스마트폰도 이제 ‘열’과의 전쟁이 시작됐습니다. 아니 이미 시작이 됐었고 어떤 기업들은 열 때문에 곤욕을 치룬 적도 있었습니다.

이 ‘열’이라는 것은 IT 기기에서는 항상 따라다니는 세금 같은 존재입니다. 스마트폰이나 PC처럼 반도체 기반의 첨단 IT 기기의 조그마한 칩 안에는 수 백만에서 수 천만 개의 트랜지스터가 들어 있습니다. 그리고 여기에 전기가 흐르면 열이 날 수 밖에 없습니다.

<수 천만 개의 트랜지스터가 들어가 있는 CPU 내부. 이미지 출처 : opengameart.org>

그래서 반도체 제조 업체들은 제조 공정의 미세화로 열을 줄이고자 수 많은 인력과 천문학적인 돈을 쏟아 붓고 있는 실정입니다. 그렇다 해도 이 미세공정만으로는 발열을 100% 해결할 수 없기 때문에 어쩔 수 없이 ‘쿨링 솔루션’을 사용합니다.

오늘은 바로 이 ‘쿨링 솔루션’ 중 스마트폰에서 사용할 수 있는 ‘히트파이프’라는 것에 대해 알아 볼까 합니다.

열을 없애라, 쿨링 솔루션

쿨링(cooling)은 말 그대로 열을 식혀 시원하게 해주는 것을 말합니다. 이런 쿨링 솔루션을 가장 쉽게 찾아볼 수 있는 곳이 바로 ‘데스크톱 PC’나 ‘노트북 PC’입니다. 데스크톱 PC 내부를 보면 열을 식히기 위해 많은 종류의 팬(fan)이 돌아 가고 있습니다.

<CPU용 쿨러. 액티브 쿨링의 대표격인 fan을 이용. 사진 출처 : 쿨러마스터 홈페이지>

CPU 위에도 붙어 있고 그래픽카드 위에도 붙어 있습니다. 심지어는 케이스에도 커다란 팬이 붙어 있어 외부의 차가운 공기를 안으로 집어 넣고, 내부의 뜨거워진 공기를 밖으로 빼냅니다.

이렇게 팬을 이용한 쿨링 방식을 액티브 쿨링 (active cooling)이라 합니다. 팬을 이용해 열을 스스로 식힐 수 있는 방식을 말합니다.

<패시브 쿨링의 대표인 방열판(heat sink). 사진 출처 : Thermo Cool 홈페이지>

반대로 직접 열을 식히지 못하지만, 열이 쉽게 빠져나갈 수 있고 짧은 시간에 더 많은 열이 식을 수 있도록 방열판을 붙이는 것을 패시브 쿨링(passive cooling)이라고 합니다.

액티브 쿨링은 열을 빠르게 식힐 수 있지만, 팬을 장착할 공간이 필요하고 팬이 돌 때 발생하는 소음도 있으며, 팬 자체가 고장 나는 문제도 있습니다.

반대로 패시브 쿨링은 열을 빠르게 식힐 수 없지만 많은 공간을 필요치 않고 소음이 전혀 없다는 장점이 있습니다. 그리고 쿨링 시스템이 고장 날 일도 없습니다.

스마트폰에서는 패시브 방식을 선호

보통 액티브 쿨링 방식은 열이 많이 나고 부피가 큰 장치에서 사용합니다. PC가 그 대표적인 제품입니다.

<이런 것을 원하신 것은 아니지요?>

그러나 스마트폰은 그 크기가 제한되어 있습니다. 아무리 봐도 팬이 들어갈 공간은 있어 보이지 않습니다. 아마도 팬이 들어간다면 그 두께는 지금보다 2배 이상 커질 것이고, 무엇보다 전화 받을 때 귀에서 팬이 돌아가는 소리와 함께 바람 소리가 계속 들리면서 거슬릴 것입니다.

그래서 지금은 스마트폰 냉각 기술을 패시브 방식으로 의존할 수 밖에 없는 상황입니다.

LG G6에 들어가는 히트 파이프란 무엇인가?

1월 16일자 뉴스를 보면, LG G6에는 히트 파이프 방식의 냉각 기술이 들어갈 예정이라고 합니다. 내부 열을 효과적으로 분산시켜 안전한 스마트폰으로 만들겠다는 취지의 뉴스였는데요.

여기에 등장하는 ‘히트파이프(heat pipe)’라는 것은 어떤 것인지 알아보겠습니다.

<히트 파이프의 일반적인 형태>

히트파이프란 열을 전달해 주는 파이프입니다. 히트 파이프에 대해 오해를 하는 것이 있는데요. 이 자체로 열을 식혀주는 역할을 하는 것이 아니라 단지 다른 지점으로 열을 빠르게 전달하는 것이 히트 파이프의 역할입니다.

