무한정보제공

팰티어 소자, 열전소자, peltier 소자, pn접합소자 자주묻는 질문답변

지구빵집 2013. 3. 18. 18:00
반응형

 


열전소자, peltier 소자, pn접합소자 자주묻는 질문답변 정리.


 

 



heat-cool-faq.hwp
다운로드

 

 

1. 열전반도체를 이용한 기술의 작동원리는 무엇입니까?

 

열전기술의 기본 개념은 19세기 초에 처음으로 발견된 Peltier 효과로써 두 개의 서로 다른 전도체에 전류가 흐를 때 전류의 방향에 따라 서로 다른 두 도체의 접합부분에 흡열 또는 발열현상이 일어나는 것을 말합니다. 즉 열전반도체는 Peltier 효과를 생산시키기 위하여 선택되어진 재료로써 열을 pumping하는데 다른 재료보다 높은 성능을 발휘할 뿐 아니라, 도체 내부의 전하운반자의 특성을 제어하기가 유리한 장점이 있습니다. 이런 물질의 특성을 이용하여, 가장 간단하게 한 개의 반도체 소자의 양쪽 끝 부분에 전기적으로 전도성이 있는 물질(구리전극)로 접합을 하여 열전모듈을 만들 수 있습니다.

아래 그림과 같은 구성에서 Peltier 효과에 필요한 두 번째 구성 부품은 바로 전원까지 연결해주는 구리선입니다. 회로를 통해서 전하 운반자가 이동하는 방향으로 열이 이동하는 것을 명심하십시오(, 열의 전달물질은 전하운반자인 것입니다). 예시에서는, N형의 재료가 일반적으로 펠릿의 형태로 제조됩니다. 그러므로 음전기를 띠는 전자가 N형 물질에서는 Peltier 효과를 일으키기 위한 전하 운반자가 됩니다.

그림처럼 DC 전원을 연결시키면 전자는 음극에서 튀어나와 양극으로 끌어당겨지게 되고, 이 극성에 의해서 그림과 같이 시계 방향으로 전자가 흐르게 됩니다. N형 반도체의 아래에서 위로 흐르는 전자는 아래 접점에서 열을 흡수하고, 위 접점으로 활발하게 이동하여 열을 방출합니다. , 반도체 소자 내에서 전하 운반자에 의해 효과적으로 열이 pumping되고 있는 것입니다. 이 열전모듈에는 P형 반도체 소자도 들어갑니다. P형 소자는 내부에서 정공이라 불리는 양전하가 전하 운반자의 역할을 하도록 제조됩니다. 정공은 전압이 인가되었을 때 물질내부에서 전자가 더 자유로이 흐를 수 있도록 해주기 때문에 P형 결정 구조의 전기 전도도를 높여줍니다. 양전하 운반자들은 직류 전원의 양극에서 튀어나와 음극으로 끌어당겨 집니다. 그래서 전자와는 반대방향으로 정공의 흐름이 생깁니다. 이것은 도체 내에서 열을 옮길 수 있는 고유의 전하 운반자 때문인데, 전도체를 통해서 열을 전달하는 물질로 P형 재료를 사용하면, 전원의 음극에서 열이 흡수되어지고 양극에서는 방출되는 결과를 가져옵니다.

이런 PN형 재료의 대조적인 현상은 실제로 열전모듈을 설계하는데 매우 중요합니다. 간단하게 그림에서 나타낸 것처럼, 정공이 전원으로부터 연결선을 통하여 흐르는 것을 볼 수 있습니다. 실제 구리선을 통해서는 전자가 전하운반자의 역할을 하게 됩니다.

 

2. P형과 N형의 두 가지 재료가 왜 필요합니까?

 

만일 N형이나 P형 하나의 재료를 가지고 열전모듈을 만들었을 경우, 원하는 만큼의 냉각능력을 얻을 수 없습니다. 좋은 성능을 가진 열전모듈을 만들기 위해서는 많은 수의 P형과 N형 소자가 함께 쓰여야 합니다. 물론, 처음엔 아래의 그림처럼 열적으로는 병렬로, 전기적으로는 직렬로 단순하게 연결합니다. 이렇게 단순하게 만들어도 되지만, 실용적인 열전모듈을 만들기는 좀 어렵습니다.

일반적인 반도체 소자는 매우 작은 정격 전압을 가지고 있으며 충분한 양의 전류를 흐르게 하려면 이 전압의 몇 십 배가 필요합니다. 예를 들면, 단일 반도체소자의 경우 60mV의 전압에서 5A 정도의 전류가 인가됩니다. 그러나 254개의 반도체 소자를 사용한 모듈의 경우에는 60mV의 전압에서 1000A 이상의 전류를 흐르게 할 수 있습니다.(전원공급이 가능하다면)

실현 가능한 단 하나의 방법은 반도체를 병렬로 전기적으로 직렬로 연결하고, 열적으로는 병렬로 연결합니다(, 흡열과 발열이 각각 동일한 방향으로 일어나게 하는 것입니다). 여기서, 여러분은 아마도 직렬회로를 만들기 위해서 같은 종류의 반도체 소자끼리 지그재그로 연결하고 싶으실 겁니다(아래의 그림을 보세요). 그러나 이러한 방법은 이론적으로는 가능하지만 반도체 소자간의 흡열부와 발열부의 접촉은 열적 단락을 일으켜 열전모듈의 성능을 심각하게 저하시킵니다. (열의 전도를 최대한으로 막아야 모듈의 성능이 좋습니다.)

