KR20220146541A - 열 관리 시스템 - Google Patents

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KR20220146541A
KR20220146541A KR1020227032870A KR20227032870A KR20220146541A KR 20220146541 A KR20220146541 A KR 20220146541A KR 1020227032870 A KR1020227032870 A KR 1020227032870A KR 20227032870 A KR20227032870 A KR 20227032870A KR 20220146541 A KR20220146541 A KR 20220146541A
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KR
South Korea
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management system
thermal management
microns
thermal conductivity
thickness
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KR1020227032870A
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English (en)
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조나단 테일러
린제이 킨
미첼 워렌
존 씨 앨런
프라샨트 수브라마니안
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네오그라프 솔루션즈, 엘엘씨
더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드
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Abstract

열 관리 시스템이 개시된다. 하나의 열 관리 시스템은 제1 요소, 제1 요소에 인접한 제2 요소, 및 제2 요소에 인접하고 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소를 포함한다. 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 동일하거나 상이한 물리적 특성을 가질 수 있는 플렉시블(flexoble) 흑연 물품을 포함한다. 제2 요소는 에어로겔 기반 단열 재료와 같은 단열 재료 또는 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 막과 같은 다공성 중합체 매트릭스를 포함한다. 또한, 핫스팟을 감소 또는 제거하기 위해 또는 다른 목적을 위해 내부에 생성되는 열을 관리하기 위한 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스가 개시된다.

Description

열 관리 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 2월 28일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/983,243호의 우선권 및 이익을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 참조로 여기에 포함된다.
기술분야
본 개시 내용은 열 관리 시스템 및 그 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 일 실시예에서, 본 개시 내용은 제1 요소, 제1 요소에 인접한 제2 요소, 및 제2 요소에 인접하고 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소를 포함하는 열 관리 시스템에 관한 것이다. 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 동일하거나 상이한 물리적 특성을 가질 수 있는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 제2 요소는 한정되는 것은 아니지만 에어로겔과 같은 단열 재료를 포함한다.
처리 속도, 디스플레이 해상도, 디바이스 기능(예를 들어, 카메라) 및 더 높은 주파수를 증가시킬 수 있는 것을 포함하여 휴대폰, "넷북"으로도 지칭되는 소형 랩톱 컴퓨터, "스마트 폰"으로도 지칭되는 전자 또는 디지털 단말기와 같은 점점 더 정교한 전자 디바이스의 발전에 따라, 상대적으로 극단적인 온도가 생성될 수 있다. 실제로, 더 복잡한 전력 요건을 갖고 전자 및 전기 부품 및 시스템뿐만 아니라 고출력 광학 장치와 같은 다른 장치의 마이크로프로세서 및 집적 회로와 같은 다른 기술 발전을 나타내는 더 작은 장치에 대한 요구에 따라, 열 관리는 훨씬 더 중요하다. 마이크로프로세서, 집적 회로, 디스플레이, 카메라(특히 통합 플래시가 있는 제품) 및 다른 정교한 전자 부품은 일반적으로 특정 범위의 임계 온도에서만 효율적으로 작동한다. 이들 부품의 작동 중에 발생되는 과도한 열은 그들의 자체 성능에 해를 끼칠 뿐만 아니라 다른 부품, 특히 인접한 부품 및 전체 시스템의 성능과 신뢰성을 저하시킬 수 있고 심지어 시스템 장애를 일으킬 수도 있다. 전자 시스템이 작동할 것으로 예상되는 극한의 온도를 포함하여 점점 더 광범위한 환경 조건이 이러한 부정적인 영향을 악화시킨다.
또한, 발열 부품의 존재는 주변 영역보다 온도가 더 높은 영역인 핫스팟(hot spots)을 생성할 수 있다. 이것은 부품 또는 생성되는 이미지의 특성으로 인한 온도 차이로 인해 디바이스의 원하는 작동 특성과 수명을 감소시키는 열 응력을 유발할 수 있는 플라즈마 디스플레이 패널, OLED 또는 LCD와 같은 디스플레이에서 확실히 그러하다. 다른 전자 디바이스에서, 핫스팟은 주변 부품에 해로운 영향을 줄 수 있으며, 사용자의 무릎 위에 놓이는 랩톱 케이스의 바닥, 키보드의 터치 포인트 또는 휴대 전화기나 스마트폰의 후면의 핫스팟과 같이 사용자에게 불편을 야기할 수도 있다. 이들 상황에서는 디바이스에 의해 발생되는 전체 열이 심하지 않기 때문에 방열이 필요하지 않을 수 있지만, 핫스팟으로부터의 열이 디바이스에 걸쳐 더 균일하게 분산되어 핫스팟을 줄이거나 제거하는 열 분산이 필요할 수 있다.
따라서, 전자 디바이스가 더 복잡해지고 더 많은 열, 특히 핫스팟을 생성함에 따라, 열 관리는 전자 디바이스의 설계의 점증하는 중요한 요소가 된다. 따라서, 핫스팟을 감소 또는 제거하기 위해 내부에 생성된 열을 관리하도록 전자 디바이스에서 사용될 수 있는 효과적인 열 관리 시스템에 대한 요구가 당업계에 남아 있다.
본 명세서에는 열 관리 시스템 및 그 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스가 개시된다. 본 개시 내용의 열 관리 시스템은 전자 디바이스에 의해 발생되는 열을 효과적으로 관리하여 핫스팟을 줄이거나 제거하는 데 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 일 실시예에 따르면, 열 관리 시스템이 제공된다. 열 관리 시스템은 제1 요소, 제2 요소 및 선택적 제3 요소를 포함한다. 상기 제1 요소는 65 미크론 초과 내지 95 미크론의 두께, 700 W/mK 초과 내지 950 W/mK 이하의 면내(in-plane) 열 전도율, 및 6W/mK 미만의 면관통(through-plane) 열 전도율을 갖는 플렉시블(flexible) 흑연 물품을 포함한다. 상기 제2 요소는 상기 제1 요소에 인접하고, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 상기 선택적인 제3 요소는 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하며, 적어도 65 미크론 내지 500 미크론 이하의 두께, 700 W/mK 초과의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다.
본 개시 내용의 다른 실시예에 따르면, 열 관리 시스템이 제공된다. 열 관리 시스템은 제1 요소, 제2 요소 및 선택적 제3 요소를 포함한다. 상기 제1 요소는 100 미크론 초과 500 미크론 이하의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 상기 제2 요소는 상기 제1 요소에 인접하고, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 상기 선택적인 제3 요소는 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하며, 100 미크론 초과 500 미크론 이하의 두께, 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다.
본 개시 내용의 추가의 실시예에 따르면, 열 관리 시스템이 제공된다. 열 관리 시스템은 제1 요소, 제2 요소 및 선택적 제3 요소를 포함한다. 상기 제1 요소는 100 미크론 이상 500 미크론 이하의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 상기 제2 요소는 상기 제1 요소에 인접하고, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 상기 선택적인 제3 요소는 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하며, 적어도 100 미크론 내지 500 미크론 이하의 두께, 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다.
본 개시 내용의 추가의 실시예에 따르면, 열 관리 시스템이 제공된다. 열 관리 시스템은 제1 요소, 제2 요소 및 선택적 제3 요소를 포함한다. 상기 제1 요소는 100 미크론 초과 500 미크론 이하의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 상기 제2 요소는 상기 제1 요소에 인접하고, 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 상기 선택적인 제3 요소는 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하며, 100 미크론 이상 500 미크론 이하의 두께, 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다.
본 개시 내용의 추가의 다른 실시예에 따르면, 열 관리 시스템은 100 미크론 초과 500 미크론 이하의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 요소, 및 0.15 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 요소를 포함하는 제2 요소를 포함한다. 상기 제2 요소는 상기 제1 요소의 두께와 적어도 동일하고 상기 제1 요소의 두께의 적어도 10배(10x) 이하(바람직하게는 7배(7x) 이하, 더 바람직하게는 5배(5x) 이하, 더욱더 바람직하게는 3배(3x) 이하)까지의 두께를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 열 관리 시스템의 추가 실시예는 적어도 100 미크론의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 플렉시블 흑연 요소를 포함한다. 상기 실시예는 또한 상기 제1 요소에 인접한 제2 단열 재료 요소를 포함하고, 상기 제2 요소는 0.05 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는다.
본 개시 내용의 열 관리 시스템의 추가 실시예는 적어도 100 미크론의 두께, 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 플렉시블 흑연 요소를 포함한다. 상기 실시예는 또한 상기 제1 플렉시블 흑연 요소에 인접한 제2 단열 재료 요소를 포함하고, 상기 제2 요소는 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는다. 상기 실시예는 또한 상기 제2 요소에 인접한 제3 플렉시블 흑연 요소를 포함하고, 상기 제3 요소는 적어도 100 미크론의 두께, 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 가진다.
본 개시 내용에 따르면, 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스가 제공된다. 전자 디바이스는 열원, 외부 표면, 및 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은 제1 요소 또는 선택적인 제3 요소 중 하나가 상기 열원과 작동적으로 열 연통되고, 상기 제1 요소 및 상기 선택적인 제3 요소 중 다른 하나가 상기 외부 표면을 향하도록 상기 전자 디바이스에 배열된다.
본 개시 내용은 특히 첨부된 도면을 참조로 판단시 다음의 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해되고 그 장점이 더 분명해질 것이다.
도 1은 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 1a는 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2a는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3a는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6a는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6b는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6c는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6d는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6e는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6f는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 개시 내용의 예 I에 따라 활용된 실험 장치의 개략도이다.
도 8은 본 개시 내용의 예 I에 따른 샘플의 열 시험의 그래프를 예시한다.
도 8a는 본 개시 내용의 예 I로부터의 샘플 2 대 유사 두께 비교 샘플의 시뮬레이션 그래프를 예시한다.
도 9는 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스의 스크린(A) 및 후면 커버(B)의 IR 이미지를 나타낸다. 색상과 온도 사이의 방향성 경향을 나타내기 위해 다수의 온도 눈금이 표시된다. 표면 핫스팟은 흰색 영역으로 표시된다.
도 10은 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 TIM을 통해 부착된 열전쌍이 있는 Google Pixel 3XL 디바이스의 스크린(A) 및 후면 커버(B)의 이미지를 나타낸다. 열전쌍은 표면 핫스팟 위치의 온도를 측정하기 위해 정밀하게 배치되었다.
도 11은 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 순응성 중합체에 의해 기존 에어 갭 두께가 측정된 7개의 번호가 부여된 위치와 함께 후면 커버가 제거된 Google Pixel 3XL 디바이스의 이미지를 예시한다.
도 12는 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따라 사용된 물리적 재료, 재료의 예시적인 구성, 및 테스트 구성을 예시한다.
도 13은 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스의 후면 커버 내부의 부품 배치(A) 및 기하학적 구조(B)의 이미지를 예시한다.
도 14a는 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스에서의 A-A의 단면의 위치를 예시한다.
도 14b는 Google Pixel 3XL 디바이스의 두께를 통한 도 14a의 A-A 단면의 개략도를 예시한다.
도 15는 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스에서 테스트된 모든 구성에 대한 정상 상태 후면 커버 핫스팟 온도(상단) 및 GPU 최대 온도(하단)의 그래프를 예시한다.
도 16은 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스에서 테스트된 모든 구성에 대한 후면 커버 핫스팟에 대한 확대된 IR 이미지를 보여준다.
도 17은 본 개시 내용의 예 II에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스의 공기만의 특별한 조절(좌측) 구성(D5)의 고정 주파수(우측)에 대한 과도(평활) 벤치마크 점수(상부), CPU 주파수(중간) 및 GPU 주파수(하부)의 그래프를 보여준다.
도 18은 본 개시 내용의 예 Ⅱ에 따른 Google Pixel 3XL 디바이스의 공기만의 특별한 조절(좌측) 구성(D5)의 고정 주파수에 대한 정상 상태 후면 커버 핫스팟 온도(상부), Slingshot Extreme 벤치마크 점수(중간), 및 초당 프레임(하부)의 그래프를 보여준다.
본 명세서에는 열 관리 시스템 및 그 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스가 개시된다. 본 개시 내용의 열 관리 시스템은 전자 디바이스에 의해 발생되는 열을 효과적으로 관리하여 핫스팟을 줄이거나 제거하는 데 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 일부 실시예에 따르면, 열 관리 시스템은 제1 요소, 제1 요소에 인접한 제2 요소, 및 제2 요소에 인접하고 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소를 포함한다. 일반적으로, 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 동일하거나 상이한 물리적 특성을 가질 수 있는 플렉시블 흑연 물품(본 명세서에서 "제1 플렉시블 흑연 요소" 및 "제3 플렉시블 흑연 요소"로도 지칭됨)을 포함하고, 제2 요소는 0.05 W/mK 이하, 바람직하게는 0.025 W/mK 미만을 포함하여 0.15 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료(본 명세서에서 "제2 단열 재료 요소"로도 지칭됨)를 포함한다.
언급된 바와 같이, 본 개시 내용의 일부 실시예의 열 관리 시스템의 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 각각 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 플렉시블 흑연 시트이다. 본 개시 내용의 일 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 흑연 재료의 하나 이상의 층을 포함한다. 본 개시 내용의 일 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품을 형성하는 데 사용되는 흑연 재료는 팽창 흑연 시트(때로 박리 또는 팽창 흑연의 압축 입자 시트로 지칭됨), 합성 흑연(예를 들어, 열분해 흑연, 흑연화 폴리이미드 필름), 및 이들의 조합을 포함한다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 모놀리식이다. 본원에 사용된 용어 "모놀리식"은 접착제를 포함하지 않는 하나의 단일 구조체를 지칭한다. 따라서, 모놀리식의 플렉시블 흑연 제품은 접착제를 사용하지 않고 단일 구조체를 형성하도록 함께 결합되는 상이한 흑연 재료들을 포함하는 흑연 재료의 하나 또는 다중(예를 들어, 2, 3, 4개) 층을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 열 관리 시스템에 사용하기에 적절한 예시적인 플렉시블 흑연 물품은 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제9,267,745호에 기재되어 있다. 본 개시 내용의 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적인 상업적으로 입수가능한 플렉시블 흑연 물품은 NeoGraf Solutions, LLC(오하이오주 레이크우드에 소재함)로부터 입수가능한 NEONXGEN® 플렉시블 흑연 재료를 포함한다. 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 실행하는 데 사용될 수 있는 NEONXGEN 재료의 예시적인 등급의 비포괄적인 목록은 N-80, N-100, P-100, N-150, P-150, N-200, P-200, P-250, N-270 및 N-300과 같은 NEONXGEN 재료의 N, P 및 U 시리즈를 포함할 수 있다. 이러한 재료에 대한 특성 범위는: (1) 최대 500 미크론의 두께와 같은 70 미크론 내지 적어도 300 미크론까지의 두께; (2) 800 W/mK 내지 1,400 W/mK의 면내 열 전도율(k1); (3) 3 W/mK 내지 6 W/mK의 면관통 열 전도율(k 1 ); 및/또는 (4) 적어도 1.8 g/cm3 내지 2.1 g/cm3까지의 밀도를 포함한다.
간략하게 언급된 바와 같이, 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 각각 동일하거나 상이한 물리적 특성을 가질 수 있는 플렉시블 흑연 물품을 포함한다. 예를 들어, 제1 요소 및 선택적인 제3 요소는 한정되는 것은 아니지만, 두께, 면내 열 전도율 및 면관통 열 전도율을 포함하는 동일하거나 상이한 물리적 특성을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 적어도 65 미크론 내지 500 미크론의 두께를 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 65 미크론 내지 500 미크론, 80 미크론 내지 450 미크론, 90 미크론 내지 425 미크론, 100 미크론 내지 400 미크론, 125 미크론 내지 300 미크론, 및 130 미크론 내지 250 미크론을 포함하여 적어도 65 미크론의 두께를 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 70 미크론 내지 90 미크론 및 75 미크론 내지 85 미크론을 포함하여 65 미크론 초과 내지 95 미크론의 두께를 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 100 미크론 초과 내지 500 미크론, 110 미크론 내지 400 미크론, 125 미크론 내지 300 미크론, 및 또한 130 미크론 내지 250 미크론을 포함하여 100 미크론 초과의 두께를 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 적어도 100 미크론 내지 500 미크론, 110 미크론 내지 400 미크론, 125 미크론 내지 300 미크론 및 130 미크론 내지 250 미크론을 포함하여 적어도 100 미크론의 두께를 가진다.
본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 700 W/mK 초과 내지 1500 W/mK의 면내 열 전도율을 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 700 W/mK 초과 내지 1500 W/mK, 750 W/mK 내지 1400 W/mK, 800 W/mK 내지 1350 W/mK, 950 W/mK 내지 1300 W/mK 및 1000 W/mK 내지 1200 W/mK을 포함하여 700 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 700 W/mK 초과 내지 950 W/mK, 725 W/mK 내지 900 W/mK 및 750 W/mK 내지 850 W/mK를 포함하여 700 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 1000 W/mK 초과 내지 1500 W/mK, 1025 W/mK 내지 1400 W/mK, 1050 W/mK 내지 1300 W/mK 및 1100 W/mK 내지 1200 W/mK를 포함하여 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 적어도 1000 W/mK 내지 1500 W/mK, 1025 W/mK 내지 1400 W/mK, 1050 W/mK 내지 1300 W/mK 및 1100 W/mK 내지 1200 W/mK를 포함하여 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율을 가진다.
본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 0.5 W/mK 내지 5.99 W/mK, 1 W/mK 내지 5.75 W/mK, 2 W/mK 내지 5.5 W/mK 및 3 W/mK 내지 5 W/mK를 포함하여 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 0.5 W/mK 내지 6 W/mK, 1 W/mK 내지 5.75 W/mK, 2 W/mK 내지 5.5 W/mK 및 3 W/mK 내지 5 W/mK를 포함하여 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 0.5 W/mK 내지 4.5 W/mK, 0.75 W/mK 내지 4.25 W/mK, 1 W/mK 내지 4 W/mK, 1.25 W/mK 내지 3.75 W/mK, 1.5 W/mK 내지 3.25 W/mK 및 2 W/mK 내지 3 W/mK를 포함하여 4.5 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 플렉시블 흑연 물품은 바람직하게는 3 W/mK 내지 5 W/mK의 면관통 열 전도율을 갖는다.
본 개시 내용의 다양한 실시예에서 열 관리 시스템의 제2 요소는 0.05 W/mK 이하, 바람직하게는 0.025 W/mK 미만을 포함하여 0.15 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 본 개시 내용의 특정 양태에서, 제2 요소는 0.01 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.02 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.025 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.03 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.035 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.04 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.045 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.05 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다. 본 개시 내용의 특정 양태에서, 제2 요소는 0.01 W/mK 내지 0.025 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.025 W/mK의 면관통 열 전도율 및 0.02 W/mK 내지 0.025 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다.
본 개시 내용의 실시예에서, 제2 요소는 2 mm 미만의 두께를 갖는다. 본 개시 내용의 실시예에서, 제2 요소는 5 미크론 내지 2 mm, 10 미크론 내지 2 mm, 20 미크론 내지 2 mm, 30 미크론 내지 2 mm, 50 미크론 내지 2 mm, 70 미크론 내지 2 mm, 0.1 mm 내지 1.5 mm, 0.1 mm 내지 1 mm, 0.1 mm 내지 0.5 mm, 0.1 mm 내지 0.3 mm, 및 0.1 mm 내지 0.25 mm를 포함하여 1 미크론 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, 제2 요소는 30 미크론 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, 제2 요소는 1 미크론, 5 미크론, 10 미크론, 20 미크론, 30 미크론, 50 미크론, 70 미크론, 100 미크론, 150 미크론, 200 미크론, 250 미크론, 500 미크론, 750 미크론, 1 mm, 1.5 mm 또는 2 mm의 두께를 가질 수 있다.
특정 실시예에서, 제2 요소의 두께는 적어도 제1 요소 및 선택적인 제3 요소의 최대 두께만큼 두껍다. 대안적으로, 제2 요소는 제1 요소 또는 선택적 제3 요소의 최대 두께의 10배(10x) 이하인 두께를 갖는다. 바람직하게는, 제2 요소는 제1 요소 또는 선택적인 제3 요소의 최대 두께의 7배(7x) 이하인 두께를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 제2 요소의 두께는 제1 요소 또는 선택적 제3 요소의 최대 두께의 5배(5x) 이하이다. 더욱 더 바람직하게는, 제2 요소는 제1 요소 또는 선택적인 제3 요소의 최대 두께의 3배(3x) 이하인 두께를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 실시예에서, 단열 재료는 다공성 중합체 매트릭스를 포함한다. 적절한 다공성 중합체 매트릭스의 일례는 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 막이다. 여러 실시예에서, ePTFE 막은 0.025 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율 및 0.03 W/mK 내지 0.045 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.15 W/mK 미만, 바람직하게는 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 가진다. 여러 실시예에서, ePTFE 막은 0.025 W/mK, 0.03 W/mK, 0.035 W/mK, 0.04 W/mK, 0.045 W/mK 또는 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 내지 0.05 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 가진다.
ePTFE 막의 바람직한 두께는 1 미크론 내지 100 미크론, 1 미크론 내지 90 미크론, 5 미크론 내지 80 미크론, 10 미크론 내지 75 미크론, 및 20 미크론 내지 60 미크론을 포함하여 100 미크론 이하이다. 여러 실시예에서, ePTFE 막은 1 미크론 내지 40 미크론 및 5 미크론 내지 25 미크론을 포함하여 1 미크론 내지 50 미크론의 두께를 가질 수 있다. 본 개시 내용의 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적인 상업적으로 입수가능한 ePTFE 막은 WL Gore & Associates, Inc.(델라웨어주 뉴워크에 소재함)로부터 입수가능하다.
적절한 ePTFE 막의 예는 적어도 40 중량% 내지 최대 80 중량%의 공기를 포함할 수 있다. ePTFE 막의 기공률은 약 40% 내지 약 97%의 범위일 수 있다. 기공률 측정 기기("PMI")를 사용하여 기공률을 측정할 수 있다. 기공 크기 측정은 Coulter Electronics, Inc.(플로리다주 하이얼리어에 소재함)에 의해 제조된 Coulter PorometerTM에 의해 수행될 수 있다. Coulter Porometer는 액체 변위 방법(ASTM 표준 E1298-89에 설명됨)을 이용하여 다공성 매질의 기공 크기 분포를 자동으로 측정하는 기기이다.
본 개시 내용에 따라 사용하기에 적절한 대안적인 다공성 중합체 매트릭스 재료는 한정되는 것은 아니지만, 팽창된 폴리에틸렌 막과, 다음의 중합체: 폴리에틸렌("PE"), 폴리프로필렌("PP") 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 중 하나 이상의 나노섬유 웹과, 다음의 중합체: 폴리에틸렌("PE"), 폴리프로필렌("PP") 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 중 하나 이상의 중합체의 직조 또는 부직포 텍스타일과, 이들의 조합을 포함한다. ePTFE 막과 관련된 특성에 대한 위의 설명은 대체되는 다공성 중합체 매트릭스 재료에도 동일하게 적용된다. 선택적으로, 다공성 중합체 매트릭스 재료는 한정되는 것은 아니지만, 아크릴 및/또는 실리콘 중합체와 같은 접착제로 코팅될 수 있다.
