(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-06
(45)【発行日】2024-02-15
(54)【発明の名称】熱電素子
(51)【国際特許分類】
H10N 10/17 20230101AFI20240207BHJP
H10N 10/813 20230101ALI20240207BHJP
【ＦＩ】
H10N10/17 A
H10N10/813
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2020570776
(86)(22)【出願日】2019-06-05
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-10-28
(86)【国際出願番号】 KR2019006826
(87)【国際公開番号】W WO2020004827
(87)【国際公開日】2020-01-02
【審査請求日】2022-05-18
(31)【優先権主張番号】10-2018-0073413
(32)【優先日】2018-06-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】517099982
【氏名又は名称】エルジー イノテック カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100114188
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100119253
【弁理士】
【氏名又は名称】金山 賢教
(74)【代理人】
【識別番号】100129713
【弁理士】
【氏名又は名称】重森 一輝
(74)【代理人】
【識別番号】100137213
【弁理士】
【氏名又は名称】安藤 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100143823
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 英彦
(74)【代理人】
【識別番号】100183519
【弁理士】
【氏名又は名称】櫻田 芳恵
(74)【代理人】
【識別番号】100196483
【弁理士】
【氏名又は名称】川嵜 洋祐
(74)【代理人】
【識別番号】100203035
【弁理士】
【氏名又は名称】五味渕 琢也
(74)【代理人】
【識別番号】100160749
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 陽一
(74)【代理人】
【識別番号】100160255
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 祐輔
(74)【代理人】
【識別番号】100202267
【弁理士】
【氏名又は名称】森山 正浩
(74)【代理人】
【識別番号】100182132
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 隆
(74)【代理人】
【識別番号】100146318
【弁理士】
【氏名又は名称】岩瀬 吉和
(72)【発明者】
【氏名】イ，セウン
(72)【発明者】
【氏名】ユ，ヨンサム
(72)【発明者】
【氏名】イ，スンファン
【審査官】田邊 顕人
(56)【参考文献】
【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－００５６３７０（ＫＲ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－０１１０４１１（ＫＲ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１４－０１１０８０４（ＫＲ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００６４３３６（ＫＲ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００７６３５８（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２２５３４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／００８１６６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－１０９１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１９９５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１１００８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／１６１１７４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２０９１３９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００８－３０５９８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０１２２３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２３４３６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２０１６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１３０４５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０２６６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０４６１４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０３２６８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３３２３９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３０３３２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０６６４３１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ １０／１７
Ｈ１０Ｎ １０／８１３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１金属基板、前記第１金属基板上に配置され、前記第１金属基板と直接接触する第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、及び
前記第２樹脂層上に配置され、前記第２樹脂層と直接接触する第２金属基板を含み、
前記第１金属基板および前記第１樹脂層は低温部であり、前記第２金属基板および前記第２樹脂層は高温部であり、
前記第１樹脂層と前記複数の第１電極間の接合強度は前記第２樹脂層と前記複数の第２電極間の接合強度より高い、熱電素子。
【請求項2】
前記第１樹脂層と前記複数の第１電極の間は接着された状態であり、前記第２樹脂層と前記複数の第２電極間は接触した状態である、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項3】
前記第１金属基板と前記第２金属基板は互いに固定された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項4】
前記第１金属基板と前記第２金属基板はスクリューによって固定された、請求項３に記載の熱電素子。
【請求項5】
前記第２樹脂層には複数の溝が形成され、前記複数の第２電極の両面のうち前記第２樹脂層と接触する面および前記複数の第２電極の側面の一部は前記複数の溝内に収容された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項6】
前記複数の溝それぞれの幅は前記複数の第２電極の両面のうち前記第２樹脂層と接触する面それぞれの幅より大きい、請求項５に記載の熱電素子。
【請求項7】
前記複数の溝それぞれの幅は、前記複数の第２電極のそれぞれの両面のうち前記第２樹脂層と接触する面の幅の１．０１倍～１．２倍である、請求項６に記載の熱電素子。
【請求項8】
前記複数の溝それぞれの壁面は、前記複数の第２電極のそれぞれの側面から離隔している、請求項５に記載の熱電素子。
【請求項9】
前記複数の第１電極の側面の一部は前記第１樹脂層内に埋め立てられ、前記複数の第２電極の側面の一部は前記第２樹脂層内に埋め立てられ、
前記第２樹脂層内に埋め立てられた前記複数の第２電極の側面の高さは前記第１樹脂層内に埋め立てられた前記第１電極の側面の高さより小さい、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項10】
前記第２樹脂層内に埋め立てられた前記複数の第２電極の側面の高さは、前記第１樹脂層内に埋め立てられた前記第１電極の側面の高さの０．０１倍～０．５倍である、請求項９に記載の熱電素子。
【請求項11】
前記複数の第２電極の少なくとも１つと前記第２樹脂層の間に空気層が形成されている、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項12】
前記複数の第１電極の少なくとも１つの断面の形状は、前記複数の第２電極の少なくとも１つの断面の形状と異なる、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項13】
前記複数の第１電極の少なくとも１つにおける前記第１樹脂層と向かい合う第１面の幅は、前記第１面と反対の第２面の幅と異なる、請求項１２に記載の熱電素子。
【請求項14】
前記第１面の幅は前記第２面の幅の０．８～０．９５倍である、請求項１３に記載の熱電素子。
【請求項15】
前記複数の第１電極の少なくとも１つにおける前記第１樹脂層と向かい合う第１面と、前記第１面と反対の第２面の間の側面は、所定の曲率を有する曲面を含む、請求項１２に記載の熱電素子。
【請求項16】
前記第１金属基板の両面のうち前記第１樹脂層が配置される面の上に表面粗さが形成される、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項17】
前記第１金属基板と前記第１樹脂層の間に配置される接着層を更に含む、請求項１に記載の熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は熱電素子に関し、より詳細には熱電素子の組立構造に関する。
【背景技術】
【0002】
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、熱と電気間の直接的なエネルギーの変換を意味する。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。熱電素子が発電用装置に適用される場合、低温部と高温部間の温度差が大きいほど発電性能が高くなる。これに伴い、高温部は２００℃以上に温度が上昇し得る。高温部の温度が２００℃以上になると、高温部側の基板と電極間の熱膨張係数の差によって電極構造が破壊され得る。これに伴い、電極上に配置されたソルダーと熱電レッグ間の接合面にクラックが発生し得、これは熱電素子の信頼性を失墜させ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が達成しようとする技術的課題は熱電素子の組立構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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、前記第１金属基板と直接接触する第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、前記第２樹脂層と直接接触する第２金属基板を含み、前記第１樹脂層と前記複数の第１電極間の接合強度は前記第２樹脂層と前記複数の第２電極間の接合強度と異なる。
【0008】
前記第１金属基板および前記第１樹脂層は低温部であり、前記第２金属基板および前記第２樹脂層は高温部であり、前記第１樹脂層と前記複数の第１電極間の接合強度は前記第２樹脂層と前記複数の第２電極間の接合強度より高くてもよい。
【0009】
前記第１樹脂層と前記複数の第１電極の間の接合強度は前記第２樹脂層と前記複数の第２電極の間の接合強度の５倍以上であり得る。
【0010】
前記第２樹脂層と前記複数の第２電極の間の接合強度は３ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以下であり得る。
【0011】
前記第１樹脂層と前記複数の第１電極の間の接合強度は２０ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以上であり得る。
