WO2017014567A1 - 열전 소자 및 이를 포함하는 냉각 장치 - Google Patents

열전 소자 및 이를 포함하는 냉각 장치 Download PDF

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legs
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윤상인
김성철
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric element, and more particularly to a thermoelectric element and a cooling device including the same.
  • Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes in a material, and means a direct energy conversion between heat and electricity.
  • thermoelectric device is a generic term for a device using thermoelectric phenomena, a device using a temperature change of an electrical resistance, a device using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and a Peltier effect, a phenomenon in which endothermic or heat generation is generated by current. And an element using the same.
  • thermoelectric devices are widely applied to home appliances, electronic parts, and communication parts, and the demand for thermoelectric performance of thermoelectric devices is increasing.
  • thermoelectric element includes a substrate, an electrode and a thermoelectric leg.
  • Thermoelectric legs can be an important indicator of the performance of thermoelectric devices.
  • the thermoelectric element is a device using the Peltier effect, when a voltage is applied from the outside, the holes of the P-type thermoelectric leg and the electrons of the N-type thermoelectric leg move to generate heat and endothermic.
  • the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg is different in electrical conductivity due to the difference in the thermoelectric material, there is a limit in the performance.
  • thermoelectric device having improved performance and a cooling device including the same.
  • the number of effective peaks of the N-type thermoelectric leg is less than the number of effective peaks of the P-type thermoelectric leg, and the effective peak may be a peak that occupies 4% or more with respect to 100% intensity of all peaks.
  • the difference between the effective peak number of the N-type thermoelectric leg and the effective peak number of the P-type thermoelectric leg may be six or more.
  • the intensity of the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg may be higher than the intensity of the highest peak among the effective peaks of the P-type thermoelectric leg.
  • the difference between the intensity of the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg and the intensity of the highest peak among the effective peaks of the P-type thermoelectric leg may be 50% or more.
  • the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg is represented in the (0,0, X) plane, and X may be any number.
  • the intensity of the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg may be 90% or more with respect to 100% of the total intensity.
  • the N-type thermoelectric leg and the P-type thermoelectric leg may include bismustelluride (Bi-Te).
  • the N-type thermoelectric leg may have the highest peak at the (0,0,15) plane, and the P-type thermoelectric leg may have the highest peak at the (0,1,5) plane.
  • the crystalline shape of the N-type thermoelectric leg may be more uniform than the crystalline shape of the P-type thermoelectric leg.
  • the thermal conductivity of the N-type thermoelectric leg may be higher than the thermal conductivity of the P-type thermoelectric leg.
  • the N-type thermoelectric leg may be manufactured by zone melting, and the P-type thermoelectric leg may be manufactured by powder sintering.
  • the peak number of the N-type thermoelectric legs and the peak number of the P-type thermoelectric legs include different thermoelectric elements.
  • thermoelectric element having excellent performance it is possible to obtain a thermoelectric element having excellent performance.
  • thermoelectric element having a high Seebeck index (ZT) by optimizing the thermal and electrical conductivity of the P-type thermoelectric legs and the N-type thermoelectric legs.
  • ZT Seebeck index
  • thermoelectric element 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element.
  • thermoelectric element 2 is a perspective view of a thermoelectric element.
  • 3 is an SEM photograph of an N-type thermoelectric leg manufactured according to the zone melting method.
  • thermoelectric leg 4 is a SEM photograph of a P-type thermoelectric leg manufactured according to the zone melting method.
  • thermoelectric leg manufactured by the powder sintering method is an SEM photograph of an N-type thermoelectric leg manufactured by the powder sintering method.
  • thermoelectric leg 6 is a SEM photograph of a P-type thermoelectric leg manufactured according to the powder sintering method.
  • thermoelectric device 7 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric device 8 is a perspective view of a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • thermoelectric leg 9 is an XRD analysis result of the N-type thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric leg 10 is an XRD analysis result of the P-type thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention.
  • ordinal numbers such as second and first
  • first and second components may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric element
  • FIG. 2 is a perspective view of the thermoelectric element.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, and an upper substrate. 160.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is the upper substrate 160 and the P-type. Disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150.
  • the substrate flowing current from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect is The substrate absorbs heat and acts as a cooling unit, and a substrate flowing current from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated to act as a heat generating unit.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including bismuth (Bi) and tellurium (Ti) as a main raw material.
