오늘 주제는 구조물의 “방열을 위한 최적 설계”에 대한 것입니다.
전자 제품 중에 가장 취약한 부분 중 하나가 “열”이라고 하는 성분입니다. 온도가 높은 경우 제어 소자나 일부 부품이 성능이 현저히 떨어지거나 짧은 수명을 가지고 파손이 되는 문제가 발생할 수 있습니다.
제품의 열이나 온도는 일반적으로 열화상 카메라로 측정하거나 실험을 통해 환경을 조성하여 확인합니다. 하지만 제품 내부의 온도 변화까지 상세하기 검토하기에는 많은 어려움이 존재하기 때문에 “열전달 해석”을 통해 접근하게 됩니다.
구조물에 대해 열전달 해석 검토는 왜 필요할까요?
이번 주제인 LED 조명을 포함한 모든 전자 장비에는 내외부적으로 열에 노출되어 있습니다. 여름철 폭염에서 사람들이 힘들어하거나 예기치 못한 사고들이 발생하는 것과 같이 제품에서의 높은 온도도 많은 사고를 유발하게 됩니다. 단순히 제품이 파손되어 기능이 정지한 경우에는 제품을 교체할 수 있지만 열에 의한 사고의 경우 화재를 유발할 수 있는 확률이 매우 높아서 반드시 주의해야만 하는 성분 중 하나입니다.
우리는 뜨겁다는 느낌으로 열에 대해서 많은 경험을 하지만 위치별로 정확한 값을 확인하는 것은 어렵습니다. 온도를 알기 위해서 일반적으로 열화상 카메라를 이용하거나 열전대 접촉 센서를 이용하여 측정하지만, 내부의 온도까지 상세하게 확인하기에는 매우 많은 어려움이 따르게 됩니다. 이를 보완하기 위해 CAE를 활용하여 제품을 가상 공간에 모사하고 열전달 해석을 통해 위치별 상세 온도 변화를 확인하고 보강하는 설계를 진행합니다.
“열”이라는 성분에 대해 어떻게 정의하고 설계할 수 있을까요?
열은 우리가 흔히 알고 있는 열역학 법칙에 따라 고온에서 저온으로, 엔트로피가 많은 방향으로 흘러가려고 합니다. 항상 열평형 상태를 이루기 위해 구조물의 내부 혹은 외부의 유체에 의해 열이 이동되는 것을 정의하고 해석하는 것입니다. 열이 발생하는 위치, 재료의 열전도율, 유체에서의 대류 열전도 값 등을 통해 전체적인 열의 흐름 조건을 정의하고 이를 통한 열의 분포를 확인하고, 기준보다 높을 시 내부보다는 외부로 열이 더 잘 흐르도록 설계안을 변경하게 됩니다.
전자 제품에서 열에 대한 보강 설계를 하는 것을 일반적으로 방열 설계라고 이야기합니다. 주변에서 흔히 사용하는 것이 전도율이 높은 물을 이용한 수랭식과 팬이나 방열 핀을 이용한 공랭식을 많이 사용합니다. 내부에 존재하는 열을 외부 요인을 이용하여 바깥으로 흐름이 발생할 수 있도록 보강해주는 설계 방안들입니다.
그렇다면, 방열 설계에 대해서 구조적으로 어떻게 해석검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 방열 핀을 사용한 자연 공랭식 LED 조명으로 방열 핀의 재질, 개수 및 내부 열원 소자의 배치에 따라 전체적인 구조물의 온도 분포를 확인하고 방열 설계에서 어떻게 적용할 수 있는지를 비교 검토한 자료입니다.
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