KR101351683B1 - 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 유연하게 휘어지고 열전달을 높이기 위한 미세방열핀이 배열된 금속박막의 방열판이 일체형으로 한 번에 제작된 열전소자조립체 및 그 제작방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법은 금속층증착단계와, 금속식각단계와, 폴리머층형성단계와, 열전물질증착단계와, 평탄화단계와, 제거단계와, 내부전극형성단계와, 절연층형성단계와, 방열판형성단계를 포함한다. 상기 금속층증착단계는 평판의 일면에 금속층을 증착한다. 상기 금속식각단계는 열전물질이 도금되는 도금영역을 제외한 부분의 금속층을 식각한다. 상기 폴리머층형성단계는 상기 도금영역 위에 도금되는 열전물질이 관통하여 삽입될 폴리머층을 형성하도록 상기 금속층의 일면에 유연한 폴리머층을 형성한다. 상기 열전물질증착단계는 상기 폴리머층의 사이에 삽입되도록 상기 도금영역에 열전물질을 증착시킨다. 상기 평단화단계는 상기 폴리머층을 평탄화시킨다. 상기 제거단계는 상기 금속층과 상기 평판을 제거한다. 상기 내부전극형성단계는 열전물질을 연결시키도록 금속을 증착시켜 내부전극을 형성한다. 상기 절연층형성단계는 상기 내부전극을 절연시킬 수 있도록 상기 내부전극을 덮는 절연층을 형성한다. 상기 방열판형성단계는 상기 절연층의 일면에 미세방열핀이 배열된 금속박판의 방열판을 형성한다.

Description

방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 및 그 제조방법{flexible thermoelectric element assembly united with heatsink and the manufacturing method of it}

본 발명은 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 유연하게 휘어지고 열전달을 높이기 위한 미세방열핀이 배열된 금속박막의 방열판이 일체형으로 한 번에 제작된 열전소자조립체 및 그 제작방법에 대한 것이다.

열전소자는 Seebeck 효과나 Peltier 효과를 이용하여 서로 다른 금속을 연결하여 금속의 접점에서 온도차를 주면 전기가 발생되는 원리를 기본으로 한다.

최근 열전소자는 산업용 폐열이나 자동차의 배기열, 인체의 체온 등의 버려지는 열을 이용해서 전기를 생산하려는 시도가 이루어지고 있다. 일반적으로 열전소자가 적용되는 부위는 굴곡이 있어 강성 평판 위에 제작된 열전소자의 경우 완전한 접촉이 되지 않아 효율이 낮아진다.

그러나 종래기술에 따른 열전소자들은 유연하게 휘어지지 않거나, 유연하게 휘어지더라도 열전달 효율을 높이기 위해 방열판을 부착할 경우 유연성을 잃어버리게 되어 온도차를 얻고자하는 표면에 부착하기가 쉽지 않다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 열전소자 및 방열판을 유연하게 휘어지게 할 수 있는 열전소자조립체 및 이를 제조하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 열전달 효율을 높일 수 있는 미세방열핀이 배열된 금속박막의 방열판과 열전소자가 일체화된 유연한 열전소자조립체 및 이를 제조하기 위한 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법은 금속층증착단계와, 금속식각단계와, 폴리머층형성단계와, 열전물질증착단계와, 평탄화단계와, 제거단계와, 내부전극형성단계와, 절연층형성단계와, 방열판형성단계를 포함한다. 상기 금속층증착단계는 평판의 일면에 금속층을 증착한다. 상기 금속식각단계는 열전물질이 도금되는 도금영역을 제외한 부분의 금속층을 식각한다. 상기 폴리머층형성단계는 상기 도금영역 위에 도금되는 열전물질이 관통하여 삽입될 폴리머층을 형성하도록 상기 금속층의 일면에 유연한 폴리머층을 형성한다. 상기 열전물질증착단계는 상기 폴리머층의 사이에 삽입되도록 상기 도금영역에 열전물질을 증착시킨다. 상기 평단화단계는 상기 폴리머층을 평탄화시킨다. 상기 제거단계는 상기 금속층과 상기 평판을 제거한다. 상기 내부전극형성단계는 열전물질을 연결시키도록 금속을 증착시켜 내부전극을 형성한다. 상기 절연층형성단계는 상기 내부전극을 절연시킬 수 있도록 상기 내부전극을 덮는 절연층을 형성한다. 상기 방열판형성단계는 상기 절연층의 일면에 미세방열핀이 배열된 금속박판의 방열판을 형성한다.

또한, 상기의 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법에 있어서, 상기 금속식각단계는 희생층형성단계와, 도금영역형성단계를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 희생층형성단계는 상기 금속층증착단계에서 형성된 금속층의 일면에 포토레지스트를 사용하여 식각공정으로 상기 도금영역을 형성할 희생층을 형성한다. 상기 도금영역형성단계는 상기 도금영역을 형성하도록 희생층 이외의 영역에 드러나 있는 금속층을 식각으로 제거하여 도금영역을 형성한다.

또한, 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법에 있어서, 상기 방열판형성단계는 씨앗층형성단계와, 금속박막형성단계와, 미세방열핀구조틀형성단계와, 미세방열핀형성단계와, 미세방열핀구조틀제거단계를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 씨앗층형성단계는 상기 절연층의 일면에 금속으로 된 씨앗층을 증착한다. 상기 금속박막형성단계는 상기 씨앗층의 일면에 전주도금을 통하여 금속박막을 형성한다. 상기 미세방열핀구조틀형성단계는 사진식각공정(photolithography)을 사용하여 포토레지스트로 상기 미세방열핀이 증착될 미세방열핀구조틀을 형성한다. 상기 미세방열핀형성단계는 전주도금을 사용하여 상기 금속박막에 미세방열핀을 형성하여 방열판을 제작한다. 상기 미세방열핀구조틀제거단계는 포토레지스트로 된 상기 미세방열핀구조틀을 제거한다.

또한, 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법에 있어서, 상기 금속층증착단계는 티타늄이나 크롬으로 평판의 일면에 증착하는 단계와, 상기 티타늄이나 상기 크롬의 일면에 금을 증착하는 단계를 구비하는 하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체는 열전소자와, 미세방열핀이 배열된 금속박판의 방열판을 포함한다. 상기 열전소자는 유연한 폴리머층과, 상기 폴리머층에 관통하여 삽입된 복수의 열전물질과, 상기 열전물질을 연결시키도록 상기 폴리머층의 상면 및 하면에 형성된 내부전극과, 상기 내부전극의 절연을 위하여 상기 폴리머층의 상면 및 하면에 형성된 절연층을 구비한다. 상기 방열판은 상기 열전소자의 일면에 결합된다.

본 발명에 의하면, 금속이 증착된 평판에 폴리머기판을 형성 후 열전물질을 도금하고 평판을 제거함으로써 열전소자에 유연성을 부여하고 열전소자의 상부에 미세방열핀이 배열된 금속박판을 일체형으로 형성함으로써 높은 열전달 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 의하면 유연하여 의복에 적용하기 용이하면서도 효율이 높은 열전소자를 일체형으로 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 실시예를 유연하게 구부린 상태도,
도 3은 도 1에 도시된 실시예의 개념도,
도 4는 도 1에 도시된 실시예의 제조방법의 개념도,
도 5 내지 도 12는 도 4에 도시된 실시예의 순차적인 공정 단면도,
도 13은 도 1에 도시된 열전소자의 실제 이미지 사진,
도 14는 도 13의 굴곡된 이미지 사진이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조입체의 일 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체는 열전소자(1)와, 방열판(3)을 포함한다.

열전소자(1)는 폴리머층(11)과, 열전물질(13)과, 내부전극(15)과, 절연층(17)을 구비한다. 폴리머층(11)은 유연한 재질로 구성되어 유연하게 휘어질 수 있으며, 열전물질(13)이 관통하여 삽입될 수 있도록 관통공이 형성된다. 열전물질(13)은 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133)로 구성되며 폴리머층(11)의 관통공에 삽입된다. 열전물질로 사용되는 재질은 실리콘(Si), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 구리(Cu), 망가니즈(Mg), 티타늄(Ti), 수은(Hg), 납(Pb), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 텅스텐(W), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 비소(As), 텔루륨(Te), 저마늄(Ge) 등을 이용한 금속화합물 또는 세라믹, 그리고 전도성 폴리머 등 다양한 종류가 있는데, 이들은 온도에 따라 물질의 효율이 조금씩 변하는 특성을 지닌다. 그러므로 사용하는 온도에 따라 적절한 열전물질이 사용되어야 한다. 내부전극(15)은 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133)의 한 쌍씩만 연결시키도록 폴리머층(11)의 상면과 하면에 형성된다. 절연층(17)은 내부전극(15)의 절연을 위하여 내부전극(15)을 덮도록 폴리머층(11)의 상면과 하면에 형성된다.

방열판(3)은 미세방열핀이 배열된 금속박판으로 형성되며 열전소자(1)의 일면에 결합된다.

이하에서는 도 4 내지 도 12를 참조하여 도 1에 도시된 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체의 제조방법은 금속층증착단계(S11)와, 금속식각단계(S13)와, 폴리머층형성단계(S15)와, 열전물질증착단계(S17)와, 평탄화단계(S19)와, 제거단계(S21)와, 내부전극형성단계(S23)와, 절연층형성단계(S25)와, 발열판형성단계(S27)를 포함한다.

금속층증착단계(S11)는 평판(51)의 일면에 금속층(53)을 증착하는 단계이다. 금속층(53)은 열전물질(13)의 전기화학도금을 위한 씨앗층 역할을 한다. 열전물질(13)의 전기화학도금은 매우 미세한 전류의 조절이 필요하므로 도금이 되는 금속층(53)의 저항 특성이 매우 중요하다. 그렇기 때문에 일반적으로 씨앗층으로 사용되는 금속층(53)으로 전기전도성이 우수한 금속을 사용한다.

금속식각단계(S13)는 열전물질(13)이 도금되는 도금영역을 제외한 부분의 금속층(53)을 식각하는 단계이다. 그러면 금속식각단계(S13)에 의하여 금속층(53)은 P형 열전물질(131)이 도금되는 P형 도금영역(531)과 N형 열전물질(133)이 도금되는 N형 도금영역(533)이 남는다. 이를 위하여 금속식각단계(S13)는 희생층형성단계와 도금영역형성단계를 구비한다. 상기 희생층형성단계는 금속층증착단계(S13)에서 형성된 금속층(53)의 일면에 포토레지스트를 사용하여 식각공정으로 도금영역을 형성할 희생층(55)을 형성한다. 상기 도금영역형성단계는 도금영역을 형성하도록 희생층(55) 이외의 영역에 드러나 있는 금속층(53)을 식각으로 제거한다. 그러면 금속층(53)은 P형 도금영역(531)과 N형 도금영역(533)만이 남는다. 도금영역이 형성되면 희생층(55)을 제거한다.

폴리머층형성단계(S15)는 금속층(53)으로된 도금영역(531, 533) 위에 도금되는 열전물질(13) 이 관통하여 삽입될 수 있도록 유연한 폴리머층(11)을 형성하는 단계이다. 폴리머층(11)은 열전물질(13)을 지지하는 몸체 역할을 하는 한편, 폴리머 재질의 유연성으로 인해 하부의 평판(51)이 제거되고 난 후 열전소자(1)를 유연하게 만드는 역할을 한다.

폴리머층(11)은 재질이 사진식각공정에 사용되는 감광제가 이용되며, 감광제를 두껍게 도포하여 사진식각공정으로 형성된다.

열전물질증착단계(S17)는 폴리머층(11)의 관통공에 삽입되도록 도금영역(531, 533)에 열전물질(13)을 증착시키는 단계이다. 열전물질(13)로는 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133)이 증착된다.

열전물질을 형성하는 방법으로는 동시증발증착법, 분말소결법, 전기화학증착법, 다이코팅, 스핀코팅, 캐스팅, 스크린 프린팅 등이 있다. 동시증발증착법은 양쪽의 도가니에 열전소자를 이루는 두 가지 금속재료를 각각 채워놓고 전자빔 등을 이용해서 가열하여 동시에 증발시켜 평판에 증착시키는 방법이다. 분말소결법은 분말형태의 열전소자 금속재료를 혼합한 다음 가압, 가열하여 제작하는 방식이다. 전기화학증착법은 용매에 열전소자 금속재료를 용해시킨 다음 전위를 가해서 전기적으로 도금을 하는 방법이다. 다이코팅과 스핀코팅은 열전물질을 도포하여 코팅하는 방법이다. 캐스팅은 열전물질을 용기에 도포하여 경화시킨 후 용기에서 분리시키는 방법이다. 스크린 프린팅은 스텐실(stencil) 위에 열전물질을 도포하고 스텐실을 제거하여 열전물질을 형성하는 방법이다. 각각의 방법에서 이종의 금속재료의 증착 속도를 조절하여 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133)을 제작한다.

본 발명에서의 열전물질(13)은 전기화학도금을 이용해서 증착되는데, 전기화학도금 방식은 다른 방법과는 달리 고온 또는 가압이 필요 없이 상온에서 쉽게 증착이 가능한 장점을 가진다. 사진식각공정을 통해 정의된 P형 도금영역(531)과 N형 도금영역(533)을 각각 다른 조건으로 전기화학도금을 진행하여 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133)을 형성한다.

평탄화단계(S19)는 폴리머층(11)을 평탄화시킨다. 평탄화단계(S19)는 이후 방열판형성단계(S27)에서 전주도금을 통한 미세방열핀의 제작을 원활하게 하기 위하여 폴리머층(11)의 평탄도를 높이는 단계이다.

사진식각공정을 통해서 형성된 폴리머층(11)은 상부면이 평탄하지 않고 미세한 굴곡이 형성되어 있다. 이 경우 방열판형성단계(S27)에서의 사진식각공정이 어렵다. 이를 위해 폴리머층(11)의 상부를 화학·기계적연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP)를 이용해 평탄화시킨다.

제거단계(S21)는 열전소자(1)에 유연성을 부여하기 위하여 금속층(53)과 평판(51)을 제거한다. 본 실시예에서는 화학·기계적연마를 통해서 하부의 평판(51)을 제거한다. 동시에 하부에 형성되었던 열전소자의 도금영역(531, 533) 즉 금속층(53)을 같이 제거한다. 하부의 평판(1)제거에는 화학·기계적연마 이외에 화학적 습식식각, 건식식각 및 폴리머 층의 리프트 오프(lift off) 등의 방법을 이용할 수 있다.

내부전극형성단계(S23)는 열전물질(13)을 연결시키도록 금속을 증착시켜 내부전극(15)을 형성한다.

본 실시예에서는 P형 열전물질(131)과 N형 열전물질(133) 한 쌍씩만 전극(10)으로 연결하기 위해서 섀도 마스크(57)를 이용해 금속을 증착하여 내부전극(15)을 형성한다. 내부전극(15)은 폴리머층(11)의 상면과 하면에 형성된다.

절연층형성단계(S25)는 내부전극(15)을 보호하는 동시에 절연을 위하여 내부전극(15)을 덮을 수 있도록 폴리머층(11)의 상부와 하부에 절연층(17)을 형성시킨다. 본 실시예에서는 열전소자(1)의 유연성을 위해서 절연층(17) 또한 유연한 성질을 가지는 패럴린(Parylene)을 코팅하여 형성한다.

방열판형성단계(S27)는 절연층(17)의 일면에 미세방열핀이 배열된 금속박판의 방열판(3)을 형성한다. 방열판(3)을 열전소자(1)와 일체형으로 제작하기 위하여 사진식각공정과 전주도금을 수행하여 방열판(3)을 형성한다. 방열판(3)을 형성하기 위하여 방열판형성단계(S27)은 씨앗층형성단계와, 금속박막형성단계와, 미세방열핀구조틀형성단계와, 미세방열핀형성단계와, 미세방열핀구조틀제거단계를 구비한다.

