JP2023518572A - 熱電素子 - Google Patents
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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絶縁層、前記第１絶縁層上に配置された第１接合層、前記第１接合層上に配置された第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絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなり、前記第２絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり、前記第１接合層はシランカップリング剤を含む。
Description
本発明は熱電素子に関し、より詳細には熱電素子の絶縁層に関する。
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、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アレイの形態で配置され、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。この時、上部基板と下部基板のうち一つは低温部となり、残りの一つは高温部となり得る。
一方、熱電素子の熱伝導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電極および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ものの、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。熱電素子の耐電圧を改善するために金属基板と電極の間に配置される絶縁層の組成または構造を変形しようとする試みがあるが、絶縁層の組成または構造によって熱電素子の熱伝導性能が低くなる問題が発生し得る。
本発明が達成しようとする技術的課題は熱伝導性能および耐電圧性能がすべて改善された熱電素子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絶縁層、前記第１絶縁層上に配置された第１接合層、前記第１接合層上に配置された第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絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなり、前記第２絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり、前記第１接合層はシランカップリング剤を含む。
前記シランカップリング剤はエポキシ基、アミノ基およびビニル基のうち少なくとも一つの作用基を含むことができる。
前記第１絶縁層と前記第１接合層は互いに化学的に結合し、前記第１接合層と前記第２絶縁層は互いに化学的に結合することができる。
前記第１接合層の厚さは１～５μｍであり得る。
前記第２絶縁層の厚さは前記第１絶縁層の厚さより大きく、前記第１絶縁層の厚さは前記第１接合層の厚さより大きくてもよい。
前記第３絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり得る。
前記第３絶縁層と前記第２基板の間に配置され、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる第４絶縁層、そして前記第３絶縁層と前記第４絶縁層間に配置されてシランカップリング剤を含む第２接合層をさらに含むことができる。
前記第３絶縁層と前記第２基板の間に配置された酸化アルミニウム層をさらに含み、前記第２基板はアルミニウム基板であり得る。
前記酸化アルミニウム層は前記アルミニウム基板の表面全体に配置され得る。
前記第１基板または前記第２基板のうち少なくとも一つに配置されたヒートシンクをさらに含むことができる。
本発明の一実施例に係る発電装置は、第１流体が流動するように流路が形成された第１流体流動部、前記第１流体流動部と結合する熱電素子、そして前記熱電素子と結合し、前記第１流体より高温である第２流体が流動するように流路が形成された第２流体流動部を含み、前記熱電素子は、前記第１流体流動部と結合された第１基板、前記第１基板上に配置された第１絶縁層、前記第１絶縁層上に配置された第１接合層、前記第１接合層上に配置された第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、前記第２流体流動部と結合された第２基板を含み、前記第１絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなり、前記第２絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり、前記第１接合層はシランカップリング剤を含む。
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、耐電圧性能が改善された熱電素子が得られる。これに伴い、本発明の実施例に係る熱電素子が発電装置に適用される場合、高い発電性能が得られる。
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でも適用され得る。
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、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１～２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し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内の電荷が移動して電気が発生することもある。
