KR20240126551A - Thermoelectric element - Google Patents
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Abstract
본 발명의 열전 소자는 금속 전극; 금속 전극 상에 배치되고, 일단이 P형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 N형 열전소재 및, 금속 전극 상에 N형 열전소재와 이격되도록 배치되고, 일단이 N형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 P형 열전소재를 포함한다. 이에 본 발명은 금속전극이 최소화된 구조로, PN접합의 접촉면적을 확대하여 냉각 효과를 향상시킴과 동시에 펠티에 효과에 의한 냉각으로 초전도 현상을 발현시킬 수 있다.The thermoelectric element of the present invention includes a metal electrode; an N-type thermoelectric material in a columnar shape, which is arranged on the metal electrode and has one end bent to face the P-type thermoelectric material; and a P-type thermoelectric material in a columnar shape, which is arranged on the metal electrode and is spaced apart from the N-type thermoelectric material and has one end bent to face the N-type thermoelectric material. Accordingly, the present invention has a structure in which the metal electrode is minimized, and thus the contact area of the PN junction is expanded to enhance the cooling effect, while at the same time exhibiting a superconducting phenomenon through cooling by the Peltier effect.
Description
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로서, 특히, PN접합의 접촉면적을 확대하여 냉각 효과를 향상시킴과 동시에 펠티에 효과에 의한 냉각으로 초전도 현상을 발현시킬 수 있는 열전 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric device, and more particularly, to a thermoelectric device capable of enhancing a cooling effect by expanding the contact area of a PN junction and exhibiting a superconducting phenomenon through cooling by the Peltier effect.
일반적으로 열전소자는 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있다. 그 중 펠티어 효과는 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. In general, thermoelectric devices can be applied to active cooling and waste heat power generation by utilizing the Peltier effect and the Seebeck effect. Among them, the Peltier effect is a phenomenon in which heat is generated and absorbed at both ends of the material by the movement of holes in the p-type material and electrons in the n-type material when an external DC voltage is applied.
이와 같은 열전소자를 이용한 펠티어 냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전소자를 이용한 펠티어 냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.Peltier cooling using a thermoelectric element like this is recognized as a method that improves the thermal stability of the element, has no vibration or noise, is small in volume and is environmentally friendly because it does not use a separate condenser or refrigerant. Applications of Peltier cooling using a thermoelectric element like this include refrigerant-free refrigerators, air conditioners, and various micro cooling systems. In particular, attaching a thermoelectric element to various memory elements can improve the performance of the element by maintaining the element at a uniform and stable temperature while reducing the volume compared to the existing cooling method.
일반적으로 열전소자는 P형과 N형의 반도체가 한 쌍으로 구성되며 PN반도체와 달리 P형과 N형의 반도체 사이에 금속전극을 두어 PN 접합을 형성하는 구조이다. 펠티에 효과는 열전소자의 P형과 N형이 접합하는 공핍층에서 흡열이 발생하여 냉각이 가능하다. 이 공핍층의 면적을 넓히면 냉각성능이 증대될 수 있다. 여기서 금속전극은 P형 반도체 및 N형 반도체와 파이 결합 형태로 P형과 N형의 반도체의 상면과 하면에 형성되어 전기적으로 직렬로 연결하는 기능을 한다.In general, a thermoelectric device is composed of a pair of P-type and N-type semiconductors, and unlike a PN semiconductor, a metal electrode is placed between the P-type and N-type semiconductors to form a PN junction. The Peltier effect is a cooling effect that occurs when heat is absorbed in the depletion layer where the P-type and N-type of the thermoelectric device are joined. If the area of this depletion layer is expanded, the cooling performance can be increased. Here, the metal electrode is formed on the upper and lower surfaces of the P-type and N-type semiconductors in the form of a pi bond with the P-type and N-type semiconductors, and functions to electrically connect them in series.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속전극이 최소화된 구조로, PN접합의 접촉면적을 확대하여 냉각 효과를 향상시킴과 동시에 펠티에 효과에 의한 냉각으로 초전도 현상을 발현시킬 수 있는 열전 소자를 제공하는 것이다.The present invention is intended to solve the above problems, and provides a thermoelectric device capable of exhibiting a superconducting phenomenon through cooling by the Peltier effect, while improving the cooling effect by expanding the contact area of the PN junction with a structure in which metal electrodes are minimized.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 금속 전극; 상기 금속 전극 상에 배치되고, 일단이 P형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 N형 열전소재; 및, 상기 금속 전극 상에 상기 N형 열전소재와 이격되도록 배치되고, 일단이 상기 N형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 P형 열전소재;를 포함할 수 있다.In order to achieve the above purpose, a thermoelectric element according to one embodiment of the present invention may include: a metal electrode; an N-type thermoelectric material in a columnar shape, disposed on the metal electrode and having one end bent to face the P-type thermoelectric material; and a P-type thermoelectric material in a columnar shape, disposed on the metal electrode and spaced apart from the N-type thermoelectric material and having one end bent to face the N-type thermoelectric material.
