KR20050116362A - 트랜스 열전 소자 - Google Patents

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KR20050116362A
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라마 벤카타수브라마니안
킵 쿤리
에드워드 시볼라
마이클 푸찬
랜디 알리
프라티마 애드팔리
브룩스 오쿠인
토마스 콜피츠
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넥스트림 써멀 솔루션즈, 인크.
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Abstract

동일한 전기 전도성 유형의 두 개의 다리들(22a)을 포함하는 적어도 하나의 단극성 커플 요소(22)를 갖는 열전 소자. 제 1 온도 단(24)은 두 개의 다리들 중 하나에 연결된다. 제 2 온도 단(28)은 적어도 하나의 단극성 커플 요소의 다리들을 가로질러 연결된다. 제 3 온도 단(30)두 개의 다리들 중 다른 하나에 연결된다. 물체 냉각 방법 및 열전 전력 변환 방법은 적어도 하나의 단극성 커플 요소를 이용하여 각각 물체를 냉각시키고 전력을 발생시킨다.

Description

트랜스 열전 소자{Trans-thermoelectric device}
본 발명은 열전소자 및 그 제조방법의 분야에 관한 것이다.
열전 소자(thermoelectric device)는 열전 소자의 두 단부가 서로 다른 온도로 유지되면 전기를 발생시킬 수 있다. 서로 다른 제베크 포텐셜(Seebeck potential) 또는 페르미 에너지 준위를 갖는 두 개의 상이한 금속(도체) 또는 반도체가 각 단부에서 접촉할 때, 단부가 서로 다른 온도이면 전압이 얻어진다(즉, 제베크 효과). 반대로, 인가된 전류는 펠티에 효과(Peltier effect)에 기인한 두 단부 사이에서의 온도차를 유도할 수 있다. 펠티에 효과는 전류가 두 개의 상이한 재료의 접합점을 가로질러 흐를 때 열의 흡수 또는 방출을 일으킨다. 전자는 p형 반도체로부터 n형 반도체로 이동함에 따라 에너지 갭 또는 "장벽(hurdle)"을 통과한다. 열 에너지는 전자가 이 에너지 장벽을 극복함에 따라 흡수되며, 이 접합점은 냉각된다. 반대로, 전자가 n형 반도체로부터 p형 반도체로 이동함에 따라 전자는 에너지 갭에서 "떨어"지며 따라서 열을 방출한다. 이 방출은 접합점을 국부적으로 가열한다.
따라서, 열전 소자는 전류에 의해 열을 전달하는 냉각기 또는 열펌프가 될 수 있다. 열전기(thermoelectricity) 원리는 발전(發電), 열전 커플(thermocouple) 및 냉각에 이용된다. 열전 소자의 효율은 감도지수(ZT)로 나타낼 수 있다. 열전력(thermoelectric power) 변환에 대해 재료가 효과적이기 위해서는, 전하 운반자가 온도 변화도를 유지하면서 다중 펠티에 커플을 용이하게 가로질러 확산되도록 하는 것이 중요하다. 즉, 상대적으로 높은 제베크 계수(S)와, 높은 전기 전도도(a)와, 낮은 열 전도도(K)가 필요하다. 상업적으로 이용가능한 열전 소자의 현재 디자인은 너무 낮은 효율을 가지고 있어, 광범위한 냉각 응용을 보장할 수 없다. 그러나 열전 재료 특성 및 열전 소자 디자인에서의 개선이 향상된 열성능을 가진 열전 소자를 제공할 것이라고 예상된다. 이러한 소자는 발전, 냉각 및 온도 제어 응용에 더욱 적합할 것이다.
통상적으로, 열전 소자는 두 개의 세라믹 판, 예컨대 상부 및 하부 면판(faceplate) 또는 캐리어 판(carrier plate) 사이에 샌드위치된 p형 및 n형 반도체 재료를 포함한다. 면판은 통상적으로 높은 비저항(resistivity) 및 낮은 열 전도도를 갖는다. p형 및 n형 반도체 요소를 결합시킴으로써 형성된 다수의 펠티에 커플들이 면판 사이에 위치한다. 이 커플들은 2차원 어레이로 배열될 수 있고, 열적으로 병렬일 수 있으며, 전기적으로 직렬이 되도록 도체(납땜, 땜납 같은 것)에 의해 연결될 수 있다. 통상적으로, 냉각되는 소자가 차가운 면판과 열접촉하도록 배치되고, 히트 싱크가 뜨거운 면판과 접촉하도록 배치된다.
따라서, 열전 소자 기술은 통상적으로 도 1에 도시된 것과 같은 두 개의 온도 영역들을 갖는 양극성 p-n 커플을 이용한다. 도 1은 상반된 전도성 유형(conductivity type)의 두 개의 다리들(10a, 10b)을 갖는 통상적인 양극성 p-n 커플을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 양극성 p-n 커플(10)은 히트 소스(12)에서의 냉각을 위한 극성을 갖도록 구성된다. 다리들(10a, 10b)은 전기적으로는 직렬로 연결되고 열적으로는 병렬로 연결되어 다리들(10a, 10b)을 통한 직렬적인 전류 흐름은 열전 소자로부터 열이 방산(放散)되는 히트 싱크(14)로 열을 운반한다. 따라서, 양극성 p-n 커플(10)은 히트 소스(12)와 히트 싱크(14)에 각각 연결된 두 개의 온도 영역들을 이용한다. 필요할 경우, 도시된 바와 같이 핀(fin, 16)이 히트 소스(12) 또는 히트 싱커(14) 상에 때때로 이용된다.
그러나 n형과 p형 재료중 하나의 열전 성능이 통상적으로 반대 형인 다른 것의 열전 성능보다 낮기 때문에, 서로 다른 n형과 p형 재료의 이용은 제조 공정을 복잡하게 하고 때때로 제조된 열전 소자의 효율을 희생시킨다.
첨부한 도면들과 결부되어 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참고하여 더욱 잘 이해됨에 따라, 본 발명과 본 발명이 수반하는 이점의 더 완벽한 이해가 즉시 얻어질 것이다.
도 1은 히트 소스를 냉각시키기 위한 극성 구성을 갖는 통상적인 p-n 커플의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 히트 소스를 냉각시키기 위한 극성 구성을 갖는 세-단자-단자(T3) p-p 커플의 개략도이다.
도 3a는 통상적인 양극성 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 그래프이다.
도 3b는 통상적인 양극성 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 표이다.
도 4a는 본 발명의 세-단자-단자 p-p 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 세-단자-단자 p-p 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 표이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따른 통합된 p-p 커플과 n-n 커플 열전 모듈의 개략도이다.
본 발명의 목적은 상보적인 n형과 p형 열전쌍의 사용을 피하는, 단극성(unipolar) p-p 또는 n-n 커플을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 두 개의 전기 단자들과 세 개의 온도 단자들을 가진 단극성 p-p 또는 n-n 커플을 제공하는 것이다. 그것만으로, 본 발명은 두 개의 전기 단자들과 두 개의 온도 영역들을 가진 양극성 p-n 커플을 이용한 통상적인 열전 소자 제조와 다르다.
본 발명의 다른 목적은 모듈 조립체의 복잡성을 감소시킨 소자 제조 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 더 좋은 열전 재료 특성을 갖는 n형 또는 p형 열전 재료를 열전 소자에 이용함으로써 더 높은 효율의 열전 소자를 제공하는 것이다.
따라서 본 발명의 일 특징에 따르면, 동일한 전기적 특성 유형을 가진 두 개의 다리들을 가진 적어도 하나의 단극성 커플 요소와, 두 개의 다리들 중 하나에 연결된 제 1 온도 단(段)과, 적어도 하나의 단극성 커플 요소의 다리들을 가로질러 연결된 제 2 온도 단과, 두 개의 다리들 중 다른 하나에 연결된 제 3 온도 단을 구비하는 신규의 열전 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 물체 냉각 방법이 제공된다. 방법은 상술한 열전 소자에 연결된 물체로부터 열을 전도하며, 물체로부터 멀어지는 방향으로 각 다리들을 가로질러 열을 이동시키기 위해 열전 소자의 두 개의 다리들에서 역방향으로 전류를 흘리고, 주위 환경으로 열을 방출한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상술한 열전 소자에 연결된 히트 소스로부터 열을 뽑아내고, 열전 소자를 가로질러 히트 싱크로의 온도 차이를 유지하며, 히트 싱크로부터 주위 환경으로 열을 방출하는 열전력 변환 방법이 제공된다. 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이를 유지하는 것은 열전 소자로부터 전력을 발생시킨다.
여러 도면들에 있어서 동일한 참조 번호는 동일하거나 또는 대응하는 부분을 가리키는데, 이하 도면, 특히 본 발명의 트랜스 열전 소자(20)를 도시하는 도 2를 참조한다. 트랜스 열전 소자(20)는, 히트 소스(24) 냉각 구조를 갖는 것으로 도 2에 도시된 세-단자-단자(T3) p-p 커플 요소(22)를 구비한다. p-p 커플을 갖는 것으로 도시된 트랜스 열전 소자(20)는 그 대신에 n-n 커플 요소일 수 있다. 어떤 경우이든, 단극성 커플 요소(22)는 동일한 전기적 전도성 유형을 갖는 두 개의 다리들(22a)을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 단자들(26)이 단극성 커플 요소(22)의 일측 상의 두 개의 다리들(22a)의 각 단부에 연결된다(동사 없음). 히트 소스(24)는 다리들(22a) 중 하나에 연결된 제 1 온도 단을 구성한다. 히트 싱크/게이트(28)는 제 2 온도 단을 구성하며, 단극성 커플 요소(22)의 전기 단자들(26) 반대편 측에 연결된다. 히트 드레인(30)은 제 3 온도 단을 구성하며, 도 2에 도시된 바와 같이 히트 소스(24)의 반대편인 단극성 커플의 다른 다리에 연결된다. 전력 변환을 위한 구성은, 히트 소스(24)와 히트 드레인(30) 사이에 온도 차이가 유지되며 그에 의해 전기 단자들(26)에 전기포텐셜을 유도하고 단극성 커플 요소(22)를 통해 전류가 흐른다는 점을 제외하면, 도 2에 도시된 것과 유사할 것이다.
본 구현예의 트랜스 열전 소자(20)는 두 개의 전기 단자들과 세 개의 온도 단자들을 가지며 그에 의해 단극성 커플 요소(22)의 각 단부를 가로질러 큰 온도 차이를 얻는 단극성 p-p 또는 n-n 커플을 이용한다. 트랜스 열전 소자(20)는 세 개의 온도 영역 소자로 간주될 수 있으며, 두 개의 전기 단자들과 두 개의 온도 영역들을 갖는 통상적인 양극성 p-n 커플과 매우 다르다. "트랜스"라는 용어는 세 단자 전기 트랜지스터 소자에서의 트랜스컨덕턴스와 유사한 "전사 열 효과"의 효과를 나타내기 위해 여기서 사용되었다. 이 유사성에서, 전자 소자 기술에서의 두 단자 다이오드로부터 세 단자 트랜지스터로의 변천과 매우 유사한 열전 소자 기술에서의 변천을 본 발명은 나타낸다. 유사성에 의해, 본 발명은, 소스 온도와 싱크 온도의 두 단자 온도들을 갖는 통상적인 p-n 열전 커플(즉, 열 다이오드(thermal diode))로부터 세 단자 온도들(즉, 소스 온도, 중간 싱크 온도 및 드레인 온도)을 갖는 열 트라이오드(thermal triode)로의 변천으로 생각될 수 있다.
통상적인 두 단자 p-n 커플에 비해, 본 발명의 위 세-단자-단자 p-p 커플은, 히트 소스(24)로부터 히트 싱크/게이트(28)로 먼저 펌핑하고 그 후 히트 드레인(30)으로 펌핑하는 두 단계를 이용한다. 이 접근을 이용함으로써, 히트 소스(24)로부터 히트 싱크/게이트(28)로, 그리고 그 후 히트 드레인(30)으로 열을 펌핑하는 히트 펌프로 작동할 시, 본 발명은 n형 다리에 비교했을 때 p형 다리의 더 높은 성능 계수(COP: coefficient of performance)의 이점을 가진다. 히트 싱크/게이트(28)는 소망된 온도로 유지되는데, 히트 소스(24)와 히트 드레인(30)의 온도 사이이다. 따라서, 히트 싱크/게이트(28)는, (양극성 트랜지스터의 베이스 또는 전계효과 트랜지스터의 게이트와 유사한) 조정에 의해, 그것의 온도가 트랜스 열전 소자(20)의 성능을 변화시키는 게이트로 생각될 수 있다. 그래서 본 발명은 "모든 열 논리(thermal logic)" 소자들 또는 그것들의 응용에 이용될 수 있다. 트랜스 열 효과 또는 게이트가 제어하는 것 같은 효과가 있다는 사실은 게이트(28)의 온도가 열 논리 함수에 대한 등가 열 입력이 될 수 있고 소스(24) 및 드레인(30)에서의 온도들은 열 논리 함수의 출력이 될 수 있다는 것을 의미한다.
