KR102389634B1 - 냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더 - Google Patents

냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더 Download PDF

Info

Publication number
KR102389634B1
KR102389634B1 KR1020190116975A KR20190116975A KR102389634B1 KR 102389634 B1 KR102389634 B1 KR 102389634B1 KR 1020190116975 A KR1020190116975 A KR 1020190116975A KR 20190116975 A KR20190116975 A KR 20190116975A KR 102389634 B1 KR102389634 B1 KR 102389634B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase change
oxide
heat
change material
layer
Prior art date
Application number
KR1020190116975A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210010273A (ko
Inventor
김동립
허창성
김수호
이흥수
손현우
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to US16/931,687 priority Critical patent/US20210018275A1/en
Publication of KR20210010273A publication Critical patent/KR20210010273A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102389634B1 publication Critical patent/KR102389634B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/20436—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing
    • H05K7/20445—Inner thermal coupling elements in heat dissipating housings, e.g. protrusions or depressions integrally formed in the housing the coupling element being an additional piece, e.g. thermal standoff
    • H05K7/20472—Sheet interfaces
    • H05K7/20481—Sheet interfaces characterised by the material composition exhibiting specific thermal properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/021—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material and the heat-exchanging means being enclosed in one container
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H01L23/4275—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes by melting or evaporation of solids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 높은 열전도도를 갖는 소재와 상변화물질의 적층형 구조를 형성하여 냉각 성능이 향상된 상변화복합재에 관한 것으로, 열전도층과 상변화 물질 단위 층(unit layer)의 반복 적층을 통해 수평 방향 열전도도의 비약적인 향상이 가능하며, 높은 상변화물질 부피 분율에 의해 열용량이 큰 히트 스프레더를 제공하는 효과가 있다.

Description

냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더 {LAYER-BY-LAYER ASSEMBLED PHASE CHANGE COMPOSITE WITH ENHANCED COOLING CAPACITY AND HEAT SPREADER THE SAME}
본 발명은 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 높은 열전도도를 갖는 소재와 상변화물질의 적층형 구조를 형성하여 냉각 성능이 향상된 히트 스프레더에 관한 것이다.
최근 전자장비 또는 배터리 장비의 소형화 및 성능 향상을 위한 부품의 집적화로 인하여 전자 장비의 열관리는 매우 중요한 부분이다. 이러한 장비 내 발열부 열을 제대로 방출하지 못하거나, 냉각시키지 못하면 장비의 성능 및 수명이 저하되는 결과를 초래한다. 따라서, 장비 성능 저하 방지 및 수명 연장을 위해 다양한 열관리(thermal management) 관련 연구가 수행되고 있으며, 특히 상변화물질을 이용한 냉각에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
대표적인 상변화 물질의 예로서, 유기계 상변화물질인 파라핀(paraffin), 에리스리톨(erythritol) 등이 있으며, 이러한 유기계 상변화물질들은 비교적 높은 잠열량을 갖고 있으나, 낮은 열전도로 인한 열전달이 원활하지 못하는 단점이 있다. 또한, 상변화 물질의 낮은 열전도도는 발열 조건에서 상변화물질 내 열의 원활한 전달을 억제하며, 이는 발열부 열의 정체로 이어지고 과열을 형성한다. 따라서, 현재까지 상변화물질은 낮은 열전도도로 인해 히트 스프레더(heat spreader)로서의 기능을 수행하기 어렵다.
기존의 히트 스프레더는 열전도도가 우수한 소재만을 사용해왔다. 대표적인 예로서, 그래파이트 시트, 금속 플레이트, 히프 파이프 등이 있으며, 높은 열전도도에 의한 발열부 열의 확산성을 향상시키는 것이 주요 목적이었다. 하지만, 이러한 히트 스프레더는 냉각 성능에 한계가 존재하며, 일시적으로 강한 열이 발생되는 조건 또는 냉각이 원활히 이루어지지 않는 조건에서 발열부의 과열을 제어할 수 없는 단점이 존재한다.
히트 스프레더와 관련하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0042652호에서는 전자소자에서 발생되는 열을 외부로 방출하기 위해 전자소자의 표면에 접촉 설치하는 히트 스프레더의 제조방법을 개시하고 있으며, 열전도에 의한 확산 성능이 우수하지만, 낮은 비열 등에 의한 흡열 성능이 떨어지는 단점이 있다. 대한민국 등록특허공보 제10-1956370호에서는 산화알루미늄을 이용하여 방열 시트의 두께를 조절하거나 구조를 복잡하게 형성하지 않고도 전기전자제품으로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있으며 동시에 충분한 절연성을 갖는 물질 제조방법을 개시하고 있으나, 절연 물질의 낮은 열전도 및 그에 따른 냉각 성능이 기존 히트 스프레더에 비해 떨어진다. 대한민국 등록특허공보 제10-1810167호에서는 외부 열원으로부터 전달되는 열을 흡수하여 열원의 온도 상승을 억제하기 위한 3차원 열흡수 장치에 대해서 개시하고 있으며, 장치 내 상변화물질을 충진하여 축열 성능을 부여할 수 있으나 다계층 적층방식이 아니므로 상변화물질 충진률에 한계가 존재한다.
본 발명의 목적은 고밀도 열용량을 갖으면서 우수한 열전도도를 확보한 고 열전도도 소재와 상변화 물질의 적층형 구조 형성을 통한 고성능 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더의 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제의 달성을 위하여, 본 발명의 상변화복합재는 상변화물질 단위 층(unit layer)과 열전도 층이 순차적으로 적층되는 구조를 포함한다.