또한, 상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는, 일 끝단이 접합되어 접합 계면을 형성할 수 있다.In addition, the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material can have one end joined to form a joining interface.
또한, 상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는, 상기 N형 열전 소재의 일 끝단 및 상면과 상기 P형 열전소재의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성할 수 있다.In addition, the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material can be bonded so that one end and upper surface of the N-type thermoelectric material and one end of the P-type thermoelectric material are in contact to form a bonding interface.
또한, 상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는, 상기 P형 열전 소재의 일 끝단 및 상면과 상기 N형 열전소재의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성할 수 있다.In addition, the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material can be bonded so that one end and upper surface of the P-type thermoelectric material and one end of the N-type thermoelectric material are in contact to form a bonding interface.
실시예에서, 상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재의 접합면은 요철(凹凸) 형상으로 이루어질 수 있다.In an embodiment, the bonding surface of the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material may be formed in a concave-convex shape.
또한, N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재의 구부러진 일단은, 수 개의 브랜치(Branch) 형상으로, 상호 교차 배열될 수 있다.Additionally, the bent ends of the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material can be arranged in a cross-like manner in several branch shapes.
또한, 상기 P형 열전소재의 브랜치는 기설정된 간격만큼 이격되어 상기 N형 열전소재의 브랜치와 접합되어 접합계면을 형성할 수 있다.In addition, the branches of the P-type thermoelectric material can be spaced apart by a preset interval and joined to the branches of the N-type thermoelectric material to form a joining interface.
또한, 상기 N형 열전소재의 브랜치는 기설정된 간격만큼 이격되어 상기 P형 열전소재의 브랜치와 접합되어 접합계면을 형성할 수 있다.In addition, the branches of the N-type thermoelectric material can be spaced apart by a preset interval and joined to the branches of the P-type thermoelectric material to form a joining interface.
또한, 상기 N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재는, 열전 물질과 초전도 물질의 혼합물로 이루어질 수 있다.Additionally, the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material may be formed of a mixture of a thermoelectric material and a superconducting material.
또한, 상기 N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재는, 초전도 물질로 이루어질 수 있다.Additionally, the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material may be made of a superconducting material.
상기와 같은 본 발명에 따른 열전 소자는 금속전극이 최소화된 구조로, PN접합의 접촉면적을 확대하여 냉각 효과를 향상시킴과 동시에 펠티에 효과에 의한 냉각으로 초전도 현상을 발현시킬 수 있다.The thermoelectric device according to the present invention as described above has a structure in which metal electrodes are minimized, and thus the contact area of the PN junction is expanded to enhance the cooling effect, while at the same time exhibiting a superconducting phenomenon through cooling by the Peltier effect.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전 소자를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 10은 본 발명의 열전 소자의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a thermoelectric module including a thermoelectric element according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 6 are schematic diagrams illustrating a thermoelectric module including a thermoelectric element according to various embodiments of the present invention.
Figures 7 to 9 are schematic diagrams showing thermoelectric elements according to various embodiments of the present invention.
Figure 10 is a schematic diagram explaining the operation of the thermoelectric element of the present invention.
이하에서 본 발명의 기술적 사상을 명확히 하기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 도면들 중 실질적으로 동일한 기능구성을 갖는 구성요소들에 대하여는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 참조번호 및 부호들을 부여하였다. 설명의 편의를 위하여 필요한 경우에는 장치와 방법을 함께 서술하도록 한다.Hereinafter, in order to clarify the technical idea of the present invention, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In describing the present invention, if it is judged that a detailed description of a related known function or component may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In the drawings, components having substantially the same functional configuration are given the same reference numbers and symbols as possible even if they are shown in different drawings. For convenience of explanation, devices and methods are described together when necessary.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 모식도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 모식도이다.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a thermoelectric module including a thermoelectric element according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 6 are schematic diagrams illustrating thermoelectric modules including thermoelectric elements according to various embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 열전 소자는 금속 전극(150) 상에 N형 열전소재(120) 및 N형 열전소재(120)와 이격되도록 P형 열전소재(130)가 배치될 수 있다. 이때, N형 열전소재(120)은 저면이 금속 전극(150)과 접촉한 상태에서 일단이 P형 열전소재(130)를 대향하도록 구부러진 기둥 형상일 수 있다. 또한, P형 열전소재(130)는 저면이 금속 전극(150)과 접촉한 상태에서 일단이 N형 열전소재(120)를 대향하도록 구부러진 기둥 형상일 수 있다. 즉, N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)은 “Г”자 형상으로 구현되며, 구부러진 일단이 상호 대향하도록 배치될 수 있다. Referring to FIG. 1, the thermoelectric element of the present invention may be arranged such that an N-type thermoelectric material (120) and a P-type thermoelectric material (130) are spaced apart from the N-type thermoelectric material (120) on a metal electrode (150). At this time, the N-type thermoelectric material (120) may be in a columnar shape that is bent so that one end faces the P-type thermoelectric material (130) while its bottom is in contact with the metal electrode (150). In addition, the P-type thermoelectric material (130) may be in a columnar shape that is bent so that one end faces the N-type thermoelectric material (120) while its bottom is in contact with the metal electrode (150). That is, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) are implemented in a “Г” shape and may be arranged such that their bent ends face each other.
한편, N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)의 배치는 설계사항에 따라 변경될 수 있으므로, 이에 한정되지 않는다. Meanwhile, the arrangement of the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be changed depending on the design, and is not limited thereto.
이에 열전 소자는 금속 전극(150) 상에 배치된 N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)를 통해 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130)의 일단이 직접적으로 접합된 상태로 종래의 π형 열전 소자와 같이 활용될 수 있다. Accordingly, the thermoelectric element can be electrically connected in series or in parallel through the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) placed on the metal electrode (150). One end of the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) is directly connected, and can be utilized like a conventional π-type thermoelectric element.
한편, N형 열전소재 및 P형 열전소재의 크기 및 형상은, 열전소자의 용도를 고려하여 다양하게 설계될 수 있으므로, π형 구조에 한정시키지 않는다. 구체적으로, N형 및 P형 열전물질은 서로 동일 내지 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, N형 및 P형 열전물질은 두께 방향으로의 단면이 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나 삼각형, 사각형, 오각형 등의 각진 형상일 수 있다.Meanwhile, the size and shape of the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material can be designed in various ways considering the purpose of the thermoelectric element, and are not limited to the π-type structure. Specifically, the N-type and P-type thermoelectric materials can have the same or different shapes and sizes. For example, the N-type and P-type thermoelectric materials can have a shape with a cross-section in the thickness direction that is curved, such as a circle or an ellipse, or an angular shape, such as a triangle, a square, or a pentagon.
또한, N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)는 열전 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 열전 물질은 Bi2Te3 계열, PbTe 계열, Cu2Se 중 단독 또는 혼합된 형태로 이루어질 수 있다. In addition, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be made of a thermoelectric material. Here, the thermoelectric material may be made of a single or mixed form of Bi 2 Te 3 series, PbTe series, and Cu 2 Se.
