KR20020019786A - 온도센서가 일체형으로 부착된 열전 모듈. - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상체에의 부착이 용이하고, 열전모듈의 과열방지와 대상체의 온도제어를 동시에 가능하도록 하기 위한 것으로, 두개의 서로 이격되어 일측의 냉각과 타측의 발열이 동시에 일어나는 절연기판과, 상기 절연기판의 사이에 삽입되어 있는 열전소자와, 상기 절연기판의 표면에 형성시킨 필름형태의 온도센서와, 상기 온도센서 표면에 형성시킨 절연박막층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈에 관한 것이다.

Description

온도센서가 일체형으로 부착된 열전 모듈. {THERMOELECTRIC COOLING MODULE WITH TEMPERATURE SENSOR}

본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세히는 온도센서가 일체형으로 부착되어 온도제어가 보다 용이한 열전모듈에 관한 것이다.

열전모듈은 펠티어 효과를 이용하여 냉각이나 가열을 동시에 수행할 수 있는 열과 전기의 교환시스템으로 극전환을 통해 간편하게 냉각과 가열을 전환할 수 있다. 이와같은 열전모듈은 부피가 작고, 빠르고 우수한 냉각효과를 얻을 수 있기 때문에 기존의 컴프레셔 냉각방식을 대체할 차세대 냉각방식으로 이용도가 넓어지고 있다. 특히 전자소자와 같이 시스템의 안정성을 요하나 가동공간이 협소한 경우, 소음방지를 요하는 경우, 온도의 제어가 쉽게 가능해야 하는 경우에 사용되어지고 있다.

이와 같은 열전모듈은 알루미나 등과 같은 세라믹 재질의 절연 기판 사이에 n형과 p형의 열전소자들을 배열시켜 형성한다. p형 소자와 n형 소자를 금속전극에 접합시키고 상기 회로 p-n 쌍(couple) 양분지단의 극을 각각 -,+로 되도록 직류 전류를 흘리면, 펠티어 효과에 따라 p형 소자내의 정공은 - 극으로, n형 소자내의 전자는 반대극으로 이끌리게 된다. 이때 정공과 전자 모두 상부의 p-n접합부 전극으로부터 열을 갖고 하부 양분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 접합부에서는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부의 양분지단은 열을 방출한다. 전류의 흐름을 반대로 하면, 이와 반대의 효과가 일어난다. 따라서 열전모듈은 냉각용 또는가열용으로 사용될 수 있어 온도조절이 필요한 장치에 매우 적절한 기구가 된다.

이러한 열전모듈은 냉각 또는 가열 대상체에 부착시켜 사용하거나, 냉각 또는 가열 대상 공간 상에 노출시켜 사용하게 된다. 사용시에는 대개 히트싱크를 열전모듈의 사용 반대면에 부착시켜 열교환을 일으켜 줌으로써 열의 흐름을 원활히 한다. 예컨대, 냉각 모드로 사용할 경우 열은 열전모듈의 냉각면으로부터 그 반대면으로 흐르게 되고, 이 열이 히트싱크를 통해 열전모듈의 외부로 전달되는 것이다.

또한 열전모듈의 사용에는 온도센서가 같이 사용되는 데 이는 냉각과 가열의 목표온도를 측정하고, 또 냉각 또는 가열 대상체의 온도를 조절하기 위한 것이다. 더불어 온도센서는 열전모듈의 과열로 인한 기능장애를 미연에 방지하는 기능도 수행한다. 이러한 목적으로 사용되는 온도센서로는 흔히 서미스터나 서머커플, 트랜지스터형 서멀센서 등이 있다.

피냉각체의 온도를 조절하기 위한 온도센서는 열전모듈의 차가운 면에, 그리고 가열 대상체의 온도를 조절하기 위한 온도센서는 열전모듈의 뜨거운 면에 부착되어 사용되는 데, 종래 사용되고 있는 온도센서는 모두 벌크형으로 열전모듈을 대상체에 부착시켜 사용하는 경우 열전모듈과 대상체와의 사이에 삽입되어 열전모듈과 대상체 사이의 열저항을 증대시키는 문제를 가지고 있었다. 이는 결과적으로 열전모듈의 기능을 저하시키는 문제를 야기하게 된다. 또한 흔히 사용되는 온도센서는 그 부피로 인하여 국소부위의 냉각 및 가열에 탁월한 성능을 나타내는 열전반도체의 설치공간을 제약하고 있다.

근래에는 미국특허 제 5,522,225호와 같이 서미스터를 부착시킨 열전모듈이 개발되어 사용되고 있으나, 이 역시 서미스터가 일정부피를 가진 돌출부를 형성하여 대상체에 부착시켜 사용할 경우 부착의 한계를 나타내며, 열전모듈과 온도센서를 별개의 장치로서 구분하여 단지 이를 조립시킨 구조라는 한계를 가지고 있다. 또한 열전모듈의 일면에만 온도센서가 부착되어 열전모듈의 과열방지나 대상체의 온도 감지의 어느 한 기능만을 수행하는 한계가 있다.

이렇게 벌크형 온도센서를 부착시킨 종래의 열전모듈은 그 구조의 복잡성, 낮은 기계적 강도, 대형화, 보조장치의 필요 등의 문제를 안고 있다. 따라서, 대상체의 온도를 적절히 조절하기 위해서는 보다 정밀하고, 간편한 온도센서를 부착시킬 필요가 있는 바, 본 발명자등은 본 발명과 같은 온도센서를 일체형으로 부착시킨 열전모듈을 개발하게 된 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 온도측정장치가 부착된 열전모듈의 단점을 보완하기 위한 것으로서, 필름형태의 온도센서를 열전모듈에 일체형으로 접합시켜, 대상체에의 부착이 용이하고, 대상체의 온도제어를 효율적으로 가능케 하는 열전모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 열전모듈에 직접 온도센서를 부착시키므로서, 별도의 온도센서가 필요없이 냉각 또는 가열 부위의 온도 측정이 가능한 열전모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전모듈의 양 기판에 모두 부피가 적은 필름형태의 온도센서를 부착시키므로서, 열전모듈의 과열방지와 대상체의 온도제어를 동시에 가능하도록 하는 열전모듈을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일단형 열전모듈의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 다단형 열전모듈의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 서미스터가 부착된 열전모듈의 결합 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 서머커플이 부착된 열전도듈의 결합 사시도.

도 5는 도 1의 A-A' 부의 단면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10. 열전모듈 11. 열전 편면

12. 열전모듈용 전원공급 전선 13. 금속전극

14. p형 열전소자 15. n형 열전소자

20. 온도센서 21. 관통공

22. 온도센서용 전선 23. 도체 핀

30. 절연기판 40. 절연박막층

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두개의 서로 이격되어 일측의 냉각과 타측의 발열이 동시에 일어나는 절연기판과, 상기 절연기판의 사이에 삽입되어 금속전극에 정열 부착시킨 열전소자와, 상기 절연기판의 표면에 형성시킨 필름형태의 온도센서와, 상기 온도센서 외부 표면에 형성시킨 절연박막층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈을 제공한다.

이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명의 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 출원의 명세서에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 도면에서 동일한 부호로 참조될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 온도센서를 부착시킨 일단형 열전모듈의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예인 온도센서를 부착시킨 다단형 열전모듈의 사시도이다. 양 실시예의 기본 원리는 동일한 것으로 이하 일단형 열전모듈에 관해 설명함으로 다단형 열전모듈에 대한 설명은 생략한다. 일반적으로 열전모듈(10)은 도 1에서 보는 바와 같이 일정거리가 이격되어 평행하게 배열되어 있는 한 쌍의 절연기판(30)과 양 절연기판 사이에 정렬된 열전변환반도체 소자인 p형 반도체(14) 및 n형 반도체(15) 소자들로 구성되어 있고, 이 절연기판(30)과 반도체소자층(14,15)사이에 금속전극(13)이 형성되어 있다. 이 금속전극(13)에 전선(12)을 연결하여 전원을 공급하면 절연기판의 일면은 냉각되고, 타면은 가열된다. 이와 같은 열전모듈(10)은 일반적으로 사용되고 있는 것으로, 대한민국 공개특허공보 제1999-0080851호에 기재되어 있는 열전 반도체 모듈과 같이 어떠한 변형된 형태의 열전모듈에도 본 발명을 적용할 수 있다.

본 발명의 절연기판(30)은 알루미나(Al₂O₃), 베릴리아(BeO), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등이 사용될 수 있으며, 양극산화법으로 표면에 산화층을 형성시킨 금속제 기판도 사용이 가능하다.

이 절연기판(30)의 가열 또는 냉각되어지는 양 편면(11)에 각각 본 발명에 따른 온도센서(20)를 부착한다. 온도센서(20)로는 일반적인 서미스터(Thermister)가 사용될 수 있으며, 백금저항형 서멀센서(Pt resister-type thermal sensor)와 서머커플(Thermocouple)이 사용될 수 있다. 상기 온도센서는 필름형태로 형성된 것을 사용한다. 이 필름형태의 온도센서는 어떠한 박막 또는 후막 제조기술에 의하던지 무관하며, 예컨데, 열증착기술(thermal evaporation), 전자빔 증착기술(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 화학증착법(chemical vapor deposition), 이온빔 도금법(ion beam plating), 졸겔 프로세스(sol-gel process), 분자선 에피텍시(MBE), 스크린 프린팅(Screen Printing) 등의 방법으로 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈의 일실시예인 필름형의 서미스터를 부착한 열전모듈이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예인 필름형의 서머커플을 부착한 열전모듈이다. 이 외에도 필름형태의 온도센서는 무엇이라도 본 발명의 실시예와 같이 열전모듈에 부착시킬 수 있을 것이다.

도 3 또는 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 온도센서(20)는 상부 및 하부 절연기판(30)의 일측면에 각각 2개의 관통공(21)을 형성하고, 이 관통공(21)의 내면에 도체처리를 하거나 도체핀을 삽입하여 전류가 흐를 수 있도록 한다. 도 5는 이와 같은 본 발명의 열전모듈의 상부 절연기판에 형성된 관통공의 단면도로, 그 하부 절연기판에 형성시킨 관통공 역시 이와 동일하다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 절연기판(30)에 레이저 빔이나 드릴로 관통공(21)을 형성시킨 후, 이 관통공(21)을 통해 절연기판의 상·하부로 전류가 흐를 수 있도록 도체처리를 행하거나 도체 핀(23)을 삽입시키고, 이 도체 핀(23)의 상부를 덮도록 온도센서(20)를 부착한다. 도체 핀(23)의 하부에는 온도센서의 전선(22)을 연결시켜 절연기판의 내측면으로부터 전류가 흐를 수 있도록 형성시킨다. 이와 같이 온도센서의 출력을 열전모듈의 양 절연기판 내측으로부터 연결시킴으로서 열저항으로 작용하는 공기층의 형성 없이 열전모듈을 대상체에 밀착시켜 부착시킬 수 있다.

이렇게 형성된 온도센서(20)는 그 위에 온도센서(20)를 완전히 덮을 수 있는 절연박막층(40)을 형성시킨다. 상기 절연박막층(40)은 알루미나(Al₂O₃), 베릴리아(BeO), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 다이아몬드, 또는 캅톤이나 에폭시 수지와 같은 플라스틱 재료를 사용하여 형성시키므로서 온도센서(20)와 냉각 또는가열시키는 대상체와의 전기적 접촉을 방지한다.

본 발명의 온도센서는 열전모듈의 발열측에만 형성시키거나 또는 흡열측에만 형성시킬 수도 있으며, 양 쪽에 모두 형성시키는 것도 가능하다. 본 발명의 바람직한 일실시예에서는 온도센서를 발열측과 흡열측 모두에 형성시켰다.

본 발명의 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈은 온도센서를 열전모듈의 양 절연기판에 모두 부착시켜 온도를 측정할 수 있다. 곧, 열전모듈이 냉각용으로 사용되는 경우 대상체와 접하는 냉각면으로 열이 흡수되어 그 반대면의 가열면으로 열이 방산되는 데, 냉각면에 부착된 온도센서는 냉각면의 온도를 측정하고, 가열면에 부착된 온도센서는 가열면의 온도를 측정한다. 이렇게 함으로서, 냉각면의 온도를 파악하여 대상체의 온도를 조절할 수 있으며, 이와 동시에 가열면의 온도를 측정하여 열전모듈의 과열을 미연에 방지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 열전모듈은 열전모듈의 생산 단계에서 연속라인으로 제조할 수 있는 것으로, 이는 기존의 열전모듈과 온도센서를 별개의 장치로 인식해 왔던 개념에서 탈피한 것이다.

이상 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위내에서 여러가지의 치환, 변환 및 변경이 가능한 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈에 의하면, 대상체에 직접 부착시키므로서 대상체의 온도를 보다 용이하고, 효율적으로 제어할 수 있다.

또한, 대상체의 온도제어와 동시에 열전모듈의 열교환면의 온도를 측정하여, 열교환 상태를 점검하므로써 열전모듈의 과열 또는 과냉에 의한 훼손을 방지할 수 있다.

또한, 온도센서의 전선을 열전모듈의 양 절연기판의 내측으로부터 형성시킴으로써 열전모듈을 대상체에 부착할 때 열저항을 최소화할 수 있다.

또한, 온도센서와 열전모듈의 부착을 열전모듈의 생산단계에서 연속라인으로 제조할 수 있어, 제조원가의 절감도 가져올 수 있다.

Claims (5)

1. 두개의 서로 이격되어 일측의 냉각과 타측의 발열이 동시에 일어나는 절연기판과;

   상기 절연기판의 사이에 삽입되어 정열 부착시킨 열전소자와;

   상기 절연기판의 외부 표면에 형성시킨 박막 또는 후막의 필름형태로 이루어진 온도센서와;

   상기 온도센서 표면에 형성시킨 절연박막층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 온도센서는 상기 절연기판의 냉각측과 발열측에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 온도센서를 상기 절연기판의 냉각측에만 형성시킨 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 온도센서를 상기 절연기판의 발열측에만 형성시킨 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 절연박막층은 상기 온도센서를 완전히 덮을 수 있도록 형성시킨 것을 특징으로 하는 온도센서가 일체형으로 부착된 열전모듈.