KR20100096345A - 접촉센서 및 전력 발전기에 적용되는 열전소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉센서 및 가전제품용 소형 전력 발전기에 적용되는 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 열전소자를 접촉센서에 적용시 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 차이를 측정함으로써 접촉 위치 및 크기를 검출할 수 있다. 또한 소형 전력 발전기 적용시 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도차이로 발생하는 기전력에 의해 전기를 생산할 수 있다.

접촉센서, 전력 발전기, 열 센서, 열전소자

Description

접촉센서 및 전력 발전기에 적용되는 열전소자 및 그 제조방법 {A thermoelectric device for a tactile sensor and an electrical power generator, and methods of its fabrication}

본 발명은 접촉센서 및 가전제품용 소형 전력 발전기에 적용되는 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 변화를 측정하여 손가락의 접촉상태를 감지하도록 함으로써, 종래의 기계적 굽힘에 의한 측정방식에 비하여 접촉센서의 내구성을 향상시킬 수 있고 전력소비가 전혀 없어 경제성이 있으며, 또한, 소형 전력 발전기에 적용시 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 변화에 의해 발생하는 기전력에 의해 전기를 생산하도록 함으로써, 열에너지를 전기에너지로 쉽게 변환시켜 각종 가전제품용 소형 전력 발전기에 용이하게 적용할 수 있는 접촉센서 및 전력 발전기용 열전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 촉각센서(tactile sensor)는 실리콘 기판 또는 유연 기판 위에 형성되며, 그 형태에 따라 크게 3가지 형태로 나눌 수 있다. 첫 번째는 압력식 저항막 방식으로 동작상태에서는 저항막의 양단에서 일정한 전류를 흘려주면 저항막 이 저항 성분을 갖는 저항체와 같이 작용하기 때문에 양단에 전압이 걸리게 된다. 이 때 표면을 손으로 접촉을 하게 되면 위쪽 표면의 폴리에스틸 필름이 휘어 두 면이 접촉하게 된다. 따라서, 두 면의 저항 성분 때문에 저항의 병렬접속과 같은 형태가 되고, 저항값의 변화가 일어나게 된다. 이때, 양단에 흐르는 전류에 의하여 전압의 변화도 일어나게 되는데, 바로 이러한 전압의 변화 정도로써 접촉된 위치를 알 수 있다. 두 번째 방식은 저항 삽입 방식으로 유연한 기판 내에 저항을 삽입하고, 그 표면에 압력을 가하였을 때, 저항체가 구부러지면서 변화하는 저항 크기를 측정함으로써 접촉된 위치 및 크기를 알 수 있다. 세 번째 방식은 접촉 표면의 네 귀퉁이에 전압을 걸어주고, 구석에서 발생되는 고주파가 센서 전면에 퍼지게 된다. 이때, 접촉이 발생하면 수신부에서는 변형된 파형이 감지된다.

그러나, 이와 같은 종래의 접촉 감지 방식은 센서 작동을 위해, 계속적인 전력 공급이 필요하였고, 계속적인 사용에 의한 기계적 스트레스로 인해 센서의 수명이 단축되는 문제점이 있었다. 또한 파형에 따른 접촉 위치 추적을 위한 컴퓨터 프로그램 및 추가적인 장비가 요구된다. 이러한 복잡한 공정 및 동작은 다양한 제품을 빠른 시간에 제조할 수 있는 유연성이 떨어지고 사용 환경이 어렵기 때문에 제품 경쟁력에 한계를 가질 수밖에 없었다.

이에, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 접촉센서를 열전소자를 기반으로 구성하되, 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 차이를 측정하여 손가락의 접촉상태를 감지하도록 함으로써, 접촉 감지시 전력소비가 전혀 없고, 접촉에 의한 기판의 표면 온도 변화 측정방식에 의해 검출이 이루어지기 때문에 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 접촉센서용 열전소자 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 변화에 따라 발생하는 기전력에 의해 전기의 생산을 가능케 하는 열전소자를 구비한 전력 발전기 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 접촉센서용 열전소자는, 기판; 상기 기판의 상부면에 형성되며, 제1금속에 의해 형성된 제1금속패턴과 제2금속에 의해 형성된 제2금속패턴이 구비된 저온접합부; 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드; 상기 기판, 상기 저온접합부 및 상기 컨택 패드의 상부면에 형성되는 제1폴리머층; 상기 제1폴리머층의 상부면에 형성되며, 상기 제1금속에 의해 형성된 제3금속패턴과 상기 제2금속에 의해 형성된 제4금속패턴이 구비된 고온접합부를 포함하며, 상기 제1폴리머층에는, 상기 제1금속패턴과 제3금속패턴을 연결하는 제1금속 이 채워지는 공간인 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴과 제4금속패턴을 연결하는 제2금속이 채워지는 공간인 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출시키는 공간인 제3 컨택 플러그가 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명의 열전소자에는 상기 제1폴리머층의 상부면에, 제3컨택 플러그의 상부면을 노출시키며 상기 제3금속패턴 및 상기 제4금속패턴을 덮는 제2폴리머층이 더 형성될 수 있다.

