KR102362623B1 - 열전 반도체 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

열전 반도체 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전 반도체 소자용 압출재를 제조하는 단계; 상기 열전 반도체 소자용 압출재의 전면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하는 단계; 및 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 각각 기능층을 형성하는 단계를 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전 반도체 소자에 관한 것으로, 도금 대상물인, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하고, 상기 도금 대상물을 상술한 바와 같은 도금장치를 통해 도금법을 진행함으로써, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.

Description

열전 반도체 소자 및 이의 제조방법{A Thermoelectric Semiconductor element and Manufacturing Method of the same}
본 발명은 열전 반도체 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있는 열전 반도체 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열전반도체 모듈은 광전자 분야의 광통신 반도체 레이저, CCD(Charge Coupled Device)카메라, 광전자 증배관, 각종 써모그래프(Thermograph), 적외선 가스분석기, 흑체 표준 항온플레이트 및 열추적 미사일 센서 등에 사용되고, 일반 전자 분야의 반도체 공정용 항온조, 반도체 공정용 항온플레이트, 반도체 공정용 순환기 및 LSI(Large Scale Integrated circuit) 온도 사이클 테스터 등에 사용되며, 일반 가정용 전자 제품의 순간 냉온 정수기 및 김치 냉장고 등에 사용되어 이들 장치의 온도를 적정하게 유지시키거나, 온도 차이에 의한 발전기로 응용이 가능하게 된다.
한편, 열 에너지와 전기 에너지 사이의 변화에 관한 현상을 일반적으로 열전 현상이라고 부르는데, 이러한 열전 현상에는 제벡 효과와 펠티에 효과가 있다.
제벡 효과(Seebeck Effeck)는 두 종류의 물질, 이를테면 안티몬(Sb)과 비스무트(Bi)와 같은 종류가 다른 두 금속선의 양단을 각각 접속하여 루우프를 만들고 한쪽 접속점을 고온으로, 다른 쪽 접속점을 저온으로 하면 전류가 흐르는 현상을 말하고, 이와는 반대로 펠티에 효과(Peltier Effect)는 종류가 다른 물질의 접합점에 전류를 흘리면 열의 발생이나 흡수가 일어나는 현상을 말한다.
이하에서 열전 반도체라는 용어는 이러한 제벡 효과와 펠티에 효과를 이용하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키거나 이와 반대로 열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 반도체 모듈을 총칭하는 개념으로 사용될 수 있다.
이러한 현상을 이용하는 열전 반도체 모듈에서의 열전 반도체 소자는 소자의 양단에 온도 차이가 있을 때 소자 내부의 캐리어(Carrier)가 이동함으로 인해 기전력이 발생하는 현상 또는 반대 현상을 이용한 것으로서 친환경 무소음 냉각 및 무공해 전기 발전을 가능케 하고 있다.
그중 제벡 효과를 이용하는 열전 반도체의 원리는 일정한 금속막대의 양단에 온도 차이가 발생하게 되면, 예를 들어 n-type의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들 보다 더 높은 운동에너지를 가지게 됨으로써 고온단에 있는 전자들은 평균적으로 페르미 레벨(Fermi level)보다 높은 에너지 상태로 되기 때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산된다.
또한, 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 " - " 로 대전되고, 고온부는 " + " 로 대전되어 금속막대의 양단 간에 전위 차이가 발생하게 되는데 이러한 전위차이를 열기전력(Thermoelectromotive force)이라 한다.
이때, 상기 열전 반도체 소자를 이용하여 열전 반도체 모듈을 제조함에 있어서, 상기 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 일정 기능층, 예를 들면, 확산방지막 또는 전극 등을 형성하여야 한다.
하지만, 종래의 경우, 상기 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 일정 기능층을 형성함에 있어서, 각각의 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 기능층을 형성하여야 하며, 이는 제조 공정이 복잡하고, 제조 시간이 오래 걸리므로, 제조 단가를 상승시키는 요인이 된다.
