KR20180082044A - Thermoelectric materials, and thermoelectric element and thermoelectric module comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전성능이 증대된 고효율의 열전 소재 및 이를 포함하는 열전 소자와 열전 모듈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly, to a thermoelectric material with high efficiency and a thermoelectric element and a thermoelectric module including the same.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material, which means direct energy conversion between heat and electricity.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 소자와 N형 열전 소자를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. Thermoelectric elements are collectively referred to as elements using thermoelectric phenomenon, and have a structure in which a PN junction pair is formed by bonding a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element between metal electrodes.
열전 소자는 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 등으로 구분될 수 있다.The thermoelectric element can be classified into a device using a temperature change of electrical resistance, a device using a Seebeck effect that generates electromotive force by a temperature difference, a device using a Peltier effect that is a phenomenon in which heat is generated by heat or a heat is generated .
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.Thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic components, and communication components. For example, a thermoelectric element can be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like. As a result, there is a growing demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements.
Bi-Sb-Te계 열전 소재는 높은 열전도도를 가지므로, 성능지수를 개선하기 어려운 문제점을 가진다. Bi-Sb-Te thermoelectric materials have a high thermal conductivity and thus have difficulty in improving the figure of merit.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제벡계수가 높고 열전도도가 낮은 열전소재에 관한 것이다. The present invention is directed to a thermoelectric material having a high Seebeck coefficient and a low thermal conductivity.
또한, 본 발명은 상기 열전 소재를 포함하는 고효율의 열전 소자를 제공하는 것이다.The present invention also provides a thermoelectric device including the thermoelectric material with high efficiency.
또한, 본 발명은 상기 열전 소자를 포함하는 고효율의 열전 모듈을 제공하는 것이다.The present invention also provides a high-efficiency thermoelectric module including the thermoelectric element.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소재 및 열전 소자는 화학식 1에 따른 열전 분말; 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%를 포함한다.A thermoelectric material and a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention include thermoelectric powders according to Formula 1; And 0.01 to 0.1% by weight of glass frit.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
BixSb2 - xTe3 Bi x Sb 2 - x Te 3
상기 x는 0.4≤x≤0.5이다.X is 0.4? X? 0.5.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈은 하부기판; 상기 하부기판 상에 배치된 제 1 전극; 상기 제1전극 상에 배치된 열전소자; 상기 열전소자 상에 배치된 제 2 전극; 및 상기 제 2 전극 상에 배치된 상부기판을 포함하고, 상기 열전 소자는 화학식 1에 따른 열전 분말; 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%을 가지는 열전 소재를 포함한다.A thermoelectric module according to an embodiment of the present invention includes a lower substrate; A first electrode disposed on the lower substrate; A thermoelectric element disposed on the first electrode; A second electrode disposed on the thermoelectric element; And an upper substrate disposed on the second electrode, wherein the thermoelectric element comprises a thermoelectric powder according to Formula 1; And 0.01% to 0.1% by weight of glass frit.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
BixSb2 - xTe3 Bi x Sb 2 - x Te 3
상기 x는 0.4≤x≤0.5이다.X is 0.4? X? 0.5.
본 발명의 실시예에 따르면, 제벡계수가 높고, 열전도도가 낮은Bi-Sb-Te계 열전 소재를 제공할 수 있다. 이에 따라, 실시예는 열전성능이 우수한 열전 소자 및 열전 모듈을 제공할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, a Bi-Sb-Te thermoelectric material having a high Seebeck coefficient and a low thermal conductivity can be provided. Accordingly, the embodiment can provide a thermoelectric element and a thermoelectric module having excellent thermoelectric performance.
도 1은 실시예에 따른 열전분말의 전자현미경 사진이다.
도 2는 실시예에 따른 글라스 프릿의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예에 따른 열전 소재의 전자현미경 사진이다.
도 4는 비교예에 따른 열전 소재의 전자현미경 사진이다.
도 5는 비교예 및 실시예에 따른 열전도도, 제벡계수, 전기전도도 및 성능지수의 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 12 내지 도 14는 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재를 도시한 도면들이다.1 is an electron micrograph of a thermoelectric powder according to an embodiment.
2 is an electron micrograph of a glass frit according to an embodiment.
3 is an electron micrograph of a thermoelectric material according to an embodiment.
4 is an electron micrograph of a thermoelectric material according to a comparative example.
5 is a graph showing the results of evaluation of thermal conductivity, Seebeck coefficient, electric conductivity and performance index according to Comparative Examples and Examples.
6 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment.
7 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment.
8 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to another embodiment.
9 to 11 are views showing thermoelectric legs of a laminated structure.
12 to 14 are views showing a heat transfer member disposed on the thermoelectric module according to the embodiment.
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. The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
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. The terms including ordinal, such as second, first, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
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.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
본 발명은 열전성능이 증대된 고효율의 열전소재 및 이를 포함하는 열전소자와 열전모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric material with enhanced thermoelectric performance, a thermoelectric device including the same, and a thermoelectric module.
열전소재의 성능을 측정하는 지표로는 하기 수학식 1로 정의되는 성능지수(ZT)를 사용한다. The performance index (ZT) defined by the following equation (1) is used as an index for measuring the performance of the thermoelectric material.
<수학식 1>&Quot; (1) "
상기 수학식 1에서, ZT는 무차원 성능지수를 나타내며, S는 제벡계수를 나타내고, σ는 전기전도도를 나타내고, T는 절대온도를 나타내고, k는 열전도도를 나타낸다.In Equation (1), ZT represents a dimensionless figure of merit, S represents a Seebeck coefficient,? Represents electrical conductivity, T represents absolute temperature, and k represents thermal conductivity.
성능지수(ZT)를 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도, 즉, 파워팩터(S2σ)가 높고 열전도도가 낮은 소재가 요구된다. In order to increase the figure of merit (ZT), a material having high Seebeck coefficient and electrical conductivity, that is, a high power factor (S 2 σ) and low thermal conductivity is required.
그러나, Bi-Sb-Te계 열전 소재는 높은 열전도도를 가지므로, 성능지수를 향상시키는데 제약이 있었다. However, since the Bi-Sb-Te thermoelectric material has a high thermal conductivity, there is a limitation in improving the figure of merit.
본 발명은 제벡계수가 높고, 열전도도가 낮은 고효율의 열전소재 및 이를 포함하는 열전소자와 열전모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric material having a high Seebeck coefficient and a low thermal conductivity, a thermoelectric element including the same, and a thermoelectric module.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 열전 소재는 열전 분말; 및 글라스 프릿을 포함할 수 있다.1 to 3, the thermoelectric material according to the embodiment includes thermoelectric powder; And glass frit.
도 1은 열전 분말의 사진이다. 1 is a photograph of a thermoelectric powder.
실시예에 따른 열전 소재에 포함되는 열전 분말은 하기 화학식 1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. The thermoelectric powder included in the thermoelectric material according to the embodiment may include a compound represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
BixSb2 - xTe3 Bi x Sb 2 - x Te 3
상기 화학식 1에서, 상기 x는 0.4≤x≤0.5이다.In Formula 1, x is 0.4? X? 0.5.
예를 들어, 상기 x는 0.5일 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 소재에 포함되는 열전 분말은 Bi0 . 5Sb1 . 5Te3 일 수 있다. For example, x may be 0.5. That is, the thermoelectric powder included in the thermoelectric material according to the embodiment is Bi 0 . 5 Sb 1 . 5 Te 3 .
예를 들어, 상기 x는 0.4일 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 소재에 포함되는 열전 분말은 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 일 수 있다. 다만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 x의 범위 내에서 Bi와 Sb의 조성의 함량이 변할 수 있음은 물론이다. For example, x may be 0.4. That is, the thermoelectric powder included in the thermoelectric material according to the embodiment is Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 . However, the embodiment is not limited thereto, and it goes without saying that the content of the composition of Bi and Sb may vary within the range of x.
도 2는 글라스 프릿의 사진이다. 실시예에 따른 열전 소재에 포함되는 글라스 프릿은 유리 분말일 수 있다. 2 is a photograph of a glass frit. The glass frit included in the thermoelectric material according to the embodiment may be glass powder.