図１～図４で口出し線１８１、１８２が下部基板１１０に配置されるものとして図示されているが、これで制限されるものではなく、口出し線１８１、１８２が上部基板１６０に配置されたり、口出し線１８１、１８２のうち一つが下部基板１１０に配置され、残りの一つが上部基板１６０に配置されてもよい。
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。これに伴い、本明細書で熱電レッグは半導体構造物、半導体素子、半導体材料層、半導体物質層、半導体素材層、導電性半導体構造物、熱電構造物、熱電材料層、熱電物質層、熱電素材層などとも指称され得る。
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い分けし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、楕円形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は積層型の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を向く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（ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｍｅｒｉｔ、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。
ここで、αはゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、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、ｋは熱伝導度［Ｗ／ｍＫ］である。ｋはａ・ｃｐ・ρで示すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ２／Ｓ］、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、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１～２０Ｗ／ｍＫ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。例えば、ゼーベック効果のために高温領域に配置されるか、ペルティエ効果のために発熱領域に適用されるかまたは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配置される基板の体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つが異なる基板の体積、厚さまたは面積のうち少なくとも一つよりさらに大きくてもよい。
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１９０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。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。
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してもよい。
一方、前述した通り、熱電素子の熱伝導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。ただし、熱電素子が金属基板を含む場合、熱伝導の側面では有利な効果が得られるものの、耐電圧が低くなる問題がある。特に、熱電素子が高電圧環境下で適用される場合、２．５ｋＶ以上の耐電圧性能が要求されている。熱電素子の耐電圧性能を改善するために金属基板と電極の間に組成が互いに異なる複数の絶縁層を配置することができる。ただし、複数の絶縁層間の低い界面接着力によってリフロー環境のような高温に露出時、複数の絶縁層間の熱膨張係数の差によるせん断応力が発生し得、これに伴い、複数の絶縁層間の界面の接合が破壊されてエアキャップ（ａｉｒ ｃａｐ）が発生し得る。複数の絶縁層間の界面のエアキャップは基板の熱抵抗を上昇させ得、これに伴い、熱電素子の両端の温度差を減少させ、熱電素子が発電装置に適用される場合、発電装置の発電性能を減少させ得る。
本発明の実施例によると、複数の絶縁層間の界面の接合力を向上させて熱伝導性能および耐電圧性能がすべて改善された熱電素子を得ようとする。
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熱電素子の断面図である。図１～４で説明した内容と同一の内容については重複した説明を省略する。
図５～図８を参照すると、本発明の実施例に係る熱電素子３００は第１基板３１０、第１基板３１０上に配置された第１絶縁層３２０、第１絶縁層３２０上に配置された第１接合層３２２、第１接合層３２２上に配置された第２絶縁層３２４、第２絶縁層３２４上に配置された複数の第１電極３３０、複数の第１電極３３０上に配置された複数のＰ型熱電レッグ３４０および複数のＮ型熱電レッグ３５０、複数のＰ型熱電レッグ３４０および複数のＮ型熱電レッグ３５０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５～図８に図示されてはいないが、第１基板３１０または第２基板３８０にはヒートシンクがさらに配置され得、第１基板３１０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てもよい。
一般的に、電線は熱電素子３００の低温部側に連結され得る。また、熱電素子３００の高温部側には熱電素子３００が適用されるアプリケーションの器材が搭載され得る。これに伴い、熱電素子３００の低温部側および高温部側はいずれも耐電圧性能が要求され得る。
一方、熱電素子３００の高温部側は熱電素子３００の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。銅基板はアルミニウム基板に比べて熱伝導度および電気伝導度が高い。これに伴い、第１基板３１０および第２基板３８０のうち、熱電素子３００の低温部側に配置される基板はアルミニウム基板であり、熱電素子３００の高温部側に配置される基板は銅基板であり得、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すべて満足させることができる。
一方、本発明の実施例によると、第１基板３１０上に第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４が配置され、第２絶縁層３２４上に第１電極３３０が配置される。
この時、第１絶縁層３２０はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含んでもよい。ここで、複合体はＳｉ元素とＡｌ元素を含む無機物とアルキル鎖で構成された有機／無機複合体であり得、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得る。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が優秀であり、これに伴い高い耐電圧性能が得られる。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ン、ジルコニウム、ホウ素、亜鉛など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／無機混合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に熱処理する過程を通じて得られ得る。無機バインダーは、例えばシリカ（ＳｉＯ２）、金属アルコキシド、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）および酸化亜鉛（ＺｎＯ２）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るものの、水に触れるとゾルまたはケル化されてバインディングの役割をすることができる。この時、シリカ（ＳｉＯ２）、金属アルコキシドおよび酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）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３１０との密着力を高める役割をし、酸化亜鉛（ＺｎＯ２）は第１絶縁層３２０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３２０全体の８０ｗｔ％以上、好ましくは８５ｗｔ％以上、さらに好ましくは９０ｗｔ％以上で含まれ得る。
この時、第１絶縁層３２０には０．１μｍ以上の表面粗さ（Ｒａ）が形成されてもよい。表面粗さは複合体をなす粒子が第１絶縁層３２０の表面から突出して形成され得、表面粗さ測定機を利用して測定され得る。表面粗さ測定機は探針を利用して断面曲線を測定し、断面曲線の稜線、谷底線、平均線および基準長さを利用して表面粗さを算出することができる。本明細書で、表面粗さは中心線平均算出法による算術平均粗さ（Ｒａ）を意味し得る。算術平均粗さ（Ｒａ）は下記の数学式２を通じて得られ得る。
すなわち、表面粗さ測定機の探針を得た断面曲線を基準長さＬだけ抜き取って平均線方向をｘ軸とし、高さ方向をｙ軸として関数（ｆ（ｘ））で表現した時、数学式２によって求められる値をμｍで表すことができる。
このように、第１絶縁層３２０の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上である場合、第２絶縁層３３０との接触面積が広くなることになり、これに伴い、第２絶縁層３２４との接合強度が高まり得る。特に、後述するように、第２絶縁層３２４が樹脂層からなる場合、第１絶縁層３２０の表面粗さによって形成された溝の間に第２絶縁層３２４の樹脂層が入り込みやすいので、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４の間の接合強度がさらに高くなり得る。
この時、第１絶縁層３２０は湿式工程を通じて第１基板３１０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などであり得る。これによると、第１絶縁層３２０の厚さを制御し易く、多様な組成の複合体を適用することが可能である。
本発明の実施例によると、第１絶縁層３２０がシリコンおよびアルミニウムを含む複合体からなり、湿式工程で形成されるため、表面粗さが０．１μｍ以上に形成され得る。
一方、第２絶縁層３２４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およびＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン（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３２４は第１絶縁層３２０と第１電極３３０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６０～８０ｗｔ％で含まれ得る。無機充填材が６０ｗｔ％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８０ｗｔ％を超過して含まれると無機充填材が樹脂内に均一に分散され難く、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のうち少なくとも一つを含むことができる。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。
