1. 서론

현재 대부분의 디스플레이가 큰 화면과 얇은 두께를 목표로 개발되고 생산된다. 그에 따라 좁은 곳에서 열 방출량도 함께 증가하고 있다. 기존의 전자장비 냉각방식은 heat sink를 사용하여 열전달 면적을 넓히고 펜을 사용하여 강제대류 방식을 사용하였다. 그러나 기존의 방법들은 큰 화면의 얇은 디스플레이에는 적용이 불가능하다. 따라서 팬이 없고 매우 얇은 heat sink가 사용되어야 한다. 진공을 유지하고, 내부에 wick 구조물과 모세관 현상을 이용한 vapor chamber는 이러한 요구사항을 만족시키도록 개발되었다.⁽¹⁾ Vapor chamber는 hot spot으로부터 넓은 응축부로 열을 빠르게 퍼지게 해준다. 또한 높은 열전도도를 가지고 있어서 적은 온도차에서도 열전달을 가능하게 해주어 디스플레이의 작동 온도를 일정하게 유지시켜 줄 수 있다.(2) Heat pipe는 1차원으로 열을 전달해주는 반면 vapor chamber는 2차원으로 열을 전달해 방열 성능이 더 우수하다.

Patankar et al.⁽¹⁾은 매우 얇은 vapor chamber를 설계하여 응축부에서 균일한 온도를 얻어냈다. 또한, vapor chamber에서 3차원 수치해석을 통하여 wick의 설계를 평가하였다. Tsai et al.⁽²⁾은 vapor chamber 시제품을 제작하여 5개의 다른 방향으로 설치 후 각각의 열 성능을 측정하였다. 그리고 열원의 배치와 중력의 영향이 vapor chamber에 미치는 영향을 논의 하였다. Mizuta et al.⁽³⁾은 평판형태의 vapor chamber를 개발하였다. 그들은 vapor hamber의 열저항을 측정하고 다른 다양한 형태의 vapor chamber의 저항과 비교하였다. Chang et al.⁽⁴⁾은 channel 높이 0.5 mm를 가진 loop type vapor chamber의 열성능을 실험하였다. Vapor chamber 내부에서 액체와 기체의 순환, 열전달 성질과 열저항을 밝혀내었다. 또한, 국부 열전도도를 이용하여 등가 열전도도를 구하고 그 값을 구리와 비교 하였다. Wong et al.⁽⁵⁾은 새로운 형태의 vapor chmaber를 제안하고 성능을 평가하였다. 그들은 vapor chamber 내부의 일반적으로 사용되는 wick 구조물 대신 내부 표면에 평행한 홈들을 만들었다. 다른 형태의 홈에 대한 열저항을 측정하여 열전달 성능을 평가하였다. Yong et al.⁽⁶⁾은 두 가지 형태의 wick 구조물을 설계하고 만들었다. 그리고 작동유체의 용량, 구리 분말의 크기, 가열부 면적 등을 변화시켜 가면서 열전달 성능을 알아보았다.

이와 같이 vapor chamber는 최근 들어 방열 목적으로 많은 관심을 끌고 활발히 연구가 진행 중이다. 기존 연구에서 가열부의 가열량 변화에 따른 vapor chamber 내의 온도 변화를 측정하고 열저항을 구하여 vapor chamber의 열성능을 알아보았다. 따라서 본 논문에서도 다양한 가열량에 따른 온도 분포를 측정하였다. 반면에 열저항 대신 vapor chamber의 국부 및 등가 열전도도를 구함으로써 직관적으로 다른 물질의 열전도도와 비교할 수 있는 자료를 마련하였다. 또한 본 논문은 vapor chamber를 구성하고 있는 stainless steel을 통한 열전달을 고려하지 않고 작동유체만의 열전도도를 구하여 고성능 vapor chamber 설계에 도움이 될 것이다.

