열전 냉각을 위한 고급 펠티에 모듈 선택 및 사용

작성자: Jeff Smoot, CUI Inc.의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

열전 냉각은 다양한 유형의 전자 장비에 대한 실용적인 제안으로 빠르게 자리잡았습니다. 현재 출시된 장치는 작고 효율적이며 고습스러운 내부 구조를 갖춰 과거 이러한 유형의 장치에 제한적 요소로 작용했던 기존의 안정성 문제를 해결했습니다.

계측 기기(예: 고출력 레이저, 실험 참고 자료, 분광기, 나이트 비전 시스템 등)가 올바르게 작동하려면 전자 부품(예: 레이저 다이오드, 이미지 센서 등)의 온도를 안정적으로 유지해야 합니다. 경우에 따라 주위 온도 이하로 냉각해야 할 수 있습니다. 방열판과 강제 공랭을 결합한 간단한 수동 냉각으로는 이러한 요구를 충족하는 데 어려움이 있으며, 열 부하의 변화에 대한 반응이 느리고 부정확할 뿐 아니라, 열원의 온도가 주위 온도보다 높은 열 경사도에 의존하여 냉각이 이루어집니다.

일반적으로 사용되는 수동 냉각 기술을 대체하는 열전 냉각은 다양한 이점을 제공할 수 있습니다. 열전 냉각에는 정확한 온도 제어와 빠른 반응, 팬 없는 작업 기회(방열판 성능에 따라 다름), 소음 감소, 공간 절약, 전력 소비 감소, 주위 온도 이하의 부품 냉각 기능 등의 이점이 있습니다.

펠티에 소자: 원리 및 구조

펠티에 소자의 내부 구조는 N형 및 P형 비스무트 텔루라이드 소재로 가공된 반도체 펠릿으로 구성됩니다. 펠릿 어레이는 전기적으로 직렬로 연결되지만, 모듈의 뜨거운 세라믹 표면과 차가운 세라믹 표면 사이의 열전사를 극대화하기 위해 열을 기준으로 병렬로 배열됩니다(그림 1).

CUI의 일반 펠티에 소자 그림

그림 1: 일반 펠티에 소자의 내부 구조(그림 출처: CUI, Inc.)

열전 냉각에서는 상이한 두 컨덕터의 접합부 사이에 전류가 흐를 때 열이 흡수되거나 발생되는 펠티에 효과를 활용합니다. 전원을 통해 고열로 연결된 두 세라믹 판 사이에 삽입된 펠티에 소자로 구성된 열전 모듈은 소자 전반의 열을 한 세라믹 판에서 다른 세라믹 판으로 효과적으로 펌핑할 수 있습니다. 또한 전류 흐름 방향을 반대로 바꾸어 열 흐름 방향을 간단히 변경할 수 있습니다.

DC 전압을 적용하면 양전하 캐리어와 음전하 캐리어가 한 기판 표면의 열을 흡수한 후 반대 쪽에 있는 기판에 전달하여 방출합니다. 따라서 에너지가 흡수되는 표면은 냉각되고 에너지가 방출되는 반대 표면은 가열됩니다.

냉각 장치 구축

실용적인 열전 냉각 장치를 구축하기 위해 알루미늄 합급, 핀형 방열판 등과 같은 고열로 연결되는 금속 블록을 주로 구성하는 시스템에 펠티에 모듈을 내장합니다(그림 2). 금속 블록은 냉각할 장치(예: 레이저 다이오드, 이미지 센서)를 냉각 소자의 차가운 면에 연결하는 데 사용됩니다. 블록을 평평하게 유지하여 펠티에 소자의 냉각판에 열을 일관되게 연결하도록 블록의 두께를 선택합니다. 과도하게 두꺼우면 원치 않는 열적 관성이 발생합니다. 방열판은 펠티에 소자의 반대 쪽(열판)에 연결되어 추출된 열을 주변 환경으로 방출합니다. 각 표면에 열전도성 그리스 또는 다른 열전소재(TIM)를 얇게 도포합니다.

