1. 개요
컴퓨터 시스템 등 대부분의 전자기기 내의 전자부품은 동작 시에 열이 발생한다. 이 부품들의 정상적인 작동을 위해서는 발생되는 열을 제거하여 과열에 의한 전자부품의 손상을 방지해야 한다. 따라서 전자산업에서의 추세인 고속화, 대용량화, 고집적화의 진전에 따라 발열 전자부품의 냉각장치에 대한 중요성이 커지고 있다.
특히 여러 회로 부품이 단일 칩(single chip)으로 집적화되면 동일한 크기에도 불구하고 전력밀도가 커져 더 많은 양의 열이 발생되고, 이를 효율적으로 제거해야 한다. 그런데 이 경우 공기냉각에 의한 히트 싱크(air cooled heat sinks)를 사용하는 종래의 공기냉각 방식으로는 충분한 양의 열을 효과적으로 제거할 수 없다. 따라서 종래의 공기냉각방식을 대체하는 냉각능력이 증대된 새로운 냉각방법이 요구된다.
이에 따라 공기냉각 방식의 한계를 극복하는 방법의 하나로 냉각 액체(cooling liquid)를 사용하는 방식이 있다. 이 방식과 관련하여, 증기압축 냉동 사이클(vapor compression refrigeration cycle)을 적용하여 증발기(evaporator)의 열 흡수 기능을 이용, 전자부품을 냉각하는 기술인 공개 특허 전자부품 냉각을 위한 증기압축 냉동시스템과 방법에 대해 설명한다
2. 발명의 내용
이 발명은 일반적으로 열전달 장치(heat transfer mechanism), 특히 1개 또는 그 이상의 발열 전자부품(heat generating electronics component)에 의해 발생된 열을 제거하는 증기압축 냉동을 적용하는 냉각시스템 및 방법에 관한 것이다.
가. 종래 기술의 현황과 과제
동작하는 전자소자(electronics device)는 열을 발생한다. 소자의 접합온도(junction temperature)를 적절한 한도 내에서 유지하기 위해 이열은 제거되어야 한다. 열을 제거하지 않으면 소자의 온도가 상승되어 과열 상태가 된다. 전자산업에서의 몇 가지 추세는 전자소자로부터의 열 제거, 특히 CMOS와 같이 지금까지 관심이 적었던 열관리기술을 포함하는 열관리의 중요성을 증가시키는 것으로 연결되었다.
특히, 보다 빠르고 조밀화 된 회로에 대한 요구는 열관리의 중요성에 직접적인 충격을 주었다. 첫째, 전력 소산(power dissipation)과 이로 인한 열 발생은 동작주파수가 증가할수록 증가하고 둘째, 증가된 동작주파수는 장치의 접합온도가 보다 낮은 온도에서 가능하다. 또한 여러 소자가 단일 칩(single chip)으로 고집적화 됨에 따라 전력밀도(watts/cm2)가 올라가서 주어진 크기의 칩으로부터 더 많은 열을 제거할 필요가 있다.
현재의 많은 대형 컴퓨터 시스템의 일반적인 패키징 구성(packaging configuration)은 멀티 서랍식 선반(multi-drawer rack) 방식이다. 각 서랍은 기억소자, 전원과 하드드라이브 장치(hard drive devices) 등 관련 전자부품과 같은 1개 또는 그 이상의 모듈을 수용하고 있다. 이 서랍들은 고장 발생 시에는 현장에서 교체할 수 있도록 제거가 가능한 유닛이다.
이와 같은 방식에서의 문제는 전자회로 서랍 내에 열 유량이 증가하는 것이다. 공기냉각 히트 싱크(air cooled heat sinks)와 같은 종래의 공기냉각 방식만으로는 현재의 장치로부터 열을 제거할 수 없다. 이에 따라 종래의 공기냉각 방식을 대체하는 새로운 냉각기술이 요구되고 있다.
공기냉각의 한계를 해결하는 한 가지 접근방법으로서 냉각 액체(cooling liquid)를 사용하는 방법이 있다. 알려진 바와 같이 액체는 각 종류마다 서로 다른 냉각 특성을 지닌다. 예를 들어 냉매(refrigerant)나 탄화플루오르(fluorocarbon)액체와 같은 절연 유체(dielectric fluid)는 부식이나 전기적 단락(electrical short)과 같은 나쁜 영향을 끼치지 않고 전자소자에 접촉시키거나 결합할 수 있는 장점이 있다.
