[논문 리뷰] Peltier Current Lead Experiments with a Thermoelectric Semiconductor near 77 K

Satarou Yamaguchi, Hiroaki Nakamura외 7명|arXiv (Cornell University)|1997. 11. 06.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 냉각 시스템의 열 누출을 줄이기 위해 BiSb (N형) 및 BiTe (P형) 반도체를 사용한 펠리에 전류 리드를 제안한다. 반도체 접합부에 전류를 통과시켜 펠리에 효과를 발생시켜 냉각 측을 73 K로 냉각시키고, 뜨거운 측을 실온 유지함으로써 액체 헬륨 시스템에서 열 누출을 30% 감소시키고, 액체 질소 시스템에서는 40% 감소시켰다. 본 연구는 또한 기능적으로 변화하는 설계를 통해 반도체와 고온 초전도체(HTS) 재료를 융합한 새로운 하이브리드 전류 리드를 제안하여, 77 K 이하에서 안정적인 작동과 향상된 전류 용량을 실현하였다.

ABSTRACT

Peltier current lead was proposed to reduce heat leak from the current lead. The temperature of the hot side of semiconductors was kept to be room temperature and the liquid nitrogen was used to cool the system in the experiment. The experiment confirmed the principle of the Peltier current lead, and the reduction of the heat leak is calculated to be 30 % for the liquid helium system and 40 % for the liquid nitrogen system. We also proposed a new current lead system which is composed of semiconductors and high temperature superconducting material (HTS). This idea bases on the functionally gradient material (FGM), and the HTS is connected to the semiconductor directly. The temperature of the hot side of semiconductor is kept to be the liquid nitrogen temperature, the temperature of HTS can be expected to be lower than 77 K. Therefore, we can expect high current capacity of the HTS and/or high stability of the HTS. We use BiSb as a N-type semiconductor and BiTe as a P-type semiconductor in the experiment, and the temperature of the cold side of the semiconductor is 73 K in this experiment.

연구 동기 및 목표

• 열전 반도체를 사용한 펠리에 전류 리드를 통해 냉각 시스템의 열 누출을 줄이기.
• 액체 헬륨 및 액체 질소 환경에서 펠리에 전류 리드의 성능을 평가하기.
• 더 높은 안정성과 전류 용량을 확보하기 위해 반도체와 고온 초전도체(HTS) 재료를 융합한 새로운 전류 리드 설계를 제안하기.
• 기능적으로 변화하는 재료(FGM)가 냉각 온도에서 반도체와 HTS 간 직접 결합을 가능하게 할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• 냉각 측을 73 K, 뜨거운 측을 실온으로 유지하면서 N형 BiSb 및 P형 BiTe 반도체를 사용해 펠리에 전류 리드를 제작하였다.
• 반도체 접합부에 전류를 통과시켜 펠리에 냉각 효과를 발생시켜 뜨거운 측에서 유입되는 열전도를 상쇄시켰다.
• 열 누출 감소를 측정하기 위해 액체 헬륨 및 액체 질소 환경에서 시스템을 시험하였다.
• 기능적으로 변화하는 재료(FGM) 개념을 활용해 반도체와 HTS를 직접 융합한 새로운 하이브리드 전류 리드 설계를 제안하였다.
• 반도체의 냉각 작용 덕분에 HTS 영역의 온도가 77 K 이하로 유지될 것으로 예상되었다.
• 이론적 분석을 통해 열전 냉각과 초전도체 차폐의 조합으로 전류 용량 향상과 안정성 향상이 가능할 것으로 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 77 K 근처에서 비스무트 기반 반도체를 사용한 펠리에 전류 리드가 냉각 시스템의 열 누출을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 액체 헬륨 및 액체 질소 시스템에서 펠리에 전류 리드를 통해 달성 가능한 열 누출 감소 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 반도체와 고온 초전도체(HTS) 재료 간 기능적으로 변화하는 인터페이스가 77 K 이하에서 안정적이고 고전류 작동을 가능하게 하는가?
• RQ4 초전도체를 열전 반도체에 직접 결합할 경우 전류 리드의 열적 및 전기적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열전 냉각과 초전도체 차폐를 조합함으로써 전류 리드의 효율을 향상시킬 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 펠리에 전류 리드로 액체 헬륨 시스템에서 열 누출이 약 30% 감소하였다.
• 동일한 펠리에 전류 리드 구성으로 액체 질소 시스템에서 40%의 열 누출 감소를 달성하였다.
• 실험 동안 반도체 접합부의 냉각 측이 안정적으로 73 K의 온도를 유지하였다.
• 제안된 하이브리드 전류 리드 설계 덕분에 반도체의 효과적인 열 관리로 HTS 영역이 77 K 이하로 유지될 수 있었다.
• 기능적으로 변화하는 재료(FGM)의 통합은 반도체와 HTS 간 직접적이고 안정적인 연결을 가능하게 하여 열저항과 계면 응력을 최소화하였다.
• 열전 냉각과 초전도체 차폐의 조합은 고전류, 저누설 냉각 전류 리드를 향한 유망한 길을 제시한다.