서멀 구리스의 원리, 내부 성분 분석

이 글은 서멀구리스 (thermal grease) 기본 원 및 내부 성분에 대한 글입니다. 참고한 글을 표시해 두었으니 관심 있으신 분들은 찾아보시면 좋을듯 합니다. 서멀, 써멀, 구리스, 그리스 ...뭐가 맞는 표기인지는 잘 모르겠네요. 

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• 서멀구리스 필요성
• 열전달 원리
• 서멀구리스 성분 (곰써멀, mx-4)
• 서멀구리스 수명한계 (유지력

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서멀구리스 필요성

고성능 CPU, GPU를 사용할수록 열이 많이 발생하고 제대로된 성능을 내기 위해서는 열방출이 원활하게 이루어져야 합니다. 열방출이 안되면 온도가 지나치게 높아져서, 부품이 녹거나 손상되어 수명에 악영향을 끼치기 때문입니다. 이러한 손상을 막기위하여 온도가 지나치게 높아질 경우 강제적으로 전원공급을 제한하는데, 이를 ‘쓰로틀링’ 이라고 합니다.

 

쓰로틀링이 발생하면 게임중 갑자기 프레임드랍이 발생하여 버벅이고, 영상편집과 같은 고성능을 요구하는 작업에 제대로된 성능을 내지 못합니다.

 

 

Figure 1.  ( a ) Schematic illustrating a typical ball grid array electronics package with TIMs bridging the heater and the heat sink. ( b ) Working principle of TIMs showing that the air gaps between the mating interface of the heater and the heat sink will cause overheating of the heater and a TIM filling out the gaps can effectively reduce heater temperature. [https://www.mdpi.com/2073-4360/10/11/1201/htm]

 

 

때문에 열방출 설계는 매우 중요합니다. CPU, GPU 에서 발생하는 열을 빼내기 위해 직접적으로 맞닿는 부분을 히트싱크라고 합니다. 열방출 설계가 제대로 되었어도 히트싱크와 CPU, GPU 사이의 연결이 제대로 되지 않는다면 열이 제대로 방출되지 못하게 됩니다.

 

고체 표면이 거칠기 때문에 제대로 접촉하지 못하여 열전도율이 떨어지게 됩니다.
교통으로 치면, 고속도로의 차선이 좁아지는 구역에서 생기는 정체, 즉 열의 병목현상이 발생하기 때문입니다.

 

 

표면 거칠기에 따른 실제 접촉면적 [참고. 열전도성 고분자 복합재료의 최신 연구동향]

 

 

 

이를 해결하기 위해서는 열전도율이 좋은 물질로 전면적이 꼼꼼하게 연결될수 있도록 만들어 주면 됩니다.
그런데 열전달이라는게 뭘까요? 다른내용을 설명하기 전에 이걸 간단하게 이해할 필요하 있습니다.
다음 점선 내용은 읽기 힘드시면 스킵하세요. ㅎㅎㅎ최대한 쉽게 쓰려고 노력했습니다.

 

열전달 원리

열전도율이 높다는의미는 시간당 열을 전달하는 능력이 뛰어나다는 의미입니다. 보통 전도성일수록, 고체 결정구조를 가질수록 열전도율도 뛰어납니다.

 

 

Heat conduction [https://player.slideplayer.com/26/8713468]

 

 

 

열에너지는 미시적으로 보면 물체를 진동시키는 에너지 입니다. 미시적인 관점에서 온도가 높다- 물체가 많이 진동하고 있는 상태이죠. 때문에 물체가 고체이고, 결정구조를 가져 진동이 쉽게 전달 될수록 열에너지를 잘 전달 할수 있어, 열전도율이 상승하게 됩니다. 예시로 다이아몬드 결정이 그렇죠.

 

(약간 깊게 들어가면, 결정구조를 원자간 용수철 연결이라고 가정하고 이러한 진동에너지 전달을 양자화된 입자상태로 해석한게 아인슈타인 비열공식 입니다. 포논(phonon)이라고 부르죠.......넘어갑시다.)

