KR20240069837A - 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자와 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펠티에 효과를 기초로 방열을 수행하는 열전소자의 열전도율()과 방열 성능을 향상시키는 필러로서,
열전도율()을 변화시키면서 이에 따른 상기 방열 성능의 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어져, 상기 열전소자 내 지지체 상의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 충진되는 것을 특징으로 하여,
기존 열전도율이 매우 낮아 열 관리에 사용되지 못했던 상용 열전소자의 내부에 열전도성 필러를 채워 넣음으로써, 열전소자의 열전도율을 보다 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 과열점 냉각(hotspot cooling)에 최적화되면서 콤팩트(compact)한 사이즈의 열전소자를 구현 및 상용화할 수 있는 효과가 있다.
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기존 열전도율이 매우 낮아 열 관리에 사용되지 못했던 상용 열전소자의 내부에 열전도성 필러를 채워 넣음으로써, 열전소자의 열전도율을 보다 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 과열점 냉각(hotspot cooling)에 최적화되면서 콤팩트(compact)한 사이즈의 열전소자를 구현 및 상용화할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 물질 내부에서 동력계수와 열전도도를 독립 제어하는 대신, 디바이스 단위에서 열전도성 필러를 넣는 구성을 통해 동력계수에 독립적으로 열전도율을 제어하도록 할 수 있고, 이에 따라, 방열 성능을 보다 향상시킬 수 있는 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열전소자(TEC : Thermoelectric Cooler)는 펠티에 효과를 이용하여 전기를 인가해 방열을 하는 디바이스로서, 진동이나 소음 그리고 냉각유체가 필요하지 않아 열 관리에 유용하게 사용될 수 있다.
그러나, 현재 상용화된 열전소자는 냉동(refrigeration) 상황에 최적화되어 낮은 열전도율(thermal conductance)을 갖게 설계되어 있고, 전자기기, 배터리 등 세밀한 열 관리가 필요한 상황이 냉동이 아닌, 뜨거운 곳에서 열을 빼는 과열점 냉각(hotspot cooling) 상황임을 고려해봤을 때, 열전소자의 상용화를 촉진시키기 위해서는 높은 열전도율을 갖는 열전소자의 개발이 필수적이다.
즉, 냉각 상태는 상술한 두 가지의 전제 상황으로 정의될 수 있는데, 먼저, 부엌의 냉장고와 같이, 열 흡수부 온도가 열을 방출하는 곳의 온도(주로 상온)보다 낮은 “냉동(refrigeration)”의 경우, 도 1의 (a)와 같이, 전류를 걸어줘서 열을 빼는 펠티에(Peltier = 
, Ｓ: 제백계수, 
: 펠티어 소자에 흐르는 전류, Ｔ: 절대 온도) 효과와 전도에 의해 발생하는 퓨리에(Fourier = 
, 
: 열전도성 물질의 열전도율, 
: 상단과 하단의 온도 차) 효과의 열 흐름 방향이 정반대이다.
이 경우에, 열전소자가 가져야 할 최적의 물성은 펠티에 효과를 높일 수 있는 큰 동력계수(power factor = 
, 
: 전기전도도)와 반대로 작용하는 퓨리에 효과를 막을 수 있는 작은 열전도도(thermal conductivity, 
)이다.
이러한 점에서, 냉동용 열전소자의 냉각 효율은 열전소자의 발전효율에 비례하는 무차원 성능계수(thermoelectric figure of merit)과 일치한다. 다시 말해, 성능계수가 좋은 물질이 냉동을 효율적으로 한다는 의미가 된다.
한편, 열 흡수부 온도가 열을 방출하는 곳의 온도보다 높은 “과열점 냉각(hotspot cooling)”의 경우, 도 1의 (b)와 같이, 펠티에 효과와 퓨리에 효과의 열흐름 방향이 일치하므로, 열전소자의 최적 물성치는 펠티에 효과를 높일 수 있는 큰 동력계수(power factor - 이하 'PF'라 함), 그리고 퓨리에 효과를 높일 수 있는 큰 열전도도가 된다.
이러한 작지만 분명한 차이는 과열점 냉각용 열전 소재(material) 및 소자(device)의 설계에 새로운 기준이 필요함을 시사하며 기존 냉동에서 사용돼온 기준이 동일하게 적용될 수 없고, 대표적으로, 앞서 기술되었던 대로 성능계수가 좋은 물질이 꼭 효율 좋은 과열점 냉각 성능을 보장하는 것은 아니다.
그럼에도 불구하고, 현재 상용화된 대부분의 열전소자들은 냉동에 최적화된 낮은 열전도도를 갖는 Bi-Te 계열 물질로 이루어져 있으며, 도 1의 (c)에 나타난 바와 같이, 그 구조 또한 낮은 열전도율을 갖게 설계되어 있는데, 전자기기 및 배터리 등 대부분의 열 관리가 필요한 상황이 냉동이 아닌 과열점 냉각임을 고려해봤을 때, 현재 상용화되어 있는 냉동용 열전소자에서 벗어나 과열점 냉각에 최적화된 소재 및 소자를 개발하는 것이 필수적이다.