이때, 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드(polyimide)로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열전소자에는 상기 제1금속패턴 또는 제2금속패턴과 상기 기판 사이를 본딩하는 제3금속에 의해 형성된 제1본딩 금속패턴과, 상기 제3금속패턴 또는 제4금속패턴과 상기 제1폴리머층 사이를 본딩하는 제3금속에 의해 형성된 제2본딩 금속패턴이 더 포함될 수 있다.

이때, 상기 제1금속패턴을 형성하는 제1금속은 구리, 상기 제2금속패턴을 형성하는 제2금속은 니켈 또는 크롬, 상기 제3금속패턴을 형성하는 제3금속은 티타늄 또는 크롬으로 적용할 수 있다.

그리고, 상기 제1금속패턴 및 제3금속패턴의 두께는 9,000 옹스트롬(Å), 상기 제2금속패턴 및 상기 제4금속패턴의 두께는 10,000 옹스트롬(Å), 상기 제1본딩 금속패턴 및 상기 제2본딩 금속패턴의 두께는 1,000 옹스트롬(Å)으로 형성할 수 있다.

이때, 본 발명의 열전소자에 있어서, 상기 저온접합부와 고온접합부의 형상 을 동일하게 형성할 수 있다.

또한, 상기 저온접합부 및 고온접합부는 방사상 형태를 이루며 복수 개 구비되도록 구성할 수 있다.

아울러, 상기 컨택 패드는 복수 개의 저온접합부에 각각 연결되거나, 하나의 저온접합부에만 연결되고 나머지 저온접합부는 서로 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 접촉센서용 열전소자의 제조방법은, 기판의 상부면에 제1금속으로 형성된 제1금속패턴 및 제2금속으로 형성된 제2금속패턴을 포함하는 저온접합부와 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드를 형성하는 제1단계; 상기 기판 및 상기 저온접합부의 상부면에 제1폴리머층을 증착하는 제2단계; 상기 제1금속패턴에서 상기 제2금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴에서 상기 제1금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출하기 위한 제3컨택 플러그가 형성되도록 상기 제1폴리머층을 식각하는 제3단계; 상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러그에 상기 제2금속을 채워넣으며, 상기 제3컨택 플러그에 금속을 채워넣는 제4단계; 및 상기 제1폴리머층의 상부면에 상기 제1컨택 플러그와 연결되는 제3금속패턴과, 상기 제2컨택 플러그와 연결되는 제4금속패턴을 각각 상기 제1금속 및 상기 제2금속으로 형성하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명은 상기 제5단계 후에, 상기 제1폴리머층의 상부면과, 상기 제3금속패턴 및 제4금속패턴의 상부면에 제2폴리머층을 형성하는 제6단계; 및 상기 제2폴리머층을 식각하여 상기 제3컨택 플러그의 상부면을 노출시키는 제7단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 제2단계 및 제6단계의 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드(polyimide)를 스핀코팅하고, 소정 온도에서 베이킹하여 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1폴리머층은 감광성 폴리이미드를 10 마이크로미터의 두께로 스핀코팅하고, 상기 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드를 1 마이크로미터의 두께로 스핀코팅하여 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 150℃에서 1시간, 200℃에서 2시간 동안 베이킹하여 형성할 수 있다.

상기 제3단계 및 상기 제7단계의 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층의 식각은, 자외선을 이용하여 노광한 후 현상함으로써 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 제1단계 이전에, 상기 제1금속패턴 또는 상기 제2금속패턴과 상기 기판의 본딩을 위한 제1본딩 금속패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제4단계와 제5단계의 사이에, 상기 제3금속패턴 또는 제4금속패턴과 상기 제1폴리머층의 본딩을 위한 제2본딩 금속패턴을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 제1단계의 제1금속패턴 및 제5단계의 제3금속패턴은 상기 제1금속을 스퍼터링으로 증착한 후 포토레지스트를 사용하여 패터닝하여 형성되며, 상기 제1 단계의 제2금속패턴 및 제5단계의 제4금속패턴은 상기 제2금속을 스퍼터링으로 증착한 후 포토레지스트를 사용하여 상기 제1금속패턴 및 상기 제3금속패턴에 일부 포개지는 형태로 패터닝하여 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러그에 상기 제2금속을 채워넣는 상기 제4단계는 무전해 도금법을 통해 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 저온접합부와 상기 고온접합부는 그 형상이 동일하며, 방사상 형태를 이루며 복수 개 구비되도록 형성할 수 있다.

아울러, 상기 컨택 패드는 복수 개의 저온접합부에 각각 연결되거나, 하나의 저온접합부에만 연결되고 나머지 저온접합부는 서로 전기적으로 연결되도록 형성할 수 있다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가전제품용 소형 전력 발전기는, 온도 차에 의한 기전력 발생을 발생시키는 열전소자를 구비한 가전제품용 소형 전력 발전기에 있어서, 상기 열전소자는, 기판; 상기 기판의 상부면에 형성되며, 제1금속에 의해 형성된 제1금속패턴과 제2금속에 의해 형성된 제2금속패턴이 구비된 저온접합부; 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드; 상기 기판, 상기 저온접합부 및 상기 컨택 패드의 상부면에 형성되는 제1폴리머층; 상기 제1폴리머층의 상부면에 형성되며, 상기 제1금속에 의해 형성된 제3금속패턴과 상기 제2금속에 의해 형성된 제4금속패턴이 구비된 고온접합부를 포함하며, 상기 제1폴리머층에는, 상기 제1금속패턴과 제3금속패턴을 연결하는 제1금속이 채워지는 공간인 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴과 제4금속패턴을 연결하는 제2금속이 채워지는 공 간인 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출시키는 공간인 제3 컨택 플러그가 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가전제품용 소형 전력 발전기의 제조방법은, 기판의 상부면에 제1금속으로 형성된 제1금속패턴 및 제2금속으로 형성된 제2금속패턴을 포함하는 저온접합부와 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드를 형성하는 제1단계; 상기 기판 및 상기 저온접합부의 상부면에 제1폴리머층을 증착하는 제2단계; 상기 제1금속패턴에서 상기 제2금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴에서 상기 제1금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출하기 위한 제3컨택 플러그가 형성되도록 상기 제1폴리머층을 식각하는 제3단계; 상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러그에 상기 제2금속을 채워넣으며, 상기 제3컨택 플러그에 금속을 채워넣는 제4단계; 및 상기 제1폴리머층의 상부면에 상기 제1컨택 플러그와 연결되는 제3금속패턴과, 상기 제2컨택 플러그와 연결되는 제4금속패턴을 각각 상기 제1금속 및 상기 제2금속으로 형성하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 의하면, 접촉센서를 열전소자를 기반으로 구성하고, 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 차이를 측정하여 손가락의 접촉상태를 감지하도록 함으로써, 손가락의 접촉을 기존의 기계적 굽힘에 의한 방식이 아닌 열 변화로 측정할 수 있기 때문에 접촉센서의 수명을 향상시킬 수 있고, 접촉 감지시 전력소비가 전혀 없으며, 지속적인 접촉도 감지할 수 있는 장점이 있기 때문에, 센서의 활용도를 증대시키고 사용 환경을 간편하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 열전소자의 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 변화에 따라 발생하는 기전력에 의해 전력 생산이 가능해지기 때문에, 본 발명의 열전소자를 센서가 아닌 전자제품의 패키지 소재로 적용하게 되면 각종 가전제품용 소형 전력 발전에 용이하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 손가락 열 측정에 의한 촉감 감지 기법으로서, 서모파일(thermopile)을 이용한 열 감지 기법을 제공한다.

일반적으로 온도 측정을 위해서 서미스터(thermistor), 서모커플(thermocouple) 등의 온도센서를 많이 이용하는데, 서미스터는 센서의 크기를 줄일 수 있고, 공정이 쉽고, 비용이 저렴하다는 장점을 가지지만, 온도를 측정하기 위해서는 추가적인 에너지가 필요하다는 단점이 있다.

