(57)【要約】【課題】本発明は、熱電モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】対向離間して配設される第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂと、該第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂの内側面に各々配設される第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂと、該第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂ間に介在し該第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂに電気的に接合される熱電素子１３０と、該第１の基板１１０ａ及び該第２の基板１１０ｂの間に介在し該第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂのうち、熱を吸収する高温端側の基板に隣接する高温部充填材及び熱を放出する低温端側の基板に隣接する低温部充填材を含むハイブリッド充填材１４０と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向離間して配設される第１及び第２の基板と、
前記第１及び第２の基板の内側面に各々配設される第１及び第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極の間に介在し前記第１及び第２の電極に電気的に接合される熱電素子と、
前記第１の基板及び前記第２の基板の間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板のうち、熱を吸収する高温端側の基板に隣接する高温部充填材及び熱を放出する低温端側の基板に隣接する低温部充填材を含むハイブリッド充填材と、を含む熱電モジュール。
【請求項２】
前記ハイブリッド充填材は、前記第１の基板及び前記第２の基板の間に介在し、前記第１の基板及び前記第２の基板の間に完全に充填されず空間が存在するように、前記第１の基板の内側面、前記第１の電極の表面、前記熱電素子の表面、前記第２の電極の表面及び前記第２の基板の内側面上に一定の厚さで塗布される請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記高温部充填材は、前記高温端側の基板の熱膨張に対応する材料から成り、
前記低温部充填材は、前記低温端側の基板の熱膨張に対応する材料から成る請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記第１の基板及び前記第２の基板はセラミック基板であり、
前記高温部充填材の材料は、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、少なくともいずれか一つが混合された材料である請求項３に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記第１の基板及び前記第２の基板はセラミック基板であり、
前記低温部充填材は、パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された材料である請求項３に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記第１の基板と前記第１の電極との間、前記第２の基板と前記第２の電極との間、前記熱電素子と前記第１の電極との間及び前記熱電素子と前記第２の電極との間のうちの、少なくともいずれか一つの間に、サーマルグリスがさらに介在する請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
前記熱電素子は、前記第１及び第２の電極とソルダにより互いに接合される請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項８】
第１の電極、第１のソルダ層及び熱電素子が積層配設される第１の基板を形成するステップと、
前記熱電素子に対応する第２の電極及び第２のソルダ層が積層配設される第２の基板を形成するステップと、
前記第１の基板上に前記第２の基板を配設し、リフロー工程によって前記第１及び第２のソルダ層により前記第１及び第２の電極と熱電素子とを互いに接合して前記第１の基板と前記第２の基板とを接合するステップと、
前記第１の基板及び前記第２の基板の間に、前記第１の基板及び前記第２の基板のうち、熱を吸収する高温端側の基板と隣接する高温部充填材及び熱を放出する低温端側の基板に隣接する低温部充填材を含むハイブリッド充填材を形成するステップと、
を含む熱電モジュールの製造方法。
【請求項９】
前記第１の基板及び前記第２の基板は、セラミック基板である請求項８に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記ハイブリッド充填材を形成するステップは、
パリレンまたはテブロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちのいずれか一つが混合された高温部充填材原料を準備するステップと、
パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された低温部充填材原料を準備するステップと、
ディッピング法を用いて、前記高温部充填材原料及び前記低温部充填材原料を、前記接合された第１の基板及び第２の基板の間に充填して前記ハイブリッド充填材を形成するステップと、
を含む請求項８に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記ハイブリッド充填材を形成するステップは、
パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、いずれか一つが混合された高温部充填材原料を準備するステップと、
パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された低温部充填材原料を準備するステップと、
含浸法を用いて、前記高温部充填材原料を前記第１の基板の内側面、前記第１の電極の表面及び前記熱電素子の一部の表面上に塗布し、前記低温部充填材原料を前記第２の基板の内側面、前記第２の電極の表面及び前記熱電素子の余り一部の表面上に塗布して前記ハイブリッド充填材を形成するステップと、
を含む請求項８に記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記第１の基板と前記第１の電極との間、前記第２の基板と前記第２の電極との間、前記熱電素子と前記第１の電極との間及び前記熱電素子と前記第２の電極との間のうちの、少なくともいずれか一つの間に、サーマルグリスをさらに形成する請求項８に記載の熱電モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュール及びその製造方法に関し、水分などの侵入を防止して熱電モジュール内にクラックや腐食が発生しないような熱電モジュール及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電モジュール（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｏｄｕｌｅ）は、固体状態（Ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ）方式のヒートポンプ（Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐ）で作動し、冷却器や加熱器にも利用可能である。構造が簡単で、信頼性が高く、機械的作動部品がないため、既存のコンプレッサ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）などを用いる冷却器に比べて、騒音や振動がなく、また小型化が可能であるという長所がある。
【０００３】
また、簡単な操作で、精密で且つ迅速な温度調節及び冷却／加熱転換が可能であり、高精密冷却器／恒温器、光部品素子、光学センサ及び精密電子製品に適用されている。
【０００４】
熱電モジュールは、直流電源の極性を変えて１つのモジュールで冷却及び加熱の両方を共に具現でき、空気調和器（Ａｉｒ  Ｈａｎｄ1ｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などにも効果的に活用されている。その他に、例えば小型冷蔵庫、化粧品冷蔵庫、ワイン冷蔵庫、冷温浄水器、車両用冷房シート、半導体設備、精密恒温槽などの冷却／恒温装置で利用されている。
【０００５】
このような熱電モジュールを製作するために、素子の大きさ、特性、接合、パッケージングなどが重要な要素となる。モジュールの設計及び製作方法によって特性、耐久性、信頼性、その他、環境変化による熱電モジュールの特性が決定されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１１０８１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１８４５５号公報
【特許文献３】特開２００８−０４８４７７号公報
【特許文献４】米国特許第６２５２１５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱電モジュールは、熱を吸収して相対的に温度が高い高温端と、熱を放出して相対的に温度が低い低温端とを備え、このような高温端と低温端との温度差によりそれらの間で熱膨張の差が生じてしまう。そのため、熱電モジュールの劣化差が発生するようになるという問題を生じる。
【０００８】
また高温端と低温端との熱膨張の差は、熱電モジュールの収縮と膨張との差を齎して浮きを起こして、水分侵入が発生して熱電モジュールのクラックや腐食を発生させるなどの間題がある。
【０００９】
本発明は上記の間題点に鑑みて成されたものであって、第１の基板と第２の基板との間に高温部充填材及び低温部充填材から成るハイブリッド充填材を充填して、熱電モジュールの熱膨張の差に伴う劣化差及び水分侵入などによるクラックや腐食の間題を解決できる熱電モジュール及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を解決するために、本発明による熱電モジュールは、対向離間して配設される第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び第２の基板の内側面に各々配設される第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介在し前記第１の電極及び第２の電極に電気的に接合される熱電素子と、前記第１の基板及び前記第２の基板の間に介在し前記第１及び第２の基板のうち、熱を吸収する高温端側の基板に隣接する高温部充填材及び熱を放出する低温端側の基板に隣接する低温部充填材を含むハイブリッド充填材と、を含むことができる。
【００１１】
ここで、前記ハイブリッド充填材は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に介在し、前記第１の基板と前記第２の基板との間を完全に充填せずに空間が存在するように、前記第１の基板の内側面、前記第１の電極の表面、前記熱電素子の表面、前記第２の電極の表面及び前記第２の基板の内側面上に一定の厚さで塗布されることができる。
【００１２】
ここで、前記高温部充填材は、前記高温端側の基板の熱膨張に対応する材料から成り、前記低温部充填材は、前記低温端側の基板の熱膨張に対応する材料から成ることができる。
【００１３】
ここで、前記第１の基板及び前記第２の基板はセラミック基板であり、前記高温部充填材の材料は、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの少なくともいずれか一つが混合された材料であってもよい。
【００１４】
また、前記低温部充填材は、パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された材料であってもよい。
【００１５】
ここで、前記第１の基板と前記第１の電極との間、前記第２の基板と前記第２の電極との間、前記熱電素子と前記第１の電極との間及び前記熱電素子と前記第２の電極との間のうちの、少なくともいずれか一つの間に、サーマルグリスがさらに介在することができる。
【００１６】
また、前記熱電素子は、前記第１及び第２の電極とソルダにより互いに接合されることができる。
【００１７】
また、上記目的を解決するために、本発明による熱電モジュール製造方法は、第１の電極、第１のソルダ層及び熱電素子が積層配設される第１の基板を形成するステップと、前記熱電素子に対応する第２の電極及び第２のソルダ層が積層配設される第２の基板を形成するステップと、前記第１の基板上に前記第２の基板を配設し、リフロー工程によって、前記第１及び第２のソルダ層により前記第１の電極及び第２の電極と熱電素子とを互いに接合して前記第１の基板及び前記第２の基板を接合するステップと、前記第１の基板及び前記第２の基板の間に、前記第１の基板及び第２の基板のうち、熱を吸収する高温端側の基板に隣接する高温部充填材及び熱を放出する低温端側の基板に隣接する低温部充填材を含むハイブリッド充填材を形成するステップと、を含むことができる。
【００１８】
ここで、前記第１の基板及び前記第２の基板は、セラミック基板であってもよい。
【００１９】
ここで、前記ハイブリッド充填材を形成するステップは、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、いずれか一つが混合された高温部充填材原料を準備するステップと、パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された低温部充填材原料を準備するステップと、ディッピング法を用いて前記高温部充填材原料及び前記低温部充填材の原料を、前記接合された第１の基板及び第２の基板の間に充填して前記ハイブリッド充填材を形成するステップと、を含むことができる。
【００２０】
また、前記ハイブリッド充填材を形成するステップは、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、いずれか一つが混合された高温部充填材原料を準備するステップと、パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された低温部充填材原料を準備するステップと、含浸法を用いて前記高温部充填材原料を前記第１の基板の内側面、前記第１の電極の表面及び前記熱電素子の一部の表面上に塗布し、前記低温部充填材原料を前記第２の基板の内側面、前記第２の電極の表面及び前記熱電素子の余り一部の表面上に塗布して前記ハイブリッド充填材を形成するステップと、を含むことができる。
【００２１】
ここで、前記第１の基板と前記第１の電極との間、前記第２の基板と前記第２の電極との間、前記熱電素子と前記第１の電極との間及び前記熱電素子と前記第２の電極との間のうちの、少なくともいずれか一つの間に、サーマルグリス（ｔｈｅｒｍａｌ  