KR20130047322A - The thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A thermoelectric device with an improved thermoelectric property is provided to improve thermoelectric performance by maintaining a composition ratio of thermoelectric materials which are initially inputted. CONSTITUTION: Materials including two or more elements selected among a group of Bi, Te, Sb, and Se are weighted. The weighted materials are inputted to a furnace. An ingot is made by melting, cooling, and quenching the materials. One or more elements selected among the group of Bi, Te, Sb, and Se are added to the ingot. Thermoelectric powder is prepared by grinding and pulverizing the ingot and the materials. The thermoelectric powder is sintered. [Reference numerals] (AA) Input to a furnace by weighting materials; (BB) Make an ingot by melting, cooling, and quenching the materials; (CC) Add materials to the ingot; (DD) Make thermoelectric powder by grinding and pulverizing the ingot and the added materials; (EE) Sinter the thermoelectric powder; (FF) Thermoelement

Description

열전 특성이 향상된 열전 소자 {The thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics}Thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics

본 발명은 열전 특성이 향상된 열전 소자의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics.

일반적으로 열전소자란 소자 양단 간에 온도 차를 주었을 때 전기에너지가 생기고, 반대로 소자에 전기에너지를 주었을 때 소자 양단 간에 온도 차가 생기는 에너지 변환 물질을 말한다.In general, a thermoelectric element refers to an energy conversion material in which electrical energy is generated when a temperature difference is applied between both ends of a device, and conversely, a temperature difference is generated between both ends of an element when an electric energy is applied to the device.

열전 소자의 효율은 무차원의 ZT값인 다음의 식으로 정의될 수 있다. The efficiency of the thermoelectric element can be defined by the following equation, which is a dimensionless ZT value.

Figure pat00001
(S: 제백 계수, σ: 전기전도도, κ: 열전도도)
Figure pat00001
(S: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity)

상기 ZT값은 전기전도도, 제백계수에는 비례하며, 열전도도에는 반비례 관계에 있다. The ZT value is proportional to the electrical conductivity and the Seebeck coefficient, and inversely related to the thermal conductivity.

최근, Bi-Te계 열전소자는 상온에서의 우수한 열전성능으로 인하여 고집적 소자 및 각종 센서 등의 방열문제를 해결하기 위한 수단으로써 사용되고 있으며, 주로 일방향응고법이나 단결정성장법에 의해 제조되고 있다. 그러나 일방향응고법 또는 단결정성장법 등 주조법에 의한 열전소자는 우수한 열전성능에도 불구하고 가공 및 모듈의 제조시 회수율 감소에 의한 제조단가의 상승으로 인하여 고비용이 드는 단점이 있다.Recently, Bi-Te-based thermoelectric devices have been used as a means for solving heat dissipation problems of high-integrated devices and various sensors due to their excellent thermoelectric performance at room temperature, and are mainly manufactured by unidirectional solidification or single crystal growth. However, the thermoelectric element by the casting method such as the one-way solidification method or the single crystal growth method has a disadvantage of high cost due to the increase in the manufacturing cost due to the reduction of the recovery rate during processing and manufacturing of the module despite the excellent thermoelectric performance.

상기와 같은 주조법의 문제점을 극복하기 위하여 기계적 강도가 우수하며, 성능 및 제조단가 면에서 유리한 것으로 기대되는 분말야금공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In order to overcome the problems of the casting method as described above, the research on powder metallurgy, which is excellent in mechanical strength and expected to be advantageous in terms of performance and manufacturing cost, is being actively conducted.

상기 분말야금공정은 재료를 용융 및 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 상기 잉곳(ingot)을 파쇄 및 분쇄하여 분말을 얻고 상기 분말을 가압, 성형한 다음 녹는점 이하의 온도로 가열하여 응고(소결)시킴으로써 목적하는 형태의 제품을 얻는 방법이다. In the powder metallurgy process, an ingot is manufactured by melting and quenching or quenching a material, and then crushing and pulverizing the ingot to obtain a powder, and pressurizing and shaping the powder. It is a method of obtaining the product of the desired form by heating to temperature and solidifying (sintering).

그러나, 분말야금공정을 이용하여 Bi-Te계 열전 소자를 제조한다 하더라도 잉곳(ingot)제조하기 위하여 재료를 용융하는 동안 재료가 휘발되어 초기에 아무리 정확한 함량을 칭량하여 재료를 노에 투입하였다 하더라도 열전 성능이 우수한 열전 소자를 얻기가 어렵다. However, even if a Bi-Te-based thermoelectric device is manufactured using a powder metallurgy process, the material is volatilized during melting of the material to manufacture an ingot. It is difficult to obtain a thermoelectric element having good performance.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, research to solve this problem is urgently required.

본 발명은 열전 특성이 향상된 열전 소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics.

