KR101621750B1

KR101621750B1 - 열전필름 제조방법

Info

Publication number: KR101621750B1
Application number: KR1020130061917A
Authority: KR
Inventors: 전상기; 정수희; 이연근; 박효순; 최경수; 조정호; 신동목
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2016-05-17
Also published as: KR20140140905A

Abstract

본 발명은 (1) 기재의 상면에 전극층을 형성하는 단계; (2) 상기 전극층의 상면에 베리어층을 형성하는 단계; (3) 상기 베리어층의 상면에 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층을 형성하는 단계; (4) 상기 열전소자층의 상면에, 최종적으로 목적하는 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 패턴 및 두께를 가진 의사-형상층(pseudo-forming layer)를 형성하는 단계; (5) 상기 단계들에서 얻어진 적층체를 상면으로부터 의사-형상층이 완전히 제거될 때까지 식각하는 단계; 및 (6) 상기 단계들에서 제조된 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하여 열전필름을 제조하는 단계;로 이루어진 열전필름 제조방법을 제공한다.

Description

열전필름 제조방법 {Manufacturing Method of Thermoelectric Film}

본 발명은 열전필름의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기재의 상면에 전극층을 형성하는 단계, 상기 전극층의 상면에 베리어층을 형성하는 단계, 상기 베리어층의 상면에 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층을 형성하는 단계, 상기 열전소자층의 상면에, 최종적으로 목적하는 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 패턴 및 두께를 가진 의사-형상층(pseudo-forming layer)를 형성하는 단계, 상기 단계들에서 얻어진 적층체를 상면으로부터 의사-형상층이 완전히 제거될 때까지 식각하는 단계, 및 상기 단계들에서 제조된 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하여 열전필름을 제조하는 단계로 구성된 열전필름 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 열전모듈은 펠티어(Peltier) 효과와 제벡(seebeck) 효과를 이용하여, 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환계로서, 전극의 전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환하거나, 또는 제벡 효과에 의해 열전모듈 양단 간의 온도 차이를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 장치이다.

이와 같은 열전모듈은 냉각용과 발전용이 있으며, 빠르고 우수한 냉각효과 또는 발전효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부피가 매우 작기 때문에 차세대 냉각소자 및 발전소자로 각광받고 있다.

특히, 냉각용 열전모듈은 시스템의 안정성을 필요로 하고 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 필요로 하는 경우, 또는 온도의 정밀 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되고 있고, 발전용 열전모듈은 열에너지를 전기에너지로 변환하여 발전하는데 주로 사용되고 있다.

한편, 도 1에는 종래의 열전모듈 제조과정을 나타내는 사진들이 도시되어 있다.

도 1을 참조하여 종래의 열전모듈 제조과정을 설명하면, 먼저 P형 또는 N형 열전소자용 잉곳(ingot)을 열적으로 성장시킨다(10). 다음으로 잉곳을 얇게 슬라이싱(slicing, 20)한 후 다이싱(dicing, 30)에 의해 조각을 낸다. 마지막으로 이러한 조각들을 조립(assemble, 40)하여 열전모듈을 완성한다.

그러나, 이러한 종래의 열전모듈 제조방법은 잉곳의 전체 크기를 증가시키기 어렵고, 대량 생산이 용이하지 않으며 많은 노동력을 필요로 하므로 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 열전모듈을 조립하는 과정에서 박막으로 얇게 제조하는 것이 어렵고 부품들의 상호 접착력이 약해지는 문제점이 있다.

따라서, 대량 생산을 가능하게 하여 제조비용을 절감하고 박막 형태로 얇게 제조할 수 있는 신규한 열전필름 제조방법에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은, 고가인 하드 마스크 등을 사용하지 않으면서 적은 비용으로 자동화 공정에 의해 박막의 열전필름을 대량 생산할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열전필름 제조방법은,

(1) 기재의 상면에 전극층을 형성하는 단계;

(2) 상기 전극층의 상면에 베리어층을 형성하는 단계;

(3) 상기 베리어층의 상면에 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층을 형성하는 단계;

(4) 상기 열전소자층의 상면에, 최종적으로 목적하는 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 패턴 및 두께를 가진 의사-형상층(pseudo-forming layer)를 형성하는 단계;

(5) 상기 단계들에서 얻어진 적층체를 상면으로부터 의사-형상층이 완전히 제거될 때까지 식각하는 단계; 및

(6) 상기 단계들에서 제조된 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하여 열전필름을 제조하는 단계;

를 포함하고 있다.

열전필름을 제조하는 방법으로, 박막 형성 기술을 응용하여, 상기 기재에 하드 마스크를 사용하여 패턴화된 전극과 베리어층을 형성하고, 다른 패턴의 하드 마스크를 사용하여 N형 열전소자 또는 P형 열전소자를 형성하는 방법을 고려할 수 있으나, 상기 하드 마스크의 경우 가격이 높고, 제조 과정 중 패턴에 따라 번번히 교체해야 하는 등 제조 공정상 단점이 있다.

반면에, 본 발명에 따르면, 상기 기재의 상면에 순차적으로 전극층, 베리어층 및 열전소자층을 전면에 걸쳐 형성하고, 최종적으로 목적하는 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 패턴 및 두께를 가진 의사-형상층을 적층한 후, 상기 적층체의 상면으로부터 의사-형상층이 완전히 제거될 때까지 식각하여 소망하는 패턴을 형성하게 된다.

따라서, 각 층의 형성 단계에서 패턴을 고려하지 않고 전면에 걸쳐 형성하므로 비용이 많이 소요되는 하드 마스크를 사용하지 않아도 되고, 작업 공정이 간소하다는 장점이 있다.

상기 패턴화는 제조되는 필름 전면에 걸쳐서 특정 형상의 적층체가 일정한 간격으로 다수 개 존재하는 것을 의미한다. 상기 형상은 특별히 한정되지 않으나, 예들 들어, 평면상으로 원형, 사각형, 육각형(허니컴) 등의 형상일 수 있다.

열전소자의 경우, 그 폭과 높이가 작아질수록 효율이 높아지는 경향이 있다. 따라서, 필름 전면을 열전소자로 만들 경우, 그 폭이 커져서 효율이 떨어지게 되므로, 상기와 같이 패턴화된 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다.

상기 전극층, 베리어층 및 열전소자층을 형성하는 방법은 목적하는 두께만큼 균일하게 층을 형성할 수 있는 방법이면 어느 방법이나 사용이 가능하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적어도 하나 이상은 인쇄, 도포 또는 증착에 의해 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적어도 하나 이상은 화학기상 증착법(CVD) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 기재는 제조된 필름의 최외층을 형성하여 열교환을 위한 대상과 맞닿을 부분이므로, 열전도성 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 질화알루미늄(AlN) 또는 그라파이트(graphite)로 이루어질 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 기재가 전기전도성 특성을 가지는 경우에는, 상기 전극층을 형성하는 단계 이전에 기재의 상면에 유전층(dielectric layer)을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 패턴화된 전극을 통해서만 전류가 흘러야 열전소자의 작동이 가능해지기 때문이다. 상기 유전층은 전기 절연성 소재라면 어느 소재라도 사용이 가능하며, 예를 들어, 이산화규소(SiO₂)로 이루어질 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 유전층은 그 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛인 것이 바람직하다. 구체적으로, 유전층의 두께가 0.05 ㎛ 미만이면 전극층과 기재 상호간의 전기적 절연을 담보하기 어려울 수 있고, 반대로 두께가 3 ㎛를 초과하면 전체적인 열전필름의 두께가 증가하고, 유전층을 통한 전극층과 기재 상호간의 열적 이동이 억제될 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 전극층은 전기전도성 소재라면 어느 소재라도 사용이 가능하며, 예를 들어, 구리(Cu)로 이루어질 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 전극층은 그 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛인 것이 바람직하다. 구체적으로, 전극층의 두께가 0.05 ㎛ 미만이면 높은 내부저항으로 인해 전극으로서의 효용성이 저하될 수 있으며, 반대로 두께가 3 ㎛를 초과하면 전체적인 열전필름의 두께가 증가하게 되므로 바람직하지 않다.

상기 베리어층은 전극층으로부터 열전소자로의 통전을 허용하면서 이들 상호간의 물질 확산을 방지하는 역할을 수행할 수 있는 소재라면 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 니켈(Ni) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어질 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 베리어층은 그 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 베리어층의 두께가 0.05 ㎛ 미만이면 전극과 열전소자 간의 물질 확산을 담보하기 어려울 수 있고, 반대로 두께가 3 ㎛를 초과하면 전체적인 열전필름의 두께가 증가하게 되므로 바람직하지 않다.

본 발명에 있어서, 상기 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층은 1 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

구체적으로, N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 두께가 1 ㎛ 미만이면 소망하는 열전소자의 기능을 확보하기 어려울 수 있고, 반대로 두께가 50 ㎛를 초과하면 전체적인 열전필름의 두께가 증가하게 되므로 바람직하지 않다.

본 발명에 있어서, 상기 의사-형상층은 식각 단계 이후에 기재의 상면에 형성되는 패턴화된 전극층, 상기 전극층의 상면에 형성된 베리어층, 및 상기 베리어층의 상면에 형성된 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 적층 구조에 대응하는 형상을 가지는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 상기 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 폭은 베리어층 폭의 10 내지 50% 크기로 이루어질 수 있으며, 열전필름의 제조를 위한 최종 단계에서 이후 설명하는 도 7에서와 같이 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하게 되므로, 열전소자의 폭은 베리어층 폭의 50% 미만인 것이 바람직하고, 20 내지 40%인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 의사-형상층은 최대 높이는 목표하는 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 높이 대비 100 내지 150% 범위의 높이를 가지는 것이 바람직하다. 이는 상면으로 돌출되어 있는 부분이 다른 부분보다 상대적으로 식각에 더 많이 노출되어 있으므로 식각 과정에서 발생할 수 있는 오차를 보상하기 위한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 의사-형상층은 그 형상을 유지한 채로 상기 적층체 상에 형성될 수 있는 방법이면 어느 방법이든 사용이 가능하며, 예를 들어, 인쇄법, 몰딩법 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 의사-형상층은,

(1) 기재에 소망하는 패턴을 형성하여 마스터 몰드를 제조하는 단계;

(2) 상기 마스터 몰드에 대응하는 형상으로 성형 몰드를 제조하는 단계;

(3) 의사-형상층 제조용 수지를 열전소자층 상에 도포하는 단계;

(4) 상기 도포된 수지에 성형 몰드를 위치시킨 상태에서 가압하여 몰드의 각인된 패턴 내로 수지를 도입하는 단계; 및

(5) 상기 도입된 수지를 경화시킨 후 성형 몰드를 제거하는 단계;

를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.

상기 경화는 UV 경화 또는 열경화로 수행할 수 있으며, 빠른 경화를 위해 바람직하게는 UV 경화로 수행할 수 있다.

또 다른 바람직한 예에서, 상기 의사-형상층은,

(3) 상기 몰드에 의사-형상층 제조용 수지를 채운 후, 상기 적층체 위에 전사하는 단계; 및

(4) 상기 전사된 수지를 경화시키는 단계;

를 포함하는 방법으로 제조될 수도 있다.

상기 기재에 패턴을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 리소그래피 또는 포토방식 등으로 형성할 수 있다.

상기 성형 몰드의 소재와 형태는 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 상기 첫 번째 방법에서 빠른 경화를 위해 UV 경화를 수행하는 경우, 바람직하게는 실리콘 성형 몰드를 사용할 수 있다. 또한, 상기 두 번째 방법에서, 패턴 형상의 전사 후 패턴의 손상없이 성형 몰드를 제거하는 것이 용이하도록, 바람직하게는 유연성을 가진 가소성 플라스틱 성형 몰드가 사용될 수 있다. 이러한 성형 몰드는 평판 형태의 몰드뿐만 아니라 롤형 또는 세미 서클형(semi-circle) 몰드 등 그 형태가 다양할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 있어서, 상기 식각은 평면상으로 의사-형상층의 전체 면에 걸쳐 상부에서 하부로 균일한 식각 속도로 행해질 수 있다. 의사-형상층에 상응하는 형태의 패턴을 만들기 위해서는, 적층체 전반에 걸쳐 상부에서 하부로 균일한 속도로 식각이 행해지는 것이 바람직하다.

상기 적층체 구조는 각 층별로 소재가 상이하여 각 소재의 특성에 따라 식각 속도가 달라질 수 있는데, 상기와 같이 의사-형성층의 두께 등을 조절함으로써 원하는 형태의 패턴층을 얻을 수 있다.

상기 식각하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 건식 식각법 또는 습식 식각법을 들 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 건식 식각법의 바람직한 하나의 예로는 샌드 블라스팅(sand blasting) 법을 들 수 있다.

본 발명에 있어서, 제조된 상기 N형 열전필름과 P형 열전필름은 플립(flip) 및 어닐링(annealing)에 의해 상호 접합되는 것이 바람직하다. 상기 접합을 통하여 대면하는 전극들이 서로 교차하여 N형 및 P형 열전필름을 연결할 수 있다.

본 발명은 또한 열전필름을 제공한다.

구체적으로 상기 열전필름은 상기 방법으로 제조된 열전필름으로서,

N형 열전필름과 P형 열전필름이 서로 대향한 상태로 상하로 맞물려 접합되어 있고,

상기 N형 열전필름은 열전도성의 기재, 패턴화된 전극층, 베리어층, 및 N형 열전소자의 순으로 적층되어 있으며,

상기 P형 열전필름은 열전도성의 기재, 패턴화된 전극층, 베리어층, 및 P형 열전소자의 순으로 적층되어 있는 구조로 구성되어 있다.

상기 열전필름의 구조에서 열전도성의 기재는 통전시 흡열 또는 방열 기능을 발휘하고, 베리어층은 전극으로부터 물질 확산을 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 N형 열전필름과 P형 열전필름은 기재와 전극층을 전기적 절연하는 유전층을 기재와 전극층 사이에 더 포함하는 구조일 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 유전층은 상기 열전도성의 기재가 전기 전도성도 가지는 경우에 특히 유용하다. 만약 상기 열전도성의 기재가 전기 전도성을 가지고 유전층이 없다면, 전류가 전극과 N형 열전필름 또는 P형 열전필름을 경유하지 않고 기재를 통해 바이패스되어, 상기 필름이 열전효과를 나타내지 못하게 된다.

상기 열전필름의 구조에서, 통전시 전류는 N형 열전소자와 P형 열전소자를 따라 직렬로 흐르게 된다.

한편, 상기 열전필름은 통전시 N형 열전필름의 기재가 흡열성을 가지고 P형 열전필름의 기재가 방열성을 가지거나, 또는 N형 열전필름의 기재가 방열성을 가지고 P형 열전필름의 기재가 흡열성을 가지는 구조로 구성될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 열전필름이 전지셀들의 계면에 개재되어 있고, 상기 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈을 제공한다.

예를 들어, 상기 전지모듈은 상기 열전필름이 계면에 개재되어 있는 다수의 판상형 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 순차적으로 적층되어 있는 구조일 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈의 열전필름은, 통전시 흡열 성을 가지는 흡열면과 발열성을 가지는 발열면을 가지고 있고, 그것의 외면에는 열전필름의 열을 전도하는 도전층이 형성되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 열전필름은 높은 열전도성을 가지는 도전층에 접해 있어서 전지모듈 외부로의 효과적인 방열을 수행할 수 있다. 상기 도전층의 예로서, 질화알루미늄(AlN), 구리, 은, 스테인리스 중 어느 하나로 이루어진 금속층 또는 그라파이트(graphite) 층 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

상기 열전필름의 흡열면은 전지셀에 대면해 있고, 발열면은 도전층에 접해 있는 구조로 구성될 수 있다.

즉, 전지모듈 내부에 장착되어 있는 전지셀이 다양한 원인에 의해 과열되는 경우, 열전필름은 전지셀에 접해 있는 흡열면을 통해 열을 흡수하고 발열면에서 방열을 이룸으로써 전지모듈의 온도를 안전한 온도 범위로 저하시킨다. 따라서, 전지모듈의 유입구에 구동 팬을 설치하는 종래의 전지모듈 냉각 시스템보다 간단하고 콤팩트한 구조로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 냉각 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.

상기 열전필름은 전지셀의 계면에서 보다 효율적으로 열전달을 이룰 수 있도록, 바람직하게는 상기 두 개의 열전필름이 서로 대향하는 방향으로 개재되어 있을 수 있다. 경우에 따라서는, 전지셀의 계면에 하나의 열전 필름을 개재하거나, 또는 하나의 도전층에 서로 대향하는 방향으로 열전필름을 각각 포함할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 전지모듈은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원에 바람직하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전필름 제조방법은 전극층, 베리어층, N형 열전소자 또는 P형 열전소자를 기재에 순차적으로 전면 적층하고, 그 위에 의사-형상층을 형성한 후 식각하여 제조한 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하여 열전필름을 제조하므로, 고비용의 하드 마스크 등을 사용하지 않고 작업 공정이 간소하여 생산 비용과 공정 효율이 우수하며, 박막 형태의 얇은 열전필름을 대량으로 제조할 수 있다.

도 1은 종래의 열전모듈 제조과정을 나타내는 사진들이다;
도 2 및 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 N형 열전필름을 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도들이다;
도 4는 도 3의 N형 열전필름을 확대한 수직단면 모식도이다;
도 5 및 도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 P형 열전필름을 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도들이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열전필름의 수직 단면 모식도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 모식도이다;
도 9은 도 8의 열전필름의 측면 모식도이다;
도 10 및 도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 의사-형상층을 형성하기 위한 성형 몰드를 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도들이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 N형 열전필름을 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도들이 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 N형 열전필름을 확대한 수직단면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, N형 열전필름 제조방법(100)은,

(1) 기재(110)의 상면에 유전층(112)을 화학기상 증착법에 의해 증착하는 단계;

(2) 유전층(112)의 상면에 전극층(120)을 증착하는 단계;

(3) 전극층(120)의 상면에 베리어층(130)을 증착하는 단계;

(4) 베리어층(130)의 상면에 N형 열전소자층(140)을 증착하는 단계;

(5) N형 열전소자층(140)의 상면에 패턴화된 의사-형상층(150)을 형성하는 단계; 및

(6) 상부로부터 식각하여 N형 열전필름(160)을 형성하는 단계로 구성되어 있다.

기재(110)는 열전도성 소재로서 질화알루미늄으로 이루어져 있고, 유전층(112)은 이산화규소 소재로 이루어져 있다. 또한, 전극층(120)은 구리 소재로 이루어져 있고, 베리어층(130)은 니켈소재로 이루어져 있다.

또한, 유전층(112)은 두께가 약 0.2 ㎛로 형성되어 있고, 전극층(120)은 두께가 약 0.4 ㎛로 형성되어 있으며, 베리어층(130)은 두께가 약 0.2 ㎛로 형성되어 있다.

N형 열전소자층(140)는 약 10 ㎛의 두께(h)를 가지고 있고, N형 열전소자층(140)의 폭(w)은 베리어층(130) 폭(W)의 약 30% 크기로 이루어져 있다.

도 3을 참조하면, 의사-형상층(150)은 식각 과정에서 일종의 희생층으로 사용됨을 알 수 있다. 즉, 식각은 평면상으로 의사-형상층(150)의 전체 면에 걸쳐 상부에서 하부로 균일한 속도로 행해지므로, 의사-형상층(150) 중에서 두께가 얇은 부위는 두께가 두꺼운 부위보다 먼저 소실되어, 그 하부에 위치한 N형 열전소자층(140)이 식각되기 시작한다. 이러한 과정은 의사-형상층(150) 중에서 두께가 가장 두꺼운 부위가 완전히 소실될 때까지 계속적으로 진행되어, 결과적으로 패턴화된 전극층(130)이 만들어질 때까지 진행된다. 따라서, 도 3(6)에서와 같이 의사-형상층(150)에 대응하는 적층 구조가 얻어지게 된다.

도 5 및 도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 P형 열전필름을 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도들이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, P형 열전필름 제조방법(200)은,

(1) 기재(210)의 상면에 유전층(212)을 화학기상 증착법에 의해 증착하는 단계;

(2) 유전층(212)의 상면에 전극층(220)을 증착하는 단계;

(3) 전극층(220)의 상면에 베리어층(230)을 증착하는 단계;

(4) 베리어층(230)의 상면에 P형 열전소자(240)을 증착하는 단계;

(5) P형 열전소자(240)의 상면에 패턴화된 의사-형상층(250)을 형성하는 단계; 및

(6) 상부로부터 식각하여 P형 열전필름(260)을 형성하는 단계로 구성되어 있다. 따라서, P형 열전소자(240)의 증착 단계를 제외하고는 도 2 내지 도 4의 구조와 동일하므로, 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열전필름의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 열전필름(300)은 도 3 및 도 4의 N형 열전필름(150)과 도 6의 P형 열전필름(250)이 플립 및 어닐링에 의해 상호 접합하여 조립되어 있고, N형 열전필름(150)과 P형 열전필름(250)이 서로 대향한 상태로 상하로 맞물려 접합되어 있다.

N형 열전필름(150)은 통전시 흡열성 또는 방열성을 가지는 열전도성의 기재(110), 기재(110)와 전극층(120)의 전기적 절연을 위한 유전층(112), 패턴화된 전극층(120), 전극으로부터 물질 확산을 방지하는 베리어층(130), 및 N형 열전소자층(140)의 순으로 적층되어 있다.

또한, P형 열전필름(250)은 통전시 흡열성 또는 방열성을 가지는 열전도성의 기재(210), 기재(210)와 전극층(220)의 전기적 절연을 위한 유전층(212), 패턴화된 전극층(220), 전극으로부터 물질 확산을 방지하는 베리어층(230), 및 P형 열전소자(240)의 순으로 적층되어 있다.

따라서, 통전시 전류는 N형 열전소자층(140)와 P형 열전소자(240)을 따라 직렬로 흐르고, N형 열전필름(150)의 기재(110)가 흡열성을 가지며 P형 열전필름(250)의 기재(210)가 방열성을 가지게 된다.

이와는 반대로, 전류를 반대로 흘리면 N형 열전필름(150)의 기재(110)가 방열성을 가지고 P형 열전필름(250)의 기재(210)가 흡열성을 가지게 됨은 물론이다.

구체적으로 열전필름(300)의 발열 및 흡열 원리는 하기와 같다. 열전필름(300)은 질화알루미늄과 같은 세라믹 재질의 기재들(110, 210) 사이에 N형 열전소자층(140)와 P형 열전소자(240)가 배열되어 있다. 또한, N형 열전소자층(140)와 P형 열전소자(240)는 구리로 이루어진 금속전극(120, 220)에 접합되어 있다, 따라서, P형 열전소자(240)와 N형 열전소자(140) 쌍의 양 분지단의 극성이 각각 음극과 양극이 되도록 직류 전류를 흘리면, 펠티어 효과에 따라 P형 열전소자 내의 정공은 음극으로, N형 열전소자 내의 전자는 양극으로 이끌리게 된다.

이때 정공과 전자 모두 상부의 P-N접합부 전극으로부터 열을 갖고 하부의 양 분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 접합부는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부의 양 분지단은 열을 방출하게 된다. 전류의 흐름을 반대로 하면, 이와 반대의 현상이 나타난다.