상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2)-산화 알루미늄(Al2O3)-산화 나트륨(Na2O)-산화 칼륨(K2O) 계열일 수 있다. 실시예에 따른 글라스 프릿은 산화 납(PbO)을 포함하지 않는 무연 유리 분말일 수 있다. 이에 따라, 국제환경규제에 적합한 글라스 프릿일 수 있다.The glass frit may be silicon oxide (SiO 2 ) - aluminum oxide (Al 2 O 3 ) - sodium oxide (Na 2 O) - potassium oxide (K 2 O) series. The glass frit according to an embodiment may be a lead-free glass powder not containing lead oxide (PbO). Accordingly, it can be a glass frit that meets international environmental regulations.
상기 글라스 프릿은 산화 규소 60 중량 이상%, 알칼리 산화물을 15 중량% 내지 25 중량% 포함하는 소다 유리일 수 있다. 여기에서, 상기 알칼리 산화물은 산화 나트륨(Na2O) 및 산화 칼륨(K2O)을 의미할 수 있다. 실시예에 따른 글라스 프릿은 상기 알칼리 산화물을 포함함에 따라, 유리의 융점이 저하될 수 있다. The glass frit may be soda glass containing 60 wt% or more of silicon oxide and 15 wt% to 25 wt% of an alkali oxide. Here, the alkali oxide may mean sodium oxide (Na 2 O) and potassium oxide (K 2 O). As the glass frit according to the embodiment contains the alkali oxide, the melting point of the glass may be lowered.
상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2)가 주성분일 수 있고, 상기 산화 규소(SiO2)를 70 중량% 이상 포함할 수 있다. The glass frit may be a silicon oxide (SiO 2) as main component, said silicon oxide (SiO 2) may comprise more than 70% by weight.
또한, 상기 글라스 프릿은 상기 산화 나트륨(Na2O)을 10 중량% 이상 포함할 수 있다. In addition, the glass frit may contain 10 wt% or more of sodium oxide (Na 2 O).
또한, 상기 글라스 프릿은 상기 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화 칼륨(K2O)를 각각 5 중량% 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿은 상기 산화 알루미늄(Al2O3)과 산화 칼륨(K2O)를 각각 동일한 중량%로 포함할 수 있다. The glass frit may contain 5 wt% or more of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and potassium oxide (K 2 O), respectively. For example, the glass frit may contain the same weight percent of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and potassium oxide (K 2 O), respectively.
상기 글라스 프릿에 포함된 산화 알루미늄(Al2O3) 및 산화 칼륨(K2O)의 중량 %의 합에 대한 산화 나트륨(Na2O)의 중량%의 비는 1이상일 수 있다(Na2O wt% / (Al2O3 wt% + K2O wt%) ≥ 1). 예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 산화 알루미늄(Al2O3) 및 산화 칼륨(K2O)의 중량 %의 합에 대한 산화 나트륨(Na2O)의 중량 %의 비는 1초과일 수 있다(Na2O wt% / (Al2O3 wt% + K2O wt%) > 1).The ratio of the weight% of sodium oxide (Na 2 O) to the sum of the weight% of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and potassium oxide (K 2 O) contained in the glass frit may be 1 or more (Na 2 O wt% / (Al 2 O 3 wt% + K 2 O wt%) ≥ 1). For example, the ratio of the weight percent of sodium oxide (Na 2 O) to the sum of the weight percentages of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and potassium oxide (K 2 O) contained in the glass frit may be greater than 1 (Na 2 O wt% / (Al 2 O 3 wt% + K 2 O wt%)> 1).
예를 들어, 상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2) 65 중량% 내지 80 중량%, 산화 알루미늄(Al2O3) 5 중량 % 내지 10 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 10 중량% 내지 15 중량% 및 산화 칼륨(K2O) 5 중량% 내지 10 중량%를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 글라스 프릿은 열팽창 계수가 작을 수 있어, 가공성이 향상될 수 있다.For example, the glass frit may comprise from 65 to 80% by weight of silicon oxide (SiO 2 ), from 5 to 10% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), from 10 to 15% by weight of sodium oxide (Na 2 O) By weight and potassium oxide (K 2 O) 5% by weight to 10% by weight. Further, the glass frit according to the embodiment can have a small thermal expansion coefficient, and the workability can be improved.
상기 글라스 프릿은 세라믹을 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿은 산화물을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 글라스 프릿에 포함된 원소별 중량 % 조성은 산소(O)가 30 중량% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 산소(O)는 40 중량% 이상일 수 있다. The glass frit may include ceramics. The glass frit may comprise an oxide. Accordingly, the weight% composition of each element included in the glass frit may be 30% by weight or more of oxygen (O). For example, oxygen (O) contained in the glass frit may be 40 wt% or more.
산소 외에, 상기 글라스 프릿은 다양한 원소를 포함할 수 있다. Besides oxygen, the glass frit may contain various elements.
예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 나트륨(Na)은 20 중량% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 나트륨(Na)은 20 중량% 내지 25 중량% 일 수 있다. For example, sodium (Na) contained in the glass frit may be 20 wt% or more. The amount of sodium (Na) contained in the glass frit may be 20 wt% to 25 wt%.
예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)는 20 중량% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)는 20 중량% 내지 25 중량% 일 수 있다. For example, silicon (Si) contained in the glass frit may be 20 wt% or more. The silicon (Si) contained in the glass frit may be 20 wt% to 25 wt%.
예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)의 중량%에 대한 나트륨(Na)의 중량%의 비율은 약 0.95 내지 약 1.05일 수 있다.For example, the ratio of the weight percent of sodium (Na) to the weight percent of silicon (Si) contained in the glass frit may be from about 0.95 to about 1.05.
예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 칼륨(K)은 7 중량% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 칼륨(K)은 10 중량% 내지 15 중량% 일 수 있다. For example, potassium (K) contained in the glass frit may be 7 wt% or more. The potassium (K) contained in the glass frit may be 10 wt% to 15 wt%.
예를 들어, 상기 글라스 프릿에 포함된 알루미늄(Al)은 1 중량% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 알루미늄(Al)은 1 중량% 내지 3 중량% 일 수 있다. For example, aluminum (Al) contained in the glass frit may be 1 wt% or more. The amount of aluminum (Al) contained in the glass frit may be 1 wt% to 3 wt%.
상기 글라스 프릿은 이종의 원소를 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿은 산소(O), 나트륨(Na), 규소(Si), 칼륨(K), 알루미늄(Al)의 서로 다른 원소를 포함할 수 있다. The glass frit may contain different kinds of elements. The glass frit may include different elements of oxygen (O), sodium (Na), silicon (Si), potassium (K), and aluminum (Al).
상기 글라스 프릿에 포함된 산소(O)는 50 원자% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 산소(O)는 50 원자% 내지 60 원자%일 수 있다. The oxygen (O) contained in the glass frit may be 50 atomic% or more. The oxygen (O) contained in the glass frit may be 50 atom% to 60 atom%.
상기 글라스 프릿에 포함된 나트륨(Na)은 15 원자% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 산소(O)는 15 원자% 내지 25 원자%일 수 있다. Sodium (Na) contained in the glass frit may be at least 15 atomic%. The oxygen (O) contained in the glass frit may be 15 atom% to 25 atom%.
상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)는 10 원자% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)는 10원자% 내지 20 원자%일 수 있다. The silicon (Si) contained in the glass frit may be 10 atomic% or more. The silicon (Si) contained in the glass frit may be 10 atom% to 20 atom%.
상기 글라스 프릿에 포함된 칼륨(K)은 10 원자% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 규소(Si)는 10 원자% 내지 20 원자%일 수 있다. The potassium (K) contained in the glass frit may be 10 atomic% or more. The silicon (Si) contained in the glass frit may be 10 atom% to 20 atom%.
상기 글라스 프릿에 포함된 알루미늄(Al)은 1 원자% 이상일 수 있다. 상기 글라스 프릿에 포함된 알루미늄(Al)은 1 원자% 내지 2 원자%일 수 있다. The aluminum (Al) contained in the glass frit may be 1 atomic% or more. The aluminum (Al) contained in the glass frit may be 1 atom% to 2 atom%.
