KR101931634B1 - 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층, 상기 열전 소재층의 한 면 및 상기 한 면의 다른 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층 및 제2 금속층, 상기 열전 소재층과 상기 제1 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제1 접합층 및 상기 열전 소재층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제2 접합층, 그리고 상기 제1 금속층과 상기 제 1 접합층 사이에 배치되는 제 1 도금층 및 상기 제2 금속층과 상기 제 2 접합층 사이에 배치되는 제 2 도금층을 포함하고, 상기 열전 소재층은 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 배치되고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높다.

Description

열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자{THERMO ELECTRIC LEG AND THERMO ELECTRIC ELEMENT COMPRISING THE SAME}
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자에 포함되는 열전 레그에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 레그와 N형 열전 레그를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
한편, 열전 레그를 전극에 안정적으로 접합하기 위하여, 열전 레그와 전극 사이에 금속층을 형성할 수 있다. 이때, 열전 레그 내 반도체 재료와 금속층 간의 반응에 의하여 열전성능이 저하되는 현상을 방지하고, 금속층의 산화를 방지하기 위하여, 열전 레그와 금속층 사이에는 도금층이 형성될 수 있다.
다만, 도금층과 열전 레그를 동시에 소결하는 과정에서, 열전 레그 내 반도체 재료의 일부가 도금층 내로 확산될 수 있으며, 이로 인해 도금층과 열전 레그 간의 경계에서 반도체 재료가 불균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 열전 레그가 Bi 및 Te를 포함하는 경우, Te가 도금층으로 확산되면, Bi가 상대적으로 많이 함유된 Bi 리치층이 형성될 수 있다. Bi 리치층 내에서는 Bi와 Te의 적정한 화학양론비가 파괴되어 저항이 증가하게 되며, 이는 결과적으로 열전 소자의 성능 저하를 일으킬 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 성능이 우수한 열전 소자 및 이에 포함되는 열전 레그를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층, 상기 열전 소재층의 한 면 및 상기 한 면의 다른 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층 및 제2 금속층, 상기 열전 소재층과 상기 제1 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제1 접합층 및 상기 열전 소재층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제2 접합층, 그리고 상기 제1 금속층과 상기 제 1 접합층 사이에 배치되는 제 1 도금층 및 상기 제2 금속층과 상기 제 2 접합층 사이에 배치되는 제 2 도금층을 포함하고, 상기 열전 소재층은 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 배치되고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높다.
상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면 내 소정 지점에서의 상기 Te 함량은 상기 열전 소재층의 중심면의 Te 함량 대비 0.8배 내지 1배일 수 있다.
상기 제 1 접합층의 Te 함량은 상기 열전소재층의 Te 함량의 0.8배 내지 1배일 수 있다.
상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면으로부터 상기 제 1 접합층과 상기 제 1 도금층 간의 경계면까지의 Te 함량은 동일할 수 있다.
상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면으로부터 상기 열전 소재층의 중심면의 방향으로 100㎛ 두께 내 소정 지점에서의 Te 함량은 상기 열전 소재층의 중심면의 Te 함량 대비 0.8배 내지 1배일 수 있다.
상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층 중 적어도 하나는 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 적어도 하나는 상기 제 1 도금층 및 상기 제 2 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있다.
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 적어도 하나의 상기 Te 함량은 상기 열전 소재층의 Te 함량의 0.9 내지 1배일 수 있다.
상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 적어도 하나의 상기 Te 함량은 상기 열전 소재층의 Te 함량의 0.95 내지 1배일 수 있다.
상기 제 1 도금층의 두께는 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층은 서로 직접 접촉하고, 상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층은 서로 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 1 접합층과 상기 제 1 도금층은 서로 직접 접촉하고, 상기 제 2 접합층과 상기 제 2 도금층은 서로 직접 접촉할 수 있다.
