[논문]상변화 물질을 이용한 이동전화기의 냉각에 관한 연구

이상진; 정수진; 김우승

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.11.1173

문제 정의

본 연구에서는 엔탈비법을 사용한 3차원 수치 해석을 적용하여 PCM 모듈을 장착한 이동전화기 의 효과적인 냉각에 대한 타당성을 검토하였다. 본 연구에서는 일반적인 이동전화기의 발열량인 power level 2W의 단말기 내에 두께 4 mm의 organic PCM 모듈을 삽입한 경우에 대하여 수치해석 하였다.
본 연구에서는 엔탈비법을 사용한 3차원 수치 해석을 적용하여 PCM 모듈을 장착한 이동전화기 의 효과적인 냉각에 대한 타당성을 검토하였다. 본 연구에서는 일반적인 이동전화기의 발열량인 power level 2W의 단말기 내에 두께 4 mm의 organic PCM 모듈을 삽입한 경우에 대하여 수치해석 하였다. 통화 개시 후 PCM의 잠열구간인 약 20분 동안 이동전화기의 온도상승을 지연시킬 수 있음을 알 수 있었다.

가설 설정

본 연구에서는 계산상의 편의를 위하여 PA를 제외한 PCB 위의 요소 각각에 대한 상세 모델링 대신에 요소들의 분포와 크기가 동일 하다고 가정하여 이를 두 개의 MCMs으로 간략화 하였다. MCMs에서는 단위체적당 동일한 양의 열 유속이 방출되는 것으로 가정하였다. 또한 PCM 모듈의 위치에 따른 냉각효과를 고찰하기 위해서 PCM 모듈을 PCB와 베터리 사이에 위치 시킨 경 우(Case A)와 MCMs과 베터리 사이에 위치시킨 경 우(Case B)를 해석하였고 이를 Fig.
① PCM의 열물성치는 온도와 무관하게 일정하다.
② PCMe 균일하고 등방성(isotropic)이다.
④ 재질 간의 접촉저항은 무시한다.
1에서 볼 수 있듯이 이동전화기 내부에는 PA(power amplifier) 라는 부품이 PCB 위에 장착되어 있는데 이 부품은 단말기의 사용 시 전류를 송출하는 역할한다. 본 연구에서는 계산상의 편의를 위하여 PA를 제외한 PCB 위의 요소 각각에 대한 상세 모델링 대신에 요소들의 분포와 크기가 동일 하다고 가정하여 이를 두 개의 MCMs으로 간략화 하였다. MCMs에서는 단위체적당 동일한 양의 열 유속이 방출되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

