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금속 상전이 흡열 방법으로 모바일....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-06-03 13:49
조회 1,429
    최근 중국과학원 물리화학기술연구소 산하 ‘저온 생물 및 의학 실험실’ 연구팀은 관련 연구를 통해 ‘저 융점 금속 및 합금’을 ‘상전이 재료(phase transition)’로 사용하여 전자 열 발산 분야에 도입함으로써 휴대폰 등 모바일 전자 기기 분야에서 점점 더 심각해지고 있는 발열 문제를 제거하는데 성공하였다.

    연구팀은 이번 연구개발 성과 달성을 통해 각종 유형의 ‘트랜션트(Transient) 하이 파워(high power) 전력전자설비의 스마트 냉각(Smart cooling)’을 위해 혁신적인 경로를 개척하였다. 관련 연구성과는 ASME Journal of Heat Transfer、Renewable and Sustainable Energy Reviews 등 학술지에 발표되었다.

    장기간 전자 칩 통합 정도는 시종 저명한 ‘무어의 법칙(Moore`s Law)’이 예측한 바와 같이 “시간이 지남에 따라 기하 급수적인 성장”을 실현하였는데 기존의 휴대폰 CPU 메인 주파수는 과거의 MHz 수준에서 현재의 GHz 수준으로 향상되었으며 해당되는 소비 전력은 mW 수준에서 몇 십 W 수준에 달하였다. 휴대폰과 같은 제품의 비좁은 공간에서 대량의 열량이 제때에 외부 환경에 배출되지 못하여 사용자들에게 불편을 조성하고 있다. 예를 들면, 휴대폰으로 지속적인 통화를 하거나 게임을 하게 되면 휴대폰 커버는 발열되고 심지어 뜨거워지는 현상이 발생하여 사용자들에게 저온 화상을 입히는 문제점이 발생하고 있는 상황이다.

    초소(超小) 체적, 저에너지 소모, 저소음 및 고품질 체험 요구에 근거하면 일반적인 팬, 히트 파이프와 물 냉각을 통한 열 발산 방법은 적용되지 않는다. 체적이 큰 노트북, 심지어 데스크톱 컴퓨터, 휴대폰의 열 발산은 더욱 어려운 과제로 되고 있으며 이런 어려운 과제는 고급 휴대폰 발전의 장애물이 되고 있다.

    중국과학원 물리화학기술연구소 산하 ‘저온 생물 및 의학 실험실’ 연구팀은 ‘Keeping smartphones cool with gallium phase change material’이라는 테마의 연구(Ge and Liu, ASME Journal of Heat Transfer, 135: 054503, 2013)에서 금속 재료의 축냉(蓄冷) 및 고체-액체 상 변화 열 흡수 메커니즘에 근거하여 휴대폰이 높은 부하 운행 과정에서 발생되는 열량을 신속히 흡수하고 휴대폰 온도는 30°C 수준에서 10분간 유지될 수 있도록 함으로써 발열이 없는 상황에서의 통화를 실현하였다.

    연구팀은 이번 연구를 통해 휴대폰이 대기 상태에 처하게 될 때 액체 상 변화 재료로 녹아 열량을 배출하여 응고를 발생시키도록 함으로써 다음 번의 열 흡수를 위해 준비를 할 수 있도록 하였다. 전체 과정은 휴대폰 커버 내의 금속 열 흡수 박편(薄片)에 박아 넣도록 하여 추가적인 장치와 에너지가 필요하지 않기 때문에 휴대폰 체적이 뚜렷이 증가되지 않을 뿐만 아니라 전체 과정에는 소음이 존재하지 않는다.

    연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 금속 재료는 열 흡수로 인해 액체 상태로 변화된 후 열량을 공기 속에 방출시키는 동시에 다시 고체 상태로 돌아와야만 후속 열 흡수 수요를 충족시킬 수 있다는 점을 발견하였다. 하지만 과냉도(過冷度)가 존재하기 때문에 액체 상태 금속 재료는 온도가 녹는 점보다 낮을 때 응고가 신속히 발생하지 않는다는 점을 발견하였다.

    연구팀은 성핵제(成核劑)를 도입하여 액체 상태 금속에 대한 진동 및 충격하는 역할에 대한 테스트를 실행하였다. 동 테스트를 통해 두 가지 경로는 모두 재료의 과냉도(30°C에서 2°C로 낮춤)를 뚜렷이 낮춘다는 점을 입증하였다. 휴대폰 유형 소비전자 설비를 사용하는 과정에서 진동과 충격 현상이 가끔 발생하게 되는데, 이런 현상 때문에 상 변화 열 흡수 기능이 지속적이고 효율적으로 발휘된다. 이런 기계 역학 역할로 인해 유발되는 상 변화 효과도 열 과학 분야에서 관심을 받고 있는 새로운 과제로 부상하고 있다.

    연구팀은 관련 연구 결과를 냉각 고속 데이터 전송 중의 U 디스크, 플래시 메모리 및 고체 상태 하드 드라이브 등 분야에 확장 이용하였다(H. Ge, J. Liu, Phase change effect of low melting point metal for an automatic cooling of USB flash memory, Frontiers in Energy, 6: 207?209, 2012). 연구팀은 관련 실험을 통해 금속 상전이 재료를 사용한 U 디스크가 운행 중에서 원래의 42°C에서 28°C로 감소되는 동시에 15분 이상 유지된다는 점을 입증하였다.

    비교적 낮은 작업 온도는 한편으로 데이터 전송의 안정성을 보장하였으며, 다른 한 편으로 U 디스크의 사용 수명을 연장한 것으로 나타났다. 금속 상전이 냉각 기술의 우세는 뚜렷하고 시스템 열 응답 시간은 수량급으로 단축되지만 열 발산 장치 체적은 몇 배로 감소될 뿐만 아니라 공법도 대폭 간편화된다.

    연구팀은 관련 연구 성과를 기반으로 낮은 용해 점 금속 상전이 열 관리 방법에 대한 연구를 실행하였다. 연구팀은 관련 연구 성과를 정리하여 학술 논문을 발표하였다(H. Ge, H. Li, S. Mei, J. Liu, Low melting point liquid metal as a new class of phase change material: An emerging frontier in energy area, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21: 331?346, 2013). 연구팀은 이번 논문을 통해 낮은 용해 점 금속 상전이 열 관리 방법의 발전 방향과 향후 응용에 대해 체계적으로 논술하였다.

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