칸kharn은 지난 7월9일 서울 코엑스마곡에서 ‘All That Datacenter 2026’ 컨퍼런스를 개최했다고 밝혔다. 이번 행사는 데이터센터(DC)산업 관련 정책과 연구 및 기술 전반을 아우르는 대규모 행사로 하루동안 6개 세션이 진행됐다.

 

1-2 ‘데이터센터 R&D’세션에서는 DC 운영효율을 극대화하기 위해 현재 기관 및 기업에서 진행되고 있는 냉각시스템 및 폐열활용 기술개발 현황을 공유했다.

 

발표는 △DC 효율개선 R&D 현황(이길봉 한국에너지기술평가원 효율향상PD) △DC용 모듈형 UPS 및 차세대 DC 수요자원화 기술개발(임승범 이온 R&D센터장) △탄소저감을 위한 ‘수중 DC’ 실증모델 개발(한택희 한국해양과학기술원(KIOST) 해양공간개발·에너지연구부 책임연구원) △차세대 AI DC 적용을 위한 액침냉각시스템 개발 및 상용화(강민수 GST DCS개발팀 상무) △DC 액체냉각과 폐열활용기술(김진섭 한국기계연구원 탄소중립기계연구소 책임연구원) 순으로 진행됐다.

 

이번 ‘데이터센터 R&D’ 세션에는 약 200여명의 업계 관계자가 참석해 뜨거운 관심을 보이며 DC의 효율적 운영을 위해 나아갈 방향과 지속가능성을 논의했다.

 

열관리·전력설비 등 R&D 6건 추진⋯ PUE 1.0대 목표

이길봉 한국에너지기술평가원 효율향상PD는 ‘DC 효율개선 R&D 현황’을 주제로 발표했다.

 

IEA(국제에너지기구)에 따르면 각국 정부가 집행한 에너지효율 지원 재원은 지난 5년간 누적 1조달러를 넘어섰다. 2023년 COP28에서는 약 200개국이 2030년까지 전 세계 에너지효율 개선속도를 두 배로 높이는 데 합의했다. EU는 2030년까지 2020년대비 11.7% 에너지 감축을, 미국은 에너지정책법을 통한 산업부문 세액공제와 에너지관리시스템 지원을 추진 중이다.

 

데이터센터는 IT장비, 기반시설, 운영·유지시설로 구성되며 효율지표로는 총전력을 IT장비전력으로 나눈 PUE(전력사용효율)가 가장 널리 쓰인다. 감사원 보고서에 따르면 국내 데이터센터 평균 PUE는 1.76으로 국제 평균(1.58)보다 높다. 국내 데이터센터 전력소비량은 2025년 8.2TWh에서 2038년 30.0TWh까지 늘어날 전망이며 최대전력대비 비중도 2023년 2.12%에서 2029년 52.7%까지 급증할 것으로 예상된다. IEA는 전 세계 데이터센터 전력수요가 2030년 945TWh로 2024년(415TWh)대비 2배 이상 늘어날 것으로 전망했다.

 

이 PD는 “전력이 커지면 결국 열 관리가 가장 중요해지며 물이 공기보다 열 전달 용량이 크기 때문에 액체냉각으로 갈 수밖에 없다”고 설명했다.

 

미국 ARPA-E(에너지고등연구계획국)의 COOLERCHIPS프로그램은 2022년부터 추진돼 왔으며 냉각에너지를 IT부하대비 5% 미만으로 낮추고 컴퓨팅 파워밀도를 80kW/㎥ 이상으로 높이는 것을 목표로 JetCool, Chilldyne, IBM, Intel Federal, Nvidia 등 19개 과제를 지원하고 있다. 랙 밀도가 최대 120kW까지 높아짐에 따라 DLC·RDHx 결합 냉각방식은 냉각에너지를 최대 23%까지 절감하는 것으로 나타났다.

