펠티어 소자를 활용한 냉각장치 설계 시 고려사항 7가지

냉각장치 설계 시 열전 반도체인 펠티어 소자를 선정할 때 고려사항으로 소자의 밀착 불량에 따른 효율 감소, 압착에 따른 파손, 결로에 따른 쇼트, 발열면의 온도 제어(방열판), 단열 재질의 미사용, 열전도 효율을 높이기 위한 서멀그리스 사용을 필수적으로 고려해야 합니다.

제베크 효과(1821년)와 톰슨 효과(1854년)를 포함한 세 가지 열전효과 중 하나로 서로 다른 도체가 접합되어 연결된 회로에 전류가 흐름에 따라 열전기력이 발생하고 이에 따라 발열과 냉각이라는 열의 전도를 발생시키는 것으로 1834년 프랑스의 물리학자인 장 샤를 아타나스 펠티에가 발견한 열전현상입니다.

- 펠티어 효과란? -

 

 

펠티어 소자 활용 시 고려해야하는 사항은?

 

 

 

 

펠티어 소자는 사용 전력 대비 냉각 효율이 낮다는 단점이 있지만 값이 저렴하고 소형으로 냉각 장치에 쉽고 간단하게 구성할 수 있다는 장점으로 산업 기계에서 소형 가전까지 그 활용도가 늘어나고 있습니다.

 

특히 반도체 제조 장비 또는 레이저와 같은 광학 장비에서 소형 냉각 장치를 구성할 때 폭넓게 활용되고 있으며, 일상생활의 소형 가전으로는 정수기, 제습기, 제빙기, 음료 냉각기, 소형 냉장고, 소형 에어컨, 휴대용 선풍기, 컴퓨터용 냉각 장치 등에 사용되고 있습니다.

 

 

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펠티어 소자 활용 시 고려사항

 

첫번째, 소자를 중심으로 발열면의 방열판과 냉각면의 냉각판을 조립하여 압착할 때 무리한 압력이 가해진다면 소자의 파손될 수 있으니 주의해야 합니다.

 

 

두번째, 소자의 발열면과 냉각면에 조립되는 각 방열판과 냉각판의 밀착 상태가 불량할 시 성능의 저하, 더 나아가서 열화에 의한 소자의 파손을 야기할 수 있으니 주의가 필요합니다.

 

 

세번째, 소자의 발열면과 냉각면에 방열판과 냉각판을 조립할 때 밀착을 위하여 적당량의 서멀그리스(열전도 컴파운드)를 밀착면에 고르게 발라 열전도 성능을 높여야 합니다. 이때 두텁게 바른다고 좋은 것이 아니므로 도포 양에 주의합니다.

 

 

네번째, 소자의 냉각면과 발열면을 반드시 확인하여 방열판과 냉각판을 조립하고 서멀그리스를 제외한 그 어떠한 재질의 재료를 삽입하지 않도록 주의합니다. 특히 단열재를 삽입할 경우 열전도 효율이 감소하고 소자의 열화로 인한 파손이 될 수 있습니다.

 

 

다섯번째, 소자 자체가 수분에 취약함은 물론 수분에 의한 전극 쇼트로 화재의 위험이 있으므로 소자의 측면 테두리를 방수 실링 처리해야 합니다. 이에 따라 온도차에 따른 결로 현상 또는 수분이 많은 환경에서 사용 시 주의가 필요합니다.

 

 

여섯번째, 소자의 발열면 최고 온도 사양을 확인하여 사용하고자 하는 냉각 온도를 60~80%로 정도로 효율을 설정하고 방열 온도를 제어하여 사용하도록 합니다. 사양의 최고 온도 또는 그 너머로 사용할 시 열화로 인한 파손 또는 수명이 단축될 수 있습니다.

 

 

일곱번째, 소자의 특성상 냉각을 위한 장치에 많이 사용됨에 따라 발열면의 방열 구조와 방열 효율에 따라 냉각 성능이 향상 또는 저하될 수 있습니다. 보통 발열면의 온도를 기준으로 약 50도 정도의 온도차가 발생하기 때문에 냉각 온도를 0도로 사용할 경우 발열면의 온도를 50도 내외로 제어할 수 있어야 합니다.

 

 

 

 

글을 마치며,

펠티어 소자를 활용한 간단한 구조의 냉각 테스트 키트를 인터넷을 통해 저렴한 금액으로 쉽게 구매할 수 있습니다. 처음부터 어려운 설계를 통해 제작하는 것보다는 사전에 구매하여 활용 가능성을 확인하고 냉각 장치를 설계해 보는 것을 추천드립니다.

 

여기까지 펠티어 효과와 펠티어 소자 사용을 위한 고려 사항에 대해서 알아보았습니다.