JP7625604B2 - 熱電素子 - Google Patents

Description

本発明は熱電素子に関し、より詳細には熱電素子の基板および電極間構造に関する。

熱電現象は材料内部の電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と正孔（ｈｏｌｅ）の移動によって発生する現象であり、熱と電気間の直接的なエネルギー変換を意味する。

熱電素子は熱電現象を利用する素子を総称し、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料を金属電極間に接合させてＰＮ接合対を形成する構造を有する。

熱電素子は電気抵抗の温度変化を利用する素子、温度差によって起電力が発生する現象であるゼーベック効果を利用する素子、電流による吸熱または発熱が発生する現象であるペルティエ効果を利用する素子などに区分され得る。熱電素子は家電製品、電子部品、通信用部品などに多様に適用されている。例えば、熱電素子は冷却用装置、温熱用装置、発電用装置などに適用され得る。これに伴い、熱電素子の熱電性能に対する要求はますます高まっている。

熱電素子は基板、電極および熱電レッグを含み、上部基板と下部基板の間に複数の熱電レッグがアレイの形態で配置され、複数の熱電レッグと上部基板の間に複数の上部電極が配置され、複数の熱電レッグとおよび下部基板の間に複数の下部電極が配置される。この時、上部基板と下部基板のうち一つは低温部となり、残りの一つは高温部となり得る。

一方、熱電素子が発電用装置に適用される場合、低温部と高温部間の温度差が大きいほど発電性能が高くなる。例えば、高温部は２００℃以上に温度が高く成り得る。高温部の温度が２００℃以上になると、高温部側の基板と電極間熱膨張係数の差によって高温部側の基板に熱応力が加えられ、これに伴い、電極構造が破壊され得る。電極構造が破壊されると、電極上に配置されたソルダーと熱電レッグ間接合面にクラックが加えられ得、これは熱電素子の信頼性を低下させ得る。

一方、熱電素子の熱伝達性能を向上させるために、金属基板を使用しようとする試みが増加している。

一般的に、熱電素子は予め設けられた金属基板上に電極および熱電レッグを順次積層する工程によって製作され得る。金属基板が使われる場合、熱伝導の側面では有利な効果が得られるものの、耐電圧が低いため長期間使用時に信頼性が低下する問題がある。

これに伴い、熱伝導性能だけでなく、耐電圧性能および熱応力緩和性能がすべて改善された熱電素子が必要である。

本発明が達成しようとする技術的課題は、熱伝導性能、耐電圧性能および熱応力緩和性能がすべて改善された熱電素子のバッファ層を提供することである。

本発明の一実施例に係る熱電素子は第１基板、前記第１基板上に配置された第１バッファ層、前記第１バッファ層上に配置された第１電極、前記第１電極上に配置されたＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグ、前記Ｐ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグ上に配置された第２電極、前記第２電極上に配置された第２バッファ層、そして前記第２バッファ層上に配置された第２基板を含み、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のうち少なくとも一つはシリコン樹脂および無機物を含み、前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のうち少なくとも一つのヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓ）は１～６５ＭＰａである。

前記ヤング率が定義される基準温度は１５０℃～２００℃間であり得る。

前記シリコン樹脂はＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ））を含み、前記無機物は前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のうち少なくとも一つの８５～９０ｗｔ％で含まれ得る。

前記無機物はＤ５０が５～２０μｍである第１無機物グループ、Ｄ５０が２０～３０μｍである第２無機物グループおよびＤ５０が３０～４０μｍである第３無機物グループを含むことができる。

前記第１基板側の温度は前記第２基板側の温度より低くてもよい。

前記第２バッファ層のヤング率は１～６５ＭＰａであり得る。

前記第１基板はアルミニウム基板であり、前記第２基板は銅基板であり得る。

前記第１基板と前記第１バッファ層間に配置された第１絶縁層をさらに含むことができる。

前記第１絶縁層は酸化アルミニウムを含むことができる。

前記第１絶縁層は、前記第１基板の両面のうち前記第２基板に向かう面の反対面および前記第１基板の側面のうち少なくとも一つにさらに配置され得る。

前記第１絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる複合体層であり得る。

前記第２バッファ層と前記第２基板の間に配置された第２絶縁層をさらに含み、前記第２絶縁層は酸化アルミニウム層、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる複合体層、そしてエポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つと無機物を含む樹脂組成物からなる樹脂層から選択され得る。

前記第２基板上に配置されたヒートシンクをさらに含むことができる。

前記第２バッファ層の厚さは前記第１バッファ層の厚さより大きくてもよい。

前記第１バッファ層は１５０℃～２００℃で５００時間の間ヤング率の変化率が１０％以内であり得る。

本発明の一実施例に係る発電システムは、本発明の一実施例に係る熱電素子；前記熱電素子の前記第１基板側に流動する第１流体；前記熱電素子の前記第２基板側に流動し、前記第１流体の温度より９５℃～１８５℃高い第２流体；を含み、前記熱電素子の抵抗変化率は５００時間の間７％以内である。

本発明の実施例によると、性能が優秀で、信頼性の高い熱電素子が得られる。特に、本発明の実施例によると、熱伝導性能だけでなく、耐電圧性能および熱応力緩和性能まで改善された熱電素子が得られる。

本発明の実施例に係る熱電素子は、小型で具現されるアプリケーションだけでなく車両、船舶、製鉄所、焼却炉などのように大型で具現されるアプリケーションにおいても適用され得る。

熱電素子の断面図である。 熱電素子の斜視図である。 シーリング部材を含む熱電素子の斜視図である。 シーリング部材を含む熱電素子の分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る熱電素子の断面図である。 本発明の他の実施例に係る熱電素子の断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の断面図である。 第２基板３８０とヒートシンク３９０間接合構造を例示する。 比較例１に係る熱電素子で基板の温度と熱応力間の関係を示すグラフである。 実施例および比較例に係る熱電素子の高温部と低温部間の温度差別抵抗変化率を測定したグラフである。 実施例および比較例に係る熱電素子を２００℃で露出した時間によるヤング率の変化を測定したグラフである。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

