KR20210103533A - 엠이엠에스 애노드 배터리 - Google Patents

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KR20210103533A
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titanium
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wicking structure
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KR1020217022465A
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페이엄 보조르기
샤논 고트
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파이멤스, 인코포레이티드
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Abstract

본 출원은 탁월한 성능 속성을 가진 미세 제조된 미크론-크기의 배터리를 개시한다. 티타늄 애노드를 사용하는 배터리는 티타늄 애노드상에 다수의 양각 특징들을 형성하도록 에칭된다. 양각 특징들은 고 전도성 금속으로 공형적으로 코팅된다. 티타늄 층은 고 전도성 금속위에 형성된다. 이러한 티타늄 층은 산화되어 소형 거칠기를 추가로 제공한다. 거칠기는 애노드에 의해 리튬 이온의 흡수을 개선하는 표면 영역을 증가시킨다. 배터리는 배터리로부터 열을 제거함에 의해 성능을 추가로 강화시키기 위해 티타늄 열적 접지 평면과 조합될 수 있다.

Description

엠이엠에스 애노드 배터리
본 미국 특허출원은 2018년 12월 20일자 출원된 미국 가출원번호 62782367호에 대한 우선권을 주장한다. 이 이전 출원은 그의 전체가 참조로서 수록된다.
본 발명은 배터리 기술에 관한 것이다.
오늘날 이용 가능한 전원의 경우, 사용자들은 전력과 에너지 중에서 어느 하나를 선택해야만 한다. 장거리에 걸쳐 무선 신호를 방송하는 것과 같이, 많은 전력을 필요로 하는 애플리케이션들의 경우, 커패시터들은 매우 빠르게 에너지를 방출하지만 소량만을 저장할 수 있다. 장시간동안 라디오를 재생하는것과 같이, 많은 에너지를 필요로 하는 애플리케이션들의 경우, 연료 셀 및 배터리들은 많은 에너지를 유지할 수 있지만, 그것을 느리게 방출하거나 재충전할 수 있다.
리튬-이온 배터리(약어로 LiB라 함)들은 높은 에너지 밀도, 작은 메모리 효과 및 낮은 자기-방전(self-discharge)을 가진, 휴대용 전자 장치들을 위한 통상적인 배터리이다. 오늘날 널리 이용되고 있는 리튬 이온 배터리는 재충전 가능하며, 방전 동안에는 음극에서 양극으로 리튬 이온들이 이동하고, 충전시에는 그 반대로 되는 배터리이다. 리튬-이온 배터리들은, 재충전 불가능 리튬 배터리에서 이용되는 금속 리튬에 비해, 하나의 전극 물질로서 삽입된 리튬 화합물(intercalated lithium compound)을 이용한다. LIB들은 군대, 배터리 전기 자동차 및 항공 우주 애플리케이션들에 있어서 그 인기가 오르고 있다.
LIB들에 대한 가장 상업적으로 인기있는 음극은 흑연(graphite)이다. 양극은 일반적으로, (리튬 코발트 산화물(lithium cobalt oxide)과 같은) 층상 산화물(layered oxide), (리튬 철 인산염(lithoium iron phosphate)과 같은) 다가 음이온(polyanion) 또는 (리튬 망간 산화물과 같은) 스피넬(spinel)과 같은 3가지 물질들 중 하나이다. 최근에는, (그래핀(graphene)의 2D 및 3D 구조에 기초한) 그래핀 기반 전극들(graphene based electrode)이 리튬 배터리들에 대한 전극들로서 이용되고 있다. 전해질은, 전형적으로, 리튬 이온들의 복합체(complexes)를 함유한 디에틸 카보나이트(diethyl carbonate) 또는 에틸렌 카보나이트와 같은 유기 카보나이트의 혼합물이다. 보다 최근에는 애노드 물질로서 실리콘이 연구되고 있는데, 이는 큰 이론상 비용량(large theoretical specific capacity) 때문이다. 그러나, 실리콘은 매력적이지 않은 기계적 성질들을 가진다.
화학, 성능, 비용 및 안전 특성들은 LIB 유형들에 따라 다양하다. 최근에, 휴대용 전자 장치들은, 높은 에너지 밀도를 제공하지만 특히 손상시에 안전 위험을 나타내는 리튬 코발트 산화물에 기반한 LIB들을 이용한다.
사실, 리튬-이온 배터리들은 가연성 전해질을 함유하고 가압 상태로 유지될 수 있기 때문에, 그들은 안전상 위험할 수 있다. 순수 리튬(pure lithium)은 리튬 수산화물(LiOH) 및 수소 가스를 형성하기 위해 물과 활발하게 반응하는 고 반응성이다. 따라서, 비수용성 전해질(non-aqueous electrolyte)이 전형적으로 이용되며, 밀봉된 컨테이너는 배터리 팩(battery pack)으로부터 수분을 엄격하게 배제한다. LiB가 너무 빠르게 충전 또는 우그러지거나, 안전하게 다룰 수 있는 것보다 높은 전기적 부하를 받게 되면, 외부 단락(short circuit)이 배터리를 트리거하여 폭발하거나 화재를 일으킬 수 있다.
마지막으로, LiB들은 NiCd 배터리보다 고가이지만, 보다 높은 에너지 밀도로 보다 넓은 온도 범위에 걸쳐 동작한다. 그들은 피크 전압을 제한하기 위해 보호 회로를 필요로 한다.
따라서, 상업적으로 입수 가능한 리튬 이온 배터리(LIB)들은 많은 안전, 비용 및 신뢰성 문제들을 가진다. 흑연 애노드 LIB들은, 과충전, 과열 및 단락에 대한 어려움을 겪고 있다. 실리콘 기반 애노드 LIB들은 충전 및 방전 프로세스 동안에 큰 볼륨 변화를 겪으며, 이는 최종적인 실리콘 파괴 및 후속하는 부반응(side reaction)을 이끈다.
본 출원은, 특히 무게가 중요한 고려 사항인 애플리케이션을 위한 고 성능의 개선된 배터리를 개시한다. 그 배터리는 우수한 성능을 디스플레이하고, 증가된 저장 용량, 감소된 충전 시간, 보다 안전한 성능 및 보다 작은 형태 인자(samller form factor)를 가진다.
본 발명의 목적은 리튬 이온 배터리들에 비해 개선된 성능을 가진 작은 형태 인자(small form factor) 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬 이온 배터리 이상의 극도로 안전한 속성을 가진 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬 이온 배터리 이상의 개선된 재충전 성능을 가진 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬 이온 배터리보다 저가이고, 소형이며 가벼운 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬 이온 배터리보다 높은 전압 방전 플래토 용량(voltage discharge plateau capacity)을 가진 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 리튬 이온 배터리에 비해 친환경적인 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 탁월한 사이클링 안정성(cycling stability)을 가지며 그에 따라 리튬 이온 배터리보다 긴 수명을 가지는 작은 형태 인자 배터리에 관한 아키텍처를 제공하는 것이다.
본 명세서에서 설명된 아키텍처에서는 흑연 또는 그래핀이 티타늄-기반 물질로 대체된다. 특히, 카본을 대신하여 티타늄 산화물(TiO2)이 이용된다. TiO2은 본질적으로 흑연보다 높은 리튬 삽입 전위를 가지며, 수소 가스를 생성하지 않으며, 그에 따라 상술한 문제점을 피할 수 있다. MEMS-기반 제조 기술이 애노드의 모폴로지(morphology)에 집중된다.
본 명세서에서 제안된 아키텍처는 흑연 애노드를 티타늄-기반 물질로 대체한다. 티타늄-기반 애노드 LIB들은 상기 안전성 및 신뢰성 문제를 회피할 수 있지만, 상대적으로 낮은 비 에너지 용량(low specific energy capacity) 및 낮은 전기 전도성을 가진다. 예를 들어, 티타늄 합금 및 특히 티타늄 산화물(TiO2)은, 본질적으로, 흑연보다 높은 리튬 삽입 전위와, 다른 바람직한 성능 속성들의 어레이를 가진다.
이 아키텍처의 주안점은 LIB 애노드인데, 이는 그것이 에너지 및 전력 밀도를 상당히 제어하고 열적 안정성의 주요 플레이어(major player)이기 때문이다. 표면의 10nm 이내에서 TiO2내의 다수의 리튬 이온들이 검출되고 그 표면의 수 nm 이내에서 이들 리튬 이온들에 의해 큰 충전/방전 용량들이 이루어진다면, 애노드 표면 영역의 증가는 에너지 밀도에 상당한 영향을 줄 수 있다.
티타늄의 안전성 및 신뢰성을 가진 큰 표면 영역 애노드의 혜택을 이용하기 위하여, 본 명세서에 설명된 아키텍처는 MEMS 제조 기술을 이용하여, 돌출되거나 주변 표면보다 높게 솟아오른(standing proud), 본 명세서에서 "양각 특징(raised feature)"이라고 지칭되는, 3차원 표면 영역 윤곽들(3D surface area contours)을 제공한다. 3D 티타늄 MEMS 양각 특징들은, 나노 구조의 기둥 형태일 수 있으며, 평면 애노드에 비해 대략 150 정도의 표면 영역 증가를 제공한다. 그 다음, 이것은 표면 가까이에 보다 많은 리튬 이온 삽입 사이트들(lithium ion insertion sites)을 제공함으로써, 내부 저항을 감소시키고 에너지 및 전력 밀도를 증가시킨다.
본 명세서에서 설명된 아키텍처는 집적화된 전도성 네트워크의 추가를 통해 티타늄 기반 애노드에 공통된 전기적 저항 문제를 처리한다. 저 저항 금속 코팅(low resistivity metal coating)이 3D 애노드 표면위에 공형적으로 배치된다.
따라서, 배터리는 미세 제조된 전극 또는 단말(microfabricated electrode or terminal)을 이용한다. 그 전극 또는 단말들은 티타늄을 구비할 수 있으며, 표준 전극 모폴로지를 훨씬 초과하는 미세 거칠기(microroughness)를 가질 수 있다. 이러한 거칠기의 결과로서, 단말의 표면 영역은 표준 단말 또는 전극보다 훨씬 커지게 된다. Ti 애노드는 Li 이온 삽입/탈리 동안에 낮은 볼륨 변화를 디스플레이할 수 있다(4% 미만). Ti 애노드는 탁월한 구조적 및 화학적 안정성을 가질 수 있다.
Ti 애노드와 이전에 연관된 또 다른 문제는 낮은 전기 전도성이다. 이러한 단점은 Ti 기반의 큰 표면 영역 윤곽의 최상부상에 고 전도성 금속으로 된 얇은 층을 증착함에 의해 처리된다. 고 전도성 금속층은 TiO2 물질의 낮은 전도성을 강화시킨다.
그 다음 이러한 금속층은, nm 스케일의 거칠기를 가진 또 다른 Ti-기반 막으로 도포될 수 있다. 미세 거칠기화(microroughening) 절차에 있어서, TiO2의 이러한 외곽층(outer layer)은 평면 흑연 애노드로 획득할 수 있는 것보다 대략 150배까지 표면 영역을 증가시키는 소형 토포그래피(small scale topography)를 가질 수 있다. 이러한 방식에서는, 고 전도성의 금 네트워크(gold network)(즉, 낮은 저항/고 전도성 금속의 얇은 층)가 제공되어, NST 기둥들과 집적화됨으로써, Li+ 이온 운송을 지원하고 전자(e-) 경로의 저항을 감소시킨다. 이에 따라 보다 높은 삽입율의 애노드(higher insertion rate anode)가 가능해진다. 따라서, 이러한 아키텍처는 집적화된 전도성 네트워크의 추가를 통해 티타늄 기반 애노드에 공통된 전기적 저항을 처리한다. 이들 두가지 특징들은 전력 밀도를 크게 개선시키는데 이용될 수 있다.
따라서, 다수의 미세 제조된 양각 특징들을 구비한 금속 애노드를 포함하는 배터리가 설명되며, 미세 제조된 양각 특징들은 적어도 1의 종횡비(높이/직경)와 1 미크론과 50 미크론 사이의 피치(pitch)를 가질 수 있다. 배터리는 금속 애노드와 미세 제조된 양각 특징에 공형인 제 2 금속의 금속 코팅(metal coating)과, 금속 코팅상의 금속 산화물 층을 더 포함하며, 금속 산화물 층은 적어도 1nm rms의 미세 제조된 미세 거칠기를 가진다. 일부 실시 예에 있어서, 금속 애노드는 티타늄 금속 애노드일 수 있으며, 금속 산화물은 TiO2일 수 있다.
이하의 도면을 참조하여 다양한 예시적인 세부 설명이 이루어진다.
도 1은 현재의 실시에 따른 리튬 이온 배터리를 도시한 도면이다.
도 2는 미세 제조된 Ti MEMS 기반 애노드를 도시한 도면이다.
도 3은 기둥들과 NST의 주사 전자 현미경 이미지를 가진 미세 제조된 Ti MEMS 기반 애노드 개념을 도시한 도면이다.
도 4는 Ti MEMS 배터리 아키텍처를 도시한 간략도이다.
도 5는 패키징된 Ti MEMS 배터리를 도시한 간략도이다.
도 6은 상업적 흑연 애노드 LIB와 상업적으로 입수할 수 있는 티타늄-기반 애노드 LIB를 대비한 충전 및 방전 곡선을 도시한 도면이다.
도 7은 Ti MEMS 배터리 아키텍처의 안전성 장점을 도시한 도면이다.
도 8은 Ti MEMS 배터리 아키텍처의 성능 장점을 도시한 도면이다.
도 9는 SoA 마이크로 배터리에 대한 Ti MEMS 기반 애노드 배터리의 비교를 도시한 도면이다.
도 10은 Ti MEMS 배터리 아키텍처의 형태 인자 및 무게 장점을 도시한 도면이다.
도 11은 TiTGP에 결합된 진보성있는 LiTi를 도시한 도면이다.
