축구 중계를 보고 있다고 옆집에서 “~”이란 얘기가 떠돌고 있지만, 내 휴대폰에서는 아직 골이 들어가는 기척도 없을 때 있죠?통신 속도 차이 때문이지만.5G스마트 폰이라고 이런 것은 삐삐 시대 밖에 없었던게 될지도 모릅니다.1기가바이트(GB)영상도 10초로 다운로드 하다니 정말 즐거운 세상입니다.고해상도 게임 대용량 앱을 동시에 실행하는 것도 잘 있게 됩니다.그러나 이렇게 빨리 시간 내에 많은 데이터를 처리하면서 꼭 한가지 해결해야 할 일이 있습니다.발열의 문제입니다.전자 기기의 성능 정도로 열정을 억제하는 기술도 함께 가야 합니다.그 핵심 부품이 히트 파이프입니다.스마트 폰 안에 들어간 것은 불과 몇년 전에 인공 위성에서는 이미 50년 이상 전부터 활약하고 왔습니다.스마트 폰과 인공 위성의 히트 파이프, 어떻게 다를까요?고사양 전자 기기의 필수 아이템, 히트 파이프
어디 가서도 히트 파이프의 일은 바뀌지 않습니다.스마트 폰에서 컴퓨터, 찜질방, 심지어 어항에도 히트 파이프가 필요합니다.전자 기기인 공간인 내부 온도를 잘 맞추는 역할을 합니다.컴퓨터에서는 중앙 처리 장치(CPU)의 열을 분산시킵니다.스마트 폰에 들어가기 전에는 고사양 게임을 돌리고 게이밍 PC에서만 보지 못 했는데.주로 선풍기처럼 생긴 냉각 에어컨에 1세트에서 장착됩니다.팬들과 방열 마루에 있는 구릿빛의 금속관이 히트 파이프입니다.
팬들과 방열판, 히트 파이프가 세트가 된 데스크탑용 에어컨.황색의 구리관이 히트 파이프다.<사진 출처=Hustvedt>”내 손 안의 컴퓨터”로 등장한 스마트 폰에도 2013년 첫 히트 파이프가 등장했습니다.그 뒤 대부분의 고성능 스마트 폰으로 히트 파이프 설계가 주류가 되었습니다.올해 LG전자가 공개한 히트 파이프는 파이프라는 말이 무색할 만큼 평평한 형태에 면적을 확대했습니다.앞으로 더 빠른 통신 속도와 함께 요구되는 성능이 더 커진 때문입니다.두뇌 역할을 하는 AP(애플리케이션 프로세서)도 사람의 뇌처럼 한꺼번에 많은 것을 하면 그 분 열이 납니다.AP성능만 올리고 발열은 잘 다스려야?작동에 문제가 생기고 마지막에는 종료하거나 부품이 탈 거에요.과열을 막는 히트 파이프는 이미 스마트 폰의 필수품이라고 해도 과언이 아닙니다.
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왼쪽 사진은 스마트 폰의 히트 파이프(배터리 오른쪽 위의 지렁이처럼 생긴 금속관), 오른쪽은 인공 위성에 장착되는 히트 파이프이다.어떤 전자 장비에 부착하느냐에 따라서 형상이 달라질 수 있다.<사진 출처=LG전자, Avasarala Technologies Ltd>고성능의 전자 장비인 인공 위성도 마찬가지입니다.위성 안의 카메라, 컴퓨터, 통신 장비는 모두 크기와 모양이 조금 다를 뿐, 스마트 폰에 들어가는 전자 장치와 속성은 비슷합니다.모두 전기를 공급하고 동작하는 핵심 부품입니다.전류를 보내는 모든 회로에는 저항이 발생합니다.일을 많이 할수록 뜨거워집니다.게다가 인공 위성은 24시간 365일”ON”상태에 놓인 기계입니다.쉬지 않고 몇년 동안 임무를 수행하려면 셧다운도 부품이 타버려불상사도 절대 있을 수 없어요.미션을 성공시키려면, 히트 파이프는 위성과 같은 세월을 들여서 동고동락해야 합니다.히트 파이프가 나무 뿌리 같은 일을?
