방열판의 재료는 뭘까? 방열판의 열 저항 방정식, 원리

 

방열판이란?

아래와 같이 생긴것이 방열판(Heatsink)이다.

방열판 = 히트싱크.

 

히트싱크는 그 크기도 중요하지만 재질과 표면적, 그리고 팬과의 조화 등을 먼저 살펴보아야 한다.
흔히 알루미늄보다 구리 재질의 쿨러가 더 뛰어난 성능을 보여준다고 알려져 있다. 그것은 아래의 표에서도 알 수 있듯이 열 전도율이 알루미늄의 2배 가량 되기 때문이다. 그렇다면 동일한 설계라면, 알루미늄 제품보다는 구리 제품이 뛰어나다고 할 수 있는 것이다.

그러나 이것도 어디까지나 이론에 근거한 가정일 뿐이며 실제 제품의 성능은 각 제조사의 설계 방식과 재질 혼합 방식, 그리고 팬 장착 등에 따라 얼마든지 달라질 수 있으며, 때에 따라서는 알루미늄 재질을 가진 제품이 구리 재질의 것보다 뛰어난 성능을 보여줄 수도 있는 것이다. 또한 히트싱크에 접합부가 있고 완전한 밀착이 되지 않는다면 제품의 좋은 성능을 기대할 수 없다. 바꿔말하면 얇은 금속 수백장을 합쳐서 만든 제품보다는 하나의 금속 덩어리를 가공하여 만드는 것이 열 발산에는 더 도움을 준다는 것이다.

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물체전도율 (은=100)물체전도율 (은=100)물체전도율 (은=100)

은	100	강철	2	유리	0.17
구리	90	납	0.20	물	0.14
금	71	수은	12	나무	약 0.04
알루미늄	49	콘크리트	8	공기	0.006

 

히트싱크의 가장 큰 목적은 어떤 부품으로부터 발생하는 열을 받아 골고루 히트싱크 전체로 분산시켜 팬을 통한 공기중으로의 발열이 쉽게 이루어지도록 하는 것이다. 그러기 위해서는 히트싱크의 표면적이 넓어야 하며, 냉각팬이 있을경우 팬으로부터 불어오는 바람이 쉽게 빠질 수 있는 구조여야 한다.

아무리 표면적이 넓다한들 직접적으로 부품의 온도를 식혀주는데 영향을 주는 것은 팬으로부터 뿜어져 나오는, 혹은 팬으로 흡입되어 나가는 바람이므로 면적과 바람의 통풍 구조가 적절히 배분됨이 좋은 히트싱크의 두번째 기준이라 할 것이다 알미늄은 다른 금속에 비해 전신성이 뛰어나므로 여러 공정을 고려한 단면형상을 쉽게 얻을 수 있어 여러 분야의 산업재료로 사용된다. 특히, 금이나 구리 다음으로 전기나 열을 잘 전달하므로 도체 및 방열판재로 사용하시면 매우 경제적이다. 또한, 자성을 띠지 않으므로 반도체 제조장비, 컴퓨터, 의료기,방사능 응용기계 등에 적합하다.

히트싱크는 그 크기도 중요하지만 재질과 표면적, 그리고 팬과의 조화 등을 먼저 살펴보아야 한다. 흔히 알루미늄보다 구리 재질의 쿨러가 더 뛰어난 성능을 보여준다고 알려져 있다.그것은 아래의 표에서도 알 수 있듯이 열 전도율이 알루미늄의 2배 가량 되기 때문이다. 열 전도율이란 중학교 때 실험을 통해 알아봤을 것이므로 더 설명하지는 않겠다. 그렇다면 동일한 설계라면, 알루미늄 제품보다는 구리 제품이 뛰어나다고 할 수 있는 것이다.

그러나 이것도 어디까지나 이론에 근거한 가정일 뿐이며 실제 제품의 성능은 각 제조사의 설계 방식과 재질 혼합 방식, 그리고 팬 장착 등에 따라 얼마든지 달라질 수 있으며, 때에 따라서는 알루미늄 재질을 가진 제품이 구리 재질의 것보다 뛰어난 성능을 보여줄 수도 있는 것이다. 또한 히트싱크에 접합부가 있고 완전한 밀착이 되지 않는다면 제품의 좋은 성능을 기대할 수 없다. 바꿔말하면 얇은 금속 수백장을 합쳐서 만든 제품보다는 하나의 금속 덩어리를 가공하여 만드는 것이 열 발산에는 더 도움을 준다는 것이다.

 

 

방열판의 열 저항 방정식

열 저항은 매체 간에 열이 흐를 때 만나는 저항입니다. 열 저항은 와트당 섭씨 온도(°C/W) 단위로 측정되며 다음과 같이 정의됩니다.

방정식1

θ : 열 장벽에서의 열 저항(°C/W 단위).

∆T : 열 장벽에서의 온도 차이(°C 단위).

P : 접합에서의 전력 손실(W 단위).

 

 

방정식2

두께(Thickness) : 미터(m) 단위
면적(Area) : 평방미터 단위(m2)
열 전도성(Thermal Conductivity) : W(m°C) 또는 W/(m°K) 단위로 표시

 

방열판의 재료는?

히트싱크의 재질로는 알루미늄 합금이 가장 널리 이용된다. 가볍고 열전도율이 뛰어나기 때문이다(대개 150~200 Wm•K). 구리는 열전도율이 더 좋지만(99% 구리일 경우 약 400 Wm•K), 알루미늄보다 훨씬 무겁고(밀도가 약 3배) 재료비도 비싸서 많이 사용되지는 않는다. 때로는 열 발생 부품과 직접 접촉하는 부분은 구리로 만들고, 이를 둘러싼 방열핀/방열판 부분은 알루미늄 합금으로 만들기도 한다.

 

구리는 열 전도성이 높지만 가격이 비싸고 무게가 무거우므로, 위의 방정식2에서 두께와 넓이가 작아져서 가격 대비 효율이 안나오는 것 같다.

 

방열판과 라디에이터의 차이점은 무엇인가?

방열판과 라디에이터의 차이는?

방열판과 라디에이터의 차이는?

 

출처1 : http://www.heatsinks.co.kr/default/menu2/m1.php?sub=1

출처2 : https://www.digikey.kr/ko/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection