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1. 개요
펠티에 효과(Peltier effect, thermoelectric effect)를 이용한 전자소재.2. 원리
서로 다른 두 전도성 물질 사이에 전류를 흘려주면 전도성 물질 여러 층의 양끝에 온도차이가 지속되는 현상[1]이 발생하는데, 이를 펠티에 효과라고 한다. 프랑스의 물리학자 장 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)가 1834년에 발견해 1900년대 초에 이론적으로 확립됐다.이 효과를 이용한 물건이 바로 펠티어 소자(Peltier element). 저온 냉각을 필요로 하는 반대편의 고온부분을 강제 냉각시키면 저온부의 열이 고온쪽으로 전달되는 것이다.
마치 샌드위치처럼, 세라믹 같은 두 개의 부도체 기판 사이에 N형과 P형 반도체 소자들을 교차해서 배열한다. 이때 N형과 P형 반도체 소자들은 세라믹 기판들에 바른 구리[2]로 인해 서로 직렬로 연결된 상태가 된다. 만약 N1 P1 N2 P2 N3 P3... 이렇게 교차로 배열된 반도체 소자들이 있다면, 구리로 인해 위쪽은 N1과 P1, N2와 P2, N3와 P3...가 연결되었지만, 아래 쪽은 P1과 N2, P2와 N3...가 연결되었다는 식이다. 하지만 이 구조 자체는 열적으로는 자연히 병렬로 연결된 형태가 된다. 그래서 한쪽에 전류를 걸어주면 전류의 흐름에 따라 한쪽 세라미 판이 차가워지고, 반대쪽 판은 뜨거워진다. 전류가 한 방향으로 흐를 때, 소자의 한쪽에서는 전자가 N형에서 P형으로 이동하면서 열을 흡수하고, 반대쪽에서는 열을 방출하는 것이다. 전류의 방향을 반대로 하면 냉각과 가열이 반대 방향으로 바뀐다.
제벡 효과에 의해 한쪽이 차가워지면 다른쪽은 뜨거워진다. 뜨거워지는 면을 잘 냉각시켜야 효율이 좋아지며, 과열되면 효율이 떨어지다가 급기야 소자가 파괴될 수 도 있다.[3]
역으로 이 소자에 열을 가하면 펠티어 효과의 반대 효과인 제벡 효과에 의해 전류가 발생한다.
3. 응용
소음이 없으며 효율이 좋기 때문에 소형 가전에 유용하게 쓰인다. 일반인도 구매해서 쓸 수 있으니 필요한거 같으면 찾아보자. 가로 세로 4cm의 소자가 4,000원 정도 한다.[4]이 효과를 이용하면 초소형 에어컨을 만들 수 있다. 다만 일반적인 에어컨에 쓰이는 증기압축식 과 달리 규모에 대해 소자가 비싸 가정용으로 쓰이지 않는 편. 효율이 낮다는 잘못된 소문이 있는데 이건 옴의 법칙을 이용해서 소자 여러개를 병렬로 연결하는 식으로 저항값을 조절해 전압과 전류를 낮추면 효율이 올라간다. 전류가 낮을수록 COP(냉방효율)이 급격하게 오르기 때문. 그래프로 보면 거의 무한대에 가깝게 올라가는데 이는 줄의 법칙 때문에 그렇다. 그래서 규모를 키우면 효율이 올라가긴 하지만 손톱만한 소자도 만원가까이 하기때문에 일반적인 에어컨을 고효율로 구현하기 위해 규모를 키우면 수백만원이 들어가서 상업성이 없기때문에 사용하지 않을뿐 최대효율 자체는 증기압축식은 명함도 못 내밀정도로 높다.
러시아군의 T-90의 일부 부품에도 시험적으로 사용되고 있다.
군사용으로 생각보다 오래 전부터 사용되어 왔는데, AIM-9 초기형의 시커 냉각을 위해 이게 도입되기도 하였다.
주변에서 볼 수 있는 것은 바로 김치냉장고이다.
컴퓨터의 CPU 냉각용으로는 초기 펜티엄 프로세서 시기에 '아이스 쿨러'라는 상품명으로 장착되어 판매된 바 있다.
