JP7633946B2 - 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絶縁層に関する。

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、熱と電気の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の間に接合させて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。

熱電素子の熱伝達性能を向上させるために、金属基板を使お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樹脂層、電極、熱電レッグを順次積層する工程により製作され得る。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が、耐電圧が低いため長期間の使用時に信頼性が低くなる問題がある。

このような問題を解決するために、金属基板の表面を酸化処理して耐電圧を高めようとする試みがあるが、高温部側には基板上にヒートシンクが接合されなければならないが、酸化処理された金属基板とヒートシンク間の接合が難しい問題がある。

これに伴い、熱伝導性能だけでなく、耐電圧性能およびヒートシンクとの接合性能が全て改善された熱電素子が必要である。
発明の詳細な説明

本発明が達成しようとする技術的課題は、熱伝導性能、耐電圧性能およびヒートシンクとの接合性能が全て改善された熱電素子の基板および絶縁層構造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絶縁層、前記第１絶縁層上に配置された第１基板、前記第１基板上に配置された第２絶縁層、前記第２絶縁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３絶縁層、そして、前記第３絶縁層上に配置された第２基板を含み、前記第１絶縁層は第１酸化アルミニウム層を含み、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、前記第１基板は低温部であり、前記第２基板は高温部である。

前記第２絶縁層および前記第３絶縁層はそれぞれエポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなり得る。

前記第２絶縁層の厚さは前記第３絶縁層の厚さと同一であるか、前記第３絶縁層の厚さより小さくてもよい。

前記第２絶縁層は第２酸化アルミニウム層を含み、前記第３絶縁層はエポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなり得る。

前記第２絶縁層は前記第２酸化アルミニウム層上に配置され、エポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層をさらに含むことができる。

前記第２絶縁層に含まれた樹脂層の厚さは前記第２酸化アルミニウム層の厚さおよび前記第３絶縁層の厚さそれぞれより小さくてもよい。

前記第１酸化アルミニウム層および前記第２酸化アルミニウム層のうち少なくとも一つはアルミニウム基板をアノダイジングして形成され得る。

前記第１酸化アルミニウム層および前記第２酸化アルミニウム層のうち少なくとも一つは、前記アルミニウム基板の側面に沿って延びて互いに連結され得る。

前記第１絶縁層と前記第２絶縁層の厚さの和は８０μｍ以上であり得る。

前記銅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。

前記銅基板と前記ヒートシンクの間には酸化層が配置されなくてもよい。

本発明の実施例によると、性能が優秀で、信頼性が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、耐電圧性能およびヒートシンクとの接合性能まで改善された熱電素子が得られる。

また、本発明の実施例によると、低温部と高温部間の要求される性能差を全て満足させる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断面図である。 本発明のさらに他の実施例に係る断面図である。

絶縁層の厚さによる耐電圧をシミュレーションした結果である。

比較例、実施例２および実施例３に係る構造で絶縁層の厚さによる熱抵抗の変化をシミュレーションした結果である。

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中の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の説明において、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され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巻に温度差を加えると、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はセレン（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て篩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１３０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の強度が高くなり得る。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することができる。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、楕円状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。これによって、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に向かう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することができるため、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）で示すことができる。熱電性能指数（ＺＴ）は数学式１のように示すことができる。

数式１

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は温度であり、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］であり、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くなり得、０．３ｍｍを超過する場合、抵抗の増加によって伝導効率が低くなり得る。

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５～２０Ｗ／Ｋ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倍未満に形成される場合、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て、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。

一方、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は図１（ａ）または図１（ｂ）で図示する構造を有することができる。図１（ａ）を参照すると、熱電レッグ１３０、１４０は熱電素材層１３２、１４２、熱電素材層１３２、１４２の一面上に積層される第１メッキ層１３４－１、１４４－１、および熱電素材層１３２、１４２の一面と対向して配置される他面に積層される第２メッキ層１３４－２、１４４－２を含むことができる。または図１（ｂ）を参照すると、熱電レッグ１３０、１４０は熱電素材層１３２、１４２、熱電素材層１３２、１４２の一面上に積層される第１メッキ層１３４－１、１４４－１、熱電素材層１３２、１４２の一面と対向して配置される他面に積層される第２メッキ層１３４－２、１４４－２、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間にそれぞれ配置される第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第２バッファー層１３６－２、１４６－２を含むことができる。または熱電レッグ１３０、１４０は第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２それぞれ煮込んで下部基板１１０および上部基板１６０それぞれ間に積層される金属層をさらに含んでもよい。

