KR20230061446A - 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 갖는 전자 디바이스 - Google Patents

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KR20230061446A
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조나단 테일러
그레그 크레이머
차드 핑크바이너
로버트 에이 레이놀즈
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네오그라프 솔루션즈, 엘엘씨
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Abstract

열 관리 시스템을 갖는 전자 디바이스가 제공된다. 열 관리 시스템은 적어도 150 미크론의 두께를 갖는 모놀리식 흑연 엘리먼트를 가진다. 흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 가진다. 흑연 엘리먼트는 내부 접착제가 없으며, 즉, 흑연 엘리먼트는 모놀리식이다. 열 관리 시스템은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하는 열원과 작동 접촉한다. 바람직하게는, 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치된다.

Description

흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 갖는 전자 디바이스
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 9월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/074,876호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본 개시에 통합된다.
사물 인터넷(internet of things)(IoT)과 함께, 전자 디바이스들, 특히 휴대용 전자 디바이스들이 일상 생활의 유비쿼터스 부분이 되었다. 한때는 모든 사람이 열쇠를 가졌었는데, 이제 우리 모두는 모바일 (셀룰러) 전화기들을 가지고 있다. 옛날의 열쇠들과 유사하게, 우리의 모바일 폰들은 우리의 업무뿐만 아니라 다수의 우리의 여가 시간 활동들을 위한 우리의 액세스 포인트이다.
모바일 폰들이 점점 더 활동들의 허브가 됨에 따라, 이러한 폰들의 능력들은 극적으로 증가되었다. 2007년 이래 "스마트" 모바일 폰들이 아주 흔한 것이 되었고 전화 통화, 문자보내기(texting) 및 이메일들만을 위해 사용되었던 모바일 폰들을 대체하였다. 이러한 능력들에 관해, 모바일 폰들은 이제 글로벌 화상 회의들을 하며, 최신 영화를 시청하는데 뿐만 아니라 상품들 및/또는 서비스들을 세계 방방곡곡에서 집 앞으로 가져오는데 사용될 수 있다. 디바이스들 자체는 다수의 디스플레이들, 고 해상도 카메라들뿐만 아니라 폴더블(foldable)을 포함하도록 변경되었다.
본원에서 개시된 바는 전자 디바이스이다. 그 디바이스는 모바일 폰, 랩톱 또는 태블릿과 같은 휴대용 전자 디바이스의 측면에서 설명될 것이지만, 그 기술은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트의 열 관리가 필요하고 능동 냉각(active cooling) 대신 수동(passive) 냉각이 선호되거나 요구되는 임의의 유형의 전자 디바이스에 적용 가능하다.
능동 냉각은, 몇몇 예들 들자면, 히트 파이프, 증기 챔버(vapor chamber) 또는 팬과 같은 열을 전달하기 위해 냉각 매체를 사용하는 냉각 기술로 정의된다. 수동 냉각이 냉각 매체를 포함하지 않고 강제 대류 시스템이 아니다.
본 개시의 양태들에 따르면, 열 관리 시스템을 갖는 전자 디바이스가 제공된다. 열 관리 시스템은 적어도 150 미크론의 두께를 갖는 모놀리식 흑연 엘리먼트를 가진다. 흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 가진다. 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제(또한 바인더라고 지칭될 수 있음)가 없다. 열 관리 시스템은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하는 열원과 작동 접촉(operative contact)한다. 바람직하게는 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치된다.
본 개시의 양태들에 따르면, 열원과 작동 접촉하는 흑연 엘리먼트를 갖는 전자 디바이스가 제공된다. 열원은 스택형 마더보드 상에 배치되는 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함한다. 흑연 엘리먼트는 바람직하게는 적어도 약 150 미크론의 두께를 갖는 모놀리식 흑연 엘리먼트이다. 흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 가진다. 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제(또한 바인더라고 지칭될 수 있음)가 없다. 흑연의 바람직한 유형이 가요성 흑연이다. 디바이스는 15 mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 개시의 양태들에 따르면, 적어도 약 150 미크론의 두께와 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 갖는 가요성 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스가 제공된다. 바람직하게는 가요성 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제가 없다. 열 관리 시스템에는 추가적인 방열 엘리먼트가 없을 수 있다. 게다가 열 관리 시스템은 열원과 작동 접촉한다. 열원은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하며; 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치된다.
달리 지시되지 않는 한, "작동 접촉"은 본 개시에서 열원으로부터 열 관리 시스템 속으로 특히 흑연 엘리먼트 속으로 열이 소산되는 것을 의미하는데 사용된다. 달리 표시되지 않는 한, "직접 작동 접촉"은 본 개시에서 작동 접촉이 확립될 수 있도록 하는 방식으로 물리적으로 인접하거나 또는 접촉하는 것을 의미하기 위해 사용된다.
본 개시의 전술한 양태들은 전자 디바이스가 휴대용인지 여부에 무관하게 아래의 유형들의 전자 디바이스들 및 다른 전자 디바이스들의 모두에 동일하게 적용 가능하다.
