라즈베리파이 5 수냉식 냉각 방법론

2025-10-11, G25DR

1. 라즈베리파이 5의 열 관리 패러다임

라즈베리파이 5는 이전 세대 모델 대비 상당한 성능 향상을 이루었으나, 이는 동시에 발열이라는 새로운 기술적 과제를 제시한다. 본 서론에서는 라즈베리파이 5의 구조적 발열 특성을 분석하고, 이로 인해 발생하는 서멀 스로틀링 현상과 냉각 솔루션의 근본적인 필요성을 논한다.

1.1 라즈베리파이 5의 아키텍처와 발열 특성 분석

라즈베리파이 5의 성능 향상은 아키텍처의 근본적인 변화에 기인한다. 이전 모델인 라즈베리파이 4 대비 2~3배 향상된 CPU 성능과 600MHz 더 높은 클럭 속도는 필연적으로 더 많은 전력 소비와 열 발생을 수반한다.1 이는 공학적 트레이드오프(trade-off)에 따른 결과이며, 설계상의 특징이지 결함으로 볼 수 없다.1 라즈베리파이 재단은 업그레이드된 아키텍처 덕분에 열 관리 효율이 개선되었다고 설명하지만 3, 실제 고부하 환경에서는 안정적인 성능 유지를 위해 액티브 쿨링(Active Cooling)이 사실상 필수적인 요소로 간주된다.4

특히, 라즈베리파이 5의 성능을 온전히 활용하기 위해서는 안정적인 전원 공급이 발열 문제만큼이나 중요하다. 라즈베리파이 5는 공식적으로 5V/5A (25W) USB-PD(Power Delivery) 전원 공급 장치를 요구한다. 만약 5V/3A나 그 이하의 불충분한 전력이 공급될 경우, 이는 CPU 온도가 높지 않더라도 성능 저하와 스로틀링을 유발하는 직접적인 원인이 될 수 있다.1 따라서 라즈베리파이 5의 성능 문제를 진단할 때, 냉각 솔루션을 고려하기에 앞서 전원 공급 환경이 요구 사양을 충족하는지 반드시 먼저 검증해야 한다. 이는 라즈베리파이 5의 발열 문제가 단순한 온도 상승이 아니라, ’성능 잠재력’과 ’전원 공급 안정성’이라는 두 가지 핵심 요소와 복합적으로 얽혀 있음을 시사한다.

1.2 서멀 스로틀링(Thermal Throttling)의 원인과 성능에 미치는 영향

서멀 스로틀링은 반도체 칩을 과열로 인한 영구적 손상으로부터 보호하기 위한 필수적인 안전장치이다. 라즈베리파이 5는 CPU 온도가 80°C에 도달하면 성능 제한을 시작하며, 85°C에서는 시스템 보호를 위해 더욱 적극적으로 CPU 클럭 속도를 강제로 낮추는 스로틀링 상태에 진입한다.1

사용자는 리눅스 터미널에서 vcgencmd get_throttled 명령어를 실행하여 스로틀링 상태를 직접 확인할 수 있다. 적절한 냉각 장치 없이 커널 빌드나 비디오 인코딩과 같은 지속적인 고부하 작업을 수행할 경우, 이 명령어의 출력값에 스로틀링이 발생했음을 나타내는 플래그(throttled=0xe0008)가 활성화되는 것을 관찰할 수 있다.6

스로틀링이 발생하더라도 라즈베리파이 5는 여전히 라즈베리파이 4보다 빠른 성능을 보여주지만 5, 이는 사용자가 비용을 지불하고 확보한 라즈베리파이 5의 잠재적 성능을 온전히 활용하지 못하고 있음을 의미한다. 이러한 성능 저하는 특히 여러 개의 코어를 장시간 사용하는 멀티코어 작업에서 두드러지게 나타난다.7 결국 스로틀링은 단순한 보호 기능을 넘어, 라즈베리파이 5의 핵심 가치 제안(value proposition)인 ’압도적인 성능 향상’을 희석시키는 요인으로 작용한다. 이는 사용자가 라즈베리파이 5의 본래 가치를 실현하기 위해선 보드 가격 외에 냉각 솔루션에 대한 추가 비용 투자가 불가피함을 시사하며, 총소유비용(TCO) 관점에서 중요한 고려사항이 된다.

1.3 냉각 솔루션의 필요성 대두: 패시브, 액티브 공랭, 그리고 수랭

모든 사용 환경에서 강력한 냉각 솔루션이 필요한 것은 아니다. 웹 브라우징이나 간단한 스크립트 실행과 같은 일상적인 저부하 작업에서는 별도의 냉각 장치 없이도 스로틀링 없이 사용이 가능할 수 있다.5

그러나 시스템의 모든 자원을 장시간 활용하는 고부하 작업 환경에서는 스로틀링을 방지하고 최대 성능을 유지하기 위해 냉각 솔루션이 반드시 요구된다.8 시장에는 알루미늄 방열판 형태의 패시브 쿨링, 팬을 결합한 액티브 공랭 쿨링, 그리고 본 보고서의 핵심 주제인 수랭 시스템에 이르기까지 다양한 선택지가 존재한다. 각 솔루션은 냉각 성능, 소음 수준, 시스템 복잡성, 그리고 비용 측면에서 명확한 장단점을 가지므로, 사용자는 자신의 목적과 환경에 가장 적합한 기술을 신중하게 선택해야 한다.7

2. 냉각 기술의 원리적 탐구: 공랭과 수랭의 비교 분석

냉각 기술의 선택은 시스템의 성능과 안정성에 직접적인 영향을 미친다. 본 장에서는 열역학적 관점에서 공랭과 수랭의 기본 원리를 설명하고, 각 방식의 장단점을 체계적으로 비교하여 기술 선택의 기준을 제시한다.

