CN113330589B - 热电元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的热电元件包括：第一金属基板、第一树脂层、多个第一电极、多个P型热电腿和多个N型热电腿、多个第二电极、第二树脂层和第二金属基板，其中，第一金属基板为低温部，第二金属基板为高温部，第二树脂层包括第一层和设置在第一层上的第二层，第一层和第二层包括硅(Si)基树脂，并且第一树脂层的结合强度高于第二树脂层的结合强度。

Description

热电元件
技术领域
本发明涉及热电元件，并且更具体地，涉及热电元件的接合结构。
背景技术
热电现象是由于材料中的电子和空穴的运动而发生的现象，并且涉及热与电之间的直接能量转换。
热电元件是使用热电现象的装置的通用术语，并且具有其中P型热电材料和N型热电材料在金属电极之间接合以形成PN结对的结构。
可以将热电元件分为：利用电阻的温度变化的装置、利用塞贝克(Seebeck)效应——即由于温度差而产生电动势的现象——的装置、利用珀尔帖(Peltier)效应——即其中发生由电流引起的吸热或生热的现象——的装置，等等。热电元件被不同地应用于家用电器、电子部件、通信部件等。例如，热电元件可以被应用于冷却装置、加热装置、发电装置等。因此，对热电元件的热电性能的要求越来越高。
热电元件包括基板、电极和热电腿，其中，多个热电腿以阵列形式设置在上基板与下基板之间，多个上电极被设置在多个热电腿与上基板之间，并且多个下电极被设置在多个热电腿与下基板之间。在这种情况下，上基板和下基板中的一个可以是低温部，而另一个可以是高温部。在热电元件被应用于发电装置时，发电性能随着低温部与高温部之间的温度差的增加而增加。因此，高温部的温度可以升高到200℃或更高。在高温部的温度为200℃或更高时，由于高温部的基板与电极之间的热膨胀系数的差异，在腿与焊料之间传递机械高剪切应力。在这种情况下，为了减小在腿与焊料之间施加的剪切应力，可以将基板与电极之间的接合层形成为具有预定厚度或更厚。然而，随着接合层的厚度增加，热阻降低，从而出现热电元件的发电性能降低的问题。此外，在基板过热并且膨胀时，接合层在减小剪切应力方面受到限制，并且存在在焊接部分中产生裂纹的问题。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种热电元件的接合结构。
技术解决方案
根据本发明实施方式的热电元件包括：第一金属基板；设置在第一金属基板上的第一树脂层；设置在第一树脂层上的多个第一电极；设置在多个第一电极上的多个P型热电腿和多个N型热电腿；设置在多个P型热电腿和多个N型热电腿上的多个第二电极；设置在多个第二电极上的第二树脂层；以及设置在第二树脂层上的第二金属基板，其中,第一金属基板是低温部，第二金属基板是高温部，第二树脂层包括第一层和第二层,该第一层与多个第二电极直接接触,第二层设置在第一层上并且与第二金属基板直接接触，第一层和第二层包括硅(Si)基树脂，并且第一树脂层的接合强度高于第二树脂层的接合强度。
第一金属基板和第二金属基板中的至少一个可以包括铝。
第二树脂层的厚度可以大于或等于第一树脂层的厚度。
第二树脂层的厚度与第一树脂层的厚度的比率可以为1至5。
第一层可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和铝氧化物，第二层可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和银(Ag)。
第一层的热导率可以低于第二层的热导率。
第一层的电阻可以高于第二层的电阻。
第一层的热导率可以为1.5W/mK至3.5W/mK范围内，并且第二层的热导率可以为6.0W/mK至10.0W/mK范围内。
第二层的厚度与第一层的厚度的比率可以为0.2至2。
热电元件还可以包括设置在第一层与第二层之间的聚酰亚胺层，其中第一层和第二层可以包括聚硅氧烷基树脂。
第一层和第二层在150℃至200℃的温度下可以具有1kgf/mm2或更小的接合强度。
热电元件还可以包括在第一层与聚酰亚胺层之间的第三层。
热电元件还可以包括在第二层与聚酰亚胺层之间的第四层。
第一层至第四层中的每一层的热导率可以随着第一层至第四层中的每一层越靠近第二金属基板而增加。
第一金属基板和第二金属基板中的至少一个中的另一个可以包括铜(Cu)。
有益效果
根据本发明的实施方式，通过确保基板与电极之间的接合层的厚度，可以减小施加到腿的焊接部分的剪切应力，并且可以增加热电元件在高温下的耐久性。同时，由于接合层接合至基板的一部分包括具有优异传导性的材料，因此可以防止热导率随着接合层的厚度增加而降低的现象，并且可以保持热电元件的发电性能。
根据本发明的实施方式，通过利用具有粘附性的材料在基板与电极之间进行接合，可以有效地阻止由于基板的热膨胀而将机械剪切应力传递到腿的焊接部分的现象。
另外，根据本发明的实施方式，通过确保基板与电极之间的接合层的厚度，可以减小施加到腿的焊接部分的剪切应力，并且可以增加热电元件在高温下的耐久性。同时，由于接合层接合至基板的一部分包括具有优异传导性的材料，因此可以防止热导率随着接合层的厚度增加而降低的现象，并且可以保持热电元件的发电性能。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的热电元件的截面图。
图2是根据本发明第一实施方式的热电元件中包括的第一金属基板的俯视图。
图3是根据本发明第一实施方式的热电元件中包括的第一金属基板的侧视图。
图4是图3的局部放大视图。
图5是根据本发明的第一实施方式的热电元件的立体图。
图6是根据本发明的第一实施方式的热电元件的分解立体图。
图7是根据本发明的第一实施方式的热电元件的局部放大视图。
图8是示出根据本发明的第一实施方式的热电元件发电的状态的视图。
图9是根据本发明的第二实施方式的热电元件的截面图。
图10是图9的局部放大视图。
