KR101975447B1 - 유연 열전소자의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 유연 열전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측과 타측의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴곡진 면에도 결합 및 부착이 가능하도록 유연한 소재로 이루어진 유연 열전소자의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유연 열전소자의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 유연 열전소자{Flexible Thermoelectric Devices and Manufacturing Method of the Same}

본 발명은 일측과 타측의 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴곡진 면에도 결합 및 부착이 가능하도록 유연한 소재로 이루어진 유연 열전소자의 제조 방법 및 이를 통해 제조된 유연 열전소자에 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), P 타입 제1 열전레그(3), N 타입 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, 제1 열전 레그(3)와 제2 열전 레그(4)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 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 제1 및 제2 열전레그(3, 4)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(3, 4)의 하측을 전기적으로 연결하는 하부 전극(5a)과, 제1 및 제2 열전레그(3, 4)의 상측을 전기적으로 연결하는 상부 전극(5b)으로 구성된다.

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.

일반적인 열전소자는 열전 레그(3, 4)와 전극(5)의 접합을 위해 접합물질(6)을 이용하게 되는데, 접합물질(6)과 열전 레그(3, 4) 사이에 디퓨전이 발생됨에 따라 열전 레그(3, 4)와 전극(5) 사이에 저항이 증가하여 열전소자의 성능이 저하되는 문제가 발생된다.

따라서 열전레그와 전극을 접합물질 없이 결합시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

한국공개특허공보 제10-2016-0127403호(2016.11.04.공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 열전소자 사이에 PDMS 충전 시 몰드를 이용하여 충전 후 열전소자의 높이에 대응되도록 에칭하여 전극의 증착을 통해 열전소자와 전극의 결합이 가능하도록 한 유연 열전소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

또한, 높이 차이에 따른 열전소자와 열전소자 사이에 단차가 발생되지 않도록 PDMS의 높이도 연속적으로 가변되도록 에칭하게 되는 유연 열전소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자의 제조 방법은, 하부기판 상측에 P형의 제1 열전레그와 N형의 제2 열전레그를 복수 개 교번하여 이격 배치하는, 열전레그 준비 단계; 상기 제1 열전레그와 상기 제2 열전레그 사이 공간에 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이 만큼 완충부를 충전하는 완충부 형성 단계; 및 상기 제1 및 제2 열전레그의 상측에 전극을 형성하는 전극 형성 단계; 를 포함한다.

이때, 상기 완충부 형성 단계는, 상기 하부기판 상측 둘레를 따라 제1 및 제2 열전레그의 높이만큼 몰드를 형성하는 몰드 형성 단계; 및 상기 완충부를 상기 몰드에 충전하는 완충부 충전 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 완충부 형성 단계는, 상기 완충부 충전 시 완충부를 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이보다 높게 충전한 후 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이에 대응되도록 완충부의 상측을 커팅한다.

또한, 상기 완충부 형성 단계는, 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이가 서로 상이할 경우 단차가 발생되지 않도록 상기 완충부의 상면이 상기 제1 열전레그의 에지와 상기 제2 열전레그의 에지를 연결한다.

또한, 상기 완충부 형성 단계는, 상기 완충부의 커팅 후 상기 제1 및 제2 열전레그의 상측에 남아있는 여분의 완충부를 제거하도록 제1 및 제2 열전레그의 상측을 식각하는 완충부 식각 단계; 를 더 포함한다.

또한, 상기 전극 형성 단계는, 상기 제1 및 제2 열전레그의 전극 형성 부위를 제외한 나머지 부위를 마스킹하는 마스크 부착 단계; 및 상기 제1 및 제2 열전레그의 전극 형성 부위에 증착을 통해 전극을 형성하는 전극 증착 단계; 를 포함한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자의 제조 방법에 의해 제조된 유연 열전소자는, 한 쌍이 이격 배치되는 유연한 재질의 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 복수 개가 교번되어 이격 배치되는 제1 열전레그 및 제2 열전레그; 상기 제1 열전레그와 제2 열전레그를 교번하여 전기적으로 직렬 연결하는 전극; 및 상기 제1 열전레그와 제2 열전레그 사이에 충전되는 유연 재질의 완충부; 를 포함하며, 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그는 높이가 서로 상이하며, 상기 완충부의 표면이 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그의 에지를 연결하도록 상기 완충부의 높이가 연속적으로 가변된다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 유연 열전소자의 제조 방법은 열전소자와 전극 결합 시 접합물을 사용하지 않기 때문에 열전소자와 전극 사이의 저항을 감소시켜 열전소자의 성능이 저하되는 것을 방지한 효과가 있다.