2.1 열전달 메커니즘: 전도, 대류, 복사

모든 냉각 시스템은 열전달의 세 가지 기본 원리인 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)를 활용한다. CPU와 같은 열원에서 발생하는 열은 먼저 서멀 페이스트나 서멀 패드를 통해 히트싱크나 워터 블록으로 전도된다. 이후, 히트싱크나 라디에이터의 넓은 표면적을 통해 주변의 유체(공기 또는 냉각수)로 열이 전달되는 대류 현상이 일어난다. 최종적으로 가열된 유체는 시스템 외부로 열을 방출한다. 수랭 시스템은 공기보다 비열용량(Specific Heat Capacity)과 열전도율이 월등히 높은 물(또는 전용 냉각수)을 매개체로 사용함으로써, 열을 더 빠르고 효율적으로 흡수하고 이동시키는 원리에 기반한다.

2.2 공랭 시스템의 구성과 한계

공랭 시스템은 히트싱크(방열판)와 팬으로 구성된다. 구조가 매우 단순하여 설치가 용이하고, 고장이 발생할 수 있는 부품이 팬에 국한되므로 시스템의 신뢰성이 높다.12 또한, 가격이 저렴하고 별도의 유지보수가 거의 필요 없다는 장점이 있다.12

그러나 공랭 시스템은 명확한 한계를 가진다. 냉각 성능이 케이스 내부의 공기 흐름과 주변 온도의 영향을 직접적으로 받는다. 즉, 시스템 전체의 열을 효과적으로 배출하지 못하면 냉각 효율이 급격히 떨어진다. 더 높은 냉각 성능을 얻기 위해서는 팬의 회전 속도(RPM)를 높여야 하며, 이는 필연적으로 소음 증가로 이어진다.12

2.3 수랭 시스템의 구성과 열용량 우위

수랭 시스템은 워터 블록, 펌프, 라디에이터, 튜브, 냉각수, 팬 등 다양한 부품으로 구성된다. 공랭 시스템보다 구조가 복잡하며, 펌프 고장이나 튜브 연결부의 누수와 같은 잠재적인 고장 지점이 더 많다는 단점이 있다.12

그럼에도 불구하고 수랭 시스템이 채택되는 이유는 다음과 같은 명백한 장점 때문이다.

• 탁월한 냉각 성능: 열을 CPU에서 물리적으로 떨어진 대형 라디에이터로 효율적으로 이송하여 방출한다. 이는 CPU 발열이 케이스 내부의 다른 부품(예: NVMe SSD)에 미치는 영향을 최소화하고, 시스템 전체의 온도를 안정적으로 관리하는 데 유리하다.4

• 저소음 환경 구축: 대형 라디에이터를 사용하면 공랭보다 훨씬 낮은 팬 속도로도 동일하거나 더 나은 냉각 성능을 달성할 수 있다. 이는 고성능을 유지하면서도 정숙한 컴퓨팅 환경을 구축하는 데 결정적인 역할을 한다.12

• 심미적 만족감: 투명 튜브, 색상이 있는 냉각수, RGB LED 조명 등을 활용하여 시스템을 시각적으로 꾸미는 ‘튜닝’ 효과를 극대화할 수 있다.16

공랭과 수랭의 선택은 단순히 성능 수치를 비교하는 것을 넘어, ’열 관리 철학’의 차이로 이해할 수 있다. 공랭은 ’국소적 냉각’에 집중하여 CPU 주변의 열을 즉시 처리하려는 방식이다. 반면, 수랭은 ’열의 이동과 분산’이라는 개념에 기반한다. CPU에서 발생한 열을 일단 냉각수로 흡수한 뒤, 사용자가 원하는 위치(라디에이터)로 옮겨서 시스템 외부로 직접 배출한다. 이러한 구조적 유연성은 시스템 전체의 열 균형과 소음 프로파일을 설계하는 데 있어 더 많은 선택지를 제공한다.

하지만 이러한 유연성은 신뢰성이라는 대가를 요구한다. 공랭 시스템의 주된 실패 지점은 ‘팬 고장’ 하나이며, 팬이 멈추더라도 거대한 히트싱크가 일정 시간 동안 패시브 쿨링 역할을 수행한다. 반면 수랭 시스템은 펌프 고장, 누수, 팬 고장 등 다수의 잠재적 실패 지점을 가진다.12 특히 펌프 고장은 냉각수 순환을 즉시 중단시켜 CPU 온도를 급격히 상승시키며, 누수는 시스템 전체에 치명적인 물리적 손상을 초래할 수 있다. 이는 24시간 무인으로 운영되는 서버나 미션 크리티컬(Mission-critical) 임베디드 시스템에 라즈베리파이 5를 적용하려는 경우, 수랭 도입에 대한 신중한 검토가 필요함을 시사한다.

