KR20140054777A - 방열시트의 테스트 모듈 - Google Patents

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KR20140054777A
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sheet
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이요셉
김병수
서동업
안원기
박경의
김동현
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 전자기기의 내부에서 발생하는 열을 모사하도록 프레임의 배면에 배치되는 열원, 상기 프레임과 상기 열원 사이에 배치되는 방열시트, 상기 프레임과 상기 열원에 부착되어 각각의 온도를 측정하도록 이루어지는 열전대, 및 전산모사에 의한 상기 프레임 및 상기 열원의 온도들과 상기 열전대에 의해 측정된 온도들을 비교하여 실제 전자기기에 사용될 상기 방열시트의 등가 열물성치를 도출하도록 이루어지는 산출부를 포함하는 방열시트의 테스트 모듈을 제공한다.

Description

방열시트의 테스트 모듈{TEST MODULE OF HEAT SPREADING SHEETS}
본 발명은 전자기기에 적용되는 복합층 방열시트의 등가 열물성 측정을 위한 테스트 모듈에 관한 것이다.
전자기기는 기능이 다양화 됨에 따라 예를 들어, 사진이나 동영상의 촬영, 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player) 형태로 구현되고 있다.
이러한 멀티 미디어 기기의 복잡한 기능을 구현하기 위해 전자기기에 사용되는 부품들은 고집적화 및 박형화되었고, 전자기기는 다양한 기능들이 하나의 기기로 통합되고 고성능화되면서 내부에서 많은 열이 발생하여 열설계(thermal design)의 필요성이 증가되었다.
전자기기 내부에서 발생하는 열은 전도 및 자연 대류에 의해 기기 외부로 빠져나가기 때문에 얇으면서도 고성능의 방열시트가 최근 많이 사용되고 있다. 그러나 방열시트로 가장 많이 쓰이고 있는 그라파이트시트(Graphite sheet)와 같이 얇고 극이방성 특성을 지니는 재료의 열물성치(thermal properties)를 얻는 방법은 매우 복잡하고 명확한 측정법이 확립되어 있지 않아 실제 제품을 설계하는 산업계에서는 많은 어려움이 있다.
뿐만 아니라 현재 시판되고 있는 대부분의 방열시트는 다양한 공법과 공정을 통해 생산되오 있으며, 방열시트를 생산하는 각 업체마다 표준화 되지 않은 측정법을 이용하거나 실험실 수준의 열물성치를 활용하고 있기 때문에 이러한 값을 실제 제품의 열설계에 활용하기에는 적합하지 않은 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 실제 제품 개발 과정의 열설계에 활용 가능한 열물성치를 도출할 수 있는 방열시트의 테스트 모듈을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 방열시트의 테스트 모듈은 전자기기의 내부에서 발생하는 열을 모사하도록 프레임의 배면에 배치되는 열원, 상기 프레임과 상기 열원 사이에 배치되는 방열시트, 상기 프레임과 상기 열원에 부착되어 각각의 온도를 측정하도록 이루어지는 열전대, 및 전산모사에 의한 상기 프레임 및 상기 열원의 온도들과 상기 열전대에 의해 측정된 온도들을 비교하여 실제 전자기기에 사용될 상기 방열시트의 등가 열물성치를 도출하도록 이루어지는 산출부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 방열시트는 서로 다른 기능을 하는 복수의 층이 적층되어 형성되고, 상기 전산모사에 의한 상기 프레임 및 상기 열원의 온도들은 상기 방열시트의 각 층별 열물성치로부터 산출된 이론 등가 열물성치에 근거하여 전산모사한 온도들 및 상기 이론 등가 열물성치와 다른 임의의 등가 열물성치들에 근거하여 전산모사한 온도들을 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 열전대는 상기 프레임과 상기 열원의 온도를 측정하도록 이종금속들이 접합되어 형성되는 측온접점들을 구비하고, 상기 측온접점들은, 상기 열원에 배치되는 제1측온접점, 상기 방열시트의 두께방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 상기 열원과 중첩되게 상기 프레임의 표면에 배치되는 제2측온접점, 및 상기 방열시트의 길이방향과 폭방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 상기 제2측온접점으로부터 이격되게 상기 프레임의 표면에 배치되는 적어도 하나의 제3측온접점을 포함한다.
상기 산출부는 상기 방열시트의 등가 열물성치를 변수로 전산모사하여 도출된 상기 측온접점별 온도를 상기 열전대에 의해 측정된 상기 측온접점별 온도와 비교하도록 이루어질 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 이동 단말기를 모사하도록 형성되는 모사부를 더 포함하고, 상기 모사부는, 상기 열원이 장착되도록 상기 열원의 배면에 배치되는 인쇄회로기판, 전자부품들을 모사하도록 상기 인쇄회로기판의 측면에 배치되는 더미, 상기 인쇄회로기판 및 상기 더미의 배면에 배치되는 리어케이스, 및 상기 리어케이스의 배면에 배치되는 배터리커버를 포함한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명과 관련된 방열시트의 테스트 모듈은 내부에서 열이 발생하는 전자기기를 모사하여 방열시트의 온도를 측정하고, 이를 전산모사에 의한 온도와 비교함으로써 실제 전자기기에 사용될 상기 방열시트의 등가 열물성치를 도출할 수 있게 된다. 이를 통하여 설계자는 실제 전자기기 개발과정에 활용 가능한 열물성치를 활용해 최적의 열설계를 할 수 있다.
또한 본 발명은, 복수의 층이 적층되어 형성된 방열시트의 등가 열물성치를 변수로 하여 전산모사에 의한 측온접점별 온도를 도출하고, 도출된 온도값들을 측온접점별 측정온도와 비교, 실제 전자기기에 사용될 상기 방열시트의 등가 열물성치 도출 및 전자기기에 적용되는 방열시트의 열설계에 활용으로 이어지는 전자기기의 열설계를 위한 프로세스를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열시트의 테스트 모듈을 나타내는 개념도.
도 2는 실제 전자기기에 활용될 수 있는 방열시트의 등가 열물성치를 도출하는 과정을 나타내는 흐름도.
도 3은 이론 등가 열물성치로부터 전산모사한 그라파이트시트의 온도분포를 나타내는 평면도.
도 4는 그라파이트시트의 길이방향과 폭방향 열전도계수를 변수로 하여 전산모사한 측온접점별 온도를 나타내는 그래프.
도 5는 그라파이트시트의 두께방향 열전도계수를 변수로 하여 전산모사한 측온접점별 온도를 나타내는 그래프.
도 6은 이론 등가 열물성치로부터 전산모사한 구리시트의 온도분포를 나타내는 평면도.
도 7은 구리시트의 길이방향과 폭방향 열전도계수를 변수로 하여 전산모사한 측온접점별 온도를 나타내는 그래프.
도 8은 구리시트의 두께방향 열전도계수를 변수로 하여 전산모사한 측온접점별 온도를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열시트의 테스트 모듈(100)을 나타내는 개념도이다.
실제의 전자기기로 테스트를 하는 것은 열원의 강약 조절 및 위치 조절 등 하드웨어적인 제어의 자유도가 떨어지고, 기구적인 형상이 매우 복잡하여 해석과정에서 요소 형상 에러(error) 발생으로 정확한 판단을 어렵게 한다. 이에 따라 방열시트의 테스트 모듈(100)은 하드웨어적인 자유도를 높임과 동시에 정확한 판단을 위해 도 1에 도시한 바와 같은 모사 시험기(110)와, 이를 해석하기 위한 산출부(120)를 포함한다.
모사 시험기(110)는 열원(111), 프레임(112), 및 방열시트(113)를 포함한다.
열원(111)은 방열시트(113)가 사용될 실제 전자기기 내부에서 발생하는 열을 모사하도록 모사 시험기(110)의 내부에 배치된다. 전자기기가 소형화됨에 따라 전자기기의 내부에서는 더 많은 열이 발생한다. 열은 전자기기의 작동환경과 성능에 직접적인 영향을 미치므로 적절하게 전자기기 외부로 배출되도록 설계해야 전자기기의 성능을 장시간 유지할 수 있다.
열원(111)은 측정하고자 하는 온도를 정확하게 측정할 수 있도록, 사용자의 제어에 의해 비교적 일정한 열을 발생시키도록 형성된다. 실제 전자기기마다 사용되는 환경이나 기구적인 특성에 따라 발생하는 열이 다르므로, 전자기기의 열설계 시에는 전자기기가 사용될 환경을 고려한 열물성치가 필요하다. 열원(111)은 온도가 조절가능하여 전자기기가 사용될 환경에서 발생하는 열을 모사할 수 있도록 이루어지고, 사용자의 제어에 의해 온도가 설정되면, 비교적 일정한 열을 발생시켜 열물성치 산출의 정확도를 높인다.
프레임(112)은 판형으로 형성되고, 전자기기의 전면에 배치되는 부품들을 모사하도록 모사 시험기(110)의 전면에 배치된다. 프레임(112)은 예를 들어, 이동 단말기의 윈도우, 터치센서, 디스플레이 등을 모사할 수 있다.
방열시트(113)는 열원(111)과 프레임(112)의 사이에 배치된다. 열원(111)으로부터 열이 전달되면 방열시트(113)는 전도를 통해 외부로 열을 배출시킨다. 본 발명에서의 방열시트(113)는 실제 전자기기에 사용될 등가 열물성치를 도출하고자 하는 대상으로써, 모사 시험기(110)로부터 방열시트(113)를 분리하고 측정하고자 하는 다른 방열시트(113)를 상기 모사 시험기(110)에 장착할 수 있다.
방열시트(113)는 서로 다른 기능을 하는 복수의 층이 적층되어 형성될 수 있다. 서로 다른 기능을 하는 복수의 층은, 예를 들어 점착층, 열전도층, 보호층이 될 수 있다. 각 층들은 고유의 열물성치를 가지므로, 보다 정확한 산출을 위해서는 각 층별로 해석이 이루어져야 하나, 본 발명에서는 편의를 위해 방열시트(113)의 등가 열물성치에 근거하여 해석을 수행한다. 방열시트(113)의 이론 등가 열물성치(이론치)는 각 층별 열물성치를 바탕으로, 하기 수학식 1에 기재된 전도열저항(또는 열전도저항, Resistance of Heat Conduction)을 이용한 등가열회로 구성식을 이용한다.
Figure pat00001
여기서 Rt . cond는 전도열저항(W/℃), T1과 T2는 온도(℃), Q는 열량(W), L은 거리(m), k는 열전도계수(W/m℃), A는 면적(m2)을 가리킨다. R1, R2 및 R3와 같이 3개의 열저항이 연결되어 있을 때 직렬로 연결된 경우는 하기의 수학식 2를 이용하고, 병렬로 연결된 경우는 하기의 수학식 3을 이용해 산출할 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
모사 시험기(110)는 전자기기를 모사하도록 모사부를 더 포함할 수 있다. 상기 전자기기는, 예를 들어 이동 단말기(mobile terminal)가 될 수 있다.
모사부는 인쇄회로기판(114), 더미(115), 리어케이스(116) 및 배터리커버(117)를 포함한다.
인쇄회로기판(114)은 전자기기의 인쇄회로기판을 모사하고, 열원(111)이 장착되도록 상기 열원(111)의 배면에 배치된다.
더미(115)는 전자기기의 내부에 배치되는 전자부품들을 모사하도록 인쇄회로기판(114)의 측면에 배치된다. 더미는, 예를 들어 배터리, 리시버, 스피커, 안테나, 카메라 등을 모사할 수 있다.
리어케이스(116)는 전자기기의 리어케이스를 모사하도록 더미(115)와 인쇄회로기판(114)의 배면에 배치되고, 배터리커버(117)는 착탈식 배터리를 구비하는 전자기기의 배터리커버를 모사하도록 리어케이스(116)의 배면에 배치된다.
열전대(미도시)는 프레임과 열원에 부착되어 각각의 온도를 측정하도록 이루어진다. 열전대는 이종금속을 접합하고 양 접점에 온도를 달리하면 온도차에 비례하여 열기전력이 생기는 제벡효과(Seebeck Effect)에 근거하여, 열기전력의 크기로 온도차를 알 수 있으므로 기준점의 온도와 비교하여 온도를 측정할 수 있다.
열전대는 프레임과 열원의 온도를 측정하도록 이종금속들이 접합되어 형성되는 측온접점(130)들을 구비한다. 열전대는 기준점의 온도를 측정하기 위한 기준접점과 측온접점(130)의 온도차로부터 발생하는 열기전력을 비교한다.
제1측온접접(130a)은 열원의 온도를 측정하도록 상기 열원(111)에 배치된다.
제2측온접점(130b)은 방열시트(113)의 두께방향으로 전달되는 열의 온도변화를 측정하여 상기 방열시트(113)의 두께방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 열원(111)과 중첩되게 프레임(112)의 표면에 배치된다.
제3측온접점(130c)은 방열시트(113)의 길이방향과 폭방향으로 전달되는 열의 온도변화를 측정하여 상기 방열시트(113)의 길이방향과 폭방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 적어도 하나가 제2측온접점(130b)으로부터 이격되게 프레임의 표면에 배치된다.
