KR20120064517A - 열전소자 및 열전모듈 - Google Patents

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KR20120064517A
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thermoelectric
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thermoelectric element
semiconductor
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KR1020100125792A
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김용석
이성호
윤정호
구태곤
최동혁
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삼성전기주식회사
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
    • H10N10/857—Thermoelectric active materials comprising compositions changing continuously or discontinuously inside the material

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  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈에 관한 것으로서, 열전소자의 직경, 밀도, 평탄도를 달리하거나, 금속 또는 비금속 재료를 혼합하여 이루어지는 다수의 시트를 적층하여 열전소자를 형성함으로써 열전 성능 지수가 향상된 열전소자를 제공하고, 열전 성능 지수, 신뢰성 및 제조공정의 효율성을 향상시킨 열전모듈을 제공한다.

Description

열전소자 및 열전모듈{A thermoelectric element and a thermoelectric module}
본 발명은 열전소자 및 이를 포함하는 열전모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 성능 지수를 향상시킨 열전소자 및 열전모듈과, 신뢰성 및 제조공정의 효율성을 향상시킨 열전모듈에 관련된다.
화석에너지 사용의 급증은 지구 온난화 및 에너지 고갈 문제를 야기하고 있기 때문에, 최근에는 신재생 에너지 개발이 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다.
한편, 신재생 에너지 개발과 더불어 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 열전 모듈에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
여기에서, 열전모듈은 열전소자의 양단에 온도차를 부여할 경우 기전력이 발생하는 제백(Seebeck) 효과를 활용하는 발전장치 또는 열전소자에 직류를 인가할 경우 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어(Peltier) 효과를 이용하는 냉난방 장치로 이용될 수 있다. 특히, IT 산업의 눈부신 성장과 더불어 전자부품의 소형화, 고전력화, 고집적화 및 슬림화 등에 따라, cpu 등의 각종 전자장치를 효율적으로 냉각할 수 있는 방법이 필요한 상황에서, 열전소자는 무소음, 높은 냉각효율, 국지적인 냉각이 가능한 점, 친환경적인 방법이라는 점 등의 장점이 있기 때문에, 향후 다양한 응용이 기대되고 있다.
이와 같은 열전소자를 이용하는 열전모듈은 상?하부 전극과, 상?하부 전극 사이에 배치된 열전소자를 포함할 수 있다. 여기에서, 상?하부 전극의 각 상면에는 열전 모듈을 지지하기 위한 기판이 배치된다. 이때, 기판은 우수한 전기 절연성을 갖는 알루미나 기판을 주로 사용하고 있다.
한편, 기존의 열전소재는 금속 원료를 일정 성분비로 혼합하여 기계적 합금화법에 의해 주로 제조되어 진다. 즉, 벌크형태의 열전소자는 초기 용해, 파쇄, 소결이라는 기본적 공정을 이용하며, 여기에 토펀트를 첨가하여 P-타입 반도체 및 N-타입 반도체를 제조한다.
또한, 당업자는 열전성능을 향상시키기 위해 열전분말 입자의 미세화 및 소결 밀도 향상 등의 개발에 집중하고 있는 추세이다.
박막 공정에서는 각종 증착 기법을 통해 저차원화 한 열전박막이나 초격자를 활용하여 열전 성능 지수 zT를 향상시키는 것에 집중하고 있지만, 아직까지 괄목할 만한 결과가 도출되지 않고 있으며, 열전 성능 지수를 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
한편, 열전모듈은 N형 반도체, P형 반도체, 두 반도체 사이를 연결하는 금속전극, 세라믹 기판을 포함하며, 이러한 최소 단위의 구성을 단일모듈이라고 칭하기도 한다.
단일 모듈이 냉각 또는 발전 소자로 사용되기 위해서는 N형과 P형 반도체에서 전하들을 생성한 후, 전극을 통하여 각각의 단자에서 회로에 연결되어야만 한다. 따라서, 단일 모듈의 효율을 높이기 위해서는 모듈을 구성하는 각 부분의 효율성 및 각 부분의 상호간 효율이 최적화되도록 설계해야 한다.
그러나, 단일 모듈의 낮은 변환 효율 및 열전모듈이 응용될 수 있는 분야에서 높은 변환효율이 요구됨에 따라, 단일 모듈을 여러 개 사용한 복합모듈에 대한 관심이 높아지고 있다.
