KR102720208B1 - Fabrication method of a capillary-driven heat pipe using electroless plating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모세관 주도형 히트 파이프의 제조에 관한 것이다. 3D 프린트나 기타 방법으로 원하는 최종형상으로 폴리머 템플릿을 만든 후 무전해균질 도금으로 외각을 형성하고 무전해 다공성 도금과 흑화처리를 통하여 심지를 형성한다. 무전해 도금은 3차원 공간상의 위치나 방향에 관계없이 모든 표면에 균일한 두께의 금속 물질을 적층하는 특징이 있으므로 이 방법을 사용하면 폴리머 템플릿의 형상에 관계없이 매우 가벼운 구리 외각과 심지를 형성할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안하는 무전해 도금으로 제작된 외각과 심지는 두께로 필요한 만큼 정밀하게 조절하는 것이 가능하므로 훨씬 가벼운 무게를 갖도록 제작될 수 있고 초소형으로 제작하는 것이 가능하여, 모바일 기기와 같이 내부공간의 제약이 심한 장치의 냉각이 필요한 히트 파이프의 제작에 유리하고 3D 프린트된 폴리머 템플릿을 기반으로 제작하기에 2차 가공없이 설치부에 맞게 원하는 특정 크기와 형상으로 소량제작하는 것이 가능하다.The present invention relates to the manufacture of a capillary-driven heat pipe. After forming a polymer template into a desired final shape by 3D printing or other methods, an outer shell is formed by electroless homogeneous plating, and a core is formed by electroless porous plating and blackening. Since electroless plating has the characteristic of laminating a metal material of uniform thickness on all surfaces regardless of the position or direction in three-dimensional space, using this method, a very light copper outer shell and core can be formed regardless of the shape of the polymer template. Therefore, the outer shell and core manufactured by electroless plating proposed in the present invention can be manufactured to have a much lighter weight since the thickness can be precisely adjusted as needed, and can be manufactured in an ultra-small size, which is advantageous in the manufacture of a heat pipe that requires cooling of a device with severe internal space restrictions such as a mobile device, and since it is manufactured based on a 3D printed polymer template, it is possible to manufacture small quantities with a desired specific size and shape to fit the installation part without secondary processing.
Description
본 발명은 진공챔버 내 수용된 작동유체의 상변화 및 이동에 의해 열교환 또는 열전달 과정이 수행되는 히트 파이프의 제조에 관한 것으로, 특히 액상 작동유체의 이동이 매질인 심지에서 모세관 현상에 의해 이루어지는 소위 모세관 주도형 히트 파이프의 제조에 관한 것이다.The present invention relates to the manufacture of a heat pipe in which a heat exchange or heat transfer process is performed by the phase change and movement of a working fluid accommodated in a vacuum chamber, and more particularly, to the manufacture of a so-called capillary-driven heat pipe in which the movement of a liquid working fluid is performed by the capillary phenomenon in a wick as a medium.
히트 파이프는 효율적인 열전도 확산을 목적으로 고안되어 각종 산업용 열교환기 뿐만 아니라 전기장치, 특히 컴퓨터와 같이 열원 근처의 공간이 협소하여 냉각장치 부착이 곤란한 경우 외부 냉각장치와의 연결하는 용도로 널리 사용되고 있고, 가장 널리 사용되는 형식은 도 1과 같다. 도 1의 히트 파이프의 경우, 파이프 형태의 비투과성 외각(外殼; evelope(sealed outer wall)) 내의 공간이 대기압보다 낮은 압력으로 유지되고 그 양단에는 기화부(evaporator)와 응축부(condenser)가 배치되고, 그 사이에 작동유체의 통로부가 구비된다. 액상 작동유체의 저장 및 이동 매질로 제공되는 심지(wick)는 기화부, 응축부 및 그 중간의 통로부 전 영역에 걸쳐 진공챔버의 주로 벽면에 형성되고, 벽면 사이의 중앙은 빈 공간을 이룬다. 이 경우, 통로부 중앙의 빈 공간은 기상의 작동유체가 기화부로부터 응축부로 이동하는 통로를 구성한다.(참고문헌: [1] Faghri, A, 2016, Heat Pipe Science and Technology, Second edition, Global Digital Press.) Heat pipes are designed for the purpose of efficient heat conduction and diffusion, and are widely used for connecting to external cooling devices in electrical devices, especially computers, where the space near the heat source is narrow and it is difficult to attach a cooling device. The most widely used type is as shown in Fig. 1. In the case of the heat pipe of Fig. 1, the space within the pipe-shaped impermeable outer shell (evelope (sealed outer wall)) is maintained at a pressure lower than the atmospheric pressure, and an evaporator and a condenser are arranged at both ends, and a passageway for a working fluid is provided between them. A wick, which serves as a storage and movement medium for the liquid working fluid, is formed mainly on the wall surface of the vacuum chamber over the entire area of the evaporator, the condenser, and the passageway between them, and the center between the wall surfaces forms an empty space. In this case, the empty space in the center of the passageway forms a passage through which the working fluid moves from the vaporizer to the condenser. (Reference: [1] Faghri, A, 2016, Heat Pipe Science and Technology, Second edition, Global Digital Press.)
상기 도 1에 따른 히트 파이프의 동작을 설명하면, 고온의 외부열원이 기화부의 외각에 접촉하면 심지에 저장된 액상 작동유체가 기화하고, 기상의 작동유체는 압력이 올라감에 따라 통로부 중앙의 빈 공간 통로를 따라 반대쪽의 응축부로 밀려 이동한다. 응축부의 온도는 통상적으로 응축부 외부에 설치된 히트싱트 (냉각핀과 팬)에 의해 낮아진다. 따라서 기상의 작동유체가 응축하여 액체로 바뀌게 된다. 액상의 작동유체는 모세관 현상에 의하여 통로부 벽면에 제공된 심지를 따라 원래의 기화부로 회수된다. 이와 같은 작동유체의 기화와 응축이 반복되면서 히트 파이프의 양단을 이동하는 열역학적인 사이클이 완성되어 단순 전도(conduction)에 비하여 열이 훨씬 효율적으로 전달된다. 따라서 히트 파이프 길이방향의 온도 차이가 작아지게 된다. 이러한 원리로 작동하는 히트 파이프를, 액상의 작동유체가 모세관 현상에 의하여 심지를 따라서 원점으로 되돌아 가므로 모세관 주도형(capillary-driven) 히트 파이프 또는 내부 압력을 떨어뜨려 낮은 온도에서도 기화/응축의 상변태를 용이하게 하였다고 하여 진공챔버형 (vacuum chamber type) 히트 파이프라고 부르기도 한다. The operation of the heat pipe according to the above drawing 1 will be explained as follows. When a high-temperature external heat source comes into contact with the outer surface of the vaporizing section, the liquid working fluid stored in the wick vaporizes, and the gaseous working fluid is pushed along the empty space in the center of the passageway section to the condensing section on the opposite side as the pressure increases. The temperature of the condensing section is usually lowered by a heat sink (cooling fins and fan) installed on the outside of the condensing section. Therefore, the gaseous working fluid condenses and changes into a liquid. The liquid working fluid is returned to the original vaporizing section along the wick provided on the wall of the passageway section by capillary action. As this vaporization and condensation of the working fluid is repeated, a thermodynamic cycle is completed that moves between both ends of the heat pipe, and heat is transferred much more efficiently than by simple conduction. Therefore, the temperature difference in the longitudinal direction of the heat pipe becomes smaller. A heat pipe that operates on this principle is called a capillary-driven heat pipe because the liquid working fluid returns to the origin along the wick by capillary action, or a vacuum chamber type heat pipe because the internal pressure is lowered to facilitate the phase transformation of vaporization/condensation even at low temperatures.
이와 같은 모세관 주도형 히트 파이프에서 모세관 현상에 의해 액상 작동 유체의 저장 및 이동 매질로 동작하는 심지의 재질로 전통적으로 도 2와 같이 소결금속(sintered powder metal), 금속직물(textile or mesh) 그리고 벽면에 가공된 홈(groove)이 사용되고 있다. 이 심지 들은 모세관 현상이 잘 일어나도록 충분히 작은 크기의 기공을 가지고 있으나 내부의 빈공간이 차지하는 비율인 공극률(porosity)이 10~30 % 수준이다. In such capillary-driven heat pipes, wick materials that act as storage and movement media for liquid working fluids through capillary phenomena are traditionally made of sintered powder metal, metal fabric (textile or mesh), and grooves processed on the wall surface, as shown in Fig. 2. These wicks have pores that are small enough to allow the capillary phenomenon to occur well, but the porosity, which is the ratio of the internal empty space, is about 10 to 30%.
전통적인 모세관 주도형 히트 파이프의 일례로, 먼저 (주로) 구리로 이음매 없는 (seamless) 튜브를 제작한 후 내부에 튜브 내경보다 약간 작은 직경을 가진 심축(心軸; mandrel)을 배치한 후 튜브벽과 심축 사이 공간에 구리분말을 넣은 상태로 구리 용융점보다 살짝 낮은 온도에 장시간 가열하여 구리 분말이 소결(sintering)되어 내벽에 달라 붙도록 하여 소결금속 심지를 만든다. 또한 별도로 금속 실을 원통형태로 직조한 것을 튜브 내벽에 밀착하도록 삽입하거나 이음매 없는 튜브를 제작하는 공정의 마지막 단계에 내벽에 흠을 형성하도록 만드는 방법으로 제작할 수도 있다. As an example of a traditional capillary-driven heat pipe, a seamless tube is first manufactured (mainly) with copper, and then a mandrel with a diameter slightly smaller than the inner diameter of the tube is placed inside. Copper powder is placed in the space between the tube wall and the mandrel, and the tube is heated at a temperature slightly lower than the melting point of copper for a long time so that the copper powder sinteres and adheres to the inner wall, thereby creating a sintered metal wick. In addition, a metal thread can be separately woven into a cylindrical shape and inserted so as to adhere closely to the inner wall of the tube, or a method can be used to create a groove in the inner wall in the final stage of the seamless tube manufacturing process.
또 다른 예로, 열을 보다 넓은 면적으로 전달하기 위해서 평면 형태의 히트 파이프가 개발되었다. 즉, 평판 형태의 외각 내면에 심지가 배치된 형태인데 진공에 외각의 붕괴를 방지하기 위해서 내부공간에 기둥이나 벽체를 배치하여 구조 강성을 보강한 것이다. 도 3(a)와 (b)는 각각 심지로서 개방형 발포금속과 홈(goove)을 사용한 것이다. (참고문헌 [2] X. Ji, J. Xu, A.M. Abanda, Copper foam based vapor chamber for high heat flux dissipation, Exp. Therm. Fluid Sci. 40 (2012) 93-102.), [3] M. Wang, W. Cui, Y. Hou, Thermal spreading resistance of grooved vapor chamber heat spreader, Appl. Therm. Eng. 153 (2019) 361-368.)As another example, a flat heat pipe has been developed to transfer heat over a wider area. That is, a wick is arranged on the inner surface of a flat outer shell, and columns or walls are arranged in the inner space to reinforce the structural rigidity in order to prevent the collapse of the outer shell in a vacuum. Figures 3(a) and (b) use open-cell foam metal and grooves as wicks, respectively. (References [2] X. Ji, J. Xu, A.M. Abanda, Copper foam based vapor chamber for high heat flux dissipation, Exp. Therm. Fluid Sci. 40 (2012) 93-102.), [3] M. Wang, W. Cui, Y. Hou, Thermal spreading resistance of grooved vapor chamber heat spreader, Appl. Therm. Eng. 153 (2019) 361-368.)
최근에는 모바일 기기의 냉각을 위하여 종래에 비하여 훨씬 얇은 평판 히트 파이프의 필요성이 증가하고 있다. 이러한 배경에서 Ji 등은 직경 1um 수준의 구리 입자로 구성된 분말을 이용하여 평면 상에 원뿔이 규칙적으로 배열된 것 위에 단순 평판을 덮은 형태를 제안하였다.(도 4(a)) 전체 두께는 3.4 mm이다.(참고문헌 [4] Ji, X. B.; Xu, J. L.; Li, H. C.; Huang, G. H. Switchable Heat Transfer Mechanisms of Nucleation and Convection by Wettability Match of Evaporator and Condenser for Heat Pipes: Nanostructured Surface Effect. Nano Energy 2017, 38, 313325.) 또한 Yang등은 MEMS기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 평행한 홈을 파고 그 위에 다수의 기둥 (pin-fin)을 규칙적인 패턴 (array)으로 배열한 후 그 위에 단순평판을 덮은 형태를 제안하였다.(도 4(b)) 전체 두께는 1.5 mm 이다.(참고문헌 [5] Yang, K. S.; Lin, C. C.; Shyu, J. C.; Tseng, C. Y.; Wang, C. C. Performance and Two-Phase Flow Pattern for Micro Flat Heat Pipes. Int. J. Heat Mass Transfer 2014, 77, 11151123.) In recent years, there has been an increasing need for much thinner flat heat pipes than before for cooling mobile devices. Against this background, Ji et al. proposed a form in which a simple flat plate was covered on top of a plane in which cones were regularly arranged using a powder composed of copper particles with a diameter of 1 μm (Fig. 4(a)). The total thickness was 3.4 mm. (Reference [4] Ji, X. B.; Xu, J. L.; Li, H. C.; Huang, G. H. Switchable Heat Transfer Mechanisms of Nucleation and Convection by Wettability Match of Evaporator and Condenser for Heat Pipes: Nanostructured Surface Effect. Nano Energy 2017, 38, 313325.) In addition, Yang et al. proposed a form in which parallel grooves were dug on a silicon wafer using MEMS technology, a number of pillars (pin-fin) were arranged in a regular pattern (array), and then a simple flat plate was covered on top of it (Fig. 4(b)). The total thickness was 1.5 mm. (Reference [5] Yang, K. S.; Lin, C. C.; Shyu, J. C.; Tseng, C.Y.; Wang, C. C. Performance and Two-Phase Flow Pattern for Micro Flat Heat Pipes. Int. J. Heat Mass Transfer 2014, 77, 11151123.)
또한 Lewis 등은 평판 형태의 박판 위에 구리직물을 배치하고 MEMS기술과 전해도금을 이용하여 구리기둥이 규칙적인 패턴으로 배열된 별도의 박판을 덮은 형태를 제안하였다.(도 5(a)) 전체 두께는 0.5 mm 이다.(참고문헌 [6] Lewis, R.; Xu, S. S.; Liew, L. A.; Coolidge, C.; Yang, R. G.; Lee, Y. C. Thin Flexible Thermal Ground Planes: Fabrication and Scaling Characterization. J. Microelectromech. Syst. 2015, 24 (6), 20402048.) Tang 등은 튜브 형태로 짜여진 구리 구리직물을 압착한 것을, 마찬가지로 압착된 구리튜브의 중앙부에 배치하여 구리직물이 심지 역할과 평판의 지지부 역할을 동시에 하도록 하고 구리직물 양편의 공간을 증기의 이동통로 역할을 하는 형태를 제안하였다.(도 5(b)) 심지 두께는 0.24 mm 이다. 이 경우, 명시되지는 않았으나 전체 두께는 0.5 mm정도로 추정된다.(참고문헌 [7] Tang, Y.; Tang, H.; Li, J.; Zhang, S. W.; Zhuang, B. S.; Sun, Y. L. Experimental Investigation of Capillary Force in a Novel Sintered Copper Mesh Wick for Ultra-Thin Heat Pipes. Appl. Therm. Eng. 2017, 115, 10201030.)In addition, Lewis et al. proposed a structure in which a copper fabric is placed on a flat plate and a separate thin plate with copper pillars arranged in a regular pattern is covered using MEMS technology and electroplating (Fig. 5(a)). The total thickness is 0.5 mm. (Reference [6] Lewis, R.; Xu, S. S.; Liew, L. A.; Coolidge, C.; Yang, R. G.; Lee, Y. C. Thin Flexible Thermal Ground Planes: Fabrication and Scaling Characterization. J. Microelectromech. Syst. 2015, 24 (6), 20402048.) Tang et al. proposed a structure in which a copper fabric woven into a tube shape is pressed and placed in the center of a similarly pressed copper tube so that the copper fabric acts as both a core and a support for the flat plate, and the space on both sides of the copper fabric acts as a passage for the vapor to move (Fig. 5(b)). The core thickness is 0.24 mm. In this case, the total thickness is estimated to be about 0.5 mm, although not specified. (Reference [7] Tang, Y.; Tang, H.; Li, J.; Zhang, S. W.; Zhuang, B. S.; Sun, Y. L. Experimental Investigation of Capillary Force in a Novel Sintered Copper Mesh Wick for Ultra-Thin Heat Pipes. Appl. Therm. Eng. 2017, 115, 10201030.)
가장 최근인 2021년에 Luo 등은 두 장의 구리 박판의 한쪽 표면에 구리 전해도금을 통하여 100 um 두께의 수지상(dendrite) 조직 층(layer)을 형성한 후 서로 마주 보도록 배치하고 그 사이에 평행한 복수의 띠(strip)형 타공을 가진 지지판을 배치하여 수지상 조직 도금층이 심지 역할을 하고 지지판의 띠형 타공이 증기의 통로 역할을 하는 평판 히트 파이프을 제안하였다.(도 6) 전체 두께는 0.5 mm 이다.(참고문헌 [8] J. L. Luo, D. C. Mo, Y. Q. Wang, and S. S. Lyu, Biomimetic Copper Forest Wick Enables High Thermal Conductivity Ultrathin Heat Pipe. ACS Nano, 2021, 15, 66146621.) 이 방법은 전해도금을 이용하는 만큼 전극 사이의 거리와 배치에 따라 수지상 조직의 형성이 민감하게 달라질 것이므로 히트 파이프에서 심지의 형상이 평면이 아닌 경우에는 적용할 수 없다는 문제가 있다. Most recently, in 2021, Luo et al. formed a 100 μm thick dendrite layer on one surface of two copper foils through copper electroplating, then arranged them so that they faced each other and placed a support plate with multiple parallel strip-shaped perforations between them, so that the dendrite plating layer served as a wick and the strip-shaped perforations of the support plate served as a vapor passage. The total thickness was 0.5 mm. (Reference [8] J. L. Luo, D. C. Mo, Y. Q. Wang, and S. S. Lyu, Biomimetic Copper Forest Wick Enables High Thermal Conductivity Ultrathin Heat Pipe. ACS Nano, 2021, 15, 66146621.) Since this method uses electroplating, there is a problem that it cannot be applied when the shape of the wick in the heat pipe is not flat, since the formation of the dendritic tissue is sensitive to the distance and arrangement between the electrodes.
그러나 이상 언급된 종래 전통적인 모세관 주도형 히트 파이프는 물론 최근 새롭게시도되고 있는 히트 파이프조차도, 각각의 제조 방법들이 복잡할 뿐만 아니라 특히 최근의 모바일 기기에 적용되기에는 한계가 있다. 구체적으로, 종래의 히트 파이프는 압출과 신선 공정으로 구성된 전통적인 기계가공을 통하여 제작된 구리 튜브를 외각으로 삼아 내부에 심지를 형성하는 단계와 동작유체 주입 및 진공과 밀봉 과정을 통하여 제작된다. 이 경우, 기계가공으로 구리튜브를 일정 두께 이하로 제작, 즉 소형, 경량화하는 것이 기술적으로 곤란하다. 또한 심지는 소결금속, 발포체, 직물 등 배치 혹은 형성하거나, 홈 또는 MEMS 정밀 가공하거나, 또는 전해도금 등의 방법으로 형성하여 제조되고 있기 때문에, 공정 난이도가 클 뿐만 아니라 공극률 (porosity)이 50% 이하로 비교적 낮아 투입되는 작동유체의 양 및 전달가능한 열용량도 작다. 또한 외각 형성 방법 자체 한계 또는 심지 형성 방식에 따른 영향으로 인해 단순한 봉상 또는 평판 형상 외에는 자유로운 외각 형성이 어렵기 때문에 설치 공간과 관련된 제약도 피하기 어렵다. However, the conventional capillary-driven heat pipes mentioned above, as well as the heat pipes that are being newly attempted recently, have complicated manufacturing methods and are particularly limited in their application to recent mobile devices. Specifically, conventional heat pipes are manufactured by forming a wick inside a copper tube manufactured through traditional mechanical processing consisting of extrusion and drawing processes as an outer shell and then manufacturing them through a step of injecting a working fluid and a vacuum and sealing process. In this case, it is technically difficult to manufacture the copper tube below a certain thickness through mechanical processing, that is, to make it small and lightweight. In addition, since the wick is manufactured by arranging or forming sintered metal, foam, fabric, etc., or by forming it through groove or MEMS precision processing, or by electroplating, etc., the process difficulty is high and the porosity is relatively low at 50% or less, so the amount of working fluid injected and the heat capacity that can be transferred are small. In addition, due to the limitations of the outer shell formation method itself or the influence of the wick formation method, it is difficult to freely form the outer shell other than a simple rod or flat shape, so it is difficult to avoid restrictions related to the installation space.
한편, 최근에는 다양한 형태의 극저밀도 재료가 소개되고 있다. 일례로 2011년에는 Microlattice라고 명명된 혁신적인 극저밀도 재료가 소개되었고, 해당 극저밀도 재료는 두께 100 nm수준의 극단적으로 얇은 금속 박막으로 구성된 직경 수백 um, 길이 수 mm 튜브가 주기적인 트러스를 형성하는 멀티스케일(multiscale) 계층(hierarchical) 구조를 이루고 있어 밀도가 물의 1/1000 정도까지 낮아질 수 있으면서도 상대적으로 강도와 강성이 높으며 대 변형 후에도 탄성 회복이 가능하다.(도 7, 참고문헌 [9] T.A. Schaedler, A.J. Jacobsen, A. Torrents, A.E. Sorensen, J. Lian, J.R. Greer, L. Valdevit, W.B. Carter, Science 334 (2011) 962-965.) 뒤이어 Nanolattice, Mechanical metamaterial 등 유사한 구조를 가진 극저밀도 재료가 등장하였다.(도 8 (a), (b), 참고문헌 [10] L.R. Meza, S. Das, J.R. Greer, Science 345 (2014) 1322-1326. [11] X. Zheng, H. Lee, T.H. Weisgraber, M. Shusteff, J. DeOtte, E.B. Duoss, J.D. Kuntz, M.M. Biener, Q. Ge, J.A. Jackson, S.O. Kucheyev, N.X. Fang, C.M. Spadaccini, Science 344 (2014) 1373-1377.) 또한 본 발명자 등은 3주기 최소곡면 (triply periodic minimal surface: TPMS) 형태의 박막구조체인 Shellular를 극저밀도 재료로 소개한 바 있다.(도 9, [12] S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang, Adv. Mater. 27 (2015) 5506-5511. [13] S.C. Han, K. Kang, Materials Today 31 (2019) 31-38.) 이러한 재료들은 모두 이 재료들은 모두 폴리머로 트러스 형태의 템플릿을 제조한 후 무전해도금이나 화학증착(chemical vapor deposition: CVD), 원자층증착 (atomic layer deposition: ALD)으로 표면에 금속이나 세라믹을 적층한 후 내부의 폴리머 템플릿을 식각하여 만들어진다. 이 적층 방법들은 모두 3차원 공간상의 위치나 방향에 관계없이 모든 표면에 균일한 두께의 고상 물질을 적층하는 특징이 있다. Meanwhile, various types of ultra-low-density materials have been introduced recently. For example, in 2011, an innovative ultra-low-density material called Microlattice was introduced. The ultra-low-density material consists of a multiscale hierarchical structure in which tubes with a diameter of several hundred μm and a length of several mm, made of extremely thin metal films with a thickness of 100 nm, form a periodic truss, so that the density can be reduced to about 1/1000 of that of water, while still having relatively high strength and stiffness and enabling elastic recovery even after large deformation. (Fig. 7, Reference [9] T.A. Schaedler, A.J. Jacobsen, A. Torrents, A.E. Sorensen, J. Lian, J.R. Greer, L. Valdevit, W.B. Carter, Science 334 (2011) 962-965.) Subsequently, ultra-low-density materials with similar structures such as Nanolattice and Mechanical metamaterials appeared. (Fig. 8 (a), (b), Reference [10] L.R. Meza, S. Das, J.R. Greer, Science 345 (2014) 1322-1326. [11] X. Zheng, H. Lee, T.H. Weisgraber, M. Shusteff, J. DeOtte, E.B. Duoss, J.D. Kuntz, M.M. Biener, Q. Ge, J.A. Jackson, S.O. Kucheyev, N.X. Fang, C.M. Spadaccini, Science 344 (2014) 1373-1377.) In addition, the inventors of the present invention have introduced Shellular, a thin film structure in the form of a triply periodic minimal surface (TPMS), as an ultra-low-density material. (Fig. 9, [12] S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang, Adv. Mater. 27 (2015) 5506-5511. [13] S.C. Han, K. Kang, Materials Today 31 (2019) 31-38.) All of these materials are made by manufacturing a truss-shaped template with a polymer, then depositing metal or ceramic on the surface through electroless plating, chemical vapor deposition (CVD), or atomic layer deposition (ALD), and then etching the polymer template inside. All of these deposition methods have the characteristic of depositing solid materials with a uniform thickness on all surfaces regardless of the location or orientation in three-dimensional space.
상기한 극저밀도 재료들은 그 응용에 관한 논의가 지속적으로 이루어지고 있으나, 현재까지 해당 재료들은 본 발명의 주제인 히트 파이프에 적용한 사례는 확인되지 않는다. 이러한 배경하에 본 발명자 등은, 상기 극저밀도 재료들은 템플릿의 형상에 관계 없이 균일한 벽두께를 갖는 경량의 박막 구조체로 구현될 수 있기 때문에, 이를 히트 파이프의 외각으로 활용할 수 있다면 종래 모세관 주도형 히트 파이프들이 갖는 한계를 해소하여 월등히 가볍고 자유로운 외형을 갖는 혁신적인 히트 파이프를 구현할 수 있을 것으로 기대하여 그 구체적인 방안을 모색하기에 이르렀다. The above-mentioned ultra-low-density materials have been continuously discussed regarding their applications, but to date, there has been no confirmed case of applying the materials to a heat pipe, which is the subject of the present invention. Against this backdrop, the inventors of the present invention have anticipated that if the above-mentioned ultra-low-density materials can be implemented as a lightweight thin-film structure having a uniform wall thickness regardless of the shape of the template, it will be possible to implement an innovative heat pipe having a significantly lighter and freer appearance by resolving the limitations of conventional capillary-driven heat pipes if this can be utilized as the outer shell of the heat pipe, and have sought specific measures for this.
본 발명은, 상기 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초소형, 경량화에 유리하고 자유로운 외형으로 구현될 수 있고, 제작이 용이한 모세관 주도형 히트 파이프를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the problems of the above-mentioned prior art, and aims to provide a capillary-driven heat pipe that is advantageous in being ultra-small and lightweight, can be implemented with a free external shape, and is easy to manufacture.
본 발명자 등은, 상기 해결과제와 관련된 모세관 주도형 히트 파이프를 연구 및 개발하는 과정에서, (i) 3D 프린팅 또는 기타의 방법으로 자유로운 형상 및 크기을 갖는 템플릿을 제조하고, 해당 템플릿을 이용해 균질한 두께의 비투과성 제1 무전해 도금층을 형성하여 제조되는 극저밀도 박막 구조체를 히트 파이프의 외각으로 구성하는 한편, (ii) 극저밀도 박막 구조체의 표면, 즉 제1 무전해 도금층의 표면에 비투과성 또는 다공성의 제2 무전해 도금층을 형성하되 해당 다공성 무전해 도금층에 대해 흑화(黑化) 처리 등의 친수처리를 하여 히트 파이프의 심지로 구성하면 모세관 주도형 히트 파이프에 적용하기에 충분한 모세관력(capillary force)를 가질 수 있다는 사실을 확인하고, 이렇게 제조된 히트 파이프는 그 제조방법이 간단 용이할 뿐만 아니라 3차원 공간 상에서 위치나 방향에 관계없이 균일 두께로 매우 얇은 무전해 도금층을 외곽 및 심지의 재료로 하고 있기 때문에 소형, 경량화가 가능하고 자유로운 외형으로 구현되어 모바일 기기에 유리하게 적용될 수 있음을 주목하여 본 발명에 이르게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.The inventors of the present invention, in the process of researching and developing a capillary-driven heat pipe related to the above-mentioned problem, (i) manufactured a template having a free shape and size by 3D printing or other methods, and formed a first electroless plating layer having a uniform thickness using the template to form an ultra-low-density thin film structure as the outer shell of the heat pipe, and (ii) formed an impermeable or porous second electroless plating layer on the surface of the ultra-low-density thin film structure, that is, the surface of the first electroless plating layer, and subjected the porous electroless plating layer to a hydrophilic treatment such as blackening to form the core of the heat pipe, thereby confirming that the heat pipe manufactured in this way can have sufficient capillary force to be applied to the capillary-driven heat pipe, and not only is the manufacturing method simple and easy, but also uses a very thin electroless plating layer with a uniform thickness as the material for the outer shell and the core regardless of the position or direction in three-dimensional space, so that it can be made small and lightweight and can be implemented with a free external shape, so that it can be used for mobile devices. It was noted that the present invention can be advantageously applied to the device. The recognition of the above-mentioned problem and the gist of the present invention based on it are as follows.
(1) 비투과성의 벽체로 구성되고 외부와 차폐된 내부 공간이 구비된 외각; 및 상기 외각의 내부 벽면에 제공되어 액상 작동유체를 저장하는 한편, 액상 작동유체의 이동 매질(medium)로 제공되는 심지(wick);를 포함하는 모세관 주도형 히트 파이프에 있어서, 상기 외각 및 심지 각각은 제1 무전해 도금층 및 제2 무전해 도금층으로 이루어지고, 상기 제1 무전해 도금층은 비투과성이고 적어도 상기 제2 무전해 도금층은 친수처리된 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프. (1) A capillary-driven heat pipe including an outer shell having an internal space shielded from the outside and composed of an impermeable wall; and a wick provided on an inner wall surface of the outer shell to store a liquid working fluid and serve as a moving medium of the liquid working fluid; wherein each of the outer shell and the wick is composed of a first electroless plating layer and a second electroless plating layer, and the first electroless plating layer is impermeable and at least the second electroless plating layer is hydrophilically treated.
(2) 상기 제2 무전해 도금층은 비투과성인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 모세관 주도형 히트 파이프.(2) The capillary-driven heat pipe of (1), characterized in that the second electroless plating layer is non-permeable.
(3) 상기 제2 무전해 도금층은 다공성인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 모세관 주도형 히트 파이프.(3) The capillary-driven heat pipe of (1), characterized in that the second electroless plating layer is porous.
(4) 상기 외각은 TPMS 구조체 형상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 모세관 주도형 히트 파이프.(4) A capillary-driven heat pipe according to any one of (1) to (3), characterized in that the outer shell has a TPMS structure shape.
(5) 비투과성의 벽체로 구성되고 외부와 차폐된 내부 공간이 구비된 외각; 및 상기 외각의 내부 벽면에 제공되어 액상 작동유체를 저장하는 한편, 액상 작동유체의 이동 매질(medium)로 제공되는 심지(wick);를 포함하는 모세관 주도형 히트 파이프에 있어서, 상기 외각 및 심지를 하나의 비투과성 무전해 도금층으로 구성하고, 상기 비투과성 무전해 도금층 중 적어도 심지로 제공되는 측의 표면이 친수처리된 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프.(5) A capillary-driven heat pipe including an outer shell having an internal space shielded from the outside and composed of an impermeable wall; and a wick provided on an inner wall surface of the outer shell to store a liquid working fluid and serve as a moving medium of the liquid working fluid; wherein the outer shell and the wick are composed of a single impermeable electroless plating layer, and at least a surface of the impermeable electroless plating layer on the side provided as the wick is hydrophilically treated.
(6) (a) 외각 및 심지를 형성하는 단계; (b) 외각 내부 공간에 작동유체를 주입하는 단계; 및 (c) 외각 내부 공간에 대해 진공을 형성한 후 밀봉하는 단계;를 포함하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a-1) 템플릿을 형성하는 단계; (a-2) 및 상기 템플릿을 매개로 하여 상기 외각을 구성하는 비투과성의 제1 무전해 도금층과 상기 심지를 구성하는 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및 (a-3) 적어도 상기 제2 무전해 도금층에 대해 친수처리하는 단계;를 포함하되, 상기 (a-2) 단계는 상기 다공성 무전해 도금층의 형성 전 또는 후에 상기 템플릿을 제거하는 단계를 수반하는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(6) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, comprising: (a) forming an outer shell and a wick; (b) injecting a working fluid into an inner space of the outer shell; and (c) forming a vacuum for the inner space of the outer shell and then sealing it; wherein step (a) comprises: (a-1) forming a template; (a-2) and forming an impermeable first electroless plating layer forming the outer shell and a second electroless plating layer forming the wick using the template; and (a-3) performing a hydrophilic treatment on at least the second electroless plating layer; wherein step (a-2) involves removing the template before or after formation of the porous electroless plating layer.
(7) 상기 (a-2) 단계는, (a-2-1) 상긱 템플릿의 노출면에 상기 제1 무전해 도금층을 형성하는 단계; (a-2-2) 상기 템플릿을 제거하는 단계; 및 (a-2-3) 상기 제1 무전해 도금층의 노출면에 상기 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계;로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(7) The method for manufacturing a capillary-driven heat pipe of (6), characterized in that the step (a-2) is performed by: (a-2-1) forming the first electroless plating layer on the exposed surface of the above-mentioned template; (a-2-2) removing the template; and (a-2-3) forming the second electroless plating layer on the exposed surface of the first electroless plating layer.
(8) 상기 (a-2-2)와 (a-2-3) 단계 사이에, 상기 제1 무전해 도금층의 노출면 중 일면에 도금 방지를 위한 전처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(8) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe according to (7), characterized in that it further comprises a step of performing pretreatment to prevent plating on one of the exposed surfaces of the first electroless plating layer between steps (a-2-2) and (a-2-3).
(9) 상기 (a-2) 단계는, (a-2-1) 상기 템플릿 노출면에 제1 무전해 도금층을 형성하는 단계; (a-2-2) 상기 제1 무전해 도금층의 노출면에 상기 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및 (a-2-3) 상기 템플릿을 제거하는 단계;로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(9) The method for manufacturing a capillary-driven heat pipe of (6), characterized in that the step (a-2) is performed by: (a-2-1) forming a first electroless plating layer on the exposed surface of the template; (a-2-2) forming a second electroless plating layer on the exposed surface of the first electroless plating layer; and (a-2-3) removing the template.
(10) 상기 (a-2-1) 단계 이전에, 상기 템플릿의 노출면 중 일면에 도금 방지를 위한 전처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (9)의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(10) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe according to (9), characterized in that it further comprises a step of performing pretreatment to prevent plating on one of the exposed surfaces of the template prior to the step (a-2-1).
(11) 상기 제2 무전해 도금층은 비투과성인 것을 특징으로 하는 상기 (6) 내지 (10)중 어느 하나의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(11) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe according to any one of (6) to (10), characterized in that the second electroless plating layer is non-permeable.
(12) 상기 제2 무전해 도금층은 다공성인 것을 특징으로 하는 상기 (6) 내지 (10)중 어느 하나의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(12) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe according to any one of (6) to (10), characterized in that the second electroless plating layer is porous.
(13) 상기 템플릿은 TPMS 구조체 형상인 것을 특징으로 하는 상기 (6) 내지 (10)중 어느 하나의 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(13) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe according to any one of (6) to (10), characterized in that the template has a TPMS structure shape.
(14) (a) 외각 및 심지를 형성하는 단계; (b) 외각 내부 공간에 작동유체를 주입하는 단계; 및 (c) 외각 내부 공간에 대해 진공을 형성한 후 밀봉하는 단계;를 포함하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a-1) 템플릿을 형성하는 단계; (a-2) 및 상기 템플릿을 매개로 하여 상기 외각 및 심시를 구성하는 하나의 비투과성 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및 (a-3) 상기 비투과성 무전해 도금층 중 적어도 심지로 제공되는 측의 표면을 친수처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.(14) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, comprising: (a) a step of forming an outer shell and a wick; (b) a step of injecting a working fluid into an inner space of the outer shell; and (c) a step of forming a vacuum for the inner space of the outer shell and then sealing it; wherein the step (a) comprises: (a-1) a step of forming a template; (a-2) and a step of forming an impermeable electroless plating layer constituting the outer shell and the wick using the template as a medium; and (a-3) a step of hydrophilizing a surface of at least a side of the impermeable electroless plating layer that serves as a wick.
본 발명에 따르면, 3D 프린팅 또는 기타의 방법으로 자유로운 형상 및 크기을 갖는 템플릿을 제조하고, 해당 템플릿을 이용해 균질한 두께의 비투과성 제1 무전해 도금층을 형성하여 제조되는 극저밀도 박막 구조체를 히트 파이프의 외각으로 구성함으로써 종래 압출, 신선과 같은 기계 가공으로 제조되는 외각 대비 소형, 경량화에 유리하고 형상을 자유롭게 구현할 수 있다. According to the present invention, a template having a free shape and size is manufactured by 3D printing or other methods, and a first electroless plating layer having a non-permeable thickness is formed using the template to form an ultra-low-density thin film structure as the outer shell of a heat pipe, thereby making it advantageous in terms of miniaturization and weight reduction and freely implementing a shape compared to an outer shell manufactured by conventional mechanical processing such as extrusion or drawing.
또한 극저밀도 박막 구조체의 표면, 즉 비투과성 제1 무전해 도금층 표면에 제2 무전해 도금층을 형성하되 해당 제2 무전해 도금층에 대해 흑화(黑化) 처리 등의 친수처리를 하여 히트 파이프의 심지로 구성함으로써, 외각의 형태에 상관없이 심지의 두께를 필요한 만큼 균일하게 정밀 제어할 수 있어 경량화에 유리할 뿐만 아니라 우수한 모세관력을 확보함으로써 얇은 두께에 불구하고 우수한 전달가능한 열용량을 구현할 수 있다. 특히 제2 무전해 도금층을 다공성으로 구성하는 경우 작동유체의 보유량을 증가시킬 수 있어 유리하다. In addition, by forming a second electroless plating layer on the surface of the ultra-low-density thin film structure, that is, the surface of the non-permeable first electroless plating layer, and performing a hydrophilic treatment such as a blackening treatment on the second electroless plating layer to form a wick of a heat pipe, the thickness of the wick can be precisely controlled uniformly as necessary regardless of the shape of the outer shell, which is not only advantageous for weight reduction, but also secures excellent capillary force, thereby implementing excellent transferable heat capacity despite the thin thickness. In particular, when the second electroless plating layer is formed to be porous, it is advantageous because the retention amount of the working fluid can be increased.
이와 같은 히트 파이프는 우수한 전달가능항 열용량을 갖고 초소형, 경량 및 다양한 형상으로 제작될 수 있기 때문에, 특히 모바일 기기와 같이 설치되는 내부 공간에서의 제약이 심한 장치에 대한 냉각을 위해 유리하게 적용될 수 있다.Since such heat pipes have excellent transferable heat capacity and can be manufactured in an ultra-small, lightweight, and diverse shape, they can be advantageously applied to cooling devices with severe restrictions on the internal space in which they are installed, such as mobile devices.
또한 본 발명에 따른 히트파이프는, 폴리머 템플릿을 제작하는 단계, 2단의 무전해 도금층을 형성하는 단계, 도금층 아래의 폴리머 템플릿을 식각하는 단계, 작동유체를 주입하는 단계, 진공 형성 및 밀봉하는 단계;의 일련의 과정을 통해 용이하게 제작될 수 있고, 단위 공정 모두가 소음이나 진동, 화열 등을 발생시키기 않는 소형 장비로 수행될 수 있어 다픔종 소량 생산에 유리할 수 있다.In addition, the heat pipe according to the present invention can be easily manufactured through a series of processes including a step of manufacturing a polymer template, a step of forming a two-stage electroless plating layer, a step of etching the polymer template under the plating layer, a step of injecting a working fluid, and a step of forming and sealing a vacuum; and all of the unit processes can be performed with small equipment that does not generate noise, vibration, heat, etc., so that it can be advantageous for small-scale production of a variety of products.
도 1은 종래 모세관 주도형 히트 파이프의 구조도.
도 2 ~ 도 6은 종래 모세관 주도형 히트 파이프의 다양한 심지 구조에 관한 예시도.
도 7 내지 도 9는 종래 극저밀도 재료에 관한 구조도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 히트 파이프의 제작 공정도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 히트 파이프의 다양한 형상에 관한 예시도.
도 12는 본 발명의 히트 파이프로 구현될 수 있는 TPMS 구조체의 예시도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 히트 파이프 시제품 제작 공정도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 히트 파이프에 대해 동작상태에서 촬상된 적외선 사진.
도 15는 본 발명 시제품과 공지된 상용품 사이에서 유사성능을 기준으로 비교한 히트 파이프 규격에 관한 설명 도면.Figure 1 is a structural diagram of a conventional capillary-driven heat pipe.
Figures 2 to 6 are examples of various wick structures of a conventional capillary-driven heat pipe.
Figures 7 to 9 are structural diagrams of conventional ultra-low-density materials.
Figure 10 is a manufacturing process diagram of a heat pipe according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an exemplary diagram of various shapes of heat pipes according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an example of a TPMS structure that can be implemented with a heat pipe of the present invention.
Figure 13 is a process diagram for manufacturing a heat pipe prototype according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an infrared photograph taken in an operating state of a heat pipe according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 is an explanatory drawing of heat pipe specifications compared based on similar performance between a prototype of the present invention and a known commercial product.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their conventional or dictionary meanings, and should be interpreted as meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best way. Therefore, the configuration of the embodiments described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all of the technical ideas of the present invention, so it should be understood that there may be various equivalents and modified examples that can replace them at the time of filing the present invention. Meanwhile, in the drawings, the same or similar reference numbers are given to the same or equivalent parts, and also, throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, this does not exclude other components, but means that other components can be further included, unless specifically stated otherwise.
본 발명은 제1 무전해 도금층 및 제2 무전해 도금층의 2단의 무전해 도금층을 이용해 히트 파이프를 구성하되, 외각으로 제공되는 제1 도금층은 히트 파이프의 내부로부터 외부로 작동유체가 이탈되는 것을 방지하기 위해 비투과성으로 제작되고, 심지로 제공되는 제2 도금층은 비투과성 또는 다공성으로 제작될 수 있되 친수처리된 것을 기본적인 특징으로 한다. 참고적으로 이하의 설명에서는, '균질금속(층)'은 '비투과성 무전해 도금 금속(층)' 또는 '비투과성 무전해 도금층'을 의미하고, '다공성 금속(층)'은 '다공성 무전해 도금 금속(층)' 또는 '다공성 무전해 도금층'을 의미한다. The present invention comprises a heat pipe using two electroless plating layers, a first electroless plating layer and a second electroless plating layer, wherein the first plating layer provided as an outer shell is manufactured to be impermeable to prevent a working fluid from escaping from the inside to the outside of the heat pipe, and the second plating layer provided as a wick may be manufactured to be impermeable or porous, but is characterized by being hydrophilically treated. For reference, in the following description, 'homogeneous metal (layer)' means 'impermeable electroless plating metal (layer)' or 'impermeable electroless plating layer', and 'porous metal (layer)' means 'porous electroless plating metal (layer)' or 'porous electroless plating layer'.
모세관 주도형 히트 파이프의 제조Fabrication of capillary driven heat pipes
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 모세관 주도형 히트 파이프의 제작 공정을 나타낸다. Figure 10 shows a manufacturing process of a capillary-driven heat pipe according to an embodiment of the present invention.
먼저, 성형 및 제거가 용이한 예컨대 폴리머 재질로 템플릿을 만든다. 이를 위하여 3D 프린트와 사출성형을 포함한 알려진 모든 폴리머 구조체 제작공정을 사용할 수 있다. 도 10(a)와 (b)는 각각 양각 (陽刻, positive template)과 음각 (negative template) 형태로 제작된 폴리머 템플릿을 이용하여 히트 파이프의 외각과 심지를 제작하는 개략도이다. 도 10은 히트 파이프 최종 형상이 원통 막대형인 것을 가정하여 공정에 따라 그 단면의 변화를 도시한 것이다. 한편 아래 도 10의 설명에서 심지를 구성하는 무전해 도금층이 다공성으로 제작되는 것을 예정하여 설명하였으나, 심지가 비투과성으로 제작되는 경우에 있어서도 전체적인 공정의 순서는 동일하다. First, a template is made of, for example, a polymer material that is easy to mold and remove. For this purpose, any known polymer structure manufacturing process, including 3D printing and injection molding, can be used. Figs. 10(a) and (b) are schematic diagrams for manufacturing the outer shell and wick of a heat pipe using polymer templates manufactured in positive and negative template forms, respectively. Fig. 10 assumes that the final shape of the heat pipe is a cylindrical rod, and illustrates the change in its cross-section according to the process. Meanwhile, in the description of Fig. 10 below, it is assumed that the electroless plating layer constituting the wick is manufactured to be porous, but even if the wick is manufactured to be non-permeable, the overall process sequence is the same.
구체적으로, 도 10(a)는 양각 폴리머 템플릿를 제작하는 단계와; 무전해 도금으로 그 표면에 균질금속의 외각을 형성하는 단계와; 양단에서 외각 일부을 제거하여 내부의 폴리머를 노출한 후 물리, 화학 또는 열적인 방법으로 식각 (etching)하여 균질금속 외각만을 남기는 단계와; 무전해 도금으로 외각 내/외부 표면에 다공성 금속층을 형성하는 단계와; 다공성 금속층에 대해 친수처리하는 단계(도면 미도시);를 나타낸다. 실제로 외각 바깥쪽 표면의 다공성 금속층은 심지로 이용할수 없으므로 도금액의 낭비라고 볼 수 있다. 이 부분의 도금을 방지하기 위하여, 세번째의 템플릿 제거와 네번째의 다공성 금속층 형성의 중간 단계에서 균질금속으로 이루어진 외각의 노출면 중 일면에 파라핀과 같은 비도금성 물질을 코팅함으로써 도금 방지를 위한 전치리를 수행할 수도 있다(도면 미도시). 이에 따라 도금 방지가 이루어진 균질금속의 표면에 대해서는 다공성 금속층이 형성되지 않을 수 있다. Specifically, FIG. 10(a) shows the steps of: producing a positive polymer template; forming a homogeneous metal shell on its surface by electroless plating; removing a portion of the shell from both ends to expose the polymer inside, and then etching it by a physical, chemical, or thermal method to leave only the homogeneous metal shell; forming a porous metal layer on the inner/outer surface of the shell by electroless plating; and performing a hydrophilic treatment on the porous metal layer (not shown in the drawing). In fact, the porous metal layer on the outer surface of the shell cannot be used as a wick, so it can be considered a waste of plating solution. In order to prevent plating of this part, a pretreatment for preventing plating may be performed by coating a non-plating material such as paraffin on one of the exposed surfaces of the shell made of the homogeneous metal in the intermediate step between the third template removal and the fourth porous metal layer formation (not shown in the drawing). Accordingly, the porous metal layer may not be formed on the surface of the homogeneous metal on which plating prevention has been performed.
도 10(b)는 음각 폴리머 템플릿를 제작하는 단계와; 무전해 도금으로 그 안쪽 표면에 균질금속의 외각을 형성하는 단계와; 무전해 도금으로 외각 내부 표면에 다공성 금속층을 형성하는 단계와; 템플릿 바깥쪽이나 외각 양단의 일부을 제거하여 내부의 폴리머를 노출한 후 물리, 화학 또는 열적인 방법으로 식각(etching)하여 균질금속 외각만을 남기는 단계와; 다공성 금속층에 대해 친수처리하는 단계(도면 미도시);를 나타낸다. 도 10(b)에 도시되어 있지는 않지만, 음각 템플릿의 경우 노출면은 내/외 양면일 수 있기 때문에 두번째의 균질금속 형성 이전에 템플릿의 노출면 중 일면에 대해서 상술한 비도금성 물질을 코팅하는 도금 방지 전처리를 수행함으로써, 후속의 균질금속 및 다공성 금속층이 형성되는 면을 처음부터 제한하여 도금액의 낭비를 막을 수 있다. FIG. 10(b) illustrates the steps of manufacturing an intaglio polymer template; forming a homogeneous metal shell on its inner surface by electroless plating; forming a porous metal layer on the inner surface of the shell by electroless plating; removing the outside of the template or part of both ends of the outside to expose the inner polymer and then etching the same by a physical, chemical or thermal method to leave only the homogeneous metal shell; and performing a hydrophilic treatment on the porous metal layer (not shown in the drawing). Although not shown in FIG. 10(b), in the case of the intaglio template, since the exposed surface may be both the inner and outer surfaces, by performing a plating prevention pretreatment of coating the non-plating material described above on one of the exposed surfaces of the template before the second homogeneous metal formation, the surface on which the subsequent homogeneous metal and porous metal layers are formed can be restricted from the beginning, thereby preventing waste of the plating solution.
한편 도 10(b)는 음각 템플릿을 이용하는 경우로서 템플릿의 안쪽 면에 대해서만 2단의 무전해 도금층을 먼저 형성하고 그 다음에 템플릿을 제거하는 경우를 예정하여 나타내고 있지만, 앞서 양각 템플릿을 이용하는 경우와 마찬가지로 2단의 무전해 도금층을 형성하는 중간 단계에서 템플릿을 제거하는 방식으로 수행될 수도 있다. 이 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 템플릿 제거와 다공성 금속층 형성의 중간 단계에서 균질금속으로 이루어진 외각의 노출면 중 일면에 비도금성 물질을 코팅함으로써 도금 방지를 위한 전치리를 수행할 수도 있음은 물론이다. Meanwhile, Fig. 10(b) shows a case where a negative template is used, in which a two-stage electroless plating layer is first formed only on the inner surface of the template and then the template is removed. However, as in the case where a positive template is used, the template may be removed in the middle of forming the two-stage electroless plating layer. In this case, as described above, it goes without saying that pretreatment for plating prevention may be performed by coating a non-plating material on one of the exposed surfaces of the outer shell made of a homogeneous metal in the middle of the template removal and the porous metal layer formation.
상기 폴리머 템플릿은 사출성형 등 전형적인 폴리머 제품 제작공정을 사용할 수도 있고, 3D 프린트나 레고 완구 같이 이미 제작된 폴리머 제품을 조립 또는 결합하여 제조할 수도 있다. 만일 템플릿 표면에 흠집이나 요철이 존재하면 샌드페이퍼로 연마와 같은 기계적인 방법이나 순간적으로 표면에 열을 가하여 국부적인 용융을 하는 방법이나, 화학적으로 표면만 용해하는 방법을 적용할 수 있다. 화학적 표면처리법으로 본 발명자 등이 특허 제10-2289462 호에서 제안한 2가지 용제 (solvent)를 이용한 한처리법 (Han's treatment)를 이용할 수 도 있다.The above polymer template can be manufactured using a typical polymer product manufacturing process such as injection molding, or by assembling or combining already manufactured polymer products such as 3D printing or Lego toys. If there are scratches or unevenness on the template surface, a mechanical method such as sandpaper polishing, a method of momentarily applying heat to the surface to locally melt it, or a method of chemically dissolving only the surface can be applied. As a chemical surface treatment method, the Han's treatment using two solvents suggested by the inventors of the present invention in Patent No. 10-2289462 can also be used.
상기 균질금속 외각과 다공성 금속층의 심지의 형성에 필요한 무전해 도금 방법 및 도금용액은 공지된 문헌 자료를 참조할 수 있다.(참고문헌: [14] C. A. Deckert, "Electroless Copper Plating A Review: Part I," PLATING & SURFACE FINISHING, pp. 48-55 (1995). / [15] J. Sudagar, J. Lian, W. Sha, "Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings - A critical review.," Journal of Alloys and Compounds, 571 (2013) 183-204. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.107, / [16] Tomoyuki FUJINAMI, Kentei KOU, Hideo HONMA, "Formation of the Porous Film by Electroless Copper Plating," 일본 エレクトロニクスVol.1 No.1(1998) 66-69. / [17] Heon-Cheol Shin and Meilin Liu, "Copper Foam Structures with Highly Porous Nanostructured Walls," Chem. Mater. 16 (2004) 5460-5464.) 예컨대, 무전해 도금 과정에 발생하는 수소 기포를 도금 표면에서 이탈하게 하면 균질도금, 그렇지 않으면 다공질 도금이 될 수 있고, 이를 제어하는 인자는 계면활성제 외에도 산도, 온도 등 여러 인자 있을 수 있다.The electroless plating method and plating solution required for forming the homogeneous metal shell and the porous metal layer core can be referred to known literature data. (References: [14] C. A. Deckert, "Electroless Copper Plating A Review: Part I," PLATING & SURFACE FINISHING, pp. 48-55 (1995). / [15] J. Sudagar, J. Lian, W. Sha, "Electroless nickel, alloy, composite and nano coatings - A critical review.," Journal of Alloys and Compounds, 571 (2013) 183-204. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.03.107, / [16] Tomoyuki FUJINAMI, Kentei KOU, Hideo HONMA, "Formation of the Porous Film by Electroless Copper Plating," Japan Electronics Vol. 1 No. 1 (1998) 66-69. / [17] Heon-Cheol Shin and Meilin Liu, "Copper Foam Structures with Highly Porous Nanostructured Walls," Chem. Mater. 16 (2004) 5460-5464.) For example, if hydrogen bubbles generated during the electroless plating process are allowed to escape from the plating surface, homogeneous plating can be achieved, otherwise porous plating can be achieved. Factors controlling this include various factors such as acidity and temperature in addition to surfactants.
상기의 2회에 걸친 무전해도금으로 균질금속 외각과 다공성 금속층 심지를 형성한 후 심지로 사용되는 예컨대 구리 재질의 다공성 금속층에서의 모세관 현상을 촉진하기 위하여 예컨대 NaOH 와 K2S2O8 로 화학처리하여 친수성(hydrophilicity)을 높이는 것이 바람직하다.(참고문헌: [18] Min, Jingchun; Wu, Xiaomin; and Gao, Frank, "Hydrophilic Treatments of Copper Finned Tube Evaporators" (2008). / [19] International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 930.) 이러한 친수처리에 의해 심지의 모세관력을 증가시킴으로써, 심지의 부피분율이 작더라도, 히트 파이프의 전달가능한 열용량이 증가될 수 있고 이에 따라 제품 소형화에도 유리하게 작용할 수 있다. 친수처리를 위한 물질은 가공성 금속층의 재질에 따라 달라질 수 있다. After forming a homogeneous metal shell and a porous metal layer wick through the above two electroless plating processes, it is preferable to increase hydrophilicity by chemically treating, for example, with NaOH and K 2 S 2 O 8, the porous metal layer used as the wick to promote capillary phenomenon. (References: [18] Min, Jingchun; Wu, Xiaomin; and Gao, Frank, "Hydrophilic Treatments of Copper Finned Tube Evaporators" (2008). / [19] International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 930.) By increasing the capillary force of the wick through this hydrophilic treatment, even if the volume fraction of the wick is small, the transferable heat capacity of the heat pipe can be increased, which can be advantageous for product miniaturization. The material for the hydrophilic treatment can vary depending on the material of the processable metal layer.
본 발명에 의한 히트 파이프는 폴리머 템플릿을 매개로 하여 위치와 형상에 관계없이 균일한 표면 레이어를 적층할 수 있는 무전해 도금을 이용해, 외각 및 심지에 대한 도금층을 형성하기 때문에 다양한 형태로 제작될수 있다. 도 11은 그 예시를 나타낸다. 도 11(a)는 전형적인 막대형을 나타내고, 도 11(b) 내지 도11(d)는 2 차원 열전달용이며 도 11(e) 와 도11(f)는 3차원 열전달용이다. 도 11(a) 내지 도11(e)를 보면 내부 진공에 의한, 즉 외압 (external pressure)에 견디도록 원통형 요소의 단면이 원형으로 만들어지고 요소들의 연결부는 부드러운 곡선형 필렛을 가지고 있음을 알 수 있다. The heat pipe according to the present invention can be manufactured in various shapes because it forms a plating layer on the outer shell and the wick using electroless plating that can laminate a uniform surface layer regardless of position and shape using a polymer template as a medium. Fig. 11 shows an example. Fig. 11(a) shows a typical rod shape, Figs. 11(b) to 11(d) are for two-dimensional heat transfer, and Figs. 11(e) and 11(f) are for three-dimensional heat transfer. Looking at Figs. 11(a) to 11(e), it can be seen that the cross-section of the cylindrical elements is made circular in order to withstand the internal vacuum, that is, the external pressure, and the connecting portions of the elements have a smooth, curved fillet.
또한 여기서 3차원 열전달용 히트 파이프는 그 표면적이 넓게 설계하여 자연대류나 강제대류를 통한 주변 공기유동에 의하여 열을 발산할수 있게 함으로써, 별도의 무거운 냉각핀을 생략할 수 있게 한다. 특히 도 11(f)는 3주기적 최소곡면(triply periodic minimal surface: TPMS) 형상 중 P-곡면을 가진 것으로 TPMS는 곡면 상의 모든 점에서 일정한 평균곡률(mean curverture)은 가지는 곡면으로서 여기서 평균곡률이란 3차원 면의 한 점에서 서로 수직한 두 방향의 최대곡률과 최소곡률의 평균값을 의미한다. TPMS는 공간을 두개의 서로 얽힌 두개의 부공간(sub-volume)으로 분할한다. 즉, TPMS는 두 부공간 사이의 계면(interface)으로 인식될 수 있다. In addition, the heat pipe for three-dimensional heat transfer here is designed to have a large surface area so that heat can be dissipated by the surrounding air flow through natural convection or forced convection, thereby omitting a separate heavy cooling fin. In particular, Fig. 11(f) is a P-surface among the triple periodic minimal surface (TPMS) shapes. The TPMS is a surface that has a constant mean curvature at all points on the surface, and the mean curvature here means the average value of the maximum and minimum curvatures in two perpendicular directions at one point on the three-dimensional surface. The TPMS divides the space into two intertwined sub-volumes. That is, the TPMS can be recognized as an interface between the two sub-volumes.
그 예로서 도 12(a)와 (b)는 각각 TPMS의 일종인 P곡면과 G곡면이 두 부공간을 분할하는 것을 나타내는 개념도이다. 또한 상기한 영의 평균곡률(zero mean curverture)을 갖는 TPMS는 공간을 각기 연속인 두개의 부공간(subvolume)으로 나누고 이 두개의 부공간의 체적비가 1:1로 동일하지만, 체적비가 다른 경우에도 두 부공간을 나누는 평균곡률이 균일(constant)한 최소 표면적(minimal surface)의 곡면을 정의할 수 있는데 이 곡면 또한 TPMS라고 할 수 있다(참고문헌: [20] M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). 이러한 TPMS는 곡면의 어디에서나 균일한 평균곡률을 가지고 있어, TPMS 형태의 박막구조체는 여러가지 장점을 갖는 것으로 보고되고 있다. 구체적으로, 한 개의 연속적이고 서로 교차하지 않는 곡면으로 구성되므로 한쪽 부공간 형태로 폴리머 템플릿을 만들어 무전해 도금하여 외각 및 심지를 형성하는 것이 가능하다. 또한 부드러운 곡면으로 둘러싸인 각 부공간은 넓은 표면적을 가지며 내부에 유체가 흐를 때 투과성(permeability)이 우수하기 때문에(참고문헌: [21] Y. Jung, S. Torquato, Fluid permeabilities of triply periodic minimal surfaces, Phys. Rev. E 72 (2005) 056319.) 자연대류 및 강제대류의 의한 냉각효율도 우수할 것으로 기대된다. As an example, Figures 12(a) and (b) are conceptual diagrams showing that the P-surface and G-surface, which are types of TPMS, divide two subspaces, respectively. In addition, the TPMS having the zero mean curvature mentioned above divides the space into two continuous subvolumes, and although the volume ratio of these two subvolumes is the same as 1:1, even if the volume ratios are different, a surface with a minimum surface area with a constant mean curvature dividing the two subvolumes can be defined, and this surface can also be called a TPMS (Reference: [20] M. Maldovan and E. L. Thomas, "Periodic Materials and Interference Lithography, 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN: 978-3-527-31999-2). Since such TPMS has a uniform mean curvature anywhere on the surface, it is reported that the thin film structure in the form of TPMS has various advantages. Specifically, since it is composed of one continuous and non-intersecting surface, a polymer template is created in the form of one subvolume and electroless plated to form the outer and It is possible to form a wick. In addition, since each subspace surrounded by a smooth curved surface has a large surface area and excellent permeability when a fluid flows inside (Reference: [21] Y. Jung, S. Torquato, Fluid permeabilities of triply periodic minimal surfaces, Phys. Rev. E 72 (2005) 056319.), it is expected that the cooling efficiency by natural convection and forced convection will also be excellent.
한편 대한민국 공개특허 제10-2019-0118037호는 두 개의 부공간 사이의 계면 형태를 가진 얇은 박막 구조체로서 특히 TPMS 형태의 박막 구조체의 경우 균일한 평균곡률을 갖고 있기 때문에 높은 내부 압력을 견딜 수 있을 수 있다는 사실에 착안하여, 이러한 쉘 구조체를 압력용기로 적용하는 것을 제시하였고, 이러한 TPMS 압력용기의 전체 공간 대비 내부 부공간 (고압 기체가 보관되는 공간)의 비율을 자유롭게 조절하여 제작할 수 있으며, 내부공간의 비율이 감소할수록 이 압력용기의 내압강도가 증가하는 것으로 보고하였다(참고문헌: [22] Cheng Han Wu, Failure Study of Shellulars under Internal Pressure. 석사학위논문, 전남대학교 대학원, 2019.). 따라서 진공에 견뎌야하는 히프 파이프의 외각 구조로서 바람직할 것으로 기대된다.Meanwhile, Korean Patent Publication No. 10-2019-0118037 discloses a thin film structure having an interface shape between two subspaces, and in particular, a TPMS-type thin film structure has a uniform average curvature and can thus withstand high internal pressure. Accordingly, it was proposed to apply such a shell structure as a pressure vessel, and it was reported that the ratio of the internal subspace (space where high-pressure gas is stored) to the total space of such a TPMS pressure vessel can be freely adjusted for production, and that the internal pressure strength of the pressure vessel increases as the ratio of the internal space decreases (Reference: [22] Cheng Han Wu, Failure Study of Shellulars under Internal Pressure. Master's thesis, Chonnam National University Graduate School, 2019.). Therefore, it is expected to be desirable as an outer structure of a hip pipe that must withstand a vacuum.
히트 파이프의 시제품 제작 및 성능 테스트Prototype fabrication and performance testing of heat pipes
도13은 본 발명에 따른 히프파이프 시제품의 제조과정을 나타내고 있다. 직경 5mm의 아크릴 봉을 폴리머 템플릿으로 사용하였다. 샌드페이퍼로 전체 표면을 균일하게 거칠기를 준 후 저온 (40oC)에서 균질도금을 실시하였다. 도금액과 도금과정은 ㈜ 영인플라켐의 ELC-250과 동사에서 지정한 과정을 준수하였다. 그 다음 양단면을 폴리싱하여 도금 막을 제거한 후 40 oC 아세톤에 8시간동안 담가 내부의 아크릴 템플릿을 식각하였다. 균질도금 막은 히트 파이프의 외각으로서 진공을 지지할 만큼 충분한 두께 (5mm 직경에는 최소 40 um)를 가져야 하므로 식각 후 두께가 부족하디고 판단되면 추가로 균질도금을 할 수도 있고, 이 경우 초기 도금 막의 양면에서 추가로 도금이 진행되므로 도금 속도가 빨라질 수 있다. 그 다음 다공질 도금액(ELC-250-A 140ml, ELC-250-B 60ml, 차아인산나트륨 80g, Surfynol® 104 6g, HCHO 8ml)에 담가 다공질 층의 두께가 100 um 가 될 때까지 도금한다. 이 경우, Surfynol® 104 6g는 계면활성제로 작용한다. 그 다음 NaOH and K2S2O8 로 화학처리하여 친수성(hydrophilicity)을 높인다. [참고문헌: [18] Min, Jingchun; Wu, Xiaomin; and Gao, Frank, "Hydrophilic Treatments of Copper Finned Tube Evaporators" (2008). / [19] International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 930.]. 그 다음 파이프 일단에 작은 구리판을 대고 브레이징하여 실링하고 반대쪽 일단에는 구멍뚫린 구리판과 별도의 구리 파이프를 대고 브레이징 하여 진공과 작동유체 주입을 위한 연결부를 만든다. 그 다음 작동유체인 물을 소량 (0.7 g) 주입하고 진공펌프를 이용하여 파이프 내의 공기를 뽑아내고 실링하여 히트 파이프 시제품을 완성한다.Fig. 13 shows a process for manufacturing a hip pipe prototype according to the present invention. An acrylic rod having a diameter of 5 mm was used as a polymer template. After uniformly roughening the entire surface with sandpaper, homogeneous plating was performed at a low temperature (40 o C). The plating solution and plating process were in accordance with ELC-250 of Youngin Plachem Co., Ltd. and the process specified by the company. Next, both end surfaces were polished to remove the plating film, and then the acrylic template inside was etched by soaking in 40 o C acetone for 8 hours. Since the homogeneous plating film must have a sufficient thickness (at least 40 um for a diameter of 5 mm) to support a vacuum as the outer shell of the heat pipe, if it is determined that the thickness after etching is insufficient, additional homogeneous plating can be performed. In this case, additional plating is performed on both sides of the initial plating film, so the plating speed can be increased. Then, it is immersed in a porous plating solution (ELC-250-A 140 ml, ELC-250-B 60 ml, sodium hypophosphite 80 g, Surfynol® 104 6 g, HCHO 8 ml) and plated until the thickness of the porous layer becomes 100 μm. In this case, Surfynol® 104 6 g acts as a surfactant. Then, it is chemically treated with NaOH and K 2 S 2 O 8 to increase the hydrophilicity. [References: [18] Min, Jingchun; Wu, Xiaomin; and Gao, Frank, "Hydrophilic Treatments of Copper Finned Tube Evaporators" (2008). / [19] International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 930.]. Then, a small copper plate is placed on one end of the pipe and sealed by brazing, and a perforated copper plate and a separate copper pipe are placed on the other end and brazed to create a connection for vacuum and working fluid injection. Then, a small amount (0.7 g) of working fluid, water, is injected, and the air inside the pipe is removed using a vacuum pump and sealed to complete the heat pipe prototype.
도 14(a)와 같이 완성된 히트 파이프 시제품을 가열블록에 끼우고 전기를 가하여 가열하고 적외선 카메라로 시편과 주변의 적외선 화상을 촬영하였다. 도 14(b)는 히트 파이프로서 정상 작동될 때 관측되는 적외선 화상이다. 하부의 증발부와 상부의 응축부 사이의 색깔차이가 거의 없는 것으로부터 온도차가 실제로 3 oC로 거의 없음을 알 수 있다. 도 14(c)는 도금과정에 외각에 발생한 작은 구멍으로 인하여 정상적인 작동을 하지 않는 경우 관측되는 적외선 화상이다. 증발부와 상부의 응축부 사이의 색깔이 현저하게 달라 온도차가 실제로는 거의 30 oC로 심한 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 14(a), the completed heat pipe prototype was fitted into a heating block, heated by applying electricity, and an infrared image of the specimen and its surroundings was taken using an infrared camera. Fig. 14(b) is an infrared image observed when the heat pipe is operating normally. From the almost no color difference between the lower evaporator and the upper condenser, it can be seen that the temperature difference is actually almost 3 o C. Fig. 14(c) is an infrared image observed when the heat pipe is not operating normally due to a small hole formed on the outer shell during the plating process. It can be seen that the colors between the evaporator and the upper condenser are significantly different, and that the temperature difference is actually quite severe, almost 30 o C.
히트 파이프 시제품의 성능을 유사한 크기의 상용 제품 (Oriental Electronics, HPC6100)과 비교하였다. 도 15(a)은 상용 제품과 본 발명에 따라 제작한 시제품의 비교사진이다. 도 15(b)는 직경, 길이, 무게를 비교한 표이다. 본 발명에 따라 제작한 시제품은 임시 제작의 편이상 양단에 두꺼운 구리판과 연결파이프를 부착한 형태로 제작되었기에 이것들의 무게를 제외하고 무전해도금으로 형성된 외각과 심지 및 투입된 작동유체만의 무게를 표기하였다. 본 발명에 따라 제작한 시제품의 무게는 상용제품 대비 약 10 %에 불과하다. 도 15(c)는 상용제품을 도 14(a)의 장치에서 동일한 열입력을 가하여 측정한 적외선 화상을 본 발명의 시제품에서 측정한 도 14(b)와 비교한 것이다. 매우 유사하게 균일한 온도분포를 하는 것을 알 수 있다. 상기의 결과는 본 발명에 따른 시제품의 무게는 상용제품 대비 10 %에 불과하면서도 거의 동등한 열전달 능력을 가진다는 것을 나타낸다. The performance of the heat pipe prototype was compared with a commercial product (Oriental Electronics, HPC6100) of similar size. Fig. 15(a) is a comparative photograph of a commercial product and a prototype manufactured according to the present invention. Fig. 15(b) is a table comparing the diameter, length, and weight. Since the prototype manufactured according to the present invention was manufactured by attaching a thick copper plate and a connecting pipe to both ends for convenience of temporary manufacturing, the weight of these was excluded, and only the weight of the outer shell formed by electroless plating, the wick, and the injected working fluid were indicated. The weight of the prototype manufactured according to the present invention is only about 10% of that of the commercial product. Fig. 15(c) is a comparison of the infrared image measured by applying the same heat input to the commercial product in the device of Fig. 14(a) with Fig. 14(b) measured on the prototype of the present invention. It can be seen that the temperature distribution is very similar and uniform. The above results indicate that the prototype according to the present invention has almost the same heat transfer capability while the weight is only 10% of that of the commercial product.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. The above description relates to specific embodiments of the present invention. As described above, the above embodiments according to the present invention are disclosed for the purpose of explanation and are not to be understood as limiting the scope of the present invention. It should be understood that various changes and modifications are possible without departing from the essence of the present invention by those skilled in the art.
한편, 상술한 실시예들에서 상기 제1 무전해 도금층 및 제2 무전해 도금층은 시간적으로 별개의 공정으로 형성되거나 또는 균질 및 다공질 간 성상의 차이가 있을 때 그 구분이 명확할 수 있지만, 양자의 성상이 예컨대 균질로 동일하면 상기 제1 무전해 도금층과 제2 무전해 도금층은 외각 또는 심지로 할당되는 용도 관점에서 관념적으로 구분될 수는 있으나 물리적으로는 용도에 맞도록 충분한 두께를 갖는 단일의 무전해 도금층으로 인지되는 것일 수 있다. 예컨대, 상술한 실시예에서 제2 무전해 도금층이 제1 무전해 도금층과 마찬가지로 비투과성으로 구성되는 경우, 양자는 단일 공정에 의한 하나의 무전해 도금층으로 일체화된 형태일 수 있고 이 경우 하나의 무전해 도금층의 내부 측벽(즉, 히트 파이프의 내부 공간을 이루는 내측면)을 친수처리하는 형태로 제작되는 것도 가능하다. 이러한 단일의 무전해 도금층에 대한 충분한 두께는, 예컨대 템플릿에 대한 1차적인 비투과성의 무전해 도금 공정만으로 확보되거나, 또는 템플릿에 기초하여 소정 두께의 1차적인 비투과성의 무전해 도금 공정을 수행한 이후에 템플릿을 제거한 상태에서 1차적인 비투과성의 무전해 도금층의 편면 또는 양면 모두에서 2차적인 비투성의 무전해 도금층을 수행함으로써 확보되는 것일 수 있다. 이 경우, 2차적인 비투과성의 무전해 도금층에 대한 빠른 성장은 1차적인 비투과성의 무전해 도금층의 양면 모두에 대해 무전해 도금 공정을 수행함으로써 촉진될 수 있다. Meanwhile, in the above-described embodiments, when the first electroless plating layer and the second electroless plating layer are formed by temporally separate processes or when there is a difference in properties between homogeneous and porous, the distinction can be clear, but if the properties of the two are, for example, homogeneous, the first electroless plating layer and the second electroless plating layer can be conceptually distinguished from the perspective of the purpose of being assigned to the outer shell or the core, but can be physically recognized as a single electroless plating layer having a sufficient thickness to suit the purpose. For example, in the above-described embodiment, when the second electroless plating layer is configured to be impermeable like the first electroless plating layer, the two can be integrated into a single electroless plating layer through a single process, and in this case, it is also possible to manufacture it in a form in which the inner sidewall of the one electroless plating layer (i.e., the inner surface forming the inner space of the heat pipe) is hydrophilically treated. A sufficient thickness for such a single electroless plating layer may be secured, for example, by only a primary opaque electroless plating process on a template, or by performing a primary opaque electroless plating process of a predetermined thickness based on a template and then performing a secondary opaque electroless plating layer on one or both sides of the primary opaque electroless plating layer while removing the template. In this case, rapid growth of the secondary opaque electroless plating layer can be promoted by performing the electroless plating process on both sides of the primary opaque electroless plating layer.
나아가 상술한 실시예에 따른 제1, 제2 무전해 도금층의 2단 구조이거나 또는 변경가능한 실시예에 따른 단일의 무전해 도금층으로 이루어진 본원 히트 파이프에 있어서, 친수처리가 되는 면은 기본적으로 히트 파이프의 내면을 예정하고 있지만, 제한적으로 해석되지는 않는다. 즉, 외면의 친수처리 유무는 히트 파이프의 동작 수행에 있어 문제가 되지 않기 때문에, 히트 파이프로 동작하기 위해서는 '적어도' 히트 파이의 내면에 친수처리가 이루어지는 것만으로도 충분하다는 의미로 이해되어야 한다. 공정측면에서도, 양면 모두에 친수처리가 되더라도 사용하는데 문제가 없으면, 외면의 친수성 처리를 방지하기 위하여 별도의 방지처리를 하는 것이 오히려 더 복잡할 수도 있다.Furthermore, in the heat pipe of the present invention, which is a two-stage structure of the first and second electroless plating layers according to the above-described embodiment or a single electroless plating layer according to a changeable embodiment, the surface to be hydrophilically treated is basically intended to be the inner surface of the heat pipe, but it is not to be interpreted restrictively. That is, since the presence or absence of the hydrophilic treatment on the outer surface does not matter in performing the operation of the heat pipe, it should be understood to mean that at least the hydrophilic treatment on the inner surface of the heat pipe is sufficient for the heat pipe to operate. In terms of the process as well, if there is no problem in use even if the hydrophilic treatment is performed on both sides, it may be more complicated to perform a separate preventive treatment to prevent the hydrophilic treatment on the outer surface.
따라서 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다. Accordingly, all such modifications and changes may be understood to fall within the scope of the invention disclosed in the claims or their equivalents.
Claims (14)
상기 외각은 외부 템플릿을 이용해 그 표면에 균일한 두께를 갖는 제1 무전해 도금층으로 형성되고,
상기 심지는 상기 제1 무전해 도금층의 적어도 일표면에 균일한 두께를 갖는 제2 무전해 도금층으로 형성되며,
상기 제1 무전해 도금층은 비투과성이고 적어도 상기 제2 무전해 도금층은 친수처리된 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프.A capillary-driven heat pipe comprising: an outer shell having an inner space shielded from the outside and formed of an impermeable wall; and a wick provided on an inner wall surface of the outer shell to store a liquid working fluid and serve as a moving medium of the liquid working fluid;
The above outer shell is formed with a first electroless plating layer having a uniform thickness on its surface using an external template,
The above wick is formed by a second electroless plating layer having a uniform thickness on at least one surface of the first electroless plating layer,
A capillary-driven heat pipe, characterized in that the first electroless plating layer is non-permeable and at least the second electroless plating layer is hydrophilically treated.
A capillary-driven heat pipe, characterized in that in the first paragraph, the second electroless plating layer is porous.
상기 외각은 3주기적 최소곡면(triply periodic minimal surface: TPMS) 구조체 형상인 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프.In any one of paragraphs 1 to 3,
A capillary-driven heat pipe characterized in that the outer shell has a triply periodic minimal surface (TPMS) structure shape.
상기 (a) 단계는, (a-1) 템플릿을 형성하는 단계; (a-2) 상기 템플릿을 매개로 하여 상기 외각을 구성하는 비투과성의 제1 무전해 도금층과 상기 심지를 구성하는 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및 (a-3) 적어도 상기 제2 무전해 도금층에 대해 친수처리하는 단계;를 포함하되,
상기 (a-2) 단계는 상기 제2 무전해 도금층의 형성 전 또는 후에 상기 템플릿을 제거하는 단계를 수반하는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, comprising: (a) a step of forming an outer shell and a wick; (b) a step of injecting a working fluid into an inner space of the outer shell; and (c) a step of forming a vacuum in the inner space of the outer shell and then sealing it;
The step (a) above comprises: (a-1) a step of forming a template; (a-2) a step of forming a first non-permeable electroless plating layer forming the outer shell and a second electroless plating layer forming the wick using the template as a medium; and (a-3) a step of performing a hydrophilic treatment on at least the second electroless plating layer.
A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, characterized in that the step (a-2) involves a step of removing the template before or after formation of the second electroless plating layer.
(a-2-1) 상긱 템플릿의 노출면에 상기 제1 무전해 도금층을 형성하는 단계;
(a-2-2) 상기 템플릿을 제거하는 단계; 및
(a-2-3) 상기 제1 무전해 도금층의 노출면에 상기 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계;로 수행되는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.In the 6th paragraph, the step (a-2)
(a-2-1) A step of forming the first electroless plating layer on the exposed surface of the Sangik template;
(a-2-2) a step of removing the above template; and
(a-2-3) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, characterized in that it is performed by forming the second electroless plating layer on the exposed surface of the first electroless plating layer.
(a-2-1) 상기 템플릿 노출면에 제1 무전해 도금층을 형성하는 단계;
(a-2-2) 상기 제1 무전해 도금층의 노출면에 상기 제2 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및
(a-2-3) 상기 템플릿을 제거하는 단계;로 수행되는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.In the 6th paragraph, the step (a-2)
(a-2-1) a step of forming a first electroless plating layer on the exposed surface of the template;
(a-2-2) a step of forming the second electroless plating layer on the exposed surface of the first electroless plating layer; and
(a-2-3) A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, characterized in that it is performed by a step of removing the template.
상기 (a) 단계는, (a-1) 템플릿을 형성하는 단계; (a-2) 및 상기 템플릿을 매개로 하여 상기 외각 및 심시를 구성하는 하나의 비투과성 무전해 도금층을 형성하는 단계; 및 (a-3) 상기 비투과성 무전해 도금층 중 적어도 심지로 제공되는 측의 표면을 친수처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 주도형 히트 파이프 제조방법.A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, comprising: (a) forming an outer shell and a wick; (b) injecting a working fluid into an inner space of the outer shell; and (c) forming a vacuum in the inner space of the outer shell and then sealing it;
A method for manufacturing a capillary-driven heat pipe, characterized in that the step (a) comprises: (a-1) a step of forming a template; (a-2) and a step of forming an impermeable electroless plating layer constituting the outer shell and the core using the template; and (a-3) a step of hydrophilizing the surface of at least a side of the impermeable electroless plating layer that serves as a core.
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