KR101680766B1 - 열전 소자 및 열전 소자 어레이 - Google Patents

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Abstract

열전 소자의 구조에 대해 개시된다. 개시된 열전 소자는 고온 영역 및 저온 영역 사이에 수평 구조로 배열된 열전체를 포함할 수 있으며, 이와 같은 열전체가 고온 영역 및 저온 영역 사이에 다수개로 배치된 형태의 어레이 구조로 형성된 것일 수 있다.

Description

열전 소자 및 열전 소자 어레이{Thermoelectric device and Array of Thermoelectric device}
본 발명의 실시예는 열전 소자에 관한 것으로, 고온 영역 및 저온 영역 사이에 배치되는 열전체 내의 캐리어 이동 방향 또는 열 흐름 방향이 고온 영역 및 저온 영역의 대향면과 실질적으로 나란한 방향으로 형성한 열전 소자 및 어레이 구조에 관한 것이다.
열전 소자(Thermoelectric device)란 열전 변환을 이용하여 자연계, 기계 빌딩 등의 인공물에 존재하는 온도의 차이를 이용하여 온도차에 의한 기전력이 발생하는 현상인 제백 효과(Seebeck effect)를 이용한 소자이다. 일반적으로 열전 소자는 미국 특허 공개 제 2009-0025773호에 개시된 바와 같이, 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향이 저온 영역 및 고온 영역의 대향면 사이에 수직 방향으로 형성된다.
열전 변환(Thermoelectric conversion)이란 열에너지와 전기에너지 사이의 에너지 변환을 의미한다. 열전 재료의 양단에 온도 차이가 있을 때 전기가 발생하고, 반대로 열전 재료에 전류를 흘려주면 그 양단 사이에 온도 구배가 발생한다.
제백 효과(Seebeck effect)를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기에너지로 변환할 수 있고, 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하면, 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다. 최근 신에너지 개발, 폐에너지 회수, 환경보호 등에 대한 관심이 고조되면서, 열전 소자에 대한 관심도 높아지고 있다.
열전소자의 효율은 열전 재료의 성능 계수인 ZT(figure of merit) 계수에 의해 결정되며, 무차원 성능 지수 ZT 계수는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112010002549498-pat00001
수학식 1을 참조하면, ZT 계수는 열전 재료의 제백 계수(Seebeck coefficient)(S: Volts/degree K) 및 전기전도도(σ: 1/W-meter)에 비례하고, 열전도도(k: Watt/meter-degree K)에 반비례한다. 여기서, 제백 계수(S)는 단위 온도 변화에 따라 생성되는 전압의 크기(dV/dT)를 나타내며, T는 절대 온도를 나타낸다.
효율이 높은 열전소자를 구현하기 위해서는 ZT 계수가 커야 한다. 그러나 동일한 물질에 대해 제백 계수(S), 전기전도도(σ) 및 열전도도(k)는 서로 상관관계가 있어 독립적으로 조절이 힘들기 때문에 열전재료의 개선만으로 효율이 높은 열전소자를 구현하는 것은 용이하지 않다.
본 발명의 실시예에서는 열전체와 고온 영역 및 저온 영역과 사이의 전극에서의 접촉 열저항을 감소시키며, 열전체 내의 온도 구배를 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 열전 소자를 제공하고자 한다.
개시된 실시예에서는 열전 소자에 있어서,
저온 영역;
상기 저온 영역과 이격된 고온 영역; 및
상기 저온 영역 및 상기 고온 영역 사이에 형성된 열전체;를 포함하며,
상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향은 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면과 실질적으로 나란한 열전 소자를 제공한다.
상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향과 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면이 이루는 각도는 45도 이하일 수 있다.
상기 열전체는 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역과 이격되어 형성된 것으로,
상기 열전체의 일단부 및 상기 저온 영역 사이에 형성된 제 1전극; 및
상기 열전체의 타단부 및 상기 고온 영역 사이에 형성된 제 2전극;을 포함할 수 있다.