바람직하게는, N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)는 열전 물질과 초전도 물질의 혼합물로 이루어질 수 있다. 여기서, 초전도 물질은 YBCO, BISCCO 등을 포함할 수 있으며, 열전 물질과 혼합된 형태로 이루어질 수 있다. Preferably, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be formed of a mixture of a thermoelectric material and a superconducting material. Here, the superconducting material may include YBCO, BISCCO, etc., and may be formed in a mixed form with the thermoelectric material.
더욱 바람직하게, N형 열전소재(120) 및 P형 열전소재(130)는 초전도 물질로 이루어질 수 있다. 이에, 특정 온도 이하에서 초전도 현상을 나타낼 수 있다.More preferably, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be made of a superconducting material. Accordingly, they may exhibit a superconducting phenomenon below a specific temperature.
열전 모듈은 상부 기판(110)과 하부 기판(115) 사이에 열전 소자를 배치할 수 있다. 즉, 열전 모듈은 상부 기판(110), 결합층(140), 일단이 상호 접합된 N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130)이 배치된 금속 전극(150) 및 하부 기판(115)을 포함할 수 있다. The thermoelectric module can place a thermoelectric element between an upper substrate (110) and a lower substrate (115). That is, the thermoelectric module can include an upper substrate (110), a bonding layer (140), a metal electrode (150) on which an N-type thermoelectric material (120) and a P-type thermoelectric material (130) are placed, one end of which is mutually bonded, and a lower substrate (115).
실시예에서, N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130)는 일 끝단이 접합되어 접합 계면을 형성할 수 있다. 즉, 금속 전극이 최소화된 구조로, N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130)의 계면에 생성되는 공핍층의 면적을 증대시킬 수 있다. In an embodiment, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be joined at one end to form a joining interface. That is, with a structure in which the metal electrode is minimized, the area of the depletion layer created at the interface between the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) may be increased.
이때, N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130)은 접합층(127)을 통해 접합될 수 있다. 이러한 접합층(127)은 N형 열전소재(120)와 P형 열전소재(130) 사이에 배치하여 전기적 접합을 향상시키기 위한 금속 페이스트로 구현될 수 있다. 예를 들어, 접합층(127)은 망간몰리브덴(MnMo)층, 확산 경계의 역할을 하는 니켈(Ni)층 및 안정성을 높이는 주석(Sn)층으로 이루어질 수 있다.At this time, the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130) can be joined through a bonding layer (127). This bonding layer (127) can be implemented as a metal paste to improve electrical bonding by being placed between the N-type thermoelectric material (120) and the P-type thermoelectric material (130). For example, the bonding layer (127) can be formed of a manganese molybdenum (MnMo) layer, a nickel (Ni) layer that acts as a diffusion boundary, and a tin (Sn) layer that increases stability.
결합층(140)은 상부 기판(110)과의 열전소재(120, 130)와의 접착력을 향상시키기 위한 비 전도성 접착제로 구현될 수 있다. 예를 들어, 결합층(140)은 열전도성 에폭시 접착제로 이루어질 수 있다. The bonding layer (140) may be implemented as a non-conductive adhesive to improve the adhesion between the upper substrate (110) and the thermally conductive material (120, 130). For example, the bonding layer (140) may be formed of a thermally conductive epoxy adhesive.
금속 전극(150)은 DBC(Direct-Bonding Copper), 솔더(Solder) 접합, 페이스트(paste) 및 도금 방법 등을 이용한 구리 전극을 부착하여 형성될수 있으며, 금속 단일층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 전극(150)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속층으로 형성될 수 있다.The metal electrode (150) can be formed by attaching a copper electrode using a DBC (Direct-Bonding Copper), solder bonding, paste, and plating method, and can be formed as a single metal layer or multilayer structure. For example, the metal electrode (150) can be formed as a metal layer including copper (Cu), aluminum (Al), or tin (Sn).
