어린 소녀가 스마트폰이나 휴대폰을 사용했을 때의 열 방출을 보여주는 적외선 서모그래피 영상

전자기기의 열 관리 Thermal Management

전자 기기의 기능 유지를 위한 열 관리 솔루션



프로세서나 배터리와 같은 수많은 전자 및 전기 부품은 열을 발생시킵니다. 열 관리는 대부분 고도로 소형화된 고성능 구성 요소를 많이 포함하는 전자기기에 특히 중요합니다. 열이 발생해도 기기가 안정적으로 작동하고 손상되지 않도록 해줍니다. 발생된 열을 소진시키기 위해 특정 장단점이 있는 다양한 소재와 방식이 사용됩니다.

다양한 전자 단말기에서 열 관리가 주요한 이유!

스마트폰, 태블릿, 스마트워치 및 스마트 홈 제품과 같은 최신 전자 기기의 성능이 더 좋아지면서 설치된 구성 요소는 더 소형화되고 있습니다. 이런 기기에는 수백만 개의 반도체 회로가 있는 프로세서, 고해상도 및 명도의 디스플레이, 에너지 밀도가 높은 배터리, 고성능 LED 등이 사용됩니다. 이러한 구성 요소는 열 손실을 발생시키며, 이를 소진시켜야 합니다. 열 관리가 안되면 구성 요소와 기기가 과열되어 기능의 안정성과 작동 안전이 위험해집니다.

열 관리에 특히 적합한 소재는?

열 관리에는 열전도율이 높은 소재가 사용됩니다. 우수한 열 전도성으로 구성 요소에서 발생한 열을 냉각 구성 요소로 전도시켜 소진시킬 수 있습니다. 은, 금, 알루미늄 및 구리와 같은 금속은 우수한 열 전도체입니다. 저렴한 가격, 가벼운 무게, 간편한 가공으로 알루미늄은 선호되는 재료 중 하나입니다. 구리는 알루미늄보다 비싸지만 열 관리 특성이 더 뛰어나기 때문에 알루미늄과 구리를 혼합하여 사용하는 경우가 많습니다. 열 소진 필요성이 낮을 경우 열가소성 플라스틱과 같은 재료를 사용할 수 있습니다.

열 소진 방식 및 각각의 장단점

최신 전자 기기에는 팬과 같은 능동적 냉각 방식을 위한 공간이 없는 경우가 많습니다. 팬은 소음을 유발하고 에너지가 필요합니다. 따라서 열 소진을 위해 수동적 방식이 일반적으로 사용됩니다. 수동적 열 소진에는 전도(다른 고체 물질로 열 전달), 대류(주변 공기 또는 액체로 열 전달) 및 열 복사를 통한 열 전달의 물리적 원리가 사용됩니다. 다음 정보에서 다양한 방식에 대한 간략한 개요와 각각의 장단점을 알아볼 수 있습니다.

전자 보드의 알루미늄 히트 싱크
전자 보드의 알루미늄 히트 싱크

히트 싱크

히트 싱크는 표면적이 넓고 알루미늄과 같은 좋은 열전도체로 만들어진 특별한 모양의 부품입니다. 발열 구성 요소에서 열전도 페이스트와 같은 중간 매체를 통해 열이 히트 싱크로 전달되고, 그 표면을 통해 주변 공기로 전달됩니다. 열 전달은 열 복사를 통해서도 일어납니다. 열 복사를 최적화하기 위해 히트 싱크는 주로 검은색으로 칠해집니다. 고성능 반도체 칩에는 대부분 히트 싱크가 장착되어 있습니다.

장점은 가격이 저렴하고 사용이 편리합니다. 그러나, 소진시켜야 하는 열이 커질수록 히트 싱크의 크기 또한 커져야 합니다. 보통 열 소진은 부품과 아주 밀접한 곳에서 발생하므로, 공간이 협소한 소형 기기에는 사용이 제한적일 수 있습니다..

히트 스프레더

히트 스프레더는 구리나 알루미늄과 같은 좋은 열 전도체로 만든 얇은 시트로 반도체 칩 위에 바로 배치됩니다. 주로 칩에 접착하거나 납땜합니다. 금속 시트의 기능은 구성 요소에서 발생한 열을 최대한 넓은 영역으로 분산시키는 것입니다. 이렇게 하면 히트 스프레더에 장착된 히트 싱크로 열이 쉽게 전도됩니다. 또한 히트 스프레더는 히트 싱크 장착시 프로세서와 같은 구성 요소의 하우징의 민감한 표면이 손상되지 않도록 보호해줍니다.

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구리 튜브가 있는 냉각 시스템. 구리 방열기. 구리 냉각기 튜브 열 교환기 응축기. 생산 공정의 냉각기.
구리 튜브가 있는 냉각 시스템.

히트 파이프

히트 파이프는 더 먼 거리로 열을 소진시킵니다. 히트 파이프는 열 흡수와 열 방출 과정이 분리되어 있습니다. 이 구성 요소는 열전도율이 높은 물질로 만들어진 밀봉된 얇은 벽으로 된 파이프이며, 물이나 암모니아와 같은 기화성 액체가 소량 함유되어 있습니다. 발열 구성 요소로부터 열이 전도되면 히트 파이프 안의 액체가 증발합니다. 증기가 히트 파이프의 냉각기 끝으로 이동하여 히트 싱크와 같은 다른 냉각 부품에서 응축되어 열이 소진됩니다. 그런 후 액체가 역류하고 그 과정이 다시 반복됩니다. 열 발생 구성 요소에 직접 장착된 히트 싱크보다 열 전달이 훨씬 빠르고 먼 거리도 가능합니다. 직경이 극도로 작은 특수 나노 히트 파이프는 고도로 소형화된 전자 기기에 사용가능합니다. 이러한 장치는 열 소진을 위해 인쇄 회로 기판에도 사용할 수 있습니다.

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결론

전자 기기의 열 관리는 향후 지속적인 주요한 사안입니다. 보다 더 강력해지는 프로세서, 디스플레이, 5G 구성 요소 및 배터리는 높은 열 손실을 발생시키며, 이러한 열 손실은 솔루션에 의해 효과적으로 분산되어야 합니다. 팬이나 펠티어 요소와 같은 능동적 냉각 기술은 소형화된 기기에서는 사실상 사용이 불가능합니다. 이로 인하여 히트 싱크, 히트 스프레더 또는 히트 파이프를 통한 수동적인 열 분산 기술이 선호됩니다. 단, 이러한 방식에는 일반적으로 전자 기기의 최적의 열 관리를 보장할 수 있도록 열 관리 테이프와 같은 추가적인 열 인터페이스 재료가 필요합니다.


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