상기 제 1 도금층과 상기 제 1 금속층은 서로 직접 접촉하고, 상기 제 2 도금층과 상기 제 2 금속층은 서로 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그는 각각 Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층, 상기 열전 소재층의 한 면 및 상기 한 면의 다른 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층 및 제2 금속층, 상기 열전 소재층과 상기 제1 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제1 접합층 및 상기 열전 소재층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되며, 상기 Te를 포함하는 제2 접합층, 그리고 상기 제1 금속층과 상기 제 1 접합층 사이에 배치되는 제 1 도금층 및 상기 제2 금속층과 상기 제 2 접합층 사이에 배치되는 제 2 도금층을 포함하고, 상기 열전 소재층은 상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 사이에 배치되고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높고, 상기 열전 소재층의 중심면으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면까지 상기 Te 함량은 상기 Bi 함량보다 높다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그를 제조하는 방법은 제 1 금속 기판을 준비하는 단계, 상기 제 1 금속 기판 상에 제 1 도금층을 형성하는 단계, 상기 제 1 도금층 상에 Te를 포함하는 제 1 접합층을 형성하는 단계, 상기 제 1 접합층 상면에 Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층을 배치하는 단계, 상기 열전 소재층 상에 제2 접합층 및 제2 도금층이 형성된 제 2 금속기판을 배치하는 단계, 그리고 소결하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 접합층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 도금층 상에 Te를 포함하는 슬러리를 도포하는 단계, 그리고 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 접합층을 형성하는 단계는, 상기 제 1 도금층 상에 Te 및 상기 제 1 도금층의 물질을 포함하는 소스를 투입하여 진공증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 접합층을 형성하는 단계는, 상기 제1 도금층을 형성하기 위한 도금 용액 내에 Te 이온을 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열전 소재층은 상기 제 1 접합층 및 상기 제 2 접합층 사이에 배치되고, 상기 제 1 접합층 및 상기 제 2 접합층은 서로 대향할 수 있다.
상기 소결하는 단계는 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 기판은 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있다.
상기 제1 도금층은 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 접합층은 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 소결하는 단계에서는 방전 플라즈마 소결법을 이용할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는, 상기 제 1 도금층 표면층으로부터 Te이 확산되어 반응하여 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 성능이 우수하며, 박형 및 소형의 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 전극에 안정적으로 결합하면서도, 반도체 재료의 분포가 균일하여 안정적인 열전 성능을 제공하는 열전 레그를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 4는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 5는 도 4의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 6은 적층형 구조의 단위 열전 레그를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이다.
도 8(a)는 도 7의 열전 레그의 개략도이며, 도8(b)는 도 8(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 접합층의 두께에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 도 10의 방법에 따라 제조된 열전 레그 내 Te 함량 분포를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10의 방법에 따라 제조된 열전 레그 내 영역 별 조성 분포를 분석한 그래프이다.
도 13은 비교예에 따라 제조된 열전 레그 내 Te 함량 분포를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는 비교예에 따라 제조된 열전 레그 내 영역 별 조성 분포를 분석한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017052733877-pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다.
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 열전 레그(130)는 제1단면적을 가지는 제1소자부(132), 제1소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)를 연결하며 제3 단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제1단면적 또는 제2단면적보다 작게 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 소자부(132) 및 제2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제1소자부(132)와 제2소자부(136) 간의 온도차(T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다.
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다.
여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다.
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다.
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다.
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(1100)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다.
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 4(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다.
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다.
도 5는 도 4의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다.
도 5를 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 5(c) 및 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 6에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전 레그와 전극 간의 안정적인 결합을 위하여, 열전 레그의 양 면에 금속층을 형성하고자 한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 단면도이고, 도 8(a)는 도 7의 열전 레그의 개략도이며, 도8(b)는 도 8(a)의 열전 레그를 포함하는 열전 소자의 단면도이다.
도 7, 8(a) 및 8(b)를 참조하면, 본 발명의 한 실시에에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710), 열전 소재층(710)의 한 면 상에 배치되는 제1 도금층(720), 열전 소재층(710)의 한 면과 대향하여 배치되는 다른 면에 배치되는 제2 도금층(730), 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 사이 및 열전 소재층(710)과 제2 도금층(730) 사이에 각각 배치되는 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750), 그리고 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 상에 각각 배치되는 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)을 포함한다.
즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그(700)는 열전 소재층(710), 열전 소재층(710)의 한 면 및 상기 한 면에 대향하는 다른 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770), 열전 소재층(710)과 제1 금속층(760) 사이에 배치되는 제1 접합층(740) 및 열전 소재층(710)과 제2 금속층(770) 사이에 배치되는 제2 접합층(750), 그리고 제1 금속층(760)과 제 1 접합층(740) 사이에 배치되는 제 1 도금층(720) 및 제2 금속층(770)과 제 2 접합층(750) 사이에 배치되는 제 2 도금층(730)을 포함한다. 이때, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740)은 서로 직접 접촉하고, 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 접합층(740)과 제1 도금층(720)은 서로 직접 접촉하고, 제2 접합층(750)과 제2 도금층(730)은 서로 직접 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 도금층(720)과 제1 금속층(760)은 서로 직접 접촉하고, 제2 도금층(730)과 제2 금속층(770)은 서로 직접 접촉할 수 있다.
여기서, 열전 소재층(710)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(710)은 도 1 내지 6에서 설명한 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 동일한 소재 또는 형상을 가질 수 있다.
