KR20110041812A - Micro thermoelectric cooer module - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 열전 냉각 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 전극의 상부에 요철 패턴의 부착력향상층이 형성되어 전극과 전선의 부착을 보다 높일 수 있도록 하여 내구성을 향상할 수 있는 마이크로 열전 냉각 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a micro-thermoelectric cooling module, and more particularly, the present invention is a micro-thermoelectric cooling that can improve the durability by forming an adhesion layer of the concave-convex pattern on the top of the electrode to further increase the adhesion of the electrode and the wire It is about a module.
열전소자(Thermoelectric Element)란 열과 전기의 상호작용으로 일어나는 각종 효과를 이용하는 소자를 총칭하는 것으로서, 온도가 높아짐에 따라 전기저항이 감소하는 부저항온도계수의 특성을 가지는 소자인 서미스터(thermistor), 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크(Seebeck) 효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자 등이 있다. Thermoelectric Element is a generic term for elements that use various effects caused by the interaction of heat and electricity.Thermistor, temperature, which is a device with the characteristics of negative resistance temperature coefficient that decreases as the temperature increases, the electrical resistance decreases. There is a device using the Seebeck effect, a phenomenon in which electromotive force is generated by a difference, and a device using the Peltier effect, a phenomenon in which heat absorption (or generation) is caused by current.
특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로 프레온식 컴프레서나 흡열식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전 냉각 모듈(Thermoelectric Cooler Module)이라 한다. In particular, the Peltier effect, a thermo-electric heat pump, is a thermoelectric cooling module (thermoelectric cooler module) that is a small solid-state device capable of performing a cooling function similar to a freon compressor or an endothermic refrigerator.
상기 펠티에 효과란 서로 다른 두 개의 전기적 양도체에 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일측은 가열되고 타측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.The Peltier effect is a phenomenon in which one side is heated and the other side is cooled according to the direction of current when DC power is applied to two different electrical conductors, and this phenomenon is caused by electrons moving from one semiconductor to the other. This occurs because it absorbs thermal energy to raise the level.
도 1은 이러한 열전 냉각 모듈의 작동원리를 설명할 수 있는 간단한 회로를 도시하고 있다. N형 반도체(전류 캐리어가 주로 전자인 반도체)와 P형 반도체(전류 캐리어가 주로 정공인 반도체)를 도 1(A)와 같이 연결하고 직류 전원(3)을 인가하면 전자들은 시스템을 통과하는데 필요한 에너지를 얻게 되며, N형 반도체로부터 P형 반도체로 전자가 이동하는 과정에서, 상측기판(5)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수함으로써 상측기판(5)은 냉각되며, 하측기판(4)에서는 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 하측기판(4)은 가열되게 된다. Figure 1 shows a simple circuit that can explain the operating principle of such a thermoelectric cooling module. When the N-type semiconductor (semiconductor whose current carrier is mainly electrons) and the P-type semiconductor (semiconductor whose current carriers are mainly holes) are connected as shown in FIG. In the process of moving electrons from the N-type semiconductor to the P-type semiconductor, electrons passing through the
상기 열전 냉각 모듈은 작동 환경에 따라 그 효율과 용량이 변화하게 되는데, 냉온 양측면의 온도차가 클수록 효율이 낮아지는 경향이 있다는 사실이 잘 알려져 있다.The thermoelectric cooling module is changed in efficiency and capacity according to the operating environment, it is well known that the greater the temperature difference between both sides of the cold and hot, the lower the efficiency.
따라서 열전 냉각 모듈의 냉온 양측면의 온도차를 감소시켜 줄수록 열전 냉각 모듈의 효율이 상승된다. 이와 같이 열전 냉각 모듈은 전기에너지와 열에너지를 상호 교환할 수 있게 해 주는 소자이다. Therefore, the efficiency of the thermoelectric cooling module increases as the temperature difference between both sides of the cold temperature of the thermoelectric cooling module is reduced. As such, the thermoelectric cooling module is an element that enables the exchange of electrical energy and thermal energy.
일반적인 열전 냉각 모듈은 P형 반도체와 N형 반도체는 평면 상에 서로 교차되게 배열되어 도체에 의해 서로 연결되고, 여기에 전기를 공급하기 위해 양, 음의 전선 1쌍이 결합되며, 상하에 기판이 덮여진다. In general thermoelectric cooling modules, a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are arranged to cross each other on a plane and connected to each other by a conductor, and a pair of positive and negative wires are coupled to supply electricity thereto, and a substrate is covered on the upper and lower sides. Lose.
이 때, (+), (-)의 전기를 외부에서 인가해 주면, 일측에서는 흡열 현상이, 타측에서는 방열 현상이 발생하게 된다.At this time, when electricity of (+) and (-) is applied from the outside, endothermic phenomenon occurs on one side and heat dissipation phenomenon occurs on the other side.