ここで、熱電素材層１３２、１４２は半導体材料であるビズマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を含むことができる。熱電素材層１３２、１４２は前述したＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と同じ素材または形状を有することができる。熱電素材層１３２、１４２が多結晶である場合、熱電素材層１３２、１４２、第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第１メッキ層１３４－１、１４４－１の接合力および熱電素材層１３２、１４２、第２バッファー層１３６－２、１４６－２および第２メッキ層１３４－２、１４４－２間の接合力が高くなり得る。これに伴い、振動が発生するアプリケーション、例えば車両などに熱電素子１００が適用されても第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２がＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０から離脱して炭化する問題を防止することができ、熱電素子１００の耐久性および信頼性を高めることができる。

そして、金属層は銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金から選択され得、０．１～０．５ｍｍ、好ましくは０．２～０．３ｍｍの厚さを有することができる。

次に、第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２は、それぞれＮｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｓｂ、ＣｒおよびＭｏのうち少なくとも一つを含むことができ、１～２０μｍ、好ましくは１～１０μｍの厚さを有することができる。第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２は、熱電素材層１３２、１４２内の半導体材料であるＢｉまたはＴｅと金属層間の反応を防止するため、熱電素子の性能低下を防止できるだけでなく、金属層の酸化を防止することができる。

この時、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１の間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間には、第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第２バッファー層１３６－２、１４６－２が配置され得る。この時、第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第２バッファー層１３６－２、１４６－２はＴｅを含むことができる。例えば、第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第２バッファー層１３６－２、１４６－２はＮｉ－Ｔｅ、Ｓｎ－Ｔｅ、Ｔｉ－Ｔｅ、Ｆｅ－Ｔｅ、Ｓｂ－Ｔｅ、Ｃｒ－ＴｅおよびＭｏ－Ｔｅのうち少なくとも一つを含むことができる。本発明の実施例によると、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２の間にＴｅを含む第１バッファー層１３６－１、１４６－１および第２バッファー層１３６－２、１４６－２が配置されると、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅが第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２に拡散すること防止することができる。これに伴い、Ｂｉリッチ領域によって熱電素材層内の電気抵抗が増加する問題を防止することができる。

以上において、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されてもよい。

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断面図であり、図９は本発明のさらに他の実施例に係る断面図である。図１～図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７を参照すると、本発明の実施例に係る熱電素子３００は、第１絶縁層３１０、第１絶縁層３１０上に配置された第１基板３２０、第１基板３２０上に配置された第２絶縁層３３０、第２絶縁層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３絶縁層３７０および第３絶縁層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３２０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得る。

ここで、第１電極３４０、Ｐ型熱電レッグ３５０、Ｎ型熱電レッグ３６０、第２電極３７０は、それぞれ図１～図２で説明した上部電極１５０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０および下部電極１２０に対応し得、図１～図２で説明した内容が同一または類似するように適用され得る。

一般的に、熱電素子３００の低温部側に配置された電極に電源が連結されるので、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る。ここで、（＋）端子と（－）端子が第１電極３４０に連結されて第１絶縁層３１０、第１基板３２０および第２絶縁層３３０を貫通して下へ引き出されるものとして図示されているが、これに制限されるものではなく、（＋）端子と（－）端子が第１電極３４０に連結された後、第１絶縁層３１０、第１基板３２０および第２絶縁層３３０上で側面に引き出されてもよい。

これに反し、熱電素子３００の駆動時に熱電素子３００の高温部側は高温、例えば約１８０℃以上に露出され得、電極、絶縁層および基板の互いに異なる熱膨張係数によって電極、絶縁層および基板間の剥離が問題となり得る。これに伴い、熱電素子３００の高温部側は低温部側に比べてさらに高い熱伝導性能が要求され得る。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接合力も熱電素子３００の耐久性および信頼性に大きい影響を及ぼし得る。

以下、第１基板３２０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ことを仮定して説明する。

本発明の実施例によると、第１基板３２０はアルミニウム基板であり、第２基板３８０は銅基板からなる。銅基板はアルミニウム基板に熱伝導度および電気伝導度が高い。これに伴い、第１基板３２０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全て満足させることができる。

そして、第１基板３２０は第１絶縁層３１０上に配置され、第１基板３２０上には第２絶縁層３３０が配置される。このように、第１基板３２０の両面に全て絶縁層が配置された場合、第１基板３２０側の耐電圧性能はさらに高くなり得る。

この時、第１絶縁層３１０は酸化アルミニウム層であり得る。第１絶縁層３１０が酸化アルミニウム層である場合、第１基板３２０側の熱抵抗を高くしないながらも、耐電圧性能を高めることができる。この時、第１絶縁層３１０の厚さは２０～１００μｍ、好ましくは３０～８０μｍ、さらに好ましくは３５～６０μｍであり得る。第１絶縁層３１０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。

この時、第１基板３２０側の絶縁層の厚さの総和、すなわち第１絶縁層３１０の厚さと第２絶縁層３３０の厚さの和は８０μｍ以上、好ましくは８０～４８０μｍであり得る。一般的に、絶縁層の厚さが厚くなるほど耐電圧性能は高くなり得る。しかし、絶縁層の厚さが厚くなるほど熱抵抗も大きくなる問題がある。しかし、本発明の実施例では第１基板３２０側の絶縁層を第１基板３２０の両面に分けて配置し、特に第１基板３２０の下に酸化アルミニウム層を配置することによって、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可能である。

一方、図３に図示された通り、第２絶縁層３３０および第３絶縁層３７０は、それぞれエポキシ樹脂および無機充填材を含むエポキシ樹脂組成物およびＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなり得る。これに伴い、第２絶縁層３３０は第１基板３２０と第１電極３４０間の絶縁性、接合力および熱伝導性能を向上させることができ、第３絶縁層３７０は第２電極３６０と第２基板３８０間の絶縁性、接合力および熱伝導性能を向上させることができる。

ここで、無機充填材は樹脂層の６８～８８ｖｏｌ％で含まれ得る。無機充填材が６８ｖｏｌ％未満で含まれると熱伝導効果が低い可能性があり、無機充填材が８８ｖｏｌ％を超過して含まれると樹脂層は容易に壊れ得る。

そして、エポキシ樹脂はエポキシ化合物および硬化剤を含むことができる。この時、エポキシ化合物１０体積比に対して、硬化剤１～１０体積比で含まれ得る。ここで、エポキシ化合物は結晶性エポキシ化合物、非結晶性エポキシ化合物およびシリコンエポキシ化合物のうち少なくとも一つを含むことができる。無機充填材は酸化アルミニウムおよび窒化物を含むことができ、窒化物は無機充填材の５５～９５ｗｔ％で含まれ得、さらに好ましくは６０～８０ｗｔ％であり得る。窒化物がこのような数値範囲で含まれる場合、熱伝導度および接合強度を高めることができる。ここで、窒化物は、窒化ホウ素および窒化アルミニウムのうち少なくとも一つを含むことができる。

この時、窒化ホウ素凝集体の粒子の大きさＤ５０は２５０～３５０μｍであり、酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０は１０～３０μｍであり得る。窒化ホウ素凝集体の粒子の大きさＤ５０と酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０がこのような数値範囲を満足する場合、窒化ホウ素凝集体と酸化アルミニウムが樹脂層内に均一に分散され得、これに伴い樹脂層全体としても均一な熱伝導効果および接着性能を有することができる。

