KR100993217B1 - Fabrication Methods of Antimony-Telluride Thermoelectric Thin Film Devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기도금법을 이용하여 열센서용 안티모니-테루라이드(Sb-Te) 열전박막소자의 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 더욱 상세하게는 안티모니(Sb) 이온 공급원과 테루륨(Te) 이온 공급원들을 포함하는 도금액 내의 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율을 7:3에서부터 9:1 범위로 조절하고 도금전위를 0 mV에서 30 mV 범위로 조절함으로써 기존의 방법으로는 얻을 수 없었던 높은 지벡 계수를 갖는 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 의해 소형화된 열센서를 빠른 공정속도와 낮은 공정비용으로 구성할 수 있는 공정상의 이점이 있으며, 또한 열센서의 감지성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. The present invention is to provide a method for manufacturing an antimony-teruride (Sb-Te) thermoelectric thin film device for a thermal sensor using an electroplating method, more specifically, an antimony (Sb) ion source and terulium (Te). By adjusting the concentration ratio of antimony ions and terrium ions in the plating solution including ion sources in the range of 7: 3 to 9: 1 and the plating potential in the range of 0 mV to 30 mV, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an antimony-terulide thermoelectric thin film device having a Seebeck coefficient. According to the present invention, there is a process advantage in that the miniaturized heat sensor can be configured at a high process speed and a low process cost, and there is also an advantage in that the sensing performance of the heat sensor is improved.
열전박막, 안티모니-테루라이드, 지벡 계수, 전기도금, 열센서 Thermoelectric Thin Film, Antimony-Terride, Seebeck Coefficient, Electroplating, Thermal Sensor
Description
비접촉식 열센서는 물체에서 방출되는 적외선 등의 열에너지 신호를 받아 이를 전기 신호로 에너지 변환하여 열을 감지하는 센서로서 가전, 사무자동화, 방범, 방재, 교통 및 빌딩 시스템 등의 다양한 분야에 널리 응용되고 있다. 비접촉식 열센서는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방법에 따라 양자형과 열형으로 구분된다. 이중 양자형은 광전도나 광기전력 효과 등을 이용하는 것으로 감도 및 응답성이 우수하다는 장점이 있으나, 소자를 80K 이하의 온도로 냉각하기 위한 냉매가 요구되기 때문에 소형화가 어려우며 용도가 제한적이다. 이에 반해 초전체나 써모파일을 이용한 열센서는 냉각이 필요 없고 소형으로 제작이 가능하여 범용 열센서로서 일반적으로 사용되고 있다. Non-contact thermal sensor is a sensor that senses heat by receiving a thermal energy signal such as infrared rays emitted from an object and converting it into an electrical signal and is widely applied in various fields such as home appliances, office automation, crime prevention, disaster prevention, traffic and building systems. . Non-contact thermal sensor is divided into quantum type and thermal type according to the method of converting thermal energy into electrical energy. The dual quantum type has advantages of excellent sensitivity and responsiveness by using photoconductivity or photovoltaic effect, but it is difficult to miniaturize and limited in use because a refrigerant for cooling the device to a temperature of 80K or less is required. On the other hand, thermal sensors using pyroelectric elements or thermopiles are generally used as general-purpose thermal sensors because they can be made compact without cooling.
상기의 열센서 중에서 초전형 열센서는 이동하는 물체와 같이 변화하는 입력에 대해서는 응답하나, 움직임이 없는 물체에 대해서는 응답하지 않기 때문에 초퍼를 사용하여 입력신호를 주기적으로 단속하여야 한다. 따라서 초전형 열센서는 초퍼 및 이의 구동모터 등이 필요하여, 구조가 복잡하고 소비전력이 크며 초소형화가 어려운 문제점이 있다. 이에 비해 써모파일형 열센서는 온도차에 의해 전압이 발생하는 지벡(Seebeck) 현상을 이용한 것으로 측정대상의 움직임이 없을 때에도 초퍼와 구동모터 등과 같은 별도의 장치 없이 측정이 가능한 장점이 있다. Among the thermal sensors, the pyroelectric thermal sensor responds to a change in input, such as a moving object, but does not respond to an object that does not move. Therefore, a chopper must be used to periodically interrupt an input signal. Therefore, the pyroelectric thermal sensor requires a chopper and a driving motor thereof, such that the structure is complicated, power consumption is large, and miniaturization is difficult. In comparison, the thermopile type thermal sensor uses Seebeck, which generates voltage due to temperature difference, and can be measured without additional devices such as a chopper and a driving motor even when there is no movement of the measurement object.
