(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) H01L 23/34 (2006.01) H05K 7/20 (2006.01) (21) 출원번호 10-2013-0006196 (22) 출원일자 2013 년 01 월 19 일 심사청구일자 없음 (11) 공개번호 10-2014-0094064 (43) 공개일자 2014년07월30일 (71) 출원인 태양광발전도로 ( 주 ) 경기도성남시분당구대왕판교로 712 번길 22, A 동 406 호 ( 글로벌 R&D 센터 ) (72) 발명자 조동혁 서울강남구도곡로 14 길 28, 101 동 1203 호 ( 도곡동, 도곡 2 차아이파크 ) 조건희 인천광역시연수구컨벤시아대로 130 번길 32 자이하버뷰아파트 2 단지 207 동 401 호 전체청구항수 : 총 9 항 (54) 발명의명칭열전발전과열전냉각을동시에이용하는부품및칩에서발생하는열확산수단및방법 (57) 요약 미래의스마트폰과태블릿 PC 같은통신기기에서유력한열방출대안인열전냉각방식을적용하기위해서는, 열전냉각시소모되는전류문제를해결해야하는데, 본발명에서는열전발전단과열전냉각단을바둑판형태등으로배치하여일단에서는발생하는열을이용하여열전발전을하고, 발생된전류를공급받아다른단에서는열전냉각을하도록구성하면열평형이이루는온도까지는외부배터리에서전류공급없이도냉각이이루어진다는원리를발견하여적용하였다. 이를통하여다음과같은효과가기대된다. 첫째로, 열을발생하는부품및칩위에설치하는열전발전단과열전냉각단을배치하는형태로구성하여 1 차적으로열전발전을통해열이전기로변환되면서냉각이이루어지는효과가있다. 둘째로, 발전된전기로열전냉각단에공급하여열전냉각시킴으로써추가로열을방출하는 2 차적냉각효과가있다. 셋째로, 열방출효율을더욱높이기위해열전도테이프나열확산테이프와병행하여사용할수있는효과가있다. 넷째로, 열전발전단과함께열전냉각단이동시에존재함으로열전발전량만가지고냉각이충분하지않을경우에는외부전류를공급하여능동적으로강한냉각을진행시킬수있는효과가있어, 고성능화추세의스마트폰과태블릿 PC 등에서열전도및열확산테이프, 방열판수단만으로는열방출이충분치않았던기존의문제점을해결하는효과가있다. 대표도 - 도 5-1 -
특허청구의범위청구항 1 부품및칩에서발생하는열을냉각하는장치에있어서, 열을방출하기위하여열발생부위 (1) 에열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 을병행하여배치하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단으로구성함을특징으로하는열전발전단과열전냉각단을같이사용하는냉각장치및방법 청구항 2 부품및칩에서발생하는열을냉각하는장치에있어서, 열을방출하기위하여열발생부위 (1) 에열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 을병행하여배치하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단과함께, 열전냉각단 (4,9,11) 에는외부에서전기 ( 전류 ) 를공급할수있는단자 (7) 를설정하는수단 ; 외부에서전기 ( 전류 ) 를단자 (7) 를통해공급하여 3차냉각이이루어지도록구성함을특징으로하는외부단자를포함한열전냉각단과열전발전단을같이사용하는냉각장치및방법 청구항 3 부품및칩에서발생하는열을냉각하는장치에있어서, 열을방출하기위하여열발생부위 (1) 에열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 을병행하여배치하는수단, 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단과함께, 열전냉각단 (4,9,11) 에는외부에서전기 ( 전류 ) 를공급할수있는단자 (7) 를설정하는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 의발전량으로열발생부위 (1) 의온도차를산출하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차가규정치이상임을판별하는수단 ; - 2 -
