개요
전원공급장치 설계에서 열 관리는 신뢰성과 효율, 수명을 보장하기 위해 필수적이다. 전력 밀도가 증가함에 따라 과열과 부품 고장을 방지하기 위해 효과적인 냉각이 중요해지고 있다. 이 글에서는 자연 대류, 강제 공기 냉각, 전도 냉각, 액체 냉각의 네 가지 주요 냉각 방식을 살펴보고, 이와 함께 설계 모범 사례, 일반적인 설계상의 문제점, 그리고 시뮬레이션 도구를 소개한다. 또한 다양한 애플리케이션에서 열 조절을 지원하는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 컨트롤러도 소개한다. 열 관리 계획이 부실할 경우 시스템의 성능 저하와 수명 단축, 심지어 고장으로 이어질 수도 있다. 설계 초기 단계부터 열 관리 전략을 통합함으로써 엔지니어는 보다 견고하고 효율적인 전력 시스템을 구축할 수 있다.

 

머리말
열은 전자 시스템의 신뢰성에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나이다. 현대 전자기기의 핵심 구성 요소인 전원공급장치에서 열 스트레스는 성능과 시스템 무결성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 회로는 소비가전 기기에서부터 항공우주 시스템에 이르는 다양한 애플리케이션에서 안정적인 전압을 제공하기 위해 전기 에너지를 변환한다. 더 작고 성능이 뛰어난 설계에 대한 요구가 증가함에 따라 전력 밀도는 계속 높아지고 있으며, 이에 따라 열 관리는 중요한 설계 과제로 부상하고 있다.

 

열이 발생하는 원인으로는 전력 트랜지스터에서 발생하는 스위칭 과도 응답, 인덕티브 부품에서의 자기 손실, 그리고 반도체에서의 누설 전류 등을 꼽을 수 있다. 이렇게 다양한 원인으로부터 발생한 열이 적절히 관리되지 않으면 전기적 성능 저하, 평균 고장 간격(MTBF)의 단축, 심지어 치명적인 부품 고장으로 이어질 수 있다. 따라서 다양한 부하 및 환경 조건에서도 효율과 신뢰성을 유지하기 위해서는 효과적인 냉각 전략이 필수적이다.

 

이 글에서는 서로 다른 동작 환경과 설계 제약 조건에 적합한 고유의 특성을 가진 네 가지 검증된 냉각 방법을 살펴본다. 이들 방식의 기술적 장단점을 이해함으로써 엔지니어는 성능, 신뢰성, 비용, 복잡성 간의 균형을 고려한 합리적인 설계 결정을 내릴 수 있으며, 이를 통해 전원공급장치가 안전하고 효율적으로 동작하도록 할 수 있다.

 

전원공급장치에서의 열 발생 원인
열은 MOSFET과 다이오드와 같은 반도체 디바이스에서 발생하며, 전도 손실과 스위칭 손실을 통해 에너지 손실이 일어나면서 열이 발생한다. 변압기나 인덕터 같은 자기 부품 역시 권선에서 발생하는 구리 손실과 히스테리시스 및 와전류에 의한 코어 손실로 인해 열을 발생시킨다. 이 외에 저항성 부품과 제어 회로에서도 비교적 적은 수준이지만 열이 발생한다.

 

1. MOSFET(스위칭 트랜지스터): 전류가 온-상태 저항을 통해 흐를 때 발생하는 전도 손실과, 온(on) 상태와 오프(off) 상태 사이를 전환하는 과정에서 발생하는 스위칭 손실로 인해 열이 발생한다. 이러한 손실은 높은 주파수와 높은 전류 조건에서 크게 증가하기 때문에, MOSFET은 스위치 모드 전원공급장치(SMPS) 설계에서 주요 열 발생 요인 중 하나로 간주된다.

