휴대폰 방열 기술 발전 과정

다음은 중국 매체의 기사를 번역/ 요약한 것입니다.

원문: https://mp.weixin.qq.com/s/YQP3WcNS8g34ojZGMZs1lA

https://mp.weixin.qq.com/mp/wappoc_appmsgcaptcha?poc_token=HLILpmmjnOVZkQ0UqfPbA4r-1c008A04xeAAWXO4&target_url=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%2FYQP3WcNS8g34ojZGMZs1lA

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I. 서론

휴대전화는 이제 우리 삶에서 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다.

업무, 생활, 사회생활 등 어떤 분야에서든 휴대전화 없이는 생활할 수 없습니다.

휴대전화의 발전 역사는 끊임없는 기술 혁신과 기능 확장의 역사입니다.

현대의 휴대폰은 단순한 전화 기능을 넘어 카메라와 미니 컴퓨터의 역할까지 수행합니다.

휴대폰이 점점 더 스마트해지고, 다양한 기능을 갖추며,

얇아짐에 따라 휴대폰 칩의 전력 소비량 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 발열 해소의 필요성이 더욱 절실해지고 있습니다.

따라서 오늘은 휴대폰 발열 해소 기술의 발전 역사에 대해 이야기해 보겠습니다.

 

II. 휴대폰의 간략한 역사 및 개발의 주요 요인

휴대폰 이야기를 할 때, 초창기의 상징적인 " 빅 브라더 "(또는 "벽돌폰")를 빼놓을 수 없습니다. 

많은 사람들이 80년대와 90년대 홍콩 영화에서 이 벽돌처럼 생긴 기기를 본 적이 있을 겁니다.

당시 개인용 무선 통신 기기는 막 등장하던 시기였고,

지금처럼 휴대폰이라고 부르지 않았던 시절이라 우리는 애정 어린 마음으로 "빅 브라더폰 "이라고 불렀습니다.

당시 모토로라 빅 브라더폰을 소유하는 것은 부와 지위의 상징이었는데, 그 가격이 집 한 채 값에 육박했기 때문입니다

 

당시 '빅 브라더' 휴대전화의 주된 기능은 음성 통신이었으며, 이는 당대로서는 매우 앞선 개인 무선 통신 기기였습니다.

'빅 브라더'의 내부 구조는 무선 통신이라는 단일 기능만 수행하면 되었기 때문에 매우 단순했습니다.

당시 휴대전화는 통화 기능만 제공했기 때문에 하드웨어 회로 전체가 기본적으로 무선 주파수 영역과 베이스밴드 프로세서 영역으로 나뉘었고, 버튼이나 화면 등을 구동하는 드라이버 칩이 포함되어 있었습니다.

주요 발열원은 드라이버 칩, 모뎀 칩, 저장 장치 칩, 스피커, 필터, 전력 증폭기, 송수신기 등이었습니다.

하지만 이러한 초기 부품들은 전력 소모가 비교적 적었기 때문에 사실상 열 방출이 필요하지 않았습니다.

내부 부품들은 주로 전자기 차폐 폼, 테이프, 금속 프레임으로 보호되었습니다.

 

2000년 이후, 인간과 무선 통신 기기의 개발이 폭발적으로 증가했으며, 

그중에서도 모토로라의 폴더폰과 노키아 휴대폰이 가장 기억에 남습니다 .

이 두 전설적인 휴대폰은 당시 엄청난 인기를 누렸고 많은 추억을 떠올리게 합니다

이 시기에 휴대전화는 점점 더 많은 기능을 갖추기 시작했습니다. 단순히 통화만 할 수 있는 것이 아니라,

디스플레이(처음에는 흑백, 그 다음에는 컬러)를 탑재하고 문자 메시지, MMS를 보내고, QQ 채팅을 하고,

사진을 찍고, 간단한 게임(뱀, 테트리스, 지뢰찾기)도 즐길 수 있게 되었습니다.

이 시기 휴대전화 칩에 요구되는 기능은 벽돌폰 시대보다 훨씬 더 높아졌습니다.

 

예를 들어, 구형 모토로라 V3 휴대폰은 프로세서 칩, 디스플레이, 스피커 및 회로 기판에 주요 발열원이 있지만,

전체적인 발열량은 상대적으로 적습니다.

주로 열 접착제와 금속 프레임을 사용하여 열을 방출하기 때문에 전체적인 발열량 요구 조건이 높지 않습니다.

 

애플이 2010년에 아이폰 4를 출시했을 때, 이는 전 세계 무선 통신 기기 시장에 혁명을 일으켰고

"스마트폰"이라는 새로운 세상을 열었습니다!

이 시점부터 휴대전화는 단순히 전화 통화나 문자 메시지를 주고받는 도구에 그치지 않았습니다.

통신, 사진 촬영, 소셜 네트워킹, 앱, 게임, 컴퓨팅 등 새로운 기능들이 속속 등장했습니다.

스마트폰의 등장은 사람들의 삶을 완전히 혁신했고, 지금도 빠른 속도로 진화하고 있습니다.

국제적으로는 애플, 삼성, 노키아, 소니와 같은 브랜드들이 선두를 달렸고,

중국 국내에서는 화웨이, 샤오미, ZTE, 오포, 비보, 메이주, 트랜션, 스마티산, 원플러스와 같은 브랜드들이 빠르게 성장했습니다. 2010년부터 2020년까지 10년간 스마트폰의 발전은 그야말로 경이로울 정도입니다

스마트폰은 운영체제의 지속적인 업데이트 및 최적화, 향상된 기능, 카메라 화소 수 개선, 게임 성능 향상, AI와 같은 신기술 통합 등 급속한 발전을 거듭하면서 스마트폰 칩, 카메라 모듈, 배터리 등 내부 전자 부품의 전력 소모가 점점 더 커지고 있습니다.

장시간 사용 시 스마트폰이 과열되는 현상이 발생하기 쉬워 발열 해소가 중요한 문제로 대두되고 있습니다.

 

III. 휴대폰 발열 해소 기술 개발

휴대폰 발열 해소 기술의 발전은 대략 다음과 같은 단계로 나눌 수 있습니다.

 

1. 초기 자연 냉방 단계 (2000년대 초반 ~ 2010년경)

2010년 이전에는 휴대폰의 성능이 비교적 낮았고 발열 문제도 그리 심각하지 않았습니다.

발열 해소는 주로 단순한 수동식 방열 재료에 의존했는데,

이는 열전도성 소재를 사용하여 칩과 기타 발열 부품에서 발생하는 열을 외부 금속 프레임으로 전달하여

대류 냉각하는 방식이었습니다.

이러한 방식은 초기 피처폰과 1세대 스마트폰, 예를 들어 일부 노키아 모델이나 초기 안드로이드폰에 사용되었습니다.

 

휴대폰 발열 해소 기술 개발에 있어 " 열전도성 계면 소재(TIM) "는 항상 핵심적인 소재로서, 개발 과정에서

중추적인 역할을 해왔습니다.

열 인터페이스 재료(TIM): 스마트폰에서 열 인터페이스 재료(TIM)는 칩이나 전력 관리 모듈과 같은 발열 소자와 케이스, 흑연막,                                               VC 방열판과 같은 방열 구조를 연결하는 핵심 부품입니다.

                                         TIM의 주요 기능은 미세한 틈을 메우고 접촉 열 저항을 줄여 열을 효율적으로 전달하는 것입니다.

휴대폰에 일반적으로 사용되는 열전도성 소재로는 써멀 그리스, 써멀 패드, 써멀 젤 등이 있습니다.

초기에는 써멀 그리스와 써멀 패드가 주된 소재였으며,

열전도율은 2~12 W/m·K 범위로 오랫동안 소비자 전자제품의 방열 분야를 주도했습니다.

최근 몇 년 동안 열전도성 젤, 액체 금속, 그래핀 열 패드 및 탄소 섬유 열 패드와 같은 첨단 열전도 소재가 지속적으로 개발되어 왔습니다.

