KR20090021270A - 열전 나노튜브 어레이 - Google Patents

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KR20090021270A
KR20090021270A KR1020087029248A KR20087029248A KR20090021270A KR 20090021270 A KR20090021270 A KR 20090021270A KR 1020087029248 A KR1020087029248 A KR 1020087029248A KR 20087029248 A KR20087029248 A KR 20087029248A KR 20090021270 A KR20090021270 A KR 20090021270A
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patterned electrode
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KR1020087029248A
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멜리사 수잔느 샌더
프레드 샤리피
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

일부 실시양태에서, 본 발명은, 열전 물질의 나노튜브(nanotube)를 포함하는 열전 소자를 포함하는 열전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 특히 나노튜브가 형판 내에 전기화학적으로 형성된, 열전 소자 및 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 혼입 및 사용하는 시스템 및 용도 각각에 관한 것이다.

Description

열전 나노튜브 어레이{THERMOELECTRIC NANOTUBE ARRAYS}
본 발명은 일반적으로 열 전달 및 발전 장치, 더욱 구체적으로는 고상 열 전달 장치에 관한 것이다.
열 전달 장치는 냉장, 에어 컨디셔닝, 전자기기 냉각, 공업용 온도 제어, 폐열 회수 및 발전(power-generating)과 같은 다양한 가열/냉각 및 발전/열 회수 시스템에 사용될 수 있다. 이들 열 전달 장치는 또한 특정 시스템 및 환경의 열 관리 요구를 충족시키도록 비례축소될 수도 있다. 그러나, 냉장 사이클에 의존하는 것과 같은 기존의 열 전달 장치는 환경 친화적이지 못하고, 한정된 수명을 가지며, 컴프레서 같은 기계적 구성요소 및 냉매의 사용으로 인해 부피가 크다.
대조적으로, 고상 열 전달 장치는 높은 신뢰성, 작아진 크기 및 중량, 감소된 소음, 낮은 유지비용 및 보다 더 환경 친화적인 장치 같은 특정 이점을 제공한다. 예를 들어, 열전 장치는, 전기적으로 직렬 연결되고 열적으로 병렬 연결된 구조체를 형성하는 p-형 및 n-형 반도체 열전 소자의 쌍을 통한 전자 및 정공의 흐름에 의해 열을 전달한다. 그러나, 기존 열전 장치의 비교적 높은 비용 및 낮은 효 율 때문에, 이들은 자동차 시트 냉각기, 위성 및 우주 탐색기의 발전기, 및 전자 장치에서의 국부적인 열 관리 같은 소규모 용도로만 제한된다.
소정의 작동 온도에서, 열전 장치의 열 전달 효율은 이러한 장치에 사용되는 열전 물질의 제벡(Seebeck) 계수, 전기 전도율 및 열 전도율에 따라 달라진다. 이러한 효율은 하기 수학식 1에서 정의되는 성능지수(figure-of-merit, FOM)인 ZT를 그 특징으로 할 수 있다:
ZT=S2σT/k
상기 식에서,
S는 써모파워(thermopower) 또는 제벡 계수이고,
σ는 전기 전도율이고,
k는 열 전도율이며,
T는 절대 온도이다.
종래의 냉장고 및 제너레이터와 경쟁하기 위해서는, ZT가 3보다 큰 물질을 개발해야 한다. 그러나, 50년 동안에, 벌크 반도체의 실온 ZT는 약 0.6에서 1까지 약간만 증가하였다. 난제는 변수 S, σ 및 k가 모두 상호 의존적임(하나가 변화하면 나머지가 달라짐)으로써 최적화를 극히 어렵게 만든다는 사실에 있다.
다수의 기법을 이용하여 FOM 값을 개선시킴으로써 열전 장치의 열 전달 효율을 증가시켜 왔으나, 이들중 다수는 작은 치수 또는 나노규모의 열전 구조체에 초 점이 맞춰졌다[예를 들어, 마줌더(Majumdar), "Thermoelectricity in Semiconductor Nanostructure", Science vol. 303, pp. 777-778, 2004 참조]. 예를 들어, 일부 열 전달 장치에서는 이들 장치의 FOM 값을 높이기 위하여 2차원 규칙격자 열전 물질을 사용하였다[예를 들어, 벤카타스브라마니안(Venkatasubramanian) 등, "Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit", Nature vol. 413, pp. 597-602, 2001; 하먼(Harman) 등, "Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices", Sciences vol. 297, pp. 2229-2232, 2002 참조]. 이러한 장치는 분자 빔 에피택시(epitaxy) 또는 기상 침착 같은 기법을 통한 2차원 규칙격자 열전 물질의 침착을 필요로 할 수 있다. 다른 장치는 1차원 나노로드(nanorod) 또는 나노와이어(nanowire) 시스템을 사용하였다(2005년 5월 26일자로 출원된 미국 특허원 제 11/138,615 호 참조). 그러나, 대다수에 비해 열전 나노와이어 특성을 개선하기 위하여, 일반적으로 와이어 직경을 20nm 미만으로, 일부 물질의 경우에는 5nm 미만으로 감소시킬 필요가 있다. 불행하게도, 효율적인 열전 장치를 위해 필요한 바와 같이 와이어의 길이를 따라 제어된 조성을 갖는 두꺼운(수십 내지 수백 마이크론) 나노와이어 어레이를 제작하는 것은 상당히 어렵다.
따라서, 열 전달 장치의 개선된 FOM을 통해 달성되는 향상된 효율을 갖는 열 전달 장치, 및 이들 장치의 경제적인 제조 방법이 여전히 요구되고 있다. 또한, 특정 시스템 및 환경의 열 관리 요구를 충족시키도록 비례축소가능한 장치를 제공하는 것도 유리하다.
발명의 개요
일부 실시양태에서, 본 발명은, 열전 물질의 나노튜브(nanotube)를 포함하는 열전 소자를 포함하는 열전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 특히 나노튜브가 형판 내에 전기화학적으로 형성된, 열전 소자 및 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 혼입 및 사용하는 시스템 및 용도 각각에 관한 것이다.
몇몇 이러한 상기 언급된 실시양태에서, 본 발명은 (a) 제 1 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판; (b) 제 2 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판; (c) 상기 제 1 패턴화된 전극과 상기 제 2 패턴화된 전극 사이에 위치된 복수개의 열전 소자; 및 (d) 상기 복수개의 열전 소자와 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극중 하나 이상의 사이에 배치된 연결 물질을 포함하는 열전 장치로서, 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극이 전기적으로 연속적인 회로를 형성하도록 상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이 배열되고, 상기 열전 소자가, 도핑된 반도체 물질의 복수개의 나노튜브 구조체를 포함하는 열전 장치에 관한 것이다.
