(57)【要約】【課題】熱電性能指数が向上された熱電素子を提供し、熱電性能指数、信頼性及び製造工程の効率性を向上させた熱電モジュールを提供する。【解決手段】直径、密度、平坦度を相違するようにしたり、金属または非金属を混合してなる多数のシートを積層して熱電素子を形成し、その熱電素子を含んで熱電モジュールを形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径、密度及び平坦度のうち少なくとも一つの特性が相違する少なくとも二種類の熱電半導体材料からなる複数の半導体層が積層されて構成される熱電素子。
【請求項２】
熱電半導体材料からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層を構成する材料と直径、密度及び平坦度のうち少なくとも一つの特性が相違する熱電半導体材料からなる第２半導体層と、
を含む熱電素子。
【請求項３】
前記第１半導体層と前記第２半導体層とが交互に積層されて構成される請求項２に記載の熱電素子。
【請求項４】
前記第１半導体層と前記第２半導体層とが交互に積層され、少なくとも３層以上に構成される請求項２に記載の熱電素子。
【請求項５】
前記第２半導体層を構成する材料の直径が、前記第１半導体層を構成する材料の直径の５倍以上である請求項２に記載の熱電素子。
【請求項６】
前記第１半導体層を構成する材料の直径は１０ｎｍ〜９００μｍである請求項２に記載の熱電素子。
【請求項７】
前記第２半導体層の密度は、前記第１半導体層の１．５倍以上である請求項２に記載の熱電素子。
【請求項８】
前記第１半導体層を構成する材料の短軸／長軸の比率と、前記第２半導体層を構成する材料の短軸／長軸の比率との比は、１：０．１〜０．９の範囲である請求項２に記載の熱電素子。
【請求項９】
前記第１半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項２に記載の熱電素子。
【請求項１０】
前記第２半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項２に記載の熱電素子。
【請求項１１】
熱電半導体材料からなる第１熱電層と、
熱電半導体材料からなる領域と金属材料からなる領域とが結合されてなる第２熱電層と、
を含む熱電素子。
【請求項１２】
前記第１熱電層と前記第２熱電層とが交互に積層されて構成される請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１３】
前記第１熱電層と前記第２熱電層とが交互に積層され、少なくとも３層以上に構成される請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１４】
前記第２熱電層は、層を異にして備えられる度に熱電半導体材料からなる領域と金属材料からなる領域の位置が変更される請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１５】
前記第１熱電層を構成する熱電半導体材料と、前記第２熱電層を構成する熱電半導体材料は、直径が相違する請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１６】
前記第１熱電層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１７】
前記第２熱電層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項１１に記載の熱電素子。
【請求項１８】
熱電半導体材料からなる半導体層と、
前記半導体層を構成する材料と直径が相違する熱電半導体材料及び非半導体材料が混合されてなる複合半導体層と、
を含む熱電素子。
【請求項１９】
前記半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項１８に記載の熱電素子。
【請求項２０】
前記複合半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分される請求項１８に記載の熱電素子。
【請求項２１】
前記半導体層と前記複合半導体層とが交互に積層される請求項１８に記載の熱電素子。
【請求項２２】
前記半導体層と前記複合半導体層が交互に積層され、少なくとも３層以上に構成される請求項１８に記載の熱電素子。
【請求項２３】
前記半導体層を構成する材料の直径は、１０ｎｍ〜９００μｍである請求項１８に記載の熱電素子。
【請求項２４】
請求項１から２３のうち何れか一つに記載の熱電素子を含む熱電モジュール。
【請求項２５】
互いに対向する第１電極及び第２電極が備えられ、前記熱電素子はＰ型単一タイプで前記第１電極と前記第２電極との間に介在されて構成される請求項２４に記載の熱電モジュール。
【請求項２６】
互いに対向する第１電極及び第２電極が備えられ、前記熱電素子はＮ型単一タイプで前記第１電極と前記第２電極との間に介在されて構成される請求項２４に記載の熱電モジュール。
