JP7695066B2 - 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）の移動により発生する現象であって、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接合ペア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、温度差により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等に区分され得る。

熱電素子は、家電製品、電子部品、通信用部品等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、発電用装置等に適用され得る。これに伴い、熱電素子の熱電性能に対する要求は次第に高まっている。

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と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との間に複数の上部電極が配置され、複数の熱電レッグと下部基板と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、あらかじめ用意した金属基板上に電極および熱電レッグを順次に積層する工程により製作され得る。金属基板が使用される場合、熱伝導の観点から有利な効果を得ることができるが、高電圧環境下での応用分野においては、耐電圧特性を追加的に確保しなければならないという問題がある。

本発明が達成しようとする技術的課題は、熱伝導性能、耐電圧性能および絶縁抵抗がすべて改善された熱電素子を提供することにある。

本発明の一実施例による熱電素子は、第１貫通ホールが形成された第１金属基板と、前記第１金属基板上に配置され、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第２貫通ホールを含む第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に配置され、複数の第１電極を含む第１電極部と、前記第１電極部上に配置された半導体構造物と、前記半導体構造物上に配置され、複数の第２電極を含む第２電極部と、前記第２電極部上に配置された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に配置された第２金属基板と、を含み、前記第１金属基板は、前記第１金属基板の形状を定義する第１外郭、第２外郭、第３外郭および第４外郭を含み、前記第１外郭および前記第４外郭は、互いに対向し、前記第２外郭および前記第３外郭は、前記第１外郭および前記第４外郭の間で互いに対向し、前記第１電極部は、前記複数の第２電極と垂直に重なった第１領域を含み、前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１領域から前記第１外郭に向かうように延びた延長部を含み、前記第１貫通ホールは、前記第１領域の内側に形成され、前記第２外郭から前記複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールと最も隣接する第１電極までの最短距離は、前記第２外郭から前記延長部までの最短距離の±１０％以内である。

前記第１領域の内側に第１ホール配置領域が形成され、前記第１ホール配置領域は、前記第２貫通ホールの周辺を取り囲む複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールと隣接する面をつなぐ仮想の線が成す空間であり、前記延長部は、前記第１ホール配置領域を定義する仮想の線から延びた延長線が成す仮想の空間と少なくとも一部が重なるように配置され得る。

前記第１領域と前記第１外郭との間の最短距離は、前記延長部と前記第２外郭との間の最短距離の１．２～２．５倍でありうる。

前記延長部と前記第２外郭との間の最短距離は、１２ｍｍ以上でありうる。

前記複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間の最短距離は、前記第１絶縁層の厚みの５０倍～１８０倍でありうる。

前記複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間の最短距離は、８ｍｍ以上でありうる。

前記第２絶縁層は、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第３貫通ホールを含み、前記第２金属基板は、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第４貫通ホールを含み、前記第１貫通ホールおよび前記第４貫通ホールの間に配置された締結部材をさらに含むことができる。

前記第２金属基板上に配置され、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第５貫通ホールを含むヒートシンクをさらに含むことができる。

前記締結部材は、第４貫通ホールおよび第５貫通ホールの間に配置され、前記ヒートシンク上で第５貫通ホールと隣接して配置された絶縁挿入部材をさらに含むことができる。

前記絶縁挿入部材の一部は、前記第４貫通ホールと前記締結部材との間に配置され得る。

前記第４貫通ホールの直径は、前記第１貫通ホールの直径の１．１倍～２．０倍でありうる。

前記第１絶縁層と前記第１電極部との間に配置され、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第６貫通ホールを含む第３絶縁層をさらに含むことができる。

前記第１絶縁層、前記第２絶縁層および前記第３絶縁層のうち少なくとも一つは、樹脂および無機物を含むことができる。

前記無機物は、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを含むことができる。

前記第１ホール配置領域の面積は、一つの第１電極面積の４倍以上でありうる。

前記延長部は、複数を含み、前記複数の延長部は、第１ターミナル電極および第２ターミナル電極を含み、前記第１ターミナル電極には、第１連結ユニットが配置され、前記第２ターミナル電極には、第２連結ユニットが配置され得る。

前記第１連結ユニットおよび前記第２連結ユニットそれぞれは、電線と連結されるコネクターでありうる。

本発明の一実施例による発電装置は、第１流体が流動する第１流体流動部と、前記第１流体より高温である第２流体が流動する第２流体流動部と、前記第１流体流動部と前記第２流体流動部との間に配置された熱電素子と、を含み、前記熱電素子は、第１貫通ホールが形成された第１金属基板と、前記第１金属基板上に配置され、前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第２貫通ホールを含む第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に配置され、複数の第１電極を含む第１電極部と、前記第１電極部上に配置された半導体構造物と、前記半導体構造物上に配置され、複数の第２電極を含む第２電極部と、前記第２電極部上に配置された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に配置された第２金属基板と、を含み、前記第１金属基板は、前記第１金属基板の形状を定義する第１外郭、第２外郭、第３外郭および第４外郭を含み、前記第１外郭および前記第４外郭は、互いに対向し、前記第２外郭および前記第３外郭は、前記第１外郭および前記第４外郭の間で互いに対向し、前記第１電極部は、前記複数の第２電極と垂直に重なった第１領域を含み、前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１領域から前記第１外郭に向かうように延びた延長部を含み、前記第１貫通ホールは、前記第１領域の内側に形成され、前記第２外郭から前記複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールと最も隣接する第１電極までの最短距離は、前記第２外郭から前記延長部までの最短距離の±１０％以内である。

前記延長部と前記第２外郭との間の最短距離は、１２ｍｍ以上でありうる。

前記複数の第１電極のうち前記第２貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間の最短距離は、８ｍｍ以上でありうる。

本発明の実施例によれば、性能に優れ、信頼性の高い熱電素子を得ることができる。特に、本発明の実施例によれば、熱伝導性能だけでなく、耐電圧性能および絶縁抵抗まで改善された熱電素子を得ることができる。これに伴い、高電圧環境下でのアプリケーションにおいて追加的に要求される耐電圧特性を満足させることができる。

