WO2016060350A1 - 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법 - Google Patents

다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법 Download PDF

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WO2016060350A1
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heat pipe
capillary
working fluid
vibration type
silicon wafer
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PCT/KR2015/005209
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김성진
권기환
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한국과학기술원
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    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to a flat plate vibration type heat pipe that can control the temperature without the need for external power in a very small size in an ultra-thin mobile device maximizing portability, such as a smartphone, tablet PC.
  • a typical thermal control device requiring no external power is a heat pipe.
  • the heat pipe is composed of a sealed tube sealed in a vacuum state after filling a certain amount of working fluid therein.
  • the closed tube includes a capillary structure having a passage of a working fluid therein to move the working fluid through a capillary phenomenon.
  • one end of the condensation tube is disposed outside the heating means or heating means constitutes an evaporation unit (heating unit) for evaporating the working fluid, the other end is arranged to the heat dissipation means or cooling means on the outside condensation to condense the working fluid
  • a part (cooling part) is comprised.
  • heat pipes use the latent heat that accompanies the working fluid circulating inside the closed tube to cause the phase change of liquid-evaporation in the evaporator and the condenser continuously. Or vice versa, it can exhibit much greater heat transfer performance (thermal conductivity) than using ordinary pure metals. Therefore, heat pipes are widely used as basic components for heat transfer in devices of various fields including heat exchangers, cooling devices, heat transport devices, and the like.
  • wick which is a capillary structure having a predetermined thickness or more, which is generally required by using a porous material such as metal mesh, sintered metal particles or metal fiber for circulation of a working fluid.
  • a porous material such as metal mesh, sintered metal particles or metal fiber for circulation of a working fluid.
  • the closed tube is formed only by small diameter tubules to induce capillary phenomenon without the use of a separate wick to evaporate, move, condense and return the working fluid. Pulsating heat pipes have been developed and used.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0042403
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent No. 10-1250326
  • an object of the present invention is to manufacture a vibrating heat pipe into a flat plate using a microelectronic technology system (MEMS) technology to provide a high efficiency heat transfer system without using power in small electronic devices such as mobile phones and laptops.
  • MEMS microelectronic technology system
  • Plate vibration type heat pipe of the present invention for achieving the above object is a silicon wafer lower plate of a long rectangular shape; A wafer upper plate bonded to the silicon wafer lower plate by bonding; A capillary tube manufactured by etching the lower surface of the silicon wafer and forming a closed loop having a bent shape; A working fluid filled in the capillary; It is installed on the side of the lower surface of the silicon wafer, characterized in that it comprises two through-holes in communication with the capillary tube used to inject and discharge the working fluid into the capillary tube.
  • the capillary shape may be formed as a single turn loop or a multi-turn loop, and both the single-turn section and the multi-turn section go from the condenser to the evaporator.
  • the diameter of the capillary and the diameter of the capillary from the evaporator to the condenser can be formed as a single diameter channel or a dual-diameter channel with two different diameters.
  • the double-diameter tube is characterized in that the operating characteristics of the vibrating heat pipe is greatly changed according to the difference in the inner diameter of the two tubes, when the difference in the inner diameter is small, it is difficult to expect a large thermal performance improvement effect, the difference in the inner diameter is too large Since the force imbalance increases and the frictional pressure loss in the small pipe increases rapidly, which negatively affects the performance, the inner diameter difference between the two pipes is set so that the vibrating heat pipe has an optimal heat transfer performance.
  • the capillary shape may be formed in a multi-turn loop, and a single diameter tube having the same diameter of the capillary from the condenser to the evaporator and a diameter of the capillary from the evaporator to the condenser diameter channels) or two diameters can be formed into different dual-diameter channels.
  • the capillary is characterized in that it can be formed by a combination of a single diameter tube and a double diameter tube.
  • the working fluid operating inside the capillary tube of the vibrating heat pipe has different thermal characteristics according to the temperature at the evaporator. Therefore, when the main operating temperature at the evaporator is 100 degrees Celsius or less, use the working fluid FC-72. When more than 100 degrees Celsius is characterized by using ethanol.
  • a figure of merit of the vibrating heat pipe is developed to provide a vibrating heat pipe having an optimal heat transfer performance.
  • the flat plate vibrating heat pipe of the present invention is manufactured using MEMS technology, so it can be utilized as an efficient cooling system in not only small sized electronic devices such as mobile phones and laptops but also in ultra-small and ultra-thin devices. There is an advantage that can be applied in various forms in the device product.
  • the plate vibrating heat pipe effectively transfers heat without using any external power, it does not have to consider a power supply capacity and a connection problem with the power supply, thereby providing a lot of flexibility in the design of electronic products.
  • the plate vibrating heat pipe has a special effect of simple configuration and does not require any special maintenance after installation because it is a cooling system that is driven independently without an external connection.
  • FIG. 1 is a view for explaining the principle of operation of a general vibrating heat pipe.
  • FIG. 2 is a view showing the main configuration of a flat plate vibration type heat pipe of the present invention.
  • Figure 3 is a view showing a method of manufacturing a flat plate vibration type heat pipe of the present invention.
  • Figure 4 is a view showing the type of flat plate vibration type heat pipe according to the capillary shape of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing an experimental system configured to analyze the operating characteristics of the flat plate vibration type heat pipe of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the heat resistance characteristics according to the operating temperature and the working fluid of the flat plate vibration type heat pipe having a multi-turn section and a single diameter tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the heat resistance characteristics according to the operating temperature and the working fluid of the plate vibration type heat pipe having a multi-turn section and a double diameter tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the heat resistance characteristics according to the diameter difference of the flat plate vibration type heat pipe having a multi-turn section and a double diameter tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the thermal conductivity characteristics according to the performance index of the flat plate vibration type heat pipe having a multi-turn section and a double diameter tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing an experimental system configured to analyze the operating characteristics of a flat plate vibration type heat pipe applicable to various angles of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the thermal characteristics of the flat plate vibration type heat pipe according to the installation angle of the single diameter tube and the double diameter tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing the thermal characteristics of a flat plate vibration type heat pipe using a single diameter tube and a double diameter tube in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing the performance index characteristics of a flat plate vibration type heat pipe applicable at various angles according to an embodiment of the present invention.
