WO2022124674A1 - 열전 소자 - Google Patents

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WO2022124674A1
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diffusion barrier
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semiconductor structure
barrier layer
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PCT/KR2021/017824
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French (fr)
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강인석
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LG Innotek Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric device, and more particularly, to a thermoelectric device having improved reliability.
  • thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes inside a material, and refers to direct energy conversion between heat and electricity.
  • thermoelectric element is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon, and has a structure in which a P-type thermoelectric material and an N-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
  • Thermoelectric devices can be divided into devices using a temperature change in electrical resistance, devices using the Seebeck effect, which is a phenomenon in which electromotive force is generated by a temperature difference, and devices using the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat is generated by current. .
  • thermoelectric elements are widely applied to home appliances, electronic parts, communication parts, and the like.
  • the thermoelectric element may be applied to an apparatus for cooling, an apparatus for heating, an apparatus for power generation, and the like. Accordingly, the demand for the thermoelectric performance of the thermoelectric element is increasing.
  • thermoelectric element performs power generation by the temperature difference, and a compound between the thermoelectric leg and the solder is formed due to the movement of the solder or the conductive bonding layer, so that the thermoelectric performance is lowered and the reliability of the thermoelectric element is lowered.
  • thermoelectric device including a diffusion barrier layer that suppresses the movement of a conductive bonding layer to a leg (or a semiconductor structure) in the thermoelectric device.
  • thermoelectric device since the sealing member and the diffusion barrier layer are in contact with each other, it is possible to effectively suppress the movement of the conductive bonding layer and provide a thermoelectric device having improved reliability.
  • thermoelectric device with improved power generation performance by suppressing the movement of the conductive bonding layer.
  • thermoelectric module or a power generation device in which reliability is not deteriorated by disposing a plurality of sealing members at different positions in the thermoelectric module.
  • the problem to be solved in the embodiment is not limited thereto, and it will be said that the purpose or effect that can be grasped from the method of solving the problem described below or the embodiment is also included.
  • thermoelectric element includes an electrode; a semiconductor structure disposed on the electrode; a diffusion barrier layer disposed on a bottom surface of the semiconductor structure and having an opening; a metal layer disposed on a bottom surface of the diffusion barrier layer; and a conductive bonding layer disposed between the metal layer and the electrode, wherein a portion of the metal layer extends into the opening of the diffusion barrier layer and is electrically connected to the semiconductor structure.
  • the metal layer may include a first region that vertically overlaps with the diffusion barrier layer, and a second region that vertically overlaps with the opening of the diffusion barrier layer.
  • a thickness of the second region may be greater than a thickness of the first region, and the first region may surround the second region.
  • a substrate disposed under the electrode; and an insulating layer disposed between the substrate and the electrode, wherein the sealing member may be in contact with the insulating layer.
  • the diffusion barrier layer may include a plurality of first outer surfaces disposed on the outermost side, and the sealing member may be in contact with the first outer surface.
  • the semiconductor structure may include a plurality of second outer surfaces disposed on the outermost side, and the sealing member may extend from the first outer surface to the second outer surface.
  • the metal layer may include a plurality of third outer surfaces disposed on the outermost side, and the sealing member may extend from the first outer surface to the third outer surface.
  • the diffusion barrier layer may be made of a metal or an insulating material.
  • the substrate includes a first substrate and a second substrate facing each other, and the diffusion barrier layer includes: a first diffusion barrier layer disposed between the semiconductor structure and the first substrate; and a second diffusion barrier layer disposed between the semiconductor structure and the second substrate, wherein the opening of the first diffusion barrier layer may vertically overlap the opening of the second diffusion barrier layer.
  • a top surface of the metal layer may be flatter than a bottom surface of the metal layer.
  • thermoelectric element that suppresses the movement of the conductive bonding layer to the leg (or semiconductor structure) in the thermoelectric element.
  • thermoelectric module it is possible to implement a thermoelectric module with improved reliability.
  • thermoelectric element with improved power generation performance.
  • thermoelectric element or thermoelectric module is not only a small-sized application, but also a large-scale application such as a heat transport pipe, a rainwater pipe, a waste heat pipe such as a smelting pipe, a vehicle, a ship, a steel mill, an incinerator, etc. can be applied.
  • thermoelectric subjam 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric subjam
  • thermoelectric subjam is a perspective view of a thermoelectric subjam
  • thermoelectric submersible including a sealing member
  • thermoelectric submersible including a sealing member
  • thermoelectric element 5 is an exploded perspective view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 6 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 9 is a view for explaining a first outer surface to a third outer surface in the thermoelectric element according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along II' in FIG. 9;
  • thermoelectric element 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is another modified example of FIG. 11 .
  • the technical spirit of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in various different forms, and within the scope of the technical spirit of the present invention, one or more of the components may be selected between the embodiments. It can be used by combining or substituted with .
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as "at least one (or more than one) of A and (and) B, C", it is combined as A, B, C It may include one or more of all possible combinations.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include a case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • top (above) or under (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components.
  • upper (upper) or lower (lower) when expressed as "upper (upper) or lower (lower)", the meaning of not only an upper direction but also a lower direction based on one component may be included.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the thermoelectric sub-submersible
  • FIG. 2 is a perspective view of the thermo-electric sub-submarine
  • FIG. 3 is a perspective view of a thermoelectric submersible including a sealing member
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a thermoelectric submersible including a sealing member.
  • the thermoelectric submersible 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper substrate. (160).
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the lower bottom surfaces of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140
  • the upper electrode 150 is formed between the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 140 . It is disposed between the thermoelectric leg 130 and the upper bottom surface of the N-type thermoelectric leg 140 . Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 are electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150 .
  • a pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and electrically connected may form a unit cell.
  • thermoelectric leg 130 when a voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182 , a current flows from the P-type thermoelectric leg 130 to the N-type thermoelectric leg 140 due to the Peltier effect.
  • the substrate through which flows absorbs heat and acts as a cooling unit, and the substrate through which current flows from the N-type thermoelectric leg 140 to the P-type thermoelectric leg 130 may be heated and act as a heating unit.
  • a temperature difference between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 is applied, the charges in the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 move due to the Seebeck effect, and electricity may be generated. .
  • lead wires 181 and 182 are illustrated as being disposed on the lower substrate 110 in FIGS. 1 to 4 , the present invention is not limited thereto, and the lead wires 181 and 182 are disposed on the upper substrate 160 or lead wires ( One of 181 and 182 may be disposed on the lower substrate 110 , and the other may be disposed on the upper substrate 160 .
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te)-based thermoelectric legs including bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.
  • P-type thermoelectric leg 130 is antimony (Sb), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the P-type thermoelectric leg 130 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Sb-Te, which is a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • N-type thermoelectric leg 140 is selenium (Se), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), tellurium It may be a bismuthtelluride (Bi-Te)-based thermoelectric leg including at least one of (Te), bismuth (Bi), and indium (In).
  • the N-type thermoelectric leg 140 contains 99 to 99.999 wt% of Bi-Se-Te, a main raw material, based on 100 wt% of the total weight, and nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu) , at least one of silver (Ag), lead (Pb), boron (B), gallium (Ga), and indium (In) may be included in an amount of 0.001 to 1 wt%.
  • thermoelectric leg may be referred to as a semiconductor structure, a semiconductor device, a semiconductor material layer, a semiconductor material layer, a semiconductor material layer, a conductive semiconductor structure, a thermoelectric structure, a thermoelectric material layer, a thermoelectric material layer, a thermoelectric material layer, etc. have.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk type or a stack type.
  • the bulk-type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk-type N-type thermoelectric leg 140 heat-treats a thermoelectric material to manufacture an ingot, grinds the ingot and sieves to obtain a powder for the thermoelectric leg, and then It can be obtained through the process of sintering and cutting the sintered body.
  • the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be polycrystalline thermoelectric legs.
  • the strength of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be increased.
  • the laminated type P-type thermoelectric leg 130 or the laminated type N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, then stacking the unit member and cutting the unit through the process. can be obtained
  • the pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes.
  • the height or cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 is calculated as the height or cross-sectional area of the P-type thermoelectric leg 130 . may be formed differently.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a cylindrical shape, a polygonal column shape, an elliptical column shape, or the like.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may have a stacked structure.
  • the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by laminating a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-shaped substrate and then cutting them. Accordingly, it is possible to prevent material loss and improve electrical conductivity properties.
  • Each structure may further include a conductive layer having an opening pattern, thereby increasing adhesion between the structures, decreasing thermal conductivity, and increasing electrical conductivity.
  • the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 may be formed to have different cross-sectional areas within one thermoelectric leg.
  • the cross-sectional area of both ends arranged to face the electrode in one thermoelectric leg may be formed to be larger than the cross-sectional area between the two ends. Accordingly, since a large temperature difference between the ends can be formed, thermoelectric efficiency can be increased.
  • thermoelectric figure of merit ZT
  • Equation (1) The performance of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be expressed as a figure of merit (ZT).
  • ZT The thermoelectric figure of merit (ZT) can be expressed as in Equation (1).
  • ⁇ is the Seebeck coefficient [V/K]
  • ⁇ is the electrical conductivity [S/m]
  • ⁇ 2 ⁇ is the power factor (Power Factor, [W/mK 2 ]).
  • T is the temperature
  • k is the thermal conductivity [W/mK].
  • k can be expressed as a ⁇ cp ⁇ , a is the thermal diffusivity [cm 2 /S], cp is the specific heat [J/gK], ⁇ is the density [g/cm 3 ].
  • thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element In order to obtain the thermoelectric figure of merit of the thermoelectric element, a Z value (V/K) is measured using a Z meter, and a thermoelectric figure of merit (ZT) can be calculated using the measured Z value.
  • the lower electrode 120 is disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper substrate 160 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 130 .
  • the upper electrode 150 disposed between the thermoelectric legs 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), and nickel (Ni), and has a thickness of 0.01 mm to 0.3 mm. can When the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may deteriorate and the electrical conduction performance may be lowered, and if it exceeds 0.3 mm, the thermoelectric leg 140 due to an increase in thermal resistance The heat transfer efficiency may be lowered.
  • the lower substrate 110 and the upper substrate 160 facing each other may be a metal substrate, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 1.5 mm.
  • the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 1.5 mm, heat dissipation characteristics or thermal conductivity may be excessively high, and thus the reliability of the thermoelectric element may be deteriorated.
  • the insulating layer 170 is respectively between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 . ) may be further formed.
  • the insulating layer 170 may include a material having a thermal conductivity of 1 to 20 W/mK.
  • the sizes of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different.
  • the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be larger than the volume, thickness, or area of the other. Accordingly, heat absorbing performance or heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • at least one of the volume, thickness, or area of a substrate on which a sealing member for protection from the external environment of the thermoelectric module is disposed is different, is disposed in a high temperature region for the Seebeck effect, is applied as a heating region for the Peltier effect, or is different It may be greater than at least one of the volume, thickness or area of the substrate.