한국특허출원 제10-2013-0135606호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있는 열전 반도체 소자 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 열전 반도체 소자에 있어서, 상기 열전 반도체 소자는 측면에 절연층 패턴을 포함하고, 상면 및 하면에 각각 기능층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 절연층은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 무기 절연막이거나, 또는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 아크릴 수지, PET 수지, 또는 에폭시 중 적어도 어느 하나로 구성되는 절연성 폴리머인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 기능층은, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 철 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지거나, 또는, 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 열전 반도체 소자용 압출재를 제조하는 단계; 상기 열전 반도체 소자용 압출재의 전면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하는 단계; 및 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 각각 기능층을 형성하는 단계를 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 절연층이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하는 단계는, 상면 및 하면에는 절연층 패턴이 포함되지 않은 열전 반도체 소자를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 각각 기능층을 형성하는 것은, 도금법에 의해 형성하는 것인 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 도금법에 사용되는 도금장치는, 도금액(L)이 저장되는 도금조; 상기 도금조의 내부에 위치하는 드럼; 상기 드럼의 내부에 위치하는 제1전극; 상기 도금조의 내부에 위치하는 제2전극; 및 상기 드럼의 내부에 위치하는 전도성 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전도성 볼은 스테인리스 볼인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 도금장치를 이용한 도금시간은 100분 내지 6시간인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 절연층은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 무기 절연막이거나, 또는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 아크릴 수지, PET 수지, 또는 에폭시 중 적어도 어느 하나로 구성되는 절연성 폴리머이고, 상기 기능층은, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 철 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지거나, 또는, 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 드럼의 내부는 상기 전도성 볼과 함께, 절연특성을 지니는 절연성 볼을 포함하며, 상기 절연성 볼은 YTZ 볼(yttria stabilized zirconia 볼) 또는 알루미나 볼인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 도금 대상물인, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하고, 상기 도금 대상물을 상술한 바와 같은 도금장치를 통해 도금법을 진행함으로써, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 드럼을 이용하는 도금장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전도성 볼의 일예를 도시하는 실사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 도시하는 실사진이다.
도 10a 및 도 10b는 열전 반도체 소자의 하면 및 상면에 각각 기능층이 형성된 상태를 도시하는 실사진이다.
도 11은 도금공정 진행 시간에 따른 기능층의 두께를 도시하는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다. 한편, 열전 반도체의 열전 특성을 이용하여 열전 냉각, 열전 가열 및 열전 발전을 시키는 장치는 모두 그 기본 구성으로서 도 1과 같은 구조를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)은 P형의 열전 반도체 소자(30)와, N형의 열전 반도체 소자(40)를 금속전극(50)을 사이에 두고 접합하여 PN소자 쌍을 형성하여 이루어진 열전 소자를, 복수개 직렬로 배열하여 접속한 구성을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속전극(50)은 하부 금속전극(50a) 및 상부 금속전극(50b)을 포함할 수 있으며, 상기 하부 금속전극(50a)은 별도의 하부 지지기판(20) 상에 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있고, 상기 상부 금속전극(50b)은 별도의 상부 지지기판(미도시) 상에 스퍼터링법을 통해 형성할 수 있다. 한편, 도 1에서는 설명의 편의를 위하여, 상부 지지기판의 구성을 생략하고 도시하였다.
즉, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)은 상하로 간격을 두고 평행하게 배열된 두층의 지지기판, 즉, 상부 지지기판(미도시) 및 하부 지지기판(20)을 포함할 수 있으며, 각각의 지지기판 상에 금속전극(50)이 각각 스퍼터링법을 통해 형성될 수 있다.
이때, 상기 지지기판은 실리콘 기판 또는 알루미나(Al2O3) 기판을 사용할 수 있고, 상기 금속전극은 일반적인 금속을 사용할 수 있으며, 구체적으로 Cu, Ni, Au, Ag 등의 단일막 또는 다층막을 사용할 수 있다. 이는 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 열전 반도체 소자(30, 40)를 형성시키는 열전 반도체 소자 물질은 Bi 또는 Bi-Se, Bi-Te, Pb-Te, Bi-Sb, Bi-Sb-Te, Bi-Se-Te의 합금 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 열전 반도체 소자의 종류를 한정하는 것은 아니며, 당업계에서 사용되는 일반적인 열전 반도체 소자를 사용할 수 있다.
이와 같은 열전 반도체 소자는 소자의 양단에 온도 차이가 있을 때 소자 내부의 캐리어(Carrier)가 이동함으로 인해 기전력이 발생하게 된다.
즉, 금속전극의 양단에 온도 차이가 발생하게 되면 n-type의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들 보다 더 높은 운동에너지를 가지게 됨으로써 고온단에 있는 전자들은 평균적으로 페르미레벨(Fermi lever)보다 높은 에너지 상태로 되기 때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산된다.
또한, 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 " - " 로 대전되고, 고온부는 " + " 로 대전되어 금속전극의 양단 간에 전위 차이가 발생하게 되는데 이러한 전위차이를 통해 열기전력(Thermoelectromotive force)이 발생하게 된다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈(10)은 열전 반도체 소자(30, 40)와 금속전극(50)의 사이에 위치하는 접착층(70)을 포함할 수 있다.
상기 접착층(70)은 상기 열전 반도체 소자(30, 40)와 상기 금속전극(50)을 접합하기 위한 층으로, 주석(Sn) 또는 납(Pb)을 사용하거나, 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 접착층(70)은 상기 하부 금속전극(50a)과 열전 반도체 소자(30, 40)을 접합하기 위한 하부 접착층(70a) 및 상기 상부 금속전극(50b)과 열전 반도체 소자(30, 40)을 접합하기 위한 상부 접착층(70b)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 접착층(70)은 공지된 인쇄법을 통해 형성할 수 있으며, 또한, 상기 접착층(70)의 경우, 통전이 가능해야 하므로, 상술한 바와 같은 금속전극에 대비하여 보조전극으로 정의할 수 있다.
한편, 상기 접착층(70)을 통해, 상기 열전 반도체 소자(30, 40)와 상기 금속전극(50)을 접합함에 있어서, 상기 접착층(70)의 성분, 예를 들면, 주석성분 또는 납성분은 상기 열전 반도체 소자(30, 40)의 결정 격자의 내부로 확산되어 도펀트로 작용하거나, 또는 각 반도체 소자의 재질과 반응함으로써, 열전 성능을 저하시키게 된다.
따라서, 일반적인 열전 반도체 모듈에서는 상기 접착층(70)과 상기 열전 반도체 소자(30, 40)의 사이에 확산 방지층(80)을 포함한다.
상기 확산 방지층(80)은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 철 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 확산 방지층(80)은 공지된 스퍼터링법을 통해 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 확산 방지층(80)은 상기 하부 접착층(70a)과 열전 반도체 소자(30, 40)의 사이에 위치하는 하부 확산 방지층(80a) 및 상기 상부 접착층(70b)과 열전 반도체 소자(30, 40)의 사이에 위치하는 상부 확산 방지층(80b)를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈에서는, 상술한 바와 같은 기능층, 예를 들면, 확산방지층 또는 보조전극(접착층) 등을 스퍼터링법 또는 인쇄법 등에 의해 형성할 수 있다.
하지만, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈의 경우, 상기 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 일정 기능층을 형성함에 있어서, 각각의 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 기능층을 형성하여야 하며, 이는 제조 공정이 복잡하고, 제조 시간이 오래 걸리므로, 제조 단가를 상승시키는 요인이 된다.
따라서, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있는 열전 반도체 소자의 제조방법이 필요한 실정이다.
이하에서는 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법은, 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 제조하는 단계를 포함한다(S110).
상기 열전 반도체 소자용 압출재를 제조하는 것은, 공지된 압출방법에 의하여 제조할 수 있으며, 본 발명에서 상기 열전 반도체 소자용 압출재의 제조방법을 제한하는 것은 아니다.
한편, 상기 열전 반도체 소자용 압출재는, 열전 반도체 소자 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 열전 반도체 소자 물질은 Bi 또는 Bi-Se, Bi-Te, Pb-Te, Bi-Sb, Bi-Sb-Te, Bi-Se-Te의 합금 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 열전 반도체 소자용 압출재의 종류를 한정하는 것은 아니며, 당업계에서 사용되는 일반적인 열전 반도체 소자 물질을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법은, 상기 열전 반도체 소자용 압출재(110)의 전면(全面)에 절연층(120)을 형성하는 단계를 포함한다(S120).
상기 절연층(120)은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiO2) 등과 같은 무기절연막일 수 있으며, 또한, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 아크릴 수지, PET 수지, 또는 에폭시 중 적어도 어느 하나로 구성되는 절연성 폴리머 일 수 있고, 다만, 본 발명에서 상기 절연층은 절연성이 있는 물질이라면 어느 물질을 사용하더라도 무방하며, 따라서, 본 발명에서 상기 절연층의 종류를 제한하는 것은 아니다.
이때, 상기 열전 반도체 소자용 압출재(110)의 전면(全面)에 절연층(120)을 형성한다 함은, 상기 열전 반도체 소자용 압출재(110)의 상면, 하면 및 측면의 모두에 절연층이 형성됨을 의미한다.
한편, 본 발명에서 상기 절연층(120)은 공지된 딥코팅법에 의해 형성될 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 절연층을 형성하는 방법을 제한하는 것은 아니다.
다음으로, 도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법은, 상기 절연층(120)이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)를 제조하는 단계를 포함한다(S130).
본 발명에서 상기 절연층(120)이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하는 것은 공지된 컷팅방법에 의해 절단할 수 있으며, 본 발명에서 상기 컷팅방법을 제한하는 것은 아니다.
또한, 상기 일정 길이는 열전 반도체 모듈에서 사용되는 열전 반도체 소자의 길이를 반영하여 절단할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서 상기 절단된 열전 반도체 소자의 길이를 제한하는 것은 아니다.
한편, S130 단계에 따른 열전 반도체 소자(111)는 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하나, 상기 열전 반도체 소자(111)의 상면 및 하면에는 절연층 패턴(121)을 포함하고 있지 않다.
이때, 열전 반도체 소자용 압출재(110)의 상면 및 하면에는 절연층(120)이 형성되어 있으며, 따라서, 상기 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하는 경우, 도 5를 기준으로, 가장 좌측에 위치하는 열전 반도체 소자는 예를 들면, 측면 뿐만 아니라 상면에도 절연층 패턴을 포함하게 되고, 가장 우측에 위치하는 열전 반도체 소자는 예를 들면, 측면 뿐만 아니라 하면에도 절연층 패턴을 포함하게 된다.
본 발명에서는 후술하는 공정에 의하여, 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 일정 기능층을 형성해야 하며, 따라서, 상기 열전 반도체 소자의 상면 또는 하면에 절연층이 존재하는 경우, 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 일정 기능층을 형성할 수 없으므로, 따라서, 본 발명에서는, 도 5를 기준으로, 가장 좌측에 위치하는 열전 반도체 소자와 가장 우측에 위치하는 열전 반도체 소자는 사용할 수 없으므로, 이를 배제시키는 것이 필요하다.
즉, 본 발명에서 상기 절연층(120)이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)를 제조한다 함은, 상면 및 하면에는 절연층 패턴이 포함되지 않은 열전 반도체 소자를 제조한다는 의미로 이해하는 것이 타당하다.
따라서, S130 단계의, 상기 절연층(120)이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)를 제조하는 단계는, 상기 절연층(120)이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재(110)를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하고, 상면 및 하면에는 절연층 패턴을 포함하지 않는 열전 반도체 소자(111)를 제조하는 단계로 이해될 수 있다.
다음으로, 도 2 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자의 제조방법은, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 상면 및 하면에 각각 기능층(140a, 140b)을 형성하는 단계를 포함한다(S140).
보다 구체적으로, 상기 S140 단계는, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 상면에 제1기능층(140a)을 형성하고, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 하면에 제2기능층(140b)을 형성하는 단계로 정의할 수 있다.
이때, 상기 기능층은 상술한 바와 같은 도 1에서의 확산방지층 또는 보조전극(접착층)일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 기능층의 종류를 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 상면 및 하면에 각각 기능층(140a, 140b)을 형성하는 것은, 드럼을 이용하는 도금법에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 드럼을 이용하는 도금법에 의하여, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 상면 및 하면에 각각 기능층(140a, 140b)을 형성하는 방법을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 드럼을 이용하는 도금장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
본 발명에 따른 드럼을 이용하는 도금장치(200)는, 도금액(L)이 저장되는 도금조(210); 상기 도금조(210)의 내부에 위치하는 드럼(220); 상기 드럼의 내부에 위치하는 제1전극(230); 상기 도금조의 내부에 위치하는 제2전극(240); 및 상기 드럼의 내부에 위치하는 전도성 볼(300)을 포함한다.
본 발명에서 상기 전도성 볼(300)은 스테인리스 볼일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 전도성 볼의 종류를 제한하는 것은 아니다.
한편, 본 발명에서 상기 드럼의 내부에는, 상기 전도성 볼과 함께 절연특성을 지니는 절연성 볼을 포함할 수 있으며, 상기 절연성 볼은 YTZ 볼(yttria stabilized zirconia 볼) 또는 알루미나 볼일 수 있고, 다만, 본 발명에서 상기 절연성 볼의 종류를 제한하는 것은 아니다.
이때, 상기 드럼(220)은 상기 도금조(210)의 일측 및 타측에 회전축을 통해 지지됨으로써, 상기 드럼(220)은 회전할 수 있다.
또한, 상기 제1전극(230), 예를 들면 (-) 전극은, 상기 드럼의 내부에 위치하고, 상기 제2전극(240), 예를 들면 (+) 전극은, 상기 도금조(210)의 내부의 도금액(L)에 위치한다.
또한, 상기 제1전극(230) 및 상기 제2전극(240)에 전원을 인가하기 위한 전원부를 더 포함한다.
본 발명에서의 상기와 같은 도금장치의 상기 드럼(220)의 내부에 도금 대상물(O)인, 상술한 바와 같은, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)를 상기 전도성 볼(300)과 함께 위치시키고, 상기 드럼을 회전시키는 상태에서, 상기 전원부를 통해, 상기 제1전극(230) 및 상기 제2전극(240)에 전원을 인가하면, 상술한 바와 같이, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)의 상면 및 하면에 각각 기능층(140a, 140b)이 형성된다.
이때, 상기 기능층은 상기 도금액의 종류에 따라 달라질 수 있는 것으로, 상술한 바와 같이, 상기 기능층은 도 1에서의 확산방지층 또는 보조전극(접착층)일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 도금액의 종류를 제한하는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈에서는, 상기 기능층, 예를 들면, 확산방지층 또는 보조전극(접착층) 등을 스퍼터링법 또는 인쇄법 등에 의해 형성할 수 있다.
하지만, 일반적인 구조의 열전 반도체 모듈의 경우, 상기 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 일정 기능층을 형성함에 있어서, 각각의 열전 반도체 소자의 상단면 및 하단면에 기능층을 형성하여야 하며, 이는 제조 공정이 복잡하고, 제조 시간이 오래 걸리므로, 제조 단가를 상승시키는 요인이 된다.
