인공위성에도 스마트폰 짱이네

축구 중계를 보다보면 옆에서 "워" 하는 소sound가 들리는데, 제 핸드폰에서는 아직 골이 들어가는 모습도 보이지 않을 때 있죠? 통신 속도 차이 때문인데요. 5G스마트 폰라면 이런 일은 삐삐 시대에 나쁘지 않던게 될지도 모릅니다. 한가지 기가 바이트(GB)영상도 하나 0초로 다운로드하니 정말 신 나쁘지 않아는 세상입니다. 고해상도 게입니다, 대용량 앱을 동시에 실행하는 것도 흔한 것으로 되어 있는데요. 하지만, 이렇게 빠른 시간내에 많은 데이터를 처리하면서 꼭 한가지 쁘띠뿌띠 해결해야 할 일이 있습니다. 바로 발열 의문인데요. 전자기기의 성능만큼 십팔수 되는 기술도 함께 나아가야 할 것이다. 그 핵심 부속이 히트파이프입니다. 스마트 폰 안에 들어간 것은 불과 몇년 전이지만 인공 위성에서는 벌써 50여년의 전체 부지라고 뜄 움니다. 스마트폰과 인공위성의 히트파이프, 어떻게 다른가요?

"어디에 들어가든, 히트파이프(Heat Pipe)가 하는 것만은 변하지 않습니다. 스마트폰부터 컴퓨터, 찜질방, 심지어 어항에도 히트파이프가 필요합니다. 전자장치든 공간이든 내부의 온도를 균형있게 맞춰주는 역할을 한다. 컴퓨터로는 중앙처리장치(CPU)의 열을 분산시킵니다. 스마트폰에 들어가기 전에는 와자형 게이지 돌리는 게이밍 PC에서 와인을 볼 수 있었습니다만. 주로 선풍기와 같은 냉각 에어컨에 세트로 달아요. 팬들과 방열대 사이에 있는 구릿빛 금속관이 히트파이프라고 합니다.

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'내 손 안의 컴퓨터'로 등장한 스마트 폰에도 20하나 3년 하나 히트 파이프가 등장했습니다. 그 후, 대부분의 고성능 스마트폰에 히트파이프 설계가 대세가 되었습니다. 올해 LG전자가 유출된 히트파이프는 파이프라는 스토리가 무색하게 납작한 형태로 면적을 확대하고 있는데요. 앞으로 더 빨라질 통신속도처럼 요구되는 성능이 더 높아졌기 때문입니다. 두뇌 역할을 하는 AP(어린이 애플리케이션) 프로세서)도 사람의 뇌처럼 한번에 많은 일을 하면 그만큼 열이 납니다. AP 성능만 높이고 발열은 잡아야? 작동에 사건이 일어나 마지막에는 셧다운이 되거나 부속이 타버리는 것이겠지요. 과열을 막는 히트파이프는 사양 스마트폰의 필수 부속이라고 해도 과언이 아닙니다.

고성능 전자장비인 인공위성도 마찬가지. 위성 속의 카메라, 컴퓨터, 통신장비 전체의 크기와 모양만 약간 다를 뿐 스마트폰에 탑재되는 전자장치와 속성은 유사합니다. 전체 전기를 공급하고 동작하는 핵심 물품입니다. 전류를 보내는 모든 회로에는 저항이 발생합니다. 1를 하면 할수록 뜨거워집니다. 아울러 인공 위성은 24시 노노 3651'ON'상태에 놓인 기계입니다. 쉬지 않고 몇 년 동안 임무를 수행하기 위해서는 셧다운도 물품이 타버리는 불상사도 절대 있을 수 없습니다. 성공적으로 미션을 수행하기 위해서는 히트파이프는 위성과 같은 세월 동안 동고동락해야 합니다.

히트파이프는 이름의 당신으로 파이프, 즉 관 모양을 하고 있습니다. 겉으로 보면 구리 막대처럼 보여요. 금속관의 내부를 들여다보면, 가운데는 툭 찢어져 있지만, 관의 끝은 스펀지처럼 기공이 있는 것이 본인, 마치 금속 핀이 촘촘히 박혀 있는 것 같은 다공성 구조(심지어)로 되어 있습니다. 이렇게 하면 부피비 접촉면적을 넓힐 수 있습니다. 더 중요한 것은 히트파이프의 핵심 기능인 열수송을 단시간에 효율적으로 하기 위해 고안된 비결이다.

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히트파이프는 사실 냉각과는 거리가 멀어요. 자동차의 냉각수, 로켓의 재생 냉각 채널과 같이 엔진의 뜨거운 열을 직접 떨어뜨리는 것이 아니라, 뜨거워진 곳의 열을 차가운 장소에, 또 반대로 열을 빠르게 이동시키는 부속이라고 합니다. 전자장비가 잘 돌아갈 수 있는 적정 온도만 유지하면 부착합니다. 이 온도를 인공위성에서는 허용 온도라고 하는데요. 그 범위가 보통 영하 20도에서 영상 50도 사이입니다. 스마트 폰의 경우는 내부 온도가 영하 5도 이하이거나, 영상 40도를 넘어서면 스스로 전원을 끄거나 방전합니다.​ 이 열 수송 방법에는 크게 2종류의 과학 원리가 숨어 있습니다. 1은 이제 이야기한 다공성 구조의 심지를 이용한 모세관 현상 이다니다. 나무가 뿌리부터 들이마신 물을 가지까지 올릴 수 있는 것과 같네요. 둘째, 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 입자의 흐름이 생기는 원리입니다. 히트파이프 내부에는 진공상태로 유체(냉매)가 흐르게 되는데요. 그 유체가 액체 1시는 기공의 구조를 적시고 모세관 현상으로 들이마시도록 이동합니다. 또 유체가 기체 1시는 뻥 뚫린 관의 구멍을 통해서 기체가 더 적은 곳(압력이 낮은)에 흐르고 있습니다. 이처럼 냉매가 기화-액화를 반복하면서, 열을 빨리 옮기는 것입니다. 이 냉매의 용량은 아마 상상 이상으로 적을 것입니다. 스마트 폰에 가입의 양은 많아도 스포이트로 1,2방울 정도. 2톤 급의 인공 위성이라고 봐야 1 kg전후 이다니다. 콸콸 따라주는 냉각수와는 전혀 다르죠?​

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히트파이프는 과열 우려가 있는 전자장비 하단에 주로 설치합니다. 가열하는 부분에는 극소량에 붙어있는 시피한 액체 상태의 냉매가, 차가운 쪽에는 관 한가운데 기체 냉매가 각각 멈춰있습니다. 양방향 수송이 동시에 이루어진다고 하는데요. 관을 따라 열원에서 멀리 떨어진 곳까지도 열을 잡을 수 있습니다. 이 덕분에 히트파이프 위에 올려진 전자장비는 열하나도 평평한 온도를 유지할 수 있습니다. 간단하게 스토리하면 열원이점에서 선으로 바뀐다고 생각하면 겹칩니다.​

그렇다면 스마트폰과 인공위성의 히트파이프는 어떻게 다를까요? 일단 성능에서 비교가 안될 정도로 차이가 있습니다. 처한 환경이 완전히 다르기 때문입니다. 인공위성은 초진공 상태의 극한 우주환경에서 돌아다닙니다. 표면의 온도차도 매우 높네요. 해를 향한 측면은 태양열을 받아 하루 00도 이상까지 올랐습니다. 태양열을 받지 않는 면은 영하 한 00도까지 내려갑니다. 유능한 열제어장치가 없다면, 공기가 없는 우주에서 전자장비의 온도는 극단적으로 높아지거나 오전에 될 것입니다. 반면 땅바닥에서는 공기가 열을 어느 정도 중화하고 감소시킬 수 있습니다. 스마트폰에는 인공위성급 히트파이프를 사용할 이유가 없잖아요. 위성의 히트 파이프 수송 능력은 열 전도율이 높은 구리보다 일 00배 정도로 뛰어납니다.

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열전도율을 이렇게 높게 하나 할 수 있었던 노하우는 소재입니다. 가전제품이며, 스마트폰에 들어가는 히트파이프는 수열 파이프용 구리를 주로 사용합니다. "이 스토리,너희들끼리 냉매도 물들일거야" 물은 안전하게 취급할 수 있는 열이 좋은 전도체입니다. 구리는 가격이 싼 데다가 열전도율도 높은 금속이고요. 가격 대비 성능이 아주 좋은 편인공위성 히트파이프에는 알루미늄을 사용합니다. 물론 인공위성을 가볍게 하기 위한 전략 중, 하자신입니다. 알루미늄은 확실히 구리보다 열전도율이 떨어지는데 이상하죠? 답은 냉매에 있습니다. 물 대신 고순도 암모니아를 넣는데요? 액체 암모니아는 물보다 비열이 큽니다. 비열이 대단이 높다는 것은 같은 양의 열을 빨아올려도 다른 물질에 비해 온도가 덜 올라간다는 것을 의미합니다. 과열 방지에 효과적 액체가 기체가 될 때 필요한 열인 증발잠열도 커서 주변의 열을 많이 뺏을 수 있습니다. 물보다 가볍기 때문에 더 적은 양으로 열수송을 할 수 있습니다. 게다가 동관이라면 암모니아 냉매에 부식해도, 알루미늄은 아무렇지도 않습니다. 유체와 환상의 짝인 셈이다.어쩌면 비용으로 가장 큰 격차가 벌어지지만. 가전 제품 히트 파이프 단가가 최초의 000원 수준이라면 위성용은 개당 최초의 000만원을 호가합니다. 화단의 생산량 자체가 다릅니다. 스마트폰, 컴퓨터에 들어가는 히트파이프는 수십만개 단위로 인쇄합니다. 그러나 위성용은 많이 만들면 1년에 100개 정도. 소량생산인데다 주문생산이라 비쌉니다. 역시 위성은 한번 발사하고 스스로 수리할 수 없기 때문에 신뢰도를 높여야 합니다. 설계에서 제작, 시험 모든 과정에서 엄격한 기준을 통과한 부품만 선별합니다. 우주와 같은 고온 저온 환경을 만들어 내고 히트 파이프를 시험할 때 가끔, 처음 때를 가볍게 넘깁니다.

장착되는 수량도 다릅니다. 스마트폰에는 주로 고도의 회로가 집적된 AP아래 일개면 충분하지만 위성에는 필요한 곳이 많습니다. 주로 통신장비, 카메라 전장품, 레이더가 모여있는 곳에서 시작해 태양열을 받지 않는 추운 영역에 연결하도록 설치하는 것입니다. 이렇게 총 칼로리 전 장품마다 적게 사용하면 한 0개, 많으면 수십개의 히트 파이프를 장착합니다. 위성은 동네 나도 글 재주가 없게 같은 부품을 1더 받지만,입니다. 이중화된 유닛 속에 히트 파이프가 2배로 들어간 것임. 그렇다고 반드시 많이만 쓰는 것은 없습니다. 온도 경사에는 좋지만 위성의 수평을 맞추는 복잡한 작업을 무사히 통과하려면 없어서는 안 될 곳에만 장착합니다.인공위성으로 열 제어는 상당히 특별한 분야이다. 히트파이프 이야기에서도 외부의 열원을 차폐하는 단열, 헛된 열을 밖으로 빼내는 방열은 기본. 극저온에서 온도를 유지하기 위해 히터까지 켭니다. 각별하다고요? 스마트 폰도 자동차도 24시 노노 365일 3년 5년씩 쉬지 않고 쓸 만한 것을 만들도록 하면 아마 상황은 대동소이할 거예요. 모든 부품 설계가 거기에 맞춰서 다 바뀌어야 하니까요."아이 하나를 키우는데 마을 전체를 갖고 싶다는 아프리카 속 그다sound가 있습니다. 그만큼 많은 사람들의 손길과 정성이 담긴다는 뜻이다. 인공위성이 오늘 기상날씨를 알려주고 우리가 원하는 장소의 사진을 촬영해서 제공하려면 이만큼의 정성은 당연하죠 기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한 자문/감수 : 위성 본체 개발부 현범석 박사

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