포커스

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전자기기ㆍ부품의 방열문제에

대한 대책 및 기술 동향

문현찬*

마이크로프로세서(MPU)의 ‘chip 전력 위기’로 대표되듯이 최근 전자기기의 열문제에 대한 심각성이 늘

어나고 있다. ‘보다 빠르고 보다 작게’라고 하는 시장 요구는 실장 기술이나 반도체 기술 개발을 가속시켜

소비전력 밀도 증대를 가져왔지만, 한편으로 전자기기의 소음 저감이나 불필요한 방사 노이즈의 억제 등 환

경 친화적인 요구가 증대되고 있다. 현재의 기술 개발은 저소비전력화가 고속화를 따라 잡지 못하는 상황에 있

다. 소음이 없는 기기(수냉노트 PC, 액정프로젝터 등) 고방열재료, 저전력 디바이스, 전자기기용 열유체 해

석 소프트웨어 등이 주된 열문제 대책으로 이슈가 되고 있다. 냉각용 전력의 저감이나 냉각 소음의 억제가

제품의 큰 차별화가 되어 방열을 위한 소재나 디바이스 설계 및 재료 개발이 최근 방향이 되고 있다. ▨

I. 방열재료 기술 소개

1. 열이 전자기기에 미치는 영향

일반적으로 전자기기의 온도가 높아지면 다음과

같은 영향을 일으킨다.

- 부품 기능적 장해: 소자의 정상적인 동작을 보

증할 수 없게 된다.

- 부품 수명 저하: 전자 부품의 고장률을 높여

수명을 줄인다.

- 기계적 장해: 열응력이나 열팽창에 의해 기계

부품에 데미지를 주고 오동작을 부른다.

- 화학변화의 촉진에 의한 장해: 화학변화에 의

해 특성이 열화되어 오동작을 부른다.

- 사람에 미치는 장해: 사용자에 화상을 입게 하

거나 불쾌감을 준다.

목 차

* 전자부품연구원 융합센서소자연구/책임구원

I. 방열재료 기술 소개

II. 대표적 전자기기의 열문제

대책 동향

III. 결 언

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주간기술동향 통권 1405호 2009. 7. 15.

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모든 전자부품에서는 열이 발생되는데 발열체의 온도 상승을 억제하기 위해 방열 면적을 확

대하여 표면적을 넓히거나 부품의 열전도로 ‘등가 표면적’을 확대하는 등의 방법이 있다. 열전달

율에는 대류 열전달율과 방사열 전달율이 있고, 대류 열전달율을 향상시키려면 풍속을 증대시키

고 흐름을 난류화하는 방법이 있다. 방사열 전달율을 향상시키려면 고온면의 방사율을 올리고

주위의 흡수율을 올리는 방법이 있다.

(그림 1)은 방열면적을 횡축, 열전달율을 세로축으로 발열면의 온도 상승을 50℃로 했을 경

우의 방열 한계(소비전력 한계)를 그래프화한 것이다. 예를 들면 1W 이하의 부품이면, 열전달율

(세로축 방향)은 자연공냉 영역에서도 부품의 표면적만으로 충분히 냉각할 수 있다(좌하 영역).

이때 열대책은 불필요하다. 그러나 부품의 소비전력이 커지면 히트싱크나 히트플레이트 등을 이

용해 방열 면적을 늘리는 대책(횡축 증대 대책)과 팬을 이용해 열전달율을 올리는 대책(세로축

증대 대책)의 어느 쪽을 선택해서든 대처해야 한다. 일반적으로 소음이나 먼지 문제가 일어나지

않고, 전력이 불필요한 ‘면적 확대’ 방법이 먼저 활용된다.

PC의 냉각 방식의 변천을 보자. CPU의 발열이 그만큼 크지 않은 무렵에는 알루미늄 플레

이트를 사용한 방열 면적 확대(횡축 대책)로 대응하고 있었다. 그러나 면적을 크게 해 나가면 열

원으로부터 먼 부분의 온도를 내리기 위해 플레이트 전면이 방열에 유효하지 않게 된다(핀 효율

<자료>: 일본기술정보협회 2002.

