열전자 소자

열 전자 소자  https://v.daum.net/v/20191129112126431?d=y 

열을 전기로 바꾸는 차세대 신성장에너지, ‘열전소자’

 한국전력   2016년 11월 14일 8시 30분   댓글확인 (1)

열을 전기로 바꾸는 차세대 신성장에너지, ‘열전소자’

오늘날 우리는 전기 에너지의 흐름 속에 살고 있습니다. 냉장고부터 TV, 컴퓨터, 전자 레인지, 세탁기 등 우리는 일상 생활에서 전기를 항상 사용하고 있습니다. 이 때문에 전기가 없는 세상은 상상하기 힘들 정도입니다. 

이젠 우리에게 너무도 익숙해진 전기지만, 그 때문인지 전기에너지의 생산 과정에서 생기는 문제들에 주목하는 분은 적은 편입니다. 

발전소 ⓒpixabay

전기는 화력, 수력, 원자력, 풍력 등 발전소를 통해 생산됩니다. 그 중에서도 우리나라의 전기 대부분은 화력 발전소에서 생산됩니다. 하지만 화력발전소는 화석연료의 연소 과정에서 CO2(이산화탄소)와 같은 온실가스를 배출합니다. 이러한 온실가스로 인해 지구의 평균 기온이 상승해 지구 온난화 현상이 나타나고 있습니다. 

지구 온난화 현상 ⓒpixabay

이에 세계 각 국은 환경이 더 오염되는 것을 막기 위해 기술 개발과 제도 확립에 힘쓰고 있습니다. 그 중 하나가 환경을 오염시키지 않는 '신재생에너지'입니다. 신재생에너지에는 태양광, 풍력, 지열 등 많은 것들이 있으며, 최근엔 기존과 차별화되는 '열전소자'가 주목 받고 있습니다.

[ '열전소자'란? ]

열전소자는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는 효과를 이용한 소자입니다. 전기저항의 온도 변화를 이용한 소자인 서미스터, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수가 생기는 현상인 펠티에 효과를 이용한 소자인 펠티에소자가 있습니다. 그 종류는 Mg2Si계, Zn4Sb3계, AgSbTe2계, Bi2Te3계 등이 있습니다.

위 그림은 '제벡효과'를 나타낸 것입니다. 상이한 두 금속을 접합하여 전기 회로를 구성했을 때, 양쪽 접속점에 뜨거운 금속(HOT)과 차가운 금속(COLD) 사이 온도차가 있으면 회로에 기전력이 발생해 전류가 흐르게 됩니다. 다시 말해, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상이라 할 수 있습니다.

위 사진은 펠티에 효과를 나타낸 사진입니다. 금속 또는 반도체를 접속한 두 점 사이에 폐회로를 구성하여 전류를 흘리면 한 쪽은 열이 발생(Cooling)하고 다른 쪽은 열을 흡수(Warming)합니다. 즉, 기전력을 가해 냉각과 가열이 이뤄지는 현상이라 할 수 있습니다.

[ 열전소자의 장,단점 및 용도 ]

열전소자의 최대 장점은 지구의 모든 열원에서 에너지 확보가 가능하다는 점입니다. 이는 에너지원이 고갈될 염려가 없을 의미합니다. 또한 열전소자는 냉각과 가열이 모두 가능하고, 상온 부근에서의 낮은 온도차에 의해서도 에너지 확보가 가능합니다. 프레온 가스 등 지구온난화를 일으키는 냉매를 사용하지 않으며 친환경적, 반영구적 사용이 가능하다는 것도 장점입니다.

하지만 이러한 장점에도 불구하고 열전소자는 아직 상용화되지 않았습니다. 그 이유는 열전소자 관련 기술이 아직 충분히 발전하지 않았다는 데 있습니다. 열전소자는 가격이 비싸고 효율이 낮아 경쟁력이 적기에, 현재 소형 냉장고·자동차 시트의 냉각 장치·전자 제품의 냉각 장치 등 일부 분야에 한정해 쓰이고 있습니다. 향후 열전소자를 더욱 다양한 분야에서 활용하려면 앞으로 더 많은 연구가 진행되어야 할 듯합니다.

[ 열전소자의 발전 가능성 ]

 ⓒUTOIMAGE

기존에 사용해왔던 열전재료는 낮은 효율, 비싼 가격 등 여러 단점이 있습니다. 하지만 최근 열전재료로 새롭게 떠오른 산화아연계(ZnO)는 그 효율과 안정성으로 인해 활발한 연구가 이뤄지고 있습니다. 올해 9월엔 광주과학기술원 연구팀이 열전소자의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발하는 등, 열전소자 분야의 발전은 꾸준히 진행되는 중입니다. 비록 아직은 발전의 여지가 많지만 머지않아 열전소자가 집안의 각종 가전기기, 자동차, 발전기 등 많은 분야에 쓰일 것이라고 전망해봅니다.

출처: https://blog.kepco.co.kr/813 [한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!]

열전자 소자 원리

열전소자는 1)열전 변환 소자,2) 펠치어 모듈,3)반도체 소자, 4)펠티어 소자,5) 사모 모듈,6)TEC라고도 합니다. 펠티어　효과란? 열전소자는 직류 전류로 냉각・가열 및 온도 제어를 자유롭게 할 수 있는 반도체 소자입니다. 열전소자는 직류 전류가 흐를 때 다음과 같은 기능을 발휘합니다. ● 소자 양면에 온도차가 발생합니다. ● 온도가 낮은 쪽에서 열을 흡수하고, 온도가 높은 쪽에서 열을 방출하여, 열전소자의 저온 방면에서 고온 방면으로 열을 밀어올리는 열 펌프의 역할을 합니다. ● 전류의 극성을 바꾸면 열 펌핑 방향 및 전류량이 바뀌기 때문에 펌핑되는 열량을 변화시킬 수 있습니다. 이로 인해 냉각・가열 및 온도 제어가 용이해 집니다. 열전소자의 역사 　펠티어 효과는 지금으로부터 170여년 전(1834년)에 발견되어 1900년대 초기에 이론적으로 확립되었으나, 주 재료로 금속을 사용했기 때문에 열교환율이 낮아 상용화되지는 못했습니다. 전자 냉각을 통해 상용화되기 시작한 것은 1955년에 이르러 반도체 재료가 사용되고 난 이후였습니다. 이로 인해, 전기 전도도가 높아졌으며(전기 전도가 용이하게 됨), 열 전도도 역시 낮아져(열 전도가 용이하게 됨) 전자 냉각소자를 생산할 수 있게 되었습니다. 열전소자에 의한 전자 냉각의 장점 　압축기 (컴프레서)와 냉매(프레온 등)를 사용하는 일반적인 냉동 사이클방식에 비해, 전자 냉각은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 1. 프레온 등의 냉매를 사용하지 않으며 환경에 악영향을 끼치지 않습니다. 2. 작고 가볍습니다. 3. 원하는 형태를 고를 수 있습니다. 4. 전류의 방향을 바꿈으로써 냉각뿐만 아니라 가열도 가능합니다. 5. 냉각・가열의 두 가지 기능이 있기 때문에, 상온 부근에서도 온도 제어가 가능합니다. 6. 온도 변화에 빨리 반응합니다. (금방 식거나 뜨거워짐) 7. 가동(可動) 부위가 없기 때문에, 진동이나 소음이 없습니다. 8. 기계 피로를 유발하거나 손상되는 부품이 없기 때문에, 냉각 수단으로써 수명이 가장 길고 신뢰성이 있습니다. 9. 전기 배선만 있기 때문에 취급이 간단합니다. 10. 냉매 가스 누출이나 부식성 액체 누수 등의 걱정이 없고, 보수가 용이합니다. 열전소자 용도｜펠티어 효과(전자 냉각의 원리)｜열전발전에 대해서｜▲화면상헤 SPECIAL LINK   Z-Max(ZMAX)

열전자 소자 용도

　열전소자은친환경 냉각 소자로써 폭넓은 분야에서 활용됩니다. 열전소자은 이미 고객님의 삶 속에 깊이 자리잡고 있습니다.

식품 진열장 / 소형 음료 케이스 / 우유 냉각기 / 호텔 팬 우유 냉각기의 예：최근 각종 음식점에서 음료 뷔페 코너가 증가함에 따라,탄산 음료 기계 및 커피 머신을 설치하는 곳이 늘고 있습니다. 이 커피 머신에는펠티어 모듈을 탑재한 우유 냉각기가 설치되어 있습니다. 이 냉각기는 1 리터의 우유 팩 2 ~ 4 개 정도를 수용하여 저온보관 할 수 있으며, 크기가 작음에도 불구하고 최고 수준의 위생 상태 및 안전성을유지합니다.

CRT 판 냉각 / 조작판 냉각 / 감시 카메라의 냉각 / 제어판 내부 부품 부분 냉각 / 거푸집 냉각 / 항온(恒温)・항습(恒湿) 공기 공급 장치 제어판냉각기：공장의 제어판 및 네트워크 통신 캐비넷 등의 냉각에 사용되는열전소자은,캐비넷 내에서 특히 열에 약한 장비를 집중적으로 냉각하거나 캐비넷 전체를 냉각하는 등 그 용도가 다양합니다. 원래 이러한 기기 대부분이 물에 취약한데, 온도 조절을 통해 찬 바람에도 표면에 물이 적게 맺히도록 하고, 배수관을 내장하여 이 점을 보완하고 있습니다.

발열원의 직접 냉각 / 소형중계박스의 냉각 / 광검출 소자의 온도 제어 / 레이저 다이오드의 온도 제어 / CCD 카메라 냉각 /실내외 제어판의 제습 및 냉각 / 프로젝터 / 복사기 / 감시 카메라의 냉각 / 레이저 기기 냉각 LD의 온도 제어：LD는 광전자 장치의 핵심이라고 할 수있습니다. 그 중에서도 발광 파장이 긴 1.3 ~ 1.55μm의 LD는 성능이 좋은 만큼 냉각을 하거나일정한 온도를 유지하는 것이필요합니다. 이와 같이한정된 공간에서 장치를 냉각할 때열전소자이 많이 사용되고 있습니다.

소형 냉장고 / 아이스박스 / 생맥주 기계 / 와인저장고 / 수조물의 온도 관리 / 컴퓨터 CPU의 냉각 / 제습기 / 에어컨・공기 청정기・드라이어・미안기(美顔器)의 음이온 발생 장치 전자 냉장고：열전소자은 소음이나 진동이 전혀없고작은 냉각기기에도 적용할 수 있기 때문에, 10여년 전부터 병원과 호텔 객실의 업무용 냉장고에사용되어 왔습니다. 최근에는 생산 비용이절감되고 신뢰성이 향상되어 소비자용으로도 각광받기 시작했습니다.

사이리스터(thyristor)의 냉각 / 분광광도계(分光光度計) / 포토그래피(photography) / 크로마 토그래피(chromatography) / 가스 분석장치의 제습분광광도계：단백질이나 효소 반응 등은 온도의 영향을 받기 쉬워, 빛 흡수율을 현저하게 변화시킵니다. 열전소자을 사용하면 시료의 정확한 온도를 측정할 수 있게 되고, 온도에 대한 적응성도 좋아지기 때문에 신속・정확하게 측정 및 검사를 할 수 있습니다.

반도체용 약액 순환 여과 장치 / 반도체 저온 시험 장비 / 반도체 온도 가변 시험장비 / 실리콘 웨이퍼(wafer) 냉각 / 아이스 척(Ice chuck : 작업 가공 및 처리 장치) / 쿨링 플레이트(cooling plate) / 초순수(극도로 정제한 물) 가열 장치 / 냉각기 / 순환 장치(circulator) 실리콘 웨이퍼의 온도 제어：반도체 칩 제조 이전 과정 중, 실리콘 웨이퍼를 처리하는 일련의 공정에서는 ± 0.1 ℃ 단위의 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 펠티어 모듈은 냉온 전환 및 전압・전류를 제어함으로써 온도 조절을 쉽고 정밀하게 할 수 있도록 합니다. 이러한열전소자의 온도 조절 시스템은 제품의 소형화에 기여한다는 이점이 있기 때문에 널리 이용되고 있습니다

미생물 배양 / 디스펜서 약액 온도 관리 / DNA 증식기 / 시료 및 시약의 보관고 / 생태과(生態科) 검사 장치 / 오토샘플러(auto-sampler) / 소형 인큐베이터 / 소형 써모플레이트(thermoplate) / 수술실 내의 보냉고 / 혈액 분석 장치 소형 항온수조：미생물 배양 실험 등에서는 실온뿐 아니라 체온과 비슷한 온도까지도 제어할 수 있어야 합니다. 냉동기나 히터 등은 실온 부근에서 정밀한 온도 조절을 할 수 없으므로, 열전소자을 사용하는 것이 최선의 방법입니다. 또한 미생물 관련 실험에서는 냉각과 가열이 반복되는 환경을 조성해야 하는 경우도 많기 때문에, 극성을 바꾸어 냉온 전환을 가능하도록 하는열전소자가 이에 적합합니다.

펠티어　효과란?

열전소자는 직류 전류로 냉각・가열 및 온도 제어를 자유롭게 할 수 있는 반도체 소자입니다. 열전소자는 직류 전류가 흐를 때 다음과 같은 기능을 발휘합니다. ● 소자 양면에 온도차가 발생합니다. ● 온도가 낮은 쪽에서 열을 흡수하고, 온도가 높은 쪽에서 열을 방출하여, 열전소자의 저온 방면에서 고온 방면으로 열을 밀어올리는 열 펌프의 역할을 합니다. ● 전류의 극성을 바꾸면 열 펌핑 방향 및 전류량이 바뀌기 때문에 펌핑되는 열량을 변화시킬 수 있습니다. 이로 인해 냉각・가열 및 온도 제어가 용이해 집니다.

