KR100698460B1 - 판형 냉각 장치 및 이를 사용하는 칩셋 - Google Patents

Abstract

수평 방향으로는 응축부에서 증발부로의 액상 냉매의 원활한 흐름을 보장하고, 증발부에서 기화된 냉매의 원활한 흐름을 제공하는 것이 가능하고, 제조가 간단하여 높은 생산성과 낮은 생산 단가를 달성할 수 있는 새로운 구조의 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 판형 열전달 장치는, 저면에 열원이 접촉되는 하판; 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판; 박판의 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 박판 상에 정렬되어 적층되고, 적어도 상하 방향으로의 증기의 통로를 제공하기 위한 복수개의 상하 관통 개구를 갖는 하나 이상의 가압 지지 구조물; 가압 지지 구조물이 박판의 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 박판의 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함한다.

히트 파이프, 냉각 장치, 냉매, 응축, 기화, 열원, 반도체 칩 냉각 장치, 열 교환, 열전달 장치

Description

판형 냉각 장치 및 이를 사용하는 칩셋{PLANAR TYPE COOLING DEVICE AND CHIP SET USING OF THIS DEVICE}

도 1은 종래 기술 1(미국특허공보 6,446,706호)에 개시된 유연성 히트 파이프(flexible heat pipe)의 구성을 나타낸다.

도 2는 종래 기술 2(공개특허공보 제10-2004-18107호)에 개시된 평판형 열전달 장치의 구성을 도시한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 판형 냉각 장치를 도시하는 개략도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 판형 냉각 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예를 도시하는 개략도이다.

도 6은 도 3의 실시예의 단면을 나타내는 개략도이다.

도 7a 내지 도 7g는 가압지지 구조물의 다양한 예를 도시한다.

도 8a 내지 도 8d는 가압지지 구조물에 형성되는 증기의 수직 이동을 위한 복수개의 상하 관통 개구 형상의 다양한 예를 도시한다.

도 9a는 본 발명의 상하 관통된 미세 평행 패턴이 형성된 박판을 예시한다.

도 9b는 하나의 발열체에 본 발명의 실시예에 따른 판형 열전달 장치를 부착 한 경우를 도시한다.

도 9c는 복수개의 열원을 본 발명의 실시예에 따른 판형 열전달 장치에 부착한 경우이다.

도 10은, 발열체와 발열체 사이의 열적 간섭을 막아 각각 균일한 정도의 냉각을 보장하기 위하여, 단열부를 형성한 예를 도시한다.

도 11은 본 발명의 판형 냉각 장치 제조 방법의 바람직한 실시예의 흐름을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300: 상판 310: 가압지지 구조물

320, 322: 박판 350: 하판

본 발명은 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반도체 칩 등의 열원 표면으로부터 발생된 열을 저온부로 전달함으로써 반도체 칩 등 열원의 냉각 작용을 수행하기 위한 판형 열전달 장치에 관한 것이다.

최근 메모리, 중앙처리유닛(CPU) 및 임베디드 칩(embeded chip) 등 반도체 칩의 고집적화에 따라 칩의 원활한 냉각이 더욱 중요해지고 있는 추세이며, 또한, 노트북, PDA, 휴대폰 등 전자제품의 초 경량화 및 슬림화가 진행되고 있고, 광학 디스플레이의 발달로 LCD, LED 판넬의 냉각 문제에도 관심이 증대되고 있어, 이러 한 전자제품에 내장되는 반도체 칩 등을 냉각시키고자 하는 경우, 기존의 패키지 기술이나 냉각 팬 기술 등의 방법은 원활한 냉각을 수행하기에는, 구조적 기능적인 한계에 부딪히고 있는 실정이다.

이러한 한계를 극복하기 위하여 최근 히트 파이프(heat pipe)라고 하는 미세 구조물이 반도체 칩의 냉각 기능을 수행할 수 있는 새로운 열전달 장치로 주목받고 있다.