상기 열전체의 일단부과 상기 고온 영역 사이 또는 상기 열전체의 타단부 및 상기 저온 영역 사이에 형성된 절연층을 포함할 수 있다.
상기 대향면은 상기 제 1전극 또는 상기 제 2전극이 형성된 면일 수 있다.
상기 열전체는 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역을 연결하는 최단선에 수직한 방향으로 형성된 것일 수 있다.
상기 열전체는 금속, 금속간 화합물, 반도체, 붕소화물 또는 산화물로 형성된 것일 수 있다.
상기 열전체는 N형 또는 P형 물질로 형성된 것일 수 있다.
또한, 저온 영역에 형성된 다수의 제 1전극들;
고온 영역에 형성된 다수의 제 2전극들;
상기 저온 영역 및 상기 고온 영역과 이격되며, 상기 제 1전극들의 단부 및 상기 제 2전극들의 단부를 연결하여 형성된 열전체;를 포함하며,
상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향은 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면과 실질적으로 나란한 열전 소자 어레이를 제공한다.
상기 제 1전극 및 상기 제 2전극들의 단부들은 상기 열전체들에 의해 교호적으로 연결되어 지그재그 구조로 형성된 것일 수 있다.
상기 열전체는 N형 및 P형 열전체가 교대로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소자의 열전체의 열 또는 캐리어의 흐름 방향을 고온 영역 및 저온 영역의 대향면과 실질적으로 나란하게 배치함으로써 열전체 내부의 열저항을 증가시킬 수 있으며, 열전체 및 전극 사이의 접촉 면적을 크게하여 접촉 열저항을 감소시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자의 어레이 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4a는 고온 영역 및 저온 영역의 대향면에 수직한 방향으로 형성된 열전체를 포함하는 열전 소자를 나타낸 도면이다.
도 4b는 고온 영역 및 저온 영역의 대향면에 나란한 방향으로 형성된 열전체를 포함하는 열전 소자를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2a에 나타낸 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자의 어레이 구조를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자를 나타낸 것이다.
도 6b는 도 5a에 나타낸 열전 소자의 열전체 내부의 온도 분포를 수치 해석 프로그램을 이용하여 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.
개시된 도면들에 있어서, 각 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되게 도시될 수 있으며, 명세서 전체에서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1b는 도 1a의 l1-l2 라인을 따른 단면을 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 저온 영역(100) 및 고온 영역(140) 사이에는 열전체(120)가 형성되어 있다. 저온 영역(100)과 열전체(120) 사이에는 제 1전극(110)이 형성되어 있으며, 고온 영역(140)과 열전체(120) 사이에는 제 2전극(130)이 형성되어 있다. 제 1전극(110)은 열전체(120)의 일단부에 형성되며, 제 2전극(130)은 열전체(120)의 타단부에 형성되어 열전체(120)는 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)과 비접촉된 상태로 이격되어 있다.
저온 영역(100) 및 고온 영역(140)은 서로 온도가 다른 영역일 수 있으며, 고온 영역(140)이 저온 영역(100)보다 상대적으로 온도가 높은 영역일 수 있다. 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)은 가요성 또는 비가요성 물질로 형성된 것일 수 있으며, 실리콘, 갈륨비소(GaAs), 사파이어, 석영, 글래스 또는 폴리이미드 등으로 형성된 것일 수 있다.
열전체(120)는 저온 영역(100) 및 고온 영역(140) 사이의 온도 차에 의한 열 또는 캐리어(전자, 정공 또는 이온)가 이동하는 통로이다. 도 1c를 참조하면, 열전체(120) 내부의 열(H) 또는 캐리어의 이동 방향은 저온 영역(100)의 대향면과 실질적으로 나란하도록 형성된 것일 수 있으며, 또한, 열전체(120)는 고온 영역(140)의 대향면과 실질적으로 나란하도록 형성된 것일 수 있으며, 상기 저온 영역(100) 및 상기 고온 영역(140)을 연결하는 최단선에 수직한 방향으로 형성된 것일 수 있다.
여기서, 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)의 대향면은 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)이 열전체(120)와 마주보는 면을 나타낸다. 열전체(120) 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향과 저온 영역(100)의 대향면이 이루는 각도를 θ1이라 하고, 열전체(120) 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향과 고온 영역(140)의 대향면이 이루는 각도를 θ2라 하면, θ1,및 θ2는 45도 이하의 각도일 수 있다. 만일 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)의 대향면이 곡면인 경우, 저온 영역(100) 및 고온 영역(140)에 전극(110, 130)이 형성된 면을 대향면으로 하여 캐리어의 이동 방향과 저온 영역(100) 또는 고온 영역(140)의 대향면이 이루는 각도를 정할 수 있다.
열전체(120)는 다양한 소재의 열전 재료를 사용하여 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 열전체(120)는 금속, 금속간 화합물, 반도체, 붕소화물 또는 산화물 등으로 형성된 것일 수 있으며, 구체적으로 BiTe계, PbTe계, SiGe계 화합물 등을 포함할 수 있다. 열전체(120)는 N형 물질 또는 P형 물질로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어 4족 물질과 5족 물질을 포함하거나, 4족 물질과 3족 물질을 포함한 것일 수 있으며, N형 또는 P형 도펀트가 도핑된 것일 수 있다.
제 1전극(110) 및 제 2전극(130)은 일반적인 열전 소자에 사용되는 전극 물질이면 제한 없이 사용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 Au, Ag, Al, Ni, Ti, Pt 등의 금속이나 전도성 금속 산화물 등으로 형성된 것일 수 있다.
도 1a 내지 도 1c에서는 열전 소자의 저온 영역(100) 및 고온 영역(140) 사이에 열전체(120)가 단일 구조로 형성된 구성을 개시하고 있으나, 다수개의 열전체(120)를 포함하는 구조로 형성된 것일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자의 어레이 구조를 나타낸 도면이다. 여기서는 저온 영역(10) 및 고온 영역(17) 사이에 형성된 다수의 열전체(13, 14)를 포함하는 구조를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저온 영역(10)의 일면에는 다수의 제 1전극(11a, 11b)이 형성되어 있으며, 고온 영역(17)의 일면에는 다수의 제 2전극(16)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1전극(11a, 11b)과 제 2전극(16)은 열전체(13, 14)들로 연결되어 있다. 열전체(13, 14)들은 각 전극들의 단부에 형성된 것일 수 있다. 즉, 저온 영역(10) 및 고온 영역(17)에 형성된 제 1전극(11a, 11b) 및 제 2전극(16)의 단부들은 열전체(13, 14)에 의해 번갈아 가면서 교호적으로 연결되어 지그 재그 구조로 형성된 것일 수 있다. 도 2a에서는 열전체(13, 14)들이 상호 평행하게 형성된 구조를 나타내었으며, 도 2b에서는 열전체(13, 14)들이 비평행하게 형성된 구조를 나타내었다.
열전체(13, 14)는 N형 또는 P형 물질로 형성된 것일 수 있으며, 제 1전극(11a, 11b) 및 제 2전극(16) 사이에는 N형 열전체(13) 및 P형 열전체(14)가 교대로 형성된 것일 수 있다.
열전체(13, 14)의 일단부는 제 1전극(11a, 11b)을 통하여 저온 영역(10)과 연결되며, 열전체(13, 14)의 타단부는 제 2전극(16)을 통하여 고온 영역(17)과 연결될 수 있다. 열전체(13, 14)의 일단부 또는 타단부와 저온 영역(10) 또는 고온 영역(17) 사이에는 절연층(12, 15)이 형성될 수 있다. 예를 들어, N형 열전체(13)는 저온 영역(10)과 이격되어 있으며, 저온 영역(10)과 N형 열전체(13)의 일단부 사이에는 제 1전극(11a)이 형성되어 있으며, 저온 영역(10)과 N형 열전체(13)의 타단부 사이에는 절연층(12)이 형성되어 있다. 그리고, P형 열전체(14)는 고온 영역(17)과 이격되어 있으며, 고온 영역(17)과 P형 열전체(14)의 일단부 사이에는 제 2전극(16)이 형성되어 있으며, 고온 영역(17)과 P형 열전체(14)의 타단부 사이에는 절연층(15)이 형성되어 있다.
절연층(12, 15)은 산화물, 질화물, 유기물 등의 절연 물질로 형성된 것일 수 있으며, 열전 소자 형성 시 열전체(13, 14)가 저온 영역(10) 또는 고온 영역(17)과 직접 접촉하지 않도록 지지하는 역할을 할 수 있다. 절연층(12, 15)은 열이 절연층(12, 15)를 통하여 전달되지 않도록 열전도도가 낮은 물질로 형성된 것일 수 있다.
도 3은 본 발명 실시예에 의한 열전 소자를 포함하는 열전 모듈을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 저온 영역(10) 및 고온 영역(17) 사이에 제 1전극(11) 및 제 2전극(16) 패턴이 다수 형성되어 있으며, 제 1전극(11) 및 제 2전극(16)들 사이에 다수의 열전체(13, 15)가 형성되어 있다. 열전체(13, 15)에서 생성된 캐리어들은은 전극(11, 16)들을 통하여 열전 모듈 외부와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 열전 모듈은 열공급원과 연결될 수 있으며, 열전 모듈의 전극(11, 16)들은 외부의 전기 장치, 예를 들어 전력 소비 장치 또는 전력 저장 장치와 연결될 수 있다.
이하, 열전 소자에서 열전체 내부의 열 또는 캐리어 이동 방향을 저온 영역 및 고온 영역 사이에 수직 방향으로 형성한 경우 및 수평 방향으로 형성한 경우에 대해 설명하고자 한다.
열전 소자 내부의 열저항은 열전체 내부의 열저항(RTEG), 열전체와 저온 영역 사이의 접촉 열저항(R) 및 열전체와 고온 영역 사이의 접촉 열저항(R)으로 나눌 수 있다. 여기서, 열전체와 저온 영역 사이의 접촉 열저항(R) 및 열전체와 고온 영역 사이의 접촉 열저항(R)은 동일한 것으로 가정한다. 그리고, 열전 소자의 온도 구배는 저온 영역 및 고온 영역 사이의 온도차(△TTOTAL)와 열전체 양단의 온도차(△TTEG)로 나눌 수 있다. 고온 영역과 저온 영역의 온도차(△TTOTAL)가 존재할 때 열전체 양단의 온도차(△TTEG)는 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.
△TTEG = (△TTOTAL×RTEG)/(2R + RTEG)
이를 살펴보면, 접촉 열저항(R)이 작으며, 열전체 내부의 열저항(RTEG)이 클수록 열전체 양단의 온도차(△TTEG)가 크며, 결국 열전 소자의 발전 효율이 높아지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 열전 소자는 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향을 저온 영역 및 고온 영역의 대향면과 실질적으로 나란하게 형성함으로써 열전체의 열저항은 증가시키며, 열전체와 전극 사이의 접촉 열저항을 감소시켜 뛰어난 성능을 제공할 수 있다. 이를 도 4a 및 도 4b를 참조하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4a는 고온 영역 및 저온 영역의 대향면에 수직한 방향으로 형성된 열전체를 포함하는 열전 소자를 나타낸 도면이다. 도 4a를 참조하면, 저온 영역(30) 및 고온 영역(32) 사이에 열전체(31)가 형성되어 있다.