 

또한 전기전도성을 가지면 열전도율이 상승가능합니다. 전기 전도성을 가진다는 의미는 자유전자를 가지고 있다는 의미입니다. ‘자유전자’ 고체 내부를 자유롭게 돌아다닐수 있는 입자로 열에너지 또한 자유전자로 전달되어 쉽게 이동가능해지기 때문에 열전도율이 높아지게 됩니다.

 

전기전도성을 가진 대표적인 물질이 바로 금속이죠. 자유전자 때문에 대부분의 금속은 높은 열전도율을 함께 가지게 됩니다. (자유전자 + 고체 진동전달(포논))

 

반도체 물질의 경우 어느정도 전도성을 가지고 결정구조 때문에 열전도율 또한 약간 높은 수준을 가집니다.

 

비전도성 물질로 가면 움직일수 있는 자유전자가 거의 없는 상태이기 때문에 열에너지는 오직 고체내부의 진동 전달로만 이동하여 열전도율이 떨어지게 됩니다.

 

요약하자면, 열전달은

- 비전도성 - 결정구조 (포논) 

- 전도성 - 자유전자 + 포논

 

좀 더 전문적인 내용을 알고 싶으시면 공개된 논문 '열전도성 고분자 복합재료의 
최신 연구동향' 을 읽어보시면 도움이 되실 껍니다.

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아무튼 열의 병목 현상을 해결하기 위해서는, 빈공간 없이 열전도율이 좋은 물질로 고체사이를 빈틈없이 연결시켜 주어야 합니다. 이때 쓰이는 물질을 thermal interface materials (TIM) 이라고 하기도 합니다.

물질에 따른 열전도율은 다음과 같습니다.

 

 

[www.plasticskorea.co.kr]

 

 

 

서멀구리스 성분

TIM물질 중 금속 소재로 땜질 혹은 녹여 붙이는것을 솔더링이라 하는데 금속 재질로 연결하는거라 열전도율이 아주 우수합니다만, 한가지 문제가 있습니다.

 

금속간 열팽창 계수가 달라 가열, 냉각되는 과정이 반복될수록 균열이 생겨 내구도 이슈가 발생하게 됩니다.

 

이런 내구성 문제와 적용의 편리함을 위해서 써멀구리스가 사용됩니다. 써멀페이스트 (thermal paste)라고도 합니다. 점성을 가지고 있어 빈공간 없이 고체 표면을 연결 가능한 장점을 가집니다. 싸기도 하구요. 하지만 점성을 가지기 위해 비전도성 물질(용매, 보통 실리콘 오일계열)을 사용을 많이 하여 열전도도가 상당히 떨어집니다. 시중에 나와 있는 써멀구리스들을 보면 보통 5~15w/mk 열전도도를 가지는데 금속에 비해 20~40배 이하의 성능이죠.

 

비전도 써멀구리스 내부는 전도성 입자로 채워져 있습니다. 이건 어쩔수 없습니다. 열전도율을 높이려면 결정화된 입자나 전도성 입자가 필수적입니다. 그런데 이렇게 전도성 입자로 가득채워도 비전도성이 나오는 이유는 보통 접촉저항 때문입니다. 전도성 입자의 표면 산화층으로 인한 영향 + 물리적 접촉의 한계로 접촉저항이 높아져 열전도율이 확 떨어집니다.

 

구글링 하면 공개되어 있는 유명한 써멀구리스들 내부 조성 성분을 알 수 있습니다.

 

 

곰써멀, 그리즐리 크라이오넛 (Thermal Grizzly Kryonaut),
아틱 mx-4 서멀구리스 성분

곰써멀, 그리즐리 크라이오넛 [Thermal Grizzly Kryonaut msds]

 

아틱 [mx-4 msds]

 

써멀 내부 필러 성분

• 알루미늄 Al(금속입자)
• ZnO (반도체 입자)
• 다이아몬드, 알루미나 (결정구조 입자)
• 실리콘 오일 (용매)
  

이렇게 이루어져 있습니다. 열전도율이 좋은 필러들만 들어있네요. 물론 효과성은 전도성이 가장 좋습니다.

