2.1 냉각판 모델 및 열유동해석 조건

냉각판의 성능 평가를 위해 상용 열-유동 해석 프로그램인 Cradle (Hexagon, Sweden, V2024.1)를 사용하였다. Fig. 1은 레이더 냉각 모듈을 나타낸다. 냉각 모듈은 냉각판, 발열체, 냉각 유체로 구성된다. 발열체는 냉각판의 윗면에 위치하며 균일한 열량이 발열된다. 냉각 유체는 공기를 사용하였으며, 유입구(inlet)를 통해 내부 유로로 유입된 후 유출구(outlet)를 통해 외부로 배출된다. 해석모델은 안테나 냉각판 중앙 대칭면(symmetry plane)을 기준으로 1/2 대칭 모델을 사용하였다. 냉각판과 발열원의 소재는 알루미늄이며 사용된 재료의 물성치는 Table 1에 정리하였다.

열-유동 해석에서 Eq. (1)-(3)과 같이 질량 보존 방정식, 운동량 보존 방정식, 에너지 보존 방정식을 적용하였다.

이때 $\rho$는 밀도, $u$는 속도, $\mu$는 동점성계수, p는 압력, Cp는 정압 비열, $T$는 온도, $k$는 열전도도를 나타낸다. 또한, 냉각판 내부 유동의 평균 레이놀즈 수가 8600 이상으로 냉각판 내 난류 와류를 고려한 해석이 필요하다. 이를 위해 실제 난류 모델의 유속 분포를 반영할 수 있는 𝑘-𝜀난류 모델을 적용하였다^[12]. 𝑘-𝜀 난류 모델은 난류 에너지(k)와 난류 에너지 소산율(ε)을 기반으로 난류 특성을 고려하는 모델 중 하나이다^[13]. 𝑘-𝜀 난류 모델에서 난류 운동에너지(𝑘), 난류 소산율(𝜀)은 각각 Eq. (4)-(5)와 같다.

여기서 $\mu_{t}$는 난류 점성계수, G𝑘는 평균 유동에 의한 난류 운동에너지, C1과 C2는 결정 상수, Cμ는 난류 점성 계수의 비례상수, σ𝑘과 σ𝜀는 각각 난류 운동에너지와 난류 소산율의 확산 계수이다.

Fig. 2는 매시 크기에 따른 해석 결과의 수렴도 평가이다. 매시 크기를 3 mm부터 0.5 mm까지 변화시켜 냉각판의 최대 온도 변화를 확인한 결과, 1 mm 이하일 때 결과의 편차가 0.01% 이내로 수렴함을 확인하였다. 이에 따라, 해석 시간을 고려하여 본 연구에서는 매시 크기 1 mm를 적용하여 모든 해석을 수행하였다. Fig. 3은 매시가 적용된 유한요소모델을 나타낸다.

2.2 냉각성능 향상을 위한 유입구 유량비 분석

유입구 별 유량비 조건에 따라 냉각 성능을 분석하였다. 총 유량은 동일하며, 3개의 유입구의 유량비율에 따른 냉각 성능을 비교하였다. Table 2에 각 케이스에 적용된 유량 비율을 정리하였다. 유효 냉각 면적이 큰 유입구 1의 유량비를 먼저 평가하기 위해 전체 유량을 40~60% 분배량에 따른 영향도를 확인하였다. 이후 잔여 유량에 대해 유입구 2와 3의 유량비를 평가하여 안테나 냉각판의 유량 분배 비율을 결정하였다.

Fig 4는 유량 비율에 따른 냉각판 온도 분포를 나타낸다. Fig. 5는 유량 비율에 따른 최고 온도 및 온도 편차를 나타내며, Table 3은 Case 1을 기준으로 각 Case에서의 상대적인 최고 온도와 온도 편차를 정리한 결과이다. 유입구 1의 유량이 감소함에 따라 냉각판 최대온도 발생영역은 냉각판 중심부에서 외각으로 이동하였다. 유입구 1에 전체 유량의 50%로 낮아질수록 최고 온도가 0.48% 감소하고, 온도 편차도 6.89% 감소하였다. 하지만 Fig. 4(c)와 같이 유입구 1에 전체 유량의 40%로 감소할 경우, 최고 온도가 2.29%, 온도 편차가 15.58% 증가하였다. 이를 통해 유입구 1의 유량이 50% 미만으로 감소함에 따라 냉각판 중심부에서 외곽으로 고온 영역이 확산되며, 전체 냉각 효율이 저하되었다. 유입구 2,3의 세부적인 유량 분배에 따른 영향도를 평가한 결과, Fig. 4(d)와 같이 Case 4(30:20)일 때 Case 5(20:30) 대비 최고온도가 0.58%, 온도 편차가 11.52% 높았다. 한편, Fig. 4(f)와 같이 Case 6(10:40)일 때 Case 5 대비 최고온도가 2.35%, 온도 편차가 2.93% 높았다. 유입구 2,3의 유량비를 20:30으로 설정한 Case 5가 전체 모델 내에서 가장 우수한 냉각 성능을 보였으며, 특히 최고 온도와 온도 편차 측면에서 최적의 유량 분배 조건임을 확인하였다.

