KR101508793B1 - 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자 모듈을 사용한 열교환기의 제조방법에 관한 것으로, P형 반도체 소자(11)와 N형 반도체 소자(12)를 전기적으로 직렬 연결하여 구성되는 열전소자 모듈(10)의 외부 세라믹 기판(13)의 표면에 고온에서 구리를 열 증착시켜 구리층을 형성하는 구리층 형성단계(S100)와; 상기 열전소자 모듈(10)의 세라믹 기판(13)에 형성된 구리층(14)에 접합되는 전열판(21)의 표면에 솔더링에 의해 접합이 가능한 금속을 도금하여 도금층(23)을 형성하는 도금층 형성 단계(S200)와; 상기 열전소자 모듈(10)의 세라믹 기판(13)의 표면에 형성된 구리층(14)과 상기 전열판(21)의 표면에 형성된 도금층(23)을 금속 접합하여 고정하는 솔더링 작업 단계(S300)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 통해 본 발명은 써멀 그리스나 접착제를 사용하는 대신 이들보다 열전도 효율이 높은 금속접합인 솔더링 접합을 통해 열전소자 모듈의 세라믹 기판과 전열판이 접합되므로 별도의 체결 수단 없이 견고하게 고정 결합 및 고정될 수 있어 소형 제작이 가능하며 아울러 금속접합으로 인하여 열교환기의 열교환 성능이 대폭 향상된다.

열교환기, 열전소자 모듈, 세라믹, 솔더링, 금속접합

Description

열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF HEAT EXCHANGER USING THERMOELECTRIC MODULE}

본 발명은 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 열전소자 모듈과 방열판과 흡열판이 서로 솔더링에 의해 접합됨으로써 별도의 체결 수단 없이 견고하게 결합될 수 있어 소형제작이 가능하며, 아울러 열교환 성능이 대폭 향상되는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 열전소자 모듈을 이용한 열교환기는 방열측 열교환체와 흡열측 열교환체 및 이들 방열측 열교환체와 흡열측 열교환체 사이에 개재되어 열을 흡수하거나 열을 발생시키는 열전소자 모듈(100)을 포함하여 이루어진다.

열전소자 모듈(100)은 일반적으로 P형 반도체 열전소자(110)와 N형 반도체 열전소자(120)가 교대로 배열되며, 이들 반도체 열전소자들(110, 120)은 전기적으로 직렬 연결되어 있고 열적으로는 병렬 연결되어 있는데, 이를 위해 반도체 열전 소자들(110, 120)의 상부 및 하부 표면에는 각각 상부전극연결판(131)과 하부전극연결판(132)이 P형 및 N형 반도체 열전소자(110, 120)들이 직렬로 연결되도록 교대로 반도체 열전소자의 표면에 부착되어 있으며, 이들 반도체 열전소자(110, 120)들에는 좌우측단에 위치하는 하부전극열결판(132)을 통해 DC 전원이 공급된다.

그리고 상부전극연결판(131) 및 하부전극연결판(132)의 외부에는 전기적 절연판(140)을 그 사이에 넣고 그 상부에 세라믹 기판(151, 152)을 접착하여 열전소자 모듈(100)을 구성한다.

상기와 같은 구성 즉, 반도체 열전소자(110, 120), 상하부전극연결판(131, 132), 절연판(140) 및 세라믹 기판(151, 152)으로 이루어진 열전소자 모듈(100)에 전선을 연결하여 DC 전원을 공급하게 되면 한쪽은 열을 흡수하고 다른 쪽은 열을 방출하게 되는데, 먼저 열전소자 모듈(100)의 좌우측단의 하부전극연결판(132)에 형성된 하부전극을 통해 전원을 공급할 때 N형 반도체측이 +(plus)가 되고, P형 반도체측이 -(minus)가 되도록 DC 전원을 공급하게 되면, 전류가 N형 반도체 소자(120)로부터 P형 반도체 소자(110)로 흐르게 되고, 이때 펠티에(Peltier) 효과(두 종류의 금속을 접합하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상)에 의해 열전소자 모듈(100)의 상부의 세라믹 기판(151)은 냉각부로서 기능하고, 하부의 세라믹 기판(152)은 발열부로서 기능하게 된다.

