KR102050138B1 - 전극층/절연층 다층기판 및 그 제조방법과 이를 포함한 열전발전 모듈 - Google Patents

전극층/절연층 다층기판 및 그 제조방법과 이를 포함한 열전발전 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 DBC(direct bonded copper) 기판을 대체하는 Zr/ZrO2 구조의 전극층/절연층 다층기판을 개시한다. 특히, 이러한 결합기판에서 상기 절연층은 상기 전극층의 일면이 임의의 두께로 산화된 ZrO2로 구성되므로, 무엇보다도 상기 Zr 전극 모재와 강한 접착력을 가져 열전발전 모듈은 물론 여러 전기전자 모듈로의 적용시 고온에서 사용온도의 변화에 의한 열 팽창에 따른 부품간 스트레스를 줄일 수가 있고, 우수한 절연성 및 절연파괴특성과 열 안정성을 갖는다.
또한, 상기 전극층/절연층 다층기판은 상기 전극층의 다른 일면상에 적층되어 상기 전극층의 열전도도에 추가의 열전도도를 부가하는 하나 이상의 금속층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 하나 이상의 금속층은 Cu 및 Ag 중의 하나 이상으로 될 수 있고, 위와 같은 추가의 열전도도가 부가됨에 따라 상기 전극층의 두께는 더 작아지도록 조절될 수 있다.

Description

전극층/절연층 다층기판 및 그 제조방법과 이를 포함한 열전발전 모듈 {MULTILAYERED SUBSTRATE OF ELECTRODE LAYER/INSULATION LAYER, MANUFACTURING METHOD THEREOF,AND THERMOELECTRIC GENERATOR MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 간단한 산화 공정에 의하여 우수한 절연성과 절연파괴특성 및 열 안정성을 갖는 전극층/절연층 다층기판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 전극층/절연층 다층기판의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 전극층/절연층 다층기판을 포함한 열전발전 모듈에 관한 것이다.
최근 열전발전 모듈이나 전력반도체 모듈, 고출력 LED 모듈, 태양전지 모듈 및 기타 집적회로 패키지 등에서 효율적인 내부 열 전달 및 열 방출 기술이 이슈로 되고 있다.
특히, 외부 온도 차이에 따라 발전하는 상기 열전발전 모듈에 있어서는 외부로부터 인가된 열 에너지를 내부 발전원인 열전 반도체에 효율적으로 전달하여 기전력을 생성하는 것이 주된 관건으로 된다. 도 1은 그 이유를 설명하기 위한 것으로, 일반적인 상기 열전발전 모듈을 복수로 구성하는 하나의 열전소자의 개략 구조와 동작을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 열전발전 모듈은 복수의 열전소자가 전기적으로 상호 연결되어 구성된 하나의 군으로서, 이러한 각 열전소자(10)는 절연기판(52, 52') 간에 각각 p형 및 n형 반도체(20, 30)와 이들 반도체에 교호하여 배열된 상부 및 하부 전극(54, 54')을 포함한다. 상부 전극(54)은 p형 및 n형 반도체(20, 30) 간을 전기적으로 연결하며, 하부 전극(54')은 p형 반도체(20)와 인접하는 다른 열전 소자(도시되지 않음)의 n형 반도체(도시되지 않음)를 전기적으로 연결한다.
그러면, 이러한 열전소자(10)에 있어서, 외부 열원에 절연기판들(52, 52') 중의 하나가 접촉하고 열 에너지를 인가받아 기판들(52, 52')간에 온도차가 발생하면, 제벡효과에 따라 p형 및 n형 반도체(20, 30) 각각 내부에서 캐리어인 홀과 전자가 이동함으로써 전류가 흐르고 결국 기전력이 발생하여 발전한다. 따라서, 기판들(52, 52')로부터 상기 p형 및 n형 반도체(20, 30)로 이르는 효과적인 열 전달 루트가 발전효율에 있어 중요하다.
이렇게 외부의 열원과 직접 접촉하여 열을 전달하는 상기 절연기판(52)/상부전극(54) 및 절연기판(52')/하부전극(54')에는 각각 계면 결합되어 하나의 기판을 이룬 소위 DBC(direct bonded copper) 기판(50, 50')이 주로 사용된다. 이러한 DBC 기판은 대체로 양호한 방열특성을 갖고 접착 등 별도의 검사공정을 요하지 않으므로 생산성 향상을 위해 많이 사용되고 있다. 도 2는 이러한 일반적인 DBC 기판의 개략 단면도이다.
