(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電性能指数を向上して歩留りを確保することができる熱電素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】熱電素子１３０は、熱電半導体からなり、多層に積層された複数の熱電シート１３１と、該複数の熱電シート１３１間に設けられる金属シート１３２とを含む。熱電シートと金属シートとを各々形成するステップと、前記熱電シートと前記金属シートとを積層して予備熱電素子を積層するステップと、前記予備熱電素子を圧縮するステップと、前記圧縮された熱電素子を切断して熱電素子を形成するステップにより熱電素子を製造する。【選択図】図２
2012124480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電半導体からなり、多層に積層された複数の熱電シートと、
前記複数の熱電シート間に設けられる金属シート
とを含む熱電素子。
【請求項２】
前記熱電シートと前記金属シートとは、交互に積層され、互いに同じ割合で設けられる請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
前記金属シートは、前記積層された熱電シート間に部分的に配設され、前記熱電シートに比べて小さな割合で設けられる請求項１に記載の熱電素子。
【請求項４】
前記多層に積層された複数の熱電シートは、同じ熱電半導体材料によって形成される請求項１に記載の熱電素子。
【請求項５】
前記金属シートは、０．１μｍ〜１０μｍの厚さ範囲を有する請求項１に記載の熱電素子。
【請求項６】
前記熱電シートは、１μｍ〜１０００μｍの厚さ範囲を有する請求項１に記載の熱電素子。
【請求項７】
前記金属シートは、前記熱電シートに比べて小さな面積を有する請求項１に記載の熱電素子。
【請求項８】
前記金属シート上に前記熱電シートを露出するように形成され、該露出した熱電シート上に配設され、前記金属シートから離間した付加熱電シートを、さらに含む請求項７に記載の熱電素子。
【請求項９】
熱電シートと金属シートとを各々形成するステップと、
前記熱電シートと前記金属シートとを積層して予備熱電素子を積層するステップと、
前記予備熱電素子を圧縮するステップと、
前記圧縮された熱電素子を切断して熱電素子を形成するステップ
とを含む熱電素子の製造方法。
【請求項１０】
前記熱電シートは、ロールプリンティング工程によって形成される請求項９に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１１】
前記金属シートは、ロールプリンティング工程によって形成される請求項９に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１２】
前記熱電シートと前記金属シートとは交互に積層され、互いに同じ割合で積層する請求項９に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１３】
前記金属シートは、前記積層された熱電シート間に部分的に配設され、前記熱電シートに比べて小さな割合で積層する請求項９に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１４】
前記金属シートは、前記熱電シートに比べて小さな面積を有する請求項９に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項１５】
前記熱電シートと前記金属シートとを積層して予備熱電素子を積層するステップにて、
前記金属シートによって露出した前記熱電シート上に付加熱電シートがさらに積層される請求項１０に記載の熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子及びその製造方法に関するもので、より詳細には、熱電シートと金属シートとの積層構造で形成して熱電性能指数を向上して歩留まりを確保することができる熱電素子及びその製造方法に関する。
【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、熱電現象、すなわち、外部から印加された電流によって形成された両端の温度差を用いて起電力を発生するゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果と、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オ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果とを有する。すなわち、熱電素子は冷却分野及び発電分野において広く適用されることができる。
【０００４】