  • Heat pipes are typical thermal control devices that do not require external power.
  • a wick structure having a predetermined thickness or more necessary for circulation of a working fluid in the inside of a conventional heat pipe, and in general, the thinner the heat pipe, the lower the performance. Therefore, there is a limit to the application to ultra-thin electronic devices.
  • a vibrating heat pipe having no wick structure has been proposed.
  • the vibrating heat pipe is a structure in which one capillary tube forms a closed loop.
  • an aligned bubble-train unit including a liquid slug and a bubble plug is formed in the closed loop.
  • the aligned bubble group performs high speed self-vibration, and heat is transferred from the evaporator to the condenser.
  • the vibrating heat pipe has no wick structure and has a simple structure, which is easy to manufacture in a small size, and thus is bonded to the microelectronic device.
  • the flow inside the vibratory heat pipe changes with the amount of heat input.
  • the oscillating flow moves in both directions with small amplitude (A), and the amplitude of the vibration flow gradually increases as the heat input amount is increased (B, C). If the heat input is further increased, the working fluid performs a circulating flow that moves only in one direction without vibrating motion (D, E).
  • the flat plate vibration type heat pipe of the present invention includes a silicon wafer lower plate 100, a wafer upper plate 200, a capillary tube 300, a working fluid filled in the capillary tube, and a silicon wafer lower plate in the capillary tube.
  • Condensation unit 500 is located at one end in the longitudinal direction and disposed at an external heat source, the condensation unit 500 is located at the other end of the silicon wafer in the longitudinal direction of the lower end of the capillary tube and the working oil heated by the external heat radiates heat to the outside It includes two through holes 330 which are used only when the hydraulic fluid is injected or discharged into the flat plate vibration type heat pipe.
  • the silicon wafer lower plate 100 may use a silicon wafer having a thickness of about 1 mm, which is used in a conventional MEMS, and the wafer upper plate may use the same material as that of the silicon wafer lower plate 100. Glass material may be used for identification.
  • a representative example of a glass wafer is Pyrex glass.
  • a photoresist is deposited on a long rectangular silicon wafer 100 by physical or chemical methods. (step (a))
  • the photoresist is patterned by removing the photoresist in the shape of a capillary 300 forming a closed loop having a bent shape at both ends of the silicon wafer 100.
  • the patterning may be performed in various ways, such as lithography, photolithography, electron beam lithography, ion ray lithography, x-ray lithography, diamond patterning. (step (b))
  • the capillary tube 300 and the through hole 330 are formed on the silicon wafer 100 by etching through a wet or dry method.
  • a method using both wet and dry etching may be applied.
  • deep reactive ion etching which is a representative wet / dry etching method, is applied to etch to a depth of 500 m.
  • the thermal characteristics of the flat plate vibration type heat pipe are greatly influenced by the shape of the capillary 300 etched on the silicon wafer 100.
  • the shape of the capillary 300 may be divided into a single turn loop and a multi-turn loop according to the number of turns of capillary bent numbers. It is divided into single diameter channel and dual-diameter channels according to the change in the diameter of the capillary.
  • capillaries typically etched in a dry or dry / wet manner are closer to the shape of a rectangle than a circle. Therefore, the rectangular capillary tube is changed to an equivalent circular tube to analyze the performance of the flat plate vibration type heat pipe, and the diameter (D h ) of the equivalent circular tube is as follows.
  • a C is the area
  • perimeter is the length of the perimeter
  • w is the width of the capillary
  • h ch is the height of the capillary.
  • Nichrome coated heat wire is connected to a DC power supply (E3631) 710 to heat the heat pipe.
  • the condensation unit was made of a copper block 740 having high thermal conductivity, and water of a constant temperature supplied by a bath circulator (RW-0525G) 750 flows inside the copper block.
  • Surface temperature of the heat pipe is measured by connecting a plurality of thermocouples (K-type, Omega) (600) installed in each of the heat generating portion, the condensation portion, and the heat insulating portion to the data acquisition device (DAQ, 34970A) 760.
  • Two types of working fluids are used, FC-72 and ethanol. The characteristics of FC-72 and ethanol are shown in Table 1.
  • FIG. 6 shows the thermal resistance characteristics of a flat plate vibration type heat pipe according to the operating temperature and operating fluid of a single diameter channel in a multi-turn loop.
  • FC-72 when the input power is low, FC-72 exhibits better heat transfer performance because of lower thermal resistance, and when the input power is high, the heat transfer performance of ethanol is better.
  • the ratio of pressure to temperature (dP / dT) increases, the motion of the working fluid is activated to improve the performance of the vibrating heat pipe.
  • the relatively latent heat of FC-72 vaporizes or condenses at a faster rate than ethanol, so FC-72 performs better at low temperatures, but as the temperature increases, the performance of FC-72 converges to a certain level.
  • the performance of is gradually improved, and when the temperature exceeds 100 degrees Celsius, the performance of ethanol is better.
  • FIG. 7 illustrates the thermal resistance of a flat plate vibration type heat pipe according to the operating temperature and the working fluid of a dual diameter channel in a multi-turn loop.
  • the heat resistance is low in the high temperature section, and thus shows a high performance heat transfer characteristic.
  • the above tendency means that there is a value in which the difference between the diameters of the two pipes is optimal, and as shown in FIG. 8, the diameter difference in which the flat plate vibration type heat pipe becomes the optimal performance is as follows.
  • the working fluid of the dual diameter channel in the multi-turn loop is similar to the case of the single diameter channel when the FC-72 is applied when the input temperature is 100 degrees Celsius or less. While better heat transfer performance, ethanol performs better when the input temperature exceeds 100 degrees Celsius.
  • the performance of the flat plate vibration type heat pipe composed of a dual diameter channel in the multi-turn loop as described above is indirectly understood from various indicators. Since the performance of the flat plate vibrating heat pipe may vary slightly depending on the subject of the person who analyzes the above indicators, a single figure of performance index (M PHP ) is used to more easily express the performance of the flat plate vibrating heat pipe having a double diameter pipe structure. Is introduced as in the following formula.
