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이석 누
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1 양호동 윤희성 * 오율권 ** 전남도립대학조선기계과 * 조선대학교대학원첨단부품소재공학과 ** 조선대학교메카트로닉스공학과 ( 접수 / 채택 ) A Study on Enhancement of Thermoelectric Cooling System Performance by Piezoelectric Actuator Ho-Dong Yang Hee-Sung Yoon * Yool-Kwon Oh ** Department of Naval Architecture & Mechanical Engineering, Jeonnam Provincial College * Department of Advanced Parts and Materials Engineering, Graduate School, Chosun University ** Department of Mechatronics Engineering, Chosun University (Received July 20, 2009 / Accepted December 21, 2009) Abstract : This study investigated on enhancement of thermoelectric cooling system performance by piezoelectric actuator. The thermoelectric cooling system consisted of the thermoelectric module, a heat sink and a cooling fan, respectively. Also, the piezoelectric actuator was applied to improve the performance of thermoelectric cooling system and investigate the heat transfer phenomenon. The temperature distribution of test section was measured to investigate cooling characteristics of thermoelectric cooling system. The flow phenomenon of test section was visualized using visualization device. When the piezoelectric actuator was applied to the heat transfer process of thermoelectric cooling system, acoustic streaming was occurred in test section. The acoustic streaming was occurred forced convection flow, and was regularly formed the temperature distribution in test section. The results clearly show that the acoustic streaming is one of the prime effects to enhance the convection heat transfer and can enhance the performance of thermoelectric cooling system. Key Words : thermoelectric cooling system, piezoelectric actuator, forced convection flow, heat transfer, acoustic streaming 1. 서론 * 전류의극성에따라열을흡수 방출하는열전소자를이용한전자냉각방식은기존의프레온가스나암모니아와같은냉매를압축기에의해강제순환시켜냉각하는증기압축식냉각방식에비해냉매순환을위한기계적인구동장치인압축기와같은작동부품이필요하지않으므로마모와소음이없고, 냉매의폐기처분시발생하는환경오염을유발하지않고, 국소적으로목적하는냉각을수행하는특수냉각방식이다. 이러한냉각방식은열전소자의가격이비싸고, 냉각성능이낮은단점이있지만, 열전소자의냉각용량은직류전원을사용하는열전소자의입력전압조절만으로도제어가가능하기때 To whom correspondence should be addressed. ygoh@chosun.ac.kr 문에정밀온도제어가가능하고, 크기의영향을받지않기때문에장소의구애를받지않으며, 저소음, 소형화등의장점이있다 1,2). 이러한장점으로열전소자냉각방식의응용분야는항공우주분야, 가정및산업응용분야, 의료및군사용분야에이르기까지다양하다. 이러한열전소자에관한연구는열전소자의자체에의한연구를넘어열전소자시스템에대한연구로확산되고있는추세이다. 이러한열전소자를이용한열전냉각시스템의성능을향상시키기위해열전소자의자체재료의향상, 열전소자의두께변화, 발열부의냉각방식변화, 방열판의규격및구조변화, 냉각팬의속도변화등다양한방법으로연구가진행되고있으나 3-8), 외부의힘에의한능동적인방법으로성능을향상시키는연구에대해서는연구가충분치못하고있는실정이다. 기존의 13

