KR101066576B1 - 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 N형 반도체와 P형 반도체를 소정 온도로 가열된 챔버 내에서 레이저를 이용하여 접합시킴으로써, 열전 반도체의 구성소자를 보다 쉽게 접합시킬 수 있도록 마련된 접합방법에 관한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법은, 챔버 내에 접합하고자 하는 N형 반도체와 P형 반도체를 밀착된 상태로 안착시키는 단계; 접합시 열충격을 방지하기 위해 챔버 내부의 온도가 700∼800℃가 되도록 가열하는 단계; 및, 레이저를 이용하여 상기 N형 반도체와 P형 반도체의 밀착된 부분을 접합하는 단계로 이루어지고, 상기 안착 단계는 챔버(10) 내에 불활성 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

열전 반도체, 레이저, 불활성 가스, 열충격

Description

레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법{Method for joining thermoelectric materials using laser}

도1은 종래 열전 반도체 접합 형태를 도시한 도면.

도2는 종래 다른 열전 반도체 접합 형태를 도시한 도면.

도3은 종래 또 다른 열전 반도체 접합 형태를 도시한 도면.

도4는 본 발명에 따른 열전 반도체 접합장치를 도시한 도면.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: N형 반도체 2: P형 반도체

3: 고온 전극 4: 저온 전극

5: 전극 6: 성형틀

10: 챔버 11: 발열체

12: 가스 주입구 13: 레이저 조사기

본 발명은 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전 반도체인 N형 반도체와 P형 반도체를 소정 온도로 가열된 챔버 내 에서 레이저를 이용하여 접합시킴으로써, 열전 반도체의 구성소자를 보다 쉽게 접합시킬 수 있도록 마련된 접합방법에 관한 것이다.

지벡 효과(Seebeck effect)라 함은 두 종류의 금속 또는 반도체를 연결시키고, 한쪽 접점을 고온으로 하고 다른 쪽은 저온으로 했을 때 그 회로에 전류가 생기는 현상을 말한다. 이 전류를 열전류라 하고 금속선 간에 생기는 기전력을 열기전력이라 한다. 열전류의 크기는 짝을 이룬 금속의 종류 및 두 접점의 온도차에 따라 다르며, 금속선의 전기저항도 열전류의 크기에 영향을 준다. 이러한 지벡 효과를 이용하여 열전류를 발생시키는 소자를 열전 반도체라 하고, 최근에는 FeSi₂계 열전 반도체가 많이 사용되고 있다.

FeSi₂계 열전 반도체를 발전 설비에 사용되는 소자 재료로서 사용하는 경우에는 N형 반도체와 P형 반도체를 서로 연결하여 사용하는데, 이 때 두 개의 반도체를 연결하는 방법으로 다음 몇 가지가 사용되어 왔다.

먼저, 도1에서 보는 바와 같이 N형 반도체와 P형 반도체를 소정 간격으로 떨어지도록 놓은 다음, 고온에 노출되는 상부는 고온에서 견딜 수 있는 전도성 물질로 된 고온 전극(3)으로 연결한다. 이 고온 전극(3)은 통상 알루미나와 같은 내열성 물질에 도포하여 동시에 사용된다. 한편, 저온을 유지하는 하부에는 내열성이 요구되지 않으므로 일반 전도성 금속으로 된 저온 전극(4)을 사용한다. 이러한 연결 방법에 따르면, N형 반도체와 P형 반도체가 직접 접합되지 않기 때문에 열전도율이 떨어질 뿐만 아니라 고온 전극(3)을 매우 고가의 내열성 재료로 구성하여야 하기 때문에 제작비용이 많이 드는 단점이 있다.

도2 및 도3에는 두 개의 열전 반도체를 직접 접합시키는 방법이 도시되어 있다. 도2에 따르면 성형틀에 N형 반도체와 P형 반도체의 원료 분말을 각각 충진하고 일측면이 접합되도록 압축 성형한 후 소결한다. 그 후, 접합된 부위의 상부를 제외하고 나머지는 절단기를 사용하여 제거하여 전류가 상부 접합 부위만을 통해 전도되도록 가공한다. 미설명 부호인 5는 전도 물질로 이루어진 전극이다. 한편, 도3에 따르면 말굽형의 성형틀(6)에 N형 반도체 분말을 이용하여 만든 슬러리와 P형 반도체 분말을 이용하여 만든 슬러리를 서로 다른 주입구를 통해 투입하여 두 가지의 열전 반도체의 선단이 U자형으로 접합되도록 캐스팅한다.

그러나, 이러한 접합방법들은 성형 과정 중에 불량 요인이 많을 뿐만 아니라, 도2의 방법의 경우에는 소결한 후에도 절단 공정을 포함한 여러 번의 가공 공정을 거쳐야 하며, 도3의 방법의 경우 접합의 경계가 예상한 부위에 형성되지 않기도 하고 건조 중에 균열이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 상기한 종래 방법들보다 더 간편하고 정밀하게 열전 반도체를 접합할 수 있도록 해주는 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

본 발명도 상기한 종래 접합방법들의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 챔버 내에 접합하고자 하는 N형 반도체와 P형 반도체를 안착시킨 후에 레이저를 이용하여 접합시킴으로써 두 개의 반도체를 보다 간편하고 정밀하게 접합시킬 수 있도록 해주는 접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 챔버가 소정 온도를 유지하도록 하여 레이저를 통한 접합 시에 반도체가 열충격을 받지 않도록 해주는 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법은, 챔버 내에 접합하고자 하는 N형 반도체와 P형 반도체를 밀착된 상태로 안착시키는 단계; 접합시 열충격을 방지하기 위해 챔버 내부의 온도가 700∼800℃가 되도록 가열하는 단계; 및, 레이저를 이용하여 상기 N형 반도체와 P형 반도체의 밀착된 부분을 접합하는 단계로 이루어지고, 상기 안착 단계는 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

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또한, 상기 챔버 내부의 온도를 700∼800℃가 되도록 가열하는 것은 챔버 내에 설치된 발열체에 의해 이루어진다.

이하에서 첨부된 도4를 참조로 본 발명에 따른 레이저를 이용한 열전 반도체 접합방법을 보다 상세히 설명한다.

레이저는 전자파 유도방출을 이용하여 빛을 증폭하는 것으로, 매질의 종류에 따라 기체 레이저[헬륨-네온(He-Ne) 레이저, 액시머(Eximer) 레이저 등], 액체 레이저[색소 레이저 등], 고체 레이저[루비 레이저, 네오디늄:야그(Nd:YAG) 레이저, 네오디늄:글라스(Nd:Galss) 레이저 등], 반도체 레이저[GaAlAs 레이저, InGaAsp 레이저 등]이 있다. 이중에서 니오디뮴:야그 레이저는 의료용, 과학연구용, 레이저 천공이나 레이저 용접 같은 산업용 등의 다양한 방면에서 활용되고 있는 바, 본 발명에서도 상기 니오디윰:야그 레이저를 사용하여 열전 반도체를 접합시킨다.

본 발명에 따른 접합방법을 구현하기 위한 장치는 내부에 접합하고자 하는 열전 반도체가 안착되는 챔버(10)와, 챔버(10) 일측의 천공된 구멍을 통해 레이저를 조사하여 N형 반도체(1)와 P형 반도체(2)를 접합시키는 레이저 조사기(13)로 구성된다. 상기 챔버(10)의 내부에는 발열체(11)가 설치되어 레이저에 의해 열전 반도체가 접합될 때 챔버(10)의 내부를 소정의 온도로 유지할 수 있도록 해준다. 또한, 챔버(10)의 일측에는 가스 주입구(12)가 형성되고 이 가스 주입구(12)를 통해 불활성 가스가 주입되어 챔버(10) 내부를 비산화성 분위기로 만들어준다.

상기와 같이 구성된 접합장치에 의해 본 발명에 따른 접합방법은 다음 3가지 단계를 따라 이루어진다. 제1 단계는 챔버(10) 내에 접합하고자 하는 N형 반도체(1)와 P형 반도체(2)를 접합 부위가 밀착된 상태로 안착시키는 단계이다. 두 개의 열전 반도체는 상호 밀착된 부위가 상기 레이저 조사기(12)에 의해 조사되는 레이저의 진행 방향과 일치되도록 놓여진다.

한편, 상기 안착 단계는 챔버(10) 내에 불활성 가스를 주입하는 단계가 더 포함되는 것이 바람직하다. 챔버(10) 내부에 산소가 존재하게 되면 접합 부위에 산화가 일어나 열전 반도체의 전기적 물성에 악영향을 미친다. 따라서, 챔버(10) 내부를 비산화성 분위기로 만들기 위해 상기 가스 주입구(12)를 통해 불활성 가스를 주입한다. 불활성 가스 중에서 수소(H)를 주입하게 되면 레이저를 사용하여 열전 반도체를 접합할 때 산화를 방지해 줄 수는 있으나, 레이저를 포함한 챔버 자체를 밀봉하여야 하기 때문에 장치가 매우 복잡해진다. 따라서, 상기 불활성 가스는 수소(H)를 제외한 질소(N), 아르곤(Ar), 헬륨(He)인 것이 바람직하다.

제2 단계는 레이저에 의한 열전 반도체의 접합시 열전 반도체에 열충격이 가해지는 것을 방지하기 위해 챔버(10) 내부를 그 온도가 700∼800℃가 되도록 가열하는 단계이다. 레이저는 전자파의 유도방출에 의해 증폭된 빛을 이용하는 것이므로 접합되는 부위에는 고열이 발생하게 된다. 반면, 열전 반도체 중에서 접합되지 않는 나머지 부위는 상온으로 존재하게 된다. 따라서, 접합되는 부위와 접합되지 않는 부위의 온도차가 급격하게 발생하게 되고 이로 인한 열충격은 열전 반도체의 전기적 물성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 심한 경우에는 반도체로서의 물성을 상실케 할 수도 있다.

이러한 열충격으로부터 열전 반도체를 보호하기 위해서는 본 발명에서는 열전 반도체의 접합되지 않는 부분의 온도를 높여 접합되는 부위와의 온도차를 감소시킨다. 레이저 접합 시에 열전 반도체의 접합 부위의 온도는 열전 반도체의 물성(녹는점)에 따라 조금씩 달라지나, 공통적으로 상기 챔버(10) 내의 온도를 발열체(11)에 의해 700∼800℃가 되도록 가열하면 상기한 열충격을 방지할 수 있다.

챔버(10)의 내부 온도가 700℃ 미만이 되면 접합되는 부위와 접합되지 않는 부위와의 온도차가 너무 커서 열충격을 효과적으로 방지할 수 없는 반면, 챔버(10)의 내부 온도가 800℃보다 높게 되면 열전 반도체의 접합되지 않는 부위가 통상의 열충격을 방지할 수 있는 온도 이상으로 가열되기 때문에 불필요한 에너지를 낭비하는 결과가 된다.

마지막, 제3 단계는 레이저를 이용하여 상기 N형 반도체(1)와 P형 반도체(2)의 밀착된 부위를 접합하는 단계이다. 레이저는 그 광폭이 매우 좁기 때문에 상기 열전 반도체 간의 접합 부위를 매우 정밀하게 조절할 수 있으므로 종래의 접합방법보다 불량 발생률을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열전 반도체 재료를 절감할 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법에 의하면, 열전 반도체를 보다 정밀하게 접합할 수 있을 뿐만 아니라 불량률도 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 레이저에 의한 접합은 매우 짧은 시간에 이루어져 종래 소결에 의한 접합보다 신속하게 작업할 수 있어 생산성이 향상된다.

Claims (4)

1. 챔버(10) 내에 접합하고자 하는 N형 반도체(1)와 P형 반도체(2)를 밀착된 상태로 안착시키는 단계; 접합시 열충격을 방지하기 위해 챔버(10) 내부의 온도가 700∼800℃가 되도록 가열하는 단계; 및, 레이저를 이용하여 상기 N형 반도체(1)와 P형 반도체(2)의 밀착된 부위를 접합하는 단계로 이루어지고,

   상기 안착 단계는 챔버(10) 내에 불활성 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법.
4. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버(10) 내부의 온도를 700∼800℃가 되도록 가열하는 것은 챔버(10) 내에 설치된 발열체(11)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 열전 반도체의 접합방법.

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