(그림 1) 전자부품의 방열능력 한계

발제공냉

자연공냉

파냉

자연공법

0.10.010.001

1,000

100

10

1

Heatsink PGA DIP

방열면적(m2)

방열면적(m2)

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이 저하된다). 따라서 히트파이프를 사용해 열원으로부터 먼 부분에 열을 수송하는 것, 즉 유효

방열면적을 높임으로서 한층 더 면적을 확대해 왔다. 그런데도 방열면적이 부족하게 되면 케이

스 프레임이나 키보드, 디스플레이에까지 열을 전해 기기 전체를 방열 면적으로 사용하여 횡축

의 한계치까지 방열 면적을 확대해 왔다.

또한 열전달율 세로축 대책도 병용해 왔다. CPU 쿨러라고 하는 소형팬을 달아 풍속을 증대

시키거나 덕트구조의 열교환기를 탑재해 열전달율을 향상시키고 있다. 공냉인 경우 열전달율에

는 한계가 있고 표면적도 물리적 제약으로 무한하게 크게 할 수 있는 것은 아니기 때문에 이대

로 소비전력이 계속 증대하면 냉매를 바꾸는 등의 대비책이 필요할 것이다. 이미 수냉노트 PC

등도 출현하고 있어 소형화와 고성능화를 양립하려면 새로운 냉각 방식의 개발이 키가 된다고

생각할 수 있다.

2. 방열대책

가. 저열저항화를 위한 어프로치

전자기기의 저열저항화는 파라미터가 한정되고 있어 해결방법이 그리 많지 않다. 예를 들면

장치에 실장된 어느 부품이 기준을 넘는 고온이 되어 버렸다고 하자. 이 부품의 열대책은 부품

의 온도를 나타내는 아래의 식으로부터 생각하면 알기 쉽다.

부품 온도 Tw=부품 소비전력 W/(유효 방열 면적 S×열전달율 h)＋부품 주위 공기 온도 Tair

이 식으로부터 부품의 소비전력을 내릴 수 없다고 하면 부품 온도를 내리기 위해서 얻는 대

책은 세가지 방법이 있다.

첫째, 유효 방열면적을 크게 한다(방열부품, heatsink 사용, 유효표면적 확대).

둘째, 열전달율을 향상시킨다(대류, 방사열전달 향상-풍속증대, 난류화).

셋째, 주위온도를 내린다(환기 풍량을 증대, 주위 열원으로 영향을 배제).

전자기기의 저열저항화 중에서도 가장 중요하고 꼭 생각해야 할 것이 ‘방열 면적의 확대’이

다. 방열 면적 확대는 팬의 설치 등 다른 대책에 비하면 코스트가 적어도 되기 때문에 소음, 먼

지, 전력 소비, 팬 수명의 걱정이 필요 없는 등 우위인 점이 많다. 방열 면적을 확대하는 방법은

다양하지만 기본은 ‘부품을 면적의 큰 물체에 접속해 방열시키는 것’이다. 따라서 반드시 ‘접속

한다’ 부분에 따른 ‘접촉 열저항의 감소’가 큰 과제가 되고 있다.

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나. 방열면적 확대와 접촉 열저항

전자기기의 저열저항화 중에서도 가장 중요하고 먼저 생각해야 할 것이 ‘방열면적의 확대’이

다. 방열면적 확대는 팬 설치 등 다른 대책에 비하면 코스트가 적어도 되기 때문에 소음ㆍ먼지ㆍ전

력소비 팬수명 걱정이 필요 없다. 방열면적을 확대하는 방법은 다양하지만 ‘부품을 면적의 큰 물

체에 접속해 방열시키는 것’이다. 따라서 반드시 ‘접촉 열저항의 감소’가 큰 과제가 된다. 열원이

소형ㆍ고밀도화 되는 가운데 부품의 ‘유효방열면적’을 확대하려면 접촉 열저항을 감소시키는 것

이 중요하다. 접촉 열저항이란 접촉면의 미세한 요철에 의해 직접 접촉부분의 면적이 외관의 접

촉면적보다 훨씬 작기 때문에 생긴다. 예를 들면 반도체 부품이 히트싱크에 붙어 있는 경우 접

촉 열저항 때문에 반도체 부품과 히트싱크 사이에 온도차가 생긴다. 접촉 열저항 값은 다음의

요인에 의해서 변동한다.

① 면끼리의 접촉압력

② 접촉면적(외관상)

③ 면표면의 불규칙

④ 고체의 열전도율

⑤ 틈새의 유체 열전도율

⑥ 경도

다. 방열재료(TIM)의 활용

TIM(Thermal Interface Material)에는 방열시트, 방열윤활유, 열전도성 접착제, 방열겔,

PCM(Phase Change Material) 등 각종 형태의 제품이 있다. 이러한 대부분은 유연성이 높아 열

전도율이 큰 절연성 소재로 되어 있어 접촉 열저항을 감소시킬 수 있다. 액상은 접촉부분의 공

간을 유체로 채우는 것으로 틈새 유체의 열전도율을 향상시킨다. TIM을 이용할 때 열적 특성에

주목할 뿐만 아니라 신뢰성, 안정성, 제조성, 안전성 등 폭넓은 관점에서 평가해야 하는 것이다.

TIM이 가지고 있어야 할 요건은 아래와 같다.

① 열전도율이 크다(온도ㆍ시간에 의한 변화가 적다).

② 열응력ㆍ폐해 등에 의해 부품에 영향을 주지 않는다(유연성이 풍부하다).

③ 밀착성, 잘 벗겨지지 않는다.

④ 내열성이 높다.

⑤ 변화하지 않고 특성이 안정되어 있다(기계적ㆍ열적 특성이 변화하지 않는다).

⑥ 가공성이 좋다(제조 보수현장에서 작업성이 좋다).

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II. 대표적 전자기기의 열문제 대책 동향

1. 데스크탑 PC

컴퓨터의 고성능화ㆍ소형화의 진보는 두말할 필요가 없다. 컴퓨터 업계의 기술혁신은 기업간

의 패권을 둘러싼 생존을 건 최첨단의 기술전쟁이 계속되고 있다. 그 결과 30년 전에는 광대한

면적에 10 톤 정도의 무게이던 컴퓨터 장치가 지금은 1kg 이하의 휴대 PC 로 진화하는 상상을

초월하는 스피드와 소형, 경량화가 실현되었다. 기술의 진보에 따라 컴퓨터, 특히 PC의 보급은

비약적으로 확대되어 국내의 PC 출하 대수도 1,000 만 대를 추월하여 텔레비전 대수와 비교될

정도가 되었다. PC 는 탄생 이래 소형 경량화 속에서 열의 문제는 항상 존재했지만 최근에는

CPU 고속화, 소비전력의 증대에 의한 열설계 대책은 지금까지 없었던 중요한 과제가 되고 있다.

열 대책 설계가 PC 의 좋고 나쁨을 결정하는 포인트가 되고 있다. 또 PC 분야에서의 경쟁은

PC 제품의 보급에 따라 기능ㆍ성능이라고 하는 기술면으로부터 가격경쟁으로 옮겨진지 오래다.

게다가 21세기는 환경의 세기라고 하듯이 그린PC나 가전 리사이클법이 시행되어 환경을 고려

한 제품이 요구되고 있는 실정이다.

가. 데스크탑 PC의 열설계

사무실 환경에서는 전력 절약과 함께 공간절약의 요구가 강하고, PC 메이커 각사가 데스크

탑 PC 의 소형화ㆍ공간절약화에 경쟁을 하고 있다. 공간절약형 데스크탑 PC 에서는 소형 케이

스로의 고기능화, 냉각 팬의 소음화를 양립하면서 열설계를 실시할 필요가 있다. 또한 데스크탑

PC의 숙명으로서 코스트를 철저하게 낮춘 설계가 요구된다. 유저는 노트북 PC와 비교해 가격

과 확장성의 장점을 데스크탑 PC에 요구하고 있다. 기기의 소형화에 따라 코스트는 비교적 비

싸게 되지만, 유저는 케이스가 작아지면 가격도 싸진다고 하는 생각을 가지고 있기 때문에 공간

절약형 데스크탑 PC는 보다 어려운 코스트 절감이 필요하다. 이전부터 소형 케이스로의 열설계

대책은 기술적으로 어려웠지만 Pentium4 등장으로 열설계는 한층 어려운 것이 되었다.

여기에서는 일본 IBM이 2001년 10월에 발표한 NetVista M41 Slim의 예로 여러가지 열

설계시 고려 및 환경 문제점을 예로 논의하겠다. NetVista M41 Slim은 발표 당시 업계 최소 사

이즈의 Pentium4 탑재 머신을 실현한 것으로 일본에서 화제가 된 공간절약형 데스크탑 PC이다.

나. CPU의 열설계 전력(Thermal Design Power)

Pentium4의 소비전력, 발열량은 Celeron나 Pentium3와는 비교가 되지 않을 정도로 크다.

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CPU 가 발생하는 열량은 Thermal Design Power(이하 TDP)로 상대적으로 비교할 수 있다.

TDP가 높으면 열설계의 장벽이 높아져 복잡한 냉각기구 때문에 케이스 설계의 자유도가 낮다.

일본 IBM 경우에서는 Pentium 탑재의 공간절약 모델로서 NetVista A40 를 일본 시장에 내놓

았지만 M41 Slim 에서부터 Pentium4(Willamette-478)를 탑재하게 되었다. A40와 M41 Slim

로 채용하고 있는 CPU TDP를 비교한 것이 <표 1>이다.

PentiumIII에 비해 Pentium4 TDP는 2배 이상으로 증대하고 있다. <표 1>로부터 소형 케

이스에 PentiumIII 탑재모델과 같은 열설계 대책은 Pentium4에 탑재하는 것이 불가능하다라는

것을 쉽게 추측할 수 있다.

다. 레이아웃 설계의 최적화

Pentium4의 방열 성능을 올리기 위해서는 히트싱크나 히트파이프의 사용 또는 고열 전도케

이스를 생각할 수 있지만 코스트의 제약으로 고가의 부품을 사용할 수 없다. 따라서 얼마나 저

비용으로 열설계 대책을 세울지가 최대의 과제였다. Pentium4 를 탑재하기 위해서 전면적으로

레이아웃을 재검토하였다. 우선 CPU 냉각을 위해서 대형의 CPU 쿨러(CPU Fan sink)를 사용

할 수 있도록 CPU 주위의 스페이스를 충분히 확보하였다. 또 하나의 큰 열원인 전원유닛을 열

적으로 시스템과 완전하게 분리하여 서로의 간섭을 막도록 배치하였다.

라. CPU 냉각 방법

패키지를 소형화한 CPU 와는 대조적으로 시장에서의 CPU 쿨러는 478 핀 Pentium4 의 발

열량이 문제이나 내진동, 내충격성의 향상이 요구되었기 때문에 Socket423 타입에 비해 꽤 크

고 고가의 부품이 되었다. M41 Slim 에서는 메인보드상 스페이스의 제약도 있어 거대한

Socket478 타입의 CPU 쿨러를 사용하는 것은 어려웠다. 검토 결과 423 핀 Pentium4용의 소

형을 그대로 사용하여 기존의 CPU 히트싱크(알루미늄 압출 성형품)의 클립 설치 압력을 강하게

하는 것으로 열저항 감소를 추구하였다. 구체적으로는 히트싱크의 베이스=Tb를 변경하는 것으

<표 1> 각 제품의 TDP 비교

기종 발표 CPU TDP(W) Tmax(℃)

