온도 맵핑과 열 분산 기능이 집적된 열관리 기술

Abstract

초 록

온도 맵핑과 열 분산 기능이 집적된 열관리 기술

서울대학교 대학원 전기 정보 공학부 전원하

모든 전자기기와 회로는 사용 중에 열을 발생시킨다. 산업의 발전에 따라 이들 기기와 회로는 소형화, 고성능화 및 다기능화가 심화되고 있으며, 이로 인하여 이들 기기 및 회로에서 발생되는 단위 부피 당 열의 양은 지속적으로 증가하고 있다. 한편, 전자기기에서 발생하는 과도한 열은 기기의 수명 및 신뢰성을 떨어뜨리고, 또한, 이들 기기의 오작동을 야기시킬 수 있으므로 실시간 온도 모니터링과 과도한 열을 제거하기 위한 방열 및 냉각기술을 통하여 기기 및 회로에 적절한 온도를 유지시켜 주기 위한 열관리(Thermal management) 기술은 필수적이다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 낮은 자기방전율, 높은 출력 전압 또한 메모리 효과가 없으므로 휴대전자기기, 가전, 국방, 우주항공 및 전기자동차 등 매우 다양한 분야에 동력원으로써 사용되고 있다. 하지만 리튬 이온 배터리의 충방전시 전지 내부반응으로 인한 온도 상승은 전지의 성능, 에너지 효율 및 안정성 등에 매우 큰 영향을 미친다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 배터리의 표면이나 내부의 온도를 감지하여 열 폭주를 예방하는 방법, 배터리를 직접 냉각시켜서 온도를 낮추는 방법 그리고 열 방출이 쉽도록 열전도도가 높은 물질을 이용하는 방법들이 연구 되고 있다. 본 논문에서는 종래의 열관리 방법과 달리 표면 온도 맵핑과 열 분산 기능을 결합하여 백금 온도 센서 배열과 열전도도가 우수한 그래파이트(Graphite) 열 분산기를 집적한 구조를 제안한다. 온도 맵핑은 실리콘 기판 위에 반도체 공정으로 형성된 백금 저항 배열의 온도에 따른 변화를 측정함으로써 수행되었다. 열 전달 시뮬레이션을 통하여 온도 센서 기판으로 사용된 실리콘과 그래파이트의 두께에 따른 열원의 온도 감소 효과와 표면 내 최대, 최소 온도 차이를 확인하였다. 또한 같은 방법으로 그래파이트 유무에 대해서도 실시하여 그래파이트로 인한 효과를 확인하였다. 그래파이트 열 분산기 도입은 열원의 온도 감소와 표면 내 최대, 최소 온도 차 감소에 효과적이었으며, 두께가 증가할수록 효과는 증대 되었다. 백금 측온저항체와 구리 배선으로 이루어진 온도 센서 배열은 서울대학교 반도체공동연구소를 이용하여 제작하였으며25μm 두께의 그래파이트 시트를 열 분산기로 부착하여 열 분산 기능을 결합한 온도 맵핑 소자를 제작하였다. 제작한 열 분산 기능을 결합한 온도 맵핑 소자를 리튬 이온 배터리 표면에 부착하여 전자부품연구원에서 방전 실험을 통하여 표면 온도와 방열 성능을 측정하였다. 그래파이트 부착으로 인한 평면 열전도도 증가로 인하여 7C로 방전할 경우, 미 부착 시와 비교하여 배터리 내부 최대 온도가 8.9℃ 감소하였으며 또한 배터리 내부 온도 차이 역시 9.4℃ 감소하였다. 결론적으로 온도 센서 배열은 실시간으로 표면의 온도 분포를 정밀한 측정을 가능하게 하였으며 그래파이트 열 분산기는 표면 온도 균일화 및 방열 효과에 좋은 결과를 보였다.

주요어 : 열관리 기술, 열 전달 시뮬레이션, 온도 맵핑, 그래파이트 열 분산기 학 번 : 2014-21667