히트 싱크/게이트(28)의 역할의 일부는 트랜스 열전 소자(20)로부터 히트 소스측으로부터의 여열(餘熱)의 일부를 방출하는 것이다. 그것에 의해, 히트 드레인 측 상의 트랜스 열전 소자(20)의 한 다리는 여열의 이 일부를 히트 드레인(30)으로 펌프할 필요가 없다. 히트 싱크/게이트(28)는 열 경로를 제공하지만 전류 흐름을 위한 전기 경로는 제공하지 않는다. 오히려, 전류는 히트 소스측 p 다리로부터 히트 드레인 측 p 다리로 흐른다. 그 자체로, 트랜스 열전 소자(20)는 단극성 커플 요소(22)의 두 개의 다리들(22a) 내에서 능동 냉각 및 가열 모두를 동시에 이용하여 단일 단(single-stage) 커플에서 큰 △Tmax를 달성하게 되며, 따라서 열전 소자의 이용을 넓히고 성능을 향상시킨다.
도 2에서, 각각의 온도 영역에 도시된 핀(32)은 선택사항이다. 도 2에서, 히트 소스(24)와 히트 드레인(30) 사이에 도시된 열 절연체(34) 역시 선택사항이다. 열 절연체(34)는 가능하다면 히트 소스/차가운 측 요소와 히트 드레인/뜨거운 측 요소 사이의 진공에 의해 형성될 수 있으며, 또는 낮은 열 전도도의 매체(예컨대 0.02 내지 0.05 W/m-K의 열 전도도를 갖는 에어로겔)로 형성될 수 있다. 여하튼, 열 절연체(34)는 히트 소스와 히트 드레인 사이의 열 전사를 감소시키는 역할을 한다.
본 발명의 트랜스 열전 소자는 바람직하게는 더 높은 감도지수(ZT)를 갖는 p형 또는 n형 열전 요소(thermoelement)들 중 어느 하나를 이용한다. 예컨대 열전 소자들 및 모듈들은, 통상적인 p-n 커플을 형성하기 위해 300K에서 ~1.2 내지 1.9의 ZT를 갖는 n형 Bi2Te3 기반의 초격자 열전 요소들과 p형 열전 요소들을 결합하는 것 보다는, 300K에서 ~2.5의 ZT를 갖는 p형 Bi2Te3/Sb2Te3 초격자(superlattice) 열전 요소들만을 이용하여 구성될 수 있다. 유사하게, 본 발명은, 300K에서 훨씬 더 낮은 ZT를 갖는 p형 PbTe 기반의 초격자 열전 요소들과 n형 열전 요소들을 결합하는 것 보다는, 300K에서 ~1.6의 ZT를 갖는 n형 PbTeSe/PbTe 양자점(quantum dot) 초격자 열전 요소들만을 이용할 수 있다. 유사하게, 벌크 p형 BixSb2-x 또는 n형 Bi2Te3-xSex만으로 단극성 커플 요소를 만들 수 있다. 실제로, 본 발명은 관심의 대상인 온도 범위에서 오직 하나의 극성(p형 또는 n형)의 재료가 더 높은 ZT를 얻는데 좋은 열전 재료 시스템으로의 열전 소자 기술을 개발한다.
동일한 극성 또는 도전성 유형을 가진 단극성 커플 요소(22)의 두 개의 인접한 다리들은 동일한 재료일 필요는 없다. 예컨대, 한 p형 다리는 Bi1.0Sb1.0Te3이고 인접한 p형 다리는 Bi0.5Sb1.5Te3일 수 있다. 이 재료 각각은 그 온도 단에 대한 최적의 특성을 기초로 선택될 수 있다. 유사하게, 한 p형 다리는 10Å/30Å Bi2Te3/Sb2Te3 초격자이고 인접한 p형 다리는 10Å/50Å Bi2Te3/Sb2/Te3 초격자일 수 있다. 또한, 한 n형 다리는 n형 Bi2Te2.5Se0.5 열전 요소이고, 인접한 다리는 n형 Bi2Te2.85Se0.15 열전 요소일 수 있다. 유사하게, 한 n형 다리는 n형 10Å/30Å Bi2Te3/Bi2Te2.85Se0.15 초격자 열전 요소이고 인접한 다리는 n형 10Å/50Å Bi2Te3/Bi2Te2.85Se0.15 초격자 열전 요소일 수 있다.
단극성 트랜스 열전 소자의 이용은 모듈 결합체의 복잡성을 감소시키고, 통상적인 양극성 커플에서의 p형과 n형 다리들의 열성능의 완벽한 조화의 필요성을 감소시킨다. 단극성 p-p 또는 n-n 트랜스 서미스터(transthermistor) 소자의 이용은 p와 n 다리들의 완벽한 조화의 필요성을 감소시킨다. 통상적인 p-n 양극성 열전 소자에서는, p 및 n 다리들의 특성이 두 개의 다리들의 종횡비 또는 기하학적 특성을 최적화하기 위해 알려져야만 했다. 그러나 본 발명에서의 p-p 또는 n-n 단극성 커플을 사용하면, 두 다리들에 대해 동일한 재료를 이용함으로써 조화가 보장된다. 단극성 트랜스 열전 소자의 사용은, 통상적인 p-n 커플의 각 요소에서 동일한 차가운 단부 온도 및 뜨거운 단부 온도로 존재할 온도차에 비해, 요소당(즉, p-p 커플의 하나의 p 요소를 가로지를 때의) △T를 대략 절반 정도로 감소시킨다. 그것만으로, 뜨거운 쪽 온도와 차가운 쪽 온도 사이의 고정된 △T에 대해 통상적인 두 단자 소자에 비해 트랜스 열전 소자에서는 열응력(thermal stress)이 감소된다. 대신, 단극성 트랜스 열전 소자의 사용은 통상적인 p-n 커플에 더하여 커플 당 의미있게 달성할 수 있는 △Tmax를 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 뜨거운 쪽 온도와 차가운 쪽 온도 사이의 고정된 △T에 대해 더 높은 성능 계수(COP)를 제공한다.