구체적으로 본 발명은 잉곳(ingot)의 제조하기 위하여 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 용융할 때 휘발되는 재료들을 잉곳(ingot)의 제조 후 추가하여, 초기에 투입한 열전 재료들의 조성비를 유지함으로써 열전 성능이 향상된 열전 소자의 제공을 목적으로 한다.
Specifically, the present invention is to add a material that is volatilized after the production of the ingot (ingot) when melting the material comprising at least two selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se for the production of ingot (ingot), An object of the present invention is to provide a thermoelectric device having improved thermoelectric performance by maintaining a composition ratio of initially introduced thermoelectric materials.

본 발명은 다음 단계를 포함하는 열전 소자의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric device comprising the following steps.

(a) Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 칭량하여 노(furnace)에 투입하는 단계;(a) weighing materials comprising at least two selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se and introducing them into a furnace;

(b) 상기 재료들을 용융하고 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조하는 단계;(b) melting the furnace and quenching or quenching the ingot to produce an ingot;

(c) 상기 잉곳(ingot)에 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료를 추가하는 단계; (c) adding at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se to the ingot;

(d) 상기 (c) 단계의 잉곳(ingot)과 재료를 함께 파쇄 및 분쇄하여 열전 분말을 준비하는 단계; 및 (d) crushing and grinding the ingot and material of step (c) together to prepare thermoelectric powder; And

(e) 상기 열전 분말을 소결하는 단계;
(e) sintering the thermoelectric powder;

상기 (c) 단계에서 추가되는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료의 양은, (a) 단계에서 첨가된 재료 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 1.0 중량부일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The amount of one or more materials selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se added in step (c) may be 0.01 to 1.0 part by weight based on 100 parts by weight of the material added in step (a), but is not limited thereto. It doesn't happen.

본 발명에 따른 열전 소자의 제조방법은 상기 (a) 단계에서 Bi, Sb 및 Te의 재료를 사용하여 BixSb2 - xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖도록 칭량하여 노(furnace)에 투입함으로써 P형 열전 소자를 제조할 수 있으며, 상기 (a) 단계에서 Bi, Se 및 Te의 재료를 사용하여 Bi2TeySe3 -y(상기 y는 0 < x < 3)의 조성을 갖도록 칭량하여 노(furnace)에 투입함으로써 N형 열전 소자를 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 재료들에 공지의 재료들을 더 포함할 수 있다. In the method of manufacturing a thermoelectric device according to the present invention, in the step (a), Bi x Sb 2 - x Te 3 (where x is 0 <x <2) is weighed using a material of Bi, Sb and Te, The P-type thermoelectric device may be manufactured by adding the same to the furnace, and in step (a), Bi 2 Te y Se 3 -y using the materials of Bi, Se, and Te (where y is 0 <x <3). The N-type thermoelectric device may be manufactured by weighing to have a composition of and introducing the same into a furnace, but is not limited thereto. The materials may further include known materials.

상기 (a) 단계의 재료들은 비드(bead) 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The material of step (a) may be in the form of beads, but is not limited thereto.

상기 (a) 단계의 재료들은 칭량 후 석영(quartz)관, 실리카 관 및 파이렉스 관으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 관에 담아, 진공 또는 불활성 분위기로 만든 후 밀봉될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The material of step (a) may be contained in one of the tubes selected from the group consisting of quartz, silica and pyrex tubes after weighing, and may be sealed after vacuum or inert atmosphere, but is not limited thereto. .

상기 불활성 분위기는 He, N2, Ne, Ar 및 Kr로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 기체 분위기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The inert atmosphere may be at least one gas atmosphere selected from the group consisting of He, N 2 , Ne, Ar, and Kr, but is not limited thereto.

상기 (b) 단계에서 재료들은 600~1000℃의 온도에서 8~12시간 동안 용융될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the step (b), the materials may be melted for 8 to 12 hours at a temperature of 600 to 1000 ° C., but is not limited thereto.

상기 (c) 단계에서 추가되는 재료는 파우더(powder) 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The material added in step (c) may be in the form of a powder, but is not limited thereto.

상기 (d) 단계는 볼 밀(Ball Mill) 공정으로 진행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The step (d) may proceed to a ball mill process, but is not limited thereto.

상기 (e) 단계에서 소결은 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the step (e), the sintering may be performed by a hot press method or a spark plasma sintering method, but is not limited thereto.

본 발명은 또한, 금속전극이 형성되어 서로 대향하는 상부 및 하부 절연기판과, 상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 다수의 열전 소자를 포함하되, 상기 열전 소자는 본 발명에 따라 제조된 열전 소자이며, 상기 열전 소자는 상부 및 하부 절연기판의 금속전극을 매개로 직렬 연결되는 열전모듈을 제공한다.The present invention also includes a plurality of thermoelectric elements formed between the upper and lower insulating substrates and the upper and lower insulating substrates to which metal electrodes are formed, and the thermoelectric elements are thermoelectric devices manufactured according to the present invention. The thermoelectric device provides a thermoelectric module connected in series via metal electrodes of upper and lower insulating substrates.

