열역학 대류와 제품 개발

열역학에서 중요하게 다루는 열 전달 그 중에서 대류 방식이 제품 개발에 왜 중요할까요? 열역학에서 열 전달은 아주 중요하게 다룹니다. 그 이유는 열역학이 열의 변화에 따른 현상을 다룹니다. 그 변화라는 것이 열 전달에 의해서 발생합니다. 즉 열이 변하게 될 때 어떤 현상을 다루는지 알아봐야 하는 것이죠. 열 전달이라는 것은 크게 세 가지가 있습니다. 대류, 복사, 전도가 있습니다. 복사라는 것은 태양 복사에너지라고 하면 가장 쉽게 이해할 수 있습니다. 낮에 밖에 나가면 해가 떠있습니다. 이 해에서 오는 에너지를 말하는 것입니다. 빛 자체가 비추면서 에너지가 전달이 됩니다. 이런 형태가 복사 에너지라고 부릅니다. 한낮에 밖에만 나가도 해를 맞으면 느낄 수 있는 부분입니다. 전도라는 것도 쉽게 느낄 수 있는 현상입니다. 인접해 있는 물체에서 열이 전달되는 것을 의미합니다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열이 이동합니다. 이것은 열역학 법칙으로 설명할 수 있는 부분이죠. 그러면 언제까지 열이 이동하는지는 열역학 제0법칙이 설명할 수 있습니다. 열평형이 이루어질 때까지 열의 이동이 있게 됩니다. 제가 법칙이라는 것을 말씀드려서 오해하실 수도 있습니다. 이 법칙을 알아서 자연 현상을 해석할 수 있는 것이 아닙니다. 법칙이라는 것은 자연현상을 관찰하고 규칙을 발견하고 그것을 정리한 것뿐입니다. 사실 법칙이라는 것이 없어도 이미 있던 현상이기 때문에 우리는 이해할 수 있는 겁니다. 열역학 제0법칙이라고 거론했지만 우리는 경험적으로 알고 있습니다. 인접한 두 물체가 같은 온도가 되면 열이 이동하지 않는다는 것을 말이죠. 이제 남은 대류입니다. 대류는 공기의 흐름으로 열이 이동하는 것을 말합니다. 열역학의 열 전달 그 중에서 대류가 중요한 이유가 있습니다. 바로 대류 방식을 이용해서 제품 개발할 때 열 문제를 해결하는 경우가 많기 때문입니다. 열 전도, 열 복사는 제품 개발할 때 문제일 가능성이 있습니다. 모든 경우 그렇다는 것이 아닙니다. 제품 내에 열원이 있고 이 열원 맞닿아 있는 다른 부품이 있습니다. 맞닿아 있는 부품은 일정 온도 이상 올라가면 안 됩니다. 그렇다면 열원과 이 부품을 떨어뜨려 놓으면 됩니다. 하지만 제품 기능 때문에 두 부품은 붙어있어야 합니다. 이럴 때는 열 전도가 문제가 되는 현상입니다. 하지만 전도가 문제의 원인이라는 것은 알지만 해결할 수 있는 방법은 없습니다. 이때 대류가 문제를 해결할 수 있습니다. 바로 팬과 공기흐름을 만들어서 열원 부위에 바람을 넣어주는 것입니다. 그러면 열을 일정 정도 이하로 유지할 수 있게 됩니다. 정확히는 일정 정도 이하가 되도록 시스템을 설계해야 합니다. 팬을 하나를 넣어서 원하는 온도 이하로 유지할 수 없다면 공기흐름을 바꾸어야 합니다. 팬에서 나오는 공기가 최대한 많이 갈 수 있도록 주변 형상을 변경하는 것도 방법입니다. 주변 형상을 최적화했는데도 원하는 온도 이하로 만들 수 없다면 팬을 하나 더 넣는 것도 방법입니다. 물론 이런 방식은 제품 개발에 좋은 방향은 아닙니다. 왜냐하면 재료비가 올라가기 때문이죠. 이것은 제품 개발 과정 중에 판단해야 될 사항입니다. 더 좋은 품질을 위해 재료비를 더 쓰느냐 마느냐가 관건인 거죠. 이렇듯 열 전도가 만들어낸 문제를 대류라는 방식으로 해결할 수 있습니다. 복사의 경우도 마찬가지입니다. 전자제품 내부에 빛을 내는 부분이 있습니다. 디스플레이가 그 예가 될 수 있겠네요. 디스플레이는 빛을 내보내면서 빛을 전달하는 기능이 주된 목적입니다. 복사 에너지로 열을 전달하는 것은 주된 목적이 아닙니다. 그러나 주된 기능을 수행하는 동안 어쩔 수 없이 열 에너지를 복사 형태로 전달하게 됩니다. 이럴 경우 당연히 제품 성능을 위해 제어를 해야 합니다. 복사 에너지를 받은 주변 부품이 온도가 올라갈 수 있습니다. 오랫동안 사용해도 문제없는 수준으로 유지된다면 상관없습니다. 하지만 그런 것이 아니라면 당연히 온도를 떨어뜨려야 합니다. 열 대류를 이용해서 떨어뜨릴 수 있습니다. 이때는 열 대류 말고 해결할 수 있는 방법이 하나 더 있긴 합니다. 바로 복사 에너지를 다른 곳으로 전달하는 것입니다. 빛의 형태로 복사 에너지는 전달됩니다. 그렇다면 그 빛을 받고 싶지 않은 부위가 있다면 그 부위에 거울과 같은 반사시킬 수 있는 물체를 달아 두면 됩니다. 그러면 그 빛이 반사되어 다른 곳으로 가게 됩니다. 이것도 복사 에너지에 의해 제품 온도를 낮출 수 있는 한 가지 방법입니다. 물론 반사된 빛이 다른 곳에 복사에너지를 전달한다는 문제가 있습니다. 이 위치는 열에 의한 문제가 발생하지 않는 부위여야 하겠습니다. 복사 에너지를 반사시키는 것보다는 일반적인 경우 대류로 인해서 해결을 많이 합니다. 물론 이것은 저의 제한된 경험이므로 모든 제품에 해당된다고 말씀드리지 않겠습니다. 결국 이런 방법은 알고 있지만 공기흐름 최적화와 최소의 팬으로 해결하는 것이 핵심일 듯합니다. 사실 제품 개발에 원하는 품질을 얻는 가장 쉽고 빠른 방법은 돈을 쓰는 것입니다. 재료비가 올라가면 얼마든지 원하는 수준의 제품을 개발할 수 있습니다. 다만 엔지니어는 백퍼센트 정답을 추구하지 않습니다. 80퍼센트라고 그것이 효율적이고 문제가 되지 않는다면 그것을 선택합니다. 80퍼센트의 답이라는 것은 열 문제는 제한적으로 해결할 수 있지만 재료비를 줄일 수 있는 방향인 것이죠. 열역학의 열 대류 현상으로 제품 개발을 하는 것은 많은 노하우가 있어야 합니다. 많은 제품 개발한 회사라면 모든 조건을 최적으로 만들 수 있는 노하우가 있습니다. 조건에 따라 재료비와 트레이드 오프를 면밀히 검토할 것입니다. 회사에 숙련된 엔지니어의 조언을 얻는 것은 빠른 해답을 찾을 수 있는 한 가지 방법입니다.