도 12는 Ti MEMS 기반 애노드 배터리의 요구된 메트릭(metric)들과 추정된 성능간의 대비를 도시한 테이블이다.
도 13은 위킹 구조(wicking structure), 백플레인(backplane) 및 증기 챔버를 가진 티타늄 기판을 구비한, 티타늄 기반 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 14는 위킹 구조를 가진 종래의 티타늄 기판의 예시적인 실시 예를 도시한 도면으로서, 도 14a에서는 위킹 구조가 기둥들을 구비하고, 도 14b에서는 위킹 구조가 채널 또는 그루브들(grooves)을 구비한다.
도 15는 위킹 구조 및 증기 챔버와 상통(communication)하는 중간 기판을 가진 금속 기반 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다. 중간 기판은 마이크로구조들을 구비할 수 있다. 도 15a는 실시 예의 구성 요소들을 도시한 측면도이고, 도 15b는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 분해 조립도이다.
도 16은 예시적인 실시 예에 따른 구조적 구성 요소들을 도시한 도면으로서, 서로 다른 구조적 구성 요소들이 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 배치된다. 도 16a는 중간 기판이, 위킹 구조에 간삽된 다수의 마이크로구조들을 구비하는 실시 예의 증발기 영역을 도시한 도면이고, 도 16b는 중간 기판이 위킹 구조에 아주 인접하게 배치된 실시 예의 단열 영역을 도시한 도면이며, 도 16c는 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역을 도시한 도면이며, 도 16d는 중간 기판의 실시 예를 세부적으로 도시한 도면이다.
도 17은 구조들이 비-습성(non-wetted)(즉, 건성)이고 액체에 의해 습성으로 되는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 측면도의 예시적인 실시 예를 도시한 도면으로서, 도 17a는 증발기 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소를 도시한 도면이고, 도 17b는 증발기 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이며, 도 17c는 단열 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17d는 단열 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17e는 응축기 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17f는 응축기 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이다.
도 18은 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축방향 위치의 함수로서의 압력 프로파일을 도시한 도면이다. 곡선들은 증기 챔버에 있어서의 증기 페이즈(vapor phase)와 위킹 구조에 있어서의 액체 페이즈(liquid phase)의 압력을 보여준다. 이 경우, 증발기 영역에서 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 최대 압력차가 발생한다. 응축기 영역에서 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 최소 압력차가 발생한다.
도 19는 Q = 10, 20 및 30W의 열 부하(heat loading)하에서, 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축방향 위치의 함수로서의 온도 프로파일을 도시한 도면이다. 본 실시 예에 있어서, 증발기는 중앙에 있고, 양측에 단열 영역 및 응축기 영역이 있다.
도 20은 서로 다른 증기 온도들에 대해 티타늄 기반 열적 접지 평면에 대한 최대 열 전달들을 비교한 도면이다. 이 비교는 종래의 티타늄 열적 접지 평면과, 중간 기판을 이용한 본 열적 접지 평면(current thermal ground plane)의 예시적인 실시 예 간에 이루어진다.
도 21은 하나 이상의 실시 예들에 따른 본 Ti-기반 TGP(금속 기반 열적 접지 평면)의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 22는 본 Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다.
도 23은 중간 기판과 상통하는 위킹 구조의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다. 유효 종횡비는 유효 채널 폭(w)에 대한 유효 채널 높이(h)의 비로서 정의된다. 도 23a는 중간 기판내의 마이크로구조들이 위킹 구조들에 간삽된 예시적인 실시 예를 보여주고, 도 23b는 중간 기판내의 마이크로 구조들이 위킹 구조 위에 배치되는 대안적인 실시 예를 보여준다.
도 24는 배터리 애플리케이션에 이용하는데 적합한 다수의 열적 접지 평면들을 가진 열적 접지 평면의 제 1 실시 예의 간략 단면도이다.
도면들은 축척으로 도시되지 않았으며 유사한 번호는 유사한 특징을 나타낼 수 있음을 알아야 한다.
바람직한 실시 예의 이하의 설명에서는, 본 발명이 실시 될 수 있는 특정 실시 예를 예시적으로 보여주고 그의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 실시 예들이 이용될 수 있고 구조적 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.
도 1은 현재의 실시에 따른 리튬 이온 배터리를 도시한 도면이다. 리튬 이온 배터리에 있어서 전기 화학적 반응의 리액턴트(reactant)들은 음극(10), 양극(30) 및 리튬 이온들이 그 전극들간에 이동하기 위한 전도성 매체를 제공하는 전해질(20)이다. 전기 에너지는, 방전 및 충전 동안에 외부 회로를 통해 전자들이 흐를 때, 배터리부터 유출되거나 배터리로 유입된다. 양 전극들(10,30)은 리튬 이온이 삽입(사이에 끼우기(intercalation)) 또는 추출(삽입 제거(deintercalation))이라고 하는 프로세스에 따라 그들의 구조 안과 구조 밖으로 이동하게 한다.
방전 동안, 리튬 양이온들은 음극(10)(애노드)(종래의 흑연)에서 양극(30)(캐소드)으로 이동하여 전해질을 통해 리튬 화합물을 형성한다. 따라서, 전자들은 외부 회로(40)를 통해 동일 방향으로 흐른다. 셀이 충전중일 때에는, 반전이 일어나서 리튬 이온들과 전자들이 보다 높은 순 에너지 상태(net higher energy state)의 음극으로 되돌아간다. 리튬 화합물은, 예를 들어, 리튬 망간 이산화물(LiMnO2) 또는 리튬 코발트 이산화물(LiCoO2)일 수 있다.
리튬 이온 배터리에 있어서, 리튬 이온들은, 예를 들어, 전이 금속, 코발트(Co) 또는 망간(Mn)을 산화시킴에 의해 양극(30)으로/으로부터 또는 음극(10)으로/으로부터 운송된다. 전체적인 반응은 제한이 있다. 리튬 이온 배터리 충전 동안에, 리튬 이온은 캐소드로부터 이주하여 애노드에 스스로를 끼워 넣는다. 흑연 애노드가 리튬으로 충진됨에 따라, 전압이 강하하여 불안전한 전압 범위(unsafe voltage range)내로 진입할 수 있다. 이것을 과충전이라 한다. 과충전은 애노드 표면상의 리튬 증착으로 결과할 수 있으며, 이것은 단락으로 이어지거나, SEI(Solid Electrolyte Interphase)의 브레이크다운(breakdown)으로 이어져서, 과열을 유발한다.
리튬 이온 배터리들은 가연성 전해질을 함유하고 가압 상태로 유지될 수 있기 때문에, 안전상 위험할 수 있다. 순수 리튬(pure lithium)은 리튬 수산화물(LiOH) 및 수소 가스를 형성하기 위해 물과 활발하게 반응하는 고 반응성이다. 따라서, 비수용성 전해질(non-aqueous electrolyte)이 전형적으로 이용되며, 밀봉된 컨테이너는 배터리 팩(battery pack)으로부터 수분을 엄격하게 배제한다. LiB가 너무 빠르게 충전 또는 우그러지거나, 안전하게 다룰 수 있는 것보다 높은 전기적 부하를 받게 되면, 외부 단락(short circuit)이 배터리를 트리거하여 폭발하거나 화재를 일으킬 수 있다.
상업적으로 가장 대중적인 음극은 흑연이다. 그러나, 흑연은 과충전되기 쉽다. 추가적으로, (단락을 유발하는) 리튬 증착과 (과열을 유발하는) SEI의 브레이크다운은 저전압에 기인한 것이다. 그러므로, 흑연 애노드는 LiB들과 연관된 대부분의 위험원(source of much of hazard)이다.
본 명세서에서 설명된 아키텍처에서는 흑연 또는 그래핀이 티타늄-기반 물질로 대체된다. 특히, 카본을 대신하여 티타늄 산화물(TiO2)이 이용된다. TiO2은 본질적으로 흑연보다 높은 리튬 삽입 전위를 가지며, 수소 가스를 생성하지 않으며, 그에 따라 상술한 문제점을 피할 수 있다. MEMS-기반 제조 기술이 애노드의 모폴로지(morphology)에 집중된다.
다수의 미세 제조된 양각 특징들을 구비한 금속 애노드를 포함할 수 있는 배터리가 설명되며, 미세 제조된 양각 특징들은 약 10의 종횡비와 약 10 미크론의 피치(pitch)를 가질 수 있다. 배터리는 금속 애노드와 미세 제조된 양각 특징에 공형인 고전도성 금속 코팅(metal coating)과, 고전도성 금속 코팅상의 금속 산화물 층을 포함하며, 금속 산화물 층은 nm 스케일의 거칠기를 가진다. 일부 실시 예에 있어서, 금속 애노드는 티타늄 금속 애노드일 수 있으며, 금속 산화물은 TiO2일 수 있다. 그러나, 본 실시 예는 단지 예시적으로 것으로, 이러한 목적을 위해, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 스테인리스 스틸을 포함하는 아주 다양한 금속들이 이용될 수 있음을 알아야 한다. 외곽의 미세 걸치기의 산화물 코팅은 금속 애노드와 동일 금속의 산화물이거나 다른 화합물일 수 있다. "고전도성" 금속 코팅은 1.0 오옴-메타(ohm-meter) 미만의 저항성(전도성의 역수(reciprocal of conductivity))을 가진 금속 코팅을 의미함을 알아야 한다. 용어 "미세 제조된 미세 거칠기"는 본 명세서에서 약 0.1과 약 1000nm 사이의 스케일의, 금속 산화물 층상에 생성된 거칠기를 지칭하는데 이용된다. 통상적으로, 용어 "마이크로미터"는 10-6미터 치수를 지칭하기 위해 "미크론" 또는 "㎛"와 상호 교환 가능하게 이용된다. 용어 "나노미터" 또는 "nm"는 10-9미터의 치수를 지칭한다. 따라서, "나노-구조"는 대략 1000nm 또는 1 미크론 미만의 특성 치수를 가질 수 있다.
이하의 설명에 있어서, 티타늄 기반 배터리를 "MEMS Ti 배터리" 또는 "3D MEMS 배터리" 또는 "TiLi" 배터리라고 지칭한다. 이 용어들은 동의어인 것을 알아야 하며, 표면 영역을 증가시키기 위해 표면상에 미세 거칠기를 가진 Ti 산화물 오버코트(overcoat)와 전도성 금속 하부층을 가진 티타늄 기반 애노드를 이용하는, 이하에서 설명할 신규한 배터리 아키텍처를 지칭한다. 용어 "Ti-기반 애노드"는 우세 티나튬(a prepronderance of titanium) 또는 또 다른 요소와 합금된 티타늄을 구비한 애노드를 의미함을 알아야 한다. Ti 합금은 알루미늄, 바나듐, 카본, 질소, 산소, 수소, 철 또는 이테르븀을 포함할 수 있다. 이 목록은 단지 예시적인 것으로, 티타늄 합금 선택 사항 모두의 완전한 목록이 아니다.
이전에 설명한 바와 같이, 에너지 밀도는 모든 애노드 물질의 효율적인 이용이 가능한 큰 활성 표면 영역에 의해 개선될 수 있다. 애노드의 보다 큰 표면 영역을 달성하기 위해 현재의 LIB 기술에 있어서의 전형적인 평면 애노드 구조는 금 및 나노 구조 티타니아(Nano-Structured-Titania(NST))로 코팅된 3D Ti 마이크로 기둥 구조로 대체될 수 있다. 마이크로 기둥들은 이하에서 설명할 리소그래피 기술을 이용하여 쉽게 생성되는 형상을 가진다. 그러나, 이 형상은 단지 예시적인 것으로, 표면 영역을 증가시키기 위해 다른 많은 형상이 이용될 수 있다. 이러한 돌출 형상들을 보다 전반적으로 "양각 특징"이라고 지칭한다.
마이크로 기둥 구조들은 Panasonic E640 시스템상의 플라즈마 건식 에칭 방법들과 결합된 반도체 리소그래피 기술들(SUSS MA-6)을 이용하여 벌크 티타늄 호일(bulk titanium foil)들로부터 생성될 수 있다. 이 방법은 단지 예시적인 것으로, 예를 들어, 마스크를 통한 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching)과 같이, 토폴로지를 부여하는 다른 방법들이 존재할 수 있다. 1㎛의 직경, 10㎛의 높이 및 2㎛의 간격을 가진 주어진 기둥 구조의 경우, 4.5배로 증가될 수 있다. 그러나, 보다 일반적으로, 마이크로 기둥들은 10미크론 미만의 직경 및 적어도 10 미크론의 높이를 가질 수 있다. 따라서, 이 특징은 적어도 1, 보다 바람직하게는 적어도 10의 종횡비(직경에 대한 높이)를 가질 수 있다. (적어도 1의) 양각 특징의 이러한 종횡비는 금속 백플레인내로 중간 기판을 끼워 맞춤에 의해 위킹 구조에 형성되는 채널들의 "유효 종횡비"와는 다름을 알아야 하며, 이에 대해서는 도 16과 관련하여 특히 이하에서 설명하겠다. 미세 거칠기 특징이, 기둥 또는 원주와 같이, 정규 형상(regular shape)을 가지지 않으면, 그 종횡비는 특성 (평균 또는 rms) 직경에 대한 특성 높이(평균 또는 자승 평균 평방(root-mean-square))와 관련하여 정의될 수 있다. 특징들간의 "피치"는 특징들의 중앙 대 중앙간의 간격임을 알아야 한다. 미세 거칠기 특징들은 정규 간격(regular spacing)을 가지지 않으며, 예를 들어, 마스크를 통해 리소그래피적으로 형성될 수 있으며, 피치는 특성(평균 또는 자승 평균 평방) 피치와 관련하여 정의될 수 있다. 마이크로 기둥들을 형성하는 기술의 상세한 설명은, 티타늄 열적 모듈 또는 티타늄 열적 접지 평면(TiTGP)과 관련하여 이하에서 추가로 설명될 것이다.