ｇｒｅａｓｅ）をさらに形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱膨張の差による劣化差、熱膨張の差による浮きへの水分侵入などにより発生されるクラックや腐食を防止できるという効果が奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による熱電モジュールの断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による熱電モジュールの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【図４】同じく、熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【図５】同じく、熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【図６】同じく、熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【図８】同じく、熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態は図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されることができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下に示している各実施の形態に限定されることなく、他の形態で具体化されることができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることがある。明細書全体に渡って同一の参照符号は同一の構成要素を示している。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態による熱電モジュールの断面図である。
【００２６】
図１を参照して、本発明の一実施形態による熱電モジュール１００は、対向離間して配設される第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂと、該第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂの内側面に各々介在する第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂと、該第１の基板１１０ａと該第２の基板１１０ｂとの間に介在する熱電素子１３０とを含むことができる。
【００２７】
また、熱電モジュール１００は、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に充填されるハイブリッド充填材 １４０を含むことができる。
【００２８】
第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂは、熱電素子１３０と第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂとを支持する役割をすることができる。さらに、熱電素子１３０が複数設けられる場合、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂは複数の熱電素子１３０を連結する役割を果たすことができる。
【００２９】
また、第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂは外部装置と接合され、熱電素子１３０の熱交換を通じて、外部から熱を吸熱または外部へ熱を放熱させる役割をすることができる。すなわち、第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂは、外部装置と熱電素子１３０との間の熱伝達を行う役割をすることができる。これにより、熱電モジュール１００の効率は、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂの熱伝導率による影響を受けることができる。
【００３０】
このため、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂは、熱伝導率の高いセラミックとすることができる。
【００３１】
また、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂは、優れた熱伝導率を有する金属とすることができる。例えば、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂはアルミニウム及び銅等とすることができる。これにより、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂは、優れた熱伝導率を有して、熱電効率を向上させることができる。
【００３２】
ここで、第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂの内側面、詳しくは、第１の基板１１０ａと第１の電極１２０ａとの間、及び第２の基板１１０ｂと第２の電極１２０ｂとの間には、金属から成る第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂと第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂとの間を絶縁するための絶縁層（図示せず）を配設し、第１及び第２の基板１１０ａ、１１０ｂの電気絶縁性を提供することができる。該絶縁層は、熱電モジュール１００を形成する工程に耐えられる耐久性を有する材料とすることができる。例えば、該絶縁層は、ＳｉＯ２、Ａ１２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＹ２Ｏ３のうちのいずれか一つによって形成することができる。
【００３３】
