JP2021513216A - 熱電装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施例による熱電装置は、第１金属支持体と、前記第１金属支持体上に配置された第１接合層と、前記第１接合層上に配置された第１樹脂層と、前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極と、前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグと、前記複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグ上に配置された複数の第２電極と、前記複数の第２電極上に配置された第２樹脂層と、前記第２樹脂層上に配置された第２接合層と、前記第２接合層上に配置された第２金属支持体と、を含み、前記第１樹脂層上に配置された少なくとも１つのダミー電極をさらに含み、前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極の最外郭の行および最外郭の列のうち、少なくとも１つの側面に配置される。
【選択図】図４
【選択図】図４
Description
本発明は、熱電素子に関するものであって、より具体的には、熱電装置に含まれる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）の移動によって発生する現象で、熱と電気との間の直接的なエネルギー変換を意味する。
熱電素子は、熱電現象を用いる素子を総称し、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、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用いる素子、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用いる素子、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用いる素子などに区分できる。
熱電素子は、家電製品、電子部品、通信用部品などに様々に適用される。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できる。これによって、熱電素子の熱電性能についての要求はますます高まっている。
熱電素子は、基板、電極および熱電レグを含み、上部基板と下部基板との間に複数の熱電レグがアレイ形態に配置され、複数の熱電レグと上部基板との間に複数の上部電極が配置され、複数の熱電レグと下部基板との間に複数の下部電極が配置される。ここで、複数の上部電極および複数の下部電極は、熱電レグを直列または並列に連結する。
一般的に、熱電素子は、金属支持体上に配置され得る。このために、金属支持体、基板および電極を整列した後に加圧し得る。本明細書において、金属支持体上に配置される熱電素子を熱電モジュールまたは熱電装置と指称し得る。
図１（ａ）は、熱電装置の下部基板側を製造する工程を示し、図１（ｂ）は、熱電装置の下部基板側の断面図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）を参照すると、複数の下部電極５２が配置された第１樹脂層５１と金属支持体６０との間に接合層７０を配置した後に、加圧し得る。したがって、金属支持体６０上に接合層７０が配置され、接合層７０上に第１樹脂層５１および複数の下部電極５２が配置された構造が得られる。
一方、第１樹脂層５１と金属支持体６０間の熱膨脹係数の差によって、頻繁な温度変化時に第１樹脂層５１と金属支持体６０との間が剥離される可能性がある。特に、図１（ａ）に示した方法のように、複数の下部電極５２が配置された第１樹脂層５１と金属支持体６０との間に接合層７０を配置した後に加圧する場合、第１樹脂層５１の全体に圧力が均等に加わらない可能性があり、これによって接合強度が弱い部分が生じることがある。
例えば、第１樹脂層５１と下部電極５２間の高さの差は、約０．３ｍｍであるため、第１樹脂層５１のうち、下部電極５２が配置されない領域Ａに加わる圧力は、下部電極５２が配置された領域に加わる圧力よりも低いことがある。これによって、下部電極５２が配置されない第１樹脂層５１のエッジには、十分な圧力が加わらないこともあり、第１樹脂層５１のエッジが金属支持体６０から剥離される可能性が高い。
本発明が解決しようとする技術的課題は、熱電素子の基板および電極構造を提供するものである。
本発明の一実施例による熱電装置は、第１金属支持体と、前記第１金属支持体上に配置された第１接合層と、前記第１接合層上に配置された第１樹脂層と、前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極と、前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグと、前記複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグ上に配置された複数の第２電極と、前記複数の第２電極上に配置された第２樹脂層と、前記第２樹脂層上に配置された第２接合層と、前記第２接合層上に配置された第２金属支持体と、を含み、前記第１樹脂層上に配置された少なくとも１つのダミー電極をさらに含み、前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極の最外郭の行および最外郭の列のうち、少なくとも１つの側面に配置される。
前記少なくとも１つのダミー電極は、所定の間隔に離隔した複数のダミー電極を含み得る。
前記第１樹脂層の面積は、前記第２樹脂層の面積よりも大きいことがある。
前記複数の第１電極は、前記複数の第１電極の１つの角に配置される第１端子接続電極および前記第１端子接続電極と同じ行または同じ列の他の角に配置される第２端子接続電極を含み、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列から前記第１樹脂層のエッジの方向に延長され、前記複数のダミー電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極の間に配置され得る。
前記複数のダミー電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列の側面に沿って配置され得る。
前記第１端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列と平行し、前記第２端子接続電極に向かう方向にさらに延長され、前記第２端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列と平行し、前記第１端子接続電極に向かう方向にさらに延長され得る。
前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極と同じ素材からなり得る。
前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極と同じ厚さを有し得る。
前記第１樹脂層は、エポキシ樹脂、そして、無機充填材を含み、前記無機充填材は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化アルミニウムのうち、少なくとも１つを含み得る。
本発明の実施例によると、熱伝導度に優れ、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熱電素子は、金属支持体との接合強度が高く、ワイヤの接続が容易である。
本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な実施例を有し得るので、特定の実施例を図面に例示して説明しようとする。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術の範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。
第２、第１のように序数を含む用語は、様々な構成要素を説明するのに使用できるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。例えば、本発明の権利の範囲を逸脱せずに、第２構成要素は、第１構成要素と命名し得、同様に、第１構成要素も第２構成要素と命名し得る。および／またはという用語は、複数の関連記載の項目の組み合わせまたは、複数の関連記載の項目のうち、いずれかの項目を含む。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されている」または「接続されている」と言及した場合には、その他の構成要素に直接的に連結されるか、または接続されることもあるが、中間に他の構成要素が存在し得ると理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されている」または「直接接続されている」と言及した場合には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されるべきである。
本出願で使用する用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の方法で意味しない限り、複数の表現を含む。本出願における、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
別の方法で定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本出願で明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味として解釈されない。
以下、添付された図面を参照して実施例を具体的に説明するが、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同じ参照番号を付与し、これについての重複する説明は省略することにする。
図２は、熱電素子の断面図であり、図３は、熱電素子の斜視図である。
図２ないし図３を参照すると、熱電素子１００は、下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レグ１３０、Ｎ型熱電レグ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型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０の下面との間に配置され、上部電極１５０は、上部基板１６０とＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０の上面との間に配置される。これによって、複数のＰ型熱電レグ１３０および複数のＮ型熱電レグ１４０は、下部電極１２０および上部電極１５０によって電気的に接続される。下部電極１２０と上部電極１５０との間に配置され、電気的に接続される一対のＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０は、単位セルを形成し得る。
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型熱電レグ１３０からＮ型熱電レグ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型熱電レグ１４０からＰ型熱電レグ１３０に電流が流れる基板は、加熱されて発熱部として作用できる。
または、下部電極１２０および上部電極１５０間の温度差を加えると、ゼーベック効果によってＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０内の電荷が移動し、電気が発生し得る。