도 1은 종래 기술 1(미국특허공보 6,446,706호)에 개시된 유연성 히트 파이프(flexible heat pipe)의 구성을 나타낸다. 개시된 유연성 히트 파이프는 폴리프로필렌 층(28), 제1 접착층(30)에 의하여 상기 폴리프로필렌 층(28)에 접착된 제1 금속 호일층(32) 및 제2 접착층(34)에 의하여 상기 제1 금속 호일층(32)에 접착된 제2 금속 호일층(12)을 포함하는 외벽(26)에 의해 밀봉되고, 유연성의 다공질 재료로 된 윅(wick) 층(24)이 평판 적층 구조로 되어 있다. 또한, 윅 층(24)을 지지하여 외벽(26)과의 밀착을 유지시키면서 기체의 여러 방향으로의 이동을 가능하도록 하는 격리층(18)이 존재하는데, 이러한 격리층(18)으로는 폴리프로필렌 등의 재료로 된 메쉬 스크린(mesh screen)이 사용되었다. 또한, 여기서 윅 층(24)은, 구리 펠트(copper felt) 재질로 제조된다.

도 2는 종래 기술 2(공개특허공보 제10-2004-18107호)에 개시된 평판형 열전달 장치의 구성을 도시한다. 도시된 장치는 상판(200)과, 증발부(P1)에 대응되는 저면에 열원이 접촉되는 하판(100)의 조립체로 이루어져 그 사이에 보이드(void)를 형성하도록 되어 있으며, 액상 냉매의 표면장력에 의해 하판 상에 밀착되는 윅 플 레이트(wick plate)(110)와, 상기 하판(100)과 윅 플레이트(110)의 간격을 일정하게 유지하는 스페이서 플레이트(120)를 포함한다.

액상 냉매는 증발부(P1)와 응축부(P2) 사이를 순환하면서 하판과의 사이에서 발생하는 모세관력에 의해 응축부에서 증발부로 계속 공급되며, 증발부의 열원에 의해 발생된 증기는 응축부로 이동하여 다시 액상 냉매로 변환된다. 여기서 스페이서 플레이트(120)는 하판(100)과 윅 플레이트(110) 사이에서 표면 장력이 발생하는 범위 내에서 양자 사이의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 것이다.

그러나, 상술한 종래 기술 1의 히트 파이프는 내부 구조가 복잡하여 제조하기가 용이하지 않다는 문제점을 갖고 있으며, 또한, 윅 층(24)으로 구리 펠트 층 등을 사용함에 따라 외벽의 내부와의 접촉 정도가 윅 층(24)의 위치에 따라 달라지고, 윅 층(24) 자체 내에 형성되어 모세관력(capillary force)을 발생시키는 미세 통로가 균일하지 않게 되어 열전달 정도에 있어서 재현성이 떨어지게 된다. 또한, 펠트 층은 얇은 두께로 제조하기가 어려우므로 윅 층의 자체 두께가 두꺼워져 전체 히트 파이프의 두께가 두꺼워지는 문제점을 갖고 있으며, 이러한 문제점에 의해 개시된 히트 파이프는 초박형 반도체 소자의 냉각용으로 사용될 수 없게 된다.

또한 종래 기술 1의 히트 파이프는 모세관력을 발생시키는 미세 통로가 균일하지 않아 유동 저항이 매우 커지게 되고, 높은 모세관력을 얻는 일이 구조적으로 용이하지 않게 되어, 열원 부근에서의 증발이 활발하게 될 경우 액상 냉매의 흐름이 끊어지게 될 우려도 존재한다.

그리고 종래 기술 2에 개시된 평판형 열전달 장치의 경우에는, 제조가 매우 어렵다는 문제점과 함께, 매우 복잡한 형상의 구조물이 상판과 하판 사이에 삽입되어야 하므로 극히 정밀한 가공을 요하게 되어 초 박판 형태로 이러한 구조물을 대량 생산하는 것은 거의 불가능하여, 상기 종래 기술 2의 명세서에 언급된 바와 같이, 수 mm 이상의 두께로만 제조가 가능하다는 구조적인 한계를 갖고 있다.

