“50℃ 사막에서도 버틴다” 뜨거워진 군용 전자기기 스스로 식히는 냉각판 개발

△ 연구팀이 실제 제작한 상변화 방열판 프로토타입 실물 및 정밀 내부 구조 사진

(A) 제작된 방열판의 전체 외관 (B) 진동형 히프파이프(PHP)의 곡선형 채널 구조 (C) 베이퍼 챔버(VC)의 내부 공간 및지지 구조 (D) 베이퍼 챔버(VC)의 미세 공동 및 윅 구조

사막 한가운데서 군용 전자기기가 과열로 먹통이 되는 일촉즉발의 상황을 막을 수 있게 됐다. 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 최원준 교수 연구팀이 한화시스템 연구진과의 공동 연구를 통해 냉각팬이나 외부 전력 공급 없이, 주변 공기 흐름만으로 뜨거워진 군용 전자기기를 안전하게 식힐 수 있는 차세대 상변화 방열판 기술을 개발했다.

*상변화 방열판: 액체가 기체로 변했다가 다시 액체로 돌아가는 현상(상변화)을 활용해 전자기기 부품에서 발생하는 열을 흡수하여 외부로 내보내 기기를 식혀주는 고효율 냉각장치(방열판)

최근 군용 전자기기가 고성능화·소형화 되면서 그래픽처리장치(GPU)와 같은 핵심 부품에서 발생하는 열을 제어하는 문제가 시스템의 신뢰성을 결정하는 핵심 요소로 떠올랐다. 그러나 방산 및 우주항공 분야는 엄격한 크기·소음·진동·전력 제약으로 인해 팬이나 펌프를 사용하는 ‘능동형 냉각장치’의 적용이 제한된다.

특히 사막 등 극한의 고온 환경(49℃)을 가정한 미 국방 환경시험 규격(MIL-STD-810H, Method 501.7) 조건에서는 기존 알루미늄 방열판의 열전도 한계로 인해 부품의 안정적인 작동 온도(작전 제한 기준, 90℃ 이하)를 유지하는 것이 사실상 불가능했다.

이를 해결하기 위해 공동 연구팀은 ‘상변화 방열판’ 기술을 도입했다. 열을 식히는 통로 구조에 따라 진동형 히트파이프(Pulsating Heat Pipe, PHP), 베이퍼 챔버(Vapor Chamber, VC) 총 두 가지 일체형 방열판을 개발하고, 성능을 정밀 비교 분석했다. 두 방식 모두 친환경 및 저비점(낮은 온도에서 끓는 성질) 작동유체인 SF33을 사용했으며, 내부 부피의 50%를 채웠을 때 최적의 냉각 성능을 보였다.

*작동유체: 방열판 내부에서 끊임없이 움직이며 열을 나르는 액체

50℃의 고온 환경에서 고출력(32W) 군용 전자기기가 작동하는 상황을 가정해 실험한 결과, 기존 알루미늄 방열판은 최고 온도가 작전 제한 기준을 초과한 99.2℃까지 치솟았으나 연구팀이 개발한 베이퍼 챔버(VC) 방열판은 87.4℃로 무려 11.8℃ 낮추며 군용 요구 조건을 완벽히 만족했다. 전체 열저항 또한 기존 대비 24.2% 감소했다.

반면 진동형 히트파이프 방열판은 온도를 90.8℃까지 낮췄으나 기준에 미달했고, 작동유체의 흐름(유동)이 일시적으로 멈추는 불안정 현상도 관찰됐다. 이를 통해 2차원 평면 구조를 활용한 베이퍼 챔버 방식이 1차원 채널 구조의 진동형 히트파이프 방식보다 극한 환경에서 훨씬 더 높은 열적 안정성과 압도적인 냉각 성능을 보인다는 것을 증명했다.

최원준 교수는 “이번 연구는 외부 전력 공급이 어렵고 정비가 제한적인 극한 환경에서 고출력 군용 전자기기를 안정적으로 구동할 수 있는 고신뢰성 패시브 냉각 솔루션을 제시한 것”이라며 “향후 고고도 무인기 항공전장품, 소형 레이더 모듈 등 차세대 국방 및 우주항공 핵심 부품의 국산화와 성능 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 열공학 분야의 세계적인 학술지 ‘Energy Conversion and Management(IF=11.8, 상위 1.9%)’에 7월 15일 정식 게재됐다.

*논문명: Passive thermal management strategies for high-ambient-temperature environments: A comparative study of heat sinks integrated with pulsating heat pipes and vapor chambers

*DOI: 10.1016/j.enconman.2026.121579

*URL: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121579

이번 연구는 한국 국방과학연구소의 미래도전국방기술사업, 한국연구재단 중견연구사업 및 선도연구센터사업, 한국산업기술평가관리원의 소재부품기술개발사업의 지원을 통해 이뤄졌다.

[연구원 사진]

△ (왼쪽부터) 박규태 고려대 기계공학부 석사과정 겸 한화시스템 연구원(제1저자), 고려대 기계공학부 최원준 교수(교신저자)