KR101796933B1 - 유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측과 타측의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자의 구성요소인 P형 반도체와 N형 반도체가 소자의 길이 방향을 따라 형성된 유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법{Structures and Manufacturing Method of Flexible Thermoelectric Devices}

본 발명은 일측과 타측의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전소자의 구성요소인 P형 반도체와 N형 반도체가 소자의 길이 방향을 따라 형성된 유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열 에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 n형과 p형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 냉각기판에서 가열기판으로 펌핑되어 냉각기판 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동 시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.

전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.

도 1에는 통상의 수직형 열전소자(10)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열전소자(10)는 제1 기판(1), 제2 기판(2), 제1 열전레그(3), 제2 열전레그(4) 및 전극(5)을 포함하여 이루어진다. 제1 기판(1)은 판상으로 열원(미도시)에 부착되며, 제2 기판(2)은 판상으로 제1 기판(1)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에는, P형 열전 레그(3)와 N형 열전 레그(4)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. P형 및 N형 열전 레그(3, 4)는 제1 기판(1)과 제2 기판(2)의 온도 차에 따라 전기를 발생하거나, 전류를 통해 제1 기판(1) 또는 제2 기판(2)을 발열시키기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(5)은 P형 및 N형 열전레그(3, 4)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 P형 및 N형 열전레그(3, 4)를 전기적으로 연결한다.

상기와 같은 구성에 의해 대기보다 높은 온도를 갖는 열원에 열전소자(10)를 부착하면, 열원에 맞닿는 제1 기판(1)과, 대기에 노출된 제2 기판(2)의 온도차에 의해 P형 및 N형 열전레그(3, 4)가 발전하며, 전극(5)을 통해 발전된 전기를 전달하게 된다.

상기와 같은 수직형 열전소자는, P형 및 N형 열전레그(3, 4)와 전극(5)을 접합 시 접합 물질에 열을 가하여 P형 및 N형 열전레그(3, 4)와 전극(5)을 접합하게 되는데, 접합 물질과 P형 및 N형 열전레그(3, 4) 사이에 화합물이 생성되고, 화합물로 인해 저항이 높아지게 된다. 따라서 P형 및 N형 열전레그(3, 4)와 전극(5) 사이에 저항이 높아짐에 따라 열전소자의 발전 성능이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 접합물질과 P형 및 N형 열전레그(3, 4)의 열팽창 계수가 다르기 때문에 온도 변화가 발생할 경우 접합부의 응력 집중으로 인한 열전소자의 손상이나 변형이 발생될 우려가 있다.

아울러 P형 및 N형 열전레그(3, 4)는 통상적으로 패터닝이나 증착에 의해 형성되는데, 수직형 열전소자의 경우 P형 및 N형 열전레그(3, 4)의 두께가 두껍기 때문에 패터닝이나 증착에 의해 P형 및 N형 열전레그(3, 4)를 성형하기 위한 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 유연기판의 양단에 전극을 형성하고, 박 형의 P형 및 N형 반도체를 유연기판의 길이 방향을 따라 배치한 수평 형 열전소자를 구성하되, 수평 형 열전소자를 Z형 또는 C형으로 절곡 성형하여 수직적 열구배에 적용이 가능한 유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 유연 열전소자 구조는, 유연한 재질로 이루어진 기판; 상기 기판의 두께 방향 일면 또는 타면에 배치되되, 상기 기판의 길이 방향을 따라 형성되며, 복수 개가 상기 기판의 폭 방향을 따라 교번되어 이격 배치되는 P형 반도체 및 N형 반도체; 상기 기판의 길이방향 일측과 타측에 각각 형성된 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극과 상기 P형 및 N형 반도체를 전기적으로 연결하되, 상기 P형 및 N형 반도체가 교번되어 직렬로 연결되도록 상기 기판의 길이 방향 일측과 타측에 각각 형성된 제1 및 제2 단자; 를 포함한다.

이때, 상기 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 단자는, 상기 기판의 두께 방향 일면 및 타면에 모두 형성되며, 상기 P형 및 N형 반도체는 상기 기판의 두께 방향 일면 및 타면 중 어느 한 면에만 형성된다.

또한, 상기 유연 열전소자는, 상기 기판의 일면에 형성된 제1 및 제2 전극과, 상기 기판의 타면에 형성된 제1 및 제2 전극의 통전을 위해 상기 기판 상의 상기 제1 및 제2 전극이 형성된 부위를 두께 방향으로 관통하는, 관통공; 및 상기 관통공의 내주면에 코팅되어 상기 기판의 일면에 형성된 제1 및 제2 전극과, 상기 기판의 타면에 형성된 제1 및 제2 전극을 연결하는 연결전극; 을 포함한다.