상기 글라스 프릿은 비정질일 수 있다. 즉, 상기 글라스 프릿은 불규칙한 결정 구조를 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿은 불규칙한 입자 조직을 포함할 수 있다. The glass frit may be amorphous. That is, the glass frit may include an irregular crystal structure. The glass frit may comprise irregular grain structure.
도 2를 참조하면, 상기 글라스 프릿은 다양한 형상의 유리 분말을 포함할 있다. 상기 글라스 프릿은 다각형 형상일 수 있다. 즉, 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 측정 위치에 따라 크기가 다른 부분을 적어도 2개 이상 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 측정 위치 내지 측정 각도에 따라 크기가 다른 부분을 적어도 5개 이상 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 측정 위치 내지 측정 각도에 따라 크기가 다른 부분을 적어도 10개 이상 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the glass frit may include glass powders of various shapes. The glass frit may have a polygonal shape. That is, one glass powder of the glass frit may include at least two portions having different sizes depending on the measurement position. The one glass powder of the glass frit may include at least five portions different in size depending on the measurement position and the measurement angle. The one glass powder of the glass frit may include at least 10 portions having different sizes depending on the measurement position or the measurement angle.
상기 글라스 프릿은 파단부를 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿은 파단 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 두께가 다른 부분을 포함할 수 있다. The glass frit may include a rupture part. The glass frit may have a fractured shape. Accordingly, one glass powder of the glass frit may include portions having different thicknesses.
복수 개의 글라스 프릿은 다양한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿은 제 1 두께를 가지는 하나의 글라스 프릿, 및 상기 제 1 두께와 다른 두께를 가지는 다른 하나의 글라스 프릿을 포함할 수 있다. The plurality of glass frit may have various thicknesses. For example, the glass frit may include one glass frit having a first thickness, and another glass frit having a thickness different from the first thickness.
또는, 하나의 글라스 프릿은 다양한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 측정 위치에 따라 두께가 다른 부분을 적어도 2개 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿의 하나의 유리 분말은 측정 위치에 따라 두께가 다른 부분을 적어도 3개 이상 포함할 수 있다.Alternatively, one glass frit can have various thicknesses. For example, one glass powder of the glass frit may include at least two portions having different thicknesses depending on the measurement position. For example, one glass powder of the glass frit may include at least three portions having different thicknesses depending on the measurement position.
상기 글라스 프릿은 표면의 조도가 다른 부분을 적어도 2개 이상 포함할 수 있다. The glass frit may include at least two portions having different surface roughness.
상기 글라스 프릿은 다양한 크기를 가질 수 있다. 상기 글라스 프릿은 크기가 서로 다른 유리 분말을 포함할 수 있다. 상기 글라스 프릿은 10㎛ 미만의 입도를 가지는 복수개의 제 1 글라스 프릿, 및 10 ㎛ 초과의 입도를 가지는 복수개의 제 2 글라스 프릿을 포함할 수 있다.The glass frit may have various sizes. The glass frit may include glass powders of different sizes. The glass frit may include a plurality of first glass frit having a particle size of less than 10 mu m and a plurality of second glass frit having a particle size of more than 10 mu m.
도 2는 글라스 프릿 입자의 최대 크기를 측정하여 나타낸 것으로, 상기 글라스 프릿은 4.14㎛, 5.63㎛, 8.08㎛, 8.37㎛ 등의 입도를 가지는 복수 개의 제 1 글라스 프릿과, 11.88㎛, 14.76㎛, 24.49㎛, 32.92㎛ 등의 입도를 가지는 복수 개의 제 2 글라스 프릿을 포함할 수 있다. 도 2에서 측정된 크기는 예시이며, 글라스 프릿의 크기가 이에 제한되는 것은 아니다. 2 shows the measurement of the maximum size of the glass frit particles. The glass frit has a plurality of first glass frit having particle sizes of 4.14 탆, 5.63 탆, 8.08 탆 and 8.37 탆, and a plurality of first glass frit having a size of 11.88 탆, 14.76 탆, Mu m, 32.92 mu m, and the like. The size measured in Fig. 2 is an example, and the size of the glass frit is not limited thereto.
상기 글라스 프릿의 입도는 입도 분석기에 의해 측정될 수 있다. 상기 글라스 프릿의 입도는 10% 상대 입자함량에서의 입도(D10)가 3㎛ 내지 7㎛ 이고, 90% 상대 입자함량에서의 입도(D90)가 30㎛ 내지 35㎛일 수 있다.The particle size of the glass frit can be measured by a particle size analyzer. The particle size of the glass frit may be in the range of 3 탆 to 7 탆 at a 10% relative particle content and in the range of 30 탆 to 35 탆 at a 90% relative particle content.
상기 글라스 프릿의 입도는 50% 상대 입자함량에서의 입도(D50)가 7㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다. 즉, 상기 글라스 프릿의 평균입자의 크기(D50)는 7㎛ 내지 10㎛ 일 수 있다.The particle size of the glass frit may be a particle size (D50) at a 50% relative particle content of 7 mu m to 10 mu m. That is, the average particle size (D50) of the glass frit may be 7 탆 to 10 탆.
상기 글라스 프릿의 최대 입도(Dmax)는 35㎛ 내지45㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 상기 글라스 프릿의 최대 입도(Dmax)는 38㎛ 내지42㎛ 일 수 있다. The maximum particle size (Dmax) of the glass frit may be from 35 탆 to 45 탆. For example, the maximum particle size (Dmax) of the glass frit may be between 38 μm and 42 μm.
도 3은 실시예에 따른 열전 소재의 사진이다. 3 is a photograph of a thermoelectric material according to an embodiment.
실시예에 따른 열전 소재는 상기 열전 분말 및 상기 글라스 프릿을 혼합한 후, 소결하여 형성할 수 있다. The thermoelectric material according to the embodiment can be formed by mixing the thermoelectric powder and the glass frit and then sintering.
상기 열전 소재는 상기 열전 분말과 상기 글라스 프릿0.01 중량% 내지 0.1 중량%을 혼합한 후, 스파크 플라즈마 소결, 즉 통전 가압 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)에 의한 소결체일 수 있다. The thermoelectric material may be a sintered body obtained by mixing the thermoelectric powder with the glass frit in an amount of 0.01 to 0.1 wt% and then spark plasma sintering, that is, Spark Plasma Sintering (SPS).
도 3의 음영이 나타난 부분을 통해 열전 소재에 포함된 글라스 프릿을 확인할 수 있다. 즉, 점선 안쪽의 음영 부분을 통해, 글라스 프릿을 확인할 수 있다. The glass frit included in the thermoelectric material can be identified through the portion where the shading in FIG. 3 appears. In other words, you can see the glass frit through the shaded area inside the dotted line.
한편, 도 4는 비교예에 따른 열전 소재의 사진이다.4 is a photograph of the thermoelectric material according to the comparative example.
비교예에 따른 열전 소재는 상기 열전 분말이 소결된 열전 소재의 사진이다. 실시예의 열전 소재와 달리, 글라스 프릿이 포함되지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉, 음영이 다른 입자를 포함하지 않으므로, 글라스 프릿이 없는 것을 확인할 수 있다. The thermoelectric material according to the comparative example is a photograph of the thermoelectric material in which the thermoelectric powder is sintered. Unlike the thermoelectric material of the embodiment, it can be confirmed that the glass frit is not included. That is, since the shadows do not include other particles, it can be confirmed that there is no glass frit.
이하에서는 열전 소재 및 열전 소자의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing thermoelectric materials and thermoelectric elements will be described.
첫째, 열전 분말의 제조방법을 설명한다. First, a method of manufacturing the thermoelectric powder will be described.
열전 분말을 형성하기 위해서는 Bi, Sb, Te 를 준비한다. 다음으로, 상기 열전 분말은 상기 화학식 1의 BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5) 조성을 가지도록 칙량한 후, 잉곳(ingot)을 제조한다. 제조된 잉곳은 단결정 구조를 가질 수 있다. 다음으로, 잉곳을 분쇄하여 열전 분말을 형성할 수 있다. 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법에 따라 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 판상 플레이크의 열전 소재가 얻어질 수 있다.Bi, Sb and Te are prepared to form the thermoelectric powder. Next, the thermoelectric powder is prepared so as to have a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5) of the formula 1, and then an ingot is produced. The prepared ingot may have a single crystal structure. Next, the ingot may be pulverized to form a thermoelectric powder. At this time, the ingot may be pulverized according to a melt spinning technique. Thus, a thermoelectric material of the flaky flakes can be obtained.
둘째, 글라스 프릿의 제조방법을 설명한다. Second, a manufacturing method of glass frit is described.
글라스 프릿은 산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 나트륨(Na2O) 및 산화 칼륨(K2O)을 칙량하여 도가니에 장입하고, 가열 및 용융한 후, 분쇄에 의해서 제조할 수 있다. The glass frit is charged into a crucible by charging silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), sodium oxide (Na 2 O) and potassium oxide (K 2 O), heating and melting, . ≪ / RTI >
이에 따라, 상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2) 65 내지 80 중량 %, 산화 알루미늄(Al2O3) 5 내지 10 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 10 내지 15 중량 %, 산화 칼륨(K2O) 5 내지 10 중량%을 가질 수 있다. 이때, 상기 글라스 프릿의 평균 입도(D50)는 7㎛ 내지 10㎛이고, 최대 입도(Dmax)는 35㎛ 내지45㎛이 되도록 분쇄될 수 있다. Accordingly, the glass frit may contain 65 to 80% by weight of silicon oxide (SiO 2 ), 5 to 10% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), 10 to 15% by weight of sodium oxide (Na 2 O) 2 O) 5 to 10% by weight. At this time, the average particle size (D50) of the glass frit may be 7 to 10 mu m and the maximum particle size (Dmax) may be 35 to 45 mu m.
셋째, 열전 소재의 제조방법을 설명한다.Third, a method of manufacturing a thermoelectric material will be described.
상기 화학식 1의 BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5) 조성을 가지는 단결정의 상기 열전 분말과 산화 규소(SiO2) 65 내지 80 중량 %, 산화 알루미늄(Al2O3) 5 내지 10 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 10 내지 15 중량 %, 산화 칼륨(K2O) 5 내지 10 중량%의 조성을 가지는 비정질의 상기 글라스 프릿을 혼합한다.The thermoelectric powder of the single crystal having a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5) of the formula 1 is mixed with 65 to 80 wt% of silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) The amorphous glass frit having a composition of 10 to 15 wt%, sodium oxide (Na 2 O) 10 to 15 wt%, and potassium oxide (K 2 O) 5 to 10 wt% is mixed.
이때, 상기 열전 분말 및 상기 글라스 프릿 서로 다른 중량 %로 혼합될 수 있다. 상기 열전 분말은 상기 글라스 프릿보다 더 큰 중량 %를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 열전 분말은 99.9 중량% 내지 99.99 중량%일 수 있다. 상기 글라스 프릿은 0.01 중량% 내지 0.1 중량%일 수 있다. At this time, the thermoelectric powder and the glass frit may be mixed at different weight percentages. The thermoelectric powder may have a larger weight percentage than the glass frit. For example, the thermoelectric powder may be 99.9 wt% to 99.99 wt%. The glass frit may be 0.01 wt% to 0.1 wt%.
열전 소재에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 제벡계수가 높고, 열전도도가 낮아서, 성능지수가 향상될 수 있다. When the glass frit is contained in the thermoelectric material in an amount of 0.01 to 0.1% by weight, the Seebeck coefficient is high, the thermal conductivity is low, and the figure of merit can be improved.
예를 들어, 열전 소재에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 열전소자의 성능지수(ZT)는 1.0 초과일 수 있다. 자세하게, 열전 소재에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 열전소자의 성능지수(ZT)는 1.05 이상일 수 있다. 자세하게, 열전 소재에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 열전소자의 성능지수(ZT)는 1.1 이상일 수 있다. For example, when the thermoelectric material contains glass frit in an amount of 0.01 to 0.1 wt%, the figure of merit (ZT) of the thermoelectric element calculated by Equation (1) at 25 DEG C may be more than 1.0. In detail, when the thermoelectric material contains glass frit in an amount of 0.01 wt% to 0.1 wt%, the figure of merit (ZT) of the thermoelectric element calculated by Equation (1) at 25 캜 can be 1.05 or more. In detail, when the thermoelectric material contains glass frit in an amount of 0.01 wt% to 0.1 wt%, the figure of merit (ZT) of the thermoelectric element calculated by Equation (1) at 25 캜 can be 1.1 or more.
이에 따라, 실시예는 고효율의 열전소재를 제공할 수 있다. 다만, 성능지수는 온도에 따라 가변적인 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 100℃에서 측정된 실시예에 따른 열전 소자의 성능지수는 1.3 이상일 수 있다. 자세하게, 100℃에서 측정된 실시예에 따른 열전 소자의 성능지수는 1.3 내지 1.4일 수 있다. Accordingly, the embodiment can provide a thermoelectric material with high efficiency. However, the figure of merit may have a variable value depending on the temperature. For example, the figure of merit of the thermoelectric device according to the embodiment measured at 100 ° C may be 1.3 or higher. In detail, the performance index of the thermoelectric device according to the embodiment measured at 100 ° C may be 1.3 to 1.4.
열전 소재에 글라스 프릿이 포함되지 않거나, 글라스 프릿이 0.01 중량% 미만으로 포함된 경우에는 25℃에서 열전소자의 성능지수(ZT)가 1.05 미만일 수 있다. If the thermoelectric material does not contain glass frit, or if the glass frit is contained in an amount of less than 0.01% by weight, the thermoelectric element performance index (ZT) may be less than 1.05 at 25 ° C.
열전 소재에 글라스 프릿이 0.1 중량% 초과로 포함된 경우에는 25℃에서 열전소자의 성능지수(ZT)가 1.05 미만일 수 있다. If the thermoelectric material contains glass frit in an amount exceeding 0.1 wt%, the figure of merit (ZT) of the thermoelectric element at 25 캜 may be less than 1.05.
판상 플레이크의 열전 소재를 글라스 프릿과 함께 밀링(milling)할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등이 이용될 수 있다.The thermoelectric material of the flaky flakes can be milled together with the glass frit. For this purpose, for example, a super mixer, a ball mill, an attrition mill, a 3 roll mill, or the like can be used.
자세하게, 상기 열전 분말 및 상기 글라스 프릿은 볼밀 공정에 의하여 균일하게 혼합될 수 있다. 즉, 상기 열전 분말 내에 상기 글라스 프릿은 고르게 분산될 수 있다. 이에 따라, 상기 글라스 프릿의 복수 개의 유리 분말들은 서로 이격될 수 있다. 상기 제 1 글라스 프릿은 상기 제 2 글라스 프릿과 이격될 수 있다. 또한, 상기 복수개의 제 1 글라스 프릿 입자들은 서로 이격될 수 있고, 상기 복수개의 제 1 글라스 프릿 입자들은 서로 이격될 수 있다. In detail, the thermoelectric powder and the glass frit can be uniformly mixed by a ball mill process. That is, the glass frit can be uniformly dispersed in the thermoelectric powder. Accordingly, the plurality of glass powders of the glass frit may be spaced apart from each other. The first glass frit may be spaced apart from the second glass frit. Also, the plurality of first glass frit particles may be spaced apart from each other, and the plurality of first glass frit particles may be spaced from each other.
다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 레그용 분말을 얻을 수 있다. 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 레그용 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.Next, the thermoelectric leg powder can be obtained through sieving. However, the screening process is added as needed and is not an essential process in the embodiment of the present invention. At this time, the powder for thermoelectric legs may have a particle size of, for example, micrometers.
다음으로, 열전 레그용 분말을 소결할 수 있다. 소결 과정으로 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다.Next, the powder for the thermoelectric leg can be sintered. The thermoelectric leg can be manufactured by cutting the sintered body obtained by the sintering process. The sintering may be carried out at 400 to 550, 35 to 60 MPa for 1 to 30 minutes, for example, using SPS (Spark Plasma Sintering) equipment, or at 400 to 550 , And 180 to 250 MPa for 1 to 60 minutes.
