KR100997994B1 - 열전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전소자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 형태는 금속층을 사이에 두고 n형 및 p형 열전 반도체가 서로 접합되어 형성된 복수의 pn 접합 및 상기 n형 및 p형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 pn 접합은 절연층을 사이에 두고 적층되되, 각각은 서로 전기적으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 열전소자의 안정성을 제고할 수 있다.
열전, 열전소자, 열전모듈

Description

열전소자 {Thermoelectric Element}
본 발명은 안정성과 열전 효율이 향상된 열전소자에 관한 것이다.
화석에너지 사용의 급증으로 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제가 야기되고 있으며, 이에 의해, 열전소자(Thermoelectric Element)에 대한 관심이 높아지고 있다. 열전소자는 대기오염을 일으키는 원인물질의 하나인 프레온 가스 등을 대체하여 냉각수단으로 활용되고 있을 뿐만아니라, 제벡효과(Seebeck effect)에 의한 소형 발전기로도 널리 사용되고 있는 소자이다. 특히, 반도체(열전 반도체)를 매개로 금속이 상호 접지 되어 형성된 루프에 전류를 흘리면 페르미 에너지 차이로 전위차가 발생하게 되고, 전자가 한쪽 금속 면에서 다른 쪽으로 이동하기 위해 필요한 에너지를 가지고 가기 때문에(흡열) 냉각이 일어나는 반면, 다른 금속 면은 상기 전자가 가지고 온 에너지만큼 열에너지를 내놓기 때문에(방열) 가열이 일어나는데, 이를 펠티어 효과(Peltier effect)라 하며 열전소자에 의한 냉각장치의 작동원리가 된다. 이때, 상기 반도체의 종류와, 전류가 흐르는 방향에 따라 흡열과 방열의 위치가 결정되며, 재질에 따라 그 효과에도 차이가 발생한다.
도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 통상의 열전소자(10)는 n형 열전 반도체(11)와 p형 열전 반도체(12)가 금속층(15)에 의해 전기적으로 연결되며, 여기에 직류 전류가 가해지면, 열흡수층(13)에서는 흡열이 열방출층(14)에서는 방열이 일어난다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 전류의 방향에 의해 흡열과 방열의 위치는 변경될 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(11, 12)는 각각 복수 개 구비되어 서로 교대로 배열되며, 전기적으로는 서로 직렬로 연결된다. 이러한 직렬 연결 방식의 경우, 어느 하나의 열전 반도체 또는 금속층에 문제가 생긴다면 소자 전체가 작동하지 못하게 되는 문제가 생긴다.
본 발명의 일 목적은 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 안정성이 높음과 더불어 열전 효율이 향상될 수 있는 열전소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
금속층을 사이에 두고 n형 및 p형 열전 반도체가 서로 접합되어 형성된 복수의 pn 접합 및 상기 n형 및 p형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 pn 접합은 절연층을 사이에 두고 적층되되, 각각은 서로 전기적으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 pn 접합 중 적어도 하나는 이에 구비된 n형 및 p형 열전 반도체를 이루는 물질의 열전도도가 다른 pn 접합에 구비된 것의 열전도도와 다른 것일 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 pn 접합은 상기 적층 방향을 기준으로 상부에서 하부로 갈수록 이에 구비된 n형 및 p형 열전 반도체를 이루는 물질의 열전도도가 높아지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 pn 접합의 적층 방향은 상기 열전소 자의 열 전달 방향과 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합이 이루는 구조물의 측 방향에 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치된 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 n형 열전 반도체 및 상기 제2 전극 사이와 상기 p형 열전 반도체 및 상기 제1 전극 사이 각각에 형성된 절연 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 pn 접합 중 상기 적층 방향을 기준으로 최상부에 위치한 것의 상면에 순차적으로 형성된 세라믹층 및 열흡수층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 세라믹층에 구비된 세라믹 물질은 알루미나인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 pn 접합 중 상기 적층 방향을 기준 으로 최하부에 위치한 것의 하면에 형성된 히트 싱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합에 전류가 흐름으로써 상기 복수의 pn 접합의 일 측으로부터 흡수된 열을 상기 적층 방향을 따라 전달하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합의 일 측으로부터 흡수된 열에 의해 상기 복수의 pn 접합 및 상기 저항소자에 전류가 흐르는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 절연층은 세라믹으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 열전소자의 안정성을 제고할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 열전소자를 사용함으로써 인가 전압에 대한 의존도가 낮출 수 있으며, 열전 효율 역시 종래보다 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 열전소자(100)는 금속층(103)이 사이에 개재되어 pn 접합을 형성하는 n형 열전 반도체(101) 및 p형 열전 반도체(102), 상기 pn 접합들의 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에 배치된 절연층(104), 제1 및 제2 전극(105, 106), 세라믹층(107, 109), 열흡수층(108) 및 히트싱크(110)을 갖추어 구성된다.
