KR20030068633A - 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집적회로 냉각장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치에 관한 것이다.

본 발명의 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치는 집적회로에서 발생한 열을 외부로 발산하는 기능을 수행하는 방열판과, 집적회로에서 발생한 열을 열전효과에 의해 냉각시키는 기능을 수행하는 열전소자와, 집적회로의 온도를 측정하는 기능을 수행하는 온도감지부와, 상기 온도감지부로부터 입력된 집적회로의 온도를 이용하여 집적회로의 온도가 설정된 온도보다 높으면 상기 열전소자를 작동시키고 집적회로의 온도가 설정된 온도보다 낮으면 상기 열전소자의 작동을 멈추는 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치{Integrated circuit cooler using thermoelectric element}

본 발명은 집적회로 냉각장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치에 관한 것이다.

종래에는 집적회로의 상부 면에 팬을 직접 부착시켜 강압기류를 발생시킴으로써 냉각하던 방식이 주로 사용되었다.

그러나 최근에 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 단위 부피 당 전력 사용량이 늘어나 발열량이 많아지게 되어 종래의 방식만으로는 집적회로를 충분히 냉각할 수 없었다.

발열량이 증가하면 반도체 소자는 정상적으로 작동하지 못하기 때문에 동작 온도를 낮추려는 방안들이 연구되고 있으며, 최근 개발된 펜티엄칩의 경우에는 칩 위에 냉각 팬을 두 개 설치하여 칩을 냉각하는 방식을 사용하는 경우도 있다.

그러나 냉각 팬을 이용하여 집적회로를 냉각하는 방식은 대류에 의한 냉각이기 때문에 냉각효율에 한계가 있으며, 집적도가 높아질수록 방열판의 크기와 냉각 팬의 크기가 점점 커져서 집적회로의 크기보다 냉각장치의 크기가 훨씬 크게 된다는 문제점이 있다. 특히 노트북에 사용하는 CPU의 경우 냉각장치의 크기를 무한정 크게 할 수는 없기 때문에 냉각 팬을 이용하는 경우보다 크기는 작으면서 냉각효율은 우수한 냉각 장치가 필요하게 된다.

크기를 작게 하면서 냉각효율이 우수한 냉각장치를 얻기 위해 열전소자를 이용하는 방식이 제안되어 왔다.

열전소자를 이용한 냉각방식은 서로 다른 두 N형 또는 P형 반도체 재료로 구성된 열전 회로에 전류를 흘려주었을 때 그 재료들의 접촉부에서 나타나는 흡열 및 발열 현상을 이용한 전자 냉각 방식이다. 열전 냉각의 특징은 전류의 크기와 방향에 의해 흡열과 발열의 양과 방향을 바꿀 수 있으며 냉각장치의 크기를 작게 할 수 있다는 점이다.

열전 냉각 작용은 금속-반도체-금속의 접합부에 전계를 가할 경우 나타나는 Fermi 에너지 차이로 설명할 수 있다. N형 반도체의 경우 반도체와 금속의 금속-반도체-금속 접합대에 전위차가 주어지면 우측의 금속 접합부는 좌측 금속 접합부보다 에너지 준위가 낮게 되어 반도체로 전자가 이동하게 된다. 이 때 좌측 금속전극에서 반도체 내로 전자가 이동하기 위해서는 반도체의 에너지 금지 대에 준하는 전위 장벽을 넘어야 하는데 여기서 필요한 에너지는 좌측 금속 전극에서 열 에너지로 얻게 되며 그 결과, 좌측 금속 전극에서는 냉각 작용이 일어나게 된다. P형 반도체의 경우에는 에너지 캐리어가 정공이므로 흡열과 발열 방향이 N형 반도체의 경우와 반대로 일어난다.

이와 같이 N형, P형 반도체의 접합부에 전류가 흐를 때 Joule 열 이외의 열을 발생 또는 흡수하는 현상을 Peltier 효과라고 하며, 이러한 Peltier 효과는 열전 냉각의 기본 원리가 된다.

종래에도 열전 소자를 이용하여 반도체 집적회로의 냉각장치를 구성하려는 시도가 있었으나 열전 소자의 급속한 냉각으로 냉각장치의 표면에 물방울이 생기는 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집적회로와 냉각장치가 급속히 냉각되어 물방울이 생기는 현상을 방지하기 위해 집적회로의 온도가 미리 설정된 온도 이하로 내려가면 열전소자의 동작을 멈추게 하여 집적회로와 냉각장치에 물방울이 맺히지 않는 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 방열판 20 : 열전소자

30 : 온도감지부 40 : 제어부

본 발명의 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치는 집적회로에서 발생한 열을 외부로 발산하는 기능을 수행하는 방열판과, 집적회로에서 발생한 열을 열전효과에 의해 냉각시키는 기능을 수행하는 열전소자와, 집적회로의 온도를 측정하는 기능을 수행하는 온도감지부와, 상기 온도감지부로부터 입력된 집적회로의 온도를 이용하여 집적회로의 온도가 설정된 상한 온도보다 높으면 상기 열전소자를 작동시키고 집적회로의 온도가 설정된 하한 온도보다 낮으면 상기 열전소자의 작동을 멈추는 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 집적회로 냉각 장치는 방열판(10), 열전소자(20), 온도감지부(30), 제어부(40)를 포함한다.

