KR101508126B1 - 평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법 - Google Patents

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KR101508126B1
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flat plate
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김성진
권기환
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한국과학기술원
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
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Abstract

본 발명은 휴대전화, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에서 전력을 사용하지 않고 고효율의 열전달시스템을 제공할 수 있는 평판 진동형 히트파이프(Flat plate PHP)에 관한 발명이다. 평판 진동형 히트파이프는 MEMS 기술을 이용하여 제작되며, 평판 진동형 히트파이프는 단일-턴 구간(single turn loop) 혹은 복수-턴 구간(multi-turn loop), 단일직경관(single diameter channel) 혹은 이중직경관(dual-diameter channels)의 형상으로 제작된다. 또한, 평판 진동형 히트파이프에서 사용되는 작동유체는 주 작동온도에 따라 다른 특성을 보이므로 주 작동온도에서 최적의 효율을 가지는 작동유체를 포함하는 평판 진동형 히트파이프를 구비한다. 상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 본딩(bonding)하여 결합되는 웨이퍼 상판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판을 식각하여 제작하고 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관; 상기 모세관 내부에 충진되는 작동유(working fluid); 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 측면에 설치되고, 상기 모세관과 연통되어 상기 작동유를 모세관에 주입배출할 때 사용되는 두 개의 관통구를 포함하는 것이 특징이다.