2015년에는 탁상용 소형 제습기들에 많이 사용되었다. 흡기구는 열을 퍼내는 방열판을 대고. 배기구는 열을 뺏는 부분으로 하여, 간단하게 제습의 기능이 가능하고, 펠티어 소자 자체는 압축기처럼 소리를 내지 않아, 무소음에 가깝다. 다만 펠티어 소자를 쓴 제습기는 일반 압축기를 쓴 제습기에 비해 제습용량이 매우 낮다.[5] 실제로 이러한 제품들은 크기가 매우 컴팩트하여 방 혹은 책상 위에서 사용하는 것을 장점으로 내세웠지만, 전기는 컴프레서에 버금가게 소비하면서 효율은 엉망인 것으로 악명이 높았다. 그래서 원룸이나 드레스룸, 욕실, 방 등 특정 부분 제습에만 쓰였다.
자동차의 냉동 컵홀더에도 이것이 쓰인다.
생명과학 쪽에선 중합 효소 연쇄 반응기계에 사용하기도 했다. 온도를 빨리 올리는 거야 용량 큰 히터면 되지만 재빨리 내리는 데는 이게 필요하니까, 그냥 가열, 냉각을 다 이걸로 했다.
발전 목적으로도 쓸 수 있다. 체열과 기온의 차이에서 조그만 건전지를 간신히 충전할 만한 전력을 얻는 것부터, 보통 화력 발전소보다 더 뜨겁게 달군 유체를 터빈을 돌리기 이전에 통과시켜 전력을 생산해내는 것까지 있다. 열 자체에서 전기를 뽑아내야 해당한다. 원자력 전지도 이런 원리를 이용해서 전기를 뽑아낸다. 방사성 동위원소에서 발생하는 열을 이용하는 것. 또한 이 소자를 이용하여 태양열 발전을 하는 것도 연구중에 있다. 효율은 태양전지보다 떨어지지만(이론상 최대 효율 15%) 값싼 금속 재료만으로 만들 수 있고, 태양이 없는 시간에도 소자에 온도차만 만들 수 있으면(지열 등) 사용할 수 있기 때문에 상용화시 발전량 대비 비용은 기존 태양전지보다 우수할 것이라고 한다. 또한 이를 태양전지에 결합하여 태양광 발전의 폐열로 한번 더 전력을 만드는 방식도 연구중에 있다.
2022년, 포스코의 경우 뜨거운 쇳물을 운반하면서 생기는 열을 열전소자로 전기로 바꾸어 조명에 사용하기로 한다. #
3.1. 컴퓨터 쿨러
초기 펜티엄 프로세서 시기에 '아이스 쿨러'라는 상품명으로 장착, 판매되었던 펠티어 소자 CPU 냉각장치는 절륜한 냉각성능으로 많은 기대를 모았다. 이 펠티어 쿨러에 전원을 꽂고 동작시키면 CPU 근처에 하얗게 성에가 낄 정도 였다고 하니... 그런데 그 냉각 성능이 너무 좋아서 공기 중의 수분을 끌어 모으면서 얼어버리고 동작을 중단시키면 다시 녹고 반복하다보면 이 물 때문에 보드가 합선되거나 CPU 핀이 부식되는 현상이 발생하여 많은 사용자들을 눈물짓게 만들었다.펠티어 소자만 장착하면 장착한 뒷면이 뜨거워지고 효율이 떨어지는 문제는 거기에 다시 기존 CPU 방열판보다 큰 방열판과 냉각팬을 장착해야 되는 문제가 발생하게 되고, 펠티어 소자는 전력소모가 큰 데다 이 전력은 전부 열로 발생하게 되며, 시스템 전반적으로 온도 및 소음이 올라가는 문제점이 발생하게 된다. CPU 발열 하나 잡으려다 시스템 전체를 말아먹을 수 있는 현상이 발생하게 돼서 현재는 CPU 냉각용으로는 잘 쓰이지 않는다.
여기까지만 보면 펠티어 쿨러 자체의 단점은 2010년대에 와서는 문제될 게 거의 없다. 1990년대에는 마이크로컨트롤러와 온도센서를 써서 자동조절하도록 만든 키트가 별로 없이 그냥 일부 매니아들이 주로 사용했기 때문에 물이 흐르는 참사가 발생했지만, 지금은 센서도 싸고 회로도 널려 있다.
진짜 문제점은 CPU에서 열을 빼낸 다음의 일이다. 공랭쿨러의 경우 열을 가까이 있는 방열핀을 통해 직접 대기중으로 내보내는 것이고, 수랭쿨러의 경우 열을 냉매를 이용해 신속하게 (더 넓은 면적의) 라디에이터 쪽으로 이동시킨 다음 라디에이터 방열핀을 통해 대기중으로 내보내는 것이다. 펠티어 쿨러 대부분은 CPU에서 열을 가져오는 데 까지는 매우 유능하지만 그 다음 문제에 대해서는 대부분 대책이 부실하다. 결로는 부수적인 문제에 불과하다.
펠티어 소자는 일반적으로 자신이 이동시키는 열량과 비교해도 그리 뒤지지 않는 전력을 소모한다 (8W의 소형 칩을 냉각한다면 6W, 오버클럭한 CPU를 냉각한다면 최대 200W 등) 이 열은 고스란히 펠티어에 의해 옮겨진 열량과 합쳐져 냉각 시스템에 대한 부담으로 다가오게 된다. 쉽게 말해, 펠티어 소자 위에 공랭쿨러를 달려고 한다면 CPU 접촉면이 좀 차가워지는 대신 냉각성능 2배의 부담을 버티는 초 대장급 방열판과 팬이 필요하게 되며, 수랭 시스템으로 열을 옮기려고 한다면 최소 최고급 3열 수랭 이상의 크기로 동일한 수랭시스템의 2배에 달하는 열을 감당시켜야 한다.
여기에서 펠티어 소자를 개인이 실사용하려고 할 때의 근원적인 모순을 떠올리게 된다. '쿨링 효과의 2배를 라디에이터 덩치에 투자해야 하는 것이 실용성이 있는가?' 산업용이라면 공간의 제약이 문제가 아니므로, 일단 크리티컬한 위치에서 열을 추출하면 그 다음엔 공조장치든 칠러든 이미 구축되어 있는 냉각 인프라를 사용해서 열을 덤프시켜버리면 된다. 그러나 개인이 시스템을 구축한다면 열을 신나게 빼낼 때까진 좋았는데, 이번엔 그 빼낸 열+펠티어로 빼내면서 발생한 열까지 또 어딘가로 해결해야 하는 부담까지 직접 떠맡아야 한다. 이렇게 되면 그 열을 처리하는 데 들이는 시스템과 노력이 아까워지게 마련이다. 200W 용량을 추출하는 200W 소비 펠티어 시스템을 갖추고 400W 라디에이터로 열을 덤프할 시스템을 설계하다가 보면 그냥 300W 근처 용량의 통상 냉각시스템을 설계하는게 이득이라는 결론으로 회귀한다. 추가로 대량의 열을 컨트롤하지 못한다면 열 역전이 일어나서 펠티어 소자가 소비하는 대량의 열이 고스란히 CPU 쪽으로 쏟아질 수 있다는 리스크까지도 고려해 가면서 사용해야 한다.
반대로 펠티어 소자를 통한 냉각인 유용할 경우는, 부피의 제약이 없거나 매우 너그러울 경우를 생각하면 된다. 위에 있는 것처럼 거의 무한대의 풍량을 가져다 쓸 수 있는 미사일이나, 냉각수 인프라를 쓸 수 있는 산업현장, 어차피 대형 장비의 형태로 만들어지는 고부가가치 설비 등에는 이러한 열처리의 부담이 매우 적으므로 펠티어 역시 매력적인 선택지 중 하나로 고려될 수 있다. 소음에 민감한 장비나 아직도 상온 이하로 냉각할 필요가 있는 실리콘 센서 등에 사용되기도 한다. 온도가 내려갈수록 잉여 자유 전자가 줄어들기 때문에 노이즈를 줄일 수 있기 때문이다.
라즈베리 파이를 펠티어 소자로 냉각한 영상이다. 10와트도 되지 않는 칩셋이지만, 결로를 막기 위해 실온으로 한계온도를 설정하고 온도를 실시간 모니터링하면서 모스펫을 통해 드라이버를 On/Off 하는 회로까지 DIY한 모습이다. 결과적으로 매우 잘 작동했지만, 소비전력 8.4W의 라즈베리 파이를 냉각하기 위해 펠티어를 구동하는 전력이 6.5W 소비되었다. 동일한 쿨러를 직결했을 때(8.4W)보다 15도 정도 낮아지는 댓가로 쿨러는 14.9W를 전력으로 쿨링해야 하는 것.
Linus Tech Tips에서 제작한 일체형 수랭쿨러 영상.
EVGA 공식 오버클러커팀에 소속된 한국인 오버클러커의 CPU 워터블럭 리뷰영상. 아래에 언급된 ML360 Sub-Zero Cryo Cooler/ EKWB DELTA TEC 워터블럭을 사용한 내용인데, Idle 상태에서는 0도가 나오는 등 고무적인 모습을 보여줬지만 부하가 걸리자 순간적인 발열을 감당하지 못하고 온도가 폭등하다가 블루스크린이 뜨는 모습을 보여줬다. 열량을 옮기는 능력 상한선은 높아도 급격하게 변화하는 순간에 버퍼로서 작용할 수 있는(열용량) 데는 부족한 모습.
2020년에는 인텔과 Cooler Master, EKWB의 협력으로 펠티어 소자를 사용하는 ML360 Sub-Zero Cryo Cooler( 일체형 수랭)와 EKWB DELTA TEC 워터블럭이 출시되었는데, 인텔 10세대 전용으로 나왔다. 핵심은 펠티어 소자를 이용하여 쿨러 내의 냉각수의 온도를 0도 아래로 만들어서 극한의 쿨링을 한다는 이야기인데, PCI-e 전원 단자를 통해 200W까지(라디에이터 3팬, 워터펌프는 제외하고!) 가져다 쓰는 펠티어 시스템이며 i9-10900K를 무려 5.7GHz까지 오버클럭하여 사용하는 모습을 보여주었다. 실사용 벤치에서는 성능 자체는 나쁘지않지만, 기존의 3열 상급 수랭쿨러에 비해 확연한 차이가 없기에 아직 CPU 쿨러로써의 펠티어 소자는 아직 갈길이 먼 것으로 보인다. 워터블럭 또한 Idle로 사용시에는 온도가 커스텀 수랭치고 높게 나오고, 쿨링을 하면 시스템이 블루스크린이 뜨면서 강제종료되는 경우가 있어서 불안정한 모습을 보였다.
마찬가지로 2020년에 휴대폰 및 태블릿을 위한 모바일용 쿨러로 펠티어 소자를 이용한 제품이 출시되었는데, 기판위에 직접 붙는 CPU 쿨러들과 달리 모바일용 쿨러는 겉면에 장착되기 때문에 냉각으로 인한 결로현상은 별 문제가 되지 않아 사용하는 사람들이 많다.
4. 증기압축식 냉동기와 비교
냉동이나 공조에 널리 사용되는 증기압축식 냉동기와 비교하여 보면 펠티어 소자가 증기압축식 냉동기보다 최대COP[6]가 높고, 기계식 부품이 없다. 냉동에 사용되는 에너지는 증기압축식은 운동 에너지, 펠티어 소자는 전력이 사용된다. 그런데 펠티어 소자가 효율이 나쁘다는 인식이 생긴 이유는 펠티어소자는 크기가 클수록 전류가 낮을수록 COP가 높아지는데 소자 자체의 높은 단가로 인해 손바닥만한 초소형 소자[7]에 출력을 조금이라도 올려보겠다고 전류를 미친듯이 때려박기 때문이다.현재는 반도체의 특유의 높은 단가로 인해 주목받지 못 하지만 기술이 발전하여 단가가 충분히 내려가면 SSD가 하드디스크를 밀어낸것처럼 저소음과 높은 COP로 증기압축식을 밀어낼 가능성이 높다.
소규모 장비에 사용하였을 때를 기준으로 하면, 펠티어 소자는 기계식 부품이 없고, 무거운 컴프레서가 없으므로 소음도 적으며 무게도 가볍고 부피도 작으며, 냉매를 사용하지 않고도 냉방이 가능하고, 제어를 위해 전자 팽창 밸브나 인버터 등이 필요하지 않고, 가격도 저렴하기까지 하다.[9] 소규모 장비에서는 소비전력보다 비용 절감이나 무게, 공간 효율성이 더 중요하므로 증기압축식 냉동기보다 펠티어 소자가 적절하다.
손으로 휴대하는 제품까진 증기압축식으로 만들 수 없으므로 펠티어 소자가 우세하나, 캠핑용 이상으로 가면 증기압축식 에어컨이 이미 판매되고 있으므로 펠티어 소자방식의 제품을 찾을 수 없다. 그리고 중, 대규모[10] 설비는 다루는 열이 많은 만큼 효율이 높은 증기압축식이 유리하다. 효율이 높으므로 방열기의 크기를 줄일 수 있어 컴프레서가 있더라도 증기압축식이 공간 활용에서 유리하다.
압축기는 냉방능력이 소비전력의 4배니까, 펠티어 소자의 냉방능력은 아무리 높아도 소비전력과 같다. 이것도 이상적인 펠티어 소자 기준으로 잡은 것이므로, 실제로 쓰는 제품은 이보다 훨씬 낮다.[11]
5. 흡수식 냉동기와 비교
과거 냉동[12]에 사용되었고, 현재 대규모 공조[13]에 널리 사용되는 흡수식 냉동기와 비교하여 보면 펠티어 소자가 냉각 가능한 온도가 더 낮고 규모에서는 흡수식 냉동기가 소규모부터 대규모 냉동까지 가능한 데 비해 펠티어 소자는 소규모 시스템에서만 사용되고 있다. 반응 속도의 경우 펠티어 식이 더욱 빠른 편이다. 냉각에 사용되는 에너지는 펠티어 소자는 전기 에너지, 흡수식 냉동기의 경우 열 에너지가 사용된다. 효율의 경우 현재 대규모 공조에 사용되는 흡수식 냉동기가 COP 1 정도로 크게 높지 않지만 펠티어 소자의 경우 이보다 더 낮다.과거에는 소형 냉장고에 암모니아 기화식 흡수식 냉동기가 사용되기도 하였는데 현재는 이 수요가 거의 대부분 펠티어 방식으로 넘어왔다. 다만 캠핑카 같이 전기 사용이 자유롭지 않은 장소에서는 LP 가스로도 작동이 가능한 흡수식 냉장고가 사용된다.
[1]
제벡 효과의 역방향 동작이라고 할 수 있다.
[2]
쿠퍼 스트랩
[3]
소자 자체는 몇백도의 온도를 버틸수 있지만 대부분의 상용 펠티어 소자는 두 소자의 접합부분이 100도 이상에서 못버티는 경우가 많다.
[4]
12V 6A 기준. 8A는 2만원대까지 올라감. 알리익스프레스 등에서 직구할 경우 4x4cm 크기의 6A 소자가 2,500원, 10A 소자가 4,500원 정도 한다. 15A 소자는 5,500원 정도. 다만 이런 저렴한 소자의 경우 접합 부분의 소재 문제 때문에 한계 온도가 낮은 경우가 많은데다가 이 A수치는 해당 소자가 열에 버틸수 있는 한계 기점을 기준으로 하지 효율이나 최대성능과는 무관해서 저질스펙인경우도 많다. 면적이야 그냥 두께를 얇게하거나 케이스를 크게 만들면 될일이고
[5]
컴프레서를 쓴 제습기는 못해도 10
L/24h리터대는 되지만 펠티어 소자를 쓴 제습기는 아무리 고성능이여도 1
L/24h 안되는 경우가 허다하다.
[6]
냉동 효율이라고 부르고, 냉각 능력 대비 소비 전력을 의미한다.
[7]
이와 달리 증기압축식은 구조가 워낙 단순하다보니 저렴하여 동일 비용대비 무게와 부피 출력 모두 수십배는 된다. 펠티어 소자는 PN반도체를 셀단위로 수백수천개를 박아야하는데다가 귀중한 실리콘 잉곳이 필요하다 보니 비용이 어마어마하게 들어간다.
[8]
어째서 이런 현상이 발생하느냐면 기존 난방장치는 가진 에너지를 열로 바꾸는 것이기에 투입된 에너지를 절대 넘을 수 없지만, 펠티어 소자는 반대편에 존재하는 열에너지를 이쪽으로 끌어오는 것이기 때문에 투입된 에너지보다 더 많은 열을 낼 수 있다. 자세한 것은
히트펌프 참고.
[9]
일정수준에 도달하면 냉각팬으로 냉각을 해줘야 되긴 하지만 이건 컴프레서를 쓰는 기존 장비또한 동일하다.
[10]
가정용 에어컨이나 냉장고, 제습기 정도만 되어도 펠티어 방식을 사용한 제품은 급할 때나 사용하는 간이 제품 수준이며 이 이상으로 상품성을 높이는 것은 어렵다.
[11]
그래서 이를 극복하기 위해 "
자기냉동 소자"를 개발하고 있다. 자기냉동 소자는 압축기와 비슷한 효율을 가지면서도 펠티어 소자만큼 작다.
[12]
주로 암모니아 기화 방식
[13]
물 기화 방식