1. 개요
영어 : Air cooled팬의 회전을 통한 바람으로 열을 식히는 방식이다. 본 문서는 컴퓨터의 공랭쿨러에 대해 서술한다.
공랭쿨러는 방열판을 통해 열을 배출하고, 그 열을 바람을 일으켜 밖으로 빼내는 게 보통이다. 이 과정에서 외부 공기를 빨아들이고, 열을 밖으로 내보내면서 PC 내부의 온도를 유지한다.
히트 싱크 위에다 팬만 붙여두면 되는 간단한 제조 및 조립으로 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 팬의 소음이 크며, 시간이 흐름에 따라 히트 싱크와 팬에 먼지가 끼면 냉각 효율이 떨어지므로 약 6개월에서 1년 주기로 먼지를 제거해 주어야 하는 단점이 있다.[1]
현대에는 공랭이란 단어가 CPU 쿨러 외에는 잘 쓰이지 않으나, 과거에는 오토바이나 RR식 경차 엔진에서도 공랭식 냉각장치를 볼 수 있었다. 엔진 크기가 라디에이터를 달기에는 작았기 때문이다. 2차 대전 당시에는 전투기에도 공랭식 냉각장치를 달긴 했지만...
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| 사진 출처. |
2. 상세
펜티엄 이후부터 공랭 쿨링이 정식으로 채택되어 중간에 슬롯 방식을 채택한 펜티엄 2를 제외하고[3] 펜티엄 3 까지는 한쪽 방향에 걸쇠를 건 상태에서 반대쪽 방향의 걸쇠를 소켓에 거는 형식으로 설치하였다. 펜티엄 4 에서부터 레버를 이용해 고정하는 방식이 사용되었다. 푸시핀, 백 플레이트 방식이 등장한 것은 775 소켓 이후부터이다.775부터 등장하여 오늘날까지 사용되는 방식은 인텔 CPU의 기본 쿨러가 사용하고 있는 위치에 맞게 돌려놓고 꾹 누르면 되는 푸시핀 방식과, 백 플레이트를 마더보드 뒤에 맞추고 방열판과 팬이 있는 쿨러부를 백 플레이트에 나사로 조이는 방식이 있다. 사제 쿨러들이 사용하고 있는 백 플레이트 방식은 확실한 체결이 장점이지만 제품에따라 초보자에게는 설치가 다소 어려울 수 있다. 기본 푸시핀 방식의 경우 착탈이 어렵진 않으나 요령을 모를 경우 플라스틱 푸시핀을 부러뜨리는 실수를 하기 쉽다.[4]
인텔 기본 쿨러를 장착하는 요령은 푸시핀이 위로 제대로 당겨져 있나 확인하고 시계 방향으로 돌려 놓은 뒤, 마더보드 CPU 소켓 주위의 쿨러 구멍에 잘 맞추고[5], 그 다음에도 바로 힘주어 누르기보다는 쿨러와 푸시핀이 연결되어 있는 연결부 플라스틱을 손으로 눌러 푸시핀이 구멍에 잘 들어가게 해 준 후, 마무리로 4개 모두 딸깍 소리가 나게 눌러주면 깔끔하게 장착되고, 쿨러가 제대로 장착되지 않아 이격으로 쿨링에 문제가 생기는 사태도 예방할 수 있다. 쿨러를 제거할 때는, 푸시핀 위에 화살표로 표시된 방향대로 반시계 방향으로 4개를 모두 돌려준 뒤, 차례로 당겨 뽑아주면 된다.
AMD의 경우에는 양쪽 걸쇠를 걸친 뒤 레버를 내려 고정하는 방식을 사용한다. 카비니 계열의 경우에는 푸시핀 방식과 유사한 방식을 사용한다. 라이젠 이후부터는 레이스 프리즘 이상의 쿨러에는 레버 방식을 사용하고 그 미만 쿨러들은 백플레이트 방식을 사용한다.