Description

평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법{A flat plate pulsating heat pipe and manufacturing method thereof}
본 발명은 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기에서 초소형 사이즈로 외부 전력이 필요 없이 온도를 제어할 수 있는 평판 진동형 히트파이프에 관한 것이다.
마이크로프로세서의 성능 향상으로 인해 전자장치는 소형화, 경량화 되어왔으며, 최근 들어 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기의 수요가 급증하고 있다. 이러한 전자장치들은 대부분 적층구조로 이루어져 있어 구조적으로 냉각 시스템을 위한 공간이 매우 제한적이고 협소하여 효과적인 냉각방식에 대한 필요성이 대두되고 있다.
초소형 냉각시스템으로서 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치(Thermal control device)로는 히트파이프(Heat pipe)가 있다. 일반적으로, 히트 파이프는 내부에 일정량의 작동유체를 충진한 후 진공상태로 밀봉한 밀폐관으로 이루어진다. 밀폐관은 내부에 작동유체의 통로를 구비하여 모세관 현상을 통해 작동유체를 이동시킬 수 있는 모세관 구조물을 내장한다. 또한, 밀폐관의 일단은 외측에 발열수단 또는 가열수단이 배치되어 작동유체를 증발시키는 증발부(가열부)를 구성하고, 타단은 외측에 방열수단 또는 냉각수단이 배치되어 작동유체를 응축시키는 응축부(냉각부)를 구성한다.
이러한 히트 파이프는 밀폐관 내부에 순환하는 작동유체가 증발부와 응축부에서 액체-증기간의 상변화를 연속적으로 일으킬 때 동반하는 잠열을 이용하여 열을 발열수단과 방열수단에서 가열수단과 냉각수단으로 또는 그 반대로 이동시키므로, 일반 순수 금속을 사용하는 것보다 훨씬 큰 열전달 성능(열전도율)을 나타낼 수 있다. 따라서, 히트 파이프는 열교환기, 냉각장치, 열 수송장치 등을 포함하는 다양한 분야의 장치에서 열 이송을 위한 기본 구성부품으로 널리 사용되고 있다.
하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 통상 금속망이나 소결금속입자 또는 금속섬유와 같은 다공질재료를 사용하여 필요한 일정한 두께 이상의 모세관 구조물인 윅(Wick)이 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다.
이러한 윅을 사용하는 히트 파이프의 문제점들을 해소하기 위해, 최근에는 밀폐관을 소구경의 세관으로만 형성하여 별도의 윅을 사용하지 않고도 모세관 현상을 유도하여, 작동유체를 증발, 이동, 응축 및 귀환시키는 진동형 히트 파이프(Pulsating heat pipe)가 개발되어 사용되고 있다.
하지만, 종래의 진동형 히트 파이프는 단일-턴(single-turn PHP) 형상 등에 대해서만 연구가 이루어지고, 사용되는 작동유체는 물 등과 같은 액체만을 사용하고 있어, 이를 전자기기의 냉각장치 등으로 적용하는 경우에는 여전히 기대할 만한 열전달 성능을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 초박형 전자 기기에서 열전달 효율이 높고 안정적으로 작동하는 개선된 평판 진동형 히트파이프의 필요성이 절실한 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0042403호 대한민국 등록특허 제10-1250326호
따라서 본 발명의 목적은 진동형 히트파이프를 미세전자기술시스템(MEMS) 기술을 이용하여 평판형(Flat plate)으로 제작하여 휴대전화, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에서 전력을 사용하지 않고 고효율의 열전달시스템을 제공하고자 함이다.
또한, 평판 진동형 히트파이프(Flat plate PHP)에서 단일-턴 구간(single turn loop), 복수-턴 구간(multi-turn loop)로 구성했을 경우와 단일직경관(single diameter channel), 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구성했을 경우의 열성능을 평가하여 최적의 형상 및 크기를 갖는 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.
또한, 평판 진동형 히트파이프에서 사용되는 작동유체의 온도 구간에 따른 특성을 분석하여 주 작동온도에서 최적의 효율을 가지는 작동유체를 포함하는 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 본딩(bonding)하여 결합되는 웨이퍼 상판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판을 식각하여 제작하고 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관; 상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체(working fluid); 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 측면에 설치되고, 상기 모세관과 연통되어 상기 작동유체를 모세관에 주입배출할 때 사용되는 두 개의 관통구를 포함하는 것이 특징이다.