도 2와 같이, 일반적으로 DBC 기판은 알루미나(Al2O3) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 되는 전기 절연성의 세라믹 기재층과, 이의 상부에 적층된 열전도 특성이 우수한 동박(Cu foil) 층이 계면 결합된 구조로 구성된다. 일반적으로 사용되는 DBC 기판에서 상기 동박층의 두께는 대략 0.127~0.4㎜ 범위이고 상기 세라믹 기재층의 두께는 대략 0.25~1.00㎜ 범위이다.
이와 같이 DBC 기판은 열 전도성이 우수한 Cu의 전극층과 전기절연성이 우수한 세라믹 절연층이 하나의 결합체로서 적층된 것이므로, 여러 전기전자 모듈에 사용되고있다. 위에서는 열전발전 모듈의 경우를 예로 들었지만, DBC 기판은 이에 한정되지 않고 효과적인 방열을 위하여 전력반도체 모듈, 고출력 LED 모듈, 태양전지 모듈 및 기타 집적회로 패키지 등에 널리 사용될 수 있다[공개특허공보 제10-2016-0095492호(2016. 8. 11 공개) "세라믹 DBC 기판 및 그 제조 방법", 공개특허공보 제10-2017-0119454호(2017. 10. 27 공개) "양방향 반도체 패키지", 등록특허 제10-1371956호(2014. 3. 7 공고) "DCB 기판 모듈"].
그런데, 종래의 DBC 기판은 그 재질의 특성상 일반적으로 다음과 같은 문제를 갖는다:
i) 상기 세라믹 기재층에서 세라믹 재료의 특성상 고온 소성(예컨대, 1000℃ 이상)이 필요하며 이렇게 고온으로 소성할 경우 상기 세라믹 기재층 상에 적층된 동박층이 산화되기 쉬워 환원 분위기의 고온소성이 요구되는 등 제조공정이 까다롭다.
ii) 또한, 상기 세라믹 기재층에서 세라믹 특성상 자체의 취성(brittleness)으로 인해 일정 두께(예컨대, 200㎛) 이하의 박형으로 모듈에 적용할 경우 깨지기 쉽고 오히려 높은 열 저항으로 작용하므로, 불리하다.
iii) 뿐만 아니라, DBC 기판은 전력반도체 모듈, 고출력 LED 모듈, 태양전지 모듈 등과 같이 사용온도가 200℃ 내외인 경우에는 무리가 없지만, 이보다 더 사용온도가 높은 경우(예컨대, 300℃ 이상)에는 상기 전극층과 세라믹 절연층 간의 큰 열팽창계수(CTE) 차이로 인하여 장시간 동작시 이들 계면결합층간에 스트레스로 인하여 탈락 또는 균열이 발생하여 심각한 열 저항으로 작용하고 불량을 일으킬 수 있다.
따라서, 위 문제를 해소하여 제조공정이 간단하고 고온의 사용온도에서 우수한 파열인성을 가지면서도 우수한 열안정성과 열전도도를 갖는 전극층/절연층 기판이 요청된다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결하기 위하여 간단한 산화 공정에 의하여 우수한 절연성과 절연파괴특성 및 열 안정성을 갖는 전극층/절연층 다층기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 일 측면에 의한 본 발명은 Zr로 구성된 전극층과, 상기 전극층의 일면이 임의의 두께로 산화된 ZrO2로 구성된 절연층을 포함하는 전극층/절연층 다층기판일 수 있다.
이때, 상기 절연층의 두께는 10㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 전극층의 두께는 0.2~0.3㎜ 범위일 수 있고, 상기 절연층의 두께는 0.0005~0.001㎜ 범위일 수 있다.
또한, 상기 전극층/절연층 다층기판은 상기 전극층의 다른 일면상에 적층되어 상기 전극층의 열전도도에 추가의 열전도도를 부가하는 하나 이상의 금속층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 하나 이상의 금속층은 Cu 및 Ag 중의 하나 이상으로 될 수 있고, 다만 산화성이 강한 Al로는 구성되지 않음이 바람직하다. 또한, 상기 전극층의 두께는 부가되는 상기 추가의 열전도도에 따라 작아지도록 조절될 수 있다. 또한, 상기 하나 이상의 금속층의 두께는 30㎛ 이하로 됨이 바람직하다.
또한, 다른 일 측면에 의한 본 발명은 위에 기술한 전극층/절연층 다층기판을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 전극층으로서 Zr 기판을 준비하는 단계와, 상기 Zr 기판의 일면을 양극 산화 또는 고온 산화시켜 상기 일면상에 ZrO2로 구성된 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 추가의 열전도도를 부가하는 하나 이상의 금속층을 포함하는 전극층/절연층 다층기판은 그 제조하는 방법으로서, 상기 전극층으로서 Zr 기판을 준비하는 단계와, 상기 Zr 기판의 일면상에 상기 추가의 열전도도를 부가하는 하나 이상의 금속층을 압연하거나 도금하여 적층하는 단계와, 상기 Zr 기판의 다른 일면을 양극 산화 또는 고온 산화시켜 상기 다른 일면상에 ZrO2로 구성된 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 양극 산화로 형성되는 상기 절연층의 두께는 20㎛ 미만의 범위로 조절됨이 바람직하다.
또한, 상기 고온 산화는 800℃ 이상의 온도범위에서 수행될 수 있고, 산소 또는 대기 분위기하에서 수행될 수 있다.
또한, 또 다른 일 측면에 의한 본 발명은 상호 전기적으로 직렬연결된 복수의 열전소자로서 각각이 일조의 상부 절연기판 및 하부 절연기판과; 서로 교대로 이격되어 배치된 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체와; 상기 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체의 각 상면을 연결하는 상부 전극과; 상기 p형 열전 반도체와 인접하는 다른 열전소자의 n형 열전 반도체의 각 하면을 연결하는 하부 전극을 포함하되, 상기 상부 전극의 상면은 상기 상부 절연기판의 하면에 부착되고 상기 하부 전극의 하면은 상기 하부 절연기판의 상면에 부착된 상기 복수의 열전소자로 이루어진 열전발전 모듈에 관한 것이다. 이때, 상기 상부 전극 및 상부 절연기판, 그리고 상기 하부 전극 및 하부 절연기판은 각각 일조로 되어 전술한 전극층/절연층 다층기판으로 유리하게 대체될 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 산화 공정에 의하여 Zr 전극 표면에 ZrO2 층을 그 두께를 임의로 조절해가면서 형성함으로써 우수한 절연성 및 절연파괴특성과 열 안정성을 갖는 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판을 유리하게 형성할 수 있다. 그리고, 본 발명에 의한 전극층/절연층 다층기판에서 Zr 전극층상에 형성되는 ZrO2 박층은 우수한 절연성, 절연파괴 특성 및 균열 전파, 파열 인성에 대한 높은 저항성을 가질 뿐만 아니라 무엇보다도 상기 Zr 전극 모재와 강한 접착력을 가지므로, 열전발전 모듈은 물론 여러 전기전자 모듈로의 적용시 고온에서 사용온도의 변화에 의한 열 팽창에 따른 부품간 스트레스를 줄일 수가 있고, 우수한 절연성 및 절연파괴특성을 갖는다.
도 1은 일반적인 열전발전 모듈을 복수로 구성하는 하나의 열전소자의 개략 구조와 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 일반적인 DBC 기판의 개략 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극층/절연층 다층기판의 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예로서 도 3a의 전극층/절연층 다층기판을 유리하게 적용한 열전발전 모듈(100)의 개략 구조도이다.
도 4a~4c는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 전자현미경 사진으로서, 도 4a는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 단면을, 도 4b는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 파단면을, 그리고 도 4c는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 상면을 각각 보인다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 도 4a~4c에서 보인 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(이때, ZrO2 박층은 약 500㎚ 두께)의 절연파괴 특성을 관찰한 것으로, 도 5a는 이의 측정방법을 설명하는 모식도이고, 도 5b는 도 5a에 따라 측정된 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서 인가전압에 따라 기판면을 흐르는 전류밀도의 변화 그래프이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 실시예 1에 따라 양극 산화 시간에 따른 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서, 도 6a는 양극 산화 공정 중에 양극 산화 시간에 따라 기판면을 따라 흐르는 전류밀도의 변화 그래프로서 반응속도를 나타내고, 도 6b는 임계시간을 초과한 약 1.5시간 이후 박리현상이 발생한 기판 표면의 전자현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예 2에 의한 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 전자현미경 사진으로서, 도 7a는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 단면을, 도 7b는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 파단면의 미세구조를 각각 보인다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 2에 따라 도 7a~7b에서 보인 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(이때, ZrO2 박층은 약 500㎚ 두께)의 절연파괴 특성을 관찰한 것으로, 도 8a는 이의 측정방법을 설명하는 모식도이고, 도 8b는 도 8a에 따라 측정된 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서 인가전압에 따라 기판면을 흐르는 전류밀도의 변화 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 구현예에 따라 형성된 부가 적층판/Zr/ZrO2 구조의 전극층/절연층 다층기판을 보인다.
먼저, 본원 명세서에서 사용하는 용어인 "전극층/절연층 다층기판"은 전극층상에 절연층이 형성되되, 하술하겠지만 상기 절연층은 상기 전극층이 산화되어 형성됨으로써 사실상 서로 일체인 상태로서 전극층과 이의 상면에 절연층이 형성되어있는 구조의 기판을 지칭한다.
본 발명자는 전극 모재로서 Zr을 사용하고 이 Zr의 표면을 산화시켜 이의 산화물인 ZrO2를 생성할 경우 우수한 특성의 Zr/ZrO2 구조의 전극층/절연층 다층기판을 간단하게 제조할 수 있고 이는 종래의 DBC 기판을 유리하게 대체할 수 있음을 알아냈다.
일반적으로, ZrO2는 전기절연성이 대략 ＞1012Ω·㎝, 파열인성이 대략 7.0MPam1/2, 곡강도가 대략 980Mpa, 그리고 비커스 경도가 대략 11.8GPa로서 절연기판 소재로서 우수한 제반 특성을 가지며, 아울러 절연파괴특성 또한 우수하다. 따라서, 이러한 특성의 ZrO2는 종래 DBC 기판의 세라믹 절연층을 유리하게 대체할 수 있다.
특히, 앞서 기술했듯이 취성을 갖는 세라믹 소재의 본래 특성으로 인해 200㎛ 이하의 박형으로의 적용이 어려운 종래 DBC 기판의 세라믹 절연층과는 달리, 본 발명에 의한 전극층/절연층 구조 기판의 Zr의 산화물층, 즉 ZrO2 층은 산화공정의 시간을 임의로 조절해가며 Zr의 산화량을 조절함으로써 그의 두께를 얼마든지 임의로 조절가능하다. 다만, 본 발명에 의하면, 상기 ZrO2 층의 두께는 10㎛ 이하의 두께 범위로 됨이 바람직하고 그 이상의 범위에서는 기계적 스트레스로 인해 박리될 수 있음을 알아냈다. 더욱 바람직하게는, 상기 ZrO2 층의 두께는 0.5~2㎛ 범위이다.
무엇보다도, 본 발명에 의한 전극층/절연층 조합 기판은 고온 산화 또는 양극 산화와 같은 간단한 산화공정으로 Zr 전극 표면에 생성될 수 있어 상기 Zr 전극 모재와 강한 접착력을 가지므로, 제조공정이 간단하고 또한 종래 DBC 기판처럼 계면결합층간에 탈락 또는 균열이 발생할 염려가 전혀 없다. 따라서, 여러 전기전자 모듈로의 적용시 사용온도의 변화에 의한 열 팽창 차이에 따른 부품간 스트레스를 줄일 수가 있다.
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 전극층/절연층 다층기판의 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예로서 도 3a의 전극층/절연층 다층기판을 유리하게 적용한 열전발전 모듈(100)의 개략 구조도이다.
즉, 도 3a에 도시하듯이, 본 발명에 의한 전극층/절연층 다층기판은 간단한 산화공정을 통하여 Zr 전극 표면에 Zr이 산화된 ZrO2 층을 형성하는 방식이므로, 박층의 ZrO2 절연층이 형성될 수 있고, 이 절연층은 ZrO2 자체의 우수한 전기절연성, 곡강도 및 파열인성, 그리고 Zr 전극 모재에 대한 강한 접착력으로 인해 계면결합층간에 탈락 또는 균열이 발생하지 않고 우수한 온도 안정성과 절연성 및 절연파괴특성을 갖는다. 본 구현예에 따른 Zr/ZrO2 구조의 전극층/절연층 다층기판에 있어서 Zr 전극모재의 두께는 0.2~0.3㎜ 범위이고, 그의 상부에 형성된 ZrO2 절연층의 두께는 0.0005~0.001㎜ 범위이다. 또한, 도 3a는 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판에서 상기 ZrO2 절연층이 소정 두께로 상기 Zr 전극층의 일면상의 전 영역에서 형성된 것으로 도시하나, 이외에도 본 발명은 상기 ZrO2 절연층이 소정 두께로 상기 Zr 전극층의 일면상의 일부 영역에서만 형성되는 구조 또한 포함할 수 있다.
또한, 도 3a와 같은 박형의 절연층은 본 발명의 일 실시예로서 앞서 도 1에 대해 기술한 바 있는 열전발전 모듈의 종래 DBC 기판(50, 50')에 도 3b와 같이 유리하게 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예를 도시하는 도 3b의 각 구성요소는 종래기술을 도시하는 도 1의 각 구성요소에 대응한다- 즉, 도 3b의 절연기판(152, 152') 및 전극(154, 154')과 이들이 이루는 전극층/절연층 다층기판(150, 150'), 그리고 p형 및 n형 반도체(120, 130)는 각각 도 1의 절연기판(52, 52') 및 전극(54, 54')과 이들이 이루는 DBC 기판(50, 50'), 그리고 p형 및 n형 반도체(20, 30)에 상응한다.
특히, 본 실시예에서 도 3b와 같이 유리하게 적용된 전극층/절연층 다층기판(150, 150')에서의 절연층(152, 152')의 두께는 도 1의 종래 DBC 기판(50, 50')의 절연층(52, 52')의 두께에 비해 현저하게 박형으로 형성될 수 있고 또한 전극층(154, 154')의 두께에 비해 훨씬 박형으로 형성될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 도 1와 같은 종래 DBC 기판(50, 50')에서 전극층(54, 54')의 두께는 0.127~0.4㎜, 절연층(52, 52')의 두께는 0.25~1.00㎜인 반면에, 본 실시예의 도 3b와 같은 전극층/절연층 다층기판(150, 150')에서 전극층(154, 154')의 두께는 0.2~0.3㎜, 절연층(152, 152')의 두께는 0.0005~0.001㎜이다.
정리하면, 본 발명에 의한 전극층/절연층 다층기판(150, 150')은 종래의 DBC 기판(50, 50')과 대비하여 다음과 같은 점들이 현격히 개선된다:
i) 전극층/절연층 다층기판(150, 150')은 고온 산화 또는 양극 산화와 같은 간단한 산화공정으로 Zr 전극 표면에 생성되므로, 제조공정이 매우 간단하다.
ii)~iii) 전극층/절연층 다층기판(150, 150')의 절연층(152, 152')은 상기 Zr 전극(154, 154')과 강한 접착력을 가질 뿐만 아니라 우수한 곡강도와 파열인성을 가지므로, 종래 DBC 기판과는 달리 박층으로 제조가 가능하므로 열전도도가 우수할뿐만 아니라 사용온도의 변화에 의한 스트레스로 인해 계면결합층간에 탈락 또는 균열이 발생할 염려가 전혀 없다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예에 의하면, 본 발명의 전극층/절연층 다층기판은 양극 산화 또는 고온 산화와 같은 간단한 산화공정으로 Zr 전극 표면에 ZrO2 절연층을 형성할 수 있다. 또한, 이렇게 형성되는 ZrO2 절연층의 두께는 이러한 산화공정의 시간을 증감하면서 Zr의 산화량을 조절함으로써 효과적으로 조절가능하다. 이하, 이러한 제조방법에 대한 각 실시예를 도면을 참조하며 기술한다.
실시예 1: 양극 산화에 의한 Zr/ZrO 2 전극층/절연층 다층기판의 제조
본 실시예에서는 양극 산화 공정에 의하여 Zr 전극 표면에 ZrO2 절연층을 형성한 Zr/ZrO2의 전극층/절연층 다층기판을 제조하였다.
먼저, 에틸렌글리콜 300mL 용매에 HF 0.2M과 탈이온수 8M 농도로 혼합하고 25℃에서 200rpm으로 교반하여 전해액을 제조하였다, 그리고, 0.2~0.3㎜ 두께의 Zr 기판(20×20㎜2)을 외부 전원과 전기적으로 연결된 전도성 지그에 삽입하고, 상기 Zr 기판의 일면은 상기 지그에 접합시키고 그 사이에 Al 호일을 배치시켜 외부 전압원의 전압이 상기 Zr 기판의 전면에 균일하게 인가되도록 배치하였고, 이를 상기 전해액에 투입하였다. 그리고, 동시에 접지되거나 상기 전원에 연결된 Pt 전극을 상기 전해액에 투입하여 상기 Pt 전극과 Zr 기판 간에 60V 전압을 인가하였다. 이와 같은 양극 산화 반응은 하기 화학식들로 표기될 수 있다:
Figure 112017122148314-pat00001
이리하여 본 실시예에서는 모재인 상기 Zr 기판은 일부가 식각되면서 산화시간에 따라 상기 Zr 기판의 표면상에 수백㎚에서 수십㎛ 두께의 ZrO2 층을 형성할 수 있었다.
도 4a~4c는 이렇게 제조된 본 실시예 1의 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 전자현미경 사진으로서, 도 4a는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 단면을, 도 4b는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 파단면을, 그리고 도 4c는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 상면을 각각 보인다.
도 4a~4c에서 보이듯이, 약 0.2~0.3㎜ 두께의 Zr 전극기판상에 약 500㎚ 두께의 ZrO2 박층이 균일하게 형성되었음을 알 수 있고, 특히 도 4b를 참조하면, 상기 양극 산화에 인가된 고전압에 의해 Zr 표면에 수직방향으로 ZrO2 조직이 형성되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5a 및 도 5b는 본 실시예 1에 따라 도 4a~4c에서 보인 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(이때, ZrO2 박층은 약 500㎚ 두께)의 절연파괴 특성을 관찰한 것으로, 도 5a는 이의 측정방법을 설명하는 모식도이고, 도 5b는 도 5a에 따라 측정된 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서 인가전압에 따라 기판면을 흐르는 전류밀도의 변화 그래프이다.
본 실시예에서는 도 5a와 같이 상기 제조된 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(200)의 ZrO2 박층(240) 상에 약 100㎛ 직경을 갖는 Au 전극층(260)을 도포하고 이 Au 전극(260)과 상기 Zr 전극(220) 간에 외부 전원(210)으로부터 전압을 인가하며 절연파괴 특성을 측정하였다. 도 5b를 보면, 본 실시예에 의한 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판은 인가되는 전압이 증가하여도 일정한 전류밀도를 보여 인가전압에 대해 절연파괴가 일어나지 않고 우수하고 안정한 절연파괴 특성을 보임을 알 수 있다. 이러한 특성의 Zr/ZrO2 결합기판은 일 예로서 도 3b와 같이 열전발전 모듈(100)의 전극층/절연층 다층기판(150, 150')으로서 유리하게 적용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 상기 양극 산화는 소정 임계시간(예컨대, 1시간)을 초과하지않는 것이 바람직함을 알아냈다. 즉, 장시간의 양극 산화를 거쳐 대략 20㎛ 이상 두께의 ZrO2가 형성될 경우, 모재인 Zr 기판과의 열팽창계수(CTE) 차이와 같은 물성 차이로 열적, 기계적 및 전기적 충격이 있을 경우 박리가 진행될 수 있다.
이를 보이는 것으로, 도 6a와 도 6b는 본 실시예 1에서 양극 산화 시간에 따른 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서, 도 6a는 양극 산화 공정 중에 양극 산화 시간에 따라 기판면을 따라 흐르는 전류밀도의 변화 그래프로서 반응속도를 나타내고, 도 6b는 임계시간을 초과한 약 1.5시간 이후 박리현상이 발생한 기판 표면의 전자현미경 사진이다. 도 6a~6b에 보이듯이, 소정 임계시간(예컨대, 1시간)을 초과하면, 본 실시예에서는 대략 1.5시간 이후부터는 ZrO2 층의 두께 성장은 포화되며 박리가 발생하한다.
위와 같이, 본 실시예에서는 간단한 양극 산화 공정에 의하여 우수한 절연성 및 절연파괴특성을 갖는 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판을 얻을 수 있다.
실시예 2: 고온 산화에 의한 Zr/ZrO 2 전극층/절연층 다층기판의 제조
본 실시예에서는 고온 산화 공정에 의하여 Zr 전극 표면에 ZrO2 절연층을 형성한 Zr/ZrO2의 DBC 기판을 제조하였다.
이를 위해, 본 실시예에서는 Zr 기판을 산소 또는 대기 분위기하에서 800℃ 이상의 고온 환경에 노출시켰다. 이에 따라, 본 실시예에서 모재인 상기 Zr 기판은 일부가 산화되면서 산화시간에 따라 모재인 Zr은 수백㎚에서 수십㎛ 두께의 ZrO2로 치환되었다.
도 7a 및 도 7b는 이렇게 제조된 본 실시예 2의 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 전자현미경 사진으로서, 도 7a는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 단면을, 도 7b는 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 파단면의 미세구조를 각각 보인다.
도 7a~7b에서 보이듯이, 약 0.2~0.3㎜ 두께의 Zr 전극기판상에 약 500㎚ 두께의 ZrO2 박층이 균일하게 형성되었음을 알 수 있고, 특히 도 7b를 참조하면, 비정질의 무작위한 ZrO2 박층으로 형성되었음이 확인된다.
또한, 도 8a 및 도 8b는 본 실시예 2에 따라 도 7a~7b에서 보인 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(이때, ZrO2 박층은 약 500㎚ 두께)의 절연파괴 특성을 관찰한 것으로, 도 8a는 이의 측정방법을 설명하는 모식도이고, 도 8b는 도 8a에 따라 측정된 상기 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 절연파괴 특성으로서 인가전압에 따라 기판면을 흐르는 전류밀도의 변화 그래프이다.
본 실시예에서는 도 8a에 보이듯이 앞서 설명한 도 5a와 마찬가지로 상기 제조된 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판(300)의 ZrO2 박층(340) 상에 약 100㎛ 직경을 갖는 Au 전극층(360)을 도포하고 이 Au 전극(360)과 상기 Zr 전극(320) 간에 외부 전원(310)으로부터 전압을 인가하며 절연파괴 특성을 측정하였다.
도 8b를 보면, 본 실시예에 의한 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판은 인가되는 전압이 증가하여도 일정한 전류밀도를 보여 인가전압에 대해 우수하고 안정한 절연파괴 특성을 보임을 알 수 있다. 이러한 특성의 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판은 일 예로서 도 3b와 같이 열전발전 모듈(100)의 DBC 기판(150, 150')으로서 유리하게 적용될 수 있다.
위와 같이, 본 실시예 역시 간단한 고온 산화 공정에 의하여 우수한 절연성 및 절연파괴특성을 갖는 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 위와 같이 제조된 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판의 열전도성을 더 증가시키기 위하여 상기 ZrO2층과 결합되지 않은 다른 일면의 Zr 금속층상에 높은 열전도성을 갖는 하나 이상의 금속층을 적층할 수 있다. 위와 같은 하나 이상의 금속층은 상기 Zr 금속층상에 공지된 클래드법(clad)이나 도금법에 의해 부가 적층판으로서 적층될 수 있다. 상기 클래드법은 이종의 여러 금속판을 중첩하여 열간 또는 냉간 압연 등에 의해 기계적으로 접착하는 것으로 널리 공지된 방법이다. 도 9는 본 발명의 다른 일 구현예에 따라 형성된 부가 적층판/Zr/ZrO2 구조의 전극층/절연층 다층기판을 보인다.
도 9에 도시하는 본 구현예에 의한 DBC 기판(400)에서 상기 부가 적층판(460)의 재질로는 Cu 및 Ag를 포함한 모든 고 열전도성 금속으로 될 수 있으나, 산화성이 높은 금속은 배제됨이 바람직하다. 예컨대, 고 열전도성 재질인 Al이 고려될 수 있으나, 이는 추후 산화 공정에서 쉽게 산화되므로 배제된다. 본 발명에서 바람직한 상기 부가 적층판(460)의 재질은 Cu 및 Ag 중의 하나 이상으로 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 위와 같이 추가 전도성을 부여하는 부가 적층판(460)의 존재로 인하여 그만큼 Zr 전극층(420)의 두께를 더욱 얇게 형성할 수 있어 유리하며, 이를 감안하여 상기 부가 적층판(460)의 두께는 대략 30㎛ 이하, 바람직하게는 20㎛ 이하의 범위로 될 수 있다. 일 실시예로서, Cu 재질의 부가 적층판(460)이 20㎛ 두께로 형성될 경우, 그 하부의 Zr 전극층(420)의 두께는 대략 0.1㎜이하로 형성되어도 전도성에 큰 변화가 없다. 다른 일 실시예로서, Cu 재질의 부가 적층판(460)의 두께는 10~30㎛, Zr 전극층(420)의 두께는 0.1㎜이하, 그리고 ZrO2 절연층(440)의 두께는 0.0005㎜로 될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 간단한 산화 공정에 의하여 Zr 전극 표면에 ZrO2 층을 그 두께를 임의로 조절해가면서 형성함으로써 우수한 절연성 및 절연파괴특성을 갖는 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판을 유리하게 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명에 의한 전극층/절연층 다층기판에서 Zr 전극층상에 형성되는 ZrO2 박층은 우수한 절연성, 절연파괴 특성 및 균열 전파, 파열 인성에 대한 높은 저항성을 가질 뿐만 아니라 무엇보다도 상기 Zr 전극 모재와 강한 접착력을 가지므로, 열전발전 모듈은 물론 여러 전기전자 모듈로의 적용시 고온에서 사용온도의 변화에 의한 열 팽창에 따른 부품간 스트레스를 줄일 수가 있고, 우수한 절연성 및 절연파괴특성을 갖는다.
전술한 본 발명의 내용은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. 일 예로서, 본원은 본 발명의 Zr/ZrO2 전극층/절연층 다층기판이 적용되는 일 예로서 열전발전 모듈의 경우만을 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전력반도체 모듈, 고출력 LED 모듈, 태양전지 모듈 및 기타 집적회로 패키지 등의 기타 전기전자 모듈에서 금속 전극과 절연기판이 적층되어 결합된 방열기판으로서 임의로 얼마든지 그대로 적용될 수 있음은 통상의 기술자에게는 지극히 당연하다.

Claims (15)

  1. 복수의 열전소자가 상호 전기적으로 직렬연결되어 이루어지는 열전발전 모듈로서, 상기 열전소자 각각이
    서로 교대로 이격되어 배치된 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체와;
    상기 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체의 상부에 배치되고, 아래로부터 제1보조전극층/제1전극층/제1산화절연층의 순서대로 형성된 다층 구조를 포함하되, 상기 제1보조전극층 및 제1전극층이 상기 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체의 각 상면을 서로 전기적으로 연결하도록 배치된 제1다층기판과;
    상기 p형 열전 반도체 및 n형 열전 반도체의 저부에 배치되고, 아래로부터 제2산화절연층/제2전극층/제2보조전극층의 순서대로 형성된 다층 구조를 포함하되, 상기 제2보조전극층 및 제2전극층이 상기 p형 열전 반도체와 인접한 다른 열전소자의 n형 열전 반도체의 각 하면을 서로 전기적으로 연결하도록 배치된 제2다층기판을 포함하고,
    상기 제1전극층과 제2전극층은 각각 Zr로 구성되고, 상기 제1산화절연층은 상기 제1전극층의 표면이 산화된 ZrO2로 구성되고 상기 제2산화절연층은 상기 제2전극층의 표면이 산화된 ZrO2로 구성되며,
    상기 제1보조전극층은 상기 제1전극층에, 상기 제2보조전극층은 상기 제2전극층에 각각 추가의 열전도도를 부가하며 각각 Cu 및 Ag 중의 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 열전발전 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1산화절연층과 제2산화절연층의 두께는 10㎛ 이하인 열전발전 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극층과 제2전극층의 각 두께는 0.2~0.3㎜ 범위인 열전발전 모듈.
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