KR100414379B1 - 냉각소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이격 배치된 N-P형 반도체열전소자를 다단계로 적층시켜 온도 강하를 크게 함으로써, 냉각효율이 보다 향상되도록 한 냉각소자에 관한 것으로, N형 반도체소자와 P형 반도체소자가 교대로 이격되어 배치되며 상기 소자들의 상부표면 및 하부표면은 상부금속전극(45)과 하부금속전극(43)에 교대로 접속되어 횡설된 다수개의 반도체열전소자(44)에 있어서, 상기 상부 금속전극(45)위에 다수개의 N-P형 반도체열전소자(46)를 횡설하여 적층시키되 N형 반도체소자와 P형 반도체 소자가 상기 상부금속전극을 사이에 두고 교대로 적층되어 상측의 N-P형 반도체열전소자(46)와 하측의 반도체열전소자(44) 사이에 공간부(48)가 포함된 것을 특징으로 한다.본 발명은 N-P형 반도체열전소자를 냉각을 요하는 정도에 따라 다단계로 적층하여 형성하고 적층의 경계면에서 방열, 흡열이 동시에 이루어지도록 함으로써, 온도강하를 크게 하며 이격 배열함에 따라 열전소자들 사이의 공간부 뿐만 아니라 적층구조사이의 공간부가 형성되어 있어 대류에 의한 열전달로 열교환 효율을 높임에 따라 냉각부의 냉각성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

냉각소자{COOLING ELEMENT}

본 발명은 냉각소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이격 배치된 N-P형 반도체열전소자를 다단계로 적층시켜 온도 강하를 크게 함으로써, 냉각효율이 보다 향상되도록 한 냉각소자에 관한 것이다.

일반적으로 가정이나 혹은 건물에서 실내를 냉방하기 위해서는 냉매 사이클을 이용한 에어콘 또는 냉방기와 같은 냉각장치를 사용하게 된다.

그러나 상기 냉각장치는 냉매로서 주로 프레온 가스와 같은 유해한 물질을 사용하여 냉각을 시키게 되는데, 이때 냉매인 프레온 가스는 냉각성능은 좋으나, 심각한 대기환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 대기 중의 오존층을 파괴하는 주원인이 되어 점차로 사용 규제가 강화되고 있는 실정이다.

최근 들어 프레온 가스와 같이 대기 환경을 오염시키는 냉매를 사용하지 않고, 냉각시킬 수 있는 대체 냉매에 대하여 연구가 활발히 진행되고 있고, 이와 더불어 종류가 다른 두 개의 금속이나 반도체를 접합시킨 후 전류를 흘려 주울열 이외의 열이 접합부에서 발생하고 동시에 흡수되는 현상인 펠티에 효과를 이용한 냉각장치 및 냉각소자의 개발이 활발히 전개되고 있다.

상기 냉각소자는 냉각소자의 성질에 따라 다른 냉각효과를 얻을 수 있다.

바꾸어 말하면 한 쌍을 이루는 반도체에 있어 고온에서 저온으로 옮겨가는 열은 가급적 작아지게 열전도도를 작게 하는 것이 좋으며, 전류의 열작용으로 생기는 주울열 역시 가능한 한 작아지도록 전기 전도도가 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 냉각소자의 냉각효율을 높이기 위해서는 열이 발생되는 부분에서 많은 열을 방사시킬 수 있도록 열방사효율을 높여야 한다.

종래 반도제열전소자를 이용한 냉각장치로서는 일본 특개평9-107130 (1997.4.22. 공개)호에 공개되어 있으며 이는 도 1A 및 도1B에 도시되었다. 도1A는 정면도를 도1B는 사시도를 나타낸 것으로서 도시된 바와 같이 N형 반도체소자와 P형 반도체소자들로 이루어진 반도체열전소자들은 교대로 배열되어 있으며 열전 반도체 요소들의 상부 및 하부 표면들을 통하여 상부금속전극(32) 및 하부금속전극(34)에 교대로 접속되며 따라서 모든 반도체 소자들(33)은 전기적으로 직렬 접속된다. 상부 및 하부 전극들과 열전 반도체 소자 간의 접속은 납땜에 의하여 이루어진다. 이들 상부 및 하부 표면들에서의 금속전극들(32 및 34)은 금속화된 세라믹 기판들(31 및 35) 상에 각각 접속되어 전체 조립체가 함께 고정된다. DC전원은 이 열전 소자의 전극들에 연결된다. 전류가 각 N형 반도체소자로부터 P형 반도체소자로 흐를 때 펠티어 효과로 인해 열이 상부에 의하여 흡수되고 그 하부를 통하여 방사한다. 다시 말해 도1A에 도시된 바와 같이 각 N-P형 반도체열전소자의 상부는 흡수 냉각 접합부(CJ)로서 작용하며, P-N형으로 연결된 하부는 방사부 가열 접합부(HJ)로서 작용한다. 전원의 연결방향의 반전은 열이 흡수되고 방출되는 방향을 변화시킨다. 이 현상을 이용함으로써 열전소자를 냉각/가열 장치에 이용할 수 있다. 이러한 열전소자는 고집적회로, 컴퓨터 중앙처리유니트 및 레이저 등과 같은 장치의 냉각에서부터 냉동기의 사용까지 광범위한 분야에 응용되고 있다.

상기 반도체 냉각소자는 P형 반도체소자에서 흡수되는 열이 흐르는 전류에 비례하기 때문에 전류를 크게 하면 할수록 온도가 더욱 더 내려 갈 것 같지만, 실제로는 전류에 의하여 생긴 주울열은 고온측에서 전도되는 열 때문에 그렇치 못하고 어느 일정한 전류값에서 최대 냉각이 이루어진다. 즉, 냉각작용에는 한계가 있어 더 이상의 냉각효과를 기대하기 어려운 문제점을 가지고 있다.

또한 냉각성능을 좌우하는 주요한 요소 중의 하나는 열을 방사하는 가열접합부(HJ)의 방사효율을 높여주는 것인데 방사효율을 높이기 위해서는 방사부의 냉각을 효율적으로 하여야 한다. 대개 수냉식 혹은 공냉식을 통한 냉각이 이루어지나 상기와 같은 냉각방식으로는 역시 반도체열전소자의 냉각효율을 높여주는데 한계가 있다.

본 발명은 상기 기술한 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 N-P형 반도체열전소자에 있어서 요구되는 냉각정도에 따라 온도 강하를 크게 할 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 적층된 냉각소자의 냉각효율을 높이기 위해 냉각소자의 열 방사효율을 향상시키고자 하는 데 있다.

도 1A는 종래 냉각소자의 정면도이고

도 1B는 종래 냉각소자의 사시도이며도 2 는 본 발명에 따른 냉각소자의 종단면도를 도시한 것이다.

상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은,N형 반도체소자와 P형 반도체소자가 교대로 이격되어 배치되며 상기 소자들의 상부표면 및 하부표면은 상부금속전극과 하부금속전극에 교대로 접속되어 횡설된 다수개의 반도체열전소자에 있어서, 상기 상부 금속전극위에 다수개의 N-P형 반도체열전소자를 횡설하여 적층시키되 N형 반도체소자와 P형 반도체 소자가 상기 상부금속전극을 사이에 두고 교대로 적층되어 상측의 N-P형 반도체열전소자와 하측의 반도체열전소자 사이에 공간부가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 상기 N-P 형 반도체열전소자의 적층이 2 단 이상으로 된 냉각소자를 제안한다.본 발명에 의하면, DC전원에 의한 전류가 적층된 N-P 형 반도체로 분기되어 흐르게 되고 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자가 금속전극을 사이에 두고 적층된 부분에서는 열방사와 열의 흡수가 효율적으로 이루어지게 되어 최상층의 열전 반도체소자에서 온도 강하가 커지게 되므로 냉각 효율을 크게 할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명 냉각소자의 종단면도로서, N형 반도체소자(44의 N)와 P형 반도체소자(44의 P)가 교대로 이격되어 배치되며 상기 소자들의 상부표면 및 하부표면은 상부금속전극(45)과 하부금속전극(43)에 교대로 접속되어 횡설된 다수개의 반도체열전소자(44)에 있어서, 또 다른 다수개의 N-P형 반도체열전소자(46)를 상기 상부 금속전극(45)위에 횡설하여 적층시키되 N형 반도체소자와 P형 반도체 소자가 상기 상부금속전극(45)을 사이에 두고 교대로 적층하여서 된 것이다.

상기 다단 적층은 2 단 이상으로 적층 시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 N 형 반도체에 플러스전원(미도시)를 연결하고, P 형 반도체에 마이너스전원(미도시)를 연결한 후 전원을 인가하게 되면 하부 금속전극(43)을 통해 전류(I₁)가 흐르게 된다. N형 반도체소자를 통과한 전류는 상부의 N-P형 열전 반도체소자와 하부의 P-N 형 반도체 소자로 분기되어 전류(I₂)가 각각 흐르게 되고 다시 금속전극(45)에서 합쳐진 전류(I₃)가 흐르게 된다. 또한 전류(I₃)는 다시 상부의 N-P형 열전 반도체소자와 하부의 P-N 형 반도체 소자로 분기되어 전류(I₄)가 각각 흐르게 되고 다시 금속전극(45)에서 합쳐진 전류(I₅)가 흐르게 된다. 열전반도체 소자의 수에 따라 상기와 같은 전류흐름이 반복되면서 최종적으로 P형 반도체를 통한 전류(I₆)는 전원(미도시)부로 흐르게 된다. 상부의 N-P형 반도체열전소자와 하부의 P-N 형 반도체열전소자로 분기된 전류(I₂)가 각각 흐르게 되면서 최상부전극측(47)은 흡열을 하게 되고 하부전극측(43)은 발열을 하게 된다. 이 때 적층면인 금속전극(45)은 상측의 N-P형 반도체열전소자의 하부전극이 되는 동시에 하측의 P-N형 열전반도체 소자의 상부전극이 되는 것이다. 즉 경계층인 금속전극(45)의 바로 위쪽에서는 발열작용을 하게 되고 아래쪽에서는 흡열작용을 하게 된다. 상측의 N-P형 반도체 열전소자(46)의 하부 금속전극부에서 방사되는 열이 하측의 P-N형 반도체 소자의 흡열부에 의해 흡수되기 때문에 반도체 열전소자(46)의 상부전극측(47)에서는 높은 흡열성능을 발휘하게 되어 더욱 큰 온도강하가 발생하게 된다. 또한 앞서 기술된 종래기술에서와 같이 열을 방사하는 하부전극(43)측에서는 도면에 도시되지는 않았지만 방사효율을 높이기 위해 수냉식 혹은 공냉식과 같은 강제 냉각을 하는 것이 바람직하다.

이상 2 단 적층구조의 실시 예에 대해 기술하였으나 3단 이상의 적층구조를 가질 수 있음은 물론이다. 3단 이상에서는 각 단의 적층 접합부에서 발열 및 흡열 작용을 동시에 하는 전극부가 구성되며 이에 따라 높은 열방사효율을 얻게 된다. 즉, 최상층단의 N-P형 열전 반도체의 흡열부에서의 온도강하는 매우 커지게 되는 것이다.

도2에서와 같이 N형, P형 반도체 소자를 이격 배열함에 따라 적층된 구조에서는 상부의 N-P형 반도체열전소자와 하부의 P-N형 반도체열전소자 사이에는 공간부(48, 49)가 형성된다. 상기 공간부로 인해 대류에 의한 열전달 효율을 높여줄 수 있어 높은 열방사효율을 가질 수 있고, 이에 따라 N-P형 반도체열전소자의 온도 강하효과는 더욱 향상되는 것이다.이하 상기 구조에 대한 작동 예를 기술한다. 양단의 전극(43)에 0.6 - 0.7 V 의 전압을 인가하면 약 20 A 전류가 흐르게 된다. N-P형 반도체열전소자의 접속용 금속전극(구리)은 흡열부가 되어 주위의 열을 흡수함에 따라 온도가 내려가고, 공기 중의 수분은 서리가 되어 금속전극에 응결된다. 다음에 DC전원의 방향을 바꾸어 전류방향을 반대로 해주면 상기 금속전극은 발열부로 변하게 되고 응결된 서리는 가열되어 없어지게 된다. 이 때에는 하부 금속전극(43)이 냉각부가 되는 것이다. N-P형 반도체열전소자를 다단계로 적층하게 되면 냉각부의 금속전극에서는 더 큰 온도강하가 이루어지게 된다.

상기에서 설명한 실시 예와 같이, 본 발명은 N-P형 반도체 열전소자를 냉각을 요하는 정도에 따라 다단계로 적층하여 형성하고 적층의 경계면에서 방열, 흡열이 동시에 이루어지도록 함으로써, 온도강하를 크게 하는 효과가 있다.본 발명에 따른 적층 반도체 열전소자는 각 반도체소자를 이격 배열함에 따라 열전소자들 사이의 공간부 뿐만 아니라 적층구조사이의 공간부가 형성되어 있어 대류에 의한 열전달로 열교환 효율을 높임에 따라 냉각부의 냉각성능을 향상시키는 효과가 있다.본 발명은 특히 좁은 공간에서 아주 낮은 온도가 요구되는 고집적 회로, 고성능 컴퓨터 장치 및 레이저 장치의 냉각장치에 유용하게 적용될 수 있으며, 소형 냉동, 냉장고 분야에서도 적용이 가능하여 유해한 냉매를 사용하지 않아 환경오염의 예방은 물론 냉각 시 발생되는 진동소음이 없어 높은 신뢰성을 가진 냉각소자를 제공한다.상술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함을 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. N형 반도체소자와 P형 반도체소자가 교대로 이격되어 배치되며 상기 소자들의 상부표면 및 하부표면은 상부금속전극(45)과 하부금속전극(43)에 교대로 접속되어 횡설된 다수개의 반도체열전소자(44)에 있어서,

   상기 상부금속전극(45)위에 다수개의 N-P형 반도체열전소자(46)를 횡설하여 적층시키되 N형 반도체소자와 P형 반도체 소자가 상기 상부금속전극(45)을 사이에 두고 교대로 적층되어 상측의 N-P형 반도체열전소자(46)와 하측의 반도체열전소자(44) 사이에 공간부(48)가 포함된 것을 특징으로 하는 냉각소자
2. 제 1 항에 있어서, 상기 N-P 형 반도체열전소자의 적층은 2 단 이상으로 된 것을 특징으로 하는 냉각소자.