KR20190132874A - 레이저 다이오드 바 냉각 장치 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치는, 냉매를 수용하는 냉각 바디; 및 상기 냉각 바디로부터 일 방향으로 돌출 형성되고, 단부에 레이저 다이오드를 지지하는 복수 개의 냉각 핀을 포함하고, 상기 복수 개의 냉각 핀은 상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매를 유동시키기 위한 유로를 포함할 수 있다.도 1
Description
아래의 설명은 레이저 다이오드 바 냉각 장치에 관한 것이다.
레이저 다이오드와 레이저 다이오드 바의 냉각 기술은 주로 히트싱크를 이용한 열전달 방식을 사용한다. 레이저 다이오드 등의 발열체와 히트싱크가 접하는 열 접합 경계부분의 물질과, 히트싱크를 구성하는 물질 및 구조의 효율적 배치는 방열 특성을 좌우한다. 또한, 냉각 장치의 끝단 상에 TEC(Thermo Electric Cooler) 열전 소자를 이용하여, 기존의 고출력 레이저 다이오드와 레이더 다이오드의 냉각 효과를 극대화하는 것이 가능하였다. 그러나, 적층 구조가 반복되고 광출력이 높아질 수록 병목현상을 보이는 부분이 새로이 등장하게 되었다. 단순한 열 병목 구조를 갖는 레이저 다이오드의 경우에는 발열원과 히트싱크 사이에 얇은 그래핀 등의 물질을 도포하는 등의 방법으로 히트싱크의 유효 열 단면적을 넓혀서 열저항을 낮추는 기술이 유효하게 적용될 수 있다. 추가로, 히트싱크 자체의 유효 열저항을 개선하기 위해 열 우회 경로를 두어 열 전달 효율을 높이는 방열개선 기술이나, 적층 구조의 열저항을 최적화하는 구조설계 기술도 제안되어 있다.
다만, 기존 냉각 장치는 단순하게 구조 최적화를 통한 수동적인 설계제작에 관한 기술이며, 열원소자와 얇은 방열층의 적층이 반복되는 경우에는 수동적 열전달방식 만으로는 발열량의 전달방식에 병목이 생기는 방열한계에 도달할 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 미세 발열소자의 구조를 감안한 핀 형상의 열 파이프 구조를 통해, 레이저 다이오드 적층체의 한계 구조에서도 방열 성능을 높일 수 있는 레이저 다이오드 바 냉각 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치는, 냉매를 수용하는 냉각 바디; 및 상기 냉각 바디로부터 일 방향으로 돌출 형성되고, 단부에 레이저 다이오드 바를 지지하는 복수 개의 냉각 핀을 포함하고, 상기 복수 개의 냉각 핀은 상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매를 유동시키기 위한 유로를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 냉각 판은 얇은 플레이트 형상을 갖고, 상기 복수 개의 냉각 판은 서로 평행할 수 있다.
상기 레이저 다이오드 바 냉각 장치는, 상기 냉각 바디의 일 측면에 부착되는 열전소자를 더 포함하고, 상기 복수 개의 냉각 판을 포함하는 각각의 평면은, 상기 열전소자와 직교할 수 있다.
상기 복수 개의 냉각 핀은, 상기 냉각 바디로부터 냉매를 전달받는 1개의 유입 유로; 및 상기 레이저 다이오드 바로부터 열을 전달받은 냉매를 다시 상기 냉각 바디로 전달하는 토출 유로를 포함한다.
일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치는, 복수 개의 냉각 유닛; 및 상기 복수 개의 냉각 유닛이 서로 결합한 상태를 기준으로, 상기 복수 개의 냉각 유닛의 일면에 부착되는 열전소자를 포함하고, 상기 복수 개의 냉각 유닛은 각각, 냉매를 수용하는 냉각 바디; 및 상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매를 유동시키기 위한 유로를 포함하는 복수 개의 냉각 핀을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 냉각 유닛은, 제 1 냉각 바디와, 상기 제 1 냉각 바디로부터 상방으로 돌출 형성되는 제 1 연결 부재와, 상기 제 1 연결 부재로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 1 냉각 핀을 포함하는 제 1 냉각 유닛; 및 상기 제 1 냉각 바디에 연결되는 제 2 냉각 바디와, 상기 제 2 냉각 바디로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 2 냉각 핀을 포함하는 제 2 냉각 유닛을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 제 1 냉각 핀, 복수 개의 제 2 냉각 핀 및 복수 개의 제 3 냉각 핀은 서로 평행할 수 있다.
상기 복수 개의 냉각 유닛은, 상기 제 2 냉각 바디에 연결되는 제 3 냉각 바디와, 상기 제 2 냉각 바디로부터 하방으로 돌출 형성되는 제 2 연결 부재와, 상기 제 2 연결 부재로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 3 냉각 핀을 포함하는 제 3 냉각 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 냉각 바디는 상기 제 1 냉각 바디 및 제 3 냉각 바디 사이에 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 냉각 핀은 내부에 상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매가 유동하는 유로를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 다이오드 바 냉각 장치는, 미세 발열소자의 구조를 감안한 핀 형상의 열 파이프 구조를 통해, 레이저 다이오드 적층체의 한계 구조에서도 방열 성능을 높일 수 있다.
일 실시 예에 따른 다이오드 바 냉각 장치는, 기존의 수동적 최적화 구조의 히트싱크의 열 병목 한계를 개선하여, 레이저 다이오드 적층체 구조의 크기 한계를 극복함으로써 보다 획기적인 광학적 시준 특성을 구현할 수 있다.
일 실시 예에 따른 다이오드 바 냉각 장치는, 레이저 다이오드 등의 미세 발열체에 있어서, 열 전달 강제 개선 단계를 추가함으로써, 적층된 발열체로부터 발생열을 제거하는 매우 효과적인 방열 체계를 구성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 다이오드 바 냉각 장치는, 레이저 다이오드의 손상을 막을 수 있고, 온도에 따른 성능 저하를 최소하하며, 장치의 크기도 줄임으로써, 레이저 다이오드의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 단위 냉각부의 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 냉각 핀의 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 단위 냉각부의 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 냉각 핀의 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 사시도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 단위 냉각부의 사시도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 냉각 핀의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 레이저 다이오드 바 냉각 장치(1)는 냉각 바디(11), 복수 개의 냉각 핀(12) 및 열전소자(15)를 포함할 수 있다.
냉각 바디(11)는 Cu재질의 구조체이다. LD로부터 발생된 열이 냉각 핀(12) 내부의 냉각 유로를 통해 냉각 바디(11)로 로 빠르게 전달되고, 냉각 바디(11)의 외벽에 접촉된 열전소자(15)를 통해 냉각 바디(11)로 전달된 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 냉각 바디(11)는 열 전도율이 높은 소재로 형성될 수 있다.
복수 개의 냉각 핀(12)은 냉각 바디(11)로부터 일 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)은 냉각 바디(11)와 직접적으로 열 교환할 수 있다. 또한, 복수 개의 냉각 핀(12)은 내부에 냉매를 유동시키기 위한 단일 유로를 포함할 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)은 냉각 바디(11)와 직접 접촉하여 열 전달하거나, 상기 단일 유로를 따라 유동하는 냉매를 통해 열 전달할 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)은 단부에 레이저 다이오드 바(LD)를 지지할 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)은 레이저 다이오드 바(LD)로부터 발생한 열을 흡수하여, 레이저 다이오드 바(LD)를 냉각시킬 수 있다.
복수 개의 냉각 핀(12)은 얇은 플레이트 형상을 가질 수 있고, 복수 개의 냉각 핀(12)은 서로 평행할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 냉각 핀(12)은 일정한 간격을 이룰 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)은 내부 진공상태를 유지하며, 작동유체를 포함한다. 작동유체의 기화 및 액화 현상을 통해서 레이저 다이오드 바(LD)로부터 발생한 열을 빠르게 냉각 바디(11)로 전달시킬 수 있다.
복수 개의 냉각 핀(12)은 각각 단부에 지지하는 레이저 다이오드 바(LD) 1개로부터 발생한 열을 전달할 수 있고, 각각의 냉각 핀(12) 하단부의 레이저 다이오드 바(LD)와는 접촉하지 않는다.
열전소자(15)는 냉각 바디(11)의 일 측면에 부착될 수 있다. 복수 개의 냉각 핀(12)을 포함하는 각각의 평면은 열전소자(15)와 직교할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 냉각 핀(12)이 상하 방향으로 배열되어, 각각의 냉각 핀(12)의 수직한 방향이 상하 방향을 향할 때, 열전소자(15)는 냉각 바디(11)의 좌측면 또는 우측면 상에 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 1을 기준으로, 9개의 냉각 핀(12)을 포함하는 9개의 평면은 각각 열전소자(15)와 직교할 수 있다. 열전소자(15)의 상부는 9개의 냉각 핀(12) 중 위쪽 3개의 냉각 핀(12)과 인접할 수 있고, 열전소자(15)의 중앙부는 9개의 냉각 핀(12) 중 가운데 3개의 냉각 핀(12)과 인접할 수 있고, 열전소자(15)의 하부는 9개의 냉각 핀(12) 중 아래쪽 3개의 냉각 핀(12)과 인접할 수 있다. 즉, 열전소자(15)는 냉각 바디(11)의 넓은 영역을 차지할 수 있다. 이와 같은 구조에 의해, 열전소자(15)는 복수 개의 냉각 핀(12)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
레이저 다이오드 바 냉각 장치(1)는 복수 개의 냉각 유닛(10a, 10b, 10c)을 포함할 수 있다. 각각의 냉각 유닛(10a, 10b, 10c)은 냉각 바디(11) 및 복수 개의 냉각 핀(12)을 포함할 수 있다. 복수 개의 냉각 유닛(10a, 10b, 10c)는 일렬로 연결될 수 있다. 복수 개의 냉각 유닛(10a, 10b, 10c)는 주변 환경에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드 바(LD)를 상하 방향으로 배열해야 하는 구조에서, 냉각 유닛(10a, 10b, 10c)는 상하 방향으로 배열되거나(도 1 참조), 좌우 방향으로 배열될 수 있다(도 4 참조).
도 4는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 분해 사시도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드 바 냉각 장치의 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 레이저 다이오드 바 냉각 장치(2)는, 복수 개의 냉각 유닛(20a, 20b, 20c) 및 열전소자(15)를 포함할 수 있다.
복수 개의 냉각 유닛(20a, 20b, 20c) 각각은 냉매를 수용하는 냉각 바디와, 냉각 바디로부터 전달된 냉매를 유동시키기 위한 유로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 냉각 유닛(20a)은, 제 1 냉각 유닛(20a), 제 2 냉각 유닛(20b) 및 제 3 냉각 유닛(20c)을 포함할 수 있다.
제 1 냉각 유닛(20a)은 제 1 냉각 바디(21a)와, 제 1 냉각 바디(21a)로부터 상방으로 돌출 형성되는 제 1 연결 부재(23a)와, 제 1 연결 부재(23a)로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 1 냉각 핀(22a)을 포함할 수 있다. 복수 개의 제 1 냉각 핀(22a) 내부에는 제 1 냉각 바디(21a)로부터 제 1 연결 부재(23a)를 지나 전달되는 유체를 유동시키는 유로가 구비될 수 있다.
제 2 냉각 유닛(20b)은 제 2 냉각 바디(21b)와, 제 2 냉각 바디(21b)로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 2 냉각 핀(22b)을 포함할 수 있다.
제 3 냉각 유닛(20c)은 제 3 냉각 바디(21c)와, 제 3 냉각 바디(21c)로부터 하방으로 돌출 형성되는 제 2 연결 부재(23c)와, 제 2 연결 부재(23c)로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 3 냉각 핀(22c)을 포함할 수 있다. 복수 개의 제 3 냉각 핀(22c) 내부에는 제 3 냉각 바디(21c)로부터 제 2 연결 부재(23c)를 지나 전달되는 유체를 유동시키는 유로가 구비될 수 있다.
제 2 냉각 바디(21b)는 제 1 냉각 바디(21a) 및 제 3 냉각 바디(21c) 사이에 배치될 수 있다. 복수 개의 제 1 냉각 핀(22a), 제 2 냉각 핀(22b) 및 제 3 냉각 핀(22c)은 서로 평행할 수 있다. 즉, 복수 개의 냉각 핀(22a, 22b, 22c)을 상하 방향으로 배치하면서도, 복수 개의 냉각 바디(21a, 21b, 21c)을 좌우 방향으로 배치할 수 있다.
열전소자(25)는 복수 개의 냉각 바디(21a, 21b, 21c)의 상면 또는 하면에 배치될 수 있다. 열전소자(25)는 복수 개의 냉각 바디(21a, 21b, 21c)에 걸쳐서 배치될 수 있다. 예를 들어, 열전소자(25) 중 제 1 냉각 바디(21a)에 배치된 부분은, 제 1 냉각 바디(21a)를 냉각시킴으로써, 제 1 냉각 핀(22a) 상에 배치된 레이저 다이오드 바(LD)를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
Claims (10)
- 냉매를 수용하는 냉각 바디; 및
상기 냉각 바디로부터 일 방향으로 돌출 형성되고, 단부에 레이저 다이오드 바를 지지하는 복수 개의 냉각 핀을 포함하고,
상기 복수 개의 냉각 핀은 내부에 열을 전달하기 위한 작동유체를 포함하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 냉각 판은 얇은 플레이트 형상을 갖고,
상기 복수 개의 냉각 판은 서로 평행한 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 냉각 바디의 일 측면에 부착되는 열전소자를 더 포함하고,
상기 복수 개의 냉각 판을 포함하는 각각의 평면은, 상기 열전소자와 직교하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 작동유체는 상기 냉각 핀으로부터 상기 냉각 바디로 열을 전달하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 복수 개의 냉각 유닛; 및
상기 복수 개의 냉각 유닛이 서로 결합한 상태를 기준으로, 상기 복수 개의 냉각 유닛의 일면에 부착되는 열전소자를 포함하고,
상기 복수 개의 냉각 유닛은 각각,
냉매를 수용하는 냉각 바디; 및
상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매를 유동시키기 위한 유로를 포함하는 복수 개의 냉각 핀을 포함하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 복수 개의 냉각 유닛은,
제 1 냉각 바디와, 상기 제 1 냉각 바디로부터 상방으로 돌출 형성되는 제 1 연결 부재와, 상기 제 1 연결 부재로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 1 냉각 핀을 포함하는 제 1 냉각 유닛; 및
상기 제 1 냉각 바디에 연결되는 제 2 냉각 바디와, 상기 제 2 냉각 바디로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 2 냉각 핀을 포함하는 제 2 냉각 유닛;
을 포함하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 복수 개의 제 1 냉각 핀, 복수 개의 제 2 냉각 핀 및 복수 개의 제 3 냉각 핀은 서로 평행한 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 복수 개의 냉각 유닛은,
상기 제 2 냉각 바디에 연결되는 제 3 냉각 바디와, 상기 제 2 냉각 바디로부터 하방으로 돌출 형성되는 제 2 연결 부재와, 상기 제 2 연결 부재로부터 돌출 형성되는 복수 개의 제 3 냉각 핀을 포함하는 제 3 냉각 유닛을 더 포함하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 냉각 바디는 상기 제 1 냉각 바디 및 제 3 냉각 바디 사이에 배치되는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 복수 개의 냉각 핀은 내부에 상기 냉각 바디로부터 전달된 냉매가 유동하는 유로를 포함하는 레이저 다이오드 바 냉각 장치.
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