 

데이터센터 에너지설비 흐름은 외부-기계실-서버실-랙 4단계로 구분되며 단계별 R&D 방향이 다르다. △외부단계는 수요유연화와 GIS Low GWP(지구온난화지수) 전환 △기계실단계는 PUE 1.0대 달성을 위한 이송손실 절감과 전력안전설비 국산화 △서버실단계는 PDU·CDU 효율개선 △랙단계는 액체기반 칩냉각과 고밀도 전력반도체 등이 핵심과제다.

 

 

KETEP은 현재 데이터센터 R&D 6개 과제를 수행 중이다. SK텔레콤을 수요기관으로 한 ‘고집적 데이터센터 에너지효율 향상솔루션’ 과제(2022년 4월~2025년 12월)는 RDHx기반 냉각으로 PUE 1.2대 실증을 목표로 한다. ‘액침냉각 데이터센터 열관리 초고효율화’ 과제(2024년 4월~2028년 3월)는 PUE 1.55 수준을 1.0대로 낮추는 것이 목표다.

 

올해 4월에는 △랙당 300kW 이상, 1.2MW급 CDU를 개발하는 ‘칩-직접액체냉각(DLC) 시스템 개발’(~2029.12) △WBG 반도체 기반 최대효율 97.5% ‘서버파워시스템 개발’(~2029.12) △SiC 기반 출력밀도 500kVA/m² ‘모듈형 UPS 개발’(~2029.12) △피크전력 10% 이상 감축을 목표로 한 ‘차세대 데이터센터 수요자원화 기술개발’(~2029.12) 등 신규 과제 4건이 착수됐다.

 

지난해 11월에는 제7차 에너지합리화기본계획이 발표됐다. 이 계획은 2029년까지 최종에너지 소비량을 2억1,200만toe에서 2억1,100만toe로, 에너지원단위는 8.7% 개선(0.092→0.084toe/백만원)하는 것이 목표다.

 

5대 과제 중 ‘소비부문별 에너지이용 합리화 시책’에 데이터센터 효율 집중 관리가 새롭게 포함됐으며 △운영단계 신규 효율지표 개발 및 매년 지표관리 의무화 △서버·파워서플라이 효율등급제 적용 △대형 데이터센터 특화 에너지사용계획 협의기준 신설 등 데이터센터 효율관리 제도 등이 신설·적용될 예정이다.

 

초고효율 모듈형 UPS·차세대 수요자원화 기술 개발

임승범 이온 R&D센터 센터장은 ‘DC용 모듈형 UPS(무정전전원공급장치) 및 차세대 DC 수요자원화 기술개발’을 주제로 이온에서 진행하는 데이터센터 관련 신규과제 2건을 소개했다.

 

첫 번째 과제는 ‘데이터센터용 초고효율 모듈형 UPS 시스템 개발’이다. 이온이 주관하고 △한국전자기술연구원 △KTL △UNIST △한국공학대 △한양대 △한국전기산업기술연구조합 등이 참여하며 한화가 수요기관으로 영등포 YeDC 데이터센터 실증부지를 제공한다.

 

임 센터장은 “DC 수 증가보다 전력밀도 증가폭이 더 크기 때문에 공간적으로 데이터센터가 부족해 고전력밀도의 UPS가 꼭 필요하다”라며 “국내 UPS시장은 중소기업 중심의 가격 경쟁구조로 형성돼 현재 데이터센터는 거의 100% 외산장비가 차지하고 있고 국내 장비는 공공조달의 8% 정도만 쓰이고 있다”고 밝혔다.

 

현행 고효율에너지기자재 인증 기준도 300kVA 이하에 머물러 실제 대용량 데이터센터용 제품평가에 한계가 있다는 점도 지적됐다.

 

개발목표는 단위모듈 60kVA를 기준으로 4대까지 병렬운전해 시스템 최대 2.4MVA까지 확장하는 것이다. VFI모드뿐만 아니라 VI·다이나믹 온라인 모드까지 효율을 개선하고 자기부하시험 기능도 새롭게 구현한다.

