흡열 발열하는 부분(1)의 큰 단면적과, 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)을 큰 캐리어의 농도를 가진 구성으로 연결하는 부분(3)이 있다.

그러므로 상기와 같이 본 발명의 구조와 구성은 부작용 없이 열전물질의 격자열전도 열량과 캐리어의 열전도 누설열을 감소할 수 있으며, 열효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

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본 발명의 적용은 열전소자와 열전발전장치 기타 열전 장치에 재료로 사용하는 열전물질의 형태에 따라 그 구조와 부수적인 조건을 달리하여 사용할 수 있게 된다.

실시예로 가령 열전물질의 펠리트에 적용할 경우에 있어, 그 펠리트의 형태는 모래시계 형이나, 아이자 빔형 등의 원하는 형태로 만들 수 있다.

또한 펠리트의 제조방법은 열전물질의 캐리어 농도가 최대 열전성능의 것과 그것의 n 배의 것을 각각 별도로 용융 후, 일방향 응고법이나, 용융 후 급속응고법이나, 압축 가열법이나, 기타 방법으로 캐리어 농도가 각각 다른 2 종류의 열전물질의 잉고트를 각각 만든다. 그리고 그 잉고트들을 각각 분쇄하여 분말로 만든다. 그리고 그 최대 성능의 캐리어 농도를 가진 열전물질의 분말은 압출 성형 노즐에 있어서 의 흡열 발열하는 부분(1)으로, 그리고 보다 더 큰 캐리어 농도를 가진 열전물질의 분말을 압축 성형 노즐에 있어서의 격자열전도가 되는 단면적이 축소된 부분(1)과 상기 연결하는 부분(3)으로 성형하도록 가압 가열하여, 압축 성형 노즐을 통과 시켜, 마치 영어의 대문자 아이자 빔과 같이 생긴 열전물질의 선을 뽑아낸다. 그 다음 그것을 커팅하여 NiB 무전해 도금을 하여, 펠레트로 만들어 사용할 수 있다.

본 발명은 열전물질을 박막으로 만들어 사용할 수도 있다.

실시예로 열전물질의 박막의 형태는 여러 종류가 가능하다. 전면에서 보면 영어 대문자의 아이 자, 모래시계 형이고, 측면에서 보면 一 자형의 형태도 있다. 그리고 전면과 후면에서 보면 금속전극과의 접합된 원형, 사각형, 삼각형, 다각형 세그먼트형 등의 모양으로 되어 있고, 그것의 가운데를 선형 또는 박막의 형태의 격자열전도 단면적이 축소된 부분(1)으로 연결하는 형태도 있다. 그리고 전면과 후면에서 보면 사각형 또는 다각형의 박막형태로 되어 있어, 금속전극과 면 접합을 하고 있고, 측면에서 보면 ㄷ 자형 ㅁ 자형으로 만들고, 그 중간 부분의 박막으로 격자열전도 단면적이 축소되어 있는 형태도 있다.

박막을 만드는 방법은 진공증착과 열전물질을 녹여서 분사하는 용사법 등이 있다.

박막 또는 다층박막의 성형될 기판도 다양한 종류가 선택될 수 있다. 유리 종류들과 각종 세라믹들과 각종 수지와 수지를 기포 처리한 것들과 종이를 비롯한 각종 단열재들과 각종 금속전극들과 알루미늄을 양극산화한 기판이나, 히트 싱크기판, 절연 히트 파이프 등이 성형될 기판으로 사용 될 수도 있다.

본 발명은 고효율의 열전소자 및 열전장치와 고효율의 열전냉각장치와 열전발전장치 등에 사용될 수 있다. 본 발명은 에너지 절감효과와 공해감소 효과가 있고, 상품성이 우수하고, 경제적 효과가 크다.

Claims (3)

1. 펠티에 효과가 있는 열전물질이 펠리트, 적층펠리트, 박막, 다층박막, 초격자박막, 세그먼트, 선으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 형태로 되어 있고, 상기 형태의 열전물질은 금속전극(4)과 접합되어 있는 양단의 부분(1); 및

   상기 금속전극(4)과 접합되어 있는 양단의 부분(1)들의 사이에 위치한 열전물질의 중간 부분에 격자열전도가 되는 단면적이 축소된 부분(2)을 포함하고,

   상기 단면적이 축소된 부분(2)은 전자 캐리어의 숫자를 증가시키는 도판트 또는 정공 캐리어의 숫자를 증가시키는 악섭터의 함유량을 증가시킴으로써, 격자열전도가 되는 단면적의 축소에 반비례하여 캐리어 농도를 크게 하는 것에 의해 격자열전도의 열량을 감소할 수 있고, 상기 격자열전도가 되는 단면적의 축소된 부분(2)의 전기저항열 증가의 부작용을 방지하는 특징이 있는 열전소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열전물질은 상기 금속전극과 접합되어 있는 양단의 부분(1)들과 상기 격자열전도가 되는 단면적이 축소된 부분(2)을 각각 연결되는 부분(3)이 형성되며, 상기 연결되는 부분(3)은 전기 캐리어의 숫자를 증가시키는 도판트 또는 정공 캐리어의 숫자를 증가시키는 악섭터의 함유량을 증가시킴으로써 캐리어의 농도를 크게 하도록 구성되어, 상기 단면적이 축소된 부분(3)들을 통해 캐리어들이 전기저항열 발생 없이 이동하는 특징이 있는 열전소자.
3. 제 1항에 있어서 상기 격자열전도 단면적이 축소된 부분(2)에 접촉하는 열전도 냉각용 핀 장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열전소자.

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