 

전도 손실:

 

 

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• Irms: MOSFET을 통해 흐르는 RMS 전류

• RDS(ON): 드레인-소스 온-상태 저항

 

스위칭 손실:

 

 

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• Vds: 드레인-소스 전압

• Id: 드레인 전류

• ton,toff: 스위칭 전이 시간

• fsw: 스위칭 주파수

• 0.5: 스위칭 동안 전압과 전류가 선형적으로 중첩된다고 가정

 

2. 다이오드(정류기): 주로, 전류가 흐를 때 발생하는 순방향 전압 강하로 인해 열이 발생하며, 이때 에너지가 전도 과정에서 열로 소산된다. 또한 고속 스위칭 애플리케이션에서는 다이오드가 순방향 바이어스에서 역방향 바이어스로 전환될 때 저장된 전하가 제거되는 역회복(reverse recovery) 과정에서 추가적인 손실이 발생한다.

 

 

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• Vf: 순방향 전압 강하(실리콘의 경우 약 0.7V, 쇼트키의 경우 약 0.3V)

• Iavg: 다이오드를 통해 흐르는 평균 전류

 

3. 인덕터/변압기: 주로, 권선에서 발생하는 저항성 발열로 인한 구리 손실과, 자기 소재에서 발생하는 히스테리시스 및 와전류에 의한 코어 손실로 인해 열이 발생한다. 이러한 손실은 전류, 주파수, 자속 밀도가 증가할수록 커지므로 적절한 소재 선택과 설계가 필요하다.

 

구리 손실:

 

 

 

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• Irms: 권선에 흐르는 RMS 전류

• Rwinding: 권선의 DC 저항

 

코어 손실(스타인메츠 방정식):

 

 

여기서:

• k: 스타인메츠 계수(소재 특성에 따라 결정됨)

• f: 주파수(Hz)

• B: 피크 자속 밀도(테슬라)

• α, β: 스타인메츠 지수(일반적으로 α ≈ 1.3 ~ 1.6, β ≈ 2.0 ~ 2.8)

• Vcore: 코어 부피(cm³ 또는 m³)

 

4. 커패시터: 등가 직렬 저항(ESR)으로 인해 열이 발생한다. 리플 전류가 커패시터를 통과할 때 ESR에서 에너지가 소산되면서 열이 발생한다. 이러한 현상은 ESR이 상대적으로 높은 전해 커패시터에서 더욱 두드러지며, 전원공급장치의 필터 회로에서 국부적인 발열을 유발할 수 있다.

 

 

여기서;

• Iripple: 커패시터를 통해 흐르는 리플 전류

• ESR: 등가 직렬 저항

 

5. 집적회로(IC): 패키지 내부의 반도체 다이에서 발생하는 접합 온도를 통해 시스템에 열을 발생시킨다. 설계자는 다음 공식을 이용해 열을 계산할 수 있다.

 

 

여기서;

• Tj: 접합 온도(°C)

• Ta: 주변 온도(°C)

• θja: 접합부에서 주변 환경까지의 열저항(°C/W)

• Pd: 전력 소산(W)

 

전류, 전압, 스위칭 주파수가 증가할수록 전력 손실과 부품 온도는 함께 상승하며, 이로 인해 열 관리는 설계에서 매우 중요한 요소가 된다. 이러한 손실을 최소화하기 위해서는 신중한 부품 선택, 최적화된 회로 설계, 그리고 효과적인 냉각 전략이 필요하다. 열 발생 문제를 적절히 해결하면 효율을 향상할 수 있을 뿐만 아니라 전원공급장치 시스템의 수명과 신뢰성도 확보할 수 있다.

 

전원공급장치의 냉각 방법

▶ 자연 대류 냉각

자연 대류 냉각은 공기의 부력에 의해 발생하는 자연스러운 공기 흐름을 이용하는 수동식 냉각 방식이다. 전자 부품이 가열되면 주변 공기 밀도가 낮아지면서 위로 상승하고, 그 자리를 더 차가운 공기가 채우게 된다. 이 과정이 반복되면 열을 발산하는 부품 주변으로 지속적인 공기 흐름이 형성되며, 별도의 기계적 장치 없이도 자연적으로 냉각이 이루어진다. 그림 1은 대류 냉각에서 공기가 이동하는 방식을 보여준다.

 

 

자연 대류 냉각의 효율은 여러 요인에 의해 좌우된다. 여기에는 부품의 배치 방향, 인클로저의 구조, 주변 온도 등이 포함된다. 방열판은 일반적으로 열 방출을 위한 표면적을 넓히기 위해 사용되며, 핀 구조, 재질, 배치 방식과 같은 설계 요소가 열 성능 최적화에 중요한 역할을 한다.

