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WO2022260499A1 - 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법 - Google Patents

베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법 Download PDF

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WO2022260499A1
WO2022260499A1 PCT/KR2022/008279 KR2022008279W WO2022260499A1 WO 2022260499 A1 WO2022260499 A1 WO 2022260499A1 KR 2022008279 W KR2022008279 W KR 2022008279W WO 2022260499 A1 WO2022260499 A1 WO 2022260499A1
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WO
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wick
base material
vapor chamber
laser
wick part
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/008279
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
조항현
이종민
장재호
이강현
Original Assignee
주식회사 케이엠더블유
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Publication date
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Priority to EP22820626.4A priority patent/EP4353396A1/en
Priority to JP2023575716A priority patent/JP2024526071A/ja
Priority claimed from KR1020220071314A external-priority patent/KR20220167249A/ko
Publication of WO2022260499A1 publication Critical patent/WO2022260499A1/ko
Priority to US18/534,640 priority patent/US20240181570A1/en

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Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a wick part of a vapor chamber and a method for manufacturing a vapor chamber (METHOD FOR FORMING WICK PART FOR VAPOR-CHAMBER AND METHOD FOR MANUFACTURIG VAPOR CHAMBER), and more particularly, by using a laser irradiator on a base material of aluminum
  • the present invention relates to a method of forming a wick portion of a vapor chamber capable of accurately and quickly forming a wick portion, and a method of manufacturing the vapor chamber.
  • electronic components constituting an electronic device generate heat during operation.
  • electronic devices such as computers, servers, and high-performance antenna devices include IC chips, CPUs, and transceiver elements, and these electronic components generate a large amount of heat during operation.
  • Electronic components that generate heat (hereinafter, referred to as 'heating elements') must be cooled, and if not cooled, their performance is significantly deteriorated or in some cases damaged, making operation difficult.
  • Types of cooling devices include an air cooling method in which ambient air is circulated for cooling and a refrigerant method in which cooling is performed by circulating a refrigerant.
  • a blower fan that actively circulates air is necessarily provided, while in the refrigerant method, a compressor for compressing a gaseous refrigerant is essential to cause a phase change of the refrigerant.
  • the necessary conditions for the blowing fan and the compressor not only increase the size of the electronic device, but also increase power consumption.
  • a heat pipe type or vapor chamber type cooling device is formed with a hollow (or internal space) and a capillary, which is a porous body inside a pipe-shaped (or panel) body tube (or body panel) made of a thermally conductive material.
  • the wick part (Capillary Wick, capillary wick part) is manufactured by a sintering method.
  • the capillary wick unit is manufactured only by a sintering method, there are various limitations such as a sintering process and sintering conditions, resulting in a decrease in product productivity.
  • the present invention has been made to solve the above technical problems, and provides a method of forming a wick portion of a vapor chamber and a manufacturing method of a vapor chamber capable of improving productivity of a product by forming a capillary wick portion shape using a laser. to do for that purpose.
  • the present invention can manufacture wicks having various pattern shapes using a laser irradiator, it is another object to provide a method of forming a wick portion of a vapor chamber and a method of manufacturing a vapor chamber capable of securing a variety of heat dissipation designs. do.
  • One embodiment of the method of forming the wick part of the vapor chamber according to the present invention includes a base material preparation step of preparing a base material of a chamber body in which a refrigerant is accommodated, and a laser installation step of setting a laser irradiator on one side of the base material prepared by the base material preparation step and a wick part processing step of processing a wick part having a predetermined size into a predetermined intaglio pattern shape with a predetermined irradiated laser beam using the laser irradiator installed in the laser installation step.
  • a moving time of the laser beam may be set at a predetermined mark speed.
  • the mark speed may be set to 300 mm/s.
  • the oscillation frequency of the laser beam is set within a range of 20 kHz to 40 kHz, and the laser beam may be oscillated in a pulse mode.
  • a line interval at which the laser beam is irradiated may be up to 0.01 mm.
  • the wick part formed on the base material by the laser irradiator may be processed into any one pattern of cross, block, and 'L' shape.
  • a method of manufacturing a vapor chamber includes a base material preparation step of preparing a base material of a chamber body in which a refrigerant is accommodated, a laser installation step of setting a laser irradiator on one side of the base material prepared by the base material preparation step, A wick part processing step of processing a wick part of a predetermined size into a predetermined intaglio pattern shape with a predetermined irradiated laser beam using the laser irradiator installed by the laser installation step and sintering to cover the wick part formed by the wick part processing step
  • the process includes a wick body coupling step of coupling an outer surface, which is a processing plane, of a wick body formed of a porous body to include a plurality of pores to an inner surface of the vapor chamber.
  • the coupling of the wick body may be a step of coupling the wick part formed on the inner surface of the vapor chamber and at least some of the plurality of pores exposed to the surface of the wick body to communicate with each other.
