KR20140036793A - 그래핀 방열판을 갖는 열전소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 제 1 절연 패턴과 제 2 절연 패턴을 포함하는 기판, 상기 제 1 절연 패턴 및 제 2 절연 패턴 상에 각각 서로 이격되어 배치된 열 흡수막 및 열 방출막, 상기 열 흡수막 및 열 방출막을 연결하는 나노선들, 및 상기 열 방출막을 감싸는 방열층을 포함하고, 상기 방열층은 그래핀으로 이루어진다.

Description

그래핀 방열판을 갖는 열전소자 및 그 제조 방법{Thermoelectric device with graphene heat dissipator and method of fabricating the same}
본 발명은 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 효율적 온도 차 유지를 통해 신뢰성이 보다 향상된 그래핀 방열판을 갖는 열전소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 에너지 자원의 고갈과 유가 에너지 폭등에 의하여 새로운 에너지 자원의 개발과 에너지원의 대체 에너지 또는 청정에너지 개발 등의 필요성이 크게 증가하고 있다. 청정 에너지로는 태양 에너지, 청정에너지로 풍력, 조력, 지열과 같은 신재생 에너지가 있다. 특히, 가장 각광을 받고 있는 태양에너지는 무제한의 공급과 에너지원에 대한 로열티가 없어 인기가 있는 에너지이다. 태양 에너지 또는 신재생 에너지가 휴대폰, 노트북, RFID(Radio frequency identification) 등과 같은 전자 통신 기기에 적용하기 위해서는 전자 통신 기기의 소형화가 가능해야 하며 소형화된 전자 통신 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있어야 한다. 하지만, 전자 통신 기기에 충분한 전력을 공급할 수 있는 청정 에너지가 없다.
이에 반해 열전 소자는 열에너지를 전기에너지로 변화하는 소자로서, 최근 에너지 및 친환경 정책을 동시에 충족시키는 대표적인 기술 분야 중 하나이다. 열전 소자의 열원은 태양열, 자동차 폐열, 지열, 체열, 방사능 상에 존재하는 모든 열을 그 에너지원으로 활용할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 효율적 온도 차 유지를 통해 신뢰성이 보다 향상된 그래핀 방열판을 갖는 열전소자에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 제 1 절연 패턴과 제 2 절연 패턴을 포함하는 기판, 상기 제 1 절연 패턴 및 제 2 절연 패턴 상에 각각 서로 이격되어 배치된 열 흡수막 및 열 방출막, 상기 열 흡수막 및 열 방출막을 연결하는 나노선들, 및 상기 열 방출막을 감싸는 방열층을 포함하고, 상기 방열층은 그래핀으로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자는 열 방출막 상에 그래핀으로 이루어진 방열층을 형성한다. 이에 따라, 열 흡수막에서 전달받은 열을 상기 열 방출막이 열전도도가 매우 좋은 상기 그래핀을 포함하는 상기 방열층에 의해서 효과적으로 열을 방출시킬 수 있다. 따라서, 상기 열 방출막의 온도 상승을 막아 상기 열 흡수막과 상기 열 방출막의 온도차를 유지시킬 수 있다. 또한, 상기 그래핀으로 이루어진 상기 방열층은 열증착 또는 스핀코팅과 같은 저가격의 공정으로 제조할 수 있기 때문에 제조 단가를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 열전소자의 개략적인 구조이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
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, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직구조의 열전소자의 개략적인 구조이다.
도 1을 참조하면, 열 흡수막(12)과 열 방출막(14)은 서로 이격되어 배치되어 있다. 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14)은 나노선들(16)에 의해 연결될 수 있다. 상기 열 흡수막(12)은 제 1 전극(5a)과 접촉될 수 있고, 상기 열 방출막(14)은 제 2 전극(5b)과 접촉될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 전극들(5a, 5b)에 의해서 상기 열 흡수막(12) 및 상기 열 방출막(14) 사이에 전압이 발생될 수 있다. 상기 열 흡수막(12)은 고온부일 수 있고, 상기 열 방출막(14)은 저온부일 수 있다.
상기 열전소자(100)는 상기 열 흡수막(12)에서 열을 흡수하고, 상기 나노선들(16)을 통해 상기 열 흡수막(12)에서 흡수된 열은 일정 부분 상기 열 방출막(14)에 전달된다. 상기 열 방출막(14)은 상기 열 흡수막(12)에 받은 열을 방출한다. 그러면, 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14) 사이에, 효과적인 온도 차에 의해 뜨거운 전자(electron) 혹은 정공의 농도 차이가 생기게 되고, 이에 따라 상기 열전소자(100)에 확산에 의한 전류가 흐를 수 있다. 전자, 정공은 각각 n, p 형 물질에 의해 생기는 캐리어다.
상기 열 방출막(14) 상에 방열층(18)이 더 배치될 수 있다. 상기 방열층(18)은 상기 열 방출막(14)의 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14) 및 나노선들(16)은 전기 전도도가 좋은 물질로 형성될 수 있다. 상기 방열층(18)은 열전도도가 높은 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 전극들(5a 5b)는 금속 물질로 형성될 수 있다.
열전소자의 열전효율을 가늠하는 지표로 ZT(figure of merit)값이 사용된다. 상기 ZT 값은 Seebeck coefficient의 제곱과 전기 전도도(electric conductivity)에 비례하고, 열전도도(thermal conductivity)에 반비례한다. 상기 ZT 값은 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14)의 온도 차, 열전도율 및 전기저항이 작을 때 큰 값을 가질 수 있다. 상기 열전소자(100)에 대한 더욱 자세한 내용은 도 2 및 도 3에서 설명될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 평면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 기판(10)을 준비한다.(S10) 상기 기판(10)은 제 1 기판(10a)과 제 2 기판(10b)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 기판(10a)과 상기 제 2 기판(10b)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판, SOI(Silicon on insulator) 기판 또는 이들 기판들이 결합된 다층구조의 기판으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 기판(10a) 상에 제 1 절연 패턴(11a)과 상기 제 2 기판(10b) 상에 제 2 절연 패턴(11b)이 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 절연 패턴들(11a, 11b)은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 절연 패턴들(11a, 11b)은 낮은 열전도도를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 상기 절연 패턴들(11a, 11b)는 상기 제 1 기판(10a) 및 상기 제 2 기판(10b) 상에 제공된 실리콘 산화막일 수 있다. 또는 상기 SOI기판의 매몰 절연막(buried oxide)일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 열 흡수막(12), 열 방출막(14) 및 나노선들(16)을 형성한다.(S20) 상세하게, 상기 제 1 절연 패턴(11a) 상에 상기 열 흡수막(12)이 형성될 수 있고, 상기 제 2 절연 패턴(11b) 상에 열 방출막(14)이 형성될 수 있다. 상기 나노선들(16)은 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14) 사이를 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 나노선들(16)은 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14)이 형성되기 전에 형성될 수 있다.
상기 나노선들(16)은 상기 제 1 및 제 2 절연 패턴들(11a 11b) 상에 형성될 수 있다. 상기 나노선들(16)은 상기 기판(10)과 이격되어 형성될 수 있다. 상기 나노선들(16)은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법을 이용하여 성장시켜 형성할 수 있다. 상기 나노선들(16)의 지름 또는 폭은 100nm일 수 있다. 상기 나노선들(16)은 비스무스(Bi), 안티몬계 알로이나, 실리콘 게르마늄(Si1 - xGex), 또는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 상기 나노선들(16)은 P형 또는 N형으로 도핑된 물질로 형성될 수 있다.
상기 나노선들(16)이 형성된 후에 상기 나노선들(16)의 일단에 상기 열 흡수막(12)이 형성될 수 있고, 상기 나노선들(16)의 타단에 상기 열 방출막(14)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 열 흡수막(12)에서는 외부 열원(heat source)을 흡수하며, 상기 열 방출막(14)에서 상기 열 흡수막(12)에서 흡수된 상기 외부 열원을 외부로 방출한다. 상기 외부 열원은 상기 나노선들(16)에 의해 상기 열 흡수막(12)에서 상기 열 방출막(14)으로 전달될 수 있다. 상기 열 흡수막(12) 및 상기 열 방출막(14)은 실리콘막일 수 있다.
상기 열 방출막(14) 상에 방열층(18)을 형성한다.(S30) 상기 방열층(18)은 상기 열 방출막(14)을 완전히 덮도록 형성될 수 있다. 이에 다르게, 상기 방열층(18)은 상기 열 방출막(14)의 일부분만 덮도록 형성될 수 있다. 상기 방열층(18)은 전사법 또는 화학 기상 증착법으로 형성될 수 있다. 상기 방열층(18)은 열전도도가 높은 물질로 예를 들어, 그래핀(Graphene)으로 형성될 수 있다. 상기 방열층(18)은 단층 또는 여러층의 그래핀으로 이루어질 수 있다.
일반적으로 방열물질로 사용되고 있는 물질은 열전도도가 높은 유기물, 무기물, 또는 금속이다. 구리의 열전도도보다 10배(4,000 W/MK) 보다 큰 열전도도를 가진 그래핀을 상기 방열층(18)으로 사용함으로써 상기 열 방출막(14)의 방열 효과를 극대화시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 열 방출막(14)으로 전달된 열이 빠르기 방출되면서 상기 열 흡수막(12)과 상기 열 방출막(14) 사이의 온도차를 크게 유지시켜줄 수 있어 고효율의 열전 소자(100)를 형성할 수 있다.
상기 열전 소자(100)에 어닐링 공정을 수행한다.(S40) 상기 어닐링 공정을 수행하여 상기 열전 소자(100)의 구조를 안정화시킬 수 있다.
이상, 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 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판
12: 열 흡수막
14: 열 방출막
16: 나노선들
18: 방열층
100: 열전소자

Claims (1)

  1. 제 1 절연 패턴과 제 2 절연 패턴을 포함하는 기판;
    상기 제 1 절연 패턴 및 상기 제 2 절연 패턴 상에 각각 서로 이격되어 배치된 열 흡수막 및 열 방출막;
    상기 열 흡수막 및 열 방출막을 연결하는 나노선들; 및
    상기 열 방출막을 감싸는 방열층을 포함하되,
    상기 방열층은 그래핀(Graphene)으로 이루어진 열전소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104183691B (zh) * 2014-07-18 2017-01-25 浙江大学 平面型柔性温差发电结构
CN112802954A (zh) * 2019-11-13 2021-05-14 银河制版印刷有限公司 热电温差发电装置及其制造方法

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