KR20120011626A - 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120011626A
KR20120011626A KR1020100073589A KR20100073589A KR20120011626A KR 20120011626 A KR20120011626 A KR 20120011626A KR 1020100073589 A KR1020100073589 A KR 1020100073589A KR 20100073589 A KR20100073589 A KR 20100073589A KR 20120011626 A KR20120011626 A KR 20120011626A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermoelectric
semiconductor material
laminated
thermoelectric element
sheets
Prior art date
Application number
KR1020100073589A
Other languages
English (en)
Inventor
이성호
김용석
오용수
구태곤
위성권
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
Priority to KR1020100073589A priority Critical patent/KR20120011626A/ko
Priority to US12/947,037 priority patent/US20120024335A1/en
Priority to JP2010271257A priority patent/JP2012033848A/ja
Publication of KR20120011626A publication Critical patent/KR20120011626A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

본 발명은 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 금속을 기 설정된 성분비로 혼합하여 P형 반도체 또는 N형 반도체를 시트 형태로 형성하는 단계; 시트를 기 설정된 열전 소자 스펙에 따라 커팅하는 단계; 기 설정된 성분비로 혼합되어 커팅된 동일 재료의 시트를 적층하는 단계; 및 적층된 시트를 압착하여 최종 열전 소자를 생성하는 단계;를 포함하여, 포논의 짧은 파장에 의한 산란현상이 각 층의 경계부분에서 발생하기 때문에, 이로 인해 포논의 산란이 활발히 이루어져 열전 소자의 열전 성능지수가 향상될 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.

