JP7473535B2 - 熱電素子 - Google Patents
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Description
本発明は熱電素子に関し、より詳細には熱電素子の電極に関する。
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、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。
一般的に、複数の電極は治具上に整列された後、基板上に接合され得る。この時、複数の電極を治具上に整列した後、基板上に接合するまで所定の時間および工程が要求され得、シリコンテープの転写および除去工程も要求され、熱電素子のサイズまたはデザイン別にジグが製作されなければならないため、これは工程費用を増加させる要因となり得る。また、複数の電極を基板上に接合する時、複数の電極上に加えられる圧力が不均一であり得、これに伴い、複数の電極と基板の間を接合する物質の一部が複数の電極まで届き得る。複数の電極の一部にでも異物が存在すると、熱電素子の電気伝導度に影響を及ぼし得る。また、複数の電極と基板の間の接合強度が不均一であるため、高温部側の基板と電極間の熱膨張係数の差によって一部の電極が基板から剥離する可能性がある。
一方、複数の電極それぞれの上には一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置され得、このために各電極上にソルダー層を印刷した後、ソルダー層上にＰ型熱電レッグとＮ型熱電レッグを接合することができる。この時、Ｐ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグがソルダー層上で滑ってチルティングされるか互いに接合する場合、ソルダー層が電極の外に溢れ出る場合などが時々発生し得、これに伴い、ショート不良が発生し得る。
本発明が達成しようとする技術的課題は熱電素子の電極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金属基板、前記第１金属基板上に配置される第１樹脂層、前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極、前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置された複数の第２電極、前記複数の第２電極上に配置される第２樹脂層、そして前記第２樹脂層上に配置される第２金属基板を含み、前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１樹脂層と接触する第１面、前記第１面に対向し一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される第２面、そして前記第２面の縁に沿って配置される第１突出部を含み、隣り合う第１電極の間に配置される前記第１樹脂層の厚さは前記第１面の下部に配置される前記第１樹脂層の厚さより小さい。
隣り合う第１電極の間に配置される前記第１樹脂層の厚さは前記隣り合う第１電極に近づくほど大きくなり得る。
前記隣り合う第１電極の間の少なくとも一部の領域には前記第１金属基板が露出し得る。
前記第２面の縁から前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される領域に近づくほど前記第１突出部の高さは低くなり得る。
前記第２面の縁から前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される領域に近づくほど前記第１突出部は高くなってから低くなり得る。
前記第１突出部の幅は前記第１電極の上面の長幅の５～２０％であり得る。
前記第１突出部は炭化物を含み、前記炭化物の炭素含量は３０ｗｔ％以上であり得る。
前記第１突出部は前記第２面の縁に沿って連続的に配置され得る。
前記第２面上に配置された第２突出部をさらに含み、前記第２突出部は前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグの間に配置され得る。
前記第２突出部の最高地点の高さは前記第１突出部の最高地点の高さより低くてもよい。
前記第２突出部は前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグの側面と所定距離で離隔し得る。
前記第２突出部は前記第１突出部と連結され得る。
前記第２突出部は前記第１突出部と分離され得る。
前記第１突出部は前記第２面をなす物質と同一の物質からなり得る。
前記第１突出部は炭素を含むことができる。
前記複数の第１電極のうち最外側に配置される一部の側面には前記第１樹脂層が配置され得る。
前記複数の第１電極のうち一部は、前記複数の第１電極のうち外郭に配置される第１電極であり、前記複数の第１電極のうち一部の側面は、前記複数の第１電極のうち外郭に配置される第１電極の側面のうち外側を向くように配置された側面であり得る。
本発明の他の実施例に係る熱電素子は、第１金属基板、前記第１金属基板上に配置される第１樹脂層、前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極、前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置された複数の第２電極、前記複数の第２電極上に配置される第２樹脂層、そして前記第２樹脂層上に配置される第２金属基板を含み、隣り合う第１電極の間に配置される前記第１樹脂層の高さは前記複数の第１電極の下面の高さより低く配置される。
本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子は、第１金属基板、前記第１金属基板上に配置される第１樹脂層、前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極、前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置された複数の第２電極、前記複数の第２電極上に配置される第２樹脂層、そして前記第２樹脂層上に配置される第２金属基板を含み、前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１樹脂層と接触する第１面、前記第１面に対向し一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される第２面、そして前記第２面に配置される第１突出部を含み、前記第１突出部は炭化物を含む。
本発明の実施例によると、製作工程が簡単で、熱伝導度が優秀であり、信頼性が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、電極配置のためのジグが不要であるため、多様なサイズおよび多様な形状の熱電素子を具現することが可能である。
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で組み合わせ得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は本発明の一実施例に係る熱電素子の断面図であり、図２は本発明の一実施例に係る熱電素子内の一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグを説明するための図面である。
図１～図２を参照すると、熱電素子１００は第１樹脂層１１０、複数の第１電極１２０、複数のＰ型熱電レッグ１３０、複数のＮ型熱電レッグ１４０、複数の第２電極１５０および第２樹脂層１６０を含む。