【0012】
前記第１樹脂層と前記複数の第１電極の間は接着された状態であり、前記第２樹脂層と前記複数の第２電極間は接触した状態であり得る。
【0013】
前記第１金属基板と前記第２金属基板は互いに固定され得る。
【0014】
前記第１金属基板と前記第２金属基板はスクリューによって固定され得る。
【0015】
前記第２樹脂層には複数の溝が形成され、前記複数の第２電極の両面のうち前記第２樹脂層と接触する面および前記複数の第２電極の側面の一部は前記複数の溝内に収容され得る。
【0016】
前記複数の溝それぞれの幅は前記複数の第２電極の両面のうち前記第２樹脂層と接触する面それぞれの幅より大きくてもよい。
【0017】
前記複数の第１電極の側面の一部は前記第１樹脂層内に埋め立てられ得る。
【0018】
前記複数の第２電極の側面の一部は前記第２樹脂層内に埋め立てられ、前記第２樹脂層内に埋め立てられた前記複数の第２電極の側面の高さは前記第１樹脂層内に埋め立てられた前記第１電極の側面の高さより小さくてもよい。
【発明の効果】
【0019】
本発明の実施例によると、熱伝導度が優秀であり、熱損失が低く、信頼性が高い熱電素子を得ることができる。特に、本発明の実施例に係る熱電素子は高温でも安定した信頼性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施例に係る熱電素子の断面図である。
【図2】本発明の一実施例に係る熱電素子を製作する過程を説明する図面である。
【図3】本発明の一実施例に係る熱電素子を製作する過程を説明する図面である。
【図4】本発明の一実施例と他の一実施例に係る熱電素子の電極断面である。
【図5】本発明の一実施例と他の一実施例に係る熱電素子の電極断面である。
【図6】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7】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】本発明の一実施例に係る熱電素子の第１金属基板の上面図である。
【図11】本発明の他の実施例に係る熱電素子の第１金属基板の上面図である。
【図13】比較例および実施例に係る熱電素子の抵抗変化率および発電量変化率を比較したグラフである。
【図14】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。
【図15】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。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明は多様な変更を加えることができ、多様な実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示して説明する。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範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
【0022】
第２、第１等のように序数を含む用語は多様な構成要素の説明に使われ得るが、前記構成要素は前記用語によって限定されはしない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく第２構成要素は第１構成要素と命名され得、同様に第１構成要素も第２構成要素と命名され得る。および／またはという用語は複数の関連した記載された項目の組み合わせまたは複数の関連した記載された項目のうちいずれかの項目を含む。
【0023】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されていたり又は接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいと理解されるべきである。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及された時には、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。
【0024】
本出願で使った用語は単に特定の実施例を説明するために使われたものであって、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白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」等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って、一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あらかじめ排除しないものと理解されるべきである。
【0025】
異なって定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使わ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している。一般的に使わ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、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。
【0026】
以下、添付された図面を参照して実施例を詳細に説明するものの、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、これに対する重複する説明は省略する。
【0027】
【0028】
図１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。
【0029】
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。リード線を通じて第１電極１２０および第２電極１５０に電圧が印加されると、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。または第１電極１２０および第２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、電気が発生することもある。
【0030】
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。
【0031】
