KR101702433B1 - Mems 기반 흑체 시스템 - Google Patents

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KR101702433B1
KR101702433B1 KR1020160084328A KR20160084328A KR101702433B1 KR 101702433 B1 KR101702433 B1 KR 101702433B1 KR 1020160084328 A KR1020160084328 A KR 1020160084328A KR 20160084328 A KR20160084328 A KR 20160084328A KR 101702433 B1 KR101702433 B1 KR 101702433B1
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오현웅
김태규
채봉건
정주용
박종민
신호현
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조선대학교산학협력단
엘아이지넥스원 주식회사
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Abstract

MEMS 기반 흑체 시스템을 공개한다. 본 발명은 반도체 웨이퍼 상에 MEMS 기법에 따라 구현되는 복수개의 마이크로 히터 및 복수개의 온도 센서를 구비하는 흑체 웨이퍼, 흑체 웨이퍼의 하부면에 결합되어 흑체 웨이퍼의 열을 전달하는 냉각판, 흑체 웨이퍼를 냉각판에 고정하기 위한 고정 덮개, 냉각판의 하부면에 부착되는 펠티어 소자, 링 형태로 구현되어 냉각판의 하부에 펠티어 소자의 외곽을 둘러싸는 형태로 배치되고, 복수개의 온도 센서 각각으로부터 감지 신호를 인가받아 흑체 웨이퍼의 온도를 분석하고, 분석된 흑체 웨이퍼의 온도에 따라 복수개의 마이크로 히터로 전류를 공급하여 흑체 웨이퍼를 가열하거나, 펠티어 소자의 냉각부가 냉각판을 통해 전달되는 흑체 웨이퍼의 열을 흡수하도록 제어하여 흑체 웨이퍼를 냉각하는 제어회로가 구현된 제어보드 및 링 형태의 제어보드의 가운데 빈 영역을 통해 펠티어 소자와 결합되어, 펠티어 소자의 발열부에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열판을 포함한다.

Description

MEMS 기반 흑체 시스템{MEMS-BASED BLACK BODY SYSTEM}
본 발명은 흑체 시스템에 관한 것으로, 특히 MEMS 기반 흑체 시스템에 관한 것이다.
적외선 센서 등과 같은 영상 센서는 운용 시간경과 및 작동/비작동의 반복에 의해 비균일 출력 특성이 나타나게 된다. 이에 영상 센서의 출력 특성을 보정 또는 측정 대상체에 대한 추정 정확도를 높이기 위해 교정용 흑체(black body)가 이용되고 있다.
흑체를 이용한 영상 센서의 출력 특성 보정은 흑체를 가열하여 기설정된 기준 온도로 승온하고, 승온된 흑체로부터 방사되는 적외선의 방사량과 온도와의 관계를 측정하여, 측정되는 온도와 적외선의 방사량과의 관계를 교정하여 수행된다. 흑체를 이용한 교정 방식은 설비가 갖추어진 시설에서 수행되는 것이 일반적이지만, 위성과 같이 시설로 이동 시킬 수 없는 장치의 경우, 영상 센서를 보정을 위한 흑체를 내부에 탑재하여 자체적으로 영상 센서를 보정할 수 있도록 한다.
그러나 현재 탑재 교정용 흑체는 대부분 해외에서 제작된 제품에 의존하고 있어, 국내화가 시급한 실정이다. 비록 일부 적외선 센서 보정용 흑체의 경우, 국내 주도로 개발되어 실용 위성에 적용된 사례가 있으나, 기능이 적외선 센서의 비균일 출력 특성 교정으로 한정되어 흑체가 제공 가능한 기준 온도정보가 매우 제한적이라는 한계가 있다.
또한 측정 대상체의 추정 정확도 향상을 목적으로 저온에서 고온에 이르는 흑체 기준 온도 제공을 위해서는, 흑체로부터 위성체 외부에 위치한 방열판으로의 열적 전도경로 확보가 요구되며, 이로 인한 열적 손실 방지 및 고온 온도정보 제공을 위해 히터의 적용이 요구되는 등 열 설계의 복잡성을 야기함과 동시에 흑체 표면온도 균일도 확보에 어려움이 있다.
그리고 고온 및 저온의 2가지 기준 온도를 제공하기 위해 2개의 흑체를 이용하는 경우, 영상 센서로부터의 지향성을 확보하기 위한 스캔 메커니즘 등의 적용이 요구되어, 시스템이 복잡해지는 단점이 있다.
추가적으로 흑체를 이용하여 영상 센서를 보정하기 위해서는 흑체의 표면 온도가 정밀하게 측정될 필요가 있다. 흑체의 표면 온도를 정밀하게 측정하기 위해서는 가급적 다수의 온도 센서를 가능한 흑체에 근접하게 설치하는 것이 중요하다. 그러나 위성과 같이 우주용 장치에 적용되는 흑체 시스템의 경우, 재료의 공간 상의 문제로 온도 센서의 설치가 매우 제한된다.
결과적으로 기존의 흑체 시스템 대부분이 지상의 장치에 적용되는 것을 전제로 제작되어 위성과 같은 우주 환경에서 사용하기에 부적합하다는 한계가 있다.
