KR20140089002A - 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자 - Google Patents

열전재료 및 이를 포함하는 열전소자

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KR20140089002A
KR20140089002A KR1020120158529A KR20120158529A KR20140089002A KR 20140089002 A KR20140089002 A KR 20140089002A KR 1020120158529 A KR1020120158529 A KR 1020120158529A KR 20120158529 A KR20120158529 A KR 20120158529A KR 20140089002 A KR20140089002 A KR 20140089002A
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Abstract

열전재료 및 이를 포함하는 열전소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 열전재료는 적어도 두 개의 서로 다른 물질층, 예컨대, 제1 및 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조를 포함할 수 있다. 상기 제1 물질층은 탄소나노물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질층은 열전무기물을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질층은 상기 탄소나노물질과 더불어 열전무기물을 포함할 수 있다. 상기 탄소나노물질은, 예컨대, 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 물질층 중 적어도 하나는 복수의 나노파티클로 구성될 수 있다. 상기 열전재료는 상기 적층 구조의 적층 방향으로 연장된 적어도 하나의 도전체를 더 포함할 수 있다.

Description

열전재료 및 이를 포함하는 열전소자{Thermoelectric material and thermoelectric device including the same}
열전재료 및 이를 포함하는 열전소자에 관한 것이다.
열전변환(Thermoelectric conversion)이란 열에너지와 전기에너지 사이의 에너지 변환을 의미한다. 열전재료에 전류를 흘려주면 그 양단 사이에 온도 구배가 발생하는 효과를 펠티어 효과(Peltier effect)라 하고, 역으로 열전재료의 양단에 온도 차이가 있을 때 전기가 발생하는 효과를 제벡 효과(Seebeck effect)라 한다.
펠티어 효과(Peltier effect)를 이용하면, 냉매가 필요 없는 각종 냉각 시스템을 구현할 수 있다. 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 냉각 시스템은 기존의 냉각 시스템(수동형 냉각 시스템, 냉매 가스 압축 방식의 시스템)으로는 해결하기 어려운 발열 문제를 해결하는데 유용하게 적용될 수 있다. 열전냉각은 환경 문제를 유발하는 냉매 가스를 사용하지 않는 친환경 냉각기술이며, 고효율의 열전냉각재료의 개발을 통해 열전냉각효율을 향상시키면, 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야로까지 응용의 폭을 확대할 수 있다.
한편, 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하면, 컴퓨터나 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 발생한 열을 전기에너지로 변환할 수 있다. 이러한 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용한 열전발전은 신재생 에너지원으로 활용될 수 있다. 최근 신에너지 개발, 폐에너지 회수, 환경보호 등에 대한 관심이 고조되면서, 열전소자에 대한 관심도 높아지고 있다.
열전특성이 우수한 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 제공한다.
높은 제벡 계수(Seebeck coefficient) 및 높은 전기전도도를 갖는 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 제공한다.
열전무기물 및 탄소나노물질(ex, 그래핀)이 복합된 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 탄소나노물질을 포함하는 제1 물질층과 열전무기물을 포함하는 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조를 구비하는 열전 복합 구조체가 제공된다.
상기 탄소나노물질은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다.
상기 탄소나노물질은 그래핀 나노파티클(graphene nanoparticles)을 포함할 수 있다.
상기 제1 물질층은 열전무기물을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 물질층의 상기 열전무기물은 복수의 나노파티클(nanoparticle)로 구성될 수 있다.
상기 제1 물질층의 상기 열전무기물은, 예컨대, Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 물질층은 상기 탄소나노물질과 열전무기물의 복합체를 포함할 수 있다.
상기 제2 물질층의 상기 열전무기물은 복수의 나노파티클로 구성될 수 있다.
상기 제2 물질층의 상기 열전무기물은, 예컨대, Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 열전 복합 구조체는 상기 제1 및 제2 물질층의 적층 방향으로 연장된 도전체를 더 포함할 수 있다.
상기 도전체는 상기 제1 및 제2 물질층의 측면에 접촉될 수 있다.
상기 도전체는 지주(pillar) 형상을 가질 수 있다.
상기 도전체는 탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 포함할 수 있다.
상기 도전체는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube)(MWCNT)를 포함할 수 있다.
상기 도전체는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube)(SWCNT)를 포함할 수 있다.
복수의 상기 도전체가 서로 이격하여 배열되고, 이들 사이를 메우도록 상기 적층 구조가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 열전 복합 구조체를 포함하는 열전소자가 제공된다.
상기 열전소자는 상기 열전 복합 구조체의 상기 적층 구조에 연결된 전자장치를 더 포함할 수 있다.
상기 전자장치는 상기 적층 구조의 수평 방향(in-plane direction)으로의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전자장치는 상기 적층 구조의 적층 방향(out-of-plane direction)으로의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전자장치는 전기소모장치, 전기저장장치 및 전기공급장치 중 하나일 수 있다.
상기 열전소자는 열전발전소자, 열전냉각소자 또는 열감지센서일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 열전재료를 포함하는 열전소자에 있어서, 상기 열전재료는 탄소나노물질을 포함하는 제1 물질층과 열전무기물을 포함하는 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조를 구비하고, 상기 탄소나노물질 및 상기 열전무기물 중 적어도 하나는 복수의 나노파티클로 구성된 열전소자가 제공된다.
상기 제1 물질층은 상기 탄소나노물질과 열전무기물의 복합체를 포함할 수 있다.
상기 열전재료는 상기 제1 및 제2 물질층의 측면을 따라 연장된 도전체를 더 포함할 수 있다.
상기 도전체는 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있다.
복수의 상기 도전체가 서로 이격하여 배열되고, 이들 사이를 메우도록 상기 적층 구조가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 열전재료를 포함하는 열전소자에 있어서, 상기 열전재료는 서로 다른 제1 및 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조; 및 상기 적층 구조의 적층 방향으로 연장되고, 상기 제1 및 제2 물질층들을 연결하는 적어도 하나의 도전체;를 포함하는 열전소자가 제공된다.
상기 제1 물질층은 탄소나노물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 물질층은 열전무기물을 포함할 수 있다.
상기 제1 물질층은 열전무기물을 더 포함할 수 있다.
상기 도전체는 탄소나노튜브(CNT)를 포함할 수 있다.
열전특성이 우수한 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 구현할 수 있다. 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient) 및 높은 전기전도도를 갖는 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 구현할 수 있다. 열전무기물 및 탄소나노물질(ex, 그래핀)이 복합된 열전재료 및 이를 포함하는 열전소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체가 가질 수 있는 구성을 보다 구체적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체의 단면을 촬영한 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체에 사용될 수 있는 그래핀-열전무기물 복합체의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수직 방향(out-of-plane direction)으로의 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 10은 도 9의 열전 복합 구조체의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 열전재료(열전 복합 구조체) 및 이를 포함하는 열전소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다. 여기서, 상기 열전 복합 구조체는 '열전 복합 재료'(thermoelectric composite material) 또는 '복합 열전 재료'(composite thermoelectric material)라고 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 복합 구조체는 탄소나노물질(carbon nano-material)을 포함하는 제1 물질층(10)과 열전무기물(inorganic thermoelectric material)을 포함하는 제2 물질층(20)이 적어도 1회 이상 교대로 적층된 구조(이하, 적층 구조)(100)를 구비할 수 있다. 적층 구조(100)는 샌드위치형 복합 구조체라고 할 수 있다.
제1 물질층(10)은 상기 탄소나노물질로, 예컨대, 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 탄소나노물질은 그래핀 나노파티클(graphene nanoparticles)일 수 있다. 일례로, 제1 물질층(10)은 복수의 그래핀 나노파티클(graphene nanoparticle)로 구성된 층일 수 있다. 제1 물질층(10)은 상기 탄소나노물질과 더불어 열전무기물을 더 포함할 수 있다. 다시 말해, 제1 물질층(10)은 상기 탄소나노물질과 열전무기물의 복합체로 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 물질층(10)의 열전무기물은 복수의 나노파티클(nanoparticle)로 구성될 수 있다. 제1 물질층(10)의 열전무기물은, 예컨대, Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그 밖에도 열전재료 분야에서 사용 가능한 무기물이면 어느 것이든 상기 열전무기물로 적용될 수 있다. 이러한 열전무기물이 나노파티클 형태로 상기 탄소나노물질과 혼합되어 복합체를 이룰 수 있고, 이러한 복합체를 제1 물질층(10)에 적용할 수 있다. 상기 탄소나노물질이 그래핀 나노파티클(graphene nanoparticles)인 경우, 제1 물질층(10)은 그래핀 나노파티클과 열전무기물 나노파티클의 복합체로 구성된 층일 수 있다. 그러므로, 제1 물질층(10)은 그래핀(그래핀 나노파티클)으로 구성된 층이거나, 그래핀(그래핀 나노파티클)과 열전무기물(열전무기물 나노파티클)의 복합체로 구성된 층일 수 있다.
제2 물질층(20)은 열전무기물로 구성된 층일 수 있다. 제2 물질층(20)의 열전무기물은, 예컨대, Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Sb-Te계 열전무기물로는 Sb2Te3, AgSbTe2, CuSbTe2 등을 예시할 수 있고, Bi-Te계 열전무기물로는 Bi2Te3, (Bi,Sb)2(Te,Se)3계 열전무기물 등을 예시할 수 있으며, Co-Sb계 열전무기물로는 CoSb3계 열전무기물을 예시할 수 있으며, Pb-Te계 열전무기물로는 PbTe, (PbTe)mAgSbTe2 등을 예시할 수 있다. 그 밖에도 열전재료 분야에서 사용 가능한 무기물이면 어느 것이든 상기 열전무기물로 적용될 수 있다. 제2 물질층(20)의 열전무기물은 복수의 나노파티클(nanoparticle)로 구성될 수 있다. 따라서, 제2 물질층(20)은 상기 열전무기물의 나노파티클로 구성된 층일 수 있다.
제1 물질층(10)의 상기 탄소나노물질에는 n형 도펀트(dopant) 또는 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 또한, 제1 물질층(10)이 열전무기물을 더 포함하는 경우, 상기 열전무기물은 n형 반도체 또는 p형 반도체 특성을 가질 수 있다. 따라서, 제1 물질층(10)은 n형 반도체 또는 p형 반도체 특성을 가질 수 있다. 제2 물질층(20)의 열전무기물도 n형 반도체 또는 p형 반도체 특성을 가질 수 있다. 한편, 제1 물질층(10)의 두께는 수 나노미터(nm) 내지 수백 마이크로미터(㎛) 정도일 수 있고, 제2 물질층(20)의 두께도 수 나노미터(nm) 내지 수백 마이크로미터(㎛) 정도일 수 있다.
상기 탄소나노물질(또는 상기 탄소나노물질과 열전무기물)을 포함하는 제1 물질층(10)과 상기 열전무기물을 포함하는 제2 물질층(20)을 교대로 적층함으로써, 우수한 특성을 갖는 열전 복합 구조체를 구현할 수 있다. 상기 열전무기물은 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 갖지만, 전기전도도는 비교적 낮을 수 있다. 한편, 상기 탄소나노물질(ex, 그래핀)은 높은 전하이동도 및 높은 전기전도도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 열전무기물과 탄소나노물질을 혼합한/적층한 복합 구조체는 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 가지면서, 비교적 우수한 전기전도도 및 전하이동도를 가질 수 있다. 이와 관련해서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체는 우수한 열전특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 제1 물질층(10) 및 제2 물질층(20) 각각을 복수의 나노파티클로 구성할 수 있는데, 이 경우, 열전 복합 구조체의 제조가 용이할 수 있고, 생산성이 향상될 수 있다. 만약, 제1 및 제2 물질층(10, 20)을 단결정의 결정질로 형성하는 경우, 에피택셜(epitaxial) 공정 등을 사용해야 하기 때문에, 제조가 어렵고 생산성이 떨어질 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 에피택셜 공정과 같은 결정 성장 공정을 사용하지 않고, 분말체를 성형하여 열전 복합 구조체를 제조할 수 있기 때문에, 제조 공정이 용이하고 제조 비용이 저렴하며 대량 생산에 적합할 수 있다. 이때, 상기 분말체를 액체(용매) 내에 분산시켜 파티클(나노파티클)로 개별화한 후, 이를 이용한 막(film) 성형 공정을 진행할 수 있다. 이와 같이, 파티클(나노파티클)로 분산/개별화된 분말체를 이용해서 성형 공정을 진행할 경우, 나노파티클로 인한 효과(양자 구속 효과, 포논 산란 효과 등)를 용이하게 얻을 수 있다. 구체적인 예로, 진공 여과(vacuum filtration) 공정을 이용해서, 그래핀 나노파티클(혹은, 그래핀 나노파티클과 열전무기물 나노파티클의 혼합물)로 구성된 제1층과 열전무기물 나노파티클로 구성된 제2층을 교대로 적층한 적층체를 형성한 다음, 상기 적층체를 고온압축 방식으로 성형함으로써, 도 1에 도시된 바와 같은 적층 구조(100)를 제조할 수 있다. 상기 적층체의 성형시, 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)(SPS) 공정을 사용하면, 나노파티클들의 형태를 유지하면서 적층 구조(100)를 형성할 수 있다. 따라서, 적층 구조(100)의 제1 물질층(10) 및 제2 물질층(20) 각각은 복수의 나노파티클로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 나노파티클들에 의해 제1 및 제2 물질층(10, 20) 내에서 양자 구속 효과(quantum confinement effect)가 유도될 수 있고, 포논 산란(phonon scattering) 현상이 나타날 수 있으므로, 이로 인해, 열전특성이 더욱 개선될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 전술한 바에 한정되지 않는다. 즉, 제1 및 제2 물질층(10, 20) 중 적어도 하나는 복수의 나노파티클로 구성하지 않을 수도 있다. 일례로, 제1 물질층(10)은 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 그래핀 시트(graphene sheet)로 구성되거나, 복수의 그래핀 시트가 적층된 구조를 가질 수도 있다. 또한, 제2 물질층(20)은 단결정의 열전무기물로 구성되거나 다결정질의 열전무기물로 구성될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체가 가질 수 있는 구성을 보다 구체적으로 보여주는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 제1 물질층(10a)은 그래핀(나노파티클)으로 구성될 수 있고, 제2 물질층(20)은 열전무기물(나노파티클)로 구성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제1 물질층(10b)은 그래핀(나노파티클)과 열전무기물(나노파티클)의 복합체(혼합물)로 구성될 수 있고, 제2 물질층(20)은 열전무기물(나노파티클)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 그래핀(나노파티클)과 열전무기물(나노파티클)의 복합체는, 예컨대, 마이크로파 용매열(microwave solvothermal) 합성 공정 또는 마이크로파 수열(microwave hydrothermal) 합성 공정으로 합성된 그래핀-열전무기물 이종 복합 분말체일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체의 단면을 촬영한 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 도 3의 열전 복합 구조체는 도 2a의 구성을 갖는다. 이때, 제1 물질층(10a)은 그래핀(나노파티클)으로 구성되고, 제2 물질층(20)은 열전무기물인 Sb2Te3(나노파티클)로 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체에 사용될 수 있는 그래핀-열전무기물(Sb2Te3) 복합체의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다. 도 4에서 상대적으로큰 사이즈를 갖는 파티클들은 그래핀 나노파티클이고, 작은 사이즈의 파티클들은 Sb2Te3 나노파티클이다. 도 4의 복합체는 도 2b의 제1 물질층(10b)에 대응될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5의 실시예1은 도 2a에 대응하는 구조를 갖되, 제1 물질층(10a)은 그래핀(나노파티클)으로 구성되고, 제2 물질층(20)은 Sb2Te3(나노파티클)로 구성된다. 실시예2는 도 2b에 대응하는 구조를 갖되, 제1 물질층(10b)은 그래핀-Sb2Te3 복합체(나노파티클)로 구성되고, 제2 물질층(20)은 Sb2Te3(나노파티클)로 구성된다. 한편, 비교예에 따른 열전 구조체는 그 전체가 그래핀-Sb2Te3 복합체(나노파티클)로 구성된다. 즉, 상기 비교예에 따른 열전 구조체는 그래핀-Sb2Te3 복합체(나노파티클)로 이루어진 단층 구조를 갖는다. 상기 실시예2 및 비교예에서 그래핀-Sb2Te3 복합체(나노파티클)는 마이크로파 용매열(microwave solvothermal) 공정으로 합성된 그래핀-Sb2Te3 이종 복합 분말체로 형성하였다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 열전 구조체(단층 구조)의 제벡 계수보다 실시예1 및 실시예2에 따른 열전 구조체(즉, 도 2a 및 도 2b 구조)의 제벡 계수가 약 1.5배 이상 높게 나타났다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수직 방향(out-of-plane direction)으로의 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6의 실시예1, 실시예2 및 비교예의 열전 구조체는 각각 도 5에서 설명한 바와 동일하다.
도 6을 참조하면, 비교예에 따른 열전 구조체(단층 구조)의 제벡 계수보다 실시예1 및 실시예2에 따른 열전 구조체(즉, 도 2a 및 도 2b 구조)의 제벡 계수가 약 1.5배 이상 높게 나타났다.
도 5 및 도 6의 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따라 도 2a 및 도 2b와 같은 구조로 열전 복합 구조체를 형성하는 경우, 수평 방향(in-plane direction) 및 수직 방향(out-of-plane direction)으로 제벡 계수가 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열전 구조체(열전재료)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6의 실시예1 및 실시예2의 열전 구조체는 각각 도 5에서 설명한 바와 동일하다.
도 7을 참조하면, 실시예1 및 실시예2에 따른 열전 구조체의 수평 방향(in-plane direction)으로의 전기전도도는 약 700∼900 S/cm 정도로 비교적 높은 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 열전 복합 구조체는 적층 구조(110) 및 이에 접촉된 적어도 하나의 도전체(50)를 포함할 수 있다. 적층 구조(110)는 도 1의 적층 구조(100)와 유사한 구조를 가질 수 있다. 즉, 적층 구조(110)는 제1 물질층(10)과 제2 물질층(20)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있고, 제1 및 제2 물질층(10, 20)은 각각 도 1에서 설명한 제1 및 제2 물질층(10, 20)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 따라서, 제1 물질층(10)은 탄소나노물질을 포함하거나 탄소나노물질 및 열전무기물을 포함할 수 있고, 제2 물질층(20)은 열전무기물을 포함할 수 있다.
도전체(50)는 적층 구조(110)의 적층 방향(즉, out-of-plane direction)으로 연장될 수 있다. 도전체(50)는 제1 및 제2 물질층(10, 20)의 적어도 일측면에 접촉될 수 있다. 여기서는, 두 개의 도전체(50)가 서로 이격하여 구비되고, 이들 사이에 적층 구조(110)가 구비된 경우를 도시하였다. 도전체(50)는 적층 구조(110)의 양측면을 따라 형성되었다고 할 수 있다. 도전체(50)는 지주(pillar) 형상 또는 그와 유사한 형상을 가질 수 있다.
구체적인 예로, 도전체(50)는 탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)일 수 있다. 이 경우, 도전체(50)는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube)(MWCNT)일 수 있다. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 형성이 용이하고, 비교적 높은 강도를 가질 수 있다. 그러나, 경우에 따라, 도전체(50)는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube)(SWCNT)로 형성할 수도 있다. 도전체(50)는 탄소나노튜브(CNT)인 경우, 상기 탄소나노튜브(CNT)는 제1 및 제2 물질층(10, 20)의 측면에 직접 접촉될 수 있다. 여기서는, 도전체(50)의 구체적인 물질로 탄소나노튜브(CNT)를 제시하였지만, 도전체(50)의 물질은 탄소나노튜브(CNT)로 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 물질층(10, 20)보다 우수한 전기전도도를 갖는 물질이면 어느 물질이든 도전체(50)의 물질로 적용될 수 있다.
도 8에서와 같이, 도전체(50)를 구비시킬 경우, 도전체(50)에 의해 열전 복합 구조체의 적층 방향(즉, out-of-plane direction)으로의 전기전도도가 개선될 수 있다. 열전재료의 성능계수, 즉, ZT(figure of merit) 계수는 전기전도도(σ) 및 제백 계수(Seebeck coefficient)(S)에 비례하므로, 전기전도도가 높을수록 열전특성이 개선될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 복수의 도전체(50)가 서로 이격하여 구비될 수 있고, 이들 사이를 메우도록 적층 구조(111)가 구비될 수 있다. 소정의 기판(1) 상에 복수의 도전체(50), 예컨대, 복수의 탄소나노튜브(CNT)를 수직 방향으로 성장시킨 후, 이들 사이의 공간을 메우도록 적층 구조(111)를 형성할 수 있다. 적층 구조(111)는 도 1의 적층 구조(100) 및 도 8의 적층 구조(110)와 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있다. 적층 구조(111)를 구성하는 제1 및 제2 물질층(10, 20)은 각각 도 1(또는 도 8)의 제1 및 제2 물질층(10, 20)과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 9의 구조는 다른 방식으로 설명될 수 있다. 예컨대, 적층 구조(111) 내에 복수의 수직한 홀(hole)이 구비되고, 상기 복수의 수직한 홀 내에 도전체(50)가 구비된 것으로 여길 수도 있다.
도 10은 도 9의 열전 복합 구조체의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다. 도 10을 참조하면, 복수의 도전체(50)가 서로 이격하여 배열될 수 있고, 이들 사이의 공간 및 그 주변 공간을 채우도록 적층 구조(111)가 구비될 수 있다. 그러나 도 10의 평면 구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 열전 복합 구조체(열전재료)를 이용해서 다양한 열전소자를 구현할 수 있다. 이하에서는, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체(열전재료)를 적용한 열전소자에 대해 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체를 구성하는 적층 구조(100)는 소정의 전자장치, 예컨대, 부하장치(LD1)와 연결될 수 있다. 적층 구조(100)는 도 1에서 설명한 적층 구조(100)와 동일한 구조, 즉, 제1 및 제2 물질층(10, 20)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 부하장치(LD1)는 적층 구조(100)에서 발생된 전기를 소모하는 '전기소모장치'의 일례일 수 있다. 부하장치(LD1)는 적층 구조(100)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 양단(즉, 일단 및 타단)(E1, E2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 적층 구조(100)의 상기 일단(E1) 및 타단(E2)에 제1 및 제2 전극(70A, 70B)이 각각 구비될 수 있고, 제1 및 제2 전극(70A, 70B)에 부하장치(LD1)가 연결될 수 있다.
적층 구조(100)의 일단(E1)은 상대적으로 온도가 높은 고온영역(H1)에 접해 있을 수 있고, 타단(E2)은 상대적으로 온도가 낮은 저온영역(L1)에 접해 있을 수 있다. 이 경우, 열전효과에 의해 적층 구조(100)에서 전기가 발생할 수 있다. 예컨대, 고온영역(H1)에 접해 있는 일단(E1)에서 저온영역(L1)에 접해 있는 타단(E2)으로 전자(e-)(혹은 정공)이 이동할 수 있다. 전자(e-)(혹은 정공)은 부하장치(LD1)로 흐를 수 있다. 적층 구조(100)는 수평 방향(in-plane direction)으로 비교적 높은 전기전도도를 가질 수 있으므로, 적층 구조(100)를 통한 전류의 흐름이 용이할 수 있다. 또한, 적층 구조(100)는 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 열전소자는 우수한 열전특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 11의 부하장치(LD1)는 전기를 저장하기 위한 수단, 즉, 축전지와 같은 '전기저장장치'로 대체될 수 있다. 이 경우, 적층 구조(100)에 발생된 전기가 상기 전기저장장치에 저장될 수 있다.
도 11에서는 적층 구조(100)를 이용해서 열전발전소자를 구현한 예를 도시하고 설명하였지만, 적층 구조(100)를 이용해서 열전냉각소자를 구현할 수도 있다. 그 일례가 도 12에 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 적층 구조(100)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 양단(E1, E2)에 전원(V1)이 연결될 수 있다. 전원(V1)으로 적층 구조(100)에 전류를 인가하면, 펠티어 효과(Peltier effect)에 의해 적층 구조(100)의 일단(E1)은 주위의 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 적층 구조(100)의 일단(E1) 주변은 냉각될 수 있다. 전원(V1)은 전기를 공급하기 위한 장치(즉, 전기공급장치)의 일례이고, 그 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다. 도 12 및 이로부터 변형된 소자는, 예컨대, 전기회로나 자동차 엔진부 등에서 발생된 열을 낮추는 용도로 사용될 수 있다.
도 11 및 도 12에서는 적층 구조(100)의 수평 방향(in-plane direction)으로의 양단(E1, E2)에 전자장치(LD1, V1 등)를 연결하여 열전소자를 구성한 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적층 구조(100)의 수직 방향(즉, out-of-plane direction)으로의 양단에 전자장치를 연결하여 열전소자를 구현할 수도 있다. 그 예들이 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다. 도 13의 열전소자는 도 9에 도시된 열전 복합 구조체를 포함한다.
도 13을 참조하면, 도 9와 같은 적층 구조(111) 및 도전체(50)를 포함하는 열전 복합 구조체가 마련되고, 그의 수직 방향(즉, out-of-plane direction)으로의 양단(일단 및 타단)(E10, E20)에 제1 및 제2 전극(75A, 75B)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(75A, 75B)은 소정의 전자장치, 예컨대, 부하장치(LD10)에 연결될 수 있다. 부하장치(LD10)는 도 11을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 열전 복합 구조체의 일단(E10)은 상대적으로 온도가 높은 고온영역(H10)에 접해 있을 수 있고, 타단(E20)은 상대적으로 온도가 낮은 저온영역(L10)에 접해 있을 수 있다. 이 경우, 열전효과에 의해 적층 구조(111)에서 전기가 발생할 수 있다. 적층 구조(111)에 접촉된 도전체(50)에 의해 열전 복합 구조체의 전기전도도가 개선될 수 있으므로, 그리고, 적층 구조(111)은 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 가질 수 있으므로, 본 실시예의 열전소자는 우수한 열전특성을 나타낼 수 있다. 도 13의 열전소자는, 도 11의 열전소자와 유사하게, 열전발전소자일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 13에서 부하장치(LD10)는 전기를 저장하기 위한 수단, 즉, 축전지와 같은 '전기저장장치'로 대체될 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 도 9에 도시된 열전 복합 구조체를 포함하는 열전냉각소자의 일례를 보여준다.
도 14를 참조하면, 열전 복합 구조체의 수직 방향(즉, out-of-plane direction)으로의 양단(E10, E20)에 제1 및 제2 전극(75A, 75B)이 구비될 수 있고, 제1 및 제2 전극(75A, 75B)에 전원(V10)이 연결될 수 있다. 전원(V10)으로 적층 구조(111)에 전류를 인가하면, 펠티어 효과(Peltier effect)에 의해 열전 복합 구조체의 일단(E10)은 주위의 열을 흡수할 수 있다. 즉, 열전 복합 구조체의 일단(E10)에서 적층 구조(111)에 의해 주위의 열이 흡수될 수 있다. 따라서, 열전 복합 구조체의 일단(E10) 주변은 냉각될 수 있다. 전원(V10)은 전기를 공급하기 위한 장치(즉, 전기공급장치)의 일례이고, 그 구체적인 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
도 11 내지 도 14에서는 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체(열전재료)를 포함하는 열전소자의 기본적인 구성에 대해 설명하였다. 도 11 내지 도 14의 기본적인 구성을 변형하여 매우 다양한 형태의 열전소자를 구현할 수 있다. 이러한 변형 및 응용에 대해서는 당업자라면 잘 알 수 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 부가해서, 여기에 도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 열감지센서로도 사용될 수 있다. 열감지센서의 기본적인 구성에 대해서는 당업자에게 잘 알려진바, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 8 내지 도 10의 열전 복합 구조체의 구성 및 도 11 내지 도 14의 열전소자의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 본 발명의 실시예에 따른 열전 복합 구조체는 제1 물질층(10) 및 제2 물질층(20) 이외에 제3의 물질층을 더 포함하도록 구성될 수도 있다. 또한, 복수의 열전 복합 구조체를 직렬 또는 병렬로 연결하여 소정의 모듈을 구성할 수 있고, 이러한 모듈을 이용해서 열전장치를 구성할 수 있다. 그 밖에도 다양한 변형/응용이 가능할 수 있다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a, 10b : 제1 물질층 20 : 제2 물질층
50 : 도전체 70A, 75A : 제1 전극
70B, 75B : 제2 전극 100, 110, 111 : 적층 구조
L1, L10 : 저온영역 H1, H10 : 고온영역
LD1, LD10 : 부하장치 V1, V10 : 전원

Claims (29)

  1. 탄소나노물질을 포함하는 제1 물질층과 열전무기물을 포함하는 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조를 구비하는 열전 복합 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노물질은 그래핀(graphene)을 포함하는 열전 복합 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노물질은 그래핀 나노파티클(graphene nanoparticles)을 포함하는 열전 복합 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 물질층은 열전무기물을 더 포함하는 열전 복합 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 물질층의 상기 열전무기물은 복수의 나노파티클(nanoparticle)로 구성된 열전 복합 구조체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 물질층은 상기 탄소나노물질과 열전무기물의 복합체를 포함하는 열전 복합 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 물질층의 상기 열전무기물은 복수의 나노파티클(nanoparticle)로 구성된 열전 복합 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 물질층의 상기 열전무기물은 Sb-Te계, Bi-Te계, Bi-Sb-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sm-Co계 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 열전 복합 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 물질층의 적층 방향으로 연장되고, 상기 제1 및 제2 물질층의 측면에 접촉된 도전체를 더 포함하는 열전 복합 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 도전체는 지주(pillar) 형상을 갖는 열전 복합 구조체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 도전체는 탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 포함하는 열전 복합 구조체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전체는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube)(MWCNT)를 포함하는 열전 복합 구조체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전체는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube)(SWCNT)를 포함하는 열전 복합 구조체.
  14. 제 9 항에 있어서,
    복수의 상기 도전체가 서로 이격하여 배열되고, 이들 사이를 메우도록 상기 적층 구조가 구비된 열전 복합 구조체.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 하나에 기재된 열전 복합 구조체를 포함하는 열전소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열전 복합 구조체의 상기 적층 구조의 수평 방향(in-plane direction)으로의 양단에 전기적으로 연결된 전자장치를 더 포함하는 열전소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전자장치는 전기소모장치, 전기저장장치 및 전기공급장치 중 하나인 열전소자.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 열전 복합 구조체의 상기 적층 구조의 적층 방향(out-of-plane direction)으로의 양단에 전기적으로 연결된 전자장치를 더 포함하는 열전소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전자장치는 전기소모장치, 전기저장장치 및 전기공급장치 중 하나인 열전소자.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 열전소자는 열전발전소자, 열전냉각소자 또는 열감지센서인 열전소자.
  21. 열전재료를 포함하는 열전소자에 있어서,
    상기 열전재료는 탄소나노물질을 포함하는 제1 물질층과 열전무기물을 포함하는 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조를 구비하고,
    상기 탄소나노물질 및 상기 열전무기물 중 적어도 하나는 복수의 나노파티클로 구성된 열전소자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 물질층은 상기 탄소나노물질과 열전무기물의 복합체를 포함하는 열전소자.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 열전재료는 상기 제1 및 제2 물질층의 측면을 따라 연장된 도전체를 더 포함하는 열전소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 도전체는 탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 포함하는 열전소자.
  25. 제 23 항에 있어서,
    복수의 상기 도전체가 서로 이격하여 배열되고, 이들 사이를 메우도록 상기 적층 구조가 구비된 열전소자.
  26. 열전재료를 포함하는 열전소자에 있어서,
    상기 열전재료는,
    서로 다른 제1 및 제2 물질층이 교대로 적층된 적층 구조; 및
    상기 적층 구조의 적층 방향으로 연장되고, 상기 제1 및 제2 물질층들을 연결하는 적어도 하나의 도전체;를 포함하는 열전소자.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 물질층은 탄소나노물질을 포함하고,
    상기 제2 물질층은 열전무기물을 포함하는 열전소자.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제1 물질층은 열전무기물을 더 포함하는 열전소자.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 도전체는 탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 포함하는 열전소자.
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