모든 작동 시스템(기계적 구성 요소이든 전기 장치이든)은 마찰이나 저항으로 인해 열을 생성합니다. 이 열이 시스템 내부에 집중되면 손상을 일으킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 히트싱크라는 기계적 구성 요소가 부착됩니다. 이는 주변 환경과 열을 교환하고 시스템이 온도를 유지하도록 돕습니다.
이 기술 블로그에서는 히트싱크의 설계와 작동 방식, 히트싱크를 만드는 데 사용되는 재료, 업계에서 히트싱크를 만드는 방법에 대해 살펴봅니다. 히트싱크가 사용되는 응용 분야의 알려진 몇 가지 예를 공유하면서 기사를 마무리하겠습니다.
방열판이란 무엇입니까?
방열판은 열을 발생시키는 소스에 고정된 기계적 부착물로 공기나 냉각수와 같은 유체에 열을 수동적으로 전달합니다.. 열을 발생시키는 원천은 CPU, GPU, 파워 트랜지스터 또는 엔진일 수 있으며, 노출된 표면은 방열판과 인터페이스하는 반면 유체는 주변 공기 또는 액체 냉각수입니다.
방열판은 장치나 시스템에서 열을 흡수하여 주변 환경과 교환하는 열 전도성 금속으로 만들어집니다. 이것의 원리는 방열판의 넓은 노출 표면적으로, 열 전달 속도를 향상시킵니다.
히트싱크 설계 및 작동 작업
열을 발생원으로부터 효율적으로 전달하기 위해 히트 싱크는 주변 유체와의 접촉을 극대화하기 위해 더 큰 표면적을 갖도록 설계되었습니다. 이는 일반적으로 핀형 설계를 통해 달성되며, 여기서 얇고 평평하거나 곡선형 판(핀)이 히트 싱크 바닥에서 확장됩니다. 이 설계의 모든 측면은 열 전달에 중요합니다.
사용자 정의 길이 L, 너비 W, 높이 H를 갖는 일반적인 방열판을 고려해 보겠습니다. 핀 간격은 't'라고 하며 핀 사이의 간격은 's'입니다.
시스템에 부착되면 전달은 대류, 전도, 복사(약간)를 통해 이루어집니다. 첫째, 열은 열 발생원에서 직접 접촉을 통해 방열판 바닥으로 전도를 통해 전달됩니다. 열이 핀에 도달하면 대류를 통해 주변 공기 또는 냉각수로 전달됩니다. 열의 일부는 적외선 에너지의 형태로 주변으로 복사됩니다. 이는 전도와 대류보다 기여도가 낮지만 고온 시스템에서는 중요해집니다.
대류를 통해 일어나는 열 전달은 시스템을 냉각하는 데 매우 중요합니다. 이러한 전달은 주로 표면적(핀 및 면적)에 따라 달라집니다. 면적과 열 발산의 관계는 다음과 같습니다.
Q=h⋅A⋅ΔT
어디에:
h: 열전달 계수(유체 특성 및 흐름 조건에 따라 다름)
A: 유효 표면적(핀과 바닥 합산)Δ𝑇: 방열판 표면과 주변 유체 사이의 온도 차이
Δ𝑇: 방열판 표면과 주변 유체 사이의 온도 차이
열 전달은 다양한 단면에서 발생하므로 개별 열 전달을 분석한 다음 합산하는 것이 좋습니다. 대류 전달을 보여주는 몇 가지 방정식은 다음과 같습니다.
마찬가지로 방사선 전달(작지만)은 다음 방정식을 통해 결정될 수 있습니다.
핀의 개수와 너비 찾기
핵심 설계 고려 사항은 필요한 핀의 수를 결정하는 것입니다. 대류와 복사를 통한 열 전달을 계산하면 에너지 보존 법칙을 사용하여 핀의 수를 도출할 수 있습니다. 에너지 보존 법칙은 소스에서 생성된 에너지가 히트 싱크에서 소산된 에너지와 같아야 한다고 명시합니다. 이 관계는 다음과 같습니다.
히트싱크 제작을 위한 재료
앞서 언급했듯이 방열판은 열전도성이 매우 높은 금속, 특히 알루미늄과 구리를 사용해 제작됩니다.
알류미늄
알루미늄은 매우 낮은 밀도와 비용 효율성으로 인해 방열판에 인기 있는 선택입니다. 게다가 대부분의 금속보다 열전도도가 높습니다.
중 알루미늄 합금1050 알루미늄은 약 229W/m·K로 열전도도가 더 높지만 기계적으로 부드럽습니다. 6061 및 6063 알루미늄 합금은 열전도도가 낮지만(열전도도가 약 170~180W/mK) 기계적으로는 더 강합니다.
전반적으로 알루미늄 방열판은 무게가 중요한 요소인 가전제품, LED 조명, 자동차 부품에 일반적으로 사용됩니다.
구리
구리는 알루미늄보다 약 60% 더 전도성이 높고, 열 전도도는 약 400W/mK로, 사용 가능한 최고의 열 전도체 중 하나입니다. 뛰어난 방열 성능은 전력 전자, 데이터 센터, 항공우주 및 군사 응용 분야와 같은 고성능 응용 분야에서 매우 중요합니다.
구리는 알루미늄보다 무겁고 비싸지만, 열전달 효율성이 높아 열적으로 중요한 모든 응용 분야에 사용할 만합니다.
