1. 열전소자 개요
○ 열전소자(열전모듈, 열전디바이스 등)는 열전 냉각(Thermoelectric cooling, TEC) 및 열전 발전(Thermoelectric generation, TEG) 분야에 사용하는 전자소자로써, 특히 열전냉각은 냉각대상체를 주변 온도 이하로 능동 냉각(Active cooling) 하거나 0.01℃ 이하의 온도제어가 요구되는 고정밀 온도제어 분야에 폭넓게 사용되고 있다.
○ 열전소자는 열전소자의 공급전류를 제어하여 주어진 물체의 온도를 능동적으로 조절할 수 있으며, 무소음과 무진동, 기계적 이동 부품 없고, 전류의 방향을 변경하여 냉각에서 가열로의 전환이 가능한 특징을 가지고 있다.
○ 열전소자는 최대 200℃ 이하의 작동온도에서 사용할 수 있으며, 이것은 솔더(열전소자 내부 접합재)의 리플로우 온도에 의해 결정된다. 또한 열전소자는 hot side와 cold side의 최대온도차가 존재하며, 일반적인 응용분야에서 단일 스테이지로써는 약 50K의 온도차를 구현할 수 있다.
○ 열전소자의 동작조건에서, 최대전류값(Imax)보다 큰 전류에서는 열전소자 내의 전력손실(I2·R)이 증가하여 온도가 다시 상승하게 된다. 따라서 열전소자는 최대전류값 이하의 조건에서 사용되도록 한다.
Fig 1. Thermal flux varies depending on the current
2. 열전시스템의 구성
Fig 2. The configuration of a thermoelectric system
○ 열전시스템은 열전소자(열전모듈, 펠티어소자), 방열부(방열판, 팬), 컨트롤러로 구성되며, 시스템의 주변온도가 방열판의 방열량과 관련하여 열전시스템의 성능에 중요한 역할을 한다.
○ 그 밖에 대상체와 방열판에 부착되는 온도센서, 모니터링을 위한 소프트웨어, 전원공급장치 등이 있다.
3. 열전시스템의 열회로
○ 일반적인 열전시스템은 냉각대상체부터 방열판까지 열적으로 직렬로 연결된 열회로를 가진다. 아래 그림은 대상체가 완벽하게 단열된 상태에서 대류에 의한 열손실이 없는 것을 가정한 열회로를 보여주고 있으며, 이때 Q는 각 구성 요소들의 열용량을 나타낸다.
Fig 3. Thermoelectric System's Heat Circuit
○ 일례로, 각 구성 요소의 열용량(Q)을 제외한 열회로의 온도변화를 살펴보면, 열전소자의 cold side가 –5℃로 냉각되는 경우에 hot side는 35℃가 되고, 방열판은 25℃의 주변공기로 열을 방출하게 된다.
Fig 4. The temperature distribution of the thermoelectric system
4. 열전시스템의 설계 프로세스
○ 열전시스템을 설계하기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 절차를 거치게 되며, 이때 적용제품에 따라서 절차를 반복하거나 생략 또는 변경할 수 있다.
1) 냉각대상체의 열부하량 계산
2) 방열판 및 대상체의 작동 온도범위 설정
3) 열전소자의 선정
4) 필요한 전력범위에서의 컨트롤러(제어부) 선정
5) 방열판 선정 (방열팬의 경우 선택사항)
6) 온도센서 선정
7) 전원공급장치 선정
1) 열부하량 계산
○ 열부하 계산에서 중요한 것은 냉각(또는 온도제어) 대상체에서 흡수되는(제거해야 할) 열량(Qc, W)이며, 이외에도 제품에 따라 다양한 유형의 열부하가 존재하게 된다.
◾ 소비전력
◾ 열전달량(또는 손실량) : 복사, 대류, 전도
◾ 동적 열량 (Dynamic Heat Flow, dQ/dT)
○ 열부하(Qc)는 cold side에서 흡수되어 방열판이 있는 hot side쪽으로 전달되어 외부(대기)로 방출된다.
2) 작동 온도범위 설정
○ 대상체(제품)를 주어진(목표하는) 온도로 냉각하는 열전냉각에서, 냉각 대상체는 열전소자의 cold side와 접촉하여 일정 시간이 경과한 후에는 열전소자의 cold side 온도와 같아지게 된다.
○ 따라서 열전시스템은 대상체의 온도와 방열판의 온도를 기준으로 작동 온도범위를 설정하여야 한다.
◾ TO : 대상체의 온도 (cold side 온도, ℃)
◾ THS : 방열판의 온도 (hot side 온도, ℃), THS=Tamb+ΔTHS
◾ dT(ΔT) : TO와 THS의 차이, dT=THS-TO=Tamb+ΔTHS–TO
3) 열전소자의 선정
○ 전류 흐름에 의해 제품의 양단에 온도차가 발생하는 열전소자는 성능계수(Coefficient of Performance, COP, COP=QC/Pel)를 중요한 선정기준으로 고려해야 한다.