그리고, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있으며, 0.1 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)의 열팽창 계수는 열전 소재층(710)의 열팽창 계수와 비슷하거나, 더 크므로, 소결 시 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)과 열전 소재층(710) 간의 경계면에서 압축 응력이 가해지기 때문에, 균열 또는 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)과 전극(120, 150) 간의 결합력이 높으므로, 열전 레그(700)는 전극(120, 150)과 안정적으로 결합할 수 있다.
다음으로, 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)은 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 1 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)은 열전 소재층(710) 내 반도체 재료인 Bi 또는 Te와 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770) 간의 반응을 막으므로, 열전 소자의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)의 산화를 방지할 수 있다.
이때, 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 사이 및 열전 소재층(710)과 제2 도금층(730) 사이에는 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)은 Te를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)은 Ni-Te, Sn-Te, Ti-Te, Fe-Te, Sb-Te, Cr-Te 및 Mo-Te 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750) 각각의 두께는 0.5 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛일 수 있다. 접합층의 두께에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프인 도 9를 참조하면, 접합층의 두께가 두꺼워짐에 따라 저항 변화율이 증가함을 알 수 있다. 특히, 접합층의 두께가 100㎛를 초과할 경우, 저항 변화율은 급격하게 증가하며, 결과적으로 열전 소자의 열전 성능에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 이에 대하여, 접합층의 두께를 100㎛ 이하로 제어할 경우, 저항 변화율을 2% 이내로 제한하는 것이 가능하다.
일반적으로, 열전 소재층(710)에 포함되는 반도체 재료 중 Te는 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)으로 확산되기 쉽다. 열전 소재층(710) 내 Te가 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 내로 확산되면, 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 간의 경계 부근에는 Te에 비하여 Bi가 많이 분포하는 영역(이하, Bi 리치(rich) 영역이라 한다)이 생길 수 있다. Bi 리치 영역으로 인하여 열전 레그(700) 내의 저항이 높아지며, 결과적으로 열전 소자의 성능 저하를 일으킬 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소재층(710)과 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730) 사이에 Te를 포함하는 제1 접합층(740) 및 제2 접합층(750)을 미리 배치하여, 열전 소재층(710) 내 Te가 제1 도금층(720) 및 제2 도금층(730)으로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, Bi 리치 영역의 발생을 방지할 수 있다.
이에 따라, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높고, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면까지 Te 함량은 Bi 함량보다 높다. 그리고, 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 내 소정 지점에서의 Te 함량 또는 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면 내 소정 지점에서의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면의 Te 함량 대비 0.8 내지 1배일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면으로부터 열전 소재층(710)의 중심면의 방향으로 100㎛ 두께 내 소정 지점에서의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면의 Te 함량 대비 0.8배 내지 1배일 수 있다.
또한, 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내 Te의 함량은 열전 소재층(710) 내 Te의 함량의 0.8 내지 1배일 수 있다. 그리고, 제1 접합층(740) 내 제1 도금층(720)과 접하는 면, 즉 제1 도금층(720)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 제2 접합층(750) 내 제2 도금층(730)과 접하는 면, 즉 제2 도금층(730)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(710) 내 제1 접합층(740)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 열전 소재층(710) 내 제2 접합층(750)과 접하는 면, 즉 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량의 0.8 내지 1배일 수 있다. 그리고, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면의 Te 함량의 0.8 내지 1배일 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 금속 기판을 준비한다(S100). 여기서, 금속 기판은 도 7의 열전 레그(700)의 제1 금속층(760) 및 제2 금속층(770)이 될 수 있다. 즉, 금속 기판은 구리(Cu), 구리 합금, 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로부터 선택될 수 있다.
다음으로, 금속 기판의 일면 상에 Ni 도금층을 형성한다(S110). 여기서, 도금층은 Ni 뿐만아니라 Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속으로 형성될 수도 있다. 또한, 도금층은 금속 기판의 양면에 형성될 수도 있다. 본 명세서에서, Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 층을 도금층으로 표현하고 있으나, 이는 도금에 의하여 형성된 층뿐만 아니라, 다양한 기법으로 증착된 층을 모두 포함하는 것을 의미할 수 있다.
다음으로, 도금층 상에 Te를 포함하는 접합층을 형성한다(S120). 이를 위하여, 도금층 상에 Te 분말 및 알코올을 혼합한 슬러리를 도포한 후, 300 내지 400℃의 온도에서 열처리 한다. 이에 따라, 도금층 상에 도포된 Te가 도금층을 향하여 확산하고 Ni와 반응하여 접합층이 형성될 수 있다. 이때, Te와 반응한 두께만큼 Ni-Te 접합층이 형성된다. 여기서, 접합층은 Ni 뿐만 아니라 Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속이 Te와 반응하여 형성될 수도 있다. 이후, 접합층 상에 반응하지 않고 남은 Te 분말을 세척하여 제거한다.