이 방식을 사용할 때는 케이스 자체의 통풍성이 확보되어야 할 뿐 아니라, 케이스 주변에 바람이 통할 수 있는 공간을 반드시 마련하여야 한다. 이 쿨링 시스템의 경우, 공기로 냉각하는 방식이기 때문에 아무리 강력한 쿨링팬을 사용한다고 하더라도 외부에서 공기 순환이 원활하지 않을 경우, 냉각이 안 되는 것은 물론이고, 경우에 따라서는 역으로 시스템 전체의 온도가 올라가는 막장 상황이 벌어진다. 덤으로 쿨링팬의 수명도 악화되므로 컴퓨터 설치시 반드시 감안해야 한다. 컴퓨터 외부의 공기를 끌어다 쿨링을 하기 때문에, 방 온도(실온)보다 CPU의 온도가 더 낮을 수는 없으며, 여름에는 쿨러팬의 크기와 관계없이 쿨링 성능이 떨어지게 된다.
또한 쿨러는 보편적으로 3핀 쿨러와 4핀 쿨러[7]를 사용한다. 4핀 쿨러는 팬 내부의 마이크로컨트롤러가 메인보드에서 보내주는 PWM 신호를 해석하여 자동으로 RPM 조절이 되지만, 3핀 짜리 쿨러는 RPM을 조절할 수가 없기 때문에 그냥 연결하면 풀 RPM 속도로 회전하면서 소음이 발생한다. 물론 일부 구형 메인보드나 요즘 메인보드들은 전압조절로 3핀 팬의 RPM을 컨트롤 할 수 있지만 현재 RPM정보를 읽을 수 없으며[8] LED가 달려있는 경우 전압에 따라 광량이 달라진다. 전압조절이 지원되지 않는다면 3핀 저항을 이용하여 RPM을 줄일 수 있지만 그만큼 저항에서 발열이 일어나고 LED가 달려 있으면 광량이 줄어들며 팬 갯수가 많으면 일일이 연결해야 하기 때문에 이럴 땐 그냥 4핀 쿨러를 사는 것이 정신 건강에 이롭다. 또한 PWM 제어가 되는 4핀 팬 의 경우 팬이 기계적인 요인[9]으로 인해 돌지 않을경우 마이크로컨트롤러가 코일의 전원 인가를 일시적으로 정지하여 팬의 소손을 막아준다.[10]
3. 구조
사진은 고성능 공랭 쿨러 중 하나인 CRYORIG 사의 R1 UNIVERSAL.
일반적인 공랭 쿨러는 방열판, 히트 파이프, 베이스 플레이트 그리고 팬으로 구성되어 있다. 방열판, 히트 파이프, 베이스 플레이트를 합쳐 히트 싱크라고 부르기도 한다.
먼저 방열판은 매우 얇은 판을 쌓아올린 형상을 하고 있으며, 열이 공기와 접촉하는 면적을 넓혀주는 것이다. 주로 알루미늄으로 만들어졌으며, 방열판의 면적이 넓고, 갯수가 많을수록 냉각 성능이 더 좋다. 알루미늄보다 열전도율이 더 높은 구리로 방열판을 만드는 경우도 있다. 이 경우, 쿨링 성능은 더 좋으나, 무게가 매우 증가하고 가격이 비싸진다는 단점이 있다. 방열판은 날카로워, 손을 베일 수도 있으니 주의해야 한다.
히트 파이프는 관처럼 생겼으며, 열원에서 발생한 열을 방열판으로 이동시키는 역할을 한다. 주로 열전도율이 높은 구리로 만들어진다. 히트 파이프가 방열판과 연결되는 방식에는 접합식과 관통식이 있다. 접합식의 경우, 히트 파이프와 방열판을 접합 물질로 붙히는 방식이며 관통식은 히트 파이프를 방열판에 끼워넣는 방식이다. 보통은 접합식이 더 나은 냉각 성능을 보여준다. 히트 파이프의 갯수는 냉각 성능에서 중요하다. 히트 파이프가 많으면 방열판으로 열이 잘 전달되어 냉각 성능이 높아진다. 단, 히트 파이프가 너무 많으면 방열판의 면적이 줄어 오히려 냉각 성능이 낮아진다. 히트 파이프의 방향도 냉각 성능에서 중요하다. 히트 파이프가 눕혀져 있을 때보다 세워져 있을 때, 수송할 수 있는 열의 용량이 증가해, 냉각 성능이 더 높다.