한국 등록 특허 제10-1592293호 (2016.02.01 등록)
본 발명의 목적은 단순하고 견고한 구조로 초소형, 초경량으로 제작가능하고, 저전력을 소모할 뿐만 아니라 균일한 온도를 제공하여, 우주 환경과 같이 제약 조건이 많은 환경에서도 안정적으로 영상 센서를 정확히 교정할 수 있도록 하는 흑체 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 흑체 시스템은 반도체 웨이퍼 상에 MEMS 기법에 따라 구현되는 복수개의 마이크로 히터 및 복수개의 온도 센서를 구비하는 흑체 웨이퍼; 상기 흑체 웨이퍼의 하부면에 결합되어 상기 흑체 웨이퍼의 열을 전달하는 냉각판; 상기 흑체 웨이퍼를 상기 냉각판에 고정하기 위한 고정 덮개; 상기 냉각판의 하부면에 부착되는 펠티어 소자; 링 형태로 구현되어 상기 냉각판의 하부에 상기 펠티어 소자의 외곽을 둘러싸는 형태로 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서 각각으로부터 감지 신호를 인가받아 상기 흑체 웨이퍼의 온도를 분석하고, 분석된 상기 흑체 웨이퍼의 온도에 따라 상기 복수개의 마이크로 히터로 전류를 공급하여 상기 흑체 웨이퍼를 가열하거나, 상기 펠티어 소자의 냉각부가 상기 냉각판을 통해 전달되는 상기 흑체 웨이퍼의 열을 흡수하도록 제어하여 상기 흑체 웨이퍼를 냉각하는 제어회로가 구현된 제어보드; 및 링 형태의 상기 제어보드의 가운데 빈 영역을 통해 상기 펠티어 소자와 결합되어, 상기 펠티어 소자의 발열부에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열판; 을 포함한다.
상기 흑체 웨이퍼는 상기 복수개의 마이크로 히터가 원형의 상기 흑체 웨이퍼 상에서 서로 균등한 거리만큼 되도록 분산 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 분산 배치된 상기 복수개의 마이크로 히터 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 마이크로 히터 및 상기 복수개의 온도 센서는 원형의 상기 흑체 웨이퍼의 중앙을 기준으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 마이크로 히터 각각은 상기 흑체 웨이퍼 상에 미리 지정된 패턴 형태로 형성되어 전류가 인가되면, 발열하는 발열 저항 소자로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 흑체 웨이퍼는 원형의 상기 흑체 웨이퍼의 가장자리에 균등한 간격으로 이격되어 형성되고, 상기 흑체 웨이퍼의 상기 복수개의 마이크로 히터의 양단 및 상기 복수개의 온도 센서 각각의 양단과 전기적으로 연결되어, 상기 제어보드에서 인가되는 전류를 상기 복수개의 마이크로 히터로 인가하고, 상기 온도 센서에서 출력되는 상기 감지 신호를 상기 제어보드로 전달하는 복수개의 접촉 패드; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수개의 접촉 패드는 상기 복수개의 마이크로 히터 중 대응하는 마이크로 히터의 일단 또는 타단 중 하나와 연결되는 복수개의 히터 접촉 패드; 상기 복수개의 마이크로 히터 중 미리 지정된 제1 개수의 마이크로 히터의 일단이 공통으로 연결되는 적어도 하나의 공통 히터 접촉 패드; 상기 복수개의 온도 센서 중 대응하는 온도 센서의 일단 또는 타단 중 하나와 연결되는 복수개의 센서 접촉 패드; 및 상기 복수개의 온도 센서 중 미리 지정된 제2 개수의 온도 센서의 일단이 공통으로 연결되는 적어도 하나의 공통 센서 접촉 패드; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어보드는 링 형상의 내측에 배치되고 상기 복수개의 접촉패드 중 대응하는 접촉 패드와 접촉되어, 상기 복수개의 마이크로 히터 및 상기 복수개의 온도 센서를 상기 제어회로와 전기적으로 연결하는 복수개의 연결핀; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어보드는 상기 제어회로에서 획득된 상기 흑체 웨이퍼의 온도정보를 외부장치로 전송하고, 조절되어야 하는 상기 흑체 웨이퍼의 온도에 대한 제어 정보를 상기 외부장치로부터 수신하기 위한 데이터 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 흑체 시스템은 상기 제어보드에 형성된 제1 제어보드 체결홀 및 상기 방열판에 형성된 방열판 돌출홈에 삽입되어, 상기 제어보드를 상기 방열판에 고정 결합하기 위한 복수개의 제1 체결 볼트; 상기 냉각판에 형성되는 냉각판 체결홀 및 상기 제어 보드에 형성된 제2 제어보드 체결홀을 통해 상기 방열판에 형성된 제1 방열판 체결홀에 삽입되어 상기 냉각판을 상기 방열판에 고정 결합하기 위한 복수개의 제2 체결 볼트; 및 상기 고정 덮개에 형성되는 덮개 체결홀 및 상기 냉각판에 형성되는 냉각판 돌출홈에 삽입되어, 상기 고정 덮개를 상기 흑체 웨이퍼와 함께 상기 냉각판에 고정하는 복수개의 제3 체결 