Description

적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법{Multi-layered Thermoelectric device and Method of Manufacturing the same}
본 발명은 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일 재료로 이루어진 다수의 시트를 적층하는 구조로 열전 반도체를 형성하여 열전 소자의 열전 성능 지수를 향상시키기 위한 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
화석에너지 사용의 급증은 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제를 야기시키고 있어, 최근 에너지를 유효하게 이용할 수 있는 열전 모듈에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
여기에서, 열전모듈은 열전 소자의 양단에 온도차를 부여할 경우 기전력이 발생하는 제백(Seebeck) 효과를 기대할 수 있는 발전장치 또는 열전 소자에 직류를 인가할 경우 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어(Peltier) 효과를 이용하는 냉각 장치로 이용될 수 있다.
이와 같은 열전모듈은 상하부 전극과, 상하부 전극 사이에 배치된 열전 소자를 포함할 수 있다. 여기에서, 상하부 전극의 각 상면에는 열전 모듈을 지지하기 위한 기판이 배치된다. 이때, 기판은 우수한 전기 절연성을 갖는 알루미나 기판을 주로 사용하고 있다.
한편, 기존의 열전소재는 금속 원료를 일정 성분비로 혼합하여 기계적 합금화법에 의해 주로 제조되어 진다. 즉, 벌크형태의 열전 소자는 초기 용해, 파쇄, 소결이라는 기본적 공정을 이용하며, 여기에 토펀트를 첨가하여 P-타입 반도체 및 N-타입 반도체를 제조한다.
또한, 당업자는 열전성능을 향상시키기 위해 열전분말 입자의 미세화 및 소결 밀도 향상 등의 개발에 집중하고 있는 추세이다.
박막 공정에서는 각종 증착 기법을 통해 저차원화한 열전박막이나 초격자를 활용하여 열전성능지수 zT를 향상시키는 것에 집중하고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 열전 소자의 열전 성능지수를 향상시킬 수 있도록 하기 위한 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 적층형 열전 소자 제조 방법은, 열전 반도체 재료를 기 설정된 성분비로 혼합하여 P형 반도체 또는 N형 반도체를 시트 형태로 형성하는 단계; 상기 시트를 기 설정된 열전 소자 스펙에 따라 커팅하는 단계; 상기 기 설정된 성분비로 혼합되어 커팅된 동일 재료의 시트를 적층하는 단계; 및 적층된 시트를 압착하여 최종 열전 소자를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 동일 재료의 시트를 적층하는 단계는,
동일 재료로 이루어지고 동일 크기로 커팅된 다수의 시트를 적층하는 단계인 것이 바람직하다.
이에 더하여, 다수의 시트는, 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 최종 열전 소자는,
다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조인 것이 바람직하다.
또한, 열전 반도체 재료는, Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어진 것이 바람직하다.
이에 더하여, 상기 열전 반도체 재료는, ZnxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖는 것이 바람직하다.
다른 본 발명의 적층형 열전 소자는, 동일한 열전 반도체 재료로 이루어지고, 동일한 크기로 커팅된 다수의 시트가 적층된 구조이며, 상기 열전 반도체 재료는 P형 반도체 재료 또는 N형 반도체 재료일 수 있다.
또한, 다수의 시트는, 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 열전 소자는, 다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조인 것이 바람직하다.
이에 더하여, 열전 반도체 재료는, Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 열전 반도체 재료는, ZnxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법은 포논의 짧은 파장에 의한 산란현상이 각 층의 경계부분에서 발생하기 때문에, 이로 인해 포논의 산란이 활발히 이루어져 열전 소자의 열전 성능지수가 향상될 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 세라믹 공정을 이용하여 적층함에 따라, 기존의 박막 공정에서 사용되는 이종간의 초격자에 비해, 열전 반도체를 대량 생산할 수 있기 때문에, 이에 대한 생산 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 적층형 열전 소자가 실장된 기판을 나타내는 도면,
도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 적층형 열전 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 적층형 열전 소자를 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 의한 적층형 열전 소자가 실장된 기판을 나타내는 도면이다.
도시하는 바와 같이, 적층형 열전 소자(100)는 동일한 열전 반도체 재료로 이루어지고, 동일한 크기로 커팅된 다수의 시트가 적층된 구조이다.
이러한 구조는, 열전 소자(100)의 성능을 향상시키기 위해서 동일 재료의 벌크/후막 두께를 여러층의 얇은 후막/벌크 층으로 제조하여 전자의 이동은 원상태로 유지하면서, 포논의 이동에는 제한을 가할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상술한 열전 소자(100)는 동일 재료로 이루어진 다수의 시트를 적층하는 공정을 반영하기 때문에, 공정 절차를 간소화할 수 있다. 즉, 본 발명의 적층형 열전 소자(100)는 각각의 시트가 동일 재료로 이루어진 것이다.
여기에서, 열전 반도체 재료는 P형 반도체 재료 또는 N형 반도체 재료일 수 있다.
또한, 다수의 시트는 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성할 수 있다.
이에 더하여, 열전 반도체 재료는 Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어질 수 있다.
또한, 열전 반도체 재료는 ZnxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖도록 할 수 있다.
한편, 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖도록 할 수 있다.
열전 소자(100)는 다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조일 수 있다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 상술한 구조의 열전 소자(100)가 다른 전자 부품(130)들과 기판(120) 상에 실장될 수 있다.
한편, 일반적인 열전 소자의 열전성능지수는 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기에서, zT는 열전성능지수이고, α는 제벡 계수이며, σ는 전기전도도이고, k는 열전도도이며, T는 온도를 의미한다.
수학식 1에서 나타나는 것과 같이, 열전도도와 전기전도도는 서로 상호 연관성을 갖고 있다. 또한, 전자는 열과 전기를 함께 이동시키며, 포논은 열을 이동시키는 매체이다.
수학식 1에서와 같이, 전기전도도와 열전도도는 서로 반비례 관계이기 때문에, 열전성능지수인 zT를 향상시키기 위해서는 열전 소자의 끝단에서 반대편 끝단으로 전자를 잘 이동시켜야 하며, 이를 위해 포논을 산란시켜야 한다.
상기 포논의 파장은 1nm, 전자의 파장은 10~100nm이다.
본 발명에서 개시하는 열전 소자(100)의 구조는 동일 재료로 이루어진 다수의 시트를 적층하는 구조이기 때문에, 각 층의 경계부분에서 포논의 짧은 파장에 의한 산란현상이 발생하며, 이로 인해 열전성능지수 zT가 향상되는 효과가 발생하는 것이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 적층형 열전 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 공정도이다.
먼저, 본 발명에 의한 적층형 열전 소자(100)는 도 2에서 도시하는 바와 같이, 열전 반도체 재료를 기 설정된 성분비로 혼합하여, 도 3에서 도시하는 바와 같이, P형 반도체 또는 N형 반도체를 시트(110) 형태로 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 솔벤트(Solvent)(a), 바인더(Binder)(b), 파우더(Powder)(c)를 혼합할 수 있다.
여기에서, 열전 반도체 재료는 Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어질 수 있다.
또한, 열전 반도체 재료는 ZnxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖을 수 있다.
이에 더하여, 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며, 여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖을 수 있다.
또한, 열전 소자(100)를 위한 시트(110)는 공지된 다양한 기술을 통해 형성할 수 있다.
이후, 도 4에서 도시하는 바와 같이, 시트(110)를 열선 기술 등을 통해 건조할 수 있으며, 건조 방법은 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도시하지 않았지만, 시트(110)를 기 설정된 열전 소자 스펙에 따라 커팅할 수 있다.
이후, 도 5 a) 및 도 5 b)에서 도시하는 바와 같이, 기 설정된 성분비로 혼합되어 커팅된 동일 재료의 시트(101-1, ~ 101-n)를 적층할 수 있다.
여기에서, 시트를 적층하는 단계는, 동일 재료로 이루어지고 동일 크기로 커팅된 다수의 시트를 적층하는 단계일 수 있다.
도 6 a) 및 도 6 b)에서 도시하는 바와 같이, 적층된 시트를 압착하여 최종 열전 소자(100)를 생성할 수 있다.
여기에서, 적층된 다수의 시트는, 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성할 수 있다.
한편, 최종 열전 소자는 도 5 b) 및 도 6 a)에서 도시하는 바와 같이, 다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 열전 소자
120 : 기판
140 : 전자 부품

