초록 ▼

1. 개요

핸드폰의 등장과 함께 휴대용 무선장치 시장은 급격히 성장하였고, Apple사로부터 시작된 스마트폰은 기존 시장을 대체하였다. 현재 스마트폰은 성능 향상과 함께 점점 더 많은 기능을 통합하고 있지만, 소비자들은 기기의 소형화와 경량화를 끊임없이 요구하고 있다[1]. 그림 1에서는 연도별 삼성 스마트폰의 단위부피당 무게 변화를 보였다. 스마트폰의 고성능화는 필연적으로 반도체소자들의 높은 전력 소비를 야기하며, 이로 인해 많은 열이 내부에서 발생한다. 발생된 열을 효과적으로 제거하지 못하면 주요 부품의 손상이

1. 개요

핸드폰의 등장과 함께 휴대용 무선장치 시장은 급격히 성장하였고, Apple사로부터 시작된 스마트폰은 기존 시장을 대체하였다. 현재 스마트폰은 성능 향상과 함께 점점 더 많은 기능을 통합하고 있지만, 소비자들은 기기의 소형화와 경량화를 끊임없이 요구하고 있다[1]. 그림 1에서는 연도별 삼성 스마트폰의 단위부피당 무게 변화를 보였다. 스마트폰의 고성능화는 필연적으로 반도체소자들의 높은 전력 소비를 야기하며, 이로 인해 많은 열이 내부에서 발생한다. 발생된 열을 효과적으로 제거하지 못하면 주요 부품의 손상이 발생함으로써 기기의 신뢰성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 축소된 공간상에서 효과적으로 열을 제거할 수 있는 방법이 중요한 과제로서 다뤄지고 있다.



그림 1. 연도별 삼성 스마트폰의 단위부피당 무게 변화



1962년 로스앨러모스 국립연구소의 Grover에 의하여 연구가 시작된 히트파이프(heat pipe)는 상변화를 통한 잠열에너지를 열교환에 이용한다. 보편적으로 증발과 응축은 단일 관 내에서 발생하며 응축부에서 액화된 유체가 증발부로 회기하기 위해 관 내벽의 원주 방향으로 모세관힘을 생성하는 윅 구조물(wick structure)이 위치한다. 히트파이프는 단위체적당 우수한 열제거율로 현재 스마트폰을 포함한 전자장비에서 가장 선호하는 열관리 방법으로 여겨지고 있으며, 모바일기기의 지속적인 소형화와 경량화로 인해 점점 더 얇은 형태로 연구 및 개발되고 있다[2, 3].

본 보고서에서는 모바일기기의 개발 방향에 맞춘 초박막 히트파이프(ultra-thin heat pipe)의 종류, 패키징 방법, 윅(wick) 구조의 연구를 설명하였고 이를 토대로 향후 연구에 대해 제언하였다.



2. 초박막 히트파이프의 종류

초박막 히트파이프는 전체 두께가 2mm 이하인 히트파이프로 정의할 수 있다. 현재 초박막 히트파이프와 관련된 논문은 40개 이하로 상당히 제한적이고, 대부분의 논문이 2015년도 이후로 출간되고 있다. 현재 노트북과 태블릿에는 열용량이 20W 이상인 두께 0.8~2.0mm 사이의 초박막 히트파이프가, 스마트폰과 스마트워치에는 열용량이 5W 이상인 두께 0.4~0.6mm 사이의 초박막 히트파이프가 적용되고 있다. 초박막 히트파이프 기술은 표 1과 같이 평판형과 루프형으로 분류할 수 있다.



표 1 초박막 평판형 히트파이프와 초박막 루프형 히트파이프 비교




초박막 평판형 히트파이프
초박막 루프형 히트파이프


특징
증발기, 응축기, 윅 구조가

단일 유로 내에 위치함
증발기와 응축기 유로가 분리됨







3. 초박막 히트파이프를 위한 패키징 방법

초박막 히트파이프는 진공 배기(evacuation), 충진(charge), 패키징 단계를 거쳐 제작된다. 잘못된 패키징은 불균일한 온도 분포와 가동 중 히트파이프로부터 작동유체 누수를 초래할 수 있다. 현재 산업현장에서는 초박막 히트파이프의 제조를 위해 표 2와 같이 두 가지 다른 패키징 기술(평탄화와 접합)이 사용되고 있다.



표 2. 초박막 히트파이프를 위한 패키징 기술 요약





평탄화(flattening)
접합(bonding)


적용 분야
초박막 평판형 히트파이프
초박막 루프형 히트파이프


패키징 방법
압착, 롤 성형
레이저 용접, 확산접합,

공융접합, 열접합


재료
금속
금속, 실리콘, 고분자


특징
원통형 히트파이프 제조와 통합 가능

낮은 제조 비용
크기, 표면적, 형상이 제어 가능

복잡한 제조 과정

낮은 제작 효율

높은 제조 비용







평탄화에 의한 패키징은 기존 원통 히트파이프 제조 과정과 통합할 수 있어 접합에 의한 패키징과 비교하여 더 효과적이다. 압착과 냉간 롤 성형(cold-roll-forming) 기술이 평탄화를 위해 주로 사용된다. 그러나 압착 기술을 통한 평탄화에는 히트파이프 중심선에서 좌굴 현상이 발생할 수 있고, 냉간 롤 성형에서는 두께와 단면 형상 변경에 어려움이 있다. 최근에는 상기 문제를 해소하고자 압착판의 가열을 통해 히트파이프 내 작동유체의 상변화로 인한 증기압을 이용하여 좌굴이 발생하지 않도록 하는 상변화 제조 기법이 개발되고 있다.

접합에 의한 패키징은 요구에 맞춰 히트파이프의 형상과 표면적을 제어할 수 있기 때문에 초박막 루프형 히트파이프를 제조하는 데 주로 사용된다. 현재 레이저 용접, 확산접합, 공융(eutectic)접합, 열접합이 히트파이프의 패키징에 사용되고 있다. 레이저 용접과 확산접합은 티타늄, 구리, 알루미늄과 같은 금속 소재의 접합에 사용되고 공융접합과 열접합은 실리콘과 고분자 소재의 접합에 사용된다. 접합에 의한 패키징은 히트파이프의 기밀성을 보장하는 것과 함께 단단히 연결할 수 있다. 그러나 복잡한 제조 과정, 낮은 제작 효율, 높은 제조 비용과 같은 문제가 있다.



4. 초박막 히트파이프를 위한 윅 구조

윅 구조는 히트파이프의 열 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나로, 모세관힘을 통해 응축기에서 액체로 변환된 작동유체를 증발기로 이송하는 역할을 수행한다. 보편적으로 소결형(sintering), 미세홈(microgroove), 합성형(composite)이 윅 구조로 히트파이프에 사용되고 있다. 표 3에서는 히트파이프에 적용된 3가지 윅 구조를 비교하였다.



표 3 다양한 윅 구조 비교





소결형 윅 구조
미세홈 윅 구조
합성형 윅 구조


제조 방법
소결

전기도금
고속 스핀 성형

전기방전 가공

레이저 가공
소결

전기방전 가공

확산접합


특징
높은 모세관힘

우수한 중력저항성

저비용

낮은 액체 투과성
높은 액체 투과성

경량화

낮은 열저항

낮은 모세관힘
높은 액체 투과성

높은 모세관힘

복잡합 제조 과정

고비용





소결형 윅 구조는 낮은 제조 비용, 높은 모세관힘, 우수한 중력저항성으로 초박막 히트파이프에서 가장 널리 적용되고 있다. 소결형 윅 구조는 파우더, 메시, 섬유를 포함하며, 기존 히트파이프에서는 소결형 파우더 구조가 80% 이상 사용되고 있지만, 초박막 히트파이프의 경우 두께가 얇아지므로 소결형 메시/섬유가 더 널리 적용되고 있다. 초박막 히트파이프를 위해 소결형 메시를 윅 구조로 사용한 연구는 Aoki et al.[4]에서 처음 수행되었으며, 0.7mm와 1mm의 두께에서 열전달량과 열저항을 각각 비교하였다. 동 그룹의 추가 연구에서는 두께를 고정한 상태에서 내부 윅 구조를 최적화하여 기존 연구 대비 열전달률이 최대 10% 상승함을 보였다. 소결형 섬유 구조는 Ahamed et al.[5]에서 초박막 히트파이프에 처음으로 적용되었고, 이후 몇 가지 추가 연구가 수행되었다.