또한 기판, 전극 및 열전소자 각각의 열팽창 계수가 달라 열응력이 발생하게 되는데, 열응력에 취약한 접합부를 삭제하게 되어 열전소자의 신뢰성이 향상된 효과가 있다.

접합물질을 사용하지 않을 경우 열전소자의 높이차에 따라 전극 증착 시 단선이 발생될 가능성이 있으나, 본원은 열전소자 사이에 채워지는 PDMS 의 높이를 적절하게 에칭하여 전극 증착 시 단선을 예방한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 열전소자 개략단면도
도 2는 본 발명의 유연 열전소자 개략단면도
도 3은 본 발명의 열전 레그와 전극 접합부 확대 단면도
도 4 내지 도 9는 본 발명의 유연 열전소자 제조 공정 개략단면도
도 10은 본 발명의 유연 열전소자 제조 공정 순서도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자의 제조 방법을 통해 제조할 수 있는 유연 열전소자(100, 이하 "열전소자")의 개략단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 유연 열전소자의 제조 방법을 통해 제조할 수 있는 열전레그(130, 140)와 전극(152)의 접합부 확대 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 열전소자(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 제1 열전레그(130), 제2 열전레그(140) 및 전극(151, 152)을 포함하여 이루어진다. 제1 및 제2 기판(110, 120)은 유연한 재질의 기판으로 절연 재질이 적용될 수 있다. 일 예로 구리 포일에 세라믹 필름을 코팅한 형태로 이루어질 수 있다

제1 기판(110)은 판상으로 이루어지며, 제2 기판(120)은 판상으로 제1 기판(110)의 상측에 일정거리 이격 배치된다. 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에는, 제1 및 제2 열전레그(130, 140)가 상하 길이방향을 따라 형성되고, 복수 개가 이격 배치된다. 제1 및 제2 열전레그(130, 140)는 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 온도 차에 따라 전기를 발생하기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 교번 배치된다. 전극(151, 152)은 제1 및 제2 열전레그(130, 140)가 서로 교번되어 직렬로 연결되도록 제1 및 제2 열전레그(130, 140)를 전기적으로 연결한다. 도면상의 제1 및 제2 열전레그(130, 140)의 하측을 전기적으로 연결한 것이 하부 전극(151)이고, 상측을 전기적으로 연결한 것이 상부 전극(152)이다.

이때 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자(100)는 유연한 기판 재질의 특성 상 열전소자(100)의 굽힘이나 휨 발생 시 상대적으로 견고한 재질의 제1 및 제2 열전레그(130, 140)에 크랙이나 파손이 발생되지 않도록 다음과 같은 구성을 갖는다.

