KR20170046006A - 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는 열전효율을 증대할 수 있는 열전소자의 구조에 대한 것으로, 다수의 적층구조로 단위 열전소자를 적층하고, 적층 계면과 외부 표면에 확산방지층을 배치함으로써, 열전소재의 특성인 파워팩터(Power factor)와 열전도도의 특성을 향상시킬 수 있는 구조의 열전소자를 제공한다.

Description

열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈{THERMOELECTRIC DEVICE MOUDULE AND DEVICE USING THE SAME}

본 발명의 실시예는 열전효율을 증대할 수 있는 열전소자의 구조에 대한 것이다.

일반적으로, 열전 변환 소자를 포함하는 열전 소자는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생됨으로써 열전 소자는 발전 장치로서 기능 할 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.

이러한 열전소자는 냉각용 또는 온열용 장치나, 발전용 장비에 적용되어 다양한 열전환 효과를 구현할 수 있게 된다.

냉각 및 온열장치에 적용되는 열전소자는 PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 소자는 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있다.

이에, 열전소자의 효율을 높일 수 있는 방식에 관심이 모아지고 있다.

본 발명의 실시예는 상술한 종래의 열전소자의 효율을 높이기 위해 안출된 것으로, 특히 다수의 적층구조로 단위 열전소자를 적층하고, 적층 계면과 외부 표면에 확산방지층을 배치함으로써, 열전소재의 특성인 파워팩터(Power factor)와 열전도도의 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는, 순차 적층되는 제n소자, 제(n+1)소자 및 제(n+2)소자와, 상기 제n소자 내지 제(n+1)소자의 사이에 각각 배치되는 내부 확산방지층 및 상기 제n소자 및 상기 제(n+2)소자의 외부면에 배치되는 외부 확산방지층을 포함하며, 상기 내부 확산방지층 및 외부 확산방지층은 Ni-Cr 합금층인 열전소자를 제공할 수 있도록 한다. (단, n은 자연수이다.)

본 발명의 실시예에 따르면, 다수의 적층구조로 단위 열전소자를 적층하고, 적층 계면과 외부 표면에 확산방지층을 배치함으로써, 열전소재의 특성인 파워팩터(Power factor)와 열전도도의 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조를 도시한 개념도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 이용하여 구현한 열전모듈의 구현 단면 개념도이다.

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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 순차 적층되는 제n소자, 제(n+1)소자 및 제(n+2)소자(120A, 120B, 120C), 상기 제n소자 내지 제(n+1)소자의 사이에 각각 배치되는 내부 확산방지층(122, 123) 및 상기 제n소자 및 상기 제(n+2)소자의 외부면에 배치되는 외부 확산방지층(121, 124)을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 n=1인 구조, 즉 열전소자가 3개가 적층된 구조를 예로 하여 설명하기로 한다.

아울러, 도 1의 (a)에 도시된 것은 적층되는 제1소자 내지 제3소자가 P형 소자인 예를 든 것이며, 도 1의 (b)는 적층되는 제1소자 내지 제3소자가 N형 소자인 것을 예로 든 것이다. 구조는 상호 동일한바, 제1소자 내지 제3소자가 P형 소자인 도 1의 (a)의 구조를 중심으로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 3개의 단위 열전소자, 즉 제1소자(120A)상에 제2소자(120B)가 적층되며, 상기 제2소자(120B) 상에 제3소자(120C)가 적층되는 3단 적층구조로 구성될 수 있다. 상기 제1소자 내지 제3소자는 상호 동일한 폭과 높이를 가지는 구조로 구현할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 각 단위 소자의 경계면에 배치되는 내부 확산방지층(122, 123)과 열전소자의 외부에 배치되는 외부 확산방지층(121, 124)를 포함하여 구성될 수 있도록 한다.

