JP2022518958A

JP2022518958A - 熱電素子

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Publication number: JP2022518958A
Application number: JP2021544616A
Authority: JP
Inventors: キム，ソンチョル
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2022-03-17
Also published as: KR20200094388A; US20220069190A1; WO2020159177A1; KR102581707B1

Abstract

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電極、前記第１電極上に配置されたＰ型熱電レッグ、Ｎ型熱電レッグおよび絶縁レッグ、前記Ｐ型熱電レッグ、Ｎ型熱電レッグおよび絶縁レッグ上に配置された第２電極、そして前記第２電極上に配置された第２基板を含み、前記第１電極は複数の第１電極を含み、前記第２電極は複数の第２電極を含み、前記複数の第１電極の少なくとも一部のそれぞれ上に一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置され、前記Ｐ型熱電レッグおよび前記Ｎ型熱電レッグそれぞれは第１メッキ層、前記第１メッキ層上に配置されて熱電素材を含む熱電素材層、そして前記熱電素材層上に配置された第２メッキ層を含み、前記絶縁レッグは第３メッキ層、前記第３メッキ層上に配置されて高分子樹脂を含む絶縁層、そして前記絶縁層上に配置された第４メッキ層を含み、前記絶縁レッグの弾性係数は３～１０００ＭＰａである。【選択図】図５

Description

本発明は熱電素子に関し、より詳細には熱電素子内の電極およびレッグの配置構造に関する。

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、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基板の間に電極が配置される。この時、電極は複数の熱電レッグを直列連結する。例えば、一つの電極上に一対のＰ型熱電レッグとＮ型熱電レッグが配置され、前記Ｎ型熱電レッグは他のＰ型熱電レッグとともに他の電極上に配置され得る。電極と熱電レッグはソルダーによって接合され得る。

熱電素子が駆動されると高温部側の温度が高くなり、これに伴い高温部側の基板および電極は低温部側の基板および電極に比べて相対的により大きく熱膨張することになる。これに伴い、高温部側の電極と熱電レッグ間の接合面には応力が発生することになり、熱電レッグがチルティング（ｔｉｌｔｉｎｇ）され得る。熱電レッグがチルティングされる場合、熱電レッグ内にクラックが発生したり、熱電レッグと電極の間が短絡され得、これに伴い、熱電素子の信頼性および性能が低下し得る。

本発明が達成しようとする技術的課題は熱電素子内の電極およびレッグの配置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基板、前記第１基板上に配置された第１電極、前記第１電極上に配置されたＰ型熱電レッグ、Ｎ型熱電レッグおよび絶縁レッグ、前記Ｐ型熱電レッグ、Ｎ型熱電レッグおよび絶縁レッグ上に配置された第２電極、そして前記第２電極上に配置された第２基板を含み、前記第１電極は複数の第１電極を含み、前記第２電極は複数の第２電極を含み、前記複数の第１電極の少なくとも一部のそれぞれ上に一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置され、前記Ｐ型熱電レッグおよび前記Ｎ型熱電レッグそれぞれは第１メッキ層、前記第１メッキ層上に配置されて熱電素材を含む熱電素材層、そして前記熱電素材層上に配置された第２メッキ層を含み、前記絶縁レッグは第３メッキ層、前記第３メッキ層上に配置されて高分子樹脂を含む絶縁層、そして前記絶縁層上に配置された第４メッキ層を含み、前記絶縁レッグの弾性係数は３～１０００ＭＰａである。

前記第１メッキ層および前記第３メッキ層は同一の素材からなり、前記第２メッキ層および前記第４メッキ層は同一の素材からなり得る。

前記絶縁層はシリコン系の高分子樹脂を含むことができる。

前記絶縁層は前記シリコン系の高分子樹脂を含み、順次積層された複数の樹脂層を含むことができる。

前記絶縁層は前記複数の樹脂層間に配置された金属層をさらに含むことができる。

少なくとも一つの絶縁レッグは前記複数の第１電極のうちＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置されていない独立電極上に配置され、前記独立電極は電気的に連結されなくてもよい。

前記絶縁レッグは前記複数の第１電極のうち縁の列または縁の行に配置された複数の電極のうち少なくとも一つ上に配置され得る。

前記第１電極は前記複数の第１電極の一角に配置される第１端子連結電極および前記第１端子連結電極と同一の行の他角に配置される第２端子連結電極を含み、前記絶縁レッグは前記第１端子連結電極と同一の列の他角および前記第２端子連結電極と同一の列の他角にそれぞれ配置された電極上に配置され得る。

前記第１電極は前記複数の第１電極の一角に配置される第１端子連結電極および前記第１端子連結電極と同一の行の他角に配置される第２端子連結電極を含み、前記絶縁レッグは前記第１端子連結電極と同一の行で前記第１端子連結電極と隣り合うように配置された電極または前記第２端子連結電極と同一の行で前記第２端子連結電極と隣り合うように配置された電極上に配置され得る。

前記絶縁レッグは前記複数の第１電極のうち、中間の行および中間の列が会う領域に配置された電極上に配置され得る。

少なくとも一つの絶縁レッグは、Ｐ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグのうち少なくとも一つが配置された一つの第１電極上でＰ型熱電レッグまたはＮ型熱電レッグの隣に配置され得る。

一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置されたいずれか一つの第１電極上に複数の絶縁レッグが配置され得る。

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を得ることができる。特に、本発明の実施例によると、熱電レッグにクラックが発生したり、熱電レッグと電極の間が短絡する問題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でも適用され得る。

熱電素子の断面図である。熱電素子の斜視図である。

本発明の一実施例に係る熱電装置の断面図である。

電極と熱電レッグの間に加えられる応力をシミュレーションするための電極の位置を示す。

図５の（ａ）は、本発明の一実施例に係る絶縁レッグの斜視図である。図５の（ｂ）は、本発明の他の実施例に係る絶縁レッグの斜視図である。

本発明の一実施例により基板および電極上に配置された熱電レッグおよび絶縁レッグを示す。

図６の実施例の電極配置図である。

本発明の他の実施例により基板および電極上に配置された熱電レッグおよび絶縁レッグを示す。

図８の列別断面図である。

図８の実施例の電極配置図である。

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、置換し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、あ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）を主原料として含むビズマステルライド（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ズマステルライド（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ズマステルライド（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て篩分けして熱電レッグ用粉末を取得した後、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、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、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は同一の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に向かうように配置され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し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は絶縁基板または金属基板であり得る。下部基板１１０と上部基板１６０が金属基板である場合、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ合金、Ａｌ合金またはＣｕ－Ａｌ合金を含むことができ、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／ｍＫの熱伝導度を有する素材を含み、０．０１ｍｍ～０．３５ｍｍの厚さで形成され得る。絶縁層１７０の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合、絶縁効率または耐電圧特性が低下し得、０．３５ｍｍを超過する場合、熱電伝導度が低下して放熱効率が低下し得る。

絶縁層１７０は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からなるか、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むシリコン樹脂組成物からなって下部基板１１０または上部基板１６０との絶縁性、接合力および放熱性能などを向上させることができる。

ここで、無機充填材は絶縁層１７０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下し得、無機充填材が８８ｖｏｌ％を超過して含まれると絶縁層１７０は容易にこわれ得る。

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、より好ましくは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絶縁層１７０内に均一に分散され得、これに伴い、絶縁層１７０が全体的に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、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小さく、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し難い可能性がある。

下部基板１１０と上部基板１６０が絶縁基板である場合、アルミナ基板または高分子樹脂基板であり得る。高分子樹脂基板はポリイミド（ＰＩ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、レジン（ｒｅｓｉｎ）のような高透過性プラスチックなどの多様な絶縁性樹脂材を含むことができ、柔軟性があり得る。

絶縁層１７０の厚さは０．０２～０．６ｍｍ、好ましくは０．１～０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．２～０．６ｍｍであり得、熱伝導度は１Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上、さらに好ましくは２０Ｗ／ｍＫ以上であり得る。絶縁層１７０の厚さがこのような数値範囲を満足する場合、下部基板１１０または上部基板１６０が温度変化により収縮および膨張を繰り返しても、熱電レッグまたは金属支持体との放熱、絶縁および接合力には影響を及ぼさないことができる。

