히트파이프(Heat Pipe) 원리와 응용분야
■ 히트파이프의 작동원리
▶ 히트파이프(Heatpipe)란, 금속관 내부가 진공처리 되어있고 작동유체가 들어있는 형태의 열전도체입니다. 아래 그림에서 나타난 것처럼, ① 어느 한 부분(왼쪽)에 열이 가해지면 액체상태의 작동유체가 증발하게 되고, 이로 인해 압력차이가 발생하게 됩니다. ② 증발한 기체는 압력차로 인해 반대쪽(오른쪽)으로 이동합니다. ③ 반대편(오른쪽)은 상대적으로 온도가 낮으므로 증발된 작동유체가 품고 있던 열을 가져가고, 증발되었던 기체는 다시 액체로 변합니다. ④ 액체로 변한 작동유체는 파이프 내경부의 윅(Wick, 심지)를 따라 원래 위치로 복귀합니다. ⑤ 이렇게 작동유체가 히트파이프 내부에서 액체와 기체 상태를 반복하며 순환하게 됩니다. 액체와 기체 간의 상변화가 발생할 때 열전달이 원활하게 이뤄지는 현상을 응용한 것이죠. 작동 원리는 사실 수십년 전에 알려진 기술입니다.
▼ Heatpipe 내부의 윅(Wick, 심지)에는 크게 3종류가 있습니다. 아래 사진의 왼쪽부터 그루브형(Groove), 메쉬형(Mesh), 소결형(Sintered)입니다. 일반적으로 성능은 오른쪽으로 갈수록 좋고, 방향에 따른 영향도 더 적습니다. 소결형이 가장 좋다는 의미입니다. 사진의 출처는 국내 CPU쿨러 제조사인 써모랩입니다. 메시형태는(그물) 둘의 중간쯤 되겠네요.
▼ 3종류의 윅 외에도, 그루브형과 소결형의 복합형이 있는데, 국내 잘만사의 사진으로 참고해보겠습니다. 아래 그림을 보시면 왼쪽은 그루브형, 가운데는 소결형이고 둘을 조합한 형태는 오른쪽 세번째 그림과 같습니다. 조합으로 인해 열성능이 더 향상된다고 하네요.
▼ 복합형 히트파이프의 내부를 확인하기 위해 해외의 모 사이트에서 해체한 사례도 있습니다. CNPS11X 제품의 Heatpipe를 쪼갠 모습으로, 그루브와 소결형이 같이 적용되어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 아마 현재의 9900MAX 제품 등도 이 형태를 사용하고 있는 것으로 알고 있습니다.
■ 히트파이프 응용분야
▼ 히트파이프의 응용분야를 몇가지 살펴보면, 먼저 컴퓨터 부품과 관련하여 가장 많이 알려져 있을 것이라 생각됩니다. CPU 쿨러(냉각장치), 그래픽카드(VGA, GPU) 쿨러 뿐만 아니라 메인보드 칩셋의 냉각, 파워서플라이, 그리고 마더보드의 전원부 냉각 등에도 적용됩니다. 또한 팬리스(Fanless, 무팬) 본체 구성에 있어서 반드시 사용되죠. 출처는 위에 적었으니 반복하지 않겠습니다.
▼ 스마트폰 쿨링(냉각)에도 적용되는데, 아이디어 자체는 진작에 나왔었습니다. 삼성의 갤럭시 S8 시리즈에도 히트파이프가 적용되었습니다. 삼성 뿐만 아니라 LG의 G6, 소니의 엑스페리아 등에도 사용된 적이 있습니다. 스마트폰 프로세서의 성능이 지속적으로 발전함에 따라 전력소모와 발열 또한 증가하고 있기 때문이죠.
▼ 컴퓨터 냉각 뿐만 아니라, LED 전구 또한 활발히 적용되고 있습니다. 형광등 혹은 일반전구보다 광효율이 좋다는 LED 소자 또한 방열에 따라 수명과 작동상태가 결정되므로, 발열해소는 중요한 문제 중 하나입니다. 고출력 LED 조명들은 이미 Heatpipe를 많이 적용하고 있습니다.
▼ 일반인이 접근하기 어려운 산업분야에도 적용이 되고 있는데, 그 중에서도 열교환기가 대표적이죠. 아무래도 열과 관련된 제품이므로, 열기관에 사용되는 건 너무 당연한 얘기가 아닐까 합니다. 열교환기는 산업현장 뿐만 아니라 일반 가정에서도 알게 모르게 사용되는 기기입니다. 에어컨, 냉장고, 보일러 등도 열교환을 통해 열을 이용하는 기기죠.
▼ 태양열을 모으는 기술에도 적용됩니다. 아래 사진은 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 장치로, 길다란 유리관 내부에 히트파이프가 배치되어 있습니다. 유리관에 태양빛이 닿으면 히트파이프를 따라 태양열이 위로 이송됩니다. 상단의 큰 원통에는 물이 흐르는데, 이송된 열을 받아서 온수가 필요한 곳으로 이동합니다. 태양광발전이 아닌, 태양열을 모아서 그대로 이용하는 기술입니다.
▶ 이렇게, 히트파이프 원리와 내부 윅의 종류들, 그리고 여러 응용분야들에 대해서 간단히 알아봤습니다. 본문에서 설명한 부분들 이외에도, 정말 수많은 산업분야에서 적용되고 있고, 현재뿐만 아니라 미래에도 전자기기의 열관리기술 또한 아주 중요한 부분이기 때문에 지속적인 발전과 적용이 이뤄질 것으로 보입니다. 여기까지, 긴 글 읽어주셔서 정말 감사드리고, 다음엔 더 좋은 내용으로 뵙겠습니다. 마지막으로, '공감' 은 힘이 들진 않지만 글쓴이 에겐 큰 힘이 됩니다.