 

역할 분담을 보면 △이온이 시스템 구성과 병렬운전 제어를 △한국전자기술연구원이 60kVA 단위모듈을 △KTL이 고효율 인증제도 개선을 △UNIST가 병렬운전과 다이나믹 온라인 모드를 △한국공학대가 부품 열화 상태진단과 제어전원 SMPS를 △한양대가 DC/DC컨버터와 EMI 필터를, 한국전기산업기술연구조합이 탄소배출 분석을 각각 맡는다. 개발이 끝나면 600kVA급 시스템을 한화 YeDC현장에 설치해 실증할 계획이다.

 

 

두 번째 과제는 ‘계통 안정화에 기여하는 차세대 데이터센터 수요자원화 기술개발 및 실증’이다.

 

이온 주관 아래 △어니언소프트웨어 △이아이피그리드 △한국전자기술연구원 △한양대 △한국데이터센터에너지효율협회 △전력거래소도 참여한다. 

 

정부의 분산에너지 활성화 특별법, HVDC 에너지고속도로 정책 등이 배경으로 기존방식으로는 PUE를 1.5까지 낮췄지만 그 이상의 개선을 위해서는 배전구조 자체의 전환이 필요하다는 문제의식에서 출발했다.

 

임 센터장은 “A/C에서 D/C로 변환했다가 다시 D/C에서 A/C로 변환해 사용하는 배전손실을 직접 D/C로 배전하면 4% 이상 효율 개선이 가능하다”고 설명했다.

 

2024년 발족한 K-DC얼라이언스와 한전·한화·LG전자의 직류형 데이터센터 구축 MOU도 과제 기획의 배경이 됐다.

 

주요 개발 성과물은 하드웨어인 DC UPS·스마트DCIM과, DR 프로그램 연계 소프트웨어다. △이온은 DC UPS를 △어니언소프트웨어는 단순 모니터링을 넘어 실제 제어까지 가능한 스마트DCIM을 △한국전자기술연구원과 한양대는 배터리·태양광·전기차 등을 자원화하는 기술을 △이아이피그리드는 전력거래소와 연계한 DR 프로그램을 각각 개발한다.

 

목표 PUE는 기존 1.5 미만 사이트는 1.5까지 낮추고 이미 1.5 이하인 사이트는 10% 이상 추가 개선하는 것이다. 실증은 당초 제안한 7곳 중 한화(YeDC, AC 10MVA·DC 1MVA)를 1호 실증지로, KT와 한국남동발전을 각각 2·3호 실증지로 우선 추진하며 나머지는 상황에 따라 유연하게 대응할 계획이다.

 

국내 최초의 직류배전 DC 사례인 만큼 규제 샌드박스 과제로도 함께 진행되며 해외사례 검토를 위해 광주과학기술원(애플과의 DC Flex 협업)과 에넬엑스(DR 프로그램) 등과도 협력한다.

 

해수냉각으로 냉각전력 절감, 수중DC 개발 착수

한택희 KIOST 책임연구원은 ‘탄소저감을 위한 ‘수중 DC’ 실증모델 개발’을 주제로 발표했다.

 

KIOST은 해수 냉각기술을 활용한 수중데이터센터 실증모델 개발 및 실증사업에 착수했다. KIOST가 주관하며 울산광역시와 포스코, GS건설, LS일렉트릭 등 16개 기관이 컨소시엄으로 참여한다.

 

연구 최종 목표는 설치 수심 20m 이상, 800kW 단위 모듈 실증, PUE 1.2 이하의 해수 열교환 냉각기술 개발, 전력용량 20MW 이상의 하이퍼스케일 데이터센터 설계다.

 

한 책임연구원은 “데이터센터 소비전력 중 냉각에 들어가는 비중이 20~40%에 이르는데 해수를 이용한 냉각을 적용하면 이 전력을 아예 쓰지 않을 수 있다”고 설명했다.

