KR20120019517A

KR20120019517A - 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치

Info

Publication number: KR20120019517A
Application number: KR1020100082732A
Authority: KR
Inventors: 김욱중; 이공훈; 윤석호; 송찬호
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-07

Abstract

본 발명은 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상게하게 본 발명은 초소형 열전냉각모듈이 컴퓨터부품의 최대 발열이 일어나는 국소 부위에 인접하게 위치됨으로써 컴퓨터부품의 냉각 성능을 보다 향상할 수 있는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치에 관한 것이다.

Description

초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치{Cooling Device For Components of Computer Using Thermoelectric Cooler}

컴퓨터는 수많은 반도체와 기타 주변기기의 조합으로 구성되어 작동되며, 각 구성 부품에서 발생되는 열은 오작동을 유발할 수 있으므로 열을 외부로 방출하기 위한 냉각시스템이 적용되고 있다.

전자산업의 급격한 발달로 인하여 반도체의 고집적, 고밀도화가 가속되면서 특히, 컴퓨터의 주요 부품인 씨피유(CPU, Central Processing Unit), 그래픽 카드의 쥐피유(GPU, Graphics Processing Unit), 및 메인보드 칩셋으로부터 발생되는 발열량 역시 증가되어, 이에 따른 시스템 오작동 문제가 더욱 커지고 있다.

종래에 컴퓨터부품을 냉각하는 방법으로 크게 공랭식과 수랭식을 이용하고 있다.

상기 공랭식 냉각시스템은 컴퓨터부품에 인접하여 방열 효과를 갖는 히트싱크와 팬을 결합한 장치를 이용하여 강제대류를 이용하여 냉각하는 방식이다.

냉각 효율을 보다 높이기 위하여 히트파이프가 더 구비된 형태도 제안된 바 있으나, 컴퓨터 본체 내부의 공기를 순환시켜 냉각하는 공랭식 냉각시스템은 컴퓨터를 장시간 사용하는 경우에 상기 히트싱크가 컴퓨터부품으로부터 발생되는 열을 충분히 냉각하기 어려워 과열현상이 유발될 수 있다.

이러한 경우에, 컴퓨터부품으로부터 발생된 열이 냉각되지 못하고 팬을 통해 다시 컴퓨터부품에 공급되므로 전체 냉각 효율이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 수랭식 냉각시스템은 열교환매체와 외부 공기와의 열교환에 의해 냉각하는 구성으로서, 상기 공랭식 냉각시스템에 추가적으로 채택되거나 단독적으로 사용된다.

그러나 수랭식 냉각시스템은 공랭식 냉각시스템에 비해 고가로서, 단독으로 냉각하는 경우에는 공랭식 냉각시스템에 비해 냉각 성능이 비슷하거나 오히려 떨어지는 수준이어서 이 역시 컴퓨터부품을 안정적으로 냉각하기 어려운 실정이다.

한편, 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.

특히 펠티에 효과를 이용하여, 열-전기 열펌프로서 소형의 고체상의 소자로 증기압축식이나 흡수식 냉동기와 비슷한 냉각기능을 수행할 수 있도록 만든 소자를 열전냉각모듈(Thermoelectric Cooling Module)이라 한다.

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.

도 1은 이러한 열전냉각모듈의 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 1과 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.

상기 열전냉각모듈은 작동 환경에 따라 그 효율과 용량이 변화하게 되는데, 냉온 양측면의 온도차가 클수록 효율이 낮아지는 경향이 있다는 사실이 잘 알려져 있다.

따라서 열전냉각모듈의 냉온 양측면의 온도차를 감소시켜 줄수록 열전냉각모듈의 효율이 상승된다. 이와 같이 열전냉각모듈은 전기에너지와 열에너지를 상호 교환할 수 있게 해 주는 소자이다.

일반적인 열전냉각모듈은 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.