또는, 접합층은 도금층 상에 Te 소스를 진공증착하여 형성될 수도 있다. 즉, 접합층은 도금층 상에 증착된 Te가 도금층을 향하여 확산하고 Ni와 반응하여 형성될 수도 있다. 또는, 접합층은 도금층 상에 Ni-Te 소스를 진공증착하여 형성될 수도 있다. 또는, 접합층은 도금층을 형성하는 단계 S110을 생략하고, 금속 기판 상에 바로 Ni-Te 소스를 투입하여 Ni-Te 진공증착층을 형성할 수도 있다.
또는, 접합층은 단계 S110에서 소정의 두께로 도금층을 형성한 후, 도금 용액 내에 Te 이온을 추가하는 방법으로 원하는 두께로 형성될 수도 있다.
다음으로, S100 내지 S120을 통하여 형성된 두 개의 금속 기판/도금층 /접합층 사이에 Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재를 배치한 후, 가압 및 소결한다(S130). 여기서, 단계 S100 내지 S120을 통하여 제조된 금속기판/도금층/접합층을 소정의 크기에 따라 절단하고, 열전 소재의 양 면에 배치한 후, 가압 및 소결할 수 있다. 또는, 단계 S100 내지 S120을 통하여 소정의 크기로 금속기판/도금층/접합층을 제조한 후, 단계 S100 내지 S120을 반복하여 소정의 크기로 금속기판/도금층/접합층을 제조하고, 열전 소재의 양 면에 배치한 후, 가압 및 소결할 수도 있다.
여기서, 가압 및 소결은 핫 프레스(Hot Press) 공정으로 이루어질 수 있다. 핫 프레스 공정은 DC(Direct Current) 전원으로부터 펄스 전류를 인가하여 줄열을 발생시키는 방전 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 공정일 수 있다. 방전 플라즈마 소결 공정은 순간적으로 발생하는 방전 현상으로 인하여 높은 에너지가 입자 간 열확산을 촉진시키는 과정을 통하여 진행되므로, 우수한 소결 제어성, 즉 입성장이 적은 소결 미세 조직의 제어가 용이하다. 이때, 열전 소재는 비정질 리본과 함께 소결될 수도 있다. 열전 레그용 분말이 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다.예를 들어, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 소재를 채우고, 소결할 수 있다. 이때, 비정질 리본은 열전 레그 중 열전 소재층의 측면에 배치될 수 있다.
도 11은 도 10의 방법에 따라 제조된 열전 레그 내 Te 함량 분포를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 12는 도 10의 방법에 따라 제조된 열전 레그 내 영역 별 조성 분포를 분석한 그래프이다. 그리고, 도 13은 비교예에 따라 제조된 열전 레그 내 Te 함량 분포를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 14는 비교예에 따라 제조된 열전 레그 내 영역 별 조성 분포를 분석한 그래프이다.
도 11 내지 12를 참조하면, 실시예에서는 약 0.2 내지 0.3mm 두께의 알루미늄(Al) 기판(760, 770) 상에 도금층(720, 730)을 형성한 후, 도금층(720, 730) 상에 Te를 도포하여 열처리함으로써 접합층(740, 750)을 형성하고, 두 개의 알루미늄 기판/도금층/접합층 사이에 Bi 및 Te를 포함하는 약 1.6mm 두께의 열전 소재(710)를 배치한 후, 가압 및 소결하였다. 도금층 상에 Te를 도포하여 열처리하는 과정을 통하여, 도포된 Te는 도금층 표면의 Ni을 향하여 확산되어 Ni와 반응하였으며, 이에 따라 Ni-Te를 포함하는 접합층이 형성되었다. 이때, 도금층의 두께는 약 1 내지 10㎛로 형성되었으며, 접합층의 두께는 약 40㎛로 형성되었다.
그리고, 도 13 내지 14를 참조하면, 비교예에서는 약 0.2 내지 0.3mm 두께의 알루미늄(Al) 기판(860, 870) 상에 도금층(820, 830)을 형성한 후, 두 개의 알루미늄 기판/도금층 사이에 Bi 및 Te를 포함하는 약 1.6mm 두께의 열전 소재를 배치하고, 가압 및 소결하였다. 가압 및 소결하는 과정을 통하여, 열전 소재 내의 Te가 도금층 표면의 Ni을 향하여 확산되어 Ni와 반응하였으며, 이에 따라 Ni-Te를 포함하는 접합층(840, 850)이 형성되었다. 그리고, 열전 소재의 가장자리에는 Te가 도금층을 향하여 확산됨으로써 상대적으로 Bi 함량이 높아진 Bi 리치층이 형성되었다.
도 11 내지 14를 참조하면, 제1 도금층(720, 820) 또는 제2 도금층(730, 830) 내 Te의 함량은 열전 소재층(710, 810) 내 Te의 함량 및 제1 접합층(740, 840) 또는 제2 접합층(750, 850) 내 Te의 함량보다 낮게 나타남을 알 수 있다.
이때, 도 11 내지 12에 따르면, 열전 소재층(710)의 중심면(C)의 Te 함량은 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면의 Te 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 본 명세서에서, 중심면(C)은 열전 소재층(710)의 중심면(C) 자체를 의미하거나, 또는 중심면(C)과 중심면(C)으로부터 소정 거리 내에 인접하는 중심면(C) 주변 영역을 포함하는 것을 의미할 수 있다. 그리고, 경계면은 경계면 자체를 의미하거나, 또는 경계면과 경계면으로부터 소정 거리 내에 인접하는 경계면 주변 영역을 포함하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면(C)의 Te 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
또한, 열전 소재층(710)의 중심면(C)의 Bi 함량은 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면의 Bi 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 이에 따라, 열전 소재층(710)의 중심면(C)으로부터 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에 이르기까지 Te의 함량이 Bi의 함량보다 높게 나타나므로, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 주변 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면 주변에서 Bi함량이 Te 함량을 역전하는 구간이 존재하지 않는다. 예를 들어, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면의 Bi 함량은 열전 소재층(710)의 중심면(C)의 Bi 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
이에 반해, 도 13 내지 14에 따르면, 열전 소재층(810)의 중심면(C)의 Te 함량에 비하여 열전 소재층(810)과 제1 접합층(840) 간의 경계면 또는 열전 소재층(810)과 제2 접합층(850) 간의 경계면의 Te 함량이 낮게 나타남을 알 수 있다. 이는, 열전 소재층(810) 내의 반도체 재료인 Te가 제1 도금층(820) 및 제2 도금층(830)과 반응하기 위하여 제1 도금층(820) 및 제2 도금층(830)으로 자연 확산되기 때문이다. 이에 따라, 열전 소재층(810)의 중심면(C)으로부터 가장자리로 향할수록 Te의 함량이 줄어들게 되며, 제1 도금층(820) 및 제2 도금층(830)과 반응하기 위해 확산한 지점에서부터 열전 소재층(810)과 제1 도금층(820) 및 제2 도금층(830)의 경계까지 Bi 리치층이 형성된다. 상기 Bi리치층은 200㎛ 이하 두께로 형성될 수 있다. 즉, 열전 소재층(710)의 중심면(C) 주변에는 Te의 함량이 Bi의 함량보다 높게 나타나지만, 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 주변 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면 주변에서 Bi함량이 Te 함량을 역전하는 구간이 존재하게 된다. Bi 리치층은 열전 소재의 기본 구성물질인 Bi와 Te 간의 적정한 화학양론비가 파괴되는 영역으로, 열전 소재(810)와 접합층(840, 850) 간의 경계면까지 형성될 수 있다. Bi 리치층이 두꺼워질수록 저항변화율이 증가하게 되며, 이는 열전 레그 내부의 저항 증가의 주 요인이 될 수 있다.
또한, 도 11 내지 12에 따르면, 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내 Te의 함량은 열전 소재층(710) 내 Te의 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 예를 들어, 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내 Te의 함량은 열전 소재층(710) 내 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다. 예를 들어, 열전 소재층(710) 내 Te의 함량이 50wt%로 포함되는 경우, 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내 Te의 함량은 40 내지 50wt%, 바람직하게는 42.5 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 45 내지 50wt%, 더욱 바람직하게는 47.5 내지 50wt%일 수 있다. 또한, 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내 Te의 함량은 Ni대비 클 수 있다. 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내에서 Te의 함량은 일정하게 분포하는 반면, Ni 함량은 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750) 내에서 열전 소재층(710) 방향에 인접할수록 감소할 수 있다.
한편, 각 층에 포함되는 물질의 일부는 각 층과 인접하는 층 간의 경계면으로부터 확산되어 인접하는 층 내에서 검출될 수도 있다. 예를 들어, 금속층에 포함되는 물질의 일부는 금속층과 도금층 간의 경계면으로부터 확산되어 도금층 내에서 검출될 수 있고, 도금층에 포함되는 물질의 일부는 도금층과 접합층 간의 경계면으로부터 확산되어 접합층 내에서 검출될 수 있으며, 접합층에 포함되는 물질의 일부는 접합층과 열전 소재층 간의 경계면으로부터 확산되어 열전 소재층 내에서 검출될 수 있다. 그리고, 도금층에 포함되는 물질의 일부는 금속층과 도금층 간의 경계면으로부터 확산되어 금속층 내에서 검출될 수 있고, 접합층에 포함되는 물질의 일부는 도금층과 접합층 간의 경계면으로부터 확산되어 도금층 내에서 검출될 수 있으며, 열전 소재층에 포함되는 물질의 일부는 접합층과 열전 소재층 간의 경계면으로부터 확산되어 접합층 내에서 검출될 수 있다.