2.3.1 표 1: 공랭 vs. 수랭 냉각 방식 비교

3. 라즈베리파이 5 수랭 시스템의 효용성 심층 분석

라즈베리파이 5에 수랭 시스템을 적용하는 것은 종종 ’오버킬(Overkill)’이라는 비판에 직면한다. 본 장에서는 이러한 비판의 본질을 비용 대비 성능 관점에서 분석하고, 수랭이 실질적인 가치를 발휘할 수 있는 특정 시나리오를 탐구한다.

3.1 ‘오버킬(Overkill)’ 논쟁의 본질: 비용 대비 성능의 관점

‘오버킬’ 주장의 핵심 근거는 경제성에 있다. 라즈베리파이 공식 액티브 쿨러는 약 5~6의 저렴한 가격으로 구매할 수 있으며, 이 쿨러만으로도 라즈베리파이 5를 최대 3GHz까지 안정적으로 오버클럭하고 스로틀링을 완벽하게 방지할 수 있다.4 반면, 시중에서 판매되는 수랭 키트는 라즈베리파이 5 본체 가격(60~80)을 훨씬 상회하는 100~140 수준의 높은 가격대를 형성하고 있다.4

성능 측면에서도 수랭의 이점은 제한적이다. 수랭 시스템을 통해 CPU 온도를 40°C 이하로 극적으로 낮추더라도, 라즈베리파이 5에 사용된 실리콘의 물리적 한계로 인해 3GHz를 초과하는 의미 있는 추가 성능 향상을 기대하기는 어렵다.4 즉, 일정 수준 이상의 냉각 성능 향상이 직접적인 연산 성능 향상으로 이어지지 않는 ‘수확 체감(Diminishing Returns)’ 구간이 명확하게 존재한다. 따라서 순수한 ‘성능 가성비’ 측면에서 단일 라즈베리파이 5에 고가의 수랭 시스템을 적용하는 것은 명백한 ’오버킬’로 평가될 수 있다.22

이러한 ‘오버킬’ 논쟁은 라즈베리파이 사용자 커뮤니티의 변화와 분화를 상징적으로 보여준다. 초기의 라즈베리파이는 ’교육 및 취미용 저가 SBC(Single-Board Computer)’라는 정체성이 강했으며, 이 관점에서 수랭은 불필요하고 사치스러운 시도로 여겨졌다.23 그러나 라즈베리파이 5의 성능이 일부 저가형 x86 PC나 NUC(Next Unit of Computing)에 근접하면서 22, 사용자층은 크게 확대되었다. 이 새로운 사용자 그룹은 라즈베리파이를 고성능 소형 서버, 데스크톱 대용, 또는 복잡한 프로젝트의 핵심 두뇌로 활용하며, 기존 PC 시장의 고성능 튜닝 문화를 자연스럽게 라즈베리파이 생태계로 이식하고 있다.21 따라서 ’오버킬’은 절대적인 평가가 아니라, 사용자가 라즈베리파이를 어떤 ’범주’의 제품으로 인식하느냐에 따라 달라지는 상대적인 개념이며, 수랭 키트의 등장은 라즈베리파이 시장이 그만큼 성숙하고 다변화되었음을 보여주는 지표이다.

3.2 실용적 적용 사례: 수랭이 가치를 발휘하는 특정 시나리오

비용 효율성 측면의 비판에도 불구하고, 수랭 시스템이 명백한 가치를 제공하는 특정 시나리오는 분명히 존재한다.

• 극한의 안정성과 저소음 환경: 비록 추가적인 성능 향상은 미미할지라도, 모든 잠재적 스로틀링 요소를 원천적으로 차단하여 극한의 시스템 안정성을 추구하는 사용자에게 수랭은 매력적인 선택지다.18 특히, 거실의 미디어 센터나 오디오 작업용 컴퓨터와 같이 소음에 극도로 민감한 환경에서 라즈베리파이 5의 최대 성능을 소음 없이 활용하고자 할 때, 수랭은 거의 유일한 대안이 될 수 있다.12

• 클러스터 컴퓨팅: 여러 대의 라즈베리파이 5를 연결하여 고성능 컴퓨팅 클러스터를 구축하는 경우, 수랭의 가치는 극대화된다. 개별 라즈베리파이에 공랭 쿨러를 장착하는 대신, 하나의 강력한 펌프와 대형 라디에이터를 이용해 여러 대의 보드를 동시에 냉각하는 중앙 집중식 수랭 시스템은 공간 효율성, 전력 관리, 통합된 소음 제어 측면에서 훨씬 효율적이다. 실제로 일반적인 120mm 라디에이터 하나가 약 200W 이상의 열을 처리할 수 있는데, 이는 12W 내외의 전력을 소비하는 라즈베리파이 5를 16대 이상 감당할 수 있는 용량이다.11 이는 개별 냉각에서 중앙 집중식 냉각으로의 패러다임 전환을 의미하며, ‘규모의 경제’ 원리가 적용되는 가장 합리적인 수랭 적용 사례라 할 수 있다.

3.3 심미적 가치와 기술적 도전 과제로서의 수랭

수랭 시스템은 단순히 기능적 효용성만으로 평가할 수 없다. 이는 PC 모딩(Modding) 문화와 마찬가지로, 성능 외에 ’보는 즐거움’과 ’만드는 즐거움’을 제공하는 취미의 영역이기도 하다.15 작은 SBC에 복잡한 수랭 시스템을 설계하고 구축하는 과정 자체가 하나의 기술적 도전 과제이며, 이를 성공적으로 구현함으로써 얻는 지적 성취감은 많은 메이커(Maker)들에게 중요한 동기가 된다.18

4. 상용 수랭 키트 시장 분석 및 제품 평가

라즈베리파이 5의 발열 이슈가 대두되면서, 이를 해결하기 위한 다양한 상용 수랭 키트가 시장에 등장했다. 본 장에서는 주요 제품들을 분석하고, 사용자가 제품 선택 시 반드시 고려해야 할 핵심 요소와 잠재적 문제점을 제시한다.