이러한 구조로 이루어진 열전소자 모듈(100)을 이용하여 열교환기(200) 등을 제작할 때는 평면의 세라믹 기판(151, 152)의 상부에 바로 평판상의 방열판(210) 또는 흡열판(220, 이하 "전열판"이라 한다)을 맞대어 제작하는 것이 아니라, 세라 믹 기판(151, 152)과 전열판(210, 220)의 평면을 바로 맞대게 되면 아무리 정밀한 가공을 하더라도 이들 판 사이에 틈새가 있을 수 있고, 이 때문에 전열 효율이 떨어지므로 이를 방지하기 위해 통상 도 2에 도시된 바와 같이 열전소자 모듈(100)의 세라믹 기판(151, 152)의 표면에 써말 그리스(thermal grease)와 같은 열전달 물질을 도포한 후 볼트(B) 등의 체결수단을 통해 이들을 체결하여 열교환기(200)를 구성하거나 또는 전열성 접착제로 열전소자 모듈(100)의 세라믹 기판(151, 152)과 전열판을 접착시켜 제작하고 있다.

그러나 써멀 그리스나 접착제는 비록 열을 잘 전달하는 전열성 물질이어서 세라믹 기판(151, 152)과 전열판(210, 220) 사이에 개재되는 경우 이들 판 사이의 틈새를 빈 공간으로 두는 것보다 열전달 효율이 높기는 하지만, 이들 물질은 금속에 비해서는 열전도도가 매우 낮기 때문에 열전소자 모듈(100)로부터 생성된 열을 전열판(210, 220)에 효과적으로 전달하지 못하여 열교환 효율이 저하되는 단점이 있을 뿐만 아니라, 절연물질로서 써멀 그리스를 사용하는 경우에는 열전소자 모듈(100)과 전열판(210, 220)의 체결상태가 고정 유지되도록 하기 위해서는 반드시 볼트 등의 체결수단으로 체결하여야 하고 이를 위해서는 고정판 등의 부자재를 별도로 사용하여야 하기 때문에 결과적으로 제작되는 열교환기의 두께가 두꺼워지게 되어 컴팩트화가 어려울 뿐만 아니라 구조적으로 복잡한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명은 열전달 효율을 높이기 위해 전열판과 세라믹 기판 사이에 게재되는 써멀 그리스 또는 접착제를 없애는 대신에 이들 표면에 각각 금속 도금층을 형성하여 이들 도금층들을 솔더링에 의해 금속접합함으로써 열교환 효율을 높이고 아울러 컴팩트화가 가능한 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자를 전기적으로 직렬 연결하여 구성되는 열전소자 모듈의 외부 세라믹 기판의 표면에 고온에서 구리를 열 증착시켜 구리층을 형성하는 구리층 형성단계와; 상기 열전소자 모듈의 세라믹 기판에 형성된 구리층에 접합되는 전열판의 표면에 솔더링에 의해 접합이 가능한 금속을 도금하여 도금층을 형성하는 도금층 형성 단계와; 상기 열전소자 모듈의 세라믹 기판의 표면에 형성된 구리층과 상기 전열판의 표면에 형성된 도금층을 금속 접합하여 고정하는 솔더링 작업 단계로 구성된 것에 의해 달성된다.

또한 본 발명의 목적은 P형 반도체 소자와 N형 반도체 소자를 전기적으로 직렬로 연결하는 상하부전극연결판과, 상기 상하전극연결판의 외부에 적층되는 세라믹 기판으로 이루어지는 열전소자 모듈과; 상기 열전소자 모듈의 세라믹 기판의 표 면에 열 증착되는 구리층 및; 그 일측면의 표면에 도금층에 형성된 전열판으로 이루어지되; 상기 전열판의 도금층과 세라믹 기판의 구리층은 솔더링에 의해 금속 접합되는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 전열판의 재질이 구리인 경우의 도금층은 주석 또는 니켈로 이루어진 도금층이고, 전열판의 재질이 알루미늄인 경우의 도금층은 구리, 주석 또는 니켈로 이루어진 도금층인 것으로 실시될 수 있다.

본 발명은 써멀 그리스나 접착제를 사용하는 대신에 그 보다 열전달 효율이 높은 금속접합을 이용하여 열전소자 모듈과 전열판을 접합함으로써 열정달 효율을 높일 수 있으며, 아울러 고온에 내성이 강한 장점이 있다.

또한 본 발명은 열전소자 모듈과 전열판을 솔더링에 의해 금속 접합시킴으로써 별도의 체결 수단 없이도 열전소자 모듈과 전열판을 고정할 수 있어 단순하고 컴팩트한 구조의 열교환기의 제조가 가능하다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 열전소자 모듈과 전열판을 볼트, 너트와 같은 별도의 체결 수단을 사용하지 않고도 간단하고 견고하게 고정시킬 수 있으며, 아울러 열전소자 모듈 상 하측의 세라믹 기판과 전열판 사이에 써멀 그리스 또는 접착제가 사용되지 않아 사용하지 않아 열전달 효율이 향상되는 열교환기의 제조방법을 제공하고자 하는 것으로 이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 열교환기는 도 3의 공정 순서도에 도시된 바와 같이 구리층 형성단계(S100), 도금층 형성 단계(S200) 및 솔더링 단계(S300)의 순으로 제조된다.