즉, 도 1의 (a)의 구조와 같이, 3단 구조로 적층되는 경우, 내부 확산방지층(122, 123)이 각 단위 열전소자의 경계면에 배치되며, 상부와 하부에 외부로 노출되는 상부 및 하부 표면을 구비하는 제1소자 및 제3소자의 표면에는 와부 확산방지층(121, 124)가 배치될 수 있도록 한다.

본 발명의 실시에에 따른 상기 내부 확산방지층 및 외부 확산방지층은 Ni-Cr 합금층으로 구성될 수 있도록 한다. 상기 Ni-Cr 합금층은, Ni:Cr의 조성비가 7:3으로 구현될 수 있도록 한다. 즉, Ni과 Cr의 함량비가 70% 및 30%로 구성할 수 있도록 한다. 후술하겠지만, 이상의 함량비를 구현하는 경우에 열전 소자 자체의 역률(Power Factor)가 향상되며, 열전소자 자체의 열전도도가 높아지게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 3개의 단위 열전소자 각각의 높이는 상호 동일한 높이(a1, a2, a3)로 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 하나의 열전소자를 구성하여 적층되는 제1소자 내지 제3소자는 상호 동일한 종류의 물질(P형 또는 N형)로 구성될 수 있도록 한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 단위 열전소자의 재료의 조성비율을 주원료물질로 Bi(0.4~0.5), Sb(1.5~1.6), Te(3)의 비율로 구현하고, 여기에 추가적으로 부원료물질을 혼합할 있도록 한다.

이러한 상기 N형 반도체재료는, 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.

열전소자의 효율은 통상적으로 이하의 식으로 표현되는 열전지수로 평가할 수 있는데, 열전지수가 크면 클수록 발생되는 전위차가 커지므로 우수한 특성을 나타낸다.

{식 1}

위의 식1에서, ZT 계수는 열전재료의 제백 계수(Seebeck coefficient)(S) 및 전기전도도(σ)에 비례하고, 열전도도(k)에 반비례한다. 여기서, 제백 계수는 단위 온도 변화에 따라 생성되는 전압의 크기(dV/dT)를 나타낸다. 따라서 상기 식으로부터 열전소재의 응용을 위해서는 제백 계수 및 전기전도도가 크고 열전도도가 작은 소재가 바람직한데, 제백 계수, 전기전도도 및 열전도도는 독립적인 변수가 아니기 때문에, ZT 계수가 큰 즉, 효율이 높은 열전소자를 구현하는 것은 용이하지 않다.

종래의 열전소자 냉각방식은 주로 단일형 재료로 벌크화한 타입으로 제작이 되고 있으며, 벌크 타입은 열전지수(ZT)가 낮아 효율성이 낮은 소자만 제작되었기 때문이며, 고효율의 나노 소자를 제작할 경우 제작비가 대폭 증가하는 문제점이 발생한다.

{실험예}

상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 다음과 같이 제조하고, 동일한 사이즈의 단일구조의 열전소자와 특성 비교를 하였다.

본 실험예에 적용된 열전소자는 도 1에 도시된 구조와 같이, 3단 적층구조로 제1소자, 제2소자, 제3소자를 적층하되, 제1소자 내지 제3소자의 조성을 Bi0.4/Sb1.6/Te3의 비율로 하고, 여기에 Te 3wt% 추가하여 동일한 크기의 열전소자를 3개 형성하고, 적층하였다. 적층하는 각각의 제1소자 내지 제3소자의 경계면과 상면 및 하면에는 도 1과 같은 구조의 확산방지막을 Ni-Cr층을 형성하여 구현하였다.

비교군으로는, 확산방지막을 형성하지 않은 단일구조의 열전소자를 동일한 크기와 재료로 구현하였다.