예컨대, 가장 표준적인 벌크 Bi2Te3 기반의 열전 기술을 대표하는 양극성 벌크 p-n 커플은 58.8K의 △Tmax를 보여준다. 이 데이터는 도 3a 및 도 3b에 나타나 있다. 도 3a 및 3b는 통상적인 양극성 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 그래프 및 표이다. 도 3a에 도시된 데이터는 대략 3㎝-1의 종횡비(㎝-1의 단위로의 요소의 면적에 대한 요소의 높이의 비)를 가진 p-n 커플로부터 취해졌다. 따라서, 도 3에 도시된 피크 △Tmax는 예상대로 대략 15Amps 근방에서 발생한다.
반대로, 도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 3b에서 측정된 통상적인 양극성 커플과 유사한 종횡비 요소들을 갖는 세-단자-단자 p-p 커플에서의, 전류 흐름에 대한 히트 싱크와 히트 소스 사이의 온도차 △T를 보여주는 그래프 및 표이다. 도 4a는 본 발명의 트랜스 열전 소자들이 세 단자 단극성 p-p 벌크 커플을 가로질러 ~155.7K의 △Tmax를 달성할 수 있다는 것을 도시한다. 본 발명에서, 히트 소스와 드레인 사이의 전류 흐름의 △Tmax/사이클의 비가 감도지수이다. 이 실험에서 차가운 쪽(소스)은 마이너스 6.2℃였고, 뜨거운 쪽(드레인)은 149.5℃였다. 히트 싱크 또는 게이트는 ~23℃로 유지됐다. 도 4a 및 도 4b의 데이터는 또한 더욱 선형적인 응답을 보여주는데, 이는 드레인에서의 강제적인 열 제거가 없어도 히트 싱크 또는 게이트가 ~23℃로 유지된 것에 기인한다. 만일 예컨대 공기 핀 배열을 사용하여 드레인이 ~100℃로 열적으로 조정되어 유지되었다면, 차가운 쪽(소스)은 도 4a에 도시된 것 보다 더 차가웠을 것이다. 도 4b의 표는 벌크 p형 Bi2-xSbxTe3 합금 열전 요소에 대해 관찰된 가장 높은 △Tmax를 나타내는데, 소스와 드레인 사이의 주어진 전류 흐름 값에 대한 비교를 위해 I 대 △T는 굵은 글씨로 나타냈다. 도 4a 및 도 4b에서의 결과는 대략 1mm 두께를 가지며 대략 3×19㎝-3의 도핑 레벨을 갖는 Bi0.4Sb1.6Te3의 p형 단극성 커플을 이용한다. 본 발명에서, 히트 소스와 드레인 사이의 전류 흐름의 △Tmax/사이클 비는 감도지수이다.
도 3a 및 도 4a는 본 발명이 세 단자 단극성 p-p 벌크 커플을 가로질러 ~155.7K의 △Tmax를 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 차가운 쪽은 마이너스 6.2℃였고 뜨거운 쪽은 149.5℃였다. 이 결과는 p-p 단극성 트랜스서미스터 소자의 뜨거운 단부로부터의 강제적인 열 제거 없이 얻어졌다. 반대로, 가장 표준적인 벌크 Bi2Te3 기반의 열전 기술을 대표하는 도 3a의 통상적인 양극성 벌크 p-n 커플은 58.8K의 △Tmax를 보여준다.
본 발명의 단극성 소자는 성능 계수(COP) 외에도 다른 장점들을 갖는다. p-p 또는 n-n 단극성 커플의 뜨거운 쪽은 더 높은 온도에서 작동될 수 있으며, 그에 따라 주어진 주위 온도에 대한 열의 제거가 더욱 용이해진다. 예컨대, 통상적인 양극성 p-n 커플에서, 2Amps의 전류는 3.9℃의 차가운 쪽(전류가 없을 때 22.1℃의 값)과 22℃의 뜨꺼운 쪽에 이르는데, 따라서 △T는 18.1℃에 이른다. 반대로 단극성 p-p 커플에서, 2Amps 전류는 2.5℃의 차가운 쪽(전류가 없을 때 22.4℃의 값)과 61.9℃의 뜨꺼운 쪽에 이르는데, 따라서 △T는 59.4℃에 이르며, 동일한 구동 전류에 대해 통상적인 양극성 p-n 커플에 비해 단극성 p-p 커플의 온도 차이에서 3배 이상의 증가를 제공한다. 따라서, 본 발명에서, 단극성 커플 요소들은 (전류 흐름의 크기에 의존하여) 1K 내지 200K의 범위의 온도 차이를 만들어낼 수 있다.
더욱이, 예컨대 18℃의 주위 온도를 고려하라. 18℃의 주위 온도의 경우, 통상적인 양극성 p-n 커플의 22℃인 뜨거운 쪽으로부터보다 단극성 p-p 커플의 59.4℃인 뜨거운 쪽으로부터 열을 방출하는 것이 더 용이하다. 히트 드레인과 주위 사이의 더 큰 온도차는 예컨대 더 작은 그리고/또는 더 조용한 냉각 팬의 사용을 가능하게 할 것이다. 더욱이, 냉장 또는 에어콘 용도의 냉각봉(cold finger)을 냉각시키기에 충분한 -6℃를 여전히 달성할 수 있으면서도 149.5℃와 같은 드레인 온도를 상승시키는 능력은, 본 발명이 물과 같은 높은 열 전사 계수의 액체를 사용하여 상변화 열 전사 용액을 이용하는 것을 허용한다.
본 발명의 트랜스 열전 소자는 특정한 감열 장소로부터 열을 취해 칩 상의 다른 비감열 장소에 두는 모놀리식(monolithic) 전자/광전자 칩 기술 냉각에 이용될 것으로 예상되며, 적외선 대응 소자 및 적외선 시뮬레이션 소자를 포함하는 적외선 소자의 냉각에 유용할 것으로 예상된다.
