기기에서 전력 사용량이 증가하거나 디지털 연결성이 높아지면, 그 순간부터 전기화 수준이 높아지며 더 많은 열이 발생합니다. 이 열이 과도하게 쌓이면 제품의 수명을 크게 제한할 수 있습니다.
여기서는 발생하는 열을 효율적으로 제어하여 온도를 최적화하는 개념을 소개합니다.
열 관리의 기본 원리와 전자기기를 냉각하는 일반적인 방식에 대해 이해하게 될 것입니다. 또한 전기 부품 및 다양한 장치에서 적용되는 열 전달 방식과 냉각 기법 등, 열 관리에 활용되는 대표적인 방법들도 함께 소개합니다.
열 관리 개념
전기의 열은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 세 가지 방식으로 전달됩니다. 이 세 가지는 전자기기 냉각에 모두 활용되지만, 적용 환경에 따라 구현 방식과 효과는 달라질 수 있습니다.
열 시뮬레이션은 기기나 시스템 내부의 온도 분포와 공기 흐름을 시각적으로 확인할 수 있게 해 주며, 대부분의 소프트웨어는 전산유체역학(CFD) 기법을 기반으로 작동합니다. 이를 통해 전자 시스템의 온도와 흐름을 예측할 수 있습니다.
이러한 시뮬레이션은 엔지니어가 최적의 냉각 구조를 설계하고 개발하는 데 중요한 역할을 합니다.
기기의 열 저항
반도체 소자의 접합부에서 케이스까지 측정되는 열 저항은 일반적으로 이렇게 표현됩니다. 예를 들어, 10°C/W로 평가된 열 시스템은 1W의 전력을 소모하면 주변 공기보다 10°C 더 뜨거워진다는 뜻입니다. 주변으로의 접합부 열 저항이 낮을수록 더 효율적인 소자를 의미합니다.
두 장치가 서로 다른 다이(die)나 패키징 열 특성을 가지고 있을 때, 이들의 접합부–케이스 열 저항은 이러한 경우 더 낮아질 수 있습니다. 이는 비교적 효율성과 직접적인 상관관계를 가집니다.
일부 반도체 패키지는 서로 다른 방향의 다이, 다른 형태의 다이, 그리고 구리나 기타 금속의 다양한 각도와 형태를 가지고 있습니다.
히트파이프
히트파이프는 어떤 종류든, 두 가지 상(증발·응축)을 갖는 냉각 유체 또는 냉매의 증발과 응축을 이용해 많은 양의 열을 전달하는 장치입니다. 일반적인 히트파이프는 구리나 알루미늄과 같은 전도성 금속으로 만든 속이 빈 관 형태로 구성됩니다.
히트파이프의 장점은 열 에너지를 매우 효율적으로 전달할 수 있다는 점입니다. 물의 어는점 이하에서 작동해야 하는 경우에는 구리가 사용되며, 우주 환경에서의 전자 냉각에는 알루미늄 히트파이프가 사용됩니다.
전기·전자 장비의 열 관리에서 가장 흔하게 사용되는 히트파이프는 구리 재질의 외피와 심지 구조를 사용하고, 작동 유체로 물을 사용하는 형태입니다.
히트 파이프의 적용 분야
히트 파이프는 열원 및 열에 민감한 부품에서 발생한 열을 다른 위치에 있는 고정 구조물이나 방열판으로 효과적으로 전달합니다. 일반적으로 열 관리 서브시스템에 통합되어 열을 열원으로부터 보다 먼 영역으로 이동시키는 역할을 합니다. 강제 공기 대류 방식을 사용하면 수백 와트(W)의 전력을 방열할 수 있습니다.
고효율·고성능 전력 전자 냉각기는 기존의 전통적인 냉각 시스템을 적용하기 어려운 공간이 제한된 환경에 적합한 열 관리 솔루션 중 하나입니다. 열원 인근에 고온 영역을 배치하고, 히트 파이프가 열 에너지를 방열 핀으로 전달하며, 이 구성은 대류를 이용해 열을 효율적으로 방출합니다.
히트 싱크
히트싱크는 일반적으로 전자제품에 사용되며 현대 전자제품에 기본적으로 적용됩니다. 히트싱크는 일반적으로 냉각할 구성요소와의 우수한 열 접촉을 위하여 하나 이상의 평평한 표면을 가진 금속 구조물로 구성되어 있습니다. 히트싱크는 통과하는 공기의 유량을 증가시키기 위하여 팬과 함께 설치되는 경우가 많습니다. 이러면 대류보다 열이 더 빠르게 교체되기 때문에 더 효과적입니다. 이를 강제공기 순환이라고 합니다. 히트싱크는 마이크로프로세서와 같은 내장회로와 DSP, GPU등과 같은 전력흡수 칩에 중요한 역할을 하게 되었습니다. 히트싱크는 열에너지를 고온의 물체에서 저온의 열용량이 우수한 다른물체로 효율적으로 전달합니다. 이러한 열 에너지의 빠른 전달은 첫번째 물체를 두번째 물체와 열적평형 상태로 만들어 첫번째 물체의 온도를 낮추어줍니다. 히트싱크의 보다 일반적인 디자인은 많은 핀을 가진 금속장치입니다. 금속의 높은 열전도율과 넓은 표면적으로 효율적인 열전달이 이루어집니다. 이를 통해 히트싱크와 접촉하는 물체의 열이 냉각됩니다. 일부 응용분야에서는 공기를 냉각하거나 전자장치를 가열하기 위해 유체를 사용하기도 합니다.
히트 싱크 성능
강제대류 히트싱크 열성능은 넓은 표면적(일반적으로 핀 또는 발포금속과 같이 표면적을 넓힌)을 통해 히트싱크 재료의 열전도율을 높이고 전체 면적을 증가시켜 향상됩니다. CFD분석은 복수의 금속 또는 유체를 가진 복잡한 기하학적 구조의 히트싱크 조사에 유용할 수 있습니다. 온라인 히트싱크 계산기는 히트싱크의 강제대류와 자연대류를 정확하게 평가할 수 있습니다.
펠티어 소자
펠티에 디바이스는 한쪽에서 다른쪽으로 열을 전달하는데 사용됩니다. 반도체 원리를 통해 냉각되며 고장을 일으킬 수 있는 움직이는 부분이 없기 때문에 유연하고 견고합니다. 하지만 모듈을 추가하면 장치 냉각 비용도 증가할 수 있습니다. 또한 최종 애플리케이션의 열이 늘어나고 팬이나 히트싱크 단독으로 사용시보다 더 많은 전력을 소비합니다. 펠티어 모듈을 추가하는 것이 모든 애플리케이션에 이상적인 것은 아니지만 까다로운 상황에서는 매우 유용할 수 있습니다. 설계자는 특정프로젝트에 비용규모, 신뢰성 및 전력소비등 어느 부분이 가장 중요한지를 판단하여 결정할 수 있습니다.
펠티어 냉각 플레이트
펠티에 효과는 전자부품과 소형 기기의 냉각에 널리 사용됩니다. 상대적으로 효율이 낮기 때문에 일반적으로 온도가 주변 온도보다 낮을 때 작동이 필요한 전자제품에 사용됩니다. 열전 접합부는 일반적으로 기존 연소 사이클 시스템의 40%에 비해 이상적인 카르노 서킷의 에너지 효율이 약 10%입니다. 실제로는 해당 냉각 온도에 대한 효과를 높이기 위해 많은 접합부가 직렬로 배열되어 있습니다. 이는 펠티에측 플레이트가 안정된 상태로 유지된다는 의미입니다. 이 효과는 적외선 센서와 같은 전기장치를 냉각하는데 사용됩니다.
열 인터페이스 재료(TIM)는 어떻게 도움이 될까요?
저희 고성능 열 관리 및 인터페이스소재는 PC, 서버, 의료장비등 다양한 소비자 제품에 사용됩니다. 열 인터페이스소재와 히트싱크가 동작하는 원리에 대해 이해하게 되면 열처리 관련 설계에 있어서 더 효과적이고 긴 수명을 갖도록 만들 수 있습니다.
왜 열 인터페이스 재료(TIM)가 필요한가요?
열 관리 시뮬레이션은 기계와 시스템 내부의 온도 분포 및 공기 흐름을 시각적으로 파악할 수 있는 인사이트를 엔지니어에게 제공합니다. 이러한 시뮬레이션은 일반적으로 전산유체역학(CFD) 기법을 활용하여 전자 시스템의 열 거동과 공기 흐름 패턴을 정확하게 예측합니다.
이를 통해 효과적인 냉각 솔루션의 설계 및 최적화를 지원하며, 궁극적으로 시스템의 신뢰성과 성능을 향상시킵니다. 또한, 열 시뮬레이션은 설계 초기 단계에서 잠재적인 핫스팟을 조기에 식별할 수 있어, 과열 및 시스템 고장 위험을 줄이는 데 도움을 줍니다.
전자장치가 발달함에 따라 더 빠른 처리속도와 전력이 요구되면서 더 많은 열이 발생합니다. 전자장치의 성능을 유지하려면 발생한 열을 효과적이고 효율적으로 제거하는 것이 대단히 중요합니다. 활용되는 분야는 다음과 같습니다.
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- 반도체장치 (예:CPU,GPU,MCM등)
- 휴대폰/태블릿
- PC,서버,클라우드스토리지
- 전기차용 배터리
- LED장치
- IGBT모듈
- 광통신장비
- 의료장비