상기 열전모듈은 본 발명에 따라 제조된 열전 소자를 금속전극이 형성된 상부 및 하부 절연기판 상에 교대로 배열하여 전기적으로 연결하여 제조한다.
The thermoelectric module is manufactured by alternately arranging the thermoelectric elements manufactured according to the present invention on the upper and lower insulating substrates on which metal electrodes are formed and electrically connecting them.

본 발명은 잉곳(ingot)의 제조하기 위하여 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 용융할 때 휘발되는 재료들을 잉곳(ingot)의 제조 후 추가하여, 초기에 투입한 열전 재료들의 조성비를 유지함으로써 열전 성능이 향상된 열전 소자를 제공할 수 있다.
The present invention initially adds the volatilized materials after the production of the ingot to melt the materials comprising two or more selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se for the production of the ingot, By maintaining the composition ratio of the injected thermoelectric materials, it is possible to provide a thermoelectric device having improved thermoelectric performance.

도 1은 본 발명의 열전 소자를 제조하는 과정을 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 P형 열전 소자(비교예 1) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 열전 소자(실시예 1)의 온도에 따른 ZT값을 측정한 그래프이다.
도 3는 종래 기술에 따른 N형 열전 소자(비교예 2) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 N형 열전 소자(실시예 2)의 온도에 따른 ZT값을 측정한 그래프이다.
1 schematically illustrates a process of manufacturing a thermoelectric device of the present invention.
2 is a graph measuring ZT values according to temperatures of a P-type thermoelectric device (Comparative Example 1) and a P-type thermoelectric device (Example 1) according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph measuring ZT values according to temperatures of an N-type thermoelectric element (Comparative Example 2) and an N-type thermoelectric element (Example 2) according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 열전 성능이 향상된 열전 소자를 제조하는 방법을 제공한다. The present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric device having improved thermoelectric performance.

구체적으로 상기 열전 소자는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 용융 및 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 상기 잉곳(ingot)을 파쇄 및 분쇄하여 얻은 열전 분말을 소결하여 제조하게 된다.Specifically, the thermoelectric device is manufactured by melting and furnace cooling or quenching a material including two or more selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se, and then forming the ingot. It is prepared by sintering the thermoelectric powder obtained by crushing and grinding.

이때, 상기 재료들은 제조하려는 열전 소자에 따라 각 재료들을 칭량하여 용융하게 되나, 용융 과정에서 상기 재료들의 일부가 휘발되어 초기 재료들의 함량이 달라지게 되는 문제가 발생한다. At this time, the materials are melted by weighing each material according to the thermoelectric element to be manufactured, but a portion of the material is volatilized during the melting process, the content of the initial material is changed.

본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여, 휘발되는 재료들을 잉곳(ingot)의 제조 후에 추가하며, 이로써 열전 성능이 향상된 열전 소자를 제조할 수 있다. In the present invention, in order to solve the above problems, volatilized materials are added after fabrication of an ingot, thereby manufacturing a thermoelectric device having improved thermoelectric performance.

본 발명에 따른 열전 소자의 제조방법은 다음 단계들을 포함하며, 도 1에 열전 소자의 제조과정을 모식적으로 도시하였다. The method of manufacturing a thermoelectric device according to the present invention includes the following steps, and a manufacturing process of the thermoelectric device is schematically illustrated in FIG. 1.

(a) Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 칭량하여 노(furnace)에 투입하는 단계;(a) weighing materials comprising at least two selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se and introducing them into a furnace;

(b) 상기 재료들을 용융하고 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조하는 단계;(b) melting the furnace and quenching or quenching the ingot to produce an ingot;

(c) 상기 잉곳(ingot)에 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료를 추가하는 단계; (c) adding at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se to the ingot;

(d) 상기 (c) 단계의 잉곳(ingot)과 재료를 함께 파쇄 및 분쇄하여 열전 분말을 준비하는 단계; 및 (d) crushing and grinding the ingot and material of step (c) together to prepare thermoelectric powder; And

(e) 상기 열전 분말을 소결하는 단계;
(e) sintering the thermoelectric powder;

본 발명에 따른 열전 소자는 P 형 또는 N 형의 열전 소자 일 수 있다.The thermoelectric element according to the present invention may be a P-type or N-type thermoelectric element.

상기 P형의 열전 소자를 제조하기 위하여는 상기 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 Bi, Sb 및 Te의 재료를 선택하고, BixSb2 - xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖도록 칭량하여 노(furnace)에 투입하며,In order to manufacture the P-type thermoelectric element, a material of Bi, Sb and Te is selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se, and Bi x Sb 2 - x Te 3 (where x is 0 <x < 2) is weighed to have a composition of 2) and put into a furnace,

상기 N형의 열전 소자를 제조하기 위하여는 상기 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 Bi, Se 및 Te의 재료를 선택하고, Bi2TeySe3 -y(상기 y는 0 < x < 3)의 조성을 갖도록 칭량하여 노(furnace)에 투입할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 재료들에 공지의 재료들을 더 포함할 수 있다. In order to manufacture the N-type thermoelectric element, a material of Bi, Se, and Te is selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se, and Bi 2 Te y Se 3 -y (where y is 0 <x < It may be weighed to have a composition of 3) and added to the furnace, but is not limited thereto and may further include known materials in the materials.

