설비공학회 동계학술발표대회가 11월28일 서울강남구 한국과학기술회관에서 성황리에 마무리 됐다. 설비공학회 동계학술대회 액침냉각 두 번째 세션은 데이터센터(DC) 냉각과정에서 발생하는 열을 활용하는 방안을 주제로 진행됐다.

 

AI에 대한 수요가 급증하면서 관련 연산을 수행하는 AI DC 도입이 늘어나고 있다. 연산을 수행하는 GPU 자체의 발열량(TDP)이 1,000W를 넘어서고 있으며 다수의 GPU를 집적한 고밀도 랙의 발열량도 100kW를 넘어서고 있다.

 

발열량 증가에 따라 기존 에어쿨링으로는 더 이상 칩과 서버의 온도를 적정 수준으로 유지하는 것이 어려워지면서 냉각성능이 뛰어난 리퀴드쿨링기술이 적용되고 있다. 이중에서도 서버 자체를 비전도성유체에 담그는 액침냉각은 가장 높은 냉각성능을 가지는 것으로 보고되고 있다.

 

액침냉각은 에어쿨링보다 열전달 성능이 우수하기 때문에 작동유체의 온도를 높게 유지하더라도 칩의 온도를 더 낮게 제어할 수 있다. 또한 액체의 출구온도가 55℃ 이상으로 높아짐에 따라 배출되는 열을 버리지 않고 재활용할 수 있는 가능성이 높아지게 된다. 이를 활용하기 위해 액침냉각에서 발생하는 55℃ 가량의 폐열을 흡착식 히트펌프에 활용해 20℃의 냉각수를 생산하는 것을 목표로 한 다양한 연구에 대해 다양한 발표가 이어졌다.

 

발표는 △액침냉각열 활용 흡착식 히트펌프 시제품설계 및 성능평가연구(우성민 삼중테크 이사) △액침냉각열 활용 흡착식 히트펌프 열성능연구(김진섭 한국기계연구원 박사) △액침냉각 DC용 판형열교환기의 열성능에 관한 실험적 연구(김우경 한국기계연구원 연구원) △액침냉각 DC폐열을 활용한 흡착식냉동기 기반 하이브리드 냉각시스템의 연간에너지 성능해석(설성훈 부경대학교 교수) 등의 순서로 진행됐다.

 

액침냉각 폐열, 흡착식 히트펌프 활용

우성민 삼중테크 이사는 액침냉각열 활용 흡착식히트펌프 시제품설계 및 성능평가연구를 주제로 발표했다.

 

DC 액침냉각기술은 고집적 서버에서 발생하는 열을 직접 제거할 수 있는 차세대 냉각방식으로 주목받고 있다. 이 과정에서 50~55℃ 정도의 폐열이 발생하게 되는데 기존 흡수식 냉동기나 압축식 히트펌프의 구동원으로 활용하기엔 온도가 낮아 활용도가 제한적이다.

 

우 이사는 “70℃ 내외의 온수를 이용해 냉수를 만드는 데엔 문제가 없지만 55℃의 온수를 열원으로 전기를 사용하지 않고 냉수를 만들어내는게 연구목적”이라며 “이를 위한 흡착식 냉동기가 개발되고 상용화되면 DC산업 활성화에 도움이 될 것”이라고 말했다.

 

흡착식 히트펌프는 저온열원을 이용해 냉방을 제공할 수 있는 기기로 주목받아 왔다. 최근에는 실리카겔이나 제올라이트대신 더 낮은 온도에서 수분흡착 능력을 가진 MOF(금속-유기구조체)가 개발되며 저온열원을 활용한 흡착식 냉방의 상용화 가능성이 확대되고 있다.

 

삼중테크는 이를 위해 현재 ‘액침냉각을 이용한 DC 열관리 초고효율화 기술개발 및 실증’ 국책과제를 수행 중이다. 올해는 최종 상용제품 개발을 위한 기초데이터 확보를 위해 1단계 프로토타입 시제품의 설계·성능평가 연구를 진행했다.

 

현재 연구단계에서는 기초 데이터 확보를 최우선으로 고려해 10kW급 흡착식 히트펌프 시제품을 제작했다. 상부에는 응축기를, 중심부에는 흡착탑 2기를, 하부에는 증발기를 배치했다. 추가로 사이클 전환을 위한 증기밸브와 수밸브를 설치했으며 냉매펌프를 이용해 냉매가 균일하게 분무되도록 구성했다.

 

우 이사는 “55℃의 온수를 이용해 20℃의 냉수를 만들어내는 것을 목표로 설정했으며 실험 결과 55~60℃ 온수를 사용했을 때 목표대비 약 70% 수준의 성능을 낼 수 있었다”라며 “다만 국내 기후조건에 맞춰 더 넓은 범위의 DC에 적용하기 위해서 추가적인 보완이 필요할 것”이라고 밝혔다.

 

흡착식 히트펌프 흡착제코팅 소재검증

김진섭 한국기계연구원 박사는 액침냉각열 활용 흡착식 히트펌프의 열성능연구를 주제로 발표했다.

 

최근 글로벌 빅테크기업들이 앞다퉈 초대형 DC 프로젝트를 진행하며 AI 인프라산업을 선점하기 위한 경쟁이 치열하게 벌어지고 있다. 대표적으로 오픈AI에서 스타게이트 프로젝트를 통해 약 700조원 규모의 DC를 계획하는 등 스케일이 갈수록 확대되고 있다.

 

고발열·고집적화 되는 DC를 냉각하기 위해서 리퀴드쿨링이 필수적으로 도입돼야 한다. 하지만 기존 에어쿨링 시설에서는 40℃ 미만 공기를 배출한 것과 달리 리퀴드쿨링에서는 약 50~80℃의 온수가 발생할 예정이다.

 

김진섭 박사는 “DC의 폐열을 활용하는 다양한 방법이 있지만 현재 사용 중인 예시로는 지역난방에 공급하는 것이 가장 직접적인 방식”이라며 “북유럽의 경우 이미 대부분의 DC에서 발생하는 폐열을 지역난방에 공급하고 있다”고 말했다.

 

연구팀은 액침냉각을 통해 배출되는 열에너지를 활용할 수 있는 흡착제코팅 바인더를 비교했다. △PU (Polyurethane) △PVA (Polyvinyl Alcohol) △EC (Ethyl cellulose) △PMMA (Polymethyl methacrylate) 등 4가지 종류의 바인더를 검토했다.

 

이중 가장 부착성능이 우수한 PVA 바인더를 적용해 흡탈착 반응기를 제작하고 증발기·응축기와 결합해 전체시스템을 구축했다. 흡착식 히트펌프시스템의 냉각수온도는 30℃로 설정했으며 생산하는 냉수온도는 20℃로 설정했다. 흡탈착사이클 시간은 300초, 흡착-탈착 전환 시간은 60초로 설정했다. 55℃·60℃의 두가지 탈착 열원온도로 측정한 결과 55℃ 열원조건에서 SCP는 144.7W/kg으로 측정됐으며 60℃ 열원 조건에서는 239.4W/kg의 높은 값이 나타났다.

 

김진섭 박사는 “코팅 이후 모프를 사용하다보니 60℃에선 성능 SCP가 높게 나왔지만 실제 최종온도인 55℃를 위해 계속 연구를 진행할 계획”이라며 “스케일업과 교본운전을 통해 내년엔 본격적으로 연구를 진행하고 가시적인 결과를 도출하겠다”고 밝혔다.

 

판형열교환기 절연유체·설계방안 연구

김우경 한국기계연구원 연구원은 액침냉각 DC용 판형열교환기의 열성능에 관한 실험적연구를 주제로 발표를 진행했다.

 

현재 생성형 AI와 LLM의 급격한 발전으로 인해 대형 DC의 전력소비량이 단일 국가수준을 초과할 정도로 전력소비량 문제가 대두되고 있다. 대표적으로 현재 GPU 20만장을 보유 중인 xAI의 경우 최근 전력부족으로 인해 이동형 가스터빈을 사용하기도 했다.

 

DC에서 많은 전력소비를 차지하고 있는 냉각시스템 효율화를 위해 다양한 IT 기업들이 추운 지역에 DC를 구축한다거나 바닷속에 구축하는 등 다양한 방식을 고려하고 있다.

 

이를 해결하기 위한 고효율 냉각 솔루션으로 액침냉각시스템이 주목받고 있다. 액침냉각 활용시 40~60℃ 수준의 높은 폐열이 발생하기 때문에 이를 활용할 수 있는 판형열교환기기술 역시 함께 대두되고 있다.

 

연구팀은 판형열교환기에 사용될 절연유체를 선정하고 다양한 조건에서 열성능 특성과 유전자 개수를 비교했다. 절연유체에는 Shell의 S3X를 선정했다. S3X는 대표적인 탄화수소계 오일기반 액침유체로 기존에 많이 사용되던 불소계 액체에 비해 가격이 저렴하고 점도가 높다.

 

실험장치는 △판형열교환기 △유체탱크 △히터 △칠러 △펌프 등으로 구성됐다. 판형열교환기의 입출구 온도뿐만 아니라 압력·유량센서 등을 이용해 50~60℃ 범위에서 시험을 수행했다. 절연유체의 높은 점도로 인해 열성능이 크게 떨어지며 높은 열전달계수를 가지고 있는 것을 확인했다. 이를 활용해 판형 열교환기 간격 설계 방안을 확보할 수 있었다.

 

김우경 연구원은 “현재 절연유체를 사용하는 정확한 상관식이 없는 것 같아 해당 부분을 개발할 필요가 있어 보인다”라며 “앞으로 실험값을 더욱 최적화해서 꾸준히 연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다.

 

액침냉각 폐열 활용 시뮬레이션 코드 개발

설성훈 부경대학교 교수는 액침냉각 DC폐열을 활용한 흡착식 냉동기 기반 하이브리드 냉각시스템의 연간에너지 성능해석을 주제로 발표했다.

 

설 교수는 “20℃라는 온도가 높게 느껴질수도 있지만 에어쿨링 DC 냉각에 활용하기 위한 온도로는 적합하다”라며 “액침냉각 DC를 통해 고성능의 냉각이 필요없는 기존 설비들의 에너지효율까지 증가시킬 수 있다”고 말했다.

 

액침냉각에서 발생하는 폐열로 냉열에너지를 생산하는 시뮬레이션 코드를 개발함에 있어 가장 중요한 것은 현재 상용 프로그램이 존재하지 않다는 것이다. 흡착제마다 다른 특성을 가지고 있기 때문에 증기 압축식 냉동기와 달리 각 연구자가 직접 프로그램을 개발해야 한다.

 

해당 프로그램에서는 흡착제의 온도와 압력을 계산하는게 가장 중요하다. 열평형 방정식을 기본으로 삼아서 온도를 계산하고 있다.

 

기본적으로 흡착식 냉동기는 흡착제 포화 흡착량·흡착속도 두가지 요소에 따라 성능이 크게 달라진다. 포화 흡착량의 경우 현재 확실하게 규명되어있으나 흡착속도는 아직 불확실한 부분이 많아 상용으로 개발된 알루미늄 포말레이트를 재료로 사용해 시뮬레이션에 반영했다.

 

시뮬레이션 테스트 결과 연간 에너지를 종합했을 때 흡착식 냉동기의 개입으로 인해 전체 시설의 발열량을 38% 줄이는 효과가 나타났다.

 

설 교수는 “ADF 모델을 기반으로 시뮬레이션 코드를 제작했다”라며 “부하변동·주변환경변화 등에 따라 전체적인 시스템 소비량을 확인할 수 있는 툴을 개발 중”이라고 밝혔다.