외부에서전기 ( 전류 ) 를단자 (7) 를통해공급하여강제냉각이이루어지도록구성함을특징으로하는외부단자 를포함한열전냉각단과열전발전단을같이사용하는강제냉각장치및방법 청구항 4 제 1, 2, 3 항에있어서, 열전발전단 (3) 과열전냉각단 (4) 을일렬로배치하는수단으로구성함을특징으로하는열전발전단과열전냉각단을일렬로배치하는냉각장치및방법 청구항 5 제 1, 2, 3 항에있어서, 열전발전단 (8) 과열전냉각단 (9) 을바둑판형태로배치하는수단으로구성함을특징으로하는열전발전단과열전냉각단을바둑판형태로배치하는냉각장치및방법 청구항 6 제 1, 2, 3 항에있어서, 열전발전단 (10) 과열전냉각단 (11) 을 " ㅁ " 자형태로배치하는수단으로구성함을특징으로하는열전발전단과열전냉각단을 " ㅁ " 자형태로배치하는냉각장치및방법 청구항 7 제 1, 2, 3 항에있어서, 열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 의면적차이를설정하는수단 ; 면적차이에의해열전발전량과열전냉각량을조절하여열평형온도를조정함을특징으로하는열전발전단과열전냉각단의면적차이로열평형온도를조절하는냉각장치및방법 청구항 8 제 1, 2, 3 항에있어서, 열을방출하기위하여열발생부위 (12) 에 1차적으로열전발전단과열전냉각단을병행한열전모듈 (13) 을설치하여 1단계로열을방출하는수단 ; 그위에열전도및열확산테이프 (14) 를설치하여 2단계로열을외부로방출하도록구성함을특징으로하는열전도및열확산테이프를부착한열전발전과열전냉각겸용냉각장치및방법 청구항 9 제 1, 2, 3 항에있어서, 열을방출하기위하여열발생부위 (15) 에열전도및열확산테이프 (16) 를부착하고, 1단계로열전도및열확산테이프 (16) 로열을외부로방출하는수단 ; 열전도및열확산테이프 (16) 의열발생부위 (15) 위혹은, - 3 -
열전도및열확산테이프 (16) 의특정위치에, 열전발전단과열전냉각단을병행한열전모듈 (17) 을설치하여 2 단계로열을외부로방출하는수단으로구성함을 특징으로하는열전도및열확산테이프를부착한열전발전과열전냉각겸용냉각장치및방법 명세서 [0001] 기술분야가정용혹은산업용으로사용되는에어컨과냉장고, 컴퓨터와스마트폰, TV는수많은반도체와부품및기타주변기기의조합으로구성되어작동되며여러부품의작동으로인한열이발생한다. 특히, 컴퓨터와스마트폰은열이오를수록회로저항값증가로기능이저하되고, 전류소비가증가하므로반드시열을식혀주어야한다. 기존의컴퓨터기본냉각팬장치는공기의유동을발생시켜메인보드의프로세서를냉각시키지만냉각시키는열량이매우작아충분히냉각시키지못하는단점이있다. 특히, 정보화사회의발달로인하여컴퓨터의데이터처리속도가급속도로빨라지고데이터처리용량이엄청나게커지고있으며, 이와함께프로세서도고집적화될뿐만아니라기타구성부품도고성능화되면서컴퓨터의작동중발생하는열량이증가하고있다. 이로인하여기본냉각팬과같은종래의컴퓨터냉각장치로고집적화된프로세서를냉각시킬경우그프로세서에서발생하는많은열량을충분히냉각시키지못하게되어프로세서의과열로인한오동작을유발하거나심지어고장을발생하게된다. 특히, 두께가얇아지고있는노트북컴퓨터에서는냉각팬을설치하기어려워짐에따라열전냉각기술등도검토및적용되고있다. 그러나, 배터리를사용하는기기의경우전류로동작시키는냉각팬및열전냉각모듈사용은배터리사용시간이단축되는문제가있다. 최근, 스마트폰에적용되는프로세서도성능이급격히높아짐에따라부품혹은칩에서많은열이발생하고있으며, 이를해결하기위해열을발생하는부품주변에방열기구를치밀하게설치하고있다. 방열기구로는알루미늄방열판을거쳐최근에는열전도테이프혹은열확산테이프를부착하여방열문제를제한적으로해결하고있다. [0002] 배경기술일반적으로전자제품을구동하는경우전자제품에포함되어있는전자소자내부에서는열이발생하며, 상기와같이발생하는열을최대한신속하게외부로방출시키지않는경우열이전자소자에영향을미쳐전자소자가제기능을수행하지못하는결과가발생하게된다. 