또한, 위의 종래 기술 2에서는, 액상 냉매의 흐름이 윅 플레이트(120)에 마련된 각각의 플래너 윅들 사이의 간극 및 상기 윅 플레이트(120)와 하판 사이의 간극을 통하여 일어나도록 설계되어 있으며, 그에 따라, 윅 플레이트(120)와 하판 사이의 간격과, 플래너 윅들 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위하여, 하판 및 상판에 마련되는 돌기들 및 플래너 윅 사이를 연결하는 브리지 등의 복잡한 구조물들이 구비되어 있다. 그러나 수 mm 이하의 두께인 평판형 열전달 장치 내에 실장 될 수 있도록 이러한 미세 내부 구조물들을 정밀 가공하는 것은 매우 어려우며, 가공 오차 등을 고려하면 이러한 구조는 대량 생산하기에는 매우 어려운 구조가 되며, 가공 오차에 의한 간격 불 균일의 효과는 바로 증발부에 대한 액상 냉매 공급의 차단으로 이어지게 되어 치명적인 불량을 유발할 수 있게 된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수평 방향으로는 응축부에서 증발부로의 액상 냉매의 원활한 흐름을 보장하고, 그와 동시에 증발부에서 기화된 냉매의 원활한 흐름을 제공하는 것이 가능한 새로운 구조의 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 제조가 간단하고 불량률이 적어 대량 생산 시 높은 생산성과 낮은 생산 단가를 달성할 수 있는 새로운 구조의 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 모세관력을 이용한 냉매 공급에 있어서 높은 성능을 가지고, 공정 오차에 의한 영향이 적어 신뢰성이 높은 새로운 구조의 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 특징에 의한 판형 열전달 장치는, 저면에 열원이 접촉되는 하판; 상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판; 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되고, 적어도 상하 방향으로의 증기의 통로를 제공하기 위한 복수개의 상하 관통 개구를 갖는 하나 이상의 가압 지지 구조물; 상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및 상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함한다.

바람직하게는, 상기 가압지지 구조물과 상기 상판 사이에, 서로 적층되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 하판은, 그 상면에 대한 상기 박판의 정렬을 가이드하고, 상기 상판과의 결합을 위해, 상기 박판이 놓일 영역을 둘러싸면서 상기 상면에 대하여 돌출되어 있는 테두리부를 더 포함하는 것일 수 있다.

그리고 상기 가압 지지 구조물은, 평면상에서 보았을 때 상기 박판보다 작은 면적을 가지며, 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 상기 가압하고자 하는 영역에 대응되도록 된 것일 수 있다.

나아가서, 상기 박판은, 상기 가압지지 구조물에 의해 가압되어, 미리 설계된 조립 이전의 상기 평행 패턴의 간극보다 더 좁은 간극을 제공하는 것일 수 있다.

경우에 따라, 상기 가압지지 구조물은 상기 상판의 저면에 형성되어 상기 상판과 일체로 된 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 가압지지 구조물은, 상기 증기를 상하로 이동시키고 상기 액상 냉매를 수평 방향으로 이동시키기 위한 수직 방향 및 수평 방향의 관통 개구들을 갖는 다공성 구조물일 수 있다.

또한, 상기 가압 지지 구조물은 그 하부의 상기 평행 패턴에 의하여 형성되는 액상 냉매의 유로와 그 상부의 증기 유로 간의 단열 판으로 작용하는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 증기 통로인 수직 방향의 관통 개구들은 그 직경이 0.5 내지 4mm이며, 상기 액상 냉매 통로인 수평 방향의 관통 개구들은 그 직경이 10 내지 300um이며, 상기 가압 지지 구조물의 두께는 1mm 이하일 수 있다.

다른 설계에 따라, 상기 가압지지 구조물은, 스크린 메쉬(screen mesh)일 수 있으이며, 메쉬수는 ASTM 사양 E-11-95를 기준으로 10 내지 30인 것임이 바람직하다.

또 다른 설계에 따라, 상기 가압지지 구조물은, 평판 상에 정의된 사각형의 대향하는 두 변이 절개되고 다른 대향하는 두변을 중심으로 신장 및 돌출된 복수개의 관통 및 엠보싱 패턴을 갖는 패널일 수 있다.

또한, 상기 박판의 상하 관통된 평행 패턴은 에칭 또는 기계적 가공을 통하여 형성된 것일 수 있고, 상기 박판의 상하 관통된 평행 패턴의 관통된 부분의 폭은 0.5mm 이하일 수 있으며, 상기 박판의 두께는 0.5mm 이하인 것이 바람직하다.

상기 상판 및 하판은, 금속, 폴리머, 실리콘 또는 비철금속판에 폴리머 층을 코팅한 재질로 된 것임이 바람직하고, 상기 박판 및 상기 가압 지지 구조물은 금속, 폴리머, 실리콘 또는 세라믹 재질로 된 것임이 바람직하다.

