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열전냉각

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목차

1. 개요

열전 냉각은 펠티어 효과를 이용하여 작동하는 냉각 기술이다. 직류 전류를 흘려 한 면을 차갑게 하고 다른 면을 뜨겁게 만들어 냉각 효과를 얻으며, 여러 개의 냉각기를 직렬로 연결하여 더 낮은 온도를 구현할 수 있다. 열전 냉각기는 펠티어 소자라고 불리는 반도체 소자를 사용하며, p형 및 n형 반도체의 조합으로 구성된다. 이 소자는 전압, 전류, 온도차에 따라 성능이 결정되며, 최대 전압의 50-60%가 최적의 효율을 낸다. 열전 냉각기는 움직이는 부품이 없어 수명이 길고, 소형화가 용이하며, 냉매를 사용하지 않는 등의 장점이 있지만, 에너지 효율이 낮고 냉각 효율이 제한적이라는 단점도 있다. 응용 분야는 CPU 냉각, 소형 냉온고, 의료 장치 등 다양하며, 소비자 제품 및 산업 분야에서 널리 사용된다.

2. 작동 원리

펠티어 소자 개략도. 열전 다리는 열적으로 병렬로 연결되고 전기적으로 직렬로 연결되어 있다.


열 화상 카메라로 촬영한 펠티어 소자 비디오


열전 냉각기는 펠티어 효과(열전 효과)를 이용하여 작동한다.[2] 이 소자는 양면을 가지며, 직류(DC) 전류가 소자를 통해 흐를 때 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 열을 이동시켜 한 면은 차가워지고 다른 면은 뜨거워지게 만든다.

이 소자는 주로 p형 반도체와 n형 반도체로 이루어진 다리(leg)들을 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결한 구조를 가진다.[2] 전류가 흐르면 열이 이동하여 한쪽 면은 냉각되고 반대쪽 면은 가열된다. 가열되는 "뜨거운" 면에는 방열판 등을 부착하여 온도가 너무 높아지는 것을 방지하고, 주변 온도 수준을 유지하도록 한다. 이렇게 하면 "차가운" 면의 온도를 실온 이하로 낮출 수 있다.

더 낮은 온도를 얻기 위해 여러 개의 냉각기를 직렬(캐스케이드 또는 스테이지 방식)로 연결하기도 하지만, 이 경우 전체적인 효율(COP)은 상당히 낮아진다.

주요 재료로는 비스무스텔루르계 반도체 등이 사용된다.[26]

한편, 전류를 흘려 온도 차이를 만드는 펠티어 효과와는 반대로, 소자 양단에 온도 차이를 주면 제베크 효과에 의해 전압이 발생하기도 한다.

2. 1. 펠티어 효과



열전 냉각기는 펠티어 효과(열전 효과를 구성하는 세 가지 현상 중 하나)를 이용하여 작동한다.[2] 이 소자는 양면을 가지며, 직류(DC) 전류가 흐를 때 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 열을 이동시켜 한 면은 차가워지고 다른 면은 뜨거워지게 만든다.

열전 모듈은 전도체, 다리, 기판의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있으며, 여러 개의 모듈을 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결하여 사용하기도 한다.[2] 전류가 흐르면 열이 이동하여 한쪽 면은 냉각되고 반대쪽 면은 가열된다. 가열되는 "뜨거운" 면에는 방열판 등을 부착하여 온도가 너무 높아지는 것을 방지하고, 주변 온도 수준을 유지하도록 한다. 이렇게 하면 "차가운" 면의 온도를 실온 이하로 낮출 수 있다.

구체적으로는 두 종류의 금속 또는 반도체(주로 p형 반도체와 n형 반도체) 접합부에 전류를 흘려보내 열 이동을 일으키는 판 형태의 반도체 소자이다. 상하의 방열판 사이에 금속 전극과 p형 및 n형 반도체가 π자 모양으로 교대로 연결된 구조를 가진다. 전류의 방향에 따라 흡열과 발열 면이 바뀌므로, 전류의 극성을 반대로 하면 냉각과 가열의 역할이 반전된다.

더 낮은 온도를 얻기 위해 여러 개의 냉각기를 직렬(캐스케이드 또는 스테이지 방식)로 연결하기도 하지만, 이 경우 전체적인 효율(COP, 성능 계수)은 상당히 낮아진다. 모든 냉동 사이클과 마찬가지로, 펠티어 소자의 최대 COP는 냉각하려는 면(차가운 면)의 온도와 주변 온도(뜨거운 면, 즉 방열판의 온도)의 차이에 의해 제한된다. 온도 차이(델타 T)가 클수록 이론적인 최대 COP는 낮아진다.



