KR20220055070A - 증기 챔버 - Google Patents

Abstract

본 출원은 증기 챔버에 관한 것이다. 본 출원의 증기 챔버는 정해진 크기 내에서도 다양한 성능, 예를 들어 향상된 열부하 용량(heat load capacity) 및 유효 열전도도(effective thermal conductivity) 등을 가질 수 있다.

Description

증기 챔버{Vapor Chamber}

본 출원은 증기 챔버에 관한 것이다.

전자 제품의 성능 향상에 따라 그 제품의 발열량 또한 증가하였다. 전자 제품의 발열량이 증가한 만큼 그 제품에서 열을 효과적으로 방출시키기 위한 수단, 예를 들어 방열 소자(heat-radiating element) 등의 수단 개발이 요구되었다.

방열 소자의 대표적인 예로서 증기 챔버(vapor chamber)가 알려져있다. 비특허문헌 1에서도 언급하는 것처럼, 증기 챔버는 보통 직육면체 형상의 밀봉된 케이스, 케이스의 내부 공간의 테두리를 따라 형성된 다공성 윅(wick) 및 케이스의 내부 공간을 채우는 작동 유체로 구성되어 있다. 열원에 증기 챔버를 위치시키면 열원의 열에 의해 작동 유체가 증발된다. 증발은 흡열반응이기 때문에, 작동 유체의 증발에 따라 열원의 온도는 감소한다. 증발한 작동 유체는 증기 챔버의 내부 공간을 따라 이동하게 되고, 그 과정에서 응축된다. 응축은 발열반응이기 때문에, 응축과정에서 열원의 반대측에서 열이 방출된다. 그 결과 증기 챔버를 이용하면 열원에서 발생한 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 또한 작동 유체의 응축 과정에서 생성된 작동 액체는 윅을 따라 증발이 일어나는 영역으로 이동하게 된다(도 1 참조). 이때 윅에 작용하는 작동 유체의 모세관 힘으로 작동 유체가 이동한다. 또한 증기 챔버의 열의 전달 방향은 면방향이기 때문에, 증기 챔버는 보통 넓은 면적의 열원에도 적용 가능한 이점이 있다.

증기 챔버의 성능은 보통 그 내부에 형성된 윅의 특성에 의해 결정된다. 특허문헌 1과 비특허문헌 2에 언급된 것처럼 윅은 증기 챔버 내에서 일정한 모양과 형상을 가지는 패턴 형태로 존재한다. 그렇지만 증기 챔버는 보통 일정한 규격을 가지기 때문에, 상기 내용으로는 정해진 크기 내에서 방열 특성을 개선하는데에는 한계가 있다.

일본 특허공보 제6587164호

Entropy, 2020, 22(1), 35 Applied Thermal Engineering Vol. 167 (2020), 114726

본 출원에서는, 정해진 크기 내에서도 다양한 성능, 예를 들어 향상된 열부하 용량(heat load capacity) 및 유효 열전도도(effective thermal conductivity) 등을 가질 수 있는 증기 챔버를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.

본 출원의 목적은 상기 목적에 제한되는 것은 아니다.

본 출원은 증기 챔버에 관한 것이다. 증기 챔버는 공지된 것처럼, 열원에서 발생한 열을 작동 유체의 증발 및 응축을 이용하여 방출시키는 방열 소자 중 하나이다. 통상적으로 알려진 히트파이프(heat-pipe)가 한 방향(1-direction)으로 열을 전달한다면, 증기 챔버는 두 방향(2-direction)으로 열을 전달하는 이점이 있다.

본 출원의 증기 챔버도 일부 공지된 구조를 가진다. 증기 챔버는, 대향 배치되는 2장의 기판과, 어느 하나의 기판의 내부 표면에 형성된 윅 패턴(wick pattern)을 포함한다.

상기 기판들은 금속 기판인 것이 유리하며, 보통은 열전도성 금속 중 하나인 구리를 포함하는 기판을 적용한다. 금속 기판을 적용할 때에는 열전도성 금속 성분을 포함하는 기판을 적용하는 것이 유리하다. 상기 기판의 두께 또한 증기 챔버의 성능을 고려하여 적절히 조절될 수 있으며, 보통은 1㎛ 내지 1,000㎛의 범위 내의 두께의 것을 적용할 수 있다. 기판의 두께는 다른 예시에서, 10㎛ 이상, 50㎛ 이상 또는 100㎛ 이상일 수 있고, 700㎛ 이하, 500㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하 또는 100㎛ 이하일 수 있다.