ただし、本発明の技術思想は説明される一部の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され得、本発明の技術思想範囲内であれば、実施例間にその構成要素のうち一つ以上を選択的に結合、置き換えて使うことができる。

また、本発明の実施例で使われる用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特に定義されて記述されない限り、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に一般的に理解され得る意味で解釈され得、辞書に定義された用語のように一般的に使われる用語は関連技術の文脈上の意味を考慮してその意味を解釈することができるであろう。

また、本発明の実施例で使われた用語は実施例を説明するためのものであり本発明を制限しようとするものではない。

本明細書で、単数型は文面で特に言及しない限り複数型も含むことができ、「Ａおよび（と）Ｂ、Ｃのうち少なくとも一つ（または一つ以上）」と記載される場合、Ａ、Ｂ、Ｃで組み合わせできるすべての組み合わせのうち一つ以上を含むことができる。

また、本発明の実施例の構成要素を説明するにあたって、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）等の用語を使うことができる。

このような用語はその構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語によって該当構成要素の本質や順番または順序などに限定されない。

そして、或る構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結、結合または接続される場合だけでなく、その構成要素とその他の構成要素の間にあるさらに他の構成要素によって「連結」、「結合」または「接続」される場合も含むことができる。

また、各構成要素の「上（うえ）または下（した）」に形成または配置されるものと記載される場合、上（うえ）または下（した）は二つの構成要素が互いに直接接触する場合だけでなく、一つ以上のさらに他の構成要素が二つの構成要素の間に形成または配置される場合も含む。また、「上（うえ）または下（した）」と表現される場合、一つの構成要素を基準として上側方向だけでなく下側方向の意味も含むことができる。

図１は熱電素子の断面図であり、図２は熱電素子の斜視図である。図３はシーリング部材を含む熱電素子の斜視図であり、図４はシーリング部材を含む熱電素子の分解斜視図である。

図１～図２を参照すると、熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０を含む。

下部電極１２０は下部基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の下部底面間に配置され、上部電極１５０は上部基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の上部底面間に配置される。これに伴い、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０は下部電極１２０および上部電極１５０によって電気的に連結される。下部電極１２０と上部電極１５０の間に配置され、電気的に連結される一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は単位セルを形成することができる。

例えば、口出し線１８１、１８２を通じて下部電極１２０および上部電極１５０に電圧を印加すると、ペルティエ効果によってＰ型熱電レッグ１３０からＮ型熱電レッグ１４０に電流が流れる基板は熱を吸収して冷却部として作用し、Ｎ型熱電レッグ１４０からＰ型熱電レッグ１３０に電流が流れる基板は加熱して発熱部として作用することができる。または下部電極１２０および上部電極１５０間温度差を加えると、ゼーベック効果によってＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０内の電荷が移動し、電気が発生することもある。

ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を主原料で含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグであり得る。Ｐ型熱電レッグ１３０はアンチモン（Ｓｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグであり得る。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０は全体重量１００ｗｔ％に対して主原料物質であるＢｉ－Ｓｂ－Ｔｅを９９～９９．９９９ｗｔ％で含み、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを０．００１～１ｗｔ％で含むことができる。Ｎ型熱電レッグ１４０はセレニウム（Ｓｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、テルル（Ｔｅ）、ビズマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むビスマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグであり得る。例えば、Ｎ型熱電レッグ１４０は全体重量１００ｗｔ％に対して主原料物質であるＢｉ－Ｓｅ－Ｔｅを９９～９９．９９９ｗｔ％で含み、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを０．００１～１ｗｔ％で含むことができる。

Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はバルク型または積層型で形成され得る。一般的にバルク型Ｐ型熱電レッグ１３０またはバルク型Ｎ型熱電レッグ１４０は熱電素材を熱処理してインゴット（ｉｎｇｏｔ）を製造し、インゴットを粉砕し篩い分けして熱電レッグ用粉末を獲得した後、これを焼結して、焼結体をカッティングする過程を通じて得られ得る。この時、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は多結晶熱電レッグであり得る。多結晶熱電レッグのために、熱電レッグ用粉末を焼結する時、１００ＭＰａ～２００ＭＰａで圧縮することができる。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０の焼結時に熱電レッグ用粉末を１００～１５０ＭＰａ、好ましくは１１０～１４０ＭＰａ、さらに好ましくは１２０～１３０ＭＰａで焼結することができる。そして、Ｎ型熱電レッグ１４０の焼結時に熱電レッグ用粉末を１５０～２００ＭＰａ、好ましくは１６０～１９５ＭＰａ、さらに好ましくは１７０～１９０ＭＰａで焼結することができる。このように、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は多結晶熱電レッグである場合、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の強度が高く成り得る。積層型Ｐ型熱電レッグ１３０または積層型Ｎ型熱電レッグ１４０はシート状の基材上に熱電素材を含むペーストを塗布して単位部材を形成した後、単位部材を積層しカッティングする過程を通じて得られ得る。

この時、一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は同じ形状および体積を有するか、互いに異なる形状および体積を有し得る。例えば、Ｐ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の電気伝導特性が異なるため、Ｎ型熱電レッグ１４０の高さまたは断面積をＰ型熱電レッグ１３０の高さまたは断面積と異なるように形成してもよい。

この時、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は円筒状、多角柱状、楕円柱状などを有することができる。

またはＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は積層型構造を有してもよい。例えば、Ｐ型熱電レッグまたはＮ型熱電レッグはシート状の基材に半導体物質が塗布された複数の構造物を積層した後、これを切断する方法で形成され得る。これに伴い、材料の損失を防止し、電気伝導特性を向上させることができる。各構造物は開口パターンを有する伝導性層をさらに含むことができ、これに伴い、構造物間の接着力を高め、熱伝導度を低くし、電気伝導度を高めることができる。

またはＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は一つの熱電レッグ内で断面積が異なるように形成されてもよい。例えば、一つの熱電レッグ内で電極を向くように配置される両端部の断面積が両端部間の断面積より大きく形成されてもよい。これによると、両端部間の温度差を大きく形成できるため、熱電効率が高くなり得る。

本発明の一実施例に係る熱電素子の性能は熱電性能指数（ｆｉｇｕｒｅｏｆｍｅｒｉｔ、ＺＴ）で表すことができる。熱電性能指数（ＺＴ）は数式１のように表すことができる。

ここで、αはゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］であり、σは電気伝導度［Ｓ／ｍ］であり、α^２σはパワー因子（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒ、［Ｗ／ｍＫ^２］）である。そして、Ｔは温度、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃｐ・ρで表すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ^２／Ｓ］、ｃｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは密度［ｇ／ｃｍ^３］である。

熱電素子の熱電性能指数を得るために、ｚメーターを利用してＺ値（Ｖ／Ｋ）を測定し、測定したＺ値を利用して熱電性能指数（ＺＴ）を計算することができる。

ここで、下部基板１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される下部電極１２０、そして上部基板１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される上部電極１５０は銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）およびニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一つを含み、０．０１ｍｍ～０．３ｍｍの厚さを有することができる。下部電極１２０または上部電極１５０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、電極として機能が低下することになって電気伝導性能が低下し得、０．３ｍｍを超過する場合、抵抗の増加によって伝導効率が低下し得る。

そして、互いに対向する下部基板１１０と上部基板１６０は金属基板であり得、その厚さは０．１ｍｍ～１．５ｍｍであり得る。金属基板の厚さが０．１ｍｍ未満であるか、１．５ｍｍを超過する場合、放熱特性または熱伝導率が過度に高くなり得るため、熱電素子の信頼性が低下し得る。また、下部基板１１０と上部基板１６０が金属基板である場合、下部基板１１０と下部電極１２０の間および上部基板１６０と上部電極１５０の間にはそれぞれ絶縁層１７０がさらに形成され得る。絶縁層１７０は１～２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する素材を含むことができる。

この時、下部基板１１０と上部基板１６０の大きさは異なるように形成されてもよい。例えば、下部基板１１０と上部基板１６０のうち一つの体積、厚さまたは面積は他の一つの体積、厚さまたは面積より大きく形成され得る。これに伴い、熱電素子の吸熱性能または放熱性能を高めることができる。好ましくは、下部基板１１０の体積、厚さまたは面積は上部基板１６０の体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つより大きく形成され得る。この時、下部基板１１０は、ゼーベック効果のために高温領域に配置される場合、ペルティエ効果のために発熱領域に適用される場合、または後述する熱電モジュールの外部環境から保護のためのシーリング部材が下部基板１１０上に配置される場合に、上部基板１６０より体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つをより大きくすることができる。この時、下部基板１１０の面積は上部基板１６０の面積対比１．２～５倍の範囲で形成することができる。下部基板１１０の面積が上部基板１６０に比べて１．２倍未満で形成される場合、熱伝達効率の向上に及ぼす影響は高くなく、５倍を超過する場合にはかえって熱伝達効率が顕著に低下し、熱電モジュールの基本形状を維持することが困難であり得る。

また、下部基板１１０と上部基板１６０のうち少なくとも一つの表面には放熱パターン、例えば凹凸パターンが形成されてもよい。これに伴い、熱電素子の放熱性能を高めることができる。凹凸パターンがＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と接触する面に形成される場合、熱電レッグと基板間の接合特性も向上し得る。熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０を含む。

図３～図４に図示された通り、下部基板１１０と上部基板１６０の間にはシーリング部材１９０がさらに配置されてもよい。シーリング部材は下部基板１１０と上部基板１６０の間で下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および上部電極１５０の側面に配置され得る。これに伴い、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および上部電極１５０は外部の湿気、熱、汚染などからシーリングされ得る。ここで、シーリング部材１９０は、複数の下部電極１２０の最外郭、複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０の最外郭および複数の上部電極１５０の最外郭の側面から所定距離離隔して配置されるシーリングケース１９２、シーリングケース１９２と下部基板１１０の間に配置されるシーリング材１９４およびシーリングケース１９２と上部基板１６０の間に配置されるシーリング材１９６を含むことができる。このように、シーリングケース１９２はシーリング材１９４、１９６を媒介として下部基板１１０および上部基板１６０と接触することができる。これに伴い、シーリングケース１９２が下部基板１１０および上部基板１６０と直接接触する場合、シーリングケース１９２を通じて熱伝導が起きることになり、その結果、下部基板１１０と上部基板１６０間の温度差が低くなる問題を防止することができる。ここで、シーリング材１９４、１９６はエポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つを含むか、エポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つが両面に塗布されたテープを含むことができる。シーリング材１９４、１９４はシーリングケース１９２と下部基板１１０の間およびシーリングケース１９２と上部基板１６０の間を気密する役割をし、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および上部電極１５０のシーリング効果を高めることができ、仕上げ材、仕上げ層、防水材、防水層などと混用され得る。ここで、シーリングケース１９２と下部基板１１０の間をシーリングするシーリング材１９４は下部基板１１０の上面に配置され、シーリングケース１９２と上部基板１６０の間をシーリングするシーリング材１９６は上部基板１６０の側面に配置され得る。このために、下部基板１１０の面積は上部基板１６０の面積より大きくてもよい。一方、シーリングケース１９２には電極
に連結された口出し線１８０、１８２を引き出すためのガイド溝Ｇが形成され得る。このために、シーリングケース１９２はプラスチックなどからなる射出成形物であり得、シーリングカバーと混用され得る。ただし、シーリング部材に関する以上の説明は例示に過ぎず、シーリング部材は多様な形態に変形され得る。図示されてはいないが、シーリング部材を囲むように断熱材がさらに含まれてもよい。またはシーリング部材は断熱成分を含んでもよい。