图11是示出向根据本发明的第二实施方式的热电元件供电的状态的视图。
图12是根据本发明的第三实施方式的热电元件的截面图。
图13是根据本发明的第三实施方式的热电元件的局部放大视图。
图14是示出根据本发明的第三实施方式的热电元件发电的状态的视图。
图15是根据本发明的第四实施方式的热电元件的截面图。
图16是图15的局部放大图。
图17是示出向根据本发明的第四实施方式的热电元件供电的状态的视图。
图18是示出在第三示例和比较例的温度循环测试中，根据循环次数的电阻变化率的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的优选的实施方式。
然而，本发明的技术精神不限于将要描述的一些实施方式，并且可以以各种形式来实施，并且实施方式中的一个或更多个元件可以选择性地组合和替换，以在本发明的技术精神的范围内使用。
此外，除非特别定义和描述，否则可以以本领域技术人员通常理解的含义来解释在本发明的实施方式中使用的术语(包括技术术语和科学术语)，并且诸如在字典中定义的术语之类的通常使用的术语可以考虑其在相关领域中的上下文含义来理解。
另外，提供在说明书中使用的术语不是为了限制本发明，而是为了描述实施方式。
在本说明书中，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也可以包括复数形式，并且在被公开为“A、B和C”中的至少一个(或者一个或更多个)时，可以包括A、B和C的所有可能组合中的一个或更多个。
此外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语可以用于描述本发明的实施方式的元件。
提供这些术语仅是为了将元件与其他元件区分开，并且元件的本质、序列、顺序等不受这些术语的限制。
此外，当特定元件被公开为“连接”至另一元件、“耦接”至另一元件或“链接”至另一元件时，这不仅可以包括元件直接连接、耦接或链接至另一元件的情况，而且还可以包括元件通过元件与另一元件之间的其他元件连接、耦接或链接至另一元件的情况。
另外，在公开一个元件被形成在另一元件的“上方或下方”时，术语“上方或下方”既包括两个元件彼此直接接触的情况，也包括至少另一元件被设置在两个元件之间(间接)的情况。此外，当表达术语“上方或下方”时，基于一个元件可以包括不仅向上方向而且向下方向的含义。
图1是根据本发明的第一实施方式的热电元件的截面图，图2是根据本发明的第一实施方式的热电元件中包括的第一金属基板的俯视图，图3是根据本发明的第一实施方式的热电元件中包括的第一金属基板的侧视图，图4是图3的局部放大视图，图5是根据本发明的第一实施方式的热电元件的立体图，以及图6是根据本发明的第一实施方式的热电元件的分解立体图。
参照图1至图6，热电元件包括：第一金属基板110、第一树脂层120、多个第一电极130、多个P型热电腿140、多个N型热电腿150、多个第二电极160、第二树脂层170、第二金属基板180和密封装置190。
第一金属基板110形成为板状。第一金属基板110面对第二金属基板180彼此间隔开。第一金属基板110可以由铝、铝合金、铜或铜合金制成。具体地，第一金属基板110可以由铝制成。在这种情况下，在向热电元件施加电压时，第一金属基板110根据珀尔帖效应吸收热量以用作低温部，并且第二金属基板180辐射热量以用作高温部。
同时，在对第一金属基板110施加不同温度时，由于温度差，高温区域中的电子移动至低温区域，并且因此产生热电功率。这被称为塞贝克(Seebeck)效应，并且通过由此得到的热电功率在热电元件的电路中产生电。
在此，第一金属基板110可以与第一树脂层120直接接触。为此，在第一金属基板110中，可以在设置有第一树脂层120的表面(即，第一金属基板110的两个表面中面对第一树脂层120的表面)上全部或部分地形成表面粗糙度。因此，可以防止在第一金属基板110与第一树脂层120之间的热压接合期间第一树脂层120被抬起的问题。在本说明书中，表面粗糙度是指不平整度，并且可以与表面不平整度互换。
参照图2至图4，在第一金属基板110的两个表面中的设置有第一树脂层120的表面(即，第一金属基板110的面向第一树脂层120的表面)可以包括第一区域112和第二区域114，并且第二区域114可以被设置在第一区域112中。即，第一区域112可以被设置在从第一金属基板110的边缘朝向中央区域的预定距离内，并且可以围绕第二区域114。
在这种情况下，第二区域114的表面粗糙度可以大于第一区域112的表面粗糙度，并且第一树脂层120可以被设置在第二区域114上。在此，第一树脂层120可以被设置成与第一区域112和第二区域114之间的边界间隔开预定距离。即，第一树脂层120可以被设置在第二区域114上，并且第一树脂层120的边缘可以位于第二区域114中。因此，在由第二区域114的表面粗糙度形成的凹槽400的至少一部分中，第一树脂层120的一部分(即，在第一树脂层120中包括的环氧树脂600和无机填料的部分604)可以渗透，并且第一树脂层120与第一金属基板110之间的粘附性可以增加。
然而，第二区域114的表面粗糙度可以大于在第一树脂层120中包括的无机填料的一部分的粒度(D50)并且小于无机填料的另一部分的粒度(D50)。此处，粒度(D50)可以指与粒度分布曲线中重量百分比的50％对应的粒径，即，通过质量百分比变为50％时的粒径，并且可以与平均粒径互换。在第一树脂层120包括铝氧化物和硼氮化物作为无机填料的示例中，铝氧化物不影响第一树脂层120与第一金属基板110之间的粘合性能，但是硼氮化物具有光滑表面，因此可能不利地影响第一树脂层120与第一金属基板110之间的粘合性能。因此，在第二区域114的表面粗糙度形成为大于在第一树脂层120中包括的铝氧化物的粒度(D50)且小于硼氮化物的粒度(D50)时，因为仅铝氧化物设置在由第二区域174的表面粗糙度形成的凹槽中，并且硼氮化物难以被设置在凹槽中，因此第一树脂层120和第一金属基板110可以保持高的接合强度。
表面粗糙度可以使用表面粗糙度计来测量。表面粗糙度计可以使用探针测量截面曲线，并且使用截面曲线的峰线、谷底线、平均线和参考长度来计算表面粗糙度。在本说明书中，表面粗糙度可以指通过中心线平均计算方法得到的算术平均粗糙度(Ra)。算术平均粗糙度(Ra)可以通过下式1获得。
[式1]
即，在通过表面粗糙度计的探针获得的截面曲线被提取参考长度L那么多，并且被表达为函数(f(x)(其中平均线方向被设置为x轴并且高度方向被设置为y轴的)时，通过式2获得的值可以以微米表达。
在这种情况下，尽管图中未示出，与第二区域114对应的表面粗糙度可以被形成在第一金属基板110的整个表面上。此外，在第一金属基板110上形成的表面粗糙度可以同样地应用于将在下面描述的第二金属基板180。
第一树脂层120被设置在第一金属基板110上。第一树脂层120形成为具有比第一金属基板110小的面积。因此，第一树脂层120可以被设置在与第一金属基板110的边缘间隔预定距离的区域中。
第一树脂层120可以由包括环氧树脂和无机填料的环氧树脂组合物制成，或者可以由包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)的有机硅树脂组合物制成。
此处，可以以环氧树脂组合物的68vol％至88vol％的量包括无机填料。在以小于68vol％的量包括无机填料时，热传导效果可能低，并且在以大于88vol％的量包括无机填料时，可能降低树脂层与金属基板之间的粘附，并且树脂层可能容易破裂。
环氧树脂可以包括环氧化合物和固化剂。在这种情况下，对于环氧化合物的体积比10，可以包括环氧化合物的体积比1至10。此处，环氧化合物可以包括以下中的至少一种：结晶环氧化合物、无定形环氧化合物和有机硅环氧化合物。结晶环氧化合物可以包括介晶结构。介晶是液晶的基本单元并且包括刚性结构。此外，无定形环氧化合物可以是在分子中具有两个或更多个环氧基的一般无定形环氧化合物，并且可以是例如衍生自双酚A或双酚F的缩水甘油醚。此处，固化剂可以包括以下中的至少一种：胺基固化剂、酚醛固化剂、酸酐基固化剂、聚硫醇基固化剂、聚氨基酰胺基固化剂、异氰酸酯基固化剂和嵌段异氰酸酯基固化剂，并且可以混合且使用两种或更多种类型的固化剂。
无机填料可以包括铝氧化物或氮化物，并且可以以无机填料的55wt％至95wt％的量，并且更优选地以60wt％至80wt％的量包括氮化物。在以该数值范围包括氮化物时，可以增强热导率和接合强度。此处，氮化物可以包括硼氮化物和铝氮化物中的至少一种。此处，硼氮化物可以是板状硼氮化物或者其中板状硼氮化物团聚的硼氮化物团聚体，并且硼氮化物的表面可以涂覆有聚合物树脂。此处，可以使用可以与硼氮化物偶合或者可以涂覆硼氮化物的表面的任何聚合物树脂。聚合物树脂可以选自例如：丙烯酸聚合物树脂、环氧聚合物树脂、聚氨酯聚合物树脂、聚酰胺聚合物树脂、聚乙烯聚合物树脂、乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)聚合物树脂、聚酯聚合物树脂和聚氯乙烯(PVC)聚合物树脂。此外，聚合物树脂可以是具有以下单元1的聚合物树脂。
单元1如下。
[单元1]
此处，R1、R2、R3和R4中的一个可以是H，并且其他可以选自：C1-C3烷基、C2-C3烯烃和C2-C3炔烃，并且R5可以是具有1至12个碳原子的直链、支链或环状二价有机连接基。
在一个实施方式中，R1、R2、R3和R4中除H之外的其余部分中的一个可以选自：C2-C3烯烃、并且其余部分中的另一个和再一个可以选自C1-C3烷基。例如，根据本发明的实施方式的聚合物树脂可以包括以下单元2。
[单元2]
替选地，R1、R2、R3和R4中除H之外的其余部分可以选自彼此不同的：C1-C3烷基、C2-C3烯烃和C2-C3炔烃。
如上所述，在根据单元1或单元2的聚合物树脂涂覆在硼氮化物上时，可以容易地形成官能团，并且在硼氮化物上形成官能团时，可以增加与树脂的亲和性。
如上所述，在第一树脂层120设置在第一金属基板110与多个第一电极130之间时，可以在没有单独的陶瓷基板的情况下在第一金属基板110与多个第一电极130之间传递热，并且由于第一树脂层120自身的粘合性能，不需要单独的粘合剂或物理紧固装置。具体地，由于第一树脂层120可以被实现为具有比传统陶瓷基板显著更薄的厚度，因此可以改善多个第一电极130与第一金属基板110之间的热传递性能，并且还可以减小热电元件的整体尺寸。
多个第一电极130被设置在第一树脂层120上。此外，多个P型热电腿140和多个N型热电腿150被设置在第一电极130上。在这种情况下，第一电极130电连接至P型热电腿140和N型热电腿150。此处，第一电极130可以包括以下中的至少一种：铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)和镍(Ni)。
多个P型热电腿140和多个N型热电腿150被设置在第一电极130上。在这种情况下，P型热电腿140和N型热电腿150可以通过焊接接合至第一电极130。
这种情况下，P型热电腿140和N型热电腿150可以是包括铋(Bi)和碲(Te)为主要原料的基于碲化铋(Bi-Te)的热电腿。P型热电腿140可以是如下热电腿，其在总重量的100wt％的基础上以99wt％至99.999wt％的量包括包含锑(Sb)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)当中的至少一种的基于碲化铋(Bi-Te)的主要原料、以及以0.001wt％至1wt％的量包括包含Bi或Te的混合物。例如，主要原料可以是Bi-Se-Te，并且还可以以总重量的0.001wt％至1wt％的量包括Bi或Te。N型热电腿150可以是如下热电腿，其在总重量的100wt％的基础上以99wt％至99.999wt％的量包括包含硒(Se)、镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、镓(Ga)、碲(Te)、铋(Bi)和铟(In)中的至少一种的基于碲化铋(Bi-Te)的主要原料、以及以0.001wt％至1wt％的量包括包含Bi或Te的混合物。例如，主要原料可以是Bi-Sb-Te，并且还可以以总重量的0.001wt％至1wt％的量包括Bi或Te。
P型热电腿140和N型热电腿150可以被形成为块型或堆叠型。通常，块型P型热电腿140或块型N型热电腿150可以通过以下处理获得：通过对热电材料进行热处理产生锭，将锭粉碎并且筛分以获得用于热电腿的粉末，对粉末进行烧结并且切割烧结的物体。堆叠型P型热电腿140或堆叠型N型热电腿150可以通过以下处理来获得：通过将包括热电材料的糊剂施加在片状基材上来形成单元构件，然后将单元构件进行堆叠和切割。
在这种情况下，一对P型热电腿140和N型热电腿150可以具有相同的形状和体积，或者可以具有不同的形状和体积。例如，由于P型热电腿140和N型热电腿150的导电特性不同，所以N型热电腿150的高度或截面面积可以与P型热电腿140的高度或截面面积不同地形成。
根据本发明的一个实施方式的热电元件的性能可以被表达为热电性能指数。热电性能指数(ZT)可以被表达为式2。
[式2]
ZT＝α2·σ·T/k
此处，α是塞贝克系数[V/K]，σ是电导率[S/m]，并且α2σ是功率因数[W/mK2]。另外，T为温度，k为热导率[W/mK]。k可以被表达为a·cp·ρ，其中a为热扩散率[cm2/S]，cp为比热[J/gK]，并且ρ为密度[g/cm3]。
为了获得热电元件的热电性能指数，可以使用Z计来测量Z值(V/K)，并且可以使用所测量的Z值来计算热电性能指数(ZT)。
P型热电腿140或N型热电腿150可以具有圆柱形状、多边形柱形、椭圆形柱形等。替选地，P型热电腿140或N型热电腿150可以具有堆叠结构。例如，P型热电腿140或N型热电腿150可以使用如下方法来形成：堆叠其中半导体材料被施加在片状基材上的多个结构，然后切割该结构。因此，可以防止材料损失并且可以增强导电特性。替选地，P型热电腿140或N型热电腿150可以根据区域熔化法或粉末烧结法来制造。根据区域熔化法，通过以下方法获得热电腿：使用热电材料制造锭、通过将热量缓慢地施加到锭来精炼使得颗粒在单一方向上重排、以及缓慢冷却锭。根据粉末烧结方法，通过以下处理来获得热电腿：使用热电材料制造锭、将锭粉碎并且筛分以获得用于热电腿的粉末、以及烧结该粉末。
多个第二电极160被设置在多个P型热电腿140和多个N型热电150上。在这种情况下，P型热电腿140和N型热电腿150可以通过焊接接合至第二电极160。在这种情况下，在通过剪切对焊接部分施加应力时，可能在焊接部分中形成裂纹。此处，第二电极160可以包括以下中的至少一种：铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)和镍(Ni)。
第二树脂层170被设置在多个第二电极160上。此外，第二金属基板180被设置在第二树脂层170上。第二树脂层170可以形成为具有比第二金属基板180小的面积。因此，第二树脂层170可以被设置在与第二金属基板180的边缘间隔开预定距离的区域中。
在这种情况下，第一树脂层120和第二树脂层170可以形成为具有不同的尺寸。例如，第一树脂层120和第二树脂层170中的一个的体积、厚度或面积可以形成为大于第一树脂层110和第二树脂层170中的另一个的体积、厚度或面积。在珀尔帖或塞贝克元件中的第二金属基板180的区域的温度高于第一金属基板110的区域的温度时，第二树脂层170与多个第二电极160或与第二树脂层170直接接触的第二金属基板180之间的接合强度可以低于第一树脂层120与多个第一电极130或与第一树脂层120直接接触的第一金属基板110之间的接合强度。第一树脂层120与多个第一电极130或第一金属基板110之间的接合强度可以为5kgf/mm2或更大，优选地10kgf/mm2或更大，并且更优选地15kgf/mm2或更大。相比之下，第二树脂层170与多个第二电极160或第二金属基板180之间的接合强度可以为1kgf/mm2或更小。
在这种情况下，第二树脂层的厚度T2可以大于或等于第一树脂层的厚度T1。优选地，第一树脂层120的厚度T1可以为约40μm，第二树脂层170的厚度T2可以为40μm至200μm。即，第二树脂层170的厚度T2与第一树脂层120的厚度T1的比率可以为1至5。
第二树脂层170可以在将从P型热电腿140和N型热电腿150产生的热传递至第二金属基板180或者将从第二金属基板180获得的外部热传递至P型热电腿140和N型热电腿150的同时，防止电流在第二金属基板180与第二电极160之间流动。为此，第二树脂层170的与第二电极160相邻的部分可以具有相对高的绝缘特性，并且与第二金属基板180相邻的部分可以具有相对高的热导率。在说明书中，绝缘可以指电阻。例如，高绝缘的含义可以被解释为高电阻的含义。此外，第一金属基板110和第二金属基板180被示出为分别与散热片115和185一体地形成，但不限于此，并且考虑到热特性，第一金属基板110和第二金属基板180中的至少一个可以不具有散热片，或者可以不与散热片一体地形成。详细地，第一金属基板110可以在没有第一散热片115的情况下与低温区域接触，并且第二金属基板180可以在不与第二散热片185一体地形成的情况下通过接合单独的散热片设置在高温区域中。
图7是根据本发明的一个实施方式的热电元件的局部放大视图。
参照图7，第二树脂层170包括第一层171和第二层172。
第一层171与第二电极160直接接触。第一层171具有绝缘特性，并且用于阻挡流过第二电极160的电流传输至第二金属基板180。为此，第一层171可以包括基体树脂和绝缘填料。此处，基体树脂可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。此外，绝缘填料可以包括陶瓷粉末，例如铝氧化物、铝氮化物、硼氮化物等。优选地，可以以50wt％至99wt％的量包含陶瓷粉末。更优选地，可以以50wt％至99wt％的量包含铝氧化物粉末。在这种情况下，第一层171的热导率可以为1.5W/mK至3.5W/mK。
第二层172被设置在第一层171上并且与第二金属基板180直接接触。第二层172与第一层171直接接触。在这种情况下，由于第二层172具有传导性，所以从P型热电腿140和N型热电腿150产生的热被传递至第二金属基板180，或者从第二金属基板180获得的外部热被传递至P型热电腿140和N型热电腿150。
第二层172可以包括基体树脂和传导填料。此处，基体树脂可以包括有机硅树脂，并且可以包括例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在这种情况下，施加到第二层172上的基体树脂可以与施加到第一层171上的基体树脂相同。此外，传导填料可以包括金属粉末例如银(Ag)基金属粉末、金(Au)基金属粉末、铝(Al)基金属粉末等。优选地，可以以50wt％至99wt％的量包含金属粉末。更优选地，可以以50wt％至99wt％的量包含银(Ag)基金属粉末。在这种情况下，第二层172的热导率可以是6.0W/mK至10W/mK。
此处，第一层171和第二层172可以具有粘附性或粘合性。
第一层171的厚度t1可以在约40μm至100μm的范围内。在这种情况下，在第一层171的厚度t1小于40μm时，不能保证绝缘特性，因此存在电流的风险，并且在第一层171的厚度t2增大到大于40μm时，发生热导率降低的现象，因此，热电元件的发电性能劣化。此外，第二层172的厚度t2可以在40μm至200μm的范围内。即，第二层172的厚度t2与第一层171的厚度t1的比率可以为0.2至2.5。
第二金属基板180设置在第二树脂层170上以面对第一金属基板110。第二金属基板180可以由铝、铝合金、铜或铜合金制成。具体地，第二金属基板180可以由铝制成。在这种情况下，由于第二金属基板180被设置在用于发电的高温区域中或者向热电元件施加电流，因此第二金属基板180可以应用为由于珀尔帖效应而引起的高温部。
在这种情况下，表面粗糙度可以全部或部分地形成在设置有第二树脂层170的表面上，即，第二金属基板180的两个表面中面向第二树脂层170的表面上。
此处，第一金属基板110和第二金属基板180中的每一个可以具有40mm x 40mm至200mm x 200mm的面积，以及1mm至100mm的厚度。在这种情况下，第一金属基板110和第二金属基板180的面积或厚度可以彼此相同或不同。
图8是示出根据本发明的第一实施方式的热电元件发电的状态的视图。
参照图8，在热电元件的第二金属基板180被设置在高温区域中并且第一金属基板110被设置在低温区域中时，通过电子因塞贝克效应在多个串联连接的热电腿之间移动来产生电。在这种情况下，暴露于高温的第二金属基板180的体积可能由于热而膨胀。在这种情况下，由于第二金属基板180的水平膨胀，可以向第二树脂层170施加剪切方向的应力。剪切应力可以被传递至第二电极160的焊接部分，使得在焊接部中产生裂纹，并且可能降低高温下的耐久性。在这种情况下，根据实施方式的热电元件可以确保第二树脂层170的厚度，并且因此减轻传递至焊接接头的剪切应力，并且确保高温下的耐久性。在这种情况下，第二树脂层170的宽度可以随着第二树脂层170变得更靠近第二金属基板180而在第二金属基板180的水平方向上增加。同时，尽管未在附图中示出，但是在电压施加到热电元件时，由于珀耳帖效应，在第二金属基板180用作高温部时发生的热膨胀也是如此。
再次参照图5和图6，密封装置190可以被设置在第一树脂层120的侧表面和第二树脂层170的侧表面上。即，密封装置190可以被设置在第一金属基板110与第二金属基板180之间，并且可以被设置成围绕：第一树脂层120的侧表面、多个第一电极130的最外侧、多个P型热电腿140和多个N型热电腿150的最外侧、多个第二电极160的最外侧、以及第二树脂层170的侧表面。因此，第一树脂层120、多个第一电极130、多个P型热电腿140、多个N型热电腿150、多个第二电极160和第二树脂层可以被密封以防止外部湿气、热和污染。
此处，密封装置190可以包括密封壳192，密封壳192被设置成与以下间隔开预定距离：第一树脂层120的侧表面、多个第一电极130的最外侧、多个P型热电腿140和多个N型热电腿150的最外侧、多个第二电极160的最外侧以及第二树脂层170的侧表面，密封材料194被设置在密封壳192与第二金属基板180之间，并且密封材料196被设置在密封壳192与第一金属基板110之间。如上所述，密封壳192可以通过密封材料194和196与第一金属基板110和第二金属基板180接触。因此，在密封壳192与第一金属基板110和第二金属基板180直接接触时，通过密封壳192发生热传导，并且因此，可以防止ΔT减小的问题。
此处，密封材料194和196可以包括以下中的至少一种：环氧树脂和有机硅树脂，或其中环氧树脂和有机硅树脂中的至少一种施加在两个侧表面上的带。密封材料194、196用于密封壳体192与第一金属基板110之间以及密封壳体192与第二金属基板180之间的密封，并且可以增加第一树脂层120、多个第一电极130、多个P型热电腿140、多个N型热电腿150、多个第二电极160和第二树脂层170的密封效果，并且可以与饰面材料、饰面层、防水材料、防水层等互换。
同时，可以在密封壳192中形成用于引出连接至电极的导线W1和W2的引导槽G。为此，密封壳192可以是由塑料等制成的注塑模制产品，并且可以与密封盖互换。
尽管具体示出了密封装置190的结构，但这仅是示例，并且可以以各种形式修改密封装置190。
