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Celsia Technologies, Inc. (이하, Celsia)는 기존의 CPU 쿨러들이
공랭 방식의 한계를 극복하기 위해 사용하는 히트파이프(Heat-Pipe)를 사용하지 않고 독자적인 기술로 개발된
NanoSpreader 쿨링 방식을 사용하고 있다. 여기서는 NanoSpreader가 어떠한 기술이 사용된 것이고
히트파이프와는 어떤 차이를 보이는지 살펴보도록 하자.
Celsia NanoSpreader 구성 및 동작 방식
Celsia에서 언급하고 있는 NanoSpreader 기술은 기존의 히트파이프 방식과는 차이를
보이는 기술로 기본 구성은 구리로 구성된 얇은 평판으로 내부 구성 물질들을 감싸고 있고 내부에 위치한 Micro/Nano
채널들을 포함한다. Micro/Nano (유체) 채널들에는 증기 (Vapor)와 액체 (Liquid)가 효과적인 이동을
하기 위해 Mesh(Wick)가 위치하고 있다. 적은 양의 액체 냉각제 (증류수를 포함)가 포함되어 있는 Micro/Nano
채널 사이에서 VCS (진공 (Vacuum), 충전 (Charge) and 봉인 (Sealing))라 불리는 진행 과정을
거치게 된다.
[Celsia NanoSpreader 구성 (출처 :
celsiatech.com)]
[Celsia NanoSpreader 동작 방식 (출처 :
celsiatech.com)]
이렇게 구성되어 있는 NanoSpreader는 열원 (CPU 등)에 의해 가열되면, 각 채널
내부에 액체 냉각수가 흡수되는데 흡수되는 시간은 불과 0.02초보다 덜 걸린다. 흡수되면 액체 냉각수는 증기로 변환된다.
이 증기는 Micro/Nano 채널을 빠르게 통과하여 열을 빠르게 배출하고 다시 액체 냉각수로 변환되는 과정을 반복하면서
발열을 식혀주게 된다.
NanoSpreader는 히트파이프의 내부 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상 또는 윅과
중력에 의한 것과는 다르게
순환을 위한 주요 원동력으로 표면 장력에 의한 지렛대 원리를 이용하도록 하고 있다. 결과적으로 증기 압력과 중력은 흐름에 영향을 거의 주지 않기 때문에
방향에 자유롭게 동작할 수 있게 된다. 또, 기화(증발)가 도구와 표면의 흐름에 발생하였을 때 Flow Boiling
Effect (흐름비등 효과, 히트파이프는 풀비등 효과 (Pool Boiling Effect)를 이용한다.)를 이용하여
원하는 어떤 모양으로나 얇게 만들 수 있게 된다.
NanoSpreader는 다양한 모양으로 내장될 수 있고 핀이나 쿨링 팬(쿨링 효율을 증대시키기
위해 사용하고 있는)의 쿨링 컴포넌트들을 보완해줄 수 있다. 또, 구리, 알루미늄, 유리, 그리고 세라믹 같은 많은 다른
물질을 이용하여 만들 수도 있어 전통적인 쿨링 장치들이 구리나 알루미늄에 국한되는 것과는 다르다.
또한, NanoSpreader는 하나 이상의 열원 (CPU 등)을 추가로 쿨링이 가능하여 멀티플
쿨링에도 사용이 가능한 것이 히트파이프보다 유리한 부분이다.
[Celsia NanoSpreader 구성 (출처 :
celsiatech.com)]
NanoSpreader를 사용할 경우 일반적으로 현재 CPU나 VGA 쿨러에 가장 많이 사용되고
있는 히트파이프와 같은 경우 열원인 CPU와 위치 부분에 히트싱크와 히트파이프의 2중 구조로 이루어지지만,
NanoSpreader는 이 두 가지를 하나로 구성하여 전체의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.
NanoSpreader는 아래와 같은 특징들을 포함하고 있다.
1. 상당히 가볍다.
2. 평평하고 1mm보다 얇은 디자인도 가능하다.
3. 우수한 열전도성을 가진다.
4. 소음과 진동, 그리고 움직임이 필요치 않고 펌프와 같은 별도의 동력을 필요로 하지 않으며,
에너지 (힘)을 낭비하지 않는다.