2. 실 험

실험에 사용된 stainless steel vapor chamber의 개략도가 Fig. 1(a)에 나타내었다. Vapor chamber의 아래쪽 100 mm에는 모세관 현상을 이용하여 유체를 순환시키기 위한 wick 구조가 stainless steel로부터 가운데 쪽으로 설치되어 있고 가운데 부분은 비어있고 나머지 위쪽 부분은 엠보싱 형태를 만들어 주어 유체가 이동 할 수 있게 하였다. Fig. 1(b)는 실험을 위하여 vapor chamber에 부착되어진 가열부와 냉각부의 개략도이다. Vapor chamber의 형상은 두께 1.5 mm, 높이 397 mm, 너비 740 mm이다. 제작에 사용된 stainless steel의 두께는 0.3 mm 이다. 실제 LED 디스플레이 냉각 시 vapor chamber의 설치 방향과 같게 수직으로 세워서 실험을 수행하였다. 냉각부와 가열부를 제외한 다른 곳으로의 열 손실을 막기 위하여 vapor chamber 주변을 20 mm의 유리섬유를 사용하여 단열을 하였다.

본 연구에서는 가열부에 가해지는 가열량에 따라 vapor chamber의 온도분포를 측정하기 위하여 Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 실험 장치를 구성하였다. 실험은 상온 25℃로 유지되는 항온항습실에서 실시하였다. 가열부는 power supply를 이용하여 가열량을 조절하였다. 냉각부는 항온수조로 사용하여 냉각수를 순환시켰다. Vapor chamber와 냉각부, 가열부가 접하는 부분의 길이는 28 mm이다. K-type 열전대를 이용하여 vapor chamber 외벽의 온도를 측정하였다. Fig. 2(a)에 열전대를 이용한 온도측정 위치를 나타내었다.

서로 다른 가열량 조건하에서 가열이 시작된 후 약 60분 정도 후에 정상상태가 되는 것을 확인하고, 이후 10분 정도의 시간동안에 측정되어진 온도의 평균값을 구하였다. 또한 가로방향 측정 위치 3군데의 평균값을 사용하였다. 가열량은 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 W를 사용하였다. Fig. 3에 vapor chamber 새로 방향을 기준으로 측정 위치에 따른 온도 변화를 나타내었다.

3. 1차원 열저항 해석

Vapor chamber의 국부 열전도도를 구하기 위하여 다음과 같은 1차원 열저항 식을 사용하였다.

R은 열저항, T₁과 T₂는 인접한 곳의 온도, Q는 가열량, k는 열전도도, L은 온도 측정구간 사이의 거리, A는 열전달 면적이다. 위 식을 정리하여 아래와 같은 vapor chamber 국부 열전도도를 구하는 식을 얻어 낼 수 있다.

Wick 구조가 설치되어 있는 부분(1-3), channel 부분(4-6), 전체 부분(1-6)의 등가 열전도도는 다음과 같이 각각 정의 된다.

Vapor chamber의 단열을 위하여 유리섬유를 사용하였으나 완전한 단열은 불가능하므로 유리섬유를 통하여 열손실이 발생하게 된다. 유리섬유를 통한 열손실은 아래의 식을 사용하여 구하였다.

실험에 사용된 유리섬유의 열전도도 k_{glass fiber} = 0.03 W/m·K이다. T_SVC는 vapor chamber 전체 영역에 대한 평균 온도이다. T∞는 항온항습실 온도인 25℃이다. 실제 가열량에서 유리섬유를 통한 열전달률을 제외한 값을 사용하여 열전도도를 구하였다.

4. 결과

5. 결 론

Vapor chamber의 국부 열전도도와 등가 열전도도를 실험을 통하여 측정해보았다. 발열량이 높을수록 높은 열전도도를 갖는 것을 확인하였다. vapor chamber의 전체 등가 열전도도는 전체 열전달 면적을 고려하였을 때 발열량 400 W에서 약 5,300 W/m·K, 작동 유체의 열전달만 고려하였을 때 약 8,900 W/m·K정도임을 확인 하였다. 450 W 이상의 발열량이 주어질 경우 작동 유체가 dry out되면서 vapor chamber의 전반적인 온도가 올라가고 안 좋은 열 성능을 보였다. 작동 유체만의 열전달을 고려하여 stainless steel을 통한 열전도가 많다는 사실도 확인되었다. 더욱 얇은 stainless steel을 사용한다면 작동유체의 열전달을 고려할 때 열전도도가 8,000 W/m·K정도까지 올라갈 것으로 예측된다.