KR20170004464A - 열전 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 소자의 열전 성능이 향상되고, 기판과 전극 사이의 접합이 안정적으로 유지되며, 제조가 용이하고 고온에서 신뢰성을 갖는 열전 모듈을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈은, 실리콘 재질로 구성된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 구비된 전극; 및 벌크 형태로 소결된 열전 재료로 구성되며, 상기 전극에 접합된 열전 소자를 포함한다.

Description

열전 모듈 및 그 제조 방법{Thermoelectric module and method for manufacturing the same}
본 발명은 열전 기술에 관한 것으로서, 특히 열전 성능이 향상되고 제조가 용이하며 기판과 전극 사이의 접합력이 우수하고 고온에서 신뢰성을 갖는 열전 모듈과 그러한 열전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다. 이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 가역적이고도 직접적인 에너지 변환을 의미한다. 이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
열전 모듈은, 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 열전소자(thermoelectric element : TE)와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 열전소자로 이루어진 p-n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있다. 그리고, 이러한 열전 모듈은, p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다. 또한, 열전 모듈은, 열전 모듈의 외부에 배치되어 전극 등의 구성요소를 외부와 전기적으로 절연시키고, 외부의 물리적 또는 화학적 요소로부터 열전 모듈을 보호하기 위해 기판을 구비할 수 있다.
열전 모듈에 대해서는, 열전 소자의 우수한 열전 변환 성능, 기판과 전극 사이의 접합 안정성, 제조 용이성, 고온 신뢰성 등 다양한 특성이 요구되고 있다. 따라서, 이러한 다양한 특성들을 충분하게 만족시킬 수 있는 열전 모듈에 대한 개발이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 열전 소자의 열전 성능이 향상되고, 기판과 전극 사이의 접합이 안정적으로 유지되며, 제조가 용이하고 고온에서 신뢰성을 갖는 열전 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 실리콘 재질로 구성된 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 구비된 전극; 및 벌크 형태로 소결된 열전 재료로 구성되며, 상기 전극에 접합된 열전 소자를 포함한다.
여기서, 상기 열전 소자는, n형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되어 구성되며 상기 전극의 일단에 접합된 n형 열전 소자 및 p형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되어 구성되며 상기 전극의 타단에 접합된 p형 열전 소자를 구비할 수 있다.
또한, 상기 전극은, 상기 실리콘 기판의 일부가 불순물로 도핑되어 형성된 도핑부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판은 p형이고 상기 도핑부는 n형으로 도핑되거나, 상기 실리콘 기판은 n형이고 상기 도핑부는 p형으로 도핑될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판과 상기 전극 사이에 결핍 영역이 형성될 수 있다.
또한, 상기 도핑부의 도핑 농도는, 1017/cm3 내지 1020/cm3일 수 있다.
또한, 상기 전극은, 상기 도핑부와 상기 열전 소자 사이에 메탈 실리사이드부를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판은 상부 기판 및 하부 기판을 구비하고, 상기 전극은 상기 하부 기판의 상부 표면에 패터닝된 하나 이상의 하부 전극 및 상기 상부 기판의 하부 표면에 패터닝된 하나 이상의 상부 전극을 구비할 수 있다.
또한, 상기 전극에는 오목부가 형성되고, 상기 열전 소자는 단부가 상기 오목부에 삽입된 상태로 접합될 수 있다.