일반적으로 저온 영역 및 고온 영역 사이를 연결하는 열전체 내부의 열저항은 열전체 길일에 비례하며, 단면적에 반비례하는 관계를 지닌다. 따라서, 도 3a의 열전체(31)의 단면적 A1이 작을수록, 열전체(31)의 길이 H1가 길수록 열저항이 커지게 되며, 열전 소자로서의 성능 효율이 증가하게 된다. 그런데, 열전체(31)의 단면적 A1을 감소시키는 경우, 열전체(31) 내부의 열저항이 증가하지만, 열전체(31)와 저온 영역(30) 사이 및 열전체(31)와 고온 영역(32) 사이의 접촉 열저항 또한 증가하게 된다.
열전 소자는 저온 영역(30) 및 고온 영역(32) 사이의 온도차에 의해 캐리어를 발생시키는 것으로, 접촉 열저항이 큰 경우에는 열전체(31) 내부의 충분한 온도 구배를 얻기 어렵다. 열전체(31)의 단면적 A1과 열전체 길이(H1)은 제작공정에 따라 결정될 수 있다. 통상 단면적 A1에 대한 길이(H1)의 비율, 즉 H1/A1이 클수록 공정이 까다로운 것으로 알려져 있어서 도 3a의 구조는 열전체의 열저항을 크게 하는 것은 한계가 있다.
또한, 통상적인 열전 소자 어레이의 경우 두 기판을 저온 영역 및 고온 영역으로 하여 그 사이에 다수의 열전 소자를 배치하기 때문에 열전체(31)의 길이(H1)를 늘이기 쉽지 않다. 따라서, 열전체(31) 내부의 열 또는 캐리어의 흐름 방향을 저온 영역(30) 및 고온 영역(32)의 대향면에 수직한 방향으로 형성된 경우에는 열전체의 열저항을 감소시키는데 한계가 있다.
도 4b는 저온 영역 및 고온 영역의 대향면에 나란한 방향으로 형성된 열전체를 포함하는 열전 소자를 나타낸 도면이다. 도 4b를 참조하면, 저온 영역(300) 및 고온 영역(302) 사이에 형성된 열전체(301)를 포함하는 구조가 형성되어 있다.
열전체(301)의 단면적(A2)는 열전체의 두께 및 폭에 따라 변화 가능한 것으로 두 인자를 조절함에 따라 단면적(A2)은 크게 감소될 수 있다. 열전체(301)의 단면적은 열전체(301)와 저온 영역(300)의 접촉 면적 및 열전체(301)와 고온 영역(302)의 접촉 면적에 상관없이 독립적으로 변화시킬 수 있으며, 접촉 면적은 증가시키면서, 열전체(301)의 단면적을 감소시키는 것이 가능하다.
도 4a의 열전체 길이(H1)가 공정 가능한 두께에 의하여 결정되는 것과는 달리, 도 4b의 열전체(301) 길이(H2)는 공정두께와 상관없이 photomask에 반영만 하면 매우 용이하게 변화시킬 수 있다. 그러므로 도 4b의 열전체의 열저항을 결정하는 열전체 길이(H2)와 열전체 단면적(A2)는 서로 독립적으로 설계될 수 있으며 따라서 단면적에 대한 길이의 비율 H2/A2를 매우 크게 할 수 있다.
결과적으로, 도 4b에 나타낸 구조를 지닌 열전 소자가 도 4a에 나타낸 구조를 지닌 열전 소자에 비해 발전 효율을 용이하게 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 열전 소자는 다양한 방법에 의해 형성할 수 있으며, 그 크기에도 제한이 없다. 도 5는 도 2a에 나타낸 실시예에 의한 열전 소자의 어레이 구조를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제 1기판(40) 상의 소정영역에 제 1전극(41) 및 절연층(42)을 형성한다. 제 1전극(41) 및 절연층(42)은 동일한 높이로 형성할 수 있다. 그리고 제 1기판(40) 상에 희생층(미도시)을 형성하여 제 1전극(41) 및 절연층(42)의 높이와 같은 높이로 평탄화 한 후, 열전체(43)을 전 영역에 형성한다. 그리고, 제 1전극(41)의 일단부 및 절연층(42) 상을 잇는 열전체(43)의 형상으로 패터닝한다. 그 후, 식각 공정 등에 의하여 희생층을 제거하면, 제 1기판(40)과 열전체(43)가 소정 간격 이격된 형태의 구조를 얻을 수 있다. 이때 열전체(43) 하부에 존재하는 희생층의 빠른 식각을 위해 열전체에 식각홀(etch hole)(h)을 형성할 수도 있다.
