KR102195634B1 - 복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법 - Google Patents

복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법 Download PDF

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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 접하는 위치에 형성되는 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.

Description

복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법{COMPOSITE HEAT SINK AND COOLING METHOD OF HEATED OBJECTS USING THE SAME}
본 발명은 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 부적잘한 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 제10-2003-0040982호는 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.
대한민국 공개특허 제10-2003-0040982호 대한민국 등록특허 제10-0790790호
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 접하는 위치에 형성되는 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 실시예에 따른 복합 히트싱크 전체의 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 히트싱크 중 핀휜부의 확대도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 히트싱크 중 마이크로채널부의 확대도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 히트싱크 중 퓐휜부의 상부 단면도이고,
도 5는 레이놀즈수를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 사진이고,
도 6은 레이놀즈수를 변경하면서 측정된 발열체의 냉각 특성을 보여주는 그래프이고,
도 7은 고온부의 히트 플럭스를 변경하면서 발열체의 냉각 거동을 확인한 사진이고, 및
도 8은 고온부의 히트 플럭스를 변경하면서 측정된 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.
이하 본 발명의 상세히 설명한다.
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 형성되는 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 복합 히트싱크 중 발열체의 고온부와 접하는 위치에 형성되고, 마이크로채널부는 복합 히트싱크 중 발열체의 저온부와 접하는 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성을 통하여 발열체의 고온부를 더 많이 냉각시키고, 발열체의 저온부를 상대적으로 적게 냉각시켜, 결국 발열체 표면의 온도 구배를 없애고, 균일한 온도로 냉각시킬 수 있게 된다. 나아가, 복합 히트싱크의 일부에만 핀휜부를 형성함으로써, 펌핑파워(pumping power)가 지나치게 증가하는 것을 방지할 수 있는 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(Dpin/Ppin)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 미만인 경우에는 방열을 위한 표면적이 충분하지 않아 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 0.60을 초과하는 경우에는 장치 내의 다른 구조들과의 관계에서 문제가 발생할 수 있고, 또는 핀휜 자체의 기계적 강도가 저하될 수 있는 문제점이 있다.
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 49 개 미만인 경우, 냉각 성능을 충분히 기대할 수 없어, 발열체 표면의 온도 구배를 충분히 제거할 수 없는 문제점이 있고, 100 개를 초과하는 경우에는 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 지나치게 증가하는 문제가 있다.
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 핀휜부를 통하여 냉각시키고, 발열체의 저온부는 마이크로채널부를 통하여 냉각시킴으로써, 발열체의 표면 온도가 균일해지도록 냉각시킬 수 있는 효과가 있고, 나아가, 히트싱크의 일부에만 핀휜부를 형성함에 따라 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 지나치게 증가하는 것을 억제하는 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 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, 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.
본 발명에 따른 냉각방법은 이와 같이 온도구배를 갖는 발열체의 온도가 전체에 대하여 균일해지도록 냉각시킴으로써, 발열체의 온도구배에 따른 성능저하를 방지할 수 있는 효과가 있고, 나아가, 냉각시에 냉각 유체에 대한 펌핑파워가 지나치게 증가하는 것을 방지할 수 있는 효과가 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>
복합 히트싱크의 제조
마이크로채널부와 핀휜부 각각을 실리콘 재질로 하고, 다음의 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.
본 발명에서 히트싱크가 놓이는 평면을 이루는 축을 x축과 z축으로 하고, 높이 방향을 y축으로 정의한다.
마이크로 채널부(μm)
Wch Hch Ww Wb Lx Ly Lz
250 500 250 200 10000 700 10000
핀휜부
Dpin Hpin Ppin,x Ppin,z Lhs Whs
120 500 200 200 2000 2000
상기 표 1에서 Wch는 마이크로 채널의 폭, Hch는 마이크로 채널의 높이, Ww는 마이크로 채널을 형성하는 방열판의 폭, Wb는 마이크로 채널부의 바닥 두께, Lx는 마이크로채널부의 x축 방향 길이, Ly는 마이크로채널부의 y축 방향 길이, 즉 두께, Lz는 마이크로채널부의 z축 방향 길이를 의미한다. 상기 표 1에서 Dpin은 핀휜의 직경, Hpin는 핀휜의 높이, Ppin,x는 핀휜과 핀휜 사이의 x축 방향 거리, Ppin,z는 핀휜과 핀휜 사이의 z축 방향 거리, Lhs는 핫스팟 영역의 길이, 즉 핀휜부의 길이, Whs는 핫스팟 영역의 폭, 즉 핀휜부의 폭을 의미한다. 핀휜과 핀휜 사이의 거리는 핀휜의 중심점과 인접한 핀휜의 중심점 사이의 거리로 측정된다. 상기 내용은 도 1 내지 도 4를 통하여 보다 명확하게 설명될 수 있다.
<비교예 1>
상기 실시예 1과 동일하나, 핀휜부를 형성하지 않고, 전제적으로 마이크로채널부를 형성하는 방법으로 히트싱크를 제조하였다.
<실험예 1>
레이놀즈수의 변화에 따른 발열체 냉각 거동을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
상기 실시예 1과 비교예 1의 히트싱크에 대하여 레이놀즈수를 200에서 1000까지 변경하면서 냉각 거동을 확인하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 구체적으로는 3차원 Reynold-averaged Navier-Stokes 방정식에 대하여 상용 열유동해석 프로그램인 ANSYS CFX 15.0을 사용하여, 실제 미세 열방출기 내부 유동영역을 모사하였다.
도 5의 우측 상단에 기재된 것은 각 경우의 레이놀즈 수이고, 우측 하단에 기재된 것은 각 경우의 고온부 온도이다.
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.
도 5에 따르면, 비교예 1의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 현저히 유지되는 것을 확인할 수 있는 반면, 실시예 1의 경우 고온부와 저온부 사이의 온도구배가 크게 개선되고 있다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
상기 실험예 1에서 얻은 데이터를 통하여 각 레이놀즈수에 대한 총 열저항, 총 펌핑파워, 고온부에서의 MATD, 및 고온부에서의 최대 온도상승을 확인하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 각각의 값들은 다음의 수식들에 의하여 계산되었다.
총 열저항(Rth,tot) = (Ts,max - Tf,in) / Qtot
상기 식에서 Ts,max는 히트싱크 기저에서의 최대 온도이고, Tf,in는 냉매 도입부에서의 냉매 온도이고, Qtot는 히트싱크 기저에 공급되는 총 열로 다음 식으로부터 얻어진다.
Qtot = qbgAbg + qhsAhs
상기 식에서 qbg와 qhs는 각각 히트싱크의 저온부와 고온부에 적용되는 히트 플럭스이고, Abg와 Ahs는 각각 히트싱크의 저온부와 고온부 영역 면적이다.
총 펌핑파워(Ptot) = nchuavgAcΔPavg,ch
상기 식에서 nch는 총 채널의 수, uavg는 유체의 평균 주입 속도, Ac는 채널의 단면적, ΔPavg,ch는 단일 채널에 대한 평균 압력강하이다.
MATD(Mean Absolute Temperature Deviation)(δT)
Figure 112018080343720-pat00001
상기 식에서, Tmax,hs, Tmin,hs, Tavg,hs는 각각 고온부에서의 최대, 최소, 및 평균 온도이다.
도 6에 따르면, 펌핑파워를 제외한 모든 값에 대하여 본 발명의 실시예 1(도 6에 'H-MPF'로 표시됨)의 경우가 비교예 1(도 6에 'NH-RM'으로 표시됨)의 경우보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 펌핑파워의 경우 본 발명의 실시예 1의 경우, 비교예 1의 경우보다 다소 높게 나오고 있지만, 그 증가 정도가 크지 않은 것을 알 수 있다. 예를 들어, 레이놀즈수 200의 경우를 보면, 실시예 1은 비교예 1보다 펌핑파워가 11.7 % 증가한다. 그러나, 도 5를 보면, 레이놀즈수 200에서 실시예 1의 경우 고온부 온도가 338.2 K인데, 비교예 1의 경우 이와 같은 온도를 얻기 위해서는 레이놀즈 수가 800(이때 온도는 339.1 K)가 되어야 하는 것을 알 수 있고, 이를 다시 도 6에 적용하면, 비교예 1의 경우 펌핑파워가 2838 % 증가해야 하는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 복합 히트싱크는 펌핑파워가 크게 증가하는 것을 억제하면서도 발열체 표면의 온도가 균일하게 형성될 수 있도록 냉각시키고 있다는 것을 알 수 있다.