尽管图中未示出，但还可以包括绝缘材料以包围密封装置190。替选地，密封单元190可以包括绝缘部件。
图9是根据本发明的第二实施方式的热电元件的截面图，图10是图9的局部放大视图，图11是示出向根据本发明的第二实施方式的热电元件供电的状态的视图。
根据本发明的另一实施方式，第二树脂层200可以包括多个层。在这种情况下，多个层的数目至少为三个或更多，并且可以彼此直接接触。在这种情况下，可以修改在第二树脂层200中包括的层的数目。
参照图9和图10，第二树脂层200包括第一层至第四层201、202、203和204。在这种情况下，第一层至第四层201、202、203和204由不同的材料制成。此外，第一层至第四层201、202、203和204可以具有不同的热导率。第一层至第四层201、202、203和204以从第一金属基板110至第二金属基板180的较高热导率的顺序设置。
第一层至第四层201、202、203和204可以包括基体树脂和传导填料或绝缘填料。此处，基体树脂可以包括有机硅树脂，并且可以包括例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在这种情况下，在第一层至第四层201、202、203和204中包括的传导填料或绝缘填料的含量可以不同。
参照图11，在热电元件的第二金属基板180被设置在高温区域中并且第一金属基板110被设置在低温区域中时，通过电子因塞贝克效应在多个串联连接的热电腿之间的移动来产生电。在这种情况下，暴露于高温的第二金属基板180的体积可能由于热而膨胀。在这种情况下，由于第二金属基板180的水平膨胀，可以向第二树脂层200施加剪切方向的应力。在这种情况下，第二树脂层200的宽度可以在第二金属基板180的水平方向上从第一层211至第四层214增加。尽管未在附图中示出，但在电压被施加到热电元件时，由于珀尔帖效应，在第二金属基板180用作高温部时发生的热膨胀同样如此。
在下文中，将通过根据示例和比较例的热电元件更详细地描述本发明。这些示例仅作为示例给出以更详细地描述本发明。然而，本发明不限于这些示例。
根据对比示例的热电元件和根据示例的热电元件二者的结果是在以下条件下的测量结果：在40mm x 40mm的发电热电元件中将35℃的温度施加到第一金属基板区域并且将200℃的温度施加到第二金属基板区域，该发电热电元件包括与图1的结构相同的第一金属基板、第一树脂层、多个第一电极、多个P型热电腿、多个N型热电腿、多个第二电极、第二树脂层和第二金属基板。在根据比较例的热电元件中，第二树脂层完全由具有绝缘性的树脂制成，并且在根据示例的热电元件中，第二树脂层包括第一层和第二层，第一层被制造成具有绝缘性，第二层被制造成具有传导性。此时，第一层的厚度被固定为40μm，第二层的厚度被改变以测量热电元件的发电量和发电量的减少率。
[表1]
参照表1，在根据比较例的热电元件中，可以看出，随着第二树脂层的厚度增加，发电量减少而发电量的减少率增加。同时，在根据示例的热电元件中，可以看出，随着第二树脂层的厚度增加，发电量略微减少，并且发电量的减少率增加，但是与比较例相比发电量减少的程度为明显较小的程度。即，即使在增加第二树脂层的厚度以减小热应力时，根据示例的热电元件的热传导也不会显著降低，并且可以确保足够的发电性能。
在下文中，将参照图12至图14描述本发明的另一实施方式。除了第二树脂层之外，根据实施方式的热电元件与图1至图6中的热电元件基本相同。因此，与图1至图6中的热电元件的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略重复的描述。
图12是根据本发明的第三实施方式的热电元件的截面图，图13是根据本发明的第三实施方式的热电元件的局部放大视图，图14是示出根据本发明的第三实施方式的热电元件发电的状态的视图。
参照图12和图13，第二树脂层210包括第一层211、第二层212和聚酰亚胺层213。在这种情况下，第一层211和第二层212可以具有粘附性。例如，在第二树脂层中，可以在聚酰亚胺层的两个表面上形成粘合剂层。
此处，第一金属基板110和第二金属基板180中的每一个可以具有40mm x 40mm至200mm x 200mm的面积，以及1mm至100mm的厚度。在这种情况下，第一金属基板110和第二金属基板180的面积或厚度可以彼此相同或不同。
第一层211与第二电极160直接接触。更优选地，第一层211可以是基于聚硅氧烷的粘合剂。在这种情况下，第一层211的接合强度随着暴露温度的升高而减小。即，由于暴露温度升高，与第二电极160接合的部分可以在流动性增加的同时流体变形。因此，即使在施加剪切应力时，第一层211可以在与第二电极160接合的部分被流体推动的同时阻挡剪切应力向第二电极160的转移。在这种情况下，第一层211可以在150℃至200℃的温度下具有1kgf/mm2或更小的接合强度。优选地，第一层211在150℃至200℃的温度下可以具有0.5kgf/mm2或更小的接合强度，并且更优选地，第一层211在150℃至200℃的温度下可以具有0.1kgf/mm2或更小的接合强度。
第二层212与第一层211堆叠并且与第一层211间隔开，并且与第二金属基板180直接接触。更优选地，第二层212可以是基于聚硅氧烷的粘合剂。在这种情况下，第二层212的接合强度随着暴露温度的升高而减小。即，由于暴露温度升高，与第二金属基板180接合的部分可以在流动性增加的同时流体变形。因此，即使在第二金属基板180在高温下膨胀时，在接合至第二金属基板180的部分被流体地推动的同时可以阻止将剪切应力施加到第二金属基板180。在这种情况下，第二层212可以在150℃至200℃的温度下具有1kgf/mm2或更小的接合强度。优选地，第二层212在150℃至200℃的温度下可以具有0.5kgf/mm2或更小的接合强度，并且更优选地，第二层212在150℃至200℃的温度下可以具有0.1kgf/mm2或更小的接合强度。
第二层212的接合强度可以高于或等于第一层211的接合强度。
