KR102391282B1 - 열전 소결체 및 열전소자 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 열전 소결체는, 열전 분말을 포함하고, 상기 열전 분말은, 수평 방향으로 배치되고, 판상 블레이크 형상의 복수의 제 1 분말들; 및 상기 제 1 분말들과 형상이 다른 복수의 제 2 분말들을 포함하고, 상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 5 부피% 이하만큼 포함한다.

Description

열전 소결체 및 열전소자{THERMO ELECTRIC SINTERED BODY AND THERMO ELECTRIC ELEMENT}
실시예는 열전 소결체 및 열전소자에 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 재료와 N형 열전 재료를 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 열전 성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
이러한 열전 성능은 열전 소자를 구성하는 열전 레그와 관련되며, 자세하게는, 상기 열전 레그를 구성하는 열전 소결체와 관련될 수 있다.
따라서, 열전 성능을 향상시킬 수 있는 열전 소결체의 제조가 요구된다.
실시예는 향상된 균일도 및 효율을 가지는 열전 소결체 및 열전소자를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 열전 소결체는, 열전 분말을 포함하고, 상기 열전 분말은, 수평 방향으로 배치되고, 판상 블레이크 형상의 복수의 제 1 분말들; 및 상기 제 1 분말들과 형상이 다른 복수의 제 2 분말들을 포함하고, 상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 5 부피% 이하만큼 포함한다.
실시예에 따른 열전 분말 소결체 제조 장치에 의해 제조되는 열전 분말 소결체는 열전 분말 소결체의 분말의 배열을 대부분 일 방향으로 배치시킬 수 있다. 즉, 상기 분말들의 배열을 수평 방향의 일 방향으로 배치시킬 수 있다.
이에 따라, 열전 분말 소결체의 열전도도를 감소시킬 수 있고, 전기전도도를 향상시킬 있으며, 이에 따라, 열전 분말 소결체를 열전 소자의 열전 레그에 적용시 열전 레그의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 열전 분말 제어부에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 볼 형상의 열전분말을 감소시킬 수 있으므로, 열전 레그의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 열전 소결체 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소결체 제조 장치의 제어 영역의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 제 2 분말의 형상을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 제 2 분말의 형상 사진을 도시한 도면이다.
도 5는 제 1, 2 분말이 혼합된 열전 분말을 도시한 도면이다.
도 6은 제 1, 2 분말이 혼합된 열전 분말을 도시한 사진이다.
도 7은 실시예에 따른 제 1 분말의 입경 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 열전 소결체 제조 장치에서 열전 분말이 몰드 부재 내에 배치되는 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 열전 소결체 제조 장치에 의해 제조되는 열전 소결체의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도시한 사진이다.
도 10은 실시예에 따른 열전 소결체를 포함하는 열전소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 11은 실시예에 따른 열전 소결체를 포함하는 열전소자의 일 단면도를 도시한 도면이다.
도 12는 실시예에 따른 열전 레그의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
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.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 열전 소결체 제조장치를 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 열전 소결체 제조장치는 분말 제어부(1000) 및 분말 소결부(2000)를 포함할 수 있다.
상기 분말 제어부(1000)는 열전 분말 제어 장치일 수 있다. 또한, 상기 분말 소결부(2000)는 열전 분말 소결 장치일 수 있다.
상기 분말 제어부(1000) 및 상기 분말 소결부(2000)는 서로 연결될 수 있다. 자세하게, 상기 분말 제어부(1000)에서 상기 분말의 입경 및 농도를 제어하고, 제어된 분말은 상기 분말 소결부(2000)로 이동되어 소결될 수 있다.
상기 분말 제어부(1000) 및 상기 분말 소결부(2000)는 서로 탈착 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 분말 제어부(1000) 및 상기 분말 소결부(2000)는 각각의 독립적인 장치로 사용되거나 또는, 상기 분말 제어부(1000) 및 상기 분말 소결부(2000)는 서로 결합되어 하나의 장치로 사용될 수 있다.
상기 분말 제어부(1000)는 복수 개의 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분말 제어부(1000)는 투입 영역(1A), 제어 영역(2A) 및 공급 영역(3A)을 포함할 수 있다. 상기
상기 투입 영역(1A)에는 열전 분말이 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 분말은 열전 소자의 열전 레그를 제조하기 위한 분말일 수 있다.
