2D Horizontal On-chip Cooling using Thin-film Thermoelectric Peltier Unit for Mobile Electronics

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 재료공학부, 2018. 2. 주영창.최근 휴대용 전자기기 논리소자의 전류밀도 증가에 따른 발열 문제가 대두되고 있다. 발열 문제는 전자기기의 구동속도 감소, 배터리 소모 과다, 사용자 불쾌감 등을 초래하며 기기의 신뢰성을 저하시킨다. 다양한 냉각 방식 중 종래의 열전 냉각기는 부피 제약으로 인해 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용하기 어려움이 있다. 따라서, 2차원 수평형 구조의 박막 열전 냉각 방식은 전자기기의 구동속도와 신뢰성 향상의 잠재적인 대안이 될 수 있으며, 2차원 수평형 열전 냉각 소자는 재료 및 구조의 최적화를 통해 수평형 냉각 효율을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 2차원 수평형 박막 열전 냉각 소자를 제작하고 열적 거동을 관찰하였다. 열전 재료로 n-타입의 Bi2Te3, p-타입의 Sb2Te3와 Cu 전극, 이의 확산 방지막으로 여러가지 후보군 중 Mo가 각각 적용되었으며, 반도체 소자 제작과 유사한 공정을 전제로 산업에 바로 적용할 수 있는 재료 선정과 박막 제작 공정을 거쳤다. 열전 박막의 두께는 250nm에서 1μm까지 두께를 변화시키면서 제작 하였으며 두께가 증가할수록 전기적 특성은 증가하고, 열적 특성은 감소함을 확인하였다. Cu 전극은 열전재료로 쉽게 확산하는 물질로 열역학 계산을 통한 안정상의 확산 방지막 재료를 선정하였으며, 열처리 이후 미세구조와 성분분석을 통해 계면 사이의 확산이 방지됨을 확인하였다. 확산 방지막의 적용은 전류-전압 특성 확인을 통해 ohm 점촉과 함께 낮은 접촉저항이 나타남을 확인하였다. 기하학적 요소를 기반으로한 2차원 수평형 박막 열전 냉각 단위 소자를 설계 및 제작하고 열적 거동을 확인한 결과 열 접합부와 냉 접합부간의 최대 3.2℃의 온도편차를 확인하였으며, 이는 확산 방지막 적용에 따른 접합부의 접촉저항 감소와 함께 열전 비저항 감소의 기하학적 요소가 열전의 내부 Joule열을 제어하고 박막 열전 소자 전체의 저항을 낮춤에 따른 결과이다. 열전 냉각 성능은 Peltier 쌍 개수와 인가 전류, 시간에 비례하므로 박막 열전 냉각 소자를 직렬로 추가 연결함으로써 더 향상된 냉각 성능을 구현할 수 있을 것으로 기대된다, 본 연구는 2차원 수평형 구조의 박막 열전 냉각 단위 소자를 제작하고 소자를 구성함에 있어 확산 방지막을 적용하고 재료간의 기하학적인 요소를 최적화하여 열전 냉각 성능 향상에 대해 규명하였으며 소자 설계에 따른 열전 냉각 성능 효율 향상의 가이드라인을 제시하였다.1. 서론 1 1.1. 전자 기기 냉각 기술의 필요성 1 1.2. 2차원 수평형 열전 냉각 소자 3 1.3. 수평형 열전 냉각 소자 문제점 및 연구 방향 5 1.4. 본 논문의 구성 9 2. 이론적 배경 11 2.1. 열전 효과 11 2.1.1. Peltier 효과 11 2.1.2. 열전 성능 지수 .14 2.1.3. 열전 재료 및 박막 증착법 15 2.2. 계면 안정성 18 2.2.1. 상 안정성 18 2.2.2. 확산과 확산 방지막 19 2.2.3. 접촉저항 20 2.3. 전극 재료 23 3. 실험방법 25 3.1. 박막의 증착 25 3.2. 수평형 박막 열전 냉각 소자 제작 25 3.3. 전기적, 열적 성능 평가 29 4. 결과 및 고찰 32 4.1. 박막 열전 특성 32 4.1.1. n-타입 Bi2Te3 32 4.1.2. p-타입 Sb2Te3 33 4.2. 열전 재료와 3원계 안정상 물질 39 4.3. 박막 열전 냉각 단위 소자 설계 43 4.4. 박막 열전 냉각 단위 소자 특성 47 4.4.1. 전기적 특성 47 4.4.2. 열적 특성 49 5. 요약 및 결론 54 참고문헌 56 Abstract 61Maste