○ 최대 COP 조건에서는, 열전소자는 최소 입력전력으로 방열판으로의 열방출(Qh=Qc+Pel)이 최소로 일어난다. 따라서 목표하는 dT조건에서 최적의 COP를 생성하는 전류 조건을갖도록 열전소자를 선정해야 한다.
○ 열전소자는 계산된 최대흡열량(Qmax, W) 조건을 만족해야 하며, 이때 설계여유를 충분히 고려하여 주변온도 또는 능동 열부하의 변화에 따른 열폭주를 억제하도록 한다.
○ 열전소자 선정 시의 주요 고려사항
◾ 필요한 heat pump 용량보다 큰 열전소자를 선택한다.
◾ 열전소자의 Imax 보다 훨씬 낮은 작동전류 조건에서 시스템을 설계한다.
◾ 방열판 크기를 키우거나 방열팬을 추가하여 방열부의 방열용량을 증가시킨다.
4) 컨트롤러의 선정
○ 컨트롤러는 열전소자에 공급되는 전류를 조정하여 냉각대상체의 온도를 조절하는 역할을 한다. 이때 컨트롤러는 Imax가 아닌 열전소자의 공급전류(작동전류)를 기준으로 선정한다.
5) 방열판의 선정
○ 방열판은 열전소자의 hot side에서 열부하를 흡수하여 주변 공기로 방출하는 역할을 하며, 방열판의 온도가 열전시스템의 작동 온도범위와 효율를 결정한다. 따라서 방열판의 온도증가를 억제하기 위해 방열판 크기는 여유를 갖도록 선정한다.
○ 아래 그림과 같이, 열전소자에서 발생하는 발열량(Qh, W)는 최대흡열량(Qmax)의 최대 2.6배까지 상승할 수 있다. 이것은 heat pumping 과정에서, 열전소자의 내부에서 추가적으로 생성되는 열 때문이다. 따라서 방열판은 대상체의 열부하와 함께 열전소자 내부의 추가 발생열을 모두 고려한 총 발열량을 기준으로 선정한다.
○ 열전소자 제조업체에서 제공하는 성능곡선을 활용하면 방열판에서의 총 방열량을 추정하는 것이 유리하다. 일반적으로 열전소자 제조업체는 전류 및 온도조건(온도차, dT)에 따른 열전소자의 발열량 데이터를 제공하고 있으며, 이후 그림은 테그웨이의 S169A068085모델을 예로 들어서 설명하도록 한다.
Fig 5. The relationship between current and (Qh/Qmax).
(TEGWAY- S169A068085 model)
○ 열전소자의 냉각성능을 높이기 위하여 방열판의 열저항은 낮아야 한다. 방열판의 열저항은 주변공기와의 온도차를 방열판으로의 인입 열량으로 나누어 준 값으로, ΔTHS는 최대 주변온도를 기준으로 계산하도록 한다.
◾ Rth_HS, (K/W) = ΔTHS / Qh
◾ ΔTHS : 방열판과 주변공기와의 온도차 (K)
◾ Qh : 총 열부하 (W)
* 참고) dT에 따른 방열량의 변화 (dT-방열량의 관계)
◦ 열전소자의 공급전류를 증가시키면 열전소자의 발열량(Qh)은 증가하고, 특히 열전소자의 dT가 증가할수록 열전소자의 cold side에서 흡수되는 열량보다 방열판으로 방출되는 열량이 더 커지게 된다.
◦ 따라서 열전소자 제조업체에서 제공되는 입력 전원(전류)에 따라 열전달량(Qc) 및 발열량(Qh) 데이터를 바탕으로, 온도차(dTHS)에 따른 실제값을 예측하고 방열판의 열저항을 계산하도록 한다.
Fig 6. Variation of Qc and Qh according to the current
(TEGWAY- S169A068085 model)
◦ 검토 단계
- 그래프에서 주어진 전류 및 dT 조건에 따른 Qh와 Qc의 값을 찾는다
- 목표로 하는 방열판과 주변 공기온도와의 온도차(dTHS)를 선택한다.
- Rth_HS와 Qh 에 대한 관계식을 이용하여 Qh(또는 Qc)에 따른 Rth_HS를 결정한다 : Rth_HS = ΔTHS / (ratio x QC), ratio = Qh/Qc
- 방열판의 열저항에 따른 dT는 다음과 같다 : dT = Tamb + ΔTHS – TO, ΔTHS = Qh / Rth_HS
* 참고) 방열팬 검토
◦ 방열판의 열저항(방열판에서 주변 공기로의)을 줄여주기 위하여 방열팬을 사용할 필요가 있으며, 방열판의 성능 향상으로 인해 방열판의 온도차(dT) 및 크기를 줄일 수 있다.