예를 들어, 상기 열전 분말은 도핑용 첨가제와 함께 함께 밀링(milling)할 수 있다. 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등을 이용하여, 리본 형상의 분말 및 도핑용 첨가제를 혼합할 수 있다.
상기 열전 분말은 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 또한, 도핑용 첨가제는, Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다.
상기 투입 영역(1A)과 상기 제어 영역(2A)은 서로 분리될 수 있다. 자세하게, 상기 투입 영역(1A)과 상기 제어 영역(2A) 사이에는 게이트(1100)가 배치되고, 상기 게이트(1100)에 의해 상기 투입 영역(1A)과 상기 제어 영역(2A)은 서로 분리될 수 있다.
상기 게이트(1100)는 외부의 제어부(3000)를 통해 개폐될 수 있다. 자세하게, 상기 투입 영역(1A)으로 열전 분말을 투입할 때는 상기 게이트(1100)는 폐쇄된 상태를 유지하고, 이에 의해 상기 투입 영역(1A)과 상기 제어 영역(2A)은 서로 분리될 수 있다.
이어서, 상기 투입 영역(1A)으로 열전 분말을 모두 투입한 후에는 상기 제어부(3000)를 통해 상기 게이트(1100)를 개방할 수 있다. 즉, 상기 투입 영역(1A)으로 투입된 열전 분말은 상기 게이트(1100)가 개방됨에 따라, 상기 제어 영역(2A) 방향으로 이동할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 제어 영역(2A)은 제 1' 영역(1A'), 제 2' 영역(2A') 및 제 3 영역(3A')을 포함할 수 있다.
상기 제 1' 영역(1A'), 상기 제 2' 영역(2A') 및 상기 제 3' 영역(3A')은 층 구조로 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 제 2' 영역(2A')은 상기 제 3' 영역(3A') 상에 배치될 수 있고, 상기 제 1' 영역(1A')은 상기 제 2' 영역(2A') 상에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 2' 영역(2A')은 상기 제 1' 영역(1A') 및 상기 제 3' 영역(3A') 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 1' 영역(1A') 및 상기 제 2' 영역(2A') 사이에는 제 1 필터부(F1)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 2' 영역(2A') 및 상기 제 3' 영역(3A') 사이에는 제 2 필터부(F2)가 배치될 수 있다.
상기 제 1 필터부(F1) 및 상기 제 2 필터부(F2)는 복수 개의 홀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 필터부(F1)는 제 1 홀(H1)들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 필터부(F2)는 제 2 홀(H2)들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 홀(H1) 및 상기 제 2 홀(H2)은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 홀(H1)의 크기는 상기 제 2 홀(H2)의 크기보다 작을 수 있다. 즉, 상기 제 2 홀(H2)의 크기는 상기 제 1 홀(H1)의 크기보다 클 수 있다.
상기 제 1 홀(H1) 및 상기 제 2 홀(H2)의 크기는 입경 및 형상이 다른 분말을 포함하는 열전 분말을 분리하기 위한 적정한 크기로 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 홀(H1) 및 상기 제 2 홀(H2)의 크기는 이하에서 설명하는 제 1 분말의 크기보다 작을 수 있고, 제 2 분말의 크기보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 홀(H1)의 크기는 약 1100㎛ 이상일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 홀(H1)의 크기는 약 1100㎛ 내지 약 1500㎛일 수 있다. 또한, 상기 제 2 홀(H2)의 크기는 약 1500㎛ 이상일 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 홀(H2)의 크기는 약 1500㎛ 내지 2000㎛일 수 있다.
또한, 상기 제 2' 영역(2A')에는 진동부(1200)가 배치될 수 있다. 상기 진동부(1200)는 외부의 제어 부재(3000)에 의해 인가되는 진동을 상기 제 1 필터부(F1) 및 상기 제 2 필터부(F2)에 전달할 수 있다.
상기 진동부(1200)는 구 형상, 바(bar) 형상 또는 다각형의 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 진동부(1200)는 구 형상의 실리콘 볼 등을 포함할 수 있다.
상기 제 1' 영역(1A')에는 상기 투입 영역(1A)을 통해 투입된 열전분말이 이동될 수 있다. 상기 투입 영역(1A)을 통해 투입된 분말은 제 1 분말(P1) 및 제 2 분말(P2)을 포함할 수 있다.