以上で、下部基板１１０、下部電極１２０、上部電極１５０および上部基板１６０という用語を使っているが、これは理解の容易および説明の便宜のために任意に上部および下部と指称したものに過ぎず、下部基板１１０および下部電極１２０が上部に配置され、上部電極１５０および上部基板１６０が下部に配置されるように位置が逆転してもよい。

図５は本発明の一実施例に係る熱電素子の断面図であり、図６は本発明の他の実施例に係る熱電素子の断面図であり、図７は本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の断面図であり、図８は本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の断面図である。図１～４で説明した内容と同じ内容に対しては重複した説明を省略する。

図５～図８を参照すると、本発明の実施例に係る熱電素子３００は第１基板３１０、第１基板３１０上に配置された第１絶縁層３２０、第１絶縁層３２０上に配置された第１バッファ層３３０、第１バッファ層３３０上に配置された複数の第１電極３４０、複数の第１電極３４０上に配置された複数のＰ型熱電レッグ３５０および複数のＮ型熱電レッグ３５５、複数のＰ型熱電レッグ３５０および複数のＮ型熱電レッグ３５５上に配置された複数の第２電極３６０、複数の第２電極３６０上に配置された第２バッファ層３７０および第２バッファ層３７０上に配置された第２基板３８０を含む。

図示された通り、第２基板３８０上にはヒートシンク３９０がさらに配置されてもよい。図示されてはいないが、第１基板３１０と第２基板３８０の間にはシーリング部材がさらに配置されてもよい。

一般的に、熱電素子３００の駆動時、熱電素子３００の高温部側は高温に長時間露出され得、電極と基板間の互いに異なる熱膨張係数によって電極と基板間の界面にはせん断応力が伝達され得る。本明細書で、電極と基板間の互いに異なる熱膨張係数によって電極と基板間の界面に伝達されたせん断応力を熱応力という。熱応力が所定水準を越えると、電極上に配置されたソルダーと熱電レッグ間接合面にクラックが加えられ得、これは熱電素子の性能を低下させ、信頼性を低下させ得る。特に、熱電素子３００の高温部側の基板上にヒートシンクがさらに配置された場合、基板とヒートシンク間の熱膨張係数の差も熱電素子３００の耐久性および信頼性に大きい影響を及ぼし得る。

本発明の実施例によると、第１基板３１０と第１電極３４０の間および第２電極３６０と第２基板３８０の間それぞれには、基板と電極間の熱膨張係数の差による熱応力を緩和させるための第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０が配置され得る。

この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０はシリコン樹脂および無機物を含み、ヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓ）は１～６５ＭＰａ、好ましくは５～６０ＭＰａ、さらに好ましく１０～５０ＭＰａであり得る。本明細書で、ヤング率は２００℃以下でのヤング率を意味し得、好ましくは１５０℃～２００℃間の温度でのヤング率を意味し得る。熱電素子が発電用に適用される場合、熱電素子の高温部と低温部間の温度差が大きいほど発電性能が高くなり得る。これに伴い、熱電素子の高温部は１５０℃以上、好ましくは１８０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上となり得る。これに伴い、本明細書で第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０のヤング率を定義する基準温度は１５０℃～２００℃間の温度となり得る。第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０のヤング率がこのような数値範囲を満足する場合、基板が熱膨張してもバッファ層が共に伸びるため基板と電極間の熱応力は最小化され得、熱電レッグにクラックが発生する問題を防止することができる。ここで、温度別ヤング率は動的機械分析（ＤｙｎａｍｉｃＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ、ＤＭＡ）装備で測定が可能であり、本実施例では１０ｘ２３ｘ０．０５ｍｍの試片をモデル名ＲＤＡ－７００ＲｈｅｏｍｅｔｒｉｃＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＤＭＡ装備を利用して５℃／ｍｉｎの昇温速度、１Ｈｚの周波数で温度別ヤング率を測定した。

この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０のヤング率が１ＭＰａ未満の場合、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０が基板と電極間を支持し難くなるため、外部の小さい衝撃または振動環境下で熱電素子の信頼性が容易に弱くなり得る。これに反し、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０のヤング率が６５ＭＰａを超過する場合、基板と電極間の熱応力が大きくなるため熱電素子内の界面にクラックが発生する可能性が高くなる。

本発明の実施例によると、第１バッファ層３３０のヤング率は第２バッファ層３７０のヤング率と異なり得る。例えば、第１基板３１０が低温部であり、第２基板３８０が高温部である場合、すなわち第１基板３１０側の温度が第２基板３８０側の温度より低い場合、高温部側のバッファ層である第２バッファ層３７０のヤング率が第１バッファ層３３０のヤング率より低くてもよい。これに伴い、高温部側の基板が熱膨張してもバッファ層が共に伸び得るため、基板と電極間の熱応力は最小化され得、熱電レッグにクラックが発生する問題を防止することができる。

この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０に含まれるシリコン樹脂はＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むことができ、無機物はアルミニウム、チタン、ジルコニウム、ホウ素および亜鉛のうち少なくとも一つの酸化物、炭化物および窒化物のうち少なくとも一つを含むことができる。ここで、ＰＤＭＳの分子量は５，０００～３０，０００ｇ／ｍｏｌ、好ましくは１５，０００～３０，０００ｇ／ｍｏｌであり得る。ＰＤＭＳの分子量がこのような数値範囲を満足する場合、ＰＤＭＳの鎖間結合力この向上し得るため、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０が１～６５ＭＰａ、好ましくは１０～５０ＭＰａのヤング率を有することができる。この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０は架橋剤をさらに含むことができ、架橋剤の分子量は５００～２０００ｇ／ｍｏｌ、好ましくは１，０００～２，０００ｇ／ｍｏｌであり得る。架橋剤の分子量が大きくなるほど架橋剤の鎖の長さは長くなり、これに伴い、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０が増加し得る。