이 때, 상기 모세관의 형상은 단일-턴 구간(single turn loop) 혹은 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 형성될 수 있으며, 단일-턴 구간과 복수-턴 구간 모두 응축부에서 증발부로 가는 모세관의 직경과 증발부에서 응축부로 가는 모세관의 직경이 같은 단일직경관(single diameter channel) 혹은 두 개의 직경이 다른 이중직경관(dual-diameter channels)으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 이중직경관은 양쪽 관의 내경 차이에 따라 진동형 히트파이프의 작동 특성은 크게 달라지는데, 내경 차이가 작은 경우에는 그 영향이 미미하여 큰 열성능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 내경의 차이가 너무 큰 경우에는 힘의 불균형이 커지고, 작은 관에서의 마찰 압력 손실이 급격히 증가하여 성능에 부정적인 영향을 미치므로, 진동형 히트 파이프가 최적의 열전달 성능을 내도록 양쪽 관의 내경 차이를 설정하는 것이 특징이다.
이에 더하여 진동형 히트 파이프의 모세관 내부에 작동하는 작동유체는 증발부에서의 온도에 따라 다른 열적 특성을 보이므로 증발부에서의 주 작동 온도가 섭씨 100도 이하일 때는 작동유체를 FC-72를 사용하고, 섭씨 100도 초과일 때에는 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 한다.
뿐만 아니라, 진동형 히트파이프의 열 특성을 바르게 분석하고 평가하기 위하여 진동형 히트파이프의 성능 지수(Figure of merit)를 개발하여 최적의 열전달 성능을 갖는 진동형 히트파이프를 제공하는 것이 특징이다.
따라서 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 MEMS 기술을 이용하여 제작하므로 휴대전화나 노트북과 같은 작은 크기의 전자기기뿐만 아니라 초소형, 초박형 기기에서의 효율적인 냉각시스템으로 활용될 수 있어, 향후 소형경량화 되고 있는 전자기기 제품에서 다양한 형태로 적용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 평판 진동형 히트파이프는 외부의 전력을 전혀 사용하지 않고도 효과적으로 열을 전달하므로 전원의 용량, 전원과의 연결 문제 등을 고려하지 않아도 되어 전자제품의 설계에 많은 유연성을 주는 장점이 있다.
특히, 평판 진동형 히트파이프는 구성이 단순하고 외부와의 연결 없이 독자적으로 구동되는 냉각시스템이므로 한번 설치한 이후 특별한 유지보수를 필요로 하지 않는 특별한 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 진동형 히트파이프의 작동 원리를 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 평판 진동형 히트파이프의 주요 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 모세관 형상에 따른 평판 진동형 히트파이프의 종류를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성을 분석하기 위하여 구성한 실험 시스템을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 단일직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 작동 온도와 작동유체에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 작동 온도와 작동유체에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 직경 차이에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 성능지수에 따른 열전도 특성을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 평판 진동형 히트 파이프에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
히트파이프(Heat pipe)는 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치 (Thermal control device)이다. 하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 필요한 일정한 두께 이상의 윅(Wick) 구조가 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서, 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하고자 윅구조를 가지지 않는 진동형 히트파이프가 제안되었다.
진동형 히트파이프는 하나의 모세관이 굽어진 형상의 폐루프(Closed loop)를 이루는 구조이다. 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 적정량의 작동 유체를 주입하면, 폐루프 내부에 액상 슬러그(Liquid slug)와 기포 플러그(Vapor plug)로 이루어진 정렬된 기포군(Slug-train unit)이 형성된다. 이 때 폐루프 한 쪽에 열이 가해지면 정렬된 기포군이 고속 자가진동을 하고, 이를 통해 증발부(Evaporator)에서 응축부(Condenser)로 열이 전달된다.
이와 같이 진동형 히트파이프는 윅 구조가 없고 구조가 간단하여 작은 크기로 제작이 용이하여 초소형 전자장치에 적용하기 접합하다.
도 1에 도시된 바와 같이 진동형 히트파이프 내부의 유동은 입열량에 따라 바뀐다.
입열량이 작은 경우에는 작동유체가 작은 진폭으로 양방향으로 움직이는 진동유동(Oscillating flow)을 하고(A), 입열량이 증가함에 따라 진동유동의 진폭이 점차 증가한다(B, C). 입열량이 더 증가하면 작동유체가 진동운동을 하지 않고 한쪽 방향으로만 움직이는 순환유동(Circulating flow)을 한다(D, E).
