WO2017123057A1 - 열전 소자 - Google Patents

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WO2017123057A1
WO2017123057A1 PCT/KR2017/000491 KR2017000491W WO2017123057A1 WO 2017123057 A1 WO2017123057 A1 WO 2017123057A1 KR 2017000491 W KR2017000491 W KR 2017000491W WO 2017123057 A1 WO2017123057 A1 WO 2017123057A1
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electrodes
substrate
type thermoelectric
thermoelectric legs
electrode
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PCT/KR2017/000491
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유영삼
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엘지이노텍 주식회사
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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

  • the present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly to an electrode included in the thermoelectric element.
  • Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes in a material, and means a direct energy conversion between heat and electricity.
  • thermoelectric device is a generic term for a device using thermoelectric phenomena, a device using a temperature change of an electrical resistance, a device using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and a Peltier effect, a phenomenon in which endothermic or heat generation is generated by current. And an element using the same.
  • thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts, and the demand for thermoelectric performance of thermoelectric devices is increasing.
  • the thermoelectric element includes a substrate, an electrode, and a thermoelectric leg, and a thermoelectric leg is disposed between the upper substrate and the lower substrate, and an upper electrode and a lower electrode are disposed between the thermoelectric leg and the upper substrate and the lower substrate.
  • the upper electrode and the lower electrode connect the thermoelectric legs in series, and transfer heat and electricity.
  • the performance of the thermoelectric element may depend on the heat flow and the electric flow of the upper electrode and the lower electrode.
  • the electrode is made of copper (Cu), it may be formed on the substrate by an electroplating method. Accordingly, the growth direction of Cu in the electrode is not constant and is mixed in various directions, and a large number of grains may exist. These grains can cause phonon scattering in the electrode. Phonon scattering can hinder the heat flow in the electrode, which can lower the thermoelectric performance of the thermoelectric device.
  • Cu copper
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a thermoelectric device with improved heat flow performance.
  • a thermoelectric device includes a first substrate, a plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs disposed alternately on the first substrate, the plurality of P-type thermoelectric legs, and the plurality of A second substrate disposed on the N-type thermoelectric leg, and a plurality of electrodes connecting the plurality of P-type thermoelectric legs and the plurality of N-type thermoelectric legs in series, wherein the plurality of electrodes include the first substrate and the first substrate.
  • Particles constituting at least one of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may include Cu and Cr.
  • Particles constituting at least one of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may be deposited by sputtering.
  • At least one of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may be an alloy including 97.4 to 99 wt% Cu and 1 to 2.6 wt% Cr.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes grow in a direction from the first substrate to the second substrate, and particles constituting the plurality of second electrodes grow with the particles constituting the plurality of first electrodes.
  • the direction may be different.
  • Particles constituting the plurality of second electrodes may grow in a direction parallel to the first substrate and the second substrate.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes may include Cu and Cr, and particles constituting the plurality of second electrodes may include Cu.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes may be deposited by sputtering, and particles constituting the plurality of second electrodes may be formed by electroplating.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes grow in a direction from the first substrate to the second substrate, and constitute the plurality of third electrodes and the plurality of fourth electrodes.
  • the particles may be different from the growth direction of the particles constituting the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes.
  • Particles constituting the plurality of third electrodes and the plurality of fourth electrodes may grow in a direction parallel to the first substrate and the second substrate.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may include Cu and Cr, and particles constituting the plurality of third electrodes and the plurality of fourth electrodes may include Cu.
  • Particles constituting the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes are deposited by sputtering, and particles constituting the plurality of third electrodes and the plurality of fourth electrodes are formed by electroplating. Can be.
  • At least one of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes may include a region composed of particles growing in a first direction and a region composed of particles growing in a second direction.
  • the first direction may be a direction from the first substrate toward the second substrate, and the second direction may be a direction parallel to the first substrate and the second substrate.
  • a region composed of particles growing in the first direction is an area in contact with the plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs, and a region composed of particles growing in the second direction is the plurality of P-type thermoelectrics. Legs and areas that do not contact the plurality of N-type thermoelectric legs.
  • a cooling apparatus in one embodiment, includes a first substrate, a plurality of P-type thermoelectric legs and a plurality of N-type thermoelectric legs, the plurality of P-type thermoelectric legs, and the plurality of P-type thermoelectric legs disposed alternately on the first substrate.
  • a second substrate disposed on the N-type thermoelectric leg, and a plurality of electrodes connecting the plurality of P-type thermoelectric legs and the plurality of N-type thermoelectric legs in series, wherein the plurality of electrodes include the first substrate and the first substrate.
