다른 반도체와 금속의 접합부에 전류를 흘리면 열이 한쪽으로 이동한다는 현상을 이용한 '열전냉각'이라는 기술이 CPU의 냉각이나 의료, 군용기구에 사용되는 경우가 있습니다. 이 열전냉각에 대해 물리학자인 알프레드 피고트 씨가 설명했습니다.
How Thermoelectric Cooling Works [2024] - Applied Thermoelectric Solutions LLC
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How Thermoelectric Cooling Works [2024]
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열전냉각에는 p형 반도체와 n형 반도체와 2개의 금속을 사용합니다. p는 포지티브, n은 네거티브를 가리키며 각각 양과 음의 전하를 갖는 것이 이름의 기원입니다.
두 반도체(N과 P)는 2장의 금속(Ceramic Plate)에 끼워져 금속과 반도체의 접합부에 전류가 흐릅니다. 그 결과 전자의 흐름이 생겨나 한쪽의 금속에서는 전자가 에너지를 빼앗기 때문에 냉각이 일어나고 다른 한쪽에서는 전자가 방출하는 에너지에 의해 가열이 일어납니다. 열전냉각 모듈의 극성을 반전시키면 뜨거워지는 쪽과 차가워지는 쪽이 바뀝니다.
또한 열이 한쪽에서 다른쪽으로 이동하는 속도는 p형 반도체와 n형 반도체의 수, 공급되는 전류의 유량에 비례합니다.
열전냉각은 장 샤를 펠티에가 발견한 펠티에 효과가 바탕입니다. 펠티에는 반도체 대신 금속을 사용했지만 열전냉각과 열전 발전의 효율을 높이기 위해 현대에서는 반도체가 사용되고 있습니다.
그 반도체의 재료에는 텔루르화 비스무트가 일반적으로 사용되며, n형과 p형 각각에 셀레늄과 안티몬이 첨부되어 있습니다.
열전냉각은 마모되는 작동 부품이 없으며 모든 방향으로 설치되며 무중력 및 고가속 하에서도 작동할 수 있다는 장점이 있기 때문에 항공우주 및 군사산업에서 애용합니다. 또한 온실가스를 발생시키지 않고 1개의 냉각과 가열 양쪽을 실시할 수 있고 컴팩트한 사이즈로 거의 완전한 정음과 무진동을 실현하며 온도를 정확하게 제어할 수 있는 등 다양한 이점이 있습니다.
단점으로는 설계에 따라서는 효율이 극단적으로 떨어지게 되고 경우에 따라서는 전력비용이 높아지는 점 등이 과제로 남아 있습니다.
피고트 씨에 따르면 열전냉각 모듈은 모두 p형 반도체로 만들거나 반대로 모두 n형 반도체로 만들 수도 있다고 합니다. 그러나 이러한 설계에서는 하나의 모듈에 많은 반도체와 다량의 전류가 필요하기 때문에 그다지 실용적인 것이 되지 않는다는 것입니다.
열전냉각이 사용되는 제품에는 의료용 레이저와 휴대용 인슐린 냉장고, 자동차 냉각 시트 및 배터리 열관리 시스템, 군용 열센서 및 적외선 검출기, 일반 소비자용 휴대용 쿨러 등이 있습니다.
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