また、下部基板１１０と上部基板１６０のうち一つは金属基板であり、他の一つは絶縁基板であってもよい。

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。

図示してはいないが、下部基板１１０と上部基板１６０の間にはシーリング部材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、シーリングケースと下部基板１１０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の間に配置されるシーリング材を含むことができる。このように、シーリングケースはシーリング材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。シーリング材はシーリングケースと下部基板１１０の間およびシーリングケースと上部基板１６０の間を気密にする役割をし、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、シーリングケースと下部基板１１０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の面積より大きくてもよい。一方、シーリングケース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なる第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と同一の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に拡散することを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。

図３は本発明の一実施例に係る熱電装置の断面図であり、図４は電極と熱電レッグの間に加えられる応力をシミュレーションするための電極の位置を示す。

図３を参照すると、熱電装置３００は第１金属支持体３１０、第１金属支持体３１０上に配置された第１接合層３２０、第１接合層３２０上に配置された第１樹脂層３３０、第１樹脂層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樹脂層３７０、第２樹脂層３７０上に配置された第２接合層３８０および第２接合層３８０上に配置された第２金属支持体３９０を含む。ここで、第１樹脂層３３０、第１電極３４０、Ｐ型熱電レッグ３５０、Ｎ型熱電レッグ３５５、第２電極３６０および第２樹脂層３７０は、それぞれ図１～２で説明した下部基板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に対応し得る。図示してはいないが、第１金属支持体３１０および第２金属支持体３９０のうち少なくとも一つにはヒートシンクが配置されてもよい。例えば、第１金属支持体３１０の両面のうち接合層３２０が配置される面の反対面にはヒートシンクが付着され得、第２金属支持体３９０の両面のうち接合層３８０が配置される面の反対面にはヒートシンクが付着され得る。または第１金属支持体３１０とヒートシンクは一体に形成されてもよく、第２金属支持体３９０とヒートシンクは一体に形成されてもよい。

本明細書で、熱電素子は第１金属支持体３１０、第１樹脂層３３０、第１電極３４０、Ｐ型熱電レッグ３５０、Ｎ型熱電レッグ３５５、第２電極３６０、第２樹脂層３７０および第２金属支持体３９０を含むものを意味してもよい。または熱電素子はヒートシンクが付着されるか、ヒートシンクと一体に形成された第１金属支持体３１０、第１樹脂層３３０、第１電極３４０、Ｐ型熱電レッグ３５０、Ｎ型熱電レッグ３５５、第２電極３６０、第２樹脂層３７０およびヒートシンクが付着されるか、ヒートシンクと一体に形成された第２金属支持体３９０を含むものを意味してもよい。

第１金属支持体３１０および第２金属支持体３９０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３１０および第２金属支持体３９０は第１樹脂層３３０、複数の第１電極３４０、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、複数の第２電極３６０、第２樹脂層３７０等を支持することができ、本発明の実施例に係る熱電素子３００が適用されるアプリケーションに直接付着される領域であり得る。このために、第１金属支持体３１０の面積は第１樹脂層３３０の面積より大きくてもよく、第２金属支持体３９０の面積は第２樹脂層３７０の面積より大きくてもよい。すなわち、第１樹脂層３３０は第１金属支持体３１０の縁から所定距離だけ離隔した領域内に配置され得、第２樹脂層３７０は第２金属支持体３７０の縁から所定距離だけ離隔した領域内に配置され得る。

第１接合層３２０および第２接合層３８０はＴＩＭ（ＴｈｅｒｍａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅＭａｔｅｒｉａｌ）であり得る。または第１接合層３２０および第２接合層３８０は第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０をなす樹脂組成物と同一の樹脂組成物であってもよい。すなわち、第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０をなす樹脂組成物と同一の樹脂組成物を未硬化状態で第１金属支持体３１０および第２金属支持体３９０上に塗布した後、硬化した状態の第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０を積層し、高温で加圧する方式で第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０と第１金属支持体３１０および第２金属支持体３９０を接合することができる。これに伴い、第１接合層３２０と第１樹脂層３３０および第２接合層３８０と第２樹脂層３７０は実質的に区分されないこともある。

一方、複数の第１電極３４０および複数の第２電極３６０は第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０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基板を電極の形状にエッチングする方法で製作され得る。または第１樹脂層３３０および第２樹脂層３７０をなす硬化状態の樹脂組成物上にあらかじめ整列された複数の第１電極３４０および複数の第２電極３６０を配置した後、圧着する方法で製作されてもよい。

