KR101460880B1 - 비아 홀이 구비된 몰드를 이용한 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 - Google Patents

비아 홀이 구비된 몰드를 이용한 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전박막 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제조방법의 단순화 및 특성과 신뢰성의 향상을 이루기 위해 비아 홀이 구비된 몰드를 이용하여 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈의 제조방법과 이에 의해 이루어지는 열전박막 모듈을 제공한다.
본 발명에 의하여, 여러 번의 포토레지스트 패턴 공정이 생략되어 제조방법이 간단해지게 되며, 외부에서 가해지는 하중을 몰드가 지탱하여 외부 하중에 의한 열전박막 레그들의 파괴를 방지할 수 있으며, 비아 홀내의 열전박막 레그들이 공기 중에 노출되지 않아 대기 중의 수분과의 반응이 방지되어 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 열저항이 큰 상부 기판과 하부 기판이 제거되어 마이크로 열전박막소자의 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

비아 홀이 구비된 몰드를 이용한 열전박막 모듈의 제조방법 및 이에 의해 제조된 열전박막 모듈 {Fabrication methods of thermoelectric thin film modules using moulds consisting of via-holes and thermoelectric thin film modules produced using the same method}
본 발명은 마이크로 열전센서, 열전발전소자 및 열전냉각소자와 같은 마이크로 열전박막소자에 적용하기 위한 열전박막 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
열전재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열 에너지와 전기 에너지간의 직접변환이 가능한 재료로서 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 p형 열전 레그(leg)들과 n형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열적으로는 병렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 cold junction 부위에서 hot junction 부위로 펌핑되어 cold junction 부위가 냉각된다. 이에 반해 열전발전의 경우에는 모듈의 고온단과 저온단 사이의 온도차에 의해 고온단에서 저온단 부위로 열이 이동시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온단에서 저온단으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생하게 된다.
전자냉각모듈은 열응답 감도가 높고 국부적으로 선택적 냉각이 가능하며 작동부분이 없어 구조가 간단한 장점이 있어, 광통신용 LD 모듈, 고출력 파워 트랜지스터, 적외선 감지소자 및 CCD 등 전자부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며, 공업용, 민생용 항온조나 과학용, 의료용 항온유지 장치에 응용되고 있다. 열전발전은 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 이용 열원의 선택범위가 넓으며 구조가 간단하고 소음이 없어, 군사용 전원장치를 비롯한 특수소형 전원장치에 국한되었던 용도가 최근에는 산업폐열 등을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 증대하고 있다.
최근 초소형 고감도 센서와 마이크로 발전소자 및 마이크로 냉각소자의 필요성이 대두됨에 따라 마이크로 열전소자가 개발되었다. 이제까지 마이크로 열전소자에 사용되는 열전모듈은 단결정 잉곳(ingot)을 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 n형 열전 레그(leg)들과 p형 열전 레그들로 구성하거나, 가압소결법이나 열간압출법으로 제조한 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조한 덩어리(bulk) 형태의 n형 열전 레그들과 p형 열전 레그들로 구성되어 왔다. 그러나 이들 덩어리 형태의 열전 레그들은 단결정 잉곳을 절단하거나 또는 다결정 가압소결체나 열간압출체를 절단하여 제조하기 때문에 크기 감소에 제한을 받는다. 따라서 이들을 이용하여 소형 열전모듈을 제작하는 것이 어려워 마이크로 열전소자를 구성하는데 어려움이 있었다.
상기와 같이 덩어리 형태의 열전 레그들을 사용하여 마이크로 열전모듈을 구성시 발생하는 문제점을 해결하기 위해 도 1에 도시한 바와 같은 열전박막 모듈이 개발되었다. 열전박막 모듈을 구성하는 n형 열전박막 레그(11)과 p형 열전박막 레그(12)들은 기존 덩어리 형태의 열전 레그들에 비해 크기를 훨씬 미세하게 만들 수 있으며, 이에 따라 이들로 이루어진 열전박막 모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전센서, 마이크로 열전박막소자 및 마이크로 열전냉각소자와 같은 열전박막소자의 소형화가 가능하게 된다.
