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최근 군용 전자기기가 고성능화·소형화 되면서 그래픽처리장치(GPU)와 같은 핵심 부품에서 발생하는 열을 제어하는 문제가 시스템의 신뢰성을 결정하는 핵심 요소로 떠올랐다. 그러나 방산·우주항공 분야는 엄격한 크기·소음·진동·전력 제약으로 인해 팬이나 펌프를 사용하는 ‘능동형 냉각장치’의 적용이 제한된다.
특히 사막 등 극한의 고온 환경을 가정한 미국 국방 환경시험 규격 조건에서는 기존 알루미늄 방열판의 열전도 한계로 인해 부품의 안정적인 작동 온도인 90도 이하를 유지하기가 어려웠다.
이를 해결하기 위해 공동 연구팀은 ‘상변화 방열판’ 기술을 도입했다. 열을 식히는 통로 구조에 따라 진동형 히트파이프(Pulsating Heat Pipe·PHP), 베이퍼 챔버(Vapor Chamber·VC) 총 두 가지 일체형 방열판을 개발하고 성능을 정밀 비교 분석했다. 두 방식 모두 친환경·저비점(낮은 온도에서 끓는 성질) 작동유체인 SF33을 사용했으며, 내부 부피의 50%를 채웠을 때 최적의 냉각 성능을 보였다.
50도의 환경에서 고출력(32W) 군용 전자기기가 작동하는 상황을 가정해 실험한 결과 기존 알루미늄 방열판은 최고 온도가 작전 제한 기준을 초과한 99.2도까지 치솟았다. 반면 연구팀이 개발한 베이퍼 챔버(VC) 방열판은 87.4도를 기록해 군용 요구 조건을 충족했다. 전체 열저항도 기존 대비 24.2% 감소했다.
진동형 히트파이프 방열판은 온도를 90.8도까지 낮췄으나 기준에 미달했고 작동유체의 흐름(유동)이 일시적으로 멈추기도 했다. 이를 통해 연구팀은 2차원 평면 구조를 활용한 베이퍼 챔버 방식이 1차원 채널 구조의 진동형 히트파이프 방식보다 극한 환경에서 더 높은 열적 안정성과 냉각 성능을 보인다는 점을 증명했다.
최원준 교수는 “이번 연구를 통해 외부 전력 공급이 어렵고 정비가 제한적인 극한 환경에서 고출력 군용 전자기기를 안정적으로 구동할 수 있는 고신뢰성 패시브 냉각 솔루션을 제시했다”며 “향후 고고도 무인기 항공전장품, 소형 레이더 모듈 등 차세대 국방과 우주항공 핵심 부품의 국산화·성능 향상에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