【請求項２７】
一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板が備えられ、
前記熱電素子はＰ型単一タイプで前記上部基板と前記下部基板との間に介在されて構成される請求項２４に記載の熱電モジュール。
【請求項２８】
一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板が備えられ、
前記熱電素子はＮ型単一タイプで前記上部基板と前記下部基板との間に介在されて構成される請求項２５に記載の熱電モジュール。
【請求項２９】
前記上部基板及び下部基板は絶縁基板であり、
前記上部基板及び前記下部基板の凹み部が備えられた面には導電性物質が塗布されて構成される請求項２７または２８に記載の熱電モジュール。
【請求項３０】
互いに対向する第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に介在され、Ｎ型またはＰ型のうち何れか一つの単一タイプで備えられる複数の熱電素子と、
を含む熱電モジュール。
【請求項３１】
一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板と、
前記凹み部に一部が挿入され、前記上部基板と前記下部基板との間に介在される熱電素子と、
を含む熱電モジュール。
【請求項３２】
前記上部基板及び前記下部基板は絶縁基板であり、
前記上部基板及び前記下部基板の凹み部が備えられた面には導電性物質が塗布されて構成される請求項３１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、熱電素子及びこれを含む熱電モジュールに関し、より詳細には、熱電性能指数を向上させた熱電素子及び熱電モジュールと、信頼性及び製造工程の効率性を向上させた熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石エネルギー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おり、最近、新再生エネルギーの開発が全世界的に活発になされている。
【０００３】
一方、新再生エネルギーの開発とともに、エネルギーを効率的に用いることができる熱電モジュールに対する多くの研究がなされている。
【０００４】
ここで、熱電モジュールは、熱電素子の両端に温度差を与えると、起電力が発生するゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果を用いる発電装置、または熱電素子に直流を印加すると、一端が発熱して他端が吸熱するペルティエ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果を用いる冷暖房装置として利用されることができる。特に、ＩＴ産業の著しい成長とともに電子部品が小型化、高電力化、高集積化及びスリム化されるにつれて、ｃｐｕなどの各種電子装置を効率的に冷却することができる方法が求められている状況で、熱電素子は無騒音、高い冷却効率、局所的な冷却が可能である点、環境に優しい点等の長所を有するため、今後の多様な応用が期待されている。
【０００５】
このような熱電素子を利用する熱電モジュールは、上下部電極と、上下部電極の間に配置された熱電素子とを含むことができる。ここで、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置される。この際、基板は優れた電気絶縁性を有するアルミナ基板を主に用いている。
【０００６】
一方、既存の熱電素子は金属原料を一定成分比で混合し、機械的合金化法によって製造される。即ち、バルク形態の熱電素子は、初期溶解、破砕、焼結という基本工程を利用し、これ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。
【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の向上などの開発に集中している傾向である。
【０００８】
薄膜工程では様々な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が、未だに刮目に値するような結果は出されておらず、熱電性能指数を向上させることができる技術開発が求められている。
【０００９】
一方、熱電モジュールは、Ｎ型半導体と、Ｐ型半導体と、二つの半導体の間を連結する金属電極と、セラミック基板とを含み、このような最小単位の構成を単一モジュールと称することもある。
【００１０】
単一モジュールが冷却または発電素子として用いられるためには、Ｎ型とＰ型半導体で電荷を生成した後、電極を介して夫々の端子から回路に連結されなければならない。従って、単一モジュールの効率を高めるためには、モジュールを構成する各部分の効率性及び各部分の相互間効率が最適化されるように設計しなければならない。
【００１１】