히트 파이프는 그 이름대로 파이프, 즉 관의 모양을 하고 있습니다.밖에서 보면 구리 막대처럼 보입니다.그러나 금속관의 내부를 들여다보면 중간에 휑하게 비어 있는데 관 끝은 스펀지처럼 기공이 있거나 마치 금속 핀이 잘게 썰고 있는 다공성 구조(심)이 되고 있습니다.이로써 부피비 접촉 면적을 넓게 펼 수 있습니다.더 중요한 것은 히트 파이프의 핵심 기능인 열 수송을 단시간에 효율적으로 하기 위해서 고안된 방법입니다.
히트 파이프는 표면에서 보면 평범한 금속관이지만 내부는 모세관력을 높이기 위한 다공성 구조를 띠고 있다.<사진 출처=ThermoLab>히트 파이프는 사실 냉각와는 거리가 멀어요.자동차 냉각수, 로켓의 재생 냉각 채널처럼 엔진의 뜨거운 열을 직접 떨어뜨리는 것이 아니라 뜨거운 곳의 열을 차가운 곳에 또 거꾸로 열을 빠르게 이동시키는 부품입니다.전자 기기가 잘 돌아가라 적정 온도만 유지하고 주시면 됩니다.이 온도를 인공 위성이 허용 온도라고 합니다.그 범위가 보통 영하 20도에서 영상 50도 사이입니다.스마트 폰의 경우는 내부 온도가 영하 5도 이하이거나, 영상 40도를 넘으면 스스로 전원을 끄거나 방전됩니다.이 열 수송 방법으로는 크게2개의 과학 원리가 숨어 있습니다.하나는 전술한 다공성 구조의 심지를 이용한 모세관 현상입니다.나무가 뿌리부터 마신 물을 가지까지 올릴 수 있는 것과 같네요.두번째는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳에 입자의 흐름이 생겨원리입니다.히트 파이프 안에는 진공 상태에서 유체(재생)가 흐르게 됩니다.그 유체가 액체 때는 기공 구조를 적시며 모세관 현상에 들이마시도록 이동합니다.또 유체가 기체일 때는 활짝 핀 관의 구멍을 뚫고 기체가 더 적은 곳(압력이 낮다)로 흐르죠.이처럼 냉매가 증발-액화를 반복하면서 열을 빨리 옮기어 두는 겁니다.이 냉매의 용량은 아마 상상했던 것보다 훨씬 드물죠.스마트 폰에 들어갈 양은 많아도 스포이트로 1,2방울 정도.2톤 급의 인공 위성이라고 해도 1kg안팎입니다.점점 부어 주는 냉각수와 전혀 다르겠지요?
액체는 좁은 관을 지날수록 높이 올라간다.모세관 현상은 액체 속에 모세관을 넣었을 때, 모세 관내의 액체 면이 외부의 액체 면보다 높거나 낮아지는 현상으로, 히트 파이프는 이 원리를 이용하고 열 수송을 하게 된다.<사진 출처=akshay>히트 파이프는 과열이 우려되는 전자 기기의 하단에 주로 설치됩니다.가열하는 부분에는 극히 소량에 붙어 있는 시피한 액체 상태의 냉매가 차가운 편에는 관의 중심에 기체 냉매가 각각 자리하고 있습니다.두 방향의 수송이 함께 진행됩니다만.관을 따라서 열원에서 멀리 떨어진 곳까지 열을 억제할 수 있습니다.이 덕분에 히트 파이프 위에 놓인 전자 장비는 일 중이나 고른 온도를 유지할 수 있습니다.간단히 말하면, 열원이 점에서 선으로 바뀐다고 생각하면 좋겠습니다.인공 위성 히트 파이프의 성능은?
그럼, 스마트 폰과 인공 위성의 히트 파이프는 어떻게 다를까요?일단 성능에서 비교가 안 될 정도로 차이가 있습니다.놓인 여건이 전혀 달라지기 때문입니다.인공 위성은, 초진공 상태의 극한 우주 환경에서 움직입니다.표면의 온도 차이도 대단하더군요해를 향한 측면은 태양열을 받아 100도 이상까지 오릅니다.태양열을 받지 않는 면은 영하 100번이나 내려갑니다.유능한 열 제어 장치가 없으면 공기 없는 우주에서 전자 기기의 온도는 극단적으로 높아지거나 낮아지거나 합니다.한편 지상에서는 공기가 열을 어느 정도 중화하고 감소시킬 수 있습니다.스마트 폰에는 인공 위성 급의 히트 파이프를 쓴 이유가 없잖아요.위성의 히트 파이프 수송 능력은 열 전도율이 높은 구리보다 100배 뛰어납니다.
인공 위성은 초진공 우주에서 저온과 극 고온을 견디며 전자 장비를 차질 없이 가동해야 한다.<사진 출처=SPACE CONNECT>열 전도율을 이렇게 높일 수 있었던 비결은 소재입니다.가전 제품이나 스마트 폰에 들어갈 히트 파이프는 물 열 파이프용 구리를 주로 사용합니다.문자 그대로 냉매도 물입니다.물은 안전하게 다룰 수 있는 열이 좋은 전도체입니다.구리는 값이 싸고 열 전도율이 높은 금속입니다.가격 대비 성능이 아주 좋은 편입니다.인공 위성의 히트 파이프에는 알루미늄을 사용합니다.물론 인공 위성을 가볍게 하기 위한 전략의 하나입니다.알루미늄은 확실히 구리보다 열 전도율이 떨어지는데 이상하죠?답은 냉매에 있습니다.물 대신에 고순도 암모니아를 넣습니다.액체 암모니아는 물보다 비열이 큽니다.비열이 높다는 것은 같은 양의 열을 흡수하더라도 다른 물질에 비해서 온도가 오르기 어려운 것을 의미합니다.과열 방지에 효과적입니다.액체가 기체로 될 때 필요한 열인 증발열도 크고 주변의 열을 많이 빼앗는 것이 있습니다.물보다 가벼워서, 더 적은 양으로 열 수송할 수 있습니다.그것에 구리관면 암모니아 냉매에 부식해도 알루미늄은 꿈쩍도 하지 않아요.유체와 환상의 동료인 셈이죠.어쩌면 비용으로 가장 큰 격차가 커지는데요.가전 제품의 히트 파이프 단가가 1,000원 수준이라면 위성용은 1개당 1,000만원을 호가하는요.우선 생산량 자체가 다릅니다.스마트 폰, 컴퓨터에 들어가는 히트 파이프는 수십만개 단위로 인쇄합니다.에도 위성용은 많이 만들면 나이에 백개 정도.소량 생산으로 위에 주문 생산이라서 많습니다.또 위성은 한번 발사할 것으로 못 고치는 신뢰도도 높일 필요가 있습니다.설계부터 제작, 시험의 모든 과정에서 엄격한 기준을 통과한 부품만 선별합니다.우주 같은 고온 저온 환경을 만들어 놓고 히트 파이프를 시험할 시간이 1만시간을 훨씬 넘습니다.스마트 폰과 달리 인공 위성 히트 파이프는 필요한 바에 의하여 단면을 늘리고 줄이고 맞춤 설계된 히트 파이프를 사용한다.<사진 출처=Avasarala Technologies Ltd> 들어가는 수량도 다릅니다.스마트 폰에는 주로 고도의 회로가 집적된 AP밑 1개로 충분하지만 위성에는 필요한 곳이 많습니다.주로 통신 장비, 카메라 전 장품, 레이더가 모이는 데서 시작되는 태양열을 받지 않는 추운 영역에 연결되도록 설치합니다.이처럼 고 발열 전 장품마다 적게 쓰면 10개, 많으면 수십개의 히트 파이프를 장착합니다.위성은 고장 나도 문제가 없게 같은 부품을 하나 더 가지고 갑니다.이중화된 유닛 속에 히트 파이프가 2배로 드는 것입니다.그렇다고 무조건 많이 쓰는 것은 아닙니다.온도 기울기에는 좋지만 위성의 수평을 맞춘 작업을 무사히 통과하려면 없어서는 안 된 곳에만 장착합니다.인공 위성에서는 열 제어는 매우 특별한 분야입니다.히트 파이프 외에도 외부의 열원을 차폐하는 단열, 쓸데없는 열을 밖으로 내방열은 기본.극 저온에서 온도를 유지하기 위해서 히터까지 익힙니다.각별하죠?스마트 폰도 자동차도 24시간 365일 3년 5년씩 쉬지 않고 쓸 만한 물건을 만들라면, 아마 상황은 닮아 있죠.모든 부품 설계가 그것에 맞추어 모두 바뀌지 않으면 안 되니까요.”어린이 한명을 키우는 데 마을이 필요하다”등 아프리카 속담이 있습니다.그만큼 많은 사람의 손과 정성이 들어간다는 뜻입니다.인공 위성이 오늘의 기상 날씨를 알게 해줘서 우리가 원하는 장소의 사진을 촬영하고 제공하려면 이 정도의 진심은 당연하잖아?