자세하게, 상기 열전 분말과 상기 글라스 프릿0.01 중량% 내지 0.1 중량%을 혼합한 후, 소결하여 열전 소재를 제조할 수 있다. 즉, 열전 소재는 스파크 플라즈마 소결, 즉 통전 가압 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)에 의한 소결체일 수 있다. 이에 따라, 실시예의 열전소자는 P형 반도체인 열전모듈을 형성될 수 있다. In detail, the thermoelectric material can be prepared by mixing the thermoelectric powder with 0.01 wt% to 0.1 wt% of the glass frit and then sintering. That is, the thermoelectric material may be a sintered body by spark plasma sintering, that is, spark plasma sintering (SPS). Accordingly, the thermoelectric element of the embodiment can be formed as a thermoelectric module that is a P-type semiconductor.
넷째, 열전 소자의 제조방법을 설명한다.Fourth, a method for manufacturing a thermoelectric element will be described.
상기 소결체인 열전 소재를 슬라이싱, 도금, 커팅하여 열전 소자를 제조할 수 있다. 상기 열전 소자에 포함된 글라스 프릿의 조성 및 크기는 상기 열전 소재에 포함된 글라스 프릿의 조성 및 크기와 동일하거나 유사할 수 있다. The thermoelectric device can be manufactured by slicing, plating and cutting the thermoelectric material as the sintered body. The composition and size of the glass frit included in the thermoelectric element may be the same or similar to the composition and size of the glass frit included in the thermoelectric material.
따라서, 실시예에 따른 열전 소자는 BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)의 조성을 가지는 열전 분말 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%를 포함할 수 있다. Therefore, the thermoelectric device according to the embodiment may include thermoelectric powder having a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5) and 0.01 to 0.1 wt% of glass frit.
열전 소자에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 제벡계수가 높고, 열전도도가 낮아서, 성능지수가 향상될 수 있다. 예를 들어, 열전 소자에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 성능지수(ZT)는 1.0 초과일 수 있다. 자세하게, 열전 소자에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 성능지수(ZT)는 1.05 이상일 수 있다. 자세하게, 열전 소자에 글라스 프릿이 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함될 때, 25℃에서 상기 수학식 1에 의해 계산된 성능지수(ZT)는 1.1 이상일 수 있다. 이에 따라, 실시예는 고효율의 열전소자를 제공할 수 있다.When the glass frit is contained in the thermoelectric element in an amount of 0.01 wt% to 0.1 wt%, the Seebeck coefficient is high, the thermal conductivity is low, and the figure of merit can be improved. For example, when the thermoelectric element contains 0.01 to 0.1 wt% of glass frit, the figure of merit (ZT) calculated by Equation (1) at 25 DEG C may exceed 1.0. In detail, when the thermoelectric element contains 0.01 to 0.1 wt% of glass frit, the figure of merit (ZT) calculated by Equation (1) at 25 캜 can be 1.05 or more. In detail, when the thermoelectric element contains 0.01 to 0.1% by weight of glass frit, the figure of merit ZT calculated by the above formula (1) at 25 캜 can be 1.1 or more. Thus, the embodiment can provide a thermoelectric device with high efficiency.
열전 소자에 글라스 프릿이 포함되지 않거나, 0.01 중량% 미만으로 포함된 경우에는 25℃에서의 성능지수(ZT)가 1.05 미만일 수 있다. If the thermoelectric element does not contain glass frit or contains less than 0.01% by weight, the figure of merit (ZT) at 25 캜 may be less than 1.05.
열전 소자에 글라스 프릿이 0.1 중량% 초과로 포함된 경우에는 25℃에서의 성능지수(ZT)가 1.05 미만일 수 있다. When the thermoelectric element contains more than 0.1% by weight of glass frit, the figure of merit (ZT) at 25 캜 may be less than 1.05.
상기 열전 소자는 P형 반도체일 수 있다. The thermoelectric element may be a P-type semiconductor.
이하, 실시예들 및 비교예들을 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. These embodiments are merely illustrative of the present invention in order to explain the present invention in more detail. Therefore, the present invention is not limited to these embodiments.
실시예Example 1 One
실시예 1은 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 의 열전 분말 및 글라스 프릿 0.01 중량%를 혼합하고, 스파크 플라즈마 소결(SPS)에 의하여 소결된 열전 소재이다. Example 1 shows that Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 , and 0.01 wt% of glass frit, and sintered by spark plasma sintering (SPS).
이때, 글라스 프릿의 조성은 산화 규소(SiO2) 74.6875 중량 %, 산화 알루미늄(Al2O3) 6.25 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 12.8125 중량 %, 산화 칼륨(K2O) 6.25 중량%로 측정되었다. The composition of the glass frit was 74.6875 wt% of silicon oxide (SiO 2 ), 6.25 wt% of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), 12.8125 wt% of sodium oxide (Na 2 O), 6.25 wt% of potassium oxide (K 2 O) Respectively.
글라스 프릿의 유리전이온도(Tg, Glass Transition Temperature)는 333.7℃이고, 유리연화점(Ts, dilatometric softening point)은 370.2℃이고, 열팽창 계수 (CTE, Coefficient of Thermal Expansion)는 16.02 ⅹ 10-6/ 로 측정되었다.The glass transition temperature (Tg) of the glass frit is 333.7 ° C. The dilatometric softening point Ts is 370.2 ° C. and the coefficient of thermal expansion (CTE) is 16.02 × 10 -6 / Respectively.
글라스 프릿의 10% 상대 입자함량에서의 입도(D10)는 5.47㎛ 이고, 50% 상대 입자함량에서의 입도(D50)는 8.53㎛ 이고, 90% 상대 입자함량에서의 입도(D90)가 32.93㎛ 이고, 최대 입도(Dmax)는40㎛로 측정되었다. The glass frit had a particle size (D10) at a 10% relative particle content of 5.47 占 퐉, a particle size at a 50% relative particle content (D50) of 8.53 占 퐉, a particle size (D90) at a 90% relative particle content of 32.93 占 퐉 , And the maximum particle size (Dmax) was measured as 40 mu m.
X-선에 의해 분석된 글라스 프릿의 원소별 중량 % 조성은 산소(O) 41.02 중량%, 나트륨(Na) 22.68 중량%, 알루미늄(Al) 1.98 중량%, 규소(Si) 22.50 중량%, 칼륨(K) 11.82 중량%인 것으로 측정되었다. 글라스 프릿의 원소별 원자 % 조성은 산소(O) 54.23 원자%, 나트륨(Na) 20.87 원자%, 알루미늄(Al) 1.55 원자%, 규소(Si) 16.95 원자%, 칼륨(K) 6.92 원자%인 것으로 측정되었다.The composition of the glass frit in terms of weight percent by element was 41.02% by weight of oxygen (O), 22.68% by weight of sodium (Na), 1.98% by weight of aluminum (Al), 22.50% by weight of silicon K) of 11.82% by weight. The atomic% composition of the glass frit was 54.23 atomic% of oxygen (O), 20.87 atomic% of sodium (Na), 1.55 atomic% of aluminum (Al), 16.95 atomic% of silicon (Si) and 6.92 atomic% of potassium Respectively.
실시예Example 2 2
실시예 2는 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 의 열전 분말 및 글라스 프릿 0.10 중량%를 혼합하고, 스파크 플라즈마 소결(SPS)에 의하여 소결된 열전 소재이다.Example 2 shows that Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 And 0.10% by weight of glass frit, and sintered by spark plasma sintering (SPS).
실시예 2는 글라스 프릿의 중량%를 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조되었다.Example 2 was prepared under the same conditions as in Example 1, except for the weight percentage of glass frit.
비교예Comparative Example 1 One
비교예 1은 Bi0 . 5Sb1 . 5Te3 의 열전 분말이 스파크 플라즈마 소결(SPS)에 의하여 소결된 열전 소재이다.In Comparative Example 1, Bi 0 . 5 Sb 1 . 5 Te 3 Is a thermoelectric material sintered by spark plasma sintering (SPS).