베이스 플레이트는 네모난 판처럼 생겼으며, 열원과 직접 맞닿아 열원의 열을 히트 파이프로 이동시키는 역할을 한다. 열전도율이 높은 구리로 제작되며, 열원과 히트 파이프에 최대한 밀착시키기 위해서 CNC를 이용해 정밀하게 가공된다. 일부 공랭 쿨러는 제작 단가가 높은 베이스 플레이트를 생략하고, 열원과 히트 파이프가 직접 맞닿는 방식으로 제작되기도 한다. 이 경우, 열원과 접촉하는 면적이 감소해 열전도율이 감소하고 냉각 성능이 낮아진다는 단점이 있다.
팬은 선풍기 날개처럼 생겼으며, 방열판 사이로 공기를 불어넣어 열을 식혀주는 역할을 한다. 팬이 없는 팬리스(Fanless) 공랭 쿨러도 있다. 팬리스 공랭 쿨러는 소음이 없다는 장점이 있으나, 높은 냉각 성능을 기대하기는 힘들다. 선풍기가 그렇듯, 팬이 클수록 낮은 속도로도 센 바람을 낼 수 있다.
일부 공랭 쿨러는 히트 파이프 대신 루프 히트 파이프(Loop Heat Pipe, LHP)를 사용하기도 한다. 루프 히트 파이프는 특수한 액체의 상전이를 이용한 것으로, 기존의 히트 파이프와 비교했을 때, 더 먼 곳까지 열을 이동시킬 수 있고 중력 반대 방향으로도 열을 이동시킬 수 있으며 높은 발열도 잘 이동시킨다는 장점이 있다. 루프 히트 파이프를 사용하는 공랭 쿨러는 일체형 수랭 쿨러와 구조적으로 매우 비슷하지만 기계적인 펌프를 사용하지 않아 전력 소모가 없고 영구적으로 작동하며, 완전히 밀폐되어 있어 누수의 위험성이 없다. 또한 성능이 일체형 수랭 쿨러만큼 뛰어나다.[11] 조립용 PC를 위한 제품은 아직 없다.[12]
일부 공랭 쿨러는 히트 파이프와 베이스 플레이트 대신 증기 챔버(베이퍼 챔버)를 사용하기도 한다. 증기 챔버는 히트 파이프를 넓게 늘린 것으로 히트파이프와 비교했을 때, 열원과 접촉하는 면적이 더 넓고, 열전도율 또한 더 높다는 장점이 있으나, 먼 곳까지 열을 전달하지 못하고 제조 단가가 매우 높다는[13] 단점이 있다. 때문에 방열판의 면적이 넓고, 갯수가 많은 공랭 쿨러에는 거의 사용되지 않는다.[14] 증기 챔버는 작은 공랭 쿨러에서 주로 사용된다.
일부 공랭 쿨러는 방열판, 히트 파이프, 베이스 플레이트 대신 통 금속을 사용하기도 한다. 저가형 쿨러에서 주로 쓰이는 방식이며, 열원의 열이 히트 싱크 전체로 잘 전달되지 않아 높은 냉각 성능을 기대하기는 힘들다.
4. 종류
4.1. CPU에서의 공랭 쿨러
4.2. 램에서의 공랭 쿨러
당연히 램에도 공랭 쿨러가 있다. 이런 물건은 일반적인 용도로는 쓸 일이 없고, 방열판이 달린 램을 오버해서 쓰는 사람들이 달아놓곤 하는데, 덤으로 CPU 온도까지 낮출 수 있는 시너지를 보이기도 하지만, 소음이 좀 많이 심하다는 것이 단점. 일반적으로 IDE 4핀으로 구동되므로 RPM조절같은 건 없다.[15]
커세어에서도 CORSAIR DOMINATOR AIRFLOW 라는 모델 이름으로 램 쿨러를 발매하는데, 이쪽은 PWM을 지원한다. 하지만 메인보드 PWM단자에 연결해봐야, 메모리 온도를 기준으로 팬속 조절은 불가능한데, 이는 자사의 커맨더 프로라는 팬컨트롤러를 이용하라는 의미다. 커맨더 프로는 소프트웨어적으로 램 온도, 그래픽카드 온도 등을 기준으로 팬속 조정이 가능하기 때문이다.
4.3. 그래픽카드에서의 공랭 쿨러
'ASUS ROG STRIX GTX 1080 Ti'
그래픽 카드 중에는 선풍기 날개같이 생긴 쿨러가 달려있는 경우가 있는데, 이것을 오픈 에어(Open-Air) 방식이라고 한다. 이 방식은 팬이 그래픽 카드에 직접적으로 공기를 불어넣는 구조이다. 이 방식은 그래픽 카드의 온도를 효과적으로 낮출 수 있고 소음이 낮다는 장점이 있다. 하지만 그래픽 카드의 열기가 케이스 내부로 퍼지기 때문에 다른 PC 부품의 온도가 높아진다는 단점이 있다. 때문에 오픈 에어 그래픽 카드를 사용할 때는 케이스 내부의 공기 흐름에 신경을 써야 한다. 또한 쿨러가 2개 이상인 그래픽 카드의 경우, 그 무게로 인해 장기간 사용시 그래픽 카드의 기판이나 PCIe 슬롯이 무조건 휜다고 보면 되기 때문에 그래픽 카드 지지대가 필수다.
설계상 다수의 그래픽 카드를 장착하는 환경에서는 쿨링 면에서 효율적이지 못할 수 있다. 다수의 오픈 에어 그래픽 카드를 장착하면 그래픽 카드에서 나온 열기가 다른 그래픽 카드로 유입되기 때문이다. 다수의 오픈 에어 방식 그래픽 카드를 장착할 때는 케이스 내부의 공기 흐름에 신경을 써야 한다.
'NVIDIA TITAN X'
그래픽 카드 중에는 터빈에 가까운 모양새의 쿨러가 달려 있는 경우가 있는데, 이것을 블로워(Blower) 방식이라고 한다. 이 방식은 그래픽 카드 끝 부분과 팬이 달린 부분에서 공기를 빨아들여 시스템 바깥으로 쏘아내는 구조이다. 이 방식은 그래픽 카드의 열기를 케이스 바깥으로 바로 내보내기 때문에 다른 PC 부품의 온도에 큰 영향을 주지 않는다는[16] 장점과 공기 흐름이 좋지 못한 폐쇄적인 구조의 PC에서도 사용이 가능하다는 장점이 있다. 다수의 그래픽카드를 장착하는 경우, 오픈 에어 방식보다 쿨링 면에서 더 효율적이다. 그래픽 카드에서 나오는 열기가 케이스 바깥으로 배출되어 다른 그래픽 카드의 쿨링에 영향을 주지 않기 때문이다. 하지만 블로워 방식의 쿨링 성능은 오픈 에어 방식보다 떨어지고[17] 소음이 더 크다는 단점이 있다.
블로워 팬은 레퍼런스 그래픽 카드에서 많이 사용되고 있는데, 왜 쿨링 성능도 떨어지고 더 시끄러운 방식을 사용하냐고 할 수도 있지만 레퍼런스 그래픽 카드는 대부분의 상황에서도 잘 동작하도록 설계해야 하는 이유가 있기 때문이다. 즉 위에 서술된 것처럼 타 장비에 영향을 주지 않고 열을 배출하기 때문에 대부분의 환경에서도 온도는 비교적 높을지언정 거의 변수 없이 안정적으로 동작한다. 또한 레퍼런스 그래픽카드들이 PCB를 완전히 덮는 블로워 방식 쿨링을 채택하기 시작했을 적엔 엔비디아와 AMD가 SLI 및 크로스파이어를 대대적으로 밀어주던 시기였던 점도 감안해야 한다. 오픈에어 GPU를 2개 이상 꽂으면 케이스 공기 순환에 잘 신경쓰지 않는 이상 오버는 고사하고 쓰로틀링까지 각오해야 할 수도 있다. RTX 2000번대의 레퍼런스 카드는 2팬의 오픈에어 방식인데 이것은 다중 그래픽카드를 반쯤 포기한 것으로 볼 수도 있고, 블로워 팬으로 높은 TDP 제품을 냉각하는 것이 어렵다는 것을 시인한 것으로 볼 수도 있다.
다만 이 현상은 소비자용 그래픽카드에서만 보이는 현상이고 워크스테이션용 그래픽카드같은 엔터프라이즈용 제품들은 여전히 블로워 방식의 냉각 방식이 메이저이다. Radeon Pro W6800, RTX A6000,
4.4. 기억장치에서의 공랭 쿨러
'HP Z Turbo Drive Quad Pro'[18]
주로 RPM이 높은 하드 디스크, NVMe SSD에 쓰인다. 성능이 높은 기억장치는 발열 또한 심한 편이므로[19], 쿨러를 장착하면 성능 저하를 막을 수 있다. 기억장치의 경우 CPU나 그래픽카드처럼 사용시 쿨러의 필요성을 느끼지 못하는데 고용량 하드디스크의 경우 부하를 주지 않고 가만히 놔둬도 계속해서 작동은 하기 때문에 쿨링을 하지 않을 시 50~60도까지 올라간다. 이는 저장장치 수명에 좋지 않으며, 직접 바람을 쏴주는 케이스 팬 하나만 있어도 30도 정도까지 식힐 수 있다. 괜히 NAS에 쿨러가 달려있는게 아니다.
4.5. 시스템 쿨러
케이스 곳곳에 장착하는 보조 팬들을 말한다. 팬 개수 자랑용(?)으로 형형색색의 LED가 달린 모델이 많다.시스템 쿨러의 배치는 CPU 쿨러, 메인보드, 케이스의 구조에 따라 최적 배치[20]가 천차만별이기 때문에 이를 찾으려면 어느 정도 시행착오가 필요하다.
4.6. 노트북에서의 공랭 쿨러
근본적으로 냉각, 배열 설계가 힘든 탓에 냉각 환경이 열악한 노트북의 경우 위와 같은 쿨러 이외에도 쿨링패드라는 상품이 따로 존재한다. 쿨링패드는 일종의 외장 쿨러로서, 완제품에 설치되어 있는 쿨러 외에 추가적으로 설치하는 물건이다. 노트북 거치대 겸용의 큰 방열판에 냉각팬을 붙여서 노트북의 열을 조금이라도 더 외부로 빠르게 빼내는 것. 보통은 노트북 USB의 전원을 통해 냉각팬을 구동시키나, 냉각팬이 크거나 많은 숫자가 달리는 쿨링패드의 경우는 외부에서 전원을 끌어다 사용해야 하는 경우도 있다. 이런 물건은 일단 기본적으로 노트북 이상의 넓이를 가져야 하는 물건이니만큼 어느 정도 덩치가 크게 마련이고, 따라서 단순한 쿨링패드로서의 기능 외에 USB 허브라던가 외장 스피커의 기능이 추가된 물건도 많다. 방열판의 경우 주로 금속제가 사용되나 가끔 싸구려는 플라스틱으로 된 거치대에 냉각팬만 달려 나오는 물건도 있다. 이런 물건은 오히려 안 쓰니만 못하게 되는 경우도 있으니 주의.그 외에는 노트북 배열구에 장착하여 노트북 내부의 달아오른 공기를 강제로 흡입하여 노트북 바깥으로 빼내는 방식을 통해 공기 순환을 유도하는 공랭식 외장형 쿨러도 존재한다. 개념만 들으면 꽤나 쓸모있겠다 싶지만, 안타깝게도 이런 상품은 배열구의 모양이 단순한 노트북에만 설치가 가능한 경우가 대부분인 탓에 실제로 적용할 수 있는 모델은 많지 않다.
당연하겠지만 발열이 좀 높은 태블릿 컴퓨터에도 공랭을 도입한 모델이 몇 있다. Microsoft Surface, 모바일스튜디오 프로가 대표적.
