KR20110135057A - 냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극에 의해 각각의 일단이 서로 전기적으로 연결되며, 서로 상이한 전자 도핑 농도를 갖는 복수의 반도체를 포함하되, 상기 복수의 반도체는 P형 반도체 또는 N형 반도체 중 하나만으로 구성되며, 상기 전자 도핑 농도는 인접한 반도체 순으로 증가하거나 감소하는 냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이에 의해, 본 발명에 의해, P형 또는 N형 중 한 종류의 반도체만으로 열전소자를 제작할 수 있다. 또한, 발열반응이 발생하지 않으므로 냉각용으로 사용하기에 적합하다.

Description

냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법{COOLING THERMOELECTRIC ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은, 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발열반응이 발생하지 않으므로 냉각용으로 사용하기에 적합한 냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
열전소자란, 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자의 총칭이다. 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크 효과를 이용한 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에 소자 등이 있다.
여기서, 펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트·텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열·발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열/발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열/발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조(恒溫槽) 제작에 응용한다. 펠티에 소자는 펠티에 효과를 나타내기 위해 N형과 P형의 반도체를 한 번씩 사용하여 발열과 흡열 반응을 일으킨다.
도 1은 종래 기술에 따라 펠티에 효과를 이용한 열전소자의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 알루미나 기판 (101a 및 101b)에 구리판과 같은 금속전극 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e)을 배열하고, 그 위에 P형 반도체 (104a)와 N형 반도체 (104b)를 교대로 형성한다. 그 결과, P형 반도체 (104a)와 N형 반도체 (104b)는 금속 전극 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e)을 통해 서로의 일단이 전기적으로 연결된다. 또한, 반도체와 전극 사이에는 확산 방지를 위한 확산 방지막 (103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f, 103g, 및 103h)이 형성되어 있다.
한편, 종래의 열전소자 냉각방식은 반도체를 BiTe계의 재료를 사용하여 반도체를 제작하는데, 여기에서 열전효율을 나타내는 열전계수 Z값이 상대적으로 낮은 N형 반도체를 동시에 사용해야 하는 단점이 있다. 이는 P형 반도체와 N형 반도체를 함께 사용하여야 두 반도체의 전자 차이로 인해 흡열과 발열이 일어나기 때문이다.
그러나 이 경우 발생되는 발열은 냉장고와 같은 냉각용 제품에 사용할 경우에 발생되는 열을 처리하기가 어렵다는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, P형 또는 N형 반도체만을 사용하여, 발열 현상을 제거함으로써, 냉각용에 사용하기 적합하며, 특히, P형 반도체만을 사용하는 경우 열전효율을 높일 수 있는 냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자의 구조는 전극에 의해 각각의 일단이 서로 전기적으로 연결되며, 서로 상이한 전자 도핑 농도를 갖는 복수의 반도체를 포함하되, 상기 복수의 반도체는 P형 반도체 또는 N형 반도체 중 하나만으로 구성되며, 상기 전자 도핑 농도는 인접한 반도체 순으로 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각전용 열전소자는, 상기 전극과 반도체 사이에 형성된 확산 방지막을 더 포함할 수 있고, 여기서, 상기 전극은 상기 반도체의 상, 하부에 형성되며, 상기 냉각전용 열전소자는, 상기 상, 하부 전극 각각의 외면에 형성된 상, 하부 절연기판을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 상, 하부 절연기판의 재료는 알루미나인 것이 바람직하며, 전술한 상기 P형 반도체에 도핑된 물질은 5족 원소 이상의 물질일 수 있다. 이 경우, 상기 5족 원소 이상의 물질은 안티몬 (Sb) 및 셀레늄 (Se) 중 하나 이상이다.
또한, 전술한 상기 N형 반도체에 도핑된 물질은 3족 원소 이하의 물질일 수 있다. 이 경우, 상기 3족 원소 이하의 물질은 붕소 (B), 갈륨 (Ga), 및 인듐 (In) 중 하나 이상이다.
한편, 본 발명에 따른 냉각전용 열전소자의 제조방법은, (a) P형 반도체 또는 N형 반도체 중 하나만으로 구성된 복수의 반도체를 인접한 반도체 순으로 전자 농도가 증가하거나 감소하도록 도핑하는 단계; (b) 상기 복수의 반도체 각각의 일단을 전극에 의해 서로 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 복수의 반도체의 양단에 확산 방지막을 형성하는 단계; (b2) 상기 확산 방지막이 양단에 형성된 복수의 반도체의 일단을 전극에 의해 서로 전기적으로 연결하는 단계로 구성될 수 있다.
