제품 정보
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- 열전냉각
- 열전냉각 Concept
- 열전재료의 원리
열전냉각 Concept
열전현상
[열전소자]
열전현상(Thermoelectric effect)은 열과 전기사이의 에너지 변환을 의미하며 변환소자의 양단에 온도차이가 있을 때
소자 내부의 carrier가 이동함으로 전기력이 발생하는 현상입니다.
열전현상은 1900년도 초부터 연구가 시작되어 구소련의 loffe가 약 4%의 변환효율을 얻을수 있게 연구가 진행되어 현재
약 10%이상의 변환효율을 가지고 있습니다. 이러한 열전은 양단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 Seebeck효과,
기전력으로 냉각과 가열을 하는 Peltier효과, 도체의 선상의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 Tomson효과로 나눌수 있으며
재료분야가 핵심기술이나 제품화과정의 시스템기술이 더욱 부각되고 있습니다.
이러한 Peltier효과를 이용하여 가습기, CPU냉각, 냉정수기, 냉장고등이 실용화에 많이 이용되고 있으며 핵잠수함의 발전,
해수온도차발전, 태양열이용 발전등에서는 수MW급의 발전계획도 진행중입니다.
열전소자의 용도
| 용 도 | 품 목 |
|---|---|
| 가정용 | 제습기, 냉/온정수기, 자판기, 차량냉자고, 기능성 화장품보관함 |
| 산업용 | 공작기계 기판 냉각용, 분전반 냉각기, 열량계, 반도체용 설비 |
| 항공용 | 블랙박스 냉각장치, 항공전자제어장치의 냉각설비, 열조절장치 |
| 우주용 | 발전기, 발열기, 냉각기 |
| 군사용 | 적외선탐지기, 미사일유도용회로 냉각기, 레이저관측장비 |
| 연구용 | 각종 실험기기, 항온조, 항온 가열기, 냉각용기기 |
| 의료기 | 항온조, 혈액보관기, 발열기, 냉각용 |
열전소자의 용도
- 소형화
- 장착용이성
- 쉬운냉각
- 동시발열냉각
- 정밀온도제어가능
- 고신뢰성저소음
- 무중력하작동
- 간편한 전원공급
- 국소부위냉각가능
- 열발전용대체
- 환경친화성
열전재료의 온도별 선택
[열전소자 연결구조]
[n - type]
[p - type]
열전재료는 열전특성이 우수한 온도 범위에 따라 상온용, 중온용 및 고온용으로 나눌 수 있으며, 상온부근에서는 (Bi,Te)2 Te3 및 Bi2(Te, Se)3 조성의 Bi2Te3계고용채합금의 열전특성이 우수합니다. 이러한 열전재료들을 이용한 열전 냉각 및 발전 모듈은 n형 열전소자와 p형 열전소자들이 전기적으로는 직렬 연결되어 있으며 열 적으로는 병렬연결된 구조를 갖습니다.
열전발전과 열전 냉각
모듈은 양단에서 온도차에 의해 고온단 부위에서 저온단 부위로 열 이동시 n형 열전소자와 p형 열전소자에서 각각 전자와 hole이 고온 단에서 저온 단으로 이동하므로 써 발전이 가능하며, 열전냉각 모듈은 전류를 흘려주므로 써 carrier의 이동에 의해 한쪽 면에서는 냉각이 다른면 에서는 발열이 일어나므로 써 냉각 및 가열이 가능하게 됩니다. 열전모듈의 효율은 n형 및 p형 열전재료의 열전재료의 열기전력, 열전도도 및 전기 비 저항과 같은 열전특성과 열전소자 couple 수에 의해 결정됩니다. 무소음, 무진동으로 유지. 보수가 필요 없고, 신뢰성이 높은 열전발전은 초기에는 군사용 전원장치를 비롯한 특수 소형전원장치에 응용을 위해 개발되었으나, 온도차만 부여하면 발전이 가능하여 100도 미만의 저 열원에서 1000도 정도의 고열 원애 걸쳐 이용 가능한 열원의 종류가 다양하기 때문에 산업폐열을 이용한 열전발전기, 대체독립전원 등의 분야로 경제적 용도가 크게 확대되고 있습니다.
또한 열전모듈을 이용하여 냉각방식은 열 응답 감도가 높으며 국부적으로 선택적 냉각이 가능하고 작동부분이 없어 구조가 간단하기 때문에 고출력 power transistor, laser diode 등과 같은 전자 부품의 국부냉각에 실용화되고 있으며 자동차용 냉장박스, 가정용 냉장고, 에어컨 등의 민생용으로 사용이 가능합니다. 또한 최근 환경보호를 위해 자동차나 가정용 에어컨, 냉장고 등에 CFC의사용이 규제됨에 따라, 냉매의 사용 없이 냉각이 가능한 열전재료를 이용한 각종 냉방 시스템의 개발도 유망한 분야로 각광 받고 있습니다. 일반적으로, 열전모듈용 소자는 열 입력을 크게 하기 위하여 일반적으로 얇은 관상으로 사용하기 때문에 가공시 열전재료의 강도가 요구됩니다. 단 결정 열전재료는 기계적으로 취약하기 때문에, 이를 얇은 관상의 소자로 제조시 수율 저하가 가장 큰 문제점으로 되고 있습니다.
열전 재료의 제조법
[열전소자]
따라서 열전모듈용 재료료는 가압소결법으로 제조하여 기계적 강도가 우수한 고밀도 소결체가 가장 적합한 것으로 알려져 있습니다. 최근 미국, 일본 등에서는 다결정 열전재료의 제조단가를 절감시키기 위해 금속합금의 제조법으로 커다란 주목을 받고 있는 기계적 합금화(mechanical alloying)공정을 응용한 열전재료의 제조 및 특설에 관한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 원료분말이 고에너지 볼-밀내에서의 반복적인 파괴와 압접에 의해 합금분말로 변화되는 기계적 합금화 공정은 상온공정이기 때문에, 이를 사용하여 다결정 열전재료를 제조시 기존의 다결정 열전재료의 제조공정인 용해 및 분쇄법과 비교하여 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있습니다.
지금까지 열전재료에 관한 재료기술과 응용기술은 주로 미국과 러시아에 독점되어 군사적인 용도에 이용되어 왔습니다. 그러나 현재 에너지 자원의 전량을 외국에서 수입에 의존하고 있는 국내 실정에 비추어 볼 때 폐에너지의 유효 이용으로 전기에너지의 절약이 가능한 열전발전 모듈이나 CFC의 사용규제에 따른 전자냉각 모듈의 국내개발이 시급한 실정입니다. 이에 따라 국내에서도 재조단가의 절감이 기계적 합금화 공정을 이용한 열전발전용 PbTe계 및 전자냉각용 Bi2Te3계 열전재료의 제조기술 개발이 필수적으로 요구되고 있습니다.
