전자기기 냉각의 다음 단계, 2상 액침냉각의 해석적 접근

Ansys Fluent®의 Semi-Mechanistic Boiling 모델 적용 사례

 

AI 서버와 고성능 전자기기의 시대가 본격화되면서, 냉각 기술의 중요성은 그 어느 때보다 커지고 있다. 예전에는 공기를 이용해 장비를 식히는 공랭 방식만으로도 충분한 경우가 많았다. 하지만 최근의 전자기기는 더 작고, 더 빠르고, 더 많은 열을 발생시킨다. 특히 데이터센터나 고성능 연산 장비에서는 랙당 발열량이 계속 증가하고 있으며, 단위 면적당 열유속 역시 빠르게 높아지고 있다.

[그림 1] 고성능 연산 장비의 랙당 발열량 증가 (그림 출처 : AI생성)

이러한 환경에서는 기존의 공랭 방식만으로는 한계가 분명하다. 그래서 등장한 것이 액체를 이용한 냉각 기술이다. 액체를 이용한 냉각방식은 직접냉각 (콜드플레이트 방식)과 액침냉각 방식으로 나뉘며, 액침냉각 방식은 다시 단상 액침냉각과 2상 액침냉각 방식으로 나뉜다. 콜드플레이트 방식은 발열 부위에 액체 냉각 채널을 직접 연결해 열을 제거하고, 단상 액침냉각은 전자기기 전체를 절연 냉각 유체에 담가 장비를 고르게 식힌다. 여기서 한 단계 더 나아간 방식이 바로 2상 액침냉각이다.

[그림 2] 전자기기의 2상 액침 냉각 모습 (출처 : https://www.hvacrj.co.kr/news/articleView.html?idxno=22756)

2상 액침냉각의 핵심은 냉각 유체가 끓으면서 발생하는 비등 잠열을 활용하는 것이다. 액체가 기체로 바뀔 때 많은 열을 흡수하기 때문에, 고발열 전자기기 냉각에 매우 효과적일 수 있다. 쉽게 말하면, 전자기기가 내는 열을 유체가 “끓으면서” 가져가는 방식이다.

하지만 이 과정은 단순하지 않다. 발열면 근처에서 기포가 생기고, 성장하고, 위로 이동하고, 다시 응축되기도 한다. 또 특정 조건에서는 발열면이 증기로 덮이면서 액체가 제대로 접촉하지 못하는 dryout 위험도 생길 수 있다. 이런 복잡한 현상을 이해하려면 실험뿐 아니라 CFD 기반 해석이 중요한 역할을 한다.

 

왜 Semi-Mechanistic Boiling 모델인가?

비등 해석에는 여러 모델이 있다. 예를 들어 VOF-Lee 모델은 액체와 기체의 계면을 비교적 자세히 추적할 수 있다. 하지만 개별 기포의 생성과 이동을 직접 계산해야 하므로 계산 비용이 매우 크다. 복잡한 전자기기 형상에 적용하거나 여러 조건을 반복 검토하기에는 부담이 될 수 있다. 또한 Lee 모델은 주로 체적 상변화율을 기반으로 액상과 기상 간 질량전달을 계산하는 접근이므로, 벽면에서의 핵비등 열전달 메커니즘을 직접적으로 표현하기 위해서는 추가적인 모델링과 검증이 필요하다.

[그림 3] VOF-Lee 모델을 이용한 비등 해석 예 (참고 영상 바로 보기)

비등해석에 가장 널리 알려진 Eulerian-RPI Wall Boiling 모델도 있다. Eulerian-RPI Wall Boiling 모델은 벽면 비등 현상을 비교적 상세히 다룰 수 있지만, 전자기기 냉각과 같은 저온·상압 조건에 적용하려면 기포 이탈 직경, 핵생성 사이트 밀도, quenching 관련 상관식 등 주요 입력값에 대한 보정과 검증이 필요하다.

