KR20180119547A

KR20180119547A - 소재 또는 부품의 발열량 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20180119547A
Application number: KR1020180129034A
Authority: KR
Inventors: 안동훈; 권효택; 이지복
Original assignee: 포톤데이즈(주)
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2018-11-02
Also published as: KR102031607B1

Abstract

본 발명은 바이오 제품 또는 의료용 신물질과 같은 소재, OLED, LED, LD와 같은 광소자를 포함하는 전자제품 또는 중앙 처리 및 그래픽 처리, 전압조정기, 자동차의 전장부문 등의 기능성 구동 프로세서의 실제 동작모드별 발생되는 발열량 측정 방법 및 장치에 관한 것이고, 구체적으로 공랭식으로 이러한 소재 또는 부품의 발열량을 실시간으로 간단하게 측정하여 이에 상응하는 적절한 방열설계 및 대책을 강구할 수 있도록 하는 발열량 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 소재 또는 부품의 발열량 측정 방법 및 장치는 소재 또는 전자부품의 발열량의 측정 방법에 있어서, 측정 대상(MO)에 대한 측정 조건이 설정되는 단계; 측정 대상(MO)에 대한 측정 모듈(M)의 접촉 조건이 설정되는 단계; 측정 조건에 따라 대상 조건과 환경 조건이 형성되는 단계; 및 측정 대상에 대한 측정 결과가 처리 모듈(PM)로 전송되는 단계를 포함하고, 상기 대상 조건은 전자부품의 작동 상태를 포함하고, 상기 환경 조건은 온도, 압력 또는 습도를 포함한다.

Description

소재 또는 부품의 발열량 측정 방법 및 장치{A Method for Measuring a Heating Value of a Material or a Component and an Apparatus for the Same}

본 발명은 바이오 제품 또는 의료용 신물질과 같은 소재, OLED, LED, LD와 같은 광소자를 포함하는 전자제품 또는 중앙 처리 및 그래픽 처리, 전압조정기, 자동차의 전장부문 등의 기능성 구동 프로세서의 실제 동작모드별 발생되는 발열량 측정 방법 및 장치에 관한 것이고, 구체적으로 공랭식으로 이러한 소재 또는 부품의 발열량을 실시간으로 간단하게 측정하여 이에 상응하는 적절한 방열설계 및 대책을 강구할 수 있도록 하는 발열량 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

전력 소비에 기초하여 작동되는 전자 부품을 가지는 전기 또는 전자 기기는 열을 발생시키고, 발생된 열이 기기의 작동에 영향을 미칠 수 있다. 최근 노트북이나 핸드폰에 적용되는 전자/정보통신기기 및 반도체소자는 고성능화, 소형화 또는 경량화 되면서 전자부품이 고밀도로 집적되어 실장이 된다. 이와 같은 경우 전자부품들의 발열에 의한 고장발생 및 성능저하 방지를 위하여 작동 과정에서 발생되는 열이 효과적으로 제거될 필요가 있다. 전자 부품의 방열 또는 냉각을 위하여 각각의 전자부품에 대한 정확한 발열 데이터가 필요하고, 발열 데이터에 기초하여 방열 또는 냉각을 위한 수단이 만들어지는 것이 유리하다. 발열량의 측정은 예를 들면 각종 IT 기기에 장착되는 모듈 또는 부품에 적용되거나, 스마트 폰 또는 노트북과 같은 휴대용 전자기기에 장착되는 중앙 처리 장치 또는 LD와 LED를 포함하는 광소자에 적용될 수 있다. 추가로 바이오 제품 또는 의료용 신물질과 같은 소재에 대하여 발열량 측정이 요구될 수 있다. 특히 바이오 제품 또는 의료용 물질은 외부의 온도, 습도 또는 압력에 따라 서로 다른 발열 수준을 나타낼 수 있으므로 다양한 외부 환경 조건에서 발열량의 측정될 필요가 있다.

발열량의 측정을 위한 다양한 기술이 이 분야에 공지되어 있다.

실제적으로 발열량을 측정하는 한 방법으로는 측정 대상의 발열체에 수냉 재킷을 접촉시켜 냉각수의 온도변화로부터 발열량을 계산하는 전통적인 방법이 있다. 즉, 수냉 재킷에 흘려주는 유체의 체적유량과 유체의 비열 및 유체의 밀도와 수냉 재킷 입력 측의 유체온도와 출력 측의 유체온도의 차이(ΔT) 등 4개의 값을 곱해주면 수냉 재킷을 통해 흡열되는 흡열량을 구할 수 있게 되며 수냉 재킷의 열 저항이 아주 작다면 흡열량을 샘플의 발열량으로 간주를 할 수 있게 된다. 이러한 수냉 방식의 경우 그 장치의 소형화가 어려우며, 실제 보드 상에 밀집되어 있는 부품들의 발열량을 실시간으로 측정 할 수 없다는 단점이 있다. 또한 장시간 사용에 따른 유체관로내의 녹이나 이물 등은 측정 장치의 열 저항 변화를 가져와 측정치의 정확도를 보장하기 어려운 단점이 있다.