또한, 상기 유연 열전소자는, 상기 열전소자를 고정하는 절연체; 를 더 포함하며, 상기 열전소자는, 길이 방향 일측이 상기 절연체의 두께 방향 상측에 위치하도록 하고, 상기 열전소자의 길이 방향 타측이 상기 절연체의 두께 방향 하측에 위치하도록 "Z" 자형으로 절곡되어 고정된다.

아울러, 상기 유연 열전소자는, 상기 열전소자를 고정하는 절연체; 를 더 포함하며, 상기 열전소자의 길이 방향 일측이 상기 절연체의 상측에 고정되고, 상기 열전소자의 길이 방향 타측이 상기 절연체의 하측에 고정되도록 "C" 자형으로 절곡되어 고정된다.

본 발명의 유연 열전소자 제조 방법은, 유연한 재질의 기판 상면 및 하면에 제1 전도층을 부착하는 단계; 상기 기판의 길이 방향 양측에 두께 방향으로 관통공을 관통하는 단계; 상기 관통공이 형성된 기판의 상면 및 하면에 제2 전도층을 코팅하되, 상기 기판의 상면에 형성된 제2 전도층 및 상기 기판의 하면에 형성된 제2 전도층이 서로 연통되도록 관통공의 내주면도 코팅하는 단계; 및 상기 제1 전도층을 통해 단자를 형성하고, 상기 제2 전도층을 통해 전극을 형성하도록 상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각하는 단계; 를 포함한다.

이때, 상기 제조 방법은, 상기 관통공을 관통하는 단계 후 상기 기판의 상기 관통공이 형성된 부위에서 내측으로 일정거리 이격되어 제1 드라이 필름을 부착하는 단계; 및 상기 제2 전도층을 코팅한 후 상기 제1 드라이 필름을 제거하는 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 제조 방법은, 상기 제1 드라이 필름을 제거하는 단계 후 제2 드라이 필름을 부착하는 단계; 및 상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각한 후 상기 제2 드라이 필름을 제거하는 단계; 를 포함한다.

아울러, 상기 제조 방법은, 상기 관통공을 관통하는 단계 후 상기 기판의 상기 관통공이 형성된 부위에서 내측으로 일정거리 이격되어 제1 드라이 필름을 부착하는 단계; 상기 일측이 관통공이 형성된 부위를 포함하며, 타측이 상기 제1 드라이 필름이 부착된 부위를 포함하는 제2 드라이 필름을 부착하는 단계; 및 상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각한 후 상기 제1 및 제2 드라이 필름을 제거하는 단계; 를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 유연 열전소자 구조 및 이의 제조 방법은 P형 및 N형 반도체의 두께를 최소화 하면서도 열전 성능을 만족시킬 수 있기 때문에 패터닝이나 증착에 의한 P형 및 N형 반도체 성형 시 제조 시간을 대폭 단축시킬 수 있어 열전 소자의 생산성이 증대되는 효과가 있다.

P형 및 N형 반도체와 전극간의 접합을 위한 접합 물질이 필요치 않기 때문에 접합물질로 인한 접합부 저항 증가 및 열팽창에 따른 응력 집중을 방지하기 때문에 열전소자의 열전 성능이 유지되고, 열전소자의 변형이나 손상을 최소화한 장점이 있다.

도 1은 통상의 유연 열전소자 개략단면도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자 평면도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자 측면도
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유연 열전소자 모듈 측면도 (Z형)
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유연 열전소자 모듈 측면도 (C형)

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 유연 열전소자(10)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자(10, 이하 "열전소자")의 평면도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자(10)의 측면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 열전소자(10)는 기판(11), 제1 전극(12), 제2 전극(13), 제1 단자(14), 제2 단자(15), P형 반도체(16) 및 N형 반도체(17)를 포함하여 구성된다.

기판(11)은 유연하고 두께가 얇은 기판으로 이루어지며, 일예로 유연기판(FPCB)나 폴리이미드 필름(PI) 일 수 있다.

제1 전극(12)과 제2 전극(13)은 P형 및 N형 반도체(16, 17)가 길이 방향으로 형성됨에 따라 기판(11)의 길이 방향 양측에 형성될 수 있다. 즉 제1 전극(12)은 기판(11)의 길이 방향 일측에 형성되며, 전도성 재질 일예로 구리 재질이 기판(11)의 일면과 타면에 코팅된 형태로 구성된다. 또한 제2 전극(13)은 기판(11)의 길이 방향 타측에 형성되며, 전도성 재질 일예로 구리 재질이 기판(11)의 일면과 타면에 코팅된 형태로 구성된다.