자세하게, 상기 투입 영역(1A)을 통해 투입되는 상기 열전분말은 서로 형상이 상이한 제 1 분말(P1) 및 제 2 분말(P2)을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 분말(P1)은 리본 형상 즉, 판상 플레이크 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 판상 플레이크 형상은 장축 및 단축을 가질 수 있다. 자세하게, 상기 플레이크 형상은 장축과 단축이 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 판상 플레이크 형상의 단축에 대한 장축의 비율은 1:1.2 내지 1:6일 수 있다. 더 자세하게, 상기 판상 플레이크 형상의 단축에 대한 장축의 비율은 1:1.2 내지 1:2.5일 수 있다.
또한, 상기 제 2 분말(P2)은 상기 판상 블레이크 형상과 다른 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 분말(P2)은 도 3 및 도 4에 개시되어 있듯이, 구 형상 즉, 볼(ball) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 열전분말은 제조시 급랭응고법(rapid solidification process) 공정을 거칠 수 있다, 이러한 냉각 공정에 의해 열전 분말은 판상 플레이크 형상이 아닌 판상 플레이크 형상의 열전분말과 조성 및 조성비는 동일하나, 형상이 상이한 열전분말이 생성될 수 있다.
자세하게, 도 5 및 도 6에 개시되어 있듯이, 조성 및 조성비는 동일하나, 서로 다른 형상을 가지는 복수 개의 단위 분말들이 혼합된 열전 분말이 생성될 수 있다.
이러한, 판상 블레이크 형상의 열전 분말과 판상 블레이크 형상의 열전 분말과 다른 형상을 가지는 열전 분말은 서로 다른 격자 상수를 가지며, 판상 블레이크 형상과 판상 블레이크 형상의 열전 분말과 다른 형상을 가지는 열전 분말을 함께 소결하는 경우, 저항의 증가 등으로 인해 열전 소결체의 열전 성능이 저하될 수 있다.
이에 따라, 상기 분말 제어부(1000)의 상기 제 2 영역(2A)에서는 상기 제 1 분말(P1)과 상기 제 2 분말(P2)을 필터링하여, 상기 제 2 분말(P2)을 모두 또는 대부분 제거한 열전 분말을 상기 분말 소결부(2000)로 이동시킬 수 있다. 즉, 상기 분말 소결부(2000)로 이동되는 열전 분말은 대부분 제 1 분말(P1)일 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 상기 제 1 분말(P1)과 상기 제 2 분말(P2)의 형상은 상이할 수 있다. 즉, 상기 제 1 분말(P1)과 상기 제 2 분말(P2)의 입경은 상이할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 분말(P1)의 입경은 상기 제 2 분말(P2)의 입경보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 분말(P1)은 판상 블레이크 형상으로 형성되고, 제 2 분말(P2)은 볼 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 분말(P2)의 입경은 약 300um 내지 약 1100um일 수 있다. 또한, 상기 제 2 분말(P2)의 평균 입경은 약 650um 내지 약 670um일 수 있다. 자세하게, 도 7에 개시되어 있듯이, 상기 제 2 분말(P2)의 입경은 약 300um 내지 약 1100um의 범위를 가지며 이때, 약 650um 내지 약 670um의 입경을 가지는 상기 제 2 분말(P2)의 입경이 가장 많은 양을 포함할 수 있다.
상기 제 1' 영역(1A') 및 상기 제 2' 영역(2A') 사이에 배치되는 상기 제 1 필터부(F1)는 상기 제 1 분말(P1) 및 상기 제 2 분말(P2)을 분리할 수 있다. 즉, 상기 제 1 필터부(F1)의 홀을 통해 상대적으로 입경이 작은 상기 제 2 분말(P2)은 상기 홀을 통해 상기 제 2' 영역(2A')으로 이동되고, 상기 제 1 분말(P1)은 상기 제 1' 영역(1A')에 잔류될 수 있다.
자세하게, 외부의 상기 제어 부재(3000)를 통해 상기 분말 제어부(1000)로 진동을 인가할 수 있다. 자세하게, 상기 제어 부재(3000)에 의해 진동 부재(1500)를 동작시키고, 상기 진동 부재(1500)에 의해 상기 제어 영역(2A)에 진동을 인가할 수 있다. 즉, 상기 진동 부재(1500)에 의해 상기 제 1' 영역(1A'), 상기 제 2' 영역(2A') 및 상기 제 3' 영역(3A')에 진동을 인가할 수 있다.
