KR102031616B1 - 초박형 열 시트의 열전도도 측정 장치 및 방법 - Google Patents
초박형 열 시트의 열전도도 측정 장치 및 방법Info
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Abstract
본 발명은 열전도도 측정에 관한 장치 및 이를 이용해서 열전도도를 측정하는 방법에 관한 것이다. RTD 센서를 이용하고 진공챔버 내에서 측정함으로써 상세하게는 초박형 시트 타입도 열전도도를 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 열전도도 측정에 관한 장치 및 이를 이용해서 열전도도를 측정하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박형 시트 타입도 열전도도를 측정할 수 있는 장치 및 측정방법에 관한 것이다.
최근 핸드폰, 스마트워치 등의 모바일 기기나 노트북, 디스플레이패널 등의 전자제품에서, 이러한 장치들의 열전도의 중요성이 커지고 있다. 제품의 소형화와 성능의 향상에 따라 발열을 해결하는 문제가 심각해지고 있다. 특히, x-y 평면에 큰 열전도율을 갖는 초박형 열 시트(ultrathin thermal sheet)는 이러한 장치의 발열에 따른 성능 저하를 방지하는 데 꼭 필요하다. 그리하여 Cu, Al 및 그라파이트(graphite) 시트가 이러한 장치를 위한 초박형 열 시트로서 가장 많이 사용된다. 특히 초박막 두께의 그라파이트 시트는 x-y 평면 방향에서 뛰어난 열 전도성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 종래의 열전도 측정 방법은 100 미크론보다 얇은 경우에는 사용되기 어려운 문제가 있다. 그리하여, 대한민국 특허등록번호 제 10-1682998 호에서는, 나노 박막의 두께 방향 열전도도 측정 방법에 관여 주사탐침열현미경을 이용하여 나노 박막의 두께 방향 열전도도를 측정하는 방법을 제안하였다. 하지만, 이러한 기술은 주사탐침열현미경을 이용하여 나노 박막의 두께 방향 열전도도를 측정하는 것일 뿐 초박형 열 시트에 적용하기는 어렵다. 따라서 초박형 열 시트의 정량적 열 특성을 평가할 수 있는 장비가 필요하지만, 초박형 시트의 열 특성을 평가하는 측정 장비가 없어 이런 초박형 시트 제품의 열전도도를 확인하기 여러운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초박형 열 시트의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 RTD(Resistance Temperature Detector) 센서와의 접촉을 기반으로 한 초박형 열 시트의 열전도도 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 진공 챔버 내에서 열 시트를 측정하여 보다 초박형 열 시트의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 열전도도 측정 장치 및 방법을 제공한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 열전도도 측정 장치는, 진공 펌프에 의해 진공이 형성되는 진공 챔버; 및 측정 대상 열 시트와 접촉되는 서미스터, 상기 열 시트의 일측에 접촉 배치되는 가열 열원, 그리고 측정 대상용 열 시트와 서미스터를 감싸는 단열판,을 포함하는 열전도도 측정 기기;를 포함하며, 상기 열전도도 측정 기기가 상기 진공 챔버내에 배치되며, 상기 서미스터에서 측정된 온도 데이터로 열 시트의 평면 열전도도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 열전도도 측정 장치는. 상기 단열판을 지지하고 상기 열원과 서미스터가 잘 접촉될 수 있도록 가압하며 열전도도 측정 기기를 지지하는 지지판을 더 포함하며, 그리고 상기 서미스터는 일 열로 소정의 간격을 두고 3개 이상 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열 시트의 일측에는 가열 열원이 배치되고 다른 측에는 냉각을 위한 열원이 배치되며, 그리고 상기 냉각을 위한 열원은 방열판과 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열 시트는 초박형 열 시트로서 두께 1mm 이하의 100 마이크로미터 급의 열 시트이고, 단열판은 테플론 판으로서 두 개의 판으로 그 사이에 열 시트를 삽입하며, 서미스터는 RTD 센서이며, 지지판은 SUS 플레이트이며, 그리고 상기 열원은 열전 소자로서 냉각을 위한 열원에는 히트 싱크가 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 열전도도 측정 장치는, 진공 펌프에 의해 진공이 형성되는 진공 챔버; 및 측정 대상용 열 시트를 감싸는 측정용 로드, 상기 측정용 로드의 일측에 접촉 배치되는 가열 열원, 및 상기 측정용 로드에 접촉되는 서미스터,를 포함하는 열전도도 측정 기기;를 포함하며, 상기 열전도도 측정 기기가 상기 진공 챔버내에 배치되며, 상기 서미스터에서 측정된 온도 데이터로 열 시트의 두께(Z축) 열전도도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전도도 측정 장치는, 상기 측정용 로드를 지지하고 상기 측정용 로드와 서미스터가 잘 접촉될 수 있도록 가압하며 열전도도 측정 기기를 지지하는 지지판을 더 포함하며, 그리고 상기 서미스터는 일 열로 소정의 간격을 두고 3개 이상 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정용 로드의 일측에는 가열 열원이 배치되고 다른 측에는 냉각을 위한 열원이 배치되며, 그리고 상기 냉각을 위한 열원은 방열판과 접촉되는 것을 특징으로 한다.