이러한열로인하여주변의부품또는기기에노이즈와오작동을일으킬우려가있으며, 또한제품의수명이단축될수있는문제점이있다. 특히, 전자제품들의고성능화와고기능화및경박단소화를지향하게됨에따라그에따른전자소자들의대용량화와고집적화가필연적으로발생하게되므로, 이러한전자부품으로부터발생하는열을효과적으로방출하는기술이전체제품의성능과품질을좌우하는핵심적인요소로작용하고있다. 종래에는상기와같은문제점을해결하기위한방안으로핀팬 (Fin fan) 냉각방식, 열전소자 (Peltier) 냉각방식, 액체분사 (Water-jet) 냉각방식, 잠수 (Immersion) 냉각방식, 히트파이프 (Heat pipe) 냉각방식등을이용하여전자소자들로부터발생하는열을제거하였으나, 최근슬림화되고소형화되어가는전자제품들의추세에맞는전자소자들에대한새로운냉각장치및방열장치가요구된다하겠다. 일례로, 최근미국의 GE사에서는두장의피에조구동평판을겹쳐부채질하는형태의두께 4mm 내외의평판형냉각팬을발표하였다. 특히, 최근전자통신산업의발달로노트북, 스마트폰등의이용이확대되고있으며, 이러한제품들의초경량화, 초경박화추세에따라이들제품에는열전달및열확산테이프를부착하여열을제거하는방식이대안으로적용되었다. 즉, 스마트폰의프로세서나배터리처럼열이발생하는부분에팬이나방열판을설치하기어려우므로초기에는열전도테이프를적용하였지만, 최근에는열방출효율이더높은열확산테이프를부착하고있다. 열확산테이프 (TSS, Thermal Spread Sheet) 의경우최근그래핀기술을적용하여개발되고있는데, 그래핀 ( 흑연을뜻하는그라파이트와화학에서탄소이중결합을가진분자를뜻하는접미사 -ene을결합한용어, 탄소원자가육각형벌집형태로결합한신소재, 구리보다 100배빠른열전도율, 다이아몬드보다강함, 구리보다전자이동속도빠름 ) 을적용하여열원으로부터수평방향으로의열확산을극대화하고있다. 한편, 수직방향으로열전달을최소화하기위해에어로젤을적용하여 PCB 모듈로부터발생한열을디스플레이패널로전달되는것을방지하는구조도발표되었다. 그래핀을적용한열확산테이프는수평방향열전도율은 400 ~ 600 W/mK( 와트퍼미터캘빈 ) 수준으로구리의 300W/mK, 알루미늄의 175W/mK보다두배이상빨리열을외부로방출하므로방열테이프외에반도체패킹제, 코팅제, 열전도, 점착제, 고열전도성패드로응용되고있다. LED 조명에서도열관리중요성이높아지고있어알루미늄계열의히트싱크와함께열확산테이프도적용될전망이다. 이때, 열을다른재질로전달할때사용하는열전달물질은접촉되는두단면의열의이동을쉽게하 - 4 -
기위하여도포하는일종의열전달매개물질로서 HEATSINK JELLY, HEATSINK COMPOUND, THERMAL GUNK,THERMAL GOO 라고하기도하는데정확한명칭은 "THERMAL CONDUCTIVITY GREASE" 라고하며, ZINK OXIDE 계열과 AL2O3 계열이있다. 이는비전도성이라열전소자나기타발열, 냉각체로부터냉각이나가열하고자하는물체에열을흡수하거나공급하기위하여도포할경우에크게누전이나단락이발생하지않는다. [0003] [0004] 열전모듈은동적인부분이없는전자식소형히트펌프 (heat pump) 로열전모듈은냉매순환식냉각방식과는달리기계적인작동부분이없고다만서로다른 P타입과 N타입의열전반도체소자를이용하여모듈을구성한후여기에전류를흘러주면 Peltier 효과에 ( 이종재료의양단에직류전류를인가하면일단이발열하고타단이흡열하는현상으로 1984년 Jean peltier에의해발견되었으며열전모듈에의한냉각을가능케하는기본개념 ) 의한열전소자양단의흡열또는발열현상에의해온도를제어할수있는전자식냉각방식이다. 이방법은공간적으로제한이있거나신뢰성이요구되는부분또는프레온냉매 (CFC) 를쓸수없는여러부속품에쓰이고있으며, 열전모듈은직류전류에의해작동되어냉각기또는전류방향을바꿈으로써히터로도사용된다. 