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ズマステルライド（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ズマステルライド（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。
【0032】
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。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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
【数1】
【0036】
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で示すことができ、ａは熱拡散度［ｃｍ２／Ｓ］であり、ｃｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］、ρは密度［ｇ／ｃｍ３］である。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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し得る。
【0041】
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。
【0042】
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、インゴットに徐々に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、徐々に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て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。
【0043】
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。
【0044】
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、銅合金などで形成され得る。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。
【0045】
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。
【0046】
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で形成され得る。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る可能性がある。
【0047】
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。
【0048】
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用してもよい。
【0049】
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。ここで、窒化ホウ素は板状の窒化ホウ素が固まった窒化ホウ素凝集体であり得、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。
【0050】
単位体１は次の通りである。
【0051】
［単位体１］
【0052】
【0053】
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は線形、分岐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。
【0054】
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。
【0055】
［単位体２］
【0056】
【0057】
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。
【0058】
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ディング層を形成すると作用基の形成が容易となり、窒化ホウ素凝集体のコーデ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。
【0059】
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。
【0060】
一方、本発明の実施例によると、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０間の接合強度は第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０間の接合強度と異なり得る。例えば、第１金属基板１７０および第１樹脂層１１０が低温部であり、第２金属基板１８０および第２樹脂層１６０が高温部である場合、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０の間は互いに接着された状態であり、第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０の間は互いに接触した状態であり得、第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０の間には空気層が形成され得る。
【0061】
このように、第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０の間が互いに接着された状態ではない場合、高温部側の温度が上昇して第２金属基板１７０が膨張することになっても、複数の第２電極１５０と複数のＰ型熱電レッグ１３０の間および複数の第２電極１５０と複数のＮ型熱電レッグ１４０の間には熱応力が伝達されないことができる。これに伴い、複数の第２電極１５０と複数のＰ型熱電レッグ１３０の間の接合面および複数の第２電極１５０と複数のＮ型熱電レッグ１４０の間の接合面にクラックが発生する問題を防止することができ、高温で熱電素子の信頼性を維持することができる。
【0062】
より具体的には、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０間の接合強度は第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０間の接合強度より高くてもよい。例えば、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０間の接合強度は第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０間の接合強度の５倍以上、好ましくは１０倍以上、さらに好ましくは２０倍以上、さらに好ましくは４０倍以上であり得る。すなわち、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０間の接合強度が２０ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以上である場合、第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０間の接合強度が３ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以下、好ましくは２ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以下、さらに好ましくは１ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以下、さらに好ましくは０．５ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２以下であり得る。第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０間の接合強度と第２樹脂層１６０と複数の第２電極１５０間の接合強度がこのような数値を満足する場合、高温部側の温度が上昇して第２金属基板１７０が膨張することになっても、複数の第２電極１５０と複数のＰ型熱電レッグ１３０の間の接合面および複数の第２電極１５０と複数のＮ型熱電レッグ１４０の間の接合面が影響を受けないことができる。
【0063】
このために、図２を参照すると、第１金属基板１７０、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および複数の第２電極１５０を含む第１部分モジュールと第２樹脂層１６０および第２金属基板１８０を含む第２部分モジュールは別途に製作され得、図３に図示された通り、第１部分モジュール上に第２部分モジュールを配置した後、第２部分モジュール上に所定の圧力、例えば７０～９０ｋｇｆ／１６０ｃｍ２の圧力が加えられ得る。これに伴い、第１部分モジュールの複数の第２電極１５０と第２部分モジュールの第２樹脂層１６０は接着されてはいないが、物理的に接触している状態となり、電源が印加される場合、熱電素子として動作することができる。
【0064】
この時、図示されてはいないが、第１金属基板１７０と第２金属基板１８０は互いに固定され得る。例えば、第１金属基板１７０と第２金属基板１８０はスクリューによって固定され得る。これに伴い、第１部分モジュールの複数の第２電極１５０と第２部分モジュールの第２樹脂層１６０が互いに接着されてはいなくても、揺れ発生時に第１部分モジュールと第２部分モジュールが離脱しないことができる。図示されてはいないが、第１金属基板１７０と第２金属基板１８０を固定するスクリューは第１金属基板１７０と第２金属基板１８０の角または縁に配置され得る。
【0065】
本発明の実施例によると、低温部側は第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上に金属層を接合した後、金属層を食刻する方法で複数の第１電極１２０を形成することができる。これに伴い、第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０の間は接着され得る。これに反し、高温部側は第２金属基板１８０上に塗布された未硬化または半硬化状態の第２樹脂層１６０をあらかじめ硬化させた後、複数の第２電極１５０上に物理的に接触させることができる。このために、あらかじめ整列した複数の第２電極１５０はジグを利用して複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０上に配置され得、複数の第２電極１５０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がソルダリングされ得る。
【0066】
すなわち、複数の第１電極１２０は第１樹脂層１１０上に接合された金属層を食刻する方法で形成されるが、複数の第２電極１５０はあらかじめ切断された後、ジグを利用して整列され得る。これに伴い、複数の第１電極１２０と複数の第２電極１５０の形状は異なり得る。
【0067】
【0068】
図４（ａ）～図５（ａ）を参照すると、複数の第１電極１２０のうち少なくとも一つは、第１樹脂層１１０に向かって配置された第１面１２１、すなわち第１樹脂層１１０と向かい合う第１面１２１および第１面１２１の反対面、すなわち一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０に向かって配置された第２面１２２、すなわち一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０と向かい合う第２面１２２を含み、第１面１２１の幅長Ｗ１と第２面１２２の幅長Ｗ２は異なり得る。例えば、第２面１２２の幅長Ｗ２は第１面１２１の幅長Ｗ１の０．８～０．９５倍であり得る。このように、第１面１２１の幅長Ｗ１が第２面１２２の幅長Ｗ２より大きいと第１樹脂層１１０との接触面積が広くなるため、第１樹脂層１１０と第１電極１２０間の接合強度が高まり得る。
【0069】
特に、図５（ａ）を参照すると、第１面１２１と第２面１２２の間の側面１２３は所定の曲率を有する曲面を含むことができる。例えば、第２面１２２と側面１２３の間は所定の曲率を有する丸みを有した形状でもよい。これによると、複数の第１電極１２０の間を絶縁性の樹脂で充填しやすく、これに伴い、複数の第１電極１２０は第１樹脂層１１０上で安定的に支持され得、複数の第１電極１２０が近い距離で配置されても隣り合う電極に電気的な影響を及ぼさないことができる。
【0070】
この時、第１電極１２０はＣｕ層からなるか、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕが順次積層された構造を有するか、Ｃｕ、ＮｉおよびＳｎが順次積層された構造を有することができる。
【0071】