열전도성 젤의 열전도율은 현재 최대 18 W/m·K에 달하며, 그래핀 및 탄소 섬유 열 패드는 100~200 W/m·K까지

도달할 수 있습니다.

액체 금속의 가장 큰 장점은 모든 열전도성 계면 소재 중에서 계면 열 저항이 가장 낮아 보다

효율적인 열 전달이 가능하다는 점입니다.

 

2. 흑연 필름의 대중화 단계 (2010-2015)

애플이 2010년 아이폰 4를 출시하면서 스마트폰 성능에 비약적인 발전을 가져왔습니다.

하지만 스마트폰 칩의 전력 소모가 증가하면서 발열 문제도 심각해졌습니다.

2011년부터 인공 흑연 필름이 스마트폰에 널리 사용되기 시작하면서 기존의 금속 소재를 점차 대체하여

소비자 가전 분야의 주류 발열 해소 솔루션으로 자리 잡았습니다.

흑연 방열막의 응용 분야: 인공 흑연막은 폴리이미드(PI) 필름을 탄화 및 고온 흑연화 과정을 통해 제조됩니다.

일반적으로 수평 열전도율은 300~1500 W/m·K(일부 제품은 1800~2000 W/m·K에 달하기도 함)이며,

두께는 약 10~80 μm입니다. 이론적으로 흑연막이 얇을수록 열전도율이 높아집니다.

2010년에 출시된 애플의 아이폰 4에는 넓은 면적의 흑연막이 적용되었습니다.

2011년에는 중국의 샤오미 1 스마트폰이 흑연의 높은 수평 열전도율을 활용하여

국부적인 열을 고르게 분산시키는 흑연 방열막을 최초로 채택했습니다.

이후 흑연막은 삼성, 화웨이 등 여러 브랜드의 스마트폰에 널리 사용되는 주류 방열 소재로 자리 잡았습니다.

 

아이폰 4의 중앙 프레임 지지판은 넓은 면적에 흑연 필름으로 덮여 있습니다.

 

인공 흑연 열전도 필름의 대표적인 제조업체로는 Panasonic, Kaneka, Graftech(미국), Zhongshi Technology, Siquan New Materials, Feirongda, Carbon Yuan Technology, Honglingda, Shenzhen Leishi, Desien, Jiangsu Sidike 등이 있습니다. (위에 언급되지 않은 제조업체는 댓글란에 정보를 추가해 주시기 바랍니다.)

 

금속 프레임은 열 방출을 돕습니다. 일부 휴대폰은 금속 프레임과 흑연 필름을 결합하여 간단한 열 방출 구조를 형성함으로써 열을 전달하지만, 열 방출 용량이 제한적이며 주로 저전력 프로세서에 적합합니다.

 

이후, 인공 흑연 필름에서 파생된 "그래핀 방열 필름"이 개발되었습니다.

그래핀 방열 필름은 열전도율이 훨씬 뛰어나며, 열전도 계수는 1000~2000W/m·K에 달합니다.

인공 흑연 필름과 비교했을 때 그래핀 방열 필름의 가장 큰 장점은 60~300μm의 두꺼운 두께로 제작할 수 있다는 점입니다.

두께가 두꺼워져도 열전도율이 감소하지 않기 때문에 열 전달량이 많아져 열을 효과적으로 분산시키고,

휴대폰의 열이 빠르게 전달되어 사용자가 과열되는 것을 방지합니다.

2018년 화웨이의 메이트 20 X는 휴대폰 방열 시스템에 그래핀 열전도 필름을 최초로 적용했습니다.

이는 기존의 인공 흑연 필름보다 열전도율이 뛰어난 그래핀 소재 기반의 새로운 방열 솔루션입니다.

이후 샤오미, 아너, 오포 등 여러 브랜드에서도 고급 모델에 그래핀 방열 기술을 도입했습니다.