따라서, 열전필름은 냉각용 또는 가열용으로 사용될 수 있어 온도조절이 필요한 장치에 매우 적절하며, 열에너지로부터 전기에너지를 생성시킬 수 있어 발전용으로도 이용된다.

도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈의 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 열전 필름의 측면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지모듈(500)은 다수의 판상형 전지셀(400)들이 팩 케이스(510)에 내장되어 순차적으로 적층되어 있고, 각각의 전지셀(400) 계면에는 열전필름(310)이 개재되어 있다.

열전필름(310)은 통전시 흡열성을 가지는 흡열면(311)과 발열성을 가지는 발열면(312)을 가지고 있고, 열전필름(310)의 외면에는 열전필름의 열을 전도하는 도전층(320)이 형성되어 있다.

열전필름(310)의 흡열면(311)은 전지셀(400)에 대면해 있고, 발열면(312)은 도전층(320)에 접해 있다.

한편, 도전층(320)은 질화알루미늄(AlN), 구리, 은, 스테인리스 중 어느 하나로 이루어진 금속층 또는 그라파이트(graphite) 층일 수 있다.

도 10 및 도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 의사-형상층을 형성하기 위한 성형 몰드를 제조하는 과정을 나타내는 수직단면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 성형 몰드의 제조방법(600)은,

(1) 상면에 광중합 화합물(620)이 형성된 기재(610)에 마스크(631)를 사용하여 자외선(UV)을 조사하는 단계;

(2) 세척하여 패턴화된 중합체가 형성된 기재를 얻는 단계;

(3) 상기 단계(2)의 생성물에 광중합 화합물(620)을 도포하고 마스크(632)를 사용하여 자외선(UV)을 조사하는 단계;

(4) 세척하여 이중으로 패턴화된 중합체가 형성된 마스터 몰드(640)을 얻는 단계;

(5) 고분자 수지를 마스터 몰드(640) 상에 채워넣고 경화시키는 단계; 및

(6) 마스터 몰드(640)을 제거하여 성형 몰드(650)을 얻는 단계로 구성되어 있다.

이렇게 제조된 성형 몰드(650)을 사용하여 의사-형상층을 형성하는 방법은 다양할 수 있다.

우선, 도 2에서 열전소자층(140) 상에 의사-형상층 제조용 수지를 균일하게 도포하고, 성형 몰드(650)를 위치시켜 가압하면, 상기 수지가 몰드(650)에 각인된 패턴 내로 도입되며, 이를 UV 경화시켜 의사-형상층(150)을 형성할 수 있다.

또는, 성형 몰드(650)에 의사-형상층 제조용 소재를 채워 넣고, 도 2에서 열전소자층(140) 위에 전사한 후 경화시켜 의사-형상층(150)을 형성할 수도 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

