热电元件、热电模块及包括该热电模块的热转换装置的制作方法

本发明的实施例涉及一种配置为提高热电效率的热电元件、热电模块及包括该热电模块的热转换装置。

背景技术：

通常的热电模块具有通过将金属电极中的p型热电元件和n型热电元件接合形成一对pn接头的结构。当一对pn接头的两个金属电极之间存在温差时，通过塞贝克效应(seebeckeffect)产生电力，因此热电模块可以是发电机。此外，根据一对pn接头的两个金属电极中的一个金属电极被冷却而另一个金属电极被加热的珀尔帖效应(peltier’seffect)，热电模块可以是温度控制器。

这种热电模块被应用于冷却器、加热器及发电机以提供各种热电效应。

因此，提高热电模块的效率的方法受到关注。

技术实现要素：

技术问题

本发明的一个方面是提供一种高效率的热电模块。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种热电元件，包括：第一元件部，具有第一截面面积；连接部，连接到所述第一元件部；以及第二元件部，连接到所述连接部并具有第二截面面积，其中，所述连接部的截面面积小于所述第一截面面积和所述第二截面面积中的至少一者。

有益效果

根据本发明的实施例，即使使用等量的材料，也能通过将热电元件的顶部宽度和底部宽度形成为大于其中心宽度，来增加热电效率和发电效率。因此，可以在保持发电效率的同时降低热电元件的材料成本。

此外，根据本发明的实施例，可以在提供冷却或加热的热转换效果的装置中使用等量的材料来提高冷却或加热性能。在这种情况下，可以在获得特定的冷却和加热性能的同时降低热电元件的材料成本。

此外，根据本发明的实施例，可以提供具有高发热效率的薄热电模块。具体地，当发热基板的面积形成为大于冷却基板的面积时，由于可以增大传热速率并且不需要散热器，因此可实现小且薄的装置。

此外，根据本发明的实施例，由于通过堆叠在片状基材上包括半导体层的单元构件来实现热电元件，所以导热性降低，导电性提高，使得冷却能力(qc)和温度变化率(ot)可显著提高。此外，通过在堆叠结构的单元构件之间包括导电图案层并将其厚度形成为显著小于整块型(overallbulk-type)热电元件的厚度，而具有将导电性最大化的效果。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的热电元件的概念图；

图2是包括根据本发明的实施例的热电元件的热电模块的剖视图；

图3是包括一般热电元件的热电模块的剖视图；

图4是包括根据本发明的实施例的热电元件的热电模块的剖视图；

图5示出了包括图4的热电模块的热电装置；

图6的(a)到图6的(d)是示出了单元构件的制造工序的概念图；

图7的(a)到图7的(d)表示根据本发明的实施例的导电层的各种变型例；

图8的(a)到图8的(c)示出了根据本发明的另一实施例的热电元件。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明根据本发明的实施例的结构和操作。在参照附图的整个说明中，相同的附图标记表示相同的元件，并省略其重复的说明。虽然诸如第一、第二等术语可用于描述各种元件，但是元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与其他元件进行区分。

图1是根据本发明的实施例的热电元件的概念图，图2是包括根据本发明的实施例的热电元件的热电模块的剖视图。

参考图1和图2，根据本发明的实施例的热电模块包括第一基板140、设置在第一基板140上的热电元件120以及设置在热电元件120上的第二基板150，热电元件120包括：设置在第一基板140上并具有第一截面的第一元件部122；连接到第一元件部122的连接部124；以及连接到连接部124并设置在第二连接部124和第二基板150之间并具有第二截面的第二元件部126。具体地，在这种情况下，可以提供连接部124的水平方向上的任意区域的截面小于第一截面和第二截面的结构。这里，水平方向可指代与从第一基板140朝向第二基板150的方向垂直的方向。

与使用等量材料的具有单一截面的结构(例如，正六面体或长方体)相比时，在根据本发明的实施例的热电元件120中，由于可增大第一元件部122和第二元件部126的面积，并且可增大连接部124的长度，因此可增大第一元件部122和第二元件部126之间的温度差t。当第一元件部122和第二元件部126之间的温度差增大时，由于在第一元件部(例如，加热侧)和第二元件部分126(例如，冷却侧)之间移动的自由电子的量增加，因此加热或冷却效率提高。

因此，根据本发明的实施例的热电元件120被实现为，可以设置连接到连接部124的上表面和下表面的第一元件部122和第二元件部126的宽水平截面，并且可以通过延长连接部124的长度来减小连接部的截面。这里，第一元件部122和第二元件部126可形成为平板结构或另一三维结构。虽然在图中未示出，但是第一元件部122可具有随着其靠近第一基板140而变大的截面，第二元件部126可具有随着其靠近第二基板150而变大的截面。

具体地，在本发明的实施例中，连接部124的水平截面中具有最大宽度的截面的宽度b与作为第一元件部和第二元件部的水平截面的较大截面的截面的宽度a或c之比可实现为满足1:1.5至1:4的范围。在不在该范围的情况下，由于从加热侧向冷却侧传导热，因此发电效率降低或者加热或冷却效率降低。

在该结构的另一实施例中，热电元件120可以形成为使第一元件部的厚度a1和第二元件部的厚度a3可小于连接部的厚度a2。这里，厚度可以表示从第一基板140朝向第二基板150的方向上的厚度。

此外，在本发明的实施例中，作为第一元件部122的水平截面的第一截面和作为第二元件部126的水平截面的第二截面可以实现为不同。这是为了通过调节热电效率而容易控制所需的温度差。此外，第一元件部、第二元件部及连接部可构造成一体，在这种情况下，它们的部件可由相同的材料形成。为此，可以通过挤压或通过使用模具来形成第一元件部122、第二元件部126及连接部124。

根据本发明的实施例的热电元件120可包括p型半导体材料或n型半导体材料。可通过使用如下的混合物形成包括n型半导体材料的n型热电元件，在该混合物中，将包含硒(se)、镍(ni)、铝(al)、铜(cu)、银(ag)、铅(pb)、硼(b)、镓(ga)、碲(te)、铋(bi)和铟(in)的碲化铋(bite)基主材料与相当于该主材料的总重量的0.001wt％到1.0wt％的bi或te混合。此外，可通过使用如下的混合物形成包括p型半导体材料的p型热电元件，在该混合物中，将包含锑(sb)、镍(ni)、铝(al)、铜(cu)、银(ag)、铅(pb)、硼(b)、镓(ga)、碲(te)、铋(bi)和铟(in)的碲化铋(bite)基主材料与相当于该主材料的总重量的0.001wt％到1.0wt％的bi或te混合。

图3是包括一般热电元件的热电模块的截面图。

参考示出了包括根据本发明的实施例的热电元件的热电模块的图2和示出了包括一般热电元件的热电模块的图3，假定设置了以下的结构：热电元件120设置于具有相同宽度和厚度并且彼此面对的一对基板140和150之间，并对热电元件120应用等量的材料。

在这种情况下，在图3所示的一般结构中，使用通常设置量的热电材料来实现具有高度d1和宽度d3的热电元件。在图2中使用等量的热电材料来实现具有高度d2的热电元件。例如，假定图3中高度d1与宽度d3之比为0.5:5时，当在图2中使用等量的热电材料时，高度d2与宽度之比可以是2:1.5。由于即使宽度减小到1.5倍的程度，高度也增加，所以一对基板之间的温度差t可实现为一般参考值的1.2倍以上。

[表1]

在表1中，比较图2和图3的结构中由于每单位面积的功率输入对每个元件产生的温度差和发电量。当使用等量的热电材料时，本实施例中的温度差增加为现有结构的1.2倍，并且发电量也增加为现有结构的1.3倍。

图4是根据本发明实施例的包括热电元件的热电模块的剖视图，图5示出了包括图4的热电模块的热电装置。

参照图4和5，根据本发明的实施例的热电模块包括：彼此面对的第一基板140和第二基板150；以及设置在第一基板140和第二基板150之间的第一半导体器件120和第二半导体器件130，第一半导体器件120和第二半导体器件130电连接。为此，还可包括：设置在第一基板140与第一半导体器件120和第二半导体器件130之间的第一电极160b；以及设置在第二基板150与第一半导体器件120和第二半导体器件130之间的第二电极160a。

在这种情况下，第一半导体器件和第二半导体器件可以是如上面参照图1和图2描述的热电元件。即，图4和5所示的第一半导体器件120和第二半导体器件130(即，p型热电元件和n型热电元件)可包括连接部124和134、以及连接到连接部124和134的上表面和下表面并且设置为具有比连接部的宽度大的宽度(截面)的第一元件部122和132及第二元件部126和136。