효율적인 열전 냉각을 위해서는 특정한 성질을 가진 재료가 필요하다.[4]

  • 좁은 띠 간격 반도체: 실온에서 효과적으로 작동하기 위함이다.
  • 높은 전기 전도도: 전기 저항을 줄여 줄 발열(폐열) 발생을 최소화한다.
  • 낮은 열전도율: 뜨거운 면에서 차가운 면으로 열이 다시 전달되는 것을 막는다. 이는 주로 무거운 원소를 포함하는 재료에서 나타난다.
  • 큰 단위 세포, 복잡한 구조: 열전도율을 낮추는 데 기여한다.
  • 고도의 이방성 또는 고도의 대칭성
  • 복잡한 조성


고효율 열전 냉각 시스템에 적합한 재료는 낮은 열전도율과 높은 전기 전도도를 동시에 가져야 한다. 이러한 재료의 성능은 흔히 성능 지수(figure of merit)라고 불리는 ZT 값으로 비교된다. ZT는 시스템의 효율을 나타내는 척도로, 제베크 계수(α)의 제곱, 전기 전도율(σ), 절대 온도(Τ)의 곱을 열전도율(κ)로 나눈 값이다 (ZT = (α²στ)/κ).[5]

일반적으로 열전도율과 전기 전도도는 양의 상관관계를 가지기 때문에, 두 가지 조건을 동시에 만족하는 재료는 드물다. 따라서 전기 전도도를 높이면서 열전도율을 낮추는 재료 개발은 재료 과학 연구의 중요한 분야이다. 열전 재료로 흔히 사용되는 반도체에는 텔루륨화 비스무트(Bi2Te3), 텔루륨화 납(PbTe), 실리콘-게르마늄(SiGe), 안티몬화 비스무트(BiSb) 합금 등이 있다. 이 중 텔루륨화 비스무트가 가장 널리 사용된다. 현재 열전 냉각을 위한 새로운 고성능 재료에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.[6] 수십 년 동안 비스무트(Bi), 텔루륨(Te)과 같은 좁은 띠 간격 반도체와 그 화합물들이 열전쌍 재료로 사용되어 왔다.

펠티어 소자의 흡열량 Qc는 다음 식으로 계산된다.[26]

: Qc = πcI - ½ R I² - K ΔT

여기서 πc는 펠티어 계수 ((αp - αn)Tc), I는 전류, R은 소자의 전기 저항, K는 소자의 열 컨덕턴스(열전도율과 구조에 의해 결정됨), ΔT는 고온 측과 저온 측의 온도 차이, αp와 αn는 각각 p형과 n형 반도체의 제베크 계수, Tc는 소자 저온 측의 절대 온도이다.

펠티어 소자의 성능은 주로 최대 흡열량(Qmax), 최대 전류(Imax 또는 Amax), 최대 전압(Vmax) 등으로 표시된다. 인가 전압이 너무 커지면 줄 발열(½ R I²)이 증가하여 냉각 효율이 떨어지므로, 일반적으로 최대 전압의 50~60% 정도에서 최적의 효율을 나타낸다고 알려져 있다.

여러 개의 펠티어 소자를 겹쳐 쌓아(다단 구조) 더 큰 온도 차이를 만들거나 열 이동량을 늘릴 수 있다.

한편, 전류를 흘려 온도 차이를 만드는 펠티어 효과와는 반대로, 소자 양단에 온도 차이를 주면 전압이 발생하는 현상도 있는데, 이를 제베크 효과라고 한다.

2. 2. 소자 구조

열전 소자는 서로 다른 전자 밀도를 필요로 하므로 n형 반도체와 p형 반도체, 두 종류의 반도체를 쌍으로 사용한다.[2] 이 반도체 기둥(다리)들은 열적으로는 병렬, 전기적으로는 직렬로 배치되며, 양 끝은 열 전도성이 좋은 판(주로 세라믹)에 부착된다.[2] 이 판은 전기적 절연과 열 전달 역할을 동시에 수행한다.

소자의 양 끝 자유 단자에 전압을 가하면 직류(DC) 전류가 반도체 접합부를 통해 흐른다. 이때 펠티어 효과에 따라 한쪽 접합부에서는 열을 흡수(냉각)하고 다른 쪽 접합부에서는 열을 방출(발열)하여 온도 차이가 발생한다.[2] 열을 흡수하는 면은 차가워지고(냉각면), 열을 방출하는 면은 뜨거워진다(방열면). 일반적으로 방열면에는 방열판을 부착하여 열을 효과적으로 제거하고, 냉각면은 주변 온도 이하로 온도를 낮추는 데 사용된다.

소자의 전체 냉각 능력은 모든 반도체 기둥의 총 단면적에 비례한다. 기둥의 길이는 중요한 설계 변수이다. 길이가 길면 양면 간 열 저항이 커져 더 낮은 온도를 얻는 데 유리하지만, 전기 저항 증가로 인한 저항 가열(줄 발열)도 커진다. 반대로 길이가 짧으면 전기 효율은 높아지나, 방열면에서 냉각면으로의 열전도(열 누설)가 증가한다. 따라서 최적의 성능을 위해 기둥 길이를 적절히 조절해야 한다. 큰 온도 차이를 얻기 위해서는 여러 개의 펠티어 소자를 단계적으로 쌓아 올리는 다단(캐스케이드) 구조를 사용하기도 하지만, 각 단이 아래 단의 발열까지 처리해야 하므로 전체 효율(COP)은 크게 감소한다.