또한, MATD 그래프를 보면, 실제로 본 발명에 따른 실시예 1이 비교예 1보다 발열체 표면의 온도 구배를 효과적으로 제거하고 있다는 것을 알 수 있고, 나아가 레이놀즈수가 올라갈 수록 그 온도 구배는 더욱더 많이 제거되고 있음을 알 수 있다.
<실험예 3>
히트 플럭스의 변화에 따른 발열체 냉각 거동을 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
상기 실험예 1과 동일하게 실험을 수행하되, 이때 레이놀즈수는 800으로 고정하고, 저온부 히트 플럭스도 50 W/cm2으로 고정한 상태에서, 고온부 히트 플럭스를 300에서 900 W/cm2으로 변경하면서 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 우측 상단에 기재된 것은 각 경우의 고온부에 적용되는 히트 플럭스이고, 우측 하단에 기재된 것은 각 경우의 고온부 온도이다.
도 7에 따르면, 본 발명의 실시예 1에 따른 복합 히트싱크의 경우 발열체의 표면 온도 구배를 효과적으로 제거하고 있는 반면, 비교예 1의 히트싱크에서는 온도 구배가 효과적으로 제거되고 있지 않으며, 나아가 고온부 히트 플럭스가 600 W/cm2가 되면, 이미 고온부 온도가 368.6 K가 되어, 마이크로프로세서에서 요구되는 최대 제한 온도인 373 K에 근접하게 되는 문제점이 있다.
<실험예 4>
상기 실험예 3에서 얻은 데이터를 통하여 각 레이놀즈수에 대한 총 열저항, 총 펌핑파워, 고온부에서의 MATD, 및 고온부에서의 최대 온도상승을 확인하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 각각의 값들은 상기 실험예 2에 기재된 수식들에 의하여 계산되었다.
도 8에 따르면, 펌핑파워를 제외한 모든 경우에 본 발명에 따른 실시예 1(도 8에 'H-MPF'로 표시됨)의 히트싱크가 비교예 1(도 8에 'NH-RM'으로 표시됨)의 히트싱크보다 우수한 효과가 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 펌핑파워의 경우에도 본 발명의 실시예 1는 비교예 1과 비교하여 약 12 내지 13 % 정도만 증가하여, 펌핑파워가 급격히 증가하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  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 접하는 위치에 형성되고,
    상기 핀휜부는 발열체로부터의 히트 플럭스 방출 방향과 평행한 방향으로 연장되는 기둥형 구조의 구성들 복수개가 서로 이격되어 배치되어 형성되고,
    상기 마이크로채널부는 복수의 방열판이 서로 이격되어 배치되고, 복합 히트싱크 바닥면에 대하여 수직으로 세워져, 서로 평행하게 정렬됨에 의하여 채널이 형성되며,
    상기 핀휜부는 각각의 기둥형 구조 사이 거리에 대한 각 기둥형 구조의 수평 단면의 가장 긴 대각선의 길이의 비(Dpin/Ppin)가 0.25 내지 0.60이고,
    상기 핀휜부는 4,000,000 μm2 면적당 49 내지 100개의 핀휜을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열체는 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 기둥형 구조의 수평 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 복합 히트싱크.
  6. 삭제
  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 따른 복합 히트싱크 중 핀휜부를 발열체의 고온부에 접하도록 배치하고, 마이크로채널부를 발열체의 저온부에 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 온도구배를 갖는 발열체의 냉각방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발열체는 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는 냉각방법.
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