KR101046130B1 - Thermoelectric element - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의pn접합; 상기 열흡수층과 열방출층에 접합되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함할 수 있다. The thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is disposed between the heat absorption layer and the heat dissipation layer, a plurality of pn junction in which n-type and p-type thermoelectric semiconductors are bonded to each other via a metal layer; First and second electrodes bonded to the heat absorption layer and the heat dissipation layer and electrically connected to the p-type and n-type thermoelectric semiconductors, respectively; And an insulating layer provided between the pn junctions such that the pn junctions are electrically connected in parallel with each other between the first and second electrodes.

Description

열전소자{Thermoelectric Element}Thermoelectric Element

본 발명은 안정성과 열전효율이 향상된 열전소자에 관한 것이다. The present invention relates to a thermoelectric device having improved stability and thermoelectric efficiency.

화석 에너지 사용의 급증으로 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제가 야기되고 있으며, 이에 의해, 열전소자(Thermoelectric Element)에 대한 관심이 높아지고 있다. 열전소자는 대기오염을 일으키는 원인물질의 하나인 프레온 가스 등을 대체하여 냉각수단으로 활용되고 있을 뿐만아니라, 제벡효과(Seebeck effect)에 의한 소형 발전기로도 널리 사용되고 있는 소자이다. The proliferation of fossil energy use is causing global warming and energy depletion issues, thereby increasing interest in thermoelectric elements. The thermoelectric element is not only used as a cooling means by replacing Freon gas, which is one of the substances causing air pollution, but also widely used as a small generator by the Seebeck effect.

반도체(열전 반도체)를 매개로 금속이 상호 접합되어 형성된 루프에 전류를 흘리면 페르미 에너지 차이로 전위차가 발생하게 되고, 전자가 한쪽 금속 면에서 다른 쪽으로 이동하기 위해 필요한 에너지를 가지고 가기 때문에(흡열) 냉각이 일어나는 반면, 다른 금속 면은 상기 전가가 가지고 온 에너지만큼 열에너지를 내놓기 때문에(방열) 가열이 일어나는데, 이를 펠티어 효과(Peltier effect)라 하며 열전소자에 의한 냉각장치의 작동원리가 된다. When a current flows through a loop formed by bonding metals together through a semiconductor (thermoelectric semiconductor), a potential difference occurs due to a Fermi energy difference, and cooling is performed because electrons carry energy required to move from one metal plane to the other (endothermic). On the other hand, heating occurs because other metals give out heat energy as much as energy imparted by the imputation (radiation), which is called the Peltier effect and is the operating principle of the cooling device by the thermoelectric element.

이때, 상기 반도체의 종류와 전류가 흐르는 방향에 따라 흡열과 방열의 위치가 결정되며, 재질에 따라 그 효과에도 차이가 발생한다.At this time, the location of the endotherm and the heat dissipation is determined according to the type of the semiconductor and the direction in which the current flows, and the effect also occurs depending on the material.

도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 통상의 열전소자(10)는 n형 열전 반도체(11)와 p형 열전 반도체(12)가 금속층(15)에 의해 전기적으로 연결되며, 여기에 직류 전류가 가해지면, 열흡수층(13)에서는 흡열이 열방출층(14)에서는 방열이 일어난다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 전류의 방향에 의해 흡열과 방열의 위치는 변경될 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(11, 12)는 각각 복수 개 구비되어 서로 교대로 배열되며, 전기적으로는 서로 직렬로 연결된다. 이러한 직렬 연결 방식의 경우, 어느 하나의 열전 반도체 또는 금속층에 문제가 생긴다면 소자 전체가 작동하지 못하게 되는 문제가 생긴다.1 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric device having a general structure. In the conventional thermoelectric element 10, the n-type thermoelectric semiconductor 11 and the p-type thermoelectric semiconductor 12 are electrically connected by the metal layer 15, and when a direct current is applied thereto, the heat absorption layer 13 absorbs heat. In this heat dissipation layer 14, heat dissipation occurs. In this case, as described above, the positions of the endothermic and the heat dissipation may be changed by the direction of the current. The n-type and p-type thermoelectric semiconductors 11 and 12 are each provided in plural and alternately arranged with each other, and are electrically connected in series. In the case of such a series connection method, if a problem occurs in any one thermoelectric semiconductor or metal layer, the entire device may not work.

