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소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅰ
배경 및 기술동향
전자장비는 현대생활과는 필요불가결한 제품으로 그 크기는 급속하게 작아지고 있는 반면 복잡성과 용량은 빠른 속도로 증가하고 있다. 또한 이 분야는 최근 국가경제에 최대의 기여를 하고 있는 핵심기반 기술이다. 이와 같은 전자장치가 고밀화 또는 소형화 될수록 냉각문제가 그 용량과 직접적으로 관계된다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
서 론
배경과 열적환경
반도체 산업은 최근 국가경제에 지대한 기여를 하고 있는 핵심기반 기술로 수출액의 15% 이상을 차지하는 고부가가치 산업으로 자리하고 있고 관련 부품산업들도 고집적, 초정밀, 초소형화되어야 함에 따라 관련 기술의 국산화 혹은 연관된 기본적인 열설계 기술의 보급이 시급한 실정이다. 이와 같은 전자장치가 고밀화 혹은 소형화 될수록 냉각문제가 그 용량과 직접적으로 관계된다.
전자시스템의 신뢰성은 시스템의 전 장비에서 중요한 인자이다. 전자부품들은 그들의 역할 목적에 따라 전기흐름의 통로가 다르고 과대한 열 부하의 잠재적 장소가 된다. 저항을 통하여 전류의 흐름이 열 발생을 동반하기 때문이다.
소형 전자장치의 냉각 기술분야는 1883년대로 거슬러 올라간다. Thomas Edison이 2극 진공관을 발명한 때부터다. 진공관은 1959년까지 TV, 전파탐지기 그리고 디지털 컴퓨터 등의 전자산업의 기저로서 역할을 하였다. 이 영역에서 개발된 몇 가지 컴퓨터로서 가장 크고 그리고 가장 잘 알려진 것은 ENIAC(Electronic Numerical Interrator and Computer)이다. 그것은 1946년 University of Pennsylvania에 건설되었다. 그것은 18,000 이상의 진공관을 가지고 7m×14m 크기의 공간을 점유하였다. 큰 동력을 소비하였으며 신뢰성은 빈약하였다. 그 이유는 진공관의 높은 파손율 때문이었다.
2극식 트랜지스터의 발명은 1948년 전자산업 분야에서 새로운 영역의 시작과 진공관 기술의 쇠퇴를 가져왔다. 트랜지스터 회로는 큰 신뢰성을 가지고 진공관의 근저를 형성하였다. 반면에 진공관과 비교하여 무시할 수 있는 공간을 점유하고 적은 동력을 소비하였다. 첫 트랜지스터는 게르마늄(germanium)으로 만들어졌으며. 100℃ 이상의 온도에서는 적절한 역할을 하지 못했다.
다음의 전환점은 1959년에 집적회로(integrated circuits, IC)의 등장과 함께 시작되었다. 여기서 다이오드, 트랜지스터, 저항기(resistor) 같은 몇 가지 부품들은 단순 칩(chip)으로 대체되었다. 단순 칩에 내장된 많은 수의 부품들은 지금까지 놀라운 정도로 안정적으로 증가하고 있다.
전자장치의 냉각 부하
냉각 시스템의 선택과 설계에서 가장 첫 단계는 열손실의 결정이다. 그것은 냉각부하로 구성된다. 전자장치의 동력손실을 결정하는 가장 쉬운 방법은 전 부하 운전 하에서 장치입구의 인가된 전압(V)과 전류(I)를 계측하는 것이다. 전자장치를 떠나는 에너지의 형태는 저항요소를 통한 전류흐름으로 생성된 열이라는 것을 고려하면, 한 전자장비의 손실 열, 냉각 부하는 그것의 동력 소비와 같다.
열역학 제1법칙에 대한 예외로, 방사체, 다른 형태의 에너지는 전파탐지기의 전극 튜브(emitter tube), 혹은 TV 장치의 무선주파수(radiofrequency, RF)를 방출하는 전자기 복사와 같은 것이다. 그러한 경우에 냉각부하는 동력소비와 RF 동력 방출 사이의 차이와 같다. 전자장치의 냉각부하를 결정하는 한 기법은 장치에서 각 부품에 의한 손실된 열을 산정하는 것이다.
