Chapter 11

열 관리

스마트폰의 성능 상한을 정하는 것은 칩이 아니라 손바닥이다. AP는 순간적으로 10 W 넘게 쓸 수 있지만, 팬도 방열판도 없는 손바닥만 한 판이 공기 중으로 계속 내보낼 수 있는 열은 3~5 W 남짓이다. 그 이상은 결국 표면 온도를 끌어올리고, 폰은 스스로 속도를 낮춘다. 이 장에서는 열이 칩에서 손까지 가는 길을 따라가며, 그 길을 넓히는 베이퍼 챔버·그래파이트와 그 길의 끝에 있는 대류·복사, 그리고 시간을 사는 열용량을 직접 계산하고 시뮬레이션한다.

폰의 주요 열원과 상황별 발열량, 열이 표면까지 가는 경로를 설명한다.
피부 온도 한계(장시간 접촉 ~43 °C 수준)와 저온 화상의 개념으로 지속 전력 3~5 W를 유도한다.
열저항 네트워크로 접합 온도와 표면 온도를 계산하고, 어느 저항이 병목인지 찾는다.
2D 열 확산 시뮬레이터로 열원 위치·확산재·면적이 핫스팟을 어떻게 바꾸는지 체험한다.
베이퍼 챔버의 증발–응축–모세관 순환과 그래파이트의 이방성 열전도를 이해한다.
열용량이 만드는 시상수와 스로틀링, 충전·게임·케이스가 겹칠 때의 열 예산을 분석한다.

폰 안의 위치: 베이퍼 챔버와 AP

열 관리 부품은 눈에 잘 띄지 않는다. 전형적인 플래그십에서는 화면 바로 뒤, 프레임 미드플레이트에 붙은 얇은 구리판 베이퍼 챔버(VC, Vapor Chamber)가 AP 위를 덮고, 메인보드의 AP(SoC)와 메모리는 열 전도 젤(TIM)과 차폐 캔을 거쳐 이 판에 닿는다. 배터리 뒤와 후면 유리 안쪽에는 그래파이트 시트가 붙어 열을 넓게 편다. 아래 3D 모델에서 두 부품의 관계를 보자.

폰 안의 위치: VC와 메인보드(AP)

드래그: 회전 · 클릭: 부품 정보

강조 부품

분해 정도 X-ray (나머지 투명) 모든 부품 이름

해볼 것: 두 부품을 번갈아 강조해 보자. AP가 있는 보드 영역 바로 위(화면 쪽)에 VC가 넓게 펼쳐져 있다. 분해를 0으로 내리면 VC가 화면과 보드 사이의 얇은 층이라는 것이 보인다.

열원과 열 경로

폰이 쓰는 전기는 결국 거의 전부 열이 된다(소리와 빛, 전파로 나가는 몫은 작다). 문제는 어디서 얼마나 나느냐다. 열원은 한곳에 몰려 있다.

열원	상황	대표 발열	메모
AP(SoC)	게임·벤치마크	지속 3~5 W, 순간 8~12 W	수 cm² 면적에 집중. 가장 뜨거운 점
모뎀 + 파워앰프(PA)	5G 업로드, 약전계	1~3 W	PA 효율이 낮아 송신 출력이 클수록 급증(7장)
충전 IC + 배터리	유선 고속 / 무선 충전	1~3 W / 2~4 W	변환 손실 + 배터리 내부 저항의 $I^2R$(6장)
디스플레이	고휘도 야외	0.5~2 W	면적이 넓어 핫스팟은 약함
카메라 + ISP	4K/8K 녹화	2~4 W(ISP 포함)	센서가 뜨거우면 잡음 증가(8장)

그림 11-1. 열의 경로(개념도). AP 열은 TIM과 차폐 캔을 거쳐 VC로 올라가 넓게 퍼진 뒤 화면과 프레임으로, 일부는 보드를 통해 아래로 내려가 그래파이트를 타고 후면 유리로 빠진다. 최종 출구는 언제나 폰 표면 → 공기다.

열은 칩 안에서 생겨 세 단계를 거친다. ① 작은 점에서 뽑아내기(칩 → 패키지 → TIM), ② 넓은 면으로 퍼뜨리기(VC, 그래파이트, 프레임), ③ 표면에서 공기로 버리기(대류·복사). 폰에서 가장 작은 고리는 ③이다. 버리는 능력은 표면적과 표면 온도로 정해지는데, 둘 다 사실상 고정이다. 그래서 열 설계의 대부분은 ②, 즉 표면 전체를 고르게 데워 "버리는 능력"을 최대한 쓰는 일이다.