상기 제어 영역(2A)으로 인가되는 진동은 상기 진동부(1200)로 전달되고, 상기 진동부(1200)가 상부 및 하부 방향으로 이동하며, 상기 제 1 분말(P1), 상기 제 2 분말(P2), 상기 제 1 필터부(F1)에 진동을 인가할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 필터부(F1)에는 제 1 진동수로 진동이 인가될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 분말(P1) 및 상기 제 2 분말(P2)은 상기 제 1 진동수의 진동에 의해 상하 방향으로 이동하면서, 상기 제 1 필터부(F1)를 통해 상기 제 1 분말(P1)은 상기 제 1' 영역(1A')에 잔류시키고, 상기 제 2 분말(P2)만 상기 제 2' 영역(2A')으로 이동시킬 수 있다.
상기 제 2 필터부(F2)는 상기 제 2' 영역(2A')으로 이동한 상기 제 2 분말(P2)을 상기 제 3' 영역(3A')으로 이동시킬 수 있다.
자세하게, 상기 제어 부재(3000)를 통해 상기 분말 제어부(1000)로 진동을 인가하고, 상기 제어 부재(3000)에 의해 진동 부재(1500)를 동작시키고, 상기 진동 부재(1500)에 의해 상기 제어 영역(2A)에 진동을 인가할 수 있다. 상기 제어 영역(2A)으로 인가되는 진동은 상기 진동부(1200)로 전달되고, 상기 진동부(1200)가 상부 및 하부 방향으로 이동하며, 상기 제 1 분말(P1), 상기 제 2 분말(P2), 상기 제 2 필터부(F2)에 진동을 인가할 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 필터부(F2)에는 제 2 진동수로 진동이 인가될 수 있다. 이때, 상기 제 2 진동수는 상기 제 1 진동수보다 클 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 분말(P2)은 상기 제 2' 영역(2A')에서 상기 제 3' 영역(3A')으로 이동되고, 상기 제 2 분말(P2)은 상기 제 3' 영역(3A')에 포집될 수 있다. 상기 제 3' 영역(3A')에 포집되는 제 2 분말(P2)은 외부를 통해 배기될 수 있다.
또한, 상기 제 1' 영역(1A')에 잔류하는 상기 제 1 분말(P1)은 상기 제 2 진동수 크기의 제 2 진동에 의해 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 분말(P1)의 전체적인 입경 균일도를 향상시킬 수 있다.
상기 제어 영역(2A)에서 걸러지고 분쇄된 분말은 상기 공급 영역(3A)으로 이동될 수 있다. 자세하게, 상기 제어 영역(2A)의 제 1' 영역(1A')의 제 1 분말(P1)들이 상기 공급 영역(3A)으로 이동될 수 있다.
즉, 상기 제어 영역(2A)에서는 상기 투입 영역(1A)에서 투입된 분말의 형상 및 입경을 제어할 수 있다. 자세하게, 상기 제어 영역(2A)에 의해 열전분말의 형상을 판상 블레이크 형상의 제 1 분말로 필터링할 수 있고, 상기 판상 블레이크 형상의 입경 균일도를 향상시킬 수 있다.
자세하게, 상기 제 1 필터부 및 상기 제 2 필터부를 통해 열전 분말에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 제 2 분말 즉, 볼 형상의 열전분말을 제거할 수 있고, 이에 따라, 소결 영역으로 이동되는 열전 분말의 형상 균일도를 향상시킬 수 있어, 소결 영역에서 소결되는 열전 소결체의 열전 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 분말과 형상 및 격자 상수가 다른 제 2 분말이 제 1 분말의 배열 상태에 영향을 끼칠 수 있고, 이에 따라, 최종적으로 제조되는 열전 소결체의 내부에 크랙이 발생하거나 보이드(void) 등이 발생되어, 열전 소결체에 의해 제조되는 P형 열전레그 및 N형 열전레그의 전기 전도도가 감소될 수 있다.
이때, 실시예에 따른 열전 분말에 의해 제조되는 열전 소결체의 보이드는 열전 소결체 전체 면적에 대해 약 5% 이하일 수 있다.
그러나, 실시예에 따른 열전 소결체는 제 1 분말과 형상 및 격자 상수가 다른 제 2 분말을 최소화함으로써, 제 2 분말에 의해 전기 전도도 감소를 최소화할 수 있어, 열전레그의 열전 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제어 영역으로 인가되는 진동을 통해 상기 제 1 분말을 일정 크기로 분쇄할 수 있으므로, 상기 제 1 분말의 입경 균일도를 향상시킬 수 있다.