2 양호동, 윤희성, 오율권 열전달을촉진시키기위한방법들로는열전달표면의증가나촉진제의첨가와같은수동적방법과전기장, 자기장, 초음파, 표면진동과같은외부의힘에의한능동적방법으로나눌수있다. 능동적인방법을이용할경우열전달계수를어느정도능동적으로제어할수있는큰장점이있지만상황에따라서는장치가복잡해지고외부동력을추가함에따라수반되는여러가지문제점이발생하는것으로알려져있고제품의제작시소형화하기에는어려움이있다. 이러한문제점을해결하기위해현재많은연구가이루어지고있으며, 특히전기 기계상호변환작용을하는압전세라믹에전기에너지를가하여기계적진동이발생하는역압전효과를이용하는압전액츄에이터 (piezoelectric actuator) 에관한연구가활발히이루어지고있다. Wan 등 9) 은좁은통로의한쪽벽면에압전소자 (piezoelectric bimorph) 에의한진동을가진하였을경우, 발생한음향흐름이강제대류냉각을일으켜통로내부의온도를감소시키는것을수치적 실험적연구를통해제시하였다. 본연구에서는열전냉각시스템의성능향상을위해압전액츄에이터를적용하였으며, 압전액츄에이터의적용유 무에따른시험부에서의열전달특성을온도분포측정실험과유동가시화실험을통해규명하고자한다. (1) 여기서, I 는접점간의전류량을의미하고 T R 은기준온도를의미하며, α 는 Seebeck 계수를의미한다. Peltier 효과서로다른두물질의접합부에전류를흘렸을경우접합부에서열의흡수및방출이일어나게되는데이러한현상을 Peltier 효과라하고접합부에서열의흡수및방출량 Q P 를수식으로표현하면아래의식과같다. (2) 여기서, Π 는 Peltier 계수를의미한다. Thomson 효과온도구배가존재하는도체또는반도체에전류를흘렸을경우여기에는열과전류가동시에흐르게되며, 이때열과전류는서로영향을주게되는데, 이러한현상을 Thomson 효과라고한다. 온도구배와전류의양에따른열의출입량 Q T 를수식으로표현하면다음의식과같다. (3) 2. 이론적배경 2.1. 열전소자의열전현상해석 일반적으로어떤물질의양단에열과전류를동시에흘렸을경우상호작용에의해서로영향을주는현상을열전현상이라고말한다. 이러한열전현상을이용하여서로다른물성치를가지고있는도체나반도체의접합부에일정온도를유지하면서전류를흘렸을경우다음과같은몇가지열전현상이나타난다 10). 여기서, T(dα / dt) 는 Thomson 계수를의미한다. 이러한열전현상중에서 peltier 효과를적용한펠티어모듈 (peltier module) 이라고도불리우는열전소자 (thermoelectric module) 는 Fig. 1 에서보는바와같이, p 형반도체와 n 형반도체를조합하고전류를공급하여전기적에너지를직접냉각에이용할수있도록개발된소자이다. Seebeck 효과물성치가서로다른도체또는반도체 A 와 B 를접합시키고접합부에일정한온도를유지시켰을경우두물질 A 와 B 의양단에일정한기전력이발생하는데, 이를 Seebeck 효과라하며이때발생되는기전력 V 는접점온도의함수로서다음과같이나타낼수있다. Fig. 1. Schematic diagram of thermoelectric module. 14 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 6, 2009

p 형과 n 형반도체를조합한소자에전류 I 를공급하게되면, 펠티어효과를적용한열전소자에는전위차가발생하면서냉각대상에접한저온접점즉, 냉각면의온도는감소하고반대로고온접점인열방출면의온도는증가하게된다. 이때열은냉각대상으로부터저온접점으로흐르게되고고온접점에서주위로방출되는데, 이러한현상을열전냉각장치에적용하여열전소자에서발생되는전기적에너지를직접냉각에이용하게되는것이다. 3.1.

시험부는열전소자, 열전소자의발열부에서발생하는열을제어하기위한방열판과냉각팬으로구성된열전냉각시스템, 이러한열전냉각시스템의성능을향상시키기위해사용한압전액츄에이터로구성되어있다. 시험부는열전달특성을가시화하기위해크기가 150mm 250mm 150 mm 이고두께가 1.

3 p 형과 n 형반도체를조합한소자에전류 I 를공급하게되면, 펠티어효과를적용한열전소자에는전위차가발생하면서냉각대상에접한저온접점즉, 냉각면의온도는감소하고반대로고온접점인열방출면의온도는증가하게된다. 이때열은냉각대상으로부터저온접점으로흐르게되고고온접점에서주위로방출되는데, 이러한현상을열전냉각장치에적용하여열전소자에서발생되는전기적에너지를직접냉각에이용하게되는것이다 실험장치 3. 실험장치및방법 실험장치는압전액츄에이터를가진하지않았을경우와가진하였을경우열전냉각시스템의열전달특성및성능의향상정도를측정하기위하여제작하였다. Fig. 2 는실험장치의개략도를보여주고있다. 실험장치는크게시험부, 시험부의온도분포를측정하기위한온도측정장치와시험부에서발생하는유동현상을가시화하기위한유동가시화장치로구성되어있다. 시험부는열전소자, 열전소자의발열부에서발생하는열을제어하기위한방열판과냉각팬으로구성된열전냉각시스템, 이러한열전냉각시스템의성능을향상시키기위해사용한압전액츄에이터로구성되어있다. 시험부는열전달특성을가시화하기위해크기가 150mm 250mm 150 mm 이고두께가 1.5mm 인투명아크릴용기를제작하여열전냉각시스템과압전액츄에이터를용기내부에장착하고공기의흐름을원활하게하기위해용기의상부는개방시켜두었다. 열전냉각시스템을구성하기위해사용한열전소자 (Melcor R, Model : CP L) 는전압을인 Table 1. Performance specifications of thermoelectric module Specifications Unit Value Q max W 28.7 I max A 6.0 V max V 8.6 ΔT max 67 Module Resistance Ω 1.26 Number of thermocouples (p-n type semiconductor) pair 71 가하였을때발열면과냉각면이동시에발생할수있도록 p 형반도체와 n 형반도체의집합으로구성되어있으며, 크기는 30mm 30mm 3.8mm 이고, 71 쌍의 p-n 접합으로이루어져있다. 열전소자의주요 spec. 은 Table 1 에정리하여나타내었다. 열전소자에공급되는전압은열전소자의최대허용전압 (8.6V), 방열판과냉각팬의용량을고려하여 5V 로설정하였고, 정전압공급장치를사용하여인가된전압을열전소자에공급하도록하였다. 또한열전소자의발열면의냉각을위해알루미늄재질로된크기가 75mm 60mm 35 mm 인방열판과 24 V, 0.13A 의용량을갖는냉각팬을사용하였다. 열전소자의발열면과방열판사이에발생하는접촉저항에의한열손실을최소화시키고열전도율을극대화하기위해방열컴파운드 (thermal compound) 를도포하였다. 본연구에서열전냉각시스템의성능을개선하고열전달현상을고찰하기위해압전액츄에이터를사용하였으며, Fig. 3 은본연구에서사용된압전액츄에이터 (Piezo Systems, Inc., Model : 503- Double Quick Mount Transducer) 의치수및장치구성을보여주고있는것으로, function generator 로부터발생된 Sine 파형은증폭기의신호입력단자로 Fig. 2. Schematic diagram of experimental apparatus. Fig. 3. Schematic diagram of piezoelectric actuator. 한국안전학회지, 제 24 권제 6 호, 2009 년 15

0 공급되고증폭기의신호출력단자에서압전소자 (piezoelectric element) 의 (+), (-) 단자로약 50Hz 의주파수가공급되어압전액츄에이터를가진시킨다. Table 2 는압전액츄에이터의주요 spec. 을나타낸것이다.

4 양호동, 윤희성, 오율권 Table 2. Performance specifications of piezoelectric actuator Specifications Unit Value Weight g 10.4 Stiffness N/m 188 Capacitance nf 232 Rated Voltage ±Vp ±90 Resonant Frequency Hz 52 Free Deflection ±µm ±1,600 Blocked Force ±N ±3.0 공급되고증폭기의신호출력단자에서압전소자 (piezoelectric element) 의 (+), (-) 단자로약 50Hz 의주파수가공급되어압전액츄에이터를가진시킨다. Table 2 는압전액츄에이터의주요 spec. 을나타낸것이다. 압전액츄에이터를이용하여열전냉각시스템성능향상에대해고찰해보기위해, 압전액추에이터를가진하지않았을경우와가진하였을경우로나누어시험부에서의온도분포를측정하였다. Fig. 2 에서보는바와같이온도측정장치는온도측정을위한 T-type 열전대, 데이터획득장치 (Yokogawa, DAQ100) 와측정한온도데이터를저장할 PC 로구성되어있다. 시험부에서발생하는유동현상을가시화하기위해유동가시화장치는 35mW 고출력 He-Ne laser(thorlabs, Inc., HRP350-EC), optical lens(thorlabs, Inc., LJ1874L1-A), CCD 카메라 (Sony, XC-HR300), Image Grabber(Matrox, Meteor- II MC/4) 와이미지를획득하고저장할 PC 로구성되어있다 실험방법및절차 열전냉각시스템을작동하여냉각영역에열전달프로세스를형성하였을때, Fig. 4 에서보는바와같이, 열전냉각시스템과압전액츄에이터의거리가 5mm 가되도록하고열전대의높이를 2.5mm( 무차원좌표, Y=0.5) 에고정시키고열전대를미리선정한위치 ( 무차원좌표, X=0.2, 0.5, 0.8, Z=0.5) 에설치한후, 압전액츄에이터를가진하지않았을경우와가진하였을경우각각의냉각영역에서발생하는온도분포를측정하였다. 정확한온도테이터획득을위해실험전에모든열전대를보정을실시하였고동일조건하에서 3 회에걸쳐반복실험을수행하여얻어진온도데이터의평균온도를사용하였다. 열전대에서측정된온도는데이터획득장치에의해매 0.5 초마다 PC 에기록하고저장하였다. (a) Front View (b) Bottom View Fig. 4. Schematic diagram of temperature measurement points in cold region. 냉각영역의유동가시화실험은투명아크릴용기내에스모그를투입하고 He-Ne laser 에서발진된가시광을 optical lens 에통과시켜시험부에조사단면을형성하였다. 또한, 시험부에형성된조사단면과수직인방향에 CCD 카메라를설치한후초당 30 프레임의속도로영상촬영을실시하였으며획득된영상은이미지보드를통해이미지파일로변환시켜 PC 에저장하였다. 또한, 저장된이미지들은 Matrox Inspector 8.0(Matrox Electronics Systems Ltd.) 를이용하여해석하였다. 4. 실험결과및고찰 4.1. 온도측정결과 Fig. 5는압전액츄에이터를가진하지않고열전냉각시스템만작동하였을경우온도분포측정결과를나타낸것이다. Fig. 5에서보는바와같이, 열전냉각시스템과압전액츄에이터사이에설치한열전대로부터측정된시험부에서의온도분포결과는측정지점별로약 10~14 사이에서약간의차이는있지만평균적으로일정하게형성되는것을확인할수있다. 16 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 6, 2009