Claims (13)

  1. 열전 반도체 재료를 기 설정된 성분비로 혼합하여 P형 반도체 또는 N형 반도체를 시트 형태로 형성하는 단계;
    상기 시트를 기 설정된 열전 소자 스펙에 따라 커팅하는 단계;
    상기 기 설정된 성분비로 혼합되어 커팅된 동일 재료의 시트를 적층하는 단계; 및
    적층된 시트를 압착하여 최종 열전 소자를 생성하는 단계;
    를 포함하는 적층형 열전 소자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    동일 재료의 시트를 적층하는 단계는,
    동일 재료로 이루어지고 동일 크기로 커팅된 다수의 시트를 적층하는 단계인 적층형 열전 소자 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 시트는, 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성하는 적층형 열전 소자 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최종 열전 소자는,
    다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조인 적층형 열전 소자 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어진 적층형 열전 소자 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, ZnxSby로 이루어지며,
    여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖는 적층형 열전 소자 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며,
    여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖는 적층형 열전 소자 제조 방법.
  8. 동일한 열전 반도체 재료로 이루어지고, 동일한 크기로 커팅된 다수의 시트가 적층된 구조이며,
    상기 열전 반도체 재료는 P형 반도체 재료 또는 N형 반도체 재료인 적층형 열전 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 시트는, 후막 공정을 통하여 각각 100㎛ 내지 1000㎛ 두께가 되도록 형성하는 적층형 열전 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열전 소자는,
    다수의 시트가 바닥면을 기준으로 수평 방향으로 적층된 구조인 적층형 열전 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어진 적층형 열전 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, ZnxSby로 이루어지며,
    여기서, x/y는 0.5 내지 1.5를 갖는 적층형 열전 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 열전 반도체 재료는, CoxSby로 이루어지며,
    여기서, x/y는 0.1 내지 1.0를 갖는 적층형 열전 소자.
KR1020100073589A 2010-07-29 2010-07-29 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법 KR20120011626A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100073589A KR20120011626A (ko) 2010-07-29 2010-07-29 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법
US12/947,037 US20120024335A1 (en) 2010-07-29 2010-11-16 Multi-layered thermoelectric device and method of manufacturing the same
JP2010271257A JP2012033848A (ja) 2010-07-29 2010-12-06 積層型熱電素子及びその製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100073589A KR20120011626A (ko) 2010-07-29 2010-07-29 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120011626A true KR20120011626A (ko) 2012-02-08