상기 상변화물질 단위 층은, 복수의 단위 셀(unit cell)을 형성된 금속 메쉬(mesh) 시트; 및 상기 단위 셀(unit cell)에 함침된 상변화물질을 포함할 수 있따.
상기 단위 셀(unit cell)은 수평방향으로 길이(length)가 폭(width)보다 큰 값을 갖는 직사각형의 형상일 수 있다.
상기 상변화물질은 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)일 수 있으며, 상기 상변화물질은 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있다.
상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질일 수 있다.
상기 금속 메쉬 시트의 부피 분율(vol%)과 상기 상변화물질의 부피 분율(vol%)의 변화에 따라 열 특성이 변화할 수 있으며, 상기 열 특성은 열전도도(thermal conductivity) 및 흡열량(amount of heat absorption)일 수 있다.
상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 히트 스프레더는 상기의 상변화복합재를 포함한다.
또한, 본 발명의 상변화복합재의 제조방법은 복수의 단위 셀(cell)이 형성된 금속 메쉬 시트를 준비하는 단계; 상기 단위 셀 내부에 상변화물질을 함침하여 상변화물질 단위 층(unit layer)을 제조하는 단계; 상기 상변화물질 단위 층 상부에 열전도 층을 순차적으로 교차하여 적층하여 적층 구조체를 제조하는 단계; 및 상기 적층 구조체를 압착하여 복합재를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 상변화물질은 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)일 수 있으며, 상기 상변화물질은 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있다.
상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질일 수 있다.
상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열전도층과 상변화 물질 단위 층(unit layer)의 반복 적층을 통해 수평 방향 열전도도의 비약적인 향상이 가능하며, 높은 상변화물질 부피 분율에 의해 열용량이 큰 히트 스프레더를 제공하는 효과가 있다.
또한, 상변화물질의 열전도도의 향상 및 상변화에 의한 흡열 반응으로 인해 발열부의 냉각 성능이 우수하며, 열확산 성능도 뛰어난 효과가 있다.
또한, 간단한 함침 및 압축에 의해 제작하기 때문에 가공성 및 생산성이 우수하며, 금속 망과 상변화 물질의 부피분율 조절을 통해 히트 스프레더의 성능 개선이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 상변화복합재의 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 상변화복합재 내에 단위 층(unit layer)의 모식도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재의 제조 공정도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재의 사진 이미지를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재의 단면 SEM이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재의 열확산성능을 측정하기 위한 실험장비 모식도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재의 수치해석모델를 도시한 것이다.
도 8a은 히트 스프레더로서의 순수 파라핀(Paraffin)의 열전도도, 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 수평 방향(x-y direction) 및 수직 방향(z direction)의 열전도도를 도시한 것이다.
도 8b은 히트 스프레더로서의 순수 파라핀(Paraffin)의 열전도도, 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 x-축(x-axis) 및 y-축(y-axis)의 열전도도에 대하여 수치 시뮬레이션값과 측정값을 도시한 것이다.
도 9은 순수 파라핀(Paraffin)과 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 시차주사열량분석(Differential Scanning Calrorimetry, DSC)(DSC 4000, Perkin Elmer) 분석 수행결과를 도시한 것이다
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 열확산 측정장치에서의 일 지점에서 측정한 온도 및 수치 시뮬레이션 값을 도시한 것이다.
도 11a는 자연 대류(natural convection) 조건에서 동일한 부피를 갖는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대한 발열부의 온도를 60 분(min)간 측정한 결과이다(도 11a의 좌측 상단부에 간단히 냉각 성능 검증을 위한 실험 장비 모식도이다).
도 11b는 전도 냉각(conduction cooling)) 조건에서 동일한 부피를 갖는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대한 발열부의 온도를 60 분(min)간 측정한 결과이다(도 11b의 좌측 상단부에 간단히 냉각 성능 검증을 위한 실험 장비 모식도이다).
도 12a는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 low(절연체), medium(자연대류), high(전도 냉각)조건에서의 최고 온도(Maximum temperatures (hot-spot temperatures))를 정리한 것이다.
도 12b는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 low(절연체), medium(자연대류), high(전도 냉각)조건에서의 최고 온도와 주위 온도(ambient temperature)의 차를 주위온도에 대한 비율인 정상화(Normalized) 온도로서, 가열과 냉각 플럭스(fluxes)차이를 low, medium, high 조건에서 정리한 것이다.
도 13은 60 분(min) 발열 조건에서 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 온도를 열화상 카메라로 촬영한 이미지이다.
도 14는 동일 시간 동안 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)의 열 확산 계수(Coefficient of thermal spreading (CTS))를 정리한 것이다.
도 15a 및 도 15b는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 본 발명의 실시예에 따른 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대하여 가열 전력(heating power)에 따른 자연대류 조건에서의 열 확인의 냉각 성능을 도시한 것으로 도 15a는 최대 온도(Maximum temperatures (hot-spot temperatures))에 관한 것이며, 도 15b는 정상화 온도에 관한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐 만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다．
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 상변화복합재(phase change composite(는 상변화물질 단위 층(unit layer)과 열전도 층이 순차적으로 적층되는 구조를 포함한다.
상기 상변화물질 단위 층은, 복수의 단위 셀(unit)을 형성하는 금속 메쉬(mesh) 시트; 및 상기 단위 셀(unit)에 함침된 상변화물질을 포함할 수 있다.
상기 상변화물질은 상기 금속 메쉬(mesh) 시트의 녹는점(melting point) 보다 낮은 온도에서 상변화하는 물질일 수 있으며, 바람직하게는, 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)일 수 있다. 구체적으로는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol(PEG)), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있으며, 바람직하게는, 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 파라핀(paraffin)일 수 있다.
상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄(Aluminum)일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 상변화물질 단위 층에서 금속 메쉬 시트가 알루미늄 메쉬(aluminium mesh) 시트이고, 상변화물질로서 파라핀(paraffin)인 경우의 상변화물질 단위 층을 도시하고 있다.
상기 금속 메쉬 시트의 부피 분율(vol%)과 상기 상변화물질의 부피 분율(vol%) 변화에 따라 상변화물질의 열 특성(heat characteristic)을 변화할 수 있다. 상기 열 특성은 열전도도(thermal conductivity) 및 흡열량(amount of heat absorption)일 수 있다.
상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상 물질로 구성된 시트(sheet)일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 열전도 층은 흑연 시트(graphite sheet)일 수 있으며, 상변화복합체의 수평방향(x-y direction)으로 열전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 단위 셀(unit cell)에 함침된 상변화물질의 누수를 방지하는 실링(sealing)효과를 제공한다.
상기 단위 셀(unit cell)은 원형, 삼각형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있으며, 보다 바람직하게는 수평방향으로 길이(length)가 폭(width)보다 큰 값을 갖는 직사각형의 형상을 갖는 것일 수 있다. 이때, 종횡비(Aspect Ratio, (A.R))가 8 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.1 내지 8일 수 있다. 종횡비(A.R)가 8이상이 되면 종횡비 변화에 따른 열전도도의 변화가 2% 미만으로 수렴하는 경향있으며, 이는 동일한 부피분율에서 열전달 방향의 수직한 방향으로의 열저항이 줄어드는 만큼 열전달 방향의 수평 방향으로의 열저항이 늘어나기 때문이다.
또한, 본 발명의 히트 스프레더(heat spreader)는 상기의 상변화복합재를 포함한다.
또한, 본 발명의 상변화복합재의 제조방법은 복수의 단위 셀(cell)이 형성된 금속 메쉬 시트를 준비하는 단계; 상기 단위 셀 내부에 상변화물질을 함침하여 상변화물질 단위 층(unit layer)을 제조하는 단계; 상기 상변화물질 단위 층 상부에 열전도 층을 순차적으로 교차하여 적층하여 적층 구조체를 제조하는 단계; 및 상기 적층 구조체를 압착하여 복합재를 제조하는 단계를 포함한다.
상기 상변화물질은 상기 금속 메쉬(mesh) 시트의 녹는점(melting point) 보다 낮은 온도에서 상변화하는 물질일 수 있으며, 바람직하게는, 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)일 수 있다. 구체적으로는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol(PEG)), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있으며, 바람직하게는, 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 파라핀(paraffin)일 수 있다.
상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄(Aluminum)일 수 있다.
상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 물질로 이루어진 시트(sheet)일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 열전도 층은 흑연 시트(graphite sheet)일 수 있으며, 상변화복합체의 수평방향(x-y direction)으로 열전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 단위 셀(unit cell)에 함침된 상변화물질의 누수를 방지하는 실링(sealing)효과를 제공한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1．상변화물질 단위 층(unit layer)의 제조
도 3을 참조하면, 단위 셀(unit cell)(폭(width) 3.2 mm, 길이(length) 1.6 mm, 높이(height) 700 μm)을 갖는 알루미늄 메쉬(mesh)(Al 1350)를 0.5M NaOH를 이용하여 5 분(min) 동안 세척하고, 1 M의 HCl로 80 ℃에서 10 분 동안 에칭한 후, 물(distilled water)로 잔여물을 세척한다. 에칭은 조성에서 파라핀 대비 알루미늄의 부피 비를 ~10%(약 10%)로 조정할 뿐만 아니라 상변화물질과 알루미늄의 결합력을 증대시킨다. 이후, 파라핀 왁스(paraffin wax)(n-Tricosane, C23H48, melting point: 48~50 ℃)을 70 ℃에 녹인 후, 액체 상태의 파라핀을 알루미늄 메쉬 내부에 주입한 후 실온에서 용융된 파라핀을 응고시킨다. 이후, 응고시킨 파라핀이 주입된 알루미늄 메쉬를 온도 35 ℃, 압력 15 MPa 하의 열간압축공정(hot-pressing process)으로 평탄화 시켜 폭(width) 5 cm, 길이(length) 10 cm, 높이(height) 700 μm의 상변화물질 단위 층(unit layer)을 형성한다.
제조예 2．상변화복합재(phase change composite)의 제조_히트 스프레더(heat spreader) 제조
도 3을 참조하면, 제조예 1에서 제조된 상변화물질 층(unit layer)을 복수 개 준비하여, 몰드를 이용하여 동일한 크기의 흑연(graphite) 시트(두께 ~40 μm, 열전도도 ~1200 W/m·K(x-y axis), 열전도도 ~ 8 W/m·K(z axis), GPC-0025S10B010, SGP)를 상변화물질 층과 반복적으로 적층한다. 총 14개 층으로 적층된 상변화물질 층과 흑연 시트를 20 MPa의 압력으로 압축하여 도 4에서와 같은 적층형 상변화복합재(phase change composite)(히트 스프레더(heat spreader))(폭(width) 5 cm, 길이(length) 10 cm, 높이(height) ~1 cm)를 제조한다.
제조예 2에서 제조된 상변화복합재는 파라핀 왁스가 90 vol%, 열전도 필러(알루미늄 메쉬 + 흑연시트)가 10 vol%를 차지하고 있으며, 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 각각의 조성물에 대한 무게와 부피를 측정하였으며, 전체 조성에서 파라핀 왁스는 ~75 wt%(약 75 wt%)로 측정되며, 각 조성의 밀도(알루미늄 메쉬 2700 kg/m3, 흑연 시트 1200 kg/m3, 파라핀 왁스 880 kg/m3)를 이용하여 변환한 결과 파라핀 왁스의 부피비율은 ~90 vol%(약 90 vol%)로 측정된다.