다행히도, 전기적, 열적 배치를 원하는 대로 하고도 더 좋은 열전 성능을 얻을 수 있는 다른 방법이 있습니다. N형과 P형의 소자를 쌍으로 만들어서 Cu 전극 사이에 그림과 같이 연결하면 같은 방향의 열 이동(열적으로는 병렬)이 이루어지게 되고, 열적·전기적(전기적으로는 직렬)으로 원하는 배열을 할 수 있습니다. 위 그림에서 보는 것처럼, P형 열전 반도체의 끝은 전원의 +쪽과 연결이 되어있고, N형 열전반도체도 끝은 전원의 -쪽과 연결이 되어있는데, 이곳에선 흥미로운 현상이 일어나고 있습니다. P형 열전반도체에서의 전하 운반자인 정공은 양극에서 전위에 의해 반발되고 음극 쪽으로 끌어당겨집니다. 음극의 전자는 N형의 열전반도체 내에서 음극 전위차에 의해 반발되고 역시 양극의 전위차에 의해서 끌어당겨집니다. Cu 전극과 wire에서 전자는 전하 운반자의 역할을 하며, 이 전자가 P형 재료에 도달하면 정공을 통해서 흐르게 됩니다(이 정공은 재료의 구조에서 열 흐름의 방향을 설명하기 위해 사용된 고유한 전하 운반자임을 기억하십시오). 두 가지 다른 반도체 소자를 사용하기 때문에 전자는 지속적으로 음극에서 양극으로 흐르고, 전하의 흐름과 열 흐름의 방향이 그림처럼 아래에서 위쪽으로 동일하게 됩니다.

이런 열전재료의 특성을 이용하여 많은 소자를 함께 사각으로 연결하면 실용적인 형태의 열전 모듈이 만들어지게 됩니다. 단순히 한 쌍의 소자를 연결한 것으로는 원하는 만큼의 흡열량을 얻을 수 없지만, 여러 쌍의 반도체소자를 전기적으로 직렬로 연결하면 일반적인 DC 전원에 연결하여 사용할 수 있습니다. 현재는 254개의 N, P 형 반도체 소자를 연결한 모듈이 가장 일반적으로 쓰이고 있으며 이 모듈은 12V 내지 16V의 직류 전원을 사용하며, 이때는 4~7A의 전류가 흐르게 됩니다. 물론, 열전모듈을 제조할 때는 반도체 소자의 정렬 상태가 반드시 기계적으로 서로 잘 접촉이 되게 해야 합니다.

이를 위해서는 그림에서 보는 것처럼 얇은 세라믹 기판 위에 전도성 전극을 올려놓습니다. 세라믹 기판의 바깥부분은 열전모듈과 외부와의 열적 경계면이 됩니다. 세라믹 기판은 열전모듈에 있어서 기계적 응력, 전기저항, 열전도도등의 필요조건을 만족시켜주는 좋은 완충제로서 산업적으로 널리 이용되고 있습니다.

 

3. 일반적인 열전 모듈은 어떻게 구성되어 있습니까?

 

일반적인 열전모듈 시스템을 그림에 나온 것처럼 공랭식으로 구상화시켜 생각해봅시다. 이건 아마도 열전모듈의 가장 일반적인 응용제품일 겁니다. 여기서 주목해야 하는 것은 박스 내부의 열을 모아서 박스 외부의 열 교환기를 통해 뽑아내고, 그 열을 주변 대기 중으로 방출하는 것이죠. 보통, 이것은 하나 이상의 열전모듈, 팬과 열 교환기의 조합으로 이루어집니다. 시스템 내부에서는 열 교환기의 더 작은 부분이 사용됩니다. 박스 안의 공기보다 더 낮은 온도로 냉각시키기 위해 열 교환기의 핀 사이로 공기를 순환시켜서 내부의 열을 뽑아냅니다.

간단한 경우, 열전모듈은 이 hot side의 큰 열 교환기와 cold side의 열교환기 사이에 장착됩니다. 직류가 열전모듈을 통하여 흐르면 hot sidecold side는 각자 열을 방출하기 시작합니다. hot side의 팬은 모아진 열을 외부로 방출하기 위해 열 교환기의 핀 사이로 공기를 순환시킵니다. 열 교환기로 방출되는 열은 박스 내부의 열 뿐만 아니라 열전모듈 자체에서 생성되는 열(V×I)도 포함된다는 사실을 기억하십시오.

실제 숫자를 적용하여 이를 다시 고찰해 볼까요. 20에서 3로 냉각시키려고 해서 25watt의 흡열량이 필요한 박스를 생각해봅시다. 이를 위해서는 cold side 열 교환기의 온도를 0이하로 낮추어야 합니다. 4.1A, 10.4V의 열전 모듈을 사용하면 systemhot side25watt의 열과 모듈에서 나오는 열인 42.6watt를 더한 총 67.6watt의 열을 방출하게 됩니다. 0.148/W 의 효과적인 열 저항을 가진 팬과 열 교환기를 사용하면, hot side 열 교환기의 온도는 대기 온도보다 10정도 높아집니다. 박스와 외부와의 온도차를 17떨어뜨리려면 Peltier 열전모듈에서는 30이상 차이가 나야 한다는 사실을 주의해야 합니다.