複数の第１電極１２０は第１樹脂層１１０と複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０の下面の間に配置され、複数の第２電極１５０は第２樹脂層１６０と複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０の上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は複数の第１電極１２０および複数の第２電極１５０によって電気的に連結される。第１電極１２０と第２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。
各第１電極１２０上には一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が配置され得、各第２電極１５０上には各第１電極１２０上に配置された一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０のうち一つが重なるように、一対のＮ型熱電レッグ１４０およびＰ型熱電レッグ１３０が配置され得る。
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は全体重量１００ｗｔ％に対してアンチモン（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）系主原料物質９９～９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１～１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。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０．００１～１ｗｔ％でさらに含むことができる。Ｎ型熱電レッグ１４０は全体重量１００ｗｔ％に対してセレン（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スマステルライド（Ｂｉ－Ｔｅ）系主原料物質９９～９９．９９９ｗｔ％とＢｉまたはＴｅを含む混合物０．００１～１ｗｔ％を含む熱電レッグであり得る。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０．００１～１ｗｔ％でさらに含むことができる。
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篩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ることができる。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ることができる。
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は同一形状および体積を有してもよく、互いに異なる形状および体積を有してもよい。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。
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のように表すことができる。
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。
本発明の他の実施例によると、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は図２（ｂ）で図示する構造を有してもよい。図２（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される第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２、そして第１メッキ層１３４－１、１４４－１および第２メッキ層１３４－２、１４４－２上にそれぞれ積層される第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２を含む。
この時、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１は互いに直接接触し、熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２は互いに直接接触することができる。そして、第１接合層１３６－１、１４６－１と第１メッキ層１３４－１、１４４－１は互いに直接接触し、第２接合層１３６－２、１４６－２と第２メッキ層１３４－２、１４４－２は互いに直接接触することができる。そして、第１メッキ層１３４－１、１４４－１と第１金属層１３８－１、１４８－１は互いに直接接触し、第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２金属層１３８－２、１４８－２は互いに直接接触することができる。
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は図１および図２（ａ）で図示したＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０と同一素材または形状を有することができる。
そして、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２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。第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２の熱膨張係数は熱電素材層１３２、１４２の熱膨張係数と類似するかより大きいので、焼結時に第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２と熱電素材層１３２、１４２間の境界面で圧縮応力が加えられるため、亀裂または剥離を防止することができる。また、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２と電極１２０、１５０間の結合力が高いため、熱電レッグ１３０、１４０は電極１２０、１５０と安定的に結合することができる。
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と第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２間の反応を防ぐため、熱電素子の性能の低下を防止できるだけでなく、第１金属層１３８－１、１４８－１および第２金属層１３８－２、１４８－２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接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２が配置され得る。この時、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２はＴｅを含むことができる。例えば、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層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、第１接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２それぞれの厚さは０．５～１００μｍ、好ましくは１～５０μｍであり得る。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接合層１３６－１、１４６－１および第２接合層１３６－２、１４６－２をあらかじめ配置して、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リッチ領域の発生を防止することができる。