SIMULATOR

상황별 열 예산: 지속 가능한가?

사용 상황

주변 온도

총 발열—

지속 가능 한계(표면 43 °C)—

판정—

수치는 최근 스마트폰의 대표적인 범위를 단순화한 예다. 한계선은 아래 '대류·복사' 절의 모델(면적 245 cm², h ≈ 7 + 복사, 온도 균일도 0.75)로 계산한다. 해볼 것: 게임에 충전을 더하면 왜 폰이 충전 속도를 먼저 늦추는지, 여름 35 °C에서는 한계가 얼마나 줄어드는지 확인하자.

피부 온도 한계: 왜 43 °C인가

칩은 100 °C 가까이 견디지만 손은 그렇지 않다. 사람 피부는 45 °C 근처부터 열 통증을 느끼기 시작하고, 이보다 낮은 온도라도 오래 닿아 있으면 화상을 입는다. 이것이 저온 화상이다. 1940년대 Moritz와 Henriques의 실험 이후 알려진 경향은, 44 °C 부근에서는 수 시간 접촉해야 손상이 생기지만 1 °C 오를 때마다 그 시간이 대략 절반씩 줄어든다는 것이다. 자는 동안 충전 중인 폰을 베고 있는 상황이 위험한 이유다.

그래서 기기 안전 규격(예: IEC 62368-1)은 접촉 시간과 재질에 따라 표면 온도 한계를 둔다. 장시간(수 시간 이상) 손에 쥐는 표면은 대략 43 °C 수준이 기준이 되고, 짧게 닿는 표면은 재질(금속은 열을 빨리 전해 더 엄격)에 따라 조금 더 높게 허용된다. 제조사는 여기에 여유를 두고, 사용감까지 고려해 지속 사용 시 표면을 대략 40~45 °C 안에 두도록 제어한다.

SIMULATOR

접촉 온도 vs 화상까지 걸리는 시간(근사)

표면 온도

표면 재질(느끼는 온도)

손상까지(근사)—

접촉 계면 온도(추정)—

곡선은 교육용 근사다: 44 °C에서 약 6시간, 51 °C까지 1 °C마다 시간 절반, 그 이상은 더 가파르게. 개인차와 압력·혈류에 따라 크게 다르다. 재질 선택은 접촉 계면 온도를 바꾼다. 같은 50 °C라도 열 침투율(effusivity)이 큰 금속은 피부 쪽 계면을 더 뜨겁게 만든다.

이 한계가 곧 지속 전력을 정한다. 표면 온도 상승 $\Delta T = T_s - T_a$가 20 °C 남짓(25 °C 실내에서 43 °C)으로 묶이고, 표면적 $A$와 열전달 계수 $h$도 고정이니 버릴 수 있는 열 $Q = hA\,\Delta T$도 묶인다. 뒤에서 계산하겠지만 그 값이 대략 3~5 W다. AP의 순간 최대 전력이 이보다 2~3배 큰 이유는 짧은 순간에는 폰의 열용량이 열을 "빌려" 주기 때문이다.

열저항 네트워크: 열의 옴의 법칙

정상 상태의 열전도는 전기 회로와 같은 꼴이다. 열 흐름 $Q$[W]가 전류, 온도차 $\Delta T$[K]가 전압, 열저항 $R_{th}$[K/W]가 저항이다. 직렬은 더하고 병렬은 역수로 더한다.

$$\Delta T = Q\,R_{th},\qquad R_{\text{cond}} = \frac{L}{kA},\qquad R_{\text{conv}} = \frac{1}{hA}$$

$L$: 두께, $k$: 열전도도(W/m·K), $A$: 면적, $h$: 표면 열전달 계수. 예: 두께 0.1 mm, k = 3 W/m·K인 열 젤을 1 cm²에 바르면 R = 1e-4 / (3 × 1e-4) ≈ 0.33 K/W. 같은 젤이 0.3 mm로 두꺼우면 1 K/W가 된다.

아래 회로는 AP 접합부에서 공기까지의 경로를 단순화한 것이다. 저항을 눌러 선택하고 값을 바꿔 보자. 각 노드의 온도가 바로 계산된다.

SIMULATOR

클릭하는 열저항 회로

선택한 저항 AP 전력 주변 온도

접합 온도 Tj—

화면 표면—

후면 표면—

화면 쪽으로 가는 열

값은 대표적인 크기 감각을 위한 예다. 이 모델은 표면이 균일한 온도라고 가정한다(실제 핫스팟은 더 뜨겁다 → 다음 절의 2D 시뮬레이터). 해볼 것: TIM을 0.5 → 2 K/W로 나쁘게 하면 Tj는 크게 오르지만 표면 온도는 거의 그대로다. 반대로 대류 저항을 키우면(케이스) 모든 노드가 함께 오른다. 무엇이 "칩 문제"이고 무엇이 "폰 문제"인지 구별해 보자.

2D 열 확산 시뮬레이터: 핫스팟을 없애라

열저항 회로는 표면을 한 점으로 본다. 실제로는 AP 바로 위가 가장 뜨겁고 먼 곳은 미지근하다. 표면 한계는 가장 뜨거운 점에 걸리므로, 같은 열을 버려도 고르게 퍼뜨린 폰이 더 많은 전력을 쓸 수 있다. 폰을 얇은 판으로 보면 온도 $T(x,y,t)$는 다음 2D 열방정식을 따른다.

$$C_A\,\frac{\partial T}{\partial t} = \nabla\!\cdot\!\big((kt)\,\nabla T\big) + q''(x,y) - 2h\,(T-T_a)$$

$C_A$: 면적당 열용량(폰 전체 ≈ 1.7×10⁴ J/m²K), $kt$: 판의 면내 열 컨덕턴스(열전도도 × 두께, W/K), $q''$: 열원 밀도, $2h$: 앞·뒷면 두 면의 열전달(대류 + 복사). 확산재의 성능은 $k$가 아니라 $kt$로 정해진다. 그래서 얇은 그래파이트와 두꺼운 알루미늄이 비슷할 수 있고, VC가 압도적이다.

아래 시뮬레이터는 이 방정식을 2.5 mm 격자에서 유한차분(양해법)으로 실시간 적분한다. 폰은 가로로 눕혀 그렸다(왼쪽이 폰 위쪽, 카메라 쪽). 열원(원)을 드래그해 옮기고, 확산재 재료·두께·면적을 바꿔 보자.

SIMULATOR

폰 평면 2D 열 확산 (실시간 유한차분)

확산재

확산재 두께 확산재 길이(면적) AP 전력 모뎀/PA 전력 충전 IC 전력 표면 h (한 면, 대류+복사)

시간 배속

손 파지 영역

최고 표면 온도—

평균 표면 온도—

AP 접합(추정)—

손 닿는 곳 최고—

경과 시간—

모델: 폰 71.5 × 147 mm를 하나의 얇은 판으로 보고, 기본 구조(유리·프레임 등)의 면내 컨덕턴스 0.02 W/K에 확산재(점선 영역)의 $kt$를 더한다. VC는 유효 열전도도 ~3,000 W/m·K로 가정. 주변 25 °C. 흰 윤곽선은 43 °C 등온선, ✕는 핫스팟. 해볼 것: ① '없음'과 'VC'를 비교하고 '정상 상태로'를 눌러 핫스팟 온도 차이를 보자. ② AP를 손이 닿는 곳(가로 파지)에서 멀리 옮겨 보자. ③ 열원 셋을 한데 모으면 어떻게 되는가?

시뮬레이터에서 얻을 수 있는 교훈은 셋이다. 첫째, 확산재가 없으면 AP 위 핫스팟이 평균보다 10 °C 이상 뜨겁고, 이 한 점 때문에 전체 전력을 낮춰야 한다. 둘째, 확산재의 효과는 $kt$에 비례해 커지다가, 판 전체가 거의 같은 온도가 되면 더는 좋아지지 않는다. 그 다음부터의 한계는 순수하게 $2hA\,\Delta T$다. 셋째, 시간 응답이 수 분~수십 분 단위다. 폰 전체의 시상수 $\tau = C_A/2h$는 10분 남짓이어서, 짧은 게임 한 판과 한 시간 게임은 전혀 다른 열 문제다.