측정예. 모폴로지
제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 모폴로지(morphology)를 광학 현미경(BX51M, Olympus)을 이용하여 조사하였으며, 모폴로지 이미지를 도 5에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 제조예 2에서 제조된 상변화복합재는 흑연 시트(Graphite sheet)와 알루미늄 메쉬(Aluminium mesh)가 반복되어 적층되어 있으며, 알루미늄 메쉬 상에 파라핀(Paraffin)이 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다.
측정예. 열확산 성능 측정
도 6을 참조하면, 열확산을 측정하기 위하여, 1차원 열전도 실험장비(one-dimensional heat conduction experimental setup)를 준비하였으며, 실험장비는 절연부(insulating parts)(규산칼륨(calcium silicate), 열전도도 0.058 W/m·K) 내에 전압과 전류에 의해 제어되는 7 cm × 1.5 cm 세라믹 히터(Ceramin Heater)를 설치한다. 세라믹 히터의 열 전력(heating power)은 파워미터(power meter, 117/TLK-225, Fluke)에 의해서 측정된 전력(electrical power)로 표시된다. 히터로부터 시료물질로의 일정한 열전달을 위하여 세라믹 히터와 시료물질(Heat Spreader) 사이에 1 mm의 얇을 알루미늄 판(Al plate)를 삽입한다. 접촉저항을 줄이기 위하여, 서멀구리스(Thermal grease)를 세라믹 히터, 알루미늄 판, 상변화복합재의 접촉표면에 이용한다. 측정하고자 하는 시료물질(Heat Spreader)는 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(폭(width) 5 cm, 길이(length) 10 cm, 높이(height) ~1 cm(약 1 cm))이다.
측정하고자 하는 상변화복합재의 반대쪽에서의 냉각조건(cooling condition)은 3가지의 냉각 조건으로 제어한다. 3 가지의 냉각 조건은 ⅰ) 냉각 구역을 절연물질로 도포한 절연처리(insulation); ⅱ) 주변 온도 20 ℃에 냉각 영역을 개방시킨 자연대류 조건(natural convection); ⅲ) 냉각 구역에 열전변환 냉각 소자(thermoelectric cooling element)를 설치한 전도 냉각(conduction cooling)이다. 도 6에서와 같이, 6개의 다른 지점(six different point)(T1 ~ T6)의 온도를 type T 열전대(thermocouple)을 이용하여 측정하였다. 열확산 성능은 각 조건에서 5개의 시료를 준비하고 3회씩 반복하여 측정하였다. 측정값의 불확실성(오차)은 온도는 ± 0.17 ℃, 세라믹 히터의 전력은 ± 2.0 %, 열전도도는 ± 2.0%를 갖는다.
측정예. 수치 시뮬레이션(Numerical simulation)
1. 상변화복합재(히트 스프레더)의 유효 열전도도(effective thermal conductivities)의 수치해석(numerical analysis)
본 발명의 상변화복합재의 열 흐름 방향에 따른 열전도도의 차이를 수치적으로 확인하기 위하여, 정상상태의 3차원 일반 열전도 방정식(general heat equations)을 해결하는 COMSOL Multiphysics software(Stockholm, Sweden)을 이용하여 수치해석을 수행하였다(도 7). 도 7의 a를 참조하면, 흑연 시트로 도포되며, 상변화물질이 함침된 알루미늄 메쉬의 하나의 유닛(unit)으로 구성된 상변화복합재를 단순화시킨 단위 셀(unit cell) 상에서의 연산영역(calculation domain)을 정립하였다.
도 7의 b에 x-와 y- 방향에 대한 열플럭스(heat flux)의 유형에 따라 경계 조건(boundary conditions)을 도시하였으며, 물질들의 물성을 하기 표 1에 정리하였다.
유효 열전도도(effective thermal conductivity(k eff )를 푸리에 열 방정식에 따라 하기 식 1과 같이 계산된다.
식1:
Figure 112019097176194-pat00001
식 1에서
Figure 112019097176194-pat00002
는 열플럭스(heat flux)(W/m2), L은 열 흐름 방향에 따른 단위 셀(unit cell)의 길이(length)(m), T1은 열플러스 경계조선의 표면에서의 평균 온도(℃), T2는 figure 3b에서의 20 ℃의 일정온도이다.
이러한 시뮬레이션에서, 2D 사각형 격자(quadrilateral lattices)가 메쉬에 적용되고, 이들의 크기는 결과에 영항을 미친다.
결과에 따르면, 격자 수(메쉬의 수)를 늘려가며 상변화복합재의 열전도도 해석결과의 상대 오차를 분석하면, 격자의 총 숫자가 43,554일 때 분석된 유효 열전도도가 0.0002%의 오차범위 내로 수렴됨을 확인하였다.
2. 시간에 따른 히트 스프레더의 온도 프로파일(temperature profiles)의 수치해석
히트 스프레더의 실험 측정을 입증하기 위하여, 순수 파라핀, 알루미늄 및 상변화복합재를 포함하는 히트 스프레더의 냉각 성능을 수치적으로 조사하였다. 폭(width) 10cm, 길이(length) 15.1 cm, 높이(height) 6 cm)의 직사각형 형상의 시뮬레이션 도메인(domain)은, 절연부(insulating part)를 포함한다.
수치 시뮬레이션을 위하여, 연속방정식(continuity equation), 나비어스톡스 방정식(Navier-Stokes equation) 및 에너지 방정식(energy equation)과 같은 기존의 과도(transient) 지배방정식(governing equations)을 이용하였다.