상기 분말 소결부(2000)는 상기 분말 제어부(1000)에서 걸러지거나 또는 분쇄된 분말들이 이동될 수 있다.
자세하게, 상기 분말 소결부(2000)는 상기 분말 제어부(1000)에서 걸러지거나 또는 분쇄된 분말들을 소결시켜 열전 소결체를 형성할 수 있다.
상기 분말 소결부(2000)는 수집 부재(2100), 씨브(seive) 부재(2200), 몰드 부재(2300) 및 구동 부재(2400)을 포함할 수 있다.
상기 수집 부재(2100)는 상기 분말 제어부(1000)에서 걸러지거나 또는 분쇄된 분말들이 이동될 수 있다. 자세하게, 상기 분말 제어부(1000)의 제어 영역(2A)에서 걸러지고 분쇄된 분말은 상기 공급 영역을 통해 상기 분말 소결부(2000)의 수집 부재(2100)로 이동될 수 있다.
즉, 상기 수집 부재(2100)로 이동되는 분말은 제 1 분말(P1) 즉, 판상 블레이크 형상의 열전분말일 수 있다. 즉, 상기 수집 부재(2100)로 이동되는 분말은 제 2 분말(P2) 즉, 전기 전도도의 저하를 발생시키는 볼 형상의 열전분말이 제거된 열전 분말을 포함할 수 있다.
상기 수집 부재(2100)로 이동되는 분말은 상기 씨브 부재(2200)로 이동될 수 있다. 상기 씨브 부재(2200)는 복수의 씨브부들을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 씨브 부재(2200)는 제 1 씨브부(2210), 제 2 씨브부(2220), 제 3 씨브부(2230) 및 제 4 씨브부(2240)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 씨브부(2210), 상기 제 2 씨브부(2220), 상기 제 3 씨브부(2230) 및 상기 제 4 씨브부(2240)는 메쉬 형상으로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 씨브부(2210), 상기 제 2 씨브부(2220), 상기 제 3 씨브부(2230) 및 상기 제 4 씨브부(2240)는 메쉬선 및 상기 메쉬선에 의해 형성되는 메쉬 개구부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 씨브부(2210), 상기 제 2 씨브부(2220), 상기 제 3 씨브부(2230) 및 상기 제 4 씨브부(2240)의 상기 메쉬 개구부의 크기는 상기 분말의 입경 및 형상에 따라 변화될 수 있다.
상기 수집 부재(2100)의 분말은 상기 씨브 부재(2200)를 통해 상기 몰드 부재(2300)로 이동될 수 있다. 상기 씨브 부재(2200)는 상기 몰드 부재(2300)로 이동하는 분말의 방향성을 제어할 수 있다.
자세하게, 상기 씨브 부재(2200)는 상기 리본 형상 즉, 판상 플레이크 형상의 분말이 상기 몰드 부재(2300) 내부에 일 방향으로 배치되도록 제어할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 제 1 분말(P1)들은 수용부 즉, 상기 몰드 부재(2300)의 내부에서 제 1 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 1 분말(P1)들은 상기 몰드 부재(2300)의 내부에 수평 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 몰드 부재(2300)의 내부에 배치되는 상기 제 1 분말(P1)들의 대부분을 수평 방향으로 배치되며 상기 몰드 부재(2300)를 충진할 수 있다.
이때, 상기 수평 방향이란 중력 방향을 기준으로 수직 성분을 가지는 방향으로 의미할 수 있다, 또한, 상기 수평 방향은 상기 중력 방향의 가상의 수직선에 대해 상기 판상 플레이크의 장축이 ± 15° 이내의 각도로 경사지는 방향까지 포함될 수 있다.
즉, 상기 수평 방향이란 수용부의 바닥면 즉, 몰드 부재(2300)의 바닥면과 수평 성분을 가지는 방향 및 상기 바닥면에 대해 ± 15° 이내의 각도로 경사지는 방향으로 정의될 수 있다.
예를 들어, 상기 몰드 부재(2300) 내부에서 상기 수평 방향으로 배치되는 상기 제 1 분말은 전체 제 1 분말에 대해 약 95 부피% 이상일 수 있다. 자세하게, 상기 몰드 부재(2300) 내부에서 상기 수평 방향으로 배치되는 상기 제 1 분말은 전체 제 1 분말에 대해 약 95 부피% 내지 100 부피%일 수 있다. 더 자세하게, 상기 몰드 부재(2300) 내부에서 상기 수평 방향으로 배치되는 상기 제 1 분말은 전체 제 1 분말에 대해 약 96 부피% 내지 99 부피%일 수 있다.
