KR20060048668A - 열 전달 장치와 그 동작 및 제조 방법 - Google Patents

열 전달 장치와 그 동작 및 제조 방법 Download PDF

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KR20060048668A
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스탠튼 얼 2세 위버
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 열 전달 장치(50)에 관한 것으로, 이 장치는 제 1 기판층(52), 제 2 기판층(54) 및 제 1 기판층(52)과 제 2 기판층(54) 사이에 배치되는 제 1 전극과 제 2 전극을 갖는다. 또한 이 열 전달 장치(50)는 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이에 배치되는 해제층(60)과 제 1 및 제 2 전극에 인접하여 배치되는 액추에이터(62)를 포함한다. 액추에이터(62)는 해제층(60)으로부터 제 1 및 제 2 전극을 분리하여 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭(thermotunneling gap)을 개방하며, 이 액추에이터(62)는 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성된다.

Description

열 전달 장치와 그 동작 및 제조 방법{THERMAL TRANSFER DEVICE AND SYSTEM AND METHOD INCORPORATING SAME}
본 발명의 특징, 양태, 장점들은 첨부된 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명을 통해 보다 잘 이해될 것이며, 도면 전체에 걸쳐서 동일한 참조 기호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치를 갖는 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 시스템의 전극의 활성 갭 제어에 대한 예시적 제어 회로의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치를 갖는 냉각 시스템의 개략적인 표현이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치를 갖는 가열 시스템의 개략적인 표현이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치의 개략적인 표현이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치의 개략적인 표현이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전극의 비-평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치에 대한 개략적인 표현이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도 7의 열 전달 장치의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 비-평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치에 대한 개략적인 표현이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 동작 방법에 대한 프로세스 단계를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 도 7 및 도 9의 열 전달 장치의 동작 방법에 대한 프로세스 단계를 도시하고 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 제조 방법에 대한 프로세스 단계를 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 도 7 및 도 9의 열 전달 장치의 동작 방법에 대한 제조 단계를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열 장치 어레이를 갖는 모듈의 개략적인 표현이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 열 전달 장치를 갖는 시스템
12 : 냉각될 물체 14 : 열 발산측
16 : 열 싱크 핀(fins of heat sink) 18 : 제 1 전극
20 : 제 2 전극 22 : 입력 전류 소스
24 : 전자 26 : 나노미터 갭
28 : 갭 제어용 제어 회로 30 : 구동기
32 : 연산기/프로세서 4 : 전류 증폭기
36 : 비교기 38 : 적분기
40 : 열 전달 장치를 갖는 냉각 시스템
42 : 열 전달 장치 44 : 전자의 유동 방향
46 : 열 전달 장치를 갖는 가열 시스템
48 : 시스템용 전자 유동 방향
50 : 평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치
52 : 제 1 전도 기판층 54 : 제 2 전도 기판층
56 : 1 전극 58 : 2 전극
60 : 해제층 62 : 액추에이터
64 : 1 액추에이터 전극 66 : 액추에이터 전극
68 : 밀봉제(sealant) 70 : 지지 필름
72 : 내부 챔버
74 : 평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치(변경 접근 방안 1)
76 : 제 1 구리 확산기 78 : 제 2 구리 확산기
80 : 내부 땜납 82 : 외부 땜납
84 : 하부 열 브레이크 86 : 상부 열 브레이크
90 : 비-평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치(접근 방안 2)
92 : 제 1 절연 기판층 94 : 제 2 절연 기판층
96 : 제 1 열 비아 세트 98 : 제 2 열 비아 세트
100 : 제 1 전극 접촉 패드 102 : 제 2 전극 접촉 패드
104 : 비-평면형 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치(접근 방안 3)
105 : 하부 구리 인서트 106 : 상부 구리 인서트
108 : 접착층
110-118 : 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 동작 방법에 대한 프로세스 단계
120-128 : 도 7 및 도 9의 열 전달 장치의 동작 방법에 대한 프로세스 단계
130-140 : 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 제조 방법에 대한 프로세스 단계
142-152 : 도 7 및 도 9의 열 전달 장치의 제조 방법에 대한 프로세스 단계
154 : 복수의 열 장치를 갖는 시스템
본 발명은 전체적으로 열 전달 장치에 관한 것이며, 특히 열 전달 장치에서의 전극 정렬 및 스페이싱(spacing)에 관한 것이다.
열 전달 장치는 냉동, 공기 조절, 전자 냉각(electronics cooling), 공장 온도 제어, 전력 발생 등과 같은 다양한 가열 및 냉각 시스템용으로 사용될 수 있다. 또한 이들 열 전달 장치는 특정 시스템과 환경에 대한 열 관리 필요를 만족시키도록 규격이 정해질 수 있다. 불행히도, 냉각 주기를 갖는 장치와 같은 기존 열 전달 장치는 압축기와 같은 기계적 부품으로 인해 비교적 효율적이지 못하다.
대조적으로, 고체-상태 열 전달 장치는 어떤 장점을 제공하는데, 높은 효율, 감소된 크기 등에 대한 가능성이 그것이다. 예를 들어, 서모터널링 장치(thermotunneling devices)는 전자를 나노미터-규격의 갭을 지나 한 전극으로부터 다른 전극으로 터널링함으로써 열을 전달한다. 이들 서모터널링 장치의 열 전달 효율은 물질 특성, 전극 정렬, 전극 스페이싱 등과 같은 다양한 요소에 의존한다. 이들 서모터널링 장치들의 효율적인 동작을 위해, 전극은 서로에 대한 거울 이미지일 수 있으며 전극들간의 공간은 약 1-10 나노미터일 수 있다. 불행히도, 이들 서모터널링 장치에서 전극 스페이싱을 달성 및 유지하는 것이 특히 어렵다. 따라서, 효율적인 서모터널링 장치를 달성하는 것이 문제가 될 수 있다.