  • thermoelectric legs and a plurality of first electrodes disposed between the plurality of N-type thermoelectric legs, and a plurality of disposed between the second substrate and the plurality of P-type thermoelectric legs and the plurality of N-type thermoelectric legs And a second electrode, wherein the particles constituting at least one of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes include thermoelectric elements grown in a direction from the first substrate toward the second substrate.
  • thermoelectric element having excellent performance it is possible to obtain a thermoelectric element having high performance by optimizing heat flow and electric flow in the electrode.
  • thermoelectric element 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element.
  • thermoelectric element 2 is a perspective view of a thermoelectric element.
  • FIG. 3 is a schematic view of an electrode formed using the electroplating method.
  • thermoelectric device 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 6 is a SEM photograph of a cross section of an electrode of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 7 shows a method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to still another exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a SEM photograph of an electrode of the thermoelectric device of FIG. 9.
  • thermoelectric device 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to still another embodiment of the present invention.
  • ordinal numbers such as second and first
  • first and second components may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element
  • FIG. 2 is a perspective view of the thermoelectric element.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate. 160.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • the substrate flowing current from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect is heat.
  • the substrate acts as a cooling unit, and a current flowing from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated to act as a heat generating unit.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including bismuth (Bi) and tellurium (Ti) as a main raw material.
  • P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium
  • It may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stacked type.
  • the bulk P-type thermoelectric leg 130 or the bulk N-type thermoelectric leg 140 is heat-treated thermoelectric material to produce an ingot (ingot), crushed and ingot to obtain a powder for thermoelectric leg, then Sintering, and can be obtained through the process of cutting the sintered body.
  • the stacked P-type thermoelectric leg 130 or the stacked N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste including a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, and then stacking and cutting the unit members. Can be obtained.
  • thermoelectric device The performance of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention may be represented by Seebeck index.
  • the Seebeck index ZT may be expressed as in Equation 1.
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V / K]
  • sigma is the electrical conductivity [S / m]
  • ⁇ 2 sigma is the Power Factor [W / mK 2 ].
  • T is the temperature and k is the thermal conductivity [W / mK].
  • k can be represented by a ⁇ c p ⁇ ⁇ , a is thermal diffusivity [cm 2 / S], c p is specific heat [J / gK], and ⁇ is density [g / cm 3 ].
  • the Z value (V / K) may be measured using a Z meter, and the Seebeck index (ZT) may be calculated using the measured Z value.
  • the upper electrode 150 disposed between the N-type thermoelectric leg 140 is made of copper (Cu), it is formed using an electroplating method. Accordingly, the growth direction of Cu of the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is not constant, and the grains in which Cu is agglomerated are present in the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • 3 is a schematic diagram of an electrode formed using the electroplating method
  • Figure 4 is a SEM photograph of the cross section of the electrode formed using the electroplating method.
  • the growth direction of Cu in the electrode is not constant, and there are many grains in which Cu is agglomerated, and grains are formed in a direction parallel to the substrate.
  • the grains may cause phonon scattering upon heat flow from the substrate to the thermoelectric leg or heat flow from the thermoelectric leg to the substrate, inhibiting heat flow and reducing the thermoelectric performance of the thermoelectric element. Can be.
  • it is intended to improve the heat flow by controlling the growth direction and composition of the electrode.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a SEM photograph of a cross section of an electrode of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate. 160.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140.
  • the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are alternately arranged and electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • the particles constituting the lower electrode 120 and the upper electrode 150 grow in a direction (that is, the C axis) from the lower substrate 110 to the upper substrate 160. That is, the growth direction of the particles constituting the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is the same as the heat flow direction in the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, since the possibility of phonon scattering in the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is minimized, heat flow is easy.
  • the lower electrode 120 and the upper electrode 150 are deposited by sputtering, and may be an alloy including copper (Cu) and chromium (Cr). At this time, Cu is included in 97.4wt% to 99wt%, Cr may be included in 1 to 2.6wt%.
  • Cr When depositing the lower electrode 120 and the upper electrode 150 by sputtering, Cr may be a seed of C-axis growth. Accordingly, the particles constituting the lower electrode 120 and the upper electrode 150 may grow uniformly in a direction from the lower substrate 110 to the upper substrate 160. At this time, when Cr is included within the numerical range, Cu may grow in a uniform direction.