본 개시 내용의 실시예에서, 단열 재료는 에어로겔 입자 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하고, 0.02 W/mK 이하의 면관통 열 전도율 및 0.017 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율(대기 조건, 즉, 약 298.15 K 및 101.3 kPa에서)을 가진다. 본 개시 내용의 실시예에서, 단열 재료는 에어로겔 입자 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하고, 0.01 W/mK 내지 0.025 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.0015 W/mK 내지 0.025 W/mK의 면관통 열 전도율 및 0.02 W/mK 내지 0.025 W/ mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 이하의 면관통 열 전도율(대기 조건, 즉, 약 298.15 K 및 101.3 kPa에서)을 가진다. 본 개시 내용의 단열 재료의 실시예에 사용하기에 적절한 에어로겔 입자는 무기, 유기 에어로겔, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 비제한적인 예시적인 무기 에어로겔은 대안적으로 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 바나듐 등등과 이들의 혼합물을 포함한 성분의 무기 산화물로부터 형성된 성분을 포함할 수 있으며, 실리카 에어로겔이 특히 바람직하다. 유기 에어로겔도 역시 본 개시 내용의 단열 재료의 실시예에 사용하기에 적절하고, 탄소, 폴리아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리푸르푸릴 알코올, 페놀 푸르푸릴 알코올, 멜라민 포름알데히드, 레조르시놀 포름알데히드, 크레졸, 포름알데히드, 폴리시아누레이트, 폴리아미드(예컨대 한정되는 것은 아니지만 폴리아크릴아미드, 에폭사이드, 아가르(agar), 아가로스 등) 중 임의의 물질로 준비될 수 있다. 바람직하게는, 에어로겔 입자는 1 nm 내지 70 nm, 5 nm 내지 70 nm, 및 10 nm 내지 60 nm를 포함하여 70 nm 미만의 평균 기공 직경을 갖는다.
에어로겔 입자 이외에, 본 개시 내용의 실시예에 따른 단열 재료는 PTFE를 포함한다. PTFE는 결합제로서 기능할 수 있으며, 여기서 본 명세서에 사용된 "결합제"라는 용어는 PTFE 성분에 의해 에어로겔 입자가 다른 에어로겔 입자, 또는 추가적인 선택적인 성분과 함께 유지되거나 응집되게 하는 것을 의미한다. 본 개시 내용의 실시예에서, 단열 재료는 약 40wt% 이상의 에어로겔, 약 60wt% 이상의 에어로겔, 또는 약 80wt% 이상의 에어로겔을 포함하는, 에어로겔 입자 및 PTFE 입자의 혼합물을 포함한다.
에어로겔 입자와 PTFE 입자의 바람직한 혼합물은 약 40wt% 내지 약 95wt% 에어로겔, 추가로 약 40wt% 내지 약 80wt% 에어로겔을 포함한다. PTFE 입자는 바람직하게는 약 60wt% 이하의 에어로겔/PTFE 혼합물, 약 40wt% 이하의 혼합물, 또는 약 20wt% 이하의 에어로겔/PTFE 혼합물을 포함한다.
바람직한 혼합물은 약 5wt% 내지 약 60wt% PTFE, 및 약 20wt% 내지 약 60wt% PTFE를 포함하는 에어로겔/PTFE 혼합물을 포함한다. 본 개시 내용의 발명에 사용하기에 적절한 예시적인 단열 재료는 미국 특허 제7,118,801호에 기재되어 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 개시 내용의 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적인 상업적으로 입수가능한 단열 재료는 WL Gore & Associates, Inc.(델라웨어주 뉴워크에 소재함)로부터 입수가능하다. 바람직한 실시예에서, 에어로겔/PTFE 단열 물품은 모놀리식이다. 다른 실시예에서, 에어로겔/PTFE 단열 물품은 균질 복합체 물품이다. 여러 실시예에서, 에어로겔/PTFE 단열 물품은 하나 이상의 면이 다공성 중합체 매트릭스, 예를 들어 ePTFE 막 또는 전술한 대안적인 다공성 중합체 매트릭스 재료 중 하나로 피복될 수 있다. 에어로겔/PTFE 단열 물품의 이점은 고강도, 고하중 및/또는 고내열성을 가질 수 있다. 에어로겔/PTFE 단열 물품은 단위 부피당 또는 두께를 기준으로 하여 원시 수치와 관련하여 많은 다른 옵션에 비해 개선된 특성을 가질 수 있다. 에어로겔/PTFE 단열 물품의 특정 실시예는 30 미크론 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)의 실시예가 예시된다. 열 관리 시스템(100)은 제1 요소(10), 제1 요소(10)에 인접한 제2 요소(20), 및 제2 요소(20)에 인접하고 제1 요소(10)에 대향하는 선택적 제3 요소(30)를 포함한다. 따라서, 열 관리 시스템(100)은 제1 요소(10)와 선택적인 제3 요소(30) 사이에 제2 요소(20)가 배치된 샌드위치형 구조 또는 구성을 갖는다.
이전에 논의된 바와 같이, 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10) 및 선택적인 제3 요소(30)는 각각 동일하거나 상이한 물리적 특성을 가질 수 있는 플렉시블 흑연 물품을 포함하고, 열 관리 시스템(100)의 제2 요소(20)는 0.05 W/mK 미만, 바람직하게는 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)은 65 미크론 초과 내지 95 미크론의 두께, 700 W/mK 초과 내지 950 W/mK까지의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소(10); 제1 요소(10)에 인접한 제2 요소(20)로서, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소(20); 및 제2 요소(20)에 인접하고 제1 요소(10)에 대향하는 선택적인 제3 요소(30)로서, 적어도 65 미크론의 두께, 700 W/ mK 초과의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 선택적인 제2 요소(30)를 포함한다.
제2 실시예에서, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)은: 100 미크론 초과의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소(10); 제1 요소(10)에 인접한 제2 요소(20)로서, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소(20); 및 제2 요소(20)에 인접하고 제1 요소(10)에 대향하는 선택적인 제3 요소(30)로서, 100 미크론 초과의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 선택적인 제3 요소(30)를 포함한다. 특정 실시예에서, 제1 요소(10) 또는 선택적 제3 요소(30) 중 적어도 하나의 두께는 적어도 130 미크론, 적어도 150 미크론, 및 최대 500 미크론을 포함하여 적어도 125 미크론이고, 제2 요소의 두께는 요소는 1 mm 미만 및 0.1 mm 내지 0.25 mm를 포함하여 2 mm 미만이다.
다른 실시예에서, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)은: 적어도 100 미크론의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소(10); 제1 요소(10)에 인접한 제2 요소(20)로서, 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소(20); 및 제2 요소(20)에 인접하고 제1 요소(10)에 대향하는 선택적인 제3 요소(30)로서, 적어도 100 미크론의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 선택적인 제3 요소(30)를 포함한다. 특정 실시예에서, 제1 요소(10) 또는 선택적 제3 요소(30) 중 적어도 하나의 두께는 적어도 130 미크론, 적어도 150 미크론, 및 최대 500 미크론을 포함하여 적어도 125 미크론이고, 제2 요소의 두께는 1 mm 미만 및 0.1 mm 내지 0.25 mm를 포함하여 2 mm 미만이다.
추가의 실시예에서, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)은: 적어도 100 미크론의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소(10); 제1 요소(10)에 인접한 제2 요소(20)로서, 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소(20); 및 제2 요소(20)에 인접하고 제1 요소(10)에 대향하는 선택적인 제3 요소(30)로서, 적어도 100 미크론의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 선택적인 제3 요소(30)를 포함한다. 특정 실시예에서, 제1 요소(10) 또는 선택적 제3 요소(30) 중 적어도 하나의 두께는 적어도 130 미크론, 적어도 150 미크론, 및 최대 500 미크론을 포함하여 적어도 125 미크론이고, 제2 요소의 두께는 요소는 1 mm 미만 및 0.1 mm 내지 0.25mm를 포함하여 2 mm 미만이다.
열 관리 시스템(100)의 개시된 실시예와 일치하는 제1 요소(10), 제2 요소(20) 및 선택적인 제3 요소(30)의 이전에 설명된 재료 및 특성 범위(예를 들어, 두께, 면내 열 전도율, 면관통 열 전도율) 중 임의의 것이 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 실시예에서, 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10) 및 선택적인 제3 요소(30) 중 적어도 하나는 모놀리식이다. 본 개시 내용의 실시예에서, 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10) 및 선택적인 제3 요소(30)는 모두 모놀리식이다.
본 개시 내용의 실시예에서, 제1 요소(10)와 선택적인 제3 요소(30)는 제2 요소(20)의 대향면에 접착된다. 제1 요소(10)와 선택적인 제3 요소(30)는 양면 접착 테이프를 사용하여 제2 요소(20)에 부착될 수 있다. 바람직하게, 양면 접착 테이프는 15 미크론 미만 및 10 미크론 미만의 두께를 포함하여 20 미크론 미만의 두께를 갖는다. 양면 접착 테이프는 아크릴 또는 라텍스 접착 물질 등을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, 양면 접착 테이프는 접착제에 공칭 에어 갭 또는 기공을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, 양면 접착 테이프의 접착 물질은 비수계 및 비발포성 접착제이다.
본 개시 내용의 실시예에서, 열 관리 시스템(100)은 제1 요소(10) 및 선택적인 제3 요소(30) 중 적어도 하나의 요소 상에 선택적인 코팅층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 코팅층은 유전체 재료, 플라스틱 재료(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리에스터(폴리에틸렌 테레프탈레이트), 또는 폴리이미드), 및 외향 접착 물질에 이형 라이너를 갖는 양면 접착 테이프 중 하나 이상을 포함한다. 바람직한 양면 접착 테이프는 10 미크론 이하의 두께를 갖는 캐리어(예를 들어, 수지 필름)를 포함한다.
이제 도 1a를 참조하면, 본 개시 내용에 따른 다른 실시예의 열 관리 시스템(150)이 도시되어 있다. 열 관리 시스템(150)은 100 미크론 초과의 두께 및 1,000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소(10)를 포함할 수 있다. 전자 디바이스에 대한 적용을 위해, 플렉시블 흑연 물품은 바람직하게는 시트 형태일 수 있다.
계속해서 도 1a를 참조하면, 열 관리 시스템(150)은 또한 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소(20)를 포함한다. 제2 요소(20)의 두께는 제1 요소(10)의 두께와 적어도 동일한 두께를 가지며, 제1 요소(10)의 두께의 7배(7x) 이하, 제1 요소(10)의 두께의 5배(5x) 이하, 및 제1 요소(10)의 두께의 3배(3x) 이하를 포함하여 제1 요소(10)의 두께의 10배(10x) 이하까지 일 수 있다. 제2 요소(20)에 적절한 비한정적인 예의 재료는 본 명세서에 기재된 바와 같은 에어로겔 기반 재료, 또는 한정되는 것은 아니지만, 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 막과 같은 다공성 중합체 매트릭스를 포함한다.
이 실시예가 전자 디바이스(200)에 통합될 때, 열 관리 시스템(150)은 열원(210)(즉, 여기에 설명된 바와 같은 전자 부품)과 작동적으로 열 연통되고, 열 관리 시스템(150)의 제2 요소(20)는 도 2a에 예시된 바와 같이 열원(210)과 인접하게 정렬된다. 선택적으로, 열원(210)과 열 관리 시스템(150)은 도 3a에 도시된 바와 같이 서로 이격될 수 있다. 에어 갭(240)이 열 관리 시스템(150)의 열원(210)과 제2 요소(20) 사이에 위치될 수 있다.