한편, 최근의 정보산업의 발전에 따라 고성능의 소형 전자 기기들이 증가하고, 사용되는 반도체 소자의 발열 밀도도 증가추세에 있다. On the other hand, with the recent development of the information industry, high-performance small electronic devices are increasing, and the heat generation density of semiconductor devices used is also increasing.
따라서 소형 전자 기기의 발열을 효율적으로 냉각하기 위한 냉각 장치들에 대한 고성능화 및 소형화가 필요하므로 열전 냉각 모듈에 있어서도, 종래의 벌크형 열전 냉각 모듈과 비교하여 냉각 성능을 향상할 수 있으며 소형화한 마이크로 열전 냉각 모듈에 대한 관심이 높아지고 있다. Therefore, since high performance and miniaturization of cooling devices for efficiently cooling heat generated in small electronic devices are required, the thermoelectric cooling module can improve cooling performance as compared with the conventional bulk thermoelectric cooling module. Interest in modules is growing.
상기 마이크로 열전 냉각 모듈은 전체 모듈의 가로와 세로의 길이가 수 ~ 수십 mm 정도로 매우 작은 크기로서, 종래의 방법으로는 제조하기 매우 어려운 바, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS, Microelectromechanical Systems)을 이용하여 제조하는 방법이 제안된 바 있다. The micro thermoelectric cooling module has a very small width of several to several tens of mm in the length and width of the entire module, and is very difficult to manufacture by a conventional method, and is manufactured using microelectromechanical systems (MEMS). How to do this has been proposed.
그런데, 상기 마이크로 열전 냉각 모듈은 전체 크기가 매우 작아짐에 따라 전극이 부착되는 영역 역시 매우 협소하므로, 외부의 힘에 의해 접착력이 쉽게 해체될 수 있으며, 충분한 내구성을 갖기 어려운 문제점이 있다. However, the micro-thermoelectric cooling module has a problem that since the total size is very small, the area to which the electrode is attached is also very narrow, and thus the adhesive force can be easily dismantled by external force, and it is difficult to have sufficient durability.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전극의 상부에 요철 패턴의 부착력향상층이 형성됨으로써 제조가 용이하면서도 전극과 전선의 부착력을 보다 높일 수 있으며, 내구성을 향상할 수 있는 마이크로 열전 냉각 모듈을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the problems described above, an object of the present invention is easy to manufacture by forming an adhesion layer of the concave-convex pattern on the upper portion of the electrode, but can easily increase the adhesion between the electrode and the wire, durability It is to provide a micro thermoelectric cooling module that can improve the.
본 발명의 마이크로 열전 냉각 모듈(100)은 마이크로 열전 냉각 모듈(100)에 있어서, 상측에 N형 반도체(111) 및 P형 반도체(112)를 포함하여 복수개 배치되는 열전소자(110); 상기 열전소자(110)의 상측 및 하측에 구비되는 상부 도체(121) 및 하부 도체(122); 상기 상부 도체(121) 및 하부 도체(122)를 지지하도록 구비되는 상부 기판(131) 및 하부 기판(132); 상기 하부 도체(122)의 일측에 형성되는 한 쌍의 전극(140); 상기 전극(140)의 상부에 형성되는 부착력향상층(141); 및 상기 부착력향상층(141)이 형성된 전극(140)에 부착되는 전선(150);을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다. The micro
이 때, 상기 부착력향상층(141)은 요철 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하하고, 더욱 바람직하게, 상기 부착력향상층(141)의 요철 패턴은 상기 전선(150)의 부착 방향과 직교하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.At this time, the adhesion
이에 따라, 본 발명의 마이크로 열전 냉각 모듈은 전극의 상부에 요철 패턴의 부착력향상층이 형성됨으로써 제조가 용이하면서도 전극과 전선의 부착력을 보다 높일 수 있으며, 내구성을 향상할 수 있는 장점이 있다. Accordingly, the micro thermoelectric cooling module of the present invention can be easily manufactured by increasing the adhesion force between the electrode and the wire by forming the adhesion force enhancement layer of the concave-convex pattern on the electrode, and has the advantage of improving durability.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 마이크로 열전 냉각 모듈(100)을 설명한다. Hereinafter, the micro