산출부(120)는 방열시트(113)의 등가 열물성치를 변수로 전산모사하여 산출된 측온접점별 온도를 열전대에 의해 측정된 측온접점별 온도와 비교하여 실제 전자기기에 사용될 방열시트(113)의 등가 열물성치를 도출하도록 이루어진다.
산출부(120)는 전산모사에 의해 방열시트(113)를 형성하는 각 층의 열물성치로부터 산출된 이론 등가 열물성치(이론치)에 근거하여 측온접점(130)별 온도를 도출한다. 산출부(120)는 방열시트(113)의 등가 열물성치를 변수로 하는 전산모사를 반복하도록 상기 이론 등가 열물성치를 적절한 범위 내에서 변경하여, 상기 방열시트(113)의 테스트 모듈에 대하여 전산모사를 수행한다. 산출부(120)는 전산모사에 의한 온도와 열전대에 의해 측정된 온도를 비교하여 측정온도에 가장 가까운 온도를 나타내는 임의의 등가 열물성치를 실제 전자기기에 사용될 등가 열물성치로 도출한다.
이하에서는 방열시트의 열설계 프로세스에 활용될 수 있는 등가 열물성치 도출 과정을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 실제 전자기기에 활용될 수 있는 방열시트의 등가 열물성치를 도출하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
방열시트의 테스트 모듈에서 측온접점별로 온도(T1, 측정온도)를 측정한다(S100). 측정온도(T1)는 임의의 한 값으로 고정되는 것이 아니라, 각 측온접점별로 다른 온도를 나타낸다. 본 발명에서는 열전대를 이용하여 온도를 측정하였으나 온도를 측정하는 방법이 반드시 열전대에 한정되는 것은 아니다. 다만, 온도를 측정하는 단계(S100)는 반드시 제일 처음에 수행되어야 하는 것은 아니고, 흐름도에 도시된 각 단계들 중 실제 전자기기에 사용될 방열시트의 등가 열물성치를 도출하는 단계(S500) 전이라면 어느 단계라도 무방하다.
방열시트를 형성하는 각 층별 열물성치로부터 방열시트의 이론 등가 열물성치(이론치)를 산출한다(S200). 각 층별 열물성치는 해석하고자 하는 방열시트 샘플에 따라 다를 수 있으나, 하나의 방열시트 내에서는 각 층별로 고유의 값을 갖는다. 이론 등가 열물성치는 전산모사 횟수를 줄여 열설계를 위한 프로세스의 효율성을 높이기 위해 도입된 것으로써, 이론 등가 열물성치로부터 출발하면 측정온도(T1)와 유사한 값에 도달하기 용이하다.
다음으로, 이론 등가 열물성치에 근거하여 방열시트의 테스트 모듈에 대해 전산모사하여 측온접점별로 온도(T2)를 산출한다(S300). 수학식 1에 따르면 등가 열물성치와 온도는 함수관계가 있으므로, 상기 측온접점별 온도(T2)도 측정온도(T1)와 마찬가지로 임의의 한 값으로 고정되는 것이 아니라 측온접점별로 다른 온도를 나타낸다. 상기 이론 등가 열물성치는 실제 전자기기에 적용될 방열시트의 사용환경이 전혀 고려되지 않은 값으로써, 실제 전자기기의 열설계에 활용되기에는 부적합하다. 따라서 실제 전자기기를 모사한 모사 시험기에서 측정된 측정온도(T1)과 이론 등가 열물성치에 근거하여 전산모사한 측온접점별 온도(T2)를 비교하면 정확히 일치하지 않는다.
이어서, 등가 열물성치를 변수로 설정하고 방열시트의 테스트 모듈에 대하여 이론 등가 열물성치로부터 수치를 조절해 가며 반복적으로 전산모사하여 측온접점별로 온도(T3, T4, T5...)를 산출한다(S400). 반복적인 전산모사에 의한 측온접점별 온도(T3, T4, T5...)도 한 값들로 고정되는 것이 아니라, 각 전산모사별 및 각 측온접점별로 다른 온도를 나타낸다.
마지막으로 전산모사에 의해 산출된 온도들(T2, T3, T4, T5...)과 상기 측정온도(T1)를 비교하여 전산모사에 의해 산출된 온도들(T2, T3, T4, T5...) 중 상기 측정온도(T1)에 가장 가까운 결과를 나타내는 온도(T2, T3, T4, T5... 중 어느 하나)로부터 실제 전자기기에 사용될 방열시트의 등가 열물성치를 도출한다(S500). 따라서 최종적으로 등가 열물성치를 도출하는 단계(S500)는 전산모사에 의해 산출된 온도로부터 역으로 등가 열물성치를 추출하는 과정이다.
상기 이론 등가 열물성치를 산출하는 단계(S200)부터 실제 전자기기에 사용될 방열시트의 등가 열물성치를 도출하는 단계(S500)까지는 도 1에 도시된 산출부에 의해 수행된다.
이하에서는 방열시트로 사용되는 그라파이트시트(Graphite sheet)와 구리시트(Cu sheet)에 대하여 실제 전자기기에 활용가능한 등가 열물성치를 도출하는 과정에 대하여 각각 실시예 1, 2에서 설명한다.
그라파이트시트는 극이방성 특성을 지니는 재료로써, 실시예 1에 사용된 그라파이트시트 샘플의 각 층별 열물성치인 열전도계수는 표 1과 같다.
열전도계수 (W/mK) 두께 (mm)
점착층 0.2 0.01
열전도층 1500/6 0.025
보호층 0.2 0.01
상기 수학식 1을 이용해 표 1에 기재된 각 층별 열전도계수로부터 산출된 그라파이트시트의 이론 등가 열전도계수(이론치)는 표 2와 같다.
등가 열전도계수 (W/mK)
길이방향 및 폭방향 (DX/DY) 833
두께방향 (DZ) 0.45
그라파이트시트의 이론 등가 열전도계수(이론치)를 산출할 때 상기 수학식 1에서 길이방향 및 폭방향 열전도계수는 상기 점착층, 열전도층 및 보호층을 병렬저항으로 취급하여 산출하고, 두께방향 열전도계수는 직렬저항으로 취급하여 산출한다.
이어서 상기 이론 등가 열물성치를 이용해, 도 1에 도시된 방열시트의 테스트 모듈에 대하여 전산모사하여 각 측온접점별 온도를 산출한다.
방열시트가 없을때의 온도(디폴트온도), 방열시트의 테스트 모듈에서 측온접점별로 측정된 온도(측정온도), 이론 등가 열물성치를 전산모사하여 도출된 온도(이론온도)는 각각 표 3과 같고, 이론온도에 해당하는 그라파이트시트의 온도분포는 도 3에 도시된 바와 같다.
단위 (℃) 측정Point1 측정Point2 측정Point3 측정Point4 주위온도
디폴트온도 78.5 74.3 46.8 26.5 22.4
측정온도(①) 64.7 57.7 44.9 32.3 23.1
이론온도(②) 60.3 51.1 42.3 32.2
온도차(②-①) -4.4 -6.5 -2.6 -0.1
도 1을 참조하면, 표 3의 측정Point1은 열원의 온도를 측정하는 제1측온접접에 해당하고, 측정Point2는 제1측온접점과 중첩되게 배치되는 제2측온접점에 해당하며, 측정Point3, 4는 제1측온접점으로부터 이격되게 배치된 제3측온접점들에 해당한다.
도 3을 참조하면, 측정Point2 내지 4에 대하여 온도를 알 수 있도록 사각형으로 표시되어 있다. 사각형으로 표시된 가장 윗부분이 측정Point2에 해당하고 가장 아랫부분이 측정Point4에 해당한다. 표 3의 이론온도에 나타난 바대로 측정Point2에 해당하는 부분의 온도가 가장 높고, 측정Point2에서 멀어질수록 점점 온도가 낮아진다.
표 3의 온도차를 검토하면, 측정온도에 비해 이론온도가 작은 값을 나타내는데, 이는 실제 열전도계수보다 샘플의 이론 등가 열전도계수가 크다는 것을 의미한다. 따라서 이론 등가 열전도계수를 그대로 열설계에 사용하게 되면 오류가 발생할 가능성이 크다.
실제 전자기기에 활용가능한 열전도계수를 도출해내기 위해 그라파이트시트의 열전도계수를 변수로 설정하고, 이론 등가 열전도계수로부터 값을 변경해가면서 방열시트의 테스트 모듈에 대하여 반복적으로 전산모사하여 측온접점별 온도를 산출한 것이 도 4 및 도 5에 해당한다. 도 4는 그라파이트시트의 길이방향과 폭방향(X/Y 방향)에 대한 전산모사의 결과를 나타낸 것이고, 도 5는 그라파이트시트의 두께방향(Z 방향)에 대한 전산모사의 결과를 나타낸 것으로써 가로축은 온도 측정Point를 세로축은 온도이다.
도 4를 참조하면, 이론 등가 열전도계수(이론치) 800W/mK에 해당하는 그래프는 측정온도 그래프로부터 이격되어 있음을 알 수 있다. 등가 열전도계수를 변수로 하여 전산모사된 다른 그래프들을 측정온도와 비교하면 등가 열전도계수에 따라 크게는 10℃ 이상 차이가 나기도 한다. 도시된 그래프 중 측정온도에 가장 가까운 것은 등가 열전도계수 400W/mK에 해당하는 그래프이므로, 이 값에 가까운 값이 그라파이트시트를 실제 전자기기의 열설계에 적용할 때 사용할 수 있는 길이방향과 폭방향 등가 열물성치에 해당한다. 실제 전자기기에 활용 가능한 등가 열물성치는 반복하는 전산모사 횟수에 따라 더욱 정확한 값을 도출할 수 있다.
실제 전자기기에 활용 가능한 등가 열전도계수와 이론 등가 열전도계수는 큰 값의 차이를 보인다. 그라파이트시트는 매우 강력한 열전도 성능 보이지만 제조 공법 및 공정에 따라 재료의 특성이 희석되거나 원래의 특성을 저하하는 여러 가지 인자가 존재하며, 이에 따라 실제 그라파이트 시트의 등가 열전도계수는 작게 나타나는 것으로 볼 수 있다.
도 5의 그래프로부터도 도 4와 같은 방법에 따라 그라파이트시트의 두께방향 등가 열물성치를 도출할 수 있으며, 반복하는 전산모사의 횟수에 따라 정확도가 증가한다. 그래프에서 보는 바와 같이 두께방향 열전도계수는 핫스팟(Hot Spot)부인 측정Point2에서는 0.1~0.2℃ 정도로 큰 차이를 보이지 않으나, 측정Point4에서만 약 2℃ 정도의 차이를 보인다. 이는, 해석과정에서 프레임의 이방성 특성을 고려하지 않고 등방성으로 고려한 것과 핫스팟부에서 멀어질 수록 발생하는 온도 구배에 대한 측정오차로부터 유래하므로, 이를 고려하여 전산모사한다면, 정확도를 더욱 높일 수 있다.
도출된 그라파이트시트의 실제 등가 열전도계수를 검증하려면, 상기 그라파이트시트를 실제 전자기기에 적용하여 해석을 수행하면 된다. 하기 표 4는 그라파이트시트를 실제 전자기기에 적용하여 해석을 수행한 예를 나타낸다.
단위(℃) 전면 배면
그라파이트시트가
없을 때
(디폴트)		 측정온도 40.8 40.4
해석온도 41.0 40.6
온도차 0.2 0.2

그라파이트시트		 측정온도 38.0 38.6
이론온도 36.7 38.0
전산모사온도 38.3 38.9
표 4에서 측정온도는 실제 전자기기를 50분간 구동시킨 후 핫스팟부인 측정Point2에 열전대를 부착하여 5분간 측정한 온도의 평균값이다. 해석온도는 그라파이트시트가 없는 상태로 실제 기기에 대하여 전산모사하여 도출한 핫스팟부의 온도이다. 이론온도는 그라파이트시트의 이론 등가 열물성치를 실제 전자기기에 대하여 전산모사하여 산출한 핫스팟부의 온도이다. 전산모사온도는 도 4 및 도 5에서 도출된 등가 열물성치(실제 전자기기에 활용 가능한 등가 열물성치)를 실제 전자기기에 대하여 전산모사하여 핫스팟부의 온도를 산출해낸 값이다. 이론온도와 전산모사온도를 산출하기 위한 전산모사는 총 5가지 경우에 대하여 조건 350만개, 정상상태(steady state)를 가정하여 수행하였다. 또한 전산모사는 전원소실을 고려하여 실제와 유사한 해석 결과치를 맞췄다. 그라파이트시트가 없을 때를 보면 측정과 해석에서 0.2℃ 정도로 약간의 차이가 있으나, 이는 측정 오차 정도의 수준이므로 무시하고 진행하였다.