써모파일형 열센서의 응답감도는 열센서를 구성하는 써모파일 열전소자의 지벡 계수(Seebeck coefficient)에 의존한다. 열전재료의 고온단(Th)과 저온단(Tc) 사이의 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열이 이동함에 따라, 열전소자에서 전하가 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다. 지벡 계수 α는 온도차 ΔT에 의해 발생하는 기전력 ΔV를 나타내며, α = ΔV/ΔT의 관계식으로 표현된다. 따라서 써모파일 열전소자의 지벡 계수가 높을수록 동일한 열에너지 신호를 더 큰 전기신호로 변환할 수 있기 때문에 열센서의 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다. The response sensitivity of the thermopile type thermal sensor depends on the Seebeck coefficient of the thermopile thermoelement constituting the thermal sensor. As the heat moves from the hot end to the cold end by the temperature difference between the hot end (T h ) and the low end (T c ) of the thermoelectric material, the Seebeck effect is caused by the charge in the thermoelectric element moving from the high end to the low end. By the electromotive force is generated. The Seebeck coefficient α represents the electromotive force ΔV generated by the temperature difference ΔT, and is expressed by a relation of α = ΔV / ΔT. Therefore, as the Seebeck coefficient of the thermopile thermoelectric element is higher, the same thermal energy signal can be converted into a larger electric signal, thereby improving the performance of the thermal sensor.
현재 n형 실리콘(Si)이 써모파일형 열센서를 구성하는 재료로 주로 사용되고 있으나, 지벡 계수가 낮기 때문에 출력되는 전기신호가 미약하여 응답감도가 낮다는 단점이 있다. 따라서 써모파일형 열센서의 출력 특성을 향상시키기 위해서는 상온에서 지벡 계수가 우수한 열전재료를 사용하여야 한다. Currently, n-type silicon (Si) is mainly used as a material for forming a thermopile type thermal sensor. However, since the Seebeck coefficient is low, the output electrical signal is weak and the response sensitivity is low. Therefore, in order to improve the output characteristics of the thermopile type thermal sensor, a thermoelectric material having excellent Seebeck coefficient at room temperature should be used.
이제까지 열센서에 사용되는 열전모듈은 단결정 잉곳(ingot)을 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전소자와 n형 열전소자들로 구성하거나, 가압소결법이나 열간압출법으로 제조한 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 p형 열전소자와 n형 열전소자들로 구성되어 왔다. 그러나 이들 덩어리 형태의 p형 열전소자와 n형 열전소자들은 단결정 잉곳을 절단하거나 또는 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조하기 때문에 열전소자의 크기 감소에 제한을 받는다. 따라서 이들을 이용하여 소형 열전모듈을 제작하는 것이 어려워 소형 써모파일형 열센서를 구성하는데 어려움이 있었다. Until now, thermoelectric modules used in thermal sensors consist of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements made by cutting single crystal ingots, or polycrystalline pressurization manufactured by pressure sintering or hot extrusion. Bulk p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements manufactured by cutting a sintered body or a hot extrusion body have been composed. However, these agglomerate p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are limited to the size reduction of thermoelectric elements because they are manufactured by cutting single crystal ingots or cutting polycrystalline pressurized bodies or hot extruders. Therefore, it is difficult to manufacture a small thermoelectric module using them, it was difficult to construct a small thermopile type thermal sensor.
