WO2015026151A1 - 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치 - Google Patents

열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치 Download PDF

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    • H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a thermoelectric element and a thermoelectric module.
  • Devices made of P-type thermoelectric materials and N-type thermoelectric materials are manufactured in bulk with the same specifications even when applied to a cooling device, which is a difference between P-type thermoelectric materials and N-type thermoelectric materials having different electrical conductivity characteristics. Due to this situation, the cooling efficiency is limited.
  • the ingot-shaped material is heat-treated, pulverized into a powder, sieving to a fine size, and then subjected to sintering again, and then required thermoelectricity. It is manufactured through a process of cutting to the size of the device.
  • a large portion of material loss occurs during cutting after sintering of the powder, and in the case of mass production, the uniformity is inferior in terms of the size of the bulk type material, and it is difficult to reduce the thickness of the thermoelectric element.
  • slim thin
  • Embodiments of the present invention are to solve the above-described problem, by stacking the unit member including a semiconductor layer on the sheet substrate to implement a thermoelectric element, lowering the thermal conductivity and increase the electrical conductivity, cooling capacity (Qc) And it is possible to provide a thermoelectric element and a thermoelectric module that the temperature change rate (T) is significantly improved.
  • thermoelectric device including a unit member including a semiconductor layer on the substrate and a unit device in which the unit member is stacked two or more, and a thermoelectric module including the same. have.
  • thermoelectric element by stacking a unit member including a semiconductor layer on a sheet substrate, the thermal conductivity is lowered and the electrical conductivity is increased to increase the cooling capacity Qc and the temperature change rate ⁇ T. It is possible to provide a thermoelectric device and a thermoelectric module that are remarkably improved.
  • thermoelectric element it is possible to maximize the electrical conductivity by including a conductive pattern layer between the unit member of the laminated structure, there is an effect that the thickness is significantly thinner than the entire bulk type thermoelectric element.
  • FIG. 1 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a thermoelectric unit device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing process of a thermoelectric unit device according to the process flowchart of FIG. 1.
  • thermoelectric module 4 is a cross-sectional conceptual view illustrating main parts of an embodiment of implementing a thermoelectric module by applying a thermoelectric device including a unit device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 shows an exemplary view of a unit device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of implementing a structure of a thermoelectric module including the unit cell described above with reference to FIG. 4.
  • FIG. 1 is a process flowchart illustrating a manufacturing process of a thermoelectric unit device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing process of a thermoelectric unit device according to the process flowchart of FIG. 1.
  • thermoelectric unit device is a structure having a multilayer structure.
  • thermoelectric unit device a material including a semiconductor material is manufactured in the form of a paste, and the semiconductor layer 112 is formed by applying a paste on a base material 111 such as a sheet or a film to form one unit member.
  • a base material 111 such as a sheet or a film
  • the unit member 110 stacks a plurality of unit members 100a, 100b and 100c to form a stacked structure, and then cuts the stacked structure to form a unit device 120.
  • the unit device 120 according to the present invention may be formed as a structure in which a plurality of unit members 110 in which the semiconductor layer 112 is stacked on the substrate 111 is stacked.
  • the process of applying the semiconductor paste on the substrate 111 may be implemented using various methods.
  • tape casting that is, a very fine semiconductor material powder may be used in an aqueous or non-aqueous solvent (A slurry is prepared by mixing a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer, or a surfactant, and then a moving blade or moving carrier substrate.
  • a slurry is prepared by mixing a solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer, or a surfactant, and then a moving blade or moving carrier substrate.
  • the thickness of the substrate may be a material such as a film, sheet, etc. in the range of 10um ⁇ 100um
  • the semiconductor material to be applied may be applied to the P-type semiconductor or N-type semiconductor material.
  • the N-type semiconductor device is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B ), Gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), bismuth telluride-based (BiTe-based) including indium (In), and 0.001 ⁇ 1.0wt% of the total weight of the main raw material It can be formed using a mixture of Bi or Te corresponding to.
  • the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and Bi or Te may be formed by adding a weight corresponding to 00.001 to 1.0 wt% of the total weight of Bi-Se-Te.
