KR20050093959A - 탄소나노입자를 이용한 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노입자를 이용한 히트파이프에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 폐공간으로 형성된 컨테이너(4) 내벽에 액체 유동의 구동력인 모세관력을 유발ㆍ증가시키기 위한 윅(5)이 설치되고, 그 내부에 작동유체가 충진되어 고온부(1a)에서 저온부(3a)로 열을 이송하는 히트파이프에 있어서, 상기 작동유체에 sp2혼성궤도(C=C)구조를 가지는 열전도성이 매우 뛰어난 탄소나노입자가 함유된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 탄소나노입자를 이용한 히트파이프는 작동유체의 열전도성 증가에 의하여, 고온부(1a)에서 저온부(3a)로의 열수송 능력이 매우 향상되는 것 뿐 아니라 히트파이프의 부피 소형화를 이루어낼 수 있는 기술적 가치가 있다.

Description

탄소나노입자를 이용한 히트파이프{Heat Pipe using Carbon Nano Particles}

본 발명은 탄소나노입자를 이용한 히트파이프에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 sp2혼성궤도(C=C)구조를 가지는 열전도성이 매우 뛰어난 탄소나노입자가 작동유체에 함유된 탄소나노입자를 이용한 히트파이프에 관한 것이다.

일반적으로 히트파이프는 고온에서 저온으로의 열 교환ㆍ수송 능력이 우수하기 때문에, 전자ㆍ통신장비 및 산업기계 등에서 열교환 및 수송용 열소자로 사용되어져 오고 있다. 특히, 전자ㆍ통신장비 및 컴퓨터 등의 칩 설계 및 제조기술의 발달로 선폭의 축소와 부피의 감소로 인하여 단위 부피 또는 단위 면적당 발열량이 증가 되어지는 추세에 있다. 히트파이프는 공기냉각을 이용한 히트싱크/팬 방식 보다 열처리 성능이 우수하기 때문에 이러한 장치의 냉각소자로 많이 사용되고 있고 발열량 증가에 따라 더욱 적용사례가 증가할 것으로 예측되어 진다.

종래 히트파이프의 구성은 폐공간의 컨테이너(4)내에 작동유체를 진공 봉입하고, 그 컨테이너(4) 내벽에 모세관 구조를 갖는 윅(5)이 구비되어져 있다. 히트파이프는 고온부(1a)로부터 열을 흡수하는 증발부(1), 저온부로 열을 방출하는 응축부(3) 그리고 증기의 이동과 액체의 귀환 수단인 단열부(2)로 구성되어진다. 이러한 히트파이프에서 열교환ㆍ수송의 원리를 살펴보면, 컴퓨터 칩 등, 열이 발생되는 고온부(1a)의 열을 히트파이프 증발부(1)에서 흡수하고, 증발잠열을 흡수하여 증기로 상변화된 작동유체가 내부통로(6)를 통하여 응축부(3)로 이동하게 된다. 그 작동유체는 저온부(3a)로 응축잠열을 방출하여 응축되고, 그 응축된 작동유체는 모세관 구조의 윅(5)을 통하여 증발부(1)로 귀환하게된다. 이러한 일련의 변화가 컨테이너(4)내에서 연속적인 순환형태로 발생하여, 고온부(1a)의 열이 저온부(3a)로 빠르게 이송하게 된다.

상기와 같은 히트파이프에서 열처리 성능은 작동유체의 종류 및 주입량, 컨테이너 내부의 진공도, 청청도 그리고 윅구조의 모세관력 등이 중요한 변수이다.

종래 히트파이프는 열처리 성능을 향상시키기 위하여, 모세관력을 증가시킬 수 있는 윅 구조에 관한 연구가 많이 진행되고 있는 상황에 있다. 본 발명은 작동유체의 열적성능 향상을 통하여, 히트파이프의 열처리 성능 향상을 시키는 것에 관한 것이다.

상기 종래 히트파이프의 작동유체에 sp2혼성궤도(C=C)로 구성된 탄소나노튜브 등을 함유시킨 작동유체는 열전도성이 향상됨으로 컴퓨터 칩 등에서 발생하는 고온부(1a)의 열을 저온부(3a)로 이송함에 있어, 그 처리량의 향상을 가져올 수 있다. 순수구리의 상온에서 열전도계수는 400(W/mK)정도를 나타내고 있으나, 탄소나노튜브와 탄소나노섬유는 구리보다 최소 3배에서 최대 15배정도의 성능을 가지고 있다.

탄소동소체의 결합구조에 관하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 탄소원자가 다른 원자와 공유결합한 경우에는 L궤도(2s,2p궤도)에 존재하는 4개의 전자가 혼성궤도를 형성하는데, s궤도 1개와 p궤도 3개의 혼성에 의한 sp3혼성궤도(C-C결합), s궤도 1개와 p궤도 2개의 sp2혼성궤도(C=C결합) 그리고 s궤도 1개와 p궤도 개의 sp혼성궤도(C≡C결합)가 있다. sp3혼성궤도는 탄소원자의 2s,2p궤도에 있는 4개의 전자 모두가 4개의 δ결합 형성에 사용된다. sp2혼성궤도에는 2s전자 1개와 2p전자 2개가 3개의 δ결합을 형성하고, 나머지 1개의 전자는 π결합을 형성한다. sp혼성궤도는 2s전자 1개와 2p전자 1개가 2개의 δ결합을 형성하고, 나머지 2개의 전자는 2개의 π결합을 형성한다. sp3혼성궤도로 구성된 대표적인 탄소동소체는 다이아몬드가 있고, sp2혼성궤도에는 흑연이 있으며, sp혼성궤도에는 카빈이 있다.