도 1은 본원에서 개시된 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 뒷면 커버 없이 예에서 사용되는 디바이스의 내부 도면이다.
도 3a는 예에서 개시된 테스트 샘플을 포함하는 디바이스의 내부 도면이다.
도 3b는 예에서 개시된 VC 대조군을 포함하는 디바이스의 내부 도면이다.
도 4는 정상 작동("아니오") 및 충전("예") 둘 다를 위한 스크린 온도의 차트이다.
도 5는 정상 작동("아니오") 및 충전("예") 둘 다를 위한 수행 결과들의 차트이다.
도 6은 정상 작동("아니오") 및 충전 ("예") 둘 다를 위한 CPU로부터의 열을 소산한 결과들의 차트이다.
도 7은 정상 작동("아니오") 및 충전 ("예") 둘 다를 위한 GPU로부터의 열을 소산한 결과들의 차트이다.
본 개시는 전자 디바이스들에 관한 것이다. 이러한 전자 디바이스들은 휴대용뿐만 아니라 고정식 전자 디바이스들을 포함한다. 이러한 디바이스들의 예들은 모바일 폰들, 태블릿들, 랩톱들, 및 착용가능물들(wearables)을 포함한다. 이들 디바이스들은 폴더블 디바이스들을 포함한다. 적용 가능한 디바이스들은 디바이스의 적어도 두 개의 주 표면들 상에 사용자 인터페이스를 갖는 디바이스들(예컨대, Nubia X Phone)을 또한 포함한다. 제2 사용자 인터페이스를 갖는 폰이 후면 스크린이 있는 폰이라고 지칭될 수 있다. 본 개시에 따르면, 전자 디바이스들은 디바이스의 제1 주 표면 상의 제1 사용자 인터페이스와 디바이스의 제2 주 표면 상의 제2 사용자 인터페이스를 가질 수 있다. 실시예들은 차량의 컴포넌트들 또는 다른 운송 모드들에 동일하게 적용 가능하다.
본 개시의 열 관리 시스템들은 15 mm 이하의, 바람직하게는 12.5 mm 이하의 두께를 갖는 전자 디바이스에 특히 유리하다. 바람직한 두께는 10 mm 이하이다. 그 디바이스에 대한 바람직한 두께의 비제한적인 예시적인 범위가 약 15 mm 미만부터 약 5 mm까지의 범위이다. 이 범위에 속하는 특정 디바이스들은 모바일 전화기들, 태블릿들, 휴대용 게이밍 시스템들, 가정 용품들, IoT 디바이스들, 및 시계들 및/또는 의료 디바이스들과 같은 착용가능 디바이스들을 포함한다.
위의 디바이스들에 적용 가능한 열 관리 시스템이 적어도 약 150 미크론의 두께를 갖는 가요성 흑연 엘리먼트를 포함한다. 흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 평면 내 열전도율(in-plane thermal conductivity)을 가진다. 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제가 없고; 접착제의 부재는 바인더리스(binderless)라고 또한 지칭될 수 있다. 열 관리 시스템은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하는 열원과 작동 접촉한다. 바람직하게는, 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치된다. 흑연 엘리먼트는 "모놀리식"이라고 지칭될 수 있다.
본 개시의 다른 양태에서, 위의 전자 디바이스들에 적용 가능한 열 관리 시스템은 열원과 작동 접촉하는 흑연 엘리먼트를 포함한다. 열원은 스택형 마더보드 상에 배치되는 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함한다. 흑연 엘리먼트는 바람직하게는 적어도 약 150 미크론의 두께를 갖는 모놀리식 흑연 엘리먼트이다. 흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 평면 내 열전도율을 가진다. 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제가 없을 수 있다. 흑연의 바람직한 유형이 가요성 흑연이다. 바람직하게는, 디바이스는 15 mm 이하의 두께를 가진다. 디바이스는 10 mm 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 개시의 다른 양태는 적어도 약 150 미크론의 두께와 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 갖는 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하는 전자 디바이스이다. 흑연 엘리먼트는 가요성 흑연 엘리먼트일 수 있다. 바람직하게는 가요성 흑연 엘리먼트에는 내부 접착제가 없다. 열 관리 시스템에는 추가적인 방열 엘리먼트가 없을 수 있다. 게다가 열 관리 시스템은 열원과 작동 접촉한다. 열원은 전자 디바이스에서의 열원일 수 있다. 열원은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함할 수 있으며; 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치된다.
상기 일반적인 실시예들은 아래에서 추가로 설명된다. 아래의 설명은 상기 일반적인 실시예들의 각각에 적용 가능하다.