기존의 복합 모듈은 P-N으로 구성된 단일 모듈을 사용조건에 맞게 직렬로 반복적으로 연결하여 만들어지고 있었다. 각각의 단일 모듈은 금속전극으로 연결되며, 금속전극은 세라믹 기판과 연결되어 있다. 각 단일 모듈은 열원으로부터 서로 평행하게 설계되어 있으므로 열원으로부터 반도체 재료 자체의 온도 기울기는 단일 모듈과 동일하다. 이러한 기존의 직렬형 모듈 구조는 회로 단선에 대한 문제점을 내포하고 있으며, 구성하는 단일 모듈 중 어느 하나라도 고장이 발생하면 전체 복합모듈이 작동하지 못하는 치명적인 단점이 있었으며, 또한, 직렬형 모듈이므로 전압 의존도도 크다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 열전소자의 열전 성능 지수를 향상시킬 수 있는 열전소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 열전 성능 지수가 향상된 열전모듈 및 신뢰성과 제조효율이 향상된 열전모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 열전소자는, 직경, 밀도 및 평탄도 중 적어도 한 가지 특성이 서로 다른 적어도 두 종류의 열전 반도체 재료로 각각 이루어지는 복수의 반도체층들이 적층되어 구성된다.
또한, 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1반도체층; 및 상기 제1반도체층을 이루는 재료와 직경, 밀도 및 평탄도 중 적어도 한 가지 특성이 다른 열전 반도체 재료로 이루어지는 제2반도체층; 을 포함하여 구성될 수도 있다.
이때, 상기 제1반도체층과 제2반도체층이 교대로 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1반도체층과 제2반도체층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 제2반도체층을 이루는 재료의 직경이 제1반도체층을 이루는 재료의 직경의 5배 이상인 것이 바람직하다.
이때, 상기 제1반도체층을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2반도체층의 밀도는 제1반도체층의 1.5배 이상이 되도록 하여 층을 구분할 수도 있다.
또한, 상기 제1반도체층을 이루는 재료의 단축/장축 비율과 상기 제2반도체층을 이루는 재료의 단축/장축 비율의 비는 1 : 0.1 ~ 0.9의 범위가 되도록 하여 층을 구분할 수도 있다.
또한, 상기 제1반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제2반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열전소자는, 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1열전층; 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역과 금속 재료로 이루어지는 영역이 결합되어 이루어지는 제2열전층; 을 포함하여 구성될 수도 있다.
이때, 상기 제1열전층과 제2열전층이 교대로 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1열전층과 제2열전층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2열전층은 층을 달리하여 구비될 때마다 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역과 금속 재료로 이루어지는 영역의 위치가 변경되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1열전층을 이루는 열전 반도체 재료와, 상기 제2열전층을 이루는 열전 반도체 재료는 직경이 서로 다르게 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1열전층 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2열전층 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 열전소자는, 열전 반도체 재료로 이루어지는 반도체층; 및 상기 반도체층을 이루는 재료와 직경이 다른 열전 반도체 재료 및 비 반도체 재료가 혼합되어 이루어지는 복합반도체층;을 포함하여 구성될 수도 있다.
이때, 상기 반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분될 수 있다.
또한, 상기 복합반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분될 수 있다.
또한, 상기 반도체층과 복합반도체층이 교대로 적층되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반도체층과 복합반도체층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반도체층을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 열전모듈은 전술한 열전소자를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 서로 마주하는 제1전극 및 제2전극이 구비되고, 상기 열전소자는 P형 단일 타입으로 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되어 구성될 수 있다.
또한, 서로 마주하는 제1전극 및 제2전극이 구비되고, 상기 열전소자는 N형 단일 타입으로 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되어 구성될 수 있다.
또한, 일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판이 구비되고,
상기 열전소자는 P형 단일 타입으로 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되어 구성될 수 있다.
또한, 일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판이 구비되고, 상기 열전소자는 N형 단일 타입으로 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 상부기판 및 하부기판은 절연기판이며, 상기 상부기판 및 하부기판의 요입부가 구비된 면에는 도전성 물질이 도포되어 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열전모듈은 서로 마주하는 제1전극 및 제2전극; 및 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되며 N형 또는 P형 중 어느 하나의 단일 타입으로 구비되는 복수의 열전소자;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판; 및 상기 요입부에 일부가 삽입되어 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되는 열전소자; 를 포함하여 구성될 수도 있다.
