KR20100003494A - 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치는, P형, N형 반도체가 조합된 써모 엘레멘트 및 이에 연결된 전극, 그리고 써모 엘레멘트 및 전극의 상부와 하부에 구비되는 세라믹 기판으로 이루어지는 열전 모듈과; 긴 밴드형 구조를 갖고 연성재질의 열전도체로 이루어져, 긴 밴드 중 일부가 상기 열전모듈의 방열부 쪽에 접합되어 방열 기능을 수행하는 밴드 와이어를 포함하여 구성됨으로써, 열전냉각장치의 필수 구성 요소인 공지의 판형 히트싱크를 대체하여 조립 불량 문제를 해결함과 아울러 설치 공간을 최소화하여 좁은 공간에도 용이하게 적용할 수 있으며, 또 방열 기구의 제작 및 설치가 보다 용이하여 생산성은 물론 경제성을 높일 수 있는 효과를 갖는다.

열전 모듈, 히트싱크, 세라믹, 구리, 방열

Description

플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치{Thermoelectric cooling device with flexible copper band wire}

본 발명은 열전반도체(thermoelectric semiconductor)를 구비한 열전 모듈에 방열기를 부착하여 냉각장치로 이용하는 열전냉각장치에 관한 것이다.

에너지 변환기술의 한 부분인 열전반도체(thermoelectric semiconductor) 기술은 전기에너지를 열에너지로 또는 열에너지를 전기에너지로 직접전환 할 수 있는 에너지 변환재료 기술로써 과거에는 주로 우주, 군사용 등 특수 목적의 소형 전자냉각기나 발전기로 활용되어 왔으나 최근에는 각종 산업용이나 가전제품에로의 용도가 확대되고 있는 추세이다.

이러한 열전모듈을 이용한 열전냉각방식은 환경 친화적인 기술이므로 환경문제를 주요시하는 최근 열전냉각방식을 채용하려는 많은 시도가 있으나, 열전냉각시스템의 효율이 낮고 시스템 구성시에 부가되는 방열기 등의 효과적인 설치 방법이 어려워 널리 보급이 되지 못하고 있는 실정이다.

도 1 및 도 2는 일반적인 열전냉각장치를 개략적으로 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이 범용의 열전냉각장치는 써모 커플 즉, 써모 엘레멘트(10)를 구리 전극(12, 14) 사이에 솔더링 방식으로 접합하여 전기적으로는 직렬로 구성시키고, 상하면에 세라믹 기판(16, 18)을 접합하여 각 써모 엘레멘트(10)가 열적으로는 병렬로 배치되도록 구성되어 있다.

이와 같은 열전냉각장치를 사용할 때는 도 3에 도시된 바와 같이, 열전냉각장치의 방열면에 알루미늄 재질로 제작된 방열기 즉, 히트싱크(20)를 부착하여 사용하는 것이 일반적이다.

그러나 상기와 같이 히트싱크(20)를 제작하고 부착하는 과정에서 기계적 평면도의 불량, 표면 조도 불량, 치수불량, 결합 토크의 불균일 등의 문제가 자주 일어나 열접촉상의 문제로 열전냉각장치의 방열 효율이 떨어지게 됨에 따라 이를 채용하고 있는 제품의 불량 발생의 요인으로 작용할 수 있는 문제점이 있다.

즉, 열전도를 최대화시켜야하는 제품의 필요조건에 반해 방열측에 부착되는 히트싱크(방열기)와의 사이에는 공극이나 기타 이물질이 개재될 수 있는 기회가 많이 발생함에 따라 열저항이 커지게 되고, 이에 따라 에너지 효율이 감소되는 현상이 일어나는 문제가 있는 것이다.

