하이드로겔은 전자제품에 냉각 완화를 제공합니다

Jul 14, 2023

전자제품은 2030년까지 전 세계 전기 사용량의 5분의 1 이상을 소비할 것으로 예상됩니다. 해당 에너지의 대부분은 열로 낭비되므로 냉각이 필요하며 전력과 종종 많은 양의 물도 소비합니다.

에너지와 물 사용을 줄이기 위해 연구자들은 콘택트 렌즈, 상처 드레싱 및 기저귀에 사용되는 하이드로겔이 공기에서 흡수된 수분을 사용하여 고전력 전자 장치를 냉각시킬 수 있음을 보여주었습니다.

아이디어는 간단합니다. 알루미늄 방열판에 0.5~1mm 두께의 하이드로겔 층을 코팅하는 것입니다. 노트북과 CPU에 일반적으로 사용되는 방열판은 보다 효율적인 열 전달을 위해 표면적을 늘리기 위해 핀과 융기가 있는 금속 구조입니다. 하이드로겔 코팅은 공기 중 습기를 흡수하여 프로세서가 최대로 작동하지 않을 때 부풀어 오른다. 피크 시간 동안 프로세서가 가열되면 물이 증발하여 전자 장치를 냉각시킵니다.

"이 수동 냉각 장치는 사람의 개입 없이 자동으로 작동하며, 전력 소비가 없고 유지 관리 비용이 낮으며 시스템 설계가 간단합니다."라고 샌디에이고 캘리포니아 대학교 기계 및 항공우주 공학 교수인 Renkun Chen은 말합니다. “이 방법은 인간의 피부와 같습니다. 과열되면 땀을 흘리고 증발하여 냉각 기능을 제공합니다.”

과열은 고전력 전자 장치의 성능 및 안전 문제이며, 전자 장치가 줄어들고 전력이 증가함에 따라 컴퓨터의 온도 조절은 점점 더 복잡해지고 있습니다. 다음으로는 에너지와 물 사용이 있습니다. 전 세계 데이터 센터에서만 연간 2,000억 킬로와트시가 넘는 에너지와 거의 1조 6천억 톤의 물을 사용합니다.

오늘날 전자제품을 식히는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 컴퓨터에서 열 소재는 마이크로프로세서 칩의 열을 팬을 사용하여 공냉식 방열판으로 전달합니다. 순환하는 물이 열을 라디에이터로 방출하는 액체 냉각도 CPU에 널리 사용됩니다. 한편, 데이터 센터는 에어컨이 설치된 공간에 보관되며 액체 냉각에도 의존합니다. 이러한 모든 능동형 냉각 시스템은 에너지를 사용하여 팬, HVAC 시스템 및 워터 펌프를 작동합니다.

연구원들은 수년 동안 전자 제품을 냉각하는 새로운 방법을 개발해 왔습니다. 예를 들어 마이크로채널 냉각은 작은 액체 냉각 채널을 컴퓨터 칩 바로 옆이나 내부에 배치하여 액체 냉각의 에너지 사용을 줄입니다.

그러나 Chen과 동료들이 최근 Cell Reports Physical Science 저널에 발표한 개념은 상대적으로 간단하고 완전히 수동적이어서 에너지 입력이 필요하지 않습니다. 그리고 그들이 사용하는 아크릴산나트륨 기반 하이드로겔이 킬로그램당 미화 10달러에 불과할 정도로 저렴하다는 점을 고려하면 가격도 저렴할 수 있습니다. 다른 사람들은 이전에 평면 하이드로겔 필름을 사용하여 EV 배터리와 태양광 패널을 냉각시키는 방법을 시연했습니다.

왼쪽 상단에는 테스트 설정의 개략도가 있습니다. 적외선 이미지는 방열판이 없는 FET(전계 효과 트랜지스터)[오른쪽 위], 기존 방열판이 있는[왼쪽 아래] 및 하이드로겔이 있는[오른쪽 아래]의 이미지입니다. 첸 렌쿤

시연으로 그들은 냉각을 위해 전계 효과 트랜지스터 위에 일반 방열판과 하이드로겔 코팅 싱크를 모두 배치했습니다. 방열판은 칩의 온도를 8°C 낮추었고, 하이드로겔 코팅 싱크는 칩 온도를 20°C 낮췄습니다.

하이드로겔의 수분이 고갈되면 증발 냉각 효과가 사라집니다. Chen은 팀이 현재 더 많은 물을 흡수하고 보유할 수 있는 하이드로겔을 조사하고 있다고 말합니다. 이 아이디어는 팬 및 액체 냉각과 같은 다른 능동 냉각 기술과 결합되어 에너지 사용을 줄일 수 있습니다. 그리고 그 사용이 전자제품에만 국한될 필요는 없습니다. "우리는 건물 냉각이나 개인 냉각과 같은 응용 분야에도 이를 사용할 계획입니다."