유입구 유량 분배비에 따른 냉각판 성능 개선 거동의 영향을 평가하기 위해 유량 비율에 따른 유출구로의 유동속도 변화를 평가하였으며, 이를 Fig 6에 나타내었다. 섹션(section) 1, 2, 3은 각각 유입구 1, 2, 3에 연결된 주요 냉각 유로 구간이다. Fig. 6(a)의 Case 1~3은 유입구 1의 유량 비율을 순차적으로 감소시키는 조건으로, 유입구 1의 유량이 감소함에 따라 섹션 1의 유속은 줄고 섹션 2 및 3의 유속은 증가하는 경향을 보였다. 특히 Case 2는 유량이 고르게 분배되어 섹션 간 유속 차가 완화되었으며, 이에 따라 최고 온도와 온도 편차 모두 Case 1~3 중 가장 낮게 나타났다. 반면, 유입구 1의 유량이 과도하게 줄어든 Case 3에서는 섹션 1의 유속이 17.51%로 급감하고, 섹션 3의 유속은 과도하게 증가함으로써 유량 불균형이 심화되었으며, 결과적으로 최고 온도와 온도 편차가 가장 크게 증가하였다. 이는 유량 분배의 균형이 냉각 효율 향상에 결정적인 요소임을 보여준다. 따라서 유입구 1의 유량 비율을 50% 수준으로 유지한 Case 2가 균형 잡힌 유속 분포와 낮은 열 축적 효과를 보이며, 냉각 성능 측면에서 가장 우수한 조건으로 평가되었다. Fig. 6(b)는 유입구 1의 유량을 고정한 상태에서 유입구 2와 3의 유량 비율을 변화시켰을 때 냉각판 유속 결과이다. 유입구 3의 유량이 증가할수록 섹션 3의 유속은 상승하고 섹션 2의 유속은 감소하는 경향을 보였으며, 섹션 2의 유속 감소비 보다는 섹션3 의 유속 증가비가 높아 냉각판 중심부 온도 감소에 효과적이었다.

반면 유입구 3의 유량이 잔여유량의 80%까지 증가한 Case 6에서는 Section 2의 유속이 급감하고, Section 3의 유속이 지나치게 높아지며 유속 불균형이 다시 심화되었고, 이에 따라 최고 온도와 온도 편차가 다시 증가하였다. 그 이하의 유량 범위에서 Case 5는 섹션 2,3 경계 구간의 평균 유속 가장 높게 운용이 가능하여 유속 증가에 따른 열전달률이 향상으로 냉각 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 결론적으로 유입구 1:2:3의 유량을 5:2:3으로 분배하였을 때 유속 균형과 열 분산 측면 모두에서 가장 이상적인 조건으로 확인되었으며, 이에 기반하여 적층 제조에 적합한 최적의 냉각 유로 형상을 설계에 적용하였다.

2.3 적층제조 적용 안테나 냉각판 유로 설계

적층제조 특화 설계(Design for additive manufacturing, DfAM) 기술은 적층제조 공정의 높은 설계 자유도를 활용하여 기존 제조 방식의 한계를 극복하고 최적화된 형상을 구현할 수 있는 설계 기법이다. 이는 전통적인 제조 공정에서 구현이 어려운 복잡한 형상 및 내부 구조의 제작을 가능하게 하며, 위상 최적화, 격자 구조, 다공성 구조 등을 활용하여 부품의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 적층제조 공정의 형상 자유도를 최대한 활용하기 위해서는 살두께, 적층 방향에 따른 적층면적의 변화, 오버행(overhang) 각도 및 이에 따른 서포트 구조의 형성을 종합적으로 고려한 부품 설계가 요구된다.

특히 L-PBF(Laser Powder Bed Fusion) 공정에서는 오버행 구조가 대표적인 설계 제한 요소로, 이는 하부 지지 없이 제작되는 돌출 형상을 의미한다^[15]. 일반적으로 오버행 각도가 45° 이하인 경우에는 안정적인 적층을 위해 서포트 구조가 요구되며, 적층 이후 제거 공정이 수반된다. 그러나 냉각판과 같이 밀폐된 내부 유로 구조를 갖는 부품에서는 서포트 제거가 불가능하기 때문에, 서포트 생성을 방지하는 오버행 제어 설계가 필요하다. 또한, 오버행 각도가 작아질수록 오버행 영역의 표면 조도가 거칠어지기 때문에 유량 손실 및 압력 손실이 증가한다. 이에 따라, 유로의 표면 조도 및 유량 흐름을 고려하여 오버행 각도를 50°로 제한하여 냉각 유로 설계에 적용하였다.