볼트; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 흑체 시스템은 상기 냉각판과 상기 제어보드 사이에 배치되어, 상기 냉각판의 열이 상기 제어보드로 전달되지 않도록 차단하고, 상기 냉각판과 상기 제어보드 사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산하는 복수개의 제1 단열 와셔; 및 상기 제어보드와 상기 방열판 사이에 배치되어, 상기 방열판의 열이 상기 제어보드로 전달되지 않도록 차단하고, 상기 제어보드와 상기 방열판 사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산하는 복수개의 제2 단열 와셔; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 흑체 시스템은 반도체 웨이퍼로 구현되는 흑체 웨이퍼상에 복수개의 마이크로 히터 소자와 복수개의 온도 센서가 MEMS 기술을 기반으로 분산되어 증착 형성되므로, 흑체 웨이퍼의 전면에 균일한 온도가 발생되도록 하고, 정밀하게 온도를 측정할 수 있다. 또한 초소형, 초경량 제작이 가능하고, 저전력을 소모하며, 단순하고 견고한 구조로 설계 및 제조 비용을 절감할 수 있으며, 제약 요건이 많은 우주와 같은 극한의 환경에서도 안정적으로 운용될 수 있다. 뿐만 아니라 영상 센서의 감지 범위에 대응하는 고온과 저온에 이르는 다양한 온도를 제공할 수 있어, 영상 센서를 교정하기 위한 교정 시스템의 전체 구성을 단순화할 수 있으며, 영상 센서로부터 흑체로의 시야각 확보가 용이하며, 흑체 시스템을 구동하는 구동부의 토크 버짓을 최소화할 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑체 시스템의 사시도를 나타낸다.
도2 는 도1 의 흑체 시스템에서 흑체 웨이퍼 상에 구현되는 히터 소자 및 온도 센서의 배치예를 나타낸다.
도3 내지 도5 는 도1 의 흑체 시스템의 제조 공정에 따른 결합도를 나타낸다.
도6 은 도1 의 흑체 시스템 및 도2 의 흑체의 실제 구현 예를 나타낸다.
도7 은 도2 의 흑체 웨이퍼의 가열 및 냉각시 열분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑체 시스템의 사시도를 나타내고, 도2 는 도1 의 흑체 웨이퍼상에 구현되는 마이크로 히터 소자 및 온도 센서의 배치예를 나타내며, 도3 내지 도5 는 도1 의 흑체 시스템의 제조 공정에 따른 결합도를 나타낸다.
도1 내지 도5 를 참조하여, 본 발명의 흑체 시스템(1)을 설명하면, 흑체 시스템(1)은 흑체 웨이퍼(10), 냉각판(20), 고정 덮개(30), 제어보드(40), 방열판(50), 체결 볼트(60) 및 펠티어 소자(70)를 구비한다.
이상적인 흑체는 입사되는 모든 복사선을 완전히 흡수하는 가상의 물체를 의미하지만, 일반적으로 흑체는 실제 구현 가능한 영역에서 현재 온도에 대응하여 적외선 열상을 대부분 방출할 수 있는 물질을 의미한다.
일반적으로 사용되고 있는 흑체로는 평판형 구조의 흑체와 캐비티형 구조의 흑체가 있다. 평판형 흑체는 금속성 열원의 표면에 복사 방출율이 0.95이상인 특수 페인트 착색하여 구현하게 되며, 람버시안(Lambertian) 광원 특성이 있어서 각도의 변화에 상관없이 일정한 세기의 복사선을 방출하는 특징이 있다. 캐비티 반사형 흑체는 삼각뿔 구조의 내부 반사판 표면에 특수 페인트를 착색하여 평행광이 출력되도록 구성한 것으로, 복사 방출율은 매우 우수한 특징이 있다.
본 발명에서는 반도체 웨이퍼에 고방사율 코팅된 흑체 웨이퍼(10)로 흑체를 구현한다. 흑체 웨이퍼(10)를 구현하는 방법은 공지된 기술이므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 흑체가 반도체 웨이퍼인 흑체 웨이퍼(10)로 구현됨에 따라 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 적용할 수 있다. 즉 흑체 웨이퍼(10) 상에 초소형, 초정밀 소자를 제작할 수 있다. 이에 본 발명에서는 흑체 시스템(1)이 별도의 히터와 온도 센서를 구비하지 않고, MEMS 기법으로 복수개의 마이크로 히터(11) 및 복수개의 온도 센서(12)를 흑체 웨이퍼(10) 상에 직접 구현한다.
MEMS 기술을 기반으로 흑체 웨이퍼(10) 상에 일체로 복수개의 마이크로 히터(11) 및 복수개의 온도 센서(12)가 직접 구현됨에 따라 흑체 시스템(1)을 소형화 경량화 할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 매우 단순해지고 견고해짐에 따라 설계 및 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한 복수개의 마이크로 히터(11)와 복수개의 온도 센서(12)가 흑체 웨이퍼(10) 상에 직접 구현되어 있어, 흑체 웨이퍼(10)의 가열 시에 열 효율을 크게 높일 수 있으며, 매우 고정밀도로 흑체 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있다.