비교예 1은 열전 소재의 조성이 실시예 1과 다르다는 점, 글라스 프릿을 포함하지 않는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조되었다.Comparative Example 1 was produced under the same conditions as Example 1 except that the composition of the thermoelectric material was different from that of Example 1 and that the glass frit was not included.
비교예Comparative Example 2 2
비교예 2는 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 의 열전 분말이 스파크 플라즈마 소결(SPS)에 의하여 소결된 열전 소재이다. Comparative Example 2 is a Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 Is a thermoelectric material sintered by spark plasma sintering (SPS).
비교예 2는 글라스 프릿을 포함하지 않는 점을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조되었다.Comparative Example 2 was prepared under the same conditions as in Example 1, except that the glass frit was not included.
비교예Comparative Example 3 3
비교예 3은 Bi0 . 4Sb1 . 6Te3 의 열전 분말 및 글라스 프릿 1.00 중량%를 혼합하고, 스파크 플라즈마 소결(SPS)에 의하여 소결된 열전 소재이다. Comparative Example 3 is a Bi 0 . 4 Sb 1 . 6 Te 3 And 1.00% by weight of glass frit, and sintered by spark plasma sintering (SPS).
비교예 3은 글라스 프릿의 중량%를 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건에서 제조되었다.Comparative Example 3 was produced under the same conditions as in Example 1 except for the weight percentage of glass frit.
도 5 및 하기 실험예 1 내지 실험예 5는 25℃에서 측정된 실시예 및 비교예의 열전도도, 제벡계수, 전기전도도, 파워팩터 및 성능지수의 결과값을 나타낸다. 5 and Experimental Examples 1 to 5 show the thermal conductivity, the Seebeck coefficient, the electrical conductivity, the power factor and the performance index of the Examples and Comparative Examples measured at 25 ° C.
실험예Experimental Example 1: One: 실시예Example 및 And 비교예의Comparative example 열전도도의 측정 결과 Measurement results of thermal conductivity
표 1을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 열전소재는 열전도도가 1.1163 W/Km 내지 1.1677 W/Km 일 수 있다. Referring to Table 1, the thermoelectric materials of Examples 1 and 2 may have a thermal conductivity of 1.1163 W / Km to 1.1677 W / Km.
실시예 1 및 실시예 2와 비교할 때, 더 많은 양의 글라스 프릿이 포함된 비교예 3의 열전도도 값은 하락되는 것을 확인하였다. 열전 소재에 글라스 프릿이 0.1 중량% 초과인 1.0 중량%로 포함될 때, 열전도도는 1.11 W/Km 미만인 1.1026 W/Km 로 하락하는 것을 확인하였다. It was confirmed that the thermal conductivity value of Comparative Example 3 containing a larger amount of glass frit was lowered as compared with Example 1 and Example 2. When the thermoelectric material contained 1.0 wt% of glass frit in excess of 0.1 wt%, the thermal conductivity decreased to 1.1026 W / Km, which was less than 1.11 W / Km.
실험예Experimental Example 2: 2: 실시예Example 및 And 비교예의Comparative example 제벡계수의Of the Seebeck coefficient 측정 결과 Measurement result
실시예 1 및 실시예 2의 열전소재는 제벡계수가 1.91E-04 V/K 내지 1.93E-04 V/K 일 수 있다. The thermoelectric materials of Examples 1 and 2 may have a Seebeck coefficient of 1.91E-04 V / K to 1.93E-04 V / K.
표 2를 참조하면, 글라스 프릿의 함량이 증가할 때, 제벡계수가 증가하는 것을 확인하였다. 글라스 프릿을 포함하지 않는 비교예 2 보다 글라스 프릿이 0.01 중량% 포함된 실시예 1의 제벡계수가 증가하였고, 실시예 1 보다 더 많은 양의 글라스 프릿인 0.10 중량%의 글라스 프릿이 포함된 실시예 2의 제벡계수가 증가하였다. Referring to Table 2, it is confirmed that the increase of the glass frit content increases the Seebeck coefficient. The Seebeck coefficient of Example 1 containing 0.01 wt% of glass frit was higher than that of Comparative Example 2 containing no glass frit, and in Example 1 containing 0.10 wt% of glass frit, which is a larger amount of glass frit than Example 1 2, respectively.
상기 제벡계수는 양의 값을 가지므로, 실시예 1 및 실시예 2의 열전 소재는 p형 반도체에 적용될 수 있음을 확인하였다.Since the Seebeck coefficient has a positive value, it is confirmed that the thermoelectric materials of Examples 1 and 2 can be applied to a p-type semiconductor.
실험예Experimental Example 3: 3: 실시예Example 및 And 비교예의Comparative example 전기전도도의 측정 결과 Measurement results of electrical conductivity
표 3을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 열전소재는 전기전도도가 1.11E+05 S/m 내지 1.18E+05 S/m 일 수 있다. Referring to Table 3, the thermoelectric materials of Examples 1 and 2 may have electric conductivities of 1.11E + 05 S / m to 1.18E + 05 S / m.
실시예 1 및 실시예 2와 비교할 때, 더 많은 양의 글라스 프릿이 포함된 비교예 3은 전기전도도가 하락되는 것을 확인하였다. 열전 소재에 글라스 프릿이 0.1 중량% 초과인 1.0 중량%로 포함될 때, 전기전도도는 100000 S/m 미만인 92500 S/m 로 하락하는 것을 확인하였다. 또한, 실시예에 비하여 글라스 프릿이 더 많이 포함된 비교예 3은 제벡계수의 상승에 따라, 전기전도도가 낮아지는 트레이드 오프 관계의 문제가 발생하는 것을 확인하였다.Compared with Example 1 and Example 2, Comparative Example 3, which contained a larger amount of glass frit, confirmed that the electrical conductivity decreased. When the thermoelectric material contained 1.0 wt% of glass frit in an amount exceeding 0.1 wt%, it was confirmed that the electric conductivity decreased to 92500 S / m, which is less than 100000 S / m. Further, in Comparative Example 3 in which more glass frit was contained than in the Examples, it was confirmed that a problem of a tradeoff relation in which the electric conductivity was lowered due to the increase of the Seebeck coefficient occurred.
실험예Experimental Example 4: 4: 실시예Example 및 And 비교예의Comparative example 파워팩터의Power factor 측정 결과 Measurement result
실시예 1 및 실시예 2의 열전소재는 파워팩터가 4.30E-03 W/mK2 내지 4.15E-03 W/mK2 일 수 있다.The thermoelectric materials of Examples 1 and 2 may have a power factor of 4.30E-03 W / mK 2 to 4.15E-03 W / mK 2 .
표 4를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에서 파워팩터가 높은 것을 확인하였다. Referring to Table 4, it was confirmed that the power factor was high in Examples 1 and 2.
글라스 프릿을 포함하지 않는 비교예 2보다 글라스 프릿이 0.01 중량% 포함된 실시예 1의 파워팩터 값이 크게 측정되었다. The power factor value of Example 1 containing glass frit in an amount of 0.01% by weight was significantly larger than that of Comparative Example 2 which did not include glass frit.
또한, 글라스 프릿이 과량인 1.0 중량% 포함된 비교예 3보다 글라스 프릿이 0.1 중량% 포함된 실시예 2의 파워팩터 값이 큰 것을 확인하였다.It was also confirmed that the power factor of Example 2 containing 0.1 wt% of glass frit was larger than that of Comparative Example 3 containing 1.0 wt% of excess of glass frit.
실험예Experimental Example 5: 5: 실시예Example 및 And 비교예의Comparative example 성능지수( Performance Index ( ZTZT )의 측정 결과)
표 5를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에서 성능지수는 1.10 내지 1.11의 값을 가지는 것을 확인하였다. Referring to Table 5, it was confirmed that the performance indices in Examples 1 and 2 have values of 1.10 to 1.11.
글라스 프릿이 포함되지 않은 비교예 1, 비교예 2의 열전 소재와, 글라스 프릿이 1.0 중량%로 과량 포함된 비교에 3의 열전 소재는 성능지수가 1.10 미만인 것으로 확인되었다. It was confirmed that the thermoelectric material of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, which did not contain glass frit, and the thermoelectric material of Comparative Example 3, which contained an excess amount of 1.0 wt% of glass frit, had a figure of merit of less than 1.10.
