(57)【要約】      （修正有）【課題】積層型熱電素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属を予め決められた成分比で混合してＰ型半導体またはＮ型半導体をシート形態で形成し、該シートを予め決められた熱電素子スペックによってカットし、予め決められた成分比で混合されてカットされた同一材料のシート１０１を積層し、該積層されたシートを圧着して最終熱電素子１００を生成する。フォノンの短波長による散乱現象が各層の境界部分で発生するため、フォノンの散乱が活発に行われて熱電素子の熱電性能指数が向上することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電半導体材料を予め決められた成分比で混合して、Ｐ型半導体またはＮ型半導体をシート形態で形成するステップと、
前記シートを予め決められた熱電素子スペックによってカットするステップと、
前記予め決められた成分比で混合されてカットされた同一材料のシートを積層するステップと、
該積層されたシートを圧着して最終熱電素子を生成するステップと
を含む積層型熱電素子の製造方法。
【請求項２】
同一材料のシートを積層するステップは、
同一材料から成り同一大きさにカットされた多数のシートを積層するステップである請求項１に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項３】
前記多数のシートは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さに形成される請求項２に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項４】
前記最終熱電素子は、
多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造を有する請求項３に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項５】
前記熱電半導体材料は、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成る請求項４に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱電半導体材料は、ＺｎｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．５〜１．５である請求項４に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項７】
前記熱電半導体材料は、ＣｏｘＳｂｙから成り、
ｘ／ｙは０．１〜１．０である請求項４に記載の積層型熱電素子の製造方法。
【請求項８】
同じ熱電半導体材料から成り、同じ大きさにカットされた多数のシートが積層された構造を有し、
前記熱電半導体材料は、Ｐ型半導体材料またはＮ型半導体材料である積層型熱電素子。
【請求項９】
前記多数のシートは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さに形成される請求項８に記載の積層型熱電素子。
【請求項１０】
前記熱電素子は、
多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造を有する請求項９に記載の積層型熱電素子。
【請求項１１】
前記熱電半導体材料は、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成る請求項１０に記載の積層型熱電素子。
【請求項１２】
前記熱電半導体材料は、ＺｎｘＳｂｙから成り、
ｘ／ｙは０．５〜１．５である請求項１０に記載の積層型熱電素子。
【請求項１３】
前記熱電半導体材料は、ＣｏｘＳｂｙから成り、
ｘ／ｙは０．１〜１．０である請求項１０に記載の積層型熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型熱電素子及びその製造方法に関するもので、より詳しくは、同一材料から成る多数のシートを積層する構造で熱電半導体を形成し、熱電素子の熱電性能指数を向上させるための積層型熱電素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石エネルギーの使用の急増は、地球温暖化及びエネルギー枯渇の問題を引き起こして、最近エネルギーを有効に利用できる熱電モジュールへの研究が盛んに行われている。
【０００３】
該熱電モジュールは、熱電素子の両端に温度差を与える場合、起電力が発生するゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果を期待することができる発電装置、または熱電素子に直流を印加する場合、一端が発熱し他端が吸熱するペルティエ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果を利用する冷却装置として利用することができる。
【０００４】
このような熱電モジュールは、上下部電極と、該上下部電極間に配設される熱電素子を含むことができる。ここで、該上下部電極の各上面には熱電モジュールを支持するための基板が配設される。該基板は、優れた電気絶縁性のアルミナ基板を主として使用している。
【０００５】
一方、既存の熱電素材は、金属原料を一定成分比で混合して機械的合金化法によって主に製造されている。すなわち、バルク形態の熱電素子は、初期溶解、破砕、焼結という基本的工程を用いて、ここにドーパントを添加してＰ−タイプ半導体及びＮ−タイプ半導体を製造する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３３５７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、当業者は、熱電性能を向上させるために熱電粉末粒子の微細化及び焼結密度向上に集中して開発している趨勢である。
【０００８】
薄膜工程では、各種蒸着技法によって低次元化した熱電薄膜や超格子を活用して熱電性能指数ｚＴを向上させることに集中している。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、熱電素子の熱電性能指数を向上させるための積層型熱電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を解決するために、本発明の好適な実施の形態による積層型熱電素子の製造方法は、熱電半導体材料を予め決められた成分比で混合してＰ型半導体またはＮ型半導体をシート形態で形成するステップと、前記シートを予め決められた熱電素子スペックによってカットするステップと、前記予め決められた成分比で混合されてカットされた同一材料のシートを積層するステップと、該積層されたシートを圧着して最終熱電素子を生成するステップと、を含むことができる。
【００１１】
また、同一材料のシートを積層するステップは、好ましくは、同一材料から成り同一大きさにカットされた多数のシートを積層するステップである。
【００１２】
また、多数のシートは、好ましくは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さになるように形成する。
【００１３】
前記最終熱電素子は、好ましくは、多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造である。
【００１４】
また、熱電半導体材料は、好ましくは、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成る。
【００１５】
また、前記熱電半導体材料は、好ましくは、ＺｎｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．５〜１．５を有する。
【００１６】
また、熱電半導体材料は、好ましくは、ＣｏｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．１〜１．０を有する。
【００１７】
また、上記目的を解決するために、本発明の他の好適な実施の形態による積層型熱電素子は、同じ熱電半導体材料から成り、同じ大きさにカットされた多数のシートが積層された構造を有し、該熱電半導体材料は、Ｐ型半導体材料またはＮ型半導体材料であってもよい。
【００１８】
また、多数のシートは、好ましくは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さになるように形成する。
【００１９】
前記熱電素子は、好ましくは、多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造である。
【００２０】
また、熱電半導体材料は、好ましくは、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成る。
【００２１】
また、熱電半導体材料は、好ましくは、ＺｎｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは、０．５〜１．５を有する。
【００２２】
また、熱電半導体材料は、好ましくは、ＣｏｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．１〜１．０を有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の積層型熱電素子及びその製造方法によれば、フォノンの短波長による散乱現象が各層の境界部分で発生するため、フォノンの散乱が活発に行われて熱電素子の熱電性能指数が向上するという効果を奏する。
【００２４】
また、本発明は、セラミック工程を用いて積層するにつれ、既存の薄膜工程で用いられる異種間の超格子に比べて、熱電半導体を大量生産可能なので、これに対する生産単価を低くすることができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による積層型熱電素子が実装された基板を示す図面である。
【図２】本発明による積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【図３】同じく、積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【図４】同じく、積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【図５】同じく、積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【図６】同じく、積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者に本発明の思想を十分に伝達することができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下に示している各実施の形態に限定されることなく他の形態で具体化することができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることができる。明細書全体に渡って同一の参照符号は同一の構成要素を示している。
【００２７】
図１は、本発明による積層型熱電素子が実装された基板を示す図面である。
【００２８】
同図のように、積層型熱電素子１００は、同じ熱電半導体材料から成り、同じ大きさにカットされた多数のシートが積層された構造を有することができる。
【００２９】
このような構造は熱電素子１００の性能を向上させるために、同一材料のバルク／厚膜の厚さを複数層の薄い厚膜／バルク層で製造して、電子の移動は元の状態で維持すると共に、フォノンの移動には制限を加えることができる。
【００３０】
また、前述の熱電素子１００は、同一材料から成る多数のシートを積層する工程が適用されるため、工程手続を簡略化することができる。すなわち、本発明の積層型熱電素子１００は各々のシートが同一材料から成るのである。
【００３１】
ここで、熱電半導体材料は、Ｐ型半導体材料またはＮ型半導体材料であってもよい。
【００３２】
また、多数のシートは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さに形成されることができる。
【００３３】
また、熱電半導体材料は、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成ることができる。
【００３４】
また、熱電半導体材料は、ＺｎｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．５〜１．５を有することができる。
【００３５】
一方、熱電半導体材料は、ＣｏｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．１〜１．０を有することができる。
【００３６】
熱電素子１００は、多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造を有してもよい。
【００３７】
図１に示すように、前述の構造の熱電素子１００が他の電子部品１４０及びとともに基板１２０上に実装されることができる。
【００３８】
一方、一般的な熱電素子の熱電性能指数は、下記＜数１＞の通りである。
＜数１＞
ｚＴ＝（α２σ／ｋ）Ｔ
【００３９】
ここで、ｚＴは熱電性能指数、αはゼーベック係数、σは電気伝導度、ｋは熱電導度、Ｔは温度を表す。
【００４０】
＜数１＞のように、熱電導度と電気伝導度とは互いに関連性を有している。また、電子は熱及び電気をともに移動させ、フォノンは、熱を移動させる媒体である。
【００４１】
＜数１＞のように、電気伝導度及び熱電導度は互いに反比例関係であって、熱電性能指数であるｚＴを向上させるためには熱電素子の終端から反対側終端へ電子をよく移動させなければならない。そのため、フォノンを散乱させる必要がある。
【００４２】
前記フォノンの波長は１ｎｍ、電子の波長は１０〜１００ｎｍである。
【００４３】
本発明における熱電素子１００の構造は、同一材料から成る多数のシートを積層する構造であるのため、各層の境界部分でフォノンの短波長による散乱現象が発生する。そのため、熱電性能指数ｚＴが向上する効果を奏する。
【００４４】
図２〜図６は、本発明による積層型熱電素子の製造方法を説明するために順に示す工程図である。
【００４５】
まず、本発明による積層型熱電素子１００は図２に示すように、熱電半導体材料を予め決められた成分比で混合して、図３に示すように、Ｐ型半導体またはＮ型半導体をシート１１０の形態で形成することができる。例えば、図２のように、溶媒（Ｓｏｌｖｅｎｔ）（ａ）、バインダー（Ｂｉｎｄｅｒ）（ｂ）、パウダ（Ｐｏｗｄｅｒ）（ｃ）を混合することができる。
【００４６】
ここで、熱電半導体材料は、Ｂｉ（ビスマス）とＴｅ（テルル）との混合から成ることができる。
【００４７】
また、熱電半導体材料は、ＺｎｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．５〜１．５であってもよい。
【００４８】
また、熱電半導体材料は、ＣｏｘＳｂｙから成り、ｘ／ｙは０．１〜１．０であってもよい。
【００４９】
また、熱電素子１００のためのシート１１０は、公知の多様な技術によって形成されることができる。
【００５０】
続いて、図４に示すように、シート１１０を熱線技術などによって乾燥することができ、乾燥方法はこれに限定されない。
【００５１】
続いて、図示しなかったが、シート１１０を予め決められた熱電素子スペックによってカットすることができる。
【００５２】
続いて、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、予め決められた成分比で混合されてカットされた同一材料のシート１０１-１〜１０１-ｎを積層することができる。
【００５３】
ここで、シートを積層するステップは、同一材料から成り同一大きさにカットされた多数のシートを積層するステップであってもよい。
【００５４】
図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、積層されたシートを圧着して最終熱電素子１００を生成する。
【００５５】
ここで、該積層された多数のシートは、厚膜工程によって各々１００μｍ〜１０００μｍの厚さになってもよい。
【００５６】
一方、最終熱電素子は、図５の（ｂ）及び図６の（ａ）に示すように、多数のシートが底面を基準に水平方向に積層された構造であってもよい。
【００５７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５８】
１００  熱電素子
１２０  基板
１４０  電子部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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