KR100883852B1 - 고집적 마이크로 전자 냉각 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고집적 마이크로 전자 냉각 모듈에 관한 것으로서,

상부 전극(21) 및 하부 전극(22)과, 이들 전극 사이에 접합 배치된 다수의 열전 반도체 펠릿들(23")과, 두 개 전극 중 어느 하나에 접합되어 외부 전원의 인입 통로가 되는 리드 선(L)을 포함하여 구성되는 전자 냉각 모듈에 있어서,

상기 열전 반도체 펠릿들(23")이 절연 격막(F)을 경계로 하여 상호 밀착되도록 함으로써,

전자 냉각 모듈 단위 부피당 접합 팰릿 수가 현저히 많은, 즉 펠릿 집적도가 높은 고집적 초소형 전자 냉각 모듈을 얻을 수 있다.

전자 냉각 모듈, 열전 반도체, 펠티어 효과.

Description

고집적 마이크로 전자 냉각 모듈 및 그 제조 방법{a high density micro thermo electric cooling module and a method for manufacturing the same}

도 1 은 일반적인 전자 냉각 모듈을 나타내는 사시도,

도 2 는 종래의 전자 냉각 모듈 제조 방법을 구성하는 소재 절단 공정을 나타내는 모식도,

도 3 은 본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈을 나타내는 사시도,

도 4 는 본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈 제조 방법을 구성하는 소재 증착 공정을 나타내는 모식도,

도 5 는 본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈 제조 방법을 구성하는 소재 절단 공정을 나타내는 모식도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20 : 전자 냉각 모듈 11, 21 : 상부 전극

12, 22 : 하부 전극 13, 23 : 열전 반도체 소재

13', 23" : 펠릿 F : 절연 격막

본 발명은 전자 냉각 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전자 냉각 모듈 단위 부피당 팰릿(pellet) 수가 현저히 높은, 다시 말하자면, 고집적 전자 냉각 모듈과 그 제조 방법에 관한 발명이다.

전자 냉각 모듈 또는 열전 냉각 모듈은 적정 사이즈(size)의 상하 전극 사이에 다수의 P 형 열전 반도체 소자들과 N 형 열전 반도체 소자들을 교대로 연결하고 이에다 직류 전류를 흘림에 따라 발생하는 펠티어(Peltier) 효과를 냉각 또는 가열 수단으로 이용하는 신개발 부품류이다.

구체적으로는, 첨단 의료 기기 내에 내장된 다수의 IR 다이오드(inner red diode)를 냉각시키기 위하여 각각의 다이오드를 감싸는 구조로 부설된 경우를 그 사용 예로 들 수 있다.

이러한 전자 냉각 모듈은 방열 처리 용량 및 사이즈를 기준으로 범용 또는 마이크로 전자 냉각 모듈로 구분하는데, 범용 전자 냉각 모듈의 경우 40 mm × 40 mm 정도인 반면 마이크로 전자 냉각 모듈의 경우 8 mm × 8 mm 이하에 이른다.

일반적인 전자 냉각 모듈의 사시도인 도 1 에 나타낸 바와 같이, 전자 냉각 모듈(10)은, 상부 전극(11) 과 하부 전극(12) 사이에 다수의 열전 반도체 펠릿(13')이 줄지어 배치된 구조를 이루며, 하부 전극(12)에 접합된 리드 선(lead wire)(L)을 통하여 직류 전류가 인가된다.

이들 펠릿(13')에는 동일한 도면부호가 부여되어 있으나, 엄밀히 말하자면, P 형 열전 반도체 또는 N 형 열전 반도체라 하여 그 극성 면에서는 서로 상반된 성격을 띤다.

도 2 의 모식도에 나타낸 바와 같이, 전자 냉각 모듈을 구성하는 단위 열전 반도체 소자로서의 펠릿(13')은, 납작한 판재 형태의 열전 반도체 소자 덩어리(이하, 열전 반도체 소재라 함)를 여러 조각으로 절단하는 공정(소잉(sawing) 공정이라 함)을 거쳐 얻어진다.