열전소자의 역사

　펠티어 효과는 지금으로부터 170여년 전(1834년)에 발견되어 1900년대 초기에 이론적으로 확립되었으나, 주 재료로 금속을 사용했기 때문에 열교환율이 낮아 상용화되지는 못했습니다. 전자 냉각을 통해 상용화되기 시작한 것은 1955년에 이르러 반도체 재료가 사용되고 난 이후였습니다. 이로 인해, 전기 전도도가 높아졌으며(전기 전도가 용이하게 됨), 열 전도도 역시 낮아져(열 전도가 용이하게 됨) 전자 냉각소자를 생산할 수 있게 되었습니다.

열전소자에 의한 전자 냉각의 장점

　압축기 (컴프레서)와 냉매(프레온 등)를 사용하는 일반적인 냉동 사이클방식에 비해, 전자 냉각은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

1.	프레온 등의 냉매를 사용하지 않으며 환경에 악영향을 끼치지 않습니다.
2.	작고 가볍습니다.
3.	원하는 형태를 고를 수 있습니다.
4.	전류의 방향을 바꿈으로써 냉각뿐만 아니라 가열도 가능합니다.
5.	냉각・가열의 두 가지 기능이 있기 때문에, 상온 부근에서도 온도 제어가 가능합니다.
6.	온도 변화에 빨리 반응합니다. (금방 식거나 뜨거워짐)
7.	가동(可動) 부위가 없기 때문에, 진동이나 소음이 없습니다.
8.	기계 피로를 유발하거나 손상되는 부품이 없기 때문에, 냉각 수단으로써 수명이 가장 길고 신뢰성이 있습니다.
9.	전기 배선만 있기 때문에 취급이 간단합니다.
10.	냉매 가스 누출이나 부식성 액체 누수 등의 걱정이 없고, 보수가 용이합니다.

열전 발전에 대하여 열전발전이란 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 것입니다. 열전 발전은 고온과 저온 부분의 온도차에 의해 발생하는데,이는 열이 이동성을 가진 에너지를 전기 에너지로 변환(발전)시키는 것입니다. 지구상 어디에서나 온도차가 존재하기 때문에 열전발전의 활용도는 무한하다고 볼 수 있습니다. 또한 그 응용 분야도 가정용에서부터산업용・공업용에 이르기까지 광범위하며,현재 기술 수준으로는 약 -200 ℃ ~ +2000 ℃의 열원 온도까지 활용 가능합니다.  열전발전 원리

그림과 같이 열전발전은P 형과 N 형의 반도체를 접합한 단위 소자를 이용한 발전입니다. 이 소자의 한 쪽 면을 저온으로,다른 면을 고온으로 유지하면,열이 소자를 통해 고온 쪽에서 저온 쪽으로 흐르게 됩니다. 즉, 고온 쪽에서 소자 내로 열에너지가 유입되면, 이것이 소자를 통과한 뒤 저온 쪽에서 방출됩니다. 이 때, 소자에 유입된 열에너지의 일부가 방출되지 않고 소자 내부에서 전기 에너지로 변환되어, 왼쪽 그림의 외부 부하에서 전력이 되어흘러나옵니다. 이러한 원리로, 단위 소자 여러 개를연결하면 더욱 큰 전력을 만들어 낼 수 있습니다.

열전발전 특징

열전 발전에는, 다른 발전 방식과 구분되는 다음과 같은 특징이 있습니다.

1.친환경 청정 에너지원을 이용합니다.
　→화석 연료 및 방사성 동위 원소에 의존하지 않고 온도차만을 이용해 발전　　합니다.

2.지구상에 있는 모든 열원에서 에너지를 추출할 수 있습니다.
　→ 자연 열원 (태양열・해열・지열・체열 등)
　→ 인공열원 (공업 폐열, 자동차 폐열, 쓰레기 소각로 폐열 등)

3.온도차가 비교적 적더라도 에너지를 추출할 수 있습니다.
　→몇십여 도의 온도차만으로도 발전할 수 있습니다.

4.수명이 깁니다.
　→기계적으로 가동되는 부분이 없기 때문에 각 부품의 노화 또는 마모가
　　거의 일어나지 않습니다.

열전발전 응용가능 분야

●자연열
　쓰레기 소각열 / 자동차 폐열 / 산업 폐열 / 발전소 폐열 / 연료 전지 폐열
●연료열
　쓰레기 소각열 / 자동차 폐열 / 산업 폐열 / 발전소 폐열 / 연료 전지 폐열
●연료열
　화석 연료 (액체・가스 등)
●원자력
　방사성 동위 원소
● 냉열
　액화 가스