  • a heat dissipation pattern for example, a concave-convex pattern
  • a concave-convex pattern may be formed on the surface of at least one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 . Accordingly, the heat dissipation performance of the thermoelectric element may be improved.
  • the concave-convex pattern is formed on a surface in contact with the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 , bonding characteristics between the thermoelectric leg and the substrate may also be improved.
  • the thermoelectric element 100 includes a lower substrate 110 , a lower electrode 120 , a P-type thermoelectric leg 130 , an N-type thermoelectric leg 140 , an upper electrode 150 , and an upper substrate 160 .
  • a sealing member 190 may be further disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 .
  • the sealing member 190 is disposed between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 on side surfaces of the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 .
  • the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 may be sealed from external moisture, heat, contamination, and the like.
  • the sealing member 190 includes the outermost portions of the plurality of lower electrodes 120 , the outermost portions of the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 , and the plurality of upper electrodes 150 . It may be disposed spaced apart a predetermined distance from the outermost side of the.
  • the sealing member 190 may contact the lower substrate 110 and the upper substrate 160 , or may contact an insulating layer to be described later.
  • the sealing member 190 may be made of various materials such as oxide, and may be made of an insulating material.
  • the sealing member 190 may include at least one of an epoxy resin and a silicone resin, or a tape in which at least one of an epoxy resin and a silicone resin is applied to both surfaces.
  • the sealing member 190 serves to seal the lower surface of the lower substrate 110 or the upper surface of the upper substrate, and the lower electrode 120 , the P-type thermoelectric leg 130 , the N-type thermoelectric leg 140 , and the upper electrode 150 .
  • the sealing member 190 may be mixed with a finishing material, a finishing layer, a waterproofing material, a waterproofing layer, and the like.
  • the sealing member 190 may further include an injection-molded product made of plastic, such as a sealing case.
  • an injection-molded product made of plastic, such as a sealing case.
  • the above description of the sealing member is merely an example, and the sealing member may be modified in various forms.
  • a heat insulating material may be further included to surround the sealing member.
  • the sealing member may include a heat insulating component.
  • lower substrate 110 lower electrode 120 , upper electrode 150 , and upper substrate 160 are used, but these are arbitrarily referred to as upper and lower for ease of understanding and convenience of explanation. However, the positions may be reversed so that the lower substrate 110 and the lower electrode 120 are disposed thereon, and the upper electrode 150 and the upper substrate 160 are disposed thereunder.
  • the vertical direction is used interchangeably with the 'first direction', and is a direction from the lower substrate 110 to the upper substrate 160 or a direction from the upper substrate 160 to the lower substrate 110 .
  • the first direction may include a 1-1 direction (x1 direction) and a 1-2 direction (x2 direction).
  • the 1-1 direction (x1 direction) is a direction from the lower substrate toward the upper substrate
  • the 1-2 direction (x2 direction) is a direction from the upper substrate toward the lower substrate.
  • the horizontal direction is a direction perpendicular to the vertical direction.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an enlarged view of part K1 in FIG. 6 .
  • the thermoelectric element 200 is disposed on a substrate 210 , an insulating layer 220 disposed on the substrate 210 , and the insulating layer 220 .
  • the substrate 210 may include a first substrate 211 and a second substrate 212 spaced apart from each other in a vertical direction.
  • the insulating layer 220 may include a first insulating layer 221 disposed on the first substrate 211 and a second insulating layer 222 disposed under the second substrate 212 .
  • the electrode 230 may include a first electrode 231 disposed on the first insulating layer 221 and a second electrode 232 disposed under the second insulating layer 222 .
  • the conductive bonding layer 240 may include a first conductive bonding layer 241 disposed on the first electrode 231 and a second conductive bonding layer 242 disposed under the second electrode 232 .
  • the metal layer 250 may include a first metal layer 251 disposed on the first conductive bonding layer 241 and a second metal layer 252 disposed under the second conductive bonding layer 242 .
  • the diffusion barrier layer 260 may include a first diffusion barrier layer 261 disposed on the first metal layer 251 and a second diffusion barrier layer 262 disposed on the second metal layer 252 .
  • the semiconductor structure 270 may be disposed between the first diffusion barrier layer 261 and the second diffusion barrier layer 262 .
  • the first insulating layer 221 may be disposed on the first substrate 211 , and the first electrode 231 may be disposed on the first insulating layer 221 .
  • the first metal layer 251 may be disposed on the first electrode 231
  • the semiconductor structure 270 may be disposed on the first metal layer 251 .
  • the first conductive bonding layer 241 may be disposed between the first electrode 231 and the first metal layer 251 .
  • the first diffusion barrier layer 261 may be disposed between the first metal layer 251 and the semiconductor structure 270 .
  • the first diffusion barrier layer 261 may be disposed on the bottom surface of the semiconductor structure 270 .
  • the diffusion barrier layer 260 may have an opening.
  • the first diffusion barrier layer 261 may include a first opening G1
  • the second diffusion barrier layer 262 may include a second opening G2 .
  • the diffusion barrier layer 260 may be formed of a metal or an insulating material.
  • the wettability of the diffusion barrier layer 260 with the conductive bonding layer 240 may be smaller than the wettability between the metal layer 250 and the conductive bonding layer 240 .
  • the surface tension of the conductive bonding layer 240 may be significantly reduced on the outer surface of the metal layer 250 than the diffusion barrier layer 260 .
  • the conductive bonding layer 240 may be evenly spread on the outer surface of the metal layer 250 , and the surface tension is not significantly reduced on the outer surface of the diffusion barrier layer 260 . Accordingly, the conductive bonding layer 240 may be suppressed from moving upward along the outer surface of the diffusion barrier layer 260 . Furthermore, the lower metal layer 250 and the upper semiconductor structure 270 may be electrically connected to each other through the opening of the diffusion barrier layer 260 .
  • the second diffusion barrier layer 262 may be disposed on the semiconductor structure 270 .
  • the second metal layer 252 may be disposed on the semiconductor structure 270 .
  • the metal layer 250 may be disposed on one surface of the diffusion barrier layer 260 and extend into the opening of the diffusion barrier layer 260 . Accordingly, the metal layer 250 may be electrically connected to the semiconductor structure 270 .
  • the first metal layer 251 is disposed on the bottom surface of the first diffusion barrier layer 261 , and a portion thereof extends into the first opening G1 of the first diffusion barrier layer 261 to be electrically connected to the semiconductor structure 270 .
  • the first conductive bonding layer 241 may be disposed between the first metal layer 251 and the first electrode 231 .
  • a heat sink may be further disposed on the first substrate 211 or the second substrate 212 .
  • Each of the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler, and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS). have.
  • each of the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 is formed by applying an uncured or semi-cured resin composition on each of the first and second substrates 211 and 212 , and then in advance.
  • Each of the aligned plurality of first electrodes 231 and plurality of second electrodes 232 may be disposed and formed by pressing.
  • the second diffusion barrier layer 262 , the second metal layer 252 , the second conductive bonding layer 242 , the second electrode 232 , the second insulating layer 222 , and the second substrate on the semiconductor structure 270 . 212 may be sequentially stacked in a first direction (eg, a 1-1 direction (X1 direction)).
  • the semiconductor structure 270 may be the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140 of FIGS. 1 to 4 .
  • the thermoelectric element 200 further includes a sealing member 290 disposed along the outside of the substrate 210 (the first substrate or the second substrate) between the first substrate 211 and the second substrate 212 . can do.
  • the sealing member 290 the sealing member 190 described with reference to FIGS. 1 to 4 may be applied. Accordingly, the sealing member 290 may surround the electrode 230 , the conductive bonding layer 240 , the metal layer 250 , the diffusion barrier layer 260 , and the semiconductor structure 270 . Also, the sealing member 290 may contact the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 of the thermoelectric element 200 . This will be described later.
  • the separation between the first substrate 211 and the first insulating layer 221 may occur due to the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part.
  • the sealing member 290 and the first insulating layer 221 or the second insulating layer 222 come into contact, the sealing member 290 is formed between the first substrate 211 and the first insulating layer 221 . It is possible to block the penetration of external moisture or foreign substances into the semiconductor structure 270 through the exfoliation. Furthermore, even if bending occurs between the first substrate 211 and the second substrate 212 due to a difference in the coefficient of thermal expansion, deterioration in reliability of the thermoelectric element caused by the bending by the sealing member 290 may be alleviated.
  • the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 may include a plurality of sub insulating layers.
  • the first insulating layer will be described as a reference.
  • the first insulating layer 221 may include a first sub insulating layer and a second sub insulating layer having different compositions from each other, and the first sub insulating layer is formed on the first substrate 211 .
  • the second sub insulating layer may be disposed between the first sub insulating layer and the first electrode 231 .
  • the first sub insulating layer may include a composite including silicon and aluminum.
  • the composite may be at least one of an oxide, a carbide, and a nitride including silicon and aluminum.
  • the composite may include at least one of an Al-Si bond, an Al-O-Si bond, a Si-O bond, an Al-Si-O bond, and an Al-O bond.
  • the composite including at least one of an Al-Si bond, an Al-O-Si bond, a Si-O bond, an Al-Si-O bond, and an Al-O bond has excellent insulation performance, and thus high withstand voltage performance can get
  • the second sub insulating layer may be formed of a resin layer including at least one of an epoxy resin composition including an epoxy resin and an inorganic filler and a silicone resin composition including polydimethylsiloxane (PDMS). Accordingly, the second sub insulating layer may improve insulation, bonding strength, and thermal conductivity between the first sub insulating layer and the first electrode 231 .
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the first electrode 231 and the semiconductor structure 270 may be joined by the first conductive bonding layer 241 .
  • the first conductive bonding layer 241 may include, for example, at least one of tin (Sn), antimony (Sb), and a compound including the same, but is not limited thereto, and bismuth (Bi), silver (Ag) , copper (Cu), lead (Pb), and at least one of a compound including the same may be included, and may be referred to as a solder layer.
  • the thickness of the first conductive bonding layer 241 may be 30 ⁇ m to 120 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m to 110 ⁇ m. When the thickness of the first conductive bonding layer 241 satisfies this numerical range, the first electrode 231 and the semiconductor structure 270 may be stably bonded.
  • a first metal layer 251 may be disposed between the first conductive bonding layer 241 and the semiconductor structure 270 .
  • the first metal layer 251 may include at least one of nickel (Ni), tin (Sn), palladium (Pd), and molybdenum (Mo).
  • the first metal layer 251 prevents the semiconductor material, for example, Bi or Te, in the semiconductor structure 270 from diffusing in the direction toward the first electrode 231, so it is possible to prevent degradation of thermoelectric dissipation, Since wettability with the first conductive bonding layer 241 is excellent, bonding strength between the first electrode 231 and the semiconductor structure 270 may be increased.
  • the first metal layer 251 may be plated, for example, electroless plated, on one surface of the semiconductor structure 270 , and thus may be referred to as a plating layer.
  • the total thickness of the first metal layer 251 may be 10 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 60 ⁇ m, and more preferably 25 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the first metal layer 251 may include a plurality of sub metal layers.
