펠티어 소자란?
펠티어 소자(영어: Peltier element)는 서로 다른 두 종류의 금속에 전류를 흘리면 접합부에서 열이 이동하는 펠티에 효과를 이용한 소자입니다.
현재 실용화되고 있는 효율적인 펠티에 소자는 두 가지 금속이 아닌 n형 반도체, 금속, p형 반도체의 세 가지 재료로 만들어집니다. 열의 이동을 이용해 보통은 냉각장치로 활용되지만, 전류의 방향을 바꾸면 열의 이동 방향도 바뀌기 때문에 가열장치로도 활용할 수 있습니다.
펠티어 소자는 히트펌프 등과 달리 전류를 흘려보내는 것만으로 냉각 효과를 얻을 수 있기 때문에 소음이나 진동 등이 발생하지 않는 장점이 있습니다. 또한, 냉매가 불필요하고 부식성 액체 등을 사용하지 않기 때문에 환경 부하가 적은 냉각 장치입니다.
펠티어 소자의 사용 용도
펠티어 소자는 청정 냉각소자로서 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
1. 식품 분야
펠티어 소자는 작고, 깨끗하고, 안전합니다. 식품 쇼케이스, 소형 음료 케이스, 우유 냉각기, 호텔 빵 등에 사용됩니다.
2. 산업 분야
산업분야의 기기는 예외 없이 물에 취약하지만, 온도를 조절하여 결로 발생이 적은 냉풍을 공급하거나 결로 배수구를 내장하는 등의 대책을 마련하고 있습니다. 조작반 냉각, 감시카메라 냉각, 제어반 내부 부품의 국부 냉각, 성형 금형 냉각, 항온항습공기 공급장치 등의 용도가 있습니다.
3. 광학 분야
한정된 공간에서 장치의 냉각을 위해 펠티에 소자가 많이 사용됩니다. 발열원의 직접 냉각, 소형 중계함의 냉각, 광검출 소자의 온도 제어, 레이저 다이오드의 온도 제어, CCD 카메라, 프로젝터, 복사기, 감시 카메라의 냉각, 레이저 등의 냉각수 등입니다.
4. 민생 분야
진동과 소음이 전혀 없고 냉각기구가 작다는 장점을 살려 병원이나 호텔 객실용 상업용 냉장고로 펠티에가 사용됩니다. 소형 냉장고, 쿨러박스, 맥주 서버, 와인셀러, 수조의 물 온도 관리, 컴퓨터 CPU 냉각, 제습기, 공기청정기, 건조기, 미용기기의 음이온 발생장치 등입니다.
5. 기타 분야
계측 및 분석 분야, 반도체 분야, 의료 및 이화학 분야 등에서도 펠티에 소자가 냉각 및 가열에 사용됩니다.
펠티어 소자의 원리
펠티어 소자는 현재 금속이 아닌 p형 반도체와 n형 반도체를 사용합니다. 에너지 레벨이 낮은 p형 반도체에서 에너지 레벨이 높은 n형 반도체로 전자의 이동이 일어나려면 외부에서 에너지를 흡수해야 하는데, 이때 흡열이 일어나 온도가 낮아집니다.
이때 전류를 흘리는 방향을 반대로 하면 이번에는 에너지가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전자의 이동이 일어나기 때문에 잉여 에너지를 방출하는 발열이 일어납니다. 따라서 펠티에 소자는 흐르는 전류의 방향에 따라 냉각장치로도, 가온장치로도 활용할 수 있습니다.
하지만 펠티에 소자를 이용한 열변환은 전력 소비에 비해 효율이 좋지 않아 대규모의 냉각이나 가열에는 적합하지 않습니다. 효율적인 냉각을 위해서는 핀이나 팬을 이용한 방열, 배기 메커니즘과 함께 사용하는 것이 효과적입니다.
펠티어 소자의 기타 정보
1. 전자식 냉각의 장점
일반적으로 냉각 장치는 냉매라는 냉각 가스를 사용하여 열 교환을 합니다. 이 냉매는 지구 온난화에 적지 않은 영향을 미치는 온실가스 중 하나이기 때문에 환경적 부담을 무시할 수 없습니다.
반면, 펠티에 소자를 이용한 전자냉각은 냉매를 사용하지 않기 때문에 환경 부하가 적은 냉각 시스템이라고 할 수 있습니다. 또한, 냉매를 사용하는 냉각장치에서는 압축기가 필요하기 때문에 소음과 진동이 발생할 수밖에 없는데, 전자냉각은 이러한 걱정이 없습니다.
2. 펠티어 소자의 냉각 기능
펠티어 소자의 특성을 이용하여 냉각 기능을 실현할 수 있습니다. 펠티어 소자에 직류 전류를 흘리면 저온 측에서는 흡열이, 고온 측에서는 발열이 일어납니다. 이 현상을 이용한 것이 펠티에 소자의 냉각 기능입니다.
시중에서 판매되는 제품은 마이너스 온도까지 냉각이 가능합니다. 보냉 박스나 컴퓨터의 CPU 냉각 등에 활용됩니다.
3. 웨어러블 디바이스에 적용
펠티어 소자의 특성을 이용한 웨어러블 디바이스가 개발되고 있습니다. 현재 판매되고 있는 웨어러블 디바이스 중에는 목을 따뜻하게 하거나 차갑게 할 수 있는 디바이스가 있습니다.
이 장치는 목에 닿는 위치에 있는 패널의 온도를 조절하여 따뜻함과 차가움을 느낄 수 있습니다.