안녕, 냉매! 고체 상태 냉각에 대한 새로운 통찰이 전자 제품의 열 요구 사항 접근 방식을 뒤바꿀 수 있습니다

냉매는 현대 기술 세계를 정의하는 가장 중요한 요소 중 하나였습니다. 냉매 덕분에 우리는 식품을 보존하고, 한 장소에서 다른 장소로 운송하며, 부패하기 쉬운 물품을 더 오래 소비할 수 있게 만들 수 있습니다.

시장 조사에 따르면 냉매 제품 시장은 성장하고 있으며 앞으로도 계속 성장할 것입니다. 이용 가능한 데이터에 따르면 전 세계 냉매 제품의 총 가치는 2022년에 200억 5천만 미국 달러였으며, 2030년까지 367억 7천만 미국 달러로 8년 동안 1.8배 이상 증가할 수 있습니다. 

하지만 냉매 시장의 성장이 산업이 정체되고 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 실제로 매출 증가와 시장 확대가 혁신을 배제하지는 않습니다. 오히려 이러한 성장은 새로운 기술과 접근법 개발을 촉진합니다. 최근 에너지부 오크리지 국립 연구소가 주도한 연구는 고체 상태 냉각을 실현할 수 있는 새로운 과학적 이해를 제공했습니다. 

다음 섹션에서는 이 현상을 더 깊이 이해해 보겠습니다. 

고체 상태 냉각의 변혁적 패러다임

이 연구팀의 주요 성과는 연구팀이 원자 규모 열 움직임 과학에서 지식 격차를 메우는 것이었습니다. 보다 실용적인 수준에서, 연구의 성공은 재료와 장치에 대한 더 깊은 이해에 기반합니다.

이 경우 재료는 니켈-코발트-망가니즈-인듐 자성 형상 기억 합금으로, 온도를 높이거나 자기장을 가함으로써 상전이를 일으켜 변형된 후 원래 형태로 복원될 수 있습니다.

반면 장치는 원자 규모에서 재료를 조사할 수 있는 일련의 중성자 산란 장비로 구성됩니다. 

재료가 고체 상태 냉각에 최적 후보로 부상한 과정

실험은 니켈-코발트-망가니즈-인듐 자성 형상 기억 합금이 온도를 높이거나 자기장을 가함으로써 상전이를 일으킬 수 있음을 보여주었습니다.

자기장에 노출되면 재료는 구조적 및 자기적 상전이를 겪으며, 간단히 말해 열을 흡수하고 방출합니다. 이 효과는 고체 상태 냉각 현상의 핵심이며, 즉 고체 상태 냉각은 이 효과를 활용해 냉각을 제공합니다. 

이 냉각 메커니즘에서 재료는 페로익 유리 상태라고 알려진 상태에 도달하며, 이는 열을 저장하고 방출하는 능력을 향상시킵니다.

실험 뒤의 과학을 설명하면서, ORNL의 중성자 및 X-선 산란 그룹 선임 연구원인 Michael Manley는 다음과 같이 말했습니다::

“중성자 산란은 자성 형상 기억 합금의 냉각 용량이 시스템 내 무질서로 인해 형성되는 국부적인 마그논-포논 하이브리드 모드에 포함된 열에 의해 세 배가 된다는 것을 보여줍니다. 이 발견은 사회적 필요를 위한 고체 상태 냉각 응용에 더 나은 재료를 만들 수 있는 길을 제시합니다.” 

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마그논-포논 하이브리드 모드

마그논과 포논은 각각 스핀 파와 진동으로도 알려져 있습니다. 이들은 원자의 무질서한 배열에 걸쳐 작은 영역에 동기화된 형태로 존재합니다. 마그논-포논 하이브리드 모드의 지역적 행동 패턴은 재료의 열 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 

이러한 하이브리드 모드와 그 움직임의 의미를 설명하면서, Manley는 추가로 다음과 같이 말했습니다::

“장거리 및 단거리 상호작용은 국부적인 진동과 스핀 파로 나타나며, 이는 작은 영역에 가두어진다는 의미입니다. 이것은 중요한데, 이러한 추가적인 국부 진동 상태가 열을 저장하기 때문입니다. 자기장을 변화시키면 또 다른 상전이가 일어나며 이 열이 방출됩니다.”

전체적으로, 이 실험은 자성 형상 기억 합금의 기능을 적절히 제어하면 이를 열 스펀지로 만들어 전통적인 냉매나 기계 부품 없이도 효율적인 고체 상태 냉각을 준비할 수 있음을 보여줌으로써 고체 상태 냉각 연구의 새로운 영역을 열었습니다. 

이 연구가 확실히 획기적이지만, 고체 상태 냉각이 최근의 현상이 아니라는 점을 기억해야 합니다. 이 현상은 이론적으로 1834년 프랑스 물리학자 Jean Charles Athanase Peltier가 펠티에 효과를 발견하면서부터 존재해 왔습니다.