 

실증모델은 데이터센터 Pod 3기와 변전/배전 Pod 1기로 구성된 모듈 형태로 변전/배전 Pod에서 각 데이터센터 Pod로 송전한다. Pod는 내해수강 재질의 원통형 내압 실린더로 직경 3.5m, 길이 10m, 설계 수심 20~30m이며 내부는 질소를 충전해 부식과 산화를 차단한다. 기초는 연약지반인 테스트베드 특성을 고려해 템플릿을 활용한 석션 버킷 기초 방식을 채택했으며 구조물은 부산 감천에서 제작한 뒤 바지선과 해상크레인으로 설치한다.

 

한 책임연구원은 “해양구조물의 사용 수명은 25년이지만 서버는 6~7년 주기로 교체해야 하기 때문에 구조체와 해저 기초를 분리해 서버교체 시 구조물을 다시 끌어올릴 수 있는 방식으로 설계했다”고 밝혔다.

 

데이터센터 Pod 3기는 총 800kW(304kW×2기+192kW)로 구성되며 변전/배전 Pod에는 수중데이터센터용 일체형 배전시스템이 들어간다. 냉각은 콜드플레이트에서 CDU(냉각수분배장치)로 이어지는 액체냉각을 기본으로 하며 Pod 냉각수 열교환기 형상은 단일패스, 나선형, 다중패스 3종을 놓고 CFD 해석을 진행했다. 해수 평균 유속·온도 조건에서 방열량은 단일패스 187.1kW, 다중패스 244.7kW, 나선형 229.1kW로 나타났다.

 

한 책임연구원은 기존 해외사례와 차별점으로 “마이크로소프트나 중국의 선행 프로젝트는 해수를 직접 끌어들여 냉각하는 방식이어서 배관에 해양 부착생물이 붙어 막히는 문제가 있었다”라며 “이번 모델은 열교환기를 Pod 외벽 이중 격벽 사이에 배치해 해수가 구조체 표면을 따라 흐르며 열교환이 이뤄지도록 해 해수가 직접 유입되는 배관 자체가 없다”고 강조했다.

 

시스템은 완전 무인운영(Lights-out) 체계로 설계되며 냉각시스템 고장예측 정확도 98%를 목표로 한다. 디지털트윈기반 실시간 모니터링과 ROV·USV를 활용한 무인 유지보수체계도 함께 개발된다. 800kW급 모듈 25기를 묶어 20MW급 하이퍼스케일 단지로 확장하는 것이 목표이며 i-SMR·신재생에너지 연계 에너지 운영 개념도 함께 개발할 계획이다.

 

 

연구개발은 2026~2030년 5년에 걸쳐 진행된다. 2026~2028년에는 축소모형을 설계·제작해 실험을 수행하며 2029~2030년에는 그 결과를 반영해 실증모델을 제작·설계한 뒤 울산 테스트베드에 설치해 실해역 실증을 진행한다.

 

핵심성과지표는 △PUE 1.2 이하(육상대비 약 30% 절감) △WUE(물사용효율) 0, 부식률 연 0.03mm 이하 △고장예측 정확도 98% 등이다. 사업화는 △1단계(2026~2030년) 실해역 검증 및 특허 포트폴리오 구축 △2단계(2031~2035년) MW급 상용모델 스케일업 △3단계(2036년 이후) 해외 수출 확대 순으로 추진된다. 목표 시장규모는 2030년 기준 글로벌 DC시장 6920억달러, DC 냉각시장 450억달러로 제시됐다.

 

차세대 AI DC 액침냉각시스템 상용화

강민수 GST DCS개발팀 상무는 ‘차세대 AI DC 적용을 위한 액침냉각시스템 개발 및 상용화’을 주제로 발표했다.

 

반도체 유틸리티장비 전문기업 GST는 차세대 AI DC에 적용할 액침냉각시스템을 개발해 상용화를 준비하고 있다. GST는 반도체 공정용 스크러버·칠러시스템에서 축적한 정밀제어기술을 기반으로 DC냉각분야로 사업을 확장하고 있다. 2025년 매출은 3,370억원, 임직원은 1,400명 이상이며 9개 해외법인을 두고 있다.