ここで、Ｐ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０は、ビスマス（Ｂｉ）およびテルリウム（Ｔｅ）を主原料で含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系熱電レグであり得る。Ｐ型熱電レグ１３０は、全体重量１００ｗｔ％についてアンチモン（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）、テルリウム（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち、少なくとも１つを含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系の主原料物質９９ないし９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１ないし１ｗｔ％を含む熱電レグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１ないし１ｗｔ％でさらに含み得る。Ｎ型熱電レグ１４０は、全体重量１００ｗｔ％についてセレニウム（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）、テルリウム（Ｔｅ）、ビスマス（Ｂｉ）およびインジウム（Ｉｎ）のうち、少なくとも１つを含むビスマステルライド（Ｂｉ−Ｔｅ）系の主原料物質９９ないし９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１ないし１ｗｔ％を含む熱電レグであり得る。例えば、主原料物質がＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅであり、ＢｉまたはＴｅを全体重量の０．００１ないし１ｗｔ％でさらに含み得る。
Ｐ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０は、バルク型または積層型に形成され得る。一般的にバルク型のＰ型熱電レグ１３０またはバルク型のＮ型熱電レグ１４０は、熱電素材を熱処理してインゴット（Ｉｎｇｏｔ）を製造し、インゴットを粉砕かつ漉し、熱電レグ用粉末を獲得した後に、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。積層型のＰ型熱電レグ１３０または積層型のＮ型熱電レグ１４０は、シート形状の基材上に熱電素材を含むペーストを塗布し、単位部材を形成した後に、単位部材を積層かつカッティングする過程を通じて得られる。
このとき、一対のＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０は、同じ形状および体積を有するか、または互いに異なる形状および体積を有し得る。例えば、Ｐ型熱電レグ１３０とＮ型熱電レグ１４０の電気伝導の特性が異なるため、Ｎ型熱電レグ１４０の高さまたは断面積をＰ型熱電レグ１３０の高さまたは断面積と異なるように形成し得る。
本発明の一実施例による熱電素子の性能は、熱電性能指数で表し得る。熱電性能指数（ＺＴ）は、数１のように表し得る。
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、α２σは、パワー因子（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ、［Ｗ／ｍＫ２］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［ｃｍ２／Ｓ]であり、ｃｐは、比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは、密度［ｇ／ｃｍ３］である。
熱電素子の熱電性能指数を得るために、Ｚメートルを用いて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）を計算できる。
ここで、下部基板１１０とＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０との間に配置される下部電極１２０、そして、上部基板１６０とＰ型熱電レグ１３０およびＮ型熱電レグ１４０との間に配置される上部電極１５０は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）およびニッケル（Ｎｉ）のうち、少なくとも１つを含み得る。
そして、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得る。例えば、下部基板１１０と上部基板１６０のうち、１つの体積、厚さまたは面積は、他の１つの体積、厚さまたは面積よりも大きく形成され得る。これによって、熱電素子の吸熱性能または放熱性能を向上させ得る。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１つよりも大きく形成され得る。このとき、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よりも体積、厚さまたは面積のうち、少なくとも１つをより大きくし得る。このとき、下部基板１１０の面積は、上部基板１６０の面積対比１．２ないし５倍の範囲に形成し得る。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、熱伝達の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、むしろ熱伝逹の効率が著しく低下し、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１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得る。したがって、熱電素子の放熱性能を向上させ得る。凹凸パターンがＰ型熱電レグ１３０またはＮ型熱電レグ１４０と接触する面に形成される場合、熱電レグと基板間の接合特性も向上し得る。
このとき、Ｐ型熱電レグ１３０またはＮ型熱電レグ１４０は、円筒形状、多角柱形状、楕円柱形状などを有し得る。