각각의 기둥상에는, 예를 들어, 전자의 손쉬운 운송을 위한 전도성 네트워크를 형성하는 물리 기상 증착(테메스칼 E-빔)을 통해, 예를 들어, 금(Au)과 같은 제 2 금속의 얇은층이 증착될 수 있다. 금으로 된 층상에는, NST를 성장시키는데 이용되는, TiO2의 또 다른 얇은 층이 증착된다(테메스칼 E-빔). 가열된 수소 과산화물은 TiO2와 반응하여 TiO2에 복잡한 나노구조를 형성, 즉, 나노구조의 티타늄(NST)을 형성한다. NST가 전극-전해질 인터페이스를 가로질러 이온들의 인터페이스 전기 화학적 반응 및 플럭스(flux)를 증가시키는 작용을 함에 따라, 그 프로세스는 NST의 표면 영역을 최대화시키는데 최적화되어, 전하 운송 효율을 도모하고 용량을 강화시킨다.
NST가 리튬 이온의 운송 및 저장을 도모함에 따라, 금으로 된 층은 그들의 전자 카운트파트(electron counterpart)에 대한 용이한 이동을 생성한다. 전극내의 리튬의 저장은 낮은 전도성에 의해 악영향을 받으며, 이러한 전기적 저항 때문에, 리튬 이온들로부터의 일부 전자들은 외부 회로에 전달되지 못하게 된다. 그러므로, 배터리의 전력은 내부 임피던스에 의해 크게 좌우되는데, 이는 그들이 반비례 관계이기 때문이다. NST에 긴밀하게 인접한 금으로 된 층은 티타늄의 낮은 전도성을 극복하는 전자들에 대한 경로를 제공한다.
Ti 애노드와 연관된 이전의 일부 문제점들은 낮은 비 용량(low specific capacity)(전하/질량)이었다. 흑연은 372mAh/g의 비 용량을 가진다. 카본 나노-섬유들(CNF들)의 비 용량은 450mAh/g인 반면, TiO2의 비 용량은 단지 330mAh/g이다. 그러나, 이러한 성능 속성은 Ti-기반 애노드의 표면 영역을 증가시킴에 의해 크게 개선될 수 있다. MEMS 기술은 수천개의 양각 특징들(본 명세서에서는, 나노 구조 티타니아를 가진 3D 마이크로 기둥들)을 미세 제조함에 의해 표면 영역을 크게 증가시키는데 이용될 수 있다. 이것은, TiO2 애노드와 캐소드간의 전극-전해질 인터페이스-애노드를 가로지르는 Li 이온들의 인터페이스 전기 화학적 반응 및 높은 플럭스를 증진시킴에 의해 Li+ 이온 전하 운송 효율을 강화시킨다. 마이크로 구조의 기둥들 형태의 3D 티타늄 MEMS는 평면 애노드에 비해, 대략 150의 평면 영역의 증가를 제공할 수 있다. 이것은, 표면에 더 많은 리튬 이온 삽입 사이트들이 인접하는 것으로 해석될 수 있으며, 이는 내부 저항을 감소시키고 에너지 및 전력 밀도를 증가시킨다.
도 2는 상기에서 간략하게 설명한 시스템들 및 방법들에 따른 미세 제조된 Ti MEMS 기반 애노드를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, Ti 물질의 표면은 다수의 양각 특징들(1100)을 가지도록 미세 가공된다. 이들 특징들은 Ti 물질(1500)의 또 다른 표면에 대하여 높은 융기부일 수 있으며, 즉, 이 양각 특징들은 인접 표면보다 높게 솟아오를 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 양각 특징들은 전반적으로 원형 단면을 가지며 보다 낮은 표면에 대해 높은 기둥들의 어레이이다. 기둥들(1100)은, 기둥들에 대응하는 영역을 부식액(etchant)으로부터 보호하기 위해 마스크를 이용하여 티타늄을 에칭함에 의해 형성될 수 있다.
이 프로세스는 그 프로세스에서 에칭된 주변 물질보다 높게 솟아오른 양각 특징들을 남긴다. 기둥들은 약 1-8 미크론, 보다 바람직하기로는 약 5 미크론의 직경을 가지며, 잔여 표면보다 10-50 미크론, 보다 바람직하기로는 20미크론 높게 솟아오른다. 기둥들간의 피치는 약 10 미크론이다. 따라서 양각 특징들은 적어도 약 1, 보다 바람직하기로는 10의 종횡비(직경에 대한 높이)를 가질 수 있다. 마이크로 기둥들을 형성하는 기술의 상세한 설명은, 티타늄 열적 모듈 또는 티타늄 열적 접지 평면(TiTGP)과 관련하여, 이하에서 추가로 설명될 것이다.
기둥들(1100)은 고 전도성 물질(1200)로 도포될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 이 물질은 금일 수 있다. 그러나, 은, 구리, 백금 또는 알루미늄과 같은 다른 전도성 물질이 이용될 수 있다. 이러한 공형 전도성 코팅(1200)은, 예를 들어, 스퍼터링(sputtering) 또는 기상 증착에 의해 증착될 수 있다. 그 물질의 두께는 양호한 전도성에 충분할 필요가 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 층(1200)의 충분한 두께는 5-10 미크론이다.
최종적으로, 전도성 층(1200)은, 예를 들어, 티타늄(Ti)과 같은 산화 가능 금속으로 된 또 다른 층으로 도포될 수 있다. 티타늄은 나노 구조의 티타니아(NST)(1300)를 형성하도록 산화되어, 안정적이고 초친수성인 표면을 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 집적화된 나노 구조 티타니아(NST)를 가진 티타늄(Ti) 기판이 TiLi 배터리에 이용하는데 적합한 것임을 알게 되었다.
애노드 표면의 토포그래피를 제작하기 위해, 예를 들어, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은(이에 국한되지 않음) 금속들이 약 1-1000 마이크로미터 범위내의 제어 특성 치수들(controlled characteristic dimensions)(깊이, 폭 및 간격)로 미세 제조될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 특정 애플리케이션 전용 및 최적 성능을 위한 애노드 표면의 토포그래피를 제작하기 위하여, 제어 특성 치수들(깊이, 폭 및 간격)은 10-500 마이크로미터의 범위일 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은, 리튬 이온 삽입에 이용될 수 있는 표면 영역을 극적으로 증가시키기 위해, 미세 거칠기의 표면을 제공할 수 있는 나노 구조 티타니아(NST)(1300)를 형성하도록 산화된다. NST는 200 나노미터(nm)의 공칭 거칠기를 가진 모발형 패턴(hair-like pattern)들로 이루어질 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 1-1000nm의 공칭 거칠기를 가질 수 있다.
최종적으로, 전도성 층(1200)은 전도체(1200) 도포된 양각 특징들(1100)의 각각으로부터 전류를 수집하는 전류 콜렉터와 전기적으로 상통한다. 이들 특징들(1100, 1200, 1300 및 1500)들은 함께, 미세 가공된 티타늄 애노드(1000)를 구성한다.
도 3은 기둥들과 NST의 주사 전자 현미경 이미지를 가진 미세 제조된 Ti MEMS 기반 애노드 개념을 도시한 도면이다. SEM 이미지들은 TiO2를 형성하도록 산화되는 Ti의 공형 코팅 및 NST 미세 거칠기(1300)와 함께, 에칭된 양각 특징들로부터의 표면의 단계적 거칠기화(staged roughening)를 보여준다. 5 미크론 직경의 양각 특징들부터 대략 200nm의 NST 거칠기 까지의 그 특징들의 치수들이 도시된다. 전체 티타늄 애노드 구조(1000)는 50㎛ 만큼 작은 두께를 가질 수 있다.
작은 스케일의 거칠기 때문에 표면 영역을 크게 증가시킬 수 있는 나노 구조 티타니아(NST)를 형성하기 위해, 티타늄 산화에 의해 NST가 생성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 200나노미터(nm)의 공칭 거칠기를 가진 모발형 패턴으로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 1-1000nm의 공칭 거칠기를 가질 수 있다. NST를 생성하는 기술의 상세한 설명은 티타늄 열적 모듈 또는 티타늄 열적 접지 평면(TiTGP)과 관련하여, 이하에서 추가로 이루어질 것이다.
도 4는 티타늄 애노드(1000)의 미세 가공 표면들을 밀봉한 Ti MEMS 배터리 아키텍처를 도시한 간략도이다. 티타늄 애노드(100)의 미세 가공 표면들에 추가하여, 전해질(2100), 분리기(2200) 및 층형 리튬-전이 금속-산화 물질(2300)이 존재할 수 있다. 층형 캐소드 구조는 Li2MnO3+/LiMnO2로 된 얇은 층들을 구비할 수 있다. 대안적으로, LiMO2 물질들(M = Mn, Fe 및 Co)이 이용될 수 있다. 전류 콜렉터(2400)는 층형 리듐 구조 뒤에 배치되어, 캐소드로부터 전류를 수집할 수 있다. 전해질은, 예를 들어, 디에틸 카보나이트(diethyl carbonate) & 에틸렌 카보나이트의 50/50 혼합으로 된 1 M LiPE6일 수 있다.
다른 실시 예들에 있어서, 전해질은 고체 전해질일 수 있다. 고체 전해질은 실내 온도에서 리튬 이온을 전도시키며, 가연성 및 유독성의 종래의 유기 전해질을 잠재적으로 대체할 수 있다. 높은 Li 이온 전도성을 가진 황화 화합물(sulfide compound)은 흔하게 이용할 수 있는 것이 아니며, 그에 따라, 고체 상태 전해질 기반 Li 이온 배터리들의 개발은 이들 생산이 어려운 물질들의 광범위한 이용성의 결여로 인해 번거로웠다. 그러나, 현재의 첨단 물질들은, 잠재적으로 황화 물질들이 Li-이온 셀에 이용될 수 있게 하는 형태로 황화 물질들을 생성하기 위한 프로세스를 개발하는데 이용되고 있는 중이다. 다양한 산화물과, 비-산화물 고체 전해질 물질 합성물들(예를 들어, 황화물-기반)과, 폴리머-세라믹 조성물 전해질 및 PEO 기반 폴리머 고체 전해질과 함께, 예를 들어, 고체 전해질 물질(리튬 주석 인 황화물(Li10SnP2S))이 이용될 수 있다.
따라서, 티타늄 MEMS 기반 애노드 LIB 어셈블리가 도 4에 도시된다. 티타늄 MEMS 기반 애노드(1000)는, 전해질(2100), 분리기(2200), Li2MnO3-LiMO2 층 구조(2300) 및 캐소드(2400)와 함께 이용되며, 전체 두께는 300㎛이다. 아주 얇은 형태 인자 때문에, 10mm 두께의 배터리는, 하나의 패키지내에 적층된 최대 33개의 이들 셀 유닛들을 구비할 수 있다. 티타늄 애노드(1000)의 토폴로지는 도 2 및 도 3과 관련하여 이전에 설명하였다.
도 5는, 배터리 패키징내에 애노드와 캐소드를 가진 셀 유닛의 배터리 어셈블리를 보여주는, 패키징된 Ti MEMS 배터리를 도시한 간략도이다. 그 배터리는 축척으로 도시된 것이 아니며 구성 요소들을 보여주기 위해 확대되어 있음을 알아야 한다.
패키징 방식은 티타늄 고정 기술에 의존할 수 있다. 특히, 구성 요소들의 용접 밀폐(10-10atm. cc/sec의 헬륨 누출율)를 허용하는 티타늄 레이저 마이크로-용접 패키징 프로세스에 의해 구성 요소들이 캡슐화될 수 있다. 이 방법은 복합-형상 패키징 엔벨로프(complex-shape packaging envelop)들을 밀폐하는데 적용될 수 있다. 결과하는 패키지는 공형 및 가요성이 되도록 충분히 얇게 되며, 그에 따라 매우 다양한 신규한 애플리케이션을 가능하게 한다.
이러한 티타늄의 마이크로-레이저 용접은, 전기 피드스루(electric feedthrough)들이 그 패키징을 통해 전기적 경로를 공급하는 동안, 복잡한 표면 및 형상들의 용접 밀폐가 가능하게 한다. 얇은 호일(50㎛)의 경우, 패키징된 배터리의 열적 저항성은 최소로 되고, 사이클링동안 생성된 열은, 티타늄의 열적 전도성이 단지 22W/mㆍK일지라도, 쉽게 소산될 것으로 예견된다. 레이저 마이크로-용접에 대한 기술의 상세한 설명은, 티타늄 열적 모듈(TTM) 또는 티타늄 열적 접지 평면(TiTGP)과 관련하여, 이하에서 추가로 이루어질 것이다.
도 6은, 상업적인 흑연 애노드 LIB와 티타늄 기반 애노드 TiLi를 대비한 충전 및 방전 곡선을 도시한 도면이다. 도 6은, 티타늄 기반 애노드가, 본질적으로 남용 상태 동안에도, 불안전한 전압을 회피하고 있음을 보여준다.
리튬 이온 배터리 충전 동안에, 리튬 이온은 캐소드로부터 이주하여 애노드내에 그들 자신을 끼워 넣는다. 흑연 애노드가 리튬으로 충진됨에 따라, 전압이 강하하여 불안전안 전압 범위내로 진입할 수 있다. 이것을 과충전이라 하며, 이것은 애노드 표면상의 리튬 증착으로 결과하여, 단락으로 이어지거나, SEI(Solid Electrolyte Interphase)의 브레이크다운(breakdown)으로 이어져서, 과열을 유발할 수 있다. 결론적으로, 열 생성 및 열적 불안정성에 기여할 수 있는, SEI, 하부 애노드, 증착된 리튬 및 전해질간의 발열성 반응이 존재한다.
그러나, 티타늄 기반 애노드들은, 본질적으로 흑연보다 높은 리튬 삽입 전위로부터 혜택을 받는다(도 6 참조). 전압이 강하하고 티타늄 기반 애노드가 완전 충전 상태가 됨에 따라, 그것은 흑연이 그랬던것 처럼, 불안전한 전압 영역에 도달하지 않는다. 결과적으로, 남용 또는 과충전에서 과열 또는 단락으로의 확대가 회피되고, 열적 안정성이 수립된다.
도 7은 TiMEMS 배터리 아키텍처의 안전성 장점을 도시한 도면이다. 도 7은, 열적 폭주가 발생하여 심각한 자기 가속 열화(catastrophic self-accelerated degradation)를 유발하는 온도를 보여준다. 도 7에는 배터리 안전의 실질적 개선이 도시된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 고장 온도는 섭씨 300℃범위이며, 이는 경쟁 리튬 기반 배터리 기술(competing lithium-based battery technology)보다 훨씬 높다.
도 8은 TiMEMS 배터리 아키텍처의 성능 장점을 도시한 도면이다. TiLi는 시중의 다른 기존의 배터리 기술을 능가한다. 티타늄 애노드는, 본질적으로, 실리콘 및 흑연 애노드에 공통인, 노화 및 용량 페이드(aging and capacity fade)/제 1 사이클 용량 손실에 대한 추가된 보호를 가진다. 티타늄 MEMS 기반 애노드는 티타늄상의 낮은 고체 전해질 인터페이스 막을 이용하여 신뢰성있는 배터리 성능을 제공한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 용량 페이드는 500 사이클 후 단지 2%일 뿐이며, 1000 사이클 후에는 단지 5%일 뿐이다. 이것은 경쟁 기술에 비해 7배 개선을 나타낸다.
도 9는 SoA 마이크로-배터리와 제안된 TiMEMS 기반 애노드 배터리의 비교를 도시한 도면이다. 소위 SoA 배터리들은 리튬 기반 배터리들이며, 흑연 애노드는 실리콘 기반 애노드로 대체된다. 결정 실리콘 애노드는 이론적으로 4200mAh/g의 비 용량을 가지며, 이는 흑연과 같은 애노드의 비 용량(372mAh/g)의 10배 이상이다. 각각의 실리콘 원자는, 완전 리튬화된 흑연의 6 카본 원자당 1 리튬 원자(LiC6)에 비해, 완전 리튬화된 상태에서 최대 4.4 리튬 원자들을 결속시킬 수 있다(Li4 . 4Si). 그러나, 실리콘 원자들간의 격자 거리는, 그것이 리튬 이온들을 수용함에 따라(리튬 치환 반응) 크게 증가하여, 원래 볼륨의 320%에 이를 수 있다. 따라서, 물질 골절(material fracture)은 이러한 고안의 심각한 문제점이다. 그럼에도 불구하고, 도 9에 도시된 바와 같이, TiLi 배터리는 모든 카테고리에 있어서 실리콘 기반 마이크로 배터리를 능가한다.
도 10은 TiMEMS 배터리 아키텍처의 형태 인자 및 무게 장점을 도시한 도면이다. 그의 매우 얇은 형태 인자(300-400 미크론) 때문에, Ti 기반 배터리는 상대적으로 가요적일 수 있다. 보다 큰 규모로, 본 발명의 티타늄 MEMA 애노드는 다른 복잡한 토포그래피들에 부합할 수 있으며, 이는 본 발명의 배터리 애플리케이션에 가요성을 제공한다. 따라서, TiLi 배터리는 상대적으로 복잡한 형상에 들어 맞도록 만들어질 수 있다.
도 11은 TiMEMS 배터리 아키텍처의 성능 장점을 도시한 테이블 형태의 도면이다. 도 11에 있어서의 테이블은 에너지 용적 밀도, 패키지 두께 및 단위 무게당 에너지와 같은 추가적인 성능 메트릭들을 포함한다. 모든 메트릭에 있어서, TiLi 배터리는 요건을 충족하거나 초과한다.
마지막으로, TiLi 배터리는 혹독한 상태, 예를 들어, -45℃ 및 높은 고도에서 동작할 수 있다. 이러한 아키텍쳐에 의해 실질적으로 안전 및 신뢰성이 증가된다. 그것은, 상당수의 충전/방전 사이클들 후에도 그의 동작 전압을 유지할 수 있다. 그것은 높은 에너지 밀도 및 동작 전류를 유지할 수 있다. 그 디바이스를 냉각시키기 위해 티타늄 열적 모듈에 결합될 때, 성능이 더 좋아지며, 이에 대해서는 이하에서 추가로 설명하겠다.
잘 알려진 바와 같이, 배터리 성능은 높은 동작 온도에서 악화될 수 있다. 사실, 상술한 바와 같이, 과도한 온도는 LiB에 대한 우선적인 고장 모드이다. 열을 소산시키는 방법들이, 배터리 수명 및 성능을 개선시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 TiLi 배터리가 열 확산기/열 소산기에 결합됨을 도시한 도면이다. 이러한 열 확산기/열 소산기에 대한 편리한 아키텍처는 2017년 5월 9일자 출원되고 참조로서 인용되는, 공동 계류중인 미국특허출원일련번호 15/590621호에 설명된 것과 같이, 2-상 열적 접지 평면(2-phase thermal ground plane)이다. 도 12에 도시된 아키텍처를 이용하면, 열이 최소화될 것으로 예상되며, 사이클링 동안에 생성된 열은, 티타늄의 열적 전도성이 단지 22W/mㆍK일지라도, TiLI 배터리로부터 쉽게 소산될 것이다. 본 개시의 나머지는 도 12-24에 도시된 열적 모듈의 제조 및 설명에 관한 것이다.
일 실시 예에 있어서, TiLi는 2상 냉각 디바이스인, 티타늄 기반 열적 접지 평면과 결합된다. 2-상 냉각 장치들은 매우 높은 효율로 열을 전달할 수 있는 디바이스 중의 한 부류로서, 열 파이프, 열적 접지 평면, 증기 챔버 및 열 사이펀(thermosiphon)들 등을 포함할 수 있다. 예시적인 티타늄 기반 열적 모듈 또는 열적 접지 평면은 도 13에 전반적으로 도시된다.
일부 실시 예들에 있어서, 본 출원은 적어도 3개의 기판들을 포함하는 2-상 냉각 디바이스들을 제공한다. 일부 실시 예들에 있어서, 기판들 중 하나 이상은 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 스틸과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 미세 제조된 금속으로부터 형성된다. 일부 실시 예들에 있어서, 기판은 전자 디바이스들에 사용하기에 적합한 열적 접지 평면 구조로서 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 2-상 디바이스는 사전 결정된 량의, 적어도 하나의 적당한 작동 유체를 구비할 수 있으며, 그 작동 유체는 액체와 증기간의 상 변환에 의해 열을 흡수하거나 거부한다.
일부 실시 예들에 있어서, 2-상 냉각 디바이스들은, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 스틸과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 금속과, 위킹 구조를 형성하는 다수의 에칭된 마이크로구조들을 구비한 기판을 포함할 수 있으며, 마이크로구조들 중의 하나 이상은 약 1-1000 마이크로미터의 높이, 약 1-1000마이크로미터의 폭 및 약 1-1000마이크로미터의 간격을 가진다. 일부 실시 예들에 있어서, 증기 캐비티는 다수의 금속 마이크로구조들과 상통할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 적어도 하나의 중간 기판은 위킹 구조 및 증기 영역과 상통할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 유체는 열적 접지 평면의 한 영역에서 열적 접지 평면의 또다른 영역으로 열적 에너지를 운송하기 위한 증기 캐비티 및 위킹 구조내에 포함될 수 있으며, 그 유체는 위킹 구조내의 모세관력에 의해 추진된다.
일부 실시 예들에 있어서, 냉각 장치는 위킹 구조내에서 흐르는 액체의 점성 손실을 최소화하면서, 액체 페이즈(phase)와 증기 페이즈간의 큰 압력차를 지원하도록, 위킹 구조내의 모세관력이 높은 냉각 디바이스가 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 냉각 디바이스는 매우 얇게 만들어질 수 있고, 종래의 TGP에 의해 달성될 수 있는 것보다 많은 열적 에너지를 전달할 수 잇는 열적 접지 평면일 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 다른 구조적 구성 요소들이 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증발기 영역은, 위킹 구조와 매칭될 때 높은 유효 종횡비를 형성하는 다수의 마이크로 구조들을 구비한 중간 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판 특징들이 위킹 구조 특징들에 간삽되어, 위킹 구조의 유효 종횡비를 증가시킨다. 다시 말해, 중간 기판 특징들은 위킹 구조 특징들과 짝을 이루거나 그들 내에 공형적으로 끼워 맞추어져서, 높은 유효 종횡비 및 그에 따른 강화된 모세관 작용을 가진 유체 채널을 형성한다. 일부 실시 예들에 있어서, 단열 영역은 위킹 구조에 아주 근접하게 배치되어 위킹 구조에 있어서의 액체로부터 증기 챔버내의 증기를 분리하기 위한 중간 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 응축기 영역은, 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하도록 (마이크로구조에 비해) 큰 개구(open)들을 가진 중간 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 응축기 영역은, 위킹 구조가 증기 챔버와 직접 상통하도록, 중간 기판을 포함하지 않을 수 있다.
미세 제조된 기판들은, TGP(Thermal Ground Plane)들 형태일 수 있는, 보다 강인하고 내 충격성(more robust, shock resistant)의 2-상 냉각 디바이스들을 만드는데 이용될 수 있다. 이 기판들에 대해 다양한 물질들이 채용될 수 있지만, 참조로서 인용된 문서에서 설명된 바와 같이, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 스틸과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 금속이 TGP에 적합하다.
금속의 선택은 다양한 애플리케이션 및 비용 고려 사항에 의존할 수 있다. 다양한 금속들에 대한 장점들이 존재한다. 예를 들어, 구리는 모든 금속들 중 가장 높은 열적 전도성을 제공한다. 알루미늄은, 높은 열적 전도성이 중요하고 무게가 중요한 애플리케이션에 대해 바람직할 수 있다. 스테인리스 스틸은 특정의 혹한 환경에서 바람직할 수 있다.
티타늄은 많은 이점들을 가진다. 예를 들어, 티타늄은 높은 골절 인성(fracture toughness)를 가지며, 미세 제조 및 미세 가공될 수 있으며, 높은 온도에 강하고, 혹한 환경에 강할 수 있다. 추가적으로, 티타늄 기반 열적 접지 평면들은 가벼운 무게로 만들어질 수 있으며, 높은 열 전달 성능을 가질 수 있다. 티타늄은 펄스 레이저 용접될 수 있다. 티타늄이 높은 골절 인성을 가지기 때문에, 그것은 크랙(crack) 및 결함 전파에 강한 얇은 기판내에 형성될 수 있다. 티타늄은 대략 8.6×10-6/K의 비교적 낮은 열적 팽창 계수를 가진다. 얇은 기판과 결합된 낮은 열적 팽창 계수는 열적 부정합에 기인한 스트레스들을 실질적으로 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 티타늄은 산화되어, 안정적인 초친수성 표면을 형성하는, 나노 구조 티타니아(NST)를 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 집적화된 나노 구조 티타니아(NST)를 가진 티타늄(Ti) 기판은 TGP에 적당함을 알게 되었다.
특정 애플리케이션 전용의 최적 성능을 위한 위킹 구조 및 중간 기판을 제작하기 위해, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 스틸과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 금속들이, 약 1-1000 마이크로미터 범위의 제어 특성 치수들(깊이, 폭 및 간격)로 미세 제조될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 제어 특성 치수들(깊이, 폭 및 간격)은 특정 애플케이션 전용의 최적 성능을 위한 위킹 구조를 제작하기 위해, 10-500 마이크로미터 범위를 가질 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은 산화되어, 초친수성 표면들을 제공하고, 그에 의해 모세관력을 증가시키며 열 전달을 강화시키는, 나노 구조 티타니아(NST)를 형성할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, NST는 200 나노미터(nm)의 공칭 거칠기를 가진 모발형 패턴으로 이루어질 수 있다. 일부 실시 예에 있어서, NST는 1-1000nm의 공칭 거칠기를 가질 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 알루미늄은 친수성 나노 구조를 형성하도록 산화됨으로써, 초 친수성 코팅을 제공할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 초 친수성 표면을 제공하고, 그에 의해 모세관력을 증가시키며 열 전달을 강화시키기 위해, 소결된 나노 입자들 및/또는 마이크로 입자들이 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄 막을 형성하는 다른 유형의 기판상에 티타늄이 코팅될 수 있다. 나노 구조의 티타니아(NST)를 형성하고, 그에 의해 초 친수성 표면을 제공하기 위해, 티타늄 막이 산화될 수 있다.
티타늄은 청정실 프로세싱 기술을 이용하여 미세 제조되고, 기계 공장에서 매크로 가공되어 펄스형 레이저 마이크로 용접 기술을 이용하여 기밀하게 패키징될 수 있는 물질이다. 열적 접지 평면이 구조적 물질로서 단지 티타늄 또는 티타니아로 이루어지면, 응축 불가능 가스들을 생성할 수 있고 성능 약화에 기여하며 고장을 유발할 수 있는 오염 물질의 도입없이 다양한 구성 요소들이 제자리에서 레이저 용접될 수 있다. 추가적으로, 티타늄 및 티타니아는, 오랜 수명 및 최소한의 응축 불가능 가스 생성에 기여할 수 있는, 물과 양립 가능하다. 따라서, 티타늄 기판은, 기밀하게 밀봉된 증기 캐비티를 형성하기 위해, 레이저 용접에 의해 티타늄 백플레인에 접속될 수 있다.
기밀한 밀봉을 형성하기 위해 금속들이 접착될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 기밀한 밀봉을 형성하기 위해, 티타늄 기판들이 함께 펄스형 레이저 마이크로 용접될 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 땜납, 경납땜, 진공 경납땜, TIG, MIG 및 많은 다른 알려진 용접 기술과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 다양한 기술을 이용하여 구리, 알루미늄 및 스테인리스 스틸이 용접될 수 있다.
본 출원은 금속 기반 TGP들의 제조를 설명한다. 일반성의 상실없이, 본 출원은 3개 이상의 금속 기판들로 이루어질 수 있는 열적 접지 평면 실시 예들을 개시한다. 임의의 이러한 열적 접지 평면 또는 열적 모듈의 실시 예들은 상술한 TiLi 배터리와 함께 이용될 수 있다.
열적 접지 평면을 형성하기 위해, 실시 예는 3개의 기판들(그중 하나 이상은 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 스테인리스 스틸과 같은(이에 국한되는 것은 아님) 금속을 이용하여 구축될 수 있음)을 구비할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면을 형성하기 위해 티타늄 기판이 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 하나의 기판은 집적화된 초 친수성 위킹 구조(220)를 지지하고, 제 2 기판은 깊게 에칭된(매크로 가공된) 증기 캐비티로 구성되며, 제 3 중간 기판(110)은 마이크로 구조들로 구성되어 위킹 구조(220) 및 증기 챔버(300)와 상통한다. 기판은 함께 레이저 마이크로 용접되어 열적 접지 평면을 형성할 수 있다.
원하는 성능 특성들, 동작 온도, 물질 호환성 또는 다른 바람직한 특징들에 기초하여 작동 유체가 선택될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 일반성의 상실없이, 작동 유체로서 물이 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 일반성의 상실없이, 작동 유체로서, 헬륨, 질소, 암노니아, 고온 유기물, 수은, 아세톤, 메탄올, 에탄올, 헵탄, 펜탄, 세슘, 포타슘, 나트륨, 리튬 또는 다른 물질이 이용될 수 있다.
본 TGP는 종래의 티타늄 기반 열적 접지 평면에 비해 상당한 개선을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 상당히 높은 열적 전달, 보다 얇은 열적 접지 평면, 중력 영향을 덜 받은 열적 접지 평면 및 많은 다른 장점들을 제공할 수 있다.
다수의 기둥들, 채널들, 그루브들, 트렌치들 또는 다른 기하학적 구조들로부터 위킹 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 14a에는, 티타늄 위킹 구조(22)가 기둥들(24)로 구성되는 종래의 TGP가 도시된다. 도 14b에는, 티타늄 위킹 구조(22)가 티타늄 기판(21) 상의 채널들 또는 그루브들(28)로 구성되는 종래의 TGP가 도시된다.
도 15는 위킹 구조(220) 및 증기 챔버(300)와 상통하는 중간 기판(110)을 가진 신규한 금속 기반 열적 접지 평면의 실시 예를 도시한 도면이다. 중간층은 마이크로 구조(112)를 구비할 수 있다. 도 15a는 실시 예의 구성 요소들을 도시한 측면도이고, 도 15b는 실시 예의 구조적 구성 요소들의 분해 조립도이다. 금속 기판(210)은 기밀하게 밀봉된 증기 캐비티(300)를 형성하기 위해 금속 백플레인(120)에 접착될 수 있다. 그러므로, 증기 캐비티(300)는 금속 기판(210)과 금속 백플레인(120)에 의해 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 있어서, 티타늄 기판은 티타늄 백플레인(120)에 펄스형 레이저 마이크로 용접되어, 기밀하게 밀봉된 증기 캐비티를 형성할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 다수의 중간 기판들(110)이 이용될 수 있으며, 열적 접지 평면의 각각의 다른 영역에 대해 적어도 하나의 다른 중간 기판(110)이 이용될 수 있다. 다수의 중간 기판들(110)은 서로 밀접하게 배치되어, 열적 접지 평면의 기능성에 전체적인 혜택을 총괄적으로 제공할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 1-1000 마이크로미터 범위의 특성 치수들(깊이, 폭 및 간격)을 가진, 다수의 마이크로 구조(11)로 구성되는 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 10-500 마이크로미터 범위의 치수들(깊이, 폭 및 간격)을 가진 다수의 마이크로 구조(112)들로 구성되는 영역을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 중간 기판(110)은 다수의 마이크로 구조들(112)로 구성되는 영역들, 고체 기판들로 구성된 영역들 및 (마이크로 구조(112)에 비해 큰) 적어도 하나의 중간 기판(110)에 있어서의 적어도 하나의 개구들로 구성된 영역들을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 개구는 1-100 밀리미터, 또는 1-1000 밀리미터 범위내일 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면의 선택된 영역들에 대한 중간 기판 기판(110)의 개구는 단순히 이들 영역들내에 중간 기판(110)을 제공하지 않음에 의해 달성될 수 있다. 열적 에너지(250)는 히트 소스(heat source)(250)에 의해 공급되고 히트 싱크(heat sink)(260)에 의해 제거될 수 있다. 열적 에너지는 금속 기판(210)의 한 영역(증발기 영역)에서 금속 기판(210)의 다른 영역(응축기 영역)으로 전달될 수 있다. 증발기 영역에 있어서, 국부 온도는 액체/증기 혼합의 포화 온도보다 더 높으며, 이것은 액체가 증기로 증발하게 함으로써, 잠재 증발열(latent heat of vaporization)에 기인한 열적 에너지가 흡수된다.
증기 챔버(300)에 잔류하는 증기는 증발기 영역에서 단열 영역을 통해 응축기 영역으로 흐를 수 있다. 히트 싱크(260)는 응축기 영역으로부터 열을 흡수하여, 국부 온도가 액체/증기 혼합물의 포화 온도보다 낮아지게 하며, 이는 증기가 액체 페이즈로 응축되고 하고, 그에 의해 잠재 증발열에 기인한 열적 에너지가 방출된다.
응축된 액체(140)는 대부분이 위킹 구조(220)에 잔류할 수 있으며, 모세관력의 결과로서 응축기 영역에서 단열 영역을 통해 증발기 영역으로 흐를 수 있다.
그 결과, 고성능의 히트 파이프(heat pipe)들이 (1) 위킹 구조(220)를 통해 흐르는 액체(140)에 대해 최소의 점성 손실을 나타내고, (2) 증발기 영역에서 최대의 모세관력을 나타내는 장점을 가질 수 있다. 많은 실제적인 열적 접지 평면 실시 예들에서는, 최소의 점성 손실 및 최대의 모세관력을 동시에 달성하기 어렵다. 이들 3 영역들의 각각에 있어서 적절하게 구성된 다수의 마이크로 구조들(112)을 가진 중간 기판(110)을 도입하면, 내부의 대부분에 걸쳐 거의 동일한 구조를 가진 종래의 TGP에 비해, 열적 접지 평면이 일부 영역들에서는 감소된 점성 손실을 가지는 반면, 다른 영역들에서는 증가된 모세관력을 나타내는 수단이 제공될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 백플레인(120)과 위킹 구조(220) 및/또는 중간 기판(110)간의 간격을 기계적으로 지지하기 위하여, 지지 기둥들(스탠드오프들(standoffs))이 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 지지 기둥들(스탠드오프들)은 증기 챔버(300)에 제어 간격(controlled spacing)을 제공한다. 지지 기둥들(스탠드오프들)은 (상술한 바와 같이) 화학적 습식 에칭 기술 또는 다른 제조 기술들을 이용하여 미세 제조될 수 있다. 따라서, 백플레인은, 열적 접지 평면을 구조적으로 지지하기 위한, 중간 기판 및/또는 금속 기판과 상통하는 스탠드오프들을 포함할 수 있다.
도 16은 서로 다른 구조적 구성 요소들이 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역에 배치되는 예시적인 실시 예에 따른 구조적 구성 요소들을 도시한 도면으로서, 도 16a에는 중간 기판(110)이 위킹 구조(22)의 유효 종횡비를 증가시키도록 배치된 다수의 마이크로 구조들을 구비한, 실시 예의 증발기 영역이 도시된다. 중간 기판(110)으로부터의 핑거(finger)들(마이크로 구조(112))이 위킹 구조(220)의 채널들에 간삽되며, 그에 의해 중간 기판(110)이 없는 위킹 구조(220)의 낮은 유효 종횡비의 특징들에 비해, 높은 유효 종횡비의 특징들의 개수가 2배로 된다. 도 16b는 중간 기판(110)이 위킹 구조(220)에 아주 인접하게 배치된 실시 예의 단열 영역을 도시한 도면이며, 도 16c는 위킹 구조(220)가 증기 챔버(330)와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역을 도시한 도면이며, 도 16d는 중간 기판(110)을 전체적으로 도시한 도면이다.
따라서, 열적 접지 평면은 증발기 영역, 단열 영역 및 응축기 영역을 가질 수 있다. 그 다음, 중간 기판은 다른 영역들에 있어서, 특히 단열 영역에 대해 상대적으로 증발기 영역에 다른 토폴로지를 가질 수 있다.
도 16a에는 중간 기판(110)이, 금속 기판(210)의 위킹 구조(220)에 간삽된 다수의 마이크로 구조들(112)을 구비하는 실시 예가 도시된다. 중간 영역의 마이크로 구조들(112)을 금속 기판(210)의 위킹 구조(220)에 간삽함에 의해, 고체와 액체간의 인터페이스가 실질적으로 증가될 수 있다. 이것은, 액체에 가해지는 모세관력을 증가시킬 수 있으며, 금속 고체에서 액체로 전달되는 열의 양을 증가시킬 수 있다.
도 16b에는 중간 기판(110)이 위킹 구조(220)에 아주 인접하게 배치된 실시 예의 단열 영역이 도시된다. 고체 중간 기판(110)은 증기 챔버(300)를 위킹 구조(220)로부터 이격시키는데 이용될 수 있다. 증기 챔버(300)를 위킹 구조(220)로부터 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 영역은 증가될 수 있으며, 액체는 채널을 점유하는 메니스커스(meniscus) 없이 위킹 구조(220)에 실질적으로 충진될 수 있으며, 이것은, 액체/증기 인터페이스에 메니스커스가 잔류한 채, 위킹 구조(220)내의 액체가 증기 챔버(300)내의 증기에 직접 노출될 수 있는 종래의 TGP에 비해, 점성 압력 강하가 줄어든 액체에 보다 높은 질량 흐름률(higher mass flow rate)을 제공할 수 있다.
도 16c에는 위킹 구조(220)가 증기 챔버(330)와 직접 상통하는 실시 예의 응축기 영역이 도시된다. 위킹 구조(220)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하면, 증기는 위킹 구조(220) 상에서 보다 쉽게 응축될 수 있다. 추가적으로, 응축기와 같은 영역에서는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 압력차가 크지 않을 수 있으며, 중간 기판 기판(110)은 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다.
그러나, 다른 실시 예에 있어서, 응축기 영역이 비교적 크고, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 압력차가 큰 경우에는, 또한 응축기 영역내의 중간 기판(110)이 이점을 제공할 수 있다.
도 16d에는 상술한 바와 같은 중간 기판(110)의 구현의 예시적인 실시 예가 도시된다. 중간 기판(110)의 증발기 영역은, TGP가 조립될 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판 위킹 마이크로 구조들(112)에 핑거들이 간삽되도록, 각 단부에 걸쳐 지지되는 웨지 형상의 핑거들의 열을 포함하며, 간삽된 구조는 증기 챔버(300)에 노출된다. 중간 기판(110)의 단열 영역에서는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 위킹 구조(112)의 일부 위에 커버가 놓인다. 응축기 영역은 도 4c에 도시된 바와 같이 일부 실시 예에서는 중간 기판(110) 구성 요소를 필요로 하지 않을 수 있다.
종횡비는 통상적으로 구조의 하나의 주요 치수와, 그 구조의 또 다른 주요 치수간의 비율로서 정의된다. 히트 파이프 애플리케이션에 이용되는 기둥들, 채널들, 트렌치들, 그루브들 및 다른 특징들의 경우, 유효 종횡비는 위킹 구조(220)를 통해 흐르는 액체(140)와 같은, 액체에 의해 점유된 영역의 높이와 폭간의 비율을 지칭한다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은, 위킹 구조(220)와 조합하여, 단지 위킹 구조(220)에 의해 제공되는 유효 종횡비보다 실질적으로 높은 유효 종횡비를 제공하는 (도 16a에 예시적으로 도시된), 하나의 섹션을 포함할 수 있다. 다시 말해, 중간 기판(110)은 위킹 구조(220)에 공형적으로 끼워 맞추어져서, 모세관력에 의해 유체가 추진되는 좁은 유체 통로를 형성하는 다수의 돌출부들을 가진 영역을 가질 수 있다. 돌출부는 도 16a에 도시된 바와 같이 위킹 구조(220)의 특징들에 끼워 맞추어지는 형상일 수 있다.
습식 화학적 에칭과 같은, 일부 바람직한 미세 가공 프로세스의 경우, 위킹 구조(220)에서 높은 종횡비를 달성하기 어려울 수 있다. 2개의 구조들을 간삽하면, 단일 습식 에칭된 구조를 이용하여 달성할 수 있는 것 보다, 위킹 구조에 있어서의 높은 유효 종횡비를 달성할 수 있다. 중간 기판(110)은, 점성 손실을 최소화하고, 위에 매우 근접하게 있는 증기로부터 액체를 이격시키며 흐름 용량(flow volume)을 개선하기 위해, 기본적으로 위킹 구조상의 캡(cap)인 (도 16b에 예시적으로 도시된) 또 다른 섹션을 포함할 수 있다. (도 16c에 예시적으로 도시된 바와 같은) 제 3 섹션에 있어서, 중간 기판(110)은, 위킹 구조(210)와 증기 영역간의 직접적인 상통을 도모하고 응축을 증진시키기 위해, 상기 마이크로구조들(112)보다 더 개방된 개구들로 구성된다. 따라서, 중간 기판의 개구들은 실질적으로 상기 마이크로구조들보다 더 개방되어 있을 수 있으며, 그에 따라, 위킹 구조와 증기 챔버는 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에서 직접 상통할 수 있다.
따라서, 중간 기판(110)의 추가는 습식 에칭 기술들 및 어셈블리 기술들과 같은 미세 가공 프로세스들과 호환 가능한 방식으로 및 냉각 디바이스의 3 동작 영역들의 각각에서 위킹 구조(220)의 최적화를 허용한다.
일반성의 상실없이, 위킹 구조(220)는 건식 에칭, 습식 화학적 에칭, 다른 형태의 미세 가공, 매크로 가공, 다이싱 톱(dicing saw)으로의 톱질(sawing) 및 많은 다른 유형의 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 건식 에칭은, 깊이가 채널들의 폭에 필적하거나 그보다 더 큰, 높은 종횡비 채널을 제공할 수 있다. 그러나, 건식 에칭은 보다 작은 영역에 국한될 수 있으며, 습식 에칭 프로세스에 비해, 대규모 제조(large-scale manufacturing)에 대해서는 바람직하지 않을 수 있다. 마스크 기반 습식 에칭은, 그것이 상대적으로 큰 에칭 영역에 적용될 수 있고, 원가 효과적이며, 고 용적 제조(high-volume manufacturing)와 호환 가능함에 따라 바람직할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 건식 또는 습식 에칭에 포토리소그래피 기반 방법들이 이용될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)는 표준 습식 화학적 에칭 기술에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 습식 화학적 에칭은 위킹 채널 폭에 대한 위킹 채널 깊이의 비율인, 종횡비를 제한할 수 있다. 습식 에칭을 이용하는 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 채널 폭은 위킹 채널 에칭 깊이보다 적어도 2 내지 2.5배 더 넓을 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 채널 폭이 위킹 채널 에칭 깊이보다 적어도 2 내지 2.5배 더 넓으면, 낮은 종횡비의 위킹 채널에게 큰 단점으로 된다.
증기 페이즈와 액체 페이즈간의 압력은 라플라스 압력(Laplace pressure), 즉, △P = Pυ - Pι = 2γ/R에 의해 설명될 수 있으며, 여기에서, Pυ은 증기 압력이고, Pι은 액체 압력이며, γ은 표면 장력이고, R은 표면의 곡률 반경이다. 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 높은 압력차는 곡률 반경 R을 감소시킴에 의해 획득될 수 있다.
일반적으로, 작은 곡률 반경은 낮은 콘택트 각도(contact angle)를 나타내는 재질 표면을 가짐에 의해 및 상대적으로 작은 기하학적 치수들을 가진 기하학적 특징을 형성함에 의해 달성될 수 있다. 많은 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)를 통해 흐르는 액체에 대해 낮은 점성 손실을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 위킹 구조(220)에 있어서의 작은 기하학적 치수들은 위킹 구조(220)를 통해 흐르는 액체의 점성 손실을 크게 증가시킬 수 있다. 그러므로, 일부 실시 예들에 있어서, 낮은 점성 손실을 달성하고, 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 높은 압력차를 유지시킬 수 있는 작은 곡률 반경을 가진 메니스커스를 가지는 것이 어려울 수 있다. 본 출원은, 최대 모세관력이, 예를 들어, 증발기 영역에 있어서 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차를 유지시키도록 일부 실시 예가 구성될 수 있는 수단을 개시한다. 본 출원은, 일부 실시 예가 다른 영역들에는 다른 구조들을 이용함에 의해, 위킹 구조(220)에 흐르는 액체의 점성 손실을 최소화하도록 구성될 수 있는 수단을 개시한다.
도 17은 구조들이 비-습성(non-wetted)(즉, 건성)이고 액체에 의해 습성으로 되는 예시적인 실시 예의 구조적 구성 요소들의 측면도를 도시한 도면으로서, 도 17a는 증발기 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소를 도시한 도면이고, 도 17b는 증발기 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이며, 도 17c는 단열 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17d는 단열 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17e는 응축기 영역내의 비-습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이고, 도 17f는 응축기 영역내의 습성의 구조적 구성 요소들을 도시한 도면이다.
도 17a에는 중간 기판(110)이, 금속 기판(210)의 위킹 구조(220)에 간삽되는 다수의 마이크로구조들(112)을 구비하고, 마이크로 구조(112) 및 위킹 구조(220)가 액체(140)에 의해 습성으로 되는 예시적인 실시 예의 측면도가 도시된다.
중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)에 금속 기판(210)의 위킹 구조(220)를 간삽함에 의해, 고체와 액체(140)간의 인터페이스 영역이 실질적으로 증가될 수 있다. 이것은, 액체(140)에 가해지는 모세관력을 증가시킬 수 있으며, 금속 고체에서 액체(140)로 전달되는 열량을 증가시킬 수 있다.
도 17b에는, 액체-증기 인터페이스에 있는 메니스커스(180)가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)에 포함된 다수의 마이크로구조들(112)과 위킹 구조(220)간의 갭들은, 그들이 위킹 구조(220)의 깊이 보다 실질적으로 작게 되도록 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)에 포함된 다수의 마이크로구조들(112)과 위킹 구조(220)간의 상대적으로 작은 갭들은, (통상적이고 도 16c에 도시된 바와 같이) 단일 금속 기판(210)을 습식 에칭함에 의해 위킹 구조(220)가 형성되는 일부 실시 예들에 비해, 보다 높은 유효 종횡비의 위킹 채널을 제공할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 티타늄은 기판 물질로서 이용될 수 있다. 티타늄의 열적 전도성은 대략 kTi = 20W/(mK)이고, 액체 물(liquid water)은 대략 kW = 0.6W/(mK)이다. 티타늄의 열적 전도성이 대략 액체 물보다 30배 더 높기 때문에, 중간 기판(110)이 추가적인 열적 전도 경로를 제공할 수 있게 되어, 열적 접지 평면의 외부 표면과 위킹 구조(220)에 배치된 액체(140)간의 열적 저항(thermal resistance)이 감소될 수 있게 된다. 또한, 중간 기판(110)내에 포함된 마이크로구조들(112)은 고체-액체 인터페이스 영역을 증가시킬 수 있게 되며, 그에 따라, 열적 저항이 감소되고, 티타늄 고체와 액체(140)간에 발생할 수 있는 임계 열속(critical heat flux)이 증가될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)와 중간 기판(110)의 조합은 위킹 구조(220)에 있어서의 채널들의 유효 종횡비를 사실상 증가시킬 수 있다. 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 매우 큰 압력차 하에서, 메니스커스(180)는 아래로 눌릴 수 있으며 위킹 구조(210)의 최상부를 적시지 않을 수 있다. 그러나, 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)의 마이크로구조들(112)을 위킹 구조(220)에 간삽함에 의해 형성되는 합성 위킹 구조(220)의 형상은, 메니스커스(180)를 가로지르는 큰 압력차 하에서 (TGP가 계속적으로 기능하도록) 위킹 구조(220)가 단지 부분적으로만 건조되고(또는 적어도 건조가 실질적으로 지연될 수 있게 하고) 열적 접지 평면이 심각하게 건조되지 않게 되도록, 선택될 수 있다.
이전의 2-페이즈 열 전달 디바이스들에서는, 액체 페이즈가 증기 페이즈로 변환됨에 따라 증발 및/또는 보일링(boiling)으로 인해 불안정성이 발생할 수 있다. 이러한 불안정성은 위킹 구조(220)의 국소적 건조를 유발할 수 있으며, 열적 접지 평면의 성능을 열화시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 본 실시 예들 중의 일부에서 실질적으로 감소될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)에 중간 기판들(110)의 마이크로구조들(112)을 간삽함에 의해 형성되는 위킹 구조(220)의 형상은, 위킹 구조(220)에 있어서의 액체 흐름에 대해 실질적인 점성 저항이 존재할 수 있도록, 선택될 수 있다. 이러한 점성 저항은, 그것이 증발기에서 발생할 수 있는 증발 및/또는 보일링 프로세스의 안정성을 증가시킬 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
도 17c에는, 중간 기판(110)이 위킹 구조(220)에 아주 밀접하게 배치되는 예시적인 실시 예의 단열 영역의 측면도가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 위킹 구조(220) 바로 위에 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 마이크로 구조들(112)로 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 고체 중간 기판(110)은 위킹 구조(220)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 위킹 구조(220)로부터 증기 챔버(300)를 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 영역이 증가될 수 있으며, 액체(140)가 위킹 구조(220)에 실질적으로 충진됨으로써, 종래의 위킹 구조(220)에 비해, 점성 압력 강하(less viscous pressure drop)가 줄어든 액체의 보다 높은 질량 흐름율을 제공할 수 있다.
도 17d에는 중간 기판(110)이 위킹 구조에 밀접하게 배치되고 액체(140)가 위킹 구조(220)를 적시는 예시적인 실시 예의 단열 영역의 측면도가 도시된다. 고체 중간 기판(110)은 위킹 구조(220)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 위킹 구조(220)로부터 증기 챔버(300)를 이격시킴에 의해, 고체-액체 인터페이스 영역이 증가될 수 있으며, 액체(140)는 위킹 구조(210)에 실질적으로 충진될 수 있고, 그에 따라 종래의 위킹 구조(220)에 비해, 점성 압력 강하가 줄어든 액체의 보다 높은 질량 흐름율을 제공할 수 있게 된다.
일부 실시 예들에 있어서, 고성능의 열적 에너지 전달이 요망되는 경우, 단열 영역내의 액체의 점성 손실을 감소시키는 것이 중요할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 중간 기판(110)은 위킹 구조(220)내의 액체로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)내의 액체와 증기간에 큰 압력차가 존재하는 경우, 증기 챔버(300)는 고체 중간 기판(110)에 의해 위킹 구조(220)내의 액체로부터 이격될 수 있으며, 그에 따라 높은 압력차가 위킹 구조(220)내의 액체 흐름에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
종래의 TGP에서는, 습식 에칭된 위킹 채널들이 낮은 종횡비들(즉, 채널 폭에 대한 채널 높이의 낮은 비율)을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증기 페이즈와 액체 페이즈간에 큰 압력차가 존재하면, 액체 페이즈가 위킹 채널을 완전하게 충진하지 못하고, 위킹 구조(220)를 통하는 액체(140) 흐름이 악영향을 받을 수 있으며, 위킹 채널의 건조를 이끌 수 있다. 본 개시의 일부 실시 예들에서는, 중간 기판(110)이 위킹 구조(220)에 포함된 액체(140)로부터 증기 챔버(300)를 이격시키는데 이용될 수 있으며, 위킹 구조(220)의 건조를 지연시키거나 아예 방지할 수 있다.
도 17e에는, 위킹 구조(220)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하는 예시적인 실시 예의 응축기 영역의 측면도가 도시된다. 위킹 구조(220)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하면, 증기는 위킹 구조(210)상에서 보다 쉽게 응축될 수 있다. 또한, 응축기와 같은 영역들에서는 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재하지 않을 수 있으며, 중간 기판(110)이 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다. 그러나, 응축기 영역이 큰 경우에는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재할 수 있으며, 그에 따라, 응축기 영역은 마이크로 구조들(112)을 가진 적어도 하나의 중간 기판(110)으로부터 혜택을 받을 수 있을 것이며, 그 혜택은 위킹 구조(220)의 종횡비를 증가시키는 것이고, 그에 의해, 메니스커스(180) 길이가 단축되고, 그럼으로써, 증발기 영역에 대해 상기에서 설명한 바와 같이, 메니스커스(180)가 유지할 수 있는 압력량이 증가된다.
도 17f에는 위킹 구조(220)가 증기 챔버(300)와 직접 상통하고, 위킹 구조(220)가 액체(140)에 의해 습성화되는 예시적인 실시 예의 응축기 영역의 측면도가 도시된다. 일부 실시 예들에 있어서, 위킹 구조(220)내의 액체(140)와 증기 챔버(300) 간에 큰 압력차가 존재하지 않을 수 있으며, 중간 기판(100)이 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다. 그러나, 응축기 영역이 큰 경우에는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간에 큰 압력차가 존재할 수 있으며, 그에 따라, 응축기 영역은 마이크로 구조들(112)로부터 혜택을 받을 수 있을 것이며, 그 혜택은 위킹 구조(210)의 종횡비를 증가시키는 것이고, 증발기 영역에 대해 상기에서 설명한 바와 같이, 메니스커스가 유지시킬 수 있는 압력량을 증가시키는 것이다.
도 18에는 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축 위치 함수로서의 압력 프로파일들이 도시된다. 곡선은 증기 챔버(300)내의 증기 페이즈와 위킹 구조(220)내의 액체 페이즈의 압력을 보여준다. 예시적인 실시 예에 있어서, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 최대 압력차는 증발기 영역에서 발생할 수 있다. 예시적인 실시 예에 있어서, 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 최소 압력차는 응축기 영역에서 발생할 수 있다.
위킹 구조(220)는 채널들, 기둥들 또는 다른 구조들로 구성될 수 있다. 이 구조들이 습식 에칭 또는 다른 제조 프로세스에 의해 형성되면, 그들은 낮은 종횡비를 가진 특징들로 구성될 수 있다. 종래의 위킹 구조(210)는 낮은 유효 종횡비의 채널들 또는 기둥들로 구성될 수 있으며, 중간 구조를 포함하지 않는다. 이러한 종래의 낮은 유효 종횡비의 위킹 구조(220)에서는, 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 큰 압력차로 인해 2개의 페이즈간의 메니스커스(180)가 채널의 최하부를 향해 연장될 수 있으며, 그에 의해, 채널을 점유하는 액체(140)량이 감소되고, 액체의 질량 흐름이 크게 감소된다. 그 다음, 이것은 열 전달 성능을 약화시키고 위킹 구조(220)의 건조를 유발시킬 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 가장 높은 증기 압력은 전형적으로 증발기 영역에서 발생하며, 증기 압력은 점성 손실로 인해 TGP에 의해 전달되는 열량에 따라 증가한다. 또한, 열적 접지 평면의 전체 두께를 가능한 얇게 제조하는 것이 바람직할 수 있는데, 이것은 증기 챔버(300)를 상대적으로 얇게 제조함에 의해 달성될 수 있다. 상대적으로 얇은 증기 챔버(300)는 증기 챔버내에서 증발기로부터 단열 영역을 통해 응축기로 흐르는 증기의 실질적인 점성 손실을 유발할 수 있다. 증기 챔버(300)에서 흐르는 증기의 높은 점성 손실은 증발기내의 액체 페이즈와 증기 페이즈간의 큰 압력차에 기여할 수 있다. 상술한 바와 같이 위킹 구조(220)의 유효 종횡비를 증가시키는 중간 기판(110) 구조는, 액체/증기 인터페이스의 메니스커스(180) 길이를 감소시키는 효과를 가지며, 이것은 위킹 구조(220)의 이 부분에서 곡률 반경이 보다 작아지게 하며, 그에 의해, 메니스커스(180)는 높은 메니스커스(180) 압력에 보다 잘 견디게 되고(도 17b), TGP는 기존의 구현보다 훨씬 높은 압력을 유지할 수 있게 된다. 따라서, 적어도 하나의 중간 기판의 적어도 하나의 영역은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 간삽되는 다수의 마이크로 구조들을 가질 수 있으며, 그에 따라, 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에 높은 유효 종횡비의 위킹 구조를 형성할 수 있게 된다. 또한, 적어도 하나의 중간 기판은 위킹 구조에 밀접하게 배치되어, 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역에서 액체 페이즈와 증기 페이즈를 이격시킨다.
액체 페이즈와 증기 페이즈간에 높은 압력차를 유지시키면 위킹 구조(210)를 건조시키는 일 없이 보다 많은 열이 전달될 수 있게 되며, TGP는 보다 얇은 고안으로부터 결과하는 점성 손실에 대해 보다 잘 견딜 수 있게 된다. 따라서, 중간 기판(110)이 추가되면 보다 높은 열 전달 및 보다 얇은 접지 평판을 동시에 달성할 수 있게 된다.
일부 실시 예들에 있어서, 열적 접지 평면은, 응축기에서의 증기 페이즈와 액체 페이즈간의 압력차가 잘 제어될 수 있도록, 특정된 질량의 포화된 액체/증기 혼합물로 충진될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 액체/증기 혼합물의 질량은, 응축기 영역의 일부가 인접 증기보다 높은 압력에서 액체를 포함할 수 있도록, 선택된다.
도 19는 Q = 10, 20 및 30W의 열 부하(heat loading)하에서, 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예에 대한 축방향 위치의 함수로서의 온도 프로파일을 도시한 도면이다. 본 실시 예에 있어서, 증발기는 중앙에 있고, 양측에 단열 영역 및 응축기 영역이 있다. 그 결과는 중간 기판(110)을 가진 티타늄 열적 접지 평면의 실시 예의 유용성을 보여준다.
도 20은 서로 다른 증기 온도들에 대해 티타늄 기반 열적 접지 평면에 대한 최대 열 전달들을 비교한 도면이다. 이 비교는 종래의 티타늄 열적 접지 평면과, 중간 기판(110)을 이용한 본 열적 접지 평면(current thermal ground plane)의 예시적인 실시 예 간에 이루어진다.
중간 기판(110)을 이용하는 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 30W에 비해, 도 19에 대해 테스트된 실시 예들과 유사한 치수들을 가진 종래의 티타늄 열적 접지 평면은, 위킹 구조(220)가 30℃의 동작 증기 온도에서 건조를 나타내기 전에, 약 10W의 열적 에너지만을 전달할 수 있다. 유사하게, 증기 온도가 증가함에 따라, 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 전달되는 최대 열적 에너지는 각각 50℃ 및 70℃의 동작 증기 온도에 대해 35W 및 40W까지 증가한다. 모든 경우에, 본 발명의 열적 접지 평면의 예시적인 실시 예의 경우의 전달되는 최대 열적 에너지는 종래의 열적 접지 평면으로부터 관찰된 것보다 15-20W 더 높다.
도 21은 본 발명의 하나 이상의 실시 예들에 따른 본 Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도를 도시한 도면이다. 일부 실시 예들에 있어서, 단계 S100에서 위킹 구조를 형성하기 위해 열적 접지 평면의 금속 기판에 다수의 금속 마이크로 구조들을 형성(1)함에 의해 열적 에너지가 운송될 수 있다. 단계 S110에서, 증기 캐비티가 형성될 수 있다. 단계 S120에서, 적어도 하나의 구조 및/또는 적어도 하나의 마이크로 구조가 위킹 구조 및 증기 챔버와 상통하는 중간 기판에 형성되는데, 그 중간 기판은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역에 있어서의 위킹 구조의 유효 종횡비를 증가시키도록 하는 형상을 가지고 배치된다. 단계 S130에서, 열적 접지 평면내에 유체가 포함될 수 있다. 단계 S140에서, 다수의 마이크로 구조들로부터 결과하는 모세관력에 의해 추진되는 유체 운동에 의해, 금속 기판의 적어도 하나의 영역에서 금속 기판의 적어도 하나의 다른 영역으로 열적 에너지가 운송될 수 있다.
도 22는 본 발명의 하나 이상의 실시 예들에 따른 본 Ti-기반 TGP의 하나 이상의 실시 예들의 형성의 흐름도이다. 일부 실시 예들에 있어서, 금속 기반 열적 접지 평면은 이하의 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 단계 S200에 있어서, 제 1 기판이 형성된다. 단계 S210에 있어서, 제 2 기판이 형성된다. 단계 S220에 있어서, 적어도 하나의 중간 기판이 형성된다. 단계 S230에 있어서, 기판이 부착된다. 단계 S240에 있어서, 열적 접지 평면이 형성된다.
도 23은 중간 기판(110)과 상통하는 위킹 구조의 예시적인 실시 예를 도시한 도면이다. 유효 종횡비는 유효 채널 폭(w)에 대한 유효 채널 높이(h)의 비로서 정의된다. 도 23a는 중간 기판(110)내의 마이크로 구조(112)들이 위킹 구조(220)에 간삽된 예시적인 실시 예를 보여주고, 도 23b는 중간 기판(110)내의 마이크로 구조들(112)이 위킹 구조(220) 위에 배치되는 대안적인 실시 예를 보여준다.
도 23에 도시된 예시적인 실시 예들은, 중간 기판(110)을 포함하지 않고도, 위킹 구조(220)에 의해 획득될 수 있는 것보다 높은 유효 종횡비를 제공할 수 있다. 예를 들어, 위킹 구조(220)가 습식 에칭 또는 다른 등방성 에칭 프로세스에 의해 형성되면, 유효 종횡비 h/w는 1보다 낮거나 1보다 실질적으로 낮을 수 있다. 중간 기판(110)을 이용하면, 위킹 구조(220)와 중간 기판(110)간의 유체 채널의 보다 높은 유효 종횡비가 달성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에 있어서, h/w＞1 이며, 여기에서, h는 유체 채널의 유효 높이(또는 깊이)이고 w는 폭이다.
도 23b에는 상대적으로 낮은 점성 손실이 요망될 때 이점을 가질 수 있는 대안적인 실시 예가 도시된다.
도 24는 증기 챔버가 하나 이상의 리세스된 영역들(540, 542 및 544)로 이루어진 예시적인 실시 예의 측면도이다. 증기 챔버에 있어서의 증기의 점성 흐름은 포아즈이유 흐름(Poiseuille flow)에 의해 설명될 수 있는데, 포아즈이유 흐름에서는, 주어진 압력 강하, 밀도 및 점성에 대해, 증기의 질량 흐름율이 증기 챔버 높이의 세제곱(h3)에 비례한다. 매우 얇은 증기 챔버의 경우, 점성 손실은 상당할 수 있으며 열적 접지 평면의 전체적인 성능을 제한할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 증기 챔버(300)는 하나 이상의 리세스된 영역들(540)로 구성될 수 있으며, 그에 의해, 열적 접지 평면의 선택된 영역에 있어서의 증기 챔버의 유효 높이(h)가 증가된다. 증기의 질량 흐름율이 h3에 따라 가변할 수 있기 때문에, 선택된 영역에 있어서의 증기 챔버의 높이는 주어진 압력 강하에 대해, 챔버를 통하는 증기의 질량 흐름율을 실질적으로 증가시킬 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 하나 이상의 리세스된 영역들(544)은 금속 기판에 형성되고 위킹 구조에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 하나 이상의 리세스된 영역들(540 및 542)은 백플레인(530)에 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 하나 이상의 리세스된 영역들은 금속 기판과 백플레인에 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 리세스된 영역들은 다른 리세스된 영역들과 상통하도록 구성되어, 증기 챔버에 있어서의 점성 손실을 최소화시킬 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 리세스된 영역(540)은 리세스된 영역(544)과 정렬될 수 있으며, 그에 따라 그 영역에 있어서의 증기 챔버의 전체 깊이는 리세스된 영역(540)과 리세스된 영역(544)의 조합에 의해 증가될 수 있다. 증기 질량 흐름율은 증기 챔버 높이의 세제곱(h3)에 따라 가변할 수 있다. 그러므로, 리세스된 영역(540)과 리세스된 영역(544)의 조합은 점성 손실 감소에 비-선형 영향을 미칠 수 있으며, 그에 의해 전체 질량 흐름율을 증가시킬 수 있다.
도 14에 도시된 TiTGP는 배터리의 적어도 하나의 구조적 요소와 열적 상통한다. 이러한 구조적 요소들은, 휴대형 디바이스에 그의 내구력 및 강직성의 대부분을 제공하고, 그 디바이스의 골격을 형성할 수 있으며, 적어도 중간 프레임(550)과 위킹 구조(560)를 포함할 수 있는 구성 요소들이다. TiTGP의 표면들은 백플레인(120)과 금속 기판(2100을 포함하는, 구조적 요소들이 수 있다. 이러한 구조적 부재들은 일반적으로 금속성이며, 예를 들어, 백플레인(120), 중간 프레임(550) 및 금속 기판(210)을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게, TiTGP는 후방(back)을 레이저 용접 밀봉한 티타늄을 구비한다. 결과적으로, 배터리와 결합되는 이러한 구조적 부재의 표면은 실질적으로 등온으로서, 온도 구배가 약 10℃ 미만일 수 있다. 이것은 유효 열 소산을 제공할 수 있음 배터리 성능 및 수명을 최적화시킬 수 있다.
이제, 휴대형 애플리케이션들에 대한 TiTCP들의 제조를 설명한다. 열적 모듈(500, 600 및 700)의 위킹 구조와 외부 쉘(outer shell)은 금속 물질로 형상을 스탬핑함에 의해 제조될 수 있다. 보다 작은 마이크로 구조들은 마이크로스탬핑(microstamping)에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 윤곽 및 캐비티들은, 예를 들어, 플루오르화 수소산(HF) 및 질산(HN03)을 이용하는 화학적 에칭에 의해 제조될 수 있다. 본 기술 분야에 알려진 바와 같이, 티타늄 물질의 일부분들은 코팅 또는 마스킹 층(coating or masking layer)에 의해 에칭액(etchant)으로부터 보호될 수 있다. 모든 노출된 표면들은 에칭되어, 그루브들, 캐비티들 및 보다 작은 구조를 형성한다.
TiTGP는, 예를 들어, 2015년 6월 24일자 출원되고 본 명세서에 참조로서 인용되는, 14/749439에 설명된 방법을 이용하여 상당량의 작동 유체를 제공받을 수 있다. 작용 유체는, 예를 들어, 물일 수 있으며, 증기 캐비티내에 작동 유체를 밀봉하는데 이용되는 밀봉 방법은 레이저 용접일 수 있다.
따라서, 본 명세서에는 다수의 미세 제조된 양각 특성들을 가진 금속 애노드를 구비한 배터리가 개시된다. 미세 제조된 양각 특성들은 적어도 1의 종횡비 높이/직경과 1 내지 50 미크론 사이의 피치를 가질 수 있다. 금속 애노드 및 미세 제조된 양각 특징들에 공형인 저 저항성 금속 코팅이 금속 애노드 위에 배치될 수 있다. 제 2 금속의 금속 산화물 층이 금속 코팅 위에 배치될 수 있으며, 제 2 금속의 금속 산화물 층은 적어도 1nm rms의 미세 제조된 미세 거칠기를 가질 수 있다. 미세 제조된 양각 특징들은 기둥들, 포스트들(posts), 트렌치들, 채널들 및 사면체 돌출부들 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 일부 실시 예들에 있어서, 양각 특징들은 0.5-10 미크론의 직경을 가진 기둥들을 구비할 수 있고, 기둥들은 잔여 표면보다 10-50 미크론 더 높게 솟아올라 있으며, 그에 따라 기둥들은 적어도 1의 종횡비를 가지게 된다. 다른 실시 예에 있어서, 양각 특징들은 1-2㎛의 직경, 10-12㎛의 높이 및 1.5-2.5㎛의 중앙간 피치(center-to-center pitch)를 가진 기둥들을 구비할 수 있으며, 그에 따라 애노드 표면 영역은 적어도 2배로 증가된다. 또 다른 실시 예에 있어서, 기둥들은 5 미크론의 직경을 가지며, 잔여 표면보다 20 미크론 더 높게 솟아올라 있으며, 종횡비는 적어도 10이다. 양각 특징들은 금속 애노드의 표면 위에서 규칙적인 간격의 어레이로 발생될 수 있다.
금속 애노드는 티타늄을 구비할 수 있으며, 금속 산화물 층은 TiO2를 구비할 수 있다. 금속 코팅은 금, 은, 플래티늄, 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비할 수 있으며, 1오옴-미터 미만의 저항을 가질 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 산화물층이 티타늄 금속 합금의 산화물을 구비할 수 있도록 티타늄 합금이 이용될 수 있다. 금속 산화물 층은 약 1-1000nm rms의 미세 거칠기를 가진다. 일부 실시 예들에 있어서, 금속 산화물 층은 약 200nm rms의 미세 거칠기를 가질 수 있다.
배터리는 캐소드와, 캐소드와 애노드 사이의 전해질을 포함할 수 있으며, 캐소드는 층형 리튬 전이 금속 화합물을 구비할 수 있다. 캐소드는 리튬을 구비할 수 있으며, 배터리는 금속 애노드와 리튬 기반 캐소드 사이의 분리기와, 전해질을 더 포함할 수 있으며, 분리기는 전해질내에 배치될 수 있고, 금속 애노드는 티타늄을 구비한다. 이 구성 요소들 모두는 티타늄을 구비한 패키징 구조내에 배치될 수 있다. 이 패키징 구조는 기밀하게 밀봉될 수 있다.
배터리의 전체 두께는 적어도 0.2mm일 수 있다. 배터리는 약 10mm 미만의 측면 치수를 가질 수 있다. 배터리는 적어도 약 600W-hr/kg의 비 에너지 밀도를 가질 수 있다. 애노드, 캐소드 및 전해질은 티타늄 하우징(titanium housing)내에 밀봉될 수 있다. 배터리는 약 0.5mm 미만의 두께를 가질 수 있으며, 그에 따라 배터리는 가요성으로 되고 불규칙한 치수들을 가진 한정된 공간내에 설치 가능하게 된다. 캐소드는 층형 Li2MnO3+/LiMnO2 구조를 구비할 수 있으며, 전해질은 에틸렌 카보나이트와 디에틸 카보나이트가 50/50 혼합된 1 M LiPF6이다. 전해질은 고체 상태 전해질을 구비한다.
금속 애노드 위의 금속 산화물 층은 적어도 1nm의 rms 거칠기를 가지며 산화된 티타늄으로 형성된 미세 거칠기를 추가로 구비할 수 있다. 금속 산화물 층은 금속 코팅 위에 배치된, 티타늄 기반 산화물 오버코트(overcoat)를 구비할 수 있으며, 티타늄 기반 산화물 오버코트는 산화된 티타늄으로 형성딘 미세 거칠기를 추가로 구비할 수 있다. 금속 코팅은 10 미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 금속 코팅은 금, 은, 구리, 플래티늄 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비할 수 있다. 금속 산화물 층은 나노 구조의 티타늄을 구비할 수 있다.
상술한 MEMS 애노드 배터리를 포함하는 전원이 개시된다. MEMS 애노드 배터리와 함께, 전원은 배터리와 열적 상통하는 티타늄 기반 2-페이즈 열적 모듈을 구비할 수 있다. 티타늄 기반 2-페이즈 열적 모듈은, 다수의 마이크로 구조들을 가진 위킹 구조를 형성하는, 다수의 금속 기판에 형성된 다수의 마이크로 구조들을 구비한 금속 기판과, 위킹 구조 및 다수의 마이크로 구조들과 상통하는 증기 캐비티와, 다수의 돌출부들을 가진 적어도 하나의 중간 기판 - 다수의 돌출부들은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역내의 위킹 구조의 다수의 마이크로 구조들에 끼워 맞춤에 의해 위킹 구조의 유효 종황비를 증가시키도록 하는 형상을 가짐 - 및 열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역으로부터 열적 접지 평면의 또 다른 영역으로 열적 에너지를 운송하는, 열적 접지 평면내에 포함된 유체를 추가로 포함하며, 유체는 모세관력에 의해 추진된다.
열적 모듈내의, 다수의 마이크로 구조들은 1-1000 미크론의 특성 치수를 가질 수 있다. 열적 모듈은, 금속 백플레인을 추가로 포함할 수 있으며, 증기 캐비티는 금속 기판과 금속 백플레인에 의해 밀봉된다. 금속 기판은 금속 백플레인에 의해 기밀하게 접착되어 기밀하게 밀봉된 증기 캐비티를 형성한다.
전원은 배터리의 금속 애노드와 캐소드 간에 전기적으로 결합된 저항성 부하를 추가로 포함한다. 그것은 배터리에 결합된 제 2 전원을 포함할 수 있으며, 제 2 전원은 배터리에 충전 전류를 제공한다.
배터리를 제조하는 방법이 개시된다. 그 방법은 금속 애노드를 제공하고, 금속 애노드내로 다수의 미세 제조된 양각 특징들을 에칭하고 - 미세 제조된 양각 금속 특징들은 약 1의 종횡비와 1-50 미크론의 피치를 가짐 - , 다수의 미세 제조된 양각 특징들과 금속 애노드 위에 공형적으로 금속 코팅을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 그 방법은 금속 코팅 위에 제 2 금속의 층을 증착하고, 제 2 금속의 층을 산화시켜, 적어도 1nm rms의 금속 산화물 층에 있어서의 미세 제조된 미세 거칠기를 가진 금속 산화물 층을 형성하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
제 2 금속 층은 티타늄 층을 구비할 수 있으며, 나노 구조의 티타늄(NST)으로서 티타늄 이산화물에 미세 거칠기가 형성되도록, 금속 산화물은 티타늄 이산화물을 구비한다. 금속 코팅은 10 미크론 미만의 두께를 가질 수 있으며, 금, 은, 구리, 플래티늄 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.
상기에서 서술된 예시적인 구현들과 공조하여 다양한 세부 사항들이 설명되었지만, 다양한 대안, 수정, 변형, 개선 및/또는 실질적인 등가물은, 이미 알려진 것이거나 또는 아직 예측하지 못한 것이더라도 그에 상관없이, 상술한 개시를 검토할 경우 명백할 것이다. 따라서, 상기에서 설명한 예시적인 구현들은 단지 예시적인 것일 뿐 제한을 위한 것은 아니다.

Claims (36)

  1. 배터리로서,
    다수의 미세 제조된 양각 특성들 - 미세 제조된 양각 특성들은 적어도 1의 종횡비 높이/직경과, 1과 50 미크론 사이의 피치를 가짐 - 을 가진 금속 애노드와;
    금속 애노드 및 미세 제조된 양각 특성들에 공형인 제 2 금속의 금속 코팅과;
    금속 코팅 위의 금속 산화물 층을 구비하며,
    금속 산화물 층은 적어도 1nm rms 의 미세 제조된 거칠기를 가지는
    배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    금속 애노드는 티타늄을 구비하며, 금속 산화물 층 코팅은 TiO2를 구비하고, 제 2 금속의 금속 코팅은 금, 은, 플래티늄, 구리 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비하고, 1오옴-미터 미만의 저항을 가지는
    배터리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속 애노드는 티타늄 합금을 구비하고, 금속 산화물 층은 티타늄 금속 합금의 산화물을 구비하는
    배터리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    캐소드와, 캐소스와 애노드 사이의 전해질을 더 구비하며,
    캐소드는 층형 리튬 전이 금속 화합물을 구비하는
    배터리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물 층은 1 내지 1000nm rms의 미세 거칠기를 가지는
    배터리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    배터리는 적어도 0.2mm의 전체 두께를 가지는
    배터리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    배터리는 10mm 미만의 측면 치수를 가지는
    배터리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    배터리는 적어도 약 600W-hr/kg의 비 에너지 밀도(specific energy density)를 가지는
    배터리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물 층은 100-300 nm rms의 미세 거칠기를 가지는
    배터리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    양각 특징들은 기둥들, 포스트들(posts), 트렌치들, 채널들 및 사면체 돌출부들 중 적어도 하나를 구비하는
    배터리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    양각 특징들은 0.5-10 미크론의 직경을 가진 기둥들을 구비하며, 기둥들은 잔여 표면보다 10 내지 50 미크론 더 높이 솟아 있고, 그에 따라 기둥들은 적어도 1의 종횡비를 가지는
    배터리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    양각 특징들은 1-2㎛의 직경, 10-12㎛의 높이 및 1.5 내지 2.5㎛의 중앙간 피치를 가진 기둥들을 구비하며, 그에 따라 애노드 표면 영역은 적어도 2배 증가하는
    배터리.
  13. 제 4 항에 있어서,
    애노드, 캐소드 및 전해질은 티타늄 하우징(titanium housing)내에 밀봉되는
    배터리.
  14. 제 7 항에 있어서,
    배터리는 약 0.5mm 미만의 두께를 가지며, 그에 따라 배터리는 가요성으로 되고, 불규칙한 치수를 가진 한정된 공간내에 설치될 수 있게 되는
    배터리.
  15. 제 4 항에 있어서,
    캐소드는 층형 Li2MnO3+/LiMnO2 구조를 구비할 수 있으며, 전해질은 에틸렌 카보나이트와 디에틸 카보나이트가 50/50 혼합된 1 M LiPF6인
    배터리.
  16. 제 11 항에 있어서,
    기둥들은 5 미크론의 직경을 가지며, 기둥들은 잔여 표면보다 20 미크론 더 높이 솟아 있으며, 종횡비는 적어도 10인
    배터리.
  17. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물 층은 산화된 티타늄으로 형성되고 적어도 1nm의 rms 거칠기를 가진 미세 거칠기를 구비하는
    배터리.
  18. 제 4 항에 있어서,
    전해질은 고체 상태 전해질을 구비하는
    배터리.
  19. 제 1 항에 있어서,
    금속 산화물 층은 금속 코팅상에 배치된 티타늄 산화물 층을 구비하며, 티타늄 산화물은 산화된 티타늄으로 형성된 미세 거칠기를 추가로 구비하는
    배터리.
  20. 제 1 항에 있어서,
    금속 코팅은 10 미크론 미만의 두께를 가지는
    배터리.
  21. 제 1 항에 있어서,
    제 2 금속의 금속 코팅은 금, 은, 구리, 플래티늄 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비하는
    배터리.
  22. 제 1 항에 있어서,
    양각 특징들은 포스트(post)들 또는 기둥들이며, 금속 애노드의 표면상에 규칙적인 간격의 어레이로 발생되는
    배터리.
  23. 제 3 항에 있어서,
    금속 산화물 층은 나노 구조의 티타늄을 구비하는
    배터리.
  24. 제 1 항에 있어서,
    리튬을 구비하는 캐소드;
    전해질; 및
    금속 애노드와 티타늄 기반 캐소드 사이의 분리기를 더 구비하며,
    분리기는 전해질내에 배치되고, 금속 애노드는 티타늄을 구비하는
    배터리.
  25. 제 24 항에 있어서,
    금속 애노드, 캐소드, 전해질 및 분리기 모두는 티타늄을 구비한 패키징 구조(packaging structure)내에 배치되는
    배터리.
  26. 제 25 항에 있어서,
    패키징 구조는 기밀하게 밀봉되는
    배터리.
  27. 전원으로서,
    청구항 제4항의 적어도 하나의 배터리; 및
    배터리와 열적 상통하는, 티타늄을 구비한 2-페이즈 열적 모듈을 구비하는
    전원.
  28. 제 27 항에 있어서,
    티타늄 기반 2-페이즈 열적 모듈은,
    다수의 마이크로 구조들을 가진 위킹 구조를 형성하는, 다수의 금속 기판에 형성된 다수의 마이크로 구조들을 구비한 금속 기판과;
    위킹 구조 및 다수의 마이크로 구조들과 상통하는 증기 캐비티와;
    다수의 돌출부들을 가진 적어도 하나의 중간 기판 - 다수의 돌출부들은 위킹 구조의 적어도 하나의 영역내의 위킹 구조의 다수의 마이크로 구조들에 끼워 맞춤에 의해 위킹 구조의 유효 종황비를 증가시키도록 하는 형상을 가짐 -; 및
    열적 접지 평면의 적어도 하나의 영역으로부터 열적 접지 평면의 또 다른 영역으로 열적 에너지를 운송하는, 열적 접지 평면내에 포함된 유체를 추가로 포함하며,
    유체는 모세관력에 의해 추진되는
    전원.
  29. 제 28 항에 있어서,
    다수의 마이크로 구조들은 1-1000 미크론의 특성 치수를 가지며, 금속 기판은 티타늄을 구비하는
    전원.
  30. 제 28 항에 있어서,
    2-페이즈 열적 모듈은,
    금속 백플레인을 더 구비하며,
    증기 캐비티는 금속 기판과 금속 백플레인에 의해 밀봉되는
    전원.
  31. 제 30 항에 있어서,
    금속 기판은 금속 백플레인에 기밀하게 접착되어, 기밀하게 밀봉된 증기 캐비티를 형성하는
    전원.
  32. 제 27 항에 있어서,
    배터리의 금속 애노드와 캐소드 사이에 전기적으로 결합된 저항성 부하를 더 구비하는
    전원.
  33. 제 27 항에 있어서,
    배터리에 결합된 제 2 전원을 더 구비하며, 제 2 전원은 배터리에 충전 전류를 제공하는
    전원.
  34. 배터리를 제조하는 방법으로서,
    금속 애노드를 제공하고;
    금속 애노드내에 다수의 미세 제조된 양각 특징들을 에칭하고 - 미세 제조된 양각 특징들은 적어도 약 1의 종횡비와 1-50 미크론 사이의 피치를 가짐 - ;
    다수의 미세 제조된 양각 특징들과 금속 애노드 위에 제 2 금속의 금속 코팅을 공형적으로 증착하고;
    금속 코팅 위에 또 다른 금속층을 증착하고;
    금속층을 산화시켜, 적어도 1nm rms의 금속 산화물 층에 있어서의 미세 제조된 미세 거칠기를 가진 금속 산화물 층을 형성하는 것을 구비하는
    배터리 제조 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    금속층은 티타늄 층을 구비하고, 금속 산화물은 티타늄 이산화물을 구비하며, 그에 따라 나노 구조의 티타늄(NST)으로서 티타늄 이산화물에 미세 거칠기가 형성되는
    배터리 제조 방법.
  36. 제 34 항에 있어서,
    제 2 금속의 금속 코팅은 10 미크론 미만의 두께를 가지며, 금, 은, 구리, 플래티늄 및 알루미늄 중 적어도 하나를 구비하는
    배터리 제조 방법.
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