미세홈 윅 구조는 액체 투과성이 높으며, 초박막 히트파이를 경량화하고 낮은 열저항으로 인해 우수한 열전달 성능을 달성할 수 있다. 그러나 높은 제조 비용 및 시간, 불안정한 품질 등으로 다양한 응용 분야로 적용하는 데 한계가 있다. 특히, 평판형 히트파이프에는 미세홈 윅 구조를 적용한 연구를 보고한 사례가 없다.

합성형 윅 구조는 소결형 윅 구조의 우수한 모세관힘과 미세홈 윅 구조의 우수한 액체 투과성의 장점을 모두 보인다. 현재 미세홈 내에 파우더를 소결하는 방법과 소결형 파우더/메시/섬유를 마이크로구조와 적절히 조합한 두 가지 방법으로 연구가 수행 중에 있다.



5. 결론

본 보고서에서는 출력 증가와 함께 부피 감소로 열관리 측면에서 점점 가혹한 조건에 도달하고 있는 모바일기기의 열 제거를 위한 기술로 초박막 히트파이프 기술을 다루었다. 비교적 짧은 개발 역사로 인해 초박막 히트파이프 기술은 아직 성장 가능성이 무궁무진하며, 향후 연구에서는 다음과 같은 측면에 초점을 맞춘 연구가 필요하다.



―윅 구조의 표면처리(표면 산화, 화학적 부식, 전기화학적 증착 등)를 통해 친수성을 개선하여 모세관힘을 통한 작동유체의 효율적인 회수가 가능하도록 해야 함.

―현재의 패키징 기술은 모두 한계가 분명하기 때문에 새로운 패키징 방법을 고안해야 함.

―평판형 구조의 경우 두께 감소에 따라 열전달용량이 감소하는 경향을 보이므로 내부 구조를 최적화하는 방향에 대한 연구에 초점을 맞춰야 함.

―구부러지는 디스플레이 기술을 향후 모바일기기와 통합하는 시도를 하고 있고 향후 상용제품화를 도모하고 있어 히트파이프 기술에도 연성을 부여할 수 있도록 기술개발이 요구됨. 고분자 소재가 연성을 부여한 히트파이프를 위한 가장 유망한 재료이지만, 낮은 열전도도를 개선하는 것이 필요함.







References

1. Tang, H., Tang, Y., Wan, Z., Li, J., Yuan, W., Lu, L., Li, Y., & Tang, K., Review of applications and developments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling. Appl. Energy, 223, 383-400, 2018.

2. Qu, J., Wu, H., Cheng, P., Wang, Q., & Sun, Q., Recent advances in MEMS-based micro heat pipes, Int. J. Heat Mass Transf., 110, 294-313, 2017.

3. Shafieian, A., Khiadani, M., & Nosrati, A., A review of latest developments, progress, and applications of heat pipe solar collectors, Renew. Sust. Energ. Rev., 95, 273-304, 2018.

4. Aoki, H., Shioya, N., Ikeda, M., & Kimura, Y., Developing of ultra thin plate-type heat pipe with less than 1 mm thickness, 26th annual IEEE semiconductor thermal measurement and management symposium, 2010.

5. Ahamad, M. S., Mochizuki, M., Saito, Y., Mashiko, K., Kawahara, Y., & Tahara, Y., Investigation of thermal performance of thin heat pipe with fiber wick structure, 48th national heat transfer symposium, 2011.