열전 냉각 기술에 대한 연구는 지난 세기 50년대에 시작되었으며, 이는 열전 냉각 재료를 기반으로 한 새로운 기술입니다. 핵심 부품인 열전 냉각 모듈은 고집적 전자 부품의 작동 온도를 급격히 떨어뜨릴 수 있어 널리 적용되고 있습니다. 세라믹 기판은 열전 냉각 모듈에서 중요한 역할을 합니다. 그러면 열전 냉각 모듈이 무엇인지와 세라믹 기판의 응용부터 시작하겠습니다.
1. 열전 냉각 모듈이란?
열전 냉각 모듈은 반도체 소재의 펠티어 효과를 이용해 냉각 또는 가열을 구현한 전기 모듈이다. 다른 응용 프로그램에 따라 단층 및 다층 구조 설계가 있습니다.
열전 냉각 모듈은 그림과 같이 주로 반도체 입자(일반적으로 p-type 및 n-tpe의 Bi2Te4 소재)와 DBC 기판과 같은 열전도성 및 절연성 기판, 와이어, 솔더 등으로 구성됩니다.
진입이 늦어 많은 국산 제품이 대부분 가전제품 분야에 집중돼 있어 세계 선진 수준과 격차가 있다. 따라서 통신, 의료, 자동차 및 기타 시장과 같은 고급 응용 분야는 주로 Ferrotec, KELK Ltd., II-VI, Phononic, lairdthermal 및 기타 국제 제조업체가 점유하고 있습니다.
(1) 열전 냉각 모듈의 작동 원리
열전 냉각 모듈은 반도체 재료의 Pelltier 효과를 이용하여 직류가 두 개의 서로 다른 반도체 재료에 갈바닉 커플로 직렬로 연결될 때 양단에서 열이 흡수되고 다른 방향의 직류로 방출됩니다. 주변 온도 이하로 물체를 냉각시키는 목적을 달성할 수 있습니다.
전류의 방향을 바꾸면 반대 방향으로 열이 전달되어 하나의 냉각기에서 냉각과 가열을 모두 실현할 수 있습니다.
(2) 찬반 양론
1) 장점:
정숙성: 작업 중 소음이 없습니다.
진동 특성: 회전 부품을 가공하지 않고 주변에 영향을 주지 않는 자체 안정성.
휴대성: 작은 크기와 가벼운 무게로 휴대가 간편합니다.
적응: 진동 마모 없음, 유연한 작동 온도 영역 및 레이아웃, 콤팩트한 구조.
2) 단점:
열전재료 특성의 한계로 인해 여전히 열전변환 효율이 낮은 문제가 있다. 일부 고전력 또는 냉각 시나리오에서는 낮은 에너지 효율과 경제적 수준으로 인해 적용이 제한됩니다.
최근 몇 년 동안 전자 모듈의 급속한 발전과 함께 고성능 마이크로 열전 냉각 모듈은 높은 신뢰성과 더 작은 크기를 요구하는 중요한 개발 방향이 되었습니다. 현재 열전 냉각 기술에 대한 연구는 열전 재료, 구조 설계 및 열과 냉기 사이의 열 전달에 중점을 둡니다.
(3) 신청:
열전 냉각 기술은 환경 친화적이고 소음이 없으며 안정적인 작동, 적은 소모품 및 긴 수명으로 인해 주목을 받았습니다. 그리고 집적 회로, 통신, 자동차, 의료 및 가전 제품 분야에서 큰 발전 잠재력을 가지고 있습니다. 미래의 발전과 사람들의 관심이 높아짐에 따라 시장 수요는 점점 더 높아지고 전망은 더 넓어질 것입니다.
Markets and Markets의 연구에 따르면 열전 냉각 모듈 시장 규모는 2021년 5억 9,300만 달러에서 2026년 8억 7,200만 달러로 성장할 것으로 예상되며 복합 성장률은 8.0%이며, 이는 세라믹 기판에도 기회를 가져올 것입니다.
2. 열전 냉각기에 세라믹 기판 적용
열전 냉각기에서 반도체 입자는 2개의 절연 금속 기판 사이에 조밀하게 배열되고 고정됩니다.
1)모듈 내부의 전기 부품과 방열 및 냉각 소재를 절연하기 위한 전기적 절연.
2)고온 및 저온 전도를 제공하는 높은 열전도율.
3)팽창 계수가 낮고 강도가 높으며 고정 가능한 모듈 구조로 평평하고 평행한 표면을 제공합니다.
따라서 세라믹 기판은 절연되어야 하고 좋은 열전도율을 가져야 합니다.
Al2O3, Beo 및 AlN과 같은 다양한 세라믹 재료에 사용할 수 있는 열전 냉각기. 그 중 Beo와 AlN은 열전도율이 높지만 BeO는 독성 때문에 거의 사용되지 않는다. 그리고 AlN은 더 높은 요구 사항에 사용되는 Al2O3보다 더 비쌉니다. 따라서 Al2O3는 열전 냉각기에서 더 광범위하게 적용됩니다.