聚酰亚胺层213堆叠在第一层211与第二层212之间。在这种情况下，聚酰亚胺层213的一个表面与第一层211的上表面接触，而聚酰亚胺层213的另一表面与第二层212的下表面接触。聚酰亚胺层213具有绝缘性，并且阻止电流从第二电极160向第二金属基板180的传输。聚酰亚胺层213可以由基于聚酰亚胺的材料制成。在这种情况下，除了聚酰亚胺层，可以设置包括另一绝缘材料的绝缘层。同时，聚酰亚胺层213的厚度t1可以为1μm至500μm。随着聚酰亚胺层213的厚度t1增加，由于热导和热击穿电压降低，通电的风险降低。另一方面，由于聚酰亚胺层213的热导率随着厚度t1的增加而降低，发电性能趋于降低。
下表2是示出根据聚酰亚胺层的厚度的击穿电压、热导率和热导的表。
[表2]
参照表2，聚酰亚胺层213的厚度可以是约5um。在这种情况下，可以看出，随着聚酰亚胺层的厚度增加，击穿电压增加并且热导率和热导降低。在这种情况下，热电元件所需的击穿电压小于1kV，并且在聚酰亚胺层的厚度形成为约5μm时，可以确保高热导而不会由于过载而损坏。
在下文中，将参考表3和图18通过根据示例和比较例的热电元件更详细地描述本发明。这些示例仅作为示例给出以更详细地描述本发明。然而，本发明不限于这些示例。下表3示出了对示例和比较例的温度循环测试的测量结果，并且图18是示出了根据示例和比较例的温度循环测试中循环次数的电阻变化率的图。
根据比较例的热电元件和根据示例的热电元件二者是40mm x 40mm的发电热电元件，每个发电热电元件包括：第一金属基板、第一树脂层、多个第一电极、多个P型热电腿、多个N型热电腿、多个第二电极、第二树脂层和第二金属基板。在根据比较例的热电元件中，第一树脂层和第二树脂层二者由具有5kgf/mm2或更大的接合强度的树脂材料制成，而第一树脂层由具有5kgf/mm2或更大的接合强度的树脂材料制成。并且在根据示例的热电元件中，第二树脂层被设置为其中在两个表面上形成基于聚硅氧烷粘合剂层的基于聚酰亚胺的膜。
在温度循环测试中，在将第一金属基板的温度保持在25℃的同时执行将第二金属基板的温度从50℃改变为180℃的温度升高步骤和将第二金属基板的温度从180℃改变为50℃的温度下降步骤被称为一个循环，执行共5000次循环。在这种情况下，温度上升步骤中的温度上升速率为30℃/min，并且温度下降步骤中的温度下降速率为22℃/min。
[表3]
参照表3和图18，确定了根据比较例的热电元件具有从0至200个循环的电阻的显著增加和发电的显著降低，并且在超过200个循环时发生热电元件被破坏的现象。另一方面，在根据示例的热电装置中，5000个循环的所有电阻变化率在5％内，并且发电量增加。此外，确认了在保持5000个循环的同时而没有发生热电元件的破坏现象。即，可以看出，与根据比较例的热电元件相比，根据示例的热电元件由于热变化而具有更强的产品耐久性，并且在高温下具有优异的发电性能。
参照图14，在热电元件的第二金属基板180被设置在高温区域中并且第一金属基板110被设置在低温区域中时，通过电子因塞贝克效应在多个串联连接的热电腿之间的移动来产生电。在这种情况下，第二金属基板180暴露于高温的的体积可以由于热而膨胀。在这种情况下，由于第二金属基板180的水平膨胀，可以向第二树脂层210施加剪切方向的应力。剪切应力可以被传递至第二电极160的焊接部分，使得在焊接部中产生裂纹，并且降低高温下的耐久性。在这种情况下，在根据实施方式的热电元件中，可以减小传递至焊接部分的剪切应力，并且可以通过将第二树脂层210配置为具有粘附性的材料来确保高温下的耐久性，使得即使在第二金属基板180在高温下膨胀时，第二树脂层210也被实现为流体地推靠第二金属基板180。尽管未在附图中示出，但在电压被施加到热电元件时，由于珀尔帖效应，在第二金属基板180用作高温部时发生的热膨胀也是如此。
在下文中，将参照图15和图17来描述本发明的第四实施方式。除了第二树脂层之外，根据实施方式的热电元件与图12至图14中的热电元件基本相同。因此，与图12至图14中的热电元件的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略重复的描述。
图15是根据本发明的第四实施方式的热电元件的截面图，图16是图15的局部放大视图，以及图17是示出向根据本发明的第四实施方式的热电元件施加电力的状态的视图。
参照图15和图16，第二树脂层220可以包括多个层和聚酰亚胺层。在这种情况下，多个层的数目为至少三个或更多，并且可以彼此直接接触或与聚酰亚胺层225直接接触。在这种情况下，可以修改在第二树脂层220中包括的层的数目。
第二树脂层200包括第一层至第四层221、222、223和224。在这种情况下，第一层至第四层221、222、223和224由不同的材料制成。此外，第一层至第四层221、222、223和224可以具有不同的热导率。另外，第一层至第四层221，222，223和224以从第一金属基板110至第二金属基板180的较高热导的顺序设置。在这种情况下，分别与第二电极160和第二金属基板180直接接触的第一层221和第四层224可以具有粘附性。
聚酰亚胺层225被设置在第一层至第四层221，222，223和224之间的一个位置处。在附图中，聚酰亚胺层225被设置在第二层222与第三层223之间，但是聚酰亚胺层225也可以被设置在第一层至第四层221、222、223和224之间的不同位置处。在这种情况下，聚酰亚胺层225由绝缘材料制成，以阻止电流从第二电极160传输至第二金属基板180。由于聚酰亚胺层225邻近第二电极160设置，所以聚酰亚胺层225在阻挡电流方面更有利，但本发明不限于此。在这种情况下，聚酰亚胺层225可以由基于聚酰亚胺的材料制成。此外，聚酰亚胺层225的厚度可以为1μm至500μm。例如，聚酰亚胺层225的厚度可以为约5μm。
根据本发明的实施方式的热电元件可以应用于发电装置、冷却装置、加热装置等。具体地，根据本发明的实施方式的热电元件可以主要应用于光通信模块、传感器、医疗装置、测量装置、航空航天工业、冰箱、冷却器、汽车通风片、杯架、洗衣机、烘干机、酒窖、净水器、传感器的电源装置、热电堆等。
在此，作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于医疗装置的示例，存在聚合酶链反应(PCR)装置。PCR装置是用于扩增脱氧核糖核酸(DNA)以确定DNA的核苷酸序列的装置，并且需要精确的温度控制并且需要热循环。为此，可以应用基于珀尔帖的热电元件。
作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于医疗装置的另一示例，存在光电探测器。此处，光电探测器包括红外/紫外线探测器、电荷耦合器件(CCD)传感器、X射线探测器、热电热参考源(TTRS)等。可以应用基于珀尔帖的热电元件以冷却光电探测器。因此，可以防止由于光电探测器中的温度升高而引起的波长变化、输出降低、分辨率降低等。
作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于医疗装置的另一示例，存在免疫测定领域、体外诊断领域、一般温度控制和冷却系统、物理疗法领域、液体冷却器系统、血液/血浆温度控制领域等。因此，可以进行精确的温度控制。
作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于医疗装置的另一示例，存在人造心脏。因此，可以向人造心脏供电。
作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于航空航天工业的示例，存在恒星跟踪系统、热成像相机、红外/紫外线探测器、CCD传感器、哈勃空间望远镜、TTRS等。因此，可以维持图像传感器的温度。
作为将根据本发明的实施方式的热电元件应用于航空航天工业的另一示例，存在冷却装置、加热器、发电装置等。
另外，根据本发明的实施方式的热电元件可以应用于发电、冷却和加热的其他工业领域。
尽管上面描述了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员可以在不背离所附的权利要求中公开的本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和改变。
附图标记
110：第一金属基板，120：第一树脂层，130：第一电极，140：P型热电腿，150：N型热电腿，160：第二电极，180：第二金属基板，190：密封装置，170、200、210、220：第二树脂层，171、201、211、221：第一层，172、202、212、222：第二层，203、223：第三层，204、224：第四层。

Claims (13)

1.一种热电元件，包括：
第一金属基板；
设置在所述第一金属基板上的第一树脂层；
设置在所述第一树脂层上的多个第一电极；
设置在所述多个第一电极上的多个P型热电腿和多个N型热电腿；
设置在所述多个P型热电腿和所述多个N型热电腿上的多个第二电极；
设置在所述多个第二电极上的第二树脂层；以及
设置在所述第二树脂层上的第二金属基板；
其中，所述第一金属基板是低温部，
所述第二金属基板是高温部；
所述第二树脂层包括第一层和第二层，所述第一层与所述多个第二电极直接接触，所述第二层被设置在所述第一层上并且与所述第二金属基板直接接触，
所述第一层和所述第二层包括硅(Si)基树脂，
所述第一树脂层的接合强度高于所述第二树脂层的接合强度，
所述第二树脂层的厚度大于或等于所述第一树脂层的厚度，
所述热电元件还包括设置在所述第一层与所述第二层之间的聚酰亚胺层，并且
所述第一层和所述第二层包括基于聚硅氧烷的树脂。
2.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第一金属基板和所述第二金属基板中的至少一个包括铝。
3.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第二树脂层的厚度与所述第一树脂层的厚度的比率为1至5。
4.根据权利要求1所述的热电元件，其中：
所述第一层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和铝氧化物；并且
所述第二层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和银(Ag)。
5.根据权利要求4所述的热电元件，其中，所述第一层的热导率低于所述第二层的热导率。
6.根据权利要求4所述的热电元件，其中，所述第一层的电阻高于所述第二层的电阻。
7.根据权利要求5所述的热电元件，其中：
所述第一层的热导率在1.5W/mK至3.5W/mK的范围内，并且
所述第二层的热导率在6.0W/mK至10.0W/mK的范围内。
8.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第二层的厚度与所述第一层的厚度的比率为0.2至2.5。
9.根据权利要求1所述的热电元件，其中，所述第一层和所述第二层在150℃至200℃的温度下具有1kgf/mm2或更小的接合强度。
10.根据权利要求1所述的热电元件，还包括在所述第一层与所述聚酰亚胺层之间的第三层。
11.根据权利要求10所述的热电元件，还包括在所述第二层与所述聚酰亚胺层之间的第四层。
12.根据权利要求11所述的热电元件，其中，所述第一层至所述第四层中的每一层的热导率随着所述第一层至所述第四层中的每一层越靠近所述第二金属基板而增加。
13.根据权利要求2所述的热电元件，其中，所述第一金属基板和所述第二金属基板中的所述至少一个的另一个包括铜(Cu)。
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