생산기술특허연구회

마이크로칩은 보통 열을 흡수하고 발산하는 히트싱크(heat sink)와 소형 팬(fan)을 사용하여 냉각된다. 그러나 마이크로칩이 점점 강력해지고, 제조업자들이 컴퓨터 내부의 집적도를 점점 높임에 따라 더 높은 발열량을 가지게 되었다. 따라서 부피가 크고 시끄럽고 비효율적인 소형팬과 히트싱크를 이용한 냉각방식은 그 한계를 가지게 되었다. 최근에 이를 극복하기 위해 전기장을 이용하는 혁신적인 냉각기술이 선보이고 있다. 미국 인디애나(Indiana) 주에 위치한 퍼듀대(Purdue University) 연구자들이 컴퓨터 요소들을 좀 더 효과적으로 냉각시키기 위한 방법으로 이온 풍력 엔진(ionic wind engine)을 시험하고 있다. 이온 풍력 엔진은 근접한 두 개의 전극 사이에 위치한 공기를 통과하는 전류를 이용하여 풍력을 발생시킨다. 두 전극 사이에 전자가 유동함에 따라 공기 분자와 충돌하여 양이온을 만들고, 이 양이온이 음전하로 대전된 전극을 때린다. 이러한 과정에서 소형의 집중된 풍력이 만들어진다. 연구자들은 전자 방출기(eletron emitter)로 지름 50마이크로미터의 스테인리스 스틸 와이어(stainless steel wire)를, 전자 포집기(electron collector)로 폭 1밀리미터 정도의 구리 테이프를 이용했다. 연구자들은 가열된 유리 조각에 전자 포집기를 부착하고 약 3밀리미터 위쪽에 전자 방출기를 매달았다. 결과적으로 전자 포집기는 냉각을 필요로 하는 마이크로칩 위에 설치될 것이다. 이온 풍력 엔진은 스스로 모든 냉각을 하지 않을 것이며, 대신에 냉각을 필요로 하는 표면 근처에서 정지한 채로 남아있었을 공기 분자들을 뒤섞게 만들어 기존 팬의 효율을 증대시킬 것이다. 마이크로칩을 냉각하기 위해 사용되고 있는 기존의 히트싱크(heat sink)와 소형 팬(fan)에 이온 풍력 엔진을 추가하는 것은 냉각 성능을 극적으로 향상시킬 수 있다고 이온 풍력 엔진을 개발하고 있는 퍼듀대의 수레쉬 개리멜라(Suresh Garimella)가 전했다. 수레쉬 개리멜라 연구팀에 의해 수행된 실험에 따르면, 기존 팬과 결합된 이온 풍력 엔진은 최대 250%까지 냉각을 증대시킬 수 있음을 보였다. 이러한 결과는 `응용 물리학 저널(Journal of Appliced Physics)`에 출판될 예정이다. 이러한 이온 풍력 엔진은 필요할 때 원하는 곳에 적용될 수 있기 때문에 매우 흥미롭고 많은 잠재력을 가진다. 그러나 이 기술이 상용화되기 위해서는 현재 이온 풍력을 만들기 위해 4575볼트와 같이 비교적 높은 전압을 필요로 하는 것과 같은 문제점들이 해결되어야 한다. 이러한 높은 전압은 컴퓨터 설계의 비용과 복잡성을 크게 증가시킬 것이다. 또한 이온 풍력 엔진을 많은 수로 이루어진 배열로 패킹하는 것도 복잡한 과정이 될 것이다. 또한, 미국 워싱턴대 전기공학과 알렉산더 마미세브(Alexander Mamishev) 교수도 마이크로칩 표면에 설치될 정도로 소형이며, 전기장에 의한 전기 대전(electric charge)을 사용하여 냉각풍을 만드는 냉각장치를 개발하고 있다(GTB2006080835). 이 냉각장치는 전통적으로 팬을 사용하여야만 얻을 수 있는 높은 공기 유동 속도를 얻기 위해 전기장을 활용한다. 시제품 냉각 칩은 방출기(emitter)와 포집기(collector)로 이루어지는 두 개의 기본 요소를 포함한다. 방사기는 반경이 약 1마이크로미터인 매우 작은 팁(tip)을 가져서, 머리카락 크기에 300개 이상의 팁(tip)을 올려 놓을 수 있다. 이 팁은 전기장 속에서 포집기 표면으로 추진되는, 전기적으로 충전된 입자인 공기 이온을 발생시킨다. 이온들이 팁에서 포집기로 이동하면서 마이크로칩 근처의 열을 빼앗아가는 공기 유동을 만든다. 공기 유동량은 방출기와 포집기 사이의 전압을 변경하여 제어될 수 있다. 실험 결과 시제품 냉각 칩은 단지 0.6와트의 전력으로 발열량이 높은 표면을 현저하게 냉각시킬 수 있음을 보였다. 그러나 상용화를 위해서?각 칩이 설치되는 다양한 마이크로칩을 제어하기 위해 수학적인 모델이 개발되어야 한다. 이 냉각 칩은 마이크로 스케일에서 작동하고 전기유체역학 힘, 전기장, 움직이는 전하 등을 포함하는 매우 복잡한 동적 시스템으로 수학적인 모델의 개발이 쉽지 않다. 또 다른 도전 과제는 디바이스가 고성능과 내구성을 가지도록 최선의 재료를 찾아내는 것이다. 이러한 재료로는 나노튜브와 다른 나노구조를 가진 재료들이 대안이 될 수 있다. 이와 같이 전기장을 이용하는 새로운 이온 풍력 엔진과 냉각 칩은 멀지 않은 미래에 높은 가동 전압, 실용적인 수학적 모델, 고성능과 내구성을 보장하는 재료 등과 같은 문제점들이 해결되어 높은 성능의 차세대 마이크로칩을 지원하는 첨단 냉각시스템으로 자리매김할 것이다. 이를 통해 새로운 냉각 시스템은 미래의 전자 시스템을 혁신할 것으로 기대된다. 출처 :KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2007-08-18 http://technology.newscientist.com/