KR102132726B1 - 계단형 핀휜을 사용한 복합미세열방출기 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 발열체를 냉각하기 위한 복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 마이크로채널부와 핀휜부를 포함하고, 발열체를 냉각하기 위한 복합 히트싱크이되, 상기 핀휜부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 상기 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 저온부와 접하며, 상기 핀휜부 각 열의 핀휜의 높이는 유체가 흐르는 방향으로 점점 증가하여 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 복합 히트싱크 중 핀휜부를 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부를 발열체의 저온부에 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 온도구배를 갖는 발열체의 온도를 균일하게 냉각시킬 수 있으며, 예를 들어 마이크로프로세서와 같이 온도구배가 있는 경우 성능이 저하되는 발열체의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

계단형 핀휜을 사용한 복합미세열방출기 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법{HYBRID MICRO HEAT SINK WITH STEPPED PIN-FINS AND COOLING METHOD OF HEATED OBJECTS USING THE SAME}

본 발명은 계단형 핀휜을 사용한 복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법에 관한 것이다.

1971년에 인텔사에 의하여 개발된 최초의 마이크로프로세서는 단지 2300 개의 트랜지스터만을 포함하고 있었다. 고든 모어에 의하여 예견된 바와 같이, 이 수는 54억개까지 증가하였다. 단일 코어 프로세서에서 디자인 복잡성 등에 대한 증가로 인하여 멀티 코어 기술로의 디자인 변경을 유도하였다. 마이크로프로세서의 코어에서 발생하는 히트 플럭스는 마이크로프로세서의 나머지 부분(백그라운드 영역)에서의 히트 플럭스보다 현저히 많다. 이와 같이 히트 플럭스가 높은 부분을 일반적으로 핫스팟이라고 한다. 코어와 백그라운드 영역 사이의 히트 플럭스 차이에 의하여 발생되는 큰 온도 구배는 마이크로프로세서의 유효 수명을 감소시킬 수 있다. 전자장치의 데미지 중 약 55 %가 부적절한 열관리로부터 비롯된다.

실제 조건에서, 핫스팟의 위치 및 그 정도는 프로세서의 사용 환경에 따라 달라지고, 핫스팟에서의 히트 플럭스는 평균적인 백그라운드의 히트 플럭스의 8 배까지 높을 수 있다. 핫스팟과 백그라운드의 높은 히트 플럭스의 차이 때문에 통상적인 균일한 냉각 기술로는 칩 표면에서 등온조건을 유지하는 것이 불가능하다. 만약 핫스팟의 높은 히트 플럭스만을 고려하여 히트싱크를 설계하는 경우, 칩의 백그라운드 영역은 불필요하게 과냉각될 것이고, 이를 통하여 여전히 높은 온도 구배가 형성될 것이다. 더욱이, 이와 같이 설계를 하는 경우 펌핑파워(pumping power)의 증가로 히트싱크의 경제성이 감소될 수 있다.

예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-20030040982호는 집적 회로 냉각 장치에 관한 발명으로, 구체적으로는 냉동 공정에 사용되는 냉매를 압축하여 고온고압의 기체 냉매로 변환시키는 압축기와, 상기 고온고압의 기체 냉매를 외부 대기와 열교환시켜 중온 고압의 액체 냉매로 변환시키는 응축기와, 상기 응축기를 거친 냉매를 저온 저압의 냉매로 변환시키는 팽창기와, 상기 팽창기를 거친 저온저압의 액체 냉매를 저온저압의 기체냉매로 변환시키는 증발기와, 상기 압축기 응축기 팽창기 증발기가 일측에 배치되는 모듈 기판과, 상기 모듈 기판의 일측에서 상기 증발기에 밀착되어 상기 증발기의 증발 공정에 의하여 냉각되는 집적 회로가 포함되는 집적회로 냉각장치에 있어서, 상기 응축기로부터 유출되는 중온의 공기를 고온의 상기 압축기로 송풍하는 팬과, 상기 팬에 의해서 송풍되는 공기가 원활히 안내되도록 하기 위하여 상기 응축기와 상기 압축기를 연결하는 덕트와, 상기 압축기의 냉각효율이 증대되기 위하여 상기 압축기의 외주면에 다수개 형성되는 냉각핀이 더 포함되고, 상기 압축기는 리니어압축기이고, 상기 응축기는 마이크로채널열교환기이고, 상기 마이크로채널열교환기는 상기 모듈기판에 가공되는 홀을 통하여 공기가 유입되고, 상기 팬은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 집적 회로 냉각 장치를 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 집적 회로의 핫스팟 부분과 백그라운드 부분의 온도 구배를 개선하기 위한 구성을 개시하고 있지 않기 때문에, 여전히 이와 같은 온도 구배에 따른 집적회로의 성능 저하가 문제가 된다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0790790호는 집적회로용 히트싱크 및 쿨러에 관한 발명으로, 구체적으로는 내부에 냉매가 주입되고, 그 냉매가 내부 공간 내에서 순환되는 구조로 형성된 적어도 하나의 평판형 스프레더; 일면이 집적회로에 밀착되며, 타면에 상기 평판형 스프레더를 상방을 향해 세워서 장착하기 위한 적어도 하나의 홈이 마련된 베이스 블록; 및 상기 각각의 평판형 스프레더와 맞물리는 형상의 시트형태의 방열 플레이트를 복수 개 겹쳐서 형성되며, 상기 각각의 평판형 스프레더로부터 열을 전달받아 외부로 방출하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로용 히트싱크를 개시하고 있다. 그러나 상기 기술 또한, 집적회로로부터의 열을 효율적으로 방열하기 위한 구성만을 개시하고 있을 뿐, 집적회로 표면의 온도 구배를 개선할 수 있는 구성은 개시하고 있지 않다는 점에서, 여전히 온도 구배에 따른 집적회로의 성능 저하가 문제가 된다.