종래에는 PF가 높은 동시에, 열전도도 역시 높은 물질을 개발하기 위한 기술들이 제안되어 오고 있으나, 물질 내에서 PF를 구성하는 Ｓ와 
, 그리고 
는 서로 electronic carrier concentration(전자 캐리어 농도)에 대해 얽혀 있기 때문에 각각의 파라미터를 독립적으로 제어하는 것은 어려운 일로 알려져 있다.
따라서, 디바이스 단위에서 PF에 독립적으로 열전도율을 제어하도록 하고, 이에 따라, 기존 열 관리에서 낮은 효율로 외면받아왔던 열전소자의 열효율을 높여 상용화에 대한 가능성을 촉구할 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 물질 내부에서 동력계수와 열전도도를 독립 제어하는 대신, 디바이스 단위에서 열전도성 필러를 넣는 구성을 통해 동력계수에 독립적으로 열전도율을 제어하도록 할 수 있고, 이에 따라, 방열 성능을 보다 향상시킬 수 있는 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자와 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 수단인 본 발명에 따른 열전도성 필러는, 펠티에 효과를 기초로 방열을 수행하는 열전소자의 열전도율()과 방열 성능을 향상시키는 필러로서, 열전도율()을 변화시키면서 이에 따른 상기 방열 성능의 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어져, 상기 열전소자 내 지지체 상의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 충진될 수 있다.
또한, 상기 열전소자의 열전도율()은, 상기 열전도성 필러의 열전도율()과 상기 열전도성 물질의 열전도율()의 합일 수 있고, 상기 열전도성 필러는, 상기 열전도율() 증가에 따라 상기 열전소자의 열전도율()을 증가시킬 수 있으며, 상기 열전소자의 열전도율() 증가는, 상기 열전소자의 디바이스 자체온도()를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 제3 물질은, TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제4 물질은, 열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질일 수 있되, 상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS일 수 있고, 상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb일 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러는, 상기 열전소자에 열(Q)이 주어졌을 경우, 전류(I)의 인가가 없는 상태에서도 상기 열전소자의 디바이스 자체 온도를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러는, 상기 제1 물질인 폴리머-세라믹 복합체와, 상기 제2 물질 중 BN을 혼합하여 이루어지되, 상기 혼합된 제1,2 물질 간의 비율은, 60 내지 80 : 20 내지 40 일 수 있고, 상기 열전소자에 56,000 W/m2 내지 57,000 W/m2 의 열이 주어졌을 경우, 전류를 인가한 상태에서는, 상기 열전소자의 디바이스 자체온도를 10K 내지 20Ｋ 감소시킬 수 있으며, 전류의 인가가 없는 상태에서는, 상기 열전소자의 디바이스 자체 온도를 30Ｋ 내지 70Ｋ 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자로서, 미리 설정된 간격으로 배열된 한 쌍의 절연기판으로 이루어지는 지지체; 상기 절연기판 상에 이루어지는 전극부; 상기 전극부 상에 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전 레그부; 상기 전극부를 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극; 및 상기 P형 반도체 및 상기 N형 반도체의 이격에 의해 형성되는 간극에 충진되는 열전도성 필러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러는, 열전도율을 변화시키면서 이에 따른 상기 열 관리용 열전소자의 방열 성능에 대한 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열 관리용 열전소자는, 상기 열전도성 필러의 열전도도 증가, 상기 열전도성 필러의 면적 증가, 상기 열전도성 필러의 두께 감소 중 적어도 하나에 따라 열전도율이 증가할 수 있다.
또한, 상기 열 관리용 열전소자는, 상부 절연기판 및 하부 절연기판으로 이루어지는 지지체; 상기 상부 절연기판 상에 패턴화되어 형성된 상부 전극과, 상기 하부 절연기판 상에 패턴화되어 형성된 하부 전극으로 이루어지는 전극부; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 개재되어 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전 레그부; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극을 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극; 및 상기 P형 반도체 및 상기 N형 반도체의 이격에 의해 형성되는 간극에 충진되는 열전도성 필러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열 관리용 열전소자는, 상기 증가된 열 관리용 열전소자의 열전도율로 인해 상기 지지체의 상부 절연기판의 온도가 감소하여, 동일한 양의 전류를 펠티어 소자에 흘려줬을 때, 냉각 효과가 증가할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러의 제3 물질은, TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 열전도성 필러의 제4 물질은, 열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질일 수 있되, 상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS일 수 있고, 상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb일 수 있다.
다른 한편, 본 발명은 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자를 제조하는 방법으로서, a) P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 간극을 형성하는 제1 열전소자를 제작하는 단계; 및 b) 상기 a)단계를 통해 제작되는 상기 제1 열전소자의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 형성된 간극에, 임의의 열전도성 물질로 이루어진 열전도성 필러가 충진되도록 하여 열 관리를 위한 제2 열전소자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 b)단계는, b-1) 상기 열전도성 물질이 포함된 용액을 저장조에 준비하는 단계; b-2) 상기 a)단계를 통해 제작되는 상기 제1 열전소자를 상기 b-1)단계의 상기 저장조에 투입하여 상기 용액에 침지시킨 후, 경화되도록 하는 단계; 및 b-3) 상기 b-2)단계를 통해 경화된 경화물의 테두리를 상기 제1 열전소자의 지지체 크기에 대응되도록 커팅하여, 상기 제1 열전소자의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 형성되는 간극에 상기 열전도성 필러가 충진된 형태의 상기 제2 열전소자를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전도성 물질은, 열전도율을 변화시키면서 이에 따른 상기 방열 성능의 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제3 물질은, TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제4 물질은, 열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질일 수 있되, 상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS일 수 있고, 상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb일 수 있다.