이때 복수개의 마이크로 히터(11) 각각은 도2 에 도시된 바와 같이, 흑체 웨이퍼(10) 상의 미리 지정된 위치에 개별적으로 분산 배치된다. 복수개의 마이크로 히터(11)가 흑체 웨이퍼(10) 상에 분산 배치되는 것은 흑체 웨이퍼(10)를 가열할 때, 흑체 웨이퍼(10)의 전면이 균등하게 가열되도록 하기 위해서이다. 따라서 복수개의 마이크로 히터(11)는 서로 간에 균등한 거리를 갖도록 분산 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 마이크로 히터(11) 각각은 도2 에서 확대된 도면과 같이, 기설정된 길이의 구형파(Square wave) 패턴으로 구현되어, 제어보드(40)로부터 인가되는 전류량에 비례하여 발열하는 발열 저항 소자로서 기능할 수 있다. 도2 에서는 일예로 마이크로 히터(11)가 구형파 패턴으로 구현되는 것으로 도시하였으나, 마이크로 히터(11)의 패턴은 전류량에 비례하여 발열할 수 있는 삼각파 패턴이나 사인파 패턴 등과 같이 다양한 패턴으로 구현될 수 있다.
그리고 복수개의 온도 센서(12)는 흑체 웨이퍼(10)의 전면의 온도를 감지할 수 있도록 분산 배치된다. 이때, 온도 센서(12)가 발열하는 마이크로 히터(11)에 인접하여 배치되면, 흑체 웨이퍼(10)의 실제 온도를 측정하기 어렵다. 따라서 복수개의 온도 센서(12) 각각은 분산 배치되는 복수개의 마이크로 히터(11)의 사이에 가능한 균일한 거리를 유지하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한 복수개의 마이크로 히터(11) 및 복수개의 온도 센서(12)의 양단은 흑체 웨이퍼(10) 상의 가장자리에 배치되는 복수개의 접촉 패드(13a, 13b)와 전기적으로 연결된다. 복수개의 접촉 패드(13a, 13b)는 흑체 웨이퍼(10) 상에 연결되는 소자의 종류에 따라 마이크로 히터(11)에 연결되는 히터 접촉 패드(13a)와 온도 센서(12)에 연결되는 센서 접촉 패드(13b)로 구분 될 수 있다.
복수개의 접촉 패드(13a, 13b) 중 히터 접촉 패드(13a)는 제어보드(40)로부터 인가되는 제어 전류를 대응하는 복수개의 마이크로 히터(11) 중 대응하는 마이크로 히터로 공급하기 위해 구비되며, 센서 접촉 패드(13b)는 복수개의 온도 센서(12) 중 대응하는 온도 센서에서 감지한 감지 신호를 제어보드(40)으로 전달하기 위해 구비된다. 여기서 히터 접촉 패드(13a)와 센서 접촉 패드(13b)는 마이크로 히터(11)와 온도 센서(12) 각각에 대응하여 2개씩 구비되어 양단으로 연결될 수 있다.
그러나 도2 에 도시된 바와 같이, 복수개의 마이크로 히터(11)의 일단은 하나의 히터 접촉 패드(13a)에 공통으로 연결되도록 구성될 수 있다. 즉 복수개의 마이크로 히터(11)가 하나의 공통 히터 접촉 패드(13a)에 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 마찬가지로 복수개의 온도 센서(12)의 일단이 하나의 센서 접촉 패드(13b)를 공통으로 연결되도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 흑체 웨이퍼(10) 상에 구비되어야 하는 히터 접촉 패드(13a) 및 센서 접촉 패드(13b)의 개수를 줄일 수 있어, 설계를 간편하게 할 수 있으며 제작 비용을 줄일 수 있다.
공통 히터 접촉 패드(13a)에 연결되는 마이크로 히터(11)의 개수 및 공통 센서 접촉 패드(13b)에 연결되는 온도 센서(12)의 개수에 대한 제약은 없으며, 설계의 용이성을 고려하여 연결될 수 있다.
다만 온도 센서(12)의 경우, 하나의 공통 센서 접촉 패드(13b)에 복수개가 병렬로 연결되더라도, 제어보드(40)가 용이하게 감지 신호를 인가받아 분석할 수 있는 반면, 마이크로 히터(11)는 하나의 공통 히터 접촉 패드(13a)에 복수개가 병렬로 연결되면, 공통 히터 접촉 패드(13a)를 통해 흘러야 하는 전류량이 증가하여 안전성 및 신뢰성에 문제 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 공통 히터 접촉 패드(13a)에 병렬로 연결되는 마이크로 히터(11)의 개수가 제한되지 않고, 각각의 공통 히터 접촉 패드(13a)에 서로 다른 개수의 마이크로 히터(11)가 병렬로 연결되면, 제어보드(40)가 복수개의 마이크로 히터(11) 각각으로 인가되는 전류량을 정밀하게 제어하기 어렵게 되는 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 도2 와 같이, 공통 센서 접촉 패드(13b)에는 4개의 온도 센서(12)가 병렬로 연결되는 반면, 공통 히터 접촉 패드(13a)에는 2개의 마이크로 히터(11)가 병렬로 연결되도록 구성되었다.