  • Table 1 analyzes the difference in the amount of power generation according to the volume ratio of particles grown in the C-axis direction in the electrode at a high temperature zone of 100 ° C. or higher.
  • the table analyzes the difference in the amount of power generated by rain.
  • a bulk thermoelectric leg of 40 * 40mm 2 was applied, and in Table 2, a thin thermoelectric leg was applied.
  • the dT value increases by about 5K from 165K to 170K when the electrode contains more than 95vol%, compared to when the electrode contains less than 10vol% grown in the C-axis direction, it can be seen that it has - (> 477mW / cm 2 450mW / cm 2) increase the power generation amount of about 6%.
  • the dT value is about 1K from 2K to 3K. Increasing, it can be seen that the power generation increased about 2.4 times (30 ⁇ W / cm 2- > 70 ⁇ W / cm 2 ).
  • thermoelectric device 7 shows a method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • Cu and Cr are sputtered to form the lower electrode 120 on the lower substrate 110 (S700).
  • Cu may be included in an amount of 97.4 wt% to 99 wt%, and Cr may sputter an alloy including 1 to 2.6 wt%. Accordingly, the particles constituting the lower electrode 120 can grow uniformly in the C-axis direction.
  • thermoelectric leg is formed on the lower electrode 120 deposited by sputtering (S710).
  • a pre-manufactured bulk thermoelectric leg or stacked thermoelectric leg may be formed on the lower electrode 120.
  • a thermoelectric material may be directly deposited on the lower electrode 120 to form a thermoelectric leg.
  • 5 to 7 illustrate an example in which both the lower electrode and the upper electrode grow in the C-axis direction, but the present invention is not limited thereto.
  • thermoelectric device 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to another exemplary embodiment of the present invention. The same contents as in FIGS. 5 to 7 will be omitted.
  • thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate 160. ).
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140.
  • the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are alternately arranged and electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • thermoelectric leg 130 when a direct current voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through a lead wire, an upper substrate through which current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect.
  • the heat absorber 160 may act as a cooling unit by absorbing heat, and the lower substrate 110 through which current flows from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated to act as a heat generating unit.
  • particles constituting the lower electrode 120 may grow in a direction (that is, the C-axis) from the lower substrate 110 to the upper substrate 160. That is, the growth direction of the particles constituting the lower electrode 120 is the same as the heat flow direction in the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, since the possibility of phonon scattering in the lower electrode 120 is minimized, heat flow from the N-type thermoelectric leg 140 to the lower substrate 110 through the lower electrode 120 is easy.
  • the lower electrode 120 is deposited by sputtering, and may be an alloy including copper (Cu) and chromium (Cr).
  • the particles constituting the upper electrode 150 may be formed to have different growth directions from those of the particles constituting the lower electrode 120.
  • the particles constituting the upper electrode 150 may be grown in a direction parallel to the upper substrate 160 (ie, a-b-b).
  • the upper substrate 160 includes Cu and may be formed by electroplating. Accordingly, the electrical flow of the upper electrode 150 from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 is easy.
  • the heat flow of the lower electrode 120 to be bonded to the lower substrate 110 acting as the heat generating part may be improved, and the electrical flow of the upper electrode 150 to be bonded to the upper substrate 160 serving as the cooling part may be improved.
  • the electrode may be formed of a double layer.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to still another exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a SEM photograph of an electrode of the thermoelectric device of FIG. 9. 5 to 8, the same content is omitted.
  • thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate. 160.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140.
  • the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are alternately arranged and electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • the particles constituting the lower electrode 120 and the upper electrode 150 may grow in a direction (ie, the C axis) from the lower substrate 110 to the upper substrate 160. That is, the growth direction of the particles constituting the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is the same as the heat flow direction in the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, since the possibility of phonon scattering in the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is minimized, heat flow in the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is easy.
  • the lower electrode 120 and the upper electrode 150 are deposited by sputtering, and may be an alloy including copper (Cu) and chromium (Cr).
  • an additional lower electrode 170 may be further disposed between the lower electrode 120 and the lower substrate 110
  • an additional upper electrode 180 may be further disposed between the upper electrode 150 and the upper substrate 160.
  • the particles forming the additional lower electrode 170 and the additional upper electrode 180 may be formed to have different growth directions from those of the particles forming the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • the particles constituting the additional lower electrode 170 and the additional upper electrode 180 may be grown in a direction parallel to the lower substrate 110 and the upper substrate 160 (ie, a-axis or b-axis). have.
  • the additional lower electrode 170 and the additional upper electrode 180 may include Cu, and may be formed by electroplating.
