[논문]마이크로 열전냉각기의 열성능에 대한 열전소자 두께의 영향

이공훈; 김욱중

마이크로 열전냉각기의 열성능에 대한 열전소자 두께의 영향
Effect of the Thermoelectric Element Thickness on the Thermal Performance of the Thermoelectric Micro-Cooler 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.18 no.3, 2006년, pp.211 - 217

이공훈 (한국기계연구원 에너지연구센터) , 김욱중 (한국기계연구원 에너지연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The three-dimensional numerical analysis has been carried out to figure out the effect of the thermoelectric element thickness on the thermal performance of the thermo-electric micro-cooler. The small-size and column-type thermoelectric cooler is considered. It is known that tellurium compounds currently have the highest cooling performance around the room temperature. Thus, in the present study, $Bi_{2}Te_{3}$ and $Sb_{2}Te_{3}$ are selected as the n- and p-type thermoelectric materials, respectively. The thermoelectric leg considered is less than $20{\mu}m$ thick. The thickness of the leg may affect the thermal and electrical transport through the interfaces between the leg and metal conductors. The effect of the thermoelectric element thickness on the thermal performance of the cooler has been investigated with parameters such as the temperature difference, the current, and the cooling power.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

마이크로 열전냉각기의 성능을 파악하기 위하여 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하였다. 열전재료로는 현재까지 Tellurium 화합물이 상온 근처에서 가장 높은 냉각성능을 가지는 것으로 알려져 있다.
고려된 열전소자는 5~20μm의 두께이고, 열전소자의 두께는 에너지전달에 영향을 미친다. 본 연구에서는 온도차, 전류, 열전소자의 두께들이 마이크로 열전냉각기의 성능에 미치는 영향을 조사하였다.

가설 설정

금속 연결 판의 재질은 편의상 구리로 가정하였고, 상하 기판은 MEMS 공정에서 많이 사용되는 실리콘 웨이퍼를 가정하여 실리콘으로 가정하였다. 구리와 실리콘에 대한 물성치들은 FEMLAB 소프트웨어에서 제공하는 값들을 사용하였다.

제안 방법

'"은 4인치 웨이퍼를 사용하는 새로운 제작방법을 사용하여 마이크로 냉각기를 제작하였는데, 3개의 p-n 쌍과 약 800mA의 전류로 11 K의 온도차로 냉각이 가능하다고 발표하였다. Da Silva and Kaviany⑻는 가스 센서의 냉각을 위한 기둥형(column type) 마이크로 열전냉각기에 대한 이론적 해석을 수행하고, 그 해석에 근거하여 마이크로 냉각기를 제작 하고 성능을 측정하였다.⑼
경계조건으로서 냉각부 윗면, 방열부의 아래면, 그리고 열전소자와의 계면을 제외한 모든 경계면에는 단열조건을 적용하였다.
금속 연결 판의 재질은 편의상 구리로 가정하였고, 상하 기판은 MEMS 공정에서 많이 사용되는 실리콘 웨이퍼를 가정하여 실리콘으로 가정하였다. 구리와 실리콘에 대한 물성치들은 FEMLAB 소프트웨어에서 제공하는 값들을 사용하였다.
마이크로 열전냉각기의 성능을 분석하기 위하여 Fig. 1에 보인 형상에 대하여 3차원 해석을 수행하였고, 두께변화에 따른 열전냉각기의 특성을 조사하기 위하여 열전소자의 두께를 변화시키면서 해석을 수행하였다.
마이크로 열전냉각기의 성능을 예측하기 위하여 FEMLAB 소프트웨어를 이용하여 3차원 해석을 수행하였다. 작은 크기의 기둥형 열전냉각기를 고려하였고 Bi2Tea와 Sb2Te3를 각각 n-형과 p-형 열전재료로 선정하였다.
열전소자의 계면 근처에서 나타나는 열적 비평형을 고려하기 위하여 계산영역을 2개로 '나누었다. 하나의 계산영역은 열전소자들만을 포함하는 영역으로 식(1)과 식(2)를 이용한다.
우선, 열전냉각기의 최대 성능을 파악하기 위하여 경계조건으로 냉각부에는 단열조건, 방열부에는 일정온도조건을 사용하여 해석을 수행하였다. 이러한 조건에 대한 해석을 통하여 열전냉각기의 최대 전류, 최대 온도차, 최대 냉각성능을 구할 수 있다.
제안된 마이크로 열전냉각기의 성능을 파악하기 위하여 냉각부의 온도를 25℃로 고정하고, 방열부의 온도를 45℃에서 125℃로 변화시키면서 해석을 수행하였다. 이에 따라 냉각부와 방열부의 온도차는 20℃에서 100℃까지 변한다.
해석모델에서는 열전소자와 계면 사이의 전기적, 열적 접촉저항을 고려하였다. 양자의 열전도에 대한 계면조건은 다음과 같다.

