펠티에(Peltier) 소자 효과

[김주석]

분류

• 전자기학
• 역학

펠티에 효과(Peltier effect, thermoelectric effect)

1834년에 발견되어 1900년대 초에 이론적으로 확립된 기술. 전기 냉동 시스템으로 불리기도 한다.
펠티에 효과는 프랑스의 물리학자 장 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)가 소개하였다.

전류를 흘려주면 전도성 물질 여러 층의 양끝에 온도차이가 지속되는 현상을 이용한 것으로 저온 냉각을 필요로 하는 반대편의 고온부분을 강제 냉각시키면 저온부의 열이 고온쪽으로 전달되는 것이다. 지벡 효과에 의해 한쪽이 차가워지면 다른쪽은 뜨거워진다. 뜨거워지는 면을 잘 냉각시켜야 효율이 좋아지며, 과열되면 효율이 떨어지다가 급기야 소자가 파괴되거나,[1] 열 역전 현상이 일어나 저온부와 고온부가 뒤바뀔 수도 있다.

이 효과를 이용한 물건이 바로 펠티어 소자 혹은 열전소자. CPU냉각이나 미니 냉장고등에 쓰인다. 일반인도 구매해서 쓸 수 있으니 필요한거 같으면 찾아보자. 가로 세로 4cm의 소자가 4,000원 정도 한다.[2]

이 효과를 이용하면 초소형 에어컨을 만들 수 있다. 다만 아직은 낮은 효율로 인해 시험 단계. 러시아군의 T-90의 일부 차량에도 시험적으로 사용되고 있다.

생각보다 오래 전부터 사용되어 왔는데, AIM-9 초기형의 시커 냉각을 위해 이게 도입되기도 하였다. 초기 펜티엄 프로세서 시기에 '아이스 쿨러'라는 상품명으로 장착, 판매되었던 펠티어 소자 CPU 냉각장치는 절륜한 냉각성능으로 많은 기대를 모았다. 전원을 꽂고 동작시키면 CPU 근처에 하얗게 성에가 낄정도 였다고 하니... 그런데 그 냉각 성능이 너무 좋아서 공기중의 수분을 끌어 모으면서 얼어버리고 동작을 중단시키면 다시 녹고 반복하다보면 이 물때문에 보드가 날아가거나 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. 하이엔드 냉각장치에는 열전소자 대신 고전적인 수냉 방식이 많이 사용된다. 어차피 CPU를 냉동시킬 것이 아닌 이상(...) 상온 이하로 내릴 필요가 없기 때문이다. 그냥 50도 이하로 굴러가면 된다.

여기까지 보면 펠티어 쿨러의 단점은 2010년대에 와서는 문제될 게 거의 없다. 90년대에는 마이크로컨트롤러와 온도센서를 써서 자동조절하도록 만든 키트가 별로 없이 그냥 일부 매니아들이 주로 사용했기 때문에 물이 흐르는 참사가 발생했지만, 지금은 센서도 싸고 회로도 널려 있다. 그리고 당시와 달리 CPU는 더 작아졌고 소비전력도 적다. 즉, 열을 강제로 이동시키는 도구의 쓸모는 없어지지 않았다.

가장 큰 장점은 별도의 구동부가 없이 냉방효과를 구현할수 있다는것[3]. 이때문에 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. 물론, 초전도체를 위해서는 여전히 액체질소 정도는 가져와야 하지만...

2015년에는 제습기에 많이 사용된다. 흡기구는 열을 퍼내는 방열판을 대고. 배기구는 열을 뺏는 부분으로 하여, 간단하게 제습의 기능이 가능하다. 다만 펠티어 소자를 쓴 제습기는 일반 압축기를 쓴 제습기에 비해 제습용량이 매우 낮다. [4]

생명과학쪽에선 PCR기계에 사용하기도 했다. 온도를 빨리 올리는 거야 용량 큰 히터면 되지만 재빨리 내리는 데는 이게 필요하니까, 그냥 가열, 냉각을 다 이걸로 했다.

일부 소형 정수기에서도 냉매 방식 대용으로 사용된 적이 있다.지금은 효율성 문제 때문에[5] 다시 냉매 방식으로 교체된 모델도 있다

이런 종류의 소자가 다 그렇듯이 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 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.

[1] 소자 자체는 몇백도의 온도를 버틸수 있지만 대부분의 상용 펠티어 소자는 두 소자의 접합부분이 100도 이상에서 못버티는 경우가 많다.

[2] 12V 6A 기준. 8A는 2만원대까지 올라감. 알리익스프레스 등에서 직구할 경우 4x4cm 크기의 6A 소자가 2,500원, 10A 소자가 4,500원정도 한다. 15A 소자는 5,500원정도. 다만 이런소자의 경우 접합 부분의 소재 문제 때문에 한계 온도가 낮은 경우가 많다.[3] 물론 일정수준에 도달하면 냉각팬으로 냉각을 해줘야 되긴 하지만 이건 컴프레서를 쓰는 기존 장비또한 동일하다.[4] 컴프레서를 쓴 제습기는 못해도 10리터대는 되지만 펠티어 소자를 쓴 제습기는 절반도 안되는 경우가 허다하다.[5] 펠티어 효과를 이용한 냉각은 컴프레서를 이용한 열교환 사이클에 비해 효율이 몇배 낮다.

펠티어 소자 - 나무위키