Heat Sink 기초 이론

[핑크요정]

1.들어가며...

최근 CPU는 1GHz를 넘나드는 고클럭이 되었고 공정이 발달함에도 불구하고 엄청난 에너지를 소비하게 되었다. 하지만 아주 미세한 에너지만이 시퓨가 동작하는데 사용이 되고 거의 대부분의 에너지는 열로써 발산하게 되기 때문이다. 또한 오버클럭킹은 규정 이상의 전압을 인가하게 되고 클럭이 높아진 만큼 더더욱 많은 열을 발산한다.

급기야 외국의 오버클럭커들의 전유물로 여겨졌던 수냉시스템과 TEC 모듈을 사용한 쿨링 솔루션도 국내에 도입이 되었다. 또한 아직 고가이긴 하지만 냉매를 이용한 쿨러도 소수의 사람들에 의해서 사용되어 지고 있다.

그렇더라도 우리 주변에서 일상적으로 사용되고 있는 쿨링 솔루션은 히트싱크와 쿨링팬으로 조합된 공랭식 쿨러이다. 또한 공랭식 쿨러에도 알루미늄을 사용한 히트싱크에서 구리가 삽입되거나 혹은 전체를 구리로 사용한 히트싱크 사용등 변화를 보이고 있다.

이번 기회에 공랭식 쿨러의 핵심인 히트싱크와 히트싱크와 조합을 이루는 쿨링팬의 역할에 대해서 의미를 짚어 보고 는 이유는 무엇인가 한번 알아보자.

2.열전달 모델

열이동에는 두가지 중요한 요소가 있다. 하나는 평판내에서 열이 전달되는 전도(Conduction) 이고 또다른 하나는 대기와 접촉하여 평판에서 대기로 열이 전달 되는 대류(Convection)가 있다.

우리가 흔히 사용하는 공랭의 쿨러에서 예를 들어보면 다음과 같다.

1.시피유 코어로부터 발열(열입력 부분)→2. 히트싱크의 각핀으로 열이 이동(전도 부분)→3. 히트싱크에서 대기로 열 이동(대류 부분)

Conduction(전도)
전도에 관련된 첫 번째 식 T1-T2 = (qL)/(AK)을 보자. 열전도도(K)가 증가할수록 평판 양단간의 온도차(T1-T2) 가 줄어든다.
온도차가 작다는 말은 신속하게 열이 이동하였다는 말이고 이는 곧 열전도도가 낮은 알루미늄 대신 열전도도가 높은 구리를 사용하는 이유이다.

Convection(전달)
전달에 관련된 식은 두 번째 식 T2-Trt = (q)/(Ah)을 보자. 여기에서 Trt는 대기의 온도이다. 열전달율(h)가 증가할수록 평판 끝의 온도(T2)와 대기의 온도(Trt)의 온도차(T2-Trt)가 줄어든다는 사실을 알 수 있을 것이다.

평판의 온도를 낮추기 위해서는 열전달율이 높아야 하고 자연대류보다는 팬을 이용 열전달 효율을 높일 수 있는 강제대류 방식을 사용하게 된다.

또한 열의 Conduction(전도)와 Convection(대류)를 동시에 높이기 위해 표면적(A)를 증가시킨다. 표면적을 증가 시키는 방법은 핀구조를 사용하는 방법과 히트싱크 대형화 방법이 있다.

재료에 따른 열전도도

앞서 열전달 모델에서 말했듯이 보다 효율적인 열전달을 위해서는 열전도도가 좋은 재질을 사용하는 것이 좋다.위 그래프에서 보면 알루미늄보다 구리가 두 배 가까이 전도도가 좋다. 그래서 구리 플레이트를 삽입한 히트싱크나 100% 구리 히트싱크를 사용한 쿨러가 제작되는 것이다.

플레이트 양단의 온도 기울기 예상 모델

위의 그래프는 전도도에 따른 평판 양단의 온도 기울기를 보여준다. 위에서도 살펴봤지만 전도성이 좋을수록 온도 기울기가 적어진다.

여기서 같은 열전도도를 가질 때 온도 기울기를 보자 강제대류가 자연대류보다 온도 기울기가 크다. 바로 T2의 열이 대류를 통해서 대기로 열이 전달되었다는 의미이다.

h(열전달율)와 K(열전도도) 모델에 대한 치환값

(안정상태 조건, 평판의 끝 부위에서의 급격한 손실 없음, 복사에 의한 손실 무시를 가정으로 했을 때 )

열전도도에 의한 온도 차이를 보자.
열전도도가 0.1(W/mK)에서 100(W/mK)로 증가함에 따라 온도차이 델타 T(dT)와 발열부의 온도는 감소한다.
열전도도는 재료에만 국한되지 않는다. 가령 피라미드같은 타입과 알파의 슬롯타입에 사용되었던 방법과 같이 열전도도에 있어서 모서리 부분에서 생기는 열전도 손실을 막는 설계등으로 열전도도를 향상시킬 수 있다.


열전달율에 의한 온도차이를 보자.
T2의 온도를 보기로 하자. 강제 대류로 열전달율이 50(Wm^2K)와 자연대류인 5(Wm^2K)는 비교가 되지 않으 정도의 차이를 보인다.
(같은 경우 시피유 쿨러의 팬이 동작하지 않을 때 얼마나 위험한지 간접적으로 알 수 있다.)

대류는 열관리에 있어서 아주 중요한 요소가 된다. 이유는 T2가 전적으로 히트싱크의 면적과 열전달율에 의존하기 때문이다. 또한 동일한 공간에 얼마나 효율적으로 핀을 구성하는지도 중요하다. 이는 열전달율을 높이기 위해 표면적을 늘리기 위한 작업이기 때문이다.

또한 표면적을 얼마나 효율적으로 증가시키고 핀의 증가로 인한 압력손실을 최소화하는 히트싱크의 설계가 얼마나 중요한지 보여준다.

마치며...

공랭 쿨러의 성능을 향상 시키는 방법은 간단하다..하지만 또한 어렵다. 다음과 같다.

1.열전도도가 좋은 재료의 선택.(히트싱크)
2.방열핀의 표면적 증대.(히트싱크)
3.히트싱크의 대형화.(히트싱크)
4.강력한 쿨링팬 사용.(팬)

살펴보면 1번은 열전도도, 2번과 3번은 열전도도와 열전달율, 4번은 열전달율에 관한 내용이다. 1,2,3번이 히트싱크에 관련된 부분으로 이는 기본적으로 히트싱크의 설계가 얼마나 중요한지 보여준다.

보다 강력한 쿨링 성능을 위해 고속의 팬과 구리 히트싱크를 사용한다. 하지만 고속의 팬은 공해 수준의 소음을 발생시키고 구리 히트싱크는 사용하기에 부담스러운 무게를 가지고 있다.

이상적인 쿨러는 강력한 성능, 적절한 무게, 그리고 무소음이다. 특히 무소음은 공랭 쿨러가 마지막으로 지향해야 할 부분이다.

성능,무게,소음, 이 세가지 중 어떤 부분에 중점을 두고 쿨러를 선택하는지는 사용자의 몫이다.

이 기사가 공랭의 쿨러를 이해하고 선택하는데 조금이라도 도움이 되었으면 한다.