 

자연 대류 냉각 방식의 장점은 팬과 같은 구동 부품이 없기 때문에 소음이 없고 유지보수가 거의 필요 없으며 신뢰성이 높다는 점이다. 따라서 저전력 애플리케이션이나 소음 및 기계적 마모가 문제가 되는 환경에 적합하다. 그러나 열 방출 성능이 상대적으로 낮고 주변 공기 흐름에 의존하기 때문에 고전력 시스템이나 고밀도 설계 환경에서는 냉각 성능이 충분하지 않을 수 있다는 한계가 있다.

 

▶ 강제 공기 냉각

강제 공기 냉각은 팬이나 블로어를 사용해 공기를 강제로 이동시켜 부품 위로 흐르게 함으로써 열 방출 효과를 높이는 냉각 방식이다. 이 방식은 대류 열전달 계수를 높여 방열판, 변압기, 스위칭 디바이스와 같은 표면에서 열을 보다 효율적으로 제거할 수 있도록 한다. 그림 2는 전원공급장치에서 팬을 사용할 때 공기가 어떻게 흐르는지를 보여준다.

 

 

설계 관점에서, 강제 공기 냉각은 열점을 회피하고 균일한 냉각을 보장하도록 공기 흐름을 신중하게 관리해야 한다. 설계자는 팬의 위치, 공기 흐름 방향, 덕트 구조, 그리고 소음 억제 등을 고려해야 한다. 팬 속도 제어와 모니터링 역시 냉각 성능과 에너지 소비, 소음 수준 사이의 균형을 맞추기 위한 중요한 고려 요소이다.

 

강제 공기 냉각의 장점은 보다 높은 전력 수준까지 적용할 수 있고 구현하기가 비교적 쉬우며 소형 설계에도 적용할 수 있다는 점이다. 단점은 기계적 마모와 고장 가능성이 있고 정기적인 유지보수가 필요하며 팬 동작으로 인한 소음이 발생한다는 것이다. 또한 먼지나 습도가 높은 환경에서는 공기 흐름이 방해되거나 오염될 수 있어 냉각 효율이 떨어질 수 있다.

 

▶ 전도 냉각

전도 냉각은 부품에서 발생한 열을 물리적인 접촉을 통해 방열판이나 섀시로 직접 전달하는 방식이다. 이 방법은 공기 흐름이 제한된 밀폐 환경이나, 먼지·습기·진동 등으로 인해 팬 기반 냉각 방식을 적용하기 어려운 환경에서 특히 유용하다. 그림 3은 시스템에 전도 냉각을 구현하는 방식을 보여준다.

 

열전도 인터페이스 소재(TIM)인 열 패드, 열 전도 페이스트, 상변화 소재 등이 표면들 간의 열전도율을 향상시키기 위해 사용된다. 전도 냉각의 효율은 열 전달 경로의 열저항, 사용되는 소재의 특성(예: 구리와 알루미늄), 그리고 열 전달이 가능한 표면적 등에 의해 결정된다.

전도 냉각 방식의 장점은 높은 신뢰성, 혹독한 환경에서도 사용 가능하다는 점, 그리고 움직이는 부품이 없다는 것이다. 단점은 능동 냉각 방식에 비해 냉각 용량이 제한적이며, 효과적인 열 접촉면을 확보하기 위해 정밀한 기계적 설계가 필요하다는 것이다.

 

 

▶ 액체 냉각

액체 냉각은 부품에서 발생한 열을 순환식 냉각 유체를 이용해 흡수하여 외부로 전달하는 고성능 냉각 방식이다. 냉각 유체는 열 발생 부품에 부착된 냉각판(cold plate)이나 열교환기를 통과해 흐르면서 열을 흡수한 다음, 라디에이터나 외부 냉각 시스템을 통해 방출된다. 그림 4는 액체 냉각 방식을 보여준다.

 

 

기술적으로, 액체 냉각 방식은 공랭식보다 더 높은 열전도율과 열용량을 제공한다. 따라서 제한된 공간에서도 고전력 부품을 효율적으로 냉각할 수 있다. 그러나 이 방식은 펌프, 배관, 저장 탱크, 누수 방지 연결 구조 등이 필요하기 때문에 시스템이 더 복잡해지고 비용도 증가할 수 있다.

 

액체 냉각 방식의 장점은 뛰어난 열 성능, 낮은 소음, 그리고 고밀도 또는 고전력 애플리케이션에 적합하다는 점이다. 단점은 높은 비용, 누수 발생 가능성, 그리고 시스템 안정성과 냉각 유체의 품질을 유지하기 위한 정기적인 유지보수가 필요하다는 것이다.

 

효과적인 열 설계를 위해 필요한 작업들

효과적인 열 설계를 위해서는 전기적, 기계적, 환경적 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 다음은 최적의 열 성능을 확보하기 위한 몇 가지 주요 설계 방법이다.

 

• 열 처리 총량 및 전력 프로파일링: 이 작업은 최악의 동작 조건을 기준으로 각 부품의 전력 소산을 정확히 산정하는 것부터 시작해야 한다. 스위칭 손실, 전도 손실, 자기 손실 등을 모두 포함해야 하며, 시뮬레이션 도구와 데이터시트 값을 활용해 접합 온도를 계산하고 충분한 열 설계 마진을 확보해야 한다.

 

• PCB 레이아웃 최적화: 넓은 구리 패턴과 열 비아(thermal via)를 사용해 열을 효과적으로 확산한다. 그림 5는 비아를 이용해 열을 확산하는 방법을 보여준다. 또한 고전력 부품은 방열판이나 열 전달 경로에 가깝게 배치하고, 열에 민감한 부품은 발열 부품 근처에 배치하지 않도록 한다. 내부 열 확산층을 포함한 다층 PCB 설계도 고려할 수 있다.

 

 

• 방열판 선택 및 장착: 열저항, 공기 흐름과의 적합성, 장착 제약 조건 등을 고려해 방열판을 선택해야 한다. 또한 핀 구조, 방향, 표면 처리(예: 양극산화) 등을 통해 열 방출 성능을 더욱 높일 수 있다.

 

• 공기 흐름 관리: 공기 흐름 경로는 가능한 한 부드럽고 층류(laminar) 상태를 유지하도록 설계해야 한다. 급격한 방향 전환이나 장애물, 공기 재순환 영역은 피해야 한다. 전산유체역학(CFD) 도구를 활용하면 공기 흐름을 시뮬레이션하고 덕트 구조를 최적화할 수 있다. 이와 함께 흡기 및 배기 통풍구의 크기와 위치도 적절히 설계해야 한다.

 

• 능동 냉각 제어: 온도 피드백을 기반으로 동적 팬 제어를 구현해야 한다. 펄스폭 변조(PWM) 또는 전압 제어 방식을 사용해 열 부하에 따라 팬 속도를 조절할 수 있다. 또한 팬 고장 감지 기능과 과열 상황을 알리는 열 경보 기능을 포함하는 것이 바람직하다.

 

• 환경 조건 고려: 주변 온도, 고도(공기 밀도에 영향), 습도, 오염 환경 등을 고려해야 한다. 혹독한 환경에서는 컨포멀 코팅이나 밀폐형 인클로저를 사용할 수 있으며, 고온 또는 고고도 환경에서는 부품 디레이팅(정격 감소)을 고려해야 한다.

 

열 설계에서 빈번하게 발생하는 문제

열 설계 오류는 겉으로 드러나지 않는 경우가 많지만 시스템의 신뢰성과 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 가장 흔한 실수 중 하나는 발열량을 과소평가하는 것이다. 특히 최대 부하나 최악의 환경 조건에서 발생하는 열을 충분히 고려하지 않는 경우가 많다. 설계자가 일반적인 동작 조건만을 기준으로 판단하고 순간적인 전력 스파이크나 누적된 열 축적을 간과하면 열 과부하가 발생할 수 있다. 또 다른 이슈는 열전도 인터페이스 소재(TIM)를 잘못 선택하는 경우이다. TIM을 불균일하게 적용하거나 과도하게 사용하면 공기가 갇히면서 열저항이 증가하고 전도 냉각의 효율이 떨어질 수 있다. 마찬가지로, 팬의 위치가 적절치 않거나 통풍구가 막히는 등 공기 흐름 설계가 부족하면 공기 재순환 영역과 열점이 발생해 강제 공기 냉각의 효율이 저하된다.

 

부품 배치 역시 열 거동에 중요한 영향을 미친다. 열에 민감한 부품을 고전력 디바이스 근처에 배치하면 과도한 열에 노출되어 성능이 저하되거나 조기 고장이 발생할 수 있다. 또한 장기적인 신뢰성 문제도 자주 간과되곤 한다. 팬은 시간이 지나면서 성능이 저하되고, TIM은 건조해지며, 먼지 축적은 공기 흐름을 방해해 냉각 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 열 시뮬레이션과 실제 환경 테스트를 생략하는 것 역시 문제다. 데이터시트 값이나 이론적 모델만으로 설계를 판단하면 실제 동작 환경과의 차이로 인해 예측이 부정확해질 수 있다. 마지막으로, 고도, 습도, 인클로저 밀폐 구조와 같은 환경적 요소를 잘못 판단하면 예상치 못한 열 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제들을 설계 초기 단계에서 고려하면 보다 견고한 전원공급장치 설계를 구현할 수 있다.

 

ADI의 열 관리용 컨트롤러

아나로그디바이스(ADI)는 다양한 전원공급장치와 시스템에 적용할 수 있는 방대한 열 관리 솔루션 포트폴리오를 제공한다. 이러한 솔루션은 여러 냉각 방식에 대응하도록 설계된 컨트롤러와 IC로 구성되어 있으며, 온도 조절, 팬 동작 제어, 열전 냉각(thermoelectric cooling)을 정밀하게 제어할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 엔지니어는 효율과 신뢰성을 겸비한 시스템을 설계할 수 있다.

 

지능형 팬 컨트롤러

MAX31785는 서버, 통신 장비, 산업용 전원공급장치와 같은 고밀도 시스템을 위해 설계된 6채널 지능형 팬 컨트롤러이다. 이 디바이스는 PWM 제어와 폐루프 RPM 제어를 지원해 실시간 온도 피드백에 따라 팬 속도를 정밀하게 조절할 수 있다. 또한 6개의 독립적인 PWM 출력 채널을 통해 여러 개의 팬을 동시에 제어할 수 있으며, I2C/SMBus 인터페이스를 통해 호스트 시스템과 원활하게 통신할 수 있다. 이 디바이스는 팬당 두 개씩 최대 12개의 타코미터 입력을 지원하며, 이는 최신 시스템에서 매우 정교하고 유용한 기능으로 평가된다. 그림 6은 테스트용 팬이 연결된 MAX31785 평가 키트를 보여준다.

 

 

이 컨트롤러는 최대 6개의 원격 열 다이오드와 1개의 내부 온도 센서를 통해 온도를 모니터링하며, 팬 고장이나 열 이상 상황이 발생할 경우 이를 감지해 경고를 발생하는 기능을 가지고 있다. 또한 유연한 팬 속도 프로파일을 통해 소음 성능과 열 효율을 동시에 최적화할 수 있어, 시스템 신뢰성을 유지하면서 소음을 최소화해야 하는 강제 공기 냉각 시스템에 적합하다.

 

정밀 냉각을 위한 TEC 컨트롤러

ADN8834는 특허 기술이 적용된 고효율 단일 인덕터 방식의 열전 냉각기(TEC) 컨트롤러로, 광 모듈이나 레이저 다이오드와 같은 전도 냉각 시스템의 정밀한 온도 제어에 최적화된 제품이다. 기존에 두 개의 인덕터를 사용하던 설계와 비교할 때, 단일 인덕터 구조는 공간 절약과 비용 절감 측면에서 특히 유리하다. 이 컨트롤러는 최대 1.5A 전류로 TEC를 구동할 수 있는 벅 컨트롤러를 통합하고 있으며, 정확한 열 제어를 위한 비례·적분·미분(PID) 제어 루프를 내장하고 있다. 또한 서미스터 또는 다이오드 센서를 이용한 온도 모니터링을 지원하며, 저잡음 동작 특성을 갖추고 있어 민감한 아날로그 시스템에도 적합하다. 소형 패키지와 프로그래머블 PID 파라미터 덕분에 공간 제약이 있는 설계에서도 세밀한 열 응답 조정이 가능하다. 그림 7은 이 컨트롤러가 TEC 시스템에 통합되는 방식을 보여준다.

 

 

열 시뮬레이션 도구

시뮬레이션 도구는 열 흐름을 예측하고 냉각 전략을 최적화하며 시제품 제작 전에 설계를 검증하는 데 중요한 역할을 한다. 앤시스 아이스팩(Ansys Icepak)은 공기 흐름과 열 전달을 위한 고급 전산유체역학(CFD) 모델링 기능을 제공하며, 고밀도 전자 시스템 분석에 적합하다.

 

콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics®)는 열, 전기, 기계 등 여러 물리 현상이 상호작용하는 시스템을 분석할 수 있는 다중 물리 시뮬레이션 기능을 제공한다. 솔리드웍스 플로 시뮬레이션(SolidWorks Flow Simulation)은 CAD와 직접 연동되어 인클로저와 기계 구조에 대한 열 분석을 빠르게 수행할 수 있다. 멘토 그래픽스 플로섬(Mentor Graphics® FloTHERM™)은 PCB 및 시스템 수준의 열 모델링에 특화된 도구로, 통신 및 항공우주 산업에서 널리 사용된다. 이러한 도구들은 설계 초기 단계에서 열 병목 현상을 식별하고 설계 반복 횟수를 줄이며, 신뢰성 표준을 충족하도록 돕는다.

 

결론

효율적인 냉각은 전원공급장치의 안전하고 안정적인 동작을 위해 필수적이다. 자연 대류, 강제 공기 냉각, 전도 냉각, 액체 냉각 등 각 냉각 방식은 고유한 장점과 한계를 지니고 있다. 자연 대류 냉각은 구조가 단순하고 소음이 없지만 냉각 용량이 제한적이다. 강제 공기 냉각은 확장성이 높고 효과적인 냉각이 가능하지만 기계적 구조가 추가된다는 단점이 있다. 전도 냉각은 밀폐 환경에 적용하기에 적합하고 신뢰성이 높으며, 액체 냉각은 시스템 구조가 복잡해지는 대신 고전력 애플리케이션에서 뛰어난 냉각 성능을 제공한다.

 

엔지니어는 이러한 기술적 원리와 한계를 이해하고, 열 설계 모범 사례를 적용하며, 일반적인 설계 오류를 피하고, 시뮬레이션 도구를 활용함으로써 애플리케이션 요구사항에 맞는 최적의 설계를 수행할 수 있다. 아나로그디바이스(ADI)는 방대한 열 관리 컨트롤러 포트폴리오를 통해 이러한 설계를 지원하며, 다양한 시스템 환경에서 정밀하고 신뢰성 높은 냉각 제어를 가능하게 한다.

 

저자 소개

헤르모게네스 에스칼라(Hermogenes Escala)는 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)의 애플리케이션 엔지니어로, EMEA 중앙 애플리케이션 센터(CAC)를 지원하고 있다. 그는 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)와 전력 관리 분야를 중심으로, 풍부한 실무 경험과 기술적 통찰을 갖추고 있다. 에스칼라는 필리핀의 이스턴 비사야스 주립대학교(EVSU)에서 전자통신공학 학사 학위를 취득했으며, 마푸아 대학교에서 전력전자공학 대학원 과정을 수료했다.

 

ADI에 합류하기 전에는 자동차 대시보드, 오디오 시스템, 다양한 애플리케이션용 전원공급장치 설계, 의료기기 등 여러 산업 분야에서 설계 및 기술 지원 업무를 수행하며 폭넓은 경험을 쌓았다. 이러한 경력을 바탕으로, 실제 엔지니어링 현장에서 발생하는 다양한 문제를 이해하고 해결하는 데 있어 실질적인 통찰을 제공한다. 그는 혁신과 지속적인 학습에 열심이며, 복잡한 기술과 실제 애플리케이션 사이의 간극을 연결하는 데 적극적으로 나서고 있다.

 

에르모헤네스 에스칼라(Hermogenes Escala) 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)