제1 단자(14)와 제2 단자(15)는 P형 및 N형 반도체(16, 17)와 제1 및 제2 전극(12, 13)을 전기적으로 연결하도록 구성된다. 특히 제1 단자(14)와 제2 단자(15)는 P형 및 N형 반도체(16, 17)를 직렬로 연결하되, P형 및 N형 반도체(16, 17)가 교번되도록 전기적으로 연결한다. 제1 단자(14)도 제1 전극(12)과 마찬가지로 기판(11)의 길이 방향 일측에 형성되며, 전도성 재질 일예로 구리 재질이 기판(11)의 일면과 타면에 코팅된 형태로 구성된다. 제2 단자(15)도 제2 전극(13)과 마찬가지로 기판(11)의 길이 방향 타측에 형성되며, 전도성 재질 일예로 구리 재질이 기판(11)의 일면과 타면에 코팅된 형태로 구성된다.

이때 본 발명은 기판(11)의 일면에 형성된 제1 전극(12)과 기판(11)의 타면에 형성된 제1 전극(12a, 도 9 참조)을 통전시키기 위해 기판(11)을 일면에서 타면으로 관통하고, 관통부를 제1 전극(12)과 동일한 재질로 코팅하여 기판(11)의 일면에 형성된 제1 전극(12)과 기판(11)의 타면에 형성된 제1 전극(12a, 도 9 참조)을 통전시키게 된다. 이는 제2 전극(13)의 경우도 마찬가지이다. 이에 대한 세부 구성은 후술되는 유연 열전소자의 제조 방법에서 상세히 설명하기로 한다.

P형 및 N형 반도체(16, 17)는 통상의 열전소자에 적용되는 P형 반도체 재질 및 N형 반도체 재질이 적용될 수 있다. 이때 P형 및 N형 반도체(16, 17)는 두께가 얇은 박 형으로 이루어지며, 기판(11)의 길이방향을 따라 기판(11)의 일면 또는 타면에 증착 형성될 수 있다. P형 및 N형 반도체(16, 17)는 복수 개가 기판(11)의 폭 방향을 따라 교번 배치될 수 있다. P형 및 N형 반도체(16, 17)는 두께가 얇지만 기판(11)의 길이 방향을 따라 길게 형성되기 때문에 기존의 수직형 열전소자와 유사 또는 그 이상의 열전 발전 성능을 갖게 된다.

상기와 같은 구성의 유연 열전소자(10)를 기존의 수직 형 열적 구배 즉 열전소자(10)의 두께 방향으로 온도차가 발생되는 구조에 적용시키기 위해 본 발명은 다음과 같은 유연 열전소자 모듈(M)을 구성하였다.

도 4에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유연 열전소자 모듈(M)(Z형)의 측면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유연 열전소자 모듈(M)(C형)의 측면도가 도시되어 있다.

- 실시 예 1 (z형 열전소자 모듈)

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열전소자 모듈(M)은 열전소자(10)의 길이 방향 일측(10a)이 두께 방향 상측에 위치하도록 하고, 열전소자(10)의 길이 방향 타측(10b)이 두께 방향 하측에 위치하도록 열전소자(10)를 절곡한 상태에서 즉 열전소자(10)를 "Z" 자형으로 절곡한 상태에서 절연체(20)를 통해 열전소자(10)를 고정하여 구성된다. 이때 절연체(20)는 열전도도나 전기전도도가 낮은 절연 재질 일예로 폴리머 재질로 구성될 수 있다. 상기와 같은 구성의 열전소자 모듈(M)은 모듈(M)의 상측과 하측의 온도차가 발생될 경우 모듈(M)의 상측은 열전소자(10)의 일측(10a)을 통해 열을 전달받고, 모듈(M)의 하측은 열전소자(10)의 타측(10b)을 통해 열을 전달받아 열전소자(10)의 일측(10a)과 타측(10b)의 온도차에 의해 발전하게 된다. 또한, 열전소자(10)의 두께 방향 일면 전극과 두께 방향 타면 전극이 서로 통전하기 때문에 열전소자(10)의 일면을 통해서는 열을 전달받고, 타면은 프로브를 통해 전류량을 측정하는 등의 방식을 적용할 수 있다.

- 실시 예 2 (C형 열전소자 모듈)

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열전소자 모듈(M)은 열전소자(10)의 길이 방향 일측(10a)을 절연체(30)의 상측에 고정하고, 열전소자(10)의 길이 방향 타측(10b)을 절연체(30)의 하측에 고정하도록 열전소자(10)를 절곡하여 즉 열전소자(10)를 "C" 자형으로 절곡하여 구성된다. 이때 절연체(30)는 열전도도나 전기전도도가 낮은 절연 재질 일예로 PDMS나 폴리머 재질로 구성될 수 있다. 상기와 같은 구성의 열전소자 모듈(M)은 모듈(M)의 상측과 하측의 온도차가 발생될 경우 모듈(M)의 상측은 열전소자(10)의 일측(10a)을 통해 열을 전달받고, 모듈(M)의 하측은 열전소자(10)의 타측(10b)을 통해 열을 전달받아 열전소자(10)의 일측(10a)과 타측(10b)의 온도차에 의해 발전하게 된다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 유연 열전소자(10)의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제조 방법에 따르면 열전소자(10)의 양측에 전극부를 형성하는 3가지 실시 예와, 전극 형성 후 P형 및 N형 반도체를 증착하는 공통 실시 예로 구성되는바, 열전소자(10)의 양측에 전극부를 형성하는 3가지 실시 예를 도면을 참조하여 우선 설명한 후 공통 실시 예는 도면을 참조하여 후술하기로 한다.

- 실시 예 1

도 6에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유연 열전소자(100)의 제조 방법의 공정 단면도가 도시되어 있다.

열전소자(100)의 전극부 형성 방법은 열전소자(100)의 길이 방향 일측과 타측이 서로 대칭을 이루는 바 이하 도면상에서는 열전소자(100)의 길이 방향 일측을 기준으로 설명한다.

도 6a를 참조하면 우선 기판(110)의 두께 방향 일면과 타면에 단자 형성을 위해 제1 전도층(121, 122)을 코팅한다. 기판(110)의 일면에는 제1-1 전도층(121)이 형성되고, 타면에는 제1-2 전도층(122)이 형성된다.

도 6b를 참조하면, 기판(110)의 일면에 형성된 전극과 타면에 형성된 전극을 통전시키기 위해 기판(110)의 두께 방향을 따라 관통공(H1)을 관통 형성한다.

도 6c를 참조하면, 기판(110)의 일면과 타면에 전극 형성을 위해 기판(110)의 일면과 타면 전체에 제1 드라이 필름(D11, D12)을 부착한다. 기판(110)의 일면에는 제1-1 드라이 필름(D11)을 부착하고 기판(110)의 타면에는 제1-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 6d를 참조하면, 기판(110)의 일면에 전극 형성을 위해 제1-1 드라이 필름(D11)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제1-1 패턴(P11)을 형성하고, 제1-1 드라이 필름(D11)의 타측을 패터닝 하여 제1-2 패턴(P12)을 형성한다. 또한, 기판(110)의 타면에 전극 형성을 위해 제1-2 드라이 필름(D12)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제2-1 패턴(P21)을 형성하고, 제1-2 드라이 필름(D12)의 타측을 패터닝 하여 제2-2 패턴(P22)을 형성한다. 따라서 기판(110) 상에는 제1-1a 드라이 필름(D11a) 및 제1-2a 드라이 필름(D12a)만 남게 된다.

도 6e를 참조하면, 기판(110)의 일면과 타면에 전극을 형성하되, 위 한 쌍의 전극이 서로 통전되도록 기판(110)의 일면과 타면에 제2 전도층(131, 132, 133)을 코팅한다. 기판(110)의 일면에는 제2-1 전도층(131)이 형성되고, 타면에는 제2-2 전도층(132)이 형성된다. 또한, 제2-1 및 제2-2 전도층(131, 132)을 통전시키기 위한 연결전도층(133)이 관통공(H1)의 내주면에 코팅된다.

도 6f를 참조하면, 기판(110)상에 제1-1a 및 제1-2b 드라이 필름(D11a, D12a)을 제거하여 기판(110)의 상면에 제1-3 패턴(P13)을 형성하고, 기판(110)의 하면에 제2-3 패턴(P23)을 형성한다.

도 6g를 참조하면, 기판(110)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(110)의 일면과 타면 전체에 제2 드라이 필름(D21, D22)을 부착한다. 기판(110)의 일면에는 제2-1 드라이 필름(D21)을 부착하고 기판(110)의 타면에는 제2-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 6h를 참조하면, 기판(110)의 일면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제2-1 드라이 필름(D21)의 일측을 패터닝 하여 제1-4 패턴(P14)을 형성하고, 제2-1 드라이 필름(D21)의 타측을 패터닝 하여 제1-5 패턴(P15)을 형성한다. 또한, 기판(110)의 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제2-2 드라이 필름(D22)의 일측을 패터닝 하여 제2-4 패턴(P24)을 형성하고, 제2-2 드라이 필름(D22)의 타측을 패터닝 하여 제2-5 패턴(P25)을 형성한다. 따라서 기판(110) 상에는 제2-1a 드라이 필름(D21a) 및 제2-2a 드라이 필름(D22a)만 남게 된다.

도 6i를 참조하면, 기판(110)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(110)의 일면에 식각 액을 도포하여 제2-1a 드라이 필름(D21a)의 일측과 타측을 식각(E11, E12)하고, 기판(110)의 타면에 식각 액을 도포하여 제2-2a 드라이 필름(D22a)의 일측과 타측을 식각(E21, E22)한다.

도 6j를 참조하면, 가판(110)의 일면과 타면의 제2-1a 및 제2-2a 드라이 필름(D21a, D22a)을 제거하여 최종적으로 기판(110) 상에 단자부(121, 122)와 전극(130)을 형성한다.

- 실시 예 2

도 7에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유연 열전소자(200)의 제조 방법의 공정 단면도가 도시되어 있다.

열전소자(200)의 전극부 형성 방법은 열전소자(200)의 길이 방향 일측과 타측이 서로 대칭을 이루는 바 이하 도면상에서는 열전소자(200)의 길이 방향 일측을 기준으로 설명한다.

도 7a를 참조하면 우선 기판(210)의 두께 방향 일면과 타면에 접착층(251, 252)이 도포되며, 접착층(251, 252)의 외면에 단자 형성을 위해 제1 전도층(221, 222)을 코팅한다. 기판(210)의 일면에는 제1-1 전도층(221)이 형성되고, 타면에는 제1-2 전도층(222)이 형성된다.

도 7b를 참조하면, 기판(210)의 일면에 형성된 전극과 타면에 형성된 전극을 통전시키기 위해 기판(210)의 두께 방향을 따라 관통공(H1)을 관통 형성한다.

도 7c를 참조하면, 기판(210)의 일면과 타면에 전극 형성을 위해 기판(210)의 일면과 타면 전체에 제1 드라이 필름(D11, D12)을 부착한다. 기판(210)의 일면에는 제1-1 드라이 필름(D11)을 부착하고 기판(210)의 타면에는 제1-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 7d를 참조하면, 기판(110)의 일면에 전극 형성을 위해 제1-1 드라이 필름(D11)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제1-1 패턴(P11)을 형성하고, 제1-1 드라이 필름(D11)의 타측을 패터닝 하여 제1-2 패턴(P12)을 형성한다. 또한, 기판(110)의 타면에 전극 형성을 위해 제1-2 드라이 필름(D12)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제2-1 패턴(P21)을 형성하고, 제1-2 드라이 필름(D12)의 타측을 패터닝 하여 제2-2 패턴(P22)을 형성한다. 따라서 기판(110) 상에는 제1-1a 드라이 필름(D11a) 및 제1-2a 드라이 필름(D12a)만 남게 된다.

도 7e를 참조하면, 기판(210)의 일면과 타면에 전극을 형성하되, 위 한 쌍의 전극이 서로 통전되도록 기판(210)의 일면과 타면에 제2 전도층(131, 132, 133)을 코팅한다. 기판(110)의 일면에는 제2-1 전도층(231)이 형성되고, 타면에는 제2-2 전도층(232)이 형성된다. 또한, 제2-1 및 제2-2 전도층(231, 232)을 통전시키기 위한 연결전도층(233)이 관통공(H1)의 내주면에 코팅된다.

도 7f를 참조하면, 기판(210)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(210)의 일면과 타면 전체에 제2 드라이 필름(D21, D22)을 부착한다. 기판(210)의 일면에는 제2-1 드라이 필름(D21)을 부착하고 기판(210)의 타면에는 제2-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 7g를 참조하면, 기판(210)의 일면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제2-1 드라이 필름(D21)의 일측을 패터닝 하여 제1-4 패턴(P14)을 형성하고, 제2-1 드라이 필름(D21)의 타측을 패터닝 하여 제1-5 패턴(P15)을 형성한다. 또한, 기판(210)의 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제2-2 드라이 필름(D22)의 일측을 패터닝 하여 제2-4 패턴(P24)을 형성하고, 제2-2 드라이 필름(D22)의 타측을 패터닝 하여 제2-5 패턴(P25)을 형성한다. 따라서 기판(210) 상에는 제2-1a 드라이 필름(D21a) 및 제2-2a 드라이 필름(D22a)만 남게 된다.