Fig. 7과 Table 4은 적층제조 기반 냉각판 설계를 위해 적용된 다양한 유로 형상 모델을 분류하여 나타낸다. Fig. 7(a)는 기준 모델인 OCP-O (Open outlet Cooling Plate - Original flow channel)로, 수직 직선형 유로를 기반으로 한 기본 냉각 구조를 갖는다. 이와 대비하여 Fig. 7(b)~(b)는 적층제조에 최적화된 개선 설계가 적용된 모델들로, 다음과 같이 구분된다. OCP-U(Upper diagonal flow channel)은 상부 대각 방향 유로 구조, OCP-L(Lower diagonal flow channel)은 하부 대각 방향 유로 구조, OCP-D(Dual diagonal flow channel)은 상·하단부 대각 유로가 동시에 적용된 구조이며, BCP-D(Blocked outlet Cooling Plate - Dual diagonal flow channel)는 OCP-D 구조에서 측면 유출구를 차단한 설계 모델이다.

Fig. 8은 유로 구조에 따른 모델별 온도 분포를 나타내며, Fig. 9, Table 5는 OCP-O를 기준으로 각 모델의 최고 온도 및 온도 편차를 비교한 결과이다. 최고 온도 분석 결과, 상부 대각 유로를 적용한 OCP-U는 OCP-O 대비 4.34%, 하부 대각 유로를 적용한 OCP-L은 0.70%, 상·하부 대각 유로를 모두 적용한 OCP-D는 4.76% 낮은 온도를 나타냈다. 이는 대각 유로를 통해 유체가 냉각판 전반에 보다 넓게 분포함으로써 국부적인 열 축적을 억제한 결과로 해석된다. 반면, 온도 편차 측면에서는 모든 대각 유로 모델에서 증가하는 경향을 보였다. OCP-U, OCP-L, OCP-D는 OCP-O 대비 각각 13.23%, 11.57%, 9.46% 높은 온도 편차를 나타냈으며, 이는 대각 유로를 통해 상부 냉각이 개선되면서 최저 온도가 크게 낮아져 상대적인 온도 편차가 커진 것으로 분석된다. 하지만, 측면 유출구를 차단하여 유동 분포를 하단부로 재조정한 BCP-D 모델은 OCP-D 대비 최고 온도가 5.24%, 온도 편차가 22.59% 향상되었다.

BCP-D의 냉각 성능 개선 요인을 분석하기 위해 OCP-O와 BCP-D의 유로 형상과 스트림라인을 비교하였다. 유로관 내의 와류는 유동을 불규칙하게 만들고, 효율적인 경로를 방해한다. 그 결과 유속이 저하되고 압력 손실이 발생하여 냉각 성능이 떨어지며, 유량 개선은 냉각 효율에 영향을 준다^[16]. BCP-D (Fig. 10(b))는 OCP-O(Fig. 10(a))에서 추가된 상부 대각 유로를 통해 와류가 개선되었다. 또한 하부 측면 유출구 차단 구조를 통해 냉각 유로 길이가 증가했다. 이와 같은 와류 개선 효과로 냉각판 외각부의 유량 및 유속이 증가함을 Table 6에서 확인할 수 있다. OCP-O 대비 BCP-D의 유속이 93.13% 증가하며 외각부 유량이 증가하였다.

Fig. 11은 OCP-O와 BCP-D의 유동 방향에 따른 유속을 나타낸다. Fig. 11(a)는 X 및 Z 방향 유속의 측정 구간을 나타낸다. Fig. 11(b)와 Fig. 11(c), 그리고 Table 7은 이에 대한 정량적 해석 결과이다. Fig. 11(b)와 같이 OCP-O의 upper section에서의 X 방향 평균 유속은 –0.21 m/s, lower section에서는 X 방향 평균 유속은 0.13 m/s로 나타났다. 반면, BCP-D에서는 upper section의 X 방향 평균 유속이 0.79 m/s로, OCP-O 대비 약 37% 증가하였고, lower section에서는 –1.64 m/s로, OCP-O 대비 약 116.15% 증가하였다. 냉각판 상부의 대각 유로를 통해 외각 방향으로 진행되는 X 방향 유동이 개선되었다. Fig. 11(c)에 Z 방향 평균 유속에서도 upper section에서는 OCP-O가 –0.87 m/s인 반면, BCP-D는 –1.4 m/s로 약 60.92% 증가 하였고 lower section에서도 OCP-O는 –0.97 m/s였으나, BCP-D는 –1.96 m/s로 102.06% 증가하였다. 평균 유속 증가 및 유동 흐름 개선으로 냉각판의 발열원을 더 효율적으로 냉각할 수 있게 되었다.