◦ 팬의 속도제어는 일반적으로 PWM 제어가 사용되며 TEC 컨트롤러와 동일한 전압을 사용하는 것이 편리하다.
6) 열전소자 및 방열판의 용량 계산 사례
○ 열전시스템 설계를 위한 열전소자 선정에 있어서 2가지 중요 선정기준은 열전소자의 최대냉각량(Qmax)과 온도차(dT)이다.
* 참고) 온도 정의 및 열부하 예측
◦ QC=10W의 열부하를 가진 대상체를 0℃로 냉각(TO=0℃)시킬 때 실내온도는 25℃이고, 방열판 온도(TS)가 30℃가 된다고 가정하면 열전소자의 양단의 온도차는 30K가 된다.
◦ 즉, 열전소자 양단의 온도차는 주변온도가 아닌 방열판의 온도를 기준으로 한다.
* 참고) 열전소자의 선정
◦ 열전소자는 필요한 Qc를 가지면서 최고의 COP를 구현할 수 있는 용량(Qmax)을 가져야 한다.
◦ 열전소자의 성능계수 대 전류 그래프에서, 상대전류(I/Imax)=0.45의 전류조건(I=2.7A) 일 때 dT=30K의 최대값을 갖는 조건을 찾는다. 이때 전류조건은 일반적으로 0.7보다 낮은 조건에서 찾도록 한다.
Fig 7. The relationship between current and COP
(TEGWAY- S169A068085 model)
◦ 전류조건을 이용하여, 아래 그래프에서 dT=30K이고, 상대전류(I/Imax)가 0.45일 때의 QC값을 결정한다. (Qc=22W, Qmax=76W, QC/Qmax=0.28)
Fig 8. The relationship between current and heat transfer capacity (Qc)
(TEGWAY- S169A068085 model)
성능 대 전류 그래프를 이용하여 상대전류(I/Imax)에서의 COP(=0.7)를 구하고 입력전력을 계산한다 : Pel = QC/COP = 22W/0.7 = 31.4W
◦ 열전소자 제조업체의 자료를 바탕으로, Qmax가 76W 이상이면서 dT=30K 조건(단일 스테이지 모듈로 가능)에서 Qc를 만족하는 제품을 선택한다.
◦ 작동 전류 및 전압을 계산한다.
- 작동(인가) 전류, I = Imax*(I/Imax) = 6A*0.45 = 2.7A
- 작동(인가) 전압, V = Pel/I = 31.4W/2.7A = 11.6V
◦ 컨트롤러의 선정 : 계산된 작동 전류 및 전압을 기준으로 설계 여유를 감안하여 컨트롤러를 선정한다.
* 참고) 방열판
◦ 열전소자의 용량에 맞는 방열판을 선정하기 위하여 방열판의 열저항을 구한다.
◦ 방열량 대 전류 그래프을 이용하여 dT=30K인 조건에서의 Qh를 구한다. : Qh = 50W (Qh/Qmax = 0.65, Qmax = 76W)
Fig 9. The relationship between current and heat dissipation (Qh)
(TEGWAY- S169A068085 model)
◦ 방열판의 열저항을 계산한다. : Rth_HS = ΔTHS/Qh = 5K/50W = 0.1K/W
◦ 방열판의 열저항은 계산된 0.1K/W 보다 작은 방열판을 선정한다.
◦ 실제로 최적의 열전시스템을 설계하기 위해서는 설계단계의 반복 및 실험을 통하여 설계 파라미터를 결정하도록 한다.
7) 기타 : 온도센서 및 전원공급장치
○ 온도센서는 대상체와 방열판의 온도를 측정하며, NTC, TC-K, PT100, PT1000 등을 비롯한 다양한 타입의 온도센서가 이용된다. 온도 센서는 대상체의 온도를 정확하게 제어하기 위하여 최대한 가깝게 밀접 접촉되도록 설치한다.
○ 높은 정밀도와 넓은 사용온도범위를 고려하여 PT100 센서를 사용하는 것이 보통이며, 특히 0℃ 이하의 극저온을 측정하는 경우에는 저항값의 증가가 매우 커져 NTC를 사용할 수 없다. 참고로 센서의 저항값은 컨트롤러의 기준 저항보다 작은 것을 선택하도록 한다.
○ 전원공급장치는 필요한 TEC 출력전력에 대하여 10% 정도의 여유를 갖는 용량를 선정한다. 이때 전원공급장치는 TEC 출력과 함께 컨트롤러의 구동에 필요한 전력을 함께 고려하도록 한다.