KR20170028172A - 열전 소자 및 이를 포함하는 열전 장치 - Google Patents

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KR20170028172A
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김정한
조인희
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박현규
조원근
조현진
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판의 한 면에 배치되는 제1 전극, 제2 기판, 상기 제2 기판의 한 면에 배치되는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 일단 및 타단이 연결되는 복수의 P형 열전 유닛 및 복수의 N형 열전 유닛을 포함하고, 상기 복수의 P형 열전 유닛 각각은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층 및 상기 제1 코어층을 감싸는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수의 N형 열전 유닛 각각은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층 및 상기 제2 코어층을 감싸는 제2 절연층을 포함한다.

Description

열전 소자 및 이를 포함하는 열전 장치{THERMO ELECTRIC ELEMENT AND THERMO ELECTRIC ELEMENT DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자 및 이를 포함하는 열전 장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등이 있다.
열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다. 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
일반적으로, 열전소자는 상부 기판, 상부 전극, P형 반도체재료, N형 반도체재료, 하부 전극 및 하부 기판을 포함한다. 제벡 효과의 관점에서, 상부 기판과 하부 기판 간에 온도 차(ΔT)가 발생하면, 에너지 준위 차로 인하여 P형 반도체재료 및 N형 반도체재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동하며, 상부 전극 및 하부 전극 간에 전기가 발생한다.
도 1은 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차에 따른 전압 차를 나타내는 그래프이다. 도 1과 같이, 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차와 전압 차는 선형 관계를 가진다.
따라서, P형 반도체재료 및 N형 반도체재료가 박막 형태로 구현되는 경우, 상부 기판과 하부 기판 간의 거리가 짧으므로, 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차를 크게 할 수 없어, 높은 열전 성능을 얻는 데에는 한계가 있다. 또한, 열전소자의 P형 반도체재료 및 N형 반도체재료가 레그 형태로 구현되는 경우에도 레그의 길이를 소정 수준 이상으로 길게 하는 데에는 한계가 있으므로, 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차를 크게 할 수 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차를 크게 하여 높은 열전 성능을 가지는 열전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판의 한 면에 배치되는 제1 전극, 제2 기판, 상기 제2 기판의 한 면에 배치되는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 일단 및 타단이 연결되는 복수의 P형 열전 유닛 및 복수의 N형 열전 유닛을 포함하고, 상기 복수의 P형 열전 유닛 각각은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층 및 상기 제1 코어층을 감싸는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수의 N형 열전 유닛 각각은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층 및 상기 제2 코어층을 감싸는 제2 절연층을 포함한다.
상기 제1 코어층은 P형 열전 재료로부터 추출된 P형 필라멘트를 포함하고, 상기 제2 코어층은 N형 열전 재료로부터 추출된 N형 필라멘트를 포함할 수 있다.
상기 제1 코어층은 복수의 P형 필라멘트가 꼬인 실이고, 상기 제2 코어층은 복수의 N형 필라멘트가 꼬인 실일 수 있다.
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 두께는 각각 상기 제1 코어층 및 상기 제2 코어층의 직경의 0.01배 내지 0.1배일 수 있다.
상기 복수의 P형 열전 유닛 및 상기 복수의 N형 열전 유닛은 유연할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 적어도 하나의 전극 지지대를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 장치는 제1 기판, 상기 제1 기판의 한 면에 배치되는 제1 전극, 제2 기판, 상기 제2 기판의 한 면에 배치되는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 일단 및 타단이 연결되는 복수의 P형 열전 유닛 및 복수의 N형 열전 유닛을 포함하고, 상기 복수의 P형 열전 유닛 각각은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층 및 상기 제1 코어층을 감싸는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수의 N형 열전 유닛 각각은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층 및 상기 제2 코어층을 감싸는 제2 절연층을 포함하는 열전 소자, 상기 제1 기판에 열을 공급하는 열 공급부, 그리고 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 온도 차에 따라 발생한 전기 에너지를 수집하는 수집부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차를 크게 하여 높은 열전 성능을 가지는 열전 소자를 얻을 수 있다. 또한, 상부 기판과 하부 기판을 서로 다른 장소에 배치할 수 있으므로, 디자인 설계의 자유도를 가질 수 있다.
도 1은 상부 기판과 하부 기판 간의 온도 차에 따른 전압 차를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 P형 열전 유닛이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 N형 열전 유닛이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 P형 열전 유닛이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자에 포함되는 N형 열전 유닛이다.
도 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 유닛(130), N형 열전 유닛(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)의 한 면에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)의 한 면에 배치된다. 그리고, 복수의 P형 열전 유닛(130) 및 복수의 N형 열전 유닛(140)의 일단은 하부 전극(120)에 연결되고, 타단은 상부 전극(150)에 연결된다.
이때, 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)은 금속 기판, 예를 들어 Cu 기판, Cu 합금 기판, Cu-Al 합금 기판, Al2O3 기판 등일 수 있다. 그리고, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 포함할 수 있으며, 두께는 0.01mm 내지 0.3mm 범위일 수 있다. 도시되지 않았으나, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 유전체층이 형성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, P형 열전 유닛(130)은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층(132) 및 제1 코어층(132)을 감싸는 제1 절연층(134)을 포함할 수 있다. 여기서, P형 열전 재료는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 재료일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 재료는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 그리고, 제1 절연층(134)은, 예를 들어 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
이때, 제1 코어층(132)은 P형 열전 재료로부터 추출된 P형 필라멘트(filament)를 포함할 수 있으며, 제1 코어층(132)은 복수의 P형 필라멘트가 꼬인 실(yarn)일 수 있다. 이때, P형 필라멘트의 직경은 1mm이상일 수 있다. 제1 코어층(132)이 복수의 필라멘트를 꼬은 실인 경우, 제1 코어층(132)의 강도가 높아지므로, 쉽게 끊어질 염려가 없다.
그리고, 제1 절연층(134)의 두께(d1)는 제1 코어층(132)의 직경(D1)의 0.01배 내지 0.1배일 수 있다. 제1 절연층(134)의 두께(d1)가 제1 코어층(132)의 직경(D1)의 0.01배 미만이면, 절연 효과가 떨어지므로, 복수의 P형 열전 유닛(130)과 복수의 N형 열전 유닛(140) 내 전자 및 정공 이동이 방해를 받을 수 있다. 그리고, 제1 절연층(134)의 두께(d1)가 제1 코어층(132)의 직경(D1)의 0.1배를 초과하면, P형 열전 유닛(130)이 유연하게 휘어지거나 구부러지지 않으므로, 열전 소자(100)의 디자인 설계의 자유도가 떨어지게 된다.
이와 마찬가지로, 도 4를 참조하면, N형 열전 유닛(140)은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층(142) 및 제2 코어층(142)을 감싸는 제2 절연층(144)을 포함할 수 있다. 여기서, N형 열전 재료는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 재료일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 재료는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 그리고, 제2 절연층(144)은, 예를 들어 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
이때, 제2 코어층(142)은 N형 열전 재료로부터 추출된 N형 필라멘트를 포함할 수 있으며, 제2 코어층(142)은 복수의 N형 필라멘트가 꼬인 실일 수 있다.
그리고, 제2 절연층(144)의 두께(d2)는 제2 코어층(142)의 직경(D2)의 0.01배 내지 0.1배일 수 있다. 제2 절연층(144)의 두께(d2)가 제2 코어층(142)의 직경(D2)의 0.01배 미만이면, 절연 효과가 떨어지므로, 복수의 P형 열전 유닛(130)과 복수의 N형 열전 유닛(140) 내 전자 및 정공 이동이 방해를 받을 수 있다. 그리고, 제2 절연층(144)의 두께(d2)가 제2 코어층(142)의 직경(D2)의 0.1배를 초과하면, N형 열전 유닛(140)이 유연하게 휘어지거나 구부러지지 않으므로, 열전 소자(100)의 디자인 설계의 자유도가 떨어지게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, P형 열전 유닛(130) 및 N형 열전 유닛(140)은 각각 코어층 및 이를 감싸는 절연층을 포함하며, 코어층은 P형 열전 재료 또는 N형 열전 재료로부터 추출된 필라멘트를 이용하여 꼬인 실로 이루어진다. 이에 따라, P형 열전 유닛(130) 및 N형 열전 유닛(140)은 길게 연장될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 사이에 배치되는 적어도 하나의 전극 지지대(170)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, P형 열전 유닛(130)과 N형 열전 유닛(140)이 휘어지지 않으며, 하부 전극(120)과 상부 전극(150)이 일정한 간격을 유지할 수 있다.
이와 같이, P형 열전 유닛(130) 및 N형 열전 유닛(140) 각각이 열전 재료로부터 추출된 복수의 필라멘트를 이용하여 꼬인 실의 형태를 가지는 경우, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 거리(A)를 크게 설정할 수 있다. 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 거리(A)가 멀어질수록, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차(ΔT)는 커지게 되며, 이에 따라 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 간의 전압 차(ΔV)도 커지게 된다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 열전 장치(10)는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자(100), 열전 소자(100)의 하부 기판(110) 또는 상부 기판(160)에 연결되는 열 공급부(200), 그리고 열전 소자(100)의 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)의 온도 차에 따라 발생한 전기 에너지를 수집하는 수집부(300)를 포함한다.
예를 들어, 열 공급부(200)는 하부 기판(110)과 연결되어, 하부 기판(110)에 300℃의 열을 공급하며, 상부 기판(160)은 상온(약 25℃)에 배치할 수 있다. 이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 거리가 멀어질수록, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 간의 온도 차(ΔT)는 커지게 되며, 수집부(300)로 수집되는 전기 에너지는 커지게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자는 하부 전극과 상부 전극 사이에 배치되는 전극 지지대를 생략할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이다.
도 6을 참조하면, 열전 소자(100)는 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 유닛(130), N형 열전 유닛(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함하며, 전극 지지대(170)가 생략되어 있다.
위에서 설명한 바와 같이, P형 열전 유닛(130) 및 N형 열전 유닛(140)은 각각 코어층(132, 142) 및 코어층(132, 142)을 감싸는 절연층(134, 144)을 포함하며, 코어층(132, 142)은 각각 P형 열전 재료로부터 추출된 P형 필라멘트가 꼬인 실이거나 N형 열전 재료로부터 추출된 N형 필라멘트가 꼬인 실이다. 이에 따라, P형 열전 유닛(130) 및 N형 열전 유닛(140)은 길이를 길게 연장할 수 있으며, 휘어지거나 구부러질 수 있다.
이에 따라, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)과 상부 기판(150) 및 상부 전극(160)을 서로 다른 위치에 배치하는 것이 가능하다. 예를 들어, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)과 상부 기판(150) 및 상부 기판(160)을 공간적으로 이격된 분리된 장소에 배치할 수 있다.
이러한 경우, 열전 소자(100)의 적용 범위는 다양해질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 열전소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판