4.1 주요 제조사 및 제품 분석

현재 라즈베리파이 5용 수랭 키트 시장은 몇몇 전문 액세서리 제조사들이 주도하고 있다.

• 52Pi / Seeed Studio: 가장 널리 알려진 올인원(AIO, All-in-One) 형태의 키트를 제공한다. 이들 제품은 일반적으로 120mm 라디에이터, RGB LED 팬, 라즈베리파이 5 전용으로 설계된 워터 블록, 펌프와 리저버(물통)가 통합된 본체, 그리고 별도의 12V 전원 어댑터로 구성된다.4 가격대는 약 $102에서 $120 사이로 형성되어 있다.4

• ModMyMods: 보다 전문적인 커스텀 수랭 부품을 제공하는 업체로, 사용자가 직접 부품을 선택하여 자신만의 루프를 구성할 수 있는 모듈화된 키트를 판매한다. 이 키트는 약 $140의 가격에 판매되며, 더 높은 자유도를 제공한다.20

• 기타 부품 제조사: Alphacool과 같은 기존 PC 수랭 부품 전문 업체들도 라즈베리파이에 적용 가능한 소형 워터 블록이나 60mm 규격의 소형 라디에이터 등 개별 부품을 판매하고 있어, 완전한 커스텀 빌드를 구상하는 사용자들에게 선택지를 제공한다.20

4.2 구성품, 가격, 설치 편의성 비교

제품 선택 시 가장 중요한 기준 중 하나는 설치 편의성이다. 52Pi/Seeed Studio의 AIO 키트는 모든 부품이 사전 조립에 가깝게 구성되어 있어, 수랭 경험이 없는 초보자도 설명서를 따라 쉽게 설치할 수 있다는 장점이 있다. 이른바 ’플러그 앤 플레이(Plug and play)’에 가까운 경험을 제공한다.4 특히 이들 키트에 포함된 워터 블록은 CPU뿐만 아니라 전원부(PMIC)와 RP1 사우스브릿지 칩까지 한 번에 덮어 냉각하는 ‘풀 커버리지(Full-coverage)’ 디자인을 채택하여 포괄적인 열 관리를 제공한다.4

반면, ModMyMods와 같은 모듈형 키트나 개별 부품을 구매하여 구성하는 DIY 방식은 부품 선택의 자유도가 높은 대신, 수랭 시스템의 원리에 대한 깊은 이해와 조립 기술을 요구한다. 냉각수 루프의 경로 설계, 튜브 절단 및 피팅 체결 등 모든 과정을 사용자가 직접 수행해야 한다.25

4.3 잠재적 문제점 및 고려사항

상용 키트의 편리함 이면에는 사용자가 반드시 인지해야 할 잠재적 문제점들이 존재한다.

• 갈바닉 부식 (Galvanic Corrosion): 일부 상용 키트(Seeed Studio 제품)는 워터 블록에는 구리(Copper)를, 라디에이터에는 알루미늄(Aluminum)을 사용하는 심각한 설계 문제를 안고 있다. 서로 다른 종류의 금속이 전해질(냉각수) 내에서 접촉하면 전위차로 인해 한쪽 금속이 빠르게 부식되는 갈바닉 부식 현상이 발생한다. 이는 장기적으로 냉각수 흐름을 막고 시스템 성능을 저하시키는 치명적인 결함이 될 수 있다.11 이러한 문제를 예방하기 위해서는 순수한 증류수 대신 부식 방지제가 포함된 전용 냉각수를 사용하는 것이 강력히 권장된다.11 이는 PC 수랭 시장에서는 기본적인 공학 원칙으로 간주되지만, 아직 초기 단계인 라즈베리파이 수랭 시장에서는 간과될 수 있음을 보여준다.

• 소음 문제: 저소음 환경을 기대하고 수랭 시스템을 도입했으나, 오히려 소음 문제에 직면할 수 있다. 일부 키트의 리저버 설계가 미흡하여 냉각수 순환 과정에서 공기가 유입되고, 이로 인해 ’꾸르륵’거리는 물소리가 지속적으로 발생할 수 있다.4

• 포트 접근성 및 확장성 저해: 워터 블록과 연결 호스의 물리적인 크기로 인해 라즈베리파이 5의 주요 포트 접근성이 저하될 수 있다. 특히 MicroSD 카드 슬롯이나 PCIe 커넥터에 접근하기 어려워지는 문제가 발생한다. 라즈베리파이 5의 핵심 기능 중 하나인 PCIe 인터페이스를 활용하여 NVMe SSD HAT과 같은 확장 보드를 사용하려면, 설치된 워터 블록을 다시 분해해야 하는 심각한 불편함이 따를 수 있다.4 이는 냉각 성능을 얻는 대가로 라즈베리파이 5의 핵심 가치인 ’확장성’을 희생해야 하는 트레이드오프 관계를 명확히 보여준다.

• 별도 전원 요구: 대부분의 AIO 키트는 라즈베리파이의 5V GPIO 핀으로 구동되지 않고, 별도의 12V DC 전원 어댑터를 필요로 한다.4 이는 시스템 전체의 전력 소비를 증가시키고 케이블 관리를 복잡하게 만드는 요인이 된다.

4.3.1 표 2: 주요 상용 라즈베리파이 5 수랭 키트 비교

5. DIY(Do-It-Yourself) 수랭 시스템 구축 가이드

상용 키트를 넘어 자신만의 독창적인 수랭 시스템을 구축하고자 하는 사용자를 위해, 부품 선정부터 조립, 그리고 장기적인 유지보수까지의 전 과정을 단계별로 안내한다. 이는 단순한 조립을 넘어 열역학, 유체역학, 재료과학 등 다양한 공학 분야의 지식을 요구하는 종합적인 ‘시스템 엔지니어링’ 프로젝트이다.

5.1 1단계: 핵심 부품 선정 가이드

성공적인 DIY 수랭 시스템의 첫걸음은 목적에 맞는 부품을 신중하게 선정하는 것이다.

• 워터 블록: 라즈베리파이 5 전용으로 출시된 워터 블록 헤드 27를 구매하거나, Alphacool MCX One과 같은 범용 소형 블록 20을 개조하여 사용할 수 있다. 열전도율이 높은 구리 또는 부식에 강한 니켈 도금 구리 제품을 선택하는 것이 장기적인 성능 유지에 유리하다.28

• 펌프: 시스템의 크기와 목표 소음 수준에 따라 펌프를 선택해야 한다. 라즈베리파이의 5V GPIO 전원을 직접 사용하는 저전력 소형 펌프 29는 시스템을 간결하게 만들 수 있지만 성능에 한계가 있다. 더 높은 유량이 필요하다면 별도의 전원을 사용하는 고성능 펌프를 고려해야 한다.

• 라디에이터: 단일 라즈베리파이 5를 냉각하는 데에는 60mm 20 또는 80mm 31 규격의 소형 라디에이터로도 충분하다. 라디에이터의 두께와 핀 밀도(FPI, Fins Per Inch)가 높을수록 방열 성능이 우수하지만, 더 강력한 팬이 필요할 수 있다.

• 튜브 및 피팅: 설치가 용이한 유연한 소프트 튜브(Soft Tube)는 초보자에게 적합하다. 반면, 아크릴이나 PETG 재질의 단단한 하드 튜브(Hard Tube)는 심미적으로 매우 뛰어나지만, 히팅 건을 이용한 벤딩(Bending) 가공이 필요하여 난이도가 높다.25 튜브의 내경(ID)과 외경(OD)에 정확히 맞는 규격의 피팅을 사용해야 누수를 완벽하게 방지할 수 있다.

• 냉각수: 시스템의 수명과 안정성을 위해 가장 중요한 요소 중 하나다. 순수한 증류수는 단기적으로는 문제가 없지만, 장기적으로는 미생물 번식이나 부식을 유발할 수 있다. 따라서 미생물 번식을 막는 바이오사이드(Biocide)와 부식을 방지하는 부동액(Glycol)을 첨가하거나, 이 모든 기능이 포함된 PC 전용 냉각수를 사용하는 것이 필수적이다.28

5.2 2단계: 커스텀 부품 제작 (3D 프린팅 및 CNC 가공 활용 사례)

DIY의 진정한 묘미는 기성품을 넘어 자신만의 부품을 제작하는 데 있다.

• 케이스 통합형 디자인: 3D 프린터를 활용하면 케이스, 리저버, 튜브 경로를 하나의 부품으로 통합 설계하여 매우 컴팩트하고 독창적인 시스템을 구현할 수 있다.29 이는 높은 수준의 3D 모델링 기술과 누수를 방지할 수 있는 정밀한 프린팅 설정, 그리고 냉각수에 화학적으로 반응하지 않는 필라멘트(예: PETG) 선택을 요구한다.

• 커스텀 워터 블록: 데스크톱 CNC 밀링 머신을 보유하고 있다면, 알루미늄이나 구리 블록을 직접 가공하여 라즈베리파이 5의 칩 레이아웃에 완벽하게 맞는 맞춤형 워터 블록을 제작할 수 있다.31 이는 최고의 성능과 만족감을 제공하지만, 고가의 장비와 전문적인 가공 기술이 필요하다.

DIY 과정에서 가장 큰 장애물은 ’표준의 부재’이다. 일반적인 PC 메인보드와 달리, 라즈베리파이 보드에는 쿨러 장착을 위한 표준화된 마운팅 홀이 존재하지 않는다.23 따라서 사용자는 3D 프린팅된 브라켓, 스탠드오프, 나사 등을 조합하여 워터 블록을 보드에 안정적으로 고정할 자신만의 기계적 인터페이스를 창안해야 한다.24 이는 DIY의 난이도를 높이는 동시에, 가장 큰 창의성이 요구되는 부분이기도 하다.

5.3 3단계: 조립, 배관 및 누수 테스트 절차

부품 준비가 완료되면 조립을 시작한다. 일반적인 순서는 워터 블록을 라즈베리파이에 장착하고, 라디에이터와 팬을 케이스에 고정한 뒤, 펌프와 리저버를 배치하고 마지막으로 튜브를 이용해 각 부품을 연결하는 것이다.

조립 후 가장 중요한 과정은 누수 테스트이다. 냉각수를 시스템에 채운 후, 라즈베리파이 5의 전원은 절대 켜지 않은 상태에서 펌프만 별도의 전원으로 구동해야 한다. 최소 몇 시간, 안전을 위해 24시간 동안 펌프를 가동하며 모든 피팅 연결부와 부품에서 미세한 누수라도 발생하는지 철저히 확인해야 한다.28 각 연결부 아래에 키친타월을 놓아두면 아주 작은 누수도 쉽게 발견할 수 있다.

5.4 4단계: 장기적 안정성을 위한 유지보수 전략

수랭 시스템은 한 번 구축하고 끝나는 것이 아니라, 장기적인 안정성을 위해 정기적인 유지보수가 필요하다.

• 정기 점검: 한 달에 한 번 정도 리저버의 냉각수 수위를 확인하고, 증발로 인해 줄어든 양을 보충한다. 분기별로 모든 튜브와 피팅의 연결 상태가 견고한지 육안으로 점검한다.28

• 라디에이터 청소: 3~6개월 주기로 라디에이터 핀에 쌓인 먼지를 압축 공기나 부드러운 솔로 제거하여 공기 흐름을 원활하게 하고 냉각 효율을 유지해야 한다.28

• 냉각수 교체: 사용한 냉각수의 종류와 시스템 환경에 따라 6개월에서 2년 주기로 전체 시스템을 세척하고 새로운 냉각수로 교체하는 것이 좋다.19 이는 냉각 성능을 최상으로 유지하고 부품의 부식을 방지하여 시스템 수명을 연장하는 데 매우 중요하다.

6. 정량적 성능 평가: 벤치마크 종합 분석

수랭 시스템의 실제 효용성을 평가하기 위해, 다양한 냉각 솔루션에 따른 라즈베리파이 5의 온도 및 연산 성능 변화를 객관적인 벤치마크 데이터를 통해 비교 분석한다.

6.1 테스트 환경 및 방법론

정확하고 일관된 비교를 위해 모든 테스트는 동일한 라즈베리파이 5 모델, 공식 5V/5A 전원 공급 장치, 그리고 동일한 버전의 Raspberry Pi OS 환경에서 진행되어야 한다.

• 온도 측정: vcgencmd measure_temp 명령어를 사용하여 시스템이 아무 작업도 하지 않는 유휴(Idle) 상태와 최대 부하(Stress) 상태에서의 CPU 온도를 측정한다.7

• 부하 테스트: stress-ng나 CPU Burn과 같은 유틸리티를 사용하여 모든 CPU 코어에 100% 부하를 5분에서 10분간 지속적으로 가하여 시스템이 안정적으로 도달하는 최고 온도를 확인한다.7

• 성능 테스트: sysbench를 이용해 CPU의 순수 연산 속도를 측정하거나, Geekbench와 같은 종합 벤치마크 툴을 사용하여 실제 연산 능력의 변화를 정량적으로 측정한다.7

6.2 온도 변화 분석: 유휴(Idle) 및 부하(Stress) 상태 비교

벤치마크 결과는 냉각 솔루션 간의 극적인 온도 차이를 보여준다.

• 공식 액티브 쿨러: 유휴 상태에서 약 40°C, 최대 부하 상태에서는 60°C ~ 70°C 범위에서 온도가 안정화된다.4 2.8GHz로 오버클럭하고 최대 부하를 가해도 온도는 70°C 초반을 유지하며, 스로틀링 없이 안정적인 작동이 가능하다.11

• 상용 수랭 키트 (Seeed Studio): 유휴 상태에서 약 24°C ~ 30°C, 최대 부하 상태에서도 39°C ~ 45°C라는 매우 낮은 온도를 기록한다. 이는 액티브 쿨러 대비 압도적인 냉각 성능을 명확히 보여주는 결과다.4

• DIY 수랭 시스템: 사용된 부품의 품질, 특히 서멀 패드의 성능에 따라 상용 키트와 비슷하거나 약간 더 나은 성능을 보일 수 있다. 한 테스트에서는 유휴 29°C, 부하 42°C를 기록하여 상용 키트보다 2~3°C 더 낮은 온도를 달성했다.11

6.3 연산 성능 변화 분석: CPU 벤치마크 결과

온도의 극적인 차이에도 불구하고, 연산 성능의 변화는 작업의 종류에 따라 다르게 나타난다.

• 단기/단일 코어 성능: sysbench나 Geekbench의 싱글코어 벤치마크와 같이 짧은 시간 안에 끝나는 작업에서는 냉각 솔루션에 따른 성능 차이가 거의 발생하지 않는다.7 이는 어떤 쿨러를 사용하든 짧은 작업 시간 동안에는 스로틀링이 발생하는 80°C에 도달하지 않기 때문이다.

• 장기/멀티 코어 성능: 냉각 솔루션의 진정한 가치는 지속적인 고부하 환경에서 드러난다. stress-ng를 이용한 5분간의 스트레스 테스트에서, 액티브 쿨러를 장착한 시스템은 스로틀링이 발생한 패시브 쿨링 시스템 대비 약 23% 더 높은 처리량(bogo ops)을 기록했다.7 수랭 시스템은 여기서 더 나아가, 어떠한 부하 상황에서도 온도를 스로틀링 임계점보다 훨씬 낮은 수준으로 유지함으로써 항상 최대 성능을 꾸준히 발휘할 수 있음을 보장한다.

이러한 벤치마크 데이터는 ’온도’와 ’성능’이 비선형적 관계에 있음을 명확히 보여준다. 라즈베리파이 5의 최대 성능은 스로틀링 임계점인 80°C 이하로만 유지된다면, 실제 온도가 70°C이든 40°C이든 거의 동일하게 발휘된다.4 따라서 수랭 시스템이 제공하는 30°C 이상의 추가적인 온도 하락은 직접적인 성능 향상보다는, 어떠한 외부 환경(높은 실내 온도 등)에서도 성능 저하가 발생하지 않을 것이라는 ‘안전 마진(Safety Margin)’ 또는 ’성능 버퍼(Performance Buffer)’로 해석하는 것이 더 정확하다. 이는 사용자가 수랭 시스템에 대해 비현실적인 성능 향상 기대를 갖지 않도록 하는 중요한 분석이다.

6.3.1 표 3: 냉각 솔루션별 성능 벤치마크 종합

주: Stress-ng 값은 참고용이며 7의 데이터를 기반으로 함. 수랭 키트의 값은 액티브 쿨러와 동일한 최대 성능을 스로틀링 없이 유지함을 의미함.

7. 결론: 사용자 유형별 최적 냉각 솔루션 권장

지금까지의 분석을 종합하여, 라즈베리파이 5 사용자의 목적, 기술 수준, 예산에 따라 가장 적합한 냉각 솔루션을 다음과 같이 권장한다.

7.1 일반 사용자 및 교육용: 액티브 공랭의 충분성

웹 브라우징, 코딩 교육, 간단한 파일 서버나 홈 자동화 허브 운영 등 대부분의 ‘일상적인’ 사용 환경에서는 라즈베리파이 공식 액티브 쿨러가 비용과 성능 모든 면에서 가장 합리적이고 충분한 선택이다. 약 5~6의 저렴한 비용으로 스로틀링을 완벽하게 방지할 수 있으며, 설치가 간편하고 높은 신뢰성을 보장한다.5

7.2 성능 극대화 추구형 사용자(Power User): 수랭의 가치

상시 오버클러킹, 고사양 레트로 게임 에뮬레이션, 4K 미디어 트랜스코딩 등 라즈베리파이 5의 성능을 한계까지 활용하면서 동시에 극도의 정숙성을 중요시하는 파워 유저에게 수랭 시스템은 유의미한 가치를 제공한다. 이는 단순히 성능 수치를 높이는 것을 넘어, 소음 없는 쾌적한 ’사용 경험의 질’을 높이는 투자로 볼 수 있다.12

7.3 클러스터 구축 및 특수 목적 사용자: 수랭의 효율성

여러 대의 라즈베리파이 5를 병렬로 연결하여 고성능 컴퓨팅(HPC) 클러스터, 렌더팜, 분산 AI 학습 환경 등을 구축하는 경우, 중앙 집중식 수랭 시스템은 관리 효율성, 공간 활용도, 총소음 감소 측면에서 가장 이상적인 솔루션이 될 수 있다. 초기 투자 비용은 높지만, 장기적인 운영 관점에서는 오히려 더 경제적이고 안정적인 선택이다.11

7.4 미래 라즈베리파이 열 관리 기술 전망

라즈베리파이 5와 수랭 시스템의 조합은 SBC의 성능 한계가 어디까지 확장될 수 있는지를 보여주는 흥미로운 사례이다. 미래의 차세대 라즈베리파이는 더욱 향상된 성능과 함께 더 정교하고 효율적인 열 관리 솔루션을 요구하게 될 것이다. 반도체에 직접 냉각 효과를 주는 펠티어 소자(Peltier Cooler)를 결합한 하이브리드 냉각 방식 33, 더 얇고 효율적인 베이퍼 챔버(Vapor Chamber) 기술, 혹은 보드 설계 단계에서부터 액체 냉각 채널을 통합하는 혁신적인 접근 방식이 미래 SBC 생태계에 등장할 가능성을 예측하며 본 보고서를 마친다.

8. 참고 자료

1. 새삥 라즈베리 파이 5가 뜨거워져서 스로틀링 걸리네 : r/raspberry_pi - Reddit, https://www.reddit.com/r/raspberry_pi/comments/1eo7qpz/brand_new_raspberry_pi_5_running_hot_and/?tl=ko
2. 라즈베리파이5와4의 비교 (Raspberry Pi 5 v.s. 4), https://leocom.tistory.com/entry/%EB%9D%BC%EC%A6%88%EB%B2%A0%EB%A6%AC%ED%8C%8C%EC%9D%B4-5-%EC%99%80-4%EC%9D%98-%EB%B9%84%EA%B5%90-Raspberry-Pi-5-vs-4
3. 2배 빨라진 라즈베리파이5, 발열 논란? - 지디넷코리아, https://zdnet.co.kr/view/?no=20231019134222
4. Water Cooling Kit for Raspberry Pi 5 Review - Tom’s Hardware, https://www.tomshardware.com/raspberry-pi/water-cooling-kit-for-raspberry-pi-5-review
5. RPi 5 - Pi Case fan vs active cooler fan - Raspberry Pi Forums, https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=365291
6. Raspberry Pi 5 thermal throttling at 80C or 85C?, https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=368073
7. Raspberry Pi 5 Thermal Showdown: Active Cooler vs Passive Cooling - Medium, https://medium.com/@mahinshanazeer/raspberry-pi-5-thermal-showdown-active-cooler-vs-passive-cooling-796d5f68b8fb
8. Advice sought - Raspberry Pi 5 Cooling - Is a fan really necessary?, https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=389367
9. Raspberry Pi 5: “naked” vs. active cooler vs. housing with fan - Digitec, https://www.digitec.ch/en/page/raspberry-pi-5–is-the-active-cooler-or-the-housing-with-fan-worth-it-31545
10. 팬 없이 라즈베리 파이 5를 돌리는 건 어때? : r/raspberry_pi - Reddit, https://www.reddit.com/r/raspberry_pi/comments/1bh22j4/running_raspberry_pi_5_without_fan/?tl=ko
11. Is It Worth Water Cooling A Raspberry Pi 5? - The DIY Life, https://www.the-diy-life.com/is-it-worth-water-cooling-a-raspberry-pi-5/
12. 수랭 쿨러랑 공랭 쿨러 쓰는 거, 장단점이 뭔데? : r/buildapc - Reddit, https://www.reddit.com/r/buildapc/comments/xw186c/whats_the_pros_and_cons_of_having_liquid_cooler/?tl=ko
13. [공냉 VS 수냉] 시청자들의 선택은? - YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=VdMaCeaXQ6w
14. 성능이 더좋은데 수냉쿨러 다들 무서워할까!! - YouTube, https://m.youtube.com/watch?v=2wfkr9ChB2A&pp=0gcJCfcAhR29_xXO
15. 수냉은 그냥 감성인가요? > 공랭/수랭쿨러 | 퀘이사존 QUASARZONE, https://quasarzone.com/bbs/qf_cool/views/285231
16. 52Pi ICE Pump Cooling System for Raspberry Pi 5, Cold Water Cooling Kit with colorful LED lights, https://52pi.com/products/ice-pump-cooling-system-for-raspberry-pi-5
17. 라즈베리 파이 5 용 수냉 키트 - AliExpress, https://ko.aliexpress.com/item/1005007879341637.html
18. My Watercooled Pi 5 w/ Hard Tubing : r/raspberry_pi - Reddit, https://www.reddit.com/r/raspberry_pi/comments/1dwef2r/my_watercooled_pi_5_w_hard_tubing/
19. Water cooling: no maintenance possible? : r/watercooling - Reddit, https://www.reddit.com/r/watercooling/comments/1df62si/water_cooling_no_maintenance_possible/
20. Raspberry Pi Cooling Kit - Water Cooling Kits ModMyMods.com - PC …, https://modmymods.com/water-cooling-kits/raspberry-pi-cooling-kit.html
21. The plucky Raspberry Pi 5 gets the full liquid treatment with this slightly absurd water cooling kit | PC Gamer, https://www.pcgamer.com/the-plucky-raspberry-pi-5-gets-the-full-liquid-treatment-with-this-slightly-absurd-water-cooling-kit/
22. Water cooling is overkill for Pi 5: review of $120 Seeed Studio’s water cooling solution for RPi 5 : r/hardware - Reddit, https://www.reddit.com/r/hardware/comments/1axa5ld/water_cooling_is_overkill_for_pi_5_review_of_120/
23. Watercooled Raspberry PI, https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=12774
24. Watercooling an RPi 5 8GB, for no reason other than ‘why not?’ : r/raspberry_pi - Reddit, https://www.reddit.com/r/raspberry_pi/comments/1bl1jnk/watercooling_an_rpi_5_8gb_for_no_reason_other/
25. Beginner on water cooling- what to purchase? : r/watercooling - Reddit, https://www.reddit.com/r/watercooling/comments/15wdsqr/beginner_on_water_cooling_what_to_purchase/
26. Should You Water Cool Your Raspberry Pi 5? - YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=hJNLrgPhDpo
27. 52Pi ICE Pump Cooling Accessory for Raspberry Pi 5, Water Cooling Head, https://52pi.com/products/ice-pump-cooling-accessory-for-raspberry-pi-5
28. How Liquid Cooling Transforms Your Raspberry Pi Into a Silent Powerhouse - Pidora, https://pidora.ca/how-liquid-cooling-transforms-your-raspberry-pi-into-a-silent-powerhouse/
29. Raspberry Pi 5 Case With Integrated Water Cooling - Instructables, https://www.instructables.com/Raspberry-Pi-5-Case-With-Integrated-Water-Cooling/
30. Raspberry Pi 5 Case With An Integrated Water-Cooling Loop - The …, https://www.the-diy-life.com/raspberry-pi-5-case-with-an-integrated-water-cooling-loop/
31. Michael Klements Tames the Raspberry Pi 5’s Heat — with an Overkill Custom Watercooling Setup - Hackster.io, https://www.hackster.io/news/michael-klements-tames-the-raspberry-pi-5-s-heat-with-an-overkill-custom-watercooling-setup-8be78067bc85
32. Custom CNC Waterblock for Raspberry Pi 5 – Complete Overkill (But It Works!), https://www.the-diy-life.com/custom-cnc-waterblock-for-raspberry-pi-5-complete-overkill-but-it-works/
33. I Custom Made A Water Block For The Pi 5 : r/raspberry_pi - Reddit, https://www.reddit.com/r/raspberry_pi/comments/1ksot77/i_custom_made_a_water_block_for_the_pi_5/
34. I Will Never Watercool Again – Water Cooling Maintenance Guide - YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=AfzwEF5yr3k