도 7h를 참조하면, 기판(210)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(210)의 일면에 식각 액을 도포하여 제2-1a 드라이 필름(D21a)의 일측과 타측을 식각(E11, E12)하고, 기판(210)의 타면에 식각 액을 도포하여 제2-2a 드라이 필름(D22a)의 일측과 타측을 식각(E21, E22)한다.

도 7i를 참조하면, 가판(210)의 일면과 타면의 제1-1a 및 제1-2a 드라이 필름(D11a, D12a), 제2-1a 및 제2-2a 드라이 필름(D21a, D22a)을 제거하여 최종적으로 기판(210) 상에 단자와 전극을 형성한다.

실시 예 2는 제1 드라이 필름을 제거하지 않은 상태에서 제2 드라이 필름을 부착하고, 최종 단계에서 제1 및 제2 드라이 필름을 동시에 제거한다는 점에서 실시 예 1 보다 제조 공정이 단축되는 장점이 있다.

- 실시 예 3

도 8에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 유연 열전소자(300)의 제조 방법의 공정 단면도가 도시되어 있다.

열전소자(300)의 전극부 형성 방법은 열전소자(300)의 길이 방향 일측과 타측이 서로 대칭을 이루는 바 이하 도면상에서는 열전소자(300)의 길이 방향 일측을 기준으로 설명한다.

도 8a를 참조하면 우선 기판(310)의 두께 방향 일면과 타면에 접착층(351, 352)이 도포되며, 접착층(351, 352)의 외면에 단자 형성을 위해 제1 전도층(321, 322)을 코팅한다. 기판(310)의 일면에는 제1-1 전도층(321)이 형성되고, 타면에는 제1-2 전도층(322)이 형성된다.

도 8b를 참조하면, 기판(310)의 일면에 형성된 전극과 타면에 형성된 전극을 통전시키기 위해 기판(310)의 두께 방향을 따라 관통공(H1)을 관통 형성한다.

도 8c를 참조하면, 기판(310)의 일면과 타면에 전극 형성을 위해 기판(310)의 일면과 타면 전체에 제1 드라이 필름(D11, D12)을 부착한다. 기판(310)의 일면에는 제1-1 드라이 필름(D11)을 부착하고 기판(310)의 타면에는 제1-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 8d를 참조하면, 기판(310)의 일면에 전극 형성을 위해 제1-1 드라이 필름(D11)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제1-1 패턴(P11)을 형성하고, 제1-1 드라이 필름(D11)의 타측을 패터닝 하여 제1-2 패턴(P12)을 형성한다. 또한, 기판(310)의 타면에 전극 형성을 위해 제1-2 드라이 필름(D12)의 일측을 관통공(H1) 부위를 포함하도록 패터닝 하여 제2-1 패턴(P21)을 형성하고, 제1-2 드라이 필름(D12)의 타측을 패터닝 하여 제2-2 패턴(P22)을 형성한다. 따라서 기판(310) 상에는 제1-1a 드라이 필름(D11a) 및 제1-2a 드라이 필름(D12a)만 남게 된다.

도 8e를 참조하면, 기판(310)의 일면과 타면에 전극을 형성하되, 위 한 쌍의 전극이 서로 통전되도록 기판(310)의 일면과 타면에 제2 전도층(331, 332, 333)을 코팅한다. 기판(310)의 일면에는 제2-1 전도층(331)이 형성되고, 타면에는 제2-2 전도층(332)이 형성된다. 또한, 제2-1 및 제2-2 전도층(331, 332)을 통전시키기 위한 연결전도층(333)이 관통공(H1)의 내주면에 코팅된다. 이때, 제2-1 및 제2-2 전도층(331, 332)의 두께가 제1-1a 드라이 필름(D11a) 및 제1-2a 드라이 필름(D12a)의 두께와 동일하도록 즉 동일한 높이를 갖도록 코팅될 수 있다. 본 실시 예에서는 제2 전도층(331, 332, 333)을 두 번 코팅하여 적용할 수 있다.

도 8f를 참조하면, 기판(310)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(310)의 일면과 타면 전체에 제2 드라이 필름(D21, D22)을 부착한다. 기판(310)의 일면에는 제2-1 드라이 필름(D21)을 부착하고 기판(310)의 타면에는 제2-2 드라이 필름(D12)을 부착한다.

