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방열판의 그리스 제거

저는 50년 가까이 알루미늄 방열판에 방열판 컴파운드를 도포하는 일을 했습니다. 1970년에 어머니를 위해 Heathkit® 전자레인지를 제작할 때 처음으로 방열판 컴파운드를 도포했습니다. 전자레인지의 전자관 전원 공급 장치를 전자레인지의 무거운 금속 섀시에 볼트로 고정하기 전에 전원 공급 장치 안에 있는 거대한 12,000V, 1A 다이오드 모듈 하단에 방열판 컴파운드를 도포해야 했습니다. 그 당시에는 전자레인지를 수리하는 것뿐만 아니라, 키트를 이용해 제작할 수도 있었으며 비용도 더 저렴했습니다. 당시에 Heathkit 전자레인지는 399.95달러에 판매되었고, 조립된 전자레인지는 더 비쌌습니다.

전자레인지 키트를 담는 상자가 너무 크고 무거워서(97파운드) 이 키트를 가져오려면 켄터키주 루이빌에서 미시간주 벤턴 하버까지 자동차로 달려가 Heathkit 공장에서 전자레인지를 구매해 어머니의 1967년식 Pontiac Catalina 스테이션 왜건에 싣고 다음 날 집으로 돌아오는 것이 가장 좋은 방법으로 생각될 정도였습니다. 당시 제가 면허증을 막 취득한 사실을 고려한다면 더 말이 되는 상황입니다.것입니다.

장거리 드라이브!

앞서 말씀드린 두 단락은 낡은 시대착오적 발상에 불과합니다. 벤턴 하버의 Heathkit 공장과 전시관은 문을 닫은 지 오래입니다. 2010년 10월 31일에 Pontiac은 조업을 중단하고 더 이상 Catalina 스테이션 왜건류의 차량을 만들지 않고 있습니다. 그리고 더 이상 전자레인지를 키트로 제작할 수 없을 뿐 아니라 새로운 공장에서 제작된 제품이 훨씬 저렴하기 때문에 직접 제작할 마음도 없습니다.

50년 전처럼 불편함에도 불구하고 방열판 컴파운드는 여전히 우리의 곁을 지키고 있습니다. 흰색에, 끈적거리며, 여기 저기 다 묻지만 아직도 사용되는 이유는 여전히 효과가 좋기 때문입니다. 실제로 PC에서 고출력 마이크로프로세서의 출현으로 방열판 컴파운드는 의도치 않게 전자 기기의 프리미엄 부품으로 변환되었습니다. 이름에 "캐럿", "다이아몬드", "실버"와 같은 다채로운 단어가 붙은 이국적인 고성능 서멀 컴파운드는 가능한 최대 클럭 속도와 최저 작동 온도를 지원하는 실리콘을 사용하고 싶어 하는 PC 게이머와 프로세서 오버클러커 사이에서 끊임없이 리뷰되며 활발히 논의되고 있습니다.

그렇다면 이렇게 안달하는 이유가 무엇일까요? 왜 아직도 방열판이 필요할까요? 먼저, 서로 맞닿아 붙어 있는 두 금속 표면부터 살펴 보겠습니다(그림 1). 금속 조각 하나는 반도체 부품이고 다른 하나는 방열판입니다. 두 개의 평평한 표면이 맞닿을 때 표면 간의 물리적인 접촉을 통해 열이 흐릅니다. 하지만, 그 표면은 사실상 완벽하게 평평하지 않습니다. 숙련된 오버클러커가 흔히 하는 것처럼 두 표면을 연마하더라도 현미경으로 보게 되면 여전히 두 표면 사이에 맞닿지 않은 미세한 틈이 존재합니다. 지구상에서는 이러한 틈에는 항상 공기가 채워지고, 공기가 절연체 역할을 하므로 열이 잘 흐르지 않습니다. 우주에서는 이러한 틈이 진공 상태로 되며, 진공은 매우 우수한 절연체 역할을 합니다. 보온병을 생각해 보세요. 보온병에서는 진공을 절연체로 사용합니다.

그림 1: 금속 표면이 서로 맞닿으면 열이 잘 흐르고, 사이에 공기로 채워진 틈이 존재하면 열이 잘 흐르지 않습니다. (그림 출처: Parker Chomerics)

제가 이 일을 시작하기 수십년 전부터 사용되어 온 방열판 컴파운드는 공기보다 열전도율이 훨씬 뛰어난 물질로 틈을 채우도록 고안되었습니다. 저는 몇 년 동안 방열판 컴파운드를 도포하면서 한두 가지 요령을 익혔습니다.

첫째, 라텍스 또는 니트릴 장갑을 착용하여 손가락에 묻지 않도록 합니다. 방열판 컴파운드 사용 관련 일부 온라인 채팅에서 언급된 것처럼 손가락에 묻더라도 즉시 사망하지는 않습니다. 실제로 열 속성이 탁월한 베릴륨이 일부 서멀 컴파운드에 함유되었던 적이 있지만, 현재는 베릴륨이 유해 물질로 간주되므로 이미 몇 년 전부터 범용 서멀 컴파운드에는 베릴륨이 함유되지 않습니다. 하지만 오늘날의 서멀 컴파운드도 손가락이나 천에 묻으면 제거하기가 어려우므로 장갑을 착용하여 손에 묻지 않도록 하세요.

둘째, 방열판 컴파운드 적용 시에 최대한 얇게 도포합니다. 부품과 방열판 사이의 윤활 작용을 위해 도포하는 게 아니므로 틈을 채우기만 하면 됩니다. 발열 부품의 금속 표면과 금속 방열판의 대부분의 부분이 서로 최대한 맞닿게 해야 합니다.

또한, 주어진 상황에 따라서 방열판 컴파운드 보다 더 적합한 대안이 있는지 확인하는 것이 좋습니다. Parker Chomerics의 CHO-THERM 절연체 패드와 같은 얇은 실리콘 서멀 패드가 이미 수십 년 전부터 사용되고 있지만, 열관리 제품 공급업체에서는 특히 최근에 고전력 반도체 사용량의 급격한 증가로 인해 모든 종류의 관련 대안을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

부품에 의해 소멸되는 열이 25W 미만인 경우 Parker Chomerics의 THERMATTACH T411T418 같은 열 전도 테이프가 사용될 수 있습니다. 이러한 테이프는 양면에 접착제가 코팅되어 있어 부품과 방열판 사이에 열전달 경로를 제공하는 동시에 패스너 하드웨어의 필요성을 줄여주거나 제거합니다. 또한 지저분하지 않습니다.

방열판과 전자 부품이 평평하여 이미 우수한 열 접촉이 만들어진 경우, 열 전도 테이프는 사용하기 쉽고 간단합니다. 하지만 가끔 발열 부품과 방열판 사이에 큰 틈이 생기는 경우가 있습니다. 이때도 서멀 컴파운드에 대한 유용한 대안이 있습니다. 벌어진 틈이 넓을 경우엔 열 패드를 사용할 수 있습니다. 열 패드는 열전 시트 또는 열 전도 테이프처럼 작동하지만 열 패드는 더 두껍고 더 유연하므로 수 mm의 틈을 메울 수 있습니다. 열 패드의 예로는 Parker Chomerics의 THERM-A-GAP 974976 열전도 충진 패드가 있습니다.

그리고 고급 다중 코어 PC 및 서버 CPU/GPU를 비롯한 고전력 반도체를 위한 Wakefield-VetteulTIMiFlux 열전 시트와 같은 상변환 소재가 있습니다. 그뿐만 아니라 Parker ChomericsTHERMFLOW 브랜드로 상변환 소재를 제조하며, 원하는 크기로 절단할 수 있도록 시트 형태로 제공합니다. 또한 이 제품은 다양한 표준 반도체 패키지에 맞게 미리 절단된 상태로 제공됩니다. 적절하게 절단된 상변환 소재를 반도체 부품과 방열판 사이에 샌드위치 모양으로 끼운 후 패스너로 고정하면 됩니다.

상변환 소재는 상온에서 고체가 되므로 지저분하게 도포되지 않지만 용융 온도에 도달하면 작은 틈을 채워서 열 그리스 역할을 합니다. 상변환 소재는 그리스의 고온 성능과 "떼어내고 붙이는" 열 패드의 취급 용이성을 병합합니다.

틈이 굉장히 클 경우에는 두개의 부품을 섞어주는 이중 배럴 공급 카트리지에 담긴 2분형 실리콘 폴리머인 Parker Chomerics의 THERM-A-FORM과 같은 “FIP(폼인플레이스)” 서멀 컴파운드 부품이 사용될 수 있습니다. 서멀 컴파운드는 도포 후 경화됩니다. 서멀 컴파운드는 하나의 방열판으로 높이가 다른 여러 발열 부품을 처리해야 하는 경우에 특히 유용합니다. 부품의 높이가 매우 일정하고 방열판이 각각의 부품에 맞도록 정밀하게 가공되더라도, 여전히 틈이 존재합니다. 그림 2는 “FIP(폼인플레이스)” 서멀 컴파운드를 사용하여 한 방열판을 여러 전자 장치에 열적으로 연결하는 방법을 보여줍니다.

그림 2: 서멀 컴파운드는 방열판을 다양한 높이의 여러 전자 장치에 연결할 때 생길 수 있는 큰 틈을 채울 수 있습니다. (이미지 출처: Parker Chomerics)

마지막으로 열전 제품과 관련한 최신 용어인 흑연 시트(예: Panasonic Electronic Components의 EYG-S182303DP)가 있습니다. 매우 얇은 이 흑연 폴리에스테르 시트는 열전도율이 구리보다 훨씬 탁월하고 응용 제품에 맞게 절단할 수 있습니다. 흑연 시트는 PC 프로세서를 오버클럭하는 사용자가 선호하는 최신 열전도 재료로서, 열전도율이 뛰어나고 재사용 가능하므로 새롭게 출시된 프로세서로 교체하는 경우에 유용합니다.

결론

방열판 컴파운드는 지금까지 계속 그래 왔고, 앞으로 몇십 년 동안도 건재할 것입니다. 방열판 컴파운드가 여전히 유용한 것은 사실이지만, 열 제어를 위한 대안으로 강구해 볼 만한 대안이 다양하게 있습니다. 하지만 방열판 컴파운드를 계속 사용할 경우 장갑을 꼭 착용하세요.

작성자 정보

Image of Steve Leibson Steve Leibson은 HP와 Cadnetix에서 시스템 엔지니어로 근무한 후, EDN 및 Microprocessor Report에서 편집장을 역임했습니다. 또한 "The Next Wave with Leonard Nimoy”에 기술 전문가로서 2회 출연한 바 있습니다. 그는 33년 동안 설계 엔지니어가 보다 빠르고 효율적이며 신뢰성이 뛰어난 시스템을 개발할 수 있도록 지원해 왔습니다.
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