| 히트파이프의 모습[1] |
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1. 개요
傳熱管[2] / Heat pipe히트 파이프, 한자로는 전열관은 특수한 내부구조와 냉매를 사용하는 밀폐된 금속관 모양 열전도체이다.
2. 상세
히트 파이프는 내부가 특수하게 가공된 금속 파이프를 진공 상태로 만들고, 소량의 냉매를 집어넣고 밀봉하여 만들어진다. 사용될 온도에 따라 냉매(일반적으로 물)가 결정되며, 이 냉매에 따라 냉매와 반응하지 않는 금속(일반적으로 구리)을 선택하여 파이프를 만든다.2.1. 원리
히트 파이프의 내부 구조를 살펴보면 내부 벽면에 스펀지 구조 혹은 금속 핀[3]이 촘촘히 새겨진 금속 관의 형태로, 내부 벽면은 부피 대비 접촉 면적이 굉장히 커지도록 설계되어 있다. 이 내부 벽면 구조는 위 그림에 나온 것과 같이 대표적인 3가지 형태로 나뉜다. 먼저 금속 가루를 느슨하게 뭉쳐 굳힌 파우더(Powder)방식, 금속 섬유로 된 직물 조직을 붙인 메쉬(Mesh) 방식[4], 총기의 강선처럼 파이프 벽면을 파낸 그루브(Groove) 방식이 있다.[5]
파이프 내부는 진공 상태이며, 여기에 냉매 물질을 냉매가 기체 상태로 유지될 수 있을 만큼만 채워 넣는다.[6] 기기가 작동하고 히트파이프 양끝이 가열되는 부분과 냉각되는 부분으로 온도 차이가 생기면, 히트 파이프 내의 냉매는 열을 품은 채 히트 파이프의 내부에서 양끝을 이동하면서 열을 전달하기 시작한다.
- 가열되는 부분에서는 관의 가장자리 스펀지에 붙어있던 액체 상태의 냉매가 기화하고, 기화된 냉매는 히트 파이프 중심의 빈 공간을 따라서 기체가 더 적은 냉각되는 부분으로 이동한다.
- 반대로 냉각되는 부분에서는 관의 중심에 있던 냉매 기체가 액화되면서 관의 가장자리로 응결되게 되고 모세관 현상을 통해 액체가 더 적은 가열되는 부분으로 이동한다.
- 이 두 가지 작용이 동시에 이루어지면서 냉매가 열을 매우 신속하게 운반한다. 따라서 금속의 전도에만 의존하는 히트싱크만을 쓸 때보다 훨씬 빠르게 열 교환이 이루어진다.
2.2. 한계
질량을 가진 냉매를 이용하다보니 히트 파이프의 설치 방향에 따라 중력 때문에 성능에 편차가 생길 수 있다. 만일 냉각부 보다 열원이 위에 위치[7]하면 아무리 모세관 현상을 이용해 흐른다고 해도 액체 상태의 냉매의 이동이 중력에 의해 방해를 받기 때문에 히트 파이프의 성능이 저하된다. 성능 저하의 정도는 히트파이프 내부의 심지 구조에 따라서 차이가 심한데, 단면의 심지가 가장 저렴한 그루브 방식인 경우엔 중력을 거스르게 배치하면 히트파이프의 성능저하가 막대해진다. 반면 모세관 현상이 가장 활발하게 일어나서 중력의 영향을 덜 받는 소결구조(Sintered)의 경우엔 배치 방향에 따른 악영향은 가장 덜한 편.또 히트 파이프 자체의 방열 성능은 미미하며, 히트 파이프가 가져온 열을 직접적으로 식혀주는 역할은 히트 파이프에 붙는 방열판과 그 방열판에 공기를 불어넣는 팬이 수행한다. 히트 파이프는 단순히 열을 빠르게 이동시켜서 방열판에 전달해주는 부품이다.
기존의 히트싱크와 비교하면 훨씬 진보된 열 전달 체계로, 히트싱크는 단순히 열의 '전도'에만 의존하지만 히트파이프는 액체 상태 냉매를 통해 '전도'와 '냉매의 이동'를 둘 다 활용하여 열을 운반한다. 그냥 커다란 히트싱크를 사용할 경우 열원에서 먼 곳의 히트싱크에는 열이 거의 전달되지 않아서 크기와 디자인도 제약이 생기고 무게도 늘어나며 방열 성능에도 상한선이 존재하는데, 히트 파이프를 사용할 경우 열원에서 먼 곳까지 안정적으로 열을 전달할 수 있어서 더 큰 히트싱크를 사용할 수 있고 동시에 히트싱크의 디자인에도 높은 자유도가 생긴다. 즉, 방열 성능의 상한선이 극적으로 높아진다. 간단히 생각하면 열원이 점에서 선으로 바뀐다고 보면 된다.
2.3. 재질
방열판과 히트파이프는 보통 알루미늄이나 구리로 만드는데 구리 쪽이 열전도율이 두 배 가까이 높아서 구리 히트파이프를 제일 좋게 친다.(알루미늄: 205W/m·k, 구리: 400W/m·k) 다만 구리는 알루미늄보다 훨씬 무겁고 가격도 비싸며, 부식 문제도 있어서 히트싱크까지 구리로 만드는 경우는 드물고, 히트파이프만 구리로 만들고 방열판은 알루미늄으로 만드는 경우가 많다.그리고 알루미늄은 접합성도 안 좋고 연성이 떨어져 구부려서 사용하는것도 불가능하기 때문에 수요가 없다.