상기와 같은 덩어리 형태의 열전소자들을 사용하여 구성한 열전모듈의 문제점을 해결하기 위해 플래시 증착법(flash evaporation)이나 마그네트론 스퍼터링법으로 제작한 열전박막소자가 개발되었다. 열전박막소자들은 기존 덩어리 형태의 열전소자들에 비해 크기를 훨씬 미세하게 만들 수 있으며, 이에 따라 이들을 사용하여 구성한 써모파일형 열센서의 소형화가 가능하게 된다. 그러나 상기한 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 열전박막소자의 제조공정은 진공증착 장비의 가격이 비싸 공정 단가가 비싸며, 공정에 필요한 진공도에 도달할 때까지 시간이 오래 걸려 공정 속도가 느리고, 공정의 스케일 업이 어려워 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있었다. 또한 열전박막소자의 지벡 계수가 덩어리 형태의 열전소자들에 비해 크게 낮다는 문제점이 있었다. In order to solve the problem of the thermoelectric module constructed by using the above-described lumped thermoelectric elements, a thermoelectric thin film device manufactured by flash evaporation or magnetron sputtering has been developed. Thermoelectric thin film elements can be made much smaller in size than conventional lumped thermoelectric elements, thereby miniaturizing the thermopile type thermal sensor constructed using them. However, the manufacturing process of the thermoelectric thin film device using the flash deposition method or the magnetron sputtering method is expensive because the cost of vacuum deposition equipment is high, and the process cost is high, and it takes a long time to reach the degree of vacuum required for the process. Difficult to scale up, there was a problem that mass production is difficult. In addition, there is a problem that the Seebeck coefficient of the thermoelectric thin film device is significantly lower than that of the lumped thermoelectric elements.
통상적으로 덩어리 형태의 p형 열전소자의 조성으로는 지벡 계수가 최적화된 (Bi0.25Sb0.85)2Te3가 사용돼 왔다. 지벡 계수와 같은 열전특성들은 열전재료의 조성에 크게 의존한다. 벌크 (Bi0 .25Sb0 .85)2Te3 소자와는 달리 열전박막에서는 비스무스(Bi), 안티모니(Sb), 테루륨(Te)의 3개 성분들로 이루어져 있는 조성을 (Bi0 .25Sb0 .85)2Te3 조성으로 맞추는 것이 어려우며, 이에 따라 비스무스-안티모니-테루라이드(bismuth-antimony-telluride: Bi-Sb-Te) 박막의 지벡 계수가 70 μV/K 이하로 낮기 때문에 이를 써모파일형 열센서에 적용하는 것이 어려웠다. In general, as a composition of agglomerate p-type thermoelectric element, an optimized Seebeck coefficient (Bi 0.25 Sb 0.85 ) 2 Te 3 has been used. Thermoelectric properties, such as the Seebeck coefficient, depend heavily on the composition of the thermoelectric material. Bulk (Bi 0 .25 Sb 0 .85 ) 2 Te 3 Unlike the thermal transfer element in the thin film of bismuth (Bi), antimony (Sb), a composition that consists of the three components of Teruel volume (Te) (Bi 0 .25 Sb 0 .85) 2 Te 3 It is difficult to match the composition, and as a result, the Seebeck coefficient of the bismuth-antimony-telluride (Bi-Sb-Te) thin film is lower than 70 μV / K, so it is applied to a thermopile thermal sensor. It was difficult.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 기술의 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법 대신에 전기도금법으로 도 1과 같은 안티모니-테루라이드 (antimony-telluride: Sb-Te) 열전박막소자를 제조하는 방법을 제공한다. 특히 본 발명에서는 전기도금액의 안티모니(Sb) 이온과 테루륨(Te) 이온의 농도비율을 7:3에서 9:1의 범위에서 조절하고 도금전위를 0 mV에서 30 mV 범위에서 조절함으로써 열기전력인 지벡 계수가 월등히 향상된 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 제조방법을 제공한다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the antimony-telluride (Sb-Te) thermoelectric as shown in Figure 1 by the electroplating method instead of the flash deposition method or magnetron sputtering method of the prior art Provided is a method of manufacturing a thin film device. In particular, in the present invention, by adjusting the concentration ratio of antimony (Sb) ions and terurium (Te) ions in the electroplating solution in the range of 7: 3 to 9: 1 and the plating potential in the range of 0 mV to 30 mV The present invention provides a method for manufacturing an antimony-terulide thermoelectric thin film device having an improved power of Seebeck coefficient.
본 발명에 의해 상기한 기존 기술인 플래시 증착법이나 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 구성한 열전박막소자의 문제점들이 해결되어, 공정 속도가 빠르고 스케일 업이 용이하며 공정 비용이 낮으며, 지벡 계수가 높아 응답감도가 향상된 열센서용 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다. The present invention solves the problems of the thermoelectric thin film device constructed by using the flash deposition method or the magnetron sputtering method, which is the above-described conventional technology, and thus, the process speed is fast, the scale up is easy, the process cost is low, and the Seebeck coefficient is high, the response sensitivity is improved. It is possible to provide a method for manufacturing an antimony-teruride thermoelectric thin film element for a thermal sensor.
기존의 (Bi0 .25Sb0 .85)2Te3 박막에서는 비스무스 이온, 안티모니 이온, 테루륨 이온의 전기도금속도가 서로 다르기 때문에 전기도금법을 사용하여 박막의 조성을 (Bi0.25Sb0.85)2Te3 화학양론적 조성으로 조절하는 것이 어려웠다. 이에 비해 본 발명에서는 안티모니와 테루륨의 두 성분으로 구성되어 있는 안티모니-테루라아드 열전박막소자를 전기도금법으로 제조하는 것으로 조성 조절이 (Bi0 .25Sb0 .85)2Te3 박막보다 훨씬 용이하여 높은 지벡 계수를 얻을 수 있는 열센서용 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다. Conventional (Bi 0 .25 0 .85 Sb) 2 Te 3 in the thin film of bismuth ions, the composition of the thin film using the electroplating method are different because an electroplating rate of antimony ions, cerium ions Teruel (Bi 0.25 Sb 0.85) 2 It was difficult to control to the Te 3 stoichiometric composition. In comparison, in the present invention, which is composed of two components of the anti-antimony and cerium Teruel monitor-Teruel lard heat transfer to the composition control for producing a thin film element by electroplating method (Bi 0 .25 0 .85 Sb) 2 Te 3 thin film It is possible to provide a method of manufacturing an antimony-teruride thermoelectric thin film element for a thermal sensor that is much easier to obtain a high Seebeck coefficient.
본 발명은 전기도금법을 이용한 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 제조방법에 관한 것으로서 안티모니 이온 공급원과 테루륨 이온 공급원을 함유하는 안티모니-테루라이드 전기도금액에 열전박막소자(11)를 전기도금하기 위한 전기도금용 씨앗층(12)이 형성된 기판(13)을 담그는 단계와, 전기도금용 씨앗층에 소정의 도금전위를 가하여 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금으로 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method for manufacturing an antimony-terulide thermoelectric thin film device using an electroplating method, wherein the thermoelectric film element (11) is electrically connected to an antimony-terurilide electroplating solution containing an antimony ion source and a terurium ion source. Dipping the
본 발명에서 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금법으로 제조하기 위한 전기도금액 내 안티모니 이온 공급원과 테루륨 이온 공급원이 될 수 있는 물질로는 전기도금에 통상적으로 사용가능한 어떠한 물질도 포함하며 특정한 종류의 물질로 한정될 것을 요하지 않는다. 안티모니 이온 공급원으로는 Sb2O3, SbCl3, 금속 Sb 등이 있으며, 테루륨 이온 공급원으로는 TeO2, 금속 Te 등이 있다. 본 발명에서는 상기 안티모니 이온 공급원과 테루륨 이온 공급원들을 포함하는 도금액 내의 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율을 7:3에서부터 9:1의 범위로 조절하고 도금전위를 0 mV에서 30 mV의 범위로 조절함으로써 기존의 방법으로는 얻을 수 없었던 높은 지벡 계수를 나타내는 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 제공하는 것이 가능하게 된다. In the present invention, any material that can be used as an antimony ion source and a terurium ion source in an electroplating solution for manufacturing the antimony-terulide thermal
본 발명에서 안티모니-테루라이드 전기도금액 내의 안티모니 이온과 테루륨 이온의 전체 농도, 도금액의 pH 및 도금 온도는 특정한 조건을 요하지는 아니한다. 본 발명의 실시예에서는 도금액 내의 안티모니-테루라이드의 전체 농도는 70 mM, 도금액의 pH는 2.0∼2.5, 도금온도는 상온인 조건에서 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하여 형성하였으나, 이는 어디까지나 본 발명의 실시를 위한 하나의 바람직한 예에 불과할 뿐 도금액의 또 다른 안티모니 이온과 테루륨 이온의 전체 농도, pH와 온도 조건의 선택을 배제하는 것은 아니다. In the present invention, the total concentration of antimony ions and terurium ions in the antimony-teruride electroplating solution, the pH of the plating solution and the plating temperature do not require specific conditions. In the embodiment of the present invention, the total concentration of the antimony-terurilide in the plating liquid is 70 mM, the pH of the plating liquid is 2.0 to 2.5, the plating temperature is electroplating the antimony-terulide thermoelectric
본 발명에 의해 전기도금법을 이용하여 지벡 계수가 높은 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 형성함으로써, 소형화된 열센서를 빠른 공정속도와 낮은 공정비용으로 구성할 수 있는 공정상의 이점이 있으며 또한 열센서의 감지성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. By forming the antimony-teruride thermoelectric