また、Ｐ型熱電レグ１３０またはＮ型熱電レグ１４０は、積層型構造を有し得る。例えば、Ｐ型熱電レグまたはＮ型熱電レグは、シート形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に、これを切断する方法で形成され得る。これによって、材料の損失を防ぎ、電気伝導の特性を向上させ得る。
また、Ｐ型熱電レグ１３０またはＮ型熱電レグ１４０は、ゾーンメルティング（Ｚｏｎｅ Ｍｅｌｔｉｎｇ）方式または粉末焼結方式によって製作できる。ゾーンメルティング方式によると、熱電素材を用いてインゴット（Ｉｎｇｏｔ）を製造した後に、インゴットに徐々に熱を加えて単一の方向に粒子が再配列されるようにリファイニングし、徐々に冷却させる方法で熱電レグを得る。粉末焼結方式によると、熱電素材を用いてインゴットを製造した後に、インゴットを粉砕かつ漉し、熱電レグ用粉末を獲得し、これを焼結する過程を通じて熱電レグを得る。
図示されていないが、下部基板１１０と上部基板１６０との間には、シーリング部材がさらに配置され得る。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型熱電レグ１３０、Ｎ型熱電レグ１４０および上部電極１５０の側面に配置され得る。これによって、下部電極１２０、Ｐ型熱電レグ１３０、Ｎ型熱電レグ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、シーリング部材は、複数の下部電極１２０の最外郭、複数のＰ型熱電レグ１３０および複数のＮ型熱電レグ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の距離に離隔して配置されるシーリングケース、シーリングケースと下部基板１１０との間に配置されるシーリング材およびシーリングケースと上部基板１６０との間に配置されるシーリング材を含み得る。このように、シーリングケースは、シーリング材を介して下部基板１１０および上部基板１６０と接触し得る。これによって、シーリングケースが下部基板１１０および上部基板１６０と直接接触する場合、シーリングケースを介して熱伝導が起き、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できる。
ここで、シーリング材は、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂のうち、少なくとも１つを含むか、またはエポキシ樹脂およびシリコーン樹脂のうち、少なくとも１つが両面に塗布されたテープを含み得る。シーリング材は、シーリングケースと下部基板１１０との間およびシーリングケースと上部基板１６０との間を気密する役割をし、下部電極１２０、Ｐ型熱電レグ１３０、Ｎ型熱電レグ１４０および上部電極１５０のシーリング効果を向上させ得、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、シーリングケースと下部基板１１０との間をシーリングするシーリング材は、下部基板１１０の上面に配置され、シーリングケースと上部基板１６０との間をシーリングするシーリング材は、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の面積よりも大きいことがある。
一方、シーリングケースには、電極に接続されたリード線１８０、１８２を引き出すためのガイド溝が形成され得る。このために、シーリングケースは、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、様々な形態で変形できる。
図示されていないが、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得る。また、シーリング部材は、断熱成分を含み得る。
本発明の実施例によると、基板と金属支持体間の接合時に基板に加わる圧力を均等にし、基板と金属支持体間の接合強度を高めようとする。
図４は、本発明の一実施例による熱電装置の断面図であり、図５は、本発明の一実施例による熱電装置に含まれる樹脂層および電極構造の上面図であり、図６は、本発明の他の実施例による熱電装置に含まれる樹脂層および電極構造の上面図であり、図７は、本発明のまた他の実施例による熱電装置に含まれる樹脂層および電極構造の上面図である。
図４を参照すると、熱電装置４００は、第１金属支持体４１０、第１金属支持体４１０上に配置された第１接合層４２０、第１接合層４２０上に配置された第１樹脂層４３０、第１樹脂層４３０上に配置された複数の第１電極４４０、複数の第１電極４４０上に配置された複数のＰ型熱電レグ４５０および複数のＮ型熱電レグ４５５、複数のＰ型熱電レグ４５０および複数のＮ型熱電レグ４５５上に配置された複数の第２電極４６０、複数の第２電極４６０上に配置された第２樹脂層４７０、第２樹脂層４７０上に配置された第２接合層４８０および第２接合層４８０上に配置された第２金属支持体４９０を含む。ここで、第１樹脂層４３０、第１電極４４０、Ｐ型熱電レグ４５０、Ｎ型熱電レグ４５５、第２電極４６０および第２樹脂層４７０は、それぞれ図２ないし図３で説明した下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レグ１３０、Ｎ型熱電レグ１４０、上部電極１５０および上部基板１６０に対応し得る。図示されていないが、第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０のうち、少なくとも１つには、ヒートシンクが配置され得る。例えば、第１金属支持体４１０の両面のうち、接合層４２０が配置される面の反対面には、ヒートシンクを付着でき、第２金属支持体４９０の両面のうち、接合層４８０が配置される面の反対面には、ヒートシンクを付着できる。または、第１金属支持体４１０とヒートシンクは、一体に形成され得、第２金属支持体４９０とヒートシンクは、一体に形成され得る。