이 때, (+), (-)의 전기를 외부에서 인가해 주면, 일측에서는 흡열 현상이, 타측에서는 방열 현상이 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 초소형 열전냉각모듈이 컴퓨터부품의 최대 발열이 일어나는 국소 부위에 인접하게 위치됨으로써 컴퓨터부품의 냉각 성능을 보다 향상할 수 있는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 컴퓨터부품(500)에 인접하게 구비되어 냉각하는 컴퓨터부품 냉각장치(1000)에 있어서, 상기 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 컴퓨터부품(500) 일측과 접하는 면에 일정 영역이 오목하게 제1안착부(210)가 형성되는 히트싱크(200); 상기 히트싱크(200)의 컴퓨터부품(500)과 접하지 않는 타측에 형성되는 팬(400); 및 상기 제1안착부(210)에 구비되어 상기 컴퓨터부품(500)과 접하며, 인가 전압에 의해 상기 컴퓨터부품(500)으로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크(200)로 열을 방출하는 초소형 열전냉각모듈(100); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 상기 컴퓨터부품(500)의 중앙 영역에 인접한 최대 발열 부분에 상응하도록 상기 히트싱크(200)의 제1안착부(210)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트싱크(200)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)에 전원을 인가하는 전극(140)이 안착되도록 상기 제1안착부(210)의 일측에 오목한 제2안착부(220)가 연장형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 500 ~ 1,000 ㎛ 의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 열전도성접착제(300)에 의해 상기 제1안착부(210)에 접착되는 것을 특징으로 하며, 상기 열전도성접착제(300)는 인듐(In)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 가로 길이가 5 ~ 15 mm, 세로 길이가 5 ~ 15 mm 로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치는 박막의 초소형 열전냉각모듈을 이용하여 컴퓨터 부품의 최대 발열 부분을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 크기가 증가되거나 별도의 구성이 본체에 구비될 필요가 없어 소형화가 가능한 장점이 있다.

도 1은 열전냉각모듈의 작동 원리 및 기본 형태를 나타낸 도면.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
도 5는 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치의 초소형 열전냉각모듈의 일 예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치를 이용한 씨피유의 온도분포도.((a)- 열전냉각모듈 작동, (b) 열전냉각모듈 미작동)
도 7은 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치를 이용하였을 때 씨피유 중심의 가로방향 온도를 나타낸 도면.
도 8은 일반적인 씨피유의 부하에 따른 코어 내부의 온도를 나타낸 도면.
도 9는 열전냉각모듈의 작동에 따른 냉각 효과를 나타낸 도면.

이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 컴퓨터부품(500)에 인접하게 구비되어 컴퓨터부품(500)으로부터 발생되는 열을 냉각하는 장치로서, 히트싱크(200), 팬(400) 및 초소형 열전냉각모듈(100)을 포함하여 형성된다.

본 발명에서, 상기 컴퓨터부품(500)이 씨피유를 포함하며, 컴퓨터 내부에 구비되어 열에 의해 오작동이 유발될 수 있는 부품(500)이 모두 해당된다.

상기 히트싱크(200)는 상기 컴퓨터부품(500)의 일측에 접하여 방열하는 수단으로서, 상기 히트싱크(200)의 컴퓨터부품(500)과 접하는 일측면에는 일정 영역이 오목하게 제1안착부(210)가 형성된다.

상기 제1안착부(210)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 안착되는 부분으로서, 상기 초소형 열전냉각모듈(100) 및 나머지 히트싱크(200) 부분이 상기 컴퓨터부품(500)과 접하도록 상기 초소형 열전냉각모듈(100)의 형성 두께에 상응되는 깊이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 전압을 인가하기 위하여 전선(150)이 구비되는데, 상기 전원이 안착될 수 있도록, 상기 히트싱크(200)는 상기 제1안착부(210)의 일측에 오목한 제2안착부(220)가 연장형성된다.

상기 제1안착부(210)의 위치 및 크기는 컴퓨터부품(500)의 최대 발열 부분에 대응되도록 형성되어 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 상기 컴퓨터부품(500)의 최대 발열 부분을 효과적으로 냉각할 수 있도록 한다.

도 5 (b)를 참조하면, 컴퓨터부품(500)은 일반적으로 중앙 부분에 인접하여 발열이 제대로 이루어지지 않아 중앙부 특정 영역의 온도가 최대로 형성되며, 주변부로 갈수록 온도가 저하된다.

다시 말해, 컴퓨터부품(500)의 오작동은 특히 중앙 부분의 온도 상승에 의하여 유발되는 것으로서, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 최대 발열 부분이 초소형 열전냉각모듈(100)에 의해 냉각됨으로써 냉각효율을 보다 향상할 수 있는 장점이 있다.

도면에서 상기 히트싱크(200)는 단일 몸체로 형성된 예를 도시하였으나, 베이스부와 핀의 결합에 의해 형성된 구성 등 더욱 다양한 형태가 이용될 수 있다.

상기 팬(400)은 상기 히트싱크(200)의 컴퓨터부품(500)과 접하지 않는 타측에 형성되는 구성으로서, 공기를 송풍하여 히트싱크(200) 및 컴퓨터부품(500)을 냉각한다.

즉, 상기 높이방향으로 팬(400)-히트싱크(200)-컴퓨터부품(500)이 위치되며, 상기 히트싱크(200)와 컴퓨터부품(500) 사이의 일정 영역에 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 구비된다.

상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 상기 히트싱크(200)의 제1안착부(210)에 구비되며, 일측이 상기 컴퓨터부품(500)과 접하게 형성된다.

이 때, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 인가되는 전압에 의해 상기 컴퓨터부품(500)으로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크(200)로 열을 방출한다.

도 5에 초소형 열전냉각모듈(100)을 상세히 나타내었다.

상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 열전소자(110), 상부 도체(121), 하부 도체(122), 상부 기판(131), 하부 기판(132), 전극(140) 및 전선(150)을 포함하여 구비되며, 상기 열전소자(110)는 N형 반도체(111) 및 P형 반도체(112)를 포함하여 복수개 배치되는 구성으로서, 상기 열전소자(110)의 상측에 상부 도체(121) 및 하측에 하부 도체(122)가 형성된다.

또한, 상기 상부 도체(121) 및 하부 도체(122)는 상기 상부 기판(131) 및 하부 기판(132)에 의해 지지된다.

상기 전극(140)은 상기 상부 도체(121) 또는 하부 도체(122)의 일측에 형성되며, 상기 전선(150)이 전극(140)에 부착된다.

상기 전선(150)은 (+)와 (-)극 한 쌍이 구비된다.

도면에서, 상기 전극(140)이 하부 도체(122)에 형성되는 예를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 P와 N형 반도체의 두께가 10~20 ㎛가 되는 박막 형태의 것으로서, 기존의 벌크(bulk) 형태에 비해 반도체 제조 공정에서 사용하는 스퍼터링(Sputtering) 등의 박막공정으로 제작되며, 상기 상부 기판(131) 및 하부 기판(132) 역시 실리콘웨이퍼를 사용함으로써 열전냉각모듈(100)의 전체 두께가 500 ~ 1000 ㎛로서 기존의 형태에 비해 차지하는 체적이 100배 이하가 되는 초소형의 특징이 있다.

아울러, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 가로 길이가 5 ~ 15 mm, 세로 길이가 5 ~ 15 mm 로 형성되는 것으로서, 컴퓨터부품의 최대 발열 부분인 영역에 구비된다.

상기 가로 길이 및 세로 길이는 전선을 제외한 구성의 길이를 의미하며, 박막 형태로 제조가 용이하며, 컴퓨터 부품의 최대 발열 영역에 인접하게 구비되기 용이하도록 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)의 가로 길이가 5 ~ 15 mm, 세로 길이가 5 ~ 15 mm 로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 박막의 초소형 열전냉각모듈(100)을 이용하여 컴퓨터 부품(500)의 최대 발열 부분을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 크기가 증가되거나 별도의 구성이 본체에 구비될 필요가 없어 소형화가 가능한 장점이 있다.

아울러, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 열전도성접착제(300)에 의해 상기 제1안착부(210)에 접착되어 상기 히트싱크(200)와 초소형 열전냉각모듈(100)의 고정력을 증대하고, 열전달 효율을 더욱 높일 수 있다.

이 때, 상기 열전도성접착제(300)는 인듐을 포함하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)를 이용한 씨피유의 온도분포를 나타낸 것으로서, 도 6 (a)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동할 때, 상기 도 6 (b) 상기 초소형 열전냉각모듈(100) 작동되지 않을 때를 나타내었다.

도면에서 도 6 (a)는 도 6 (b)에 비하여 고온의 붉은색이 적으며, 낮은 푸른색(보라빛)이 증가되어 전체적으로 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동할 때, 냉각 성능을 발휘함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)를 이용하였을 때 씨피유 중심의 가로방향 온도를 나타낸 도면으로서, X축은 씨피유(CPU) 중앙 영역의 가로방향을 나타내며, Y축은 각 지점의 온도를 나타내었다.

상기 도 7에서 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동하지 않는 상태를 실선, 종래로 표시하였고, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동하는 상태를 점선, 본 발명으로 표시하였다.

상기 도 7에 나타낸 바와 같이, 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동할 때, 약 5℃ 이상의 온도 차이를 보이며, 이에 따라, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 컴퓨터부품(500)의 최대 발열 부분을 효과적으로 냉각할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 실제 씨피유 코어 내부의 온도를 나타낸 것으로서, 컴퓨터에 최대 부하를 주었을 때 씨피유 코어 내부 온도는 약 70℃ 이상으로 상승한다.

즉, 씨피유 커버에 비해 코어 내부 온도는 더 높은 상태이며, 씨피유 코어 내부 온도의 상승에 따라 씨피유 커버의 온도 역시 증가된다.

도 9는 열전냉각모듈(100)의 작동에 따른 냉각 효과를 나타내기 위하여 씨피유 케이스의 일정 영역을 타측에서 가열하고, 일측에서 초소형 열교환매체를 작동하거나 미작동하였을 때의 온도 분포를 나타내었다.

상기 도 9에서 상기 도 7과 같이, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동하지 않는 상태를 실선, 종래로 표시하였고, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동하는 상태를 점선, 본 발명으로 표시하였다.

도 9에서 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동되지 않을 경우의 최대 온도는 139℃이며, 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 작동할 경우의 최대 온도는 125℃로서, 본 발명의 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 도 7 및 도 8을 통해 온도가 낮을 때나 높을 때 모두 초소형 열전냉각모듈(100)에 의한 냉각 효과를 충분히 기대할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 컴퓨터부품 냉각장치
100 : 초소형 열전냉각모듈
110 : 열전소자 111 : N형 반도체
112 : P형 반도체
121 : 상부 도체 122 : 하부 도체
131 : 상부 기판 132 : 하부 기판
140 : 전극
150 : 전선
200 : 히트싱크 210 : 제1안착부
220 : 제2안착부
300 : 열전도성접착제
400 : 팬
500 : 컴퓨터부품

Claims

컴퓨터부품(500)에 인접하게 구비되어 냉각하는 컴퓨터부품 냉각장치(1000)에 있어서,
상기 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는
상기 컴퓨터부품(500) 일측과 접하는 면에 일정 영역이 오목하게 제1안착부(210)가 형성되는 히트싱크(200);
상기 히트싱크(200)의 컴퓨터부품(500)과 접하지 않는 타측에 형성되는 팬(400); 및
상기 제1안착부(210)에 구비되어 상기 컴퓨터부품(500)과 접하며, 인가 전압에 의해 상기 컴퓨터부품(500)으로부터 열을 흡수하여 상기 히트싱크(200)로 열을 방출하는 초소형 열전냉각모듈(100); 을 포함하는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 상기 컴퓨터부품(500)의 중앙 영역에 인접한 최대 발열 부분에 상응하도록 상기 히트싱크(200)의 제1안착부(210)가 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 열전냉각모듈(100)을 이용한 컴퓨터 부품 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 히트싱크(200)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)에 전원을 인가하는 전극(140)이 안착되도록 상기 제1안착부(210)의 일측에 오목한 제2안착부(220)가 연장형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 500 ~ 1,000 ㎛ 의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
제4항에 있어서,
상기 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치(1000)는 상기 초소형 열전냉각모듈(100)이 열전도성접착제(300)에 의해 상기 제1안착부(210)에 접착되는 것을 특징으로 하는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
제5항에 있어서,
상기 열전도성접착제(300)는 인듐(In)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 열전냉각모듈을 이용한 컴퓨터부품 냉각장치.
제4항에 있어서,
상기 초소형 열전냉각모듈(100)은 가로 길이가 5 ~ 15 mm, 세로 길이가 5 ~ 15 mm 로 형성되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터부품 냉각장치.