일반적인열전모듈은두개의세라믹기판사이에 2개이상의 P타입및 N타입열전반도체소자 (Bi-Te 계열등 ) 쌍들이솔더 (Solder) 에의해고정되어있는구조를가지며, 열전소자들은전기적으로직렬구조이를갖고열적으로는병렬구조로구성하도록 π형으로연결한다. 냉매를사용하지않음으로친환경적이며, 정확한온도조절이가능하고, 반영구적이며, 전류에따라흡열방향을바꿀수있으며, 기계적작동이없으므로무소음무진동이며, 소형화와경량화가가능하며, 국부냉각및전방향작동이가능하며, 냉각속도가빠르다는이점과특징이있다. 이와함께, 냉각시키는박형수단으로마이크로열전냉각모듈이적용될수있다. 최신기술로는미세한크기의열전소자를서브노트북같은소형기기발열부의냉각용쿨러에적용, 기기구동시고열이발생하는내부칩의열점 ( 핫스폿 ) 에서직접열을방출시키게만드는냉각시스템기술ㄷ도발표되었다. 이는대용량방열시스템의미세화가가능하다는이점이있어노트북, 이동통신기기같은모든초소형장치에적용될전망이다. 마이크로열전냉각모듈을제작하기위해서는, 열전소재의합금및구조설계및제조기술, 마이크로패턴설계기술, 소재가공기술이필요하며, 미세열전소자의강도향상과고효율화기술, 일체화소자제조기술, 시스템적용기술및 2차냉각및열전달기술등에대한연구도필요하다. 발명의내용 [0005] 해결하려는과제전자제품특히스마트폰의고성능화, 고기능화및경박단소화가이루어짐에따라전자제품에사용되는소자들의대용량화와고집적화가필연적으로발생하게되었다. 이러한전자제품에사용한부품으로부터발생하는열을효과적으로방출하는기술이제품의성능과품질을좌우하는핵심적인요소로작용하고있다. 종래에는상기와같은문제점을해결하기위한방안으로핀팬 (Fin fan) 냉각방식, 열전소자 (Peltier) 냉각방식, 액체분사 (Water-jet) 냉각방식, 잠수 (Immersion) 냉각방식, 히트파이프 (Heat pipe) 냉각방식등을이용하여전자소자들로부터발생하는열을제거하였으나, 최근슬림화되고소형화되어가는전자제품들의추세에맞는새로운냉각장치및방열장치가요구되고있다. 특히, 최근전자통신산업의발달로노트북, 스마트폰, 태블릿 PC 등과같은휴대형기기의이용이확대되고있다. 이러한제품들의초경량화, 초경박화추세에따라쿨링팬대신부득이방열판및열전달, 열확산테이프를부착하여열을제거하는방식이현재적용되고있지만, 수동적인열전도및열확산특성만으로발생하는열을충분히제거하기에는물리적인한계가있다. 스마트폰의프로세서속도는 2011년 1Ghz, 2012년 1.5GHz, 2013년에는 2GHz에이르고, 디스플레이그래픽해상도도 2011년 VGA급, 2012년 HD급 (1280x720) 을거쳐, 2013년에는풀HD급인 1920x1080에이르고있으며, 조만간 3D 기능이추가되면계산량이급증하여더욱많은열이발생할우려가있다. [0006] 열전도및열확산테이프로는충분한열방출에한계에이른만큼, 칩이나부품을냉각하는데있어서능동적인냉각수단을개발하여야한다. 컴퓨터처럼방열판 히트파이프 펌프와결합한쿨링팬혹은열전냉각방식을적용한방식이검토될수있지만, 스마트폰과태블릿 PC 같은통신기기에서는쿨링팬적용은크기와두께문제로불가능하다. 유력한대안으로두께 1mm 이내제품도개발된열전냉각방식이검토되고있으나, 열전냉각을위해서는대용량의전류를공급해야하는문제가있다. 휴대기기에서전류소모량은배터리사용시간과관련하여가장중요한문제이다. 그러므로, 통신기기에적용하기위해서는냉각장치가초박형으로구성되면서능동 - 5 -
적으로열을제거하되, 전류소모를없애거나, 최소화시켜야하는전제조건과문제점을해결하여야한다. [0007] 과제의해결수단스마트폰과같은미래의 IT 디바이스는보다강력해지고있는프로세서에서발생하는열을제거하는냉각장치의성능이받쳐주지못하는문제로제품발전에장애요소로작용할우려가있다. 컴퓨터에서도그래픽카드의성능에따라급증하는열을방출하기위해다양한쿨링팬을추가하여해결하고있는것처럼, 고성능화될미래의 IT 디바이스는별도의냉각수단을필요로할전망이다. 가장유력한열제거수단으로열전냉각기술이있지만, 배터리를사용하는디바이스에서는소비되는전류를최소화하거나제거해야한다는근본적으로해결해야하는문제점이있다. [0008] [0009] 최근나노기술로대표되는과학기술의발전은열전발전분야에서도혁신적변화를예고하고있다. ZT 3.0 시대가그것으로 ZT란열전성능을나타내는무차원지수로서아래식으로간단히표현될수있다. ZT = S2 σ T (S: 제백계수, σ : 전기전도도, T: 온도, κ: 열전도도 ) 우수한열전재료는제백계수가크고전기전도도는높으나열전도도는낮은물성을가지고있다. 그러나열전도도와전기전도도는서로상호의존성이큰물리적인자로이들을분리하여제어하는것은좀처럼풀지못하는물리학적난제였다. 그러나 2000년을기점으로재료조직의극미세제어를통해전도전자의상태밀도를변화시킴으로써제백계수를증가를증가시키고, 전기전도도의감소없이격자산란에의한열전도효과를크게저하함으로열전성능을기존대비 300 ~ 400% 이상향상시킨양자제어형 ( 또는양자구속형 : Quantum confinement) 저차원열전소자들이개발, 보고되기시작했다. 물론, 현실적으로이같은기술들을상용발전기술로이용하기위해서는몇가지의기술적난제들이극복되어야하지만실험실적으로구현된 ZT=3.0의의미는실로지대하다. 즉, ZT=3.0을에너지변환효율 (COP) 로변환하면대략 ~30% 내외로이것은증기터빈 (COP:40~50%) 에못지않아열에너지재생분야에획기적인변화가나타날것으로예측되고있다. 또한, 텔룰라이드 (Telluride) 로대표되는기존열전재료분야에서도유리질재료에서의큰포논산란과결정질재료의높은전자전도성을함께나타내는필드스쿠테루다이트 (Filled Skutterudite) 재료, 래티스컴포지트 (lattic composite) 설계기술에층상산화물계재료, NaCo2O4, (Ca,Sr)3Co4O9, Al doped ZnO로대표되는산화물계신세라믹열전재료와같은고성능열전재료에대한선도결과들이보도되고있어열전발전에대한기대치를더욱크게하고있다. [0010] 열전냉각및가열현상은 p형소자와 n형소자를금속전극에접합시킨 π형직렬회로 p-n상 (couple) 양분지단의전극을각각 -, + 로되도록전류를 n형에서 p형으로흘리면 p형소자내의정공은 -극으로, n형소자내의전자는 + 전극으로이끌리게되어, 정공과전자모두상부의 p-n 접합부전극으로부터열을갖고하부양분지단전극으로이동하기때문에상부의접합부에서는냉각되어주위로부터열을흡수하고하부의양분지단은열을방출하는것이다. 전류의방향을역으로하면정공과전자모두상부의 n-p 접합부전극으로열을운반하기때문에상부에서는발열이하부에서는흡열이일어나냉각이이루어진다. 이러한현상을 Peltier 효과라고하며전자냉각의원리가될뿐만아니라히트파이프의역할도수행한다. 역으로, 열전발전현상은 p형소자와 n형소자를형으로금속접합하고상부의접합부에열을가하여하부와의온도차 ( T = Th -Tc) 를부여하면 n형소자내에서는전자가, p형소자내에서는정공이열에너지를받아전체에너지가높아지기때문에저온측으로이동하므로, n형소자에서전자가유입된저온측은 -로대전되고, 고온측에서는 + 로대전되며, p형소자에있어서는 n형과반대로저온측에서는 + 고온측에서는 -로대전된다. 이로인해하부의 p형소자에서는 + 의공간전하를형성하고, n형소자에서는 -극의공간전하를형성하여전류가흐르게되는데, 이러한현상을 Seebeck 효과라고하며, 양분지단전극에부하저항 R을연결하면전류 I가흘러전압 Vp-n이발생하는데이전압을열기전력 (thermoelectromotive force) 이라한다. [0011] 미래의스마트폰과태블릿 PC 같은통신기기에서유력한열방출대안인열전냉각방식을적용하기위해서는, 열전냉각시소모되는전류문제를근본적으로해결해야한다. 휴대기기에서전류소모는배터리사용시간과관련하여핵심적인문제이므로, 본발명에서는첫째해결수단으로열전발전단과열전냉각단을병렬혹은바둑판형태등으로배치하여열전발전단에서는발생하는열을이용하여열전발전을하고, 생산된전류를공급받아 - 6 -
다른열전냉각단에서는열전냉각을하도록구성하면, 열평형이이루는온도까지는외부배터리에서전류공급없이도냉각이이루어진다는원리를발견, 적용하였다. 열을발생하는부품및칩위에설치하는열전발전단과열전냉각단을배치하는형태는바둑판혹은일렬, " ㅁ " 자등이적용될수있으며, 열전발전단과열전냉각단의면적비는실험을통해최적화시킬수있다. 이와같이구성하면열전발전을통해열이전기로변환되면서 (500 온도차의경우발전효율 10%) 열이 1차적으로소모되며, 발전된전기로열전냉각시킴으로써 2차적으로열을방출하게된다. 이과정에서열방출효율을더욱높이기위해열전도및열확산테이프와병행하여사용한다. 열발생하는부품및칩위가아닌열전도및열확산테이프로수평열전달시킨위치에임의로부착할수도있다. 둘째해결수단으로열전발전단과함께열전냉각단을모두포함한열전모듈의자체열전발전량만가지고냉각이충분하지않을경우에는, 열전냉각단에외부전류를추가로공급함으로써능동적으로강력한냉각을진행시킬수있는효과도있다. 본발명을통해과열로인한디바이스오동작을근본적으로차단할수있을것으로기대하고있다. 열전도및열확산테이프, 방열판수단만으로는계속발전하는노트북, 스마트폰과태블릿 PC 등의열방출대책으로충분치않음은주지의사실이다. [0012] 발명의효과미래의스마트폰과태블릿 PC 같은통신기기에서유력한열방출대안인열전냉각방식을적용하기위해서는, 열전냉각시소모되는전류문제를해결해야하는데, 본발명에서는열전발전단과열전냉각단을병력혹은바둑판형태등으로배치하여열전발전단에서는발생하는열을이용하여열전발전을하고, 발생된전류를공급받아다른열전냉각단에서는열전냉각을하도록구성하면열평형이이루는온도까지는, 외부배터리에서전류공급없이도냉각이이루어진다는원리를발견하여적용하였다. 이를통하여다음과같은효과가기대된다. [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] 첫째로, 열을발생하는부품및칩위에설치하는열전발전단과열전냉각단을배치하는형태로구성하여 1차적으로열전발전을통해열이전기로변환소모되면서냉각이이루어지는효과가있다. 둘째로, 발전된전기를열전냉각단에공급하여열전냉각시킴으로써추가로열을방출하는 2차적냉각효과가있다. 셋째로, 열방출효율을더욱높이기위해열전도테이프나열확산테이프와병행하여사용할수있는효과가있다. 넷째로, 열전발전단과함께열전냉각단이동시에존재함으로열전발전량만가지고냉각이충분하지않을경우에는외부전류를열전냉각단에추가공급하여능동적으로강한냉각을진행시킬수있는효과가있다. 다섯째로, 계속발전하는스마트폰과태블릿 PC 등에서열전도및열확산테이프, 방열판수단만으로는열방출이충분치않은문제점을해결하는효과가있다. 여섯째로, 평상시에는외부전류를사용하지않고열평형에의해냉각이진행되다가, 과열시에는외부전류로강력하게비상냉각하는수단이제공됨으로써열방출문제를해결하여휴대형기기의성능을지속적으로발전시킬수있는효과가있다. 도면의간단한설명 제 1 도는두장의세라믹기판을이용한열전모듈의일반적인구조도이다. 제 2 도는현재상용화된열전모듈의형태및성능표이다. 제 3 도는열전발전의원리도이다. 제 4 도는열전냉각의원리도이다. 제 5 도는열전발전과열전냉각을병행하도록일렬로배치한구조도이다. 제 6 도는열전발전과열전냉각을병행하도록바둑판형태로배치한구조도이다. - 7 -
제 7 도는열전발전과열전냉각을병행하도록 " ㅁ " 자형태로배치한구조도이다. 제 8 도는열전모듈과열전도및열확산테이프를함께사용하는구조도이다. [0020] 발명을실시하기위한구체적인내용전자제품특히스마트폰의고성능화, 고기능화및경박단소화가이루어짐에따라전자제품에사용되는소자들의대용량화와고집적화가필연적으로발생하게되었고, 이러한전자제품에사용한부품으로부터발생하는열을효과적으로방출하는기술이제품의성능과품질을좌우하는핵심적인요소로작용하고있다. 종래에는상기와같은문제점을해결하기위한방안으로핀팬 (Fin fan) 냉각방식, 열전소자 (Peltier) 냉각방식, 액체분사 (Water-jet) 냉각방식, 잠수 (Immersion) 냉각방식, 히트파이프 (Heat pipe) 냉각방식등을이용하여전자소자들로부터발생하는열을제거하였으나, 최근슬림화되고소형화되어가는전자제품들의추세에맞는전자소자들에대한새로운, 능동적인냉각장치및방열장치가요구되고있다. 