  • the additional lower electrode 170 and the additional upper electrode 180 when the Cu particles are grown in a direction parallel to the lower substrate 110 and the upper substrate 160 (ie, a-axis or b-axis), the additional lower electrode Electric flow in the 170 and the additional upper electrode 180 is facilitated.
  • thermoelectric leg heat flow between the thermoelectric leg and the electrode is facilitated, and electrical flow within the electrode is facilitated, thereby improving thermoelectric performance of the thermoelectric element.
  • the growth direction of the particles may be differently formed within one electrode.
  • thermoelectric device 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to still another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate 160. ).
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140.
  • the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are alternately arranged and electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • each of the lower electrode 120 and each of the upper electrode 150 includes regions 122 and 152 in which the particles grow from the lower substrate 110 toward the upper substrate 160, that is, the particles grow in the C axis, and the lower substrate. And a region 154 growing in a direction parallel to the upper substrate 160 and the upper substrate 160.
  • the regions 122 and 152 in which the particles grow in the direction from the lower substrate 110 to the upper substrate 160, that is, the C axis, are regions in contact with the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140,
  • the region 154 in which particles grow in a direction parallel to the lower substrate 110 and the upper substrate 160, that is, the a-axis or the b-axis, does not contact the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. May be an area.
  • thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 when the region in contact with the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 is composed of regions 122 and 152 in which particles grow in the C-axis, heat flow between the thermoelectric leg and the electrode may be facilitated. have.
  • a region where the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 do not contact each other is configured as a region 154 in which particles grow on the a or b axis, electric flow in the electrode may be facilitated. Thereby, the thermoelectric performance of a thermoelectric element can be improved.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한다.

Description

열전 소자
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자에 포함되는 전극에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등이 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전 소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함하며, 상부 기판과 하부 기판 사이에 열전 레그가 배치되고, 열전 레그와 상부 기판 및 하부 기판 사이에 상부 전극 및 하부 전극이 배치된다. 여기서, 상부 전극 및 하부 전극은 열전 레그들을 직렬 연결하며, 열 및 전기를 전달한다. 이때, 상부 전극 및 하부 전극의 열 흐름 및 전기 흐름에 따라 열전 소자의 성능이 좌우될 수 있다.
일반적으로, 전극은 구리(Cu)로 이루어지며, 기판 상에 전기 도금 공법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전극 내 Cu의 성장 방향은 일정하지 않고 여러 방향으로 혼재되어 있으며, 수 많은 그레인(grain)이 존재할 수 있다. 이러한 그레인들로 인해 전극 내 포논 스캐터링(phonon scattering)이 발생할 수 있다. 포논 스캐터링은 전극 내 열 흐름을 저해할 수 있으며, 이로 인하여 열전 소자의 열전 성능이 낮아질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열 흐름 성능이 향상된 열전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나는 97.4 내지 99wt%의 Cu 및 1 내지 2.6wt%의 Cr을 포함하는 합금일 수 있다.
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이할 수 있다.
상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다.
상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제3 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제4 전극 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자의 성장 방향과 상이할 수 있다.
상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다.
상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역 및 제2 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향일 수 있다.
상기 제1 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역은 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그와 접하는 영역이고, 상기 제2 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역은 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그와 접하지 않는 영역일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 냉각장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은, 상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한 열전 소자를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, 전극 내의 열 흐름 및 전기 흐름을 최적화시켜, 높은 성능을 가지는 열전 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 모식도이다.
도 4는 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 열전 소자의 전극의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 리드선을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. N형 열전 레그(140)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2017000491-appb-M000001
여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
한편, 일반적으로, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu)로 이루어지며, 전기 도금 공법을 이용하여 형성된다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)의 Cu의 성장 방향은 일정하지 않으며, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에는 Cu가 뭉쳐진 그레인(grain)이 다수 존재하게 된다. 도 3은 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 모식도이고, 도 4는 전기 도금 공법을 이용하여 형성된 전극의 단면의 SEM 사진이다. 도 3 내지 4를 참조하면, 전극 내 Cu의 성장 방향은 일정하지 않으며, Cu가 뭉쳐진 그레인이 다수 존재하고, 기판과 평행한 방향으로 결이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 경우, 그레인들은 기판으로부터 열전 레그 방향으로의 열 흐름 시 또는 열전 레그로부터 기판 방향으로의 열 흐름 시 포논 스캐터링(phonon scattering)을 일으켜, 열 흐름을 저해하고, 열전 소자의 열전 성능을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전극의 성장 방향 및 조성을 제어하여 열 흐름을 개선하고자 한다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 전극의 단면의 SEM 사진이다.