또한, 상기 (b2) 단계는, 상기 전극을 상기 반도체의 상, 하부에 형성하며, 상기 냉각전용 열전소자 제조 방법은, (c) 상기 상, 하부의 전극 각각의 상, 하부에 절연기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
그리고 상기 (c) 단계의 상, 하부에 형성된 절연기판의 재료는 알루미나인 것이 바람직하다.
또한, 전술한 상기 (a) 단계는, P형 반도체만으로 구성된 복수의 반도체에 5족 원소 이상의 물질을 도핑하거나, N형 반도체만으로 구성된 복수의 반도체에 3족 원소 이하의 물질을 도핑하는 단계일 수 있다.
본 발명에 의해, P형 또는 N형 중 한 종류의 반도체만으로 열전소자를 제작할 수 있다. 또한, 발열반응이 발생하지 않으므로 냉각용으로 사용하기에 적합하다.
도 1은 종래 기술에 따라 펠티에 효과를 이용한 열전소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자 제조방법의 공정 단면도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자 및 그 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자는 절연기판 (101a 및 101b), 금속전극 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e), 확산방지막 (103a, 103b. 103c, 103d, 103e, 103f, 103g, 및 103h), P형 반도체 (105a, 105b, 105c, 및 105d)로 구성된다.
더욱 상세하게는, 서로 마주 보는 절연기판 (101a 및 101b) 사이에 상, 하부 금속 전극들 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e)이 형성되고, 상부 금속 전극 (102a 및 102b)과 하부 금속 전극(102c, 102d, 및 102e) 사이에 복수의 P형 반도체 (105a, 105b, 105c, 및 105d)가 배열된다. 복수의 P형 반도체들 (105a, 105b, 105c, 및 105d)은 양단에 금속전극 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e)이 연결되며, 이 경우, 금속전극 (102a)은 P형 반도체 (105a)와 P형 반도체 (105b)를 연결하고, 금속전극 (102d)은 P형 반도체 (105b)와 P형 반도체 (105c)를 연결하고, 금속전극 (102b)은 P형 반도체 (105c)
와 P형 반도체 (105d)를 연결한다. 또한, 금속전극 (102c)과 금속전극 (102e)에는 전원 (미도시)이 공급된다. 또한, 금속전극과 반도체 사이에는 확산 방지를 위한 막, 즉 확산 방지막 (103a, 103b. 103c, 103d, 103e, 103f, 103g, 및 103h)이 형성되는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에서 사용되는 P형 반도체는, 좌측에서 우측 순으로 (105a, 105b, 105c, 105d) 또는 우측에서 좌측 순으로 (105d, 105c,105b, 105a) 갈수록 전자 농도가 상대적으로 높거나 낮아진다. 예를 들어, 전자 농도가 좌측에서 우측 순으로 (105a, 105b, 105c, 105d) 높아지는 경우, 흡열반응이 일어난다. 여기서 전자의 도핑은 IMD (Ion Mass Doping) 장비를 이용하여 P형 반도체 (105a)의 전자 농도를 1020, P형 반도체 (105b)의 전자 농도를 1021, P형 반도체 (105c)의 전자농도를 1022, P형 반도체 (105d)의 전자 농도를 1023도핑하고 Furnace 장비를 이용하여 도핑된 물질을 활성화시킨 것이다. 한편, 도핑물질은 안티몬 (Sb)과 셀레늄 (Se) 등의 5족 원소 이상의 도너(donor) 물질을 사용하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 5족 원소 이상의 물질은 모두 도핑 가능하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자는 N형 반도체만을 사용할 수도 있다. 이러한 N형 반도체만을 사용한 냉각전용 열전소자의 구성은 P형 반도체 대신 N형 반도체를 사용한 것을 제외하고는 도 2의 구성과 동일하다. 다만, P형 반도체만을 사용한 냉각전용 열전소자에 비해 열전효율이 떨어지는 단점이 있다, 그러나 여전히 한가지 타입의 반도체만을 사용하기 때문에 발열반응이 일어나지 않고 흡열반응만 발생하여 냉각용 장치에 적합하게 이용될 수 있다. 이와 같이, 농도차이를 주기 위해, N형 반도체를 이용하는 경우 붕소 (B), 갈륨 (Ga), 인듐 (In) 등의 3족 원소 이하의 어셉터 (acceptor) 물질을 사용하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 3족 원소 이하의 물질은 모두 도핑 가능하다.