 

그래핀 열전도 필름의 대표적인 제조업체로는 Fuxi Technology, Morui Technology, Zhongke Yueda, Xingtu (Changzhou) Carbon Materials, Daoming Technology, Jinfu Technology, Hangzhou Gaoxi Technology, Wuhan Hanxi, Shenzhen Xidao 등이 있습니다. (위에 언급되지 않은 제조업체는 댓글란에 정보를 추가해 주시기 바랍니다.)

 

3. 히트 파이프 및 증기 히터의 부상 (2015-2025)

히트 파이프 기술 도입 : 2015년, 노키아 950 XL과 소니 엑스페리아 Z2 같은 모델들은 프로세서의 열을 금속 프레임으로 전달하기 위해 초박형 히트 파이프를 사용하려는 시도를 했습니다.

히트 파이프는 흑연 필름보다 열전도율이 높지만, 제조 공정이 복잡하고 수율이 낮습니다.

 

히트 파이프는 열을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 단시간에 전달할 수 있는 매우 효율적인 열 전달 장치입니다.

히트 파이프의 핵심 원리는 상변화와 모세관 현상을 통한 열 전달입니다.

히트 파이프에서 VC 증기 챔버가 개발되었습니다.

간단히 말하면, VC 증기 챔버는 히트 파이프를 평평한 형태로 압축하여 열 방출 면적을 증가시킨 것입니다.

증기 챔버(VC) 기술은 이미 성숙 단계에 접어들었습니다. 2019년에는 삼성 갤럭시 S10 시리즈와 화웨이 메이트 20X 5G와 같은 플래그십 모델에 증기 챔버 냉각 방식이 적용되었습니다.

증기 챔버는 모든 방향으로 열을 전달하여 방열 효율을 극대화합니다.

2025년에는 애플의 아이폰 17 Pro에 초박형 VC 증기 챔버가 최초로 탑재되면서,

VC 증기 챔버가 고성능 스마트폰의 주류 방열 솔루션으로 자리 잡았음을 보여주었습니다.

아이폰 17 프로는 초박형 0.22mm 증기 챔버를 탑재한 최초의 제품입니다.

 

VC 열교환판의 대표적인 제조업체로는 Suzhou Tianmai, AAC Technologies, Lingyi Intelligent Manufacturing, Qihong AVC, Siquan New Materials, Xunqiang, Shuanghong, Zhongshi Technology, Feirongda, Luxshare Precision, Zhongshan Precision, Jingyan Technology, Dongguan Leishi, Weiboch, Jiangxi Xinfei, Dongyu New Materials, Ningbo Weic, Yingfan Technology, Liwang Thermal Control, Taicheng Precision, Huanyu Thermal Power 등이 있습니다. (위에 언급되지 않은 제조업체는 댓글란에 정보를 추가해 주시기 바랍니다.)

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4. 복합 열 방출 및 능동 열 방출 탐색 단계 (2019-2023)

복합 방열 솔루션이 점차 보편화되고 있습니다. 주류 스마트폰은 열전도, 열 방출 및 방열 요구 사항을 모두 고려하여

방열 효과를 더욱 향상시키는 " 열전도성 인터페이스 소재 + 그래핀 필름 + 초박형 VC 방열판 "의 복합 방열 솔루션을

채택하고 있습니다.

이 솔루션은 현재 대부분의 스마트폰에 가장 적합한 방열 솔루션입니다.

칩은 열전도성 소재를 통해 그래핀 필름과 초대형 VC 방열판으로 열을 전달하고,

이 열은 외부 금속 프레임과 케이스로 고르게 전달되어 효율적이고 균일한 방열이 이루어집니다.

능동 냉각 기술 실험: 누비아는 2019년 4월 28일 출시된 레드 매직 3 스마트폰에 내장형 팬 냉각 솔루션을 최초로 적용했습니다.

이 솔루션은 최대 14,000rpm의 속도로 회전하는 마이크로 팬을 사용하여 초당 50회의 냉온 공기 순환을 통해

능동적으로 열을 발산했습니다.

액체 냉각 및 그래핀과 같은 수동 냉각 기술과 결합하여 다차원 냉각 시스템을 구현했습니다.