本明細書において、熱電素子は、第１金属支持体４１０、第１樹脂層４３０、第１電極４４０、Ｐ型熱電レグ４５０、Ｎ型熱電レグ４５５、第２電極４６０、第２樹脂層４７０および第２金属支持体４９０を含むことを意味し得る。
また、熱電素子は、ヒートシンクを付着するか、またはヒートシンクと一体に形成された第１金属支持体４１０、第１樹脂層４３０、第１電極４４０、Ｐ型熱電レグ４５０、Ｎ型熱電レグ４５５、第２電極４６０、第２樹脂層４７０およびヒートシンクを付着するか、またはヒートシンクと一体に形成された第２金属支持体４９０を含むことを意味し得る。
第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などからなり得る。第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０は、第１樹脂層４３０、複数の第１電極４４０、複数のＰ型熱電レグ４５０および複数のＮ型熱電レグ４５５、複数の第２電極４６０、第２樹脂層４７０などを支持し得る。このために、第１金属支持体４１０の面積は、第１樹脂層４３０の面積よりも大きいことがあり、第２金属支持体４９０の面積は、第２樹脂層４７０の面積よりも大きいことがある。すなわち、第１樹脂層４３０は、第１金属支持体４１０のエッジから所定の距離だけ離隔された領域内に配置され得、第２樹脂層４７０は、第２金属支持体４７０のエッジから所定の距離だけ離隔された領域内に配置され得る。図示されていないが、第１金属支持体４１０の両面のうち、第１樹脂層４３０が配置される面の反対面には、ヒートシンクが形成され得る。同様に、第２金属支持体４９０の両面のうち、第２樹脂層４７０が配置される面の反対面には、ヒートシンクが形成され得る。また、図示されていないが、第１金属支持体４１０と第２金属支持体４９０は、それぞれヒートシンクと一体に形成され得る。
第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０は、樹脂および無機充填材を含む樹脂組成物からなり得る。第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０の厚さは０．０１ないし０．６５ｍｍ、好ましくは、０．０１ないし０．６ｍｍ、より好ましくは、０．０１ないし０．５５ｍｍであり得、熱伝導度は、１０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは、２０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは、３０Ｗ／ｍＫ以上であり得る。
ここで、樹脂は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を含み得る。シリコーン樹脂は、例えば、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含み得る。
エポキシ樹脂は、エポキシ化合物および硬化剤を含み得る。このとき、エポキシ化合物１０体積比に対して硬化剤１ないし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ーンエポキシ化合物のうち、少なくとも１つを含み得る。結晶性エポキシ化合物は、メソゲン（Ｍｅｓｏｇｅｎ）構造を含み得る。メソゲン（Ｍｅｓｏｇｅｎ）は、液晶（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）の基本単位であり、剛性（Ｒｉｇｉｄ）構造を含む。そして、非結晶性エポキシ化合物は、分子中のエポキシ基を２つ以上有する通常の非結晶性エポキシ化合物であり得、例えば、ビスフェノールＡまたはビスフェノールＦから誘導されるグリシジルエーテル化物であり得る。ここで、硬化剤は、アミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、ポリメルカプタン系硬化剤、ポリアミノアミド系硬化剤、イソシアネート系硬化剤およびブロックイソシアネート系硬化剤のうち、少なくとも１つを含み得、２種類以上の硬化剤を混合して使用できる。
無機充填材は、酸化アルミニウムおよび複数の板状の窒化ホウ素が固まった窒化ホウ素凝集体を含み得る。無機充填材は、窒化アルミニウムをさらに含み得る。ここで、窒化ホウ素凝集体の表面は、樹脂との親和度を高めるために表面が改質されることもある。例えば、窒化ホウ素凝集体の表面は、樹脂と親和度が高い官能基を有する高分子物質でコーティングされるか、または窒化ホウ素凝集体内の空隙の少なくとも一部は、樹脂と親和度が高い官能基を有する高分子物質によって充填できる。
第１接合層４２０および第２接合層４８０は、ＴＩＭ（Ｔｈｅｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）であり得る。または、第１接合層４２０および第２接合層４８０は、第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０をなす樹脂組成物と同じ樹脂組成物であり得る。すなわち、第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０をなす樹脂組成物と同じ樹脂組成物を未硬化の状態で第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０上に塗布した後に、硬化した状態の第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０を積層し、高温で加圧する方式で第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０と第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０を接合し得る。
一方、複数の第１電極４４０および複数の第２電極４６０は、第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０をなす半硬化状態の樹脂組成物上にＣｕ基板を配置して圧着した後、Ｃｕ基板を電極形状にエッチングする方法で製作できる。または、第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０をなす硬化状態の樹脂組成物上に予め整列した複数の第１電極４４０および複数の第２電極４６０を配置した後に、圧着する方法で製作できる。
また、第１接合層４２０および第２接合層４８０が省略され得る。例えば、第１金属支持体４１０および第２金属支持体４９０上に第１樹脂層４３０および第２樹脂層４７０をなす樹脂組成物を未硬化状態で塗布した後に、半硬化させた状態でＣｕ基板または予め整列した電極を配置した後に加圧し得る。
各第１電極４４０上には、一対のＰ型熱電レグ４５０およびＮ型熱電レグ４５５が配置され得、各第２電極４６０上には、各第１電極４４０上に配置された一対のＰ型熱電レグ４５０およびＮ型熱電レグ４５５のうち、１つが重なるように一対のＮ型熱電レグ４５５およびＰ型熱電レグ４５０が配置され得る。
図５を参照すると、第１樹脂層４３０上には、少なくとも１つのダミー電極５００がさらに配置され得る。少なくとも１つのダミー電極５００は、複数の第１電極４４０の最外郭の行および最外郭の列のうち、少なくとも１つの側面に配置され得る。
ダミー電極５００は、複数の第１電極４４０と同じ素材および同じ厚さを有するが、ダミー電極５００上には、熱電レグが配置されず、電気的に接続されないことがある。そして、ダミー電極５００は、複数の第１電極４４０と離隔して配置され得る。このとき、複数のダミー電極５００は、所定の間隔で互いに離隔して配置され得る。ダミー電極５００は、第１電極４４０と同じ形状を有し得、異なる形状を有し得る。ここで、ダミー電極５００と複数の第１電極４４０の厚さが同じであるということは、複数の第１電極４４０の個別の厚さ比６０％ないし１４０％であり、好ましくは、７５％ないし１２５％であり、より好ましくは、９０％ないし１１０％であることを意味する。６０％よりも小さく、１４０％よりも大きい場合、圧力が均等に分布されない可能性があり、６０％よりも小さい場合、ダミー電極５００が配置された位置の接合強度が弱い部分が生じることがあり、１４０％よりも大きい場合、複数の第１電極４４０の最外郭の行および最外郭の列が配置された位置の接合強度が弱い部分が生じることがある。
このように、ダミー電極５００が複数の第１電極４４０の最外郭の行および最外郭の列のうち、少なくとも１つの側面に配置される場合、第１樹脂層４３０と金属支持体４１０間の接合過程でダミー電極５００が配置された領域にも複数の第１電極４４０が配置された領域と同様に均等に圧力が加わるため、第１樹脂層４３０のエッジ領域と金属支持体４１０が高い接合強度で接合され得る。
一方、図６ないし図７のように、複数の第１電極４４０は、第１端子が接続されるための第１端子接続電極４４２および第１端子と極性が異なる第２端子が接続されるための第２端子接続電極４４４を含み得る。例えば、第１端子接続電極４４２は、複数の第１電極４４０の１つの角に配置され、第２端子接続電極４４４は、第１端子接続電極４４２と同じ行または同じ列の他の角に配置され得る。第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４のそれぞれには、Ｐ型熱電レグおよびＮ型熱電レグのうち、１つが配置され得る。
第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４のそれぞれには、ワイヤを介して第１端子および第２端子が接続され得る。ワイヤの接続を容易にするために、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４は、他の第１電極４４０に比べて大きく形成され得る。例えば、図６に示したように、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４は、それぞれ第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４が配置された行または列から第１樹脂層４３０のエッジの方向に延長され得る。例えば、図７に示したように、第１端子接続電極４４２は、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４が配置された行または列と平行し、第２端子接続電極４４４に向かう方向にさらに延長され、第２端子接続電極４４４は、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４が配置された行または列と平行し、第１端子接続電極４４２に向かう方向にさらに延長され得る。すなわち、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４のそれぞれは、「Ｌ」字形状を有し得る。
このとき、複数のダミー電極５００は、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４との間で第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４が配置された行または列の側面に沿って配置され得る。
このように、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４との間にダミー電極、すなわち、複数のダミー電極５００を配置すると、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４を大きく形成しても、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４との間の領域に加わる圧力を他の第１電極４４０が配置された領域に加わる圧力と同じ水準に維持できる。したがって、第１樹脂層４３０と第１金属支持体４１０間の接合強度を全体的に高く維持することが可能である。
