분석 – CAE 전문매거진 ANZINE Vol.50 에너지 자립형 IoT 산업을 위한 열전반도체

 

열전반도체를 사용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 TEG(Thermo-Electric Generator)를 분석해 보자.▲에너지 하베스팅=현재 대부분의 IoT 기기와 MEMS 센서, 소형 Actuator는 전력망과 배터리를 주요 에너지원으로 사용한다. 하지만 에너지 자립성 요구와 유지보수 비용이 증가하는 것을 해결하기 위해 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에 다양한 형태로 존재하는 에너지인 빛, 열, 진동, RF 등 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지를 수집해 전력으로 변환해 사용하는 기술이다. 수집된 에너지는 그 크기가 몇 ㎼~㎽ 정도로 매우 약하나 소형화된 IoT기기는 작동시킬 수 있는 수준이기 때문에 에너지 공급을 위한 전력배선 구축 또는 배터리 교환을 통한 유지보수 비용을 절감할 수 있게 된다. IoT 기기의 구조는 사용하는 목적에 따라 다르지만, 통상은 데이터 수집, 정보처리, 통신을 담당하는 부분으로 구성되어 있다. 여기에 에너지를 공급하는 에너지 하베스터를 하나로 묶어 하나의 플랫폼으로 구성하기 위한 노력이 진행되고 있다. 상기 내용을 정리하면 그림 1과 같다.

그림1. 에너지 자립형 IoT 플랫폼 구성도(출처: KEIT PD Issue Report)

열전 반도체=이번에는 다양한 에너지원 중에서 열을 활용하는 에너지 하베스터에 대해 알아본다. 열에너지 하베스터는 열전 반도체를 사용하고, 열전 반도체가 가지는 열전효과(Thermoelectric effect)는 제백효과(Seebeck effect), 펠티에효과(Peltier effect), 톰슨효과(Thomsoneffect)의 세 가지 열과 전기의 상관현상을 통틀어 열전효과로 볼 수 있다. 2종류의 금속을 폐회로로 하여 2개의 접합부에 온도차를 유지하면 기전력이 발생하여 회로에 전류가 흐른다. 이 현상은 1821년 독일의 Seebeck이 실험적으로 발견한 것이기 때문에 zebeck 효과라고 한다. 반대로 전류를 흘리면 한쪽 접합부는 냉각되고 다른 쪽은 가열된다. 이 현상은 1834년에 프랑스 Peltier에 의해 발견되었기 때문에 페르티에 효과라고 하는 그리고 한 종류의 금속이라도 양끝에 온도차가 있거나 단면이 고르지 않은 도체에 전류를 흐르게 되면 부분적으로 전자의 운동에너지가 변하고 도체 내에서 줄열 이외에 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 것을 1851년에 영국의 Thomson에 의해 발견되었다.(출처: 위키백과, 열전효과) 열전효율(thermoelectriceff)을 사용한다. 열전 반도체 물질에 대한 지속적인 연구를 계속하여 기술의 응용성 및 경제성을 높이고 있는데, 그림 2와 같이 Bi-Te, Pb-Te, Si-Ge 및 Fe-Si계 합금을 기본으로 하는 재료가 널리 이용되고 있다. (출처 : 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 열전소자기술, 박영삼, 강상우, 이승윤)

그림2. 온도에 의한 열전재료의 ZT값 열전현상에서 zebeck효과와 페르티에효과는 아래와 같은 관계를 갖는다. 여기서 π는 제벡 정수, π는 페르티에 정수, T는 절대온도(K)이다. zeveck 상수와 페르티에 상수가 비례관계에 있어 ANSYS에서도 열전반도체의 zery 물성값을 설정할 때 zeveck 상수만을 설정하는 것만으로 zeb 효과와 페르티에 효과의 계산을 진행할 수 있다. 열전반도체를 활용하는 제품들을 살펴보면 기존에는 주로 우주선 전력 공급 장치나 무선통신기 전원 공급 장치, 핵잠수함의 동력 공급 장치 같은 우주용 군사용 같은 특수 용도만 개발돼 왔다. 그 후 차량용 열전발전기가 큰 잠재성을 가진다고 판단해 연구가 활성화되면서 최근에는 무선센서 네트워크 분야에서 각광받고 있지만 열원의 활용범위가 -50~1,000C°로 매우 넓고 산업이나 가정에서의 열감시나 전기장치의 과열감시, 전기차단, 유량측정 등에도 열전센서가 이미 개발되어 그림3과 같이 사용중이다. 그림 4에 신체의 열을 사용하여 시계에 전력을 공급하고 배터리를 충전하는 경우이다.