  • Bi-Te bismuth fluoride
  • Ti tellurium
  • thermoelectric device The performance of the thermoelectric device according to the exemplary embodiment of the present invention may be represented by Seebeck index.
  • the Seebeck index ZT may be expressed as in Equation 1.
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V / K]
  • sigma is the electrical conductivity [S / m]
  • ⁇ 2 sigma is the Power Factor [W / mK 2 ].
  • T is the temperature and k is the thermal conductivity [W / mK].
  • k can be expressed as ac p ⁇ , a is thermal diffusivity [cm 2 / S], c p is specific heat [J / gK], and ⁇ is density [g / cm 3 ].
  • the Z value (V / K) may be measured using a Z meter, and the Seebeck index (ZT) may be calculated using the measured Z value.
  • the thermoelectric leg can affect the Seebeck index of the thermoelectric element.
  • the thermoelectric leg may be manufactured by a zone melting method or a powder sintering method.
  • a zone melting method an ingot is manufactured by using a thermoelectric material, and then, by slowly applying heat to the ingot, the particles are rearranged so as to be rearranged in a single direction, and the thermoelectric leg is slowly cooled.
  • the powder sintering method after manufacturing an ingot using a thermoelectric material, the ingot is pulverized and sieved to obtain a thermoelectric leg powder, and the thermoelectric leg is obtained through the sintering process.
  • FIG. 3 is an SEM photograph of an N-type thermoelectric leg manufactured by the zone melting method
  • FIG. 4 is an SEM photograph of a P-type thermoelectric leg manufactured by the zone melting method
  • FIG. 5 is an N-type manufactured by the powder sintering method.
  • SEM picture of the thermoelectric leg Figure 6 is a SEM picture of the P-type thermoelectric leg produced according to the powder sintering method.
  • Table 1 shows the characteristics of the thermoelectric legs manufactured according to the zone melting method and the thermoelectric legs manufactured according to the powder sintering method.
  • the crystalline shape of the thermoelectric leg produced by the zone melting method and the thermoelectric leg produced by the powder sintering method is different from each other. That is, the crystal shape of the thermoelectric leg produced by the zone melting method is more uniform than the crystal shape of the thermoelectric leg produced by the powder sintering method.
  • the crystal shape of the single crystal formed in a predetermined direction can be obtained.
  • the thermoelectric leg is manufactured by the powder sintering method, the crystal shape of the polycrystal formed in the various directions can be obtained.
  • thermoelectric leg when the thermoelectric leg is manufactured by the zone melting method, the bonding strength of Bi and Te is low, the strength is weak, and the thermal conductivity is high, it is difficult to obtain a high Seebeck index (ZT).
  • ZT high Seebeck index
  • the thermoelectric leg when the thermoelectric leg is manufactured by the powder sintering method, it may have strength and low thermal conductivity.
  • the P-type thermoelectric leg since the electrical conductivity is very low due to the characteristics of the thermoelectric material, a high Seebeck index (ZT) is obtained. There is a problem that is difficult to obtain.
  • the P-type thermoelectric leg may have high electrical conductivity even when manufactured by the powder sintering method, and the high-cooling performance may be obtained when the P-type thermoelectric leg is manufactured by the powder sintering method.
  • the P-type thermoelectric leg and the N-type thermoelectric leg included in the thermoelectric element are manufactured in different ways to optimize the electrical conductivity and the thermal conductivity.
  • thermoelectric device 7 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a perspective view of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 200 may include a lower substrate 210, a lower electrode 220, a P-type thermoelectric leg 230, an N-type thermoelectric leg 240, an upper electrode 250, and an upper substrate. 260.
  • the lower electrode 220 is disposed between the lower substrate 210 and the lower bottom surface of the P-type thermoelectric leg 230 and the N-type thermoelectric leg 240, and the upper electrode 250 is the upper substrate 260 and the P-type.
  • the thermoelectric leg 230 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 240 is disposed. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 230 and the plurality of N-type thermoelectric legs 240 are alternately arranged and electrically connected by the lower electrode 220 and the upper electrode 250.
  • the substrate flowing current from the P-type thermoelectric leg 230 to the N-type thermoelectric leg 240 due to the Peltier effect The substrate absorbs heat and acts as a cooling unit, and a substrate flowing current from the N-type thermoelectric leg 240 to the P-type thermoelectric leg 230 may be heated to act as a heat generating unit.
  • the lower substrate 210 and the upper substrate 260 may be a metal substrate, for example, a Cu substrate, a Cu alloy substrate, a Cu—Al alloy substrate, an Al 2 O 3 substrate, or the like.
  • the lower electrode 220 and the upper electrode 250 may include an electrode material such as Cu, Ag, or Ni, and the thickness may be in the range of 0.01 mm to 0.3 mm.
  • a dielectric layer may be formed between the lower substrate 210 and the lower electrode 220 and between the upper substrate 260 and the upper electrode 250.
  • the P-type thermoelectric leg 230 and the N-type thermoelectric leg 240 may be a bismuth fluoride (Bi-Te) -based thermoelectric leg including bismuth (Bi) and tellurium (Ti) as main materials.
  • the P-type thermoelectric leg 230 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga) ) And at least one of indium (In).
  • the N-type thermoelectric leg 240 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga) and It may further include at least one of indium (In).
  • the crystal shape of the P-type thermoelectric leg 230 and the crystal shape of the N-type thermoelectric leg 240 are different from each other. That is, the N-type thermoelectric leg 240 has the crystal shape illustrated in FIG. 3, and the P-type thermoelectric leg 230 has the crystal shape illustrated in FIG. 6. As described above, the crystal shape of the N-type thermoelectric leg 240 is more uniform than that of the P-type thermoelectric leg 230. That is, crystals of the N-type thermoelectric leg 240 are formed in a uniform direction, and crystals of the P-type thermoelectric leg 230 are formed in various directions as compared with the crystals of the N-type thermoelectric leg 240.
  • the N-type thermoelectric leg 240 is manufactured according to the zone melting method, the electrical conductivity (S / m) is 100,000 ⁇ 110,000, the Seebeck coefficient (uV / K) is 200 ⁇ 10, the thermal conductivity (W / mK) may be 1.2 to 1.6. Then, the P-type thermoelectric leg 230 is manufactured according to the powder sintering method, the electrical conductivity (S / m) is 90,000 ⁇ 100,000, Seebeck coefficient (uV / K) is 200 ⁇ 10, thermal conductivity (W / mK ) May have a property of 0.9 to 1.1. Accordingly, the thermoelectric performance and the cooling performance of the thermoelectric device including the P-type thermoelectric leg 230 and the N-type thermoelectric leg 240 may be improved by optimizing the thermal conductivity and the electrical conductivity.
  • thermoelectric leg 230 and the N-type thermoelectric leg 240 are different from each other.
  • FIG. 9 is a graph showing the XRD analysis results of the N-type thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a graph showing the XRD analysis results of the P-type thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention.
  • Table 2 shows the analysis result values of the graph of FIG. 9, and Table 3 shows the analysis result values of the graph of FIG. 10.
  • the number of peaks of the N-type thermoelectric legs 240 and the P-type thermoelectric legs 250 in the X-ray diffraction (XRD) analysis in the range 2 ⁇ 20 to 60 °.
  • the number of peaks is different from each other, and the effective peak number of the N-type thermoelectric leg 240 is less than the effective peak number of the P-type thermoelectric leg 230.
  • the effective peak means a peak that occupies 4% or more with respect to 100% of the intensity of the entire peak.
  • the intensity of the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg 240 is higher than the intensity of the highest peak among the effective peaks of the P-type thermoelectric leg 230, and the N-type thermoelectric leg 240 It can be seen that the difference between the intensity of the highest peak among the effective peaks of and the intensity of the highest peak of the effective peaks of the P-type thermoelectric leg 230 is 50% or more.
  • the N-type thermoelectric leg 240 is manufactured by the zone melting method, crystals are formed in a uniform direction. Accordingly, the highest peak among the effective peaks of the N-type thermoelectric leg 240 appears in the (O, 0, X) plane, X may be any number. As illustrated in FIGS. 9 to 10 and Tables 2 to 3, when the N-type thermoelectric leg 240 and the P-type thermoelectric leg 230 include bismustelluride (Bi-Te), the N-type thermoelectric leg 240 ) Has the highest peak at the (0,0,15) plane, and the P-type thermoelectric leg 230 has the highest peak at the (0,1,5) plane, which is the main peak. From this, it can be seen that the N-type thermoelectric leg 240 is formed in a uniform direction, but the P-type thermoelectric leg 230 is formed in various directions compared to the N-type thermoelectric leg 240.
  • Bi-Te bismustelluride
  • the Seebeck index may be increased and the cooling performance of the thermoelectric element may be improved.
  • Table 4 shows the results of comparing the performance according to the comparative example and the example.
  • Comparative Example 1 is a case where the N-type thermoelectric leg and P-type thermoelectric leg are manufactured to have the crystal shape of Figures 3 to 4, respectively, and Comparative Example 2 is an N-type thermoelectric leg and P-type thermoelectric leg respectively
  • the case is manufactured to have a crystal shape of 5 to 6
  • the embodiment is a case where the N-type thermoelectric leg has a crystal shape of Figure 3 and the P-type thermoelectric leg is manufactured to have a crystal shape of FIG.
  • Qc (W) represents the cooling heat capacity, and by using the principle that the temperature decreases when the thermoelectric element is cooled, the heat is applied to the cooling part of the thermoelectric element to heat up to the point where the temperature of the cooling part and the heating part becomes the same.
  • Qc (W) was measured by Qc (W).
  • the temperature of one side of the thermoelectric element is kept constant by using the cooling water, and the thermoelectric element is driven to cool the opposite side, and then the one side and the opposite side at the time when the temperature of the opposite side no longer decreases.
  • the temperature difference of was measured by (DELTA) T (degreeC).
  • Qc (W) was divided by input power and measured by COPc.
  • thermoelectric element according to the exemplary embodiment of the present invention may be applied to a power generation device, a thermal device, etc. as well as a cooling device.
  • the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention mainly includes optical communication modules, sensors, medical devices, measuring devices, aerospace industry, refrigerators, chillers, automobile ventilation sheets, cup holders, washing machines, dryers, and wine cellars. It can be applied to water purifier, sensor power supply, thermopile and the like.
  • PCR equipment is a device for amplifying DNA to determine the DNA sequence, precise temperature control is required, and a thermal cycle (thermal cycle) equipment is required.
  • a Peltier-based thermoelectric device may be applied.
  • thermoelectric device Another example in which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device is a photo detector.
  • the photo detector includes an infrared / ultraviolet detector, a charge coupled device (CCD) sensor, an X-ray detector, a thermoelectric thermal reference source (TTRS), and the like.
  • Peltier-based thermoelectric elements may be applied for cooling the photo detector. As a result, it is possible to prevent a change in wavelength, a decrease in power, a decrease in resolution, etc. due to a temperature rise inside the photodetector.
  • thermoelectric device As another example in which the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device, the field of immunoassay, in vitro diagnostics, general temperature control and cooling systems, Physiotherapy, liquid chiller systems, blood / plasma temperature control. Thus, precise temperature control is possible.
  • thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical device.
  • a medical device is an artificial heart.
  • power can be supplied to the artificial heart.
  • thermoelectric device examples include a star tracking system, a thermal imaging camera, an infrared / ultraviolet detector, a CCD sensor, a hubble space telescope, and a TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor can be maintained.
  • thermoelectric device according to the embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry includes a cooling device, a heater, a power generation device, and the like.

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 상기 N형 열전 레그의 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 피크 개수는 서로 상이하다.

Description

열전 소자 및 이를 포함하는 냉각 장치
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자 및 이를 포함하는 냉각 장치에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등이 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있으며, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
열전소자는 기판, 전극 및 열전 레그를 포함한다. 열전 레그는 열전소자의 성능을 좌우하는 중요한 지표일 수 있다. 열전 소자가 펠티어 효과를 이용하는 소자인 경우, 외부에서 전압을 가해주었을 때 P형 열전 레그의 정공과 N형 열전 레그의 전자가 이동하여 발열과 흡열을 일으킨다.
이때, P형 열전 레그와 N형 열전 레그는 열전 재료의 차이로 인하여 전기전도도가 상이하므로, 성능에 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 성능이 향상된 열전 소자 및 이를 포함하는 냉각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 상기 N형 열전 레그의 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 피크 개수는 서로 상이하다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 개수보다 적으며, 상기 유효 피크는 전체 피크의 인텐시티(Intensity) 100%에 대하여 4% 이상을 차지하는 피크일 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 개수 간의 차는 6개 이상일 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티보다 높을 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티와 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티 간의 차는 50% 이상일 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크는 (0,0,X)면에서 나타나며, X는 임의의 수일 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 전체 인텐시티 100%에 대하여 90% 이상일 수 있다.
상기 N형 열전 레그 및 상기 P형 열전 레그는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)를 포함할 수 있다.
상기 N형 열전 레그는 (0,0,15)면에서 가장 높은 피크를 가지고, 상기 P형 열전 레그는 (0,1,5)면에서 가장 높은 피크를 가질 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 결정형상은 상기 P형 열전 레그의 결정형상보다 균일할 수 있다.
상기 N형 열전 레그의 열전도도는 상기 P형 열전 레그의 열전도도보다 높을 수 있다.
상기 N형 열전 레그는 존 멜팅(Zone melting) 방식으로 제작되고, 상기 P형 열전 레그는 분말 소결 방식으로 제작될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 냉각 장치는 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그, 상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고 상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며, 2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 상기 N형 열전 레그의 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 피크 개수는 서로 상이한 열전 소자를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성능이 우수한 열전 소자를 얻을 수 있다. 특히, P형 열전 레그와 N형 열전 레그의 열전도도 및 전기전도도를 최적화시켜, 높은 제벡지수(ZT)를 가지는 열전 소자를 얻을 수 있다. 이에 따라, 냉각 성능이 우수한 냉각 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 열전소자의 단면도이다.
도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 3은 존 멜팅 방식에 따라 제작된 N형 열전 레그의 SEM 사진이다.
도 4는 존 멜팅 방식에 따라 제작된 P형 열전 레그의 SEM 사진이다.
도 5는 분말 소결 방식에 따라 제작된 N형 열전 레그의 SEM 사진이다.
도 6은 분말 소결 방식에 따라 제작된 P형 열전 레그의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 N형 열전 레그의 XRD 분석 결과이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 P형 열전 레그의 XRD 분석 결과이다.
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.
도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 열전소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 리드선을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 직류 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식1]
ZT=α2σT/k
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 acpρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. 열전 레그는 열전 소자의 제백 지수에 영향을 미칠 수 있다.
한편, 열전 레그는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다.
도 3은 존 멜팅 방식에 따라 제작된 N형 열전 레그의 SEM 사진이고, 도 4는 존 멜팅 방식에 따라 제작된 P형 열전 레그의 SEM 사진이며, 도 5는 분말 소결 방식에 따라 제작된 N형 열전 레그의 SEM 사진이고, 도 6은 분말 소결 방식에 따라 제작된 P형 열전 레그의 SEM 사진이다.
표 1은 존 멜팅 방식에 따라 제작된 열전 레그 및 분말 소결 방식에 따라 제작된 열전 레그의 특성을 나타낸다.
구분 존 멜팅 방식 분말 소결 방식
N형 열전 레그 P형 열전 레그 N형 열전 레그 P형 열전 레그
전기전도도(S/m) 100,000~110,000 80,000~90,000 70,000~80,000 90,000~100,000
제벡계수(uV/K) 200±10 210±10 210±10 200±10
열전도도(W/mK) 1.2~1.6 1.2~1.6 0.9~1.1 0.9~1.1
도 3 내지 6 및 표 1을 참조하면, 존 멜팅 방식에 따라 제작된 열전 레그의 결정형상과 분말 소결 방식에 따라 제작된 열전 레그의 결정형상은 서로 상이하다. 즉, 존 멜팅 방식에 따라 제작된 열전 레그의 결정형상은 분말 소결 방식에 따라 제작된 열전 레그의 결정형상보다 균일하다. 이와 같이, 존 멜팅 방식에 따라 열전 레그를 제작하면 일정한 방향으로 형성된 단결정의 결정형상을 얻을 수 있으며, 분말 소결 방식에 따라 열전 레그를 제작하면 여러 방향으로 형성된 다결정의 결정형상을 얻을 수 있다.
한편, 열전 레그를 존 멜팅 방식으로 제작하는 경우, Bi 및 Te의 결합력이 낮아 강도가 취약하며, 열전도도가 높아 높은 제벡 지수(ZT)를 얻기 어려운 문제가 있다. 또한, 열전 레그를 분말 소결 방식으로 제작하는 경우, 강도 및 낮은 열전도도를 가질 수 있으나, N형 열전 레그의 경우 열전 재료의 특성으로 인하여 전기전도도가 매우 낮게 나타나므로, 높은 제벡 지수(ZT)를 얻기 어려운 문제가 있다. 이에 반해, P형 열전 레그의 경우 분말 소결 방식으로 제작하더라도 높은 전기전도도를 가질 수 있으며, 분말 소결 방식으로 제작한 P형 열전 레그의 경우 높은 냉각 성능을 얻을 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 열전 소자에 포함되는 P형 열전 레그와 N형 열전 레그를 서로 다른 방식으로 제작하여 전기 전도도 및 열전도도를 최적화하고자 한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전소자의 사시도이다.
도 7 내지 8을 참조하면, 열전소자(200)는 하부 기판(210), 하부 전극(220), P형 열전 레그(230), N형 열전 레그(240), 상부 전극(250) 및 상부 기판(260)을 포함한다.
하부 전극(220)은 하부 기판(210)과 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(250)은 상부 기판(260)과 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(230) 및 복수의 N형 열전 레그(240)는 교대로 배치되며 하부 전극(220) 및 상부 전극(250)에 의하여 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 리드선을 통하여 하부 전극(220) 및 상부 전극(250)에 직류 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(230)로부터 N형 열전 레그(240)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(240)로부터 P형 열전 레그(230)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
이를 위하여, 하부 기판(210) 및 상부 기판(260)은 금속 기판, 예를 들어 Cu 기판, Cu 합금 기판, Cu-Al 합금 기판, Al2O3 기판 등일 수 있다. 그리고, 하부 전극(220) 및 상부 전극(250)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극 재료를 포함할 수 있으며, 두께는 0.01mm 내지 0.3mm 범위일 수 있다. 도시되지 않았으나, 하부 기판(210)과 하부 전극(220) 사이 및 상부 기판(260)과 상부 전극(250) 사이에는 유전체층이 형성될 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Ti)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(230)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 그리고, N형 열전 레그(240)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
이때, P형 열전 레그(230)의 결정형상과 N형 열전 레그(240)의 결정형상은 서로 상이하다. 즉, N형 열전 레그(240)는 도 3에서 예시된 결정형상을 가지며, P형 열전 레그(230)는 도 6에서 예시된 결정형상을 가진다. 이와 같이, N형 열전 레그(240)의 결정형상은 P형 열전 레그(230)의 결정형상보다 균일하다. 즉, N형 열전 레그(240)의 결정은 균일한 방향으로 형성되고, P형 열전 레그(230)의 결정은 N형 열전 레그(240)의 결정에 비하여 다양한 방향으로 형성된다. 이를 위하여, N형 열전 레그(240)는 존 멜팅 방식에 따라 제작되며, 전기전도도(S/m)가 100,000~110,000이고, 제벡계수(uV/K)가 200±10이며, 열전도도(W/mK)가 1.2 내지 1.6인 특성을 가질 수 있다. 그리고, P형 열전 레그(230)는 분말 소결 방식에 따라 제작되며, 전기전도도(S/m)가 90,000~100,000이고, 제벡계수(uV/K)가 200±10이며, 열전도도(W/mK)가 0.9 내지 1.1인 특성을 가질 수 있다. 이에 따라, 열전도도 및 전기전도도를 최적화하여 P형 열전 레그(230) 및 N형 열전 레그(240)를 포함하는 열전 소자의 열전 성능 및 냉각 성능을 높일 수 있다.
이때, P형 열전 레그(230)와 N형 열전 레그(240)의 XRD(X-ray Diffraction) 분석 결과는 서로 상이하다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 N형 열전 레그의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 P형 열전 레그의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 그리고, 표 2는 도 9에 따른 그래프의 분석 결과 값이고, 표 3은 도 10에 따른 그래프의 분석 결과 값이다.
2-theta(deg) d (A) Height(cps) Int . I(cps deg ) Int. % FWHM (deg) Phase name
27.903 3.1948 299 157 0.47 0.29 Bismuth Antimony Tellurium Selenide, (0,1,5)
44.8571 2.01892 242845 32711 97.51 0.1034 Bismuth Antimony Tellurium Selenide, (0,0,15)
54.235 1.6899 2548 679 2.02 0.20 Bismuth Antimony Tellurium Selenide, (0,0,18)
2-theta(deg) d (A) Height(cps) Int . I(cps deg) Int . % FWHM ( deg ) Phase name
26.441 3.368 79 46 1.45 0.43 Bismuth Antimony Telluride, (0,0,9)
28.193 3.1627 3058 1167 36.90 0.234 Bismuth Antimony Telluride, (0,1,5)
33.72 2.6557 133 59.4 1.88 0.31 Bismuth Antimony Telluride, (0,1,8)
38.254 2.3508 1324 914 28.90 0.517 Bismuth Antimony Telluride, (1,0,10)
40.68 2.2159 160 69 2.18 0.396 Bismuth Antimony Telluride, (0,1,11)
42.121 2.1435 402 183 5.79 0.352 Bismuth Antimony Telluride, (1,1,0)
44.692 2.0260 294 216 6.83 0.667 Bismuth Antimony Telluride, (0,0,15)
45.89 1.9760 149 129 4.08 0.79 Bismuth Antimony Telluride, (1,0,13)
51.379 1.7769 215 128 4.05 0.449 Bismuth Antimony Telluride, (2,0,5)
54.15 1.6925 121 117 3.70 0.88 Bismuth Antimony Telluride, (0,2,7)
58.195 1.5840 286 134 4.24 0.325 Bismuth Antimony Telluride, (0,2,10)
도 9 내지 10, 그리고 표 2 내지 3을 참조하면, 2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 N형 열전 레그(240)의 피크 개수와 P형 열전 레그(250)의 피크 개수는 서로 상이하며, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 개수는 P형 열전 레그(230)의 유효 피크 개수보다 적다. 여기서, 유효 피크는 전체 피크의 인텐시티(Intensity) 100%에 대하여 4% 이상을 차지하는 피크를 의미한다.
표 2에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 N형 열전 레그(240)에 대한 2θ=20 내지 60° 범위의 XRD 분석 결과, 유효 피크는 2θ=44.8571에서 한 개가 관찰되었다. 이에 반해, 표 3에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 P형 열전 레그(230)에 대한 2θ=20 내지 60°범위의 XRD 분석 결과, 총 7개의 유효 피크가 관찰되었다. 이로부터, 2θ=20 내지 60°범위의 XRD 분석 결과, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 개수와 P형 열전 레그(230)의 유효 피크 개수 간의 차는 6개 이상임을 알 수 있다.
또한, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 중 가장 높은 피크는 2θ=44.8571에서 나타나며, 인텐시티는 32711 cps deg이고, 전체 인텐시티 100%에 대하여 97.51%를 차지한다. 이에 대하여, P형 열전 레그(230)의 유효 피크 중 가장 높은 피크는 2θ=28.193에서 나타나며, 인텐시티는 1167 cps deg이고, 전체 인텐시티 100%에 대하여 36.90%를 차지한다. 이로부터, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 P형 열전 레그(230)의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티보다 높음을 알 수 있으며, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티와 P형 열전 레그(230)의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티 간의 차는 50% 이상임을 알 수 있다.
한편, N형 열전 레그(240)는 존 멜팅 방법에 의하여 제작되므로, 결정이 균일한 방향으로 형성된다. 이에 따라, N형 열전 레그(240)의 유효 피크 중 가장 높은 피크는 (O,0,X)면에서 나타나며, X는 임의의 수 일 수 있다. 도 9 내지 10 및 표 2 내지 3에서 예시된 바와 같이, N형 열전 레그(240) 및 P형 열전 레그(230)가 비스무스텔루라이드(Bi-Te)를 포함하는 경우, N형 열전 레그(240)는 (0,0,15)면에서 가장 높은 피크를 가지고, P형 열전 레그(230)는 주피크인 (0,1,5)면에서 가장 높은 피크를 가진다. 이로부터, N형 열전 레그(240)는 결정이 균일한 방향으로 형성되나, P형 열전 레그(230)는 N형 열전 레그(240)에 비하여 결정이 다양한 방향으로 형성됨을 알 수 있다.
이와 같이, N형 열전 레그(240)와 P형 열전 레그(230)의 결정형상이 상이한 경우, 제벡 지수를 높일 수 있으며, 열전 소자의 냉각 성능을 높일 수 있다.
표 4는 비교예 및 실시예에 따른 성능을 비교한 결과이다.
구분 비교예 1 비교예 2 실시예
Qc(W) 55.632 48.956 63.42
ΔT() 66.77 58.76 76.12
COPc 0.683 0.60 0.77
표 4에서, 비교예 1은 N형 열전 레그와 P형 열전 레그가 각각 도 3 내지 4의 결정 형상을 가지도록 제작된 경우이고, 비교예 2는 N형 열전 레그와 P형 열전 레그가 각각 도 5 내지 6의 결정 형상을 가지도록 제작된 경우이며, 실시예는 N형 열전 레그가 도 3의 결정 형상을 가지며 P형 열전 레그가 도 6의 결정 형상을 가지도록 제작된 경우이다.