  • the first metal layer 251 may include a first sub metal layer in contact with a bottom surface of the semiconductor structure 270 and a second sub metal layer in contact with a bottom surface of the first sub metal layer.
  • the first sub-metal layer may include nickel (Ni) to prevent diffusion of a semiconductor material, for example, Bi or Te, in the semiconductor structure 270 .
  • the second sub-metal layer includes titanium (Ti) and tin (Sn) and may be bonded to the conductive bonding layer 240 . Accordingly, the first metal layer 251 may perform diffusion prevention performance and bonding performance.
  • the first diffusion barrier layer 261 may be disposed on the first metal layer 251 and may have a first opening G1 . A portion of the first metal layer 251 may extend through the first opening G1 to contact the semiconductor structure 270 . Accordingly, the first metal layer 251 may be electrically connected to the semiconductor structure 270 . In other words, the diffusion barrier layer 261 may be disposed between the first metal layer 251 and the semiconductor structure 270 along the edge of the semiconductor structure 270 . That is, the first diffusion barrier layer 261 may be positioned outside the first metal layer 251 on the bottom surface of the semiconductor structure 270 .
  • the first diffusion barrier layer 261 may be formed of a metal or an insulating material. For example, the first diffusion barrier layer 261 may be formed of oxide.
  • the first diffusion barrier layer 261 may have low wettability with the first conductive bonding layer 241 .
  • the wettability of the first diffusion barrier layer 261 with the first conductive bonding layer 241 may be lower than that of the first metal layer 251 .
  • the first conductive bonding layer 241 may move to the semiconductor structure 270 along the outer surface of the first metal layer 251 .
  • the first diffusion barrier layer 261 is disposed between the first metal layer 251 and the semiconductor structure 270 so that the first conductive bonding layer 241 moves along the outer surface of the first metal layer 251 . phenomenon can be suppressed.
  • thermoelectric element 200 Accordingly, a phenomenon in which the power generation performance of the thermoelectric element 200 according to the embodiment is deteriorated may be prevented.
  • formation of voids in the first conductive bonding layer 241 may be suppressed. Accordingly, the structural reliability of the thermoelectric element 200 may be improved.
  • the metal layer 250 is perpendicular to the first region S1 overlapping the diffusion barrier layer 260 in a vertical direction and the openings G1 and G2 of the diffusion barrier layer 260 .
  • a second region S2 overlapping in the direction may be included.
  • the first metal layer 251 includes a first region S1 that vertically overlaps with the first diffusion barrier layer 261 and a second region S1 that vertically overlaps with the first opening G1 of the first diffusion barrier layer 261 . It may include two regions S2. Accordingly, the first region S1 may overlap the second region S2 in the horizontal direction. Also, the second region S2 may partially overlap the first region S1 in the horizontal direction. The horizontal direction may be a direction perpendicular to the vertical direction. In addition, the first region S1 may be disposed to surround the second region S2 .
  • the width of the first region S1 and the width of the second region S2 may be selectively taken.
  • the width W2 of the second region S2 may be greater than the width W1 of the first region S1 . have.
  • the width W2 of the second region S2 may be smaller than the width W1 of the first region S1 .
  • the width W1 of the first region S1 may be the shortest distance in the horizontal direction between the opening (eg, the first opening G1 ) and the outer surface of the first metal layer 251 .
  • the width W2 of the second region S2 may be the shortest distance between the center (eg, the center of gravity) of the second region S2 and the outer surface (or opening) of the second region S2 .
  • the thickness d2 of the second region S2 may be greater than the thickness d1 of the first region S1 . Accordingly, step coverage of the bottom surface of the semiconductor structure 270 may be improved. For example, the topology of the first diffusion barrier layer 261 in the first region S1 may be relaxed due to a thickness difference between the second region S1 and the first region S1 .
  • a bottom surface of the first metal layer 251 may be convex in a direction from the second region S2 toward the semiconductor structure 270 .
  • the bottom surface of the first metal layer 2501 may be convex 251B toward the first opening G1 in the second region S2 .
  • the first conductive bonding layer 241 may be in contact with the bottom surface of the first metal layer 251 under the first metal layer 251 .
  • the top surface of the first conductive bonding layer 241 may be convex 241B toward the first opening G1 or the semiconductor structure 270 in a region that vertically overlaps the second region S2 .
  • the description may be equally applied to the second metal layer 252 and the second conductive bonding layer 242 .
  • a top surface of the second metal layer 252 may be convex toward the second opening G2 or the semiconductor structure 270 in the second region S2 .
  • the second conductive bonding layer 242 may also be convex toward the second opening G2 or the semiconductor structure 270 in a region that vertically overlaps the second region S2 .
  • the top surface of the first metal layer may be flatter than the bottom surface of the first metal layer.
  • thermoelectric element 8 is a cross-sectional view of a thermoelectric element according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 200A includes a substrate 210 , an insulating layer 220 disposed on the substrate 210 , an electrode 230 disposed on the insulating layer 220 , The semiconductor structure 270 disposed on the electrode 230 , the diffusion barrier layer 260 disposed on one surface (eg, the bottom surface) of the semiconductor structure 270 , and the metal layer 250 disposed on one surface (eg, the bottom surface) of the diffusion barrier layer ) and a conductive bonding layer 240 disposed between the metal layer 250 and the electrode 230 . Accordingly, in the description of the components of the thermoelectric element 200A according to another exemplary embodiment, the above contents may be applied in the same manner except for the contents described below.
  • a diffusion barrier layer 260 may be disposed on any one of the top surface and the bottom surface of the semiconductor structure 270 .
  • the diffusion barrier layer 260 may be located on the high temperature side of the thermoelectric element 200A.
  • the diffusion barrier layer 260 may be disposed only on the upper surface of the semiconductor structure 270 .
  • a lower side temperature (eg, second temperature) and an upper side temperature (eg, first temperature) for power generation in the thermoelectric element 200A may be different from each other.
  • the first temperature may be higher than the second temperature. That is, only the second diffusion barrier layer 262 may exist in the thermoelectric element 200A.
  • a contact target to a sealing member may be the same or different.
  • a sealing member contacts at least one of the first electrode 231 , the first conductive bonding layer 241 , and the first metal layer 251 under the semiconductor structure 270 , and the semiconductor structure 270 .
  • the second electrode 232 , the second conductive bonding layer 242 , the second metal layer 252 , and the second diffusion barrier layer 262 may be in contact with the upper portion.
  • thermoelectric element 200A performs power generation based on the temperature difference, so that the first and second conductive bonding layers 241 and 242 are formed along the outer surfaces of the first and second metal layers 251,252 in the semiconductor structure 270 .
  • the movement of the second conductive bonding layer 242 adjacent to the second substrate 212 adjacent to the first temperature that is higher than the second temperature is higher than the movement of the first conductive bonding layer adjacent to the first substrate 211 at the lower temperature.
  • the second diffusion barrier layer 262 is disposed between the semiconductor structure 270 and the second electrode 232 , and the second conductive bonding layer 242 moves along the outer surface of the second metal layer 252 . can be suppressed.
  • thermoelectric element 200A Accordingly, a phenomenon in which the power generation performance of the thermoelectric element 200A according to the embodiment is deteriorated may be prevented.
  • formation of voids in the second conductive bonding layer 242 may be suppressed. Accordingly, the structural reliability of the thermoelectric element 200A may be improved.
  • FIG. 9 is a view for explaining a first outer surface to a third outer surface in the thermoelectric element according to the embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line II' in FIG. 9;
  • thermoelectric device 200 between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 ), a plurality of electrodes, a plurality of conductive bonding layers, a plurality of metal layers, a plurality of diffusion barrier layers, and a plurality of semiconductor structures may be disposed.
  • the sealing member 290 may be disposed along side surfaces of the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 as described above. can That is, the sealing member 290 may surround the electrode 230 , the conductive bonding layer 240 , the metal layer 250 , the diffusion barrier layer 260 , and the semiconductor structure 270 .
  • the components will be described with reference to the first diffusion barrier layer 261 , the first metal layer 251 , and the first conductive bonding layer 241 under the semiconductor structure 270 .
  • the description of the first diffusion barrier layer 261, the first metal layer 251, and the first conductive bonding layer 241 will be described with the second diffusion barrier layer 262, the second metal layer 252, and the second conductive bonding layer ( 242) can be applied.
  • the diffusion barrier layer may include a first outer surface E1 disposed on the outermost side.
  • the first diffusion barrier layer 261 may include a first outer surface E1 disposed on the outermost side.
  • the first outer surface E1 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the diffusion barrier layer is not disposed in the shortest area between the first outer surface E1 and the sealing member 290 .
  • the first outer surface E1 may be an outermost surface on a virtual line connected to a center (eg, a center of gravity) of the plurality of first diffusion barrier layers 261 .
  • the same may be applied to the second outer surface E2 and the third outer surface E3 based on the semiconductor structure 270 and the first metal layer 251 , respectively.
  • the sealing member 290 may be in contact with the diffusion barrier layer (eg, the first diffusion barrier layer) disposed on the outside.
  • the sealing member 290 may be in contact with the first diffusion barrier layer, in particular, the first outer surface E1 .
  • the sealing member 290 may contact the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • the sealing member 290 may be in contact with the insulating layer and the diffusion barrier layer. Accordingly, the sealing member 290 may be in contact with the first diffusion barrier layer 261 and the first insulating layer disposed on the outermost side.
  • the sealing member 290 prevents the components of the first conductive bonding layer 241 from moving to the semiconductor structure 270 along the outer surface of the first diffusion barrier layer 261 . Furthermore, it is possible to prevent moisture from penetrating into the first conductive bonding layer and the first electrode.
  • the semiconductor structure 270 may include a second outer surface E2 disposed on the outermost side.
  • the second outer surface E2 may be disposed closest to the sealing member 290 . Accordingly, the semiconductor structure 270 along the shortest area between the second outer surface E2 and the sealing member 290 is not disposed.
  • the second outer surface E2 and the first outer surface E1 may be disposed adjacent to each other. Furthermore, when the outer surfaces of the semiconductor structure 270 and the diffusion barrier layer 260 form the same surface, the first outer surface E1 and the second outer surface E2 may form the same surface.
  • the metal layer may include a third outer surface E3 disposed on the outermost side.
  • the first metal layer 251 may have a third outer surface E3 that is closest to the sealing member 290 .
  • the third outer surface E3 is disposed closest to the sealing member 290 , so that the metal layer along the shortest area between the third outer surface E3 and the sealing member 29 is not disposed.
  • the third outer surface E3 may be disposed adjacent to the first outer surface E1 or the second outer surface E2 .
  • the outer surfaces of the semiconductor structure 270 , the diffusion barrier layer 260 , and the metal layer 250 form the same surface, the first outer surface E1 , the second outer surface E2 , and the third outer surface E3 . ) can be flush with each other.
  • a portion of side surfaces of the plurality of first electrodes 231 may be buried in the first insulating layer 221 .
  • the height H1 of the side surfaces of the plurality of first electrodes 231 buried in the first insulating layer 221 is 0.1 to 1 times the thickness H of the plurality of first electrodes 231 , preferably 0.2 to 0.9 times, more preferably 0.3 to 0.8 times.
  • the contact area between the plurality of first electrodes 231 and the first insulating layer 221 is increased. , thus, heat transfer performance and bonding strength between the plurality of first electrodes 231 and the first insulating layer 221 may be further increased.
  • the plurality of first electrodes 231 it may be difficult to sufficiently obtain heat transfer performance and bonding strength between the electrode 231 and the first insulating layer 221 , and the height H1 of the side surfaces of the plurality of first electrodes 231 buried in the first insulating layer 221 .
  • the first insulating layer 221 may come up on the plurality of first electrodes 231 , and thus there is a possibility of an electrical short circuit There is this.
  • a surface or a contact surface (top surface) facing the first electrode 231 of the first insulating layer 221 includes a first recess 221A and a second recess 221B, and the first electrode 231 may be disposed in the first recess 221A.
  • the second recess 221B is disposed between the plurality of first electrodes 231 , and the thickness of the first insulating layer 221 in the second recess 221B decreases from the side surface of each electrode toward the center region. , has a smooth 'V' shape at the vertex, but may be shallower than the depth of the first recess 221A.
  • the first insulating layer 221 between the plurality of first electrodes 231 has a thickness deviation, and has the highest height T2 in a region in direct contact with the side surfaces of the plurality of first electrodes 231 .
  • the height T3 in the central region may be lower than the height T2 in the region in direct contact with the side surfaces of the plurality of first electrodes 231 . That is, the height T3 of the central region of the first insulating layer 221 between the plurality of first electrodes 231 may be the lowest in the first insulating layer 221 between the plurality of first electrodes 231 .
  • the height T1 of the first insulating layer 221 under the plurality of first electrodes 231 is higher than the height T3 of the central region of the first insulating layer 221 between the plurality of first electrodes 231 . could be lower.
  • thermoelectric device 11 is a cross-sectional view of a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
  • thermoelectric element 200B includes a first substrate 211 , a second substrate 212 , a first insulating layer 221 , a second insulating layer 222 , and a first The electrode 231 , the second electrode 232 , the first conductive bonding layer 241 , the second conductive bonding layer 242 , the first metal layer 251 , the second metal layer 252 , and the first diffusion barrier layer 261 . ), a second diffusion barrier layer 262 , and a semiconductor structure 270 .
  • the above contents may be applied in the same manner except for the contents described below.
  • a plurality of electrodes, a plurality of conductive bonding layers, and a plurality of metal layers are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • a plurality of diffusion barrier layers and a plurality of semiconductor structures are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • the diffusion barrier layer may include a first outer surface E1 disposed on the outermost side.
  • the first outer surface E1 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the semiconductor structure 270 may include a second outer surface E2 disposed on the outermost side. Accordingly, the second outer surface E2 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the metal layer may include a third outer surface E3 disposed on the outermost side. In addition, the third outer surface E3 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the sealing member 290 may contact the first outer surface E1 and the third outer surface E3 . Accordingly, since the sealing member 290 is in contact with the third outer surface E3 , the movement of the metal layer, for example, the first metal layer 251 along the side surface of the first diffusion barrier layer 261 may be suppressed. With this configuration, a portion of the first conductive bonding layer 241 disposed on the outermost side may be blocked from moving to the side surface of the first metal layer 251 . Accordingly, the occurrence of voids in the first conductive bonding layer 241 according to the movement of the first conductive bonding layer 241 may be suppressed. In addition, penetration of moisture into the first conductive bonding layer 241 may be suppressed. Accordingly, the reliability of the thermoelectric element according to the embodiment may be improved.
  • FIG. 12 is a modified example of FIG. 11 .
  • the thermoelectric element 200C includes a first substrate 211 , a second substrate 212 , a first insulating layer 221 , a second insulating layer 222 , a first electrode 231 , and a second Electrode 232, first conductive bonding layer 241, second conductive bonding layer 242, first metal layer 251, second metal layer 252, first diffusion barrier layer 261, second diffusion barrier layer ( 262 ) and a semiconductor structure 270 .
  • the above contents may be applied in the same manner except for the contents described below.
  • a plurality of electrodes, a plurality of conductive bonding layers, and a plurality of metal layers are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • a plurality of diffusion barrier layers and a plurality of semiconductor structures are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • the diffusion barrier layer may include a first outer surface E1 disposed on the outermost side.
  • the first outer surface E1 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the semiconductor structure 270 may include a second outer surface E2 disposed on the outermost side. Accordingly, the second outer surface E2 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the metal layer may include a third outer surface E3 disposed on the outermost side. In addition, the third outer surface E3 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the sealing member 290 may contact the first outer surface E1 and the second outer surface E2 . Accordingly, when the sealing member 290 is in contact with the second outer surface E3 , the metal layer, for example, the first metal layer 251 , moves to the semiconductor structure 270 along the side surface of the first diffusion barrier layer 261 . can be suppressed.
  • the sealing member 290 may extend from the first outer surface E1 to the second outer surface E2 . Accordingly, the sealing member 290 may contact the second outer surface E2 of the semiconductor structure 270 adjacent to the first outer surface E1 .
  • the first diffusion barrier layer 261 may primarily suppress such movement.
  • the sealing member 290 may prevent a portion of the first conductive bonding layer 241 from finally moving to the semiconductor structure 270 even when a portion of the first conductive bonding layer 241 moves to the first diffusion barrier layer 261 . Accordingly, the movement of the first conductive bonding layer 241 to the semiconductor structure 270 may be effectively suppressed.
  • thermoelectric element Accordingly, the deterioration of the power generation performance of the thermoelectric element can be suppressed.
  • formation of voids in the first conductive bonding layer 241 may be suppressed. Accordingly, the structural reliability of the thermoelectric element 200 may be improved.
  • penetration of moisture into the semiconductor structure 270 may be suppressed. Accordingly, the reliability of the thermoelectric element according to the embodiment may be improved.
  • FIG. 13 is another modified example of FIG. 11 .
  • thermoelectric element 200D includes a first substrate 211 , a second substrate 212 , a first insulating layer 221 , a second insulating layer 222 , and a first electrode.
  • second electrode 232, first conductive bonding layer 241, second conductive bonding layer 242, first metal layer 251, second metal layer 252, first diffusion barrier layer 261 , a second diffusion barrier layer 262 and a semiconductor structure 270 may be included.
  • the above contents may be applied in the same manner except for the contents described below.
  • a plurality of electrodes, a plurality of conductive bonding layers, and a plurality of metal layers are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • a plurality of diffusion barrier layers and a plurality of semiconductor structures are disposed between the first substrate 211 and the second substrate 212 or between the first insulating layer 221 and the second insulating layer 222 .
  • the diffusion barrier layer may include a first outer surface E1 disposed on the outermost side.
  • the first outer surface E1 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the semiconductor structure 270 may include a second outer surface E2 disposed on the outermost side. Accordingly, the second outer surface E2 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the metal layer may include a third outer surface E3 disposed on the outermost side. In addition, the third outer surface E3 may be disposed closest to the sealing member 290 .
  • the sealing member 290 may contact the first outer surface E1 and the second outer surface E2 . Accordingly, when the sealing member 290 is in contact with the second outer surface E3 , the metal layer, for example, the first metal layer 251 , moves to the semiconductor structure 270 along the side surface of the first diffusion barrier layer 261 . can be suppressed.
  • the sealing member 290 may extend from the first outer surface E1 to the second outer surface E2 and the third outer surface E3 . Accordingly, the sealing member 290 may contact the second outer surface E2 and the third outer surface E3 of the semiconductor structure 270 adjacent to the first outer surface E1 . Due to this configuration, even if a portion of the first conductive bonding layer 241 moves along the side surface of the first metal layer 251 , the sealing member 290 primarily in contact with the second outer surface E2 suppresses such movement. can do. Furthermore, as the sealing member 290 contacts the third outer surface E3 of the semiconductor structure 270 , the movement of the first conductive bonding layer 241 to the semiconductor structure 270 may be finally blocked.
  • the movement of the first conductive bonding layer 241 to the semiconductor structure 270 may be easily suppressed.
  • deterioration of the power generation performance of the thermoelectric element may be suppressed.
  • formation of voids in the first conductive bonding layer 241 is suppressed, so that structural reliability of the thermoelectric device 200 may be improved.
  • penetration of moisture into the semiconductor structure 270 may be suppressed. Accordingly, the reliability of the thermoelectric element according to the embodiment may be improved.
  • thermoelectric element according to an embodiment of the present invention may be applied to a device for power generation, and the like. That is, the above-described content may be equally applied to a power generation device or various electric devices including a thermoelectric element according to an embodiment. And it should be understood that a plurality of thermoelectric elements or the device for power generation may be arranged in order to efficiently converge the heat source.

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Abstract

실시예에 따르면 전극; 상기 전극 상에 배치된 반도체 구조물; 상기 반도체 구조물의 저면에 배치되고, 개구부를 갖는 확산 방지층; 상기 확산 방지층의 저면에 배치된 금속층; 및 상기 금속층과 상기 전극 사이에 배치된 전도성 접합층;을 포함하고, 상기 금속층의 일부는 상기 확산 방지층의 개구부 내로 연장되어 상기 반도체 구조물과 전기적으로 연결된 열전 소자를 개시한다.

Description

열전 소자
본 발명은 열전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신뢰성이 개선된 열전 소자에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
한편, 열전 소자는 온도차에 의해 발전을 수행하면서, 솔더 또는 도전성 접합층의 이동으로 열전 레그와 솔더 간의 화합물이 형성되어 열전 성능이 저하되고 열전 소자의 신뢰성 저하가 발생하는 문제가 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 소자에서 도전성 접합층이 레그(또는 반도체 구조물)로 이동하는 현상을 억제하는 확산 방지층을 포함하는 열전 소자를 제공하는 것이다.
또한, 실링 부재와 확산 방지층이 서로 접함으로써 도전성 접합층의 이동을 효과적으로 억제하고 신뢰성이 개선된 열전 소자를 제공할 수 있다.
또한, 도전성 접합층의 이동을 억제하여 발전 성능이 향상된 열전 소자를 제공할 수 있다.
특히, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전 모듈 내에 상이한 위치에 복수의 실링 부재가 배치됨으로써 신뢰성이 저하되지 않는 열전 모듈 또는 발전 장치를 제공하는 것이다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자는 전극; 상기 전극 상에 배치된 반도체 구조물; 상기 반도체 구조물의 저면에 배치되고, 개구부를 갖는 확산 방지층; 상기 확산 방지층의 저면에 배치된 금속층; 및 상기 금속층과 상기 전극 사이에 배치된 전도성 접합층;을 포함하고, 상기 금속층의 일부는 상기 확산 방지층의 개구부 내로 연장되어 상기 반도체 구조물과 전기적으로 연결된다.