이하에서는 상기의 제조순서를 좀 더 상세히 설명한다.

(1) 구리층 형성단계(S100)

구리층 형성단계(S100)는 열전소자 모듈(10) 외부의 절연판 상부에 적층되는 세라믹 기판(13)의 상부 표면에 각각 구리를 증착시켜 구리층(14)을 형성하는 단계이다.

열전소자 모듈(10)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 P형 반도체 소자(11)와 N형 반도체 소자(12)를 전기적으로 직렬이 되도록 그 상하측을 연결하는 상하부전극연결판(15, 16)이 설치되고, 상기 상하부전극연결판(15, 16)의 외측에는 전기적 절연판이 형성되고 그 상부에는 금속 세라믹 기판(13)이 부착된다.

재질문제 때문에 이러한 세라믹 기판(13)을 전열판(21)에 바로 금속 접합시키기가 곤란하므로 본 발명에서는 이들 판 간에 금속접합이 가능하도록 세라믹 기판(13)의 표면에 구리를 고온에서 열 증착시켜 구리층(14)을 형성하게 되며, 이 구리층(14)을 통해 후술하는 전열판(21)과의 접합 작업, 즉 솔더링 작업이 가능해지는 것이다.

(2) 도금층 형성 단계(S200)

도금층 형성 단계(S200)는 상기 열전소자 모듈(10)의 외측에 적층되는 세라믹 기판(13)과 접합되는 쪽의 전열판(21)의 표면에 각각 도금층(23)을 형성하는 단계이다.

이때 전열판(21) 중에서 열을 방열하는 목적의 전열판(20A)에는 도 6에서와 같이 도금층(23)이 형성되는 표면의 반대편 표면에 다수의 방열핀(22)을 브레이징에 의해 부착시켜 방열이 효과적으로 이루어지도록 실시될 수 있다.

도금층(23)은 후속되는 솔더링 작업에 의해 금속접합이 용이하게 수행되도록 전열판(21)의 재질에 따라 다르게 실시되는데 일반적으로 전열판(21)의 재질은 구리 또는 알루미늄 중 어느 하나를 선택하여 실시되고 있다.

먼저, 전열판(21)의 재질이 구리인 경우에는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 그 도금층(23)은 니켈 또는 주석으로 이루어지며, 이 도금층(23)의 전기도금에 의해 표면에 형성된다.

니켈 또는 주석으로 이루어진 도금층(23)은 세라믹 기판(13)의 표면에 증착된 구리층(14)과의 접착이 용이하도록 해준다.

한편, 전열판(21)이 알루미늄으로 이루어지는 경우에는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 전열판(21)의 표면에 각각 구리를 전기 도금하여 구리층(23A)을 먼저 형성하고, 이 구리층(23A) 위로 다시 니켈 또는 주석으로 이루어진 도금층(23B)을 형성하게 된다.

이처럼 전열판(21)의 재질이 알루미늄인 경우에는 도금층(23)에 먼저 구리층(23A)을 형성하게 되는데, 이는 니켈 또는 주석으로 이루어진 도금층(23B)이 알루미늄재의 전열판(21)에 직접 도금되기 어렵기 때문에 알루미늄과 주석 또는 니켈과의 접합이 용이한 구리층(23A)을 먼저 형성하고 그 위에 니켈 또는 주석 도금층(23B)을 형성하는 것이다.

(3) 솔더링 작업 단계(S300)

솔더링 작업 단계(S300)는 상기 공정을 통해 그 표면에 각각 구리막(14)이 형성된 열전소자 모듈(10)과 니켈 또는 주석 도금층(23)이 형성된 전열판(21B)을 솔더링 작업에 의해 접합하는 단계이다.

솔더링(soldering) 작업은 열전소자 모듈(10)의 표면에 형성된 구리층(14)과 전열판(21)의 표면에 형성된 도금층(23)에 각각 크림 솔더(cream solder)를 도포한 다음, 상기 구리층(14)과 도금층(23)을 맞대어 밀착시킨 상태에서 100∼200℃의 온도에서 열에 의해 크림 솔더를 녹여 양자를 접합하는 작업이다.

이때 크림 솔더는 납이 포함되지 않은 무연 솔더를 사용하는 것이 바람직한데 이는 납을 이용한 솔더에 비해 친환경적이기 때문이다.