본 발명의 목적은 일부 구성이 전기적으로 작동하지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 안정성이 높을 뿐만 아니라 열전 효율이 향상될 수 있는 열전소자를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric device that may not only affect the operation of the entire device even if some components are not electrically operated, so that the stability is high and the thermoelectric efficiency may be improved.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의 pn접합; 상기 열흡수층과 열방출층에 접합되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함할 수 있다. The thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is disposed between the heat absorbing layer and the heat dissipating layer, a plurality of pn junction is formed by the n-type and p-type thermoelectric semiconductor are bonded to each other via a metal layer; First and second electrodes bonded to the heat absorption layer and the heat dissipation layer and electrically connected to the p-type and n-type thermoelectric semiconductors, respectively; And an insulating layer provided between the pn junctions such that the pn junctions are electrically connected in parallel with each other between the first and second electrodes.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 각각은 물질의 열전도도가 다를 수 있다. In addition, each of the n-type and p-type thermoelectric semiconductors forming the plurality of pn junctions of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment may have a different thermal conductivity.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층의 온도의 차이에 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질로 이루어질 수 있다. In addition, the plurality of pn junctions of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention may be formed of the n-type and p-type thermoelectric semiconductor materials having different thermal conductivity according to the temperature difference of the heat absorbing layer.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층에서 상기 열방출층으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질의 열전도도가 높아질 수 있다. In addition, the plurality of pn junction of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is the n-type and p-type thermoelectric semiconductor material toward the center from the side in the direction of heat transfer from the heat absorbing layer to the heat emitting layer The thermal conductivity of can be increased.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 복수의 pn접합은 상기 열전소자의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다.  In addition, the plurality of pn junctions of the thermoelectric device according to the embodiment may be stacked in a direction perpendicular to the heat transfer direction of the thermoelectric device.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. In addition, the metal layer of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be made of the same material as the first and second electrodes.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다. In addition, the first electrode of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be a common electrode for the n-type thermoelectric semiconductor layer provided in each of the plurality of pn junctions.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극일 수 있다. In addition, the second electrode of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be a common electrode for the p-type thermoelectric semiconductor layer provided in each of the plurality of pn junctions.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치될 수 있다. In addition, the first and second electrodes of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment may be disposed to face each other.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치될 수 있다. In addition, the n-type and p-type thermoelectric semiconductors respectively connected to the first and second electrodes of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment may be spaced apart from the second electrode and the first electrode, respectively.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 절연층은 세라믹 물질인 알루미나 물질로 이루어질 수 있다. In addition, the insulating layer of the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention may be made of an alumina material which is a ceramic material.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 상기 열방출층에는 하면에 히트 싱크가 연결될 수 있다. In addition, a heat sink may be connected to a bottom surface of the heat dissipating layer of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합 각각에 전류가 흐름으로써, 상기 열흡수층에서 흡수된 열이 각각의 pn 접합을 통해 상기 열방출층으로 전달될 수 있다. In addition, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention further includes a power source connected to the first and second electrodes constituting a circuit, and the current flows to each of the plurality of pn junctions by the power source. Heat absorbed in the heat absorption layer may be transferred to the heat release layer through each pn junction.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자에 전류가 흐를 수 있다. In addition, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention further includes a resistance device connected to the first and second electrodes to constitute a circuit, and a current is supplied to the resistance device by heat absorbed from each of the plurality of pn junctions. Can flow.

본 발명에 따른 열전소자에 의하면, 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 열전소자의 안정성을 제고할 수 있다.According to the thermoelectric device according to the present invention, even if some components are not electrically operated, it does not affect the operation of the entire device, thereby improving stability of the thermoelectric device.