2000. 4 Pentium III 667MHz 17.5 82(Tj) 6881

2000. 8. Pentium III 800MHz 20.8 80(Tj) NetVista A40

6842 2001. 3. Pentium III 1.0GHz 29 75(Tj)

NetVista M41 Slim 6844 2001. 10 Pentium IV 1.6GHz 60.8 75(Tc)

<자료>: 전자기기 부품용 방열재료의 고열전도화 및 열전도성 측정. 평가기술, 일본기술정보협회 調査報告書 2002.

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로 설치 압력을 조정하였다((그림 2) 참조). 또 전열재로서는 열전도율이 뛰어난 실리콘 그리스

를 발랐다.

다음은 가장 중요한 과제인 CPU를 얼마나 효과적으로 냉각할까에 대해 알아보는데, 중요한

것은 다음의 2 가지이다.

① 가능한 차가운 공기를 히트싱크에 직접 보낸다.

② 히트싱크의 열을 빼앗은 공기를 재빠르게 외부에 배출한다.

즉 CPU의 팬은 시스템내 따뜻한 공기를 내부에 넣지 않게 해서 신선한 바깥 공기만을 직접

흡입하는 구조로 만든다. 그리고 바깥공기가 빼앗은 히트싱크 열을 대형 시스템 팬으로 방출한

다. 이 방식에 의해 CPU 온도상승을 효과적으로 억제할 수 있다. ①를 실현하기 위해서 고안

된 것이 (그림 3)에 나타나는 Fresh Air Duct이다. Fresh Air Duct를 장착함으로써 히트싱크

로부터 시스템 내부의 공기의 흐름도 발생해 CPU 뿐만 아니라 시스템내 전체의 온도를 내리는

효과도 확인할 수 있다. 당초 Fresh Air Duct가 없는 상태에서는 CPU의 온도상승 뿐만 아니

라 시스템내 다른 부품이나 디바이스 온도상승도 문제였지만 Fresh Air Duct에 의해 전체를 효

율적으로 냉각하는 것이 가능해졌다.

클립

<자료>: 일본기술정보협회, 2002.

(그림 2) Pentium4용 CPU 쿨러(CPU Fan sink)

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2. Note PC

가. CPU 발열량 및 그 외 열원

지금까지 경향으로 볼때CPU 발열량은 동작 주파수와 함께 해마다 증가하고 있다. (그림 4)

와 같이 동작주파수는 거의 3년 주기로 4배 가까이 증가하고 있고, 소비전력 및 발열밀도도 증

가하고 있다. 앞으로도 이 경향이 계속된다고 예측된다. 다만 주파수가 낮고 내부 연산 처리 효

율이 높은 CPU 가 향후 개발되고 주파수에 대응한 저소비전력이 나오는 일도 기대하고 싶다.

Fresh Air Duct

<자료>: 일본기술정보협회, 2002.

(그림 3) Fresh Air Duct

CPU Fan

System Fan

주파수[GHz]

10

1

0.1

100

10

1

소비전력[W]

발열밀도[W/cm2]

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004~

연대 <자료>: 일본기술정보협회, 2002.

(그림 4) CPU 주파수 및 소비전력예측

주파수[GHz] 발열밀도[W/cm2] 소비전력[W]

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향후 반도체의 세선화 즉 고밀도화에 수반하는 발열밀도도 증대하므로 냉각 성능의 향상은 앞으

로도 필수 과제가 된다. 그래픽 칩은 3D 처리가 향후 필수가 되어 부하가 증가하므로 소비전력

도 큰 폭으로 증가하는 경향이 있다. 또 비디오 램의 집적화에 수반해 2003년경에는 수와트로

부터 수십와트 정도까지 증가해 방열판 정도에서 끝나지 않고 한층 더 냉각이 필요할 것이다.