복수개의 열원을 냉각하기 위해 상기 판형 냉각 장치가 사용되는 경우에는, 각각의 열원이 접촉되는 영역 사이에 상기 열원들 사이의 열적 간섭을 막기 위한, 하나 이상의 단열부가 구비될 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 의한 판형 냉각 장치는, 저면에 열원이 접촉되는 하판; 상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판; 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되는 하나 이상의 가압 지지 구조물; 상기 가압지지 구조물 상단에 적층되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이 상의 상부 박판; 상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 상부 박판을 통하여 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및 상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함한다.

본 발명의 제3 특징에 의한 판형 냉각 장치는, 저면에 열원이 접촉되는 하판; 상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판; 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되는 하나 이상의 가압 지지 구조물; 상기 가압지지 구조물 상단에 적층되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 상부 박판; 상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 상부 박판을 통하여 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및 상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함하며, 여기서 상기 가압 지지 구조물은, 평면상에서 보았을 때 상기 박판보다 작은 면적을 가지며, 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성 된 영역의 상기 가압하고자 하는 영역에 대응되도록 된 것이며, 상기 박판은, 상기 가압지지 구조물에 의해 가압되어, 미리 설계된 조립 이전의 상기 평행 패턴의 간극보다 더 좁은 간극을 제공하는 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 제4 특징에 의한 판형 냉각 장치는, 저면에 열원이 접촉되는 하판;

상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판; 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되고, 수평 및 상하 방향으로의 액체 및 증기의 통로를 제공하는 하나 이상의 가압 지지 구조물; 상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및 상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함한다.

본 발명의 제5 특징에 의한 칩 셋(chip set)은, 상술한 판형 냉각 장치; 및 상기 판형 냉각 장치에 접촉하는 하나 이상의 반도체 칩을 포함한다.

본 발명의 제6 특징에 의한 판형 냉각 장치 제조 방법은, 하판의 상면에 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판을 정렬하여 적층하는 단계; 적어도 상하 방향으로의 증기의 통로를 제공하기 위한 복수개의 상하 관통 개 구를 갖는 하나 이상의 가압 지지 구조물을 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬하여 적층하는 단계; 상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 상판을 밀봉 결합하는 단계; 및 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 상기 공간의 적어도 일부에 채우는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 냉매를 상기 공간의 적어도 일부에 채우는 단계는, 상기 공간을 저압 상태로 배기하는 단계; 및 상기 배기된 공간의 일부를 채우도록 상기 냉매를 주입하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

다른 대안으로는, 상기 냉매를 상기 공간의 적어도 일부에 채우는 단계는, 상기 공간에 냉매를 채우는 단계; 및 상기 냉매의 일부를 배출시켜 상기 공간의 일부를 저압 상태로 하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 판형 냉각 장치를 개략적으로 도시한다. 본 실시예의 판형 냉각 장치는 상판(300) 및 하판(350) 사이에 한개 층의 가압 지지 구조물(310)과, 두개 층의 박판(320, 322)이 삽입되는 구조이다.

상판(300)과 하판(350)은 다양한 재질로 제조할 수 있으며, 예를 들어, 금속, 폴리머, 실리콘 또는 비철금속판에 폴리머 층을 내면 및/또는 외면에 코팅한 재질로 된 것 등일 수 있다.

박판 상에는 상하 관통된 복수개의 평행 패턴들이 형성되어 있다. 도시된 실시예에서는, 평행 패턴들이 직선을 이루도록 되어 있다. 박판 상에 형성되는 평행 패턴들은 에칭(etching)이나 또는 펀칭(punching) 등의 정밀 기계 가공에 의하여 구현될 수 있다.

평행 패턴들을 이루는 직선 부분 사이에 형성되어 간극을 이루는 관통 개구들은, 충분한 모세관력을 얻기 위해서, 0.5mm이하의 폭을 갖도록 함이 바람직하다. 관통 개구들 사이의 격벽을 이루는 박판(320, 322) 상의 남아있는 직선 부분의 두께는, 가공 오차를 무시한다면 박판(320, 322)의 두께와 실질적으로 동일하게 될 것이고, 0.5mm 이하의 두께를 갖도록 설계된다. 여기서, 평행 패턴들은 도시된 예와 같이 외곽의 테두리 부분을 제외한 박판(320, 322) 전면에 걸쳐 형성될 수도 있지만, 박판(320, 322)의 일부분에만 형성될 수도 있다. 평행 패턴의 정렬 방향은 모세관력을 이용하여 이동시키고자 하는 냉매의 이동 방향과 같게 되므로, 장치의 열원 배치에 따라 다양하게 달라질 수 있다.