또한, 상기 열전 소자는, 수평 방향 단면적의 평균 길이가 1mm 이하일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 실리콘 재질로 구성된 실리콘 기판을 마련하는 단계; 상기 실리콘 기판에 전극을 구비하는 단계; 열전 재료를 소결하여 벌크 형태의 열전 소자를 마련하는 단계; 및 상기 벌크 형태의 열전 소자를 상기 전극에 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전극 구비 단계는, 상기 실리콘 기판의 일부를 불순물로 도핑하는 구성을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 구비 단계는, 상기 불순물로 도핑된 부분에 금속 재료를 부착한 후 열처리하여 메탈 실리사이드를 형성하는 구성을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 구비 단계는, 상기 전극에 오목부를 형성하는 구성을 포함하고, 상기 전극 접합 단계는, 상기 전극의 오목부에 상기 벌크 형태의 열전 소자를 삽입하는 구성을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 열전 냉각 장치는, 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 열전 모듈의 기판으로서 실리콘 재질의 기판이 채용됨으로써, 기판의 열전도도가 우수하고, CMOS 등의 전자 소자와 모놀리식 집적(monolithic integration)이 가능할 수 있다. 특히, 실리콘 제조 기술의 경우, 충분하게 발전되어 있으므로, 이와 같이 발전된 실리콘 제조 기술을 이용하는 경우, 열전 모듈의 기판을 신속하게 대량으로 용이하게 제조할 수 있다. 이를테면, 본 발명에 따른 열전 모듈에 포함되는 기판을 제조하기 위하여, 실리콘 웨이퍼 제조 기술이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 열전 소자가 소결을 통해 치밀한 구조를 갖는 벌크 형태로 구성되어 있으므로, 종전의 증착 방식으로 형성되는 열전 소자에 비해 우수한 열전 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 실리콘 기판의 일부가 불순물로 도핑됨으로써 전극이 형성될 수 있다. 따라서, 기판과 전극이 하나의 바디로 구성되어 있다고 할 수 있으며, 이로 인해 기판과 전극 사이의 결합 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 특히, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 열응력 등으로 인해 기판과 전극이 디라미네이션(de-lamination)되는 것이 방지될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 작은 크기의 열전 소자가 전극에 구비되도록 함으로써, 열응력에 의한 전극과 열전 소자 사이의 접합 불량을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 고온에서 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈에 열전 소자가 포함되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 도 4의 열전 모듈 구성을 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈에서 하부 기판에 형성된 전극의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은, 도 6의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 8은, 도 7의 구성에 열전 소자가 포함된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 실리콘 기판(100), 전극(200) 및 열전 소자(300)를 포함한다.
상기 실리콘 기판(100)은, 판상으로 구성되며 열전 모듈의 외부에 배치되어 열전 소자(300) 등 열전 모듈의 여러 구성요소를 보호하고, 열전 모듈과 외부 사이에 전기적 절연성을 유지시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서 상기 실리콘 기판(100)은, 실리콘 재질로 구성되는데, 실리콘은 전기적 절연성이 우수하고, 열전도도가 대략 150 W/mK 정도로 높다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 종전의 알루미나 기판 등에 비해 기판을 통한 열의 흐름이 더욱 좋아질 수 있다.
그리고, 상기 실리콘 기판(100)의 경우, 현재 많이 발전된 실리콘 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있으므로, 제조가 더욱 용이할 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 기판은, 실리콘 웨이퍼 제조 공정에 의해 제조된 실리콘 웨이퍼가 적절한 형태로 커팅되는 방식으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판의 경우, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등의 전자 소자와 모놀리식 집적(monolithic integration)이 가능하다는 점에서 장점을 가질 수 있다.
상기 전극(200)은, 전기 전도성을 가져 전류가 흐를 수 있도록 한다. 그리고, 상기 전극(200)은, 상기 실리콘 기판(100)에 구비될 수 있다. 특히, 상기 전극(200)은, 실리콘 기판(100)의 적어도 일 표면에 노출되도록 구성되어, 열전 소자(300)가 마운팅되도록 할 수 있다. 특히, 상기 전극(200)에는 적어도 2개의 열전 소자(300)가 마운팅될 수 있으며, 이들 2개의 열전 소자(300) 사이에서 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공한다.
상기 열전 소자(300)는, 열전 재료, 즉 열전 반도체로 구성될 수 있다. 열전 반도체에는, 칼코게나이드(chalcogenide)계, 스쿠테루다이트(skutterudite)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half heusler)계 등 다양한 종류의 열전 재료가 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전 반도체가 열전 소자(300)의 재료로 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 열전 소자(300)는, 열전 재료가 벌크 형태로 소결된 형태로 구성될 수 있다. 종래의 열전 모듈에 있어서 열전 소자는 주로 증착법을 통해 전극에 구성되는 경우가 많다. 하지만, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 열전 소자(300)는 전극(200)에 증착되는 형태로 구성되지 않고, 벌크 형태로 먼저 소결될 수 있다. 그리고, 그 이후 이러한 벌크 형태의 열전 소자(300)는 전극(200)에 접합될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2에 도시된 구성을 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈에 열전 소자(300)가 포함되는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 열전 소자(300)는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 벌크 형태로 제조될 수 있다. 이때, 이러한 벌크 형태의 열전 소자(300)는, 열전 소자(300)의 각 원료를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합된 원료를 열처리하여 합성물을 형성하는 단계 및 합성물을 소결하는 단계를 포함하는 제조 방식에 의해 제조될 수 있다. 그리고, 소결 단계에서 소결된 열전 재료는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 벌크 형태로 형성될 수 있다.