냉각의 가장 바람직한 형태는 자연대류냉각(natural convection cooling)이다. 왜냐하면 어떤 움직이는 부분이 요구되지 않고 본래부터 신뢰성이 있고 조용하며 비용이 들지 않기 때문이다.
열적 환경
냉각기술의 선택에서 중요한 고려사항은 전자장치가 운전하는 환경이다. 적합지 않은 환경에서 예측된 운전기간은 설계과정에서 중요한 고려사항이다. 많은 시간을 비행하고 매시간 이륙하는 항공기를 위한 전자장비의 열 설계는 수분의 비행 기능을 갖는 미사일과는 아주 다르다. 선박의 응용에서 열 환경은 상대적으로 안정적이다. 그 이유는 최종의 히트싱크(heat sink)가 0℃에서 30℃의 온도를 가진 물이기 때문이다.
지열을 이용하기 위하여 최종의 히트 싱크는 극궤도에서 -50℃로부터 사막기후 50℃로 변하는 대기이다. 그것의 압력 범위는 3000m의 고도에서 약 70kPa로부터 해수면 아래 500m에서 107kPa이다. 결합된 복사와 대류 열 전달계는 평온한 기후에서 10W/m2.℃로부터 풍속이 100km/h에서 80W/m2.℃까지 범위이다.
태양열과 직접적으로 접하는 장치의 표면은 맑은 날 100W/m2의 태양복사 열 플럭스의 지배를 받을 수 있다. 항공 역학적 응용에서, 열 환경은 지상에서 1atm, 35℃로부터 12,000m 고도로 비행하는 전형적인 비행에서 순간에 19kPa, -60℃까지 변할 수 있다. 초음속 속도에서 항공기의 어떤 부품의 표면온도는 200℃ 이상의 환경온도로 상승한다. 우주 비행체(space vehicle)에서 전자장치는 보통 부품을 통한 액체순환으로 냉각된다. 열은 포착되고 우주 방열기를 통하여 방열된다. 여기서 폐열은 약 0K에서 태양계 밖의 우주로 방사된다. 그 방사는 우주의 진공환경에서 제거되는 열전달 메커니즘이다. 그리고 열방사 교환은 표면특성에 강하게 의존된다. 표면에 대한 바람직한 방사특성은 특별한 코팅이나 표면처리 기술에 의해서 얻어진다.
전자장비가 밀봉된 박스에서 장비 박스의 외부 표면을 통하여 흐르는 액체에 의해서 냉각될 때 우주에서는 자연대류 흐름이 없고 중력장이 부재이기 때문에 팬 가동이 불필요하다. 물이 쉽게 접근할 수 있는 선박과 잠수함의 경우 전자장비는 보통 폭풍 등의 날씨의 진동이나 충격으로부터 보호하기 위하여 튼튼한 캐비닛 내에 내장한다. 물로 냉각 되는 열 교환기가 전자 장비를 냉각하기 위하여 일반적으로 사용된다.
전도 냉각
기술의 개요
전자장치에서 전류가 흐를 때 언제나 열은 생성된다. 생성된 열은 장비의 온도를 상승시킨다. 그리고 생성된 온도차는 열을 장비로부터 최소의 열 저항 경로를 통하여 소멸시킨다. 그 장비의 온도는 소멸된 열이 생성된 열과 같을 때 안정된다. 장치의 온도 증가를 최소화하기 위하여 유효한 열전달 경로가 장비와 근본적인 히트 싱크 사이에 설정되어야 한다. 그것은 보통 대기 중의 공기이다.
기본 이론
전도 냉각(conduction cooling)은 어떤 벌크유체(bulk fluid) 운동이 없이 분자상호 작용 결과로서 고체, 액체, 기체를 통한 열의 확산에 근거를 둔다. 두께 L, 전열면적 A 그리고 열전도계수 k인 평판을 통한 정상상태 1차원 열전도는 다음 식으로 주어진다.
Q = kAΔT/L =ΔT/R (W) (2-1)
R은 매체의 열 저항이고 △T는 매체를 통한 온도차이다. 이것은 전류의 흐름과 유사하다. 열 저항의 개념은 전기회로 문제와 유사한 방법으로 열전달 문제를 풀 경우 이용된다.
칩 캐리어(chip carrier)에서 열전도
전자장비의 전도열전달 해석은 하나의 칩의 회로소자(circuitry)와 접합(junction)으로부터 시작된다. 그것은 열 발생 장소이다. 칩 수준에서 열전달 구조를 이해하기 위하여 그림 1에서와 같이 DIP(dual in-line package) 형 칩 캐리어를 고려해야한다. 접합에서 발생되는 열은 칩을 통해서 펴져나가고 칩의 두께를 횡단하여 전도된다. 칩의 본체에 대한 접합으로부터 열의 퍼짐은 자연대류에서 3차원이다. 그러나 열 저항 네트워크에 수축 열 저항(constriction thermal resistance)을 부가하여 1차원으로 접근하였다. 큰 본체에 대한 직경 d, 면적의 적은 생성에 대하여 수축 열 저항은 다음식과 같다.
Rconstriction = 1/πdk (℃/W) (2-2)
여기서 k는 큰 물체의 열전도율이다. 그 칩은 높은 전도성 본딩 재료를 가진 리드 프레임(lead frame)에 부착된다. 그것은 열 흐름에 대하여 칩으로부터 리드 프레임에 낮은 저항경로를 제공한다.
PCB에서 전도 열전달
전자장치에서 열 발생은 얇은 사각형 하드보드 위에 공급되고 보드의 크기는 보통 10cm×15cm이고, 글래스-에폭시 같은 전기적으로 절연된 재료로 만든다. 그 재료는 또한 낮은 열전도율을 가지고 있다. PCB는 보통 그들을 통과하는 공기의 흐름이나 혹은 절연유체의 유동에 의해서 냉각된다. 그러한 경우 PCB위의 부품들은 직접적으로 냉각된다.
동 혹은 알루미늄 피복, 열 프레임 혹은 코어는 일반적으로 PCB를 따라 열전도를 강화시키기 위하여 사용된다. PCB에 대한 동 피복은 동의 온스(ounce) 질량으로 나타낸다. 그것은 1 질량으로 만들어진 동 시트 1ft2의 두께이다. 동 1온스는 0.03556mm(1.4mil) 두께의 동 층과 동등하다. 동이나 알루미늄을 피복한 PCB을 따라 전도열전달을 해석할 때 종종 문제점이 야기된다. 그것은 에폭시 제품을 따른 열전달이 상대적으로 동의 열전달에 대하여 무시할 수 있는 것인가 아닌가이다. 왜냐하면 동의 열전도율이 에폭시보다 1500배 높기 때문이다. 그것은 각층의 횡단면적에 의존된다. 열전도는 열전도율과 마찬가지로 횡단면적에 비례한다. 폭 w 그리고 길이 L이고 횡단하는 온도차는 △T인 동으로 피복된 PCB를 고려하면 그림 2와 같다.
열의 흐름 방향은 길이 L을 따라 흐른다고 가정하고 다른 방향의 열전도는 무시한다. PCB를 따른 열전도율은 에폭시와 동층의 열전도의 합으로 다음 식과 같이 나타낸다.
(2-3)
여기서 t는 두께를 나타낸다. 두 층을 따라 열전도의 상대적 크기는 층의 열전도율과 두께의 곱의 크기에 의존된다. 만약 동의 kt가 에폭시의 것보다 100배이면, 에폭시 보드의 열전도율은 무시한다. 금속으로 피복된 PCB의 유효한 열전도율은 다음과 같이 정의한다.
(2-4)
따라서 PCB를 따른 열전도율은 다음 식과 같이 나타낸다.