一方、無機物は第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０でそれぞれ８５～９０ｗｔ％で含まれ得る。この時、無機物はＤ５０が５～２０μｍである第１無機物グループ、Ｄ５０が２０～３０μｍである第２無機物グループおよびＤ５０が３０～４０μｍである第３無機物グループを含むことができる。例えば、第１無機物グループは全体無機物の１～２０ｗｔ％、好ましくは５～１５ｗｔ％で含まれ、第２無機物グループは全体無機物の１０～３０ｗｔ％、好ましくは１５～２５ｗｔ％で含まれ、第３無機物グループは全体無機物の６０～８０ｗｔ％、好ましくは６５～７５ｗｔ％で含まれ得る。この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０の無機物はＤ５０が３０～４０μｍであり得る。このように、無機物が第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０の８５～９０ｗｔ％で含まれ、粒子の大きさで区分される複数の無機物グループを含む場合、放熱経路が最適化され得るため、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０の熱伝導度を２Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは３Ｗ／ｍＫ以上に高めることができる。

このように、本発明の実施例に係る第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０は、基板と電極間熱膨張係数の差による熱応力を緩和するだけでなく、基板と電極間の絶縁性接合力および熱伝導性能を向上させることもできる。

この時、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０それぞれの厚さは１０～８０μｍ、好ましくは２０～６０μｍ、さらに好ましくは３０～４５μｍであり得る。ここで、第１バッファ層３３０および第２バッファ層３７０それぞれは熱応力緩和性能、絶縁性能および接着性能を維持する線でできるだけ薄く配置されることが熱伝導性能の側面で有利である。もし、第１基板３１０が低温部であり、第２基板３８０が高温部である場合、第２バッファ層３７０はさらに高い熱応力緩和性能を要求するため、第２バッファ層３７０の厚さは第１バッファ層３３０の厚さよりさらに厚くてもよい。

一方、前述した通り、第１基板３１０が熱電素子３００の低温部側に配置され、第２基板３８０が熱電素子３００の高温部側に配置されるものと仮定する場合、第１電極３４０に電線が連結されるため、高温部側に比べて低温部側にさらに高い耐電圧性能が要求され得、高温部側にさらに高い熱伝導性能が要求され得る。

これに伴い、本発明の実施例によると、第１基板３１０はアルミニウム基板であり、第２基板３８０は銅基板からなり得る。銅基板はアルミニウム基板に比べて熱伝導度および電気伝導度が高い。これに伴い、第１基板３１０がアルミニウム基板からなり、第２基板３８０が銅基板からなる場合、低温部側の高い耐電圧性能および高温部側の高い放熱性能をすべて満足させることができる。

低温部側の耐電圧性能を高めるために、第１基板３１０と第１バッファ層３３０の間には第１絶縁層３２０が配置され得る。本発明の実施例に係る耐電圧性能は、ＡＣ２．５ｋＶの電圧および１ｍＡの電流下で１０秒の間絶縁破壊なしに維持される特性を意味し得る。本明細書で、耐電圧性能は基板上に絶縁層を配置した後に基板に一つの端子を連結し、絶縁層の９個のポイントに対してそれぞれ他の端子を連結して、ＡＣ２．５ｋＶの電圧および１ｍＡの電流下で１０秒の間絶縁破壊なしに維持されるかをテストする方法で測定され得る。

本発明の実施例によると、第１絶縁層３２０は酸化アルミニウムを含むことができる。ここで、第１絶縁層３２０は第１基板３１０上に別途に積層された酸化アルミニウム層であってもよく、アルミニウム基板である第１基板３１０を表面処理して酸化された酸化アルミニウム層であってもよい。例えば、酸化アルミニウム層はアルミニウム基板である第１基板３１０をアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）して形成されるか、ディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）工程またはスプレー（ｓｐｒａｙ）工程によって形成され得る。

本発明の他の実施例によると、第１絶縁層３２０はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含んでもよい。ここで、複合体はシリコンとアルミニウムを含む酸化物、炭化物および窒化物のうち少なくとも一つであり得る。例えば、複合体はＡｌ－Ｓｉ結合、Ａｌ－Ｏ－Ｓｉ結合、Ｓｉ－Ｏ結合、Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ結合およびＡｌ－Ｏ結合のうち少なくとも一つを含むことができる。このように、Ａｌ－Ｓｉ結合、Ａｌ－Ｏ－Ｓｉ結合、Ｓｉ－Ｏ結合、Ａｌ－Ｓｉ－Ｏ結合およびＡｌ－Ｏ結合のうち少なくとも一つを含む複合体は絶縁性能が優秀であり、これに伴い高い耐電圧性能が得られる。または複合体はシリコンおよびアルミニウムと共にチタン、ジルコニウム、ホウ素、亜鉛などをさらに含む酸化物、炭化物、窒化物であってもよい。このために、複合体は無機バインダおよび有機無機混合バインダのうち少なくとも一つとアルミニウムを混合した後、熱処理する過程を通じて得られ得る。無機バインダは、例えばシリカ（ＳｉＯ_２）、金属アルコキシド、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）および酸化亜鉛（ＺｎＯ_２）のうち少なくとも一つを含むことができる。無機バインダは無機粒子ではあるが、水に接触するとゾルまたはゲル化されてバインディングの役割をすることができる。この時、シリカ（ＳｉＯ_２）、金属アルコキシドおよび酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）のうち少なくとも一つは、アルミニウム間密着力または第１基板３１０との密着力を高める役割をし、酸化亜鉛（ＺｎＯ_２）は第１絶縁層３２０の強度を高め、熱伝導率を高める役割をすることができる。

