KR20180089804A - Thermo electric element - Google Patents

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이승용
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a thermoelectric element comprises a lower substrate; an upper substrate disposed on the lower substrate; a P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg disposed between the lower substrate and the upper substrate; a lower electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the lower substrate; and an upper electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the upper substrate. At least one thermoelectric leg of the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg extends from the lower electrode to the upper electrode, thereby increasing the carrier concentration.

Description

열전 소자{THERMO ELECTRIC ELEMENT}[0001] THERMO ELECTRIC ELEMENT [0002]

실시예는 열전 소자에 관한 것이다.An embodiment relates to a thermoelectric device.

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 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. Thermoelectric elements are collectively referred to as elements utilizing thermoelectric phenomenon and have a structure in which a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.

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.

한편, 열전 소자는 적용하고자 하는 장치 등에 따라 서로 다른 온도 차이를 요구한다. 이러한 온도 차이는 P형 열전 재료와 N형 열전 재료 등에 따라 상이할 수 있다.On the other hand, the thermoelectric elements require different temperature differences depending on the device to be applied. Such a temperature difference may be different depending on the P-type thermoelectric material and the N-type thermoelectric material.

따라서, 다양한 온도 차이를 구현하기 위해서는 다양한 재료들이 요구되며, 이러한 재료들을 접합하는 등의 추가적인 공정이 요구될 수 있다.Accordingly, various materials are required to realize various temperature differences, and additional processes such as bonding of these materials may be required.

따라서, 다양한 온도 차이를 구현할 수 있는 새로운 열전 소자가 요구된다.Therefore, a new thermoelectric device capable of realizing various temperature differences is required.

실시예는 향상된 특성을 가지는 열전 소자를 제공하고자 한다.The embodiment attempts to provide a thermoelectric device having improved characteristics.

실시예에 따른 열전 소자는, 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그; 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그와 상기 하부 기판 사이에 배치되는 하부 전극; 및 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그와 상기 상부 기판 사이에 배치되는 상부 전극을 포함하고, 상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나의 열전 레그는 상기 하부 전극에서 상기 상부 전극 방향으로 연장하면서 캐리어 농도가 증가한다.A thermoelectric device according to an embodiment includes: a lower substrate; An upper substrate disposed on the lower substrate; A P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg disposed between the lower substrate and the upper substrate; A lower electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the lower substrate; And an upper electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the upper substrate, wherein at least one thermoelectric leg of the P-type thermoelectric leg and the N- The carrier concentration increases while extending in the direction of the electrode.

실시예에 따른 열전 소자는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 동일한 물질을 포함하면서, 도펀트 물질의 농도를 영역마다 서로 다르게 할 수 있다. 즉, 냉각부와 가까운 레그에서는 냉각부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질 조성을 포함하도록 하고, 발열부와 가까운 레그에서는 발열부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질 조성을 포함하도록 할 수 있다. 이에 따라, 각각의 열전 레그가 발열부와 냉각부에서 최대의 성능을 가지도록 제어할 수 있다.The thermoelectric element according to the embodiment may include the same material as the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg, so that the concentration of the dopant material may be different for each region. That is, in the leg close to the cooling part, the thermoelectric material composition having the maximum performance in the cooling part may be included, and the thermoelectric material composition having the maximum performance in the heating part in the leg near the heating part may be included. Thus, it is possible to control each of the thermoelectrons to have the maximum performance in the heat generating portion and the cooling portion.

또한, 실시예에 따른 열전 소자는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 각각의 영역마다 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 즉, 냉각부와 가까운 레그에서는 냉각부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질을 포함하도록 하고, 발열부와 가까운 레그에서는 발열부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질을 포함하도록 할 수 있다. 이에 따라, 각각의 열전 레그가 발열부와 냉각부에서 최대의 성능을 가지도록 제어할 수 있다.In addition, the thermoelectric device according to the embodiment may include materials different from each other in the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg. That is, in the leg close to the cooling part, the thermoelectric material having the maximum performance in the cooling part is included, and in the leg near the heating part, the thermoelectric material having the maximum performance in the heating part can be included. Thus, it is possible to control each of the thermoelectrons to have the maximum performance in the heat generating portion and the cooling portion.

