열전소자, 펠티어소자

열전소자, 펠티어소자
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History
열전현상을 처음 발견한 사람은 1821년 독일의 물리학자 T.J.Seebeck으로 서로 다른 두개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생한다는 사실을 알게 됩니다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시키는 것입니다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 합니다. 1834년에 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견했는데 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상입니다. 이를 '펠티에효과(Peltier Effect)'라고 합니다. 1854년 윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에효과와 제벡효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였습니다. 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였습니다.
열전소자의 기본원리
열전모듈, 펠티어소자, ThermoElectric Cooler (TEC), ThermoElectric Module(TEM) 등으로 다양한 이름을 갖고 있는 열전소자는 작은 Heat Pump (저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치) 입니다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 됩니다. 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 되는 것입니다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 됩니다.
위 그림은 일반적인 열전소자의 형태입니다. N타입과 P타입 반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 되며 일반적인 모델의 경우 127쌍의 소자가 사용됩니다.
DC 전압을 양단에 인가하면 N타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 됩니다. 이는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리입니다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 thermoelectric couple(N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 됩니다.
열전냉각의 장점
열전소자를 이용한 냉각 방식에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

■ 소형화, 경량화
ㅡ 컴프레셔를 이용한 냉각 방식에 비해 크기가 작고 가벼워 좁은 공간에서도 설치가 가능합니다.
■ 냉각 및 가열
ㅡ 열전소자는 인가전압의 극성을 바꾸어주는 것만으로 용도에 따라 냉각 또는 가열이 가능합니다.
■ 정확한 온도 제어
ㅡ 온도 컨트롤러를 이용하여 ±0.1℃ 의 정확한 온도 제어가 가능합니다.
■ 우수한 신뢰성
ㅡ 열전소자는 기계적 움직임이 없어서 수명이 길고 유지가 자유롭습니다.
■ 저소음
ㅡ 컴프레셔 냉각과 달리 기계적 소음이 없습니다.
■ 국부냉각
ㅡ 불필요하게 시스템 전체를 냉각하지 않고도 특정 부분에 대한 냉각이 가능합니다.
■ 환경친화
ㅡ CFC계 (chlorofluorocarbons)물질을 사용하는 컴프레셔 방식에 비해 환경친화적입니다.

열전소자의 선정절차
② 목표온도 결정
- Ex) 외부온도 30 ℃에서 목표온도 5 ℃
③ 과도시간 결정
- 목표온도까지 도달하는데 걸리는 시간
- Ex) 30 ℃에서 5 ℃까지 냉각되는데 걸리는 시간 : 30 분
④ 열전소자 선정
• 열부하 이상의 흡열성능을 갖는 소자후보를 선정
• 과도시간을 고려하여 소자후보군중 택일
과도시간이 짧을수록 흡열성능이 높은 열전소자를 선정
열 부하 계산 : 시스템설계 시 냉각에 필요한 흡열량을 계산
• Active 열 부하 : 냉각하고자 하는 시스템의 자체 발열량
• Passive 열 부하 : 외부에서 시스템으로 유입되는 열량
열전소자의 일반특성
dT 는 T h -T c 로 열전소자의 흡열부와 발열부의 온도차이를 말합니다 . 그림 2 에서 보면 dT 가 증가할수록 흡열량 Q 는 감소하고 있습니다 . 같은 열전소자를 사용하더라도 dt 가 15 ℃일 때 ( 점 A) 와 35 ℃ ( 점 B) 는 약 2 배의 흡열량 차이를 보입니다 . 따라서 열전소자를 효율적으로 사용하려면 dT 를 줄여야 합니다 .
그림 1 은 인가전압에 따른 흡열량 그래프입니다 . 열전소자에 인가하는 전압을 서서히 증가시키면 어느 순간 흡열량이 더 이상 증가하지 않고 오히려 감소하게 됩니다 . 열전소자가 최대의 성능을 낼 때 흡열량을 Q max , 이때의 전압을 V max , 전류를 I max 라고 합니다 . TS14-127-16 의 경우 V max 는 16.2V 입니다 . 그러나 일반적으로는 12V 에서 사용하는데 그 이유는 16.2V 로 사용할 때 흡열량 증가가 크지 않고 오히려 주울열 (Joule heat) 이 증가하여 흡열량이 떨어질 수 있기 때문입니다 .
취급시 주의사항
★. 발열부측의 과열방지- 고온일수록 이종재료간의 확산에 의해 엘레멘트의 열전 Carrier의 농도가 낮아져서 성능 저하의 원인이 되므로 90℃이상에서의 사용은 권장하지 않습니다.
열전소자를 조립하는 방법에는 기계적 조립, epoxy bonding, direct solder bonding이 있고 일반적으로는 볼트를 이용한 기계적 조립방법을 사용합니다.
열전소자는 깨지기 쉬운 재료로 되어있기 때문에 열전소자에 적정한 토크를 가하여 조립하는 것이 중요합니다. 만약 조립 면에 열저항이 생기면(잘못 조립된 경우) 열전소자의 성능에 심각한 문제가 발생 할 수 있습니다. 따라서 설계 시에는 이러한 문제점을 고려하여 설계하고 조립 시에는 적정한 조립방법을 준수하여야 합니다.

1. 히트싱크와 콜드싱크, 콜드블럭, 콜드플레이트 등의 열전소자와 조립되는 면의 표면거칠기 범위는 25㎛이하가 되어야 합니다. (가공기호 : ▽▽ Rmax : 25S)
2. 조립면을 이물질이 없도록 세척하여 줍니다.
3. Thermal Gap을 채우기 위하여 열전소자의 조립면에 Thermal Grease를 얇게 도포합니다.
4. 콜드블럭 위에 열전소자를 올려놓고 여분의Thermal Grease가 새어 나오도록 약한 힘으로 누른 상태에서 위아래로 움직입니다.
5. 열전소자의 윗면에 Thermal Grease를 얇게 도포합니다.
6. 히트싱크를 그 위에 올려 놓고 화이버와샤, 평와샤, 스프링와샤, 볼트를 사용하여 조립을 완료 합니다. 이때 조임토크는 기준치를 넘지 않아야 합니다.
7. 1시간 후 위 6항을 반복하여 적정한 토크로 조립되었는지 확인합니다.
8. 최종 검사를 통하여 열전소자에 이상이 없는지 확인합니다.

by Charlie | 2008/02/16 14:53 | Automation | 트랙백 | 덧글(0)

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