나아가, 본 발명에 따른 열전소자를 사용함으로써 인가 전압에 대한 의존도가 낮출 수 있으며, 열전 효율 역시 종래보다 향상될 수 있다. Furthermore, by using the thermoelectric device according to the present invention, the dependence on the applied voltage can be lowered, and the thermoelectric efficiency can also be improved than before.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail a specific embodiment of the present invention. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may deteriorate other inventions or the present invention by adding, modifying, or deleting other elements within the scope of the same idea. Other embodiments that fall within the scope of the inventive concept may be readily proposed, but they will also be included within the scope of the inventive concept.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. In addition, the shape and size of the elements in the drawings may be exaggerated for more clear description, and the components having the same function within the scope of the same idea shown in the drawings of each embodiment will be described using the same reference numerals.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 실시 형태에 따른 열전소자(100)는 열흡수층(108)과 열방출층(110) 사이에 배치되며 금속층(103)이 사이에 개재되어 pn 접합을 형성하는 n형 열전 반도체(101) 및 p형 열전 반도체(102), 상기 pn 접합들의 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에 배치된 절연층(104), 상기 열흡수층(108)과 열방출층(110)에 접합되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체(102, 101)와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(105, 106), 및 히트싱크(112)를 포함할 수 있다. 2 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention. The thermoelectric element 100 according to the present embodiment is disposed between the heat absorbing layer 108 and the heat dissipating layer 110, and the n-type thermoelectric semiconductor 101 and p having a metal layer 103 interposed therebetween to form a pn junction. The thermoelectric semiconductor 102, the insulating layer 104 disposed between the pn junctions, the heat absorption layer 108 and the heat dissipation layer 110, and the p-type and The first and second electrodes 105 and 106 electrically connected to the n-type thermoelectric semiconductors 102 and 101, and the heat sink 112, respectively.

상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질, 예컨대, BiTe계 물질, PbTe계 물질 등의 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다. 상기 금속층(103)은 전류의 흐름이 원활히 이루어질 수 있도록 구리와 같은 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 전압을 인가하여 발생된 전류의 흐름에 의해 열을 일 측에서 타 측으로 흐르도록 할 수 있어 이를 열전 냉각기에 사용할 수 있다. 또한, 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)를 구비하는 구조물의 일 측과 타 측의 온도 를 달리할 경우에는 이로부터 발생한 에너지를 이용하여 전류를 발생시킬 수 있다.The n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 may be used by appropriately doping thermoelectric materials such as materials commonly used in the art, such as BiTe-based materials and PbTe-based materials. The metal layer 103 may be made of a material having excellent electrical conductivity, such as copper, so that current flows smoothly. The voltage may be applied to the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 so that heat may flow from one side to the other side due to the generated current flow, and thus it may be used in a thermoelectric cooler. In addition, when the temperature of one side and the other side of the structure including the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 is changed, current may be generated using energy generated therefrom.

상기 n형 열전 반도체(101), 금속층(103) 및 p형 열전 반도체(102)는 열전 기능을 수행하는 하나의 단위 구조에 해당하며, 이하에서는 이러한 하나의 단위 구조를 pn 접합으로 칭한다. 상기 pn 접합은 복수 개 구비되어 적층되며, 특히, 본 실시 형태의 경우, 하나의 pn 접합은 다른 pn 접합과 전기적으로 병렬 연결된다. 이는 종래의 pn 접합이 서로 직렬로 연결되는 것과 차이가 있으며, 도 3은 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타내고 있다. 이러한 병렬 연결 구조는 일부 pn 접합에 문제가 생기더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않는 장점을 제공한다. 병렬 연결을 위하여 상기 pn 접합들 사이에는 절연층(104)이 개재되며, 상기 절연층(104)은 알루미나와 같은 세라믹 물질로 이루어진 세라믹층으로 형성될 수 있다. The n-type thermoelectric semiconductor 101, the metal layer 103, and the p-type thermoelectric semiconductor 102 correspond to one unit structure that performs a thermoelectric function. Hereinafter, one unit structure is referred to as a pn junction. A plurality of pn junctions are provided and stacked. In particular, in the present embodiment, one pn junction is electrically connected in parallel with another pn junction. This is different from the conventional pn junction is connected in series with each other, Figure 3 schematically shows a parallel connection structure of the pn junction. This parallel connection structure provides the advantage that even if some pn junctions fail, the operation of the entire device is not affected. An insulating layer 104 is interposed between the pn junctions for parallel connection, and the insulating layer 104 may be formed of a ceramic layer made of a ceramic material such as alumina.