  • ⁇ l is the working fluid density
  • h fg is the heat absorbed by the working fluid (latent heat)
  • ⁇ is the surface tension
  • w 1 is the width of the large channel
  • w 2 is the width of the small channel
  • ⁇ 1 is Viscosity coefficient of the working fluid liquid
  • x is the mass of the gas (vapor mass quality) of the total working fluid
  • h is the height (depth) of the channel
  • ⁇ 2 L is the frictional loss factor (pressure difference / same mass required for two-phase flow) Pressure difference required for flow of liquid)
  • ⁇ 2 L is the friction loss drainage, and means the ratio of the pressure difference between both ends required for the flow when the liquid-gas is mixed with the pressure difference required for the flow when only the liquid is filled in the heat pipe.
  • the friction loss factor can be calculated by various models. For example, the friction loss factor can be expressed by the following equation using a Martinelli parameter (X), and a value within the range of 0.001 to 10 is typically used.
  • thermocouples 600 are installed in each of the heating part, the condensation part, and the heat insulating part.
  • Representative applicable thermocouples are K-type and Omega, and the installed thermocouples are transferred to the control computer 770 via a data acquisition device (DAQ) 760.
  • DAQ data acquisition device
  • a heating wire 610 manufactured by coating Nichrom is connected to a DC power supply (E3631) 710.
  • E3631 DC power supply
  • the condensation part is enclosed by a copper block 620 having high thermal conductivity, and a constant circulator (RW-0525G) 750 is supplied to the inside of the copper block. Temperature water was allowed to flow.
  • the flat plate vibration type heat pipe in order to more accurately grasp the thermal characteristics of the flat plate vibration type heat pipe, it is preferable to install the flat plate vibration type heat pipe inside the vacuum chamber 800.
  • the vacuum chamber 800 is maintained in a vacuum state by the rotary pump 810, preferably to be maintained below 0.01torr.
  • one surface of the vacuum chamber 800 is formed of a window 820 made of transparent glass, and the vacuum chamber 800
  • the high-speed camera 720 for photographing the plate vibrating heat pipe through the window 820 from the outside of the installation.
  • the high speed camera 720 photographs the flat plate vibrating heat pipe, and transmits the captured image information to the control computer 770.
  • FIG. 11A illustrates a case in which ethanol is used as the working fluid
  • FIG. 11B illustrates a case in which FC-72 is used as the working fluid.
  • the thermal resistance of the plate vibration type heat pipe having a double diameter tube is much lower than that of the single diameter tube, and thus, the performance of the double diameter tube is better.
  • the single diameter tube has the largest value at 0 ° and the lowest value at 90 °.
  • the difference in diameter is small (1.1-0.9mm)
  • it has the largest value at 0 ° and the lowest value at 90 °, as in a single diameter tube.
  • the difference in diameter is 0.6mm or more, it can be seen that the angle is not significantly affected.
  • the above tends to mean that there is a value at which the difference between the diameters of the two pipes is optimal, and the difference in diameter at which the flat plate vibration type heat pipe becomes the optimum performance is as follows.
  • N is the number of channels in the double-diameter tube, N t is the total number of channels, ⁇ l is the working fluid density, ⁇ is the surface tension, w 1 is the width of the larger channel in the double-diameter tube, w 2 is the Width, h fg is the heat absorbed by the working fluid (latent heat), w 1 is the width of the large channel, w 2 is the width of the small channel, w is the width of the channel in a single diameter tube, ⁇ 1 is the working fluid liquid
  • the viscosity coefficient of, C is the friction coefficient, h is the height (depth) of the channel, all units apply SI units
  • the friction coefficient C may be calculated in various ways, but the present invention uses a fixed value of 4.0, which is a preferable representative value, to facilitate the calculation.
  • the flat plate vibration type heat pipe has a large difference in thermal characteristics depending on the diameter difference of the double diameter pipe, the degree of mixing of the single diameter pipe and the double diameter pipe, and the difference in the working fluid.
  • the dimensionless diameter difference value ( ⁇ D / D avg ) showing the optimal thermal performance in the double diameter tube is in the range of 0.3 and 0.5. Within this range, the thermal conductivity of the plate vibrating heat pipe has a value of 90% or more based on the maximum value. 13C, it can be seen that the same result can be obtained even if the working fluid is changed from ethanol to FC-72.
  • the performance index of the double diameter pipe is 2 ⁇ 10 5 kg / (m 3 ⁇ s) or more, the thermal characteristics of the flat plate vibration type heat pipe are not affected by the installation angle. Therefore, this means that when designing a flat plate vibration type heat pipe, the performance index should be designed to be 2 ⁇ 10 5 kg / (m 3 ⁇ s) or more.
  • the plate vibration type heat pipe is designed based on the performance index (M PHP ) configured as described above, and the characteristics of the designed plate vibration type heat pipe are greatly affected by the operating temperature, the working fluid, and the like. It will be appreciated that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the company. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
  • the flat plate vibration type heat pipe of the present invention can be applied to various industrial fields such as various electronic devices, small internal combustion engines, small machinery, and even has a special effect of operating semi-permanently without supplying external power, thereby providing sufficient industrial applications.

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Abstract

본 발명은 휴대전화, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에서 전력을 사용하지 않고 고효율의 열전달시스템을 제공할 수 있는 평판 진동형 히트파이프(Flat plate PHP)에 관한 발명이다. 평판 진동형 히트파이프는 MEMS 기술을 이용하여 제작되며, 평판 진동형 히트파이프는 단일-턴 구간(single turn loop) 혹은 복수-턴 구간(multi-turn loop), 단일직경관(single diameter channel) 혹은 이중직경관(dual-diameter channels)의 형상으로 제작된다. 또한, 평판 진동형 히트파이프에서 사용되는 작동유체는 주 작동온도에 따라 다른 특성을 보이므로 주 작동온도에서 최적의 효율을 가지는 작동유체를 포함하는 평판 진동형 히트파이프를 구비한다. 또한, 상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 다양한 설치각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프는 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상면에서 일정한 깊이를 가지고 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향을 따라 직선의 형태로 형성된 채널을 포함하고, 상기 채널은 실리콘 웨이퍼 하판의 양 끝단에서 굽어져 연결되는 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 웨이퍼 상판; 상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;를 포함하되 상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어진 것이 특징이다.

Description

다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법
본 발명은 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기에서 초소형 사이즈로 외부 전력이 필요 없이 온도를 제어할 수 있는 평판 진동형 히트파이프에 관한 것이다.
마이크로프로세서의 성능 향상으로 인해 전자장치는 소형화, 경량화 되어왔으며, 최근 들어 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기의 수요가 급증하고 있다. 이러한 전자장치들은 대부분 적층구조로 이루어져 있어 구조적으로 냉각 시스템을 위한 공간이 매우 제한적이고 협소하여 효과적인 냉각방식에 대한 필요성이 대두되고 있다.
초소형 냉각시스템으로서 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치(Thermal control device)로는 히트파이프(Heat pipe)가 있다. 일반적으로, 히트 파이프는 내부에 일정량의 작동유체를 충진한 후 진공상태로 밀봉한 밀폐관으로 이루어진다. 밀폐관은 내부에 작동유체의 통로를 구비하여 모세관 현상을 통해 작동유체를 이동시킬 수 있는 모세관 구조물을 내장한다. 또한, 밀폐관의 일단은 외측에 발열수단 또는 가열수단이 배치되어 작동유체를 증발시키는 증발부(가열부)를 구성하고, 타단은 외측에 방열수단 또는 냉각수단이 배치되어 작동유체를 응축시키는 응축부(냉각부)를 구성한다.
이러한 히트 파이프는 밀폐관 내부에 순환하는 작동유체가 증발부와 응축부에서 액체-증기간의 상변화를 연속적으로 일으킬 때 동반하는 잠열을 이용하여 열을 발열수단과 방열수단에서 가열수단과 냉각수단으로 또는 그 반대로 이동시키므로, 일반 순수 금속을 사용하는 것보다 훨씬 큰 열전달 성능(열전도율)을 나타낼 수 있다. 따라서, 히트 파이프는 열교환기, 냉각장치, 열 수송장치 등을 포함하는 다양한 분야의 장치에서 열 이송을 위한 기본 구성부품으로 널리 사용되고 있다.
하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 통상 금속망이나 소결금속입자 또는 금속섬유와 같은 다공질재료를 사용하여 필요한 일정한 두께 이상의 모세관 구조물인 윅(Wick)이 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다.
이러한 윅을 사용하는 히트 파이프의 문제점들을 해소하기 위해, 최근에는 밀폐관을 소구경의 세관으로만 형성하여 별도의 윅을 사용하지 않고도 모세관 현상을 유도하여, 작동유체를 증발, 이동, 응축 및 귀환시키는 진동형 히트 파이프(Pulsating heat pipe)가 개발되어 사용되고 있다.
하지만, 종래의 진동형 히트 파이프는 단일-턴(single-turn PHP) 형상 등에 대해서만 연구가 이루어지고, 사용되는 작동유체는 물 등과 같은 액체만을 사용하고 있어, 이를 전자기기의 냉각장치 등으로 적용하는 경우에는 여전히 기대할 만한 열전달 성능을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 초박형 전자 기기에서 열전달 효율이 높고 안정적으로 작동하는 개선된 평판 진동형 히트파이프의 필요성이 절실한 실정이다.
참고로, 기존에 진동형 히트파이프와 관련한 특허는 다음과 같다.
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 제10-2012-0042403호
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허 제10-1250326호
따라서 본 발명의 목적은 진동형 히트파이프를 미세전자기술시스템(MEMS) 기술을 이용하여 평판형(Flat plate)으로 제작하여 휴대전화, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에서 전력을 사용하지 않고 고효율의 열전달시스템을 제공하고자 함이다.
또한, 평판 진동형 히트파이프(Flat plate PHP)에서 단일-턴 구간(single turn loop), 복수-턴 구간(multi-turn loop)로 구성했을 경우와 단일직경관(single diameter channel), 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구성했을 경우의 열성능을 평가하여 최적의 형상 및 크기를 갖는 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.
또한, 평판 진동형 히트파이프에서 사용되는 작동유체의 온도 구간에 따른 특성을 분석하여 주 작동온도에서 최적의 효율을 가지는 작동유체를 포함하는 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 본딩(bonding)하여 결합되는 웨이퍼 상판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판을 식각하여 제작하고 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관; 상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체(working fluid); 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 측면에 설치되고, 상기 모세관과 연통되어 상기 작동유체를 모세관에 주입배출할 때 사용되는 두 개의 관통구를 포함하는 것이 특징이다.
이 때, 상기 모세관의 형상은 단일-턴 구간(single turn loop) 혹은 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 형성될 수 있으며, 단일-턴 구간과 복수-턴 구간 모두 응축부에서 증발부로 가는 모세관의 직경과 증발부에서 응축부로 가는 모세관의 직경이 같은 단일직경관(single diameter channel) 혹은 두 개의 직경이 다른 이중직경관(dual-diameter channels)으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 이중직경관은 양쪽 관의 내경 차이에 따라 진동형 히트파이프의 작동 특성은 크게 달라지는데, 내경 차이가 작은 경우에는 그 영향이 미미하여 큰 열성능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 내경의 차이가 너무 큰 경우에는 힘의 불균형이 커지고, 작은 관에서의 마찰 압력 손실이 급격히 증가하여 성능에 부정적인 영향을 미치므로, 진동형 히트 파이프가 최적의 열전달 성능을 내도록 양쪽 관의 내경 차이를 설정하는 것이 특징이다.
뿐만 아니라, 상기 모세관의 형상은 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 형성될 수 있으며, 응축부에서 증발부로 가는 모세관의 직경과 증발부에서 응축부로 가는 모세관의 직경이 같은 단일직경관(single diameter channel) 혹은 두 개의 직경이 다른 이중직경관(dual-diameter channels)으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.
또한, 상기 모세관은 단일직경관과 이중직경관의 조합으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.
이에 더하여 진동형 히트 파이프의 모세관 내부에 작동하는 작동유체는 증발부에서의 온도에 따라 다른 열적 특성을 보이므로 증발부에서의 주 작동 온도가 섭씨 100도 이하일 때는 작동유체를 FC-72를 사용하고, 섭씨 100도 초과일 때에는 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 한다.