또한, 위의 장치로 열전도도를 측정하는 방법에서, 서미스터에서 측정된 온도들을 이용해서 열전도도 식에 의해 열 시트의 열전도도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열전도도 측정 방법 및 측정장치로 기존에 측정이 어려웠던 100 마이크로미터 급 두께의 초박형 열 시트의 열전도도를 x-y 평면은 물론 z축의 열전도도를 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 X-Y 평면으로 열 시트를 측정할 수 있는 본 발명의 열전도도 측정 기기의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 Z축으로 초박형 열 시트를 측정할 수 있는 본 발명의 열전도도 측정 기기의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 열전도도 측정 기기가 배치되는 진공챔버를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 초박형 열 시트의 X-Y 평면 열전도도 측정 기기의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열 한 도이다.
도 5는 진공 챔버에 도 1의 열전도도 측정 기기가 장착되는 것을 설명하는 도이다.
도 6은 도 2의 초박형 열 시트의 Z 축 열전도도 측정 기기의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열한 도이다.
도 7은 진공 챔버에 도 2의 열전도도 측정 기기가 장착되는 것을 설명하는 도면이다.
도 8은 진공 챔버에 도 1의 열전도도 측정 기기가 장착된 상태를 나타내는 사진이다.
도 9는 물체에서 평면에서 열전달의 방향을 도시하는 도이다.
도 10은 초박형 열 시트의 열 전달의 적용을 설명하기 위한 도이다.
도 11은 도 8과 같은 X-Y평면의 열전도도를 측정하기 위한 열전도도 측정 기기를 개략화하여 나타내는 도이다.
도 12는 도 11의 열전도도 측정기기에서 RTD 센서로 열 시트의 시간에 따른 온도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 11의 열전도도 측정 기기를 이용해서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 구리 시트와 그라파이트 시트에서 열원 부분을 위주로 한 Thermography 이미지이다.
도 15는 서머그라피(Thermography) 이미지이다.
도 16은 열원과 맞닿은 부분에서의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 정상상태에서의 온도별 열전도도를 나타내는 것으로서 열전도도 Vs 온도 그래프이다.
도 18은 온도 대 열전도도를 나타내는 Curve fitting 그래프이다.
도 2는 Z축으로 초박형 열 시트를 측정할 수 있는 본 발명의 열전도도 측정 기기의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 열전도도 측정 기기가 배치되는 진공챔버를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 초박형 열 시트의 X-Y 평면 열전도도 측정 기기의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열 한 도이다.
도 5는 진공 챔버에 도 1의 열전도도 측정 기기가 장착되는 것을 설명하는 도이다.
도 6은 도 2의 초박형 열 시트의 Z 축 열전도도 측정 기기의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열한 도이다.
도 7은 진공 챔버에 도 2의 열전도도 측정 기기가 장착되는 것을 설명하는 도면이다.
도 8은 진공 챔버에 도 1의 열전도도 측정 기기가 장착된 상태를 나타내는 사진이다.
도 9는 물체에서 평면에서 열전달의 방향을 도시하는 도이다.
도 10은 초박형 열 시트의 열 전달의 적용을 설명하기 위한 도이다.
도 11은 도 8과 같은 X-Y평면의 열전도도를 측정하기 위한 열전도도 측정 기기를 개략화하여 나타내는 도이다.
도 12는 도 11의 열전도도 측정기기에서 RTD 센서로 열 시트의 시간에 따른 온도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 11의 열전도도 측정 기기를 이용해서 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 구리 시트와 그라파이트 시트에서 열원 부분을 위주로 한 Thermography 이미지이다.
도 15는 서머그라피(Thermography) 이미지이다.
도 16은 열원과 맞닿은 부분에서의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 정상상태에서의 온도별 열전도도를 나타내는 것으로서 열전도도 Vs 온도 그래프이다.
도 18은 온도 대 열전도도를 나타내는 Curve fitting 그래프이다.
본 발명은 Thermal conductivity를 측정하는 기존 장치들이 제대로 측정하지 못하는 초박형 시트에 적용할 수 있도록 하기 위해 RTD(Resistance Temperature Detector) 센서인 서미스터(PT1000 Thermistor)를 기반으로 하는 열전도도 측정 장치 및 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 열전도도 측정 장치는 측정 간에 발생하는 대류의 영향을 최소화하기 위해서 모두 진공 챔버 내부에 측정 기기들을 설치하여 측정하도록 한다. 측정하는 동안에 발생하는 대류에 대한 영향을 제거하기 위해 진공 펌프를 이용해 챔버 내부를 진공 상태로 만들어 측정하도록 한다.
