(57)【要約】【課題】本発明は、スピンゼーベック効果を示すことができる熱電素子を利用した熱電モジュールに関する。【解決手段】本発明は、スピンゼーベック効果を示す熱電材料で構成された熱電素子と、前記熱電素子の一側面と連結され、正電圧が印加される第１の外部電極と、前記熱電素子の他側面と連結され、負電圧が印加される第２の外部電極と、前記熱電素子の上部に埋設され、前記第１の外部電極と相互連結される上部の内部電極層と、前記熱電素子の下部に埋設され、前記第２の外部電極と相互連結される下部の内部電極層と、を含む新たな熱電モジュールを提示する。【選択図】図１
2012235092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子と、
前記熱電素子の一側面と連結され、正電圧が印加される第１の外部電極と、
前記熱電素子の他側面と連結され、負電圧が印加される第２の外部電極と、
前記熱電素子の上部に埋設され、前記第１の外部電極と相互連結される上部の内部電極層と、
前記熱電素子の下部に埋設され、前記第２の外部電極と相互連結される下部の内部電極層と、
を含む熱電モジュール。
【請求項２】
前記熱電素子は、ソフトフェライトとして、ＭｅＯＦｅ２Ｏ３（ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄを含むことができる。）の化学式を有するスピネル型フェライト、Ｒｅ３Ｆｅ５Ｏ１２（ここで、Ｒｅは希土類元素系の全ての元素を含むことができる。）の化学式を有するガーネット型フェライト及び金属酸化物のうち軟磁性を示す全ての磁性材料のいずれか一つ以上を含む請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記第１の外部電極は、第１の極と第２の極とからなり、前記上部の内部電極層は、両端を有する形態からなって、前記第１の外部電極の第１の極は、前記上部の内部電極層の一端と連結され、前記第１の外部電極の第２の極は、前記上部の内部電極層の他端と連結される請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記第２の外部電極は、第１の極と第２の極とからなり、前記下部の内部電極層は、両端を有する形態からなって、前記第２の外部電極の第１の極は、前記下部の内部電極層の一端と連結され、前記第２の外部電極の第２の極は、前記下部の内部電極層の他端と連結される請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記第１の極と第２の極は、互いに接触しないように相互離隔される請求項３または４に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記上部の内部電極層と下部の内部電極層との距離は、前記熱電素子のｚ軸方向への長さ範囲内であり、但し、上部の内部電極層と下部の内部電極層とが互いに接触しないように相互離隔される請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
前記内部電極層は、複数層からなる請求項１に記載の熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュールに関し、より詳細には、スピンゼーベック効果を利用した熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電モジュールは、主に、ゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果を利用した発電や、ペルティエ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果を利用した冷却に応用されている。
【０００３】
ゼーベック効果は、熱電素子の両端に温度差がある場合、起電力が生じる現象であり、これを利用して、廃熱発電や体温を利用した小型電子素子（例えば、時計）の電源、及び放射物質の崩壊熱を利用した宇宙船の電源などに用いられている。
【０００４】
一方、熱電素子の両端に電流を流すと、電荷に沿って熱が移動し、一方は冷却され、他方は加熱される現象をペルティエ効果というが、これを利用すると、機械的動作がない純粋に電子のみを利用した冷却装置を製作することができる。
【０００５】
従来の熱電モジュールは、主に、絶縁基板、金属電極、ｐ型の半導体素子及びｎ型の半導体素子で構成され、正孔が移動するｐ型の半導体素子と、電子が移動するｎ型の半導体素子とが、金属電極を介して電気的に直列連結された直列型の単一モジュールの形態を有する。
【０００６】