상술한 바와 같이, 상기 pn 접합들 각각은 열전소자(100)의 열흡수층(108)에서 열을 흡수하여 이를 열방출층(110)으로 방출할 수 있다. As described above, each of the pn junctions may absorb heat from the heat absorption layer 108 of the thermoelectric element 100 and release it to the heat dissipation layer 110.

구체적으로, 도 2를 기준으로 할 때, 열원으로부터 열이 흡수되는 열흡수층(108)으로부터 열이 흡수되고, 흡수된 열은 각각의 pn 접합 일 측에서 타 측으로 이동하여 열 방출층(110)으로 열이 방출된다. 상기 복수의 pn 접합은 상기 열전소자(100)의 열전달방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다. Specifically, based on FIG. 2, heat is absorbed from the heat absorbing layer 108 where heat is absorbed from the heat source, and the absorbed heat moves from one side of each pn junction to the other to the heat emitting layer 110. Heat is released. The plurality of pn junctions may be stacked in a direction perpendicular to the heat transfer direction of the thermoelectric element 100.

이때, 열방출층(110)의 하면에는 히트싱크(112)가 형성되어 있어 열방출을 효율적으로 할 수 있도록 할 수 있다. At this time, the heat sink 112 is formed on the bottom surface of the heat dissipation layer 110 to enable efficient heat dissipation.

상기 p형 및 n형 열전 반도체(101, 102)와 각각 접촉하는 제1 및 제2 전극(105, 106)에 전원 또는 저항 소자 등이 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 열흡수층(108) 및 히트 싱크(112)은 열 전도율이 좋은 금속으로 형성될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, pn 접합은 절연층(104)을 매개로 접촉하며, 상기 열전소자(100)의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층될 수 있다. 상기 절연층(104)은 세라믹층으로, 알루미나 등의 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연층(104)은 필수적인 요소가 아니며, 형태에 따라 제외되어 pn 접합들 사이에 공간이 형성될 수 있다. A power source or a resistance element may be connected to the first and second electrodes 105 and 106 in contact with the p-type and n-type thermoelectric semiconductors 101 and 102, respectively. In this case, the heat absorbing layer 108 and the heat sink 112 may be formed of a metal having good thermal conductivity, and as shown in FIG. 2, the pn junction contacts the insulating layer 104 via the above-mentioned. The thermoelectric element 100 may be stacked in a direction perpendicular to the heat transfer direction. The insulating layer 104 is a ceramic layer and may include a material such as alumina. The insulating layer 104 is not an essential element, and may be excluded depending on the shape to form a space between the pn junctions.

또한, 본 실시 형태와 같이, pn 접합을 서로 대향되어 배치되는 제1 및 제2 전극(105, 106) 사이에서 상기 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)에 각각 (+) 극성 및 (-) 극성의 전극을 연결할 경우, 전류의 흐름에 의해 상기 열흡수층(108)의 열은 상기 pn 접합을 거쳐 상기 히트 싱크(110)로 방출될 수 있다. 즉, 열흡수층(108)에서 열을 흡수한 각각의 pn 접합에서, 열은 공통 전극으로 제1 전극(105)에 접속한 상기 p형 열전 반도체(105)에서 공통 전극으로 제2 전극(106)에 접속한 상기 n형 열전 반도체(101)를 거쳐 열방출층(110)으로 이동한다. In addition, as in the present embodiment, the positive and negative polarities are respectively applied to the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 between the first and second electrodes 105 and 106 arranged to face the pn junctions. When the polarity of the electrode is connected, the heat of the heat absorption layer 108 may be discharged to the heat sink 110 through the pn junction by the flow of current. That is, in each pn junction that absorbs heat in the heat absorption layer 108, heat is transferred from the p-type thermoelectric semiconductor 105 connected to the first electrode 105 as a common electrode to the second electrode 106 as a common electrode. The n-type thermoelectric semiconductor 101 connected to the film moves to the heat dissipation layer 110.

이는, 본 실시 형태에서 상기 pn 접합은 열적으로는 직렬, 전기적으로는 병렬로 연결된 것이라 할 수 있으며, 종래의 열전소자가 열적으로는 병렬, 전기적으로는 직렬로 연결된 것과 반대 방식에 해당한다. In the present embodiment, the pn junction may be thermally connected in series and electrically in parallel. The pn junction corresponds to a method opposite to that of a conventional thermoelectric device connected in parallel and electrically in series.

