Introduction to the Thin Film Thermoelectric Cooler Design Theories

Micro-sized Peltier coolers are generally employed for uniformly distributing heat generated in the multi-chip packages. These coolers are commonly classified into vertical and planar devices, depending on the heat flow direction and the arrangement of thermoelectric materials on the used substrate. Owing to the strong need for evaluation of performance of thermoelectric modules, at present an establishment of proper theoretical model has been highly required. The design theory for micro-sized thermoelectric cooler should be considered with contact resistance. Cooling performance of these modules was significantly affected by their contact resistance such as electrical and thermal junction. In this paper, we introduce the useful and optimal design model of small dimension thermoelectric module.

박막형 열전 냉각 모듈 제작을 위한 디자인 모델 소개

Peltier 효과를 이용한 박막형 열전 냉각 모듈은 열전 재료에 의한 열 출입의 방향에 따라서 수직형 구조와 수평구조로 나누어진다. 이와 같은 박막형 열전 냉각 모듈의 성능은 기존의 벌크 형태의 냉각 모듈을 평가하기 위해 사용하는 모델을 이용하여 측정할 수 있다. 우리가 제조한 열전 박막을 모델에 적용하여 열전재료의 길이 변화에 따른 열 방출 성능을 평가 하여 보았다. 재료의 성능이 향상됨에 따라서 동일한 열 전기적 저항에서 최대 열 방출 성능은 $73.9W/cm^2$에서 $131.2W/cm^2$으로 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 방사 형태로 $10{\mu}m$ 두께의 열전 재료와 전극들이 두께가 각기 다른 기판 위에 형성된 수평형 냉각 모듈을 설계하여 $10{\mu}m$ 두께의 $SiO_2$ 멤브레인 위에 열전재료가 형성된 열전 모듈에서 22 K의 온도 차를 해석결과로부터 알 수 있었다. 이와 같은 결과로부터 열전 재료의 특성과 모듈의 열 전기적 저항은 필연적으로 짧은 열전 재료의 길이와 두께를 갖는 박막형 열전 모듈을 높은 효율의 모듈로 설계하기 위해 반드시 고려되어 되어야 할 요소임을 확인 할 수 있다.