これに反し、図４（ｂ）、図５（ｂ）を参照すると、複数の第２電極１５０は樹脂層上で食刻されるのではなく、あらかじめ切断された後に整列されるため、第２樹脂層１６０に向かって配置された第１面１５１、すなわち第２樹脂層１６０と向かい合う第１面１５１の幅長は第１面１５１の反対面、すなわち一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０に向かって配置された第２面１５２、すなわち一対のＰ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０と向かい合う第２面１５２の幅長と同一であってもよい。ここで、前述した通り、複数の第２電極１５０の第１面１５１と第２樹脂層１６０は互いに接触しているだけであって、接着されてはいないものであり得る。すなわち、複数の第２電極１５０の第１面１５１と第２樹脂層１６０の間には微細な空気層が形成され得る。
【0072】
一方、本発明のさらに他の実施例によると、低温部側は第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、ジグにあらかじめ整列された複数の第１電極１２０を配置した後で加圧する方法で形成されてもよい。これに伴い、複数の第１電極１２０の側面の一部が第１樹脂層１１０に埋め立てられた状態で第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０の間が接着され得る。これに反し、高温部側は第２金属基板１８０上に塗布された第２樹脂層１６０をあらかじめ硬化させた後、複数の第２電極１５０上に物理的に接触させることができる。このために、複数の第２電極１５０はジグを利用して複数のＰ型熱電レッグ１３０および複数のＮ型熱電レッグ１４０上にあらかじめ整列され得る。
【0073】
【0074】
図６～図７を参照すると、複数の第１電極１２０の側面１２３の一部は第１樹脂層１１０内に埋め立てられる。この時、第１樹脂層１１０内に埋め立てられた複数の第１電極１２０の側面１２３の高さＨ１は、複数の第１電極１２０の厚さＨの０．１～０．８倍、好ましくは０．２～０．６倍であり得る。このように、複数の第１電極１２０の側面１２３の一部が第１樹脂層１１０内に埋め立てられると、複数の第１電極１２０と第１樹脂層１１０間の接触面積が広くなり、これに伴い、複数の第１電極１２０と第１樹脂層１１０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１樹脂層１１０内に埋め立てられた複数の第１電極１２０の側面１２３の高さＨ１が複数の第１電極１２０の厚さＨの０．１倍未満の場合、複数の第１電極１２０と第１樹脂層１１０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１樹脂層１１０内に埋め立てられた複数の第１電極１２０の側面１２３の高さＨ１が複数の第１電極１２０の厚さＨの０．８倍を超過する場合、第１樹脂層１１０が複数の第１電極１２０上に上る可能性があり、これに伴い、電気的に短絡される可能性がある。
【0075】
この時、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０の厚さＴ１は２０～８０μｍであり、複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０の厚さＴ２は８０～２００μｍであり得る。このように、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０の厚さＴ１と複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０の厚さＴ２が異なる場合、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０内の無機充填材の分布は複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０内の無機充填材の分布と異なり得る。例えば、第１樹脂層１１０が、Ｄ５０が４０～２００μｍである窒化ホウ素およびＤ５０が１０～３０μｍである酸化アルミニウムを含む場合、窒化ホウ素および酸化アルミニウムが第１樹脂層１１０内に全体的に均一に分散されても、部分的にはその分布が異なり得る。例えば、Ｄ５０が４０～２００μｍである窒化ホウ素の密度は約２．１ｇ／ｃｍ３であり、Ｄ５０が１０～３０μｍである酸化アルミニウムの密度は約３．９５～４．１ｇ／ｃｍ３である。これに伴い、密度が高く大きさが小さい酸化アルミニウムは、相対的に密度が低く大きさが大きい窒化ホウ素に比べて下に沈む傾向がある。特に、第１樹脂層１１０内の複数の第１電極１２０の下に配置される領域、すなわち厚さがＴ１である領域では、Ｔ１に比べて粒子の大きさが大きい無機充填材は複数の第１電極１２０の間の領域、すなわち厚さがＴ２である領域に押し出され得る。これに伴い、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０内の無機充填材の分布は複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０内の無機充填材の分布と異なり得る。例えば、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０内の全体の無機充填材に対する窒化ホウ素の含量比（例、重量比）は、複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０内の全体の無機充填材に対する窒化ホウ素の含量比（例、重量比）より小さくてもよい。これに伴い、複数の第１電極１２０の下の第１樹脂層１１０内の無機充填材の粒子の大きさＤ５０は複数の第１電極１２０の間の第１樹脂層１１０内の無機充填材の粒子の大きさＤ５０より小さくてもよい。酸化アルミニウムは第１樹脂層１１０と複数の第１電極１２０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と複数の第１電極１２０間の接着性能に悪い影響を及ぼしかねない。本発明の実施例の
通り、複数の第１電極１２０が第１樹脂層１１０内に埋め立てられると、複数の第１電極１２０の下に配置される第１樹脂層１１０内の窒化ホウ素の含量が減ることになり、これに伴い、複数の第１電極１２０が第１樹脂層１１０内に埋め立てられない場合に比べて複数の第１電極１２０と第１樹脂層１１０間の接合強度を高めることができる。
通り、複数の第１電極１２０が第１樹脂層１１０内に埋め立てられると、複数の第１電極１２０の下に配置される第１樹脂層１１０内の窒化ホウ素の含量が減ることになり、これに伴い、複数の第１電極１２０が第１樹脂層１１０内に埋め立てられない場合に比べて複数の第１電極１２０と第１樹脂層１１０間の接合強度を高めることができる。
【0076】
ここで、複数の第１電極１２０のみが第１樹脂層１１０内に埋め立てられ、複数の第２電極１５０は第２樹脂層１６０内に埋め立てられない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い。本発明の実施例によると、前述した通り、第１金属基板１７０、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および複数の第２電極１５０を含む第１部分モジュールと第２樹脂層１６０および第２金属基板１８０を含む第２部分モジュールは別途に製作され得、第１部分モジュール上に第２部分モジュールを配置した後、第２部分モジュール上に所定の圧力、例えば７０～９０ｋｇｆ／１６０ｃｍ２の圧力が加えられ得る。すなわち、本発明の実施例に係る熱電素子を製作する過程で、複数の第２電極１５０上に第２樹脂層１６０が配置された後、所定の圧力、例えば７０～９０ｋｇｆ／１６０ｃｍ２の圧力が加えられるため、複数の第２電極１５０の側面の一部も第２樹脂層１６０内に埋め立てられ得る。ただし、第２樹脂層１６０内に埋め立てられた複数の第２電極１５０の側面の高さは第１樹脂層１１０内に埋め立てられた複数の第１電極１２０の側面１２４の高さＨ１より小さくてもよい。例えば、第２樹脂層１６０内に埋め立てられた複数の第２電極１５０の側面の高さは、第１樹脂層１１０内に埋め立てられた複数の第１電極１２０の側面１２４の高さＨ１の０．０１～０．５倍、好ましくは０．０５～０．３倍、さらに好ましくは０．１～０．２倍であり得る。これに伴い、高温部側は熱伝達性能が高いだけでなく、高温でも安定した信頼性を維持することができる。
【0077】
一方、図７を参照すると、第２樹脂層１６０には複数の第２電極１５０の底面および側面の一部を収容するための複数の溝があらかじめ形成されてもよい。ここで、複数の第２電極１５０の底面は複数の第２電極１５０の両面のうち第２樹脂層１６０に向かうように配置された面、すなわち第２樹脂層１６０と接触する面を意味し得る。この時、複数の溝それぞれの幅Ｗ３は複数の第２電極１５０それぞれの底面の幅Ｗ１より大きくてもよい。例えば、複数の溝それぞれの幅Ｗ３は複数の第２電極１５０それぞれの底面の幅Ｗ１の１．０１倍～１．２倍、好ましくは１．０１倍～１．１倍であり得る。このように、複数の第２電極１５０が第２樹脂層１６０に形成された複数の溝内に収容される場合、複数の第２電極１５０と第２樹脂層１６０が接着されていなくても第２樹脂層１６０が複数の第２電極１５０の側面まで支持することができるため、揺れ時に複数の第２電極１５０が第２樹脂層１６０から滑る問題を防止することができ、第１部分モジュールと第２部分モジュールが互いに離脱する可能性が低くなり得る。また、複数の溝それぞれの幅Ｗ３は複数の第２電極１５０それぞれの底面の幅Ｗ１より大きく形成される場合、第２金属基板１８０が高温によって熱膨張されても複数の第２電極１５０に加えられる熱応力を最小化することができる。
【0078】
再び図１を参照すると、第１金属基板１７０と複数の第１電極１２０の間に第１樹脂層１１０が配置されると、別途のセラミック基板がなくても第１金属基板１７０と複数の第１電極１２０の間の熱伝達が可能であり、第１樹脂層１１０自らの接着性能によって別途の接着剤または物理的な締結手段が不要である。これに伴い、熱電素子１００の全体的なサイズを減らすことができる。
【0079】
ここで、第１金属基板１７０は第１樹脂層１１０と直接接触することができる。このために、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の第１樹脂層１１０と向かい合う面には表面粗さが形成され得る。これによると、第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０間の熱圧搾時に第１樹脂層１１０が浮く問題を防止することができる。本明細書で、表面粗さは凹凸を意味し、表面粗度と混用されることもある。
【0080】
図８は本発明の一実施例に係る熱電素子の第１金属基板の上面図であり、図９は図８の実施例に係る熱電素子の第１金属基板側の断面図であり、図１０は図９は図８の実施例に係る熱電素子の第１金属基板側の拡大断面図である。図１１は本発明の他の実施例に係る熱電素子の第１金属基板の上面図であり、図１２は図１１の実施例に係る熱電素子の第１金属基板の断面図である。説明の便宜のために第１金属基板１７０と第１樹脂層１１０のみを例にして説明しているが、これで制限されるものではなく、第２金属基板１８０と第２樹脂層１６０の間にもこのような構造が同一に適用され得る。
【0081】
図８～図１０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の縁から中間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。
【0082】
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。
【0083】
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％になる粒径を意味し、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すると、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間の接着性能に悪影響を及ぼしかねない。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ることができないため、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。
【0084】
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。
【0085】
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ないことができる。
【0086】
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の間の中間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。
【0087】
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。
【0088】
【数2】
【0089】
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メートルで表すことができる。
【0090】
図１１～図１２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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
図１３は、比較例および実施例に係る熱電素子の抵抗変化率および発電量変化率を比較したグラフである。
【0097】
比較例に係る熱電素子および実施例に係る熱電素子はいずれも、図１の構造のような第１金属基板、第１樹脂層、複数の第１電極、複数のＰ型熱電レッグ、複数のＮ型熱電レッグ、複数の第２電極、第２樹脂層および第２金属基板を含むものの、比較例に係る熱電素子は第１樹脂層と複数の第１電極の間および第２樹脂層と複数の第２電極間がすべて接着されるように製作され、実施例に係る熱電素子は第１樹脂層と複数の第１電極の間は接着されるか、第２樹脂層と複数の第２電極間は接着されず接触されるものに製作された。この時、（株）ｓａｌｔのＳＴ－１０００を利用して第１樹脂層と複数の第１電極の間の接合強度および第２樹脂層と複数の第２電極の間の接合強度を測定し、このために７．８６２５ｍｍ２（＝４．２５ｍｍ＊１．８５ｍｍ）の面積で電極を製作した。その結果、比較例に係る熱電素子の場合、第１樹脂層と複数の第１電極の間の接合強度および第２樹脂層と複数の第２電極の間の接合強度はいずれも２０ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２に測定され、実施例に係る熱電素子の場合、第１樹脂層と複数の第１電極の間の接合強度は２０ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２に測定され、第２樹脂層と複数の第２電極の間の接合強度は３ｋｇｆ／７．８６２５ｍｍ２に測定された。
【0098】
比較例に係る熱電素子および実施例に係る熱電素子はいずれも低温部側の温度は３０℃に維持し、高温部側の温度は２００℃から５０℃に変化させる周期を１ｃｙｃｌｅにしてｃｙｃｌｅを繰り返しながら抵抗変化率および発電量変化率を測定した。
【0099】
図１３を参照すると、比較例に係る熱電素子の場合、１００ｃｙｃｌｅ付近で抵抗変化率が８％を越えたが、実施例に係る熱電素子の場合、１０００ｃｙｃｌｅでも抵抗変化率が大きく変化しないことが分かる。また、比較例に係る熱電素子の場合、１００ｃｙｃｌｅ付近で発電量が２３％であったが、実施例に係る熱電素子の場合ｃｙｃｌｅが増加しても発電量が増加することが分かる。
【0100】
以下では、図１４を参照して本発明の実施例に係る熱電素子が浄水器に適用された例を説明する。
【0101】
図１４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。
【0102】
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。
【0103】
原水供給管１２ａは水原から浄水対象の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により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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
冷気の伝達が円滑になされるように、蓄熱槽１５は浄水タンク１２と面接触され得る。
【0109】
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、一側は冷却され、他側は加熱される。
【0110】
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。
【0111】
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。
【0112】
以下では、図１５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。
【0113】
図１５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。
【0114】
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。
【0115】
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。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
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。
【0120】
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に向かい、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。
【0121】
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冷蔵庫内で引き出しアセンブリを効率的に冷却させることができる。
【0122】
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）等に適用され得る。
【0123】
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（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。
【0124】
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）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。
【0125】
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。
【0126】
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。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】