하지만, 본 발명에서는, 도금 대상물인, 측면에 절연층 패턴(121)을 포함하는 열전 반도체 소자(111)를 제조하고, 상기 도금 대상물을 상술한 바와 같은 도금장치를 통해 도금법을 진행함으로써, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 전도성 볼의 일예를 도시하는 실사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 전도성 볼로, 다양한 사이즈의 스테인리스 볼 또는 YTZ 볼을 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 도시하는 실사진이다.
도 9를 참조하면, 상술한 도 2의 S110 내지 S130 단계를 통하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 열전 반도체 소자의 하면 및 상면에 각각 기능층이 형성된 상태를 도시하는 실사진이다.
이때, 도 10a는 4시간 동안 도금공정을 진행한 결과이고, 도 10b는 5시간 동안 도금공정을 진행한 결과이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 열전 반도체 소자(BST)의 하면 및 상면에 각각 기능층(Ni layer)이 형성됨을 확인할 수 있으며, 따라서, 본 발명에서는 상기 도금 대상물을 상술한 바와 같은 도금장치를 통해 도금법을 진행함으로써, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 10a 및 도 10b의 기능층, 즉, Ni 층을 형성함에 있어서, 상기 도금액은 Nickel(Ⅱ) sulfate hexahydrate (NiSO4·6H2O), Ammonium chloride (NH4Cl), Boric acid (H3BO3)을 사용하였으며, 다만, 본 발명에서 상기 도금액의 종류를 제한하는 것은 아니다.
도 11은 도금공정 진행 시간에 따른 기능층의 두께를 도시하는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 형성하고자 하는 기능층의 두께를 5㎛ 이상으로 설정시, 도금공정의 진행시간이 100분 미만인 경우는 형성하고자 하는 기능층의 두께를 달성할 수 없음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 도금장치를 이용한 도금시간은 100분 이상인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 상기 도금장치를 이용한 도금시간이 6시간을 초과하는 경우, 상기 전도성 볼에 손상이 발생하여, 도금에 의해 형성되는 기능층의 품질이 좋지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 도금장치를 이용한 도금시간은 100분 내지 6시간인 것이 바람직하다.
이상에서와 같이, 본 발명에서는, 도금 대상물인, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하고, 상기 도금 대상물을 상술한 바와 같은 도금장치를 통해 도금법을 진행함으로써, 열전 반도체 소자에 기능층을 형성함에 있어서, 제조 공정이 단순하고, 기능층을 포함하는 열전 반도체 소자를 대량으로 제조할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 열전 반도체 소자용 압출재를 제조하는 단계;
    상기 열전 반도체 소자용 압출재의 전면에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하는 단계; 및
    측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 각각 기능층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자의 상면 및 하면에 각각 기능층을 형성하는 것은, 도금법에 의해 형성하는 것이며,
    상기 도금법에 사용되는 도금장치는, 도금액(L)이 저장되는 도금조; 상기 도금조의 내부에 위치하는 드럼; 상기 드럼의 내부에 위치하는 제1전극; 상기 도금조의 내부에 위치하는 제2전극; 및 상기 드럼의 내부에 위치하는 전도성 볼을 포함하고,
    상기 드럼의 내부는 상기 전도성 볼과 함께, 절연특성을 지니는 절연성 볼을 포함하며, 상기 절연성 볼은 YTZ 볼(yttria stabilized zirconia 볼) 또는 알루미나 볼인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연층이 형성된 열전 반도체 소자용 압출재를 일정 길이로 절단하여, 측면에 절연층 패턴을 포함하는 열전 반도체 소자를 제조하는 단계는, 상면 및 하면에는 절연층 패턴이 포함되지 않은 열전 반도체 소자를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 전도성 볼은 스테인리스 볼인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 도금장치를 이용한 도금시간은 100분 내지 6시간인 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연층은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 무기 절연막이거나, 또는, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 아크릴 수지, PET 수지, 또는 에폭시 중 적어도 어느 하나로 구성되는 절연성 폴리머이고,
    상기 기능층은, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 철 및 니켈로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지거나, 또는, 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 반도체 소자의 제조방법.
  11. 삭제
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