흑연 엘리먼트에 관해, 흑연의 바람직한 유형은 가요성 흑연이다. 가요성 흑연의 적합한 예가 미국 오하이오주 레이크우드의 NeoGraf Solutions, LLC로부터 입수 가능한 NeoNxGen® 가요성 흑연("NNG")이다. NNG의 적합한 등급들은 N-150, N-200, N-250, N-270 및 N-300뿐만 아니라 P-150 및 P-200과 같은 P 시리즈 등급들을 포함한다. 적합한 가요성 흑연은 1.85 g/cm3 내지 2.10 g/cm3, 1.90 g/cm3 내지 2.10 g/cm3, 및 1.95 g/cm3 내지 2.05 g/cm3를 포함하여, 1.75 g/cm3 내지 2.15 g/cm3 범위 내의 밀도를 가질 수 있다. 적합한 가요성 흑연이 적어도 150 dB, 적어도 200 dB, 적어도 225 dB, 및 적어도 250 dB를 포함하는 적어도 100 dB의 6 GHz까지의 주파수에서 전자기 간섭(electromagnetic interference)(EMI) 차폐 효과를 가질 수 있다.
흑연 엘리먼트는 단일 피스의 흑연을 포함한다. 이는 흑연의 모놀리식 피스라고 또한 지칭될 수 있다. 이는, 흑연 엘리먼트가 접착제 또는 바인더의 사용을 통해 함께 접착되는 두(2) 개 이상의 피스들의 흑연으로 구성되지 않거나 또는 흑연 엘리먼트에는 접착제 또는 바인더가 없으므로, 추가로 대안적으로 언급될 수 있다.
흑연 엘리먼트는 적어도 약 150 미크론의 두께를 가진다. 다른 예시적인 두께들은 적어도 약 175 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 및 적어도 약 300 미크론을 포함한다. 일부 응용들에서, 흑연 엘리먼트의 두께는 약 500 미크론으로 제한될 수 있지만, 이 제한은 모든 응용들에 적용 가능하지 않다.
흑연 엘리먼트는 적어도 약 700 W/mK의 평면 내 열전도율을 가진다. 원하는 경우, 흑연 엘리먼트가 적어도 약 800 W/mK의 열전도율을 가질 수 있으면, 추가의 예시적인 열전도율은 약 1000 W/mK 이상을 포함한다. 다른 바람직한 열전도율이 약 1100 W/mK 이상을 포함한다.
흑연 엘리먼트의 평면통과(thru-plane) 열전도율이 약 6 W/mK 미만, 바람직하게는 약 5 W/mK 미만이다.
흑연 엘리먼트는 3.8 cm2/s를 초과하며, 바람직하게는 적어도 약 4 cm2/s를 포함하는 적어도 약 3.8 cm2/s의 확산도(diffusivity)를 가진다. 확산도의 바람직한 범위의 비제한적 예가 약 5 내지 10 cm2/s를 포함한다.
옵션적으로, 열 관리 시스템의 흑연 엘리먼트는 자신의 외부 표면들 중 하나 이상의 외부 표면 상에 보호 코팅을 가질 수 있다. 적합한 유형의 코팅의 하나의 예는 PET 필름이다.
다른 옵션적인 엘리먼트는 흑연 엘리먼트가 흑연 엘리먼트의 주 표면들 중 하나 또는 양쪽 모두에 도포되는 접착제를 가질 수 있다는 것이다. 흑연 엘리먼트에 도포되는 접착제의 응용은 열원에 흑연 엘리먼트를 부착하는데 사용될 수 있다. 추가의 옵션적인 실시예가 접착제가 열원을 구성하는 전자 컴포넌트들 중 하나 이상에 흑연 엘리먼트를 부착하는데 사용된다는 것이다. 추가의 옵션적인 실시예에서, 흑연 엘리먼트는 시스템을 열원에 부착하기 위한 열 관리 시스템의 외부 코팅으로서 보호 코팅 및 접착제로 코팅된 흑연 엘리먼트의 하나 이상의 표면의 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 본원에서 개시되는 실시예들은 앞의 옵션적인 컴포넌트들로 제한되지 않고; 다른 옵션적인 컴포넌트들이 원하는 대로 포함될 수 있다.
옵션적으로 본원에서 개시되는 열 관리 시스템들에는 하나 이상의 핀(fin)이 없다. 열 관리 시스템은 실질적으로 평평한 본체를 갖고, 평평한 본체로부터 본체의 평면 외부의 방향으로 멀어지게 연장하는 열 관리 시스템의 부분이 없는 것이 바람직하다.
다른 옵션적인 구성들은 열 관리 시스템에는 팬(fan), 히트 파이프 및/또는 증기 챔버가 없는 것이 바람직하는 것을 포함한다. 이들 실시예들에서 열 관리 시스템에는 능동 냉각 엘리먼트 또는 능동 냉각 매체(active cooling medium)가 없는 것이 바람직하다.