히트 파이프는 열 전도율이 높은 구리나 알루미늄으로 만들어져 있고 내부에도 열 전도율이 높은 액체를 넣고 이것이 증발하면서 열이 전도되는 원리를 이용합니다.

<방열판과 히트 파이프는 한 세트입니다. 사진 출처 : aliexpress>

그렇기 때문에 히트 파이프는 열을 분산시켜 주는 방열판과 하나의 세트로 하며, 발열체에서 발생한 열을 히트 파이프를 통해 방열판으로 전달해서 열을 보다 빨리 식혀주는 것입니다. 그리고 히트 파이프의 수가 많으면 많을수록 열 전도율이 높아져 더 빠르게 열을 식힐 수 있습니다. 방열판의 성능이 받쳐 준다는 전제하에 말입니다.

그럼 열은 어디에서 식혀주나?

앞서 설명했듯이, 열을 식혀주는 곳은 히트 파이프가 아닌 방열판입니다. 방열판을 만들 때 재질도 중요하지만, 더 중요한 것은 ‘방열 면적’입니다. 방열 면적이 넓어야 그만큼 한 번에 많은 열을 방출할 수 있기 때문입니다. 

<갤럭시S7 히트 파이프. 사진 출처 : ifixit.com>

그렇다면 스마트폰에서 방열판이 들어갈 부분은 어디일까요? 네, 바로 뒷 판 부분입니다. 금속 재질이라면 직접 히트 파이프와 맞닿게 만들어서 열을 전달하는 것도 가능하고 아니면 그 안쪽에 얇은 금속판을 덧붙여 간접적으로 열을 전달하게 하는 것도 가능합니다.

자료 사진에서도 볼 수 있듯, 이렇게 스마트폰에서 히트 파이프를 사용하는 것은 LG G6가 처음은 아닙니다. 갤럭시S7을 비롯해 이미 여러 스마트폰에서 사용하는 방식입니다. 

단지 히트 파이프를 사용하는 이유는 열이 많이 나는 칩셋 위에 작은 방열판을 직접 붙이는 것보다 히트 파이프에 큰 방열판을 연결하는 것이 열을 방출하는데 더 효율적이기 때문입니다.

히트 파이프를 사용하면 어떤 것이 좋아지나?

LG G6에 히트 파이프 형태의 쿨링 솔루션이 탑재된다고 해서 열이 전혀 안 나는 것은 아닙니다. 패시브 방식의 쿨링 솔루션은 발열체의 열을 다른 곳으로 전달해서 분산시켜 식히는 방식입니다. 그렇기 때문에 내부의 열은 G6 본체를 통해 외부로 방출되는 형식입니다.

이렇게라도 내부 열이 밖으로 잘 배출이 된다면, CPU 동작 환경도 더욱 안정적이 되면서 쓰로틀링(throttling) 현상도 줄어들어 동작 속도를 일정하게 유지할 수 있게 됩니다. 예전 스냅드래곤 810/808 시절에는 발열을 해결하지 못해 쓰로틀링 현상이 발생하면서 여러 가지 문제가 발생한 적이 있었습니다.

쓰로틀링

CPU의 동작 속도를 낮춰 발열량을 줄이는 기술. 하지만 CPU 성능도 낮아지게 된다는 단점이 있습니다.

하지만 히트 파이프 형태의 냉각 솔루션을 사용하면 이러한 문제는 현저히 줄어들 것으로 보입니다. 

<넷마블 리니지2 레볼루션 캡쳐 화면>

특히 장시간 3D 게임을 할 때 큰 위력을 발휘할 수 있을 것으로 보이는데요. 요즘 모바일 3D 게임은 그래픽 품질과 효과도 매우 뛰어나서 GPU와 GPU의 성능을 최대한 활용하게 됩니다. 이 말은 곧 AP가 많은 열을 내뿜는다는 것이며 장시간 게임을 하거나 U+ 비디오포털 등에서 고화질 동영상을 장시간 시청하게 되면 더 많은 열이 나면서 기기 자체에 악영향을 줄 수도 있습니다.

이럴 때 쿨링 솔루션이 장착되어 있다면 기기에 악영향을 주는 발열을 조금 더 효과적으로 해결할 수 있으며 수명도 늘리는 효과를 줄 수 있습니다.

지금까지 LG G6에 들어갈 히트 파이프 방식의 냉각 시스템에 대해 알아봤습니다. 비단 LG G6 뿐만 아니라 삼성의 새로운 전략 폰인 갤럭시S8에도 도입될 것으로 보이며, 여타의 스마트폰 제조사들도 이와 유사한 냉각 시스템을 탑재할 것으로 예상됩니다.

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