새로운 라즈베리 파이 4(Raspberry Pi 4)는 기존 모델과 동일한 소형 폼팩터를 유지하면서도 성능이 크게 향상되었습니다. 하지만 강력한 성능만큼 전력 소모도 커졌고, 그 결과 이전 세대 파이 모델보다 훨씬 많은 열이 발생합니다. 능동 냉각(active cooling) 없이는 적당한 부하만 걸어도 라즈베리 파이 4가 서멀 스로틀링(thermal throttling)에 걸릴 수 있습니다. 다행히 공식 라즈베리 파이 4 케이스에 팬을 직접 만들거나 추가하는 방식으로 이 문제를 해결할 수 있습니다.
참고: 시중에는 팬이 포함된 서드파티 라즈베리 파이 4 케이스가 다양하게 판매되고 있습니다. 이 튜토리얼은 이미 공식 라즈베리 파이 4 케이스를 보유하고 있는 DIY 애호가들을 위한 것입니다.
준비물
이 작업은 일반 가정에서 흔히 볼 수 있는 도구만으로 충분히 진행할 수 있는 비교적 간단한 개조입니다. 선택 사항인 추가 도구들도 목록에 함께 정리해 두었으니 참고하세요. 반드시 필요한 것은 아니지만 있으면 작업이 한결 수월하고, 완성도와 미관, 냉각 성능까지 더 좋아집니다. 추가 비용이 조금 들더라도 그만한 가치가 있습니다.
각 항목을 클릭하면 아마존 스토어의 추천 제품 링크를 확인할 수 있습니다. 각 도구와 재료의 종류별 차이점과 세부적인 특징은 본문에서 자세히 설명합니다.
- 라즈베리 파이 4 모델 B
- 공식 라즈베리 파이 4 케이스
- 전기 드릴
- 홀쏘(Hole saw) 키트 또는 브래드포인트 드릴 비트
- 로터리 툴(그라인더)
- 30mm 또는 40mm 케이스 팬 중 하나 (5볼트, 2핀 방식)
- PVC 방진 필터(선택 사항)
- 얇은 양면테이프(선택 사항)
- 펀치 홀 세트(선택 사항)
- 라즈베리 파이 4 구리 히트싱크 키트(선택 사항)
- 사포(선택 사항)
- 자와 마커 펜
- 보안경
- 아이소프로필 알코올(IPA)
공식 파이 4 케이스에 능동 냉각 장착하기
첫 번째 작업은 프로세서 바로 위에 팬용 구멍을 뚫는 것입니다.
1. 먼저 라즈베리 파이 4를 케이스에 넣어보며 구조를 익혀주세요. 케이스 윗부분(흰색) 어느 위치에 냉각용 구멍을 뚫을지 대략적인 영역을 정합니다. GPIO 핀 부근은 피해야 하며, 그렇지 않으면 팬 설치 후 케이스가 닫히지 않습니다. 아래 그림을 대략적인 가이드로 활용할 수 있지만, 역시 '두 번 재고 한 번 자르듯' 꼼꼼히 측정한 후 작업하는 것이 좋습니다.
2. 여기서 팬 크기를 결정해야 합니다. 30mm와 40mm 팬 중 하나를 선택할 수 있습니다. 더 큰 40mm 팬은 낮은 회전 속도로도 많은 공기를 밀어내기 때문에 더 조용하고 효율적입니다. 반면 30mm 팬은 회전 속도가 빠르고 소음이 있는 대신, 다른 고급 알루미늄 라즈베리 파이 케이스와 호환성이 좋습니다. 추후 업그레이드를 계획하고 있다면 고려할 만한 요소입니다.
팬 두께는 이번 개조 기준으로 6mm~20mm 범위에서 선택할 수 있습니다. 얇은 팬은 두꺼운 팬에 비해 블레이드의 표면적이 상대적으로 작아 냉각 성능이 떨어집니다. 두꺼운 팬은 더 강력한 모터를 탑재할 수 있다는 장점도 있습니다. 다만 두꺼운 팬을 사용하려면 히트싱크를 사용하지 않거나(권장하지 않음), 팬과 겹치지 않을 만큼 낮은 프로파일의 히트싱크를 사용해야 합니다.
3. 홀쏘 세트를 사용하면 가장 깔끔하게 팬 구멍을 만들 수 있습니다. 30mm 팬용으로는 1-1/4인치 드릴 어태치먼트, 40mm 팬용으로는 1-1/2인치 제품이 필요합니다. 적당한 크기의 홀쏘가 없다면 큰 브래드포인트 드릴 비트로 여러 개의 구멍을 뚫어 비슷한 효과를 낼 수 있습니다. 다만 이 경우 홀쏘로 뚫은 것만큼 충분한 공기 흐름을 확보하기는 어렵습니다.
4. 아래 사진처럼 케이스 내부 크기에 맞게 골판지나 폼을 잘라 넣으세요. 이렇게 하면 윗부분을 뚫은 후 드릴이 아랫부분(붉은 색)까지 관통하는 실수를 방지할 수 있습니다. 케이스 아랫부분을 분리한 상태로 작업하면 드릴링 중 케이스를 고정하기 어려워 현실적으로 불가능합니다.
5. 케이스는 덕트 테이프부터 데스크 바이스(물림집게)까지 어떤 것이든 활용해 단단히 고정하세요. 절대 손으로 케이스를 잡거나 고정 없이 방치한 상태로 작업해서는 안 됩니다. 드릴의 토크 때문에 드릴이나 케이스가 미끄러져 심각한 부상을 입을 수 있습니다. 아래 사진은 나무 각재와 클램프를 이용해 케이스를 단단히 고정한 필자의 임시 방법입니다.
6. 최신 드릴 대부분은 변수 속도 조절 기능과 아날로그 트리거를 갖추고 있습니다. 이를 활용해 드릴이 고속으로 회전하지 않도록 조절하세요. 홀쏘를 천천히 시작하고, 드릴 비트가 케이스에 물릴 때까지 트리거를 부드럽게 눌러줍니다. 비트가 관통한 후에는 홀쏘가 케이스에 수직으로 매끄럽게 파고드는지 확인하세요. 너무 빠르게 드릴링하면 발생한 열로 인해 케이스가 변形될 수 있습니다. 팬을 템플릿으로 사용해 위치를 표시한 뒤 네 개의 구멍을 뚫습니다. 이 마운팅 홀은 팬을 케이스에 부착할 때 사용됩니다.
7. 오디오/비디오 및 전원 포트 맞은편, 케이스 긴 쪽 면에 하나의 개구부를 더 만들어야 합니다. 이 개구부는 밀폐된 케이스 내부에 원활한 공기 흐름을 만들어 냉각 효율을 높여 줍니다. 이때 개구부 길이가 내부 인접 고정 지점 사이 거리보다 짧도록 유의하세요.
드레멜(Dremel) 같은 로터리 툴을 사용하거나, 큰 브래드포인트 드릴 비트로 구멍을 일렬로 뚫는 방식으로 작업할 수 있습니다. 320방 사포로 개구부 가장자리를 다듬어 주세요. 가장자리를 매끄럽게 하는 작업이 번거롭다면 이 단계는 생략해도 됩니다. 케이스 양쪽 모두 깔끔하게 정리해 주세요.
8. (선택 사항) 라즈베리 파이 4를 먼지 유입으로부터 보호하는 것이 좋습니다. PVC 방진 필터 메시에서 팬 크기만큼 잘라내고, 적당한 크기의 펀치로 팬 마운팅 홀을 만듭니다. 동봉된 마운팅 부품(너트와 볼트)을 사용해 방진 필터를 케이스 윗부분과 팬 사이에 끼운 상태로 부착합니다.
9. GPIO 핀 옆면의 다른 개구부에도 같은 과정을 반복합니다. 이쪽은 얇은 양면테이프로 방진 필터 메시를 케이스에 붙이는 것이 좋습니다.
10. 이제 라즈베리 파이 4를 케이스 아랫부분에 장착할 준비가 되었습니다. 다음은 선택 사항인 히트싱크 설치입니다. 주요 칩셋에 구리 히트싱크를 부착하면 냉각 성능이 향상될 뿐 아니라, 추가된 열용량 덕분에 더 높은 수준의 지속적인 오버클러킹도 가능해집니다. 어차피 오버클러킹을 할 생각이 없다면 이런 수고를 들일 필요가 없겠죠?
대부분의 히트싱크에는 부착용 3M 티슈 테이프가 미리 부착되어 있습니다. 보호 라벨을 뗐을 때 검은색 마감 처리로 이를 확인할 수 있습니다(아래 이미지). 이 검은 티슈 테이프가 붙어 있는 히트싱크는 설치하지 마세요. 아이러니하게도 이 검은 접착 테이프는 절연체 역할을 해 냉각 성능에 오히려 악영향을 줍니다. 티슈 테이프를 아이소프로필 알코올로 깨끗이 제거한 후, Arctic 또는 3M 8810 열전도 접착 패드를 사용하세요. 앞서 준비물 목록에 있는 라즈베리 파이 4 구리 히트싱크 키트에는 3M 8810 열전도 접착 패드가 미리 부착되어 있습니다.
11. 프로세서, RAM, 네트워크 칩, USB 컨트롤러 등 각 다이 위에 히트싱크를 부착합니다. 열전도 패드가 제대로 밀착되고 접착될 수 있도록 히트싱크를 15~20초간 적당히 눌러 주세요. 위 핀맵(pin-out) 다이어그램을 참고해 2핀 팬 케이블을 GPIO 핀에 연결하되 극성에 유의합니다(빨간색: 5V 전원, 검은색: 그라운드). 빨간색이 양극, 검은색이 음극입니다.
능동 냉각 SBC로 시원하게 즐기기
라즈베리 파이 4 모델 B의 전원을 켜면 영상 재생이 훨씬 부드러워진 것을 확인할 수 있습니다. 무리한 작업 중에도 프로세서가 과열되어 스로틀링되지 않으므로 실제 사용 성능이 개선됩니다. 필자의 라즈베리 파이 4는 기본 설정에서 중간 수준의 부하에도 50°C 이하를 안정적으로 유지했습니다. 능동 냉각 시스템을 갖춘 후에는 파이 4를 인상적인 2GHz까지 오버클러킹하는 데도 성공했습니다.