이에 반해, 도 13 내지 14에 따르면, 제1 접합층(840) 또는 제2 접합층(850) 내 Te의 함량은 열전 소재층(810) 내 Te의 함량에 비하여 낮게 나타남을 알 수 있다. 이는, 도 11 내지 12에서는 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750)을 형성하기 위하여 제1 도금층(720) 또는 제2 도금층(730) 상에 Te를 도포하므로, Te의 함량이 일정하게 유지되지만, 도 13 내지 14에서는 열전 소재층(810) 내 Te가 제1 도금층(820) 또는 제2 도금층(830)과 반응하기 위하여 자연 확산하기 때문이다.
또한, 도 11 내지 12에 따르면, 제1 도금층(720)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 제2 도금층(730)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량과 동일하거나 유사하게 나타남을 알 수 있다. 예를 들어, 제1 도금층(720)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 제2 도금층(730)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(710)과 제1 접합층(740) 간의 경계면 또는 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면에서의 Te의 함량의 0.8 내지 1배, 바람직하게는 0.85 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1배, 더욱 바람직하게는 0.95 내지 1배일 수 있다. 여기서, 함량은 중량비일 수 있다.
이에 반해, 도 13 내지 14에 따르면, 제1 도금층(820)과 제1 접합층(840) 간의 경계면 또는 제2 도금층(830)과 제2 접합층(850) 간의 경계면에서의 Te의 함량은 열전 소재층(810)과 제1 접합층(840) 간의 경계면 또는 열전 소재층(810)과 제2 접합층(850) 간의 경계면에서의 Te의 함량에 비하여 낮게 나타남을 알 수 있다. 이는, 도 11 내지 12에서는 제1 접합층(740) 또는 제2 접합층(750)을 형성하기 위하여 제1 도금층(720) 또는 제2 도금층(730) 상에 Te를 도포하므로, Te의 함량이 일정하게 유지되지만, 도 13 내지 14에서는 열전 소재층(810) 내 Te가 제1 도금층(820) 또는 제2 도금층(830)과 반응하기 위하여 자연 확산하기 때문이다.
표 1은 실시예 및 비교예에 따른 P형 열전 레그의 전기 저항을 비교한 표이다.
구분 사이즈 저항
실시예 4mm*4mm*5mm 3.3*10- 3Ω
4mm*4mm*1.2mm 0.8*10- 3Ω
비교예 4mm*4mm*5mm 4.5*10- 3Ω
4mm*4mm*1.2mm 2.05*10- 3Ω
표 1을 참조하면, 비교예, 즉 도 13 내지 14에 따라 제조된 열전 레그에 비하여 실시예, 즉 도 11 내지 12에 따라 제조된 열전 레그의 전기 저항에 작게 나타남을 알 수 있다. 특히, 열전 레그의 크기가 소형화되는 경우, 전기 저항 감소율은 더욱 커짐을 알 수 있다. 이는 열전 레그 내 Te 함량이 고르게 분포되며, Bi 리치 층의 형성이 억제되기 때문으로, 열전 레그의 저항 감소는 열전 소자의 전기전도도 감소를 방지 할 수 있으므로 열전 소자의 제벡 지수를 높이는 주 요인이 될 수 있다.
표 2는 실시예 및 비교예에 따른 4mm*4mm*5mm크기의 각 열전 레그의 인장강도를 비교한 표이다.