일부 이러한 상기 실시양태에서, 본 발명은 (a) 복수개의 공극을 포함하고 실질적으로 평면상인 다공성 형판을 제공하는 단계; (b) 공극 벽이 코팅되도록 다공성 형판 상에 금속 층을 균일하게 침착시키는 단계; (c) 상기 코팅된 공극 벽을 이용하여, 열전 물질을 상기 공극 벽 내의 나노튜브로서 전기화학적으로 침착시키는 단계; 및 (d) 상기 금속 층을 선택적으로 에칭시켜내어 상기 형판에 복수개의 열전 나노튜브를 생성시키는 단계를 포함하는, 열전 소자의 제조 방법으로서, 상기 공극이, 상기 형판의 평면에 주로 수직이고 형판의 두께(즉, 높이)를 연장하는 공극 벽을 포함하는 방법에 관한 것이다.
상기에서는 하기 발명의 상세한 설명이 더욱 잘 이해될 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 특징을 상당히 넓게 개략적으로 기재하였다. 본 발명의 청구의 범위에 대한 주제를 구성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 이후 기재된다.
본 발명 및 그의 이점을 더욱 완벽하게 이해하기 위하여, 이제 첨부된 도면과 함께 하기 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열 전달 장치를 갖는 시스템의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열 전달 장치를 갖는 발전 시스템의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열 전달 단위(unit)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열전 나노튜브 어레이를 제조하는 방법의 단계적인 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열전 나노튜브 어레이를 제조하는 방법의 단계적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열전 나노튜브 어레이를 제조하는 방법의 단계적인 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 복수개의 열 전달 단위를 갖는 열 전달 장치의 조립된 모듈을 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 열 전달 장치의 어레이를 갖는 모듈을 도시하는 사시도이다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 열전 물질의 나노튜브를 포함하는 열전 소자를 포함하는 열전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 나노튜브가 형판 내에 전기화학적으로 형성된, 열전 소자 및 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 혼입 및 사용하는 시스템 및 용도 각각에 관한 것이다.
나노튜브를 포함하는 이러한 상기 언급된 열전 소자 및 장치와 관련하여, 가장 중요한 나노구조체 치수는 튜브 벽 두께이기 때문에, 튜브 외경은 중요하지 않으며, 매우 좁은 직경의 나노와이어보다 어레이를 제조하기가 더 간단하다. 본 발명의 일부 실시양태에 따른 방법은 튜브 벽 두께 및 조성을 더욱 탁월하게 제어할 수 있다. 이러한 접근법은 또한 실제 장치의 제조에 중요한, 큰 면적에 걸친 나노튜브의 조밀한 어레이를 제조하는 데에도 적합하다. 또한, 광범위한 열전 나노튜브 물질을 제조할 수 있기 때문에, 관심있는 특정 온도 범위에 대해 물질 선택을 맞출 수 있다.
하기에서는 본 발명의 실시양태를 완전히 이해시키기 위하여 구체적인 양, 크기 등과 같은 구체적인 세부사항이 기재된다. 그러나, 당해 분야의 숙련자는 이러한 구체적인 세부사항 없이 본 발명을 실행할 수 있음을 명백히 알 것이다. 많은 경우, 이러한 고려사항 등에 관련된 세부사항은 본 발명을 완전히 이해하는데 필요하지 않고 관련 분야의 숙련자의 통상적인 기술 수준 내에 있기 때문에 누락시켰다.
도면을 포괄적으로 살펴보면, 도시내용이 본 발명의 특정 실시양태를 기재하기 위한 것이고 본 발명을 이들로 한정하고자 하지 않음을 알게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 특정 실시양태에 따른 복수개의 열 전달 장치를 갖는 시스템(10)을 도시한다. 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(10)은 특정 구역 또는 물체(14)로부터, 전달된 열을 소산시키기 위한 방열판(heat sink)으로서 기능할 수 있는 다른 구역 또는 물체(16)로 열을 전달하는, 열전 소자(18, 20)로 구성된 열 전달 모듈(12)을 포함한다. 열 전달 모듈(12)은 발전하기 위해서 또는 구성요소를 가열 또는 냉각시키기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 물체(14)와 같은 발열용 구성요소는 낮은-등급의 열 또는 높은-등급의 열을 생성시킬 수 있다. 아래 논의되는 바와 같이, 제 1 및 제 2 물체(14, 16)는 운송수단, 또는 터빈, 또는 항공기 엔진, 또는 고체 산화물 연료 셀, 또는 냉장 시스템의 구성요소일 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "운송수단"은 육지, 하늘 또는 바다에 기초한 수송 수단을 나타낼 수 있음에 주목해야 한다. 이 실시양태에서, 열 전달 모듈(12)은 복수개의 열전 장치를 포함한다. 일반적으로 이러한 열 전달 모듈은, 하나는 n-형 반도체 레그(leg)이고 다른 하나는 p-형 반도체 레그인 열전 소자의 쌍을 하나 이상 포함한다.
상기 실시양태에서, 열전 모듈(12)은 열전 소자로서 기능하는 n-형 반도체 레그(18) 및 p-형 반도체 레그(20)를 포함함으로써, 전하 수송에 의해 발생된 열을 물체(14)로부터 물체(16) 쪽으로 전달한다. 이 실시양태에서, n-형 및 p-형 반도체 레그(열전 소자)(18, 20)는, 각각 제 1 및 제 2 물체(14, 16)에 연결된 패턴화된 전극(22, 24) 상에 배치된다. 특정 실시양태에서, 패턴화된 전극(22, 24)은 제 1 및 제 2 물체(14, 16)에 연결될 수 있는 열 전도성 기판(도시되지 않음) 상에 배치될 수 있다. 또한, 계면 층(26, 28)을 사용하여 패턴화된 전극(22, 24) 상의 n-형 및 p-형 반도체 레그(18, 20)의 쌍을 전기적으로 연결시킨다.
상기 기재되고 도 1에 도시된 실시양태에서는, n-형 및 p-형 반도체 레그(18, 20)가 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결된다. 특정 실시양태에서는, 복수개의 n-형 및 p-형 반도체(18, 20) 쌍을 사용하여, 열 전달을 용이하게 하기 위해 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결된 열전쌍을 생성시킬 수 있다. 작동시에는, 투입 전원(30)이 n-형 및 p-형 반도체(18, 20)를 통한 전류의 흐름을 제공한다. 그 결과, 양전하 및 음전하 캐리어가 열 에너지를 제 1 전극(22)으로부터 제 2 전극(24) 상으로 전달한다. 그러므로, 열전 모듈(12)은 제 1 전극(22)과 제 2 전극(24) 사이의 전하 캐리어(32)의 흐름에 의해 물체(14)로부터 물체(16)쪽으로의 열 전달을 용이하게 한다. 특정 실시양태에서, 시스템(10)의 투입 전원(30)의 극을 반대로 하여, 전하 캐리어가 물체(16)로부터 물체(14)로 흐르도록 함으로써 물체(14)를 가열하고 물체(14)를 방열판으로서 기능하게 할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 물체(14, 16)의 가열 또는 냉각을 위해 열전 모듈(12)을 사용할 수 있다. 또한, 에어 컨디셔닝 및 냉장 시스템 같은 다양한 용도에서 물체를 가열 또는 냉각시키는데, 항공기 엔진, 또는 운송수단, 또는 터빈 등과 같은 용도에서 다양한 구성요소를 냉각시키는데 열전 모듈(12)을 사용할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 아래에 기재되는 바와 같이, 제 1 물체(14)와 제 2 물체(16) 사이에 온도 구배를 유지시킴으로써, 발전하는데 열전 모듈(12)을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 양태에 따른 열 전달 장치(36)를 갖는 발전 시스템(34)을 도시한다. 열 전달 장치(36)는 제 1 기판(42)과 제 2 기판(44) 사이에 온도 구배를 유지시킴으로써 발전하도록 구성된 p-형 레그(38) 및 n-형 레그(40)를 포함한다. 이 실시양태에서, p-형 및 n-형 레그(38, 40)는 전기적으로 직렬로, 열 적으로 병렬로 서로 연결된다. 작동 시에는, 참조번호 (46)으로 표시되는 바와 같이, 열이 제 1 계면(42)으로 펌핑되고, 참조번호 (48)로 표시되는 바와 같이, 열이 제 2 계면(44)으로부터 방출된다. 그 결과, 아래에서 상세하게 기재되는 다양한 용도에 동력을 공급하는데 추가로 사용될 수 있는 제벡 효과로 인해, 제 1 기판(42)과 제 2 기판(44) 사이의 온도 구배에 비례하는 전압(50)이 생성된다. 이러한 용도의 예는 운송수단, 터빈 및 항공기 엔진에서의 사용을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 또한, 이러한 열전 장치는 낮은-등급의 열 및 높은-등급의 열을 비롯한 열을 발생시키는 광기전력 셀 또는 고체 산화물 연료 셀에 연결됨으로써 전체 시스템 효율을 증대시킬 수 있다. 발전 시스템(34)의 목적하는 발전 용량에 기초하여 p-형 및 n-형 열전 소자(38, 40)를 갖는 복수개의 열전쌍을 사용할 수 있음에 주목해야 한다. 또한, 특정 용도에 사용하기 위하여 복수개의 열전쌍을 전기적으로 직렬 연결할 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2의 열 전달 장치의 예시적인 구성(60)의 단면도이다. 열 전달 장치 또는 단위(60)는, 제 1 패턴화된 전극(64)이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판(62)을 포함한다. 열 전달 장치(60)는 또한 제 2 패턴화된 전극(68)이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판(66)도 포함한다. 이 실시양태에서, 제 1 및 제 2 열 전도성 기판(62, 66)은 열 전도성, 전기 절연성 세라믹을 포함한다. 그러나, 다른 열 전도성, 전기 절연성 물질을 제 1 및 제 2 열 전도성 기판(62, 66)에 사용할 수도 있다. 예를 들어, 전기 절연성 질화알루미늄 또는 탄화규소 세라믹을 제 1 및 제 2 열 전도성 기판(62, 66)에 사용할 수 있다. 특정 실시양태에서, 패턴화된 전극(64, 68)은 알루미늄, 구리 등과 같은 금속을 포함한다. 특정 실시양태에서, 패턴화된 전극은 고도로 도핑된 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 에칭, 포토레지스트 패턴화, 쉐도우 마스킹, 석판술 또는 다른 표준 패턴화 기법 같은 기법을 이용함으로써 제 1 및 제 2 열 전도성 기판(62, 66) 상의 전극(64, 68)을 패턴화시킬 수 있다. 현재 고려되는 구성에서는, 제 1 및 제 2 패턴화된 전극(64, 68)이 전기적으로 연속적인 회로를 형성하도록 제 1 및 제 2 열 전도성 기판(62, 66)을 배열한다.
또한, 제 1 패턴화된 전극(64)과 제 2 패턴화된 전극(68) 사이에 복수개의 열전 소자들(74, 76)이 설치된다. 또한, 상기 복수개의 열전 소자들(74, 76) 각각은 열전 물질을 포함하는 나노튜브(70)의 어레이(즉, 복수개)를 포함하며, 상기 열전 물질은 도핑된 반도체 물질이고, 열전 소자(74)는 p-도핑된 물질의 나노튜브를 포함하고, 열전 소자(76)는 n-도핑된 물질의 나노튜브를 포함한다(또는 그 역도 성립한다). 적합한 열전 물질의 예는 InP, InAs, InSb, 규소 게르마늄계 합금, 비스무트 안티모나이드계 합금, 납 텔루라이드계 합금(예컨대, PbTe), 비스무트 텔루라이드계 합금(예컨대, Bi2Te3), 또는 다른 III-V, IV, IV-VI 및 II-VI 반도체, 또는 실질적으로 높은 열전 FOM을 갖는 이들의 임의의 조합, 및 이들 조합의 조합을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 전형적으로, 열전 소자(74, 76)는 나노튜브(70)가 침착된 다공성 형판(75)을 추가로 포함한다. 이러한 다공성 형판은 기판(72)을 임의적으로 포함할 수 있다.
형판(75)과 관련하여, 형판 재료는 공극을 가져야 하는 조건을 제외하고는 특별하게 제한되지 않는다. 적합한 재료는 애노다이징된(anodized) 산화알루미늄(AAO), 나노채널 유리, 자가-조직 이원-블록 공중합체 등을 포함하지만, 이들로 국한되지는 않는다. 전형적으로, 형판은 실질적으로 2차원 평면 형판이다. 공극은 실질적으로 정렬되고(서로에 대해) 일반적으로 형판의 평면에 대해 수직이다. 일부 실시양태에서, 공극은 대략 원통형 형상이고 일반적으로 약 5 내지 약 500nm의 직경을 갖는다. 형판 두께는 통상 약 10 내지 약 500㎛이다. 형판 내의 공극 밀도는 통상 약 109/cm2 내지 약 1012/cm2이다.
나노튜브(70)와 관련하여, 나노튜브는 일반적으로 형판(75)의 공극에 전기화학적으로 침착된다(아래 참조). 결과적으로, 이들의 치수 및 형판 내에서의 밀도는 공극과 크게 유사하다. 이들은 일반적으로 약 5 내지 약 500nm의 외경 및 약 1 내지 약 20nm의 튜브 벽 두께를 갖는다. 이들의 높이는 통상 약 10 내지 약 500㎛이고, 형판 내에서의 이들의 밀도는 통상 약 109/cm2 내지 약 1012/cm2이다. 상기 언급된 바와 같이, 조성 면에서, 나노튜브(70)는, InP, InAs, InSb, 규소 게르마늄계 합금, 비스무트 안티모나이드계 합금, 납 텔루라이드계 합금(예컨대, PbTe), 비스무트 텔루라이드계 합금(예를 들어, Bi2Te3), 또는 다른 III-V, IV, IV-VI 및 II-VI 반도체, 또는 실질적으로 높은 열전 FOM을 갖는 이들의 임의의 조합(예컨대, 3원 및 4원 반도체 포함), 및 이들 조합의 조합을 포함하지만 이들로 국한되지는 않는, 도핑된 반도체 벌크 물질을 포함한다. 특정 열전 소자(즉, 나노튜브 어레이) 내에서, 나노튜브는 n-도핑된 또는 p-도핑된 반도체 조성물을 포함한다. 하나의 용액으로부터 하나의 물질이 침착되는 전기화학적 동시-침착에 의해 나노튜브를 침착시킬 수 있다. 다르게는, 단일층 또는 단일층 미만(sub-monolayer)의 각각의 소자가 별도의 욕으로부터 순차적으로 침착되는 전기화학적 원자 에피택시(ECALE)에 의해 나노튜브를 침착시킬 수 있다. 필름 두께를 탁월하게 제어하면서 매끈한 필름을 수득하기 위하여, ECALE는 동시-침착에 비해 상당한 이점을 제공한다. 예를 들어, 스틱니(Stickney) 등의 박막의 ECALE를 참조한다[스틱니 등, "Electrochemical atomic layer epitaxy", Electroanalytical Chemistry, vol. 21, pp. 75-209, 1999].
열 전달 장치(60)는 또한, 계면의 전기 저항 및 열 저항을 감소시키기 위하여 복수개의 열전 소자(74, 76)와 제 1 및 제 2 패턴화된 전극(64, 68) 사이에 배치된 연결 물질(78)도 포함한다. 특정 실시양태에서, 열전 소자(74, 76)와 제 1 패턴화된 전극(64) 사이의 연결 물질(78)은 열전 소자(74, 76)와 제 2 패턴화된 전극(68) 사이의 연결 물질(78)과 상이할 수 있다. 한 실시양태에서, 연결 물질(78)은 은 에폭시(siver epoxy)를 포함한다. 다른 전도성 접착제도 연결 물질(78)로서 사용할 수 있음에 주목해야 한다. 특히, 연결 물질(78)은 기판(72)과 패턴화된 전극(64) 사이에 배치된다.
일부 다른 실시양태에서는, 연결 계면에서의 물질의 원자 확산을 통한 확산 결합 또는 반도체 계면에 대한 웨이퍼 융합 결합 같은 다른 기법에 의해, 열전 소자(74, 76)를 패턴화된 전극(64, 68)에 결합시킬 수 있다. 당해 분야의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 확산 결합은 표면 형태의 마이크로 변형을 야기하여 원자 규모에서 충분히 접촉시킴으로써 두 물질을 결합시킨다. 특정 실시양태에서는, 결합용 중간층으로서 금을 사용할 수 있으며, 약 300℃의 비교적 저온에서 확산 결합을 달성할 수 있다. 특정한 다른 실시양태에서는, 약 100 내지 약 150℃에서 인듐 또는 인듐 합금을 결합용 중간층으로서 사용할 수 있다. 또한, 전형적인 용매 세정 단계를 표면에 적용시켜, 확산 결합을 적용시키기 위한 편평하고 깨끗한 표면을 달성할 수 있다. 세정 단계용 용매의 예는 아세톤, 아이소프로판올, 메탄올 등을 포함한다. 또한, 열전 소자(74, 76) 및 기판(72)의 상부 표면 및 하부 표면 상에 금속 코팅을 배치시켜 열전 소자와 제 1 및 제 2 기판(62, 66) 사이의 결합을 용이하게 할 수 있다. 한 실시양태에서는, 직접적인 확산 결합을 통해 열전 소자(74, 76)를 패턴화된 전극(64, 68)에 결합시킬 수 있다. 다르게는, 금, 금속 또는 납땜 금속 합금 호일 같은 중간층을 거쳐 열전 소자(74, 76)를 패턴화된 전극(64, 68)에 결합시킬 수 있다. 특정 실시양태에서는, 은 에폭시 같은 중간층을 통해 열전 소자(74, 76)와 제 1 및 제 2 기판(62, 66) 사이의 결합을 달성할 수 있다. 그러나, 다른 연결 방법을 이용하여 열전 소자(74, 76)와 제 1 및 제 2 기판(62, 66) 사이의 결합을 달성할 수 있다.
특정 이론에 얽매이고자 하지 않으면서, 현재 고려되는 구성에서, 열전 소자(74, 76)는, 양자 효과(예를 들어, 양자 또는 표면 구속)가 우세한 벽 두께를 갖는 나노튜브를 포함한다. 전형적으로, 이는 약 1 내지 약 20nm의 벽 두께를 포함한다. 또한, 열전 소자(74, 76) 내의 나노튜브의 치수 및 조성을 변화시킴으로써 전하 캐리어의 상태의 전자 밀도 및 음자 투과 특징을 제어하고, 이에 의해 열전 장치의 FOM(ZT)을 그 특징으로 하는 열전 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 도 1 내지 도 3의 열 전달 장치는 다중 층을 포함할 수 있고, 이들 층 각각은 최대 ZT 및 효율을 달성하기 위하여 뜨거운 면과 차가운 면 사이의 온도 구배를 매치시키기에 적절한 물질 조성 및 도핑 농도를 제공하도록 복수개의 열전 소자를 갖는다.
도 4 내지 도 6은 상기 기재된 열전 소자(74, 76)의 제조 방법에 관한 것이다. 도 4를 참조하면, 이 방법은 (단계 (a)) 형판의 평면에 대해 주로 수직이고 형판의 두께를 연장하는 공극 벽을 포함하는 복수개의 공극(80)을 포함하는 실질적으로 평면인 다공성 형판(75)을 제공하는 단계; (단계 (b)) 상기 공극 벽이 코팅되도록 상기 다공성 형판 상에 금속 층(82)을 균일하게 침착시키는 단계; (단계 (c)) 상기 코팅된 공극 벽을 사용하여 열전 물질을 나노튜브(70)로서 상기 공극 벽 내에 전기화학적으로 침착시키는 단계; 및 (단계 (d)) 상기 금속 층을 선택적으로 에칭-제거하여 상기 형판에 복수개의 열전 나노튜브를 생성시키는 단계를 포함한다. 도 5 및 도 6의 단계 (a) 내지 (d)는 각각 도 4에 도시된 단계의 단면도 및 사시도에 상응한다.
금속 층은, 공극 내에 열전 나노튜브를 전착시키기 위한 전극으로서의 역할을 하기 위하여 형판 표면 상에 공형 침착될 수 있는 임의의 금속 또는 금속의 조합일 수 있다. 적합한 물질은 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 이들의 조합을 포함하지만 이들로 국한되지는 않는다. 전형적으로는, 무전해(electroless) 수단을 통해 이 금속 층을 침착시키며, 상기 층은 통상 약 10 내지 약 100nm의 두께를 갖는다. 나노튜브 침착 후, 요오드화칼륨/요오드 용액에 의한 금의 습식 화학적 에칭, 염화철 용액에 의한 구리 또는 니켈의 습식 화학적 에칭, 또는 건식 에칭 공정 등과 같은(이들로 한정되지는 않음) 선택적인 에칭 기법에 의해 금속 층을 제거할 수 있다. 다공성 (중합체) 막에서의 금속의 전기 화학적 침착에 대한 포괄적인(구체적이지 않은) 논의는, 쿠(Ku) 등의 문헌["Fabrication of Nanocables by Electrochemical Deposition Inside Metal Nanotubes", J. Am. Chem. Soc. vol. 126, pp. 15022-15023, 2004]을 참조한다. 형판 및 나노튜브 재료의 세부사항에 대해서는 상기를 참조한다. 다르게는, 원자 층 침착(ALD) 같은 기상 공정에 의해 금속을 침착시킬 수 있다. ALD를 이용하여, 구리, 철, 니켈, 금 등과 같은 금속 층, 또는 전극으로서 작용할 수 있는 다른 유형의 전도성 물질(예컨대, 산화주석인듐)을 나노다공성 형판 상에 침착시킬 수 있다. 열전 물질을 침착시킨 후, 습식 또는 건식 선택적 화학적 에칭에 의해, 상기 증착된 전극을 제거할 수 있다. ALD에 의해 양극 알루미나 형판 상에 침착된 나노튜브의 예에 대해서는, 엘람(Elam) 등의 문헌["Conformal Coating on Ultrahigh-Aspect-Ratio Nanopores of Anodic Alumina by Atomic Layer Deposition", Chem. Mater. vol. 15, pp. 3507-3517, 2003]을 참조한다.
일부 실시양태에서는, 금속 층으로 덮인 세라믹 형판 대신 완전히 금속인 형판을 사용하도록 계획된다. 이러한 실시양태에서는, 나노튜브 침착 후, 전체 금속 형판을 제거하고 기계적 안정성을 제공하기 위하여 세라믹 또는 중합체 같은 절연재로 대체해야 한다.
일부 또는 다른 실시양태에서는, 상기 실시양태중 하나 이상의 변형을 이용하여, 또는 상기 기재된 것과는 다른 방법을 이용하여 나노튜브(70)를 생성시킨다. 예를 들어, 일부 실시양태에서는, 금속 층으로 코팅되지 않고 그보다는 금속 나노입자 씨드 층 또는 기능성 분자 층으로 코팅된 공극 벽을 갖는 형판에, 전착에 의해 나노튜브를 침착시킨다. 예를 들어, 브럼릭(Brumlik) 등의 문헌["Template Synthesis of Metal Microtubules", J. Am. Chem. Soc., vol. 113, pp. 3174-3175, 1991] 참조. 다른 실시양태에서는, 매우 신속한 전착에 의해 나노와이어가 아닌 다공성 형판에 나노튜브를 침착시킬 수 있다. 예컨대, 유안(Yuan) 등의 문헌["Highly Ordered Platinum-Nanotubule Arrays for Amperometric Glucose Sensing", Adv. Funct. Mater., vol. 15(5), pp. 803-809, 2005] 참조. 일부 또는 다른 실시양태에서는, 전극 층이 형판 공극의 한쪽 면을 부분적으로만 코팅함으로써 나노튜브가 공극 내에 전기화학적으로 침착될 수 있도록 한다. 예컨대, 리(Li) 등의 문헌["A Facile Route to Fabricate Single-crystalline Antimony Nanotube Arrays", Chem. Lett., vol. 34(7), pp. 930-931, 2005]; 리(Lee) 등의 문헌["A Template-Based Electrochemical Method for the Synthesis of Multisegmented Metallic Nanotubes", Angew. Chem. Int. Ed., vol. 44, pp. 6050-6054, 2005] 참조. 또 다른 실시양태에서는, 형판을 희생 층(예를 들어, 탄소 나노튜브 또는 중합체)으로 코팅시키고 금속 나노와이어로 채운다. 이어서, 상기 희생 층을 제거하고, 형판의 생성된 빈 공간에 나노튜브를 전착시킨다. 예컨대, 뮤(Mu) 등의 문헌["Uniform Metal Nanotube Arrays by Multistep Template Replication and Electrodeposition", Adv. Mater., vol. 16, pp. 1550-1553, 2004] 참조.
이러한 상기 언급된 열전 소자를 제조함에 있어서, 일부 실시양태에서는, 특정 열전 성능을 위해 나노튜브 내에서의 특정 도핑 밀도가 선택된다(전형적으로, 이러한 도핑 밀도는 약 1017 내지 1018cm-3임). 진성(intrinsic) 도핑에 의해 화합물의 원소중 하나를 과량으로 만듦으로써 도핑을 달성할 수 있다. 예를 들어, Bi2Te3에 과량의 Te를 침착시키면 n-형 물질이 생성된다[예를 들어, 유(Yoo) 등, "Electrochemically deposited thermoelectric n-type Bi2Te3 thin films", Electrochimica Acta vol. 50(22), pp. 4371-4377, 2005 참조]. 예를 들어, 침착 전위를 비롯한 전착 조건을 변화시킴으로써 원소중 하나를 과량으로 만들 수 있다. 다르게는, 소량의 도판트 전구체를 전기화학적 침착 용액에 첨가함으로써 또는 사이클을 도판트의 침착 공정으로 통합시킴으로써 외래 도판트를 나노튜브 내로 도입할 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 상기 나노튜브에서의 열전 특성과 관련하여 중요한 치수는 튜브 벽 두께이다. 제어된 침착 공정을 이용하여 나노튜브 벽을 침착시킴으로써, 나노튜브 벽 두께를 나노미터 해상도 미만으로 제어할 수 있다. 나노튜브 벽 두께가 중요한 치수이기 때문에, 형판에서의 공극 직경의 분포는 전혀 중요하지 않다(이는, 더 큰 와이어가 장치의 거동을 지배하는 다공성 형판에서의 나노와이어의 공형 침착과는 대조적임). 또한, 매우 작은 공극 직경(예컨대, 10nm 미만)을 갖는 형판을 제조할 필요도 없다. 중요한 치수가 벽 두께이기 때문에, 더 크고 더 용이하게 제조되는 치수(예를 들어, 10nm 초과)를 갖는 튜브 외경(형판 공극 직경에 상응함)을 가질 수 있다. 또한, 이는 나노와이어에 비해 유리하며, 그 이유는 상기 나노와이어에서는, 공형 침착이, 중요한 열전 특성 치수에 상응하는 공극 직경(이는 전형적으로 10 내지 20nm 미만임)을 갖는 형판의 제조를 요구하기 때문이다. 열전 물질이 전체 표면에 걸쳐 박막으로서 동시에 침착되기 때문에, 침착물의 조성이 신중하게 제어될 수 있다. 이에 의해, 매우 높은 종횡비의 나노와이어 침착(예를 들어, 10nm 미만의 직경, 100nm를 초과하는 높이)의 경우에 예견되는, 나노와이어의 길이에 따른 조성 변화의 문제 가능성이 없어진다. 나노튜브를 형판의 표면 상에 공형 침착시킴으로써, 공극이 거의 100%인 나노튜브를 수득할 수 있다. 이로써, 높은 종횡비의 구조체에서 높은 공극 충전비를 수득하기가 어려울 수 있는 나노와이어의 침착의 경우에 맞닥뜨릴 수 있는 임의의 어려움을 피하게 된다. 또한, 이러한 전기화학적 침착 기법은 용이하게 비례축소될 수 있다.
도 7은 본 기법의 실시양태에 따라 복수개의 열 전달 장치 또는 열 전달 단위(60)를 갖는 열 전달 장치 또는 조립된 모듈(140)의 단면도를 도시한다. 도시된 실시양태에서는, 열 전달 단위(60)가, 대향하는 기판들(142, 144) 사이에 장착되고 전기적으로 연결되어, 조립된 모듈(140)을 생성시킨다. 이러한 방식으로, 열 전달 장치(60)는 협력하여 목적하는 가열 또는 냉각 용량(이는 열을 하나의 물체 또는 구역에서 다른 물체 또는 구역으로 전달하는데 사용될 수 있음)을 제공하거나, 또는 더 높은 온도의 한 표면으로부터 열을 흡수하고 흡수된 열을 더 낮은 온도의 방열판으로 방출함으로써 발전 용량을 제공한다. 특정 실시양태에서는, 은 충전된 에폭시 또는 금속 합금 같은 전도성 연결 물질을 통해 복수개의 열 전달 단위(60)를 연결할 수 있다. 복수개의 열 전달 장치(60)를 연결시키기 위한 전도성 연결 물질 또는 금속 합금은 목적하는 가공 기법 및 열 전달 장치의 목적하는 작동 온도에 기초하여 선택될 수 있다. 마지막으로, 조립된 모듈(60)은 리드선(146, 148)을 통해 투입 전원에 연결된다. 작동시, 투입 전원은 열 전달 단위(60)를 통해 전류의 흐름을 제공함으로써 기판들(142, 144) 사이에 열전 메카니즘을 통한 전하의 흐름을 생성시킨다. 이러한 전하의 흐름의 결과, 열 전달 장치(60)는 기판들(142, 144) 사이에서의 열 전달을 용이하게 한다. 유사하게, 두 기판들(142, 144) 사이에 열 구배를 유지시킴으로써 상이한 용도에서의 발전 및/또는 열 회수를 위해 열 전달 장치(60)를 사용할 수 있다.
도 8은 본 기법의 실시양태에 따른 열 전달 열전 소자의 어레이(104)를 갖는 열 전달 모듈(150)의 사시도이다. 이 실시양태에서, 열 전달 장치(104)는 2차원 어레이로 사용되어 환경 또는 용도의 열 관리 요구를 충족시킨다. 열 전달 장치(104)는 조립되어 열 전달 모듈(150)을 생성시키는데, 여기에서는 장치(104)가 전기적으로 직렬 연결되고 열적으로 병렬 연결되어, 모듈(150)의 제 1 물체(14)로부터 제 2 물체(16)로 전하가 흐르도록 함으로써, 모듈(150)의 제 1 및 제 2 물체(14, 16) 사이의 열 전달을 용이하게 한다. 전원(30)은 제 1 또는 제 2 물체(14, 16)의 가열 또는 냉각을 달성하기 위해 적용되는 전압차일 수 있음에 주목해야 한다. 다르게는, 전원(30)은 발전 용도에 사용될 때 모듈(150)에 의해 생성되는 전압을 나타낼 수 있다.
상기 기재된 기법의 다양한 양태는 냉장, 에어 컨디셔닝, 전자기기 냉각, 공업용 온도 제어 등과 같은 다양한 가열/냉각 시스템에서 사용된다. 상기 기재된 열 전달 장치는 에어 컨디셔너, 수 냉각기, 기후 조절되는 시트, 및 가정용 및 공업용 냉장고 둘 다를 포함하는 냉장 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 열 전달 장치를 액화 천연 가스(LNG) 또는 초전도성 장치 같은 극저온 냉장에 사용할 수 있다. 또한, 상기 기재된 열 전달 장치를 운송수단, 터빈 및 항공기 엔진 같은(이들로 한정되지는 않음) 다양한 시스템의 구성요소의 냉각에 사용할 수 있다. 예를 들어, 열 전달 장치를 팬 또는 컴프레서 또는 연소기 또는 터빈 케이스 같은 항공기 엔진의 구성요소에 연결할 수 있다. 전류를 열 전달 장치를 통해 통과시켜 온도차를 생성시킴으로써 이러한 구성요소를 냉각시킬 수 있다.
다르게는, 본원에 기재된 열 전달 장치는 천연 발생 또는 제조된 열원을 사용하여 발전할 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 열 전달 장치를 지열에 기초한 열원과 함께 사용할 수 있으며, 이 때 열원과 주위(그것이 물, 공기 등등중 무엇이든지간에) 사이의 온도차가 발전을 용이하게 한다. 유사하게, 항공기 엔진에서는, 엔진 코어 기류 스트림과 외부 기류 스트림 사이의 온도차가, 발전에 사용될 수 있는 엔진 케이싱을 통한 온도차를 생성시킨다. 이러한 전력을 사용하여 센서, 구동장치, 또는 항공기 엔진 또는 항공기용의 임의의 다른 전력 용도를 작동시키거나 이들의 작동을 보충할 수 있다. 본원에 기재된 열전 장치가 사용될 수 있는 용도의 추가적인 예는 가스 터빈, 스팀 터빈, 운송수단 등을 포함한다. 열을 발생시키는 광기전 또는 고체 산화물 연료 셀에 이러한 열전 장치를 연결시킴으로써 전체 시스템 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 기재된 열 전달 장치는 또한 열 에너지 전환 및 열 관리에도 사용될 수 있다. 물체의 목적하는 열 관리 요구에 기초하여 열 전달 장치용 물질 및 제조 기법을 선택할 수 있음에 주목해야 한다. 마이크로프로세서 및 집적 회로 같은 마이크로 전자 시스템의 냉각에 이러한 장치를 사용할 수 있다. 또한, 반도체 장치, 광소자 및 적외선 센서의 열 관리에 열 전달 장치를 사용할 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태를 보여주기 위하여 하기 실시예가 포함된다. 당해 분야의 숙련자는 하기 실시예에 개시되는 방법이 본 발명의 예시적인 실시양태를 나타냄을 알아야 한다. 그러나, 당해 분야의 숙련자는 본 개시내용에 비추어 본 발명의 원리 및 영역으로부터 벗어나지 않으면서 기재된 구체적인 실시양태의 다수의 변화가 가능하고 여전히 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알아야 한다.
실시예 1
본 실시예는 본 발명의 일부 실시양태에 따른, 열전 장치에 사용하기 위한 나노튜브를 포함하는 열전 소자의 제조를 예시하는 역할을 한다.
알루미늄 호일을양극 처리함으로써 나노다공성 알루미나 형판을 제조한다. 양극처리동안 생성된 공극은 서로 거의 평행하고 형판의 길이 전체로 연장된다. 전위, 산 등을 비롯한 양극처리 조건에 의해 평균 공극 직경 및 간격을 결정한다(이는 잘 확립된 절차임). 무전해 도금 공정을 이용하여 금 금속으로 애노다이징된 알루미나 막의 공극을 코팅한다[콜리(Kohli) 등, "Template Synthesis of Gold Nanotubes in an Anodic Alumina Membrane", J. Nanosci. Nanotech. vol. 4, pp. 605-610, 2003]. 다음으로, 막의 한쪽 면을 신속한 무전해 도금에 의해 두꺼운 금 전극 층으로 코팅한다. 이어서, 막을 전기화학적 유동 셀에 넣고 열전 나노튜브를 막의 금 나노튜브 상으로 동심 침착시킨다. 전기화학적 원자 에피택시 공정에 의해 열전 물질을 침착시킨다. 예를 들어, 주(Zhu) 등의 문헌["Optimization of the formation of bismuth telluride thin film using ECALE", J. Electroanalytical Chemistry, 585, 83-88, 2005]에 기재되어 있는 절차의 변형을 이용함으로써, Bi2Te3를 침착시킬 수 있다. 이 경우, 이들은 박막을 침착시켰다. 높은 종횡비의 금 나노튜브의 표면 상으로 필름을 침착시키기 위하여, 침착 사이클 시간 등을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 열전 나노튜브 침착 후, 막의 한쪽 면 또는 양쪽 면 상으로 금속 필름을 침착시킨다. 이어서, 선택적인 화학적 에칭에 의해 금 나노튜브를 제거한다. 잔류하는 구조체는 나노다공성 알루미나 형판의 공극에 매립되어 있고 침착된 금속 층에 의해 상부 면 및 하부 면에서 연결되어 있는 열전 나노튜브를 포함한다.
실시예 2
이 실시예는 전기화학적으로 침착된 나노튜브를 포함하는 복수개의 열전 소자를 본 발명의 일부 실시양태에 따라 열전 장치의 제조 내로 통합시킬 수 있는 방법을 예시하는 역할을 한다.
표준 사진 석판술을 이용하여 2개의 열 전도성 기판(AlN 또는 SiC) 상에 금속 전극(Cu 또는 Al)을 패턴화시킨다. 중간에 열전 소자를 낀 채로 두 기판을 서로 대향시킬 때, 전극과 열전 소자가 제 1 기판의 한쪽 모서리로부터 제 2 기판의 대향하는 모서리로 전기적으로 직렬이 되도록, 금속 전극을 각각의 기판 상에 패턴화시킨다. 열전 소자를 금속 전극에 연결시키기 위하여, 연결 층으로서 인듐 호일을 사용한다. 인듐 호일 조각을 금속 전극과 열전 소자 사이에 끼운 다음, 전체 기판/열전 소자 어셈블리를 가압 및 가열하여, 인듐 호일을 기판 상의 금속 전극과 각 열전 소자 말단 상의 금속 층 사이에 확산 결합시킨다. 이 최종 열전 모듈에서, 각 기판 상의 패턴화된 전극은 연결 층 및 두 기판 사이에 끼인 교대하는 n-형 및 p-형 열전 소자와 전기적으로 직렬 연결된다. 열전 소자는 두 기판 사이에서 열적으로 병렬 연결된다.
상기 기재된 실시양태의 상기 기재된 특정 구조, 기능 및 작동은 본 발명을 실행하는데 필요하지 않으며 단순히 예시적인 실시양태 또는 실시양태들을 완결시키기 위하여 기재에 포함되는 것으로 이해된다. 또한, 상기 기재된 인용된 특허 및 간행물에 기재되어 있는 구체적인 구조, 기능 및 작동은 본 발명과 함께 실행될 수 있으나 이들은 본 발명의 실행에 필수적이지 않은 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되는 본 발명의 진의 및 범주로부터 실제로 벗어나지 않으면서 구체적으로 기재된 것과는 다른 방식으로 실행될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (44)

  1. a) 제 1 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판; b) 제 2 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판; c) 상기 제 1 패턴화된 전극과 상기 제 2 패턴화된 전극 사이에 위치된 복수개의 열전(thermoelectric) 소자; 및 (d) 상기 복수개의 열전 소자와 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극중 하나 이상의 사이에 배치된 연결 물질을 포함하는 열전 장치로서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이, 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극이 연결되어 연속적인 전기 회로를 형성하도록 배열되고,
    상기 열전 소자가, 도핑된 반도체 물질의 나노튜브 구조체를 복수개 포함하는 열전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이 전기 절연성 질화알루미늄 세라믹 또는 전기 절연성 탄화규소 물질을 포함하는 열전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노튜브를 형성하는 도핑된 반도체 물질이, InAs, InSb, InP, 규소 게르마늄계 합금; 비스무트 안티몬계 합금; 납 텔루라이드계 합금; 비스무트 텔루라이드계 합금; III-V, IV, V, IV-VI 및 II-VI 반도체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 벌크 열전 물질을 포함하는 열전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노튜브를 형성하는 도핑된 반도체 물질이 InP, InAs, InSb 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 도핑된 III-V족 반도체인 열전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    특정 열전 소자를 구성하는 복수개의 나노튜브가 다공성 형판 내에 존재하는 열전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다공성 형판이 애노다이징된(anodized) 산화알루미늄, 나노채널 유리, 자가-조직 블록 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 열전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 열전 소자 각각이 실질적으로 p-형 물질 또는 n-형 물질의 나노튜브를 포함하는 열전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 열전 소자가 복수개의 열 전달 단위(unit)들로 구성되고, 상기 복수개의 열 전달 단위들이, 대향하는 기판들 사이에서 전기적으로 연결된 열전 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 전기화학적 수단에 의해 상기 다공성 형판 내에 형성된 열전 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 전기화학적 동시-침착, 전기화학적 원자 에피택시(epitaxy) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법에 의해 침착된 열전 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 약 1 nm 이상 내지 약 20nm 이하의 벽 두께, 및 약 5 nm 이상 내지 약 500nm 이하의 외경을 갖는 열전 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 약 10㎛ 이상 내지 약 500㎛ 이하의 길이를 갖는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 제 1 열 전도성 기판과 상기 제 2 열 전도성 기판 사이의 온도 구배를 실질적으로 유지시킴으로써 발전(power-generating)하도록 구조화된 열전 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성 기판과 상기 제 2 열 전도성 기판 사이에 전류를 도입하여, 상기 제 1 열 전도성 기판과 상기 제 2 열 전도성 기판 사이의 전하 흐름을 통해 상기 제 1 열 전도성 기판과 상기 제 2 열 전도성 기판 사이에서 열을 전달할 수 있는 열전 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 소자가 전기적으로 직렬, 열적으로 병렬 연결된 열전 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 운송수단, 전력원, 가열 시스템, 냉각 시스템 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 시스템의 일체형 부품인 열전 장치.
  17. a) 형판의 표면에 주로 수직이고 형판의 두께를 연장하는 공극 벽을 포함하는 복수개의 공극을 포함하고 두께를 갖는, 실질적으로 평면인 다공성 형판을 제공하는 단계;
    b) 상기 공극 벽이 코팅되도록 상기 다공성 형판 위에 금속 층을 균일하게 침착시키는 단계;
    c) 상기 코팅된 공극 벽을 사용하여 열전 물질을 나노튜브로서 상기 공극 벽 내에 전기화학적으로 침착시키는 단계; 및
    d) 상기 금속 층을 선택적으로 에칭-제거하여 상기 형판에 복수개의 열전 나노튜브를 생성시키는 단계
    를 포함하는, 열전 소자의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 다공성 형판이, 애노다이징된 산화알루미늄, 나노채널 유리, 자가-조직 블록 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 층이 Cu, Au, Ni 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 층을 무전해(electroless) 공정에 의해 침착시키는 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 층을 원자 층 침착 공정에 의해 침착시키는 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 나노튜브를 구성하는 열전 물질이, InAs, InSb, InP, 규소 게르마늄계 합금; 비스무트 안티몬계 합금; 납 텔루라이드계 합금; 비스무트 텔루라이드계 합금; III-V, IV, V, IV-VI 및 II-VI 반도체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 도핑된 반도체 벌크 물질인 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 약 1nm 이상 내지 약 20nm 이하의 벽 두께 및 약 5 내지 약 500nm의 외경을 갖는 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 나노튜브가 약 10㎛ 이상 내지 약 500㎛ 이하의 길이를 갖는 방법.
  25. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 층을 습식 화학적 에칭, 건식 화학적 에칭 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 선택적인 에칭 공정에 의해 에칭-제거하는 방법.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 다공성 형판이 기판 상에 존재하는 방법.
  27. a) 제 1 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판을 제공하는 단계;
    b) 제 2 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판을 제공하는 단계;
    c) 상기 제 1 패턴화된 전극과 상기 제 2 패턴화된 전극 사이에 위치된 복수개의 열전 소자를 설치하는 단계; 및
    d) 상기 복수개의 열전 소자와 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극 사이에 연결 물질을 배치시키는 단계
    를 포함하는, 열전 장치의 제조 방법으로서,
    상기 열전 소자가 복수개의 나노튜브를 포함하고, 상기 열전 소자가 제 17 항에 따른 방법에 의해 제조되는, 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이 전기 절연성 질화알루미늄 세라믹 또는 전기 절연성 탄화규소 물질을 포함하는 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 나노튜브가, 규소 게르마늄계 합금; 비스무트 안티몬계 합금; 납 텔루라이드계 합금; 비스무트 텔루라이드계 합금; III-V, IV, V, IV-VI 및 II-VI 반도체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 주로 선택되는 열전 물질로 구성되는 방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 나노튜브가, InP, InAs, InSb 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 III-V족 반도체로 구성되는 방법.
  31. 제 27 항에 있어서,
    특정 열전 소자를 구성하는 복수개의 나노튜브가 다공성 형판 내에 존재하는 방법.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수개의 열전 소자 각각이 p-형 물질 또는 n-형 물질의 나노튜브를 주로 포함하는 방법.
  33. a) 열원;
    b) 방열판(heat sink); 및
    c) 상기 열원과 상기 방열판 사이에 연결되고, 냉각시키거나 발전하도록 구성되고, i) 제 1 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판; ii) 제 2 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판; iii) 상기 제 1 패턴화된 전극과 상기 제 2 패턴화된 전극 사이에 위치된 복수개의 열전 소자; 및 iv) 상기 복수개의 열전 소자와 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극중 하나 이상의 사이에 배치된 연결 물질을 포함하는, 열전 장치
    를 포함하는 시스템으로서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이, 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극이 연결되어 연속적인 전기 회로를 형성하도록 배열되고,
    상기 열전 소자가 복수개의 나노튜브를 포함하는 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이 전기 절연성 질화알루미늄 세라믹 또는 전기 절연성 탄화규소 물질을 포함하는 시스템.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 나노튜브가, 규소 게르마늄계 합금; 비스무트 안티몬계 합금; 납 텔루라이드계 합금; 비스무트 텔루라이드계 합금; III-V, IV, V, IV-VI 및 II-VI 반도체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 주로 선택되는 열전 물질로 구성되는 시스템.
  36. 제 33 항에 있어서,
    특정 열전 소자를 구성하는 복수개의 나노튜브가 다공성 형판 내에 존재하는 시스템.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 복수개의 열전 소자 각각이 실질적으로 p-형 물질 또는 n-형 물질의 나노튜브를 포함하는 시스템.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 열전 소자가 제 17 항에 따른 방법에 의해 제조되는 시스템.
  39. a) 제 1 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 1 열 전도성 기판을 제공하는 단계;
    b) 제 2 패턴화된 전극이 상부에 배치된 제 2 열 전도성 기판을 제공하는 단계;
    c) 상기 제 1 패턴화된 전극과 상기 제 2 패턴화된 전극 사이에 위치된 복수개의 열전 소자를 설치하는 단계; 및
    d) 상기 복수개의 열전 소자와 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 전극 사이에 연 결 물질을 배치시키는 단계
    를 포함하는, 열전 장치의 제조 방법으로서,
    상기 열전 소자가 복수개의 나노튜브를 포함하는, 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 열 전도성 기판이 전기 절연성 질화알루미늄 세라믹 또는 전기 절연성 탄화규소 물질을 포함하는 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 나노튜브가, 규소 게르마늄계 합금; 비스무트 안티몬계 합금; 납 텔루라이드계 합금; 비스무트 텔루라이드계 합금; III-V, IV, V, IV-VI 및 II-VI 반도체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 주로 선택되는 열전 물질로 구성되는 방법.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 나노튜브가, InP, InAs, InSb 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 III-V족 반도체로 구성되는 방법.
  43. 제 39 항에 있어서,
    특정 열전 소자를 구성하는 복수개의 나노튜브가 다공성 형판 내에 존재하는 방법.
  44. 제 39 항에 있어서,
    상기 복수개의 열전 소자 각각이 p-형 물질 또는 n-형 물질의 나노튜브를 주로 포함하는 방법.
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