KR101454107B1 - High Efficiency Thermoelectric Power Generation Component and Method of Manufacturing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 대향되는 상부 및 하부 기판; 및 상기 상부 및 하부 기판 사이에 형성된 다수의 열전소자를 포함하며, 상기 열전소자는 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법에 따르면, DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시킨 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성함으로써 기 개발된 열전부품에 비해 획기적으로 개선된 발전효율의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있으며, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하여 제품의 활용성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다. The present invention relates to an upper and a lower substrate facing each other; And a plurality of thermoelectric elements formed between the upper and lower substrates, wherein the thermoelectric elements are formed of composite thermoelectric materials having p-type and n-type semiconductor characteristics and having nano-sized diameters A high-efficiency thermoelectric generator part and a method of manufacturing the same are provided.
According to the high-efficiency thermoelectric generator part and the method of manufacturing the same of the present invention, it is possible to provide a high-efficiency thermoelectric generator and a method of manufacturing the same by thermodynamically forming a large number of nanoparticles of a composite material in which p- and n-type semiconductors of nanoparticles are alternately stacked using DOD (Dynamic Oblique Deposition) It is possible to obtain the characteristics of power generation efficiency remarkably improved as compared with the thermoelectric parts that have been developed by forming the element layer. In addition, it has the effect of drastically reducing the production cost owing to the simplicity of production and it can be directly applied to various fields such as power generation, military and medical field, automobile, aircraft, ship, etc., Is improved.
Description
본 발명은 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥을 다수 형성한 열전소자 층을 형성하여 발전 효율을 극대화시킬 수 있는 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a high-efficiency thermoelectric generator part and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a high-efficiency thermoelectric generator part capable of maximizing power generation efficiency by forming a thermoelectric element layer having a plurality of composite- And a manufacturing method thereof.
최근 신 에너지 개발, 폐 에너지 회수, 환경보호 등에 대한 관심이 고조되면서, 열전소자에 대한 관심도 높아지고 있다.Recently, as interest in new energy development, waste energy recovery, and environmental protection has increased, interest in thermoelectric devices is also increasing.
열전현상은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 재료 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지거나(Peltier effct) 역으로 두 물질 간의 온도차에 의해 기전력이 발생(Seebeck effect)하는 현상으로, 열전소자는 열을 전기로 또는 전기를 열로 직접 변환시키는 기능을 갖는 금속 또는 세라믹 소자를 말한다.The thermoelectric phenomenon is a phenomenon in which heat is generated and cooled at both ends of a material joint by applying a current between two materials (Peltier effct), or a phenomenon in which a difference in temperature between two materials causes a seebeck effect, Or a metal or ceramic element having a function of directly converting electricity into heat.
이러한 제백효과(Seebeck effect)를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진 등에서 발생한 열을 전기에너지로 변환할 수 있고, 펠티에 효과(Peltier effct)를 이용하면, 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다.With the Seebeck effect, heat generated by a computer or an automobile engine can be converted into electrical energy. By using the Peltier effect, various cooling systems that do not require a refrigerant can be realized.
종래의 열전소자는 주로 벌크 타입 또는 나노 타입으로 제작이 되고 있으나, 벌크 타입은 열전지수(ZT)가 낮아 효율성이 낮은 소자만 제작되고, 고효율의 나노 소자는 제작비가 크게 증가되는 문제점이 있었다.
Conventional thermoelectric elements are mainly manufactured in bulk type or nano type. However, bulk type has only a low efficiency due to low thermoelectric conversion index (ZT), and a high efficiency nano device has a problem that production cost is greatly increased.
일본공개특허: 2002-111082 (공개일 2002. 04. 12)Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-111082 (published on Apr. 12, 2002)
한국공개특허: 2007-0037583 (공개일 2007. 04. 05)
Korean Published Patent: 2007-0037583 (Published on Apr. 05, 2007)
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서,SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the conventional problems,
본 발명의 목적은 기판 위에 P형과 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성하여 발전효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a high-efficiency thermoelectric power generation device capable of maximizing power generation efficiency by forming a thermoelectric element layer in which a large number of thermoelectric materials having P- and N- And a method of manufacturing the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 고효율 열전 발전부품은 서로 대향되는 상부 및 하부 기판; 상기 상부 및 하부 기판 사이에 형성된 다수의 열전소자를 포함하며, 상기 열전소자는 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 형성하여 이루어진 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a high-efficiency thermoelectric generator comprising: upper and lower substrates facing each other; And a plurality of thermoelectric elements formed between the upper and lower substrates, wherein the thermoelectric element is formed of a composite material column having nano-sized diameters, the thermoelectric material having P-type and N-type semiconductor characteristics.
