50℃ 사막도 견딘다…고려대·한화시스템, 군 전자장비 냉각기술 개발[과학을읽다]

팬·외부전력 없이 스스로 열 식히는 방열판
극한 환경서 작전온도 유지…방산·우주항공 활용 기대

50℃에 달하는 사막에서도 군용 전자장비가 과열 없이 작동할 수 있는 차세대 냉각기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 냉각팬이나 외부 전력 없이 주변 공기 흐름만으로 열을 식히는 방식으로, 무인기와 레이더 등 차세대 방산·우주항공 장비에 활용될 것으로 기대된다.

고려대학교는 기계공학부 최원준 교수 연구팀이 한화시스템과 공동으로 상변화 방열판 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구 결과는 열공학 분야 국제학술지 Energy Conversion and Management에 게재됐다.

연구팀이 실제 제작한 상변화 방열판 프로토타입 실물 및 정밀 내부 구조 사진. (A) 제작된 방열판의 전체 외관 (B) 진동형 히프파이프(PHP)의 곡선형 채널 구조 (C) 베이퍼 챔버(VC)의 내부 공간 및지지 구조 (D) 베이퍼 챔버(VC)의 미세 공동 및 윅 구조. 연구팀 제공

최근 군용 전자기기는 고성능 그래픽처리장치(GPU) 등 고발열 부품 사용이 늘면서 냉각 성능이 장비의 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소가 됐다. 하지만 방산과 우주항공 분야는 소음·진동·전력 사용에 제약이 커 냉각팬이나 펌프를 사용하는 능동형 냉각장치를 적용하기 어렵다.

연구팀은 액체가 증발과 응축을 반복하며 열을 이동시키는 '상변화 방열판'을 적용해 두 가지 냉각 방식을 비교했다. 이 가운데 2차원 구조의 베이퍼 챔버(Vapor Chamber) 방식이 가장 우수한 성능을 보였다.

50℃ 환경에서 32W의 열을 발생시키는 군용 전자장비를 가정한 실험에서 기존 알루미늄 방열판은 최고 온도가 99.2℃까지 올라 작전 기준인 90℃를 넘겼다. 반면 베이퍼 챔버 방열판은 최고 온도를 87.4℃로 낮춰 군 운용 기준을 충족했으며, 열저항도 기존보다 24.2% 줄였다.

연구팀 사진. 박규태 고려대 기계공학부 석사과정 겸 한화시스템 연구원(제1저자, 왼쪽), 고려대 기계공학부 최원준 교수(교신저자). 고려대 제공

반면 진동형 히트파이프 방식은 최고 온도가 90.8℃로 기준을 만족하지 못했고, 작동유체의 흐름이 일시적으로 멈추는 불안정 현상도 나타났다. 연구팀은 이를 통해 베이퍼 챔버 방식이 극한 고온 환경에서 더 높은 냉각 성능과 안정성을 확보했다고 설명했다.

최원준 고려대 교수는 "외부 전력 공급이 어렵고 정비가 제한적인 환경에서도 고출력 군용 전자기기를 안정적으로 운용할 수 있는 패시브 냉각 기술"이라며 "고고도 무인기와 소형 레이더 모듈 등 차세대 국방·우주항공 장비의 성능 향상과 국산화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr