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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-19
(54)【発明の名称】熱電素子
(51)【国際特許分類】
H10N 10/817 20230101AFI20240711BHJP
【ＦＩ】
H10N10/817
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024501693
(86)(22)【出願日】2022-07-12
(85)【翻訳文提出日】2024-01-12
(86)【国際出願番号】 KR2022010134
(87)【国際公開番号】W WO2023287167
(87)【国際公開日】2023-01-19
(31)【優先権主張番号】10-2021-0090956
(32)【優先日】2021-07-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】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】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】100219265
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 崇大
(74)【代理人】
【識別番号】100203208
【弁理士】
【氏名又は名称】小笠原 洋平
(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】チョイ，マンヘ
(72)【発明者】
【氏名】イ，セウン
(72)【発明者】
【氏名】イ，ジョンミン
(72)【発明者】
【氏名】イ，ヒョンウイ
(57)【要約】
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絶縁層、前記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接合層、前記接合層上に配置された半導体構造物、前記半導体構造物上に配置された第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、前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重なる第１凹面を含み、前記接合層は前記第１凹面および前記半導体構造物と垂直に重なる第１領域および前記第１凹面と垂直に重なり前記半導体構造物と垂直に重ならない第２領域を含み、前記第１領域のボイド（ｖｏｉｄ）密度は前記第２領域のボイド密度より小さい。
【選択図】図６
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１基板、前記第１基板上に配置された絶縁層、
前記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接合層、
前記接合層上に配置された半導体構造物、
前記半導体構造物上に配置された第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、
前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重なる第１凹面を含み、
前記接合層は前記第１凹面および前記半導体構造物と垂直に重なる第１領域および前記第１凹面と垂直に重なり前記半導体構造物と垂直に重ならない第２領域を含み、
前記第１領域のボイド（ｖｏｉｄ）密度は前記第２領域のボイド密度より小さい、熱電素子。
【請求項2】
前記第２領域は前記第１領域を囲むように配置された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項3】
前記第２領域の最高厚さは前記第１領域の最高厚さより大きい、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項4】
前記第２領域の少なくとも一部は前記半導体構造物の側面に配置された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項5】
前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重ならない第２凹面をさらに含み、前記接合層は前記第１電極の側面で前記第２凹面と垂直に重なる第３領域をさらに含む、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項6】
前記接合層の面積は前記半導体構造物の面積の１．４倍以下である、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項7】
前記半導体構造物は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された第１半導体素子および第２半導体素子を含み、前記接合層は前記第１電極と前記第１半導体素子間に配置された第１接合層および前記第１電極と前記第２半導体素子間に配置された第２接合層を含み、
前記第１接合層および前記第２接合層はそれぞれ前記第１半導体素子および前記第２半導体素子と垂直に重ならない領域を含む、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項8】
前記第１接合層および前記第２接合層は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された、請求項７に記載の熱電素子。
【請求項9】
前記第１電極と前記第１接合層間に配置された第１メッキ層および前記第１電極と前記第２接合層間に配置された第２メッキ層をさらに含み、前記第１メッキ層および前記第２メッキ層それぞれの面積は前記第１半導体素子および前記第２半導体素子が前記第１電極に向かうように配置された面それぞれの面積以上であり、前記第１メッキ層の面積および前記第２メッキ層の面積の和は前記第１電極の面積より小さい、請求項７に記載の熱電素子。
【請求項10】
前記絶縁層は前記第１基板上に配置された第１絶縁層、そして前記第１絶縁層上に配置された第２絶縁層を含み、前記第１凹面および前記第２凹面は前記第２絶縁層に含まれる、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、熱と電気の間の直接的なエネルギー変換を意味する。