한편, 서모커플은 제베크(Seebeck) 현상을 이용한 것으로서, 두 금속 물질로 이루어진 도선에서 고온접합부(hot-junction)와 저온접합부(cold-junction)의 온도 차이로 인해 야기되는 전기적인 신호(Electric Motive Force, EMF, 기전력)를 측정 한다. 이는 엄밀히 말하자면, 온도가 아니라 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 차에 대한 신호를 전기적 신호로 대신 측정하는 것으로서, 센서 제작 후 보정(calibration)을 통해 온도 측정 센서로 이용할 수 있는 것이다.

이러한 서모커플은 Poly-Si, Bi, Sb, Al, Cu 등과 같이 금속 및 반도체 물질 등의 다양한 종류의 재료를 사용하여 제작할 수 있으므로 재료에 제약이 크게 없고, 서미스터와 같이 외부 에너지가 필요하지 않기 때문에 열전 촉감센서에 구현하여 측정하는 경우 측정의 용이성을 확보할 수 있다. 또한, 이러한 서모커플은 일반적으로 실리콘(Si) 기판 위에서 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술을 이용하여 제작하게 되는데 ~ 10 mK 의 온도차이 분해능과 ~ 20 ms의 짧은 반응시간을 갖는다는 장점을 갖는다.

한편, 마이크로 사이즈(Micro size)의 서로 다른 두 금속 및 반도체 물질이 접합되어 회로를 구성하는 경우 제베크 효과(Seebeck effect; 접점에서의 온도차로 인한 기전력 발생)에 의해 회로에 기전력이 발생한다. 두 접점 사이에 온도차가 존재하는 경우 회로에 기전력이 발생하는 성질을 이용하여, 거꾸로 회로에서의 기전력 측정을 통해 두 접점 사이의 온도차를 알아내는 장치가 바로 서모커플이다. 여기서 어느 한쪽의 온도를 기준(reference)으로 삼아 0℃ 또는 사용자가 제어를 통해 정확히 알 수 있는 값으로 잡아주게 되면, 기전력 측정을 통해 기준점 대비 상대적인 온도차를 알 수 있으므로 나머지 한쪽 접점에서의 온도를 측정할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 열전소자인 서모커플을 접촉센서(또는 촉감센서)에 적 용하여 실리콘 기판에 수직하게 구현하고, 기판의 바깥면(손가락이 닿는 부분)을 고온부로, 반대쪽 면을 저온부로 두었을 때, 손가락 접촉으로 인한 온도 변화를 측정함으로써 촉감을 감지할 수 있도록 하고 있다.

아울러, 본 발명은 열전소자를 열이 발생하는 곳에 두었을 때, 기판의 양면사이의 온도차이에 의하여 기전력이 발생하는 원리를 이용하여 전기를 생산할 수 있기 때문에 가전제품용 소형 전력 발전기에 적용이 가능하다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 접촉센서 및 전력 발전기에 적용되는 열전소자의 제조공정을 보여주는 공정도이고, 도 7은 본 발명에 따른 접촉센서 및 전력 발전기용 열전소자의 접촉 감지 원리를 설명하는 개념도이다.

본 발명에 따른 열전소자는 크게 기판(100)과, 상기 기판(100)의 상부면에 형성되는 저온접합부(cold junction; 150)와, 상기 저온접합부(150)에 연결되는 컨택 패드(contact pads; 130)와, 상기 기판(100)과 저온접합부(150) 및 컨택 패드(130)의 상부면에 형성되는 제1폴리머층(200)과, 상기 제1폴리머층(200)의 상부면에 형성되는 고온접합부(hot junction; 250)를 포함하여 구성된다.

상기 저온접합부(150)는 실리콘 기판(100) 위에 구리(Cu)를 일정두께로 증착한 후 방사형으로 패터닝하여 형성된 제1금속패턴(110)과, 상기 제1금속패턴(110) 상단에 니켈(Ni)을 일정두께로 증착한 후 상기 제1금속패턴(110)에 포개지는 형태로 패터닝(patterning)하여 형성되는 제2금속패턴(120)으로 이루어져 있다.

이때, 상기 제2금속패턴(120)에 적용되는 금속은 상기 니켈 이외에 크롬(Cr)을 채용할 수 있다.

그리고, 제1금속패턴(110)을 기판(100) 위에 형성시 상기 제1금속패턴(110)과 기판(100) 사이를 본딩(bonding)할 수 있도록 티타늄(Ti)을 구성으로 하는 제1본딩 금속패턴(미도시)을 형성한다.

