열 관리에 대한 소개

전자 시스템은 점차 밀집하고 뜨거워지고 있으며, 이는 많은 시스템에서 열을 관리하는 방법이 필요하다는 것을 의미합니다. 모든 설계에 열 관리 솔루션을 개발할 필요는 없지만, 고온으로 인해 주요 부품이 손상되지 않도록 열이 생성, 이동 및 제거되는 방법에 대한 기본적인 이해가 필수적입니다. 결국 열 관리는 최종 설계에서 하는 임시방편보다 초기 설계 단계에서 고려되어야 합니다.

열 관리 기본 사항

전자 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라, 열을 전달하고 부품을 냉각하기 위한 방법으로 전도, 대류, 복사의 세 가지 이론이 있습니다.

에너지 전달 방법 중 아마도 가장 효율적인 전도는 두 물체 사이의 물리적 접촉을 통해 열에너지를 전달하며, 더 차가운 물체는 자연적으로 더 뜨거운 물체에서 에너지를 끌어냅니다. 일반적으로 이 방법은 가장 큰 에너지를 이동시키는 데 가장 작은 표면적을 필요로 합니다.

그림 1: 실제 전도. (이미지 출처: Same Sky)

두 번째로 대류는 공기의 이동을 통해 열에너지를 재분배합니다. 차가운 공기가 더 뜨거운 물체를 지나갈 때, 즉 찬 공기가 소자를 통해 계속 이동하면서 물체로부터 열을 끌어내어 운반해 갑니다. 이 방법은 자연 대류 또는 팬을 통한 강제 대류를 통해 이루어질 수 있습니다.

그림 2: 실제 대류. (이미지 출처: Same Sky)

세 번째로 복사는 전자기파로 에너지를 방출하는 것입니다. 상대적으로, 이 방법은 대개 전도와 대류를 사용할 수 없는 진공 응용 분야에만 적용되기 때문에 대부분의 열 계산에서 다소 비효율적이며 무시됩니다. 원칙적으로 복사는 뜨거운 입자가 진동할 때 생성되는 전자기파를 통한 열전달입니다.

그림 3: 실제 복사. (이미지 출처: Same Sky)

위에서 설명한 세 가지 기본 열 개념 중 하나는 아니지만 열 저항 또는 열 임피던스를 언급할 필요가 있습니다. 열 저항 또는 열 임피던스는 물체 간의 열전달 효과를 정량화하여 열 관리 솔루션 설계에 광범위하게 사용됩니다. 간단히 말해서 열 임피던스가 낮을수록 에너지 전달이 더 우수합니다. 열 임피던스와 주어진 주위 온도를 사용하여 특정 온도에 도달하기 전에 얼마나 많은 전력을 방출할 수 있는지 정확히 계산할 수 있습니다.

열 관리 부품

전자 시스템을 냉각하는 세 가지 대중적인 접근 방식에는 방열판, 팬, 펠티에 모듈이 있습니다. 각 방식은 단독으로 사용할 수 있지만, 함께 사용하면 훨씬 더 큰 효과를 얻을 수 있습니다.

방열판은 다양한 모양과 크기로 사용할 수 있습니다. 소자에 부착한 방열판은 소자와 냉매(일반적으로 공기) 사이의 열 임피던스를 감소시킴으로써 대류에 의한 냉각 효과를 개선하는 데 사용됩니다. 이를 위해 방열판의 대류 표면적을 증가시키고, 일반적인 반도체보다 열 임피던스가 낮은 소재로 만들어집니다. 방열판은 비용이 저렴하고 고장이나 마모가 거의 없지만, 방열판으로 냉각하는 전자 시스템은 부피가 커지기 쉽습니다. 수동 부품인 방열판은 종종 팬과 조합하여 방출된 열에너지를 시스템에서 더 효과적으로 내보냅니다. 팬 또는 송풍기는 방열판 위로 신선한 찬 공기를 일정하게 공급하여 방열판과 냉각 공기 사이의 온도 차를 유지하며 지속적이고 효율적인 열에너지 전달을 보장합니다.

팬과 송풍기는 여러 가지 전력 옵션과 함께 다양한 모양과 크기로 사용할 수 있습니다. 주요 사양은 일반적으로 분당 입방 피트(CFM)로 측정되는 풍량입니다. 일부 팬과 송풍기는 피드백 기반 제어 시스템의 일부분으로 현재의 냉각 요구에 맞게 속도를 조정할 수 있도록 제어 장치를 갖추고 있습니다. 팬은 냉각 성능을 개선하는 데 도움이 되지만, 설계자는 전력이 필요하고 때로는 회로망을 제어해야 한다는 것에 유념해야 합니다. 방열판과 달리 팬은 소음이 있을 수 있고 움직이는 부품이 있어 고장이 발생하기 쉽습니다.

펠티에 소자는 펠티에 효과를 사용하여 모듈의 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 열을 전달하는 반도체 부품입니다. 펠티에 소자는 열에너지를 이동시키기 위해 에너지가 공급되어야 하는데, 이는 실제로 시스템에 열을 더하기 때문에 방열판과 팬을 함께 사용하는 것이 가장 좋습니다. 그러나 펠티에 모듈은 정밀한 온도 조정을 할 수 있으며 주위 온도 이하로 소자를 냉각할 수 있습니다. 방열판과 마찬가지로 움직이는 부품이 없으므로 자체적으로 유연하고 견고하지만 팬, 방열판, 제어 회로와 함께 사용해야 하기 때문에 비용이 증가하고 더 복잡해집니다. 이러한 이유로 펠티에 모듈은 조밀하게 포장된 전자 시스템의 핵심부에서 열에너지를 추출하는 것과 같이 가장 까다로운 응용 분야에 사용되는 경우가 많습니다.

열 요구 사항 계산

최종 설계 요구 사항이 무엇이든, 전자 시스템을 위한 효과적인 냉각 솔루션 설계에 관해 확립된 접근법이 있습니다. 엔지니어가 통합 열 관리 솔루션을 만드는 데 어떻게 접근할 수 있는지 설명하기 위해 다음과 같은 가상의 문제와 솔루션이 있습니다.

이 예에서는 정상 상태에서 3.3W의 열을 발생시키는 10mm x 15mm 패키지의 소자를 사용합니다. 소자의 작동 환경은 주위 온도가 50°C이며 이상적인 작동 온도는 40°C입니다. 시스템에서 100°C를 초과하는 부분은 없어야 합니다.

그림 4: CP2088-219 규격서의 펠티에 모듈 성능 그래프(이미지 출처: Same Sky)

이러한 사양은 소자의 온도를 주위 온도보다 낮추기 위해 펠티에 모듈이 필요함을 의미합니다. Same Sky는 3.3W의 열에너지를 제거하고 소자 온도를 주위 온도보다 10°C 낮게 낮출 수 있는 마이크로 펠티에 모듈인 CP2088-219를 제공합니다. 펠티에 모듈은 소자와 냉각기 사이의 열 임피던스를 감소시키는 열전소재(TIM)인 SF600G를 사용하여 소자에 부착합니다. CP2088-219 규격서(그림 4)는 펠티에 모듈이 2.5V에서 1.2A가 필요하다는 것을 보여줍니다. 즉, 작동 시 시스템에 3W의 열에너지가 추가됩니다.

펠티에 모듈에서 총 6.3W의 열에너지를 제거하기 위해 SF600G TIM을 다시 인터페이스로 사용하여 방열판(HSS-B20-NP-12)을 반대쪽에 부착합니다. TIM의 면적은 8.8mm x 8.8mm이고 열 저항은 1.08°C/W 미만입니다.

방열판은 풍속을 200LFM(분당 선형 피트)으로 가정할 때 3.47°C/W의 열 저항을 갖습니다.

이로 인해 TIM과 방열판을 합친 총 열 저항은 4.55°C/W가 됩니다.

200LFM으로 풍속을 일정하게 제공할 수 있도록 CFM-25B 계열의 팬을 사용할 수 있습니다.

이 구조는 냉각할 소자를 TIM을 통해 펠티에 모듈에 연결합니다. 펠티에 모듈의 윗면은 다른 TIM을 통해 방열판과 연결되며 전체 조립품은 50°C 공기의 200LFM 이내에 존재합니다.

그림 5: 펠티에 소자, 방열판, 2개의 TIM 레이어, 팬을 이용한 열 관리 솔루션(이미지 출처: Same Sky)

이 데이터를 사용하여 정상 상태의 소자 온도를 계산할 수 있습니다. 펠티에 모듈은 조립품에 3.3W의 열을 추가하는 대신 냉각면을 40°C로 유지합니다. 방열판은 펠티에 모듈과 주위 공기 사이의 총 열 저항이 4.55°C/W인 50°C 기류 환경으로 6.3W의 열을 방출해야 합니다. 6.3W에 4.55°C/W를 곱하면 주위 온도에 대한 온도 증가량을 구할 수 있으며, 이 경우에는 28.67°C 증가하여 총 78.67°C가 됩니다. 요구 사항인 100°C보다 훨씬 낮으므로 시스템의 요구 사항을 충족하는 열 관리 솔루션입니다.

결론

열 관리는 냉장, HVAC, 3D 프린팅, 제습기와 같은 소비자 응용 분야에서 이미 필수적입니다. 또한 DNA 합성을 위한 열 순환기 및 고정밀 레이저와 같은 과학 및 산업 응용 분야에도 사용됩니다. 방열판, 팬, 펠티에 모듈은 복잡한 전자 시스템이 열 설계 제한 내에 머물도록 하는 데 도움이 될 수 있습니다. Same Sky는 이 중요한 선택 과정을 단순화하기 위해 다양한 열 관리 부품을 제공합니다.