증기 챔버에서 대향 배치되는 2장의 기판은 내부 공간을 형성한다. 내부 공간을 형성하는 방법으로는, 예를 들어, 2장의 기판이 마주보는 상태에서 그 주변(테두리 등)을 접합하는 방식을 적용할 수 있다.

윅 패턴은 어느 하나의 기판의 내부 표면에 형성된다. 기판의 내부 표면은, 어느 하나의 기판의 상부 표면 또는 하부 표면 중에서, 그 기판과 대향 배치된 다른 기판을 향하는 측의 표면을 의미할 수 있다. 윅은 히트파이프 또는 증기 챔버 등에서 작동 유체, 구체적으로 작동 액체를 이동시키는 역할을 하는 매체(medium)이다.

따라서 본 출원의 증기 챔버는 대향 배치된 상태로 내부 공간을 형성하고 있는 제1기판 및 제2기판; 및 상기 제1기판 또는 제2기판의 내부 표면에 형성된 윅 패턴을 포함한다.

윅 패턴은 상기 증기 챔버의 내부 공간에서 그 특성이 변경되는 상태로 존재한다. 다시 말해 상기 내부 공간은, 윅 패턴의 특정한 특성이 서로 다른 적어도 2개의 영역(제1영역 및 제2영역)을 포함한다. 윅 패턴은 상기 증기 챔버의 내부 공간을 특정 부피 비율로 점유하는데, 본 출원에서는 상기 점유 부피 비율을 조절함으로 해서 다양한 특성을 변경할 수 있는 증기 챔버를 얻을 수 있다. 즉 상기 내부 공간은, 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율이 서로 다른 제1영역과 제2영역을 포함한다. 구체적으로, 상기 내부 공간은 상기 내부 공간의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율이 상이한 제1영역과 제2영역을 포함한다.

본 출원에서는 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율이 제1영역보다 작은 것으로 규정한다. 후술하겠지만, 보통 점유 부피 비율이 낮은 영역에서 작동 유체의 증발이 일어나고, 점유 부피 비율이 높은 영역에서 작동 유체의 응축이 주로 일어난다. 도 3에 본 출원의 증기 챔버의 상부 표면에서의 형상을 도시하였다. 도 3에 따르면 하나의 기판(10) 상에 윅 패턴(20)이 형성되어 있고, 그 윅 패턴은 서로 다른 형태, 예를 들어 전술한 내부 공간을 점유하는 비율이 상이한 제1영역(30) 및 제2영역(40)과 같이 형성되어 있다.

증기 챔버가 적어도 상기 구성을 충족하는 경우, 그 증기 챔버는 정해진 규격 내에서도 방열 특성(예를 들어, 열부하 용량(heat load capacity) 및 유효 열전도도(effective thermal conductivity) 등)이 넓은 폭으로 조절될 수 있다.

상기와 같이 상기 내부 공간에 형성된 윅 패턴의 형상을 조절하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 기판 상에 특정 형상의 틀을 가지는 마스크 또는 템플릿 등을 위치시킨 후, 윅을 형성할 수 있는 물질(예를 들어, 금속폼을 형성하는데 사용되는 슬러리 등)을 코팅하고, 이를 소결 등의 방식으로 상기 기판 상에 고정시키면 전술한 형상의 윅 패턴이 형성될 수 있다.

제1영역과 제2영역에서 윅 패턴의 점유 부피 비율의 값도 조절될 수 있다.

제1영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율(V1)과 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율(V2)의 비율(V1/V2)은 1 초과 내지 5이하의 범위 내일 수 있다. 제1영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율의 값은 0.2 내지 0.8의 범위 내일 수 있다. 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율의 값은 0.1 내지 0.6의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 제1영역의 단위 부피당 윅 패턴의 점유 부피 비율의 값이 제2영역보다 큰 점을 전제로 하는 것이 좋다.