Family

ID=45525471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100073589A KR20120011626A (ko) 2010-07-29 2010-07-29 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20120024335A1 (ko)
JP (1) JP2012033848A (ko)
KR (1) KR20120011626A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015026159A1 (ko) * 2013-08-20 2015-02-26 엘지이노텍 주식회사 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2015026151A1 (ko) * 2013-08-20 2015-02-26 엘지이노텍 주식회사 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치
KR20190058232A (ko) 2017-11-20 2019-05-29 금오공과대학교 산학협력단 열전소자를 이용한 온도 가감 제어 장치

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11121815A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Seiko Instruments Inc 熱電素子
CN101681977B (zh) * 2007-06-22 2012-05-23 株式会社村田制作所 热电转换元件、热电转换模块及热电转换元件的制造方法
JP2009289911A (ja) * 2008-05-28 2009-12-10 Ngk Insulators Ltd 熱電半導体材料の製造方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015026159A1 (ko) * 2013-08-20 2015-02-26 엘지이노텍 주식회사 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2015026151A1 (ko) * 2013-08-20 2015-02-26 엘지이노텍 주식회사 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치
US9947854B2 (en) 2013-08-20 2018-04-17 Lg Innotek Co., Ltd. Thermoelectric module, and heat conversion apparatus comprising the same
US10326070B2 (en) 2013-08-20 2019-06-18 Lg Innotek Co., Ltd. Thermoelectric module, and heat conversion apparatus comprising the same
US10903410B2 (en) 2013-08-20 2021-01-26 Lg Innotek Co., Ltd. Thermoelectric module, and heat conversion apparatus comprising the same
KR20190058232A (ko) 2017-11-20 2019-05-29 금오공과대학교 산학협력단 열전소자를 이용한 온도 가감 제어 장치

Also Published As

Publication number Publication date
US20120024335A1 (en) 2012-02-02
JP2012033848A (ja) 2012-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2012124469A (ja) 熱電素子及び熱電モジュール
CA2840059C (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion power generation device
KR102561218B1 (ko) 열전모듈
JP5603495B2 (ja) ナノ粒子がドープされた熱電素子を含む熱電モジュール及びその製造方法
US20120145214A1 (en) Thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion module using same
JP4668233B2 (ja) 熱電変換素子及び熱電変換モジュール並びに熱電変換モジュールの製造方法
KR20150021367A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
KR20160117944A (ko) 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
US20130008479A1 (en) Thermoelectric element design
KR20120011626A (ko) 적층형 열전 소자 및 이의 제조 방법
US20140130839A1 (en) Structure useful for producing a thermoelectric generator, thermoelectric generator comprising same and method for producing same
JP2009194309A (ja) 熱電モジュール
RU2628676C1 (ru) Термоэлектрический элемент
US20140360549A1 (en) Thermoelectric Module and Method of Making Same
KR20160115430A (ko) 열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
WO2010058526A1 (ja) 熱発電デバイスおよびそれを用いた発電方法
JP7293116B2 (ja) 熱電焼結体および熱電素子
KR102441699B1 (ko) 열전 소자
JP2009218320A (ja) 熱発電デバイス素子
KR102271221B1 (ko) 열전 소자
US20120145211A1 (en) Thermoelectric device and method of manufacturing the same
JP2009289860A (ja) 熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法
KR102367202B1 (ko) 열전 소자
KR20180091197A (ko) 열전 소자
KR102355281B1 (ko) 열전 소자

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application