도 2를 참조하면, N형 열전소재(125)와 P형 열전소재(135)의 접합면은 요철(凹凸) 형상으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, PN 접합 면적을 넓혀 열전냉각 성능을 증대시킬 수 있다. 한편, N형 열전소재(125)와 P형 열전소재(135)의 접합면은 지그재그 형상 및 물결무늬 형상 등의 형상으로도 구현될 수 있다. 다만, N형 열전소재(125)와 P형 열전소재(135)의 접합면은 표면적을 넓히기 위한 거칠기를 가진 몰드를 사용하여 다양하게 구현될 수 있으므로, 이에 한정하지 않는다.Referring to FIG. 2, the joint surface of the N-type thermoelectric material (125) and the P-type thermoelectric material (135) can be formed in a concave-convex shape. Through this, the PN joint area can be expanded, thereby increasing the thermoelectric cooling performance. Meanwhile, the joint surface of the N-type thermoelectric material (125) and the P-type thermoelectric material (135) can also be implemented in a shape such as a zigzag shape or a wave shape. However, since the joint surface of the N-type thermoelectric material (125) and the P-type thermoelectric material (135) can be implemented in various ways by using a mold having a roughness for expanding the surface area, it is not limited thereto.
도 3을 참조하면, N형 열전소재(220)와 P형 열전소재(230)는 N형 열전 소재(220)의 일 끝단 및 상면과 P형 열전소재(230)의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성할 수 있다. 즉, N형 열전 소재(220)의 구부러진 일단 상에 P형 열전소재(230)의 일단이 적층되어 겹쳐진 형태로 구현될 수 있다. 이에 열전소재의 접합 면적을 넓힌 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 3, the N-type thermoelectric material (220) and the P-type thermoelectric material (230) can be bonded so that one end and upper surface of the N-type thermoelectric material (220) and one end of the P-type thermoelectric material (230) are in contact to form a bonding interface. That is, one end of the P-type thermoelectric material (230) can be implemented in a form in which it is laminated and overlapped on one bent end of the N-type thermoelectric material (220). Accordingly, a structure can be formed in which the bonding area of the thermoelectric material is expanded.
도 4를 참조하면, N형 열전소재(225)와 P형 열전소재(235)의 접합면은 요철(凹凸) 형상으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, PN 접합 면적을 넓혀 열전냉각 성능을 증대시킬 수 있다. 한편, 도 2와 같이 구현될 수 있다.Referring to Fig. 4, the joint surface of the N-type thermoelectric material (225) and the P-type thermoelectric material (235) can be formed in a concave-convex shape. Through this, the PN joint area can be expanded to increase the thermoelectric cooling performance. Meanwhile, it can be implemented as in Fig. 2.
도 5를 참조하면, N형 열전소재(320)와 P형 열전소재(330)는 P형 열전 소재(330)의 일 끝단 및 상면과 N형 열전소재(320)의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성 할 수 있다. 즉, P형 열전 소재(330)의 구부러진 일단 상에 N형 열전소재(320)의 일단이 적층되어 겹쳐진 형태로 구현될 수 있다. 이에 열전소재의 접합 면적을 넓힌 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 5, the N-type thermoelectric material (320) and the P-type thermoelectric material (330) can be bonded so that one end and upper surface of the P-type thermoelectric material (330) and one end of the N-type thermoelectric material (320) are in contact with each other to form a bonding interface. That is, one end of the N-type thermoelectric material (320) can be implemented in a form in which one end is laminated and overlapped on one bent end of the P-type thermoelectric material (330). Accordingly, a structure can be formed in which the bonding area of the thermoelectric material is expanded.
도 6을 참조하면, N형 열전소재(325)와 P형 열전소재(335)의 접합면은 요철(凹凸) 형상으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, PN 접합 면적을 넓혀 열전냉각 성능을 증대시킬 수 있다.Referring to Fig. 6, the joint surface of the N-type thermoelectric material (325) and the P-type thermoelectric material (335) can be formed in a convex and concave shape. Through this, the PN joint area can be expanded to increase the thermoelectric cooling performance.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열전 소자를 개략적으로 나타내는 모식도이다.Figures 7 to 9 are schematic diagrams showing thermoelectric elements according to various embodiments of the present invention.