반면 Ansys Fluent®의 Semi-Mechanistic Boiling Model, 즉 SMB 모델은 조금 다르게 접근한다. 개별 기포 하나하나를 세밀하게 추적하기보다는, 혼합물 관점에서 평균적인 비등 거동을 계산한다. 기포 상승, 이탈, 국부적인 기포 형상 변화까지 모두 직접 계산하지는 않지만, 벽면 근처에서 비등이 얼마나 활발하게 일어나는지, 기상이 어디에 분포하는지, 발열부 온도가 어떻게 변하는지를 공학적으로 평가하는 데 적합하다.

[그림 4] SMB 모델의 유효 범위

즉 SMB 모델은 “기포 하나의 움직임”보다는 “전체 냉각 성능과 비등 분포”를 보고 싶은 경우에 유용하다. 전자기기 2상 액침냉각처럼 복잡한 형상과 여러 설계 조건을 비교해야 하는 문제에서는 이러한 접근이 꽤 현실적인 선택이 될 수 있다.

 

먼저 단순 형상으로 모델 검증

 본 해석에서는 SMB 모델을 바로 복잡한 전자기기 형상에 적용하기 전에, 먼저 문헌 기반의 단순 형상으로 기본 거동을 확인했다. FC-72 유체와 구리 발열면을 사용하는 비등 실험 데이터를 참고하여, 열원 증가에 따른 발열면 온도 변화를 CFD 결과와 비교했다.

[그림 5] 문헌 기반 단순 형상

해석에는 Mixture 다상유동 모델을 사용했고, mass transfer mechanism으로 evaporation-condensation을 적용했다. 벽면 비등 모델로는 SMB 모델을 선택했다. 격자는 약 28만 개의 hexahedral cell로 구성했으며, 발열면에 열원을 부여해 비등 거동을 관찰했다.

결과적으로 SMB 모델은 열원이 증가할수록 발열면 평균 온도가 상승하는 경향을 잘 재현했다. 실험 결과와 CFD 결과의 오차는 최대 5.84% 수준으로 나타났다. 물론 이것만으로 모든 비등 현상을 완벽하게 예측한다고 말할 수는 없지만, 단순 형상 기준에서는 모델의 기본적인 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

[그림 6] SMB 검증용 단순 모델 결과

또한 열원이 커질수록 발열면 주변의 vapor fraction이 증가하고, 생성된 기상이 중력 반대 방향을 따라 상부로 이동하는 모습도 확인되었다. 이는 SMB 모델이 개별 기포를 직접 추적하지 않더라도, 평균적인 비등 분포와 열전달 경향을 평가하는 데 활용될 수 있음을 보여준다.

 

전자기기 형상에 적용 : ESP32 사례

 다음 단계에서는 SMB 모델을 실제 전자기기 형상에 가까운 ESP32 보드 모델에 적용했다. 여기서는 냉각 유체로 물을 사용했고, 물과 수증기의 물성은 RGP table을 이용해 온도와 압력 변화에 따라 반영했다. 해석 격자는 약 98.5만 개의 polyhedral cell로 구성했다.

[그림 7] 전자기기 형상 (ESP32)

ESP32 형상에서는 두 가지 조건을 비교했다. 하나는 subcooled boiling 조건이고, 다른 하나는 saturated boiling 조건이다.

Subcooled boiling 조건은 유체 온도가 포화온도보다 낮은 상태에서 발열부 근처에서만 국부적으로 비등이 발생하는 조건이다. 본 해석에서는 입구와 출구 온도를 80℃로 설정했다. 반면 saturated boiling 조건은 유체가 포화온도에 가까운 상태로, 작은 열 입력에도 비등이 더 쉽게 발생할 수 있다. 이 경우 입구와 출구 온도를 100℃로 설정했다.

[그림 8] 전자기기 형상 해석에 적용한 경계조건

분석 항목은 온도, vapor fraction, nucleate boiling heat flux, single phase heat flux, total heat flux, 그리고 wall superheat였다.

 

Subcooled boiling에서는 국부 비등이 제한적으로 발생

 Subcooled boiling 조건에서는 발열부 주변에서만 제한적인 기상 생성이 나타났다. 유체가 아직 포화온도보다 낮기 때문에, 발열면 근처에서 생긴 증기가 주변의 차가운 액체와 만나 다시 응축될 가능성이 크기 때문이다.

