KR102136310B1 - 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 전도도가 높은 다공성 구조체와, 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질로 이루어지는 방열 구조를 통해, 발열 부품에서 발생하는 열을 흡수하여 넓은 영역으로 확산시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있는 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조는, 열을 전도하는 다공성 구조체; 및 상기 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조{Heat dissipation structure of heat spreading device with high heat dissipating function}

본 발명은 방열 소자의 방열 구조에 관한 것으로, 상세하게는 열 전도도가 높은 다공성 구조체와, 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질로 이루어지는 방열 구조를 통해, 발열 부품에서 발생하는 열을 흡수하여 넓은 영역으로 확산시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있는 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조에 관한 것이다.

전기 및 전자기기의 방열을 위한 수동 부품(passive components)으로는 발열원(heat sourc)과 방열 부품 사이의 미세한 틈을 채워주는 TIM(Thermal Interface Material), 열을 분산 또는 확산시켜주는 히트 스프레더(heat spreader), 열원으로부터 소정의 다른 위치로 열을 옮겨주는 히트 파이프(heat pipe), 열을 외부로 발산하는 히트 싱크(Heat sink) 등이 있다.

능동 부품(active components)으로는 냉각 팬(cooling fan), 열전 소자(thermoelectric device) 등이 있다.

전기/전자 제품이 작고 얇아지거나, 배터리 등의 제한된 전원이 적용되는 경우에는 냉각 팬(fan) 등의 능동 부품을 사용하기 어렵고, 수동 부품에 의존하여 과열을 방지하거나 제거해야 한다.

TIM중 상 변화 물질(PCM: Phase Change Materials)은 상온에서는 고체 상태이다가, 해당 상 변화 물질의 용융 온도 부근의 고온에서는 액체로 상(phase)이 변화하는 속성을 갖는다.

이러한 상 변화시의 용융열(heat of fusion)은 잠열(latent heat) 형태로 열을 흡수하면서 동시에 액체 상태로 열원 및 방열 부품의 미시적인 틈을 메워 접촉(interface) 면적을 넓혀 열 전달을 효과적으로 이루어지도록 하여 집적회로 칩 등의 방열에 사용되고 있다.

다만, 물질 자체의 열전도도(thermal conductivity)가 수 W/m·k 수준으로 금속 등에 비해 매우 낮은 단점을 지니고 있다.

한편, 히트 스프레더(heat spreader)는 발열 부품의 열을 상기 히트 스프레더 소자의 넓은 영역으로 확산 또는 분산시켜 고온부(hot spot)의 온도를 낮추는 역할을 하는데, 열을 빨리 전달시키기 위해 높은 열전도 특성이 필요하기 때문에 열전도도가 높은 구리 혹은 알루미늄 등의 금속이나 그라파이트 시트(graphite sheet) 등이 사용된다.

최근에는 금속의 높은 열전도도와 상 변화 물질의 용융열의 장점을 결합하여 열 흡수 및 확산 기능을 제공하는 방열 소재가 보고되고 있다.

이는 두 장의 구리 재질의 얇은 박판(foil) 사이에 상 변화 물질을 넣고 봉지(enclosing)한 형태로서, 전기 및 전자기기의 소정의 위치에 부착하여, 상 변화 물질의 용융열을 이용하여 제품의 과열을 방지하는 방식이다.

다만, 상 변화 물질의 열전도도가 금속 등에 비해 현저히 낮기 때문에 전기/전자기기의 발열부에서 국부적으로 고온의 열이 발생하는 경우에는 열이 면 방향으로 퍼지는 정도가 충분하지 못하여, 상 변화 물질의 용융이 일어나는 범위가 발열부 주변에 국한되어 제한되므로, 상 변화에 의한 과열 방지 성능을 충분히 활용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 열 전도도가 높은 다공성 구조체와, 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질로 이루어지는 방열 구조를 통해, 발열 부품에서 발생하는 열을 흡수하여 넓은 영역으로 확산시켜 방열 성능을 향상시킬 수 있는 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조는, 열을 전도하는 다공성 구조체; 및 상기 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 다공성 구조체는 구리, 알루미늄, 철, 니켈 마그네슘 그리고 이들의 조합으로 이루어진 합금에서 선택되는 한 종류의 단일재 또는 복합재이거나, 나노 입자로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 다공성 구조체가 금속재로 이루어지는 경우, 금속 폼 또는 개방 셀 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 본 발명의 방열 구조는 상기 다공성 구조체의 상부 및 하부에 마련되는 지지체를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 방열 구조에 따르면, 상기 다공성 구조체의 외곽을 둘러싸는 봉지부가 더 마련될 수 있다.

또한, 본 발명의 방열 구조에 따르면, 상기 다공성 구조체의 외측에 점착층이 더 마련될 수 있다.

한편, 상기 다공성 구조체는 탄소나노튜브 구조로 이루어지거나, 소결 금속 입자 구조이거나, 금속 메쉬 구조이거나, 금속망을 다수 적층하거나 접합한 구조일 수 있다.

다른 한편, 상기 다공성 구조체는 탄소나노튜브 구조, 소결 금속 입자 구조, 금속 메쉬 구조, 금속망을 다수 적층 또는 접합한 구조 중 두 구조 이상을 결합한 구조일 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 전기/전자기기의 집적회로 칩 혹은 기타 주요 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 확산 및 방출하여, 전기/전자기기의 이상 동작 또는 영구적인 고장을 방지하고, 동작 성능을 유지 및 보장하며, 제품 과열로 인한 사용자의 화상 혹은 불쾌감 등을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 발열 부품과 접촉 또는 비접촉 상태로 장착되어 제품이 동작함에 따라 발생하는 열을 상 변화 물질이 물질 특유의 상 천이 과정에서 잠열 형태로 흡수하도록 하며, 온도가 상승함에 따라 상 변화 물질의 상 변화 온도에서는 물질의 상태 변화를 위한 용융열의 형태로 전기/전자 제품 또는 부품의 열을 흡수하여 온도가 일정 수준 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 열전도도가 높은 금속 구조물 또는 탄소 나노구조 등의 미세 구조와 함께 상 변화 물질을 구성함으로써, 상 변화 물질의 낮은 열전도도에 의한 단점을 보상하여 열을 효율적으로 확산시킬 뿐만 아니라, 보다 확대된 범위에서 상 변화가 일어나도록 하여 흡열 용량(heat absorbing capacity)을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 방열 소자의 방열 구조의 일 예를 도시한 상태도이다.
도 2는 도 1의 A-A´선을 따라 절취한 단면도이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 소자의 방열 구조의 다양한 구조를 도시한 단면도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 방열 소자를 적용한 발열 부품의 온도 특성 그래프를 도시한 도면이다.

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 1은 본 발명의 실시 예에 방열 소자의 방열 구조의 일 예를 도시한 상태도이고, 도 2는 도 1의 A-A´선을 따라 절취한 단면도이고, 도 3 내지 5는 본 발명의 실시 예에 따른 방열 소자의 방열 구조의 다양한 구조를 도시한 단면도들이며, 도 6은 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 방열 소자를 적용한 발열 부품의 온도 특성 그래프를 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 방열 구조(1)는 다공성 구조체(100) 및 상기 다공성 구조체(100)의 공극을 채우는 상 변화 물질(200)로 이루어지며, 상기 방열 구조(1)는 판(plate), 패드(pad), 시트(sheet) 또는 필름(film) 형태를 갖는다.

상기 다공성 구조체(100)는 전기전자 부품 등의 발열원(heat source)으로부터 열을 흡수 및 전도하며, 상기 상 변화 물질(200)은 소정의 온도에서 고체-액체 간 상태 변화를 일으키게 된다.

이때, 상기 다공성 구조체(100)는 구리, 알루미늄, 철, 니켈, 마그네슘 등 열전도도가 높은 금속 단일 재료 또는 적어도 하나 이상의 합금을 포함하는 복합 금속 재료로 구성되거나, 열전도도가 높은 탄소 나노 입자로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 다공성 구조체(100)가 금속인 경우, 열이 어느 방향으로도 효과적으로 전달되도록 금속 폼(metal foam) 또는 개방 셀(open cell) 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 방열 구조(1)를 지지하기 위하여 상기 다공성 구조체(100)의 상부 및 하부에 지지체(300)가 마련될 수 있다.

한편, 상기 다공성 구조체(100)는 다양한 방법으로 만들어질 수 있는데, 휴대용 기기 혹은 평판 TV 등의 얇은 전자기기에 적용되기 위해서는 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 등의 3차원 미세 가공 기술을 이용한 금속 폼 또는 금속 개방 셀 등의 다공성 미세 구조인 것이 바람직하다.

상기 다공성 구조체(100)의 빈 공간(공극)에는 상기 상 변화 물질(200)이 채워지며, 많은 열을 흡수하기 위해서는 상 변화 물질(200)을 채워 열 용량을 크게 하는 것이 유리하나, 열 팽창 계수 등의 상 변화 물질의 특성 및 상 변화 물질을 빈 공간 없이 채우는 기술의 한계 등을 고려하여 다공성 구조체의 공극의 일부만을 상 변화 물질로 채울 수도 있다.

필요에 따라 상 변화 물질(200)이 채워진 다공성 구조체(100)를 봉인(sealing)하기 위해, 상기 다공성 구조체(100)의 외곽을 둘러싸는 봉지부가 더 마련될 수 있다.

이때, 상기 봉지부는 구리, 알루미늄, 철, 니켈, 마그네슘 등의 금속, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene Terephthalate) 등의 고분자 재질로 이루어지는 판형 또는 시트 형태일 수 있다.

또한, 방열 구조(1) 외부에는 전기전자기기 혹은 소정의 발열 부품 등에 부착할 수 있도록 별도의 점착층(adhesive layer)이 더 마련되며, 상기 점착층은 상기 다공성 구조체(100)의 외측에 마련될 수 있다.

이때, 상기 다공성 구조체(100)의 외측에 지지체(300) 또는 봉지부가 마련되는 경우, 상기 점착층은 상기 지지체(300) 또는 봉지부에 마련된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 구조체가 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube, 110) 구조로 이루어지고, 상기 상 변화 물질(200)이 상기 탄소나노튜브(110) 내의 공극을 메우는 구조일 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 구조체가 소정의 직경을 갖는 구 형태의 금속 입자들을 빽빽하게 배열하고, 상기 입자들의 접촉 영역이 접합되도록 가공한 소결 금속 입자(120, sintered metal powder) 구조이고, 상기 상 변화 물질(200)이 상기 소결 금속 입자(120) 사이의 공극을 메우는 구조일 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 구조체가 미세 금속 선(130, metal wire)들을 망(mesh) 형태로 직조한 금속 메쉬 구조이고, 상기 상 변화 물질(200)이 상기 금속선(130) 사이의 공극을 메우는 구조일 수 있다.

이외에, 상기 다공성 구조체가 부직포 형태로 가공된 금속망을 다수 적층하거나 접합한 구조일 수 있다.

이때, 상기 다공성 구조체는 상기에서 살펴본 바와 같은 구조 중 어느 하나의 구조로 형성될 수 있으나, 두 구조 이상을 결합하여 형성될 수도 있다.

도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 방열 소자와 종래 방열 소자를 각각 발열 부품에 적용한 경우의 발열 부품의 온도 특성을 비교하여 본 발명의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 종래 방열 소자를 적용한 경우를 살펴보면, 그래프의 점선으로 도시된 온도 특성에서 확인할 수 있는 것과 같이, 발열 부품의 동작(On)에 따라 열이 발생하면서 부품의 온도가 지속적으로 상승하는 것을 알 수 있다.

하지만, 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 방열 소자를 적용한 경우를 살펴보면, 그래프의 실선으로 도시된 온도 특성에서 확인할 수 있는 바와 같이, 발열 부품의 온도가 상승하다가 일정 온도(Tm) 이상으로 상승하지 않는 것을 확인할 수 있다.

또한, 발열 부품의 동작이 정지되는 경우(Off)에 있어서, 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 방열 소자가 적용된 발열 부품의 온도가 종래 방열 소자가 적용된 발열 부품의 온도보다 빨리 온도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

이때, 상기 일정 온도(Tm)는 상 변화 물질의 용융 온도로서, 상 변화 물질이 고체 상태에서 액체 상태로 상 변화하는 과정에서 열을 흡수하기 때문에 온도가 일정하게 유지된다.

즉, 발열 부품과 접촉 또는 비접촉 상태로 장착되어 제품이 동작함에 따라 발생하는 열을 상 변화 물질이 물질 특유의 상 천이 과정에서 잠열 형태로 흡수하고, 온도가 상승함에 따라 상 변화 물질의 상 변화 온도에서는 물질의 상태 변화를 위한 용융열의 형태로 전기/전자 제품 또는 부품의 열을 흡수하여 제품의 온도가 일정 수준 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상 변화 물질을 둘러싼 다공성 구조체에 의해 열이 넓은 영역으로 확산되어 외부로 열을 빨리 방출하게 되어, 방열이 효과적으로 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명은 열전도도가 높은 금속 구조물 또는 탄소 나노구조 등의 미세 구조와 함께 상 변화 물질을 구성함으로써, 상 변화 물질의 낮은 열전도도에 의한 단점을 보상하여 열을 효율적으로 확산시킬 뿐만 아니라, 보다 확대된 범위에서 상 변화가 일어나도록 하여 흡열 용량(heat absorbing capacity)을 증대시킬 수 있다.

또한, 전기/전자기기의 집적회로 칩 혹은 기타 주요 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 확산 및 방출하여, 전기/전자기기의 이상 동작 또는 영구적인 고장을 방지하고, 동작 성능을 유지 및 보장하며, 제품 과열로 인한 사용자의 화상 혹은 불쾌감 등을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 높은 방열 성능을 갖는 방열 소자의 방열 구조를 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.

1 : 방열 구조 100, 110, 120, 130 : 다공성 구조체
200 : 상 변화 물질 300 : 지지체

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 열을 전도하는 다공성 구조체;
   상기 다공성 구조체의 공극을 채우는 상 변화 물질;
   상기 다공성 구조체의 상부에 마련되는 상부 지지체; 및
   상기 다공성 구조체의 하부에 마련되는 하부 지지체를 포함하고,
   상기 다공성 구조체는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube)로 이루어지고,
   상기 상변화 물질은 상기 탄소나노튜브 내 공극을 메우는 구조로 형성되며,
   상기 탄소나노튜브는 상기 상부 지지체의 하면에서 하방으로 돌출되는 제1탄소나노튜브와, 상기 하부 지지체의 상면에서 상방으로 돌출되는 제2탄소나노튜브를 포함하고,
   제1탄소나노튜브와 상기 제2탄소나노튜브는 각각 복수로 구비되어, 상호 교번되게 배치되며,
   상기 제1탄소나노튜브와 상기 제2탄소나노튜브는 수평 방향으로 오버랩되지 않게 배치되는 방열소자의 방열 구조.
   
8. 삭제

Images