아연
다른 두 가지와 달리 아연은 열전도도가 높지 않지만, 괜찮은 수준입니다. 하지만 매우 유동적이며 어떤 모양으로든 쉽게 다이캐스팅할 수 있습니다. 게다가 충격 저항성이 높고 시스템에 EMI 및 RFI 차폐 기능을 제공합니다. 이 모든 것이 방열판을 만드는 데 적합한 후보입니다.
히트싱크의 종류
방열판은 일반적으로 표면에서 튀어나온 여러 개의 핀이 있는 평범한 바닥을 특징으로 합니다. 이러한 핀의 배열, 모양 및 방향은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. 아래는 기하학에 따른 몇 가지 일반적인 유형입니다.
핀 핀 방열판
핀 핀 히트 싱크는 베이스 표면에서 뻗어 나온 핀으로 구성되어 있으며, 열 발산을 위한 가장 큰 표면적을 가지고 있습니다. 핀은 원통형, 정사각형, 직사각형 또는 테이퍼형일 수 있으며, 설계 제약 조건에 따라 열 발산을 최적화할 수 있습니다. 특히 공기 흐름이 낮거나 다방향 공기 이동이 있는 조건에서 효과적입니다.
플랫/플레이트 핀 히트싱크
플랫 또는 플레이트 핀 방열판은 표면에서 뻗어 나온 직사각형 판을 특징으로 합니다. 이러한 핀은 평행 구성으로 정렬되어 강제 공기 냉각 시스템과 같이 공기 흐름이 단방향인 시나리오에서 매우 효율적입니다.
플루트 핀 히트
플루트 핀 방열판은 핀이 플루트 모양으로 압출되거나 접혀서 중공/반폐쇄 채널을 만드는 독특한 지오메트리를 특징으로 합니다. 플루트 핀 방열판은 전력 전자 장치 및 산업용 드라이브와 같이 강제 대류 하에서 높은 냉각 효율이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다.
원형 핀 히트싱크
원형 핀 히트싱크는 원형 베이스 주위에 방사형으로 배열된 핀을 가지고 있습니다. 이 지오메트리는 전체 원주에 걸쳐 균일한 열 발산을 보장하며 다방향 공기 흐름을 처리하는 데 특히 효과적입니다. 이러한 지오메트리는 전기 모터 및 팬이나 터빈과 같은 회전 구성 요소에 가장 적합합니다.
능동 및 수동 방열판
방열판은 일반적으로 외부 입력이 필요 없이 자연스럽게 열을 발산하기 때문에 수동 열 교환 장치라고 합니다. 그러나 활성 히트 싱크 팬이나 블로워와 같은 추가 구성 요소를 사용하여 핀 위의 공기 흐름을 증가시켜 열 발산 속도를 높입니다.
비교해 보면, 수동형 히트싱크 퀴즈를 풀어보고, 주변 환경과 열을 교환하기 위해 자연 대류에 의존합니다.
히트싱크 제작 방법: 제조 방법
히트 싱크는 다양한 금속 절단 및 성형 기술을 통해 만들 수 있습니다. 가장 일반적인 기술은 밀링, 압출, 스키빙 및 다이캐스팅입니다.
CNC 가공(밀링)
밀링은 핀 사이의 복잡한 슬롯을 정밀하게 절단하고 복잡한 기하학적 모양과 디자인을 허용하는 감산 가공 공정입니다. 이 방법은 다른 제조 공정을 통해 달성할 수 없는 기하학적 모양을 가진 소량 생산 또는 맞춤형 방열판에 특히 적합합니다.
밀어 냄
압출은 가장 일반적인 생산 방법 중 하나입니다. 알루미늄 방열판가열된 알루미늄 빌릿을 다이를 통해 밀어 넣어 원하는 단면 형상을 가진 연속적인 프로파일을 만드는 공정입니다. 이 공정은 대량 생산에 효율적이며, 특히 알루미늄 1050과 같은 연성 소재를 사용할 때 비용 효율적입니다.
스키 빙
스키빙은 일반적으로 구리나 알루미늄과 같은 단일 금속 블록에서 얇은 핀을 조각하는 슬라이싱 공정입니다. 이 기술은 더 얇고 더 빽빽하게 채워진 핀이 있는 플레이트 핀 방열판을 생산하는 데 사용되며, 기계 가공이나 압출을 통해 달성하기 어려울 것입니다.
다이 캐스팅
다이캐스팅은 고압 하에 용융 금속을 금형 캐비티에 주입하여 복잡한 모양을 형성하는 것입니다. 이 공정은 아연 및 알루미늄 합금과 같은 재료에 가장 적합합니다. 다이캐스팅 방열판은 단위당 비용이 낮기 때문에 대량 생산에 일반적으로 사용됩니다.
방열판의 응용
방열판은 자동차 엔진부터 스마트폰까지 우리가 일상생활에서 사용하는 모든 기계 및 전기의 일부입니다. 방열판이 있는 장치 목록은 다음과 같습니다.
- 가전제품: 스마트폰, 태블릿, 노트북, 게임 콘솔, 셋톱박스
- 컴퓨터 및 서버: CPU, GPU, 전원 공급 장치
- LED 조명 시스템: LED 전구, 조명기구
- 통신: 라우터, 스위치, 앰프
- 자동차 전자: 엔진 제어 장치, LED 헤드라이트, 인포테인먼트 시스템
- 산업 기계: 모터 드라이브, 로봇, 제조 장비
- 전력 전자: 인버터, 컨버터, 전원공급장치
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