내부 공간에서 상기 제2영역은 제1영역보다 작은 단위 부피당 윅 패턴이 점유하는 부피 비율 값을 가진다. 그렇지만 제2영역은 상기 부피 비율과 함께 다른 변수를 조합하여 형성된 매개변수(parameter)가 제1영역보다 큰 값을 가질 수 있다. 구체적으로, 제2영역에서 단위 부피당 윅 패턴이 점유하고 있는 부피(V2)와 제2영역 내의 윅 패턴의 표면적(A2)의 비율(A2/V2)은 제2영역의 그것(A1/V1)보다 클 수 있다. 다시 말해 본 출원의 증기 챔버는 하기 수식1의 K값이 1 초과 5 이하의 범위 내일 수 있다.

[수식1]

K = (A2×V1)/(A1×V2)

수식1에서, V1은 제1영역 내의 윅 패턴의 점유 부피이고, V2는 제2영역 내의 윅 패턴의 점유 부피이며, A1은 제1영역 내의 윅 패턴의 표면적이고, A2는 제2영역 내의 윅 패턴의 표면적이다.

상기 수식1의 V1, V2, A1 및 A2의 값 또한 적절히 조절될 수 있다. 다만 증기 챔버의 경우 정해진 크기로 생산되는 것이 대부분이기 때문에, 증기 챔버에서는 각 변수의 절대값보다는, 각 변수간의 비율이 더 중요할 수 있다.

상기 제1영역 내의 윅 패턴의 점유 부피(V1)와 상기 제1영역의 윅 패턴의 표면적(A1)의 비율(A1/V1)은 0.1 내지 10의 범위 내일 수 있다.

상기 제2영역 내의 윅 패턴의 점유 부피(V2)와 상기 제2영역의 윅 패턴의 표면적(A2)의 비율(A2/V2)은 ~0.2 내지 20의 범위 내일 수 있다.

보통, 윅에서는 작동 유체 중 액체가 이동한다. 즉 윅이 차지하는 부피가 상대적으로 낮은 부위에서는 작동 액체의 증발이 일어나는 것이 유리하고, 윅이 차지하는 부피가 상대적으로 높은 부위에서는 작동 기체의 응축이 일어나는 것이 유리하다. 따라서 증기 챔버의 제1영역에서는 작동 유체의 응축이 일어날 수 있고, 제2영역에서는 작동 유체의 증발이 일어날 수 있다. 즉 증기 챔버에서 제1영역은 응축 영역일 수 있고, 제2영역은 증발 영역일 수 있다.

증기 챔버의 다양한 방열 특성을 구현하기 위해서, 윅 패턴이 상기 내부 공간을 차지하는 부피의 비율 또한 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 윅 패턴의 점유 부피(WV)와 상기 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(WV/VT)이 0.05 내지 0.9의 범위 내일 수 있다. 상기에서 WV는 내부 공간을 점유하고 있는 윅 패턴 전체의 부피를 의미할 수 있다.

또한 윅 패턴은 상기 내부 공간에서 다른 점유 부피 비율을 가지면서 존재, 즉 상기 내부 공간이 제1영역과 제2영역을 포함하도록 할 수 있다. 이 때 제1영역 또는 제2영역에서의 윅 패턴의 부피가 내부 공간에서 차지하는 비율 또한 적절히 조절될 수 있다.

일 예시에서, 제1영역의 윅 패턴의 점유 부피(W1V)와 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(W1V/VT)은 0.1 내지 0.95의 범위 내일 수 있다. 상기 제2영역의 윅 패턴의 점유 부피(W2V)와 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(W2V/VT)은 0.02 내지 0.85의 범위 내일 수 있다. 상기에서 W1V 및 W2V는 각각 상기 내부 공간 전체에서의 제1영역 및 제2영역 각각의 부피를 의미할 수 있다.

전술한 것처럼 상기 내부 공간은 내부 공간에서 단위 부피당 점유 부피 비율이 상이한 적어도 2개의 영역을 포함한다. 일 예시에서 상기 내부 공간은 전술한 제1영역과 제2영역 외의 다른 영역(제3영역)을 추가로 포함할 수 있다. 제3영역의, 상기 내부 공간에서 단위 부피당 점유 부피 비율은 상기 제1영역 또는 제2영역과 같거나 다를 수 있고, 그 값 또한 특별히 제한되지 않는다. 즉 상기 내부 공간에서, 단위 부피 당 점유 부피 비율에서 적어도 대소 관계가 관찰되면 본 출원의 목적을 달성하는데 효과적이다. 즉 본 출원의 증기 챔버의 내부 공간에서는, 어느 한 영역의 단위 부피 당 상기 내부 공간을 점유하는 부피 비율이 다른 한 영역의 단위 부피 당 상기 내부 공간을 점유하는 부피 비율보다 크거나 다르기만 하면 된다.

