물을 끓여 전자기기를 식힐 수 있다는 것을 누가 알았을까요?
도쿄대학교 연구팀은 물의 상변화(phase change)를 활용하여 열 제거 효율을 높인 새로운 냉각 솔루션을 개발했습니다. SciTech Daily에 따르면, 물은 액체 상태에서 기체 상태로 상변화할 때(즉, 물을 끓일 때) 에너지 흡수량이 7배에 달합니다. 이는 단순 흐르는 물을 이용하는 기존 방식보다 더 많은 열을 흡수하고 분산시킬 수 있음을 의미합니다. 하지만 냉각수가 칩에 직접 구축된 극미세 모세혈관을 통과해야 하는 구조적 특성상, 증기가 이러한 좁은 통로를 따라 흐르는 데 어려움이 많았고, 이 때문에 종종 기존 방식보다 효율이 떨어지기도 했습니다.
연구팀은 이러한 문제를 모세혈관 구조와 매니폴드 분배층이 통합된 3D 미세유체 채널(microfluidic channels)을 사용하여 해결했습니다. 이들은 미세채널의 형태와 냉각수가 시스템 전반에 어떻게 분배되는지가 열적 및 유압적 성능에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 물과 증기의 지속적인 흐름을 보장함으로써, 연구팀은 100,000의 성능 계수(COP)를 달성했는데, 이는 단상수 냉각(single-phase water cooling)이 달성 가능한 수치보다 약 10배 높은 수치입니다.
수석 저자 마사히로 노무라(Masahiro Nomura)는 "고출력 전자기기의 열 관리는 차세대 기술 개발에 매우 중요하며, 저희의 설계는 필요한 냉각을 구현할 새로운 길을 열어줄 수 있습니다"라고 밝혔습니다. 이 상변화 시스템을 전개하면, 더 특수한 유체를 새로 개발하거나 사용할 필요 없이 더욱 컴팩트한 냉각 솔루션을 구현할 수 있습니다.
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나아가 이 기술은 고성능 컴퓨팅(HPC)이 직면한 열 문제를 근본적으로 해결하여, 더 강력한 칩이 요구하는 냉각 전력을 줄이는 결과를 가져올 수 있습니다. 또한 레이저, 광검출기, LED, 레이더 시스템 등 다양한 응용 분야뿐만 아니라 자동차 및 항공우주 산업에도 적용 가능합니다. 이 시스템은 액체의 상변화를 이용해 열을 대류 방식으로 분산시키기 때문에 펌핑 메커니즘 없이도 수동적으로 작동할 잠재력 또한 지니고 있습니다.
칩은 매년 미세화되면서, 점점 더 작은 영역에 열이 집중되는 경향이 있습니다. 따라서 반도체 기술의 발전을 따라가기 위해서는 냉각 기술의 혁신이 필수적입니다. 이미 Frore AirJet Mini Slim이나 Ventiva Ionic Cooling Engine과 같은 몇 가지 새로운 능동 냉각 솔루션이 등장했습니다. 하지만 본 상변화 시스템은 수동 냉각 기술의 혁신을 이끌 잠재력을 지니고 있어, 전력 공급 없이도 작동하며 협소한 공간에 적용할 수 있는 효과적인 대안을 제시할 수 있습니다.