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 열전 냉각 모듈(100)의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로 열전 냉각 모듈(100)의 단면도이다. 2 is a perspective view of the micro
본 발명의 마이크로 열전 냉각 모듈(100)은 전체 모듈의 가로와 세로의 길이가 수 ~ 수십 mm 정도로 작으며, 열전소자의 두께는 수 ~ 수십 μm 정도로 얇게 구성된 것으로서, 열전소자(110), 상부 도체(121) 및 하부 도체(122), 상부 기판(131) 및 하부 기판(132), 전극(140), 부착력향상층(141) 및 전선(150)을 포함하여 형성된다. The
상기 열전소자(110)는 N형 및 P형 반도체(111,112)로 구성되어 복수개 배치되는 구성으로서, 열과 전기의 상호작용으로 특히, 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 소자이다. The
이 때, 상기 열전소자(110)는 복수개 배치되며 N형 및 P형 반도체(111,112)가 전기적으로 연결되도록 상기 열전소자(110)의 상측 및 하측에 상부 도체(121) 및 하부 도체(122)가 구비된다. In this case, a plurality of
즉, 상기 상부 도체(121) 및 하부 도체(122)는 N형 반도체(111) 및 P형 반도체(112) 간 전자가 이동될 수 있도록 구비되며, 열전소자(110)의 상측 및 하측에서 상기 열전소자(110)를 지지한다. That is, the
상기 상부 기판(131) 및 하부 기판(132)은 사이에 구비된 열전소자(110), 상부 도체(121) 및 하부 도체(122)를 지지하는 기본 몸체를 형성하는 부분이다. The
상기 전극(140)은 전원을 인가하기 위한 전선(150)이 연결되는 부분으로, 상기 상부 도체(121) 또는 하부 도체(122)의 일측에 (+) 및 (-) 전원을 연결할 수 있도록 한 쌍이 구비된다. The
상기 전극(140)은 마이크로 단위로 형성됨에 따라 그 형성 영역이 가로와 세로의 길이가 수 ~ 수십 mm 정도로 작으며, 전극(140)을 부착하는 것 자체가 어려울 뿐만 아니라, 외력에 의해 그 체결이 쉽체 해체될 수 있으므로, 때, 본 발명은 상기 전극(140)의 상부에 부착력향상층(141)이 형성되도록 한다. As the
상기 부착력향상층(141)은 상기 전극(140)의 상측에 형성되어 전선(150)과 전극(140)의 부착력을 높이기 위한 구성으로, 일정 패턴을 갖도록 형성된다. The adhesion
이 때, 상기 부착력향상층(141)은 요철 패턴을 갖도록 형성되어 전선(150)의 접촉면적을 보다 향상할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 상기 요철 패턴은 상기 전선(150)의 부착 방향과 직교하도록 형성된다. In this case, the adhesion
즉, 상기 부착력향상층(141)은 상기 전선(150)이 부착되는 방향과 직교하는 방향으로 전극(140)에 복수개 형성되어 상기 전선(150)이 전극(140)에 부착되는 전 영역에서 접촉 면적이 증대되도록 한다.That is, a plurality of adhesion
상기 부착력향상층(141)은 스퍼터링, 진공증착법과 같은 증착방법을 포함하여 요철 패턴을 형성할 수 있는 다양한 방법이 이용될 수 있다.The adhesion
상기 부착력향상층(141)은 스퍼터링, 진공증착법과 같은 증착방법으로 백금 (Platinum, Pt), 금 (Gold, Au), 알루미늄 (Al), 구리 (Cu), 텅스텐 (W) 등의 얇은 막을 형성하여, 건식 식각(Dry Etching), 습식 식각(Wet Etching) 등의 다양한 미세제조 공정을 통하여 요철 패턴을 형성할 수 있다.The
이를 통해, 본 발명의 마이크로 열전 냉각 모듈(100)은 전극(140)의 상부에 요철 패턴을 갖는 부착력향상층(141)이 형성됨으로써 제조가 용이하면서도 전극(140)과 전선(150)의 부착력을 보다 높일 수 있으며, 내구성을 향상할 수 있는 장점이 있다. Through this, the micro
본 발명의 마이크로 열전 소자의 작동을 설명하면, 상기 전선(150)을 통해 전원을 인가하면, N형 반도체(111)로부터 P형 반도체(112)로 전자가 이동하는 과정에서, 상부 기판(131)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수함으로써 상부 기판(131)측은 냉각된다. Referring to the operation of the micro-thermoelectric element of the present invention, when the power is applied through the
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is not limited, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims.
도 1은 열전 냉각 모듈의 작동 원리 및 기본 형태를 나타낸 도면. 1 is a view showing the operating principle and basic form of the thermoelectric cooling module.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 열전 냉각 모듈의 사시도. 2 is a perspective view of a micro thermoelectric cooling module according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 열전 냉각 모듈의 단면도. 3 is a cross-sectional view of a micro thermoelectric cooling module according to the present invention.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS
100 : 마이크로 열전 냉각 모듈100: micro thermoelectric cooling module
110 : 열전소자 111 : N형 반도체110: thermoelectric element 111: N-type semiconductor
112 : P형 반도체112: P-type semiconductor
121 : 상부 도체 122 : 하부도체121: upper conductor 122: lower conductor
131 : 상부 기판 132 : 하부 기판131: upper substrate 132: lower substrate
140 : 전극 141 : 부착력향상층140
150 : 전선150: wires
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