전술한 것처럼 제3영역의 특성은 제1영역 또는 제2영역의 관계만 충족하면 본 출원의 목적 달성에 문제가 없기 때문에, 비제한적이다. 예를 들어, 상기 제3영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율은 5% 내지 90%의 범위 내일 수 있다.

증기 챔버에서 적용되는 윅 패턴 자체의 형상 또한 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 윅 패턴은 라인 패턴일 수 있다. 라인 패턴은, 어느 한 방향을 따라서 일정한 또는 일정하지 않은 간격으로 반복되면서, 그 반복되는 방향과는 다른 방향으로 연장되는 라인이 복수개 존재하는 패턴이다. 즉 상기 윅 패턴은 라인 형태의 윅을 복수 포함하는 패턴일 수 있다. 구체적으로, 윅 패턴은 제1방향을 따라 반복되고, 상기 제1방향과는 다른 방향인 제2방향을 따라 연장되는 라인 형태의 윅을 복수개 포함하는 패턴일 수 있다.

상기 윅 패턴은 상기 증기 챔버의 내부 공간에서 단위 부피 당 점유 면적이 상이한 복수의 영역으로 존재하는데, 이러한 존재 형태를 나타내기 위해서 상기 윅 패턴의 연장 형태가 적절히 변형될 수 있다. 구체적으로, 윅 패턴에서 라인 형태의 윅은 하기 수식2에 따른 S/V값이 상기 제2방향을 따라서 증가 또는 감소하도록 형성되어 있는 영역을 포함할 수 있다:

[수식2]

S/V=(라인 형태의 윅의 노출 면적)/(라인 형태의 윅의 부피)

수식2에서, 라인 형태의 윅의 노출 면적은, 라인 형태의 윅이 상기 내부 공간과 접하는 면적을 의미할 수 있다. 다른 예시에서, 라인 형태의 윅의 노출 면적은 윅의 전체 면적 중에서 기판과 접하는 면의 넓이를 뺀 값을 의미할 수 있다.

상기 수식2는 라인 형태의 윅에 대해서 임의의 복수 영역을 설정한 후 측정된 값일 수 있다. 수식2에 따른 S/V값이 제2방향을 따라서 증가 또는 감소한다는 것은, 어느 하나의 임의의 영역에서 라인 형태의 윅이 부피 대비 그 윅이 외부에 노출된 면적의 비율을 구하고, 다른 하나의 임의의 영역에서 라인 형태의 윅이 부피 대비 그 윅이 외부의 노출된 면적의 비율을 구하였을 때, 후자의 값이 전자 대비 증가 또는 감소하는 것을 의미할 수 있다. 즉 수식2에 따른 S/V 값이 제2방향을 따라서 증가 또는 감소한다는 것은 적어도, 라인이 그 라인의 진행 방향에 따라 일정하지 않은 형태를 가지며 변형된다는 것을 의미할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1영역에 포함된 라인 형태의 윅의 S/V값은 상기 제2영역에 포함된 라인 형태의 윅의 S/V값 보다 클 수 있다. 또한 상기 제2방향과, 상기 제1영역에서 제2영역을 향하는 방향이 평행하면서 동시에 같은 쪽을 향해 진행할 수 있다. 따라서, 상기 라인 형태의 윅은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하도록 형성되어 있을 수 있다.

상기 라인 형태의 윅이 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하도록 형성되어 있을 때 상기 라인 형태의 윅은 상기 제2방향을 따라서 부피가 감소하도록 형성되어 있을 수 있다. 또한 상기 라인 형태의 윅은 상기 제2방향을 따라서 노출 면적이 증가하도록 형성되어 있을 수 있다. 나아가 상기 라인 형태의 윅은 기판과의 접촉 면적이 감소하도록 형성되어 있을 수 있다.

