KR100795374B1 - 가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈 제조방법 - Google Patents

가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈 제조방법 Download PDF

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Abstract

기판위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 하나의 열전 반도체인 제1 열전 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 열전 반도체층 위에 제1 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1 절연층 위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 나머지 다른 하나의 열전 반도체인 제2 열전 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 열전 반도체층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층으로 형성된 수직 배열층이 서로 이격된 다수의 셀로 분리되어 배열되도록 어레이 패터닝하는 단계; 상기 셀 배열에서 교호적으로 위치하는 셀의 적어도 양단에서 상기 제1 열전 반도체층이 드러나도록 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층을 제거하는 단계; 상기 셀과 셀 사이에 제2 절연층을 형성하는 단계; 양단의 제1 열전 반도체층이 드러나 있는 상기 셀의 제1 열전 반도체층을 그와 이웃하는 셀의 상기 제2 열전 반도체층과 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계 -상기 양단 중 일 단의 전극은 일 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결되고 타 단의 전극은 타 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결됨- 를 포함하는 박막형 열전모듈 제조방법이 제공된다.
열전반도체, 열전발전, 열전냉각, 열전박막, 열전모듈

Description

가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈 제조방법{Method for manufacturing a Thin Film Thermoelectric module for Heater, Cooler and Generator}
도 1 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 열전모듈 제조공정의 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
10: 기판
11: n형 열전반도체 박막
12, 14: 절연층
13: p형 열전반도체 박막
15: 전극
16: 패드전극
17: 제1 절연패드
18: 제2 절연패드
본 발명은 박막형 열전모듈 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체를 절연층을 사이에 두고 연속적으로 증착하도록 구성되어 제조공정을 보다 간단하게 할 수 있는 박막형 열전모듈의 제조방법에 관한 것이다.
열전가열, 열전냉각 및 열전발전은 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제어백 효과(Seebeck effect)를 이용한 것으로 전기에 의해 물질 양단에 흡열 및 발열을 일으키거나 물질 양단의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상을 이용하는 것이다. 온도측정에 흔히 사용하는 열전대는 온도차에 의해 발생하는 기전력을 측정하는 것으로 제어백 효과를 이용한 것이며 자동차등의 폐열을 이용한 발전이나 체온을 이용한 소형전자 소자 등에 응용되고 있다. 펠티어 효과를 이용하면 기계적 구동요소가 없는 냉각장치를 만들 수 있으며 현재에는 소형 화장품 냉장고 및 냉온 정수기 등에 응용되고 있다.
상온 근방에서 우수한 열전 특성을 보이는 물질로는 비스무트 텔루라이드계 (Bi2Te3) 합금을 들 수 있다. 현재 상용화된 대부분 열전모듈은 여기에 안티몬 (Sb)을 첨가하여 p형 열전반도체를 만들고 셀레늄(Se)을 첨가하여 n형 열전반도체를 제조하여 p-n 접합 어레이를 만드는 형태로 제조되고 있다. 이의 제조 방법으로는 분말야금 등의 방법으로 덩어리 형태로 p형 및 n형 소재를 제조하고 이를 잘게 썰어서 p-n 접합 어레이를 형성하여 열전모듈을 제작하고 있다.
박막형의 열전모듈은 아직 연구단계에 머물러 있으나 덩어리 형태에 비해 냉각밀도가 높아 국부적인 냉각을 필요로 하는 곳이나 첨단 전자소자의 온도제어에 널리 이용될 수 있다.
종래 기술에 따른 박막형 열전모듈의 제조방법으로서, 기판 위에 p형 및 n형의 열전반도체 박막을 서로 독립적으로 성장시키고 패턴을 형성하여 서로 접합시키는 방법 (한국 특허공개 제 2005-66337 호)과, 기판 위에 먼저 n형 및 p형 열전 반도체 중 하나를 증착시키고 마스크 작업공정을 거쳐서 나머지 다른 하나의 열전 반도체를 형성하는 방법 (Journal of micromechanics and microengineering 11(2001)146 ) 이 알려져 있다. 전자의 방법은 분리되어 독립적으로 성장된 p형 열전 반도체와 n형 열전 반도체를 서로 뒤집어 접합하는 공정이 매우 번거로운 작업이 된다는 단점을 가지고, 후자의 방법은 마스크로 사용하는 포토레지스터 물질이 경화되지 않는 낮은 온도에서 열전반도체 박막을 증착하여야 함으로 열전 성능이 저하될 가능성이 크다는 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명은 한 번의 연속적인 성장공정으로 n형 및 p형 열전반도체 박막을 형성하도록 하여 공정이 보다 단순하고 또한 열전성능이 우수한 열전모듈을 얻을 수 있는 것이 가능한 열전모듈 제조방법을 제공하는 것을 주 목적으로 한다.
이와 같은 본 발명의 목적은 a) 기판위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 하나의 열전 반도체인 제1 열전 반도체층을 형성하는 단계; b) 상기 제1 열전 반도체층 위에 제1 절연층을 형성하는 단계; c) 상기 제1 절연층 위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 나머지 다른 하나의 열전 반도체인 제2 열전 반도체층을 형성하는 단계; d) 상기 제1 열전 반도체층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층으로 형성된 수직 배열층이 서로 이격된 다수의 셀로 분리되어 배열되도록 어레이 패터닝하는 단계; 그리고 e) 상기 셀의 제1 열전 반도체층과 제2 열전 반도체층 중 하나의 열전 반도체층과 상기 셀과 이웃하는 셀의 제1 열전 반도체층과 제2 열전 반도체층 중 다른 하나의 열전 반도체층을 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 열전모듈 제조방법을 제공하여 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면 단계 e)는 f) 상기 셀 배열에서 교호적으로 위치하는 셀의 적어도 양단에서 상기 제1 열전 반도체층을 남기고 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층을 제거하는 단계; g) 상기 셀과 셀 사이에 제2 절연층을 형성하는 단계; 그리고 h) 양단이 제1 열전 반도체층만 남은 상기 셀의 제1 열전 반도체층을 그와 이웃하는 셀의 상기 제2 열전 반도체층과 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계 -상기 양단 중 일 단의 상기 전극은 일 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결되고 타 단의 상기 전극은 타 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결됨; 를 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 열전모듈의 제조공정 개략도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 위에 n형 열전반도체 박막층(11), 제1 절연층 (12), p형 열전반도체 박막층(13)을 차례로 증착한다. 여기서, 가열 냉각용 및 발전용 열전모듈을 제조하기 위한 상기 기판(10)은 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리 콘, 파이렉스, 석영 기판 등을 이용하며, 상기 n형 열전 반도체층(11), 절연층 (12), p형 열전 반도체층(13)은 각각 1 ~ 3㎛, 0.1 ~ 0.5㎛, 1 ~ 3㎛의 두께로 형성한다. 도시된 실시예에서는, n형 열전 반도체층(11)이 하측에 오고 p형 열전 반도체층(13)이 상측에 오도록 구성되었지만, 그 반대가 되어도 무방하다.
이와 같은 3개층의 형성에 있어서는 기판위에 열증착, 분자선에피텍시(Molecular Beam Epitaxy), 유기금속 화학기상증착법(MOCVD), 스퍼터링 등의 박막 증착법을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 경우 n형 열전 반도체층(11)과 p형 열전 반도체층(13) 사이에 절연층(12)이 위치되는 구조이기 때문에 n형 열전 반도체층(11)과 p형 열전 반도체층(13)을 성장챔버에서 일련의 연속적인 성장공정으로 한 번에 형성하는 것이 가능하다. 따라서 종래에 비해 크게 공정이 단순화되고 p형 및 n형 열전 반도체를 모두 성장시키는 과정에서 매스킹 작업이 없으므로 포토레지스터 등의 경화문제를 걱정할 필요가 거의 없다.
다음, 통상적인 사진식각법으로 상기의 다층박막(11,12,13) 위에 길이 5 ~ 10mm, 폭 50 ~ 400㎛ 크기로 패터닝을 한 후 에칭하여 도 2에 도시한 바와 같이 서로 이격된 다수의 셀로 구분시킨다. 여기서, “셀”은 같은 수직 층상 구조를 가지면서 이격되어 있는 단위 구조물을 지칭하기 위해 사용되었다. 각각의 셀로 분리시키는 방법으로는 포토레지스터를 패턴과 일치하게 도포한 후 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마, 이온밀링법, 습식식각법을 사용하는 것이 바람직하다.
어레이 패터닝에는 통상적인 반도체 가공방법을 사용할 수 있으며 각 셀의 크기는 냉각 및 발전용 열전모듈의 사양에 따라 적절히 설계되어질 수 있다.
상기 패터닝된 모듈의 표면에 전극을 형성시키기 위해서 도 3 에 예시된 평면도와 같이 셀 열의 짝수 번째 혹은 홀수 번째 위치하는 셀의 양쪽 끝 부분을 하부의 n형 열전 반도체층(11)만을 남기고 p형 열전 반도체층(13) 및 제1 절연층(12)을 식각하여 제거한다.
도 4는 식각된 재료를 도 3에 표시한 절취선(4-4‘)을 따라 본 단면도이다. 이때 굳이 양쪽 끝의 일부분 만 식각하지 않고 셀의 전체를 하부 n형 열전 반도체층(11)만 남기고 식각하여도 무방하다.
상기 분리된 각각의 셀 사이가 전기적으로 절연되도록 도 5 에 예시한 바와 같이 셀과 셀 사이에 절연재료로서 제2 절연층(14)을 형성한다. 절연물질로는 포토레지스터, 폴리머계열의 절연성 소재 및 여타의 고상 화합물이 다양하게 사용될 수 있다.
다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 패터닝에 의해 이웃하는 셀의 단부를 서로 연결하도록 전극(15)을 형성한다. 또한, 패터닝에 의해 가장자리에 있는 셀에 패드전극(16)을 형성한다.
도 6의 평면도의 일 단부에 표시된 절취선(7-7‘)을 따라 도시한 단면도인 도 7에 도시한 바와 같이, 좌측에서 첫 번 째 셀의 p형 열전 반도체(13)는 두 번 째 셀의 노출된 n형 열전 반도체(11)에 연결된다. 그러나, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 절취선이 표시되지 않은 단부에서의 첫 번 째 셀과 두 번 째 셀 사이는 전극이 형성되지 않는다. 동일한 원리로 도 6의 좌측에서 n번째 셀은 그 일단에서 n-1 번째 셀과 전극으로 연결되고, 그 타단에서 n+1 번째 셀과 연결된다.
전극(15)의 재질은 알루미늄(Al), 니켈(Ni)등 다양하게 선택되어 질 수 있으며 그 크기 또한 다양하게 선택되어질 수 있다. p형 열전 반도체와 n형 열전 반도체를 전기적으로 연결하는 금속 전극(15)은 리프트 오프 (lift off) 반도체 공정을 통하여 니켈(Ni), 금(Au) 내지는 티타늄 (Ti), 금 (Au)을 차례로 증착하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈의 구조도이다.
상기 도 6에 도시된 양단의 전극(15) 위에 절연 알루미나 등을 접착하여 제1 및 제2 절연패드(17,18)를 형성하여 박막형 열전모듈을 완성한다. 이 때 절연 알루미나 외에 열전도성이 좋으며 절연성이 있는 다른 재료를 사용하는 것이 가능하다. 이와 같이 형성된 가열 냉각용 및 발전용 열전모듈은, 냉각용 열전모듈로 사용될 경우 인가전압의 부호에 따라 제1 절연패드(17) 부위가 냉각되거나 발열을 하게 되며 이때 쉽게 열전달을 할 수 있는 재료가 절연패드로 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 절연 패드(17, 18)에 온도 차를 부여하면 패드전극(16)을 통하여 전압의 발생을 측정할 수 있게 된다.
지금까지 설명한 내용에서 언급한 셀의 크기 및 두께는 전형적인 수치로서, 얼마든지 그 값을 바꿀 수 있다. 또한, 각 층의 재료를 상기 언급된 재료와 유사한 성질을 갖는 다른 재료로 대체할 수 있다.
가열 및 냉각용 혹은 발전용 열전모듈을 제조하기 위한 본 발명의 방법에서 사용되는 기판으로는 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리콘, 파이렉스(Pyrex;등록상표), 석영 등을 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 본 발명에 사용되는 n형 열전 반도체 물질은 비스무트 텔루라이드(Bi-Te) 합금 내지는 여기에 Se가 첨가 된 것이며 p 형 열전 반도체 물질은 Bi-Te 합금 내지는 여기에 Sb가 첨가된 것을 특징으로 한다. n형 및 p형 사이에 형성되는 절연층으로는 CdTe, ZnS, Si, SiNx 등을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈의 제작에서 기존에 p형 및 n형 박막을 별도로 증착하던 공정을 피할 수 있다. 기존에는 두 개의 기판위에 금속전극 패턴을 먼저 형성시키고, 한쪽에는 p형 열전반도체, 다른 한쪽에는 n형을 성장시켜 서로 결합시키거나 아니면 포토레지스터로 p형 및 n형이 증착될 자리를 구분하여 두 번에 걸쳐서 성장함으로 p-n 접합을 형성 시키고 있다. 이러한 기존의 공정은 복잡할 뿐만 아니라 저온 공정 및 금속패드 위에 열전반도체가 형성됨으로 열전 반도체의 우수한 특성을 기대 하기 어렵다. 본 발명에 따르면 p형 및 n형 열전반도체를 가운데 절연층을 두고 한꺼번에 성장시킴으로써 종래의 방법에 비해 공정이 단순하며 또한 다층박막 성장 시 고온공정을 사용하는 것이 가능하며 성장 후 고온에서 열처리를 통한 열전 반도체의 특성향상을 기대할 수 있다.