しかし、単一モジュールの低い変換効率及び熱電モジュールが応用される分野で高い変換効率が求められることにより、単一モジュールを複数個用いた複合モジュールに対する関心が高まっている。
【００１２】
既存の複合モジュールは、Ｐ−Ｎで構成された単一モジュールを使用条件に応じて繰り返して直列連結して製造されていた。夫々の単一モジュールは金属電極で連結され、金属電極はセラミック基板と連結されている。各単一モジュールは熱源から互いに平行に設計されているため、熱源からの半導体材料自体の温度勾配は単一モジュールと同一である。このような既存の直列型モジュール構造は、回路断線の問題を内包しており、構成する単一モジュールのうち一部に故障が発生すると全体の複合モジュールが作動できなくなるという致命的な欠点を有し、また、直列型モジュールであるため電圧依存度も大きいという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】韓国公開特許第１０−２００９−０１１０８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のような問題点を解決するために導き出された本発明は、熱電素子の熱電性能指数を向上させることができる熱電素子を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、熱電性能指数が向上された熱電モジュール及び信頼性と製造効率が向上された熱電モジュールを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述のような目的を果たすための本発明による熱電素子は、直径、密度及び平坦度のうち少なくとも一つの特性が相違する少なくとも二種類の熱電半導体材料からなる複数の半導体層が積層されて構成される。
【００１７】
また、熱電半導体材料からなる第１半導体層と、前記第１半導体層を構成する材料と直径、密度及び平坦度のうち少なくとも一つの特性が相違する熱電半導体材料からなる第２半導体層と、を含んで構成されることができる。
【００１８】
この際、前記第１半導体層と前記第２半導体層とが交互に積層されて構成されることが好ましい。
【００１９】
また、前記第１半導体層と前記第２半導体層とが交互に積層され、少なくとも３層以上に構成されることができる。
【００２０】
また、前記第２半導体層を構成する材料の直径が、前記第１半導体層を構成する材料の直径の５倍以上であることが好ましい。
【００２１】
この際、前記第１半導体層を構成する材料の直径は１０ｎｍ〜９００μｍであることが好ましい。
【００２２】
一方、前記第２半導体層の密度は、前記第１半導体層の１．５倍以上となるようにして層を区分することができる。
【００２３】
また、前記第１半導体層を構成する材料の短軸／長軸の比率と、前記第２半導体層を構成する材料の短軸／長軸の比率との比は、１：０．１〜０．９の範囲となるようにして層を区分することができる。
【００２４】
また、前記第１半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されるようにすることができる。
【００２５】
また、前記第２半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されるようにすることができる。
【００２６】
一方、本発明による熱電素子は、熱電半導体材料からなる第１熱電層と、熱電半導体材料からなる領域と金属材料からなる領域とが結合されてなる第２熱電層と、を含んで構成されることができる。
【００２７】
この際、前記第１熱電層と前記第２熱電層とが交互に積層されて構成されることが好ましい。
【００２８】
また、前記第１熱電層と前記第２熱電層とが交互に積層され、少なくとも３層以上に構成されることが好ましい。
【００２９】
また、前記第２熱電層は、層を異にして備えられる度に熱電半導体材料からなる領域と金属材料からなる領域の位置が変更されることが好ましい。
【００３０】
また、前記第１熱電層を構成する熱電半導体材料と、前記第２熱電層を構成する熱電半導体材料は、直径が相違するように構成することが好ましい。
【００３１】
また、前記第１熱電層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されることが好ましい。
【００３２】
また、前記第２熱電層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されることが好ましい。
【００３３】
一方、本発明による熱電素子は、熱電半導体材料からなる半導体層と、前記半導体層を構成する材料と直径が相違する熱電半導体材料及び非半導体材料が混合されてなる複合半導体層と、を含んで構成されることもできる。
【００３４】
この際、前記半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されることができる。
【００３５】
また、前記複合半導体層を構成する材料の直径は、少なくとも二種類以上の値に区分されることができる。
