본 학위 논문에서는 전자장치 냉각용 마이크로채널 히트싱크내의 강제대류 현상을 3차원 수치해석으로 모사하였으며 이를 최적설계에 적용하였다. 최근 전자장치의 고집적ㆍ고효율화에 따라 혁신적인 냉각방법의 필요성이 절실해지고 있으며, 그에 대한 한 방법으로서 마이크로채널 히트싱크는 냉각수와의 접촉면적을 극대화하여 그 효율을 높일 수 있는 방법으로 작은 면적의 전자 칩에서 유용한 냉각 기법이다. 본 논문에서는 TMC 히트싱크와 jet impingement 효과를 접목시킨 MMC 히트싱크에 대한 3차원 수치해석을 수행하였으며 층류ㆍ난류에 대한 유동과 열적 특성을 고찰하여 최적의 히트싱크를 설계하였다.
처음으로 TMC 히트싱크내의 층류유동을 3차원 수치해석하였다. 유동은 채널내의 발달구역이 짧아 완전발달되었다고 가정하였으며 열교환 현상 해석을 위해 3차원 에너지 방정식을 ADI-type의 유한 체적법으로 해석하였다. 채널내 열적 발달구역내의 얇은 열 경계층으로 인한 냉각효과가 두드러지며 일정한 pumping power를 조건으로 열저항을 최소화하는 히트싱크를 최적 설계하였다. 여기에는 무작위 방향 선택법 (random search method)과 1차원 최적법으로 3차 다항식을 이용한 근사법 (cubic polynomial approximation)이 적용되었으며 설계변수로는 채널깊이와 폭, 핀두께를 선택하였다. 그에 대한 결과로서 최적의 열저항은 $6.91 × 10^{-2}$ 이며 이는 100W의 열을 내는 1cm×1cm 면적의 칩을 냉각시 칩의 최대온도를 냉각수 온도에 비해 6.91℃ 증가한다는 의미이다. 달리 생각하면 이 칩의 최대온도를 80℃ 정도로 제한한다면 약 1000W의 열을 내는 칩의 냉각시에도 이러한 제한을 충족시킬 수 있는 효율적인 냉각 시스템이라 할 수 있다. 여러 설계변수중 채널폭이 열저항에 가장 영향을 많이 주는 변수이며 이는 채널수를 줄이는 설계에 고려되어야 할 사항이다. 또한 pumping power에 따른 최적 열저항과 설계변수는 지수함수 관계를 가지며 변화한다.
두번째로 MMC 히트싱크내 층류유동에 대한 3차원 수치해석을 수행하였다. MMC 히트싱크는 기존의 마이크로 채널과는 달리 매니폴드를 이용하여 유동의 이동거리를 줄였으며 이는 압력강하를 줄이고 열경계층이 자라는 것을 막아주어 결과적으로 히트싱크의 열효율을 높이는 효과를 가져온다. 수치해석을 위해 비압축성 정상유동에 대한 Navier-Stokes와 에너지 방정식을 SIMPLE-type 유한체적법과 대류항에 대한 upwind scheme을 적용하여 그 결과를 도출하였다. 주어진 pumping power의 조건하에서 열저항을 최소화하는 최적화를 수행하였으며 설계변수로는 채널깊이와 폭, 핀두께, 그리고 입구와 출구폭의 비를 선택하였다. 최적기법으로는 1차 방향선택법인 steepest descent method을 적용하였으며 1차원 최적법으로 move-limit 기법을 도입하였다. 최적결과로 최적 열저항이 TMC에 비해 두 배 이상 작아졌으며 칩의 최대 온도차이는 TMC에 비해 10배 이상 낮아진 결과를 얻을 수 있다. 하지만 최적 설계변수 또한 작아져 실제 시스템을 운용하는데 있어 채널의 막힘과 히트싱크 제조상의 어려움이 단점이 될 수 있다. 이를 고려하여 채널수와 채널 종횡비가 작고 채널폭이 넓은 경우에 대한 열저항을 최적치와 비교하였다. 채널종횡비가 3, 채널수가 110 정도이고 채널폭이 50㎛, 입구/출구 폭의 비가 1.7 정도일때 그 열저항은 최적치보다 약 12\%정도 높으며 이는 TMC 결과와 비교해서는 좋은 설계라 할 수 있다.
끝으로 마이크로채널내의 난류유동에 대한 3차원 수치해석을 수행하였다. 난류영역에서는 벽근처의 급격한 속도변화로 인해 압력강하는 높지만 열교환 역시 활발할 것으로 기대된다. 또한 난류영역에서는 최적공간변수가 층류에서보다 훨씬 커질 것으로 보여 그에 대한 제조상의 가치는 높을 것으로 기대된다. 수치해석을 위해 SIMPLE-type 유한제적법과 난류모델로는 k-ω model을 적용하였다. 또한 최적화 조건으로 Re 수가 4000을 넘는 난류영역으로 제한하였다. 최적화된 열저항은 층류의 것보다 10\% 정도 높지만 그 최적화된 공간변수들은 층류의 것들에 비해 약 5배 이상으로 훨씬 크고 채널수도 30정도로 적어져 실제 시스템 운용에 큰 장점이 될 수 있다. 또한 pumping power가 커짐에 따라 최적 열저항은 층류의 것보다 더 급격히 떨어져 10W 정도에서는 오히려 난류영역의 것이 더 낮은 값을 갖는다. 하지만 MMC 히트싱크내의 난류영역의 최적결과는 열저항이 매우 높게 나타나는데 이는 유동이 난류가 되기 위해 공간변수들이 과도하게 커져 열효율 면에서는 나쁜 영향을 주기 때문이다.
지금까지 여러 마이크로채널을 이용한 냉각 시스템의 최적화를 수치해석으로 수행한 결과를 고찰하였다. 이는 실제 시스템 설계에 있어 큰 도움이 되리라 생각하며 이 최적화 기법을 여러 열교환 시스템에 적용한다면 큰 비용절감과 극대화된 냉각효율을 기대할 수 있을 것이다.
