TIM_방열패드, 써멀패드, 방열테이프

TIM이란 말 그대로 열전달물질을 의미하며, 열원과 방열판 사이에서 열이 전달되는 통로의 역할을 한다. 우리가 알고 있는 방열 패드(써멀 패드), 방열그리스, 방열접착제, 방열테이프 등이 이에 속한다. TIM에 대해 자세히 알아보자. 

 

 

TIM의 원리

전자기기의 내부를 보면 열원이 되는 부품(칩셋 등) 위에 방열판(heat sink)이나 heat pipe 등의 방열용 부품들이 위치해 있다. 각 부품들의 표면을 현미경으로 관찰하면 매끈하지 않고 미세하게 거칠다는 것을 알 수 있다. 그 거친 면들이 접촉면에 공극을 발생시키고, 공극에 갇힌 공기가 열전달을 방해하게 된다. 앞선 글에서 보았듯 공기의 thermal conductivity는 0.025W/mK로 매우 낮기 때문이다. 

TIM은 이러한 계면 간의 공극을 최소화하여 접촉면을 높임으로써 열전달 효율을 높이는 역할을 한다. 

 

TIM

 

상기 그림과 같이 열원이 되는 부품과 방열판 사이에 TIM을 적용시켜 공극을 최소화하는 것이다. 그렇다면 TIM이 방열 효율을 높이기 위해 필요한 요소는 무엇일까?

 

 

TIM의 핵심 인자

TIM이 열전달 통로로써 역할을 하기 위해서는 밀착성, thermal conductivity, 두께가 가장 핵심적인 요소라 할 수 있다. 

공극을 최소화하기 위해서는 부품 표면과 최대한 밀착되어야 하고, 열을 잘 전달해야 하며, 열을 전달하는 거리가 짧을수록 유리하기 때문이다. 

1. 밀착성 

위에서 언급했듯이 부품의 표면은 모두 미세한 요철을 가지고 있다. 따라서 표면에 잘 밀착되기 위해서는 적정한 유연성이나 흐름성, 점착성이 필요하다. 예를 들어 방열그리스나 방열접착제는 액상이라 상대적으로 밀착성이 우수하다. 다만 수명이 짧고 수리 등을 위해 분해했을 때 자국이 남거나 아예 박리가 안 되는 단점이 있다. 

2. thermal conductivity

효과적으로 열을 전달하기 위해서는 thermal conductivity가 높은 소재를 사용할수록 유리할 것이다. 372W/mK를 갖는 구리나 204W/mK를 갖는 알루미늄이 대표적으로 우수한 소재라 할 수 있다. 그러나 이러한 금속들은 밀착성의 문제와 가격, 성형 등을 따져보았을 때 TIM으로서는 비효율적이다. 보통 TIM의 thermal conductivity는 1~3W/mK 수준이고, 고가의 경우 10W/mK를 구현하고 있다. 

3. 두께

열류량은 단위 면적, 단위 시간당 통과하는 열량이므로 두께에 반비례한다. 따라서 TIM은 얇을수록 유리하다. 그러나 TIM의 구성 성분을 고려하면 무조건 얇게 만들 수는 없다. 박막으로 구현이 가능한 그리스, 접착제, 점착 테이프 대비 더 두꺼운 패드류의 thermal conductivity가 높은 것을 생각해 보면 알 수 있다. 따라서 성형이 가능하고 열전달 효과를 볼 수 있는 최적화된 두께 설정이 중요하다.  

 

 

TIM의 구조, 구성 성분 

일반적으로 TIM은 고분자 수지에 세라믹 등의 열전도성 필러를 혼합하여 제조한다. 수지는 실리콘이나 아크릴을 주로 사용하며, 열전도성 필러는 Al₂O₃(산화알루미늄), BN(보론 나이트라이드), 흑연(그라파이트) 등의 세라믹류, PP, PTFE 등의 고분자류, 은, 구리 등의 금속류를 적용한다. 

 

TIM 구조

 

당연하게도 필러의 함량이 증가할수록 thermal conductivity는 높아지지만, 부스러지거나 점착성이 사라지는 등 제품 형성 및 성형 등에 문제가 발생할 수 있어 한계가 있다. 

 

 

대표적인 TIM 제품들

열전달의 효율을 높이기 위해 열원이 되는 부품과 방열 부품의 소재나 형태에 따라 여러 유형의 TIM이 개발되었다. 

TIM	장점	단점
방열 그리스	박형 가능, 가격 저렴, 밀착성 우수	마르거나 흘러내리는 등 지저분해질 수 있음 기계적 강도가 없음
방열 패드(써멀 패드)	두께 조절 용이, 유연하고 안정적, 사용이 쉬움	점착력 낮음 두꺼워 질수록 가격 증가
방열 테이프	밀착성 우수, 제거 용이, 부착이 쉬움	일반적으로 20watts 이하의 어플리케이션에 적용
방열 접착제	박형 가능, 밀착성 우수, 경화 후 기계적 강도 구현	수지의 가사시간, 경화 시간 및 고정 필요
PCM (phase change material)	thermal conducivity 높음	적용이 어려움,  수명이 제한적

 

 

마무리

TIM은 부품 사이의 간극을 메워주는 열전달물질로써 열원에서 발생한 열을 방열판으로 전달해 주는 통로 역할을 한다. 주로 고분자 수지에 열전도성 필러를 혼합하여 제조하며, thermal conductivity가 높고, 두께가 얇고, 밀착성이 우수할수록 열전달 효율이 높아진다. 

 

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