도 8g를 참조하면, 기판(310)의 일면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제1-1a 드라이 필름(D11a)의 타측을 패터닝 하여 제1-3 패턴(P13)을 형성하며, 제2-1 드라이 필름(D21)의 일측을 패터닝 하여 제1-4 패턴(P14)을 형성하고, 제2-1 드라이 필름(D21)의 타측을 패터닝 하여 제1-5 패턴(P15)을 형성한다. 또한, 기판(310)의 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 제1-2a 드라이 필름(D12a)의 타측을 패터닝 하여 제2-3 패턴(P23)을 형성하며, 제2-2 드라이 필름(D22)의 일측을 패터닝 하여 제2-4 패턴(P24)을 형성하고, 제2-2 드라이 필름(D22)의 타측을 패터닝 하여 제2-5 패턴(P25)을 형성한다. 따라서 기판(210) 상에는 제1-1b 드라이 필름(D11b), 제1-2b 드라이 필름(D12b), 제2-1a 드라이 필름(D21a) 및 제2-2a 드라이 필름(D22a)만 남게 된다.

도 8h를 참조하면, 기판(310)의 일면과 타면에 전극과 단자를 제외한 나머지 전도층의 식각을 위해 기판(310)의 일면에 식각 액을 도포하여 제2-1a 드라이 필름(D21a)의 일측과 타측을 식각(E11, E12)하고, 기판(310)의 타면에 식각 액을 도포하여 제2-2a 드라이 필름(D22a)의 일측과 타측을 식각(E21, E22)한다.

도 8i를 참조하면, 가판(310)의 일면과 타면의 제1-1b 및 제1-2b 드라이 필름(D11b, D12b), 제2-1a 및 제2-2a 드라이 필름(D21a, D22a)을 제거하여 최종적으로 기판(310) 상에 단자와 전극을 형성한다.

도 9에는 상술된 본 발명의 제1 내지 3 실시 예에 따른 유연 열전소자(10)의 제조 방법의 공정을 수행한 후 공통적으로 실시되는 유연 열전소자(10)의 제조 방법의 공정 단면도가 도시되어 있다.

도 9a를 참조하면, 상술된 제1 내지 3 실시 예를 통해 유연 열전소자(10)는 기판(11)의 양단에 전극(12, 13)과 단자(14, 15)가 형성된다.

다음으로 도 9b를 참조하면, 기판(11)의 양단에 형성된 단자(14, 15) 사이에 N형 반도체(16)를 부착하는 단계를 수행한다. N형 반도체(16)는 기판(11)의 길이 방향을 따라 형성되며, N형 반도체(16)의 일단은 기판(11)의 일단에 형성된 단자(14)와 연결되고, 타단은 기판(11)의 타단에 형성된 단자(15)와 연결되도록 부착된다. N형 반도체(16)로는 Bi2Te3가 적용될 수 있고, 부착 방법으로는 코스퍼터링(Co-Sputtering)이나 증착(Co-evaporation)법을 적용할 수 있다.

다음으로 도 9c를 참조하면, 기판(11)의 양단에 형성된 단자(14, 15) 사이에 P형 반도체(17)를 부착하는 단계를 수행한다. P형 반도체(17)는 복수의 N형 반도체(16)의 사이에 부착될 수 있으며, P형 반도체(17)는 기판(11)의 길이 방향을 따라 형성되고, P형 반도체(17)의 일단은 기판(11)의 일단에 형성된 단자(14)와 연결되고, 타단은 기판(11)의 타단에 형성된 단자(15)와 연결되도록 부착된다. P형 반도체(17)로는 Bi0.5Sb1.5Te3Co가 적용될 수 있고, 부착 방법으로는 코스퍼터링(Co-Sputtering)이나 증착(Co-evaporation)법을 적용할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 완성된 열전소자(10)를 "Z" 형이나, "C" 형으로 절곡하여 최종적인 열전소자 모듈(M)을 제조하게 된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 : 유연 열전소자
11 : 기판 12 : 제1 전극
13 : 제2 전극 14 : 제1 단자
15 : 제2 단자 16 : P형 반도체
17 : N형 반도체
20, 30 : 절연체
M : 유연 열전소자 모듈

Claims (9)