Claims (8)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판의 한 면에 배치되는 제1 전극,
    제2 기판,
    상기 제2 기판의 한 면에 배치되는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 일단 및 타단이 연결되는 복수의 P형 열전 유닛 및 복수의 N형 열전 유닛
    을 포함하고,
    상기 복수의 P형 열전 유닛 각각은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층 및 상기 제1 코어층을 감싸는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수의 N형 열전 유닛 각각은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층 및 상기 제2 코어층을 감싸는 제2 절연층을 포함하는 열전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코어층은 P형 열전 재료로부터 추출된 P형 필라멘트를 포함하고, 상기 제2 코어층은 N형 열전 재료로부터 추출된 N형 필라멘트를 포함하는 열전 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 코어층은 복수의 P형 필라멘트가 꼬인 실이고, 상기 제2 코어층은 복수의 N형 필라멘트가 꼬인 실인 열전 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 두께는 각각 상기 제1 코어층 및 상기 제2 코어층의 직경의 0.01배 내지 0.1배인 열전 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 P형 열전 유닛 및 상기 복수의 N형 열전 유닛은 유연한 열전 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 적어도 하나의 전극 지지대를 더 포함하는 열전 소자.
  7. 제1 기판, 상기 제1 기판의 한 면에 배치되는 제1 전극, 제2 기판, 상기 제2 기판의 한 면에 배치되는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 일단 및 타단이 연결되는 복수의 P형 열전 유닛 및 복수의 N형 열전 유닛을 포함하고, 상기 복수의 P형 열전 유닛 각각은 P형 열전 재료를 포함하는 제1 코어층 및 상기 제1 코어층을 감싸는 제1 절연층을 포함하고, 상기 복수의 N형 열전 유닛 각각은 N형 열전 재료를 포함하는 제2 코어층 및 상기 제2 코어층을 감싸는 제2 절연층을 포함하는 열전 소자,
    상기 제1 기판에 열을 공급하는 열 공급부, 그리고
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 온도 차에 따라 발생한 전기 에너지를 수집하는 수집부
    를 포함하는 열전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 코어층은 P형 열전 재료로부터 추출된 P형 필라멘트를 포함하고, 상기 제2 코어층은 N형 열전 재료로부터 추출된 N형 필라멘트를 포함하는 열전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11672178B2 (en) 2020-08-04 2023-06-06 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Thermoelectric element assembly, method for manufacturing the same, and thermoelectric module comprising the same

Cited By (1)

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