전원회로에 대해도 CPU 등의 소비전력 증가에 수반해 히트싱크 개선이 향후 필수대책이 될 것

으로 예측된다.

노트 PC 에 사용하고 있는 냉각디바이스는 냉각팬, 히트싱크, 히트파이프, 방열시트, 방열윤

활유 5종류이다. 일부 수냉방식도 있다.

나. 냉각팬

냉각 팬의 종류는 축류팬, 원심팬, 횡류팬 등이 있다. 대표적인 노트 PC내에서의 팬 구성은

(그림 5)와 같다. 케이스 박형화와 발열밀도 증가가 진행되어 2001 년에는 정압 중시의 터보형

팬(원심 팬의 일종)을 사용하게 되었다. 또 냉각팬 자체도 당연히 전력을 소비, 발열한다. 팬 제

어를 PWM 제어로 해 소비전력을 통상의 전압 제어보다 반 이하 발열을 억제하고 있다.

다. 히트싱크/히트파이프

히트싱크 및 히트파이프는 냉각보다도 방열 면적을 넓게 하기 위해서 사용하는 디바이스이

다. 히트싱크에 이용하고 있는 열전도 재료와 사용하고 있는 것을 <표 2>에 나타내었다. 히트싱

크는 핀을 밀어 내 형재, 냉간 단조, 주조재 등에 의해 대체 성형한 것, 핀을 납땜한 것 등이 있

다. 또 얇은 틀의 노트PC 에서는 CPU 상부에 두께가 있는 히트싱크를 장착할 수 없는 것이 많

아 하이브리드 히트싱크, 히트파이프로 핀의 높이를 충분히 얻을 수 있는 장소까지 열을 이동시

<자료>: 일본기술정보협회, 2002.

(그림 5) 노트 PC 의 팬 구성과 공기흐름

배기

배기

기파

CPU

기파 CPU

열교환팬

열교환팬

케이스

히트파이프

케이스

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켜 방열하는 방법이 주류가 되고 있다. 히트파이프와 히트싱크 간의 열전도는, 2001년경까지는

에폭시로 충분했지만 2002년에는 더욱더 저열저항화되기 때문에 열전도성이 주류가 되고 있다.

이런 히트싱크는 열전도율이 높은 정도에 따라 방열 능력이 높고 우수한 것이다.

라. 열전도성 재료(방열시트, 방열윤활유)

방열시트, 방열윤활유는 발열부품과 히트싱크의 열 접촉재료로서 사용하고 있다. CPU 등 발

열량, 발열밀도가 높은 것에 접촉시키는 재료는 열전도율이 높고 두께는 가능한 한 얇은 것을

사용하는 것이 철칙이다. 노트 PC 에 사용하고 있는 열전도성 재료와 특성을 <표 3>에 표시하

였다.

마. 노트 PC 방열량

노트 PC 케이스 표면으로부터 방열량은 케이스 표면온도 상승허용치 및 주변 환경 정의 즉

각 PC메이커 사양에 의해서 정해진다. 케이스 표면으로부터 복사와 사용환경의 공기 열전달 및

접지부분 열전도에서 결정한다. 강제공냉에 필요한 최적 냉각시스템은 필요 유량이나 케이스 내

의 시스템 impedance, 필요 열저항, 미래의 발열량 증가 예측(CPU 업그레이드) 등에서 결정하

고 있다.

<표 3> NotePC 에 사용되는 대표적인 열전도성 재료

재료 열전도율(W/mㆍk) 두께(mm) 비고

실리콘 윤할유 0.8~4.7 - 일반적

실리콘 리버 0.9~6.5 0.4~5.0 필요한 열전도량과 틈새에 맞추어 선택

상변화 재료 2.0~5.1 0.06~0.2 상변화 타입, 50도 전후에서 상변화, 알미늄 상자가 붙은 것

저융점 합금 18~21 0.15 60~110℃ 전후에 녹아 CPU에 밀착

<자료>: 전자기기 부품용 방열재료의 고열전도화 및 열전도성 측정. 평가기술, 일본기술정보협회 調査報告書 2002.