상기 고온접합부(250)는 구리(Cu)를 일정두께로 증착한 후 방사형으로 패터닝하여 형성된 제3금속패턴(230)과, 상기 제3금속패턴(230) 상단에 니켈(Ni)을 일정두께로 증착한 후 상기 제3금속패턴(230)에 포개지는 형태로 패터닝하여 형성되는 제4금속패턴(240)으로 구성된다.

여기서, 상기 제1금속패턴(110) 및 제3금속패턴(230)의 두께는 9,000 옹스트롬(Å)으로 증착하고, 상기 제2금속패턴(120) 및 제4금속패턴(240)의 두께는 10,000 옹스트롬(Å)으로 증착하며, 상기 저온접합부(150)와 고온접합부(250)의 패턴 형태는 동일한 방사상 형태로 형성된다.

이와 같은 방사상 형상을 이루는 저온접합부(150) 및 고온접합부(250)는 기판(100)상에 복수 개 구비되어 배열 형성된다.

이때, 상기 컨택 패드(130)는 복수 개의 저온접합부(150)에 각각 연결되거나, 하나의 저온접합부(150)에만 연결되고 나머지 저온접합부는 서로 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있다

그리고, 상기 제3금속패턴을 제1폴리머층(200) 위에 형성시 상기 제3금속패턴(230)과 제1폴리머층(200) 사이를 본딩할 수 있도록 티타늄을 구성으로 하는 제2본딩 금속패턴(미도시)을 형성한다.

이때, 상기 제1본딩 금속패턴 및 제2본딩 금속패턴의 두께는 1,000 옹스트 롬(Å)으로 증착된다.

그리고, 상기 제1 및 제2본딩 금속패턴은 티타늄 이 외에 크롬(Cr)을 적용하여 구성할 수 있다.

상기 제1폴리머층(200)에는 하부의 제1금속패턴(110)과 상부의 제3금속패턴(230)을 연결할 수 있도록 수직으로 식각된 공간인 제1컨택 플러그(220), 하부의 제2금속패턴(120)과 상부의 제4금속패턴(240)을 연결할 수 있도록 수직으로 식각된 공간인 제2컨택 플러그(210), 그리고 하부에 위치한 컨택 패드(130)의 상부면을 외부로 노출시키기 위한 수직으로 식각된 공간인 제3컨택 플러그(미도시)가 형성되어 있다.

여기서, 상기 제1폴리머층(200)은 10㎛ 이상의 두께를 갖는 감광성 폴리이미드(polyimide)를 증착하여 150℃에서 1시간 동안, 200℃에서 2시간 동안 베이킹(baking)하고, 소성된 폴리이미드를 자외선을 이용하여 노광한 후 현상액 용액을 통해 현상하여 형성한다.

상기 제1컨택 플러그(220)와 제2컨택 플러그(210) 내에는 각각 구리와 니켈이 채워지게 되어 제1 및 제3금속패턴(110)(230)과 제2 및 제4금속패턴(120)(240)을 서로 전기적으로 연결하게 된다.

한편, 상기 제1폴리머층(200)의 상부면에는 제3금속패턴(230) 및 제4금속패턴(240)을 덮는 제2폴리머층(300)이 형성된다.

이러한 제2폴리머층(300)은 폴리이미드를 약 1㎛로 증착하여 150℃에서 1시간 동안, 200℃에서 2시간 동안 베이킹하고, 소성된 폴리이미드를 자외선을 이용하 여 노광한 후 현상액 용액을 통해 현상하여 형성한다. 이때, 상기 제2폴리머층(300)은 제3컨택 플러그의 상부면을 노출시키도록 부분적으로 식각되어 하부의 컨택 패드(130)가 상부로 노출되도록 구성되어 있다.

이하, 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 열전소자의 제조공정을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1과 같이, 실리콘 기판(100)의 상부면에 티타늄을 1,000Å의 두께로, 구리를 9,000Å의 두께로 스퍼터링 장치를 이용하여 차례대로 증착한 후, 포토레지스트를 사용하여 방사형으로 패터닝하여 제1금속패턴(110)을 형성한다.

이어서, 상기 구리가 증착된 제1금속패턴(110) 상단에 니켈을 10,000Å의 두께로 증착한 후, 포토레지스트를 사용하여 상기 제1금속패턴(110)에 포개지는 형태로 패터닝하여 제2금속패턴(120)을 형성함으로써 저온접합부(cold junction;150)를 구성하게 된다.

다음으로, 실리콘 기판(100) 위에 스핀코팅(spin coating) 시스템을 사용하여 스핀코팅함으로써, 폴리이미드(polyimide)를 약 10 ㎛로 증착한 후 150℃에서 1시간 동안, 200℃에서 2시간 동안 베이킹(baking)하고, 상기 소성된 폴리이미드를 자외선을 이용하여 노광한 후, 현상액 용액을 통해 현상하여 도 2와 같은 제1폴리머층(200)을 형성한다.

이와 같이 제1폴리머층(200)의 형성이 완료되면, 도 3과 같이 제1 및 제2금속패턴(110)(120)중 서로 겹치지 않은 부분이 외부로 드러나도록 상기 제1폴리머층(200)의 일부를 식각하여 제1컨택 플러그(220)와 제2컨택 플러그(210)를 형성하 게 된다.

다음으로, 도 4와 같이, 상기 제1폴리머층(200)에 식각된 제1컨택 플러그(220)와 제2컨택 플러그(210)에 제1금속패턴(110)과 제2금속패턴(120)을 구성하는 금속인 구리(110')와 니켈(120')을 무전해도금법을 이용하여 각각 채워넣는다.

이어서, 도 5와 같이 상기 제1폴리머층(200) 상부면에 티타늄을 1,000Å의 두께로, 구리를 9,000Å의 두께로 스퍼터링 장치를 이용하여 차례대로 증착한 후, 포토레지스트를 사용하여 저온접합부(150)와 같은 형태로 패터닝하여 제3금속패턴(230)을 형성하고, 그 다음에, 상기 구리가 증착된 제3금속패턴(230) 상단에 니켈을 10,000Å의 두께로 스퍼터링 시스템을 사용하여 증착한 후, 포토레지스트를 사용하여 상기 제3금속패턴(230)에 포개지는 형태로 패터닝하여 제4금속패턴(240)을 형성함으로써 고온접합부(hot junction)을 구성하여 열전대(熱電對)를 형성시킨다.

마지막으로, 도 6과 같이 고온접합부(250)의 금속층 보호를 위하여 제3 및 제4금속패턴(230)(240) 상부에 스핀코팅 시스템을 사용하여 스핀코팅함으로써, 폴리이미드(polyimide)를 약 1㎛로 증착하고, 150℃에서 1시간 동안, 200℃에서 2시간 동안 베이킹하고, 소성된 폴리이미드를 자외선을 이용하여 노광한 후, 현상액 용액을 통해 현상하여 제2폴리머층(300)을 형성한다. 이때, 컨택 패드(130)가 외부로 노출될 수 있도록 상기 제2폴리머층(300)을 부분적으로 식각한다.

이와 같은 제조공정을 통해 제작되는 열전소자는 도 7에 도시된 개념도에서 보는 것과 같이, 기판(100)에 수직하게 배치된 서로 다른 두 금속 물질로 이루어진 도선(170)(190)에서 손가락 접촉으로 인한 고온접합부(250)와 저온접합부(150)의 온도 차이(ΔT)로 인해 야기되는 전기적인 신호(ΔV, 기전력)를 측정함으로써 촉감을 감지하게 된다.

또한, 본 발명의 열전소자를 열이 발생하는 곳에 두었을 때, 기판()의 양면사이의 온도차이(ΔT)에 의하여 기전력이 발생하는 원리를 이용하여 전기를 생산할 수 있게 된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명은 접촉센서를 열전소자를 기반으로 구성하되, 열전소자의 고온접합부(250)와 저온접합부(150) 사이의 온도 차이를 측정하여 손가락의 접촉상태를 감지하도록 함으로써, 손가락의 접촉을 기존의 기계적 굽힘에 의한 방식이 아닌 열 변화로 측정할 수 있기 때문에, 접촉센서의 수명을 월등히 향상시킬 수 있고, 접촉 감지시에도 전력소비가 전혀 없기 때문에 경제성이 있으며, 지속적인 접촉도 감지할 수 있는 장점이 있기 때문에 센서의 활용도를 증대시키고 사용 환경을 간편하게 구현할 수 있는 우수한 장점을 갖는다.

아울러, 본 발명의 열전소자를 이용하여 고온접합부와 저온접합부 사이의 온도 변화에 따라 발생하는 기전력에 의해 전력 생산이 가능해지기 때문에, 본 발명의 열전소자를 센서 이외에 전력 생산용 발전기에 적용이 가능해지고, 특히 전자제품의 패키지 소재로 적용하게 되면 각종 가전제품용 소형 전력 발전에 용이한 장점을 갖는다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 접촉센서 및 전력 발전기에 적용되는 열전소자의 제조공정을 보여주는 공정도.

도 7은 본 발명에 따른 접촉센서 및 전력 발전기용 열전소자의 접촉 감지 원리를 설명하는 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110,120 : 제1,2금속패턴

130 : 컨택 패드 150 : 저온접합부

200 : 제1폴리머층 220,210 : 제1,2컨택 플러그

230,240 : 제3,4금속패턴 250 : 고온접합부

300 : 제2폴리머층

Claims (22)

1. 기판;

   상기 기판의 상부면에 형성되며, 제1금속에 의해 형성된 제1금속패턴과 제2금속에 의해 형성된 제2금속패턴이 구비된 저온접합부;

   상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드;

   상기 기판, 상기 저온접합부 및 상기 컨택 패드의 상부면에 형성되는 제1폴리머층;

   상기 제1폴리머층의 상부면에 형성되며, 상기 제1금속에 의해 형성된 제3금속패턴과 상기 제2금속에 의해 형성된 제4금속패턴이 구비된 고온접합부를 포함하며,

   상기 제1폴리머층에는,

   상기 제1금속패턴과 제3금속패턴을 연결하는 제1금속이 채워지는 공간인 제1컨택 플러그와,

   상기 제2금속패턴과 제4금속패턴을 연결하는 제2금속이 채워지는 공간인 제2컨택 플러그, 및

   상기 컨택 패드의 상부면을 노출시키는 공간인 제3 컨택 플러그가 형성된 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1폴리머층의 상부면에, 상기 제3컨택 플러그의 상부면을 노출시키며 상기 제3금속패턴 및 상기 제4금속패턴을 덮는 제2폴리머층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드(polyimide)로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1금속패턴 또는 제2금속패턴과 상기 기판 사이를 본딩하는 제3금속에 의해 형성된 제1본딩 금속패턴과;

   상기 제3금속패턴 또는 제4금속패턴과 상기 제1폴리머층 사이를 본딩하는 제3금속에 의해 형성된 제2본딩 금속패턴을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1금속패턴을 형성하는 제1금속은 구리, 상기 제2금속패턴을 형성하는 제2금속은 니켈 또는 크롬이며, 상기 제3금속패턴을 형성하는 제3금속은 티타늄 또는 크롬인 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1금속패턴 및 상기 제3금속패턴의 두께는 9000 옹스트롬(Å), 상기 제2금속패턴 및 상기 제4금속패턴의 두께는 10000 옹스트롬(Å), 상기 제1본딩 금속패턴 및 상기 제2본딩 금속패턴의 두께는 1000 옹스트롬(Å)인 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 저온접합부와 상기 고온접합부는 그 형상이 동일한 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
8. 제1항에 있어서, 상기 저온접합부 및 상기 고온접합부는 방사상 형태를 이루며 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
9. 제8항에 있어서, 상기 컨택 패드는 상기 복수 개의 저온접합부에 각각 연결되거나, 하나의 저온접합부에만 연결되고 나머지 저온접합부는 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자.
10. 기판의 상부면에 제1금속으로 형성된 제1금속패턴 및 제2금속으로 형성된 제2금속패턴을 포함하는 저온접합부와 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드를 형성하는 제1단계;

    상기 기판 및 상기 저온접합부의 상부면에 제1폴리머층을 증착하는 제2단계;

    상기 제1금속패턴에서 상기 제2금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴에서 상기 제1금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출하기 위한 제3컨택 플러그가 형성되도록 상기 제1폴리머층을 식각하는 제3단계;

    상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러그에 상기 제2금속을 채워넣으며, 상기 제3컨택 플러그에 금속을 채워넣는 제4단계; 및

    상기 제1폴리머층의 상부면에 상기 제1컨택 플러그와 연결되는 제3금속패턴과, 상기 제2컨택 플러그와 연결되는 제4금속패턴을 각각 상기 제1금속 및 상기 제2금속으로 형성하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 접촉 센서용 열전소자의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 제5단계 후에,

    상기 제1폴리머층의 상부면과, 상기 제3금속패턴 및 제4금속패턴의 상부면에 제2폴리머층을 형성하는 제6단계; 및

    상기 제2폴리머층을 식각하여 상기 제3컨택 플러그의 상부면을 노출시키는 제7단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제2단계 및 상기 제6단계의 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드(polyimide)를 스핀코팅하고, 소정 온도에서 베이킹하여 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1폴리머층은 감광성 폴리이미드를 10 마이크로미터의 두께로 스핀코팅하고, 상기 제2폴리머층은 감광성 폴리이미드를 1 마이크로미터의 두께로 스핀코팅하는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1폴리머층 및 제2폴리머층은 150℃에서 1시간, 200℃에서 2시간 동안 베이킹하는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 제3단계 및 상기 제7단계의 상기 제1폴리머층 및 제2 폴리머층의 식각은, 자외선을 이용하여 노광한 후 현상하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
16. 제10항에 있어서, 제1단계 이전에, 상기 제1금속패턴 또는 상기 제2금속패턴과 상기 기판의 본딩을 위한 제1본딩 금속패턴을 형성하는 단계; 및

    상기 제4단계와 제5단계의 사이에, 상기 제3금속패턴 또는 제4금속패턴과 상기 제1폴리머층의 본딩을 위한 제2본딩 금속패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
17. 제10항에 있어서, 제1단계의 제1금속패턴 및 제5단계의 제3금속패턴은 상기 제1금속을 스퍼터링으로 증착한 후 포토레지스트를 사용하여 패터닝하여 형성되며,

    상기 제1단계의 제2금속패턴 및 제5단계의 제4금속패턴은 상기 제2금속을 스퍼터링으로 증착한 후 포토레지스트를 사용하여 상기 제1금속패턴 및 상기 제3금속패턴에 일부 포개지는 형태로 패터닝하여 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
18. 제10항에 있어서, 상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러 그에 상기 제2금속을 채워넣는 상기 제4단계는 무전해 도금법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
19. 제10항에 있어서, 상기 저온접합부와 상기 고온접합부는 그 형상이 동일하며, 방사상 형태를 이루며 복수 개 구비되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 컨택 패드는 상기 복수 개의 저온접합부에 각각 연결되거나, 하나의 저온접합부에만 연결되고 나머지 저온접합부는 서로 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 접촉센서용 열전소자의 제조방법.
21. 온도 차에 의한 기전력 발생을 발생시키는 열전소자를 구비한 전력 발전기에 있어서,

    상기 열전소자는,

    기판;

    상기 기판의 상부면에 형성되며, 제1금속에 의해 형성된 제1금속패턴과 제2금속에 의해 형성된 제2금속패턴이 구비된 저온접합부;

    상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드;

    상기 기판, 상기 저온접합부 및 상기 컨택 패드의 상부면에 형성되는 제1폴리머층;

    상기 제1폴리머층의 상부면에 형성되며, 상기 제1금속에 의해 형성된 제3금속패턴과 상기 제2금속에 의해 형성된 제4금속패턴이 구비된 고온접합부를 포함하며,

    상기 제1폴리머층에는,

    상기 제1금속패턴과 제3금속패턴을 연결하는 제1금속이 채워지는 공간인 제1컨택 플러그와,

    상기 제2금속패턴과 제4금속패턴을 연결하는 제2금속이 채워지는 공간인 제2컨택 플러그, 및

    상기 컨택 패드의 상부면을 노출시키는 공간인 제3 컨택 플러그가 형성된 것을 특징으로 하는 전력 발전기.
22. 온도 차에 의한 기전력 발생을 발생시키는 열전소자를 구비한 전력 발전기의 제조방법에 있어서,

    기판의 상부면에 제1금속으로 형성된 제1금속패턴 및 제2금속으로 형성된 제2금속패턴을 포함하는 저온접합부와 상기 저온접합부에 연결되는 컨택 패드를 형성하는 제1단계;

    상기 기판 및 상기 저온접합부의 상부면에 제1폴리머층을 증착하는 제2단계;

    상기 제1금속패턴에서 상기 제2금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제1컨택 플러그와, 상기 제2금속패턴에서 상기 제1금속패턴과 겹쳐지지 않은 부분의 상부면을 노출하기 위한 제2컨택 플러그, 및 상기 컨택 패드의 상부면을 노출하기 위한 제3컨택 플러그가 형성되도록 상기 제1폴리머층을 식각하는 제3단계;

    상기 제1컨택 플러그에 상기 제1금속, 상기 제2컨택 플러그에 상기 제2금속을 채워넣으며, 상기 제3컨택 플러그에 금속을 채워넣는 제4단계; 및

    상기 제1폴리머층의 상부면에 상기 제1컨택 플러그와 연결되는 제3금속패턴과, 상기 제2컨택 플러그와 연결되는 제4금속패턴을 각각 상기 제1금속 및 상기 제2금속으로 형성하는 제5단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력 발전기의 제조방법.

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