WO2016159591A1 - 열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치 - Google Patents

열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치 Download PDF

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Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a thermoelectric element, a thermoelectric module, and a thermoelectric conversion device including the same, which increase thermoelectric efficiency.
  • thermoelectric module is a structure in which a PN junction pair is formed by bonding a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element between metal electrodes.
  • the thermoelectric module may be a power generation device.
  • the thermoelectric module may be a temperature control device.
  • thermoelectric module may be applied to a cooling or heating device, and may be applied to power generation equipment to implement various thermal conversion effects.
  • thermoelectric module a method for improving the efficiency of the thermoelectric module.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to obtain a high efficiency thermoelectric module.
  • a first element portion having a first cross-sectional area, a connection portion connected to the first element portion, and a second element portion connected to the connection portion and having a second cross-sectional area, wherein the cross-sectional area of the connection portion is the first cross-sectional area and the It is possible to provide a thermoelectric element smaller than at least one of the second cross-sectional areas.
  • the upper width and the lower width of the thermoelectric element are configured to be wider than the central width, so that even if the same amount of material is used, thermoelectric efficiency and power generation efficiency can be increased. Accordingly, the material cost of the thermoelectric element can be reduced while maintaining the power generation efficiency.
  • the cooling or heating (Heating) performance can be increased by the same amount of material in the device for implementing the cooling or heat conversion effect of the heat. Even in this case, it is possible to reduce the material cost of the thermoelectric element while obtaining a predetermined cooling and thermal performance.
  • thermoelectric module having high heat dissipation efficiency can be obtained.
  • the heat transfer rate can be increased, and since the heat sink does not need to be applied, a compact and thin device can be obtained.
  • thermoelectric element by stacking the unit member including the semiconductor layer on the sheet substrate to implement a thermoelectric element, lowering the thermal conductivity and increasing the electrical conductivity, the cooling capacity (Qc) and the temperature change rate (0T) ) Can be significantly improved.
  • Qc cooling capacity
  • T temperature change rate
  • thermoelectric device 1 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module 2 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module 3 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a general thermoelectric device.
  • thermoelectric module 4 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 5 illustrates a thermoelectric device including the thermoelectric module of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows a conceptual diagram of manufacturing a unit member.
  • thermoelectric device 8 illustrates a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 1 is a conceptual diagram illustrating a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is disposed on a first substrate 140, a thermoelectric element 120 and a thermoelectric element 120 disposed on the first substrate 140.
  • a second substrate 150, and the thermoelectric element 120 is disposed on the first substrate 140 and connected to the first element portion 122 and the first element portion 122 having a first cross-sectional area.
  • the connection part 124 is connected to the connection part 124, and is disposed between the second connection part 124 and the second substrate 150, and includes a second element part 126 having a second cross-sectional area.
  • the cross-sectional area in any area in the horizontal direction of the connecting portion 124 may be provided in a structure that is smaller than the first cross-sectional area and the second cross-sectional area.
  • the horizontal direction may mean a direction perpendicular to the direction from the first substrate 140 toward the second substrate 150.
  • the thermoelectric element 120 When compared with a structure having a single cross-sectional area (eg, a cube or a cuboid) using the same amount of the same material, the thermoelectric element 120 according to the embodiment of the present invention may include the first element portion 122 and the second element portion 126. ) Can be widened, but the length of the connecting portion 124 can be long, so that the temperature difference T between the first device portion 122 and the second device portion 126 can be increased. When the temperature difference between the first element portion 122 and the second element portion 126 increases, the first element portion 122 (for example, the heating side) and the second element portion 126 (for example, the cooling side). The amount of free electrons that move between) increases, the amount of power generation increases, and the heat generation or cooling efficiency increases.
  • thermoelectric device 120 implements a wide horizontal cross-sectional area of the first device part 122 and the second device part 126 connected to the lower part and the upper part of the connection part 124, and the connection part.
  • the length of 124 may be extended to narrow the cross-sectional area of the connection.
  • the first element portion 122 and the second element portion 126 may be formed in a flat structure or other three-dimensional structure.
  • the first device portion 122 may have a larger cross-sectional area as it approaches the first substrate 140
  • the second device portion 126 may have a larger cross-sectional area as it approaches the second substrate 150. Can have.
  • thermoelectric element 120, the thickness (a1, a3) of the first element portion and the second element portion may be formed to be implemented to be smaller than the thickness (a2) of the connection portion.
  • the thickness may mean a thickness in a direction from the first substrate 140 toward the second substrate 150.
  • the first cross-sectional area in the horizontal direction of the first device unit 122 and the second cross-sectional area in the horizontal direction of the second device unit 126 may be different from each other. have. This is to easily control the desired temperature difference by adjusting the thermoelectric efficiency.
  • the first device portion, the second device portion and the connection portion may be configured in a structure that is integrally implemented with each other, in which case each configuration may be implemented with the same material.
  • the first element portion 122, the second element portion 126 and the connecting portion 124 may be extruded or molded by a mold.
  • the thermoelectric element 120 may include a P-type semiconductor material or an N-type semiconductor material.
  • N-type thermoelectric elements including N-type semiconductor materials include selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), and gallium (Ga).
  • Bi bismuth telluride-based (BiTe-based), including tellurium (Te), bismuth (Bi), indium (In), and Bi corresponding to 0.001 ⁇ 1.0wt% of the total weight of the main material Te can be formed using a mixed mixture.
  • P-type thermoelectric elements including P-type semiconductor materials include antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), Corresponding to the main raw material consisting of bismuth telluride-based (BiTe-based), including gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi), indium (In), and 0.001 ⁇ 1.0wt% of the total weight of the main raw material Can be formed using a mixture of Bi or Te.
  • thermoelectric module 3 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a general thermoelectric device.
  • thermoelectric module 120 which is a thermoelectric module including a thermoelectric element according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 which is a thermoelectric module including a general thermoelectric element, a pair of substrates 140 and 150 that have the same width and thickness and face each other. It is assumed that the thermoelectric element 120 is disposed therebetween, and the same amount of material is applied to the thermoelectric element 120.
  • thermoelectric element having a height d1 and a width d3 is embodied by the amount of thermoelectric material that is basically provided, and in FIG. 2, the height ( The thermoelectric element of d2) is implemented.
  • the ratio of the height d1 and the width d3 is 0.5: 5 in FIG. 3, in FIG. 2, the ratio of the height d2 and the width is 2: using the same amount of thermoelectric material. It can be implemented with 1.5.
  • the width is reduced to about 1.5, but the height is increased, it is possible to implement the temperature difference (T) between a pair of substrates more than 1.2 times the conventional standard.
  • Table 1 above compares the temperature difference and the amount of power generated by each device realized by the power per unit area input in the structures of FIGS. 2 and 3.
  • the temperature difference in this embodiment is increased 1.2 times compared to the existing structure, and the amount of power generation also increases 1.3 times compared to the existing structure.
  • thermoelectric module 4 is a cross-sectional view of a thermoelectric module including a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 5 illustrates a thermoelectric device including the thermoelectric module of FIG. 4.
  • thermoelectric module includes a first substrate 140 and a second substrate 150 facing each other, the first substrate 140, and a second substrate 150. And a first semiconductor device 120 and a second semiconductor device 130 disposed therebetween, and the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 are electrically connected to each other.
  • first electrode 160b and the second substrate 150 and the first semiconductor device 120 disposed between the first substrate 140, the first semiconductor device 120, and the second semiconductor device 130.
  • a second electrode 160a disposed between the second semiconductor devices 130.
  • the first semiconductor element and the second semiconductor element may be the thermoelectric elements described with reference to FIGS. 1 to 3. That is, the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 (that is, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element) illustrated in FIGS. 4 and 5 may be connected to the connection parts 124 and 134 and the connection part 124, respectively.
  • the first and second device parts 122 and 132 and the second device parts 126 and 136 connected to the lower and upper parts of the 134 and having a width (cross-sectional area) larger than the width of the connection part may be included.
  • such a structure can increase power generation efficiency or heat conversion efficiency when the same amount of material is applied.
  • thermoelectric module including the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention may not only implement the structure of the thermoelectric element as shown in FIG. 1 but also form different volumes of the first substrate and the second substrate. have.
  • volume is defined as meaning an internal volume formed by the outer circumferential surface of the substrate.
  • the first semiconductor device 120 may be a P-type semiconductor device
  • the second semiconductor device 130 may be an N-type semiconductor device
  • the first semiconductor device and the second semiconductor device may be metal electrodes 160a and 160b.
  • the area of the first substrate 140 forming the heat dissipation area may be wider than the area of the second substrate 150 forming the cold side by the Peltier effect.
  • the thermal conductivity can be increased, and the heat dissipation efficiency can be increased to remove the heat sink from the conventional thermoelectric module.
  • the first substrate 140 and the second substrate 150 may be an insulating substrate, for example, an alumina substrate.
  • a metal substrate may be used to realize heat dissipation efficiency and thinning.
  • 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.
  • a metal substrate Cu or Cu alloy, Cu-Al alloy, etc. can be applied, and the thickness which can be thinned can be formed in the range of 0.1 mm to 0.5 mm.
  • the area of the first substrate 140 may be formed in a range of 1.2 to 5 times the area of the second substrate 150 to form different volumes.
  • the width b1 of the second substrate 150 is formed to be narrower than the width b2 of the first substrate 140. In this case, the areas of the substrates having the same thickness are different from each other. The volume will be different.
  • the thickness of the second substrate 150 is not significant. It is difficult to maintain the shape of (e.g., opposing structures facing each other), and the heat transfer efficiency is significantly reduced.
  • a heat dissipation pattern (not shown), for example, an uneven pattern is formed on the surface of the first substrate to maximize the heat dissipation characteristics of the first substrate. It is possible to ensure a more efficient heat dissipation characteristics even if the configuration of.
  • the heat dissipation pattern may be formed on one or both surfaces of the first substrate. In particular, when the heat dissipation pattern is formed on the surface in contact with the first and second semiconductor elements, it is possible to improve heat dissipation characteristics and bonding characteristics between the thermoelectric element and the substrate.
  • the thickness a1 of the second substrate 150 may be formed to be thinner than the thickness a2 of the first substrate 140 to facilitate the inflow of heat from the cooling side and to increase the heat transfer rate. Can be.
  • a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K is used in consideration of the thermal conductivity of the cooling thermoelectric module, and the thickness is 0.01 mm to 0.1. It can be formed in the range of mm.
  • the electrode layers 160a and 160b electrically connect the first semiconductor element and the second semiconductor element using electrode materials such as Cu, Ag, and Ni. When the plurality of illustrated unit cells are connected, the electrode layers 160a and 160b may be electrically connected to adjacent unit cells. Will form a connection.
  • the electrode layer may have a thickness ranging from 0.01 mm to 0.3 mm.
  • thermoelectric elements that may be applied to a thermoelectric module according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
  • the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 according to the present invention employ a semiconductor device formed of a bulk type by applying a P-type semiconductor or an N-type semiconductor material. can do.
  • the bulk type refers to a structure formed by pulverizing an ingot, which is a semiconductor material, and then going through a miniaturized ball-mill process and cutting a sintered structure. Such bulk devices may be formed in one unitary structure.
  • the N-type semiconductor device is selenium (Se), 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 can be formed using.
  • the main raw material may be a Bi-Se-Te material, and may be formed by adding Bi or Te to 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 Bi-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 structure of the semiconductor device described above may be implemented as a structure having a stacked structure instead of a bulk structure to further improve thinning and cooling efficiency.
  • the structures of the first semiconductor device 120 and the second semiconductor device 130 in FIG. 4 are formed as a unit member in which a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-shaped substrate are cut and then cut. It is possible to prevent the loss of material and to improve the conductivity characteristics.
  • FIG. 6 is a conceptual view illustrating a process of manufacturing the unit member having the above-described laminated structure.
  • a unit material 110 is formed by forming a semiconductor material 112 including a semiconductor material and forming a semiconductor layer 112 by applying a paste onto a base material 111 such as a sheet or a film.
  • a plurality of unit members 100a, 100b, and 100c are stacked to form a stacked structure, and then the stacked structure is cut to form the unit thermoelectric device 120. That is, the unit thermoelectric device 120 according to the exemplary embodiment of 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 coating 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 can be applied to the P-type material and the N-type material for producing the bulk-type device as it is Of course.
  • the process of arranging the unit members 110 in a multi-layered manner may be formed in a laminated structure by compressing at a temperature of 50 to 250 ° C.
  • the number of stacked units of the unit members 110 may be 2 ⁇ . It can be made in 50 ranges. Thereafter, a cutting process may be performed in a desired shape and size, and a sintering process may be added.
  • a unit thermoelectric 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.
  • the structure to be implemented may be implemented by cutting into the shape of FIG. 6 (d), as the structure of the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention described above in FIG.
  • thermoelectric device in the manufacturing process of the unit thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, further comprising the step of forming a conductive layer on the surface of each unit member 110 during the process of forming a laminated structure of the unit member 110 It can be done.
  • a conductive layer similar to the structure of FIG. 7 may be formed between the unit members of the stacked structure of FIG. 6C.
  • 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 as compared to the front coating, it is possible to implement the advantage of lowering the thermal conductivity.
  • Figure 7 shows a variety of modifications of the conductive layer (C) according to an embodiment of the present invention, the pattern of the surface of the unit member is exposed (a), (b) of Figure 7
  • the mesh-type structure including the closed opening patterns c 1 and c 2 or the open opening patterns c 3 and c 4 as shown in FIGS. 7C and 7D. It can be designed by various modifications such as a line type including.
  • the conductive layer has the advantage of increasing the adhesive strength between the unit members in the unit thermoelectric element formed of a laminated structure of the unit member, as well as lowering the thermal conductivity between the unit members, improve the electrical conductivity, Cooling capacity (Qc) and ⁇ T () is improved compared to the bulk thermoelectric element, in particular the power factor (Power factor) is 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 When the unit thermoelectric device having the stacked structure described above with reference to FIG. 6 is applied to the thermoelectric module illustrated in FIGS. 4 and 5, that is, between the first substrate 140 and the second substrate 150, the embodiment of the present invention is used.
  • the thermoelectric module When the thermoelectric module is disposed and the thermoelectric module is implemented as a unit cell having an electrode layer and a dielectric layer, the entire thickness Th may be formed in a range of 1. mm to 1.5 mm. It is possible to realize remarkable thinning in comparison with the use.
  • thermoelectric elements 120 and 130 described above in FIG. 6 are horizontally disposed in the upper direction X and the lower direction Y, as illustrated in FIG. 6A. Arranged so as to be cut, as shown in (c), may implement a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • 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, but as shown in (b), the thermoelectric module may be thermoelectric. It is also possible to structure the device itself in a vertical position such that the side portions of the unit thermoelectric element are 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.
  • thermoelectric device applied to the thermoelectric module of the present invention which can be implemented in various embodiments, the shape and size of the first semiconductor device and the second semiconductor device opposing to each other may be the same, but in this case, P-type
  • P-type In consideration of the fact that the electrical conductivity of the semiconductor device and the electrical conductivity of the N-type semiconductor device are different from each other, it acts as a factor that hinders the cooling efficiency, so that the volume of one of the semiconductor devices is different from that of the other semiconductor devices facing each other. It is also possible to improve the cooling performance.
  • thermoelectric elements having various structures and thermoelectric modules including the same according to an embodiment of the present invention described above are water or liquid according to the characteristics of heat generating and endothermic portions on the surface of the power generation module or the upper and lower substrates. It can be used for cooling by taking heat of a medium such as cooling or 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. In other words, it can be applied to equipment that implements cooling and heating at the same time in one device.

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Abstract

본 발명의 실시예는 열전효율을 높이는 열전소자 및 열전모듈에 대한 것으로, 제1단면적을 가지는 제1소자부, 상기 제1 소자부와 연결되는 연결부, 그리고 상기 연결부와 연결되며, 제2 단면적을 가지는 제2소자부를 포함하며, 상기 연결부의 단면적은 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적 중 적어도 하나보다 작은 열전소자를 제공할 수 있도록 한다.

Description

열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치
본 발명의 실시예는 열전효율을 높이는 열전소자, 열전모듈 및 이를 포함하는 열전환장치에 대한 것이다.
일반적인 열전 모듈은 금속 전극들 사이에 P형 열전소자와 N형 열전소자를 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다. 이러한 PN 접합 쌍의 양 금속 전극 사이에 온도 차를 부여하면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생하며, 이에 따라 열전 모듈은 발전 장치가 될 수 있다. 또한, PN 접합 쌍의 양 금속 전극 중 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해, 열전 모듈은 온도 제어 장치가 될 수도 있다.
이러한 열전 모듈은 냉각 또는 온열 장치에 적용되며, 발전 장비에 적용되어 다양한 열전환 효과를 구현할 수도 있다.
이에, 열전 모듈의 효율을 높일 수 있는 방식에 관심이 모아지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 효율이 높은 열전 모듈을 얻는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에서는,
제1단면적을 가지는 제1소자부, 상기 제1 소자부와 연결되는 연결부, 그리고 상기 연결부와 연결되며, 제2 단면적을 가지는 제2소자부를 포함하며, 상기 연결부의 단면적은 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적 중 적어도 하나보다 작은 열전소자를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전소자의 상부 폭과 하부 폭을 중심부 폭보다 넓게 구성하여, 동일한 양의 소재를 이용하더라도 열전효율 및 발전효율을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 발전효율을 유지하면서도 열전소자의 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 냉각이나 온열의 열전환 효과를 구현하는 장치에서 동일한 소재량으로 냉각 또는 온열(Heating) 성능을 높일 수도 있다. 이 경우에도 소정의 냉각 및 온열 성능을 얻으면서도 열전소자의 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 방열효율이 높은 박형의 열전모듈을 얻을 수 있다. 특히, 방열측 기판의 면적을 냉각측 기판의 면적보다 크게 형성하면, 열전달율을 높일 수 있으며, 히트싱크가 적용될 필요가 없으므로 소형 및 박형의 장치를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시트 기재상에 반도체층을 포함하는 단위부재를 적층하여 열전소자를 구현함으로써, 열전도도를 낮추며 전기전도도를 상승시켜, 냉각용량(Qc) 및 온도변화율(0T)을 현저하게 향상시킬 수 있다. 아울러, 적층구조의 단위부재 사이에 전도성 패턴층을 포함시켜 전기전도도를 극대화할 수 있으며, 전체적인 벌크타입의 열전소자에 비해 두께가 현저하게 얇아지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
도 3은 일반적인 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
도 5는 도 4의 열전모듈을 포함하는 열전장치를 나타낸다.
도 6는 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층의 다양한 변형예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자를 나타낸다.
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 열전소자를 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 제1 기판(140), 제1 기판(140) 상에 배치되는 열전소자(120), 열전소자(120) 상에 배치되는 제2 기판(150)을 포함하며, 열전소자(120)는, 제1 기판(140) 상에 배치되며, 제1단면적을 가지는 제1소자부(122), 제1 소자부(122)와 연결되는 연결부(124), 그리고 연결부(124)와 연결되며, 제2 연결부(124)와 제2 기판(150) 사이에 배치되고, 제2 단면적을 가지는 제2 소자부(126) 를 포함한다. 특히 이 경우, 상기 연결부(124)의 수평방향의 임의의 영역에서의 단면적은 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적보다 작게 구현되는 구조로 마련될 수 있다. 여기서, 수평방향은 제1 기판(140)으로부터 제2 기판(150)을 향하는 방향에 수직하는 방향을 의미할 수 있다.
동량의 동일한 재료를 이용하여 단일 단면적을 가지는 구조(예, 정육면체 또는 직육면체)와 비교할 경우, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(120)는 제1소자부(122)와 제2소자부(126)의 면적은 넓히되, 연결부(124)의 길이는 길게 구현할 수 있으므로, 제1소자부(122)와 제2소자부(126) 사이의 온도차(T)를 크게 할 수 있다. 제1 소자부(122)와 제2 소자부(126) 간의 온도차가 커지면, 제1 소자부(122)(예를 들어, 발열측)와 제2 소자부(126)(예를 들어, 냉각측) 사이에 이동하는 자유전자의 양이 많아져 발전량이 증가하며, 발열이나 냉각 효율이 높아지게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자(120)는 연결부(124)의 하부 및 상부에 연결되는 제1소자부(122) 및 제2소자부(126)의 수평 단면적을 넓게 구현하고, 연결부(124)의 길이를 연장하여 연결부의 단면적을 좁힐 수 있도록 한다. 여기서, 제1 소자부(122) 및 제2 소자부(126)는 평판형 구조 또는 다른 입체 구조로 형성될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 소자부(122)는 제1 기판(140)에 가까워질수록 큰 단면적을 가질 수 있고, 제2 소자부(126)는 제2 기판(150)에 가까워질수록 큰 단면적을 가질 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에서는, 상기 연결부(124)의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭(B)과, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 수평단면적 중 더 큰 단면의 폭(A or C)의 비율이 1:(1.5~4)의 범위를 충족하는 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 이 범위를 벗어나는 경우에는, 열전도가 발열측에서 냉각측으로 전도되어 오히려 발전효율을 떨어뜨리거나, 발열이나 냉각효율을 떨어뜨리게 된다.
이러한 구조의 실시예의 다른 측면에서는, 상기 열전소자(120)는, 상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 두께(a1, a3)는, 상기 연결부의 두께(a2)보다 작게 구현되도록 형성될 수 있다. 여기서, 두께는 제1 기판(140)으로부터 제2 기판(150)을 향하는 방향으로의 두께를 의미할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에서는, 제1소자부(122)의 수평방향의 단면적인 상기 제1단면적과 제2소자부(126)의 수평방향의 단면적인 상기 제2단면적이 서로 다르게 구현될 수도 있다. 이는 열전효율을 조절하여 원하는 온도차를 쉽게 제어하기 위함이다. 나아가, 상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는 상호 일체로 구현되는 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우 각각의 구성은 상호 동일한 재료로 구현될 수 있다. 이를 위하여, 제1 소자부(122), 제2 소자부(126) 및 연결부(124)는 압출 성형되거나, 몰드에 의하여 성형될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자(120)는 P형 반도체물질 또는 N형 반도체 물질을 포함할 수 있다. N형 반도체물질을 포함하는 N형 열전소자는 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 형성될 수 있다. 나아가, P형 반도체물질을 포함하는 P형 열전소자는, 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 형성될 수 있다.
한편, 도 3은 일반적인 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈인 도 2와 일반적인 열전소자를 포함하는 열전모듈인 도3을 참조하면, 동일한 폭과 두께를 가지며 대향하는 한 쌍의 기판(140, 150) 사이에 열전소자(120)을 배치하는 구조이며, 열전소자(120)에는 동일한 양의 재료가 적용되는 것을 가정한다.
이 경우, 도 3과 같은 종래 구조에서는, 기본적으로 제공되는 열전재료의 양을 통해 높이(d1)와 폭(d3)의 열전소자를 구현한 것이고, 도 2에서는 동일한 양의 열전재료를 통해 높이(d2)의 열전소자를 구현한 것이다. 예를 들어, 도 3에서 높이(d1)와 폭(d3)의 비가 0.5:5의 비율인 것을 가정할 경우, 도 2에서는 동일한 양의 열전재료를 이용하여 높이(d2)와 폭의 비가 2:1.5로 구현할 수 있다. 물론, 폭의 경우 1.5 정도로 줄어들게 되나, 높이가 높아지는바, 한 쌍의 기판 사이의 온도차(T)를 종래의 기준 대비 1.2 배 이상으로 구현할 수 있게 된다.
Input heat flux(kW/m2) ΔT 발전 양(normalized)
도 3 구조 1.5 65 0.75
도 2 구조 1.5 80 1
위 표 1은 도 2 및 도 3구조에서 입력되는 단위면적당 전력에 의해 구현되는 각 소자별 온도차와 발전량을 비교한 것이다. 동일한 양의 열전재료를 이용하는 경우, 본 실시예에서의 온도차가 기존 구조 대비 1.2배증가하며, 발전량도 기존 구조 대비 1.3배 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈의 단면도이고, 도 5는 도 4의 열전모듈을 포함하는 열전장치를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈은 상호 대향하는 제1기판(140) 및 제2기판(150), 상기 제1기판(140) 및 제2기판(150) 사이에 배치되는 제1반도체소자(120) 및 제2 반도체소자(130)를 포함하며, 제1 반도체소자(120)와 제2 반도체소자(130)는 전기적으로 연결된다. 이를 위하여, 제1 기판(140)와 제1 반도체소자(120) 및 제2 반도체소자(130) 사이에 배치되는 제1 전극(160b) 및 제2 기판(150)와 제1 반도체소자(120) 및 제2 반도체소자(130) 사이에 배치되는 제2 전극(160a)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자는 도 1 내지 도 3에서 설명한 열전소자일 수 있다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 제1 반도체소자(120) 및 제2 반도체소자(130)(즉, P형 열전소자 및 N형 열전소자)는 연결부(124, 134) 및 연결부(124, 134)의 하부 및 상부에 연결되며 상기 연결부의 폭보다 넓은 폭(단면적)을 가지는 제1소자부(122, 132)와 제2소자부(126, 136)를 포함할 수 있다.
이러한 구조는 상술한 것과 같이, 동일한 재료의 양을 적용하는 경우, 발전효율 또는 열전환효율을 증대시킬 수 있음은 상술한 바와 같다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈은 열전소자의 구조를 도 1의 구조와 같이 구현하는 것 외에도, 상기 제1기판 및 상기 제2기판의 체적을 서로 다르게 형성할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 '체적'이라 함은, 기판의 외주면이 형성하는 내부 부피를 의미하는 것으로 정의한다.
이때, 제1반도체소자(120)는 P형 반도체소자이고, 제2반도체소자(130)는 N형 반도체소자일 수 있으며, 상기 제1반도체소자 및 상기 제2반도체소자는 금속 전극 (160a, 160b)과 연결될 수 있다. 교대로 배치되는 복수의 제1 반도체소자(120) 및 복수의 제2 반도체소자(130)에 회로선(181, 182)으로부터 전극(160a, 160b)을 매개로 전류가 공급되면, 펠티어 효과가 발생하게 된다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 펠티어 효과에 의해 냉각영역(Cold side)을 이루는 제2기판(150)의 면적보다 방열영역(Hot side)을 이루는 제1기판(140)의 면적을 넓게 형성할 수 있도록 하여, 열전도율을 높일 수 있으며, 방열효율을 높여 종래의 열전모듈에서의 히트싱크를 제거할 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로, 냉각용 열전모듈의 경우, 상기 제1기판(140) 및 상기 제2기판(150)은 절연기판, 예를 들어 알루미나 기판일 수 있다. 또는, 방열효율 및 박형화를 구현하기 위하여 금속 기판이 이용될 수도 있다. 물론, 금속기판으로 형성하는 경우에는 도시된 것과 같이 제1기판 및 제2기판(140, 150)에 형성되는 전극층(160a, 160b)과의 사이에 유전체층(170a, 170b)를 더 포함하여 형성됨이 바람직하다. 금속기판의 경우, Cu 또는 Cu 합금, Cu-Al합금 등을 적용할 수 있으며, 박형화가 가능한 두께는 0.1mm~0.5mm 범위로 형성이 가능하다.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 제1기판(140)의 면적을 제2기판(150)의 면적대비 1.2~5배의 범위로 형성하여 상호 간의 체적을 다르게 형성할 수 있다. 도 4에 도시된 도면에서도 제2기판(150)의 폭(b1)이 제1기판(140)의 폭(b2)보다 좁게 형성되며, 이 경우 동일 두께의 기판의 면적이 서로 상이하게 형성되게 되어 체적이 달라지게 된다.
이는 제2기판(150)의 면적이 제1기판(140)에 비해 1.2배 미만으로 형성되는 경우, 기존의 열전도 효율과 큰 차이가 없어 박형화의 의미가 없으며, 5배를 초과하는 경우에는 열전모듈의 형상(이를 테면, 상호 마주하는 대향구조)을 유지하기가 어려우며, 열전달효율을 현저하게 떨어지게 된다.
아울러, 상기 제1기판(140)의 경우, 제1기판의 표면에 방열패턴(미도시), 이를테면 요철패턴을 형성하여 제1기판의 방열특성을 극대화할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 히트싱크의 구성을 삭제하고도 보다 효율적인 방열특성을 확보할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우 상기 방열패턴은 상기 제1기판의 표면의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 특히 상기 방열패턴은 상기 제1 및 제2반도체소자와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 방열특성 및 열전소자와 기판과의 접합특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2기판(150)의 두께(a1)를 상기 제1기판(140)의 두께(a2) 보다 얇게 형성하여 냉각측(Cold sied)에서 열의 유입을 용이하게 하며 열전달율을 높일 수 있도록 할 수 있다.
또한, 상기 유전체층(170a, 170b)의 경우 고방열 성능을 가지는 유전소재로서 냉각용 열전모듈의 열전도도를 고려하면 5~10W/K의 열전도도를 가지는 물질을 사용하며, 두께는 0.01mm~0.1mm의 범위에서 형성될 수 있다.
상기 전극층(160a, 160b)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 제1반도체 소자 및 제2반도체 소자를 전기적으로 연결하며, 도시된 단위셀이 다수 연결되는 경우 인접하는 단위셀과 전기적으로 연결을 형성하게 된다. 상기 전극층의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 열전모듈에 적용될 수 있는 다양한 열전소자의 형태에 대해 설명하기로 한다.
1) 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자
도 4에 도시된 구조에서, 본 발명에 따른 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)는 P 형 반도체 또는 N 형 반도체 재료를 적용하여 벌크형(Bulk type)으로 형성된 반도체소자를 적용할 수 있다. 벌크형(Bulk type)이란 반도체 재료인 잉곳을 분쇄하고, 이후 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정을 거친 후, 소결한 구조물을 커팅하여 형성한 구조물을 의미한다. 이러한 벌크형 소자는 하나의 일체형 구조로 형성될 수 있다.
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.
2) 적층형 구조의 열전소자
본 발명의 다른 실시예에서는 상술한 반도체소자의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로는, 도 4에서의 제1반도체소자(120) 및 제2반도체소자(130)의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
이에 대해서 도 6을 참조하면, 도 6는 상술한 적층 구조의 단위부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다. 도 6에 따르면, 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. 다수의 단위부재(100a, 100b, 100c)를 적층하여 적층구조물을 형성하고, 이후 적층구조물을 절단하여 단위열전소자(120)를 형성한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 단위열전소자(120)는 기재(111) 상에 반도체 층(112)이 적층된 단위부재(110)가 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(111) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일 예로는 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 기재 위에 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 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.
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)가 다수 적층되어 형성되는 단위열전소자는 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 단위열전소자는, 시트형상의 단위부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 1에서 상술한 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 구조와 같이, 도 6의 (d)의 형상으로 절단하여 구현할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시형태에 따른 단위열전소자의 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 6의 (c)의 적층구조물의 단위부재의 사이 사이에 도 7의 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 단위부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.
즉, 도 7에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 7의 (a),(b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 7의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위부재의 적층구조로 형성되는 단위열전소자의 내부에서 각 단위부재간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위부재간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 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 6에서 상술한 적층형 구조의 단위열전소자를 도 4 및 도 5에 도시된 열전모듈에 적용하는 경우, 즉 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 8에 도시된 것과 같이, 도 6에서 상술한 열전소자(120, 130)는 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향(X) 및 하부방향(Y)으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.