어떤 서모터널링 장치는 희생층 주위에 배치되는 전극을 갖는데, 이 층은 전극들간의 갭을 생성하는 제조 동안에 제거된다. 이 제조 방법은 2개의 전극 사이에 희생층을 위치시킴으로써 합성물을 형성하는 단계를 포함한다. 이어서, 이 제조 방법은 희생층을 제거하여 합성물을 2개의 매칭 전극으로 분할하는데, 전극의 물리적 위치는 보존된다. 몇몇 경우에서, 외부 피에조(piezo) 위치 지정자가 전극을 정렬하고 2개의 전극 사이의 갭을 유지하는 데 이용된다. 이러한 시스템에서, 나노미터 규격의 스페이싱은 달성하기 어려우며 2개의 전극은 원하는 정밀도 또는 일관서 있게 정렬되지 않는다. 또한, 희생층의 불완전한 제거는 2개의 전극의 표 면 매칭의 품질을 떨어뜨릴 수 있으며 전극의 터널링에도 부정적인 영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 서모터널링 장치의 인접 전극 사이의 스페이싱 및 정렬을 비교적 정밀하게 제어할 필요가 있다.
어떤 실시예에 따르면, 본 발명은 제 1 기판층, 제 2 기판층 및 이 제 1 기판층과 제 2 기판층 사이에 배치되는 제 1 및 제 2 전극을 포함하는 열 전달 장치를 제공한다. 또한 열 전달 장치는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되는 해제층과 제 1 및 제 2 전극에 인접하여 배치되는 액추에이터를 포함한다. 액추에이터는 해제층으로부터 제 1 및 제 2 전극을 분리하여 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭(thermotunneling gap)을 개방하는데, 이 액추에이터는 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성된다.
어떤 실시예에 따르면, 본 발명은 열 전달 장치 동작 방법을 제공한다. 이 방법은, 해제층으로부터 제 1 및 제 2 전극을 해제하여 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 개방하는 단계와 고온의 전자를 서모터널링 갭을 가로질러 통과시켜서 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 열을 전달하는 단계를 포함한다. 또한 이 방법은 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나를 능동적으로 이동시켜서 서모터널링 갭을 제어하는 단계를 포함한다.
어떤 실시예에 따르면, 본 발명은 열 전달 장치 제조 방법을 제공하는데, 이 방법은 제 1 열 전도 기판층을 제공하는 단계와, 제 1 열 전도 기판층 위에 액추에이터를 배치하는 단계와, 이 액추에이터에 인접하여 제 1 전극을 위치시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 제 1 전극 위에 해제층을 배치하는 단계와, 이 해제층 위에 제 2 전극을 위치시키는 단계와, 이 제 2 전극 위에 열 전도 기판층을 제공하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 열 전달 장치를 갖는 시스템(10)이 도시되어 있다. 이 시스템(10)은 열을 물체(12)로부터 열 싱크(a heat sink, 14)로 전달함으로써 냉각되는 영역 또는 물체(12)를 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이 핀(fins, 16)을 갖는 열 싱크(14)는, 상세히 후술할 바와 같이, 서모터널링 메커니즘에 의해 물체(12)로부터 열을 수용한다. 도시된 시스템(10)은 물체(12)에 열적으로 접속되는 제 1 전극(18)과 열 싱크(14)에 열적으로 접속되는 제 2 전극(20)을 포함한다. 또한, 입력 전류 소스(22)가 제 1 전극(18) 및 제 2 전극(20)에 접속되어 제 1 및 제 2 전극을 통한 전류의 유동을 각각 개시한다. 동작에서, 입력 전류는 전류 입력 소스(22)를 통해 전극(18, 20)을 거쳐 전달되어, 서모터널링 갭(26)을 지나 터널링하는 전자(24)의 유동을 통해 물체(12)로부터 열 싱크로(14)로 열을 운반한다. 열 싱크(14)에서, 핀(16)은 시스템(10)으로부터 열을 방출하는 것을 촉진한다. 서모터널링 갭(26)은 열 유동 방향이 한 방향이 되도록 보장하기 위해 약 1나노미터 내지 약 10나노미터 사이의 스페이싱 범위를 가지므로, 물체(12)를 냉각시키며 열을 열 싱크(14)로 전달한다.
어떤 실시예에서, 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20) 사이의 서모터널링 갭(26)은 도 2에 도시된 바와 같이 제어 회로(28)를 통해 유지된다. 도시된 제어 회로(28)는 피에조전기 구동기(30)와 같은 액추에이터를 포함하는데, 이는 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)에 접속된다. 이와 달리, 액추에이터는 정전기 액추에이터, 자기 액추에이터, 음향 액추에이터, 마이크로-전기-기계 시스템(MEMS) 장치(예: MEMS 기계 플렉셔(flexure), 레버(lever), 또는 캔틸레버(cantilever)), 또는 다른 적합한 액추에이터를 포함할 수 있다. 피에조 구동기(30) 또는 다른 적합한 장치는 능동적으로 서모터널링 갭(26)을 제어하도록 구성된다. 또한, 프로세서(32), 피드백 메커니즘(34), 비교기(36) 및 적분기(38)가 피에조전기 구동기(30) 및 터널링 전류 입력 소스(22)에 접속되어 원하는 서모터널링 갭(26)을 제어하고 유지한다. 동작에서, 전자의 서모터널링은 초기 터널링 설정 포인트에서 터널링 전류 입력 소스(22)를 동작시킴으로써 개시된다. 이어서, 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)을 가로지르는 터널링 전류가 피드백 메커니즘(34)을 통해 측정된다. 또한, 이 피드백 메커니즘(34)은 측정된 터널링 전류에 기초하여 전극(18,20)을 가로지르는 전류를 조절하는 전류 증폭기를 포함한다. 그러나, 본 발며으이 범위 내에서 다른 종류의 피드백 메커니즘(34)이 사용될 수 있다.
동작에서, 비교기(36)는 기준 값과 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)을 가로지르는 측정된 터널링 전류를 비교한다. 그 후 적분기(38)는 이 측정된 전류를 프로세서(32)에 보고한다. 프로세서(32)는 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)을 가로지르 는 측정된 터널링 전류에 기초하여 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)의 목표 위치를 피에조전기 구동기(30)에 제공한다. 이 목표 위치에 대한 결과 응답으로서, 피에조전기 구동기(30)는 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20) 사이의 원하는 서모터널링 갭(26)을 달성하기 위해 제 1 및/또는 제 2 전극(18,20)의 위치를 조절한다. 유리하게는, 서모터널링 갭(26)의 이 피드백-제어된 조절은 제 1 및 제 2 전극(18,20) 사이의 전극의 터널링을 각각 촉진한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치(42)를 갖는 냉각 시스템(40)을 도시하고 있다. 이 열 전달 장치(42)는 서모터널링 갭(26)에 의해 분리되는 제 1 전극 및 제 2 전극(20)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제 1 전극(18)은 물체/영역(12)에 열적으로 접속되고 제 2 전극(20)은 물체/영역(14)에 열적으로 접속된다. 또한, 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)은 도면에 도시된 바와 같은 극성을 갖는 터널링 전류 입력 소스(22)에 접속된다. 열 전달 장치(42)는 터널링 전류 입력 소스(22)를 통한 개시 터널링 전류에서 활성화된다. 전류가 제 1 전극(18)과 제 2 전극(20)을 통한 유동에 따라, 전자는 서모터널링 갭(26)을 지나 방향(44)으로 물체(12)로부터 물체(14)를 향해 이동한다. 이 방향(44)으로의 전자의 이동은 열을 물체(12)로부터 갭(26)을 가로질러 물체(14)로 전달하는데, 이 열은 시스템(40)으로부터 더 방출된다. 유리하게는, 이 서모터널링-기반 열 전달은 물체(12)를 냉각시킨다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치(42)를 갖는 열 시스템(46)을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 열 전달 장치(42)는 2개의 전극(18,20)을 포함 하는데, 이들은 각각 물체(12,14)에 열적으로 접속된다. 또한, 열 전달 장치(42)는 터널링 전류 입력 소스(22)에 접속된다. 도시된 바와 같이, 가열 시스템(46)의 터널링 전류 입력 소스(22)의 극성은 도 3에 도시된 냉각 시스템(4)과 비교할 때 반대이다. 이는 전자가 방향(48)으로 물체(14)로부터 물체(12)로 흐를 수 있게 하므로, 물체(14)로부터 물체(12)로 열을 전달함으로써 물체(12)를 가열한다. 전술한 열 전달 장치(42)는 다양한 기술에 의해 제조될 수 있는데, 그러한 예시적 기술들을 도 5,6,7,8,9를 참조하여 후술할 것이다.
우선 도 5를 참조하면, 열 전달 장치(50)는 본 발명의 실시예에 따른 전극의 평면형 갭 제어를 이용하여 도시되어 있다. 열 전달 장치(50)는 제 1 열 전도 기판층(52)과 제 2 열 전도 기판층(54)을 포함한다. 제 1 및 제 2 열 전도 기판층(52,54)은 세라믹, 금속, 금속 합성물 또는 충전(充塡) 폴리머와 같은 전도 물질을 포함한다. 도시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 열 전도 기판층(52,54)은 제 1 및 제 2 전극(56,58) 주위에 배치되어, 제 2 전극(58)이 제 1 전극(56) 위에 배치되게 한다. 제 1 및 제 2 전극(56,58)은 구리, 은, 니켈, 금, 백금과 같은 전도 물질을 포함한다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 전극(56,58)은 구리와 니켈, 니켈과 금, 구리 니켈 백금 등과 같은 전도 물질 스택을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 제 1 전극과 제 2 전극(56,58) 중 적어도 하나는 탄소 나노튜브층(a carbon nanotube layer)을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극(56,58)은 세슘 또는 바륨과 같은 알카인 금속을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 이들 전극 물질(예: 세슘)은 기체 상태로 열 전달 장치(50)로 결합될 수 있다. 예를 들어, 제조 프로세스 동안, 열 전달 장치(50)가 진공에서 가열된 후, 세슘 기체가 열 전달 장치(50)로 다시 확산되어 전극(56,58)을 형성할 수 있다.