한편, 제 2기판(400)에 대해서도 동일한 공정으로 제 2전극(401) 및 절연층(402)을 형성하고, 열전체(403)를 형성할 수 있다. 그리고, 제 1기판(40)과 제 2기판(400)을 접합(bonding)하면 도 2a와 같은 구조를 지닌 열전 소자 어레이 구조를 형성할 수 있다.
이와 같은 공정의 경우, 제 1기판(40) 상의 열전체(43)를 N형 물질로 형성하고, 제 2기판(400) 상의 열전체(403)를 P형 물질로 형성하는 공정을 별개로 진행할 수 있다. 이 경우 하나의 기판 상에 N형 및 P형 열전체를 교대로 형성해야 하는 기존의 수직형 열전소자에 비해 제작이 용이하다. 또한, 열전체가 두 기판의 대향면에 수직 방향으로 형성된 경우 접합하는 과정에서의 압력을 크게 가하기 쉽지 않으나, 도 5의 경우에는 비교적 큰 압력을 가할 수 있어 본딩면에서 발생하는 전기적 저항이나 접촉 열저항을 낮게 할 수 있다는 장점이 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 의한 열전 소자를 나타낸 것이며, 도 6b는 도 6a에 나타낸 열전 소자의 열전체 내부의 온도 분포를 유한 요소 해석 프로그램을 이용하여 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 고온 영역(50) 및 저온 영역(55) 사이에 고온 영역(50) 및 저온 영역(55)의 대향면과 나란한 방향으로 열전체(53)가 형성된 구조가 개시되어 있다. 열전체(53)와 고온 영역(50) 사이에는 제 1전극(51) 및 절연층(52)이 각각 형성되어 있으며, 절연층(52)이 형성된 영역의 열전체(53) 및 저온 영역(55) 사이에는 제 2전극(54)이 형성되어 있다.
여기서 열전체(53)의 두께는 2㎛이며, 열전체(53) 내에서 열구배가 발생하는 영역의 길이는 140㎛이다. 고온 영역(50) 및 저온 영역(55)은 각각 실리콘 웨이퍼로 형성된 것으로 그 두께는 300㎛이었다. 열전체(53)와 고온 영역(50) 및 저온 영역(55) 사이의 이격된 간격은 각각 2㎛이며, 고온 영역(50)의 온도는 섭씨 35도이며, 저온 영역(55)의 온도는 섭씨 25도로 가정하였다. 이 때 공기중의 대류 열전달 계수의 값으로 100W/m2K를 사용하였다. 제 1전극(51) 및 제 2전극(54)의 재료로서 Cu를 사용하였고 절연층(52)는 SiO2를 사용하였다. 열전체의 재료는 Poly-SiGe를 사용하였다.
상술한 바와 같이, 고온 영역(50) 및 저온 영역(55)의 온도 차이가 섭씨 10도인 상황에서 열전체(53) 의 온도 분포를 길이 방향을 따라 조사하여 그 결과를 도 6b에 그래프로 나타내었다. 도 6b에서 X축은 열전체(53)의 d 방향의 길이를 나타낸 것이며, Y축은 섭씨 온도를 나타낸 것이다.