이와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들이 본 발명의 권리를 한정하는 것은 아니다. This invention will be described by the following examples. However, these do not limit the rights of the present invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
안티모니-테루라이드 (Sb-Te) 열전박막소자(11)를 전기도금으로 형성하기 위한 전기도금액은 다음과 같은 방법으로 제조하였다. 안티모니(Sb) 이온과 테루륨(Te) 이온의 전체 농도가 70 mM 이며 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도 비율이 3:7에서 9:1의 범위가 되도록 Sb2O3 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 1M의 질산(HNO3) 용액에 넣고, 도금첨가제로서 0.5M의 퍼크로릭 산(perchloric acid)과 0.35M의 타타릭 산(tartaric acid)을 첨가하여 160℃에서 24시간 동안 교반하며 용해시켜 안티모니-테루라이드 전기도금액을 만들었다. An electroplating solution for forming the antimony-teruride (Sb-Te) thermoelectric
안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)을 전기도금하기 위한 기판(13)으로서 실리콘(Si) 웨이퍼를 1 cm x 1 cm 크기로 절단한 후, 아세톤, 알콜과 증류수를 사용하여 각기 30초씩 초음파 세척하고 질소가스를 불어주며 표면에 부착된 불순물을 제거하였다. 상기 실리콘 기판(13)을 스퍼터 챔버내 기판 홀더에 장착후 실리콘 기판(13)과 전기도금용 씨앗층(12)으로 스퍼터링할 티타늄(Ti) 박막 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 실리콘 기판(13)의 표면을 알곤(Ar) 가스를 사용하여 RF 스퍼터 링 처리하였다. 상기와 같은 실리콘 기판(13) 표면에 마그네트론 스퍼터링법으로 전기도금용 씨앗층(12)인 티타늄 박막을 1㎛ 두께로 형성하였다. 전기도금용 티타늄 씨앗층(12)이 형성된 실리콘 기판(13)을 상기 안티모니-테루라이드 (Sb-Te) 전기도금액에 장입하고 상온에서 전기도금용 티타늄 씨앗층에 30 mV의 도금전위를 인가하여 10㎛ 두께의 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하였다. After cutting the silicon (Si) wafer into a size of 1 cm x 1 cm as a
상기와 같은 조건으로 전기도금하여 형성한 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)의 열기전력인 지벡 계수를 표 1에 나타내었다. Table 1 shows the Seebeck coefficient, which is the thermoelectric power of the antimony-teruride thermoelectric
표 1. 도금액내 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율에 따른 Table 1.According to the concentration ratio of antimony ions and terulium ions in the plating solution
안티모니-테루라이드 열전박막소자의 지벡 계수Seebeck coefficient of antimony-teruride thermoelectric thin film device
도금액내 안티모니 이온과
테루륨 이온의 농도비율
With antimony ions in the plating solution
The concentration ratio of terrium ions
3:7
3: 7
4:6
4: 6
5:5
5: 5
6:4
6: 4
7:3
7: 3
8:2
8: 2
9:1
9: 1
지벡 계수(㎶/K)
Seebeck coefficient (㎶ / K)
79
79
85
85
100
100
100
100
470
470
360
360
278
278
벌크 안티모니-테루라이드에서는 화학양론적 Sb2Te3 조성에서 가장 우수한 열전성능을 나타낸다고 알려져 있으며, 이에 따라 통상적으로 안티모니-테루라이드 열전박막을 전기도금으로 형성하는 경우에는 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 4:6 부근인 전기도금액을 사용한다. 그러나 표 1의 결과에서와 같이 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 통상적으로 사용하는 4:6 부근인 3:7에서 5:5 범위의 전기도금액을 사용하여 전기도금한 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 지 벡 계수는 100 μV/K 이하로 낮았다. 반면에 본 발명에 의해 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 7:3에서 9:1의 범위인 전기도금액을 사용하여 전기도금한 안티모니-테루라이드 열전박막소자에서는 470∼278 μV/K의 매우 높은 지벡 계수를 얻는 것이 가능하였다. It is known that bulk antimony-teruride exhibits the best thermoelectric performance in stoichiometric Sb 2 Te 3 composition. Therefore, antimony ions and terulium are commonly used in the case of forming an antimony-teruride thermoelectric film by electroplating. An electroplating solution is used in which the concentration ratio of ions is around 4: 6. However, as shown in the results of Table 1, the antimony-teru electroplated using an electroplating solution in the range of 3: 7 to 5: 5, where the concentration ratio of antimony ions and terrium ions is about 4: 6, which is commonly used. The Seebeck coefficient of the Ride thermoelectric thin film device was low, below 100 μV / K. On the other hand, in the antimony-teruride thermoelectric thin film device electroplated using an electroplating solution in which the concentration ratio of antimony ions and terulium ions is in the range of 7: 3 to 9: 1, 470 to 278 μV / It was possible to get a very high Seebeck coefficient of K.