다음 섹션에서는 펠티에 효과와 이를 활용하는 열전 냉각기에 대해 간략히 살펴보겠습니다.

고체 상태 냉각 및 열전 냉각기의 기원

과학적으로 펠티에 효과는 “전도체가 일정한 온도로 유지되고 전류가 흐를 때, 열 전류가 생성되는 현상”으로 정의됩니다. 이 열 전류는 전류에 의해 발생한 열을 운반하는 데 도움을 줍니다.

즉, 펠티에 효과는 두 물질을 연결하는 접합부를 통과하는 전류가 접합부에서 열을 방출하거나 흡수하여 두 물질의 화학 퍼텐셜 차이를 균형시키는 상황에서 발생합니다.T

펠티에 효과는 펠티에 냉각기라는 전자 냉장고를 만드는 데 활용됩니다. 펠티에 장치는 열전 냉각기라고도 불리며, 비스무트 텔루라이드로 구성된 반도체 재료 배열을 직렬로 연결하고 두 개의 세라믹 판 사이에 끼워 넣어 구성됩니다.

직류 전류가 TEC를 통과하면 반도체 재료 내 전자는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동하면서 열을 운반합니다. 이로 인해 장치의 한쪽은 냉각되고 다른 쪽은 가열됩니다.

과학계가 고체 상태 냉각 현상을 여전히 논의하고 탐구하는 이유는 이 기술이 많은 이점과 실제 적용 사례를 가지고 있기 때문입니다. 앞으로의 섹션에서 이러한 장점과 적용 사례를 살펴보겠습니다. 

고체 상태 냉각의 다양한 이점 및 적용 사례

고체 상태 냉각은 기존 냉각 시스템보다 에너지 효율이 높아질 수 있습니다. 이는 전기 에너지의 더 높은 비율을 냉각 능력으로 전환할 수 있기 때문입니다.

또한 재생 에너지, 특히 태양광 패널과의 통합 호환성이 뛰어납니다. 낮은 탄소 발자국 외에도 고체 상태 냉각은 오존 파괴에 기여하지 않으며, 따라서 냉매나 기타 액체 기반 냉각 기술보다 환경 친화적입니다.

고체 상태 냉각은 신뢰성과 내구성 측면에서도 높은 점수를 받습니다. 움직이는 부품이나 순환 유체가 없기 때문에 기계적 고장이 적고 유지보수가 적게 필요합니다. 많은 가전 제품이 고체 상태 냉각 기술을 활용할 수 있습니다.

이러한 가전 제품 사례로는 냉장고, 에어컨, 와인 냉각기가 있습니다. 전기 및 하이브리드 차량에서 배터리와 기타 부품을 냉각하기 위해 고체 상태 냉각을 활용하는 방안에 대한 논의가 늘어나고 있습니다. 이는 성능 향상과 주행 거리 증가에 기여할 수 있습니다.

고체 상태 냉각 메커니즘은 현대 차량의 대체 실내 냉각 시스템으로도 적합하다고 평가됩니다. 한 과학 연구는 고체 상태 냉각을 활용한 자동차 에어컨 시스템의 실현 가능성을 조사했습니다. 결과는 작고 유연한 TE 냉각 장치를 적용하면 효율적인 자동차 에어컨 시스템에 더 많은 가능성을 제공한다는 것을 보여주었습니다.

이 연구는 또한 객실 내 균일한 공기 흐름을 제공하여 인간의 편안함을 향상시키기 위해 구축된 국부 TE 냉각의 속도 및 온도 프로파일을 조사했습니다. 거의 9% 향상이 이 배열을 기존 냉각 시스템과 비교했을 때 인간 편안함 측면에서 얻어졌습니다.

많은 고체 상태 냉각의 이점과 적용 사례가 기업들이 고체 상태 냉각 기술 및 방법에 연구와 자원을 투자하도록 영감을 주었습니다.

다음 섹션에서는 이러한 기업들과 그들의 구체적인 솔루션을 논의하겠습니다.

#1. CUI Devices

CUI Devices는 다양한 펠티에 장치로 알려져 있습니다. 단일 단계 펠티에 모듈, 다단계 펠티에 모듈, 그리고 펠티에 냉각 유닛을 포트폴리오에 포함하고 있습니다.

예를 들어 CPM-2F 6.0 Amp 펠티에 냉각 유닛은 방수 및 열 스트레스 흡수를 위한 강화된 실링 구조를 갖추고 있습니다. 설치가 용이하며 고밀도·고전력 산업용 및 냉각 요구에 이상적으로 부합합니다.

회사에는 또한 CPM-2C와 CPM-2H라는 두 가지 변형이 있으며, 각각 7A와 8.5A 규모에서 최적의 서비스를 제공합니다.

CUI Devices의 전체 제품 라인을 살펴보면, 3.4~70mm 크기의 단일 및 다단계 펠티에 모듈과 펠티에 냉각 유닛을 제공하며, 프로파일 두께는 최소 1.95mm, 전류 정격은 0.7~20A, 온도 차는 70~105°C에 이릅니다. 회사는 제품의 향상된 신뢰성, 우수한 성능 및 연장된 사이클 수명을 자랑합니다.

CUI Devices는 미국 오레곤 주 튤라틴에 본사를 둔 전자 부품 제조업체로, 인터커넥트, 오디오, 열 관리, 모션 및 센서 솔루션을 제공합니다. 2023년 10월, CUI Devices의 열 관리 부서는 열 설계 서비스를 출시하여 잠재적 핫스팟을 식별하고, 공기 흐름을 최적화하며, 고객의 특정 요구에 맞춘 효과적인 냉각 시스템을 설계합니다.

#2. Coherent Corp

Coherent Corp (COHR ) 의 냉각 시스템은 효율적인 TEC 장치를 기반으로 하는 공통 “Core”를 중심으로 표준 및 맞춤형 포맷을 포함한 다양한 산업 및 통신 솔루션을 제공합니다. TEC 장치 외에도 이 코어는 히트/콜드 싱크, 서미스터/RTD, 배선 하네스를 통합합니다. 

Coherent의 가장 잘 알려진 고체 상태 냉각 기술 제품 중 하나는 Climatherm (CTA) 공기 대 공기 냉각 시스템입니다. 이 솔루션은 회사의 고체 상태 TEC 냉각 기술을 기반으로 하며, 가볍고 컴팩트한 패키지에서 최대 250W의 냉각 전력을 제공하여 고객 전자 장치를 극한 환경으로부터 보호합니다. 

이 제품의 냉각기는 RoHS EU 규정을 준수하는 컴팩트하고 경량화된 설계를 갖추고 있으며, 높은 효율의 열 전달을 제공합니다. 일반적인 적용 분야에는 전자 인클로저 냉각, 식품 및  음료 저장, 배터리 캐비닛 냉각, 실험실 기기 등이 포함됩니다.

최신 재무 기록에 따르면, 이 회사는 2023년 6월 30일 종료 연도에 51억 6천만 미국 달러의 연 매출을 기록했습니다. 이는 전년 2022년 6월 30일 종료 연도에 기록된 33억 1천7백만 미국 달러 대비 크게 증가한 수치입니다.

고체 상태 냉각의 미래

말하자면, 고체 상태 냉각의 미래는 의심할 여지 없이 밝아 보입니다. 전 세계의 과학 및 상업 기술 커뮤니티는 이 기술이 지구 온난화와 기후 변화라는 도전에 정면으로 맞설 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 인식하고 있습니다. 

경험이 풍부하고 확립된 기업들 외에도 Phononic과 같은 혁신적인 기업이 등장했습니다. 이들의 고체 상태 냉각, 냉동 및 HVAC 혁신은 자연적으로 존재하는 CO2와 물만을 사용하며, GWP가 1에 불과해 업계에서 가장 낮은 GWP 등급을 제공합니다. 여기서 GWP는 지구 온난화 잠재력을 의미합니다.

Phononic은 자사의 고체 상태 설계가 온실 가스 배출을 감소시키는 새로운 흥미로운 방법이 될 수 있으며, UN 기후 목표를 지원하고 시장의 높은 성능 요구를 충족시킬 잠재력이 있다고 믿습니다.

하지만 향후 전자 제품의 열 요구를 효율적으로 충족하기 위해 고체 상태 냉각이 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 열전 재료의 비용이 전통적인 냉각 시스템에 비해 현저히  높을 수 있기 때문에 가격 경쟁력을 확보해야 합니다. 연구자들은 대체 재료와 보다 비용 효율적인 제조 공정을 탐구하기 위해 보다 적극적이고 신속하게 작업해야 합니다.

핵심에 고체 상태 냉각을 두고 생산을 확대하는 것도 효율성 문제에 직면할 것입니다. 열전 재료는 특정 응용 분야에서 아직 전통적인 증기 압축 시스템에 뒤처져 있기 때문입니다. 과학자들은 열전 재료의 효율성을 향상시킬 방법을 찾기 위해 보다 강도 높은 테스트를 수행해야 합니다. 

마지막으로, 고체 상태 냉각 시스템은 열전 냉각기의 뜨거운 측에서 발생하는 열을 효율적으로 방출하도록 열 관리 프로파일을 개선해야 합니다. 이는 시스템의 최적 성능을 유지하는 데 필수적입니다.

전 세계적으로 연구자들은 고체 상태 냉각의 이점을 인식하고 있습니다. 새로운 재료와 성능 향상 기술을 연구하고 있으며, 곧  산업 및 상업 분야에서 고체 상태 냉각의 채택이 더욱 확대될 것으로 기대됩니다.

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