뿐만 아니라, 진동형 히트파이프의 열 특성을 바르게 분석하고 평가하기 위하여 진동형 히트파이프의 성능 지수(Figure of merit)를 개발하여 최적의 열전달 성능을 갖는 진동형 히트파이프를 제공하는 것이 특징이다.
따라서 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 MEMS 기술을 이용하여 제작하므로 휴대전화나 노트북과 같은 작은 크기의 전자기기뿐만 아니라 초소형, 초박형 기기에서의 효율적인 냉각시스템으로 활용될 수 있어, 향후 소형경량화 되고 있는 전자기기 제품에서 다양한 형태로 적용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 평판 진동형 히트파이프는 외부의 전력을 전혀 사용하지 않고도 효과적으로 열을 전달하므로 전원의 용량, 전원과의 연결 문제 등을 고려하지 않아도 되어 전자제품의 설계에 많은 유연성을 주는 장점이 있다.
특히, 평판 진동형 히트파이프는 구성이 단순하고 외부와의 연결 없이 독자적으로 구동되는 냉각시스템이므로 한번 설치한 이후 특별한 유지보수를 필요로 하지 않는 특별한 효과를 가진다.
도 1은 일반적인 진동형 히트파이프의 작동 원리를 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 평판 진동형 히트파이프의 주요 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 모세관 형상에 따른 평판 진동형 히트파이프의 종류를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성을 분석하기 위하여 구성한 실험 시스템을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 단일직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 작동 온도와 작동유체에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 작동 온도와 작동유체에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 직경 차이에 따른 열 저항 특성을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수-턴 구간 및 이중직경관을 갖는 평판 진동형 히트파이프의 성능지수에 따른 열전도 특성을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 다양한 각도에서 적용가능한 평판진동형 히트파이프의 작동 특성을 분석하기 위하여 구성한 실험 시스템을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일직경관과 이중직경관의 설치 각도에 따른 평판진동형 히트파이프의 열 특성을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일직경관과 이중직경관을 혼용하여 사용한 평판진동형 히트파이프의 열 특성을 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 각도에서 적용가능한 평판진동형 히트파이프의 성능지수 특성을 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 평판 진동형 히트 파이프에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
히트파이프(Heat pipe)는 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치 (Thermal control device)이다. 하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 필요한 일정한 두께 이상의 윅(Wick) 구조가 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서, 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하고자 윅구조를 가지지 않는 진동형 히트파이프가 제안되었다.
진동형 히트파이프는 하나의 모세관이 굽어진 형상의 폐루프(Closed loop)를 이루는 구조이다. 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 적정량의 작동 유체를 주입하면, 폐루프 내부에 액상 슬러그(Liquid slug)와 기포 플러그(Vapor plug)로 이루어진 정렬된 기포군(Slug-train unit)이 형성된다. 이 때 폐루프 한 쪽에 열이 가해지면 정렬된 기포군이 고속 자가진동을 하고, 이를 통해 증발부(Evaporator)에서 응축부(Condenser)로 열이 전달된다.
이와 같이 진동형 히트파이프는 윅 구조가 없고 구조가 간단하여 작은 크기로 제작이 용이하여 초소형 전자장치에 적용하기 접합하다.
도 1에 도시된 바와 같이 진동형 히트파이프 내부의 유동은 입열량에 따라 바뀐다.
입열량이 작은 경우에는 작동유체가 작은 진폭으로 양방향으로 움직이는 진동유동(Oscillating flow)을 하고(A), 입열량이 증가함에 따라 진동유동의 진폭이 점차 증가한다(B, C). 입열량이 더 증가하면 작동유체가 진동운동을 하지 않고 한쪽 방향으로만 움직이는 순환유동(Circulating flow)을 한다(D, E).
히트파이프 내부에 순환운동이 발생하는 경우에 상대적으로 나은 열성능을 보인다. 순환유동의 경우, 응축부를 통과하면서 충분히 온도가 낮아진 작동유체가 직접 증발부에 유입되기 때문에 진동유동에 비해 더 활발한 열전달 효과를 기대할 수 있기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 실리콘 웨이퍼 하판(100), 웨이퍼 상판(200), 모세관(300), 모세관 내부에 충진되는 작동유(working fluid), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 일단에 위치하며 외부의 열원에 배치되는 증발부(400), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 타단에 위치하며 외부의 열에 의하여 가열된 상기 작동유가 외부로 열을 발산하는 응축부(500), 작동유를 평판 진동형 히트파이프에 주입 혹은 배출할 때만 사용되는 두 개의 관통구(330)를 포함하여 구성된다.
상기 실리콘 웨이퍼 하판(100)은 통상적인 MEMS에서 사용되는 두께 1mm 내외의 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 웨이퍼 상판은 실리콘 웨이퍼 하판(100)과 동일한 재질을 사용할 수 있으며, 실험시 작동유체의 이동 및 상태를 확인하기 위하여 유리 재질을 사용할 수도 있다. 유리 재질 웨이퍼의 대표적인 예로는 파이렉스 글라스(Pyrex glass)가 있다.
본 발명의 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법은 도 3에 도시된 바와 같다.
먼저, 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 물리적 혹은 화학적 방법으로 증착(deposition)한다. ((a)단계)
실리콘 웨이퍼(100)의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관(300)의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)한다. 이때, 패터닝은 리소그래피, 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 이온광선 리소그래피, 엑스레이 리소그래피, 다이아몬드 패터닝 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. ((b)단계)
그 후, 습식 혹은 건식 방식으로 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 모세관(300)과 관통구(330)를 형성한다. 이 때, 습식과 건식 에칭을 모두 사용하는 방식을 적용할 수 있으며, 본원 발명에서는 가장 대표적인 습식/건식 에칭 방식인 Deep RIE(deep reactive ion etching)를 적용하여 500m의 깊이로 식각하였다.
실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하고, 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 유리 재질의 상판을 본딩(bonding)하여 결합하면, 평판 진동형 히트파이프의 구조가 완성된다. 이 때, 접착표면이 아주 평평한 유리의 특성을 살려 양극 접합(anodic bonding)을 적용하면 접착 성능이 우수한 평판 진동형 히트파이프를 생산할 수 있게 된다.
