1. 서 론

최근 인공지능(AI), 생성형 AI 서비스, 클라우드 컴퓨팅 및 초고성능 연산 기술의 발전은 데이터센터에 높은 연산 성능과 전력 공급 능력을 요구하고 있다⁽¹⁾. 이에 따라 데이터센터의 규모와 에너지 소비가 증가하고 있으며, 고성능 CPU와 GPU 기반 서버의 확대는 랙당 전력밀도와 발열 밀도를 급격히 상승시키고 있다. 현대 마이크로프로세서의 열설계전력(TDP: Thermal Design Power)은 이미 280 W를 초과하였고, 향후 700 W 이상으로 증가할 것으로 예측된다. 또한 공기 기반 열 제거 성능은 물 기반 액체냉각 대비 약 37% 수준에 불과해, 고발열․고전력밀도 환경에서 기존 공랭식 냉각 시스템은 IT 장비의 열부하를 안정적으로 처리하는 데 한계가 있다⁽²⁾. 데이터센터 전체 에너지 소비에서 냉각 시스템이 차지하는 비중은 약 30~40%에 달하며, 냉각 효율은 전력사용효율(PUE: Power Usage Effectiveness), 운영비용, 탄소배출 저감에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소이다^{(3, 4)}. 이에 따라 고전력밀도 IT 장비의 안정적 운전과 냉각 에너지 절감을 동시에 달성하기 위한 대안으로 액체냉각 기술의 필요성이 확대되고 있다⁽⁵⁾. 특히 냉각유체의 공급 온도 조건은 데이터센터 냉각 시스템의 에너지 효율을 결정하는 중요한 설계 변수로 논의되고 있다. ASHRAE TC 9.9의 S-Class 기준은 수냉식 IT 장비에 공급되는 냉각유체의 최대 공급 온도를 구분하는 기준으로, 공급 온도가 높을수록 냉동기 의존도를 낮추고 냉각탑 또는 드라이쿨러 기반 외기 방열 가능성을 높일 수 있다⁽⁶⁾. 선행연구에서는 고온 S-Class 조건에서 냉각 PUE 1.04 이하의 고효율 운전 가능성이 제시되었으며, 이는 향후 AI 데이터센터 냉각 시스템 설계에서 공급 온도와 작동유체 선정이 함께 고려되어야 함을 의미한다⁽⁷⁾. 액체냉각 시스템의 성능은 냉각 방식뿐 아니라 작동유체의 열물성치와 밀접하게 연관된다⁽⁸⁾. 작동유체는 발열 부품에서 발생한 열을 흡수․전달하는 매체로서, 열전도율, 비열, 밀도, 점도 등에 따라 열전달 성능, 펌프 동력, 압력 강하, 시스템 안정성이 달라진다⁽⁹⁾. 또한 상변화 냉각에서는 비등점과 증발잠열이 냉각 성능을 좌우하며, 액침냉각유체는 전자부품과 직접 접촉하므로 전기 절연성, 재료 적합성, 장기 신뢰성도 고려되어야 한다⁽¹⁰⁾. 작동유체는 냉각 성능과 환경적 영향을 동시에 결정하는 핵심 설계 변수이며, GWP(Global Warming Potential)․ODP(Ozone Depletion Potential) 등 환경 규제 인자도 유체 선정의 주요 제약 조건으로 작용한다⁽⁹⁾. 그러나 기존 연구는 액체냉각 전반, 단상 액침냉각 또는 콜드플레이트 기술 등 특정 범위에 초점이 있는 경우가 많아, 냉각 방식 및 상변화 특성별 작동유체를 체계적으로 분류 및 비교한 연구는 제한적이다. 이에 본 논문은 2021~2025년 연구된 문헌 151편을 바탕으로 냉각 방식별 작동유체의 열물성치를 종합하여 제시하고자 한다.