이때, 상기 상부기판 및 하부기판은 절연기판이며, 상기 상부기판 및 하부기판의 요입부가 구비된 면에는 도전성 물질이 도포되어 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열전소자 및 열전모듈은 포논의 산란현상이 각 층의 경계부분 활발하게 발생되므로 열전 성능 지수가 향상되는 유용한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 단일 타입의 열전소자 복수개를 병렬로 연결함으로써 종전의 직렬연결구조에 비하여 신뢰성이 개선되며, 전극 구조 및 조립과정을 단순화할 수 있으므로 열전모듈 제작공정의 효율성이 향상된다는 유용한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 요입부가 구비된 기판을 이용하여 열전모듈의 조립 공정의 효율을 향상시킬 수 있으므로 제조시간 및 제조원가를 절감할 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.
도 1은 일반적인 열전모듈의 구성을 보인 사시도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 3는 본 발명의 제2실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 열전소자의 구성을 보인 단면도,
도 9는 본 발명의 제9실시예에 따른 열전모듈의 구성을 보인 사시도,
도 10은 본 발명의 제10실시예에 따른 열전모듈의 구성을 보인 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작동을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 전원부를 제외한 열전모듈의 구조를 예시하고 있다. 열전소자(100)(thermoelectric element)로서 일반적으로 N형(11)과 P형(12) 반도체가 사용되며 복수의 쌍을 이루는 N형(11)과 P형(12) 반도체를 평면에 배열하고 이를 다시 금속 전극들(13, 14)을 이용해 직렬로 연결하여 모듈을 구성한다. 모듈에 전류를 인가하면 한편의 금속 전극에서 캐리어(carrier)인 전자(electron, e-)와 정공(hole, h+)이 생성되어 N형 반도체로는 전자가, P형 반도체로는 정공이 각각 흐르며 열을 전달하고 이들 캐리어는 반대편 전극에서 재결합된다.
한편, 일반적인 열전소자(100)의 열전 성능 지수는 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기에서, zT는 열전 성능 지수이고, α는 제벡 계수이며, σ는 전기전도도이고, k는 열전도도이며, T는 온도를 의미한다.
수학식 1에서 나타나는 것과 같이, 열전도도와 전기전도도는 서로 상호 연관성을 갖고 있다. 또한, 전자는 열과 전기를 함께 이동시키며, 포논은 열을 이동시키는 매체이다.
수학식 1에서와 같이, 전기전도도와 열전도도는 서로 반비례 관계이기 때문에, 열전 성능 지수인 zT를 향상시키기 위해서는 열전소자(100)의 끝단에서 반대편 끝단으로 전자를 잘 이동시켜 전기전도도를 높이는 한편, 포논을 산란을 증가시켜야 한다.
본 발명에서 개시하는 열전소자(100)는 다양한 방식으로 층상구조를 구비하게 되고, 각 층의 경계부분 및 열전소자(100) 전체를 통하여 포논의 산란현상이 증가되며, 이로 인해 열전 성능 지수 zT가 향상되는 목적을 달성할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 포논의 산란현상을 증가시키는 구조에 대하여 연구를 거듭한 결과, 본 발명의 발명자는 물리적 특성이 서로 다른 층을 적층하여 열전소자(100)를 구성하는 기술을 창안하게 되었다.
즉, 열전소자(100)의 직경, 밀도 및 평탄도 중 적어도 한 가지 특성이 서로 다른 적어도 두 종류의 열전 반도체 재료로 각각 이루어지는 복수의 반도체층을 적층하여 열전소자(100)를 구현하거나, 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역과 금속 재료로 이루어지는 영역을 포함하여 구성되는 시트를 이용하여 열전소자(100)를 구현하는 방식과, 특정 층에 비 반도체 재료를 첨가하는 방식을 활용하여 열전소자(100)를 구성하는 층의 물리적 특성을 다르게 한 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 구성을 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
<제1실시예>
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 2를 참조하면, 열전소자(100)는 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1반도체층(110); 및 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료와 직경이 다른 열전 반도체 재료로 이루어지는 제2반도체층(120); 을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120)이 교대로 적층됨으로써 층간 계면에서의 물리적 특성 차이를 극대화할 수 있으며, 3층 이상으로 구성될 수도 있다.