CUI의 조립된 펠티에 소자, 알루미늄 블록 및 방열판 구성도

그림 2: 펠티에 소자, 알루미늄 블록 및 방열판을 조립하여 냉각 시스템 구축(그림 출처: CUI.)

모듈 및 컨트롤러 선택

전체 열전 냉각 시스템은 펠티에 소자 및 방열판 어셈블리, 열판과 냉각판을 모니터링하는 온도 센서, 올바른 전류를 공급하여 모듈 전반에 바람직한 온도 차이를 유지하도록 해 주는 컨트롤러 장치 등으로 구성됩니다.

공급된 전류의 줄 발열 효과와 결합된 냉각 부품의 열이 펠티에 모듈 규격서에 표시된 최대 열용량(Qmax) 또는 최대 온도 차이(ΔTmax)를 초과하지 않으면서 방출될 수 있게 하는 컨트롤러와 펠티에 모듈을 선택했습니다. 또한 적절한 전류 수준으로 작동할 때 선택한 펠티에 모듈이 바람직한 온도 차이를 유지할 수 있도록 최대 온도 차이와 최대 전류를 고려해야 합니다. 줄 발열이 관리 가능한 한도 내에서 유지되고 시스템이 열폭주 없이 냉각판 온도의 단기적인 증가에 대응할 수 있도록 하려면 일반적으로 이 값이 최대 정격 전류의 70% 미만이어야 합니다.

전류 및 열 흡수 계산

전원 공급 장치의 바람직한 온도 차이와 작동 전압을 알고 있는 경우 규격서에 표시된 대로 기능 구성도를 사용하여 모듈의 열 방출과 작동 전류를 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 그림 3에 표시된 기능 구성도를 사용하여 열판 온도(Th) 50°C, 냉각판 온도 10°C 및 공급 전압 12V에 대한 열 펌핑 전류와 공급 전류를 구할 수 있습니다.

규격서 기능 구성도를 사용하여 설정을 계산하는 그래프

그림 3: 규격서 기능 구성도를 사용하여 설정 계산(그림 출처: CUI.)

작동 전류와 열 흡수를 결정하려면:

  1. Δt를 구합니다.

    ΔT = Th Tc 50°C 10°C = 40°C

  2. Th = 50°C에 대한 기능 구성도를 사용하여 공급된 전압에서 ΔT = 40°C를 유지하는 데 필요한 전류를 구합니다.

    구성도에서, I = 3.77A

  3. 기능 구성도에서 I = 3.77A 및 ΔT = 40°C일 때 펌핑되는 열을 구합니다.

    구성도에서, Qc = 20.75 W

펠티에 모듈의 열 피로

열전 냉각기는 열 피로에 민감할 수 있습니다. 전통적인 방식으로 제조되는 장치는 전기 상호 연결(구리)과 P/N 반도체 소자 사이에 일반적으로 납땜 접합부가 있고, 상호 연결과 세라믹 기판 사이에 납땜 또는 소결 접합부가 있습니다(그림 4). 이러한 접합 기술은 일반적으로 기계, 열 및 전기적으로 강력하게 접합하지만, 유연성이 부족하고 일반 펠티에 모듈 작업에서 가열 및 냉각 주기가 반복될수록 성능이 저하되어 결국 고장나게 됩니다.

기존 펠티에 모듈의 납땜 및 소결 접합부 구성도

그림 4: 기존 펠티에 모듈의 납땜 및 소결 접합부(그림 출처: CUI.)

CUI는 열 피로 효과를 해결하기 위해 펠티에 모듈에 대한 arcTEC™ 구조를 구상했습니다. arcTEC 구조에서는 모듈의 냉각 측면에 있는 세라믹 기판과 구리 전기 상호 연결 사이의 기존 납땜 접합을 열 전도성 수지로 대체합니다. 이 수지는 모듈 내부를 탄력적으로 접합하여 반복적인 열 순환 과정에서 팽창과 수축을 가능하게 합니다. 이 수지의 탄력성으로 인해 모듈 내부의 응력이 감소되고, 우수한 열 연결과 탁월한 기계적 접합이 가능해지며, 시간이 지남에 따른 성능 저하가 발생하지 않습니다.