DfAM 기반 설계에서 적용된 대각 유로 구조는 유량의 분기점 증가와 전체 유동 경로의 연장으로 인해 유동 마찰 손실이 유발되며, 이는 압력 강하 증가로 이어질 수 있다^[17]. 특히, 항공우주 및 방위산업 분야와 같이 고출력 장비의 집적화로 인해 높은 열부하가 발생하고, 동시에 제한된 에너지 자원과 시스템 효율이 중시되는 응용 환경에서는 단순한 냉각 성능 향상을 넘어서, 유동 저항에 따른 압력 손실까지 종합적으로 고려한 열관리 시스템 설계가 필수적이다. 냉각 성능과 유동 저항 간의 균형을 정량적으로 평가하기 위해 압력 강하와 온도 간의 상관관계 분석이 필요하다. Fig. 12는 OCP 및 BCP 모델의 압력 강하 비교 결과를 나타낸다 유동분배 개선 유로구조는 냉각성능을 개선하는 동시에 압력손실을 증가시키는 경향을 보였으며, 특히 BCP-D 모델은 상·하부 대각 유로와 측면 유출구 차단 구조의 적용으로 인해 유동선의 길이가 증가되면서 OCP-O 대비 압력 강하가 56.3 Pa 증가하였다. 이는 향상된 냉각 성능과 더불어 유속 증가에 따른 유동 저항도 함께 증가했음을 의미하며, 열전달 효과 외에도 압력손실과 같은 에너지 효율을 고려한 부품 성능 평가가 필요하다.

냉각 성능과 압력 손실이 동시에 고려된 부품 성능평가를 위하여 최고 온도, 온도 편차, 압력 강하를 동시에 반영하여 성능 지수(Performance factor, Pf)로 부품 성능 평가를 수행하고 이를 기반으로 부품 열관리 성능을 정량적으로 비교·평가하였다. 공랭식 냉각판에서 냉각 성능은 일반적으로 최고 온도 및 온도 편차를 통해 평가되며, 유동 저항은 압력 강하를 통해 간접적으로 판단할 수 있다. Eq. (6)은 관로 유로(flow channel) 설계에서 널리 사용되는 대표적인 성능 지수 식으로, 다음과 같이 정의된다^[18].

여기서 $N u$는 각 조건에서의 누셀 수, $N_{0}$는 기준 모델의 누셀 수, $\triangle P$는 압력 강하, $\triangle P_{0}$는 기준 모델의 압력 강하를 의미한다. 이 성능 지수는 열전달 성능과 유동 저항 간의 상충 관계를 정량적으로 평가할 수 있는 지표로 활용되지만^[19], 공랭식 냉각판에서 중요한 냉각 온도 분포의 균일성은 직접적으로 반영되지 않는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 Eq. (6)의 누셀 수 항을 최고 온도와 온도 편차 항으로 대체한 Eq. (7)을 성능 지수로 적용하였다^[20].

여기서 $T_{\max}$는 각 모델에서의 최고 온도, $\triangle T$는 각 모델에서 냉각면의 온도 편차, $\triangle P$는 압력 강하이다. 모든 성능 요소의 비교를 위해 기준값은 기존 모델인 OCP-O로 설정하였으며, 냉각판 별 성능지수 평가 결과는 Fig. 13에 나타내었다. 각 항목 별 수치를 성능 지수를 통해 평가한 결과, OCP-U, OCP-L, OCP-D는 각각 0.98, 0.95, 0.99의 성능 지수가 나타났다. 이들 모델은 OCP-O와 비교 시 최고 온도는 감소하였으나, 온도 편차와 압력 강하가 증가하면서 OCP-O 대비 성능이 향상되지 못하였다. BCP-D는 OCP-O에 비해 압력 손실이 증가하였으나, 최고 온도와 온도 편차가 크게 개선되어 성능 지수는 1.073으로 향상되었다. 이는 성능지수의 온도 평가 비율이 압력 손실 비율보다 3배 높게 평가 되기 때문이다. 적층 제조 특화 설계 기반 냉각 유로 설계로 열 관리 측면에서 BCP-D 모델이 압력 손실 증가를 상쇄할 만큼 최고 온도 저감과 온도 균일성이 개선되어 안테나 냉각판 전체 냉각 성능이 향상된 것으로 평가된다.