2. 방법론

본 연구는 데이터센터 액체냉각 시스템에 적용되는 작동유체의 열물성 특성을 비교․분석하기 위해 PRISMA(Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) 2020 지침의 문헌 선별 절차를 준용하였다. 분석 대상은 고전력밀도 데이터센터에서 대표적으로 적용되는 액침냉각(Immersion Cooling)과 콜드플레이트 냉각(Cold Plate Cooling)으로 한정하였다. 문헌 검색은 ScienceDirect 데이터베이스를 대상으로 수행하였다. 검색어는 “Data Center” AND “Immersion Cooling”과 “Data Center” AND “Cold Plate”를 사용하였으며, 검색 기간은 2021년부터 2025년까지로 제한하였다. 검색 시점에는 2026년 발행 문헌도 확인되었으나, 해당 연도는 검색 시점 기준으로 모든 문헌이 출판되지 않아 연도별 연구 동향 비교의 일관성을 확보하기 위해 분석 대상에서 제외하였다. 검색 결과 액침냉각 관련 문헌 245편, 콜드플레이트 관련 문헌 223편으로 총 468편이 검색되었다. Fig. 1(a)는 2021년부터 2025년까지의 연도별 문헌 발행 추이를 나타낸다. 데이터센터 액체냉각 관련 문헌은 2021년 33편에서 2025년 205편으로 약 6.2배 증가하였으며, 이는 AI 서버 및 고성능 컴퓨팅 장비의 전력밀도 상승에 따라 액체냉각 기술에 대한 연구 수요가 빠르게 확대되고 있음을 보여준다. Fig. 1(b)는 최종 선정 문헌의 핵심 키워드 빈도 분석 결과이다. Data Center, Immersion Cooling, Single-Phase Immersion Cooling, Thermal Management, Liquid Cooling 등이 주요 키워드로 나타났으며, Dielectric Fluid, Pool Boiling, Two-Phase Immersion Cooling 등 작동유체 및 상변화 열전달 관련 키워드도 확인되었다. 이를 통해 선정 문헌이 본 연구의 분석 범위와 적합함을 확인하였다. Fig. 2는 PRISMA 2020 절차에 따른 문헌 선정 과정을 나타낸다. 초기 식별된 468편의 문헌 중 실험 또는 시뮬레이션 결과가 포함된 연구를 1차로 선별하였고, 이후 작동유체의 종류와 물성 정보가 구체적으로 제시된 문헌을 중심으로 적합성 및 데이터 완결성을 검토하였다. 그 결과 작동유체를 직접 다룬 총 151편의 문헌을 분석 대상으로 선정하였다. 선정된 문헌은 냉각 방식에 따라 액침냉각과 콜드플레이트 냉각으로 구분하고, 다시 단상과 2상 시스템으로 분류하였다. 이 중 작동유체의 열물성치가 정량적으로 제시된 51편의 문헌을 대상으로 열전도율, 비열, 밀도, 점도, 끓는점, 인화점, 증발잠열, GWP(Global Warming Potential) 등의 물성 정보를 추출하였다. 동일 작동유체가 여러 문헌에서 보고된 경우에는 대표값을 적용하였으며, 단상 및 2상 냉각 조건에서 유체 선정에 영향을 미치는 주요 인자를 분석하는 데 활용하였다.

Fig. 1 Bibliometric analysis of selected literature: (a) Annual publication trends by cooling method (2021-2025), (b) Top 20 keywords by frequency (n=151).

Fig. 2 Literature selection process flowchart (Studies included: n=51).

3. 데이터센터 액체냉각 방식별 작동유체 특성

3.1 액체냉각 시스템 개요

데이터센터 액체냉각 기술은 직접 액체냉각, 액침냉각, 스프레이 냉각, 마이크로채널 냉각 등으로 구분된다^{(5, 10)}. 이 중 콜드플레이트와 액침냉각은 고전력밀도 IT 장비의 열부하에 대응하기 위한 대표적인 수냉식 냉각 방식으로 주목받고 있다⁽⁸⁾. 콜드플레이트는 CPU와 GPU 등 고발열 부품을 국부적으로 냉각하는 데 효과적이며, 기존 서버 및 랙 구조와의 호환성이 높다는 장점이 있다. 반면 액침냉각은 서버 또는 IT 장비 전체를 전기 절연성 냉각유체에 직접 담가 열을 제거하는 방식으로, 서버 내부 부품 전반에 대해 비교적 균일한 냉각이 가능하고 고열밀도 환경에 유리하다⁽⁵⁾.

Fig. 3은 데이터센터 액체냉각 시스템의 개념도를 나타낸다. Fig. 3(a)는 액침냉각 시스템의 개념을 나타낸 것으로, IT 장비 또는 서버 전체가 전기 절연성 냉각유체가 채워진 탱크 내부에서 냉각 운전되는 구조이다. 서버에서 발생한 열은 냉각유체와의 직접 접촉을 통해 흡수되며, 가열된 유체는 외부 CDU를 통해 냉각된 후 다시 액침 탱크로 순환된다. 이때 외부 CDU는 TCS와 연결되어 FWS 및 CWS와 열교환을 수행하며, 필요에 따라 냉각탑, 드라이쿨러 또는 냉동기와 연계되어 열을 제거한다. 액침냉각은 팬 사용을 줄일 수 있고 서버 내부의 다양한 발열원을 동시에 냉각할 수 있다는 장점이 있으나, 냉각유체가 전자부품과 직접 접촉하므로 전기 절연성, 재료 적합성, 장기 신뢰성 및 유지관리성이 중요한 설계 요소로 작용한다. Fig. 3(b)는 콜드플레이트 시스템으로, 데이터센터 IT룸 내부의 랙에 설치된 IT 장비가 인랙 CDU(Coolant Distribution Unit) 또는 인로우 CDU와 연결되고, 이 CDU가 TCS(Technology Cooling System)를 통해 FWS(Facilities Water System) 및 CWS(Condenser Water System)와 열을 교환하는 구조를 보여준다. 이 방식에서는 CPU, GPU 등 고발열 부품 표면에 콜드플레이트를 직접 접촉시키고, 냉각판 내부 유로를 흐르는 냉각유체가 발열부에서 발생한 열을 흡수한다. 이후 흡수된 열은 CDU를 거쳐 설비측 냉각수 계통으로 전달되며, 최종적으로 냉각탑, 드라이쿨러 또는 냉동기를 통해 외부로 방출된다. 이에 본 연구에서는 액침냉각과 콜드플레이트 시스템에 적용되는 작동유체를 단상 및 2상 조건으로 세분화하고, 각 유체의 열물성치와 환경 영향 인자를 비교․분석하였다.

Fig. 3 Schematic of data center liquid cooling system configurations, modified from ASHRAE TC 9.9(11) : (a) Immersion cooling, (b) Cold plate-based direct liquid cooling (DLC).

4. 토의

본 장에서는 앞서 제시한 작동유체별 열물성치 비교 결과를 바탕으로, 냉각 방식과 상변화 특성에 따른 유체 선정 기준의 차이를 분석하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 최종 선정된 51편의 문헌에서 열물성치가 제시된 주요 작동유체를 대상으로, 3장에서 정리한 작동유체별 열물성 정보를 레이더 차트로 비교․시각화한 결과로, 각각 액침냉각과 콜드플레이트 냉각에 적용되는 단상 및 2상 작동유체의 주요 물성을 나타낸다. 두 그림은 작동유체의 적합성이 특정 물성 하나에 의해 결정되는 것이 아니라, 냉각 구조, 열전달 메커니즘, 유동 저항, 안전성 및 환경성의 상호 관계에 따라 달라짐을 보여준다.

액침냉각의 경우, Fig. 4(a)에 나타난 단상 작동유체 비교에서 합성유 계열과 천연 에스터 유체는 열전도율, 비열, 끓는점 측면에서 비교적 균형 잡힌 특성을 보인다. 또한 낮은 GWP를 바탕으로 장기 운전 및 환경성 측면에서도 유리한 경향을 나타낸다. 그러나 광유와 천연 에스터 유체는 점도 항목에서 상대적으로 큰 값을 보여, 유체 순환 시 압력 강하와 펌프 동력 증가가 중요한 검토 요소가 될 수 있다. 반면 불소계 유체는 낮은 점도와 높은 밀도로 인해 유동 특성 측면에서는 장점이 있으나, 열전도율과 비열이 낮고 일부 유체는 GWP가 높아 열수송 성능과 환경성 측면에서 한계가 나타난다.

2상 액침냉각용 유체의 물성 분포는 Fig. 4(b)에서 확인할 수 있다. 불소계 유체는 낮은 끓는점과 점도를 바탕으로 서버 발열부에서 비등을 유도하기에 적합한 물성 범위를 보이지만, 증발잠열과 비열은 상대적으로 낮은 수준에 분포한다. 이에 비해 n-Pentane은 증발잠열, 열전도율, 비열 항목에서 가장 넓은 분포를 보여 높은 열수송 잠재력을 갖는 것으로 나타났다. 다만 인화점이 매우 낮아 가연성 위험이 크므로, 실제 적용성은 열성능뿐만 아니라 화재 안전성, 기밀성, 누설 대응 조건에 의해 제한될 수 있다.

콜드플레이트 냉각에서는 Fig. 5(a)에 제시된 단상 작동유체 비교 결과에서 수계 및 글리콜계 유체가 열전도율과 비열이 높고 점도가 낮아 열수송 성능과 유동 특성 측면에서 가장 유리한 그룹으로 나타났다. 이는 콜드플레이트 방식이 냉각유체와 전자부품 전체가 직접 접촉하지 않기 때문에, 액침냉각에 비해 수계 유체 적용의 제약이 작다는 점과 관련된다. 반면 PAO계 합성유는 높은 끓는점과 인화점을 통해 운전 안정성은 확보할 수 있으나, 낮은 열전도율과 높은 점도로 인해 동일 냉각 성능을 확보하기 위한 유량 및 펌프 동력 증가를 고려해야 한다.

Fig. 5(b)에 나타낸 2상 콜드플레이트용 작동유체 비교에서는 Water, Ammonia, Methanol이 증발잠열, 열전도율, 비열 측면에서 뚜렷한 우위를 보이며, 고열유속 대응을 위한 열수송 잠재력이 큰 유체로 확인된다. 그러나 Ammonia는 독성과 부식성, Methanol은 인화성, Water는 운전 온도 및 압력 조건에 따른 시스템 설계 제약이 존재한다. 반면 HFE-7000, R410A, R-134a 등은 상대적으로 낮은 점도와 제어 가능한 비등 특성을 보이지만, 일부 유체는 높은 GWP가 적용성의 한계로 작용한다.

이러한 분석 결과는 액침냉각과 콜드플레이트 냉각에서 작동유체 선정 기준이 냉각 방식의 특성에 따라 달리 설정되어야 함을 시사한다. 액침냉각은 냉각유체가 전자부품과 직접 접촉하므로 전기 절연성, 재료 적합성, 장기 안정성 및 환경성이 중요한 판단 기준으로 작용한다. 반면 콜드플레이트 냉각은 냉각유체가 발열 부품과 열교환 구조를 통해 간접적으로 열을 제거하므로, 열전달 성능, 점도, 압력 강하 및 펌프 동력이 보다 직접적인 설계 인자로 고려된다. 또한 단상 시스템은 구조가 비교적 단순하고 운전 안정성이 높다는 장점이 있으나, 2상 시스템은 높은 열제거 성능을 확보할 수 있는 대신 비등․응축 제어, 밀폐성 및 안전 설계가 추가적으로 요구된다.

Fig. 4 Comparison of thermophysical properties of working fluids for immersion cooling

Fig. 5 Comparison of thermophysical properties of working fluids for cold plate

5. 결 론

본 논문은 데이터센터 수냉식 냉각 시스템에 적용되는 작동유체의 최근 5년간 연구를 분석하고, 냉각 방식별 유체 선정 기준과 열물성 특성을 종합적으로 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 2021~2025년 ScienceDirect에서 수집한 51편의 문헌을 바탕으로 액침냉각과 콜드플레이트 냉각을 구분하고, 각 방식을 단상 및 2상 조건으로 세분화하여 총 34종 유체의 열전도율, 비열, 밀도, 점도, 끓는점, 증발잠열 및 GWP를 비교․분석하였다.

∙액침냉각과 콜드플레이트 냉각은 고전력밀도 IT 장비의 열부하 대응과 냉각 에너지 절감을 위한 대표적인 액체냉각 기술이다. 액침냉각은 서버 전체가 냉각유체와 직접 접촉하므로 전기 절연성, 재료 적합성, 장기 안정성 및 환경성이 중요하다. 반면 콜드플레이트 냉각은 발열 부품과 열교환 구조를 통해 열을 제거하므로, 열전달 성능, 점도, 압력 강하 및 펌프 동력이 주요 설계 인자로 작용한다.

∙단상 액침냉각용 작동유체 9종을 분석한 결과, 합성유 계열은 비교적 균형 잡힌 열물성과 낮은 GWP를 보였으며, 광유와 천연 에스터 유체는 높은 끓는점을 바탕으로 운전 안정성 측면에서 장점을 보였다. 다만 광유와 천연 에스터는 점도가 높아 유동 저항과 펌프 동력 증가를 고려해야 하며, 불소계 유체는 낮은 점도와 높은 밀도를 보였으나 열전도율과 비열이 낮고 일부 유체는 높은 GWP를 나타냈다.

∙2상 액침냉각용 작동유체 10종에서는 끓는점과 증발잠열이 주요 성능 인자로 확인되었다. 불소계 유체는 낮은 끓는점과 점도로 비등 유도에 적합하나, 일부 유체는 높은 GWP를 보였다. 반면 n-Pentane은 높은 증발잠열과 우수한 열물성을 보였지만, 낮은 인화점으로 인해 화재 안전성 검토가 필요하다.

∙단상 콜드플레이트용 작동유체 7종에서는 Water와 Deionized water가 가장 우수한 열수송 성능을 보였으며, EG 20% 및 PG 25% 수용액은 동파 방지와 저온 외기 조건 대응 측면에서 실용성이 있다. PAO계 합성유와 불소계 유체는 절연성 또는 특수 운전 조건에서 대안이 될 수 있으나, 낮은 열전달 성능과 펌프 소비전력 증가를 함께 고려해야 한다.

∙2상 콜드플레이트용 작동유체 8종에서는 Water, Ammonia, Methanol이 높은 증발잠열을 바탕으로 우수한 열수송 잠재력을 보였다. 그러나 Ammonia는 독성 및 부식성, Methanol은 인화성, Water는 운전 압력과 시스템 구성 조건에 대한 검토가 필요하다. 냉매계 유체 중 R1233zd(E)는 낮은 GWP와 비교적 높은 증발잠열을 바탕으로 환경성과 열성능을 함께 고려할 수 있는 대안으로 확인되었다.

데이터센터 액체냉각 시스템에서 작동유체는 냉각 성능, 에너지 효율, 시스템 안정성 및 환경 영향을 동시에 결정하는 핵심 설계 요소이다. 따라서 작동유체 선정은 단일 물성의 우열보다 냉각 방식별 요구 조건과의 적합성을 기준으로 이루어져야 한다. 본 논문의 내용은 고전력밀도 데이터센터 액체냉각 시스템의 작동유체 선정과 냉각 설계 기준 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.