펠티어 소자의 흡열량 은 다음 식으로 표현할 수 있다[26]:

:Q_c = \pi_cI - \frac{1}{2}RI^2 - K\Delta T

여기서 는 펠티어 계수(), 는 각 반도체의 제베크 계수, 는 소자 냉각면의 절대 온도, 는 소자의 총 전기 저항, 는 인가 전류, 는 소자의 총 열 컨덕턴스, 는 방열면과 냉각면의 온도 차이를 나타낸다.

펠티어 소자의 성능은 주로 최대 흡열량(), 최대 전류(), 최대 전압() 등의 지표로 나타낸다. 인가 전압이 너무 커지면 저항 가열로 인한 발열량이 흡열량을 초과하여 냉각 효율이 떨어지므로, 일반적으로 최대 전압의 50~60% 수준에서 최적의 효율을 보인다.

소자의 재료로는 주로 비스무스텔루르(Bi2Te3)계 p형 반도체 및 n형 반도체가 사용된다.[26]

반대로, 펠티어 소자의 양면에 온도차를 가하면 제베크 효과에 의해 전압이 발생하는데, 이를 이용한 열전 발전도 가능하다.

2. 3. 성능



열전 냉각기의 성능은 여러 요인에 의해 결정된다. 단일 단계 열전 냉각기는 일반적으로 고온 측과 저온 측 사이에 최대 70°C의 온도 차이를 만들 수 있다.[13] 그러나 이동시켜야 할 열이 많아질수록 효율은 감소하는데, 이는 이동하는 열뿐만 아니라 소자 자체에서 소비 전력으로 인해 발생하는 열까지 함께 방출해야 하기 때문이다.

열전 냉각기는 펠티어 효과를 이용하여 작동한다.[2] 직류(DC) 전류가 소자를 통과하면 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 열을 이동시켜 한쪽은 차가워지고 다른 쪽은 뜨거워진다. 일반적으로 뜨거워진 면은 방열판에 부착하여 주변 온도를 유지하고, 차가워진 면은 실온 이하로 온도가 내려간다. 더 낮은 온도를 얻기 위해 여러 개의 냉각기를 직렬(캐스케이드 방식)로 연결할 수 있지만, 이 경우 전체적인 효율(COP, Coefficient of Performance)은 크게 감소한다.

이동할 수 있는 열의 양(Q)은 전류(I)와 시간(t), 그리고 재료와 온도에 따라 달라지는 펠티어 계수(P)에 비례한다.

:Q = PIt

그러나 실제 냉각 성능은 다음 두 가지 요인에 의해 제한된다.

  • 옴의 법칙에 따른 자체 발열: 소자 자체의 전기 저항(R) 때문에 전류가 흐르면 폐열(Q_{waste})이 발생한다.

:Q_{waste} = RI^2 t

  • 열 전도에 의한 열의 역류: 소자 내부에서 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열이 전도되어 되돌아가는 현상이 발생하며, 이는 온도 차이가 클수록 심해진다.


결과적으로, 온도 차이가 커질수록 냉각 효율은 떨어지며, 특정 온도 차이를 넘어서면 폐열과 역류하는 열이 이동시키는 열보다 많아져 오히려 차가운 면을 가열하게 된다.

흡열량(Q_c)은 다음 식으로 더 자세히 나타낼 수 있다.[26]

:Q_c = \pi_cI - \frac{1}{2}RI^2 - K\Delta T

여기서 \pi_c = (\alpha_p - \alpha_n)T_c는 펠티어 계수 (\alpha_p, \alpha_n는 각 p형 반도체와 n형 반도체의 제베크 계수, T_c는 소자 저온 측 온도), R는 저항, I는 전류, K는 열 컨덕턴스, \Delta T는 고온 측과 저온 측의 온도차이다.

펠티어 소자의 성능은 주로 최대 흡열량(Q_{max}), 최대 전류(A_{max}), 최대 전압(V_{max}) 등으로 표시된다. 인가 전압이 너무 크면 자체 발열량이 증가하여 냉각 효율이 떨어지므로, 일반적으로 최대 전압의 50~60% 정도에서 최적의 효율을 보인다.

열전 냉각기의 효율은 일반적인 냉동 방식(증기 압축 냉동)에 비해 상당히 낮다. 이상적인 카르노 사이클 냉장고 효율의 약 10~15% (COP 1.0~1.5) 정도인데 비해, 기존 압축 사이클 시스템(역랭킨 사이클)은 40~60%의 효율을 달성한다.[14] 이러한 낮은 효율 때문에 열전 냉각은 가동 부품이 없고 유지 보수가 적으며 크기가 작고 설치 방향에 제약이 없는 등의 고체 소자 특성이 효율보다 더 중요하게 여겨지는 특수한 환경에서 주로 사용된다.

성능은 주변 온도, 뜨거운 면과 차가운 면의 열 교환기(방열판) 성능, 냉각 대상의 열 부하, 펠티어 모듈 자체의 기하학적 구조 및 전기적 특성 등 다양한 요인에 영향을 받는다.[12] 특히 소자의 작은 크기는 뜨거운 면과 차가운 면이 매우 가깝게 (수 밀리미터) 위치하게 만들어 열이 차가운 면으로 다시 전달되기 쉽고, 두 면 사이의 단열을 어렵게 만든다. 또한 일반적인 40mm x 40mm 크기의 소자가 60 W 이상, 즉 4 W/cm2 이상을 발생시킬 수 있으며, 발생한 열을 효과적으로 제거하기 위한 강력한 방열 시스템이 필수적이다.

낮은 효율에도 불구하고, 온도 차이를 가능한 작게 유지하고 전류를 낮게 유지하면 효율을 어느 정도 개선할 수 있다. 하지만 전류를 낮추면 이동하는 열의 양 자체가 줄어들기 때문에 실제 사용 환경에서는 성능 계수(COP)가 낮을 수밖에 없다.

열전 냉각기는 수명이 제한적이며, 소자의 노후화 정도는 교류 저항의 변화를 측정하여 확인할 수 있다. 소자가 오래되거나 마모되면 교류 저항값이 증가하는 경향을 보인다.

주요 재료로는 비스무스텔루르(Bi2Te3) 계열의 p형 반도체 및 n형 반도체가 사용된다.[26]

3. 재료

열전냉각 소자를 만들기 위해서는 서로 다른 전자 밀도를 가져야 하는 두 종류의 고유한 반도체, 즉 n형과 p형 반도체가 사용된다. 이 p형과 n형 반도체 기둥들은 열적으로는 병렬로, 전기적으로는 직렬로 배치된다. 그리고 각 측면에 열 전도성이 좋은 판(일반적으로 세라믹)을 연결하여 별도의 전기 절연체가 필요 없게 만든다. 두 반도체의 자유 단자에 전압을 걸면, 반도체 접합부를 가로질러 직류 전류가 흐르면서 온도 차이가 발생한다. 냉각판이 있는 쪽은 주변의 열을 흡수하고, 이 흡수된 열은 반도체를 통해 장치의 반대쪽(방열판 쪽)으로 이동한다.

장치 전체의 냉각 능력은 사용된 모든 반도체 기둥의 총 단면적에 비례한다. 실용적인 수준에서 필요한 전류량을 줄이기 위해 이 기둥들은 전기적으로 직렬 연결되는 경우가 많다. 기둥의 길이는 중요한 설계 요소인데, 길이가 길면 기둥 양단 간의 열 저항이 커져 더 낮은 온도를 얻을 수 있지만, 동시에 전기 저항으로 인한 발열(저항 가열)도 증가한다. 반대로 기둥 길이가 짧으면 전기적 효율은 높아지지만, 열전도 현상으로 인해 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열이 다시 새어 나가는 양이 많아진다. 따라서 기둥 길이는 이러한 장단점을 고려하여 결정된다. 만약 매우 큰 온도 차이를 만들어야 한다면, 단순히 기둥 길이를 늘리는 것보다 여러 개의 열전 모듈을 단계적으로 쌓는 방식(다단 구조)이 훨씬 효율적이다. 각 아래층 모듈은 바로 위층에서 전달된 열뿐만 아니라 해당 층 자체에서 발생하는 폐열까지 모두 제거해야 하므로, 아래로 갈수록 모듈의 크기는 점점 더 커져야 한다.

효율적인 열전 재료가 되기 위한 요구 조건은 다음과 같다.[4]

열전 재료의 요구 사항[4]
조건설명
좁은 띠 간격 반도체실온 환경에서 작동하는 데 유리하다.
높은 전기 전도도전기 저항을 줄여 폐열 발생을 억제한다.
낮은 열전도율열이 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 다시 전달되는 것을 막는다. 일반적으로 무거운 원소를 포함하는 재료가 이 특성을 가진다.
큰 단위 세포, 복잡한 구조재료 내부에서 열 전달을 방해하여 열전도율을 낮추는 데 기여한다.
고도의 이방성 또는 고도의 대칭성특정 방향으로의 전기 및 열 전도 특성을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
복잡한 조성다양한 원소를 조합하여 재료의 전기적, 열적 특성을 세밀하게 조절할 수 있다.



고효율 열전냉각 시스템에 적합한 재료는 낮은 열전도율과 높은 전기 전도도라는 상반된 특성을 동시에 가져야 한다. 다양한 재료 조합의 성능은 일반적으로 성능 지수(figure of merit)라고 불리는 ZT 값을 통해 비교된다. ZT는 해당 재료를 사용한 열전 시스템의 효율성을 나타내는 척도이다. ZT 값은 다음 방정식으로 계산되며, 여기서 α는 제베크 계수, σ는 전기 전도율, κ는 열전도율, T는 절대 온도이다.[5]

ZT = (α2σT) / κ


일반적으로 재료의 열전도율과 전기 전도율은 서로 비례하는 경향이 있기 때문에, 열전냉각 응용 분야에 이상적인 재료를 찾는 것은 쉽지 않다. 전기 전도도를 높이면서 동시에 열전도율을 낮추는 방법을 찾는 것은 재료 과학 연구의 중요한 과제 중 하나이다. 현재 반도체로 사용되는 일반적인 열전 재료에는 텔루륨화 비스무트(Bi2Te3), 텔루륨화 납(PbTe), 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금, 안티모니화 비스무트(BiSb) 합금 등이 있다. 이 중에서 텔루륨화 비스무트가 가장 널리 사용된다. 열전냉각 기술의 효율을 더욱 높이기 위해 새로운 고성능 재료를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.[6]

수십 년 동안 비스무트(Bi), 텔루륨(Te) 및 이들의 화합물과 같이 띠 간격이 좁은 반도체들이 열전쌍 소자의 주요 재료로 사용되어 왔다.

4. 장단점

열전냉각 기술은 움직이는 부품이 없어 수명이 길고 소음이 적으며, 정밀한 온도 제어가 가능하고 냉매를 사용하지 않는 환경 친화적인 장점을 가진다. 또한 크기가 작고 형태가 유연하여 특정 환경이나 소형 장치에 적용하기 유리하다.

그러나 기존 증기 압축 냉동 방식에 비해 에너지 효율이 낮다는 것이 가장 큰 단점이다. 일반적으로 효율은 기존 방식의 1/4 수준에 머무르며, 만들 수 있는 최대 온도 차이도 단일 단계에서 약 70°C로 제한된다. 또한, 소자 자체의 발열 문제와 효과적인 방열 시스템의 필요성, 그리고 반복적인 사용 시 내구성 문제도 고려해야 할 단점이다.[26] 열전 냉각기의 성능은 주변 온도, 열 교환기 성능, 열 부하, 모듈 구조 등 여러 요인에 영향을 받는다.

4. 1. 장점

열전냉각(TEC) 시스템의 중요한 장점 중 하나는 움직이는 부품이 없다는 점이다. 기계적 마모가 없고, 기계적 진동이나 스트레스로 인한 피로 및 파손 가능성이 줄어들어 시스템의 수명이 길고 유지보수 필요성이 적다. 현재 기술 수준으로 평균 고장 간격(MTBF)은 주변 온도에서 100,000시간을 넘는다.[8] 열전기 소자의 상태는 AC 저항(ACR)의 변화로 측정할 수 있으며, 마모되면 ACR이 증가한다.

TEC 시스템이 전류 제어 방식이라는 점도 여러 장점을 제공한다. 열의 흐름은 가해지는 직류 전류의 양에 정비례하므로, 전류의 방향과 양을 정밀하게 조절하여 열을 가하거나 제거할 수 있다. 이는 저항 가열 방식이나 가스를 이용하는 냉각 방식과 달리, 시스템 안팎으로의 열 흐름을 동등하게 제어할 수 있음을 의미한다. 이러한 정밀한 양방향 열 흐름 제어 덕분에 시스템의 온도를 0.1°C 이하의 정밀도로 제어할 수 있으며, 실험실 환경에서는 밀리 켈빈(mK) 단위의 정밀도까지 도달하기도 한다.[9]

또한, TEC 장치는 기존의 냉각 장치보다 형태가 더 유연하다. 일반 냉장고보다 공간을 적게 차지하며, 더 가혹한 환경에서도 사용할 수 있다. 필요에 따라 모양을 맞춤 제작할 수 있어 매우 작은 영역에 정밀한 냉각을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 특징 때문에 비용이나 절대적인 에너지 효율보다는 정밀한 제어가 중요한 과학 및 엔지니어링 분야에서 널리 사용된다.

TEC의 또 다른 주요 장점은 작동 시 냉매를 사용하지 않는다는 점이다. 과거 염화플루오린화탄소(CFC)와 같은 냉매는 오존층 파괴의 주요 원인이었으며, 현재 사용되는 많은 냉매들도 지구 온난화 지수[10]가 높아 환경에 상당한 영향을 미치거나 다른 안전상의 위험을 내포하고 있다.[11]

가정용 전기 냉장고나 에어컨 등에 사용되는 역 카르노 사이클 기반 냉각 방식과 비교했을 때, 열전냉각은 다음과 같은 특징적인 장점을 가진다.[26]

  • 장치의 부피가 작아 소형화가 용이하다.
  • 작동 시 소음이나 진동이 거의 발생하지 않으며, 구조적으로도 진동에 강하다.
  • 전류 제어를 통해 흡열량을 정밀하게 조절할 수 있어, 고정밀도, 고응답성의 온도 제어가 필요한 경우(예: 반도체 레이저의 정밀 온도 조절)에 적합하다.
  • 설치 조건을 바꾸지 않고 전류의 극성만 변경하면 가열 기능으로도 사용할 수 있다.