상하에 적층되는 박판(320, 322)에 형성되는 평행 패턴들은 각각 서로 동일한 방향, 폭 및 피치(pitch)를 갖는 패턴일 수도 있고, 그 중 하나가 서로 달라질 수도 있다. 하판 전면에 대한 액상 냉매 이동시의 등방성(isotropy)을 향상시키기 위해서 두 장의 박판(320, 322)의 평행 패턴이 서로 직교하는 방향(예를 들어 상부 의 것은 가로 방향, 하부의 것은 세로 방향 등)으로 형성되도록 할 수도 있다. 이와 같이 할 경우, 각각의 평행 패턴은 각각 수평 방향 및 수직 방향의 모세관력에 의한 액상 냉매 이동 통로로 작용하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 박판(320, 322)의 정렬을 용이하게 하기 위해서 하판(350)의 가장 자리에는 하판(350)의 저면에 비하여 돌출되어 있는 테두리부가 형성되어 있을 수 있다. 박판(320, 322)은 테두리부에 의하여 둘러싸인 하판(350)의 상면에 안착되며, 하판(350)의 상면에 들어맞도록 그 크기가 설계되어, 제조 시 박판(320, 322)의 정렬을 용이하게 하고, 사용 시 하판(350) 내부에서의 박판(320, 322)의 현저한 위치 변동을 방지한다.

도 3에는 가압지지 구조물(310)로, 스크린 메쉬(screen mesh)가 사용된 경우가 예시되었다. 가압지지 구조물(310)은, 스크린 매쉬 등과 같이 하판(350)의 저면에 접촉되는 열원에 의한 냉매의 기화에 의해 발생된 증기가 상하 방향으로 이동할 수 있도록 하는 상하 관통 개구가 표면에 충분한 밀도로 형성된 다공성 재질임이 바람직하다.

가압지지 구조물(310)은, 특히 적층된 박판(320, 322) 상에 형성된 평행 패턴 상에 압력을 가하게 된다. 이 때, 평행 패턴들이 형성된 영역 전체를 가압할 수도 있으며, 또는 평행 패턴이 형성된 영역 중의 일부를 가압할 수도 있다. 이러한 가압 작용을 위하여 가압지지 구조물(310)의 외곽까지의 크기는 상기 박판(320, 322)의 외곽까지의 크기에 비하여 작도록 설계되며, 바람직하게는 박판(320, 322) 상의 평행 패턴 형성 영역에 대응되는 크기를 갖도록 제조된다. 그에 따라서, 상 판(300)이 테두리부를 통하여 하판에 결합되면, 가압지지 구조물(310)은 압착되어, 박판(320, 322) 상의 평행 패턴 형성 영역의 적어도 일부를 누르게 된다.

이러한 가압지지 구조물(310)의 가압 작용에 의해 박판(320, 322) 상의 평행 패턴은, 도 6에 도시된 바와 같이 압착된다. 따라서 박판(320, 322) 상의 패턴은 하판(350)의 상면에 더욱 밀착될 수 있으며, 평행 패턴 상의 직선 부분과 직선 부분 사이의 간격이 조립 전의 가공 상태보다 더욱 가까워 질 수 있다. 그러므로 적층된 박판(320, 322) 상에는 더욱 미세한 직경을 갖는 액상 냉매 통로가 형성된다. 이러한 액상 냉매 통로는 전체적으로 대략 직선 경로를 유지하게 되며, 하판(350)의 상부 영역에 이러한 냉매 통로가 매우 균일하게 분포하게 되어 유동 저항이 극히 낮아 열원에 대한 냉매의 안정적인 공급이 가능하게 된다. 또한, 이러한 가압지지 구조물(310)의 가압 작용에 의해, 조립 이전에 박판 상에 형성된 패턴에 비하여 더욱 좁은 폭을 가지는 미세 간극을 얻을 수 있어, 평판 상에 극히 미세한 패턴을 형성하기 위한 에칭 또는 기계적 가공 시의 공정상 한계를 극복하는 것이 가능하게 되고, 가공에 의해서는 실제 구현하기가 매우 어려운, 수 um의 직경을 갖는 미세 냉매 통로까지도 구현할 수 있게 된다.

또한, 박판(320, 322) 및 가압 지지 구조물(310)은 다양한 재질로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 금속, 폴리머, 실리콘 또는 세라믹 등의 재질로 된 것일 수 있다. 냉매는 물, 알코올류(에탄올, 메탄올, 에틸렌글리콜 등), 아세톤 등 유기 용제 등을 포함하는 어떠한 것이라도 장치의 사용 목적에 따라 취사선택되어 사용될 수 있다.