옵션적으로, 열원에 인접한 열 관리 시스템의 부분의 표면적이 열 관리 시스템과 작동 접촉하는 열원의 표면적보다 크다. 게다가, 이는, 흑연 엘리먼트가 열 관리 시스템과 작동 접촉하는 열원의 표면적보다 큰 표면적을 갖는다는 점에서, 흑연 엘리먼트에 동일하게 적용 가능하다. 본 개시에 따른 열 관리 시스템 및/또는 흑연 엘리먼트에 따른 추가의 특정 양태들은 열원과 작동 접촉하는 열원에 인접하는 제1 주 표면을 갖는 것을 포함한다. 제1 부분을 갖는 제1 주 표면은 열원과 직접 작동 접촉하고 제2 부분은 열원과 직접 작동 접촉하지 않는다. 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적보다 크다. 대안적으로, 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적의 적어도 십 퍼센트(10%)를 포함한다. 추가의 대안으로서, 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적의 적어도 이십오 퍼센트(25%)를 포함한다. 추가의 대안으로서, 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적의 적어도 오십 퍼센트(50%)를 포함한다. 추가의 대안으로서, 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적의 적어도 칠십오 퍼센트(75%)를 포함한다. 추가의 대안으로서, 제2 부분의 표면적은 열원의 실질적으로 동일한 표면적 또는 열원의 표면적의 약 100%를 포함한다. 추가의 대안으로서, 제2 부분의 표면적은 마더보드의 실질적으로 동일한 표면적 또는 마더보드의 표면적의 약 100%를 포함한다. 제3 구성에서 제2 부분의 표면적은 열원의 표면적보다 작을 수 있다.
도 1에서 예시된 바는 열 관리 시스템(110)("열 확산(Heat Spread)")을 포함하는 본 개시의 전자 디바이스(100)가 "히트 소스"(120)와 거의 동일한 표면적을 가진다는 것이다. 이 실시예에서 열원(120)은 스택형 마더보드(130)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 스택형 마더보드(130)는 마더보드(130)의 일(1)측의 GPU와 같은 적어도 하나(1)의 칩과 마더보드(130)의 타측의 CPU(도시되지 않음)와 같은 적어도 제2 칩을 갖는 인쇄 회로 보드를 포함함으로써, 열원(120)을 형성한다(임의의 적어도 두(2) 개의 칩들이 마더보드(130)를 형성하도록 사용될 수 있다). 본 개시에서 설명되는 열 관리 시스템들(110) 중 어느 하나는 열원(120)과 작동 접촉하도록 배치된다. 열 관리 시스템(110)은 열원(120)에 부착될 수 있으며, 예를 들어, 열 관리 시스템은 열원(120)의 전자 컴포넌트들 중 적어도 하나에 부착될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템(110)(열 확산)은 열을 생성하는 칩(즉, 열원)과 실질적으로 동일한 표면적을 가진다. 추가로, 열 솔루션은 디바이스의 중간 플레이트(140)(또한 "섀시"라고 지칭됨) 상에 배치될 수 있다. 그렇다면, 선택된 열 관리 시스템은 중간 플레이트(140)에 또한 부착될 수 있다. 이는 갭 패드(도시되지 않음)로 또는 갭 패드 없이 완수될 수 있다.
본 개시의 열 관리 시스템들은 디바이스의, 표면 온도라고 또한 지칭될 수 있는 터치 온도를 최소화하는 전자 디바이스를 만드는데 사용된다. 표면 온도를 정의하기 위한 하나의 표준은 ASTM C1055이다. 일레트로닉스 쿨링 매거진(Electronics Cooling Magazine)의 2016년 9월 버전에서 인용된 표준의 요약이 아래에서 제공된다:
ASTM C1055(Standard Guide for Heated System Surface Conditions that Produce Contact Burn Injuries)은 표면 온도들을 140℉ 아래로 유지할 것을 권고한다. 그 이유는 보통 사람이 비가역적 화상 손상을 입지 않고 최대 5초 동안 140℉ 표면을 만질 수 있다는 것이다.
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ASTM C1055에 따르면, 전자 디바이스가 (단지 "뜨거운" 것을 넘어서는) 통증에 대한 임계값으로서 식별되는 44℃(~111℉) 아래의 표면 온도로 동작하는 것이 추가로 바람직하다. 비교를 위해, 동일한 기사에서 46℃의 온도가, OSHA에 의해 극히 고위험 수준으로서 인용된다. 본원에서 개시되는 열 관리 시스템들은 디바이스가 통증 임계값 아래에서 작동하도록 전자 디바이스에 통합될 수 있다.
본원에서 개시되는 열 관리 시스템들을 사용함으로써 실현될 수 있는 장점들은 다음 중 하나 이상을 포함한다: (1) 사용의 용이성, 열 관리 시스템의 단순화된 제조; (2) 열 관리 시스템은 내부 접착제 층들 및/또는 다른 절연성 재료들과 같은 덜 비활성적인 컴포넌트들을 포함하며; (3) 열 관리 시스템의 설치의 용이성; (4) 열 관리 시스템은 유효 기간을 갖지 않고 (5) 열 관리 시스템은 작동 매체, 예컨대, 증기 챔버 매체의 기화/응축의 잠열에 의존하지 않는다. 추가의 이점은 열 관리 시스템이 200 미크론을 초과하는 두께와 적어도 1000 W/mK 평면 내 열전도율의 열전도율을 가질 수 있다는 것이다.