複数の第１電極４４０が第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４を含む場合、第１樹脂層４３０の面積は、第２樹脂層４７０の面積よりも大きく形成され得る。したがって、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４の大きさを他の第１電極４４０の大きさよりも大きく形成してワイヤ接続を容易にでき、ダミー電極、すなわち、複数のダミー電極５００を配置するための領域を確保できる。
図６ないし図７においては、第１端子接続電極４４２および第２端子接続電極４４４との間にだけダミー電極である複数のダミー電極５００が配置されることを例に挙げているが、これに制限されるものではなく、図５に示したように、複数の第１電極４４０の最外郭の行または最外郭の列の側面に複数のダミー電極５００がさらに配置され得る。
また、図５ないし図７においては、第１樹脂層４３０と第１金属支持体４１０間の接合のためのダミー電極５００が配置されることを例に挙げているが、これに制限されるものではなく、第２樹脂層４７０と第２金属支持体４９０間の接合のためのダミー電極（図示せず）を第２樹脂層にも形成し得る。
図８は、実施例によって製作された熱電素子の樹脂層の接合強度を実験した例であり、図９は、比較例によって製作された熱電素子の樹脂層の接合強度を実験した例である。
図８（ａ）に示したように、実施例では、図７の構造で複数の電極および複数のダミー電極を樹脂層に配置し、図９（ａ）に示したように、比較例では、図７の構造で複数のダミー電極を除き、複数の電極のみを樹脂層に配置した。
図８（ｂ）を参照すると、樹脂層と金属支持体との間を実施例によって接合した背面は、樹脂層のエッジ、特に、第１端子接続電極４４２と第２端子接続電極４４４との間の領域８００でも、浮きや剥離現象が発生せず、高い接合強度を維持することが分かる。
これに反して、図９（ｂ）を参照すると、樹脂層と金属支持体との間を比較例によって接合した背面は、樹脂層のエッジ、特に、第１端子接続電極４４２と第２端子接続電極４４４との間の領域９００が容易く剥離したことが分かる。
以下では、図１０を参照して本発明の実施例による熱電素子が浄水器に適用された例を説明する。
図１０は、本発明の実施例による熱電素子が浄水器に適用された例示図である。
本発明の実施例による熱電素子が適用された浄水器１は、原水供給管１２ａ、浄水タンク流入管１２ｂ、浄水タンク１２、フィルターアセンブリ１３、冷却ファン１４、蓄熱槽１５、冷水供給管１５ａおよび熱電装置１０００を含む。
原水供給管１２ａは、水源から浄水対象である水をフィルターアセンブリ１３に流入させる供給管であり、浄水タンク流入管１２ｂは、フィルターアセンブリ１３から浄水した水を浄水タンク１２に流入させる流入管であり、冷水供給管１５ａは、浄水タンク１２で熱電装置１０００によって所定の温度に冷却された冷水が最終的に使用者に供給される供給管である。
浄水タンク１２は、フィルターアセンブリ１３を経由しながら浄水され、浄水タンク流入管１２ｂを介して流入した水を貯蔵および外部に供給するように浄水した水を一時収容する。
フィルターアセンブリ１３は、沈殿フィルター１３ａと、フリーカーボンフィルター１３ｂと、メンブレンフィルター１３ｃと、ポストカーボンフィルター１３ｄで構成される。
すなわち、原水供給管１２ａに流入する水は、フィルターアセンブリ１３を経由しながら浄水できる。
蓄熱槽１５が浄水タンク１２と熱電装置１０００との間に配置され、熱電装置１０００で形成された冷気が貯蔵される。蓄熱槽１５に貯蔵された冷気は、浄水タンク１２に印加され、浄水タンク１２０に収容された水を冷却させる。
冷気伝達が円滑に行われるように、蓄熱槽１５は、浄水タンク１２と面接触し得る。
熱電装置１０００は、前述したように、吸熱面と発熱面を備え、Ｐ型半導体およびＮ型半導体上の電子移動によって、一側は冷却され、他側は加熱される。
ここで、一側は、浄水タンク１２側であり、他側は、浄水タンク１２の反対側であり得る。
また、前述したように、熱電装置１０００は、防水および防塵性能に優れ、熱の流動性能が改善され、浄水器内で浄水タンク１２を効率的に冷却できる。
以下では、図１１を参照して本発明の実施例による熱電素子が冷蔵庫に適用された例を説明する。
図１１は、本発明の実施例による熱電素子が冷蔵庫に適用された例示図である。
冷蔵庫は、深温蒸発室内に深温蒸発室カバー２３、蒸発室区画壁２４、メイン蒸発器２５、冷却ファン２６および熱電装置１０００を含む。
冷蔵庫内は、深温蒸発室カバー２３によって深温貯蔵室と深温蒸発室に区画される。
具体的に、前記深温蒸発室カバー２３の前方に当る内部空間が深温貯蔵室と定義され、深温蒸発室カバー２３の後方に当る内部空間が深温蒸発室と定義され得る。
深温蒸発室カバー２３の前面には、吐出グリル２３ａと吸入グリル２３ｂがそれぞれ形成され得る。
蒸発室区画壁２４は、インナーキャビネットの後壁から前方に離隔する地点に設置され、深温室貯蔵システムが置かれる空間とメイン蒸発器２５が置かれる空間を区画する。
メイン蒸発器２５によって冷却される冷気は、フリーザーに供給された後に再びメイン蒸発器の方に戻る。
熱電装置１０００は、深温蒸発室に収容され、吸熱面が深温貯蔵室の引き出しアセンブリの方に向かい、発熱面が蒸発器の方に向かう構造をなす。したがって、熱電装置１０００から発生する吸熱現象を用いて引き出しアセンブリに貯蔵された食べ物を摂氏氷点下５０℃以下の超低温の状態で迅速に冷却させるのに使用できる。
また、前述したように、熱電装置１０００は、防水および防塵性能に優れ、熱の流動性能が改善され、冷蔵庫内で引き出しアセンブリを効率的に冷却できる。
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、温熱用装置などに作用できる。具体的には、本発明の実施例による熱電素子は、主に光通信モジュール、センサー、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、センサー用電源供給装置、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）などに適用できる。