열전박막 모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전센서는 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 열전변환에 의해 전기적 신호가 열신호로부터 스스로 생성되므로 외부전원을 필요로 하지 않는다. 둘째, 작은 온도변화에도 감도와 응답성이 높으며, 출력신호가 크다. 셋째, 고온에서도 안정된 출력신호를 얻을 수 있어 활용 가능한 온도범위가 넓다. 이와 같은 장점으로 인해 마이크로 열전센서는 적외선 센서, 마이크로 칼로리미터, 습도계, RMS 컨버터, 가속도계, 유량계 등에 다양하게 응용되고 있다. 열전박막모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전발전소자에서는 열전박막 레그들의 미세화에 의해 작은 온도차에서도 큰 출력전압의 발생이 가능하여 출력밀도를 현저히 향상시키는 것이 가능하다. 열전박막모듈을 사용하여 구성한 마이크로 열전냉각소자는 냉각능이 크고 크기가 mm 이하로 소형화가 가능하며 반응시간이 짧아, 전자부품의 소형화와 고집적화에 따른 발열 및 온도 안정성 등의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
열전박막 모듈을 구성하기 위한 n형 열전박막 레그(11)와 p형 열전박막 레그(12)로는 상온 부근에서 열전특성이 우수한 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)계 열전재료들이 주로 사용되고 있다. 비스무스 테루라이드계 열전재료 중에서 n형으로는 이원계 비스무스 테루라이드(Bi2Te3)와 삼원계 비스무스 테루라이드 세레나이드{Bi2(Te,Se)3}가 사용되고 있으며, p형으로는 이원계 안티모니 테루라이드(Sb2Te3)와 삼원계 비스무스 안티모니 테루라이드{(Bi,Sb)2Te3}가 사용되고 있다.
도 1과 같은 열전박막 모듈의 기존 제조방법을 도 2에 나타내었다. 도 2(a)와 같이 하부 기판(14)에 포토레지스트(15)를 도포하고 큐어링한 후, 포토리소그래피 공정을 사용하여 하부전극 형성용 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그런 다음에 진공증착법, 스퍼터링법, 전기도금법과 같은 금속박막 형성공정을 사용하여 도 2(b)와 같이 하부 기판에 박막전극(13)을 형성한다. 그런 다음에 도 2(c)와 같이 하부전극 형성용 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 다시 도 2(d)와 같이 하부 기판(14)에 포토레지스트(15)를 도포하고 큐어링하고, 포토리소그래피 공정을 사용하여 n형 열전박막 레그들을 형성할 부위의 포토레지스트를 제거한다. 그런 다음에 열전박막 공정법을 사용하여 도 2(e)와 같이 n형 열전박막 레그들을 형성한다. 그런 다음에 도 2(f)와 같이 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 도 2(g)와 같이 포토레지스트(15)를 다시 도포하고 큐어링 한 후 포토리소그래피 공정을 사용하여 p형 열전박막 레그들을 형성할 부위의 포토레지스트를 제거하여 p형 열전박막 형성용 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그런 다음에 열전박막 공정법을 사용하여 도 2(h)와 같이 p형 열전박막 레그들을 형성한다. 그런 다음에 도 2(i)와 같이 다시 p형 열전박막 레그 형성용 포토레지스트 패턴을 제거한다. 그런 다음에 다시 포토레지스트를 도포하고 큐어링 한 후 포토리소그래피 공정을 사용하여 도 2(j)와 같이 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 연결하기 위한 전극형성용 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그런 다음에 금속박막을 증착하여 도 2(k)과 같이 상부 박막전극을 형성한다. 그런 다음에 도 2(l)과 같이 상부 박막전극 형성용 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 도 2(m)과 같이 상부전극에 상부 기판을 접합시킴으로써 도 1과 같은 열전박막 모듈의 제작이 이루어졌다.
그러나 상기와 같은 기존의 열전박막모듈 제작공정은 하부전극 형성용 포토레지스트 패턴공정, n형 열전박막 레그 형성용 포토레지스트 패턴공정, p형 열전박막 레그 형성용 포토레지스트 패턴 공정, 상부전극 형성용 포토레지스트 패턴공정과 같이 여러 번의 포토레지스트 패턴을 형성하고 제거하는 공정이 반복되기 때문에, 공정단가가 높으며 반복되는 포토레지스트 패턴공정 중에 불량이 발생하여 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
또한 도 1과 같은 기존의 열전박막 모듈에서는 외부에서 가해지는 하중이 모두 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들로 전해지게 된다. 그러나 열전박막들은 기계적으로 취약하여 작은 하중에 의해서도 쉽게 파괴가 발생하기 때문에 열전박막 모듈의 사용 중에 외부충격에 의해 열전박막 레그들이 파손되어 열전박막 모듈을 사용하지 못하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 도 1과 같은 기존의 열전박막 모듈에서는 열전박막 레그들이 공기 중에 노출되어 있어 대기 중의 수분과 반응하여 부식이 되어 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있다. 또한 도 1과 같은 기존의 열전박막 모듈에서는 상부 기판과 하부 기판의 높은 열저항 때문에 마이크로 열전박막소자의 특성이 현저히 저하하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 기존 열전박막 모듈의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 비아 홀이 구비된 몰드를 이용하여 열전박막 모듈을 구성함으로써 제조방법이 간단하면서도 특성과 신뢰성이 우수한 열전박막 모듈을 제조하는 가장 효과적인 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, (a) 몰드에 비아 홀들을 형성시키는 단계; (b) 상기 비아 홀들에 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성시키는 단계; (c) 상기 몰드의 위 면과 아래 면에 노출된 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그가 전기적으로는 직렬연결 되며 열적으로는 병렬연결 되도록 박막전극을 형성하는 단계; (d) 상기 몰드의 위 면이나 아래 면 또는 측면에 전극 패드를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 몰드의 표면에 절연층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 몰드는 실리콘(Si)을 사용하여 이루어지며, 상기 n형 열전박막 레그는 비스무스 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 안티모니 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비아 홀들을 그 하방이 몰드에 막혀 관통되지 않도록 형성하고 이들 비아 홀들에 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성한 후에 상기 몰드의 위 면과 아래 면을 연마하여 열전박막 레그들이 몰드를 상하로 관통하여 상기 몰드의 위 면과 아래 면에 노출되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비아 홀들을 상기 몰드의 상하를 관통하도록 형성한 다음에 이들 관통 비아 홀들 내에 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하여 열전박막 레그들이 상기 몰드의 위 면과 아래 면에 노출되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 비아 홀들은 몰드에 대한 Deep RIE, 레이저 가공, 드릴 가공 또는 습식 에칭법 중 적어도 하나를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 몰드는 실리콘(Si), SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 몰드는 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 n형 열전박막 레그는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전기도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 박막전극은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전극 패드들은 스퍼터링, 진공증착, 전기도금, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), 스크린 프린팅, 마이크로 jet 프린팅 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연층은 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 몰드에 구비한 비아 홀들에 n형 열전박막 레그들을 형성한 후 p형 열전박막 레그들을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 몰드에 구비한 비아 홀들에 p형 열전박막 레그들을 형성한 후 n형 열전박막 레그들을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 한 쌍의 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그 또는 한 쌍 이상의 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 전술한 특징들 중 어느 하나에 따른 제조방법으로 제조된 열전박막 모듈을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 비아 홀이 구비된 몰드를 이용하여 열전박막 모듈을 구성함으로써, 여러 번의 포토레지스트 패턴 공정이 생략되어 제조방법이 간단하며, 외부에서 가해지는 하중을 몰드가 지탱하여 외부 하중에 의한 열전박막 레그들의 파괴를 방지할 수 있으며, 비아 홀내의 열전박막 레그들이 공기 중에 노출되지 않아 대기 중의 수분과의 반응이 방지되어 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 열저항이 큰 상부 기판과 하부 기판이 제거되어 마이크로 열전박막소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 기존 방법에 의한 열전박막 모듈의 개략적인 단면도.
도 2는 기존 방법에 의해 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 공정 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 비아 홀을 구비한 몰드를 사용하여 구성된 열전박막 모듈의 개략적인 (a) 단면도와 (b) 투시도.