<표 2> 노트 PC 에서 사용하고 있는 대표적인 히트 싱크 재료와 열전도율

재료 연전도율(w/m.K) 비중(g/cm2) 비고

ADC12 92 2.68 알미늄다이케스팅

A5052 140 2.68 판금

알미늄다이케스팅 170~210 2.65~2.72 주조품

A6063 220 2.69 압출재료

C1020 389 8.89 동

납땜 47 8.9

<자료>: 전자기기 부품용 방열재료의 고열전도화 및 열전도성 측정. 평가기술, 일본기술정보협회 調査報告書 2002.

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바. 노트 PC 소음감소 방법

소음감소 방법은 팬의 제원과 소음 관계식을 이용하는 등 전통적인 방법을 이용하고 있다.

이는 현재 소음을 완전하게 시뮬레이션 할 수 있는 툴이 없기 때문이다. 방법은 크게 3 가지가

있다. 첫째 방법은 fan blade 를 크게 해 회전수를 내리는 방법이다. 둘째는 흡음재를 사용하는

방법이다. 셋째는 덕트나 정류판 등을 이용하는 방법이다. 과거 데이터로부터 브레이드 크기를

포함하여 팬크기 추정이 가능해지고 있다.

사. 노트 PC 향후의 과제

전자부품의 발열량 및 발열밀도는 회로의 미세선폭과도 수반되어 해마다 증가하고 있다. 향후

과제로서는 저열저항에서 열을 확산 및 전달하는 열대책 부품기술이 최대 중요 개발과제가 되고

있다. 노트 PC는 공간절약 및 고기능화의 특징을 살려 앞으로도 비즈니스 및 가정에서의 이용이

증가될 것이다. 그러나 저소비전력의 하나인 노트 PC 소비전력의 증가 경향은 환경 문제를 포함해

고려해야 하며 향후 한층 더 저소비전력화를 목표로 한 전자부품 개발을 기대하고 있다.

3. PDP

디지털 인터넷방송 등 일반가정에 디지털영상의 보급이 급속히 진행되고 있다. 그 중에 디지

털 영상과의 친화성이나, 대화면/고정밀/초박형/경량 등의 기술 발전이 증가하여 성능의 대폭 향

상으로 플라즈마 디스플레이(PDP)의 출하대수는 대폭적인 성장을 나타내고 있다. TFT LCD의

공세도 만만치 않지만 아직은 디지털 TV 의 주역으로 한자리를 굳히고 있다. <표 4>는 일본의

제1세대부터 50인치 PDP 주요 사양이다. 독자적인 패널 구조 및 드라이브 구동 기술에 의해

세대마다 대폭적인 발광 효율의 향상과 저소비전력을 달성하고 있다. 일반적으로 PDP 의 핵심

과제로는 소비전력과 특히 발열문제가 많이 다루어지고 있다.

가. 팬 소음 문제

<표 4>와 같이 각 세대마다 팬 수를 감소해 왔다. 일반 가정에 TV로서 요구되는 스펙은 매

우 어려운 레벨이다. 심야 영화를 보고 있는데 조용한 화면에서 소음은 용납되지 않는다. 그 레

벨은 방송 녹음 스튜디오의 허용 추천치인 25~30dBA 이하가 요구된다. 또 PDP의 경우 팬은

PDP 뒷면에 장착되지만 PDP 자체는 벽에 근접해 설치되는 경우가 많아 팬 배기측에서도

25dBA 이하가 요구된다. 제2세대는 팬을 4개 장착하고 있어 정격 전압으로 회전시켰을 경우

에는 배면 1m에서 40dBA 근처의 소음이 난다.

