A heat sink with piezoelectric vibrating fins is developed by attaching piezoelectric actuators to the fins of a heat sink, and heat transfer characteristics of the heat sink are experimentally investigated.
The fins of the heat sink vibrate like piezoelectric fans. The fins bend to a side when the piezoelectric actuators expand, and the fins bend to the other side when the piezoelectric actuators contract. So the periodic expansion and contraction motions of the piezoelectric actuators make the fins vibrate.
The thermal performance of the heat sink changes as the input power change to the piezoelectric actuators or the input frequency change. Particularly, if the input frequency to the fins matches up to the natural frequency of the fins, the vibration amplitude is significantly increased by resonance and the thermal performance also increases.
The natural frequency of the fins decreases as the base temperature increase. Thermal expansion and Young’s modulus change cause the natural frequency change. The correlation between temperature and natural frequency is derived.
Thermal performance improvement of the heat sink by the vibration of the fins is observed compared to the thermal performance of a natural convection heat sink with static fins under a fixed heat sink geometry condition.
Thermal performance curve of the piezoelectric heat sink is similar to the thermal performance curve of a fan mounted heat sink. The thermal resistance of the piezoelectric heat sink is inversely proportional to the input power to the piezoelectric actuators.
본 연구에서는 전자장치 냉각을 위하여 압전소자를 이용한 히트싱크의 개념을 소개하고 그 히트싱크의 특성이 어떠한지 실험을 통하여 알아보았다. 최근에 많이 연구되고 있는 압전소자를 이용한 팬의 개념을 히트싱크의 휜에 적용하였다. 히트싱크의 휜에 압전소자를 부착하였고 교류 전원을 가해줌으로써 휜이 부채질을 하는 듯한 진동을 하게 만들었다. 이를 통해 휜의 진동을 통하여 냉각성능이 증가하게 되는 압전소자를 이용한 히트싱크를 만들었다. 그런 다음 이 히트싱크의 냉각 성능을 실험을 통하여 알아보았다.
먼저 일반적인 자연대류 히트싱크에 최적화 과정을 수행하여 정해진 히트싱크의 밑면 크기와 휜의 높이가 고정된 상태에서 가장 높은 성능이 나오는 자연대류 히트싱크를 만들었다. 그리고 그와 동일한 형상의 압전소자를 이용한 히트싱크를 만들어 최적화된 자연대류 히트싱크보다 높은 냉각성능을 가짐을 실험을 통하여 확인하였다.
그리고 이어서 압전소자를 이용한 히트싱크의 압전소자에 가해주는 전원의 주파수를 바꾸어가며 주파수가 히트싱크의 냉각성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 압전소자를 이용한 히트싱크의 휜은 물성값과 휜의 형상에 따라 결정되는 고유진동수 값을 가지고 있다. 압전소자에 가해주는 전원의 주파수가 이 고유진동수 값과 일치될 경우 휜의 진폭이 크게 증가하고 그에 따라 히트싱크의 냉각 성능도 동시에 크게 증가함을 확인하였다.
휜의 고유진동수는 물성값과 휜의 형상에 의해 결정된다. 하지만 물성값과 휜의 형상은 온도가 변하면 달라지기 때문에 고유진동수도 그에따라 달라지게 된다. 고유진동수에 크게 영향을 주는 요인은 열팽창에 의한 형상 변화와 온도 변화에 따른 영률의 변화이다. 이러한 온도에 의한 고유진동수 변화에 대하여 열팽창과 영률의 변화를 고려해서 관계식을 만들었다. 그리고 이 계산 결과가 타당한지 실제 실험을 통해 살펴보고 히트싱크의 온도 조절 특성의 가능성을 살펴보았다.
그리고 마지막으로 히트싱크의 압전소자에 가해주는 전압이 히트싱크의 성능에 어떠한 영향을 주는지 실험을 통하여 살펴보았다. 실험에 의하면 입력 전압에 반비례하는 열저항이 나타났고 이는 일반 강제대류 히트싱크의 성능 특성과 유사하였다. 그리고 전압에 따라 자연대류 히트싱크보다 2배 이상 높은 냉각 성능을 가짐을 확인하였다.
본 연구에서는 압전소자를 이용한 히트싱크를 개발하였고 그 특성을 살펴보았다. 약간의 전력을 가해주는 것으로 자연대류 히트싱크에 비해 2배 이상 높은 냉각성능을 얻을 수 있었고 그러면서 강제대류 히트싱크의 문제점이었던 소음과 수명문제는 존재하지 않았다. 압전소자를 이용한 히트싱크는 마찰이 일어나는 부위가 없기 때문에 수명이 강제대류 히트싱크의 팬에 비해 월등하다. 그리고 마찰 부위가 없다는 장점은 소음 문제에 대해서도 좋은 효과가 있다. 마찰음이 존재하지 않기 때문에 실제 방출되는 소음은 휜의 움직임에 의한 진동음뿐이고 그 진동음의 주파수는 압전소자에 가해주는 전원의 주파수와 일치한다. 일반적으로 인간의 귀는 100Hz 미만의 소리는 제대로 듣지 못한다. 즉, 히트싱크의 고유진동수를 100Hz 미만으로 설계하고 그 고유진동수에 맞는 주파수를 가해준다면 인간의 귀는 진동음을 전혀 듣지 못한다.
본 연구를 통해 현재까지 문제가 되던 ‘긴 수명과 저소음이 필요하지만 자연대류 히트싱크는 냉각성능이 너무 낮아 사용할 수 없던’ 영역에 사용할 수 있는 히트싱크를 개발하였다. 앞으로 이 히트싱크가 계속 발전하여 현재 산업계에서 열방출 문제 때문에 정체되고 있는 기술 발전을 원활하게 해 주길 기대한다.
