AI시대 열관리 최고의 기술 : 액침냉각의 정의와 종류, 적용 분야 총정리

최근  AI시대를 맞이하며 방대한 데이터처리를 위해서는 막대한 에너지 소비가 수반되는데요 이러한 에너지 소비 최소화를 위한 핵심기술로 액침냉각이 주목을 받고 있습니다. 이번 시간에는 액침냉각의 원리와 종류, 적용 분야에 대하여 자세히 알아보겠습니다. 

1. 액침냉각의 원리

액침냉각은 열전도율이 높은 절연 냉각액을 사용하여 전자 장치에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하는 냉각 기술입니다. 시스템 내부 열발생 원인이 되는 기기장치(예: CPU, GPU, 배터리 셀 등)를 직접 냉각액에 잠기거나 냉각액을 통해 열을 전달하며, 공기를 이용하는 전통적인 공랭식 냉각 방식에 비해 훨씬 효율적입니다.

 

주요 작동 원리

• 냉각액의 열 흡수 : 냉각액은 고온 상태의 장치 표면과 접촉하며 발생하는 열을 흡수합니다. 이 과정에서 냉각액은 높은 열전도율을 활용해 열을 빠르게 흡수하여 온도를 낮춥니다. 냉각액은 절연 특성을 가지기 때문에 전자 장치와 직접 접촉해도 회로에 영향을 주지 않습니다.
• 열 방출 과정 : 흡수된 열은 냉각액의 순환 또는 열교환기를 통해 외부로 방출됩니다. 열교환기는 냉각액이 흡수한 열을 공기 또는 다른 냉각 시스템으로 전달하여 열을 외부로 배출해 버립니다.
• 열순환 : 냉각액은 펌프를 통해 계속 순환되며, 장치 내부의 과열을 방지하고 일정한 온도를 유지합니다. 이를 통해 장치의 성능과 에너지효율성을 극대화되고 안정성이 유지됩니다.

2. 액침냉각의 종류

액침냉각은 시스템의 열을 효율적으로 관리하기 위해 다양한 방식으로 구현됩니다. 크게 싱글 페이즈 냉각(Single-Phase Immersion Cooling)과 투 페이즈 냉각(Two-Phase Immersion Cooling)으로 구분되며, 각각의 원리와 특징, 적용 사례가 다릅니다.

 

싱글 페이즈 냉각 (Single-Phase Immersion Cooling) 

• 정의 : 싱글 페이즈 냉각은 전기적으로 비전도성 액체에 전자 장비를 담그고, 액체의 상태 변화 없이 열을 흡수하고 순환시키는 방식입니다. 이 방식에서 사용되는 냉각액은 일반적으로 합성 탄화수소나 실리콘 오일 같은 물질로, 열전도율이 높고 화학적으로 안정적입니다.
• 작동 원리:장치의 열이 액체로 전달되어 액체 온도가 상승합니다. 뜨거워진 액체는 펌프를 통해 열교환기로 이동해 열을 방출하고, 다시 냉각된 상태로 순환됩니다.
• 장점:액체의 증발이 없기 때문에 유지보수가 간단하며 시스템 안정성이 높아 장기간 사용이 가능합니다.
• 단점: 열전도 성능이 투 페이즈 방식에 비해 낮고 냉각액의 물리적 순환을 위한 펌프와 열교환기 등이 필요합니다.
• 적용 사례:데이터센터, 슈퍼컴퓨터, 전기차 배터리 등 온도 관리가 중요한 대규모 장비에 주로 사용됩니다.

싱글 페이즈 냉각 방식 / 출처: GS칼텍스

투 페이즈 냉각 (Two-Phase Immersion Cooling)

• 정의:투 페이즈 냉각은 장치의 열로 인해 냉각액이 기체로 변환되며, 열을 방출한 뒤 다시 액체로 응축되는 방식입니다. 이 방식은 냉각 효율이 매우 높아 고열 발생 장비에 적합합니다.
• 작동 원리: 장치에서 발생하는 열이 액체를 가열하여 액체가 기화되며 기체 상태의 냉각제가 응축기로 이동해 열을 방출한 뒤 다시 액체로 변환됩니다. 액체로 복귀한 냉각제가 장치로 돌아가 순환합니다.
• 장점: 냉각액의 상태 변화(액체→기체)로 인해 높은 열 제거 효율을 제공하며 자연 대류를 활용하므로 별도의 펌프 없이도 작동이 가능합니다.
• 단점: 시스템 설계가 복잡하며 초기 투자 비용이 높으며 증발된 냉각제를 응축시키기 위한 추가 장치가 필요합니다.
• 적용 사례: 투 페이즈 냉각은 고밀도 서버, AI 연산 장비, 블록체인 서버, 우주 항공 장비 등 열 부하가 극도로 높은 환경에서 사용됩니다.

투 페이즈 냉각 방식 / 출처 : 냉동공저저널

 

두 방식의 비교

특징	싱글 페이즈 냉각	투 페이즈 냉각
냉각 효율	중간 수준	매우 높은
시스템 안정성	높음	중간 수준(응축 장치 필요)
설계 복잡성	낮음	높음
초기 비용	상대적으로 낮음	높음
적용 분야	전기차, 데이터센터	AI 서버, 블록체인, 우주항공

 

액침냉각 방식의 장점

3. 적용 분야

데이터센터

데이터센터는 전 세계 전력 소비의 약 2~4%를 차지하며, AI 및 고성능 컴퓨팅 증가로 발열 관리가 중요한 이슈가 되고 있습니다. 기존 공랭식 냉각은 고온 환경에서 효율성이 저하되는 한계를 가지고 있으며, 전력 소모량의 40% 이상이 냉각에 사용됩니다.

 

액침 냉각은 이러한 문제를 해결하기 위해 서버를 직접 냉각액에 잠기게 하여 열 방출 효율을 크게 향상합니다. 이를 통해 공랭식 대비 전력 소비를 30% 절감할 수 있습니다.

• 예 : SK엔무브는 실제 SK텔레콤 데이터센터에 기술을 적용하여 효율성을 검증했으며, 관련 기술을 유럽과 미국 시장으로 확대하고 있습니다​.

고성능 컴퓨팅(HPC)

슈퍼컴퓨터와 AI 연산 시스템은 연산량 증가로 인해 극도의 발열 문제를 겪습니다. 액침 냉각은 이 시스템들의 온도를 효과적으로 관리함으로써 안정성과 수명을 확보합니다. 기존 냉각 방식에 비해 시스템 성능을 극대화할 수 있으며, 특히 AI 학습이나 시뮬레이션 과정에서의 장기 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

전기차 배터리

전기차 배터리는 고속 충전과 방전에 따라 과열 문제가 발생할 수 있습니다. 액침 냉각 기술은 배터리를 냉각액으로 둘러싸 열 축적을 방지하고, 안정성과 수명을 연장합니다.

 

• 예 : GS칼텍스와 에쓰오일은 전기차 및 에너지 저장 장치(ESS)에 적합한 다양한 액침 냉각유를 개발하여 배터리 기술의 안전성을 크게 향상하고 있습니다​.

5G 및 IoT 기기

5G와 IoT 기기는 소형화된 고성능 시스템으로 인해 높은 발열이 발생합니다. 액침 냉각은 이러한 소형 기기에 최적화된 냉각 솔루션으로, 열 관리 문제를 해결하며 안정적 운영을 지원합니다. 이는 5G 네트워크의 대규모 데이터 처리와 초저지연 성능 유지에 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

결론

액침 냉각은 비전도성 액체에 담가 열을 효율적으로 제거하는 냉각 기술로 싱글 페이즈 냉각과 투 페이즈 냉각방식 두 종류는 각각의 특성과 용도에 따라 선택되며 데이터센터, 전기차, 고성능 컴퓨팅, 그리고 IoT 기기 등 다양한 분야에서 적용되고 있습니다. 앞으로 점점 고도화되는 AI시대 속에 더 많은 데이터처리와 에너지 절감을 위해서는 액침냉각 기술의 발전이 필수요소라 생각됩니다. 

 

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