도 1은 실시예에 따른 열전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 소자의 사시도를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 A 영역을 확대하여 도시한 도면들이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 9 내지 도 11은 실시예에 따른 열전 모듈 상에 배치되는 열전달부재를 도시한 도면들이다.1 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment.
2 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment.
FIG. 3 and FIG. 4 are enlarged views of the area A in FIG.
5 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to another embodiment.
6 to 8 are views showing thermoelectric legs of a laminated structure.
9 to 11 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.

도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.Fig. 1 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and Fig. 2 is a perspective view of the thermoelectric element.

도 1 및 2를 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 포함할 수 있다.1 and 2, a thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, (160).

상기 하부 전극(120)은 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. The lower electrode 120 may be disposed between the lower substrate 110 and the lower surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. The upper electrode 150 may be disposed between the upper substrate 160 and the upper bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140.

이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(120)과 상기 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 may be electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150. A pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140, which are disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and are electrically connected to each other, may form a unit cell.

예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 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 lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182, the P-type thermoelectric conversion element 130 is turned off from the N-type thermoelectric leg 130 The substrate on which current flows through the N-type thermoelectric legs 140 to the P-type thermoelectric legs 130 can be heated to act as a heat generating portion.

즉, 본원에서는 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 상기 하부 기판(110)으로 정의될 수 있고, 상기 N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 상기 상부 기판(160)으로 정의될 수 있다.That is, in this embodiment, a substrate through which the current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 can be defined as the lower substrate 110, and the P- The substrate on which the current flows to the thermoelectric leg 130 may be defined as the upper substrate 160.

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 thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te) thermoelectric legs containing bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.

상기 P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. The P-type thermoelectric leg 130 may be formed of a material selected from the group consisting of Sb, Ni, Al, Cu, Ag, Pb, B, 99 to 99.999% by weight of a bismuth telluride (Bi-Te) base material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium It may be a thermoelectric leg comprising from 0.001 wt% to 1 wt% of the mixture. For example, the base material may be Bi-Sb-Te and Bi or Te in an amount of 0.001 wt% to 1 wt% of the total weight.

상기 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 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.The n-type thermoelectric transducer 140 may be formed of at least one selected from the group consisting of Se, Ni, Al, Cu, Ag, Pb, B, 99 to 99.999% by weight of a bismuth telluride (Bi-Te) base material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium It may be a thermoelectric leg comprising from 0.001 wt% to 1 wt% of the mixture. For example, the base material may be Bi-Se-Te and further contain Bi or Te in an amount of 0.001 wt% to 1 wt% of the total weight.

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 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 thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk or laminated form. Generally, the bulk type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk N-type thermoelectric leg 140 is manufactured by heat-treating the thermoelectric material to produce an ingot, pulverizing and sieving the ingot to obtain a thermoelectric leg powder, Sintered body, and cutting the sintered body. The laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, then stacking and cutting the unit member Can be obtained.

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 thermoelectric legs 130 and the N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes. Since the electrical conduction characteristics of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 are different from each other, the height or the cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 may be set to a height or a cross- May be formed differently.

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 각각의 영역마다 서로 다른 캐리어 농도를 가질 수 있다.The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may have different carrier concentrations for respective regions.

자세하게, 상기 P형 열전 레그(130)는 위치마다 서로 다른 캐리어 농도를 가질 수 있다. 상기 P형 열전 레그(130)는 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서, 캐리어 농도가 증가될 수 있다.In detail, the P-type thermoelectric legs 130 may have different carrier concentrations for respective positions. The P-type thermoelectric leg 130 may extend from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150 to increase the carrier concentration.

또한, 상기 N형 열전 레그(140)는 위치마다 서로 다른 캐리어 농도를 가질 수 있다. 상기 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서, 캐리어 농도가 증가될 수 있다.Further, the N-type thermoelectric leg 140 may have different carrier concentrations for different positions. The N-type thermoelectric transducer 140 may extend from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150 to increase the carrier concentration.

즉, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서, 캐리어 농도가 증가될 수 있다.That is, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may extend from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150 to increase the carrier concentration.