[그림 9] Iso-surface, Volume Fraction(vapor) 0.1의 결과

상단 발열부에서는 nucleate boiling heat flux(NB Heat Flux)가 좌측 상단에서 높게 나타났고, 하단 발열부에서는 중앙부에 넓게 나타났다. 같은 유체 조건이라도 발열부 위치에 따라 벽면 과열도와 비등 강도 및 위치가 달라진 것이다.

[그림 10] 상단 발열부의 결과 Contours

 

[그림 11] 하단 발열부의 결과 Contours

하단 발열부에서는 상대적으로 높은 wall superheat와 nucleate boiling heat flux가 나타났다. 이는 하단에서 생성된 증기가 위쪽으로 이동하면서 주변 유동장과 열전달 분포에 영향을 주기 때문으로 볼 수 있다. 다시 말해, 2상 액침냉각에서는 단순히 발열량만 중요한 것이 아니라, 발열부가 어디에 위치하는지도 매우 중요하다.

 

Saturated boiling에서는 증기 생성이 훨씬 뚜렷해짐

 Saturated boiling 조건에서는 결과가 더 극적으로 나타났다. 상단 발열부의 wall superheat는 약 28.35 K, 하단 발열부는 약 41.35 K까지 증가했다. Subcooled boiling 조건과 비교하면 벽면 과열도가 크게 높아진 것이다.

[그림 12] Iso-surface, Volume Fraction(vapor) 0.1의 결과

이 조건에서는 vapor fraction과 nucleate boiling heat flux도 전반적으로 증가했다. 유체가 이미 포화온도에 가까운 상태이므로, 발열면에서 생성된 증기가 쉽게 응축되지 않고 유지되기 때문이다. 그 결과 발열체 주변뿐만 아니라 상부 영역까지 기상이 확대되는 경향이 나타났다.

[그림 13] 상단 발열부의 결과 Contours

 

[그림 14] 하단 발열부의 결과 Contours

특히 발열부의 위쪽 영역에서 vapor fraction과 온도가 높게 나타나는 구간(nucleate boiling heat flux는 아래쪽 영역에서 높게 나타난다)은 주의 깊게 볼 필요가 있다. 이 영역은 액체와 발열면의 접촉이 줄어들 가능성이 있으며, 향후 dryout 위험 후보 영역으로 검토할 수 있다. 다만 본 해석에서 dryout이나 CHF를 직접 판정한 것은 아니므로, 이는 “위험 가능성이 있는 후보 구간”으로 해석하는 것이 적절하다.

 

복잡한 보드 형상으로 확장 : Kovan 사례

마지막으로 보다 복잡한 보드 형상인 Kovan 모델에 SMB를 적용했다. 이 형상은 공개 보드 형상을 CFD 목적에 맞게 단순화한 것이며, 실제 전자기기 보드 수준에서 SMB 모델을 적용할 수 있는지 검토하기 위한 사례다.

[그림 15] 전자기기 보드 형상 (Kovan)

Kovan 해석에는 약 128만 개의 polyhedral cell을 사용했다. 주요 발열부는 세 개로 구분했고, 각 발열부 주변의 온도, vapor fraction, nucleate boiling heat flux, single phase heat flux를 분석했다.

[그림 16] 전자기기 보드 형상 해석에 적용한 경계조건

기본자세 조건에서는 각 발열부 주변에서 생성된 기상이 중력 반대 방향을 따라 위로 이동하는 경향을 보였다. 발열부 간 거리가 충분한 경우에는 서로의 영향이 비교적 작게 나타났지만, 자세가 바뀌면 상황이 달라졌다.

[그림 17] 자세 변화에 따른 Iso-surface, Volume Fraction(vapor) 0.1의 결과

시계방향으로 90° 회전한 조건에서는 증기 상승 경로가 바뀌면서 특정 발열부의 냉각 성능이 달라졌다. 예를 들어 3번 발열부에서 발생한 증기와 상승 유동이 1번 발열부 주변의 액상 공급과 열전달 분포에 영향을 줄 수 있었다. 이로 인해 1번 발열부에서는 nucleate boiling heat flux가 줄어들거나, 온도와 vapor fraction 분포가 변화하는 경향이 나타났다.

[그림 18] 자세 변화에 따른 Nucleate Boiling Heat Flux의 결과

 

[그림 19] 자세 변화에 따른 Static Temperature의 결과

이 결과는 복잡한 보드 형상에서는 발열부 하나만 따로 보는 것이 아니라, 발열부 간의 위치 관계와 증기 이동 경로까지 함께 고려해야 한다는 점을 보여준다.

 

SMB 모델은 어디에 쓸 수 있을까?

 이번 해석 결과를 종합하면, SMB 모델은 전자기기 2상 액침냉각 설계 초기 단계에서 꽤 유용한 도구가 될 수 있다. 특히 다음과 같은 목적에 적합하다.

• 첫째, 발열부 주변에서 비등이 어디에서 강하게 발생하는지 확인할 수 있다.
• 둘째, vapor fraction이 어느 영역에 축적되는지 파악할 수 있다.
• 셋째, 발열부 위치나 보드 자세 변화에 따른 냉각 성능 차이를 비교할 수 있다.
• 넷째, hot spot이나 dryout 위험 후보 영역을 초기 단계에서 선별할 수 있다.

물론 SMB 모델이 모든 비등 현상을 완벽하게 설명하는 것은 아니다. 개별 기포의 생성, 성장, 이탈, 상승 과정까지 직접 계산하지는 않기 때문이다. 따라서 기포 하나하나의 거동을 자세히 보고 싶거나, dryout 발생 시점과 CHF를 정량적으로 예측해야 하는 경우에는 추가적인 모델 검토나 실험 데이터 기반 검증이 필요하다.

하지만 복잡한 전자기기 형상에서 여러 설계 조건을 빠르게 비교하고, 냉각 성능의 경향을 파악하는 용도라면 SMB 모델은 충분히 실용적인 선택지가 될 수 있다.

 

마무리하며

전자기기 냉각 문제는 이제 단순히 “얼마나 차갑게 만들 것인가”의 문제가 아니다. 고열유속, 고집적, 고성능 시스템에서는 열이 어디에서 발생하고, 냉각 유체가 어떻게 움직이며, 생성된 증기가 어디로 이동하는지까지 함께 이해해야 한다.

2상 액침냉각은 비등 잠열을 활용한다는 점에서 고발열 전자기기 냉각의 유력한 대안이다. 그러나 비등 현상은 복잡하고, 실험만으로 모든 설계 조건을 검토하기는 어렵다. 이런 상황에서 CFD 해석은 설계 초기 단계에서 중요한 판단 근거를 제공할 수 있다.

이번 SMB 모델 적용 사례는 Ansys Fluent®를 이용해 전자기기 2상 액침냉각의 평균적인 비등 거동을 해석하고, 발열부 위치와 자세 변화에 따른 냉각 성능 차이를 확인한 사례다. 단순 형상 검증부터 ESP32 형상, 복잡한 Kovan 형상까지 단계적으로 확장한 결과, SMB 모델은 비등 분포와 hot spot 위험 후보 영역을 검토하는 데 활용 가능성이 있음을 확인했다.

향후에는 실험 데이터와의 추가 비교, dryout 및 CHF 조건에 대한 정량적 검토, 다양한 냉각 유체와 실제 서버급 형상 적용으로 연구를 확장할 수 있다. 전자기기 냉각 기술이 점점 더 중요해지는 지금, 2상 액침냉각 해석은 앞으로 더욱 중요한 설계 도구가 될 것이다.

 

참고 자료

• [TAE SUNG S&E TECH SUMMIT 2026] TSTS2026 전기전자/반도체 트랙 발표자료 - Ansys Fluent의 Semi-Mechanistic Boiling 모델을 이용한 액침냉각 해석