또한 히트 싱크의 전체 부피가 통상 크게 제작되고, 변형이 불가능할 뿐만 아니라 열전 모듈에 직접 부착하여 설치하여야 하므로, 설치 공간상의 제약이 많고 방열 효율도 떨어질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열전모듈의 방열면에 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 설치하여 구성함으로써 기존 판형 히트싱크를 사용할 때 발생하는 공간적인 문제와 갭(gap) 발생 등으로 인한 열전달 문제를 해결할 수 있도록 하여 콤팩트하면서 높은 냉각 효율을 실현할 수 있는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치를 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은, 유연성이 좋은 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용하여 함체 기구물이나 바닥, 벽 등의 열전달 효과가 있는 곳으로 열을 전달하여 방열시킬 수 있도록 구성함으로써 주변 구조물의 배치 상태 및 냉각 조건에 따라 보다 적합한 냉각 방열 구조를 설치할 수 있고, 이에 따라 방열 구조물을 보다 용이하게 설치할 수 있음은 물론 냉각 효율을 높일 수 있도록 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치는, P형 반도체와 N형 반도체가 조합된 써모 엘레멘트 및 이에 연결된 전극, 그리고 써모 엘레멘트 및 전극의 상부와 하부에 구비되는 세라믹 기판으로 이루어지는 열전 모듈과; 긴 밴드형 구조를 갖고 연성재질의 열전도체로 이루어져, 긴 밴드 중 일부가 상기 열전모듈의 방열부 쪽에 접합되어 방열 기능 을 수행하는 밴드 와이어를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 밴드 와이어는 구리 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 열전모듈의 세라믹 기판과 밴드 와이어 사이에는 밴드 와이어를 세라믹 기판에 접합할 수 있도록 열전도체층이 추가로 구비되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 열전도체층은 구리 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 밴드 와이어는 일측 끝단은 상기 열전도체층에 접합되고, 타측 끝단은 주변 구조물 중 방열기능을 수행할 수 있는 방열 구조물에 연결될 수 있다.

이때, 상기 방열 구조물은 히트싱크로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치는, 열전 모듈의 방열면에 구리층 또는 구리막을 형성시키고 그 위에 플렉시블 코퍼 밴드 와이어를 상기 구리층(구리막) 위에 솔더로 접합하여 구성하기 때문에 열전냉각장치의 필수 구성 요소인 공지의 판형 히트싱크를 대체하여 조립 불량 문제를 해결함과 아울러 설치 공간을 최소화하여 좁은 공간에도 용이하게 적용할 수 있으며, 또 방열 기구의 제작 및 설치가 보다 용이하여 생산성은 물론 경제성을 높일 수 있는 효과를 갖는다.

또한 유연성이 좋고 얇은 구조를 갖는 플렉시블 코퍼 밴드 와이어를 이용함에 따라 전체적으로 콤팩트한 열전냉각장치의 구성이 가능해지고, 또한 자유로운 방열 구조의 선택 및 설계, 이용이 가능해짐에 따라, 방열 조건과 상황에 따라 더 욱 효율적인 냉각 장치의 구성이 가능해지는 효과를 갖는다.

즉, 플렉시블 코퍼 밴드 와이어를 이용하여 방열기 기능을 할 수 있도록 함과 동시에 밴드의 유연성을 이용하여 함체 기구물이나 바닥, 벽 등의 열전달 효과가 있는 구조물로 열을 유도하여 방열시킬 수 있게 되므로, 방열 구조의 선택 및 이용이 용이하고, 보다 효율적인 냉각 장치의 구성이 가능해지는 것이다.

이와 같은, 본 발명은, 열전냉각장치에서 요구되고 있는 조건들 즉, 열전재료의 성능지수가 높을 것, 기판, 전극, 방열기 등의 부수적인 재료의 열전도율이 좋을 것, 접합 층을 최대한 줄이고 열 흐름을 빠르게 하기 위해 최단거리 접합을 실현할 것, 방열기 조립 시에는 틈이 없이 기밀 접합을 할 것 등에 대한 요구에 부응할 수 있는 효과를 갖는다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치의 일 실시예의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 열전냉각장치의 일 실시예의 구성을 보여주는 사시도이다.