1. 유연한 재질로 이루어진 기판(11);
   상기 기판(11)의 두께 방향에 수직한 방향을 상기 기판(11)의 길이 방향으로 정의하고, 상기 두께 방향 및 상기 길이 방향에 수직한 방향을 상기 기판(11)의 폭 방향으로 정의할 때,
   상기 기판(11)의 두께 방향 일면 또는 타면에 배치되되, 상기 기판(11)의 길이 방향을 따라 형성되며, 복수 개가 상기 기판(11)의 폭 방향을 따라 교번되어 이격 배치되는 P형 반도체(16) 및 N형 반도체(17);
   상기 P형 반도체(16) 및 N형 반도체(17)가 교번되어 직렬로 연결되도록 상기 P형 반도체(16) 및 N형 반도체(17)의 길이 방향 일측 단부를 전기적으로 연결하는 복수의 제1 단자(14);와, 상기 P형 반도체(16) 및 N형 반도체(17)의 길이 방향 타측 단부를 전기적으로 연결하는 복수의 제2 단자(15);
   상기 기판(11)의 길이방향 일측에 배치되며, 상기 제1 단자(14)와 전기적으로 연결되되, 각각의 제1 단자(14)와 별도로 연결되는 복수의 제1 전극(12); 및
   상기 기판(11)의 길이방향 타측에 배치되며, 상기 제2 단자(15)와 전기적으로 연결되되, 각각의 제2 단자(15)와 별도로 연결되는 복수의 제2 전극(13);
   를 포함하는, 유연 열전소자 구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 단자는, 상기 기판의 두께 방향 일면 및 타면에 모두 형성되며, 상기 P형 및 N형 반도체는 상기 기판의 두께 방향 일면 및 타면 중 어느 한 면에만 형성되는, 유연 열전소자 구조.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 유연 열전소자는,
   상기 기판의 일면에 형성된 제1 및 제2 전극과, 상기 기판의 타면에 형성된 제1 및 제2 전극의 통전을 위해 상기 기판 상의 상기 제1 및 제2 전극이 형성된 부위를 두께 방향으로 관통하는, 관통공; 및
   상기 관통공의 내주면에 코팅되어 상기 기판의 일면에 형성된 제1 및 제2 전극과, 상기 기판의 타면에 형성된 제1 및 제2 전극을 연결하는 연결전극;
   을 포함하는, 유연 열전소자 구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 유연 열전소자는,
   상기 열전소자를 고정하는 절연체; 를 더 포함하며,
   상기 열전소자는, 길이 방향 일측이 상기 절연체의 두께 방향 상측에 위치하도록 하고, 상기 열전소자의 길이 방향 타측이 상기 절연체의 두께 방향 하측에 위치하도록 "Z" 자형으로 절곡되어 고정되는, 유연 열전소자 구조.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 유연 열전소자는,
   상기 열전소자를 고정하는 절연체; 를 더 포함하며,
   상기 열전소자의 길이 방향 일측이 상기 절연체의 상측에 고정되고, 상기 열전소자의 길이 방향 타측이 상기 절연체의 하측에 고정되도록 "C" 자형으로 절곡되어 고정되는, 유연 열전소자 구조.
   
6. 제 1항의 유연 열전소자 구조의 제조 방법에 있어서,
   유연한 재질의 기판 상면 및 하면에 제1 전도층을 부착하는 단계;
   상기 기판의 길이 방향 양측에 두께 방향으로 관통공을 관통하는 단계;
   상기 관통공이 형성된 기판의 상면 및 하면에 제2 전도층을 코팅하되, 상기 기판의 상면에 형성된 제2 전도층 및 상기 기판의 하면에 형성된 제2 전도층이 서로 연통되도록 관통공의 내주면도 코팅하는 단계; 및
   상기 제1 전도층을 통해 단자를 형성하고, 상기 제2 전도층을 통해 전극을 형성하도록 상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각하는 단계;
   를 포함하는, 유연 열전소자 제조 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제조 방법은,
   상기 관통공을 관통하는 단계 후 상기 기판의 상기 관통공이 형성된 부위에서 내측으로 일정거리 이격되어 제1 드라이 필름을 부착하는 단계; 및
   상기 제2 전도층을 코팅한 후 상기 제1 드라이 필름을 제거하는 단계;
   를 포함하는, 유연 열전소자 제조 방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제조 방법은,
   상기 제1 드라이 필름을 제거하는 단계 후 제2 드라이 필름을 부착하는 단계; 및
   상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각한 후 상기 제2 드라이 필름을 제거하는 단계;
   를 포함하는, 유연 열전소자 제조 방법.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 제조 방법은,
   상기 관통공을 관통하는 단계 후 상기 기판의 상기 관통공이 형성된 부위에서 내측으로 일정거리 이격되어 제1 드라이 필름을 부착하는 단계;
   상기 일측이 관통공이 형성된 부위를 포함하며, 타측이 상기 제1 드라이 필름이 부착된 부위를 포함하는 제2 드라이 필름을 부착하는 단계;
   상기 제1 전도층 및 제2 전도층을 식각한 후 상기 제1 및 제2 드라이 필름을 제거하는 단계;
   를 포함하는, 유연 열전소자 제조 방법.

Images