2025년 6월, 세계적인 과학 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 주목할 만한 논문이 실렸습니다. 삼성전자와 존스홉킨스대학 응용물리연구소(JHUAPL)가 공동 개발한 고효율 펠티어 냉각 기술이 발표된 것입니다.
이 기술은 오랜 기간 효율 문제로 상용화가 어려웠던 펠티어 소자의 한계를 뛰어넘으며, 차세대 냉각 기술의 전환점을 제시하고 있습니다.
목차
1. 펠티어 냉각 기술이란?
펠티어 냉각은 전류를 흘렸을 때 금속 접합부에서 열이 이동하는 펠티어 효과(Peltier Effect)를 기반으로 합니다. 이는 냉매나 압축기 없이 전기만으로 냉각을 유도할 수 있어 친환경적인 냉각 방식으로 평가받습니다.
🔍 용어 설명:
• 펠티어 효과: 전류가 흐를 때 접합부에서 열이 흡수되거나 방출되는 현상
• ΔT (델타 T): 냉각 장치의 뜨거운 면과 차가운 면 사이의 온도 차이
하지만 기존 펠티어 소자는 효율이 낮고, ΔT가 커질수록 성능이 떨어져 주로 국소 냉각용으로만 사용되었습니다.
2. 삼성-존스홉킨스의 기술적 혁신: CHESS 구조
이번 논문에서는 CHESS(Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structure)라는 초박막 나노 구조가 도입되었습니다. 이는 반도체 공정을 활용해 고성능 열전소자를 제작한 구조입니다.
- 재료 수준에서 ZT 계수 약 2배 향상
- 모듈 및 시스템 수준에서 각각 75%, 70% 성능 향상
- COP 최대 15 (ΔT 1.3℃ 조건)
- 소재 사용량 1/1000로 절감
🔍 용어 설명:
• ZT 계수: 열전 효율을 나타내는 수치. 높을수록 냉각 성능이 좋음
• COP: 성능계수. 소비 전력 대비 얼마나 많은 열을 이동시키는지를 나타냄
3. 왜 주목받는가?
기존 펠티어는 효율이 낮고, 냉각 범위가 제한적이었습니다. 하지만 이번 연구는 낮은 ΔT 조건에서 COP 15라는 매우 높은 효율을 보였고, 정밀하고 조용한 냉각이 필요한 분야에 이상적입니다.
⚠️ 참고: COP 15는 매우 낮은 온도차(약 1.3℃)에서 달성된 실험 결과이며, 실생활에서의 성능은 환경 조건에 따라 달라질 수 있습니다.
4. 적용 가능 분야
1. 모바일 및 웨어러블 냉각
- 스마트폰 칩셋 냉각
- AR/VR 기기 발열 제어
- 웨어러블 헬스케어 기기
2. 의료·바이오 장비
- 휴대용 백신 냉장고
- 냉온 치료기기
- 유전자 진단 장비 온도 안정화
3. 산업·우주용 정밀 냉각
- 레이저 및 광학 장비
- 우주/진공 환경 냉각
- 반도체 계측 장비
4. 소비자용 소형 냉각기기
- 와인셀러, 미니 냉장고
- 자동차 컵홀더 냉온기
- 휴대용 캠핑 쿨러
💡 주의: 위 예시는 향후 기술 상용화 후 예상되는 적용처이며, 현재는 일부 시제품 테스트 단계입니다.
5. 상용화 예상 일정
- 2025~2026년: 스마트폰, 웨어러블 기기 시범 적용
- 2026~2027년: 의료기기, 바이오 장비 상용화
- 2028년 이후: 소형 가전, 소비자 전자제품에 확산
📌 예측 안내: 상용화 일정은 기술 개발 속도, 제조 비용, 시장 수요 등에 따라 변경될 수 있는 전망치입니다.
6. 결론: 냉각 기술의 새로운 전환점
삼성과 존스홉킨스가 개발한 펠티어 냉각 기술은 기술적, 환경적, 산업적 측면에서 매우 주목할 만한 발전입니다. 특히 전력 효율, 정밀성, 소형화 측면에서 기존 냉각 기술의 한계를 넘어설 수 있습니다.
아직 ΔT가 큰 환경에서의 성능 유지와 대량 생산 기술 확보라는 과제가 남아 있지만, 이 기술은 향후 5년 이내에 다양한 전자제품과 의료기기에 적용될 가능성이 높습니다.
📝 참고: 본 글은 2025년 상반기 공개된 논문과 기술 발표 자료를 기반으로 구성되었으며, 일부는 기술 발전을 예측한 내용입니다.