그라파이트시트의 측정온도와 이론온도를 비교하면, 이론온도가 측정온도에 비해 0.6~1.3℃ 낮은데, 이러한 결과는 이론 등가 열물성치로 열설계를 실시할 경우 실제보다 고방열이 이루어지는 것으로 설계자를 오판하게 만들 수 있다. 그라파이트시트의 측정온도와 전산모사온도를 비교하면 온도차가 0.3℃ 차이를 보이므로 이론온도의 경우보다 온도차가 작으므로, 이에 해당하는 등가 열물성치를 활용하면 이론 등가열물성치를 사용하는 경우보다 정확한 열설계를 할 수 있다.
구리시트에 대하여도 그라파이트시트와 마찬가지로 실제 전자기기에 활용가능한 등가 열물성치를 도출하기 위한 과정을 설명한다. 그라파이트시트의 경우와 동일한 과정에 대하여는 상기 그라파이트시트에 대한 설명으로 갈음한다. 실시예 2에 사용된 구리시트 샘플의 각 층별 열물성치는 표 5와 같고, 상기 수학식 2를 이용해 표 5에 기재된 각 층별 연전도계수로부터 산출된 구리시트의 이론 등가 열전도계수(이론치)는 표 6과 같다.
열전도계수 (W/mK) 두께 (mm)
점착층 0.2 0.012
열전도층 400 0.018
보호층 0.2 0.02
등가 열전도계수 (W/mK)
길이방향 및 폭방향 (DX/DY) 144
두께방향 (DZ) 0.31
이어서 상기 이론 등가 열물성치를 이용해, 도 1에 도시된 방열시트의 테스트 모듈에 대하여 전산모사하여 각 측온접점별 온도를 산출한다.
방열시트가 없을때의 온도(디폴트온도), 방열시트의 테스트 모듈에서 측온접점별로 측정된 온도(측정온도), 이론 등가 열물성치를 전산모사하여 도출된 온도(이론온도)는 각각 표 7과 같고, 이론온도에 해당하는 구리시트의 온도분포는 도 6에 도시된 바와 같다.
단위(℃) 측정Point1 측정Point2 측정Point3 측정Point4 주위온도
디폴트온도 78.5 74.3 46.8 26.5 22.4
측정온도(①) 72.9 67.6 46.7 29.4 23.6
이론온도(②) 71.4 64.7 45.0 28.1
전산모사온도(②-①) -1.5 -2.9 -1.7 -1.3
도 6을 참조하면, 측정Point2 내지 4에 대하여 온도를 알 수 있도록 사각형으로 표시되어 있다. 사각형으로 표시된 가장 윗부분이 측정Point2에 해당하고 가장 아랫부분이 측정Point4에 해당한다. 표 7의 이론온도에 나타난 바대로 측정Point2에 해당하는 부분의 온도가 가장 높고, 측정Point2에서 멀어질수록 점점 온도가 낮아진다.
표 7의 온도차를 검토하면, 구리시트도 그라파이트시트와 마찬가지로 측정온도에 비해 이론온도가 작은 값을 나타내는데, 이는 구리시트도 실제 열전도계수보다 샘플의 이론 등가 열전도계수가 크다는 것을 의미한다. 따라서 이론 등가 열전도계수를 그대로 열설계에 사용하게 되면 오류가 발생할 가능성이 크다.
실제 전자기기에 활용가능한 열전도계수를 도출해내기 위해 구리시트의 열전도계수를 변수로 설정하고, 이론 등가 열전도계수로부터 값을 변경해가면서 방열시트의 테스트 모듈에 대하여 반복적으로 전산모사하여 측온접점별 온도를 산출한 것이 도 7 및 도 8에 해당한다. 도 7는 구리시트의 길이방향과 폭방향(X/Y 방향)에 대한 전산모사의 결과를 나타낸 것이고, 도 8는 구리시트의 두께방향(Z 방향)에 대한 전산모사의 결과를 나타낸 것으로써 가로축은 온도 측정Point를 세로축은 온도이다.
도 7 및 도 8의 그래프로부터 등가 열전도계수별 온도를 측정온도와 비교함으로써 그라파이트시트와 같이 구리시트의 등가 열물성치를 도출할 수 있으며, 반복하는 전산모사의 횟수에 따라 정확도가 증가한다.
도출된 구리시트의 실제 등가 열전도계수를 검증하려면, 상기 구리시트를 실제 전자기기에 적용하여 해석을 수행하면 된다. 하기 표 8은 구리시트를 실제 전자기기에 적용하여 해석을 수행한 예를 나타낸다.