【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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
熱電素子の製造工程上基板、電極および熱電レッグ間の接合のために高温の環境で処理され得る。一般的に、電極および熱電レッグはソルダー層が塗布された電極上に熱電レッグを配置した後、高温で処理するリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）過程を通じて接合され得る。リフロー過程を経たソルダー層内には多数のボイド（ｖｏｉｄ）が存在し得る。図１は、リフロー後のソルダー層内に存在するボイドを示す写真である。図１を参照すると、電極と熱電レッグの間に配置される領域内に多数のボイドが存在することが分かる。このようなボイドによって電極と熱電レッグ間の接合力、熱伝導度および電気伝導度が低くなり得、その結果、熱電素子の信頼性が低くなり得る。
【0008】
また、電極上にソルダー層が過量塗布された場合、リフロー過程を経ながら溶けたソルダー層上で熱電レッグが滑ったり歪んだりし得る。これに伴い、熱電レッグと電極が互いに密接に接合され得なかったり、一対の熱電レッグ間でショートが発生する問題が発生したりし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明が達成しようとする技術的課題は、信頼性が優秀な熱電素子を提供することである。
【0010】
本発明が達成しようとする技術的課題は、電極と熱電レッグ間の接合力を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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絶縁層、前記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接合層、前記接合層上に配置された半導体構造物、前記半導体構造物上に配置された第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、前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重なる第１凹面を含み、前記接合層は前記第１凹面および前記半導体構造物と垂直に重なる第１領域および前記第１凹面と垂直に重なり前記半導体構造物と垂直に重ならない第２領域を含み、前記第１領域のボイド（ｖｏｉｄ）密度は前記第２領域のボイド密度より小さい。
【0012】
前記第２領域は前記第１領域を囲むように配置され得る。
【0013】
前記第２領域の最高厚さは前記第１領域の最高厚さより大きくてもよい。
【0014】
前記第２領域の少なくとも一部は前記半導体構造物の側面に配置され得る。
【0015】
前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重ならない第２凹面をさらに含み、前記接合層は前記第１電極の側面で前記第２凹面と垂直に重なる第３領域をさらに含むことができる。
【0016】
前記第３領域は前記第２凹面と接触しなくてもよい。
【0017】
前記接合層はソルダーを含むことができる。
【0018】
前記接合層の面積は前記半導体構造物の面積の１．４倍以下であり得る。
【0019】
前記半導体構造物は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された第１半導体素子および第２半導体素子を含み、前記接合層は前記第１電極と前記第１半導体素子間に配置された第１接合層および前記第１電極と前記第２半導体素子間に配置された第２接合層を含み、前記第１接合層および前記第２接合層はそれぞれ前記第１半導体素子および前記第２半導体素子と垂直に重ならない領域を含むことができる。
【0020】
前記第１接合層および前記第２接合層は前記第１電極上で互いに離隔するように配置され得る。
【0021】
前記第１接合層および前記第２接合層は前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の間の前記第１電極上で互いに連結され得る。
【0022】
前記第１電極と前記第１接合層間に配置された第１メッキ層および前記第１電極と前記第２接合層間に配置された第２メッキ層をさらに含み、前記第１メッキ層および前記第２メッキ層それぞれの面積は前記第１半導体素子および前記第２半導体素子が前記第１電極に向かうように配置された面それぞれの面積以上であり、前記第１メッキ層の面積および前記第２メッキ層の面積の和は前記第１電極の面積より小さくてもよい。
【0023】
前記絶縁層は前記第１基板上に配置された第１絶縁層、そして前記第１絶縁層上に配置された第２絶縁層を含み、前記第１凹面および前記第２凹面は前記第２絶縁層に含まれ得る。
【発明の効果】
【0024】
本発明の実施例によると、熱伝導性能および接合性能が優秀で、信頼性が高い熱電素子を得ることができる。また、本発明の実施例によると、低温部と高温部間の要求される性能差をすべて満足させる熱電素子を得ることができる。
【0025】
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。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】リフロー後のソルダー層内に存在するボイドを示す写真である。
【0027】
【図2】熱電素子の断面図である。
【0028】
【図3】熱電素子の斜視図である。
【0029】
【図4】シーリング部材を含む熱電素子の斜視図である。
【0030】
【図5】シーリング部材を含む熱電素子の分解斜視図である。
【0031】
【図6】本発明の一実施例に係る熱電素子の断面図である。
【0032】
【図7】本発明の一実施例に係る熱電素子の一部断面図である。
【0033】
【図8】本発明の一実施例に係る熱電素子に含まれる第１電極および接合層の上面図である。
【0034】
【0035】
【0036】
【図14】本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の一部断面図である。
【0037】
【図15】本発明の実施例に係る熱電素子内のソルダー層に存在するボイドを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