  • Bi or Te When 100 g of the weight of -Se-Te is added, it is preferable to add Bi or Te to be mixed in a range of 0.001 g to 1.0 g.
  • the weight range of the material added to the above-described main raw material is in the range of 0.001wt% to 0.1wt%, the thermal conductivity is not lowered, the electrical conductivity is lowered can not be expected to improve the ZT value
  • the P-type semiconductor material is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium (A mixture of a main raw material consisting of Te), bismuth (Bi), bismuth telluride (BiTe) including indium (In), and Bi or Te corresponding to 0.001 to 1.0 wt% of the total weight of the main raw material It is preferable to form using.
  • the main raw material may be a Bi-Sb-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to a weight corresponding to 0.001 to 1.0wt% of the total weight of Bi-Sb-Te.
  • Bi or Te further mixed may be added in the range of 0.001g ⁇ 1g.
  • the weight range of the material added to the above main raw material has a significance in that the thermal conductivity does not decrease and the electrical conductivity decreases outside the range of 0.001 wt% to 0.1 wt%, so that the ZT value cannot be improved.
  • the process of arranging the unit members 110 by stacking them in a multi-layer may be formed in a stacked structure by compressing at a temperature of 50 ° C. to 250 ° C.
  • the number of the unit members 110 may be stacked. Can range from 2 to 50 pieces.
  • a cutting process may be performed in a desired shape and size, and a sintering process may be added.
  • a unit device formed by stacking a plurality of unit members 110 manufactured according to the above-described process may ensure uniformity of thickness and shape size. That is, the conventional bulk thermoelectric element cuts the sintered bulk structure after ingot grinding and miniaturization of the ball-mill process, and thus many materials are lost in the cutting process, as well as uniformity. Although it was difficult to cut into one size and had a thickness of about 3 mm to 5 mm, it was difficult to reduce the thickness.
  • the unit device of the laminated structure according to the embodiment of the present invention is obtained by stacking a sheet-shaped unit member in a multilayer manner, As it is cut, there is almost no material loss, and the material has a uniform thickness, which ensures the uniformity of the material, and the thickness of the entire unit element can be reduced to 1.5 mm or less, and it can be applied in various shapes. It becomes possible.
  • a step of forming a conductive layer on the surface of each unit member 110 to be implemented further You can do that.
  • a conductive layer similar to the structure of FIG. 3 may be formed between the unit members of the stacked structure of FIG. 2C.
  • the conductive layer may be formed on an opposite surface of the substrate surface on which the semiconductor layer is formed, and in this case, the conductive layer may be configured as a patterned layer to form a region where the surface of the unit member is exposed. This can improve the electrical conductivity as well as improve the bonding strength between each unit member compared to the case of the front coating, it is possible to implement the advantage of lowering the thermal conductivity.
  • 3 illustrates various modifications of the conductive layer C according to the exemplary embodiment of the present invention, and the pattern of exposing the surface of the unit member is illustrated in FIGS. 3A and 3B. As shown in FIG.
  • the conductive layer has the advantage of improving the adhesive strength between each unit member in the unit element formed of a laminated structure of the unit member, lowering the thermal conductivity between the unit members, and improving the electrical conductivity.
  • the cooling capacity Qc and the temperature change rate ⁇ T are improved compared to the thermoelectric element, and in particular, the power factor is increased 1.5 times, that is, the electrical conductivity is increased 1.5 times.
  • the increase in the electrical conductivity is directly connected to the improvement of the thermoelectric efficiency, thereby improving the cooling efficiency.
  • the conductive layer may be formed of a metal material, and all of the metal-based electrode materials of Cu, Ag, and Ni may be applied.
  • thermoelectric module 4 is a cross-sectional conceptual view illustrating main parts of an embodiment of implementing a thermoelectric module by applying a thermoelectric device including a unit device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module including a thermoelectric device includes a first substrate 140 and a second substrate 150 that face each other, and a first substrate 140 between the first and second substrates 140 and 150. And a unit cell including a second semiconductor device 130 electrically connected to the semiconductor device 120. That is, the embodiment of Figure 4 shows only one of the unit cells.
  • the thermoelectric module according to the embodiment of the present invention at least one of the first semiconductor device or the second semiconductor device may be applied to the thermoelectric device of the stacked structure described above with reference to FIGS. to be.
  • the first substrate 140 and the second substrate 150 may use an insulating substrate, such as an alumina substrate, in the case of a cooling thermoelectric module, or in the case of the embodiment of the present invention, the heat dissipation efficiency and It can be made thinner.
  • an insulating substrate such as an alumina substrate, in the case of a cooling thermoelectric module, or in the case of the embodiment of the present invention, the heat dissipation efficiency and It can be made thinner.
  • the dielectric layers 170a and 170b are further included between the electrode layers 160a and 160b formed on the first and second substrates 140 and 150. Is preferably formed.
  • a metal substrate Cu or a Cu alloy may be applied, and the thickness that can be thinned can be formed in a range of 0.1 mm to 0.5 mm. In this case, when the thickness of the metal substrate is 0.1 mm or thinner, or when the thickness exceeds 0.5 mm, the heat dissipation characteristics are too high or the thermal conductivity is too high, which greatly reduces the reliability of the thermoelectric module.
  • a material having a high heat dissipation performance is used as a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K in consideration of the thermal conductivity of the cooling thermoelectric module, and the thickness is 0.01 mm to 0.15. It can be formed in the range of mm. In this case, when the thickness is less than 0.01 mm, the insulation efficiency (or withstand voltage characteristic) is greatly reduced, and when it exceeds 0.15 mm, the thermal conductivity is lowered, and the heat radiation efficiency is lowered.
  • the electrode layers 160a and 160b electrically connect the first semiconductor element and the second semiconductor element by using electrode materials such as Cu, Ag, and Ni, and when a plurality of illustrated unit cells are connected (see FIG. 6), the electrode layers 160a and 160b are adjacent to each other. An electrical connection is formed with the unit cell.
  • the electrode layer may have a thickness ranging from 0.01 mm to 0.3 mm. If the thickness of the electrode layer is less than 0.01mm, the function of the electrode is poor, the electrical conductivity is poor, and even if it exceeds 0.3mm, the conduction efficiency is lowered by the increase of the resistance.
  • thermoelectric device when the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention is disposed between the first substrate 140 and the second substrate 150, and the thermoelectric module is implemented using a unit cell having an electrode layer and a dielectric layer, the entire thermoelectric module is implemented. Since the thickness Th can be formed in the range of 1.mm to 1.5mm, it is possible to realize remarkable thinning compared to using a conventional bulk type device.
  • thermoelectric elements 120 and 130 described above in FIG. 4 are horizontally disposed in the upper direction X and the lower direction Y, as shown in FIG. 5A.
  • the thermoelectric module may be formed in a structure in which the surfaces of the first substrate and the second substrate, the semiconductor layer, and the substrate are adjacent to each other.
  • the thermoelectric module itself is vertically placed to form a unit device. It is also possible to have a side portion of the structure to be disposed adjacent to the first and second substrates. In such a structure, the distal end portion of the conductive layer is exposed to the side portion rather than the horizontally arranged structure, thereby lowering the thermal conductivity efficiency in the vertical direction and improving the electrical conductivity, thereby further increasing the cooling efficiency.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of implementing a structure of a thermoelectric module including the unit cell described above with reference to FIG. 4.
  • a thermoelectric module using a thermoelectric element generally used for cooling is disposed in pairs of semiconductor elements having different materials and properties, and each pair of semiconductor elements is formed by a metal electrode.
  • the unit cells electrically connected may be implemented in a structure in which a plurality of unit cells are arranged. That is, FIG. 6 is an exemplary diagram of a thermoelectric module implemented in a structure including at least two unit cells including a second semiconductor element 130 electrically connected to the first semiconductor element 120 in FIG. 4.
  • the thermoelectric device constituting the unit cell may be a thermoelectric device including a unit device having a stacked structure according to an embodiment of the present invention.
  • one side is a P-type semiconductor as the first semiconductor device 120.
  • a second semiconductor element 130 which may be formed of an N-type semiconductor, wherein the first semiconductor and the second semiconductor are connected to metal electrodes 160a and 160b, and a plurality of such structures are formed and an electrode is formed on the semiconductor element.
  • the Peltier effect is realized by the circuit lines 181 and 182 supplied with current.
  • thermoelectric module may be configured to include embodiments such as thermoelectric devices including unit devices having the stacked structure described above with reference to FIGS. 1 to 5, and thermoelectric devices having conductive layers formed between the unit members. It may have been described above.
  • thermoelectric devices including unit devices having the stacked structure described above with reference to FIGS. 1 to 5, and thermoelectric devices having conductive layers formed between the unit members. It may have been described above.
  • the shape and size of the first semiconductor element and the second semiconductor element which form a unit cell and face each other are the same, in this case, the electrical conductivity of the P-type semiconductor element and that of the N-type semiconductor element are different from each other to be cooled. In consideration of the fact that it acts as a factor that hinders the efficiency, it is also possible to form one volume differently from the volume of the other semiconductor element facing each other to improve the cooling performance.
  • differently forming the volume of the semiconductor elements of the unit cells that are arranged to face each other may form a large overall shape or widen the diameter of one of the cross-sections of a semiconductor device having the same height, or of the same shape. It is possible to implement the semiconductor device by a method of varying the height or the diameter of the cross section. In particular, the diameter of the N-type semiconductor device is formed larger than the P-type semiconductor device to increase the volume to improve the thermoelectric efficiency.
  • thermoelectric elements having various structures and thermoelectric modules including the same take heat from a medium such as water or liquid on the surface of the substrate above and below the unit cell according to the characteristics of heat generation and endotherm. It can be used to implement cooling or to heat by transferring heat to a specific medium. That is, in the thermoelectric module according to various embodiments of the present invention, a configuration of a cooling apparatus for improving cooling efficiency is described as an embodiment. However, the substrate on the opposite side where cooling is performed is used for heating a medium using heat generation characteristics. Applicable to the device used. That is, it can be applied to equipment such as a heat conversion device that implements cooling and heating at the same time in one device.

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Abstract

본 발명이 실시예들은 열전소자 및 열전모듈에 관한 것으로, 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(ΔT)가 현저하게 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.

Description

열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈, 열전환장치
본 발명이 실시예들은 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.
P형 열전 재료와 N형 열전 재료로 이루어지는 소자는 냉각장치에 적용되는 경우에도 동일한 규격으로 벌크(bulk)형으로 제조되고 있으며, 이는 전기 전도특성이 다른 P형 열전 재료와 N형 열전 재료의 차이로 인해 냉각효율에 한계를 보이고 있는 실정이다.
특히 이러한 벌크형의 열전소자를 제조하는 방식에서는 잉곳(Ingot) 형태의 소재를 열처리하고, 분말로 분쇄(Ball Mill)한 후, 미세 사이즈로 시빙(sieving)한 후, 다시 소결 공정을 거친후 필요한 열전소자의 크기로 절단(cutting)하는 공정을 거쳐서 제조된다. 이러한 벌크형 열전소자를 제조하는 공정에서는 분말의 소결후 커팅시 많은 부분의 재료 손실이 발생하게 되며, 양산화하는 경우 벌크형 소재의 크기 측면에서 균일성이 떨어지게 되며, 이러한 열전소자의 두께를 박형화하기 어려워, 박형화(slim)요구되는 제품에 적용이 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 실시예들은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 시트 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율( T)가 현저하게 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있도록 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에서는, 기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재 및 상기 단위부재가 2 이상 적층되는 단위소자를 포함하는 열전소자와, 이를 포함하는 열전모듈을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시트 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(ΔT)가 현저하게 향상되는 열전소자 및 열전모듈을 제공할 수 있다.
특히, 적층구조의 단위부재 사이에 전도성 패턴층을 포함시켜 전기전도도를 극대화할 수 있으며, 전체적인 벌크타입의 열전소자에 비해 현저하게 두께가 박형화되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 단위소자의 제조공정을 도시한 공정순서도이며, 도 2는 도 1의 공정순서도에 따른 열전 단위소자의 제조공정 개념도이다.
