KR102071921B1 - 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열 부품으로부터 발산되는 열을 방열시키는 방열 프레임에 있어서, 제 1 금속 프레임 및 제 2 금속 프레임으로 구성되는 금속 프레임; 및 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임 사이에 위치하며, 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임의 열전도도보다 높은 열전도도를 갖는 열전도층으로 구성되는 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임을 제공한다.

Description

높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임{Heat spreading frame with high heat dissipating function}
본 발명은 방열 프레임에 관한 것으로, 상세하게는 금속 프레임에 높은 열전도도를 갖는 물질을 개재시켜 방열 프레임을 형성함으로써, 별도의 추가적인 방열 시트를 합착하지 않고도, 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임에 관한 것이다.
최근의 소비자 가전(consumer electronics) 제품은 고성능화와 경박단소화를 주요한 쟁점으로 하여 발전하고 있으며, 이에 따라, 연산처리장치(processor or processing unit)나 제어 회로 등이 집적된 집적 회로(integrated circuit, IC) 기반의 칩 부품의 고속화 및 고성능화, 정보표시장치(display)의 고휘도화 및 관련 구동 회로 등의 고속화 및 고성능화, 발광 소자(light emitting device)를 포함한 기타 발열 부품의 소형화 및 고밀도화를 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다.
따라서, 좁은 영역에 많은 발열 부품이 집적되는 발전 추세로 말미암아, 높은 발열 밀도를 가지게 되어, 핵심 부품 또는 기기의 과열 문제가 중요한 이슈로 대두되고 있다.
특히, 스마트폰 등의 휴대 기기(mobile device)는 휴대 기기용 연산처리장치(mobile application processor; mobile AP) 및 전력 증폭 모듈(power amplifier module; PAM)을 포함하는 고주파 무선 통신 집적회로(radio frequency integrated circuit; RF IC) 등에 대한 고집적화 및 고성능화가 빠르게 진전되고 있어 상기 핵심 부품들의 발열량 및 발열 밀도가 점증하고 있다.
여기서, 이들 부품이 설치된 영역에서의 국부적인 과열은 기기를 휴대한 소비자의 저온 화상 가능성을 높이고, 기기 사용 시의 불쾌감을 주며, 발열 부품의 오동작을 발생시킬 수 있으며, 신뢰성 저하 문제를 발생하게 된다.
이러한 국부적인 과열의 위험을 개선하기 위해, 스마트폰의 구성 부품 중 화면표시장치와 핵심 구동 부품들이 실장되는 주 인쇄회로기판(main printed circuit board; main PCB) 사이에 설치되는 중간 프레임(middle frame)을 금속 재질로 가공하고, 상대적으로 양호한 열 확산(heat spreading) 특성을 제공하는 열 확산 시트(heat spreading sheet)를 중간 프레임에 합착하여 국부적 과열(hot spot)을 완화하는 방열 모듈이 적용되고 있다.
종래에는 열 확산 시트로서 열전도도가 양호한 구리 박판(copper foil)을 사용하거나, 그라파이트(Graphite)를 필름 형태로 가공하고, 필름의 표면에 다중체 박막(polymer layer)을 부가하여 구성되는 그라파이트 시트(Graphite sheet)를 사용하여 과열 현상을 완화시켰다.
도 1 및 도 2는 종래의 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 방열 프레임은 금속 프레임(10)과 상기 금속 프레임(10)에 합착되는 그라파이트 시트(20)로 이루어진다.
여기서, 상기 그라파이트 시트(20)는 그라파이트 층(21), 상기 그라파이트 층(21)을 상기 금속 프레임(10)에 합착시키기 위해, 상기 그라파이트 층(21)의 일면에 형성되는 접착층(22) 및 상기 그라파이트 층(21)을 전기적으로 절연시키는 절연층 역할과 상기 그라파이트 층(21)의 보호를 위한 보호층 역할을 하며, 상기 그라파이트 층(21)의 타면에 접착되는 다중체 박막(23)으로 이루어진다.
따라서, 상기 그라파이트 시트(20)는 상기 그라파이트 층(21)이 상기 접착층(22)과 싱기 다중체 박막(23) 사이에 개재되어 있는 구조로 이루어진다.