在上述结构中，当应用等量的材料时，可如上所述增大发电效率或热转换效率。

此外，包括根据本发明的实施例的热电元件的热电模块可包括具有不同体积的第一基板和第二基板以及具有图1所示结构的热电元件。在本发明的实施例中，“体积”定义为是指由基板的外周面形成的内部体积。

在此，第一半导体器件120可以是p型半导体器件，第二半导体器件130可以是n型半导体器件，第一半导体器件和第二半导体器件可以连接到金属电极160a和160b。当电通过电极160a和160b的介质从电路配线181和182供给到多个这样的第一半导体器件120和多个这样的第二半导体器件130时，发生珀耳帖效应。

具体地，在本发明的实施例中，由于珀耳帖效应，因此可以通过将形成热侧的第一基板140的面积形成为大于形成冷侧的第二基板150的面积来增大导热性，并且由于散热效率的提高，可去除一般热电模块中的散热器。

具体地，在用于冷却的热电模块的情况下，第一基板140和第二基板150可以是绝缘基板，例如氧化铝基板。另一方面，可以使用金属基板来提供散热效率或薄膜。在形成金属基板的情况下，如图所示，可以在形成于第一基板140和第二基板150上的电极层160a和160b之间进一步形成电介质层170a和170b。在金属基板的情况下，可以使用cu、cu合金、cu-al合金等作为基板，并且用于形成薄膜的厚度可在0.1mm至0.5mm的范围内形成。

在本发明的实施例中，第一基板140的面积可在第二基板150的面积的1.2至5倍的范围内形成，使得两个基板的体积不同。在图4中，第二基板150的宽度b1形成为小于第一基板140的宽度b2，在这种情况下，具有相同厚度的基板的面积彼此不同，使得它们的体积不同。

在此，当第二基板150的面积形成为小于第一基板140的面积的1.2倍的情况下，由于与现有的散热效率没有很大的差别，所以不能体现薄膜形态。当第二基板150的面积大于第一基板140的面积的5倍时，难以保持热电模块的形状(例如，基板彼此相面对的结构)，并且传热效率显著降低。

此外，在第一基板140的情况下，通过在第一基板的表面上形成散热(heat-emitting)图案(未示出，例如不均匀的图案)，可以使散热特性最大化，使得即使没有现有散热器的部件也可以提供有效的散热特性。在这种情况下，可以在第一基板的表面的一侧或两侧形成散热图案。具体地，当在与第一半导体器件和第二半导体器件接触的表面上形成散热图案时，可以提高热电器件和基板之间的散热特性和连接特性。

此外，通过将第二基板150的厚度a1形成为小于第一基板140的厚度a2，热可以容易地流入冷侧，并且可以提高传热率。

此外，考虑到用于冷却的热电模块的导热性，电介质层170a和170b可包括下述材料，该材料是具有高散热性并且具有5w/k至10w/k的导热性的介电材料，并且电介质层170a和170b可具有0.01mm至0.1mm的范围内的厚度。

电极层160a和160b通过使用诸如cu、ag、ni等的电极材料来电连接第一半导体器件和第二半导体器件，并且当多个这样的单位单元(unitcell)被连接时电极层160a和160b形成与相邻的单位单元的电连接。电极层的厚度可在0.01mm至0.3mm的范围内形成。

在下文中，将描述可应用于根据本发明的实施例的热电模块的热电元件的各种形状。

1)块型半导体器件

在图4所示的结构中，通过使用p型半导体材料或n型半导体材料形成的块型半导体器件可应用于根据本发明实施例的第一半导体器件120和第二半导体器件130。块型半导体器件是指通过粉碎作为半导体材料的锭(ingot)，对粉碎的锭进行精炼球磨工序，然后切割烧结结构而形成的结构。块型半导体器件可以形成为单一的一体结构。

可使用下述混合物形成n型半导体器件：在所述混合物中，将包含硒(se)、镍(ni)、铝(al)、铜(cu)、银(ag)、铅(pb)、硼(b)、镓(ga)、碲(te)、铋(bi)和铟(in)的碲化铋(bite)基主材料与相当于该主材料的总重量的0.001wt％到1.0wt％的bi或te混合。例如，可制备bi-se-te材料作为主材料，并且可向其中添加具有相当于bi-se-te材料的总重量的0.001wt％至1.0wt％的重量的bi或te。即，当投入100g的bi-se-te时，可在其中另外混合0.001g至1.0g的范围内的bi或te。如上所述，除了向主材料中添加在0.001wt％至0.1wt％的范围内的材料之外，导热性不降低，导电性降低，这样，可预期zt值不增加。

可以使用下述混合物形成p型半导体器件：在所述混合物中，将包含锑(sb)、镍(ni)、铝(al)、铜(cu)、银(ag)、铅(pb)、硼(b)、镓(ga)、碲(te)、铋(bi)和铟(in)的碲化铋(bite)基主材料与相当于该主材料的总重量的0.001wt％到1.0wt％的bi或te混合。例如，可制备bi-sb-te材料作为主要材料，并且可以向其中添加具有相当于bi-sb-te材料的总重量的0.001wt％至1.0wt％的重量的bi或te。即，当投入100g的bi-sb-te时，可在其中另外混合0.001g至1g范围内的bi或te。除了向主材料中添加在0.001wt％至0.1wt％的范围内的材料之外，导热性不降低，导电性降低，这样，可预期zt值不增加。

2)具有堆叠结构的热电元件

在本发明的另一实施例中，半导体器件可实现为取代块型结构的堆叠结构，以减小尺寸并进一步提高冷却效率。

详细地，图4中的第一半导体器件120和第二半导体器件130的结构形成为通过堆叠多个将对片状基材涂布半导体材料的结构而形成的单元构件，并且该单元构件被切割，以防止材料损失并提高导电性。

参照图6(a)至图6的(d)，图6的(a)至图6的(d)是示出了具有堆叠结构的单元构件的制造工序的概念图。参照图6的(a)至图6的(d)，通过制备包含半导体材料的材料作为糊状物(paste)，并通过将该糊状物涂布于诸如片材、薄膜等的基材111来形成半导体层112，从而形成一个单元构件110。通过堆叠多个单元构件100a、100b和100c，然后切割单元构件来形成堆叠结构，从而形成单元热电元件120。即，根据本发明实施例的单元热电元件120可形成为堆叠有多个单元构件110的结构，多个单元构件110均通过在基材111上堆叠半导体层112来形成。

在上述工序中，可以使用下述各种方法来实施将半导体糊状物涂布到基材111的操作，例如，流延成型，即，通过将精细的半导体材料粉末与水溶剂或非水溶剂和选自粘合剂、增塑剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂中的任意一种混合来制作浆料，然后该浆料在移动的叶片或移动的输送带(conveyance)上形成一定厚度的工序。在这种情况下，基材可以是厚度在10μm至100μm的范围内的膜、片等，用于制造块型元件的p型材料和n型材料可以原样地应用于所应用的半导体材料。

对齐和堆叠多个单元构件110的操作可包括通过在50℃至250℃的温度下压缩单元构件110来形成堆叠结构，并且在本发明的实施例中堆叠的单元构件110的数量可以在2至50的范围内。之后，可进行获得期望的形状和尺寸的切割操作，并且可加入烧结工序。

通过堆叠经上述工序制造的多个单元构件110而形成的单元热电元件可以提供厚度、形状和尺寸的均匀性。即，由于通过粉碎、精炼球磨以及将锭切割成烧结的块状结构来形成现有的块形状的热电元件，因此在切割过程中材料的损失大，难以将块结构切割为均匀尺寸。此外，由于很大的厚度(例如3mm至5mm)的块状结构，难以形成薄膜。然而，由于通过堆叠多个片状单元构件然后切割堆叠的片材来形成根据本发明的实施例的具有堆叠结构的单元热电元件，因此材料损失小。此外，由于材料具有均匀的厚度，因此可以提供材料的均匀性。整个单元热电元件的厚度可以减小到1.5mm以下，并且单元热电元件可以实现为各种形状。最终实现的结构可通过切割实现为图6的(d)中的形状，与图1所示的根据本发明的实施例的热电元件的结构相同。

具体地，根据本发明的实施例的热电元件的制造工序可还包括：在形成单元构件110的堆叠结构的操作中，在每一个单元构件110的表面上形成导电层的操作。

即，如图7的(a)至图7的(d)的结构的导电层可形成在图6(c)的堆叠结构体的单元构件之间。导电层可形成在与形成有半导体层的基材表面相对的表面上，在这种情况下，导电层可形成为图案层，以形成使单元构件的表面露出的区域。相比于整体应用的情况，可提高导电性，可以增加单元构件之间的粘接性，并且可以提供降低导热性的优点。

即，在图7的(a)至7的(d)中，示出了根据本发明的实施例的导电层c的各种变型例。在此，使单元构件的表面露出的图案可以各种方式变更，并设计为如图7的(a)和7的(b)所示的包括闭合开口图案c1和c2的网状结构、如图7的(c)和图7的(d)所示的包括开放开口图案c3和c4的线型等。上述的导电层提供了以下优点：增大由堆叠单元构件形成的单元热电元件中的单元构件之间的粘接性，降低单元构件之间的导热性，增大单元构件之间的的导电性，提高冷却能力qc和δt()，特别是，将功率因数提高1.5倍，即导电性提高1.5倍。由于导电性的提高与热电效率的提高直接相关，因此冷却效率提高。导电层可由金属材料形成，可对其应用cu、ag、ni等所有的金属电极材料。

当上面参照图6的(a)至6的(d)描述的具有堆叠结构的单元热电元件应用到图4和图5所示的热电模块时，即，当根据本发明的实施例的热电元件设置在第一基板140和第二基板150之间，并且热电模块由具有包括电极层和电介质层的结构的单位单元实现时，由于总厚度th可在1mm至1.5mm的范围内形成，因此，与使用现有的块型元件的情况相比，可以实现极薄的膜。

另外，如图8的(a)至图8的(c)所示，上面参照图6的(a)至图6的(d)描述的热电元件120和130可以如图8的(a)所示，对齐为在向上方向x和向下方向y上水平布置，并如图8的(c)所示切割，以提供根据本发明的实施例的热电元件。

图8(c)所示的结构可形成具有下述结构的热电模块：在该结构中，第一基板、第二基板、半导体层和基材的表面设置为相邻。然而，如图8的(b)所示，可采用热电元件自身垂直竖立以允许单元热电元件的一侧可设置为与第一基板和第二基板相邻的结构。在上述结构中，由于与水平设置结构相比导电层的端部在所述一侧进一步露出，并且可同时降低竖直的导热效率并提高导电性，因可以进一步提高冷却效率。

如上所述，在各种实施例中提供的应用于根据本发明的实施例的热电模块的热电元件中，彼此面对的第一半导体器件和第二半导体器件具有相同的形状和尺寸。然而，在这种情况下，考虑到作为妨碍冷却效率的因素而起作用的、p型半导体器件和n型半导体器件的导电性的差异，任一半导体器件的体积可形成为与其他半导体器件的体积不同，以提高冷却性能。

即，可以使用下述方法将彼此面对的半导体器件的体积形成为不同：将其整体形状形成为不同，将具有相同高度的半导体器件中的任意一个的截面的直径形成为大于另一半导体器件，以及将具有相同形状的半导体器件的截面的高度或直径形成为不同于另一半导体器件。具体地，通过将n型半导体器件的直径形成为大于p型半导体器件的直径以增大n型半导体器件的体积，而可以提高热电效率。

根据本发明的一个实施例的具有各种结构的热电元件和包括该热电元件的热电模块可用于通过从水、液体等介质中吸收热量来冷却发电模块或上基板和下基板的表面，或者可用于通过根据其散热部和吸热部的特性对特定介质施加热来加热该特定介质。即，虽然在上面作为根据本发明的各种实施例的热电模块的例子描述了提高冷却效率的冷却装置的结构，但是被进行冷却的表面的另一侧上的基板可作为用于通过利用加热性质加热介质的设备使用。即，本发明可应用于利用单个设备提供冷却和加热的设备。

以上已经描述了本发明的具体实施例。然而，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变更。因此，本发明的技术概念不限于上述实施例并且不由上述实施例确定，而应该由下面的权利要求书及其等同物的范围来限定。

附图标记

110：单元构件

111：基材

112：半导体层

120：热电元件

122：第一元件部

124：连接部

126：第二元件部

130：热电元件

132：第一元件部

134：连接部

136：第二元件部

140：第一基板

150：第二基板

160a，160b：电极层

170a，170b：介电层

181，182：电路配线