그 결과, P형 반도체 또는 N형 반도체만으로 구성된 열전소자는 펠티에 효과의 흡열반응만 작용하여 냉각용 장치에 사용하기에 적합하다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각전용 열전소자 제조방법의 공정 단면도이다. 도 3을 참조하면, 우선 전자 농도가 다르도록 복수의 P형 반도체 또는 N형 반도체 (105a, 105b, 105c, 및 105d)를 제조한다. 여기서, 전자 농도는 인접한 반도체 순으로 증가하거나 감소하도록 도핑되며, P형 반도체와 N형 반도체에 도핑되는 원소는 전술한 바와 같다 (S1). 그 후, 복수의 반도체 (105a, 105b, 105c, 및 105d)의 각각의 일단을 금속 전극 (102a, 102b, 102c, 102d, 및 102e)에 의해 서로 전기적으로 연결한다 (S2). 이 경우, 복수의 반도체의 양단에 확산 방지막을 형성하고, 양단에 확산 방지막이 형성된 복수의 반도체의 일단을 전극에 의해 서로 전기적으로 연결하는 것이 바람직하다.
특히, 금속 전극들은 도시된 바와 같이 반도체의 상, 하부에 형성하며, 이러한 상부와 하부에 형성된 금속 전극 각각의 상부와 하부에 절연기판을 형성한다. 특히, 절연기판의 재료는 알루미나인 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101a, 101b: 절연기판 102a, 102b, 102c, 102d: 금속전극
103a, 103b, 103c, 103d, 103e, 103f, 103g, 103h: 확산 방지막
104a: 종래기술의 P형 반도체 104b: 종래기술의 N형 반도체
105a, 105b, 105c, 105d: 본 발명의 N형 또는 P형 반도체

Claims (13)

  1. 전극에 의해 각각의 일단이 서로 전기적으로 연결되며, 서로 상이한 전자 도핑 농도를 갖는 복수의 반도체를 포함하되,
    상기 복수의 반도체는 P형 반도체 또는 N형 반도체 중 하나만으로 구성되며,
    상기 전자 도핑 농도는 인접한 반도체 순으로 증가하거나 감소하는 냉각전용 열전소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각전용 열전소자는,
    상기 전극과 반도체 사이에 형성된 확산 방지막을 더 포함하는 냉각전용 열전소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극은 상기 반도체의 상, 하부에 형성되며,
    상기 냉각전용 열전소자는,
    상기 상, 하부 전극 각각의 외면에 형성된 상, 하부 절연기판을 더 포함하는 냉각전용 열전소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상, 하부 절연기판의 재료는 알루미나인 냉각전용 열전소자.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 P형 반도체에 도핑된 물질은 5족 원소 이상의 물질인 냉각전용 열전소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 5족 원소 이상의 물질은 안티몬 (Sb) 및 셀레늄 (Se) 중 하나 이상인 냉각전용 열전소자.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 N형 반도체에 도핑된 물질은 3족 원소 이하의 물질인 냉각전용 열전소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 3족 원소 이하의 물질은 붕소 (B), 갈륨 (Ga), 및 인듐 (In) 중 하나 이상인 냉각전용 열전소자.
  9. (a) P형 반도체 또는 N형 반도체 중 하나만으로 구성된 복수의 반도체를 인접한 반도체 순으로 전자 농도가 증가하거나 감소하도록 도핑하는 단계;
    (b) 상기 복수의 반도체 각각의 일단을 전극에 의해 서로 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 냉각전용 열전소자 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 복수의 반도체의 양단에 확산 방지막을 형성하는 단계;
    (b2) 상기 확산 방지막이 양단에 형성된 복수의 반도체의 일단을 전극에 의해 서로 전기적으로 연결하는 단계인 냉각전용 열전소자 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 (b2) 단계는,
    상기 전극을 상기 반도체의 상, 하부에 형성하며,
    상기 냉각전용 열전소자 제조 방법은,
    (c) 상기 상, 하부의 전극 각각의 상, 하부에 절연기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 냉각전용 열전소자 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 상, 하부에 형성된 절연기판의 재료는 알루미나인 냉각전용 열전소자 제조 방법.
  13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    P형 반도체만으로 구성된 복수의 반도체에 5족 원소 이상의 물질을 도핑하거나,
    N형 반도체만으로 구성된 복수의 반도체에 3족 원소 이하의 물질을 도핑하는 단계인 냉각전용 열전소자 제조 방법.
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