에너지 회수 기술(Energy Harvesting)

자동차와 보일러 등의 폐열을 비롯하여 태양열과 인간의 체온, 보행 시의 진동, 산업기기와 고속도로의 진동 등 지금까지 이용할 수 없었거나 버려진 에너지를 끌어 모으는 이른바 '에너지 회수 기술(Energy Harvesting)'과 관련된 움직임이 활기를 띠고 있다. 약 60여년에 걸친 연구 성과들이 비로소 빛을 보기 시작한 것이다.

어떤 종류의 에너지든 한번 열과 진동으로 변화되면 그 상태에서 다시 이용되기는 어렵다. 하지만 최근 들어 이 같은 기존의 물리적 상식이 뒤집히고 있다. 열과 진동을 에너지로 변화시키는 '에너지 회수 기술'의 효율과 발전량이 최근 큰 폭으로 향상되면서, 실용화가 가능한 수준에 도달했기 때문이다(그림 1). 게다가 응용 측면에서 산업계의 요구가 커지는 한편, 에너지 절약이라는 전세계적 슬로건과 함께 이러한 기술을 정부 차원에서 도입하려는 움직임도 일고 있다.


센서 용도로 실용화 개시
에너지 회수 기술을 응용하여 가장 먼저 실용화가 진행되는 분야가 바로 센서이다. 간헐적으로 동작하거나 통신하는 센서의 특성상 적은 평균 소비 전력으로도 충분하기 때문이다. 대부분의 센서 시스템은 전력 공급을 위해 1차 전지를 이용해 왔으나, 센서의 수가 수 천 개에 이르는 등 도입 규모가 커짐에 따라 전지와 그 교환 비용이 심각한 과제로 부각되고 있다.


에너지 회수기술의 대부분은 발전량이 적고 전력이 불안정하여 적당한 용도를 찾기가 힘들었다. 하지만 최근 들어 발전 성능이 개선되고 소자의 소형화가 진행된 결과, 센서와 에너지 회수 기술의 접목에 대해 많은 제조업체들이 주목하기 시작했다(그림 2).




이미 제품도 발표되고 있다. 지난해 하반기에는 열과 진동으로 발전하는 소자가 개발되었으며, 이들 제품을 활용한 마이크로 컴퓨터도 등장하기 시작했다. 예를 들어, 미국 텍사스 인스트루먼츠(TI)는 2008년 11월, 에너지 회수 기술로 전력을 공급받는 무선 트랜시버 기능의 마이크로 컴퓨터 IC를 발표했다.주1)

독일의 엔오션(EnOcean)과 호주의 센서다이나믹스(SensorDynamics)도 동일한 기능을 갖춘 IC를 발표했다. 엔오션은 2008년 5월 자사의 빌딩 관리용 센서의 에너지 회수 기술 사양을 업계 표준으로 삼기 위해서 '엔오션 얼라이언스 (EnOcean Alliance)'라는 단체를 결성했다. 현재 텍사스 인스트루먼츠도 이 단체의 회원사이다.

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주 1) 소비전류는 무선송수신 시에 160μA/MHz,비통신 시에는 1.5μA로 적다. 게다가 전원관리기능을 갖추어 공급 전기의 전력 불안정성에 대응할 수 있게 되어 있다.

차량 연비 10% 향상
에너지 회수 기술의 활용은 비단 센서에 그치지 않는다. 이미 전세계에서 3백만 개 규모로 출하되어 있는 기술이 있는데 바로 에너지 회수 기술을 이용한 냉각 시스템이다. 에너지 회수 기술 중에서 열을 이용하는 발전 소자는 전류 방식을 바꾸는 것만으로도 냉각용 소자로 이용할 수 있기 때문이다. 이것이 발전 용도로 사용될 때에도 기술 개발의 가속과 양산을 통한 비용 절감이라는 면에서 큰 역할을 할 수 있다.


또한, 열을 이용하는 발전 기술은 열량에 따라서는 수백 와트에서 1KW 이상을 발전할 수 있다. 오랫동안 열전 변환기술 연구에 매진해 온 쇼난공과대학의 카지가와 타케노부(Kajikawa Takenobu) 전(前)학장은 "보일러 폐열 등을 이용한 산업 분야에서 가까운 장래에 실용화가 시작될 가능성이 있다"고 전망했다.


에너지 회수 기술은 장래에 자동차에도 이용될 가능성이 있다. 휘발유 자동차에서는 휘발유의 연소 에너지 중에 4분의 1만 자동차의 구동에 활용되고 나머지 60~70%는 열의 형태로 버려진다(그림 3). 이 폐열을 회수하여 에너지로 재활용할 수만 있다면 효율이 나쁜 현재의 휘발유 차의 '수명 연장'도 가능해 질 것이다. 이 때문에 일본기업을 포함한 대부분의 자동차 제조업체들이 10여년 전부터 연구 개발에 매진해왔으며, 최근 들어 실용화에 대한 기대감이 커지고 있다.



현재 독일의 BMW와 미국의 제너럴 모터스(GM) 등 유럽과 미국의 자동차 제조업체들이 연구 개발에 적극적이다(그림 4). 특히, 미국 에너지성(DOE)은 '열전 변환기술을 활용한 자동차 연비의 10% 향상'을 목표로 내걸고 BMW와 GM의 연구 개발을 지원하고 있다. BMW와 공동으로 열전 변환 소자를 개발하고 있는 미국의 BSST LLC는 기술적으로는 2012년 전후로 실용화가 가능할 것으로 예상한다.주 2), [1]

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주 2) 이에 대해서는 실현성에 대해 의구심을 나타내는 의견도 있다. 열전 변환 소자 업체의 엔지니어 중에는 "BMW의 연구자들은 진지하게 개발에 임하고 있지만 사업부 차원에서는 반응이 미지근한 것 같다"는 지적도 있다.


60년 이상의 기술 연구
열과 진동을 재활용하는 에너지 회수를 실현하기 위한 기술은 몇 가지로 나눌 수 있다(그림 5). 구체적으로 살펴보면 온도 차이를 기전력으로 변화시키는 열전 변환 기술과 열을 소리 에너지로 변환시키는 열 음향 기술 두 가지가 있다.



진동을 이용하는 기술은 압전 효과를 이용하는 기술과 자기 유도를 이용한 기술, 정전용량의 변화를 이용한 기술, 그리고 진동을 터빈의 회전 에너지로 변환시켜 발전하는 기술 등 크게 4 종류로 나눌 수 있다. 열 음향 기술을 발전 용도로 이용하는 경우에는 열을 소리로 변환시킨 후, 그 소리에 진동을 전력으로 변환시키는 기술을 적용한다.


이런 다양한 기술 중에서도 특히 열전 변환 기술이 많은 연구기관과 기업에 의해 연구개발되고 있다(표 1). 이 기술은 역사가 길어 1950년을 전후로 연구가 활발히 진행되었다. 특히 지난 2000년을 기점으로 변환 효율이 급속히 상승, 실용화의 가능성이 높아졌다.[2] 또한 최근 1~2년 사이에는 온도 차에 따라 다르긴 하지만 열전 변환 효율이 15%를 넘어서면서 냉각이 아니라 발전 용도로도 실용화할 수 있는 가능성이 높아지기 시작했다.



ZT 지수, '1 이상' 으로 향상
열전 변환 기술의 포인트는 바로 어떻게 하면 성능이 높은 반도체 재료를 개발할 수 있는가 하는 것이다.주 3) 최근까지는 재료의 성능 지표를 나타내는 'ZT'라는 지수가 1을 넘는 것이 하나의 목표였다. 초격자 구조라 불리는 특수 소자를 제외하면 'ZT=1'의 벽을 넘기가 매우 어려웠기 때문이다.

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주 3) 상세히 설명하면 비교적 얇은 재료의 앞뒤에 온도 차이가 발생하면 '열의 흐름'이 발생한다. 이 열의 흐름에서 주축은 재료 속 소리의 전파를 담당하는 격자 진동(포논)과 전자 등 캐리어의 이동, 두 종류로 나뉜다. 성능이 높은 열전 변환 재료는 포논이 열을 운반하는 비율이 작아 캐리어에 의해 운반되는 경우가 많다.


★ZT 열전 변환 재료의 성능을 나타내는 지수. ZT=S2/σ/κ∝μT/κL이라는 식으로 정의된다. S는 단위 온도차 당 기전력의 크기로 제벡(Seebeck) 계수라 부른다. σ는 전기전도도, κ는 열전도율, κL은 κ의 격자진동에 의한 성분, μ는 캐리어이동도, T는 온도이다. 모듈의 에너지 변환 효율은 이 ZT와 온도차 및 고온측 온도로 정해진다.
★초격자 구조 상이한 재료층을 번갈아 쌓아 결정 구조를 인공적으로 만든 구조.


그러나 최근 2~3년 사이에 ZT=1의 벽을 크게 뛰어넘는 재료가 속속 등장하기 시작하면서 이제는 ZT=1.5 전후의 값도 더 이상 드물지 않은 사례가 되었다.주 4) 카지가와 전 학장은 "얼마 전까지만 해도 고성능 재료의 온도 범위도 너무 좁아서 실용적이라 할 수 없었다. 하지만 최근에는 이용 범위가 넓어져 실용화 가능성이 더욱 커졌다"고 설명했다.


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주 4) 일본에서는 우베흥산이 ZnSn계 재료에서 ZT=약1.6을 이미 달성했으며 그 밖에 산업기술종합연구소도 ZT가 1을 크게 웃도는 BiTe계 박막재료의 개발 전망을 높이고 있다. 오하이오 주립대학 등도 PbTe계 재료 분야에서 ZT=1.5를 달성했다.


전도성 유리
그 돌파구가 된 것은 아몰퍼스(Amorphous) 재료로 볼 수 있다. 아몰퍼스는 열을 전달하는 주체 중 하나인 포논(Phonons)은 잘 전달되지 않으면서, 전기는 잘 통과된다. 일반적으로 이 두 가지 특성은 서로 상반되기 때문에 동시에 구현하기가 어렵다.주 5)

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주 5) 최근에 유리처럼 기존에 절연체로 여겨졌던 투명한 아몰퍼스 매질도 중금속을 첨가하는 등의 방법을 통해 도전체와 반도체로 변화할 수 있다는 사실이 알려졌다. 나고야대학대학원 공학연구과의 오타 히로미치(Ota Hiromichi) 준교수는 2007년에 이 아이디어를 응용한 티탄산스트론튬이라는 산화물 재료를 이용하여 열전 변환재료를 구성했다. ZT는 0.24이지만 재료 일부 층의 ZT는 2.4로 매우 높다.


이것을 어느 정도 실현한 전형적인 사례가 메사츄세츠 공과대학(MIT)의 학내 벤처기업인 미국 GMZ 에너지(GMZ Energy)의 성과이다(그림 6). GMZ 에너지는 2008년 3월에 ZT가 1.4인 p형 비스무트-텔루륨(BiTe)계 벌크 재료를 개발했다.[3]


이 벌크 재료는 실제로는 원 결정의 직경이 수 십 나노미터가 되도록 분말화한 후, 핫프레스를 통해 압축하여 다시 벌크 상태로 굳힌 것이다. 각 입자는 결정이기 때문에 전기가 흐르지만 입자보다 큰 스케일에서는 규칙성이 없는 구조가 된다.


GMZ의 공동 창업자인 미국 보스턴 대학 물리학과의 지펭 렌(Zhifeng Ren) 교수는 "다시 말해 아몰퍼스와 결정의 중간 구조를 실현하여 열전도율을 기존의 2분의 1로 대폭 절감했다"면서, "또한 적정 수준의 결함이 주입됨으로써 전기전도도 또한 원래 결정보다 조금 높아졌다"고 설명했다.

제조단가 절감 필요
GMZ의 성과는 일본 연구자들도 주목하고 있는데, 성능뿐 아니라 제조 단가가 낮기 때문이다. GMZ의 또 다른 공동 창업자인 MIT 기계공학부의 강 첸(Gang Chen) 교수는 제조 비용과 실용성을 최우선하여 이 방법을 개발했다고 밝혔다.


그는 "2000년경까지는 성능을 중시하여 ZT=3.5를 실현시키는 양자 도트를 사용하는 박막 재료 등을 개발했다. 그러나 성능이 안정적이지 못하고 더구나 제조 단가가 높아 산업 용도로는 실용적이지 못했기 때문에 훨씬 구식의 제조방법으로 전환했다"고 말했다.


또한 지펭 렌 교수는 "제조 비용이 낮은 것은 진공 장치 등을 사용하지 않기 때문이다. 우리는 아르곤(Ar) 가스 속에서 분말 작업을 하여 산화되지 않도록 한다. 분말을 압축하는 핫 프레스가 수 천만 엔으로 고가였기 때문에 우리는 이를 자체 제작했다. 자체 제작을 통해 단가를 훨씬 낮췄다"고 덧붙였다.


GMZ는 이미 지난해 4월에 샘플을 출하했으며, 올해 안에 고성능 모듈을 완성해서 2010년 상반기까지는 양산을 시작할 계획이라고 한다. 지펭 렌 교수는 "처음에 겨냥한 애플리케이션은 시장이 급속히 확대되고 있는 냉각용이었다"면서, "현재 주력제품은 경쟁사가 거의 없는 상황에서 발전할 것으로 보인다. 이 용도는 당분간 라이센싱 방식을 도입하지 않고 자사 공장에서 제조하겠다"고 밝혔다.


한편, 일본의 AIST(Advanced Industrial Science & Technology)도 최근 들어 ZT가 1을 크게 넘는 열전 변환 재료의 개발 가능성을 높여가고 있다. 이미 복수의 제조사들과 실용화를 위한 공동 개발을 시작했으며, 높은 제조 단가를 낮추는데 주력하고 있다.


이 재료는 포논의 전파를 제어하기 때문에 결정 입자의 직경을 200~300nm로 제한하고 있다. 발상은 GMZ와 흡사하지만, 제조 시에 PLD(Pulse Laser Deposition)를 이용하는 점이 다르다. PLD는 구경이 작은 레이저 빔을 주사하는 방법으로, 제조 시간이 오래 걸려 대면적 디바이스 양산에는 적합하지 않다.


AIST의 에너지기술연구부문 열전 변환 그룹의 오바라 하루히코(Obara Haruhiko) 연구 그룹장은 "당분간은 IC 정도의 작은 사이즈에 사용하면서 부가가치가 높은 적외선 센서 등의 분야에서 실용화를 고려하고 있다"고 설명했다.

Te 소재 공급이 관건
GMZ와 AIST가 채택한 BiTe계 재료는 300℃ 이하의 비교적 저온으로 구현된다는 점에서 도시바를 비롯한 제조업체와 연구기관으로부터 주목받고 있다. 고하라 하루히코 연구원은 "최근 자동차 엔진이 소형화 되면서 기존에는 600℃가량이던 폐열의 온도가 300~400℃로 떨어졌기 때문에 저온대 재료의 중요성이 높아지고 있다"고 덧붙였다.


다만, BiTe계 재료에는 두 가지 큰 해결과제가 있다. 하나는 텔루륨(Te)이 유독 물질이라는 점이고, 또 하나는 텔루륨의 채굴량이 적어 고가라는 점이다. GM은 BiTe계와는 다른 PbTe계 재료에 대해 연구를 진행하고 있는데 마찬가지로 텔루륨과 관련한 과제를 피해갈 수 없는 상황이다.


유해 물질로 인한 독성의 영향에 대해서는 연구자들 간에도 의견이 분분하다. 카지가와 전학장은 "자동차에 사용할 경우 사고로 인한 화재 발생 시에 비산의 우려가 있다"고 지적하는 반면, MIT의 첸 교수는 "텔루륨은 카드뮴 보다 독성이 약하다. 일본 제조업체는 독성보다는 공급량을 걱정하고 있다"고 주장했다.


실제로 텔루륨의 공급량은 백금 정도로 적고 가격도 현재 약 1kg당 3백달러로 고가이다. 개발 업체 중에는 "BiTe계 재료를 활용한 열전 변환 발전 비용이 현재의 태양전지 비용인 약 4달러/W와 비슷해 지기 위해서는 적어도 텔루륨 가격이 현재의 절반 이하로 떨어져야 한다"고 지적하기도 한다.


한편, GMZ와 BiTe계 초소형 열전 변환 소자를 이미 발매한 미국의 넥스트림 서멀 솔루션(Nextreme Thermal Solutions)은 공급량과 단가 측면의 문제에 대해서 낙관하고 있다. 렌 교수는 "텔루륨은 구리의 부산물로 산출되고 있다. 지금까지는 이렇다 할 용도가 없어 구리의 불순물로 그냥 버려질 정도였으며 실제 매장량은 훨씬 많을 가능성이 있다"면서, "또한 최근 유럽에서 카드뮴 텔룰라이드계 태양전지가 주목을 받고 있기 때문에 가격이 상승하고 있으나 텔루륨 보다 독성이 훨씬 강한 카드뮴 문제로 인기가 떨어지면 비용도 떨어질 것"이라고 전망했다.

진동 에너지의 활용
진동은 열보다 일상 생활에서 한결 쉽게 이용할 수 있기 때문에 휴대기기 등에 대한 전기 공급을 목표로 개발되고 있다(표 2). 도쿄 고속도로 전체의 진동을 활용하면 도쿄 23구내 가정에 공급되는 전력의 40%에 달하는 4GW 이상을 발전할 수 있다는 주장도 나온다. 이 같은 주장대로라면 진동에 의한 발전용도가 휴대기기용 소전력 발전에 그칠 이유는 없다.


기술적으로 터빈 이외의 기술은 소리를 전력으로 변환시키는 마이크와 거의 동일한 기술이 사용된다. 다만, 진동 에너지는 주파수와 진폭에 의해 결정되기 때문에 발전량은 소자와 모듈의 크기에 의존하게 된다. 크기가 2cm2 이하인 발전 소자의 발전 능력은 최대 수 십 μW 수준에 그친다. 따라서 휴대기기도 먼저 2차 전지에 충전하여 사용하는 용도로 예상할 수 있다.


일본 게이오 대학을 모태로 한 벤처기업인 사운드파워(Soundpower)는 2007년에 크기가 약 30×60cm의 판 위를 체중 60kg인 사람이 걸을 때 평균 약 0.3W를 발전하는 '발판형 발전기'를 개발했다(그림 7). 이 발전마루는 PZT로 구성된 직경 3cm의 압전 디바이스를 빼곡히 채운 뒤에 그 위에 '진동판'을 설치한 구조이다. 이 회사에 따르면 최근에는 1W까지 발전이 가능하다고 한다.


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★PZT 지르콘티탄산납. 압전효과를 나타내는 재료로는 가장 일반적이다. 다만, 인체에 유독한 납(Pb)을 사용한다는 점이 과제로 남아 있다.



사운드파워의 하야미즈 고헤이(Hayamizu Kohei) 대표이사는 "현재의 발판형 발전기를 개량하여 향후 1백배까지 성능을 향상시킬 것"이라며, "이를 위해 압전 디바이스 자체의 발전효율을 10배, 진동판의 발전효율을 10배까지 끌어올릴 계획"이라고 밝혔다.
동일한 압전 디바이스를 사용하여 옷과 신발 등 몸에 걸친 물건을 이용하여 진동 에너지를 회수하는 기술도 개발되고 있다(그림 8).

옷과 신발로 1W 발전
미국 조지아 공대의 종린 왕(Zhong Lin Wang) 교수가 이끄는 연구 그룹은 산화아연의 압전 효과를 연구하고 있다. 왕 교수는 "나노 스케일의 산화아연 와이어를 고밀도로 제작하여 서로 비비면 이론적으로는 4W/cm3의 발전도 가능하다"고 설명했다.[4]
그의 주장대로 만약 4W/cm3이 현실화되면 이는 매우 큰 전력이라 할 수 있다. 하지만 산화아연의 길이를 동일하게 맞추기 어렵기 때문에 서로 비빌 때의 접촉면이 제한되어 그렇게 높은 발전 성능은 실현되지 못했다. 최근 개발한 복수의 대형 산화아연 와이어로 구성된 소자에서 50mW의 전력에 6.8%의 에너지 변환효율을 얻은 바 있다.[5]



최근까지 보행 에너지를 활용한 최대의 발전 성능 기록은 NTT환경에너지연구소가 개발한 '전기를 만드는 신발'이 가지고 있다(그림 9). 이 신발의 구조는 액체가 신발 속에서 움직이면서 소형 터빈을 돌려 발전하는 식이다. 현재까지 평균 1.2W, 최대 2.5W 출력으로 휴대폰 통화 시의 전력을 충분히 공급할 수 있는 발전 능력을 갖추고 있다. 하지만 신발 속에서 액체가 움직이기 때문에 발이 편하지 않고, 내구성이 낮아 이 신발로는 달릴 수 없다는 것이 문제다. 그래도 보행을 이용한 발전의 가능성은 충분히 보여주고 있다.

열 음향 기술의 가능성
열을 활용하는 또 다른 발전 기술로 열 음향 기술이 있다. 이것은 일정 길이의 통에 금속망 등을 꽂아 버너 등으로 가열만 하면 열이 소리로 바뀌는 현상인 '열 음향'현상을 이용한다(그림 10). 이 현상 자체는 18세기부터 알려진 것이었으나 소리의 비선형 현상이라는 점에서 그 원리가 아직 충분히 해석된 상태는 아니다. 연구 개발을 추진하는 기관도 일본에서는 도지샤 대학과 도쿄농공 대학 등이고 미국에서는 유타 대학(Utah)과 FRG(Fellows Research Group) 등으로 그리 많지 않다.



하지만 기술 구현 가능성은 매우 크다. 도지샤 대학의 실험에 의하면 관 속에서 발생하는 소리는 일례로 진동수가100Hz 일 때, 음량은 최대 160dB에 달한다. 도지샤 대학 생명의과학부의 와타나베 요시아키(Watanabe Yoshiaki) 학부장은 "160dB의 소리 에너지는 약 100W. 비행기 엔진 1백대에 해당하는 음량"이라고 설명한다. 직접 들으면 위험하지만, 소리는 금속 관 속에 갇혀 있어 장치 밖으로 거의 새어 나오지 않는다. 와타나베 학부장은 이 소리를 활용하여 열을 이송, 다시 열로 변환시키는 냉각 기술을 연구하고 있다.

한편, 유타대학과 FRG는 발전을 목표로 하고 있다. 유타 대학과 FRG의 기술적 차이는 크게 두 가지이다. 첫째는 열을 활용하여 발전시킨 소리를 전력으로 변환시키는 과정에서 유타 대학은 압전 디바이스를 이용하는데 반해, FRG는 자기유도를 이용한다는 점이다. 또 한가지 차이는 유타 대학이 가열한 관 속에 소리의 정재파가 자발적으로 발생하는 형상을 이용하는데 반해, FRG는 관 속의 압력을 의도적으로 높인 후에 트리거 상태가 되는 저에너지 진동을 인가하여 진행파의 소리를 발생시킨다.


FRG의 리 펠로우스(Lee Fellows) 사장 겸 제너럴 매니저는 "이렇게 함으로써 다양한 크기의 장치와 폭넓은 온도 범위에서 보다 안정적인 소리를 발생시킬 수 있다"고 설명했다. FRG가 시범 제작한 높이 약 1m의 대형발전기는 최대 75kW를 발전할 수 있다고 한다.


펠로우스 사장은 "보일러 등의 열을 이용하여 온도 차이가 600k 정도 되는 경우에는 30~45%의 효율,체온을 사용하는 등 온도 차이가 10K로 적은 경우에도 1.9% 수준의 효율로 높은 발전 효율을 가진다"고 설명했다.


열에서 소리가 발생하는 현상은 원리상으로는 매우 효율이 높다. 또한 이 시스템은 소리가 장치 바깥으로 거의 새어나가지 않고 전력으로 변환되기 때문에 효율이 더 높아진다. 펠로우스 사장은 "반도체 기술 같은 고도의 기술이 필요치 않기 때문에 양산 시에는 1W당 10~25센트로 충분하다"고 덧붙였다.

테츠오 노자와 (Tetsuo Nozawa)

참고문헌
[1] LaGrandeur, J et al, "Vehicle Fuel Economy Improvement through Thermoelectric Waste Heat Recovery," DEER Conference, Chicago, 2005.
[2] Ceramic Soc of Japan and Thermoelectric Soc of Japan, Thermoelectric Materials(in Japanese), Nikkan Kogyo Shimbun, 2005.
[3] Poudel, B. et al, "High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys," Science, vol 320, no 5876, pp 634-638, May 2008.
[4] Wang, X et al, "Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves," Science, vol 316, pp102-105, Apr 2007.
[5] Yang, R et al, "Power Generation with Laterally Packaged Piezoelectric Fine Wires," Nature Nanotechnology, doi:10.1038/nnano.2008.314, 9 Nov 2008.


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순간 냉각성능의 펠티에 소자

열전 변환 소자는 발전 용도로는 센서 분야에서 겨우 실용화 단계에 들어섰다. 하지만 발전과 뗄 수 없는 관계의 기술인 냉각용 애플리케이션에서는 이미 시장이 충분히 확대되었다(그림 A-1(a)).


열전 변환은 소자 양끝의 온도 차이를 기전력으로 변환시켜 전류를 생성하는 기술이다. 여기에 전류를 일부러 흘리면 소자의 양끝에 온도 차가 발생한다. 저온 측의 방열을 잘만 하면 히트 펌프보다 훨씬 소형, 박막화가 가능하다. 따라서 별도의 가동부 없이도 열의 이동을 몇 ms의 짧은 응답시간 안에 제어할 수 있다. 카지가와 전학장은 "이는 기존에 존재하지 않았던 냉각 소자로서의 가능성을 보여주는 것"이라며, "필요할 때 순간 냉각이 가능한 것이 열전 변환 소자의 특징"이라고 설명했다.


이러한 소자들을 '펠티에 소자(Peltier Devices)'라고 하며 예전부터 사용해 왔다. 열전 변환 소자의 발전 성능이 향상됨에 따라 펠티에 소자의 성능도 동시에 향상되어 용도의 폭이 크게 확대되어 왔다. 예를 들어, 휴대용 쿨러와 소형 냉장고, 와인 셀러, 반도체 프로세스의 냉각, 통신 서비스용 송신모듈의 냉각 등이다.


최근에는 도요타 자동차와 닛산 자동차를 포함한 고급 승용차의 좌석 시트의 냉각용 제품이 특히 증가하고 있다. 아메리곤(Amerigon)이 이 시장을 견인하고 있으며 이미 1백만대를 넘는 좌석 시트에 아메리곤의 펠티에 소자가 사용되었다.


이러한 냉각 애플리케이션 시장은 열전 변환 소자의 실용
화에 있어 든든한 버팀목이 된다. 실제로 아메리곤의 자회사 BSST는 BMW와 공동으로 자동차의 폐열을 이용한 발전기술을 개발하고 있다. 칩상의 범프에 냉각 기능을 추가한 '서멀 범프(Thermal Bump)'를 개발한 넥스트림도 냉각에 사용하는 소자를 거의 그대로 센서용 발전 소자로 이용한다.

<출처> NE Asia, 2009년02월호

Posted by TopARA

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  1. 파란우체부 2009.02.10 12:45  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    둥그런 ~ 대보름달에 소원비셨나요? 어제 하늘을 보니...달을 따라다니는 구름때문에 달이 보였다,안보였다 하던데.. ^^ 만약 비셨나면 어떤소원을 비셨나요? 무엇이 되든 모든것이 다 이뤄지길!! ^^

  2. 블로그 친구 2009.02.10 12:45  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

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  3. 유미덕 2016.05.18 10:56  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요. 도움되는 많은정보들이 있네요. 감사드립니다
    혹시 마지막에 출처정보가 NE Asia 2009년 2월호라고 나와있는데 찾을 수가 없네요. 정확한건가요?궁금합니다.

    • TopARA 2016.06.02 06:44 신고  댓글주소  수정/삭제

      답변이 늦어 죄송합니다. 이제 봤네요.
      니께이 일랙트로닉스 아시아로 출처는 맞는데 폐간된 잡지라 홈페이지도 없어졌습니다.
      일본 니께이 일랙트로닉스가 원뭉으로 여기서 찾으시면 원하는 정보를 얻으실 수 있을겁니다.
      좋은 오을 되세요!^^