열전소재의 중요성

열 관리 영역에서는 팬, 방열판, 펠티에 장치에 많은 관심을 기울이기 때문에, 이러한 부품이 조립되는 방식에 신경을 쓰지 못하게 될 수 있습니다. 열전소재(TIM)는 위와 같은 열 관리 기술이 최적 성능을 발휘하도록 하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. TIM의 역할은 균일하지 않은 두 표면 사이에 존재하는 작고 미세한 공극을 공기보다 열 전도율이 뛰어난 물질로 채우는 것입니다. TIM은 열 전도율을 향상시키는 데 사용되는 다양한 재료로 구성되며, 전력 트랜지스터와 같은 열 발생 소자에서 방열판으로, 열전 냉각기로, 또는 동시에 방열판과 열전 냉각기로의 효율적인 열전달을 보장합니다. 이 기사에서는 열전도율과 임피던스를 보다 자세히 정의하는 동시에 설계 엔지니어가 사용할 수 있는 다양한 유형의 TIM에 대한 개괄적인 입문 자료를 제공합니다.

그림 1: 균일하지 않은 두 표면 사이에 에어 갭을 채우는 TIM의 기본 구성. (이미지 출처: Same Sky)

열 전도율 개요

이러한 미세한 공극을 채우는 것이 열 전달을 어떻게 향상시킬 수 있는지 충분히 이해하려면, 열 전도율에 대한 명확한 이해가 필수적입니다. 열전도율은 재료가 열을 전달하는 능력을 측정하는 척도이며, 특정 부품의 크기에 따라 달라지지 않습니다. 이 파라미터는 일반적으로 W/m°C 또는 W/m*K와 같이 전력 단위를 면적×온도로 나눈 값으로 수량화됩니다. 켈빈 단위의 1단위는 섭씨 1도에 해당하므로 계산을 실행할 때 절대값이 아닌 상대적인 온도 변화만 고려된다는 점에 유의해야 합니다.

열 방출을 처리하는 경우, 열전도율이 높은 쪽이 항상 더 바람직합니다. 열전도율이 낮은 소재는 열 전달 속도가 느린 반면, 열전도율이 높은 소재는 열을 더 빠르게 전달할 수 있습니다. 참고로, 공기의 열전도율은 0.0263W/m*K에 불과하여 열전소재의 열전도율보다 약 100배 정도 낮습니다. 부품과 방열판 사이에 공기 틈이 있으면 열 방출이 방해됩니다. 이러한 빈 공극을 공기보다 훨씬 더 높은 열전도율을 갖추고 있는 TIM으로 채우면 보다 효율적인 열 전달이 가능합니다.

열 저항 개요

반면 열 임피던스 또는 저항은 특정 부품의 모양에 따라 크게 달라지며 온도를 전력으로 나눈 단위(예: 와트당 섭씨)로 표시됩니다. 열 저항에 대한 자세한 내용은 Same Sky의 Overview of Thermal Management(영문) 및 How to Select a Heatsink(영문) 블로그에서 확인할 수 있으며, 여기에서는 이를 간략하게 요약해 보겠습니다. C/W 단위로 표시되는 열 저항은 소비되는 전력 와트당 접합부가 섭씨로 몇 도 더 상승될지 결정합니다. 예를 들어, 4W의 전력을 방출하는 접합부의 저항이 10C/W인 경우 주변 온도에 비해 섭씨 40도만큼 온도가 상승합니다. 열 저항값은 방열판 없이 공기에 노출되는 TO-220 패키지의 예처럼, 특정 매체 및 영역에 대해 수치가 제시되는 경우가 많습니다.

여러 장치가 함께 통합되면, 새로운 열 저항값이 정해집니다. 그러나 이 열 저항값은 두 표면 사이에 완벽한 연결이 존재한다는 가정하에 계산된 값이며, 이러한 완벽한 연결이 항상 존재하는 것은 아닙니다. 이러한 상황에서, 가능한 한 이상적인 조건에 가까운 조건을 만들기 위해 열전소재가 사용됩니다. 이렇게 하면 열전달이 개선되기는 하지만, TIM의 열 저항도 계산에 포함해야 하므로 복잡성이 증가합니다. 열전소재는 두 물체 사이의 열 저항을 줄여주기도 하지만, 자체적으로 고유한 열 저항을 가지고 있다는 점이 역설적으로 보일 수 있습니다. TIM 고유의 열 저항값은 미미하지 않지만, 이를 추가하는 것이 추가하지 않는 것보다 훨씬 더 많이 두 물체 사이의 열 저항을 감소시킵니다. 사용된 TIM 유형에 따라 고유의 열 저항값이 그대로 적용될 수도 있고, TIM이 적용되는 표면적과 TIM의 두께를 기준으로 계산해야 할 수도 있습니다.

그림 2: 응용 제품에서 고려할 수 있는 통상적인 열 임피던스 경로의 예입니다. (이미지 출처: Same Sky)

열전소재의 일반적 유형

젤, 그리스, 페이스트, 패드 등의 형태로 제공되는 열전소재는 열 관리 과제를 해결하기 위한 다양한 솔루션을 제공합니다. 이 중 젤과 그리스를 포함한 열전 페이스트는 높은 열 전도율, 유연성 및 더 큰 간격을 메울 수 있는 성능으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 고르지 않은 표면에 페이스트를 도포하는 작업은 복잡할 수 있으며, 항상 일관된 결과를 얻지 못할 수도 있습니다. 과도하게 도포하면 전반적인 효율성이 감소할 수 있으며, 불충분하게 도포하면 열 인터페이스의 성능이 저하될 수 있습니다. 또한 열 전도성이 월등한 금속 재질의 페이스트는 PCB에 흘러내릴 경우 전기적 위험을 초래할 수 있습니다. 세라믹 또는 탄소 재질의 페이스트는 더 안전한 대안이 될 수 있지만, 열 효율 면에서는 금속 재질의 페이스트만큼 좋지 않을 수 있습니다.

반면, 열 패드는 실리콘 또는 비 실리콘 탄성 중합체로 만든 견고한 TIM이며, 다른 많은 소재도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Same Sky의 열 패드는 자연적으로 점착성이 있고 전기적으로 절연되어 있으며 1.0W/m*K ~ 6.0W/m*K 범위의 다양한 열 전도율 등급을 가집니다. 페이스트 대신 열전 패드를 사용할 때 얻을 수 있는 주요 이점 중 하나는 적용이 용이하다는 것입니다. Same Sky의 열 패드는 펠티에 장치의 프로파일에 맞게 미리 절단되어 있어 큰 패드 재료 시트를 구입하여 크기에 맞게 자르는 것보다 시간을 절약하고 조립 시 더 많은 편의성을 제공합니다. 또한 열 패드는 열전도 페이스트보다 일관성이 뛰어나고 깔끔하며 재사용이 가능합니다.

그러나 사용자가 다양한 장치와 크기를 사용하는 상황에서는 다용도로 사용할 수 있는 열전도 페이스트가 여전히 선호됩니다. 열전도 페이스트는 저렴하고 작은 튜브로 쉽게 구할 수 있어 정확한 측정과 크기 조정이 필요 없으므로 취미로 사용하는 애호가들에게도 인기가 있습니다. 따라서 소규모 프로젝트와 맞춤형 응용 제품에 편리한 옵션입니다. 다음은 다양한 TIM 옵션에 대한 간략한 요약입니다.

표 1: 열전소재 옵션 요약 (이미지 출처: Same Sky)

결론

효율적인 열 관리는 다양한 전략과 솔루션이 필요한 복합적인 문제입니다. 전체 시스템의 핵심 부품으로서 열전소재의 중요성을 간과해서는 안 됩니다. 시제품 단계이든, 생산 단계로 전환 중이든, 또는 DIY 프로젝트에 열전소재를 사용하든, 그 필요성과 기능의 기반이 되는 메커니즘을 이해하면 설계의 열 성능에서 큰 차이를 만들 수 있습니다.