Chapter 1. Environmental Chamber Fundamentals
Environmental Chamber Engineering Guide

온도충격시험의 원리와 Temperature Transfer 메커니즘

도입

Thermal Cycle Chamber와 Thermal Shock Chamber는 모두 DUT를 고온과 저온에 반복 노출시키지만,
온도를 변화시키는 방법은 근본적으로 다릅니다.

Thermal Cycle Chamber는 하나의 시험공간에서 공기 온도를 서서히 Heating 또는 Cooling하면서 DUT의 온도를 변화시킵니다.
반면 Thermal Shock Chamber는 이미 고온과 저온으로 안정화된 두 개의 Zone을 준비해 두고,
DUT를 짧은 시간 안에 한 Zone에서 다른 Zone으로 이동시킵니다.

예를 들어 Cold Zone이 -40℃, Hot Zone이 85℃로 유지되고 있다면
DUT가 -40℃ 환경에서 85℃ 환경으로 이동하는 순간
주변 Ambient Temperature가 약 125℃ 변화합니다.

이처럼 큰 Temperature Difference를 짧은 시간에 반복적으로 부여하는 것이
Thermal Shock Test의 핵심입니다.

이번 글에서는 Thermal Shock Chamber가 왜 두 개의 Zone을 사용하는지,
Basket Transfer 방식과 Damper 방식은 어떻게 다른지,
그리고 Transfer Time이 실제 DUT의 Thermal Stress에 어떤 영향을 미치는지를 살펴보겠습니다.

왜 하나의 Zone이 아니라 두 개의 Zone을 사용할까?

Thermal Shock에서 중요한 것은 Chamber 자체의 Ramp Rate가 아니라
DUT 주변의 Ambient Temperature를 얼마나 빠르게 바꿀 수 있는가입니다.

만약 하나의 Chamber에서 -40℃를 만든 후 Heater를 가동해 85℃까지 올린다면
125℃의 온도 변화를 만드는 데 상당한 시간이 필요합니다.

예를 들어 실제 Ramp Rate가 5℃/min이라면
-40℃에서 85℃까지 이동하는 데 단순 계산으로 약 25분이 필요합니다.

하지만 Hot Zone을 이미 85℃로,
Cold Zone을 이미 -40℃로 안정화해 두면
DUT를 Basket과 함께 이동시키는 것만으로 주변 환경을 수십 초~수분 내에 바꿀 수 있습니다.

즉 Two-Zone 구조의 목적은
챔버 온도를 빠르게 변화시키는 것이 아니라, 서로 다른 온도 환경 사이로 DUT를 빠르게 Transfer하는 것입니다.

※ -40℃, 85℃ 및 5℃/min은 메커니즘 설명을 위한 예시입니다.
실제 시험 온도와 Exposure Time은 적용되는 제품 규격과 시험 Specification을 따라야 합니다.
IEC 60068-2-14:2023 Test Na의 Two-Chamber Method에서는 Chamber 간 Transfer Time을 원칙적으로 3분 이내로 관리합니다.

Basket Transfer 방식은 어떻게 동작할까?

대표적인 Two-Zone Thermal Shock Chamber는 Hot Zone과 Cold Zone을 상·하 또는 좌·우로 분리하고,
DUT를 장착한 Basket 또는 Moving Cage를 두 Zone 사이에서 이동시킵니다.

시험이 시작되기 전 Hot Zone과 Cold Zone은 각각 목표 온도까지 Pre-conditioning됩니다.
따라서 DUT가 이동할 때 Heater나 냉동기가 새 Set Point를 향해 Ramp하는 과정은 필요하지 않습니다.

예를 들어 다음과 같은 Sequence를 사용할 수 있습니다.

-40℃ Exposure → Basket Transfer → 85℃ Exposure → Basket Transfer → -40℃ Exposure

이때 Transfer Time에는 단순 Basket 이동시간뿐 아니라
한 Chamber에서 DUT를 꺼내고 다른 Chamber에 완전히 삽입하기까지의 시간이 포함됩니다.