【００３６】
また、前記半導体層と前記複合半導体層とが交互に積層されることが好ましい。
【００３７】
また、前記半導体層と前記複合半導体層とが交互に積層され、少なくとも３層以上に構成されることが好ましい。
【００３８】
また、前記半導体層を構成する材料の直径は、１０ｎｍ〜９００μｍであることが好ましい。
【００３９】
一方、本発明による熱電モジュールは上述の熱電素子を含んで構成されることができる。
【００４０】
この際、互いに対向する第１電極及び第２電極が備えられ、前記熱電素子はＰ型単一タイプで前記第１電極と前記第２電極との間に介在されて構成されることができる。
【００４１】
また、互いに対向する第１電極及び第２電極が備えられ、前記熱電素子はＮ型単一タイプで前記第１電極と前記第２電極との間に介在されて構成されることができる。
【００４２】
また、一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板が備えられ、前記熱電素子はＰ型単一タイプで前記上部基板と前記下部基板との間に介在されて構成されることができる。
【００４３】
また、一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板が備えられ、前記熱電素子はＮ型単一タイプで前記上部基板と前記下部基板との間に介在されて構成されることができる。
【００４４】
この際、前記上部基板及び下部基板は絶縁基板であり、前記上部基板及び前記下部基板の凹み部が備えられた面には導電性物質が塗布されて構成されることができる。
【００４５】
一方、本発明による熱電モジュールは、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に介在され、Ｎ型またはＰ型のうち何れか一つの単一タイプで備えられる複数の熱電素子と、を含んで構成されることができる。
【００４６】
また、一側面に複数の凹み部が形成された上部基板及び下部基板と、前記凹み部に一部が挿入され、前記上部基板と前記下部基板との間に介在される熱電素子と、を含んで構成されることもできる。
【００４７】
この際、前記上部基板及び下部基板は絶縁基板であり、前記上部基板及び前記下部基板の凹み部が備えられた面には導電性物質が塗布されて構成されることができる。
【発明の効果】
【００４８】
上述のように構成された本発明による熱電素子及び熱電モジュールは、フォノンの散乱現象が各層の境界部分で活発に発生するため、熱電性能指数が向上される有用な効果を提供する。
【００４９】
また、本発明は、単一タイプの複数の熱電素子を並列連結することにより、従来の直列連結構造に比べて信頼性が改善され、電極構造及び組立過程を単純化することができるため、熱電モジュールの製作工程の効率性が向上されるという有用な効果を提供する。
【００５０】
また、本発明は凹み部が備えられた基板を利用して熱電モジュールの組立工程の効率を向上させることができるため、製造時間及び製造コストを低減することができるという有用な効果を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】一般的な熱電モジュールの構成を示した斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図３】本発明の第２実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図４】本発明の第３実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図５】本発明の第４実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図６】本発明の第５実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図７】本発明の第６実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図８】本発明の第７実施例による熱電素子の構成を示した断面図である。
【図９】本発明の第９実施例による熱電モジュールの構成を示した斜視図である。
【図１０】本発明の第１０実施例による熱電モジュールの構成を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを果たす方法は、添付図面とともに詳細に後述される実施例を参照すると明確になるであろう。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されず、相異なる多様な形態で具現されることができる。本実施例は、本発明の開示が完全になるようにするとともに、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に伝達するために提供されることができる。明細書全体において、同一参照符号は同一構成要素を示す。
【００５３】