본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치는, 열전 모듈(50)의 방열부 쪽에 열전도체층(60)이 구비되고, 이 열전도체층(60) 상부에 밴드 와이어(70)가 연결되는 구성으로 이루어진다.

이러한 본 발명의 주요 구성 부분에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 상기 열전 모듈(50)은 P형 반도체와 N형 반도체가 조합된 써모 엘레멘트(51) 및 이에 연결된 전극(52, 54)과, 이 써모 엘레멘트(51) 및 전극(52, 54)의 상부와 하부에 각각 구비되는 세라믹 기판(56, 58)으로 이루어진다.

여기서 써모 엘레멘트(51) 및 전극(52, 54)은 통상적으로 구성되는 열전냉각장치의 공지의 열전 모듈(50)과 동일하게 구성될 수 있다.

전극(52, 54)은 구리 전극으로서, 써모 엘레멘트(p형, n형)(51)를 전기적으로 직렬로 연결하며 작동 전류가 도통하므로 전극의 재질과 형상은 전기저항이 작은 구조로 제작하여 세라믹 기판(56, 58)에 각각 부착된다. 이때, 상기 세라믹 기판(56, 58)에는 구리 전극(52, 54)을 접합할 수 있도록 Ag-Pd 메탈라이징(metallizing)을 한 다음 Pb-Sn 솔더로 접합한다. 구리 전극(52, 54)의 표면에는 산화를 방지하고 모듈이 장기간 작동시, 써모 엘레멘트(51)로의 Cu 원자의 확산을 막기 위하여 니켈 도금을 한다.

그리고 세라믹 기판(56, 58)은 열전 모듈(50)에서의 구조적 강도가 유지되도록 함과 아울러 써모 엘레멘트(51)와 부착되는 외부 소재들과의 전기적 절연이 이루어질 수 있도록 구성된다. 이러한 세라믹 기판(56, 58)은 알루미나 세라믹 재질의 기판으로 이루어질 수 있으며, 0.4 ~ 1.0 mm 정도의 두께를 유지하며 양면이 완전한 평면이 유지될 수 있도록 래핑(lapping) 가공하여 제작되는 것이 바람직하다.

다음, 상기 열전도체층(60)은 상기 밴드 와이어(70)를 열전 모듈(50)의 세라믹 기판(58)에 틈새 없이 완전 밀착시켜 접합함과 아울러 충분한 열전달 기능을 갖 도록 도포되는 부분으로서, 그 소재로는 구리 성분으로 소정 두께의 막으로 도포되는 것이 바람직하다.

다음, 밴드 와이어(70)는, 긴 밴드형 구조를 갖고 연성(플렉시블) 재질의 열전도체로 이루어진다. 이러한 밴드 와이어(70)의 일부(도면에서는 한쪽 끝단부)가 상기 열전 모듈(50)의 방열부 쪽에 접합되어 방열 기능을 수행하게 된다.

밴드 와이어(70)는 열전달이 우수하면서 방열 효과를 높일 수 있는 소재인 플렉시블 쿠퍼 밴드 와이어(flexible copper band wire)로 제작되는 것이 바람직하다.

이와 같은 플렉시블 쿠퍼 밴드 와이어(70)는, 기존의 알루미늄 방열판의 열전도도 200watts/m-k 에 비하여, 386watts/m-k 로써 열전도도가 매우 높고, 절단 등 가공이 용이한 장점을 갖는다. 또한 수mm에서 수십 mm 폭의 재료를 열전 모듈(50)의 크기에 따라 자유롭게 설정하여 제작할 수 있다.

특히 상기 밴드 와이어(70)는 유연성이 좋아 사용되는 개소에 따라 또는 방열 방향에 따라 자유롭게 방열 구조를 변형하여 사용할 수 있게 된다.