도 5를 참조하면, BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)조성의 열전 분말 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%를 포함하는 열전 소자는 글라스 프릿의 선택된 중량 %인 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 전체 범위에서 현저한 성능지수(ZT) 향상 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.5, a thermoelectric element comprising a thermoelectric powder having a composition of Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5) and 0.01 to 0.1% by weight of glass frit was mixed with 0.01 wt% % ≪ / RTI > to 0.1% by weight of the total weight of the composition.
실시예에 따른 p형 열전소재는 상온에서 약 1.1 이상의 성능지수를 가지므로, 열전 성능이 증대된 고효율의 열전모듈을 제공할 수 있다. Since the p-type thermoelectric material according to the embodiment has a figure of merit of about 1.1 or more at room temperature, a highly efficient thermoelectric module with increased thermoelectric performance can be provided.
본 발명은 실시예에 따른 열전소재를 절단 가공 등의 방법으로 성형하여 열전소자를 제공할 수 있다. 실시예에 따른 열전소자는 열전소재를 소정의 형상으로 형성한 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 열전소자는 직육면체의 형상, 원기둥의 형상일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 따라서, 고효율의 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있음은 물론이다.The present invention can provide a thermoelectric element by molding the thermoelectric material according to the embodiment by cutting or the like. The thermoelectric element according to the embodiment means that the thermoelectric material is formed into a predetermined shape. For example, the thermoelectric element may have a rectangular parallelepiped shape or a cylindrical shape, but is not limited thereto. Therefore, it is of course possible to provide a thermoelectric element and a thermoelectric module with high efficiency.
도 6은 열전소자의 단면도이고, 도 7은 열전소자의 사시도이다.Fig. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and Fig. 7 is a perspective view of the thermoelectric element.
도 6 및 도 7을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.6 and 7, the thermoelectric element 100 includes a
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다. The
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.For example, when a voltage is applied to the
열전 레그(A)는 실시예에 따른 상기 열전 소자를 포함할 수 있다. The thermoelectric leg A may include the thermoelectric element according to the embodiment.
실시예에 따른 열전 모듈은 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치된 열전 소자를 포함하고, 상기 열전 소자는 BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)의 조성에 따른 열전 분말; 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%을 가지는 열전 소재를 포함할 수 있다. The thermoelectric module according to an embodiment includes a first electrode, a second electrode, and a thermoelectric element disposed between the first electrode and the second electrode, and the thermoelectric element includes Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 x ≪ / = 0.5); And 0.01% to 0.1% by weight of glass frit.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. Here, the P-type
P형 열전 레그(130)는 주원료물질이 Bi-Sb-Te 일 수 있다. 또한, P형 열전 레그(130)는 산소(O), 나트륨(Na), 알루미늄(Al), 규소(Si), 칼륨(K)을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, P형 열전 레그(130)는 BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)의 조성을 가지는 열전 분말 및 산화 규소(SiO2) 65 내지 80 중량 %, 산화 알루미늄(Al2O3) 5 내지 10 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 10 내지 15 중량 %, 산화 칼륨(K2O) 5 내지 10 중량%의 조성을 가지는 글라스 프릿이 소결된 것일 수 있다. The base material of the P-type
N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.The N-type
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.The P-type
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다. At this time, the pair of the P-type
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.Here, the
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~0.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 0.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 형성될 수 있다. 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01mm~0.15mm의 두께로 형성될 수 있다. 유전체층(170)의 두께가 0.01mm 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15mm를 초과하는 경우 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다. The
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. At this time, the sizes of the
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. In addition, a heat radiation pattern, for example, a concavo-convex pattern may be formed on at least one surface of the
한편, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다. On the other hand, the P-type
본 발명의 한 실시예에 따르면, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 전극과 접합하는 부분의 폭이 넓게 형성될 수도 있다. According to an embodiment of the present invention, the P-type
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다. 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 열전 레그(130)는 제1단면적을 가지는 제1소자부(132), 제1소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제2단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)를 연결하며 제3단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제1단면적 또는 제2단면적보다 작게 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8, the
이와 같이, 제1 소자부(132) 및 제2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제1소자부(132)와 제2소자부(136) 간의 온도차(T)를 크게 형성할 수 있다. 이에 따라, 발열측(Hot side)와 냉각측(Cold side) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아지므로, 발전량이 증가하게 되며, 발열 효율 또는 냉각 효율이 높아지게 된다. If the cross-sectional area of the
이때, 연결부(134)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 제1소자부(132) 및 제2소자부(136)의 수평 단면 중 더 큰 단면의 폭(A or C) 간의 비가 1:(1.5~4)일 수 있다. 이에 따라, 발전 효율, 발열 효율 또는 냉각 효율을 높일 수 있다. At this time, the width B of the section having the longest width among the horizontal sections of the connecting
여기서, 제1소자부(132), 제2소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다. Here, the
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.The thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention may have a laminated structure. For example, the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by stacking a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-like base material and then cutting the same. Thus, it is possible to prevent the loss of the material and improve the electric conduction characteristic.
도 9는 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다. Fig. 9 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg of a laminated structure.
도 9를 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 9, a material including a semiconductor material is formed into a paste and then coated on a
복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다. A plurality of unit members 1100a, 1100b, and 1100c are laminated to form a
이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다. As described above, the unit
여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.Here, the step of applying the paste on the
단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The step of laminating the
이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다. The unit
단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 9(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다. The unit
한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다. On the other hand, a conductive layer may be further formed on one surface of the
도 10은 도 9의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다. 10 illustrates a conductive layer formed between unit members in the stacked structure of FIG.
도 10을 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다. 10, the conductive layer C may be formed on the opposite side of the
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 10(a) 및 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 10(c) 및 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다. Fig. 10 shows various modifications of the conductive layer (C) according to the embodiment of the present invention. As shown in Figs. 10 (a) and 10 (b), as shown in a mesh type structure including closed-type opening patterns c1 and c2 or as shown in Figs. 10 (c) and 10 A line-type structure including open-type opening patterns c3 and c4, and the like.
이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.The conductive layer (C) can increase the adhesion between the unit members in the unit thermoelectric legs formed by the laminated structure of the unit members, lower the thermal conductivity between the unit members, and improve the electrical conductivity. The conductive layer (C) may be a metal material, for example, Cu, Ag, Ni or the like.
한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 11에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.On the other hand, the unit
이상에서 설명한, 실시예에 따른 열전 소자는 열전달부재와 함께 배치될 수 있다. The thermoelectric element according to the embodiment described above can be disposed together with the heat transfer member.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소재 상에 배치되는 열전달부재의 개념도이다. 12 to 14 are conceptual diagrams of a heat transfer member disposed on a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부재(2200)는 제1평면(2210) 및 제2평면(2220)을 가지는 평판형상의 기재로, 공기 유로(C1)를 형성하는 적어도 하나의 유로패턴(2200A)을 포함할 수 있다. 12 to 14, a
도 12 내지 도 14에서 도시한 바와 같이, 유로패턴(2200A)은 일정한 피치(P1, P2)와 높이(T1)를 가지는 곡률 패턴이 형성되도록 기재를 폴딩(folding)하는 구조, 즉 접는 구조로 형성될 수 있다. 12 to 14, the
이와 같이, 열전달부재(2200)의 제1 평면(2210) 및 제2 평면(2220)에는 공기가 면접촉하며, 유로패턴(2200A)에 의하여 공기가 면접촉하는 면적이 최대화될 수 있다. As described above, the air is in surface contact with the
도 12를 참조하면, 공기가 유로 방향(C1)으로 유입되는 경우, 공기가 제1평면(2210)과 제2평면(222)에 고르게 접촉하며 이동하여, 유로 방향(C2)으로 진행될 수 있다. 이에 따라, 단순한 평판 형상의 기재에 비하여 공기와의 접촉 면이 넓으므로, 흡열이나 발열의 효과가 증가하게 된다.Referring to FIG. 12, when air flows in the flow direction C1, the air moves evenly in contact with the
본 발명의 실시예에 따르면, 공기의 접촉 면적을 더욱 증대하기 위하여, 기재의 표면에 돌출형 저항패턴(2230)을 형성할 수도 있다. According to the embodiment of the present invention, a protruding
나아가, 도 13에 도시된 바와 같이, 저항패턴(2230)은 공기가 유입되는 방향으로 일정한 경사각(θ)을 가지도록 기울어진 돌출 구조물로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 저항패턴(2230)과 공기 간의 마찰을 극대화할 수 있으므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 높일 수 있다. 또한, 저항패턴(2230)의 앞 부분의 기재 면에 홈(2240)을 형성할 수도 있다. 저항패턴(223)과 접촉하는 공기의 일부는 홈(2240)을 통과하여 기재의 전면과 후면 사이를 이동하므로, 접촉면적 또는 접촉효율을 더욱 높일 수 있다. Further, as shown in FIG. 13, the
저항패턴(2230)이 제1평면(2210)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 평면(2220)에 형성될 수도 있다. Although the
도 14를 참조하면, 유로패턴은 다양한 변형예를 가질 수 있다. Referring to FIG. 14, the flow path pattern may have various modifications.