Transfer Time이 왜 그렇게 중요할까?

Thermal Shock의 목적은 DUT에 급격한 Ambient Temperature Change를 부여하는 것입니다.
따라서 두 Zone 사이에서 이동하는 시간이 길어질수록 Thermal Shock 효과가 약해질 수 있습니다.

예를 들어 -40℃에 노출된 DUT가 85℃ Zone으로 이동하는 도중
20~25℃의 실내공기에 오랫동안 노출된다면 DUT 표면온도는 이미 상승하기 시작합니다.

결과적으로 DUT가 경험하는 변화는
-40℃ → 85℃의 급격한 변화가 아니라
-40℃ → Ambient → 85℃의 완만한 단계 변화에 가까워질 수 있습니다.

IEC 60068-2-14:2023 Test Na에서는 Two-Chamber Method의 Transfer Time을 일반적으로
3분 이하로 규정하고 있습니다.
대형 Specimen처럼 3분을 만족하기 어려운 경우에는 관련 규격의 조건과 Stabilization Time을 고려한 별도 접근이 필요합니다.

* 단순히 ΔT ÷ Transfer Time으로 계산한 수학적 비교값입니다.
실제 DUT Temperature Change Rate를 의미하지 않습니다.
DUT의 실제 온도응답은 Thermal Mass, 재질, Fixture, 열전달계수 등에 따라 훨씬 느려질 수 있습니다.

Transfer가 끝났다고 바로 85℃ 시험이 된 것은 아니다

DUT가 Hot Zone으로 이동하면 주변 공기는 순간적으로 85℃ 환경에 노출되지만
DUT 내부온도가 즉시 85℃가 되는 것은 아닙니다.

Cold Zone에서 충분히 냉각된 DUT는 Hot Zone으로 이동한 후 표면부터 열을 흡수하고,
열전도에 의해 내부 온도가 점차 상승합니다.

따라서 Thermal Shock에서는 두 가지 시간을 구분해서 봐야 합니다.

• Transfer Time – 서로 다른 Zone 사이를 이동하는 시간
• Exposure Time – 각 Conditioning Temperature에 DUT를 노출하는 시간

IEC 60068-2-14에서는 Exposure Time이 Specimen Temperature의 Stabilization Time보다 길어야 한다는 원칙을 제시합니다.
따라서 DUT의 Thermal Mass가 커지면 동일한 Zone Temperature라도 필요한 Exposure Time이 길어질 수 있습니다.

※ 위 DUT Temperature는 Thermal Lag 개념 설명을 위한 예시 데이터이며 특정 국제표준의 규정값이 아닙니다.
실제 값은 DUT의 질량, 재질, 형상, Fixture 및 Air Flow 조건에 따라 달라집니다.

Zone Recovery도 Thermal Shock 성능의 일부다

Basket이 Cold Zone에서 Hot Zone으로 이동하면
차가운 DUT와 Basket 자체가 Hot Zone 내부에 큰 Thermal Load로 작용합니다.

따라서 Basket이 들어온 직후 Hot Zone 공기 온도는 일시적으로 낮아질 수 있고,
Cold Zone 역시 뜨거운 DUT가 진입하면 순간적인 Temperature Rise가 발생할 수 있습니다.

이때 중요한 성능이 Zone Recovery입니다.
즉 DUT가 이동한 뒤 해당 Zone이 목표 온도와 허용범위로 얼마나 빨리 회복되는지를 봐야 합니다.

IEC 60068-2-14:2023에서는 Specimen 삽입 후 Chamber Air Temperature가
Exposure Time의 10% 이내 시간에 지정된 허용범위로 들어오도록 요구합니다.

Basket 방식과 Damper 방식은 무엇이 다를까?

Thermal Shock Chamber라고 해서 반드시 DUT가 물리적으로 이동하는 것은 아닙니다.

대표적으로 Basket Type은 DUT가 Hot Zone과 Cold Zone 사이를 직접 이동하지만,
Damper Type은 DUT를 한 시험공간에 고정하고 Hot Air와 Cold Air의 유로를 Damper로 전환합니다.

💡 Engineer’s Insight

Thermal Shock Chamber에서 가장 흔한 오해는
“-40℃에서 85℃까지 얼마나 빨리 Ramp 하는 장비인가?”라고 생각하는 것입니다.

Basket 방식의 Thermal Shock에서는 실제로 Chamber가 -40℃에서 85℃로 Ramp하는 것이 아닙니다.
Hot Zone은 이미 85℃, Cold Zone은 이미 -40℃로 유지되고 있습니다.

따라서 성능을 판단할 때는 Ramp Rate보다 다음 항목이 더 중요합니다.

• Hot / Cold Zone의 Temperature Stability
• Basket Transfer Time
• DUT 투입 후 Zone Recovery Time
• Exposure Time
• DUT Surface / Core Temperature Response
• Basket Loading과 Air Flow

결국 Thermal Shock의 핵심 질문은
“Chamber가 얼마나 빨리 온도를 바꿨는가?”가 아니라
“DUT가 얼마나 짧은 시간 안에 서로 다른 두 환경으로 Transfer되었는가?”입니다.

핵심 정리

• Thermal Shock Chamber는 서로 다른 온도로 안정화된 두 Zone을 이용한다.
• Basket Type에서는 Chamber가 Ramp하는 것이 아니라 DUT가 Zone 사이를 이동한다.
• IEC 60068-2-14 Test Na의 Two-Chamber Method에서는 일반적으로 Transfer Time을 3분 이하로 관리한다.
• Transfer가 빨라도 DUT Temperature는 Thermal Mass 때문에 즉시 변하지 않는다.
• DUT 투입 후에는 Zone Recovery Performance도 확인해야 한다.
• 대형 DUT일수록 충분한 Exposure Time이 필요할 수 있다.
• Thermal Shock 성능은 Transfer + Recovery + DUT Thermal Response를 함께 봐야 한다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. Thermal Shock Chamber는 왜 두 개의 Zone을 사용하나요?

Hot Zone과 Cold Zone을 각각 목표 온도로 미리 안정화해 두고 DUT를 빠르게 이동시키기 위해서입니다.
이를 통해 하나의 Chamber를 Heating 또는 Cooling하는 방식보다 훨씬 짧은 시간에 큰 Ambient Temperature Change를 DUT에 부여할 수 있습니다.

Q2. Thermal Shock의 Ramp Rate는 몇 ℃/min인가요?

Basket 방식에서는 일반적인 Thermal Cycle처럼 Chamber Ramp Rate 하나로 표현하기 어렵습니다.
주변 환경 자체가 Hot Zone에서 Cold Zone 또는 반대로 급격하게 바뀌기 때문에
Transfer Time과 DUT Temperature Response를 확인하는 것이 더 적절합니다.

Q3. IEC 60068-2-14에서 Transfer Time은 얼마인가요?

Test Na의 Two-Chamber Method에서는 일반적으로 Chamber 간 Transfer Time이
3분을 넘지 않도록 요구합니다.
대형 Specimen 등 특별한 경우에는 관련 규격 또는 Specification에 따라 별도 조건을 적용할 수 있습니다.

Q4. Basket이 Hot Zone으로 이동하면 DUT도 바로 85℃가 되나요?

아닙니다. 주변 Air Temperature는 빠르게 85℃ 환경으로 바뀌지만
DUT Temperature는 Thermal Mass와 열전도 특성 때문에 지연되어 상승합니다.
특히 DUT Core Temperature는 Surface Temperature보다 더 느리게 변할 수 있습니다.

Q5. Thermal Shock Chamber의 핵심 성능은 Transfer Time 하나인가요?

아닙니다. Transfer Time뿐 아니라 Hot/Cold Zone의 Temperature Stability,
DUT 투입 후 Recovery Time, Exposure Time, Basket Loading, Air Flow와 DUT Thermal Response를 함께 평가해야 합니다.