AI 가속기의 발열량과 데이터센터 랙밀도가 급격히 높아지는 가운데 300kW/랙 이상 고밀도 AI데이터센터에 대응하기 위한 국산 직접액체냉각(DLC: Direct Liquid Cooling)시스템 개발이 본격화된다.

 

신축 데이터센터에는 2상 콜드플레이트와 2MW급 인로우(In-row) CDU를 적용하고 기존 데이터센터에는 단상 콜드플레이트와 100kW급 인랙(In-rack) CDU, 후면도어 열교환기(RDHx)를 적용하는 방식이다. 콜드플레이트와 CDU뿐만 아니라 열교환기, 매니폴드, 냉매펌프, 드라이쿨러, 센서, 통합제어 및 성능평가·표준화까지 DLC 전주기 기술을 확보한다는 방침이다.

 

신성엔지니어링은 기후에너지환경부와 한국에너지기술평가원이 추진하는 ‘에너지수요관리핵심기술개발사업-에너지효율혁신기술개발’의 일환으로 ‘데이터센터 전력소비 절감을 위한 직접액체냉각시스템 개발’ 과제를 수행한다고 밝혔다.

 

연구기간은 2026년 4월1일부터 2029년 12월31일까지 총 3년9개월이며 총사업비는 192억4,000만원이다. 이중 정부출연금은 130억원, 민간부담금은 62억4,000만원이다.

 

 

11개 기관 참여… DLC 전주기 기술 확보

신성엔지니어링이 총괄주관하는 컨소시엄에는 △매니코어소프트 △한국기계연구원 △한국생산기술연구원 △한국전자기술연구원 △고려대학교 △전북대학교 △국립한밭대학교 △광주과학기술원 △한국데이터센터에너지효율협회 △한화 등 11개 기관이 참여한다.

 

신성엔지니어링은 DLC 냉각시스템 통합설계와 인로우·인랙 CDU, 드라이쿨러 개발을 총괄한다. 참여기관들은 단상·2상 콜드플레이트, 열교환기와 매니폴드, 냉매펌프, 서버랙, 열유동해석, 성능평가, 제어알고리즘, 표준화 및 비즈니스모델 개발을 분담한다.

 

컨소시움은 2026년 요소기술 설계와 제작을 시작으로 2027년 시제품 제작 및 성능시험, 2028년 시스템 통합과 실증사이트 구축, 2029년 현장 실증과 성능·경제성평가를 진행할 계획이다.

 

AI 학습·추론 수요 증가로 GPU·TPU·NPU 등 고성능 프로세서 적용이 확대되면서 데이터센터의 전력밀도와 발열밀도도 함께 상승하고 있다. 컨소시엄은 기존 공기냉각방식이 고밀도 서버의 핫스팟과 고부하 열원을 처리하는 데 한계가 있으며 냉각이 충분하지 않을 경우 써멀 스로틀링에 따른 성능저하와 하드웨어 수명단축이 발생할 수 있다고 진단했다.

 

이에 따라 기존 공랭식 데이터센터를 위한 단상 DLC와 300kW/랙 이상 신축 AI 데이터센터를 위한 2상 DLC를 동시에 개발해 데이터센터 유형과 랙밀도에 따라 적용할 수 있는 냉각 라인업을 구축한다.

 

 

신축 300kW/랙 ‘2상’·기축 100kW/랙 ‘단상’

과제의 최종목표는 300kW/랙 이상 고밀도 AI데이터센터에 대응할 DLC기술을 개발하고 실제 데이터센터에서 성능을 검증하는 것이다.

 

신축 데이터센터용 2상 DLC시스템은 열설계전력(TDP) 3kW급 칩과 300kW/랙 이상을 처리하며 PUE 1.0x 달성을 목표로 한다. 2상 콜드플레이트와 2MW급 인로우 CDU를 통합하고 외기 열배출설비로 350kW급 드라이쿨러를 적용한다.

 

기존 데이터센터 리트로핏용 단상 DLC시스템은 TDP 1.4kW급 칩과 100kW/랙급 부하를 처리하며 PUE 1.1x를 목표로 개발된다. 단상 콜드플레이트, 인랙 CDU, RDHx를 결합해 기존 공랭식 데이터센터의 설비와 공간구조를 최대한 활용하도록 설계한다.

 

컨소시움은 GPU·NPU·CPU 이외 메모리, 전원장치 등에서 발생하는 추가 발열을 고려해 IT부하보다 약 20% 높은 열부하에도 대응할 수 있는 사업화 수준의 장비를 개발할 계획이다.

 

핵심 정량목표로 2상 콜드플레이트 열저항 0.01K/W, 단상 콜드플레이트 열저항 0.02K/W, 인로우 CDU 열용량 2MW급, 인랙 CDU 열용량 100kW급, 단상·2상 매니폴드 유량분배 균일도 ±5% 이내 등이 제시됐다.

 

제트충돌·마이크로핀 결합 단상 콜드플레이트

단상 콜드플레이트는 제트충돌냉각(Jet Impingement)과 마이크로핀을 결합한 하이브리드 구조로 개발된다. 기존 단일 유로형 콜드플레이트는 수동적인 유량분배구조로 인해 칩의 특정 부분에서 발생하는 핫스팟을 능동적으로 제어하기 어렵고 냉각성능을 높일수록 압력손실이 증가할 수 있다.

 

컨소시움은 냉각유체를 칩 표면에 직접 분사하는 제트충돌방식을 적용해 국부 열전달성능을 높이고 마이크로핀을 통해 열전달면적과 온도균일성을 확보할 계획이다. 이를 통해 칩 표면의 온도편차를 기존대비 최대 50% 줄이고 유로 내 압력손실도 최소화한다는 방침이다.

또한 유량을 각 발열부에 최적으로 분배할 수 있는 듀얼 냉각구조를 적용해 기존 0.04~0.07K/W 수준인 콜드플레이트 열저항을 최대 0.02K/W까지 낮추는 것을 목표로 한다.

 

테슬라밸브·마이크로필러 적용 2상 콜드플레이트

2상 콜드플레이트는 냉매의 상변화를 이용해 높은 열유속을 처리하지만 증기발생에 따른 유동역류와 드라이아웃(Dry-out), 임계열유속(CHF) 저하를 해결해야 한다.

 

컨소시움은 콜드플레이트 채널 상류에 테슬라 체크밸브 구조를 적용해 증기 역류를 억제하고 하류에는 마이크로필러 구조를 배치한다. 마이크로필러의 모세관현상을 이용해 액막을 유지하고 냉매가 마른 표면을 다시 적시는 재젖음(Rewetting) 성능을 높이는 방식이다.

 

이를 통해 2상 유동의 불안정성을 줄이고 칩 표면의 드라이아웃을 억제해 열유속 100W/cm² 이상, 열저항 0.01K/W 이하의 성능을 확보할 계획이다. 실험실 수준의 마이크로스케일 열전달기술을 랙과 데이터센터 단위의 매크로시스템으로 확대해 현장에서 검증하는 것이 핵심이다.

 

2MW급 CDU·AI기반 유량제어 개발

고밀도 AI 데이터센터에 적용되는 인로우 CDU는 최대 2MW급 열용량으로 개발된다. 기존 수백kW급 CDU에서 주로 사용하는 액체-액체 판형열교환기와 정유량 제어방식을 넘어 2상 작동유체의 기체-액체 열교환특성을 반영한 새로운 열교환기와 매니폴드 구조를 설계한다.

 

6~10개 랙에 냉매를 공급할 때 각 분기유량의 편차를 ±5% 이내로 유지하고 랙별 부하변화에 따라 냉매 순환량을 조절할 수 있도록 AI기반 분배제어시스템도 개발한다.

 

CDU 냉매펌프는 모터와 펌프의 운전특성, 압력·유량, 압력손실 및 소비전력을 통합해 특성맵을 구축한다. 실제 운전데이터를 기반으로 펌프의 주요 제어파라미터를 조정하고 변동부하에 대응하는 예측알고리즘을 적용해 불필요한 순환동력을 줄일 계획이다.

 

2상 냉매에서 발생할 수 있는 플래시가스에 대응하기 위한 펌프유량 안정화, 서버 추가증설에 따른 냉매 자동봉입, 열원과 펌프 이중화 운전로직 등 실제 데이터센터 운영에 필요한 기술도 개발대상에 포함됐다.

 

리트로핏용 인랙 CDU에는 N+1 구성의 펌프를 적용하며 액체-공기형(L2A)과 액체-액체형(L2L)을 모두 개발한다. RDHx가 처리하는 잔여열과 콜드플레이트가 제거하는 칩 발열을 통합해 기존 데이터센터의 공조설비 부하를 줄인다.

 

누설과 냉각수 오염에 대응하기 위해 누수, pH, 전도도, 탁도(NTU)를 감지하는 센서와 제어시스템도 개발한다.

 

영등포 10MW급 현장서 실증

개발된 DLC시스템은 한화가 수요기업으로 참여하는 서울 영등포구 소재 10MW급 데이터센터에서 검증될 예정이다. 실증대상 건물은 연면적 9,733m², 지상 10층·지하 4층 규모이며 공기냉각과 DLC를 함께 적용한다.

 

신축형 2상 DLC는 발열모사장치인 TTV(Thermal Test Vehicle)를 이용해 300kW/랙 조건으로 시험한다. 기축형 단상 DLC는 실제 NPU 서버를 이용해 100kW/랙 리트로핏 성능을 검증한다.

 

실증은 하절기인 8월을 포함해 6개월 이상 진행되며 총 운전시간은 1,000시간 이상이다. 부하율 25%, 50%, 75%, 100%와 하절기·동절기·간절기 조건을 조합한 총 12개 운전케이스를 평가한다.

 

운전 및 성능평가에는 ASHRAE Standard 90.4의 MLC 기준과 JEDEC 기준을 적용한다. PUE뿐만 아니라 TUE와 MLC 등 냉각시스템 성능지표를 산출하고 기존 공랭식 냉각과의 에너지사용량을 비교한다.

 

컨소시움은 ISO·IEC 및 ASHRAE 표준을 바탕으로 DLC 인증·평가항목을 도출하고 ISO/IEC JTC1/SC39의 액체냉각 관련 표준을 참고해 국내 DLC 성능평가 표준안도 마련할 계획이다.

 

40MW DC기준 연간 169.9GWh 절감 전망

컨소시움은 IT용량 40MW 데이터센터를 기준으로 DLC 적용에 따른 에너지·경제성효과도 제시했다. 실제 성능과 경제성은 2029년까지 진행되는 시제품시험과 데이터센터 현장실증을 통해 최종 검증될 예정이다.

 

글로벌 평균수준으로 제시한 PUE 1.54의 경우 데이터센터 총 수전용량은 61.6MW, 연간 전력사용량은 53만9,616MWh로 산정됐다. 이를 PUE 1.0x 수준의 DLC시스템으로 전환하면 총 수전용량은 42.2MW, 연간 전력사용량은 36만9,672MWh로 줄어든다.

 

이에 따라 연간 전력사용량을 최대 약 169.9GWh 줄이고 연간 전기요금을 약 341억원 절감할 수 있을 것으로 추산했다. 연간 탄소배출량도 24만7,899tCO₂e에서 16만9,827tCO₂e로 약 7만8,000tCO₂e 감소할 것으로 분석했다.

 

공랭식 냉각설비가 차지하는 기계실과 공조공간도 줄어들 전망이다. 컨소시움은 기존 공랭식시스템과 비교해 2상 DLC는 약 95% 이상, 단상 DLC는 약 90% 이상의 냉각설비 공간절감이 가능할 것으로 예상했다.

 

컨소시움은 콜드플레이트, 서버·랙, CDU 및 통합제어기술의 국산화를 통해 수입의존도를 낮추고 리트로핏 패키지와 2상 DLC시스템을 국내외 데이터센터시장에 공급한다는 계획이다.

 

신성엔지니어링의 관계자는 “고밀도 DC 액체냉각 신규산업 창출 및 신규 일자리 창출, 데이터센터 전력 인프라 투자에 따른 지역경제 활성화와 2상 DLC시스템 적용에 따른 공랭식대비 약95% 이상의 공간절감 효과, 연간운영비, 탄소배출량 감소가 기대된다”라며 “고부가가치 쿨링산업 육성 및 수입의존형 기술의 국산화를 통한 매출 증대, 리트로핏 패키지를 통한 데이터센터 전환비용 절감과 신규 매출 창출, 글로벌 장비기업과 파트너십 확보 등이 기대된다”고 밝혔다.