인장강도 N 형 (Kgf/mm2) P형 (Kgf/mm2)
비교예 0.65 2.45
실시예 1.65 2.55
표 2를 참조하면, 비교예, 즉 도 13 내지 14에 따라 제조된 열전 레그에 비하여 실시예, 즉 도 11 내지 12에 따라 제조된 열전 레그의 인장강도가 더 크게 나타남을 알 수 있다. 인장강도는 열전 레그 내 층간 접합력을 의미하는 것으로서, 제조된 열전 레그의 양측의 제 1 및 제 2 금속층에 인위적으로 금속 와이어를 각각 접합하고, 접합된 양측의 금속와이어를 서로 반대방향으로 끌어당겼을 때 견디는 최대의 하중을 나타낸다. 인장강도가 클수록 열전 레그 내 층간 접합력이 높으므로, 열전 소자의 구동 시 열전 레그 내 금속층, 도금층, 접합층 및 열전 소재층 중 적어도 일부가 인접하여 배치된 층으로부터 탈락하는 문제를 방지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 열전 소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판

Claims (42)

  1. Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층,
    상기 열전 소재층의 한 면 및 상기 한 면에 대향하는 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층 및 제2 금속층,
    상기 열전 소재층과 상기 제1 금속층 사이에 배치되며, Te를 포함하는 제1 접합층 및 상기 열전 소재층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되며, Te를 포함하는 제2 접합층, 그리고
    상기 제1 금속층과 상기 제 1 접합층 사이에 배치되는 제 1 도금층 및 상기 제2 금속층과 상기 제 2 접합층 사이에 배치되는 제 2 도금층을 포함하고,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면까지 Te의 중량비는 Bi의 중량비보다 높고,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면까지 Te의 중량비는 Bi의 중량비보다 높으며,
    상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배이며,
    상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.9 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.9 내지 1배인 열전 레그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비의 0.8 내지 1배이고,
    상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비의 0.8 내지 1배인 열전 레그.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소재층 및 상기 제1 접합층 간의 경계면으로부터 상기 제1 접합층 및 상기 제1 도금층 간의 경계면까지의 Te의 중량비의 변화율은 0.8 내지 1인 열전 레그.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소재층은 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함하는 열전 레그.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면까지의 Te의 중량비의 변화율은 0.9 내지 1인 열전 레그.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층 중 적어도 하나는 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 열전 레그.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 적어도 하나는 상기 제 1 도금층 및 상기 제 2 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 열전 레그.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택되는 열전 레그.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면 및 상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면 중 적어도 하나의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배인 열전 레그.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면 및 상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면 중 적어도 하나의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심의 Te의 중량비의 0.95 내지 1배인 열전 레그.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면은 상기 제1 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속의 중량비가 Te의 중량비보다 커지는 영역이고,
    상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면은 상기 제2 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속의 중량비가 Te의 중량비보다 커지는 영역인 열전 레그.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 금속층 및 상기 제 2 금속층 중 적어도 하나는 알루미늄을 포함하고,
    상기 제 1 도금층 및 상기 제 2 도금층 중 적어도 하나는 Ni을 포함하는 열전 레그.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층은 서로 직접 접촉하고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층은 서로 직접 접촉하고,
    상기 제 1 접합층과 상기 제 1 도금층은 서로 직접 접촉하고,
    상기 제 2 접합층과 상기 제 2 도금층은 서로 직접 접촉하는 열전 레그.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.95 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.95 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.95 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.95 내지 1배인 열전 레그.
  15. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제1 전극, 그리고
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 제2 전극을 포함하며,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 중 어느 하나는
    Bi 및 Te를 포함하는 열전 소재층,
    상기 열전 소재층의 한 면 및 상기 한 면에 대향하는 면 상에 각각 배치되는 제1 금속층 및 제2 금속층,
    상기 열전 소재층과 상기 제1 금속층 사이에 배치되며, Te를 포함하는 제1 접합층 및 상기 열전 소재층과 상기 제2 금속층 사이에 배치되며, Te를 포함하는 제2 접합층, 그리고
    상기 제1 금속층과 상기 제 1 접합층 사이에 배치되는 제 1 도금층 및 상기 제2 금속층과 상기 제 2 접합층 사이에 배치되는 제 2 도금층을 포함하고,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면까지 Te의 중량비는 Bi의 중량비보다 높고,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제2 접합층 간의 경계면까지 Te의 중량비는 Bi의 중량비보다 높으며,
    상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.9 내지 1배이고,
    상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층 간의 경계면에서의 Bi의 중량비는 상기 열전 소재층의 중심에서의 Bi의 중량비의 0.9 내지 1배인은 열전 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면에서의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층과 상기 제1 접합층 간의 경계면에서의 Te의 중량비의 0.8 내지 1배이고,
    상기 제2 접합층과 상기 제 2 도금층 간의 경계면에서의 Te 중량비는 상기 열전 소재층과 상기 제 2 접합층 간의 경계면에서의 Te 중량비의 0.8 내지 1배인 열전 소자.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 열전 소재층 및 상기 제 1 접합층 간의 경계면으로부터 상기 제 1 접합층 및 상기 제 1 도금층 간의 경계면까지의 Te 중량비의 변화율은 0.8 내지 1인 열전 소자.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 열전 소재층은 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함하는 열전 소자.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 열전 소재층의 중심으로부터 상기 열전 소재층과 상기 제 1 접합층 간의 경계면까지의 Te의 중량비의 변화율은 0.9 내지 1인 열전 소자.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 제1 도금층 및 상기 제2 도금층 중 적어도 하나는 각각 Ni, Sn, Ti, Fe, Sb, Cr 및 Mo 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 열전 소자.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 제1 접합층 및 상기 제2 접합층 중 적어도 하나는 상기 제 1 도금층 및 상기 제 2 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 열전 소자.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 상기 제2 금속층 중 적어도 하나는 구리, 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로부터 선택되는 열전 소자.