즉, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 냉각부에서 발열부 방향으로 연장하면서 캐리어 농도가 증가될 수 있다.That is, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may extend in the direction of the heat generating portion in the cooling portion to increase the carrier concentration.

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함할 수 있다.The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include the same material. For example, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include a bismuth telluride (Bi-Te) material.

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 서로 다른 도펀트 물질을 포함할 수 있다. The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include different dopant materials.

예를 들어, 상기 P형 열전 레그(130)는 도펀트 물질로서 안티몬(Sb)을 포함할 수 있다. 상기 안티몬(Sb)은 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 도펀트 물질로서 농도가 증가될 수 있다.For example, the P-type thermoelectric leg 130 may include antimony (Sb) as a dopant material. The concentration of the antimony Sb may be increased as the dopant material extends from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150.

이에 따라, 상기 P형 열전 레그(130)는 상기 안티몬(Sb)이 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 농도가 증가되므로, 캐리어 농도도 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 증가될 수 있다.Accordingly, since the concentration of the antimony Sb is increased in the direction of the upper electrode 150 from the lower electrode 120, the concentration of carriers is also increased in the P-type thermoelectric leg 130, May be increased while extending toward the upper electrode (150).

또한, 상기 N형 열전 레그(140)는 도펀트 물질로서 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 상기 셀레늄(Se)은 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 도펀트 물질로서 농도가 증가될 수 있다.In addition, the N-type thermoelectric leg 140 may include selenium (Se) as a dopant material. The selenium (Se) may extend from the lower electrode (120) toward the upper electrode (150) to increase the concentration as a dopant material.

이에 따라, 상기 N형 열전 레그(140)는 상기 셀레늄(Se)이 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 농도가 증가되므로, 캐리어 농도도 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 증가될 수 있다.Accordingly, since the concentration of selenium (Se) extends from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150, the carrier concentration of the n-type thermoelectric leg 140 is also increased from the lower electrode 120 May be increased while extending toward the upper electrode (150).

즉, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 서로 다른 도펀트 물질을 포함하면서, 상기 도펀트 물질의 농도는 상기 하부 전극(120)에서 상기 상부 전극(150) 방향으로 연장하면서 증가될 수 있다.That is, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 include different dopant materials, and the concentration of the dopant material is increased in the direction from the lower electrode 120 toward the upper electrode 150 .

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 적어도 2개 이상의 물질을 포함할 수 있다.The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include at least two or more materials.

예를 들어, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 동일한 물질을 포함하면서, 조성이 다른 2개의 물질을 포함할 수 있다.For example, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include two materials having the same composition and different compositions.

도 3을 참조하면, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 각각 2개의 영역을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 P형 열전 레그(130)는 제 1 영역(130a) 및 제 2 영역(130b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 N형 열전 레그(140)는 제 1' 영역(140a) 및 제 2' 영역(140b)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, each of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include two regions. In detail, the P-type thermoelectric leg 130 may include a first region 130a and a second region 130b. In addition, the N-type thermoelectric transducer 140 may include a first region 140a and a second region 140b.

상기 P형 열전 레그(130)는 상기 제 1 영역(130a) 및 상기 제 2 영역(130b)에 서로 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.The P-type thermoelectric transducer 130 may include materials having different compositions in the first region 130a and the second region 130b.

예를 들어, 냉각부로 작용하는 상기 하부 기판(110)과 가까운 상기 제 1 영역(130a)에는 저온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 발열부로 작용하는 상기 상부 기판(160)과 가까운 상기 제 2 영역(130b)에는 고온 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 130a, which is close to the lower substrate 110 serving as a cooling portion, may include a low temperature material. In addition, the second region 130b, which is close to the upper substrate 160 serving as a heat generating portion, may include a high-temperature material.

일례로, 상기 제 1 영역(130a)은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(130b)은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 130a may include a bismuth telluride (Bi-Te) based material. In addition, the second region 130b may include a lead telluride (Pb-Te) based material.

상기 N형 열전 레그(140)는 상기 제 1' 영역(140a) 및 상기 제 2' 영역(140b)에 서로 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.The N-type thermoelectric transducer 140 may include materials having different compositions in the first region 140a and the second region 140b.

