KR20140101121A - 열전소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 하부 기판, 상기 하부 기판 상에 적층된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 적층된 P형 셀(P type cell), 상기 제1 전극 상에 적층된 N형 셀(N type cell), 상기 P형 셀 및 상기 N형 셀 상에 적층된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 적층된 상부 기판을 포함하고, 상기 N형 셀의 단면적은 상기 P형 셀의 단면적보다 크게 설정된다.

Description

열전소자{THERMO ELECTRIC DEVICE}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전소자의 구조에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, 전기저항의 온도 변화를 이용하거나, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하거나, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용할 수 있다.
한편, 열전소자는 발전용 열전소자와 냉각용 열전소자로 구분될 수 있다. 일반적인 냉각용 열전소자는 N형/P형 셀, N형/P형 셀을 연결하는 전극, N형/P형 셀과 전극을 지지하며 열교환 기능을 가지는 상/하부 기판을 포함한다. 이때, N형 셀과 P형 셀 간의 특성 차(예를 들어, N형 셀의 ZT는 0.8 내지 1.1이고, P형 셀의 ZT는 1.2 내지 1.6)로 인하여 전류(current) 차이(Gap)가 발생할 수 있다. 도 1은 일반적인 열전소자의 N형 셀과 P형 셀 간의 전류 차이 및 이로 인하여 형성되는 델타 Tmax를 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, N형 셀(전기전도도 4000~5000 S/m)에 대한 전류 흐름과 P형 셀(전기전도도 8000~9000 S/m)에 대한 전류 흐름이 상이하여, 열전소자의 냉각 성능을 결정하는 델타 Tmax가 낮아질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개선된 성능을 가지는 냉각용 열전소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자는 하부 기판, 상기 하부 기판 상에 적층된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 적층된 P형 셀(P type cell), 상기 제1 전극 상에 적층된 N형 셀(N type cell), 상기 P형 셀 및 상기 N형 셀 상에 적층된 제2 전극, 그리고 상기 제2 전극 상에 적층된 상부 기판을 포함하고, 상기 N형 셀의 단면적은 상기 P형 셀의 단면적보다 크게 설정된다.
상기 P형 셀의 단면적에 대한 상기 N형 셀의 단면적의 비는 1보다 크고 2.1보다 작을 수 있다.
상기 P형 셀의 단면적에 대한 상기 N형 셀의 단면적의 비는 1.3 내지 1.7일 수 있다.
상기 P형 셀은 Bi2 -x- ySbx -yTe3Cuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2 -xSbxTe3(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함하고, 상기 N형 셀은 Bi2Te3 -x-ySexCuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2Te3 -xSex(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함할 수 있다.
상기 열전소자의 제벡 지수는 0.8 이상이고, 델타 Tmax는 75℃ 이상일 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 N형 셀의 적층을 위한 제1 영역 및 상기 P형 셀의 적층을 위한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 좁게 형성될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 DBC(Direct Bonding Copper)는 세라믹 소재의 기판, 그리고 상기 기판 상에 적층되며, P형 셀 및 N형 셀의 적층을 위한 적어도 하나의 전극을 포함하고, 상기 전극은 상기 N형 셀의 적층을 위한 제1 영역 및 상기 P형 셀의 적층을 위한 제2 영역을 포함하며, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 좁게 형성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 개선된 냉각용 열전소자를 얻을 수 있다. 즉, N형 셀과 P형 셀의 특성 차로 인한 전류 차를 줄임으로써 상부 기판과 하부 기판 간의 델타 Tmax를 개선할 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 흡열 및 발열 효과를 높일 수 있으며, 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 열전소자의 N형 셀과 P형 셀 간의 전류 차이 및 이로 인하여 형성되는 델타 Tmax를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자를 나타낸다.
도 3은 도 2의 X의 단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 열전소자의 N형 셀과 P형 셀의 전류 흐름 및 이로 인하여 형성되는 델타 Tmax를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전극을 위한 DBC(Direct Bonding Copper)이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극을 위한 DBC이다.
도 7은 도 5의 전극의 확대도이다.
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.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 열전소자의 N형 셀을 P형 셀보다 크게 설정함으로써, 열전소자의 성능을 개선하고자 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 열전소자(200)는 하부 기판(210), 전극(220), 결합부(230), N형 셀(240), P형 셀(250), 결합부(260), 전극(270) 및 상부 기판(280)을 포함한다. 하부 기판(210) 상에 전극(220)이 적층되고, 전극(220) 상에 N형 셀(240) 및 P형 셀(250)이 적층되며, N형 셀(240) 및 P형 셀(250) 상에 전극(270)이 적층되고, 전극(270) 상에 상부 기판(280)이 적층된다.