이에 본 발명의 발명자들은 온도 구배를 갖고 발열하는 발열체를 균일한 온도로 냉각시킬 수 있는 히트싱크를 연구하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 발열체를 냉각하기 위한 계단형 핀휜구조를 포함하는 복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여 본 발명은 마이크로채널부와 핀휜부를 포함하고, 발열체를 냉각하기 위한 복합 히트싱크이되, 상기 핀휜부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 상기 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 저온부와 접하는 위치에 형성되었으며, 상기 핀휜부 각 열의 핀휜의 높이는 유체가 흐르는 방향으로 점점 증가하여 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크를 제공하고, 또한 본 발명은 상기 복합 히트싱크 중 핀휜부를 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부를 발열체의 저온부에 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 온도구배를 갖는 발열체의 온도를 균일하게 냉각시킬 수 있어, 예를 들어 마이크로프로세서와 같이 온도구배가 있는 경우 성능이 저하되는 발열체의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 비교예에 따른 마이크로채널로만 구성된 히트싱크의 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 비교예에 따른 핀휜의 높이가 균일한 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크 전체의 모식도이고,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크 전체의 모식도이고,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크 중 핀휜부의 확대도이고,
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크 중 핀휜부의 상부 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따른 핀휜의 높이가 균일한 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, 핀휜의 갯수를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 사진이고,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 비교예에 따른 핀휜의 높이가 균일한 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, 핀휜의 갯수를 변경하면서 발열체의 냉각 특성을 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, S_f를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 X-Z 평면의 단면 사진이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, S_f를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 X-Y평면의 단면 사진이고,
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, S_f를 변경하면서 발열체의 냉각 특성을 보여주는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, 레이놀즈수를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 사진이고,
도 10a 내지 도 10e는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체가 흐르는 방향으로 핀의 높이가 증가하여 단차를 형성하는 핀휜부를 포함한 복합 히트싱크에서, 레이놀즈수를 변경하면서 발열체의 냉각 특성을 보여주는 그래프이다.

-용어의 정의-

본 발명에서 '히트싱크' 또는 '히트 싱크'는 발열체의 열을 방출하는 것을 돕는 일체의 방열체 구성을 의미한다.

본 발명에서 '마이크로채널부'는 복합 히트싱크를 형성하는 구성으로, 발열체로부터의 히트 플럭스 방출 방향과 수직인 방향으로 형성되는 복수의 마이크로채널을 포함하는 구성을 의미한다.

본 발명에서 '핀휜부'는 복합 히트싱크를 형성하는 구성으로, 발열체로부터의 히트 플럭스 방출 방향과 평행한 방향으로 연장되는 기둥형 구조의 구성들 복수개가 서로 이격되어 배치되어 형성되는 구성을 의미하고, 각각의 기둥형 구조의 구성을 '핀휜'으로 정의한다.

본 발명에서 '발열체'는 전기 또는 그 외의 외력에 의하여 발생하는 열을 이의 표면을 통하여 방출하는 임의의 대상을 의미한다.

본 발명에서 '고온부' 및 '저온부'는 하나의 발열체 내에서의 상대적 개념으로, 발열체 표면에서 특히 온도가 높아, 발열체의 통상적인 성능 발휘를 위하여 특별한 구성이 필요한 부분을 '고온부' 또는 '핫스팟'이라 하고, 이와 비교하여 상대적으로 온도가 낮은 그 이외의 부분을 '저온부', 또는 '백그라운드'라 한다. 구체적으로는 예를 들어 마이크로프로세서에서 주변 상온을 20 내지 30 ℃로 가정하였을 때, 약 50 내지 100 ℃의 온도가 측정되는 부분을 '고온부' 또는 '핫스팟'이라고 할 수 있다.