  23. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면 및 상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면 중 적어도 하나의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층 중심에서의 Te의 중량비의 0.9 내지 1배인 열전 소자.
  24. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면 및 상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면 중 적어도 하나의 Te의 중량비는 상기 열전 소재층 중심에서의 Te의 중량비의 0.95 내지 1배인 열전 소자.
  25. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 접합층과 상기 제1 도금층 간의 경계면은 상기 제1 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속의 중량비가 Te의 중량비보다 커지는 영역이고,
    상기 제2 접합층과 상기 제2 도금층 간의 경계면은 상기 제2 도금층에서 선택된 적어도 하나의 금속의 중량비가 Te의 중량비보다 커지는 영역인 열전 소자.
  26. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 적어도 하나는 금속을 포함하는 열전 소자.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 제1 전극 사이 및 상기 제2 기판과 상기 복수의 제2 전극 사이 중 적어도 하나는 유전체층을 더 포함하는 열전 소자.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 체적, 두께 및 면적 중 어느 적어도 하나는 서로 상이한 열전 소자.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200132441A (ko) 2019-05-17 2020-11-25 한국전력공사 열전소재의 도금층 형성 방법 및 그 열전소재

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102621998B1 (ko) * 2019-03-29 2024-01-08 엘지이노텍 주식회사 열전 레그 및 이를 포함하는 열전 소자
CN110707205B (zh) * 2019-09-27 2023-09-29 太原理工大学 一种提升Te基热电接头性能的方法
CN110690341B (zh) * 2019-09-27 2022-10-21 中国科学院合肥物质科学研究院 一种热电材料及其制备方法
KR20220115664A (ko) * 2021-02-08 2022-08-18 한국재료연구원 전기도금법으로 형성된 접합층 및 확산방지 구조를 포함하는 소자 및 이의 제조방법

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3459328B2 (ja) * 1996-07-26 2003-10-20 日本政策投資銀行 熱電半導体およびその製造方法
JP3144328B2 (ja) * 1996-12-24 2001-03-12 松下電工株式会社 熱電変換素子およびその製造方法
JPH10321919A (ja) 1997-03-18 1998-12-04 Yamaha Corp Ｎｉ合金皮膜を有する熱電材料
JP3474744B2 (ja) * 1997-10-14 2003-12-08 株式会社クボタ 熱電素子及びその製造方法
JP2003282974A (ja) * 2002-03-26 2003-10-03 Yamaha Corp 熱電変換モジュール
US7629531B2 (en) * 2003-05-19 2009-12-08 Digital Angel Corporation Low power thermoelectric generator
US6958443B2 (en) * 2003-05-19 2005-10-25 Applied Digital Solutions Low power thermoelectric generator
JP2008010612A (ja) * 2006-06-29 2008-01-17 Komatsu Ltd 熱電素子及びその製造方法、並びに、熱電モジュール
JP2009099686A (ja) * 2007-10-15 2009-05-07 Sumitomo Chemical Co Ltd 熱電変換モジュール
JP5282593B2 (ja) * 2009-02-06 2013-09-04 宇部興産株式会社 熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール
KR20120028687A (ko) * 2010-09-15 2012-03-23 삼성전기주식회사 비대칭 열전 모듈 및 그 제조방법
CN103311423B (zh) * 2012-02-17 2017-06-30 雅马哈株式会社 热电转换组件及热电转换组件的制造方法
KR102094995B1 (ko) * 2012-10-08 2020-03-31 삼성전자주식회사 열전모듈, 이를 구비한 열전장치, 및 열전모듈의 제조방법
JP2014086623A (ja) * 2012-10-25 2014-05-12 Furukawa Co Ltd 熱電変換モジュール
US8956905B2 (en) * 2013-02-01 2015-02-17 Berken Energy Llc Methods for thick films thermoelectric device fabrication
JP6064861B2 (ja) * 2013-03-05 2017-01-25 株式会社デンソー 熱電変換装置の製造方法
JP6114398B2 (ja) * 2013-09-27 2017-04-12 京セラ株式会社 熱電モジュール
KR102146021B1 (ko) * 2013-10-07 2020-08-19 엘지이노텍 주식회사 단위열전모듈 및 이를 포함하는 열전모듈, 냉각장치
WO2016171766A1 (en) * 2015-04-21 2016-10-27 University Of Houston System Contacts for bi-te- based materials and methods of manufacture

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200132441A (ko) 2019-05-17 2020-11-25 한국전력공사 열전소재의 도금층 형성 방법 및 그 열전소재

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