상기 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥을 형성하는 것을 특징으로 한다. The composite material column is characterized in that nano-sized P-type semiconductor particles and N-type semiconductor particles are alternately stacked to form nano pillars.
또한, 상기 복합재료 기둥은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다. Also, the composite column is formed using a DOD (Dynamic Oblique Deposition) technique.
그리고, 상기 상부 및 하부 기판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 한다. The upper and lower substrates may be copper (Cu) pads.
상기 다수의 열전소자가 하나의 층으로 형성될 경우, 성능지수는 
열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. The number N of thermoelectric elements, the electromotive force values Vs and P, and the thermal conductivity k of the N-type semiconductor and the electrical resistance rho.
본 발명의 고효율 열전 발전부품의 제조방법은 하부 기판 상에 P형 및 N형 반도체 특성을 갖는 열전재료를 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 다수 형성하여 열전소자 층을 형성하는 S10단계; 상기 열전소자 층의 상부에 상부 기판을 적층하여 전기적으로 연결하는 S20단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a high efficiency thermoelectric power generating part of the present invention comprises the steps of: (a) forming a plurality of thermoelectric materials having P-type and N-type semiconductor characteristics on a lower substrate by using a composite material column having a nano- And stacking the upper substrate on the thermoelectric layer and electrically connecting the upper substrate to the upper substrate.
상기 S10 단계에서 복합재료 기둥은 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥을 형성하는 것을 특징으로 한다. In the step S10, the composite material column is characterized in that nano-sized p-type semiconductor particles and n-type semiconductor particles are alternately stacked to form nano pillars.
상기 S10 단계에서 열전소자 층은 일정한 각도를 갖고 회전하는 기판 상에 특정재료를 증발시켜 나노 요소 층을 형성하는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다. In the step S10, the thermoelectric element layer is formed using a dynamic oblique deposition (DOD) technique in which a nanofiber layer is formed by evaporating a specific material on a rotating substrate with a predetermined angle.
여기서, 상기 특정재료는 P형 반도체 또는 N형 반도체인 것을 특징으로 한다. Here, the specific material is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor.
그리고, 상기 하부 기판 및 상부 기판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 한다.
The lower substrate and the upper substrate are made of a copper (Cu) pad.
본 발명의 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법에 따르면, DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시킨 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성함으로써 기 개발된 열전부품에 비해 획기적으로 개선된 발전효율의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다. According to the high-efficiency thermoelectric generator part and the method of manufacturing the same of the present invention, a thermoelectric material having a large number of nano-pillars of a composite material in which p-type semiconductors and n-type semiconductors are alternately stacked using DOD (Dynamic Oblique Deposition) It is possible to obtain the characteristics of power generation efficiency remarkably improved as compared with the thermoelectric parts that have been developed by forming the element layer.
또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있으며, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하여 제품의 활용성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
In addition, it has the effect of drastically reducing the production cost owing to the simplicity of production and it can be directly applied to various fields such as power generation, military and medical field, automobile, aircraft, ship, etc., Is improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOD 기법을 이용하여 형성된 나노 요소 층을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합재료 열전소자의 구조와, 열전발전 부품의 형태 및 그 제작공정을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 열전 발전부품의 열전소자의 개수 N에 따르는 발전 효율의 변화를 도시한 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 illustrates a nanofiber layer formed using a DOD technique in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.
2 is a view illustrating a structure of a nanocomposite thermoelectric element according to an embodiment of the present invention, a shape of a thermoelectric generator part, and a manufacturing process thereof.
3 is a graph showing a change in power generation efficiency according to the number N of thermoelectric elements of a high-efficiency thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고효율 열전 발전부품 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성 부분을 나타낸다.These and other objects, features and other advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a high-efficiency thermoelectric generator according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For purposes of this specification, like reference numerals in the drawings denote like elements unless otherwise indicated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOD 기법을 이용하여 형성된 나노 요소 층을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 복합재료 열전소자의 구조와, 열전발전 부품의 형태 및 그 제작공정을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 열전 발전부품의 열전소자의 개수 N에 따르는 발전 효율의 변화를 도시한 도면이다.FIG. 1 illustrates a nanofiber layer formed using the DOD technique according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 illustrates a structure of a nanocomposite thermoelectric device according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a graph showing a change in power generation efficiency according to the number N of thermoelectric elements of a high-efficiency thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 열전 발전부품은 서로 대향되는 상부 및 하부 기판(100, 200)과, 상부 및 하부 기판(100,200) 사이에 형성된 다수의 열전소자(300)를 포함한다.1 and 2, the high-efficiency thermoelectric generator according to the present invention includes upper and
구리(Cu) 패드로 이루어진 상부 기판(100)과 하부 기판(200)은 서로 대향 되도록 위치하고, 그 사이에 다수의 열전소자(300)가 배열되는 열전소자 층이 형성된다. The
도 1에 도시된 바와 같이 열전소자 층은 일정한 경사각을 갖고 회전하는 기판 상에 특정 재료를 증발시켜 나노 요소 층을 형성시키는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성된다. 즉, 일정한 경사각을 갖고 회전하는 기판 상(200)에 P형과 N형의 반도체 특성을 갖는 열전재료를 증발시켜 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성한다.As shown in FIG. 1, the thermoelectric element layer is formed using a DOB (Dynamic Oblique Deposition) technique in which a material is evaporated on a rotating substrate with a predetermined inclination angle to form a nanofiber layer. That is, a thermoelectric element having p-type and n-type semiconductor characteristics is evaporated on a rotating
여기서, 복합재료 기둥은 도 2 에 도시된 바와 같이 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 기둥을 형성하는 것이 바람직하다.Here, as shown in Fig. 2, it is preferable that nano-sized p-type semiconductor particles and n-type semiconductor particles are alternately stacked to form nano pillars.
상기와 같이 구성된 고효율 열전 발전 부품은 다음과 같이 제조된다.The high-efficiency thermoelectric generator component constructed as described above is manufactured as follows.
먼저, 하부 기판(200)이 되는 구리(Cu) 패드가 일정한 경사각을 갖고 회전수단에 의해 일전한 속도로 회전되도록 준비한다. First, a copper (Cu) pad to be a
그리고, DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 일정 각도를 갖고 일정 속도로 회전되는 구리(Cu) 패드 상에 P형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시키고, 이어, N형 반도체를 증발시켜 나노 크기 지름을 갖는 기둥 형태의 미세구조로 증착시킨다. 이처럼 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층시켜 나노 기둥을 형성한다. 이러한 나노 기둥은 구리(Cu)패드 상에 무수히 많이 배열되어 열전소자 층을 형성한다.(S10단계)Then, the p-type semiconductor is evaporated on a copper (Cu) pad rotated at a constant speed and at a constant angle using a DOD (Dynamic Oblique Deposition) technique to deposit a pillar-shaped microstructure having a nano-sized diameter, N-type semiconductors are evaporated and deposited as columnar microstructures with nano-sized diameters. In this way, nanoparticles are formed by alternately stacking the P-type semiconductor and the N-type semiconductor of the nanoparticles. These nano pillars are arranged on the copper (Cu) pad in innumerable order to form a thermoelectric element layer (step S10)
이어, 열전소자 층의 상면에 구리(Cu)를 피복시켜 상부 기판(100)이 되는 구리 패드 층을 형성한다. 그리고, 상부 기판(100)과, 하부 기판(200)을 전기적으로 연결하여 열전 발전부품을 제작한다.(S20단계) Next, copper (Cu) is coated on the top surface of the thermoelectric element layer to form a copper pad layer to be the
상기와 같이 제조된 고효율 열전 발전부품의 발전 성능 지수(ZT)는 아래의 식으로 평가할 수 있다. The power generation performance index (ZT) of the high-efficiency thermoelectric generator manufactured as described above can be evaluated by the following formula.
여기서, N은 열전소자의 갯수, Vs는 기전력값, κ는 P형 및 N형 반도체의 열전도도, ρ는 전기저항, T는 온도차를 말한다.Where N is the number of thermoelectric elements, Vs is the electromotive force value, κ is the thermal conductivity of the P-type and N-type semiconductors, ρ is the electrical resistance, and T is the temperature difference.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 성능지수 ZT에 의해 결정되는 발전효율은 열전소자의 개수 N에 의해 급격히 증가함을 알 수 있다. As shown in FIG. 4, it can be seen that the power generation efficiency determined by the performance index ZT is rapidly increased by the number N of thermoelectric elements.
이와 같이 본 발명은 나노 입자의 P형 반도체와 N형 반도체를 교대로 적층한 복합재료의 나노 기둥을 무수히 많이 형성한 열전소자 층을 형성하여 고효율의 열전 발전 부품을 구현할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, a thermoelectric element layer in which a large number of nano pillars of a composite material in which p-type semiconductor and n-type semiconductor of nanoparticles are alternately stacked is formed, thereby realizing a highly efficient thermoelectric generator component.
또한, 제작의 단순성으로 인하여 제작비용을 대폭 절감시킬 수 있게 되고, 발전, 군사 및 의료분야, 그리고 자동차, 항공기, 선박분야 등과 같은 다양한 분야에 직접적으로 적용이 가능하게 된다. In addition, due to the simplicity of production, it is possible to greatly reduce the production cost and to be directly applicable to various fields such as power generation, military and medical field, automobile, aircraft, ship and the like.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the appended claims, And equivalents may be resorted to as falling within the scope of the invention.
100: 상부 기판 200: 하부기판
300: 열전소자 100: upper substrate 200: lower substrate
300: thermoelectric element
Claims (10)
상기 상부 및 하부 기판 사이에 형성된 다수의 열전소자를 포함하며,
상기 열전소자는 나노 크기의 P형 반도체 입자와 N형 반도체 입자가 교대로 적층되어 나노 크기의 지름을 갖는 복합재료 기둥으로 이루어진 것을 포함하는 고효율 열전 발전부품.An upper and a lower substrate facing each other;
And a plurality of thermoelectric elements formed between the upper and lower substrates,
Wherein the thermoelectric element comprises a composite material column having nano-sized diameters and alternately stacking n-type p-type semiconductor particles and n-type semiconductor particles.
상기 복합재료 기둥은 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품.The method according to claim 1,
Wherein the composite column is formed using a DOD (Dynamic Oblique Deposition) technique.
상기 상부 및 하부 기판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품.The method according to claim 1,
Wherein the upper and lower substrates are made of a copper (Cu) pad.
상기 다수의 열전소자가 하나의 층으로 형성될 경우, 성능지수는
열전소자의 갯수 N, 기전력값 Vs, P 및 N형 반도체의 열전도도 κ, 전기저항 ρ에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품.The method according to claim 1,
When the plurality of thermoelectric elements are formed as one layer, the figure of merit
The number N of thermoelectric elements, the electromotive force values Vs, P and the thermal conductivity k of the N-type semiconductor, and the electrical resistance p.
상기 열전소자 층의 상부에 상부 기판을 적층하여 전기적으로 연결하는 S20 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품 제조방법.A step S10 of forming n-type semiconductor particles and n-type semiconductor particles alternately on the lower substrate to form a plurality of composite columns having nano-sized diameters to form a thermoelectric element layer;
A step S20 of stacking the upper substrate on the thermoelectric element layer and electrically connecting the upper substrate;
Wherein the thermoelectric power generating component is a thermoelectric generator.
상기 S10 단계에서 열전소자 층은 일정한 각도를 갖고 회전하는 기판 상에 특정재료를 증발시켜 나노 요소 층을 형성하는 DOD(Dynamic Oblique Deposition)기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the thermoelectric element layer is formed using a dynamic oblique deposition (DOD) technique in which a thermoelectric element layer is formed by evaporating a specific material on a rotating substrate with a predetermined angle to form a nano-element layer .
상기 특정재료는 P형 반도체 또는 N형 반도체인 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the specific material is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor.
상기 하부 기판 및 상부 기판은 구리(Cu) 패드로 이루어진 것을 특징으로 하는 고효율 열전 발전부품 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the lower substrate and the upper substrate are made of a copper (Cu) pad.
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