이어서, 상기 몰드 부재(2300)는 상기 구동 부재(2400) 등을 통해 소결될 수 있다. 자세하게, 상기 구동 부재(2400)는 회전부(2410), 모터부(2420) 및 압력부(2430)을 포함할 수 있으며, 상기 몰드 부재(2300)는 상기 구동 부재(2400)에 의해 회전되며 소결될 수 있다.
예를 들어, 상기 몰드 부재(2300)는 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 약 400℃ 내지 약 550℃, 약 35MPa 내지 약 60MPa 조건에서 약 1분 내지 약 30분간 소결되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 약 400℃ 내지 약 550℃, 약 180MPa 내지 약 250MPa 조건에서 약 1분 내지 약 60분간 소결될 수 있다.
이에 따라 제조되는 열전 소결체는 커팅 공정을 통해 커팅되고, 최종적으로 열전 소자에 적용되는 열전 레그가 제조될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 열전 분말 소결 장치에 의해 소결된 열전 분말 소결체의 SEM 사진을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 열전 분말 소결체의 분말의 배열은 대부분 일 방향으로 배치되는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 분말들은 수평 방향의 일 방향으로 배치되는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 소결체의 분말이란 소결 후의 결정립을 의미할 수 있다.
이에 따라, 열전 분말 소결체의 열전도도를 감소시킬 수 있고, 전기전도도를 향상시킬 있으며, 이에 따라, 열전 분말 소결체를 열전 소자의 열전 레그에 적용시 열전 레그의 열전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 열전 분말 제어부에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 제 2 분말 즉, 판상 블레이크 형상과 다른 형상을 가지는 분말의 양을 감소시킬 수 있으므로, 열전 분말 소결 후 열전 레그의 열전 성능을 향상시킬 수 있다. 자세하게, 상기 열전 분말 소결체에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 제 2 분말은 전체 분말 대해 약 5 부피%이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 열전 분말 소결체에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 제 2 분말은 전체 분말 대해 약 3 부피%이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 열전 분말 소결체에서 전기 전도도의 저하를 발생시키는 제 2 분말은 전체 분말 대해 약 1 부피%이하일 수 있다
이하, 실시예 및 비교예들에 따른 열전 분말 제조방법을 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하였다.
이어서, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하여 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조하였다.
이때, 열전 레그용 분말은 판상 블레이크 형상의 분말과 함께 0.1 부피%의 볼 형상의 분말을 포함하였다.
이어서, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 2
상기 볼 형상의 분말이 판상 블레이크 형상의 분말 및 볼 형상의 분말을 포함하고, 상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 0.5 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 3
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 1.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 4
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 2.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 5
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 3.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 6
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 4.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 7
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 5.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
실시예 8
상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 6.0 부피% 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
비교예
열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하지 않은 상태에서 열전 레그용 분말을 획득하였다.
이때, 상기 볼 형상의 분말이 전체 열전 레그용 분말에 대해 약 7.0 부피% 포함되었으며, 실시예 1과 동일하게 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그를 제조한 후, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그의 전기 전도도를 측정하였다.
P형 열전 레그 전기 전도도(S/cm) N형 열전 레그 전기 전도도(S/cm)
실시예1 1106 806
실시예2 1106 806
실시예3 1101 803
실시예4 1092 792
실시예5 1077 770
실시예6 1063 764
실시예7 1041 759
실시예8 989 712
비교예 920 677
표 1을 참조하면, 실시예 2 내지 실시예 6에 따른 열전 레그는 실시예 1 즉, 볼 형상의 분말이 미량으로 포함되는 열전 레그에 비해 전기 전도도 차이가 작은 것을 알 수 있다.
즉, 볼 형상의 분말이 0.1 부피% 내지 6.0 부피% 만큼 포함되는 열전 레그는 볼 형상의 분말이 미량으로 포함되는 열전 레그에 비해 약 5% 이내의 미미한 전기 전도도 차이가 나는 것을 알 수 있다.
그러나, 실시예 7, 8 및 비교예에 따른 열전 레그는 실시예 1 즉, 볼 형상의 분말이 미량으로 포함되는 열전 레그에 비해 전기 전도도 차이가 큰 것을 알 수 있다.
즉, 볼 형상의 분말이 5.0 부피% 이상으로 포함되는 열전 레그는 볼 형상의 분말이 포함되지 않는 열전 레그에 비해 약 5% 이상의 큰 전기 전도도 차이가 나는 것을 알 수 있다.
즉, 실시예 7, 8 및 비교예에 따른 볼 형상의 분말이 판상 블레이크 형상의 분말과 같이 혼합되어, 소결체 내부에 보이드를 형성하거나, 크랙을 형성함으로써, 제조되는 열전 레그의 전기 전도도가 크게 감소되는 것을 알 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여, 실시예에 따른 열전 소결체 제조 장치에 의해 제조되는 열전 소결체가 적용되는 열전 소자의 일례를 설명한다.
도 10 내지 도 12를 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 포함할 수 있다.
상기 하부 전극(120)은 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다.
이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(120)과 상기 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 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 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(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 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.
도 12를 참조하면, 실시예에 따른 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 중 적어도 하나의 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.
열전 소재층(710)은 반도체 재료인 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 포함할 수 있다. 열전 소재층(710)은 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 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.
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.
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 경계면까지의 Te 함량 또는 열전 소재층(710)의 중심면으로부터 열전 소재층(710)과 제2 접합층(750) 간의 경계면까지의 Te 함량은 열전 소재층(710)의 중심면의 Te 함량 대비 0.8 내지 1배일 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.
[수학식 1]
Figure 112017127176310-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, 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(120), 그리고 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 하부 전극(120) 또는 상기 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(110)과 상기 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 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(110)과 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 상부 기판(160)과 상기 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다.
상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다.
이때, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(110)과 상기 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, 상기 하부 기판(110)과 상기 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.
상기 열전소자 모듈은 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 상기 열전소자 모듈은 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, 상기 열전소자 모듈이 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.
상기 열전소자 모듈이 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.
상기 열전소자 모듈이 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.
상기 열전소자 모듈이 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
상기 열전소자 모듈이 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.
상기 열전소자 모듈이 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다.
이 외에도 상기 열전소자 모듈은 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.

Claims (12)

  1. 열전 분말을 포함하고,
    상기 열전 분말은 Bi, Te 및 Se를 포함하고,
    상기 열전 분말은,
    수평 방향으로 배치되고, 판상 플레이크 형상의 복수의 제 1 분말들; 및
    상기 제 1 분말들과 형상이 다른 볼 형상의 복수의 제 2 분말들을 포함하고,
    상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 5 부피% 이하만큼 포함되고,
    상기 수평 방향은 중력 방향의 가상의 수직선에 대해 상기 판상 플레이크의 장축이 ± 15° 이내의 각도로 경사지는 방향으로 정의되는 열전 소결체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 분말들 중 수평 방향으로 배열되는 제 1 분말은 상기 제 1 분말들 전체에 대해 95 부피% 이상인 열전 소결체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 3 부피% 이하만큼 포함되는 열전 소결체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 1 부피% 이하만큼 포함되는 열전 소결체.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 분말의 크기는 상기 제 2 분말의 크기와 다른 열전 소결체.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 분말의 입경은 300um 내지 1100um인 열전 소결체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 분말의 평균 입경은 650um 내지 670um인 열전 소결체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열전 소결체 내의 보이드(void)는 전체 면적에 대해 5% 이하인 열전 소결체.
  10. 하부 기판;
    상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판;
    상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그;
    상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 및
    상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극을 포함하고,
    상기 레그는 열전 분말을 포함하고,
    상기 열전 분말은 Bi, Te 및 Se를 포함하고,
    상기 열전 분말은,
    수평 방향으로 배치되는 판상 플레이크 형상의 복수의 제 1 분말들; 및
    상기 제 1 분말들과 형상이 다른 볼 형상의 복수의 제 2 분말들을 포함하고,
    상기 제 2 분말들은 상기 열전 분말 전체에 대해 5 부피% 이하만큼 포함되고,
    상기 수평 방향은 중력 방향의 가상의 수직선에 대해 상기 판상 플레이크의 장축이 ± 15° 이내의 각도로 경사지는 방향으로 정의되는 열전 소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 분말들 중 수평방향으로 배열되는 제 1 분말은 상기 제 1 분말들 전체에 대해 95 부피% 이상인 열전 소자.
  12. 삭제
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