이러한측면에서, 미래의스마트폰과태블릿 PC 같은통신기기에서유력한열방출대안인열전냉각방식을적용함이대세로판단된다. 그러나, 열전냉각시소모되는전류문제를근본적으로해결해야하는데, 본발명에서는열전발전단과열전냉각단을병렬혹은바둑판형태등으로배치하여열전발전단에서는발생하는열을이용하여열전발전 (Seebeck 효과 ) 을하고, 발생된전류를공급받아다른열전냉각단에서는열전냉각 (Peltier 효과 ) 을하도록구성하면열평형이이루는온도까지는외부배터리에서전류공급없이도냉각이이루어진다는원리를발견하여적용한다. 이하첨부된도면에의하여본발명을상세히설명하면다음과같다. [0021] 제 1 도는두장의세라믹기판을이용한열전모듈의일반적인구조도로 p형및 n형소자를이용하여구성된다. 제 2 도는현재상용화된열전모듈의형태및성능을나타내는표로, 열전모듈두께는 1mm 미만의제품도상용화되었으며양단의온도차가 100 일경우최대 1W/ cm2정도발전출력이가능한것으로알려져있다. 제 3 도는 Seebeck 효과에의한열전발전의원리도이다. 제 4 도는 Peltier 효과에의한열전냉각의원리도이다. 제 5 도는열전발전과열전냉각을병행하도록일렬로배치한압전모듈의구조도이다. 제 6 도는열전발전과열전냉각을병행하도록바둑판형태로배치한압전모듈의구조도이다. 제 7 도는열전발전과열전냉각을병행하도록 " ㅁ " 자형태로배치한압전모듈의구조도이다. 제 8 도는열전모듈과열전도및열확산테이프를함께사용하는구조도이다. [0022] 열전발전단에서는발생하는열을이용하여열전발전 (Seebeck 효과 ) 을하고, 생산된전류를공급받아다른단에서는열전냉각 (Peltier 효과 ) 을하도록구성하기위해, 열을방출하기위하여열발생부위 (1) 에열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 을병행하여배치하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단으로구성한다. 이와같이구성하면, 열전발전단의열전발전량과열전냉각단의열전냉각량이평형을이루게되는열평형온도에도달하게된다. 즉, 열전발전단의 n형소자내에서는전자가, p형소자내에서는정공이열에너지를받아전체에너지가높아지기때문에저온측으로이동하므로, n형소자에서전자가유입된저온측은 -로대전되고, 고온측에서는 + 로대전되는전기에너지로변환되는만큼 1차적인냉각이이루어진다. 일반적으로양단의온도차가충분할경우발전효율은 10% 내외로알려져있다. 열전냉각단의경우전류를 n형에서 p형으로흘리면 p형소자내의정공은 -극으로, n형소자내의전자는 + 전극으로이끌리게되어, 정공과전자모두상부의 p-n 접합부전극으로부터열을갖고하부양분지단전극으로이동하기때문에상부의접합부에서는냉각되어주위로부터열을흡수하고하부의양분지단은열을방출하므로 2차적인냉각이이루어진다. 본발명과같이열발생부위에설치한열전발전단에서생산된전기로열전냉각단을구동시켜 1, 2차냉각을하는기술은알려져있지않다. [0023] [0024] 열전발전단에서는발생하는열을이용하여열전발전 (Seebeck 효과 ) 을하고, 발생된전류를공급받아다른단에서는열전냉각 (Peltier 효과 ) 을하도록구성하더라도, 열발생부위에서과도한열이발생할경우열방출한계에의해열발생부근의온도가지속적으로증가할우려가있다. 이러한현상이발생할경우능동적으로대응하기위해, 열을방출하기위하여열발생부위 (1) 에열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 을병행하여배치하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에 - 8 -
의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단과함께, 열전냉각단 (4,9,11) 에는외부에서전기 ( 전류 ) 를공급할수있는단자 (7) 를설정하는수단 ; 외부에서전기 ( 전류 ) 를단자 (7) 를통해공급하여 3차냉각이이루어지도록구성한다. 열전발전단에발생하는전기 ( 전류, 전압 ) 의크기를측정하면양단의온도차를계산할수있다. 그러므로, 열발생부위 (1) 의온도차에의한열전발전단 (3,8,10) 에서열전발전이이루어지면서발전효율에의해 1차냉각이이루어지는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 에서발전된전기 ( 전류 ) 를열전냉각단 (4,9,11) 에연결공급하는수단 (5); 발전된전기 ( 전류 ) 로열전냉각단 (4,9,11) 을작동시켜발생하는냉각효과에의해 2차냉각이이루어지는수단과함께, 열전냉각단 (4,9,11) 에는외부에서전기 ( 전류 ) 를공급할수있는단자 (7) 를설정하는수단 ; 열전발전단 (3,8,10) 의발전량으로열발생부위 (1) 의온도차를산출하는수단 ; 열발생부위 (1) 의온도차가규정치이상임을판별하는수단 ; 외부에서전기 ( 전류 ) 를단자 (7) 를통해공급함으로써강제냉각이이루어지도록구성할수있다. [0025] 이와같이열전발전단과열전냉각단을같이사용하는냉각장치및방법에있어서열전발전단 (3) 과열전냉각단 (4) 을일렬로배치하는수단으로구성할수있다. 혹은, 열전발전단 (8) 과열전냉각단 (9) 을바둑판형태로배치하는수단으로구성할수있다. 혹은, 열전발전단 (10) 과열전냉각단 (11) 을 " ㅁ " 자형태로배치하는수단으로구성할수있다. 이와같이구성할때, 열전발전단 (3,8,10) 과열전냉각단 (4,9,11) 의면적차이를설정하는수단 ; 즉각각의면적차이에의해열전발전량과열전냉각량을조절하여열평형온도를조정할수있다. [0026] 특히최근전자통신산업의발달로노트북, 스마트폰, 태블릿 PC 등의이용이확대되고있으며, 이러한제품들의초경량화, 초경박화추세에따라이들제품에는부득이방열테이프를부착하여열을제거하는방식이적용되고있디다. 그러나, 수동적인열전도및열확산특성만으로발생하는열을충분히제거하는데는물리적인한계가있었다. 이를해결하기위해, 본발명과결합시킨열전도및열확산테이프를부착한열전발전과열전냉각겸용냉각장치및방법이제시될수있다. 즉, 열을방출하기위하여열발생부위 (12) 에, 1차적으로열전발전단과열전냉각단을병행한열전모듈 (13) 을설치하여 1단계로열을방출하는수단 ; 그위에열전도및열확산테이프 (14) 를설치하여 2단계로열을외부로방출하도록구성한다. 혹은, 열을방출하기위하여열발생부위 (1 5) 에열전도및열확산테이프 (16) 를부착하고, 1단계로열전도및열확산테이프 (16) 로열을외부로방출하는수단 ; 열전도및열확산테이프 (16) 의열발생부위 (15) 위혹은, 열전도및열확산테이프 (16) 의특정위치에, 열전발전단과열전냉각단을병행한열전모듈 (17) 을설치하여 2단계로열을외부로방출하는수단으로구성한다. 즉, 열전도및열확산테이프 (16) 의경우수평열확산속도가우수하므로본발명의압전모듈을열발생부위 (15) 뿐만아니라열전도및열확산테이프 (16) 임의의위치에설치해도추가적인냉각효과가가능하므로, 열방출기구를포함해야하는디바이스설계에유연성을제공할수있다. 부호의설명 1 : 열발생부위 2 : 열전발전과열전냉각을병행한열전모듈 3 : 열전발전단 4 : 열전냉각단 5 : 발전된전기연결공급수단 6 : 열방출부위 7 : 열전냉각단전기공급단자 8 : 열전발전단 9 : 열전냉각단 10 : 열전발전단 11 : 열전냉각단 12 : 열발생부위 13 : 열전발전과열전냉각을병행한열전모듈 14 : 열전도및열확산테이프 15 : 열발생부위 16 : 열전도및열확산테이프 - 9 -
17 : 열전발전과열전냉각을병행한열전모듈 도면 도면 1 도면 2-10 -
도면 3 도면 4 도면 5-11 -
도면 6 도면 7-12 -
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