このような形態の従来の熱電モジュールが具現される作動状態を説明すると、ｎ型の熱電半導体素子とｐ型の熱電半導体素子とが、金属電極を介して電気的に直列連結され、リード線を介して直流電流（ＤＣ）を印加すると、負に帯電された金属／半導体の接点では周りから熱エネルギーを吸収した電子が熱電半導体の内部に移動されて吸熱が起こり、正に帯電された金属／半導体の接点では、電子の熱エネルギーの放出により放熱が起こる。しかし、前記熱電材料を活用して最適化された場合でも、ｎ型の熱電半導体とｐ型の熱電半導体とが一対をなす熱電対の供給電力あたりの吸熱および／または放熱量は、非常に少ない。このような理由により、従来の熱電モジュール１００が、冷却装置などに実際に活用される場合には、前記熱電対を複数個連結して、吸熱および／または放熱量を増量しており、このため、製造コストに比べて効率が低いという問題がある。
【０００７】
また、従来の熱電モジュールは、複数の対からなるｎ型、ｐ型の半導体素子が金属電極を介して電気的に直列連結された直列型の単一モジュールの形態で構成されているため、単一モジュールのいずれか一つでも故障を起こすと、全ての複合モジュールが作動しないという致命的な弱点がある。
【０００８】
さらに、熱電素子に用いられる熱電材料として、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｓｂ系、Ｓｉ−Ｇｅ系などが実際に使用されており、これらの材料は、実用化の範囲が非常に限定的であるため今までは特に問題がなかったが、回収される廃熱の温度が３００℃から６００℃に至る高温である場合にこれらの材料を用いると、表面酸化などが誘発されるため、動作信頼性の部分において問題が表れ、また材料費が高価であるという問題がある。
【０００９】
なお、熱電モジュールは、ｎ型の熱電素子及びｐ型の熱電素子が順に交互に配列された状態で、互いに隣接したｎ型の熱電素子とｐ型の熱電素子の底面は、第１の金属電極で連結され、互いに隣接したｎ型の熱電素子とｐ型の熱電素子の上面は、第２の金属電極で連結される構成を有することにより、半田付け、接合材など多くの接合層を有するようになるが、この場合、電気抵抗が増加し、また熱電モジュールの製造工程が複雑になるため、製造コストが上昇するという問題点がある。
【００１０】
一方、最近、慶應義塾大学（Ｋｅｉｏ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）の齊藤英治（Ｅｉｊｉ  Ｓａｉｔｏｈ）研究チームは、磁化されたニッケル−鉄ロッド（ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ  ｎｉｃｋｅｌ−ｉｒｏｎ  ｒｏｄ）の一方を加熱すると、電子は、自分のスピンに沿って自ら整列することを発見した（Ｕｃｈｉｄａ，Ｋ．ｅｔ  ａｌ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  ｅｆｆｅｃｔ．Ｎａｔｕｒｅ  ４５５、（２００８））。このようないわゆるスピンゼーベック効果（ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  ｅｆｆｅｃｔ）は、電流（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔｓ）よりは磁流（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔｓ）を発生させる。スピンゼーベック効果という用語は、１８００年代のトーマスゼーベック（Ｔｈｏｍａｓ  Ｊｏｈａｎｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ）により発見された熱電現象（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）であるゼーベック効果から由来したものであり、ゼーベック効果とは、導電性ロッドの一方を加熱すると、電子が熱を受けて低温側に移動することにより、電圧が生成されることを意味する。スピンゼーベック効果はこれと類似しているが、ゼーベック効果とは異なり、電子スピンに影響を与えるものであって、ニッケル−鉄ロッドのように磁化された金属を加熱すると、アップスピン（ｕｐ  ｓｐｉｎ）を有する電子は高温側に集まり、ダウンスピン（ｄｏｗｎ  ｓｐｉｎ）を有する電子は低温側に集まる。従って、このようなスピン分離のロッドは、本質的に二つの電極を有するものと考えられるため、生成が容易でないスピン電圧あるいは磁流を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−０１６１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の問題点を解決し、スピンゼーベック効果を利用して熱電モジュールを具現するために提案されたもので、スピンゼーベック効果（ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  ｅｆｆｅｃｔ）を示す熱電材料で構成された熱電素子と、前記熱電素子の上部及び下部に埋設された内部電極層と、前記内部電極層に連結され、電圧が印加される外部電極とからなる熱電モジュールを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明による一実施形態は、熱電素子と、前記熱電素子の一側面と連結され、正電圧が印加される第１の外部電極と、前記熱電素子の他側面と連結され、負電圧が印加される第２の外部電極と、前記熱電素子の上部に埋設され、前記第１の外部電極と相互連結される上部の内部電極層と、前記熱電素子の下部に埋設され、前記第２の外部電極と相互連結される下部の内部電極層と、を含む熱電モジュールを提供する。