ここで、該絶縁層の厚さは、０．２μｍ〜１０μｍの範囲内で形成できる。これは、該絶縁層の厚さが０．２μｍ未満の場合、絶縁性を確保するのが難しいためである。一方、該絶縁層の厚さが１０μｍを超過する場合、第１の基板１１０ａまたは第２の基板１１０ｂと熱電素子１３０との間の熱伝導率を低下させることになるためである。
【００３４】
また、絶縁層は、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間の絶縁性を確保する役割だけでなく、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に設けられた空隙を埋める役割をさらに果たすことができる。これによって、第１の基板１１０ａと第１の電極１２０ａとの間、第２の基板１１０ｂと第２の電極１２０ａとの間で、空隙により熱伝達が低下するのを防止することができる。
【００３５】
一方、熱電素子１３０はＰ型半導体１３０ａ及びＮ型半導体１３０ｂを含むことができる。Ｐ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとは、同じ平面上に交代で配列されることができる。
【００３６】
ここで、第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂは、熱電素子１３０を挟んで対向して配設することができる。ここで、一対のＰ型半導体１３０ａ及びＮ型半導体１３０ｂは、その下面に配設される第１の電極１２０ａにより電気的に接続され、隣の他の一対のＰ型半導体１３０ａ及びＮ型半導体１３０ｂは、その上面に配設される第２の電極１２０ｂにより電気的に接続することができる。
【００３７】
第１の電極１２０ａ及び第２の電極１２０ｂと熱電素子１３０とは、ソルダ１５０により互いに接合されることができる。該ソルダ１５０は、ＰｂＳｎまたはＣｕＡｇＳｎなどのようにＳｎを含むことができる。
【００３８】
また、第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂはワイヤ１６０により外部電源部に接続され、該外部電源部に対して電源を供給または供給されることができる。すなわち、熱電モジュール１００が発電装置の役割をする場合、電源を該外部電源部に供給でき、冷却装置の役割をする場合、電源を該外部電源部から供給されることができる。
【００３９】
また、図示されていないが、各構成間の境界面間にサーマルグリスを介在させることができる。例えば、該サーマルグリスは、第１の基板１１０ａと第１の電極１２０ａとの間、第２の基板１１０ｂと第２の電極１２０ｂとの間、熱電素子１３０と第１の電極１２０ａとの間、及び熱電素子１３０と第２の電極１２０ａとの間のうちの、少なくともいずれか一つの間に介在させることができる。ここで、サーマルグリスは、各境界面で設けられた空隙を埋める役割をし、該空隙による熱伝導率の低下を防止する役割を果たすことができる。
【００４０】
ハイブリッド充填材１４０は、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に介在されている。
【００４１】
ここで、第１の基板１１０ａが熱を吸収する高温端側で、第２の基板１１０ｂが熱を放出する低温端側であると仮定すれば、ハイブリッド充填材１４０は熱を吸収する高温端側の基板である第１の基板１１０ａに隣接する高温部充填材１４０ａと、熱を放出する低温端側の基板である第２の基板１１０ｂに隣接する低温部充填材１４０ｂとを含む。ここで、第１の基板１１０ａが低温端側で、第２の基板１１０ｂが高温端側であれば、高温部充填材１４０ａと低温部充填材１４０ｂとの位置を互いに変えることができる。
【００４２】
高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂは、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの熱膨張差により発生する問題を解決するためのものである。すなわち、前述のように、高温端側である第１の基板１１０ａと低温端側である第２の基板１１０ｂは互いに温度が異なる。そのため、熱膨張の差が発生して、熱電モジュールにおいて劣化差またはクラックや腐食を引き起こすという問題を解決するためである。
【００４３】
これは、高温部充填材１４０ａが、高温端側である第１の基板１１０ａの熱膨張に対応する材料から成り、低温部充填材１４０ｂが、低温端側である第２の基板１１０ｂの熱膨張に対応する材料から成ることによって解決することができる。すなわち、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間にハイブリッド充填材１４０を充填し、高温端側である第１の基板１１０ａの熱膨張と同一または類似の材料から成る高温部充填材１４０ａが第１の基板１１０ａに隣接するように充填され、低温端側である第２の基板１１０ｂの熱膨張と同一または類似の材料から成る低温部充填材１４０ｂが第２の基板１１０ｂに隣接するように充填されることによって解決することができる。
【００４４】
ここで、第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂがセラミック基板である場合、高温部充填材１４０ａは、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、少なくともいずれか一つが混合された材料から成ることができる。低温部充填材１４０ｂは、パラフィンまたはワックスにガラス繊維が混合された材料から成ることができる。望ましくは、高温部充填材１４０ａは、繊維強化プラスチックとパリレンとが混合された材料から成ることができ、低温部充填材１４０ｂは、ガラス繊維とパラフィンとが混合された材料から成ることができる。
【００４５】
一方、図１では、第１の基板１１０ａの内側面と第２の基板１１０ｂの内側面のとの間に高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂを含むハイブリッド充填材１４０が充填されていることを示したが、必要により、第１の基板１１０ａの外側面及び４つの側面上、すなわち、第１の基板１１０ａの表面全体に渡って高温部充填材を設けることができる。また、第２の基板１１０ｂは、その外側面及び４つの側面、すなわち、第２の基板１１０ｂの表面全体に渡って低温部充填材を設けることができる。ここで、第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂ各々の外側面、及び４つの側面に設けられた高温部充填材及び低温部充填材は、４つの側面間に設けられた高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂに比べて薄い厚さで設けることができる。
【００４６】
図２は、本発明の他の実施形態による熱電モジュールの断面図である。
【００４７】
図２を参照して、本発明の他の実施形態による熱電モジュール２００は、対向離間して配設される第１及び第２の基板２１０ａ、２１０ｂと、第１及び第２の基板２１０ａ、２１０ｂの内側面に各々介在する第１及び第２の電極２２０ａ、２２０ｂと、第１及び第２の基板２１０ａ、２１０ｂ間に介在する熱電素子２３０とを含むことができる。
【００４８】
また、熱電モジュール２００は、第１及び第２の基板２１０ａ、２１０ｂ間に介在するハイブリッド充填材２４０を含むことができる。
【００４９】
また、熱電モジュール２００は、第１の電極２２０ａ及び第２の電極２２０ｂと熱電素子２３０とを連結するソルダ２５０を含むことができ、第１及び第２の電極２２０ａ、２２０ｂを、外部電源部に接続するワイヤ２６０を含むことができる。
【００５０】
本実施形態による熱電モジュール２００は、ハイブリッド充填材２４０を除いては、図１を参照して説明した熱電モジュール１００の構成と同一なので、重複する説明は省略し、ハイブリッド充填材２４０についてのみ説明することにする。
【００５１】
本実施形態のハイブリッド充填材２４０は、図２に示すように、第１の基板２１０ａと第２の基板２１０ｂとの間に介在し、第１の基板２１０ａの内側面、第１の電極２２０ａ、熱電素子２３０、第２の電極２２０ｂ及び第２の基板２１０ｂの内側面などの表面上に、一定の厚さで塗布された形態で設けられる。詳しくは、第１の基板２１０ａの内側面、第１の電極２２０ａ、熱電素子２３０、第２の電極２２０ｂ及び第２の基板２１０ｂの内側面などの露出した表面上に、一定の厚さで塗布された形態で設けられ、各々の（または複数の）熱電素子２３０の間は、完全に充填されるのではなく、空間が存在するように設けられる。
【００５２】
ここで、ハイブリッド充填材２４０は、図１を参照して説明した高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂと同様に、高温部充填材２４０ａ及び低温部充填材２４０ｂを備え、各々、高温端側である第１の電極２１０ａ及び低温端側である第２の電極２１０ｂと隣接するように設けられる。
【００５３】
ハイブリッド充填材２４０の高温部充填材２４０ａ及び低温部充填材２４０ｂをなす材料及び機能は、図１を参照して説明した高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂの材料及び機能と同一なので、重複する説明は省略する。
【００５４】
図３〜図６は、本発明の一実施形態による熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【００５５】
図３〜図６を参照して、本発明の一実施形態による熱電モジュールの製造方法を具体的に説明することにする。
【００５６】
図３を参照して、熱電モジュールを製造するために、まず第１の基板１１０ａを提供する。
【００５７】
第１の基板１１０ａは、セラミックから成るセラミック基板であってもよい。
【００５８】
また、第１の基板１１０ａは、優秀な熱伝導率を有する金属材料から成ることができる。第１の基板１１０ａが金属材料から成る場合、第１の基板１１０ａの内側面上に絶縁層（図示せず）を形成することができる。
【００５９】
該絶縁層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＮｉＯ及びＹ２Ｏ３のうちの、いずれか一つによって形成することができる。ここで、該絶縁層を形成する方法の例としては、印刷法、ＡＬＤ(Ａｔｏｍ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｏｎ)法、スパッタリング法、Ｅ-ｂｅａｍ法及びＣＶＤ法などが挙げられ、その厚さは、絶縁性の確保及び熱伝導率への影響を考慮して、０．２μｍ〜１０μｍの厚さで形成することができる。
【００６０】
第１の基板１１０ａの内側面上に第１の電極１２０ａを形成する。該第１の電極１２０ａは、導電材料を蒸着して導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングして形成することができる。しかし、本発明の実施形態では、これに限定されず、例えば第１の電極１２０ａは、メッキ工程及び印刷工程等を通じて形成してもよい。
【００６１】
続いて、第１の電極１２０ａ上に第１のソルダ層１５０ａを形成する。該第１のソルダ層１５０ａは、ＰｂＳｎまたはＣｕＡｇＳｎのように、Ｓｎを含む導電性ペーストを印刷して形成することができる。
【００６２】
続いて、第１のソルダ層１５０ａ上に熱電素子１３０を配設する。該熱電素子１３０は、Ｐ型半導体１３０ａ及びＮ型半導体１３０ｂを含むことができる。Ｐ型半導体１３０ａとＮ型半導体１３０ｂとを交互に配設することができる。
【００６３】
図４を参照して、第１の基板１１０ａ上に、第１の電極１２０ａ、第１のソルダ層１５０ａ及び熱電素子１３０を形成する工程と別個に、第２の基板１１０ｂを準備し、該第２の基板１１０ｂの内側面上に、第２の電極１２０ｂ及び第２のソルダ層１５０ｂを形成する工程を行う。
【００６４】
ここで、第２の基板１１０ｂは、第１の基板１１０ａと同様に、セラミックから成るセラミック基板であって、優れた熱伝導率を有する金属材料から成ることができる。第２の基板１１０ｂが金属材料から成る場合、第２の基板１１０ｂの内側面上に絶縁層（図示せず）を形成することができる。
【００６５】
第２の基板１１０ｂの内側面上に、第２の電極１２０ｂ及び第２のソルダ層１５０ｂを順に形成する。ここで、絶縁層、第２の電極１２０ｂ及び第２のソルダ層１５０ｂは、図３を参照して説明した絶縁層、第１の電極１２０ａ及び第１のソルダ層１５０ａの材料と同一で、同じ形成方法などを通じて形成することができる。
【００６６】
図５を参照して、熱電素子１３０と第２の電極１２０ｂとが互いに接触するように、第１の基板１１０ａ上に第２の基板１１０ｂを配設した後、該第２の基板１１０ｂまたは第１の基板１１０ａに一定圧力を加えながら、リフロー工程を通じて、第１及び第２の電極１２０ａ、１２０ｂと熱電素子１３０とを互いに接合することによって、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとを接合する。
【００６７】
図６を参照して、接合された第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に、ハイブリッド充填材１４０を充填する工程を進行させて熱電モジュール１００を完成する。
【００６８】
ハイブリッド充填材１４０を充填する工程では、まず高温部充填材原料及び低温部充填材原料を準備する工程を行う。高温部充填材原料は、パリレンまたはテフロンに酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、チタン酸カリウムガラス繊維及び繊維強化プラスチックのうちの、いずれか一つを混合して準備する。低温部充填材原料は、パラフィンまたはワックスにガラス繊維を混合して準備する。望ましくは、高温部充填材原料は、繊維強化プラスチックとパリレンとを混合して準備し、低温部充填材原料は、ガラス繊維とパラフィンとが混合して準備する。
【００６９】
続いて、低温部充填材原料及び高温部充填材原料を用いて、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に、高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂを含むハイブリッド充填材１４０を充填し、本発明の一実施形態による熱電モジュール１００を形成する。
【００７０】
ここで、第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとの間に高温部充填材１４０ａ及び低温部充填材１４０ｂを充填する方法は、いろいろな方法が挙げられるが、代表的なものとしてディッピング法がある。
【００７１】
これは、低温部充填材原料及び高温部充填材原料を溶液またはスラリ形態で形成、すなわち、低温部充填材原料溶液または高温部充填材原料溶液を形成したり、低温部充填材原料スラリまたは高温部充填材原料スラリに形成する。続いて、低温部充填材原料溶液または低温部充填材原料スラリに、第２の基板１１０ｂが浸り、第１の基板１１０ａは浸らないように、すなわち、接合された第１の基板１１０ａと第２の基板１１０ｂとが半分程度浸るようにして、低温端側である第２の基板１１０ｂ側に低温部充填材１４０ｂを形成する。また、高温部充填材原料溶液または高温部充填材原料スラリに第１の基板１１０ａが浸り、接合された第１の基板１１０ａ及び第２の基板１１０ｂの残り部分が浸るようにして、高温端側である第１の基板１１０ａ側に高温部充填材１４０ａが充填されるようにすることにより、充填することができる。
【００７２】
ここで、前記の説明では、まず低温部充填材１４０ｂを形成し、次いで高温部充填材１４０ａを形成するように説明しているが、まず高温部充填材１４０ａを形成した後、低温部充填材１４０ｂを形成してもよい。
【００７３】
一方、図示されていないが、第１の基板１１０ａの外側面及び４つの側面上にも第１の基板１１０ａ側に高温部充填材１４０ａを形成するとき、高温部充填材１４０ａを一定の厚さで同時に形成でき、第２の基板１１０ｂの外側面及び４つの側面上でも同様に、低温部充填材１４０ｂを形成するとき、低温部充填材１４０ｂを一定の厚さで形成することができる。