(2-5)
여기서, APCB는 w(tepoxy + tcopper)이며 열전달 방향에 대하여 법선 면적이다.
히트 프레임(heat frame)
전자 장비를 걸쳐 공기의 유동 혹은 절연액에 의한 회로기판의 직접적인 냉각은 허용되지 않는다. 접합온도는 엄격한 안전요구 온도보다 상대적으로 낮고 열 프레임의 온도는 얇은 동 피복 층 대신에 사용되었다. 이것은 특별한 군용 PCB를 위한 경우이고 고출력 칩과 함께 내장되어 있다.
칩에서 발생되는 열은 회로기판을 통하여 부착된 에폭시를 통하여 히트 프레임 그리고 열 싱크 혹은 냉각평판(cold plate)을 따라 히트 프레임의 중앙으로 전도된다. 그곳에서 열은 제거된다. 히트 프레임은 히트 싱크에 대한 회로기판으로부터 열 흐름에 대하여 낮은 열 저항 통로를 제공한다. 히트 프레임이 두꺼울수록 열 저항은 더욱 낮고 히트 프레임의 중앙과 가장자리 사이의 온도차는 더욱 작아진다. 열부하가 PCB위에 균등하게 분포되었을 때 중앙선에 대하여 열적 대칭을 이룬다.
연구 동향
김용찬 등의 연구에서 무인 통신기지국에 설치되는 통신 장비는 고열유속의 발열 칩을 다수 포함하고 있으므로 통신 기기의 사용량 증가에 따라 PCB 보드의 표면온도는 급격히 상승한다. 이때 한계점 이상으로 온도가 상승하면 기기의 성능이 저하되며 접속불량 등의 고장을 유발하게 되므로 적절한 냉각을 통하여 최적온도로 유지하여 주어야 한다. 하이브리드 냉방시스템은 외기온도가 높은 하절기에는 증기 압축 사이클을 작동시켜 증발기에서 냉방효과를 얻는다. 이때 냉각수는 응축기로 공급된다. 통신 기지국 내부의 공기는 증발기에서 냉매와 공기가 열 교환함으로써 냉각되며, 응축기의 고압의 냉매는 응축기를 통과하는 냉각수 순환장치의 냉각수와 열 교환하여 방열기를 통해서 외부로 열을 방출한다(Mode 1). 외기온도가 낮은 동절기에는 압축기를 가동시키지 않고 그림 3과 같이 방열기에서 실외공기에 의해 냉각된 냉각수를 증발기에 공급하여 통신기지국 내의 공기와 열 교환 냉방 효과를 얻는다(Mode 2).
그림 4는 통신기지국용 하이브리드 냉방기의 Mode 1에서 외기온도 변화에 따른 냉방용량 및 소비전력을 나타낸다. 외기온도의 증가에 따라 냉방기의 냉방용량은 감소하였다. 이 때 응축압력 증가 폭이 증발압력 증가 폭보다 커서 압축기 소비 전력은 증가하였다. 실외 온도가 16.7℃에서 35℃로 증가함에 따라 냉방용량은 7.3% 감소하였으며 소비전력은 23.5% 증가하였다.
그림 5에서와 같이 통신기지국 부하에 따라 하이브리드 냉방기의 모든 변환점을 선정하고 냉방기를 운전할 경우 Mode 2에서 소비 전력은 Mode 1에 비해 50.3% 작으므로 에너지를 절약할 수 있는 것으로 판단된다.
외기온도가 높은 Mode 1에서의 정격용량을 8.3kW로 선정할 경우 외기온도는 그림 6에서 8.3℃이다. 서울의 연중 약 37%의 기간이 외기 온도가 8.3℃ 이하로 나타났으므로 이 기간에 하이브리드 냉방기를 통신기지국에 적용한다면 50.3% 이상의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
신지영 등은 핀-휜을 삽입한 채널에서 열전달은 유속이 증가할수록 커졌다. 동일 핀 직경에서 핀 사이의 피치가 감소할수록 동일 피치에서 핀 직경이 증가할수록 다공도가 감소하여 유체의 유동공간이 작아지므로 열전달이 증가한다. 휜 배열이 매우 조밀하면 유동 교란에 의한 유체에서의 열전달 상승효과가 지배적이기 때문에 다공도가 감소해서 고체의 유효열전도율이 증가하는 데도 불구하고 Biot 수는 증가한다. 다공도가 0.5이하의 영역에서 다공도가 감소함에 따라 압력 강하가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.