本明細書で用いられる用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を限定しようとするものではない。本明細書で、単数型は文句で特別に言及しない限り複数型も含む。明細書で用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は言及された構成要素、段階、動作及び／または素子は一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／または素子の存在または追加を排除しない。
【００５４】
以下、添付された図面を参照して本発明の構成及び作動をより詳細に説明する。
【００５５】
図１は電源部を除いた熱電モジュールの構造を例示している。一般的に、熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔ）１００はＮ型とＰ型の半導体が用いられ、複数の対を構成するＮ型とＰ型の半導体を平面に配列し、これを再び金属電極を利用して直列連結してモジュールを構成する。モジュールに電流を印加すると、一方の金属電極でキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）である電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｅ−）と正孔（ｈｏｌｅ、ｈ＋）が生成され、Ｎ型半導体には電子が、Ｐ型半導体には正孔が夫々流れて熱を伝達し、これらキャリアは反対側電極で再結合される。
【００５６】
一方、一般的な熱電素子１００の熱電性能指数は数式１の通りである。
【００５７】
【数１】
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【００５８】
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は熱伝導度、Ｔは温度を意味する。
【００５９】
数式１で表されるように、熱伝導度と電気伝導度は互いに相互連関性を有している。また、電子は熱と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。
【００６０】
数式１のように、電気伝導度と熱伝導度は互いに反比例の関係にあるため、熱電性能指数であるｚＴを向上させるためには、熱電素子１００の端から反対側端に電子を円滑に移動させることにより電気伝導度を高める一方、フォノンの散乱を増加させなければならない。
【００６１】
本発明で開示する熱電素子１００は、多様な方式で層状構造を備え、各層の境界部分及び熱電素子１００全体でフォノンの散乱現象が増加されることにより、熱電性能指数ｚＴが向上される目的を果たすことができる。
【００６２】
本発明の発明者は、上述のようにフォノンの散乱現象を増加させる構造に対して鋭意検討した結果、物理的特性が相違する層を積層して熱電素子１００を構成する技術を完成するに至った。
【００６３】
即ち、本発明は、熱電素子１００の直径、密度及び平坦度のうち少なくとも一つの特性が相違する少なくとも二種類の熱電半導体材料から夫々なる複数の半導体層を積層するか、または、熱電半導体材料からなる領域と金属材料からなる領域とを含んで構成されるシートを利用するか、または、特定層に非半導体材料を添加することにより、熱電素子１００を構成する層の物理的特性を相違するようにしたものである。
【００６４】
以下、添付された図面を参照して本発明の各実施例による構成をより詳細に説明する。
【００６５】
＜第１実施例＞
【００６６】
図２は本発明の第１実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００６７】
図２を参照すると、熱電素子１００は、熱電半導体材料からなる第１半導体層１１０と、前記第１半導体層１１０を構成する材料と直径が相違する熱電半導体材料からなる第２半導体層１２０と、を含んで構成されることができる。
【００６８】
この際、前記第１半導体層１１０と第２半導体層１２０とを交互に積層して層間界面での物理的特性差を極大化することができ、３層以上に構成することもできる。
【００６９】
また、物理的特性差による界面効果を考慮して、前記第２半導体層１２０を構成する材料の直径が第１半導体層１１０を構成する材料の直径の５倍以上となるようにすることが好ましい。第１半導体層１１０と第２半導体層１２０との直径差が小さすぎると界面効果が小さく、界面でのフォノン散乱現象の増加が微小であるため、所期の目的を果たすことができなくなる。
【００７０】
一方、前記第１半導体層１１０を構成する材料の直径は１０ｎｍ〜９００μｍであることが好ましい。
【００７１】
＜第２実施例＞
【００７２】
図３は本発明の第２実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００７３】
図３を参照すると、熱電素子１００は、熱電半導体材料からなる第１半導体層１１０と、前記第１半導体層１１０を構成する材料と密度が相違する熱電半導体材料からなる第２半導体層１２０と、を含んで構成されることができる。
【００７４】
この際、層間界面効果によるフォノン散乱現象の効率的な増加を図るために、前記第２半導体層１２０の密度は第１半導体層１１０の１．５倍以上となるようにすることが好ましい。密度差が小さすぎると界面効果が小さく、界面でのフォノン散乱現象の増加が微小であるため、所期の目的を果たすことができなくなる。
【００７５】
また、前記第１半導体層１１０と第２半導体層１２０とを交互に積層して層間界面での物理的特性差を極大化することができ、３層以上に構成することもできる。
【００７６】
＜第３実施例＞
【００７７】
図４は本発明の第３実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００７８】
図４を参照すると、熱電素子１００は、熱電半導体材料からなる第１半導体層１１０と、前記第１半導体層１１０を構成する材料と平坦度が相違する熱電半導体材料からなる第２半導体層１２０と、を含んで構成されることができる。
【００７９】
前記平坦度は、粒子の長軸及び短軸の比率に数値化されることができる。
【００８０】
即ち、前記第１半導体層１１０を構成する材料の短軸／長軸の比率と前記第２半導体層１２０を構成する材料の短軸／長軸の比率とが相違することにより、前記二つの層の界面でフォノン散乱現象が増加することができる。
【００８１】
この際、前記第１半導体層１１０と第２半導体層１２０との短軸／長軸の比率の比は、１：０．１〜０．９の範囲となるようにすることで、層間界面でのフォノン散乱現象を極大化することができる。
【００８２】
また、前記第１半導体層１１０と第２半導体層１２０とを交互に積層して層間界面での物理的特性差を極大化することができ、３層以上に構成することもできる。
【００８３】
＜第４実施例＞
【００８４】
図５は本発明の第４実施例による構成を例示している。
【００８５】
図５を参照すると、前記第１半導体層１１０を構成する材料の直径または前記第２半導体層１２０を構成する材料の直径を、少なくとも二種類以上の値に区分することにより、フォノン散乱現象をより増加させることができる。
【００８６】
即ち、第１半導体層１１０は直径が相違する少なくとも２種類の粒子で構成し、第２半導体層１２０は直径が同一の粒子で構成すると、第１半導体層１１０と第２半導体層１２０との間の界面での物理的特性が相違するようになり、フォノン散乱現象が増加するようになる。
【００８７】
＜第５実施例＞
【００８８】
図６は本発明の第５実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００８９】
図６を参照すると、熱電半導体材料からなる第１熱電層１３０と、熱電半導体材料からなる領域１４１と金属材料からなる領域１４２とが結合されてなる第２熱電層１４０と、を含んで熱電素子１００を構成することができる。
【００９０】
この際、前記金属材料として用いられる物質は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｂなどがあり、これに限定されない。
【００９１】
一方、前記第１熱電層１３０と第２熱電層１４０とを交互に積層して構成することが好ましく、少なくとも３層以上に構成することができる。
【００９２】
この際、前記第２熱電層１４０は層を異にして備えられる度に、熱電半導体材料からなる領域１４１と金属材料からなる領域１４２との位置が変更されるようにして、フォノン散乱現象をより増加させることができる。
【００９３】
＜第６実施例＞
【００９４】
図７は本発明の第６実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００９５】
図７を参照すると、前記第１熱電層１３０を構成する熱電半導体材料と、前記第２熱電層１４０を構成する熱電半導体材料の直径を相違するようにして、層間界面効果によるフォノン散乱現象を増加させることができる。
【００９６】
また、図５の第４実施例で例示したように、前記第１熱電層１３０を構成する材料の直径または第２熱電層１４０を構成する材料の直径を、少なくとも二種類以上の値に区分されるようにして、フォノン散乱現象をより増加させることができる。
【００９７】
＜第７実施例＞
【００９８】
図８は本発明の第７実施例による熱電素子１００の構成を例示している。
【００９９】
図８を参照すると、熱電半導体材料からなる半導体層１５０と、前記半導体層１５０を構成する材料と直径が相違する熱電半導体材料及び非半導体材料が混合してなる複合半導体層１６０と、を含んで熱電素子１００を構成することができる。
【０１００】
前記複合半導体層１６０に備えられる非半導体材料はフォノンの散乱を誘発することができ、前記半導体層１５０と複合半導体層１６０との間の界面でもフォノン散乱現象が増加する。
【０１０１】
この際、前記半導体層１５０を構成する材料の直径は少なくとも二種類以上の値に区分されることができ、前記複合半導体層１６０を構成する材料の直径は少なくとも二種類以上の値に区分されることができる。