예를 들어, 도 14(a)와 같이 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, 도 14(b)와 같이 첨부를 가지는 패턴이 반복하여 형성되거나, 도 14(c) 및 도 14(d)에 도시된 바와 같이 단위패턴이 다각형 구조를 가질 수도 있다. 도시되지 않았으나, 패턴의 표면(B1, B2)에 저항패턴이 형성될 수 있음은 물론이다.For example, it is possible to repeatedly form a pattern having a curvature at a constant pitch P1 as shown in Fig. 14 (a), repeatedly form a pattern having an attachment as shown in Fig. 14 (b) The unit pattern may have a polygonal structure as shown in Fig. 14 (d). Although not shown, it is needless to say that a resistance pattern may be formed on the surfaces B1 and B2 of the pattern.
도 14에서는 유로패턴이 일정한 주기 및 높이를 가지고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유로패턴의 주기 및 높이(T1)는 불균일하게 변형될 수 있다.In Fig. 14, although the flow path pattern has a constant period and height, the present invention is not limited thereto, and the period and height T1 of the flow path pattern may be unevenly deformed.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다. The thermoelectric device according to the embodiment of the present invention can be applied to a power generation device, a cooling device, a thermal device, and the like. Specifically, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention mainly includes an optical communication module, a sensor, a medical instrument, a measuring instrument, an aerospace industry, a refrigerator, a chiller, a ventilation sheet, a cup holder, a washing machine, , A water purifier, a power supply for a sensor, a thermopile, and the like.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. Here, as an example in which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to a medical instrument, there is a PCR (Polymerase Chain Reaction) device. The PCR device is a device for amplifying DNA to determine the DNA sequence and is a device that requires precise temperature control and thermal cycling. For this purpose, a Peltier based thermoelectric element can be applied.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다. Another example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument is a photodetector. Here, the photodetector includes an infrared / ultraviolet detector, a CCD (Charge Coupled Device) sensor, an X-ray detector, and a TTRS (Thermoelectric Thermal Reference Source). A Peltier-based thermoelectric device can be applied for cooling the photodetector. Thus, it is possible to prevent a wavelength change, an output drop, and a resolution degradation due to a temperature rise inside the photodetector.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다. Another example in which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument includes an immunoassay field, an in vitro diagnostics field, a general temperature control and cooling system, Physiotherapy field, liquid chiller system, and blood / plasma temperature control field. Thus, precise temperature control is possible.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다. Another example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument is an artificial heart. Thus, power can be supplied to the artificial heart.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다. Examples of applications of the thermoelectric devices according to the embodiments of the present invention to the aerospace industry include star tracking systems, thermal imaging cameras, infrared / ultraviolet detectors, CCD sensors, Hubble Space Telescopes and TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor can be maintained.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다. Other examples in which the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry include a cooling device, a heater, a power generation device, and the like.
이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다. In addition, the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention can be applied to power generation, cooling, and heating in other industrial fields.
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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that
100: 열전 소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판100: thermoelectric element
110: Lower substrate
120: Lower electrode
130: P-type thermoelectric leg
140: N-type thermoregulation leg
150: upper electrode
160: upper substrate
Claims (10)
글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%를 포함하는 열전 소재.
<화학식 1>
BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)Thermoelectric powders according to formula (1); And
0.0 > 0.1% < / RTI > by weight of glass frit.
≪ Formula 1 >
Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5)
상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2)-산화 알루미늄(Al2O3)-산화 나트륨(Na2O)-산화 칼륨(K2O) 계인 열전 소재.The method according to claim 1,
The glass frit is a thermoelectric material which is a silicon oxide (SiO 2 ) - aluminum oxide (Al 2 O 3 ) - sodium oxide (Na 2 O) - potassium oxide (K 2 O)
상기 글라스 프릿은 산화 규소(SiO2) 65 내지 80 중량 %, 산화 알루미늄(Al2O3) 5 내지 10 중량%, 산화 나트륨(Na2O) 10 내지 15 중량 %, 산화 칼륨(K2O) 5 내지 10 중량%인 것을 포함하는 열전 소재.3. The method of claim 2,
Wherein the glass frit comprises 65 to 80 wt% of silicon oxide (SiO 2 ), 5 to 10 wt% of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), 10 to 15 wt% of sodium oxide (Na 2 O), potassium oxide (K 2 O) 5 to 10% by weight.
상기 글라스 프릿은 10㎛ 미만의 입도를 가지는 제 1 글라스 프릿, 및 10 ㎛ 초과의 입도를 가지는 제 2 글라스 프릿을 포함하는 열전 소재.The method according to claim 1,
Wherein the glass frit comprises a first glass frit having a particle size of less than 10 mu m and a second glass frit having a particle size of more than 10 mu m.
상기 글라스 프릿은,
10% 상대 입자함량에서의 입도(D10)가 3㎛ 내지 7㎛ 이고,
90% 상대 입자함량에서의 입도(D90)가 30㎛ 내지 35㎛ 인 것을 포함하는 열전 소재.The method according to claim 1,
Wherein the glass frit comprises:
A particle size (D10) at 10% relative particle content of 3 mu m to 7 mu m,
And a particle size (D90) at 90% relative particle content of 30 占 퐉 to 35 占 퐉.
상기 하부기판 상에 배치된 제 1 전극;
상기 제1전극 상에 배치된 열전소자;
상기 열전소자 상에 배치된 제 2 전극; 및
상기 제 2 전극 상에 배치된 상부기판을 포함하고,
상기 열전 소자는 화학식 1에 따른 열전 분말; 및 글라스 프릿 0.01 중량% 내지 0.1 중량%을 가지는 열전 소재를 포함하는 열전 모듈.
<화학식 1>
BixSb2 - xTe3(0.4≤x≤0.5)A lower substrate;
A first electrode disposed on the lower substrate;
A thermoelectric element disposed on the first electrode;
A second electrode disposed on the thermoelectric element; And
And an upper substrate disposed on the second electrode,
Wherein the thermoelectric element comprises a thermoelectric powder according to Formula 1; And 0.01% to 0.1% by weight of glass frit.
≪ Formula 1 >
Bi x Sb 2 - x Te 3 (0.4 ? X? 0.5)
상기 열전소자는25℃에서 수학식 1에 의해 계산된 성능지수(ZT)가 1.0을 초과하는 열전 모듈.
<수학식 1>
상기 수학식 1에서, ZT는 성능지수를 나타내며, S는 제벡계수를 나타내고, σ는 전기전도도를 나타내고, T는 절대온도를 나타내고, k는 열전도도를 나타낸다.8. The method of claim 7,
Wherein the thermoelectric element has a figure of merit (ZT) calculated by Equation (1) at 25 DEG C of more than 1.0.
&Quot; (1) "
In Equation (1), ZT represents a figure of merit, S represents a Seebeck coefficient,? Represents electrical conductivity, T represents absolute temperature, and k represents thermal conductivity.
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KR102342961B1 (en) * | 2020-07-02 | 2021-12-27 | 울산과학기술원 | Thermoelectric material 3d printed with ink for thermoelectric material and manufacturing method thereof |
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