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나. 신뢰성

TV 는 하루 10 시간 이상 사용되는 경우가 많다. 또 어떤 장소에 설치될지 모른다. 그 때문

에 팬을 사용했을 경우 흡입구의 먼지 때문에 방열효율의 저하로 문제가 된다. 가정용 TV 용도

로서는 최저 5년 이상의 신뢰성 확보가 필요하다. 이상과 같은 방열문제 때문에 팬을 이용한 강

제 공냉방열 구조는 피할 필요가 있다.

다. PDP 방열량

(그림 6) 그래프는 통풍 케이스로부터 방열량 간편식을 바탕으로 계산한 PDP 화면 사이즈와

방열량 관계를 나타낸 것이다. 열원의 효율적인 배치나 열전도 부재 유효활용 등 열집중을 막을

수 있는 것으로 300W를 넘는 제품에서도 판레스화 가능성이 있는 것을 알 수 있다.

라. PDP 방열문제의 과제

향후 PDP 는

* 케이스의 온도 25°C, 케이스의 통과율 37%, 케이스 외장의 방사율 0.65

(그림 6) PDP 제품 크기와 허용 소비전력 예측

허용열량

배기열량

방사열량

열량(W)

35 40 45 50 55 60

600

500

400

300

200

100

0

크기(인치)

크기에 따른 허용 소비전력

<표 4> 역대 50인치 제품 사양

제1 세대 제2세대 제3세대

Panel peak 휘도 340cd/m2 560cd/m2 900cd/m2

contrast(*1) 43:1 85:1 166:1

소비전력 495w 445w 341w

팬 탑재 수 5 4 0

<자료>: 전자기기 부품용 방열재료의 고열전도화 및 열전도성 측정, 평가기술, 일본기술정보협회 調査報告書 2002.

포커스

13

① 새로운 박형화

② LSI 고속화, 고밀도화, 1 칩화

③ PDP에 타기능 기기 내장화(디지털 튜너, HDD, DVD 등)

로 인해 발열량 증대 가능성은 점점 높아 PDP 의 열대책은 한층 더 기술 진보가 필요하다. 그

중에 방열재에 대해서는 아래의 항목이 요구된다.

① PDP 패널 전열재에 붙어 높은 밀착성, 리사이클시 PDP 패널과 샤시의 분리

② 구조재에 대해 보다 높은 열전도율, 강도, 가공성

③ LSI, 방열재를 결합하는 재료에 낮은 접촉 열저항 UL를 만족하는 접착강도 취급하기 쉬움

④ LSI용 방열재는 저가격에서 열전달 성능을 가진 재료

⑤ 각 재료의 Low cost화

III. 결 언

현재까지의 모든 전자기기나 소자에서 열이 발생되지 않게 부품이나 시스템을 만드는 것은

불가능하다. 한편으로 방열 대책을 세움으로 제품의 코스트가 상승하는 측면에서 일부 무시하고

제품을 만드는 경우도 있다. 그러나 미래의 핵심 소자는 점점 클럭 주파수가 높아질 것이고 실

장기술이 초고밀도화 되고 칩의 선폭이 나노선폭까지 미세화되면 될수록 열에 대한 신뢰성, 오

동작이 엄청난 영향을 미칠 것은 불을 보듯 뻔하다. 열을 얼마나 컨트롤 할 수 있고 빨리 방열대

책을 세우느냐가 미래의 제품 차별화를 가져 올 것이다.

<참 고 문 헌>

[1] C.L.Choy, K.W.Kanok, W.P.Leung, F.P.Lau, J.Polym.Sci.Part B : Polym.Phys., 32,1389, 1994.

[2] D.E.Kline, D.Hansen, “Thermal Characterization Technique,” P.E.Slade,Jr., L.T. Jenkins ed.,

Mercel Dekker, Inc.,1970.

[3] 전자기기 부품용 방열재료의 고열전도화 및 열전도성 측정, 평가기술, 일본기술정보협회 調査報告書

2002.

* 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.