열전 냉각기의 세라믹 기판 적용

열전냉각기술의 연구는 지난 세기 1950년대부터 시작되었는데, 이는 열전냉각재료를 기반으로 한 신흥기술이다. 열전냉각모듈은 핵심부품으로 고집적 전자부품의 사용온도를 급격하게 떨어뜨릴 수 있어 널리 적용되고 있다. 세라믹 기판은 열전 냉각 모듈에서 핵심적인 역할을 합니다. 그럼 먼저 열전 냉각 모듈이 무엇인지, 그리고 세라믹 기판의 응용에 대해 알아보겠습니다.

1. 열전냉각모듈이란?

열전냉각모듈은 반도체 소재의 펠티에 효과를 이용해 냉각 또는 가열을 구현한 전기 모듈이다. 다양한 응용 분야에 따라 단일 레이어 및 다층 구조 디자인이 있습니다.

그림에서 볼 수 있듯이 열전 냉각 모듈은 주로 반도체 입자(일반적으로 p형 및 n-tpe의 Bi2Te4 재료), DBC 기판과 같은 열 전도성 및 절연 기판, 와이어, 솔더 등으로 구성됩니다.

뒤늦은 진입으로 인해 많은 국내 제품이 대부분 가전제품 분야에 집중되어 있어 세계 선진 수준과 격차가 있는 상황이다. 따라서 통신, 의료, 자동차 및 기타 시장과 같은 고급 응용 분야는 주로 Ferrotec, KELK Ltd., II-VI, Phononic, lairdthermal 및 기타 국제 제조업체가 차지하고 있습니다.

(1) 열전냉각모듈의 작동원리

열전 냉각 모듈은 반도체 재료의 펠티어 효과를 사용합니다. 직류가 두 개의 서로 다른 반도체 재료와 직렬로 갈바니 커플로 연결되면 열이 서로 다른 직류 방향으로 양쪽 끝에서 흡수 및 방출됩니다. 주변 온도 이하로 물체를 냉각시키는 목적을 달성할 수 있습니다.

전류의 방향을 바꾸면 열이 반대 방향으로 전달되므로 하나의 냉각기에서 냉각과 가열을 모두 구현할 수 있습니다.

(2) 장점과 단점

1) 장점:

정숙성: 작업 중에 소음이 발생하지 않습니다.

진동 특성: 회전 부분을 가공하지 않으며 주변에 영향을 주지 않고 자체 안정성을 갖습니다.

휴대성 : 크기가 작고 무게가 가벼워 휴대하기 좋습니다.

적응: 진동 마모 없음, 유연한 작동 온도 영역 및 레이아웃, 컴팩트한 구조.

2) 단점:

열전재료의 특성상 한계로 인해 여전히 열전변환 효율이 낮은 문제가 존재한다. 일부 고전력 또는 냉각 시나리오에서는 낮은 에너지 효율성과 경제 수준으로 인해 적용이 제한됩니다.

최근 전자 모듈의 급속한 발전과 함께 고성능 마이크로 열전 냉각 모듈이 중요한 개발 방향이 되었으며, 이는 높은 신뢰성과 더 작은 크기를 요구합니다. 현재 열전 냉각 기술에 대한 연구는 열전 소재, 구조 설계, 열과 냉기 사이의 열 전달에 중점을 두고 있습니다.

(3) 신청:

열전냉각 기술은 환경친화적이고, 소음이 없으며, 안정적인 작동, 소모품이 적고, 긴 수명이라는 점에서 주목받고 있다. 그리고 집적 회로, 통신, 자동차, 의료 및 가전 제품 분야에서 큰 발전 잠재력을 가지고 있습니다. 미래의 발전과 사람들의 관심이 증가함에 따라 시장 수요는 점점 더 높아질 것이며 전망은 더욱 넓어질 것입니다.

Markets and Markets의 조사에 따르면 열전 냉각 모듈 시장 규모는 2021년 5억 9,300만 달러에서 2026년 8억 7,200만 달러로 복합 성장률 8.0%로 성장할 것으로 예상되며, 이는 세라믹 기판에도 기회를 가져올 것입니다.

2. 열전 냉각기의 세라믹 기판 적용

열전 냉각기에서는 반도체 입자가 두 개의 절연 금속 기판 사이에 촘촘하게 배열되어 고정됩니다.

1) 모듈의 전기 부품과 방열 및 냉각 재료를 절연하는 전기 절연.

2) 높은 열 전도성으로 뜨겁고 차가운 끝 부분의 전도를 제공합니다.

3) 낮은 팽창계수, 고강도 및 고정 가능한 모듈 구조로 평평하고 평행한 표면을 제공합니다.

따라서 세라믹 기판은 절연성이 있어야 하며 열전도율이 좋아야 합니다.

Al2O3, Beo, AlN 등 다양한 세라믹 소재에 사용 가능한 열전 냉각기입니다. 그 중 Beo와 AlN은 열전도도가 더 높지만 BeO는 독성 때문에 거의 사용되지 않습니다. 그리고 AlN은 더 높은 요구 사항에 사용되는 Al2O3보다 비용이 더 많이 듭니다. 따라서 Al2O3는 열전 냉각기 분야에서 더 폭넓게 적용됩니다.

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