 

4. P, N커플은 다이오드와 같은 역할입니까?

 

열전모듈이 P형과 N형의 반도체 쌍으로 되어있기 때문에 많은 사람들은 다이오드와 같은 동작원리를 갖는다고 생각하지만, 둘 사이에는 결정적인 차이가 있습니다. 다이오드의 제조과정에서 PN층 사이에는 공핍 층이 형성됩니다. 다이오드에 정 방향으로 바이어스를 걸었을 때, 전하 운반자는 공핍 층으로 끌어당겨지고 전도성을 갖습니다. 반면에 역방향 바이어스를 걸었을 때, 전하 운반자는 공핍 층으로부터 이탈하게 되고 다이오드는 열린회로처럼 동작합니다.

하지만 열전모듈에 사용되는 P, N 쌍은 이 공핍 층이 없기 때문에 다이오드와 같은 역할을 할 수 없습니다. P, N 쌍은 두 극성 사이에서 전도되고, 둘 사이에서의 고정된 전압 강하는 없습니다.

 

5. 열전시스템은 단지 공기를 가열하거나 냉각하는데 만 사용됩니까?

 

아닙니다. 열전시스템은 종종 액체나 기체 모두에 사용될 수 있도록 설계되기도 합니다. 고체의 경우는 열전모듈에 직접 부착하지만, 액체의 경우는 일반적으로 알루미늄이나 구리로 제작되어 Peltier 모듈에 부착된 열 교환기를 순환하도록 설계됩니다.

 

6. 열전시스템을 가열용으로 사용가능합니까?

 

그렇습니다. 열전 기술의 이점중의 하나는 인가되는 전압의 극성을 간단히 바꿔줌으로써 열 pumping의 방향을 반전할 수 있다는 것입니다-한 쪽에서 열이 나면 다른 쪽에서는 차가워집니다. 따라서 이런 열전모듈의 독특한 특성 때문에, 냉각 능력보다 더 많은 양의 열을 뽑아낼 수 있어 가열용으로도 사용이 가능합니다.

 

 

7. 열교환기는 어떻게 설계해서 적용해야 합니까?

 

열기 또는 냉기의 열하중이 있을 때, 이것을 다른 매질(공기, 물 등등)로 열을 전달하려면 열을 모으거나(히터로 사용할 때), 혹은 방출할 수 있도록 열교환기를 사용해야 합니다.

이러한 설비를 사용하지 않으면 열전모듈은 과열로 파손될 수 있습니다. Solder가 용융되는 온도에 이르게 되면 열전모듈은 파괴되어 사용할 수 없게 됩니다. 열 교환기를 사용하여 대기 중으로 열을 방출할 때, 팬이 일반적으로 사용됩니다.

 

8. 열전기술을 이용한 제품은 무엇이 있습니까?

 

열전기술을 이용한 제품은 야외레저용 피크닉 박스, 냉온정수기, 화장품냉장고 등에서 레이저 응용품, DNA 증식기, 원심분리기 등 고도로 특성화된 실험장비와 테스트 장비까지 그 숫자와 다양성이 엄청나게 증가하고 있습니다.

또한 열전모듈의 응용제품은 자동 전압조절을 통하여 산업적으로 특히 작은 용량의 냉각 제품에 사용하는 것이 가능합니다.

 

9. 기존의 컴프레서 냉각 방식을 대신해서 열전소자를 사용해도 괜찮습니까?

 

두 가지 기술은 각각 단점과 장점을 가지고 있습니다. 하지만 열전냉각기술은 매우 작은 규모의 냉각이거나, compressor 방식이 실용적이지 못할 때에 적용하면 가장 적합하고 알맞을 것입니다. 개개의 집적회로들을 compressor 방식으로 냉각한다는 것을 상상할 수 있습니까? 소규모 시험용 튜브나 매우 작은 냉각제품의 thermal cycle 조절은 어떻습니까?

열전모듈은 가열과 냉각, 환경에 따라 변화시켜야 하는 두 가지의 요구 조건에서도 역시 강력한 해결책을 제시해 줍니다. 열전냉각모듈에 입력되는 전류의 극을 바꾸어서 원하는 형태의 냉각, 발열을 얻을 수 있습니다. 덧붙여서, 컴프레서 방식과는 다르게 열전냉각 소자는 어떤 방향으로도 부착하여도 좋은 성능을 보입니다.

열전냉각 시스템의 또 하나의 장점은 환경에 유해한 화학적 냉매를 필요로 하지 않는다는 것입니다. 열전소자는 냉각과 가열 시스템에 있어서 새로운 세계를 열어줄 것입니다.

 

10. 컴프레서기반의 시스템이 더 많이 응용되어집니까?

 

일반적으로 그렇습니다. 만약 컴프레서를 사용한 작은 시스템의 냉각능력이 너무 크다면, 열전모듈을 사용하는 것이 더 좋은 선택이 될 것입니다. 그런데 냉각하는 장치의 크기가 중간 정도 되면 열전시스템을 적용하기가 애매해지는데, 이런 부분에서는 각 응용품에 필요한 고유 특성에 맞게 임계의 비용/이익, 또는 설계상의 이점을 고려해보아야 합니다. 그러나 재료에 대한 연구가 계속 진행된다면 언젠가는 이런 큰 응용품의 경우에도 열전모듈로써 대체할 수 있을 것입니다.