【００７４】
また、図示されていないが、各構成間の境界面、例えば、第１の基板１１０ａと第１の電極１２０ａとの間、第２の基板１１０ｂと第２の電極１２０ｂとの間、熱電素子１３０と第１の電極１２０ａとの間、及び熱電素子１３０と第２の電極１２０ｂとの間のうちの少なくともいずれか一つに、サーマルグリスをさらに形成することができる。
【００７５】
また、図示されていないが、図１に示す熱電モジュール１００と同様に、第１の電極１２０ａ及び第２の電極１２０ｂに、各々ワイヤ１６０を連結する工程を行うことができる。
【００７６】
図７及び図８は、本発明の他の実施形態による熱電モジュールの製造方法を示す断面図である。
【００７７】
図７及び図８を参照して、本発明の他の実施形態による熱電モジュールの製造方法を詳しく説明することにする。
【００７８】
図７を参照して、図３〜図５を参照して説明した本発明の一実施形態による熱電モジュールの製造方法と同様に、まず第１の基板２１０ａを準備し、該第１の基板２１０ａの内側面上に第１の電極２２０ａ、第１のソルダ層２５０ａ及び熱電素子２３０を順に形成する。続いて、第２の基板２１０ｂを準備し、該第２の基板２１０ｂの内側面上に、第２の電極２２０ｂ及び第２のソルダ層２５０ｂを順に形成する。そして、熱電素子２３０と第２の電極２２０ｂとが互いに接触するように、第１の基板２１０ａ上に第２の基板２１０ｂを配設した後、リフロー工程を通じて第１及び第２の電極２２０ａ、２２０ｂと熱電素子２３０とを互いに接合して、第１の基板２１０ａと第２の基板２２０ｂとを合着させる。その他の細部的な工程、材料などは、図３〜図５を参照して説明した本発明の一実施形態による熱電モジュールの製造方法と同じで、重複する説明は省略する。
【００７９】
図８を参照して、接合された第１の基板２１０ａと第２の基板２１０ｂとの間に、ハイブリッド充填材２４０を塗布する工程を進行させて熱電モジュール２００を完成させる。
【００８０】
ここで、ハイブリッド充填材２４０を塗布する工程では、まず高温部充填材原料及び低温部充填材原料を準備する。ここで、高温部充填材原料及び低温部充填材原料は、図６を参照して説明した高温部充填材原料及び低温部充填材原料と同じ材料及び同じ方法で準備してもよいので、重複する説明は省略する。
【００８１】
本実施形態では、ハイブリッド充填材２４０を、含浸法を用いて形成することができる。
【００８２】
これは、低温部充填材原料及び高温部充填材原料を溶液またはスラリ形態で形成、すなわち、低温部充填材原料溶液または高温部充填材原料溶液を形成したり、低温部充填材原料スラリまたは高温部充填材原料スラリに形成する。続いて、低温部充填材原料溶液または低温部充填材原料スラリに、第２の基板２１０ｂを浸り、第１の基板２１０ａは浸らないようにする。すなわち、接合された第１の基板２１０ａと第２の基板２１０ｂとが半分程度浸るようにした後含浸させ、第２の基板２１０ｂの内側面、第２の電極２２０ｂ及び熱電素子２３０の一部の表面上に、一定の厚さの低温部充填材２４０ｂを形成し、高温部充填材原料溶液または高温部充填材原料スラリに、第１の基板２１０ａを浸り、接合された第１の基板２１０ａ及び第２の基板２１０ｂの残り部分が浸るようにして、高温端側である第１の基板２１０ａの内側面、第１の電極２１０ｂ及び熱電素子２３０の余り一部の表面上に、高温部充填材２４０ａが一定の厚さで塗布されるように形成することができる。
【００８３】
ここで、前記の説明では、まず低温部充填材２４０ｂを塗布し、次いで高温部充填材２４０ａを塗布するように説明しているが、まず高温部充填材２４０ａを塗布した後、低温部充填材２４０ｂを塗布してもよい。
【００８４】
一方、図示されていないが、第１の基板２１０ａの外側面及び４つの側面上にも、第１の基板２１０ａ側に高温部充填材２４０ａを塗布するとき、高温部充填材２４０ａを一定の厚さで同時に形成でき、第２の基板２１０ｂの外側面及び４つの側面上でも同様に、低温部充填材２４０ｂを塗布する時、低温部充填材２４０ｂを一定の厚さで形成することができる。
【００８５】
また、図示されていないが、各構成間の境界面、例えば第１の基板２１０ａと第１の電極２２０ａとの間、第２の基板２１０ｂと第２の電極２２０ｂとの間、熱電素子２３０と第１の電極２２０ａとの間、及び熱電素子２３０と第２の電極２２０ｂとの間のうちの少なくともいずれか一つの間に、サーマルグリスをさらに形成することができる。
【００８６】
また、図示されていないが、図２に示す熱電モジュール２００と同様に、第１の電極２２０ａ及び第２の電極２２０ｂに、各々ワイヤ２６０を連結する工程を行うことができる。
【００８７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８８】
１００、２００  熱電モジュール
１１０ａ,２１０ａ  第１の基板
１１０ｂ、２１０ｂ  第２の基板
１２０ａ、２２０ａ  第１の電極
１２０ｂ、２２０ｂ  第２の電極
１３０、２３０  熱電素子
１４０、２４０  ハイブリッド充填材
１５０、２５０  ソルダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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