한편, 상기 열전 반도체 소재(13)는 고순도의 비스무스(Bi)·텔루리움(Te) 합금체로서, 그 제조 공정은 해당 기술분야에서 널리 알려진 사항인 관계로 그에 관한 더 이상의 설명은 생략한다.

본 명세서상에 있어서는, 소결(sintering) 합금을 포함하는 광범위한 개념의 합금 제조 과정을 거쳐 매우 순도 높은 상기 열전 반도체 소재를 얻기까지의 공정, 말하자면, 소잉 공정 바로 앞 공정까지를 일괄하여 열전 반도체 소재 준비 공정이라 지칭하며, 종래 또는 본 발명의 전자 냉각 모듈 제조 방법상에 있어 이 열전 반도체 소재 준비 공정은 동일한 것임을 밝혀둔다.

다시 도 1 을 참조하여 상기 소재 절단 이후의 단계들을 살펴보면, 다수의 펠릿(13') 상하 양쪽 표면상에 솔더 코팅(solder coating), 즉 금속성 접합제를 도포하고, 이들을 상부 및 하부 전극(11, 12) 사이에 맞춰 넣어 전체를 접합 완성하는 소위 펠릿 셋팅(setting)을 마친 다음, 상기 리드 선(L)을 접합하는 작업, 즉 리드 와이어링(lead wiring) 등의 후속 작업을 거쳐 하나의 전자 냉각 모듈(10)을 완성하게 된다.

도면상의 "W"는 인접한 펠릿(13) 간에 형성된 간격으로서, 이는 극성이 서로 다른 팰릿(13) 간에 적절한 절연 상태가 유지되도록 하기 위한 것인데, 이로 인하 여 상기와 같은 종래 구조의 전자 냉각 모듈은 사이즈 내지 부피 상의 구조적 한계점을 갖게 된다.

보다 구체적으로, 상기 간격(W)은 펠릿(13) 간 전기적 절연 구조를 유지하기 위한 최소한의 공간으로서, 범용 모듈의 경우 0.8 mm, 마이크로 모듈의 경우 0.3 ~ 0.5 mm 정도가 요구된다.

이로 인하여, 0.4 mm 급 마이크로 모듈의 경우 접합 가능 펠릿의 수는 25 개를 넘지 못한다.

이처럼, 펠릿 간 일정 간격을 유지하는 것을 기본으로 하는 전자 냉각 모듈 및 그 제조 방법에 따르면, 특정 한계 이하의 소형 모듈을 제조하는 것은 불가능하며, 바꾸어 말하자면, 첨단 전자 장비 내 발열체 부품을 아무리 소형화한다 하더라도 이를 냉각시켜 주기 위한 전자 냉각 모듈만은 그 크기를 줄일 수 없다는 문제의 결론에 이르게 된다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자 냉각 모듈 단위 부피당 접합 팰릿 수가 현저히 많은, 즉 펠릿 집적도가 높은 고집적 전자 냉각 모듈과 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 전자 냉각 모듈을 구성하는 각각의 펠릿 표면을 절연 격막으로 둘러쌈으로써 달성된다.

다시 말하자면, 펠릿 표면이 절연성을 띠기 때문에, 인접한 펠릿 사이에 간 격을 유지할 필요 없이 상호 밀착시킬 수 있는 관계로, 그만큼 전자 냉각 모듈 내 펠릿 집적도 증대 효과를 얻게 되는 것이다.

이하, 본 발명 실시예에 따른 전자 냉각 모듈 및 그 제조 방법을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3 에 나타낸 바와 같이, 본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈(20)은, 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)과, 이들 전극 사이에 접합 배치된 다수의 열전 반도체 펠릿들(23")과, 두 개 전극 중 어느 하나에 접합되어 외부 전원의 인입 통로가 되는 리드 선(L)을 포함하여 구성되는데, 상기 열전 반도체 펠릿들(23")의 표면상에는 언급한 바의 절연 격막이 형성된 특징이 있다.

따라서, 도시한 바와 같이, 도 1 에서와 같은 간격(W)을 유지할 필요 없이 인접한 펠릿들(23")이 상호 밀착된 구조를 이루게 된다.