본 발명에 따르면, 모듈 포맷에서의 p-p 또는 n-n 단극성 커플만의 사용(예컨대, p-p 또는 n-n 커플의 다중 세트의 사용)은, 금속선에 의한 드레인과 소스 사이의 어떤 전기적 상호연결을 통해 외부 온도에의 열평형 후 전기적 연결이 적절하게 이루어지는 것을 확실하게 함에 의해, 열 전사 손실을 감소시킬 수 있다. 예컨대, 드레인으로부터의 전기 리드선은, 드레인으로 이름붙여진 열전 소자 지점과 히트 싱크(열이 방출되는 곳) 사이의 평형에 해당하는 열 평형 온도 지점을 통해 취해질 수 있으며, 소스로 이름붙여진 열전 소자 지점과 히트 소스(열이 흡수되는 곳) 사이의 평형에 해당하는 열 평형 온도 지점을 통해 보내질 수 있다. 만일 두 개 이상의 p-p 커플들이 전기적으로 병렬로 (또한 열적으로도 병렬로) 작동되거나 또는 유사하게 만일 두 개 이상의 n-n 커플들이 전기적으로 병렬로 (또한 열적으로도 병렬로) 작동된다면, 그러한 결과는 존재하지 않을 것이다.
본 발명의 p-p 단극성 커플은 모듈의 소자로의 통합 용이성을 위해 n-n 단극성 커플과 함께 사용될 수 있다. 그 자체로, 각 단극성 커플 요소에 대한 히트 싱크 온도가 서로 다를 수 있다는 것이 가능하다. 이 상황 하에서, 본 발명은 네 개의 온도 단자들(히트 소스, 히트 드레인, n형의 히트 싱크/게이트 및 p형의 히트 싱크/게이트)과 두 개의 전기 단자들을 가질 것이다.
도 5는 통합된 p-p 커플 및 n-n 커플 열전 모듈(50)의 개략도이다. p-p 커플들(52) 또는 n-n 단극성 커플들(54, 64)의 세트로 구성된 모듈이 도 5에 도시되어 있다. 좌측에 도시된 제 1 단극성 n-n 커플(54)은 히트 소스(56), 히트 멤버(58) 및 히트 싱크/게이트(60)의 세 개의 온도 영역들을 갖는다. 제 1 단극성 n-n 커플(54)의 우측에 도시된 제 1 단극성 p-p 커플(52)은 히트 멤버(58a), 히트 멤버(58b) 및 히트 싱크/게이트(62)의 세 개의 온도 영역들을 갖는다. 제 1 단극성 p-p 커플(52)의 우측에 도시된 제 2 단극성 n-n 커플(64)은 히트 멤버(58b), 히트 드레인(66) 및 히트 싱크/게이트(68)의 세 개의 온도 영역들을 갖는다. 비록 선택사항일지라도, 핀(70)이 이들 각 온도 영역에 도시되어 있다. 핀(70)은 높은 열 전도도의 열 스프레더로 교체될 수 있다. 상술한 바와 같은 열 절연체(72)는 n 재료와 p 재료 사이의 성능의 비유사성에 의존하여 사용될 수 있다. 따라서, 두 개의 인접한 n 다리들을 연결하는 히트 싱크 온도는 두 개의 인접한 p 다리들을 연결하는 히트 싱크 온도와 다를 수 있다.
그 자체로, 본 발명은 다중 온도 단을 이용할 수 있다. 예컨대, 예를 들어 도 5의 히트 싱크/게이트(60, 62, 68)에 대응하는 온도 영역은 물리적으로 연속적일 필요가 없다. 오히려, 본 발명의 일 구현예에서는, 특정한 온도 영역의 각 블록은 각각의 공통 블록에 부착되어 있는데, 이것은 본질적으로 타일모양의 또는 분할된 단을 나타낼 것이다. 이것은, 열팽창 경감을 위한 더 낳은 조절로 다양한 온도 영역들을 조종함할 수 있으므로 열응력 발생 감소에 유리하다.
본 발명은 최적의 열 전사 공정을 손쉽게 하기 위해 소스측과 드레인측에서의 열전사 유체의 역류를 이용할 수 있다. 그것은 각각의 소스 컨택을 통한 방향에 역방향으로 다양한 드레인 컨택을 통한 열 전사 유체의 흐름으로, 각 소자 커플을 가로질러 △T가 최소가 되게 한다. 도 4의 데이터로부터 알 수 있듯이, 감소된 △T는 더 작은 전류와 따라서 더 작은 전력을 의미한다. 따라서, 특정한 온도의 유입 및 배출 열 전사 유체를 의미하는, 시스템에서 요구되는 동일한 외부 △T에 대해, 본 발명은 더 낮은 온도에서 개개의 열전 p-p 커플 또는 n-n 커플을 작동시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에서 중간 단의 온도는 뜨거운 단으로부터 나오는 유체에 의해 제어될 수 있다. 결과적으로, 이들 유체는 온도가 낮아졌을 것이고, 경우에 따라서는 더 낮은 온도의 유체와 혼합될 수 있다.
본 발명에 의해 설명된 개념은, 주어진 △T에 대해 통상의 p-n 커플 기반의 모듈보다 두배 이상의 성능 계수(COP)를 잠재적으로 달성하기 위해 벌크 열전(300K에서 ~1의 ZT) 기술과 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 본 발명과 함께 초격자 열전(300K에서 ~2.4의 ZT) 기술을 이용하는 것은 프레온 기반의 역학 시스템의 성능 계수에 근접한 성능 계수를 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 본 발명의 접근은 박막 열전 모듈의 제조에 있어서 두배 이상의 재료 이용을 가능케 한다. 본 발명은 p형 열전 요소 및/또는 n형 초격자 열전요소로 더욱 개선될 수 있다. 본 발명은 특정한 유형의 재료에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 작동 온도에 관계 없이 어떠한 벌크 또는 박막 열전 재료에도 적용될 수 있다.
본 발명은 냉각/가열 및 "DNA 게놈 및 단백질 칩, 열광학(thermooptical) 스위칭 회로 및 적외선 태그용 박막 열전 냉각 및 가열 소자"라는 제목의 미국 특허출원 제 10/118,236호에서 논의된 응용예를 포함한 수많은 열전 소자 응용에 적용될 수 있는데, 후자는 참조로서 그리고 전력 변환으로서 본원에 포함되며, DNA 게놈과 단백질 칩을 설계하고 열광학 스위칭 회로를 만들며 적외선 태그를 만들기위해 표면 상에서의 국지적인 선택적 가열 및 냉각이 이용된다. 그러한 응용예들에서, 열전 냉각 및 가열 소자들은 기판과, 적어도 하나의 선택적인 가열 및 냉각을 수행하기 위해 기판의 일측에 배열된 복수개의 열전 요소들을 구비한다. 각 열전 요소는 열전 재료와, 열전 재료와 접촉하고 전류 흐름 하에서 적어도 하나의 가열된 접합점과 냉각된 접합점을 형성하는 펠티에 컨택과, 열전 재료와 펠티에 컨택을 통해 전류를 제공하도록 구성된 전극들을 포함한다. 그 자체로, 열전 냉각 및 가열 소자들은 소자 상의 각 개개의 열전 요소를 바이어스시켜 열전 소자의 일측 상에 국지화된 가열된 또는 냉각된 접합점들의 그리드를 제공한다. 그러한 응용예에서, 본 발명의 단극성 커플 요소는 상술한 열전 요소로 사용될 수 있다.
본 발명은 본원에 참조로서 포함되는 "포논(phonon) 차단, 전자 전송 저차원 구조"라는 제목의 미국 특허출원 제 10/265,409호에 기술된 포논 차단 전자 구조를 이용하여 본 발명의 단극성 커플 요소의 다리들에서의 열전 재료의 재료 수행성을 개선시킬 수 있다. 포논 차단 구조에서, 열전 구조는, 서로 다른 격자 상수를 가지며 상호 접촉되도록 개재된 적어도 제 1 및 제 2 재료 시스템과, 제 1 재료 및 제 2 재료 시스템이 격자가 어긋나도록 결합되고 제 1 및 제 2 재료 시스템의 구조적 본질성이 실질적으로 유지되는 물리적 계면을 포함한다. 제 1 및 제 2 재료 시스템은 물리적 계면에 수직이며 바람직하게는 초격자 구조에서 주기적으로 배열된 전하 운송자 이송 방향을 갖는다. 상호 접하고 있는 제 1 및 제 2 재료 시스템은 두 재료 시스템 모두에 공통인 중심축에 수직인 평면 및/또는 평행한 평면 내에 격자 어긋남을 갖는다. 제 1 및 제 2 재료 시스템의 주기성은 주기성 방향으로 열 전도를 감소시키도록 구성된다. 수직인 평면은 소자에서의 전기 운송자 이송 방향에 실질적으로 수직이며, 격자 어긋남은 음향학적 어긋남을 제공하여 전기 운송자 이송 방향을 따른 열 전도를 감소시킨다.
본원은, 본원에 참조로서 포함되는 "극저온 및 실온 응용을 위한 캐스케이드 극저온 열전 냉각기"라는 제목의 미국 특허출원 제 09/812,811호에 기술된 캐스케이드 열전 소자 응용에 응용될 수 있는데, 여기서 열전 소자들의 캐스케이드는 극저온으로부터 실온까지의 온도 응용의 작동 온도 범위를 가진 캐스케이드 냉각기를 생산하는데 이용된다. 그러한 응용에서, 캐스케이드 열전 냉각기는, 고성능/높은 ZT의 BixSb2-xTe3과 Bi2Te3-xSex기반의 초격자구조 박막 열전 소자들과, 복수개의 캐스케이드 냉각 단들을 포함하는 벌크 재료 기반의 열전 냉각기를 통합하는데, 각 연속적인 캐스케이드된 냉각 단은 더 낮은 온도로 점진적으로 냉각될 수 있다. 벌크 재료 열전 냉각기의 각 냉각 단은 히트 소스 플레이트와, 히트 싱크 플레이트와, p형 열전 요소와, n형 열전 요소를 포함한다. 발막 열전 냉각기 상의 출력 히트 소스 플레이트를 벌크 재료 열전 냉각기 상의 입력 히트 싱크 플레이트에 부착시킴으로써, 벌크 재료 기반의 열전을 가진 박막 열전의 통합은, 벌크 재료 기반의 열전 냉각기는 170-200K로 냉각되고 박막 열전 소자는 70 내지 120K 사이의 극저온으로 냉각되는 캐스케이드 열전 냉각기를 만들어 낸다. 다른 레벨의 박막 초격자 통합은 50K 근방의 온도를 달성할 수 있다. 캐스케이드된 소자들은 그 자체로 통상적인 p-n 열전 쌍보다는 본 발명의 단극성 커플 요소를 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 구현예에서, 물체의 냉각 방법이 제공된다. 그 방법은 본 발명의 트랜스 열전 소자에 연결된 물체로부터 열을 전도하고, 열전 소자의 두 개의 다리들에서 역방향으로 전류를 흐르게 하여 (즉, 반대 전류 흐름) 물체로부터 멀어지는 방향으로 각 다리를가로질러 열을 이송시키며, 열전 소자로부터 열을 주위 환경으로 방출한다. 더욱이, 상술한 바와 같이, 두 개의 다리들 사이에서 연결된 중간 온도 단의 온도는, 제어되어 열전 소자의 성능을 제어할 수 있다. 역방향의 전류 흐름은 두 다리들의 단부에서의 두 개의 전기적 컨택 각각에 반대 전압 포텐셜을 인가함으로써 (즉, 전압 인가기(voltage applicator)에 의해) 이루어질 수 있다. 역방향의 전류 흐름은 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이를 이루어내며 그에 따라 물체를 냉각시킨다.
상보적으로, 본 발명에 의해 열전 전력 변환 방법이 제공된다. 그 방법은 상술한 트랜스 열전 소자에 연결된 히트 소스로부터 열을 뽑아내고, 열전 소자를 가로질러 히트 싱크에까지 온도 차이를 유지하며, 히트 싱크로부터 주위 환경으로 열을 방산한다. 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이를 유지하는 것은 열전 소자로부터 전력(즉, 전기 포텐셜과 전류 중 적어도 어느 하나)을 만든다. 더욱이, 그 방법은 다리들 사이에 연결된 중간 온도 단의 온도를 제어하여 전력을 만들 수 있는데, 에컨대 히트 소스에 연결된 뜨거운 단으로부터 나오는 유체를 중간 단 상에 도입함에 의해 중간 단의 온도를 제어할 수 있다. 유체 온도는 예컨대 뜨거운 단으로부터 나오는 유체와 더 낮은 온도의 유체를 혼합함에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 구현예에서, 히트 소스와, 동일한 전도성 유형의 열전 재료로 이루어진 두 개의 다리들에서 역방향으로 전류 흐름을 생성하는 히트 소스에 연결된 메커니즘과, 열전 소자로부터 열을 제거하기 위해 메커니즘에 연결된 히트 싱크를 갖는 열전 소자가 제공된다. 열전 소자는 두 개의 다리들 사이에 연결된 중간 온도 단과, 중간 온도 단의 온도를 제어하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 역방향으로의 전류 흐름(즉, 전류 역류)을 제공하기 위해 히트 소스에 결합된 메커니즘의 일 예는, 두 개의 다리들 사이에 개재되고 두 개의 다리들에 연결되는 금속 컨택과, 두 개의 다리들의 상기 금속 컨택의 반대측의 각 단부에 연결된 두 개의 전기적 컨택들을 포함하는데, 두 개의 전기적 컨택 각각에는 반대 전압 포텐셜이 인가된다. 이 예에서, 두 개의 다리들을 통한 전류 역류는 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이를 만들어 낸다. 다른 예에서, 두 개의 다리들을 가로지르는 온도 차이는 전류 역류를 만들어 낸다.
