2. 방열판 설계: 핵심 용어와 열 전달의 기본 원리

전자기기에서 방열판을 설계할 때 자주 등장하는 용어들이 있습니다.

어떤 용어는 직관적으로 이해하기 쉽지만, 어떤 것은 배경 지식 없이는 오해하기 쉽습니다.

 

이번 글에서는 방열판 설계에 반드시 필요한 기본 개념과 열 전달 방식, 그리고 실전에서 흔히 발생하는 함정까지 함께 정리합니다. -

 

 

1. 필수 용어 정의

발열량 (Heat Load, W)

기기에서 발생하는 열의 양. 보통 "디바이스의 전압 강하 × 전류"로 계산합니다.

 

주변 온도 (Ambient Temperature, Tamb)

방열판 또는 발열 부품 바로 주변의 공기 온도. 실내 온도와는 다릅니다. 장비 내부에서의 실제 공기 온도를 의미합니다.

 

최대 접합 온도 (Tjmax)

반도체 내부 접합부가 허용할 수 있는 최대 온도. 이 온도를 초과하면 수명 단축 및 고장 위험이 있습니다.

 

열저항 (Thermal Resistance, Rθ 또는 Rth, °C/W)

열이 흐르는 데에 방해가 되는 정도. 값이 낮을수록 열이 잘 흐릅니다.

• Rθjc (Junction-to-Case): 반도체 칩(접합)에서 패키지 외부 케이스까지의 열저항 (제조사 제공)
• Rθcs (Case-to-Sink): 케이스와 방열판 사이, 써멀 패드/구리스 등 인터페이스 재료의 열저항
• Rθsa (Sink-to-Ambient): 방열판에서 주변 공기까지의 열저항

※ 열저항은 데이터시트, 설계 문서 등에서 다양한 기호로 표현될 수 있지만, 의미가 명확하다면 기호 차이는 중요하지 않습니다.

 

 

2. 열이 전달되는 3가지 방식

1) 전도 (Conduction)

반도체 내부에서 케이스, 방열판으로 열을 이동시키는 주요 메커니즘. 인터페이스 재료를 통해 방열판으로 이어집니다.

 

2) 대류 (Convection)

방열판 표면에서 공기 중으로 열을 빼내는 방식. 일반적으로 팬이나 자연 대류를 통해 이루어집니다.

 

3) 복사 (Radiation)

표면에서 열을 적외선 형태로 방출하는 방식. 공기가 없어도 전달되지만, 효과는 상대적으로 작습니다.

 

※ 대부분의 방열판이 검정색인 이유는 복사 효율을 높이기 위함입니다. 하지만 외부 태양광을 흡수하기 때문에 실외에서는 과열 주의가 필요합니다. -

 

 

3. 열 해석 시뮬레이션 vs. 경험 기반 설계

고급 방열 설계에서는 상용 시뮬레이션 툴을 사용하기도 합니다. 공기 밀도, 외부 경계 조건, 재질별 열전도율 등 복잡한 요소를 고려하며 수 시간 이상 소요되기도 합니다.

하지만 대부분의 취미 제작자나 중소 제조업체는 이처럼 정교한 도구에 접근하기 어렵기 때문에 경험과 근사 계산을 활용합니다.

 

실제로 신뢰할 수 있는 상용 제품의 방열판 크기와 구조를 참조하거나, 데이터를 바탕으로 근사치 계산을 해보는 것이 일반적입니다.

 

 

4. 자주 발생하는 함정과 실수들

• 너무 얇은 열전달 재질 사용: 얇은 철판이나 스틸 섀시는 열전도율이 낮아 발열이 누적됩니다. 알루미늄 재질의 2.5mm 이상 두께를 추천합니다.
• 샤시 자체를 방열판으로 활용하는 경우: 가능은 하지만 재질과 구조에 따라 성능이 크게 달라질 수 있습니다.
• IC 납땜 및 열 팽창: 온도 변화로 인해 BGA 등의 반도체에서 미세한 균열이 발생할 수 있습니다. 열 관리가 곧 신뢰성과 직결됩니다.

 

 

마무리

방열판 설계는 단순히 열을 줄이는 것이 아니라, 전체 시스템의 수명과 안정성을 좌우하는 핵심 요소입니다.