第２絶縁層３２４がＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ））樹脂および酸化アルミニウムを含む樹脂組成物である場合、第１絶縁層３２０内のシリコンの含量（例えば、重量比）は第２絶縁層３２４内のシリコンの含量より高く含まれ、第２絶縁層３２４内のアルミニウムの含量は第１絶縁層３２０内のアルミニウムの含量より高く含まれ得る。これによると、第１絶縁層３２０内のシリコンが耐電圧性能の向上に主に寄与し、第２絶縁層３２４内の酸化アルミニウムが熱伝導性能の向上に主に寄与することができる。これに伴い、第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４がすべて絶縁性能および熱伝導性能を有するものの、第１絶縁層３２０の耐電圧性能は第２絶縁層３２４の耐電圧性能より高く、第２絶縁層３２４の熱伝導性能は第１絶縁層３２０の熱伝導性能より高くてもよい。
一方、第２絶縁層３２４は未硬化状態または半硬化状態の樹脂組成物を第１絶縁層３２０上に塗布した後、予め整列された複数の第１電極３３０を配置して加圧する方式で形成され得る。これによると、第１絶縁層３２０の表面粗さ（Ｒａ）による溝内に第２絶縁層３２４をなす樹脂組成物が入り込むことになって第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４間の接合強度が高まり得る。また、複数の第１電極３３０の側面の一部は第２絶縁層３２４内に埋め立てられ得る。この時、第２絶縁層３２４内に埋め立てられた複数の第１電極３３０の側面の高さＨ１は複数の第１電極３３０の厚さＨの０．１～１．０倍、好ましくは０．２～０．９倍、さらに好ましくは０．３～０．８倍であり得る。このように、複数の第１電極３３０の側面の一部が第２絶縁層３２４内に埋め立てられると、複数の第１電極３３０と第２絶縁層３２４間の接触面積が広くなることになり、これに伴い、複数の第１電極３３０と第２絶縁層３２４間の熱伝達性能および接合強度がさらに高くなり得る。第２絶縁層３２４内に埋め立てられた複数の第１電極３３０の側面の高さＨ１が複数の第１電極３３０の厚さＨの０．１倍未満の場合、複数の第１電極３３０と第２絶縁層３２４間の熱伝達性能および接合強度を十分に得ることが困難であり得、第２絶縁層３２４内に埋め立てられた複数の第１電極３３０の側面の高さＨ１が複数の第１電極３３０の厚さＨの１．０倍を超過する場合、第２絶縁層３２４が複数の第１電極３３０上に上がってくる可能性があり、これに伴い、電気的に短絡される可能性がある。
さらに詳しくは、複数の第１電極３３０の間で第２絶縁層３２４の厚さはそれぞれの電極の側面から中心領域に行くほど減少し、頂点が円満な「Ｖ」の形状を有し得る。したがって、複数の第１電極３３０の間の第２絶縁層３２４は厚さの偏差を有し、複数の第１電極３３０の側面と直接接触する領域での高さＴ２が最も高く、中心領域での高さＴ３は複数の第１電極３３０の側面と直接接触する領域での高さＴ２より低くてもよい。すなわち、複数の第１電極３３０の間の第２絶縁層３２４の中心領域の高さＴ３は複数の第１電極３３０の間の第２絶縁層３２４内で最も低くてもよい。また、複数の第１電極３３０の下の第２絶縁層３２４の高さＴ１は複数の第１電極３３０の間の第２絶縁層３２４の中心領域の高さＴ３より低くてもよい。
一方、第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４の組成により第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４の硬度、弾性係数、延伸率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）およびヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）のうち少なくとも一つが変わり得、これに伴い、耐電圧性能、熱伝導性能、接合性能および熱衝撃緩和性能などを制御することが可能である。
例えば、第１絶縁層３２０全体に対する複合体の重量比は第２絶縁層３２４全体に対する無機充填材の重量比より高くてもよい。前述した通り、複合体はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、さらに具体的に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を含む複合体であり得る。例えば、第１絶縁層３２０全体に対する複合体の重量比は８０ｗｔ％を超過し、第２絶縁層３２４全体に対する無機充填材の重量比は６０～８０ｗｔ％であり得る。このように、第１絶縁層３２０に含まれる複合体の含量が第２絶縁層３２４に含まれるセラミック粒子の含量より高い場合、第１絶縁層３２０の硬度が第２絶縁層３２４の硬度より高くてもよい。これに伴い、第１絶縁層３２０は高い耐電圧性能および高い熱伝導性能を同時に有することができ、第２絶縁層３２４は第１絶縁層３２０より高い弾性を有することができ、第２絶縁層３２４は第１絶縁層３２０と第１電極３３０の間の接着性能を高めることができ、熱電素子３００の駆動時に熱衝撃を緩和することができる。この時、弾性は引張強度（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）で表すことができる。例えば、第２絶縁層３２４の引張強度は２～５ＭＰａ、好ましくは２．５～４．５ＭＰａ、さらに好ましくは３～４ＭＰａであり得、第１絶縁層３２０の引張強度は１０ＭＰａ～１００Ｍｐａ、好ましくは１５ＭＰａ～９０ＭＰａ、さらに好ましくは２０ＭＰａ～８０ＭＰａであり得る。
この時、第１絶縁層３２０の厚さは２０～７０μｍ、好ましくは３０～６０μｍ、さらに好ましくは４０～５０μｍであり、第２絶縁層３３０の厚さは８０～１２０μｍ、好ましくは９０～１１０μｍ、さらに好ましくは９５～１０５μｍであり得る。この時、第２絶縁層３２４の厚さは第１絶縁層３２０の厚さの１．２倍～３．５倍、好ましくは１．２倍～３倍、さらに好ましくは１．２倍～２．５倍であり得る。
第１絶縁層３２０の厚さおよび第２絶縁層３２４の厚さがそれぞれこのような数値範囲を満足させる場合、耐電圧性能、熱伝導性能、接合性能および熱衝撃緩和性能を同時に得ることが可能である。特に、第１絶縁層３２０の厚さが２０μｍ未満であると高い耐電圧性能を得ることが難しく、第２絶縁層３２４の熱膨張によって壊れやすく、７０μｍを超過すると熱伝導性能が低くなり得る。
一方、本発明の実施例によると、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４の間には第１接合層３２２が配置され得、これに伴い、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４は第１接合層３２２によって接合され得る。この時、第１接合層３２２はシランカップリング剤を含むことができる。
図９は、第１基板上に第１絶縁層、第１接合層および第２絶縁層を配置する過程を説明する図面である。
図９（ａ）を参照すると、第１基板３１０上に第１絶縁層３２０を配置した後、第１絶縁層３２０上にシランカップリング剤をコーティングする。ここで、第１基板３１０は銅基板であり得、第１絶縁層３２０は２０～７０μｍの厚さでコーティングされ得る。そして、シランカップリング剤は第１絶縁層３２０上に１～５μｍの厚さでコーティングされ得る。これによると、シランカップリング剤は第１絶縁層３２０の表面に水素結合で吸着され得る。
以後、図９（ｂ）を参照すると、順次積層された第１基板３１０、第１絶縁層３２０およびシランカップリング剤は熱硬化され得る。これによると、第１絶縁層３２０とシランカップリング剤間には脱水縮合反応が起き、これと同時に第１絶縁層３２０の有機材料とシランカップリング剤の有機材料間の物理化学的結合が形成され得る。これに伴い、第１絶縁層３２０とシランカップリング剤は化学的に結合され、その結果、シランカップリング剤の作用基によって第１絶縁層３２０が表面改質され得る。
次に、図９（ｃ）を参照すると、第２絶縁層３２４が８０～１２０μｍの厚さでスクリーンプリンティングされ、図９（ｄ）を参照すると、電極（図示されず）を配置した後に圧着および熱硬化され得る。これによると、シランカップリング剤の作用基と第２絶縁層３２４の間には脱水縮合反応が起き、これと同時にシランカップリング剤の作用基と第２絶縁層３２４の有機材料間の物理化学的結合が形成され得る。これに伴い、シランカップリング剤と第２絶縁層３２４は化学的に結合され得る。
これによると、組成および弾性が異なる第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４は第１接合層３２２を媒介として化学的に結合され得るため、第１基板３１０と第１電極３３０の間の第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４が高温に露出されても第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４間の界面の接合力が維持され得る。
この時、本発明の実施例に係る第１接合層３２２に含まれるシランカップリング剤は、エポキシ基、アミノ基およびビニル基のうち少なくとも一つの官能基を含むことができる。エポキシ基を含むシランカップリング剤は、例えば３－グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（３－ｇｌｙｃｉｄｏｘｙｐｒｏｐｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）であり得る。アミノグループを含むシランカップリング剤は、例えば３－アミノプロピルトリメトキシシラン（３－ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）であり得る。ビニル基を含むシランカップリング剤は、例えばピニルトリクロロシラン（ｖｉｎｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）であり得る。
この時、第１接合層３２２の厚さは１～５μｍであり得る。第１接合層３２２の厚さが１μｍ未満であると、第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４との化学的結合に参加する作用基が不足して、第１絶縁層３２０および第２絶縁層３２４間の界面の接合力が所望の水準に保障されないことがある。そして、第１接合層３２２の厚さが５μｍを超過すると熱抵抗が増加して発電量が低下し得る。
一方、図示されてはいないが、第２絶縁層３２４の面積は第１絶縁層３２０の面積より小さくてもよい。すなわち、第２絶縁層３２４は第１絶縁層３２０の全面ではない一部上に配置され得る。例えば、第２絶縁層３２４は複数の第１電極３３０、複数のＰ型およびＮ型熱電レッグ３４０、３５０および複数の第２電極３６０と垂直に重なる領域に配置されるものの、第２絶縁層３２４の縁は第１絶縁層３２０の縁から所定距離離隔するように配置され得る。これによると、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４間の熱膨張係数の差による第１基板３１０の反り現象を改善し、熱応力を緩和することができる。これに伴い、第１電極３３０または熱電レッグ３４０、３５０が脱落したり、電気的に開放される問題を防止することができ、熱伝達効果を改善することができ、最終的には熱電素子の発電量または冷却特性を改善できる。
この時、第１絶縁層３２４は複数の第１電極３３０、複数のＰ型およびＮ型熱電レッグ３４０、３５０および複数の第２電極３６０と垂直に重なる重なり領域および重なり領域の一面から突出した一対の突出領域を含み、一対の突出領域は互いに離隔するように配置され得る。この時、一対の突出領域にはそれぞれターミナル電極が配置され、ターミナル電極上には口出し線１８１、１８２を連結するためのコネクタが配置され得る。この時、突出領域も第１絶縁層３２４の縁から所定距離離隔するように配置され得る。これによると、第２絶縁層３２４の熱膨張係数が第１絶縁層３２０の熱膨張係数より大きい場合にも、第１基板３１０が反る問題を最小化することができる。
