KR20160129638A - 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재; 상기 단위부재가 적층되어 배치되는 단위소자; 및 상기 단위부재들 사이에 삽입되어 배치되는 금속 중간층을 포함하는 열전소자에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, Leg의 강도를 높게 하기 위해 글래스프릿(Glass frit)을 함유한 금속 중간층(metal interlayer)을 형성하여, 강도가 개선되며, 전기전도도가 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있다.

Description

열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치{THERMOELECTRIC ELEMENT THERMOELECTRIC MOUDULE USING THE SAME, AND COOLING DEVICE USING THERMOELECTRIC MOUDULE}

본 발명이 실시예들은 냉각용으로 사용되는 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.

P형 열전 재료와 N형 열전 재료로 이루어지는 소자는 냉각장치에 적용되는 경우에도 동일한 규격으로 벌크(bulk)형으로 제조되고 있으며, 이는 전기 전도특성이 다른 P형 열전 재료와 N형 열전 재료의 차이로 인해 냉각효율에 한계를 보이고 있는 실정이다.

특히 이러한 벌크형의 열전소자를 제조하는 방식에서는 잉곳(Ingot) 형태의 소재를 열처리하고, 분말로 분쇄(Ball Mill)한 후, 미세 사이즈로 시빙(sieving)한 후, 다시 소결 공정을 거친후 필요한 열전소자의 크기로 절단(cutting)하는 공정을 거쳐서 제조된다. 이러한 벌크형 열전소자를 제조하는 공정에서는 분말의 소결후커팅시 많은 부분의 재료 손실이 발생하게 되며, 양산화하는 경우 벌크형 소재의 크기 측면에서 균일성이 떨어지게 되며, 이러한 열전소자의 두께를 박형화하기 어려워, 박형화(slim)요구되는 제품에 적용이 어려운 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 열전소재 분말을 페이스트(paste)화하여 여러번프린팅(printing)을 하여 소결하면 시트 형태의 열전소재를 제작하는데, 인쇄 횟수로 시트 두께를 조절할 수 있으며, 시트 형태의 소재를 절삭하여 사용하면 소재의 손실없이 소자를 제작할 수 있다.

그러나, 페이스트 열전 소재를 여러번프린팅하여 소결한 레그(Leg)를 제작하면 강도가 현저히 좋지 않아 열전소자로 제작하여 사용하는데 어려움이 있다.

본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, Leg의 강도를 높게 하기 위해 글래스프릿(Glass frit)을 함유한 금속 중간층(metal interlayer)을 형성하여, 강도가 개선되며, 전기전도도가 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예는 상기의 목적을 달성하기 위하여, 기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재; 상기 단위부재가 적층되어 배치되는 단위소자; 및 상기 단위부재들 사이에 삽입되어 배치되는 금속 중간층을 포함하는 열전소자를 제공한다.

또한, 상기 금속 중간층은 금속 전극인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 티타늄(Ti) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속은 입경이 150 내지 500㎚인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속 중간층은 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿(glass frit)의 조성은 Bi2O3 및 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 글래스프릿의 조성의 함량은 Bi2O3 40 ~ 80 중량% 및 ZnO 10 ~ 35 중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단위소자는, 인접하는 단위부재 상의 전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도층은, 상기 단위부재의 표면이 노출되는 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴은, 폐쇄형 개구패턴을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 개“‡형개구패턴을 포함하는 라인타입 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판; 상기 제1기판 및 제2기판 사이에 제1반도체소자와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하며, 상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전소자인 열전모듈을 제공한다.