본 발명에 따른 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자와 그 제조방법은, 기존 열전도율이 매우 낮아 열 관리에 사용되지 못했던 상용 열전소자의 내부에 열전도성 필러를 채워 넣음으로써, 열전소자의 열전도율을 보다 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 과열점 냉각(hotspot cooling)에 최적화되면서 콤팩트(compact)한 사이즈의 열전소자를 구현 및 상용화할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 냉동 및 과열점 냉각으로 정의되는 각 전제 상황에서의 펠티에 효과 및 퓨리에 효과가 종래 상용 열전소자에 적용되는 모습과, 종래 상용 열전소자의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 열전도성 필러를 구성하는 물질에 따른 상기 각 전제 상황에서의 작용효과를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 5는 도 4에 따른 제조공정을 구체적으로 나타낸 이미지 및 도면.
도 6은 종래의 제1 열전소자와 본 발명의 제2 열전소자를 각각 나타내는 SEM 이미지.
도 7은 BN의 양에 따른 열전도성 필러 구성 물질의 열전도도 변화를 나타낸 그래프 및 상기 구성 물질을 넣은 열전도성 필러로 넣은 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 열전도성 필러의 열전도도 증가에 따른 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프 및 열전소자에 대한 전류 인가에 따른 상하단부(상하부 절연기판)의 온도차 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자가 실제 적용되는 예를 나타내는 사용예시도.
도 10은 주된 열전달 방향이 횡방향인 상용 열전소자 및 그에 적용된 실시예의 열 관리용 열전소자를 개략적으로 나타낸 도면.
도 11은 호이슬러 화합물의 과열점 냉각 성능을 나타낸 그래프.
도 12는 MEMS 공정을 이용한 제1 열전소자 제작단계를 나타낸 모식도.
도 13은 열전도성 필러를 제2 물질로 구성할 경우의 절연공정 추가를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 열전도성 필러를 구성하는 물질에 따른 상기 각 전제 상황에서의 작용효과를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.
도 5는 도 4에 따른 제조공정을 구체적으로 나타낸 이미지 및 도면.
도 6은 종래의 제1 열전소자와 본 발명의 제2 열전소자를 각각 나타내는 SEM 이미지.
도 7은 BN의 양에 따른 열전도성 필러 구성 물질의 열전도도 변화를 나타낸 그래프 및 상기 구성 물질을 넣은 열전도성 필러로 넣은 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 열전도성 필러의 열전도도 증가에 따른 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프 및 열전소자에 대한 전류 인가에 따른 상하단부(상하부 절연기판)의 온도차 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자가 실제 적용되는 예를 나타내는 사용예시도.
도 10은 주된 열전달 방향이 횡방향인 상용 열전소자 및 그에 적용된 실시예의 열 관리용 열전소자를 개략적으로 나타낸 도면.
도 11은 호이슬러 화합물의 과열점 냉각 성능을 나타낸 그래프.
도 12는 MEMS 공정을 이용한 제1 열전소자 제작단계를 나타낸 모식도.
도 13은 열전도성 필러를 제2 물질로 구성할 경우의 절연공정 추가를 나타낸 모식도.
이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 냉동 및 과열점 냉각으로 정의되는 각 전제 상황에서의 펠티에 효과 및 퓨리에 효과가 종래 상용 열전소자에 적용되는 모습과, 종래 상용 열전소자의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 열전도성 필러를 구성하는 물질에 따른 상기 각 전제 상황에서의 작용효과를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이며, 도 5는 도 4에 따른 제조공정을 구체적으로 나타낸 이미지 및 도면이고, 도 6은 종래의 제1 열전소자와 본 발명의 제2 열전소자를 각각 나타내는 SEM 이미지이며, 도 7은 BN의 양에 따른 열전도성 필러 구성 물질의 열전도도 변화를 나타낸 그래프 및 상기 구성 물질을 넣은 열전도성 필러로 넣은 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8은 열전도성 필러의 열전도도 증가에 따른 열전소자의 열전도율 변화를 나타낸 그래프 및 열전소자에 대한 전류 인가에 따른 상하단부(상하부 절연기판)의 온도차 변화를 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자가 실제 적용되는 예를 나타내는 사용예시도이고, 도 10은 주된 열전달 방향이 횡방향인 상용 열전소자 및 그에 적용된 실시예의 열 관리용 열전소자를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 11은 호이슬러 화합물의 과열점 냉각 성능을 나타낸 그래프이고, 도 12는 MEMS 공정을 이용한 제1 열전소자 제작단계를 나타낸 모식도이며, 도 13은 열전도성 필러를 제2 물질로 구성할 경우의 절연공정 추가를 나타낸 모식도이다.
열전도성 필러
본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러(150)는 펠티에 효과를 기초로 방열을 수행하는 열 관리용 열전소자(100, 100')의 열전도율()과 방열 성능을 향상시키는 필러(Filler)로서,
본 발명에 의하면, 상용의 열전소자(Classical TEC, 10, 10') 내 지지체(110) 상의 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132) 사이에 형성되는 간극(G)에 충진되는 것이 바람직하다.
이러한 상기 열전도성 필러(150)는 열전도율(
)을 변화시키면서 이에 따른 방열성능의 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성(thermally anisotrpic)을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어질 수 있다.
예컨대, 도 2의 (b)를 참조하여, 많은 열이 가해져 과열점 냉각(hotspot cooling)에 해당하는 경우에는, 고정적인 열전도도를 갖는 제1 필러가 들어간 열전소자가, 상기 제1 필러가 안들어간 열전소자에 비해 항상 유리하다.
이 경우에, 후술될 실험에 사용된 상대적으로 낮은 열전도도의 상기 제1 물질을 포함하여, 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 상기 제2 물질들도 제1 필러로 매우 유용할 것이다.
여기서, 상기 폴리머-세라믹 복합체는 두 물질의 조합 및 조성에 따라 0.1 W/m·Ｋ 수준의 열전도도를 수십 배 이상 올릴 수 있다.
특히, 상기 상용 열전소자(10)에서 주된 열전달 방향이 종방향(longitudinal, Heat -> Sink)이므로, 열적 이방성을 가지면서 높은 열전도도를 갖는 상기 제3 물질들이 제1 필러로 유망할 것이다.
이때, 상기 제3 물질은 TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
한편, 가해지는 열이 많지 않아, 도 2의 (d)와 같이, 상기 과열점 냉각이 아닌 냉동(refrigeration) 모드나 도 2의 (c)와 같이, 그 사이 영역에 있는 경우, 고정적인 열전도도를 갖는 상기 제1 필러가 들어간 열전소자는 상기 제1 필러가 없는 열전소자에 비해 낮은 열효율을 갖을 수 있다.
따라서, 과열점 냉각 구간에서는 높은 열전도도를 갖고, 냉동 구간에서는 낮은 열전도도를 갖는 보다 기능적인 상기 제4 물질을 제2 필러로 사용한다면 모든 상황에서 상기 제1,2 필러가 없는 열전소자보다 유리한 열전소자를 만들 수 있다.
이러한 상기 제4 물질은 열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화가능한 물질인 것이 바람직하고, 예컨대, 상기 열에너지에 의해 열전도도가 변화되는 물질로서, VO2, NiFeS 등이 적용될 수 있으며, 상기 자기장에 의해 열전도도가 변화되는 물질로서, InSb, BiSb 등이 적용될 수 있으나, 해당 관련분야의 통상지식을 가진 당업자에 의해 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양한 공지의 열 다이오드계 재료가 적용될 수 있다.
본 발명에서는 실제 구현을 위한 실험의 용이성을 위해 상기 열전도성 필러(150)를 제1 물질인 폴리머-세라믹 복합체와, 상기 제2 물질 중 BN을 혼합하여 이루어지도록 하고, 상기 혼합된 제1,2 물질 간의 비율은 67 : 33 이 되도록 구성하고 있으나, 이는 본 발명의 바람직한 하나의 실시예일 뿐, 이에 한정되지는 않는다.
이러한 본 발명의 상기 열전도성 필러(150)가 적용된 실시예에 따라, 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')에 56,000 W/m2 내지 57,000 W/m2 의 열(Q)이 주어졌을 경우, 전류(I)의 인가가 없는 상태에서는, 상기 상용 열전소자(10, 10')의 디바이스 자체 온도(
)를 30Ｋ 내지 70Ｋ 감소시킬 수 있고, 1A의 전류를 인가한 상태에서는, 상기 상용 열전소자(10, 10')의 디바이스 자체온도를 10Ｋ 내지 20Ｋ 감소시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')의 열전도율()은 상기 열전도성 필러(150)의 열전도율()과 상기 열전도성 물질의 열전도율()의 합일 수 있고, 상기 열전도성 필러(150)는 상기 열전도율() 증가에 따라 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')의 열전도율()을 증가시킬 수 있으며, 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')의 열전도율() 증가는 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')의 디바이스 자체온도()를 감소시킬 수 있다.
열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자
한편, 본 발명의 실시예에 따른 열 관리용 열전소자(100, 100')는 상기와 같은 열전도성 필러(150)를 이용한 열전소자로서, 미리 설정된 간격으로 배열된 한 쌍의 절연기판(111, 112)으로 이루어지는 지지체(110)와, 상기 절연기판(111, 112) 상에 이루어지는 전극부(120)와, 상기 전극부(120) 상에 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)로 이루어지는 열전 레그부(130)와, 상기 전극부(120)를 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극(140)과, 상기 P형 반도체(131) 및 상기 N형 반도체(132)의 이격에 의해 형성되는 간극(G)에 충진되는 열전도성 필러(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')는 본 발명에 의하면, 상기 열전도성 필러(150)의 열전도도 증가, 상기 열전도성 필러(150)의 면적 증가, 상기 열전도성 필러(150)의 두께 감소 중 적어도 하나에 따라 열전도율이 증가하는 것이 바람직하다.
좀 더 구체적으로, 상기 열 관리용 열전소자(100, 100')는 주된 열전달 방향에 따라 다른 실시예가 적용되면서 상술한 열전도성 필러(150)를 제외한 구성의 상용 열전소자(10, 10')에, 열 관리를 위해 상기 열전도성 필러(150)를 포함시킨 열전소자로서, 도 3은 주된 열전달 방향이 종방향인 상용 열전소자(10)가 적용된 실시예의 상기 열 관리용 열전소자(100)를 나타내는 것이며, 반면, 주된 열전달 방향(W)이 횡방향인 상용 열전소자(10')는 도 10의 (a)와 같이, 이가 적용된 실시예의 상기 열 관리용 열전소자(100')는 도 10의 (b)와 같이 개략적으로 나타낼 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 도 3에 도시된 상기 열 관리용 열전소자(100)가 적용될 수 있고, 이를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상기 열 관리용 열전소자(100)는 상부 절연기판(111) 및 하부 절연기판(112)으로 이루어지는 지지체(110)와, 상기 상부 절연기판(111) 상에 패턴화되어 형성된 상부 전극(121)과 상기 하부 절연기판(112) 상에 패턴화되어 형성된 하부 전극(122)으로 이루어지는 전극부(120)와, 상기 상부 전극(121)과 하부 전극(122)에 개재되어 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)로 이루어지는 열전 레그부(130)와, 상기 상부 전극(121)과 하부 전극(122)을 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극(140)과, 상기 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)의 이격에 의해 형성되는 간극(G)에 충진되는 열전도성 필러(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 상기 열 관리용 열전소자(100)는 상기 증가된 열 관리용 열전소자(100)의 열전도율로 인해 상기 지지체(110)의 상부 절연기판(111)의 온도가 감소하여, 동일한 양의 전류를 펠티어 소자에 흘려줬을 때, 냉각 효과가 증가할 수 있다.
상기 상하부 절연기판(111, 112)으로는 갈륨비소 (GaAs), 사파이어, 실리콘, 파이렉스, 석영 기판 등이 적용될 수 있다.
상기 상하부 전극(121, 122)은 알루미늄, 니켈, 금, 티타늄 등 다양하게 선택될 수 있고, 그 크기 또한 다양하게 선택될 수 있으며, 상기 패턴화되는 방법은 종래 알려져 있는 패터닝 방법을 제한 없이 사용할 수 있되, 예컨대, 리프트 오프 반도체 공정, 증착 방법, 포토리소그래피법 등을 사용할 수 있다.
상기 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)는 임의의 열전반도체 재료에 따라 p-타입 또는 n-타입이 결정되는 구성으로서, 소정 형상, 예를 들어 직육면체의 형상으로 형성한 것을 의미할 수 있고, 스파크 플라즈마 소결법(spark plasma sintering method)을 이용해 가압 소결함으로써 제조될 수 있으며, 이와 같은 가압 소결 과정을 통하여 벌크상의 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)가 얻어질 수 있다.
이러한 상기 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132)는 절단 가공 등의 방법으로 상기 직육면체의 형상으로 형성하여 열전소자에 적용될 수 있고, 상기 상하부 전극(121, 122)과 결합되어 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타내거나, 열전소자의 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있다.
상기 열전반도체 재료는 도 11을 참조하여, 과열점 냉각 조건에서 사용되기에 높은 열전도도 및 큰 동력계수를 지닌 열전소재가 적용되어 상기 p-n 타입의 열전 레그부(130)를 구성해야하므로, 코발트와 같은 금속물질, GaSbLi2, HgPbCa2, SnTiRu2 등의 호이슬러 화합물이 적용되는 것이 바람직하나, 당업계에서 사용가능한 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있고, 예를 들어 금속원소, 전이금속 원소, 희토류 원소, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소 및 16족 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 열전반도체를 하나 이상 사용할 수 있다.
상기 금속원소로서는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등을 사용할 수 있고, 상기 희토류 원소로서는 Y, Ce, La 등을 사용할 수 있으며, 상기 전이금속으로서는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Re 중 하나 이상을 사용할 수 있고, 상기 13족 원소로서는 B, Al, Ga, In 중 하나 이상을 사용할 수 있으며, 상기 14족 원소로서는 C, Si, Ge, Sn, Pb 중 하나 이상을 사용할 수 있으고, 상기 15족 원소로서는 P, As, Sb, Bi 중 하나 이상을 사용할 수 있으며, 상기 16족 원소로서는 S, Se, Te 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 원소들 중에서 2 이상의 원소를 포함하는 열전반도체 재료를 하나 이상 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 열전반도체 재료는 비스무트(Bi), 텔루르(Te), 안티몬(Sb), 셀레늄(Se), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 루테늄(Rh), 인듐(In), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 납(Pb), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 칼슘(Ca)에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함한 화합물을 포함할 수 있다.
이와 같은 원소를 포함하는 열전반도체 재료의 예로서는 Bi-Te계, Co-Sb계, Pb-Te계, Ge-Tb계, Si-Ge계, Sb-Te계, Sm-Co계, 전이금속 규화물계 등의 열전반도체를 사용할 수 있다. 이들 열전반도체들은 상기 전이금속, 희토류 원소, 13족 원소, 14족 원소, 15족 원소 및 16족 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 도펀트로서 포함하여 전기적 특성 등을 개선하는 것이 가능하다.
상기 리드 전극(140)은 일반적인 공지의 구성이 적용될 수 있고, 상술한 지지체(110), 전극부(120), 열전 레그부(130) 및 리드 전극(140)은 통상적으로 게재된 상용 열전소자(10, 10')의 하위 구성을 따르는 것이므로, 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법
다른 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법은 상기와 같은 열전도성 필러(150)를 이용한 열 관리용 열전소자(100)를 제조하는 방법으로서, 제1 열전소자 제작단계(S100) 및 제2 열전소자 생성단계(S200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 열전소자 제작단계(S100)에서는 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132) 사이에 간극(G)을 형성하는 임의의 상용 열전소자(10)를 제1 열전소자로서 제작한다.
상기 제2 열전소자 생성단계(S200)에서는 상술한 제1 열전소자 제작단계(S100)를 통해 제작되는 상기 제1 열전소자(10)의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 형성된 간극(G)에 임의의 열전도성 물질로 이루어진 열전도성 필러(150)가 충진되도록 하여 열 관리를 위한 제2 열전소자(100)를 생성한다.
이러한 상기 제2 열전소자 생성단계(S200)는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 5 내지 도 8을 상기 도 4와 함께 참조하여, 용액 준비단계(S210), 침지 및 경화단계(S220) 및 경화물 커팅단계(S230)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 용액 준비단계(S210)에서는 상술한 제1,2,3,4 물질 중 적어도 하나가 포함된 용액을 미리 마련된 저장조에 준비한다.
여기서, 상기 제2 물질이 적용될 경우, 상기 제2 물질은 절연체가 아니므로, 상기 제1 열전소자(10)와 전기적으로 분리하는 공정이 추가적으로 포함될 수 있다.
상기 침지 및 경화단계(S220)에서는 전술한 제1 열전소자 제작단계(S100)에서 미리 제작된 완성형의 제1 열전소자(10)를 상기 용액 준비단계(S210)의 저장조에 투입하여 상기 용액에 침지시킨 후, 열 처리를 통해 경화되도록 한다.
상기 열 처리에는 다양한 공지의 가열장치가 사용될 수 있고, 상기 열 처리를 수행하는 시간 및 제어 온도는 해당 관련분야의 통상지식을 가진 당업자에 의해 상기 경화를 만족하는 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양하게 설정될 수 있다.
상기 경화물 커팅단계(S230)에서는 침지 및 경화단계(S220)를 통해 경화된 경화물의 테두리를 상기 제1 열전소자(10)의 지지체(110) 크기에 대응되도록 커팅(절삭)하여, 상기 제1 열전소자(10)의 P형 반도체(131) 및 N형 반도체(132) 사이에 형성되는 간극(G)에 상기 열전도성 필러(150)가 충진된 형태의 열 관리용 열전소자(100)를 제2 열전소자로서 생성한다.
여기서, 상기 커팅에는 다양한 커팅장치가 사용될 수 있고, 이는 통상적으로 게재된 일반적인 공지기술이므로, 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
<제조예>
본 발명에 따른 제조예에서는 상용 열전소자(10)의 열전도율을 높이기 위해서 높은 열전도도를 지닌 물질을 열전도성 필러(150)의 구성 물질로 선정하였다.
일반적으로 높은 열전도도를 갖는 것으로 알려진 구리 등 금속을 사용하는 대신에, 열전도율을 변화시키면서 이에 따른 방열 성능의 변화를 체계적으로 관찰할 수 있는 폴리머-세라믹 복합체를 선정하였다.
폴리머-세라믹 복합체는 두 물질의 조합 및 조성에 따라 0.1 W/m·Ｋ 수준의 열전도도를 수십 배 이상 올릴 수 있는 것으로 공지되어 있고, 도 6의 (a)와 같이, Marlow 사의 높은 PF 그리고 낮은 열전도율을 갖는 상용 열전소자(10)를 액체 형태의 폴리머-세라믹 복합체에 침지시킨 후, 열 처리를 하는 형태로 도 6의 (b)와 같은, Filler-embedded 열전소자(F-TEC)를 제작하였다.
나아가, 본 발명을 실험적으로 구현하기 위해 상기 열전도성 필러(150)의 구성 물질에 Boron Nitride(BN)을 추가로 선정하였다.
<실험예>
보다 구체적으로, 상기 열전도성 필러(150)의 구성 물질로 Ecoflex 00-30 폴리머와 Boron Nitride(BN) 혼합물을 사용하였다.
높은 열전도도를 지닌 BN 과 폴리머 간의 무게 비율을 각각 0%, 23%, 33% 변화하여 상기 열전도성 필러(150)의 구성 물질(BN0, BN23, BN33)을 제작 후, 열전도도를 평가한 결과, BN의 양이 많을수록 상기 구성 물질의 열전도도가 순차적으로 증가한 것을 확인하였고, 상기 구성 물질을 열전도성 필러(150)로 넣은 열 관리용 열전소자(100)의 열전도율 또한 크게 향상되었음을 확인(도 7 참조)하였다.
Filler-embedded 열전소자((F-TEC), 즉, 상기 열 관리용 열전소자(100)를 제작 후, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상기 열전도성 필러(150)의 열전도도 및 열전도율(
) 증가에 따라 상기 열 관리용 열전소자(100)의 열전도율(
)이 증가하는 것을 확인하였으며, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 열 관리용 열전소자(100)의 상하단부(상하부 절연기판)의 온도 차이(
)는 
가 증가함에 따라 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 상용 열전소자(10) 대비 BN33을 첨가한 열 관리용 열전소자(100)에서 향상된 열전도율로 인해 상단부(상부 절연기판)의 온도가 낮아져, 같은 양의 전류를 펠티어 소자에 흘려줬을 때 냉각 효과가 증가하는 것을 의미한다.
이외에도 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명의 상기 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법은 다른 실시예로 구성될 수 있는데, 상기 다른 실시예의 열 관리용 열전소자 제조방법에 따르면, 상기 열전도성 필러(150)의 충진이 상기 제1 열전소자 제작단계(S100)의 중도 과정에서 동시에 수행되도록 구성할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 열전소자 제작단계(S100)에서는 3D 프린팅, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정 등이 포함될 수 있으며, 상기 열전 레그부(130)를 배치하는 과정에서 열전도성 필러(150)를 삽입하는 공정을 추가할 수 있다.
상기 MEMS 공정을 이용한 상기 제1 열전소자 제작단계(S100)는 열전소재, 전극부(120), 열전도성 필러(150)의 물질을 증착 및 소결을 통해 제작 가능하다. 마스크를 이용하여 원하는 위치에 각각의 물질을 물리적 증착 또는 화학적 증착을 통해 micro 수준의 두께로 쌓아 올린다. 열전소자의 안정성 및 성능 향상을 위해 소결 과정을 추가적으로 진행한다.
또한, 금속류인 제2 물질로 열전도성 필러(150)를 구성할 경우, 상기 열전도성 필러(150)와 열전 레그부(130) 사이의 절연공정(insulation)이 필수적인데, 상기 열전소재와 열전도성 물질 사이에는 전기적으로 분리되는 것이 바람직하므로, 알루미나와 같은 절연체를 상기 열전소재에 코팅한 뒤 열전도성 필러(150)를 충진하는 공정이 추가적으로 필요하다.
열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자를 포함하는 물품
또 다른 한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전도성 필러(150)를 이용한 열 관리용 열전소자(100)를 포함하는 물품은 마이크로 프로세서, CPU 등의 전자 칩(Electronic chip) 모듈, 배터리(Battery) 모듈, 프린트 배선 기판, 반도체 패키지용 부품 및 냉각팬용 부품으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
특히, 상기 전자 칩 모듈, 배터리 모듈 등은 가동에 있어서 적절한 온도 영역대가 존재하고, 이에 따라, 냉각 시스템의 성능에도 적절한 영역대가 존재하는데, 본 발명에 의한 상기 열 관리용 열전소자(100)의 경우, 열전도성 필러(150)를 구성하는 물질들의 열전도율, 상기 열 관리용 열전소자(100)에 가하는 전류의 세기를 제어하여 상기 열 관리용 열전소자(100)의 냉각 성능을 제어할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 도 3의 (b)와 하기의 계산식을 참조하여,
,
따라서, 이므로,
와 의 제어를 통해 냉각 성능이 제어 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : 상용 열전소자
100, 100': 열 관리용 열전소자
110 : 지지체
111 : 상부 절연기판
112 : 하부 절연기판
120 : 전극부
121 : 상부 전극
122 : 하부 전극
130 : 열전 레그부
131 : P형 반도체
132 : N형 반도체
140 : 리드 전극
150 : 열전도성 필러
G : 간극
S100 : 제1 열전소자 제작단계
S200 : 제2 열전소자 생성단계
S210 : 용액 준비단계
S220 : 침지 및 경화단계
S230 : 경화물 커팅단계
100, 100': 열 관리용 열전소자
110 : 지지체
111 : 상부 절연기판
112 : 하부 절연기판
120 : 전극부
121 : 상부 전극
122 : 하부 전극
130 : 열전 레그부
131 : P형 반도체
132 : N형 반도체
140 : 리드 전극
150 : 열전도성 필러
G : 간극
S100 : 제1 열전소자 제작단계
S200 : 제2 열전소자 생성단계
S210 : 용액 준비단계
S220 : 침지 및 경화단계
S230 : 경화물 커팅단계
Claims (18)
- 펠티에 효과를 기초로 방열을 수행하는 열전소자의 열전도율()과 방열 성능을 향상시키는 필러로서,
열전도율()을 변화시키면서 이에 따른 상기 방열 성능의 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어져,
상기 열전소자 내 지지체 상의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 충진되는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전소자의 열전도율()은,
상기 열전도성 필러의 열전도율()과 상기 열전도성 물질의 열전도율()의 합인 것을 특징으로 하고,
상기 열전도성 필러는,
상기 열전도성 물질에 의한 상기 열전도율() 증가에 따라 상기 열전소자의 열전도율()을 증가시키는 것을 특징으로 하며,
상기 열전소자의 열전도율() 증가는,
상기 열전소자의 디바이스 자체온도()를 감소시키는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제3 물질은,
TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제4 물질은,
열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질인 것을 특징으로 하되,
상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS인 것을 특징으로 하고,
상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb인 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열전도성 필러는,
상기 열전소자에 열(Q)이 주어졌을 경우,
전류(I)의 인가가 없는 상태에서도 상기 열전소자의 디바이스 자체 온도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 제 5 항에 있어서,
상기 열전도성 필러는,
상기 제1 물질인 폴리머-세라믹 복합체와, 상기 제2 물질 중 BN을 혼합하여 이루어지되,
상기 혼합된 제1,2 물질 간의 비율은, 60 내지 80 : 20 내지 40 인 것을 특징으로 하고,
상기 열전소자에 56,000 W/m2 내지 57,000 W/m2 의 열이 주어졌을 경우,
전류를 인가한 상태에서는, 상기 열전소자의 디바이스 자체온도를 10K 내지 20Ｋ 감소시키는 것을 특징으로 하며,
전류의 인가가 없는 상태에서는, 상기 열전소자의 디바이스 자체 온도를 30Ｋ 내지 70Ｋ 감소시키는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러.