상기 방열판(10)은 집적회로에서 발생한 열을 외부로 발산하는 기능을 수행한다.

상기 열전소자(20)는 집적회로에서 발생한 열을 열전효과에 의해 냉각시키는 기능을 수행한다. 상기 열전소자(20)는 상기 방열판(10) 위에 설치하는 것도 가능하나, 집적회로와 상기 방열판(10) 사이에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 열전소자를 열원인 집적회로에 접촉하도록 하는 것이 열전소자와 집적회로 사이에 방열판을 배치하는 경우에 비해 냉각효율이 우수하기 때문이다.

상기 온도감지부(30)는 집적회로의 온도를 측정하여 이를 상기 제어부에 전달하는 기능을 수행하는 것으로 집적회로의 온도는 써머커플(thermocouple)을 이용하여 측정한다.

상기 제어부(40)는 상기 온도감지부(30)로부터 입력된 집적회로의 온도를 이용하여 상기 열전소자(20)를 작동하는 역할을 수행한다. 집적회로의 온도가 미리 설정된 상한 온도 이상으로 올라가면 상기 열전소자(20)를 작동시켜 집적회로가 과열되는 것을 방지하고, 집적회로의 온도가 미리 설정된 하한 온도 이하로 내려가면 상기 열전소자(20)의 작동을 멈추게 하여 집적회로가 기준 온도 이하로 냉각되지 않도록 한다.

상기 상한 온도는 집적회로가 정상적으로 작동할 수 있는 최고 온도를 말하며, 집적회로가 사용되는 주위의 온도에 비해 10℃ 정도 높도록 하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 집적회로가 사용되는 주위 환경(습도, 온도 등)에 따라 다르게 설정할 수도 있다.

집적회로가 주위 온도에 비해 너무 낮은 경우에는 집적회로와 냉각장치에 물방울이 맺히게 되어(결로 현상) 회로가 단락 될 염려가 있기 때문에 집적회로의 온도가 하한 온도 이하로 내려가면 상기 열전소자(20)의 작동을 멈추게 하는 것이 필요하다.

냉각장치의 온도가 이슬점보다 낮은 경우 물방울이 맺힐 수 있기 때문에 상기 하한 온도는 이슬점으로 하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상기 하한 온도는 집적회로가 사용되는 주위 환경(습도, 온도 등)에 따라 다르게 설정할 수도 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 열전소자와 방열판만을 이용하여 냉각장치를 구성할 수도 있으나, 냉각효율을 더 높이기 위해 열전소자와 방열판 이외에도 냉각 팬을 설치할 수도 있으며, 상기 냉각 팬은 냉각장치의 외각에 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따르면 열전소자를 이용하여 집적회로 냉각장치를 구성하므로 냉각장치의 크기를 작게 할 수 있고, 냉각효율이 우수한 열전소자를 사용하므로 냉각 팬을 사용하는 경우에 비해 냉각효율이 뛰어나며, 냉각 팬을 사용하지 않기 때문에 소음이 적다는 장점이 있다.

또한 본 발명의 집적회로 냉각장치는 집적회로의 온도가 설정된 온도 이하로 내려가면 열전소자의 작동을 멈추게 하여 집적회로와 냉각장치에 물방울이 맺히는 현상이 발생하지 않는다.

이상에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만 첨부된 특허청구범위에 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조와 변형이 가능하다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 집적회로에서 발생한 열을 외부로 발산하는 기능을 수행하는 방열판과,

   집적회로에서 발생한 열을 열전효과에 의해 냉각시키는 기능을 수행하는 열전소자와,

   집적회로의 온도를 측정하는 기능을 수행하는 온도감지부와,

   상기 온도감지부로부터 입력된 집적회로의 온도를 이용하여 집적회로의 온도가 설정된 상한 온도보다 높으면 상기 열전소자를 작동시키고 집적회로의 온도가 설정된 하한 온도보다 낮으면 상기 열전소자의 작동을 멈추는 기능을 수행하는 제어부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열전소자는 집적회로와 방열판 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용한 집적회로 냉각장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 집적회로 냉각장치는

   냉각장치의 외각에 냉각 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로 냉각장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 상한 온도는 집적회로가 정상적으로 작동할 수 있는 최고 온도인 것을 특징으로 하는 집적회로 냉각장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 하한 온도는 냉각장치에 물방울이 맺히기 시작하는 이슬점인 것을 특징으로 하는 집적회로 냉각장치.