 

 

11. 가열용으로 사용할 때 열전소자가 기존의 저항기를 사용한 히터에 비해 어떤 이점이 있습니까?

 

저항기 히터는 단지 내부의 에너지 분산에 의해서만 열을 만들어냅니다. 한편, 열전소자는 저항에 의한 발열 뿐 아니라 열 부하에 대한 열펌프 역할도 합니다. 그래서 저항을 사용한 히터보다 훨씬 좋은 성능을 갖게 됩니다.

하지만, 열전소자가 가열용으로만 사용되기 힘든 이유는 직류전원을 이용해야 하고, 저항히터에 비해 비싸다는 점 때문입니다. 더군다나, Peltier 소자는 저항 히터에 비해서 사용 가능한 발열 온도범위가 좁게 한정되어 있습니다. 이러한 이유로 인해 열전소자는 발열과 냉각이 동시에 요구되는 시스템에서 일반적으로 쓰입니다.

 

12. 열전소자로 얼마만큼의 냉각이 가능합니까?

 

열전시스템의 냉각 능력은 대기온도, 열 부하의 특성, 모듈의 최적 전류, 방열시스템 등의 매우 많은 조건들에 의해 좌우됩니다. 주변 온도가 75이고, hot side의 온도를 35까지 내리는데 필요한 Thot는 이론적으로 얻을 수 있습니다(이는 열전소자 자체에 의한 온도 강하이고, hot side 온도가 주변 온도 이상으로 상승하는 것과 같은 시스템 자체에서의 손실은 무시하였습니다.).

그러나 이런 이론적인 최대치는 실제의 시스템에 있어서는 불가능합니다. 일반적인 응용품에서 단층 열전모듈을 사용하였을 때의 온도차는 위의 이론값의 절반 정도입니다. 더 낮은 온도로의 냉각이 필요하다면 다층 모듈이나 단층 모듈을 여러 개 연결한 시스템이 필요하고, 아니면 다른 기술을 열전모듈에 덧붙여 응용해야 합니다.

예를 들면 더 낮은 hot side 온도를 얻기 위해서 컴프레서 방식으로 hot side를 냉각시킬 수 있습니다. 그렇지만, 극도로 낮은 온도 조건에서 모듈을 작동시킬 경우, 열전모듈의 효율은 떨어지게 됩니다. 다단계 열전모듈의 경우는 더 큰 온도차를 낼 수 있음에도 불구하고 일단 모듈에 비해서 더 적은 흡열량을 갖고 훨씬 비쌉니다.

 

13. 열전소자로 얼마만큼의 가열이 가능합니까?

 

가열능력은 전적으로 열전모듈을 제조할 때에 사용한 solder의 용융 온도에 의해서 결정됩니다. 표준형의 열전 모듈은 보통 100정도 가열할 수 있는 능력을 갖지만 당사는 200까지의 온도범위에서도 사용가능한 열전모듈을 개발하였습니다.

사용자가 hot side의 온도를 특정비율 이하로 유지하는 것은 매우 중요합니다. solder가 용융되어 반도체소자 쪽으로 역류한다면 열전소자는 효율이 떨어지거나 그 수명을 다하게 되기 때문입니다.

 

14. 사용자 요구에 맞는 모듈을 구매할 수 있습니까?

 

, 그러나 이로 인한 추가적 비용이 전체 모듈가격에 포함되므로 가능하다면 기성품을 사용하는 것이 일반적으로 비용 면에서 더 유리합니다.

 

15. 열전모듈 조립품에서 ThotTcold의 온도를 어떻게 측정할 수 있습니까?

 

열전소자의 외부 ceramic 기판의 온도를 모듈이 동작하는 동안에 가능한 한 정학하게 측정하는 일은 매우 중요한 일입니다. 온도센서는 외부가 sealing되지 않고 매우 가는 것을 선택하는 것이 좋으며 열전 모듈이 부착될 heat sinkblock의 표면에 가는 홈을 만들어 그 속에 센서의 위치를 선택하는 것이 바람직합니다. 이렇게 하면 모듈의 중심에 아주 근접한 위치에 열전쌍을 부착할 수 있습니다. 물론, 열전쌍의 노출된 끝 부분을 제외하고 와이어의 홈을 따라 연결된 나머지 부분은 전기적으로 절연이 되어있어야 합니다. 또한 열전쌍은 반드시 열전도성 접착제를 사용하여 홈에 꼭 맞게 부착해야 하고, 부착 면은 불필요한 접착제나 찌꺼기가 없도록 깨끗하게 닦아내야 합니다.

원하는 온도를 얻으려고 아주 가는 열전쌍을 모듈 안쪽으로 집어넣으시는 분들도 계시지만 별로 좋은 방법은 아닙니다. 첫 번째로, 모듈의 안쪽에 열전쌍을 제대로 부착하기가 어렵습니다. 그리고 이런 기계적인 조작이 모듈의 성능을 심각하게 손상시킬 수도 있습니다. 또한, 내부에서의 절연이 없으면 열전쌍은 세라믹 기판과 열전소자 내부의 공기온도 사이에서 생기는 열 구배를 갖게 됩니다. 열전 모듈 내부에서의 열 구배는 온도를 읽는데 정확성을 떨어뜨립니다.