다양한 시험결과에 따르면, 상기 절연 격막 재료로서는 듀퐁(Dupon) 사의 파릴린(Parylene)이 가장 바람직한 것으로 확인되었으며, 후술하는 바의 본 발명 실시예에 따른 전자 냉각 모듈 제조 방법 또한 상기 파릴린을 이용한 절연 격막 형성 방법에 비중을 두게 된다.

본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈 제조 방법의 요지를 적어보면, 합금 제조 과정에 의하여 고순도의 열전 반도체 소재를 얻는 열전 반도체 소재 준비 공정과, 열전 반도체 소재를 가공 처리하여 다수의 펠릿을 얻는 열전 반도체 소재 가공 공정과, 펠릿의 상하 양쪽 표면상에 솔더 금속을 도포하는 솔더 코팅 공정과, 이들 펠릿을 상부 및 하부 전극 사이에 맞춰 넣어 전체를 접합 완성하는 펠릿 셋팅 공정 과, 두 개의 전극 중 어느 한쪽에 리드 선을 접합하는 리드 와이어링 공정을 포함하여 구성되는 전자 냉각 모듈 제조 방법에 있어서, 상기 열전 반도체 소재 가공 공정은, 소재 표면상에 절연 격막을 형성하는 절연 격막 형성 공정과, 표면상에 절연 격막이 형성된 상태의 상기 열전 반도체 소재를 적정 사이즈로 절단하는 소잉 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전자 냉각 모듈 제조 방법의 특징적 요소를 이루는 상기 절연 격막 형성 공정과 소잉 공정에 관하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 절연 격막 형성 공정은 앞서 언급한 바의 열전 반도체 소재 표면상에 파릴린 절연 격막을 형성하는 작업으로서, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 다수의 열전 반도체 소재(23)를 챔버(chamber), 즉 절연 격막 형성 장비 내 적정 위치(비교적 높은 위치)에 매단 상태로 그 표면상에 파릴린 절연 격막을 형성시키게 된다.

상기 절연 격막 형성 공정은 높은 진공 상태에서 이루어지며, 더욱 세부적으로는, 150 ℃, 1 torr 하에서의 기화 공정과, 680 ℃, 0.5 torr 하에서의 패랠러시스(paralysis) 공정과, 25 ℃, 0.1 torr 하에서의 흡착 공정을 거쳐 이루어진다.

상기 절연 격막 형성 장비에는 압력 센서 및 온도 센서 등을 포함한 계측 장치와 전자 제어 장치가 구비되어 있어서 이들 각각의 세부 공정이 체계적으로 실행됨은 물론이다.

한편, 파릴린은 절연성을 띤 신소재로서, 진공, 고온 조건하에서 기화하여 물체(본 발명에 있어서는, 열전 반도체 소재) 표면에 강하게 달라붙어 피막을 형성하며, 통상적 전자 냉각 모듈 사용 온도를 초월하는 상당한 고온에서도 기 형성된 피막을 시종 유지하는 것으로 확인되었다.

파릴린이 갖는 이러한 특성으로 인하여, 도시한 바와 같이, 적정 압력 및 온도 조건 하에서 기화된 파릴린은 열전 반도체 소재(23)는 물론 그 사이 사이로 침투하여 절연 격막(F)을 형성하게 된다.

본 발명 실시예에 있어 상기 파릴린 절연 격막 두께는 약 5 ㎛, 즉 0.005 mm 정도가 바람직한 것으로 확인되었다.

도면부호 "H"는 열전 반도체 소재(23)를 잡아주기 위한 부재로서, 절연 격막 형성 장비의 천장 또는 별도의 행거(hanger)로 이해하면 된다.

열전 반도체 소재(23)의 하부 표면에는 절연 격막(F)이 형성되지 않는 것으로 도시되어 있는데, 본 명세서상에서는 도면 식별을 용이하게 하고자 해당 부분에는 절연 격막(F)이 형성되지 않은 것으로 나타내었을 뿐이다.

이와는 반대로, 종이 등으로 상기 하부 표면을 가려 마스킹(masking)해도 무방한 점을 고려할 때, 열전 반도체 소재(23) 하부 표면상의 절연 격막(F) 형성 여부를 특별히 한정하여 이해할 필요는 없다.

