펠티어 모듈은 냉각 응용 분야에 이상적입니다.

펠티어 효과의 적용으로 더 나은 냉각 능력을 얻으십시오

펠티어 모듈은 열전 냉각기(TEC) 또는 열전 모듈(TEM)로도 알려져 있으며, 고체 상태의 장치로 움직이는 부품이 없으며 전력을 공급받을 때 열을 전달하며 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있습니다. 이는 1834년 프랑스의 물리학자 장 펠티어(Jean Peltier)에 의해 발견된 펠티어 효과에 이론적으로 기반하고 있습니다.   펠티어 모듈은 구조적으로 두 개의 전기적으로 절연되었지만 열전도성이 있는 세라믹 판 사이에 배치된 양극 및 음극 도핑 반도체 재료 펠릿으로 구성됩니다. 금속 재질의 전도성 패턴은 각 세라믹 판의 내면에 도금되어 있으며, 그 위에 반도체 펠릿이 납땜됩니다. 이 모듈 구성은 모든 반도체 펠릿이 전기적으로 직렬로, 기계적으로는 병렬로 연결되도록 합니다. 원하는 열 효과는 직렬 전기 연결에서 제공되며, 기계적 병렬 연결은 하나의 세라믹 판(냉각면)이 열을 흡수하고 다른 세라믹 판(열면)이 열을 방출할 수 있게 합니다.

일반적인 펠티어 모듈에서 실패의 흔한 원인

Peltier 모듈에서 가장 일반적인 고장은 반도체 펠릿 또는 관련 납땜 접합부의 기계적 파손입니다. 이는 초기에는 펠릿 또는 납땜 접합부 전체를 통해 진행되지 않으며, 장치의 직렬 저항 상승으로 감지할 수 있습니다. Peltier 모듈의 저항 상승은 전체적인 "효율성" 감소로 이어질 수 있지만, 반도체 펠릿이나 납땜 접합부 전체에 전파되는 파손은 완전한 고장을 초래할 수 있습니다.   Peltier 모듈의 일반적인 응용에서, 냉각될 물체는 모듈의 콜드 플레이트에 놓이고, 히트싱크는 핫 사이트에 배치됩니다. 히트싱크와 냉각될 물체가 세라믹 플레이트에 밀착되는 경우, 냉각된 물체와 히트싱크를 지원할 다른 기계적 구조가 없는 상황은 기계적 고장을 유발할 수 있습니다. Peltier 장치를 사용하여 물체 또는 히트싱크를 단순히 지지하는 것은 모듈에 큰 전단 또는 인장 하중을 가할 수 있습니다. Peltier 모듈은 히트싱크와 콜드 플레이트 간의 높은 인장 또는 전단력에 견딜 수 없으며 과도한 힘이 가해지면 파손될 수 있습니다.   대부분의 응용에서 히트싱크는 냉각될 물체와 함께 클램프되어 있으며, Peltier 모듈은 그 중간에 배치됩니다. 이러한 기계적 구성은 Peltier 모듈이 클램프에서 오는 큰 압축력을 지탱할 수 있고, 물체와 히트싱크 간의 전단 또는 인장 스트레스를 흡수할 수 있기 때문에 가능합니다.   Peltier 모듈이 큰 압축 하중을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있음에도 불구하고, 히트싱크와 냉각될 물체는 Peltier 모듈 전체에 균등하게 고정되어야 하며, 그렇지 않으면 세라믹 플레이트 간의 토크와 압축력이 기계적 고장을 초래할 수 있습니다. Peltier 모듈에 압축 클램프력을 생성하는 기계적 제약은 Peltier 모듈에 가해지는 토크 스트레스를 최소화하고 손상 가능성을 줄이기 위해 신중하고 균등하게 적용되어야 합니다.   또한, Peltier 모듈을 구성하는 세라믹 플레이트와 반도체 펠릿은 관련된 열팽창계수(CTE)를 갖고 있습니다. 세라믹과 반도체 CTE 간의 불일치는 기계적 스트레스를 유발할 수 있습니다. 모듈이 가열되거나 냉각되는 경우, 이는 반도체 펠릿과 납땜 접합부의 파손을 일으킬 수 있습니다. Peltier 모듈의 절대 온도 변화 외에도 장치의 열 구배와 온도의 급격한 변화율은 CTE의 결과로 기계적 스트레스를 유발할 수 있습니다. 극한 온도, 큰 온도 구배 및 높은 온도 급변율에서 작동하면 기계적 스트레스를 증가시키고 장치 고장을 초래할 수 있습니다.   Peltier 모듈의 반도체 펠릿, 납땜 접합부, 금속화된 전도 경로에 대한 외부 오염 가능성은 또한 고장을 유발할 수 있습니다. 오염 노출을 최소화하기 위한 일반적인 해결책은 두 세라믹 플레이트 사이의 모듈 주변에 실런트 비드를 적용하는 것입니다. 재료의 기계적 유연성으로 인해 실리콘 고무는 일반적인 실런트로 사용되지만, 혹독한 작동 환경에서 증기 차단막으로 효과적이지 않을 수 있습니다. 에폭시 수지는 높은 증기 농도가 존재하는 환경에서 주변 실런트로 사용할 수 있지만, 에폭시 수지는 일반적으로 실리콘 고무의 기계적 순응성을 갖지 않습니다.

arcTEC™ 구조를 갖춘 펠티에 모듈이 더욱 뛰어난 성능을 발휘합니다

위에서 언급했듯이, Peltier 모듈의 납땜 접합부와 반도체 펠릿은 기계적 응력하에서 균열이 발생할 수 있습니다. Same Sky는 arcTEC™ 구조를 사용한 Peltier 모듈을 개발했습니다. 이 독창적인 구조는 열 피로에 저항할 수 있도록 하여 모듈의 성능, 신뢰성, 그리고 수명을 향상시킵니다.   우선, Same Sky의 arcTEC™ 구조를 가진 Peltier 모듈은 모듈의 차가운 면에 있는 납땜 접합부를 전도성 수지로 대체했습니다. 이 수지는 납땜보다 기계적으로 더 유연하여, Peltier 모듈의 반복적인 열 주기 동안 열 팽창과 수축을 허용하고, 전통적인 Peltier 모듈 구조에서의 응력과 균열을 최소화하도록 돕습니다. 이는 더 나은 열 연결, 우수한 기계적 접합 및 시간이 지나도 성능이 크게 저하되지 않는 결과를 가져옵니다.   arcTEC 구조에서 나머지 납땜 접합부는 일반적으로 사용되는 저온 비스무트 납땜(BiSn, 138°C) 대신 고온 안티몬 납땜(SbSn, 235°C)으로 제작됩니다. 안티몬 납땜은 비스무트 납땜보다 기계적 응력에 더욱 강하며, 우수한 열 피로 저항성과 더 나은 전단 강도가 Peltier 모듈의 신뢰성을 향상시키는 데 기여합니다. Same Sky의 Peltier 모듈은 또한 기계적 적합성을 위해 실리콘 고무 방습 층을 포함하고 있습니다. 요청 시 에폭시 수지를 포함한 다른 방습 층도 제공됩니다.   arcTEC 구조에서 열 전도성 수지와 SbSn 납땜 접합부의 복합 작용에 따라, Peltier 모듈의 신뢰성과 서비스 수명이 크게 영향을 받습니다. Peltier 모듈의 기대 수명과 접합 품질 사이에는 직접적인 상관관계가 있으며, 고장은 주로 모듈 내 접합 부위의 열 피로로 인해 저항이 증가하면서 발생합니다. 이 효과는 반복적인 열 주기 동안 발생하는 내부 응력으로 인해 더 복잡해집니다. 30,000번 이상의 열 주기에서도 arcTEC 구조를 가진 Peltier 모듈의 저항 변화는 무시할 수 있을 정도로 작아, 우수한 성능을 제공합니다.   뛰어난 신뢰성과 모듈 수명 외에도 arcTEC 구조를 가진 Peltier 모듈은 향상된 열 성능을 제공합니다. Peltier 모듈에서 고품질 실리콘 잉곳으로 제작된 통합 P/N 요소는 시장에 있는 다른 열전기 모듈에서 사용되는 요소보다 2.7배 더 큽니다. 더 큰 요소는 더 빠르고 균일한 냉각을 생성하므로 이는 열 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. arcTEC 구조로 제작된 장치의 적외선 검사에서는 세라믹 기판 표면에서 균일한 온도 분포가 나타납니다.   반면 전통적인 장치는 여러 온도 변동을 나타내며, 이는 냉각 성능 감소와 서비스 수명 단축의 더 높은 위험을 나타냅니다. 이러한 온도 변동은 열악한 P/N 요소 품질, 작은 요소 크기 또는 모듈 내 납땜 품질 저하로 인해 발생할 수 있습니다. 더 큰 P/N 요소를 가진 모듈을 사용하면 성능 저하 없이 더 빠른 냉각이 가능합니다. 현장 테스트 결과 arcTEC 구조를 가진 모듈은 경쟁 모듈에 비해 냉각 시간이 50% 이상 개선된 것으로 나타났습니다. 이러한 상당한 차이는 P/N 요소의 크기와 품질 및 arcTEC 구조의 높은 신뢰성에 기인할 수 있습니다. 전통적인 모듈에서 열 주기의 증가와 저항 변화는 차이를 더욱 확대할 것입니다.

다양한 응용 요구를 충족시키는 다각화된 펠티어 모듈 시리즈

Same Sky의 고성능 펠티어 모듈 시리즈에는 작고 가벼운 형태와 고체 상태의 단일 스테이지 펠티어 모듈이 포함되어 있으며, 움직이는 부품이 없습니다. 정밀한 온도 제어와 반응성을 통해 매우 신뢰할 수 있는 냉각 솔루션으로 발전할 수 있습니다. 추가적으로 다단계 펠티어 모듈은 두 개의 모듈을 쌓아 열 펌프 용량을 증가시켜 최대 105°C의 높은 온도 증가를 달성할 수 있으며, 단일 스테이지 열전 냉각기의 고체 상태 장점을 유지합니다. 또한, 펠티어 냉각 장치의 뛰어난 방수성과 열 응력을 흡수하는 누수 방지 구조는 열 흡수를 개선하고 성능을 향상시키며, 나사를 조이지 않아도 간단하게 설치할 수 있도록 합니다.   Same Sky는 3.4 mm에서 70 mm 크기, 1.95 mm에 불과한 낮은 프로파일, 최대 95°C(Th=50°C)의 ΔTmax, 0.7 A에서 20 A의 정격 전류, 70°C에서 105°C의 온도 증가를 지원하는 고성능 펠티어 모듈 시리즈를 제공합니다. 이러한 펠티어 모듈의 신뢰할 수 있는 고체 구조, 정밀한 온도 제어, 그리고 조용한 작동 능력은 강제 공기 냉각이 불가능한 의료 및 산업 응용 및 설계에 이상적입니다.

결론

Same Sky의 Peltier 모듈은 열 피로의 영향을 완화하고 P/N 요소를 최적화하는 데 집중하며, 기존 구조의 열전 냉각기보다 훨씬 우수한 성능을 제공합니다. arcTEC 구조에서 구현된 이러한 개선 사항은 가장 까다로운 애플리케이션에 필요한 향상된 성능과 신뢰성을 제공하므로, 이러한 Peltier 모듈은 고밀도, 고출력 의료 및 산업 애플리케이션에 이상적인 선택이 됩니다.