교번 배치되는 제1 및 제2 열전레그(130, 140) 사이에는 완충부(160)가 충전될 수 있다. 완충부(160)는, 열전소자(100)의 굽힘이나 휨 발생 시 제1 및 제2 열전레그(130, 140)에 크랙이나 파손을 방지하기 위한 구성으로 유연한 수지재로 이루어질 수 있다. 일예로 완충부(160)는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질로 이루어질 수 있다. 또한 본 발명의 일실시 예에 완충부(160)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 열전레그(130, 140)의 높이가 상이할 경우 완충부(160)의 높이가 연속적으로 가변되도록 형성된다. 이는 제1 및 제2 열전레그(130, 140)의 높이 차 발생 시 단차를 상쇄하도록 하기 위함이며, 이에 따라 제1 및 제2 열전레그(130, 140)에 전극(150) 증착 시 전극(150)의 단선을 최소화하였다. 이는 후술되는 본 발명의 일실시 예에 따른 열전소자(100)의 제조 방법에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 유연열전소자(100, 이하 "열전소자")의 제조 공정의 개략단면도가 도시되어 있고, 도 10에는 본 발명의 일실시 예에 따른 유연열전소자(100, 이하 "열전소자")의 제조 공정의 순서도가 도시되어 있고 위 제조 공정은 크게 도 4에 도시된 바와 같이 열전레그 준비 단계(S10), 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 완충부 형성 단계(S20) 및 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 상부 전극 형성 단계(S30)로 구분될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 열전레그 준비 단계(S10)는, 기판 준비 단계(S11), 하부 전극 형성 단계(S12) 및 열전레그 형성 단계(S13)를 포함한다. 우선 하부 전극(151)과 열전레그(130, 140)가 결합될 수 있는 하부 기판(110)을 준비하도록 구리 포일에 세라믹이나 PI를 코팅하는 기판 준비 단계(S11)를 수행한다. 다음으로 메탈 마스크를 이용하여 전극용 스퍼터로 하부 기판(110)의 상측에 하부 전극(151)을 증착하는, 하부 전극 형성 단계(S12)를 수행한다. 하부 전극(151)은 티타늄과 구리 합금이 적용될 수 있다. 다음으로, 메탈 마스크를 이용하여 증발기(Co-evaporator)로 제1 열전레그(130)와 제2 열전레그(140)를 교번하여 증착하는 열전레그 형성 단계(S13)를 수행한다. 이때 제1 열전레그(130)와 제2 열전레그(140)가 원하는 높이까지 형성될 수 있도록 증착 과정을 반복 수행할 수 있다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 완충부 형성 단계(S20)는, 몰드 형성 단계(S21), 완충부 충전 단계(S22) 및 완충부 식각 단계(S23)를 포함하여 이루어진다. 위 제1 및 제2 열전레그(130, 140)가 교번 성형된 상태에서 하부 기판(110)의 외측 둘레를 따라 열전레그와 대응되는 높이 혹은 열전레그 보다 높게 몰드(Mold)를 형성하는, 몰드 형성 단계(S21)를 수행 한다. 몰드(M)는 완충부(160)의 충전을 위한 것으로 포토레지스트(su-8, 10)와 같은 PMMA(methyl methacrylate) 재질을 스핀 코팅하여 형성할 수 있다.

다음으로 위 몰드(M)에 완충부(160)를 충전하는 완충부 충전 단계(S22)를 수행한다. 완충부는 PDMS 재질을 스핀 코팅하여 채운다. 이때 완충부(160)는 열전레그 보다 높게 충전하는 것이 바람직하며, 슬라이드 글라스와 같은 커팅 수단(Cutter)을 통해 열전레그의 높이 만큼 완충부(160)를 커팅하여 열전레그 사이 공간을 충전함과 동시에 높이가 다른 열전레그와 열전레그 사이의 단차를 최소화시킨다. 즉 제1 열전레그와 제2 열전레그의 높이가 상이할 경우 완충부(160)의 높이는 위 제1 열전레그와 제2 열전레그의 높이 차를 상쇄할 수 있도록 연속적으로 가변되게 커팅하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 완충부(160)의 상면(표면)이 제1 열전레그의 에지와 이웃하는 제2 열전레그의 에지를 매끄럽게 연결하도록 완충부(160)의 높이가 연속적으로 가변될 수 있다.

다음으로 열전레그 상단에 잔존해있는 PDMS를 제거하는 완충부 식각 단계(S23)를 수행하게 된다. 위 단계 수행을 위해 약품식각과 플라즈마를 이용한 건조 식각을 각각 수행할 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 상부 전극 형성 단계(S30)는 마스크 부착 단계(S31) 및 상부 전극 증착 단계(S32)를 포함한다.

위 완충부(160)가 충전 및 식각이 완료된 상태에서 상부 전극(152)이 형성될 자리를 제외한 나머지 부에 메탈 마스크(Mask)를 부착하여 상부 전극 증착을 준비하는 마스크 부착 단계(S31)를 수행한다. 다음으로 전극용 스퍼터를 이용하여 티타늄 구리 합금을 열전레그 상단에 증착하여 상부 전극(152)을 형성하는 상부 전극 증착 단계(S32)를 수행하게 된다.