한편, 열흡수층(108)이 흡수하는 열원은 온도가 균일하지 않을 수 있으며, 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102) 각각은 물질의 열전도도 다를 수 있다. 즉, 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층(108)의 온도의 차이를 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102)로 이루어질 수 있다. Meanwhile, the heat source absorbed by the heat absorption layer 108 may not be uniform in temperature, and the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 constituting a plurality of pn junctions may have different thermal conductivities. That is, a plurality of pn junctions may be formed of the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 having different thermal conductivity according to the difference in temperature of the heat absorption layer 108.

구체적으로, 고온부 측에 위치한 pn 접합을 저온부 위치한 pn 접합보다 고온용 열전 재료, 예컨대, 열전도도가 높은 물질로 형성할 경우, 보다 효율적인 열전 성능을 얻을 수 있다. 즉, 도 2를 기준으로 할 때 열흡수층(108)의 중심이 측부보다 상대적으로 고온인 경우, 열흡수층(108)에서 열방출층(110)으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체(101, 102)를 이루는 물질의 열전도도를 높게 하는 것이 바람직하다. Specifically, when the pn junction located on the high temperature side is formed of a thermoelectric material for high temperature, for example, a material having a higher thermal conductivity than the pn junction located on the low temperature portion, more efficient thermoelectric performance can be obtained. That is, when the center of the heat absorbing layer 108 is relatively higher than the side when referring to FIG. 2, from the side to the center based on the direction in which heat moves from the heat absorbing layer 108 to the heat emitting layer 110. Increasingly, the thermal conductivity of the materials forming the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102 may be increased.

한편, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 각각 n형 및 p형 열전 반도체(101, 102)와 접촉하며, 상기 금속층(103)과 동일한 물질로 형성할 수 있다. 이 경우, 효율적인 접촉 구조를 얻기 위해, 상기 제1 및 제2 전극(105, 106)은 상기 열흡수층(108)과 열방출층(110)에서 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(105)은 상기 n형 열전 반도체(101)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치되며, 마찬가지로, 상기 제2 전극(106)은 상기 p형 열전 반도체(102)와는 연결되지 않도록 서로 이격되어 배치된다. 이 경우, 도 6에 도시된 구조와 같이, 상기 n형 열전 반도체(101) 및 상기 제1 전극(105) 사이와 상기 p형 열전 반도체(102) 및 상기 제2 전극(106) 사이에 각각 절연 물질(111)을 개재시킬 수 있다.The first and second electrodes 105 and 106 contact the n-type and p-type thermoelectric semiconductors 101 and 102, respectively, and may be formed of the same material as the metal layer 103. In this case, in order to obtain an efficient contact structure, the first and second electrodes 105 and 106 may be disposed to face each other in the heat absorption layer 108 and the heat dissipation layer 110. The first electrodes 105 are spaced apart from each other so as not to be connected to the n-type thermoelectric semiconductor 101, and likewise, the second electrodes 106 are spaced apart from each other so as not to be connected to the p-type thermoelectric semiconductor 102. Are arranged. In this case, as shown in FIG. 6, insulation is provided between the n-type thermoelectric semiconductor 101 and the first electrode 105 and between the p-type thermoelectric semiconductor 102 and the second electrode 106, respectively. The material 111 may be interposed.

도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 4 schematically illustrates an example of using the thermoelectric element of the embodiment of FIG. 1 as a thermoelectric cooler. 5 schematically shows an example of using the thermoelectric element of the embodiment of FIG. 1 as a thermoelectric generator.

도 4에 도시된 것과 같이, 상기 열전소자(100)에 전원(120)을 연결하여 전류 흐름을 발생시킬 경우, 상부(고온부)의 열을 하부(저온부)로 방출시킬 수 있어 열전 냉각기로 이용할 수 있으며, 전원의 극성을 달리 하여 열의 흐름을 반대 방향으로 할 수도 있을 것이다. As shown in FIG. 4, when the power source 120 is connected to the thermoelectric element 100 to generate a current flow, heat of the upper portion (high temperature portion) may be discharged to the lower portion (low temperature portion), and thus may be used as a thermoelectric cooler. It is also possible to reverse the flow of heat by changing the polarity of the power source.

이와 유사한 원리로 고온의 열 에너지는 전류를 발생시킬 수 있으며, 도 5에 도시된 열전 발전기에서 볼 수 있듯이, 열전소자(100)는 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자(140)를 더 포함하며, 상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자(140)에 전류가 흐르도록 할 수 있다. In a similar principle, high-temperature thermal energy may generate a current, and as shown in the thermoelectric generator illustrated in FIG. 5, the thermoelectric element 100 is connected to the first and second electrodes to form a resistance element ( It further comprises a 140, it is possible to allow a current to flow in the resistance element 140 by the heat absorbed from each of the plurality of pn junction.

본 발명에 따른 열전소자에 의하면, 일부 구성 요소가 전기적으로 작동되지 않더라도 전체 소자의 작동에는 영향을 미치지 않아 열전소자의 안정성을 제고할 수 있다.According to the thermoelectric device according to the present invention, even if some components are not electrically operated, it does not affect the operation of the entire device, thereby improving stability of the thermoelectric device.

나아가, 본 발명에 따른 열전소자를 사용함으로써 인가 전압에 대한 의존도가 낮출 수 있으며, 열전 효율 역시 종래보다 향상될 수 있다. Furthermore, by using the thermoelectric device according to the present invention, the dependence on the applied voltage can be lowered, and the thermoelectric efficiency can also be improved than before.

도 1은 일반적인 구조의 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric device having a general structure.

도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열전소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 실시 형태에서 pn 접합의 병렬 연결 구조를 개략적으로 나타낸다.3 schematically illustrates a parallel connection structure of a pn junction in the embodiment of FIG. 2.

도 4는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 냉각기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다. 4 schematically illustrates an example of using the thermoelectric element of the embodiment of FIG. 1 as a thermoelectric cooler.

도 5는 도 1의 실시 형태의 열전소자를 열전 발전기로 사용한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.5 schematically shows an example of using the thermoelectric element of the embodiment of FIG. 1 as a thermoelectric generator.

도 6은 도 2의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에서 채용될 수 있는 pn 접합을 나타내는 개략적인 단면도이다.FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a pn junction that may be employed in an embodiment modified from the embodiment of FIG. 2.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

101: n형 열전 반도체 102: p형 열전 반도체101: n-type thermoelectric semiconductor 102: p-type thermoelectric semiconductor

103: 금속층 104: 절연층103: metal layer 104: insulating layer

105, 106: 제1 및 제2 전극 108: 열흡수층105 and 106: first and second electrodes 108: heat absorbing layer

110: 열방출층110: heat release layer

Claims (14)