도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 열전 소자는 금속 전극(150) 상에 배치된 N형 열전소재(420) 및 P형 열전소재(430)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 and FIG. 7, the thermoelectric element of the present invention may include an N-type thermoelectric material (420) and a P-type thermoelectric material (430) disposed on a metal electrode (150).
실시예에서, N형 열전소재(420)의 구부러진 일단은 복수 개의 브랜치(Branch)(420b) 형상으로 구현될 수 있다. 또한, P형 열전소재(430)의 구부러진 일단도 복수 개의 브랜치(Branch)(430b) 형상으로 구현될 수 있다. In an embodiment, the bent end of the N-type thermoelectric material (420) may be implemented in the shape of multiple branches (420b). In addition, the bent end of the P-type thermoelectric material (430) may also be implemented in the shape of multiple branches (430b).
이때, N형 열전소재(420)의 복수 개의 브랜치(420b)와 P형 열전소재(430)의 복수 개의 브랜치(430b)는 상호 교차 배열될 수 있다.At this time, multiple branches (420b) of the N-type thermoelectric material (420) and multiple branches (430b) of the P-type thermoelectric material (430) can be arranged in a cross-like manner.
이에, 열전 소자의 PN 접합 면적을 극대화시킬 수 있다.Accordingly, the PN junction area of the thermoelectric element can be maximized.
한편, 열전소재의 정해진 높이(Height) 너비(Width)와 길이(Length) 안에서 형상을 변형하여 접촉 단면적을 넓힐 수 있다. 이는 열전모듈이 사용되는 곳의 설계에 따르므로 이에 한정되지 않는다. 일 예로, 열전소재의 높이, 너비, 길이는 1cm 이하의 크기를 가지나 이에 한정하지 않는다.Meanwhile, the contact cross-sectional area can be expanded by changing the shape within the set height, width, and length of the thermoelectric material. This is not limited to this because it depends on the design of the place where the thermoelectric module is used. For example, the height, width, and length of the thermoelectric material are less than 1 cm, but are not limited thereto.
도 8을 참조하면, P형 열전소재의 브랜치(530b)는 기설정된 간격(d)만큼 이격되어 N형 열전소재의 브랜치(520b)와 접합되어 접합계면을 형성할 수 있다. 구체적으로, N형 열전소재(520)의 복수 개의 브랜치(520b)와 P형 열전소재(530)의 복수 개의 브랜치(530b)는 상호 교차 배열되되, P형 열전소재의 브랜치(530b)가 기설정된 간격(d)만큼 이격되어 형성됨으로써, N형 열전소재의 브랜치(520b)의 접합 면적이 더욱 넓게 구현될 수 있다. Referring to FIG. 8, the branches (530b) of the P-type thermoelectric material can be spaced apart by a preset interval (d) and joined to the branches (520b) of the N-type thermoelectric material to form a joining interface. Specifically, the plurality of branches (520b) of the N-type thermoelectric material (520) and the plurality of branches (530b) of the P-type thermoelectric material (530) are arranged to intersect each other, but the branches (530b) of the P-type thermoelectric material are formed to be spaced apart by a preset interval (d), so that the joining area of the branches (520b) of the N-type thermoelectric material can be implemented more widely.
도 9를 참조하면, 도 8과 반대로, N형 열전소재(620)의 브랜치(620b)는 기설정된 간격(d)만큼 이격되어 P형 열전소재(630)의 브랜치(630b)와 접합되어 접합계면을 형성할 수 있다. 구체적으로, N형 열전소재(620)의 복수 개의 브랜치(620b)와 P형 열전소재(630)의 복수 개의 브랜치(630b)는 상호 교차 배열되되, N형 열전소재의 브랜치(620b)가 기설정된 간격(d)만큼 이격되어 형성됨으로써, P형 열전소재의 브랜치(630b)의 접합 면적이 더욱 넓게 구현될 수 있다.Referring to FIG. 9, in contrast to FIG. 8, the branches (620b) of the N-type thermoelectric material (620) can be spaced apart by a preset interval (d) and joined to the branches (630b) of the P-type thermoelectric material (630) to form a joining interface. Specifically, the plurality of branches (620b) of the N-type thermoelectric material (620) and the plurality of branches (630b) of the P-type thermoelectric material (630) are arranged to intersect each other, but the branches (620b) of the N-type thermoelectric material are formed to be spaced apart by a preset interval (d), so that the joining area of the branches (630b) of the P-type thermoelectric material can be implemented to be wider.