도 3에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예예 따른 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용하여 열전모듈을 구현한 실시형태의 요부를 도시한 단면 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단위소자의 예시도를 도시한 것이다.
도 6은 도 4에서 상술한 단위셀을 포함하는 열전모듈의 구조를 구현하는 실시예를 도시한 것이다.
[부호의 설명]
110: 단위부재
111: 기재
112: 반도체층
120: 단위소자
130: 단위소자
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층
181, 182: 회로선
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 단위소자의 제조공정을 도시한 공정순서도이며, 도 2는 도 1의 공정순서도에 따른 열전 단위소자의 제조공정 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 단위소자는 기본적으로 벌크(Bulk) 타입의 제조공정과는 달리, 다층으로 적층되는 구조를 가지는 구조물이다.
이러한 열전 단위소자를 제조하는 공정은 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(111) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(112)을 형성하여 하나의 단위부재(110)를 형성한다. 상기 단위부재(110)은 도 2에 도시된 것과 같이 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위소자(120)은 기재(111) 상에 반도체 층(112)가 적층된 단위부재(110)이 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade)또는 움직이는 운반 기재위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용할 수 있다. 이러한 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료는 상기 N형 반도체소자는, 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성할 수 있다. 이를테면, 상기 주원료물질은 Bi-Se-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Se-Te 전체 중량의 00.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다.즉, Bi-Se-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1.0g의 범위에서 투입하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
상기 P형 반도체 재료는, 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질과, 상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하여 형성함이 바람직하다. 이를 테면, 상기 주원료물질은 Bi-Sb-Te 물질로 하고, 여기에 Bi 또는 Te를 Bi-Sb-Te 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 중량을 더 추가하여 형성할 수 있다. 즉, Bi-Sb-Te의 중량이 100g이 투입되는 경우, 추가로 혼합되는 Bi 또는 Te는 0.001g~1g의 범위에서 투입될 수 있다. 상술한 주원료물질에 추가되는 물질의 중량범위는 0.001wt%~0.1wt% 범위 외에서는 열전도도가 낮아지지 않고 전기전도도는 하락하여 ZT값의 향상을 기대할 수 없다는 점에서 의의를 가진다.
또한, 상기 단위부재(110)을 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위부재(110)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위부재(110)이 다수 적층되어 형성되는 단위소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다.
특히, 본 발명의 실시형태에 따른 단위소자의 제조공정에서, 단위부재(110)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위부재(110)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 2의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 3의 구조와 같은 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위부재간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다. 즉, 도 3에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 3의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 3의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(ΔT) 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다.
상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예예 따른 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용하여 열전모듈을 구현한 실시형태의 요부를 도시한 단면 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150)과 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 즉, 도 4의 실시예는 단위셀 중 하나만 도시한 것이다. 특히, 이 경우 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은, 상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 도 1 내지 도 3에서 상술한 적층형 구조의 열전소자를 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 냉각용 열전모듈의 경우 통상 절연기판, 이를테면 알루미나 기판을 사용할 수 있으며, 또는 본 발명의 실시형태의 경우 금속기판을 사용하여 방열효율 및 박형화를 구현할 수 있도록 할 수 있다.
물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도 4에 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다. 이 경우 금속기판의 두께가 0.1mm 보나 얇은 경우나 0.5mm를 초과하는 두께에서는 방열 특성이 지나치게 높거나 열전도율이 너무 높아 열전모듈의 신뢰성이 크게 저하되게 된다
또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.15mm의 범위에서 형성될 수 있다. 이 경우, 두께가 0.01mm 미만에서는 절연효율(혹은 내전압 특성)이 크게 저하되며, 0.15mm를 초과하는 경우에는 열전전도도가 낮아져 방열효율이 떨어지게 된다.
상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우(도 6 참조) 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다.
상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 전극층의 두께가 0.01mm 미만에서는 전극으로서 기능이 떨어져 전기 전도율이 불량하게 되며, 0.3mm를 초과하는 경우에도 저항의 증가로 전도효율이 낮아지게 된다.
