제품 개발 열역학적 문제 접근 방법

제품 개발할 때 열 문제를 어떻게하면 효율적으로 접근할 수 있을까요.

제품 개발의 열역학적 문제라는 것은 제품이 비정상 동작을 할 높은 온도가 되는 것입니다. 이것은 당연히 제품의 정상 동작을 하지 못하게 만드는 환경을 만들고 심하면 사용자에게 물리적 피해를 입힐 수도 있습니다. 기구 엔지니어는 이것을 해결하기 위해 열역학적 접근 방법 이용할 수 있어야 합니다. 열역학적 접근 방법이라는 거창한 말을 썼지만 이런 개념을 가지고 있지 않아도 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 그런 경우 직관의 의존해서 여러 가지 방법을 시도할 가능성이 큽니다. 뛰어난 직관을 가진 엔지니어라면 빠르게 답을 찾을 수 있을 것입니다. 노련한 엔지니어도 역시 빠르게 답을 찾을 것입니다. 그러나 뛰어난 직관을 가지고 있지도 않고 노련한 엔지니어가 아니라면 학교에서 배웠던 개념을 가지고 문제 해결을 할 수 있을 것입니다. 그래서 대학교에서 전공 필수 선택을 배웠다고 생각합니다. 그렇다면 열역학적 문제를 해결하기 위해서는 어떤 접근 방식이 있을까요? 제가 말씀드리는 내용이 정답은 아닙니다. 하지만 이렇게 연역적인 방법으로 접근을 한다면 귀납적인 방법으로 접근하는 것보다 시간이 덜 걸릴 것입니다.

열 문제를 해결하기 위해서는 열이 어떻게 전달되는지를 생각해야 합니다.

그 말은 발생한 열을 빠르게 전달시켜 열을 내릴 수 있는 방법을 찾을 수 있습니다. 애초에 열을 안 나게 할 수 있는 것이 최선의 선택입니다. 하지만 제품의 성능 때문에 열 발생이 필연적이라면 열을 빠르게 빼주는 방법을 찾아야 합니다. 다시 말씀드리지만 빠르게 빼준다는 의미는 빠르게 전달한다고 할 수 있을 것입니다. 열전달 방식은 세 가지가 있습니다. 전도, 대류, 복사. 전도는 인접하여 접촉하고 있는 물체가 열역학 제0법칙에 따라 열을 전달하는 것입니다. 열역학 제0법칙은 접촉한 물체가 열 평형을 이룰 때까지 열을 교환한다입니다. 그렇다면 발열부에 차가운 물체를 갖다 두면 발열부와 그 물체가 열 교환을 할 것입니다. 열 평형을 이룰 때까지 진행될 것입니다. 하지만 이때 추가로 고려해야 할 것은 발열부는 지속적으로 열이 나기 때문에 결국 접촉하고 있는 물체까지 온도가 올라갈 수 있다는 것입니다. 그 물체 역시 지속적으로 낮은 온도를 유지할 수 있다면 발열부에서 접촉한 물체로 열을 내보낼 수 있을 것입니다. 이런 방식의 한 가지가 수랭식 쿨러일 것 같습니다. 발열부 근처에 배관이 있고 그 배관은 열에 노출이 됩니다. 배관은 계속해서 뜨거워질 것입니다. 그 배관을 물이 계속 지나가게 되고 그 물이 열을 흡수하게 됩니다. 발열부 주변으로 물이 계속해서 흐르면서 열을 빠르게 전달시킨다고 할 수 있습니다. 전도로 열역학적 문제를 해결하는 방식이라고 할 수 있을 것입니다. 대류 방식은 흔히 말하는 팬을 생각하실 수 있습니다. 발열부의 뜨거운 공기 대신 차가운 공기를 지속적으로 보내주는 것입니다. 그렇게 공기의 대류를 일으켜서 발열부의 온도를 낮춰주는 방식입니다. 팬을 달아서 온도를 낮추는 예는 많이 볼 수 있습니다. 노트북 팬 돌아가는 소리를 많이 들으셨을 겁니다. 이것이 일종의 대류 방식으로 컴퓨터 내부 온도를 낮춘다고 할 수 있습니다. 다음으로는 복사입니다. 사실 복사로 내부 온도를 낮추는 경우는 흔치 않습니다만 사용할 수 있는 한 가지 방법입니다. 복사라는 것은 열이 복사의 형태로 전달되는 것을 고려하는 것입니다. 복사로 발열부를 어떻게 낮출 수 있을까요? 아마도 발열부 자체를 복사 방식으로 낮출 수는 없을 것입니다. 발열부에서 복사 에너지가 나오고 그 복사 에너지가 특정 위치에 계속 전달된다고 가정하겠습니다. 그 특정 위치는 특정 온도 이상으로 올라가면 안 되는 부위입니다. 그럴 때 복사 방식으로 그 부위 온도를 낮출 수 있습니다. 바로 그 복사 에너지를 반사시켜주면 되는 것이죠. 온도가 올라가면 안 되는 부위 앞에 거울과 같이 반사시켜 줄 수 있는 부품을 달아줍니다. 그러면 복사 형태 에너지가 의도한 부분에 열전달을 할 수 없습니다. 다만 그 복사 형태가 다른 곳에 전달될 수 있습니다. 전달되는 위치는 문제없는 부위로 고려해야 할 것입니다. 저의 경험이 짧아서 복사 형태로 내부 온도를 낮춘 겨우 한번 정도밖에 접하지 못하였습니다. 대부분 전도 대류 방식으로 문제를 해결합니다. 전도와 대류라고 구분 지어 말씀드렸지만 사실 복합적으로 일어나고 있다고도 볼 수 있습니다. 그래서 딱 잘라 이것은 전도 방식으로 문제를 해결했어 혹은 대류 방식으로 해결했어라고 말할 수 없을 수도 있습니다. 제품도 그렇지만 세상도 그렇게 단순하게 말할 수는 없습니다. 복사 방식도 마찬가지입니다.

전도와 대류 방식과 같이 쓸 수 있습니다.

예를 들면 제품에 발열부가 빛이 나는 물체라고 한다면 그 인접한 곳에 전도를 이용해서 식히는 방식과 빛을 반사시켜 열을 빼는 것과 동시에 팬으로 공기를 불어넣어 식힐 수도 있습니다. 이러면 세 가지 방식을 동시에 적용한다고 할 수 있습니다. 이럴 때 한 가지 팁을 드리자만 세 가지 방식을 적용하여 획기적으로 온도를 낮췄다고 가정하겠습니다. 그렇다면 개별 시험으로 어떤 것의 영향이 큰지 확인할 수 있습니다. 그래서 가장 영향이 적은 방식이 어떤 것인지 알 수 있습니다. 그래서 그 정도 온도 상승은 감수할 수 있다고 한다면 그 방식 적용을 하지 않을 수도 있습니다. 왜냐하면 제품 개발을 재료비 역시 무시할 수 없습니다. 경쟁사보다 조금이라도 싸다면 그것이 경쟁력일 될 수 있습니다. 그래서 과도한 스펙을 만족시킬 필요가 없는 것입니다.