데이터 센터와 액침냉각의 필요성

액침냉각 적용한 데이터 센터

액침냉각(Immersion Cooling)은 전자 장비나 배터리를 전기가 통하지 않는 비전도성 액체에 직접 담가 열을 효율적으로 식히는 기술입니다. 이 기술은 공기보다 밀도가 높은 액체를 사용하여 직접적으로 열을 흡수하며, 전기가 통하지 않기에 누전이나 기계 고장의 우려도 없습니다.

액침냉각은 기존의 공랭식 냉각에 비해 냉각 효율이 월등히 높고 전력 소비도 30% 이상 줄일 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 또한 균일한 온도 유지, 외부 오염물질 차단, 화재 위험 감소 등의 장점을 갖고 있어 데이터센터뿐만 아니라 전기차 배터리, 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 분야에서 활용이 기대됩니다.

국내 기업들도 액침냉각 기술에 주목하고 있습니다. 예를 들어, SK엔무브는 액침냉각 전문 미국 기업인 GRC와 협력을 강화하고 있으며, 이는 액침냉각 기술의 발전과 보급에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보입니다.

액침냉각은 크게 두 가지 방식으로 나뉜다.

① 단상 액침냉각(Single-Phase Immersion Cooling)

• 발열 부품이 액체에 담겨 있으며, 냉각액은 끓지 않고 액체 상태를 유지하며 열을 흡수한다.
• 가열된 냉각액은 열교환기를 통해 식힌 후 다시 시스템으로 순환된다.
• 유지보수가 용이하고 장비의 부식 위험이 적다.

② 이단계 액침냉각(Two-Phase Immersion Cooling)

• 냉각액이 열을 흡수하면서 증기로 변하며, 증기가 다시 응축되어 액체로 변하는 방식이다.
• 자연적인 열전달 능력이 뛰어나 냉각 효율이 높지만, 시스템 설계가 복잡하고 초기 비용이 높다.

액침냉각의 장점

① 높은 냉각 효율

액체는 공기보다 열전도율이 20~100배 높아 냉각 성능이 뛰어나다. 이에 따라 데이터센터와 같은 고발열 시스템에서도 안정적인 온도를 유지할 수 있다.

② 에너지 절감

기존의 공랭식 데이터센터는 서버를 식히기 위해 강력한 냉각팬과 공조 시스템을 사용해야 하지만, 액침냉각은 별도의 공랭식 냉각 장치 없이 효율적으로 냉각이 가능하다. 이로 인해 PUE(Power Usage Effectiveness) 수치를 획기적으로 낮출 수 있다.

③ 공간 활용성 증가

액침냉각을 적용하면 공랭식 냉각에 필요한 팬, 덕트 등의 부품이 불필요해져 장비의 집적도를 높일 수 있다. 데이터센터에서는 동일한 공간에서 더 많은 서버를 운영할 수 있다.

④ 소음 감소 및 유지보수 간소화

공랭식 시스템에서는 팬과 공기 흐름으로 인해 소음이 발생하지만, 액침냉각 방식에서는 소음이 거의 없다. 또한 먼지가 쌓이지 않아 청소와 유지보수가 용이하다.

 

액침냉각의 활용 분야

① 데이터센터

대형 IT 기업(예: Google, Microsoft, Meta)은 서버 냉각 비용 절감을 위해 액침냉각 기술을 적극 도입하고 있다. 기존 공랭식 대비 최대 40% 이상의 에너지 절감 효과를 거둘 수 있으며, 냉각 효율이 향상되어 고성능 서버 운영이 가능하다.

② 전기차(EV) 배터리

전기차 배터리의 온도를 효과적으로 관리하기 위해 액침냉각이 사용된다. 배터리 셀을 직접 냉각액에 담가 과열을 방지하고 충전 속도를 높이는 데 기여한다.

③ 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 AI 연산 장비

AI, 머신러닝, 금융 연산 등 고성능 컴퓨팅이 필요한 분야에서는 연산 장비에서 발생하는 열을 신속하게 방출할 필요가 있다. 액침냉각을 적용하면 시스템 안정성을 확보할 수 있다.

④ 반도체 제조 및 테스트

반도체 칩 제조 과정에서 정밀한 온도 제어가 필수적이다. 액침냉각을 통해 칩의 온도를 일정하게 유지하고 불량률을 낮출 수 있다.

 

액침냉각의 한계 및 해결 방안

① 초기 비용 부담

액침냉각 시스템을 구축하려면 냉각액, 탱크, 열교환기 등의 추가 비용이 발생한다. 하지만 장기적으로 보면 전력 비용 절감과 장비 수명 연장으로 인해 ROI(투자 대비 효과)가 높다.

② 냉각액의 안정성 및 관리

냉각액이 장기간 사용되면서 화학적 변화가 일어날 가능성이 있다. 따라서 정기적인 품질 점검과 관리가 필요하다. 일부 기업들은 친환경 냉각액을 개발하여 지속 가능성을 높이고 있다.

③ 표준화 부족

아직까지 액침냉각에 대한 명확한 표준이 없어 제조사별로 방식이 다를 수 있다. 그러나 OCP(Open Compute Project) 등 여러 단체가 표준화 작업을 진행하고 있어 향후 보급이 확산될 가능성이 크다.

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액침냉각의 미래 전망

액침냉각 기술은 데이터센터의 에너지 효율을 극대화하고 탄소 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 특히 ESG(Environmental, Social, Governance) 경영이 강조되면서 친환경 냉각 기술이 필수 요소로 자리 잡고 있다.

또한 AI 및 머신러닝의 발전으로 연산 성능이 지속적으로 증가하면서 기존 냉각 방식의 한계를 넘어서야 한다. 액침냉각은 이러한 문제를 해결할 강력한 대안으로 떠오르고 있으며, 향후 데이터센터뿐만 아니라 다양한 산업에서 널리 사용될 전망이다.