상기 (a) 단계에서 재료들은 비드(bead)형태인 것을 칭량하여 석영(quartz)관, 실리카 관 또는 파이렉스 관에 담을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In step (a), the materials may be weighed in a bead form and contained in a quartz tube, a silica tube, or a Pyrex tube, but are not limited thereto.

상기 (a) 단계에서 재료들은 석영(quartz)관, 실리카 관 또는 파이렉스 관 등에 담겨, 진공 또는 불활성 분위기 하에서 밀봉된 후, 노(furnace)에 투입될 수 있으며, 이와 같이 진공 또는 불활성 분위기 하에서 밀봉되는 경우 재료들이 노(furnace)내에서 용해 시 성분원소의 산화가 억제되어 바람직하다.  In the step (a), the materials may be enclosed in a quartz tube, a silica tube or a Pyrex tube, sealed in a vacuum or inert atmosphere, and then put into a furnace, and thus sealed in a vacuum or inert atmosphere. In this case, it is preferable that the materials are inhibited from being oxidized when the materials are dissolved in the furnace.

상기 불활성 분위기는 He, N2, Ne, Ar 및 Kr로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 기체 분위기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The inert atmosphere may be at least one gas atmosphere selected from the group consisting of He, N 2 , Ne, Ar, and Kr, but is not limited thereto.

상기 설명한 바와 같이 (a) 단계를 거쳐 P형 또는 N형 열전소자를 제조하기 위한 재료들을 노(furnace)에 투입한다.
As described above, through the step (a), materials for manufacturing a P-type or N-type thermoelectric element are introduced into a furnace.

상기 (b) 단계에서는 노(furnace)에 투입된 P형 또는 N형 열전소자를 제조하기 위한 재료들을 용융하고 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조한다. In the step (b), ingots are manufactured by melting and furnace-quenching or quenching materials for manufacturing P-type or N-type thermoelectric elements put into a furnace.

상기 재료들은 600~1000℃의 온도에서 8~12시간 동안 용융되는 것이 바람직하며, 만일 상기 온도 범위 및 시간 범위 미만으로 용융이 이루어지는 경우 재료들의 일부가 용융되지 않고 덩어리로 남아있거나 원하는 조성으로 재료의 합성이 이루어질 수 없으며, 만일 상기 온도 범위 및 시간 범위를 초과하여 용융이 이루어지는 경우 재료들의 성분원소의 휘발이 매우 증가되어 바람직하지 못하다. The materials are preferably melted for 8 to 12 hours at a temperature of 600 to 1000 ° C., and if the melting occurs below the temperature range and time range, some of the materials remain unmelted and become agglomerates or have a desired composition. Synthesis cannot be achieved and if the melting takes place beyond the above temperature and time ranges, the volatilization of the component elements of the materials is greatly increased, which is undesirable.

상기 재료들의 용융이 완료되면 냉각을 하는데 여기서 냉각은 노냉 또는 급냉(quenching)일 수 있으며, 상기 노냉이란 노내 냉각(furnace cooling)이라고도 불리며, 재료들을 노(furnace) 안에서 서서히 냉각하는 것을 의미하며, 상기 급냉(quenching)은 고온의 금속 또는 합금을 물 또는 기름 속에 담금으로써, 임계 영역 이상에서 냉각시키는 것을 의미한다.
When the melting of the materials is completed, the cooling is performed, where the cooling may be furnace cooling or quenching, which is also called furnace cooling, and means cooling the materials slowly in the furnace. Quenching means cooling a temperature above a critical region by immersing a hot metal or alloy in water or oil.

상기 (c) 단계는 본 발명에 따른 열전 성능이 향상된 열전 소자를 제조할 수 있도록 하는 단계로, 상기 (b) 단계를 거쳐 제조된 잉곳(ingot)에 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료를 추가하여 초기에 (a) 단계에서 칭량된 재료들의 조성비를 유지할 수 있다. The step (c) is to make a thermoelectric device with improved thermoelectric performance according to the present invention, in the group consisting of Bi, Te, Sb and Se in the ingot (ingot) manufactured through the step (b) One or more materials selected may be added to maintain the composition ratio of the materials initially weighed in step (a).

상기 (c) 단계에서 추가되는 재료의 형태는 당 업계에서 사용되는 형태의 것을 사용하는 것이 가능하며, 특히 파우더(powder) 형태인 것이 적은 양을 정확하게 칭량하여 추가하는 것이 가능하기 때문에 바람직하다. The form of the material added in the step (c) can be used in the form used in the art, it is particularly preferred because it is possible to accurately weigh and add a small amount of powder (powder).