컴퓨터 시스템의 전자부품 선반(electronics rack) 안에 들어있는 전자모듈과 같은 발열 전자부품의 냉각을 촉진시킬 수 있는 보다 향상된 냉각시스템이 필요하다.
나. 과제 해결 방법
냉각능력이 증대된 효율적인 전자부품 냉각시스템으로 냉매가 순환되는 증기압축 냉동 사이클을 사용한다. 이 냉동사이클 내, 열 흡수 능력이 있는 증발기를 전자부품의 발열부와 열전달이 되도록 배치함으로써 전자부품으로 발생하는 열을 고밀도로 흡수하여 냉각시킨다.
다. 발명의 실시 내용
발열하는 전자부품을 냉각시키는데 적용되는 증기압축 냉동시스템에 있어서, 시스템 내 팽창구조(expansion structures)의 압력강하부(pressure drop areas)에는 물질 덩어리가 발생하는 것으로 알려져 있다. 냉매/오일이 뜨거운 압축기를 지나는 동안 긴 사슬 분자(long-chain molecules)와 보통 실온에서는 용해되지 않는 다른 화합물은 고온의 혼합물 내에서 용해된다.
이 물질들은 이동하는 다른 불순물과 같이 냉매/오일이 냉각되면 용액으로부터 빠져나온다. 왁스 물질 층(layer of waxy material)은 압력강하부에서 크게 성장하며 끈끈한 성질을 이용, 다른 불순물을 붙잡는다. 이 물질은 팽창밸브와 같은 팽창구조, 특히 팽창밸브의 냉매유로 속, 핀(pin)과 오리피스(orifice) 조절부 위에 축적되는 것으로 밝혀졌다.
이 축적된 물질은 예상외의 밸브 특성 변화를 일으킴으로써 정상적인 유량 조절과 모터 단(motor steps)에 대한 제어를 방해한다. 이것은 발열 전자부품을 냉각시키는 증기압축 냉동 시스템에 있어서 크기가 아주 작은 팽창구조에서의 밸브 조절이 매우 민감하기 때문이다.
증기압축 냉동 시스템 내에 들어 있는 모든 오염물질을 제거하기 위해서는 너무 많은 비용이 소요된다. 따라서 증기압축 냉동 시스템 내의 위험한 틈새 부위에 부스러기나 불순물이 들러붙는 현상을 방지하거나 감소시키기 위해 압력강하부에 코팅(coating)처리를 하는 해결방안을 제공한다. 특히 이 방법은 증기압축회로 운전 시 팽창밸브의 조절 용량 범위가 매우 작은 냉각시스템에서는 더욱 중요하다.
증기압축 냉동 시스템으로 구성된 냉각시스템을 제공한다. 증기압축냉동 시스템은 1개의 응축기(condenser), 1개 이상의 팽창구조와 증발기, 그리고 1개의 압축기(compressor)로 구성된다. 이 요소부품들은 냉매가 정해진 냉매유로 내에서 순환하도록 연결된다. 증발기는 발열전자부품에 의해 발생된 열을 제거한다. 그리고 냉각시스템의 냉매유로 속에 있는 팽창구조 일부에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluorethylene)으로 코팅 처리를 한다. 이 코팅 처리에 의해 팽창구조의 압력강하부 표면 위에 물질이 축적되는 것이 방지된다.
또한 전자부품을 냉각시키기 위한 증기압축 냉동 냉각시스템은 응축기, 제1전동팽창밸브(first electrically controlled expansion valve)와 연결된 제1증발기, 응축기와 연결된 제2전동팽창밸브, 제2전동팽창밸브와 연결된 제2증발기, 제1전동팽창밸브와 제2전동팽창밸브의 작동을 제어하기 위해 이들에게 제어신호를 보내는 제어기(controller), 그리고 제1증발기, 제2증발기, 응축기와 연결된 압축기로 구성된다.
응축기, 제1전동팽창밸브, 제1증발기, 제2전동팽창밸브, 제2증발기 그리고 압축기는 각각 냉매가 흐르는 복수의 냉매유로(multiple refrigerant flow paths)에서 유체가 전달되도록 연결된다. 제1증발기와 제2증발기는 발열 전자부품으로부터 열을 제거한다. 각 냉매유로 내에서 제1전동팽창밸브의 일부와 제2전동팽창밸브의 일부는 물질의 축적을 방지하기 위해 PTFE로 코팅 처리된다.
다른 각도에서 발열 전자부품을 냉각시키기 위한 증기압축 냉동 시스템을 구성하는 방법을 제공한다. 이 방법은, ①응축기, 팽창구조, 증발기, 압축기로 구성, ②팽창구조의 일부에 PTFE 코팅 처리, ③응축기를 팽창구조, 증발기 및 압축기에 냉매유로를 구성하여 연결, ④발열 전자부품을 냉각시키는 증기압축 냉동 시스템의 냉매유로에 냉매를 공급하고 여기에 물질의 축적을 방지하기 위해 냉매유로 내 팽창구조의 일부에 PTFE 코팅 처리를 한다.
3. 발명의 효과
이 발명의 내용에 따라 증기압축 냉동 사이클의 증발기를 발열 전자부품 냉각에 이용함으로써 발열하는 전자부품을 공기냉각 히트 싱크 방식보다도 증가된 냉각능력으로 냉각시킬 수 있다.
이와 같은 고효율 냉각 기술은 현재 전자산업에서의 기술추세인 초고속화, 대용량화, 고집적화 등의 확대에 도움을 준다. 이에 따라 전자기기의 성능향상은 물론 저가격화, 콤팩트화가 진전될 수 있다.
4. 전문가 제언
현재의 전자산업에 있어서는 전자기기의 고성능화, 콤팩트화, 저가격화 추세에 따라 각종 회로소자들을 고집적화 한다. 즉, 하나의 회로를 1칩 안에 집적시키는 SoC(시스템온칩) 등과 같이 다수의 회로소자를 단일칩(single chip)으로 집적화한다. 또한 이와 함께 고집적화 된 칩은 고속화, 대용량화됨에 따라 전력밀도가 커져 동일 크기의 칩으로부터 더 많은 열을 제거해야 한다.
그러나 이 경우 공기냉각에 의한 히트 싱크와 같은 종래의 공기냉각방식으로는 발생되는 열을 충분히 효과적으로 제거할 수 없다. 따라서 종래 기술에 의한 공기냉각 방식 대신 보다 효율적인 냉각 방법이 필요하다.
이에 따른 고효율 냉각 방법 중의 하나로 증기압축 냉동 사이클을 이용하여 액체 냉매의 증발현상으로 열 흡수 기능이 있는 증발기를 전자부품 냉각에 이용한다. 이 방식으로 공기냉각 방식보다 크게 증가된 냉각능력을 통해 효율적으로 전자부품을 냉각시킬 수 있다.
전자부품을 냉각시키는 방법은 본 발명에서와 같은 증기압축 냉동 시스템 방법과 공기냉각식 히트 싱크 방법 이외에 히트 파이프, 열사이 펀, 공명 냉각장치 등 다양한 방식이 있다. 이러한 방법들은 각각 독특한 특성과 장단점이 있다. 따라서 적용에 따르는 비용과 효과를 감안하여 용도에 맞는 적합한 방법을 선택할 필요가 있다.
발열량이 비교적 적은 보통의 전자기기의 경우에는 공기냉각의 히트싱크 방식이 적합하다. 특히 정숙을 요하는 기기의 경우에는 구동부가 없고 구조가 단순한 히트 파이프 등을 적용하는 것도 바람직하다. 본 발명에 의한 증기압축 냉동 시스템은 압축기, 증발기 등 사이클 부품으로 구성, 설치 공간이 커지고 진동?소음이 수반된다. 따라서 발열량이 많고 크기가 큰 중대형 컴퓨터 시스템 등과 같은 장치에 적합하다.
* 출처 : International Business Machine Corporation, "Systems and methods for cooling electronics components employing vapor compression refrigeration", WO2007023130, pp.1~3
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Subject Plus 전자 부품들을 어떻게 냉각시킬 것인가 1986년 여름 돈 틸턴은 항공우주 방위에 관한 최첨단 연구소로 유명한 미국 오하이오 데이턴에 있는 공군 연구소에서 열심히 연구 중이었다. 3년 전에는 바로 미 대통령 로널드 레이건이 그 유명한 스타워즈 연설을 통해 악의 제국의 핵미사일로부터 미국을 보호하기 위한 방어막 구축이 시급함을 주장했었다. 레이건의 주장은 강력한 레이저가 장착된 인공위성을 발사하여 미국으로 날아오는 대륙간 탄도 미사일을 우주 공간 상에서 격퇴하자는 것이었다. 이때 대부분의 방위 산업체는 그러한 대규모의 강력한 레이저를 어떻게 만들 것이냐에 관심을 기울이고 있었지만 틸턴을 비롯한 몇몇 과학자들은 부차적이지만 매우 중요한 또 다른 문제에 대해 고민하고 있었다. 그렇게 강력한 레이저를 만드는 데 성공했다 하더라도 우주 공간에서는 일반적으로 사용하는 팬 냉각 방식을 써먹을 수 없으므로 전자 부품들을 어떻게 냉각시킬 것인지 방법을 찾아야 한다는 것이다. 틸턴 본인조차도 이후 16년 동안 자신이 계속 냉각 문제에 매달리게 될 것이라고 생각하지 못했으며, 냉각 문제가 반도체 산업이 당면한 가장 위협적인 문제 가운데 하나가 되리라곤 생각하지 못했다. 이제는 발열 문제가 40여 년간 반도체 기술을 이끌어 온 무어의 법칙을 가로막는 중요한 장벽 가운데 하나로 인식되고 있다 2010년경이면 1cm2 크기의 마이크로프로세서가 스페이스 셔틀의 로켓에서 분출되는 것과 같은 열(약 550℃)을 발생시킬 수 있을 것으로 예상되고 있다. ●Chillin` Out 틸톤은 최초 미연방 중소기업 신기술상 5만 달러를 지원받은 후 80년대부터 계속해서 칩 발열문제를 연구하고 있다. 틸톤이 연구하고 있는 기술은 불부식성 액체를 고열 부품위에 직접 분사하고 그 액체가 증발하면서 열을 흡수하는 기술이다. 1988년 틸톤은 Isothermal Systems Research 사를 설립하였으며 이 회사는 2001년 5월에 레이븐 벤처의 주도로 이루어진 백오십만 달러의 펀딩을 마쳤다. 2002년 현재 ISR은 백여명의 직원을 거느리고 연간 천2백만 달러의 수익을 달성하고 있다. ISR의 냉각 시스템은 일련의 노즐이 마이크로프로세서와 주변 부품에 냉매를 분무하고 이 냉매가 증발하여 발생하는 기체를 수집하여 교환기를 통해 열을 방출하고 냉매를 다시 액체 상태로 응축시키는 방식이다. HP는 유사한 스프레이 냉각 기술에 자사의 특허받은 잉크젯 노즐을 이용하고 있다. ISR의 기술은 1평방센티미터당 300와트의 열을 냉각시킬 수 있으며, 이것은 인텔의 최신 아이태니움 칩에 사용되고 있는 강제 공기순환 냉각 장치보다 10배가량 강력한 것이다. ●Cooligy社 80년대 초, 틸톤의 연구실에서 수천마일 떨어진 스탠포드 대학의 R. 파비안 피즈 교수도 냉각 문제에 관심을 가졌다. 피즈 교수는 마이크로프로세 내에 미세한 채널을 뚫는 방식에 초점을 맞추고 있다. 자동차 냉각 시스템처럼 이 채널을 통해 냉매를 순환시키는 것이다. 10년 이상의 세월이 흘렀다. 스타워즈 계획은 중단되었고 트랜지스터 집적도는 발열 문제를 일으킬 정도는 아니었다. 그 후 1998년, 트랜지스터 집적도가 임계치에 근접해 가고 발열이 중요 문제로 대두되기 시작했을 때 스탠포드의 기계공학자 몇 명이 피즈 교수의 아이디어를 이용하기로 하였다(미국방성의 벤처/연구 자금, AMD, 애플 컴퓨터, 인텔로 부터 펀딩). 톰 케니가 주축이 된 이 팀은 전하와 압력의 변화에 따라 발생하는 에너지로 작동하는 초소형 실리콘 펌프를 고안하였다. 이 펌프는 약 150~300 마이크론 정도 넓이의 미세 채널에서 냉매를 움직일 수 있다. 연구실 테스트에서 이 시스템은 매우 높은 냉각 성능을 보였다. 엔지니어는 이 기술의 뛰어난 점은 스프레이 냉각 시스템보다 더 적은 양의 냉매를 사용하는 것이라고 말한다. 일반적으로 냉매 양이 적으면 그만큼 더 안전하다고 볼 수 있기 때문이다. 이 신기술을 상용화하기 위해 케니의 팀은 2002년 6월 Cooligy社를 설립했다(Mohr, Davidow Ventures, Granite Ventures로부터 5백4십만 달러 펀딩). |
한국과학기술정보연구원 진영훈 전문연구위원(yhjin@reseatre.kr)