다음으로, 이와 같이 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 열전 모듈에 적용되기에 적합한 크기 및/또는 형태로 가공될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형 벌크 형태로 소결된 열전 재료는, 그보다 작은 크기의 육면체형 벌크 형태로 커팅될 수 있다.
그리고, 이와 같이 보다 작은 벌크 형태로 가공된 열전 재료는, 열전 소자(300)로서, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 실리콘 기판(100)의 전극(200)에 접합될 수 있다. 여기서, 벌크 형태의 열전 소자(300)와 전극(200)의 접합은 소결과 같은 열처리나 솔더링 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 특정 접합 방식으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 열전 소자(300)가 벌크 형태로 소결된 후 전극(200)에 접합되는 구성에 의하면, 열전 소자(300)가 소결을 통해 치밀한 구조를 이루고 있으므로, 종래의 열전 소자, 특히 증착 형태로 구성되는 종래의 열전 소자에 비해 열전 성능이 향상될 수 있다.
상기 열전 소자(300)는, 열전 레그 등으로 지칭될 수 있으며, n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)를 구비할 수 있다. 여기서, n형 열전 소자(310)는, n형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, p형 열전 소자(320)는, p형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되는 형태로 구성될 수 있다. 이때, n형 열전 재료는 홀이 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있고, p형 열전 재료는 전자가 이동하여 열 에너지를 이동시킬 수 있다. 이러한 n형 열전 재료와 p형 열전 재료로는, 본원 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 재료가 채용될 수 있으므로, 이에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 열전 소자(300)는, n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)가 쌍을 이루어 하나의 기본 단위를 구성할 수 있다. 그리고, n형 열전 소자(310) 및/또는 p형 열전 소자(320)는 둘 이상 구비됨으로써, 다수의 쌍을 이룰 수 있다. 또한, 이러한 n형 열전 소자(310)와 p형 열전 소자(320)는 교호적으로 배열됨으로써 다수의 n형 열전 소자(310)-p형 열전 소자(320) 쌍을 형성할 수 있다.
상기 n형 열전 소자(310)와 상기 p형 열전 소자(320)는, 전극(200)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 전극(200)을 기준으로, n형 열전 소자(310)는 전극(200)의 일단에 접합되고 p형 열전 소자(320)는 전극(200)의 타단에 접합될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 열전 모듈에 있어서, 상기 전극(200)은, 도핑부를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 도핑부는, 실리콘 기판(100)의 일부가 불순물로 도핑된 부분이라 할 수 있다. 즉, 상기 전극(200)의 적어도 일부는, 실리콘 기판(100)의 일부가 도핑된 형태로 형성될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 전극(200)은, 실리콘 기판(100)의 일부를 불순물로 도핑함으로써 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극(200)은, 실리콘 기판(100)의 일부를 붕소(B)나 인(P), 비소(As)와 같은 불순물로 도핑함으로써 형성될 수 있으므로, 도면에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 일부 표면 부근에 형성될 수 있다. 이때, 실리콘 기판(100)을 불순물로 도핑하는 방식으로는, 이온 주입(ion implantation)이나 열 확산(thermal diffusion) 등의 방식을 들 수 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 특정 도핑 방식으로 한정되는 것은 아니다.
이처럼, 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈의 전극(200)은 실리콘 기판(100)의 일부를 도핑함으로써 형성될 수 있기 때문에, 전극(200)과 실리콘 기판(100)은 서로 일체화된 몸체를 갖는다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 실리콘 기판(100)과 전극(200) 사이의 결합력이 매우 높으며, 서로 쉽게 분리되지 않을 수 있다. 특히, 일반 열전 모듈이 고온에서 사용되는 경우, 기판과 전극(200) 사이에 열팽창계수(CTE)의 차이에 의한 열응력으로 기판과 전극(200)이 디라미네이션(de-lamination)되는 문제점이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 고온에서 사용되더라도 실리콘 기판(100)과 전극(200) 사이가 디라미네이션되는 문제는 쉽게 발생하지 않을 수 있다.
또한, 상기 실시예와 같이 전극(200)이 실리콘 기판(100)의 일부를 불순물로 도핑함으로써 형성되는 구성에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극(200)의 표면이 실리콘 기판(100)의 표면에 비해 내측 방향으로 돌출되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 모듈의 소형화를 달성하기가 용이하다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 동일한 크기의 열전 모듈에 대하여 열전 소자(300)의 크기를 보다 크게 하여 열전 성능을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 종전 열전 모듈의 경우, 전극은 접착제를 통해 기판에 부착되거나 증착 및 도금을 통해 기판에 형성되는 방식으로 구비되는 경우가 많다. 하지만, 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈의 경우, 전극(200)은 상기 설명한 바와 같이 실리콘 기판(100)의 일부가 도핑되는 형태로 형성되므로, 접착제와 같은 추가 레이어가 없어 열전도도 면에서 우수한 특성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 열전 모듈의 경우, 전극(200)을 증착하는 방법에 비하여 우수한 전극 접착력을 가지며, 고농도 도핑을 통해 동일 전극 두께 대비 높은 전기 전도도가 전극에 부여되도록 할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서, 실리콘 기판(100)은 p형이고, 도핑부(210)는 n형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 기판(100)은 전체적으로 알루미늄(Al)이나, 갈륨(Ga), 인듐(In)과 같은 3족 원소를 불순물로 첨가함으로써 p형 반도체로서 마련될 수 있다. 그리고, 전극(200)은 실리콘 기판(100)의 일부에 대하여 5족 원소, 이를테면 인이나 비소 등의 원소를 불순물로서 고농도로 도핑함으로써 n형 반도체로 형성될 수 있다. 또는, 이와 반대로 실리콘 기판(100)은 n형이고, 도핑부(210)는 p형으로 도핑될 수 있다.
여기서, 실리콘 기판(100)과 전극(200) 사이에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 결핍(depletion) 영역이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘 기판(100)은 p형이고, 전극(200)의 도핑부(210)는 n형으로 형성된 경우, 실리콘 기판(100)과 전극(200) 사이에는 결핍 영역(400)이 형성될 수 있다. 특히, 전극(200)의 도핑부(210)는 실리콘 기판(100)의 일부 표면에서 두께 방향으로 소정 깊이만큼 형성될 수 있는데, 결핍 영역(400)은 이러한 전극(200)의 도핑부(210)의 하부를 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 결핍 영역(400)에 의해 서로 다른 전극(200) 사이에 전기적 절연성이 부여될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 구성을 참조하면, 실리콘 기판(100)에 형성된 각 전극(200)은 수평 방향으로 서로 인접하게 위치될 수 있으나, 각 전극(200) 사이에는 수평 방향으로 결핍 영역(400)이 위치할 수 있다. 더욱이, 전극(200) 사이에는, 도면에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 결핍 영역(400)이 존재할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극(200)과 전극(200) 사이에 절연성이 안정적으로 확보될 수 있다.
상기 전극(200)의 도핑부(210)는, 대략 1020/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 도핑부(210)는, 1017/cm3 내지 1020/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 이 경우, 전극(200)에 대하여 전기 전도도가 높게 안정적으로 확보될 수 있고, 전극(200)과 실리콘 기판(100) 사이에 결핍 영역(400)이 적절한 두께로 형성되며, 도핑 공정이 용이하게 이루어질 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 전극(200)은, 메탈 실리사이드부(220)를 더 구비할 수 있다. 상기 메탈 실리사이드부(220)는, 도핑부(210)와 열전 소자(300) 사이에 배치될 수 있다. 상기 메탈 실리사이드부(220)는, 금속이 도핑부(210)의 실리콘과 접촉되어 실리콘화되는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 메탈 실리사이드부(220)의 형성 구성에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 도 4의 열전 모듈 구성을 제조하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(100)의 일부분을 도핑하여 도핑부(210)가 형성되면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 도핑부(210)의 표면에 금속(M)을 구비시킨다. 이때, 금속(M)은 구리(Cu)와 같은 재료가 사용될 수 있으며, 증착 등의 방식으로 도핑부(210)의 표면에 구비될 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 특정 금속 종류나 특정 구비 방식에 의해 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 도핑부(210)의 표면에 금속(M)이 구비된 상태에서 열처리가 수행되면, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 금속(M)과 도핑부(210) 사이의 접촉 부분을 중심으로 메탈 실리사이드화(metal silicidation)가 진행될 수 있다. 예를 들어, 도핑부(210)의 상부에 구리가 놓인 상태에서 열처리가 수행되면 구리 실리사이드(copper silicide)가 형성될 수 있다.