도 5 는 본 발명 실시예의 전자 냉각 모듈 제조 방법에 따른 소재 절단 공정을 나타내는 모식도로서, 상기와 같은 과정을 통하여 그 표면상에 절연 격막(F)이 형성된 상태의 열전 반도체 소재, 말하자면, 절연 격막 형성 열전 반도체 소재(23')를 절단함으로써 절연 격막 형성 펠릿(23")을 얻는 과정을 나타낸다.

도시한 바와 같이, 각각의 절연 격막 형성 펠릿(23")을 바로 세우면 상하 양쪽 표면(절단된 부분)을 제외한 전 둘레에 절연 격막이 형성된 형태를 이루게 된 다.

이어서, 상기 절연 격막 형성 공정 및 소잉 공정을 거쳐 얻어진 이들 절연 격막 형성 펠릿(23")의 상하 양쪽 표면상에 솔더 코팅, 즉 금속성 접합제를 도포하고, 이들을 상부 및 하부 전극(21, 22) 사이에 맞춰 넣어 전체를 접합 완성하는 펠릿 셋팅을 마친 다음, 종래와 같은 리드 선(L) 접합 작업 등의 후속 작업을 거쳐 하나의 전자 냉각 모듈(20)을 완성하게 된다.

상기와 같이, 본 발명에 따르면, 전자 냉각 모듈 단위 부피당 접합 팰릿 수가 현저히 많은, 즉 펠릿 집적도가 높은 고집적 전자 냉각 모듈과 그 제조 방법을 얻을 수 있다.

상기 펠릿 집적도 향상의 효과를 구체적으로 살펴보면, 종래의 펠릿 간 간격 0.4 mm, 즉 400 ㎛ 가 5 ㎛ 로 축소됨으로 인하여 전자 냉각 모듈 내에 현저히 많은 수의 펠릿을 접합한 결과, 단위 표면적당 방열 처리 능력이 종래 81.45 mW 로부터 325 mW 로 증대되었다.

이러한 방열 처리 능력의 향상 이외에도, 상하 양쪽 전극 사이에 걸쳐진 브릿지(bridge) 형태(종래 구조)가 아니라 양쪽 전극 사이를 가득 채운 블록(block) 형태의 구조를 이룸에 따라 상당한 구조적 안정화 효과를 얻게 되었다.

상기와 같은 펠릿 집적도 향상 및 그에 따른 전자 냉각 모듈의 초소형화 효과를 가져온 본 발명은, 종래와 같이 발열체를 감싸는 구조의 전자 냉각 모듈 형태를 탈피하여 소형 발열체 내 미세 공간에 전자 냉각 모듈을 설치할 수 있는 길을 열었다는 측면에서 볼 때, 그 기술적 가치 및 산업상 이용 가능성을 크게 인정받아 마땅할 것으로 믿어진다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 합금 제조 과정에 의하여 고순도의 열전 반도체 소재를 얻는 열전 반도체 소재 준비 공정과, 열전 반도체 소재를 가공 처리하여 다수의 펠릿을 얻는 열전 반도체 소재 가공 공정과, 펠릿의 상하 양쪽 표면상에 솔더 금속을 도포하는 솔더 코팅 공정과, 이들 펠릿을 상부 및 하부 전극 사이에 맞춰 넣어 전체를 접합 완성하는 펠릿 셋팅 공정과, 두 개의 전극 중 어느 한쪽에 리드 선을 접합하는 리드 와이어링 공정을 포함하여 구성되는 전자 냉각 모듈 제조 방법에 있어서,

   상기 열전 반도체 소재 가공 공정은, 소재 표면상에 절연 격막을 형성하는 절연 격막 형성 공정과, 표면상에 절연 격막이 형성된 상태의 상기 열전 반도체 소재를 적정 사이즈로 절단하는 소잉 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 냉각 모듈 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 절연 격막 형성 공정은, 150 ℃, 1 torr 하에서의 기화 공정과, 680 ℃, 0.5 torr 하에서의 패랠러시스 공정과, 25 ℃, 0.1 torr 하에서의 흡착 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 냉각 모듈 제조 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 절연 격막(F)은 파릴린인 것을 특징으로 하는 전자 냉각 모듈 제조 방법.

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