Fig. 5. Profiles of temperature variation without piezoelectric actuator. 측정지점별로온도분포결과를고찰해보면, 중앙부인무차원좌표 X=0.5 인지점의온도분포가양쪽측면지점인 X=0.2 와 X=0.8 인지점에비해상대적으로낮게형성되는것을확인할수있다. 시험부의중앙부 (X=0.

5 Fig. 5. Profiles of temperature variation without piezoelectric actuator. 측정지점별로온도분포결과를고찰해보면, 중앙부인무차원좌표 X=0.5 인지점의온도분포가양쪽측면지점인 X=0.2 와 X=0.8 인지점에비해상대적으로낮게형성되는것을확인할수있다. 시험부의중앙부 (X=0.5) 에서발생되는냉온은양쪽측면 (X=0.2, X=0.8) 보다더낮은온도를형성하고있고양쪽측면에서의외기의출입및외기와의온도차로인하여시험부내에서자연대류에의한흐름이형성되게된다. 따라서, 냉각영역에서측정된온도분포는중앙부의온도가양쪽측면보다약 2.5±0.5 정도차이를보이는것으로나타났다. Fig. 6 은열전냉각시스템과압전액츄에이터사이시험부의온도측정실험과동일한조건하에서압전액츄에이터를가진하였을때시험부에서형성되는온도분포측정결과를정리하여나타낸것이다. 압전액츄에이터를가진하였을때온도분포측정결과는측정지점인 X=0.2, 0.5 와 0.8 에서온 도분포가모두고르게형성되는것을확인할수있다. 열전냉각시스템에압전액츄에이터를가진하였을경우가가진하지않았을경우보다측정지점인 X=0.2, 0.5 와 0.8 인지점에서약 11 ±0.5 정도의고른온도분포를형성하는것을확인할수있었다. 시험부의온도분포측정결과를비교하였을때, 압전액츄에이터를가진하였을경우시험부의양쪽측면에서의온도분포가약 8~14% 낮게형성되었다. 다만, 측정지점이 X=0.5 에서압전액츄에이터를가진하지않은경우의온도분포결과보다가진하였을경우의온도분포결과가다소높게나타나고있다. 이는압전액츄에이터에공급된전기적에너지가액츄에이터에서 50Hz 의일정한주파수를갖고상하로진동하면서운동에너지로변환되며이때발생되는열에너지및진동파에의한영향으로시험부의온도분포에다소영향을미친다고사료된다 유동가시화결과 Figs. 7~9 는투명아크릴용기내에열전냉각시스템과압전액츄에이터를설치하여시험부를형성하고유동가시화를위해스모그를시험부에투입한후 CCD 카메라를이용하여시험부에발생되는물리적거동을각각의경우로나누어촬영한이미지를보여주고있다. Fig. 7 은열전냉각시스템을작동시켰을때시험부로방출되는냉온의유동현상을보여주고있다. 열전냉각시스템에서방출되는냉온은처음에중앙부를중심으로양쪽측면으로퍼져나가면서시험부에유동현상을일으키고점차시간이지나면서열전소자의양쪽측면가장자리에서자연대류에의한순환 (circulation) 현상이일어나는것을볼수있 Fig. 6. Profiles of temperature variation with piezoelectric actuator. Fig. 7. Visualization of flow phenomena only operating thermoelectric cooling system. 한국안전학회지, 제 24 권제 6 호, 2009 년 17