또한, 물리적 특성 차이에 의한 계면 효과를 고려하여 상기 제2반도체층(120)을 이루는 재료의 직경이 제1반도체층(110)을 이루는 재료의 직경의 5배 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120)의 직경의 차이가 너무 작으면 계면효과가 크지 않아 계면에서의 포논산란현상이 증가현상이 미약하여 소기의 목적을 달성할 수 없게 된다.
한편, 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인 것이 바람직하다.
<제2실시예>
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 3을 참조하면, 열전소자(100)는 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1반도체층(110); 및 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료와 밀도가 다른 열전 반도체 재료로 이루어지는 제2반도체층(120); 을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 층간계면효과에 의한 포논산란현상의 효율적인 증가를 도모하기 위하여, 상기 제2반도체층(120)의 밀도는 제1반도체층(110)의 1.5배 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 밀도의 차이가 너무 작으면 계면효과가 크지 않아 계면에서의 포논산란현상이 증가현상이 미약하여 소기의 목적을 달성할 수 없게 된다.
또한, 상기 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120)이 교대로 적층됨으로써 층간 계면에서의 물리적 특성 차이를 극대화할 수 있으며, 3층 이상으로 구성될 수도 있다.
<제3실시예>
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 4를 참조하면, 열전소자(100)는 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1반도체층(110); 및 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료와 평탄도가 다른 열전 반도체 재료로 이루어지는 제2반도체층(120); 을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 평탄도는 입자의 장축 및 단축의 비율로 수치화될 수 있다.
즉, 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료의 단축/장축 비율과 상기 제2반도체층(120)을 이루는 재료의 단축/장축 비율이 다르게 되면, 상기 두 층의 계면에서 포논산란현상이 증가될 수 있다.
이때, 상기 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120)의 단축/장축 비율의 비는 1 : 0.1 ~ 0.9의 범위가 되도록 함으로써 층간계면에서의 포논산란현상을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120)이 교대로 적층됨으로써 층간 계면에서의 물리적 특성 차이를 극대화할 수 있으며, 3층 이상으로 구성될 수도 있다.
<제4실시예>
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 구성을 예시하고 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1반도체층(110)을 이루는 재료의 직경 또는 상기 제2반도체층(120)을 이루는 재료의 직경을 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분함으로써 포논산란현상을 더욱 증가시킬 수도 있다.
즉, 제1반도체층(110)은 직경이 서로 다른 입자로 구성하고, 제2반도체층(120)은 직경이 동일한 입자로 구성하게 되면, 제1반도체층(110)과 제2반도체층(120) 사이의 계면에서 물리적 특성이 달라짐으로써 포논산란현상이 증가하게 된다.
<제5실시예>
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 6을 참조하면, 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1열전층(130); 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역(141)과 금속 재료로 이루어지는 영역(142)이 결합되어 이루어지는 제2열전층(140); 을 포함하여 열전소자(100)를 구성할 수도 있다.
이때, 상기 금속 재료로 사용될 수 있는 물질들로는 Cu, Ag, Ni, Pd, Al, B 등이 있으며, 이에 한정되지 않는다.
한편, 상기 제1열전층(130)과 제2열전층(140)이 교대로 적층되어 구성되는 것이 바람직하며, 적어도 3층 이상으로 구성될 수도 있다.
이때, 상기 제2열전층(140)은 층을 달리하여 구비될 때마다 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역(141)과 금속 재료로 이루어지는 영역(142)의 위치가 변경되도록 함으로써 포논산란현상을 더욱 증가시킬 수 있다.
<제6실시예>
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제1열전층(130)을 이루는 열전 반도체 재료와, 상기 제2열전층(140)을 이루는 열전 반도체 재료의 직경을 서로 다르게 하여 층간계면효과로 인한 포논산란현상을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 5 및 제4실시예에서 예시한 바와 같이, 상기 제1열전층(130) 이루는 재료의 직경 또는 제2열전층(140)을 이루는 재료의 직경을 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되도록 하여 포논산란현상을 더욱 증가시킬 수 있다.
<제7실시예>
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 열전소자(100)의 구성을 예시하고 있다.