그러나 상기 솔더링 작업 단계(S300)의 접합은 먼저 납을 고온으로 가열하여 녹여 방전열판(21)의 도금층(23)의 표면에 도포한 후, 납이 도포된 도금층(23)의 표면을 열전소자 모듈(10)의 구리층(14)에 맞대어 밀착시킨 다음 냉각시키는 것으로도 실시될 수 있다.

이상과 같은 방법 및 절차에 의해 제조되는 본 발명의 열교환기(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 P형 반도체 소자(11)와 N형 반도체 소자(12)를 전기적으로 직렬로 연결하는 상하부전극연결판(15, 16)과, 상기 상하부전극연결판(15, 16)의 외부에 적층되는 세라믹 기판(13)으로 이루어지는 열전소자 모듈(10)과; 상기 열전소자 모듈(10)의 세라믹 기판(13)의 표면에 증착되는 구리층(14)과; 그 일측면의 표면에 도금층(23)에 형성된 전열판(21)으로 이루어지고, 상기 전열판(21)의 도금층(23)과 세라믹 기판의 구리층(14)은 솔더링에 의해 금속 접합됨으로써 구성된다.

이러한 구조의 열교환기(1)는 별도로 볼트, 너트와 같은 체결수단을 사용하지 않고도 열전소자 모듈(10)과 전열판(21)을 견고하게 고정 부착할 수 있으므로 두께를 얇게 실시할 수 있어 열교환기(1)를 소형으로 제작할 수 있으며, 또한 열전소자 모듈(10)과 전열판(21)이 서로 금속 접합에 의해 밀착 고정유지 되므로 열 교환 효율이 높다.

도 1은 종래의 열전소자 모듈의 예를 보인 단면도,

도 2는 종래의 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 조립상태를 보인 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법을 보인 공정 순서도,

도 4는 본 발명에 따른 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 예를 보인 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 열전소자 모듈의 예를 보인 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 방열/흡열판의 예를보인 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 도금층의 예를 보인 단면도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 열교환기 10: 열전소자 모듈

11: P형 반도체 소자 12: N형 반도체 소자

13: 세라믹 기판 14: 구리층

15, 16: 상하부전극연결판 21: 전열판

22: 방열핀 23: 도금층

Claims (5)

1. 열전소자 모듈을 이용하여 열교환기를 제조하는 열교환기의 제조방법에 있어서,

   P형 반도체 소자(11)와 N형 반도체 소자(12)를 전기적으로 직렬 연결하여 구성되는 열전소자 모듈(10)의 외부 세라믹 기판(13)의 표면에 고온에서 구리를 열 증착시켜 구리층을 형성하는 구리층 형성단계(S100)와;

   상기 열전소자 모듈(10)의 세라믹 기판(13)에 형성된 구리층(14)에 접합되는 전열판(21)의 표면에 솔더링에 의해 접합이 가능한 금속을 도금하여 도금층(23)을 형성하는 도금층 형성 단계(S200)와;

   상기 열전소자 모듈(10)의 세라믹 기판(13)의 표면에 형성된 구리층(14)과 상기 전열판(21)의 표면에 형성된 도금층(23)을 금속 접합하여 고정하는 솔더링 작업 단계(S300)로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 솔더링 작업 단계(S300)는 열전소자 모듈(10)의 구리층(14)과 전열판(21)의 도금층(23) 사이에 크림 솔더를 도포한 후 양자를 맞댄 상태에서 100∼200℃의 온도에서 크림 솔더를 녹여 양자를 접합하되, 상기 크림 솔더는 무연 솔더 인 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 솔더링 작업 단계(S300)에서의 접합은 납을 고온으로 가열하여 녹여 방전열판(21)의 도금층(23)의 표면에 도포한 후, 납이 도포된 도금층(23)의 표면을 열전소자 모듈(10)의 구리층(14)에 맞대어 밀착시킨 다음 냉각시키는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

   상기 도금층 형성 단계(S200)에서 사용되는 전열판(21)의 재질은 구리이고, 상기 구리 재질의 전열판(21)의 표면에 형성되는 도금층(23)은 니켈 또는 주석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

   상기 도금층 형성 단계(S200)에서 사용되는 전열판(21)의 재질은 알루미늄이고, 상기 알루미늄 재질의 전열판(21)의 표면에 형성되는 도금층(23)은 구리층(23A)과, 상기 구리층(23A)의 위에 니켈 또는 주석으로 이루어진 도금층(23B)이 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 열전소자 모듈을 이용한 열교환기의 제조방법.

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