상술한 도 3의 실시예에 도시된 구조는 직사각형 형상의 하판 저면의 어느 위치에 열원이 결합되는가에 관계없이 균일한 냉매의 흐름을 제공할 수 있으며, 열원의 크기도 소정 영역 내에서 가변 가능하여, 대량 생산에 의해 표준화된 범용의 판형 냉각 장치로 사용되는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 판형 냉각 장치의 구성을 도시하는 개략도이다. 상판(400) 및 하판(450) 사이에, 상하 관통된 평행 패턴이 형성된 3개의 박판(420, 422, 426)이 정렬되어 있고, 그 상단에 2개의 가압지지 구조물(410, 415)이 배치되어 있다. 이와 같이, 설계에 따라 박판 및 가압지지 구조물의 개수는 다양하게 달라질 수 있다. 하판(450)에 대한 박판(420, 422, 426)의 결합 방식 및 박판(420, 422, 426)상의 평행 패턴에 대한 가압지지 구조물(410, 415)의 작용은 상술한 도 3의 실시예와 원칙적으로 유사하다. 그러나 제2 실시예에서는 상단의 가압지지 구조물(410)은 박판(420, 422, 426)의 평행 패턴을 직접 압착 하지 않고, 하단의 가압지지 구조물(415)에 상판(400)의 압력을 전달하게 된다는 점이 상이하다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예를 도시하는 개략도이다. 도시된 실시예에서는, 상판(500)과 가압지지 구조물(510)의 사이에 두 개의 박판(520, 522)이 삽입되며, 하판(550)과 가압지지 구조물(510)의 사이에도 두 개의 박판(524, 526)이 삽입되어 있다. 이 경우, 상하 대칭 구조를 이루게 되며, 가압지지 구조물(510)은 상부의 박판(520, 522) 및 하부의 박판(524, 526) 상에 형성된 평행 패턴들을 각각 상판(500) 및 하판(550)을 향하여 압착하게 된다. 이러한 구조로 된 판형 열전달 장치는 상판과 하판에 각각 열원이 접촉 가능하며, 어느 경우에나 동일한 성능을 갖게 된다. 가압지지 구조물(510)을 중심으로 한 쪽에 있는 박판들(524, 526)이 액상 냉매의 통로 작용을 할 경우에, 다른 쪽에 있는 박판들(520, 522)은 가압지지 구조물(510)과 함께 증기의 통로 역할을 하게 된다.

도 7a 내지 도 7g는 가압지지 구조물의 다양한 예를 도시한다. 도 7a는, 가압지지 구조물의 종축 방향으로 평행하게 직선 패턴이 형성된 가압지지 구조물(610)을 예시한다. 또한, 도 7b는 한 쪽에는 종축 방향으로 평행한 직선 패턴이 형성되어 있고, 다른 쪽으로는 주축 방향으로 평행한 직선 패턴이 형성되어 있는 두 장의 가압지지 구조물(710, 712)을 사용한 경우의 예를 나타낸다.

도 7c는 가장자리에 테두리가 있는 형태의 스크린 메쉬를 가압지지 구조물(810)로 사용한 경우를 도시한다. 또한 도 7d는 도 3의 경우와 같이 가장자리에 테두리가 없는 형태이기는 하나, 종축 및 주축 방향의 와이어(wire)가 서로 교차하도록 직조되어 있는 메쉬가 아닌, 상층의 와이어는 주축 방향 그리고 하층의 와이어는 종축 방향으로 배열되어 있는 메쉬를 가압지지 구조물(910)로 사용한 경우를 나타낸다.

도 7e는 가압지지 구조물로서 수평 방향의 관통 개구들(1013)및 수직 방향의 관통 개구들(1012)이 다수 형성되어 있는 다공성 구조물을 가압지지 구조물(1010)로 사용하는 경우를 예시하며, 도 7f는 그 내부의 구조를 도시한다. 이러한 구조물은, 수직 방향의 관통 개구들(1012)에 의해 열원에 의해 발생된 증기가 상부로 이동하게 되며, 수평 방향의 관통 개구들(1013)에 의해 액상 냉매가 이동하게 되 어, 증기와 냉매의 이동 경로를 모두 제공하는 것이 가능하게 된다. 증기의 이동을 위한 수직 방향의 관통 개구들의 직경은 0.5 내지 4mm 이며, 냉매의 이동을 위한 수평 방향의 관통 개구들의 직경은 10 내지 300 um 로서, 수직 방향의 관통 개구는 냉매에 의한 증기 이동 통로의 막힘을 방지하기 위해서 상대적으로 큰 것이 바람직하다.

도 7g는 평판 상에 엠보싱(embossing) 패턴이 형성된 형태의 가압지지 구조물(1110)을 예시한다. 이러한 형태의 가압지지 구조물(1110)은, 도시된 바와 같이 평판 상의 미세한 사각형 영역에서의 대향하는 두변을 절개하고 다른 대향하는 두변을 신장시켜 한 쪽 방향으로 돌출시킨 미세 엠보싱(embossing) 구조들이 정렬되어 배열된 구조이며, 각각의 미세 엠보싱 구조는, 증기의 이동 통로를 제공하는 개구부(1113)와, 상판이 가하는 압력을 전달받으면서, 상판과의 사이에서 증기의 수평 방향 이동 공간을 확보하기 위한 돌출부(1112)로 이루어진다.

도 8a 내지 도 8d는 가압지지 구조물에 형성되는 증기의 수직 이동을 위한 복수개의 상하 관통 개구 형상의 다양한 예(410, 1210, 1310, 1410)를 도시한다. 도 8a의 사각형 관통 개구(412), 도 8b의 삼각형 관통 개구(1212), 도 8c의 원형 관통 개구(1312) 또는 도 8d와 같은 육각형 관통 개구(1412) 등이 다양하게 적용될 수 있다.

도 9a는 본 발명의 상하 관통된 미세 평행 패턴(427)이 형성된 박판(420)을 예시한다. 도 9b는 하나의 발열체(460)에 본 발명의 실시예에 따른 판형 열전달 장치를 배치한 경우를 도시한다. 장치 내부의 평행 패턴(827)의 형성 방향에 따라 냉매가 지속적으로 공급되어, 열원에서 기화하고, 가압 지지 구조물 내 또는 그 상단의 증기 이동 통로를 거쳐 저온부로 이동한 후 응축하여 다시 열원으로 공급되는 과정을 통하여 열전달이 이루어지게 된다.

도 9c는 복수개의 열원을 본 발명의 실시예에 따른 판형 열전달 장치에 부착한 경우이다. 도시된 바와 같이, 이러한 경우는 장치 내부의 박판(720) 상에 형성된 평행 패턴(727)의 방향이 복수개의 열원(460) 배열 방향과 수직한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. 평행 패턴을 이와 같이 구성한 경우, 냉매의 이동 경로가 각각 별도로 형성되게 되어 열원과 열원 사이의 간섭을 막을 수 있게 되고, 국부적인 냉각 불충분에 의해 일부 칩이 고온화 되어 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

나아가서, 도 10은, 발열체와 발열체 사이의 열적 간섭을 막아 각각 균일한 정도의 냉각을 보장하기 위하여, 단열부를 형성한 실시예를 도시한다. 열원(460)과 열원 사이에 형성된 단열부(465)는 장치 내에 단열재가 삽입되어 이루어진 것일 수도 있으며, 장치의 외벽에 의해 액상 냉매 이동 통로가 차단되어 형성된 것일 수도 있다. 단열부(465)의 구체적인 구성은 특허등록 제10-294317호("초소형 냉각 장치")에 예시된 내용을 참조로 하며, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

도 11은 본 발명의 판형 냉각 장치 제조 방법의 바람직한 실시예의 흐름을 도시한다. 이하에서는, 도 3 및 도 11을 참조로 하여 본 발명의 판형 냉각 장치 제조 방법을 설명한다. 우선, 하판(350) 상의 테두리부 내에 정의된 상면 영역에, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴을 갖는 하나 이상의 박판(320, 322)을 정렬한다 (S10). 이후, 정렬된 하나 이상의 박판(320, 322) 상의 평행 패턴이 형성된 영역 중 가압할 영역에 하나 이상의 가압지지 구조물(310)을 정렬시킨다(S20). 도 5의 실시예와 같이 상하 대칭 구조를 제조하고자 할 경우에는, 가압지지 구조물(310) 상부에 하나 이상의 박판을 더 적층할 수도 있다.

이후, 가압 지지 구조물(310)이 평행 패턴 상의 가압하고자 하는 영역을 하판(350) 방향으로 압착하도록, 상기 가압지지 구조물(310)에 압력을 가하면서 상판(300)에 결합시킨다(S30). 결합 시에는 도 3에 도시된 바와 같이 상판과 하판에 형성된 테두리부를 용접하거나 클램핑(clamping)하는 등의 방법이 사용될 수 있다.

이후 별도로 마련된 배기구를 통하여 상판(300)과 하판(350) 사이에 형성된 공간을 저압 상태로 하고, 상기 공간의 일부를 액상 냉매로 채우고(S40), 상기 공간을 외부와 밀봉한다(S50).

상판(300)과 하판(350) 사이의 공간을 저압 상태로 하면서 액상 냉매를 주입하는 방법으로는, 먼저 상판과 하판 사이의 공간을 배기하여 저압 상태로 하고, 액상 냉매를 주입한 후 밀봉하거나, 먼저 상판과 하판 사이의 영역을 냉매로 채운 후, 일부 냉매를 뽑아내어 공간 내의 일부 영역을 저압 상태로 만드는 방법이 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 장치의 평면 형상은 예시된 사각형의 것들뿐만 아니라, 다양한 다각형 또는 자유 곡선형 등으로 변형 실시될 수 있으며, 박판에 형성되는 평행 패턴의 형상도 단순한 직선이 아니라 곡선이나 복 수개의 직선이 결합된 경로를 갖도록 형성된 패턴일 수 있다.

또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명에 의하여, 수평 방향으로는 응축부에서 증발부로의 액상 냉매의 원활한 흐름을 보장하고, 그와 동시에 증발부에서 기화된 냉매의 원활한 흐름을 제공하는 것이 가능한 판형 열전달 장치 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 판형 열전달 장치는, 제조가 간단하고 불량률이 적어 대량 생산 시 높은 생산성과 낮은 생산 단가를 달성할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 판형 열전달 장치는, 모세관력을 이용한 냉매 공급에 있어서 높은 성능을 가지며, 공정 오차에 의한 영향이 적어 신뢰성이 매우 높다.
본 발명에 의한 판형 열전달 장치는 대량 생산에 적합하여 다양한 종류의 열원을 냉각하기 위한 범용의 냉각 장치로 사용될 수 있으며, 특히 고집적 반도체 칩의 냉각에서 탁월한 성능을 제공할 수 있다.

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11. 저면에 열원이 접촉되는 하판;

    상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판;

    상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되고, 적어도 상하 방향으로의 증기의 통로를 제공하기 위한 복수개의 상하 관통 개구를 갖는 하나 이상의 가압 지지 구조물;

    상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및

    상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함하고,

    상기 가압지지 구조물은, 평판 상에 정의된 사각형의 대향하는 두 변이 절개되고 다른 대향하는 두변을 중심으로 신장 및 돌출된 복수개의 관통 및 엠보싱 패턴을 갖는 패널인 판형 냉각 장치.
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17. 저면에 열원이 접촉되는 하판;

    상기 하판의 상면에 적층 정렬되고, 상하 관통된 복수개의 평행 패턴이 형성된 하나 이상의 박판;

    상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역의 적어도 일부를 덮도록 상기 박판 상에 정렬되어 적층되고, 적어도 상하 방향으로의 증기의 통로를 제공하기 위한 복수개의 상하 관통 개구를 갖는 하나 이상의 가압 지지 구조물;

    상기 가압 지지 구조물이 상기 박판의 상기 평행 패턴이 형성된 영역 중의 적어도 일부를 가압하도록, 상기 가압 지지 구조물에 압력을 전달하면서 상기 하판에 밀봉 결합되는 상판; 및

    상기 결합된 상판과 하판 사이에 형성되는 공간의 적어도 일부를 채우고, 상기 박판의 상기 평행 패턴들 사이의 간극에 의해 발생되는 모세관력(capillary force)에 의하여 이동하고 상기 열원에 의해 기화되어 이동한 후 응축되어, 상기 공간 내에서 순환함으로써 열전달을 수행하는 냉매를 포함하고,

    복수개의 상기 열원을 냉각하기 위해 각각의 열원이 접촉되는 영역 사이에 상기 열원들 사이의 열적 간섭을 막기 위한, 하나 이상의 단열부가 구비된 것을 특징으로 하는 판형 냉각 장치.
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