전자 산업을 위한 첨단 제조 기술

고성능 전자 기기는 열 관리 솔루션에 대한 요구를 점점 더 높이고 있습니다. 전력 밀도의 증가, 소형화된 시스템 아키텍처, 그리고 강화되는 지속 가능성 요구 사항으로 인해 기존의 냉각 방식은 한계에 부딪히고 있습니다. 데이터 센터, 전기 자동차, 항공우주 및 방위 산업과 같은 분야에서는 효율적이고 신뢰할 수 있는 액체 콜드 플레이트 냉각 기술이 성능, 시스템 수명, 운영 효율성을 확보하는 핵심 요소입니다.

이 사례 연구에서 지멘스( Siemens), GKN 애디티브(GKN Additive), EOS는 전자기기용 적층 제조 기술이 어떻게 차세대 ‘직접 칩 연결(Direct-to-Chip)’ 방식의 액체 냉각판을 구현하는지 보여줍니다. 지멘스가 Formnext 2025에서 발표한 이 사례는 포괄적인 엔드투엔드 디지털 스레드(digital thread)와 EOS 시스템 기반의 산업용 금속 적층 제조 기술을 결합함으로써, 고성능 전자 기기 애플리케이션에 탁월한 냉각 성능을 제공하는 방법을 보여줍니다.

도전 과제

기존 전자기기 냉각 방식의 한계. 액체 냉각판은 이미 강제 공기 냉각에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 그러나 대부분의 기존 솔루션은 여전히 튜브 방식이나 진공 브레이징 핀 설계를 기반으로 하고 있어 다음과 같은 여러 가지 한계가 있습니다:

• 제한된 설계 자유도로 인해 열 최적화가 제한됨
• 브레이징 접합부가 잠재적인 누출 지점으로 작용함으로써 발생하는 신뢰성 위험
• 특히 데이터 센터에서 냉방 관련 에너지 소비가 높음
• 온도 상승이 전자 장비 고장의 약 50%를 차지하기 때문에 시스템 수명이 단축됩니다

결과적으로, 냉각 관련 결정은 효율성, 지속 가능성, 신뢰성 및 총 소유 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

솔루션

히트맵부터 인쇄 가능한 콜드 플레이트에 이르는 포괄적인 디지털 스레드. 이러한 과제를 해결하기 위해 지멘스는 열 시뮬레이션부터 양산 가능한 적층 제조 설계에 이르는 전 과정을 아우르는, 칩 직접 연결형 액체 냉각 콜드 플레이트를 위한 포괄적인 엔드투엔드 디지털 스레드를 개발했습니다.

1. 디지털 워크플로는 Siemens Calibre 3D Thermal을 사용하여 IGBT의 열 분포를 시뮬레이션하는 것으로 시작되며, 이를 통해 상세한 3차원 열 분포도를 생성합니다. 이러한 열 분포도는 냉각 요구 사항을 정의하며, 후속 최적화의 기초가 됩니다.
2. 열 데이터는 Simcenter OptiStruct로 전송되며, 여기서 대류 토폴로지 최적화를 적용하여 열 전달을 극대화하는 동시에 압력 강하를 최소화합니다. 이를 통해 기존 제조 방식으로는 구현할 수 없는 고효율 냉각 채널 구조를 얻을 수 있습니다.
3. 그런 다음 최적화된 토폴로지는 Simcenter Inspire의 암시적 모델링 기능을 통해 인쇄 가능한 형상으로 변환되며, 이를 통해 진정한 “적층 제조를 위한 설계”(DfAM)가 가능해지며, 격자 구조나 최적화된 유로와 같은 복잡한 내부 구조를 통합할 수 있게 됩니다.
4. 최적의 열 및 유동 성능을 보장하기 위해, 도출된 설계안들은 Simcenter Flotherm의 CFD 시뮬레이션을 통해 검증되며, 이를 통해 다양한 적층식 냉각 방식과 기존의 핀 기반 설계를 직접 비교할 수 있습니다.
5. 디지털 공정 체인은 Siemens NX AM Fixed Plane에서의 빌드 작업 준비 단계로 마무리되며, 이를 통해 데이터 단절 없이 설계에서 제조로 원활하게 전환할 수 있습니다. 자동 네스팅 기능을 활용하면 EOS 금속 3D 프린팅 시스템에서 빌드당 다수의 콜드 플레이트를 효율적으로 배치할 수 있습니다. 이는 높은 장비 가동률, 재현 가능한 생산 조건, 부품당 빌드 시간 단축을 보장하여 효율적이고 확장 가능한 양산 체계를 뒷받침합니다. 

결론

이 사례 연구는 포괄적인 디지털 스레드와 산업용 금속 적층 제조 기술을 결합함으로써, 전자 기기를 위한 고성능의 신뢰할 수 있고 확장 가능한 액체 냉각 플레이트 냉각 솔루션을 구현하는 방법을 보여줍니다. 지멘스의 디지털 엔지니어링 역량과 EOS의 금속 적층 제조 기술을 활용하고, GKN Additive와의 긴밀한 협력을 통해, 적층 제조는 차세대 고성능 전자 시스템을 위한 양산 준비가 완료된 솔루션으로 자리매김하게 되었습니다.

회사 소개

지멘스 디지털 인더스트리(DI)

지멘스 디지털 인더스트리스(Siemens DI)는 공정 및 이산 제조 산업 분야의 모든 규모의 기업이 전체 가치 사슬에 걸쳐 디지털 및 지속가능성 전환을 가속화할 수 있도록 지원합니다. 지멘스의 최첨단 자동화 및 소프트웨어 포트폴리오는 제품과 생산의 설계, 구현, 최적화에 혁신을 가져옵니다. 또한 개방형 디지털 비즈니스 플랫폼인 지멘스 엑셀러레이터(Siemens Xcelerator)를 통해 이 과정은 더욱 쉽고, 빠르며, 확장 가능하게 됩니다. 지멘스 디지털 인더스트리스는 파트너 및 생태계와 협력하여 고객이 지속 가능한 디지털 기업으로 거듭날 수 있도록 지원합니다. 지멘스 디지털 인더스트리스는 전 세계적으로 약 7만 명의 직원을 보유하고 있습니다.

지멘스 AG (베를린 및 뮌헨)

지멘스 AG는 산업, 인프라, 모빌리티, 헬스케어 분야에 주력하는 선도적인 기술 기업입니다. 이 회사의 사명은 모든 사람을 위해 일상을 변화시키는 기술을 창조하는 것입니다. 지멘스는 현실 세계와 디지털 세계를 결합함으로써 고객이 디지털 전환과 지속가능성 전환을 가속화할 수 있도록 지원하며, 이를 통해 공장의 효율성을 높이고, 도시의 삶의 질을 개선하며, 교통 수단의 지속가능성을 강화합니다. 산업용 AI 분야의 선두주자인 지멘스는 심도 있는 분야별 전문 지식을 활용하여 생성형 AI를 포함한 AI 기술을 실제 응용 분야에 적용함으로써, 다양한 산업 분야의 고객들이 AI를 쉽게 접하고 그 효과를 누릴 수 있도록 지원합니다. 또한 지멘스는 헬스케어 분야의 획기적인 혁신을 선도하는 세계적인 의료 기술 기업인 상장사 지멘스 헬시니어스(Siemens Healthineers)의 지분 대부분을 보유하고 있습니다. 모두를 위해. 어디서나. 지속 가능하게. 2025년 9월 30일로 종료된 2025 회계연도에 지멘스 그룹은 789억 유로의 매출과 104억 유로의 순이익을 기록했습니다. 2025년 9월 30일 기준, 회사는 계속 사업 기준으로 전 세계적으로 약 318,000명의 직원을 고용하고 있습니다. 자세한 정보는 웹사이트 www.siemens.com에서 확인하실 수 있습니다 .

GKN 애디티브

GKN Powder Metallurgy는 고정밀 금속 부품 분야의 시장 선도 기업이자 첨단 분말 야금 소재의 주요 제조업체입니다. 이 회사는 GKN Additive를 통한 최첨단 적층 제조 공정을 포함하여 혁신적인 제품 솔루션과 기술을 제공합니다. 분말 생산부터 부품 생산에 이르기까지 수직 통합 체계를 갖춘 유일한 기업입니다. 이 회사는 고객과 협력하여 첨단 분말 야금 기반 기술 솔루션을 통해 자동차 및 산업 분야의 복잡한 과제를 해결합니다. GKN 파우더 메탈러지(GKN Powder Metallurgy)는 Dauch의 계열사입니다. Dauch Corporation(구 American Axle & Manufacturing)은 2026년 2월 GKN 파우더 메탈러지를 인수했습니다. 현재 두 회사는 통합된 기업 브랜드인 Dauch로 운영되고 있습니다. 자세한 내용은 www.dauch.com에서 확인하실 수 있습니다.