상기 금속층은 상기 확산 방지층과 수직으로 중첩되는 제1 영역, 및 상기 확산 방지층의 개구부와 수직으로 중첩되는 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 제2 영역의 두께는 상기 제1 영역의 두께보다 크고, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역을 둘러쌀 수 있다.
상기 전극, 상기 반도체 구조물, 상기 확산 방지층 및 상기 금속층을 둘러싸는 실링 부재;를 더 포함할 수 있다.
상기 전극 하부에 배치되는 기판; 및 상기 기판과 상기 전극 사이에 배치되는 절연층;을 더 포함하고, 상기 실링 부재는 상기 절연층과 접할 수 있다.
상기 확산 방지층은 복수 개이며 최외측에 배치된 제1 외측면을 포함하고, 상기 실링 부재는 상기 제1 외측면과 접할 수 있다.
상기 반도체 구조물은 복수 개이며 최외측에 배치된 제2 외측면을 포함하고, 상기 실링 부재는 상기 제1 외측면에서 상기 제2 외측면으로 연장될 수 있다.
상기 금속층은 복수 개이며 최외측에 배치된 제3 외측면을 포함하고, 상기 실링 부재는 상기 제1 외측면에서 상기 제3 외측면으로 연장될 수 있다.
상기 확산 방지층은 금속 또는 절연 재질로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 서로 마주하는 제1 기판과 제2 기판을 포함하고, 상기 확산 방지층은 상기 반도체 구조물과 상기 제1 기판 사이에 배치되는 제1 확산 방지층; 및 상기 반도체 구조물과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제2 확산 방지층;을 포함하고, 상기 제1 확산 방지층의 개구부는 상기 제2 확산 방지층의 개구부와 수직으로 중첩될 수 있다.
상기 금속층의 상면은 상기 금속층의 저면보다 평탄할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전 소자에서 도전성 접합층이 레그(또는 반도체 구조물)로 이동하는 현상을 억제하는 열전 소자를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 신뢰성이 개선된 열전 모듈을 구현할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 발전 성능이 향상된 열전 소자를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자 또는 열전 모듈은 소형으로 구현되는 애플리케이션뿐만 아니라 열 수송관, 우수관, 소융관 등의 폐열 파이프, 차량, 선박, 제철소, 소각로 등과 같이 대형으로 구현되는 애플리케이션에서도 적용될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 열전 소잠의 단면도이고,
도 2는 열전 소잠의 사시도이고,
도 3은 실링 부재를 포함하는 열전 소잠의 사시도이고,
도 4는 실링 부재를 포함하는 열전 소잠의 분해사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고,
도 7은 도 6에서 K1부분의 확대도이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고,
도 9는 실시예에 따른 열전 소자에서 제1 외측면 내지 제3 외측면을 설명하는 도면이고,
도 10은 도 9에서 II'로 절단된 단면도이고,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고,
도 12는 도 11의 일 변형예이고,
도 13은 도 11의 다른 변형예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 열전 소잠의 단면도이고, 도 2는 열전 소잠의 사시도이다. 도 3은 실링 부재를 포함하는 열전 소잠의 사시도이고, 도 4는 실링 부재를 포함하는 열전 소잠의 분해사시도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 열전 소잠(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
하부 전극(120)은 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치되고, 상부 전극(150)은 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(120) 및 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(130)로부터 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다. 또는, 하부 전극(120) 및 상부 전극(150) 간 온도 차를 가해주면, 제벡 효과로 인하여 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 내 전하가 이동하며, 전기가 발생할 수도 있다.
도 1 내지 도 4에서 리드선(181, 182)이 하부 기판(110)에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 리드선(181, 182)이 상부 기판(160)에 배치되거나, 리드선(181, 182) 중 하나가 하부 기판(110)에 배치되고, 나머지 하나가 상부 기판(160)에 배치될 수도 있다.
여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(130)는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Sb-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. N형 열전 레그(140)는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 주원료물질인 Bi-Se-Te를 99 내지 99.999wt%로 포함하고, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 0.001 내지 1wt%로 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서 열전 레그는 반도체 구조물, 반도체 소자, 반도체 재료층, 반도체 물질층, 반도체 소재층, 도전성 반도체 구조물, 열전 구조물, 열전 재료층, 열전 물질층, 열전 소재층 등으로 지칭될 수도 있다.
P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 이때, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그일 수 있다. 이와 같이, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 다결정 열전 레그인 경우, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)의 강도가 높아질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
이때, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 원통 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등을 가질 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다. 각 구조물은 개구 패턴을 가지는 전도성층을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 구조물 간의 접착력을 높이고, 열전도도를 낮추며, 전기 전도도를 높일 수 있다.
또는, P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)는 하나의 열전 레그 내에서 단면적이 상이하도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 열전 레그 내에서 전극을 향하도록 배치되는 양 단부의 단면적이 양 단부 사이의 단면적보다 크게 형성될 수도 있다. 이에 따르면, 양 단부 간의 온도차를 크게 형성할 수 있으므로, 열전효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 열전성능 지수(figure of merit, ZT)로 나타낼 수 있다. 열전성능 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.
열전 소자의 열전성능 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 열전성능 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(110)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(160)과 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. 하부 전극(120) 또는 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3mm를 초과하는 경우 열 저항의 증가로 인하여 열전 레그(140)으로 전달되는 열 전도 효율이 낮아질 수 있다.
그리고, 상호 대향하는 하부 기판(110)과 상부 기판(160)은 금속 기판일 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~1.5mm일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(110)과 하부 전극(120) 사이 및 상부 기판(160)과 상부 전극(150) 사이에는 각각 절연층(170)이 더 형성될 수 있다. 절연층(170)은 1~20W/mK의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(110)과 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. 예를 들어, 제벡 효과를 위해 고온영역에 배치되거나, 펠티에 효과를 위해 발열영역으로 적용되거나 또는 열전모듈의 외부환경으로부터 보호를 위한 실링 부재가 배치되는 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나가 다른 기판의 체적, 두께 또는 면적 중 적어도 하나보다 더 클 수 있다.
또한, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. 열전 소자(100)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)을 포함한다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 사이에는 실링 부재(190)가 더 배치될 수도 있다. 실링 부재(190)는 하부 기판(110)과 상부 기판(160) 사이에서 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)의 측면에 배치될 수 있다. 이에 따라, 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)은 외부의 습기, 열, 오염 등으로부터 실링될 수 있다. 여기서, 실링 부재(190)는, 복수의 하부 전극(120)의 최외곽, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)의 최외곽 및 복수의 상부 전극(150)의 최외곽의 측면으로부터 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 실링 부재(190)는 하부 기판(110) 및 상부 기판(160)과 접촉하거나, 후술하는 절연층과 접촉할 수 있다. 예컨대, 실링 부재(190)는 다양한 산화물 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 절연 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 실링 부재(190)는 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나를 포함하거나, 에폭시 수지 및 실리콘 수지 중 적어도 하나가 양면에 도포된 테이프를 포함할 수도 있다.
실링 부재(190)는 하부 기판(110) 저면 또는 상부 기판 상면을 기밀하는 역할을 하며, 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140) 및 상부 전극(150)의 실링 효과를 높일 수 있다. 예컨대, 실링 부재(190)는 마감재, 마감층, 방수재, 방수층 등과 혼용될 수 있다.
한편, 실링 부재(190)에는 전극에 연결된 리드선(181, 182)를 인출하기 위한 가이드부가 형성될 수 있다. 나아가, 실링 부재(190)는 실링 케이스 등 플라스틱 등으로 이루어진 사출 성형물을 더 포함할 수 도 있다. 이러한 실링 부재에 관한 이상의 설명은 예시에 지나지 않으며, 실링 부재는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 또한, 도시되지 않았으나, 실링 부재를 둘러싸도록 단열재가 더 포함될 수도 있다. 또는 실링 부재는 단열 성분을 포함할 수도 있다.
이상에서, 하부 기판(110), 하부 전극(120), 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이라는 용어를 사용하고 있으나, 이는 이해의 용이 및 설명의 편의를 위하여 임의로 상부 및 하부로 지칭한 것일 뿐이며, 하부 기판(110) 및 하부 전극(120)이 상부에 배치되고, 상부 전극(150) 및 상부 기판(160)이 하부에 배치되도록 위치가 역전될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서 수직 방향은 '제1 방향' 등과 혼용하며 하부 기판(110)에서 상부 기판(160)을 향한 방향 또는 상부 기판(160)에서 하부 기판(110)을 향한 방향이다. 예컨대, 제1 방향은 제1-1 방향(x1 방향)과 제1-2 방향(x2 방향)을 포함할 수 있다. 그리고 제1-1 방향(x1 방향)은 하부 기판에서 상부 기판을 향한 방향이고, 제1-2 방향(x2 방향)은 상부 기판에서 하부 기판을 향한 방향이다. 또한, 수평 방향은 수직 방향에 수직한 방향이다. 이러한 설명은 본 명세서 전체에 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이고, 도 7은 도 6에서 K1부분의 확대도이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 배치되는 절연층(220), 절연층(220) 상에 배치되는 전극(230), 전극(230) 상에 배치되는 반도체 구조물(270), 반도체 구조물(270)의 일면(예로, 저면)에 배치되는 확산 방지층(260), 확산 방지층의 일면(예로, 저면)에 배치되는 금속층(250), 금속층(250)과 전극(230) 사이에 배치되는 전도성 접합층(240)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 기판(210)은 서로 수직 방향으로 이격되는 제1 기판(211)과 제2 기판(212)을 포함할 수 있다.
그리고 절연층(220)은 제1 기판(211) 상에 배치되는 제1 절연층(221)과 제2 기판(212) 하부에 배치되는 제2 절연층(222)을 포함할 수 있다.
또한, 전극(230)은 제1 절연층(221) 상에 배치되는 제1 전극(231)과 제2 절연층(222) 하부에 배치되는 제2 전극(232)을 포함할 수 있다.
전도성 접합층(240)은 제1 전극(231) 상에 배치되는 제1 전도성 접합층(241)과 제2 전극(232) 하부에 배치되는 제2 전도성 접합층(242)을 포함할 수 있다.
금속층(250)은 제1 전도성 접합층(241) 상에 배치되는 제1 금속층(251)과 제2 전도성 접합층(242) 하부에 배치되는 제2 금속층(252)을 포함할 수 있다.
확산 방지층(260)은 제1 금속층(251) 상에 배치되는 제1 확산 방지층(261)과 제2 금속층(252) 상에 배치되는 제2 확산 방지층(262)을 포함할 수 있다.
반도체 구조물(270)은 제1 확산 방지층(261)과 제2 확산 방지층(262) 사이에 배치될 수 있다.
또는, 제1 절연층(221)은 제1 기판(211) 상에 배치되고, 제1 전극(231)은 제1 절연층(221) 상에 배치될 수 있다. 또한, 제1 금속층(251)은 제1 전극(231) 상에 배치될 수 있고, 반도체 구조물(270)은 제1 금속층(251) 상에 배치될 수 있다. 그리고 제1 도전성 접합층(241)은 제1 전극(231)과 제1 금속층(251) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 확산 방지층(261)은 제1 금속층(251)과 반도체 구조물(270) 사이에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 확산 방지층(261)은 반도체 구조물(270)의 저면에 배치될 수 있다.