예를 들어, 냉각부로 작용하는 상기 하부 기판(110)과 가까운 상기 제 1' 영역(140a)에는 저온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 발열부로 작용하는 상기 상부 기판(160)과 가까운 상기 제 2' 영역(140b)에는 고온 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 140a, which is close to the lower substrate 110 serving as a cooling portion, may include a low temperature material. In addition, the second region 140b, which is close to the upper substrate 160 serving as a heat generating portion, may include a high-temperature material.

일례로, 상기 제 1' 영역(140a)은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2' 영역(140b)은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 140a may include a bismuth telluride (Bi-Te) based material. In addition, the second region 140b may include a lead telluride (Pb-Te) -based material.

도 4를 참조하면, 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 각각 3개의 영역을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 P형 열전 레그(130)는 제 1 영역(130a), 제 2 영역(130b) 및 제 3 영역(130c)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 N형 열전 레그(140)는 제 1' 영역(140a), 제 2' 영역(140b) 및 제 3' 영역(140c)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4, each of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may include three regions. In detail, the P-type thermoelectric leg 130 may include a first region 130a, a second region 130b, and a third region 130c. In addition, the N-type thermoelectric transducer 140 may include a first region 140a, a second region 140b, and a third region 140c.

상기 제 2 영역(130b)은 상기 제 1 영역(130a) 및 상기 제 3 영역(130c) 사이에 위치할 수 있고, 상기 제 2' 영역(140b)은 상기 제 1' 영역(140a) 및 상기 제 3' 영역(140c) 사이에 위치할 수 있다.The second region 130b may be located between the first region 130a and the third region 130c and the second region 140b may be located between the first region 140a and the third region 130c. 3 'region 140c.

예를 들어, 냉각부로 작용하는 상기 하부 기판(110)과 가까운 상기 제 1 영역(130a)에는 저온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 영역(130a) 상의 제 2 영역 즉, 상기 냉각부와 상기 발열부 사이의 영역에는 중온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 발열부로 작용하는 상기 상부 기판(160)과 가까운 상기 제 3 영역(130c)에는 고온 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 130a, which is close to the lower substrate 110 serving as a cooling portion, may include a low temperature material. In addition, the second region on the first region 130a, that is, the region between the cooling section and the heat-generating section may include a medium-temperature material. In addition, the third region 130c, which is close to the upper substrate 160 serving as a heat generating portion, may include a high-temperature material.

일례로, 상기 제 1 영역(130a)은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(130b)은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 3 영역(130c)은 실리콘게르마늄(Si-Ge)계 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 130a may include a bismuth telluride (Bi-Te) based material. In addition, the second region 130b may include a lead telluride (Pb-Te) based material. Also, the third region 130c may include a silicon germanium (Si-Ge) based material.

상기 N형 열전 레그(140)는 상기 제 1' 영역(140a), 상기 제 2' 영역(140b) 및 상기 제 3' 영역(140c)에 서로 다른 조성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.The N-type thermoelectric transducer 140 may include materials having different compositions in the first region 140a, the second region 140b, and the third region 140c.

예를 들어, 냉각부로 작용하는 상기 하부 기판(110)과 가까운 상기 제 1' 영역(140a)에는 저온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1' 영역(140a) 상의 제 2' 영역 즉, 상기 냉각부와 상기 발열부 사이의 영역에는 중온 물질을 포함할 수 있다. 또한, 발열부로 작용하는 상기 상부 기판(160)과 가까운 상기 제 3' 영역(140c)에는 고온 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 140a, which is close to the lower substrate 110 serving as a cooling portion, may include a low temperature material. In addition, the second region on the first 'region 140a, that is, the region between the cooling section and the heat generating section, may contain a medium temperature material. In addition, the third region 140c, which is close to the upper substrate 160 serving as a heat generating portion, may include a high-temperature material.

일례로, 상기 제 1' 영역(140a)은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 2' 영역(140b)은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 3' 영역(140c)은 실리콘게르마늄(Si-Ge)계 물질을 포함할 수 있다.For example, the first region 140a may include a bismuth telluride (Bi-Te) based material. In addition, the second region 140b may include a lead telluride (Pb-Te) -based material. Also, the third region 140c may include a silicon germanium (Si-Ge) material.

실시예에 따른 열전 소자는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 동일한 물질을 포함하면서, 도펀트 물질의 농도를 영역마다 서로 다르게 할 수 있다. 즉, 냉각부와 가까운 레그에서는 냉각부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질 조성을 포함하도록 하고, 발열부와 가까운 레그에서는 발열부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질 조성을 포함하도록 할 수 있다. 이에 따라, 각각의 열전 레그가 발열부와 냉각부에서 최대의 성능을 가지도록 제어할 수 있다.The thermoelectric element according to the embodiment may include the same material as the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg, so that the concentration of the dopant material may be different for each region. That is, in the leg close to the cooling part, the thermoelectric material composition having the maximum performance in the cooling part may be included, and the thermoelectric material composition having the maximum performance in the heating part in the leg near the heating part may be included. Thus, it is possible to control each of the thermoelectrons to have the maximum performance in the heat generating portion and the cooling portion.

또한, 실시예에 따른 열전 소자는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그가 각각의 영역마다 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 즉, 냉각부와 가까운 레그에서는 냉각부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질을 포함하도록 하고, 발열부와 가까운 레그에서는 발열부에서 최대의 성능을 가지는 열전 레그 물질을 포함하도록 할 수 있다. 이에 따라, 각각의 열전 레그가 발열부와 냉각부에서 최대의 성능을 가지도록 제어할 수 있다.In addition, the thermoelectric device according to the embodiment may include materials different from each other in the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg. That is, in the leg close to the cooling part, the thermoelectric material having the maximum performance in the cooling part is included, and in the leg near the heating part, the thermoelectric material having the maximum performance in the heating part can be included. Thus, it is possible to control each of the thermoelectrons to have the maximum performance in the heat generating portion and the cooling portion.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The performance of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention can be represented by a Gebeck index. The whiteness index (ZT) can be expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
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.Here, α is the Seebeck coefficient [V / K], σ is the electric conductivity [S / m], and α2σ is the power factor (W / mK2). T is the temperature, and k is the thermal conductivity [W / mK]. k can be expressed as a · cp · ρ, where a is the thermal diffusivity [cm2 / S], cp is the specific heat [J / gK], and ρ is the density [g / cm3].

열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the whiteness index of the thermoelectric element, the Z value (V / K) is measured using a Z meter, and the Zebek index (ZT) can be calculated using the measured Z value.

여기서, 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(120), 그리고 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. Here, the lower electrode 120 disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140, and the upper substrate 160 and the P- The upper electrode 150 disposed between the n-type thermoelectric leg 130 and the n-type thermoelectric leg 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), and nickel (Ni) Thickness.

상기 하부 전극(120) 또는 상기 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.If the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may be deteriorated and the electric conduction performance may be lowered. If the thickness is more than 0.3 mm, .

그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. The lower substrate 110 and the upper substrate 160, which are opposed to each other, may be an insulating substrate or a metal substrate.

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. The insulating substrate may be an alumina substrate or a polymer resin substrate having flexibility. The flexible polymer resin substrate having flexibility has high permeability such as polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), polyethylene terephthalate (PET) Plastic, and the like.

금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. The metal substrate may include Cu, a Cu alloy, or a Cu-Al alloy, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 0.5 mm. When the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 0.5 mm, the heat radiation characteristic or the thermal conductivity may become excessively high, so that the reliability of the thermoelectric device may be deteriorated.

또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(110)과 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 상부 기판(160)과 상기 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다. In the case where the lower substrate 110 and the upper substrate 160 are metal substrates, a gap between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 The dielectric layer 170 may be further disposed.

상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다. The dielectric layer 170 includes a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K, and may be formed to a thickness of 0.01 mm to 0.15 mm. If the thickness of the dielectric layer 170 is less than 0.01 mm, the insulation efficiency or withstanding voltage characteristics may be deteriorated. If the thickness exceeds 0.15 mm, the thermal conductivity may be lowered and the thermal efficiency may be lowered.

이때, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(110)과 상기 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 lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different. For example, the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be greater than the other volume, thickness, or area. Thus, the heat absorption performance or the heat radiation performance of the thermoelectric element can be enhanced.

또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 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 lower substrate 110 and the upper substrate 160. Thus, the heat radiation performance of the thermoelectric element can be enhanced. When the concavo-convex pattern is formed on the surface contacting the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140, the junction characteristics between the thermoelectric leg and the substrate can be improved.

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 thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal columnar shape, an elliptical columnar shape, or the like.

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 thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may be formed to have a wide width at the portion to be bonded to the electrode.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그 및 전극의 단면도를 나타낸다. 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric leg and an electrode according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 열전 레그(130)는 제 1 단면적을 가지는 제 1 소자부(132), 제 1 소자부(132)와 대향하는 위치에 배치되며 제 2 단면적을 가지는 제2소자부(136), 그리고 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)를 연결하며 제 3 단면적을 가지는 연결부(134)를 포함할 수 있다. 이때, 연결부(134)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적이 제 1 단면적 또는 제 2 단면적보다 작게 형성될 수 있다.5, the thermoelectric leg 130 includes a first element portion 132 having a first cross-sectional area, a second element portion 136 disposed at a position opposite to the first element portion 132 and having a second cross- And a connection part 134 connecting the first element part 132 and the second element part 136 and having a third cross-sectional area. At this time, the cross-sectional area of the connecting portion 134 in an arbitrary region in the horizontal direction may be smaller than the first cross-sectional area or the second cross-sectional area.

이와 같이, 제 1 소자부(132) 및 제 2 소자부(136)의 단면적을 연결부(134)의 단면적보다 크게 형성하면, 동일한 양의 재료를 이용하여 제 1 소자부(132)와 제 2 소자부(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 first element portion 132 and the second element portion 136 is formed to be larger than the cross-sectional area of the connection portion 134 in this manner, the same amount of material can be used to form the first element portion 132 and the second element portion 136, The temperature difference DELTA T between the portions 136 can be increased. Accordingly, since the amount of free electrons moving between the hot side and the cold side increases, the power generation amount increases and the heat generation efficiency or the cooling efficiency becomes high.

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 section 134 and the width (A or or) of the larger section of the horizontal sections of the first element section 132 and the second element section 136 C) may be 1: (1.5 to 4). Thus, the power generation efficiency, heat generation efficiency or cooling efficiency can be increased.

여기서, 제 1 소자부(132), 제 2 소자부(136) 및 연결부(134)는 동일한 재료를 이용하여 일체로 형성될 수 있다. Here, the first element portion 132, the second element portion 136, and the connecting portion 134 may be integrally formed using the same material.

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 6은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다. Fig. 6 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg of a laminated structure.

도 6을 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. 6, a material including a semiconductor material is formed into a paste and then coated on a substrate 1110 such as a sheet or a film to form a semiconductor layer 1120. Accordingly, one unit member 1100 can be formed.

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 laminated structure 1200, and the unit thermoelectric leg 1300 can be obtained by cutting the unit structure.

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 thermoelectric leg 1300 can be formed by a structure in which a plurality of unit members 1100 in which a semiconductor layer 1120 is formed on a substrate 1110 are laminated.

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 substrate 1110 can be performed in various ways. For example, by a tape casting method. The tape casting method comprises mixing a powder of a fine semiconductor material with at least one selected from the group consisting of an aqueous or non-aqueous solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer and a surfactant to form a slurry (slurry), and then molding on a moving blade or moving substrate. At this time, the substrate 1110 may be a film, a sheet, or the like having a thickness of 10 to 100 μm. As the semiconductor material to be applied, the P-type thermoelectric material or the N-type thermoelectric material for manufacturing the above-described bulk-type device may be directly applied.

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 unit member 1100 in a plurality of layers may be performed by a method of pressing at a temperature of 50 ° C to 250 ° C. The number of the unit members 110 to be laminated is, for example, 2 to 50 . Thereafter, it can be cut into a desired shape and size, and a sintering process can be added.

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 thermoelectric legs 1300 thus manufactured can ensure uniformity in thickness, shape, and size, and are advantageous in that they are thin and can reduce loss of materials.

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 thermoelectric leg 1300 may have a cylindrical shape, a polygonal columnar shape, an elliptical columnar shape, or the like, and may be cut into a shape as illustrated in Fig. 9D.