돈지랄을 거하게 할 작정이라면 고체 물질 중 열전도가 가장 좋은 물질인 은을 사용하면 되겠지만, 구리와 열전도율 차이는 얼마 되지도 않고(은: 429W/m·k), 히트 파이프는 열의 전도 효과보다는 기체의 대류와 액체의 모세관 현상으로 냉매를 통해 열을 운반하는 열 전달기이기 때문에 재질의 열 전도성과 파이프의 자체의 열 전도율이 정비례하지도 않아서 은으로 히트파이프를 만들 이유는 전혀 없다.
이건 히트파이프의 열 전도율을 보여주는 사례이다!#
3. 기타
일반적으로 완성된 제품은 직선형으로 길게 판매되며, 이를 보통 꺾어서 사용한다. 한편, 히트파이프에 각도를 주기 위해 꺾어서 변형시키는 순간 히트파이프의 효율이 급감하는 문제가 있으며, 이 과정에서 그루브형 > 메쉬형 > 파우더형 순으로 성능 감소가 큰 편이다.보기보다 비싼 물건이라 과거에는 전자기기에서는 보기 힘들었으나, 제조공정 발전으로 단가가 낮아지고 고성능 집적회로의 발열이 과거와는 비교하기 힘들 정도로 심해지면서 전자기기의 쿨링에도 많이 쓰이기 시작했다. 특히 컴퓨터용 쿨러에 적극적으로 채용되면서 제한된 공간 내에서 높은 발열해소 성능을 갖춰야 하는 노트북, 혹은 고성능의 공랭 CPU 쿨러, VGA 쿨러 등으로 흔히 볼 수 있게 되었다. 또한 스마트폰에 탑재되는 SoC의 성능이 올라가면서 발열 또한 증가했는데, 이를 해소하기 위해 초소형 히트파이프나 베이퍼 챔버를 탑재하는 스마트폰도 점차 늘어가고 있다.
현재 그래픽카드는 따로 오버클럭을 거치지 않은 순정 상태에서도 방열판과 팬만 가지고는 발열을 감당할 수 없어서 히트 파이프를 2개, 3개씩 넣는 물건이 거의 대부분이고[8], CPU 쿨러 역시 기본 번들 쿨러는 단순히 히트싱크에 팬을 달아놓은 구조이지만 사제 쿨러는 2만원대만 넘어도 거의 대부분이 방열판 + 히트 파이프 + 팬의 구조다.
최근에는 히트 파이프보다 고성능의 베이퍼 챔버를 사용하는 경우도 늘어나고 있다. 자세한 내용은 항목 참조. 히트 파이프가 관 형태인 반면 베이퍼 챔버는 얇고 넓은 상자 구조인데, 내부 구조는 비슷하기 때문에 히트 파이프를 넓게 편 것이라고 생각하면 된다. 히트 파이프를 여러개 붙인 것보다 가볍고 성능이 좋기 때문에 스마트폰이나 그래픽카드의 냉각 용으로 자주 사용된다. 단 베이퍼 챔버는 열을 멀리 옮기는 능력이 거의 없어서 냉각부와 거리가 아주 가까울때만 사용한다. 스마트폰은 핸드폰 전체가 냉각부라서 가능한것.
[1] 우측에 여러 장의 판으로 이루어진 부분은 방열판이고, 방열판들의 중심을 꿰뚫고 열원까지 이어진 원통형 금속관이 히트 파이프다.[2] 전할 전, 더울 열, 대롱/주관할 관[3] PET병 뚜껑처럼 가장자리에만 요철이 있는 모양을 생각하면 된다.[4] 메쉬는 보다 세부적으로 펠트 방식과 스크린 방식으로 나뉜다.[5] 일반적으로 성능과 제조 단가는 파우더 > 메쉬 > 그루브 순이며, 히트파이프를 꺾었을 때 성능감소가 가장 심한 순서도 그루브 > 메쉬 > 파우더 순으로 대체로 파우더 식이 가장 좋은 효율을 나타낸다. 물론 이는 그냥 대략적인 지표로, 회사의 제조 능력에 따라 그루브 보다 못한 파우더 제품이 있기도 한다.[6] 여기서 냉매의 양은 외관 상 보이는 히트파이프의 부피에 비하면 극미량으로, 800리터급 양문형 냉장고에도 냉매가 많아봐야 30g 들어가며, CPU 쿨러나 그래픽카드 방열판에 들어가는 히트파이프의 경우엔 얼추 1~2 방울 정도 들어간다. 휴대폰에 들어가는 초소형 히트파이프에는 한 방울에도 한참 못 미치는 미량이 들어간다.[7] 일반적인 타워형 쿨러를 통해 설명하면 CPU가 아래를 보게 설치되어서 쿨러가 메인보드보다 밑에 있는 상태.[8] 이렇게 대형 히트파이프와 히트싱크로 공간을 빽빽하게 채우고, 쿨링팬을 2개, 3개씩 달고도 대부분의 그래픽카드는 사양이 어느 정도 되는 게임을 돌려 풀로드가 걸릴 경우 70~80도 수준의 온도를 보인다. 별도의 프로그램으로 팬 속도를 올리면 온도를 좀 낮출 수는 있지만 이러면 소음이 상당히 심해진다.