결국, 본 발명의 다양한 구조의 열전 소자는 금속 전극을 최소화한 구조로써, 열전소재의 단면적을 동일하거나 다르게 형성함으로써 PN접합 면적을 넓혀 냉각 성능을 증대시킬 수 있다.Ultimately, the thermoelectric elements of the present invention have a structure that minimizes metal electrodes, and can increase cooling performance by expanding the PN junction area by forming the cross-sectional area of the thermoelectric material to be the same or different.
나아가 초전도 물질을 포함하는 열전소재를 구현함으로써, 펠티에 냉각을 이용하여 초전도 현상을 발현시킬 수 있다. 이에 다양한 분야에 응용이 가능하다.Furthermore, by implementing a thermoelectric material containing a superconducting material, the superconducting phenomenon can be expressed using Peltier cooling. This can be applied to various fields.
도 10은 본 발명의 열전 소자의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.Figure 10 is a schematic diagram explaining the operation of the thermoelectric element of the present invention.
도 1 및 도 10을 참조하면, 금속 전극(150)에 리드선을 통하여 직류 전압을 인가하게 되면, 펠티에 효과에 의해 N형 열전소재(120)에서 P형 열전소재(130)로 직접적으로 전류가 흐르는 접합 부분의 열을 흡수하여 냉각이 되고 이러한 냉각에 의해 저온에 도달한 물질은 초전도 현상이 발현된다. P형 열전소재(130)에서 N형 열전소자(120)로 전류가 흐르는 접합 부분에서는 방열 작용을 하게 된다. 열전모듈은 모듈 단위의 관점에서 보았을 때, 냉각부로 작용하는 기판 표면에서의 온도 분포가 균일하게 초저온으로 형성되어 냉각 효과가 향상될 수 있다. 결국, 초전도 물질을 포함하는 열전소재인 경우 추가적인 냉각장치 없이 펠티어 효과를 이용한 고체 냉각으로 초전도 현상을 발현시킬 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 10, when a direct current voltage is applied to the metal electrode (150) through a lead wire, the heat of the junction where current flows directly from the N-type thermoelectric material (120) to the P-type thermoelectric material (130) is absorbed and cooled by the Peltier effect, and the material that has reached a low temperature by this cooling exhibits a superconductivity phenomenon. The junction where current flows from the P-type thermoelectric material (130) to the N-type thermoelectric element (120) exhibits a heat dissipation effect. When viewed from the perspective of a module unit, the thermoelectric module can have an ultra-low temperature uniformly distributed on the surface of the substrate that acts as a cooling unit, thereby improving the cooling effect. Ultimately, in the case of a thermoelectric material including a superconducting material, a superconductivity phenomenon can be exhibited by solid cooling using the Peltier effect without an additional cooling device.
지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다. 비록 본 명세서에 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 발명의 각 단계는 반드시 기재된 순서대로 수행되어야 할 필요는 없고, 병렬적, 선택적 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 본질적인 기술사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 형태 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 구성요소를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments illustrated in the drawings. These embodiments are not intended to limit the invention but are merely exemplary, and should be considered from an explanatory perspective rather than a restrictive perspective. The true technical protection scope of the present invention should be determined not by the above description but by the technical idea of the appended claims. Although specific terms have been used in this specification, they have been used only for the purpose of explaining the concept of the present invention and are not intended to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Each step of the present invention does not necessarily have to be performed in the order described, and may be performed in parallel, selectively, or individually. Those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible without departing from the essential technical idea of the present invention claimed in the claims. It should be understood that equivalents include not only currently known equivalents but also equivalents to be developed in the future, that is, all components invented to perform the same function regardless of structure.