또 다른 방법으로 특허공개번호 제10-2015-0130782호는 대상 발열체 상에 열전도가 가능하게 설치된 적어도 하나의 열전 소자를 구비하는 측정부; 상기 대상 발열체로부터 발생된 열이 상기 열전 소자를 거쳐 전부 외부로 전달되도록 상기 열전 소자가 접촉된 상기 대상 발열체의 일 측면을 제외한 영역을 감싸는 형태인 단열 케이스; 및 상기 열전 소자에 소정의 전력을 인가하여 상기 열전 소자의 온도를 낮추어 상기 대상 발열체의 온도를 기설정된 온도 조건으로 제어하고, 상기 대상 발열체의 온도 제어에 사용된 총 전력량을 연산하는 제어 연산부를 포함하는 발열량 측정 장치에 대하여 개시한다.

특허공개번호 제10-2012-0084952호는 적분구와, 열전대 프로브와, 열화상 카메라, 연산부, 표시부를 포함하며, 상기 적분구는 LED에서 발광하는 빛의 복사속을 측정하고, 열전대 프로브는 LED 표면 온도 및 MCPCB의 배면 온도를 측정하며, 열화상 카메라는 열전대 프로브와 LED의 접촉으로 인한 온도 변화를 감지하고 연산부는 측정한 데이터를 토대로 발열량을 계산하고, 표시부는 연산부에서 계산한 발열량을 표시하는 LED 발열량 측정 장치에 대하여 개시한다. 이 특허는 LED의 발열량을 포함한 제반 전기광학적인 특성을 고가의 열화상 카메라, 적분구 등을 사용하여 평가하는 LED에 특화된 내용으로 일반적인 부품의 발열량을 간편하게 측정하는 것과는 거리가 있는 내용이다.

상기 선행기술에서 개시된 발열량의 측정 방법은 정해진 조건에서 발열량을 측정하는 것에 의하여 서로 다른 전자부품이 결합된 전자기기에 대하여 실시간으로 또는 작동 상황에 따른 발열량의 측정이 어렵다는 문제점을 가진다. 또한 전자기기의 사용 과정에서 서로 다른 방향으로 발열되는 양의 측정이 어렵다는 단점을 가진다. 추가로 바이오 제품, 섬유 제품, 식품 또는 의약품과 같은 다양한 조건에서 서로 다른 발열량을 나타내는 원료 또는 제품의 발열량의 측정이 어렵다는 단점을 가진다.

본 발명은 선행기술이 가진 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

선행기술 1: 특허공개번호 제10-2015-0130782호(서울대학교 산학협력단, 2015년11월24일 공개) 발열량 측정 장치 및 발열량 측정 방법 선행기술 2: 특허공개번호 제10-2012-0084952호((주)애니캐스팅, 한국광기술원, 2012년07월31일 공개) LED 발열량 측정 장치 및 측정 방법

본 발명의 목적은 다수 개의 전자부품이 서로 연결되어 작동되는 전자기기의 발열량 또는 서로 다른 환경 조건에서 다양한 발열량을 나타내는 소재 또는 제품의 발열량을 실시간으로 측정할 수 있는 소재 또는 부품의 발열량 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 소재 또는 부품의 발열량 측정 방법 및 장치는 측정 대상에 대한 측정 조건이 설정되는 단계; 측정 대상에 대한 측정 모듈의 접촉 조건이 설정되는 단계; 측정 조건에 따라 대상 조건과 환경 조건이 형성되는 단계; 및 측정 대상에 대한 측정 결과가 처리 모듈로 전송되는 단계를 포함하고, 상기 대상 조건은 전자부품의 작동 상태를 포함하고, 상기 환경 조건은 온도, 압력 또는 습도를 포함한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 측정 모듈은 전자부품의 서로 다른 작동모드 상태에서 실시간으로 발열량을 측정한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 소재 또는 전자부품의 발열량의 측정을 위한 측정 장치에 있어서, 제어 유닛; 제어 유닛에 의하여 작동되는 측정 유닛; 측정 유닛에 측정값을 전송하고, 소재 또는 전자 부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 측정 헤드; 측정 헤드의 온도를 측정하는 탐지 유닛; 및 소재 또는 전자부품이 배치되는 측정 지그를 포함하고, 상기 측정 지그는 밀페 구조가 되면서, 내부 환경 조건의 설정이 가능한 구조가 된다.

본 발명에 따른 방법은 전자부품의 발열량의 정밀한 계측이 가능하고, 실제 동작하는 회로에서 동작 모드별로 부품의 발열량을 간편하게 직접 계측이 가능하도록 한다. 본 발명에 따른 방법은 열 해석 시뮬레이션과 연동되어 열 설계 프로세스의 정확도를 향상시킬 수 있어 열 해석 툴의 시뮬레이션 정밀도가 높아지도록 한다. 또한 본 발명에 따른 장치는 다양한 전자부품으로 이루어진 전자기기의 작동 상황에 따른 실시간 발열량의 측정이 가능하도록 한다.

