Study on Thermal Performance Improvement of Organic Phase Change Composite and Application of Electronic Cooling System using Heat Absorber

Abstract

최근 전자 장비의 집적화와 소형화로 열 관리가 매우 중요한 연구분야로 자리매김하였다. 특히, 고성능 전자 장비의 집중적인 발열 또는 냉각이 원활히 이루어지지 않는 악조건에서 장비의 성능 및 수명이 저하되는 결과를 초래한다. 일반적으로, 전자 장비 발열부 위 고열전도도 소재를 부착하여 냉각 시스템을 구성한다. 대표적 예시로 금속류, 그래파이트 등의 고열전도도 소재로 제작한 박막 형태의 필름을 부착하거나 히트 싱크를 제작하여 냉각 효율을 향상시킨다. 하지만, 전자 장비 방열을 위한 공간은 한정적이며, 소재 자체의 열전도도 역시 한계가 있기 때문에 새로운 냉각 전략이 필요하다. 본 연구에서는 상변화 물질을 이용한 열적 특성이 개선된 복합 소재 제작 및 실제 고발열 전자 장비에 적용하여 상변화 물질이 열 흡수제로서 냉각 성능이 개선되도록 하는 연구를 수행하였다. 첫째로, 유기계 상변화 물질 중 당알코올 계열의 상변화 물질을 사용하여 삼차원의 이중 네트워크 구조가 형성된 상변화 물질 복합재를 제작하였다. 제작된 상변화 물질 복합재는 실버 페이스트를 이용하여 연속적인 네트워크 구조를 형성함과 동시에 그래핀 코팅을 통해 이중의 열전달 경로를 형성하여 순수 상변화 물질 대비 매우 높은 열전도도를 확보할 수 있다. 또한 제작 초기 단계에서 상변화 물질의 입자 크기를 조절하여 네트워크 기공의 크기의 제어가 가능하다. 당알코올 계열의 상변화 물질은 과냉각 현상이 매우 큰 특징을 갖는다. 하지만 본 연구에서 제작한 구조내 당알코올 상변화 물질을 주입 시 기공 크기가 작아질수록 이종 물질과 계면간의 접촉 면적 증가에 따른 비균질 핵화가 촉진되어 과냉각 현상이 억제되는 장점을 갖는다. 이러한 열적 특성의 개선은 열전도도 측정 및 고형화 온도 측정을 통해 검증하였다. 둘째로, 유기계 상변화 물질 중 파라핀 계열의 상변화 물질을 사용하여 고열전도도 소재가 적층형 구조로 형성된 상변화 물질 복합재를 제작하였다. 제작된 상변화 물질 복합재는 알루미늄 망 내부에 상변화 물질이 주입되어 있어 안정성이 증가함과 동시에 유닛층의 상단부와 하단부를 그래파이트 시트로 덮어 수평 방향 열전도도가 비약적으로 향상된 복합재를 제작하였다. 제작된 상변화 물질 복합재는 냉각이 원활하지 못한 조건에서 열 스프레더로서 매우 우수한 성능을 나타낸다. 이는 상변화 물질 복합재의 향상된 열전도도에 의한 빠른 방열과 동시에 우수한 흡열 용량을 갖기 때문이며, 이러한 성능은 간단한 발열 구조 내에서 최대 온도 측정을 통해 검증하였다. 세 번째, 실제 철도 차량 방열에 사용되는 히트 싱크 내부 상변화 물질을 주입하여 냉각 성능이 향상된 히트 싱크를 제작하였다. 히트 싱크 베이스 플레이트에 원형 형상의 매우 많은 다공성 구조를 형성 후 구리 폼과 파라핀을 주입하여 최종적으로 개선된 히트 싱크를 제작하였다. 또한 그래파이트 시트를 베이스 플레이트의 하단부에 부착하여 부분 가열 조건에서 수평 방향으로의 열확산 성능을 개선하였다. 최종적으로 히트 싱크의 공기 유입부가 모두 차단된 냉각 악조건에서 최대 온도 측정을 통해 기존 히트 싱크 대비 냉각 성능이 개선됨을 검증하였다. 본 연구에서 제작된 상변화 물질 복합 소재들은 모두 열 흡수제로서 성능 구현이 가능하며, 특히 냉각이 원활하지 않은 악조건에서 열이 과열되는 것을 방지하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있었다.