Qc(W)는 냉각 열용량을 나타내며, 열전 소자가 냉각되면 온도가 내려가는 원리를 역으로 이용하여, 열전 소자의 냉각부에 열을 가하여 냉각부와 발열부의 온도가 동일해지는 시점까지 가열하였으며, 가해진 열을 Qc(W)로 측정하였다. 그리고, 냉각수를 이용하여 열전 소자의 한 면의 온도를 일정하게 유지시켜 주고, 반대 면이 냉각되도록 열전 소자를 구동한 후, 반대 면의 온도가 더 이상 내려가지 않는 시점에서의 한 면과 반대 면의 온도 차를 ΔT(℃)로 측정하였다. 그리고, Qc(W)를 인풋 파워로 나누어 COPc로 측정하였다.
표 4를 참조하면, 본 발명의 실시예와 같이 N형 열전 레그가 도 3과 같은 결정 형상을 가지고 P형 열전 레그가 도 6과 같은 결정 형상을 가지는 경우, 비교예 1 내지 2에 비하여 우수한 냉각 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 냉각용 장치뿐만 아니라 발전용 장치, 온열용 장치 등에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다. 이를 위하여, 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기의 냉각(cooling)을 위하여 펠티어 기반의 열전 소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 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.
[부호의 설명]
200: 열전소자
210: 하부 기판
220: 하부 전극
230: P형 열전 레그
240: N형 열전 레그
250: 상부 전극
260: 상부 기판

Claims (20)

  1. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 상기 N형 열전 레그의 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 피크 개수는 서로 상이한 열전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 개수보다 적으며, 상기 유효 피크는 전체 피크의 인텐시티(Intensity) 100%에 대하여 4% 이상을 차지하는 피크인 열전 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 개수 간의 차는 6개 이상인 열전 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티보다 높은 열전 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티와 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티 간의 차는 50% 이상인 열전 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크는 (0,0,X)면에서 나타나며, X는 임의의 수인 열전 소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 전체 인텐시티 100%에 대하여 90% 이상인 열전 소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그 및 상기 P형 열전 레그는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)를 포함하는 열전 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그는 (0,0,15)면에서 가장 높은 피크를 가지고, 상기 P형 열전 레그는 (0,1,5)면에서 가장 높은 피크를 가지는 열전 소자.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 결정형상은 상기 P형 열전 레그의 결정형상보다 균일한 열전 소자.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 열전도도는 상기 P형 열전 레그의 열전도도보다 높은 열전 소자.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그는 존 멜팅(Zone melting) 방식으로 제작되고, 상기 P형 열전 레그는 분말 소결 방식으로 제작된 열전 소자.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수는 1개인 열전 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그는, 전기전도도(S/m)가 100,000~110,000이고, 제벡계수(uV/K)가 200±10이며, 열전도도(W/mK)가 1.2 내지 1.6이고,
    상기 P형 열전 레그는, 전기전도도(S/m)가 90,000~100,000이고, 제벡계수(uV/K)가 200±10이며, 열전도도(W/mK)가 0.9 내지 1.1인 열전 소자.
  15. 제1 기판,
    상기 제1 기판 상에 교대로 배치되는 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그,
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 상기 복수의 N형 열전 레그 상에 배치되는 제2 기판, 그리고
    상기 복수의 P형 열전 레그 및 복수의 N형 열전 레그를 직렬 연결하는 복수의 전극을 포함하며,
    2θ=20 내지 60° 범위의 XRD(X-ray Diffraction) 분석에서 상기 N형 열전 레그의 피크 개수와 상기 P형 열전 레그의 피크 개수는 서로 상이한 열전 소자를 포함하는 냉각 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 개수보다 적으며, 상기 유효 피크는 전체 피크의 인텐시티(Intensity) 100%에 대하여 4% 이상을 차지하는 피크인 냉각 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티는 상기 P형 열전 레그의 유효 피크 중 가장 높은 피크의 인텐시티보다 높은 냉각 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 결정형상은 상기 P형 열전 레그의 결정형상보다 균일한 냉각 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그는 존 멜팅(Zone melting) 방식으로 제작되고, 상기 P형 열전 레그는 분말 소결 방식으로 제작된 냉각 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 N형 열전 레그의 유효 피크 개수는 1개인 냉각 장치.
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