以下、比較例および実施例を利用して本発明の実施例に係る構造の耐電圧性能、接合性能および発電性能を説明しようとする。
比較例では厚さが０．３ｍｍである銅基板上に４５μｍ厚さの第１絶縁層３２０をスプレーコーティングし、第１絶縁層３２０上に１００μｍ厚さの第２絶縁層３２４をスクリーンプリンティングした後、電極を圧着し熱硬化した。
実施例１では厚さが０．３ｍｍである銅基板上に４５μｍ厚さの第１絶縁層３２０をスプレーコーティングし、第１絶縁層３２０上にピニルトリクロロシランを２～５μｍ厚さでコーティングした後に熱硬化し、その上に１００μｍ厚さの第２絶縁層３２４をスクリーンプリンティングした後、電極を圧着し熱硬化した。
実施例２では厚さが０．３ｍｍである銅基板上に４５μｍ厚さの第１絶縁層３２０をスプレーコーティングし、第１絶縁層３２０上に３－アミノプロピルトリメトキシシランを２～５μｍ厚さでコーティングした後に熱硬化し、その上に１００μｍ厚さの第２絶縁層３２４をスクリーンプリンティングした後、電極を圧着し熱硬化した。
実施例３では厚さが０．３ｍｍである銅基板上に４５μｍ厚さの第１絶縁層３２０をスプレーコーティングし、第１絶縁層３２０上に３－グリシドキシプロピルトリメトキシシランを２～５μｍ厚さでコーティングした後に熱硬化し、その上に１００μｍ厚さの第２絶縁層３２４をスクリーンプリンティングした後、電極を圧着し熱硬化した。
比較例および実施例１～３に対して、耐電圧、第１絶縁層と第２絶縁層間のせん断応力および発電量を測定した。ここで、耐電圧性能はＡＣ２．５ｋＶの電圧、１０ｍＡの電流、６０Ｈｚの条件下で１分の間絶縁破壊なしに維持される特性を意味し得る。耐電圧性能は基板上に絶縁層を配置した後基板にある端子を連結し、絶縁層の９個のポイントに対してそれぞれ他の端子を連結してＡＣ２．５ｋＶの電圧、１０ｍＡの電流、６０Ｈｚの条件下で１分の間絶縁破壊なしに維持されるかをテストする方法で測定した。そして、プッシュプルゲージを利用して３個の電極に対して電極および第２絶縁層肝の接合が損傷する力を利用してせん断応力を測定した。表１は比較例および実施例１～３による耐電圧、せん断応力および発電量を測定した結果を示す。
表１を参照すると、比較例および実施例１～実施例３はいずれも耐電圧性能を有するが、比較例に比べて実施例１～実施例３で高いせん断応力および発電量を有することが分かる。すなわち、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４が直接接合されることに比べて、第１絶縁層３２０と第２絶縁層３２４の間にシランカップリング剤が配置される場合にさらに高い接合強度で接合されることが分かり、その結果、発電量が高くなることが分かる。特に、実施例１～実施例３を比較する時、エポキシ基を有するシランカップリング剤を使った実施例３でせん断応力および発電量が最も高く、アミノ基を有するシランカップリング剤を使った実施例２およびビニル基を有するシランカップリング剤を使った実施例１で順次高いせん断応力および発電量が得られることが分かる。これはエポキシ基を有するシランカップリング剤の場合、エポキシ基の酸素が第２絶縁層３２４の樹脂層内のシロキサンと追加で水素結合をして強い接合力を維持するためであるものと予想される。一方、図５を参照すると、第１基板３１０と第１電極３３０の間には第１絶縁層３２０、第１接合層（３２２および第２絶縁層３２４が順次配置され、第２電極３６０と第２基板３８０の間には第３絶縁層３７０が配置される。この時、第３絶縁層３７０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およびＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン（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。この時、第３絶縁層３７０の組成、厚さ、硬度、弾性係数、延伸率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）およびヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）のうち少なくとも一つは第２絶縁層３２４の組成、厚さ、硬度、弾性係数、延伸率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）およびヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）のうち少なくとも一つと同一または異なり得る。例えば、熱電素子３００の高温部および低温部の位置により、第３絶縁層３７０の組成、厚さ、硬度、弾性係数、延伸率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）およびヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）のうち少なくとも一つは第２絶縁層３２４の組成、厚さ、硬度、弾性係数、延伸率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）およびヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ）のうち少なくとも一つと異なり得る。
例えば、第１基板３１０は熱電素子３００の高温部に配置され、第２基板３８０は熱電素子３００の低温部に配置され得る。これによると、第１基板３１０は頻繁な頻度で高温に露出されるため、第１基板３１０と第１電極３３０の間は熱膨張係数の差によって浮きが発生しやすい。本発明の実施例により、第１基板３１０と第１電極３３０の間に第１絶縁層３２０、第１接合層３２２および第２絶縁層３２４が配置されると、頻繁な頻度で高温に露出されても第１基板３１０と第１電極３３０の間は高い接合強度で維持され得る。