ここで、本発明の実施例による熱電素子が医療機器に適用される例として、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）装置がある。ＰＣＲ機器は、ＤＮＡを増幅してＤＮＡの塩基配列を決定するための装備であり、精緻な温度制御が要求され、熱循環（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅ）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を適用できる。
本発明の実施例によ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（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサー、Ｘ−ｒａｙ検出器、ＴＴＲＳ（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｏｕｒｃｅ）などがある。光検出器の冷却（Ｃｏｏｌｉｎｇ）のためにペルティエ基盤の熱電素子を適用できる。したがって、光検出器の内部の温度上昇による波長の変化、出力低下および解像力低下などを防止できる。
本発明の実施例による熱電素子が医療機器に適用されるまた他の例として、免疫分析（Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）分野、インビトロ診断（Ｉｎｖｉｔｒｏ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）分野、温度制御および冷却システム（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、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。これによって、精緻な温度制御が可能である。
本発明の実施例による熱電素子が医療機器に適用されるまた他の例として、人工心臓がある。これによって、人工心臓に電源を供給できる。
本発明の実施例によ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センサー、ハッブル宇宙望遠鏡、ＴＴＲＳなどがある。これによって、イメージセンサーの温度を維持できる。
本発明の実施例によ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。
このほか、本発明の実施例による熱電素子は、その他の産業分野に発電、冷却および温熱のために適用できる。
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、当該の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様々に修正および変更させることができることを理解できるであろう。
Claims (9)
- 第１金属支持体と、
前記第１金属支持体上に配置された第１接合層と、
前記第１接合層上に配置された第１樹脂層と、
前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極と、
前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグと、
前記複数のＰ型熱電レグおよび複数のＮ型熱電レグ上に配置された複数の第２電極と、
前記複数の第２電極上に配置された第２樹脂層と、
前記第２樹脂層上に配置された第２接合層と、
前記第２接合層上に配置された第２金属支持体と、を含み、
前記第１樹脂層上に配置された少なくとも１つのダミー電極をさらに含み、
前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極の最外郭の行および最外郭の列のうち、少なくとも１つの側面に配置される熱電装置。 - 前記少なくとも１つのダミー電極は、所定の間隔に離隔した複数のダミー電極を含む請求項１に記載の熱電装置。
- 前記第１樹脂層の面積は、前記第２樹脂層の面積よりも大きい請求項２に記載の熱電装置。
- 前記複数の第１電極は、前記複数の第１電極の１つの角に配置される第１端子接続電極および前記第１端子接続電極と同じ行または同じ列の他の角に配置される第２端子接続電極を含み、
前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列から前記第１樹脂層のエッジの方向に延長され、
前記複数のダミー電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極との間に配置される請求項３に記載の熱電装置。 - 前記複数のダミー電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列の側面に沿って配置される請求項４に記載の熱電装置。
- 前記第１端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列と平行し、前記第２端子接続電極に向かう方向にさらに延長され、
前記第２端子接続電極は、前記第１端子接続電極および前記第２端子接続電極が配置された行または列と平行し、前記第１端子接続電極に向かう方向にさらに延長される請求項５に記載の熱電装置。 - 前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極と同じ素材からなる請求項１に記載の熱電装置。
- 前記少なくとも１つのダミー電極は、前記複数の第１電極と同じ厚さを有する請求項１に記載の熱電装置。
- 前記第１樹脂層は、エポキシ樹脂、そして、無機充填材を含み、
前記無機充填材は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素および窒化アルミニウムのうち、少なくとも１つを含む請求項１に記載の熱電装置。
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