熱電素子は、実際応用のために、数ｍｍ３〜数ｃｍ３水準のバルク状または厚膜によって製造されなければならない。このようなバルク状の熱電素子は、初期溶解、破鎖、焼結という基本的な工程を用い、ここにドーパントを添加してＰ−タイプ半導体及びＮ−タイプ半導体として製造されることができる。
【０００５】
一方、このような熱電素子の性能は、熱電性能指数を測定して判断することができる。ここで、バルク状または厚膜の熱電素子の熱電性能指数を向上するために、熱電粉末粒子の微細化及び焼結密度の向上等の開発に集中されている実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許出願公開第１０−２０１０−００８１９１４号
【特許文献２】米国特許第６７１０２３８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱電粉末粒子の微細化及び焼結密度の向上に伴って熱電素子の歩留まりが低下するという問題点があった。
【０００８】
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して歩留まりを確保することができる熱電素子及びその製造方法を提供するにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するために、本発明による熱電素子は、熱電半導体からなり、多層に積層された複数の熱電シートと、前記複数の熱電シート間に設けられる金属シートとを含むことができる。
【００１０】
ここで、前記熱電シートと前記金属シートとは交互に積層され、互いに同じ割合で設けられることができる。
また、前記金属シートは、前記積層された熱電シート間に部分的に配設されて、前記熱電シートに比べて小さな割合で設けられることができる。
【００１１】
また、前記多層に積層された複数の熱電シートは、同じ熱電半導体材料によって形成されることができる。
【００１２】
また、前記金属シートは、０．１μｍ〜１０μｍの厚さ範囲を有することができる。
【００１３】
また、前記熱電シートは、１μｍ〜１０００μｍの厚さ範囲を有することができる。
【００１４】
また、前記金属シートは、前記熱電シートに比べて小さな面積を有することができる。
【００１５】
また、前記金属シート上に前記熱電シートを露出するように形成され、該露出した熱電シート上に配設され、前記金属シートから離間した付加熱電シートを、さらに含むことができる。
【００１６】
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形態による熱電素子の製造方法は、熱電シートと金属シートとを各々形成するステップと、前記熱電シートと前記金属シートとを積層して予備熱電素子を形成するステップと、前記予備熱電素子を圧縮するステップと、前記圧縮された予備熱電素子を切断して熱電素子を形成するステップとを含むことができる。
【００１７】
ここで、前記熱電シートは、ロールプリンティング工程によって形成されることができる。
【００１８】
また、前記金属シートは、ロールプリンティング工程によって形成されることができる。
【００１９】
また、前記熱電シートと前記金属シートとは交互に積層され、互いに同じ割合で積層することができる。
【００２０】
また、前記金属シートは、前記積層された熱電シート間に部分的に配設されて前記熱電シートに比べて小さな割合で積層することができる。
【００２１】
また、前記金属シートは、前記熱電シートに比べて小さな面積を有することができる。
【００２２】
また、前記熱電シートと前記金属シートとを積層して予備熱電素子を積層するステップにて、前記金属シートによって露出した前記熱電シート上に付加熱電シートがさらに積層されることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、熱電素子を熱電シートと金属シートとの積層構造で形成することによって、少なくとも電気伝導度を維持すると共にフォノン散乱の誘発によって熱電性能指数を向上することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、熱電素子を、セラミックス工程または急速冷間法の金属工程によって熱電シート及び金属シートを製造した後、該熱電シートと該金属シートとの積層工程によって形成することによって、大量生産が可能である。
【００２５】
また、本発明によれば、熱電素子を、熱電シート及び金属シートの積層工程によって形成されることによって、熱電素子の厚さ及び形態を容易に変更することができ、熱電素子の設計自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態による熱電素子を備える熱電モジュールの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１による熱電素子の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態２による熱電素子の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態３による熱電素子の製造工程を説明するために示す図面である。
【図５】同じく、熱電素子の製造工程を説明するために示す図面である。
【図６】同じく、熱電素子の製造工程を説明するために示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施の形態は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とって本発明の思想が十分に伝達され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されることができる。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。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態による熱電素子を備える熱電モジュールの斜視図である。
【００２９】
図１を参照すると、熱電モジュールは、対向して離間する第１及び第２の基板１１０、１６０と、これらの第１及び第２の基板１１０、１６０の内側面に各々介在する第１及び第２の電極１２０、１５０と、第１及び第２の基板１１０、１６０間に介在する熱電素子１３０とを含むことができる。
【００３０】
第１及び第２の基板１１０、１６０は、熱電素子１３０と第１及び第２の電極１２０、１５０とを支持する。また、熱電素子１３０が多数個によって設けられる場合、第１及び第２の基板１１０、１６０は多数個の熱電素子１３０を連結することができる。
【００３１】
また、第１の基板１１０及び第２の基板１６０は、外部装置に貼り付けられ、熱電素子１３０の熱交換を通じて外部から熱を吸熱するか外部へ熱を放熱する。このため、第１及び第２の基板１１０、１６０は、熱伝導率の高いセラミックス、例えばアルミナから成ることができる。または、第１及び第２の基板１１０、１６０は、優秀な熱伝導率を有する金属、例えばアルミニウム及び銅から成ることができる。
【００３２】
一方、熱電素子１３０は、Ｐ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとを含むことができる。Ｐ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとは同じ平面上に交互に配列されることができる。第１及び第２の電極１２０、１５０は、熱電素子１３０を挟んで互いに対向するように配設されることができる。一対のＰ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとはその下面に配設される第１の電極１２０によって電気的に接続され、隣合う他の一対のＰ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとはその上面に配設される第２の電極１５０によって電気的に接続されることができる。
【００３３】
また、第１及び第２の電極１２０、１５０は、ワイヤ１７０によって外部電源部に接続され、該外部電源部に対して電源を供受することができる。すなわち、熱電モジュールが発電装置の機能をする場合、電源を外部電源部へ供給し、冷却システムの機能をする場合、電源を外部電源部から供給されることができる。
【００３４】
このような熱電モジュールは、熱電シートと金属シートとの積層構造で形成された熱電素子を備えることによって、熱電モジュールのエネルギー変換効率を向上することができる。これは、少なくとも熱電素子の電気伝導度を維持すると共にフォノン散乱の誘発によって熱電性能指数を向上することができるからである。
【００３５】
以下、図２を参照して、本発明の実施形態１による熱電素子についてさらに具体的に説明する。
【００３６】
図２は、本発明の実施形態１による熱電素子の斜視図である。
【００３７】
図２を参照すると、本発明の実施形態１による熱電素子１３０は、多層に積層された複数の熱電シート１３１と、該複数の熱電シート１３１間に設けられる金属シート１３２とを含むことができる。
【００３８】
熱電シート１３１は、熱電半導体から成ることができる。多層に積層された複数の熱電シートは、同じ熱電半導体材料によって形成されることができる。例えば、熱電半導体の材料としては、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ)、テルル（Ｔｅ）及びセレン（Ｓｅ）が挙げられる。具体的には、Ｂｉ２Ｔｅ３系、ＺｎＳｂ３、ＣｏＳｂ３、Ｍｇ２Ｓｉ及びＦｅ２Ｓｉが挙げられる。ここで、熱電シート１３１は、同じ半導体材料によって形成されることによって、工程手続きを簡素化することができる。
【００３９】
一方、一般的な熱電素子の熱電性能指数は下記＜式１＞の通りである。
【００４０】
［数１］
ｚＴ＝ （α２σ／ｋ）Ｔ
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は温度を示す。
【００４１】
＜式１＞のように、電気伝導度と熱伝導度とは互いに反比例の関係で、熱電性能指数であるｚＴを向上するためには、熱電素子の一端から他端へ電子をよく移動させなければならない。このために、フォノンを散乱させなければならない。これは、電子は熱及び電気を共に移動させ、フォノンは熱を移動させるような媒体であるからである。
【００４２】
一般に、電子の波長は１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さ範囲を有し、フォノンの波長は１ｎｍを有する。すなわち、フォノンは電子に比べて短い波長を有するので、多層に積層された熱電素子１３０の各層の境界部分で散乱現象が発生することになる。これにより、熱電性能指数ｚＴの向上する効果が奏する。すなわち、熱電素子１３０は多層の熱電シート１３１によって形成されることによって、フォノンの散乱現象を発生することができ、熱電素子１３０の熱電性能指数は向上することができる。
【００４３】
熱電シート１３１は、１μｍ〜１０００μｍの厚さ範囲を有することができる。ここで、現工程で熱電シート１３１の厚さを１μｍ未満で形成することは、技術的に制約を受けることになる。一方、熱電シート１３１の厚さが１０００μｍ超に形成される場合、フォノン散乱数果の減少する問題が生じることになる。
【００４４】
金属シート１３２は、積層された熱電シート１３１間に介在されることができる。ここで、熱電シート１３１と金属シート１３２とは交互に積層されることができる。すなわち、熱電素子１３０は互いに同じ割合で設けられる熱電シート１３１と金属シート１３２とを含むことができる。または、金属シート１３２は、積層された熱電シート１３１間に部分的に配設されてもよい。複数個に積層された熱電シート１３１と一つの金属シート１３２とが反復的にまたは不規則に積層されてもよい。すなわち、熱電素子１３０は熱電シート１３１に比べて小さな割合で設けられる金属シート１３２を含むことができる。
【００４５】
金属シート１３２は、熱電シート１３１間に介在して、電子の移動は元々の状態で維持させると共にフオノンの移動を抑止する。すなわち、熱電素子１３０が多層の熱電シートによって形成される場合、少なくとも電気伝導度を維持させると共に、熱電シート１３１間の界面でフォノンの自由移動を防止して熱伝導度を低めることができる。
【００４６】
金属シート１３２は、フォノンの自由移動を防止可能な材質によって形成されることができる。金属シート１３２を形成する材質としては、転移金属、稀土類金属等が挙げられる。
【００４７】
金属シート１３２は、０．１μｍ〜１０μｍの厚さ範囲を有するように形成することができる。ここで、金属シート１３２の厚さが０．１μｍ未満になることは難しく、一方、金属シート１３２の厚さが１０μｍ超になる場合、フォノン散乱数果の減少するという問題がある。
【００４８】
したがって、本発明の実施形態のように、熱電素子を熱電シートと金属シートとの積層構造で形成することによって、少なくとも電気伝導度を維持すると共にフォノン散乱を誘発して熱電性能指数を向上することができる。
【００４９】
図３は、本発明の実施形態２による熱電素子の斜視図である。金属シートの形態及び付加熱電シートをさらに備えることを除いて、前述の実施形態１による熱電素子と同じ技術的構成を備える。そのため、実施形態１と繰り返す説明は省略する。
【００５０】
図３を参照すると、本発明の実施形態２による熱電素子２３０は、複数に積層された複数の熱電シート２３１と、該複数の熱電シート２３１間に設けられる金属シート２３２とを含むことができる。
【００５１】
ここで、金属シート２３２は、熱電シート２３１に比べて小さな面積を有することができる。これによって、熱電シート２３１上に金属シート２３２を積層する場合、該金属シート２３２は熱電シート２３１を露出するように形成されることができる。
【００５２】
.
金属シート２３２によって露出した熱電シート２３１上に付加熱電シート２３３がさらに配設されることができる。すなわち、熱電シート２３１上に金属シート２３２と付加熱電シート２３３とが並んで配設されることができる。金属シート２３２の側面と付加熱電シート２３３の側面とは互いに接合されるように形成されることができる。熱電シート２３１と付加熱電シート２３３とは同じ熱電半導体によって形成されることができる。これによって、積層された熱電シート２３１及び付加熱電シート２３３と金属シートとの間の接合表面積が増大して、フォノンの散乱数果をさらに増大させることができる。そのため、熱電素子２３０の熱電性能指数を増大させることができる。
【００５３】
したがって、本発明の実施形態のように、熱電素子を熱電シートと金属シートとの積層構造で形成して、金属シートの面積を減らすと共に金属シートによって露出した領域に付加熱電シートを設けることによって、熱電シートと金属シートとの間の接合表面積が増大してフォノン散乱をさらに増大させて熱電性能指数をさらに向上することができる。
【００５４】
以下、図４〜図６を参照して、本発明の実施形態による熱電素子の製造工程を説明する。
【００５５】
図４〜図６は各々、本発明の実施形態３による熱電素子の製造工程を説明するために示す図面である。
【００５６】
図４に示すように、熱電素子１３０を形成するため、先に熱電シート１３１と金属シート１３２とを各々形成する。熱電シート１３１及び金属シート１３２は各々セラミックス工程によって形成されることができる。詳しくは、熱電シート１３１を製造するため、先に熱電スラリを製造する。該スラリは、熱電半導体から成るパウダ、バインダ及び溶媒を混合して形成することができる。熱電シート１３１は、ロールプリンティング法によってキャリアフィルム上に塗布及び乾燥工程を遂行した後、該キャリアフィルムから分離して製造されることができる。
【００５７】
一方、金属シート１３２を製造するため、金属パウダ、バインダ及び溶媒を混合して金属スラリを形成する。続いて、核金属シート１３２はロールプリンティング法によってキャリアフィルム上に塗布及び乾燥工程を遂行した後、該キャリアフィルムから分離して形成されることができる。
【００５８】
ここで、熱電シート１３１及び金属シート１３２の各々は、多数の熱電素子に対応する面積を有してもよい。
【００５９】
続いて、熱電シート１３１と金属シート１３２とを積層して予備熱電素子１３０ａを形成する。熱電シート１３１と金属シート１３２とは交互に積層することができる。すなわち、熱電シート１３１と金属シート１３２とは互いに同じ割合で設けられることができる。
【００６０】
または、金属シート１３２は、熱電シート１３１を複数個積層する第１の積層工程と、該複数積層された熱電シート上に一つの金属シート１３２を積層する第２の積層工程とを繰り返して行い、予備熱電素子１３０ａを形成することができる。すなわち、予備熱電素子１３０ａは積層された熱電シート１３１間に部分的に配設されることができる。これによって、金属シート１３２は、予備熱電素子１３０ａにおいて熱電シート１３１に比べて小さな割合で設けられることができる。
【００６１】
同図のように、熱電シート１３１と金属シート１３２とは同じ面積を有することとして示したが、これに限定するものではない。例えば、金属シート１３２は、熱電シート１３１に比べて小さな面積を有してもよい。熱電シート１３１上に金属シート１３２と付加熱電シート（図３での２３３）を並んで積層してもよい。熱電シート１３１の面積は、金属シート１３２と付加熱電シート１３１との結合された面積と同じであってもよい。これによって、熱電シート１３１と金属シート１３２との間の接合表面積の増大の効果が奏することもできる。
【００６２】
図５を参照すると、予備熱電素子１３０ａを圧着して数ｍｍ３〜数ｃｍ３のバルク状の熱電素子を形成することができる。
【００６３】
また、図６を参照すると、予備熱電素子１３０ａが、多数の熱電素子に対応する面積を有する熱電シート１３１と金属シート１３２とによって形成される場合、予備熱電素子１３０ａを圧着した後、該圧着された予備熱電素子１３０ａを各単位別で切断することによって、多数のバルク状の熱電素子１３０を一度の工程によって形成することができる。
【００６４】
したがって、本発明の実施形態のように、セラミックス工程によって熱電シート及び金属シートを製造した後、該熱電シートと該金属シートとの積層工程によって熱電素子を形成することによって、大量生産が可能である。
【００６５】
また、本発明の実施形態のように、熱電素子を熱電シート及び金属シートの積層工程によって形成することによって、熱電素子の厚さ及び形態を容易に変更することができ、熱電素子の設計自由度を高めることができる。
【００６６】
また、本発明の実施形態のように、多数の熱電素子に対応する面積を有する熱電シート及び金属シートで熱電素子を形成することによって、一度の工程で多数個の熱電素子を形成することができる。
【００６７】
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】
【００６８】
１１０  第１の基板
１２０  第１の電極
１３０、２３０  熱電素子
１３１、２３１  熱電シート
１３２、２３２  金属シート
２３３  付加熱電シート
１５０  第２の電極
１６０  第２の基板
【図１】
2012124480.tif 000003
【図２】
2012124480.tif 000004
【図３】
2012124480.tif 000005
【図４】
2012124480.tif 000006
【図５】
2012124480.tif 000007
【図６】
2012124480.tif 000008