대상 데이터

열전재료로는 현재까지 Tellurium 화합물이 상온 근처에서 가장 높은 냉각성능을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 Bi2Te3와 Sb2Te3 를 각각 n-형과 p-형 열전재료로 선정하였다. 고려된 열전소자는 5~20μm의 두께이고, 열전소자의 두께는 에너지전달에 영향을 미친다.
작은 크기의 기둥형 열전냉각기를 고려하였고 Bi2Tea와 Sb2Te3를 각각 n-형과 p-형 열전재료로 선정하였다. 열전소자의 두께는 5μm 에서 20μm로 변화시켰고 이 두께는 열전냉각기의 성능에 영향을 미친다.
해석모델은 Fig. 1에 보인 바와 같이 두 개의 실리콘 기판과 두 기판 사이에 위치한 6개의 열전소자로 구성된다. 해석은 기판과 연결판, 그리고 열전소자에 대하여 서로 다른 지배방정식을 사용한다.

데이터처리

해석방법의 타당성은 우선 문헌에 보고된 1차원 해석결과'"를 이용하여 검증하였다. 검증을 위한 해석은 2차원 '형상을 가정하여 수행하였고 그 결과를 1차원 해석결과와 비교하였다.
해석결과'"를 이용하여 검증하였다. 검증을 위한 해석은 2차원 '형상을 가정하여 수행하였고 그 결과를 1차원 해석결과와 비교하였다.

이론/모형

앞 절에서 설명된 식들을 이용하여 해석하기 위하여 상용 해석 소프트웨어인 FEMLAB을 사용하였다. FEMLABe 유한요소법(Finite Element Method)에 기반한 소프트웨어로 다중물리 현상의 해석에 유용하게 사용할 수 있다.
열전소자에 대한 해석모델은 da Silva and Ka- viany(3)의 1 차원 해석모델을 3차원 환경으로 확장하여 사용하였다. 지배방정식들은 전기장 또는 온 도장에서 전자와 양자의 운동이론으로부터 얻을 수 있고 전자와 양자에 대하여 연립된 Boltzmann 방정식들에 의하여 표현된다(8,12)
열전소자와 관련된 열물성치들은 da Silva and Kaviany⁽⁸⁾의 연구결과를 참조하여 사용하였다. 금속 연결 판의 재질은 편의상 구리로 가정하였고, 상하 기판은 MEMS 공정에서 많이 사용되는 실리콘 웨이퍼를 가정하여 실리콘으로 가정하였다.