5. 중력의 영향력에 의해 영향을 거의 받지 않는다. (어떤 각도에서나 역할을 수행할 수
있다.)
6. 균일한 열 분산을 해준다. (X와 Y축을 가로질러 균일하게)
7 적은 비용으로 높은 효과를 얻을 수 있다.
8. 다양한 활용이 가능하다. (직사각형, 원형, 직각 등, 독립적으로
작용하여 핀이나 팬과 같은 컴포넌트 쿨링을 보완한다. 구리, 알루미늄, 흑연과 같은 많은 다양한 물질을 사용할 수 있다.)
9. NanoSpreader의 열전달의 힘은 적게는 몇 와트 부터 많게는 백 와트에 이르는 범위를
갖는다. 최대 파워 비중은 쿨링하는 많은 다양한 물질과 동작온도에 따라 달라지는데 대부분의 스프레더는
10에서 20 watts/cm2 정도로 디자인된다.
10. 열 저항력은 변하는데 열전달 힘과 열이 이동되는 거리에 다소 의지하게 된다.
일반적인 저항은 저 파워 시스템은 약 0.1 ℃/w이고 고 파워 시스템은 0.03 ℃/w이다.
11. Celsia에서 제한하는 최대 작동 온도는 약 120 ℃나 더 낮은 물과 같이 유동적인 플레이트
디자인을 가진다. 플레이트 케이스의 구부릴 수 있는 각도는 일반적인 경우는 r~2mm이고 튜브 타입은 r~8mm (내부 원기둥)이다.
히트파이프보다 공기 흐름이 유리한 NanoSpreader
[Heat Pipe와 NanoSpreader의 공기 흐름]
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히트파이프의 경우 공랭 방식 CPU 쿨러들에 일반적으로 가장 많이 사용되는 원통형의 히트파이프를 적용하고
있으며, 이때 이미지에서도 볼 수 있듯이 공기의 흐름은 원통형 모양의 히트파이프 주위로 분산되는 과정에 의해
공기의 흐름을 유지하지 못한다. 반면, NanoSpreader는 말 그대로 평판 형태로 제작되어 사용되기
때문에 방열 핀과 평판의 스프레더가 접하는 공기의 흐름에 거의 변화를 주지 않게 설계가 가능하다. 그렇기 때문에
원활한 공기의 흐름을 가능하게 해준다. 또한, 이를 이용하여 원하는 방향으로 공기의 흐름을 제어할 수 있어 컴퓨터
내부 시스템 플로우를 생성하는데 도움을 줄 수 있다.
NanoSpreader와 중력의 영향
히트파이프의 경우 중력 방향에 영향을 받기 때문에 설치 방법에 따라 성능의 차이를 보이기도 하는데
NanoSpreader도 중력 방향에 의한 영향을 받지만, 히트파이프와 비슷한 수준 정도를 보인다. 그러나,
ICEON1000C 같은 경우는 열원이 스프레더 중심에 위치하고 스프레더의 길이가 110mm 정도로
히트파이프와 비교하면 상당히 짧고 굽힘이 거의 없어 중력에 의한 영향을 거의 받지 않는다고 할 수 있다.
NanoSpreader의 솔더링 접합 방법
보통 히트파이프나 스프레더를 접합하는 방식은 압입과 솔더링의 두 가지를 가장 많이 사용하고 있다.
압입의 경우 스택핀을 강제로 히트파이프에 끼워 넣는 방식으로 표면이 공기 층도 포함되기 때문에 공기 층들이
단열재 역할을 하여 성능의 저하를 가져오게 된다.
솔더링 방법은 금속과 금속을 틈 없이 정확하게 부착하는 방법이다. 금속을 직접 녹이고 접합하는 금속 사이에
흘러 들게 하여 식은 후 완전이 접합되는 상태이므로 열전달이 잘되는 금속이 중간에 위치하고 있어 공기 층이
없고 열전달을 방해할 물질이 없기 때문에 쿨링에서 더 유리하다. 대신, 금속을 높은 온도에서 녹이기 위해
고가의 장비가 필요하고 작업이 어려워 비용이 많이 드는 단점과 솔더가 흘러내려 작업 후 외관이 더러워지는
특징이 있다. 그러나, 솔더링 방식은 앞서도 언급하였듯이 열전달이 압입 방법보다 유리하기 때문에 쿨링 성능을
높일 수 있는 장점이 있다.