또한 본 발명에서는 복수개의 마이크로 히터(11)와 복수개의 온도 센서(12), 복수개의 히터 접촉 패드(13a) 및 복수개의 센서 접촉 패드(13b) 각각이 모두 흑체 웨이퍼(10)의 중앙을 기준으로 대칭으로 배치됨으로써, 흑체 웨이퍼(10)의 균일성을 더욱 높일 수 있다. 도2 를 참조하면, 우선 복수개의 마이크로 히터(11)는 흑체 웨이퍼(10)의 중앙에 하나의 중앙 마이크로 히터가 배치되며, 흑체 웨이퍼(10)의 중앙으로부터 기설정된 제1 거리만큼 이격되어 4개의 제1 마이크로 히터가 균등하게 분산 배치되며, 다시 중앙으로부터 기설정된 제2 거리만큼 이격되어 8개의 제2 마이크로 히터가 균등하게 분산 배치되어 있다. 그리고 복수개의 온도 센서(12)는 흑체 웨이퍼(10)의 중앙으로부터 제1 거리만큼 이격되어 제2 마이크로 히터 사이에 4개의 제1 온도 센서가 배치되며, 중앙으로부터 제2 거리만큼 이격되어 제2 마이크로 히터 사이에 8개의 제2 온도 센서가 배치되었다.
도2 에서는 흑체 웨이퍼(10)의 중앙에 배치된 제1 마이크로 히터로부터 동심원의 형태로 제1 거리에 제1 마이크로 히터와 제1 온도 센서가 원형으로 배치되고, 제2 거리에 제2 마이크로 히터와 제2 온도 센서가 원형으로 배치되는 2열 배치 구조이다. 여기서 마이크로 히터와 온도 센서가 배치되는 열의 개수는 흑체 웨이퍼(10)의 크기에 따라 가변될 수 있다.
냉각판(20)은 흑체 웨이퍼(10)의 하부면에 결합되어 흑체 웨이퍼(10)의 열을 하부면에 결합되는 펠티어 소자(Peltier element 또는 열전 소자(thermoelectric element))(70)로 전달함으로써, 흑체 웨이퍼(10)를 냉각한다. 이를 위해 냉각판(20)은 열전도도가 높은 물질로 구현되는 것이 바람직하다.
한편, 고정 덮개(30)는 흑체 웨이퍼(10)의 상부면에 배치되고, 체결볼트(60) 중 제3 체결 볼트(63)에 의해 냉각판(20)과 결합됨으로써, 흑체 웨이퍼(10)의 하부면이 냉각판(20)에 접촉되어 고정되도록 한다. 고정 덮개(30)과 냉각판(20)에는 제3 체결 볼트(63)가 삽입될 덮개 체결홀(31)과 냉각판 돌출홈(22)이 구현될 수 있다. 냉각판 돌출홈(22)은 냉각판(20)의 상부면에 거치되는 흑체 웨이퍼(10)을 안정적으로 지지하기 위해 돌출된 형태로 구현될 수 있다.
그리고 냉각판(20)에는 냉각판(20)을 직접 방열판(50)에 고정하기 위한 냉각판 체결홀(21)이 구현될 수 있다. 제2 체결 볼트(62)는 냉각판 체결홀(21) 및 제2 제어보드 체결홀(41-2)을 통해 방열판(50)에 형성된 제1 방열판 체결홀(51)과 결합됨으로써, 냉각판(20)을 방열판(50)에 직접 고정한다. 냉각판 체결홀(21)은 도3 내지 도5 에 도시된 바와 같이, 원형의 냉각판(20)에서 외부로 방사되는 방향으로 돌출된 영역에 형성될 수 있다.
도3 에 도시된 바와 같이, 제어보드(40)는 냉각판(20)의 하부에 배치되고, 흑체 웨이퍼(10)의 크기에 대응하여 중앙이 빈 링(ring) 형상으로 구현된다. 그리고 제어보드(40)는 흑체 웨이퍼(10)의 가장자리에 배치된 복수개의 접촉 패드(13a, 13b)에 각각에 대응하여 링 형상 내측에 배치되는 복수개의 연결핀(43)을 구비한다. 이에 복수개의 연결핀(43) 각각은 제어보드(40)가 흑체 웨이퍼(10)와 결합되면, 대응하는 접촉 패드(13a, 13b)에 접촉되어 제어보드(40)에 구현된 제어회로(미도시)가 흑체 웨이퍼(10)의 복수개의 마이크로 히터(11) 및 복수개의 온도 센서(12)를 전기적으로 연결되도록 한다.
제어보드(40)의 내부에 구현되는 제어회로(미도시)는 흑체 웨이퍼(10) 상에 구현된 복수개의 온도 센서(12)로부터 감지 신호를 인가받아, 흑체 웨이퍼(10)의 온도를 판단하고, 판단된 온도에 따라 복수개의 마이크로 히터(11)로 전류를 인가함으로써 흑체 웨이퍼(10)를 가열한다. 한편 제어보드(40)는 흑체 웨이퍼(10)를 가열할 뿐만 아니라, 냉각판(20)의 하부면에 결합되는 펠티어 소자(70)를 구동하여, 냉각판(20)를 통해 전달되는 흑체 웨이퍼(10)의 열이 방열판(50)을 통해 방열되도록 함으로써, 흑체 웨이퍼(10)를 냉각한다. 펠티어 소자(70)는 알려진 바와 같이, 냉각부와 발열부로 구성되어 전원이 인가되면 냉각부는 냉각되는 반면 발열부는 발열한다. 이에 펠티어 소자(70)의 냉각부는 냉각판(20)의 하부면에 결합되어 냉각판(20)을 통해 전달되는 흑체 웨이퍼(10)의 열을 흡수하여 냉각한다.
즉 제어보드(40)는 흑체 웨이퍼(10)를 가열 또는 냉각함으로써, 흑체 웨이퍼(10)의 온도를 조절한다.
비록 도1 내지 도5 에는 도시하지 않았으나, 제어회로는 감지신호를 분석하여 판별된 흑체 웨이퍼(10)의 온도 정보를 외부로 전송하고, 조절되어야 하는 흑체 웨이퍼(10)의 제어 정보를 획득하기 위해, 적어도 하나의 데이터 포트가 형성될 수 있다. 여기서 제어회로는 복수개의 온도 센서(12) 각각에서 인가되는 감지신호를 분석하여, 흑체 웨이퍼(10)의 위치별 온도를 분석할 수 있으며, 위치별 온도에 대해 평균값과 같은 통계값을 이용하여 흑체 웨이퍼(10)의 온도 정보를 획득할 수 있다. 또한 제어회로는 판별된 위치별 온도를 제어하고자 하는 제어 온도와 비교하여 기설정된 기준 온도차(예를 들면 1℃) 이상 차이가 발생하면, 기준 온도차 이상의 온도차를 감지한 온도 센서(12)에 인접하여 배치된 마이크로 히터(11)로 공급되는 전류량을 제어하여, 흑체 웨이퍼(10)가 전면에서 균일한 온도를 발산하도록 조절할 수 있다.
한편 제어회로가 구현되는 제어보드(40)에 배치되는 각종 전자 회로 소자 중 일부 소자의 경우, 발열할 수 있다. 그리고 전자 회로 소자의 발열은 흑체 시스템의 온도 제어에 의도하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 즉 제어보드(40)에서 발생한 열이 흑체 웨이퍼(10)에 전달될 수 있다. 그리고 흑체 웨이퍼(10)에 제어보드(40)에서 발생한 열이 전달되면, 흑체 웨이퍼(10)의 온도를 정밀제어하기 어렵게 되는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 흑체 웨이퍼(10)의 열이 전달되는 냉각판(20)에 제어보드(40)가 소정의 거리만큼 이격되어 결합되도록 냉각판(20)과 제어보드(40) 사이에 배치되는 복수개의 제1 단열 와셔(80)를 구비한다. 따라서 제어보드(40)는 냉각판(20)과 복수개의 제1 단열 와셔(80)의 높이만큼 이격되어 결합되어, 제업드(40)에서 발생한 열이 흑체 웨이퍼(10)에 영향미치지 않도록 한다. 또한 복수개의 제1 단열 와셔(80)는 냉각판(20)과 제어보드(40)사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산되도록 하며, 복수개의 제2 단열 와셔(90)는 제어보드(40) 및 방열판(50) 사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산되도록 한다.
그리고 제어보드(40)에는 냉각판(20)과 제어보드(40)의 결합시 복수개의 제1 단열 와셔(80)의 위치를 고정하기 위한 복수개의 제어보드 돌출볼트(42)가 삽입될 수 있다. 복수개의 제어보드 돌출볼트(42) 각각은 도3 에서와 같이 복수개의 제1 단열 와셔(80) 중 대응하는 제1 단열 와셔가 끼워지도록 형태로 구현되어 제어보드(40)의 하부면에서 제어보드의 체결홀(41-1)을 지나 냉각 돌출부(22)보다 낮은 체결홀에 삽입 체결될 수 있어, 냉각판(20)과 제어보드(40)의 결합 시 복수개의 제1 단열 와셔(80)가 지정된 위치에 안정적으로 배치되도록 한다.또한 제어보드(40)에는 복수개의 제어보드 체결홀(41)이 구현된다. 복수개의 제어보드 체결홀(41) 중 제1 제어보드 체결홀(41-1)은 제어보드(40)를 방열판(50)에 고정하는 제1 체결 볼트(61)가 삽입되도록 형성된 홀이며, 제2 제어보드 체결홀(41-2)은 냉각판(20)의 제2 냉각판 체결홀(21-1)을 통해 삽입되는 제2 체결 볼트(62)가 삽입되어 제1 방열판 체결홀(51)과 결합될 수 있도록 형성된 홀이다.
제어보드(40)의 하부에 배치되는 방열판(50)은 중앙에 링 형상의 제어보드(40)의 가운데 빈 공간을 가로질러 돌출되는 돌출부가 구현되어, 냉각판(20) 하부에 배치된 펠티어 소자(70)의 발열부에 직접 접촉된다. 돌출부가 펠티어 소자(70)의 발열부에 직접 접촉됨으로써, 방열판(50)은 펠티어 소자(70)의 발열부의 열을 외부로 방사한다.
방열판(50)은 흑체 웨이퍼(10)에서 발생된 열을 외부로 방열하는 역할을 수행할 뿐만 아니라, 흑체 시스템(1)이 영상 센서를 구비하는 인공 위성 등의 운용 시스템에 장착될 수 있는 지지대의 역할을 함께 수행한다.
방열판(50)은 제어보드(40)에 형성된 제1 제어보드 체결홀(41-1)을 통해 삽입되는 제1 체결 볼트(61)가 삽입 결합되는 방열판 돌출홈(52)이 구현된다. 방열판 돌출홈(52)은 냉각판 돌출홈(22)와 마찬가지로 상부에 배치되는 제어보드(40)을 안정적으로 지지하기 위한 구성이다. 그리고 방열판(50)에는 제2 체결 볼트(62)가 냉각판 체결홀(21) 및 제2 제어보드 체결홀(41-2)을 통해 고정되는 제1 방열판 체결홀(51)이 형성된다. 제2 체결 볼트(62)가 냉각판 체결홀(21), 제2 제어보드 체결홀(41-2) 및 제1 방열판 체결홀(51)을 통해 냉각판(20)과 제어보드(40) 및 방열판(50)을 결합 고정할 때, 결합 압력이 분산되도록 복수개의 제2 단열 와셔(90)가 구비될 수 있다. 복수개의 제2 단열 와셔(90)는 제1 단열 와셔(80)과 마찬가지로, 방열판(50)으로 전달된 열이 제어보드(40)으로 전달되지 않도록 단열하는 역할을 동시에 수행한다.
도6 은 도1 의 흑체 시스템 및 도2 의 흑체의 실제 구현 예를 나타낸다.
도6 의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 매우 단순하고 견고한 구조의 흑체 시스템(1)으로 제작될 수 있다. 그리고 제어 보드(40)에는 제어회로가 외부의 운용 시스템으로 흑체 웨이퍼(10)의 온도 정보를 외부로 전송하고, 흑체 웨이퍼(10)의 온도를 조절하기 위한 제어정보를 획득하기 위한 데이터 포트가 형성될 수 있다.
또한 (b)에 도시된 바와 같이, 복수개의 마이크로 히터(11)과 복수개의 온도 센서(12)가 MEMS 기법에 따라 흑체 웨이퍼(10) 상에 직접 구현될 수 있다.
도7 은 도2 의 흑체 웨이퍼의 가열 및 냉각시 열분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도7 에서 (a) 내지 (c)는 복수개의 마이크로 히터(11)를 이용하여, 흑체 웨이퍼(10)를 가열하는 동안 발생되는 열분포를 나타낸다.
(a)는 흑체 웨이퍼(10)가 가열되는 동안 3.28℃의 온도에서의 열분포를 나타내고, (b)는 23.1℃의 온도에서의 열분포를 나타내며, (c)는 42.39℃의 온도로 가열된 경우를 나타낸다. 이때 (a)의 흑체 웨이퍼(10) 상의 온도 편차는 최대 0.98℃인 것으로 나타났고, (b)의 온도 편차는 최대 0.98℃인 것으로 나타났으며, (c)에서는 0.95℃인 것으로 나타났다. 즉 흑체 웨이퍼(10)의 가열 온도에 무관하게 흑체 웨이퍼(10) 전면의 온도 편차는 1℃인 것으로 나타났다.
(a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 흑체 시스템(1)은 흑체 웨이퍼(10)를 가열할 때, 흑체 웨이퍼(10) 상에 MEMS 기법으로 구현된 복수개의 마이크로 히터(11)을 이용하여 가열한다. 그리고 복수개의 마이크로 히터(11)은 흑체 웨이퍼(10) 상에 분산 배치되어 구현되어 있으므로, 흑체 웨이퍼(10)의 여러 위치가 동시에 가열되며, 기존의 흑체 시스템(1)에 대해 전면에서 상대적으로 균일하게 가열된다.
한편, (d) 내지 (e)는 펠티어 소자(70)를 이용하여 흑체 웨이퍼(10)를 냉각하는 경우의 열분포를 나타낸다.
(d)는 흑체 웨이퍼(10)의 냉각시 22.97℃의 온도에서의 열분포를 나타내고, (b)는 2.955℃의 온도에서의 열분포를 나타내며, (c)는 0.05℃의 온도에서의 열분포를 나타낸다. 그리고 (d) 내지 (e) 각각에서 흑체 웨이퍼(10) 상의 최대 온도 편차는 각각 0.014℃, 0.007℃ 및 0.009℃ 인 것으로 나타났다.
비록 흑체 웨이퍼(10)의 냉각은 흑체 웨이퍼(10)의 하부 중앙에 배치되는 펠티어 소자(70)을 이용한 냉각으로, 중앙에서부터 먼저 냉각됨을 확인할 수 있으나, 흑체 웨이퍼(10)와 펠티어 소자(70) 사이에 배치된 냉각판(20)을 거쳐 열이 전달됨에 따라 흑체 웨이퍼(10)의 각 위치에 따른 냉각 온도차는 매우 미소함을 확인할 수 있다.
결과적으로 본 발명은 흑체 웨이퍼(10)의 가열 및 냉각시 모두, 흑체 웨이퍼(10)가 전체적으로 매우 균일한 온도를 유지할 수 있도록 함을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 반도체 웨이퍼 상에 MEMS 기법에 따라 구현되는 복수개의 마이크로 히터 및 복수개의 온도 센서를 구비하는 흑체 웨이퍼;
    상기 흑체 웨이퍼의 하부면에 결합되어 상기 흑체 웨이퍼의 열을 전달하는 냉각판;
    상기 흑체 웨이퍼를 상기 냉각판에 고정하기 위한 고정 덮개;
    상기 냉각판의 하부면에 부착되는 펠티어 소자;
    링 형태로 구현되어 상기 냉각판의 하부에 상기 펠티어 소자의 외곽을 둘러싸는 형태로 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서 각각으로부터 감지 신호를 인가받아 상기 흑체 웨이퍼의 온도를 분석하고, 분석된 상기 흑체 웨이퍼의 온도에 따라 상기 복수개의 마이크로 히터로 전류를 공급하여 상기 흑체 웨이퍼를 가열하거나, 상기 펠티어 소자의 냉각부가 상기 냉각판을 통해 전달되는 상기 흑체 웨이퍼의 열을 흡수하도록 제어하여 상기 흑체 웨이퍼를 냉각하는 제어회로가 구현된 제어보드; 및
    링 형태의 상기 제어보드의 가운데 빈 영역을 통해 상기 펠티어 소자와 결합되어, 상기 펠티어 소자의 발열부에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열판; 을 포함하는 흑체 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 흑체 웨이퍼는
    상기 복수개의 마이크로 히터가 원형의 상기 흑체 웨이퍼 상에서 서로 균등한 거리만큼 되도록 분산 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 분산 배치된 상기 복수개의 마이크로 히터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 복수개의 마이크로 히터 및 상기 복수개의 온도 센서는 원형의 상기 흑체 웨이퍼의 중앙을 기준으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 복수개의 마이크로 히터 각각은
    상기 흑체 웨이퍼 상에 미리 지정된 패턴 형태로 형성되어 전류가 인가되면, 발열하는 발열 저항 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 흑체 웨이퍼는
    원형의 상기 흑체 웨이퍼의 가장자리에 균등한 간격으로 이격되어 형성되고, 상기 흑체 웨이퍼의 상기 복수개의 마이크로 히터의 양단 및 상기 복수개의 온도 센서 각각의 양단과 전기적으로 연결되어, 상기 제어보드에서 인가되는 전류를 상기 복수개의 마이크로 히터로 인가하고, 상기 온도 센서에서 출력되는 상기 감지 신호를 상기 제어보드로 전달하는 복수개의 접촉 패드; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 복수개의 접촉 패드는
    상기 복수개의 마이크로 히터 중 대응하는 마이크로 히터의 일단 또는 타단 중 하나와 연결되는 복수개의 히터 접촉 패드;
    상기 복수개의 마이크로 히터 중 미리 지정된 제1 개수의 마이크로 히터의 일단이 공통으로 연결되는 적어도 하나의 공통 히터 접촉 패드;
    상기 복수개의 온도 센서 중 대응하는 온도 센서의 일단 또는 타단 중 하나와 연결되는 복수개의 센서 접촉 패드; 및
    상기 복수개의 온도 센서 중 미리 지정된 제2 개수의 온도 센서의 일단이 공통으로 연결되는 적어도 하나의 공통 센서 접촉 패드; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 제어보드는
    링 형상의 내측에 배치되고 상기 복수개의 접촉패드 중 대응하는 접촉 패드와 접촉되어, 상기 복수개의 마이크로 히터 및 상기 복수개의 온도 센서를 상기 제어회로와 전기적으로 연결하는 복수개의 연결핀; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제어보드는
    상기 제어회로에서 획득된 상기 흑체 웨이퍼의 온도정보를 외부장치로 전송하고, 조절되어야 하는 상기 흑체 웨이퍼의 온도에 대한 제어 정보를 상기 외부장치로부터 수신하기 위한 데이터 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 흑체 시스템은
    상기 제어보드에 형성된 제1 제어보드 체결홀 및 상기 방열판에 형성된 방열판 돌출홈에 삽입되어, 상기 제어보드를 상기 방열판에 고정 결합하기 위한 복수개의 제1 체결 볼트;
    상기 냉각판에 형성되는 냉각판 체결홀 및 상기 제어 보드에 형성된 제2 제어보드 체결홀을 통해 상기 방열판에 형성된 제1 방열판 체결홀에 삽입되어 상기 냉각판을 상기 방열판에 고정 결합하기 위한 복수개의 제2 체결 볼트; 및
    상기 고정 덮개에 형성되는 덮개 체결홀 및 상기 냉각판에 형성되는 냉각판 돌출홈에 삽입되어, 상기 고정 덮개를 상기 흑체 웨이퍼와 함께 상기 냉각판에 고정하는 복수개의 제3 체결 볼트; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 흑체 시스템은
    상기 냉각판과 상기 제어보드 사이에 배치되어, 상기 냉각판의 열이 상기 제어보드로 전달되지 않도록 차단하고, 상기 냉각판과 상기 제어보드 사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산하는 복수개의 제1 단열 와셔; 및
    상기 제어보드와 상기 방열판 사이에 배치되어, 상기 방열판의 열이 상기 제어보드로 전달되지 않도록 차단하고, 상기 제어보드와 상기 방열판 사이에 인가되는 압력이 균등하게 분산하는 복수개의 제2 단열 와셔; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체 시스템.
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