펠티어 소자란(열전 소자)?

안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.

최근 회사에서 논의 되었던 내용 중 하나가 장비에 있는 카메라의 열잡음을 없애기 위해

펠티어 소자를 사용하는 것이었습니다.

사실 저는 펠티어 소자를 잘 몰랐는데요.

모르는 걸 창피하다고 생각하면 안되지만 저는 괜히 창피해서 혼자 이렇게 알아보곤 합니다.

시작하겠습니다.

 

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1. 펠티어 효과란?

프랑스의 물리학자 장 펠티에가 소개한 것으로

전류를 흘려주면 전도성 물질 여러 층의 양끝에 온도차이가 지속되는 현상을 이용한 것입니다.

서로 다른 두개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한쪽 면에서는 흡열하고 다른 한쪽에서는 발열을 일으키는 현상을 펠티어 효과라고 합니다.

저온 냉각을 필요로 하는 반대편의 고온부분을 강제 냉각시키면 저온부의 열이 고온쪽으로 전달되는 것입니다.

지벡 효과에 의해서 한쪽이 차가워지면 다른 한쪽은 뜨거워지게 됩니다.

이 효과를 이용한 것이 바로 펠티어 소자 혹은 열전소자라고 합니다.

이 때 냉각되는 면을 더 차갑게 만들기를 원하면 발열되는 쪽의 방열을 더 잘해주면 됩니다.

너무 과열되면 효율이 떨어지다가 소자가 파괴될 수도 있으니 조심해야합니다.

 

 

여기서 지벡(Seebeck) 효과란 온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과를 말합니다.

지벡 효과는 가해지는 열에 의해 자유전자가 에너지를 얻고 이 에너지를 사용해 기전력이 발생하는 것이라면

펠티어 효과는 전자가 전위차가 있는 두 금속 사이를 움직이기 위해 에너지를 필요로 하고 여기에 필요한 에너지를 금속이 가지고 있는 에너지에서 뺏어간다는 원리를 기본으로 하고 있습니다.

전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 바꾸기 때문에 열을 방출/ 흡수 하는 면 역시 반대로 변합니다.

가해지는 전류량과 흡열/발열되는 열량은 지벡 효과의 공식 그대로 적용되며 비례상수 또한 같습니다.

펠티에 소자 (열전 소자)

 

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2. 펠티어 소자의 장단점

 

<장점>  

- 반영구적으로 사용이 가능하며 같은 열전소자로 가열과 냉각, 두 가지 기능을 제공한다.

- 상온보다 더 낮게 냉각이 가능하다. (온도가 내려갈수록 자유 전자가 줄어들어 노이즈가 줄어든다.)

- 적절한 제어 시스템을 갖추면 정밀한 온도 제어가 가능하다.

 

<단점>

- 가격이 비싸고 에너지 효율이 낮아 높은 전력을 소비한다.

- 전력소모가 큰데 이 전력은 전부 열로 발생하게 되기 때문에 시스템 전반적으로 온도 및 소음이 올라간다.

  

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3. 펠티어 소자의 용도

- 자동차 : 온도 조절 시트

- 컴퓨터 : CPU 냉각

- 가전 제품: 김치냉장고, 소형 냉장고, 냉온수기, 와인 냉장고, 쌀통, 제습기 등

- 광학 분야 : CCD 쿨링, 적외선 센서 냉각, 포토다이오드 냉각 등