110: 상부 기판
120: 하부 기판
127: 접합층
120, 125, 220, 225, 320, 325, 420, 520, 620: N형 열전소재
130, 135, 230, 235, 330, 335, 430, 530, 630: P형 열전소재
420b, 520b, 620b: N형 열전소재의 브랜치
430b, 530b, 630b: P형 열전소재의 브랜치
140: 결합층
150: 금속 전극110: upper board 120: lower board
127: Bonding layer
120, 125, 220, 225, 320, 325, 420, 520, 620: N-type thermoelectric material
130, 135, 230, 235, 330, 335, 430, 530, 630: P-type thermoelectric material
420b, 520b, 620b: Branch of N-type thermoelectric material
430b, 530b, 630b: Branch of P-type thermoelectric material
140: Bonding layer
150: Metal electrode
Claims (10)
상기 금속 전극 상에 배치되고, 일단이 P형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 N형 열전소재; 및,
상기 금속 전극 상에 상기 N형 열전소재와 이격되도록 배치되고, 일단이 상기 N형 열전소재를 대향하도록 구부러진 기둥 형상의 P형 열전소재;를 포함하는 열전 소자.metal electrode;
An N-type thermoelectric material in the shape of a column, arranged on the metal electrode and having one end bent so as to face the P-type thermoelectric material; and
A thermoelectric element comprising a P-type thermoelectric material in a columnar shape, the P-type thermoelectric material being arranged on the metal electrode so as to be spaced apart from the N-type thermoelectric material and having one end bent so as to face the N-type thermoelectric material.
상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는,
일 끝단이 접합되어 접합 계면을 형성하는, 열전 소자.In the first paragraph,
The above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material,
A thermoelectric element whose ends are joined to form a bonding interface.
상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는,
상기 N형 열전 소재의 일 끝단 및 상면과 상기 P형 열전소재의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성하는, 열전 소자.In the first paragraph,
The above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material,
A thermoelectric element in which one end and upper surface of the N-type thermoelectric material and one end of the P-type thermoelectric material are joined to form a bonding interface.
상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재는,
상기 P형 열전 소재의 일 끝단 및 상면과 상기 N형 열전소재의 일단이 맞닿도록 접합되어 접합 계면을 형성하는, 열전 소자.In the first paragraph,
The above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material,
A thermoelectric element in which one end and upper surface of the P-type thermoelectric material and one end of the N-type thermoelectric material are joined to form a bonding interface.
상기 N형 열전소재와 상기 P형 열전소재의 접합면은 요철(凹凸) 형상으로 이루어진, 열전 소자.In any one of the second to fourth paragraphs,
A thermoelectric element in which the bonding surface of the N-type thermoelectric material and the P-type thermoelectric material has a convex and concave shape.
상기 N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재의 구부러진 일단은,
복수 개의 브랜치(Branch) 형상으로, 상호 교차 배열되는, 열전 소자.In the first paragraph,
The bent ends of the above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material are,
A thermoelectric element with multiple branch shapes, arranged in a cross-like manner.
상기 P형 열전소재의 브랜치는 기설정된 간격만큼 이격되어 상기 N형 열전소재의 브랜치와 접합되어 접합계면을 형성하는, 열전 소자.In Article 6,
A thermoelectric element in which the branches of the P-type thermoelectric material are spaced apart by a preset interval and joined to the branches of the N-type thermoelectric material to form a joining interface.
상기 N형 열전소재의 브랜치는 기설정된 간격만큼 이격되어 상기 P형 열전소재의 브랜치와 접합되어 접합계면을 형성하는, 열전 소자.In Article 6,
A thermoelectric element in which the branches of the N-type thermoelectric material are spaced apart by a preset interval and joined to the branches of the P-type thermoelectric material to form a joining interface.
상기 N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재는,
열전 물질과 초전도 물질의 혼합물로 이루어진, 열전 소자.In the first paragraph,
The above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material,
A thermoelectric device made of a mixture of thermoelectric and superconducting materials.
상기 N형 열전소재 및 상기 P형 열전소재는,
초전도 물질로 이루어진, 열전 소자.
In the first paragraph,
The above N-type thermoelectric material and the above P-type thermoelectric material,
A thermoelectric device made of superconducting material.
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