그림 3. 무선 온도 측정 센서

그림 4. 신체의 열을 사용하여 충전되는 스마트워치 MATRIX PowerWatch ANSYS에서의 해석방법에 대해 언급한 사례 외에 활용 중이거나 활용 가능한 영역은 매우 많으며 이를 위한 열전발전기(TEG, thermoelectric generator) 모듈을 예로 들어 본다. 재료물성은 열전반도체가 사용되는 환경에 맞추어 물성값을 적용하는 것이 권장된다. 예제에서는 열전발전 모듈의 사용환경온도가 상온에서 300C°라고 가정하고 이에 따라 온도별 재료물성값을 설정해야 한다. 예제에 사용된 물성치는 그림 5와 같다.

그림 5. 열전 반도체의 온도별 재료물성값 온도차에 의해 폐회로상에서 전위차가 발생하는 현상을 개략도로 나타내면 그림 6과 같다. TEG 모듈의 해석 경계 조건을 보면 상단면에 고온의 열원이 있고 하단면에는 냉각 조건이 적용된다. 온도 구배에 따라 열전 반도체 전극에서 전위차가 발생하기 때문에 전류가 흐를 수 있는 전력제어 모듈의 추가 구성이 요구되나, 예제에서는 단위저항을 설정하여 폐회로를 구성했다.

그림 6. 열에너지 하베스터 개략도 및 유한요소모델 경계조건을 좀 더 자세히 설명하면 그림 7과 같이 열원과 방열조건에 대한 경계조건은 정확한 열량에 대한 값을 사용할 필요가 있는데, 여기에서는 온도고정조건을 사용하고 있다. 고온, 저온부에 온도를 고정하는 경계조건은 경우에 따라서는 에너지가 무한한 열원으로 적용될 수 있으므로 매우 주의해야 하지만 만약 가정하려면 장시간 온도가 변화하지 않고 일정하며 열전발전 모듈을 장착함으로써 열원이 갖는 총열량에 비해 손실되는 열량이 매우 미비한 경우에는 이와 같은 온도고정조건을 적용할 수 있다.

그림 7. 경계조건 전극의 양단부는 전위차가 생기는 지점이기 때문에 폐회로를 구성하는 설정이 필요하다. 먼저 ground voltage 조건을 한쪽으로 설정하고, 양쪽을 단위 저항 소자로 묶는 것은 APDL 명령어를 사용하여 설정했다.

그림 8. 단위 저항 소자 설정에 사용되고 있는 CIRCU 124요소……………………………. 본 Article 전문은 ANZINE 50호 PDF 파일에서 확인하실 수 있습니다.

결론 IoT 산업이 활성화하기 위해서는 복잡하지 않은 설치와 저렴한 보수 비용을 고려해야 한다.열전반도체를 적용한 에너지 하베스터는 폐열이 발생하는 모든 곳에서 에너지 자립을 할 수 있기 때문에 다양한 산업분야에서 사용 환경에 최적화된 설계안을 도출하는 데 ANSYS를 이용한 분석 방법이 도움이 되기를 희망한다.

자세한 내용은 아래 링크를 통해 확인하실 수 있습니다.더 많은 ANZINE 기술 자료를 확인하세요 : ) ▷ ANZINE 보러가기 ◁

대성애누이는 분기마다 CAE 전문매거진 ‘ANZINE’을 발행하고 있으며, 대성애누이 홈페이지에서 매거진을 무료로 다운로드 받을 수 있습니다.

본 콘텐츠의 저작권은 모두 태성이에게 있습니다.이미지 및 게시글을 무단 전재 또는 재배포 할 수 없습니다.