단위(℃) 전면 배면
구리시트가
없을때
(디폴트)		 측정온도 40.8 40.4
해석온도 41.0 40.6
온도차 0.2 0.2

구리시트		 측정온도 39.4 39.7
이론온도 39.3 39.5
전산모사온도 39.7 39.7
표 8에서 측정온도는 실제 전자기기를 50분간 구동시킨 후 핫스팟부인 측정Point2에 열전대를 부착하여 5분간 측정한 온도의 평균값이다. 해석온도는 구리시트가 없는 상태로 실제 기기에 대하여 전산모사하여 도출한 핫스팟부의 온도이다. 이론온도는 구리시트의 이론 등가 열물성치를 실제 전자기기에 대하여 전산모사하여 산출한 핫스팟부의 온도이다. 전산모사온도는 도 7 및 도 8에서 도출된 등가 열물성치(실제 전자기기에 활용 가능한 등가 열물성치)를 실제 전자기기에 대하여 전산모사하여 핫스팟부의 온도를 산출해낸 값이다. 이론온도와 전산모사온도를 산출하기 위한 전산모사는 총 5가지 경우에 대하여 조건 350만개, 정상상태(steady state)를 가정하여 수행하였다. 또한 전산모사는 전원소실을 고려하여 실제와 유사한 해석 결과치를 맞췄다. 구리시트가 없을 때를 보면 측정과 해석에서 0.2℃ 정도로 약간의 차이가 있으나, 이는 측정 오차 정도의 수준이므로 무시하고 진행하였다.
구리시트의 측정온도와 이론온도를 비교하면, 이론온도가 측정온도에 비해 0.1~0.2℃ 낮고, 구리시트의 측정온도와 전산모사온도를 비교하면 전산모사온도가 0~0.3℃ 낮다. 두 경우의 차이는 측정환경이나 조건에 따른 오차 정도의 수준으로 큰 차이를 보이지는 않는다. 다만 보수적인 관점에서 열설계를 진행해야 하는 경우에는 전산모사온도에 해당하는 등가 열물성치를 활용하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명된 방열시트의 테스트 모듈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 전자기기의 내부에서 발생하는 열을 모사하도록 프레임의 배면에 배치되는 열원;
    상기 프레임과 상기 열원 사이에 배치되는 방열시트;
    상기 프레임과 상기 열원에 부착되어 각각의 온도를 측정하도록 이루어지는 열전대; 및
    전산모사에 의한 상기 프레임 및 상기 열원의 온도들과 상기 열전대에 의해 측정된 온도들을 비교하여 실제 전자기기에 사용될 상기 방열시트의 등가 열물성치를 도출하도록 이루어지는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트의 테스트 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열시트는 서로 다른 기능을 하는 복수의 층이 적층되어 형성되고,
    상기 전산모사에 의한 상기 프레임 및 상기 열원의 온도들은, 상기 방열시트의 각 층별 열물성치로부터 산출된 이론 등가 열물성치에 근거하여 전산모사한 온도들 및 상기 이론 등가 열물성치와 다른 임의의 등가 열물성치들에 근거하여 전산모사한 온도들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트의 테스트 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전대는 상기 프레임과 상기 열원의 온도를 측정하도록 이종금속들이 접합되어 형성되는 측온접점들을 구비하고,
    상기 측온접점들은,
    상기 열원에 배치되는 제1측온접점;
    상기 방열시트의 두께방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 상기 열원과 중첩되게 상기 프레임의 표면에 배치되는 제2측온접점; 및
    상기 방열시트의 길이방향과 폭방향 등가 열물성치를 비교하는 것이 가능하도록 상기 제2측온접점으로부터 이격되게 상기 프레임의 표면에 배치되는 적어도 하나의 제3측온접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트의 테스트 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산출부는 상기 방열시트의 등가 열물성치를 변수로 전산모사하여 도출된 상기 측온접점별 온도를 상기 열전대에 의해 측정된 상기 측온접점별 온도와 비교하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열시트의 테스트 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    이동 단말기를 모사하도록 형성되는 모사부를 더 포함하고,
    상기 모사부는,
    상기 열원이 장착되도록 상기 열원의 배면에 배치되는 인쇄회로기판;
    전자부품들을 모사하도록 상기 인쇄회로기판의 측면에 배치되는 더미;
    상기 인쇄회로기판 및 상기 더미의 배면에 배치되는 리어케이스; 및
    상기 리어케이스의 배면에 배치되는 배터리커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열시트의 테스트 모듈.
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