여기서, 메탈 실리사이드부(220)를 형성하기 위한 열처리 조건은 상황에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 메탈 실리사이드부(220)를 형성하기 위한 열처리는, 200℃ 내지 500℃의 온도에서, 15초 내지 180초의 시간 동안 수행될 수 있다. 이때, 열처리는, RTA(Rapid Thermal Annealing) 방식으로 수행될 수 있다.
그리고, 이와 같은 메탈 실리사이드화를 통해 전극(200)으로서 도핑부(210)와 함께 메탈 실리사이드부(220)가 형성되면, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 이러한 전극(200)의 상부에 열전 소자(300)가 마운팅될 수 있다.
상기 실시예와 같이, 전극(200)에 메탈 실리사이드부(220)가 구비된 구성에 의하면, 전기 전도도를 향상시켜 고전류 열전 모듈 등의 응용에 보다 유용해질 수 있다. 즉, 고전류 열전 모듈 등의 경우, 높은 전기 전도도를 필요로 하며 전극(200)의 두께가 일정 수준 이상 확보되는 것이 좋다. 그러므로, 도핑부(210)에 더하여 메탈 실리사이드부(220)가 전극(200)에 함께 포함되면, 전극(200)의 전기 전도도 및 두께가 일정 수준 이상 안정적으로 확보될 수 있다. 또한, 메탈 실리사이드부(220)는, 도핑부(210)와 충분한 결합력을 갖고 있으므로, 열전 모듈의 제조나 사용 시, 전극(200)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 실리콘 기판(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 기판(110) 및 하부 기판(120)을 구비할 수 있다. 그리고, 상기 전극(200)은, 상부 기판(110) 및 하부 기판(120)에 각각 구비될 수 있다. 즉, 상기 전극(200)은, 하부 전극 및 상부 전극을 구비할 수 있다. 여기서, 하부 전극은, 하부 기판(120)의 상부 표면에 도핑을 통해 패터닝된 형태로 구성되며, 하부 기판(120)에 하나 이상 구비될 수 있다. 그리고, 상부 전극은, 상부 기판(110)의 하부 표면에 도핑을 통해 패터닝된 형태로 구성되며, 상부 기판(110)에 하나 이상 구비될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈에서 하부 기판(120)에 형성된 전극(200)의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 그리고, 도 7은 도 6의 A-A'선에 대한 단면도이고, 도 8은 도 7의 구성에 열전 소자(300)가 포함된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 전극(200)에는 오목부(C)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(120)에 형성된 전극(200)의 경우, 전극(200)의 일부는 하부 방향으로 오목하게 형성된 오목부(C)를 구비할 수 있다. 그리고, 이러한 오목부(C)에는, 도 8에 도시된 바와 같이, 열전 소자(300)의 단부가 삽입되어 전극(200)에 접합될 수 있다.
특히, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 전극(200)에는 오목부(C)가 2개 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 2개의 오목부(C)는 상호 간 소정 거리 이격되는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 2개의 오목부(C) 중 하나에는 p형 열전 소자(320)가 삽입되고, 다른 하나에는 n형 열전 소자(310)가 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극(200) 및 기판과 열전 소자(300) 사이의 접합력이 향상되어, 열응력에 의한 불량이 감소될 수 있다. 특히, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 오목부(C)에 의해 열전 소자(300)와 전극(200) 사이의 접합 면적이 향상되어, 전극(200)과 열전 소자(300) 사이의 접합이 보다 견고해지고, 이들 사이의 열 전도 및 전기 전도의 흐름이 더욱 좋아질 수 있다.