히트파이프 내부에 순환운동이 발생하는 경우에 상대적으로 나은 열성능을 보인다. 순환유동의 경우, 응축부를 통과하면서 충분히 온도가 낮아진 작동유체가 직접 증발부에 유입되기 때문에 진동유동에 비해 더 활발한 열전달 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 실리콘 웨이퍼 하판(100), 웨이퍼 상판(200), 모세관(300), 모세관 내부에 충진되는 작동유(working fluid), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 일단에 위치하며 외부의 열원에 배치되는 증발부(400), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 타단에 위치하며 외부의 열에 의하여 가열된 상기 작동유가 외부로 열을 발산하는 응축부(500), 작동유를 평판 진동형 히트파이프에 주입 혹은 배출할 때만 사용되는 두 개의 관통구(330)를 포함하여 구성된다.
상기 실리콘 웨이퍼 하판(100)은 통상적인 MEMS에서 사용되는 두께 1mm 내외의 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 웨이퍼 상판은 실리콘 웨이퍼 하판(100)과 동일한 재질을 사용할 수 있으며, 실험시 작동유체의 이동 및 상태를 확인하기 위하여 유리 재질을 사용할 수도 있다. 유리 재질 웨이퍼의 대표적인 예로는 파이렉스 글라스(Pyrex glass)가 있다.
본 발명의 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법은 도 3에 도시된 바와 같다.
먼저, 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 물리적 혹은 화학적 방법으로 증착(deposition)한다. ((a)단계)
실리콘 웨이퍼(100)의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관(300)의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)한다. 이때, 패터닝은 리소그래피, 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 이온광선 리소그래피, 엑스레이 리소그래피, 다이아몬드 패터닝 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. ((b)단계)
그 후, 습식 혹은 건식 방식으로 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 모세관(300)과 관통구(330)를 형성한다. 이 때, 습식과 건식 에칭을 모두 사용하는 방식을 적용할 수 있으며, 본원 발명에서는 가장 대표적인 습식/건식 에칭 방식인 Deep RIE(deep reactive ion etching)를 적용하여 500m의 깊이로 식각하였다.
실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하고, 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 유리 재질의 상판을 본딩(bonding)하여 결합하면, 평판 진동형 히트파이프의 구조가 완성된다. 이 때, 접착표면이 아주 평평한 유리의 특성을 살려 양극 접합(anodic bonding)을 적용하면 접착 성능이 우수한 평판 진동형 히트파이프를 생산할 수 있게 된다.
마지막으로, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 설치된 관통구(330)를 통하여 작동유체를 주입시키고, 관통구(330)를 밀봉하면 평판 진동형 히트파이프가 완성된다. 이때, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 관통구(330)를 설치함으로써 작동유체를 주입시키거나 배출시킬 때, 한쪽에서는 작동유체나 공기를 주입시키고 반대쪽에서는 진공장치 등으로 흡입시켜 효율적인 충전 및 배출이 가능하다. 이는 관통구가 하나인 경우에 비하여 훨씬 빠르고 정확한 제어를 가능하게 한다.
한편, 평판 진동형 히트파이프의 열특성은 실리콘 웨이퍼(100) 상에 식각되는 모세관(300)의 형상에 의하여 큰 영향을 받는다.
도 4에 도시된 바와 같이 모세관(300)의 형상은 모세관 휘어진 숫자인 턴(turn)의 횟수에 따라 단일-턴 구간(single turn loop)과 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 구분될 수 있으며, 모세관의 직경의 변화 여부에 따라 단일직경관(single diameter channel)과 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구분된다.
또한, 통상적으로 건식 혹은 건/습식 방식으로 식각되는 모세관은 원형보다는 사각형의 형상에 가깝게 된다. 따라서, 사각형의 모세관은 등가의 원형관으로 변경되어 평판 진동형 히트파이프의 성능이 해석되며, 등가의 원형관의 지름(Dh)은 아래의 식과 같다.
Figure 112014097607569-pat00001
(여기서, AC는 면적, perimeter는 둘레의 길이, w는 모세관의 폭, hch는 모세관의 높이)
본 발명에서는 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성(Operational characteristics)을 분석하기 위하여 도 5와 같은 실험 시스템을 구성한다. 니크롬(Nichrom)을 코팅하여 제작한 열선을 직류 전력 공급기(DC power supply, E3631)(710)와 연결하여 히트파이프에 열을 가해준다. 응축부는 열전도도가 높은 구리블록(740)으로 제작하였고, 구리 블록의 내부에는 항온 순환조(Bath circulator, RW-0525G)(750)에 의해 공급되는 일정한 온도의 물이 흐르도록 하였다. 히트파이프의 표면 온도는 발열부, 응축부, 단열부 각각에 복수 개로 설치된 열전대(K-type, Omega)(600)를 데이터 수집장치(DAQ, 34970A)(760)에 연결하여 측정한다. 작동유체로는 FC-72와 에탄올 두 종류를 사용하며, FC-72와 에탄올의 특성은 표 1에 제시된 바와 같다.