도 6의 실험 장비를 참조하면, 일 표면(heater part)의 경계조건을 5W의 일정한 가열속도(heating rate)를 갖도록 하고, 다른 표면을 세라믹 절연체(ceramic insulator)에서 대기(atmosphere)까지 자연대류 조건(natural convection conditions)(대류 열전달계수(convective heat transfer coefficient): 5 W/m2·K)을 갖도록 한다. 순수 파라핀, 알루미늄 및 상변화복합재의 상세한 물성은 하기 표 1에 정리하였다. Fluent v14.0을 이용한 수치 시뮬레이션을 수행하고, 구조화된 격자를 이용하는 메쉬를 생성하였다. 결과에 따른 메쉬 의존 시험(mesh dependency tests)은 모니터링 온도는 3.7%의 오차율에 수렴하고, 격자의 수(number)는 83만개였으며, 시간 간격(time step)은 0.5 초인 것을 확인함으로써 수행한다.
순수한 파라민과 복합재의 상변화 과정은 열용량법(heat capacity method)을 이용하여 모델화하였다. 특히, 하기 식 2와 같은 잠열(latent heat)(i.e., 융합엔탈피(enthalpy of fusion))를 고려하였을 때. 상변화물질의 비열은 용융과정(48~51 ℃)에서 변화하였다.
식2:
Figure 112019097176194-pat00003
식 2에서 Cp는 비열(J/g·K), L은 잠열(J/g), △Tm은 용융과정에서의 온도 범위(℃), 아래첨자 m은 용융(melting), 아래첨자 l은 액상(liquid)를 의미한다.
표 1. 각 물질에 대한 수치해석에 따른 열물성(Thermal peroperties)
밀도
(Density)
(kg/m3) 		비열
(Specific heat)
(J/g·K) 		열전도도
(Thermal Conductivity)
(W/m·K) 		잠열
(Latent Heat)
(J/g) 		용융점
(melting porint)
(℃) 		어는점
(Freezing Point)
Paraffin 880 2.13 0.21 189.6 48~51 48~51
Phase Change Composite 1071 1.68 x-y axis: 57
z axis: 2.4 		135.7 48~51 48~51
Aluminium 2700 0.90 230 - - -
측정예. 열전도도
열전도도는 1차원 정상상태 측정법(one dimensional steady-state method)(ASTM D5470)에 의해 측정되었으며, type T 열전대(thermocouples)를 이용하여 측정 시료의 상부 부분(upper parts)과 하부 부분(lower parts) 사이의 정상상태 온도 분포(steady-state temperature distributions)를 측정하였으며, 푸리에 열전도 방정식(Fourier heat conduction equation)을 이용하여 측정 시료의 열전도도를 계산하였다. 열전도도의 측정을 위하여 구리(copper)(열전도도 401 W/m·K)을 비교 물질(reference material)로 이용하였다. 측정 시료를 직경(diameter) 2.5 cm, 높이(height) 1.3 cm으로 제작하였다.
측정 시료로서, 순수 파라핀과 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 수평 방향(x-y direction), 수직 방향(z direction)의 열전도도를 측정하여 도 6에 도시하였다.
도 8a를 참조하면, 순수 파라핀(Paraffin)의 열전도도는 0.2±0.1 W/m·K이며, 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(Phase Change Composite Heat spreader)의 수평 방향(x-y direction) 및 수직 방향(z direction)의 열전도도는 각각 57±2.7 W/m·K, 2.4±0.3 W/m·K이다. 이는 순수 파라핀 대비 수평 방향 열전도도가 약 258배 향상된 것으로, 이러한 비약적인 열전도도의 향상은 기존 상변화물질이 갖는 한계점인 낮은 열전도도를 극복할 수 있으며, 히트 스프레더로서의 이용시 발열부의 열 확산 기능이 현저히 개선될 수 있다.
추가적으로 도 8b를 참조하면, 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 x-축과 y-축 방향에 대한 열전도도를 도시한 것으로서, x-축의 열전도도는 57±2.7 W/m·K, y-축의 열전도도는 43±1.4 W/m·K의 값을 보이며, x-축 방향으로 열전도도가 y-축 방향으로 열전도도에 비하여 약 1.3배 이상 높다. 이는 단위 셀의 길이(length)가 폭(width)보다 큰 것에 기인된 것이다. y-축에 열플럭스(heat flux)가 적용된 경우와 대비하여, 열플럭스가 x-축에 적용된 경우, 열 이송 방향에 대한 수직방향(perpendicular)으로 내부 상변화물질(파라핀)의 열저항(thermal resistance)은 작으며, 이는 열 이동 방향과 평행(parallel)한 내부 상변화물질의 큰 열저항에 영향을 준다. 한편, 도 8b를 참조하면, 측정값(Experiment)이 상술한 수치 시뮬레이션에 따른 결과(Simulation)와 상당부분 부합하는 것을 확인할 수 있다.
측정예. 잠열량(latent heat), 융해열(heat of fusion) 및 비열(specific heat)
순수 파라핀(Paraffin)과 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(Phase Change Composite)의 시차주사열량분석(Differential Scanning Calrorimetry, DSC)(DSC 4000, Perkin Elmer) 분석 수행결과를 도 7에 도시하였다. 잠열의 측정은 가열(heating) 및 냉각(cooling)의 속도는 5 K/min에서, 50 ml/min의 일정한 질소 가스 분위기에서 수행된다.
히트 스프레더(상변화복합재)의 융해열과 비열은 시차주사열량분석(Differential Scanning Calrorimetry, DSC)(DSC 4000, Perkin Elmer) 분석에 의하여 특정된다.
도 9을 참조하면, 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 융해 온도(melting temperature)와 응고 온도(solidification temperature)는 각각 ~49℃와 ~44℃였으며, 이는 순수 파라핀과 유사하다. 융해과정에서 순수 파라핀(Paraffin)과 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(Phase Change Composition)의 잠열량(latent heats)은 각각 189.6±4.3 J/g, 135.7±1.5 J/g이다. 이는 약 88 %의 부피분율 수준(90% 부피분율 수준에서 2% 내외의 오차범위)이며, 제조예 2에서 제조한 적층형 상변화복합재의 우수한 잠열량을 나타낸다. 또한, 상변화물질 단위 층(unit layer)의 알루미늄 메쉬 형상 제어를 통해 파라핀의 함유량 조절이 가능하다.
측정예. 냉각 조건에 따른 열확산의 온도 프로파일(temperature profiles)의 측정
도 6의 실험장치에서 히트 스프레더의 좌측에 세라믹 히터를 이용하여 5W의 발연 조건을 구성하고, 그 외 부분은 모두 세라믹 단열재(Ceramin Insulator)로 둘러쌓아 열의 유출을 방지한 후, 도 6의 실험장치의 hot-spot 온도(T1)를 측정하여 그 결과를 도 10에 도시하였다.
도 10은 도 6의 실험장치의 hot-spot 온도(T1)를 상기 수치 시뮬레이션에 의해 계산한 것과, 실제 측정된 값을 정리한 것으로, 실제 측정값(Experimental)은 순수 파라핀(Paraffin)은 198±3.5℃, 알루미늄(Aluminium)은 84±1.1℃, 상변화복합재(Phase Change Composite)는 77±2.5℃이었으며, 수치 시뮬레이션에 따른 계산값(Simulation)과 대비하여, 순수 파라핀은 3%, 알루미늄은 5%, 상변화복합재는 6%의 오차율을 보였다.
도 6의 실험장비에서 히트 스프레더의 좌측에 세라믹 히터를 이용하여 5W의 발연 조건을 구성하고, 히트 스프레더의 오른쪽 상단부에 자연 대류(natural convection)와 전도 냉각(conduction cooling)에 의한 냉각 조건(Cooling Section)을 구성하였다. 그 외 부분은 모두 세라믹 단열재(Ceramin Insulator)로 둘러쌓아 열의 유출을 방지하였으며, 발열부의 온도는 60 분(min)간 측정하여 히트 스프레더의 성능을 측정하였다. 그 결과를 도 11a 및 도 11b에 도시하였다.
도 11a(자연 대류(natural convection)) 및 도 11b(전도 냉각(conduction cooling))는 동일한 부피를 갖는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대한 발열부의 온도를 60 분(min)간 측정한 결과이다(도 9의 좌측 상단부에 간단히 냉각 성능 검증을 위한 실험 장비 모식도이다).
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 자연대류 조건(도 11a)에서 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 각각의 온도는 197±1.4℃, 75±0.4℃, 70±0.5℃이며, 전도냉각 조건(도 11b)에서. 187±1.8℃, 61±0.4℃, 67±1.8℃이다. 순수 파라핀은 너무 낮은 열전도도(0.2 W/k·m)에 의해 발열부의 열이 정체되어 과열 현상이 발생한다. 따라서, 발열 초기부터 발열부의 온도가 큰 폭으로 상승하며, 이러한 결과는 순수 파라핀이 히트 스프레더로서의 역할을 수행하지 못함을 의미한다.
그러나, 제조예 2에서 제조된 적층형 상변화물질 복합재는 수평방향 열전도도(57 W/k·m)가 매우 상승되었으므로 파라핀과 같은 발열부의 과열 현상을 관측되지 않았다. 발열 초기에는 알루미늄 블록의 온도 승온율이 가장 낮다. 이는 알루미늄이 가장 높은 열전도도(230 W/m·K)에 의해 냉각이 원활히 이루어지기 때문이다. 그러나, 약 22 분(min)경부터 제조예 2에서 제조된 상변화복합재의 발열부가 온도가 알루미늄 블록보다 낮아지게 된다. 이는 파라핀의 상변화 영역인 48 내지 50 ℃ 부근에서 제조예 2에서 제작한 상변화복합재 내 파라핀이 상변화를 하면서 흡열과정에 의해 열을 축적하기 때문에 발열부의 열을 비약적으로 흡수한 결과이다. 최종적으로 60 분(min)이 지난 후에도 알루미늄 블록 및 제조예 2에서 제조한 상변화복합재의 발열부 온도는 각각 75 ℃, 70 ℃였다. 이러한 발열부 온도 저감은 제조예 2에서 제조한 상변화복합재의 우수한 냉각 성능을 뒷받침한다.
도 12a는 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조된 상변화복합재(Phase Change Composite)의 low(절연체), medium(자연대류), high(전도 냉각)조건에서의 최고 온도(Maximum temperatures (hot-spot temperatures))를 정리한 것이다. 도 12b는 최고 온도와 주위 온도(ambient temperature)의 차를 주위온도에 대한 비율인 정상화(Normalized) 온도로서, 가열과 냉각 플럭스(fluxes)차이를 low, medium, high 조건에서 정리한 것이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 가열 속도(heating rates) 대비 낮은 냉각 속도(cooling rates)에서는 냉각에 대한 열 용량성 영향 때문에 상변화 재료를 사용하는 것이 보다 효과적일 수 있다.
도 13은 60 분(min) 발열 조건에서 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)의 온도를 열화상 카메라(T620, FLIR)로 촬영한 이미지이다.
도 13을 참조하면, 열전도도가 가장 높은 알루미늄이 가장 우수한 열확산 성능을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 제조예 2에서 제조한 상변화복합재 역시 알루미늄과 우수한 열확산 성능 갖고 있음을 확인할 수 있다.