마지막으로, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 설치된 관통구(330)를 통하여 작동유체를 주입시키고, 관통구(330)를 밀봉하면 평판 진동형 히트파이프가 완성된다. 이때, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 관통구(330)를 설치함으로써 작동유체를 주입시키거나 배출시킬 때, 한쪽에서는 작동유체나 공기를 주입시키고 반대쪽에서는 진공장치 등으로 흡입시켜 효율적인 충전 및 배출이 가능하다. 이는 관통구가 하나인 경우에 비하여 훨씬 빠르고 정확한 제어를 가능하게 한다.
한편, 평판 진동형 히트파이프의 열특성은 실리콘 웨이퍼(100) 상에 식각되는 모세관(300)의 형상에 의하여 큰 영향을 받는다.
도 4에 도시된 바와 같이 모세관(300)의 형상은 모세관 휘어진 숫자인 턴(turn)의 횟수에 따라 단일-턴 구간(single turn loop)과 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 구분될 수 있으며, 모세관의 직경의 변화 여부에 따라 단일직경관(single diameter channel)과 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구분된다.
또한, 통상적으로 건식 혹은 건/습식 방식으로 식각되는 모세관은 원형보다는 사각형의 형상에 가깝게 된다. 따라서, 사각형의 모세관은 등가의 원형관으로 변경되어 평판 진동형 히트파이프의 성능이 해석되며, 등가의 원형관의 지름(Dh)은 아래의 식과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2015005209-appb-M000001
(여기서, AC는 면적, perimeter는 둘레의 길이, w는 모세관의 폭, hch는 모세관의 높이)
본 발명에서는 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성(Operational characteristics)을 분석하기 위하여 도 5와 같은 실험 시스템을 구성한다. 니크롬(Nichrom)을 코팅하여 제작한 열선을 직류 전력 공급기(DC power supply, E3631)(710)와 연결하여 히트파이프에 열을 가해준다. 응축부는 열전도도가 높은 구리블록(740)으로 제작하였고, 구리 블록의 내부에는 항온 순환조(Bath circulator, RW-0525G)(750)에 의해 공급되는 일정한 온도의 물이 흐르도록 하였다. 히트파이프의 표면 온도는 발열부, 응축부, 단열부 각각에 복수 개로 설치된 열전대(K-type, Omega)(600)를 데이터 수집장치(DAQ, 34970A)(760)에 연결하여 측정한다. 작동유체로는 FC-72와 에탄올 두 종류를 사용하며, FC-72와 에탄올의 특성은 표 1에 제시된 바와 같다.
표 1
작동유체 끓는점*(C) 표면장력**(mN/m) 잠열*(kJ/kg) 밀도*(kg/m3) 증기 밀도*(kg/m3) 점성계수**(Pas) 비열*(kJ/KgK)
Ethanol 78.4 22.27 846.19 734.79 1.75 430.43 3.202
FC-72 56 9.48 84.73 1620.94 13.01 447.0 1.096
실시예로 도 6에서는 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 단일직경관(single diameter channel)의 작동 온도와 작동유체에 따른 평판 진동형 히트파이프의 열 저항(thermal resistance) 특성을 나타내고 있다.
도 6에 제시된 바와 같이 입력 전력이 낮은 경우에는 FC-72가 열 저항이 더 낮으므로 더 좋은 열전달 성능을 나타고 있으며, 입력 전력이 높은 경우에는 에탄올의 열전달 성능이 더 좋게 나타나고 있다. 통상적으로 온도 대비 압력의 비(dP/dT)가 클수록 작동유체의 운동을 활성화시켜 진동형 히트파이프의 성능을 좋게한다. 상대적으로 잠열이 작은 FC-72가 에탄올에 비하여 더 빠른 속도로 모두 기화되거나 응축되므로 낮은 온도에서는 FC-72가 더 좋은 성능을 보이지만 온도가 올라갈수록 FC-72의 성능은 일정한 수준으로 수렴하는 반면 에탄올의 성능은 점차 개선되며, 온도가 섭씨 100도를 넘으면 에탄올의 성능이 더 좋아지게 된다.
또 다른 실시예로 도 7에서는 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)의 작동 온도와 작동유체에 따른 평판 진동형 히트파이프의 열 저항(thermal resistance) 특성을 나타내고 있다.
작동유체가 에탄올의 경우 도 7(a)에서 제시한 바와 같이 온도가 높은 구간에서는 열저항이 낮아 높은 성능의 열전달 특성을 보이고 있다.
반면, 작동유체가 FC-72의 경우 도 7(b)에서 제시한 바와 같이 온도가 높아질수록 열저항이 낮아지다가 특정 온도를 넘으면 열저항이 급격하게 증가하는 특성을 보이고 있으며, 이러한 경향은 두 파이프의 직경 차이가 클수록 더 크게 나타난다.
따라서, 상기 경향은 두 파이프의 직경 차이가 최적이 되는 값이 존재함을 의미하는 것이고, 이는 도 8에서 제시한 바와 같이 평판 진동형 히트파이프가 최적의 성능이 되는 직경차이는 아래의 식과 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2015005209-appb-M000002
(여기서, D는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
또한, 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)의 작동유체는 단일직경관(single diameter channel)의 경우와 유사하게 입력 온도가 섭씨 100도 이하인 경우에는 FC-72가 더 좋은 열전달성능을 보이는 반면 입력 온도가 섭씨 100도를 넘으면 에탄올의 성능이 더 좋아진다.
한편, 상기와 같이 복수-턴 구간(multi-turn loop)에서 이중직경관(dual diameter channel)으로 이루어진 평판 진동형 히트파이프의 성능은 여러 가지 지표들로부터 간접적으로 파악된다. 이는 상기의 지표들을 분석하는 사람의 주관에 의하여 평판 진동형 히트파이프의 성능이 조금씩 달라질 수 있으므로, 이중직경관 구조의 평판 진동형 히트파이프에 대한 성능을 보다 간편하게 나타내기 위한 단일 수치의 성능지수(MPHP)를 아래의 수식과 같이 도입한다.
수학식 3
Figure PCTKR2015005209-appb-M000003
Figure PCTKR2015005209-appb-I000001
(여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), σ는 표면장력, w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
상기의 수식에서 Φ2 L은 마찰손실배수로서 히트파이프 내부에 액체만 채워진 경우 유동에 필요한 압력차에 대하여 액체-기체가 모두 혼재하는 경우 유동을 위해 필요한 양 끝단의 압력차의 비를 의미한다. 상기 마찰손실배수는 여러 가지 모델로 계산되어질 수 있으며, 대표적인 예로는 마티넬리 변수(Martinelli parameter, X)를 이용한 아래의 수식과 같이 표현될 수도 있으며, 통상적으로는 0.001에서 10의 범위 이내의 값을 가진다.
수학식 4
Figure PCTKR2015005209-appb-M000004
(여기서, C는 Chisholm number)
상기의 성능지수(MPHP)를 이용하여 평판 진동형 히트파이프의 성능을 평가한 결과 도 9에서 제시한 바와 같이 성능지수(MPHP)의 값이 1012 kg/(m·s) (W/m3)이상의 값을 가질 때 평판 진동형 히트파이프의 열전도율이 매우 우수함을 알 수 있으며, 이 값을 기초로 하여 이중직경관의 두 직경을 산출하고, 평판 진동형 히트파이프의 구체적인 내용을 설계할 수 있게 된다.
한편, 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성(Operational characteristics)을 분석하기 위하여 도 10과 같은 실험 시스템을 구성한다.
먼저 본 발명의 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 표면 온도를 측정하기 위하여 발열부, 응축부, 단열부 각각에 복수 개로 열전대(600)를 설치한다. 대표적인 적용가능한 열전대는 K-type과 Omega가 있으며, 설치된 열전대는 데이터 수집장치(DAQ)(760)를 통하여 제어컴퓨터(770)로 측정값이 전달된다.
한편, 평판 진동형 히트파이프의 발열부에 열을 제공하기 위하여 니크롬(Nichrom)을 코팅하여 제작한 열선(610)을 직류 전력 공급기(DC power supply, E3631)(710)와 연결한다. 평판 진동형 히트파이프의 응축부에 열을 빼앗기 위해서 열전도도가 높은 구리블록(620)으로 응축부를 감싸고, 구리 블록의 내부에는 항온 순환조(Bath circulator, RW-0525G)(750)에 의해 공급되는 일정한 온도의 물이 흐르도록 하였다.
한편, 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 설치각도에 따른 열특성을 파악하기 위하여 평판 진동형 히트파이프를 올려 놓는 지지대(640)를 구비하고, 상기 지지대(640)를 회전시켜 평판진동형 히트파이프의 설치각도를 변경하는 회전부(650)를 구비한다.
한편, 평판 진동형 히트파이프의 열 특성을 보다 정확하게 파악하기 위하여 평판 진동형 히트파이프를 진공챔버(800) 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 상기 진공챔버(800)는 로터리펌프(810)에 의하여 진공상태가 유지되며, 바람직하게는 0.01torr 이하로 유지하도록 한다.
이 때, 상기 평판 진동형 히트파이프 내부의 작동 유체의 거동을 가시적으로 관찰하기 위하여 상기 진공챔버(800)의 한 면은 투명한 재질의 유리로 이루어진 윈도우(820)로 형성하며, 상기 진공챔버(800)의 외부에서 상기 윈도우(820)를 통하여 상기 평판 진동형 히트파이프를 촬영하는 고속카메라(720)를 설치한다. 상기 고속카메라(720)는 상기 평판 진동형 히트파이프를 촬영하여, 촬영된 정보는 제어컴퓨터(770)로 그 영상 데이터를 전송한다.
상기의 실험시스템으로 본 발명의 평판 진동형 히트파이프에 대한 실험을 수행하면 도 11에 나타난 바와 같다. 도 11a는 작동유체를 에탄올을 사용하였을 경우이며, 도 11b는 작동유체를 FC-72를 사용하였을 경우이다.
도 11a, 11b에 나타난 바와 같이 단일직경관 보다 이중직경관을 갖는 평판진동형 히트파이프의 열저항이 훨씬 낮아 이중직경관의 성능이 더 우수한 것을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 단일직경관의 경우에는 0°에서 가장 큰 값을 가지고, 90°에서 가장 낮은 값을 가진다. 반면, 이중직경관의 경우에는 도 4a와 같이 직경의 차이가 작은 경우(1.1-0.9mm)에는 단일직경관과 같이 0°에서 가장 큰 값을 가지고, 90°에서 가장 낮은 값을 가지는 경향을 보이나, 직경의 차이가 0.6mm 이상인 경우에는 각도에 큰 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
하지만, 도 11a에 나타난 바와 같이 직경의 차이가 0.6mm인 경우 가장 낮은 값을 가지는 것으로부터 직경의 차이가 클수록 낮은 값을 가지는 것은 아니라는 것을 파악할 수 있다.
따라서, 상기 경향은 두 파이프의 직경 차이가 최적이 되는 값이 존재함을 의미하는 것이고, 평판 진동형 히트파이프가 최적의 성능이 되는 직경차이는 아래의 식과 같다.
수학식 5
Figure PCTKR2015005209-appb-M000005
(여기서, ΔD는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
한편, 도 12에 나타난 바와 같이, 평판진동형 히트파이프에서 단일직경관과 이중직경관을 모두 사용할 때의 경향을 알아보기 위하여 5개의 모세관이 있는 평판진동형 히트파이프에서 한 개의 이중직경관을 포함한 경우(도 12a)와 3개의 이중직경관을 포함한 경우(도 12b)의 경향을 살펴보았다.
먼저 도 12a에 나타난 바와 같이 1개의 이중직경관을 포함한 경우에는 각도가 증가할 수록 열전도율이 높아지는 경향을 보이고 있으며, 각도가 0°와 10° 사이인 경우에는 열 특성이 좋지 않는 결과를 보이고 있다. 반면, 3개의 이중직경관을 포함한 경우에는 각도와 무관하게 전범위에서 열전도율이 높은 결과를 볼 수 있다.
따라서, 단일직경관과 이중직경관을 동시에 사용하는 경우에는 이중직경관이 포함되어지는 비율에 따라 평판 진동형 히트파이프의 열특성이 크게 변하는 것을 알 수 있으며, 평판 진동형 히트파이프의 성능을 정확하게 평가하기 위해서는 다음과 같은 성능지수(MPHP2, Figure of Merit)를 도입한다.
수학식 6
Figure PCTKR2015005209-appb-M000006
Figure PCTKR2015005209-appb-I000002
(여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도 , σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)
이 때, 마찰계수(frictional coefficient, C)는 다양한 방식으로 계산되어질 수 있으나, 본 발명에서는 계산을 쉽게 하기 위하여 바람직한 대표값인 4.0의 고정값을 사용한다.
도 13에서 나타난 바와 같이, 평판 진동형 히트파이프는 이중직경관의 직경차이, 단일직경관과 이중직경관의 혼용 정도, 작동유체의 차이에 따라 열특성의 차이가 크게 나타난다.
도 13a에서 나타난 바와 같이, 이중직경관에서 최적의 열성능을 나타내는 무차원수 직경차이값(ΔD/Davg)은 0.3과 0.5의 범위인 것을 파악할 수 있다. 상기 범위내에서는 평판 진동형 히트파이프의 열전도율은 최대값 기준 90% 이상의 값을 가지게 된다. 도 13c에서부터, 작동유체가 에탄올에서 FC-72로 변경되어도 동일한 결과를 얻을 수 있는 것을 파악할 수 있다.
또한, 상기 실험으로부터 이중직경관에서 성능지수가 2×105 kg/(m3·s) 이상인 경우에는 평판 진동형 히트파이프의 열특성이 설치각도에 영향을 받지 않는 것을 파악할 수 있다. 따라서, 이는 평판 진동형 히트파이프를 설계할 때, 성능지수가 2×105 kg/(m3·s) 이상이 되도록 설계하여야 함을 의미한다.
뿐만 아니라, 도 13b에 나타난 바와 같이, 이중직경관의 적용 비율이 증가함에 따라 평판진동형 히트파이프의 열특성이 좋아지는 것을 파악할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 성능지수가 2×105 kg/(m3·s) 이상이 되도록 설계하기 위해서는 이중직경관이 3개 이상(60% 이상) 사용되어야 하며, 사용되는 이중직경관의 무차원수 직경차이값(ΔD/Davg)이 0.3과 0.5의 범위 이내이어야 한다는 것을 파악할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 성능지수(MPHP)를 기반으로 평판 진동형 히트파이프를 설계하고, 설계된 평판 진동형 히트파이프의 특성이 작동온도, 작동유체 등에 의하여 많은 영향을 받으므로 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 각종 전자기기, 소형 내연기관, 소형 기계류 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있고, 외부의 전력 공급 없이 반영구적으로 작동하는 특수한 효과까지 있으므로 산업상 이용 가능성이 충분하다.

Claims (20)

  1. 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상면에 형성되고, 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 웨이퍼 상판;
    상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;
    상기 모세관의 일부로서 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 일단에 위치하며 외부의 열원에 배치되는 증발부;
    상기 모세관의 일부로서 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 타단에 위치하며 외부의 열에 의하여 가열된 상기 작동유가 외부로 열을 발산하는 응축부;를 포함하되,
    상기 모세관은 상기 응축부에서 상기 증발부로 가는 모세관의 직경보다 상기 증발부에서 상기 응축부로 가는 모세관의 직경이 더 크고,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000003
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000004
    (여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관은 단일-턴 구간(single turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관은 복수-턴 구간(multi-turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 작동유체는 상기 증발부의 주 작동온도가 섭씨 100도 이하인 경우에는 FC-72를 사용하고, 100도 초과일 때에는 에탄올을 사용하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 성능지수(MPHP)가 1012 kg/(m·s) (W/m3) 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 두께가 2mm 이하인 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 양 측면에 설치되고, 상기 모세관과 연통되어 상기 작동유체를 모세관에 주입 혹은 배출할 때만 사용되는 두 개의 관통구를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  8. 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상면에서 일정한 깊이를 가지고 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향을 따라 직선의 형태로 형성된 채널을 포함하고, 상기 채널은 실리콘 웨이퍼 하판의 양 끝단에서 굽어져 연결되는 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관;
    상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 웨이퍼 상판;
    상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;를 포함하되
    상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 모세관의 직경은 다음과 같은 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000005
    (여기서, AC는 면적, perimeter는 둘레의 길이, w는 모세관의 폭, hch는 모세관의 높이)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이중직경관의 두 직경은 다음과 같은 수학식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    0.3 ≤ ΔD/Davg ≤ 0.5
    (여기서, ΔD는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 모세관의 60% 이상은 이중직경관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP2)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000006
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000007
    (여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도, σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 성능지수(MPHP2)가 2×105 kg/(m3·s) 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프.
  14. 미세전자기술시스템(MEMS) 공정을 이용하여 평판 진동형 히트파이프를 제작하는 방법에 있어서,
    (a) 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 증착(deposition)하는 단계;
    (b) 상기 실리콘 웨이퍼의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)하는 단계;
    (c) 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상부에 모세관을 형성하는 단계;
    (d) 상기 실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;
    (e) 상기 실리콘 웨이퍼의 상부에 웨이퍼 상판을 본딩(bonding) 결합하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 패터닝 되는 모세관은 복수-턴 구간(multi-turn loop)의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어지도록 패터닝하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 모세관의 60% 이상은 이중직경관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000008
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000009
    (여기서, ρl은 작동유체밀도 , hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, x는 작동유체 전체 질량 중 기체의 질량(vapor mass quality), h는 채널의 높이(깊이), Φ2 L은 마찰손실배수(2상 유동에 필요한 압력차/같은 질량 유속의 액체 유동에 필요한 압력차))
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP2)로 표현되는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000010
    Figure PCTKR2015005209-appb-I000011
    (여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도, σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 실리콘 웨이퍼의 양 측면에 연결되고, 상기 모세관과 연통되는 두 개의 관통구가 추가로 더 형성되도록 패터닝 하는 것을 특징으로 하는 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
PCT/KR2015/005209 2014-10-14 2015-05-22 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프 및 이의 제작방법 WO2016060350A1 (ko)

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