In this study, a method to fabricate a polymer-based flexible pulsating heat pipe (PHP) as a heat spreader for application to flexible devices was suggested and the thermal performance of the flexible PHP was investigated. Low-density polyethylene (LDPE), which is used as the base material was cut into a channel shape by a femtosecond laser and then covered with a multilayer Al-foil film using a heat sealing method. To block the permeation through the flange side, indium, which has high flexibility, was coated. This indium coating was protected by UV-curing resin to avoid damage from bending. The experiment was conducted according to various input powers at various bending angles; $0^\circ$, $30^\circ$, $60^\circ$, $90^\circ$. The thermal resistance decreases as the input power increases, as in a general PHP characteristic. At 12W, the minimum thermal resistance is 3.2K/W and this is 17% lower than the copper reference sample, which was covered with the same film. The thermal resistance slightly increases as the bending angle increases. When the bending angle is $90^\circ$, the thermal resistance increases 7.5% on average. To verify the reliability of the fabricated PHP, the thermal resistance was compared over time in the accelerated environment which is consist of 1bar of air and 1bar of $CO_2$. The thermal performance was maintained over 4.9days in the accelerated environment corresponding with 3.1 months in SATP (standard ambient temperature and pressure) conditions. Therefore, the indium shield can effectively block the permeation of non condensable gases (NCGs) through the flange side. The flexible PHP fabricated in this study is much lighter and has higher effective thermal conductivity than copper sample while providing high flexibility and thus can be used as a flexible heat spreader in flexible devices.
본 연구에서는 연성 전자장치에 사용되기 위한 열 분산 장치로써 연성 진동형 히트파이프의 제작 방법이 제시되었고, 제작된 연성 진동형 히트파이프의 열성능 평가가 수행되었다. 기반 물질로 사용되는 저밀도 폴리에틸렌 판을 펨토초 레이저를 이용하여 채널 모양으로 가공하고, 위쪽과 아래쪽에 각각 복합층 알루미늄 필름을 열접착을 통해 감싸 연성 진동형 히트파이프를 제작하였다. 이렇게 제작된 진동형 히트파이프의 경우 수직방향은 필름 내 금속 층에 의해 차단되지만, 측면으로는 접착층으로 사용되는 폴리머가 노출되어 있어 이 부분을 통한 침투가 존재한다. 측면으로의 침투를 막기 위해 유연성이 높은 금속인 인듐을 코팅하고, 구부림 시 코팅된 인듐의 박리를 막기 위해 자외선 경화 수지로 인듐층을 보호하였다. 위와 같이 제작한 연성 진동형 히트파이프의 열성능을 여러 인가 전력과 구부림 각도에 대해 실험을 진행하였다. 일반적인 진동형 히트파이프와 동일하게 입력 전력이 커질수록 열성능이 감소하여, 최소 열저항은 12W일 때, 3.2K/W를 갖고 이는 기준 열저항으로 사용되는 같은 필름으로 감싼 구리 시편에 비해 약 17% 낮다. 연성 진동형 히트파이프의 굽힘은 열성능을 약간 악화시키는데, 90도 굽혔을 때 평균 7.5% 정도의 감소폭을 갖는다. 신뢰성 확인을 위하여, 이산화탄소로 조성된 가속 환경을 구성하고, 제작한 연성 진동형 히트파이프를 수 일간 보관한 후 열저항을 비교하여 비응축 침투의 효과에 대해 보았다. 가속 환경에서 약 4.9일간 성능이 유지되었고, 이는 실제 환경에서의 3.1달과 비슷한 효과를 갖는다. 본 연구에서 제작되는 방식의 연성 진동형 히트파이프는 구리에 비해 훨씬 가볍고, 유효 열전도도 높으며, 유연성이 높아 연성 전자장치 내에 연성 열 분산 장치로써 사용될 수 있다.