실시예
삼성 노트 10 셀룰러 전화기 ("디바이스")가 동시대의 상업적으로 입수가능한 열 관리 시스템들("OEM 열 관리 시스템들")을 기준으로 본원에서 개시되는 열 관리 시스템들을 평가하기 위해 사용되었다. OEM 열 관리 시스템들은 마더보드 상의 GPU 및 CPU와 열 접촉하는 증기 챔버가 있는 하나의 실시예를 포함하였다. 증기 챔버는 이 실시예에서 중간 플레이트(섀시)에 인접해 있다. 증기 챔버 반대쪽에는 GPU와 CPU를 포함하는 스택형 마더보드가 있다. 마더보드는 완전히 차폐되었다. 이 실시예는 도 4 내지 도 7에서 "VC"로서 식별된다. 테스트되는 다른 상업적 옵션들은 도 4 내지 도 7에서 "3/sg"로서 식별되는 70 미크론 인조 흑연(synthetic graphite)의 3층 스택 업과, 도 4 내지 도 7에서 "4/sg"로서 식별되는 70 미크론 인조 흑연의 4층 스택 업을 포함한다. 접착제가 3/sg 및 4/sg 열 관리 시스템들의 각각의 층 사이에서 사용되었다. 모든 세(3) 개의 대안들이 대조군(control) 또는 총칭하여 "대조군들(controls)"이다. 각각의 대조군은 그것의 테스팅 동안 마더보드에 부착되었다.
뒷면 커버가 제거된 디바이스(200)는 마더보드(210)를 보여주는 도 2에서 도시된다. 도 3a에서, 마더보드(210)는 제거되었고 디바이스(200)의 우측에 배치되었다. 본 개시에서 설명되는 열 관리 시스템("테스트 샘플")(220)의 일 실시예가 디바이스(200)에서 마더보드와 작동 접촉하게 될 로케이션에 배치되었다. 테스트 샘플은 마더보드 상에 해당 열원과 실질적으로 동일한 표면적을 가졌다. 도 3b는 마더보드(210) 및 증기 챔버 열 확산(230)을 갖는 VC 대조군 실시예로서 셋업된 디바이스(200)를 도시한다.
테스트 샘플은 오하이오주 레이크우드의 NeoGraf Solutions, LLC로부터 입수 가능한 NeoNxGen® 가요성 흑연의 270 미크론 두께 등급을 포함하는 흑연 엘리먼트를 포함했다. 테스트 샘플의 흑연 엘리먼트는 적어도 약 1100 W/mK의 평면 내 열전도율과 약 5 W/mK 미만의 평면통과 열전도율을 가졌다. 테스트 샘플은 각각의 주 표면 상의 플라스틱 층과 테스트 샘플을 마더 보드에 접착하기 위한 일측의 접착제를 추가로 포함했다. 테스트 샘플은 약 330 미크론의 전체 두께를 가졌다. 테스트 샘플은 도 4 내지 도 7에서 "NNG"로서 식별된다.
테스트되는 변수들은 GPU 또는 CPU로부터의 열의 소산뿐만 아니라 디바이스의 스크린의 표면 온도뿐만 아니라 디바이스의 전체 성능을 포함했다. 이들 변수들은 디바이스의 정상 작동(normal operation)(도 4 내지 도 7에서 "아니오"로서 도시됨) 동안뿐만 아니라 디바이스가 충전되고 있을 때(도 4 내지 도 7에서 "예"로서 도시됨) 테스트되었다.
UL의 3DMark - Slingshot Extreme은 하이엔드 스마트폰들의 물리(CPU) 및 그래픽(GPU)을 스코어링하는데 사용되는 널리 받아들여진 벤치마크이므로 테스트를 위해 선택되었다. 정상 상태(steady-state) 테스트 결과들을 성취하기 위하여, 3DMark의 전문가 버전이 구매되었고 90초 Slingshot Extreme 벤치마크 테스트의 무한 루핑을 가능하게 하도록 디바이스 상에 설치되었다. 모든 테스팅은 주변 온도 및 습도가 엄격하게 제어된 정체 공기 환경에서 수행하였다. 측정을 위해 이용 가능한 파라미터들은 열전대들을 통한 표면점 온도들, IR 카메라(Fluke, Model Ti55)를 통한 이미지들, 빌트인 서미스터들을 통한 내부 컴포넌트 온도들(CPU, GPU 등), CPU 및 GPU 클록 주파수들, 및 Slingshot Extreme 벤치마크 스코어를 통한 시스템 성능을 포함한다. 사용되는 버전은 Open GL ES3.1이었다.