상기와 같이 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 7:3에서 9:1 범위의 전기도금액을 사용하여 전기도금으로 제조한 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 일단에 고온단 전극(14)으로 열증착법을 이용하여 Ni-Cr 전극을 형성하였으며 다른 일단에는 저온단 전극(15)으로 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄 전극을 형성함으로써 안티모니-테루라이드 열전박막소자를 포함하여 이루어진 감지성능이 우수한 열센서 소자를 구성하는 것이 가능하였다. As described above, the high
본 실시예에서는 한 개의 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)로 구성된 예를 나타내었다. 이와 더불어 본 발명에서는 여러 개의 안티모니-테루라이드 열전박막소자들을 전기도금으로 형성하여 열센서 소자를 구성하는 것도 가능하다. In this embodiment, an example consisting of one antimony-teruride thermoelectric
본 실시예에서는 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하기 위한 전기도금용 씨앗층(12)으로 티타늄을 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 전기도금용 씨앗층으로 전기전도체인 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 선택된 어느 한 금속을 사용하는 것도 가능하며, 이들 중에서 선택된 둘이나 그 이상의 금속들을 함유하는 합금을 사용하는 것도 가능하다. 또한 상기 티타늄, 구리, 알루미늄, 백금, 금, 은, 철, 니켈, 크롬, 탄탈륨, 텅스텐 중에서 선택된 둘 이나 그 이상의 금속들로 이루어진 다층구조의 전기도금용 씨앗층을 사용하는 것도 가능하다. In the present embodiment, titanium was used as the
본 발명에서 상기 전기도금용 씨앗층(12)을 형성하는 방법으로는 본 실시예에 의한 스퍼터링법을 포함하여 진공증착, 전해도금, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE를 포함하여 어떠한 박막형성법이나 코팅법의 사용도 가능하다. In the present invention, the method for forming the
본 실시예에서는 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하기 위한 기판(13)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하기 위한 기판(13)으로 폴리이미드, 테프론, 플라스틱 고분자 기판과, 유리, 알루미나, 질화 알루미늄, 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 기판의 사용이 가능하다.In this embodiment, a silicon wafer is used as the
본 실시예에서는 열센서를 구성하는 열전박막소자로 p형 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)만을 사용하였다. 이와 더불어 본 발명에 의한 p형 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 도 2와 같이 Bi2Te3와 같은 n형 열전박막소자(21)와 조합하여 열전박막모듈 형태의 열센서 소자를 구성하는 것도 가능하다. In this embodiment, only the p-type antimony-teruride thermoelectric
본 발명의 실시예에서는 기판(13)에 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 형성한 후에 열전박막소자(11)의 밑에 있는 기판(13)의 일부를 제거하지 않았다. 이와 더불어 본 발명에서는 고온단 전극부위(14)로부터 저온단 전극부위(15)로 기판(13)을 통한 열전도를 억제하기 위해 도 3과 같이 열전박막소자(11)의 밑에 있 는 기판(13)의 일부를 건식 에칭이나 습식 에칭의 방법으로 제거하여 열센서 소자를 구성하는 것도 가능하다. In the embodiment of the present invention, after forming the antimony-terulide thermoelectric
<실시예 2><Example 2>
안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금으로 형성하기 위한 도금액으로 1M의 질산(HNO3) 용액에 안티모니 이온과 테루륨 이온의 전체 농도가 70 mM 이며 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 9:1이 되도록 Sb2O3 분말과 TeO2 분말을 칭량하여 넣고, 도금첨가제로서 0.5M의 퍼크로릭 산(perchloric 들었다. A plating solution for forming the antimony-teruride thermoelectric
안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하기 위한 기판(13)으로서 실리콘 웨이퍼를 1 cm x 1 cm 크기로 절단한 후 전기도금용 씨앗층(12)으로서 1㎛ 두께의 티타늄 층을 스퍼터링하여 성막하였다. 전기도금용 티타늄 씨앗층이 형성된 실리콘 기판을 상기 안티모니-테루라이드 전기도금액에 장입하고 상온에서 전기도금용 티타늄 씨앗층에 -100 mV에서 40 mV 범위의 도금전위를 인가하면서 10㎛ 두께의 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)를 전기도금하였다. 상기와 같은 조건으로 전기도금하여 형성한 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)의 열기전력인 지벡 계수를 표 2에 나타내었다. As a
표 2. 도금전위에 따른 안티모니-테루라이드 열전박막소자의 지벡 계수Table 2. Seebeck coefficient of antimony-teruride thermoelectric thin film device according to plating potential
도금전위 (mV)
Plating potential (mV)
-100
-100
-50
-50
0
0
20
20
30
30
40
40
지벡 계수 (㎶/K)
Seebeck coefficient (㎶ / K)
40
40
94
94
260
260
390
390
278
278
100
100
표 2의 결과에서와 같이 -100 mV, -50 mV 및 40 mV의 도금전위를 인가하여 전기도금한 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)는 100 μV/K 이하의 낮은 지벡 계수를 나타내었다. 반면에 본 발명에 의해 안티모니 이온과 테루륨 이온의 농도비율이 9:1 인 도금액을 사용하여 0 mV에서 30 mV 범위의 도금전위를 인가하여 전기도금한 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)에서는 260∼390 μV/K의 높은 지벡 계수를 얻는 것이 가능하였다. As shown in the results of Table 2, the antimony-terulide thermoelectric
상기와 같이 0 mV에서 30 mV 범위의 도금전위를 인가하면서 전기도금으로 제조한 안티모니-테루라이드 열전박막소자(11)의 일단에 고온단 전극(14)으로 열증착법을 이용하여 Ni-Cr 전극을 형성하였으며 다른 일단에는 저온단 전극(15)으로 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 알루미늄 전극을 형성함으로써 안티모니-테루라이드 열전박막소자를 포함하여 이루어진 감지성능이 우수한 열센서 소자를 구성하는 것이 가능하였다. Ni-Cr electrode using the thermal evaporation method as the high
도 1은 본 발명에 따른 안티모니-테루라이드 열전박막소자를 포함하여 구성된 열센서 소자의 (a) 위에서 본 모식도와 (b) 옆에서 본 모식도. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic view from above of (a) and a side view of (b) of a thermal sensor device including an antimony-teruride thermoelectric thin film device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 p형 안티모니-테루라이드 열전박막소자를 n형 열전박막소자와 조합하여 구성한 열전박막모듈 형태의 열센서 소자의 모식도.Figure 2 is a schematic diagram of a thermal sensor element of the thermoelectric membrane module type configured by combining the p-type antimony-teruride thermoelectric thin film element according to the present invention with the n-type thermoelectric thin film element.
도 3은 본 발명에 따른 안티모니-테루라이드 열전박막소자를 포함하여 구성되어 있으며 기판을 통한 열전도를 억제하기 위해 기판의 일부를 제거하여 구성된 열센서 소자의 (a) 위에서 본 모식도와 (b) 옆에서 본 모식도.3 is a schematic view from above of (a) a thermal sensor element including an antimony-terulide thermoelectric thin film element according to the present invention and removing a portion of the substrate to suppress thermal conduction through the substrate; Schematic diagram seen from the side.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명 *Explanation of symbols on main parts of drawings
11. 안티모니-테루라이드 열전박막소자 12. 전기도금용 씨앗층11. Antimony-teruride thermoelectric
13. 기판 14. 고온단 전극13.
15. 저온단 전극15. Low Temperature Electrode
21. n형 열전박막소자21.N-type thermoelectric thin film element
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080051331A KR100993217B1 (en) | 2008-06-01 | 2008-06-01 | Fabrication Methods of Antimony-Telluride Thermoelectric Thin Film Devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080051331A KR100993217B1 (en) | 2008-06-01 | 2008-06-01 | Fabrication Methods of Antimony-Telluride Thermoelectric Thin Film Devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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