두께의 특정 예를 살펴보면, 본 실시예의 열 관리 시스템(150)의 제1 요소(10)의 두께는 100 미크론 내지 500 미크론의 범위일 수 있다. 유사하게, 제2 요소(20)의 두께는 100 미크론 내지 약 5 mm까지의 범위일 수 있다. 제2 요소(20)의 적절한 두께의 다른 예는 제1 요소(10)의 두께의 1.1, 1.25, 1.5, 1.75, 2, 2.25, 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10배 중 임의의 것을 포함한다.
이제 도 2를 참조하면, 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100)을 포함하는 전자 디바이스(200)의 실시예가 예시된다. 전자 디바이스(200)는 열원(210), 외부 표면(220), 및 열 관리 시스템(100)을 포함한다. 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10) 또는 선택적인 제3 요소(30) 중 어느 하나는 열원(210)과 작동적으로 열 연통하며, 제1 요소(10) 및 선택적인 제3 요소(30) 중 나머지 것은 외부 표면(220)을 향한다. 도 2에서 보여지는 바와 같이, 전자 디바이스(200)는 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10)가 열원(210)과 작동적으로 열 연통하고 열 관리 시스템(100)의 선택적 제3 요소(30)가 외부 표면(220)을 향하는 것으로 예시되어 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 입자의 순 변위 없이 입자 간 운동 에너지의 전달을 통해 하나에서 다른 것으로 열 전도될 수 있을 때 2종의 재료는 작동적인 열 연통 상태에 있다. 작동적 열 연통은 열 관리 시스템(100, 150)이 열원(210)과 물리적으로 접촉하는 실시예뿐만 아니라 열 관리 시스템(100, 150)과 열원(210)의 인접 표면 사이에 에어 갭이 있는 경우(즉, 열 관리 시스템(100, 150) 및 열원(210)이 이격되어 있음)의 실시예를 포함할 수 있다. 열 관리 시스템(100, 150)의 외부 표면과 관련하여 마찬가지로, 여기에 개시된 실시예는 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220)과 물리적으로 접촉되는 열 관리 시스템(100, 150)의 외부 표면 또는 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220)으로부터 이격된 열 관리 시스템(100, 150)의 외향 표면(즉, 열 관리 시스템(100, 150)과 외부 표면(220) 사이에 에어 갭이 존재함)을 포함할 수 있다. 기능적으로, 작동적 열 연통은 제1 바디에서 제2 바디로 전달되어 제2 바디의 온도가 증가하도록 적어도 측정 가능한 양의 열을 포함할 것이다. 제2 바디의 온도 상승은 측정 가능하다.
본 개시 내용의 열 관리 시스템(100, 150)은 전자 디바이스(200)의 열원(210)에 의해 발생되는 열을 효과적으로 관리하여 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220) 상의 핫스팟을 감소 또는 제거하는 데 사용된다. "핫스팟"이란 용어는 일반적으로 주변 영역보다 온도가 높은 영역을 말한다. 본 개시 내용의 열 관리 시스템(100, 150)은 열원(210)에 의해 생성되는 열을 전자 디바이스(200)에 걸쳐 더 균일하게 방열 및/또는 분산시켜 핫스팟을 감소 또는 제거한다. 전자 디바이스(200)에 사용되는 열 관리 시스템(100, 150)은 본 명세서에서 설명되는 열 관리 시스템(100, 150) 중 어느 하나일 수 있다. 본 개시 내용의 전자 디바이스(200)의 비제한적인 예는 스마트폰, 태블릿, 및 랩탑을 포함한다.
본 개시 내용의 실시예는 에어 갭(230)이 외부 표면(220)과 해당 외부 표면(220)을 향하는(또는 근접한) 열 관리 시스템(100, 150)의 요소 사이에 있도록 전자 디바이스(200)에 배열된 열 관리 시스템(100, 150)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에어 갭(230)은 외부 표면(220)과 외부 표면(220)을 향하는 열 관리 시스템(100)의 선택적인 제3 요소(30)의 표면 사이의 거리에 의해 정의된다.
본 개시 내용의 실시예는 또한 외부 표면(220)의 일부가 외부 표면(220)을 향하는 열 관리 시스템(100, 150)의 요소와 물리적으로 접촉하도록 구성된 열 관리 시스템(100, 150) 및 전자 디바이스(200)를 포함한다. 본 개시 내용의 다양한 실시예에서, 외부 표면(220)은 전자 디바이스(200)의 케이스 또는 하우징을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220)의 일부는 열 관리 시스템(100)의 선택적인 제3 요소(30)와 물리적으로 접촉한다. 본 개시 내용의 다른 실시예에서, 열 관리 시스템(100, 150)의 요소와 물리적으로 접촉하는 외부 표면(220)의 부분은 외부 표면(220)과 마주하는 열 관리 시스템(100, 150)의 요소와 동일한 표면적을 가지며, 선택적으로 열 관리 시스템(100, 150)의 요소와 물리적으로 접촉하는 외부 표면(220)의 부분은 에어 갭이 생성되지 않도록 오프셋이 없다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 개시 내용의 전자 디바이스(200)의 실시예에서, 열원(210)(이 경우, 제1 요소(10))과 작동적으로 열 연통하는 열 관리 시스템(100)의 요소의 표면적은 요소(10)와 작동적으로 열 연통하는 열원(210)의 부분의 표면적보다 크다. 이러한 실시예는 열원(210)의 유효 표면적을 증가시켜 방열 및 열 분산을 용이하게 함으로써 핫스팟을 줄이거나 제거한다. 일부 실시예에서, 열원(210)과 작동적으로 열 연통하는 열 관리 시스템(100)의 요소의 표면적은 열 관리 시스템(100)의 요소와 작동적으로 열 연통하는 열원(210)의 부분의 표면적보다 적어도 1.5배(예를 들어, 1.5배 초과 내지 5배 초과) 더 크다.
본 개시 내용의 실시예에서, 열원(210)은 전자 부품일 수 있다. 전자 부품은 핫스팟을 생성하거나, 방열되지 않은 경우, 전자 부품 또는 전자 부품이 일 요소인 전자 디바이스(200)의 작동을 방해하기에 충분한 열을 생성하는 임의의 부품을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, 열원(210)은 마이크로프로세서 또는 컴퓨터 칩, 집적 회로, 레이저 또는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 광학 장치용 제어 전자 장치, 정류기, 인버터, 변환기, 가변 속도 드라이브, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터, 사이리스터, 증폭기, 인덕터, 커패시터 또는 이들의 부품 또는 다른 유사한 전자 소자를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 열원(210)은 예를 들어 유도 코일과 같은 무선 충전 부품일 수 있다.
여기에 개시된 열 관리 시스템의 실시예는 최대 약 100 와트(W)의 전력 사양을 갖는 전자 디바이스에 적용된다. 가정용 전자 제품에 대한 전형적인 전력 사양은 약 2 W 또는 3 W 내지 약 100 W, 약 2 W 내지 약 100 W, 약 10 W 내지 약 50 W, 약 50 W 내지 약 100 W, 및 약 2 W 내지 약 10 W의 범위일 수 있다.
특정 실시예에서, 열원(210)의 전력은 10 W 이하이다. 특정 실시예에서, 열원(210)의 전력은 5 W 이하이다. 특정 실시예에서, 열원(210)의 전력은 0.1 W 내지 0.95 W, 0.1 W 내지 0.75 W, 및 0.1 W 내지 0.5 W를 포함하여 1 W 미만이다. 특정 실시예에서, 열원(210)의 전력은 0.1 W 내지 10 W, 0.25 W 내지 9 W, 및 0.5 W 내지 5 W를 포함하여 1 W 미만 내지 10 W까지이다.
이제 도 4를 참조하면, 본 개시 내용의 전자 디바이스(200)의 실시예의 개략도가 예시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10)는 열원(210)과 작동적으로 열 연통하고, 열 관리 시스템(100)의 선택적 제3 요소(30)는 전자 디바이스의 외부 표면(220)과 마주한다. 도 4에 도시된 바와 같이, T1 지점은 열원(210)과 작동적으로 열 연통하는 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10)의 표면 상의 한 점에서의 온도를 지칭한다. T1 지점은 또한 접합 온도로도 지칭될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예와 관련하여 사용되는 바와 같이, "핫스팟"이라는 용어는 열원(210)과 정렬된(일반적으로 수직으로 정렬된) 열 관리 시스템(100)의 요소의 부분을 지칭한다. 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220) 상의 사용자 인터페이스 핫스팟은 일반적으로 열 관리 시스템(100)의 핫스팟의 위치와 일치할 것이다. 도 4에 또한 예시된 것은 열원(210)과 정렬되고 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220)을 향하는 열 관리 시스템(100)의 선택적인 제3 요소(30)의 표면 상의 한 점에서의 온도를 나타내는 T2 지점과 T2 지점으로부터의 거리만큼 이격된 전자 디바이스(200)의 외부 표면(220)을 향하는 온도 관리 시스템(100)의 선택적인 제3 소자(30)의 표면의 한 점에서의 온도를 나타내는 T3 지점이다. T2 지점은 열원(210)과 정렬되어 있으므로, T2 지점은 핫스팟으로 간주될 수 있다. T3 지점과 T2 지점 사이의 거리는 x-y 평면에서 측정되며, x-y 평면의 T2 지점에서 연장되는 반경일 수 있다.
본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 최대 100 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2.5℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 최대 100 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 60 mm 내지 95 mm, 70 mm 내지 90 mm 및 80 mm를 포함하여 60 mm 내지 100 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2.5℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 60 mm 내지 95 mm, 70 mm 내지 90 mm 및 80 mm를 포함하여 60 mm 내지 100 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 50 mm까지의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 35 m 내지 50 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2.5℃ 미만이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T2 지점과 T3 지점이 35 mm 내지 50 mm의 거리만큼 떨어져 있을 때, T2 지점과 T3 지점 사이의 온도 차이는 2℃ 미만이다.
다시 도 4를 참조하면, T1 지점과 T2 지점은 열 관리 시스템(100)의 공통 축(Ca)을 따라 놓여 있다. 본 개시 내용의 실시예에서, T1 지점과 T2 지점 사이의 온도 차이는 1.5℃ 초과이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T1 지점과 T2 지점 사이의 온도 차이는 적어도 2℃이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T1 지점과 T2 지점 사이의 온도 차이는 2℃ 초과이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T1 지점과 T2 지점 사이의 온도 차이는 적어도 3℃이다. 본 개시 내용의 실시예에서, T1 지점과 T2 지점 사이의 온도 차이는 1.5℃ 내지 5℃ 및 2℃ 내지 4℃를 포함하여 1.5℃ 내지 6℃이다.
여기에 개시된 실시예를 더 고려하면, 접합 온도(Tj)는 열원과 열 관리 시스템 사이의 접합부에서 열원의 온도이고, 외피 온도(Tsk)는 디바이스의 외부 표면의 온도이다. Tj와 Tsk 사이의 차이(Δ)는 60℃만큼 클 수 있으며, 일반적인 범위는 10℃ 내지 30℃이다. 도 4를 참조하면, Δ가 더 큰 경우, 이러한 실시예는 또한 T2와 T3 사이에 더 큰 차이를 가질 수 있다. T2와 T3 사이의 더 큰 차이의 예는 10℃ 내지 20℃ 범위일 수 있다.
