데이터센터(DC) 열관리를 위한 액체냉각기술의 전력공급 방안으로 직류전원이 주목받고 있다.

 

'2016 OCP 코리아 테크데이'가 지난 8월21일 서울 삼성동 코엑스에서 개최됐다. 아셈볼룸 202호에서 진행된 'Cooling&'Power' 세션에서는 △직접액체냉각(DLC: Direct Liquid Cooling) 연결솔루션 △직류 전원공급솔루션 △냉각유체·냉매 개발 △직접칩냉각(D2C: Direct-to-Chip Cooling)·액침냉각 비교분석 등 AI·HPC 인프라 냉각 및 전력기술 현안이 폭넓게 다뤄졌다.

 

특히 최신 GPU세대에서 랙당 발열량과 전력밀도가 크게 늘면서 냉각수 배관을 연결하는 퀵 디스커넥트(QD)부터 전력공급방식, 냉각유체 등 데이터센터 인프라 전반의 기술전환이 진행되고 있음이 확인됐다.

 

AI·HPC 액체냉각 확대⋯ QD, 고유량·표준화로 진화

이영준 스토브리코리아 사업부장은 ‘AI 및 HPC 인프라를 위한 차세대 액체냉각 커넥티비티’를 주제로 발표하며 액체냉각시스템을 연결하는 QD(Quick Disconnect)의 역할과 기술개발 방향을 제시했다.

 

이 부장은 “GPU의 발열이 높아지면서 콜드플레이트, CDU, 냉각수 등을 활용한 액체냉각 중요성이 커지고 있다”라며 “GPU를 액체냉각시스템과 연결하기 위한 퀵 디스커넥트(QD)가 필요요소가 아닌 필수요소가 되고 있다”고 강조했다.

 

Blackwell 이전 세대 서버에서는 약 100set 수준의 QD가 사용됐지만 GB200·GB300에서는 약 250set까지 증가하며 중요성이 커졌다. QD는 액체를 사용하는 장비의 냉각수 라인을 연결하고 분리하는 역할을 한다.

 

DC에서는 △누수방지 △핫스왑 △빠른 유지보수 △신속한 설치 등이 중요하다. 이러한 요구에 대응해 QD를 분리했을 때 냉각수 유출을 최소화하는 논스필방식이 DC 주요기술로 활용되고 있다.

 

QD는 체결방식에 따라 핸드메이트(Hand Mate)와 블라인드메이트(Blind Mate)로 구분되며 핸드메이트는 사람이 직접 호스와 매니폴드를 체결·분리하는 방식으로 호환성이 높다. 그러나 호스 연결부가 누출부가 될 수 있으며 공간을 차지한다는 단점이 있다.

 

반면 블라인드메이트는 서버와 매니폴드를 결합할 때 QD가 자동 체결되는 방식으로 호스를 줄여 누출부와 설치공간을 줄이고 간단한 구조로 랙 설계가 가능한 것이 특징이다.

 

특히 AI·HPC 등 서버장비의 고집적화와 함께 Blackwell 세대 출시이후에는 블라인드메이트 방식의 적용이 확대되는 추세다. 이전에는 서버 외부로 호스가 연결된 핸드메이트 방식이 주로 사용됐다면 GB200부터는 GPU와 서버의 전력·발열밀도가 높아지고 랙 구성이 복잡해지면서 블라인드메이트 방식이 채택되고 있는 것으로 분석됐다.

 

이 부장은 “GB200부터는 전량 블라인드메이트 타입으로 전환됐다”라며 “기존처럼 서버 외부로 호스를 연결하는 방식에서 벗어나 서버 측에는 UQD를, 매니폴드 측에는 UQDB를 적용해 두 QD가 맞물리는 방식으로 냉각수 회로의 연결방식이 전환되고 있다“고 말했다.

 

블라인드메이트 방식에서는 서버와 랙 사이의 위치오차를 보정하는 것도 중요하다. 이에 따라 플로팅기능을 적용해 체결과정에서 발생하는 위치와 각도 차이를 보상하고 안정적인 연결을 확보하는 방향으로 기술이 발전하고 있다.

 

QD시장에서는 제품 간 호환성을 확보하기 위한 표준화도 주요 과제다. OCP표준 공개 이전에는 QD제조사와 서버제조사 마다 서로 다른 프로파일과 구성을 사용해 호환성이 부족했다. 이로 인해 공급망이 제한되고 가격차이가 발생했으며 QD 수요 증가에 따른 공급부족 문제도 나타났다. 이에 따라 범용호환이 가능한 규격을 마련하고 QD프로파일을 통일하는 방향으로 표준화가 진행되고 있다.

 

표준화 과정에서 UQD, UQDB, MQD 등 다양한 프로파일 개발도 병행되고 있다. QD간 상호호환을 위한 연결 테스트도 이뤄지고 있지만 제조사별 유량 차이 등으로 실제 적용 전 검증과 필요하며 버전업을 통한 관련 문제 개선과정도 필요하다.

 

QD의 적용범위 역시 서버를 넘어 네트워크장비로 확대되고 있다. 랙간 연결에서도 냉각효율과 연결속도를 높이고 설치면적(Footprint)을 줄이기 위한 요구가 커지면서 네트워크장비와 연계한 액체냉각 솔루션이 등장하고 있다. 또한 간접수랭식에서 직접수랭식으로 액체냉각방식이 확대되는 흐름도 함께 나타나고 있다.

 

이 부장은 “향후에는 다양한 유체들이 사용될 수 있기 때문에 QD를 선정할 때 유체의 종류와 유량, 온도, 압력 등을 고려해 크기와 모델을 선정해야 한다”라며 “QD 제조사를 선택할 때도 제품 포트폴리오와 관련 분야 경험, 생산능력, 문제해결능력 등을 함께 고려해야 한다”고 말했다.

 

AI GPU 고전력화…전원공급 방식 변화, Power Shelf로 대응

최경민 Avanced Energy 부장은 ‘AI DC용 ORV3 및 초고압직류송전(HVDC) 파워 소개’를 주제로 발표하며 AI DC의 전력밀도 증가에 따른 전원공급방식의 변화와 자사 전력솔루션을 소개했다.

 

최 부장은 “고사양 GPU가 사용되면서 높은 전력이 요구되고 있어 기존 레거시 형태의 GPU는 더 이상 사용하기 어렵다”라며 “AI GPU의 고전력화에 따라 기존 공통이중화전원(CRPS)·모듈형 공통이중화전원(MCRPS) 기반 전원공급 방식에도 변화가 필요하다”고 설명했다.

 

특히 AI서비스를 대규모로 운영하는 하이퍼스케일 DC를 중심으로 전원공급 구조의 변화가 빠르게 나타나고 있다. 최 부장은 DC의 효율기준 역시 기존 PUE 중심에서 적은 전력으로 얼마나 많은 토큰을 처리하는지를 보는 방향으로 바뀌고 있다고 강조했다.

 

AI GPU의 전력요구량 증가에 따라 DC 전원공급 전압도 높아질 것으로 전망된다. 기존 12V에서 OCP기반 48V로 높아진 데 이어 HVDC에서는 양전원(Bipolar) 400V급이 제시되고 있으며 엔비디아도 800V급 전원 아키텍처를 제시하고 있다. 향후에는 양전원 750V에서 1.5kV 수준까지도 고려될 수 있다.

 

전력을 전달하는 구조도 서버 내부 중심에서 Power Shelf를 활용한 방식으로 바뀌고 있다. 기존에는 PDU를 거쳐 서버 내부 PSU에서 전력을 변환하고 직류-직류(DC-DC) 변압기를 통해 필요한 전압으로 낮추는 방식이었다.

 

OCP기반 구조에서는 전원공급장치를 Power Shelf 형태로 구성해 서버와 분리하고 버스바를 통해 전력을 전달한다. ORv3에서는 Power Rack과 IT Rack을 나누는 사이드카시스템이 적용된다. Power Rack에는 PSU Shelf와 등이 들어가고 IT Rack에는 서버가 탑재되는 방식이다. V4에서는 이 구조에 HVDC를 적용해 Power Rack에서 IT Rack으로 고전압 전력을 전달하는 방식으로 발전한다.

 

이에 따라 Advanced Energy는 Power Shelf 제품군으로 전력밀도 증가에 대응하고있다. ORv3제품 △18kW △33kW △72kW급을 선보이고 있다. 세 제품 모두 피크 기준 97.8% 이상의 효율을 만족하며 18kW 제품은 3kW PSU 6개로 구성된다. HPR V1은 5.5kW PSU 6개를 적용한 33kW급, HPR V2는 12kW PSU 6개를 적용한 72kW급이다.

 

최 부장은 “33kW 제품은 18kW짜리 Shelf와 전체 규격은 같지만 전력용량은 83%가 늘어났다”라며 “동일한 공간에서 전력용량을 높이는 제품개발 방향으로 나아가고 있다”고 분석했다.

 

또한 HVDC기반 Power Shelf의 고출력화도 추진하고 있다. V4 Power Shelf는 양전원 400V 또는 800V급 전원을 입력받아 50V로 변환하는 100kW급으로 제시됐으며 160kW급 제품도 개발하고 있다. 엔비디아의 19인치 컴퓨팅·서버플랫폼에 대응하기 위해 19인치 리퀴드쿨링 타입 Power Shelf도 개발 중이다.

 

전력공급 안정성을 위한 솔루션도 함께 제시됐다. BBU는 PSU나 입력 전원에 문제가 발생했을 때 전력을 백업하며 HPR V2 기준 최대 출력에서 45초 이상의 백업시간을 확보하도록 구성된다. 또한 AI GPU의 순간적인 전력변동에 대응하기 위해 슈퍼커패시터기반 CBU와 DC-DC 모듈을 개발하고 있으며 PSU와 Power Shelf의 전압·전류·온도 등을 모니터링하고 제어할 수 있는 컨트롤러 옵션도 제공하고 있다.

 

최 부장은 “향후에는 SST(Solid State Transformer)를 활용한 고전압 전원공급 구조로 변할 것”이라며 “SST를 통해 중전압을 양전원 400V 또는 800V로 변환한 뒤 DC-DC Shelf를 거쳐 50V로 낮추고, 버스바를 통해 서버에 공급하는 방식으로 전환될 것”이라고 전망했다.

 

고유량 QD·콜드플레이트 활용 냉각솔루션 제시
액체냉각으로 전환하는 움직임이 확대되면서 냉각수의 흐름을 제어하는 QD와 호스, 랙 매니폴드부터 GPU의 열을 직접 제거하는 콜드플레이트까지 액체냉각을 구성하는 핵심부품의 성능과 신뢰성도 중요해지고 있다.

 

김진백 CEJN코리아 대표는 ‘AI DC 리퀴드쿨링기술과 Quick Disconnect(QD) 커플링의 최신 동향’을 주제로 발표하며 액체냉각시스템에 적용되는 QD기술과 시장변화를 소개했다.

 

CEJN은 스웨덴에 본사를 두고 항공·조선해양·고압 유압 등 다양한 산업에 퀵커플링솔루션을 공급해 왔으며 액체냉각분야로 사업영역을 확대하고 있다. DC분야에서는 서버 랙과 CDU, 콜드플레이트 등을 연결하는 QD와 호스, 커플링 등을 주요 제품으로 제시했다.

 

QD는 액체냉각시스템에서 냉각라인을 연결·분리하는 부품으로 충분한 유량을 확보하면서 연결·분리과정에서 누유를 방지하는 것이 중요하다. CEJN은 액체냉각용 QD와 블라인드메이트기능을 적용한 제품으로 DC섀시의 랙 출입과정에서도 냉각라인을 연결·분리할 수 있도록 했다.

 

QD에서 중요한 요소는 유량이다. AI GPU의 발열과 냉각용량이 증가하면서 기존보다 많은 냉각수를 공급할 수 있는 QD가 요구되고 있기 때문이다. 초기 OCP기반 QD는 상대적으로 낮은 KV값을 보였으나 최근에는 배관치수(DN)를 크게 늘리지 않으면서 내부 유로를 확대해 유량을 높이는 방향으로 개발이 이뤄지고 있다.

 

김 대표는 “냉각용량이 더 큰 것들이 요구돼 큰 사이즈의 커플링이 많이 필요해지는 추세”라며 “이에 따라 QD에서 유량이 가장 중요해졌다”고 설명했다.

 

QD의 표준화와 호환성도 변화하고 있다. OCP에서는 기존 QD 사양을 개선한 V2 개발이 진행되고 있다. 과거에는 엔비디아와 OCP가 별도로 존재해 제품 간 호환문제가 있었지만, 엔비디아가 최근 OCP에 참여하면서 이를 통합하는 방향으로 변화하고 있다.

 

이 같은 표준화 흐름과 함께 국내에서도 QD를 직접 개발·생산할 필요성이 제기된다. 김진백 대표는 “향후 국내에서도 필요에 따라 QD를 직접 개발·생산하는 방향으로 나아갈 필요가 있다”고 전망했다.

 

단상·2상 D2C·액침냉각 맞춤 통합솔루션 개발

장준호 이머스쿨 대표는 ‘리퀴드 쿨링을 위한 통합 냉각솔루션: EPDM 호스키트, 매니폴드 및 콜드플레이트’를 주제로 발표하며 다양한 액체냉각방식에 대응하는 부품과 시스템기술을 소개했다.

 

이머스쿨은 DLC 단상·2상과 액침냉각 단상·2상 등 4가지 액체냉각 아키텍처에 대응하며 랙 매니폴드, QD, 호스키트, 콜드플레이트, 히트싱크, 보일러 등을 개발하고 있다.

 

장 대표는 단일 냉각방식에 한정하지 않고 냉각 아키텍처별 주요 부품을 공급할 수 있다는 점을 차별점으로 제시했다.

 

콜드플레이트는 칩에서 발생하는 열을 직접 제거하는 핵심부품이다. 콜드플레이트는 GPU 등 발열 칩에 부착돼 냉각수를 이용해 열을 제거하며 이머스쿨은 칩의 발열량과 적용 환경에 따라 콜드플레이트의 구조와 마운트 등을 설계하고 있다.

 

장준호 대표는 "콜트플레이트는 열저항값을 비롯해 얼마나 많은 열을 빼앗아갈 수 있는가가 중요하다"라며 "열저항을 낮추는 동시에 냉각수의 압력강하도 고려해야 하는 만큼 두 요소 사이의 최적점을 찾아 설계하는 것이 핵심"이라고 강조했다.

 

이머스쿨은 콜드플레이트와 함께 보일러 등 냉각부품을 개발하고 있다. 보일러는 2상 냉각에 사용되는 제품으로 기포가 빠르게 빠져나갈 수 있는지에 따라 열저항값이 달라져 ‘표면 처리를 어떻게 하는가’가 중요한 제품으로 소개됐다. QD와 함께 호스키트도 개발하고 있다. 호스키트는 냉매를 커버하고 있는 표면층과 압력을 강화하는 층, 외부 충격 보호 등 세 개 레이어로 구성된다.

 

또한 누수 방지를 위한 QD 호스 클램핑기술도 적용하고 있다. 전체 디자인부터 생산, 클램핑, 누수테스트까지 진행해 출하하고 있다.

 

장 대표는 “QD에 있는 호스 밥의 형태에 맞춰서 안에 홈을 가공해 부착했을 때 빠지지 않도록 설계했다”고 말했다.

 

실증 레퍼런스도 확보하며 신뢰성을 더했다. 이머스쿨은 2023년 국방분야 DC에 DLC 방식의 냉각솔루션을 적용해 랙 매니폴드와 QD 호스키트 등을 공급했으며 2025년에는 세종 DC에 100kW급 냉각솔루션을 적용했다. 실제 운영환경에서 냉각부품의 신뢰성을 검증하며 적용범위를 확대하고 있다.

 

장 대표는 “향후에는 피지컬 AI 로봇을 고려한 제품개발도 추진할 계획”이라며 “피지컬 AI 로봇이 도입되면 로봇이 배관을 직접 파지·체결·검사할 수 있도록 로봇 친화형 슬리브설계를 개발해 나갈 예정”이라고 밝혔다.

 

AI서버·인프라 보호 해법 ‘고순도 PG USP’

강대성 SK피아이씨글로벌 팀장은 ‘AI DC의 프로필렌글리콜(PG) Base 냉각액’을 주제로 발표하며 급증하는 AI DC의 고발열 문제를 안정적으로 해결하기 위한 해법으로 고순도 원료 기반의 수직계열화된 냉각액솔루션을 제시했다.

 

강 팀장은 “SK피아이씨글로벌은 1991년 국내 최초로 PO(프로필렌 옥사이드)·PG(프로필렌 글리콜) 상업 가동에 성공한 이래 글로벌 PG 생산능력 3위(연간 20만톤)를 갖춘 국내 유일의 PG 제조사”라며 “SK지오센트릭의 원료공급부터 PO 및 PG 제조 완제품인 ‘HTF PG 25’에 이르기까지 국내에서 일괄 생산하는 완전형 밸류체인을 구축했다”고 강조했다.

 

SK피아이씨글로벌은 완전형 밸류체인 구축을 통해 원료 수급 안정성과 원가 경쟁력을 확보하는 한편 글로벌시장 수요에 신속하게 대응할 수 있는 기반을 마련했다.

 

SK피아이씨글로벌의 DLC 전용 냉각액 ‘HTF PG 25’는 일반 산업용(99.5%)이 아닌 순도 99.99% 수준의 의약품·식품 등급(USP Grade) PG를 채택했다. 이는 미량의 불순물로 인한 회로 오염과 침전 리스크를 사전에 차단하고 장기운전 시 품질 일관성을 유지하기 위함이다.

 

제품 구성은 열전달 및 동결 방지 역할을 하는 PG USP 약 25%, 접촉 소재 부식 방지 및 알칼리성 유지를 위한 종합 부식방지제(Inhibitor) 약 2%, 초고순도 정제수(DI Water) 약 75%의 최적 포뮬레이션으로 이뤄졌다. 특히 AI서버와 인프라 보호를 위해 부식성·열안정성·소포성 등 3대 물성기준을 엄격하게 관리하는 것이 특징이다.

 

먼저 △구리 △황동 △강·주철(5mg 이하) △SUS 304·316(2mg 이하) 등 금속 표면에 보호 피막을 형성해 다중 금속 부식을 억제하는 부식성과 고온 장기 운전조건(60~90°C, 336시간 가속 노화 시험)에서도 PG 분해 및 냉각액 산화 침전물 생성을 최소화하는 열안정성을 엄격하게 관리한다. 또한 펌프 캐비테이션(공동현상)을 유발하는 거품발생을 억제해 5초 이내 소멸되도록 품질을 제어하며 AI서버 및 설비의 영향을 최소화한다.

 

SK피아이씨글로벌은 울산 제조공장의 GMP급 클린룸 환경에서 자동정밀 혼합시스템(오차범위 ±0.5%)과 10㎛ 미만 입자를 보증하는 다중 정밀 여과시스템을 통해 완제품을 생산하고 있다. 제조된 배치(Batch) 샘플은 3년간 보관해 추적성을 보장하며 사후관리에도 노력하고 있다.

 

이에 더해 울산공장과 경기도 물류허브는 물론 미국 휴스턴, 유럽 법인, 중국 상하이, 일본 도쿄 등 글로벌 물류 거점을 활용해 전 세계 DC현장에 적시 공급(In-time delivery) 체계를 운영하며 시장을 확대해 나가고 있다.

 

강 팀장은 “PG base 냉각액은 규정된 절차에 맞춘 충진과 철저한 사후관리가 제품성능을 좌우한다”라며 “정기 시료분석과 첨가제 잔존량 추적을 통한 교체시기 예측부터 상시 기술지원, 폐냉각액 회수 및 재생처리까지 아우르는 전문적인 전주기 사후관리서비스를 지속 제공해 품질 고도화에 힘쓸 것”이라고 강조했다.

 

D2C·액침냉각 열저항 비교분석

정태용 LG전자 ES사업본부 책임연구원은 ‘Direct-to-Chip와 액침냉각 중 AI 액체냉각의 최종 승자는?’을 주제로 DC 액체냉각(DLC: Direct-Liquid-Cooling)의 두 가지 대표방식 직접칩냉각(Direct-to-Chip Cooling)과 액침냉각(Immersion Cooling)에 대한 정량적 비교분석결과를 공유했다.

 

LG전자 ES본부는 실외 칠러와 멀티형 시스템에어컨(VRF: Variable Refrigerant Flow)라인업의 공·수랭식 냉각솔루션 통합관제시스템을 아우르는 제품군을 갖췄다. 특히 CDU는 기보유한 600kW급 엔비디아 인증을 바탕으로 1MW와 4MW급까지 단계적으로 획득할 계획이다.

 

DC 성능평가 전문기관 업타임 인스티튜트(Uptime Insitute)의 2025년 조사결과에 따르면 공랭식의 한계를 약 20kW 수준으로 그 이상 규모 랙 발열에는 DLC가 표준이다. 엔비디아 블랙웰300 서버 기준 랙 발열량은 이미 100kW를 넘어섰다. 또한 차세대 라인업 루빈울트라는 랙당 발열량이 600kW로 예상된다.

 

D2C는 반도체 칩, 리드(Lead), TIM1, TIM2, 콜드플레이트로 이어지는 다층구조를 거치는 반면 액침냉각은 패키징 전 반도체를 직접 담그는 베어다이(Bare Die) 기준 개별 반도체(Die)에서 유체로 열이 직접전달된다. 전체 열저항 중 TIM과 콜드플레이트가 가장 큰 비중을 차지한다. 이를 블랙웰 기준 약 1.4kW 발열량에 대입 시 D2C는 액침냉각대비 칩과 냉각유체 간 온도차가 약 15.4℃ 더 커 냉각성능 측면에서 불리하다.

 

대류열저항 분석에서는 상반된 결과가 확인됐다. 누셀 수(Nusselt Number)는 유체의 대류열전달이 전도열전달대비 얼마나 효과적인지 나타내는 무차원 지표로 수치가 클수록 대류에 의한 열전달성능이 우수함을 의미한다. 미국 구리협회가 규정한 유속제한(60℃ 원수 기준 초당 1.5m)로 인해 D2C의 누셀 수는 오히려 액침냉각보다 낮게 나타나 순수 대류 열전달효율로 비교 시 액침냉각이 유리한 것으로 확인됐다.

 

반면 메모리·전압조정모듈(VRM)·네트워크 인터페이스 카드(NIC) 등 초고발열 장비 열관리에는 D2C의 강점이 두드러진다. 전도열저항 측면에서는 D2C가 약 14℃ 불리하나 대류열저항까지 포함한 복합열저항 측면에서는 D2C가 베어다이 액침냉각보다 유리하다.

 

LG전자는 D2C기술에 연구개발인력을 집중시켜 블랙웰300 전용 콜드플레이트와 서버 매니폴드를 이미 제품화해 경기 평택 사업장에 1.5MW 규모 HB 솔루션랩을 구축해 실증하고 있다.

 

또한 액침냉각은 SK엔무브, GRC와 에코시스템을 구축해 사업 포트폴리오를 확대하면서도 물기반 PG25냉각 이후 차세대 기술로 2상(Two-Phase) 냉각 상용화를 준비하고 있다.

 

정 연구원은 “열저항 관점에서만 말씀드리면 D2C가 불리하다”라며 “다만 복합 열저항 관점에서 단순계산했을 때는 D2C가 베어다이 액침냉각보다 훨씬 더 유리한 결과를 가져갈 수 있다”고 밝혔다.

 

DLC용 냉각유체 PG25 한계와 개선방향 제시

신우균 GS칼텍스 책임은 ‘생분해성 프로필렌 글리콜 기반 열전달 유체: Kixx DLC 유체 PG25(The Biostable Propylene Glycol-based Heat Transfer Fluid: Kixx DLC Fluid PG25)’를 주제로 자사 냉각유체를 소개했다.

 

물은 비열·열전도도·점도 등에서 가장 우수한 냉각유체이나 절연성이 떨어져 콜드플레이트를 탑재한 DLC방식에 한해 사용가능하다.

 

전기가 통하지 않는 절연성 탄화수소는 냉각성능은 물보다 약하지만 서버에 직접 접촉될 수 있어 서버를 냉각유체에 담그는 액침냉각에 활용된다. DLC는 GPU·CPU 등 냉각성능에서 유리하고 적용을 위한 검증된 생태계를 갖춘 반면 액침냉각은 에너지효율과 구조적 단순함에 특장점을 지닌다.

 

물기반 DLC 냉각유체는 전기전도도 문제를 콜드플레이트로 대응했으나 0에서 100℃ 사이에서 제한적으로 가동돼 미생물 번식으로 인한 부식 문제가 발생한다. 이에 따라 물에 프로필렌글리콜(PG)기반 유체를 희석해 사용한다.

 

OCP는 이를 희석농도에 따라 PG25와 PG55로 표준화했다. PG함량이 높을수록 어는 점이 낮아져 PG25는 실내용, PG55는 옥외 데이DC 용도로 구분된다. GS칼텍스는 OCP 가입기업으로서 OCP 표준규격에 맞춰 냉각유체를 생산하고 있으며 제품군에 대해 OCP인증을 준비하고 있다.

 

PG25가 표준화된 이유는 미생물 번식억제에 필요한 최소농도이기 때문이다. GS칼텍스는 실제 DC 운영환경에서 △배관 세정 △외부유입된 이물질 등에 의한 유체오염을 방지하는 방안을 마련했다. 이를 위해 △전기차용 냉각유체 △화장품 등을 DC용 냉각유체 성능개발과 평가에 참고했다.

 

전기차용 유체는 밀폐환경에서 운용돼 미생물 번식문제는 적은 대신 고온부식방지가 핵심과제로 낮은 전기전도도와 전용 부식방지제로 성능을 개선한다. 이를 위해 정제수, PG원액 등 원료부터 섬세하게 성분을 조정해 냉각유체를 개발했다.

 

화장품은 미생물 번식위험이 크지만 방부제나 살균제를 쓸 수 없어 별도물질을 첨가하는 방식으로 대응해왔다는 점에 착안했다. ‘Ingredient X’라는 별도물질을 추가해 미생물 성장억제 효과를 겸비한 DC용 냉각유체 성능을 고도화했다.

 

부식방지 성능평가에는 OCP 규격인 ASTM D8040 대신 전기차용 평가방식인 GB/T 29743이 활용됐다. GB 규격은 유체와 부식성 액체를 함께 평가해 금속함량 변화와 유체 자체의 변화 가능성까지 반영할 수 있다. 타사제품과 비교 결과 전기전도도와 부식함량 변화 측면에서 GS칼텍스의 유체가 낮게 나타나 성능을 검증했다.

 

미생물 번식억제효과 검증에는 화장품업계의 챌린지 테스트방식을 적용해 확색포도상구균, 대장균, 녹농균을 대상으로 평가가 진행됐다. PG25 뿐만 아니라 PG함량을 낮춘 PG15, PG10, 나아가 PG함량을 더 낮춘 시료에서도 10~28차까지 미생물이 검출되지 않는 수준의 억제효과를 확인했다.

 

이에 따라 아직 표준화되지 않은 PG15·PG10 등의 상용화 가능성도 제시되며 콜드플레이트 기업과의 CFD 시뮬레이션과 45℃ 이상 고온냉각수 조건의 냉각 테스트 결과도 공유됐다.

 

신 책임은 “GS칼텍스의 PG25 제품은 완성도가 높은 제품이지만 실제 DC 운영환경에서는 여러 문제상황에 마주할 수 있다”라며 “이에 대응하기 위해 전기차와 화장품 분야에 사용되는 기술들을 접목해 더 낮은 전기전도도와 더 강한 미생물 성장억제 효과를 갖춘 제품을 만들었다”고 말했다.

 

2상 D2C 냉매 개발 현황·적합성 평가결과 공유

김정섭 LG전자 연구위원은 ‘2상 직접칩냉각기술을 위한 냉매 적합성 평가’를 주제로 차세대 냉각방식인 2상(Twp-Phase) D2C 냉각개발 현황과 적합성 평가결과를 발표했다.

 

이번 강연은 지난해 발표된 단상 냉각시스템에 이어 2상 냉각을 주제로 설정했다. 특히 8월 중 LG전자의 단상 냉매 순환 CDU가 국내 최초로 엔비디아 인증 획득이 공개될 예정이다.

 

LG전자 DC솔루션은 통합냉각시스템으로 PUE는 공랭식 기준 약 1.9수준이다. 냉각설비 비중이 전체 30% 이상을 차지해 DLC 도입으로 1.3, 나아가 1.1수준까지 저감이 목표다.

 

2상 냉각이 필요해진 배경에는 엔비디아 루빈 발열량이 있다. 루빈은 안정적 운영기준으로 약 1.8kW, 고사양 성능기준 약 2.2kW 수준의 발열량이 공개되며 후속 제품인 루빈울트라는 칩 크기가 두 배로 커지면서 TDP도 2배 증가가 예상된다. 서버 랙 발열밀도는 150~250kW 이상으로 증가추세이며 기존 공랙식의 한계는 이미 블랙웰세대부터 드러나 현재는 단상 D2C가 주류냉각방식으로 자리잡았다.

 

단상냉각의 이론적 한계는 물의 침식과 신뢰성 문제로 ㎤당 150W 전후로 추정된다. 2상 냉각은 증발 잠열을 활용해 단상보다 높은 열전달계수 확보가 가능해 차세대 냉각방식으로 조명받고 있다.

 

액체냉각은 D2C와 액침냉각 두 방식, 또한 단상과 2상 등을 조합해 네 가지로 구분된다. 2상 D2C는 잠열효과로 단상대비 약 1.5배의 열전달계수 상승이 예상된다. 물은 끓는 점 100℃가 칩의 접합부 유지온도(85℃)보다 높아 잠열활용이 불가하다. 이에 미국에서는 끓는 점을 20~60℃로 조정한 냉매가 사용되기도 한다.

 

해외에서는 Zutacore가 ASRock Rack과 협업해 블랙웰급 서버용 2상 D2C 상용제품을 출시했다. 엔비디아, 버티브 등 대기업도 미국 에너지부 국책과제를 통해 2상 냉각을 연구 중이며 중국 기업들도 독자적인 공급말 체계를 통해 2상 D2C를 개발하고 있다.

 

LG전자는 자체시설에 최대 3개 콜드플레이트 10kW까지 실험가능한 장비를 구축했다. ANSYS Fluent 분석 프로그램을 활용한 2상 해석과 투명유체를 통한 비등관찰을 병행해 5cm×5cm 콜드플레이트 기준 약 3kW 발열에서 W당 0.01℃ 수준의 열저항을 단상대비 3분1 정도인 0.5LPM의 적은 냉매량으로 확보했다.

 

특히 표면에는 5마이크로 두께의 다공성 ‘위킹구조’를 적용해 작은 기포가 고루 생기는 핵비등 면적을 늘리는 방식으로 열전달성능을 개선했다.

 

냉매선정은 △GWP(지구온난화지수) 150 이하 △AHRAE A1 등급(무독성·불연성) 등을 기준으로 R1233zd(E)와 R515B, R1336mzz(Z)를 선정했다.

 

R1233zd(E)는 잠열이 높으나 기체밀도가 낮아 차압손실 우려가 있다. R515B는 성능이 우수하나 운전압력이 약 7기압에 달해 누출과 유지보수 위험이 크다. R1336mzz(Z)은 기체밀도가 R1233zd(E)의 2배 수준으로 기포 제거에 유리하나 잠열이 낮다. R1233zd(E)과 R1336mzz(Z) 두 냉매 모두 3kW까지 안정적인 열저항을 유지하는 것으로 나타났다.

 

향후 2상 냉매를 순환시키는 CDU 프로토타입이 연구개발돼 이를 모의 발열체(서버)와 연결해 매니폴드, 유량 분배구조, 퀵 디스커넥트(QD: Quick Disconnect), 전용호스 등을 조립한 종합평가가 이어서 진행 예정이다.

 

김 연구위원은 “결국 냉매 선정에 따라 냉각성능, 열저항, 나아가 시스템 전체의 최적화가 결정된다”라며 “이에 따라 이번 발표도 냉매선정에 초점을 맞춰 준비했다”고 밝혔다.