대부분의 히트파이프 방식 쿨러들은 비용 절약을 위해 압입 방법을 많이 사용하고 있으며, Celsia
ICEON1000C는 압입보다 비용이나 열전달을 원활하게 할 수 있는 솔더링 접합 방법을 사용하고 있다.
사용되는 모양 및 쿨링
부분의 사용
NanoSpreader의 경우 다양한 모양으로 사용될 수 있는데 일반적으로 얇은 평판 형태가 가장 많이
사용되어 지고 있다.
[Celsia NanoSpreader 모양 (출처 :
celsiatech.com)]
NanoSpreader의 경우 다양한 모양으로 사용될 수 있는데 일반적으로 얇은 평판 형태가 가장 많이
사용되어 지고 있다. 일반적인 직선 모양 뿐만 아니라 굽어진 형태로도 사용이 가능한 것을 확인할 수 있다.
[Celsia NanoSpreader 쿨링에 사용 (출처 :
celsiatech.com)]
쿨링 부분에서는 압출 성형된 굴곡이 있는 방열 핀들을 가진 히트싱크 들에 열원과 접촉하는 부분에
NanoSpreader를 사용할 수 있다. 또, 쿨링 팬과 NanoSpreader 그리고 방열핀을 가진 구성으로 노트북과
같은 협소한 공간에 사용할 수 있는 구성에도 사용이 가능하다. 또한, 이번에 발표된 ICEON1000C와 같은 쿨링
솔루션의 CPU와 같은 열원에 접촉하는 부분에 NanoSpreader가 사용될 수 있다.
응용 분야
Celsia의 NanoSpreader는 Heat-Pipe와 마찬가지로 다양한 분야에 사용할 수
있는데 대표적으로 컴퓨터 분야를 들 수 있고 LCD와 같은 디스플레이 장치, LED 조명 장치, 전기 통신, 의학, 군사,
그리고 소형의 개인 휴대가 가능한 장치들에 두루 사용되고 있다.
컴퓨터 분야는 CPU나 칩셋, GPU와 같은 쿨링이 필요한 부분과 서버 시장 등과 하드디스크
드라이브 와 같은 컴포넌트 등 다양한 사용이 가능하고 Celsia의 NanoSpreader는 Heat-Pipe와는 다르게
CPU와 GPU를 함께 즉, 멀티플 열원의 쿨링이 가능하며, 핀과 팬을 제거하여 무게와 두께, 그리고 소음도 줄일 수
있다.
디스플레이와 LED조명 분야에서는 LCD TV나 모니터 등의 LED 열원으로 사용할 수 있으며,
LED의 발전으로 발열이 증가하면서 쿨링을 필요로 하게 되며, NanoSpreader를 사용하여 발열을 해결할 수 있다.
전기 통신 분야에서는 모바일 장치 등의 동장 중에 발생되는 발열이 증가되므로 작은 디자인을 가진
NanoSpreader를 사용할 수 있다. 통신 커뮤니 케이션 분야에서도 광범위하게 사용된다.
의학 분야에서는 일정 온도와 쿨링이 필요한 부분이 많이 있기 때문에 NanoSpreader를
사용하면 이런 부분들에 만족할 만한 효과를 거둘 수 있다.
군사 분야의 열 관리 솔루션은 증가하고 있는데 작은 크기와 가벼운 무게로 효과적인 열 전달이
필요한 부분에 사용된다. 전투 교신이나 미사일 길잡이 시스템, 그리고 휴대 가능한 작고 가볍고, 적음 소음과 동작에 필요한
동력이 필요 하지 않은 미래의 무기 개발에도 사용된다.
CE/ Communications 분야에서는 모바일 폰, 스마트 폰, 게임기, 음악이나
멀티미디어 플레이어, 컴퓨터 프린터, TV 셋탑 박스와 같이 쿨링 필요한 부분에 사용될 수 있다. NanoSpreader의
특성상 얇고 가볍기 때문에 이런 스몰 폼팩터 제품들에도 적합하다.
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