또한, 확산 방지층(260)은 개구부를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 확산 방지층(261)은 제1 개구부(G1)를 포함하고, 제2 확산 방지층(262)은 제2 개구부(G2)를 포함할 수 있다. 실시예로, 확산 방지층(260)은 금속 또는 절연 재질로 이루어질 수 있다. 이 때, 확산 방지층(260)은 도전성 접합층(240)과의 젖음성이 금속층(250)과 도전성 접합층(240) 간의 젖음성보다 작을 수 있다. 다시 말해, 도전성 접합층(240)의 일부가 측면을 따라 이동하는 경우에 도전성 접합층(240)은 확산 방지층(260)보다 금속층(250)의 외측면에서 표면 장력이 크게 감소할 수 있다. 이에, 도전성 접합층(240)은 금속층(250)의 외측면에서 고르게 퍼질 수 있으며, 확산 방지층(260)의 외측면에서는 표면 장력이 크게 감소되지 않는다. 이에, 도전성 접합층(240)은 확산 방지층(260)의 외측면을 따라 상부로 이동함이 억제될 수 있다. 나아가, 확산 방지층(260)의 개구부를 통해 하부의 금속층(250)과 상부의 반도체 구조물(270)이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 확산 방지층(262)은 반도체 구조물(270) 상에 배치될 수 있다. 그리고 제2 금속층(252)은 반도체 구조물(270) 상에 배치될 수 있다. 금속층(250)은 확산 방지층(260)의 일면에 배치되고 확산 방지층(260)의 개구부 내로 연장될 수 있다. 이에, 금속층(250)은 반도체 구조물(270)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(251)은 제1 확산 방지층(261)의 저면에 배치되고, 일부가 제1 확산 방지층(261)의 제1 개구부(G1) 내로 연장되어 반도체 구조물(270)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전도성 접합층(241)은 제1 금속층(251)과 제1 전극(231) 사이에 배치될 수 있다.
제1 기판(211) 또는 제2 기판(212)에는 히트싱크가 더 배치될 수 있다. 제1 절연층(221) 및 제2 절연층(222) 각각은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다.
그리고 제1 절연층(221) 및 제2 절연층(222) 각각은 미경화 상태 또는 반경화 상태의 수지 조성물을 제1 기판(211) 및 제2 기판(212) 각각 상에 도포한 후, 미리 정렬된 복수의 제1 전극(231) 및 복수의 제2 전극(232) 각각을 배치하고 가압하는 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 반도체 구조물(270) 상에서 제2 확산 방지층(262), 제2 금속층(252), 제2 도전성 접합층(242), 제2 전극(232), 제2 절연층(222) 및 제2 기판(212)이 제1 방향(예컨대, 제1-1 방향(X1 방향))으로 순차적으로 적층될 수 있다.
그리고 제1 기판(211), 제1 절연층(221), 제1 전극(231), 반도체 구조물(270), 제2 전극(232), 제2 절연층(222) 및 제2 기판(212) 각각에 대하여 도 1 내지 도 4의 하부 기판(110), 절연층(170), 하부 전극(120), 열전레그(130, 140), 상부 전극(150), 절연층(170) 및 상부 기판(160)에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 반도체 구조물(270)은 도 1 내지 도 4의 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)일 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 제1 전극(231)과 반도체 구조물(270) 사이의 구조를 위주로 설명하지만, 동일한 설명이 반도체 구조물(270)과 제2 전극(232) 사이의 구조에도 적용될 수 있다. 나아가, 열전 소자(200)는 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 사이에서 기판(210)(제1 기판 또는 제2 기판)의 외측을 따라 배치되는 실링 부재(290)를 더 포함할 수 있다. 실링 부재(290)에 관한 내용은 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 실링 부재(190)에 관한 내용이 적용될 수 있다. 이에, 실링 부재(290)는 전극(230), 도전성 접합층(240), 금속층(250), 확산 방지층(260) 및 반도체 구조물(270)을 둘러쌀 수 있다. 또한, 실링 부재(290)는 열전 소자(200)의 제1 절연층(221) 및 제2 절연층(222)과 접촉할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술한다.
또한, 제1 기판(211)과 제1 절연층(221) 간 열팽창계수가 서로 상이할 경우, 고온부와 저온부의 온도 차이로 인하여 제1 기판(211)과 제1 절연층(221)간의 박리가 발생할 수 있는데, 실링 부재(290)와 제1 절연층(221) 또는 제2 절연층(222)이 접촉하면, 실링 부재(290)는 제1 기판(211)과 제1 절연층(221) 간 박리를 통해 반도체 구조물(270)로 외부의 수분이나 이물질이 침투하는 것을 차단할 수 있다. 나아가, 열팽창계수 차이로 인해 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 간의 휘어짐이 발생하더라도 실링 부재(290)에 의해 휘어짐에 따른 열전 소자의 신뢰성 악화를 완화할 수 있다.
또한, 제1 절연층(221) 및 제2 절연층(222)은 복수의 서브 절연층으로 이루어질 수 있다. 이하에서는 제1 절연층을 기준으로 설명한다. 예를 들어, 도시되지 않았으나, 제1 절연층(221)은 조성이 서로 상이한 제1 서브 절연층 및 제2 서브 절연층을 포함할 수 있으며, 제1 서브 절연층은 제1 기판(211) 상에 배치되고, 제2 서브 절연층은 제1 서브 절연층과 제1 전극(231) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 절연층은 실리콘과 알루미늄을 포함하는 복합체(composite)를 포함할 수 있다. 여기서, 복합체는 실리콘과 알루미늄을 포함하는 산화물, 탄화물 및 질화물 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 복합체는 Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이와 같이, Al-Si 결합, Al-O-Si 결합, Si-O 결합, Al-Si-O 결합 및 Al-O 결합 중 적어도 하나를 포함하는 복합체는 절연 성능이 우수하며, 이에 따라 높은 내전압 성능을 얻을 수 있다.
한편, 제2 서브 절연층은 에폭시 수지 및 무기충전재를 포함하는 에폭시 수지 조성물 및 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘 수지 조성물 중 적어도 하나를 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 제2 서브 절연층은 제1 서브 절연층과 제1 전극(231) 간의 절연성, 접합력 및 열전도 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제1 전극(231)과 반도체 구조물(270)은 제1 도전성 접합층(241)에 의하여 접합될 수 있다. 제1 도전성 접합층(241)은, 예를 들어 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 이를 포함하는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 비스무스(Bi), 은(Ag), 구리(Cu), 납(Pb) 및 이를 포함하는 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수도 있으며, 솔더층이라 지칭될 수 있다. 제1 도전성 접합층(241)의 두께는 30㎛ 내지 120㎛, 바람직하게는 40㎛ 내지 110㎛일 수 있다. 제1 도전성 접합층(241)의 두께가 이러한 수치범위를 만족할 경우, 제1 전극(231)과 반도체 구조물(270)은 안정적으로 접합될 수 있다.
한편, 제1 도전성 접합층(241)과 반도체 구조물(270) 사이에는 제1 금속층(251)이 배치될 수 있다. 제1 금속층(251)은 니켈(Ni), 주석(Sn), 팔라듐(Pd) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 금속층(251)은 반도체 구조물(270) 내 반도체 재료, 예를 들어 Bi 또는 Te가 제1 전극(231)을 향하는 방향으로 확산되는 것을 막으므로, 열전 소잠의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 제1 도전성 접합층(241)과의 젖음성이 우수하여 제1 전극(231)과 반도체 구조물(270) 간 접합력을 높일 수 있다.
제1 금속층(251)은 반도체 구조물(270)의 한 면에 도금, 예를 들어 무전해 도금될 수 있으며, 이에 따라 도금층이라 지칭될 수도 있다. 여기서, 제1 금속층(251)의 총 두께는 10㎛ 내지 80㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 60㎛, 더욱 바람직하게는 25㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
제1 금속층(251)은 복수의 서브 금속층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속층(251)은 반도체 구조물(270) 저면에 접하는 제1 서브 금속층과 제1 서브 금속층 저면에 접하는 제2 서브 금속층을 포함할 수 있다. 제1 서브 금속층은 니켈(Ni)을 포함하여 반도체 구조물(270) 내 반도체 재료, 예를 들어 Bi 또는 Te의 확산을 방지할 수 있다. 그리고 제2 서브 금속층은 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 포함하며 도전성 접합층(240)과 접합될 수 있다. 이에, 제1 금속층(251)은 확산 방지 성능 및 접합 성능을 수행할 수 있다.
제1 확산 방지층(261)은 제1 금속층(251) 상에 배치되고, 제1 개구부(G1)를 가질 수 있다. 제1 금속층(251)의 일부는 제1 개구부(G1)로 연장되어 반도체 구조물(270)과 접할 수 있다. 이에, 제1 금속층(251)은 반도체 구조물(270)과 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 확산 방지층(261)은 제1 금속층(251)과 반도체 구조물(270) 사이에서 반도체 구조물(270)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 즉, 제1 확산 방지층(261)은 반도체 구조물(270)의 저면에서 제1 금속층(251)의 외측에 위치할 수 있다. 이러한 제1 확산 방지층(261)은 금속 또는 절연 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 확산 방지층(261)은 산화물(oxide)로 이루어질 수 있다. 그리고 제1 확산 방지층(261)은 제1 도전성 접합층(241)과의 젖음성이 낮을 수 있다. 예컨대, 제1 확산 방지층(261)은 제1 도전성 접합층(241)과의 젖음성이 제1 금속층(251) 대비 낮을 수 있다. 이 때, 열전 소자가 온도 차에 의해 발전을 수행함으로써, 제1 도전성 접합층(241)이 제1 금속층(251)의 외측면을 따라 반도체 구조물(270)로 이동할 수 있다. 실시예에서, 제1 확산 방지층(261)이 제1 금속층(251)과 반도체 구조물(270) 사이에 배치되어 제1 금속층(251)의 외측면을 따라 제1 도전성 접합층(241)이 이동하는 현상을 억제할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 열전 소자(200)의 발전 성능이 저하되는 현상이 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동함에 따라 제1 도전성 접합층(241) 내에 공극이 형성되는 것이 억제될 수 있다. 이에, 열전 소자(200)의 구조적 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 금속층(250)은 확산 방지층(260)과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역(S1) 및 확산 방지층(260)의 개구부(G1, G2)와 수직 방향으로 중첩되는 제2 영역(S2)을 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 금속층(251)은 제1 확산 방지층(261)과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역(S1)과 제1 확산 방지층(261)의 제1 개구부(G1)와 수직 방향으로 중첩되는 제2 영역(S2)을 포함할 수 있다. 이에, 제1 영역(S1)은 제2 영역(S2)과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 또한, 제2 영역(S2)은 일부가 제1 영역(S1)과 수평 방향으로 중첩될 수 있다. 수평 방향은 수직 방향에 수직한 방향일 수 있다. 그리고 제1 영역(S1)은 제2 영역(S2)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
또한, 실시예로, 제1 영역(S1)의 폭 및 제2 영역(S2)의 폭은 선택적으로 가져갈 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(251)과 반도체 구조물(270) 간의 전기적 연결에 따른 저항이 큰 경우, 제2 영역(S2)의 폭(W2)은 제1 영역(S1)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 그리고 제1 금속층(251)과 반도체 구조물(270) 간의 전기적 연에 따른 저항이 작은 경우, 제2 영역(S2)의 폭(W2)은 제1 영역(S1)의 폭(W1)보다 작을 수 있다. 이 때, 제1 영역(S1)의 폭(W1)은 개구부(예로, 제1 개구부, G1))와 제1 금속층(251)의 외측면 사이의 수평 방향으로 최단 거리일 수 있다. 그리고 제2 영역(S2)의 폭(W2)은 제2 영역(S2)의 중심(예로, 무게 중심)과제2 영역(S2)의 외측면(또는 개구부) 사이의 최단 거리일 수 있다.
또한, 제2 영역(S2)의 두께(d2)는 제1 영역(S1)의 두께(d1)보다 클 수 있다. 이에, 반도체 구조물(270)의 저면에 대한 스텝 커버리지가 개선될 수 있다. 예컨대, 제2 영역(S1)과 제1 영역(S1)의 두께차이로 제1 영역(S1)이 제1 확산 방지층(261)의 토폴로지가 완화될 수 있다.
예컨대, 제1 금속층(251)의 저면은 제2 영역(S2)에서 반도체 구조물(270)을 향한 방향으로 볼록할 수 있다. 또는 제1 금속층(2501)의 저면은 제2 영역(S2)에서 제1 개구부(G1)를 향해 볼록(251B)할 수 있다. 이 때, 제1 도전성 접합층(241)은 제1 금속층(251) 하부에서 제1 금속층(251)의 저면과 접할 수 있다. 이에 따라, 제1 도전성 접합층(241)의 상면은 제2 영역(S2)과 수직으로 중첩되는 영역에서 제1 개구부(G1) 또는 반도체 구조물(270)을 향해 볼록(241B)할 수 있다. 이에 대한 설명은 제2 금속층(252)과 제2 도전성 접합층(242)에도 동일하게 적용될 수 있다. 예컨대, 제2 금속층(252)의 상면은 제2 영역(S2)에서 제2 개구부(G2) 또는 반도체 구조물(270)을 향해 볼록할 수 있다. 나아가, 제2 도전성 접합층(242)도 제2 영역(S2)과 수직으로 중첩되는 영역에서 제2 개구부(G2) 또는 반도체 구조물(270)을 향해 볼록할 수 있다.
이에 따라, 실시예에서 제1 금속층의 상면은 제1 금속층의 저면보다 평탄할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 금속층과 도전성 접합층 간의 접합력이 개선되며, 이와 동시에 상술한 바와 같이 도전성 접합층이 반도체 구조물로 이동하는 것도 억제될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 열전 소자(200A)는 기판(210), 기판(210) 상에 배치되는 절연층(220), 절연층(220) 상에 배치되는 전극(230), 전극(230) 상에 배치되는 반도체 구조물(270), 반도체 구조물(270)의 일면(예로, 저면)에 배치되는 확산 방지층(260), 확산 방지층의 일면(예로, 저면)에 배치되는 금속층(250), 금속층(250)과 전극(230) 사이에 배치되는 전도성 접합층(240)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 다른 실시예에 따른 열전 소자(200A)의 구성요소에 대한 설명은 이하 후술하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따른 열전 소자(200A)는 반도체 구조물(270)의 상면 및 저면 중 어느 하나에 확산 방지층(260)이 배치될 수 있다. 예컨대, 다른 실시예에 따른 열전 소자(200A)에서 확산 방지층(260)은 열전 소자(200A)에서 고온측에 위치할 수 있다. 예컨대, 확산 방지층(260)은 반도체 구조물(270)의 상면에만 배치될 수 있다.
실시예로, 열전 소자(200A)에서 발전을 위한 하부측 온도(예로, 제2 온도)와 상부 측 온도(예로, 제1 온도)가 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 제1 온도는 제2 온도보다 고온일 수 있다. 즉, 열전 소자(200A)는 제2 확산 방지층(262)만이 존재할 수 있다.
본 실시예에 따른 열전 소자(200A)에서 실링 부재(미도시됨)에 대한 접촉 대상이 같거나 또는 상이할 수 있다. 예컨대, 실링 부재(미도시됨)는 반도체 구조물(270) 하부에서 제1 전극(231), 제1 도전성 접합층(241) 및 제1 금속층(251) 중 적어도 하나와 접하며, 반도체 구조물(270) 상부에서 제2 전극(232), 제2 도전성 접합층(242), 제2 금속층(252) 및 제2 확산 방지층(262) 중 적어도 하나와 접할 수 있다.
이에 따라, 열전 소자(200A)가 온도 차를 기반으로 발전을 수행함으로써, 제1, 2 도전성 접합층(241, 242)이 제1,2 금속층(251,252)의 외측면을 따라 반도체 구조물(270)로 이동할 수 있다. 특히, 제2 온도보다 고온인 제1 온도에 인접한 제2 기판(212)에 인접한 제2 도전성 접합층(242)의 이동이 저온의 제1 기판(211)에 인접한 제1 도전성 접합층의 이동보다 클 수 있다. 이에, 제2 확산 방지층(262)이 반도체 구조물(270)과 제2 전극(232) 사이에 배치되어, 제2 도전성 접합층(242)이 제2 금속층(252)의 외측면을 따라 이동하는 현상을 억제할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 열전 소자(200A)의 발전 성능이 저하되는 현상이 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 도전성 접합층(242)이 반도체 구조물(270)로 이동함에 따라 제2 도전성 접합층(242) 내에 공극이 형성되는 것이 억제될 수 있다. 이에, 열전 소자(200A)의 구조적 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 열전 소자에서 제1 외측면 내지 제3 외측면을 설명하는 도면이고, 도 10은 도 9에서 II'로 절단된 단면도이고,
도 9 및 도 10을 참조하면, 실시예에 따른 열전 소자(200)에서, 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 사이에 또는 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222) 사이에 복수의 전극, 복수의 도전성 접합층, 복수의 금속층, 복수의 확산 방지층 및 복수의 반도체 구조물이 배치될 수 있다.
또한, 실링 부재(290)는 상술한 바와 같이 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222) 사이에서 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222)의 측면을 따라 배치될 수 있다. 즉, 실링 부재(290)는 전극(230), 도전성 접합층(240), 금속층(250), 확산 방지층(260) 및 반도체 구조물(270)을 둘러쌀 수 있다. 이하 상술한 바와 같이, 구성요소에 대한 설명은 반도체 구조물(270) 하부의 제1 확산 방지층(261), 제1 금속층(251) 및 제1 도전성 접합층(241)을 기준으로 설명한다. 이하에서 제1 확산 방지층(261), 제1 금속층(251) 및 제1 도전성 접합층(241)에 대한 설명은 제2 확산 방지층(262), 제2 금속층(252) 및 제2 도전성 접합층(242)에 적용될 수 있다.
실시예로, 확산 방지층은 최외측에 배치된 제1 외측면(E1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 확산 방지층(261)은 최외측에 배치된 제1 외측면(E1)을 포함할 수 있다. 제1 외측면(E1)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 외측면(E1)과 실링 부재(290) 간의 최단 영역에 확산 방지층이 배치되지 않는다. 또는 제1 외측면(E1)은 복수의 제1 확산 방지층(261)의 중심(예로, 무게 중심)에 연결한 가상선 상의 최외측에 위치하는 면일 수 있다. 이는 이하 제2 외측면(E2)과 제3 외측면(E3)에도 각각 반도체 구조물(270)과 제1 금속층(251)을 기준으로 동일하게 적용될 수 있다.
실시예에서, 실링 부재(290)는 외측에 배치된 확산 방지층(예로, 제1 확산 방지층)과 접할 수 잇다. 예를 들어, 실링 부재(290)는 제1 확산 방지층과 접하며, 특히 제1 외측면(E1)과 접할 수 있다. 나아가, 실링 부재(290)는 제1 절연층(221) 및 제2 절연층(222)과 접할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 실링 부재(290)는 절연층 및 확산 방지층과 접할 수 있다. 이에 따라, 실링 부재(290)는 최외측에 배치된 제1 확산 방지층(261) 및 제1 절연층과 접할 수 있다. 따라서 제1 확산 방지층(261) 뿐만 아니라 실링 부재(290)도 제1 도전성 접합층(241)의 성분이 제1 확산 방지층(261)의 외측면을 따라 반도체 구조물(270)로 이동하지 않게 한다. 나아가, 수분이 제1 도전성 접합층, 제1 전극으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반도체 구조물(270)은 최외측에 배치된 제2 외측면(E2)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 외측면(E2)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 이에, 제2 외측면(E2)과 실링 부재(290) 간의 최단 영역에 따른 반도체 구조물(270)이 배치되지 않는다.
실시예로, 제2 외측면(E2)과 제1 외측면(E1)은 서로 인접하게 배치될 수 있다. 나아가, 반도체 구조물(270)과 확산 방지층(260)의 외측면이 서로 동일면을 이루는 경우, 제1 외측면(E1)과 제2 외측면(E2)이 서로 동일면을 이룰 수 있다.
또한, 금속층은 최외측에 배치된 제3 외측면(E3)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 금속층(251)은 실링 부재(290)와 최인접한 면인 제3 외측면(E3)을 가질 수 있다. 제3 외측면(E3)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치되어, 제3 외측면(E3)과 실링 부재(29) 간의 최단 영역에 따른 금속층이 배치되지 않는다.
이에, 제3 외측면(E3)은 제1 외측면(E1) 또는 제2 외측면(E2)과 서로 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 반도체 구조물(270), 확산 방지층(260) 및 금속층(250)의 외측면이 서로 동일면을 이루는 경우, 제1 외측면(E1), 제2 외측면(E2) 및 제3 외측면(E3)이 서로 동일면을 이룰 수 잇다.
또한, 복수의 제1 전극(231)의 측면의 일부는 제1 절연층(221) 내에 매립될 수 있다. 이때, 제1 절연층(221) 내에 매립된 복수의 제1 전극(231)의 측면의 높이(H1)는 복수의 제1 전극(231)의 두께(H)의 0.1 내지 1배, 바람직하게는 0.2 내지 0.9배, 더 바람직하게는 0.3 내지 0.8배일 수 있다. 이와 같이, 복수의 제1 전극(231)의 측면의 일부가 제1 절연층(221) 내에 매립되면, 복수의 제1 전극(231)과 제1 절연층(221) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 복수의 제1 전극(231)과 제1 절연층(221) 간의 열전달 성능 및 접합 강도가 더욱 높아질 수 있다.
그리고 제1 절연층(221) 내에 매립된 복수의 제1 전극(231)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(231)의 두께(H)의 0.1배 미만일 경우, 복수의 제1 전극(231)과 제1 절연층(221) 간의 열전달 성능 및 접합 강도를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 제1 절연층(221) 내에 매립된 복수의 제1 전극(231)의 측면의 높이(H1)가 복수의 제1 전극(231)의 두께(H)의 1배를 초과할 경우 제1 절연층(221)이 복수의 제1 전극(231) 상으로 올라올 수 있으며, 이에 따라 전기적으로 단락될 가능성이 있다.
더욱 상세하게, 제1 절연층(221)의 제1 전극(231)과 마주보는 면 또는 접촉면(상면)은 제1 리세스(221A) 및 제2 리세스(221B)를 포함하고, 제1 전극(231)은 제1 리세스(221A) 내에 배치될 수 있다. 제2 리세스(221B)는 복수의 제1 전극(231) 사이에서 배치되며, 제2 리세스(221B)에서 제1 절연층(221)의 두께는 각각의 전극 측면에서 중심영역으로 갈수록 감소하여, 꼭지점이 원만한 'V'형상을 가지되, 제1 리세스(221A)의 깊이보다 얕을 수 있다. 따라서, 복수의 제1 전극(231) 사이의 제1 절연층(221)은 두께의 편차를 가지며, 복수의 제1 전극(231)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)가 가장 높고, 중심영역에서의 높이(T3)는 복수의 제1 전극(231)의 측면과 직접 접촉하는 영역에서의 높이(T2)보다 낮을 수 있다. 즉, 복수의 제1 전극(231) 사이의 제1 절연층(221)의 중심영역 높이(T3)는 복수의 제1 전극(231) 사이의 제1 절연층(221) 내에서 가장 낮을 수 있다. 또한, 복수의 제1 전극(231) 아래의 제1 절연층(221)의 높이(T1)는 복수의 제1 전극(231) 사이의 제1 절연층(221)의 중심영역 높이(T3)보다 더 낮을 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 소자의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 열전 소자(200B)는 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)에 대한 설명은 이하 설명하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 사이에 또는 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222) 사이에 배치된 복수의 전극, 복수의 도전성 접합층, 복수의 금속층, 복수의 확산 방지층 및 복수의 반도체 구조물을 포함할 수 있다.
또한, 확산 방지층은 최외측에 배치된 제1 외측면(E1)을 포함할 수 있다. 제1 외측면(E1)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 반도체 구조물(270)은 최외측에 배치된 제2 외측면(E2)을 포함할 수 있다. 이에, 제2 외측면(E2)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 금속층은 최외측에 배치된 제3 외측면(E3)을 포함할 수 있다. 그리고 제3 외측면(E3)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1) 및 제3 외측면(E3)과 접할 수 있다. 이에, 실링 부재(290)가 제3 외측면(E3)과 접함으로써, 금속층 예를 들어 제1 금속층(251)이 제1 확산 방지층(261)의 측면을 따라 이동하는 것이 억제될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 최외측에 배치된 제1 도전성 접합층(241)의 일부가 제1 금속층(251)의 측면으로 이동하는 것이 차단될 수 있다. 이에 따라, 제1 도전성 접합층(241)의 이동에 따라 제1 도전성 접합층(241) 내에 공극이 발생하는 현상도 억제될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 도전성 접합층(241)으로의 수분 침투도 억제될 수 잇다. 따라서 실시예에 따른 열전 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 12는 도 11의 일 변형예이다.
일 변형예에 따른 열전 소자(200C)는 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)에 대한 설명은 이하 설명하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 사이에 또는 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222) 사이에 배치된 복수의 전극, 복수의 도전성 접합층, 복수의 금속층, 복수의 확산 방지층 및 복수의 반도체 구조물을 포함할 수 있다.
또한, 확산 방지층은 최외측에 배치된 제1 외측면(E1)을 포함할 수 있다. 제1 외측면(E1)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 반도체 구조물(270)은 최외측에 배치된 제2 외측면(E2)을 포함할 수 있다. 이에, 제2 외측면(E2)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 금속층은 최외측에 배치된 제3 외측면(E3)을 포함할 수 있다. 그리고 제3 외측면(E3)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1) 및 제2 외측면(E2)과 접할 수 있다. 이에, 실링 부재(290)가 제2 외측면(E3)과 접함으로써, 금속층 예를 들어 제1 금속층(251)이 제1 확산 방지층(261)의 측면을 따라 반도체 구조물(270)로 이동하는 것이 억제될 수 있다.
예를 들어, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1)에서 제2 외측면(E2)으로 연장될 수 있다. 이에, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1)과 인접한 반도체 구조물(270)의 제2 외측면(E2)과 접할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 도전성 접합층(241)의 일부가 제1 금속층(251)의 측면을 따라 이동하더라도 1차적으로 제1 확산 방지층(261)이 이러한 이동을 억제할 수 있다. 나아가, 실링 부재(290)는 제1 도전성 접합층(241)의 일부가 제1 확산 방지층(261)으로 이동하더라도 최종적으로 반도체 구조물(270)로 이동하지 않게 할 수 있다. 따라서 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동하는 현상이 효과적으로 억제될 수 있다. 이로써, 열전 소자의 발전 성능 저하가 억제될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동함에 따라 제1 도전성 접합층(241) 내에 공극이 형성되는 것이 억제될 수 있다. 이에, 열전 소자(200)의 구조적 신뢰성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 반도체 구조물(270) 로의 수분 침투도 억제될 수 잇다. 따라서 실시예에 따른 열전 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 13은 도 11의 다른 변형예이다.
도 13을 참조하면, 다른 변형예에 따른 열전 소자(200D)는 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 기판(211), 제2 기판(212), 제1 절연층(221), 제2 절연층(222), 제1 전극(231), 제2 전극(232), 제1 도전성 접합층(241), 제2 도전성 접합층(242), 제1 금속층(251), 제2 금속층(252), 제1 확산 방지층(261), 제2 확산 방지층(262) 및 반도체 구조물(270)에 대한 설명은 이하 설명하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 제1 기판(211)과 제2 기판(212) 사이에 또는 제1 절연층(221)과 제2 절연층(222) 사이에 배치된 복수의 전극, 복수의 도전성 접합층, 복수의 금속층, 복수의 확산 방지층 및 복수의 반도체 구조물을 포함할 수 있다.
또한, 확산 방지층은 최외측에 배치된 제1 외측면(E1)을 포함할 수 있다. 제1 외측면(E1)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 반도체 구조물(270)은 최외측에 배치된 제2 외측면(E2)을 포함할 수 있다. 이에, 제2 외측면(E2)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다. 또한, 금속층은 최외측에 배치된 제3 외측면(E3)을 포함할 수 있다. 그리고 제3 외측면(E3)은 실링 부재(290)에 최인접하게 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1) 및 제2 외측면(E2)과 접할 수 있다. 이에, 실링 부재(290)가 제2 외측면(E3)과 접함으로써, 금속층 예를 들어 제1 금속층(251)이 제1 확산 방지층(261)의 측면을 따라 반도체 구조물(270)로 이동하는 것이 억제될 수 있다.
예를 들어, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1)에서 제2 외측면(E2) 및 제3 외측면(E3)으로 연장될 수 있다. 이에, 실링 부재(290)는 제1 외측면(E1)과 인접한 반도체 구조물(270)의 제2 외측면(E2) 및 제3 외측면(E3)과 접할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 도전성 접합층(241)의 일부가 제1 금속층(251)의 측면을 따라 이동하더라도 1차적으로 제2 외측면(E2)과 접하는 실링 부재(290)가 이러한 이동을 억제할 수 있다. 나아가, 실링 부재(290)가 반도체 구조물(270)의 제3 외측면(E3)과 접함으로써, 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동하는 것이 최종적으로 차단될 수 있다. 따라서 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동하는 현상이 용이하게 억제될 수 있다. 뿐만 아니라, 열전 소자의 발전 성능 저하가 억제될 수 있다. 또한, 제1 도전성 접합층(241)이 반도체 구조물(270)로 이동함에 따라 제1 도전성 접합층(241) 내에 공극이 형성되는 것이 억제되어 열전 소자(200)의 구조적 신뢰성이 향상될 수 있다. 나아가, 반도체 구조물(270) 로의 수분 침투도 억제될 수 잇다. 따라서 실시예에 따른 열전 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 발전용 장치 등에 작용될 수 있다. 즉, 실시예에 따른 열전 소자를 포함한 발전용 장치 또는 다양한 전기 장치도 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다. 그리고 열원을 효율적으로 수렴하기 위해 복수의 열전 소자 또는 상기 발전용 장치를 배열할 수 있음을 이해해야 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 전극;
    상기 전극 상에 배치된 반도체 구조물;
    상기 반도체 구조물의 저면에 배치되고, 개구부를 갖는 확산 방지층;
    상기 확산 방지층의 저면에 배치된 금속층; 및
    상기 금속층과 상기 전극 사이에 배치된 전도성 접합층;을 포함하고,
    상기 금속층의 일부는 상기 확산 방지층의 개구부 내로 연장되어 상기 반도체 구조물과 전기적으로 연결된 열전 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 확산 방지층과 수직으로 중첩되는 제1 영역, 및 상기 확산 방지층의 개구부와 수직으로 중첩되는 제2 영역을 포함하는 열전 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 영역의 두께는 상기 제1 영역의 두께보다 크고,
    상기 제1 영역은 상기 제2 영역을 둘러싸는 열전 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극, 상기 반도체 구조물, 상기 확산 방지층 및 상기 금속층을 둘러싸는 실링 부재;를 더 포함하는 열전 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전극 하부에 배치되는 기판; 및
    상기 기판과 상기 전극 사이에 배치되는 절연층;을 더 포함하고,
    상기 실링 부재는 상기 절연층과 접하는 열전 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 확산 방지층은 복수 개이며 최외측에 배치된 제1 외측면;을 포함하고,
    상기 실링 부재는 상기 제1 외측면과 접하는 열전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반도체 구조물은 복수 개이며 최외측에 배치된 제2 외측면;을 포함하고,
    상기 실링 부재는 상기 제1 외측면에서 상기 제2 외측면으로 연장된 열전 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속층은 복수 개이며 최외측에 배치된 제3 외측면;을 포함하고,
    상기 실링 부재는 상기 제1 외측면에서 상기 제3 외측면으로 연장된 열전 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 확산 방지층은 금속 또는 절연 재질로 이루어진 열전 소자.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 기판은 서로 마주하는 제1 기판과 제2 기판을 포함하고,
    상기 확산 방지층은 상기 반도체 구조물과 상기 제1 기판 사이에 배치되는 제1 확산 방지층; 및 상기 반도체 구조물과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제2 확산 방지층;을 포함하고,
    상기 제1 확산 방지층의 개구부는 상기 제2 확산 방지층의 개구부와 수직으로 중첩되는 열전 소자.
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