전술한 도 5에 더하여, 해제층(60)이 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이에 배치되어, 액추에이터(62)를 동작시킴으로써 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이에서 원하는 서모터널링 갭을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 도시된 해제층(60)은 금, 백금, 레늄, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐(귀금속) 또는 다른 비산화 물질을 포함할 수 있으며, 이는 액추에이터(62)를 통해 제 1 및 제 2 전극(56,58)의 분리를 가능하게 한다. 초기에는, 액추에이터(62)가 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 해제층(60)을 분리하도록 구성된다. 열 전달 장치(50)의 동작에서, 액추에이터(62)는 예를 들어 피드백 또는 폐쇄-루프 제어를 통해 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성된다. 본 발명의 어떤 실시예에서, 액추에이터(62)는 피에조전기 메커니즘, 자기 반발 메커니즘, 정전기 메커니즘, 음향 액추에이터, 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 장치(예: MEMS 기계 플렉셔, 레버 또는 캔틴레버) 등을 포함할 수 있다. 다른 액추에이터 메커니즘도 본 발명의 범위 내에 속한다.
도 5에 추가로 도시된 바와 같이, 열 전송 장치(50)는 제 1 및 제 2 열 전도 기판층(52,54) 사이에 배치되는 제 1 및 제 2 액추에이터 전극(64,66)을 포함한다. 또한, 밀봉층(68)이 제 1 및 제 2 열 전도 기판층(52,54) 사이에 배치되어 열 전달 장치(50)의 동작 동안 열이 다시 전달되는 것을 감소시킨다. 밀봉층(68)은, 예를 들어, 땜납(solder), 유리 원료(frit glass), 에폭시, 충전된 에폭시, 금속 합금 등과 같은 밀봉 물질을 포함한다. 어떤 실시예에서, 제 2 액추에이터 전극(66)과 제 1 전극(56) 사이에 지지층 필름(70)이 배치될 수도 있다. 상세히 후술할 바와 같이, 열 전달 장치(5)는 순차적 적층 또는 빌딩 프로세스(building process)를 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 제 1 열 전도 기판층(52)과 제 2 열 전도 기판층(54) 사이의 내부 챔버(72)가 진공으로 존재할 수 있어서, 액추에이터(62)의 동작이 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 서모터널링 갭을 보다 정확히 달성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 전달 장치(74)가 도시되어 있다. 열 전달 장치(74)는 후술할 어떤 추가적인 특징을 가지는 도 5를 참조하여 전술한 바와 유사한 소자를 포함한다. 이 실시예에서, 제 1 열 전도층(52)은, 제 1 구리 확산기(76)와 같은, 제 1 전극(56)과 열 교환하는 제 1 열 확산기를 포함한다. 또한, 제 2 열 전도층(52)은, 제 2 구리 확산기(78)와 같은, 제 2 전극(58)과 열 교환하는 제 2 열 확산기를 포함한다. 다른 실시예에서, 열 확산기(76,78)는 AlSiC, CuMoly, 은, 피롤리틱 그래파이트(pyrolitic graphite) 피복 금속 및 충전된 폴리머와 같은 기타 열 전도 물질을 포함한다. 또한 내부 밀봉층(80)이 제 1 구리 확산기(76)와 제 2 구리 확산기(78) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 외부 밀봉층(82)이 제 1 열 전도 기판층(52)과 제 2 열 전도 기판층(54) 사이에 배치되어 열 전달 장치(74)의 동작 동안 열이 다시 전달되는 것을 감소시킨다.
또한, 하부 열 브레이크(84)가 제공되어 제 1 구리 확산기(76)와 제 1 열 전도 기판층(52) 사이에서 연장되며 횡방향 열 유동을 방지한다. 유사하게, 상부 열 브레이크(86)가 제공되어 제 2 구리 확산기(78)와 제 2 열 전도 기판층(54) 사이에서 연장된다. 하부 및 상부 열 브레이크(84,86)는 황방향으로의 열 유동을 방지하는 물질을 포함한다. 예를 들어, 하부 및 상부 열 브레이크(84,86)는 유리, 에폭시, 폴리머, 아크릴(acrylics), 폴리카보네이트(polycarbonates), 솔 겔 물질 등과 같은 물질을 포함할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 전극의 3-차원 갭 제어를 갖는 열 전달 장치(90)를 도시하고 있다. 열 전달 장치(90)는 제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94)을 포함한다. 제 1 및 제 2 절연 기판층(92,94)은 에폭시, 폴리머, 아크릴, 폴리카보네이트 등과 같은 절연 물질을 각각 포함한다. 제 1 절연 기판층(92)은 제 1 열 비아 세트(thermal vias set, 96)를 포함하고 제 2 절연 기판층(94)은 열 비아 세트(98)를 포함한다. 열 비아(96,98)는 구리, 은, CuMoly, AlSic, 금속 충전 폴리머, 땜납 등과 같은 전도 물질을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 제 1 전극(56)은 제 1 및 제 2절연 기판층(92,94) 사이에 각각 배치되는데, 제 1 전극(56)은 제 1 열 비아 세트(96)에 인접하여 위치된다. 유사하게, 제 2 전극(58)은 제 1 및 제 2절연 기판층(92,94) 사이에 각각 배치되는데, 제 2 전극(58)은 제 2 열 비아 세트(98)에 인접하여 위치된다. 제 1 및 제 2 전극(56,58)은 구리, 은, 니켈, 금, 백금 등과 같은 전도 물질을 포함할 수 있다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 전극(56,58)은 제 1 및 제 2 평판 전극층을 포함할 수 있다.
열 비아(96,98)는 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58)을 가로지르는 열 및 전기 전도를 향상시키도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 액추에이터(62)의 동작에 의해 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 원하는 서모터널링 갭을 촉진하기 위해 해제층(60)이 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이에 배치된다. 몇몇 실시예에서, 액추에이터(62)는 서모터널링 갭 주위에 배치되는 복수의 액추에이터(62) 메커니즘을 포함한다. 복수의 액추에이터(62)는 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 갭 거리와 갭 정렬 모두를 조절하는 기능을 한다.
이 실시예에서, 액추에이터(62)는 제 1 및 제 2 절연 기판(92,94)의 외측 부분에서 이 액추에이터(62)에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 외부 접촉 패드(100,102)를 포함한다. 또한, 액추에이터(62)와, 제 1 및 제 2 전극(56,58)에 각각 열 접촉하는 제 1 및 제 2 절연 기판층(92,94)의 각각과의 사이에 내부 및 외부 열 전도 접착 기판층(80,82)이 배치된다. 다시, 도시된 열 전달 장치(90)는 순차적 적층 또는 빌딩 프로세스로 제조될 수 있다. 또한, 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 서모터널링 갭은 복수의 액추에이터(62)를 통해 달성되고 유지된다.
이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3-차원 갭 제어를 이용하는 열 전달 장치(104)가 도시되어 있다. 다시, 열 전달 장치(104)의 소자는 상세히 후술할 어떤 추가적이 특징들을 가지며 도 7을 참조하여 전술한 특징들에 유사할 수 있다. 열 전달 장치(104)는 제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94)을 포함한다. 또한, 제 1 열 전도 부재(105)가 제 1 절연 기판층(92)을 통해 배치되고 제 2 열 전도 부재(106)는 제 2 절연 기판층(94)을 통해 배치된다.
제 1 전극(56)은 제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94) 사이의 제 1 열 전도 부재(105)에 열적으로 접속된다. 유사하게, 제 2 전극(58)은 제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94) 사이의 제 2 열 전도 부재(106)에 열적으로 접속된다. 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58)은 상세히 후술할 바와 같이 구리 또는 다른 적합한 물질을 포함할 수 있다. 이와 달리, 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58)은 제 1 및 제 2 평판 전극층을 각각 포함할 수 있다. 이 평판층은 상세히 후술할 바와 같이 구리와 니켈 또는 다른 적합한 물질층의 스택을 포함할 수 있다. 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이에는 해제층(60)이 제공된다. 또한, 제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94) 사이에는 액추에이터(62)가 제공된다. 동작에서, 전술한 바와 같이, 액추에이터(62)는 해제층(60)으로부터 제 1 및 제 2 전극(56,58)을 분리한 후 제 1 전극(56)과 제 2 전극(58) 사이의 서모터널링 갭을 제어하는 동작을 한다.
제 1 절연 기판층(92)과 제 2 절연 기판층(94)은 에폭시를 포함하지만 절연 특성을 갖는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 제 1 열 전도 부재(105)와 제 2 열 전도 부재(106)는 전도 물질, 예를 들어, 제 1 및 제 2 절연 기판층(92,94) 중 하나의 수용기(a receptacle)로 삽입되는 구리 슬러그(slug)를 각각 포함할 수 있다. 또한, 액추에이터(62)는, 제 1 및 제 2 기판층(92,94)의 외측 부분에서 이 액추에이터(62)에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 접촉 패드(100,102)를 포함할 수도 있다. 또한 열 전달 장치(104)는 제 1 전극(56)과 해제층(60) 사이에 배치되는 접착층(108)을 포함할 수 있다. 접착층(108)은 예를 들어, 티타늄, 텅스텐 등과 같은 접착 물질을 포함할 수 있다.
전술한 열 전달 장치는 다양한 방식으로 동작될 수 있으며, 도 10 및 11을 참조하여 그러한 예시적 프로세스를 후술할 것이다. 우선 도 10을 참조하면, 흐름도는 본 발명의 실시예에 따른 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 예시적 동작 방법(110)을 도시하고 있다. 해제층으로부터 제 1 및 제 2 전극을 해제(블록 112)함으로써 프로세스(110)가 시작된다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전극의 해제는 초기 터널링 설정 포인트에서 열 전달 장치를 동작시켜서, 액추에이터가 피드백에 기초하여 제 1 및 제 2 전극을 서로 분리되도록 바이어싱함으로써 달성될 수 있다. 다른 예에서는, 프로세스(110)는 열 전달 장치를 진공 챔버 내부에 포함하는 단계와 이 챔버의 온도를 조절하는 단계를 포함하여, 열 전달 장치 내부의 밀봉층이 용해되도록 할 수 있다. 이어서, 제 1 및 제 2 전극을 통해 전류를 통과시키는 단계가 액추에이터를 활성화한다.
블록(114)에서, 제 1 및 제 2 전극을 통한 초기 전류는 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭의 개방을 인에이블한다. 다음으로, 블록(116)에서, 프로세스(110)는 서모터널링 갭을 가로지르는 고온의 전자를 통과시키는 단계를 개시하여, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로의 열 전달을 촉진한다. 전술한 바와 같이, 열 전달 방향은 터널링 입력 전류 소스의 극성에 의존할 수 있다. 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 전자를 통과시키는 단계는 제 1 전극과 열 교환하는 제 1 부재의 냉각 또는 폐쇄 환경의 냉각을 유도할 수 있다. 또한, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 전자를 통과시키는 단계는 제 2 전극과 열 교환하는 제 2 부재의 가열 또는 폐쇄 환경의 가열을 유도할 수 있다. 또한, 열은 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나와 열 절연층을 통해 연장되는 복수의 열 비아 사이에서 전달될 수 있다.
그 후, 프로세스(110)는 제 1 및 제 2 전극을 가로지르는 서모터널링 전류를 측정(블록 118)하기 위해 진행한다. 서모터널링 전류는 제 1 및 제 2 전극에 각각 접속되는 전류 증폭기와 같은 피드백 장치를 통해 측정될 수 있다. 블록(120)에서, 프로세스(110)는, 서모터널링 갭의 열 전달 효율을 조절하기 위해 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나를 능동적으로 이동시킴으로써 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 제어한다. 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나의 위치는 액추에이터에 의해 조절되며, 이는 측정된 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 전류에 대응하여 동작한다.
도 11을 참조하면, 흐름도는 본 발명의 실시예에 따른 도 7 및 도 9의 열 전달 장치의 예시적 동작 방법(122)을 도시하고 있다. 프로세스(122)는 열 전달 장치의 제 1 및 제 2 전극에 대한 3-차원 갭 제어를 도시하고 있다. 해제층으로부터 제 1 및 제 2 전극을 해제(블록 124)함으로써 프로세스(122)가 시작된다. 제 1 및 제 2 전극의 해제는 개시 터널링 설정 포인트에서 열 전달 장치를 동작시킴으로써 달성된다. 이어서, 제 1 및 제 2 전극을 통해 전류를 통과시키는 단계가 액추에이터를 활성화한다.
블록(126)에서, 제 1 및 제 2 전극을 통한 초기 전류는 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭의 개방을 인에이블한다. 다음으로, 블록(128)에서, 프로세스(112)는 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로의 열 전달을 가능하게 하는 서모터널링 갭을 가로지르는 고온의 전자를 통과시키는 단계를 개시한다. 열 전달 방향은 터널링 입력 전류 소스의 극성에 의존할 수 있다. 그 결과로서, 제 1 전극과 열 교환하는 제 1 부재가 냉각될 수 있으며 제 2 전극과 열 교환하는 제 2 부재도 냉각될 수 있다.
그 후, 프로세스(122)는 제 1 및 제 2 전극을 가로지르는 서모터널링 전류를 측정(블록 130)하기 위해 진행한다. 블록(132)에서, 프로세스(122)는, 측정된 서모터널링 전류에 기초하여 전극 사이의 갭 스페이싱 및 갭 배향각을 조절함으로써 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 능동적으로 제어한다. 여기서, 제 1 및 제 2 전극 중 적어도 하나의 위치는 여러 측면 상의 복수의 액추에이터를 맞물리게 함으로써 조절된다. 전극 위치의 조절은 복수의 액추에이터를 통해 입력 전류를 통과시킴으로써 달성된다.
도 12 및 도 13은 도 5-9의 열 전달 장치에 대한 예시적 제조방법을 도시하고 있다. 우선 도 12를 참조하면, 흐름도는 본 발명에 따른 도 5 및 도 6의 열 전달 장치의 예시적인 제조 방법(134)을 도시하고 있다. 제 1 열 전도 기판층을 제공(블록 136)함으로써 프로세스(134)가 시작된다. 이와 달리, 프로세스(134)는 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 열 전도 부재, 예를 들어, 복수의 비아를 갖는 절연 기판을 제공할 수 있다. 다음으로, 제 1 열 전도 기판층 위에 액추에이터가 배치(블록 138)된다. 예를 들어, 이 액추에이터는 피에조전기 메커니즘, 자기 반발 메커니즘 또는 정전기 메커니즘을 포함할 수 있다. 또한, 이 프로세스(134)는 액추에이터로 연장되는 제 1 및 제 2 액추에이터 전극을 포함할 수 있다. 또한, 이 단계(138)는 초기 터널링 설정 포인트에서 열 전달 장치를 동작시키도록 구성되는 입력 전압 소스에 액추에이터를 접속시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 블록(140)에서, 제 1 전극은 액추에이터에 인접하여 위치된다. 블록(142)에서, 제 1 전극 위에 해제층이 배치된다. 블록(144)에서는, 제 2 전극이 해제층 위에 위치된다. 전술한 바와 같이, 해제층은 제 1 및 제 2 전극의 분리를 촉진하여 액추에이터 동작에 의해 서모터널링 갭을 생성시키고 유지한다. 또한, 밀봉층이 제 2 전극 및 제 1 열 전도 기판층 위에 배치될 수 있다. 블록(146)에서, 제 2 열 전도 기판층이 제 2 전극 및 제 1 열 전도 기판층 위에 배치된다. 이와 달리, 프로세스(134)는 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 열 전도 부재, 예를 들어, 복수의 비아를 갖는 절연 기판을 제공할 수 있다. 또한 이 단계(146)는 밀봉층이 존재하는 경우 그 위에 열 전도 기판층을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계(146)는 제 1 열 전도 기판층과 제 2 열 전도 기판층 사이의 챔버 내에 액추에이터와 제 1 및 제 2 전극을 밀봉하는 단계를 포함할 수도 있다.
도 13을 참조하면, 흐름도는 본 발명의 실시예에 따른 도 7 및 도 9의 열 전달 장치에 대한 예시적인 제조 방법(148)을 도시하고 있다. 제 1 기판층을 제공(블록 150)함으로써 프로세스(148)가 시작된다. 예를 들어, 단계(150)는 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 열 전도 부재, 예를 들어, 복수의 비아를 갖는 열 전도 기판층 또는 절연 기판을 제공할 수 있다. 다음으로, 프로세스(148)는 복수의 액추에이터를 주변 부분의 제 1 기판 위에 배치(블록 152)한다. 예를 들어, 복수의 액추에이터는 피에조전기 액추에이터, 자기 반발 액추에이터 또는 정전기 액추에이터를 포함할 수 있다. 또한, 프로세스(148)의 블록(152)은 제 1 및 제 2 액추에이터 전극을 액추에이터로 연장하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 단계(152)는 초기 터널링 설정 포인트에서 열 전달 장치를 동작시키도록 구성되는 입력 전압 소스에 액추에이터를 접속시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 블록(154)에서, 제 1 전극은 액추에이터에 인접하여 위치된다. 블록(156)에서, 제 1 전극 위에 해제층이 배치된다. 블록(158)에서, 해제층 위에 제 2 전극이 위치된다. 다음으로, 제 2 전극 및 복수의 액추에이터 위에 제 2 기판층이 배치(블록 160)된다. 예를 들어, 단계(160)는 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 열 전도 부재, 예를 들어, 복수의 비아를 갖는 열 전도 기판층 또는 절연 기판층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 최종적으로, 프로세스(148)는 제 1 기판층과 제 2 기판층 사이의 챔버 내에 액추에이터 및 제 1 전극과 제 2 전극을 밀봉하는 단계를 포함한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열 전달 장치(42) 어레이를 갖는 모듈(162)을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 열 전달 장치(42)는 어레이에 사용되어 환경의 열 관리 필요를 만족시킨다. 열 전달 장치는 모듈로 조립될 수 있는데, 장치는 전기적 직렬과 열적 병렬로 접속되어 모듈(162)의 제 1 물체(12)로부터 모듈(162)의 제 2 물체(14)로의 전자 유동을 가능하게 하므로, 열을 제 1 물체(12)로부터 제 2 물체(14)로 전달한다.
전술한 본 발명의 다양한 양태는 냉동, 공기 조절, 전자 냉각, 공장 온도 제어, 전력 발생 등과 같은 다양한 가열 및 냉각 시스템에서 유용함을 알 수 있다. 이들은 공기 조화기, 냉수기(water cooler), 냉장고, 열 싱크, 공조 시트(climate contril seats) 등을 포함한다. 전술한 바와 같이, 전술한 방법은 서모터널링 장 치의 인접 전극 사이의 스페이싱 및 정렬의 비교적 정밀한 제어에 유리할 수 있어서 전술한 환경의 원하는 열 관리 필요를 만족시킨다.
본 발명의 소정의 특징들만이 도시되고 설명되었지만, 당업자는 많은 변경 및 수정을 가할 수 있을 것이다. 그러므로, 청구 범위는 본 발명의 사상 내의 그러한 변경 및 수정을 포함하도록 의도되었음을 이해해야 할 것이다.
본 발명에 따르면 서모터널링 장치의 인접 전극 사이의 스페이싱 및 정렬을 비교적 정밀하게 제어되는 열 전달 장치가 제공된다.

Claims (10)

  1. 열 전달 장치(42)로서,
    제 1 기판층과,
    제 2 기판층과,
    상기 제 1 기판층과 상기 제 2 기판층 사이에 배치되는 제 1 전극(18)과,
    상기 제 1 기판층과 상기 제 2 기판층 사이에 배치되는 제 2 전극(20)과,
    상기 제 1 전극(18)과 상기 제 2 전극(20) 사이에 배치되는 해제층(release layer, 60)과,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 인접하여 배치되는 액추에이터(62)를 포함하되,
    상기 액추에이터(62)는 상기 해제층(60)으로부터 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 분리하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭(thermotunneling gap, 26)을 개방하도록 구성되며,
    상기 액추에이터(62)는 상기 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성되는
    열 전달 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터(62)에 동작적으로 접속되는 피드백 메커니즘(34)을 포함하되,
    상기 피드백 메커니즘(34)은 상기 제 1 전극(18)과 상기 제 2 전극(20)을 가로지르는 터널링 전류를 측정하도록 구성되는
    열 전달 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(18)과 상기 제 2 전극(20)을 가로지르는 측정된 터널링 전류에 기초하여 상기 제 1 전극(18)과 상기 제 2 전극(20)의 위치를 상기 액추에이터(62)에 제공하도록 구성되는 프로세서(32)를 포함하는
    열 전달 장치.
  4. 열 전달 장치(50)로서,
    제 1 열 전도 기판층(52)과,
    상기 제 1 열 전도 기판층(52) 아래에 배치되는 제 2 열 전도 기판층(54)과,
    상기 제 1 열 전도 기판층(52)과 상기 제 2 열 전도 기판층(54) 사이에 배치되는 제 1 전극(56)과,
    상기 제 1 열 전도 기판층(52)과 상기 제 2 열 전도 기판층(54) 사이에 배치 되는 제 2 전극(58)과 - 상기 제 2 전극(58)은 상기 제 1 전극(56) 위에 배치됨 - ,
    상기 제 1 전극(56)과 상기 제 2 전극(58) 사이에 배치되는 해제층(60)과,
    상기 제 2 전극(58) 아래에 배치되는 액추에이터(62)를 포함하되,
    상기 액추에이터(62)는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 해제층(60)을 분리하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 서모터널링 갭을 제공하며,
    상기 액추에이터(62)는 상기 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성되는
    열 전달 장치.
  5. 열 전달 장치(90)로서,
    제 1 열 비아 세트(set of thermal vias, 96)를 갖는 제 1 절연 기판층(92)과,
    제 2 열 비아 세트(98)를 갖는 제 2 절연 기판층(94)과,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판층 사이에 배치되는 제 1 전극(56)과 - 상기 제 1 전극(56)은 상기 제 1 열 비아 세트(96)에 인접하여 배치됨 - ,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판층 사이에 배치되는 제 2 전극 (58)과 - 상기 제 2 전극(58)은 상기 제 2 열 비아 세트(98)에 인접하여 배치됨 - ,
    상기 제 1 전극(56)과 상기 제 2 전극(58) 사이에 배치되는 해제층(60)과,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판을 사이에 배치되는 액추에이터(62)를 포함하되,
    상기 액추에이터(62)는 상기 해제층(62)으로부터 상기 제 1 및 제 2 전극을 분리하여 상기 제 1전극과 상기 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 개방하도록 구성되며,
    상기 액추에이터(62)는 상기 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성되는
    열 전달 장치.
  6. 열 전달 장치(104)로서,
    제 1 절연 기판층(92)과,
    제 2 절연 기판층(94)과,
    상기 제 1 절연 기판층(92)을 통해 배치되는 제 1 열 전도 부재(105)와,
    상기 제 2 절연 기판층(94)을 통해 배치되는 제 2 열 전도 부재(106)와,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판층 사이에 배치되는 상기 제 1 열 전도 부재(105)에 열적으로 접속되는 제 1 전극(56)과,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판층 사이에 배치되는 상기 제 2 열 전도 부재(106)에 열적으로 접속되는 제 2 전극(58)과,
    상기 제 1 전극(56)과 상기 제 2 전극(58) 사이에 배치되는 해제층(60)과,
    상기 제 1 절연 기판층과 상기 제 2 절연 기판층 사이에 배치되는 액추에이터(62)을 포함하되,
    상기 액추에이터(62)는 상기 해제층(60)으로부터 상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 분리하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 개방하도록 구성되며,
    상기 액추에이터(62)는 상기 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하도록 구성되는
    열 전달 장치.
  7. 열 전달 장치 동작 방법으로서,
    해제층(60)으로부터 제 1 및 제 2 전극을 해제하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 개방하는 단계와,
    고온의 전자를 상기 서모터널링 갭을 가로질러 통과시켜서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 열을 전달하는 단계와,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 중 적어도 하나를 능동적으로 이동시켜서 상기 서모터널링 갭을 제어하는 단계를 포함하는
    열 전달 장치 동작 방법.
  8. 열 전달 장치 동작 방법으로서,
    제 1 및 제 2 전극을 해제하여 상기 제 1 전극(56)과 상기 제 2 전극(58) 사이의 서모터널링 갭을 개방하는 단계와,
    고온의 전자를 상기 서모터널링 갭을 가로질러 통과시켜서 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 열을 전달하는 단계와,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 스페이싱(spacing) 및 배향각(angular orientation)을 조절함으로써 상기 서모터널링 갭을 능동적으로 제어하는 단계를 포함하는
    열 전달 장치 동작 방법.
  9. 열 전달 장치 제조 방법으로서,
    제 1 열 전도 기판층(52)을 제공하는 단계와,
    상기 제 1 열 전도 기판층(52) 위에 액추에이터(62)를 배치하는 단계와,
    상기 액추에이터(62)에 인접하여 제 1 전극(56)을 위치시키는 단계와,
    상기 제 1 전극(56) 위에 해제층(60)을 배치하는 단계와,
    상기 해제층(60) 위에 제 2 전극(58)을 위치시키는 단계와,
    상기 제 2 전극(58) 위에 제 2 열 전도 기판층(54)을 제공하는 단계를 포함하는
    열 전달 장치 제조 방법.
  10. 열 전달 장치 제조 방법으로서,
    제 1 기판층(92)을 제공하는 단계와,
    상기 기판층(92) 위의 복수의 액추에이터(62)를 상기 제 1 기판층(92)의 주변 부분에 배치하는 단계와,
    상기 제 1 기판층(92) 위에 제 1 전극(56)을 위치시켜서, 상기 복수의 액추에이터(62) 사이에 상기 제 1 전극(56)의 제 1 부분이 배치되게 하는 단계와,
    상기 제 1 전극(56)의 상기 제 1 부분 위에 해제층(60)을 배치하는 단계와,
    상기 해제층(60) 위에 제 2 전극(58)을 위치시켜서, 상기 제 2 전극(60)의 제 2 부분이 상기 복수의 액추에이터(62) 사이의 상기 제 1 전극(56)의 상기 제 1 부분의 반대측에 배치되게 하는 단계와,
    상기 제 2 전극(58) 위의 제 2 기판층(94)과 상기 복수의 액추에이터(62)를 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 액추에이터(62)는 상기 제 1 및 상기 제 2 전극을 상기 해제층(60)으로부터 분리하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 서모터널링 갭을 개방하는
    열 전달 장치 제조 방법.
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