도 4는 본 발명에 따른 비아 홀을 구비한 몰드를 사용하여 열전박막 모듈을 제조하는 방법을 나타내는 공정 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 전극 패드를 (a) 아래 면에 형성한 열전박막 모듈과 (b) 측면에 형성한 열전박막 모듈의 개략적인 모식도.
도 6은 본 발명에 따른 관통 비아 홀들이 형성되어 있는 몰드를 나타내는 개략적인 (a) 단면도와 (b) 측면도.
이하에서는, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의한 비아 홀이 구비된 몰드를 이용한 열전박막 모듈의 제조방법의 일실시예는 다음과 같이 구성된다.
먼저, 도 4(a)에 도시한 바와 같이 실리콘(Si) 웨이퍼를 절단하여 형성한 실리콘 몰드(31)에 Deep RIE(Reactive Ion Etching)을 이용하여 깊이 150㎛, 직경 50㎛, 피치 150㎛인 비아 홀(via hole)(41)들을 형성한 후, 건식산화법을 이용하여 0.1㎛ 두께의 SiO2 산화막을 비아 홀의 외벽 전면에 형성하였다. 본 실시예에서는 비아 홀(41)의 제작에 Deep RIE를 사용하였으며, 이와 더불어 레이저를 사용하거나 습식에칭법을 사용하여 비아 홀(41)을 형성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 형성한 비아 홀들 중에서 n형 열전박막 레그 형성용 비아 홀에 n형 Bi2Te3 열전박막을 전기도금하기 위한 씨앗층을 형성하기 위해 SiO2 계면과 접착력이 우수한 Ti를 0.1㎛ 두께로 스퍼터링 하였으며, 그 위에 2㎛ 두께의 Cu를 스퍼터링 하였다. 전기도금 씨앗층을 형성한 실리콘(Si)(31) 몰드를 Bi-Te 도금액에 장입하고 1×10-2 torr의 진공도로 30분간 유지하여 비아 홀(41) 내부에 포획되어 있는 기포를 제거하였다. Current source meter를 사용하여 전기도금 씨앗층에 도금전류를 인가하여 n형 열전박막 레그 형성용 비아 홀(41)들 내에 n형 Bi2Te3를 도금함으로써 도 4(b)에 도시한 바와 같이 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(32)들을 형성하였다.
상기와 같이 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(32)들을 형성한 실리콘 몰드(31)의 p형 열전박막 레그 형성용 비아 홀(41) 내에 p형 Sb2Te3 열전박막을 전기도금하여 도 4(c)에 도시한 바와 같이 p형 열전박막 레그(33)들을 형성하였다. 이를 위해 p형 열전박막 레그 형성용 비아 홀(41)에 전기도금 씨앗층으로서 0.1㎛ 두께의 Ti와 2㎛ 두께의 Cu를 순차적으로 스퍼터링 하였다. p형 열전박막 전기도금용 씨앗층을 형성한 실리콘(Si) 몰드(31)를 Sb-Te 도금액에 장입하고 1×10-2 torr의 진공도로 30분간 유지하여 비아 홀(41) 내부에 포획되어 있는 기포를 제거하였다. Current source meter를 사용하여 p형 열전박막 레그 형성용 전기도금 씨앗층에 도금전류를 인가하여 비아 홀(41)들 내에 Sb2Te3를 전기도금하여 도 4(c)와 같이 p형 열전박막 레그(33)들을 형성하였다.
상기와 같이 비아 홀(41)들 내에 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들이 형성된 실리콘 몰드(31)의 위 면과 아래 면을 연마하여 비아 홀(41)들내에 채워진 열전박막 레그(32,33)들이 실리콘 몰드(31)의 위 면과 아래 면에 노출되도록 함으로써 도 (d)와 같이 실리콘 몰드(31)를 관통하는 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들이 구비된 몰드(31)를 형성하였다.
상기와 같이 관통된 형상의 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들이 구비된 실리콘 몰드(31)의 위 면과 아래 면에 메탈 마스크를 사용하여 2㎛ 두께의 Cu를 스퍼터링 하여 박막전극(34)들을 형성함으로써 도 4(e)와 같이 실리콘 몰드(31) 내의 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(32)들과 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(33)들이 전기적으로는 직렬 연결되며 열적으로는 병렬 연결되도록 하였다.