열흡수층과 열방출층 사이에 배치되며, n형 및 p형 열전 반도체가 금속층을 매개로 서로 접합되어 형성되는 복수의 pn접합; A plurality of pn junctions disposed between the heat absorption layer and the heat dissipation layer, wherein the n-type and p-type thermoelectric semiconductors are bonded to each other via a metal layer; 상기 열흡수층과 열방출층에 접합되며, 상기 p형 및 n형 열전 반도체와 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극; 및 First and second electrodes bonded to the heat absorption layer and the heat dissipation layer and electrically connected to the p-type and n-type thermoelectric semiconductors, respectively; And 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 상기 pn 접합들이 각각 전기적으로 병열 연결되도록 상기 pn 접합들 사이에 제공되는 절연층;을 포함하는 열전소자. And an insulating layer provided between the pn junctions such that the pn junctions are electrically connected in parallel with each other between the first and second electrodes. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 복수의 pn 접합을 이루는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 각각은 물질의 열전도도가 다른 것을 특징으로 하는 열전소자. And the n-type and p-type thermoelectric semiconductors constituting the plurality of pn junctions have different thermal conductivity of materials. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층의 온도의 차이에 따라 다른 열전도도를 가지는 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자. The plurality of pn junction is made of the n-type and p-type thermoelectric semiconductor material having a different thermal conductivity in accordance with the temperature difference of the heat absorption layer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 복수의 pn 접합은 상기 열흡수층에서 상기 열방출층으로 열이 이동하는 방향을 기준으로 측부에서 중심으로 갈수록 상기 n 형 및 p 형 열전 반도체 물질의 열전도도가 높아지는 것을 특징으로 하는 열전소자. The plurality of pn junctions are characterized in that the thermal conductivity of the n-type and p-type thermoelectric semiconductor material increases from side to center with respect to the direction of heat transfer from the heat absorbing layer to the heat dissipating layer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 복수의 pn접합은 상기 열전소자의 열전달 방향과 수직한 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 열전소자. And the pn junctions are stacked in a direction perpendicular to a heat transfer direction of the thermoelectric element. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 금속층은 상기 제1 및 제2 전극과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자. The metal layer is a thermoelectric element, characterized in that made of the same material as the first and second electrodes. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 n형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.And the first electrode is a common electrode for an n-type thermoelectric semiconductor layer provided at each of the plurality of pn junctions. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 전극은 상기 복수의 pn 접합에 각각 구비된 p형 열전 반도체층에 대한 공통 전극인 것을 특징으로 하는 열전소자.And the second electrode is a common electrode for a p-type thermoelectric semiconductor layer provided at each of the plurality of pn junctions. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 및 제2 전극은 서로 대향하여 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.And the first and second electrodes are disposed to face each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 전극에 각각 접속된 상기 n형 및 p형 열전 반도체는 상기 제2 전극 및 제1 전극과는 각각 이격 배치된 것을 특징으로 하는 열전소자.The n-type and p-type thermoelectric semiconductors connected to the first and second electrodes, respectively, are spaced apart from the second electrode and the first electrode, respectively. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 절연층은 세라믹 물질인 알루미나 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자. The insulating layer is a thermoelectric element, characterized in that made of alumina material is a ceramic material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열방출층에는 하면에 히트 싱크가 연결되는 것을 특징으로 하는 열전소자. And a heat sink connected to a bottom surface of the heat dissipation layer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 전원을 더 포함하며, And a power source connected to the first and second electrodes to constitute a circuit. 상기 전원에 의해 상기 복수의 pn 접합 각각에 전류가 흐름으로써, 상기 열흡수층에서 흡수된 열이 각각의 pn 접합을 통해 상기 열방출층으로 전달되는 것을 특징으로 하는 열전소자.The current flows through each of the plurality of pn junctions by the power source, so that the heat absorbed by the heat absorbing layer is transferred to the heat emitting layer through each pn junction. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 및 제2 전극과 연결되어 회로를 구성하는 저항소자를 더 포함하며,Further comprising a resistance element connected to the first and second electrodes to form a circuit, 상기 복수의 pn 접합 각각으로부터 흡수된 열에 의해 상기 저항소자에 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 열전소자.And a current flows through the resistance element by heat absorbed from each of the plurality of pn junctions.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099275A (en) * 2015-07-29 2015-11-25 浙江大学 Planar thermoelectric power generation structure with miniature boss array hot end
US9927156B2 (en) 2015-10-20 2018-03-27 Hyundai Motor Company Heat exchanging device using thermoelectric element

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113130732B (en) * 2019-12-31 2023-11-21 广汽埃安新能源汽车有限公司 Peltier temperature control module, temperature control system and electric automobile

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050000514A (en) * 2002-04-15 2005-01-05 리써치 트라이앵글 인스티튜트 Thermoelectric device utilizing double-sided peltier junctions and method of making the device
JP2008270421A (en) * 2007-04-18 2008-11-06 Komatsu Electronics Inc Thermoelectric module

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050000514A (en) * 2002-04-15 2005-01-05 리써치 트라이앵글 인스티튜트 Thermoelectric device utilizing double-sided peltier junctions and method of making the device
JP2008270421A (en) * 2007-04-18 2008-11-06 Komatsu Electronics Inc Thermoelectric module

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105099275A (en) * 2015-07-29 2015-11-25 浙江大学 Planar thermoelectric power generation structure with miniature boss array hot end
US9927156B2 (en) 2015-10-20 2018-03-27 Hyundai Motor Company Heat exchanging device using thermoelectric element

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