본 발명에서 S_f(Step-factor)는 유체가 흐르는 방향으로 핀휜부의 첫째열의 높이(H_pin,r1)과 마지막 열의 높이(H_pin,rn)의 비를 의미한다. 즉 S_f=H_pin,r1/H_pin,rn 이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

마이크로채널부와 핀휜부를 포함하고, 발열체를 냉각하기 위한 복합 히트싱크이되, 상기 핀휜부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 상기 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 저온부와 접하며 상기 핀휜부 각 열의 핀휜의 높이는 유체가 흐르는 방향으로 점점 증가하여 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 복합 히트싱크를 각 구성별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 복합 히트싱크는 마이크로채널부와 핀휜부를 포함하고 발열체를 냉각하기 위한 히트싱크이다.

마이크로채널부는 본 발명의 복합 히트싱크에 포함되는 구성으로, 복수의 마이크로채널이 형성되어 있는 부분이며, 상기 마이크로채널을 따라 냉각을 위한 유체(예를 들어, 공기 또는 그 외의 냉매)가 흐르면서 발열체로부터의 방열을 돕는다.

이때 마이크로채널부는 복수의 방열판이 서로 이격되어 배치되고, 복합 히트싱크 바닥면에 대하여 수직으로 세워져, 서로 평행하게 정렬됨에 의하여 채널이 형성될 수 있다. 즉, 복수의 정렬된 방열판들 사이가 마이크로채널로 정의될 수 있다. 발열체의 방열을 위하여 마이크로채널부와 같은 구성을 사용하는 경우 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 증가하는 것을 억제할 수 있는 장점이 있으나, 냉각 효율이 충분하지 않을 수 있는 문제점이 있다.

핀휜부는 본 발명의 복합 히트싱크에 포함되는 구성으로, 복수의 핀휜이 서로 이격되어 배치되어 있는 부분이며, 핀휜의 주변부를 유체가 흐르면서 발열체로부터의 방열을 돕는다. 발열체의 방열을 위하여 핀휜부와 같은 구성을 사용하는 경우 방열을 위한 단면적이 크게 증가하여 냉각 효율이 크게 개선되는 장점이 있으나, 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 크게 증가하는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 복합 히트싱크는 발열체의 방열을 돕기 위한 것으로, 이때 발열체는 특별히 한정되지 않는 이유로 표면 온도가 그 위치에 따라 다른, 즉 표면 온도 구배를 갖는 발열체이다. 예를 들어 마이크로프로세서의 경우 전기적인 이유로 인하여 마이크로프로세서의 특정 위치의 표면은 그 외 위치의 표면보다 온도가 매우 높다. 이를 일반적으로 '핫스팟'이라고 하고, 본 발명에서는 이를 또한 '고온부'라고 한다. 또한, 상기 '핫스팟' 또는 '고온부' 이외의 부분을 '백그라운드'라고 하고, 본 발명에서는 이를 또한 '저온부'라고 한다.

마이크로프로세서의 경우 온도가 특정 온도 미만(예를 들어 약 373 K 미만)으로 유지되어야 충분한 성능이 보장되고, 뿐만 아니라, 마이크로프로세서 표면 전체의 온도가 균일하게 유지되어야 충분한 성능이 보장된다. 즉, 마이크로프로세서 표면의 온도가 전체적으로 특정 온도 미만이라고 하여도, 표면 온도에 구배가 있는 경우 성능이 충분히 보장되지 않는 문제점이 있다. 그러나, 마이크로프로세서가 작동하는 과정에서 불균일한 파워의 분배 등의 이유로, 마이크로프로세서 표면에는 온도구배가 발생하게 되고, 이에 따라 마이크로프로세서의 성능이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 복합 히트싱크는 이와 같이 표면에 온도 구배를 갖는 발열체의 표면 온도가 균일하게 되도록 냉각시키기 위한 발명으로, 본 발명의 복합 히트싱크를 구성하는 구성 중 특히 핀휜부는 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 발열체의 저온부와 접하며, 상기 핀휜부 각 열의 핀휜의 높이는 유체가 흐르는 방향으로 점점 증가하여 단차를 형성하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 통하여 발열체의 고온부를 더 많이 냉각시키고 발열체의 저온부를 상대적으로 적게 냉각시켜 발열체의 온도 구배를 감소시킨다. 또한, 핀의 높이가 균일한 경우에 비하여 냉각체가 유출구 부근까지 더 많이 도달할 수 있어 유출구 부근의 온도는 감소하는 한편, 유입구 부근은 핀휜 높이가 감소해 열교환량이 적어져 온도가 비교적 높아지므로, 결국 전체적으로는 발열체 표면의 온도 구배를 없애고 균일한 온도로 냉각시킬 수 있게 된다. 또한, 복합 히트싱크의 일부에만 핀휜부를 형성하고, 또 그 높이가 일정한 경우에 비해서 일부 핀의 높이가 낮아짐으로써 펌핑파워(pumping power)가 지나치게 증가하는 것을 방지하는 효과도 있다.