{표 1-비교군}

{표 2-본 실시예}

위 표 1 및 표 2를 비교해 보면, 본 발명의 실시예에 따른 3단 적층구조 및 확산방지막 형성구조에서 ZT가 각각의 측정 온도 대에서 비교군 대비 크게 향상된 것을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 ZT 값을 1.4 이상으로 구현할 수 있게 할 수 있음을 확인할 있다. 이는 표 2에서 100℃ 에서 열전지수(ZT) 값이 비교군의 경우 1.218로 다른 온도에서도 이 이상의 값으로 구현하기 어려우며, 이는 현재 공개된 구조에서도 단일 구조의 열전소자로는 더 높일 수 없는 한계로 1.4 이상을 구현하는 것은 불가능한 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 실시예에서는 확산방지막의 배치 구성 및 3단 구조의 적층형 열전소자를 통해 ZT 값이 1.4 이상을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하여 열전모듈을 구현한 구체적인 요부 단면도를 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 구조를 확장한 하나의 모듈화한 구조를 도시한 구현예이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150), 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자는 상술한 도 1 에 따른 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 적용할 수 있다. 즉, 제1반도체소자(120)을 도 1의 (a)의 구조와 같이 구현할 수 있으며, 제2반도체소자(130)를 도 1의 (b)의 구조와 같이 구현할 수 있다. 이러한 3단구조의 적층형 열전소자의 구조를 통해 열전효율을 증진할 수 있음은 상술한 것과 같다.

이 경우 열전소자의 경우, 한쪽은 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.

특히, 본 발명에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제1기판(140)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제2기판(150)의 면적을 넓게 형성할 수 있도록 하여, 열전도율을 높이고, 방열효율을 높여 종래의 열전모듈에서의히트싱크를 제거할 수 있도록 할 수 있다.

구체적으로, 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 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 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기 제2기판(150)의 면적을 제1기판(140)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다.

도 2에 도시된 도면에서도 제1기판(140)의 폭(b1)이 제2기판(150)의 폭(b2)보다 좁게 형성되며, 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다. 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다.

이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다.

아울러, 상기 제2기판(150)의 경우, 제2기판의 표면에 방열패턴(미도시), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제2기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제2기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1기판(140)의 두께(a1)를 상기 제2기판(150)의 두께(a2) 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.

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~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다.

상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우(도 2 참조) 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다.

상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 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 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 할 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 상술한 것과 같이 발전용모듈이나, 또는 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 장비로도 응용이 가능하다.

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.

120: 제1반도체소자
120A, 120B, 120C: 단위 열전소자(P형)
130A, 130B, 130C: 단위 열전소자(N형)
122, 123, 132, 133: 내부 확산방지층
121, 124, 131, 134: 외부 확산방지층
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층
181, 182: 회로선

Claims (7)

1. 순차 적층되는 제n소자, 제(n+1)소자 및 제(n+2)소자;
   상기 제n소자 내지 제(n+1)소자의 사이에 각각 배치되는 내부 확산방지층; 및
   상기 제n소자 및 상기 제(n+2)소자의 외부면에 배치되는 외부 확산방지층;을 포함하며,
   상기 내부 확산방지층 및 외부 확산방지층은 Ni-Cr 합금층인 열전소자.
   (단, n은 자연수이다.)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 Ni-Cr 합금층은,
   Ni:Cr의 조성비가 7:3인 열전소자.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제n소자 내지 제(n+2)소자는 동일한 재료로 구성되는 열전소자.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제n소자 내지 상기 제(n+2)소자는 서로 동일한 높이를 갖는 열전소자.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열전소자의 열전지수(ZT)가 1.4 이상인 열전소자.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 단위소자는 3개가 적층되는 구조인 열전소자.
   
7. 상호 대항하는 제1기판 및 제2기판; 및
   상기 제1기판 및 상기 제2기판 사이에 상호 이격되어 배치되는 다수의 열전소자;를 포함하며,
   상기 열전소자는,
   제1소자, 제2소자 및 제3소자가 순차로 적층되며,
   상기 제1소자 및 제3소자의 외부 표면에 배치되는 외부 확산방지층;과
   상기 제1소자 및 제2소자의 경계에 배치되는 내부 확산방지층;을 포함하며,
   상기 내부 확산방지층 및 외부 확산방지층은 Ni-Cr 합금층인 열전모듈.

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