각각의 인스턴스에서, 열 관리 시스템은 증기 챔버(VC)를 포함하는 OEM 대조군과 동일한 로케이션에서 사용되었다. 열 관리 시스템은 GPU 또는 CPU("열원")의 양쪽 모두와 열 전달했었다. 상기한 바에 더하여, 실시예는 폰의 스크린, 스크린 아래의 중간 플레이트, 열 관리 시스템이 중간 플레이트에 인접하여 로케이팅되었던 것으로서 추가로 설명될 수 있다. 열 인터페이스는 열 관리 시스템을 마더보드 상에 GPU 및 CPU와 열 접촉하게 배치하는데 사용되었다. 마더보드의 뒷면은 플라스틱 덮개로 덮였다. 플라스틱 덮개에 인접한 것은 무선 충전기였다. 무선 충전기는 또한 디바이스의 뒷면 커버에 인접해 있었다.
도 4는 여러 실행들에 걸쳐 스크린의 표면 온도의 변수를 테스트하는 테스트 샘플의 성능, 세(3) 개의 대조군 샘플들, 및 열 관리 솔루션이 없는 샘플("NoSpread"로서 식별됨)의 차트이다. 테스트 샘플은 각각의 테스트, 뿐만 아니라 평균에 대해, 스크린 온도가 44℃ 아래에 머무르는 유일한 실시예였으며, 이는 정상 작동뿐만 아니라 충전 동안 둘 다에 대해 마찬가지였다. 테스트 샘플들은 스크린 온도가 통증 임계값 아래에 있었던 유일한 실험이었다. 놀랍게도, 삼(3)층 인조 흑연 대조군(3/sg)이 사(4)층 인조 흑연 대조군(4/sg)보다 스크린 온도를 최소화하는데 더 나았다. 또한 증기 챔버 대조군(VC)이 스크린 온도를 낮추는데 최악의 성능을 나타내었다는 것이 흥미롭다. 기존의 상식은 증기 챔버와 같은 능동 냉각이 테스트 샘플들과 같은 수동 냉각보다 성능이 우수할 것이라는 것이다.
도 5를 참조하면, 디바이스의 성능이 비교되었다. 도 5에 도시된 바와 같이, 스크린 온도를 최소화한 것처럼, 테스트 샘플은 여러 실행들에 기초하여 정상 작동들 및 충전 양쪽 모두에 대해 최상의 평균 성능을 발휘했다. 또한 스크린 온도의 결과들과 유사하게, 테스트 샘플 및 사(4)층 인조 흑연이 유사한 양의 흑연을 갖는 유사한 결과들을 나타낼 것이라 생각할 것이다. 도 5에 따라 알 수 있는 바와 같이, 각각의 인스턴스에서 이는 그렇지 않다.
도 6에 관해, CPU로부터 열을 소산하는 것은 OEM 대조군인 증기 챔버(VC)가, 여러 실행들에 걸쳐 측정된 평균(최대) CPU 온도에 따라 테스트 샘플 및 두(2) 대조군 스택업들(3/sg 및 4/sg)의 수동 열 관리 시스템들보다 성능이 우수했던 유일한 인스턴스였다. 다른 실험들 중, 테스트 샘플은 정상 작동 동안 CPU로부터 열을 소산함에 있어서 최상이었다.
도 7에 관해, 테스트 샘플은 정상 작동 동안 GPU로부터 열을 소산함에 있어서 최상이지만, 충전 동안 스펙트럼의 반대쪽 끝에 있다(충전 동안 약간 높긴하지만 최고 평균 온도를 가진다). 3층 및 4층 스택업 대조군들(각각 3/sg 및 4/sg)이 GPU로부터 열을 소산하는 것에 관해 정상 작동과 충전 사이에 얼마나 일관성이 있는지 또한 흥미롭다. 이들 두(2) 개의 대조군 샘플들에 관해, 정상 작동 또는 작동 중의 충전의 프로세스 동작은 GPU로부터 열을 소산하는 것을 통해 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
나열된 성분들에 관련한 모든 이러한 가중값들은 활성 수준에 기초하고, 그러므로, 달리 명시되지 않는 한, 상업적으로 입수 가능한 재료들에 포함될 수 있는 용제들 또는 부산물들을 포함하지 않는다.
본 개시의 단일 특성들 또는 제한들에 대한 모든 참조들은, 참조가 이루어지는 맥락에 의해 달리 명시되거나 또는 반대로 명확하게 암시되지 않는 한, 해당 복수의 특성 또는 제한을 포함해야 하고, 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 본 개시에서, "a" 또는 "an"의 단어들의 사용해 해당하는 표현들은 단수와 복수 둘 다를 포함하는 것으로 받아들여져야 한다. 반대로, 복수의 아이템들에 대한 임의의 참조가, 적절한 경우, 단수를 포함해야 한다.
달리 (예컨대, "정확하게"라는 용어의 사용에 의해) 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같은 양들, 분자량, 반응 조건들 등과 같은 성질들을 표현하는 모든 숫자들은 "약"이란 용어에 의해 모든 인스턴스들에서 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 표시되지 않는 한, 다음의 명세서 및 청구범위들에서 언급되는 수치적 성질들은 본 발명의 실시예들에서 획득하고자 하는 원하는 성질들에 의존하여 가변할 수 있는 근사치들이다.
달리 표시되지 않는 한, 열 전도율들은 옹스트롬의 방법, ASTM E1225, 및/또는 ASTM D 5470과 같은 표준 테스팅 프로토콜이 알려지면, 실온 및 표준 압력(1 atm)에서 또는 대안적으로 적절한 테스팅 조건들에서 제공된다.
본 개시에서 사용되는 바와 같은 방법 또는 프로세스 단계들의 모든 조합들은 참조된 조합이 이루어지는 맥락에 의해 달리 특정되지 않는 한 또는 명백히 반대로 암시되지 않는 한 임의의 순서로 수행될 수 있다.
본원에서 개시되는 백분율들, 부분들, 및 비율들을 포함하지만 그것으로 제한되지 않는 모든 범위들 및 파라미터들은 본 개시에서 가정되고 포함되는 임의의 및 모든 하위-범위들과, 끝점들 사이의 모든 숫자를 포괄하는 것으로 이해된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 언급된 범위가 1의 최소 값과 10의 최대 값 사이의(를 포함한) 임의의 및 모든 하위범위들; 다시 말하면, 1 이상의 최소 값(예컨대, 1 내지 6.1)으로 시작하고, 10 이하의 최대 값(예컨대, 2.3 내지 9.4, 3 내지 8, 4 내지 7)으로 끝나는 모든 하위범위들과, 마지막으로 그 범위 내에 포함되는 각각의 수 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
본 개시의 열 관리 시스템 및 전자 디바이스는 본 개시에서 설명되는 바와 같은 본 개시의 필수적인 엘리먼트들 및 제한들, 뿐만 아니라 본 개시에서 설명되거나 또는 그렇지 않으면 열 관리 시스템들 및/또는 전자 디바이스들에서 유용한 임의의 추가적인 또는 옵션적인 성분들, 컴포넌트들, 또는 제한들을 포함할 수 있거나, 로 구성될 수 있거나, 또는 본질적으로 구성될 수 있다.
"~들을 포함한다", "~를 포함한다", 또는 "~를 포함하는"이란 용어는 명세서 또는 청구범위에서 사용되는 한에는, 청구항에서 연결 단어로서 채용될 때 그 용어가 해석되는 "포함하는"이란 용어와 마찬가지 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 더욱이, "또는"이란 용어가 채용되는(예컨대, A 또는 B) 한에서, "A 또는 B 또는 A 및 B 둘 다"를 의미하도록 의도된다. 출원인이 "둘 다는 아니고 A 또는 B 중 하나만"을 나타낼 것을 의도할 때, "둘 다는 아니고 A 또는 B 중 하나만"이란 용어가 채용될 것이다. 따라서, 본 개시에서 "또는"이란 용어의 사용은 배타적인 사용이 아니라, 포괄적인 사용이다.
일부 실시예들에서, 다양한 발명적 개념들을 서로 조합하여 이용하는 것이 가능할 수 있다. 추가로, 특히 개시된 실시예에 관련한 것으로서 언급된 임의의 특정 엘리먼트는, 특정 요소의 통합이 실시예의 명시적인 조건과 모순되지 않는 한, 모든 개시된 실시예들과 함께 사용하기 위해 이용 가능한 것으로 해석되어야 한다. 추가적인 장점들 및 수정들이 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 쉽게 명확하게 될 것이다. 그러므로, 본 개시는, 그것의 더 넓은 양태들에서, 본 개시에서 제시된 특정 세부사항들, 대표적인 장치, 또는 도시되고 설명된 구체적인 예들로 제한되지 않는다. 따라서, 일반적인 발명적 개념들의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고서도 이러한 세부사항들로부터 변경들이 이루어질 수 있다.

Claims (42)

  1. 전자 디바이스로서,
    적어도 약 150 미크론의 두께, 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 갖고 내부 접착제가 없는 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하며,
    상기 열 관리 시스템은 열원과 작동 접촉하며, 상기 열원은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하며,
    상기 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치되는,
    전자 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 15 mm 이하의 두께를 갖는, 전자 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트는 모놀리식인, 전자 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 디바이스의 제1 주 표면 상의 제1 사용자 인터페이스와 상기 디바이스의 제2 주 표면 상의 제2 사용자 인터페이스를 갖는, 전자 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트의 두께는 적어도 약 200 미크론을 포함하는, 전자 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트의 두께는 적어도 약 200 미크론을 포함하고 상기 열전도율은 적어도 약 800 W/mK를 포함하는, 전자 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도율은 적어도 약 1000 W/mK를 포함하는, 전자 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 하나 이상의 핀(fin)이 없는, 전자 디바이스.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 실질적으로 평평한 본체를 갖고 상기 평평한 본체로부터 상기 본체의 평면 외부의 방향으로 멀어지게 연장하는 상기 열 관리 시스템의 부분이 없는, 전자 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트는 3.8 cm2/s를 초과하는 확산도를 갖는, 전자 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 상기 전자 컴포넌트들 중 적어도 하나에 부착되는, 전자 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원에 인접한 상기 열 관리 시스템의 부분의 표면적이 상기 열원의 표면적보다 큰, 전자 디바이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 팬(fan), 히트 파이프 및 증기 챔버가 없는, 전자 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 능동 냉각 매체가 없는, 전자 디바이스.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은,
    상기 열원에 인접하고 상기 열원과 작동 접촉하는 제1 주 표면을 갖고,
    상기 제1 주 표면은 열원과 직접 작동 접촉하는 제1 부분과 상기 열원과 직접 작동 접촉하지 않는 제2 부분을 갖는, 전자 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적이 상기 열원의 표면적보다 큰, 전자 디바이스.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 표면적의 적어도 오십 퍼센트를 포함하는, 전자 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 표면적의 적어도 칠십오 퍼센트를 포함하는, 전자 디바이스.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 실질적으로 동일한 표면적을 포함하는, 전자 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 마더보드의 표면적과 실질적으로 동일한 것을 포함하는, 전자 디바이스.
  21. 전자 디바이스로서,
    적어도 약 150 미크론의 두께, 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 갖고 내부 접착제가 없는 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하며,
    상기 열 관리 시스템은 상기 디바이스의 열원과 작동 접촉하며,
    상기 디바이스의 두께가 15 mm 이하를 포함하는,
    전자 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, 상기 디바이스는 10 mm 이하의 두께를 갖는, 전자 디바이스.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트는 모놀리식인, 전자 디바이스.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 디바이스의 제1 주 표면 상의 제1 사용자 인터페이스와 상기 디바이스의 제2 주 표면 상의 제2 사용자 인터페이스를 갖는, 전자 디바이스.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트의 두께는 적어도 약 200 미크론을 포함하는, 전자 디바이스.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트의 두께는 적어도 약 200 미크론을 포함하고 상기 열전도율은 적어도 약 800 W/mK를 포함하는, 전자 디바이스.
  27. 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도율은 적어도 약 1000 W/mK를 포함하는, 전자 디바이스.
  28. 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 하나 이상의 핀(fin)이 없는, 전자 디바이스.
  29. 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 실질적으로 평평한 본체를 갖고 상기 평평한 본체로부터 상기 본체의 평면 외부의 방향으로 멀어지게 연장하는 상기 열 관리 시스템의 부분이 없는, 전자 디바이스.
  30. 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 엘리먼트는 3.8 cm2/s를 초과하는 확산도를 갖는, 전자 디바이스.
  31. 제21항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 상기 전자 컴포넌트들 중 적어도 하나에 부착되는, 전자 디바이스.
  32. 제21항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원에 인접한 상기 열 관리 시스템의 부분의 표면적이 상기 열원의 표면적보다 큰, 전자 디바이스.
  33. 제21항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 팬(fan), 히트 파이프 및 증기 챔버가 없는, 전자 디바이스.
  34. 제21항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은 능동 냉각 매체가 없는, 전자 디바이스.
  35. 제21항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 관리 시스템은,
    상기 열원에 인접하고 상기 열원과 작동 접촉하는 제1 주 표면을 갖고,
    상기 제1 주 표면은 열원과 직접 작동 접촉하는 제1 부분과 상기 열원과 직접 작동 접촉하지 않는 제2 부분을 갖는, 전자 디바이스.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적이 상기 열원의 표면적보다 큰, 전자 디바이스.
  37. 제35항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 표면적의 적어도 오십 퍼센트를 포함하는, 전자 디바이스.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 표면적의 적어도 칠십오 퍼센트를 포함하는, 전자 디바이스.
  39. 제37항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 열원의 거의 동일한 표면적을 포함하는, 전자 디바이스.
  40. 제37항에 있어서, 상기 제2 부분의 표면적은 상기 마더보드의 표면적과 거의 동일한, 전자 디바이스.
  41. 전자 디바이스로서,
    적어도 약 150 미크론의 두께, 적어도 약 700 W/mK의 열전도율을 갖고 내부 접착제가 없는 흑연 엘리먼트를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하며,
    상기 열 관리 시스템은 추가적인 방열 엘리먼트가 없으며,
    상기 열 관리 시스템은 열원과 작동 접촉하며, 상기 열원은 하나를 초과하는 전자 컴포넌트를 포함하며,
    상기 하나를 초과하는 전자 컴포넌트는 스택형 마더보드 상에 배치되는,
    전자 디바이스.
  42. 제41항에 있어서, 상기 디바이스의 두께가 15 mm 미만을 포함하는, 전자 디바이스.
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