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열전소자 (Thermoelectric Module, 펠티어소자)의 이해

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[소자]

2014. 9. 30.

 

 

제가 펠티어소자를 사용한 제품을 개발중에 있어 공부하고자 포스트합니다.  

저도 공부하고자 여러 문서를 참고하였습니다^^  간단히 요점만 정리함

 

1. 열전소자(熱電素子, Thermoelectric Module; TEM) 

 

 

[펠티어 소자]

 

1834년 프랑스 J.C.A.Peltier가 발견한 현상으로, 서로 다른 두개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열하고 반대 면에서는 발열을 일으키는 현상을 펠티어(Peltier)효과라 한다. 아이스 쿨러는 이와 같은 펠티어 소자의 냉각 효과를 이용한 것인데, 그 성능은 매우 강력하여 흡열(냉각)면에 순식간에 이슬이 맺힐 정도이다.

 

이와 같이 펠티어 효과(Peltier Effect)를 이용한 소자를 열전소자(펠티어소자) 혹은 열전모듈(Thermoelectric Module, TEM) 이라한다.

 

 

*펠티어 효과/제에벡 효과/톰슨 효과?

 

제에백(Seebeck) 효과는 1822년에 발견된 것으로, 온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과를 말한다.

펠티어(Peltier)효과는 1834년에 발견된 것으로, 제에벡 효과와 반대의 효과로 전위차를 주었을 때 양쪽에서 발열, 흡열 현상이 동시에 일어나 온도차를 발생시킬 수 있는 효과이다.

톰슨(Thomson)효과는 1854년 제에벡/펠티어 효과가 서로 연관성이 있음을 밝혀 낸 것이다.

 

 

 

2. 열전소자의 원리

 

제에벡 효과는 가해지는 열에 의해 자유전자가 에너지를 얻고 이 에너지를 사용해 기전력이 발생하는 것이라면, 펠티어 효과는 전자가 전위차가 있는 두 금속 사이를 움직이기 위해서 에너지를 필요로 하고 여기에 필요한 에너지를 금속이 가지고 있는 에너지에서 뺏어간다는 것을 기본 원리로 하고 있다.

가해지는 전류량과 흡열/발열되는 열량은 제에벡 효과의 공식 그대로 적용되며 비례상수 또한 같다.

 

아래 그림을 보면, 전류는 반시계방향으로 돌고 있으며 이 때 P형 반도체 내에서 정공은 4번의 접점에서 생성되어 2번 접점 쪽으로 이동한다.

여기서 정공이 열을 실어나르는 역활을 하게 되며 그 결과 3-4 플레이트는 지속적으로 차가워지고, 1-2 플레이트는 지속적으로 뜨거워진다.

 

전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 바뀌게 되며 열을 방출/흡수하는 면 역시 반대로 변한다.

 




[펠티어 소자 구조]

 

두 개의 다른 금속이 양끝만 서로 접합한 어느 한 시스템의 양쪽 접합에 전기를 흘려주면 한 접합에서는 열을 흡수하고 다른 접합에서는 열을 방출한다.

열전소자는 전기적으로는 직렬, 열적으로는 평행인 두 개나 더 많은 반도체 커플로 구성되어 있다.

 

이 배열은 전기가 각 N형과 P형 소자를 통해 기판의 위와 아래를 계속해서 교대로 흐르는 동안 열이 열전소자를 통해 오직 한 방향으로만 이동하도록 하기 위함이다.

 

 

 

 

 

3. 열전소자의 장단점

 

  • 고체 구조를 갖기 때문에 높은 신뢰성
  • 반영구적으로 사용가능
  • 같은 열전소자로 가열과 냉각의 두 가지 기능을 제공
  • 주위 온도(환경 온도)보다 더 낮게 냉각이 가능
  • 적절한 제어 시스템을 갖추면 ±0.05℃ 보다 더 정밀한 온도 제어가 가능(PID 제어)

 

  • 단점: 가격이 비싸고 에너지 효율이 낮아 많은 전력을 소비

 

 

4. 열전소자의 특성

 

소자(반도체)의 크기는 보통 가로 혹은 세로가 30 ~ 40mm의 정사각형 형태에 30 ~ 80Watt가 주로 많이 쓰이나 이보다 더 큰 사이즈, 용량 혹은 그 이하도 많이 있으며, 인가전압도 DC12V가 많이 쓰이나 DC1 ~ 24V로 다양하다. 열전소자의 수명은 반영구적이라고 할 수 있지만, 온도변화의 차이에 의해 수명이 결정된다고 할 수 있다. 소자의 냉각(흡열) 성능은 제품마다 다 다르며, 성능 공식은 복잡하지만, 인가 전류에 비례 하는 것이 원칙이다.

 

하지만 최고냉각능력(Qmax)에 도달한 후에는 더 이상 전압을 증가시켜도 능력이 더 나오지 않는다. 가열(발열) 성능에 있어서는 '온도를 얼마나 낼 수 있나' 보다 '얼마의 온도까지 견딜 수 있나'가 더 정확한 물음이다. 소자에 전압 인가 시 발열면에 열저항 물체를 부착하지 않으면 온도가 쉽게 고온으로 상승(발열)하기 때문에 주의해야 한다. 만일 허용 온도를 넘게되면 소자 내부 Element에서 단락이 생겨서 결국 파손되고 만다.

 

 

 

[팬을 이용한 냉각엔진의 일반적인 구조]

 

 

 

5. 열전소자의 용도

 

  • 자동차: 온도조절 시트 (Climate Control)
  • 반도체: 순환기, 냉각판, 척
  • 바이오: 혈액분석기, PCR, 시료온도싸이클 테스터기
  • 이학분야: 스펙트로포토미터
  • 광학분야: CCD 쿨링, 적외선센서 냉각, 레이저다이오드 냉각, 포토다이오드 냉각, SHG레이저 냉각
  • 컴퓨터: CPU 냉각
  • 가전제품: 김치냉장고, 소형냉장고, 냉온수기, 와인냉장고, 쌀통, 제습기
  • 산업분야: 폐열발전기, 리모트 파워발전

 

 

[펠티어 소자를 적용한 대표적인 제품 - 김치냉장고]