本発明の実施例による熱電素子は、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、焼却炉等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よる熱電素子に含まれる基板および電極の上面図である。 本発明の一実施例による熱電素子上にヒートシンクが配置された熱電モジュールの斜視図である。 本発明の一実施例による熱電素子に含まれる基板および電極の一部の断面図である。 本発明の一実施例による熱電素子に含まれる基板および電極の一部の断面図である。 本発明の一実施例による熱電モジュールの断面図である。 本発明の一実施例による熱電モジュールの断面図である。 本発明の実施例による熱電素子を複数個連結した配置図である。 基板外郭と電線連結部間の距離による絶縁抵抗を測定した結果である。 ホールの端部と電極間の距離による耐電圧を測定した結果である。 絶縁層の厚みに対するホールの端部と電極間の距離による熱抵抗を測定した結果である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な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、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、置換して使用することができる。

また、本発明の実施例で使用される用語（技術および科学的用語を含む）は、明白に特別に定義されて記述されない限り、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に一般的に理解され得る意味と解釈され得、辞書に定義された用語のように一般的に使用される用語は、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。

また、本発明の実施例で使用された用語は、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、文句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で組み合わせることができるすべての組合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）等の用語を使用することができる。

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、その用語により当該構成要素の本質や順序または順番等に限定されない。

そして、任意の構成要素が或る構成要素に「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り「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（上方）または下（下方）」に形成または配置されるものと記載される場合、上（上方）または下（下方）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（上方）または下（下方）」で表現される場合、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および図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の下部底面の間に配置され、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の上部底面の間に配置される。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により電気的に連結される。下部電極１２０と上部電極１５０との間に配置され、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、リード線１８１、１８２を介して下部電極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間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内電荷が移動して、電気が発生することもできる。

ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は、ビスマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を主原料として含むテルル化ビスマス（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグでありうる。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）、ビスマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むテルル化ビスマス（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグでありうる。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）、ビスマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち少なくとも一つを含むテルル化ビスマス（Ｂｉ－Ｔｅ）系熱電レッグでありうる。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、ふるいに掛けて、熱電レッグ用粉末を獲得した後、これを焼結し、焼結体をカッティングする過程を通じて得られる。この際、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うる。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とき、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、より好ましくは、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、より好ましくは、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の強度が高まり得る。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る。

この際、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ので、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することもできる。

この際、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は、円筒形状、多角柱形状、楕円柱形状等を有し得る。

または、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は、積層型構造を有することもできる。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、材料の損失を防いで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導電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、熱伝導度を低減し、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ることもできる。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ている両端部の断面積が、両端部の間の断面積より大きく形成されることもできる。これによれば、両端部間の温度差を大きく形成することができるので、熱電効率が高まり得る。

本発明の一実施例による熱電素子の性能は、熱電性能指数（ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍｅｒｉｔ、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、ゼ一ベック係数［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（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ、［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メーターを用いてＺ値（Ｖ／Ｋ）を測定し、測定したＺ値を用いて熱電性能指数（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の厚みを有し得る。下部電極１２０または上部電極１５０の厚みが０．０１ｍｍ未満である場合、電極として機能が落ちることになって、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、相互対向する下部基板１１０と上部基板１６０は、金属基板であってもよく、その厚みは、０．１ｍｍ～１．５ｍｍでありうる。金属基板の厚みが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ので、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との間および上部基板１６０と上部電極１５０との間には、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、後述する第１絶縁層２２０および第２絶縁層２７０と対応し得る。また、各絶縁層は、複数の層で形成され得る。

この際、下部基板１１０と上部基板１６０のサイズは、相異に形成されることもできる。例えば、下部基板１１０と上部基板１６０のうち一つの体積、厚みまたは面積は、他の一つの体積、厚み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、厚みまたは面積は、上部基板１６０の体積、厚み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。この際、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、厚みまたは面積のうち少なくとも一つをさらに大きくすることができる。この際、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劣り、熱電モジュールの基本形状を維持しにくいことがある。

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ることもできる。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することができる。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および図４に示されたように、下部基板１１０と上部基板１６０との間には、シーリング部材１９０がさらに配置されることもできる。シーリング部材は、下部基板１１０と上部基板１６０との間で下部電極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、汚染等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と、シーリングケース１９２と下部基板１１０との間に配置されるシーリング材１９４と、シーリングケース１９２と上部基板１６０との間に配置されるシーリング材１９６と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を介して熱伝導が起こることになり、結果的に、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との間およびシーリングケース１９２と上部基板１６０と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、壁材、仕上げ層、防水材、防水層等と混用され得る。ここで、シーリングケース１９２と下部基板１１０との間をシールするシーリング材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との間をシールするシーリング材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、電極に連結されたリード線１８１、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、プラスチック等からなる射出成形物であってもよく、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、多様な形態で変形され得る。図示してはいないが、シーリング部材を取り囲むように断熱材がさらに含まれることもできる。または、シーリング部材は、断熱成分を含むこともできる。

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）に示す構造を有し得る。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の面に積層される第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の面に積層される第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との間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２と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それぞれと下部基板１１０および上部基板１６０それぞれの間に積層される金属層をさらに含むこともできる。

ここで、熱電素材層１３２、１４２は、半導体材料であるビスマス（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し得る。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、例えば車両等に熱電素子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の厚みを有し得る。

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の厚みを有し得る。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内半導体材料であるＢｉまたはＴｅと金属層間の反応を防ぐので、熱電素子の性能低下を防止することができると共に、金属層の酸化を防止することができる。

この際、熱電素材層１３２、１４２と第１メッキ層１３４－１、１４４－１との間および熱電素材層１３２、１４２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２との間には、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。この際、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れば、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に拡散することを防止することができる。これに伴い、Ｂｉリーチ領域によって熱電素材層内電気抵抗が増加する問題を防止することができる。

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という用語を使用しているが、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ることもできる。

図５は、本発明の一実施例による熱電素子に含まれる基板、絶縁層および電極の上面図であり、図６（ａ）は、本発明の一実施例による熱電素子上にヒートシンクが配置された熱電モジュールの分解斜視図であり、図６（ｂ）は、本発明の一実施例による熱電素子上にヒートシンクが配置された熱電モジュールの斜視図である。図７および図８は、本発明の一実施例による熱電素子に含まれる基板、絶縁層および電極の一部の断面図であり、図９および図１０は、本発明の一実施例による熱電モジュールの断面図である。図１１は、本発明の実施例による熱電素子を複数個連結した配置図である。図１～図４で説明した内容と同じ内容については、重複した説明を省略する。