열전박막 모듈을 마이크로 전자냉각소자에 적용시에는 열전박막 모듈에 전기를 인가하기 위한 전극 패드(35)가 필요하다. 또한 열전박막 모듈을 마이크로 열전센서에 적용시에는 열 신호에 의해 발생하는 전압측정용 전극 패드(35)가 필요하며, 마이크로 열전발전소자에 적용시에는 온도차에 의해 발생하는 전력을 추출해내기 위한 전극 패드(35)가 필요하다. 본 실시예에서는 2㎛ 두께의 Cu를 스퍼터링 하여 상기와 같은 전극 패드(35)들을 열전박막 모듈의 상부 면에 형성하였다.
상기와 같이 전극 패드(35)들을 형성한 열전박막 모듈의 위 면과 아래 면에 절연층(36)의 용도로 에폭시를 코팅하여 도 3에 도시한 열전박막 모듈을 형성하는 것이 가능하였다. 이러한 제조방법에 의해 제공방법이 간단하면서도 특성과 신뢰성이 우수한 열전박막 모듈을 제공할 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 몰드(31)에 막혀 있는 비아 홀(41)들을 형성하고 이들 비아 홀(41)들을 n형 열전박막(32)과 p형 열전박막(33)으로 채운 후에 실리콘 몰드(31)의 위 면과 아래 면을 연마하여 열전박막 레그(32,33)들이 실리콘 몰드(31)를 관통하도록 제작하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 도 6과 같이 위 면과 아래 면을 관통하는 비아 홀(41)들을 형성한 몰드(31)를 사용하여 상기 관통 비아 홀(41)들에 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들을 형성하여 열전박막 모듈을 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들을 전기도금하기 위한 실리콘 몰드(31)의 비아 홀(41)들을 Deep RIE를 사용하여 형성하였는데, 이와 더불어 레이저 가공이나 드릴 가공 또는 습식 에칭법을 사용하여 몰드(31)에 비아 홀(41)들을 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(32,33)들을 구비하는 몰드(31)로서 실리콘(Si)을 사용하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4와 같은 세라믹을 몰드(31)로 사용하는 것도 가능하다. 또한 본 발명에서는 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론과 같은 고분자를 몰드(31)로 사용하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 레그(32,33)들을 형성할 몰드(31)의 비아 홀(41)들에 절연층(36)을 형성하고 열전박막 레그(32,33)들을 형성하였으나, 이와 더불어 본 발명에서는 몰드(31)의 재질에 따라 비아 홀(41)에 절연층을 형성하지 않고 열전박막 레그(32,33)들을 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 n형 Bi2Te3 열전박막 레그(32)들과 p형 Sb2Te3 열전박막 레그(33)들을 사용하여 열전박막 모듈을 구성하였으며, 이와 더불어 본 발명에서는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 n형 열전박막 래그(32)들을 구성하며 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 p형 열전박막 레그(33)들을 구성하는 것이 가능하다.
본 발명에서 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들을 형성하는 방법으로는 본 실시예에 의한 전기도금법을 포함하여 무전해도금, 스퍼터링, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 포함하여 어떠한 박막형성법이나 코팅법의 사용도 가능하다.
본 발명에서는 n형 열전박막 레그(32)들 대신에 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전후막 레그들을 구비하며, p형 열전박막 레그(33)들 대신에 후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 p형 열전후막 레그들을 구비하여 열전박막 모듈 대신에 열전후막 모듈을 구성하는 것도 가능하다. 상기와 같은 열전후막 모듈에서 박막전극(34)을 사용하는 것도 가능하며, 박막전극(34) 대신에 전극 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 후막전극을 구비하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 n형 열전박막 레그(32)들과 p형 열전박막 레그(33)들을 연결하는 박막전극(34)으로서 구리 박막 단일층을 사용하여 열전박막 모듈을 구성하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어진 박막전극(34)들을 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 전극패드(35)를 열전박막 모듈의 상부 면에 형성하여 열전박막 모듈을 구성하였다. 이와 더불어 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이 상기 전극패드(35)들을 열전박막 모듈의 상부 면이나 하부 면 또는 측면에 형성하는 것이 가능하다.
도 5에 도시한 전극패드(35)들은 스퍼터링, 진공증착, 전기도금, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), 스크린 프린팅, 마이크로 jet 프린팅 등과 같은 다양한 박막공정을 사용하여 형성하는 것이 가능하다. 상기와 같은 전류인가용 또는 전압측정용 또는 전력추출용 전극패드(35)들은 열전박막 모듈의 박막전극(34)의 형성공정 중에 함께 형성하는 것도 가능하며, 박막전극(34)과는 별도의 공정으로 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는 열전박막 모듈의 위 면과 아래 면에 에폭시로 절연층(36)을 형성하여 열전박막 모듈을 구성하였으며, 본 발명에서 상기와 같은 절연층(36)을 열전박막 모듈의 위 면, 아래 면과 함께 측면에도 형성하여 열전박막 모듈을 구성하는 것도 가능하다.
상기와 같은 절연층(36)은 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4와 같은 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론과 같은 고분자를 사용하여 구성하는 것이 가능하다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
11. n형 열전박막 레그 12. p형 열전박막 레그
13. 박막전극 14. 하부 기판 및 상부 기판
31. 몰드 32. n형 열전박막 레그
33. p형 열전박막 레그
34. 하부 박막전극 및 상부 박막전극
35. 전극패드 36. 절연층
41. 비아 홀

Claims (17)

  1. (a) 몰드에 하방이 막혀 있는 비아 홀들을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 비아 홀들에 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성시키는 단계;
    (c) 상기 몰드의 위 면과 아래 면을 연마하여 열전박막 레그들이 몰드를 상하로 관통하여 상기 몰드의 위 면과 아래 면에 노출되도록 하는 단계;
    (c) 상기 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그가 전기적으로는 직렬연결 되며 열적으로는 병렬연결 되도록 박막전극을 형성하는 단계;
    (d) 상기 몰드의 위 면이나 아래 면 또는 측면에 전극 패드를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 몰드의 표면에 절연층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  2. (a) 몰드에 상하로 관통하는 비아 홀들을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 비아 홀들에 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성시키는 단계;
    (c) 상기 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그가 전기적으로는 직렬연결 되며 열적으로는 병렬연결 되도록 박막전극을 형성하는 단계;
    (d) 상기 몰드의 위 면이나 아래 면 또는 측면에 전극 패드를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 몰드의 표면에 절연층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰드는 실리콘(Si)을 사용하여 이루어지며, 상기 n형 열전박막 레그는 비스무스 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 안티모니 테루라이드 박막을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 비아 홀들은 몰드에 대한 Deep RIE, 레이저 가공, 드릴 가공 또는 습식 에칭법 중 적어도 하나를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰드는 실리콘(Si), SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰드는 FR4, 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 n형 열전박막 레그는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지며, 상기 p형 열전박막 레그는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe 열전박막들 중의 어느 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    전기도금, 무전해 도금, 스퍼터링, 무전해도금, 스크린프린팅, 전자빔 증착, 화학기상증착, MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    후막 페이스트의 스크린 프린팅법을 사용하여 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 박막전극은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 함유된 조성의 금속을 조합하여 단일층 또는 다층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전극 패드들은 스퍼터링, 진공증착, 전기도금, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), 스크린 프린팅, 마이크로 jet 프린팅 중 적어도 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 절연층은 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 고분자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰드에 구비한 비아 홀들에 n형 열전박막 레그들을 형성한 후 p형 열전박막 레그들을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰드에 구비한 비아 홀들에 p형 열전박막 레그들을 형성한 후 n형 열전박막 레그들을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    한 쌍의 n형 열전박막 레그와 p형 열전박막 레그 또는 한 쌍 이상의 n형 열전박막 레그들과 p형 열전박막 레그들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전박막 모듈 제조방법.
  16. 제 1항 또는 제 2항의 제조방법으로 제조된 열전박막 모듈.
  17. 삭제
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