 

16. Imax라는 특성 값은 무엇을 의미합니까?

 

이 특성 값은 모듈이 견딜 수 있는 최대치의 전류를 의미하는 것이 아닙니다. 이는 일반적인 사람들의 생각과는 전혀 다릅니다. Imax는 열전 모듈에서 최대 온도차를 낼 수 있는 직류 전류의 크기입니다. Imax이하에서 모듈을 동작시키면 원하는 온도를 얻을 수 없습니다. Imax이상의 전류를 흘리면, 열전소자 내부에서 생기는 Joule열이 모듈의 온도를 상승시키고 결과적으로 온도차를 감소시키게 됩니다.

ImaxVmax 와 동시에 측정됩니다. , Imax는 모듈에 Vmax를 걸어줄 때 흐르는 전류입니다. Vmax와는 다르게 Imax는 특별히 온도에 의존하지 않고 소자를 사용하는 주변 온도에 관계없이 일정한 상수를 갖는 경향이 있습니다.

 

17. Vmax는 무엇입니까?

 

많은 사람들이 알고 있는 것과는 달리, Vmax는 모듈이 견딜 수 있는 한계전압은 아닙니다. 사실, Vmax는 모듈의 양면에 최대 온도차가 걸리도록 하는 직류 전압입니다. 입력 전압이 Vmax 값보다 작으면 적은 전류가 흐르기 때문에 모듈의 최대 온도차에 도달할 수 없으며, 입력전압이 Vmax보다 크면 열전모듈의 소비전력이 높아져서 시스템 자체의 온도를 높이게 되고, 온도차를 줄이게 됩니다.

Vmax가 온도에 의존한다는 것을 명심하십시오. 온도가 높아질수록 열전모듈에 인가되는 전압도 높아집니다.

 

18. Qmax는 무엇입니까?

 

Qmax는 실제적인 의미가 명확하지 않기 때문에, 열전 분야에서는 매우 혼돈되는 특성 중의 하나입니다. 이 물성의 정의는 실제적입니다. 주어진 열전 시스템에서 열 부하가 증가함에 따라 결과적으로 T는 감소합니다. 예를 들자면, 어떤 주어진 금속 구조물에서 열 부하가 30W일 때보다 40W일 때 더 낮은 T를 얻게 될 겁니다. 임의 부하 특성에서 온도차가 0으로 감소했을 경우, 이 경우의 부하를 Qmax라 하고, watt의 단위로 나타냅니다.

이 특성 Qmax가 모듈에서 다루어지는 최대 열량을 나타내는 것은 아니라는 것을 알아두십시오. 만약 열 부하가 Qmax를 넘어선다면 흡열은 할 수 없게 되고, 단지 그 열 부하에 의해 특성 표에서 Qmax의 가장 적절한 값은 실행 그래프에서 ‘load lines'의 끝점으로 통상 사용됩니다.

 

19. delta Tmax가 무엇인가요?

 

Tmax는 열전모듈을 통해 나타나는 최대 온도차입니다. 이 온도는 열부하가 0이면 언제나 나타나는 현상입니다.

Tmax는 성능 그래프에서 load line의 끝점이 됩니다.

 

20. 장비는 특별하게 직렬, 병렬, 또는 직병렬의 혼합으로 연결할 수 있습니까?

 

전원공급 장치로부터의 충분한 공급만 가능하다면 열전모듈은 직, 병렬 어느 방식으로든 연결되어 응용장치에 사용될 수 있습니다.

 

21. 열전소자에 들어가는 전력을 조절하려고 합니다. 전압과 전류 중 어느

 

Ohm의 법칙에 의하면 전류는 전압을 저항으로 나눈 값입니다. 전압을 전류 없이 변화시킬 수는 있지만, 전압이 인가되지 않은 상태에서 전류를 변화시킬 수는 없습니다. 저항기에 전압을 인가시킬 때는 언제나 전류가 흐르게 됩니다. 그리고 전압의 크기를 변화시키면 전류도 변화시킬 수 있습니다. 이것은 옴의 법칙을 따르는 것입니다. 대부분의 경우, 원하는 결과 값에 해당하는 전류 값을 선택하게 되지요.

전류 source를 적용한 몇 가지 적절한 응용품은 있지만, 사실 그 전류란 것은 원하는 전류 값을 얻기 위하여 전기적으로 인가전압을 조절하는 것입니다. 이것이 열전소자를 통하여 흐르는 전류로부터 전압이 조절되는 것처럼 보이는 이유입니다.

 

22. 열전모듈에서는 왜 DC 전원 공급 장치가 필요합니까?

 

같은 방향으로의 흡열을 계속 유지하려면, 적용된 전압의 극성을 반드시 유지시켜야 합니다. , 직류의 형태가 필요하다는 것입니다. 만약 교류가 대신 적용된다면, 극성은 서로 각각 반 사이클씩 바뀌게 됩니다.

결과적으로 이동된 열의 순합은 0이 되고, 양면은 열전모듈 내부에서의 저항에 의한 Joule열로 인해 시스템 양면은 따뜻해질 것입니다.

 

23. 열전소자의 입력 전압을 Vmax 혹은 그 이하로 유지하려고 하는데 여기

PWM 방식을 사용할 수 있을까요?

 

사용할 수 있습니다. 전기적으로 원하는 전압을 얻기 위해서 사용되는 이 방법은 매우 효과적이지만 몇 가지 주의가 필요합니다. 열전 시스템을 가동시킬 때 Vmax나 그 이하로 전압을 유지시켜 인가시키기만 하면 원하는 heat pumping 량을 효과적으로 얻을 수 있으며, 전류가 차단되면 정지됩니다.

PWM 방식을 사용하여 적당한 전압을 유지시키면, pulse의 진동수 등을 간단히 변화시켜서 효과적으로 열 pumping량을 조절할 수 있습니다. 이 방법의 가장 큰 효과는, 특히 MOSFET 스위치를 사용했을 경우 control 회로의 전력 손실을 최소화할 수 있다는 것입니다. 그러나 PWM 방식을 이용하려면 상당히 주의를 요해야 합니다. 첫 번째로, PWM 방식은 높은 효율을 원하고 열 충격을 최소화하기 위해서 사용되어야 합니다. 열전 소자는 반드시 2,000Hz 이상의 주파수를 사용해야 합니다. 또 다른 중요한 사항은 열전 소자의 배선에서 전자기 간섭이 발생될 가능성이 있다는 것입니다. PWM 방식을 사용한다면 소자의 배선에서 반드시 shield선을 사용해야 하며, 주변의 전자기파가 차단되어야 합니다.

 

24. 디바이스를 온도제어를 위해서 on/off 사이클로 만들 수 있나요?

 

자동온도조절 작동(on-off)은 많은 제어방법중의 하나이고, 일반적으로 잘 선택됩니다. 이 방법을 사용하면, 한 온도에서 냉각(가열) 전원이 켜지면서 동장이 되고, 다른 온도가 되면 꺼집니다. 이것은 즉, 열전 시스템이 두 제한 온도사이에서 지속적으로 작동이 반복된다는 것을 의미합니다. 결과적으로 이것은 시스템의 안정된 작동을 위해서는 별로 좋은 선택은 아닙니다. 또한 부가적으로 여기서 고려해야 할 점이 바로 반복되는 주기이다.

낮은 주기를 사용하는 방법은 열적 스트레스를 받는 열전소자에서의 전위를 갖는 측면에서는 낮은 주파수를 갖는 PWM 방식과 유사하며 PWM 방식에서의 이상 주파수는 2000Hz 정도입니다. 만일 자동온도조절이 필요하다면 10분 또는 그이상의 범위에서 사이클 타임을 적절하게 유지하는 것이 아마도 가장 좋을 것 같습니다.

 

25. 열전 기술을 사용하면 얼마나 정확하게 온도를 조절할 수 있습니까?

 

적절하게 조절되고, 잘 설계된 안정상태의 controller를 사용하면(일반적으로 PID controller를 사용했을 때), 설정된 온도에서 0.1의 범위 내로 온도를 조절하는 것이 가능합니다(물론 이 경우는 외부 환경으로부터의 큰 간섭이 없는 경우겠지요!). 온도 안정성을 간접적으로 측정하는 방법으로는 몇 백 도 범위 안에서(천도까지도 가능합니다) 안정성을 얻을 수 있습니다. 물론, 안정 가능성을 논할 때 온도 구배를 생기게 할 열 부하 스트레스를 주는 것은 중요합니다. 그리고 부하의 일부분은 디지털 표시부분에 나타나는 숫자의 정확성에 상관없이 설정 온도로부터 변동되어 나타납니다. 또한 전체 부하에 있어서 동등한 응답을 기대할 수 없습니다. 설계자는 설정 온도의 이동이나 보정 손실 같은 장기간의 미묘한 문제들에 대하여 많이 신경을 써야 합니다.

 

26. 디바이스를 clamping하여 부착시키는데 특별히 고려해야할 사항이

 

일반적으로, 기계의 screw는 발열 면과 흡열 면사이에 Peltier 디바이스를 압착시키기 위하여 사용합니다. 하지만, 열전디바이스는 부적당한 조작으로 인하여 부서질 수 있기 때문에 clamping하는 방법을 잘 설계해야 하고, 좋은 방법을 찾아야합니다. 최상의 결과를 위해서, 모듈에 두 개의 압착 점을 만들고(가능하면) 디바이스에 가능한 한 밀접하게 붙이는 것이 좋습니다. 자연적으로 두 개의 압착 점은 모듈의 중앙선을 따라서 설치해야 하며 기계적인 두 개의 screw는 일정한 텐션을 가지고 각각 압착 점에 정확하게 주의하여 조립해야 합니다. 일반적으로 열전 디바이스를 조립할 때 실수하는 부분이 한쪽을 너무 타이트하게 죄는 것인데 그 결과 모듈의 윗면이 한쪽으로 기울어져 모듈이 파손될 수 있으며 압착 점의 수가 많거나 또는 모듈로부터의 거리가 길면 길수록 이런 상태에서 모듈의 손상가능성은 더욱 높아지게 됩니다.

디바이스를 여러 개 배치할 경우에는 디바이스마다 두 개의 screw를 항상 사용할 수는 없기 때문에, 종종 압착점사이의 공간은 한 개 일 때보다 거리가 더 커질 수 있으며 이로 인해서 디바이스 계면에서의 기계적인 휨이 발생할 수 있습니다. 따라서 이런 경우에 일반적으로 편평도를 맞추기 위해서 압착 점의 수량을 감소시키는 것이 필요합니다.

 

27. 열전 시스템에서 모듈의 hot sidecold side는 단열시켜야 합니까?

 

꼭 있어야 한다는 법칙은 없지만, 단열은 hot sidecold side 사이에서의 열 손실을 최소화하기 위해 매우 권장하는 방법입니다. 좋은 결과를 얻기 위해서 두 쪽 모두 closed-cell foam을 사용하십시오. 한 쪽만 단열하는 것으로는 원하는 성능을 얻기 힘듭니다.

 

28. 특별히 안전에 신경 쓸 게 있습니까?

 

먼저 발열 면이 적어도 방열판에 안정하게 장착되기 전에는 Peltier 디바이스에 전원을 결코 넣어서는 안 됩니다. 일반적인 표준형의 열전디바이스는 60W 이상의 열량을 발산하게 되는데 적절한 방열판을 장착시키지 않을 경우, 열전디바이스의 발열 면은 예상하는 것보다 더 뜨겁고 더 빠르게 온도가 올라갈 수 있습니다. 이것은 단순히 안전의 문제만이 아니며 만약에 적절한 방열판 없이 디바이스에 전원을 인가하면 열전디바이스는 자체적으로 아주 빠르게 파괴될 수 있습니다.

또 하나의 주의할 점은 전기적인 사항으로써, 열전디바이스는 알루미늄이나 구리 등의 하드웨어 중 어느 곳에도 장착시킬 수 있다(방열판, 수냉식 열교환기 등등). 그러므로 하드웨어와 열전디바이스의 부품 사이에는 수분 등의 발생으로 인한 전기적 단락이 발생할 가능성이 높기 때문에 열전시스템을 설계할 경우에는 안전의 차원에서 완전히 절연되고 적당한 퓨즈를 사용한 DC 전원공급기를 사용하는 것을 권장합니다.

 

29. 열전소자 내부의 수분 발생으로 인한 문제는 없습니까?

 

열전모듈을 적용한 응용품의 온도가 이슬점 이하로 냉각되어 응축이 생길 경우, 일반적으로 열전모듈에는 열적, 전기적 단락이 발생할 수 있습니다. 때문에 이를 방지하기 위한 방법으로 열전 모듈의 주변을 실리콘 및 에폭시 등의 sealantsealing하는 것이 필요합니다. 보통, sealant는 높은 유전체로 열전도도가 낮고 열팽창률도 작으며 증기 침투율도 작기 때문에 열전모듈의 응축으로 인한 피해를 줄이는데 효과적입니다. 그러나 모든 sealant는 열전모듈의 성능을 일정정도 감소시키며 2차원적인 실링만으로는 증기로부터 완벽하게 모듈을 보호할 수 없다는 단점을 가지고 있습니다. 그리고 열전소자는 내부의 습기로부터 완벽하게 차단하기 위해서 closed cell foam으로 단열되는 것이 좋습니다.

 

 

30. 열전소자가 발전용으로 쓰일 수 있다던데 그렇다면 소자 스스로 발전

해서 냉각을 할 수 있습니까?

 

이 세상에 공짜는 없습니다. 열전소자에 온도차를 주어서 발생되는 Seebeck 전압은 Peltier 효과로 인한 온도차를 발생시키기 위해 필요한 전압에 비해 아주 적은 크기입니다. 더군다나, 발생되는 전압은 적용 전압과는 반대 방향이 됩니다. 그러므로 열전 반도체에 흐르는 전류를 감소시키는 결과를 초래합니다.

 

31. 급속응고법이란 무엇인가요?

 

급속응고법을 이용하여 기계적 성질이 향상된 많은 재료를 제조할 수 있습니다. 특히 금속의 용융체로부터 금속분말을 제조하는 기체분사법(atomization), 수분사법(water atomization), 원심분무법(centrifugal atomization)melt spinning법 등 다양한 급속응고 기술들이 개발되어 왔습니다. 그러나 이러한 급속응고의 기술은 하나의 급속응고 기술로부터 변천되어 왔기 때문에 그 기본 원리는 같다고 볼 수 있습니다. , 급속응고란 말은 고/액 계면의 빠른 성장 속도를 얻기 위하여 높은 냉각 속도나 커다란 과냉을 이용한다는 것의 의미로 이해될 수 있습니다. 이러한 것은 열 에너지의 빠른 방출을 야기시키므로 평형으로부터 벗어나게 됩니다.

/액 계면의 성장속도가 느린 경우에는 국부적 조성변화로 인해 원자이동이 충분히 빠르므로 국부적인 평형에 도달할 수 있으나 고/액 계면의 성장속도가 빠른 경우에는 원자들이 고체와 액체가 모두 화학 potential이 같아지도록 원자를 재배열시킬만한 시간적 여유를 갖지 못하므로 용질 원자가 고/액 계면에 도달할 때 같은 조성의 고체 속으로 들어가게 되는 용질 포획이 일어납니다. 따라서 고/액 계면에서의 고체는 용질을 방출할 수 없게 되어 고체와 액체의 조성이 같게 되는 것입니다. 이와 같은 고/액 계면에서의 국부적 평형의 상실로부터 고용한의 증대, 응고조직의 미세화와 편석 감소, 비평형상의 생성을 통한 고용강화, 전위에 의한 강화, 분산상에 의한 강화, 결정립계에 의한 강화 등과 같은 이점을 얻을 수 있어 열전재료의 기계적 특성 및 성능을 향상시킬 수 있습니다.

 

32. 일반적으로 쓰이는 저항계로 열전소자를 검사할 수 있습니까?