본 발명의 측정 장치의 측정 기기들은 대류에 대한 영향을 제거하기 위해 진공 챔버 내부에 위치시키고, 그리고 X-Y 평면(plane)으로 전달되는 열에 따른 온도 변화와 Z-axis로 전달되는 열에 따른 온도 변화를 측정하는 두 개의 측정 기기들을 배치할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 기본 원리는 열 시트(Thermal sheet)와 부착되어 있는 서미스터(Thermistor)로 부터 저항값을 읽어들이고, 이렇게 읽어들인 저항값은 서미스터(Thermistor)의 온도와 저항 테이블을 이용해 온도 값으로 환산 및 열전도도(thermal conductivity) 및 열 저항(thermal resistance)으로 변환한다.
본 발명에서의 위와 같은 변환 방법은 아래와 같다.
열전도도(Thermal Conductivity)는 물질의 특성에 의존한다.
그러므로,
- 열전도도 식
여기서, k : 열전도도(Thermal Conductivity) [W/m·K],
q : 열흐름(Heat Flow) [W],
t : 경로의 길이(Length of Path) [m],
A : 면적 [m2],
ΔT : 접촉면에 따른 온도차(Temp. difference across the interface) [℃]이다.
또한 열저항(Thermal Resistance, [R])과 열 임피던스(Thermal Impedance, [Z])는 아래와 같다.
여기서, R : Thermal Resistance [℃/W],
ΔT : 접촉면에 따른 온도차(Temp. difference across the interface) [℃],
q : 열흐름(Heat Flow) [W] 이다.
여기서, Z : Thermal Impedance [℃m2/W],
ΔT : 접촉면에 따른 온도차(Temp. difference across the interface) [℃],
q : 열흐름(Heat Flow) [W],
A : 면적 [m2],
R : Thermal Resistance [℃/W] 이다.
위와 같은 식에 의해 본 발명의 열전도도 측정 장치에 의해서 초박형 열 시트의 열전도도를 측정할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 측정 장치에는 서미스터(thermistor)가 중요한 데, 온도에 따른 저항의 변화가 리니어(linear) 특성이 좋은 것을 사용하는 것이 바람직하며, 그 예로서 PT1000 thermistor가 사용될 수 있다.
X-Y 평면(plane)의 열 특성 측정은 열이 소스에서 냉각 부분까지 열 시트(thermal sheet)의 면을 통해 진행되며, 소스부터 냉각 부분 사이에 서미스터(thermistor)를 일정 간격으로 삽입하고, 온도를 측정하는 형태로 이루어진다.
Z 축(Axis)의 열 특성은 두 개의 평면의 열특성 측정과는 달리 직접 서미스터를 열 시트에 부착하는 것이 아니라 열전도도가 정확하고 전도율이 좋은 물질을 이용해서 간접적으로 측정하는 방식을 이용한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 X-Y 평면으로 열 시트를 측정할 수 있는 본 발명의 열전도도 측정 기기(10)의 일 예를 나타내는 단면도이다. 여기서 측정 대상이 되는 열 시트(1)는 단열판(12)들 사이에 평면 형태로 삽입되어 서미스터(20)들에 접촉된 상태로 고정되며 배치된다. 여기서 단열판으로는 테플론 판 등을 사용하면 단열 성능도 우수하고 필요한 부분을 가공하기가 용이하여 좋다. 테플론 판재들을 가공하여 사용할 수 있다.
단열판(12)은 일면에 넓게 베이스 형태로 만들고 그 위에 열 시트(1)를 배열하고 서미스터(20)를 열 시트(1)와 접촉되도록 한 상태로 다시 다른 단열판(12)을 배치하여 열 시트(1)와 서미스터(20)가 잘 접촉되도록 한다. 이때 일 단열판(12)에 배치된 열 시트(1)의 단부 양측에 열 원(11)들이 열 시트(1)에 잘 접촉되도록 배치되었다. 본 발명에서 열 원(heat source)은 열전 소자 등으로서 열 시트에 열을 공급하거나 또는 열원이 열 시트를 냉각시키도록 접촉된다. 그리하여 도 1에서 단열판(12)의 좌측에는 가열 열원(11)이 배치되고 그리고 우측에는 냉각 열원(11)이 배치되어 있다.
본 발명에서 열원(11)으로서는 열전 소자가 바람직한데, 열전 소자의 경우에는 뜨거운 면이 열 시트에 맞닿아 접촉하도록 배치되는 형태로서 사용되며 그리고 차가운 면이 열 시트와 맞닿도록 하면 냉각시킬 수 있고, 그리고 열전 소자는 열 공급 및 냉각이 용이할 뿐 아니라 제어가 용이하여 열 원으로서 바람직하다.
또한, 열 시트로부터 임의로 손실되거나 흡수되는 열을 차단하기 위하여 단열재로 열 시트를 따라 진행하는 열이 다른 쪽으로 빠져나가지 않도록 열전도가 되는 것을 막아주는 것이 필요하다. 이를 위해 단열판(12)으로서 테플론 시트(Teflon sheet)가 열 시트(Thermal sheet)를 따라 진행하는 열이 다른 쪽으로 빠져나가지 않도록 막아주는 역할을 하도록 한다. 또한, 가열 열원(11)과 접촉하는 열 시트(1)의 반대편에는 냉각이 되도록 하여, 열의 구배 즉 열 전도 변화가 잘 나타나도록 해서 열전도도를 쉽게 측정할 수 있도록 한다. 이와 같은 냉각은 단순히 방열판과 같은 히트 싱크(Heat sink, 17)와 접촉하는 것으로도 어느 정도 효과가 있겠지만, 단순 냉각 보다는 강제 냉각으로 온도 구배를 더욱 크게 만드는 것이 좋다. 그리하여 본 발명에서는 강제 냉각되도록 냉각 열원(11)으로서 열전 소자를 추가하여 사용한다. 그리하여 열전 소자의 차가운 면이 열 시트(1)와 접촉하도록 하고, 그리고 뜨거운 면이 히트 싱크(17)에 닿아 있는 형태로 사용이 가능하다. 강제 냉각시에도 열전 소자를 사용하여 냉각의 정도를 조절할 수 있어 바람직하다.
온도의 측정은 가열 열원(11)과 냉각 열원(11)역할을 하는 부분 사이에 열 시트(1)와 접촉되도록 서미스터(20)를 일정 간격마다 배치하여 측정하게 된다.
이와 같은 서미스터(20)는 온도에 따른 저항의 변화의 리니어(linear) 특성이 좋은 것을 사용하는 것이 바람직하여, 본 발명에서는 그 예로서 PT1000 thermistor가 사용되었다.
이와 같이 단열판(12)들 사이에 배치된 열 시트(1)는 서미스터(20)와 잘 접촉해야 하므로 단열판(12)들 외에 별도의 지지판(13)이 더 사용될 수 있다. 도 1의 예에서는 지지판(13)으로 SUS 플레이트가 2단으로 사용되었다. 상단에 위치한 SUS 플레이트(plate)는 일정 간격으로 탭(tap)이 존재하며, 탭에 나사를 조이는 형태로 밑 부분을 고정하는 구조이다. 하단의 SUS 플레이트는 나사가 테플론 시트를 누르게 되면 테플론 시트의 표면이 갈리거나 제대로 누르지 못하는 형태가 예측되므로 이를 방지하기 위해 추가로 삽입된 것이다. 하지만, 2단의 지지판(13)이 반드시 사용될 필요는 없고 단열판(12)들이 열 시트(1)와 잘 접촉하고 그리하여 열원(11)과 열 시트(1)도 잘 접촉되도록 눌러 줄 수 있는 구조라면 다양한 구조가 사용될 수 있다.
이와 같은 도 1의 X-Y 평면 열전도도 측정 기기(10)에서 열전 소자들을 제어하여 서미스터(20)를 이용해서 초박막 열 시트(1)의 열전도도를 확인할 수 있게된다.
도 2는 Z축으로 초박형 열 시트를 측정할 수 있는 본 발명의 열전도도 측정 기기(10)의 일 예를 나타내는 단면도이다. 본 예에서는, 도 1의 예와 동일하게 지지판(13)이 2단으로 배치되고 그 아래에 방열판(17)이 냉각 열원(11)과 접촉되어 배치되어 있다. 도 2의 예에서 지지판(13)으로 SUS 플레이트가 사용되었고, 상단의 SUS 플레이트에 탭이 존재하며 여기서 볼트나 나사를 죄어 밑부분을 고정한다. 상단 밑에 존재하는 SUS 플레이트는 효율적으로 밑부분을 받쳐주기 위해 삽입되어 사용된다. 하지만 도 2의 초박형의 열 시트는 그 두께(Z축)가 초박형으로서 약 100 마이크로미터급이므로 도 1의 예와 같이 직접 온도 측정이 불가능하다. 그리하여 간접적인 방법으로서 초박형 열 시트의 Z축(두께) 열전도도를 측정하는 방식을 채택한다. 즉 초박형 열 시트의 두께 관련 온도의 구배를 확인하여 간접적으로 초박형 열 시트의 Z축 열전도도를 측정하는 것이다. 이를 위해서, 열전도도가 높고 안정적인 재질의 봉이나 로드 또는 막대 형태의 측정용 로드를 사용하여 여기에 서미스터(20)들을 부착하여 온도를 측정하여 간접적으로 초박형 열 시트의 Z축 열전도도를 측정하게 된다. 본 실시예에서는 측정용 로드(19)로는 구리 로드(Copper rod)를 사용한다. 그리하여 두 개의 측정용 로드(19) 사이에 열 시트(1)를 삽입하여 밀착 접촉시키고, 측정용 로드(19)에 서미스터(20)를 일정 간격 삽입하여 온도를 측정한다. 이렇게 서미스터(20)를 이용해서 측정용 로드(19)의 온도를 측정하기 위해서, 구리 로드를 사용하였다. 두 개의 구리 로드는 4각 막대형태로서 좁은 면에 열 시트(1)를 삽입하여 서로 접촉시키고 Z 방향으로 도시된 것과 같이 구리 로드들을 배치하고 양 끝단에 열원(11)들을 각각 배치한다. SUS 플레이트 측에 냉각용 열원(11) 및 방열판(17)을 배치하고, 반대편에 가열 열원(11)을 구리 로드에 접촉 배치한다. 그리하여 열 시트(Sheet)의 위에 위치한 구리 로드와, 아래에 위치한 구리 로드의 온도를 측정 및 비교하는 방식이다.
