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문제 정의
- 본 연구에서는 칩의 국소 냉각에 이러한 초소형 열전냉각 시스템의 적용이 가능한지를 검토하기 위한 목적을 가지고 CO2 레이저를 이용한 국소 가열과 초소형 열전모듈을 냉각 장치로 적용한 실험을 수행하였다. 또한 실험 결과를 열전냉각 모듈 적용이 가능한 상용 소프트웨어인 TAS(Thermal Analysis System)(8)로 계산한 결과와 비교함으로써 냉각 시스템의 성능 예측과 중요 변수의 영향 등에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 실험에서 가장 중요한 사항 중의 하나는 항상 일정한 범위에서 국소 가열이 이루어져야 하는 것으로서 측정전에는 항상 레이저의 조사상태를 검사용 종이로써 확인하였다. 가열 부분의 온도와 냉각용 휀의 공급 전압을 입력하여 정상상태에 도달하게 되면 레이저로써 국소 가열을 시작하며 일정시간 경과 후에 열전냉각 모듈에 전압을 가하였다. 레이저 세기와 열전냉각 모듈에 가해지는 전압의 크기를 주요 실험 변수로 정하였으며 이들 변수 변화에 따른 모사용 칩의 온도변화를 측정하여 분석하였다.
- 표에서 back plate는 칩 모사용인 아크릴과 동일한 재질을 사용할 경우 너무 낮은 열전도율로 인해 열전모듈의 사용 여부에 따른 온도 변화를 거의 측정할 수 없어 히트싱크 시스템의 열전달을 향상시키기 위하여 다른 재질을 사용한 것을 나타낸다. 가열온도와 레이저 세기, 열전냉각 모듈용 전압 크기의 조정과 온도 등의 데이터 처리 및 저장을 위해 Fig. 3에 보인 바와 같이 LabView 프로그램을 활용하였다.
- 시뮬레이션을 위한 상부와 하부의 경계 조건으로서는 실험에서 측정한 가열부 및 히트싱크부의 온도를 이용하였으며 나머지 부분은 자연대류 열전달 경계조건을 사용하였다. 국소 가열은 모사용 칩 상부의 중앙 node에 열유속을 가하는 방법으로 모사하였으며 칩과 back plate, 열전모듈과의 접촉저항은 Table 1에 보인 바와 같이 interface의 유효열전도율에 포함시키는 방법을 취하였다. 열전모듈의 성능은 TAS 프로그램 내에 포함된 다음의 식들을 이용하여 계산하였다.
- 1과 같이 구성하였다. 그림에 보인 바와 같이 국소 가열을 위하여 평균 출력 10W 용량의 CO2 레이저시스템(SYSRAD, Model 48-1)을 사용하였으며 발생된 레이저 소스는 초점거리가 110 mm인 렌즈로 유도되어 그림에 표시된 직경 1.5 mm의 hot spot hole을 통과한 다음 최종적으로 직경 약 0.6 mm의 범위(hot spot)에 조사된다. 레이저의 세기는 별도로 제공된 제어기(SYNRAD, Morel UC-2000)로 조절된다.
- 레이저를 이용한 국소 가열과 초소형 열전모듈을 냉각 장치로 적용한 실험을 수행하였다. 또한 실험 결과를 열전냉각 모듈 적용이 가능한 상용 소프트웨어인 TAS(Thermal Analysis System)(8)로 계산한 결과와 비교함으로써 냉각 시스템의 성능 예측과 중요 변수의 영향 등에 대해 조사하였다.
- 가열 부분의 온도와 냉각용 휀의 공급 전압을 입력하여 정상상태에 도달하게 되면 레이저로써 국소 가열을 시작하며 일정시간 경과 후에 열전냉각 모듈에 전압을 가하였다. 레이저 세기와 열전냉각 모듈에 가해지는 전압의 크기를 주요 실험 변수로 정하였으며 이들 변수 변화에 따른 모사용 칩의 온도변화를 측정하여 분석하였다. 하나의 조건에 대해 상당시간이 경과한 정상상태 측정을 기대했으나 전체의 열용량에 비해 매우 작은 초소형의 열전 냉각 모듈을 사용함에 따라 비교적 냉각 효과를 볼 수 있는 시간 범위의 데이터를 취득하였다.
- 2에 보인 바와 같이 아크릴을 사용하여 모사하였으며 그 중앙부에 초소형 열전냉각 모듈(MicroPelt, Model MPC-D901)을 방열컴파운드(장암엘에스(주), CASMOLY HC-300)을 사용하여 부착하였다. 상부의 가열을 위해서 4개의 전기히터를 알루미늄 블록에 설치하였으며 PID 제어기(Yokogawa, UT550)와 전압조정기(Sanup Electornic, SPR Pro)로써 블록의 가열온도를 조절하였다. 히터로 가해진 열과 열전 냉각으로 생성된 열은 알루미늄 블록과 히트파이프 및 휀으로 구성된 히트싱크 시스템를 사용하여 제거하였다.
- 시뮬레이션을 위한 상부와 하부의 경계 조건으로서는 실험에서 측정한 가열부 및 히트싱크부의 온도를 이용하였으며 나머지 부분은 자연대류 열전달 경계조건을 사용하였다. 국소 가열은 모사용 칩 상부의 중앙 node에 열유속을 가하는 방법으로 모사하였으며 칩과 back plate, 열전모듈과의 접촉저항은 Table 1에 보인 바와 같이 interface의 유효열전도율에 포함시키는 방법을 취하였다.
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2.2 실험방법
실험에서 가장 중요한 사항 중의 하나는 항상 일정한 범위에서 국소 가열이 이루어져야 하는 것으로서 측정전에는 항상 레이저의 조사상태를 검사용 종이로써 확인하였다. 가열 부분의 온도와 냉각용 휀의 공급 전압을 입력하여 정상상태에 도달하게 되면 레이저로써 국소 가열을 시작하며 일정시간 경과 후에 열전냉각 모듈에 전압을 가하였다.
- 컴퓨터용 IC칩은 Fig. 2에 보인 바와 같이 아크릴을 사용하여 모사하였으며 그 중앙부에 초소형 열전냉각 모듈(MicroPelt, Model MPC-D901)을 방열컴파운드(장암엘에스(주), CASMOLY HC-300)을 사용하여 부착하였다. 상부의 가열을 위해서 4개의 전기히터를 알루미늄 블록에 설치하였으며 PID 제어기(Yokogawa, UT550)와 전압조정기(Sanup Electornic, SPR Pro)로써 블록의 가열온도를 조절하였다.
- 상부의 가열을 위해서 4개의 전기히터를 알루미늄 블록에 설치하였으며 PID 제어기(Yokogawa, UT550)와 전압조정기(Sanup Electornic, SPR Pro)로써 블록의 가열온도를 조절하였다. 히터로 가해진 열과 열전 냉각으로 생성된 열은 알루미늄 블록과 히트파이프 및 휀으로 구성된 히트싱크 시스템를 사용하여 제거하였다. 냉각용 휀과 열전 모듈의 전력 공급을 위해서 정밀한 전력공급장치(Agilent, Model E3634A, E3633A)를 사용하였으며 국소 가열 및 냉각의 효과를 보기 위해 모사용 칩에 Fig.
대상 데이터
- 히터로 가해진 열과 열전 냉각으로 생성된 열은 알루미늄 블록과 히트파이프 및 휀으로 구성된 히트싱크 시스템를 사용하여 제거하였다. 냉각용 휀과 열전 모듈의 전력 공급을 위해서 정밀한 전력공급장치(Agilent, Model E3634A, E3633A)를 사용하였으며 국소 가열 및 냉각의 효과를 보기 위해 모사용 칩에 Fig. 2에 보인 바와 같이 직경 0.9 mm의 구멍을 가공하여 T형의 열전대를 설치하였다. Table 1은 실험장치 각 구성품에 대한 규격이며 문헌(9)과 제작사로부터 입수한 재료의 열전도율을 함께 나타내었다.
- 레이저 세기와 열전냉각 모듈에 가해지는 전압의 크기를 주요 실험 변수로 정하였으며 이들 변수 변화에 따른 모사용 칩의 온도변화를 측정하여 분석하였다. 하나의 조건에 대해 상당시간이 경과한 정상상태 측정을 기대했으나 전체의 열용량에 비해 매우 작은 초소형의 열전 냉각 모듈을 사용함에 따라 비교적 냉각 효과를 볼 수 있는 시간 범위의 데이터를 취득하였다.
성능/효과
- 1) 아크릴과 구리로 칩을 모사하고 CO2 레이저와 초소형 열전모듈을 국소 가열과 냉각에 적용하여 국소냉각 시스템을 구현할 수 있었다.
- 2) 열전모듈의 부착을 위한 방열컴파운드와 접촉저항의 영향이 열전모듈의 성능에 크게 영향을 미치며 이 열저항 감소가 매우 중요함을 알 수 있었다.
- 3) 실험 범위 내에서 열전모듈에 가해진 전압이 증가함에 따라 hot spot에서의 온도강하는 증가하였으나 열전모듈의 특성으로 인해 최대값이 존재하였으며 이후에는 감소하였다.
- 4) 열전모듈의 중요 물성치의 결정으로 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 잘 일치하였으며 실제 실험으로 얻을 수 없는 정보를 계산을 통하여 얻을 수 있었다.
- 그러나 표에서 제백계수는 실험결과와의 비교를 통하여 시행착오적으로 구한 값이다. 계산영역에 약 70만개의 node를 형성하였으며 node간의 분해능은 0.1~0.5 mm가 유지되었다.
- 3℃로 같았다. 이와 같은 경향은 전압의 증가에 따라 포물선 모양의 성능을 나타내는 열전모듈의 특성을 반영한 것으로 보이며 구성된 실험장치에서 최대 성능은 3~4 V 범위에서 발생함을 예상할 수 있었다.
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