4.7. 모바일 기기에서의 공랭 쿨러
방치형 게임이 쏟아지기 시작하면서 조명되기 시작한 시장이다. 특성상 금속 재질을 사용한 기기에서 유의미한 효과가 있다.
5. 여담
공랭만으로 운동한 뒤의 심장소리보다 조용한 컴퓨터를 만든 사례가 있다.소개 영상 / 제작 영상 / 소음 테스트 영상 / FAQ 영상. 제작과정에 꽤나 노력이 많이 들어간 작품이긴 하지만, 수십만원씩 들여서 커스텀 수랭 시스템을 제작할 돈을 생각했을 때 주문제작을 한다면 그렇게 비싸지 않은 돈으로 제작할 수 있을 것으로 보인다.공랭 방식으로 부속들을 냉각하다 보면 대기 오염으로 인한 미세한 분진이 기판에 들러붙어서 청소가 곤란할 수 있다.
6. 관련 문서
[1] 굳이 냉각 때문이 아니더라도 먼지 자체가 전자 제품과는 상극이기에 주기적 먼지 제거는 컴퓨터의 안정성을 높이는 좋은 방법이 된다.[2] AMD RYZEN 시리즈부터는 LED 튜닝이 된 레이스 쿨러가 기본쿨러로 채용되었다.[3] 일체형이라 슬롯에 끼우고 팬 전원만 연결하면 되었다.[4] 만일 플라스틱 푸시핀을 부러뜨렸다면 푸시핀만 따로 구입할 수 있으니 쿨러가 못 쓰게 되었다고 생각하여 버리지 말자.[5] 여기서 실수할 수 있는데, 감으로 하기보단 마더보드 뒷편, 판이 뚫려 있는 케이스의 경우에는 케이스 옆면을 직접 눈으로 확인하면서 맞추는 것이 좋다.[6] 노트북 주변의 배기 및 흡기를 위한 공간을 확보하는 용도니 아래를 통짜로 막는 구성보단 가장자리를 몇 cm라도 받치는 구조가 좋다.[7] 4핀짜리 IDE 전원을 사용하는 쿨러와 혼동하지 않도록 주의.[8] 요즘 대다수의 메인보드들은 3핀 팬의 rpm 정보를 읽어 올 수 있다. HWinfo 같은 프로그램으로 확인 가능하다.[9] 축 내부의 윤활유가 없거나 베어링이 고착 된 경우.[10] 물론 잠깐 전원을 차단하고 다시 구동하려고 시도한다. 그리고 또 안돌면 무한반복[11] Calyos라는 회사는 루프 히트 파이프를 이용한 팬리스 고성능 워크스테이션을 만들었다. 팬리스임에도 CPU(i7-5820K)와 그래픽 카드(맥스웰 TITAN X)가 각각 73도, 74도 밖에 되지 않는다.[12] 프로토타입은 있다.[13] 히트 파이트는 양쪽 끝만 용접하면 되지만, 베이퍼 챔버는 모서리를 모두 레이저로 용접해야한다.[14] '쿨러 마스터'라는 쿨러 제조사는 증기 챔버에 히트 파이프를 연결한 '3D 증기 챔버(3D Vapor Chamber)'를 만들어서 방열판의 면적이 넓고, 갯수가 많은 공랭 쿨러에 사용하고 있다.[15] 현 시점에선 메모리컨트롤러가 CPU 안으로 내장되었기 때문에, 공랭팬이 필요할 수준으로 램전압을 많이 인가하면 CPU 안의 멤컨부터 이상이 생길 확률이 높다. 결국 쿨링팬으로서의 목적만 보자면 계륵인 셈.[16] 아예 영향을 주지 않는건 아니다. 기판에서 열기가 나오기 때문.[17] 블로우 방식 그래픽 카드의 온도는 고사양 게임을 돌리면 8~90°C 까지 올라간다.[18] NVMe SSD 4개를 RAID 0으로 묶어놓은 것이다.[19] 특히 NVMe SSD의 경우 반도체라는 특성상 컨트롤러에서 스로틀링을 걸어버린다.[20] 팬의 크기와 위치, 흡기/배기 여부 등