이와 같은 본 발명의 두 가지 타입의 열전도도 측정 기기(10)는 모두 대류의 영향을 최소화하기 위해서 진공 챔버 내부에 배치되어 측정한다.
도 3은 본 발명의 열전도도 측정 기기(10)가 배치되는 진공챔버를 나타내는 사시도이다.
도 3의 진공 챔버(20)는 그 내부에 두 가지 타입의 열전도도 측정 기기(10)들을 모두 수용하거나 둘 중 어느 하나만을 수용할 수 있다. 이와 같은 진공 챔버(20)는 내부의 대류의 영향을 최소화 또는 제거할 수 있도록 공기압을 낮추는 것으로 진공도는 높은것이 좋으나 진공 펌핑이나 시간 등 진공에 필요한 시간과 비용을 대류의 영향을 고려하여 결정할 수 있으며, 본 발명에서는 로터리 펌프 등의 메카닉 펌프로서 일반 진공 펌프로서 사용하여 빠른 시간내 진공 챔버(20) 내부를 진공을 만들고 측정이 완료시 벤트 후 다시 초박형 열 시트의 시료를 교환할 수 있다.
본 발명의 진공 챔버(20)는 내부의 압력을 볼 수 있는 진공 압력 게이지(21)와 열전도도 측정 기기(10)의 서미스터(20) 등의 배선을 위한 포트(22)와 진공 펌프(미도시)와 연결되는 진공 펌프 연결용 포트(23), 그리고 진공 배기를 위한 벤트용 밸브(24)를 포함한다. 도시된 진공 챔버(20)의 측면에는 내부를 볼 수 있도록 윈도우가 설치되어 있다. 윈도우를 통해서 열전도도 측정 기기(10)들의 작동 상태를 외부에서 확인 할 수 있다. 통상적으로 진공 압력 게이지(21)는 진공 챔버(20) 내부의 압력을 확인할 수 있도록 하며 진공 펌프의 작동 상태를 확인할 수 있다.
그리고 배선을 위한 포트(22)를 통해서 챔버 내부의 열전도도 측정 기기(10)의 서미스터(20)의 콘트롤러나 열원(11)으로서의 열전 소자 등을 제어하기 위한 배선들이 외부와 연결될 수 있다.
또한 진공 펌프 연결용 포트(23)를 통해서 진공 펌프와 연결되어 진공 챔버(20)내부를 진공으로 만들 수 있으며, 그리고 작동 완료 후 초박형 열 시트를 교체하기 위해 챔버 내부의 진공 배기를 위한 벤트용 밸브(24)를 열어 진공 챔버(20) 내부를 대기압으로 만들어 챔버를 개방할 수 있다.
위와 같이 본 발명의 열전도도 측정 기기(10)는 진공 챔버(20)내에 배치되어 본 발명이 열전도도 측정 장치가 완성된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 열전도도 측정 장치에서 열전도도 측정 기기(10)가 진공 챔버(20)에 설치되는 과정을 첨부된 도면을 이용하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 4는 도 1의 초박형 열 시트의 X-Y 평면 열전도도 측정 기기(10)의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열 한 것이다. 도 4의 구성 요소들은 열원(11)과 단열판(12)과 지지판(13) 및 방열판(17)의 측면과 평면을 개별적으로 나타낸다. 열원(11)은 열전 소자로서 열 시트(1)의 양단에 각각 접촉 배치되며, 좌측에서는 가열을 위해서 그리고 우측에서는 냉각을 위해 사용되고 냉각시에는 방열판(17)으로서 히트 싱크가 같이 사용된다. 하단의 단열판(12)은 그 폭은 측정 대상의 열 시트(1)의 폭보다는 커야하지만 길이는 열 시트(1)의 양단에 열원(11)이 접촉될 공간을 확보하기 위하여 더 짧게 만들어진다. 그리고 상단의 단열판(12)은 그 폭과 길이는 하단의 단열판(12)보다 더 크게 하고 길이는 열 시트(1)보다 더 크게 해서 단열이 잘되도록 한다. 그리고 하단의 지지판(13)은 상단의 단열판(12)과 크기가 같거나 넓으면 되고 직접 상단의 단열판(12)과 접촉되며 가압하는 역할을 한다. 그리고 상단의 지지판(13)은 일열로 다수의 탭홀 또는 나사의 홀이 만들어져 볼트나 나사로 하단의 지지판(13)을 가압하여 단열판(12)들 사이에 열 시트(1)가 서미스터(20)와 잘 접촉되도록 작용한다. 또한 상단의 지지판(13)은 진공 챔버(20)으로부터 지지하는 지지대(15)와 결합되어 진공 챔버(20)의 바닥과 결합되며 나머지 탭홀 등에 볼트를 이용해서 하단의 지지판(13)을 가압할 수 있게 된다.
도 5는 진공 챔버(20)에 도 1의 열전도도 측정 기기(10)가 장착되는 것을 설명하는 도면이다. 도 5는 진공 챔버(20)의 평면도로서 도 5(a)는 아직 아무것도 장착되지 않은 상태를 도시한다. 도 5(b)에서는 먼저 방열판(17)이 설치 장착되었고, 그리고 도 5(c)에서는 가열 및 냉각을 위해서 열원(11)이 각각 설치된 것이 도시된다. 그리고 도 5(d)에서는 열 시트(1)가 진공 챔버(20)에 접촉되는 것을 방지하고 단열을 위해서 단열판(12)을 설치한 것을 도시한다. 이 단열판(12)에 열 시트(1)가 서미스터(20)와 함께 놓이게 된다. 도 5(e)에서는 열 시트(1)의 단열 및 위에 조립될 지지판(13), 즉 SUS 플레이트와 접촉되는 것을 방지하기 위해 다시 상부 단열판(12), 즉 테플론 시트가 열 시트(1)위에 배치된 것을 도시한다. 도 5(f)에서는 열 시트(1)와 열원(11) 및 서미스터(20)와의 적절한 접착을 위해서 나사로 조이기 위해서 단열판(12)과 접촉될 하단 지지판(13)으로서의 SUS 플레이트가 테플론 시트의 표면 보호와 가압을 위해 중간에 삽입된 것을 도시한다. 그리고 도 5(g)에서와 같이 여러 탭홀들을 구비한 상단의 지지판(13) 즉 SUS 플레이트가 나사를 조일 수 있도록 배치되어 각 탭에 나사를 조여 밑 부분을 조이는 형태로서 최종 설치된다.
도 6은 도 2의 초박형 열 시트의 Z 축 열전도도 측정 기기(10)의 구성요소들을 그 크기의 관계를 나타낼 수 있도록 나열한 것이다. 도 6의 구성 요소들은 열원(11)과 지지판(13)과 방열판(17) 및 측정용 로드(19)의 평면과 측면을 개별적으로 나타낸다. 먼저 상단의 지지판(13)은 일열로 다수의 탭홀 또는 나사의 홀이 만들어져 볼트나 나사로 하단의 지지판(13)을 가압하여 열원(11)과 열 시트(1)와 측정용 로드(19)가 잘 접촉되도록 작용한다. 하단 지지판(13)의 아래에는 냉각을 위해 사용되고 냉각시에는 방열판(17)으로서 히트 싱크가 같이 배치되고, 이 하단의 지지판(13)은 방열판(17)의 평면 크기와 같거나 더 크게 하는 것이 좋다. 이 방열판(17) 아래에는 냉각을 위한 열전 소자가 열원(11)으로서 배치된다. 이 열원(11)은 방열판(17)과 같은 평면 크기를 갖는 것이 바람직하며 이 열원(11)의 열을 방열판(17)을 통해서 배출되고 열원(11)은 아래의 상단의 측정용 로드(19)와 접촉되어 냉각을 하게 된다. 이 열원(11)의 크기는 측정용 로드(19)와 같은 면적을 갖는 것이 바람직하다. 열의 간접 측정을 위해서 측정용 로드(19)가 열 시트(1)를 삽입하여 배치된다. 이 측정용 로드(19)에 서미스터(20)가 부착된다. 상단 측정용 로드(19)와 하단 측정용 로드(19)사이에 열 시트(1)가 배치되며, 하단 측정용 로드(19)의 아래에는 열원(11)이 가열을 위해서 접촉된다. 또한 상단의 지지판(13)은 진공 챔버(20)으로부터 지지하는 지지대(15)와 결합되어 진공 챔버(20)의 바닥과 결합되며 나머지 탭홀 등에 볼트를 이용해서 하단의 지지판(13)을 가압할 수 있게 된다.
여기서 열원의 면적은 10-20 × 10-20 mm 범위 내에서 가급적 정사각형 형태의 면적을 갖는 것이 바람직하다.
도 7은 진공 챔버(20)에 도 2의 열전도도 측정 기기(10)가 장착되는 것을 설명하는 도면이다. 도 7은 진공 챔버(20)의 평면도로서 도 7(a)는 아직 아무것도 장착되지 않은 상태를 도시한다. 도 7(b)에서는 먼저 열원(11)이 설치 장착되었고, 그리고 도 7(c)에서는 간접 측정을 위한 측정용 로드(19)로서 구리 로드가 장착되며 그 위에 다시 열 시트(1)가 삽입된 후 다시 다른 측정용 로드(19)가 열 시트(1)위에 설치된 것이 도시된다. 그리고 도 7(d)에서는 측정용 로드(19)를 냉각시키기 위하여 열원(11)으로서 열전 소자가 부착되는 것을 도시한다. 도 7(e)에서는 열원(11)의 열을 방출하기 위하여 열원(11)에 방열판(17)이 부착되는 것을 도시하는 데, 부착된 방열판(17)은 열전 소자의 뜨거운 면을 식히는 히트 싱크로서 역할을 한다. 도 7(f)에서는, 측정용 로드(19)와 열 시트(1)와 열원(11)의 적절한 접착을 위하여 나사로 조이기 위해서, 방열판(17))과 접촉될 하단 지지판(13)으로서의 SUS 플레이트가 방열판(17)의 표면 보호와 가압을 위해 삽입된 것을 도시한다. 그리고 도 7(g)에서와 같이 여러 탭홀 들을 구비한 상단의 지지판(13) 즉 SUS 플레이트가 나사를 조일 수 있도록 배치되어 각 탭에 나사를 조여 밑 부분을 조이는 형태로서 최종 설치된다.
도 8은 진공 챔버(20)에 도 1의 열전도도 측정 기기(10)가 장착된 상태를 나타내는 사진으로서, 좌측에 냉각 부분과 중간에 RTD로서 서미스터(20)들이 배치되어 있고 우측에는 열원(11)이 배치된 것이며 열원과 서미스터들을 위한 배선들이 위에 나타나 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 열전도도 측정 기기(10)로서 초박형 열 시트의 열전도도를 측정하는 원리 및 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 9는 평면에서 열전달의 방향을 도시하는 도이다. 도시된 것과 같이 X-Y 평면에서 열은 A->B 방향으로 이동하며 그리고 한 지정에서는 방사상으로 전체적으로 전달이 된다.
도 10은 초박형 열 시트의 열 전달의 적용을 설명하기 위한 도이다. 도시된 것과 같이, 열원(Heat source)은 CPU와 같이 열을 발생시키는 소자를 의미하는 것으로서, 상층에는 넓게 히트 싱크가 배치되었고 그 아래 열 시트가 중간에 삽입되었고 그리고 아래에는 붉은색으로 표시된 열원이 배치되었다. 붉은색 선(Before using Thermal Sheet)은 열 시트가 사용되기 전의 의미로서 중간에 열 시트가 없이 열원(Heat Source)과 히트 싱크(Heat Sink)가 직접 결합되어 진 상태의 그래프이고 각 횡방향에 따른 온도의 상태를 나타내는 것이다. 그리고 파란색 선(using Thermal Sheet)은 열 시트가 사용된 상태에서 횡방향에 따른 온도의 상태를 나타내는 그래프이다. 붉은 열 시트(Thermal Sheet)가 없는 상태에서는 열 분산이 잘 이루어 지지 않아 중심부에 온도가 높은 상태이다. 그래서 중심부에 몰려있는 열에 따라서 장비의 손상 가능성이 크다. 이를 해결하기 위해서 히트 싱크(Heat Sink)와 열원(Heat Source)사이에 높은 열 전도도를 가지는 열 시트(Thermal Sheet)를 삽입한다. 열 시트를 사용하는 경우에는 열이 모든 방향으로 잘 빠져나가므로 외곽부분에서는 온도가 높고, 중심부에는 온도가 낮아지므로 전체적으로 평탄한 온도의 분포를 나타낸다. 도시된 것과 같이 열원 부분에서 온도가 높으며 상대적으로 열 시트가 있는 부분이 열원 부분에서는 온도가 낮고 열원이 없는 부분에서는 더 높으므로 전체적으로 온도 차이가 크게 없이 균일한 것을 나타내는 것으로 열원 부분의 온도가 높았을 때 발생할 수 있는 반도체 부품의 결함 가능성을 크게 감소시킨다.
도 11은 도 8과 같은 X-Y평면의 열전도도를 측정하기 위한 열전도도 측정 기기(10)를 개략화하여 나타내고 있다. 좌측의 열원을 기준으로 그 열원 위에 초박형 열 시트가 놓여있고 초박형 열 시트위에는 소정의 간격을 두고 서미스터(20)로서 RTD 센서(Resistance Temperature Sensor)가 배치되어 있고 초박형 열 시트 좌측 단부에는 냉각 부분이 형성되어 있다. 이와 같은 방식은 서미스터(20)로서의 RTD 센서와의 접촉에 기반을 둔 측정으로서 대류의 영향을 줄이기 위하여 진공 챔버내에서 이루어지는 것이 바람직하다.
도 12는 도 11의 열전도도 측정기기에서 RTD 센서로 폭과 길이는 15 mm 와 200mm 정도로서, 50㎛ 두께의 초박형 구리 시트와 100㎛ 두께의 그라파이트 시트와 100㎛ 두께의 알루미늄 시트의 시간에 따른 온도의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 12는 열원에서 RTD 센서로 측정된 온도를 나타내는 것이다. 그래프와 같이 50㎛ 두께의 초박형 구리 시트와 100㎛ 두께의 알루미늄 시트는 280초 동안 계속적인 온도 상승 후에 안정되는 것을 나타내고 있고, 100㎛ 두께의 그라파이트 시트는 약 155초 이후에 47도에 도달한 후에 포화된다.
도 13은 도 11의 열전도도 측정 기기를 이용해서 측정한 결과를 나타낸 그래프를 나타낸다. 두 그래프 모두 열원으로부터 멀어지는 센서들의 위치에 따른 온도를 나타내는 것으로, 좌측의 그래프는 열원에 전원을 인가한 지 30초가 지난 상태에서 측정된 온도를 나타내고 우측의 그래프는 180초가 지난 상태의 온도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 높은 열전도도를 가지는 열 시트(Thermal sheet)는 중심부(0 mm)에서 온도가 가장 낮으며, 중심으로부터 멀어질수록 온도가 높은 경향(trend)을 가진다. 이 그래프에서 좌측부분과 우측부분의 온도차이가 적을 수록 열 전도도는 우수한 것이다. 이 실험에 사용된 50um graphite sheet는 열전도도가 약 1300W/m·K이고 Indium sheet는 약 86W/m·K이며, 중심부에서의 온도차이는 180초에서 19도 정도 차이나는 것을 확인하였다.
도 14는 서머그라피(Thermography) 이미지로서, 구리 시트와 그라파이트 시트에서 열원 부분을 위주로 한 이미지 이다. 도시된 것과 같이 열원의 중앙에서의 온도가 그라파이트 시트에서 구리보다 약 10도 정도 낮은 것이 확인되었다.
도 15는 서머그라피(Thermography) 이미지로서, 각 프레임(frame)간의 간격(interval)을 0.167초로 하여 이 프레임에 따른 점에서의 온도를 측정한 결과이다. 그라파이트 시트와 구리 시트 사이의 온도의 차이는 700 프레임 이후에 증가하고 그리고 온도의 차이는 거의 섭씨 5도 임을 나타내고 있다.
본 발명의 열전도도 측정 기기로 측정한 결과를 이용해서 열전도도를 확인하는 방법으로는 기존의 열전도도 식 등을 사용하여 알 수 있는 데, 그 외에 여러 다양한 기존의 방식들이 사용될 수 있다. 그 일 예로서 통상적으로 알려져 있는 열전도도의 물체를 기준 물체로 하여 본 발명의 열전도도 측정 기기를 이용해서 온도 변화량을 알 수 있는데, 열원과 맞닿은 부분에서의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 도 16의 그래프와 같이 측정한다. 그리고 정상상태에서의 온도를 이용하여 도 17의 열전도도 Vs 온도 그래프를 만들고, 그리고 나서 도 18의 붉은선으로 표시된 Curve fitting을 통해 Reference 값을 만든다. 그리하여, 열전도도를 모르는 측정 대상인 열 시트에 대해서도 정상상태의 온도 값을 얻은 후 Curve fitting된 것과 비교하여 열전도도를 측정하는 형태로 확인이 가능하다.
위와 같이 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 설명된 것과 같이 서미스터(20)를 이용해서 초박형 열 시트의 임의의 지점에서의 온도를 측정하여 위이 열전도도 식을 이용해서 초박형 열 시트의 열전도도를 확인 할 수 있다.
열전도도 측정 기기(10)
열 시트(1)
서미스터(20)
열원(11)
단열판(12)
열 시트(1)
서미스터(20)
열원(11)
단열판(12)
Claims (9)
- 진공 펌프에 의해 진공이 형성되는 진공 챔버;
측정 대상용 열 시트를 감싸는 측정용 로드, 상기 측정용 로드의 일측에 접촉 배치되는 가열 열원과 다른 측의 냉각을 위한 냉각 열원, 및 상기 측정용 로드에 접촉되는 서미스터,를 포함하는 열전도도 측정 기기; 및
상기 측정용 로드를 지지하고 상기 측정용 로드와 서미스터가 잘 접촉될 수 있도록 가압하며 열전도도 측정 기기를 지지하는 지지판;
을 포함하며,
상기 열 시트는 초박형 열 시트로서 두께 1mm 이하의 100 마이크로미터 급의 열 시트이고,
상기 서미스터는 일 열로 소정의 간격을 두고 3개 이상 배열되며,
상기 열전도도 측정 기기가 상기 진공 챔버내에 배치되며,
상기 측정용 로드는 구리 로드로서 두 개의 판으로 그 사이에 열 시트를 삽입하며,
서미스터는 RTD 센서이며
지지판은 SUS 플레이트이며, 그리고
상기 열원은 열전 소자로서 냉각을 위한 열원에는 히트 싱크가 부착되어,
상기 서미스터에서 측정된 온도 데이터로 열 시트의 두께(Z축) 열전도도를 측정하되,
기준 물체를 열전도도 측정 장치로 측정하여 열원과 맞닿은 부분에서의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프를 구하고, 정상상태에서의 온도를 이용하여 열전도도 Vs 온도 그래프를 만들고, 그리하여 Curve fitting을 통해 Reference 값을 만들고 측정대상인 열 시트를 측정하여 정상상태의 온도 값을 얻은 후 Curve fitting된 것과 비교하여 열전도도를 측정하는 것,
을 특징으로 하는 열전도도를 측정하는 방법. - 삭제
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