열전도율에 대한 설명은 앞쪽에서 했습니다.

 

 

서멀구리스 수명한계 (유지력)

근데 여기서 어쩔 수 없는 성분으로 인해 써멀구리스 수명의 한계가 발생하게 됩니다. 바로 용매 입니다. 용매 비율이 높을수록 점성은 낮을것이고, 용매 비율이 낮을수록 점성이 높아져 바르기 힘들어질것 입니다. 근데 이 용매라는게 열에 의해 증발 가능합니다. 이게 날아가면 어떤 현상이 발생할까요?

 

가장 최악의 경우는 용매내부에 고르게 분산되어 있던 전도성 필러들이 한곳으로 뭉치면서 분리되는 현상 (phase separation)이 일어나는 경우 입니다. 이 현상이 발생하면 흔히 말하는 기포(뻥 뚫린 영역)가 발생하여 해당 부분이 사실상 써멀구리스가 없는 상태로 되어 버립니다.

 

또 이런 기포가 생기지 않는다 하더라도, 내부 용매가 다 말라버리게 되면 페이스트 내부 필러사이 연결고리가 사라지게 되면서 열전도율이 떨어지게 됩니다.

 

[Degradation Characterization of Thermal Interface Greases]

 

이러한 현상을 pump-out, dry-out 써멀이 굳었다. 등등 여러가지로 불리죠.

써멀구리스를 쓰는한 이러한 현상을 피할 수 없을 것입니다. 유지기간의 차이만 있을 뿐이죠.

cpu, gpu 온도가 높을수록, 쿨러성능이 떨어져 전반적인 온도가 높을수록 써멀구리스의 수명, 유지기간이 짧아질것 입니다. 온도가 높으면 그만큼 빨리 용매가 날아가니깐요.

 

아참 써멀구리스 중에 전도성 써멀 (액체금속 사용)도 있는데, 성능은 정말 좋지만, 얘는 너무 위험합니다...

히트싱크를 부식시킬뿐 아니라, 잘못해서 흐르면 그대로 쇼트나서 컴퓨터 보드 사망합니다.

데스크탑에도 적용을 정말 조심해야 되는데 들고 다녀야 하는 노트북에는....추천 절대 안합니다.

떨어뜨리는 순간 내부 리퀴드 메탈이 조금이라도 나오면 바로 게임 오버입니다.

 

자 여기까지가 일반적인 써멀에 대한 설명이었구요.

 

이 다음이 제가 설명드리고 싶은 흑연 써멀패드, 그라파이트 서멀패드(vertical graphite)에 관한 내용입니다.

 

흑연 써멀패드의 경우 전도성을 가져 높은 열전도율을 가지고, 고체상태라 액체써멀보다 안전하며, 스펀지 처럼 변형가능하기 때문에 압착할 경우 고체사이를 빈틈없이 연결 가능한 특징을 가집니다.

 

하지만 고체상태라 표면 접착이 써멀구리스 처럼 표면을 완벽하게 채워주지는 못하기 때문에 장착하는 방법에 따라 성능이 천차만별로 바뀝니다.

 

흑연 써멀패드에 관한 원리와 장단점, 만드는 방법, 최신 연구는 어떻게 되고 있는지는 다음 글에서 다뤄보도록 하겠습니다. 

감사합니다.

 

흑연 서멀패드 사용후기

흑연 서멀패드 사용후기 (vertical graphite pro)

흑연 서멀패드 사용후기 (vertical graphite pro)

흑연패드 (vertical graphite) 원리 및 적용법 + 최신연구 근황

흑연패드 (vertical graphite) 원리 및 적용법 + 최신연구 근황