수동 냉각 혁신으로 데이터 센터 에너지 사용량 대폭 감소 가능

증발을 통해 전자 칩에서 열을 제거하는 섬유막 그림. 출처: Tianshi Feng, ScienceDaily.com 편집

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 엔지니어들이 데이터 센터와 고출력 전자 장치의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 냉각 기술을 개발했습니다. 이 기술은 특수 설계된 섬유막을 사용하여 증발을 통해 열을 수동적으로 제거합니다. 팬, 히트싱크, 액체 펌프와 같은 기존 냉각 시스템에 대한 유망한 대안을 제시합니다. 또한, 현재 많은 냉각 시스템과 관련된 물 사용량을 줄일 수 있습니다.

이러한 발전 내용은 6월 13일 저널 Joule 에 게재된 논문에 자세히 나와 있습니다.

인공지능(AI)과 클라우드 컴퓨팅이 지속적으로 확장됨에 따라 데이터 처리 수요와 그로 인해 발생하는 발열량이 급증하고 있습니다. 현재 데이터 센터 전체 에너지 사용량의 최대 40%는 냉각에 사용됩니다. 이러한 추세가 지속된다면 2030년까지 전 세계 냉각 에너지 사용량은 두 배 이상 증가할 수 있습니다.

새로운 증발 냉각 기술은 이러한 추세를 억제하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술은 모세관 현상을 이용하여 냉각액을 표면으로 끌어당기는 작고 상호 연결된 기공 네트워크를 가진 저가 섬유 멤브레인을 사용합니다. 액체가 증발하면서 하부 전자 장치에서 열을 효율적으로 제거하므로 추가 에너지가 필요하지 않습니다. 멤브레인은 전자 장치 위의 미세 채널 위에 위치하여 채널을 통해 흐르는 액체를 끌어당기고 열을 효율적으로 발산합니다.

"기존의 공기 또는 액체 냉각과 비교했을 때, 증발은 더 적은 에너지를 사용하면서도 더 높은 열 유속을 방출할 수 있습니다."라고 UC 샌디에이고 제이콥스 공과대학 기계항공공학과 렌쿤 첸 교수는 말했습니다. 그는 같은 학과의 셩치앙 카이 교수와 아비쉑 사하 교수와 함께 이 프로젝트를 공동으로 이끌었습니다. 첸 교수의 연구 그룹 구성원인 기계항공공학 박사과정생 티안시 펭과 박사후연구원 유 페이는 이 연구의 공동 제1저자입니다.

현재 많은 응용 분야에서 냉각을 위해 증발에 의존하고 있습니다. 첸은 노트북의 히트 파이프와 에어컨의 증발기가 그 예라고 설명했습니다. 하지만 고전력 전자 장치에 증발을 효과적으로 적용하는 것은 어려운 과제였습니다. 증발에 이상적인 높은 표면적을 가진 다공성 막을 사용한 이전 시도는 기공이 너무 작아 막히거나 너무 커서 원치 않는 비등을 유발하여 실패했습니다. 첸은 "이번 연구에서는 적절한 크기의 기공이 상호 연결된 다공성 섬유 막을 사용합니다."라고 말했습니다. 이 설계는 이러한 단점 없이 효율적인 증발을 달성합니다.

다양한 열 유속 조건에서 테스트했을 때, 이 멤브레인은 기록적인 성능을 달성했습니다. 1제곱센티미터당 800와트를 초과하는 열 유속을 관리했는데, 이는 이러한 종류의 냉각 시스템에서 기록된 최고 수준 중 하나입니다. 또한 여러 시간 동안 작동해도 안정성이 입증되었습니다.

"이번 성공은 완전히 새로운 응용 분야를 위해 소재를 재구성할 수 있는 잠재력을 보여줍니다."라고 첸은 말했습니다. "이 섬유 멤브레인은 원래 여과용으로 설계되었으며, 이전에는 증발에 대한 연구가 진행된 적이 없었습니다. 우리는 이 섬유 멤브레인의 고유한 구조적 특성, 즉 상호 연결된 기공과 적절한 기공 크기가 효율적인 증발 냉각에 이상적일 수 있음을 인지했습니다. 놀랍게도 적절한 기계적 보강을 통해 높은 열 유속을 견뎌낼 뿐만 아니라 그 아래에서도 매우 뛰어난 성능을 발휘했습니다."

현재 결과는 유망하지만, 첸은 이 기술이 아직 이론적 한계보다 훨씬 낮은 수준에서 작동하고 있다고 말합니다. 연구팀은 현재 멤브레인을 개선하고 성능을 최적화하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 다음 단계로는 이 멤브레인을 CPU나 GPU와 같은 칩에 부착하여 열을 방출하는 평평한 부품인 냉각판 프로토타입에 통합하는 것입니다. 연구팀은 또한 이 기술을 상용화하기 위해 스타트업 회사를 설립할 예정입니다.

본 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 지원(CMMI-1762560 및 DMR-2005181)을 받았습니다. 본 연구는 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받는 국가 나노기술 조정 기반 시설(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NCI)의 회원인 UC 샌디에이고의 샌디에이고 나노기술 기반 시설(SDNI)에서 일부 수행되었습니다(ECCS-2025752).

공개: 본 연구와 관련된 특허는 캘리포니아 대학교 이사회(PCT 출원 번호: PCT/US24/46923)에 의해 출원되었습니다. 저자들은 다른 경쟁적 이해관계가 없음을 선언합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250614121942.htm