(1) 기재의 상면에 전극층을 형성하는 단계;
(2) 상기 전극층의 상면에 베리어층을 형성하는 단계;
(3) 상기 베리어층의 상면에 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층을 형성하는 단계;
(4) 상기 단계(3)의 N형 열전소자층의 상면에, 식각 후의 전극층, 베리어층 및 N형 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 형상의 의사-형상층(pseudo-forming layer)을 형성하거나, 또는 상기 단계(3)의 P형 열전소자층의 상면에, 식각 후의 전극층, 베리어층 및 P형 열전소자층의 적층 형상에 상응하는 형상의 의사-형상층을 형성하는 단계;
(5) 상기 단계들에서 얻어진 적층체들을 상면으로부터 의사-형상층이 완전히 제거될 때까지 식각하는 단계; 및
(6) 상기 단계(5)에서 얻어진 적층체를 포함하는 N형 열전필름과 P형 열전필름을 상호 접합하여 열전필름을 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적어도 하나 이상은 인쇄, 도포 또는 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극층, 베리어층 및 열전소자층의 적어도 하나 이상은 화학기상 증착법(CVD) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기재는 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 열전도성 소재는 질화알루미늄(AlN) 또는 그라파이트(graphite)로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극층을 형성하는 단계 이전에 기재의 상면에 유전층(dielectric layer)을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 유전층은 이산화규소(SiO₂)로 이루어져 있고, 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전극층은 구리(Cu)로 이루어져 있고, 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 베리어층은 니켈(Ni) 또는 티타늄(Ti)으로 이루어져 있고, 두께가 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛인 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 N형 열전소자층 또는 P형 열전소자층은 1 내지 50 ㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 의사-형상층은, 기재의 상면에 형성되는 패턴화된 전극층, 상기 전극층의 상면에 형성된 베리어층, 및 상기 베리어층의 상면에 형성된 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 적층 구조에 대응하는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 11 항에 있어서, 상기 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 폭은 베리어층 폭의 10 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 의사-형상층은 최대 높이가 N형 열전소자 또는 P형 열전소자의 높이 대비 100 내지 150% 범위의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 의사-형상층은 인쇄법 또는 몰딩법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 14 항에 있어서, 상기 의사-형상층은,
(1) 기재에 소망하는 패턴을 형성하여 마스터 몰드를 제조하는 단계;
(2) 상기 마스터 몰드에 대응하는 형상으로 성형 몰드를 제조하는 단계;
(3) 의사-형상층 제조용 수지를 열전소자층 상에 도포하는 단계;
(4) 상기 도포된 수지에 성형 몰드를 위치시킨 상태에서 가압하여 몰드의 각인된 패턴 내로 수지를 도입하는 단계; 및
(5) 상기 도입된 수지를 경화시킨 후 성형 몰드를 제거하는 단계;
를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 14 항에 있어서, 상기 의사-형상층은,
(1) 기재에 소망하는 패턴을 형성하여 마스터 몰드를 제조하는 단계;
(2) 상기 마스터 몰드에 대응하는 형상으로 성형 몰드를 제조하는 단계;
(3) 상기 몰드에 의사-형상층 제조용 수지를 채운 후, 상기 적층체 위에 전사하는 단계; 및
(4) 상기 전사된 수지를 경화시키는 단계;
를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 15 항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 리소그래피 또는 포토방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 식각은 평면상으로 의사-형상층의 전체 면에 걸쳐 상부에서 하부로 균일한 식각 속도로 행해지는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 식각은 건식 식각법 또는 습식 식각법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 식각은 샌드 블라스팅(sand blasting) 법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 N형 열전필름과 P형 열전필름은 플립(flip) 및 어닐링(annealing)에 의해 상호 접합되는 것을 특징으로 하는 열전필름 제조방법.
제 1 항에 따른 방법으로 제조된 열전필름으로서,
N형 열전필름과 P형 열전필름이 서로 대향한 상태로 상하로 맞물려 접합되어 있고,
상기 N형 열전필름은 열전도성의 기재, 패턴화된 전극층, 베리어층, 및 N형 열전소자의 순으로 적층되어 있으며,
상기 P형 열전필름은 열전도성의 기재, 패턴화된 전극층, 베리어층, 및 P형 열전소자의 순으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열전필름.
제 22 항에 있어서, 상기 N형 열전필름과 P형 열전필름은 기재와 전극층을 전기적 절연하는 유전층을 기재와 전극층 사이에 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 열전필름.
제 22 항에 있어서, 통전시 전류는 N형 열전소자와 P형 열전소자를 따라 직렬로 흐르는 것을 특징으로 하는 열전필름.
제 22 항에 있어서, 통전시 N형 열전필름의 기재가 흡열성을 가지고 P형 열전필름의 기재가 방열성을 가지거나, 또는 N형 열전필름의 기재가 방열성을 가지고 P형 열전필름의 기재가 흡열성을 가지는 것을 특징으로 하는 열전필름.
제 22 항에 따른 열전필름이 전지셀들의 계면에 개재되어 있고, 상기 전지셀들이 팩 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈.