KR20200056917A - 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버 - Google Patents

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KR20200056917A
KR20200056917A KR1020190136480A KR20190136480A KR20200056917A KR 20200056917 A KR20200056917 A KR 20200056917A KR 1020190136480 A KR1020190136480 A KR 1020190136480A KR 20190136480 A KR20190136480 A KR 20190136480A KR 20200056917 A KR20200056917 A KR 20200056917A
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조영수
석성대
방민호
박상수
전규철
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주식회사 씨지아이
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Abstract

본 발명은, 제1 구조면을 구비하는 상판; 상기 제1 구조면과 마주하는 제2 구조면을 구비하는 하판; 상기 제1 구조면 및 상기 제2 구조면 중 적어도 하나에 에칭 공정에 의해 형성되고, 기상의 작동 유체가 열 에너지에 의해 증발부로부터 응축부로 유동하는 통로를 형성하는 기상 채널; 및 상기 상판 및 상기 하판 중 적어도 하나 측에 에칭 공정에 의해 형성된 수용 공간에 수용되고, 액상의 작동 유체가 모세관력에 의해 상기 응축부로부터 상기 증발부로 이동하는 통로를 형성하는 금속 재질의 메쉬 구조물을 포함하는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버를 제공한다.

Description

윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버{NON-ORIENTED VAPOR CHAMBER HAVING WICK}
본 발명은 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버에 관한 것이다.
베이퍼 챔버(Vapor chamber)는 액체와 기체 간의 상변이(phase transition) 시에 잠열을 이용하여 열을 제거하는 구성이다. 이는 일반 상태 열전달 체계(전도, 대류, 복사)와는 다른 방식으로서, 큰 열을 빠르게 식힐 수 있는 장점을 가지고 있다.
기존의 베이퍼 챔버는 대부분 단일 방향으로 작동하여, 열원이 밑에 있어서 기화된 기체가 상승 후에 상부에 위치한 응축부(condensation section)에서 액체로 바뀌고 중력에 의해 내려온다. 혹은 무방향 작동을 위해 섬유 재질 윅을 사용하기도 하지만, 이 방법의 문제점은 내부 섬유재질 윅(wick)을 열처리(플라즈마, 고온 가열) 등을 통해 제작해야 하므로 제품 자체가 두껍고 열처리 공정이 추가되어 가격이 비싸지는 단점이 있다.
또한, 기존의 히트 파이프는 구리 소재의 원통형 제품이 주류를 이루었으며, 통상적인 사용분야는 전자기기 냉각장치에 사용되었다. 근래에는 슬림화 및 박판의 수요 증가로 원통형의 구리 히트 파이프 혹은 베이퍼 챔버를 프레스하여 납작하게 만든 제품들이 필요에 의해 사용되고 있다.
그러나, 그들의 두께는 2.0 mm 수준이며, 제품이 기술적 한계에 다다른 시점이다. 구리 베이퍼 챔버로도 판형의 구성은 가능하지만, 제품의 특성상 1 mm 이하의 제품 대응에는 구리 베이퍼 챔버와 같은 기술적 한계점을 가지고 있다.
또한, 제작 과정에 있어 상하판 용접시 제작시간 증가와 판재가 열로 인해 소성 변형되어 연질화되다는 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은, 박형화를 통해 전체적인 두께를 최소화하면서도 제조 공정을 단순화할 수 있게 하는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 박형화에 따라 제작이나 사용 중에 구조적 강도가 저하되는 것을 막을 수 있는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버는, 제1 구조면을 구비하는 상판; 상기 제1 구조면과 마주하는 제2 구조면을 구비하는 하판; 상기 제1 구조면 및 상기 제2 구조면 중 적어도 하나에 에칭 공정에 의해 형성되고, 기상의 작동 유체가 열 에너지에 의해 증발부로부터 응축부로 유동하는 통로를 형성하는 기상 채널; 및 상기 상판 및 상기 하판 중 적어도 하나 측에 에칭 공정에 의해 형성된 수용 공간에 수용되고, 액상의 작동 유체가 모세관력에 의해 상기 응축부로부터 상기 증발부로 이동하는 통로를 형성하는 금속 재질의 메쉬 구조물을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기상 채널은 상기 상판에 형성되고, 상기 수용 공간은 상기 하판에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 상판은 제1 두께를 갖고, 상기 하판은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가지며, 상기 수용 공간은, 상기 제2 두께보다 작은 깊이로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 상판은, 상기 기상 채널 내에서 돌출 형성되어, 상기 상판 및 상기 하판이 이격된 상태를 유지하게 하는 간격유지 돌기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 간격유지 돌기는, 복수 개로 구비되어, 일 방향을 따라 지그 재그로 배열될 수 있다.
여기서, 상기 메쉬 구조물은, 상기 상판 및 하판과 동일한 금속 재질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 하판은, 상기 수용 공간의 바닥에 형성되는 스크래치 영역을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스크래치 영역은, 상기 수용 공간의 바닥이 금속 브러쉬로 긁힘에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 상기 상판 및 상기 하판 각각은, 외면에 형성되는 용접홈을 더 포함하고, 상기 상판 및 상기 하판은, 상기 용접홈에 대한 레이저를 조사함에 의해 서로 용접 결합된 것일 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버에 의하면, 상판의 제1 구조면과 하판의 제2 구조만 중 적어도 하나에 에칭 공정에 의해 기상 채널과 메쉬 구조물을 수용하는 수용 공간이 형성되어 베이퍼 챔버의 전체 두께를 줄일 수 있게 한다. 나아가, 메쉬 구조물은 금속 재질로 형성되기에, 기존과 같이 열처리(플라즈마, 고온 가열)를 통해 제작하지 않아도 되어 공정의 단순화를 꾀할 수 있다.
또한, 상판과 하판은 레이저 용접에 의해 서로 접합됨에 의해, 상판 및 하판 전체가 열적 영향에 의해 제작 과정에서 강도가 저하되는 것을 막을 수 있다. 또한, 기상 채널에는 간격유지 돌기가 형성됨에 의해, 사용 중에 상판과 하판이 압착되는 것을 제한할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)에 대한 개략적인 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 조립 상태에서의 구체적 단면도이다.
도 3은 도 2의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)에 대한 분해 단면도이다.
도 4는 도 2의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 일 변형예에 따라 제작된 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100')의 분해 사진이다.
도 5는 도 4의 하판(130)에 스크래치 영역(190)을 형성하는 과정을 설명하기 위한 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)에 대한 개략적인 분해 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)는, 크게 상판(110)과 하판(130)이 결합되고, 그들 사이에 메쉬 구조물(150)이 내장되어 구성된다.
상판(110)과 하판(130)은 각기 직사각형 형태의 플레이트로 구성될 수 있다. 그들은 금속 재질로서, 예를 들어 구리 합금으로 제작될 수 있다. 상판(110)과 하판(130)은 서로 적층 결합되는 것으로서, 서로 동일한 사이즈와 형태를 가질 수 있다.
상판(110)과 하판(130)에서 서로 마주보는 면은 각기 제1 구조면(111)과 제2 구조면(131)이 된다. 이들에는 기상 채널(170, 도 2 참조) 등의 구조물이 에칭(etching) 공정에 의해 형성될 수 있다. 상판(110)과 하판(130)에서 외부로 노출되는 면은 각기 제1 노출면(112)과 제2 노출면(132)이라 칭해질 수 있다. 또한, 상판(110)과 하판(130)의 일 코너에서는 주입구 형성부(113,133)가 돌출하게 된다. 이러한 주입구 형성부(113,133)는 기상 채널(170) 등에 작동 유체를 주입한 후에 잘려지게 된다.
상판(110)과 하판(130) 사이에는 메쉬 구조물(150)이 구비될 수 있다. 메쉬 구조물(150)은 격자 형태로 짜여진 메쉬 구조를 가질 수 있다. 메쉬 구조물(150)은 상판(110)이나 하판(130) 보다는 작은 면적을 갖는 사이즈로 형성될 수 있다. 또한, 메쉬 구조물(150)은 윅(Wick)으로서 기능하게 된다.
이러한 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 구체적 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 조립 상태에서의 구체적 단면도이고, 도 3은 도 2의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)에 대한 분해 단면도이다.
본 도면들을 참조하면, 상판(110)과 하판(130)의 접합을 위해서는, 제1 노출면(112)과 제2 노출면(132)의 가장자리를 따라서는 용접홈(114,134)이 형성된다. 용접홈(114,134)은 상판(110)과 하판(130)에 대한 에칭에 의해 형성될 수 있다. 이러한 용접홈(114,134)에 대해 레이저를 조사함에 의해, 상판(110)과 하판(130)은 서로 간에 용접에 의해 접합될 수 있다. 이러한 용접 접합에 의해, 용접점과 그 주변의 열변형을 최소화하여 용접성을 높이는 것과 동시에 열변형으로 인한 상판(110) 및 하판(130)의 소성변형(연질화)을 억제하여, 박형인 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 강성을 원형 그대로 유지하여 기존 대비 높은 텐션을 유지할 수 있게 된다.
상판(110)과 하판(130)을 비교하자면, 상판(110)이 제1 두께를 가질 때 하판(130)은 그 보다 작은 제2 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 두께가 0.25 mm라면, 제2 두께는 0.1 mm일 수 있다. 그에 의해, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100) 전체는 0.4 mm 정도의 얇은 두께를 갖게 된다. 나아가, 상판(110) 또는 하판(130)은 너비 15mm~200mm, 길이 40mm~200mm로 제작이 가능하다. 일반적인 구리 베이퍼 챔버의 경우, 중력 방향에 관계없는 작동 특성 확보를 위하여 소결(Sintering) 공정을 거치는데, 제조 공정의 한계로 인하여, 1.0mm 이하의 두께로는 제작이 불가능하고, 통상 2.5mm 수준의 제품이 양산 판매되고 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)는 베이퍼 챔버를 1.0mm 미만, 심지어는 0.4mm 두께 및 그 이하에서도 작동특성이 확보되는 제품을 만들 수 있게 한다.
상판(110)과 하판(130)의 두께 차로 인하여, 그들에서 기상 채널(170) 및 수용 공간(136)을 형성하기 위한 에칭의 깊이도 달라지게 된다. 예를 들어, 상판(110)에서 기상 채널(170)의 형성을 위한 에칭 깊이는 0.12 mm라면, 하판(130)에서 수용 공간(136)의 형성을 위한 에칭 깊이는 제2 두께보다 작은 깊이인 0.05 mm일 수 있다.
메쉬 구조물(150)은 하판(130)의 제2 구조면(131)에 설치될 수 있다. 구체적으로, 메쉬 구조물(150)은 수용 공간(136)에 수용될 수 있다. 앞서의 수용 공간(136)의 깊이에 대비하여, 메쉬 구조물(150)은 0.09 mm의 두께를 가질 수 있다. 그에 의해, 메쉬 구조물(150)의 두께는 수용 공간(136)의 깊이보다 크기에, 상판(110)에 의해 눌려져 탄성적으로 변형될 수 있다. 메쉬 구조물(150)은 액상의 작동 유체가 모세관력에 의해 응축부(CZ)로부터 증발부(EZ, 이상 도 4 참조)로 복귀하는 통로를 형성하게 된다.
메쉬 구조물(150)은 또한 금속 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 메쉬 구조물(150)은 상판(110) 또는 하판(130)과 동일한 금속, 예를 들어 구리 합금으로 형성될 수 있다. 메쉬 구조물(150)은 금속 재질이어서, 섬유 재질과 달리 열처리가 필요하지 않게 된다.