작동유체 끓는점*
(C)		 표면장력**
(mN/m)		 잠열*
(kJ/kg)		 밀도*
(kg/m3)		 증기 밀도*
(kg/m3)		 점성계수**
(Pas)		 비열*
(kJ/KgK)
Ethanol 78.4 22.27 846.19 734.79 1.75 430.43 3.202
FC-72 56 9.48 84.73 1620.94 13.01 447.0 1.096
실시예로 도 6에서는 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 단일직경관(single diameter channel)의 작동 온도와 작동유체에 따른 평판 진동형 히트파이프의 열 저항(thermal resistance) 특성을 나타내고 있다.
도 6에 제시된 바와 같이 입력 전력이 낮은 경우에는 FC-72가 열 저항이 더 낮으므로 더 좋은 열전달 성능을 나타고 있으며, 입력 전력이 높은 경우에는 에탄올의 열전달 성능이 더 좋게 나타나고 있다. 통상적으로 온도 대비 압력의 비(dP/dT)가 클수록 작동유체의 운동을 활성화시켜 진동형 히트파이프의 성능을 좋게한다. 상대적으로 잠열이 작은 FC-72가 에탄올에 비하여 더 빠른 속도로 모두 기화되거나 응축되므로 낮은 온도에서는 FC-72가 더 좋은 성능을 보이지만 온도가 올라갈수록 FC-72의 성능은 일정한 수준으로 수렴하는 반면 에탄올의 성능은 점차 개선되며, 온도가 섭씨 100도를 넘으면 에탄올의 성능이 더 좋아지게 된다.
또 다른 실시예로 도 7에서는 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)의 작동 온도와 작동유체에 따른 평판 진동형 히트파이프의 열 저항(thermal resistance) 특성을 나타내고 있다.
작동유체가 에탄올의 경우 도 7(a)에서 제시한 바와 같이 온도가 높은 구간에서는 열저항이 낮아 높은 성능의 열전달 특성을 보이고 있다.
반면, 작동유체가 FC-72의 경우 도 7(b)에서 제시한 바와 같이 온도가 높아질수록 열저항이 낮아지다가 특정 온도를 넘으면 열저항이 급격하게 증가하는 특성을 보이고 있으며, 이러한 경향은 두 파이프의 직경 차이가 클수록 더 크게 나타난다.
따라서, 상기 경향은 두 파이프의 직경 차이가 최적이 되는 값이 존재함을 의미하는 것이고, 이는 도 8에서 제시한 바와 같이 평판 진동형 히트파이프가 최적의 성능이 되는 직경차이는 아래의 식과 같다.
Figure 112014097607569-pat00002
(여기서, D는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
또한, 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)의 작동유체는 단일직경관(single diameter channel)의 경우와 유사하게 입력 온도가 섭씨 100도 이하인 경우에는 FC-72가 더 좋은 열전달성능을 보이는 반면 입력 온도가 섭씨 100도를 넘으면 에탄올의 성능이 더 좋아진다.
한편, 상기와 같이 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)으로 이루어진 평판 진동형 히트파이프의 성능은 여러 가지 지표들로부터 간접적으로 파악된다. 이는 상기의 지표들을 분석하는 사람의 주관에 의하여 평판 진동형 히트파이프의 성능이 조금씩 달라질 수 있으므로, 이중직경관 구조의 평판 진동형 히트파이프에 대한 성능을 보다 간편하게 나타내기 위한 단일 수치의 성능지수(MPHP)를 아래의 수식과 같이 도입한다.
Figure 112014097607569-pat00003
Figure 112014097607569-pat00004
(여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), σ는 표면장력, w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, 1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
상기의 수식에서 Φ2 L은 마찰손실배수로서 히트파이프 내부에 액체만 채워진 경우 유동에 필요한 압력차에 대하여 액체-기체가 모두 혼재하는 경우 유동을 위해 필요한 양 끝단의 압력차의 비를 의미한다. 상기 마찰손실배수는 여러 가지 모델로 계산되어질 수 있으며, 대표적인 예로는 마티넬리 변수(Martinelli parameter, X)를 이용한 아래의 수식과 같이 표현될 수도 있으며, 통상적으로는 0.001에서 10의 범위 이내의 값을 가진다.
Figure 112014097607569-pat00005
(여기서, C는 Chisholm number)
상기의 성능지수(MPHP)를 이용하여 평판 진동형 히트파이프의 성능을 평가한 결과 도 9에서 제시한 바와 같이 성능지수(MPHP)의 값이 1012 이상의 값을 가질 때 평판 진동형 히트파이프의 열전도율이 매우 우수함을 알 수 있으며, 이 값을 기초로 하여 이중직경관의 두 직경을 산출하고, 평판 진동형 히트파이프의 구체적인 내용을 설계할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 성능지수(MPHP)를 기반으로 평판 진동형 히트파이프를 설계하고, 설계된 평판 진동형 히트파이프의 특성이 작동온도, 작동유체 등에 의하여 많은 영향을 받으므로 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
100 : 실리콘 웨이퍼 하판 200 : 웨이퍼 상판
300 : 모세관 310 : 응축부에서 증발부로 가는 모세관
320 : 증발부에서 응축부로 가는 모세관
330 : 관통구 400 : 증발부
500 : 응축부 600 : 열전대
710 : 직류 전력 공급기 720 : 카메라
730 : 투명전극 740 : 구리블록
750 : 항온 순환조 760 : 데이터수집장치(DAQ)
770 : 컴퓨터

Claims (19)

  1. 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상면에 형성되고, 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 웨이퍼 상판;
    상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;
    상기 모세관의 일부로서 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 일단에 위치하며 외부의 열원에 배치되는 증발부;
    상기 모세관의 일부로서 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 타단에 위치하며 외부의 열에 의하여 가열된 상기 작동유가 외부로 열을 발산하는 응축부;를 포함하되,
    상기 모세관은 상기 응축부에서 상기 증발부로 가는 모세관의 직경보다 상기 증발부에서 상기 응축부로 가는 모세관의 직경이 더 크고,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    Figure 112015005595565-pat00019

    Figure 112015005595565-pat00020

    (여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관은 단일-턴 구간(single turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관은 복수-턴 구간(multi-turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관의 직경은 다음과 같은 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    Figure 112015005595565-pat00006

    (여기서, AC는 면적, perimeter는 둘레의 길이, w는 모세관의 폭, hch는 모세관의 높이)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 모세관의 직경은 다음과 같은 수학식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    0.15 ≤ ΔD/Davg ≤ 0.35
    (여기서, D는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 작동유체는 상기 증발부의 주 작동온도가 섭씨 100도 이하인 경우에는 FC-72를 사용하고, 100도 초과일 때에는 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 성능지수(MPHP)가 1012 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 두께가 2mm 이하인 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 양 측면에 설치되고, 상기 모세관과 연통되어 상기 작동유체를 모세관에 주입 혹은 배출할 때만 사용되는 두 개의 관통구를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  12. MEMS 공정을 이용하여 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법에 있어서,
    (a) 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 증착(deposition)하는 단계;
    (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)하되, 상기 실리콘 웨이퍼를 종방향 단면으로 볼 때 폭이 넓은 것과 폭이 좁은 것이 번갈아 형성되도록 모세관을 패터닝하는 단계;
    (c) 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상부에 모세관을 형성하는 단계;
    (d) 상기 실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;
    (e) 상기 실리콘 웨이퍼의 상부에 웨이퍼 상판을 본딩(bonding) 결합하는 단계;를 포함하되,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
    Figure 112015005595565-pat00021

    Figure 112015005595565-pat00022

    (여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 패터닝 되는 모세관은 단일-턴 구간(single turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 패터닝 되는 모세관은 복수-턴 구간(multi-turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 성능지수(MPHP)가 1012 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 모세관의 직경은 다음과 같은 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
    Figure 112015005595565-pat00009

    (여기서, AC는 면적, perimeter는 둘레의 길이, w는 모세관의 폭, hch는 모세관의 높이)
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 모세관의 직경은 다음과 같은 수학식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
    0.15 ≤ ΔD/Davg ≤ 0.35
    (여기서, D는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 실리콘 웨이퍼의 양 측면에 연결되고, 상기 모세관과 연통되는 두 개의 관통구가 추가로 더 형성되도록 패터닝 하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 웨이퍼 상판의 재질은 파이렉스 글라스(Pyrex glass)이고, 본딩 결합 방식은 양극접합(Anodic bonding)인 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
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