그루브를 적용한 배열충돌제트 핀휜 히트싱크의 열성능 향상에 관한 수치적 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고열유속 조건에서 작동하는 반도체 소자의 효율적 열관리를 위한 히트싱크 개발에 관한 것이다. 데이터센터의 전력 밀도 증가와 반도체 소자의 고집적화에 따라 열관리 기술의 중요성이 높아지고 있으며 현재 데이터센터 총 전력의 약 40%가 냉각 시스템에 할당되고 있으며 기존 냉각판 기반 미니/마이크로채널 수냉 방식은 초고열유속 냉각에 한계가 있으며 유로 방향 온도 불균일 및 높은 압력강하가 문제점으로 지적되고 있다.
기존 냉각 방식의 기술적 한계를 극복하기 위해 배열충돌제트와 핀휜 구조를 결합하고 노즐 플레이트에 그루브를 적용하여 횡류를 억제한 복합 히트싱크를 개발하였다. 배열충돌제트는 정체점 영역에서 얇은 열경계층을 형성하여 높은 국소 열전달 계수를 유도하고 핀휜은 전열면적 확대를 통해 열전달 성능을 향상시킨다. 그루브는 충돌 후 발생하는 횡류를 분산시켜 제트 간의 간섭을 최소화한다.
본 연구에서는 0.5 cm×0.5 cm 면적에서 2,000 W/cm2의 고열유속 조건에 대응하기 위해 히트싱크의 냉각 성능을 전산유체역학(CFD) 수치해석을 수행하고 압력강하 측정 실험을 통해 해석 모델을 검증하였다. 주요 형상인자가 유동장 및 온도장에 미치는 영향을 분석하고 압력강하와 접합면 평균온도 등의 성능 지표를 통해 히트싱크 성능을 평가하였다. 아울러 Taguchi 방법을 활용하여 평균 누셀트 수 예측 상관식을 개발하였다. 본 연구는 데이터센터의 에너지 효율 향상 및 고성능 컴퓨팅 시스템의 열관리 기술 발전에 기여하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study focuses on the development of a heat sink for efficient thermal management of semiconductor devices operating under high heat flux conditions. The importance of thermal management technology is increasing due to the rising power density in data centers and the high integration of semiconductor devices. Currently, approximately 40% of total data center power is allocated to cooling systems and conventional mini/microchannel liquid cooling methods have limitations in ultrahigh heat flux cooling with flow direction temperature non-uniformity and high pressure drop identified as major issues.
To overcome these technical limitations, hybrid heat sink was developed that combines impinging jet arrays with pin-fin structures while suppressing crossflow by applying grooves on the nozzle plate. The impinging jet arrays form a thin thermal boundary layer in the stagnation region inducing high local heat transfer coefficients. The pin-fin structure enhances heat transfer performance by extending the heat transfer surface area. The grooves disperse the crossflow generated after impingement, minimizing interference between jets.
In this study, CFD numerical analysis and experimental verification were performed to analyze the cooling performance of the heat sink capable of handling high heat flux conditions of 2,000 W/cm2 over an area of 0.5 cm×0.5 cm, and the numerical model was validated through pressure drop measurement experiments. The effects of major geometric parameters on the flow field and temperature field were systematically analyzed, and heat sink performance was evaluated through indices such as pressure drop and average junction temperature. Additionally, a correlation for predicting the average Nusselt number was developed using the Taguchi method. This study aims to contribute to improving energy efficiency in data centers and advancing thermal management technology for high performance computing systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 관련 연구 4
• 1.3 연구 목표 12
• 2. 수치해석 방법 14
• 2.1 히트싱크 형상 설계 14
• 2.2 수치해석 형상 및 경계조건 19
• 2.3 수치해석 기법 25
• 2.4 격자 독립성 및 난류모델 검증 29
• 2.5 실험적 검증 34
• 3. 결과 및 고찰 41
• 3.1 정체점 영역 핀휜 제거 및 그루브 형상의 영향 41
• 3.2 제트홀 지름 및 노즐 플레이트-타겟 플레이트 간격의 영향 55
• 3.3 핀휜 너비와 높이의 영향 62
• 3.4 Taguchi 방법을 이용한 누셀트 수 상관식 개발 68
• 3.5 개선된 히트싱크 성능 평가 77
• 4. 결론 80
• 참고문헌 82
• ABSTRACT 89