9 는열전냉각시스템과압전액츄에이터를동시에작동시키고시험부에서형성되는유동현상을가시화하여나타낸것이다. Fig. 9 에서보는바와같이, 열전냉각시스템에서시험부로방출되는냉온은압전액츄에이터의가진으로인해발생되는강한상향의흐름, 즉음향흐름으로인해강제대류현상을일으키게된다.

6 양호동, 윤희성, 오율권 다. 이러한결과는온도분포측정결과에서냉각영역의중앙부분이측면부분보다상대적으로낮은온도분포를형성하고있음을뒷받침해주고있다. Fig. 8 은시험부에압전액츄에이터만을가진하였을때형성되는유동현상을보여주고있다. 압전액츄에이터는압전소자로구성되어인가된주파수를공급해주었을때진동을일으키며음장을형성하는장치로, 압전액츄에이터에약 50 Hz 의인가된주파수를공급하였을때액츄에이터가장착된바닥면에서시험부내상부, 즉열전냉각시스템쪽으로상승하는흐름이발생하는것을볼수있다. 이는시간이지나면서점차강한상향의흐름, 즉음향흐름 (acoustic streaming) 을발생시키게된다. Fig. 9 는열전냉각시스템과압전액츄에이터를동시에작동시키고시험부에서형성되는유동현상을가시화하여나타낸것이다. Fig. 9 에서보는바와같이, 열전냉각시스템에서시험부로방출되는냉온은압전액츄에이터의가진으로인해발생되는강한상향의흐름, 즉음향흐름으로인해강제대류현상을일으키게된다. 특히, 열전냉각시스템만을작동시켰을때냉온의유동현상은양쪽측면부에서순환현상을일으키고중앙부에는특별한유동현상이관측되지않았다. 그러나압전액츄에이터가함께가진되었을때시험부내의유동현상을살펴보면, 시험부의양쪽측면에서대류에의한순환현상과함께시험부의중앙부에도균일한형태로국부적으로순환현상이일어나는것을확인할수있다. 이는압전액츄에이터의가진으로인해형성되는음향흐름이열전냉각시스템에서시험부로방출하는냉온을국부적으로고르게순환시켜냉각영역전체에강제적으로대류현상을일으키면서균일한영역을형성시켜주는것이며, 이러한가시화결과는 Fig. 6 의온도분포측정결과에서나타난바와같이시험부의중앙부와측면부의온도가거의일정하게형성되는것을뒷받침해주는결과이다. 이는압전액츄에이터가시험부에강제대류를활성화함으로써시험부에서의열전달을향상시켜열전냉각시스템의성능을향상시킨다는것을알수있었다. 5. 결론 본연구에서는열전냉각시스템의성능향상을위해압전액츄에이터를이용하였으며, 압전액츄에이터의가진유 무에따른시험부에서의열전달특성에대해규명하였다. 이에본연구를통해얻어진결과를요약하면다음과같다. Fig. 8. Visualization of flow phenomena only operating piezoelectric actuator. Fig. 9. Visualization of flow phenomena operating thermoelectric cooling system and piezoelectric actuator. 1) 압전액츄에이터를가진하였을때온도분포측정결과측정지점인 X=0.2, 0.5 그리고 0.8 에서약 11±0.5 정도의고른온도분포를형성하는것을확인할수있었으며, 압전액츄에이터를가진하였을경우시험부의양쪽측면에서의온도분포가약 8~ 14% 낮게형성되었다. 2) 열전냉각시스템의열전달프로세스에압전액츄에이터를가진시키면시험부에강한상향의흐름인음향흐름이형성되는것을확인하였다. 3) 압전액츄에이터의가진으로인해형성되는음향흐름은열전냉각시스템에서시험부로방출하는냉온을국부적으로순환시켜시험부전체에균일한온도분포를갖도록강제대류를활성화함으로써열전달을향상시켜열전냉각시스템의성능을향상시킨다는것을알수있었다. 18 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 6, 2009

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