도 14는 동일 시간 동안 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)의 열 확산 계수(Coefficient of thermal spreading (CTS))를 정리한 것이다.
도 14의 열 확산 계수(CTS)는 하기 식 3으로 표시될 수 있다.
식 3 :
Figure 112019097176194-pat00004
높은 열 확산 계수는 열 전도에 가장 영향을 많이 받는 히트 스프레더로서의 균일한 열 분포를 의미한다. 제조예 2에서 제조한 상변화복합재의 열 확산 계수(CTS)는 알루미늄의 열 확산 계수(CTS) 0.096±0.033에 비하여 근소하게 낮으며, 순수 파라핀에 비하여 현저히 향상되었다.
도 15a 및 도 15b은 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대하여 가열 전력(heating power)에 따른 자연대류 조건에서의 열 확인의 냉각 성능을 도시한 것으로 도 15a는 최대 온도(Maximum temperatures(hot-spot temperatures))에 관한 것이며, 도 15b는 정규화 온도(normalized temperatures)에 관한 것이다.
도 15a를 참조하면, 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)에 대하여 가열 전력을 2/3.5/5 W로 60 분(min) 동안 가열하였을 때의 최대 온도는 순수 파라핀은 97±1.9/148±2.2/197±1.4 ℃, 알루미늄 블록은 54±0.5/64±0.5/75±0.4 ℃, 상변화복합재는 56±0.9/62±0.6/70±0.5 ℃였다.
도 15b를 참조하면, 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)의 최대 온도가 가열 전력 2W에서의 알루미늄을 제외하고는 가장 낮게 나타났다. 이는, 제한된 냉각자원(cooling resources)(즉, 가열과 냉각 속도의 큰 차이)으로 상대적으로 높은 열 예산(thermal budget)에서 상변화복합재(제조예 2)에 의한 열 확산의 최대 온도를 낮추는 것이 알루미늄보다 효과적일 수 있다.
일반적으로 CTS가 높은 히트 스프레더는 최대 온도를 낮춘다. 기존 히트 스프레더는 높은 열전도도에 의존하기 때문이다. CTS와 최대 온도의 차이는 열 캐패시턴스(thermal capacitance)에 의한 냉각 효과에서 비롯된다. 따라서, 열전도 및 캐패시턴스를 모두 고려하여 냉각 용량을 검사하기 위해 시험된 재료의 근사 유효 성능지수(approximated effective figure-of-merit)(FOMeff)를 특정하였다. FOMeff는 하기 식 4, 5에 의해 계산된다.
식 4:
Figure 112019097176194-pat00005
식 5:
Figure 112019097176194-pat00006
식 4 및 5에서, k는 열전도도(thermal conductivity)(W/m·K), E eff 는 유효 부피 열적 에너지 밀도(effective volumetric thermal energy density)(J/m3), C V 는 sensible volumetric heat capacity (J/m3·K), T는 증가된 온도(K), φ필러물질의 부피분율, H V 용적잠열(volumetric latent heat)(J/m3), 아래첨자 f와 pcm는 각각 필러물질과 상변화물질을 의미한다.
ΔT = 1K에서 계산된 순수 파라핀(Paraffin), 알루미늄 블록(Aluminum), 제조예 2에서 제조한 상변화복합재(Phase Change Composite)의 FOMeff는 각각 0.58×104, 2.36×104, 9.26×104 J m-2 (K·s)-1/2이다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (15)

  1. 상변화물질 단위 층(unit layer)과 열전도 층이 순차적으로 반복 적층된 구조를 포함하여, 상기 상변화물질 단위 층을 복수개 포함하고,
    상기 상변화물질 단위 층은, 복수의 단위 셀(unit cell)이 형성된 금속 메쉬(mesh) 시트; 및 상기 단위 셀(unit cell)에 함침된 상변화물질을 포함하며,
    상기 복수의 단위 셀(unit cell)의 종횡비(Aspect Ratio, (A.R))가 0.1 내지 8 이고,
    상기 금속 메쉬 시트의 부피 분율(vol%)과 상기 상변화물질의 부피 분율(vol%)의 변화에 따라 열전도도(thermal conductivity) 및 흡열량(amount of heat absorption)이 변화되며,
    상기 상변화물질의 부피 분율(vol%)은 88% 내지 92%이고, 상기 금속 메쉬 시트와 상기 열전도 층의 부피 분율(vol%)의 합은 8% 내지 12% 인 상변화복합재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화물질은 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)인 것을 특징으로 하는 상변화복합재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상변화물질은 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)인 것을 특징으로 하는 상변화복합재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 상변화복합재.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것을 특징으로 하는 상변화복합재.
  10. 제 1 항의 상변화복합재를 포함하는 히트 스프레더.