베이퍼 챔버: 물이 열을 나른다

베이퍼 챔버는 납작한 히트 파이프다. 얇은 구리 판 두 장을 붙여 만든 진공에 가까운 공간에 소량의 물이 들어 있다. 내부 압력이 낮아 물은 30~40 °C에서도 끓는다.

증발: AP 위(증발부)에서 물이 기화하며 잠열(물 ~2,400 kJ/kg)을 흡수한다.
증기 이동: 증기가 압력이 낮은 차가운 쪽으로 빠르게 퍼진다.
응축: 차가운 벽에서 다시 물이 되며 잠열을 내놓는다. 열이 넓은 면적에 퍼진다.
모세관 귀환: 벽에 붙은 윅(Wick, 구리 분말 소결체·메시·미세 홈)의 모세관 압력이 물을 다시 증발부로 끌고 온다. 펌프가 필요 없다.

그림 11-2. 베이퍼 챔버 단면. 증기 공간의 두께가 0.1~0.2 mm에 불과해, 얇게 만들수록 증기 흐름 저항이 커지고 성능이 떨어진다.

잠열 덕분에 VC는 온도차를 거의 만들지 않고 열을 나른다. 유효 열전도도로 환산하면 수천 W/m·K로, 구리(~390)의 수 배에서 열 배 수준이다. 다만 한계가 있다. 증발량이 윅이 되돌려 줄 수 있는 양을 넘으면 증발부가 마르는 드라이아웃(Dry-out)이 생기고, 그 순간 VC는 그냥 얇은 구리판이 된다. 이 모세관 한계는 다음 균형으로 정해진다.

$$\frac{2\sigma}{r_{\text{eff}}} \;\ge\; \Delta P_{\text{liquid}} + \Delta P_{\text{vapor}} + \rho_l\,g\,L\sin\varphi,\qquad \Delta P_{\text{liquid}} = \frac{\mu_l L_{\text{eff}}}{K A_w \rho_l h_{fg}}\,Q$$

$\sigma$: 표면 장력, $r_{\text{eff}}$: 윅의 유효 기공 반지름, $K$: 윅의 투과율(대략 기공 크기의 제곱에 비례), $A_w$: 윅 단면적, $\varphi$: 기울기(증발부가 위에 있으면 중력이 방해). 기공을 작게 하면 모세관 압력은 커지지만 액체가 지나가기 어려워진다. 최적점이 있다.

SIMULATOR

베이퍼 챔버 순환과 모세관 한계

입력 열 윅 기공 반지름 윅 두께

자세

모세관 압력—

최대 열 수송 Q_max—

상태—

입자: 붉은 점 = 증기, 파란 점 = 윅 속의 물. 모델: 물(~50 °C), 소결 분말 윅(공극률 0.5, Carman–Kozeny 투과율), 폭 30 mm, 유효 길이 50 mm, 증기 손실 보정 포함. 해볼 것: 기공 반지름을 5 µm부터 120 µm까지 움직여 Q_max가 어떻게 변하는지 보고, 세워서 중력이 방해하게 하면 최적 기공 크기가 생기는 것을 확인하자. 입력 열이 Q_max를 넘으면 드라이아웃이 일어난다.

그래파이트 시트: 옆으로만 잘 통하는 재료

VC를 넣을 공간이 없거나 넓은 면을 싸게 덮어야 할 때는 인조 그래파이트 시트(PGS, Pyrolytic Graphite Sheet)를 쓴다. 고분자 필름을 고온에서 탄화·흑연화해 만든 것으로, 탄소 원자층(그래핀)이 시트 면과 나란히 쌓여 있다. 원자층 안에서는 열이 아주 잘 흐르지만(면내 ~700~1,900 W/m·K) 층과 층 사이는 약한 결합이라 잘 흐르지 않는다(두께 방향 ~5~15 W/m·K). 이런 성질을 이방성이라 한다.

그림 11-3. 그래파이트 시트의 층 구조. 열을 옆으로 퍼뜨리는 데는 탁월하지만, 두께 방향으로 열을 통과시키는 용도(TIM)로는 맞지 않는다.