마지막으로 도 2에 도시된 바와 같이 상부 전극(152)의 상측에 상부 기판을 결합하게 되면 유연 열전 소자(100)의 제조가 완료된다.

위 과정을 통해 본 발명의 일실시 예에 따른 유연 열전소자(100)는 접합물을 이용하지 않고 열전레그와 상부 전극을 결합하기 때문에 저항을 최소화하여 열전소자의 성능을 향상시키고, 접합물을 이용하지 않기 때문에 발생되는 열전레그와 열전레그 사이의 단차는 완충부를 통해 완화시켜 전극 증착 시 발생될 수 있는 단선을 미연에 방지하게 된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 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.

100 : 유연 열전소자
110 : 하부 기판
120 : 상부 기판
130 : 제1 열전레그
140 : 제2 열전레그
151 : 하부 전극
152 : 상부 전극
160 : 완충부

Claims (7)

1. 하부기판 상측에 P형의 제1 열전레그와 N형의 제2 열전레그를 복수 개 교번하여 이격 배치하는, 열전레그 준비 단계;
   상기 제1 열전레그와 상기 제2 열전레그 사이 공간에 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이 만큼 완충부를 충전하는 완충부 형성 단계; 및
   상기 제1 및 제2 열전레그의 상측에 전극을 형성하는 전극 형성 단계를 포함하며,
   상기 완충부 형성 단계는,
   상기 하부기판 상측 둘레를 따라 제1 및 제2 열전레그의 높이만큼 몰드를 형성하는 몰드 형성 단계; 및
   상기 완충부를 상기 몰드에 충전하는 완충부 충전 단계를 포함하고,
   상기 전극은, 상기 완충부의 충전이 완료된 상태에서 상기 제1 및 제2 열전레그의 상측에 증착에 의해 형성되는, 유연 열전소자의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 완충부 형성 단계는,
   상기 완충부 충전 시 완충부를 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이보다 높게 충전한 후 상기 제1 및 제2 열전레그의 높이에 대응되도록 완충부의 상측을 커팅하는, 유연 열전소자의 제조 방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 완충부 형성 단계는,
   상기 제1 및 제2 열전레그의 높이가 서로 상이할 경우 단차가 발생되지 않도록 상기 완충부의 상면이 상기 제1 열전레그의 에지와 상기 제2 열전레그의 에지를 연결하는, 유연 열전소자의 제조 방법.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 완충부 형성 단계는,
   상기 완충부의 커팅 후 상기 제1 및 제2 열전레그의 상측에 남아있는 여분의 완충부를 제거하도록 제1 및 제2 열전레그의 상측을 식각하는 완충부 식각 단계; 를 더 포함하는, 유연 열전소자의 제조 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 전극 형성 단계는,
   상기 제1 및 제2 열전레그의 전극 형성 부위를 제외한 나머지 부위를 마스킹하는 마스크 부착 단계; 및
   상기 제1 및 제2 열전레그의 전극 형성 부위에 증착을 통해 전극을 형성하는 전극 증착 단계; 를 포함하는, 유연 열전소자의 제조 방법.
   
7. 제 1항의 유연 열전소자의 제조 방법에 의해 제조된 유연 열전소자에 있어서,
   한 쌍이 이격 배치되는 유연한 재질의 제1 기판 및 제2 기판;
   상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 복수 개가 교번되어 이격 배치되는 제1 열전레그 및 제2 열전레그;
   상기 제1 열전레그와 제2 열전레그를 교번하여 전기적으로 직렬 연결하는 전극; 및
   상기 제1 열전레그와 제2 열전레그 사이에 충전되는 유연 재질의 완충부; 를 포함하며,
   상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그는 높이가 서로 상이하며, 상기 완충부의 표면이 상기 제1 열전레그 및 제2 열전레그의 에지를 연결하도록 상기 완충부의 높이가 연속적으로 가변되는 유연 열전소자.

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