AI 연산 밀도가 높아지면서 방열은 더 이상 부가 설계가 아니라 시스템 성능의 한계를 결정하는 요소가 되었습니다. 히트솔은 액침냉각 환경에서 비등 열전달 성능을 끌어올리기 위해 독자적인 이중 트위스트 핀(Double Twist Fin) 구조를 개발했고, 그 실험 결과를 정리했습니다.
트위스트 핀은 1차 핀 위에 2차 미세 핀을 형성한 3D 계층 구조입니다. 핀 두께는 200μm 수준이며, 스카이빙 공정으로 가공합니다. 설계 의도는 표면적을 늘리는 데 그치지 않고 유체의 흐름 자체를 설계하는 데 있습니다. 비등 시 발생한 기포가 갇히지 않고 빠르게 이탈하도록 증기 배출 채널을 확보하고, 기포 이탈 직후의 압력차를 이용해 차가운 액체가 표면으로 다시 유입되는 펌핑 효과를 유도합니다.
10종 샘플을 비등 실험으로 비교한 결과, 이중 핀 구조인 S10이 임계 열유속(CHF) 195.0 W/cm²로 가장 높았습니다. 평활면(95.2 W/cm²) 대비 약 205% 향상된 수치이며, 기존 최고 성능이던 S2(173.9 W/cm²)보다도 11% 높습니다. CHF는 방열판이 시스템 파괴 없이 안정적으로 제거할 수 있는 최대 열량으로, 수치가 높을수록 냉각 한계 성능이 강합니다.
주목할 점은 표면적과 성능이 비례하지 않았다는 사실입니다. 조밀한 핀 배열인 S1은 총 노출 면적 4,100mm²로 가장 넓었지만 CHF는 156.7 W/cm²에 그쳤습니다. 반면 S10은 면적이 1,298mm²로 S1의 3분의 1 수준인데도 CHF는 오히려 높았습니다. 면적이 좁을수록 유로가 열려 기포가 원활히 빠져나가고, 냉각액이 다시 젖어드는 재냉각이 빨라지기 때문입니다.
이 차이는 기포 거동에서 비롯됩니다. S1과 S2처럼 핀이 조밀하면 작은 기포들이 서로 뭉쳐 기둥을 이루고, 이 기둥이 표면을 덮어 새 냉각액의 유입을 물리적으로 막습니다. 반대로 S10에서는 작은 기포들이 하나로 합쳐져(Coalescence) 표면에서 크게 이탈하며, 그 순간 발생하는 진공 효과가 액체를 끌어당깁니다.
효율 측면에서도 이점이 확인됩니다. S10의 과열도(Superheat)는 60.2°C로, S2의 64.1°C보다 6.4% 낮습니다. 과열도는 표면 온도와 액체 끓는점의 차이로, 낮을수록 열 저항이 적고 열을 효율적으로 방출한다는 뜻입니다. 동일한 열 부하(173.9W) 조건에서 S10은 약 14°C 더 낮은 표면 온도를 유지했습니다. 이는 반도체 칩의 열적 스트레스를 줄여 시스템 신뢰성과 수명에 직접 기여합니다.
샘플별 실험 데이터는 다음과 같습니다. S1은 과열도 46.2°C에 CHF 156.7 W/cm², S2는 64.1°C에 173.9 W/cm², S4는 39.1°C에 141.5 W/cm², S9는 44.1°C에 160.3 W/cm², S10은 60.2°C에 195.0 W/cm²를 기록했으며, 평활면 샘플은 21.2°C에 95.2 W/cm²였습니다.
이 구조는 스카이빙 전용 CNC 설비를 자체 개발했기에 구현할 수 있었습니다. 히트솔은 국내에서 유일하게 스카이빙 장비를 내재화해 해외 의존도를 벗어났으며, 핀 두께 약 100μm 수준의 초미세 가공과 기존 5°~18° 대비 3배 넓은 55°까지의 가공 각도를 확보했습니다. 설비 개발부터 공정, 양산까지 이어지는 원스톱 체계라 유지보수와 커스텀 대응이 수월합니다.
적용 대상은 AI 학습·추론용 GPU 클러스터, 슈퍼컴퓨터를 포함한 HPC, 전력 효율(PUE) 개선이 필요한 클라우드 데이터센터, 24시간 고부하 운전이 이어지는 연산 설비입니다. 냉각 모듈 부피를 30% 이상 줄일 수 있어 시스템 소형화와 운영 비용 절감에 함께 기여합니다.
방열 성능은 면적의 양이 아니라 유체 흐름의 질이 결정합니다. 트위스트 핀 구조는 이 원리를 실험으로 확인한 결과이며, 히트솔은 특허를 확보하고 있습니다. 도입을 검토하시는 경우 샘플 설계·제작을 포함한 PoC 공동 검증(약 4~6주), 특정 제품 라인 대상 파일럿 적용 및 양산성 검토, 기술 라이선싱 또는 공동 개발 순으로 진행할 수 있습니다.