예를 들어, 마이크로프로세서의 방열을 위하여 핀휜부로만 형성된 히트싱크를 사용하는 경우, 핀휜부는 방열 성능이 뛰어나기 때문에, 마이크로프로세서 표면 온도가 전체적으로 많이 낮아지지만, 마이크로프로세서의 저온부는 과냉각이 되어, 결국 여전히 마이크로프로세서의 표면에는 온도 구배가 유지되게 되고, 이에 따라 마이크로프로세서의 성능이 제한되는 문제점이 있다. 또한, 핀휜부만으로 히트싱크를 형성하는 경우에는 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 지나치게 증가하는 문제도 발생하게 된다.

다른 한편으로, 마이크로프로세서의 방열을 위하여 마이크로채널부만으로 형성된 히트싱크를 사용하는 경우, 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 지나치게 증가하는 것을 방지할 수는 있으나, 마이크로프로세서의 표면 온도를 충분히 낮추지 못할 수 있고, 나아가 가장 중요한 문제점은 상기 핀휜만으로 히트싱크를 형성하는 경우와 마찬가지로, 마이크로프로세서의 표면 온도 구배를 제거할 수 없다는 것이다. 즉, 마이크로프로세서의 고온부와 저온부를 동일한 방법으로 냉각시키기 때문에, 냉각 후에도 여전히 마이크로프로세서의 표면에는 온도 구배가 유지되고, 이에 따라 마이크로프로세서의 성능이 충분히 발휘되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 복합 히트싱크가 냉각시키는 대상인 발열체는 대상의 표면 온도에 구배가 형성되는 경우 그 성능이 충분히 발휘되지 못하는 대상으로, 예를 들어 마이크로프로세서와 같이 국부적인 열 유속이 가하여 지는 발열시스템이 대상이 될 수 있다.

본 발명에 따른 핀휜부는 상기한 바와 같이 복수의 기둥형 구조, 즉 복수의 핀휜들을 포함한다. 이때 각각의 기둥형 구조 사이 거리에 대한 각 기둥형 구조의 수평 단면의 가장 긴 대각선의 길이(또는 단면이 원인 경우 직경, 타원형인 경우 장축 직경)의 비(D_pin/P_pin)는 0.25 내지 0.60인 것이 바람직하다. 이때 각각의 기둥형 구조 사이의 거리는 각 기둥의 중심부와 인접하는 다음 기둥의 중심부 사이의 거리로 측정된다. 만약 상기 비가 0.25 이상인 경우 방열을 위한 표면적이 충분해 냉각 효율이 우수하다는 점에서 바람직하며, 0.60 이하인 경우에는 장치 내의 다른 구조들과의 관계나 핀휜 자체의 기계적 강도를 적절히 유지할 수 있다는 점에서 바람직하다.

한편, 상기 기둥형 구조의 수평 단면은 원형 또는 다각형일 수 있고, 냉각성능과 압력강하 측면에서 우수하다는 점에서 원형인 것이 바람직하다.

본 발명의 복합 히트싱크를 형성하는 핀휜부는 4,000,000 μm² 면적당 49 내지 100개의 핀휜을 포함하는 것이 바람직하다. 만약 49개 이상인 경우, 냉각 성능이 충분히 발휘되어 발열체 표면의 온도 구배를 충분히 제거할 수 있다는 점에서 바람직하며, 100개 이하인 경우 냉각 유체에 대한 펌핑파워를 지나치게 증가시키지 않는다는 점에서 바람직하다.

본 발명의 복합 히트싱크를 형성하는 핀휜부의 첫 번째 열의 핀휜의 높이와 마지막 열의 핀휜의 높이의 비(S_f)는 0.15내지 0.9인 것이 바람직하다. S_f가 0.15 이상인 경우 모든 열의 핀휜의 높이가 내부 유로를 형성하여 냉각 특성을 발휘할 수 있을 정도로 충분히 높다는 점에서 바람직하며, S_f 가 0.9 이하인 경우 단차가 충분히 형성되어 단차에 의한 열역학적 특성이 발생함에 따라 충분한 냉각 특성을 기대할 수 있다는 점에서 바람직하다. 핀휜부의 첫 번째 열의 핀휜의 높이와 마지막 열의 핀휜의 높이의 비(S_f)는 0.2내지 0.8인 것이 더 바람직하며, 핀휜부의 첫 번째 열의 핀휜의 높이와 마지막 열의 핀휜의 높이의 비(S_f)는 0.3내지 0.7인 것이 더 바람직하다. 해당 범위에서 핀휜의 높이가 균일한 경우에 비해 향상된 냉각 특성을 보인다.

본 발명의 복합 히트싱크를 형성하는 마이크로채널부 및 핀휜부를 이루는 재질은 열전도도가 우수한 재질로, 예를 들어 실리콘, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

이상의 본 발명에 따른 복합 히트싱크는 표면에 온도 구배가 형성되는 경우 성능이 충분히 발휘되지 않는 마이크로프로세서와 같은 발열체에 대하여 표면의 온도 구배를 제거하면서 냉각시키기 위한 발명으로, 발열체의 고온부는 각 열의 핀휜의 높이가 증가해 단차를 형성하는 핀휜부를 통하여 냉각시키고, 발열체의 저온부는 마이크로채널부를 통하여 냉각시킴으로써, 발열체의 표면 온도가 균일해지도록 냉각시킬 수 있는 효과가 있고, 또한, 복합 히트싱크의 일부에만 핀휜부를 형성하고 그 중 일부 핀의 높이가 낮아짐으로써 펌핑파워(pumping power)가 지나치게 증가하는 것을 방지하는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 상기 복합 히트싱크를 이용하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법을 제공한다.

이하 본 발명의 냉각방법을 상세히 설명한다.

본 발명은 상기와 같은 복합 히트싱크 중 각 열의 핀휜의 높이가 증가해 단차를 형성하는 핀휜부를 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부를 발열체의 저온부에 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법을 제공한다.

히트싱크가 냉각을 수행하는 대상인 발열체 중에는 다양한 이유로 표면에 온도구배가 형성되는 발열체들이 있고, 이와 같이 온도구배가 형성되는 경우 성능을 충분히 발휘하지 못하는 발열체들이 있다. 구체적으로는 마이크로프로세서와 같은 국부적인 열 유속이 가하여 지는 발열 시스템을 예로 들 수 있다. 마이크로프로세서의 경우 충분한 성능 발휘를 위하여 온도가 특정 온도 이하로 유지되어야 할 뿐만 아니라, 표면에 온도 구배가 형성되는 것 또한 방지되어야 한다. 그러나, 마이크로프로세서가 작동하는 과정에서 불균일한 파워의 분배 등의 이유로, 마이크로프로세서 표면에는 온도구배가 발생하게 된다. 본 발명은 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 냉각방법을 제공한다.

본 발명은 상기와 같이 발열체의 고온부와 저온부를 각각 서로 다른 성능으로 냉각할 수 있는 핀휜부와 마이크로채널부를 포함하는 복합 히트싱크를 이용하되, 각 열의 핀휜의 높이가 증가해 단차를 형성하는 핀휜부가 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부가 발열체의 저온부에 접하도록 배치하여 온도구배를 갖는 발열체를 냉각한다. 상기와 같이 복합 히트싱크를 배치하는 경우, 발열체의 고온부는 핀휜부에 의하여 상대적으로 더 많이 냉각되게 되고, 발열체의 저온부는 마이크로채널부에 의하여 상대적으로 적게 냉각되게 되어, 최종적으로는 발열체 표면의 온도 구배를 유효하게 제거할 수 있게 된다.

또한, 핀휜의 높이가 균일한 모델의 경우 유체의 유출구 부근으로 갈수록 열 교환량이 점차 감소함에 따라 가장 온도가 높은 부분이 유출구 부근에 존재하게 되지만, 본 발명의 경우, 핀휜의 높이가 유체의 유입구 부근에서 유출구 부근으로 갈수록 높아지므로 냉각체가 유출구 부근까지 더 많이 도달할 수 있게 되고, 따라서 유출구 부근에서의 최대 온도 상승이 감소하게 된다. 동시에 유입구 부근에서는 핀휜 높이의 감소로 열교환이 비교적 감소하게 되므로 온도 구배를 효과적으로 줄일 수 있으며 핫스팟에서의 온도도 감소시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 냉각방법은 이와 같이 온도구배를 갖는 발열체의 온도가 전체에 대하여 균일해지도록 냉각시킴으로써, 발열체의 온도구배에 따른 성능저하를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 복합 히트싱크의 일부에만 핀휜부를 형성하고 그 일부의 높이가 낮아짐으로써 펌핑파워(pumping power)가 지나치게 증가하는 것을 방지하는 효과도 있다.

본 발명에 따른 냉각방법에서, 마이크로채널을 따라 흐르는 유체는 층류(laminar)인 것이 바람직하며, 본 발명이 적용되는 형상의 특성에 따라 그 범위는 달라질 수 있다. 예를 들어, 층류를 형성하기 위한 유체의 레이놀즈수는 140 내지 960일 수 있다. 더 바람직하게는 레이놀즈수가 300 내지 900일 수 있고, 더 바람직하게는 레이놀즈수가 400내지 800일 수 있다.

이하 본 발명을 실시예, 비교예, 및 실험예를 통하여 상세히 설명한다. 이하의 내용은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하는 것이고, 그 효과를 설명하기 위한 것일 뿐, 이하의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정 해석되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 실시예 10> 복합 히트싱크의 제조

마이크로채널부와 핀휜부 각각을 실리콘 재질로 하고, 다음의 표 1의 규격으로 하여 복합 히트싱크를 제조하였다. 마이크로채널부는 이하의 규격을 갖는 복수의 방열판을 이용하여 직선의 마이크로채널이 형성되도록 제조되었고, 핀휜부는 이하의 규격을 갖는 원기둥형의 복수의 핀휜을 정렬하여 제조되었다.

또한 실시예 1 내지 실시예 10에서, 핀휜부의 각 열의 핀휜의 높이는 다음의 표 2의 규격으로 하여 제조되었다.

