스마트폰을 오래 쓸 때 기기에서 열기가 느껴져 멈칫하셨던 경험, 다들 한두 번은 있으시죠? ‘너무 무리하게 작동되고 있는 건 아닐까?’ 걱정돼 잠시 기기 사용을 멈춘 적도 있으실 겁니다. 하지만 갤럭시 S7 시리즈는 과도한 발열에 대한 걱정 없이 오래 쓰실 수 있는데요. 비결은 바로 ‘쿨링 시스템(cooling system)’입니다.

쿨링 시스템은 스마트폰 사용자가 느끼는 작은 불편에까지 주목, 개발진이 연구와 실험을 거듭한 끝에 이뤄낸 ‘또 하나의 혁신’인데요. 갤럭시 S7은 어떤 과정을 거쳐 쿨링 시스템을 탑재할 수 있었을까요? 해당 프로젝트를 주도했던 삼성전자 무선사업부 4인방을 만나 그 뒷얘길 들었습니다.

▲갤럭시 S7 시리즈의 발열 감소를 책임진 4인방이 인터뷰를 위해 한자리에 모였습니다. (왼쪽부터)이해진∙이상현 책임, 구경하 수석, 조정규 책임

업계 최초 ‘0.4㎜ 서멀 스프레더’ 구현 성공

갤럭시 S7 시리즈에 적용된 쿨링 시스템의 핵심은 방열 부품의 일종인 ‘서멀 스프레더(thermal spreader)’입니다. 사실 서멀 스프레더는 갤럭시 S7 시리즈 이전에도 스마트폰에 탑재된 적이 있습니다. 차이가 있다면 그 두께를 처음으로 0.4㎜까지 최소화해 갤럭시 S7 시리즈처럼 얇은 두께의 스마트폰에도 적용할 수 있게 된 거죠.

서멀 스프레더는 방열에 흔히 쓰이는 구리로 만들어집니다. 구경하 수석(선행요소기술그룹)은 “서멀 스프레더를 최대한 얇게 만들기 위해 원재료인 구리를 새로운 방식으로 배합, 설계하는 데 주력했다”고 설명했습니다. 구 수석에 따르면 서멀 스프레더는 물의 상태 변화를 활용, 열을 퍼트리는 기술입니다. “서멀 스프레더는 소량의 물과 다공성(多孔性) 재질로 구성됩니다. 물이 열기를 흡수하면 증기로 변해 파이프 내 빈 공간을 이동해요. 반대로 열을 빼앗기면 다시 액체로 바뀌어 다공성 재질을 따라 원래 자리로 되돌아오게 됩니다. 이 과정을 반복하며 발열 현상을 줄이는 거죠.”

“고성능 AP 탑재하면서 발열 잡는 게 관건”

갤럭시 S7 시리즈에 적용된 쿨링 시스템엔 사용자를 배려한 개발진의 진심이 숨어 있습니다. 조정규 책임(선행제품개발1그룹)에 따르면 갤럭시 S7 시리즈엔 최신 고성능 중앙처리장치(Application Processor, 이하 ‘AP’)가 탑재돼 있습니다. “최신 고성능 AP를 갖춘 스마트폰은 아무래도 열을 많이 낼 수밖에 없어요. 결국 성능과 방열, 두 마리 토끼를 동시에 잡으려는 노력이 얼마나 성과를 거두느냐 하는 게 관건이었습니다.”

조정규 책임을 비롯한 개발진은 애초 AP 자체 온도를 낮춰 문제를 해결하고자 했습니다. 이를 위해 AP에서 발생한 열을 표면으로 빠르게 이동, 방출시키는 구조를 설계했죠. 하지만 문제는 예상치 못한 지점에서 터졌습니다. AP뿐 아니라 충전∙통신 등 그 밖의 기능을 담당하는 부품에서도 상당한 열이 발생한 거죠. 결국 연구는 다시 원점으로 돌아갔습니다. 이후 치열한 고민과 거듭된 실험 끝에 서멀 스프레더가 문제 해결의 열쇠로 최종 낙점됐습니다.

“사내에서도 ‘꼭 넣어야 하나’ 얘기 들었죠”

서멀 스프레더를 활용하기로 결정한 후에도 난관은 이어졌습니다. 구경하 수석은 “갤럭시 S7 시리즈 개발 과정에서 다른 부문 개발진에게 ‘쿨링 시스템이 필요한 이유’를 일일이 설명하고 납득시키는 과정이 가장 어려웠다”고 고백했습니다. “삼성 스마트폰 모델에 쿨링 시스템이 적용되는 사례는 이번이 처음이었거든요. 하나의 기기에 모든 기술을 다 집어넣을 순 없으니 모든 개발 단계에서 마치 구명 보트에 태울 물품을 결정하듯 더하거나 뺄 기술(과 부품)을 치열하게 고민합니다. 그 과정에서 ‘쿨링 시스템 빼면 안 되느냐’는 얘기도 수십 번 들었죠.”(웃음)

실제 개발 과정도 결코 쉽지 않았습니다. 특히 이상현 책임(기구개발2그룹)은 “기구 강도 문제가 발생해 서멀 스프레더 길이를 60㎜로 제한해야 했을 땐 정말 아득해지더라”며 “수 차례 시뮬레이션을 계속한 결과, 80㎜까지 늘리는 데 성공했다”고 말했습니다.

조정규 책임에 따르면 스마트폰 쿨링 시스템은 달리 말해 ‘하드웨어 방열 솔루션’입니다. 스마트폰처럼 소형 기기에 탑재될 수 있을 정도로 적은 공간을 차지하면서도 최대한의 방열 효과를 내도록 하는 게 핵심이죠. “결국 제대로 된 쿨링 시스템을 갖추려면 소모 전류를 개선하고 최적화된 발열 제어 알고리즘을 적용하는 등 관련 하드웨어 기술과 소프트웨어 노하우를 유기적으로 구성할 필요가 있었다”는 게 조 책임의 귀띔입니다.

“서멀 스프레더는 국도 옆 신설된 고속도로”

개발진의 땀과 노력이 어린 쿨링 시스템은 갤럭시 S7 시리즈가 작동되는 내내 자동으로 구현됩니다. 이해진 책임(선행요소기술그룹)은 이를 가리켜 “일반 국도 옆에 새로 생긴 고속도로"에 비유했습니다. “교통량이 적을 땐 일반 국도로 달려도 충분합니다. 하지만 교통량이 급증하면 고속도로가 교통량 분산에 큰 역할을 하죠. 스마트폰에서도 마찬가집니다. 발열량이 갑자기 늘면 서멀 스프레더가 알아서 기기 내 열을 분산시키니까요.”

인터뷰 내내 네 사람은 “쿨링 시스템의 성공적 탑재는 팀 내 여러 부서와 협력업체 간 협업 덕분에 가능했던 성과”라고 강조했습니다. 아울러 “앞으로도 방열 기능을 갖춘 신소재 분야에 지속적으로 관심을 갖고 다양한 형태의 협업을 진행할 예정”이라고 덧붙였는데요. 실제로 갤럭시 S7 시리즈가 성공적으로 출시된 요즘도 이들은 사내 연구 인력과의 교류, 외부 학회 참석 등 다양한 경로를 통해 일찌감치 차기 모델 쿨링 시스템을 고민하기 시작했습니다.

지금까지 ‘오래 써도 열 안 받는’ 갤럭시 S7 시리즈의 비결을 알아봤습니다. 이 같은 개발진의 노력이 있었기에 갤럭시 S7와 갤럭시 S7 엣지 사용자는 발열 걱정 없이 스마트폰을 오래 사용할 수 있게 된 거겠죠? ‘보이지 않는 부분까지 세심하게 배려하는’ 갤럭시 시리즈 개발진의 노력은 앞으로도 계속될 예정입니다. 삼성전자 뉴스룸 독자 여러분도 갤럭시 시리즈의 ‘무한 진화’를 마음으로 응원해주세요!