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 unit member 1100 in order to manufacture the thermoelectric leg of the laminated structure.

도 7은 도 6의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다. Fig. 7 illustrates a conductive layer formed between unit members in the stacked structure of Fig.

도 7을 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. 7, the conductive layer C may be formed on the opposite side of the substrate 1110 on which the semiconductor layer 1120 is formed, and may be patterned such that a part of the surface of the substrate 1110 is exposed.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 7(c) 및 도 7(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다. Figure 7 shows various modifications of the conductive layer (C) according to an embodiment of the present invention. As shown in Figs. 7 (a) and 7 (b), a mesh type structure including closed-type opening patterns c1 and c2, or as shown in Figs. 7 (c) and 7 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 8에 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 thermoelectric leg 1300 may be cut in the direction as shown in Fig. According to this structure, the thermal conduction efficiency in the vertical direction can be lowered and the electric conduction characteristic can be improved, so that the cooling efficiency can be improved.

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 9 내지 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소재 상에 배치되는 열전달부재의 개념도이다. 9 to 11 are conceptual views of a heat transfer member disposed on a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.

도 9 내지 11을 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. 9 to 11, a heat transfer member 2200 according to an embodiment of the present invention is a flat plate shaped substrate having a first plane 2210 and a second plane 2220, And may include at least one flow path pattern 2200A.

도 9 내지 11에서 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. 9 to 11, the flow path pattern 2200A has a structure for folding a substrate so that a curvature pattern having a constant pitch P1 or P2 and a height T1 is formed, that is, .

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 first plane 2210 and the second plane 2220 of the heat transfer member 2200, and the area of air contact with the air by the flow path pattern 2200A can be maximized.

도 9를 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. 9, when air flows in the flow direction C1, the air moves evenly in contact with the first plane 2210 and the second plane 222 and proceeds in the flow direction C2. As a result, the contact surface with the air is wider than that of a simple plate-like base material, so that the effect of heat absorption and heat generation is increased.

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 resistance pattern 2230 may be formed on the surface of the substrate to further increase the contact area of air.

나아가, 도 10에 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. 10, the resistance pattern 2230 may be formed as a protruding structure inclined so as to have a constant inclination angle? In a direction in which air is introduced. Thus, friction between the resistance pattern 2230 and the air can be maximized, so that the contact area or contact efficiency can be increased. Further, a groove 2240 may be formed on the base surface of the front portion of the resistance pattern 2230. A part of the air in contact with the resistance pattern 223 passes through the groove 2240 and moves between the front surface and the rear surface of the substrate so that the contact area or contact efficiency can be further increased.

저항패턴(2230)이 제1평면(2210)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 평면(2220)에 형성될 수도 있다. Although the resistance pattern 2230 is shown as being formed on the first plane 2210, it is not limited thereto and may be formed on the second plane 2220.

도 11을 참조하면, 유로패턴은 다양한 변형예를 가질 수 있다. Referring to FIG. 11, the flow path pattern may have various modifications.

예를 들어, 도 11(a)와 같이 일정한 피치(P1)로 곡률을 가지는 패턴을 반복적으로 형성하거나, 도 11(b)와 같이 첨부를 가지는 패턴이 반복하여 형성되거나, 도 11(c) 및 도 11(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, as shown in Fig. 11 (a), a pattern having a curvature at a constant pitch P1 may be repeatedly formed, a pattern having an attachment as shown in Fig. 11 (b) may be repeatedly formed, The unit pattern may have a polygonal structure as shown in Fig. 11 (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 11에서는 유로패턴이 일정한 주기 및 높이를 가지고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유로패턴의 주기 및 높이(T1)는 불균일하게 변형될 수 있다.In Fig. 11, the flow path pattern has a constant period and height, but 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 element according to the embodiment of the present invention can be applied to a power generation apparatus, a cooling apparatus, a thermal apparatus, 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

Claims (9)