실제로, 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 사용은 임의의 특정 전자 디바이스 내의 열 관리 시스템의 배향과 관련하여 고려할 다양한 옵션을 갖는다. 이러한 옵션은 디바이스에 따라 배타적이거나 포괄적일 수 있으나, 이러한 옵션은 본 명세서에 개시된 모든 실시예에 적용될 수 있다. 옵션은 다음과 같다:
a. 열원과 열 관리 시스템 사이의 공간(예를 들어, 에어 갭);
b. 열 관리 시스템과 전자 디바이스의 외부 표면 사이의 공간(예를 들어, 에어 갭);
c. 열원과 열 관리 시스템 사이 및 열 관리 시스템과 전자 디바이스(예를 들어, 오프셋)의 외부 표면 사이의 공간(예를 들어, 에어 갭); 및/또는
d. 열 관리 시스템은 공간(예를 들어, 에어 갭)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 열 관리 시스템의 일부는 열원과 접촉할 수 있고 열 관리 시스템의 다른 부분은 전자 디바이스의 외부 표면과 접촉할 수 있다.
공간을 포함하는 실시예의 경우, 공간은 자연 대류 방열을 위한 표면을 형성할 것이다.
다른 선택적인 고려 사항은 열 관리 시스템(100)의 제1 요소(10) 및 제3 요소(30)(즉, 플렉시블 흑연 물품) 및 제2 요소(20)(즉, 단열 재료)가 동일한 열 전달 표면적을 가질 필요가 없다는 것이다. 이러한 구성의 예가 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 제2 요소(20)는 제1 요소(10) 및 제3 요소(30)의 열전달 표면적보다 작은 열전달 표면적을 갖는다. 도 5에 예시된 개념은 도 1-4는 물론, 도 6a-6f에 예시된 실시예에도 적용될 수 있다.
바람직하게, 단열 재료는 열원의 열 전달 표면적과 적어도 동일한 열 전달 표면적을 가질 것이다. 바람직하게, 플렉시블 흑연은 열원의 열전달 표면적보다 더 큰 열전달 표면적을 가질 것이다. 플렉시블 흑연의 열전달 표면적 대 열원의 열전달 표면적의 비율의 예는 적어도 1.1:1, 1.25:1, 1.5:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 10:1, 20:1, 30:1, 40:1, 50:1, 60:1, 70:1, 80:1, 90:1 및 최대 100:1이다. 단열 재료가 열원보다 열전달 면적이 큰 경우, 동일한 비율이 적용될 수 있다. 특정 전자 디바이스 및 특정 모델의 경우, 플렉시블 흑연(또는 단열재)의 열 전달 표면적 대 열원의 열 전달 표면적의 비율은 약 100:1 이하, 또는 약 50:1 이하만큼 높을 수 있다. 휴대 전화기("스마트 폰"이라고도 함)의 경우, 열원의 열 전달 표면적에 대한 플렉시블 흑연(또는 단열재)의 열 전달 표면적의 비율은 약 30:1 이하또는 약 15:1 이하만큼 높을 수 있다.
또한, 열 관리 시스템은 열원과 대칭으로 정렬될 수 있거나 열 관리 시스템의 하나 이상의 부품은 열원과 비대칭일 수 있다. 예시되지는 않았지만, 열 관리 시스템의 모든 부품은 열원과 비대칭으로 정렬될 수 있다. 이 단락에 개시된 개념은 플렉시블 흑연 물품 대신에 열원과 인접하게 작동적으로 열 연통하는 열 관리 시스템의 단열 재료에 동일하게 적용할 수 있다.
고려 중인 열 관리 시스템을 포함하는 다양한 다른 실시예의 디바이스(200a-f)가 도 6a-6f에 도시되어 있다. 도 6a에 도시된 열 관리 시스템(100a)은 도 1에 도시된 열 관리 시스템(100)과 반대되는 구성을 갖는다. 즉, 제1 요소 및 선택적인 제3 요소가 이전에 설명된 플렉시블 흑연 물품 중 하나 이상의 물품으로 구성되는 대신, 제1 요소(10a) 및 선택적인 제3 요소(30a)가 이전에 설명된 단열 재료 중 일종 이상으로 구성된다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 제1 요소(10a) 및 선택적인 제3 요소(30a)는 본 명세서에 기재된 바와 같이 동일하거나 상이한 단열 재료로 구성될 수 있다. 도 6b의 제2 요소(20a)는 전술한 플렉시블 흑연 재료 중 어느 하나일 수 있다. 마지막으로, 도시된 바와 같이 디바이스 케이싱(220a)과 열 관리 시스템(100a) 사이에 제1 공간(230a)이 존재하고, 열원(210a)과 열 관리 시스템(100a) 사이에 제2 공간(240a)이 존재한다. 그러나, 도 6a에 대한 대안적인 실시예에서, 열 관리 시스템은 열 관리 시스템과 디바이스 케이싱 사이에 공간이 존재하거나 또는 열 관리 시스템의 인접한 요소 사이에 공간이 존재하도록 디바이스 케이싱 대신에 열원에 부착될 수 있다.
도 6f는 열 관리 시스템(100f)이 플렉시블 흑연 물품 또는 단열 재료 또는 양자 모두의 적어도 하나의 추가적인 요소(40f)를 포함할 수 있다는 점을 제외하고는 도 6a 및 도 1에 도시된 실시예의 열 관리 시스템과 유사하다. 도시된 실시예는 4개의 요소(10f, 20f, 30f, 40f)를 포함하며; 이러한 실시예는 4개 이상이면 원하는 만큼 많은 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 예시된 것보다 더 많은 층이 본 실시예뿐만 아니라, 본 명세서에 개시된 다른 실시예에도 고려된다. 마찬가지로, 도 6f에 예시된 실시예의 개념은 열원(210f)에 인접한 단열 재료 또는 플렉시블 흑연 물품을 포함할 수 있다. 열원(210f)과 열 관리 시스템(100f) 사이에 공간(240f)이 (도시된 바와 같이) 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 또한, 열 관리 시스템(100f)과 디바이스 케이싱(220f) 사이에 공간(230f)이 (도시된 바와 같이(일반적으로 도시되지 않은 오프셋을 포함함)) 존재하거나 존재하지 않을 수 있다.
도 6b-6e는 2-요소 열 관리 시스템(150) 실시예의 다양한 구성을 갖는 디바이스(200)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 단열 재료(20)는 열원(210)에 인접하고, 플렉시블 흑연 물품(10)은 디바이스 케이싱에 인접한다. 이들 실시예는 플렉시블 흑연 물품이 열원에 인접하고 단열 재료가 디바이스 케이싱에 인접하는 열 관리 시스템에 동일하게 적용 가능하다. 또한, 다양한 실시예는 공간을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 공간(245)을 포함하는 실시예에서, 공간(245)은: (i) 도 6b에 도시된 바와 같이 열원(210)에 인접하거나; (ii) 도 6c에 도시된 바와 같이 열 관리 시스템(150)의 요소(10, 20) 사이에 있거나. 또는 (iii) 도 6d에 도시된 바와 같이 디바이스 케이싱(220)에 인접한 것으로 도시된 위치 중 임의의 위치에 있을 수 있다. 도 6e에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템(150), 열원(210) 또는 디바이스 케이싱 사이에 공간이 없을 수 있다. 도시되지 않은 실시예에서, 2-요소 실시예(즉, 플렉시블 흑연 물품 및 단열 재료)는 2개의 공간을 포함할 수 있다. 공간 중 하나는 디바이스 케이싱에 인접하고, 다른 공간은 열 관리 시스템의 요소 사이 또는 열원에 인접할 수 있다.
전술한 플렉시블 흑연 제품 및 단열 재료는 도 6a-6f와 관련하여 논의된 실시예에 동일하게 적용 가능하다.
다음의 예들은 본 개시 내용의 다양한 실시예를 설명한다. 상기 예들은 본 개시 내용을 추가로 설명하기 위해 제공되며, 어떤 식으로든 본 개시 내용을 제한하도록 의도되지 않는다.
예
예 I: 본 개시 내용의 열 관리 시스템의 실시예는 다른 열 관리 디바이스와 비교하여 핫스팟 또는 터치 온도를 감소시키는 효과에 대해 준비되고 테스트되었다. 이 예에 대한 실험 장치가 도 7에 예시되어 있다. 간단히 말해, 각 샘플은 1 mm 두께의 지지용 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)에 장착되고 보정된 열원(0.5 W에서)이 있는 받침대 상부의 정체 공기 중에 유지되었다. 온도 센서를 사용하여 TC01, TC02, TC03 및 TC04 지점의 온도를 측정하였다. 또한, 온도 센서(TCA)를 사용하여 주변 온도를 측정하였다. TC01 및 TC02 지점은 여기에 설명된 핫스팟에 해당한다. TC03 지점은 점 TC01으로부터 50 mm의 거리만큼 이격되어 있다. 유사하게, TC04 지점은 TC02 지점으로부터 50 mm의 거리만큼 이격되어 있다.
샘플 1-4는 본 개시 내용의 열 관리 시스템을 예시하는 반면, 샘플 5 및 6은 비교 열 관리 디바이스이다.
샘플 1은 약 150 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 각각 갖는 2개의 플렉시블 흑연 물품을 포함하고 있다. 2개의 플렉시블 흑연 물품 사이에는 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율 및 약 250 미크론의 두께를 갖는 단열 재료가 개재되어 있다. 샘플 1의 열 관리 시스템의 총 두께는 약 550 미크론이었다.
샘플 2는 약 100 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 각각 갖는 2개의 플렉시블 흑연 물품을 포함하고 있다. 2개의 플렉시블 흑연 물품 사이에는 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율 및 약 100 미크론의 두께를 갖는 단열 재료가 개재되어 있다. 샘플 2의 열 관리 시스템의 총 두께는 약 300 미크론이었다.
샘플 3은 약 150 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 각각 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하고 있다. 플렉시블 흑연 물품은 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율 및 약 250 미크론의 두께를 갖는 단열 재료에 적층되었다. 샘플 3의 열 관리 디바이스의 총 두께는 약 400 미크론이었다.
샘플 4는 약 100 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 각각 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하고 있다. 플렉시블 흑연 제품은 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율 및 약 100 미크론의 두께를 갖는 단열 재료에 적층되었다. 샘플 4의 열 관리 디바이스의 총 두께는 약 200 미크론이었다.
샘플 5는 약 150 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품으로 구성되었다.
샘플 6은 약 100 미크론의 두께, 약 1100 W/mK의 면내 열 전도율, 및 약 4.5 W/mK의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품으로 구성되었다.
테스트를 수행할 때 열원은 정상 상태에 도달될 수 있게 하였다. 정상 상태에 도달된 후, 각 샘플이 경험한 다양한 온도(즉, 주변 온도, TC01, TC02, TC03 및 TC04)를 측정하고 기록하였다. 외부 온도로 인한 변동을 제거하기 위해, TC01, TC02, TC03 및 TC04에 대한 온도 데이터는 주변 온도보다 높은 온도 증가로 보고되었다. 예를 들어, TC02에 대해 보고된 온도는 TC02 지점에서 측정된 온도에서 측정된 주변 온도를 뺀 값이었다.
TC01과 TC02 사이의 온도 차이(즉, TC01-TC02 값)는 샘플이 핫스팟을 감소시킬 수 있는 유효성을 보여준다. TC02와 TC04 사이의 온도 차이(즉, TC02-TC04 값)는 샘플이 열을 분산시킬 수 있는 유효성을 보여준다. 샘플 1-6에 대해 수집된 온도 데이터는 아래 표 1에 제시된다.
샘플 TC01(℃) TC02(℃) TC03(℃) TC04(℃) TC01-TC02(℃) TC02-TC04(℃)
샘플 1 11.523 7.478 7.758 6.873 4.0 0.605
샘플 2 10.977 7.322 6.148 6 3.7 1.322
샘플 3 9.511 8.242 6.121 5.239 1.3 3.003
샘플 4 11.892 11.099 6.737 6.259 0.8 4.840
샘플 5 9.813 9.127 6.182 5.937 0.7 3.190
샘플 6 11.072 10.853 6.559 6.308 0.2 4.545
온도 데이터
표 1의 데이터에서 알 수 있듯이, 샘플 1과 2는 핫스팟을 줄이는 데 가장 효과적인 샘플이었다. 샘플 1은 약 4℃에서 가장 높은 TC01-TC02 값을 가졌고, 샘플 2는 약 3.7℃에서 다음으로 가장 높은 TC01-TC02 값을 보였다. 동일한 라인을 따라 샘플 1과 2는 각각 약 7.5℃ 및 약 7.3℃에서 가장 낮은 TC02 값(핫스팟 또는 터치 온도에 해당)을 나타냈다. 반면, 샘플 6은 0.2℃로 보고된 약 0.5℃ 미만의 TC01-TC02 값을 나타냈으며, 이는 본 개시 내용에 따른 샘플 1 및 2에 의해 달성된 핫스팟 감소보다 적어도 10배 내지 최대 20배 적다.
도 8은 상기 표 1에 나타낸 데이터를 추가로 제시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 청구된 실시예는 전술한 바와 같이 TC01과 TC02 사이에서 가장 큰 온도 차이 뿐만 아니라 TC02와 TC04 사이에서 가장 균일한 온도를 나타내었다.
또한, 위의 데이터에 대한 시뮬레이션 결과는 위에 제시된 상기 실제 데이터와 방향적으로 일치하였다. 상기 샘플 1과 2의 중요성을 확인하기 위해, 샘플 2와 비교 샘플[1) 모든 플렉시블 흑연 제품(N-300으로 표시됨) 및 2) 2/3 플렉시블 흑연 물품 및 1/3 단열 재료(플렉시블 흑연 물픔은 외부 표면에 인접함)(N200-A100으로 표시됨)]에 대해 동일한 두께의 열 관리 시스템의 시뮬레이션을 실행하였다. 언급한 바와 같이, 모든 시뮬레이션은 300 미크론의 샘플 두께를 사용하였다. 시뮬레이션 결과, 도 8a에 예시된 바와 같이, 샘플 1 및 2의 샌드위치 구조가 외피 온도를 낮추기에 가장 좋은 것으로 확인되었다.
예 Ⅱ - Google Pixel 3XL 3DMark 스트레스 테스트: 이 예에서, 열 관리 시스템의 제2 요소는 공기보다 낮은 초저 열 전도율을 나타내는 박막 시트 형태(100㎛ 및 250㎛)의 W.L. Gore & Associates, Inc(델라웨어주 뉴워크에 소재함)의 GORE 단열재를 단열 재료("단열재")로 포함한다. 매우 높은 고유 열 확산 용량("고성능의 후막 흑연")을 갖는 두꺼운 포일 형태(70㎛ 내지 270㎛)의 NEONXGEN 플렉시블 흑연(NeoGraf Solutions, LLC(오하이오주 레이크우드에 소재함) 제품)을 사용하였다.
단열재는 0.020 W/mK 미만의 현저히 낮은 열 전도율이 특징이다. 바람직하게, 단열 재료는 공기의 평균 자유 경로(약 70 nm)보다 작은, 예를 들어 70 nm 미만인 평균 기공 직경을 갖는다.
기성품 Google Pixel 3XL("픽셀") 스마트폰을 구매하였고 열 조절 없이 지속적인 전력 스트레스를 허용하도록 수정하였다. 고성능 스마트폰의 물리적 특성(CPU) 및 그래픽(GPU) 점수를 매기는 데 사용되는 널리 인정되는 벤치마크라는 이유로 테스트를 위해 UL의 3DMark-Slingshot Extreme를 선택하였다. 정상 상태 테스트 결과를 얻기 위해, 90초 Slingshot Extreme 벤치마크 테스트의 무한 루프를 가능하게 하기 위해 3DMark의 Professional 버전을 구입하여 Pixel에 설치하였다. 모든 테스트는 주변 온도와 습도가 엄격하게 제어되는 정체 공기 환경에서 수행되었다. 측정에 사용할 수 있는 파라미터는 열전쌍을 통한 표면 지점 온도, IR 카메라(Fluke, 모델 Ti55)를 통한 이미지, 내장 서미스터를 통한 내부 부품 온도(CPU, GPU 등), CPU 및 GPU 클록 주파수, 및 Slingshot Extreme 벤치마크 점수를 통한 시스템 성능을 포함한다.
초기 스트레스 테스트는 IR 이미징을 사용하여 특별한 조건에서 실행되었다(도 9). TIM을 통한 열전쌍 배치를 위해 핫스팟 위치가 식별되고 선택되었다(도 10).
Pixel 후면 커버는 접착제의 가열 및 분해에 의해 제거되었다. 열 관리 시스템에 사용할 수 있는 공간을 결정하기 위해 순응성 중합체를 시스템 온 칩("SoC")(도 11) 근처의 7개의 다른 위치에서 후면 커버 내부에 배치하였고; 그런 다음, 후면 커버를 교체하여 중합체를 각 위치의 기존 에어 갭 내로 압축하였다. 후면 커버를 다시 제거하고 모든 위치의 두께를 압축된 중합체의 스냅 게이지를 통해 측정하였다. 이 프로세스를 2회(2x) 더 반복하고 위치당 모든 두께 측정값을 평균화하였다. 두께 평균은 표 2에 상세히 제시되어 있다.
위치 평균 갭 측정(mm)
1 0.900
2 0.625
3 0.520
4 0.520
5 0.440
6 0.450
7 0.640
폐쇄된 픽셀 디바이스의 SoC 근처의 에어 갭 측정치
위치 5와 6에서 기계적 압축을 피하기 위해, 모든 열 관리 시스템에 대해 350 ㎛의 공칭 두께를 선택하였다. 테스트를 위한 물리적 재료는 110㎛ 단열 시트, 110㎛ 흑연 포일 및 5㎛ 아크릴 양면 테이프를 포함하고 있다. 재료 및 예시적인 구성이 도 12에 예시되어 있다.
도 13에 예시된 부품 형상은 내부 부품에 지장을 주지 않거나 최소화하면서 면적을 최대화하도록 선택되었다. 부품 면적은 1,825 mm2로 측정되었다. 픽셀(도 14a의)의 두께를 통한 개략적인 단면이 도 14b에 예시되어 있다. 픽셀 테스트를 위해 선택한 재료 구성을 알리기 위해 시뮬레이션 결과를 분석하였다.
결과 - Google Pixel 3XL 3DMark 스트레스 테스트
후면 커버 터치 온도 고찰: 시뮬레이션 테스트에서 5가지 구성이 선택되었으며 해당 구성은 도 12에 예시되어 있다. 픽셀 디바이스 테스트를 위해 선택한 구성은 위에서 설명한 물리적 재료(110㎛ 샘플 및 양면 테이프)로 구성되었고; 디바이스 테스트 구성은 D1, D2, D3, D5 및 D6로 명명되었고, 대조 시나리오는 D1이다. CPU 및 GPU 주파수는 각각 2169.6 MHz 및 675 MHz로 설정되었다. 각 테스트 실행의 종료시 주파수를 기록하고 확인하였다. 모든 테스트 실행에서 성능 일관성을 보여주기 위해 벤치마크 점수를 기록하였다. 정체 공기 환경의 주변 온도는 모든 테스트에서 21.6℃와 21.8℃ 사이에 유지하였다. 모든 구성은 무작위 실험에서 정상 상태(> 90분)까지 3회 테스트되었다. 각 테스트 실행 후, 픽셀은 유휴 작동 온도로 냉각되었고, 다음 테스트 실행을 설정하기 위해 개방되었다. 정상 상태의 후면 커버 터치 온도 및 GPU 최대 온도는 도 15에 제시된다(구성당 평균 3회 측정). 후면 커버의 IR 이미지는 도 16에 제시된다. 테스트된 모든 구성에 대한 설명, 두께 및 측정된 출력(평균 및 표준 편차)은 표 3에 상세히 제시된다.

구성(두께)		 커버 핫스팟 온도(℃) 스크린 핫스팟 온도(℃) CPU 최대 온도(℃) GPU 최대 온도(℃) Slingshot Extreme 벤치마크 점수
평균 표준 편차 평균 표준
편차		 평균 표준 편차 평균 표준 편차 평균 표준
편차
D1(대조/공기만) 46.7 0.21 49.7 0.25 84.8 0.17 91.9 0.35 4374.3 1.15
D2
(344㎛)		 45.4 0.12 50.5 0.10 86.1 0.51 93.0 0.51 4377.7 1.15
D3
(339㎛)		 44.6 0.06 50.1 0.10 85.4 0.65 92.6 0.00 4375.7 1.53
D5
(347㎛)		 43.5 0.15 49.9 0.26 85.6 0.17 92.5 0.35 4372.3 2.08
D6
(347㎛)		 44.0 0.15 49.9 0.26 85.6 0.51 92.5 0.67 4375.0 1.00
픽셀의 후면 커버 터치 온도 고찰 결과
모든 테스트 구성은 높은 정밀도로 고유한 후면 커버 터치 온도를 생성했으며, 구성 모두가 대조 구성(구성 D1)보다 확실히 낮았다. 시뮬레이션과 일치하여 구성 D5는 대조 구성보다 낮은 3.2℃에서 최대 후면 커버 터치 온도 감소를 나타냈다. 구성 D6, D3 및 D2는 후면 커버 터치 온도를 각각 2.7℃, 2.1℃ 및 1.3℃ 낮췄다. 테스트한 모든 구성에서 스크린 온도가 대조 구성으로부터 1℃ 미만으로 증가했다. 테스트한 모든 구성에서 CPU 및 GPU 온도가 대조 구성으로부터 1.5℃ 미만으로 증가했다. 픽셀 후면 커버 터치 온도 고찰 결과는 시뮬레이션 연구에서 에뮬레이트된 구성에 대한 디바이스 커버 표면 온도의 방향 추세를 검증한다.
표 3 및 도 15 및 16으로부터, 결과는 다소 직관적이지 않다. 최고 단열 속성을 가진 구성 D1 및 D2가 최고 후면 커버 온도(최고 온도 핫스팟)를 나타냈다. 기존의 생각은 최대 단열 속성을 가진 구성이 핫스팟 온도를 최소화한다는 것인 데, 이는 제시된 데이터로부터 분명히 사실이 아니다. 또한, 대조 구성이 GPU 최대 온도가 가장 낮다는 것이 예시된다.
시스템 성능 및 사용자 편의성 고찰: 흑연-단열재 복합 재료로 활성화할 때 허용 가능한 시스템 성능 증가를 판정하기 위해 지속적인 연구를 수행하였고; 이 연구를 위해 구성 D5가 선택되었다. 특별한 조절 조건을 픽셀에 복원하였고 모든 열 관리 시스템을 제거하여 공기만 남겼다. 후면 커버 터치 온도를 정상 상태 전력 조절 중에 측정하였고 3회의 테스트 실행에 대해 기록하였다. 구성 D5가 설치되었고 주파수는 조절된 대조 구성 실행의 정상 상태 커버 온도와 일치하도록 설정되었다. 테스트에 적절한 주파수는 CPU 및 GPU에 대해 각각 596 MHz 및 1996.8 MHz로 결정되었다. 주파수, 커버 핫스팟 온도, 벤치마크 점수 및 초당 프레임을 측정하고 2개의 테스트 시나리오 사이에서 비교하였다. 모두 6개의 테스트 실행에 대한 실행 시간 대 벤치마크 점수, CPU 주파수, 및 GPU 주파수의 평활화된 플롯이 도 17에 표시되어 있다7(테스트 시나리오당 평균 3회 측정). 평균 정상 상태 커버 온도, 벤치마크 점수 및 초당 프레임이 도 18에 제시되어 있다(테스트 시나리오당 평균 3회 측정). 그 상세는 표 4에 요약되어 있다.
