"열전모듈의 일반적 이해 및 장단점에 따른 용도"
열전소자 (Thermoelectric device). 내가 설비연구실에서 시작한 첫번째 연구주제이다.
이름도 생소하고 이게 뭐지 했는데 찾아보면 연구적 이용 외에 "열전소자 냉각기"라고 해서 제품화가 된 것도 있고 DIY를 할 수 있게 나온 키트들도 있다. 고수님들이 많으셔서 이웃 블로거 분 중에도 DIY로 열전소자 냉각키트를 만들어서 꽤 많은 포스팅을 올리신 분도 있었다.
간략하게, 쉽게 먼저 설명하면 반도체로 이루어진 얇고 작은 칩 같이 생긴 판처럼 생겼다. (4 cm 정사각형에 두께는 3.5 mm정도? 제품마다 상이하긴 하지만 그 정도 사이즈이다.)
그림에 좀 가렸는데 판에 빨간선, 검정선이 붙어있다. 즉 DC 직류전원을 넣어주게 되어있다. 보통 1 - 12 A 정도 전류를 사용하게 되어있고, 그에 따라 전압이 들어가면된다.
전원이 들어가면 한쪽 면은 차가워지고 반대면은 뜨거워지는 특성을 가지고 있으며, 전원을 넣어주는 방향을 거꾸로 하면 냉각과 가열면의 방향은 손쉽게 바꿀 수 있는 이점도 있다.
일반적으로 냉각기용도로 사용하는데, 아무래도 인류 역사에서 냉각기술은 우리가 아는 에어컨 밖에 없기 때문일 것이다.
잠시 냉각기술에 대해서 이야기 하자면,
우리가 아는 일반적인 에어컨은 증기압축 (Vapor compression) 방식의 Chiller를 사용한다. 요새는 냉각, 난방 모드를 다 갖춘 Heat pump(히트펌프)가 가정용, 산업용으로 판매되고 있는데, 아주 높은 COP (Input 대비 Output)를 자랑하지만 몇가지 단점이 있다.
첫번째로는 냉매를 사용한다는 점이다. 예전에 과학시간에 프레온가스가 오존층을 파괴한다라는 말은 한두번쯤 들어봤을것이다. 거기서 프레온가스가 냉매이다. 물론 요새는 친환경 냉매개발이 많이 이루어져서 환경파괴가 덜한 냉매가 많이 사용되고 있기는 하지만 그래도 여전히 환경적 측면에서는 단점이라고 할 수 있다.
두번쨰로는 압축기가 필요하므로 기기 사이즈가 크고, 냉매사용으로 인해 배관 등이 필요하고 복잡해진다는 점이다. 우리 모두 가정에 에어컨이 있다면 에어컨에 호스가 달려서 외부로 물이 떨어지게 빼줘야하고, 실외기가 설치되어서 에어컨 작동시 같이 팬이 돌아야 한다는 것을 경험적으로 안다.
잠시 기존의 증기압축 냉각기술에 대해서 두서없이 말했다;; 위에 단점만 열거했지만 사실 COP가 4 이상으로 나온다는 점 (1이란 전기를 썼을때 4라는 냉각이 가능)은 엄청나기 때문에 좋은 기술이라는 점 다시 한번 말한다 ㅎㅎ (좋냐 안좋냐는 사실 개인적 의견일뿐이니)
다시 본론으로 돌아와서 위와 같은 기존 냉각기술과 대비했을 때 열전소자가 장점이 있다면, 사이즈가 작다는 점. 이는 제품설계에서 결코 무시할 수 없는 부분이다. 직접적으로 표면이 가열, 냉각되므로 간단하다. 또한 냉매 사용이 없다.
아 그리고 전류를 이용해서 온도차를 제어할 수 있기 때문에 미세한 온도조정에 큰 강점을 지닌다. (위에서 언급하지 않았찌만 증기압축 방식은 정밀한 온도조정이 쉽지 않다.) 또한 원하는 온도를 빠르게 만들 수 있다. (실온에서 영하 60도로 조정하는데 수냉식으로 했을 때 거의 20~30초 이내 가능한 것을 보았다.)
반면, 아주 큰 단점이 하나 있는데 COP 성능이다.(그 외에는 내구성 등의 단점이 있겠다.) 냉각 COP가 상황에 따라 다르지만 1을 넘기 어렵고 0.5 내외로 분포한다. 즉 1이라는 전기를 썼을 때 절반정도에 해당하는 냉각이 가능하다는 것이다.
이러한 장단점으로 인해 정밀한 온도제어가 필요하면서 냉각용량이 많이 필요하지는 않은 와인냉장고, 화장품 냉장고 등에 쓰이거나 생산시설에서 온도제어를 할 때 쓰인다. 또한 컴팩트한 휴대용 냉장고로 사용하기 위해서 캠핑용 냉장고로 쓰기에도 적합하다 ㅎㅎ (DIY 한 포스팅은 다음에)
"열전소자의 원리"
열전소자는 아래의 3가지 특성에 의해서 작동된다.
1. Seebeck effect (1821년 독일의 Seebeck 발견)
서로 다른 두 금속선 양쪽 끝을 접합하여 폐회로를 구성하고 한 접점에 열을 가하게 되면 두 접점에 온도차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상
이는 회로에 열기전력이 발생하는 것과 관련이 있으며, 두 접합부의 △T와 기전력은 비례함
(dQ=α×dI, α: Seebeck coefficient)
2. Peltier effect (1834년 프랑스의 Peltier 발견)
금속 내에 전류가 흐를 때 열류가 함께 흐르고, 양 금속에서 열류가 서로 같지 않아 접속면에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 것처럼 보임
열의 발생과 흡수는 가역적이어서 한 쪽이 발열하면, 다른 쪽은 흡열함
3. Thomson effect (1851년 영국의 Thomson 발견)
한 종류의 금속선이라도 선에 온도차가 있으면 전류를 흘렸을 때 선 내에서 주울열 이외에 열의 발생 또는 흡수가 일어남 (상대적으로 매우 작으므로 무시 가능)
"열전소자의 구성요소"
- 절연층(세라믹): 열은 전달하고 전기 흐름은 제한
- 전도체 층, 반도체층: 실질적 냉각엔진
- P형 반도체: +1가의 금속이 포함되어 전하를 옮기는 캐리어로 정공이 사용되는 반도체
- N형 반도체: -1가의 금속이 포함되어 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체
"열전소자의 특성"
P형, N형 반도체의 집합체를 Peltier 소자라고 부르는데 다음과 같은 특성이 있다.
우선 재료자체의 특성으로 Seebeck 계수(α), 전기저항(R), 그리고 열전도도(K)가 있다.
Seebeck계수가 클수록, 전기저항이 작을수록, 열전도도가 작을수록 온도차를 쉽게 만들 수 있다.
Seebeck 계수는 전기가 흐를때 열류를 얼마나 쉽게 보낼 수 있냐는 특성으로 생각하면 되고, 전기저항은 전기가 흐를때 생기는 주울열(마찰열)과 직결되므로 전기저항이 작아야 냉각면 온도를 냉각할 때 더 쉽다.
또한 열전도도는 온도차를 만들 때 냉각면, 가열면의 온도차가 발생함에 따라서 자연적으로 온도가 높은데서 낮은 곳으로 열이 흐를텐데 이는 온도차를 형성하는데 방해요소이다. 따라서 열전도도가 낮아야 더 쉽게 온도차 형성이 가능하다.
이 3가지 특성을 하나로 묶은 것이 Figure of merit(Z) 값이며 식으로는 다음과 같다.
Z = α^2 / (K X R)
또한 대표적인 열전소자 재료 3가지 에 대한 Figure of merit은 아래의 그래프와 같다.
(대표적 열전소자 재료: Bi2Te3 (텔루오르화 비스무스), PbTe (텔루오르화 납), SiGe (갈륨-비소))
"열전소자 특성 공식"
- Seebeck effect: V=α∆T-IR
α: Seebeck 계수 (온도에 따라 변화)
V: 전압
∆T=(T_h - T_c), 가열면과 냉각면의 온도차
- Peltier effect: Q ̇=Pi_pn * I
Q ̇: Heat (열)
I: 전류
Pi_pn: N-P 반도체의 Peltier 계수
Pi_pn = α * ∆T
- 열전소자의 소비전력: P_e = α* I * ∆T + I^2 * R
- 흡열량 (냉각량): Q_c = α * T_c * I - 1/2 * I^2 * R - K*∆T = m ̇ * c_p * (T_(h,out)-T_in)
- 방열량 (가열량): Q_h = α * T_h * I + 1/2 * I^2 * R - K*∆T = m ̇* c_p * (T_in-T_(c,out))
c_p: Specific Heat (비열)
- Peltier 효과 + Joule 효과 + 전도열
K: 열전도도
R: 전기저항
- Coefficient of Performance
COP_c= Q_c/P
- 열 저항
R_th = R_conv + R_base + R_cont ≡ (T_in-T_c)/Q_c
"국내 연구동향"
공부하면서 열전소자 관련하여 국내 학술대회와 논문 등에 대해서 정리한 표가 있어서 공유한다.
[Ref]
http://www.technoa.co.kr/content/View.asp?pPageID=47271; https://ko.wikipedia.org
http://blog.daum.net/digiri82/1
http://iws.inha.ac.kr/~dsjung/article/ozone/ozone_13.htm
http://www.technoa.co.kr/content/View.asp?pPageID=47271
* 19년 12월 작성, 용어 수정
열전 소재 하시는 교수님께서 국문 용어 사용을 지적해주셔서 수정
- Thermoelectric: 열전
- Thermoelectric device: 열전소자 (n, p형 반도체 쌍)
- Thermoelectric module: 열전모듈 (열전소자가 다수로 배치되어 만들어진 모듈, 일반적으로 판매되는 것)
* 21년 2월 업데이트
- 오타 수정
- 조사시기가 16년도 말이여서, 그 이후 4년 간 더 수행된 연구들도 꽤 있다.
(열전모듈을 이용한 히트펌프 (Air to Air / Liquid to Liquid), 열전모듈 기반 복사냉난방 패널 등)
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