【００１４】
また、前記熱電素子は、ソフトフェライトとして、ＭｅＯＦｅ２Ｏ３（ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄを含むことができる。）の化学式を有するスピネル型フェライト、Ｒｅ３Ｆｅ５Ｏ１２（ここで、Ｒｅは希土類元素系の全ての元素を含むことができる。）の化学式を有するガーネット型フェライト及び金属酸化物のうち軟磁性を示す全ての磁性材料のいずれか一つ以上を含む熱電モジュールを提供する。
【００１５】
また、前記第１の外部電極は、第１の極と第２の極とからなり、前記上部の内部電極層は、両端を有する形態からなって、前記第１の外部電極の第１の極は、前記上部の内部電極層の一端と連結され、前記第１の外部電極の第２の極は、前記上部の内部電極層の他端と連結される熱電モジュールを提供する。
【００１６】
また、前記第２の外部電極は、第１の極と第２の極とからなり、前記下部の内部電極層は、両端を有する形態からなって、前記第２の外部電極の第１の極は、前記下部の内部電極層の一端と連結され、前記第２の外部電極の第２の極は、前記下部の内部電極層の他端と連結される熱電モジュールを提供する。
【００１７】
また、前記第１の極と第２の極は、互いに接触しないように相互離隔された熱電モジュールを提供する。
【００１８】
また、前記上部の内部電極層と下部の内部電極層との距離は、前記熱電素子のｚ軸方向への長さ範囲内であり、但し、上部の内部電極層と下部の内部電極層とが互いに接触しないように相互離隔された熱電モジュールを提供する。
【００１９】
また、前記の内部電極層は、複数層からなる熱電モジュールを提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、内部電極層を熱電素子に埋設された形態で構成することで、熱電モジュールの生産工程を簡単化することができ、これによって生産コストを削減することができる。
【００２１】
また、外部電極と連結された内部電極層を熱電素子に一体化した形態で構成することにより、外部電極及び内部電極層によって熱電モジュールを具現することができるため、熱電モジュールの薄膜化に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態による熱電モジュールの外部を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による熱電モジュールの内部を示した斜視図である。
【図３】図１の熱電モジュールの縦断面図である。
【図４】図１の熱電モジュールの、図３の断面に直交する断面における縦断面図である。
【図５】本発明の他の一実施形態による熱電モジュールの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付の図面に図示された本発明の実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は、他の様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲は、以下で説明する実施形態により限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において平均の知識を有した者に、本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は、同一の要素である。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による熱電モジュール１００の外部を示した斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態による熱電モジュール１００の内部を示した斜視図である。
【００２５】
図１及び図２に図示されたように、本発明による熱電モジュール１００は、スピンゼーベック効果（Ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）を示す熱電材料で構成された熱電素子１１０と、前記熱電素子１１０の一側面と連結され、正電圧が印加される第１の外部電極１２０と、前記熱電素子１１０の他側面と連結され、負電圧が印加される第２の外部電極１３０と、前記熱電素子１１０の上部に埋設され、前記第１の外部電極１２０と相互連結される上部の内部電極層１４０と、前記熱電素子１１０の下部に埋設され、前記第２の外部電極１３０と相互連結される下部の内部電極層１５０と、を含むことができる。
【００２６】
ここで、スピンゼーベック効果（Ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  Ｅｆｆｅｃｔ）を示す熱電材料とは、半導体特性を有する従来の熱電モジュールに用いられるｎ型及びｐ型の通常の熱電材料ではないソフトフェライト（ｓｏｆｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ）材料を意味し、ソフトフェライトとは、電気的に電子の移動がない絶縁体であって、電子スピンの配列によって生じる磁気的特性を有し、外部磁場により、スピン配列の方向が容易に変化する磁性材料を意味する。代表的なソフトフェライトとしては、ＮｉＺｎＣｕフェライト（ＮｉＺｎＣｕ−ｆｅｒｒｉｔｅ）のようなＭｅＯＦｅ２Ｏ３（ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄを含むことができる。）の化学式を有するスピネル型フェライト（ｓｐｉｎｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ）、Ｒｅ３Ｆｅ５Ｏ１２（ここで、Ｒｅは希土類元素系の全ての元素を含むことができる。）の化学式を有するガーネット型フェライト（ｇａｒｎｅｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ）及び金属酸化物のうち軟磁性を示す全ての磁性材料が挙げられる。
【００２７】
図３は、図１の熱電モジュールの縦断面図であり、図４は、図１の熱電モジュールの、図３の断面に直交する断面における縦断面図であって、図３及び図４を参照すると、前記第１及び第２の外部電極１２０、１３０は、それぞれ第１の極１２１、１３１と、第２の極１２２、１３２とからなることができ、前記上部及び下部の内部電極層１４０、１５０は、両端を有する形態からなることができる。これにより、前記第１の外部電極１２０及び上部の内部電極層１４０を例として挙げると、前記第１の外部電極１２０の第１の極１２１は、前記上部の内部電極層１４０の一端１４１と連結されることができ、前記第１の外部電極１２０の第２の極１２２は、前記上部の内部電極層１４０の他端１４２と連結されることができるため、前記第１の外部電極１２０及び上部の内部電極層１４０は、相互連結されることができる。また、前記第２の外部電極１３０の第１の極１３１は、前記下部の内部電極層１５０の一端１５１と連結されることができ、前記第２の外部電極１３０の第２の極１３２は、前記下部の内部電極層１５０の他端１５２と連結されることができるため、前記第２の外部電極１３０と下部の内部電極層１５０は相互連結されることができる。
【００２８】
但し、前記第１の極１２１、１３１及び第２の極１２２、１３２を介して、前記上部または下部の内部電極層１４０、１５０に電流が流れるようにするために、前記第１の極１２１、１３１と第２の極１２２、１３２は、互いに接触しないように相互離隔された形態で構成することが好ましい。
【００２９】
本発明による熱電モジュール１００において、前記上部及び下部の内部電極層１４０、１５０は、それぞれ前記熱電素子１１０の上部面と下部面に異なる電圧の方向を印加し、前記熱電素子１１０内の上部面と下部面のスピンの方向を制御する機能を行うため、上記のような連結構造によって上部の内部電極層１４０に正電圧が印加され、下部の内部電極層１５０に負電圧が印加されると、上述したスピンゼーベック効果により、前記熱電素子１１０内の電子が異なるスピン方向に整列され、前記熱電素子１１０の上部面に比べ下部面にΔＴ程度の温度差が生じる。これにより、前記熱電素子１１０の上部面は、周りから熱を吸収することができ、前記熱電素子１１０の下部面は、熱を放出することができるため、冷房（ｃｏｏｌｉｎｇ）及び暖房（ｗａｒｍｉｎｇ）が必要な素子やシステムに適用することができる。
【００３０】
ここで、前記内部電極層１４０、１５０と、第１及び第２の外部電極１２０、１３０とを構成する材料は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、炭素（Ｃ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一つ以上を含むことができる。
【００３１】
一方、前記上部の内部電極層１４０と下部の内部電極層１５０との距離は、前記熱電素子１１０のｚ軸方向への長さ範囲内に構成することができ、但し、上部の内部電極層１４０と下部の内部電極層１５０とが互いに接触しないように、相互離隔された形態で構成することが好ましい。
【００３２】
すなわち、前記上部の内部電極層１４０と下部の内部電極層１５０との距離は、スピンゼーベック効果による熱の移動が最も活発に発生できるように、実験を通じて前記熱電素子１１０のｙ軸方向への長さ範囲内で自由に形成されることができるが、上部の内部電極層１４０と下部の内部電極層１５０間のショート（ｓｈｏｒｔ）を防止するために、上部の内部電極層１４０と下部の内部電極層１５０とが互いに接触しないように形成することが好ましい。
【００３３】
また、前記上部または下部の内部電極層１４０、１５０のｘ軸方向への長さは、スピンゼーベック効果が具現され得る範囲内で自由に構成することができるが、熱電性能の向上のために、できる限り長く構成することが好ましい。
【００３４】
本発明による熱電モジュール１００の構成は、スピンゼーベック効果の作動原理に対応して設計できるモジュール構成であって、これは従来のｎ型及びｐ型の熱電素子が含まれた熱電モジュールにおいては不可能なモジュール構成であり、内部電極層を熱電素子１１０に埋設した形態で熱の移動を発生させることができるため、従来のｎ型及びｐ型の熱電モジュールとは異なり、熱電モジュールを薄膜型に具現することに有利である。
【００３５】
また、本発明による熱電モジュール１００の構成は、多層セラミックキャパシタ（Ｍｕｌｔｉ−Ｌａｙｅｒ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＭＬＣＣ）の構成と類似するため、既存のＭＬＣＣ工程によって本発明による熱電モジュール１００を製造することができ、前記熱電素子１１０の材料は、ｎ型及びｐ型の熱電半導体素子に比べ低価であるため、製造コストを削減することができる。
【００３６】
一方、第１の外部電極１２０に負電圧を印加し、第２の外部電極１３０に正電圧を印加すると、熱電素子１１０の下部面から上部面へ熱の移動が発生することは言うまでもない。
【００３７】
図５は、本発明の他の一実施形態による熱電モジュール２００の縦断面図であって、図５を参照すると、本発明の他の一実施形態による熱電モジュール２００は、上述した本発明の一実施形態による熱電モジュール１００と同様に、スピンゼーベック効果を示す熱電材料で構成された熱電素子２１０と、前記熱電素子２１０の一側面と連結され、正電圧が印加される第１の外部電極２２０と、前記熱電素子２１０の他側面と連結され、負電圧が印加される第２の外部電極２３０と、前記熱電素子２１０の上部に埋設され、前記第１の外部電極２２０と相互連結される上部の内部電極層２４０と、前記熱電素子２１０の下部に埋設され、前記第２の外部電極２３０と相互連結される下部の内部電極層２５０と、で構成されることができ、但し、前記上部または下部の内部電極層２４０、２５０は、複数層で形成されることができる。
【００３８】
ここで、熱電素子２１０は、ＭｅＯＦｅ２Ｏ３（ここで、Ｍｅは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄを含むことができる。）の化学式を有するスピネル型フェライト（ｓｐｉｎｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ）、Ｒｅ３Ｆｅ５Ｏ１２（ここで、Ｒｅは、希土類元素系の全ての元素を含むことができる。）の化学式を有するガーネット型フェライト及び金属酸化物のうち軟磁性を示す全ての磁性材料のいずれか一つ以上を含むことができる。また、前記第１及び第２の外部電極２２０、２３０は、それぞれ第１の極と第２の極とからなることができ、前記上部及び下部の内部電極層２４０、２５０は、両端を有する形態からなることができる。これにより、前記複数の上部の内部電極層２４０それぞれは、前記第１の外部電極２２０と相互連結されることができ、また、前記複数の下部の内部電極層２５０それぞれは、前記第２の外部電極２３０と相互連結されることができる。
【００３９】
このように、前記上部または下部の内部電極層２４０、２５０を複数で構成することにより、前記熱電素子を構成する熱電材料内の電子が整列されるスピン方向をより効果的に制御できるため、より効率的な熱電性能を期待することができる。但し、内部電極層の数は要求される熱電モジュールのサイズ条件を考慮し、相補的に調節することが好ましい。
【００４０】
本発明は、上述した実施形態及び添付された図面ではなく、添付された請求範囲により限定しようとし、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有した者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４１】
１００  本発明の一実施形態による熱電モジュール
１１０  熱電素子
１２０  第１の外部電極
１２１  第１の外部電極の第１の極
１２２  第１の外部電極の第２の極
１３０  第２の外部電極
１３１  第２の外部電極の第１の極
１３２  第２の外部電極の第２の極
１４０  上部の内部電極層
１４１  上部の内部電極層の一端
１４２  上部の内部電極層の他端
１５０  下部の内部電極層
１５１  下部の内部電極層の一端
１５２  下部の内部電極層の他端
２００  本発明の他の一実施形態による熱電モジュール
２１０  熱電素子
２２０  第１の外部電極
２３０  第２の外部電極
２４０  上部の内部電極層
２５０  下部の内部電極層
【図１】
2012235092.tif 000003
【図２】
2012235092.tif 000004
【図３】
2012235092.tif 000005
【図４】
2012235092.tif 000006
【図５】
2012235092.tif 000007