 

AI 서버 랙 전력밀도가 기존 10~20kW에서 100kW 이상으로 늘어나면서 냉각방식도 공랭에서 직접액체냉각(DLC), 액침냉각으로 진화하는 추세다. GST는 랙당 600kW 이상 구간에서 액침냉각이 필요하다고 보고 이 기술을 개발 중이다.

 

핵심기술은 균일유동, 열전달성능, 유지보수, 확장성 등 4개 영역에서 개발됐다. 중앙대와 협업해 탱크 내 유체 흐름과 매니폴드 포트 직경에 따른 냉각성능을 실험·시뮬레이션으로 검증했으며 공랭식서버를 액침용으로 개조했을 때 CPU 위치별 온도편차가 발생하는 현상도 확인했다. 냉각유체는 OCP 기준 지표로 하이드로카본·불소계·실리콘·에스터오일 등을 비교했다.

 

강 상무는 “유체선택은 가격, 환경 영향, 안정성, 편의성에 따라 달라지는 것이지 되고 안 되고의 문제는 아니다”라며 “저발열 서버엔 탄화수소계를, 고발열 서버엔 불소계를 쓰는 방향을 검토 중”이라고 설명했다.

 

유지보수 측면에서는 서버를 위로 빼는 대신 탱크째로 앞으로 인출하는 구조를 채택했다. 유체를 버퍼탱크로 회수한 뒤 빈 탱크만 별도 이동수단으로 옮겨 유지보수하는 방식이다. 확장성은 액침탱크 단위로만 증설하며 탱크별 개별제어로 이상발생 시 해당 탱크만 멈춰 세우도록 설계했다.

 

GST는 냉각용량 640kW, 전력용량 800kW 규모의 자체 테스트베드에서 DLC와 액침냉각을 함께 평가하고 있으며 차세대 데이터센터 액침냉각 실증사업과 성균관대 슈퍼컴퓨팅센터 협력, LG유플러스·GS칼텍스 쇼룸 검증 등 PoC를 진행 중이다.

 

상용화의 최대 걸림돌로는 GPU제조사의 보증문제를 꼽았다. 침수환경에서 사용하면 엔비디아 GPU보증이 무효화될 수 있어서다.

 

 

강 상무는 “보증이 없더라도 자체검증으로 온도·성능·신뢰성을 정량적으로 확인하면 리스크를 최소화한 단계적 도입이 가능하다”라며 “GST는 이를 직접 증명하기 위해 H200 GPU 2개(총 5kW급)를 탑재한 서버를 8억원에 구매해 7월 중 액침냉각으로 직접 운영에 들어갈 계획”이라고 밝혔다.

 

이어 “친환경 데이터센터의 핵심은 결국 에너지를 얼마나 적게 쓰느냐에 있다”라며 “국산 액침냉각장비의 공공실증사업 참여 확대와 국내 대기업과의 협력이 필요하다”고 강조했다.

 

GST는 올해 11월 전시회에서 컨셉트 장비를 공개하며 내년 1월경 DLC 장비도 출시할 계획이다.

 

TIM 제거 DLC·2상 액침냉각 개발

김진섭 한국기계연구원 책임연구원은 ‘DC 액체냉각과 폐열활용기술’을 주제로 액침과 DLC를 아우르는 액체냉각기술 동향과 향후 R&D 방향, 냉각 후 발생하는 열을 재활용하는 폐열활용 기술을 소개했다.

 

DLC 기술은 칩과 냉각수 사이 열계면물질(TIM)을 줄이는 방향으로 발전하고 있다. 리드 위 콜드플레이트는 TIM2가 필요하지만 현실성이 매우 높고 리드를 제거한 다이렉트-투-다이 콜드플레이트는 TIM 제거가 부분적으로 가능하다. 콜드플레이트를 다이에 금속으로 직접 접합하는 방식은 이론상 TIM을 완전히 없앨 수 있지만 실리콘과 구리의 열팽창계수(CTE) 미스매치로 계면 손상 위험이 있어 재작업성 측면에서 현실성은 낮음~중간 수준으로 평가된다. 다이 이면에 마이크로채널을 임베드하는 방식은 TIM 제거 가능성과 성능이 가장 높지만 공정 난이도가 높은 중장기 과제다.

