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앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례
2022-08-01 2,499 0

전기/전자 기기에 사용되는 냉각 장치 모델링

 

최근 전기/전자 분야에서는 소형화 및 고집적화의 개발 트렌드에 따라 열에 대한 관심도 증가하고 있다. 이번 호에서는 전기/전자 분야에서 많이 사용되고 있는 냉각 방식과 함께, 앤시스 아이스팩(Ansys Icepak)을 이용한 다양한 냉각 장치들의 모델링 및 해석 조건에 대해 소개한다.


■  김준형 | 태성에스엔이 EBU-LF팀 매니저로 근무하고 있으며, 전기/전자의 열해석 분야를 담당하고 있다.
이메일 | jhkim21@tsne.co.kr
홈페이지 | http://www.tsne.co.kr

 

최근 전기/전자 분야에서는 IoT, 5G 통신, 전기차, 신재생에너지 등의 관련 산업이 급속하게 발전하고 있다. 특히 차세대 반도체 구현에 필수적인 고집적화 또는 전기차 시장 성장에 따른 SiC 및 GaN같은 고전력 에너지 관련 분야의 개발이 활발하다. 또한 시장에서는 모바일 기기의 소형화 및 고성능을 요구하고 있다. 전기/전자 분야에서 고집적화 및 소형화에 대한 요구는 전체적인 방열 면적 축소와 단위 면적당 발열량 증가를 의미하며, 결국 열 문제가 발생하게 된다. 따라서 개발 단계에서 설계자가 성능과 방열을 함께 고민해야 하는 것은 이제 필수가 되었다. 
전기/전자 분야에서 전기 또는 전자 장치에 전력 또는 신호가 인가될 때 발생되는 손실 전력 또는 신호는 빛, 진동, 열 등 다양한 에너지로 변환될 수 있지만, 대부분은 열에너지로 변환된다. 그러나 장치 및 회로에서 과도한 열이 발생될 경우 성능의 신뢰성과 수명 저하라는 문제가 발생되게 되므로, 원하는 허용 온도(safe operating temperature) 내 온도 분포를 갖도록 설계하는 것이 중요하다. 이를 방열 설계 또는 열관리 시스템(thermal management system)이라고 한다.
열해석을 진행하기 위해서는 형상, 물성 외에 발열량이 필요하다. 전기/전자 분야에서의 발열량은 손실 값과 동일하기 때문에 손실 값을 기준으로 냉각 방식을 선정해야 한다. 손실 값의 경우 수동(passive) 소자는 대부분 간단한 줄 발열(Joule heating)에 의해 계산되지만, 능동(active) 소자의 경우 계산 방법이 복잡하며 필요시 실험 값에 의한 결과가 필요한 경우가 있다.
방열 설계를 위해 주요 발열원에 대한 발열량을 도출하였으면 냉각 방식을 선정해야 한다. 냉각 방식에는 대표적으로 자연 공랭, 강제 공랭, 수랭 등의 방법이 있으며, 방열판(heatsink), 히트파이프(heatpipe), 냉각 팬(cooling fan) 등의 다양한 냉각 장치들을 이용하여 설계하게 된다. 엔지니어는 전체적인 발열량과 열전달의 경로를 파악하고 제품에 맞게 냉각 방식을 선정해야 해야 한다.  

 

발열량에 따른 냉각 방식
앞에서 언급하였듯이 엔지니어는 제품에서 발생되는 발열량과 환경에 맞는 냉각 방식을 찾아야 한다. <그림 1>의 내용처럼 발열량 범위에 따라서 적용할 수 있는 여러 냉각 방식이 있으며, 효율과 복잡성을 고려하여 제품에 맞게 선택해야 한다. 


 

그림 1. 발열량에 따른 냉각 방식 비교 그래프
 

김준형 jhkim21@tsne.co.kr


출처 : 캐드앤그래픽스 2022년 8월호

포인트 : 1,000P (정기구독자 무료 다운로드)

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