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Heat Pipe 및 Vapor Chamber 냉각 기술 동향 미래부, 차세대 에너지 시스템 냉각기술 확보에 주력
정대상 2014-01-08 10:17:59
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미래창조과학부는 ‘차세대 에너지 시스템 냉각기술’ 사업에 대한 중간보고서를 통해 국내외 에너지 시스템 냉각기술 분야를 주도하고 있는 미국, 영국, 일본의 에너지 시스템 냉각기술 동향에 대해 공개했다. 

이는 초고발열체 냉각을 위한 비등열전달 기술, TGP를 이용한 열분산 기술, 저중력 상황에서의 냉각기술, 상변화를 이용한 차세대 열교환기 기술, 2상 유동 가시화 기술, 기포의 자가진동을 이용한 열발산기 기술 등 에너지 시스템 전반에 대해 진행됐으며, 본지에서는 ‘Heat Pipe 및 Vapor Chamber 냉각 기술’에 대한 최근동향을 소개한다. 


Heat Pipe 및 Vapor Chamber 냉각 기술 동향
Heat Pipe와 Vapor Chamber는 상변화 열전달을 이용해 열을 제거하는 가장 효율적인 냉각 장치 중 하나이다. 

현재 미국 국방부 연구개발 프로젝트 에이전시인 DARPA에서 개발 중인 TGP(Thermal Ground Plane)라고 불리는 평판형 Heat Pipe 및 Vapor Chamber의 경우 예상 열전도도(Thermal Conductivity)는 약 20,000 W/m·K이며, 이 값은 구리(Copper)의 약 50배, 자연계에서 가장 열전도도가 우수한 다이아몬드의 약 10배에 해당한다.

이러한 Heat Pipe는 가동부(Moving Part)가 없으며, 외부 동력이나 전극 없이 작동하는 신뢰성이 우수한 열전달 장치이다. 
특히, 넓은 영역을 효율적으로 냉각할 수 있어 Multi-chip Module 냉각에 강점을 가지고 있기 때문에 현재 미국 대학, 연구소를 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

국내에서는 기업이나 대학, 연구소에서 개별적으로 Heat Pipe와 Vapor Chamber에 대한 연구가 진행 중이며, 그 열성능은 2.5㎜ 두께의 Heat Pipe에 대해 약 100W/㎠에 지나지 않는다. 

관련 기술을 선도하고 있는 미국은 Heat Pipe와 Vapor Chamber 개발을 위해 DARPA에 $10M의 예산을 배정했으며, 10개의 팀이 DARPA의 지원을 받으며 고성능 Heat Pipe와 Vapor Chamber 개발을 수행 중이다. 

각 팀은 대학과 기업 혹은 연구소의 조합으로 이루어져서 개발에 필요한 기술과 장비를 효율적으로 접근할 수 있도록 체계화되어 있다. DARPA에서 최종적으로 목표하는 성능은 국내 수준의 약 10배에 해당하는 1000W/㎠이고, 너비는 10㎝ 이상, 두께는 신용카드와 비교될 만큼 얇은 1㎜ 이하이다.


Vapor Chamber 기술 동향
Vapor Chamber는 금속 케이스 내에 작동 유체를 채워 진공 상태로 밀봉한 판형 Heat Spreader로서, 금속 케이스 내벽에는 Mesh, Sintered Powder, Pillared Structure 등이 부착되어 작동 유체를 Condenser에서 Evaporator로 이송한다.

미국에서 수행 중인 Vapor Chamber에 대한 연구에서 가장 기초적이고 중추적인 역할을 담당하는 팀은 UCLA Consortium이다. 이 그룹은 Bi-porous Wick이라고 불리는 새로운 형태의 윅 구조와, 표면 처리를 통한 표면의 친수성화를 통해 윅 및 증발부(Evaporator) 성능 향상, Heat Pipe의 기반물질인 구리의 CTE 조절, Modulated Wick 및 Multi-artery Wick이라는 새로운 형태의 윅에 대해 연구한다.

1) Bi-porous Wick
Bi-porous Wick은 인간의 폐의 형상과 닮아 있기 때문에 Bio-inspired Wick이라고도 불린다. 이러한 Bi-porous Wick은 Particle의 소결체로 이루어져 있는데, 우선 Particle을 1차 소결해 Cluster를 형성한 다음 이 Cluster를 2차 소결해 제작된다. 결과적으로 생성된 윅은 Particle 사이의 Small Pore 및 Cluster 사이의 Large Pore이라는 두 개의 기공 구조를 갖기 때문에 높은 모세관 압력 및 높은 투과도(Permeability)를 제공, 기존 Vapor Chamber의 성능을 2배 이상 증가시킬 수 있다.

2) Surface Modification of Wick
일반적으로 Heat Pipe 윅의 표면은 친수성일수록 윅의 모세관 압력을 극대화해 Heat Pipe의 성능을 향상시킬 수 있다. UCLA에서는 화학적으로 생성된 Nanostructure를 이용해 윅 표면의 친수성을 조절하는 연구를 수행, 기존 윅의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 알게 됐다.

3) CTE 조절
발열부에 부착되는 구리 Heat Pipe에서 발열부 물질과 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)가 달라 생기는 구조적인 문제를 해결하기 위해 구리의 CTE를 조절하는 연구이다. 구리에 ZnW2O8물질을 첨가해 구리의CTE를 원하는 수준으로 조절함으로써, 고온에서도 구조적으로 안정적인 Heat Pipe를 제작할 수 있게 됐다.

4) Modulated Wick & Multi-artery Wick
Modulated Wick 형태의 윅은 Bi-porous Wick과 같이, Particle로 이루어진 Groove에서 높은 투과도(Permeability) 및 Particle 사이의 Small Pore에서 높은 모세관력을 제공하기 때문에 기존 윅의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 
뿐만 아니라, 체계적으로 설계할 수 있다는 장점이 있다.
Multi-artery Wick은 Vapor Chamber의 윗면과 아랫면을 Artery로 연결해 윗면과 아랫면 사이에 효율적인 작동유체 수송을 가능하게 함으로써 Vapor Chamber의 성능을 향상시킬 수 있다.

*본 원고는 미래창조과학부의 ‘차세대 에너지 시스템 냉각기술’ 중간보고서에서 일부 발췌된 내용임을 알려드립니다.
*한민족 과학기술자 네트워크 www.kosen21.org
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