즉, 구조물의 케이스 등 함체 기구물이나 바닥, 벽 등의 열전달 효과가 있는 구조물로 밴드 와이어(70)를 연결하여 열을 유도하여 방열하게 함으로써 상황과 조건에 따라 보다 자유로운 방열 구조의 선택 및 설계, 이용이 가능해지게 된다.

이러한 방법은 밴드 와이어(70)의 일측 끝단은 상기 열전도체층(60)에 접합하고, 타측 끝단은 주변 구조물 중 방열기능을 수행할 수 있는 방열 구조물에 연결함으로써 가능하게 된다.

그 일례로, 도 6에 도시된 바와 같이, 밴드 와이어(70)는 한쪽 끝단은 열전 모듈(50) 쪽인 열전도체층(60)에 접합하고, 다른 쪽 끝단에는 방열 구조물 중 하나인 히트싱크(80)를 설치할 수 있다. 이와 같이 히트싱크(80)를 별도의 위치에 설치하는 구성은 열전 모듈(50)의 설치 공간이 협소하거나, 히트싱크(80)를 별도 위치 설치할 때, 보다 높은 냉각효율을 발휘할 수 있을 때 설치하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치의 다른 실시예의 구성을 보여주는 단면도로서, 전술한 실시예의 열전냉각장치는 열전 모듈(50)과 밴드 와이어(70) 사이에 구리층을 개재시켜 접합하였으나, 본 실시예에서는 열전도체층 없이 밴드 와이어(70)를 직접 열전 모듈(50)의 세라믹 기판(58) 위에 바로 설치할 수 있는 구성을 보여준다.

이외의 구성 부분은 전술한 일 실시예와 동일하게 구성되므로, 동일한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 반복 설명은 생략한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치는, 열전 모듈(50)과 방열기를 최단거리로 구성하여 방열 효과를 높이는 동시에, 기존 히트싱크 등을 채용할 때 발생되고 있는 방열기 조립 불량에 따른 방열 효과의 저하를 개선할 수 있게 된다. 또한 밴드 와이어(70)를 이용함에 따라 열전 모듈(50)의 발열 측에 축적되는 높은 밀도의 열을 신속하게 전도시킬 수 있게 되고, 이에 따라 열전냉각모듈의 효율을 증대 시킬 수 있고, 반응 속도를 증가시킬 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 열전냉각장치에 사용되는 열전모듈을 보여주는 사시도,

도 2는 열전냉각장치의 기본 구성을 보여주는 단면도,

도 3은 종래 히트싱크를 채용한 열전냉각장치의 구성을 보여주는 개략적인 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치의 일 실시예의 구성을 보여주는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 열전냉각장치의 일 실시예의 구성을 보여주는 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 열전냉각장치의 일 실시예의 다른 사용 상태를 보인 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치의 다른 실시예의 구성을 보여주는 단면도이다.

Claims (6)

1. P형, N형 반도체가 조합된 써모 엘레멘트 및 이에 연결된 전극, 그리고 써모 엘레멘트 및 전극의 상부와 하부에 구비되는 세라믹 기판으로 이루어지는 열전 모듈과;

   긴 밴드형 구조를 갖고 연성재질의 열전도체로 이루어져, 긴 밴드 중 일부가 상기 열전모듈의 방열부 쪽에 접합되어 방열 기능을 수행하는 밴드 와이어를 포함한 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 밴드 와이어는 구리 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 열전모듈의 세라믹 기판과 밴드 와이어 사이에는 밴드 와이어를 세라믹 기판에 접합할 수 있도록 열전도체층이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 열전도체층은 구리 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 밴드 와이어는 일측 끝단은 상기 열전도체층에 접합되고, 타측 끝단은 주변 구조물 중 방열기능을 수행할 수 있는 방열 구조물에 연결된 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 방열 구조물은 히트싱크인 것을 특징으로 하는 플렉시블 열전도체 밴드 와이어를 이용한 열전냉각장치.

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