상기와 같은 구성에서, 전극(200)에 오목부(C)는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 오목부(C)는, 전극(200)이 형성되기 전에 실리콘 기판(100)의 일부를 에칭하여 오목한 부분이 형성되도록 하고, 이러한 오목한 부분을 중심으로 도핑되도록 하여 전극(200)이 형성되도록 하는 한편 전극(200)에 오목부(C)가 형성되도록 할 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 오목부(C)가 형성된 상태에서도 전극(200)의 두께가 충분하게 형성될 수 있으므로, 전극(200)의 전기 전도도 등이 안정적으로 확보될 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 오목부 형성 방식으로 한정되는 것은 아니며, 오목부는 실리콘 기판(100)에 전극(200)이 형성된 이후에 전극(200) 자체를 에칭하는 방식으로 수행될 수도 있다.
상기 오목부(C)의 크기나 깊이는, 열전 모듈의 크기, 열전 소자(300)의 크기, 실리콘 기판(100)이나 전극(200)의 두께, 열전 소자(300)에 형성된 확산 방지층(diffusion barrier)의 두께 등과 같이 다양한 요소들을 고려하여 다르게 결정될 수 있다. 일례로, 상기 오목부는, 수십 um에서 수백 um의 두께로 형성될 수 있다.
한편, 상기 열전 소자(300)는, 수평 방향 단면적의 평균 길이가 1mm 이하로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 구성에서 각 열전 소자(300)는, 수평 방향 단면적이 정사각형 형태로 구성될 수 있는데, 이때 정사각형의 한 변의 길이는 1mm 이하로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 종래 열전 모듈에 비해 크기가 작은 열전 소자(300)를 갖는 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 각 열전 소자(300)와 전극(200) 사이의 접합 면적 크기가 작아질 수 있으므로, 열응력에 의한 불량이 감소될 수 있다. 즉, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 실리콘 기판(100)과 전극(200), 열전 소자(300) 사이의 열팽창계수의 차이에 의해 고온에서 열전 모듈의 신뢰성이 약화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열전 모듈을 소형화하는데 용이할 수 있다. 예를 들어, 열전 모듈의 실리콘 기판(100)을 정사각형 형태로 구성하되, 한 변의 길이를 대략 10mm 이하가 되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 모바일 기기나 곡면이 형성된 부분에 열전 모듈을 적용시키는 것이 보다 용이해질 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 열전 모듈 제조 방법은, 실리콘 기판 마련 단계(S110), 전극 구비 단계(S120), 열전 소자 마련 단계(S130) 및 접합 단계(S140)를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판 마련 단계(S110)는, 실리콘 재질로 구성된 기판을 마련하는 단계이다. 특히, 종전 열전 모듈의 경우, 주로 알루미나와 같은 세라믹 재질로 기판을 마련하였으나, 본 발명에 따른 열전 모듈의 경우, 실리콘 재질로 기판을 마련한다. 이러한 S110 단계는, 실리콘 웨이퍼 제조 공정과 같이, 본 발명의 출원 시점에 개발된 다양한 실리콘 제조 기술이 응용될 수 있다.
상기 전극 구비 단계(S120)는, 상기 S110 단계에서 마련된 실리콘 기판에 전극을 구비하는 단계이다. 이때, 상기 S120 단계는, 실리콘 기판의 일부를 불순물로 도핑하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 S120 단계는, 실리콘 기판의 일부 표면을 붕소나 인으로 도핑함으로써 전극이 형성되도록 할 수 있다.
더욱이, 상기 S120 단계는, 불순물로 도핑된 부분에 금속 재료를 부착한 후 열처리하여 메탈실리사이드를 형성하는 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 S120 단계는, 불순물로 도핑된 부분의 표면에 구리를 부착한 후 열처리하여 구리 실리사이드가 형성되도록 함으로써, 전극에 메탈 실리사이드가 포함되도록 할 수 있다. 이와 같이 전극에 메탈 실리사이드가 포함되도록 하는 구성은, 이를테면 도 5에 도시된 도면으로 설명될 수 있다.
상기 열전 소자(300) 마련 단계(S130)는, 벌크 형태의 열전 소자를 마련하는 단계이다. 이때, S130 단계에서 형성되는 벌크 형태의 열전 소자는, 원료를 열처리하여 합성한 후, 합성된 열전 재료를 소결하는 방식으로 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 벌크 형태로 마련된 열전 소자는, 적정 크기 및 형태로 가공될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 벌크 형태로 마련된 열전 소자는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 보다 작은 벌크 형태로 커팅될 수 있다.
한편, 도 9에서는 상기 S130 단계가 S120 단계 이후에 수행되는 것처럼 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 상기 S130 단계는 S110 단계나 S120 단계와 동시에 또는 그 이전에 수행될 수도 있음은 물론이다.
상기 접합 단계(S140)는, 상기 S130 단계에서 마련된 벌크 형태의 열전 소자(300)를 전극에 접합하는 단계이다. 이때, 열전 소자와 전극의 접합 방식은, 다양한 방식이 이용될 수 있다. 이를테면, 열전 소자와 전극의 접합 방식으로는, 실리콘 기판에 대한 부품 접착 방식이 이용될 수 있다.
상기 S140 단계에서, 열전 소자는 상부 기판에 형성된 상부 전극과 하부 기판에 형성된 하부 전극에 접합될 수 있다. 이때, 열전 소자는 상부 전극과 하부 전극에 함께 접합될 수 있다.
한편, 상기 S120 단계는, 전극에 오목부를 형성하는 구성을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 S140 단계는, 전극의 오목부에 벌크 형태의 열전 소자를 삽입하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 전극에는 오목부가 형성될 수 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이 열전 소자는 이러한 오목부에 삽입된 상태로 접합될 수 있다.
본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 기술을 응용하는 여러 장치에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열전 모듈은, 열전 발전 장치 및 열전 냉각 장치에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는, 상술한 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열전 냉각 장치는, 상술한 본 발명에 따른 열전 모듈을 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 실리콘 기판
110: 상부 기판, 120: 하부 기판
200: 전극
210: 도핑부, 220: 메탈 실리사이드부
300: 열전 소자
310: n형 열전 소자, 320: p형 열전 소자
400: 결핍 영역

Claims (16)

  1. 실리콘 재질로 구성된 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 구비된 전극; 및
    벌크 형태로 소결된 열전 재료로 구성되며, 상기 전극에 접합된 열전 소자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자는, n형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되어 구성되며 상기 전극의 일단에 접합된 n형 열전 소자 및 p형 열전 재료가 벌크 형태로 소결되어 구성되며 상기 전극의 타단에 접합된 p형 열전 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 실리콘 기판의 일부가 불순물로 도핑되어 형성된 도핑부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 p형이고 상기 도핑부는 n형으로 도핑되거나, 상기 실리콘 기판은 n형이고 상기 도핑부는 p형으로 도핑된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 기판과 상기 전극 사이에 결핍 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 도핑부의 도핑 농도는, 1017/cm3 내지 1020/cm3인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 도핑부와 상기 열전 소자 사이에 메탈 실리사이드부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 상부 기판 및 하부 기판을 구비하고,
    상기 전극은 상기 하부 기판의 상부 표면에 패터닝된 하나 이상의 하부 전극 및 상기 상부 기판의 하부 표면에 패터닝된 하나 이상의 상부 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극에는 오목부가 형성되고, 상기 열전 소자는 단부가 상기 오목부에 삽입된 상태로 접합된 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열전 소자는, 수평 방향 단면적의 평균 길이가 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 열전 모듈.
  11. 실리콘 재질로 구성된 실리콘 기판을 마련하는 단계;
    상기 실리콘 기판에 전극을 구비하는 단계;
    열전 재료를 소결하여 벌크 형태의 열전 소자를 마련하는 단계; 및
    상기 벌크 형태의 열전 소자를 상기 전극에 접합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전극 구비 단계는, 상기 실리콘 기판의 일부를 불순물로 도핑하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 구비 단계는, 상기 불순물로 도핑된 부분에 금속 재료를 부착한 후 열처리하여 메탈 실리사이드를 형성하는 구성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전극 구비 단계는, 상기 전극에 오목부를 형성하는 구성을 포함하고,
    상기 전극 접합 단계는, 상기 전극의 오목부에 상기 벌크 형태의 열전 소자를 삽입하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 모듈 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 발전 장치.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 열전 모듈을 포함하는 열전 냉각 장치.
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