||1이 글은 서멀 그리스의 개념과 역할을 소개하고, 사용 방법을 설명하며 각종 서멀 그리스의 성능을 비교한 www.expreivew.com의 글을 기글 하드웨어에서 번역/편집한 것입니다.


1. 서멀 그리스?

지금의 기계 공학 기술로는 물체 표면을 거울처럼 평평하게 만드는 것은 정말 어려운 일입니다. 따라서 어느 정도의 요철은 있기 마련이지만 단지 '육안으로 식별 불가능'할 뿐입니다.

한번 직접 보도록 하겠습니다.



잘만 CPNS9700LED의 CPU 접촉 부분입니다.



그래픽카드 쿨러의 GPU 접촉 부분 입니다.



코어 2 듀오입니다.



지포스 8400GS입니다.

이상의 사진들에서- CPU건 GPU건 쿨러 방열판 표면이건, 표면이 완벽하게 평평한 것은 없다는 것을 보셨을 것입니다. 어느 정도의 흡집이나 요철은 있기 마련이지요. 쿨러와 칩이 맞닿을때 이러한 틈새로 공기가 들어가면 쿨링 효율이 매우 떨어지게 됩니다.



따라서 그 중간에 열 전도 물질을 채워 넣어 칩과 쿨러 방열판의 열 전도를 최대화시킬 필요가 존재하며, 이것이 바로 서멀 그리스의 정의, 목적, 역할, 이유 입니다.

서멀 그리스는 영어로 Thermal Grease라고 쓰며, Thermal Compund, Thermal Paste 등으로 불리기도 합니다.


2. 서멀 그리스의 구조와 특성

서멀 그리스는 대게 실리콘 원자 연결로 구성된 고분자 유기 화합물을 기본 내용물로 하여 구성되어 있으며, 그 구조는 하나의 실리콘과 산소 원자가 교체 배열되어 있습니다. 이러한 결합은 매우 안정적이어서 쉽게 그 성질이 변하지 않습니다.



이것은 공업용 실리콘 화합물 입니다.

실리콘 화합물은 내열성이 탁월하고, 전기 절연성이 뛰어나며, 기후 변화에 민감하지 않고, 물에 잘 녹지 않고, 생리 불활성에, 표면 장력이 비교적 작으며, 내 압축성이 비교적 높은 특징을 가지고 있습니다.

특히 열이나 산화 반응에 대해서도 대단히 안정적이어서, 영하 150도에서 공기와 장기간 접촉해도 변하지 않고, 200도에서 산화염소와 접촉해도 그 산화 작영이 비교적 느린 편입니다. 일반적으로 영하 50도에서 영상 150도 사이의 온도에서 사용할 수 있기에, 각종 물체의 윤활이나 부식 방지 등으로 쓰입니다.

이러한 실리콘 화합물의 특성 때문에, 열전도 물질로 쓰기에 매우 적합한 것입니다. 표면 장력이 비교젹 작기 때문에 칩셋에서 쿨러 표면에 생기는 간격을 최소화 할 수 있으며, 높은 온도에서도 정상적으로 작동하고, 전기가 통하지 않기 때문에 전자 부품에서도 안전하게 사용할 수 있습니다.

실제로는 실리콘 화합물을 그대로 사용하진 않고, 열전도 성능을 더욱 높이기 위해 실리콘 화합물에 특수한 재료-금속 화합물-같은걸 섞어 서멀 그리스를 만들게 됩니다. 따라서 원래 하얀색이던 색깔이 회색이나 금색 등의 여러 색으로 변하게 되며, 추가시킨 원료에 따라서 서멀 그리스의 성능이 차이가 나게 됩니다.

일종의 화학 물질인 서멀 구리스에는 그 특성을 나타내는 여러가지 계수들이 있습니다. 이들 수치를 이해하면 서멀 그리스의 성능을 판단하는데 큰도움이 됩니다.

먼저 열전도도(Thermal Conductivity)가 있습니다. 단위는 W/m·K(혹은 W/m·℃)로서, 이것이 클수록 열전도가 뛰어난 것입니다.

여러 물체들의 열전도도는 그 차이가 매우 큽니다. 금속이 일반적으로 큰 편이고, 비금속이나 액체가 그 다음, 기체가 제일 낮습니다.



이 표를 보시면 왜 구리나 알루미늄을 쿨러에 많이 쓰는지를 아실 수 있으실 것입니다. 은은 열전도도가 420이지만 비싸고, 다이아몬드는 무려 1000~2000이지만 이건 말할 필요도 없겠지요. 또한 왜 공냉보다 수냉의 성능이 더 좋다고 말하는 것인지도 아실 수 있을 것입니다.

다음으로는 Thermal Conductance가 있습니다. 안정적인 조건에서 물체를 둘러싼 양측의 유체 온도 차이가 1도이고, 1시간 안에 1평방미터의 면적을 통과하여 전달된 열량을 나타내는 것인데, 단위는 W/㎡·K입니다.

Thermal Conductivity와 Thermal Conductance는 서로 다른 개념입니다. 서멀 그리스에서는 Thermal Conductivity를 쓰는 것이 표준입니다만, 아틱 쿨링의 아틱 실버는 Thermal Conductance를 사용하고 있습니다.

Thermal resistance도 있습니다. 물체가 열량 전도에 대해 저항하는 정도를 나타내며, 단위는 ℃/W로, 1W의 열을 전달할때 양측의 온도 차이를 표시합니다. 당연히 이 수치가 낮을수록 열전도 성능은 뛰어납니다. 현재 주로 쓰이는 제품은 0.1℃/W 정도이고, 우수한 제품의 경우 0.005℃/W가 나오는 것도 있습니다.

Viscosity는 유체의 점성을 가리키는 것입니다. 서멀 그리스는 어느 정도의 점성을 유지해야 적당히 주위로 퍼지면서도 옆으로 흘러내리지 않겠지요. 서멀 그리스는 2500poise 정도면 충분합니다만, 이 수치를 표기하는 서멀 그리스는 별로 없습니다.

작동 온도 범위는 서멀 그리스를 사용할 수 있는 온도의 최저치와 최고치를 뜻합니다. 온도가 너무 높으면 서멀 그리스의 체적이 늘어나면서 분자들의 거리가 멀어지고 점도가 낮아집니다. 온도가 너무 낮으면 유체 체적이 줄어들면서 점도가 높아지게 됩니다. 어쨌건 둘 다 열을 전도하는데에는 별로 좋지 못한 상황입니다. 서멀 그리스의 일반적인 작동 온도 범위는 영하 50도에서 영상 180도 정도인데, 보통 CPU나 GPU의 온도를 고려해 본다면 이정도면 충분한 셈입니다.

유전상수는 절연체가 전기를 저장하는 정도가 어느정도나 되는지를 가리킵니다. 2개의 금속판 사이에 절연 재질의 매개체를 넣었을 경우 콘덴서 효과에 의해 전기가 통할 수도 있습니다. 일반적인 서멀 그리스는 모두 절연 성능이 뛰어나지만 특정 재료(은화규소라던가)가 들어갔을 경우 어느 정도의 유전상수를 가지게 됩니다. 공개의 전매 상수는 1이고 흔히 사용하는 서멀 그리스의 유전상수는 5입니다. 이것 역시 서멀 그리스에서 자주 쓰이는 수치는 아닙니다.

3. 서멀 그리스를 바르는 방법

어려운 이야기는 끝났고 이제부터가 본론-실제로 도움이 되는 이야기-입니다. 서멀 그리스를 바르는 표준 방법 같은건 없습니다. 하지만 원칙은 있는데 '평평하게, 기포가 생기지 않게, 다른것이 섞이지 않게, 그리고 가능한 얇게' 바르는 것입니다.

바르는 방법은 크게 두가지가 있습니다. 먼저 제로썸에서 추천하는 방법을 보도록 하겠습니다.


서멀 그리스를 바른 다음, 도구를 사용하여 일일이 넓게 펴주는 것입니다.

다음은 아틱 쿨링에서 추천하는 방법입니다.



서멀 그리스를 대충 짠 다음, 쿨러를 비벼서 넓게 펴는 것입니다.

대게 첫번째 방법을 많이 선호하는 편입니다만, 칩셋에 히트스프레더가 부착된 경우(CPU나 지포스 8800 같은것)에는 두번째 방법도 나쁘진 않습니다. 하지만 대부분의 칩셋이나 CPU에서는 두번째 방법을 사용할 수 없겠지요.

사실 바르는 방법 같은건 어찌됐던 상관 없습니다. 중요한건 위에서도 말한 '평평하게, 기포가 생기지 않게, 다른것이 섞이지 않게, 그리고 가능한 얇게'라는 원칙입니다.

특히, 개중에는 서멀 그리스가 무슨 만병통치약(...)인줄 알고 과도하게 바르거나, 서멀 그리스에 대한 개념이 없어서 아예 안바르는 경우도 있는데, 그 경우 어떤 일이 생기는지 한번 보도록 하겠습니다.

테스트 환경은 아틱 알루미나 서멀 그리스, E6600(7x500MHz, 1.55V), 잘만 CNPS9700LED, 폭스콘 마르스 P35 메인보드, 실온 28도 입니다. 에베레스트의 System Stability Test를 실행시켜서 CPU 온도를 비교해 보도록 하겠습니다.



CPU에 서멀 그리스를 '적당히' 바른 것입니다.



풀로드에서 61~62도를 찍고 있습니다.



그럼 이번에는 써멀 그리스를 '떡칠'해보도록 합시다.



풀로드에서 63~64도가 나오고 있습니다.

한마디로, 많이 발라봤자 좋을게 없다는 것입니다. 그렇다면 아예 안발랐다면?



온도가 무려 78도. 뿐만 아니라 쓰로틀링(CPU 온도가 높아질 경우 CPU를 보호하고 발열을 줄이기 위해 클럭을 낮추는 것) 상태로 들어가버렸습니다.

안바르는 것보다는 차라리 떡칠하는게 낫다(...)는 결론입니다. 따라서 서멀 그리스 바르기가 무섭다고 그냥 냅두는 일은 없어야 되겠습니다.


4. 치약은 어떠한가?

개중에는 서멀 그리스 대신 치약을 쓰는 사람들도 있습니다. 요새는 별로 없긴 하지만 예전에는 꽤나 많았지요. 서멀 그리스가 없어서 그렇기도 하고, 서멀 그리스보다 치약의 성능이 더 뛰어나다고 생각해서 그런 사람도 있습니다.



테스트용으로 쓴 치약입니다. 중국에서 정말 흔히 쓰이는 치약입니다.

테스트 환경과 방법은 위에 나온 것과 동일합니다.



보통 서멀그리스를 발랐을때는 62도입니다.



서멀 그리스 대신 치약을 바르자 온도가 60도입니다. 서멀 그리스보다도 더 낫습니다. 하지만-



65시간동안 켜놨더니 온도가 이렇게 올라가고, 또한 스로틀링까지 발생했습니다.

즉, 치약은 서멀그리스가 없을때 몇시간동안 잠깐 쓰는 정도라면 몰라도, 장시간 열에 노출되면 그 효과가 완전히 사라진다는 것입니다.

문제는 또 있습니다.





치약을 바른 쿨러와 CPU입니다.



치약을 닦아내면 이렇습니다. 자세히 보시길 바랍니다.



확대 사진입니다. 구리로 된 쿨러에 녹이 슬어버렸습니다.

치약은 이빨을 닦을때는 매우 유용하지만 쿨링에는 그리 좋지 못하다는 것이 결론입니다. 치약 속에 함유된 여러가지 성분 때문에 부식이 일어난 것이지요. 부득이하기 치약을 쓰게 될 경우에는 48시간 안에 서멀 그리스로 교체하고, 깨끗이 닦아내시길.


5. 특별한 서멀 그리스

서멀 그리스 중에는 다른 제품들과 여러가지로 다른 제품들이 있습니다.



첫번째로 다이아몬드 서멀 그리스입니다. 7캐럿 다아이몬드를 아주 잘게 갈아서 만든 것으로서 그 성능은 매우 뛰어나다고 합니다.



하지만 구입후 한달만에 딱딱하게 굳어버렸기 때문에 실제 테스트에는 사용할 수 없었다고 합니다.



나노 그리스도 있습니다. '나노'는 여러분들게서 잘 알고 계시겠지만, 길이의 단위입니다. 1/1000000mm지요. 45개의 원자를 가지런히 늘어놓은 것과 비슷한 길이입니다.



나노 그리스는 나노미터 크기의 재료를 섞어 만든 것입니다. 따라서 쿨러와 칩 사이의 간격을 더욱 세밀하게 매꿀 수 있는 것이 특징입니다.



액체 금속(Liquid metal)도 있습니다. 100% 액체 금속이라서 주사기를 사용합니다만, 유동성이 그리 크지 않기 때문에 서멀 그리스가 흘러내리거나 하는 문제는 없다고 합니다.



하지만 역시 사용에는 불편한게 사실인지라, 나중에는 패드 형식으로 나오게 됩니다.



이 액체 금속 패드의 열전도도는 82W/m·K로, 일반 서멀 그리스의 10배가 넘습니다. 하지만 한국에서는 구하기가 힘든-불가능?- 단점이 있습니다.



이것은 아틱 쿨링의 알루미나 입니다. 평범해 보이는 서멀 그리스지만, 아틱 쿨링의 홈페이지를 보면-



알루미나를 사용하여 쿨러를 장착한 다음, 36시간이 지나야 서멀 그리스가 CPU와 쿨러 사이의 간격을 제대로 메꾼다는 의미 되겠습니다. 알루미나 외에도 아틱 실버 5는 200시간, 아틱 세라믹은 25시간이 필요하다고 나와 있으며, 아틱 쿨링에서는 이것을 'break in'이라고 지칭하고 있으며, 이것이 완료되면 온도가 1~2도 정도 더 떨어진다고 합니다.

실제로 그런지 확인해 보도록 하겠습니다.



쿨러를 막 장착했을대의 온도입니다. 62도.



46시간 후에 측정한 온도입니다. 60도.

따라서 아틱 쿨링의 서멀 그리스를 쓰시는 분들은 이 점을 유념해 주시기 바랍니다.


6. 서멀 그리스 테스트

다음은 실제 테스트입니다. 먼저 테스트에 사용한 제품들은 이렇습니다.



중국에서 판매하는 제품들을 대상으로 하였으니 한국과는 차이가 날 수도 있겠습니다만, 국내에서 판매하는 제품들도 상당수 포함되어 있습니다.



이렇게 놓고 보면 구분이 더 쉽겠지요.



이 표는 테스트에 쓰인 서멀 그리스의 스펙을 비교한 것입니다. (그림이 크기 때문에 저장해서 보시길 추천합니다) 제품명과 대부분의 항목들이 영어로 써져 있으니 굳이 번역하진 않겠습니다. 서멀 그리스의 주요 재료와 색깔과 부속품, 중국제 서멀그리스의 이름 정도만 중국어로 써져 있습니다.

원문에서는 제품별로 자세히 소개하였지만, 사실상 제품의 포장을 그대로 옳긴 것이기 때문에 따로 소개하진 않습니다.



테스트 환경은 이렇습니다. 케이스 안에 설치한 상태에서 실온은 26도를 유지했습니다.

여기서는 CPU가 아니라 그래픽카드를 이용하여 테스트를 하였는데, 그 이유는 CPU의 표면 면적이 너무 크고, 쿨러를 장착하기가 번거로우며, 쿨러의 장력이 항상 고정되어 있지 않기 때문입니다.

그래서 폭스콘 지포스 8600GTS를 사용하여 테스트하게 됐습니다.



일단 그래픽카드의 모습입니다.



쿨러는 이렇게 생겼습니다.



GPU를 우선 깨끗하게 닦은 다음, 서멀 그리스를 도포하여 테스트합니다. ...서멀그리스를 바르는 양이 항상 똑같을 수는 없겠지만.





똑같은 수준의 장력을 유지하게끔 쿨러를 조립했습니다.



폭스콘의 지포스 8600GTS의 클럭은 720/2260MHz로 레퍼런스보다 높습니다. TDP는 80W 정도로 CPU와 비교해서 결코 떨어지지 않습니다.



ATITool의 Show 3D View를 사용하여 온도를 측정합니다.



서멀 그리스를 교체할 때마다 Arcticlean을 사용하여 서멀 그리스를 깨끗이 제거합니다.

본격적인 테스트에 들어가기 전에 서멀그리스를 바른 후에 기름이 분리되는 정도를 측정해 보기로 하겠습니다. 당연히 기름이 덜 배어나올수록 좋은 것입니다. 물론 서멀 그리스의 실제 사용 환경과 실온은 많은 차이가 있을 수밖에 없으니 그저 참고만 하시길 바랍니다.

왼쪽은 서멀그리스를 바른 직후, 오른쪽은 바르고 나서 24시간이 지난 후의 사진입니다.



아틱 실버 5와 G-751/X-23-7762가 괜찮은 성능을 보여주었고, 아틱 쿨링 MX-2, 알루미나, 세라믹, 쿨러마스터 등도 나쁘지 않습니다. 제일 떨어지는건 제로섬 ZT-100.

잘만의 ZM-STG1과 STARS-992는 기름이 아예 나오지 않았습니다만, 이건 제품 자체에 기름이 아예 들어가지 않았기 때문에 그런 것입니다.

그럼 본격적인 테스트입니다. 온도는 당연히 낮을수록 좋습니다.





앞에서 장황하게 설명하긴 하였지만, 실제 서멀 그리스들의 온도 차이는 그리 크게 많이 나진 않는 편입니다. 아이들 상태에서는 최대 3도 정도이고, 풀로드에서는 6도 정도 차이가 납니다.

여기에서는 '최고의 성능' 부분에 G-751, 아틱 실버 5, 잘만 ZM-STG1을, '가격대 성능비'에서는 아틱 실버 세라믹, X-23-7762, 아틱 쿨링 MX-2, 쿨러마스터를 추천하고 있습니다.