図５～図１０を参照すると、本発明の実施例による熱電モジュール１０００は、熱電素子２００および熱電素子２００上に配置されたヒートシンク３００を含む。

熱電素子２００は、第１基板２１０と、第１基板２１０上に配置された第１絶縁層２２０と、第１絶縁層２２０上に配置された複数の第１電極２３０と、複数の第１電極２３０上に配置された複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０と、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０上に配置された複数の第２電極２６０と、複数の第２電極２６０上に配置された第２絶縁層２７０と、第２絶縁層２７０上に配置された第２基板２８０とを含む。図示してはいないが、第１基板２１０と第２基板２８０との間には、第１絶縁層２２０、複数の第１電極２３０、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０、複数の第２電極２６０および第２絶縁層２７０を取り囲むようにシーリング部材がさらに配置され得る。

ここで、第１電極２３０、Ｐ型熱電レッグ２４０、Ｎ型熱電レッグ２５０、第２電極２６０は、それぞれ図１および図２で説明した下部電極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に対応することができ、図１および図２で説明した内容が同一または類似に適用され得る。

ここで、第１基板２１０および第２基板２８０のうち少なくとも一つは、金属基板でありうる。例えば、第１基板２１０および第２基板２８０のうち少なくとも一つは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅および銅合金のうち少なくとも一つからなり得る。第１基板２１０および第２基板２８０は、異種の素材からなり得る。例えば、第１基板２１０および第２基板２８０のうち耐電圧性能がさらに要求される基板は、アルミニウム基板からなり、熱伝導性能がさらに要求される基板は、銅基板からなり得る。

図示してはいないが、複数の第１電極２３０と複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０の間には、ソルダー層が配置されて、複数の第１電極２３０と複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０を接合することができる。そして、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０と複数の第２電極２６０の間には、ソルダー層が配置されて、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０と複数の第２電極２６０を接合することができる。そして、第２基板２８０とヒートシンク３００との間には、ソルダー層が配置されて、第２基板２８０とヒートシンク３００を接合することができる。

本明細書で、耐電圧性能は、所定の電圧および所定の電流下で所定の期間の間絶縁破壊なしに維持される特性を意味し得る。例えば、ＡＣ２．５ｋＶの電圧および１ｍＡの電流下で１０秒間絶縁破壊なしに維持される場合、耐電圧は、２．５ｋＶと言える。

一方、一般的に熱電素子２００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。これに対し、熱電素子２００の駆動時に熱電素子２００の高温部側は、高温、例えば約１８０℃以上に露出し得、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になり得る。これに伴い、熱電素子２００の高温部側は、低温部側に比べてさらに高い熱衝撃緩和性能が要求され得る。これに伴い、高温部側の構造と低温部側の構造を相異にすることもできる。

以下、第１基板２１０上に配置された第１電極２３０にターミナル電極４００が連結されることを中心として説明する。

前述したように、第１基板２１０上に第１絶縁層２２０が配置され、第１絶縁層２２０上に複数の第１電極２３０が配置される。

この際、複数の第１電極２３０は、複数の電極外郭を形成するように配置され得、第１基板２１０は、複数の電極外郭に対応する複数の基板外郭を有し得る。ここで、電極外郭は、複数の第１電極２３０の端部を意味し得、基板外郭は、第１基板２１０の端部を意味し得る。例えば、複数の第１電極２３０が四角形状に配置される場合、複数の第１電極２３０は、第１～第４電極外郭Ｅ１～Ｅ４を有し得、第１基板２１０は、第１～第４電極外郭Ｅ１～Ｅ４にそれぞれ対応する第１～第４基板外郭Ｓ１～Ｓ４を有し得る。

本発明の実施例によれば、ターミナル電極は、電線を連結するための電極であり、第１絶縁層２２０上で複数の第１電極２３０と同一平面上に配置され得る。これに伴い、ターミナル電極は、複数の第１電極２３０に含まれる構成、すなわち複数の第１電極２３０の一つであるもので表現されることもできる。または、ターミナル電極は、複数の第１電極２３０の間で複数の第１電極２３０のうち少なくとも一つと直接または間接的に連結されるように配置されるもので表現されることもできる。

ターミナル電極は、第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１に区分され得、各ターミナル電極４００、４０１は、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０と電気的に連結されるように、有効領域から第１～第４基板外郭Ｓ１～Ｓ４のうちいずれか一つに向かってそれぞれ延びた延長部を含むことができる。ここで、延長部は、ターミナル電極４００、４０１に含まれ、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０が配置される領域を意味し得る。または、延長部は、ターミナル電極４００、４０１自体を意味することもでき、これに伴い、延長部とターミナル電極４００、４０１が混用されることもできる。この際、隣接素子間の直列、並列または直列－並列等の連結形態によって第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１の延長部は、それぞれ単数または複数に分岐して延びることができる。本明細書において有効領域は、複数の第１電極と複数の第２電極が垂直に重なった領域、すなわちペルティエ効果またはゼーベック効果を実質的に具現するように、複数のＰ型熱電レッグ２４０およびＮ型熱電レッグ２５０が配置された領域として定義され得る。第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１の延長部上には、それぞれ第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０が配置され得、各連結ユニット４１０、４２０は、ターミナル電極４００、４０１と外部の端子を電気的に連結させるコネクター装置でありうる。例えば、第１ターミナル電極４００の延長部上には、少なくとも一つの（－）端子が第１連結ユニット４１０と連結され、第２ターミナル電極４０１の延長部には、少なくとも一つの（＋）端子が第２連結ユニット４２０と連結され得るが、各ターミナル電極４００、４０１の延長部および各連結ユニット４１０、４２０の個数、配置形態および外部端子の極性は、これに限定されない。

第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１それぞれは、複数の第１電極２３０または第２電極２６０のうち一つと直接または間接的に電気的に連結され得る。第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１それぞれが複数の第１電極２３０または第２電極２６０のうち一つと間接的に連結される場合、それぞれの第１ターミナル電極４００および第２ターミナル電極４０１上には、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０のうち少なくとも一つが配置され得る。これに伴い、ターミナル電極４００の位置は、熱電素子２００の絶縁抵抗に影響を及ぼすことができる。絶縁抵抗は、所定の電圧を加えたとき、絶縁体が示す電気抵抗を意味し、熱電素子２００が高電圧環境に露出する場合、または複数の熱電素子２００が連結されて駆動される場合等には、所定の絶縁抵抗を満足しなければならない。例えば、熱電素子２００は、５００Ｖのｄｃ電圧を加えたとき、５００ＭΩ以上の絶縁抵抗を有する要件が満足されなければならない。

