Chapter 1. Environmental Chamber Fundamentals
Environmental Chamber Engineering Guide

Temperature Cycling과 Ramp Profile의 이해

도입

Thermal Cycle Chamber의 시험 그래프를 보면 온도가 저온과 고온 사이를 반복해서 오르내리는 모습을 볼 수 있습니다.

예를 들어 -40℃ ↔ 85℃ 조건을 500 Cycle 수행한다고 하면 단순히 챔버 온도를 -40℃와 85℃로 반복 설정하면 될 것처럼 보입니다.

하지만 실제 Temperature Cycling 시험은 그렇게 단순하지 않습니다.

같은 -40℃ ↔ 85℃ 조건이라도 Ramp Profile, Heating/Cooling 성능, DUT의 Thermal Mass, 적재 상태, Air Flow에 따라 DUT가 실제로 경험하는 온도 변화는 크게 달라질 수 있습니다.

특히 챔버 Controller에 표시되는 Set Point Profile과 실제 Chamber Air Temperature, 그리고 DUT Temperature는 서로 다른 움직임을 보일 수 있습니다.

IEC 60068-2-14의 Test N 역시 단순한 최고·최저 온도만이 아니라 Temperature Change가 시험품에 미치는 영향을 평가하는 시험으로 접근합니다.

이번 글에서는 앞서 설명한 Ramp Rate, Stabilization, Dwell의 기본 개념을 반복하기보다 Thermal Cycle Chamber가 실제로 하나의 Cycle을 어떻게 만들고 반복하는지를 중심으로 살펴보겠습니다.

1 Cycle은 어떻게 만들어질까?

Single Zone Thermal Cycle Chamber에서는 하나의 시험공간에서 Heater와 Refrigeration System을 제어하여 저온과 고온을 반복합니다.

대표적인 Profile은 다음과 같은 흐름을 가집니다.

Low Temperature → Ramp Up → High Temperature → Ramp Down → Low Temperature → Repeat

여기서 중요한 것은 어디까지를 1 Cycle로 정의할 것인가입니다.

예를 들어 -40℃에서 시작해 85℃까지 상승한 뒤 다시 -40℃로 돌아오는 Profile이라면 일반적으로 이 전체 온도 변화가 하나의 반복 단위가 됩니다.

따라서 500 Cycle 시험은 단순히 Controller가 500번 명령을 실행하는 것이 아니라, 시험 규격에서 정의한 Temperature Profile이 DUT에 반복적으로 적용되어야 한다는 의미입니다.

정확한 Cycle의 시작점과 종료점, Exposure 조건은 적용되는 제품 규격과 시험 Specification을 기준으로 정의해야 합니다.

Ramp Up과 Ramp Down은 왜 같은 속도가 아닐까?

Recipe에 Ramp Rate를 동일하게 설정했다고 해서 실제 Heating과 Cooling 속도가 항상 동일한 것은 아닙니다.

챔버의 가열은 주로 Heater Capacity에 의해 결정되는 반면 냉각은 Compressor, Evaporator, Refrigerant 상태와 같은 Refrigeration Capacity의 영향을 크게 받습니다.

따라서 실제 장비에서는 다음과 같은 현상이 나타날 수 있습니다.

• 25℃ → 85℃ Heating은 빠른데 85℃ → -40℃ Cooling은 느림
• 상온 부근에서는 빠르게 냉각되지만 저온 영역으로 갈수록 속도가 감소
• DUT Loading이 증가하면 Heating과 Cooling 모두 느려짐
• 특정 온도 영역에서 Compressor Capacity 변화로 Ramp 기울기가 달라짐

즉, Specification에 표시된 5℃/min이라는 하나의 숫자만으로 전체 Temperature Cycling 성능을 판단하기 어렵습니다.

실무에서는 Ramp Up과 Ramp Down을 각각 측정하고 어느 온도 구간에서 Rate가 계산되었는지도 함께 확인하는 것이 좋습니다.

Temperature Range가 넓어지면 Cycle Time은 얼마나 달라질까?

Temperature Cycling의 전체 시험시간을 예상하려면 먼저 한 번의 Cycle이 얼마나 걸리는지 계산해야 합니다.

예를 들어 -40℃ ↔ 85℃ 시험이라면 한 방향의 Temperature Change는 125℃입니다.

평균 Ramp Rate를 5℃/min으로 가정하면 이상적인 한 방향 Ramp Time은 약 25분입니다.

※ 위 수치는 Cycle Time 계산 원리를 설명하기 위한 예시이며 IEC 60068-2-14의 고정 시험조건을 의미하지 않습니다. 실제 Temperature Extreme, Exposure Duration, Temperature Change 조건 및 Cycle 수는 적용되는 시험 규격과 제품 Specification에 따라 결정해야 합니다.

하지만 실제 Cycle Time은 계산값보다 길어질 수 있다

위 계산에서는 Ramp가 정확히 5℃/min으로 유지된다고 가정했습니다.

그러나 실제 챔버에서는 DUT와 Fixture의 Thermal Mass, Air Flow, Refrigeration Capacity 등에 의해 Ramp가 느려질 수 있습니다.

예를 들어 계산상 Ramp Down이 25분이어도 실제 Full Loading 상태에서는 30분 또는 그 이상이 필요할 수 있습니다.

이 차이가 Cycle마다 반복되면 전체 시험시간에는 상당한 차이가 발생합니다.

예를 들어 한 Cycle이 예상보다 10분 길어지고 이를 500 Cycle 반복한다면 추가 시험시간은 약 5,000분, 즉 약 83시간이 됩니다.

따라서 장비 투자나 시험 Capacity를 계산할 때는 단순한 Spec Ramp Rate보다 실제 Loading 조건에서의 Cycle Time이 훨씬 중요한 지표가 될 수 있습니다.

Chamber Air Profile과 DUT Profile은 왜 다를까?

Temperature Cycling에서 또 하나 중요한 것은 챔버가 만든 Cycle과 DUT가 실제 경험한 Cycle이 다를 수 있다는 점입니다.

Chamber Air가 -40℃에서 85℃까지 빠르게 이동하더라도 DUT는 Thermal Mass 때문에 일정한 시간 지연을 가지고 따라갑니다.

특히 대형 Metal Fixture, Battery Pack, Motor, Power Module처럼 열용량이 큰 DUT에서는 이 차이가 더욱 커질 수 있습니다.

예를 들어 Chamber Air는 -40℃와 85℃에 정상적으로 도달했지만 DUT가 충분한 시간을 확보하지 못하면 실제 DUT Temperature는 -35℃와 78℃ 사이만 반복할 수도 있습니다.

이 경우 Controller에서는 정상적인 125℃ Temperature Swing처럼 보이지만 실제 DUT가 경험한 ΔT는 약 113℃에 불과합니다.

즉, 동일한 500 Cycle 시험이라도 실제 DUT가 받은 Thermal Stress는 달라질 수 있습니다.

Set Point / Chamber Air / DUT Temperature 비교

Loaded Condition이 Thermal Cycle 성능을 바꾸는 이유

DUT를 적재하면 챔버가 공기뿐만 아니라 DUT와 Fixture 전체를 반복적으로 가열하고 냉각해야 합니다.

또한 적재물이 Air Flow를 차단하면 Supply Air가 DUT 사이를 통과하는 과정에서 압력손실과 열교환 차이가 발생하고, 위치별 Temperature Response도 달라질 수 있습니다.

IEC 60068-3-7에서는 DUT가 적재된 Temperature Chamber의 성능을 평가할 때 시험품의 영향과 Working Space 내부의 Air Circulation을 함께 고려하는 접근을 다룹니다.

따라서 Empty Chamber에서 측정한 Ramp Performance만으로 실제 Full Loading Temperature Cycling 성능을 판단해서는 안 됩니다.