상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질, 예컨대, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다. 상기 금속층(103)은 전류의 흐름이 원활히 이루어질 수 있도록 구리와 같은 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 전압을 인가하여 발생된 전류의 흐름에 의해 열을 일 측에서 타 측으로 흐르도록 할 수 있어 이를 열전 냉각기에 사용할 수 있다. 또한, 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)를 구비하는 구조물의 일 측과 타 측의 온도 를 달리할 경우에는 이로부터 발생한 에너지를 이용하여 전류를 발생시킬 수 있다.
상기 n형 열전 반도체(101), 금속층(103) 및 p형 열전 반도체(102)는 열전 기능을 수행하는 하나의 단위 구조에 해당하며, 이하에서는 이러한 하나의 단위 구조를 pn 접합으로 칭한다. 상기 pn 접합은 복수 개 구비되어 적층되며, 특히, 본 실시 형태의 경우, 하나의 pn 접합은 다른 pn 접합과 전기적으로 병렬 연결된다. 이는 종래의 pn 접합이 서로 직렬로 연결되는 것과 차이가 있으며, 도 3은 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타내고 있다. 이러한 병렬 연결 구조는 일부 pn 접합에 문제가 생기더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않는 장점을 제공한다. 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에는 절연층(104)이 개재되며, 상기 절연층(104)은 알루미나와 같은 세라믹 물질로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 pn 접합들이 적층된 적층 구조(이하, 적층 구조라고한 함)에 의하여 열전소자(100)는 일 측에서 열을 흡수하여 이를 타 측으로 방출할 수 있다. 이를 위해, 상기 적층 구조에 열흡수층(108)과 히트 싱크(110)를 적절히 접합시켜 열전 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 도 2를 기준으로 할 때, 상기 적층 구조 중 최상부에 위치한 pn 접합 상면에 열흡수층(108)을 형성하고 최하부에 위치한 pn 접합 하면에 히트 싱크(110)를 형성할 수 있으며, n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)와 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극(105, 106)에 전원 또는 저항 소자 등이 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 열흡수층(108) 및 히트 싱크(110)은 열 전도 율이 좋은 금속으로 형성될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 세라믹층(107, 109)에 의해 상기 적층 구조와 연결될 수 있다. 상기 세라믹층(107, 109)은 알루미나 등의 물질을 구비하며, 본 발명에서 필수적인 요소는 아니므로 실시 형태에 따라 제외될 수도 있을 것이다.
또한, 본 실시 형태와 같이, pn 접합을 일 방향으로 적층하여 사용함으로써 열의 흐름을 상기 pn 접합의 적층 방향으로 유도할 수 있다. 즉, 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 각각 (+) 극성 및 (-) 극성의 전극을 연결할 경우, 전류의 흐름에 의해 상기 열흡수층(108)의 열은 상기 pn 접합을 거쳐 상기 히트 싱크(110)로 방출될 수 있다. 이는, 본 실시 형태에서 상기 pn 접합은 열적으로는 직렬, 전기적으로는 병렬로 연결된 것이라 할 수 있으며, 종래의 열전소자가 열적으로는 병렬, 전기적으로는 직렬로 연결된 것과 반대 방식에 해당한다.
이 경우, 열의 흐름이 상기 적층 방향으로 형성되는 점을 고려하여, 본 실시 형태와 같은 적층 방식의 열전소자에서는, 적층 방향에 따라 다른 물질로 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 고온부 측에 위치한 pn 접합을 저온부 위치한 pn 접합보다 고온용 열전 재료, 예컨대, 열전도도가 낮은 물질로 형성할 경우, 보다 효율적인 열전 성능을 얻을 수 있다. 즉, 도 2를 기준으로 할 때 상부 및 하부를 각각 고온부 및 저온부라 할 경우, 상부의 pn 접합에서 하부의 pn 접합으로 갈수록 그에 구비된 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)를 이루 는 물질의 열전도도를 높게 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, pn 접합의 열전도도를 달리하여 적층할 경우, 상기 적층 구조 내부의 고온부에서 저온부까지 온도는 서로 다른 기울기를 갖고 분포한다. 이와 달리, 종래와 같은 방식의 열전소자에서는 고온부에서 저온부까지의 온도가 대락적으로 일정한 기울기를 보인다. 유한요소해석법(FEM) 방법을 이용하여 병렬 설계 방식(열전도도를 달리하여 pn 접합을 적층한 구조)과 직렬 설계 방식(도 1의 구조)의 열 전달 성능을 비교한 결과, 병렬 설계 방식의 열 전달 성능이 더 우수함을 확인할 수 있었다. 즉, 100W/㎡의 열량을 주었을 때, 병렬 설계 방식에서 고온부와 저온부의 온도 차이가 0.1℃ 정도 더 큰 결과를 얻었다. 이러한 결과를 보았을 때, pn 접합을 병렬 연결함으로써 전기적 안정성을 얻을 수 있으며, 열 전달 방향을 따라 pn 접합을 적층하고 열전 물질을 적절히 선택함으로써 열전 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 각각 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)와 접촉하며, 상기 금속층(103)과 동일한 물질로 형성할 수 있다. 이 경우, 효율적인 접촉 구조를 얻기 위해, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 상기 pn 접합의 적층 구조의 측 방향에 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(105)은 상기 p형 열전 반도체(102)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치되며, 마찬가지로, 상기 제2 전극(106)은 상기 n형 열전 반도체(101)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치된다. 이 경우, 도 6에 도시된 구조와 같이, 상기 n형 열전 반도체(101) 및 상기 제2 전극(106) 사이와 상기 p형 열전 반도체(101) 및 상기 제1 전극(105) 사이에 각각 절연 물질(111)을 개재시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 따라서, 구체적 구조는 생략하였으나, 도 4 및 도 5의 열전소자(100)는 도 1의 구조를 갖는 것으로 이해할 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 열전소자(100)에 전원을 연결하여 전류 흐름을 발생시킬 경우, 상부(고온부)의 열을 하부(저온부)로 방출시킬 수 있어 열전 냉각기로 이용할 수 있으며, 전원의 극성을 달리 하여 열의 흐름을 반대 방향으로 할 수도 있을 것이다. 이와 유사한 원리로 고온의 열 에너지는 전류를 발생시킬 수 있으며, 도 5에 도시된 열전 발전기에서 볼 수 있듯이, 전류에 의해 열은 고온부에서 저온부로 방출될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 실시 형태에서 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에서 채용될 수 있는 pn 접합을 나타내는 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: n형 열전 반도체 102: p형 열전 반도체
103: 금속층 104: 절연층
105, 106: 제1 및 제2 전극 107, 109: 세라믹층
108: 열흡수층 110: 히트 싱크
111: 절연 물질

Claims (17)

  1. 금속층을 사이에 두고 n형 및 p형 열전 반도체가 서로 접합되어 형성된 복수의 pn 접합; 및
    상기 n형 및 p형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며,
    상기 복수의 pn 접합은 절연층을 사이에 두고 적층되되, 각각은 서로 전기적으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 pn 접합 중 적어도 하나는 이에 구비된 n형 및 p형 열전 반도체를 이루는 물질의 열전도도가 다른 pn 접합에 구비된 것의 열전도도와 다른 것을 특징으로 하는 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 pn 접합은 상기 적층 방향을 기준으로 상부에서 하부로 갈수록 이에 구비된 n형 및 p형 열전 반도체를 이루는 물질의 열전도도가 높아지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 pn 접합의 적층 방향은 상기 열전소자의 열 전달 방향과 같은 것을 특징으로 하는 열전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합이 이루는 구조물의 측 방향에 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 n형 열전 반도체 및 상기 제2 전극 사이와 상기 p형 열전 반도체 및 상기 제1 전극 사이 각각에 형성된 절연 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 pn 접합 중 상기 적층 방향을 기준으로 최상부에 위치한 것의 상면에 순차적으로 형성된 세라믹층 및 열흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹층에 구비된 세라믹 물질은 알루미나인 것을 특징으로 하는 열전소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 pn 접합 중 상기 적층 방향을 기준으로 최하부에 위치한 것의 하면에 형성된 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합에 전류가 흐름으로써 상기 복수의 pn 접합의 일 측으로부터 흡수된 열을 상기 적층 방향을 따라 전달하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합의 일 측으로부터 흡수된 열에 의해 상기 복수의 pn 접합 및 상기 저항소자에 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 열전소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자.
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