 

이 밖에 차압을 낮춘 매니폴드 마이크로채널(KAIST 김성진 교수팀), 열제거 성능 3배·칩 온도 65% 감소를 얻은 마이크로소프트의 마이크로플루이딕 냉각, 열전도도 300~800 W/mK의 다이아몬드 복합소재 히트스프레더 등이 최근 연구되고 있다.

 

한국기계연구원은 신성엔지니어링이 주관하는 DLC시스템 개발 과제를 2026년 4월부터 2029년 12월까지 수행한다. 11개 기관이 참여하며 총사업비는 192억원이다. 300kW/랙 이상 대응을 목표로 신축용 2상 DLC는 TDP 3kW급에서 PUE 1.0x대를, 기축 리트로핏용 단상 DLC는 TDP 1.4kW급에서 PUE 1.1x대를 목표로 한화 데이터센터에서 실증한다.

 

김 책임연구원은 “미국은 이미 단상과 2상 연구를 모두 끝낸 상태라 순차적으로 갈 시간이 없어 2상 기술에 더 무게를 두기로 했다"고 말했다.

 

선행연구에서는 2.5×2.5㎠ 소형칩에 냉매를 적용한 플로우보일링실험으로 50℃ 포화온도에서 단위면적당 열저항 0.31 K/W를 확인했다. 5×5㎠ GPU칩 적용 시 0.012 K/W로 예측돼 콜드플레이트 목표 열저항 0.01 K/W의 타당성을 확인했다. 목표하는 2상 DLC는 기존 단상방식(열유속 70W/㎠, 차압 100kPa)대비 열유속 100W/㎠ 이상, 차압 50kPa 수준으로 개선하는 것이 목표다. 

 

액침냉각 작동유체는 광유보다 합성탄화수소·에스테르계로 무게중심이 이동하고 있으며 불소계는 성능은 우수하나 PFAS 규제·공급 리스크 관리가 핵심과제다. 2상 액침용으로는 3M의 PFAS사업 철수로 대체 수요가 급증하는 가운데 Chemours의 Opteon 2P50과 Daikin의 DAISAVE SS-49가 유력한 후보로 거론됐다.

 

폐열활용에서는 액체냉각의 배출 열 온도가 50℃ 이상으로 지역난방, 흡착식 냉방, ORC 발전 등에 활용할 수 있다. 실제로 메타의 덴마크 오덴세 데이터센터는 연간 100TWh 규모 열을 지역난방에 공급하고 있다.

 

한국기계연구원은 삼화에이스(수요기업 LG CNS) 주관 ‘액침냉각 이용 데이터센터 열관리 초고효율화 기술 개발 및 실증’과제를 2024년 4월부터 2028년 3월까지 수행 중이다. 18개 기관이 참여하며 총사업비는 231억원이다.

 

액침냉각 서버랙 모듈 개발(1세부), 흡착식 히트펌프 시스템 개발(2세부), 통합 실증(3세부)으로 구성되며 랙당 34kW급 액침냉각 탱크 6기(총 200kW)를 냉각탑·흡착식 히트펌프와 연계한다.

 

 

김 책임연구원은 ”데이터센터는 1년 내내 가동되는 만큼 겨울에는 난방, 여름에는 냉방에 활용하는 것이 과제 컨셉“이라고 밝혔다.

 

최종 실증은 LG CNS 부산 글로벌 클라우드 데이터센터에서 진행되며 목표는 PUE를 1.55에서 1.06으로 낮추는 것으로 200kW 이상 서버-랙 규모, 2000시간 이상 실증할 계획이다.