이러한 도 8의 (c)의 구조는, 제1기판 및 제2기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위열전소자의 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.
상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 제1반도체소자 및 제2반도체소자의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P 형 반도체소자의 전기전도도와 N 형 반도체 소자의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
즉, 상호 대향하여 배치되는 반도체 소자의 체적을 상이하게 형성하는 것은, 크게 전체적인 형상을 다르게 형성하거나, 동일한 높이를 가지는 반도체소자에서 어느 한쪽의 단면의 직경을 넓게 형성하거나, 동일한 형상의 반도체 소자에서 높이나 단면의 직경을 다르게 하는 방법으로 구현하는 것이 가능하다. 특히 N형 반도체소자의 직경을 P형 반도체소자보다 더 크게 형성하여 체적을 증가시켜 열전효율을 개선할 수 있도록 할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 구조의 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈은 상술한 것과 같이 발전용모듈이나, 또는 상 하부의 기판의 표면에 발열 및 흡열 부위의 특성에 따라 물이나 액체 등의 매체의 열을 빼앗아 냉각을 구현하거나, 특정 매체에 열을 전달하여 가열을 시키는 용도로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태의 열전모듈에서는 냉각효율을 증진하여 구현하는 냉각장치의 구성을 들어 실시형태로 설명하고 있으나, 냉각이 이루어지는 반대면의 기판에서는 발열특성을 이용해 매체를 가열하는 용도로 사용하는 장치에 적용할 수 있다. 즉, 하나의 장치에서 냉각과 가열을 동시에 기능하도록 구현하는 장비로도 응용이 가능하다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
부호의 설명
110: 단위부재
111: 기재
112: 반도체층
120: 열전소자
122: 제1소자부
124: 연결부
126: 제2소자부
130: 열전소자
132: 제1소자부
134: 연결부
136: 제2소자부
140: 제1기판
150: 제2기판
160a, 160b: 전극층
170a, 170b: 유전체층
181, 182: 회로선

Claims (18)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 배치되는 열전소자, 그리고
    상기 열전소자 상에 배치되는 제2 기판을 포함하며,
    상기 열전소자는,
    상기 제1 기판 상에 배치되며, 제1단면적을 가지는 제1소자부,
    상기 제1 소자부와 연결되는 연결부, 그리고
    상기 연결부와 연결되며, 상기 연결부와 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 제2 단면적을 가지는 제2소자부를 포함하며,
    상기 연결부의 단면적은 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적 중 적어도 하나보다 작은 열전모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단면적과 상기 제2단면적이 서로 다른 열전모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결부의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭과,
    상기 제1소자부의 단면의 폭 또는 상기 제2소자부의 단면의 폭의 비율이 1:(1.5~4)인 열전모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는 일체로 형성되는 열전모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는,
    동일한 재료로 형성되는 열전모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 두께는 상기 연결부의 두께보다 작은 열전모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소자는,기재상의 반도체층을 포함하는 단위부재가 2 이상 적층되어 구현되는 구조인, 열전모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열전소자는,
    상호 인접하는 단위부재상의 전도층을 더 포함하는 열전모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전도층은,
    상기 단위부재의 표면이 노출되는 패턴을 포함하는 열전모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 소자부의 단면적은 상기 제1 기판에 가까워질수록 넓어지고, 상기 제2 소자부의 단면적은 상기 제2 기판에 가까워질수록 넓어지는 열전모듈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 열전소자 사이에 배치되는 제1 전극, 그리고 상기 열전소자 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제2 전극을 더 포함하는 열전모듈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전소자 및 복수의 N형 열전소자를 포함하며,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전소자 및 상기 복수의 N형 열전소자 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전소자 및 상기 복수의 N형 열전소자 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 더 포함하는 열전모듈.
  13. 제1단면적을 가지는 제1소자부,
    상기 제1 소자부와 연결되는 연결부, 그리고
    상기 연결부와 연결되며, 제2 단면적을 가지는 제2소자부를 포함하며,
    상기 연결부의 단면적은 상기 제1단면적 및 상기 제2단면적 중 적어도 하나보다 작은 열전소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1단면적과 상기 제2단면적이 서로 다른 열전소자.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 연결부의 수평 단면 중 가장 긴 폭을 가지는 단면의 폭과,
    상기 제1소자부의 단면의 폭 또는 상기 제2소자부의 단면의 폭의 비율이 1:(1.5~4)인 열전소자.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는 일체로 형성되는 열전소자.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1소자부, 상기 제2소자부 및 상기 연결부는,
    동일한 재료로 형성되는 열전소자.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1소자부 및 상기 제2소자부의 두께는 상기 연결부의 두께보다 작은 열전소자.
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