【０１０２】
一方、前記半導体層１５０と複合半導体層１６０とを交互に積層することが好ましく、少なくとも３層以上に構成することができる。
【０１０３】
また、前記半導体層１５０を構成する材料の直径は１０ｎｍ〜９００μｍであることが好ましい。
【０１０４】
また、前記半導体層または複合半導体層を構成する材料の直径は２以上のサイズに区分されることもできる。
【０１０５】
＜第８実施例＞
【０１０６】
図面で例示していないが、本発明の第８実施例による熱電モジュールは、第１実施例から第７実施例で説明した熱電素子１００を含んで構成されることができる。
【０１０７】
＜第９実施例＞
【０１０８】
図９は本発明の第９実施例による熱電モジュールの構成を例示している。
【０１０９】
図９を参照すると、本発明による熱電モジュールは、互いに対向する第１電極２１０と第２電極２２０とが備えられ、Ｐ型単一タイプまたはＮ型単一タイプの熱電素子１００を前記第１電極２１０と第２電極２２０との間に介在して構成されることができる。
【０１１０】
上述のように構成される場合、従来の直列型熱電モジュールに比べて複雑な電極パターンを具現することが不必要となるため、製造工程の効率が増加し、多数の熱電素子１００のうち一部に異常が発生しても、正常の熱電素子１００を通じて熱電性能が具現されるため、信頼性が向上される。
【０１１１】
＜第１０実施例＞
【０１１２】
図１０は本発明の第１０実施例による熱電モジュールの構成を例示している。
【０１１３】
図１０を参照すると、本発明による熱電モジュールは、一側面に複数の凹み部３１１が形成された上部基板３１０及び下部基板３２０が備えられ、前記熱電素子１００は前記上部基板３１０と下部基板３２０との間に介在されて構成されることができる。
【０１１４】
この際、前記基板３１０、３２０は導電性物質で構成されることができる。
【０１１５】
また、前記基板３１０、３２０を絶縁性物質で構成した場合は、前記基板３１０、３２０の凹み部３１１に導電性物質で電極を形成し、前記電極を電気的に連結することが好ましい。
【０１１６】
また、前記熱電素子１００はＰ型単一タイプまたはＮ型単一タイプで、伝導性基板または電極の間に介在されて熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。
【０１１７】
また、Ｐ型及びＮ型熱電素子１００を直列配置することもできるが、この場合、熱電素子１００の配列に応じて電極の配列もモジュール全体が直列となるように構成されなければならない。
【０１１８】
上述のように構成されると、熱電素子１００を基板または電極と連結する組立工程の効率が向上し、製造時間及びコストを低減することができる。
【０１１９】
一方、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ことができる。
【０１２０】
さらに、熱電半導体材料は、Ｂｉ（ビスマス）及びＴe（テルル）の混合からなることができる。
【０１２１】
また、熱電半導体材料はＺｎｘＳｂｙからなることができ、ここで、ｘ／ｙは０．５〜１．５となるようにすることができ、特にｘ＝４、ｙ＝３であるＺｎ４Ｓｂ３を用いることができる。
【０１２２】
一方、熱電半導体材料はＣｏｘＳｂｙからなることができ、ここで、ｘ／ｙは０．１〜２．０となるようにすることができ、特にｘ＝１、ｙ＝３であるＣｏＳｂ３を用いることができる。
【０１２３】
以上の詳細な説明は本発明を例示するものである。また、上述の内容は本発明の好ましい実施形態を示して説明するものに過ぎず、本発明は多様な他の組合、変更及び環境で用いることができる。即ち、本明細書に開示された発明の概念の範囲、述べた開示内容と均等な範囲及び／または当業界の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。上述の実施例は本発明を実施するにおいて最善の状態を説明するためのものであり、本発明のような他の発明を用いるにおいて当業界に公知された他の状態での実施、そして発明の具体的な適用分野及び用途で要求される多様な変更も可能である。従って、以上の発明の詳細な説明は開示された実施状態に本発明を制限しようとする意図ではない。また、添付された請求範囲は他の実施状態も含むと解釈されるべきであろう。
【符号の説明】
【０１２４】
１００  熱電素子
１１０  第１半導体層
１２０  第２半導体層
１３０  第１熱電層
１４０  第２熱電層
１４１  熱電半導体材料からなる領域
１４２  金属材料からなる領域
１５０  半導体層
１６０  複合半導体層
２００  電極
２１０  第１電極
２２０  第２電極
３００  基板
３１０  上部基板
３１１  凹み部
３２０  下部基板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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