열전소자(thermoelectric device, peltier), 냉각기술

 

- 열전소자

- 구성

- 효율 좋은 열전소자를 결정하는 Parameter

- 특징, 장단점

- 냉각기술

 

 

 열전소자 (thermoelectric device), Peltier

 

-      4 cm x 4 cm x 3.5 mm

-      전원이 들어가면 한면은 차갑고 다른 면은 뜨겁고, 반대로 넣어주면 반대로 온도 분배.

-      미세한 온도 조절 가능, 원하는 온도 빠르게, COP 성능 낮아 (~0.5)

-      휴대용, 캠핑용, 와인, 화장품 냉장고, 생산시설 온도 제어,

 

3가지 Thermal electric cooling effect의 원리 사용

2020/09/08 - [정리, 공부해요/전기, 전자, 통신] - 열전 효과 (Thermal-electric effect)

열전 효과 (Thermal-electric effect)

• 전기에너지를 넣어주어, 열이 차가운곳에서 뜨거운 곳으로 흐르게 만들어, 한쪽은 차갑게 반대쪽은 뜨겁게 만들어주는 장치
• 열의 전도를 활용. 특히 전자의 움직임 (고체속의 convection, 크게는 conduction flow)을 활용.
• 뜨거워지면 공기분자가 빨리 움직이며 기압이 커지고, 그 기압차로 인한 공기의 흐름이 만들어 지듯이
• 자유전자가 존재하는 금속의 한 부분을 뜨겁게 달구어 열E를 공급하면, 그 부분의 전자들이 달궈지고, 그들은 많이 움직이고 진동하게 된다. 그럼으로써 다른 반대편으로 전자가 이동하면 열E를 전달하게 된다. 그리고 전자의 이동으로 전압차가 생긴다.
• 반대로, 전자를 흘려주거나 전압차를 준다면 (에너지를 가해준다면), 전자가 흐르며 열을 옮기고, 온도차가 생기게 되는 것이다. 즉, 전자를 얼마나 잘 옮겨주느냐가 관건이다.

 

구성

 

1.     절연층(세라믹): 열은 전달하고 전기 흐름은 제한

2.     전도체, 반도체: 실질적 냉각엔진

        P형 반도체: +1가의 금속이 포함되어 전하를 옮기는 캐리어로 정공이 사용되는 반도체

        N형 반도체: -1가의 금속이 포함되어 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체

P형, N형 반도체의 집합체를 Peltier 소자라고 부른다.

 

 

효율 좋은 열전소자를 결정하는 주요 Parameter

 

Seebeck 계수가 클수록, 전기저항과 열전도도가 작을수록 온도차를 쉽게 만든다.

1. Seebeck계수: 전기가 흐를 때 열류를 얼마나 쉽게 보낼 수 있냐는 특성

2. 전기저항: Joule heat(마찰열)과 직결됨. 열로 손실되는 에너지의 양은 저항값의 제곱에 비례하기 때문에 저항이 낮으면 낮을수록 소자 자체의 발열이 적어서 소자 자체의 발열로 인한 전체적인 온도의 상승을 억제할 수 있다.

3. 열전도도: 자연적으로 온도가 흐르는 전도도로, 온도차를 형성하는데 방해요소

 

 

특징, 장단점

 

특징

 1. 기계적 부분 없음

 2. 전원(+,-) 공급 방향 변환으로 냉각과 가열면이 바뀜

 3. 가볍고 소형

 4. 냉매 가스 등을 사용하지 않음

장점

 1. 정밀한 온도 제어

 2. 국부 냉각

 3. 무소음, 무진동

단점

1. 높은 전력 소비

 

참고

현재 가장 많이 사용되는 펠티어 소자로는 텔루오르화 비스무스(Bi2Te3), 텔루오르화 납(PbTe)이 있다. 이 두가지와 가장 일반적인 반도체인 갈륨-비소(SiGe) 반도체의 온도에 따른 메리트 변화를 그래프로 그려보면 아래와 같다.

 

냉각기술

-      에어컨, 증기압축 (vapor compression) 방식의 chiller

-      냉각 + 난방 모드를 갖춘 Heat pump (높은 COP: input 대비 output)

-     열을 직접 생산하지 않고 열을 이동시키는 장치, 주요 소비 동력은 압축기를 구동시키는 동력뿐.

-      1. 냉매: 프레온가스 à 친환경 냉매, 배관이 필요하기에 구성 복잡

-      2. 압축기: 공간 차지, 외부로 펜/호스 구성 필요

-      높은 COP (~4)

 

Thermoelectric cooler (TEC) >> classical mechanical compressor