  11. 종횡비(Aspect Ratio, (A.R))가 0.1 내지 8인 복수의 단위 셀(cell)이 형성된 금속 메쉬 시트를 준비하는 단계;
    상기 단위 셀 내부에 상변화물질을 함침하여 상변화물질 단위 층(unit layer)을 제조하는 단계;
    상기 상변화물질 단위 층 상부에 열전도 층을 순차적으로 교차하여 반복 적층하여 적층 구조체를 제조하는 단계; 및
    상기 적층 구조체를 압착하여 복합재를 제조하는 단계를
    포함하고,
    상기 상변화물질 단위 층을 복수개 포함하고,
    상기 금속 메쉬 시트의 부피 분율(vol%)과 상기 상변화물질의 부피 분율(vol%)의 변화에 따라 열전도도(thermal conductivity) 및 흡열량(amount of heat absorption)이 변화되며,
    상기 상변화물질의 부피 분율(vol%)은 88% 내지 92%이고, 상기 금속 메쉬 시트와 상기 열전도 층의 부피 분율(vol%)의 합은 8% 내지 12%인 상변화복합재의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 상변화물질은 염수화물(salt hydrate), 용융염(molten salt), 지방상(fatty acids), 액체 금속(liquid metal(Gallium, indium)), MCPAM(phase change materials made up of molecular alloys), 유기계 상변화물질(organic phase change materials), 무기계 상변화물질(inorganic phase change materials) 또는 공융혼합물 상변화물질(eutectic phase change materials)인 것을 특징으로 하는 상변화복합재의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 상변화물질은 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 파라핀(paraffin) 또는 에리스리톨(erythritol)인 것을 특징으로 하는 상변화복합재의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 메쉬 시트는 알루미늄(Aluminum), 구리(Copper), 니켈(Nickel), 황동(Brass), 철(Iron), 카드뮴(Cadmium), 금(Gold), 백금(Platinum), 텅스텐(Tungsten), 아연(Zinc), 지르코늄(Zirconium), 탄소강(Carbon steel), 스테인리스강(Stainless steel) 및 아연 철판(Galvanized steel)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 상변화복합재의 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전도 층은 흑연(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 풀러렌(fullerene), 산화알루미늄(aluminium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화은(silver oxide), 산화금(gold oxide), 산화팔라듐(palladium oxide), 산화백금(platinum oxide), 산화니켈(nickel oxide) 및 산화이트륨(yttrium oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것을 특징으로 하는 상변화복합재의 제조방법.
KR1020190116975A 2019-07-19 2019-09-23 냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더 KR102389634B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/931,687 US20210018275A1 (en) 2019-07-19 2020-07-17 Layer-by-layer phase change composite having improved cooling performance and heat spreader including the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190087854 2019-07-19
KR20190087854 2019-07-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210010273A KR20210010273A (ko) 2021-01-27
KR102389634B1 true KR102389634B1 (ko) 2022-04-25

Family

ID=74239051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190116975A KR102389634B1 (ko) 2019-07-19 2019-09-23 냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20210018275A1 (ko)
KR (1) KR102389634B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113099697B (zh) * 2021-04-12 2022-02-22 中山大学 一种相变薄膜控温材料
US20230130064A1 (en) * 2021-10-25 2023-04-27 GE Precision Healthcare LLC Form-in-place shape-stabilized phase change material for transient cooling
CN115305062B (zh) * 2022-08-03 2024-06-11 浙江南都电源动力股份有限公司 一种锂电池用复合相变材料及其制备方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200427596Y1 (ko) * 2006-07-05 2006-09-27 (주)데카닉스 상변화 물질을 이용한 열전도 및 흡수 시트
US20160223269A1 (en) * 2015-02-04 2016-08-04 Outlast Technologies, LLC Thermal management films containing phase change materials
KR101810167B1 (ko) * 2015-11-11 2017-12-19 전남대학교산학협력단 3차원 열흡수 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
인용발명 1: 등록실용신안공보 제20-0427596호(2006.09.27.) 1부.*
인용발명 2: 등록특허공보 제10-1810167호(2017.12.19.) 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
US20210018275A1 (en) 2021-01-21
KR20210010273A (ko) 2021-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102389634B1 (ko) 냉각 성능이 향상된 적층형 상변화복합재 및 이를 포함하는 히트 스프레더
Zhou et al. An asymmetric sandwich structural cellulose-based film with self-supported MXene and AgNW layers for flexible electromagnetic interference shielding and thermal management
Chen et al. Design, fabrication and thermal performance of a novel ultra-thin vapour chamber for cooling electronic devices
Li et al. Experimental investigation of vapor chambers with different wick structures at various parameters
Chintakrinda et al. A direct comparison of three different material enhancement methods on the transient thermal response of paraffin phase change material exposed to high heat fluxes
Sanusi et al. Energy storage and solidification of paraffin phase change material embedded with graphite nanofibers
Kumar et al. A comparative study and optimization of phase change material based heat sinks for thermal management of electronic components
Kim et al. Enhanced thermal performance of phase change material-integrated fin-type heat sinks for high power electronics cooling
TW201041194A (en) Thermo-electric structures for cooling, heating, and electric current generation
Yu et al. Advanced thermal interface materials for thermal management
JP2014143400A (ja) 熱伝導性応力緩和構造体
US20200156948A1 (en) Graphite article
Weibel et al. Experimental characterization of capillary-fed carbon nanotube vapor chamber wicks
CN107740006A (zh) 一种性能各向异性的Cu/W复合材料及其制备方法
CN105814683B (zh) 片状结构体、使用了该片状结构体的电子设备、片状结构体的制造方法以及电子设备的制造方法
Yuan et al. Application of carbon fiber paper in integrated wooden electric heating composite
Chakraborty et al. Thermal energy storage composites with preformed expanded graphite matrix and paraffin wax for long-term cycling stability and tailored thermal properties
Hu et al. Millefeuille-like phase change composite with multi-level oriented architecture for efficient thermal management and electromagnetic interference shielding
WO2015029407A1 (ja) 絶縁性熱伝導シート
CN110579126A (zh) 一种内部具有三维网格通道的导热体及其制作方法
US12108572B2 (en) Folded graphite fins for heatsinks
Zhang et al. Heat transfer in phase change materials for integrated batteries and power electronics systems
Wang et al. Development of sandwich joining piece to fabricate segmented half-Heusler/skutterudite thermoelectric joints
Zhang et al. Experimental and numerical studies of the thermal performance of a metallic lattice structure filled with phase-change material
JP2019116542A (ja) 蓄放熱材、蓄放熱デバイス、建築材および電気製品

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant