열-유압 성능 및 제조 가능성을 고려한 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판 비교

본 논문 요약은 [IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGY]에 발표된 논문 "[Comparison of Micro-Pin-Fin and Microchannel Heat Sinks Considering Thermal-Hydraulic Performance and Manufacturability]"를 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 열-유압 성능 및 제조 가능성을 고려한 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판 비교 (Comparison of Micro-Pin-Fin and Microchannel Heat Sinks Considering Thermal-Hydraulic Performance and Manufacturability)
• 저자: Benjamin A. Jasperson, Yongho Jeon, Kevin T. Turner, Frank E. Pfefferkorn, and Weilin Qu
• 발행 연도: 2010년 3월
• 발행 학술지/학회: IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGY
• 키워드: 마이크로 방열판, 마이크로 제조, 마이크로 가공, 핀-핀 방열판 (Micro heat sink, micro-manufacturing, micro-machining, pin-fin heat sink)

2. 연구 배경:

• 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
  • 마이크로 전자 장치의 발열량이 증가함에 따라 작은 면적에서 높은 열 유속을 소산시킬 수 있는 고효율 열 관리 기술에 대한 요구가 증가하고 있습니다.
  • 내부 열 전달 향상 구조를 가진 단상 액체 냉각 방식의 초소형 방열판이 해결책으로 떠올랐습니다. 평행판 핀이 널리 연구되었습니다.
  • 최근 마이크로 제작 기술의 발전으로 인해 더욱 복잡한 3차원 향상 구조, 예를 들어 엇갈린 마이크로 핀-핀 배열과 같은 구조를 제작할 수 있게 되었습니다.
• 기존 연구의 한계:
  • 마이크로 채널 방열판은 열-유압 성능 모델이 잘 확립되어 있지만, 마이크로 핀-핀 방열판의 신뢰할 수 있는 모델은 복잡한 유동 및 열 전달 특성으로 인해 부족합니다. 기존 연구는 대부분 경험적 연구에 기반하고 있습니다.
  • 마이크로 핀-핀 방열판이 마이크로 채널 방열판에 비해 실용적인 선택이 되기 위해서는 경제성과 현실적인 마이크로 제작 옵션이 중요합니다.
• 연구의 필요성:
  • 마이크로 핀-핀 방열판과 마이크로 채널 방열판의 열-유압 성능을 비교하기 위해.
  • 금속으로 만들어진 마이크로 방열판 제작에 적합한 제조 방법을 평가하기 위해.
  • 마이크로 엔드 밀링을 사용하여 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판 설계 간의 제조 비용 차이를 파악하기 위해.
  • 열 성능, 유압 성능 및 제조 비용을 종합적으로 비교하기 위해.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적:
  • 높은 열 유속을 소산시키는 대안으로서 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판의 열-유압 성능과 제조 가능성을 동시에 비교하는 것.
• 주요 연구 질문:
  • 마이크로 핀-핀 설계가 열-유압 성능 측면에서 마이크로 채널 설계를 능가하는가?
  • 금속으로 마이크로 방열판을 제작하는 데 적합한 제조 방법은 무엇인가?
  • 마이크로 엔드 밀링을 사용할 때 마이크로 핀-핀과 마이크로 채널 방열판 설계 간의 제조 비용 차이는 무엇인가?
• 연구 가설:
  • 마이크로 핀-핀 방열판은 마이크로 채널 방열판에 비해 향상된 열 전달 성능을 가질 가능성이 있지만, 압력 강하 및 제조 비용 측면에서 상충 관계가 있을 것이다.
  • 마이크로 엔드 밀링을 사용할 때 가공 시간은 두 설계 간의 제조 비용 차이를 결정하는 주요 요인이다.

4. 연구 방법론

• 연구 설계:
  • 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판의 열-유압 성능에 대한 비교 실험 연구.
  • 제조 비용을 비교하기 위한 마이크로 엔드 밀링 사례 연구.
  • 마이크로 방열판을 위한 다양한 제조 기술 검토.
• 자료 수집 방법:
  • 단상 수냉각을 사용하여 두 방열판 설계의 열 저항 및 압력 강하에 대한 실험적 측정.
  • 기존 문헌을 기반으로 한 마이크로 채널 방열판 성능에 대한 분석 모델.
  • 공구 경로 길이 및 제조 매개변수를 기반으로 한 가공 시간 및 비용 분석.
• 분석 방법:
  • 다양한 유량에 따른 두 설계의 실험적 열 저항 및 압력 강하 데이터 비교.
  • 공구 경로 길이 및 제조 매개변수를 기반으로 가공 시간 및 비용 계산.
  • 대량 생산 적합성, 시제품 제작 적합성 및 비용을 기준으로 한 다양한 제조 방법에 대한 질적 평가.
• 연구 대상 및 범위:
  • 채널/핀 폭 200 µm, 높이 670 µm의 구리 (110) 마이크로 방열판.
  • 마이크로 핀-핀 방열판: 1950개의 마이크로 핀이 엇갈린 배열.
  • 마이크로 채널 방열판: 평행 채널.
  • 냉각수: 단상 물.
  • 제조 방법 초점: 마이크로 엔드 밀링.

5. 주요 연구 결과:

• 주요 연구 결과:
  • 열 성능: 마이크로 핀-핀 방열판은 약 60g/min 이상의 액체 유량에서 마이크로 채널 방열판에 비해 낮은 대류 열 저항을 나타냅니다. 60g/min 미만에서는 마이크로 채널 방열판이 더 낮은 열 저항을 보입니다. (그림 10. 마이크로 핀-핀 방열판과 마이크로 채널 방열판의 평균 대류 열 저항 비교 참조).
  • 유압 성능: 마이크로 핀-핀 방열판은 테스트한 모든 유량 범위에서 마이크로 채널 방열판보다 현저히 높은 압력 강하를 나타냅니다. (그림 11. 마이크로 핀-핀 방열판과 마이크로 채널 방열판의 압력 강하 비교 참조).
  • 제조 비용: 마이크로 핀-핀 방열판은 마이크로 엔드 밀링을 사용하여 제조하는 데 마이크로 채널 방열판보다 약 3배 더 비싸며, 이는 주로 더 복잡한 핀-핀 형상에 필요한 더 긴 가공 시간 때문입니다. 가공 시간이 주요 비용 요인입니다. (그림 14. 1cm x 3.38cm 면적에 대한 핀/벽 폭의 함수로서의 총 가공 거리 (공구 경로) 참조).
• 통계적/질적 분석 결과:
  • 마이크로 채널 방열판에 대한 분석 모델은 예상되는 추세와 잘 일치합니다.
  • 제조 기술 검토 (표 I. 마이크로 방열판의 잠재적 제조 방법)는 마이크로 EDM, 마이크로 레이저 가공 및 마이크로 주조가 대량 생산에 적합함을 나타냅니다.
• 데이터 해석:
  • 고유량에서 마이크로 핀-핀 방열판의 향상된 열 성능은 더 구불구불한 유동과 더 강한 와류로 인해 열 전달이 향상된 것으로 해석됩니다.
  • 마이크로 핀-핀 설계에서 더 높은 압력 강하는 핀 배열로 인한 항력 증가 때문입니다.
  • 가공 시간 차이는 공구 경로의 복잡성과 직접적으로 연결되며, 이는 엇갈린 핀-핀 형상에서 훨씬 더 깁니다.
• Figure Name List:
  • Fig. 1. Structure and dimension of (a) microchannel heat sink and (b) micro-pin-fin heat sink.
  • Fig. 2. Illustrations of three electrodischarge machining techniques: (a) wire EDM, (b) die sinking, and (c) EDM milling.
  • Fig. 3. Schematic of LIGA process.
  • Fig. 4. Schematic of die casting.
  • Fig. 5. Schematic of extrusion process.
  • Fig. 6. Schematic of micro powder injection molding.
  • Fig. 7. Schematics of milling: (a) slot milling and (b) end milling.
  • Fig. 8. Schematic of chip load.
  • Fig. 9. Photographs of (a) copper heat sink and (b) pin fin geometry created by micro-end-milling.
  • Fig. 10. Comparison of micro-pin-fin heat sink and microchannel heat sink average convection thermal resistance for (a) Tin = 30 °C and (b) Tin = 60 °C.
  • Fig. 11. Comparison of micro-pin-fin heat sink and microchannel heat sink pressure drop for (a) Tin = 30 °C and (b) Tin = 60 °C.
  • Fig. 12. Illustration of tool path for milling channel heat sink.
  • Fig. 13. Illustration of tool path for milling staggered pin heat sink.
  • Fig. 14. Total machining distance (tool path as a function of pin/wall width for a 1 cm x 3.38 cm area).

2. Research Background:

6. 결론 및 논의:

• 주요 결과 요약:
  • 마이크로 핀-핀 방열판은 고유량 (>60g/min)에서 더 나은 열 성능을 제공하지만, 마이크로 채널 방열판에 비해 압력 강하 및 제조 비용이 증가합니다.
  • 마이크로 핀-핀 방열판의 마이크로 엔드 밀링 비용은 더 긴 가공 시간으로 인해 약 3배 더 높습니다.
• 연구의 학문적 의의:
  • 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 방열판의 열-유압 성능 및 제조 가능성에 대한 직접적인 비교를 제공합니다.
  • 마이크로 핀-핀 배열에서의 유동 거동 및 열 전달 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다.
  • 마이크로 엔드 밀링을 사용한 방열판의 마이크로 제조 비용 요인에 대한 이해에 기여합니다.
• 실용적 의미:
  • 열 성능, 압력 강하 및 비용 간의 상충 관계를 고려하여 응용 분야 요구 사항에 따라 방열판 설계를 선택하는 데 지침을 제공합니다.
  • 마이크로 제조 비용에서 가공 시간의 중요성과 공정 개선 (예: 더 높은 스핀들 속도, 고급 공구 코팅)을 통한 비용 절감 가능성을 강조합니다.
  • 마이크로 핀-핀 방열판의 대량 생산을 위한 잠재적인 비용 효율적인 방법으로 주조를 제안하여 마이크로 채널 설계와 비교했을 때 비용 차이를 최소화합니다.
• 연구의 한계:
  • 비용 분석은 마이크로 엔드 밀링에 국한되며 다른 제조 방법에서는 다를 수 있습니다.
  • 비용 비교를 위해 일정한 이송 속도와 공구 수명을 가정하지만, 실제 시나리오에서는 완전히 정확하지 않을 수 있습니다.
  • 특정 형상에 초점을 맞추고 있으며 모든 마이크로 핀-핀 및 마이크로 채널 설계에 일반화할 수 없을 수 있습니다.

7. 향후 후속 연구:

• 후속 연구 방향:
  • 열 성능 및 압력 강하를 최적화하기 위해 다른 핀 핀 설계 (다이아몬드, 원형, 에어포일)를 탐색합니다.
  • 생산성 향상 (더 높은 이송 속도, 스핀들 속도, 고급 공구 코팅)이 제조 비용 및 설계 간 비용 차이 감소에 미치는 영향을 조사합니다.
  • 마이크로 핀-핀 방열판의 단위 비용을 줄이기 위해 주조 및 기타 대량 생산 방법에 대한 추가 연구를 진행합니다.
• 추가 탐구가 필요한 영역:
  • 특정 응용 분야 및 유동 조건에 대한 마이크로 핀-핀 형상 최적화.
  • 마이크로 핀-핀 방열판의 열-유압 성능을 예측하기 위한 더 정확하고 포괄적인 모델 개발.
  • 다양한 제조 방법 및 생산량을 고려한 상세한 비용 분석.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "[Benjamin A. Jasperson, Yongho Jeon, Kevin T. Turner, Frank E. Pfefferkorn, and Weilin Qu]"의 논문: "[Comparison of Micro-Pin-Fin and Microchannel Heat Sinks Considering Thermal-Hydraulic Performance and Manufacturability]"를 기반으로 요약되었습니다.
• 논문 출처: 10.1109/TCAPT.2009.2023980

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