この時、樹脂層からなる第２絶縁層３３０は、第１基板３２０と第１電極３４０の間の絶縁性能および接着性能を維持する限度内でできる限り薄く配置されるのが熱伝導性能の側面で有利である。本発明の実施例によると、酸化アルミニウム層からなる第１絶縁層３１０が第１基板３２０を挟んで第２絶縁層３３０と共に配置されているため、樹脂層からなる第２絶縁層３３０の厚さが同一の素材からなる第３絶縁層３７０の厚さと同一であるか、第３絶縁層３７０の厚さより小さくても低温部側が十分な耐電圧性能を有することが可能である。これに伴い、樹脂層からなる第２絶縁層３３０の厚さは第３絶縁層３７０の厚さと同一であるか、第３絶縁層３７０の厚さより小さくてもよい。

特に、第３絶縁層３７０の厚さは第２絶縁層３３０の厚さより厚く形成されてもよい。前述した通り、熱電素子３００の駆動時に高温部側の温度は約１８０℃以上に上がり得、本発明の実施例により第３絶縁層３７０が軟性を有する樹脂層からなる場合、第３絶縁層３７０は第２電極３６０と第２基板３８０間の熱衝撃を緩和する役割をすることができる。

一方、図６を参照すると、第２絶縁層３３０は第２酸化アルミニウム層を含み、第３絶縁層３７０はそれぞれエポキシ樹脂および無機充填材を含むエポキシ樹脂組成物およびＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなり得る。前述した通り、低温部側では耐電圧性能がさらに重要であり、高温部側では接合性能がさらに重要である。これに伴い、第２絶縁層３３０が第２酸化アルミニウム層からなる場合、樹脂層からなる場合に比べてさらに高い耐電圧性能を有することができる。また、第３絶縁層３７０が樹脂層からなる場合、第２電極３６０および第２基板３８０間の接合性能が保障され得る。

または図７を参照すると、第２絶縁層３３０は第１基板３２０上に配置された第２酸化アルミニウム層３３４を含むものの、第２酸化アルミニウム層３３４上に配置された樹脂層３３２をさらに含んでもよい。この時、第２絶縁層３３０に含まれた樹脂層３３２は第２酸化アルミニウム層３３４および第１電極３４０間の接合力を高めることができる。すなわち、第２絶縁層３３０に含まれた樹脂層３３２は第２酸化アルミニウム層３３４および第１電極３４０間の接合力を提供する程度でのみ形成されれば良いので、第２絶縁層３３０に含まれた樹脂層３３２の厚さは第２酸化アルミニウム層３３４の厚さおよび第３絶縁層３７０の厚さそれぞれより小さくてもよい。

このように、本発明の実施例によると、熱電素子の低温部と高温部間の特性差に合うように基板および絶縁層の構造を変形した熱電素子が得られる。

この時、第１酸化アルミニウム層３１２および第２酸化アルミニウム層３３４のうち少なくとも一つは、第１基板３２０のアルミニウム基板をアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）して形成され得る。または第１酸化アルミニウム層３１２および第２酸化アルミニウム層３３４のうち少なくとも一つは、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てもよい。

一方、図８～図９に図示した通り、第１酸化アルミニウム層３１２および第２酸化アルミニウム層３３４のうち少なくとも一つは、第１基板３２０のアルミニウム基板に沿って延びる延長部３４０を形成してアルミニウム基板の側面で互いに連結されてもよい。これによると、アルミニウム基板の全面に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。

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は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間の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し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。

このように、本発明の実施例によると、熱電素子の低温部と高温部間の特性差を反映して低温部側の基板および絶縁層構造と高温部側の基板および絶縁層構造を異なるようにした熱電素子が得られる。

表１および図１０は、絶縁層の厚さによる耐電圧をシミュレーションした結果である。アルミニウム基板上にアノダイジング処理して絶縁層を形成し、絶縁層の厚さにより耐電圧を測定した。

表１および図１０を参照すると、絶縁層の厚さが厚いほど耐電圧性能が高くなることが分かる。特に、絶縁層の厚さが８０μｍ以上である場合、３．６ｋＶ以上の耐電圧性能が得られることが分かる。

表２は比較例および実施例に係る熱電素子の熱抵抗を測定した結果である。

比較例では銅基板上に樹脂層からなる絶縁層を配置したし、実施例１では酸化アルミニウム層上にアルミニウム基板を配置した後に樹脂層からなる絶縁層をさらに配置したし、実施例２ではアルミニウム基板の両面に酸化アルミニウム層を形成したし、実施例３ではアルミニウム基板の両面に酸化アルミニウム層を形成した後に樹脂層からなる絶縁層をさらに配置した。