ここで、複合体は第１絶縁層３２０全体の８０ｗｔ％以上、好ましくは８５ｗｔ％以上、さらに好ましくは９０ｗｔ％以上で含まれ得る。

この時、第１絶縁層３２０には０．１μｍ以上の表面粗さ（Ｒａ）が形成されてもよい。表面粗さは複合体をなす粒子が第１絶縁層３２０の表面から突出して形成され得、表面粗さ測定機を利用して測定され得る。表面粗さ測定機は探針を利用して断面曲線を測定し、断面曲線の山線、谷線、平均線および基準長さを利用して表面粗さを算出することができる。本明細書で、表面粗さは中心線平均算出法による算術平均粗さ（Ｒａ）を意味し得る。算術平均粗さ（Ｒａ）は下記の数式２を通じて得られ得る。

すなわち、表面粗さ測定機の探針を得た断面曲線を基準長さＬだけ引き抜いて、平均線方向をｘ軸とし、高さ方向をｙ軸として関数（ｆ（ｘ））で表現した時、数式２によって求められる値をμｍメートルで表すことができる。

このように、第１絶縁層３２０の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上である場合、第１バッファ層３３０との接触面積が広くなることになり、これに伴い、第１バッファ層３３０との接合強度が高くなり得る。特に、前述した通り、第１バッファ層３３０がＰＤＭＳを含む場合、第１絶縁層３２０の表面粗さによって形成された溝間に第１バッファ層３３０のＰＤＭＳが浸み込みやすいので、第１絶縁層３２０と第１バッファ層３３０の間の接合強度がさらに高くなり得る。

この時、第１絶縁層３２０は湿式工程を通じて第１基板３１０上に形成され得る。ここで、湿式工程はスプレーコーティング工程、ディップコーティング工程、スクリーンプリンティング工程などであり得る。これによると、第１絶縁層３２０の厚さを制御し易く、多様な組成の複合体を適用することが可能である。

この時、第１基板３１０の厚さが０．１～２ｍｍ、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、さらに好ましくは０．５～１．２ｍｍであり得、第１絶縁層３２０の厚さは１０～１００μｍ、好ましくは２０～８０μｍ、さらに好ましくは３０～６０μｍであり得る。第１絶縁層３２０の厚さがこのような数値範囲を満足する場合、高い熱伝導性能および耐電圧性能を同時に満足させることができる。

このように、第１基板３１０上に第１絶縁層３２０および第１バッファ層３３０が配置され、第１バッファ層３３０上に第１電極３４０が配置された場合、第１バッファ層３３０が配置されなかった場合に比べて低温部側の耐電圧性能がさらに改善され得る。特に、第１絶縁層３２０が第１基板３１０を表面処理して形成された酸化アルミニウム層であり、第１絶縁層３２０上に第１バッファ層３３０が配置された場合、熱抵抗を最小化しながらも耐電圧性能を高めることができる。

図６を参照すると、第１絶縁層３２０が酸化アルミニウムを含む場合、第１絶縁層３２０は第１基板３１０の両面に配置されてもよい。すなわち、第１基板３１０の両面のうち第１絶縁層３２０が配置された面の反対面に追加の第１絶縁層３２２が配置されてもよい。これによると、第１基板３１０側の熱抵抗を高めないながらも耐電圧性能が高くなり得、第１基板３１０の表面の腐食を防止することもできる。

または図７に図示した通り、第１絶縁層３２０が酸化アルミニウムを含む場合、第１絶縁層３２０は第１基板３１０の側面にも配置され得る。すなわち、第１基板３１０の一面に配置された第１絶縁層３２０および他面に配置された第１絶縁層３２２のうち少なくとも一つは、第１基板３１０に沿って延びる延長部３２４を形成して第１基板３１０の側面で互いに連結されてもよい。これによると、第１基板３１０の全面に第１絶縁層、例えば酸化アルミニウム層が形成され得、低温部側の耐電圧性能をさらに高めることが可能である。第１基板３１０を表面処理して酸化アルミニウム層を形成する場合、図６の実施例のように第１基板３１０の両面に酸化アルミニウム層を形成したり、図７の実施例のように第１基板３１０の全面に酸化アルミニウム層を形成することが容易である。

一方、前述した通り、高温部側にはヒートシンクがさらに配置され得る。高温部側の第２基板３８０とヒートシンク３９０が一体に形成されてもよいが、別途の第２基板３８０とヒートシンク３９０が互いに接合されてもよい。この時、第２基板３８０上に酸化金属層が形成される場合、第２基板３８０とヒートシンク３９０間接合が困難であり得る。これに伴い、第２基板３８０とヒートシンク３９０間の接合強度を高めるために、第２基板３８０とヒートシンク３９０の間には酸化金属層が形成されないことがある。すなわち、第２基板３８０が銅基板である場合、銅基板の表面には酸化銅層が形成されないことがある。このために、銅基板を予め表面処理して銅基板の酸化を防止することができる。例えば、銅に比べて容易に酸化されない性質を有するニッケルのような金属層で銅基板をメッキする場合、銅基板に酸化金属層が形成されることを防止することができる。

一方、本発明のさらに他の実施例によると、図８に図示した通り、第２バッファ層３７０と第２基板３８０の間には第２基板３８０と接触する第２絶縁層３７５がさらに配置されてもよい。

この時、第２絶縁層３７５に対する説明は前述した第１絶縁層３２０に対する説明と同一に適用され得る。すなわち、第２絶縁層３７５は酸化アルミニウム層であるか、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる複合体層であり得る。

または第２絶縁層３７５は第２バッファ層３７０と同一の組成を有してもよい。

または第２絶縁層３７５はシリコン樹脂および無機物を含むものの、第２バッファ層３７０と異なる組成を有し、第２バッファ層３７０より大きいヤング率を有してもよい。例えば、第２バッファ層３７０のヤング率が１～６５ＭＰａである場合、第２絶縁層３７５のヤング率は７０～１５０ＭＰａであり得る。第２絶縁層３７５のヤング率がこのような数値範囲を満足する場合、第２基板３８０と第２電極３６０間の機械的剛性を維持することができる。

このために、第２絶縁層３７５に含まれるシリコン樹脂は第２バッファ層３７０に含まれるシリコン樹脂に比べて分子量が小さくてもよく、第２絶縁層３７５に含まれるシリコン樹脂の含量は第２バッファ層３７０に含まれるシリコン樹脂の含量より高く、第２絶縁層３７５に含まれる無機物の含量は第２バッファ層３７０に含まれる無機物の含量に比べて低くてもよい。例えば、無機物は第２絶縁層３７５の６０～８５ｗｔ％、好ましくは８０～８５ｗｔ％で含まれ得る。

一方、第２バッファ層３７０は未硬化状態または半硬化状態の組成物を第２絶縁層３７５上に塗布した後、予め整列した複数の第２電極３６０を配置して加圧する方式で形成され得る。これによると、複数の第２電極３６０の側面の一部は第２バッファ層３７０内に埋め立てられ得る。この時、第２バッファ層３７０内に埋め立てられた複数の第２電極３６０の側面の高さは複数の第２電極３６０の厚さの０．１～１．０倍、好ましくは０．２～０．９倍、さらに好ましくは０．３～０．８倍であり得る。このように、複数の第２電極３６０の側面の一部が第２バッファ層３７０内に埋め立てられると、複数の第２電極３６０と第２バッファ層３７０間の接触面積が広くなることになり、これに伴い、複数の第２電極３６０と第２バッファ層３７０間の熱伝達性能、接合強度および熱応力緩和性能がさらに高くなり得る。

さらに詳しくは、複数の第２電極３６０の間で第２バッファ層３７０の厚さは、それぞれの電極の側面から中心領域に行くほど減少して頂点が円満な「Ｖ」字状を有することができる。

図示されてはいないが、本発明のさらに他の実施例によると、第２バッファ層３７０と第２絶縁層３７５の位置が変わってもよい。例えば、第２基板３８０に接触するように第２バッファ層３７０が配置され、第２バッファ層３７０と第２電極３６０の間に第２絶縁層３７５が配置され、第２バッファ層３７０のヤング率は１～６５Ｍｐａであり、第２絶縁層３７５のヤング率は７０～１５０ＭＰａであってもよい。これによると、第２バッファ層３７０は第２基板３８０と直接接触して第２基板３８０の熱膨張によって共に伸び、第２電極３６０に加えられる熱応力を最小化する役割をし、第２絶縁層３７５は複数の第２電極３６０と直接接触して絶縁および機械的強度を維持する役割をすることができる。

一方、本発明の実施例によると、第２基板３８０とヒートシンク３９０は別途の締結部材によって接合されてもよい。

図９は、第２基板３８０とヒートシンク３９０間接合構造を例示する。

図９を参照すると、ヒートシンク３９０と第２基板３８０は複数の締結部材４００によって締結され得る。このために、ヒートシンク３９０と第２基板３８０には締結部材４００が貫通する貫通ホールＳが形成され得る。ここで、貫通ホールＳと締結部材４００の間には別途の絶縁体４１０がさらに配置され得る。別途の絶縁体４１０は締結部材４００の外周面を囲む絶縁体または貫通ホールＳの壁面を囲む絶縁体であり得る。これによると、熱電素子の絶縁距離を広くすることが可能である。

この時、本発明の他の実施例によると、第２基板３８０とヒートシンク３９０の間にも第２バッファ層３７０と同一の素材のバッファ層が配置されてもよい。これによると、第２基板３８０およびヒートシンク３９０間熱膨張係数の差により第２基板３８０およびヒートシンク３９０が部分的に離隔する問題を防止することができる。

このように、本発明の実施例によると、熱電性能および接合性能が優秀な熱電素子が得られる。

以下、比較例および実施例を利用して本発明の実施例に係る効果をさらに具体的に説明する。

実施例に係る熱電素子は図５で図示した構造下でＰＤＭＳおよび無機物を含み、２００℃でのヤング率が２５ＭＰａであるバッファ層を適用したし、比較例１に係る熱電素子は図５で図示した構造でＰＤＭＳおよび無機物を含み、２００℃でのヤング率が７５ＭＰａであるバッファ層を適用したし、比較例２に係る熱電素子は図５で図示した構造でバッファ層をポリイミド層に変えた。さらに具体的には、実施例に係る熱電素子に適用されたバッファ層に含まれるＰＤＭＳの分子量は１５，０００～３０，０００ｇ／ｍｏｌであり、バッファ層内の無機物の含量は８５～９０ｗｔ％であり、比較例１に係る熱電素子に適用されたバッファ層に含まれるＰＤＭＳの分子量は５，０００～１５，０００ｇ／ｍｏｌであり、バッファ層内の無機物の含量は８０～８５ｗｔ％である。

図１０は、比較例１に係る熱電素子で基板の温度と熱応力間の関係を示すグラフである。まず、比較例１に係る熱電素子で基板の温度が１４５℃であるとき、基板と電極間の界面破壊が起きることを観察した。比較例１に係る熱電素子で基板の温度に対する熱応力を評価した結果、基板の温度が約１４５℃であるときに熱応力が６７０ＭＰａであることが観察された。したがって、熱電素子の臨界破壊応力は６７０ＭＰａであることが分かった。

一方、バッファ層の弾性係数と基板および電極間熱応力の相関関係を実験してみた結果、表１の結果を得ることができた。

すなわち、バッファ層の弾性係数が低いほど熱応力が低くなることが分かった。特に、弾性係数が６５ＭＰａ以下である場合、熱応力が臨界破壊応力より低い６６０ＭＰａであることが分かった。

一方、発電装置に適用される熱電素子の発電性能を高めるために、熱電素子の高温部の温度は１５０℃～２００℃であり、低温部の温度は１５℃～５５℃である条件すなわち、高温部の温度と低温部の温度差が９５℃～１８５℃である条件下で、５００時間の間電極と基板間の界面破壊が起きず、抵抗変化率が７％以内、好ましくは６％以内、さらに好ましくは５％以内の範囲で維持され、高温で長時間露出した場合にもヤング率の変化率が１０％以内、好ましくは７％以内、さらに好ましくは５％以内の範囲で維持されることが好ましい。

図１１は実施例および比較例に係る熱電素子の高温部と低温部間の温度差別抵抗変化率を測定したグラフであり、図１２は実施例および比較例に係る熱電素子を２００℃で露出した時間によるヤング率の変化を測定したグラフである。

図１１を参照すると、実施例では熱電素子の高温部と低温部間の温度差が１４５℃以上である場合にも抵抗変化率が７％以内の範囲で維持されるが、比較例１および比較例２では熱電素子の高温部と低温部間の温度差が１４５℃より低い場合にも抵抗変化率が７％を超過し、高温部と低温部間の温度差が１４５℃以上では熱応力による抵抗変化率が急激に上昇して断線した。

図１２を参照すると、実施例に係るバッファ層は１５０℃～２００℃で長時間露出してもヤング率の変化率は１０％以内の範囲で維持されるが、比較例１に係るバッファ層は約２００℃で露出する時間が増加するほどヤング率が１０％を超過して急激に上昇することが分かる。

これから、本発明の実施例に係る熱電素子は高温部の温度が約２００℃である条件下でも電極と基板間の界面破壊が起きず、抵抗変化率が７％以内の範囲で維持され、約２００℃で長時間露出した場合にもヤング率の変化率が１０％以内の範囲で維持されるので、高い信頼性を有することが分かる。

本発明の実施例に係る熱電素子は高温部側と低温部側の温度差を利用して電気を生成する発電システムに適用され得る。例えば、熱電素子の第１基板側、すなわち低温部側に第１流体が流動し、第２基板側、すなわち高温部側に第１流体より温度が高い第２流体が流動し、これに伴い、第１基板側と第２基板側間に温度差が発生して電気が生成され得る。この時、第２流体の温度は、例えば第１流体の温度より９５℃～１８５℃高くてもよい。

前記では本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更できることが理解できるであろう。

Claims (15)

1. 第１基板、
   前記第１基板上に配置された第１バッファ層、
   前記第１バッファ層上に配置された第１電極、
   前記第１電極上に配置されたＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグ、
   前記Ｐ型熱電レッグ又は前記Ｎ型熱電レッグ上に配置された第２電極、
   前記第２電極上に配置された第２バッファ層、および
   前記第２バッファ層上に配置された第２基板を含み、
   前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のうち少なくとも一つはシリコン樹脂および無機物を含み、
   前記第１基板は低温部側基板として動作するように設定され、前記第２基板は１５０℃以上で動作するように設定される高温部側基板であり、
   前記第２バッファ層のヤング率（Ｙｏｕｎｇ'ｓｍｏｄｕｌｕｓ）は１～６５ＭＰａであり、
   前記ヤング率が定義される基準温度は１５０℃～２００℃の間である、熱電素子。
2. 前記シリコン樹脂はＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ））を含み、
   前記無機物は前記第１バッファ層および前記第２バッファ層のうち少なくとも一つの８５～９０ｗｔ％で含まれる、請求項１に記載の熱電素子。
3. 前記ＰＤＭＳの分子量は５，０００～３０，０００である、請求項２に記載の熱電素子。
4. 前記第１バッファ層のヤング率は前記第２バッファ層のヤング率と異なる、請求項１に記載の熱電素子。
5. 前記第２バッファ層のヤング率が前記第１バッファ層のヤング率より低い、請求項４に記載の熱電素子。
6. 前記第１基板はアルミニウム基板であり、
   前記第２基板は銅基板である、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の熱電素子。
7. 前記第１基板と前記第１バッファ層間に配置された第１絶縁層をさらに含む、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の熱電素子。
8. 前記第２バッファ層の厚さは前記第１バッファ層の厚さより大きい、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の熱電素子。
9. 前記第１バッファ層は１５０℃～２００℃で５００時間の間ヤング率の変化率が１０％以内である、請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の熱電素子。
10. 前記第１絶縁層は酸化アルミニウムを含むか、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含む、請求項７に記載の熱電素子。
11. 前記第１絶縁層の表面粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ以上である、請求項７に記載の熱電素子。
12. 前記第２基板と前記第２バッファ層間に配置された第２絶縁層をさらに含み、
    前記第２絶縁層は、酸化アルミニウム層、シリコンとアルミニウムを含む複合体からなる複合体層、およびエポキシ樹脂およびシリコン樹脂のうち少なくとも一つと無機物を含む樹脂組成物からなる樹脂層から選択される、請求項１～請求項１１のいずれか一項に記載の熱電素子。
13. 前記第２電極の側面の一部は前記第２バッファ層内に埋め立てられる、請求項１２に記載の熱電素子。
14. 前記第２基板上に配置されたヒートシンクをさらに含む、請求項１～請求項１３のいずれか一項に記載の熱電素子。
15. 請求項１～請求項１４のいずれか一項に記載された熱電素子、
    前記熱電素子の前記第１基板側で流動する第１流体、
    前記熱電素子の前記第２基板側で流動し、前記第１流体の温度より９５℃～１８５℃高い第２流体を含み、
    前記熱電素子の抵抗変化率は５００時間の間７％以内である、発電システム。

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