4. 2. 단점

열전 냉각(TEC) 시스템은 여러 단점을 가지고 있다. 가장 큰 단점은 기존의 증기 압축 시스템에 비해 에너지 효율이 제한적이며, 단위 면적당 생성할 수 있는 총 열 플럭스(열 흐름)에 제약이 있다는 점이다.[9]

  • 낮은 효율: 냉동 장치로 사용할 경우, 열전 접합부의 효율은 기존 방식(증기 압축 냉동)의 약 1/4 수준이다. 이상적인 카르노 사이클 냉장고의 효율(COP)이 10–15%(COP 1.0–1.5) 정도인 반면, 기존 압축 사이클 시스템(역랭킨 사이클)은 40–60%의 효율을 달성한다.[14] 히트 펌프 등과 비교해도 냉각 효율이 떨어진다.[26] 이러한 낮은 효율 때문에, 열전 냉각은 고체 상태의 특성(가동 부품 없음, 낮은 유지 보수, 소형 크기, 방향 무관성)이 효율보다 더 중요한 환경에서 주로 사용된다.

  • 제한된 온도 차: 단일 단계 열전 냉각기는 일반적으로 고온 측과 저온 측 사이에 최대 70°C의 온도 차이를 만들 수 있다.[13] 더 많은 열을 이동시켜야 할 경우, 이동시키는 열과 자체 소비 전력으로 발생하는 열을 모두 분산시켜야 하므로 효율이 더욱 떨어진다.

  • 자체 발열 및 열 역류:
  • 옴의 법칙에 따라 펠티어 모듈 자체에서 폐열이 발생한다 (Q_{waste} = RI^2 t, 여기서 R은 전기 저항이다). 이 발열량(소비 전력)은 상당하다.[26]
  • 모듈 내부의 열 전도에 의해 고온 측에서 저온 측으로 열이 다시 이동하며, 이 효과는 온도 차이가 클수록 강해진다.
  • 결과적으로 이동된 열은 온도 차이가 커짐에 따라 감소하고 효율이 떨어진다. 폐열과 되돌아가는 열이 이동된 열을 초과하는 온도 차이가 발생하면, 모듈은 저온 측을 냉각하는 대신 오히려 가열하기 시작한다.[13]

  • 방열 문제: 흡열 측에서 흡수한 열과 소자의 소비 전력으로 인한 열이 방열 측에서 발생하므로, 이 열을 효과적으로 제거하기 위해 별도의 열 교환기(방열판)를 사용하여 외부 공기 등으로 냉각해야 한다.[26] 방열 측의 냉각이 충분하지 않으면 흡열 측의 냉각 효율이 떨어질 뿐만 아니라 소자 자체가 파손되거나 소손될 수 있다.

  • 크기 제약의 역설: 작은 크기는 장점이지만 다음과 같은 문제를 야기한다.
  • 고온 측과 저온 측이 서로 매우 가깝게(수 밀리미터) 위치하여 열이 저온 측으로 다시 이동하기 쉽고, 두 측면을 서로 단열하기 어렵다.
  • 일반적인 40mm × 40mm 크기의 모듈은 60 W 이상(4 W/cm2 이상)의 열을 발생시킬 수 있어, 이를 제거하기 위해 강력한 방열기가 필요하다.

  • 내구성 및 수명: 열전 냉각기는 수명이 제한적이며, 노후화는 교류 저항의 변화로 측정할 수 있다. 오래되거나 마모되면 교류 저항이 증가한다. 또한, 납땜 등으로 조립된 경우 가열과 냉각을 반복하면 파손될 우려가 있다.[26]

  • 성능 영향 요인: 열전 냉각기의 성능은 주변 온도, 고온 및 저온 측 열 교환기(방열판)의 성능, 열 부하, 펠티어 모듈(열전 소자 적층)의 형상, 그리고 펠티어 전기적 매개변수 등 여러 요인에 의해 영향을 받는다.[12]

  • 가열 시 비효율: 가열 목적으로만 사용할 경우, 다른 전기 가열 방식에 비해 전력 효율이 낮다.


이동시킬 수 있는 열량(Q)은 전류(I)와 시간(t)에 비례한다 (Q = PIt, 여기서 P는 펠티어 계수). 펠티어 계수는 온도와 냉각기 재료에 따라 다르다.

5. 응용 분야

열전 냉각기는 제거해야 하는 열의 양이 밀리와트(mW) 수준부터 수천 와트(kW)에 이르기까지 매우 넓은 범위의 응용 분야에서 사용된다. -- 그 크기 또한 개인용 음료 냉각기처럼 작은 것부터 잠수함이나 철도 차량과 같은 대형 시스템에 적용될 수 있을 정도로 다양하다.

주요 응용 분야는 크게 소비자 제품, 산업 및 과학 분야로 나눌 수 있다. 소비자 제품으로는 캠핑이나 차량용 휴대용 냉각기, 컴퓨터 부품 냉각, 매트리스 온도 조절 시스템 등이 있으며, 산업 및 과학 분야에서는 레이저 장비의 정밀 온도 제어, PCR 장비, 위성 및 우주선의 열 관리, CCD 센서 냉각 등에 활용된다.[19][20][21]

특히 광섬유 통신 분야에서는 레이저나 부품의 파장이 온도에 민감하게 변하기 때문에, 펠티어 소자를 서미스터와 함께 피드백 회로에 사용하여 온도를 일정하게 유지하고 파장을 안정시키는 데 중요한 역할을 한다. 야전에서 사용되는 일부 군사용 전자 장비에도 열전 냉각 기술이 적용되는 것으로 알려져 있다.

5. 1. 소비자 제품

펠티어 장치(열전냉각 소자)는 소비자 제품에 흔히 사용된다. 예를 들어, 캠핑, 휴대용 냉각기, 전자 부품 냉각, 매트리스 패드 수면 시스템, 소형 기기 등에 사용된다.[15][16] 또한 제습기에서 공기 중의 물을 추출하는 데에도 활용될 수 있다. 캠핑이나 차량용 (12 V) 전기 냉각기는 일반적으로 주변 온도보다 최대 20°C (약 2.2°C)까지 온도를 낮출 수 있다. 예를 들어, 차량 내부 온도가 햇볕 아래에서 45°C에 도달했을 때, 냉각기는 내부 온도를 약 25°C까지 낮출 수 있다는 의미이다. 최근에는 기후 조절 재킷에도 열전냉각 소자가 사용되기 시작했다.[15][16]

열전 냉각기는 컴퓨터 부품을 냉각하여 설계를 초과하는 온도를 방지하거나, 오버클러킹 시 안정적인 작동을 유지하는 데 사용할 수 있다. 방열판이나 수냉 블록과 함께 사용되는 펠티어 냉각기는 칩의 온도를 주변 온도보다 훨씬 낮게 냉각할 수 있다.[17] 일부 인텔 코어 CPU는 10세대부터 인텔 크라이오(Intel Cryo) 기술을 적용하여 열전 냉각과 액체 열교환기를 결합했다. 이는 일반적인 수냉 냉각 방식보다 훨씬 뛰어난 냉각 성능을 제공한다. 이 기술은 주변 환경 조건을 전자적으로 감시하여 결로로 인한 단락을 방지한다.[18]

이 외에도 컴퓨터의 CPU 냉각, 차량 등에 탑재되는 소형 냉온고, 의료용 냉각 장치 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 일반적으로 사용되는 소자의 점유 면적은 0.1–100 mm2이며, 흡열량은 0.5–1000 W 정도이다.[26]

5. 2. 산업 및 과학

펠티어 소자는 과학 장비 및 산업 분야에서 다양하게 활용된다.
정밀 온도 제어 및 과학 장비피드백 회로와 함께 펠티어 소자를 사용하면 ±0.01 °C 이내의 정밀도로 원하는 온도를 유지하는 안정적인 온도 제어 장치를 만들 수 있다. 이러한 정밀한 온도 제어는 온도 변화에 따른 레이저 파장의 변동을 막아야 하는 정밀 레이저 응용 분야나, 광섬유 통신처럼 레이저 또는 부품의 파장이 온도에 민감한 응용 분야에서 서미스터와 함께 피드백 회로에 사용되어 온도를 일정하게 유지하고 장치 파장을 안정시키는 데 유용하다.[19]

또한, 분자생물학에서 널리 쓰이는 기술인 PCR에 사용되는 열 사이클러의 핵심 부품으로 사용된다. PCR 과정에서 요구되는 반응 혼합물의 빠른 가열 및 냉각 사이클을 펠티어 소자가 효과적으로 수행한다.

전리 방사선을 시각화하는 구름 상자 제작에도 펠티어 소자가 사용된다. 전류 공급만으로 드라이 아이스나 별도의 움직이는 부품 없이 증기를 -26°C 이하로 냉각할 수 있어, 구름 상자를 비교적 쉽게 만들고 사용할 수 있게 한다.

천문학 망원경, 분광계, 고급 디지털 카메라 등에 사용되는 CCD와 같은 광자 감지기를 냉각하는 데에도 펠티어 소자가 쓰인다. 때로는 여러 개의 소자를 단계적으로 연결하는 캐스케이드(cascade) 방식으로 더 낮은 온도를 얻기도 하는데,[21] 이는 열 잡음으로 인해 발생하는 암전류(dark current)를 줄여 저조도 환경에서의 이미지 품질을 높이기 위함이다. 에너지 분산형 분광기(EDS)에서도 센서 결정을 냉각하여 부피가 큰 액체 질소 저장 용기의 필요성을 없애는 데 기여한다.
우주 및 항공펠티어 효과는 위성이나 우주선에서 직사광선을 받는 면과 그늘진 면 사이의 온도 차이를 줄이는 데 사용된다. 열을 상대적으로 차가운 그늘진 면으로 이동시켜 열 복사 형태로 우주 공간으로 방출하는 원리이다.[20] 한편, 1961년부터 일부 무인 우주선(예: ''큐리오시티'' 화성 탐사 로버)은 지벡 효과를 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)를 전력원으로 사용해왔다. RTG는 고에너지 방사성 물질의 붕괴열을 이용하므로 수십 년간 지속적으로 전력을 생산할 수 있다.
산업 및 기타 응용열전 냉각기는 컴퓨터 부품, 특히 CPU를 냉각시켜 설계 한계 내의 온도를 유지하거나 오버클러킹 시 안정적인 작동을 보장하는 데 사용된다. 열교환기나 워터블럭과 함께 사용하면 반도체 칩을 주변 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각시킬 수 있다.

야전에서 사용되는 일부 군사용 전자 장비 역시 열전 냉각 방식을 사용한다. 산업 제조 분야에서도 레이저 장비, 열전 냉방기 및 냉각기, 산업용 전자 장치 및 통신 장비,[19] 자동차 부품, 소형 냉장고 및 배양기, 군용 캐비닛, IT 인클로저 등 다양한 영역에서 활용된다. 이러한 산업 제품들은 시장 출시 전 수천 회의 작동 사이클을 견디는 내구성 테스트 등 철저한 성능 분석이 요구된다.

이 외에도 차량용 소형 냉온장고나 의료용 냉각 장치 등 다양한 분야에서 활용된다. 일반적으로 사용되는 펠티어 소자의 면적은 0.1mm2 ~ 100mm2 정도이며, 흡열량은 0.5 ~ 1000 W 범위이다.[26]

참조

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[2] 서적 Design of segmented thermoelectric Peltier coolers by topology optimization OXFORD: Elsevier Ltd
[3] 논문 Thermoelectric Cooling and Power Generation https://www.science.[...] 1999-07
[4] 서적 Introduction to Thermoelectricity http://link.springer[...] Springer Berlin Heidelberg 2016
[5] 논문 High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys https://www.science.[...] 2008-05
[6] 논문 Complex Thermoelectric Materials https://zenodo.org/r[...]
[7] 웹사이트 Peltier Element Identification https://web.archive.[...] 2013-10-14
[8] 웹사이트 Highly reliable thermoelectric cooling apparatus and method https://patents.goog[...] 2001-07-31
[9] 논문 A review of thermoelectric cooling: Materials, modeling and applications 2014-05
[10] 웹사이트 Chlorofluorocarbons and Ozone Depletion https://www.acs.org/[...] 2019-03-11
[11] 웹사이트 Module 99: Propane as a refrigerant for use in chillers for air conditioning applications https://www.cibsejou[...] 2020-01-22
[12] 웹사이트 PCB Heaven – Peltier Elements Explained http://pcbheaven.com[...] 2013-05-01
[13] 웹사이트 The Heatsink Guide http://www.heatsink-[...] 2013-05-03
[14] 웹사이트 The Prospects of Alternatives to Vapor Compression Technology for Space Cooling and Food Refrigeration Applications http://www.pnl.gov/m[...] U.S. Department of Energy 2010-03
[15] 웹사이트 Cold? Put this jacket on. Hot? Put this jacket on Climate-controlled coat goes from zero to 100 degrees C 'in the flip of a button' https://www.nbcnews.[...] NBC 2011-06-14
[16] 웹사이트 How Winter Woes Inspired A Nanotech Fix For Everything From Cold Necks To Knee Pain http://www.popsci.co[...] Bonnier Corp. 2013-03-15
[17] 웹사이트 The Phononic HEX 2.0 TEC CPU Cooler Review http://www.anandtech[...] anandtech.com 2016-09-26
[18] 웹사이트 Overview of Intel Cryo cooling technology https://www.intel.co[...] 2022-11-20
[19] 뉴스 Using Peltier modules for thermal management of electronic systems https://www.electron[...] Electronics Weekly 2017-10-04
[20] 논문 Some Aspects of Peltier-Cooler Optimization Applied for the Glove Box Air Temperature Control
[21] 서적 Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications https://books.google[...] John Wiley & Sons 2018-02-20
[22] 서적 New Developments in Electronics https://digital.hagl[...] 2024-09-25
[23] 뉴스 Electronics For Tomorrow https://www.rfcafe.c[...] 1955-04
[24] 웹사이트 What TEC do I have? | TE Encyclopedia | Tech Info | Thermoelectric Cooling | Peltier Coolers | TEG Water Blocks TEC https://customthermo[...] 2023-08-03
[25] 웹사이트 ペルティエ素子とは https://kotobank.jp/[...] 2022-09-21
[26] 서적 伝熱工学資料 丸善


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