表２を参照すると、比較例で絶縁層の総厚さが４０μｍであり、実施例１～３の絶縁層の総厚さに比べて小さいにも関わらず、実施例１～３に比べてさらに高い熱抵抗を有することが分かる。また、アルミニウム基板の片面にのみ酸化アルミニウム層が配置された実施例１に比べて、アルミニウム基板の両面に酸化アルミニウム層が配置された実施例２および３で顕著に低い熱抵抗が得られることが分かる。また、酸化アルミニウム層上に樹脂層がさらに配置された実施例３の場合、実施例２と比較して熱抵抗は類似しているが、アルミニウム基板と電極間の接合性能はさらに高いこともある。

一方、図１１は比較例、実施例２および実施例３に係る構造で絶縁層の厚さによる熱抵抗の変化をシミュレーションした結果である。

図１１を参照すると、比較例および実施例３に係る構造で樹脂層の厚さを増加させるにつれて熱抵抗が急激に大きくなることが分かる。これに反し、実施例２に係る構造で酸化アルミニウム層の厚さを４８０μｍまで増加させても樹脂層の厚さが４０μｍである時の熱抵抗の水準が得られることが分かる。

本発明の実施例に係る熱電素子は発電用装置、冷却用装置、温熱用装置などに作用され得る。具体的には、本発明の実施例に係る熱電素子は主に光通信モジュール、センサ、医療機器、測定機器、航空宇宙産業、冷蔵庫、チラー（ｃｈｉｌｌｅｒ）、自動車通風シート、カップホルダー、洗濯機、乾燥機、ワインセラー、浄水器、センサ用電源供給装置、サーモパイル（ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）等に適用され得る。

ここで、本発明の実施例に係る熱電素子が医療機器に適用される例として、ＰＣＲ（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ）機器がある。ＰＣＲ機器はＤＮＡを増幅してＤＮＡの塩基序列を決定するための装備であり、精密な温度制御が要求され、熱循環（ｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｅ）が必要な機器である。このために、ペルティエ基盤の熱電素子が適用され得る。

本発明の実施例に係る熱電素子が医療機器に適用される他の例として、光検出器がある。ここで、光検出器は赤外線／紫外線検出器、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサ、Ｘ－ｒａｙ検出器、ＴＴＲＳ（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＴｈｅｒｍａｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｏｕｒｃｅ）等がある。光検出器の冷却（ｃｏｏｌｉｎｇ）のためにペルティエ基盤の熱電素子が適用され得る。これに伴い、光検出器の内部の温度上昇による波長の変化、出力の低下および解像力の低下などを防止することができる。

本発明の実施例に係る熱電素子が医療機器に適用されるさらに他の例として、免疫分析（ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）分野、インビトロ診断（ＩｎｖｉｔｒｏＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）分野、温度制御および冷却システム（ｇｅｎｅｒａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ）、物理治療分野、液状チラーシステム、血液／プラズマ温度制御分野などがある。これに伴い、精密な温度制御が可能である。

本発明の実施例に係る熱電素子が医療機器に適用されるさらに他の例として、人工心臓がある。これに伴い、人工心臓に電源を供給することができる。

本発明の実施例に係る熱電素子が航空宇宙産業に適用される例として、星追跡システム、熱イメージングカメラ、赤外線／紫外線検出器、ＣＣＤセンサ、ハッブル宇宙望遠鏡、ＴＴＲＳなどがある。これに伴い、イメージセンサの温度を維持することができる。

本発明の実施例に係る熱電素子が航空宇宙産業に適用される他の例として、冷却装置、ヒーター、発電装置などがある。

この他にも本発明の実施例に係る熱電素子はその他の産業分野に発電、冷却および温熱のために適用され得る。

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され得るであろう。

Claims (17)