各第１電極３４０上には一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５が配置され得、各第２電極３６０上には各第１電極３４０上に配置された一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５のうち一つが重なるように一対のＮ型熱電レッグ３５５およびＰ型熱電レッグ３５０が配置され得る。

表１は基板内の位置別電極と高温作動時にレッグが受ける応力をシミュレーションしたデータを示す。ここで、熱電素子の作動温度は２００℃に固定した。

表１および図４を参照すると、熱電素子の作動時、複数の第１電極３４０のうち角領域（Ａ、Ｄ、Ｉ、Ｌ）に加えられる応力が１６Ｎ以上と高く現れ、特に複数の第１電極３４０のうち中間の行（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ）に加えられる応力は１９Ｎ以上とさらに高く現れることが分かる。

これに伴い、熱電素子の角領域または中間領域で電極と熱電レッグ間に短絡または熱電レッグのクラックが発生して熱電素子の信頼性および性能が低下する可能性が高い。

本発明の実施例によると、高い熱応力が発生すると予想される領域に絶縁レッグをさらに配置しようとする。これによると、熱応力によって電極と絶縁レッグの間が短絡しても、熱電素子の電気的な流れには影響を及ぼさず、熱電素子は正常に駆動され得る。

図５（ａ）は本発明の一実施例に係る絶縁レッグの斜視図であり、図５（ｂ）は本発明の他の実施例に係る絶縁レッグの斜視図である。

図５（ａ）および図５（ｂ）を参照すると、絶縁レッグ５００は熱電レッグと同一の形状、面積および高さを有するものの、電気的に絶縁され、熱電レッグより熱伝導度が低いレッグを意味する。本明細書で、絶縁レッグ５００は電気的に絶縁されて熱電素子内の電流の流れに影響を及ぼさず、熱応力が高い領域で熱電レッグの代わりに下部基板と上部基板の間を支持する機能をするため、ダミーレッグと言える。ここで、絶縁レッグ５００の高さと熱電レッグの高さが同一であるとは、絶縁レッグ５００の高さが熱電レッグの高さと同一であるか、約１％以内の誤差範囲内で類似することを意味し得る。この時、絶縁レッグ５００は弾性を有することができる。例えば、絶縁レッグ５００の弾性係数は３～１０００ＭＰａ、好ましくは５～５００ＭＰａ、さらに好ましくは５～１５０ＭＰａであり得る。弾性係数がこのような数値範囲の上限を超過すると絶縁レッグがこわれ得、下限未満であれば下部基板と上部基板の間を支持することが困難であり得る。

ここで、弾性係数の単位は弾性範囲内で変形度に対する応力の比率であるヤング係数（Ｙｏｕｎｇ’ｓＭｏｄｕｌｕｓ）で換算され得、その単位はｋＮ／ｍｍ^２であり得る。

このように、絶縁レッグ５００が弾性を有する場合、高温部の基板が熱によって収縮したり膨張しても絶縁レッグ５００は破損せずに原形を維持することができるため、熱変形によるバッファーの役割をすることができる。

本発明の実施例によると、絶縁レッグ５００は第３メッキ層５１０、第３メッキ層５１０上に配置される絶縁層５３０、そして絶縁層５３０上に配置される第４メッキ層５２０を含むことができる。

この時、第３メッキ層５１０は第１電極３４０と絶縁層５３０の間に配置され、第４メッキ層５２０は絶縁層５３０と第２電極３６０の間に配置され得、第３メッキ層５１０は第１電極３４０と直接接触し、第４電極５２０は第２電極３６０と直接接触することができる。

そして、第３メッキ層５１０は図１で図示した熱電素材層１３２、１４２の一面に配置された第１メッキ層１３４－１、１４４－１と同一の素材からなり、第４メッキ層５２０は図１で図示した熱電素材層１３２、１４２の他面に配置された第２メッキ層１３４－２、１４４－２と同一の素材からなり得る。例えば、第３メッキ層５１０および第４メッキ層５２０のうち少なくとも一つは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る。または前述した通り、熱電レッグが第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それぞれ間に積層される金属層をさらに含む場合、第３メッキ層５１０および第４メッキ層５２０それぞれは金属層と同一の素材からなってもよい。例えば、第３メッキ層５１０および第４メッキ層５２０のうち少なくとも一つは銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム合金のうち少なくとも一つを含むことができる。

これによると、絶縁レッグの電極接合面の特性が熱電レッグの電極接合面の特性と同一であるため、絶縁レッグおよび熱電レッグを同時に同一の条件で電極に接合することができ、絶縁レッグと電極間のソルダリングが容易となるため接合強度が高くなり得る。

この時、第３メッキ層５１０の高さおよび第４メッキ層５２０の高さは同一であり得、第３メッキ層５１０の高さおよび第４メッキ層５２０の高さの和は絶縁レッグ５３０の全体高さの０．０１～０．５倍であり得る。第３メッキ層５１０の高さおよび第４メッキ層５２０の高さの和がこのような数値範囲の下限未満の場合、絶縁レッグと電極間の接合力が低下し得、このような数値範囲の上限を超過する場合、絶縁レッグの絶縁性能および断熱性能が低下し得る。

本発明の実施例によると、第３メッキ層５１０および第４メッキ層５２０の間に絶縁層５３０が配置され得る。絶縁層５３０は高分子樹脂を含むことができる。例えば、高分子樹脂はシリコン系の高分子樹脂を含むことができる。例えば、シリコン系の高分子樹脂はＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むことができる。このように、絶縁層５３０がシリコン系の高分子樹脂、例えばＰＤＭＳを含む場合、低い熱伝導度、高い絶縁性能および高い弾性を有することができる。

この時、絶縁層５３０は図５（ａ）に図示された通り、単一の層で形成されたり、図５（ｂ）に図示された通り、順次積層された複数の層で形成され得る。この時、複数の層は交互に配置された第１層５３２および第２層５３４を含むことができる。ここで、第１層５３２および第２層５３４は同一の素材の樹脂層であり得る。または第１層５３２と第２層５３４は互いに異なる素材の樹脂層であり得る。例えば、第１層５３２はＰＤＭＳを含む樹脂層であり得、第２層５３４は異なる素材の樹脂層であり得る。または第１層５３２はＰＤＭＳを含む樹脂層であり得、第２層５３４は金属層であってもよい。

このように、絶縁層５３０が順次積層された複数の層を含む場合、各層間の界面によって熱伝導性能がさらに低下し得、各層間の界面は熱変形に対するバッファーの役割をしてもよい。また、絶縁層５３０が順次積層された複数の層を含む場合、絶縁レッグ５００の高さを熱電レッグの高さと同一に合わせることが容易であり得る。例えば、第１メッキ層５１０上に第１層５３２を配置し、第１層５３２上に第２層５３４を配置した後、第２層５３４をグラインディングする過程を繰り返すことによって熱電レッグと同一の高さを有する絶縁レッグを得ることができる。

図６は本発明の一実施例により基板および電極上に配置された熱電レッグおよび絶縁レッグを示し、図７は図６の実施例の電極配置図である。

図６～図７を参照すると、複数の第１電極３４０のうち一部には一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５が配置される。そして、少なくとも一つの絶縁レッグ５００は複数の第１電極３４０のうち、Ｐ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５のうちいずれも配置されない電極６００上に配置され得る。この時、複数の第１電極３４０のうち、Ｐ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５のうちいずれも配置されない電極６００は電気的に連結されていない電極であり得、これに伴い、本明細書では独立電極６００と指称することができる。熱電素子内の電気の流れは独立電極６００を除いた残りの電極を通じてなされ得る。

上部基板側である複数の第２電極３６０も独立電極（図示されず）を含むことができ、第１電極に含まれる独立電極と第２電極に含まれる独立電極は互いに対称となるように配置され得る。

この時、独立電極６００は複数の第１電極３４０のうち縁の列または縁の行に配置されるか、中間の列および中間の行に配置され得る。ここで、縁の列または行は最外側に配置された列または行を意味するか、最外側に配置された列または行にすぐに隣接して配置された列または行を意味し得る。そして、中間の列または行は真ん中に配置された列または行を意味するか、真ん中に配置された列または行にすぐに隣接して配置された列または行を意味し得る。

例えば、複数の第１電極３４０の一角に第１端子連結電極７００が配置され、第１端子連結電極７００と同一の行の他角に第２端子連結電極７０２が配置される場合、独立電極６００は第１端子連結電極７００と同一の列の他角および第２端子連結電極７０２と同一の列の他角に配置され得る。そして、独立電極６００は第１端子連結電極７００と同一の行で第１端子連結電極７００と隣り合うように配置されたり、第２端子連結電極７０２と同一の行で第２端子連結電極７０２と隣り合うように配置されてもよい。

表１および図４で示した通り、Ａ領域、Ｄ領域、Ｉ領域およびＬ領域は熱電素子の駆動時に応力が高くなる領域であるため、熱電レッグの破損または熱電レッグと電極間の短絡可能性が高い。これに伴い、独立電極６００が熱電レッグの破損または短絡可能性が高い熱電素子の角付近に配置される場合、絶縁レッグ５００が破損したり、絶縁レッグ５００が独立電極６００から離脱しても、熱電素子の電流の流れには影響がなく、熱電素子が正常に駆動され得る。

また、表１および図４で示した通り、Ｅ領域、Ｆ領域、Ｇ領域およびＨ領域は熱電素子の駆動時に応力が高くなる領域であるため、熱電レッグの破損または熱電レッグと電極間の短絡可能性が高い。これに伴い、図示されてはいないが、独立電極６００が熱電レッグの破損または短絡可能性が高い熱電素子の中間領域付近に配置される場合、絶縁レッグ５００が破損したり、絶縁レッグ５００が独立電極６００から離脱しても、熱電素子の電流の流れには影響がなく、熱電素子が正常に駆動され得る。

一つの独立電極６００上には少なくとも一つ以上の絶縁レッグ５００が配置され得る。図６で各角ごとに二つの独立電極６００が配置され、各独立電極６００ごとに二つの絶縁レッグ５００が配置されたものを例にしているが、これに制限されるものではない。二つの独立電極６００は一つの独立電極に併合され得、一つの独立電極上に四個の絶縁レッグ５００が配置されてもよく、四個の絶縁レッグ５００を併合した大きさの一個の絶縁レッグが配置されてもよい。

図８は本発明の他の実施例により基板および電極上に配置された熱電レッグおよび絶縁レッグを示し、図９は図８の列別断面図であり、図１０は図８の実施例の電極配置図である。

図８～図１０を参照すると、複数の第１電極３４０のうち一部には一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５が配置される。そして、少なくとも一つの絶縁レッグ５００は複数の第１電極３４０のうち、Ｐ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５のうち少なくとも一つが配置された電極上でＰ型熱電レッグ３５０またはＮ型熱電レッグ３５５の隣に配置され得る。

本明細書ではＰ型熱電レッグ３５０またはＮ型熱電レッグ３５５とともに絶縁レッグ５００が配置された電極８００を並列電極と指称し得る。絶縁レッグ５００は電気的に絶縁されているため、熱電素子内の電気の流れには影響を及ぼさないことができる。

この時、並列電極８００は複数の第１電極３４０のうち縁の列または縁の行に配置されるか、中間の列および中間の行に配置され得る。

図８～１０は並列電極８００上に一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５が配置され、一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５の隣または一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５の間に絶縁レッグ５００がさらに配置される例を示す。一つの並列電極８００上で一対のＰ型熱電レッグ３５０およびＮ型熱電レッグ３５５の間に二つの絶縁レッグ５００が配置された場合、Ｐ型熱電レッグ３５０と一つの絶縁レッグ５００および他の一つの絶縁レッグ５００とＮ型熱電レッグ３５５は第２電極３６０側で隣り合う互いに異なる並列電極３６２に連結され得る。

ここで、複数の第１電極３４０の一角に第１端子連結電極７００が配置され、第１端子連結電極７００と同一の行の他角に第２端子連結電極７０２が配置される場合、並列電極８００は第１端子連結電極７００と同一の列の他角および第２端子連結電極７０２と同一の列の他角に配置され得る。そして、並列電極８００は第１端子連結電極７００と同一の行で第１端子連結電極７００と隣り合うように配置されたり、第２端子連結電極７０２と同一の行で第２端子連結電極７０２と隣り合うように配置されてもよい。