기상 채널(170)은 메쉬 구조물(150)과 마주한 채로 제1 구조면(111)에 위치할 수 있다. 기상 채널(170)은 앞서 설명한 바대로, 제1 구조면(111)에 대한 에칭에 의해 형성된다. 기상 채널(170)은 기상의 작동 유체가 열 에너지에 의해 증발부(EZ)로부터 응축부(CZ)로 유동하는 통로를 제공한다.
기상 채널(170) 내에는 간격유지 돌기(175)가 형성될 수 있다. 간격유지 돌기(175)는 기상 채널(170)에 대한 에칭 공정에서, 에칭되지 않은 부분으로 형성될 수 있다. 그에 의해, 간격유지 돌기(175)는 상판(110)에 형성될 수 있다. 간격유지 돌기(175)는 기상 채널(170) 내부의 진공에 의해 내부를 향해 작용하는 외부력에 상판(110)과 하판(130)이 서로를 향해 압축되는 것을 제한하여 기상 채널(170)이 그 형상을 안정적으로 유지할 수 있도록 한다. 간격유지 돌기(175)의 폭은 0.3 mm 내지 0.5 mm 수준으로 제작될 수 있다. 본 도면에서 간격유지 돌기(175)는 개념적으로 표현된 것이고, 그의 구체적 형태는 도 4를 참조할 수 있다.
하판(130)의 수용 공간(136)의 바닥에는 스크래치 영역(190)이 형성될 수 있다. 스크래치 영역(190)에는 미세한 폭의 홈이 형성된다. 상기 홈은 수용 공간(136)의 바닥면에 대해 금속 브러쉬를 이용해 기계적으로 형성될 수 있다. 브러쉬에 의해 형성된 홈은 방향성이 없이 무작위적인 형태를 가지거나, 일정 방향성을 가질 수도 있다. 스크래치 영역(190)은 메쉬 구조물(150)에 대응하는 사이즈로서 수용 공간(136)의 바닥면에 전반적으로 형성될 수 있다. 스크래치 영역(190)의 존재에 의해, 수용 공간(136)의 바닥면과 메쉬 구조물(150) 사이가 막혀서 액상의 작동 유체가 원활히 이동하지 못하는 문제가 해소될 수 있다. 그 경우, 작동 유체의 증발 및 응축이라는 순환 과정이 보다 원활하게 이루어져서, 베이퍼 챔버(100)의 방열 효율이 보다 향상될 수 있다.
이제, 도 4를 참조하여, 실제 제작된 제품인 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100')를 예로 들어 추가적인 구조를 설명한다. 도 4는 도 2의 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100)의 일 변형예에 따라 제작된 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버(100')의 분해 사진이다.
본 도면을 참조하면, 상판(110)에는 기상 채널(170)에 형성되고, 하판(130) 상에는 메쉬 구조물(150)이 얹혀진 상태이다.
상판(110)에 있어서, 간격유지 돌기(175)는 기상 채널(170) 내에 복수 개로 구비될 수 있다. 간격유지 돌기(175)는 대체로 원기둥 형태, 사각기둥 형태, 반구 형태 등의 형상을 가질 수 있다. 이러한 간격유지 돌기(175)들은 일 방향을 따라서 지그 재그 형태, 또는 격자 형태로 배열될 수 있다. 그에 의해, 기상의 작동 유체는 기상 채널(170)이 연장되는 방향에 구속되지 않고, 그 방향에 교차하는 방향으로도 확산될 수 있다. 또한, 간격유지 돌기(175)는 연속적으로 연장되는 벽이 아니라 원기둥 등의 단속적인 형태를 가지기에, 벽을 형성하는 방식보다 많은 공간을 확보할 수 있게도 한다.
도 5는 도 4의 하판(130)에 스크래치 영역(190)을 형성하는 과정을 설명하기 위한 사진이다.
본 도면을 참조하면, 하판(130)에 대한 스크래치 영역(190)을 형성하기 위해서는, 먼저 하판(130)의 제2 구조면(131)에 수용 공간(136)을 형성하면 된다. 수용 공간(136)은 앞서 설명한 바대로, 에칭 공정에 의해 전체적으로 직사각형 공간의 오목 홈으로 형성될 수 있다. 수용 공간(136)은 제2 구조면(131)의 대부분의 영역을 차지하는 사이즈를 가질 수 있다.
이후에, 수용 공간(136)의 바닥면에 대해서는 금속 브러쉬가 긁혀질 수 있다. 이를 위해, 작업자는 브러쉬를 손에 쥐고서 일 방향, 혹은 여러 방향으로 바닥면을 긁을 수 있다. 그에 의하면, 바닥면에는 미세한 홈이 일 방향, 혹은 다방향으로 형성된 스크래치 영역(190)이 구비되게 된다.
상기와 같은 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
예를 들어, 기상 채널(170)은 상판(110)의 제1 구조면(111)에만 형성되는 것으로 설명하였으나, 그가 하판(130)의 제2 구조면(131)에도 형성될 수 있다. 그 경우, 메쉬 구조물(150)을 기준으로 그의 양측에 기상 채널(170)에 형성될 수 있다.
메쉬 구조물(150)에 대해서는 그가 하판(130)에 형성된 수용 공간(136)에 수용되는 것으로 설명하였으나, 수용 공간(136)은 하판(130) 뿐 아니라 상판(110) 측에도 형성될 수 있다. 이를 위해서는 간격유지 돌기(175)의 높이를 기상 채널(170)의 깊이 보다 낮게 하면 된다. 그렇다면, 메쉬 구조물(150)은 하판(130)에 일부가 수용되고, 나머지는 상판(110)에 수용되는 상태가 될 것이다.
100,100': 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버
110: 상판 130: 하판
150: 메쉬 구조물 170: 기상 채널
190: 스크래치 영역

Claims (9)

  1. 제1 구조면을 구비하는 상판;
    상기 제1 구조면과 마주하는 제2 구조면을 구비하는 하판;
    상기 제1 구조면 및 상기 제2 구조면 중 적어도 하나에 에칭 공정에 의해 형성되고, 기상의 작동 유체가 열 에너지에 의해 증발부로부터 응축부로 유동하는 통로를 형성하는 기상 채널; 및
    상기 상판 및 상기 하판 중 적어도 하나 측에 에칭 공정에 의해 형성된 수용 공간에 수용되고, 액상의 작동 유체가 모세관력에 의해 상기 응축부로부터 상기 증발부로 이동하는 통로를 형성하는 금속 재질의 메쉬 구조물을 포함하는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기상 채널은 상기 상판에 형성되고,
    상기 수용 공간은 상기 하판에 형성되는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상판은 제1 두께를 갖고, 상기 하판은 상기 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가지며,
    상기 수용 공간은, 상기 제2 두께보다 작은 깊이로 형성되는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상판은,
    상기 기상 채널 내에서 돌출 형성되어, 상기 상판 및 상기 하판이 이격된 상태를 유지하게 하는 간격유지 돌기를 더 포함하는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 간격유지 돌기는,
    복수 개로 구비되어, 일 방향을 따라 지그 재그로 배열되는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메쉬 구조물은,
    상기 상판 및 하판과 동일한 금속 재질로 형성되는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하판은,
    상기 수용 공간의 바닥에 형성되는 스크래치 영역을 포함하는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스크래치 영역은,
    상기 수용 공간의 바닥이 금속 브러쉬로 긁힘에 의해 형성되는, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상판 및 상기 하판 각각은,
    외면에 형성되는 용접홈을 더 포함하고,
    상기 상판 및 상기 하판은,
    상기 용접홈에 대한 레이저를 조사함에 의해 서로 용접 결합된 것인, 윅 장착형 무방향성 베이퍼 챔버.
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