1. 第１絶縁層、
   前記第１絶縁層上に配置された第１基板、
   前記第１基板上に配置された第２絶縁層、
   前記第２絶縁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３絶縁層、
   前記第３絶縁層上に配置された第２基板、そして、
   前記第２基板上に配置されたヒートシンクを含み、
   前記第１絶縁層は第１酸化アルミニウム層であり、
   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、
   前記第１基板は低温部であり、前記第２基板は高温部であり、
   前記銅基板と前記ヒートシンクの間に配置された前記銅基板の表面はニッケルがメッキされている、熱電素子。
2. 前記第２絶縁層および前記第３絶縁層はそれぞれエポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなる、請求項１に記載の熱電素子。
3. 前記第２絶縁層の厚さは前記第３絶縁層の厚さと同一であるか、前記第３絶縁層の厚さより小さい、請求項２に記載の熱電素子。
4. 前記第２絶縁層は第２酸化アルミニウム層を含み、前記第３絶縁層はエポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層からなる、請求項１に記載の熱電素子。
5. 前記第２絶縁層は前記第２酸化アルミニウム層上に配置され、エポキシ樹脂組成物およびシリコン樹脂組成物のうち少なくとも一つを含む樹脂層をさらに含む、請求項４に記載の熱電素子。
6. 前記第２絶縁層に含まれた樹脂層の厚さは前記第２酸化アルミニウム層の厚さおよび前記第３絶縁層の厚さそれぞれより小さい、請求項５に記載の熱電素子。
7. 前記第１酸化アルミニウム層および前記第２酸化アルミニウム層のうち少なくとも一つはアルミニウム基板をアノダイジングして形成された、請求項５に記載の熱電素子。
8. 前記第１酸化アルミニウム層および前記第２酸化アルミニウム層のうち少なくとも一つは、前記アルミニウム基板の側面に沿って延びて連結される、請求項５に記載の熱電素子。
9. 前記銅基板と前記ヒートシンクの間に酸化銅層が配置されていない、請求項１に記載の熱電素子。
10. 電源が前記第１電極に連結される、請求項１に記載の熱電素子。
11. 前記電源の正端子および負端子は、前記第１電極に連結され、前記第２絶縁層、前記第１基板および前記第１絶縁層を介して下へ延びる、請求項１０に記載の熱電素子。
12. 前記電源の正端子および負端子は、前記第１電極に連結され、前記第１絶縁層、前記第１基板、および前記第２絶縁層上で側面に引き出される、請求項１０に記載の熱電素子。
13. 前記第１絶縁層の厚さは、２０μｍ～１００μｍである、請求項１に記載の熱電素子。
14. 前記第１絶縁層と前記第２絶縁層の厚さの和は８０μｍ～４８０μｍである、請求項１に記載の熱電素子。
15. 前記第２絶縁層を形成する樹脂層と、前記第３絶縁層を形成する樹脂層とは同一材料からなり、前記第３絶縁層の厚さは前記第２絶縁層の厚さよりも大きい、請求項２に記載の熱電素子。
16. 第１絶縁層、
    前記第１絶縁層上に配置された第１基板、
    前記第１基板上に配置された第２絶縁層、
    前記第２絶縁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３絶縁層、
    前記第３絶縁層上に配置された第２基板、そして、
    前記第２基板上に配置されたヒートシンクを含み、
    前記第１絶縁層は第１酸化アルミニウム層であり、
    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、
    前記第１基板は低温部であり、前記第２基板は高温部であり、
    前記銅基板と前記ヒートシンクの間に配置された前記銅基板の表面はニッケルがメッキされている、熱電素子を含む発電装置。
17. 第１絶縁層、
    前記第１絶縁層上に配置された第１基板、
    前記第１基板上に配置された第２絶縁層、
    前記第２絶縁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３絶縁層、
    前記第３絶縁層上に配置された第２基板、そして、
    前記第２基板上に配置されたヒートシンクを含み、
    前記第１絶縁層は第１酸化アルミニウム層であり、
    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、
    前記第１基板は低温部であり、前記第２基板は高温部であり、
    前記銅基板と前記ヒートシンクの間に配置された前記銅基板の表面はニッケルがメッキされている、熱電素子を含む冷却用および温熱用装置。

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