  • the size of the wick part can be precisely adjusted in consideration of the type of refrigerant used and the surface tension of the material itself, it has an effect of improving heat dissipation performance of the product.
  • the refrigerant phase changes and flows, and the contact area with the refrigerant is relatively increased, thereby improving heat dissipation performance.
  • FIG. 1 is a sequence block diagram illustrating a method of forming a wick part of a vapor chamber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing a vapor chamber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 2, and is a cross-sectional view for explaining the principle of heat transfer through the vapor chamber;
  • FIG. 4 is a picture of an actual pattern using the laser irradiator of FIG. 1 and a partially enlarged view thereof;
  • FIG. 5 is a plan view showing line intervals using the laser irradiator of FIG. 1;
  • 6A and 6B are planar photographs showing an example of a pattern shape of a wick part formed on a base material by the laser irradiator of FIG. 1 .
  • FIG. 1 is a block diagram showing a method of forming a wick part of a vapor chamber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing a vapor chamber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a line A-A of FIG. As a cross-sectional view taken along, it is a cross-sectional view for explaining the principle of heat transfer through the vapor chamber.
  • a vapor chamber which is a final product of an embodiment of the present invention, is one of the heat dissipation parts that can apply a heat dissipation method of the concept that excludes the induction of phase change of the refrigerant by a compressor, and is in an atmospheric pressure state without using a compressor. It is a typical radiator designed to cool a specific heating element that is electrically driven and generates heat by transferring heat while causing a phase change only by heat supplied from the outside.
  • the vapor chamber 10 is coupled to a chamber body 20 that forms a predetermined vacuum space therein and accommodates a refrigerant, and the inside of the chamber body 20, , It may include a wick body 30 provided as a porous body in which a plurality of pores are formed to flow the refrigerant filled therein.
  • the outer surface of the wick body 30 is cut to have a flat surface so as to be in close contact with the inner surface of the chamber body 20, and the chamber body 20 and the wick body 30 ), the refrigerant may be filled and flowed as described above.
  • the plurality of pores formed in the wick body 30 are formed in the chamber body 20 by allowing gaseous refrigerant to flow or liquid refrigerant to be discharged to the outside by its own surface tension.
  • P gaseous refrigerant to flow or liquid refrigerant to be discharged to the outside by its own surface tension.
  • P plays a role in discharging.
  • the refrigerant in a liquid state discharged through each wick part P passes through the wick part formed by the wick part processing step (S30) described later along at least between the inner surface of the chamber body 20 and the outer surface of the wick body 30. It can move in one direction or the other.
  • the wick body 30 is a part produced by a sintering method, and is formed of a porous material to have a capillary tube structure, and increases the thermal contact area of the stored refrigerant, thereby increasing the liquid refrigerant to gaseous refrigerant As well as promoting the phase change of the furnace, it can be a passage through which the refrigerant converted to a gaseous refrigerant passes.
  • the refrigerant filled therein is transferred While causing a phase change by heat, it is changed into a liquid state and discharged to the outside of the pores in the thickness direction of the chamber body 20, and the refrigerant in the liquid state is transferred to the chamber by surface tension and capillary force through the wick part P having a predetermined shape.
  • Heat is transferred to the other side in the thickness direction of the body 20, and the refrigerant in a liquid state moves along the inner side of the chamber body 20, and the heat transferred to the other side in the thickness direction of the chamber body 20 is transferred to the outside. It uses the principle of heat dissipation.
  • the inner surface of the chamber body 20 to which the outer surface of the wick body 30 is in close contact has a constant in a direction horizontal to the inner surface of the chamber body 20.
  • the size of the fluid path must be formed, and the size is preferably designed in consideration of the surface tension (or anti-gravity) of the fluid used as the refrigerant.
  • the refrigerant filled between the chamber body 20 and the wick body 30 may include any one of acetone, ammonia, and distilled water. Since the size of surface tension or anti-gravity varies depending on the type of refrigerant to be filled, it is necessary to properly design and change the size of the depth and width of the pattern formed by the wick part processing step (S30) to be described later.
  • an embodiment of the present invention discloses important technical features of a method of forming the wick part of the wick body 30 provided inside the vapor chamber 10 .
  • a method of forming a wick part of a vapor chamber includes a base material preparation step of preparing a base material that is a chamber body 20 constituting a wick body 30 among the configuration of the vapor chamber (S10), the laser installation step (S20) of setting the laser irradiator on one side of the base material prepared by the base material preparation step (S10), and the laser irradiator installed by the laser installation step (S20) to a predetermined irradiated laser beam.
  • a wick part processing step (S30) of processing the wick part P having a predetermined shape is included.
  • the base material preparation step (S10) is a base material constituting the chamber body 20, a thermally conductive material (particularly, an aluminum material) before the wick portion P is processed and formed by a laser irradiator described later. ) can be defined as the step of preparing the parent material.
  • a wick body 30 having a plurality of pores manufactured through a sintering process was used as a base material, and the outer surface of the wick body 30 was cut into a flat surface, and then a wick part was formed on the cut flat surface.
  • the wick body 30, which is a base material for forming the wick part must be manufactured through a sintering process.
  • the base material on which the wick part P is formed is set to the chamber body 20 rather than the wick body 30, and this is a very simple laser beam
  • the base material on which the wick part P is formed is set to the chamber body 20 rather than the wick body 30, and this is a very simple laser beam
  • FIG. 4 is an actual pattern photograph and a partial enlarged view thereof using the laser irradiator of FIG. 1
  • FIG. 5 is a plan view showing line intervals using the laser irradiator of FIG. 1
  • FIGS. 6a and 6b are by the laser irradiator of FIG. It is a plane photograph showing an embodiment of the pattern shape of the wick part formed on the base material.
  • the laser installation step (S20) is a step of installing and setting a laser irradiator for irradiating a laser beam with a predetermined beam width.
  • the chamber body 20, which is a base material, is fixed on the processing lathe, and a laser irradiator capable of irradiating a laser beam of a predetermined beam width is installed on the processing lathe, and a laser beam irradiation of the laser irradiator It may be a step of setting a moving speed and a moving direction to match a pattern shape to be described later.
  • the wick part P is formed in the form of an intaglio pattern on one surface of the base material corresponding to the inner surface of the chamber body 20 by setting the moving time of the laser beam at a predetermined mark speed. It may be a step of processing.
  • the mark speed may be set to 300 mm/s. If the mark speed is set to move too fast with a mark speed exceeding 30 mm/s, the amount of heat transferred to the base material in the form of a laser beam is too small to form a desired pattern shape, and the mark speed is set to move too slowly with a mark speed of less than 30 mm/s. When set, since the amount of heat transferred to the base material in the form of a laser beam is too large, a problem in that the shape of the base material is deformed more than the size of the wick portion required may occur.
  • the wick part processing step (S30) is performed on the part corresponding to the inner surface of the chamber body 20.
  • this step of processing and forming into a predetermined intaglio pattern there is an advantage in that the contact area with the refrigerant is further increased than in the prior art. Although the increase in the contact area with the refrigerant is subtle, it leads to the advantage of improving the heat dissipation performance of the product.
  • the oscillation frequency of the laser beam is set within the range of 20 to 40 kHz, but the laser beam may be oscillated in pulse mode.
  • the oscillation frequency of the laser beam of the laser irradiator for forming the wick part P is most appropriate in the range of 20 to 40 kHz.
  • an interval between lines at which the laser beam is irradiated may be up to 0.01 mm, as shown in FIG. 5 .
  • the line interval is too wide (ie, exceeds 0.01 mm), it is because there is no capillary force and no water path, so anti-gravity characteristics cannot be implemented.
  • the capillary force between the chamber body 20 and the wick body 30 is small, considering the flow of the refrigerant according to the internal temperature change, the heat source part should always be located at a low position, and the heat dissipation part should always be located at a high position. There are design restrictions that must be placed.
  • Phosphorus 0.1 mm has important technical significance.
  • the wick portion P formed on the wick body 30 by the laser irradiator has a checkered pattern as shown in FIG. 4, as well as a cross pattern as shown in FIG. 6A and FIG. 6B as referenced. As described above, it can be processed in any one of the block patterns.
  • the method for forming the wick part of the vapor chamber according to an embodiment of the present invention can precisely and quickly form the wick part P using a laser irradiator, thereby greatly improving product productivity. do.
  • the wick body is formed on the inner surface of the chamber body 20 including the wick portion P processed in a pattern shape by the above-described method for forming the wick portion of the vapor chamber.
  • (30) further includes a wick body coupling step (reference numeral not indicated).
  • the method of manufacturing a vapor chamber includes a base material preparation step (S10), a laser installation step of setting a laser irradiator on one side of the base material prepared by the base material preparation step (S20), and Through the wick part processing step (S30) using the laser irradiator installed by the laser installation step (S20), the above-described checkered pattern, cross pattern, block pattern, and 'D' pattern shape Wick part (P) in any one of the pattern shapes
  • a process of combining the wick body 30 of coupling the wick body 30 formed of a porous body so as to include a plurality of pores may be further performed on the inner surface of the chamber body 20 formed thereon.
  • the coupling of the wick body may be a step of coupling the wick portion P formed on the inner surface of the chamber body 20 and at least some of the plurality of pores exposed to the surface of the wick body 30 to communicate with each other.
  • the wick body 30 may be manufactured through a sintering process to form a porous body including a plurality of pores.
  • the wick body 30 prepares a wick raw material made of a predetermined metal material (eg, copper (Cu) material) in a powder form.
  • a wick raw material made of a predetermined metal material (eg, copper (Cu) material) in a powder form.
  • the wick raw material preferably has a particle size of 30 to 300 um and a purity of 90 to 99%.
  • the sintering temperature conditions vary depending on whether additives are added to the wick raw material, but the sintering temperature after adding a predetermined amount of glass frit among the additives may be 350 to 550° C./2hr as the most preferred condition.
  • the conventional method (process) of forming the wick part through the sintering process in manufacturing the wick body Since it is possible to process and form the wick portion P in a pattern using a more precise laser irradiator on the inner surface of the chamber body 20 capable of forming capillary force between the wick body 30 and the wick body 30,
  • the advantage of improving heat dissipation performance can be provided.
  • the method of forming the wick part of the vapor chamber and the method of manufacturing the vapor chamber according to an embodiment of the present invention is capable of manufacturing the wick part P having a capillary tube (capillary tube) effect through precise adjustment of the laser.
  • it provides the advantage of being able to actively change the design according to the type of refrigerant used.
  • the present invention provides a method of forming a wick portion of a vapor chamber and a method of manufacturing a vapor chamber capable of improving product productivity and securing diversity in heat dissipation design by forming a shape of a capillary wick portion using a laser.

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Abstract

본 발명은 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 냉매가 수용되는 챔버 바디의 모재를 준비하는 모재 준비 단계, 상기 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계 및 상기 레이저 설치 단계에 의하여 설치된 상기 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 크기의 윅부를 소정의 음각 패턴 형태로 가공하는 윅부 가공 단계를 포함함으로써, 베이퍼 챔버의 제품 생산성을 향상시킬 수 있는 이점을 제공한다.

Description

베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법
본 발명은 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법(METHOD FOR FORMING WICK PART FOR VAPOR-CHAMBER AND METHOD FOR MANUFACTURIG VAPOR CHAMBER)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 소재의 모재에 레이저 조사기를 이용하여 정밀하고도 신속하게 윅부를 형성할 수 있는 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자장치를 구성하는 전자부품은 동작 시 열을 발생한다. 예를 들어, 컴퓨터나 서버 및 고성능 안테나 장치 등의 전자장치는 IC 칩, CPU 및 송수신 소자들을 포함하고, 이러한 전자부품들은 동작 시에 많은 양의 열을 발생한다. 열을 발생시키는 전자부품(이하, '발열소자'라 한다)은 냉각되어야 하고, 냉각되지 않는 경우 그 성능이 현저하게 저하되거나 경우에 따라서는 손상되어 작동이 어려울 수 있다.
한편, 최근의 전자장치는 슬림화, 고집적화 및 고성능화 등으로 인해 부품 간의 간격이 좁아지고 발열부하가 증가되고 있는 실정이다. 이에, 발열소자의 냉각은 거의 필수적이고, 대부분의 전자장치에는 발열소자를 냉각시키기 위한 냉각장치가 설치되고 있다.
냉각장치의 종류로는 주변 공기를 순환시켜 냉각시키는 공랭방식과 냉매를 순환시켜 냉각시키는 냉매방식을 들 수 있다. 공랭방식은 능동적으로 공기를 순환시키는 송풍팬이 필수적으로 구비되어야 하는 한편, 냉매방식은 냉매의 상변화를 일으키기 위하여 기상 냉매를 압축시키는 압축기가 필수적으로 구비되어야 한다.
송풍팬과 압축기의 필수 구비 조건은, 전자장치의 사이즈를 증대시킬 뿐만 아니라, 소비전력을 증가시키는 문제점이 있다.
따라서, 최근에는, 압축기의 구비 없이도 주변의 온도차에 따라 소정의 냉매가 상변화하면서 순환되도록 구비된 히트 파이프(heat-pipe) 타입 또는 베이퍼 챔버(vapor chamber) 타입의 냉각장치가 많이 활용되고 있다.
히트 파이프 타입 또는 베이퍼 챔버 타입의 냉각장치는, 중공(또는 내부 공간) 이 형성되고, 열전도성 재질로 구비된 파이프 형상(또는 패널)의 바디 튜브(또는 바디 패널) 의 내부에 다공성체인 캐필러리 윅부(Capillary Wick, 모세관 심지부)가 소결방식으로 제조된다.
그런데, 캐필러리 윅부가 소결 방식으로만 제조되는 점에서, 소결 과정 및 소결 조건 등 다양한 제약이 있는 바, 제품의 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저를 활용한 캐필러리 윅부 형상을 형성함으로써, 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 조사기를 이용하여 다양한 패턴 형상을 가진 윅부를 제조할 수 있으므로, 방열 설계의 다양성을 확보할 수 있는 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법의 일 실시예는, 냉매가 수용되는 챔버 바디의 모재를 준비하는 모재 준비 단계, 상기 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계 및 상기 레이저 설치 단계에 의하여 설치된 상기 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 크기의 윅부를 소정의 음각 패턴 형태로 가공하는 윅부 가공 단계를 포함한다.
여기서, 상기 윅부 가공 단계는, 상기 레이저 빔은 소정의 마크 스피드(Mark Speed)로 이동 시간이 설정될 수 있다.
또한, 상기 마크 스피드는, 300mm/s로 설정될 수 있다.
또한, 상기 윅부 가공 단계는, 상기 레이저 빔의 발진 주파수가 20kHz 내지 40kHz 범위 내로 설정되되, 상기 레이저 빔은 pulse mode로 발진될 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔이 조사되는 라인(line) 간격은, 최대 0.01mm일 수 있다.
또한, 상기 레이저 조사기에 의하여 상기 모재에 형성되는 상기 윅부는 Cross, Block 및 'ㄹ'자 형상 중 어느 하나의 패턴으로 가공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 제조 방법은, 냉매가 수용되는 챔버 바디의 모재를 준비하는 모재 준비 단계, 상기 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계, 상기 레이저 설치 단계에 의하여 설치된 상기 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 크기의 윅부를 소정의 음각 패턴 형태로 가공하는 윅부 가공 단계 및 상기 윅부 가공 단계에 의하여 형성된 상기 윅부를 덮도록 소결 공정으로 다수의 기공을 포함하도록 다공체로 형성된 윅 바디의 가공 평면인 외측면을 상기 베이퍼 챔버의 내측면에 결합시키는 윅 바디 결합 단계를 포함한다.
여기서, 상기 윅 바디 결합 단계는, 상기 베이퍼 챔버의 내측면에 형성된 상기 윅부와 상기 윅 바디의 표면으로 노출된 다수의 기공 중 적어도 일부가 상호 연통되게 결합시키는 단계일 수 있다.
본 발명에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법의 일 실시예에 따르면 다음과 같은 다양한 효과를 달성할 수 있다.
첫째, 모세관력을 형성하는 윅부를 형성함에 있어서 오로지 소결 방식에만 의존하여야 하는 것은 아니므로, 소결 조건 등의 제약을 탈피하고, 신속한 베이퍼 챔버의 제조가 가능한 효과를 가진다.
둘째, 레이저의 정밀 조정을 통해 캐필러리 튜브(모세관) 효과를 가지는 베이퍼 챔버의 윅부 형성이 용이한 효과를 가진다.
셋째, 사용되는 냉매의 종류 및 재료 자체의 표면 장력을 고려하여 윅부의 크기를 정밀 조정 가능하므로, 제품의 방열 성능을 향상시키는 효과를 가진다.
넷째, 음각 패턴 형태로 챔버 바디의 내측면에 윅부가 가공 형성됨에 따라 냉매가 상변화되면서 유동되는 면적으로서 냉매와의 접촉 면적을 상대적으로 증가시켜 방열 성능을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법을 나타낸 순서 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버를 나타낸 평면도이며,
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 취한 단면도로서, 베이퍼 챔버를 통한 열전달 원리를 설명하기 위한 단면도이고,
도 4는 도 1의 레이저 조사기를 이용한 실제 패턴 사진 및 그 부분 확대도이며,
도 5는 도 1의 레이저 조사기를 이용한 라인 간격을 나타내는 평면도이고,
도 6a 및 도 6b는 도 1의 레이저 조사기에 의하여 모재에 형성되는 윅부의 패턴 형상의 실시예를 나타낸 평면 사진이다.
<부호의 설명>
10: 베이퍼 챔버 20: 챔버 바디
30: 윅 바디 S10: 모재 준비 단계
S20: 레이저 설치 단계 S30: 윅부 가공 단계
P: 윅부
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 도는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법을 나타낸 순서 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버를 나타낸 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선을 따라 취한 단면도로서, 베이퍼 챔버를 통한 열전달 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예의 최종 생산 제품인 베이퍼 챔버(Vapor Chamber)는, 압축기에 의한 냉매의 상변화 유도를 제외하는 개념의 방열 방식을 적용할 수 있는 방열 부품의 하나로서, 압축기를 이용하지 않고 대기압 상태에서 오로지 외부로부터 공급되는 열에 의하여 상변화를 일으키면서 열을 전달함으로써 전기적으로 구동되어 발열되는 특정의 발열소자를 냉각시키도록 설계된 대표적인 방열기이다.
보다 상세하게는, 베이퍼 챔버(10)는, 도 2에 참조된 바와 같이, 내부에 소정의 진공 공간을 형성하고 냉매가 수용되는 챔버 바디(20)와, 챔버 바디(20)의 내부에 결합되고, 내부에 충진된 냉매를 유동시키기 위한 다수의 기공이 형성된 다공체로 구비된 윅 바디(30)를 포함할 수 있다.
윅 바디(30)의 외부 표면은, 도 3에 참조된 바와 같이, 챔버 바디(20)의 내측면에 밀착되도록 평평한 면을 가지도록 절삭 가공되어 구비되되, 챔버 바디(20)와 윅 바디(30) 사이에는 상술한 바와 같이 냉매가 충진되어 유동될 수 있다.
여기서, 윅 바디(30)에 형성된 다수의 기공은, 기체 상태의 냉매가 유동되거나 액체 상태의 냉매가 자체 표면 장력에 의하여 외부로 토출되어 챔버 바디(20)에 형성된 후술하는 각 윅부(도 3의 도면부호 "P" 참고)로 토출시키는 역할을 한다. 각 윅부(P)를 통해 토출된 액체 상태의 냉매는, 후술하는 윅부 가공 단계(S30)에 의해 형성된 윅부를 통해 적어도 챔버 바디(20)의 내측면과 윅 바디(30)의 외측면 사이를 따라 일방향 또는 타방향으로 이동될 수 있다.
보다 상세하게는, 윅 바디(30)는, 소결 방식에 의하여 생성되는 부위로써, 모세관 구조(Capillary tube)를 가지도록 다공성체로 형성되고, 저수된 냉매의 열접촉 면적을 증가시킴으로써 액상 냉매에서 기상 냉매로의 상변화를 촉진시킴은 물론, 기상 냉매로 변화된 냉매를 통과시키는 통로가 될 수 있다.
가령, 도 3에 참조된 바와 같이, 챔버 바디(20)의 두께 방향 일측면에 구비된 소정의 열원에 의하여 열이 챔버 바디(20)를 통해 내측으로 전달되면, 내부에 충진된 냉매는 전달되는 열에 의하여 상변화를 일으키면서 액체 상태로 변화시켜 챔버 바디(20)의 두께 방향인 기공 외부로 토출시키고, 액체 상태의 냉매는 소정 형상의 윅부(P)를 매개로 표면 장력 및 capillary force에 의하여 챔버 바디(20)의 두께 방향 타측면으로 열을 전달시킴과 동시에 액체 상태의 냉매를 챔버 바디(20)의 내측면을 따라 이동시키고, 챔버 바디(20)의 두께 방향 타측면으로 전달된 열은 외부로 방열되는 원리를 이용한 것이다.
특히, 모세관력(capillary force)을 형성하기 위한 중요한 요소로서, 윅 바디(30)의 외부 표면이 밀착하는 챔버 바디(20)의 내측면에는 챔버 바디(20)의 내측면에 수평되는 방향으로 일정한 크기의 유체 경로를 형성하여야 하고, 그 크기는 냉매로 채용된 유체의 표면 장력(또는 Anti-Gravity)을 고려하여 설계됨이 바람직하다.
참고로, 챔버 바디(20)와 윅 바디(30) 사이에 충진되는 냉매는, 아세톤, 암모니아, 증류수 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 충진되는 냉매의 종류에 따라 표면 장력 또는 Anti-Gravity의 크기가 달라지므로, 후술하는 윅부 가공 단계(S30)에 의하여 형성되는 패턴의 깊이 및 폭의 크기를 적절히 설계 변경할 필요가 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예는, 베이퍼 챔버(10)의 내부에 구비되는 윅 바디(30)의 윅부의 형성 방법의 중요한 기술적 특징을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법은, 도 1에 참조된 바와 같이, 베이퍼 챔버의 구성 중 윅 바디(30)를 구성하는 챔버 바디(20)인 모재를 준비하는 모재 준비 단계(S10), 모재 준비 단계(S10)에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계(S20) 및 레이저 설치 단계(S20)에 의하여 설치된 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 형상의 윅부(P)를 가공하는 윅부 가공 단계(S30)를 포함한다.
모재 준비 단계(S10)는, 도 3에 참조된 바와 같이, 챔버 바디(20)를 구성하는 모재로써, 후술하는 레이저 조사기에 의하여 윅부(P)가 가공 형성되기 전의 열전도성 소재(특히, 알루미늄 소재)의 모재를 준비하는 단계로 정의할 수 있다.
종래에는, 소결 과정을 통해 제조된 다수의 기공이 형성된 윅 바디(30)를 모재로 채용하고, 윅 바디(30)의 외측면을 평평한 면으로 절삭한 후 절삭된 평평한 면에 윅부를 가공 형성하였으나, 윅부를 형성하기 위한 모재인 윅 바디(30)가 반드시 소결 과정을 거쳐 제조되어야 하는 공정 상의 복잡함이 있었다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법의 경우, 윅부(P)가 형성되는 모재를 윅 바디(30)가 아닌 챔버 바디(20)로 설정하고, 이를 매우 간명한 레이저 빔을 이용한 가공 방식을 채택함으로써, 보다 정밀하고도 간명한 공정으로 제조할 수 있는 이점을 제공한다.
도 4는 도 1의 레이저 조사기를 이용한 실제 패턴 사진 및 그 부분 확대도이고, 도 5는 도 1의 레이저 조사기를 이용한 라인 간격을 나타내는 평면도이며, 도 6a 및 도 6b는 도 1의 레이저 조사기에 의하여 모재에 형성되는 윅부의 패턴 형상의 실시예를 나타낸 평면 사진이다.
레이저 설치 단계(S20)는, 소정의 빔폭으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사기를 설치 및 세팅하는 단계이다.
즉, 미도시 되었으나, 모재인 챔버 바디(20)를 가공 선반 위에 고정시키고, 가공 선반 위에서 소정의 빔폭의 레이저 빔을 조사할 수 있는 레이저 조사기를 설치함과 아울러, 레이저 조사기의 레이저 빔 조사를 위한 이동 속도 및 이동 방향을 후술하는 패턴 형상에 맞도록 설정하는 단계일 수 있다.
여기서, 윅부 가공 단계(S30)는, 레이저 빔을 소정의 마크 스피드(Mark Speed)로 이동 시간을 설정하여 챔버 바디(20)의 내측면에 해당하는 모재의 일면에 음각 패턴 형태로 윅부(P)를 가공하는 단계일 수 있다.
이 경우, 마크 스피드는, 300mm/s로 설정될 수 있다. 마크 스피드가 30mm/s를 초과하는 것으로써 너무 빠르게 이동되도록 설정되면 레이저 빔 형태로 모재에 전달되는 열량이 너무 적어 원하는 패턴 형상을 형성할 수 없고, 마크 스피드가 30mm/s 미만으로써 너무 느리게 이동되도록 설정되면 레이저 빔 형태로 모재에 전달되는 열량이 너무 크므로, 모재의 형상이 요구되는 윅부의 크기보다 더 크게 변형되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 종래 윅부가 소결 공정을 통해 제조된 윅 바디(30)의 평평하게 가공된 표면에 형성하던 것과 비교하면, 윅부 가공 단계(S30)는, 챔버 바디(20)의 내측면에 해당하는 부위에 소정의 음각 패턴 형상으로 가공 형성하는 단계인 점에서, 종래보다 냉매와의 접촉 면적이 더 증가하는 이점이 있다. 냉매와의 접촉 면적의 증가는 미세하지만 제품의 방열 성능을 향상시키는 이점으로 이어진다.
또한, 윅부 가공 단계(S30)는, 레이저 빔의 발진 주파수가 20 내지 40kHz 범위 내로 설정되되, 레이저 빔은 pulse mode로 발진될 수 있다. 특히, 모재인 챔버 바디(20)가 알루미늄 소재로 채택된 경우, 윅부(P)의 형성을 위한 레이저 조사기의 레이저 빔의 발진 주파수는 상술한 20 내지 40kHz의 범위가 가장 적절하다.
또한, 레이저 빔이 조사되는 라인(line) 간격은, 도 5에 참조된 바와 같이, 최대 0.01mm일 수 있다.
여기서, 라인 간격이 너무 벌어지면(즉, 0.01mm를 초과하면) 모세관력(Capiliary Force)이 없고 물길이 존재하지 않아 Anti-Gravity 특성을 구현할 수 없기 때문이다. 챔버 바디(20)와 윅 바디(30) 사이에 모세관력이 작을 경우에는, 내부의 온도 변화에 따른 냉매의 유동을 고려하여 열원 부분은 항상 낮은 위치에 위치시켜야 하고, 방열 부분은 항상 높은 위치에 위치시켜야 하는 설계상의 제한이 생긴다.
그러므로, 레이저 빔에 의하여 조사되는 라인 간격은 모세관력이 발생하는 한도로 제한 설계함이 바람직하며, 열원의 위치와 방열 위치의 제한을 제거하기 위한 하나의 결과값으로서 레이저 빔이 조사되는 라인의 간격인 0.1mm는 중요한 기술적 의의를 가진다.
한편, 레이저 조사기에 의하여 상기 윅 바디(30)에 형성되는 윅부(P)는, 도 4에 참조된 바와 같은 체크 무늬의 패턴 형상 뿐만 아니라, 도 6a에 참조된 바와 같이 Cross 패턴 및 도 6b에 참조된 바와 같이 Block 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 가공될 수 있다.
나아가, 도면에 도시되지 않았으나, 열원 부위로부터 방열 부위까지 연속적으로 이어지도록 'ㄹ'자 모양을 가진 패턴 형상으로 가공될 수 있음은 당연하다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법은, 상술한 바와 같이, 레이저 조사기를 이용하여 정밀하면서도 신속하게 윅부(P)를 형성할 수 있으므로, 제품의 생산성을 크게 향상시키는 이점을 제공한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 제조 방법은, 상술한 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법에 의하여 패턴 형태로 가공된 윅부(P)를 포함하는 챔버 바디(20)의 내측면에 윅 바디(30)를 결합시키는 윅 바디 결합 단계(도면부호 미표기)를 더 포함한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 제조 방법은, 모재 준비 단계(S10)와, 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계(S20) 및 레이저 설치 단계(S20)에 의하여 설치된 레이저 조사기를 이용한 윅부 가공 단계(S30)를 통해 상술한 체크 무늬 패턴, Cross 패턴, Block 패턴 및 'ㄹ'자 패턴 형상 중 어느 하나의 패턴 형태의 윅부(P)가 형성된 챔버 바디(20)의 내측면에 다수의 기공을 포함하도록 다공체로 형성된 윅 바디(30)를 결합시키는 윅 바디 결합 단계의 과정을 더 수행할 수 있다.
여기서, 윅 바디 결합 단계는, 챔버 바디(20)의 내측면에 형성된 윅부(P)와 윅 바디(30)의 표면으로 노출된 다수의 기공 중 적어도 일부가 상호 연통되게 결합시키는 단계일 수 있다.
한편, 윅 바디(30)는, 다수의 기공을 포함하는 기공체로 형성하기 위하여 소결 공정을 통해 제조될 수 있다.
보다 상세하게는, 윅 바디(30)는, 소정의 금속재질(가령, 구리(Cu) 재질)로 이루어진 윅 원료를 파우더 형태로 준비한다. 이때, 윅 원료는 입도가 30 내지 300um이고, 순도는 90 내지 99%로 채용됨이 바람직하다.
여기서의 소결 온도 조건은 윅 원료에 첨가제를 투입하는지 여부에 따라 달라지나, 첨가제 중 Glass frit 을 소정량 투입한 후의 소결 온도는 350 내지 550℃/2hr가 가장 선호되는 조건일 수 있다.
이상과 같은 구성 또는 공정으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법에 따르면, 윅 바디의 제조 시 소결 과정을 통해 윅부를 형성하던 종래의 방법(공정)을 탈피하여, 윅 바디(30)와의 사이에 모세관력을 형성할 수 있는 챔버 바디(20)의 내측면에 보다 정밀한 레이저 조사기를 이용한 패턴 형태로 윅부(P)를 가공 형성할 수 있으므로, 공정 상의 이점과 함께 방열 성능을 향상시키는 이점을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법은, 레이저의 정밀 조정을 통해 캐필러리 튜브(모세관) 효과를 가지는 윅부(P)의 제조가 가능한 점에서, 사용되는 냉매의 종류에 따라 능동적인 설계 변경이 가능한 이점을 제공한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예가 반드시 상술한 일 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 및 균등한 범위에서의 실시가 가능함은 당연하다고 할 것이다. 그러므로, 본 발명의 진정한 권리범위는 후술하는 청구범위에 의하여 정해진다고 할 것이다.
본 발명은 레이저를 활용한 캐필러리 윅부 형상을 형성함으로써, 제품의 생산성을 향상시키고, 방열 설계의 다양성을 확보할 수 있는 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법을 제공한다.

Claims (8)

  1. 냉매가 수용되는 챔버 바디의 모재를 준비하는 모재 준비 단계;
    상기 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계; 및
    상기 레이저 설치 단계에 의하여 설치된 상기 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 크기의 윅부를 소정의 음각 패턴 형태로 가공하는 윅부 가공 단계; 를 포함하는, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 윅부 가공 단계는, 상기 레이저 빔은 소정의 마크 스피드(Mark Speed)로 이동 시간이 설정된, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 마크 스피드는, 300mm/s로 설정되는, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 윅부 가공 단계는, 상기 레이저 빔의 발진 주파수가 20kHz 내지 40kHz 범위 내로 설정되되, 상기 레이저 빔은 pulse mode로 발진되는, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔이 조사되는 라인(line) 간격은, 최대 0.01mm를 초과하지 않도록 설정된, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사기에 의하여 상기 모재에 형성되는 상기 윅부는 Cross, Block 및 'ㄹ'자 형상 중 어느 하나의 패턴으로 가공되는, 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법.
  7. 냉매가 수용되는 챔버 바디의 모재를 준비하는 모재 준비 단계;
    상기 모재 준비 단계에 의하여 준비된 모재의 일측에 레이저 조사기를 세팅하는 레이저 설치 단계;
    상기 레이저 설치 단계에 의하여 설치된 상기 레이저 조사기를 이용하여 소정의 조사된 레이저 빔으로 소정 크기의 윅부를 소정의 음각 패턴 형태로 가공하는 윅부 가공 단계; 및
    상기 윅부 가공 단계에 의하여 형성된 상기 윅부를 덮도록 소결 공정으로 다수의 기공을 포함하도록 다공체로 형성된 윅 바디의 가공 평면인 외측면을 상기 챔버 바디의 내측면에 결합시키는 윅 바디 결합 단계; 를 포함하는, 베이퍼 챔버의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 윅 바디 결합 단계는, 상기 챔버 바디의 내측면에 형성된 상기 윅부와 상기 윅 바디의 표면으로 노출된 다수의 기공 중 적어도 일부가 상호 연통되게 결합시키는 단계인, 베이퍼 챔버의 제조 방법.
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PCT/KR2022/008279 WO2022260499A1 (ko) 2021-06-11 2022-06-13 베이퍼 챔버의 윅부 형성 방법 및 베이퍼 챔버의 제조 방법

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