21세기 3대 탄소나노소재로 꼽히고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube), 탄소나노섬유(Carbon Nano fiber), 폴러렌(Fullerene)은 상기에서 기술한 sp2혼성궤도를 가지고 있으나, 그 외형적인 구조가 상이하여 서로 다른 명칭을 가지고 있고 각 물질의 특성에서도 차이를 나타낸다. 도3에서 (b)는 폴러렌으로 탄소 60개가 모여 축구공 형상을 이루고 있으며, (c)는 흑연 면(Graphite sheet)이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 상태의 다중벽 탄소나노튜브를 나타낸다. 여기서, 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라서 단일벽(Single wall)과 다중벽(Multi wall)으로 구분한다. (d)는 탄소나노섬유를 나타낸다.

본 발명은 이와 같이 종래 히트파이프에 sp2혼성궤도(C=C)로 구성된 탄소나노튜브 등의 열전도계수가 매우 뛰어난 탄소나노입자를 작동유체에 함유하여 고온부(1a)에서 저온부(3a)로의 열수송 능력을 매우 증가시키고, 또한 히트파이프의 소형화 기술에도 기여 할 수 있다.

본 발명은 종래 히트파이프의 열처리 성능을 향상시키기 위하여, 작동유체에 sp2혼성궤도(C=C)구조를 가지는 열전도성이 매우 뛰어난 탄소나노입자를 작동유체에 함유한 것이다. 도1은 본 발명에 의한 탄소나노입자를 이용한 히트파이프의 구조를 나타내는 개념도이다. 종래 히트파이프의 구성요소 중 폐공간을 형성하는 컨테이너(4) 내부에 소량 주입되는 작동유체에 열전도성이 우수한 탄소나노튜브 등의 탄소나노입자를 함유하는 것으로, 도2는 본 발명에 따른 히트파이프 컨테이너(4) 내부의 탄소나노입자가 포함된 작동유체의 구성을 나타낸다. 탄소나노입자와 액체분자가 잘 혼합되어 있으며, 열전도성이 매우 높은 탄소나노 입자는 증발부(1)에서 고온부(1a)로부터의 열 흡수를 증가시키며, 또한 응축부(3)에서 저온부(3a)로의 방열을 매우 촉진시킨다.

증류수를 작동유체로 사용하는 경우, 물분자(10) 크기는 0.1nm정도이며 탄소나노섬유 그리고 일정한 직경을 갖는 탄소나노튜브 (11c/11d)는 일정한 길이를 가지고 물분자(9)와 혼합된다. 그리고 축구공의 형태로 일정한 직경을 갖는 폴러렌(11b)도 물분자(10)와 혼합된다. 상기 탄소나노입자를 포함하는 작동유체는 반드시 증류수를 사용하는 것은 아니며, 열전달 성능을 촉진할 수 있는 액체이면 어느 것이든 적용가능함을 밝혀둔다.

작동유체에 탄소나노입자가 혼합된 작동유체는 열전달계수와 열용량이 큰 혼합유체이므로, 고온부(1a)에서 발생하는 열을 저온부(3a)로 처리하는 능력을 매우 향상 시킬 수 있다. 또한 작동유체 내부에서 열전달 면적과 유체의 열용량을 증가시켜 유체 상호간의 전도성을 향상시키고, 유체의 난류성을 촉진하여 열전달 특성을 향상 시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명과 같이 탄소나노입자가 함유된 작동유체를 사용한 히트파이프는, 종래 장치에 비하여 열전달 성능이 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 그 성능의 향상으로 히트파이프의 부피 또한 소형화 할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 탄소나노입자를 함유한 작동유체를 함유된 본 발명은 히트파이프의 고온부(1a)에서 저온부(3a)로의 열전달 성능을 향상시켜, 열처리 능력 향상과 히트파이프의 부피 축소를 통하여 냉각장치가 수반되는 장치의 소형화 실현을 가능하게 할 수 있는 매우 유용한 가치가 있는 기술이다.

도1은 본 발명에 의한 탄소나노입자를 이용한 히트파이프의 구조를 나타내는 개념도.

도2는 본 발명에 의한 탄소나노입자가 포함된 작동유체 구성도.

도3은 종래 sp2 혼성궤도(C=C결합)로 구성된 탄소나노소재의 구조도.

Claims (2)

1. 폐공간의 컨테이너(4)내에 작동유체가 진공 봉입되고, 컨테이너(4) 내벽에 액체 유동의 구동력인 모세관력을 유발ㆍ증가시키기 위한 윅(5)이 설치되며, 고온부(1a)로부터 열을 흡수하는 증발부(1), 저온부(3a)로 열을 방출하는 응축부(3) 그리고 증기의 이동과 액체의 귀환에 있는 통로 수단인 단열부(2)로 구성되어지는 히트파이프에 있어서,

   상기 작동유체는 sp2혼성궤도(C=C)구조를 가지는 열전도성이 매우 뛰어난 탄소나노입자가 혼합된 것을 특징으로 하는 탄소나노입자를 이용한 히트파이프.
2. 제1항에 있어서, 작동유체는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 폴러렌 중 적어도 하나 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노입자를 이용한 히트파이프.