また、本発明の実施例の構成要素を説明するにあたって、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）等の用語を使うことができる。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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２個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２個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。
【0047】
【0048】
図２～３を参照すると、熱電素子１００は下部基板１１０、下部電極１２０、Ｐ型熱電レッグ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。
【0049】
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の下部底面の間に配置され、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。
【0050】
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、電気が発生することもある。
【0051】
図２～図５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、これに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。
【0052】
ここで、Ｐ型熱電レッグ１３０およびＮ型熱電レッグ１４０はビスマス（Ｂｉ）およびテルル（Ｔｅ）を主原料で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）、ビスマス（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）、ビスマス（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、熱電素材層などで指称されてもよい。
【0053】
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、これを焼結して、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。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。
【0054】
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は同じ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ので、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。
【0055】
この時、Ｐ型熱電レッグ１３０またはＮ型熱電レッグ１４０は円筒形状、多角柱形状、楕円形柱形状などを有することができる。
【0056】
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、材料の損失を防ぎ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。
【0057】
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ので、熱電効率が高くなり得る。
【0058】
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。
【0059】
【数1】
【0060】
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、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、ｃｐは比熱［Ｊ／ｇＫ］であり、ρは密度［ｇ／ｃｍ３］である。
【0061】
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。
【0062】
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未満である場合、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。
【0063】
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。
【0064】
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たり、ペルティエ効果のために発熱領域に適用されたり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。
【0065】
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。
【0066】
図４～図５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。
【0067】
以上で、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されてもよい。
【0068】
一方、本発明の実施例によると、電極と熱電レッグはソルダーによって接合され得る。電極と熱電レッグを接合するためのリフロー工程後、ソルダーに残っているボイド（ｖｏｉｄ）は熱電素子の信頼性を低下させ得る。本発明の実施例によると、電極と熱電レッグ間のソルダー内ボイドを最小化して熱電素子の長期的な信頼性を改善しようとする。
【0069】
【0070】
図６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２絶縁層３７０および第２絶縁層３７０上に配置された第２基板３８０を含む。
【0071】
第１基板３１０、第１電極３３０、Ｐ型熱電レッグ３４０、Ｎ型熱電レッグ３５０、第２電極３６０および第２基板３８０それぞれに対して、図２～図５の第１基板１１０、第１電極１２０、Ｐ型熱電レッグ１３０、Ｎ型熱電レッグ１４０、第２電極１５０および第２基板１６０に対する説明が同一に適用され得る。
【0072】
図６に図示してはいないが、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。
【0073】
本発明の実施例によると、第１基板３１０上に第１絶縁層３２０が配置され、第１絶縁層３２０上に第１電極３３０が配置される。この時、第１電極３３０の側面の一部は第１絶縁層３２０内に埋め立てられ得る。例えば、第１絶縁層３２０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１絶縁層３２０内に埋め立てられると、複数の第１電極３３０と第１絶縁層３２０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１絶縁層３２０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絶縁層３２０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倍未満である場合、複数の第１電極３３０と第１絶縁層３２０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絶縁層３２０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倍を超過する場合、第１絶縁層３２０が複数の第１電極３３０上に上がってき得、これに伴い、電気的に短絡される可能性がある。
【0074】
これによると、第１絶縁層３２０の上面は第１電極３３０と垂直に重なる第１凹面３２０Ｒ１および第１電極３３０と垂直に重ならない第２凹面３２０Ｒ２を含むことができる。第１電極３３０は第１凹面３２０Ｒ１上に配置され、第１凹面３２０Ｒ１と第１基板３１０間の第１垂直距離Ｔ１は第２凹面３２０Ｒ２と第１基板３１０間の第２垂直距離Ｔ２～Ｔ３より小さくてもよい。さらに詳しくは、複数の第１電極３３０の間で第１絶縁層３２０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て、頂点がゆるやかな「Ｖ」状を有し得る。したがって、複数の第１電極３３０の間の第１絶縁層３２０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１絶縁層３２０の中心領域の高さＴ３は複数の第１電極３３０の間の第１絶縁層３２０内で最も低くてもよい。また、複数の第１電極３３０の下の第１絶縁層３２０の高さＴ１は複数の第１電極３３０の間の第１絶縁層３２０の中心領域の高さＴ３より低くてもよい。第１絶縁層３２０が第２凹面３２０Ｒ２を含むことによって、第１絶縁層に印加される応力を緩和でき、絶縁層のクラックや剥離などの問題を改善することができる。
【0075】
また、第１凹面３２０Ｒ１の幅は第２凹面３２０Ｒ２の幅より大きく配置され得る。したがって、電極を基板上にコンパクトに配置する構造が可能となり得、熱電素子の発電性能または温度調節性能を改善することができる。
【0076】
一方、図示してはいないが、第１絶縁層３２０は第１基板３１０上に配置される第１－１絶縁層および第１－１絶縁層上に配置される第１－２絶縁層を含むことができ、第１凹面３２０Ｒ１および第２凹面３２０Ｒ２は第１－２絶縁層に含まれ得る。この時、第１－１絶縁層は例示的に樹脂物質を含むことができ、シリコンとアルミニウムを含む複合体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）および無機充填材を含むことができる。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チェーンで構成された有機／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を得ることができる。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、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、水に接するとゾルまたはゲ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１－１絶縁層の強度を高め、熱伝導率を高める役割をすることができる。無機充填材は複合体内に分散され得、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。
【0077】
一方、第１－２絶縁層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。これに伴い、第１－２絶縁層は第１－１絶縁層と第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。
【0078】
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、熱伝導効果が低くなり得、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。
【0079】
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。
【0080】
これによると、第１－１絶縁層および第１－２絶縁層の組成は互いに異なり、これに伴い、第１－１絶縁層および第１－２絶縁層の硬度、弾性係数、引張強度、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。この時、第１－２絶縁層の厚さは第１－１絶縁層の厚さの１倍超過３．５倍以下、好ましくは１．０５倍以上２倍以下、さらに好ましくは１．１倍以上～１．５倍以下であり得る。第１－１絶縁層の厚さおよび第１－２絶縁層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。そして、第１－１絶縁層および第１－２絶縁層は異なる熱膨張係数を有することができる。これによると、熱電素子３００が長期間高温に露出される場合、応力によって熱電素子３００が曲がる現象が発生し得、熱電素子の長期的な信頼性、耐久性が低下し、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。
【0081】
本発明の実施例によると、第１電極３３０と熱電レッグ３４０、３５０は接合層６００によって接合され得る。
【0082】
【0083】
【0084】
図７を参照すると、本発明の実施例によると、第１電極３３０上に接合層６００が配置され、接合層６００上にＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０が配置される。ここで、接合層６００はソルダーを含むことができる。ソルダーは、例えば錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）およびこれを含む化合物のうち少なくとも一つを含むことができるが、これに制限されず、ビスマス（Ｂｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）および鉛（Ｐｂ）のうち少なくとも一つの化合物を含んで形成され得る。
【0085】
図７～図８を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０Ａ、６１０Ｂおよび第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含む。接合層６００が第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なる場合、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０を接合するためのリフロー工程の間第１基板３１０および第１電極３３０が高温に露出されても、第１絶縁層３２０が第１基板３１０および第１電極３３０に加えられる熱衝撃を緩衝することができ、特に、第１電極３３０の底面だけでなく第１電極３３０の側面に加えられる熱衝撃が緩衝され得る。
【0086】
この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂは第１領域６１０Ａ、６１０Ｂを囲むように配置され得る。これによると、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０を接合層６００で接合するためのリフロー工程の間、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂ内の気体がＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なっていない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを通じて外部に排出され得る。これによると、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂのボイド（ｖｏｉｄ）密度は第２領域６２０Ａ、６２０Ｂのボイド密度より小さくてもよい。例えば、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂのボイド（ｖｏｉｄ）密度は第２領域６２０Ａ、６２０Ｂのボイド密度の０．１～０．９５倍、好ましくは０．１～０．５倍、さらに好ましくは０．１～０．３倍であり得る。ここで、ボイドは接合層６００の内部でソルダーで満たされていない空いた空間を意味し得、ボイド密度は単位体積当たりボイド個数または単位体積当たりボイド体積を意味し得る。またはボイド密度は接合層６００内任意の切断面に対して、単位面積当たりボイド個数または単位面積当たりボイド面積を意味してもよい。これによると、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の間のボイドを最小化することができ、熱電素子の信頼性を高めることができる。
【0087】
このために、リフロー工程を進めるために、第１電極３３０上にはＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の面積の１倍以上、好ましくは１．２倍以上、さらに好ましくは１．４倍以上のソルダーが塗布され得る。これによると、リフロー工程の間ソルダーが収縮しても接合層６００はＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なっていない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含むことができ、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを通じて第１領域６１０Ａ、６１０Ｂ内の気体が外部に排出され得る。
【0088】
この時、接合層６００の面積はＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の面積の１．４倍以下であり得る。これによると、接合層６００の第１領域６１０Ａ、６１０Ｂ内ボイド密度を最小化しながらも、ソルダーの過量塗布によってＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０が滑ったり歪んだりする問題およびこれによってＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と第１電極３３０間の接合力が低くなったりＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０がショートされる問題を防止することができる。
【0089】
一方、接合層６００は第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０の間に配置された第１接合層６００Ａおよび第１電極３３０とＮ型熱電レッグ３５０の間に配置された第２接合層６００Ｂを含むことができる。この時、第１接合層６００Ａおよび第２接合層６００ＢはそれぞれＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない領域を含むことができる。
【0090】
この時、第１接合層６００Ａおよび第２接合層６００Ｂは第１電極３３０上で互いに離隔するように配置され得る。または第１接合層６００Ａおよび第２接合層６００ＢはＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０の間の第１電極３３０上で互いに連結されてもよい。
【0091】
【0092】
図９（ａ）を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０Ａ、６１０Ｂおよび第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含む。この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂは第１領域６１０Ａ、６１０Ｂを囲むように配置され得る。
【0093】
この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂの最高厚さＬ２は第１領域６１０Ａ、６１０Ｂの最高厚さＬ１より大きくてもよい。これは第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０を接合層６００で接合するためのリフロー工程の間、第１電極３３０上に塗布されたソルダーが収縮するとともに、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂ内の気体が第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを通じて外部に排出され得る経路および面積が増加し得る。例えば、図９（ｂ）を参照すると、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂの少なくとも一部はＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の側面に配置され得る。これによると、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の縁で第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０の接合強度を高めることができる。
【0094】
図１０を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０および第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０を含む。この時、第２領域６２０は第１領域６１０を囲むように配置され得る。
【0095】
一方、接合層６００は第１電極３３０の側面で第１絶縁層３２０の第２凹面３２０Ｒ２と垂直に重なる第３領域６３０をさらに含むことができる。第３領域６３０は第１電極３３０の側面の一部に配置されるか、第２凹面３２０Ｒ２と接触しないように配置され得る。これによると、接合層３００の一部が第１電極３３０の外側にあふれて隣り合う第１電極３３０と電気的に連結される問題を防止することができる。また、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０を接合層６００で接合するためのリフロー工程の間、第１電極３３０上に塗布されたソルダーが収縮するとともに、第１領域６１０内の気体が第２領域６２０および第３領域６３０を通じて外部に排出されるための経路が増加し得る。
【0096】
図１１を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０Ａ、６１０Ｂおよび第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含む。この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂは第１領域６１０Ａ、６１０Ｂを囲むように配置され得る。
【0097】
この時、Ｐ型熱電レッグ３４０とＮ型熱電レッグ３５０の間に配置された第２領域６２０Ａ、６２０Ｂの水平方向の幅はＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と第１電極３３０の縁の間に配置された第２領域６２０Ａ、６２０Ｂの水平方向の幅より小さくてもよい。これによると、Ｐ型熱電レッグ３４０とＮ型熱電レッグ３５０の間に配置されたソルダーによって、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０が滑ったり歪んだりすることになってＰ型熱電レッグ３４０とＮ型熱電レッグ３５０が接合したりショートされる問題を防止しながらも、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０を接合層６００で接合するためのリフロー工程の間、第１電極３３０上に塗布されたソルダーが収縮するとともに、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂ内の気体が第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを通じて外部に排出されるための経路および面積が増加し得る。
【0098】
【0099】
図１２～図１３を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０および第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含む。この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂは第１領域６１０Ａ、６１０Ｂを囲むように配置され得る。
【0100】
図１２を参照すると、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０はビスマス（Ｂｉ）－テルル（Ｔｅ）を含む熱電素材層９００Ａ、９００Ｂ、そして熱電素材層９００Ａ、９００Ｂの一面に配置された拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂを含むことができる。この時、拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂはニッケル（Ｎｉ）を含むことができる。これによると、拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂは熱電素材層９００Ａ、９００Ｂ内半導体材料であるＢｉまたはＴｅが電極に拡散することを防ぐので、熱電素子の性能低下を防止することができ、接合層６００との濡れ性が優秀であるため第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０間の接合力を高めることができる。
【0101】
図１３を参照すると、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０はビスマス（Ｂｉ）－テルル（Ｔｅ）を含む熱電素材層９００Ａ、９００Ｂ、熱電素材層９００Ａ、９００Ｂの一面に配置された拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂおよび拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂの一面に配置された金属層９２０Ａ、９２０Ｂを含むことができる。ここで、拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂは熱電素材層９００Ａ、９００Ｂおよび金属層９２０Ａ、９２０Ｂの間に配置され得る。この時、拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂはニッケル（Ｎｉ）を含み、金属層９２０Ａ、９２０Ｂは錫（Ｓｎ）を含むことができる。これによると、拡散防止層９１０Ａ、９１０Ｂは熱電素材層９００Ａ、９００Ｂ内半導体材料であるＢｉまたはＴｅが電極に拡散することを防ぐので、熱電素子の性能低下を防止することができる。そして、金属層９２０Ａ、９２０Ｂは接合層６００との濡れ性が優秀であるため第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０間の接合力を高めることができる。
【0102】
図１４は、本発明のさらに他の実施例に係る熱電素子の一部断面図である。
【0103】
図１４を参照すると、接合層６００は第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０Ａ、６１０Ｂおよび第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含む。この時、第２領域６２０Ａ、６２０Ｂは第１領域６１０Ａ、６１０Ｂを囲むように配置され得る。
【0104】
この時、第１電極３３０上にはメッキ層３３４Ａ、３３４Ｂが配置され得る。メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂは第１電極３３０の両面のうちＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０を向かうように配置された面に配置され得る。メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂは、例えばニッケル（Ｎｉ）を含むことができるが、これに制限されず、パラジウム（Ｐｄ）、錫（Ｓｎ）およびモリブデン（Ｍｏ）等、第１電極３３０と接合層６００間の濡れ性が改善され、第１電極３３０内イオンの拡散を防止できる金属であればすべてメッキ層３３４Ａ、３３４Ｂとして適用され得る。
【0105】
本発明の実施例によると、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂの面積は第１電極３３０の面積より小さくてもよい。例えば、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂは第１電極３３０の一部上に配置され得、Ｐ型熱電レッグ３４０に対するメッキ層３３４ＡおよびＮ型熱電レッグ３５０に対するメッキ層３３４Ｂは互いに離隔するように配置されるものの、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂはそれぞれ第１電極３３０の縁から離隔した領域に配置され得る。これによると、接合層６００Ａ、６００Ｂはメッキ層３３４Ａ、３３４Ｂ周辺に配置されるので、接合層６００Ａ、６００Ｂが第１電極３３０の外にあふれて隣り合う第１電極３３０と連結されたり、Ｐ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０の間に配置されて電気的に影響を及ぼす可能性を最小化することができる。このために、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂは第１電極３３０上でマスキングを利用して選択的メッキ技法で形成されるか、第１電極３３０上に全体メッキされた後、レーザースクライビンググ技法などでパターニングされ得る。そして、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂそれぞれの面積はＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０それぞれの両面のうち第１電極３３０に向かうように配置された面の面積以上であり得る。例えば、メッキ層３３４Ａ、３３４Ｂそれぞれの面積はＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０それぞれの両面のうち第１電極３３０に向かうように配置された面の面積の１～１．４倍、好ましくは１～１．３倍、さらに好ましくは１～１．２倍であり得る。これによると、第１電極３３０とＰ型熱電レッグ３４０およびＮ型熱電レッグ３５０を接合するための工程で接合層６００とメッキ層３３４Ａ、３３４Ｂ間の濡れ性によって接合層６００はメッキ層３３４Ａ、３３４Ｂ周辺に収縮することになるので、接合層６００が第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１およびＰ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重なる第１領域６１０Ａ、６１０Ｂおよび第１絶縁層３２０の第１凹面３２０Ｒ１と垂直に重なり、Ｐ型熱電レッグ３４０またはＮ型熱電レッグ３５０と垂直に重ならない第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを含むことができる。これによると、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂの気体が第２領域６２０Ａ、６２０Ｂを通じて外部に排出されるので、第１領域６１０Ａ、６１０Ｂのボイド密度を低くでき、熱電素子の熱電性能および信頼性を高めることができる。
【0106】
図１５は、本発明の実施例に係る熱電素子内のソルダー層に存在するボイドを示す写真である。
【0107】
図１５を参照すると、熱電レッグと垂直に重なる第１領域６１０に比べて、熱電レッグと垂直に重ならずに第１領域６１０の側面に配置される第２領域６２０のボイド密度が高いことが分かる。
【0108】
図示してはいないが、本発明の一実施例によると、熱電素子の第２基板上にヒートシンクが配置され得、熱電素子とヒートシンクは複数の結合部材によって結合され得る。第２基板にヒートシンクが配置された場合、複数の結合部材はヒートシンクと第２基板を締結したり、ヒートシンク、第２基板と第１基板を締結したり、ヒートシンク、第２基板、第１基板と冷却部（図示されず）を締結することができる。このために、ヒートシンク、第２基板、第１基板、冷却部には結合部材が貫通する貫通ホールが形成され得る。ここで、貫通ホールと結合部材の間には別途の絶縁挿入部材がさらに配置され得る。別途の絶縁挿入部材は結合部材の外周面を囲む絶縁挿入部材または貫通ホール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。
【0109】
図示してはいないが、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。
【0110】
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】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-15
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１基板、前記第１基板上に配置された絶縁層、
前記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接合層、
前記接合層上に配置された半導体構造物、
前記半導体構造物上に配置された第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、
前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重なる第１凹面を含み、
前記接合層は前記第１凹面および前記半導体構造物と垂直に重なる第１領域および前記第１凹面と垂直に重なり前記半導体構造物と垂直に重ならない第２領域を含み、
前記第１領域のボイド（ｖｏｉｄ）密度は前記第２領域のボイド密度より小さい、熱電素子。
【請求項2】
前記第２領域は前記第１領域を囲むように配置された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項3】
前記第２領域の最高厚さは前記第１領域の最高厚さより大きい、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項4】
前記第２領域の少なくとも一部は前記半導体構造物の側面に配置された、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項5】
前記絶縁層の上面は前記第１電極と垂直に重ならない第２凹面をさらに含み、前記接合層は前記第１電極の側面で前記第２凹面と垂直に重なる第３領域をさらに含む、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項6】
前記接合層の面積は前記半導体構造物の面積の１．４倍以下である、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項7】
前記半導体構造物は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された第１半導体素子および第２半導体素子を含み、前記接合層は前記第１電極と前記第１半導体素子間に配置された第１接合層および前記第１電極と前記第２半導体素子間に配置された第２接合層を含み、
前記第１接合層および前記第２接合層はそれぞれ前記第１半導体素子および前記第２半導体素子と垂直に重ならない領域を含む、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項8】
前記第１接合層および前記第２接合層は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された、請求項７に記載の熱電素子。
【請求項9】
前記第１電極と前記第１接合層間に配置された第１メッキ層および前記第１電極と前記第２接合層間に配置された第２メッキ層をさらに含み、前記第１メッキ層および前記第２メッキ層それぞれの面積は前記第１半導体素子および前記第２半導体素子が前記第１電極に向かうように配置された面それぞれの面積以上であり、前記第１メッキ層の面積および前記第２メッキ層の面積の和は前記第１電極の面積より小さい、請求項７に記載の熱電素子。
【請求項10】
前記絶縁層は前記第１基板上に配置された第１絶縁層、そして前記第１絶縁層上に配置された第２絶縁層を含み、前記第１凹面および前記第２凹面は前記第２絶縁層に含まれる、請求項５に記載の熱電素子。
【請求項11】
前記第１領域のボイド密度は前記第２領域のボイド密度の０．１～０．９５倍である、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項12】
前記第３領域は前記第１電極の側面と接触する、請求項５に記載の熱電素子。
【請求項13】
前記第３領域は前記第２凹面と接触しない、請求項１２に記載の熱電素子。
【請求項14】
前記半導体構造物は前記第１電極上で互いに離隔するように配置された第１半導体素子および第２半導体素子を含み、
前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の間に配置された前記第２領域の水平方向の幅は、前記第１半導体素子または前記第２半導体素子と前記第１電極の縁の間に配置された前記第２領域の水平方向の幅より小さい、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項15】
前記第１電極と前記接合層の間に配置されたメッキ層をさらに含み、前記メッキ層の面積は前記第１電極の面積より小さい、請求項１に記載の熱電素子。
【請求項16】
前記メッキ層はニッケル（Ｎｉ），パラジウム（Ｐｄ），錫（Ｓｎ）およびモリブデン（Ｍｏ）のうち少なくとも一つを含む、請求項１５に記載の熱電素子。
【請求項17】
前記メッキ層は前記第１電極の縁から離隔して配置された、請求項１５に記載の熱電素子。
【請求項18】
前記接合層は前記メッキ層の上面および前記メッキ層の側面と接触する、請求項１５に記載の熱電素子。
【請求項19】
前記メッキ層の面積は前記半導体構造物の面積以上である、請求項１５に記載の熱電素子。
【請求項20】
前記メッキ層の面積は前記半導体構造物の面積の１～１．４倍である、請求項１９に記載の熱電素子。
【国際調査報告】