신지영은 고성능 냉각 방식은 기존 방법에 비하여 많은 열을 제거할 수 있다는 것 외에 냉각 장치의 소형화란 개념도 포함되어 있다. 즉 냉각성능을 향상시키기 위하여 열전달 면적을 증가시키는 것은 한계가 있기 때문에 열전달 계수를 향상시키는 것도 같이 고려되어야 한다. 핀-휜 구조물의 형태변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성과 실험과 해석 결과를 비교하여 핀-휜을 삽입한 열교환기의 최적 설계조건을 검토할 필요가 있다.
그림 7은 신지영 등의 실험연구에 대한 개략도이다. 평판 사이에 원형 핀-휜을 삽입한 형태이며 벽면에서 균일한 열 유속이 공급되는 경우의 강제대류 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 핀-휜 구조물을 다공성 매질로 모델링하고 입구영역의 길이는 매우 짧고 물성치는 온도에 관계없이 일정하다고 가정하면 운동량 방정식과 에너지 방정식은 다음과 같다.
(2-6)
(2-7)
(2-8)
횡 방향에 대한 열적 분산효과에 대한 유체의 열전도율 kf, dis는 Kuwahara와 Nakayama가 사용한 식을 제시하면
이상의 식으로부터 그림 7의 다공도를 구할 수 있으며, 다음 식으로 표시할 수 있다. Dp는 핀의 직경, H는 채널 높이의 1/2이며, 피치S는 핀의 중심사이의 거리로 정의하고 횡방향과 종 방향 피치가 같은 판 배열을 가정하였다.
(2-14)
열전달계수
(2-15)
기호< >는 채널 단면 평균이다. 식(2-15)에 속도장과 온도장에 대한 해를 대입하면 열전달계수를 계산할 수 있다. 한편, Nusselt 수
(2-16)
여기서, Dh=4V/f/Ah로서 수력직경을 의미한다.
그림 8은 실험범위와 동일한 영역에서 계산을 수행하여 Nusselt 수와 압력강하를 비교한 것이다. 피치를 일정하게 유지한 상태에서 핀의 직경을 크게 하면 유체의 유동공간이 좁아지고 다공도는 감소한다. 이 때 Nusselt 수는 증가하는데 핀의 직경이 큰 영역에서는 Nusselt 수의 등고선 간격이 넓어지므로 Nusselt 수의 증가 폭이 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 다공도에 따른 열전달의 향상효과가 점점 둔화된다는 것을 의미한다. 반면에 압력강하는 점점 커지는 것을 알 수 있다.
냉각팬의 동력을 일정하게 유지한 상태에서 열전달을 향상시키면 핀-휜의 직경과 피치를 어떻게 변화시켜야 하는지에 대한 개념을 제시할 수 있다. 압력 강하량이 큰 경우 Dh/S가 약 0.5보다 작아지면 피치와 핀의 직경을 변화시켜도 열전달 계수 등고선상의 변화가 급격히 작아지는 것을 알 수 있다. 예를 들어 피치가 5mm라면 핀 직경을 변화시킬 수 있는 범위가 이론적으로 0∼5mm이므로 비교적 크기가 작은 부품을 냉각하기 위하여 핀-휜 열교환기의 설계에 이용이 가능하다.
