스마트폰 진화 될수록 최첨단 성능 만큼 ‘열 관리 기술’ 중요

[테크월드=이나리 기자] 스마트폰의 디스플레이가 보다 선명해지고, 빠른 전송 속도와 다양한 기능을 구현하게 되면서 장시간 사용을 지원하기 위해 배터리 용량이 증가하고 있다. 이에 따라 스마트폰 제조 업체들은 적정 스마트폰 무게를 유지하면서 많아진 배터리 용량을 안정적으로 관리할 수 있는 ‘열 관리 솔루션’의 기술 개발에 주력하고 있다. 

일례로 2016년 출시된 삼성 갤럭시 노트7의 폭발 사고가 계속됨에 따라 삼성전자는 폭발 원인을 배터리 설계 결함으로 해명한 채 2016년 10월 11일 단종시킨 사건이 있었다. 이번 사례는 스마트폰 제조사에게 배터리 설계와 열 관리의 중요성이 다시 한번 부각될 수 있었던 계기가 됐다. 

시장조사기관 욜(Yole)에 따르면 스마트폰 애플리케이션 용 열관리 부품은 2016년부터 2022년까지 연평균 26% 이상 성장이 전망된다. 스마트폰 열 관리 솔루션의 관련 부품으로는 패키지, PCB(Printed Circuit Board, 회로설계기판), 히트 파이프, 증기 챔버, 열 시트, 스마트폰 백 커버 등이다. 또 열 관리 솔루션은 스마트폰 외에도 전력 장치, 자동차 부품 등 다른 전자 장치에도 적용될 수 있다. 

밀란 로시나(Milan Rosina) Yole의 에너지 전환, 신흥 재료 수석 연구원은 "스마트폰 기능이 증가하고, 소비자 요구 사항에 따른 빠른 처리 속도를 구현함으로써 열 방출 또한 증가함으로써 스마트폰의 열 관리의 중요성은 커지고 있다”며 " 무선 충전, 고해상도 카메라, 3D 게임, 보안, 인증, 고속 스트리밍 등 새로운 스마트폰 기능을 보장하는 데 필요한 추가 구성 요소는 부품 집적도를 높여 열 관리를 더욱 어렵게 만든다”고 설명했다. 

특히 스마트폰에 탑재되는 리튬 이온 배터리의 과도한 가열은 안전상의 이유로 신중하게 다뤄야 한다. 또 스마트폰의 두뇌 역할을 하는 프로세서 또한 열을 많이 발생시키는 구성 요소 중 하나다. 그 밖에 스마트폰의 열 발생 요소로 이미지 센서, 광원, 배터리도 언급되고 있다. 스마트폰의 핫 스팟을 피하고 부품 온도를 허용 가능한 수준으로 유지하고, 사용자가 불쾌감을 느끼지 않도록 인클로저 온도와 피부 온도를 비교적 낮게 유지해야 하기 때문이다. 

스마트폰의 열을 처리하는 최적의 방법은 고성능 칩을 사용해 열 발생을 줄이는 것이다. 2016 년 10nm 노드가 도입된 칩 제조와 적절한 소프트웨어 제어와 관련된 ‘고전력, 저전력’ 코어를 갖춘 다중 코어 아키텍처를 포함한 칩 아키텍처가 크게 개선됐다. 이와 관련해 애플과 삼성전자는 스마트폰의 저전력과 고효율 프로세서를 향상시키기 위해 기술 노드를 최대 10nm까지 줄였다. 이 방식은 I/O 증가, 최신 세대의 1500개 이상의 솔더 볼과 프로세서 다이 크기 감소에 효과적이었다.

소프트웨어 열 관리(STM) 방식은 주어진 열 상황에 대한 추가적인 설계가 유연하고, 소프트웨어 업데이트를 통해 기존 제품을 쉽게 개선시킬 수 있다. STM은 히트 파이프와 같은 하드웨어 솔루션과 달리 스마트폰에서 추가 공간을 차지하지 않다는 것이 장점이다. 

그러나 앞으로 스마트폰의 기능에 대한 소비자의 요구 사항이 지속적으로 높아지게 되면, 고성능 프로세서만으로 열 관리하는 것이 한계에 다다를 것이다. 니혼전기(NEC)와 소니의 첫 번째 스마트폰의 경우에는 열전달 시트 성능이 열악한 열 처리 프로세서의 열을 분산시키기에 충분하지 않아 히트 파이프를 도입하는 방식을 택했다. 이 외에 삼성의 갤럭시 S8, LG의 G5, 구글의 픽셀 2 XL도 열 파이프를 사용해서 열 관리 기능을 향상시켰다. 

최근에는 히트 파이프의 대안으로 증기 챔버가 열 관리 기술로 각광받고 있다. 밀란 로시나 연구원은 “초박형 증기 챔버는 후루카와 전기, 타이솔, AVC, 델타 등과 같은 여러 업체에서 이미 개발 중이지만 여전히 어려운 기술 과제에 직면해 있다”고 말했다.