또한, 상기 제1기판 및 제2기판은 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자의 높이는 0.01mm~0.5mm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 상기의 열전모듈을 포함하는 열전환장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, Leg의 강도를 높게 하기 위해 글래스프릿(Glass frit)을 함유한 금속 중간층(metal interlayer)을 형성하여, 강도가 개선되며, 전기전도도가 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 열전 단위소자의 제조공정 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 중간층이 삽입된 단위소자의 형태를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것이다.
도4는 본 발명의 실시예예 따른 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용하여 열전모듈을 구현한 실시형태의 요부를 도시한 단면 개념도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 단위소자의 예시도를도시한 것이다.
도6은 도 4에서 상술한 단위셀을 포함하는 열전모듈의 구조를 구현하는 실시예를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명의 실시예는 열전소재를 레그(Leg)로 제작하는데 소실분을 최대로 줄이기 위해 열전소재를 페이스트 상태로 제작하여, 이를 여러번프린팅하여 쌓아 올린 시트를 단위부재로 하여, 이를 소결시켜레그(Leg)를 얻는데 있어서, 열전소자에 포함되는 레그(Leg)의 강도를 높게 하기 위해 글래스프릿(Glass frit)를 함유한 금속 중간층(metal interlayer)을 단위부재들 사이에 삽입하여 배치함으로써, 제작된 열전소자의 강도를 개선하며, 전기전도도를 향상시킬 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 금속 중간층은 금속 전극의 형태로서, 주성분은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등의 금속이며, 입경은 150 ~ 500nm을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 입경 범위보다 적은 것을 사용하면 공정 진행 시 Powder가 뭉쳐 분산이 제대로 일어나지 못해 바람직하지 못하고, 상기 입경 범위보다 큰 것을 사용하면 Powder의 입자가 커서 sheet 제작이 어렵기 때문에 바람직하지 못하다. 이와 같은 금속 전극은 열처리 공정을 거친 후 전기전도도가 향상된다.

본 발명의 실시예에 따른 금속 중간층은, 강도를 향상시키기 위하여 글래스프릿을 첨가하는데, 이는 Bi2O3를 주성분으로 하며, ZnO를 구성물질로 갖는다. 본 발명의 실시예에 따른 글래스프릿의 주성분 Bi2O3 40 ~ 80 중량% 및 ZnO 10 ~ 35 중량%포함할 수 있다.

상기 함량보다 적은 양이 포함되는 경우 glass frit때문에 소결 온도가 달라지기 때문에 바람직하지 못하며, 많은 양이 포함되는 경우 전기전도도의 제어가 불가능하므로 바람직하지 못하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 단위소자의 제조공정 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 단위소자는 기본적으로 벌크(Bulk) 타입의 제조공정과는 달리, 다층으로 적층되는 구조를 가지는 구조물이다.

이러한 열전 단위소자를 제조하는 공정은 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 1에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(110a, 110b, 110c)를 적층하여적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위소자(120)은 기재(111) 상에 반도체 층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.

상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um ~ 100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 N 형 반도체 재료는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.

또한, 상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여적층하는 공정은 50℃ ~ 250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2 ~ 50개의 범위에서 이루어질 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.

상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 단위소자의 제조공정에서, 상기 금속 중간층을 형성하는 방법은 다음과 같다. 금속 중간층을 바람직한 두께의 시트(sheet)를 제조한 후 상기 단위부재들 사이에 적절하게 삽입하여 배치할 수 있다.상기 금속 중간층의 제조는 캐스팅방법과 같은 종래의 분말을 이용하여 시트를 제조하는 방법을 이용하여 제조할 수 있다.도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 중간층이 삽입된 단위소자의 형태를 나타낸 도면이다.도면에서 볼 수 있는 바와 같이,단위부재들 사이에 시트 형탤 제조된 금속중간층을 삽입하여 배치함으로써 바람직한 두께의 금속중간층이 포함된 단위소자를 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 단위소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있다.

즉, 도 1의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 3의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다. 즉, 도 3에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 2의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c₁, c₂)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 3의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c₃, c₄)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 ΔT(℃) 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용하여 열전모듈을 구현한 실시형태의 요부를 도시한 단면 개념도이다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 즉, 도4의 실시예는단위셀 중 하나만 도시한 것이다. 특히, 이 경우 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은, 상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 도 1에서 상술한 적층형 구조의 열전소자를 적용할 수 있음은 물론이다.

상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다.

물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 4에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 이 경우 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다.

또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다.

상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우(도 6 참조) 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다.

상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.

이와 같이, 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층 및 유전체층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.

