키슬리 인스트루먼츠 사업부 김수길 부장

글로벌 계측장비 기업 텍트로닉스는 지난 4월 29일 서울 서초구 엘타워에서 ‘텍트로닉스 혁신 포럼(Tektronix Innovation Forum 2015)’을 개최했다.
최신 측정 기술과 기술 동향을 소개한 이번 포럼에서 키슬리 인스트루먼츠 사업부의 김수길 부장은 ‘에너지 하베스팅의 핵심이 되는 열전소자 측정 기술’을 주제로 발표했다.
주변의 에너지를 모아 전기로 바꾸는 ‘에너지 하베스팅’ 기술이 주목 받고 있다. 전 세계 기업들은 에너지 하베스팅 기술을 제품에 적용함으로써 새로운 경쟁력을 얻게 되길 기대하고 있다. 본지는 김수길 부장의 강연을 정리했다.

열전소자는 개념이 단순하다. 

열전소자(Thermoelectric element)는 전극판이 2개인데 온도를 인가하면 전기가 발생하고 전기를 인가하면 온도가 발생하는 소자다. 기본적으론 압전소자(Piezoelectric effect element)에서 전기를 가하면 변이가 발생하고 압력 시 전기가 발생하는 원리와 유사하다.

열전소자는 두 단어로 요약된다. 제벡 효과(Seebeck effect)와 펠티에 효과(Peltier effect)다. 이 두 가지를 합치면 열전(熱電)이다.

열전소자는 열에너지를 전기에너지로 변화시키거나 전기에너지를 열에너지로 변화시키는 에너지 변환 기술이다. 열이 발생하게 되면 전기를 일으킬 수 있기 때문에, 에너지 하베스팅을 위한 애플리케이션에 다양하게 활용될 것으로 많은 주목을 받고 있다.



전기전도도 Up, 열전도도 Down  

열전성능지수(Thermoelectric figure of merit)는 그림1의 수식으로 표현된다. 분모는 열전도율(Thermal Conductivity)이며, 분자의 제벡 계수(Seebeck coefficient)와 전기전도도(Electrical Conductivity)를 합쳐선 파워 팩터(Power Factor)라고 한다. 

열전 성능 지수의 핵심은 수식의 분자와 분모가 ‘1’이 됐을 때 ‘1’ 이하는 효율이 떨어지기에, ‘1’ 이상의 기술 달성을 통해 효과를 보는 것이다. 결국 전기전도도는 높여야하고, 열전도도는 낮춰야 열전소자는 효율적인 소자가 된다고 말할 수 있다. 쉽게 말해, 전기가 잘 흐르게 하고 온도는 이동이 줄어야 에너지 소모를 최소화하고 최대 에너지를 변환할 수 있다.

당면한 문제는 분자가 커지면 분모가 함께 커진다는 것이다. 왜냐하면 온도가 올라가면 전기전도도도 함께 향상되며, 전기전도도가 올라가면 열전도도도 같이 올라간다. 따라서 이는 관련 연구자들의 주요 연구과제로 남아있다.

열전소자는 1800년대에 소개됐으며, 1990년 들어와 연구가 본격화됐다. 이후 나노 구조 재료가 연구되면서 기술은 급격히 발전하게 된다. ‘1’ 이상의 성능지수의 재료들이 연구되고, 화합물 반도체 기술이 소개가 되면서 급속도로 많은 연구가 이뤄지고 있는 상황이다.

성능지수 ‘1.5’ 이상이면 어떤 애플리케이션에도 활용 가능하며 최근엔 ‘3’ 이상도 나오고 있다. 

열전소자의 핵심, 제벡 효과와 펠티에 효과

서두에 열전소자는 제벡 효과와 펠티에 효과로 요약된다고 밝혔는데, 제백 효과의 원리는 간단하다.

N형과 P형으로 도핑된 두 종류의 반도체 양 끝을 접합해 온도 차를 주면 온도가 높은 쪽은 에너지 준위가 높다. 에너지 준위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전하들이 이동하게 되면 양극에서 전기가 발생한다. 이를 제벡 효과라고 한다. 쉽게 말해, 온도 차이를 줬을 때 양극판에 전기가 발생한다는 내용이다. 실제로 온도에 따라 양극의 전압을 측정하게 되면 그림 2와 같은 리니어 그래프가 나온다. 결국 제백 효과를 이용해 온도가 발생했을 때, 전기를 일으킬 수 있게 돼 에너지 하베스팅으로 이용가능한 것이다.

펠티에 효과는 서로 다른 종류의 도체(금속 또는 반도체)를 접합해 전류를 흐르게 할 때, 접합부에 줄열(Joule’s heat) 외에 발열 또는 흡열(吸熱)이 일어나는 현상이다. 전하가 운반하는 열량이 물질에 따라 다르기 때문이다.

펠티에 계수(Peltier coefficient)는 펠티에 효과의 단위 전하(unit charge)가 열을 전달하는 계수를 말한다. 한 쪽은 빠르고 한 쪽은 느린 것으로 하면, 한 쪽은 뜨겁게 되고 한 쪽은 차갑게 된다. 이런 효과를 펠티에 효과라고 한다.

기업, 에너지 하베스팅 적극 도입 

세계의 기업들이 열을 하베스팅해 전기에너지로 바꾸는 기술을 통해 제품을 출시하고 있다.

BMW 5 시리즈는 열전소자를 이용해 엔진에서 발생한 열을 하베스팅, 전기에너지로 바꾸는 기능을 갖췄다. 바뀐 전기에너지는 차량 내 좌석을 덥히는 데 재사용된다. 

일본 기업 TDDI는 열전 냉장고(Ther-moelectric refrigerator)를 출시했다. 열전재료를 이용해 전기에너지를 줘서 온도 차이를 발생시키는 이 소형 냉장고는 실제 판매 중이다. 이외에도 ACE TEC이란 기업 역시 에너지 하베스팅을 이용한 와인 냉장고를 판매 중에 있다.

KAIST(한국과학기술원)에서는 사람 몸에서 나오는 열을 활용해 전기를 발생하는 기술을 연구 중이다. 더운 여름을 생각해보자. 여름엔 외부온도와 인간의 체온 사이엔 큰 차이가 없다. 그러나 겨울엔 체온은 높은데 반해 외부온도는 낮아, 둘 사이에 커다란 온도차이가 존재하게 된다. KAIST는 열전소자를 웨어러블 형태로 피부에 부착해 전기를 발생시킬 수 있는 기술을 연구개발 중이다. KAIST의 웨어러블 발전 소자는 최근 유네스코가 지정한 ‘세계 10대 과학기술’로 선정된 바 있다.

열전소자 전기량 측정은 낮은 레벨로 

열전소자를 측정할 땐 핫 플레이트(Hot plate)와 콜드 플레이트(Cold plate)가 있다.

전기를 인가해 핫(Hot)이나 콜드(Cold)로 만든다. 한 번에 개별적으로 온도 컨트롤도 가능하다. 또는 루프(Loop)를 만들어서 커런트(Current)를 주면 한 쪽은 핫이 되고 다른 한 쪽은 콜드가 된다. 이 사이에 열전재료가 삽입된다. 이때에 이 열전재료에서 전기가 발생하는 것이다. 현재엔 이와 관련된 많은 실험이 진행 중이다.

실제로 커런트를 플레이트(Plate)에 인가해서 열을 발생시키고 콜드 플레이트와 핫 플레이트는 데이터 키를 만들고 커런트 등을 측정하게 된다. 온도의 변화량(델타 T)에 대한 전압의 변화량(델타 V)을 측정하게 되면 제백 플롯(Plot)이 나오게 된다. 

측정 변수(Measurement Parameters)의 경우, V를 측정하면 오픈 상태에서 최대전압(Voc)이 된다. 열전소자에서 발생하는 최대 전압 값이 되며, 커런트를 측정하면 쇼트 상태가 된다. 쇼트 상태에선 최대전류(Isc)가 된다.

TE 디바이스는 Voc(Open Circuit Voltage Measurement as maximum voltage from the device)와 Isc(Short Circuit Current Measurement as maximum current from the device)를 측정할 수 있으며, 이 외에 핫하고 콜드한 플레이트의 실제 온도 값도 측정하게 된다.

소스의 경우, 온도를 컨트롤해야하기 때문에 볼테이지 소스나 커런트 소스를 이용해 볼테이지를 제어한다. 키슬리(Keithley)의 소스미터(SouceMeter) 장비 2600 Series를 이용하면 온도 제어를 쉽게 할 수 있다.

쓰는 장비들은 볼테이지(Voltage)를 측정해야하기에 나노 볼트미터(Nano Voltmeter, 모델명 2182A)라고 해서 볼테이지를 나노 레벨까지 측정한다. 커런트를 측정하기 위해서 피코암미터(Pico Ameter, 모델명 6485)를 사용하면 피코 레벨까지 측정할 수 있다.

현재는 열전소자의 효율이 그리 좋지 않다. 전기량이 밀리 와트(mW) 정도의 미세한 수준이기 때문이다. 따라서 장비들도 낮은 레벨로 사용하게 된다.

키슬리는 TE 디바이스를 위한 완벽한 솔루션을 제공하고 있으며, 제백과 성능 지수 측정을 위해 소프트웨어를 제공 중이다.