表１および図４で示した通り、Ａ領域、Ｄ領域、Ｉ領域およびＬ領域は熱電素子の駆動時に応力が高くなる領域であるため、熱電レッグの破損または熱電レッグと電極間の短絡可能性が高い。これに伴い、並列電極８００が熱電レッグの破損または短絡可能性が高い熱電素子の角付近に配置される場合、絶縁レッグ５００が破損したり、絶縁レッグ５００が並列電極８００から離脱しても、熱電素子の電流の流れには影響がなく、熱電素子が正常に駆動され得る。

また、表１および図４で示した通り、Ｅ領域、Ｆ領域、Ｇ領域およびＨ領域は熱電素子の駆動時に応力が高くなる領域であるため、熱電レッグの破損または熱電レッグと電極間の短絡可能性が高い。これに伴い、並列電極８００が熱電レッグの破損または短絡可能性が高い熱電素子の中で領域付近に配置される場合、絶縁レッグ５００が破損したり、絶縁レッグ５００が並列電極８００から離脱しても、熱電素子の電流の流れには影響がなく、熱電素子が正常に駆動され得る。

一つの並列電極８００上には少なくとも一つ、例えば複数の絶縁レッグ５００が配置され得る。図８～１０で並列電極８００ごとに一つまたは二つの絶縁レッグ５００が配置されたものを例にしているが、これに制限されるものではない。

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、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、光検出器内部の温度上昇による波長変化、出力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できるであろう。

Claims

第１基板、
前記第１基板上に配置された第１電極、
前記第１電極上に配置されたＰ型熱電レッグ、Ｎ型熱電レッグおよび絶縁レッグ、
前記Ｐ型熱電レッグ、前記Ｎ型熱電レッグおよび前記絶縁レッグ上に配置された第２電極、及び
前記第２電極上に配置された第２基板を含み、
前記第１電極は複数の第１電極を含み、前記第２電極は複数の第２電極を含み、
前記複数の第１電極の少なくとも一部のそれぞれ上に一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置され、
前記Ｐ型熱電レッグおよび前記Ｎ型熱電レッグそれぞれは第１メッキ層、前記第１メッキ層上に配置されて熱電素材を含む熱電素材層、そして前記熱電素材層上に配置された第２メッキ層を含み、
前記絶縁レッグは第３メッキ層、前記第３メッキ層上に配置されて高分子樹脂を含む絶縁層、及び前記絶縁層上に配置された第４メッキ層を含み、
前記絶縁レッグの弾性係数は３～１０００ＭＰａである、熱電素子。
前記第１メッキ層および前記第３メッキ層は同一の素材からなり、前記第２メッキ層および前記第４メッキ層は同一の素材からなる、請求項１に記載の熱電素子。
前記絶縁層はシリコン系の高分子樹脂を含む、請求項１に記載の熱電素子。
前記絶縁層は前記シリコン系の高分子樹脂を含み、順次積層された複数の樹脂層を含む、請求項３に記載の熱電素子。
前記絶縁層は前記複数の樹脂層間に配置された金属層をさらに含む、請求項４に記載の熱電素子。
少なくとも一つの絶縁レッグは前記複数の第１電極のうちＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置されていない独立電極上に配置され、前記独立電極は電気的に連結されていない、請求項１に記載の熱電素子。
前記絶縁レッグは前記複数の第１電極のうち縁の列または縁の行に配置された複数の電極のうち少なくとも一つの上に配置される、請求項１に記載の熱電素子。
前記第１電極は、前記複数の第１電極の一角に配置される第１端子連結電極および前記第１端子連結電極と同一の行の他角に配置される第２端子連結電極を含み、
前記絶縁レッグは前記第１端子連結電極と同一の列の他角および前記第２端子連結電極と同一の列の他角にそれぞれ配置された電極上に配置される、請求項７に記載の熱電素子。
前記第１電極は、前記複数の第１電極の一角に配置される第１端子連結電極および前記第１端子連結電極と同一の行の他角に配置される第２端子連結電極を含み、
前記絶縁レッグは前記第１端子連結電極と同一の行で前記第１端子連結電極と隣り合うように配置された電極または前記第２端子連結電極と同一の行で前記第２端子連結電極と隣り合うように配置された電極上に配置される、請求項７に記載の熱電素子。
前記絶縁レッグは、前記複数の第１電極のうち、中間の行および中間の列が会う領域に配置された電極上に配置される、請求項１に記載の熱電素子。