상기 윅 패턴의 형상은 다양하게 변경 가능하다. 일 예시로, 윅 패턴은 상기 S/V값의 변화 거동이 상이한 복수의 윅을 포함할 수 있다. 예를 들어 윅 패턴은 적어도 제1윅 및 제2윅을 포함할 수 있다. 상기 제1윅은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하도록 형성된 영역을 포함할 수 있다. 상기 제2윅은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 감소하도록 형성된 영역을 포함할 수 있다. 즉 상기 윅 패턴은 라인 형태의 윅을 복수 포함하고, 상기 복수의 라인 형태의 윅은 이의 진행 방향에 따라 상기 S/V 값이 증가하는 영역과 함께 상기 S/V 값이 감소하는 영역을 포함할 수 있다(도 5 또는 도 6 참조).

또한, 상기 제1윅과 제2윅은 서로 엇갈리도록 형성되어 있을 수 있다. 윅 패턴에 포함되는 복수의 윅이 서로 엇갈린다고 함은, 각 윅의 진행 방향이 동일 선 상에 있지 않은 것을 의미할 수 있다(도 6 참조).

상기 윅을 구성하는 소재는 특별히 제한되지 않는다. 다만 증기 챔버 내에서의 작동 유체의 원활한 이동을 고려하였을 때에는, 금속폼을 윅으로 적용하는 것이 유리하다. 즉 상기 윅 패턴은 상기 제1방향을 따라 반복되고, 상기 제1방향과는 다른 방향인 제2방향을 따라 연장되는 복수의 금속폼의 라인을 포함하는 금속폼 라인 패턴일 수 있다.

금속폼(또는 금속 골격)은, 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%, 99 중량% 또는 98 중량% 정도일 수 있다.

다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 10 % 이상, 20 % 이상, 30 % 이상, 40 % 이상, 50% 이상, 60 % 이상, 70 % 이상, 75 % 이상 또는 80 % 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 % 미만, 약 99 % 이하, 약 98 % 이하, 약 95 % 이하, 약 90 % 이하, 약 85 % 이하, 약 80 % 이하 또는 약 75 % 이하 정도일 수 있다. 상기 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출될 수 있다.

윅으로 금속폼을 적용하였을 때 작동 유체의 거동은 금속폼의 기공 특성에 따라 크게 좌우된다. 따라서 본 출원에서는 금속폼, 구체적으로 금속폼 라인의 기공 특성 또한 추가로 조절할 수 있다.

일 예시에서, 금속폼 라인으로는 기공도가 60% 내지 99%의 범위 내인 금속폼을 적용할 수 있다. 또한 금속폼 라인으로는 기공 크기가 100nm 내지 100㎛의 범위 내인 금속폼을 적용할 수 있다. 상기 기공도 및/또는 기공 크기의 범위 내에서 작동 액체가 상기 증기 챔버 안에서 유동할 수 있는 적절한 모세관 힘(capillary force)을 가질 수 있다.

금속폼의 기공 크기는 금속폼에 형성된 기공의 평균 크기를 의미할 수 있다. 상기 기공 크기는 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 분석 등의 방식으로 측정할 수 있다.

상기에서 금속폼의 기공 특성(기공 크기 및 기공도) 등은 금속폼을 제조하는 방법 혹은 그 방법에 적용되는 성분들의 조성에 의해 결정될 수 있고, 본 출원에서는 공지의 금속폼 제조법이 모두 적용 가능하다.

증기 챔버는 그 기능을 구현하는데 필요한 기타 필수 구성을 모두 포함할 수 있다. 예를 들어, 증기 챔버는 상기 제1기판 및 제2기판이 형성한 내부 공간 내에 존재하는 작동 유체를 추가로 포함할 수 있다. 작동 유체는 전술한 것처럼 열원에 인접하면 증발(또는 기화)함으로써 열원에서부터 열을 흡수하고, 열원으로부터 멀어지면 응축(또는 액화)함으로써 흡수된 열을 방출한다. 작동 유체의 종류는 증기 챔버가 동작해야 하는 온도 범위에 따라 결정될 수 있다. 작동 유체로는 다양한 종류가 알려져 있으며, 매우 낮은 온도(예를 들어, 2K 내지 4K의 범위 내의 온도)의 비점을 가지는 화합물에서부터 매우 높은 온도(예를 들어, 2,000K 내지 3,000K의 범위 내의 온도)의 비점을 가지는 화합물까지 다양한 종류의 성분이 적용 가능하다. 대표적인 작동 유체는 물이고, 물을 작동 유체로 적용하는 증기 챔버는 보통 20℃ 내지 150℃의 범위 내의 온도에서 작동 가능한 것으로 알려져 있다.

상기 작동 유체가 상기 내부 공간에 주입(또는 공급)되는 용량 또한 특별히 제한되지 않는다. 상기 작동 유체의 비율은 예를 들어 30% 내지 200%의 범위 내일 수 있다. 상기 범위 내에서 작동 유체가 모두 증발하거나 과량의 액체가 증기 챔버 내에서 범람하는 문제를 예방할 수 있다. 상기에서 작동 유체의 비율은, 윅의 기공부피 대비 작동 유체의 적용량을 %로 환산한 것을 의미할 수 있다. 상기에서 윅의 기공부피는 윅 자체의 부피에서 기공도를 곱한 값을 의미할 수 있다.

즉 증기 챔버는 열원에 인접하였을 때 그 기능을 구현할 수 있으므로, 상기 증기 챔버는 열원을 추가로 포함할 수 있다. 또한 전술한 것처럼 증기 챔버에서 제1영역은 응축 영역일 수 있고, 제2영역은 증발 영역일 수 있다. 따라서 상기 열원은 상기 제1영역 대비 제2영역에 인접하여 배치될 수 있다. 본 출원의 증기 챔버의 우수한 방열 특성은, 이와 같이 열원과 함께 배치되었을 때 더욱 유의미하다. 예를 들어, 본 출원의 증기 챔버와 종래의 증기 챔버에 대해 동일한 위치에 열원을 위치시키는 경우 본 출원의 증기 챔버가 상대적으로 우수한 방열 특성을 가진다(이 점은 후술하는 실시예에서 더욱 자세히 언급한다).

증기 챔버는, 상기 요소 외에도, 내부 공간의 진공 분위기 형성을 위해 공급되는 비활성 기체를 추가로 포함할 수 있다.

증기 챔버는 또한 상기 챔버를 밀봉할 수 있는 공지의 밀봉재를 추가로 포함할 수 있다. 밀봉재의 종류는 특별히 제한되지 않고, 공지의 소재 모두 적용 가능하다.

본 출원의 증기 챔버는 정해진 크기 내에서도 다양한 성능, 예를 들어 향상된 열부하 용량(heat load capacity) 및 유효 열전도도(effective thermal conductivity) 등을 가질 수 있다.

도 1은 증기 챔버의 구동 원리를 간략화한 것이다.
도 2는 종래의 증기 챔버의 평면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 출원의 예시적 증기 챔버의 평면도이다.
도 7은 본 출원의 증기 챔버의 제조 과정을 간략화한 것이다.

이하, 실시예를 통해 본 출원을 상세히 설명한다. 그러나, 본 출원의 보호범위가 하기 설명되는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

Qmax의 측정

Qmax는 최대 열수송 일률(maximum heat transport power, 단위: W)을 의미하고, 하기의 방식으로 측정된다. 즉 이 값이 높을 수록 방열 성능이 우수함을 의미한다.

(1)실시예 및 비교예에서 제조된 증기 챔버에서, 증발 영역에 열원(직류 전원 공급 장치)을 연결하고, 응축 영역에 냉각 장비(Cooling bath)를 연결시킨다.

(2)증기 챔버의 장축방향을 따라 12mm 간격을 두고 일정하게 배치된 7개의 지점에 thermocouple을 연결한다.

(3)열원에서 0.5 W으로 열을 인가하고, 열평형이 일어나서 각 지점의 온도 변화량이 0.1℃ 미만일 때, 상기 7개 각 지점의 온도를 측정한다.

(4)이 때 상기 7개의 지점에서 열원에 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점의 온도 차이가 6℃가 될 때, 상기 열원에서 인가한 일률에서 측정 환경에 따른 오차인 0.4W를 감하여 Qmax를 구한다.

후술하는 평가 결과에는 비교예 1에서 열원의 위치가 edge(가장자리) 부에 있을 때 Qmax 값을 기준으로 나머지 제조예의 Qmax 값의 비율로 기재한다.

실시예1. 증기 챔버의 제조

하기 과정을 통해 증기 챔버를 제조하였다. 그 과정을 간략화하여 도 7에도 도시하였다.

(1)평균 입경(D50 입경)이 약 10μm 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말을 금속 성분으로 사용하여 슬러리를 제조한다. 분산제로서, 에틸렌글리콜(EG) 및 바인더로서 에틸셀룰로오스(EC)가 4:5의 중량 비율(EG:EC)로 혼합된 혼합물에 상기 구리 분말을 상기 바인더와 구리 분말이 약 10:1의 중량 비율(Cu:EC)이 되도록 혼합하여 슬러리를 제조한다.

(2)두께가 대략 100㎛이고, 가로 및 세로 길이가 대략 24mm 및 78mm인 직육면체 형태의 구리 foil 상에 도 3의 부호 20으로 도시된 것과 같은 형상을 인쇄할 수 있도록 마련된 틀(인쇄 면적은 가로 18mm, 세로 72mm이다)을 위치시킨 후, 상기 (1)에서 준비된 슬러리를 도포하여 특정 패턴을 가지는 슬러리를 구리 foil 상에 인쇄한다.

(3)인쇄된 슬러리를 건조기를 이용하여 120℃에서 30분간 건조한다.

(4)건조된 슬러리를 소결로(sintering furnace)를 이용하여 1,000℃에서 1시간 동안 소결하여 금속폼을 제조한다.

(5)금속폼이 제조된 구리 foil 상에 (2)에서 준비한 것과 동일 규격의 구리 foil을 합지시켜서 양 구리 foil 사이의 내부 공간에 금속폼이 존재하도록 한 후, 주입구를 제외한 나머지 주변부를 결합한다.

(6)주입구를 통해 50μL의 물(작동 유체)을 공급하고, 주입구를 통해 비활성가스를 주입하며, 주입구를 에폭시 수지를 이용하여 밀봉함으로써 상기 내부 공간에 진공 분위기를 조성한다.

윅 구조가 전체 증기 챔버의 부피를 기준으로 대략 50%의 부피를 차지하였다.

실시예2. 증기 챔버의 제조

(2)과정에서 도 4의 부호 20으로 도시된 것과 같은 형상을 인쇄할 수 있도록 마련된 틀을 적용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방식으로 증기 챔버를 제조하였다. 윅 구조가 전체 증기 챔버의 부피를 기준으로 대략 50%의 부피를 차지하였다.

실시예3. 증기 챔버의 제조

(2)과정에서 도 5의 부호 20으로 도시된 것과 같은 형상을 인쇄할 수 있도록 마련된 틀을 적용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방식으로 증기 챔버를 제조하였다.

실시예 4. 증기 챔버의 제조

(2)과정에서 도 6의 부호 20으로 도시된 것과 같은 형상을 인쇄할 수 있도록 마련된 틀을 적용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방식으로 증기 챔버를 제조하였다.

비교예 1. 증기챔버의 제조

(2)과정에서 도 2의 부호 20으로 도시된 것과 같은 형상을 인쇄할 수 있도록 마련된 틀을 적용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 방식으로 증기 챔버를 제조하였다. 윅 구조가 전체 증기 챔버의 부피를 기준으로 대략 50%의 부피를 차지하였다.

실시예 및 비교예의 증기 챔버의 방열특성을 Relative Qmax를 통해 평가하였고, 그 결과를 하기 표1에 정리하였다.

	비교예 1		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
열원 위치	Edge	Middle	Edge	Edge	Middle	Middle
Relative Qmax	1.00	0.5	1.25	1.3	0.67	0.75
Edge: 증발 영역이 장축을 기준으로 양측 말단 중 어느 한 말단에 존재할 때의 열원의 위치 Middle: 증발 영역이 장축을 기준으로 중앙에 존재할 때의 열원의 위치

표 1을 참고하면, 열원의 위치가 동일할 때, 특정 형상으로 변형된 윅 패턴을 적용한 증기 챔버에 관한 실시예가, 일정한 간격으로 이격된 스트라이프 패턴인 윅 패턴을 적용한 증기 챔버에 관한 비교예보다 우수한 방열 성능을 나타내느 점을 확인할 수 있다(실시예 1 및 2 vs 비교예 1 (Edge); 실시예 3 및 4 vs 비교예 1(Middle)).