또한 2차원 직사각형 갈륨의 융해해석에 대한 Webb과 Viskanta")의 수치해 및 Gau와 Viskanta*)의 실험 결과와도 상호비교 하였다. Gau 와 Viskanta的 의 실험은 상변화 문제의 전형적인 예로 한쪽 벽 면에서부터 가열되는 2차원 직사각형 내의 순수 갈륨에 대한 융해해석을 수행하였다. 계산에 사용된 격자는 100X80이고 시간간격은 2초로 하였다.
식 (2)의 & 는 Table 2에 나타나 있다. 각각의 생성항은 머쉬영역에서 유체의 속도감소를 수치해석에 반영하며 S2 에는 부력항을 첨가하였다. 식 (3)의 Sh 는 Table 2에 나타난 MCMs, PA 그리고 베터리의 발열량이며 발열량이 총 2W 일 경우는 PA 와 MCMs 에서 1W, 베터리에서 1W 발열하므로 단위 체적당 생성항 Qm, Qa 그리고 Qb 는 각각 510204XW6 W/cnf, 1020408 X10'6 W/cnf 그리고 141643X10-6W/cnf 이다.
PCMe 얇은 스테인레스 용기에 채워져 있으며 이를 PCM 모듈이라 하였다. 계산에 적합한 격자생성을 위하여 여러가지 비균일 격자계를 적용한 후 PCM 모듈을 포함한 Case A와 B의 격자는 16(X)X56(Y)X40(Z)의 비균일 격자를 사용하였고, PCM 모듈이 없는 격자는 16(X)X56(Y)X24(Z)의 비균일 격자를 사용하였다.
본 연구에서는 이러한 문제들의 주 원인 인 이동전화기 과열현상에 대한 방지책으로 단말 기 내부에PCM 모듈을 장착하여 효과적인 냉각에 대한 타당성을 3차원 수치해법으로 해석하였다. 또한 PCM 모듈의 위치에 따른 냉각효과를 고찰하기 위해 단말기 내 PCB(printed circuit board)의 방향을 변경하여 그 영향을 분석하였고 3가지 종 류의 PCM 물질을 이용하여 이동전화기의 냉각에 적합한 PCM 물질을 선정하였다.
MCMs에서는 단위체적당 동일한 양의 열 유속이 방출되는 것으로 가정하였다. 또한 PCM 모듈의 위치에 따른 냉각효과를 고찰하기 위해서 PCM 모듈을 PCB와 베터리 사이에 위치 시킨 경 우(Case A)와 MCMs과 베터리 사이에 위치시킨 경 우(Case B)를 해석하였고 이를 Fig. 2에 나타내었다. 계산에 사용된 두 가지 모델 모두 z축에 대하여 대칭이므로 실물의 절반을 해석대상으로 설정하였다.
2004 년 1월 미국 소비자 제품 안전 위원회는 이동전화 베터리 폭발 · 연소 사고가 잇따르고 있는 것과 관련 사상 최초로 이동전화기 베터리에 대한 리콜을 결정했고, 2004년 8월에는 한국소비자보호원이 이동전화기 베터리에 대한, 소비자 안전경보, 를 발령했다. 본 연구에서는 이러한 문제들의 주 원인 인 이동전화기 과열현상에 대한 방지책으로 단말 기 내부에PCM 모듈을 장착하여 효과적인 냉각에 대한 타당성을 3차원 수치해법으로 해석하였다. 또한 PCM 모듈의 위치에 따른 냉각효과를 고찰하기 위해 단말기 내 PCB(printed circuit board)의 방향을 변경하여 그 영향을 분석하였고 3가지 종 류의 PCM 물질을 이용하여 이동전화기의 냉각에 적합한 PCM 물질을 선정하였다.
상변화 해석을 위해 본 연구에서 사용한 해석 프로그램의 검증을 위하여 Swaminathan과 Vbller(7)의 응고해석 결과와 상호비교 하였다. 이 문제에서는 상변화 모델링을 위한 두 가지 유형의 고정격자 엔탈피법을 비교하여 최적의 엔탈피법을 정의 하였다. 보다 자세한 내용은 Swaminathan과 Voll- er("의 논문에 나타나 있으며 결과의 비교는 Fig.
지배방정식을 풀기 위한 경계조건은 대칭면(X =XL)을 제외한 전 표면에 대류경계조건을 적용하였으며 대칭면인 x = XL 에 대해서는 모든 해석 변수의 대칭면에 수직한 방향으로의 공간적인 구배를 0 으로 하는 대칭경계 조건을 부여하였다. 각 면에서의 대류경계조건은 다음과 같다.

대상 데이터

두번째 단계는 PCM의 어느 한 부분이 37℃가 되면서 상변화가 진행되기 시작하여 PCM이 완전한 액상으로 변할 때까지 계속된다. PCM 용기의 재질로는 SUS304 를 사용하였다. PCM의 상변화가 끝난 후에는 PA, MCMs, PCM 및 베터리 모두에서 다시 큰 폭의 온도 상승이 발생하는데 이 단계가 액상의 PCM에 현열이 저장되는 마지막 단계이다.
Gau 와 Viskanta的 의 실험은 상변화 문제의 전형적인 예로 한쪽 벽 면에서부터 가열되는 2차원 직사각형 내의 순수 갈륨에 대한 융해해석을 수행하였다. 계산에 사용된 격자는 100X80이고 시간간격은 2초로 하였다. Fig.
2에 나타내었다. 계산에 사용된 두 가지 모델 모두 z축에 대하여 대칭이므로 실물의 절반을 해석대상으로 설정하였다. PCMe 얇은 스테인레스 용기에 채워져 있으며 이를 PCM 모듈이라 하였다.

데이터처리

식 (1)~(3)의 지배방정식들의 대류항 및 비정상 항에 대한 차분은 상류차분법 및 완전 암시도식을 각각 사용하였고 압력장과 속도장의 연계를 위하여 PISO 알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서는 수치해석을 위하여 상용프로그램인 STAR-CD(6)를 사용하였으며, 잠열 및 머쉬영역의 처리는 사용자프로그램(user-defined subroutine)을 작성하여 해석을 수행하였다. 식 (2)의 & 는 Table 2에 나타나 있다.
상변화 해석을 위해 본 연구에서 사용한 해석 프로그램의 검증을 위하여 Swaminathan과 Vbller(7)의 응고해석 결과와 상호비교 하였다. 이 문제에서는 상변화 모델링을 위한 두 가지 유형의 고정격자 엔탈피법을 비교하여 최적의 엔탈피법을 정의 하였다.

이론/모형

식 (1)~(3)의 지배방정식들의 대류항 및 비정상 항에 대한 차분은 상류차분법 및 완전 암시도식을 각각 사용하였고 압력장과 속도장의 연계를 위하여 PISO 알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서는 수치해석을 위하여 상용프로그램인 STAR-CD(6)를 사용하였으며, 잠열 및 머쉬영역의 처리는 사용자프로그램(user-defined subroutine)을 작성하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

특히, 10 ~ 30분 동안에는 PCM의 상변화로 인하여 MCMs과 베터리의 온도가 약 39℃ 에서 거의 멈춰 있음을 알 수 있다. 따라서 단말기가 30 분 동안 계속 사용되면 PCM 모듈이 없는 경우와 비교할 때 요소들간의 온도차는 최대 약 20'C 정 도(40%온도감소)이고, 단말기가 1시간 동안 계속 사용되어도 MCMs과 베터리는 약60‘C, PA는 약 69℃ 정도로 PCM 모듈이 없는 경우와 비교할 때 요소들간 온도차는 약 5 ~ 10℃(7 ~ 15%온도감소) 로 나타남을 볼 수 있다.
본 연구의 경우 이동전화기는 얇은 형상 의 특징으로 인하여 PCM 모듈의 위치 변화(Case A & B)가 단말기 내의 온도분포에 미치는 영향은 미미하였고 온도변화 양상도 유사하였다. 또한 잠열구간에서 MCMs와 PA의 온도차는 Power level 2.5W(PA+ MCMs:0.5W, Battery:2W)에서 약 5 ℃ 그 리 고 Power level 3W(PA+MCMs:lW, Battery:2W)에서 는 약 15笆로 나타나 Power level이 커질수록 고출 력PA와 PCM에 대한 근접설계의 필요성을 알 수 있었다. 한편, 이동전화기의 효과적인 냉각을 위한 PCM재질의 선택 시 본 연구에서 고려한 재질의 경우 설계온도 40℃ 이하에서는 잠열구간이 약 18 분인 N-Eicosene이 적합하고 50℃ 이하에서는 잠열구간이 약 28 분인 파라핀 왁스가 적합함을 알 수 있었다.
이 구간 동안 PCM 모듈을 장착 하지 않은 경우보다 최대 약 40%정도 온도상승 을 감소시킬 수 있었고 그 이후 현열구간에서도 통화 개시 한 시간 경과 후 약 7-15% 그리고 두 시간 경과 후 6-9% 정도의 온도 감소효과를 나타내었다. 본 연구의 경우 이동전화기는 얇은 형상 의 특징으로 인하여 PCM 모듈의 위치 변화(Case A & B)가 단말기 내의 온도분포에 미치는 영향은 미미하였고 온도변화 양상도 유사하였다. 또한 잠열구간에서 MCMs와 PA의 온도차는 Power level 2.
통화 개시 후 PCM의 잠열구간인 약 20분 동안 이동전화기의 온도상승을 지연시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이 구간 동안 PCM 모듈을 장착 하지 않은 경우보다 최대 약 40%정도 온도상승 을 감소시킬 수 있었고 그 이후 현열구간에서도 통화 개시 한 시간 경과 후 약 7-15% 그리고 두 시간 경과 후 6-9% 정도의 온도 감소효과를 나타내었다. 본 연구의 경우 이동전화기는 얇은 형상 의 특징으로 인하여 PCM 모듈의 위치 변화(Case A & B)가 단말기 내의 온도분포에 미치는 영향은 미미하였고 온도변화 양상도 유사하였다.
Paraffin wax와 n-Eicosejie의 밀도는 동일하나Paraffin wax의 비열[2700 J/(kg K)] 이 n-Eicosene의 비 열[2050 J/(kgK)] 보다 크고 par-affin wax의 열전도율은 n-Eicosene보다 작아Paraffin wax의 열확산율이 n-Eicosene 보다 낮다. 잠열구간이 약 18분인 n-Eicosene이 단말기 사용후 약 37분 까지는 가장 낮은 온도를 유지하였고 그 이후에서 는 잠열구간이 약 26분인 Paraffin wax가 nEicosene 보다 낮은 온도를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 이동전화기의 냉각을 위한PCM의 적용시는 설계온도와 상변화온도 및 이동전화 기의 평균 사용시간과 잠열의 지속시간을 함께 고려해야 보다 안정된 시스템을 확보할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 일반적인 이동전화기의 발열량인 power level 2W의 단말기 내에 두께 4 mm의 organic PCM 모듈을 삽입한 경우에 대하여 수치해석 하였다. 통화 개시 후 PCM의 잠열구간인 약 20분 동안 이동전화기의 온도상승을 지연시킬 수 있음을 알 수 있었다. 이 구간 동안 PCM 모듈을 장착 하지 않은 경우보다 최대 약 40%정도 온도상승 을 감소시킬 수 있었고 그 이후 현열구간에서도 통화 개시 한 시간 경과 후 약 7-15% 그리고 두 시간 경과 후 6-9% 정도의 온도 감소효과를 나타내었다.
5W, Battery:2W)에서 약 5 ℃ 그 리 고 Power level 3W(PA+MCMs:lW, Battery:2W)에서 는 약 15笆로 나타나 Power level이 커질수록 고출 력PA와 PCM에 대한 근접설계의 필요성을 알 수 있었다. 한편, 이동전화기의 효과적인 냉각을 위한 PCM재질의 선택 시 본 연구에서 고려한 재질의 경우 설계온도 40℃ 이하에서는 잠열구간이 약 18 분인 N-Eicosene이 적합하고 50℃ 이하에서는 잠열구간이 약 28 분인 파라핀 왁스가 적합함을 알 수 있었다.

후속연구

잠열구간이 약 18분인 n-Eicosene이 단말기 사용후 약 37분 까지는 가장 낮은 온도를 유지하였고 그 이후에서 는 잠열구간이 약 26분인 Paraffin wax가 nEicosene 보다 낮은 온도를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 이동전화기의 냉각을 위한PCM의 적용시는 설계온도와 상변화온도 및 이동전화 기의 평균 사용시간과 잠열의 지속시간을 함께 고려해야 보다 안정된 시스템을 확보할 수 있을 것이다. 금속계열의 eutectic alloy의 경우에는 2 시간 경과 후에도 융해가 끝나지 않았는데 이는 eutectic alloy의 밀도가 다른 PCM에 비해 약 10배 이상 크므로 큰 열용량을 가지기 때문이다.

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