KR20110000387A

KR20110000387A - 열전소자

Info

Publication number: KR20110000387A
Application number: KR1020090057854A
Authority: KR
Inventors: 이성호; 오용수; 정현철
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-03
Also published as: KR101046130B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의pn접합; 상기 열흡수층과 열방출층에 접지되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함할 수 있다.

Description

열전소자{Thermoelectric Element}

본 발명은 안정성과 열전효율이 향상된 열전소자에 관한 것이다.

화석 에너지 사용의 급증으로 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제가 야기되고 있으며, 이에 의해, 열전소자(Thermoelectric Element)에 대한 관심이 높아지고 있다. 열전소자는 대기오염을 일으키는 원인물질의 하나인 프레온 가스 등을 대체하여 냉각수단으로 활용되고 있을 뿐만아니라, 제벡효과(Seebeck effect)에 의한 소형 발전기로도 널리 사용되고 있는 소자이다.

반도체(열전 반도체)를 매개로 금속이 상호 접지되어 형성된 루프에 전류를 흘리면 페르미 에너지 차이로 전위차가 발생하게 되고, 전자가 한쪽 금속 면에서 다른 쪽으로 이동하기 위해 필요한 에너지를 가지고 가기 때문에(흡열) 냉각이 일어나는 반면, 다른 금속 면은 상기 전가가 가지고 온 에너지만큼 열에너지를 내놓기 때문에(방열) 가열이 일어나는데, 이를 펠티어 효과(Peltier effect)라 하며 열전소자에 의한 냉각장치의 작동원리가 된다.

이때, 상기 반도체의 종류와 전류가 흐르는 방향에 따라 흡열과 방열의 위치가 결정되며, 재질에 따라 그 효과에도 차이가 발생한다.

도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 통상의 열전소자(10)는 n형 열전 반도체(11)와 p형 열전 반도체(12)가 금속층(15)에 의해 전기적으로 연결되며, 여기에 직류 전류가 가해지면, 열흡수층(13)에서는 흡열이 열방출층(14)에서는 방열이 일어난다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 전류의 방향에 의해 흡열과 방열의 위치는 변경될 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(11, 12)는 각각 복수 개 구비되어 서로 교대로 배열되며, 전기적으로는 서로 직렬로 연결된다. 이러한 직렬 연결 방식의 경우, 어느 하나의 열전 반도체 또는 금속층에 문제가 생긴다면 소자 전체가 작동하지 못하게 되는 문제가 생긴다.

본 발명의 목적은 일부 구성이 전기적으로 작동하지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 안정성이 높을 뿐만 아니라 열전 효율이 향상될 수 있는 열전소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의 pn접합; 상기 열흡수층과 열방출층에 접지되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 각각은 물질의 열전도도가 다를 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층의 온도의 차이에 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층에서 상기 열방출층으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으 로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질의 열전도도가 낮아질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn접합은 상기 열전소자의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 절연층은 세라믹 물질인 알루미나 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 열방출층에는 하면에 히트 싱크가 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합 각각에 전류가 흐름으로써, 상기 열흡수층에서 흡수된 열이 각각의 pn 접합을 통해 상기 열방출층으로 전달될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자에 전류가 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 열전소자에 의하면, 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 열전소자의 안정성을 제고할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 열전소자를 사용함으로써 인가 전압에 대한 의존도가 낮출 수 있으며, 열전 효율 역시 종래보다 향상될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 열전소자(100)는 열흡수층(108)과 열방출층(110) 사이에 배치되며 금속층(103)이 사이에 개재되어 pn 접합을 형성하는 n형 열전 반도체(101) 및 p형 열전 반도체(102), 상기 pn 접합들의 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에 배치된 절연층(104), 상기 열흡수층(108)과 열방출층(100)에 접지되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체(102, 101)와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(105, 106), 절연층(104) 및 히트싱크(112)를 포함할 수 있다.

상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질, 예컨대, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다. 상기 금속층(103)은 전류의 흐름이 원활히 이루어질 수 있도록 구리와 같은 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 전압을 인가하여 발생된 전류의 흐름에 의해 열을 일 측에서 타 측으로 흐르도록 할 수 있어 이를 열전 냉각기에 사용할 수 있다. 또한, 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)를 구비하는 구조물의 일 측과 타 측의 온도 를 달리할 경우에는 이로부터 발생한 에너지를 이용하여 전류를 발생시킬 수 있다.

상기 n형 열전 반도체(101), 금속층(103) 및 p형 열전 반도체(102)는 열전 기능을 수행하는 하나의 단위 구조에 해당하며, 이하에서는 이러한 하나의 단위 구조를 pn 접합으로 칭한다. 상기 pn 접합은 복수 개 구비되어 적층되며, 특히, 본 실시 형태의 경우, 하나의 pn 접합은 다른 pn 접합과 전기적으로 병렬 연결된다. 이는 종래의 pn 접합이 서로 직렬로 연결되는 것과 차이가 있으며, 도 3은 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타내고 있다. 이러한 병렬 연결 구조는 일부 pn 접합에 문제가 생기더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않는 장점을 제공한다. 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에는 절연층(104)이 개재되며, 상기 절연층(104)은 알루미나와 같은 세라믹 물질로 이루어진 세라믹층으로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 pn 접합들 각각은 열전소자(100)의 열흡수층(108)에서 열을 흡수하여 이를 열방출층(110)으로 방출할 수 있다.

구체적으로, 도 2를 기준으로 할 때, 열원으로부터 열이 흡수되는 열흡수층(108)으로부터 열이 흡수되고, 흡수된 열은 각각의 pn 접합 일 측에서 타 측으로 이동하여 열 방출층(110)으로 열이 방출된다. 상기 복수의 pn 접합은 상기 열전소자(100)의 열전달방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다.

이때, 열방출층(110)의 하면에는 히트싱크(112)가 형성되어 있어 열방출을 효율적으로 할 수 있도록 할 수 있다.

상기 p형 및 n형 열전 반도체(101, 102)와 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극(105, 106)에 전원 또는 저항 소자 등이 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 열흡수층(108) 및 히트 싱크(112)은 열 전도율이 좋은 금속으로 형성될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, pn 접합은 절연층(104)을 매개로 접촉하며, 상기 열전소자(100)의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다. 상기 절연층(104)은 세라믹층으로, 알루미나 등의 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연층(104)은 필수적인 요소가 아니며, 형태에 따라 제외되어 pn 접합들 사이에 공간이 형성될 수 있다.

또한, 본 실시 형태와 같이, pn 접합을 서로 대향되어 배치되는 제1 및 제2 전극(105, 106) 사이에서 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 각각 (+) 극성 및 (-) 극성의 전극을 연결할 경우, 전류의 흐름에 의해 상기 열흡수층(108)의 열은 상기 pn 접합을 거쳐 상기 히트 싱크(110)로 방출될 수 있다. 즉, 열흡수층(108)에서 열을 흡수한 각각의 pn 접합에서, 열은 공통 전극으로 제1 전극(105)에 접속한 상기 p형 열전 반도체(105)에서 공통 전극으로 제2 전극(106)을에 접속한 상기 n형 열전 반도체(101)를 거쳐 열방출층(110)으로 이동한다.

이는, 본 실시 형태에서 상기 pn 접합은 열적으로는 직렬, 전기적으로는 병렬로 연결된 것이라 할 수 있으며, 종래의 열전소자가 열적으로는 병렬, 전기적으로는 직렬로 연결된 것과 반대 방식에 해당한다.

한편, 열흡수층(108)이 흡수하는 열원은 온도가 균일하지 않을 수 있으며, 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102) 각각은 물질의 열전도도 다를 수 있다. 즉, 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층(108)의 온도의 차이를 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102)로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 고온부 측에 위치한 pn 접합을 저온부 위치한 pn 접합보다 고온용 열전 재료, 예컨대, 열전도도가 낮은 물질로 형성할 경우, 보다 효율적인 열전 성능을 얻을 수 있다. 즉, 도 2를 기준으로 할 때 열흡수층(108)의 중심이 측부보다 상대적으로 고온인 경우, 열흡수층(108)에서 열방출층(110)으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102)를 이루는 물질의 열전도도를 높게 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 각각 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)와 접촉하며, 상기 금속층(103)과 동일한 물질로 형성할 수 있다. 이 경우, 효율적인 접촉 구조를 얻기 위해, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 상기 열흡수층(108)과 열방출층(100)에서 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(105)은 상기 p형 열전 반도체(102)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치되며, 마찬가지로, 상기 제2 전극(106)은 상기 n형 열전 반도체(101)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치된다. 이 경우, 도 6에 도시된 구조와 같이, 상기 n형 열전 반도체(101) 및 상기 제2 전극(106) 사이와 상기 p형 열전 반도체(101) 및 상기 제1 전극(105) 사이에 각각 절연 물질(111)을 개재시킬 수 있다.

도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 것과 같이, 상기 열전소자(100)에 전원(120)을 연결하여 전류 흐름을 발생시킬 경우, 상부(고온부)의 열을 하부(저온부)로 방출시킬 수 있어 열전 냉각기로 이용할 수 있으며, 전원의 극성을 달리 하여 열의 흐름을 반대 방향으로 할 수도 있을 것이다.

이와 유사한 원리로 고온의 열 에너지는 전류를 발생시킬 수 있으며, 도 5에 도시된 열전 발전기에서 볼 수 있듯이, 열전소자(100)는 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자(140)를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자(140)에 전류가 흐르도록 할 수 있다.

도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 2의 실시 형태에서 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타낸다.

도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6은 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에서 채용될 수 있는 pn 접합을 나타내는 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: n형 열전 반도체 102: p형 열전 반도체

103: 금속층 104: 절연층

105, 106: 제1 및 제2 전극 108: 열흡수층

110: 열방출층

Claims

열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의 pn접합;

상기 열흡수층과 열방출층에 접지되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및

상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 각각은 물질의 열전도도가 다른 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층의 온도의 차이에 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층에서 상기 열방출층으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질의 열전도도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 복수의 pn접합은 상기 열전소자의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.
제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 절연층은 세라믹 물질인 알루미나 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 열방출층에는 하면에 히트 싱크가 연결되는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며,

상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합 각각에 전류가 흐름으로써, 상기 열흡수층에서 흡수된 열이 각각의 pn 접합을 통해 상기 열방출층으로 전달되는 것을 특징으로 하는 열전소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며,

상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자에 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 열전소자.