본 발명은 일반적인 전자부품의 발열량 측정 또는 바이오 제품 또는 의약품을 포함하는 다양한 소재 또는 제품의 발열량의 측정이 가능하도록 한다. 예를 들어 본 발명에 따른 장치는 외부의 환경 조건 또는 반응 조건에 따라 서로 다른 발열량을 나타내는 원료, 제품 또는 소재의 발열량 측정이 가능하다. 예를 들어 압력, 온도, 습도, 혼합 비율 또는 촉매에 따라 서로 다른 발열량을 나타내는 소재 또는 원료에 대한 조건을 설정하여 발열량의 측정이 가능하다. 이로 의하여 원료 또는 소재의 물리 또는 화학적 특성의 분석이 가능하도록 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 소재 또는 전자부품의 발열량의 측정 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명에 따른 전자부품의 발열량 측정 장치의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2a는 전자부품의 발열량을 공랭식 팬에 의하여 측정하는 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2b는 도 2a에 적용되는 회로도의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2c는 본 발명에 따른 측정 지그의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 발열량 측정 방법에 적용되는 보정 데이터의 생성을 위한 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3b는 도 3a에서 세라믹 히터가 적용된 실시 예를 도시한 것이다.
도 3c는 도 3b에 적용되는 회로도의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 발열량 측정 방법에 적용되는 보정 데이터의 생성 과정에서 생성되는 열 저항과 발열량 사이의 관계를 그래프로 제시한 것이다.
도 4d는 본 발명에 따른 방법에 적용되는 보정 데이터의 생성을 열 저항과 발열량 사이의 상관도의 실시 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법에 적용되는 보정 데이터의 상수 값을 결정하기 위한 전압과 계수 사이의 상관도를 예시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 발열량 측정 장치가 적용된 실시 예를 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1a는 본 발명에 따른 소재 또는 전자부품의 발열량의 측정 과정의 실시 예를 도시한 것이다.

도 1a를 참조하면, 소재 또는 전자부품의 발열량의 측정 방법은 측정 대상(MO)에 대한 측정 조건이 설정되는 단계; 측정 대상(MO)에 대한 측정 모듈(M)의 접촉 조건이 설정되는 단계; 측정 조건에 따라 대상 조건과 환경 조건이 형성되는 단계; 및 측정 대상에 대한 측정 결과가 처리 모듈(PM)로 전송되는 단계를 포함하고, 상기 대상 조건은 전자부품의 작동 상태를 포함하고, 상기 환경 조건은 온도, 압력 또는 습도를 포함한다.

본 발명에 따른 측정 방법 또는 측정 장치는 바이오 제품, 의약품, 식품, 섬유 제품 또는 전자부품에 적용될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

측정 과정의 제어를 위한 제어 모듈(C)이 설치될 수 있고, 측정 대상(MO)의 성질에 따라 조건 설정 모듈(CS)에 의하여 측정 조건이 설정될 수 있다. 조건 설정 모듈(CS)의 측정 대상(MO)의 측정 상태를 설정하는 대상 조건 유닛(MC) 및 측정 환경의 조건을 설정하는 환경 조건 유닛(SC)을 포함할 수 있다. 대상 조건 유닛(MC)은 예를 들어 전자부품의 작동 상태를 설정하는 것을 말한다. 구체적으로 컴퓨터의 중앙 처리 유닛(CPU)의 발열량을 측정하기 위하여 하나 또는 그 이상의 애플리케이션을 작동시키는 것을 포함한다. 또는 바이오 제품 또는 의약품의 물리적 상태를 설정하는 것을 포함한다. 환경 조건 유닛(SC)은 측정 대상의 주변 환경을 의미하고, 예를 들어 온도, 압력 또는 습도를 포함할 수 있다. 환경 조건 유닛(SC)은 또한 밀폐 구조 또는 개방 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어 전자부품이 개방 환경에 배치되거나, 바이오 제품 또는 의약품이 밀폐된 캡슐 구조의 지그에 배치되는 것을 포함할 수 있다.

발열량의 측정을 위한 측정 모듈(M)이 측정 대상(MO)에 접촉될 수 있고, 접촉 설정 모듈(CC)에 의하여 접촉 조건이 설정될 수 있다. 접촉 설정 모듈(CC)은 예를 들어 단열재에 의한 차단, 접촉 면적 또는 발생된 열의 전도 방식을 포함할 수 있다. 접촉 조건 설정 모듈(CC)에 의하여 접촉 조건이 설정되면 제어 모듈(C)은 측정 모듈(M)을 작동시킬 수 있다. 그리고 측정 결과가 처리 모듈(PM)로 전송되어 결과가 산출될 수 있다. 처리 모듈(PM)은 다양한 디스플레이 유닛을 포함할 수 있고, 또한 처리 조건의 설정을 위한 입력 수단을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 측정 방법은 실시간 측정 과정을 포함할 수 있고, 예를 들어 서로 다른 애플리케이션의 작동에 따른 전자부품의 실시간 발열량의 측정을 포함할 수 있다. 구체적으로 다수 개의 애플리케이션이 설치된 스마트폰, 노트북 또는 컴퓨터에서 각각의 애플리케이션의 작동에 따른 발열량 또는 다수 개의 애플리케이션의 작동에 따른 발열량이 실시간으로 측정될 수 있다. 그리고 측정된 발열량에 기초하여 프로세서의 부하 또는 전력량의 소비 수준이 측정될 수 있다. 그에 따라 배터리의 소비량이 예측되거나, 애플리케이션의 구동 방식이 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 측정 방법은 다양한 전자부품 또는 소재의 발열량 측정에 적용될 수 있다.