본 발명에서 히트싱크가 놓이는 평면을 이루는 축을 x축과 z축으로 하고, 높이 방향을 y축으로 정의한다.

하기 표 1에서 W_ch는 마이크로 채널의 폭, H_ch는 마이크로 채널의 높이, W_w는 마이크로 채널을 형성하는 방열판의 폭, W_b는 마이크로 채널부의 바닥 두께, L_x는 마이크로채널부의 x축 방향 길이, L_y는 마이크로채널부의 y축 방향 길이, 즉 두께, L_z는 마이크로채널부의 z축 방향 길이를 의미한다. 상기 표 1에서 D_pin은 핀휜의 직경, P_pin,x는 핀휜과 핀휜 사이의 x축 방향 거리, P_pin,z는 핀휜과 핀휜 사이의 z축 방향 거리, L_hs는 핫스팟 영역의 길이, 즉 핀휜부의 길이, W_hs는 핫스팟 영역의 폭, 즉 핀휜부의 폭을 의미한다. 상기 표 1 및 표 2에서 H_pin,r1내지 H_pin,rk은 유체가 흐르는 방향의 1 내지 k번째 열의 핀휜의 높이를 의미하며 100개의 핀을 10개의 열로 하여 배치해 마지막 열이 10번째 열이 되도록 실험을 실시하였다. 핀휜과 핀휜 사이의 거리는 핀휜의 중심점과 인접한 핀휜의 중심점 사이의 거리로 측정된다. 핀휜부는 4,000,000 μm² 면적당 100개의 핀휜을 포함하는 것으로 하여 실시하였다. 상기 내용은 도 3a 내지 도 3c를 통하여 보다 명확하게 설명될 수 있다.

마이크로 채널부(μm)
Wch	Hch	Ww	Wb	Lx	Ly	Lz
250	500	250	200	10000	700	10000
핀휜부
Dpin	Hpin,r1	Hpin,r10	Ppin,x	Ppin,z	Lhs	Whs
120	455-50	500	200	200	2000	2000

조건	Hpin,r1	Hpin,r2	Hpin,r3	Hpin,r4	Hpin,r5	Hpin,r6	Hpin,r7	Hpin,r8	Hpin,r9	Hpin,r10	Sf
실시예1 (H-SP1)	455	460	465	470	475	480	485	490	495	500	0.91
실시예2 (H-SP2)	410	420	430	440	450	460	470	480	490	500	0.82
실시예3 (H-SP3)	365	380	395	410	425	440	455	470	485	500	0.73
실시예4 (H-SP4)	320	340	360	380	400	420	440	460	480	500	0.64
실시예5 (H-SP5)	275	300	325	350	375	400	425	450	475	500	0.55
실시예6 (H-SP6)	230	260	290	320	350	380	410	440	470	500	0.46
실시예7 (H-SP7)	185	220	255	290	325	360	395	430	465	500	0.37
실시예8 (H-SP8)	140	180	220	260	300	340	380	420	460	500	0.28
실시예9 (H-SP9)	95	140	185	230	275	320	365	410	455	500	0.19
실시예10 (H-SP10)	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500	0.1

<비교예 1>

상기 실시예 1과 동일하나, 핀휜부를 형성하지 않고, 전제적으로 마이크로채널부를 형성하는 방법으로 히트싱크를 제조하였다(도 1).

<비교예 2>

상기 실시예 1과 동일하나, 핀휜부에서 핀휜의 높이가 모두 500 μm로 균일하다(도 2).

<실험예 1>

마이크로채널로만 구성된 히트싱크와 복합 히트싱크의 냉각 거동 차이를 확인하기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.

구체적으로는 3차원 Reynold-averaged Navier-Stokes 방정식에 대하여 상용 열유동해석 프로그램인 ANSYS CFX 15.0을 사용하여, 실제 미세 열방출기 내부 유동영역을 모사하였다.

이때 냉매 유동은 정상상태(steady state)이고 층류로 유동하는 것으로 가정하였고, 중력에 따른 효과 및 복사에 의한 열전달은 무시하였다. 실리콘의 비열은 712 J/kg·K, 밀도는 2330 kg/m³, 열전도율은 148 W/m·K로 하였다. 냉매는 물로 하였다. 히트 플럭스는 고온부에 해당하는 부분은 300 W/cm²으로 저온부에 해당하는 부분은 50 W/cm²으로 하였다.

상기 비교예 2에서 전체 핀휜의 수를 25에서 144까지 변경하면서 냉각 거동을 확인하였고, 이때 레이놀즈수는 500으로 고정하였다. 도 4의 좌측 하단에 기재된 것 중 NH-RM은 마이크로채널로만 구성된 비교예 1을 의미하며 H-UP은 비교예 2를 의미하고 그 옆의 숫자는 각 경우의 핀휜의 갯수를 의미한다. 우측 하단에 기재된 것은 각 경우의 고온부 온도이다.

도 4에 따르면, 비교예 1의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 현저히 유지되는 것을 확인할 수 있는 반면, 비교예 2의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 크게 개선되고 있다는 것을 확인할 수 있다.

<실험예 2>

상기 실험예 3에서 얻은 데이터를 통하여 각 레이놀즈수에 대한 총 열저항, 총 펌핑파워, 고온부에서의 MATD, 및 고온부에서의 최대 온도상승을 확인하였고, 그 결과를 도 5a 내지 도 5e에 나타내었다. 각각의 값들은 다음의 수식들에 의하여 계산되었다.

총 열저항(R_th,tot) = (T_s,max - T_f,in) / Q_tot

상기 식에서 T_s,max는 히트싱크 기저에서의 최대 온도이고, T_f,in는 냉매 도입부에서의 냉매 온도이고, Q_tot는 히트싱크 기저에 공급되는 총 열로 다음 식으로부터 얻어진다.

Q_tot = q_bgA_bg + q_hsA_hs

상기 식에서 q_bg와 q_hs는 각각 히트싱크의 저온부와 고온부에 적용되는 히트 플럭스이고, A_bg와 A_hs는 각각 히트싱크의 저온부와 고온부 영역 면적이다.

총 펌핑파워(P_tot) = n_chu_avgA_cΔP_avg,ch

상기 식에서 n_ch는 총 채널의 수, u_avg는 유체의 평균 주입 속도, A_c는 채널의 단면적, ΔP_avg,ch는 단일 채널에 대한 평균 압력강하이다.

MATD(Mean Absolute Temperature Deviation)(δ_T)

상기 식에서, T_max,hs, T_min,hs, T_avg,hs는 각각 고온부에서의 최대, 최소, 및 평균 온도이다.

도 5a 내지 도 5e에 따르면, 핀의 갯수가 49개 이상일 때부터 비교예 2가 비교예 1에 비하여 향상된 냉각 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 핀의 갯수가 그 이상일 경우, 핀이 충분한 발열 효율을 발휘해 총 열저항과 MATD는 감소하며 따라서 핫스팟의 온도와 전체적은 온도 구배 모두 감소하게 된다.

다만, 펌핑파워의 경우 비교예 2가 비교예 1에 비하여 대체적으로 높은 모습을 보인다. 이는 핀의 존재때문이며, 따라서 핀의 갯수가 증가할수록 펌핑 파워가 증가함을 알 수 있다.

따라서, 적절히 핀의 갯수를 조절해주는 것이 필요한데, 예를 들어, 핀의 갯수가 64개인 경우를 보면, 비교예 2는 비교예 1보다 펌핑파워는 거의 비슷하면서 전체 열저항은 22.3%, MATD는 22.9%, 고온부에서의 최대 온도 상승은 22.3% 감소하였다.

즉, 비교예 2는 비교예 1에 비하여 펌핑파워가 크게 증가하는 것을 억제하면서도 발열체 표면의 온도가 균일하게 형성될 수 있도록 냉각시키고 있다는 것을 알 수 있다.

<실험예 3>

Step factor(S_f) 변화에 따른 발열체 냉각 거동을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 실시예 1 내지 실시예 10의 히트싱크와 비교예 2의 히트싱크를 레이놀즈수는 500으로 고정하고, 실험예 1과 같은 방법으로 냉각 거동을 비교하여 확인하였다. 이때, 그 결과를 도 6 및 7에 나타내었다.

도 6에 따르면, 비교예 2의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 유지되는 것을 확인할 수 있는 반면, 실시예 1 내지 실시예 10의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 크게 개선되고 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 7에 따르면, 실시예 1 내지 실시예 10의 경우 S_f가 작아짐에 따라 가장 온도가 높은 구역이 유체의 유출구 부근에서 유입구 부근으로 이동하는 모습을 보인다.

즉, 핀의 높이 차이로 더 많은 냉각체가 유출구 부근까지 도달할 수 있게 되어 유출구 부분의 온도가 감소하였고, 반대로 유입구 부근에서는 핀의 높이가 낮아지면서 열 교환량이 감소하기에 전체적인 온도 구배가 감소하였다는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 4>

상기 실험예 3에서 얻은 데이터를 통하여, 실험예 2와 같은 방법으로, 각 S_f 조건에 대한 총 열저항, 총 펌핑파워, 고온부에서의 MATD, 및 고온부에서의 최대 온도상승을 확인하였고, 그 결과를 도 8a 내지 도 8e에 나타내었다.

도 8a 내지 도 8e에 따르면, 모든 값에 대하여 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 10의 경우가 비교예 2의 경우보다 우수하다는 것을 알 수 있다.

예를 들어, 실시예 6(H-SP6, S_f = 0.46)의 경우를 보면, 실시예 6은 비교예 2보다 총 열 저항이 12.1 % 감소하였으며, 이는 핫스팟의 온도가 감소했다는 것을 의미한다.

또한, MATD의 경우, 실시예 6은 비교예 2보다 34.9% 감소하였는데, 이는 온도의 균일성이 향상되었다는 것을 의미한다.