테스트 시나리오 커버 온도(℃) Slingshot Extreme 벤치마크 점수 초당 프레임
평균 표준편차 평균 표준편차 평균 표준편차
공기(특별 조절) 38.7 0.15 3401.0 8.19 19.5 0.06
구성 D5(고정 주파수) 38.7 0.15 3822.7 3.06 21.3 0.00
픽셀의 시스템 성능 및 사용자 편의성 연구 결과
특별한 조절 중에 달성된 평균 정상 상태 커버 터치 온도는 21.7℃의 제어된 테스트 환경에서 38.7℃이고; 이 온도는 장기간에 걸친 UL 60950-1 모바일 전자 디바이스 터치(외피) 온도와 관련이 있다. 이 시나리오에서 평균 정상 상태 벤치마크 점수와 초당 프레임 수는 각각 3401 및 19.5이다. 구성 D5가 후면 커버 내에 배치되면, 벤치마크 점수가 3822로 증가하고 초당 프레임이 21.3으로 증가하여 시스템 성능이 약 12.4% 증가하는 동시에 특별한 조절 조건에 대해 설정된 표면 온도 제한을 유지한다.
결론: 열 응력을 받는 Google Pixel 3XL에서 분산 용량이 매우 높은 흑연 포일과 열 전도율이 매우 낮은 단열 시트를 결합하여 흑연, 단열재 및 공기의 단일 성분 열 솔루션과 비교하여 최대 접합 온도(Tj)가 < 1.2℃ 증가된 3.2℃까지의 정상 상태 표면 터치(외피) 온도(TS) 감소가 이루어진다. COMSOL에서 축대칭 전도 모델을 시뮬레이션하여 유사한 두께(~350㎛)의 5개의 고유한 열 관리 시스템의 표면 온도 감소 경향을 결정하였다. 이러한 열 관리 시스템 중 4개는 Google Pixel 3XL 열 응력 테스트에서 실험적으로 제작, 테스트 및 검증되었다. TS 감소가 가장 큰 복합재를 사용하여 사용자의 편안함과 안전에 적절한 표면 온도를 유지하면서 정상 상태 시스템 성능의 증가를 입증하였다. 정상 상태 3DMark Slingshot Extreme 벤치마크 점수는 3401에서 3823으로 증가하여 정상 상태 시스템 성능이 12.4% 증가하였다.
열거된 성분과 관련된 이러한 모든 중량은 활성 수준을 기준으로 하므로 달리 명시되지 않는 한 시중에서 구할 수 있는 물질에 포함될 수 있는 용매 또는 부산물은 포함하지 않는다.
본 개시 내용의 단일의 특성 또는 제한에 대한 모든 언급은 대응하는 복수의 특성 또는 제한을 포함해야 하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 본 개시 내용에서 단수 형태의 단어는 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 반대로, 복수 항목에 대한 모든 언급은 적절한 경우 단수 항목을 포함해야 한다.
달리 명시되지 않는 한(예를 들어, "정확하게"라는 용어를 사용하여), 명세서 및 청구범위에 사용되는 수량, 분자량과 같은 특성, 반응 조건 등을 나타내는 모든 수치는 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 하기 명세서 및 청구범위에 기재된 수치적 특성은 본 개시 내용의 실시예에서 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.
여기에 명시되지 않은 경우, 열 전도율은 실온 및 표준 압력(1 atm)에서 제공되거나, 이와 달리, 플렉시블 흑연 물품의 면관통 전도율에 대한 ASTM D 5470과 같은 표준 테스트 프로토콜이 알려진 경우 적절한 테스트 조건에서 제공된다.
본 명세서에 사용된 방법 또는 프로세스 단계의 모든 조합은 언급된 조합이 이루어진 맥락에서 달리 명시되거나 반대로 명확하게 암시되지 않는 한, 임의의 순서로 수행될 수 있다.
한정되는 것은 아니지만 본 명세서에 개시된 백분율, 부 및 비율을 포함하는 모든 범위 및 파라미터는 그 안에 추정되고 포함되는 임의의 및 모든 하위 범위 및 말단 지점 사이의 모든 수치를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 명시된 범위는 최소값 1과 최대값 10 사이의 임의의 및 모든 하위 범위(해당 값을 포함함), 즉, 최소값이 1 이상(예를 들어, 1 내지 6.1)이고 최대값이 10 이하(예를 들어, 2.3~9.4, 3~8, 4~7)로 끝나는 모든 하위 범위를 포함하고, 그리고 마지막으로 해당 범위에 각 숫자 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10까지 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본 개시 내용의 열 관리 시스템 및 전자 디바이스는 본 명세서에 기재된 바와 같은 본 개시 내용의 필수 요소 및 제한뿐만 아니라 본 명세서에 기재되거나 이와 달리 열 관리 시스템 및/또는 전자 디바이스에 유용한 임의의 추가적인 또는 선택적인 성분, 컴포넌트 또는 제한을 포함하거나, 이들로 구성되거나, 본질적으로 이들로 이루어질 수 있다.
"포함한다", 또는 "포함하는"이라는 용어들이 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 경우, 이들 용어는, 사용시 해당 용어가 청구범위에서 전이어(transitional word)로서 해석되기 때문에 "구성하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 또한, "또는"이라는 용어가 사용되는 경우(예를 들어, A 또는 B), 이는 "A 또는 B 또는 A와 B 모두"를 의미하는 것으로 의도된다. 출원인이 “A 또는 B이지만 모두는 아닌 것"을 표시하려는 경우에는 “A 또는 B이지만 모두는 아닌”이라는 용어를 사용할 것이다. 따라서, 여기에서 "또는"이라는 용어의 사용은 배타적 사용이 아니라 포괄적이다.
일부 실시예에서, 다양한 창의적인 개념들을 서로 조합하여 활용하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 특정 요소의 통합이 실시예의 명시적인 용어와 모순되지 않는 한, 특별히 개시된 실시예와 관련하여 인용된 임의의 특정 요소는 모든 개시된 실시예에 사용 가능한 것으로 해석되어야 한다. 추가적인 장점 및 변형은 당업자에게 용이하게 분명할 것이다. 따라서, 본 개시 내용은 보다 넓은 측면에서 그 안에 제시된 특정 세부사항, 대표적인 장치, 또는 도시되고 설명된 예시적인 예에 제한되지 않는다. 따라서, 전반적인 창의적 개념의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 이러한 세부 사항에서 벗어날 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예
1. 열 관리 시스템으로서,
a. 65 미크론 초과 내지 95 미크론의 두께, 700 W/mK 초과 내지 950 W/mK까지의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소;
b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 요소로서, 0.01 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.02 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소; 및
c. 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소로서, 적어도 65 미크론 내지 500 미크론까지의 두께, 700 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제3 요소
를 포함하는, 열 관리 시스템.
2. 항목 1에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 상기 제3 요소를 포함하는, 열 관리 시스템.
3. 항목 2에 있어서, 상기 제3 요소는 1000 W/mK 내지 1500 W/mK의 면내 열 전도율, 1025 W/mK 내지 1400 W/mK의 면내 열 전도율, 1050 W/mK 내지 1300 W/mK의 면내 열 전도율 또는 1100 W/mK 내지 1200 W/mK의 면내 열 전도율을 포함하여 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율을 가지는, 열 관리 시스템.
4. 항목 1 내지 3 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제1 요소 및 상기 제3 요소 중 적어도 하나는 모놀리식인, 열 관리 시스템.
5. 항목 1 내지 4 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소는 1 미크론 내지 2 mm의 두께, 5 미크론 내지 2 mm의 두께, 10 미크론 내지 2 mm의 두께, 20 미크론 내지 2 mm의 두께, 30 미크론 내지 2 mm의 두께, 50 미크론 내지 2 mm의 두께, 70 미크론 내지 2 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.3 mm의 두께, 또는 0.1 mm 내지 0.25 mm의 두께를 포함하여 2 mm 이하의 두께를 가지는, 열 관리 시스템.
6. 항목 1 내지 5 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소는 에어로겔을 포함하는, 열 관리 시스템.
7. 전자 디바이스로서,
a. 열원;
b. 외부 표면; 및
c. 항목 1 내지 6 중 어느 한 항목의 열 관리 시스템 - 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 어느 하나는 상기 열원과 작동적으로 열 연통하고, 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 다른 하나는 상기 외부 표면에 대향함 -
을 포함하는, 전자 디바이스.
8. 항목 7에 있어서, 상기 외부 표면과 해당 외부 표면에 대향하는 상기 요소 사이에 에어 갭이 존재하는, 전자 디바이스.
9. 항목 7에 있어서, 상기 외부 표면의 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
10. 항목 9에 있어서, 상기 외부 표면의 상기 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면적과 동일한 표면적을 가지고, 상기 외부 표면의 상기 일부는 오프셋이 없는, 전자 디바이스.
11. 항목 7 내지 10 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면적은 상기 요소와 작동적으로 열 연통 상태에 있는 상기 열원의 표면의 해당 부분의 표면적보다 적어도 1.5배 큰, 전자 디바이스.
12. 열 관리 시스템으로서,
a. 100 미크론 초과 내지 500 미크론까지의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소;
b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 요소로서, 0.01 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.02 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소; 및
c. 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소로서, 100 미크론 초과 내지 500 미크론까지의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제3 요소
를 포함하는, 열 관리 시스템.
13. 항목 12에 있어서, 상기 제2 요소는 1 미크론 내지 2 mm의 두께, 5 미크론 내지 2 mm의 두께, 10 미크론 내지 2 mm의 두께, 20 미크론 내지 2 mm의 두께, 30 미크론 내지 2 mm의 두께, 50 미크론 내지 2 mm의 두께, 70 미크론 내지 2 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.3 mm의 두께 또는 0.1 mm 내지 0.25 mm의 두께를 포함하여 2 mm 이하의 두께를 가지는, 열 관리 시스템.
14. 항목 12 또는 13에 있어서, 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 적어도 하나는 적어도 125 마이크론의 두께를 가지는, 열 관리 시스템.
15. 항목 12 내지 14 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제1 요소 및 상기 제3 요소 중 적어도 하나는 모놀리식인, 열 관리 시스템.
16. 항목 12 내지 15 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소는 에어로겔을 포함하는, 열 관리 시스템.
17. 전자 디바이스로서,
a. 열원;
b. 외부 표면; 및
c. 항목 12 내지 16 중 어느 한 항목의 열 관리 시스템 - 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 어느 하나는 상기 열원과 작동적으로 열 연통하고, 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 다른 하나는 상기 외부 표면에 대향함 -
을 포함하는, 전자 디바이스.
18. 항목 17에 있어서, 상기 외부 표면과 해당 외부 표면에 대향하는 상기 요소 사이에 에어 갭이 존재하는, 전자 디바이스.
19. 항목 17에 있어서, 상기 외부 표면의 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
20. 항목 19에 있어서, 상기 외부 표면의 상기 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면적과 동일한 표면적을 가지고, 상기 외부 표면의 상기 일부는 오프셋이 없는, 전자 디바이스.
21. 항목 17 내지 20 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면적은 상기 요소와 작동적으로 열 연통 상태에 있는 상기 열원의 표면의 해당 부분의 표면적보다 적어도 1.5배 큰, 전자 디바이스.
22. 항목 17 내지 21 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면 상의 제1 지점과 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 상기 표면 상의 제2 지점 사이의 온도 차이는 약 2.5℃ 미만이고, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점은 50 mm 이하만큼 이격된, 전자 디바이스.
23. 항목 22에 있어서, 상기 제1 지점과 상기 제2지점은 적어도 35 mm만큼 이격된, 전자 디바이스.
24. 항목 17 내지 23 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면 상의 제1 지점과 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면 상의 제2 지점 사이의 온도 차이는 1.5℃보다 크고, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점은 공통 축에 있는, 전자 디바이스.