도 6b를 참조하면, 고온 영역(50) 및 저온 영역(55)의 온도 차이에 따라 열이 이동하게 된다. 제 1전극(51)과 접합된 영역의 열전체(53)의 온도는 섭씨 34.134도 였으며, 제 2전극(54) 방향으로 갈수록 열전체(53) 내부의 온도가 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 도 6b의 결과는 고온 영역(50) 및 저온 영역(55) 사이의 온도 차이에 의한 열전체(53) 내부의 온도 구배는 길이 방향, 즉 고온 영역(50) 및 저온 영역(55)의 대향면에 나란한 방향으로 발생되게 됨을 알 수 있다.
또한 절연층(52)을 통해 고온영역(50)으로부터 저온영역(55)으로 전달되는 열량은 매우 작으며, 열전체(53)와 고온 영역(50) 및 저온 영역(55) 사이의 이격된 빈공간에서의 대류 열전달은 매우 제한적인 것을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10, 30, 55, 100: 저온 영역,
17, 32, 50, 140: 고온 영역
11a, 11b, 41, 110: 제 1전극
16, 130, 401: 제 2전극
13, 14, 31, 43, 53, 120, 403: 열전체
12, 15, 42, 52, 402: 절연층,
40: 제 1기판
400: 제 2기판

Claims (17)

  1. 열전 소자에 있어서,
    저온 영역;
    상기 저온 영역과 이격된 고온 영역;
    상기 저온 영역 및 상기 고온 영역과 이격되며, 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역 사이에 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역을 연결하는 최단선에 수직한 방향으로 형성된 열전체;
    상기 열전체의 일단부 및 상기 저온 영역 사이에 형성된 제 1전극;
    상기 열전체의 타단부 및 상기 고온 영역 사이에 형성된 제 2전극;을 포함하며,
    상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향은 상기 저온 영역에서 상기 제 1전극이 형성된 면 및 상기 고온 영역에서 상기 제 2전극이 형성된 면인 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면과 실질적으로 나란한 열전 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향과 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면이 이루는 각도는 45도 이하인 열전 소자.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전체의 일단부과 상기 고온 영역 사이 또는 상기 열전체의 타단부 및 상기 저온 영역 사이에 형성된 절연층을 포함하는 열전 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 열전체는 금속, 금속간 화합물, 반도체, 붕소화물 또는 산화물로 형성된 열전 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열전체는 N형 또는 P형 물질로 형성된 열전 소자.
  9. 열전 소자 어레이에 있어서,
    저온 영역;
    상기 저온 영역과 이격된 고온 영역;
    상기 저온 영역 및 상기 고온 영역과 이격되며, 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역 사이에 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역을 연결하는 최단선에 수직한 방향으로 형성된 다수의 열전체;를 포함하며,
    상기 다수의 열전체들의 일단부와 상기 저온 영역 사이에 각각 형성된 제 1전극들; 및
    상기 다수의 열전체들의 타단부와 상기 고온 영역 사이에 각각 형성된 제 2전극들;을 포함하며,
    상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향은 상기 저온 영역에서 상기 제 1전극이 형성된 면 및 상기 고온 영역에서 상기 제 2전극이 형성된 면인 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면과 실질적으로 나란한 열전 소자 어레이.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열전체 내부의 열 또는 캐리어의 이동 방향과 상기 저온 영역 및 상기 고온 영역의 대향면이 이루는 각도는 45도 이하인 열전 소자 어레이.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1전극 및 상기 제 2전극들의 단부들은 상기 열전체들에 의해 교호적으로 연결되어 지그재그 구조로 형성된 열전 소자 어레이.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 열전체는 N형 및 P형 열전체가 교대로 형성된 열전 소자 어레이.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 열전체는 금속, 금속간 화합물, 반도체, 붕소화물 또는 산화물로 형성된 열전 소자 어레이.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 열전체는 N형 또는 P형 물질로 형성된 열전 소자 어레이.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 다수의 열전체 각각의 일단부과 상기 고온 영역 사이 또는 상기 다수의 열전체 각각의 타단부 및 상기 저온 영역 사이에 형성된 절연층을 포함하는 열전 소자 어레이.

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