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당신, 내 방열판이 되어 주겠소?
신동윤 기자 | 승인 2018.05.17 17:05

먼저 고백하자면, 나는 방열판을 매우 좋아한다. 왜 좋아하냐고 묻는다면 확실하게 말하기는 어렵지만 몇가지 이유가 있다. 방열판은 단 한가지 기능만 하며(열원에서 열을 제거), 눈으로 직접 볼 수 있고 만질 수 있다. 또한 방열판은 소프트웨어나 초기화와 같은 복잡한 과정이 전혀 필요 없으며, 신뢰도가 높고 일관성이 있으며, 뒤로 물러설 수 없는 자리를 차지하고 있다. 트랜지스터나 IC(Integrated Circuit), 또는 모듈의 상단(또는 옆)에서 크기와 형태, 재질, 위치에 따라 정의된 대로 물리학의 기본 원리에 따라 묵묵히 제 할 일을 한다. 필자는 개인적으로 일반적인 방열판을 수집해 놓고 있다(그림 1, 2, 3) 그리고 이 중에는 그냥 과거에 내버려뒀던 것들도 꽤 많은 수를 차지하고 있다.

[그림 1] 이 간단한 금속 스탬핑 방열판은 작은 금속 트랜지스터에 날개처럼 장착된다(자료: 저자)
[그림 2] 이 아노다이징 처리된 방열판은 인텔의 펜티엄2 프로세서용으로 특별히 설계됐으며, 방열판은 CPU에 고정시키기 위한 금속 클립을 같이 제공했다(자료: 저자).
[그림 3] 이 대형 핀이 장착된 방열판은 표준 TO-3 패키지 내부의 전원장치를 냉각하기 위한 용도로 설계됐다(자료: 저자)

물론 ‘방열판’은 많은 전기 엔지니어가 부담스러워하는 부분으로, 특히 정상적인 동작을 위해 열을 적절히 냉각시켜야 하는 기구 혹은 패키지 엔지니어들이 이런 부담을 크게 느낀다. 방열판을 의미하는 Heat sink에서 Sink는 배수구를 의미한다. 이는 방열판의 역할이 열원으로부터 열을 빼앗아야 하며, 자신의 열 또한 배출해야 하기 때문에 결국 또 다른 열원이 된다는 것을 의미한다. 다시 말해 방열판은 배수구이면도 또 다른 열원이기도 하다.

디자이너가 방열판을 사용해 부품을 냉각시킨 다음 과도한 열 문제를 해결했다고 말해, 필자를 당황시키기도 한다. 하지만 방열판은 그렇게 동작하지 않는다. 열역학의 에너지 보존 법칙으로 ㅇ니해 열은 사라지지 않고 상대적으로 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 흐를 뿐이다. 대류나 히트 파이프, 강제 급기, 혹은 액체를 사용해 냉각팬의 열을 외부로 방출하지 않으면, 열은 점점 내부에 쌓이게 되고 결국 사고 차량으로 완전히 막히 도로처럼 되고 만다. 열원과 방열판 둘 다 점점 더 뜨거워지고, 상당히 높은 온도에서 열 평형 상태에 도달하게 되는 것이다.

오늘날 많은 IC는 방열판을 달지 않아도 되도록 설계되고 있다. 하지만 이는 전체 시스템의 열 배출이 올바르게 이뤄지도록 설계됐을 경우에나 가능하다. 여기서 핵심은 바로 ‘올바르게’라는 것에 있다. 이런 장치들은 패키지 아래쪽에 방열패드가 있거나 배선을 사용해 PC 보드의 구리로 열을 전달한다. 이때 열은 더 큰 구리 영역으로 흐르며, 때로는 보드의 레이어 사이에 특수 도금된 스루 홀 바이어스를 적용하기도 한다.

그러나 여기에는 두가지 문제점이 있다. 첫째는 좁은 IC 배선이나 바이어스의 경우 열 임피던스가 높기 때문에 열의 흐름이 제한된다. 그러나 열 모델링 결과 문제가 없다고 가정하고, 다음 문제로 넘어가 보자. 기판에 있는 다른 부품들도 같은 구리 기판으로 열을 전달할 수 있을 지 고민해야 한다. 필자는 상대적으로 뜨거운 IC와 수동소자를 서로 가까이 위치시키는 디자인을 꽤나 많이 봤으며, 이럴 경우에는 열을 방출하기에 충분한 PC 구리의 면적을 확보했다고 가정했을 것이다.

하지만 열은 물리 법칙을 따르지, 디자이너의 의도대로 움직이는 대상은 아니다. 만약 구리 기판에 가해지는 열이 부품의 온도와 비슷하거나 더 높은 온도를 유지하게 될 경우, 열은 결국 갈 곳을 잃게 된다.

때로는 디자이너의 사고 방식이 둥글게 모여있는 사람들이 각자 자신의 오른쪽 사람을 가리키며 “이 사람에게 열을 전달하고 있다”고 말하는 것처럼 보이는 경우가 있다. 우리 모두는 이런 생각이 결국 좋지 않은 결과를 낳게 될 것이라는 사실을 알고 있다.

진정한 핵심은 바로 다음과 같다. 방열판은 훌륭하지만 방열판이 없다고 보온병 안에서 동작하는 것은 아니라는 것이다. 따라서 모든 방열판은 열을 유입과 배출이라는 양방향의 흐름(온도 차이가 충분한 경우)과 과도한 열을 배출하기 위해 동일한 냉각 영역을 사용하는 다른 열원을 모두 고려해야 한다. 궁극적으로 방열판은 열 배출을 위한 적절한 환경을 조성해야만 올바른 동작이 가능하며, 기기를 보호할 수 있게 된다.

 

Written by 빌 슈웨버(Bill Schweber) & Provided by 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

 

빌 슈웨버는 전자 통신 시스템에 대한 3권의 교재와 수백편에 달하는 기술 기고, 오피니언 컬럼, 제품 설명서 등을 작성한 전자공학 엔지니어이자 마우저 일렉트로닉스의 저술가이다. 그는 EE Times 사이트의 다양한 분야에서 웹 사이트 관리자로 근무했으며, EDN에서 수석 에디터로 일했다.

그는 MSEE(Mass 대학) 및 BSEE(콜롬비아 대학)를 보유하고 있으며 등록된 전문 기술자이며 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 라이센스를 보유하고 있다. 또한 MOSFET 기초, ADC와 LED 구동 등과 같은 다양한 엔지니어링 주제에 대한 온라인 교육 코스를 계획하고 제작, 제공했다.

 

[편집자 주] 본 기사는 글로벌 전자부품 유통회사인 마우저 일렉트로닉스 (Mouser Electronics)의 후원을 바탕으로 진행되는 EPNC의 단독 외부 기고입니다.

#방열판#IC#트랜지스터#수동부품#발열

신동윤 기자  dyshin@techworld.co.kr

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