반면에, 펌핑파워의 경우 실시예 6은 비교예 2보다 4.3% 감소하였고, 실시예 1 내지 실시예 10에서 S_f가 작아질수록 펌핑파워가 감소함을 알 수 있다. S_f가 작아진다는 것은 핀의 높이가 낮아졌다는 것을 의미하므로, 핀의 낮아진 높이로 인해 펌핑파워가 감소함을 알 수 있다.

즉, 실시예 1 내지 실시예 10은, 비교예 2와 비교 시 펌핑파워를 더욱 효과적으로 제어하면서도 온도 구배 해소 능력이 더욱 향상됨을 알 수 있다.

<실험예 5>

유체의 레이놀즈수의 변화에 따른 발열체 냉각 거동을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 실험예 1과 동일하게 실험을 수행하되, 본 실험예의 경우 유체의 유동이 140내지 960의 레이놀즈수 범위에서 층류로 제한되므로, 실시예 8(H-SP8,S_f = 0.28)과 비교예 2에 대하여, 레이놀즈수를 200에서 1000으로 변경하면서 냉각 거동을 확인하였고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 우측 상단에 기재된 것은 레이놀즈수이며, 좌측 하단에 H-UP가 기재된 경우는 비교예 2 조건하에서 레이놀즈수 변화 시의 냉각 거동이며, 좌측 하단에 H-SP8가 기재된 경우는 실시예 8의 레이놀즈수 변화 시의 냉각 거동이다. 우측 하단에 기재된 것은 각 경우의 고온부 온도이다.

도 9에 따르면, 실시예 8에서 레이놀즈수가 증가함에 가장 온도가 높은 구역이 유체의 유출구 부근에서 핫스팟의 중심쪽으로 이동하고 있고, 본 발명의 실시예 8에 따른 복합 히트싱크의 경우 발열체의 표면 온도 구배를 비교예 2에 비해서 효과적으로 제거하고 있으며, 실시예 8의 경우가 비교예 2보다 더 낮은 고온부 최대 온도를 나타냄을 알 수 있다.

<실험예 6>

상기 실험예 5에서 얻은 데이터를 통하여 각 레이놀즈수에 대한 총 열저항, 총 펌핑파워, 고온부에서의 MATD, 및 고온부에서의 최대 온도상승을 확인하였고, 그 결과를 도 10a 내지 도 10e에 나타내었다. 각각의 값들은 상기 실험예 2에 기재된 수식들에 의하여 계산되었다.

도 10a 내지 도 10e에 따르면, 모든 값에 대하여 본 발명에 따른 실시예 1의 히트싱크가 비교예 1의 히트싱크보다 우수한 효과가 있다는 것을 알 수 있다.

전체적으로, 레이놀즈수가 증가할수록 냉각 성능 및 온도 구배 제거 능력은 향상되며, 펌핑 파워는 증가하게 된다. 다만, 실시예 8의 경우 비교예 2에 비해서 총 열저항 및 MATD는 모든 실험예 5 범위에 대해 낮은 값을 가짐에도 불구하고, 펌핑 파워 또한 더 낮은 값을 갖는다.

즉, 실시예 8이 비교예 2에 비해서 냉각 성능 및 온도 구배 제거 능력이 뛰어나면서도 펌핑 파워는 오히려 낮음을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예, 실험예를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (11)

1. 마이크로채널부와 핀휜부를 포함하고, 발열체를 냉각하기 위한 복합 히트싱크이되,
   상기 핀휜부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 상기 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 상기 발열체의 저온부와 접하며,
   상기 핀휜부는 발열체로부터의 히트 플럭스 방출 방향과 평행한 방향으로 연장되는 기둥형 구조물인 핀휜 복수 개가 서로 이격되어 배치되어 형성되고,
   상기 마이크로채널부는 복수의 방열판이 서로 이격되어 배치되고, 복합 히트싱크 바닥면에 대하여 수직으로 세워져, 서로 평행하게 정렬됨에 의하여 채널이 형성되며,
   상기 핀휜부 각 열의 핀휜의 높이는 유체가 흐르는 방향으로 점점 증가하여 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 발열체는 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 핀휜부 핀휜의 수평 단면의 가장 긴 대각선의 길이의 비(D_pin/P_pin)가 0.25 내지 0.60로 복수의 기둥형 구조가 정렬됨에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 핀휜의 수평 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 핀휜부는 4,000,000 μm² 면적당 49 내지 100개의 핀휜을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널부 및 핀휜부를 이루는 재질은 실리콘, 구리, 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 핀휜부의 첫 번째 열의 핀휜의 높이와 마지막 열의 핀휜의 높이의 비(S_f)는 0.15내지 0.9인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
   
9. 제1항에 따른 복합 히트싱크 중 핀휜부를 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부를 발열체의 저온부에 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 발열체는 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 냉각방법.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 마이크로채널부를 따라 흐르는 유체의 레이놀즈수는 층류를 형성하는 범위인 것을 특징으로 하는 냉각방법.

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