하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판;
상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그;
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그와 상기 하부 기판 사이에 배치되는 하부 전극; 및
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그와 상기 상부 기판 사이에 배치되는 상부 전극을 포함하고,
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그 중 적어도 하나의 열전 레그는 상기 하부 전극에서 상기 상부 전극 방향으로 연장하면서 캐리어 농도가 증가하는 열전 소자.A lower substrate;
An upper substrate disposed on the lower substrate;
A P-type thermoelectric leg and an N-type thermoelectric leg disposed between the lower substrate and the upper substrate;
A lower electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the lower substrate; And
And an upper electrode disposed between the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg and the upper substrate,
Wherein at least one thermoelectric leg of the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg extends from the lower electrode toward the upper electrode, thereby increasing the carrier concentration. 제 1항에 있어서,
상기 하부 기판은 냉각부이고, 상기 상부 기판은 발열부인 열전 소자.The method according to claim 1,
Wherein the lower substrate is a cooling part, and the upper substrate is a heat generating part. 제 2항에 있어서,
상기 P형 열전 레그는 비스무스-안티몬-텔루륨(Bi-Sb-Te)를 포함하고,
상기 N형 열전 레그는 비스무스-셀레늄-텔루륨(Bi-Se-Te)를 포함하고,
상기 P형 열전 레그는 상기 하부 전극에서 상기 상부 전극 방향으로 연장하면서 안티몬의 농도가 증가하고,
상기 N형 열전 레그는 상기 하부 전극에서 상기 상부 전극 방향으로 연장하면서 셀레늄의 농도가 증가하는 열전 소자.3. The method of claim 2,
Wherein said P-type thermoelectric leg comprises bismuth-antimony-tellurium (Bi-Sb-Te)
Wherein the N-type thermoelectric leg comprises bismuth-selenium-tellurium (Bi-Se-Te)
The P-type thermoelectrons extend from the lower electrode toward the upper electrode, the concentration of antimony increases,
Wherein the N-type thermoelectrons extend from the lower electrode toward the upper electrode and the concentration of selenium increases. 제 2항에 있어서,
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그는 상기 하부 기판 상의 1 영역; 및 상기 제 1 영역 상의 2 영역을 포함하고,
상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역은 서로 다른 물질을 포함하는 열전 소자.3. The method of claim 2,
Wherein the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg are formed in a region on the lower substrate; And two regions on the first region,
Wherein the first region and the second region comprise different materials. 제 4항에 있어서,
상기 제 1 영역은 저온 물질을 포함하고,
상기 제 2 영역은 고온 물질을 포함하는 열전 소자.5. The method of claim 4,
Wherein the first region comprises a low temperature material,
Wherein the second region comprises a high temperature material. 제 4항에 있어서,
상기 제 1 영역은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함하고,
상기 제 2 영역은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함하는 열전 소자.5. The method of claim 4,
Wherein the first region comprises a bismuth telluride (Bi-Te) based material,
And the second region comprises lead telluride (Pb-Te) based material. 제 2항에 있어서,
상기 P형 열전 레그 및 상기 N형 열전 레그는 상기 하부 기판 상의 1 영역; 상기 제 1 영역 상의 2 영역 및 상기 제 2 영역 상의 제 3 영역을 포함하고,
상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역 및 상기 제 3 영역은 서로 다른 물질을 포함하는 열전 소자.3. The method of claim 2,
Wherein the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg are formed in a region on the lower substrate; A second region on the first region, and a third region on the second region,
Wherein the first region, the second region, and the third region comprise different materials. 제 7항에 있어서,
상기 제 1 영역은 저온 물질을 포함하고,
상기 제 2 영역은 중온 물질을 포함하고,
상기 제 3 영역은 고온 물질을 포함하는 열전 소자.8. The method of claim 7,
Wherein the first region comprises a low temperature material,
Wherein the second region comprises a medium temperature material,
Wherein the third region comprises a high temperature material. 제 7항에 있어서,
상기 제 1 영역은 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 물질을 포함하고,
상기 제 2 영역은 납텔루라이드(Pb-Te)계 물질을 포함하고,
상기 제 3 영역은 실리콘게르마늄(Si-Ge)계 물질을 포함하는 열전 소자.8. The method of claim 7,
Wherein the first region comprises a bismuth telluride (Bi-Te) based material,
Wherein the second region comprises a lead telluride (Pb-Te) based material,
And the third region comprises a silicon germanium (Si-Ge) based material.
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