또한, 도 5에 도시된 것과 같이, 도 3에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 5의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로수평하게 배치되어, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

도 6은 도 4에서 상술한 단위셀을 포함하는 열전모듈의 구조를 구현하는 실시예를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 것과 같이, 일반적으로 냉각용으로 이용되는 열전소자를 이용하는 열전모듈은 서로 다른 재질 및 특성을 가지는 반도체소자가 쌍을 이루며 배치되며, 쌍을 이루는 각각의 반도체 소자는 금속전극에 의해 전기적으로 연결되는 단위셀이 다수 개가 배치되는 구조로 구현될 수 있다. 즉, 도 6은 도 4에서 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀을 적어도 2 이상 포함하는 구조로 구현되는 열전모듈의 예시도이다.

특히, 이 경우 단위셀을 이루는 열전소자는 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 한 쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에서는 도 1 내지 도 5에서 상술한 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자, 단위부재 사이에 전도성층이 형성되는 열전소자 등의 실시예를 포함하여 구성될 수 있음은 상술한 바 있다. 또한, 단위셀을 이루며 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 상호 대향하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.

상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 단위셀의 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉,하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 열전환장치 등의 장비로도 응용이 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

1. Ingot 제조

조성물의 구성성분 : Bi, Sb, Te 혼합물

성분들의 함량 : Bi : 12.64wt%, Sb : 29.46wt%, Te : 57.89wt%

사용한 장비 : Rocking Furnace

온도 : 800℃ / 승온속도 : 3℃/hr / 공정시간 : 10hr / 냉각 : 급냉

2. Multi layer 제조

조성물의 구성성분 : Bi, Sb, Te 혼합물 사용

공정 : Powder Mixing -->Casting -->Stacking -->정수압착 -->BBO -->Heat treatment

3. 실시예(Metal layer) 제조

Matal powder를 이용하여 casting 공정까지 진행 후 sheet화 시킴

Metal layer의 경우 위의 Multilayer 제조과정에서 Casting을 진행 후 Stacking 진행 시 sheet 화 된 metal 전극 (Glass frit)을 같이 stacking 진행 하여 정수 압착, cutting, BBO, Heat treatment의 공정을 진행 한다.

[실험방법]

1. 시료파손압력 측정

Instron 장비를 이용하여 시료의 파손 압력을 측정

2. 비저항 측정

ZEM-3 장비를 이용하여 측정

이와 같은 측정결과 값을 하기에 정리하였다.

[실험결과]

시료	시료파손압력
Ingot	40Mpa
Multilayer 열전재료	17~20Mpa
실시예(Metal layer 형성)	30~33Mpa

시료	비저항
Multilayer 열전재료	40μΩ
실시예(Metal layer 형성)	10μΩ

위의 실험결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 종래의 방법에 의해 제조된 Multilayer 열전소자에 비하여 파손압력이 증가하였으며, 비저항값이 감소하였다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

1. 기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재;
   상기 단위부재가 적층되어 배치되는 단위소자;및
   상기 단위부재들 사이에 삽입되어 배치되는 금속 중간층
   을 포함하는 열전소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속 중간층은 금속 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 금속은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 티타늄(Ti) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 금속은 입경이 150 내지 500㎚인 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속 중간층은 글래스프릿(glass frit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 글래스프릿(glass frit)의 조성은 Bi2O3 및 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 글래스프릿의 조성의 함량은 Bi2O3 40 ~ 80 중량% 및 ZnO 10 ~ 35 중량%인 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 단위소자는,
   인접하는 단위부재 상의 전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 전도층은,
   상기 단위부재의 표면이 노출되는 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 패턴은,
    폐쇄형 개구패턴을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 개“‡형개구패턴을 포함하는 라인타입 구조인 것을 특징으로 하는 열전소자.
    
11. 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판;
    상기 제1기판 및 제2기판 사이에 제1반도체소자와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하며,
    상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열전소자인 열전모듈.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1기판 및 제2기판은 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자의 높이는 0.01mm~0.5mm인 것을 특징으로 하는 열전모듈.
    
14. 제11항에 따른 열전모듈을 포함하는 열전환장치.
    

Images