LED 연구개발에 착수한 것은 2007년 11월. LED TV 개발은 전자 VD사업부 개발2그룹과 메카그룹의 50여 명의 엔지니어들이 주축을 맡았다. 50여 명의 팀은 다시 회로파트(김광연 수석), 패널파트(송영란 수석), 기구파트(정성수 수석), 파워보드 파트(장길용 수석) 등으로 나뉘었다. LCD사업부에서는 박진혁 상무가 총 책임자가 되었다. 이들이 한 자리에 모여 가장 먼저 논의한 사안은 ‘얼마나 슬림해야 하는가?’에 대한 기준점을 찾는 것이었다.

‘1인치로 끊어 보자’는 상품기획팀의 요구와 ‘손가락 굵기는 넘지 않겠다’는 개발자들이 숙고하며 찾아낸 최종 합의점은 ‘두께가 30mm를 넘지 않게 하겠다’는 것이었다.

“볼펜보다 얇게 만들어 오게, 그 다음은 내가 책임지겠네.”

상품기획 보고를 받은 윤부근 사장은 시장을 창조할 수 있을 거라 확신했다. 컨셉에 대한 자신감을 얻은 엔지니어들은 ‘볼펜보다 얇은’ 20mm대의 초슬림 TV를 구현하기 위해서는 LED를 백라이트 유닛(BLU) 전체에 바둑판 모양으로 촘촘하게 배치하는 기존의 ‘직하형’ 구조 대신 LED를 백라이트 유닛 테두리에 두르는 ‘에지형(Edge)’ 기술을 취해야 한다는 데 쉽게 합일점을 찾았다.

직하형은 특성상 에지형에 비해 백라이트가 50mm 두꺼워질 수 밖에 없었다. 무엇보다 에지형은 소모되는 LED 양이 적어 완제품 가격을 저렴하게 할 수 있다는 것이 LED TV의 상용화에 결정적인 역할을 할 수 있었다.

그 때까지 에지형 기술은 휴대폰·내비게이션 등 중소형 애플리케이션용에만 적용되어 있었다. 두께와 소비전력, 가격 모두 에지형이 유리하지만 그만큼 고도의 기술력을 필요로 했기에 대형 사이즈에서는 그 어떤 기업도 성공한 사례가 없었다.

특히 이번 프로젝트의 성공 여부는 전적으로 에지형의 문제점인 ‘열을 어떻게 효과적으로 분산시킬 것이냐’에 대한 매듭 풀기에 달려 있었다. 경쟁업체에서 40인치 이상 에지형 구조의 LED TV 제품을 내놓지 못하는 것도 모두 이 열 문제를 해결하지 못해서였다.

대형 패널에 구현할 경우 두께가 얇아 열이 발생하면 뒤틀림이 발생할 수도 있었고, 열 균일도가 틀어지면 화질이 나빠지기 때문에 열 분산 문제를 해결하면 성공 열쇠를 쥔 것이나 다름없었다. 이를 위해 삼성전자의 열 해석 전문가가 직접 나섰다.

“가장 기본으로 돌아가 봅시다. 열은 낮은 곳에서 높은 곳으로 올라가는 습성이 있잖아요. 그런데 기존 패널에는 열을 많이 발생시키는 부위인 영상보드 T-Con이 맨 위쪽에 부착되어 있습니다. 반전설계를 해서 영상보드 T-Con을 아래로 내린다면 어떨까요? 아마 10℃ 이상은 충분히 낮출 수 있을 겁니다.”

테스트 결과는 반신반의했던 엔지니어들을 놀라게 하기에 충분했다. 설계를 다시 하지 않고 도광판을 돌려 위아래 방향만 바꾸었을 뿐인데 열이 16℃나 떨어진 것이다.

해결 실마리가 보이기 시작하자 엔지니어들의 창조적인 도전은 급물살을 탔다.

발열을 줄이기 위해 TV 회로를 감싸는 패널 뒷면에 공기가 순환되도록 ‘Air Pipe(공기통로)’를 적용했고, 기구팀에서는 LED의 전극을 직접 외부와 연결하는 Heat Sink(열 발산판)방식을 적용해 방열(放熱) 효율을 향상시켰다. 또 얇은 패널에서 발생할 수 있는 뒤틀림 현상을 해결하기 위해 알루미늄 패널을 프레스 형으로 설계, 강도를 극대화했다.

수많은 부품으로 이뤄져있다 보니 각 개발 파트의 긴밀한 협조도 중요했다. 이를 위해 연구진은 ‘와글와글 미팅’을 도입했다. 와글와글 미팅은 각 분야의 전문가들이 모여 의견을 교환하는 일종의 두뇌 미팅이다. 개발 기간 동안 수십 번의 와글와글 미팅이 이뤄졌고, 이 과정에서 수많은 아이디어들이 도출됐다.

후발 주자가 따라올 기회를 열어 주며 조금씩 앞서는 것이 아니라 감히 따라오지 못할 수준의 원천기술을 개발해 브랜드파워 1위에 올라서겠다는 윤부근 사장의 다짐은 현실이 되어가고 있었다.

놀라울 만큼 순조로웠던 에지형 LED 개발은 양산을 두 달 앞둔 12월 마무리 시점에 이르자 기어이 대형 사고가 터지고 말았다.

“코너 부분을 놓쳤어요. 코너 부분에 빛샘 현상이 나타나고 있습니다.”

LED가 맞닿는 부분인 모서리의 4개 부분에 희미하게 빛이 새는 현상이 발생한 것이다. 원인은 온도 편차 때문이었다. 열 분산을 최소화하기 위해 구조를 다시 만들고, 형상을 변경시키는 등 수백 가지의 아이디어를 쏟아 내며 테스트를 거듭했다.

VD사업부와 메카그룹 엔지니어들이 함께 모여 끝도 없는 밤샘작업을 시작한지 한 달쯤 지났을 때, 연구원들은 빛샘 현상이 나타나는 모서리 부분에 적용되어야 할 최적의 온도편차를 도출해냈고, 수십 번의 테스트를 거쳐 새나가는 빛을 철벽 수비하는 데 성공했다.

엔지니어들은 여기서 한 걸음 더 나아갔다. 전자제품이지만 수은·납 등이 전혀 없는 친환경 소재를 적용했고, 전력 소모면에서도 55인치 LED TV 전기료를 32인치 LCD TV 수준으로 줄여 40% 이상 에너지 절감 효과를 거두는 데 성공했다.


LED TV에 들어간 부품은 전부 새로 설계되었고, 그러한 노력의 결과 1,100건의 핵심특허를 확보하기에 이른다. 선발주자는 아니지만 설계에서 패키지까지 모든 기술을 보유하고 있는 곳은 삼성전자가 유일하다.

2009년 3월 17일, 국내와 유럽을 시작으로 북미, 중국, 동남아 등 글로벌 시장에 등장한 세계 최초의 대형 LED TV 6000/7000 시리즈는 출시 50일 만에 20만 대 판매 돌파 기록을 세우며 지난해 전 세계 LED TV 시장 규모 19만 대를 가뿐히 뛰어 넘었다.

이는 경…쟁기업들의 예상을 뒤엎고 훨씬 빠른 속도로 성장하고 있는 LED산업을 미래먹거리로 선점해둔 결과였다.

또한 2006년 40인치 RGB LED TV 개발을 시작으로 2007년 70인치 White LED TV를 개발해낸 삼성전자의 하이엔드 기술력이 없었다면 지금의 성공을 확신하긴 어려웠다.

VD사업부와 메카그룹 엔지니어들은 ‘아직 보여 줄 것이 더 많이 남았다’고 말한다. ‘상상할 수 있는 모든 빛을 LED로 구현하겠다’고 공헌하는 삼성전자는 이제막 2쿼터에 들어섰을 뿐이라고 말한다

다음편에도 계속해서 도전정신이 살아있는 흥미진진한 이야기들 알려드리도록 하겠습니다~!