AI기술 확산과 AI작업, HPC 수요 급증으로 고성능 IT장비를 갖춘 데이터센터(DC)시장이 확대되며 DC 냉각솔루션도 주목받고 있다. DC냉각은 최근 고성능‧고발열 GPU의 발열을 효율적으로 처리하기 위해 공랭식에서 수랭식으로 전환되는 추세이다.

 

조진균 한밭대 교수는 국내를 대표하는 DC냉각 및 에너지효율분야 전문가로서 AI시대 초고밀도 DC용 차세대 냉각기술 및 에너지최적화 연구를 주도하고 있다.

 

특히 △한국에너지기술평가원 △과학기술정보통신부 △한국연구재단 등의 지원을 받아 △직접액체냉각(DLC) △액침냉각 △초고밀도 GPU DC냉각 △폐열회수 △탄소중립형 DC 운영 등 차세대 핵심기술 연구를 수행하며 국내 DC냉각과 에너지효율 기술고도화를 선도한다.

 

최근에는 △DLC시스템 개발과제 △액침냉각기반 초고효율 열관리 실증과제수행 △초고밀도 AI DC용 수랭식 냉각시스템·폐열활용기술 개발 △LG전자 등과 산·학협력 DC냉각솔루션·에너지절감기술 상용화 연구 등 활발한 연구활동을 펼치고 있다.

 

조진균 교수를 만나 차세대 DLC 냉각액시장 동향 및 전망에 대해 들어봤다.

 

■ 최근 공랭식에서 DLC로 전환의 의미는

데이터센터 냉각이 공랭식에서 수냉식으로 전환되는 가장 본질적인 이유는 결국 AI시대의 고집적·고발열 컴퓨팅 환경을 기존 공기 기반 냉각만으로는 더 이상 효율적으로 감당하기 어려워졌기 때문이다. 과거 데이터센터는 상대적으로 발열밀도가 낮은 범용 서버 중심이었기 때문에 공기를 이용한 냉각만으로도 충분히 대응이 가능했다.

 

그러나 최근 GPU 기반 AI 서버가 급격히 확산되면서 랙 단위 전력밀도가 과거 5~10kW 수준에서 50~100kW 이상으로 증가하고 있으며 일부 차세대 AI 클러스터는 그 이상도 요구하고 있다. 이러한 환경에서는 공기의 낮은 비열과 열전달 성능만으로는 안정적인 냉각에 한계가 발생한다.

 

특히 공랭식은 높은 발열을 제거하기 위해 더 많은 풍량과 더 낮은 공급온도를 요구하게 되는데 이는 팬 전력 증가와 냉동기 부하 증가로 이어져 데이터센터 전체 에너지효율(PUE)을 악화시키는 원인이 된다.

 

반면 액체는 공기에 비해 훨씬 높은 열용량과 열전달 성능을 가지기 때문에 동일한 열을 훨씬 적은 유량과 에너지로 제거할 수 있다. 즉 수냉식은 단순히 새로운 냉각 방식이라기보다 고발열 시대에 대응하기 위한 열관리 패러다임의 전환이라고 보는 것이 적절하다.

 

또 하나 중요한 변화는 데이터센터 냉각의 목표가 단순 냉각을 넘어 에너지 최적화와 지속가능성 중심으로 이동하고 있다는 점이다. 글로벌 빅테크기업들은 전력 사용량과 탄소배출 저감을 핵심 과제로 보고 있다. 이를 위해 냉동기 사용을 최소화하거나 제거하는 전략 그리고 폐열 이용까지 확대하고 있다. 수냉식은 상대적으로 높은 냉(각)수 온도에서도 안정적인 냉각이 가능하기 때문에 프리쿨링 활용 범위를 넓히고 폐열회수 가능성까지 제공한다. 결국 이는 냉각기술 변화라기보다 데이터센터 인프라 전체가 AI·에너지·탄소중립 시대에 맞춰 재구성되는 과정이라고 할 수 있다.

 

다만 향후 시장은 공랭식이 완전히 사라지는 방향이라기보다는 서버 발열밀도와 용도에 따라 공랭과 액냉이 공존하는 하이브리드 구조로 발전할 가능성이 높다. 즉 수냉식은 특정 기술의 유행이라기보다 AI 중심 데이터센터 시대에서 필연적으로 등장한 인프라 진화의 결과라고 판단된다.

 

■ 리퀴드쿨링 확산에서 냉각유체가 갖는 의미는

수냉식에서 냉각유체는 단순한 냉매 이상의 의미를 가진다. 냉각유체는 서버와 칩에서 발생한 열을 직접 흡수하고 이동시키는 핵심 열전달 매체로써 시스템의 냉각성능과 에너지효율, 안정성을 결정하는 가장 기본적인 요소라고 할 수 있다.

 

특히 액체는 공기에 비해 열용량과 열전달 성능이 매우 높기 때문에 고발열 AI서버의 열을 보다 효율적으로 제거할 수 있으며 이것이 수냉식 확산의 가장 중요한 기반이 되고 있다. 냉각 관점에서 보면 냉각유체는 단순히 차갑게 만드는 역할이 아니라 얼마나 안정적으로 열을 흡수하고 운반하며 방출할 수 있는지가 핵심이다.

 

이에 따라 비열, 열전도도, 점도, 전기절연성, 재료 안정성 등이 매우 중요하며 어떤 냉각유체를 사용하느냐에 따라 시스템 구조와 운전온도, 유지관리방식까지 달라질 수 있다. 특히 최근에는 단순 냉각성능뿐만 아니라 고온 운전 기반의 에너지절감, 장기 신뢰성, 친환경성까지 함께 고려되면서 냉각유체가 수냉식 기술경쟁력의 핵심 요소로 부상하고 있다.

 

■ 냉각액 선택 시 가장 중요한 성능지표는

냉각유체 선택에서 가장 중요한 성능지표는 결국 얼마나 효율적이고 안정적으로 열을 전달할 수 있는가이다. 첫째, 비열(Specific Heat Capacity)은 얼마나 많은 열을 흡수할 수 있는지 결정하는 가장 기본적인 지표이며 둘째, 열전도도(Thermal Conductivity)는 열을 얼마나 빠르게 전달할 수 있는지 평가하는 요소가 될 것이다.

 

또한 점도(Viscosity)는 유체 흐름성과 이송 에너지에 영향을 주며 시스템 효율과 직결된다. 특히 전기절연성(Electrical Insulation)은 액침냉각에서 서버 안정성을 위해 매우 중요한 요소다. 마지막으로 배관·CDU·서버 소재와의 장기 신뢰성 확보와 산화, 열화, 오염 가능성 등 운영 안정성이 주요 고려 대상이다.

 

■ 냉각액 관점에서 D2C와 액침냉각의 차이는

가장 큰 차이는 냉각유체의 전기적 특성과 냉각대상에 있다. D2C는 냉각유체가 콜드플레이트 내부에만 흘러 주로 물기반 냉각액을 사용하기 때문에 유체의 높은 비열과 우수한 열전달 성능으로 효율적인 냉각이 가능하다.

 

반면 액침냉각은 서버전체가 유체에 잠기기 때문에 유체가 전기절연성을 띠어야 한다. 이에 따라 절연유가 사용되며 유체의 절연성 저하 및 화학적 열화가 발생하면 시스템장애로 이어질 수 있다.

 

또한 △플라스틱 △고무 △PCB △실링재 등 다양한 소재와 장기간 접촉하므로 재료호환성과 산화안정성이 유체의 필수성질이며 특히 교체 및 유지관리비용을 고려한 장기간 안정적인 사용가능성이 실제 DC운영에서 중요하게 고려된다.

 

 

■ 향후 D2C와 액침냉각시장 전망은

각 대상인 GPU와 AI서버가 무엇을 요구하느냐에 따라 결정될 가능성이 크다. 현재 대부분의 AI GPU는 우선적으로 매우 높은 열밀도를 안정적으로 제거할 수 있는 냉각 성능을 요구하고 있으며 이에 가장 현실적으로 대응하고 있는 방식이 D2C다. 기존 서버 구조와의 호환성이 높고 고발열 칩만 직접 냉각할 수 있기 때문에 현재 시장에서는 D2C가 가장 빠르게 확산되고 있다.

 

반면 향후 GPU 전력밀도가 더욱 증가하고 메모리·전원부·네트워크까지 포함한 시스템 전체 발열 관리가 중요해질 경우에는 액침냉각의 필요성이 커질 가능성이 있다.

 

특히 초고밀도 AI 클러스터에서는 공기 자체를 제거하고 서버 전체를 균일하게 냉각할 수 있는 액침냉각이 유리할 수 있다. 핵심은 어떤 냉각방식이 더 우수한가가 아니라 차세대 GPU와 AI시스템이 요구하는 열설계 조건(TDP, 열밀도, 안정성, 전력효율)을 어떤 방식이 가장 효과적으로 만족시킬 수 있느냐에 달려 있다고 본다.

 

현재는 D2C 중심으로 시장이 확대되고 있지만 장기적으로는 GPU의 발열 진화방향에 따라 액침냉각 비중도 함께 증가할 가능성이 높다.

 

■ D2C에서 PG기반 냉각액이 흔히 쓰이는 이유와 한계는

물 기반 냉각의 높은 열성능을 유지하면서도 배관 안정성을 동시에 확보할 수 있기 때문이다. 또한 PG는 상대적으로 독성이 낮고 산업용 냉각시스템에서 오랜 기간 사용돼 검증된 유체라는 장점이 있다. 데이터센터 냉각유체 시스템은 장기간 순환 운전되기 때문에 단순 열성능뿐만 아니라 부식 억제, 재료 안정성, 운전 신뢰성이 매우 중요하다. PG 혼합액은 이러한 측면에서 비교적 안정적인 솔루션으로 자리잡고 있다.

 

반면 물 기반 유체 특성상 세균·미생물 번식 가능성이 존재하며 이에 따른 바이오필름 형성이나 오염 문제가 발생할 수 있다. 이는 열교환 성능 저하와 배관 오염, 유지관리 문제로 이어질 수 있기 때문에 지속적인 수질관리와 첨가제 관리가 필요하다.

 

■ PG 냉각액에서 가장 큰 운영 리스크는 무엇인가

대표적으로는 세균·미생물 증식에 의한 바이오필름 형성, 첨가제 성능 저하에 따른 부식 발생, 그리고 장기 운전 중 유체열화로 인한 오염 문제가 핵심이다. 이러한 문제는 열교환 성능 저하와 배관·CDU 오염, 펌프 효율 저하로 이어질 수 있다. 즉 PG 냉각액은 초기 성능보다도 얼마나 안정적으로 관리되느냐가 실제 운영 안정성을 좌우하는 냉각유체라고 할 수 있다.

 

■ 현장에서 가장 우려되는 불순물 문제는

대표적으로 현장에서 가장 치명적인 불순물은 △금속입자 △미생물·바이오필름 △화학적분해 부산물 등이다. 특히 금속부식에 의해 발생하는 미세금속입자는 콜드플레이트나 미세유로(Microchannel)를 막아 국부적인 냉각성능저하를 유발한다. 따라서 PG 냉각액은 초기성능보다도 안정적 유지관리가 실제 운영안정성을 좌우하는 냉각유체라 할 수 있다.

 

■ 액침냉각에서 유체 선택이 시스템성능과 신뢰성에 미치는 영향은

액침냉각에서는 냉각유체 자체가 서버와 전자부품에 직접 접촉하기 때문에 유체 선택이 곧 시스템성능과 신뢰성을 결정한다고 볼 수 있다.

 

하지만 액침냉각에서는 단순 냉각성능보다도 전기절연성과 장기 안정성이 더욱 중요하다. 유체가 전자부품과 직접 접촉하기 때문에 절연성 저하나 화학적 열화가 발생하면 시스템장애로 이어질 수 있다.

 

또한 플라스틱, 고무, PCB, 실링재 등 다양한 소재와 장기간 접촉하므로 재료 호환성과 산화 안정성도 핵심 요소다. 특히 액침유체는 교체비용과 유지관리비용이 매우 크기 때문에 초기 성능보다 수년간 얼마나 안정적으로 특성을 유지할 수 있는가가 실제 데이터센터 운영에서는 더 중요하게 평가된다.

 

■ 향후 액침냉각시장동향을 전망한다면

운영안정성과 인프라적용성을 고려할 때 장기적으로는 현재 기준에서 단상(Single-Phase) 액침냉각이 주로 쓰일 것으로 전망된다.

 

2상(Two-Phase) 액침냉각은 증발 및 응축기반의 복잡한 시스템제어가 필요하며 △유체 손실관리 △밀폐성 △유지관리 △장기신뢰성 등의 측면에서 개선이 필요하다. 또한 일부유체에는 환경규제와 비용문제도 함께 고려돼야 한다.

 

결국 시장은 단기적으로는 D2C냉각 중심으로, 액침냉각분야는 단상중심으로 확대될 가능성이 크다. 향후 GPU 발열밀도 상승에 따라 초고밀도영역에서 2상액침의 선택적 확대가능성이 크다고 본다.