- 미리 설정된 간격으로 배열된 한 쌍의 절연기판으로 이루어지는 지지체;
상기 절연기판 상에 이루어지는 전극부;
상기 전극부 상에 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전 레그부;
상기 전극부를 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극; 및
상기 P형 반도체 및 상기 N형 반도체의 이격에 의해 형성되는 간극에 충진되는 열전도성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자.
- 제 7 항에 있어서,
상기 열전도성 필러는,
열전도율을 변화시키면서 이에 따른 상기 열 관리용 열전소자의 방열 성능에 대한 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나의 열전도성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자.
- 제 8 항에 있어서,
상기 열 관리용 열전소자는,
상기 열전도성 필러의 열전도도 증가, 상기 열전도성 필러의 면적 증가, 상기 열전도성 필러의 두께 감소 중 적어도 하나에 따라 열전도율이 증가하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자.
- 제 9 항에 있어서,
상기 열 관리용 열전소자는,
상부 절연기판 및 하부 절연기판으로 이루어지는 지지체;
상기 상부 절연기판 상에 패턴화되어 형성된 상부 전극과, 상기 하부 절연기판 상에 패턴화되어 형성된 하부 전극으로 이루어지는 전극부;
상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 개재되어 상호 이격되면서 교호적으로 배열된 P형 반도체 및 N형 반도체로 이루어지는 열전 레그부;
상기 상부 전극과 상기 하부 전극을 외부 전원과 전기적으로 연결시키는 리드 전극; 및
상기 P형 반도체 및 상기 N형 반도체의 이격에 의해 형성되는 간극에 충진되는 열전도성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자.
- 제 10 항에 있어서,
상기 열 관리용 열전소자는,
상기 증가된 열 관리용 열전소자의 열전도율로 인해 상기 지지체의 상부 절연기판의 온도가 감소하여, 동일한 양의 전류를 펠티어 소자에 흘려줬을 때, 냉각 효과가 증가하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 열전도성 필러의 제3 물질은,
TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열 관리용 열전소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 열전도성 필러의 제4 물질은,
열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질인 것을 특징으로 하되,
상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS인 것을 특징으로 하고,
상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb인 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 이용한 열 관리용 열전소자.
- 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자를 제조하는 방법으로서,
a) P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 간극을 형성하는 제1 열전소자를 제작하는 단계; 및
b) 상기 a)단계를 통해 제작되는 상기 제1 열전소자의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 형성된 간극에, 임의의 열전도성 물질로 이루어진 열전도성 필러가 충진되도록 하여 열 관리를 위한 제2 열전소자를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,
b-1) 상기 열전도성 물질이 포함된 용액을 저장조에 준비하는 단계;
b-2) 상기 a)단계를 통해 제작되는 상기 제1 열전소자를 상기 b-1)단계의 상기 저장조에 투입하여 상기 용액에 침지시킨 후, 경화되도록 하는 단계; 및
b-3) 상기 b-2)단계를 통해 경화된 경화물의 테두리를 상기 제1 열전소자의 지지체 크기에 대응되도록 커팅하여, 상기 제1 열전소자의 P형 반도체 및 N형 반도체 사이에 형성되는 간극에 상기 열전도성 필러가 충진된 형태의 상기 제2 열전소자를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 열전도성 물질은,
열전도율을 변화시키면서 이에 따른 상기 열 관리용 열전소자의 방열 성능에 대한 변화를 파악하기 위한 폴리머-세라믹 복합체인 제1 물질과, 구리, 수은, EGain(eutectic Gallium-Indium : 공융 갈륨-인듐), BN(Boron Nitride : 질화붕소) 중 어느 하나인 금속류의 제2 물질과, 열적 이방성을 갖는 특성의 제3 물질과, 열 다이오드(thermal diode)의 개념을 갖는 특성의 제4 물질 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 제3 물질은,
TMD(transition metal dichalcogenides : 전이금속 디칼코게나이드), h-BN(hexagonal Boron Nitride : 육방정 질화붕소), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 제4 물질은,
열에너지 또는 자기장 중 적어도 하나에 의해 열전도도가 변화하는 물질인 것을 특징으로 하되,
상기 열에너지에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, VO2 또는 NiFeS인 것을 특징으로 하고,
상기 자기장에 의해 상기 열전도도가 변화하는 물질로서, InSb 또는 BiSb인 것을 특징으로 하는 열전도성 필러를 이용한 이용한 열 관리용 열전소자의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/KR2022/017402 WO2024096168A1 (ko) | 2022-11-04 | 2022-11-08 | 열전도성 필러 및 이를 이용한 열 관리용 열전소자와 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240069837A true KR20240069837A (ko) | 2024-05-21 |
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