열전냉각 반도체재료 기술 동향, 국내외 기술개발현황 기술수준, 향후 동향 및 전망

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열전냉각 반도체재료 기술 동향, 국내외 기술개발현황 기술수준, 향후 동향 및 전망에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 기술 개요
2. 국내외 기술개발현황 기술수준
3. 향후 국내외 기술개발 동향 및 전망
4. 기술활용범위

본문내용

본, 유럽의 대다수 대학, 연구소 및 기업체에서 열전재료 및 소자개발 연구를 현재 활발히 진행 중에 있다. 미국의 경우 MIT, 미시간주립대 등의 대학, Sandia, JPL (Jet Propulsion Lab) 등 연구소, IBM, Hyperion, Allied-Signal 등의 기업체가 이에 해당한다. IBM의 경우 8nm 크기의 코발트 nanocluster 구조에 대한 재료연구 및 열전소자 개발, Hyperion사는 multiwall carbon 나노튜브를 적용한 재료연구, Sandia 연구소는 2D inorganic/organic 다층구조에 관한 연구, 비행기 부품제조회사인 Allied-signal사에서는 페놀릭(Phenolic) inverse opal 재료 연구, NASA Jet Propulsion Lab에서는 Bi2Te3를 전기화학적으로 증착하는 기술개발 및 냉각기 및 발전기 소자개발연구를 수행하고 있다. 일본은 열전냉각소자 개념을 적용하여 폐기물에서 발생하는 열 에너지를 전기에너지로 환원하는 대규모 waste-heat recovery program을 시도하고 있는 실정이다.
나. 국내의 경우
국내에서도 1990년도를 전후하여 열전재료 및 열전소자개발에 대한 연구를 활발히 수행하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST)을 비롯하여 서울대, 연세대, 충남대, 한양대, 홍익대 등 대학 및 Thermotek 등 업체가 재료연구 및 소자 개발에 참여하고 있다. KIST에서는 BiTe-SbTe 계를 적용한 재료개발 및 소자 모듈개발을 80년도 말부터 국책과제 및 러시아와 국제연구로 수행하고 있으며, 서울대에서는 PbTe 계열 열전반도체의 합성 및 재료특성연구, 연세대, 충남대, 한양대, 홍익대 등에서는Bi2Te3계, Bi-Sb-Te계, Fe-X-Si2 (X=Co, Mn)계 열전재료 제조 및 열전특성연구를 수행하고 있다.
다. 전망
현재 열전소자의 재료는 Bi2Te3, PbTe, SiGe, 또는 BiSb, TAGS, FeSi2 등에 기반을 재료가 사용되고 있다. 향후 열전소자에 기반을 둔 응용분야는 대폭 확대될 것으로 전망된다. 특히 기존의 냉매가스(CFC)에 기반을 둔 냉장고 및 냉각기기 등은 환경문제(CFC-ban)에 기인하여 대부분이 열전소자와 같은 환경친화적 (enviromentall friendly \"green\") 기술에 기반을 둔 제품으로 대체될 전망이어서 시장 상황이 양호할 것으로 보인다. 그러나 현재까지는 응용분야 및 시장형성이 미흡하여 새로운 기술개발이 급격하게 진행되고 있지는 못한 실정이었다. 향후 기술개발의 방향은 현재 사용되고 있는 재료의 특성에 대한 심도 깊은 이해에 바탕을 두고 새로운 아이디어통한 재료개발이 이루어져야 할 것으로 본다.
4. 기술활용범위
재료에 열을 가열하면 전력이 발생하고 전류를 통하면 냉각 또는 가열되는 열전반도체의 에너지 직접변환기능을 이용하는 열전소자는 가동부분이 없이 열에너지로부터 전기를 얻거나 전기에너지로부터 냉각효과를 직접 얻을 수 있기 때문에 열전발전기나 열전냉각 분야에서 실용화가 이루어지고 있다. 열을 전기로 변환하는 열전발전은 열전자 발전, MHD 발전, 태양전지, 연료전지 등과 같은 직접변환의 하나로서, 이용 가능한 열원의 종류가 다양하여 화석연료, 화학연료, 원자력 등을 열원으로 하는 발전기가 벽지용, 해저용, 우주용, 군사용 등의 특수전원장치로 이미 실용되고 있으며 각종 산업폐기물로부터의 열이나 자연에너지를 이용하는 대용량 열전발전 기술도 새로운 에너지 기술로서 개발 중에 있다.
한편 열전냉각은 기본적으로 반도체에 의한 전기적인 고체전자 회로이므로 반도체 레이저, 적외선 검출소자, 트랜지스터 등과 같은 다른 고체전자회로와의 정합성이 우수하므로 각종 반도체, 전자기기의 국부냉각이나 정밀한 온도제어에 활용되고 있어 전자기기나 광학기기의 소형화와 고성능화에 크게 기여하고 있다. 특히, 최근 반도체 기술의 발달로 전자소자의 소형화와 고기능화가 추구되고 있으나 열의 발생에 의한 잡음과 이로 인한 출력특성의 저하가 큰 문제점 중에 하나로 부각되고 있다. 따라서 열전냉각에 의한 이들 부품의 냉각이나 온도제어가 현재 가장 효과적인 대안으로 떠오르고 있다. 더욱이 열전냉각은 무소음, 무진동이며 열응답감도가 매우 높아 다른 고체전자소자와의 복합적 용도가 확대되고 있으며 냉장고, 냉난방장치, 저온항온장치 등 일반 민생용 가전제품에의 응용도 유망한 분야로 주목된다. 열전소자를 활용한 응용분야별 제품에 대해 표 2에 구체적으로 나타내었다.
표 2. 열전소자의 활용범위
응 용 분 야
품 목
가정용
피크닉 박스, 가습기, 차량냉장고, 청량음료캔쿨러, 자판기, 냉온 정수기, 기능성 화장품 보관함 등
산업용
반도체용 항온 설비, 공작기계 기판 냉각용, 미세 온도조절 장치, 각종 전자기기 냉각장치 등
항공용
블랙박스 냉각장치, 항공전자제어장치의 냉각설비, 열조절장치 등
우주용
우주망원경 카메라, 발전기, 발열기, 냉각기
군사용
적외선 탐지기, 레이저 관측장비, 미사일 유도용 회로 냉각기 등
연구용
-. 통신용 레이저다이오드 냉각기, 고감도 ccd 냉각기, 이미지 소자 등 광전용품
-. 각종실험기기, 항온조, 항온가열기, 냉각용기기 등
의료기
항온조, 형액보관기, 발열기 냉각용 등
향후 개발될 열전재료 성능지수 ZT>>1을 갖는 재료를 활용한 유망시장으로서는 다음과 같은 것을 예상할 수 있다.
o. 기존 냉각기기 및 냉장고 대체
o. 고온초전도체, 마이크로프로세서, 멀티칩모듈 냉각
o. 산업폐기물 열원을 활용한 발전기
o. 리모트 파워 소스
o. Self-powered 엔진 pre-heater, gas furnace, heater 등
o. 전기자동차용 에너지
o. 자동차, 트럭 등의 멀티내이터 대체
참고문헌
[1] http://www.zts.com : DARPA report
[2] 에너지 변환용 열전재료개발, 한국과학기술연구원, 1990.
[3] http://www.acetec.net
[4] http://www.thermotek.co.kr
keyWords : 열전재료, Seeback 효과, Peltier 효과, 열기전력, 냉매가스

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