성능/효과

(1) 마이크로 열전냉각기는 종래의 벌크형 열전냉각기에 비하여 냉각시 발열밀도가 높아서 마이크로 기기의 냉각을 위한 유망한 후보이다 마이크로 열전냉각기는 쉽게 마이크로 기기에 결합될 수 있고 기계적인 구동부가 없으므로 효율적인 냉각에 적합한 장치라 할 수 있다.
사용된 재료들의 물성치들은 Table 1 에 나타낸 값들을 사용하였다. 본 연구에서 예측된 온도는 Fig.2에 나타낸 바와 같이 1차원 해석의 결과와 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 또한이 결과는 계면 근처의 열적 비평형이 전자와 양자에 대하여 서로 다른 온도분포를 가지게 하는 것을 보여주고 있다.
증가에따라 증가하는 경향을 보였다. 예측결과는 두께가 두꺼운 열전소자(L_te=20μm)를 사용할 때 작은온도차(zlTuZO-C)와 작은 전류에서 열전냉각기의 성능이 더 '향상되는 것을 보여주었다.
최대 온도차는 열전소자의 두께가 두꺼울 '때 작은 전류에서 더 크게 나타나고, 최대 냉각 열량은 두께가 얇을 때 다소 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나 두께가 얇은 열전소자에서 얻을 수 있는.

후속연구

열전소자의 두께는 5μm 에서 20μm로 변화시켰고 이 두께는 열전냉각기의 성능에 영향을 미친다. 본 연구에서 얻어진 결과는 실제 마이크로 열전냉각기의 설계 및 제작에 반영할 예정이다.

참고문헌 (12)

Rowe, D. M., 1995, Handbook of Thermoelectrics, CRC Press, Boca Ration
Bottner, H., 2002, Thermoelectric micro devices: Current state, recent developments and future aspects for technological progress and applications, Proc. of 21th Int. Conf. on Thermoelectrics, Long Beach, CA, pp. 511-518
Lim, J. R., Snyder, G.J., Huang, C.-K., Herman, J. A, Ryan, M. A and Fleurial, J.-P., 2002, Thermoelectric microdevice fabrication process and evaluation at the jet propulsion laboratory (JPL), Proc. of 21st Int. Conf. on Thermoelectrics, Long Beach, California, pp. 535-539
Yao, D.-J., Kim, C.-J., Liu, J. L., Wang, K. L., Snyder, J., Fleurial, J.-P. and Chen, G., June 2001, MEMS thermoelectric microcooler, Proc. of 20th Int. Conf. on Thermoelectries, Beijing, pp. 401-404
Yao, D.J., Chen, G. and Kim, C.-J., 2001, Low temperature eutectic bonding for inplane type micro thermoelectric cooler, Proc. of ASME IMECE, Paper No.IMECE200l/ MEMS-23901
Snyder, G.J., Lim, J.R., Huang, C.-K. and Fleurial, J.-P., 2003, Thermoelectric microdevice fabricated by a MEMS-like electrochemical process, Nature Materials, Vol. 2, pp. 528-531

상세보기
Bottner, H., Nurnus, J, Gavrikov, A., Kuhner, G., jagle, M., Kunzel, C., Eberhard, D., Plescher, G., Schubert, A. and Schereth, K.H., 2004, New thermoelectric components using microsystem technologies, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, pp. 414-420

상세보기
Da Silva, L. W. and Kaviany, M., 2004, Micro-thermoelectric cooler: Interfacial effects on thermal and electrical transport, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47, pp.2417-2435

상세보기
Da Silva, L. W., Kaviany, M. and Asheghi, M., 2004, Measured performance of a micro thermoelectric cooler, Proc. of ASME HTFED, Paper No. HT-FED2004-56412
Kim, J., Park, C. H., Kang, Y. T. and Choi, C. K., 2003, Heat transfer analysis for optimum design of a thermoelectric cooler, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 15, No. 11, pp. 889-894
Yoo, S.-Y., Hong, C.-P. and Shim, W.-S., 2004, A study on the performance of thermoelectric module and thermoelectric cooling system, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol.16, No.1, pp.62-69
Bartkowiak, M. and Mahan, G. D., 2001, Heat and electricity transport through interfaces, Semiconductors and Semimetals, Vol. 70, Academic Press, New York, pp.245-271

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증