이때, 상기 다중체 박막(23)은 낮은 열전도 특성(통상, 0.1 ~ 10 W/m·k의 열전도도)을 가지기 때문에 발열부로부터 전도되는 열이 매우 우수한 열전도 특성(통상, 500 ~ 2,000 W/m·k의 열전도도)을 갖는 그라파이트 층(21)으로 충분히 전달되지 못하게 되는 병목 현상을 유발하게 되어, 그라파이트 층(21)의 우수한 열 확산 특성을 현저히 저하시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 금속 프레임에 높은 열전도도를 갖는 물질을 개재시켜 방열 프레임을 형성함으로써, 별도의 추가적인 방열 시트를 합착하지 않고도, 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임은, 발열 부품으로부터 발산되는 열을 방열시키는 방열 프레임에 있어서, 제 1 금속 프레임 및 제 2 금속 프레임으로 구성되는 금속 프레임; 및 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임 사이에 위치하며, 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임의 열전도도보다 높은 열전도도를 갖는 열전도층으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 금속 프레임은 마그네슘 합금(Mg alloy)으로 형성되고, 상기 열전도층은 그라파이트(Graphite)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 프레임은 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 마그네슘(Magnesium), 철(Steel) 등의 금속 또는 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(aluminum Nitride; AIN) 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재로 형성될 수 있다.
한편, 상기 열전도층은 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 인조 다이아몬드, 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(AIN), 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재 중에서 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 금속 프레임 및 상기 제 2 금속 프레임은 서로 다른 재질로 형성되고, 상기 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임은 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 마그네슘(Magnesium), 철(Steel) 등의 금속 또는 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(aluminum Nitride; AIN), 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재 중에서 선택되는 어느 하나로 각각 상이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 열전도층은 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임을 연결하도록 형성되는 접속 공을 포함하고, 상기 접속 공에는 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임을 연결하는 제 3 금속 프레임이 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 금속 프레임 및 상기 제 2 금속 프레임이 교대로 적층되고, 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임 사이에 상기 열전도층이 위치하도록 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 금속 프레임에 높은 열전도도를 갖는 물질을 개재시켜 단일 부품 형태의 방열 프레임을 제공할 수 있다.
따라서, 열 전도도가 낮은 다중체 박막을 포함한 열 확산 시트를 필요로 하지 않으므로, 다중체 박막에 의한 열 전달에 있어서의 병목 현상이 발생하지 않으므로 방열 프레임의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 별도의 열 확산 시트를 금속 프레임에 합착시키지 않아도 되므로, 방열 프레임의 박형화가 가능하며, 부품 조립 공수 및 생산 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임을 이용하여 발열 부품으로부터 발산되는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있으므로, 발열 부품의 최적 동작 성능을 보장하고, 오동작을 예방하며, 발열 부품의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 발열 부품이 구비되는 기기 또는 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 휴대 정보 기기와 같은 소비자 가전 제품에 본 발명의 방열 프레임을 적용하는 경우, 과열을 완화하거나 과열 발생을 예방함으로써 해당 제품 또는 기기를 휴대하거나 사용 중 접촉하는 사용자의 저온 화상 방지 등 사용 안전성을 보장하고, 사용 편의성 및 쾌적감을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 프레임에 적용되는 그라파이트 층의 두께에 따른 유효 열전도도의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 종래 방열 프레임 대비 본 발명의 실시 예에 따른 방열 프레임의 성능 개선 정도를 도시한 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 방열 프레임의 구조를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 방열 프레임(100)은 제 1 금속 프레임(111)과 제 2 금속 프레임(112)으로 구성되는 금속 프레임(110) 및 상기 제 1 금속 프레임(111)과 상기 제 2 금속 프레임(112) 사이에 위치하는 열전도층(120)으로 구성된다.
이때, 상기 열전도층(120)은 상기 제 1 금속 프레임(111)과 상기 제 2 금속 프레임(112) 사이에 위치하여 열전도도를 향상시켜 방열 성능을 향상시키기 위한 것으로, 상기 열전도층(120)의 열전도도는 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임(111, 112)의 열전도도보다 높은 것이 바람직하다.
한편, 상기 제 1 금속 프레임(111)과 상기 제 2 금속 프레임(112)은 동일한 재질로 형성될 수 있으나, 서로 다른 재질로 형성될 수도 있다.
상기 제 1 금속 프레임(111)과 상기 제 2 금속 프레임(112)이 서로 다른 재질로 형성되는 경우, 상기 제 1 금속 프레임(111)의 열전도도와 상기 제 2 금속 프레임(112)의 열전도도는 서로 상이할 수 있으나, 이러한 경우에도, 상기 열전도층(120)의 열전도도는 상기 제 1 금속 프레임(111)의 열전도도 및 상기 제 2 금속 프레임(112)의 열전도도보다 높은 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 프레임(110)은 판(plate), 시트(sheet), 필름(film) 또는 막대(rod) 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속 프레임(110)은 마그네슘 합금(Mg alloy)으로 형성되고, 상기 열전도층(120)은 그라파이트(Graphite)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 금속 프레임(110)은 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 마그네슘(Magnesium), 철(Steel) 등의 금속 또는 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(aluminum Nitride; AIN) 등과 같이 열전도도가 우수한 물질 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 열전도층(120)은 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 인조 다이아몬드, 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(AIN) 등 열전도도가 높은 물질 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 금속 프레임(110)은 제 1 금속 프레임(111)과 제 2 금속 프레임(112)으로 구성될 수 있으며, 이때, 상기 제 1 금속 프레임(111) 및 상기 제 2 금속 프레임(112)은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 금속 프레임(111)과 상기 제 2 금속 프레임(112)은 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 마그네슘(Magnesium), 철(Steel) 등의 금속 또는 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(aluminum Nitride; AIN) 등과 같이 열전도도가 우수한 물질 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재 중에서 선택되는 어느 하나로 각각 상이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 금속 프레임(111)의 두께(Tt), 상기 제 2 금속 프레임(112)의 두께(Tb) 및 상기 열전도층(120)의 두께(Tb)의 두께는 방열 프레임에 요구되는 열 확산 성능과 기구적 강성과 관련한 특성 등을 고려하여, 요구되는 특성에 최적화되도록 적절하게 조절될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 프레임의 열전도층이 그라파이트로 형성된 경우에 있어서 그라파이트층의 두께에 따른 유효 열전도도의 변화를 도시한 그래프이고, 도 6은 종래 방열 프레임 대비 본 발명의 실시 예에 따른 방열 프레임의 성능 개선 정도를 도시한 그래프이다.
이때, 도 5에 도시된 그래프는 제 1 금속 프레임(111)과 제 2 금속 프레임(112)으로 구성되는 금속 프레임(110)의 두께를 0.4mm로 고정하고, 그라파이트로 형성되는 열전도층(120)의 두께 변화에 따른 유효 열전도도의 변화를 종래 그라파이트 시트의 두께 변화에 따른 유효 열전도도의 변화와 함께 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서와 같이 제 1 금속 프레임(111)과 제 2 금속 프레임(112) 사이에 열전도층(120)이 위치하는 경우가 종래 금속 프레임에 그라파이트 시트를 합착한 경우보다 유효 열전도도가 더 높다는 것을 확인할 수 있으며, 방열 성능이 도 6에 도시된 바와 같이 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 방열 프레임의 구조를 도시한 일부 절개 사시도 및 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 방열 프레임(100′)은 제 1 금속 프레임(111′)과 제 2 금속 프레임(112′)으로 구성되는 금속 프레임(110′) 및 상기 제 1 금속 프레임(111′)과 상기 제 2 금속 프레임(112′) 사이에 위치하는 열전도층(120′)으로 구성된다.
이때, 상기 열전도층(120′)은 상기 제 1 금속 프레임(111′)과 상기 제 2 금속 프레임(112′) 사이에 위치하여 열전도도를 향상시켜 방열 성능을 향상시키기 위한 것으로, 상기 열전도층(120′)의 열전도도는 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임(111′, 112′)의 열전도도보다 높은 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 방열 프레임(100′)은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 방열 프레임(100)과 비교하여, 상기 열전도층(120′)에 하나 또는 다수개의 접속 공(121)이 형성되고, 상기 접속 공(121)을 통해 제 1 금속 프레임(111′)과 제 2 금속 프레임(112′)이 연결된다는 점에서 차이가 있다.
상기 접속 공(121)은 서로 다른 재질로 형성되는 금속 프레임(110′)과 열전도층(120′) 간의 이종 접합 계면에서 발생할 수 있는 박리에 의해 불량이 발생하는 것을 방지하기 위해 형성된다.
한편, 상기 접속 공(121)은 원, 사각형, 삼각형 또는 임의의 다각형, 폐곡선 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 각 접속 공(121)의 직경 또한 필요에 따라 다양하게 설계하여 적용할 수 있다.
따라서, 상기 접속 공(121)에는 제 1 금속 프레임(111′)과 제 2 금속 프레임(112′)을 연결하는 제 3 금속 프레임(113)이 형성된다.
이때, 상기 제 3 금속 프레임(113)은 상기 제 1 금속 프레임(111′) 또는 상기 제 2 금속 프레임(112′)으로부터 연장되어 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 방열 프레임(100″)의 구조를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 방열 프레임(100″)은 금속 프레임(110″)을 구성하는 제 1 금속 프레임(111″) 및 제 2 금속 프레임(112″)이 교대로 적층되고, 상기 제 1 금속 프레임(111″) 및 상기 제 2 금속 프레임(112″) 사이에 열전도층(120″)이 위치하여 구성된다.
즉, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 방열 프레임(100″)은 상부에서부터 제 1 금속 프레임(111″), 열전도층(120″), 제 2 금속 프레임(112″), 열전도층(120″)이 순차적으로 적층된 다층 구조를 갖는다.
이때, 상기 열전도층(120″)은 상기 제 1 금속 프레임(111″)과 상기 제 2 금속 프레임(112″) 사이에 위치하여 열전도도를 향상시켜 방열 성능을 향상시키기 위한 것으로, 상기 열전도층(120″)의 열전도도는 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임(111″, 112″)의 열전도도보다 높은 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 방열 프레임(100″)을 구성하는 층의 개수는 방열 프레임에 요구되는 열 확산 성능과 기구적 강성과 관련한 특성 등을 고려하여, 요구되는 특성에 최적화되도록 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 제 3 실시 예와 같은 방열 프레임의 구조는 그래핀(Graphene) 등과 같이 열전도도는 매우 높지만 충분한 두께로 구현하는 것이 어렵거나, 큰 발열량을 확산시키거나 전도해야 하는 용도의 방열 프레임에 적용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임을 한정된 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 100′, 100″ : 방열 프레임
110, 110′, 110″ : 금속 프레임
111, 111′, 111″ : 제 1 금속 프레임
112, 112′, 112″ : 제 2 금속 프레임
113 : 제 3 금속 프레임
120, 120′, 120″ : 열전도층
121 : 접속 공

Claims (7)

  1. 발열 부품으로부터 발산되는 열을 방열시키는 방열 프레임에 있어서,
    제 1 금속 프레임 및 제 2 금속 프레임으로 구성되는 금속 프레임; 및
    상기 제 1 및 제 2 금속 프레임 사이에 위치하며, 상기 제 1 및 제 2 금속 프레임의 열전도도보다 높은 열전도도를 갖는 열전도층으로 구성되며,
    상기 제 1 금속 프레임 및 상기 제 2 금속 프레임은 서로 다른 재질로 형성되고,
    상기 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임은 구리(Copper), 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 마그네슘(Magnesium), 철(Steel) 중의 어느 하나의 금속 또는 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(aluminum Nitride; AIN), 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재 중에서 선택되는 어느 하나로 각각 상이하게 형성되며,
    상기 열전도층은 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임을 연결하도록 형성되는 접속 공을 포함하고,
    상기 접속 공에는 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임을 연결하는 제 3 금속 프레임이 형성되며,
    상기 제 3 금속 프레임은 상기 제 1 금속 프레임 또는 상기 제 2 금속 프레임으로부터 연장되어 형성되는 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도층은 그라파이트(Graphite), 그래핀(Graphene), 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube; CNT), 인조 다이아몬드, 질화 붕소(Boron Nitride; BN), 질화 알루미늄(AIN), 또는 상기 물질들 중 하나 이상의 조합으로 이루어지는 복합 소재 중에서 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 프레임 및 상기 제 2 금속 프레임이 교대로 적층되고, 상기 제 1 금속 프레임과 상기 제 2 금속 프레임 사이에 상기 열전도층이 위치하는 것을 특징으로 하는 높은 방열 성능을 갖는 방열 프레임.
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