기획/제작:항공 우주 에디터 오·요한 자문/감독:위성 본체 개발부 현·봄속 박사스마트폰과 달리 인공위성 히트파이프는 필요한 곳에 따라 단면을 늘리고 줄여 맞춤 설계된 히트파이프를 사용한다. <사진 출처= Avasarala Technologies Ltd> 설치되는 수량도 다릅니다. 스마트폰에는 주로 고도의 회로가 집적된 AP 아래 하나면 충분하지만 위성에는 필요한 곳이 많습니다. 주로 통신장비, 카메라 전장품, 레이더가 모여 있는 곳에서 시작해 태양열을 받지 않는 추운 영역으로 이어지도록 설치합니다. 이렇게 고발열 전장품마다 적게 사용하면 10개, 많게는 수십개의 히트파이프를 장착합니다. 위성은 고장나도 문제가 없도록 같은 부품을 하나 더 가져갑니다. 이중화된 유닛 안에 히트 파이프가 두 배로 들어가는 것입니다. 그렇다고 무조건 많이 쓰는 것은 아닙니다. 온도 구배에는 좋지만 위성의 수평을 맞추는 힘든 작업을 무사히 통과하려면 없어서는 안 되는 곳에만 장착합니다.인공위성에서 열 제어는 매우 특별한 분야입니다. 히트파이프 이외에도 외부 열원을 차폐하는 단열, 불필요한 열을 밖으로 내보내는 방열은 기본. 극저온에서 온도를 유지하기 위해 히터까지 켭니다. 각별하다고요? 스마트폰도 자동차도 24시간 365일 3년, 5년씩 쉬지 않고 쓸 수 있는 물건을 만들라고 한다면 아마 상황은 비슷할 것입니다. 모든 부품 설계가 그에 맞게 다 바뀌어야 해서요.’아이 한 명을 키우는데 온 마을이 필요하다’는 아프리카 속담이 있습니다. 그만큼 많은 사람의 손과 정성이 들어간다는 뜻입니다. 인공위성이 오늘의 기상 날씨를 알려주고 우리가 원하는 장소의 사진을 촬영해 제공하려면 이만큼의 정성은 당연하겠죠?기획/제작 : 항공우주에디터 오요한 자문/감수 : 위성본체개발부 현범석 박사스마트폰과 달리 인공위성 히트파이프는 필요한 곳에 따라 단면을 늘리고 줄여 맞춤 설계된 히트파이프를 사용한다. <사진 출처= Avasarala Technologies Ltd> 설치되는 수량도 다릅니다. 스마트폰에는 주로 고도의 회로가 집적된 AP 아래 하나면 충분하지만 위성에는 필요한 곳이 많습니다. 주로 통신장비, 카메라 전장품, 레이더가 모여 있는 곳에서 시작해 태양열을 받지 않는 추운 영역으로 이어지도록 설치합니다. 이렇게 고발열 전장품마다 적게 사용하면 10개, 많게는 수십개의 히트파이프를 장착합니다. 위성은 고장나도 문제가 없도록 같은 부품을 하나 더 가져갑니다. 이중화된 유닛 안에 히트 파이프가 두 배로 들어가는 것입니다. 그렇다고 무조건 많이 쓰는 것은 아닙니다. 온도 구배에는 좋지만 위성의 수평을 맞추는 힘든 작업을 무사히 통과하려면 없어서는 안 되는 곳에만 장착합니다.인공위성에서 열 제어는 매우 특별한 분야입니다. 히트파이프 이외에도 외부 열원을 차폐하는 단열, 불필요한 열을 밖으로 내보내는 방열은 기본. 극저온에서 온도를 유지하기 위해 히터까지 켭니다. 각별하다고요? 스마트폰도 자동차도 24시간 365일 3년, 5년씩 쉬지 않고 쓸 수 있는 물건을 만들라고 한다면 아마 상황은 비슷할 것입니다. 모든 부품 설계가 그에 맞게 다 바뀌어야 해서요.’아이 한 명을 키우는데 온 마을이 필요하다’는 아프리카 속담이 있습니다. 그만큼 많은 사람의 손과 정성이 들어간다는 뜻입니다. 인공위성이 오늘의 기상 날씨를 알려주고 우리가 원하는 장소의 사진을 촬영해 제공하려면 이만큼의 정성은 당연하겠죠?기획/제작 : 항공우주에디터 오요한 자문/감수 : 위성본체개발부 현범석 박사