도 1b는 본 발명에 따른 전자부품의 발열량 측정 장치의 실시 예를 도시한 것이다.

도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 발열량 측정 장치(10)는 측정 알고리즘과 보정 데이터와 관련된 소프트웨어 및 작동 프로그램에 의하여 작동되는 제어 유닛(11); 제어 유닛(11)에 의하여 작동되는 측정 유닛(12); 온도 측정을 위한 온도 센서가 설치되고 공랭식 팬 구조가 되는 측정 헤드(13); 및 외부 온도의 측정을 위한 외부 온도 센서(14)를 포함할 수 있다. 측정 헤드(13)는 예를 들어 인쇄회로기판과 같은 전자기판(P)에 배치된 전자부품의 윗면에 부착될 수 있다. 측정 헤드(13)에 설치된 공랭식 팬의 작동이 측정 유닛(12)에 의하여 제어될 수 있고, 측정 헤드(13)에 설치된 온도 센서에 의하여 측정 헤드(13) 내부의 온도가 측정될 수 있다. 이와 동시에 외부 온도 센서(14)에 의하여 외부 온도가 측정될 수 있다. 가해진 전압 및 측정된 온도에 기초하여 발열량이 측정되고, 제어 유닛(11)에 설치된 보정 데이터를 적용되어 발열량이 보정될 수 있다. 이에 따라 전자 부품의 발열량이 정밀하게 측정될 수 있다.

아래에서 이와 같은 구조를 가지는 방열량 측정 장치에 의하여 전자 부품의 발열량의 측정 및 보정이 되는 과정에 대하여 설명된다.

도 2a는 전자부품의 발열량을 공랭식 팬(23)에 의하여 측정하는 과정의 실시 예를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a에 적용되는 회로도의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2a를 참조하면, 전자 부품(P1)의 전체 발열량(Q_t)은 전자 부품(P1)의 위쪽 면으로 향하는 1 방향 발열량(Q_f)과 배치된 전자기판(P)으로 향하는 2 방향 발열량(Q_b)의 합이 될 수 있고, 아래의 식 (1)로 표시될 수 있다.

Q_t(전체) = Q_f(위쪽) + Q_b(아래쪽) --- (1)

측정 헤드가 전자 부품(P1)의 위쪽 면에 배치될 수 있고, 측정 헤드는 전자 부품(P1)의 위쪽에 배치되는 열 전도성 유닛(21), 공랭식 팬(23) 및 열 전도성 유닛(21)과 공랭식 팬(23)을 연결하는 히터 싱크(22)로 이루어질 수 있다. 온도 센서에 의하여 전자 부품(P1)의 부품 온도(T₁)가 측정될 수 있고, 외부 온도 센서에 의하여 외부 온도(T₀)가 측정될 수 있다. 전자 부품(P1)의 위쪽 방향으로 향하는 1 방향 발열량(Q_f)이 산출될 수 있고, 공랭식 팬(23)의 열 저항(R_f) 및 전자기판(P)의 열 저항(R_b)이 측정될 수 있다. 전체 발열량(Q_t)은 위쪽으로 향하는 1 방향 발열량(Q_f)과 아래쪽으로 향하는 2 방향 발열량(Q_b)의 합이 된다. 도 2a에 제시된 측정 과정은 도 2b와 같이 표시될 수 있다.

도 2b에서 전자 부품의 전체 발열량(Q_t)은 1 방향 발열량(Q_f)과 2 방향 발열량(Q_b)의 합이 되고, T₁ 및 T₀는 각각 전자 부품(P1)의 온도 및 외부 온도를 나타낸다. 그리고 R_f 및 R_b는 각각 공랭식 팬(23)의 열 저항 및 전자기판(P1)의 열 저항을 나타낸다. 1 방향 발열량(Q_f) 및 2 방향 발열량(Q_b)은 산출되어야 하는 값에 해당하고, T₁ 및 T₀는 측정에 의하여 결정될 수 있다. 또한 1 방향 발열량(Q_f)은 보정 데이터의 적용에 의하여 결정될 수 있다.

도 2c는 본 발명에 따른 측정 지그의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2c를 참조하면, 측정 지그(24)는 캡슐 구조가 될 수 있고, 개폐 가능한 밀폐 구조로 만들어질 수 있다. 측정 지그(24)의 내부에 바이오 제품, 의약품, 식품 또는 섬유 제품과 같은 것이 배치될 수 있고, 조건 설정 유닛(28)에 의하여 내부 조건이 설정될 수 있다. 내부 조건은 예를 들어 내부 온도, 압력, 습도, 촉매의 투입 또는 특정 물질의 투입과 같은 것을 포함할 수 있다. 측정 지그(24)의 압력은 측정 지그(24)의 내부로부터 외부로 연결된 기체 투입 유닛(251) 및 측정 지그(24)의 내부로부터 외부로 연결된 기체 배출 유닛(252)에 의하여 조절될 수 있다. 측정 지그(24)의 아래쪽에 단열 유닛(26)이 배치될 수 있고, 배치 플레이트(27)에 의하여 측정 지그(24)가 정해진 위치에 고정될 수 있다. 또한 측정 지그(24)의 위쪽에 열 전도성 유닛(21) 및 공랭식 팬(23)을 연결하는 히터 싱크(22)가 각각 배치될 수 있다. 또한 열 전도성 유닛(21)에 온도 측정을 위한 탐지 유닛(S1)이 배치될 수 있다. 그리고 측정 장치가 열 전도성 유닛(21) 또는 측정 지그(24)의 둘레 면에 배치될 수 있다. 제어 유닛의 작동에 의하여 조건 설정 유닛(28)이 작동되어 측정 지그(24)의 조건이 설정되어 측정이 개시될 수 있다. 측정 결과가 처리 모듈로 전송되어 처리될 수 있다.