또한 박막형의 경우 열전반도체의 두께는 수 마이크로미터에 불과 함으로 수 마이크로미터 내에서 온도차를 가하기가 어려우며 역으로 전압을 가하여 온도차를 보이기가 매우 어렵다. 본 발명에 따르면 온도차를 가하는 두 부위가 다양한 길이로 선택되어 질 수 있음으로 절대냉각온도 및 발전효과는 종래의 모듈에 비하여 매우 클 것으로 기대된다.
본 발명에서와 같이 열전모듈을 형성하면, 열전모듈을 박막형으로 제조할 수 있으며 절대냉각 온도 및 발전전압을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였으나 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. a) 기판위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 하나의 열전 반도체인 제1 열전 반도체층을 형성하는 단계;
    b) 상기 제1 열전 반도체층 위에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    c) 상기 제1 절연층 위에 p형 및 n형 열전 반도체 중 나머지 다른 하나의 열전 반도체인 제2 열전 반도체층을 형성하는 단계;
    d) 상기 제1 열전 반도체층, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층으로 형성된 수직 배열층이 서로 이격된 다수의 셀로 분리되어 배열되도록 어레이 패터닝하는 단계; 그리고
    e) 상기 셀의 제1 열전 반도체층과 제2 열전 반도체층 중 하나의 열전 반도체층과 상기 셀과 이웃하는 셀의 제1 열전 반도체층과 제2 열전 반도체층 중 다른 하나의 열전 반도체층을 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 박막형 열전모듈 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 e)는
    f) 상기 셀 배열에서 교호적으로 위치하는 셀의 적어도 양단에서 상기 제1 열전 반도체층을 남기고 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층을 제거하는 단계;
    g) 상기 셀과 셀 사이에 제2 절연층을 형성하는 단계; 그리고
    h) 양단이 제1 열전 반도체층만 남은 상기 셀의 제1 열전 반도체층을 그와 이웃하는 셀의 상기 제2 열전 반도체층과 전기적으로 연결하는 전극을 형성하는 단계 -상기 양단 중 일 단의 상기 전극은 일 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결되고 타 단의 상기 전극은 타 방향으로 이웃하는 셀의 제2 열전 반도체층과 연결됨;
    를 포함하는 박막형 열전모듈 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계 f)에서 상기 제1 절연층 및 상기 제2 열전 반도체층의 제거는 상기 셀의 전체 상면에 걸쳐 수행되는 박막형 열전모듈 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)는 열증착, 금속유기 화학 기상증착법, 분자선에피텍시, 스퍼터링 법 중 선택된 하나의 방법에 의해 수행되는 박막형 열전모듈 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)는 열증착, 금속유기 화학 기상증착법, 분자선에피텍시, 스퍼터링 법 중 선택된 하나의 방법에 의해 수행되는 박막형 열전모듈 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 c)는 열증착, 금속유기 화학 기상증착법, 분자선에피텍시, 스퍼터링 법 중 선택된 하나의 방법에 의해 수행되는 박막형 열전모듈 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 갈륨비소(GaAs), 사파이어, 파이렉스(Pyrex) 및 석영(SiO2) 중에서 선택된 하나의 단결정 웨이퍼인 박막형 열전모듈 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 n형 열전 반도체층은 Bi-Te 합금 및 Bi-Te 합금에 Se를 첨가한 재료 중 선택된 하나의 재료인 박막형 열전모듈 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 p형 열전 반도체층은 Bi-Te 합금 및 Bi-Te 합금에 Sb를 첨가한 재료 중 선택된 하나의 재료인 박막형 열전모듈 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 절연층은 CdTe, ZnS 및 Si 중 선택된 하나의 재료인 박막형 열전모듈 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전극은 다수의 금속 재료를 차례로 증착하여 형성되는 박막형 열전모듈 제조방법.
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