KR101302747B1 - 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열전소자는 열 흡수막 상부에 형성된 반사방지막에 의해 복사광이 외부로 반사되지 않고 상기 열 흡수막으로 최대한 흡수되어 복사열 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열전소자는 열 방출막 상부에 형성된 절연막과 상기 절연막 상부에 형성된 제1 반사막에 의해 외부 복사열이 상기 열 방출막으로 흡수되는 것을 방지할 수 있고, 상기 열 방출막에 열적으로 연결된 제2 반사막에 의해 상기 열 방출막에 전달된 복사열을 최대한 외부로 방출할 수 있으므로 복사열 방출 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

복사열을 열원으로 이용하는 열전소자 및 그 제조 방법{The thermoelectric element using radiant heat as a heat source and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양열 등의 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 복사열을 열원으로 이용하고 열 흡수막의 열 흡수 효율과 열 방출막의 열 방출 효율을 최대화할 수 있는 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
인구 증가와 산업 발전으로 인하여 인류는 에너지 부족과 환경 오염 문제들에 직면해 있다. 이를 해결하기 위해 근래 많은 과학자들은 기존의 화석연료를 대체할 신규 에너지원을 찾기 위한 연구들을 많이 진행하고 있다.
이러한 연구 결과로서, 태양열 등의 복사열, 지열, 체열, 폐열 등을 전기 에너지로 바꿀 수 있는 열전소자(thermoelectric device)가 개발되었다.
도 1은 통상적으로 사용되는 열전소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 열전소자(100)는 열 흡수막(heat absorption layer, 130), 레그(leg, 140), 열 방출막(heat sink layer, 150)을 포함하며, 상기 레그(140)는 p형 레그(140p)와 n형 레그(140n)로 구성된다.
상기 열 흡수막(130)은 외부 열원(heat source)을 흡수하는 역할을 하고, 상기 레그(140)는 상기 열 흡수막(130)을 통해 흡수된 열을 상기 열 방출막(150)으로 전달하며, 상기 열 방출막(150)은 상기 레그(140)로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 역할을 한다.
상기 열 흡수막(130)과 상기 열 방출막(150) 사이의 온도 차에 의해 p형 레그(140p)에서는 정공(hole)이 열 흡수막(130)으로부터 열 방출막(150) 방향으로 움직이게 되고, n형 레그(140n)에서는 전자(electron)가 열 흡수막(130)으로부터 열 방출막(150) 방향으로 움직이게 되며, 이러한 정공과 전자의 움직임에 따라 반시계방향으로 전류가 흐르게 된다.
이러한 열전소자(100)가 높은 열전효율을 갖기 위해서는 상기 열 흡수막(130)에서는 외부 열원을 최대한 많이 흡수하여 흡수한 열을 모두 레그(140)로 전달해야 하며, 상기 레그(140)에서는 열 흡수막(130)으로부터 전달받은 열을 가능하면 천천히 열 방출막(150)으로 전달해야 한다. 그리고, 상기 열 방출막(150)에서는 외부 열원을 전혀 흡수하지 않고 상기 레그(140)로부터 전달받은 열을 최대한 많이 방출해야 한다.
즉, 상기 열 흡수막(130)과 상기 열 방출막(150) 사이의 온도 차가 커야 높은 열전효율을 얻을 수 있다.
열전소자의 열전효율(figure of merit)을 가늠하는 지표로는 ZT 값이 사용된다. ZT 값은 제벡 계수(Seebeck coefficient)의 제곱과 전기전도도(electric conductivity)에 비례하고, 열전도도(thermal conductivity) 값에 반비례한다.
하지만, 금속을 이용한 열전소자의 경우 제벡 계수 값이 수 ㎶/K 수준으로 매우 낮고, 비데만-프란쯔 법칙(Wiedemann-Franz law)에 의해 전기전도도와 열전도도는 비례 관계에 있기 때문에, 금속을 이용한 열전소자는 높은 ZT 값을 가질 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 최근에는 반도체 물질을 이용한 열전소자가 개발되고 있으며, 대표적인 열전소자 물질로는 상온에서 최소 0.7의 ZT 값을 갖고 120oC에서 최대 0.9의 ZT 값을 갖는 Bi2Te3와, 상온에서 최소 0.1의 ZT 값을 갖고 900oC에서 최대 0.9의 ZT 값을 갖는 SiGe를 들 수 있다.
하지만, 최근의 열전소자를 적용한 제품의 개발 및 양산 추세를 미루어 볼 때 Bi2Te3는 조만간 고갈 상태에 직면할 것으로 추정되고 있으며, 이로 인해 Bi2Te3를 대체할 수 있는 물질, 다시 말해서 상온에서 최소 0.7 수준의 ZT 값을 갖는 물질에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 면에서 볼 때 실리콘은 열전도도가 150W/ m·K 정도로 매우 높아 0.01 정도의 ZT 값을 갖기 때문에 열전소자에 이용하기 어려운 것으로 인식되어 왔다. 하지만, 최근 들어 CVD(Chemical vapor deposition)로 성장시킨 실리콘 나노선(nanowire)의 경우에는 열전도도를 0.01배 이하까지 줄일 수 있어 1에 근접하는 ZT 값을 갖는 것으로 보고되고 있으며, 이에 따라 열전소자에 충분히 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
하지만, 실리콘 나노선은 제조 방법이 어렵고 복잡하여 실제 제품 생산 단계에서 양산성에 큰 걸림돌이 될 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 태양열은 태양이 존재하는 한 꾸준히 공급되며, 환경오염도 전혀 걱정 없는 가장 이상적인 열원이다. 따라서 열원으로서 태양열 등의 복사열을 사용하는 고효율의 열전소자를 개발한다면 시장성 및 응용성 측면에서 가장 폭발적인 반응을 불러 일으킬 것으로 예상된다. 하지만, 아직 태양열 등의 복사열을 열원으로 하는 열전소자에 대한 연구는 아직 미미한 단계에 머물고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 복사열을 열원으로 이용하고 열 흡수막의 열 흡수 효율과 열 방출막의 열 방출 효율을 최대화할 수 있는 고효율의 열전소자를 구현하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자는, 기판; 상기 기판 상부에 형성되며 복사열을 흡수하는 열 흡수막; 상기 열 흡수막을 통해 흡수된 열을 열 방출막으로 전달하는 레그; 상기 레그로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 열 방출막; 상기 열 흡수막 상부에 형성되며 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖는 반사방지막; 상기 레그 및 상기 열 방출막 상부에 형성되며 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖는 절연막; 및 상기 절연막 상부에 형성되며 복사광을 전반사시키는 상기 제1 반사막을 포함하되, 상기 반사방지막에 의해 복사광이 외부로 반사되지 않고 상기 열 흡수막으로 흡수되며, 상기 절연막과 상기 제1 반사막에 의해 복사광이 상기 열 방출막으로 흡수되지 않고 외부로 전반사되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법은, (a) 기판 상부에 복사열을 흡수하는 열 흡수막, 상기 열 흡수막을 통해 흡수된 열을 열 방출막으로 전달하는 레그 및 상기 레그로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 열 방출막을 형성하는 단계; (b) 상기 열 흡수막 상부에 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖는 반사방지막을 형성하고, 상기 열 방출막 상부에 이후에 형성될 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖는 절연막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 절연막 상부에 복사광을 전반사시키는 제1 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 복사열을 열원으로 이용하면서 열 흡수막의 열 흡수 효율과 열 방출막의 열 방출 효율을 최대화할 수 있는 고효율의 열전소자를 구현할 수 있다.
도 1은 통상적으로 사용되는 열전소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있는 것을 의미한다.
(제1 실시예)
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자(200)는, 기판(210) 상부에 형성된 열 흡수막(220), 레그(230) 및 열 방출막(240)과, 상기 열 흡수막(220) 상부에 형성된 반사방지막(250a)과, 상기 레그(230) 및 열 방출막(240) 상부에 형성된 절연막(250b)과, 상기 절연막(250b) 상부에 형성된 제1 반사막(260a)을 포함한다.
상기 기판(210)으로는 실리콘 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판, SOI(silicon on insulator) 기판, 이들 기판들이 결합된 다층구조의 기판 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
상기 열 흡수막(220)은 태양열 등의 복사열(radiant heat)을 흡수하는 역할을 하고, 상기 레그(230)는 상기 열 흡수막(220)을 통해 흡수된 열을 상기 열 방출막(240)으로 전달하며, 상기 열 방출막(240)은 상기 레그(230)로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 역할을 한다.
여기에서, 상기 열 흡수막(220)과 상기 열 방출막(240)은 주기율표 4 족 원소들인 Si, Ge, C, Sn 및 Pb 중 적어도 하나의 원소를 포함하거나, 주기율표 5족 원소들인 Sb, As, Bi, P 및 N 중 적어도 하나의 원소를 포함하거나, 주기율표 6족 원소들인 Te, Se, Po, S 및 O 중 적어도 하나의 원소를 포함하며, 두께는 10nm~1cm 인 것이 바람직하다.
상기 반사방지막(250a)은 외부의 복사광이 반사되지 않고 최대한 상기 열 흡수막(220)으로 흡수되도록 하는 역할을 하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기 반사방지막(250a)은 상기 열 흡수막(220) 보다 낮은 굴절률을 갖는 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 형성된다.
외부의 복사광이 상기 반사방지막(250a)에 입사되면, 상기 반사방지막(250a)의 굴절률이 낮고 상기 열 흡수막(220)의 굴절률이 높기 때문에, 상기 반사방지막(250a)과 상기 열 흡수막(220)의 경계면에서 복사광이 반사되지 않고 거의 대부분 상기 열 흡수막(220)으로 전달되며, 이에 따라 상기 열 흡수막(220)의 복사열 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 흡수하고자 하는 복사광의 파장에서 상기 반사방지막(250a)의 굴절률을 조절하여 0~0.5의 반사도를 갖도록 하면, 복사광의 반사가 최소화되어 상기 열 흡수막(220)의 복사열 흡수 효율을 최대화할 수 있다.
여기에서, 상기 반사방지막(250a)이 다층의 유전막으로 형성되는 경우, 최상층에는 여러 유전막 중에서 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되도록 하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되도록 하면, 복사열의 흡수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 다층의 유전막을 구성하는 모든 유전막의 굴절률은 상기 열 흡수막(220)의 굴절률 보다는 낮아야 한다.
한편, 상기 절연막(250b)은 외부의 복사열로부터 상기 열 방출막(240)을 전기적 및 열적으로 절연시키는 역할을 하면서 상기 제1 반사막(260a)의 전반사(total reflection)를 유도하는 역할을 하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기 절연막(250b)은 상기 제1 반사막(260a) 보다 낮은 굴절률을 갖는 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 형성된다.
외부의 복사광이 상기 제1 반사막(260a)에 입사되면, 상기 제1 반사막(260a)의 굴절률이 높고 상기 절연막(250b)의 굴절률이 낮기 때문에, 상기 제1 반사막(260a)과 상기 절연막(250b)의 경계면에서 복사광이 전반사되며, 이에 따라 복사열이 상기 열 방출막(240)으로 흡수되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 절연막(250b)이 다층의 유전막으로 형성되는 경우, 상기 제1 반사막(260a)과 경계를 이루는 최상층에는 여러 유전막 중에서 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되도록 하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되도록 하면, 복사광의 반사 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 다층의 유전막을 구성하는 모든 유전막의 굴절률은 상기 제1 반사막(260a)의 굴절률 보다는 낮아야 한다.
상기 제1 반사막(260a)은 Al, Cu, Ti, Ag, Au, W, Si, Pt, Ni, Mo, Ta, Ir, Ru, Zn, Sn, In 중 적어도 하나의 금속으로 이루어지며, 외부의 복사광을 전반사시키는 역할을 한다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자(200)는 상기 반사방지막(250a)에 의해 상기 열 흡수막(220)의 복사열 흡수 효율을 최대화할 수 있으며, 상기 제1 반사막(260a)과 상기 절연막(250b)에 의해 외부의 복사열이 상기 열 방출막(240)으로 흡수되는 것을 방지할 수 있으므로, 우수한 열전효율을 갖는다.
(제2 실시예)
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자(300)는 도 2에 도시된 열전소자(200)와 비교하여 제작 공정의 단순화를 위해 상기 반사방지막(250a)과 상기 절연막(250b)을 하나의 반사방지/절연막(250)으로 구성한 점을 제외하고는 다른 구성요소는 동일하다.
이 경우, 상기 반사방지/절연막(250)은 상기 열 흡수막(220) 보다 낮은 굴절률을 가지면서 상기 제1 반사막(260a) 보다 낮은 굴절률을 가져야 한다.
(제3 실시예)
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자(400)는 도 2에 도시된 열전소자(200)와 비교하여 상기 열 방출막(240)에 제2 반사막(260b)이 열적으로 연결되어 형성된 것을 제외하고는 다른 구성요소는 동일하다.
이 경우, 상기 제2 반사막(260b)은 상기 열 방출막(240) 보다 높은 열전도도 값(예를 들어 10W/ m·K 이상의 열 전도도 값)을 갖도록 형성되어 상기 열 방출막(240)에 전달된 열을 최대한 외부로 방출시키는 역할을 한다. 아울러, 상기 제2 반사막(260b)은 금속 배선의 역할도 한다.
여기에서, 상기 제2 반사막(260b)은 Al, Cu, Ti, Ag, Au, W, Si, Pt, Ni, Mo, Ta, Ir, Ru, Zn, Sn, In 중 적어도 하나의 금속으로 이루어진다.
따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 열전소자(400)는 상기 제2 반사막(260b)에 의해 상기 열 방출막(240)에 전달된 열을 최대한 외부로 방출할 수 있어 상기 열 방출막(240)의 열 방출 효율을 최대화할 수 있으며, 외부 회로와의 연결시 별도의 금속 배선을 구비하지 않아도 되는 잇점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 5a 및 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제1 단계로, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(210) 상부에 열 흡수막(220), 레그(230), 열 방출막(240)을 형성한다.
제2 단계로, 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 열 흡수막(220) 상부에 반사방지막(250a)을 형성하고, 상기 레그(230)와 상기 열 방출막(240) 상부에 절연막(250b)을 형성한다.
여기에서, 상기 반사방지막(250a)과 상기 절연막(250b)은 10 미만의 낮은 유전상수를 갖는 저 유전 물질(예를 들어 Al2O3, SiO2, SiN 등의 산화물 또는 질화물), 10 이상의 높은 유전상수를 갖는 고 유전 물질(예를 들어 TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, ZnO 등의 산화물), 상기 저 유전 물질과 상기 고 유전 물질의 혼합물 중 어느 하나를 증착하여 단층의 유전막으로 형성하거나, 상기 저 유전 물질과 상기 고 유전 물질을 연속 증착하여 다층의 유전막으로 형성한다. 그리고, 상기 반사방지막(250a)과 상기 절연막(250b)의 형성 방법으로는 원자층 증착법, 플라즈마 원자층 증착법, 스퍼터링, CVD(Chemical vapor deposition) 및 열 산화(thermal oxidation)법 등을 이용할 수 있으며, 경우에 따라 양산 목적으로 졸-겔(Sol-gel) 법, 스핀 코팅(Spin coating) 등을 이용할 수도 있다.
상기 반사방지막(250a)을 원자층 증착법에 의해 형성할 때 증착 공정 도중에 상기 반사방지막(250a)의 굴절률을 조절하여 반사도를 변화시킬 수 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 1.6~1.7의 다소 낮은 굴절률을 갖는 Al2O3 산화물과 2.4~2.5의 다소 높은 굴절률을 갖는 TiO2 산화물을 이용하여 원자층 증착법에 의해 ATO(AlTiO)의 반사방지막(250a)을 형성하는 경우, 원자층 증착법의 사이클 비를 조절하면 ATO(AlTiO)의 반사방지막(250a)에서 Ti의 조성이 변화된다. 이러한 조성 변화에 의해 ATO(AlTiO)의 반사방지막(250a)의 굴절률이 변화되어 결과적으로 반사도가 변화된다.
따라서, 원자층 증착법에 의해 상기 반사방지막(250a)을 형성할 때 상기 반사방지막(250a)이 상기 열 흡수막(220) 보다 낮은 굴절률을 갖도록 조절하면, 상기 반사방지막(250a)에 의해 복사광이 반사되지 않고 상기 열 흡수막(220)으로 흡수되어 복사열의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 흡수하고자 하는 복사광의 파장에서 상기 반사방지막(250a)의 굴절률을 조절하여 0~0.5의 반사도를 갖도록 하면, 상기 열 흡수막(220)의 복사열 흡수 효율을 최대화할 수 있다.
만약 상기 반사방지막(250a)을 다층의 유전막으로 형성하는 경우, 최상층에는 여러 유전막 중에서 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하면, 복사열의 흡수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 다층의 유전막을 구성하는 모든 유전막의 굴절률은 상기 열 흡수막(220)의 굴절률 보다는 낮아야 한다.
이와 동일한 방법으로, 원자층 증착법에 의해 상기 절연막(250b)을 형성할 때 증착 공정 도중에 상기 절연막(250b)의 굴절률을 상부에 형성될 제1 반사막(260a) 보다 낮은 굴절률을 갖도록 조절할 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 반사막(260a) 보다 낮은 굴절률을 갖는 상기 절연막(250b)에 의해 외부의 복사열이 상기 열 방출막(240)으로 흡수되는 것을 방지할 수 있다.
만약 상기 절연막(250b)을 다층의 유전막으로 형성하는 경우, 상부에 형성될 제1 반사막(260a)과 경계를 이루는 최상층에는 여러 유전막 중에서 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하면, 복사광의 반사 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 다층의 유전막을 구성하는 모든 유전막의 굴절률은 상기 제1 반사막(260a)의 굴절률 보다는 낮아야 한다.
본 실시예에서 이용한 원자층 증착법은 100~300 oC 정도의 비교적 저온에서 유전막을 형성할 수 있으므로, 실리콘 기판, 유리 기판, 금속 기판, SOI 기판 혹은 이들 기판들이 결합된 다층구조의 기판 상에 반사방지막(250a)과 절연막(250b)을 형성할 수 있으며, 더 나아가 150oC 이하의 공정 온도가 요구되는 플라스틱 기판 상에도 반사방지막(250a)과 절연막(250b)을 형성할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 원자층 증착법은 미리 프로그램된 프로세스에 의해 공정의 중단 없이 진공 상태를 유지한 상태에서 하나의 물질을 증착하는 것처럼 여러 유전 물질의 연속 증착이 가능하다는 장점이 있다.
한편, 상기 제2 단계에서, 도 5c에 도시된 바와 같이 제작 공정의 단순화를 위해 상기 반사방지막(250a)과 상기 절연막(250b)을 동시에 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 열 흡수막(220), 상기 레그(230) 및 상기 열 방출막(240) 상부에는 하나의 반사방지/절연막(250)이 형성된다.
그 다음, 제3 단계로, 도 5d에 도시된 바와 같이 상기 절연막(250b) 상부에 외부의 복사광을 전반사시키는 제1 반사막(260a)을 형성한다. 여기에서, 상기 제1 반사막(260a)은 Al, Cu, Ti, Ag, Au, W, Si, Pt, Ni, Mo, Ta, Ir, Ru, Zn, Sn, In 중 적어도 하나의 금속을 이용하여 형성한다.
이 때, 도 5e에 도시된 바와 같이 상기 열 방출막(240)의 열 방출 효율을 향상시키기 위해 상기 열 방출막(240)에 열적으로 연결되면서 상기 열 방출막(240) 보다 높은 열전도도 값(예를 들어 10W/ m·K 이상의 열 전도도 값)을 갖는 제2 반사막(260b)을 형성하는 것도 가능하다.
여기에서, 상기 제2 반사막(260b)은 Al, Cu, Ti, Ag, Au, W, Si, Pt, Ni, Mo, Ta, Ir, Ru, Zn, Sn, In 중 적어도 하나의 금속을 이용하여 형성한다.
이 경우, 상기 제2 반사막(260b)은 상기 열 방출막(240)에 전달된 열을 최대한 외부로 방출시키는 역할을 하며, 아울러 금속 배선의 역할도 한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 형태로 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 종래의 열전소자 　　　　　 130 : 열 흡수막
140, 140p, 140n : 레그, p형 레그, n형 레그　
150 : 열 방출막
200, 300, 400 : 본 발명의 열전소자
210 : 기판　　　　　　　 220 : 열 흡수막
230 : 레그　　　　　　　 240 : 열 방출막
250a : 반사방지막　　　　　　 250b : 절연막
250 : 반사방지/절연막
260a, 260b : 제1 반사막, 제2 반사막

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 형성되며 복사열을 흡수하는 열 흡수막;
    상기 열 흡수막을 통해 흡수된 열을 열 방출막으로 전달하는 레그;
    상기 레그로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 열 방출막;
    상기 열 흡수막 상부에 형성되며 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖는 반사방지막;
    상기 레그 및 상기 열 방출막 상부에 형성되며 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖는 절연막; 및
    상기 절연막 상부에 형성되며 복사광을 전반사시키는 상기 제1 반사막을 포함하되,
    상기 반사방지막에 의해 복사광이 외부로 반사되지 않고 상기 열 흡수막으로 흡수되며, 상기 절연막과 상기 제1 반사막에 의해 복사광이 상기 열 방출막으로 흡수되지 않고 외부로 전반사되는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판, SOI(silicon on insulator) 기판, 이들 기판들이 결합된 다층구조의 기판 중 어느 하나의 기판인 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열 흡수막과 상기 열 방출막은 주기율표 4 족 원소들인 Si, Ge, C, Sn 및 Pb 중 적어도 하나의 원소를 포함하거나, 주기율표 5족 원소들인 Sb, As, Bi, P 및 N 중 적어도 하나의 원소를 포함하거나, 주기율표 6족 원소들인 Te, Se, Po, S 및 O 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반사방지막은 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖는 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 반사방지막은 흡수하고자 하는 복사광의 파장에서 0~0.5의 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 반사방지막이 다층의 유전막으로 형성되는 경우, 최상층에는 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 절연막은 상기 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖는 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 절연막이 다층의 유전막으로 형성되는 경우, 최상층에는 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막이 형성되는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열 방출막과 접하도록 형성되며, 상기 열 방출막 보다 높은 열전도도 값을 갖고, 상기 열 방출막에 전달된 열을 외부로 방출하는 제2 반사막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제1, 2 반사막은 Al, Cu, Ti, Ag, Au, W, Si, Pt, Ni, Mo, Ta, Ir, Ru, Zn, Sn, In 중 적어도 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자.
  11. (a) 기판 상부에 복사열을 흡수하는 열 흡수막, 상기 열 흡수막을 통해 흡수된 열을 열 방출막으로 전달하는 레그 및 상기 레그로부터 전달받은 열을 외부로 방출하는 열 방출막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 열 흡수막 상부에 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖는 반사방지막을 형성하고, 상기 열 방출막 상부에 이후에 형성될 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖는 절연막을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 절연막 상부에 복사광을 전반사시키는 제1 반사막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    원자층 증착법, CVD(Chemical vapor deposition), 스퍼터링 중 어느 하나에 의해 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 상기 반사방지막과 상기 절연막을 각각 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 반사방지막을 형성할 때 상기 열 흡수막 보다 낮은 굴절률을 갖도록 상기 반사방지막의 굴절률을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    흡수하고자 하는 복사광의 파장에서 0~0.5의 반사도를 갖도록 상기 반사방지막의 굴절률을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 반사방지막을 다층의 유전막으로 형성하는 경우, 최상층에는 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 절연막을 형성할 때 상기 제1 반사막 보다 낮은 굴절률을 갖도록 상기 절연막의 굴절률을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    상기 절연막을 다층의 유전막으로 형성하는 경우, 최상층에는 가장 낮은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하고 하부층으로 갈수록 점점 높은 굴절률을 갖는 유전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,
    원자층 증착법, CVD(Chemical vapor deposition), 스퍼터링 중 어느 하나에 의해 단층의 유전막 또는 다층의 유전막으로 상기 반사방지막과 상기 절연막을 동시에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
  19. 제 11항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,
    상기 열 방출막에 전달된 열을 외부로 방출시키도록 상기 열 방출막과 접하여 형성되며, 상기 열 방출막 보다 높은 열전도도 값을 갖는 제2 반사막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사열을 열원으로 이용하는 열전소자의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006040989A (ja) 2004-07-23 2006-02-09 Komatsu Ltd 半導体素子の熱電特性測定装置
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