제시된 측정 지그(24)는 의약품, 바이오 제품 또는 식품과 같은 것에 적용될 수 있지만 전자 부품의 작동에 따른 실시간 발열량 측정에 적용될 수 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 발열량 측정 방법에 적용되는 보정 데이터의 생성을 위한 과정의 실시 예를 도시한 것이고, 도 3b는 도 3a에서 세라믹 히터가 적용된 실시 예를 도시한 것이고, 도 3c는 도 3b에 적용되는 회로도의 실시 예를 도시한 것이다.

도 3a를 참조하면, 전자기판(P)의 방향으로 전도되는 2 방향 발열량은 전자 부품(P1)의 위쪽 방향으로 전도되는 1 방향 발열량에 비하여 충분히 작으므로 1 방향 발열량을 전자 부품(P1)의 측정 발열량(Q)으로 나타낸 것이다. 그리고 도 3b는 실제 보정 데이터를 구하기 위하여 전자 부품(P1)을 대신하여 세라믹 히터(31)가 사용된 개념도를 나타낸 것이다. 세라믹 히터(31)가 사용되는 경우 1 방향으로 열이 전도되도록 세라믹 히터(31)의 아래쪽에 단열재(32)가 배치되고 이로 인하여 오차가 감소될 수 있다.

전자 부품(P1)의 정확한 발열량을 구하기 위하여 보정 데이터가 얻어질 필요가 있고, 보정 데이터의 생성을 위하여 전자 부품(P1)의 상부로만 열이 발열되는 것을 가정할 수 있다. 이후 측정 헤드와 전자 부품(P1) 사이의 열 저항을 구하고, 보정 데이터를 이용하여 2 방향으로 발열량을 추가로 가정하여 보상될 수 있다. 그리고 최종적으로 전체 발열량이 얻어질 수 있다.

도 3b에 도시된 것처럼, 보정 데이터는 발열량을 알고 있는 세라믹 히터(31) 및 단열재(32)를 적용하여 2 방향 발열량을 최소로 하여 얻어질 수 있다.

발열량과 열 저항 사이의 관계는 아래와 같이 표시될 수 있다.

--- (2)

샘플의 온도와 주변온도의 차이는 측정에 의하여 결정되고, 발열체의 발열량을 이용하여 열 저항이 산출될 수 있다. 샘플의 온도는 측정 헤드에 삽입되어있는 온도 센서로부터 얻어지고, 외부 온도 또는 주위 온도는 샘플 온도의 영향을 받지 않도록 가능한 샘플과 충분히 이격된 지점의 온도를 측정하는 것에 의하여 얻어질 수 있다. 구체적으로 주위 온도는 특정 표면의 온도가 아니라 공기 온도를 측정하여 결정될 수 있다. 또한 측정 헤드와 샘플 사이에 도전성 시트 또는 도전성 그리스가 배치되어 열 저항이 커지는 것이 방지하는 것이 바람직하다. 또한 도전성 시트 또는 도전성 그리스는 항상 동일한 것을 사용되는 것이 유리하다. 이로 인하여 보정 데이터가 정확하게 적용될 수 있다. 만약 도전성 시트 또는 도전성 그리스의 소재가 변경되면 보정 데이터가 다시 구해질 필요가 있다.

측정 발열량(Q)을 구하기 위하여 발열체가 필요하고, 세라믹 히터(31) 또는 저항체가 적용될 수 있다. 세라믹 히터(31) 또는 저항체에 전압과 전류가 인가되면 세라믹 히터(31)에서 공급된 전력이 모두 열로 전환된다고 가정할 수 있다. 그리고 인가된 전압과 전류를 곱한 값 V*I가 세라믹 히터(31)로부터 발열되는 발열량으로 추정될 수 있다.

도 3c에서 도 3b에 제시된 실시 예가 회로도로 표시되었고, 측정 발열량(Q)은 미지의 값이 되고, 온도 차(ΔT_f)는 측정에 의하여 결정되고, 열 저항(R_f)은 보정 데이터가 적용되어 산출될 수 있다.

측정 헤드에 장착된 DC 공랭식 팬(23)은 인가되는 전압이 정격 전압에 비하여 낮으면 작으면 속도가 느려지고 점차 정격 전압에 근접하면 회전 속도가 증가한다. DC 공랭식 팬(23)의 속도에 따라 발열되는 전자 부품(P1)의 열 방출량이 다르게 되므로 DC 공랭식 팬(23)에 인가되는 전압의 정밀 제어가 발열량 측정의 주요 인자가 된다.