N형 셀(240)은, 예를 들면 Bi2Te3 -x-ySexCuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2Te3 -xSex(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함할 수 있다. P형 셀(250)은, 예를 들면 Bi2 -x- ySbx -yTe3Cuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2 -xSbxTe3(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함할 수 있다.
한편, 결합부(230, 260)는 전극(220, 270)과 N형 셀(240), P형 셀(250) 사이의 결합재로 이루어진다. 결합부(230, 260)는 전극 또는 결합재의 성분이 N형 셀(240) 또는 P형 셀(250)로 확산되는 것을 방지하기 위하여 확산 방지층을 포함할 수 있다. 확산 방지층은, 예를 들면 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 결합부(230, 260)는 적층된 복수의 확산 방지층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 결합부(230, 260)는 Ni을 포함하는 확산 방지층 및 Sn-Bi를 포함하는 확산 방지층을 포함할 수 있다.
하부 기판(210) 및 상부 기판(280)은 Al2O3(Alumina), BN(Boron Nitride) 및 탄소 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 탄소 소재는, 예를 들면 알루미늄 실리콘 카바이드 복합 재료(AlSiC), 흑연(Graphite), 카본 블랙(Caron Black), 그래핀(Graphene), 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 이들로부터 선택된 혼합물 중 하나일 수 있다.
전극(220, 270)에 리드선을 통하여 직류 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 셀(250)로부터 N형 셀(240)로 전류가 흐르는 하부 기판(210)은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 셀(240)로부터 P형 셀(250)로 전류가 흐르는 상부 기판(280)은 가열되어 발열부로 작용한다. 이에 따라, 상부 기판(280)은 하부 기판(280)에 비하여 뜨겁다. 상부 기판(280)과 하부 기판(280)의 온도 차를 델타 Tmax라고 하는데, 델타 Tmax가 클수록 열전소자(200)의 냉각 성능이 우수하다고 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, N형 셀(240)은 P형 셀(250)보다 크게 형성된다. 도 3은 도 2의 X의 단면을 나타낸다. 도 3을 참조하면, N형 셀(240)의 단면적은 P형 셀(250)의 단면적보다 크게 설정된다. 예를 들어, P형 셀(250)의 단면적에 대한 N형 셀(240)의 단면적의 비는 1보다 크고 2.1보다 작게 설정될 수 있다. 각 셀의 높이와 너비가 동일한 경우, P형 셀(250)의 높이(HP) 또는 너비(WP)에 대한 N형 셀(240)의 높이(HN) 또는 너비(WN)의 비는 1보다 크고 1.42보다 작게 형성될 수 있다. 바람직하게는, P형 셀(250)의 단면적에 대한 N형 셀(240)의 단면적의 비는 1.3 내지 1.7로 설정될 수 있다. 즉, P형 셀(250)의 높이(HP) 또는 너비(WP)에 대한 N형 셀(240)의 높이(HN) 또는 너비(WN)의 비는 1.14 내지 1.29로 설정될 수 있다. 예를 들어, P형 셀의 높이(HP)*너비(WP)가 1.4mm*1.4mm인 경우, N형 셀의 높이(HN)*너비(WN)는 1.4mm*1.4mm, 1.6mm*1.6mm, 1.8mm*1.8mm, 2.0mm*2.0mm 등으로 형성될 수 있다.
이와 같이, N형 셀의 단면적이 커질수록 N형 셀에 대한 저항(Resistivity)은 작아진다. 따라서, N형 셀에 대한 전류가 커지므로, N형 셀과 P형 셀의 전류 차는 작아진다.
표 1은 N형 셀의 크기에 따른 저항 값을 나타내며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 열전소자의 N형 셀과 P형 셀의 전류 흐름 및 이로 인하여 형성되는 델타 Tmax를 나타내는 그래프이다.
N형 셀의 크기(HN*WN) 평균 저항(Ω)
2.0*2.0 1.387
1.8*1.8 1.559
1.6*1.6 1.905
1.4*1.4 2.408
표 1을 참조하면, N형 셀의 크기가 커질수록 N형 셀의 평균 저항이 낮아진다. 이에 따라, N형 셀에 대하여 흐르는 전류는 커진다.
도 4와 같이, N형 셀에 대하여 흐르는 전류가 커진 경우, 즉 N형 셀에 대한 전류 흐름과 P 형 셀에 대한 전류 흐름이 비슷해진 경우, 델타 Tmax는 높아짐을 알 수 있다.
표 2는 일반적인 열전소자와 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 성능 차를 나타낸다.
여기서, 열전소자 A는 N형 셀과 P형 셀의 크기가 동일한 일반적인 열전소자이고, 열전소자 B는 P형 셀의 단면이 1.4mm*1.4mm이고, N형 셀의 단면이 1.8mm*1.8mm인 열전소자이다. 이를 위하여, 상온에서 Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하였고, 이를 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산하였다. 제벡 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
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.