레드 매직 3의 출시는 스마트폰에 능동 냉각 기술이 도입되는 계기가 되었습니다.

당시 델타와 누비아가 공동 개발한 이 마이크로 원심 팬은 스마트폰에 최초로 적용되어

이후 게이밍 스마트폰의 냉각 설계에 새로운 아이디어를 제공했습니다.

2022년 이후 레노버, 원플러스, 화웨이, 오포, 트랜션, 아너 등의 브랜드는 냉각수 순환을 통해

효율적인 열 발산을 구현하는 마이크로 펌프 액체 냉각 기술과 같은 능동 냉각 솔루션을 지속적으로 연구해 왔습니다.

 

소형 원심팬의 대표적인 제조업체로는 EBM, Sanyo, Nidec, NMB, Sunon, Delta, AVC, ADDA, Yung-Li, Sheng-Hui, Yi-Meng, Hong-Ying, Sheng-Jiu, Yung-Yi-Hao, Guan-Zhan, Yung-Cheng-Chuang, Kunshan Pin-Dai(Fei-Rong-Da의 자회사), Ju-Li 등이 있습니다. (언급되지 않은 제조업체는 의견 섹션에 정보를 추가할 수 있습니다.)

 

5. 능동 냉각 및 시스템 수준 최적화 단계 (2023년~현재)

능동 냉각 기술이 성숙 단계에 접어들고 있습니다. 마이크로 펌프 액체 냉각 및 마이크로 팬 기술이 점차 발전하여

게이밍 폰에서 일반 모델로 확산되고 있습니다.

누비아, 화웨이, 오포, 트랜션, 아너, 샤오미 등의 브랜드는 마이크로 펌프 액체 냉각 또는 마이크로 팬을 내장한 모델을 출시하여

열 방출 능력을 크게 향상시켰습니다.

오디웨이 압전 마이크로펌프 액체 냉각 모듈

 

휴대폰 능동 냉각 분야에서 가장 주목할 만한 기술 발전은 마이크로 펌프 액체 냉각과 마이크로 팬입니다.

특히 마이크로 펌프 액체 냉각 기술은 상대적으로 빠르게 발전하고 상용화되고 있으며,

이미 화웨이, 누비아, 트랜션, 오포, 원플러스 등 여러 제조사의 휴대폰에 적용되고 있습니다.

더 나아가, 휴대폰용 마이크로 펌프 액체 냉각 시장은 2026년에 폭발적인 성장을 보일 것으로 예상되며,

관련 소재 및 모듈 기업들에게 상당한 시장 이익을 가져다줄 것으로 전망됩니다.

 

마이크로 펌프 액체 냉각 시스템의 대표적인 제조업체로는 Rittal Fluid, Feirongda, Handeli, Ant Power, Ruimeng Semiconductor, Huitong Xidian, Resonance Precision, Xizhe Electronics, Audiway, Jilin Yilide, Hengmai Microelectronics, Goertek, Awinic Electronics, Nanxin Technology, Changzhou Mingsai, Recheng Thermal, Liandaqi, Mindong Technology, Swick Technology, Fenglin Microelectronics, Diqiushan Microelectronics, Bolang Electronics 등이 있습니다. (언급되지 않은 제조업체는 댓글란에 추가해 주시면 감사하겠습니다.)

 

한편, 마이크로 팬 기술의 발전 또한 빠르게 진행되고 있다.

미국의 Frore Systems가 2023년에 1세대 Airjet 능동 냉각 칩을 출시한 이후,

마이크로 원심 팬, 마이크로 압전 팬, 마이크로 이온 팬, 마이크로 플라즈마 팬 등 다양한 새로운 능동 공기 냉각 기술들이 등장했습니다.

 

현재 소형 팬은 공기 흐름 및 먼지 유입 방지 문제로 인해 주로 소형 원심 팬이 사용되고 있으며,

누비아 레드 매직 11, 레노버 리전 Y90, 오포 K13 터보, 아너 윈 등의 스마트폰에 적용되고 있습니다.

그러나 소형 압전 팬은 원심 팬보다 훨씬 얇고 작게 제작할 수 있고(현재 가장 작은 크기는 10mm*10mm*0.2mm로 손톱만 한 크기입니다), 모터 소음도 거의 발생하지 않기 때문에 소형 원심 팬의 가장 큰 경쟁자가 될 것으로 예상됩니다.

또한 소형 압전 팬은 전력 소비량도 적어 스마트폰의 소형화, 초박형화, 에너지 절약 요구에 더욱 적합합니다.

 

소형 압전 팬의 대표적인 제조업체로는 Rittal Fluid, Feirongda, Handeli, Ant Power, Ruimeng Semiconductor, Huitong Xidian, Resonance Precision, Xizhe Electronics, Audiway, Jilin Yilide, Hengmai Microelectronics, Goertek, Awinic Electronics, Nanxin Technology, Changzhou Mingsai, Recheng Heat Dissipation, Liandaqi, Mindong Technology, Swick Technology, Fenglin Microelectronics, Diqiushan Microelectronics, Bolang Electronics 등이 있습니다. (위에 언급되지 않은 제조업체는 댓글란에 정보를 추가해 주시기 바랍니다.)

 

저희는 미래 스마트폰의 발열 해소 방식이 " 열전도성 소재 + VC 방열판 + 마이크로 펌프 액체 냉각 모듈 + 마이크로 피에조 팬 "의 조합인 "능동 냉각 + 수동 냉각" 방식을 채택할 것이라고 과감하게 예측합니다.

열전도성 소재는 칩의 열을 VC 방열판과 마이크로 펌프 액체 냉각 모듈로 전달하여 신속한 방열을 돕고,

마이크로 피에조 팬은 칩에서 직접 열을 불어내어 대류 냉각을 하는 동시에 VC 방열판과 마이크로 펌프 액체 냉각 모듈의 냉각단 역할을 하여 기기 전체의 열을 지속적이고 신속하게 제거합니다.

 

시스템 수준의 열 최적화: 제조업체는 AI 온도 제어 알고리즘, 3차원 방열 구조(예: 3D VC), 소재 혁신(예: 다이아몬드, 그래핀, 스테인리스 스틸 VC)을 활용하여 방열과 성능 간의 균형을 이루고

AI 시대 휴대폰의 높은 전력 소비 요구 사항을 충족합니다.

 

전반적으로, 휴대폰의 발열 해소 기술은 칩 성능 향상으로 인한 발열 문제를 해결하기 위해 초기 수동적 발열 해소 방식에서

능동적 발열 해소 및 시스템 수준 최적화 방식으로 점차 발전해 왔습니다.

 

IV. 요약

스마트폰의 지속적인 발전과 업그레이드로 전력 소비량이 꾸준히 증가하고 있으며, 발열 문제는 점점 더 심각해지고 있습니다.

스마트폰 발열 해소 기술은 초기에는 발열 해소가 거의 필요 없었던 시대에서 열전도 소재, 흑연 방열막, 히트 파이프, 증기 챔버와 같은 수동 발열 해소 기술을 거쳐 최근에는 마이크로 펌프 액체 냉각, 마이크로 팬과 같은 능동 발열 해소 기술로 발전해 왔습니다. 이는 스마트폰 성능 향상이 발열 해소 기술에 끊임없이 새로운 도전과 발전을 요구하고 있음을 보여줍니다.

 

미래에는 AI 시대가 급속도로 발전함에 따라 스마트폰에 더욱 강력한 AI 지능형 기능이 탑재되고,

칩 성능은 더욱 향상되며, 응용 시나리오 또한 크게 확장될 것입니다.

이러한 상황에서 스마트폰의 발열 관리 기술은 지속적인 핵심 과제로 남을 것입니다.

"능동적 발열 관리 + 수동적 발열 관리"를 결합하여 더욱 효율적이고, 소형화되고, 지능적인 스마트폰 발열 관리 시스템을 개발하는 것은 열 설계 엔지니어들이 반드시 연구해야 할 중요한 주제입니다!