本発明の実施例によれば、ターミナル電極４００の位置を用いて絶縁抵抗を改善しようとする。

本発明の実施例によれば、ターミナル電極４００が第１電極外郭Ｅ１に配置された複数の第１電極２３０のうち一部に連結されるか、第１電極外郭Ｅ１に配置された複数の第１電極２３０の間に配置される場合、第１電極外郭Ｅ１および第１基板外郭Ｓ１間の距離ｄ１は、第２～第４電極外郭Ｅ２～Ｅ４および第２～第４基板外郭Ｓ２～Ｓ４間の距離ｄ２～ｄ４より長くてもよい。この際、ターミナル電極４００は、第１基板２１０と第２基板２８０との間で第１絶縁層２２０、複数の第１電極２３０、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０、複数の第２電極２６０および第２絶縁層２７０を取り囲むように配置されたシーリング部材（不図示）の外部に引き出され得る。

ここで、ターミナル電極４００と第１基板外郭Ｓ１との間の最短距離Ａ１は、１２ｍｍ以上、好ましくは、１４ｍｍ以上、より好ましくは、１６ｍｍ以上でありうる。

そして、第１基板外郭Ｓ１に連結される第２基板外郭Ｓ２とターミナル電極４００との間の最短距離Ｂ１および第１基板外郭Ｓ１に連結される第３基板外郭Ｓ３とターミナル電極４０１との間の最短距離Ｂ２は、それぞれ１２ｍｍ以上、好ましくは、１４ｍｍ以上、より好ましくは、１６ｍｍ以上でありうる。

または、第１基板外郭Ｓ１と第２基板外郭Ｓ２が接する地点、すなわち第１基板外郭Ｓ１と第２基板外郭Ｓ２との間の頂点からターミナル電極４００までの最短距離Ｆ１および第１基板外郭Ｓ１と第３基板外郭Ｓ３が接する地点、すなわち第１基板外郭Ｓ１と第３基板外郭Ｓ３との間の頂点からターミナル電極４０１までの最短距離Ｆ２は、それぞれ１２ｍｍ以上、好ましくは、１４ｍｍ以上、より好ましくは、１６ｍｍ以上でありうる。

このように、基板外郭とターミナル電極４００との間の距離を調節すると、５００Ｖのｄｃ電圧下で絶縁抵抗が５００ＭΩ以上の熱電素子を得ることができる。

より詳しくは、基板外郭とターミナル電極４００、４０１との間の距離Ａ１、Ｂ１、Ｆ１、Ａ２、Ｂ２、Ｆ２に対する第１電極外郭Ｅ１および第１基板外郭Ｓ１間の距離ｄ１の比は、１．２～２．５でありうる。すなわち、有効領域と第１基板外郭Ｓ１との間の最短距離ｄ１は、ターミナル電極４００、４０１の末端部と第１基板外郭Ｓ１との間の最短距離Ａ１、Ａ２の１．２～２．５倍でありうる。ここで、有効領域は、複数の第１電極２３０と複数の第２電極２６０が垂直に重なった領域を意味し得る。例えば、ターミナル電極４００、４０１と第１基板外郭Ｓ１との間の最短距離Ａ１が１２ｍｍである場合、第１電極外郭Ｅ１および第１基板外郭Ｓ１間の距離ｄ１は、１４．５～３０ｍｍでありうる。もし、基板外郭とターミナル電極４００、４０１との間の距離Ａ１、Ｂ１、Ｆ１、Ａ２、Ｂ２、Ｆ２に対する第１電極外郭Ｅ１および第１基板外郭Ｓ１間の距離ｄ１の比が１．２未満であれば、ターミナル電極４００、４０１に配置された第１連結ユニット４１０または第２連結ユニット４２０と第１電極外郭Ｅ１に沿って配置された複数の第１電極２３０間のショートによりスパークが発生し得る。反面、基板外郭とターミナル電極４００、４０１間の距離Ａ１、Ｂ１、Ｆ１、Ａ２、Ｂ２、Ｆ２に対する第１電極外郭Ｅ１および第１基板外郭Ｓ１間の距離ｄ１の比が２．５を超過すると、有効領域、すなわち熱電レッグを配置できる領域の面積が実質的に狭くなり得るので、熱電モジュールがゼーベック効果を利用する発電モジュールである場合、発電量が減少することができる。

この際、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０それぞれは、電線が着脱方式で嵌着されるコネクターでありうる。前述したように、ターミナル電極４００の一部、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０それぞれは、シーリング部材の外部に配置され得る。これによれば、ワイヤー連結が手軽であり、電極とワイヤー間の断線可能性を最小化することができる。

また、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０それぞれは、シリコンを含む樹脂でシーリングされ得る。これによれば、熱電素子の絶縁抵抗および耐電圧性能をさらに高めることができる。

一方、図５および図７を参照すると、少なくとも一つの第１貫通ホール７００が第１基板２１０および第１絶縁層２２０を貫通するように形成され得る。この際、第１貫通ホール７００は、図９および図１０に示されたように、締結部材９００が貫通するための締結ホールでありうる。締結部材９００は、ヒートシンク３００から第１基板２１０まで連結され得る。図示してはいないが、熱電素子がゼーベック効果を利用する発電装置である場合、締結部材９００は、ヒートシンク３００から第１基板２１０の下部に配置された第１流体流動部（不図示）まで連結され得る。他の実施例として、第１基板２１０と第１流体流動部（不図示）は、第１基板２１０上の有効領域の外側で他の締結部材を介して連結され得る。第１流体流動部は、第１流体が流動するように流路が形成され得、場合によって第１流体流動部を省略し、第１流体が直接的に第１基板２１０に流動するようにすることができる。詳しくは、第１基板２１０と隣接して第１流体が流動するようにし、第２基板２８０およびヒートシンク３００と隣接して第２流体が流動することができる。この際、ヒートシンク３００は、第２流体が流動するように流路が形成された第２流体流動部でありうる。この際、第２流体の温度は、第１流体の温度よりさらに高くてもよい。他の実施例として、第１流体の温度は、第２流体の温度よりさらに高くてもよく、この場合、ヒートシンク３００は、省略されたり、第１基板２１０に連結され得る。第２流体と第１流体の温度差の絶対値は、４０℃以上、好ましくは、７０℃以上、さらに好ましくは、９５℃～１８５℃でありうる。

ここで、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａは、８ｍｍ以上、好ましくは、８ｍｍ～１２ｍｍ、より好ましくは、８ｍｍ～１０ｍｍ、さらに好ましくは、８ｍｍ～９ｍｍでありうる。この際、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａは、第１絶縁層２２０の厚みｂの５０倍以上、好ましくは、５０倍～１８０倍でありうる。これによれば、高電圧下で電極でスパークが発生しても、基板に影響を及ぼさないほどの十分な絶縁距離を確保することができるので、高い耐電圧性能を有する熱電素子を得ることができる。特に、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが第１絶縁層２２０の厚みｂの５０倍未満である場合、第１絶縁層２２０の熱抵抗の増加によって熱伝達特性が低下し、これに伴い、発電量が減少することができる。これに対し、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが第１絶縁層２２０の厚みｂの１８０倍を超過する場合、第１絶縁層２２０の熱抵抗が減少して熱伝達特性が向上するが、熱電レッグを配置し得る面積が減少することができ、第１絶縁層２２０が高温で剥離する可能性が高くなる。

一方、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａと第１絶縁層２２０の厚みｂとの間の比は、第１絶縁層２２０の種類によって変わり得、第１絶縁層２２０は、一つ以上の層で形成され得る。例えば、第１絶縁層２２０は、樹脂および無機物を含む樹脂層であるか、無機物単独の層のうち少なくとも一つからなる層でありうる。無機物は、アルミニウム、チタニウム、ジルコニウム、ホウ素、亜鉛等を含む酸化物、炭化物、窒化物のうち少なくとも一つを含むことができ、このうち、アルミニウムの酸化物である酸化アルミニウムの場合、酸化アルミニウムの含量によって耐電圧特性が左右され得る。例えば、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが同じ条件下に、第１絶縁層２２０に酸化アルミニウムの含量が相対的に多い樹脂層である場合、第１絶縁層２２０に酸化アルミニウムの含量が相対的に少ない樹脂層である場合に比べてさらに薄い厚みで同じ性能の耐電圧を得ることができ、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが同じ条件下に、第１絶縁層２２０が酸化アルミニウムを含む無機物単独の層である場合、第１絶縁層２２０が樹脂層である場合に比べてさらに薄い厚みで同じ性能の耐電圧を得ることができる。

この際、第１基板２１０には、複数の第１貫通ホール７００が形成され得、これに伴い、ホール配置領域７０２も複数個で形成され得る。例えば、第１基板２１０は、４個の第１貫通ホール７００および４個のホール配置領域７０２を含むことができる。ここで、ホール配置領域７０２は、第１貫通ホール７００と最も隣接するものの、互いに隣り合う電極の面をつなぐ仮想の線が成す空間として定義され得る。ホール配置領域７０２は、多角形の形態で形成され得、好ましくは、四角形の形態で形成され得る。ホール配置領域７０２内には、複数の第１電極２３０は配置されなくてもよい。

この際、複数の第１電極２３０のうちホール配置領域７０２と隣接する２個（２３０－１、２３０－２）は、長さ方向が第２方向Ｘに向かうように配置され得、ホール配置領域７０２と隣接する他の２個（２３０－３、２３０－４）も、長さ方向が第２方向Ｘに向かうように配置され得る。これに伴い、複数の第１電極２３０のうち２の倍数個は、第２方向Ｘに向かうように配置され得る。より詳しくは、複数の第１電極２３０のうち少なくとも１６個（２３０－１、．．．、２３０－４）は、第２方向Ｘに向かうように配置され得る。また、残りの第１電極２３０は、長さ方向が第１方向Ｙに向かうように配置され得る。

また、ホール配置領域７０２のうちいずれか一つと隣接して第２方向Ｘに向かうように配置される４個の第１電極２３０－１、．．．、２３０－４のうち少なくとも一つと隣接する２ｎ個（ｎは、１以上の整数）の第１電極２３０－２ｎも、長さ方向が第２方向Ｘに向かうように配置され得る。ここで、２ｎ個の第１電極２３０－２ｎが配置される位置は、複数の第２電極２６０の配置構造によって多様に変形され得る。

また、ここで、ホール配置領域７０２と２ｎ個の第１電極２３０－２ｎとの間には、複数の電極が配置され得る。ただし、２ｎ個の第１電極２３０－２ｎは、ホール配置領域７０２を定義する各仮想の線から延びた延長線が成す仮想の空間と少なくとも一部が重なって第２方向Ｘに配置され得る。

この際、ターミナル電極の延長部も、ホール配置領域７０２を定義する各仮想の線から延びた延長線が成す仮想の空間と少なくとも一部が重なるように配置され得る。

図５では、２ｎ個の第１電極２３０－２ｎが第２方向Ｘに配置されたものと例示されているが、これに制限されるものではなく、２ｎ個の第２電極が第１方向Ｙに配置されることもできる。

端部領域で互いに対向するように第２方向Ｘに配置された２個の行は、第１基板２１０に配置された第１電極２３０に含まれるか、または第２基板２８０に配置された第２電極２６０に含まれ得る。

一方、ホール配置領域７０２の面積は、一つの第１電極２３０の面積の４倍以上、好ましくは、６倍以上、さらに好ましくは、８倍以上でありうる。ホール配置領域７０２の面積が、一つの第１電極２３０の面積の４倍未満である場合、ＡＣ１ｋＶ以上の高電圧下で電流が第１貫通ホール７００を介して第１基板２１０に移動して熱電モジュールの電気的破壊が引き起こされることがある。したがって、高電圧下での応用分野においては、熱電モジュールの電気的破壊を防止するために十分な絶縁距離の確保が重要である。ホール配置領域７０２の面積が一つの第１電極２３０の面積の８倍以上である場合、ＡＣ２．５ｋＶ以上の高電圧下でも電気的破壊が発生しない。

また、複数の第１電極２３０のうち第１基板２１０の第１端部（不図示）と最も隣接するように配置される電極は、全部周期的に配置され得、第１基板２１０の第１端部と最も隣接するように配置された電極面をつなぐ仮想の線の開始点と終点の間の経路が、折り曲げ領域がない直線になるように配置され得る。すなわち、第１基板２１０の第１端部と最も隣接するすべての第１電極２３０において各第１電極２３０の４個の電極面のうち第１基板２１０の第１端部と最も隣接する電極面は、一方向に沿って、除去された領域なしに第１基板２１０の第１端部と同じ間隔を成して配置されることを意味し得る。例えば、第１基板２１０の第１端部と最も隣接するように配置された電極面をつなぐ仮想の線の開始点と終点の間の経路が直線である場合、複数の第１電極２３０のうち第１列（不図示）のすべての電極は、周期的に配置されていることを意味し得る。これによれば、第１基板２１０に複数の第１電極２３０を配置するとき、工程の複雑度を低減することができ、第２基板２８０に配置される第２電極２６０および第１電極２３０と第２電極２６０の間に配置される熱電レッグの配置構造を単純化することができる。また、第１基板２１０の端部および第１基板２１０の端部と最も隣接するように配置された第１電極２３０の間の最短距離が一定に維持されるので、第１基板２１０の端部と最も隣接するように配置された第１電極２３０は、均一な電気的特性を有し得る。

もし、第１基板２１０の第１端部と最も隣接するように配置された電極面をつなぐ仮想の線の開始点と終点の間の経路が折り曲げ領域を含む場合、複数の第１電極２３０のうち第１列の電極のうち一部が除去されたり、陥没した領域が含まれて、配置の周期性が喪失されることを意味し得る。折り曲げ領域において第１基板２１０の第１端部と最も隣接するように配置された電極面は、第１列の次の列である第２列（不図示）に配置された電極面でありうる。ここで、第２列は、第１列に比べて第１基板２１０の第１端部からさらに遠く配置される列であり、最外郭の列でなくてもよい。折り曲げ領域を含むように第１電極２３０を配置することができるが、これによれば、前述したように、高電圧下での応用分野において、十分な絶縁距離が確保されないので、熱電モジュールの電気的破壊が発生したり、第１電極部の有効領域が減少して、結果的に、熱電モジュールの効率が低下することができる。

これと同一に、複数の第１電極２３０のうち第１基板２１０の第１端部と対向する第２端部（不図示）と最も隣接する電極（第Ｎ列）、複数の第１電極２３０のうち第１基板２１０の第１端部と第２端部の間の第３端部（不図示）と最も隣接する電極（第１行）および複数の第１電極２３０のうち第１基板２１０の第３端部と対向する第４端部（不図示）と最も隣接する電極（第Ｍ行）は、いずれも、第１基板２１０の各端部と最も隣接する電極面をつなぐ仮想の線の開始点と終点の間の経路が、折り曲げ領域がない直線になるように配置され得るが、ターミナル電極の配置等の設計によって最外郭の列または最外郭の行のうちいずれか一つ、例えば第１列、第Ｎ列、第１行および第Ｍ行のうちいずれか一つのみが例外的な経路を有し得る。例えば、ターミナル電極は、最外郭の列または最外郭の行である第１列、第Ｎ列、第１行および第Ｍ行のうちいずれか一つに配置された複数の第１電極２３０に連結されるか、第１列、第Ｎ列、第１行および第Ｍ行のうちいずれか一つに配置された複数の第１電極２３０の間に配置されるか、第１列、第Ｎ列、第１行および第Ｍ行のうちいずれか一つに配置された第１電極２３０から延びることができる。これに伴い、最外郭の列および最外郭の行のうちターミナル電極が配置される一つの列または行を除いて残りの列または行は、第１基板２１０の対応する各端部と一定の間隔を有するように配置され得る。

一方、図８を参照すると、第１基板２１０に形成された第１貫通ホール７００の壁面の少なくとも一部に第１絶縁層２２０がさらに配置されることもできる。これによれば、熱電素子の耐電圧性能はさらに改善され得る。

一方、図６（ａ）と図６（ｂ）ならびに図９および図１０を参照すると、少なくとも一つの第２貫通ホール８００がヒートシンク３００、第２基板２８０および第２絶縁層２７０を貫通するように形成され、少なくとも一つの締結部材９００がヒートシンク３００、第２基板２８０および第２絶縁層２７０に形成された少なくとも一つの第２貫通ホール８００と第１基板２１０および第１絶縁層２２０に形成された少なくとも一つの第１貫通ホール７００を通過することができる。

この際、図１０（ａ）～図１０（ｃ）に示されたように、第２貫通ホール８００と隣接する第２基板２８０の上面または締結部材９００の外周面の少なくとも一部には、少なくとも一つの絶縁挿入部材９１０がさらに配置されて、絶縁距離がさらに確保され得るので、熱電素子の耐電圧性能がさらに改善され得る。好ましくは、第２貫通ホール８００の端部から第２電極間の最短距離も、８ｍｍ以上を満たすことが、耐電圧性能に効果的でありうる。図１０（ｂ）および図１０（ｃ）を参照すると、絶縁挿入部材９１０は、第２貫通ホール８００と締結部材９００との間に配置され得る。図１０（ｂ）を参照すると、絶縁挿入部材９１０が第２貫通ホール８００内にのみ配置される場合、絶縁挿入部材９１０の幅だけ第２貫通ホール８００の直径は、第１貫通ホール７００の直径より大きいことがある。この際、第２貫通ホール８００の端部から第２電極間の最短距離が相対的に減少し得るが、減少した幅だけ絶縁挿入部材９１０の第２貫通ホール８００内配置によって、絶縁効果の減少はなく、結果的に、耐電圧性能には影響が及ばない。この際、第２貫通ホールの直径は、第１貫通ホールの直径の１．１倍～２．０倍でありうる。図示してはいないが、複数の第１電極２３０と複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０の間、複数のＰ型熱電レッグ２４０および複数のＮ型熱電レッグ２５０と複数の第２電極２６０の間および第２基板２８０とヒートシンク３００の間のうち少なくとも一つには、ソルダー層が配置され得る。

一方、本発明の実施例によれば、第１貫通ホール７００は、ターミナル電極４００が配置される領域に対応するように形成され得る。すなわち、第２基板外郭Ｓ２から第１貫通ホール７００の端部間の最短距離Ｃ１は、第２基板外郭Ｓ２からターミナル電極４００間の最短距離Ｂ１の±１０％以内でありうる。すなわち、第２基板外郭Ｓ２から第１貫通ホール７００の端部間の最短距離Ｃ１は、第２基板外郭Ｓ２からターミナル電極４００間の最短距離Ｂ１の０．９倍～１．１倍でありうる。これと同様に、第３基板外郭Ｓ３から第１貫通ホール７００の端部間の最短距離Ｃ２は、第３基板外郭Ｓ３からターミナル電極４００間の最短距離Ｂ２の±１０％以内でありうる。すなわち、第３基板外郭Ｓ３から第１貫通ホール７００の端部間の最短距離Ｃ２は、第３基板外郭Ｓ３からターミナル電極４００間の最短距離Ｂ２の０．９倍～１．１倍でありうる。前述したように、絶縁抵抗を高めるために、ターミナル電極４００と第２基板外郭Ｓ２および第３基板外郭Ｓ３間の距離は、所定距離以上を満足させなければならない。第１貫通ホール７００がターミナル電極４００の位置に対応するように形成される場合、絶縁性の確保はもちろん、熱電素子２００およびヒートシンク３００間の安定した締結が可能であり、複数の第１電極２３０の配置が容易である。

この際、第１連結ユニット４１０および第２連結ユニット４２０それぞれは、同じ極性を有する２個の端子に連結され得る。すなわち、第１連結ユニット４１０に複数の第１電極２３０のうち一つと連結されて分岐した２個の（－）端子が連結され得、第２連結ユニット４２０には、複数の第１電極２３０のうち他の一つと連結されて分岐した２個の（＋）端子が連結され得る。これによれば、図１１に示されたように、複数の熱電素子が、直列－並列方式で互いに連結され得、最小限の面積で高い電力変換効率を得ることができる。

一方、前述したように、本発明の実施例によれば、第１絶縁層２２０は、樹脂および無機物を含む樹脂層であるか、無機物単独の層のうち少なくとも一つからなる層でありうる。ここで、無機物は、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを含むことができる。

例えば、第１絶縁層２２０は、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含むことができる。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うる。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、絶縁性能に優れ、これに伴い、高い耐電圧性能を得ることができる。または複合体は、シリコンおよびアルミニウムと共に、チタニウム、ジルコニウム、ホウ素、亜鉛等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、無機バインダーおよび有機・無機ハイブリッドバインダー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る。無機バインダーは、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_ｘ）のうち少なくとも一つを含むことができる。無機バインダーは、無機粒子であり、かつ、水に触れると、ゾルまたはゲル化してバインディングの役割をすることができる。この際、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、アルミニウム間の密着力または第１基板２１０との密着力を高める役割をし、酸化亜鉛（ＺｎＯ_ｘ）は、第１絶縁層２２０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２２０全体の８０ｗｔ％以上、好ましくは、８５ｗｔ％以上、より好ましくは、９０ｗｔ％以上で含まれ得る。

第１絶縁層２２０は、湿式工程を通じて第１基板２１０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等でありうる。これによれば、第１絶縁層２２０の厚みを制御し易く、多様な組成の複合体を適用することが可能である。

または、第１絶縁層２２０は、エポキシ樹脂および無機物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。

ここで、無機物は、樹脂層の６０～９０ｗｔ％で含まれ得る。無機物が６０ｗｔ％未満で含まれると、熱伝導効果が低いことがあり、無機物が９０ｗｔ％を超過して含まれると、無機物が樹脂内に均一に分散しにくく、樹脂層は壊れやすい。

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。この際、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。無機物は、酸化アルミニウムを含むことができ、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さらに含むことができる。

この際、窒化ホウ素凝集体の粒子サイズＤ５０は、２５０～３５０μｍであり、酸化アルミニウムの粒子サイズＤ５０は、１０～３０μｍでありうる。窒化ホウ素凝集体の粒子サイズＤ５０と酸化アルミニウムの粒子サイズＤ５０がこのような数値範囲を満たす場合、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し得、これに伴い、樹脂層全体的に均一な熱伝導効果および接着性能を有し得る。

または、第１絶縁層２２０は、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）およびエポキシ樹脂および無機物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を全部含むこともできる。例えば、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）および樹脂層が順次に積層されるか、交互に積層され得る。

または、第１絶縁層２２０は、酸化アルミニウム層であってもよい。第１基板２１０がアルミニウム基板である場合、第１絶縁層２２０は、第１基板２１０を表面酸化する方法で形成され得るが、これに制限されるものではない。

表１および図１２は、基板外郭と電線連結部間の距離による抵抗を測定した結果である。

抵抗を測定するために、電線連結部の（＋）端子と（－）端子を連結した後、これを絶縁抵抗計の（＋）端子に連結し、基板に絶縁抵抗計の（－）端子を連結した後、５００Ｖのｄｃ電圧を加えた。電線連結部と第１基板外郭間の距離Ａ１による抵抗を測定した。

その結果、電線連結部と第１基板外郭間の距離Ａ１が１２ｍｍ以上である場合、５００Ｖのｄｃ電圧下で５００ＭΩ以上の抵抗が得られることが分かる。

表２および図１３は、ホールの端部と電極間の距離による耐電圧を測定した結果であり、表３および図１４は、絶縁層の厚みに対するホールの端部と電極間の距離による熱抵抗を測定した結果である。

ここで、耐電圧性能は、基板上に絶縁層を配置した後、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異なる端子を連結して１ｍＡの電流下で１０秒間絶縁破壊なしに維持される電圧をテストするための第１絶縁層は、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを含まない第１実施例およびアルミニウムまたは酸化アルミニウムを含む第２実施例を対象として測定された。

表２および図１３を参照すると、第１貫通ホール７００の端部から第１電極間の最短距離ａが８ｍｍ以上である場合、第１実施例および第２実施例は、いずれも、１ｋＶ以上の耐電圧特性を得ることができることが分かる。

一方、図１４を参照すると、第１絶縁層２２０の厚みｂに対する第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが低いほど熱抵抗が増加し、これに伴い、熱伝達特性が低下し、第１絶縁層２２０の厚みｂに対する第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが高いほど熱抵抗が減少し、これに伴い、熱伝達特性が向上することが分かる。