또한 특수 SbSn(안티몬 주석) 납땜이 P/N 반도체 소자와 구리 상호 연결 사이에 일반적으로 사용되는 BiSn(비스무트 주석) 납땜을 대체합니다(그림 5). SbSn 납땜의 용융점은 235°C로, BiSn의 138°C에 비해 높으므로, 탁월한 열 피로 성능과 우수한 전단 강도를 제공합니다.

arcTEC 구조 개선으로 인한 안정성 및 열 성능 향상을 보여주는 구성도

그림 5: arcTEC 구조 개선으로 인한 안정성 및 열 성능 향상(그림 출처: CUI.)

안정성 및 열 성능 향상

안정성을 더욱 높이기 위해 arcTEC 구조 모듈의 P/N 소자를 프리미엄 실리콘으로 만들어 다른 모듈에 채택된 소자보다 최대 2.7배 더 커졌습니다. 따라서 더 균일한 냉각 성능이 보장되어 균일하지 않은 온도로 인한 수명 단축의 위험을 방지할 수 있습니다. 그림 6은 기존 펠티에 모듈(위쪽)과 arcTEC 구조 모듈(아래쪽)의 적외선 그림을 비교하여 온도 분포에 미치는 효과를 보여줍니다. 또한, arcTEC 구조 모듈의 우수한 P/N 소자로 인해 냉각 시간을 50% 이상 단축할 수 있습니다.

arcTEC 구조 모듈의 향상된 온도 분포 그림

그림 6: 기존 모듈(위쪽)과 비교한 arcTEC 구조 모듈(아래쪽)의 향상된 온도 분포(그림 출처: CUI.)

열 순환에 노출된 펠티에 모듈의 내부 저항 변화를 분석하여 arcTEC 구조 모듈의 향상된 기대 수명을 입증할 수 있습니다. 펠티에 모듈 내부의 저항 변화는 접합 실패와 밀접한 관련이 있으므로 추세를 분석하여 수명을 쉽게 나타낼 수 있습니다. 그림 7에 표시된 결과는 arcTEC 구조로 인한 탁월한 기대 수명 향상을 보여줍니다.

저항 변화를 모니터링하여 안정성을 평가하는 그래프

그림 7: 저항 변화를 모니터링하여 안정성 평가(그림 출처: CUI.)

결론

많은 세대가 열전 냉각 물리학을 이해하고 있지만, 상용 전자 제품의 설계를 목적으로 한 적합한 펠티에 모듈 도입은 상대적으로 새로운 현상입니다. 펠티에 모듈은 중요한 장치(예: IC, 레이저 다이오드, 센서)의 온도 제어 유연성 향상, 온도 안정성 향상, 응답 시간 단축을 비롯해 다양한 이점을 제공합니다. 디자이너가 제품 및 설계 기술에 익숙해지면 펠티에 모듈에 대한 많은 새롭고 혁신적인 응용 제품이 출시될 것으로 예상됩니다.

펠티에 모듈을 선택해 제어 회로를 설계할 경우 열 제한 범위 내에서 모듈이 효율적으로 작동하도록 주의해야 합니다. 유연한 내부 상호 연결과 순도 높은 P/N 펠릿으로 설계된, 현재 출시된 최고급 펠티에 모듈은 열 반응과 안정성에서 놀라울 정도로 크게 향상되었습니다.

관련 자료

  1. CUI의 전체 펠티에 모듈 포트폴리오 보기
  2. CUI의 펠티에 모듈 PTM을 통한 열전 냉각에 대해 자세히 알아보기
  3. CUI의 arcTEC 구조에 대해 자세히 알아보기

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본 기사는 CUI Inc.의 Jeff Smoot에 의해 작성되었습니다.