상기 씨앗층형성단계는 절연층(17)의 일면에 금속으로 된 씨앗층(59)을 증착한다. 씨앗층(59)은 금속박막(61)의 도금을 위하여 형성된다. 상기 금속박막형성단계는 씨앗층(59)의 일면에 전주도금을 통하여 금속박막(61)을 형성한다. 상기 미세방열핀구조틀형성단계는 사진식각공정을 사용하여 포토레지스트로 미세방열핀이 증착될 미세방열핀구조틀(63)을 형성한다. 상기 미세방열핀형성단계는 전주도금을 사용하여 금속박막(61)에 미세방열핀을 형성하여 방열판(3)을 완성한다. 상기 미세방열핀구조틀제거단계는 포토레지스트로 된 미세방열핀구조틀(63)을 제거한다. 미세방열핀구조틀(63)의 제거로 방열판의 표면에는 어레이 형태의 방열핀(64)이 배열된다. 이로써, 방열판(3)과 열전소자(1)가 일체화된 열전소자조립체가 완성된다.

1 : 열전소자 11 : 폴리머층
13 : 열전물질 131 : P형 열전물질
133 : N형 열전물질 15 : 내부전극
17 : 절연층 3 : 방열판
51 : 평판 53 : 금속층
531 : P형 도금영역 533 : N형 도금영역
55 : 희생층 57 : 섀도마스크
59 : 씨앗층 61 : 금속박막
63 : 미세방열핀구조틀 64 : 미세방열핀

Claims (4)

1. 평판의 일면에 금속층을 증착하기 위한 금속층증착단계와,
   열전물질이 도금되는 도금영역을 제외한 부분의 금속층을 식각하는 금속식각단계와,
   상기 도금영역 위에 도금되는 열전물질이 관통하여 삽입될 폴리머층을 형성하도록 상기 금속층의 일면에 유연한 폴리머층을 형성하는 폴리머층형성단계와,
   상기 폴리머층의 사이에 삽입되도록 상기 도금영역에 열전물질을 증착시키는 열전물질증착단계와,
   상기 폴리머층을 평탄화시키는 평탄화단계와,
   상기 금속층과 상기 평판을 제거하는 제거단계와,
   열전물질을 연결시키도록 금속을 증착시켜 내부전극을 형성하는 내부전극형성단계와,
   상기 내부전극을 절연시킬 수 있도록 상기 내부전극을 덮는 절연층을 형성하는 절연층형성단계와,
   상기 절연층의 일면에 미세방열핀이 배열된 금속박판의 방열판을 형성하는 방열판형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열판이 일체화된 유연한 열전소자 조립체 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속식각단계는
   상기 금속층증착단계에서 형성된 금속층의 일면에 포토레지스트를 사용하여 식각공정으로 상기 도금영역을 형성할 희생층을 형성하는 희생층형성단계와,
   상기 도금영역을 형성하도록 희생층 이외의 영역에 드러나 있는 금속층을 식각으로 제거하여 도금영역을 형성하는 도금영역형성단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 방열판형성단계는
   상기 절연층의 일면에 금속으로 된 씨앗층을 증착하는 씨앗층형성단계와,
   상기 씨앗층의 일면에 전주도금을 통하여 금속박막을 형성하는 금속박막형성단계와,
   사진식각공정을 사용하여 포토레지스트로 상기 미세방열핀이 증착될 미세방열핀구조틀을 형성하는 미세방열핀구조틀형성단계와,
   전주도금을 사용하여 상기 금속박막에 미세방열핀을 형성하여 방열판을 제작하는 미세방열핀형성단계와,
   포토레지스트로 된 상기 미세방열핀구조틀을 제거하는 미세방열핀구조틀제거단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방열판이 일체화된 유연한 열전소자조립체 제조방법.
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