SIMULATOR

단면 열 확산: 이방성 vs 등방성

시트 재료

두께 면내 k (그래파이트)

면내 컨덕턴스 kt—

열원 위 최고 상승—

확산 길이 √(kt/h)—

위: 시트 단면(두께 방향을 크게 과장). 아래쪽 가운데 10 mm에서 열이 들어오고, 윗면은 다음 층으로 열을 넘긴다(유효 h = 300 W/m²K). 아래 그래프: 윗면 온도 상승. 점선은 다른 재료(같은 두께). 해볼 것: 70 µm 그래파이트와 300 µm 구리를 비교해 보자. 두께 방향 k가 매우 낮아도 시트가 얇아 문제가 되지 않는다.

대류·복사 냉각: 버릴 수 있는 열의 상한

표면에서 공기로 가는 길은 둘이다. 데워진 공기가 떠오르며 생기는 자연 대류와, 표면이 적외선으로 내보내는 복사다. 폰처럼 작은 판의 자연 대류 계수는 대략 $h$ ≈ 5~10 W/m²K이고, 유리·도장 표면의 방사율 $\varepsilon$이 0.85~0.95로 높아 복사도 대류와 비슷한 크기의 열을 버린다.

$$Q_{\max} = \eta\,A\Big[h_{\text{conv}}(T_s-T_a) + \varepsilon\sigma\big(T_s^4 - T_a^4\big)\Big]$$

$A$: 전체 표면적(앞·뒤 약 210 cm² + 옆면 약 35 cm²), $\sigma$ = 5.67×10⁻⁸ W/m²K⁴, $\eta$: 온도 균일도(평균 상승 ÷ 최고 상승, 0.6~0.85). 25 °C 실내에서 $T_s$ = 43 °C, $h$ = 7, $\varepsilon$ = 0.9이면 대류 ~3.1 W + 복사 ~2.6 W, 균일도 0.75를 곱하면 ~4.3 W.

SIMULATOR

표면 온도 한계 → 최대 방열량

표면적 대류 h 방사율 ε 주변 온도 표면 한계 온도 균일도 η

대류—

복사—

지속 가능 전력 Q_max—

복사 등가 h_rad—

h ≈ 2~3: 이불 속·주머니(공기 정체), 5~10: 책상 위 자연 대류, 15~25: 선풍기 바람 또는 클립형 냉각팬. 방사율 0.05~0.1은 광택 금속 표면. 해볼 것: 주변 온도를 35 °C로 올리면 Q_max가 거의 절반이 된다. 여름 야외 게임이 버거운 이유다.

열 스로틀링: 열용량이 사 주는 시간

정상 상태 계산은 "결국 몇 W까지인가"를 알려 주지만, 사용자가 겪는 것은 시간이다. 폰의 각 부분에는 열용량 $C$[J/K]가 있고, 열저항과 곱해 시상수 $\tau = RC$를 만든다. 칩 주변(다이·패키지·TIM)은 열용량이 작아 수 초 만에 데워지고, 폰 몸체(배터리·프레임·유리, 약 170 J/K)는 수 분~십수 분에 걸쳐 데워진다.

$$C_j \frac{dT_j}{dt} = P - \frac{T_j - T_b}{R_{jb}},\qquad C_b \frac{dT_b}{dt} = \frac{T_j - T_b}{R_{jb}} + P_{\text{chg}} - \frac{T_b - T_a}{R_{ba}}$$

두 시상수가 두 종류의 스로틀링을 만든다. ① 접합 온도 한계(~95~105 °C)에 걸리는 빠른 스로틀링(초 단위, 벤치마크 첫 몇십 초), ② 표면 온도 한계(~43 °C)에 걸리는 느린 스로틀링(10~20분, 긴 게임). 운영체제의 열 관리자는 여러 온도 센서(서미스터)로 표면 온도를 추정해 CPU·GPU 클럭 상한, 화면 밝기, 충전 전류를 단계적으로 내린다.

SIMULATOR

30분 열 응답과 스로틀링

시나리오

요구 전력(AP 등) 주변 온도 폰 열용량 케이스 씌움 스로틀링 끄기(위험)

표면 한계 도달—

30분 후 전력—

지속 성능(초기 대비)—

최고 Tj / 표면—

3노드 모델: 칩(C ≈ 3 J/K) – 내부(VC·보드, ~25 J/K) – 몸체(조절 가능). 표면 핫스팟 = 몸체 + 0.35 × (내부 − 몸체). 성능은 전력의 약 0.4제곱에 비례한다고 근사(DVFS: $P \propto fV^2$, $V$도 $f$와 함께 내려감). '게임+충전'에서는 배터리 온도가 오르면 충전 전류를 먼저 줄인다(아래 그래프의 주황 점선). 해볼 것: 케이스를 씌우고 30분 후 전력과 성능을 비교해 보자.

충전하며 게임하기, 그리고 케이스

충전 + 게임은 폰에게 최악의 열 시나리오다. 열원이 둘로 늘어나는데 출구는 그대로다. 유선 고속 충전에서 충전 IC(차지 펌프 등)의 변환 손실은 효율 95~98%라도 수십 W를 다루니 1 W 안팎이 되고, 배터리 내부 저항의 $I^2R$이 더해진다. 무선 충전은 코일 결합 손실 때문에 더 뜨겁다. 게다가 리튬이온 배터리는 뜨거울 때 빠르게 충전하면 열화가 가속되므로(5장), 대부분의 폰은 배터리가 대략 40 °C를 넘으면 충전 전류를 줄이고 45 °C 근처에서는 충전을 멈춘다. 그래서 게임하며 충전하면 "충전이 안 된다"는 느낌을 받는다. 일부 폰이 충전기 전력을 배터리를 거치지 않고 시스템에 바로 공급하는 바이패스 충전을 두는 이유다.

케이스는 표면과 공기 사이에 단열층을 끼운다. 두께 1 mm, 열전도도 0.2 W/m·K인 TPU 케이스가 뒷면·옆면 약 140 cm²를 덮으면 그 열저항은 $R = L/kA$ ≈ 0.001 / (0.2 × 0.014) ≈ 0.36 K/W다. 이 값보다 더 무서운 것이 케이스와 폰 사이의 공기층이다. 공기의 k는 0.026 W/m·K로 TPU의 1/8이라, 0.2 mm 틈만 있어도 저항이 두 배가 넘는다. 폰은 케이스 유무를 모르는 채 내부 센서로 표면 온도를 추정하므로, 케이스를 씌우면 내부가 더 뜨거워져 더 일찍, 더 깊게 스로틀링한다. 다만 얇고 밀착된 케이스라면 표면→공기 저항(뒷면 기준 ~6 K/W)에 비해 케이스 저항이 작아 지속 전력 손실은 수 % 수준이고, 두껍거나 틈이 큰 케이스에서 10~20%까지 커진다. 오히려 사용자가 느끼는 케이스 표면은 폰 표면보다 미지근해, 폰 내부가 얼마나 뜨거운지 알아채기 어렵다는 점이 함정이다.

SIMULATOR

케이스 재질·두께·공기층 → 지속 전력

재질

두께 공기층

케이스 열저항(뒷면)—

케이스 없음 Q_max—

케이스 있음 Q_max—

케이스 바깥 온도—

모델: 앞면(화면, 105 cm²)은 열린 채, 뒷면+옆면(140 cm²)에 케이스. 각 면 h = 12 W/m²K(대류+복사), 주변 25 °C, 폰 표면 한계 43 °C, 균일도 0.75. 재질 열전도도(W/m·K)는 대표값. 해볼 것: 두께보다 공기층이 더 큰 영향을 주는지 확인하자.

시나리오	열원	먼저 줄이는 것
게임(실내)	AP 4~6 W + 디스플레이	GPU/CPU 클럭 → 프레임률
게임 + 유선 충전	위 + 충전 1~3 W	충전 전류(배터리 온도) → 클럭
무선 충전(침대 위)	코일 손실 2~4 W	충전 전력. 이불이 h를 낮춰 특히 위험
4K/8K 장시간 녹화	ISP·센서·인코더	녹화 중단 경고, 해상도·프레임률
한여름 차량 거치 내비	AP + 모뎀 + 고휘도 + 직사광	화면 밝기 → 충전 정지 → 기능 제한

설계 시 무엇이 중요한가

1. 열원을 흩어 놓고, 손에서 멀리

AP·PA·충전 IC가 한곳에 모이면 핫스팟이 겹친다. 2D 시뮬레이터에서 셋을 모았을 때를 떠올리자. 그래서 충전 IC는 하단 서브보드나 배터리 반대편에, PA는 안테나 근처의 다른 모서리에 둔다. AP는 대개 폰 위쪽 1/3, 카메라 근처에 놓인다. 세로로 쥘 때 손바닥은 아래쪽 절반을 감싸고, 가로로 게임할 때는 양 끝을 쥔다. AP가 위쪽 가운데에 있으면 어느 자세에서도 손가락이 가장 뜨거운 곳을 피한다. 반대로 위쪽에는 카메라가 있어서, 카메라 센서가 AP 열을 함께 받는다.

그림 11-4. 손 파지 영역(주황 점선)과 AP 위치. 한 위치가 모든 자세에서 최선일 수는 없다. 2D 시뮬레이터의 '손 파지 영역'으로 직접 확인해 보자.

2. VC 면적과 두께: 공간과의 거래

VC 면적이 넓을수록 균일도 η가 올라가 지속 전력이 늘지만, 그만큼 무게와 원가가 늘고 배터리·카메라와 겹친다. 두께는 0.3~0.5 mm 남짓인데, 얇게 하면 증기 공간이 좁아져 유효 열전도도가 떨어진다. 화면 뒤에 VC를 붙이면 디스플레이에 열이 많이 가서 화면 쪽 표면이 먼저 한계에 닿는다. 프레임 재질도 중요하다. 티타늄 프레임은 열전도도(~7~20 W/m·K)가 알루미늄(~150~200)보다 훨씬 낮아, 같은 디자인이면 측면으로의 확산이 줄어든다(12장).

3. 카메라 센서는 열에 민감하다

이미지 센서의 암전류(빛이 없어도 생기는 전자)는 대략 6~8 °C마다 두 배로 는다. 4K 녹화나 긴 노출의 야간 모드에서 센서가 뜨거우면 어두운 부분 잡음과 핫 픽셀이 늘어난다. 자세한 원리는 SensorBook 노이즈 장을 참고하자.

SIMULATOR

센서 온도 → 암전류와 핫 픽셀

센서 온도 노출 시간 두 배 온도

암전류—

암전류 산탄 잡음—

읽기 잡음 대비—

가정: 60 °C에서 암전류 8 e⁻/s/픽셀, 읽기 잡음 1.5 e⁻(대표적인 소형 픽셀 수준). 오른쪽은 이 조건으로 만든 가상의 '암흑 프레임'(대비 강조). 해볼 것: 노출 1 s 야간 모드에서 센서가 40 °C일 때와 70 °C일 때를 비교하자.

4. 배터리 온도 한계

구간	대표 범위	폰의 대응
충전 허용	~0(또는 10) ~ 45 °C	15 °C 아래·40 °C 위에서는 전류 축소, 범위 밖이면 충전 정지
방전 허용	~−20 ~ 60 °C	저온에서 내부 저항 ↑ → 전압 강하로 꺼짐 방지 위해 성능 제한
장기 열화	35 °C 이상 장시간 + 높은 SOC	최적화 충전(80%에서 대기), 고온 경고

5. 다른 부품과의 상호작용

두께·무게: VC 0.4 mm, 그래파이트 여러 장, TIM 공간은 모두 두께 예산에서 나온다. 반대로 두꺼운 폰은 열용량과 표면적이 커서 유리하다.
안테나: 금속 VC와 그래파이트(전도성)는 안테나 근처에 두면 효율을 깎는다. 확산재의 모양이 안테나 클리어런스에 맞춰 잘린다(7장).
디스플레이: OLED는 뜨거우면 수명(번인)이 짧아지고 색이 변한다. VC 열이 화면으로 많이 갈수록 손해다.
신뢰성: TIM의 펌프 아웃(열 사이클로 젤이 밀려남), VC의 미세 누설로 인한 성능 저하, 그래파이트 들뜸은 장기 불량 원인이다.

흔한 실패 사례

벤치마크 첫 1분 점수만 보고 설계 → 실사용 20분 뒤 성능이 절반으로.
AP와 충전 IC가 가까워 충전 중 핫스팟이 겹침 → 충전 속도 저하 민원.
TIM 두께 공차 관리 실패 → 개체마다 Tj가 10 °C 이상 차이.
케이스 사용을 고려하지 않은 열 검증 → 실제 사용자 환경에서 잦은 스로틀링.
카메라 모듈이 AP 열을 받아 장시간 녹화 중 화질 저하·녹화 중단.