これに伴い、第１貫通ホール７００の端部から複数の第１電極２３０間の最短距離ａが第１絶縁層２２０の厚みｂの５０倍以上、好ましくは、５０倍～１８０倍以上である場合、耐電圧特性および熱伝達特性を同時に満足させることができる。

本発明の実施例による熱電素子は、発電用装置、冷却用装置、温熱用装置等に作用され得る。

以上では、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した当業者は、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を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができる。

Claims (15)

1. 第１金属基板と、
   前記第１金属基板上に配置された第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層上に配置され、複数の第１電極を含む第１電極部と、
   前記第１電極部上に配置された半導体構造物と、
   前記半導体構造物上に配置され、複数の第２電極を含む第２電極部と、
   前記第２電極部上に配置された第２絶縁層と、
   前記第２絶縁層上に配置された第２金属基板と、を含み、
   前記第１金属基板は、前記第１金属基板の形状を定義する第１外郭、第２外郭、第３外郭および第４外郭を含み、
   前記第１外郭および前記第４外郭は、互いに対向し、
   前記第２外郭および前記第３外郭は、前記第１外郭および前記第４外郭の間で互いに対向し、
   前記第１電極部は、前記複数の第２電極と垂直に重なった第１領域を含み、
   前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１領域から前記第１外郭に向かうように延びた延長部を含み、
   第１貫通ホールは、前記第１金属基板および前記第１絶縁層を貫通し、
   前記第１貫通ホールは、前記第１領域の内側で前記複数の第１電極の間に形成され、
   前記第２外郭から前記第１貫通ホールの端部までの最短距離は、前記第２外郭から前記延長部までの最短距離の９０％～１１０％であり、
   前記第１領域の内側に第１ホール配置領域が形成され、
   前記第１ホール配置領域は、前記第１貫通ホールの周辺を取り囲む複数の第１電極のうち前記第１貫通ホールと隣接する面をつなぐ仮想の線が成す空間であり、
   前記延長部は、前記第１ホール配置領域を定義する仮想の線から延びた延長線が成す仮想の空間と少なくとも一部が重なるように配置される、熱電素子。
2. 前記第１領域と前記第１外郭間の最短距離は、
   前記延長部と前記第２外郭間の最短距離の１．２～２．５倍である、請求項１に記載の熱電素子。
3. 前記複数の第１電極のうち前記第１貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間の最短距離は、前記第１絶縁層の厚みの５０倍～１８０倍である、請求項１に記載の熱電素子。
4. 前記複数の第１電極のうち前記第１貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間の最短距離は、８ｍｍ～１２ｍｍである、請求項３に記載の熱電素子。
5. 前記第１貫通ホールと対応する位置に形成された第２貫通ホールは、前記第２絶縁層および前記第２金属基板を貫通し、前記第１貫通ホールおよび前記第２貫通ホールの間に配置された締結部材をさらに含む、請求項１に記載の熱電素子。
6. 前記第２金属基板上に配置されたヒートシンクをさらに含む、請求項５に記載の熱電素子。
7. 前記第２貫通ホールと隣接する前記第２金属基板の上面または前記締結部材の外周面の少なくとも一部に配置された絶縁挿入部材をさらに含む、請求項６に記載の熱電素子。
8. 前記絶縁挿入部材の一部は、前記第２貫通ホールと前記締結部材との間に配置される、請求項７に記載の熱電素子。
9. 前記第２貫通ホールの直径は、前記第１貫通ホールの直径の１．１倍～２．０倍である、請求項８に記載の熱電素子。
10. 前記第１絶縁層および前記第２絶縁層のうち少なくとも一つは、樹脂および無機物を含む、請求項５に記載の熱電素子。
11. 前記無機物は、アルミニウムまたは酸化アルミニウムを含む、請求項１０に記載の熱電素子。
12. 前記延長部は、複数を含み、
    前記複数の延長部は、第１ターミナル電極および第２ターミナル電極を含み、
    前記第１ターミナル電極には、第１連結ユニットが配置され、前記第２ターミナル電極には、第２連結ユニットが配置される、請求項１に記載の熱電素子。
13. 前記第１連結ユニットおよび前記第２連結ユニットそれぞれは、電線と連結されるコネクターである、請求項１２に記載の熱電素子。
14. 第１流体が流動する第１流体流動部と、
    前記第１流体より高温である第２流体が流動する第２流体流動部と、
    前記第１流体流動部と前記第２流体流動部との間に配置された熱電素子と、を含み、
    前記熱電素子は、
    第１金属基板と、
    前記第１金属基板上に配置された第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層上に配置され、複数の第１電極を含む第１電極部と、
    前記第１電極部上に配置された半導体構造物と、
    前記半導体構造物上に配置され、複数の第２電極を含む第２電極部と、
    前記第２電極部上に配置された第２絶縁層と、
    前記第２絶縁層上に配置された第２金属基板と、を含み、
    前記第１金属基板は、前記第１金属基板の形状を定義する第１外郭、第２外郭、第３外郭および第４外郭を含み、
    前記第１外郭および前記第４外郭は、互いに対向し、
    前記第２外郭および前記第３外郭は、前記第１外郭および前記第４外郭の間で互いに対向し、
    前記第１電極部は、前記複数の第２電極と垂直に重なった第１領域を含み、
    前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１領域から前記第１外郭に向かうように延びた延長部を含み、
    第１貫通ホールは、前記第１金属基板および前記第１絶縁層を貫通し、
    前記第１貫通ホールは、前記第１領域の内側で前記複数の第１電極の間に形成され、
    前記第２外郭から前記第１貫通ホールの端部までの最短距離は、前記第２外郭から前記延長部までの最短距離の９０％～１１０％であり、
    前記第１領域の内側に第１ホール配置領域が形成され、
    前記第１ホール配置領域は、前記第１貫通ホールの周辺を取り囲む複数の第１電極のうち前記第１貫通ホールと隣接する面をつなぐ仮想の線が成す空間であり、
    前記延長部は、前記第１ホール配置領域を定義する仮想の線から延びた延長線が成す仮想の空間と少なくとも一部が重なるように配置される、発電装置。
15. 前記複数の第１電極のうち前記第１貫通ホールの端部から最も隣接する第１電極間最短距離は、８ｍｍ～１２ｍｍである、請求項１４に記載の発電装置。

Images