これによると、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面までＴｅ含量はＢｉ含量より高く、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までＴｅ含量はＢｉ含量より高い。熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面までのＴｅ含量または熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含量対比０．８～１倍であり得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内のＴｅ含量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含量対比０．８倍～１倍であり得る。ここで、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内でもＴｅ含量は一定に維持され得、例えば熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面から熱電素材層１３２、１４２の中心部の方向に１００μｍ厚さ内でＴｅ重量比の変化率は０．９～１であり得る。
また、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内のＴｅの含量は、熱電素材層１３２、１４２内のＴｅの含量と同一または類似し得る。例えば、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内Ｔｅの含量は、熱電素材層１３２、１４２内Ｔｅの含量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含量は重量比であり得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２内Ｔｅの含量が５０ｗｔ％で含まれる場合、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内Ｔｅの含量は４０～５０ｗｔ％、好ましくは４２．５～５０ｗｔ％、さらに好ましくは４５～５０ｗｔ％、さらに好ましくは４７．５～５０ｗｔ％であり得る。また、第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内Ｔｅの含量はＮｉ対比大きくてもよい。第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内でＴｅの含量は一定に分布する反面、Ｎｉ含量は第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内で熱電素材層１３２、１４２方向に隣接するほど減少し得る。
そして、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含量は一定に分布され得る。例えば、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ重量比の変化率は０．８～１であり得る。ここで、Ｔｅ重量比の変化率が１に近いほど熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面から第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面までのＴｅ含量が一定に分布することを意味し得る。
そして、第１接合層１３６－１、１４６－１内第１メッキ層１３４－１、１４４－１と接する面、すなわち第１メッキ層１３６－１、１４６－１と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または第２接合層１３６－２、１４６－２内第２メッキ層１３４－２、１４４－２と接する面、すなわち第２メッキ層１３４－２、１４４－２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面でのＴｅの含量は、熱電素材層１３２、１４２内第１接合層１３６－１、１４６－１と接する面、すなわち熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２内第２接合層１３６－２、１４６－２と接する面、すなわち熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面でのＴｅの含量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含量は重量比であり得る。
そして、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含量は、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＴｅ含量と同一または類似して示されることが分かる。すなわち、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＴｅ含量は、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＴｅ含量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含量は重量比であり得る。ここで、熱電素材層１３２、１４２の中心部は熱電素材層１３２、１４２の中心を含む周辺領域を意味し得る。そして、境界面は境界面自体を意味するか、または境界面と境界面から所定距離内に隣接する境界面周辺領域を含むものを意味し得る。
そして、第１メッキ層１３６－１、１４６－１または第２メッキ層１３４－２、１４４－２内Ｔｅの含量は、熱電素材層１３２、１４２内Ｔｅの含量および第１接合層１３６－１、１４６－１または第２接合層１３６－２、１４６－２内Ｔｅの含量より低く示され得る。
また、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＢｉ含量は、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＢｉ含量と同一または類似して示されることが分かる。これに伴い、熱電素材層１３２、１４２の中心部から熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面に至るまでＴｅの含量がＢｉの含量より高く示されるため、熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面周辺または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面周辺でＢｉ含量がＴｅ含量を逆転する区間が存在しない。例えば、熱電素材層１３２、１４２の中心部のＢｉ含量は熱電素材層１３２、１４２と第１接合層１３６－１、１４６－１間の境界面または熱電素材層１３２、１４２と第２接合層１３６－２、１４６－２間の境界面のＢｉ含量の０．８～１倍、好ましくは０．８５～１倍、さらに好ましくは０．９～１倍、さらに好ましくは０．９５～１倍であり得る。ここで、含量は重量比であり得る。
ここで、第１樹脂層１１０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される複数の第１電極１２０、そして第２樹脂層１６０とＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される複数の第２電極１５０は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）およびニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一つを含むことができる。
そして、第１樹脂層１１０と第２樹脂層１６０の大きさは異なるように形成されてもよい。例えば、第１樹脂層１１０と第２樹脂層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。
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。
またはＰ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ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り製作され得る。ゾーンメルティング方式によると、熱電素材を利用してインゴット（ｉｎｇｏｔ）を製造した後、インゴットにゆっくり熱を加えて単一方向に粒子が再配列されるようにリファイニングし、ゆっくり冷却させる方法で熱電レッグを得る。粉末焼結方式によると、熱電素材を利用してインゴットを製造した後、インゴットを粉砕し篩分けして熱電レッグ用粉末を獲得し、これを焼結する過程を通じて熱電レッグを得る。
本発明の実施例によると、第１金属基板１７０上に第１樹脂層１１０が配置され、第２樹脂層１６０上に第２金属基板１８０が配置され得る。
第１金属基板１７０および第２金属基板１８０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金属基板１７０および第２金属基板１８０は第１樹脂層１１０、複数の第１電極１２０、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、複数の第２電極１５０、第２樹脂層１６０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１００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。これに伴い、第１金属基板１７０および第２金属基板１８０はそれぞれ第１金属支持体および第２金属支持体と混用され得る。
第１金属基板１７０の面積は第１樹脂層１１０の面積より大きくてもよく、第２金属基板１８０の面積は第２樹脂層１６０の面積より大きくてもよい。すなわち、第１樹脂層１１０は第１金属基板１７０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１６０は第２金属基板１８０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樹脂層１１０および第２樹脂層１６０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り得る。ここで、無機充填材はエポキシ樹脂組成物の６８～８８ｖｏｌ％で含まれ得る。無機充填材が６８ｖｏｌ％未満で含まれると、熱伝導効果が低くなり得、無機充填材が８８ｖｏｌ％を超過して含まれると樹脂層と金属基板間の接着力が低くなり得、樹脂層が容易に壊れ得る。
第１樹脂層１１０および第２樹脂層１６０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。
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。結晶性エポキシ化合物はメソゲン（ｍｅｓｏｇｅｎ）構造を含むことができる。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のうちエポキシ基を２個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一つを含むことができ、２種以上の硬化剤を混合して使ってもよい。
無機充填材は酸化物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、酸化物は酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛のうち少なくとも一つを含むことができ、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。ここで、窒化物が窒化ホウ素を含む場合、窒化ホウ素は板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体の形態で適用され得、窒化ホウ素凝集体の表面は下記の単位体１を有する高分子でコーティングされるか、窒化ホウ素凝集体内の空隙の少なくとも一部は下記の単位体１を有する高分子によって充填され得る。
単位体１は次の通りである。
ここで、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうち一つはＨであり、残りはＣ１～Ｃ３アルキル、Ｃ２～Ｃ３アルケンおよびＣ２～Ｃ３アルキンで構成されたグループから選択され、Ｒ５は線状、分枝状または環状の炭素数１～１２である２価の有機リンカーであり得る。
一実施例として、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうちＨを除いた残りのうち一つはＣ２～Ｃ３アルケンから選択され、残りのうち他の一つおよびさらに他の一つはＣ１～Ｃ３アルキルから選択され得る。例えば、本発明の実施例に係る高分子は下記の単位体２を含むことができる。
または前記Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４のうちＨを除いた残りは、Ｃ１～Ｃ３アルキル、Ｃ２～Ｃ３アルケンおよびＣ２～Ｃ３アルキンで構成されたグループから互いに異なるように選択されてもよい。
このように、単位体１または単位体２による高分子が板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体上にコーティングされ、窒化ホウ素凝集体内の空隙の少なくとも一部を充填すると、窒化ホウ素凝集体内の空気層が最小化されて窒化ホウ素凝集体の熱伝導性能を高めることができ、板状の窒化ホウ素間の結合力を高めて窒化ホウ素凝集体が壊れることを防止することができる。そして、板状の窒化ホウ素がかたまった窒化ホウ素凝集体上にコーティング層を形成すると、作用基を形成しやすくなり、窒化ホウ素凝集体のコーティング層上に作用基が形成されると、樹脂との親和度が高くなり得る。
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エポキシ樹脂組成物内に均一に分散され得、これに伴い、樹脂層全体として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。
または第１樹脂層１１０および第２樹脂層１６０のうち少なくとも一つはシリコン樹脂および無機充填材を含むシリコン樹脂組成物であり得、シリコン樹脂は、例えばＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｔｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を含むことができる。
図示されてはいないが、第１樹脂層１１０および第２樹脂層１６０のうち少なくとも一つは複数の層からなり得る。この時、複数の層それぞれは同一または互いに異なる樹脂組成物または無機充填材を含んで形成され得、それぞれの層の厚さは互いに異なり得る。これに伴い、第１樹脂層１１０および第２樹脂層１６０のうち少なくとも一つの絶縁性、接合力および熱伝導性能のうち少なくとも一つの特性をさらに向上させることができる。
図３～図７は、本発明の一実施例に係る熱電素子の金属基板と樹脂層間の接合構造を示す。説明の便宜のために第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０を例にして説明するが、同一の構造が第２金属基板１８０と第２樹脂層１６０間にも適用され得る。
図３～図５を参照すると、第１金属基板１７０の両面のうち第１樹脂層１１０が配置される面、すなわち第１金属基板１７０の両面のうち第１樹脂層１１０と向かい合う面は第１領域１７２および第２領域１７４を含み、第２領域１７４は第１領域１７２の内部に配置され得る。すなわち、第１領域１７２は第１金属基板１７０の縁から中心領域に向かって所定距離内に配置され得、第１領域１７２は第２領域１７４を囲むことができる。
この時、第２領域１７４の表面粗さは第１領域１７２の表面粗さより大きく、第１樹脂層１１０は第２領域１７４上に配置され得る。ここで、第１樹脂層１１０は第１領域１７２と第２領域１７４の間の境界から所定距離だけ離隔するように配置され得る。すなわち、第１樹脂層１１０は第２領域１７４上に配置されるものの、第１樹脂層１１０の縁は第２領域１７４の内部に位置することができる。これに伴い、第２領域１７４の表面粗さによって形成された溝４００の少なくとも一部には第１樹脂層１１０の一部、すなわち第１樹脂層１１０に含まれるエポキシ樹脂６００および無機充填材の一部６０４が浸み込まれ得、第１樹脂層１１０と第１金属基板１７０間の接着力が高くなり得る。
ただし、第２領域１７４の表面粗さは第１樹脂層１１０に含まれる無機充填材のうち一部の粒子の大きさＤ５０よりは大きく、他の一部の粒子の大きさＤ５０よりは小さく形成され得る。ここで、粒子の大きさＤ５０は粒度分布曲線で重量百分率の５０％に該当する粒径、すなわち通過質量百分率が５０％となる粒径を意味し、平均粒径と混用され得る。第１樹脂層１１０が無機充填材として酸化アルミニウムと窒化ホウ素を含む場合を例に挙げると、酸化アルミニウムは第１樹脂層１１０と第１金属基板１７０間の接着性能に影響を及ぼさないが、窒化ホウ素は表面がなめらかであるため第１樹脂層１１０と第１金属基板１７０間の接着性能に悪い影響を及ぼし得る。これに伴い、第２領域１７４の表面粗さを第１樹脂層１１０に含まれる酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０よりは大きいが、窒化ホウ素の粒子の大きさＤ５０よりは小さく形成すると、第２領域１７４の表面粗さによって形成された溝内には酸化アルミニウムのみが配置され、窒化ホウ素は配置され得ないため、第１樹脂層１１０と第１金属基板１７０は高い接合強度を維持することができる。
これに伴い、第２領域１７４の表面粗さは第１樹脂層１１０内に含まれた無機充填材のうち大きさが相対的に小さい無機充填材６０４、例えば酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０の１．０５～１．５倍であり、第１樹脂層１１０内に含まれた無機充填材のうち大きさが相対的に大きい無機充填材６０２、例えば窒化ホウ素の粒子の大きさＤ５０の０．０４～０．１５倍であり得る。
前述した通り、窒化ホウ素凝集体の粒子の大きさＤ５０が２５０～３５０μｍであり、酸化アルミニウムの粒子の大きさＤ５０が１０～３０μｍである場合、第２領域１７４の表面粗さは１～５０μｍであり得る。これに伴い、第２領域１７４の表面粗さによって形成された溝内には酸化アルミニウムのみが配置され、窒化ホウ素凝集体は配置され得ない。
これによると、第２領域１７４の表面粗さによって形成された溝内のエポキシ樹脂および無機充填材の含量は、第１金属基板１７０と複数の第１電極１２０の間の中心領域でエポキシ樹脂および無機充填材の含量と異なり得る。
このような表面粗さは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、断面曲線の山頂線、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を通じて得ることができる。
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だけ引き出して、平均線の方向を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。
図６～図７を参照すると、第１金属基板１７０の両面のうち第１樹脂層１１０が配置される面、すなわち第１金属基板１７０の両面のうち第１樹脂層１１０と向かい合う面は第１領域１７２および第１領域１７２によって囲まれ、第１領域１７２より表面粗さが大きく形成された第２領域１７４を含むものの、第３領域１７６をさらに含むことができる。
ここで、第３領域１７６は第２領域１７４の内部に配置され得る。すなわち、第３領域１７６は第２領域１７４によって囲まれるように配置され得る。そして、第２領域１７４の表面粗さは第３領域１７６の表面粗さより大きく形成され得る。
この時、第１樹脂層１１０は第１領域１７２と第２領域１７４間の境界から所定距離離隔するように配置されるものの、第１樹脂層１１０は第２領域１７４の一部および第３領域１７６をカバーするように配置され得る。
第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０間の接合強度を高めるために、第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０の間には接着層８００がさらに配置され得る。
接着層８００は第１樹脂層１１０をなすエポキシ樹脂組成物と同一のエポキシ樹脂組成物であり得る。例えば、第１樹脂層１１０をなすエポキシ樹脂組成物と同一のエポキシ樹脂組成物を未硬化状態で第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０の間に塗布した後、硬化した状態の第１樹脂層１１０を積層し、高温で加圧する方式で第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０を接合することができる。
この時、接着層８００の一部、例えば接着層８００をなすエポキシ樹脂組成物のエポキシ樹脂の一部および無機充填材の一部は第２領域１７４の表面粗さによる溝の少なくとも一部に配置され得る。
図８は本発明の一実施例に係る熱電素子の金属基板、樹脂層および電極の断面図であり、図９は本発明の他の実施例に係る熱電素子の金属基板、樹脂層および電極の断面図であり、図１０は本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の金属基板、樹脂層および電極の断面図であり、図１１は本発明の一実施例に係る電極の上面図および断面図である。説明の便宜のために、第１金属基板１７０、第１樹脂層１１０および複数の第１電極１２０側を例に挙げて説明するが、これに制限されるものではなく、同一の構造が第２金属基板１８０、第２樹脂層１６０および複数の第２電極１５０側にも適用され得る。また、複数の第１電極１２０のうち一つの第１電極１２０を例に挙げて説明するが、同一の構造が複数の第１電極１２０の全部または一部に適用され得る。
図８～図１１を参照すると、第１電極１２０は第１樹脂層１１０と接触する第１面１２１、第１面１２１に対向し一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が配置される第２面１２２、そして第２面１２２の縁に沿って配置される第１突出部１２３を含む。第１電極１２０の表面にはメッキ層、例えばＮｉ／Ｓｎメッキ層が形成され得る。第１突出部１２３は第２面１２２上で上に突出し得る。この時、図１１（ａ）で図示された通り、第１突出部１２３は第２面１２２の縁に沿って連続的に配置され得る。例えば、第１電極１２０の第２面１２２が長方形の形状である場合、第１突出部１２３は長方形の形状の縁に沿って途切れずに連続的に配置され得る。このように、第１突出部１２３が第２面１２２の縁に沿って配置される場合、ソルダリングを利用して第２面１２２上に一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０を接合する時にソルダー層が第１電極１２０外側に流れ出て電極をショートさせる問題を防止することができる。ソルダー層が第１突出部１２３を乗り越えて第１電極１２０の外側に流れ出る問題を防止するために、第１突出部１２３と一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０は所定間隔で離隔するように配置されてもよい。これに伴い、第１突出部１２３と一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の間にソルダー層が収容されることが可能である。また、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が第２面１２２上でチルティングされるか、第２面１２２から離脱する問題も防止することができる。
この時、図８で図示された通り、第１突出部１２３は第１電極１２０をなす物質、すなわち第２面１２２をなす物質と同一の物質からなり得る。または図９に図示された通り、第１突出部１２３は第２面１２２をなす物質が炭化した物質、すなわち炭化物を含むことができ、これに伴い、炭素を含んでもよい。この時、第１電極１２０の側面も炭素を含むことができる。ここで、炭化物の炭素含量は３０ｗｔ％以上、好ましくは５０ｗｔ％以上であり得る。
この時、第１突出部１２３の表面は曲面を有することができ、第１突出部１２３を含む第１電極１２０の断面の形状は縁の高さが高く、一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が配置される領域の高さが低いカップの形状であり得る。例えば、図１１（ｂ）に図示された通り、第２面１２２の縁から一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が配置される領域に近づくほど第１突出部１２３の高さは低くなり得る。または図１１（ｃ）に図示された通り、第２面１２２の縁から一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０が配置される領域に近づくほど第１突出部１２３の高さは高くなってから低くなり得る。すなわち、第１突出部１２３の断面は曲線の山の形状を有し得る。
ここで、第１突出部１２３の断面がゆるやかな曲線の形状を有するものとして図示されているが、これに制限されるものではなく、第１突出部１２３の断面は尖がっている形状を有したり、ランダムな形状を有してもよい。
ここで、第１突出部１２３の幅Ｗ１は第１電極１２０の幅Ｗ２の５～２０％であり得る。ここで、第１電極１２０の幅Ｗ２は第１突出部１２３を含む電極全体の幅であり得、第１電極１２０が長方形の形状である場合、第１電極１２０の上面の長幅を意味し得る。ここで、長幅は長方形の形状で長い辺の幅を意味し得る。ここで、第１突出部１２３の幅Ｗ１が第１電極１２０の幅Ｗ２の５％未満である場合、第１突出部１２３がＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の離脱防止機能を十分に遂行できない可能性があり、第１突出部１２３が容易に破損しながら熱電素子１００に異物として作用し得る。そして、第１突出部１２３の幅Ｗ１が第１電極１２０の幅Ｗ２の２０％を超過する場合、第１電極１２０上にＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０を実装するための領域が減少し得、これに伴い、同一高さの熱電素子を基準として素子の抵抗値が増加することになって熱電素子の特性が低下し得る。
一方、本発明の実施例によると、隣り合う第１電極１２０の間に配置される第１樹脂層１１０の厚さｄ１は第１面１２１の下部に配置される第１樹脂層１１０の厚さｄ２より小さくてもよい。すなわち、第１電極１２０の側下部に配置される第１樹脂層１１０の厚さは第１面１２１の下部に配置される第１樹脂層１１０の厚さより小さくてもよい。
例えば、隣り合う第１電極１２０の間に配置される第１樹脂層１１０の厚さは隣り合う第１電極１２０に近づくほど大きくなり得る。すなわち、隣り合う第１電極１２０の間に配置される第１樹脂層１１０の厚さは各第１電極１２０の第１面１２１の縁から遠くなり、隣り合う第１電極１２０の間の中間地点に近づくほど小さくなり得る。すなわち、隣り合う第１電極１２０の間に配置される第１樹脂層１１０にはＶ字またはＵ字状の溝が形成され得る。
例えば、図１０に図示された通り、隣り合う第１電極１２０の間の少なくとも一部の領域には第１金属基板１７０が露出してもよい。
これによると、第１電極１２０と第１金属基板１７０間の絶縁は維持されるものの、第１電極１２０と第１金属基板１７０間の熱伝導性能が向上し得、第１電極１２０の上部に第１樹脂層１１０が流入する問題がないため、第１電極１２０の電気電導度も向上し得る。
この時、第１突出部１２３の高さＨ１は第１電極１２０の高さおよび第１樹脂層１１０に形成された溝の高さの和Ｈ２、すなわち第１電極１２０の最上面から実際に加工される深さの２～３５％であり得る。第１突出部１２３の高さＨ１が第１電極１２０の高さおよび第１樹脂層１１０に形成された溝の高さの和Ｈ２の２％未満である場合、第１突出部１２３がＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０の離脱防止機能を十分に遂行できない可能性があり、第１突出部１２３が容易に破損しながら熱電素子１００に異物として作用し得る。そして、第１突出部１２３の高さＨ１が第１電極１２０の高さおよび第１樹脂層１１０に形成された溝の高さの和Ｈ２の３５％を超過する場合、第１電極１２０上にＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０を実装するためにソルダー層を印刷する時、印刷マスクと第１電極１２０の表面間の高さが過度に高くなるため、ソルダー層を印刷する工程が円滑に進行されない可能性がある。
本発明の実施例によると、第１金属基板１７０上に未硬化または半硬化状態で塗布された第１樹脂層１１０上に通板の形態の金属層を接合した後、金属層を機械で切断したり、レーザー加工して複数の第１電極１２０を形成することができる。金属層を機械で切断する場合、図８に図示されたように、第２面１２２をなす物質と同一の物質からなる突出部１２３が第２面１２２の縁に形成され得る。金属層を機械で切断する場合、金属層の表面に形成されたメッキ層、例えばＮｉ／Ｓｎメッキ層は機械切断時に剥がれ得、これに伴い、金属層をなす金属、例えば銅が外部に露出し得る。前述した通り、第１電極１２０上にＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０を実装するためにソルダー層を印刷する場合、銅とソルダー層間の濡れ性が悪いため銅の表面にソルダー層が接着され難く、これに伴いソルダー層が第１電極１２０の外に溢れる問題を防止することができる。
金属層をレーザー加工によって切断する場合、金属層の切断面はレーザーのバーニング（ｂｕｒｎｉｎｇ）によって炭化し、これに伴い、図９に図示されたように、第１突出部１２３が炭素を含むことができ、レーザー加工によって形成された第１電極１２０の側面も炭素を含むことができる。炭素は電気的絶縁特性を示す物質であるため、これによると、電極間の絶縁効果も期待することができる。
一方、第１樹脂層１１０の硬度は金属層の硬度より低くてもよい。これに伴い、複数の第１電極１２０を形成するために金属層を機械で切断したり、レーザー加工する場合、第１樹脂層１１０の少なくとも一部も共に削除され得る。この時、レーザー出力などにより第１樹脂層１１０が削除される高さが変わり得る。
このように、通板の形態の金属層を第１樹脂層１１０に配置した後、機械で切断したりレーザー加工して複数の第１電極１２０を形成する場合、治具上に複数の第１電極１２０を整列した後に第１樹脂層１１０に配置する場合に比べて工程および費用を節減することができ、多様な電極形状、多様な電極配置構造および多様な電極個数を容易に具現することができる。
図１２は本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の金属基板、樹脂層、電極および熱電レッグの断面図であり、図１３～図１４は図１２に係る熱電素子の電極の上面図および断面図である。図８～１１と同一内容については重複した説明を省略する。
図１２～図１４を参照すると、第１電極１２０上に一対のＰ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０が実装され、このために第１電極１２０および一対のＰ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０を接合するためのソルダー層Ｓがさらに配置され得る。
第１電極１２０は第２面１２２上に配置された第２突出部１２４をさらに含む。
第２突出部１２４は一対のＰ型熱電レッグとＮ型熱電レッグが配置される第２電極１２０の第２面１２２上でＰ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の間に配置され得、第２突出部１２４はＰ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の間でＰ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の側面と所定距離で離隔し得る。このように、第２突出部１２４が配置されると、Ｐ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０のチルティングまたは接合を防止することができる。
この時、第２突出部１２４は図１３～図１４に図示された通り、複数個の第２突出部１２４を含むことができ、図１３に図示された通り、第１突出部１２３と連結されたり、図１４に図示された通り、第１突出部１２３から離隔し得る。
ここで、図１３～図１４に図示された通り、第２突出部１２４には溝Ｇが形成され得る。第１突出部１２３のように第２突出部１２４も機械切断またはレーザー加工によって形成される場合、加工時にレーザーが加えられる領域を中心に山の形状の凹部および突出部が形成され得る。この時、Ｐ型熱電レッグ１３０とＮ型熱電レッグ１４０の間に配置される第１電極１２０は完全に切断され得ないため、第２突出部１２４を形成するために加えられるレーザーの出力は第１突出部１２３を形成するために加えられるレーザーの出力より弱くてもよい。これに伴い、第２突出部１２４の最高地点の高さは第１突出部１２３の最高地点の高さより低くてもよい。
一方、図８～図１０および図１２に図示された通り、複数の第１電極１２０の最外郭には熱電レッグが配置されないダミー電極が配置され得、ダミー電極の上面には第１突出部１２３が全体的に形成され得る。
図１５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８～図１４と同一内容は重複した説明を省略する。
図１５を参照すると、複数の第１電極１２０のうち最外側に配置される一部の側面には第１樹脂層１１０が配置され得る。すなわち、図８～１４で第１電極１２０の第１面１２１の側下部に配置される第１樹脂層１１０の厚さは第１電極１２０の第１面１２１の下部に配置される第１樹脂層１１０の厚さより小さく、さらには隣り合う第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０の一部が削除されるものとして説明したが、複数の第１電極１２０のうち一部の側面に配置された第１樹脂層１１０の厚さｄ３は第１面１２１の下部に配置された第１樹脂層１１０の厚さｄ２より厚くてもよい。このように、側面に第１樹脂層１１０が配置される第１電極１２０は、複数の第１電極１２０のうち外郭に配置される第１電極１２０であり得、第１樹脂層１１０が配置される側面は複数の第１電極１２０のうち外郭に配置される第１電極１２０の側面のうち熱電素子１００の外側に向かうように配置された側面であり得る。
これは、通板の形態の金属層を未硬化または半硬化状態の第１樹脂層１１０上に配置した後に加圧して第１樹脂層１１０内に金属層の側面の一部を埋め立てた後、電極の形状に機械切断またはレーザー加工することによって得ることができる。
このように、複数の第１電極１２０のうち一部の側面には第１樹脂層１１０が配置される場合、第１電極１２０と第１樹脂層１１０間の接触面積および接合強度を高めることができ、これに伴い、複数の第１電極１２０のうち縁に配置される第１電極１２０が熱膨張によって第１樹脂層１１０から離脱しやすい問題を最小化することができる。
図１６～図１７は本発明の実施例によりレーザー加工によって電極を形成した後に撮影した写真であり、図１８は本発明の実施例により機械加工によって電極を形成した後に撮影した写真である。
図１６～図１７を参照すると、レーザー加工によって切断された電極の上面の縁に突出部が形成され、電極の周辺部が炭化することが分かる。
特に、隣り合う両電極の間の底面であるＡ領域、レーザー加工によって切断された電極の側面であるＢ領域、電極の上面の縁に沿って形成された突出部であるＣ領域および電極の上面の中心領域であるＤ領域でそれぞれ元素の含量を測定した結果は表１～４の通りである。
表１を参照すると、隣り合う両電極の間の底面であるＡ領域に基板の成分であるＡｌが検出されることから、隣り合う両電極の間で金属基板の一部が露出し得ることが分かり、表１～４を参照すると、電極の切断面および突出部で金属の一部が炭化することが分かる。特に、表３を参照すると、突出部の炭化物は３０ｗｔ％以上、好ましくは５０ｗｔ％以上の炭素を含むことが分かる。
図１８を参照すると、機械加工によって切断された電極の上面の縁に突出部が形成され、電極表面のメッキ層が剥がれて銅が露出することが分かる。
図１９は、本発明の実施例に係る熱電素子が適用された浄水器のブロック図である。
本発明の実施例に係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はフィルタアセンブリ１３で浄水された水を浄水タンク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を通じて流入した水を貯蔵および外部に供給するように浄水された水をしばらく収容する。
フィルタアセンブリ１３は沈殿フィルタ１３ａと、プレカーボンフィルタ１３ｂと、メンブレンフィルタ１３ｃと、ポストカーボンフィルタ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アセンブリ１３を経由しながら浄水され得る。
蓄熱槽１５が浄水タンク１２と、熱電装置１０００の間に配置されて、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に印加されて浄水タンク１２０に収容された水を冷却させる。
冷気の伝達が円滑に行われ得るように、蓄熱槽１５は浄水タンク１２と面接触され得る。
熱電装置１０００は前述した通り、吸熱面と発熱面を具備し、Ｐ型半導体およびＮ型半導体上の電子移動によって、一側は冷却し、他側は加熱する。
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、前述した通り、熱電装置１０００は防水および防塵性能が優秀であり、熱流動性能が改善されて浄水器内で浄水タンク１２を効率的に冷却することができる。
以下では、図２０を参照して本発明の実施例に係る熱電素子が冷蔵庫に適用された例を説明する。
図２０は、本発明の実施例に係る熱電素子が適用された冷蔵庫のブロック図である。
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。
詳細には、前記深温蒸発室カバー２３の前方に該当す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の後方に該当す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と吸込グリル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て、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、冷凍室に供給された後再びメイン蒸発器側に戻る。
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側を向き、発熱面が蒸発器側に向かう構造をなす。したがって、熱電装置１０００で発生する吸熱現象を利用して引き出しアセンブリに貯蔵された飲食物を摂氏零下５０度以下の超低温状態に迅速に冷却させるのに使われ得る。
また、前述した通り、熱電装置１０００は防水および防塵性能が優秀であり、熱流動性能が改善して、冷蔵庫内で引き出しアセンブリを効率的に冷却することができる。
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、カップホルダー、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）などに適用され得る。
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（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）機器がある。ＰＣＲ機器はＤＮＡを増幅させて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（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（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサ、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が適用され得る。これに伴い、光検出器の内部の温度上昇による波長の変化、出力の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（Ｉｎ ｖｉｔｒｏ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）分野、温度制御および冷却システム（ｇｅｎｅｒａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ）、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、その他の産業分野に発電、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 (17)
- 第１金属基板、
前記第１金属基板上に配置される第１樹脂層、
前記第１樹脂層上に配置された複数の第１電極、
前記複数の第１電極上に配置された複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ、
前記複数のＰ型熱電レッグおよび複数のＮ型熱電レッグ上に配置された複数の第２電極、
前記複数の第２電極上に配置される第２樹脂層、そして
前記第２樹脂層上に配置される第２金属基板を含み、
前記複数の第１電極のうち少なくとも一つは、前記第１樹脂層と接触する第１面、前記第１面に対向し一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される第２面、そして前記第２面の縁に沿って配置される第１突出部を含み、
前記第１突出部が前記第２面の縁から前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される領域に近づくほど前記第１突出部の高さは低くなる領域を含む、熱電素子。 - 隣り合う第１電極の間に配置される前記第１樹脂層の厚さは前記隣り合う第１電極に近づくほど大きくなる、請求項１に記載の熱電素子。
- 前記隣り合う第１電極の間の少なくとも一部の領域には前記第１金属基板が露出する、請求項１又は２に記載の熱電素子。
- 前記第１突出部の幅は前記第１電極の上面の長幅の５～２０％である、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 前記第１突出部は炭化物を含み、
前記炭化物の炭素含量は３０ｗｔ％以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱電素子。 - 前記第１突出部は前記第２面の縁に沿って連続的に配置される、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 前記第２面上に配置された第２突出部をさらに含み、
前記第２突出部は前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグの間に配置された、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱電素子。 - 前記複数の第１電極のうち最外側に配置される一部の側面には前記第１樹脂層が配置される、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 隣り合う第１電極の間に配置される前記第１樹脂層の厚さは前記複数の第１電極の下面に配置される第１樹脂層の厚さより低く配置される、請求項１～８のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 前記第１突出部が前記第２面の縁から前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグが配置される領域に近づくほど前記第１突出部は高くなってから再び低くなる、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 前記第２突出部の最高地点の高さは、前記第１突出部の最高地点の高さより低い、請求項７に記載の熱電素子。
- 前記第２突出部は、一対の前記Ｐ型熱電レッグと前記Ｎ型熱電レッグの側面と所定距離で離隔する、請求項７に記載の熱電素子。
- 前記第２突出部は、前記第１突出部と連結される、請求項７に記載の熱電素子。
- 前記第２突出部は、前記第１突出部と分離される、請求項７に記載の熱電素子。
- Ｎｉ／Ｓｎメッキ層が、前記複数の第１電極の表面上に形成される、請求項１～１４のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 第１突出部と前記一対のＰ型熱電レッグおよびＮ型熱電レッグの間にソルダー層が収容される、請求項１～１５のいずれか１項に記載の熱電素子。
- 前記複数の第１電極の最外郭には、熱電レッグが配置されないダミー電極が配置される、請求項１～１６のいずれか１項に記載の熱電素子。
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