본 발명의 수많은 수정예들과 변형예들이 상기 가르침에 비추어 가능하다. 따라서 청구의 범위 내에서, 여기서 특별히 설명된 것과 달리 실시될 수 있음이 이해되야만 한다.
동일한 전기 전도성 유형의 두 개의 다리들을 포함하는 적어도 하나의 단극성 커플 요소를 갖는 열전 소자를 이용함으로써 용이하게 작동되는 냉각 장치, 이를 이용한 냉각 방법 및 전력 변환 방법 등의 분야에 이용할 수 있다.

Claims (55)

  1. 동일한 전기 전도성 유형(electrical conductivity type)의 두 개의 다리들을 갖는 적어도 하나의 단극성 커플 요소;
    상기 두 개의 다리들 중 하나에 연결된 제 1 온도 단;
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소의 상기 다리들을 가로질러 연결도니 제 2 온도 단; 및
    상기 두 개의 다리들 중 다른 하나에 연결된 제 3 온도 단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소는, 상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소의 두 개의 다리들에서의 역방향으로의 전류 흐름이 상기 단극성 커플 요소의 두 개의 다리들 각각을 가로질러 온도 차이가 존재하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소는, 상기 단극성 커플 요소의 두 개의 다리를 가로질러 존재하는 온도 차이로부터 전기 포텐셜 및 전류 중 적어도 어느 하나를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소는 한 쌍의 p형 Bi2Te3/Sb2Te3 초격자 열전 요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    p형 Bi2Te3/Sb2Te3 초격자 열전 요소들은 300K에서 1보다 큰 ZT를 갖는 것을 특징으로 하는 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 한 쌍의 n형 Bi2Te3/Bi2Te3-xSex 초격자 열전 요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  7. 제 8항에 있어서,
    n형 Bi2Te3/Bi2Te3-xSex 초격자 열전 요소들은 300K에서 1보다 큰 ZT를 갖는 것을 특징으로 하는 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 한 쌍의 n형 PbTeSe/PbTe 초격자 열전 요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    n형 PbTeSe/PbTe 요소들은 300K에서 ~1.6의 ZT를 갖는 한 쌍의 n형 PbTeSe/PbTe 양자점(quantum-dot) 초격자 열전요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 한 쌍의 p형 PbTeSe/PbTe 초격자 열전 요소들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 적어도 하나의 p-p 단극성 열전 요소의 세트와 n-n 단극성 열전 요소의 세트를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  12. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 하나의 p-p 커플들의 세트와 두 개의 독립적인 n의 다리들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는 하나의 n-n 커플들의 세트와 두 개의 독립적인 p의 다리들을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  14. 제 1항에 있어서,
    단극성 커플 요소들은 p-p 벌크 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    단극성 커플 요소들은 n-n 벌크 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  16. 제 1항에 있어서,
    단극성 커플 요소들은 1K 내지 200K 범위의 온도 차이를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 온도 단과 상기 제 3 온도 단 사이에 열 절연체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    열 절연체는 에어로겔과 폴리머 시트들 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  19. 제 1항에 있어서,
    제 2 온도 단의 온도를 제어하여 제 1 온도 단과 제 3 온도 단 각각에서의 소망된 소스 및 드레인 온도를 발생시키도록 구성된 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전류 흐름을 제어하여 상기 소망된 소스 및 드레인 온도들을 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개의 다리들의 각 다리를 가로질러서의 상기 온도 차이가 제 1 온도 단과 제 2 온도 단 사이의 온도 차이의 대략 절반인 것을 특징으로 하는 소자.
  22. 제 1항에 있어서,
    제 1 온도 단과 제 2 온도 단 중 적어도 하나는 분리 헤더(split header)를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 온도 단은 대략 100℃의 온도에서 작동하여 물의 증기로의 상변화가 열 제거를 제공하도록 구성되고, 상기 제 1 온도 단은 40℃ 이하의 온도에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 온도 단은 대략 100℃의 온도에서 작동하여 물의 증기로의 상변화가 열 제거를 제공하도록 구성되고, 상기 제 1 온도 단은 10℃ 이하의 온도에서 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  25. 제 1항에 있어서,
    제 3 온도 단에 연결된, 물 기반의 폐 사이클(closed cycle) 열 제거 시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  26. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 p-p 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  27. 제 26항에 있어서,
    p-p 커플은 p형 Bi1.0Sb1.0Te3 열전 요소와 p형 Bi0.5Sb1.5Te3 열전 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  28. 제 26항에 있어서,
    p-p 커플은 p형 10Å/30Å Bi2Te3/Sb2Te3 초격자 열전요소와 p형 10Å/50Å Bi2Te3/Sb2Te3 초격자 열전요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  29. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 n-n 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  30. 제 29항에 있어서,
    n-n 커플은 n형 Bi2Te2.5Se0.5 열전 요소와 n형 Bi2Te2.85Se0.15 열전 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  31. 제 29항에 있어서,
    n-n 커플은 n형 10Å/30Å Bi2Te3/Bi2Te2.85Se0.15 초격자 열전요소와 n형 10Å/50Å Bi2Te3/Bi2Te2.85Se0.15 초격자 열전요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  32. 동일한 전도성 유형의 두 개의 다리들을 갖는 적어도 하나의 단극성 커플 요소;
    적어도 하나의 단극성 커플 요소의 상기 다리들 사이에 연결된, 단극성 커플 요소의 공통 측 상의 중간 온도 단; 및
    단극성 커플 요소들의 인접한 다리들에서 역방향으로 전류가 흐르도록 단극성 커플 요소의 각 다리에의 전기적 컨택들;을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  33. 제 32항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소는 적어도 하나의 단극성 커플 요소의 다리들에서 역방향으로 전류가 흘러 상기 단극성 커플 요소의 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이가 존재하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  34. 제 32항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단극성 커플 요소는 상기 단극성 커플 요소의 두 개의 다리들을 가로질러 존재하는 온도 차이로부터 전기 포텐셜 및 전류 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  35. 제 32항에 있어서,
    적어도 하나의 단극성 커플 요소는, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 p-p 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  36. 제 32항에 있어서,
    적어도 하나의 다늑성 커플 요소는, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 n-n 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  37. p형 전기 전도도의 다리들을 가진 p-p 단극성 커플 요소와,
    p-p 단극성 커플 요소의 상기 다리들을 가로질러 연결된 제 1 중간 온도 단과,
    n형 전기 전도도의 다리들을 가진 n-n 단극성 커플 요소와,
    n-n 단극성 커플 요소의 상기 다리들을 가로질러 연결되고 제 1 중간 온도 단보다 다른 온도에서 작동되는 제 2 중간 온도 단
    을 포함하는 적어도 네개의-온도-단자 소자
    를 구비하는 소자.
  38. 제 37항에 있어서,
    p-p 단극성 커플 요소의 상기 다리들과 n-n 단극성 커플 요소의 상기 다리들의 각각에 연결되는 전기적 컨택들을 더 구비하고, 상기 전기적 컨택들은 p-p 단극성 커플 요소의 각 다리와 n-n 단극성 커플 요소의 각 다리에서 역방향으로 전류가 흘러 p-p 단극성 커플 요소와 n-n 단극성 커플 요소 각각을 가로질러 온도 차이가 존재하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 소자.
  39. 제 37항에 있어서,
    상기 p-p 단극성 커플 요소와 상기 n-n 단극성 커플 요소는 상기 p-p 단극성 커플 요소와 상기 n-n 단극성 커플 요소를 가로질러 존재하는 온도 차이로부터 전기 포텐셜 및 전류 중 적어도 어느 하나를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  40. 열전 소자로서,
    히트 소스;
    상기 히트 소스에 연결되고, 동일한 전도성 유형의 열전 재료의 두 개의 다리들에서 역방향으로 전류 흐름을 생성시키는 수단;
    열전 재료의 다리들의 공통 측에 연결되는, 히트 소스로 향한 중간 온도 단; 및
    상기 두 개의 다리들에 연결되고 상기 열전 소자로부터 열을 제거하도록 구성된 히트 싱크;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  41. 제 40항에 있어서,
    상기 두 개의 다리들을 가로질러 연결된 중간 온도 단; 및
    중간 온도 단의 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  42. 제 40항에 있어서,
    전류를 생성시키는 상기 수단은,
    상기 두 개의 다리들 사이에 개재되고 상기 두 개의 다리들에 연결된 금속 컨택;
    상기 두 개의 다리들의 상기 금속 컨택의 반대측의 각각의 단부에 연결된 두 개의 전기적 컨택들; 및
    상기 두 개의 전기적 컨택들 각각에 반대 전압 포텐셜을 인가하도록 구성된 전압 인가기(voltage applicator);를 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  43. 제 40항에 있어서,
    전류를 생성시키는 상기 수단은, 상기 전류를 제공하여 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이가 존재하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  44. 제 40항에 있어서,
    전류를 생성시키는 상기 수단은, 상기 두 개의 다리들을 가로질러 존재하는 온도 차이로부터 전기 포텐셜 및 전류 중 적어도 하나를 생성시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소자.
  45. 제 40항에 있어서,
    전류를 생성시키는 상기 수단은, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 p-p 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  46. 제 40항에 있어서,
    전류를 생성시키는 상기 수단은, 상기 두 개의 다리들의 각 다리가 다른 다리와 다른 재료조성 및 다른 구조 중 적어도 하나를 갖는 n-n 커플을 구비하는 것을 특징으로 하는 소자.
  47. 물체로부터 동일한 전도성 유형의 열전 재료의 두 개의 다리들을 갖는 단극성 커플 요소를 포함하는 열전 소자로 열을 전도하는 단계;
    상기 물체로부터 멀어지는 방향으로 상기 각 다리를 가로질러 상기 열을 이송하기 위해, 상기 두 개의 다리들에서 역방향으로 전류를 흘리는 단계; 및
    히트 싱크를 통해 열전 소자로부터 주위 환경으로 상기 열을 제거하는 단계;를 구비하는 물체 냉각 방법.
  48. 제 47항에 있어서,
    상기 다리들 사이에 연결된 중간 온도 단의 온도를 제어하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 47항에 있어서,
    상기 전류를 흘리는 단계는, 상기 두 개의 다리들의 단부에서의 두 개의 전기적 컨택들 각각에 반대 전압 포텐셜을 인가하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제 47항에 있어서,
    상기 전류를 흘리는 단계는, 상기 물체를 냉각시키기 위해 두 개의 다리들을 가로질러 온도 차이가 존재하게 하는 것인 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 동일한 전도성 유형의 열전 재료의 두 개의 다리들을 갖는 단극성 커플 요소를 포함하는 열전 소자에 연결된 히트 소스로부터 열을 추출하는 단계;
    열전 소자로부터 전력을 발생시키기 위해 열전 소자를 가로질러 히트 싱크로의 온도 차이를 유지하는 단계; 및
    상기 히트 싱크로부터 주위 환경으로 열을 방산하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 전력 변환 방법.
  52. 제 51항에 있어서,
    전력을 발생시키기 위해 상기 다리들 사이에 연결된 중간 온도 단의 온도를 제어하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 51항에 있어서,
    히트 소스에 연결된 뜨거운 단으로부터 나오는 유체를 중간 단 상에 도입하여 중간 단의 온도를 제어하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 53항에 있어서,
    온도를 제어하는 상기 단계는 뜨거운 단으로부터 나오는 상기 유체와 더 낮은 온도의 유체를 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 51항에 있어서,
    온도 차이를 유지하는 상기 단계는 열전 소자로부터 전기 포텐셜 및 전류 중 적어도 하나를 생성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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