전기전자/정보통신

일렉트로닉스 실장학회지_2018.3.(Vol.21 No.2) 특집요약 (p107)

국내 전자기기 Thermal 매니지먼트의 동향

●특집을 내면서
Tomoyuki HATAKEYAMA / 도야마현립대학 공학부 기계시스템공학과 강사

전자기기의 서멀 매니지먼트에는 유일한 해결책은 존재하지 않는다. 일반적인 기기의 서멀 매니지먼트에 대한 공통적인 생각은 발열부와 바깥 공기 사이의 열저항을 가능한 작게 하는 것이다. 열저항을 작게 하기 위해서는 열전도∙대류열전도∙복사의 3가지 전열 형태의 열저항에 대한 정의를 살펴보고 취할 수 있는 수단을 강구할 필요가 있다.

예를 들면, 열전도의 열저항은 열전도율과 전열면적에서 전열거리를 제외한 형태로 표현된다. 이 열저항을 작게 하기 위해서는 ①전열거리를 작게 하거나 ②열전도율을 크게 하거나 ③전열면적을 크게 하는 3개의 수단을 생각할 수 있다. 예를 들면, 열전도 시트의 두께방향의 열저항을 생각하면, 전열거리를 작게 하기 위해서는 시트의 두께를 얇게 하면 된다. 열전도율을 크게 하기 위해서는 시트에 고열전도성 필러를 혼입하는 등의 수단을 취할 수 있다. 전열면적을 크게 하기 위해서는 보다 넓은 면적에 열을 확산하여 단위 면적 당 통과하는 열류를 작게 하면 된다. 즉, 시트면 안쪽 방향으로의 열확산성을 높게 하면 된다.

그러나 이들 대책을 취할 때에는 주의가 필요하다. 예를 들면, 필러를 혼입했을 때 열전도율이 높아진 한편으로, 시트의 두께가 두꺼워져 버리면, 열저항이 작아진다고는 할 수 없다. 또한, 시트를 두껍게 해서 시트면 안쪽 방향의 열확산성을 높일 수는 있지만 두께방향의 열저항이 커져버리기 때문에 결과적으로 열저항이 작아진다고는 할 수 없다.

이처럼 열전도 시트의 열전도의 열저항 하나를 두고 봐도 다양한 요인이 복잡하게 얽혀 있으며, 열저항을 작게 하기 위한 많은 대책을 생각할 수 있다. 열전도 시트에 국한되지 않고 열전도의 열저항을 작게 하는 대책과 범위를 확대하면 다종다양한 대책을 생각할 수 있다. 그 때문에 열저항을 작게 한다는 개념 하에서 기기 각각에 대해 개별적인 대책을 취하게 된다.

이처럼 서멀 매니지먼트에서는 열저항을 작게 하기 위해 다종다양한 대책을 취할 수 있다. 그 때문에 열전도∙대류열전달∙복사의 각 열저항을 작게 하기 위해 많은 연구자가 새로운 기술을 개발하고 있다. 본 특집호에서는 열전도와 대류열전달의 2개의 전열 현상에 착안하여 최근의 국내 연구 동향을 소개한다.

열전도의 열저항을 작게 하는 수단으로서 열전도율을 크게 하는 방법이 있다. 그러나 물체의 열전도율을 정확하게 계측할 수 없다면 열전도율의 대소는 논의할 수 없다. 본 특집호에서는 열전도율의 기본적인 계측 방법인 Reference Rod의 온도기울기로 계측 대상의 열전도율을 계측하는 정상법(定常法)에 관해 최신 정보를 소개한다.

대류열전달의 열저항을 작게 하기 위해서는 열전달률을 크게 하는 것이 중요하다. 열전달률을 크게 하는 방법은 유체의 흐름과 관련되며 많은 수단을 취할 수 있다. 그 수단의 대부분은 정상(定常)상태에서의 수단이지만 최근에 비정상(非定常) 현상을 이용한 방법이 소개되고 있다. 본 특집에서는 비정상 현상을 이용한 열전달률 향상 기술을 소개한다.

또한, 최근에 파워일렉트로닉스 등의 고발열 기기의 냉각이 주목을 받고 있다. 고발열 기기에서 외부로 열을 이동시키기 위해서, 대부분의 경우 대류열전달에 의해 열을 운반하는 수단을 취한다. 대류열전달에서, 차세대 파워일렉트로닉스 기기에 대응 가능한 레벨까지 열전달률을 높이는 방법으로서 비등(沸騰)을 이용한 냉각 방법이 기대를 받고 있다. 본 특집에서는 비등 연구의 최전선의 일례를 소개한다.

열저항을 작게 한다는 공통 개념은 있지만 서멀 매니지먼트에는 표준이 존재하지 않는다. 그 때문에 각각의 기기가 독자적인 기준을 갖고 설계되며, 기기의 서멀 매니지먼트에는 각각에 축적된 노하우가 필요해진다. 다시 말하면, 표준이 존재하지 않기 때문에 서멀 매니지먼트는 하나하나 모색해 나가는 방법을 취할 수밖에 없다. 이와 같은 상황을 타파하기 위해 최근에는 국내에서 서멀 매니지먼트에 관한 가이드라인을 작성하는 움직임이 생겼다. 따라서 본 특집에서는 서멀 매니지먼트의 가이드라인에 관한 국내 활동으로서 JPCA와 JEITA의 2개의 움직임을 소개한다.

본 특집에서 소개하는 최신 동향이 독자 여러분에게 참고가 됐으면 좋겠다.

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