 

검사할 수 없습니다. 대부분의 저항계는 대상체의 저항을 측정하기 위해 DC를 적용합니다. 그렇게 되면 Seebeck 효과로 인한 저항이 나타나게 되고 측정은 정확하지 않게 됩니다. 아울러 맥류의 DC 전압이 인가되는 전기저항계도 사용할 수 없습니다. 이것 역시 부정확한 측정장비를 만들게 하는 Seebeck 전압이 생기게 됩니다. 이 측정기는 Seebeck 효과를 무마시킬 수 있도록 하는 half cycle마다 극성을 역으로 바꾸어줄 수 있는 wave폼을 적용하여야 하는데 이런 특성을 갖는 장비가 고품질의 LCR-meter라는 것입니다.

 

33. 수동 열부하를 감소시키기 위해 취할 수 있는 방법이 있습니까?

 

물론 있습니다. 장치를 주변 대기로부터 가능한 한 단열시키는 것이 일반적으로 쓰이는 좋은 방법입니다. 단열을 잘하면 할수록 빠져나가는 열은 적게 됩니다. 따라서 단열체 주변으로 열이 샐 만한 곳은 모두 막는 것이 좋으며 열 손실을 최소화하기 위해서 입구도 잘 단열해야 합니다. 외부에 열원이 있다면, 가능한 한 내부로 들어오지 않도록 반사시키거나 차단시키시고, 외부 대기와 장치와 열 쇼트를 일으킬 만한 것은 제거하시기 바랍니다.

 

34. 열전 기술을 사용하면 얼마나 정확하게 온도를 조절할 수 있습니까?

 

적절하게 조절되고 잘 설계된 안정상태의 controller를 사용하면(일반적으로 PID controller를 사용했을 때), 설정된 온도에서 0.1의 범위 내로 온도를 조절하는 것이 가능합니다. 물론 이 경우는 외부 환경으로부터의 큰 간섭이 없는 경우이겠지요

 

35. 사양서에서 COP는 무엇을 의미합니까?

 

COP(Coefficient of performance)는 열전냉각(또는 heating)의 효과를 단적으로 나타냅니다. 이것은 본질적으로 열전모듈에 공급되는 전원의 양에 대한 모듈의 흡열(혹은 발열) 능력을 비율로 나타낸 것이죠. 수학적으로 나타내면, COP = Q / (VTE*ITE)가 됩니다. Q는 흡열량이고, VTEITE는 모듈로 공급되는 전압 및 전류를 나타냅니다.

 

36. 열전모듈은 얼마나 더 작게 만들 수 있습니까?

 

이론적으로는 형상 및 크기에 제약이 없습니다. 그러나 실용적으로 적용하기에는 이론적인 한계가 있습니다. 일반적으로 8mm x 8mm 미만으로 제조되는 열전모듈은 laser 다이오드 냉각용으로 사용됩니다. 매우 작은 크기의 모듈은 자동화 생산라인을 적용할 수 없기 때문에 일일이 수작업을 해야 하며 따라서 그 값이 상당히 비쌉니다. 결과적으로 micro 냉각 모듈을 디자인할 때는 가격과 성능이 주의 깊게 고려되어야 합니다.

 

37. 열전모듈은 얼마나 더 크게 만들 수 있습니까?

 

이 역시 이론적으로는 한계가 없습니다. 다만 실용성으로 따지면 약간의 제한이 있겠죠. 우선 열팽창/수축과 제조비용 등의 문제로 인해 열전모듈을 마냥 크게 만드는 것은 대단히 비효율적입니다. 일반적인 경우, 더 큰 냉각용량이 필요할 때 한 개의 거대한 모듈을 사용하는 것보다 작은 것 여러 개를 사용하는 것이 훨씬 효율이 좋습니다.

 

38. 열전모듈을 소량으로 구매할 수 있습니까?

 

, 있습니다. 그러나 새로운 기구들을 위한 비용이 전체 모듈 가격에 포함되기 때문에 소량을 구매할 경우 가격이 비싸지는 단점이 있습니다. 따라서 가능하다면 기성품을 사용하는 것이 일반적으로 비용 면에서 훨씬 유리합니다. 더 자세한 문의는 032-818-0354 로 연락 주십시오

 

 

39. 더 큰 T를 얻기 위해서 열전모듈을 물리적으로 쌓을 수 있습니까?

 

그렇기는 합니다. 그러나 단지 두 개의 서로 다른 열전모듈을 단순히 위아래로 쌓기만 해서는 안 됩니다. 두 번째 모듈은 열 부하로 인한 열과 함께 자기 스스로의 저항에 의한 열뿐 아니라 첫 번째 모듈에서 나오는 방출열도 뽑아내야 합니다. 이는 비용이라는 측면에서 매우 민감한 사안이기 때문에 두 번째 모듈에 비해 첫 번째 모듈의 크기는 통상적으로 작게 설계됩니다. 모듈을 쌓을 때 주의할 점은 전체 계단 모듈의 흡열 능력(W)이 가장 작은 모듈에 의해서 제한된다는 사실입니다. , T는 커지지만 흡열량은 줄어드는 것이죠.

 

40. 열전모듈에는 물기가 닿아도 됩니까?

 

전원이 연결되지 않은 상태에서 단순히 모듈의 표면을 깨끗이 하기 위해서라면 괜찮습니다.

하지만 열전모듈을 사용할 때 열과 전기적인 단락을 방지하기 위해 표면은 언제나 건조한 상태로 유지해야 합니다.

 

 

 

 

 

반응형