または図６を参照すると、第１基板３１０と第１電極３３０の間と第２基板３８０と第２電極３６０の間が対称となる構造を有してもよい。すなわち、第１基板３１０と第１電極３３０の間には第１絶縁層３２０、第１接合層（３２２および第２絶縁層３２４が順次配置され、第２電極３６０と第２基板３８０の間には第３絶縁層３７０、第２接合層３７２および第４絶縁層３７４が順次配置されてもよい。この時、第３絶縁層３７０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、第４絶縁層３７４は第１絶縁層３２０と同様にシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含んでもよく、第２接合層３７２はシランカップリング剤を含むことができる。
または図７～図８を参照すると、第１基板３１０と第１電極３３０の間には第１絶縁層３２０、第１接合層（３２２および第２絶縁層３２４が順次配置され、第２電極３６０と第２基板３８０の間には第３絶縁層３７０が配置され得る。この時、第３絶縁層３７０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。
そして、第２基板３８０がアルミニウム基板であり、第３絶縁層３７０と第２基板３８０の間には酸化アルミニウム層３７６がさらに配置されてもよい。この時、酸化アルミニウム層３７６は第２基板３８０に別途に積層された酸化アルミニウム層であってもよく、アルミニウム基板である第２基板３８０を表面処理して酸化された酸化アルミニウム層であってもよい。例えば、酸化アルミニウム層はアルミニウム基板である第２基板３８０をアノダイジング（ａｎｏｄｉｚｉｎｇ）して形成されるか、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得る。
この時、図７に図示された通り、酸化アルミニウム層３７６は第２基板３８０の両面のうち第３絶縁層３７０が配置された面だけでなく第３絶縁層３７０が配置された面の反対面にも配置され得る。
または図８に図示された通り、酸化アルミニウム層３７６は第２基板３８０の全表面に配置されてもよい。
これによると、酸化アルミニウム層３７６は第２基板３８０側の熱抵抗を高めないながらも耐電圧性能を高めることができ、第２基板３８０の表面の腐食を防止することができる。第１基板３１０が熱電素子３００の高温部に配置され、第２基板３８０が熱電素子３００の低温部に配置される場合、熱伝導性能および耐電圧性能を最適化するために、第１基板３１０は銅基板であり、第２基板３８０はアルミニウム基板であり得る。この時、図７～図８の実施例の通り、アルミニウム基板に酸化アルミニウム層がさらに配置された場合、アルミニウム基板の耐電圧を高めることができる。特に、酸化アルミニウム層はアルミニウム基板のアノダイジングによって容易に形成され得るため、製作工程が単純化され得る。
一方、前述した通り、本発明の実施例によると、第１基板３１０および第２基板３８０のうち少なくとも一つにはヒートシンクが接合され得る。
図１０は、本発明の一実施例に係る熱電素子の接合構造を示す。
図１０を参照すると、熱電素子３００は複数の締結部材４００によって締結され得る。例えば、第１基板３１０にヒートシンク３９０が配置された場合、複数の締結部材４００はヒートシンク３９０と第１基板３１０を締結するか、ヒートシンク３９０、第１基板３１０と第２基板（図示されず）を締結するか、ヒートシンク３９０、第１基板３１０、第２基板（図示されず）と冷却部（図示されず）を締結するか、第１基板３１０、第２基板（図示されず）と冷却部（図示されず）を締結するか、第１基板３１０と第２基板（図示されず）を締結することができる。または第２基板（図示されず）と冷却部（図示されず）は第２基板（図示されず）上の有効領域の外側で他の締結部材を通じて連結されてもよい。
このために、ヒートシンク３９０、第１基板３１０、第２基板（図示されず）、冷却部（図示されず）には締結部材４００が貫通する貫通ホールＳが形成され得る。ここで、貫通ホールＳと締結部材４００の間には別途の絶縁挿入部材４１０がさらに配置され得る。別途の絶縁挿入部材４１０は締結部材４００の外周面を囲む絶縁挿入部材または貫通ホールＳの壁面を囲む絶縁挿入部材であり得る。これによると、熱電素子の絶縁距離を広げることが可能である。
一方、絶縁挿入部材４１０の形状は図１０（ａ）および図１０（ｂ）に例示された通りであり得る。例えば、図１０（ａ）に例示された通り、絶縁挿入部材４１０は第１基板３１０に形成された貫通ホールＳ領域に段差を形成して貫通ホールＳの壁面の一部を囲むように配置され得る。または絶縁挿入部材４１０は第１基板３１０に形成された貫通ホールＳ領域に段差を形成して貫通ホールＳの壁面に沿って第２電極（図示されず）が配置される第１面まで延びるように配置されてもよい。
図１０（ａ）を参照すると、第１基板３１０の第１電極と接する第１面の貫通ホールＳの直径ｄ２’は第２基板の第２電極と接する第１面の貫通ホールの直径と同一であり得る。この時、絶縁挿入部材４１０の形状により、第１基板３１０の第１面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２’は第１面の反対面である第２面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２と異なり得る。図示されてはいないが、貫通ホールＳ領域に段差を形成せずに第１基板３１０の上面の一部にのみ絶縁挿入部材４１０が配置されるか、第１金属基板３１０の上面から貫通ホールＳの壁面の一部又は全部まで絶縁挿入部材４１０が延びるように配置される場合、第１基板３１０の第１面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２’は第１面の反対面である第２面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２と同一であり得る。
図１０（ｂ）を参照すると、絶縁挿入部材４１０の形状によって、第１基板３１０の第１電極と接する第１面の貫通ホールＳの直径ｄ２’は第２基板の第２電極と接する第１面の貫通ホールの直径より大きくてもよい。この時、第１基板３１０の第１面の貫通ホールＳの直径ｄ２’は第２基板の第１面の貫通ホールの直径の１．１～２．０倍であり得る。第１基板３１０の第１面の貫通ホールＳの直径ｄ２’が第２基板の第１面の貫通ホールの直径の１．１倍未満であると、絶縁挿入部材４１０の絶縁効果が微小であり熱電素子の絶縁破壊が引き起こされ得、第１基板３１０の第１面の貫通ホールＳの直径ｄ２’が第２基板の第１面の貫通ホールの直径の２．０倍を超過すると貫通ホールＳが占める領域の大きさが相対的に増加することになって第１基板３１０の有効面積が減少することになり、熱電素子の効率が低下し得る。
そして、絶縁挿入部材４１０の形状によって、第１基板３１０の第１面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２’は第１面の反対面である第２面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２と異なり得る。前述した通り、第１基板３１０の貫通ホールＳ領域に段差が形成されない場合、第１基板３１０の第１面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２’は第１面の反対面である第２面に形成された貫通ホールＳの直径ｄ２と同一であり得る。
図示されてはいないが、本発明の実施例に係る熱電素子がゼーベック効果を利用する発電装置に適用される場合、熱電素子は第１流体流動部および第２流体流動部と結合することができる。第１流体流動部は熱電素子の第１基板および第２基板のうち一つに配置され、第２流体流動部は熱電素子の第１基板および第２基板のうち他の一つに配置され得る。第１流体流動部および第２流体流動部のうち少なくとも一つには、第１流体および第２流体のうち少なくとも一つが流動するように流路が形成され得、場合により第１流体流動部および第２流体流動部のうち少なくとも一つが省略され、第１流体および第２流体のうち少なくとも一つが熱電素子の基板に直接的に流動してもよい。例えば、第１基板および第２基板のうち一つと隣接して第１流体が流動し、他の一つと隣接して第２流体が流動することができる。この時、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。これに伴い、第１流体流動部は冷却部と指称されてもよい。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い。これに伴い、第２流体流動部は冷却部と指称され得る。ヒートシンク３９０は第１流体流動部および第２流体流動部のうちさらに高い温度の流体が流れる側の基板に連結され得る。第１流体と第２流体間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 (10)
- 第１基板、
前記第１基板上に配置された第１絶縁層、
前記第１絶縁層上に配置された第１接合層、
前記第１接合層上に配置された第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絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなり、
前記第２絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり、
前記第１接合層はシランカップリング剤を含む、熱電素子。 - 前記シランカップリング剤はエポキシ基、アミノ基およびビニル基のうち少なくとも一つの官能基を含む、請求項１に記載の熱電素子。
- 前記第１絶縁層と前記第１接合層は互いに化学的に結合し、前記第１接合層と前記第２絶縁層は互いに化学的に結合する、請求項１に記載の熱電素子。
- 前記第１接合層の厚さは１～５μｍである、請求項１に記載の熱電素子。
- 前記第２絶縁層の厚さは前記第１絶縁層の厚さより大きく、前記第１絶縁層の厚さは前記第１接合層の厚さより大きい、請求項４に記載の熱電素子。
- 前記第３絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層である、請求項１に記載の熱電素子。
- 前記第３絶縁層と前記第２基板の間に配置され、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる第４絶縁層、そして
前記第３絶縁層と前記第４絶縁層間に配置されてシランカップリング剤を含む第２接合層をさらに含む、請求項６に記載の熱電素子。 - 前記第３絶縁層と前記第２基板の間に配置された酸化アルミニウム層をさらに含み、前記第２基板はアルミニウム基板である、請求項６に記載の熱電素子。
- 前記第１基板または前記第２基板のうち少なくとも一つに配置されたヒートシンクをさらに含む、請求項１に記載の熱電素子。
- 第１流体が流動するように流路が形成された第１流体流動部、
前記第１流体流動部と結合する熱電素子、そして
前記熱電素子と結合し、前記第１流体より高温である第２流体が流動するように流路が形成された第２流体流動部を含み、
前記熱電素子は、
前記第１流体流動部と結合された第１基板、
前記第１基板上に配置された第１絶縁層、
前記第１絶縁層上に配置された第１接合層、
前記第１接合層上に配置された第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、前記第２流体流動部と結合された第２基板を含み、
前記第１絶縁層はシリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなり、
前記第２絶縁層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と無機充填材を含む樹脂組成物からなる樹脂層であり、
前記第１接合層はシランカップリング剤を含む、発電装置。
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