도 5 내지 6을 참조하면, 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
여기서, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장한다. 즉, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자의 성장 방향은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, 열 흐름이 용이하다.
이를 위하여, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다. 이때, Cu는 97.4wt% 내지 99wt%로 포함되며, Cr은 1 내지 2.6wt%로 포함될 수 있다. 스퍼터링에 의하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 증착하는 경우, Cr은 C축 성장의 시드가 될 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향으로 균일하게 성장할 수 있다. 이때, Cr이 상기 수치 범위 이내로 포함되는 경우, Cu가 균일한 방향으로 성장할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 전극이 C축 방향으로 성장한 입자를 포함하는 경우의 성능 향상 결과를 설명한다.
표 1은 100℃ 이상의 고온 대역에서 전극 내 C축 방향으로 성장한 입자의 부피 비에 따른 발전량의 차를 분석한 표이고, 표2는 체열 수준의 저온 대역에서 전극 내 C축 방향으로 성장한 입자의 부피 비에 따른 발전량의 차를 분석한 표이다. 표 1에서는 40*40mm2의 벌크형 열전레그를 적용하였으며, 표 2에서는 박막형 열전레그를 적용하였다.
표 1
C축 부피비 10% 미만 10~50% 50~65% 65~95% 95% 초과
발전량 450mW/cm2 457mW/cm2 468mW/cm2 474mW/cm2 >477mW/cm2
표 2
C축 부피비 10% 미만 10~50% 50~65% 65~95% 95% 초과
발전량 30μW/cm2 42.5μW/cm2 55.5μW/cm2 62.5μW/cm2 >70μW/cm2
고온 대역에서 적용된 표 1을 참조하면, 전극이 C축 방향으로 성장한 입자를 10vol% 미만으로 포함하는 경우에 비하여, 95vol%를 초과하여 포함하는 경우, dT 값이 165K에서 170K로 약 5K 증가하여, 발전량이 약 6%(450mW/cm2->477mW/cm2) 증가하였음을 알 수 있다. 이와 마찬가지로, 저온 대역에서 적용된 표 2를 참조하면, 전극이 C축 방향으로 성장한 입자를 10vol% 미만으로 포함하는 경우에 비하여, 90vol%를 초과하여 포함하는 경우, dT 값이 2K에서 3K로 약 1K 증가하여, 발전량이 약 2.4배(30μW/cm2->70μW/cm2) 증가하였음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 하부 기판(110) 상에 하부 전극(120)을 형성하기 위하여 Cu 및 Cr을 스퍼터링한다(S700). 이때, Cu는 97.4wt% 내지 99wt%로 포함하며, Cr은 1 내지 2.6wt%로 포함하는 합금을 스퍼터링할 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120)을 구성하는 입자가 C 축 방향으로 균일하게 성장할 수 있다.
그리고, 스퍼터링으로 증착된 하부 전극(120) 상에 열전 레그를 형성한다(S710). 이때, 미리 제조된 벌크형 열전 레그 또는 적층형 열전 레그를 하부 전극(120) 상에 형성할 수 있다. 또는, 하부 전극(120) 상에 열전 소재를 직접 증착하여 열전 레그를 형성할 수도 있다.
다음으로, 열전 레그 상에 상부 전극(150)을 형성하기 위하여 Cu 및 Cr을 다시 스퍼터링한다(S720). 그리고, 이와 같이 형성된 상부 전극(150) 상에 상부 기판(160)을 합착한다(S730).
한편, 도 5 내지 7에서는 하부 전극 및 상부 전극이 모두 C축 방향으로 성장하는 예를 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다. 도 5 내지 7과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 리드선을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 직류 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 상부 기판(160)은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 하부 기판(110)은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
이를 위하여, 하부 전극(120)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장할 수 있다. 즉, 하부 전극(120)을 구성하는 입자의 성장 방향은 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, N형 열전 레그(140)로부터 하부 전극(120)을 통하여 하부 기판(110)으로의 열 흐름이 용이하다.
이때, 하부 전극(120)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다.
이에 반해, 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 전극(120)을 구성하는 입자와 성장 방향이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축-b축)으로 성장될 수 있다. 이때, 상부 기판(160)은 Cu를 포함하며, 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다. 이에 따라, P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 향하는 상부 전극(150)의 전기 흐름이 용이하다.
이와 같이, 발열부로 작용하는 하부 기판(110)과 접합하는 하부 전극(120)의 열 흐름을 개선하고, 냉각부로 작용하는 상부 기판(160)과 접합하는 상부 전극(150)의 전기 흐름을 개선할 경우, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 포함하는 냉각 장치의 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극은 이중층으로 형성될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 10은 도 9의 열전 소자의 전극의 SEM 사진이다. 도 5 내지 8과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 9 내지 10을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
이때, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자는 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향(즉, C축)으로 성장할 수 있다. 즉, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자의 성장 방향은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내의 열 흐름 방향과 동일하다. 이에 따라, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 포논 스캐터링의 가능성이 최소화되므로, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 내 열 흐름이 용이하다.
이를 위하여, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)은 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되며, 구리(Cu) 및 크롬(Cr)을 포함하는 합금일 수 있다.
한편, 하부 전극(120) 및 하부 기판(110) 사이에는 추가 하부 전극(170)이 더 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160) 사이에는 추가 상부 전극(180)이 더 배치될 수 있다. 이때, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)을 구성하는 입자는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)을 구성하는 입자와 성장 방향이 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)을 구성하는 입자는 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축 또는 b축)으로 성장될 수 있다. 이때, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)은 Cu를 포함하며, 전기 도금에 의하여 형성될 수 있다. 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180)과 같이, Cu 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향(즉, a축 또는 b축)으로 성장되면, 추가 하부 전극(170) 및 추가 상부 전극(180) 내 전기 흐름이 용이해진다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 전극을 이중층으로 구성할 경우, 열전 레그와 전극 간의 열 흐름이 용이해짐과 동시에, 전극 내 전기 흐름이 용이해지므로, 열전 소자의 열전 성능을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 전극 내에서도 입자의 성장 방향을 다르게 형성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 교대로 배치되며 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
이때, 각 하부 전극(120) 및 각 상부 전극(150)은 입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향, 즉 C 축으로 성장하는 영역(122, 152) 및 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향, 즉 a 축 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)으로 구분될 수 있다.
입자가 하부 기판(110)으로부터 상부 기판(160)으로 향하는 방향, 즉 C 축으로 성장하는 영역(122, 152)은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하는 영역이고, 입자가 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 평행한 방향, 즉 a 축 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)은 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하지 않는 영역일 수 있다.
이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)와 접하는 영역이 입자가 C 축으로 성장하는 영역(122, 152)으로 구성되면, 열전 레그와 전극 간의 열 흐름이 용이해질 수 있다. 그리고, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)가 접하지 않는 영역이 입자가 a 또는 b 축으로 성장하는 영역(154)으로 구성되면, 전극 내 전기 흐름이 용이해질 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전 성능을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
100: 열전 소자
110: 하부 기판
120: 하부 전극
130: P형 열전 레그
140: N형 열전 레그
150: 상부 전극
160: 상부 기판

Claims (20)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 복수의 전극은,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한 열전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하는 열전 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되는 열전 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나는 97.4 내지 99wt%의 Cu 및 1 내지 2.6wt%의 Cr을 포함하는 합금인 열전 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
    상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이한 열전 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장한 열전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함하는 열전 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성되는 열전 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제3 전극, 그리고
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제4 전극 중 적어도 하나를 더 포함하는 열전 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
    상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자의 성장 방향과 상이한 열전 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향으로 성장한 열전 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하며, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 Cu를 포함하는 열전 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 스퍼터링(sputtering)에 의하여 증착되고, 상기 복수의 제3 전극 및 상기 복수의 제4 전극을 구성하는 입자는 전기 도금에 의하여 형성되는 열전 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역 및 제2 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역을 포함하는 열전 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판과 평행한 방향인 열전 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역은 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그와 접하는 영역이고, 상기 제2 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역은 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그와 접하지 않는 영역인 열전 소자.
  17. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    상기 복수의 전극은,
    상기 제1 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제1 전극, 그리고
    상기 제2 기판과 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제2 전극을 포함하며,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장한 열전 소자를 포함하는 냉각 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나를 구성하는 입자는 Cu 및 Cr을 포함하는 냉각 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자는 상기 제1 기판으로부터 상기 제2 기판을 향하는 방향으로 성장하며,
    상기 복수의 제2 전극을 구성하는 입자는 상기 복수의 제1 전극을 구성하는 입자와 성장 방향이 상이한 냉각 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극 및 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역 및 제2 방향으로 성장하는 입자로 구성된 영역을 포함하는 냉각 장치.
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