상기 (c) 단계에서 추가되는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료의 양은, 추가되는 재료에 따라 달라지겠지만 통상 (a) 단계에서 첨가된 재료 100중량부를 기준으로 0.01 내지 1.0 중량부인 것이 적당하며, 이 범위 내에서 추가되는 경우 (b) 단계에서 재료들을 용융 시 휘발되는 성분원소들을 보충하게 된다. The amount of at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se added in step (c) will vary depending on the material added, but is usually from 0.01 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the material added in step (a) 1.0 parts by weight is appropriate, and if added within this range, it compensates for the component elements volatilized upon melting the materials in step (b).

상기 (c) 단계에서 추가되는 재료로는 Te 재료 및 Se 재료가 바람직하며, 특히 Te 재료를 추가하는 것이 더욱 바람직하다. As the material added in the step (c), Te material and Se material are preferable, and Te material is particularly preferable.

초기에 투입하는 Bi, Te, Sb 및 Se 재료들 중 특히 Te 재료 및 Se 재료를 (c) 단계를 통해 잉곳(ingot)에 추가해주는 것이 바람직한 이유는 Bi, Te, Sb 및 Se 원소의 끓는점과 증기압에 관련이 있다. Among the initially added Bi, Te, Sb and Se materials, the addition of Te and Se materials to the ingot through step (c) is preferable because the boiling point and vapor pressure of Bi, Te, Sb and Se elements Is related to.

상기 Bi의 끓는점은 1564℃이며, 상기 Sb의 끓는점은 1587℃이므로 (b) 단계에서 재료들을 용융하는 온도인 600~1000℃의 범위에서는 휘발되는 함량이 극소량인 반면, 상기 Te 및 Se의 끓는점은 각각 988℃ 및 685℃ 이므로 (b) 단계에서 재료들을 용융하는 온도인 600~1000℃의 범위에서 휘발되며, 초기 P형 또는 N형 열전 소자를 제조하기 위하여 칭량된 열전 재료들의 조성비가 달라지게 된다. Since the boiling point of Bi is 1564 ° C. and the boiling point of Sb is 1587 ° C., the boiling point of Te and Se is very small while the volatilization content is very small in the range of 600-1000 ° C., which is a temperature at which materials are melted in step (b). Since it is 988 ° C and 685 ° C, respectively, the volatilization is performed in the range of 600 to 1000 ° C, which is a temperature at which the materials are melted in step (b), and the composition ratio of the thermoelectric materials weighed in order to manufacture an initial P-type or N-type thermoelectric element is changed. .

이 중에서도 특히 Te의 경우 증기압이 고온에서 상당히 낮아 휘발성이 매우 크고, Te는 통상적으로 P형 및 N형 열전 소자의 제조과정에 모두 포함되므로 Te의 휘발은 열전 소자의 열전 성능을 저하시키는데 큰 작용 요건이다. Among them, Te has a very high volatility due to its low vapor pressure at high temperatures, and Te is usually included in the manufacturing process of P-type and N-type thermoelectric devices, so volatilization of Te is a great requirement for reducing the thermoelectric performance of thermoelectric devices. to be.

따라서, 본 발명에서는 (c) 단계를 통하여 잉곳(ingot)에 Te 재료 및 Se 재료를 더 첨가하며, 특히 Te 재료를 첨가하여 열전 성능이 향상된 열전 소자를 제공할 수 있게 된다.
Therefore, in the present invention, the Te material and the Se material are further added to the ingot through step (c), and in particular, the Te material is added to provide a thermoelectric device having improved thermoelectric performance.

상기 (d) 단계는 (c) 단계의 잉곳(ingot)과 재료를 함께 파쇄 및 분쇄하여 열전 분말을 준비하는 단계로 상기 파쇄 및 분쇄는 당 업계의 통상의 방식에 따라 이루어질 수 있으며, 비제한적 예로 볼 밀(Ball Mill) 공정으로 진행될 수 있다.
Step (d) is a step of preparing a thermoelectric powder by crushing and pulverizing the ingot and the material of step (c) together, the crushing and pulverization may be performed according to a conventional method in the art, non-limiting examples The ball mill process can be performed.

상기 (e) 단계는 (d) 단계의 열전 분말을 소결하여 열전 소자를 제조하는 단계로, 상기 소결은 당 업계의 통상의 방식에 따라 이루어질 수 있으며, 그 예로 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법이 이용될 수 있다.
Step (e) is a step of manufacturing a thermoelectric device by sintering the thermoelectric powder of step (d), the sintering may be performed according to a conventional method in the art, for example, a hot press method or press Spark Plasma Sintering method may be used.

본 발명은 또한, 상기 열전 성능이 향상된 열전 소자를 포함하는 열전모듈을 제공한다. The present invention also provides a thermoelectric module including a thermoelectric device having improved thermoelectric performance.

상기 열전 소자를 포함하는 열전 모듈은 당 업계에서 통상적으로 채택하는 방식에 따라 구현될 수 있으나, 비제한적 예로, 금속전극이 형성되어 서로 대향하는 상부 및 하부 절연기판과, 상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 다수의 열전 소자를 포함하되, 상기 열전 소자는 본 발명에 따라 제조된 열전 소자이며, 상기 열전 소자는 상부 및 하부 절연기판의 금속전극을 매개로 직렬 연결되어 있는 구조일 수 있다.The thermoelectric module including the thermoelectric element may be implemented according to a method conventionally employed in the art, but is not limited thereto. For example, a metal electrode may be formed between upper and lower insulating substrates facing each other, and the upper and lower insulating substrates. Including a plurality of thermoelectric elements, the thermoelectric element is a thermoelectric element manufactured according to the present invention, the thermoelectric element may have a structure that is connected in series through the metal electrode of the upper and lower insulating substrate.

상기 열전 모듈은 당 업계의 통상의 방식으로 제조될 수 있으며, 그 예로 본 발명에 따라 제조된 열전 소자를 금속전극이 형성된 상부 및 하부 절연기판상에 교대로 배열하여 전기적으로 연결하는 방식으로 열전 모듈을 제조하는 것을 들 수 있다.
The thermoelectric module may be manufactured in a conventional manner in the art. For example, the thermoelectric module manufactured according to the present invention may be alternately arranged on the upper and lower insulating substrates on which metal electrodes are formed and electrically connected to each other. It is mentioned to manufacture.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예Example 1. P형 열전 소자의 제조 1. Fabrication of P-type thermoelectric element

Bi, Sb, Te 시료를 Bi0 .5Sb1 .5Te3의 조성을 갖도록 칭량한 후, 석영(quartz) 관에 담아 불활성 분위기 하에서 밀봉한다. After weighing the Bi, Sb, Te sample so as to have the composition of Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3, put in a quartz (quartz) tube sealed in an inert atmosphere.

그 후, 상기 석영 관에 담긴 시료들을 노(furnace)에 넣고 800℃의 온도에서 10시간 동안 용융시킨 다음, 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조한다. Thereafter, the samples contained in the quartz tube are placed in a furnace and melted at a temperature of 800 ° C. for 10 hours, and then quenched to prepare an ingot.

그 후, 볼(Ball)이 담긴 자(Jar)에 잉곳(ingot)을 투입하고, 초기에 투입한 Bi, Sb, Te 시료 100중량부 기준 파우더(powder) 형태의 Te 시료 0.07 중량부를 상기 자(Jar)에 투입한다.Thereafter, an ingot was placed in a jar containing a ball, and 0.07 parts by weight of a Te sample in the form of a powder based on 100 parts by weight of Bi, Sb, and Te samples, which were initially added. Jar).

그 후, 볼 밀(Ball Mill) 장비를 5시간 가동시켜 잉곳(ingot) 및 Te 시료를 분쇄하여 열전 분말을 얻는다. Thereafter, the ball mill equipment is operated for 5 hours to grind the ingot and the Te sample to obtain a thermoelectric powder.

그 다음, 상기 열전 분말을 소결 몰드(mold)에 담아 핫 프레스(Hot Press) 장비로 200MPa의 압력 및 420℃의 온도 조건에서 30분간 소결하여 P형 열전 소자를 제조하였다.
Subsequently, the thermoelectric powder was put in a sintered mold and sintered for 30 minutes at a pressure of 200 MPa and a temperature of 420 ° C. using a hot press equipment to manufacture a P-type thermoelectric device.

실시예Example 2. N형 열전 소자의 제조 2. Fabrication of N-type Thermoelectric Devices

Bi, Se, Te 시료를 Bi2Te2 .85Se0 .15의 조성을 갖도록 칭량한 후, 석영(quartz) 관에 담아 불활성 분위기 하에서 밀봉한다. After the Bi, Se, Te samples were weighed to have the composition of Bi 2 Te 2 .85 0 .15 Se, put in a quartz (quartz) tube sealed in an inert atmosphere.

그 후, 상기 석영 관에 담긴 시료들을 노(furnace)에 넣고 800℃의 온도에서 10시간 동안 용융시킨 다음, 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조한다. Thereafter, the samples contained in the quartz tube are placed in a furnace and melted at a temperature of 800 ° C. for 10 hours, and then quenched to prepare an ingot.

그 후, 볼(Ball)이 담긴 자(Jar)에 잉곳(ingot)을 투입하고, 초기에 투입한 Bi, Te, Se 시료 100중량부 기준 파우더(powder) 형태의 Te 시료 0.07 중량부를 상기 자(Jar)에 투입한다.Thereafter, an ingot was introduced into a jar containing a ball, and 0.07 parts by weight of a Te sample in the form of a powder based on 100 parts by weight of a Bi, Te, and Se sample was initially added. Jar).

그 후, 볼 밀(Ball Mill) 장비를 2시간 가동시켜 잉곳(ingot) 및 Te 시료를 분쇄하여 열전 분말을 얻는다. Thereafter, the ball mill equipment is operated for 2 hours to grind the ingot and the Te sample to obtain a thermoelectric powder.

그 다음, 상기 열전 분말을 소결 몰드(mold)에 담아 핫 프레스(Hot Press) 장비로 200MPa의 압력 및 420℃의 온도 조건에서 30분간 소결하여 N형 열전 소자를 제조하였다.
Subsequently, the thermoelectric powder was put in a sintered mold and sintered for 30 minutes at a pressure of 200 MPa and a temperature of 420 ° C. using a hot press equipment to prepare an N-type thermoelectric device.

비교예Comparative example 1. 종래 P형 열전 소자의 제조 1. Fabrication of conventional P-type thermoelectric elements

실시예 1에서 초기에 투입한 Bi, Sb, Te 시료 100중량부 기준 파우더(powder) 형태의 Te 시료 0.07 중량부를 자(Jar)에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하여 P형 열전 소자를 제조하였다.
100 wt parts of Bi, Sb, and Te samples initially added in Example 1 P-type was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.07 parts by weight of Te sample in powder form was added to Jar. A thermoelectric device was manufactured.

비교예Comparative example 2. 종래 N형 열전 소자의 제조 2. Fabrication of Conventional N-type Thermoelectric Devices

실시예 2에서 초기에 투입한 Bi, Te, Se 시료 100중량부 기준 파우더(powder) 형태의 Te 시료 0.07 중량부를 자(Jar)에 투입한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일하게 제조하여 N형 열전 소자를 제조하였다.
100 wt parts of Bi, Te, Se samples initially added in Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2 except that 0.07 parts by weight of Te sample in the form of a powder (powder) was added to Jar A thermoelectric device was manufactured.

실험예Experimental Example

상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2의 열전 소자 열전 효율을 알아보기 위하여 다음의 식으로 표시되는 ZT 값을 측정하였으며, 이를 도 2 및 도 3에 나타내었다.In order to determine the thermoelectric efficiency of the thermoelectric elements of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, ZT values represented by the following equations were measured, which are shown in FIGS. 2 and 3.

(S: 제백 계수, σ: 전기전도도, κ: 열전도도)
(S: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity, κ: thermal conductivity)

도 2를 보면, 실시예 1 및 비교예 1의 P형 열전 소자의 온도에 따른 ZT 값이 도시되어있으며, 실시예 1에 따른 P형 열전 소자의 ZT값이 비교예 1에 따른 P형 열전 소자의 ZT값보다 더 크므로 실시예 1에 따른 P형 열전 소자의 열전 효율이 더 우수함을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, ZT values according to temperatures of the P-type thermoelectric elements of Example 1 and Comparative Example 1 are illustrated, and ZT values of the P-type thermoelectric elements according to Example 1 are P-type thermoelectric elements according to Comparative Example 1. It can be seen that the thermoelectric efficiency of the P-type thermoelectric device according to Example 1 is greater since it is larger than the ZT value of.

도 3을 보면, 실시예 2 및 비교예 2에 따른 N형 열전 소자의 온도에 따른 ZT 값이 도시되어있으며, 실시예 2에 따른 N형 열전 소자의 ZT값은 종래의 N형 열전 소자(비교예 2)에 비하여 현저하게 열전 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, ZT values according to temperatures of the N-type thermoelectric elements according to Example 2 and Comparative Example 2 are shown, and ZT values of the N-type thermoelectric elements according to Example 2 are compared with conventional N-type thermoelectric elements It can be seen that the thermoelectric efficiency is remarkably improved as compared with Example 2).

상기 실험예들을 통하여 본 발명의 열전 소자의 제조방법에 따라 잉곳(ingot)의 제조 후에 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료를 (a) 단계에서 첨가된 재료 100중량부를 기준으로 0.01 내지 1.0 중량부의 함량으로 추가해주는 경우, 열전 소자의 열전 효율을 매우 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
100 parts by weight of the material added in step (a) at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se after ingot (ingot) according to the manufacturing method of the thermoelectric device of the present invention through the above experimental examples When added in a content of 0.01 to 1.0 parts by weight as a standard, it was confirmed that the thermoelectric efficiency of the thermoelectric element is greatly improved.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석 되어야 하며 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but are intended to be described. The scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical spirits within the equivalent scope thereof are It should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (15)