10: 기판
20: 윅 패턴
30: 제1영역
40: 제2영역

Claims (22)

1. 대향 배치된 상태로 내부 공간을 형성하고 있는 제1기판 및 제2기판; 및
   상기 제1기판 또는 제2기판의 내부 표면에 형성된 윅 패턴을 포함하고,
   상기 내부 공간은, 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율이 서로 다른 제1영역과 제2영역을 포함하며, 상기 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율은 상기 제1영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율 보다 작은 증기 챔버.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율(V1)과 상기 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율(V2)의 비율(V1/V2)이 1 초과 5 이하의 범위 내인 증기 챔버.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율은 0.2 내지 0.8의 범위 내인 증기 챔버.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율은 0.1 내지 0.6의 범위 내인 증기 챔버.
5. 제1항에 있어서, 하기 수식1의 K값이 1 초과 5 이하의 범위 내인 증기 챔버:
   [수식1]
   K = (A2×V1)/(A1×V2)
   수식1에서, V1은 제1영역 내의 윅 패턴의 점유 부피이고, V2는 제2영역 내의 윅 패턴의 점유 부피이며, A1은 제1영역 내의 윅 패턴의 표면적이고, A2는 제2영역 내의 윅 패턴의 표면적이다.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1영역 내의 윅 패턴의 점유 부피(V1)와 상기 제1영역의 윅 패턴의 표면적(A1)의 비율(A1/V1)이 0.1 내지 10의 범위 내인 증기 챔버.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2영역 내의 윅 패턴의 점유 부피(V2)와 상기 제2영역의 윅 패턴의 표면적(A2)의 비율(A2/V2)이 0.2 내지 20의 범위 내인 증기 챔버.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1영역이 응축 영역이고, 상기 제2영역이 증발 영역인 증기 챔버.
9. 제1항에 있어서, 상기 윅 패턴의 점유 부피(WV)와 상기 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(WV/VT)이 0.05 내지 0.9의 범위 내인 증기 챔버.
10. 제1항에 있어서, 상기 제1영역의 윅 패턴의 점유 부피(W1V)와 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(W1V/VT)은 0.1 내지 0.95의 범위 내인 증기 챔버.
11. 제1항에 있어서, 상기 제2영역의 윅 패턴의 점유 부피(W2V)와 내부 공간의 전체 부피(VT)의 비율(W2V/VT)은 0.02 내지 0.85의 범위 내인 증기 챔버.
12. 제1항에 있어서, 상기 내부 공간은, 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율이 상기 제1영역 및 상기 제2영역과는 같거나 다른 제3영역을 추가로 포함하는 증기 챔버.
13. 제12항에 있어서, 상기 제3영역의 단위 부피 당 윅 패턴의 점유 부피 비율은 5% 내지 90%의 범위 내인 증기 챔버.
14. 제1항에 있어서, 상기 윅 패턴은, 제1방향을 따라 반복되고, 상기 제1방향과는 다른 방향인 제2방향을 따라 연장되는 라인 형태의 윅을 복수 포함하는 패턴이고, 상기 라인 형태의 윅은 하기 수식2에 따른 S/V값이 상기 제2방향을 따라서 증가 또는 감소하도록 형성되어 있는 영역을 포함하는 증기 챔버:
    [수식2]
    S/V=(라인 형태의 윅의 노출 면적)/(라인 형태의 윅의 부피)
15. 제14항에 있어서, 상기 라인 형태의 윅은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하면서, 부피가 감소하도록 형성되어 있는 증기 챔버.
16. 제14항에 있어서, 상기 라인 형태의 윅은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하면서, 기판과의 접촉 면적이 감소하도록 형성되어 있는 증기 챔버.
17. 제14항에 있어서, 상기 윅 패턴은 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 증가하도록 형성된 영역을 포함하는 제1윅과 상기 제2방향을 따라서 상기 S/V값이 감소하도록 형성된 영역을 포함하는 제2윅을 포함하는 증기 챔버.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1윅과 제2윅은 서로 엇갈리도록 형성되어 있는 증기 챔버.
19. 제14항에 있어서, 상기 윅 패턴은 상기 제1방향을 따라 반복되고, 상기 제1방향과는 다른 방향인 제2방향을 따라 연장되는 복수의 금속폼의 라인을 포함하는 금속폼 라인 패턴인 증기 챔버.
20. 제19항에 있어서, 상기 금속폼 라인의 기공도는 30% 내지 99%의 범위 내인 증기 챔버.
21. 제19항에 있어서, 상기 금속폼 라인의 기공 크기는 100nm 내지 100㎛의 범위 내인 증기 챔버.
22. 제1항에 있어서, 상기 제1영역 대비 제2영역에 인접하여 배치된 열원을 추가로 포함하는 증기 챔버.

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