이와 같이, 제1기판(140)과 제2기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층 및 유전체층을 포함하는 구조의 단위셀로 열전모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.
또한, 도 5에 도시된 것과 같이, 도 4에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 5의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치되어, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치 되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
도 6은 도 4에서 상술한 단위셀을 포함하는 열전모듈의 구조를 구현하는 실시예를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 것과 같이, 일반적으로 냉각용으로 이용되는 열전소자를 이용하는 열전모듈은 서로 다른 재질 및 특성을 가지는 반도체소자가 쌍을 이루며 배치되며, 쌍을 이루는 각각의 반도체 소자는 금속전극에 의해 전기적으로 연결되는 단위셀이 다수 개가 배치되는 구조로 구현될 수 있다. 즉, 도 6은 도 4에서 제1반도체소자(120)와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자(130)를 포함하는 단위셀을 적어도 2 이상 포함하는 구조로 구현되는 열전모듈의 예시도이다.
특히, 이 경우 단위셀을 이루는 열전소자는 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자를 적용할 수 있으며, 이 경우 한 쪽은 제1반도체소자(120)로서 P형 반도체 와 제2반도체소자(130)로서 N형 반도체로 구성될 수 있으며, 상기 제1반도체 및 상기 제2반도체는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결되며, 이러한 구조가 다수 형성되며 상기 반도체 소자에 전극을 매개로 전류가 공급되는 회로선(181, 182)에 의해 펠티어 효과를 구현하게 된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에서는 도 1 내지 도 5에서 상술한 적층형 구조의 단위소자를 포함하는 열전소자, 단위부재 사이에 전도성층이 형성되는 열전소자 등의 실시예를 포함하여 구성될 수 있음은 상술한 바 있다. 또한, 단위셀을 이루며 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
즉, 상호 대향하여 배치되는 단위셀의 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 한다.
상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 단위셀의 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉,하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 열전환장치 등의 장비로도 응용이 가능하다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (18)

  1. 기재상의 반도체층을 포함하는 적어도 2 이상의 단위부재;
    상호 이웃하는 상기 단위부재 사이에 배치되는 전도층;을 포함하며,
    상기 전도층은 상기 단위부재의 표면을 노출하는 패턴구조를 구비하는 열전소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단위부재는,
    동일한 반도체층을 포함하는 단위부재가 적층되는 열전소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 반도체층은,
    P형 반도체 또는 N 형 반도체인 열전소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 패턴구조는,
    폐쇄형 개구패턴을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 개방형개구패턴을 포함하는 라인타입 구조인 열전소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전도층은,
    금속물질로 구현되는 패턴층인 열전소자.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 N형 반도체는,
    비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질에 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 포함하는 열전소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 N형 반도체는,
    상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물인 열전소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 주원료물질은,
    셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 열전소자.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 P형 반도체는,
    비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질에 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 포함하는 열전소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 P형 반도체는,
    안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 주원료물질을 적용하는 열전소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 P형 반도체는,
    상기 주원료물질의 전체 중량의 0.001~1.0wt%에 해당하는 Bi 또는 Te이 혼합된 혼합물을 이용하는 열전소자.
  12. 상호 대향하는 제1기판 및 제2기판;
    상기 제1기판 및 상기 제2기판 사이에 제1반도체소자와 전기적으로 연결되는 제2반도체소자를 포함하는 단위셀;을 적어도 1 이상 포함하며,
    상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 하나는 청구항 1의 열전소자인 열전모듈.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 열전모듈은,
    상기 제1기판 및 제2기판은 전극층을 더 포함하는 열전모듈.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1반도체소자 또는 상기 제2반도체소자 중 적어도 어느 하나는,
    단위부재가 2 이상 적층되는 단위소자의 측면부가 상기 제1 및 제2기판에 인접하게 배치되는 열전모듈.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1기판 및 제2기판과 상기 전극층 사이에 유전체층을 더 포함하는 열전모듈.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자의 높이는 0.01mm~0.5mm인 열전모듈.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1기판 및 제2기판은 금속기판인 열전모듈.
  18. 청구항 12에 따른 열전모듈을 포함하는 열전환장치.
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