Jet Impinge Cold-Plate

개요

AI, HPC(고성능 컴퓨팅), 서버용 SoC와 같은 고열 밀도 반도체의 성능이 비약적으로 향상되면서, 전통적인 공냉 방식은 열 방출을 감당하지 못하고 있습니다. 이에 따라 새로운 액체 냉각 기술이 주목받고 있으며, 그중 **Jet Impinge Cold-Plate(제트 충돌 콜드플레이트)**는 칩 바로 위에 고속 유체를 분사하여 열을 효율적으로 제거하는 방식으로 차세대 냉각 솔루션으로 부상하고 있습니다.

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1. 개념 및 정의

Jet Impinge Cold-Plate는 노즐을 통해 고속 유체(주로 물 또는 냉각수)를 칩 상단에 직접 분사하여, 표면과 유체가 충돌하면서 높은 열전달률을 얻는 직접 접촉식 냉각 기술입니다. 이는 콜드플레이트 표면에 균일하게 제트 분포를 설계함으로써 전체 면적에 고르게 냉각 효과를 제공할 수 있습니다.

• 목적: 고열 밀도 칩의 과열 방지 및 열 관리 최적화
• 적용 분야: AI 가속기, 서버 CPU/GPU, 전력 반도체

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2. 특징

특징	설명	효과
고속 제트 분사	노즐에서 직접 유체 분사	열교환 계수 향상
지역 냉각 집중	열이 많이 발생하는 부위에 분사 가능	Hotspot 방지 효과 큼
액체 직접 접촉	공기보다 20~100배 높은 열전도율	빠른 열 제거 가능

전통적 콜드플레이트 대비 열전달 효율 2~3배 이상 개선

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3. 구성 요소

구성 요소	설명	기능
Jet Nozzle Array	다수의 미세 노즐 구조	유체 분사 및 유량 제어
Impingement Surface	칩 위 평탄 냉각면	열과 직접 접촉하는 표면
Manifold	유입 및 배출 분배 구조	유체 흐름 균일 분산
Heat Spreader Interface	칩과 냉각판의 연결 계면	열저항 최소화 역할

고정밀 가공 및 유동 시뮬레이션 기반 설계 필요

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4. 기술 요소

기술 요소	설명	적용 방식
Computational Fluid Dynamics(CFD)	유체 흐름 및 열전달 해석	노즐 각도, 유속 최적화 설계
Microfabrication	미세 노즐 형상 가공 기술	균일한 제트 배열 구현
Two-phase Cooling	유체가 기화하는 고효율 냉각	응축기와 결합하여 폐루프 구성 가능
Thermal Interface Material (TIM)	칩-플레이트 간 접촉 저항 최소화	전도 효율 향상

CFD 시뮬레이션과 정밀 가공이 필수 요소로 작용

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5. 장점 및 이점

장점	설명	기대 효과
높은 열전달 효율	고속 유체 충돌로 열전달 극대화	발열 칩의 온도 안정화
콤팩트한 설계	부품 간 거리 최소화	서버 내 공간 효율 향상
냉각 균일성 확보	전체 칩 면적에 균일 분사	신뢰도 및 수명 향상

최고 수준의 열 밀도를 가진 칩도 안정적으로 운용 가능

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6. 주요 활용 사례 및 고려사항

활용 사례	설명	고려 사항
데이터센터용 AI 칩 냉각	NVIDIA, AMD AI 칩에 적용	냉각수 순환 시스템 필수
전력반도체 냉각	IGBT, GaN 등 고열 소자	전기 절연 냉각 유체 선택 필요
우주/군사용 냉각 시스템	극한 환경에서의 안정성 제공	중복 냉각 설계 필요

시스템 통합 설계와 유체 선택이 안정성 확보의 핵심

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7. 결론

Jet Impinge Cold-Plate는 전통적인 열 방출 방식의 한계를 뛰어넘어, 직접 분사 방식으로 극한의 발열 환경에서도 칩을 안정적으로 유지시켜주는 핵심 기술입니다. 특히 고밀도 연산을 수행하는 AI/HPC 인프라에 필수적인 냉각 구조로 자리 잡고 있으며, 향후 2-Phase 증발 냉각과의 융합, 3D 칩 냉각 기술로도 발전할 가능성이 높습니다.