내 폰이 뜨겁다! 방열이란 무엇인가

23년 9월 출시된 아이폰 15 시리즈가 발열 이슈로 전원 꺼짐, 배터리 급속 소모 등의 논란이 있었다. 스마트폰뿐 아니라 태블릿, 노트북 등 전자기기들을 장시간 사용하거나 고사양의 작업을 하면 온도가 올라가는 현상을 보인다. 이러한 발열 현상은 제품의 성능을 저하시키고 배터리 효율을 급격히 떨어뜨릴 수 있어 이를 제어하기 위한 "방열" 시스템의 개선이 요구된다. 그렇다면 이 "방열"이란 무엇일까. 

 

 

방열? 단열? 

방열은 발생한 열을 이동시켜 온도 상승을 억제하는 것이고, 단열은 열의 이동을 막는 것이다. 예를 들어 컴퓨터는 빨리빨리 열을 빼야 하니 방열이 필요하고, 집은 온도를 유지해야 하니 단열이 필요하다. 그래서 컴퓨터에는 냉각팬을 달고, 집에는 이중창을 설치한다. 

열은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하여 결국 평형 상태를 유지하고자 하는데 방열은 이러한 열의 이동을 통해 온도 상승을 제어하고자 하는 것이다. 

 

열의 이동

열은 크게 전도, 대류, 방사(복사)의 형태로 이동한다. 

1. 전도 (conduction) 

 열 에너지에 의해 인접한 원자가 서로 진동하거나 전자가 원자에서 원자로 이동하는 것으로, 쉽게 말해 물질을 통해 열이 전달되는 형태를 말한다. 

2. 대류 (convection) 

유체와 표면 또는 경계면 사이의 열교환으로, 열이 공기나 물로 순환 및 전달되는 형태를 말한다. 

3. 방사 (radiation) 

매체를 필요로 하지 않고 전자기파에 의해 열 에너지를 방출하는 형태를 말한다. 

 

 

열 이동의 3가지 형태 (출처 : techweb.rohm.co.kr)

 

열 전도에 대해 좀 더 알아보자 

뜨거운 물이 담긴 쇠로 된 컵과 플라스틱 컵 중 잡기 쉬운 것은 무엇일까? 그렇다. 플라스틱 컵이다. 열이 상대적으로 덜 전달되는 플라스틱 컵이 덜 뜨겁기 때문이다. 이렇듯 물질에 따라 열이 전달되는 정도가 다른데 이를 thermal conductivity라고 한다. 우리말로는 열전도도와 열전도율이 섞여서 쓰이는데 이는 번역 과정에서 혼선이 생긴 것으로 보인다. 물질의 고유 특성으로서 SI 단위는 W/mK (혹은 W/m℃)를 사용하며 k, 𝜆, ⲕ 로 표기한다. 

 

물질 별 열전도도 (출처 : www.netzsch.com)

 

상기 그림에서 볼 수 있듯 플라스틱(polymer)이 쇠(metal)보다 thermal conductivity가 매우 낮다. 다른 예로 단열에 활용되는 공기는 thermal conductivity가 0.025W/mk이고 방열 소재로 많이 사용되는 구리는 372W/mk로 높다. 즉, thermal conductivity가 높을수록 방열 효과가 높다는 것이다. 이것을 수식으로 정리하면 다음과 같다. 

 

열 전도 관련 용어와 수식

 

단위 시간당 단위 면적을 통과하는 열량, 즉 열류량은 thermal conductivity에 비례하고, 열 전달을 방해하는 열저항은 반비례한다. 

 

 

방열 시스템

 

위에서 살펴보았듯 방열을 위해서는 thermal conductivity가 높은 소재를 사용하거나 대류, 방사를 통해 열을 보다 빠르게(많이) 이동시켜야 한다. 따라서 방열 관련 제품들은 열의 이동 형태에 따라 구분할 수 있는데, 예를 들어 Heatsink, heat pipe, cooling fin, fooling pan 등은 대류를 이용한 것이고, LED 등에 적용하는 방사코팅은 방사를 통한 열 이동을 꾀한 것이다. 그리고 계면과 계면의 접촉 면적을 최대화하기 위해 TIM(thermal interface materials)을 적용하기도 한다. 

방열 효율을 높이기 위해서는 한 가지 형태를 사용하기 보다는 heatpipe에 방열 패드를 부착하거나, 그리스를 바르는 등 복합적인 시스템으로 적용한다. 

스마트폰의 방열 시스템

 

 

마무리

 

갤럭시 S23에 채용된 베이퍼 챔버는 heatpipe의 한 형태로 밀폐된 중공의 컨테이너 내에 존재하는 유체의 증발 및 응축을 활용한 방열 시스템이다. 이와 같이 나날이 박형화, 다기능화되는 전자기기는 필연적으로 열이 발생하게 되고, 따라서 방열 효율을 극대화하기 위한 방열 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.