핵심 정리

주요 열원은 AP(지속 3~5 W, 순간 8~12 W), 모뎀·PA, 충전 IC·배터리, 디스플레이, 카메라·ISP다. 열은 결국 폰 표면에서 공기로 나간다.
장시간 접촉 표면 한계(~43 °C 수준)와 저온 화상 때문에 표면 온도 상승이 ~20 °C로 묶이고, 이것이 지속 전력 3~5 W를 정한다.
열저항 네트워크($\Delta T = QR$)로 접합·표면 온도를 계산한다. TIM은 Tj를, 표면 대류는 모든 온도를 좌우한다.
표면 한계는 최고점에 걸리므로 핫스팟을 없애는 확산($kt$)이 핵심이다. VC ≫ 그래파이트 ≈ 구리판 > 알루미늄판 순.
VC는 증발–응축–모세관 귀환으로 열을 나르며, 모세관 한계를 넘으면 드라이아웃된다.
그래파이트는 면내 ~1,500, 두께 방향 ~5 W/m·K의 이방성 재료로, 얇은 시트로 열을 옆으로 퍼뜨린다.
$Q_{\max} = \eta A[h\Delta T + \varepsilon\sigma(T_s^4-T_a^4)]$. 대류와 복사가 비슷한 몫을 맡는다.
열용량은 시간을 산다. 빠른(Tj) 스로틀링과 느린(표면) 스로틀링이 있고, 충전·케이스·더운 날씨는 모두 지속 성능을 깎는다.
설계: 열원 분산, AP는 손에서 먼 곳, VC 면적·두께와 공간의 거래, 카메라 센서·배터리·디스플레이의 온도 민감도를 함께 본다.

확인 퀴즈

Q1. 스마트폰의 지속 전력이 대략 3~5 W로 제한되는 가장 근본적인 이유는?

$Q = \eta A[h\Delta T + \text{복사}]$에서 ΔT ≈ 18 °C, A ≈ 245 cm², h_eff ≈ 12 W/m²K이면 4 W 안팎이다. 칩과 배터리는 순간적으로 훨씬 더 낼 수 있다.

Q2. 열저항 회로에서 TIM의 열저항만 크게 나빠졌다. 정상 상태에서 가장 크게 변하는 것은?

같은 전력이 TIM을 지나므로 ΔT = Q·R_TIM만큼 Tj만 오른다. 표면에서 버리는 열은 같으므로 표면 온도는 거의 그대로다(경로 분배가 조금 바뀔 뿐).

Q3. 두께 0.1 mm 그래파이트(면내 1,500 W/m·K)와 두께 0.3 mm 구리(390 W/m·K) 중 면내 열 확산 능력(kt)이 큰 것은?

kt = 1,500 × 1e-4 = 0.15 W/K, 구리 390 × 3e-4 = 0.117 W/K. 그래파이트는 무게도 훨씬 가볍다.

Q4. 베이퍼 챔버에서 '드라이아웃'이 일어나는 조건은?

모세관 압력 2σ/r이 액체·증기 흐름 손실과 중력의 합보다 작아지면 증발부로 물이 돌아오지 못해 마른다. 그 순간 VC는 얇은 구리판으로 전락한다.

Q5. 25 °C 실내에서 지속 가능하던 게임이 35 °C 야외에서는 크게 스로틀링되는 이유로 가장 알맞은 것은?

대류·복사 모두 대략 ΔT에 비례한다. 43 − 35 = 8 °C이면 방열 능력이 실내의 절반 이하가 된다.

Q6. 벤치마크를 돌리면 처음 수십 초는 최고 성능이 나오다가 곧 한 번 떨어지고, 15분쯤 뒤 또 떨어졌다. 두 단계의 원인을 바르게 짝지은 것은?

칩 주변의 시상수는 초 단위, 몸체는 10분 단위다. 빠른 스로틀링은 Tj, 느린 스로틀링은 표면 온도가 원인이다.

Q7. 케이스 성능을 가장 크게 떨어뜨리는 요소로 알맞은 것은?

공기는 TPU보다 열전도도가 약 8배 낮아, 0.1~0.2 mm 틈만으로도 케이스 재질 1 mm보다 큰 열저항이 된다.

Q8. 장시간 4K 녹화 중 영상의 어두운 부분 잡음이 점점 늘었다. 열과 관련한 가장 그럴듯한 원인은?

암전류는 온도에 지수적으로 늘어 어두운 영역의 산탄 잡음과 핫 픽셀을 키운다. AP와 카메라가 가까울수록 심하다.