구분 열전소자 A 열전소자 B
ZT 0.61 0.807
델타 Tmax 63℃ 75℃
이와 같이, 열전소자의 N형 셀의 크기가 P형 셀의 크기보다 큰 경우, ZT 및 델타 Tmax를 높일 수 있어, 냉각 성능을 개선할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 N형 셀을 P형 셀보다 크게 형성할 경우, N형 셀과 P형 셀을 적층하기 위한 하부 전극 및 N형 셀과 P형 셀 상에 적층되는 상부 전극의 구조도 바뀔 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전극을 위한 DBC(Direct Bonding Copper)이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극을 위한 DBC이며, 도 7은 도 5의 전극의 확대도이다. 도 5는, 예를 들어 도 2의 전극(270)을 위한 DBC이고, 도 6은, 예를 들어 도 2의 전극(220)을 위한 DBC일 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, DBC(500)는 기판(510) 및 기판(510) 상에 적층된 적어도 하나의 전극(520)을 포함한다.
기판(510)은, 예를 들면 세라믹(ceramic) 소재로 이루어질 수 있다. 전극(520)은, 예를 들면 구리 소재로 이루어질 수 있다.
전극(520)은 기판(510) 상에 행 또는 열로 정렬되어 적층되며, 기판(510)의 두께는, 예를 들면 0.5mm 내지 1.5mm, 바람직하게는 0.8mm 내지 1.2mm이고, 전극(520)의 두께는, 예를 들면 0.1mm 내지 0.5mm, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.4mm일 수 있다.
전극(520)은 N형 셀의 적층을 위한 영역(522) 및 P형 셀의 적층을 위한 영역(524)을 포함한다. N형 셀의 적층을 위한 영역(522)은 P형 셀의 적층을 위한 영역(524)보다 넓게 형성될 수 있다. 예를 들어, N형 셀의 적층을 위한 영역(522)의 높이에 대한 P형 셀의 적층을 위한 영역(524)의 높이의 비는 1보다 크고 1.42보다 작을 수 있고, N형 셀의 적층을 위한 영역(522)의 너비에 대한 P형 셀의 적층을 위한 영역(524)의 너비의 비는 1보다 크고 1.42보다 작을 수 있다.
이에 따라, DBC를 제작하기 위한 재료비를 절감할 수 있고, 열전소자의 비용을 줄일 수도 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.

Claims (8)

  1. 하부 기판,
    상기 하부 기판 상에 적층된 제1 전극,
    상기 제1 전극 상에 적층된 P형 셀(P type cell),
    상기 제1 전극 상에 적층된 N형 셀(N type cell),
    상기 P형 셀 및 상기 N형 셀 상에 적층된 제2 전극, 그리고
    상기 제2 전극 상에 적층된 상부 기판을 포함하고,
    상기 N형 셀의 단면적은 상기 P형 셀의 단면적보다 크게 설정되는 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 P형 셀의 단면적에 대한 상기 N형 셀의 단면적의 비는 1보다 크고 2.1보다 작은 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 P형 셀의 단면적에 대한 상기 N형 셀의 단면적의 비는 1.3 내지 1.7인 열전소자.
  4. 제1항에 있어서
    상기 P형 셀은 Bi2 -x- ySbx -yTe3Cuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2 -xSbxTe3(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함하고,
    상기 N형 셀은 Bi2Te3 -x-ySexCuy(0.1<x<0.5, 0<y<0.1) 또는 Bi2Te3 -xSex(0.1<x<0.5, 0<y<0.1)를 포함하는 열전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전소자의 제벡 지수는 0.8 이상이고, 델타 Tmax는 75℃ 이상인 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 N형 셀의 적층을 위한 제1 영역 및 상기 P형 셀의 적층을 위한 제2 영역을 포함하며,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 좁게 형성되는 열전소자.
  7. 열전소자의 DBC(Direct Bonding Copper)에 있어서,
    세라믹 소재의 기판, 그리고
    상기 기판 상에 적층되며, P형 셀 및 N형 셀의 적층을 위한 적어도 하나의 전극을 포함하고,
    상기 전극은 상기 N형 셀의 적층을 위한 제1 영역 및 상기 P형 셀의 적층을 위한 제2 영역을 포함하며,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역보다 좁게 형성되는 DBC.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 영역의 높이에 대한 상기 제1 영역의 높이의 비는 1보다 크고 1.42보다 작으며,
    상기 제2 영역의 너비에 대한 상기 제1 영역의 너비의 비는 1보다 크고 1.42보다 작은 DBC.
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