보정 데이터를 구하는 과정은 아래와 같이 진행될 수 있다.

먼저 세라믹 히터(31)에 일정한 전압과 전류를 인가한다. 만약 1V의 전압에서 1A의 전류가 흐르면 1W의 발열량으로 가정할 수 있다. 1W로 발열이 되고 있을 때 공랭식 팬(23)의 전압은 정격보다 훨씬 작은 4V로 설정된다. 일정 시간이 지난 후에 T₁과 T₀을 측정하여 측정 값 차이 ΔT를 산출한다(T₁:샘플 발열 면의 온도, T₀:주변온도). 이 과정에서 식 (2)에서 R_f는 ΔT와 Q에 의하여 결정된다.

다음 단계로 공랭식 팬(23)의 전압을 5V로 올린 후 일정 시간이 지난 후 이전 단계와 마찬가지로 T₁과 T₀을 측정하고, 차이 값 ΔT를 산출한다. 이 과정에서 식 (2)에서 R_f는 ΔT와 Q에 의하여 결정된다.

이와 같은 방식으로 공랭식 팬(23)의 전압을 계속 상승시키면서 각각의 단계에서 R_f값을 각각 산출하고, 공랭식 팬(23)의 전압이 정격전압 12V가 될　때까지 이와 같은 과정을 반복한다. 이러한 과정을 1W발열량에서 DC 공랭식 팬(23)의 전압을 다르게 하면서 얻어진 R_f에 대한 그래프가 도 4a와 같이 나타낼 수 있다.

위에서 설명된 과정은 1W가 아닌 다른 발열량에 대하여 적용될 수 있고, 이를 위하여 공랭식 팬(23)의 전압이 4V로 만들어지고, 발열량이 변경될 수 있다. 예를 들어 2W의 발열량을 위하여 전압 2V 그리고 전류 1A로 설정될 수 있다. 일정시간이 지난 후 공랭식 팬(23)의 4V에서 ΔT가 얻어지고, 식 (2)에 의하여 R_f값이 계산될 수 있다. 또한 공랭식 팬(23)의 전압이 5V가 되고, 일정 시간 경과 후 ΔT 및 R_f값이 계산될 수 있다. 이와 같은 과정은 공랭식 팬(23)의 전압이 12V로 될 때까지 반복될 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여 얻어진 2W의 발열량에서 공랭식 팬(23)의 전압에 대한 R_f의 값이 도 4b로 제시된다.

공랭식 팬(23)의 전압이 4V로 낮추어질 수 있고, 발열량이 3W로 변경될 수 있다. 이를 위하여 전압 3V 그리고 전류 1A로 설정될 수 있다. 일정 시간이 지난 후 공랭식 팬(23)의 4V에서 ΔT가 측정되고, R_f값이 산출될 수 있다. 그리고 공랭식 팬(23)의 전압을 5V로 올리고 일정 시간이 지난 후 ΔT 및 R_f값이 얻어질 수 있다. 이와 같은 과정이 공랭식 팬(23)의 전압이 12V가 되도록 순차적으로 상승시키면서 반복될 수 있다. 3W의 발열량에서 공랭식 팬(23)의 전압 변화에 대한 R_f의 변화가 도 4c로 제시된다.

세라믹 히터(31)의 발열량을 계속 변화시키면서 동일한 과정을 통하여 측정된 Q와 R_f에 사이의 그래프는 도 4d와 같이 될 수 있고, 도 4d에 제시된 그래프의 적정(fitting) 함수가 아래와 같은 로그 함수로 표시될 수 있다.

--- (3)

전압에 따라 다수 개의 그래프가 존재하므로 각각의 로그함수를 구하고 계수 α, β가 결정되어야 하며, 예를 들어 최소 자승법(least square)에 의하여 결정될 수 있다. 이와 같은 방식으로 다수 개의 함수에 대한 계수 α1, α2, α3, …와 β1, β2, β3, …의 값을 전압 축에 대해서 표시하면 도 5에 제시된 그래프와 같이 될 수 있다.

계수 α와 계수 β를 가진 그래프 함수를 구하기 위해서 동일한 방법으로 log함수로 적정(fitting)하여 구할 수 있다. 계수 α와 전압(Vf) 사이의 관계는 아래의 식 (4)로 표시될 수 있고,

--- (4)

계수 β와 전압(Vf) 사이의 관계는 아래의 식 (5)로 표시될 수 있다.

--- (5)

상기에서 각각의 계수 γ, δ, ρ, σ를 결정되어야 하고, 이에 따라 보정 데이터가 결정될 수 있다. 계수 α와 β를 가지는 아래의 식 (3)은

--- (3)

을 아래와 같이 γ, δ, ρ, σ로 치환된 식 (7)로 표시될 수 있다.

--- (7)

또한 아래의 식 (1)을 이용하여 변수 R_f와 Q_f를 구할 수 있고, 이에 따라 보정 데이터가 만들어질 수 있다.

--- (2)

공랭식 팬(23)에 전압을 인가하여 ΔT를 측정하고 식 (7)과 (2)에 대입하면 R_f와 Q_f를 구할 수 있으며, 공랭식 팬(23)의 전압을 변화시키면서 다수 개의 R_f와 Q_f를 구한 후 최적의 R_f와 Q_f를 구하여 발열량을 산출할 수 있다.

제시된 실시 예에서 전자 부품(P1)의 열이 전자기판(P)으로 방열되지 않는 것으로 가정된 것이므로, 전자기판(P)의 방열에 의하여 산출된 방열량이 보정될 필요가 있다.

전체 발열량(Q_t)는 전자 부품(P1)의 1 방향 발열량(Q_f)과 전자 부품(P1)의 2 방향 발열량(Q_b)의 합이 되고 아래의 식 (1)로 표시된다.

Q_t(전체 발열량) = Q_f(1 방향 발열량) + Q_b(2 방향 발열량) --- (1)

공랭식 팬(23)의 공급 전압을 각각 Vf(1)과 Vf(2)로 변화시키면 아래와 같은 식이 만들어질 수 있다.

공랭식 팬(23)의 임의의 1 전압에서 전체 발열량은 식 (8)로 표시되고, Q_f(1)은 식 (7)과 (2)식으로부터 얻어질 수 있다.

--- (8)

공랭식 팬(23)의 2 전압에서 식 (8)은 식 (9)와 같이 표시되고, Q_f(2)는 식 (7)과 (2)에 의하여 얻어질 수 있다.

--- (9)

이므로 Q_f(2)는 앞의 (7)과 (8)식에서 구할 수 있다.

식 (8) 및 (9)에서 Q_f(1)과 Q_f(2)는 식 (7)과 (2)로부터 계산되는 상수가 되고, ΔT(1)과 ΔT(2)는 측정에 의하여 얻어지는 값이 되므로 식 (10) 및 식 (11)에서 변수는 Q_t와 R_b가 되고, 서로 다른 전압에서 측정되면 Q_t와 R_b가 각각 얻어질 수 있다.

제시된 실시 예에 따른 측정 알고리즘 및 보정 데이터에 의하여 운용되는 측정 소프트웨어로 작동되는 전자 기판에 배치된 전자부품의 발열량을 측정하기 위하여 측정 헤드가 측정 대상이 되는 전자부품의 위쪽에 전도성 테이프로 고정될 수 있다. 이후 컴퓨터에 설치된 측정 프로그램이 구동되어 측정 헤드에 설치된 공랭식 팬의 전압을 변화시키면서 측정 헤드에 내장된 온도 센서에 의하여 측정 대상의 온도가 측정될 수 있다. 이와 동시에 실내 온도가 자동으로 측정될 수 있고, 위에서 설명된 측정 알고리즘과 보정 데이터가 프로그램에 의하여 적용되어 전체 발열량이 추정 계산될 수 있다. 그리고 산출된 발열량이 장비 운용자에게 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예에 아래에서 설명된다.

실시 예

세라믹 히터와 고정 저항이 발열 부품 시료로 사용되었고, 최대 48W 세라믹 히터 발열체를 대상으로 정해진 조건으로 4회 반복 실시를 하여 측정값이 얻어졌고, 실시 과정이 도 6으로 제시되었다.

실시 조건 :

- 샘플시료 : 48W 세라믹 히터, 규격 40 x 40 x 2mm

- 히터 인가 전력 : 2.24A, 6.77V

- 시료장착 : FR4 (일반 PCB) 보드 상에 열 전도성 테이프로 장착

- 시료 위쪽 면과 측정 헤드 사이에 고정 접착력의 향상을 위하여 열 전도성 패드와 고무 밴드가 적용

- 계측정확도 판정을 위하여 동일조건으로 3회 반복 실시

결과 :

반복횟수	공급전력에 의한 이론적 발열량	본 발명에 의한 측정 발열량	발열량의 차이 (이론-실시측정)	이론 및 측정값의 백분율(％)
1	15.165	14.937	0.228	1.50
2	15.165	15.603	-0.438	-2.89
3	15.165	14.826	0.339	2.23
4	15.165	14.914	0.251	1.65

다음으로, 최대 5W 고정 저항 발열체를 대상으로 정해진 조건으로 3회 반복 실시를 하여 얻어진 측정값은 다음과 같다.

실시 조건 :

- 샘플시료 : 0.5Ω 5W 고정저항, 규격 18 x 14 x 5mm

- 히터 인가 전력 : 1.92A, 1.05V

- 시료장착 : FR4 (일반 PCB) 보드 위에 열 전도성 테이프로 장착

- 시료상면과 측정헤드간의 고정 접착력 향상을 위하여 열 전도성 패드와 고무 밴드를 사용

- 계측정확도 판정을 위하여 동일조건으로 4 회 반복 실시

결과:

반복횟수	공급전력에 의한 이론적 발열량	본 발명에 의한 측정 발열량	발열량의 차이 (이론-실시측정)	이론 및 측정값의 백분율(％)
1	2.016	1.973	0.043	2.13
2	2.016	1.952	0.064	3.17
3	2.016	1.988	0.028	1.39
4	2.016	2.049	-0.033	-1.64

실시 예로부터 알 수 있는 것처럼 측정 장치는 이론적 발열량에 근접하는 측정값을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

전자기기에서 애플리케이션의 작동에 따른 프로세서의 작동에 따른 발열량을 측정을 위한 시험이 이루어졌다.

실시 조건 :

- 측정 샘플시료 : 라즈베리 파이 3 (Raspbery pi 3) 모델 B 미니 PC 보드

- 인가 전력 : 구동전압 5VDC, 2A (AC/DC Adapter 적용)

- 시료장착 : 동작 보드상의 CPU 위에 열 전도성 테이프로 측정헤드 장착

- 시료상면과 측정헤드간의 고정 접착력 향상을 위하여 고무 밴드를 사용

- 측정 과정 : 50인치 TV수상기에 HDMI 케이블로 연결하고, 미니 PC 보드를 동작시켜서 유튜브에서 음악 영상 콘텐츠를 표준크기의 영상과, 전체화면 크기의 영상으로 실행시키면서 2가지 경우 CPU 프로세서의 실제 발열량 변화(표 3 참조) 및 표준크기 영상 동작 상태에서 반복 재현성(표 4 참조)을 측정하여 비교하였다.

결과: 결과가 표 3 및 표 4로 제시되었다.

공급전력에 의한 이론적 발열량	측정횟수	표준크기의 영상 재생에 의한 측정 발열량(W)	전체화면 크기의 영상 재생에 의한 측정 발열량(W)	발열량의 차이 (전체화면-표준화면)
통합집적된 보드 구성으로 단순 계산으로 확인 불가	1	1.520	2.040	0.520
	2	1.514	2.035	0.521
	3	1.497	2.034	0.537

공급전력에 의한 이론적 발열량	표준크기의 영상 재생에 의한 측정 발열량 1회	표준화면 크기의 영상 재생에 의한 측정 발열량 2회	표준화면 크기의 영상 재생에 의한 측정 발열량 3회	측정 재현성 (Min/Max)
통합집적된 보드 구성으로 단순 계산으로 확인 불가	1.520	1.514	1.497	0.985

실시 결과로부터 알 수 있는 것처럼 여러 가지 콘텐츠가 동시에 실행되는 경우 개개의 동작 콘텐츠 또는 멀티 구성별로 CPU 프로세서에서 실제 발열되는 발열량의 실시간 측정이 가능하고, 이에 따라 전력 소모량이 추산될 수 있다는 것을 알 수 있다.

10: 발열량 측정 장치 11: 제어 유닛
12: 측정 유닛 13: 측정 헤드
14: 외부 온도 센서 21: 열 전도성 유닛
22: 히터 싱크 23: 공랭식 팬
24: 측정 지그 26: 단열 유닛
27: 배치 플레이트 28: 조건 설정 유닛
31: 세라믹 히터 32: 단열재
251: 기체 투입 유닛 252: 기체 배출 유닛
C: 제어 모듈 CC: 접촉 설정 모듈
CS: 조건 설정 모듈 M: 측정 모듈
MC: 대상 조건 유닛 MO: 측정 대상
P: 전자기판 P1: 전자 부품
PM: 처리 모듈 Q: 측정 발열량
Q_b: 2 방향 발열량 Q_f: 1 방향 발열량
Q_t: 전체 발열량 R_b: 전자기판의 열 저항
R_f: 공랭식 팬의 열 저항 S1: 탐지 유닛
SC: 환경 조건 유닛 T₀: 외부 온도
T₁: 부품 온도

Claims

소재 또는 전자부품의 발열량의 측정 방법에 있어서,
측정 대상(MO)에 대한 측정 조건이 설정되는 단계;
측정 대상(MO)에 대한 측정 모듈(M)의 접촉 조건이 설정되는 단계;
측정 조건에 따라 대상 조건과 환경 조건이 형성되는 단계; 및
측정 대상에 대한 측정 결과가 처리 모듈(PM)로 전송되는 단계를 포함하고,
상기 대상 조건은 전자부품에 설치된 다수의 애플리케이션 중 하나 이상의 애플리케이션을 작동시키는 것을 포함하고, 상기 환경 조건은 온도, 압력 또는 습도를 포함하는 것을 특징으로 하는 소재 또는 부품의 발열량 측정 방법.
소재 또는 전자부품의 발열량의 측정을 위한 측정 장치에 있어서,
제어 유닛(11);
제어 유닛(11)에 의하여 작동되는 측정 유닛(12);
측정 유닛(12)에 측정값을 전송하고, 소재 또는 전자 부품으로부터 발생되는 열을 흡수하는 측정 헤드(13);
측정 헤드(13)의 온도를 측정하는 탐지 유닛(S1); 및
소재 또는 전자부품이 배치되는 측정 지그(24)를 포함하고,
상기 측정 지그(24)는 밀폐 구조가 되면서, 상기 밀폐 구조의 내부 환경 조건의 설정이 가능한 구조가 되며, 상기 내부 환경 조건에 따라 서로 다른 발열 수준을 나타내는 소재 또는 전자부품에 대한 상기 내부 환경 조건 설정에 따른 발열량을 측정하는 것을 특징으로 하는 소재 또는 전자부품의 발열량 측정 장치.