Two-Phase Immersion Liquid Cooling

개요

Two-Phase Immersion Liquid Cooling(2단계 침지 액체 냉각)은 고성능 컴퓨팅 장비(HPC, AI 서버 등)를 전기적으로 비활성화된 특수 냉각액에 직접 담그고, 냉각액이 열에 의해 증발하고 다시 응축되는 과정을 통해 열을 제거하는 고효율 열관리 기술입니다. 고열이 발생하는 칩을 직접 식히기 때문에 기존 공랭식 대비 탁월한 냉각 효과를 제공합니다.

---

1. 개념 및 정의

항목	설명
정의	냉각 액체가 기화(1차 단계) 후 응축(2차 단계)을 반복하며 서버를 냉각하는 방식
핵심 원리	칩의 열로 냉각액이 증발 → 열 전달 → 응축 후 다시 액상으로 복귀
주요 용도	데이터센터, AI/ML 가속기, 엣지 서버, 전력 집약적 반도체 장치

액체는 일반적으로 3M Novec, Fluorinert 등의 절연 유체를 사용하며, 높은 비열과 안전성이 특징입니다.

---

2. 특징

특징	설명	비교
증발 냉각 효과	열을 잠열(latent heat)로 직접 흡수	공랭보다 냉각 효율 10배 이상 향상
무소음/무팬 구조	펌프나 팬 불필요	기계 부품 손상 없음, 유지보수 간편
공간 효율성	높은 밀도로 서버 집적 가능	랙당 전력 밀도 2~4배 향상
안정적 절연 특성	물리적 접촉에도 단락 발생 없음	수침 고장 우려 없음

이 기술은 특히 GPU 집약적 연산환경에서 에너지 효율 향상과 서버 밀도 확대에 탁월한 성능을 보여줍니다.

---

3. 구성 요소 및 냉각 메커니즘

구성 요소	설명	역할
Immersion Tank	서버 장비가 직접 잠기는 액체 탱크	열 교환 작동의 중심
Cooling Liquid	비전도성 냉각 유체	열 흡수 및 증발/응축 순환
Vapor Path	증기 상승 경로	칩에서 발생한 증기 이동 통로
Condenser Coil	응축기(열교환기)	증기를 액화 후 다시 탱크로 반환
Heat Exchanger	외부 냉각 순환 시스템	최종 열 방출 및 지속 냉각 유지

서버의 열은 냉각 유체를 증발시켜 열을 외부로 이동시키며, 증기는 응축 후 반복적으로 사용됩니다.

---

4. 기술 요소

기술 요소	설명	적용 기술
두 단계 열교환	기화 → 응축의 순환 사이클	phase change cooling, immersion server
절연 냉각 유체	전기 비도전성, 환경 친화적	3M Novec, GreenDEF 등
수직 증기 응축 시스템	수직 코일 응축 방식	높은 응축율 및 공간 활용성
Smart Rack 제어	온도/압력 자동 제어	AI 기반 열제어 시스템 연계 가능

이 기술은 특히 자율 데이터센터, 무풍·무소음 AI 팜에서 각광받고 있습니다.

---

5. 장점 및 이점

장점	설명	효과
냉각 효율 최고 수준	열 전달 효율 탁월	서버 발열 완화 및 수명 연장
에너지 절감	팬·냉각기 동작 전력 최소화	PUE 1.05 이하 달성 가능
설치 유연성	공조 시설 의존도 낮음	엣지/모듈형 서버에 최적
유지관리 단순	회전체 없음	고장률 낮고 TCO 절감 가능

특히 수냉 대비도 기계적 부품 수가 적어 MTBF(평균 무고장 시간)가 매우 높습니다.

---

6. 주요 활용 사례 및 고려사항

분야	적용 사례	고려 사항
Hyperscale DC	Meta, Google 데이터센터	정밀 누유 감지 및 기화 제어 필요
AI Training	고열 GPU 클러스터 냉각	냉매 수명 및 교체 비용 고려
엣지 컴퓨팅	실내 공조 없는 AI inference 서버	고온 환경 적응성 필수
국방/항공	발열 높은 미션 장비 냉각	운송 충격 대응 내구성 요구

도입 시 가장 중요한 요소는 냉각액의 선택과 장기적 누적열 설계 전략입니다.

---

7. 결론

Two-Phase Immersion Liquid Cooling은 고열 AI 서버와 전력 집약형 시스템의 열관리 패러다임을 전환하는 획기적 기술입니다. 기존 공랭/수랭 시스템을 넘어 초고밀도 환경에서 효율적이고 안정적인 열제거를 가능하게 하며, 지속 가능한 데이터센터 및 고성능 시스템 구현의 핵심 솔루션으로 자리매김하고 있습니다.