김재홍은 CAE를 이용하여 지금까지 PCB 개발에 있어서 설계와 신뢰성 확인 시험의 반복과정에서 소요되는 개발기간을 단축하고 설계 품질을 향상시키기 위해 설계 초기 단계에서부터 냉각 성능이 우수한 최적 사양을 예측할 수 있는 방법을 제시함으로써 프린트 기판의 신뢰성 향상과 수명 연장을 위한 산업체의 안전 설계 수준을 향상시키려고 하였다. 이를 위하여 미국 NASA에서 신뢰성을 인정받은 유한요소 범용 소프트웨어 MSC/NASTRAN을 사용하였다.
MSC/NASTRAN의 자연대류 열전달 접근 방법은 해석 대상인 프린트 기판의 막계수(film coefficient)는 온도함수와 주위 온도함수뿐만 아니라 시간의 함수로도 정의할 수 있게 되어
있지만 해석의 단순화를 위해 다음과 같은 시간에 따라 열 유동 상태가 변하지 않는 정상상태의 열평형 방정식을 사용하였다.
(2-17)
여기서 [K]=열전도 매트릭스
(U)= 관심 위치 온도벡터
(R)=복사 온도 매트릭스
(Tabs)= 주위온도
(P)= 열 유동 상수벡터
(N)= 열 유동에 영향을 받는 온도벡터
계산과정에서 Newton-Raphson 반복방법을 이용하였고, 정상 상태의 열평형방정식은 다음 식으로 유도하였다.
(2-18)
여기서
(2-19)
(2-20)
[KT]i = 접선전도 매트릭스
(R)i = 잉여 벡터
위식은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
(2-21)
MSC/NASTRAN에서는 각각 반복적으로 해를 푸는데 일반적으로 잉여벡터를 재계산하지만 반복법의 효과를 향상시키기 위하여 접선 메트릭스도 재계산할 수 있어 최적의 해를 얻을 수 있다.
전자 칩의 냉각 성능향상을 위한 최적 배열 방법은 발열량이 큰 칩은 서로 근접시키지 않는 것이 바람직하고 칩과 칩 사이의 최소 설계거리는 전자 칩의 높이(L)보다 2배 이상의 표면거리를 유지해야 한다.
프린트 기판의 구조변화에 따른 전자 칩의 냉각 효과는 에폭시보다 열전도율이 큰 알루미늄 판으로 구조변경을 할 때 냉각 효과가 우수하다. 프린트 기판의 개발 시 설계 초기 단계에서 CAE를 이용하면 온도 분포 예측이 가능하고 냉각 성능이 우수한 구조를 설계할 수 있다.
Bae 등은 고용량의 전기장비와 그것의 크기에 대한 감소 경향에 의하면 전기장비의 높은 성능에 대한 필요는 더욱 더 중요하게 되었다. 가능한 해의 하나는 고온 초전도(high temperature superconducting, HTS) 에너지 응용이다. 다음의 실제적인 HTS 와이어의 성공적인 개발은 초전도 동력 장비의 개발에서 연구 활동이 재개되었다.
HTS 장치는 액체질소(LN2)와 같은 냉매에서 혹은 임계온도 아래로 유지시키기 위하여 Grifford-McMahon(G-M) 저온냉각기를 사용하는 전도 냉각방법에 의한 냉각으로 운전되었다. 비어있는 에폭시 그리고 LN2에서 폴리이미드(poyimide)와 같은 어떤 단열 재료의 절연강도가 해석되었다. 충진된 에폭시 복합물은 그것은 취성을 보상할 뿐 아니라 절연강도가 강화되었다.
초전도 전력 장비의 단열에 대한 몇 가지 단열 재료의 단열 특성이 이 논문에서 연구되었다. 폴리이미드의 절연강도, 초저온(77K)에서 비어있는 에폭시, 충전된 에폭시는 상온에서는 유사하다. 절연파괴전압(breakdown voltage)은 초저온에서 재료의 두께(d0.5)에 비례한다. 충진된 에폭시는 좋은 전기적 단열이나 열적 성질을 가진다. 계측된 데이터는 초전도 전력 장비의 실제 설계에 사용될 수 있다.
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제목: 소형 전자장치의 냉각에 대한 기본기술 Ⅰ