(a) Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 재료들을 칭량하여 노(furnace)에 투입하는 단계;
(b) 상기 재료들을 용융하고 노냉 또는 급냉(quenching)하여 잉곳(ingot)을 제조하는 단계;
(c) 상기 잉곳(ingot)에 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료를 추가하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계의 잉곳(ingot)과 재료를 함께 파쇄 및 분쇄하여 열전 분말을 준비하는 단계; 및
(e) 상기 열전 분말을 소결하는 단계;를 포함하는 열전 소자의 제조방법.
(a) weighing materials comprising at least two selected from the group consisting of Bi, Te, Sb, and Se and introducing them into a furnace;
(b) melting the furnace and quenching or quenching the ingot to produce an ingot;
(c) adding at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se to the ingot;
(d) crushing and grinding the ingot and material of step (c) together to prepare thermoelectric powder; And
(e) sintering the thermoelectric powder; a method of manufacturing a thermoelectric device comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 추가되는 Bi, Te, Sb 및 Se로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재료의 양은, (a) 단계에서 첨가된 재료 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 1.0 중량부임을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The amount of at least one material selected from the group consisting of Bi, Te, Sb and Se added in step (c) is 0.01 to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the material added in step (a). Method of manufacturing the device.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 Bi, Sb 및 Te의 재료를 포함하며, P형 열전 소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material of step (a) comprises a material of Bi, Sb and Te, the method of manufacturing a thermoelectric device, characterized in that for producing a P-type thermoelectric device.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 Bi, Sb 및 Te의 재료를 포함하며, BixSb2 - xTe3 (상기 x는 0 < x < 2)의 조성을 갖도록 칭량하여 P형 열전 소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The materials of step (a) include materials of Bi, Sb and Te, and weighed to have a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (where x is 0 <x <2) to manufacture a P-type thermoelectric element. A method of manufacturing a thermoelectric element.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 Bi, Se 및 Te를 포함하며, N형 열전 소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material of step (a) comprises Bi, Se and Te, the method of manufacturing a thermoelectric device, characterized in that for producing an N-type thermoelectric device.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 Bi, Se 및 Te를 포함하며, Bi2TeySe3 -y(상기 y는 0 < x < 3)의 조성을 갖도록 칭량하여 N형 열전 소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The materials of step (a) include Bi, Se, and Te, and weighed to have a composition of Bi 2 Te y Se 3 -y (where y is 0 <x <3), thereby manufacturing an N-type thermoelectric device. Method of manufacturing a thermoelectric element.
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 비드(bead) 형태인 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material of step (a) is a method of manufacturing a thermoelectric element, characterized in that the (bead).
제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계의 재료들은 칭량 후 석영(quartz)관, 실리카 관 및 파이렉스 관으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 관에 담아, 진공 또는 불활성 분위기로 만든 후 밀봉되는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material of step (a) is weighed and then placed in one of the tubes selected from the group consisting of a quartz tube, a silica tube and a Pyrex tube, and manufactured in a vacuum or inert atmosphere and then sealed. Way.
제 8항에 있어서,
상기 불활성 분위기는 He, N2, Ne, Ar 및 Kr로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 기체 분위기인 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 8,
The inert atmosphere is a method of manufacturing a thermoelectric element, characterized in that at least one gas atmosphere selected from the group consisting of He, N 2 , Ne, Ar and Kr.
제 1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 재료들은 600~1000℃의 온도에서 8~12시간 동안 용융되는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
In step (b), the materials are melted for 8 to 12 hours at a temperature of 600 to 1000 ° C.
제 1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 추가되는 재료는 파우더(powder) 형태인 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The material added in step (c) is a method of manufacturing a thermoelectric element, characterized in that the powder (powder) form.
제 1항에 있어서,
상기 (d) 단계는 볼 밀(Ball Mill) 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
The step (d) is a manufacturing method of the thermoelectric element, characterized in that the ball mill (Ball Mill) process.
제 1항에 있어서,
상기 (e) 단계에서 소결은 핫 프레스(Hot Press) 방법 또는 가압 통전 소결(Spark Plasma Sintering) 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 소자의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (e), the sintering is a method of manufacturing a thermoelectric element, characterized in that the hot press (Hot Press) method or a pressure plasma sintering (Spark Plasma Sintering) method.
금속전극이 형성되어 서로 대향하는 상부 및 하부 절연기판과,
상기 상부 및 하부 절연기판 사이에 다수의 열전 소자를 포함하되,
상기 열전 소자는 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 열전 소자이며,
상기 열전 소자는 상부 및 하부 절연기판의 금속전극을 매개로 직렬 연결되는 열전모듈.
Upper and lower insulating substrates formed with metal electrodes facing each other;
Including a plurality of thermoelectric elements between the upper and lower insulating substrate,
The thermoelectric element is a thermoelectric element manufactured according to any one of claims 1 to 13,
The thermoelectric device is a thermoelectric module connected in series via the metal electrode of the upper and lower insulating substrate.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따라 제조된 열전 소자를 금속전극이 형성된 상부 및 하부 절연기판상에 교대로 배열하여 전기적으로 연결하는 열전모듈의 제조방법.
The method of manufacturing a thermoelectric module for electrically connecting the thermoelectric elements manufactured according to any one of claims 1 to 13, alternately arranged on the upper and lower insulating substrates on which metal electrodes are formed.
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