25. 열 관리 시스템으로서,
a. 적어도 100 미크론 내지 500 미크론까지의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소;
b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 요소로서, 0.01 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.02 W/mK 내지 0.0249 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.025 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소; 및
c. 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소로서, 적어도 100 미크론 내지 500 미크론까지의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제3 요소
를 포함하는, 열 관리 시스템.
26. 항목 25에 있어서, 상기 제1 요소 및 상기 제3 요소 중 적어도 하나는 모놀리식인, 열 관리 시스템.
27. 항목 25 또는 26에 있어서, 상기 제2 요소는 1 미크론 내지 2 mm의 두께, 5 미크론 내지 2 mm의 두께, 10 미크론 내지 2 mm의 두께, 20 미크론 내지 2 mm의 두께, 30 미크론 내지 2 mm의 두께, 50 미크론 내지 2 mm의 두께, 70 미크론 내지 2 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.3 mm의 두께 또는 0.1 mm 내지 0.25 mm의 두께를 포함하여 2 mm 미만의 두께를 가지는, 열 관리 시스템.
28. 항목 25 내지 27 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소는 에어로겔을 포함하는, 열 관리 시스템.
29. 전자 디바이스로서,
a. 열원;
b. 외부 표면; 및
c. 항목 25 내지 28 중 어느 한 항목의 열 관리 시스템 - 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 어느 하나는 상기 열원과 작동적으로 열 연통하고, 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 다른 하나는 상기 외부 표면에 대향함 -
을 포함하는, 전자 디바이스.
30. 항목 29에 있어서, 상기 외부 표면과 해당 외부 표면에 대향하는 상기 요소 사이에 에어 갭이 존재하는, 전자 디바이스.
31. 항목 29에 있어서, 상기 외부 표면의 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
32. 항목 31에 있어서, 상기 외부 표면의 상기 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면적과 동일한 표면적을 가지고, 상기 외부 표면의 상기 일부는 오프셋(setoff)이 없는, 전자 디바이스.
33. 항목 29 내지 32 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면적은 상기 요소와 작동적으로 열 연통 상태에 있는 상기 열원의 상기 표면의 해당 부분의 표면적보다 적어도 1.5배 큰, 전자 디바이스.
34. 항목 29 내지 33 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면 상의 제1 지점과 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 상기 표면 상의 제2 지점 사이의 온도 차이는 약 2.5℃ 미만이고, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점은 50 mm 이하만큼 이격된, 전자 디바이스.
35. 항목 34에 있어서, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점은 적어도 35 mm만큼 이격된, 전자 디바이스.
36. 항목 29 내지 35 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면 상의 제1 지점과 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면 상의 제2 지점 사이의 온도 차이는 1.5℃보다 크고, 상기 제1 지점과 상기 제2 지점은 공통 축에 있는, 전자 디바이스.
37. 열 관리 시스템으로서,
a. 100 미크론 초과 내지 500 미크론까지의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소;
b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 요소로서, 0.01 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.02 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.025 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.03 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.035 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.04 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.045 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소; 및
c. 상기 제2 요소에 인접하고 상기 제1 요소에 대향하는 선택적인 제3 요소로서, 100 미크론 초과 내지 500 미크론까지의 두께 및 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제3 요소
를 포함하는, 열 관리 시스템.
38. 항목 37에 있어서, 상기 제1 요소 및 상기 제3 요소 중 적어도 하나는 모놀리식인, 열 관리 시스템.
39. 항목 37 또는 38에 있어서, 상기 제2 요소는 1 미크론 내지 2 mm의 두께, 5 미크론 내지 2 mm의 두께, 10 미크론 내지 2 mm의 두께, 20 미크론 내지 2 mm의 두께, 30 미크론 내지 2 mm의 두께, 50 미크론 내지 2 mm의 두께, 70 미크론 내지 2 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 1 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.5 mm의 두께, 0.1 mm 내지 0.3 mm의 두께 또는 0.1 mm 내지 0.25 mm의 두께를 포함하여 2 mm 이하의 두께를 가지는, 열 관리 시스템.
40. 항목 37 내지 39 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소는 에어로겔 또는 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌 막 중 적어도 하나를 포함하는, 열 관리 시스템.
41. 전자 디바이스로서,
a. 열원;
b. 외부 표면; 및
c. 항목 37 내지 40 중 어느 한 항목의 열 관리 시스템 - 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 어느 하나는 상기 열원과 작동적으로 열 연통하고, 상기 제1 요소 또는 상기 제3 요소 중 다른 하나는 상기 외부 표면에 대향함 -
을 포함하는, 전자 디바이스.
42. 항목 41에 있어서, 상기 외부 표면과 해당 외부 표면에 대향하는 상기 요소 사이에 에어 갭이 존재하는, 전자 디바이스.
43. 항목 41에 있어서, 상기 외부 표면의 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
44. 항목 43에 있어서, 상기 외부 표면의 상기 일부는 상기 외부 표면에 대향하는 상기 요소의 표면적과 동일한 표면적을 가지고, 상기 외부 표면의 상기 일부는 오프셋이 없는, 전자 디바이스.
45. 항목 41 내지 44 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 열원과 작동적으로 열 연통하는 상기 요소의 표면적은 상기 요소와 작동적으로 열 연통 상태에 있는 상기 열원의 상기 표면의 해당 부분의 표면적보다 적어도 1.5배 큰, 전자 디바이스.
46. 열 관리 시스템으로서,
a. 100 미크론 초과 내지 500 미크론까지의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율, 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 플렉시블 흑연 물품을 포함하는 제1 요소; 및
b. 0.01 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.02 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.025 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.03 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.035 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.04 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.045 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.05 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.06 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.07 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.08 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.09 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.1 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.11 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.12 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.13 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.14 W/mK 내지 0.149 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.15 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 단열 재료를 포함하는 제2 요소
를 포함하고,
상기 제2 요소의 두께는 상기 제1 요소와 적어도 동일한 두께 내지 상기 제1 요소의 상기 두께의 10배 이하로 이루어지는, 열 관리 시스템.
47. 항목 46에 있어서, 상기 단열 재료는 에어로겔 또는 다공성 중합체 매트릭스 중 적어도 하나를 포함하는, 열 관리 시스템.
48. 항목 46 또는 47에 있어서, 상기 단열 재료의 면관통 열 전도율은 0.01 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.015 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.02 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.025 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.03 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.035 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.04 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율 또는 0.045 W/mK 내지 0.049 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.05 W/mK 미만으로 이루어지는, 열 관리 시스템.
49. 항목 46 내지 48 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소의 두께는 상기 제1 요소의 두께의 7배 이하를 가지는, 열 관리 시스템.
50. 항목 46 내지 48 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 요소의 두께는 상기 제1 요소의 두께의 3배 이하를 가지는, 열 관리 시스템.
51. 항목 46 내지 50 중 어느 한 항목의 열 관리 시스템 및 열원을 포함하는 전자 디바이스로서, 상기 열 관리 시스템은 상기 열원과 작동적으로 열 연통하고, 상기 열 관리 시스템의 상기 제1 요소 또는 상기 제2 요소 중 하나는 상기 열원에 인접하게 정렬되는, 전자 디바이스.
52. 항목 51에 있어서, 상기 열원과 상기 열 관리 시스템 사이에 에어 갭을 더 포함하는, 전자 디바이스.
53. 열 관리 시스템으로서,
a. 적어도 100 ㎛의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 플렉시블 흑연 요소; 및
b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 단열 재료 요소로서, 0.025 W/mK 내지 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.03 W/mK 내지 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.035 W/mK 내지 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율, 0.04 W/mK 내지 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율, 또는 0.045 W/mK 내지 0.05 W/mK의 면관통 열 전도율을 포함하여 0.05 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제2 요소
를 포함하는, 열 관리 시스템.

Claims (23)

  1. 열 관리 시스템으로서,
    a. 적어도 100 ㎛의 두께, 1000 W/mK 초과의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 플렉시블(flexible) 흑연 요소; 및
    b. 상기 제1 요소에 인접한 제2 단열 재료 요소로서, 0.05 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제2 단열 재료 요소
    를 포함하는, 열 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 플렉시블 흑연 요소는 모놀리식(monolithic) 층을 포함하는, 열 관리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소의 두께는 2 mm 미만으로 이루어지는, 열 관리 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소는 에어로겔 또는 다공성 중합체 매트릭스를 포함하는, 열 관리 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 플렉시블 흑연 요소의 표면적은 상기 제2 단열 재료 요소의 표면적보다 적어도 1.1배 더 큰, 열 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소의 두께는 상기 제1 플렉시블 흑연 요소의 두께의 10배 이하로 이루어지는, 열 관리 시스템.
  7. 전자 디바이스로서,
    a. 열원;
    b. 외부 표면; 및
    c. 상기 열원과 상기 외부 표면 사이에 위치된, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 열 관리 시스템으로서, 상기 열원과 열 연통하는 열 관리 시스템
    을 포함하는, 전자 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 외부 표면 또는 상기 열원 중 적어도 하나와 상기 열 관리 시스템 사이에 에어 갭을 더 포함하는, 전자 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 외부 표면의 일부는 상기 열 관리 시스템과 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원은 상기 열 관리 시스템의 적어도 일부와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템의 상기 제2 단열 재료 요소는 상기 열원에 대향하도록 배향되는, 전자 디바이스.
  12. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템의 상기 제1 플렉시블 흑연 요소는 상기 열원에 대향하도록 배향되는, 전자 디바이스.
  13. 열 관리 시스템으로서,
    a. 적어도 100 ㎛의 두께, 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 제1 플렉시블 흑연 요소;
    b. 상기 제1 플렉시블 흑연 요소에 인접한 제2 단열 재료 요소로서, 0.05 W/mK 미만의 면관통 열 전도율을 갖는 제2 단열 재료 요소; 및
    c. 상기 제2 요소에 인접한 제3 플렉시블 흑연 요소로서, 적어도 100 ㎛의 두께, 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제3 플렉시블 흑연 요소
    를 포함하는, 열 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 플렉시블 흑연 요소 또는 상기 제3 플렉시블 흑연 요소 중 어느 하나 또는 양자 모두는 모놀리식인, 열 관리 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소의 두께는 2 mm 미만으로 이루어지는, 열 관리 시스템.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소는 에어로겔 또는 다공성 중합체 매트릭스를 포함하는, 열 관리 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 플렉시블 흑연 요소 또는 상기 제3 플렉시블 흑연 요소 중 어느 하나 또는 양자 모두의 표면적은 상기 제2 단열 재료 요소의 표면적보다 적어도 1.1배 더 큰, 열 관리 시스템.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 단열 재료 요소의 두께는 상기 제1 플렉시블 흑연 요소 또는 상기 제3 플렉시블 흑연 요소 중 가장 두꺼운 요소의 두께의 최대 10배로 이루어지는, 열 관리 시스템.
  19. 전자 디바이스로서,
    a. 열원;
    b. 외부 표면; 및
    c. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항의 열 관리 시스템으로서, 상기 열원과 상기 외부 표면 사이에 위치되는 열 관리 시스템
    을 포함하는, 전자 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 열 관리 시스템의 적어도 하나의 측면에 에어 갭이 존재하는, 전자 디바이스.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 외부 표면은 상기 열 관리 시스템의 적어도 일부와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원은 상기 열 관리 시스템의 적어도 일부와 물리적으로 접촉하는, 전자 디바이스.
  23. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은, 상기 제2 요소에 인접하고, 적어도 100 ㎛의 두께, 적어도 1000 W/mK의 면내 열 전도율 및 6 W/mK 이하의 면관통 열 전도율을 갖는 제3 플렉시블 흑연 요소를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
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