도 8을 참조하면, 열전 반도체 재료로 이루어지는 반도체층(150); 및 상기 반도체층(150)을 이루는 재료와 직경이 다른 열전 반도체 재료 및 비 반도체 재료가 혼합되어 이루어지는 복합반도체층(160);을 포함하여 열전소자(100)(100)를 구성할 수 있다.
상기 복합반도체층(160)에 구비되는 비 반도체 재료는 포논의 산란을 유발할 수 있으며, 상기 반도체층(150)과 복합반도체층(160) 사이의 계면에서도 포논산란현상이 증가된다.
이때, 상기 반도체층(150)을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분될 수 있으며, 상기 복합반도체층(150)을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분될 수 있다.
한편, 상기 반도체층(150)과 복합반도체층(160)은 교대로 적층되는 것이 바람직하며, 적어도 3층 이상으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 반도체층(160)을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반도체층 또는 복합반도체층을 이루는 재료의 직경은 2 이상의 크기로 구분될 수도 있다.
<제8실시예>
도면에서 예시하지는 않았지만, 본 발명의 제8실시예에 따른 열전모듈은 제1실시예 내지 제7실시예에서 언급한 열전소자(100)들을 포함하여 구성될 수 있다.
<제9실시예>
도 9는 본 발명의 제9실시예에 따른 열전모듈의 구성을 예시하고 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 열전모듈은 서로 마주하는 제1전극(210) 및 제2전극(220)이 구비되고, P형 단일 타입 또는 N형 단일 타입의 열전소자(100)를 상기 제1전극(210) 및 제2전극(220) 사이에 개재하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성될 경우 종래의 직렬형 열전모듈에 비하여 복잡한 전극패턴을 구현할 필요가 없게 되므로 제조공정의 효율성이 증가되며, 다수의 열전소자(100) 중 일부에 이상이 발생되어도 정상인 열전소자(100)를 통하여 열전성능이 구현되므로 신뢰성이 향상된다.
<제10실시예>
도 10은 본 발명의 제10실시예에 따른 열전모듈의 구성을 예시하고 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 열전모듈은, 일측면에 복수의 요입부(311)가 형성된 상부기판(310) 및 하부기판(320)이 구비되고, 상기 열전소자(100)는 상기 상부기판(310) 및 하부기판(320) 사이에 개재되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 기판(310, 320)은 전도성 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 기판(310, 320)을 절연성 물질로 구성한 경우에는 상기 기판(310, 320)의 요입부(311)에 도전성 물질로써 전극을 형성하고, 상기 전극들을 전기적으로 연결하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열전소자(100)는 P형 단일 타입 또는 N형 단일 타입으로 전도성 기판 또는 전극 사이에 개재되어 열전모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, P형 및 N형 열전소자(100)를 직렬로 배치할 수도 있는데, 이 경우에는, 열전소자(100)의 배열에 따라 전극의 배열 또한 모듈 전체가 직렬이 되도록 구성되어야 한다.
상기와 같이 구성되면, 열전소자(100)를 기판 또는 전극과 연결하는 조립공정의 효율이 향상되어 제조시간 및 비용이 절감될 수 있다.
한편, 열전 반도체 재료는 P형 반도체 재료 또는 N형 반도체 재료일 수 있다.
이에 더하여, 열전 반도체 재료는 Bi(비스무스) 및 Te(텔루륨)의 혼합으로 이루어질 수 있다.
또한, 열전 반도체 재료는 ZnxSby로 이루어질 수 있고, 여기서, x/y는 0.5 내지 1.5이 되도록 할 수 있으며, 특히 x=4, y=3인 Zn4Sb3를 사용할 수 있다.
한편, 열전 반도체 재료는 CoxSby로 이루어질 수 있고, 여기서, x/y는 0.1 내지 2.0이 되도록 할 수 있으며, 특히 x=1, y=3인 CoSb3를 사용할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 열전소자
110 : 제1반도체층
120 : 제2반도체층
130 : 제1열전층
140 : 제2열전층
141 : 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역
142 : 금속 재료로 이루어지는 영역
150 : 반도체층
160 : 복합반도체층
200 : 전극
210 : 제1전극
220 : 제2전극
300 : 기판
310 : 상부기판
311 : 요입부
320 : 하부기판

Claims (32)

  1. 직경, 밀도 및 평탄도 중 적어도 한 가지 특성이 서로 다른 적어도 두 종류의 열전 반도체 재료로 각각 이루어지는 복수의 반도체층들이 적층되어 구성되는
    열전소자.
  2. 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1반도체층; 및
    상기 제1반도체층을 이루는 재료와 직경, 밀도 및 평탄도 중 적어도 한 가지 특성이 다른 열전 반도체 재료로 이루어지는 제2반도체층;
    을 포함하는
    열전소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1반도체층과 제2반도체층이 교대로 적층되어 구성되는
    열전소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1반도체층과 제2반도체층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성되는
    열전소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2반도체층을 이루는 재료의 직경이 제1반도체층을 이루는 재료의 직경의 5배 이상인
    열전소자.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1반도체층을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인
    열전소자.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2반도체층의 밀도는 제1반도체층의 1.5배 이상인
    열전소자
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1반도체층을 이루는 재료의 단축/장축 비율과 상기 제2반도체층을 이루는 재료의 단축/장축 비율의 비는 1 : 0.1 ~ 0.9의 범위인
    열전소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  11. 열전 반도체 재료로 이루어지는 제1열전층;
    열전 반도체 재료로 이루어지는 영역과 금속 재료로 이루어지는 영역이 결합되어 이루어지는 제2열전층;
    을 포함하는
    열전소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1열전층과 제2열전층이 교대로 적층되어 구성되는
    열전소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1열전층과 제2열전층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성되는
    열전소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2열전층은 층을 달리하여 구비될 때마다 열전 반도체 재료로 이루어지는 영역과 금속 재료로 이루어지는 영역의 위치가 변경되는 것인
    열전소자.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1열전층을 이루는 열전 반도체 재료와, 상기 제2열전층을 이루는 열전 반도체 재료는 직경이 서로 다른 것인
    열전소자.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1열전층 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2열전층 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  18. 열전 반도체 재료로 이루어지는 반도체층; 및
    상기 반도체층을 이루는 재료와 직경이 다른 열전 반도체 재료 및 비 반도체 재료가 혼합되어 이루어지는 복합반도체층;
    을 포함하는
    열전소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 복합반도체층을 이루는 재료의 직경은 적어도 두 종류 이상의 값으로 구분되는
    열전소자.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체층과 복합반도체층이 교대로 적층되는
    열전소자.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체층과 복합반도체층이 교대로 적층되어 적어도 3층 이상으로 구성되는
    열전소자.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체층을 이루는 재료의 직경은 10nm 내지 900㎛인
    열전소자.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 열전소자를 포함하는 열전모듈.
  25. 제 24 항에 있어서,
    서로 마주하는 제1전극 및 제2전극이 구비되고, 상기 열전소자는 P형 단일 타입으로 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되어 구성되는
    열전모듈.
  26. 제 24 항에 있어서,
    서로 마주하는 제1전극 및 제2전극이 구비되고, 상기 열전소자는 N형 단일 타입으로 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되어 구성되는
    열전모듈.
  27. 제 24 항에 있어서,
    일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판이 구비되고,
    상기 열전소자는 P형 단일 타입으로 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되어 구성되는
    열전모듈.
  28. 제 25 항에 있어서,
    일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판이 구비되고,
    상기 열전소자는 N형 단일 타입으로 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되어 구성되는
    열전모듈.
  29. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서,
    상기 상부기판 및 하부기판은 절연기판이며,
    상기 상부기판 및 하부기판의 요입부가 구비된 면에는 도전성 물질이 도포되어 구성되는
    열전모듈.
  30. 서로 마주하는 제1전극 및 제2전극; 및
    상기 제1전극 및 제2전극 사이에 개재되며 N형 또는 P형 중 어느 하나의 단일 타입으로 구비되는 복수의 열전소자;
    를 포함하는
    열전모듈.
  31. 일측면에 복수의 요입부가 형성된 상부기판 및 하부기판; 및
    상기 요입부에 일부가 삽입되어 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 개재되는 열전소자;
    를 포함하는
    열전모듈.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 상부기판 및 하부기판은 절연기판이며,
    상기 상부기판 및 하부기판의 요입부가 구비된 면에는 도전성 물질이 도포되어 구성되는
    열전모듈.
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