열전소자의 전기적인 현상

Home / 열전소자의 전기적인 현상

1821년 독일의 Seebeck은 Cu와 Bi 또는 Bi와 Sb의 양쪽 끝을 연결하고 접합부의 한쪽을 가열한 결과 회로의 가운데에 높은 자침의 방향이 바뀌는 특이한 현상을 발견하였습니다. Seebeck은 이 결과를 Oersted 및 Biot와 Savart의 연구 결과를 바탕으로 온도차에 의해 도체가 자기적으로 분극을 일으킨 결과라고 해석하였고 이 현상은 온도차에 의해 전압 즉, 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으로서 열전발전의 원리이며, Seebeck효과로 불리웁니다.

이후, 1843년 프랑스의 Peltier는 동일한 형상을 한 두 개의 서로 다른 금속으로 이루어진 회로에 직류전기를 흘리면 한 접합부에서는 흡열이 일어나고 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상을 발견하였습니다. 이전까지는 전선에 전류를 흘리면 Joule 법칙에 의해서 발열만이 일어나는 것으로 생각하였으나, 전혀 기대하지 못했던 현상이 발견되었는데 이 현상은 일종의 heat pumping 현상으로써 전자냉각의 원리이며, Peltier 효과라 합니다.

1851년 영국의 Thomson은 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 가역성을 열역학적으로 이론화하던 중 온도기울기가 있는 도체에 전류를 흘리면 열역학 제2법칙에 의해 도체내부에서 열이 흡수되거나 또는 열이 발생되는 효과 있을 수 있음을 예측하였는데 이 현상을 Thomson 효과라 하며, 그 이후에 실험적으로 증명이 되어 Seebeck 효과, Peltier 효과와 Thomson 효과를 통틀어 열전 현상이라 합니다.

Seeback 효과

금속 막대의 양단간에 온도차( T = T1 – T2 )가 발생하면 n형 반도체의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들보다 더 높은 운동에너지를 가지게 되어 고온단의 전자들이 평균적으로 Fermilevel보다. 더 높은 에너지 상태로 되기때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산하게 됩니다.

전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 “-“로 대전되고 고온부는 “+”로 대전되어 금속 막대의 양단간에 전위차가 발생하며, 이를Seebeck 전압이라 합니다. Seebeck 전압은 전자들을 막대의 고온단으로 되돌려 보내려는 방향으로 작용하며, Seebeck 전위가 저온단으로 전자의 이동을 일으키는 열적 구동력과 정확히 균형을 이룰 때 평형상태가 됩니다.

이와 같이 재료 양단간의 온도차에 의해 발생하는 Seebeck 전압VS를 열기전력(thermoelectromotive force)라 하며, 양단간의 온도차가 매우 적은 범위에서 VS는 양단간의 온도차△T에 비례하여 아래와 같이 식(2.1)로 나타낼 수 있습니다.

 

VS=αA ˙ △T (2.1)

 

이때 비례상수 αA를 재료 A절대열전능이라 합니다그러나 어떤 재료의 절대열전능을 직접 측정할 수 있는 방법은 없습니다. 예를 들어 재료 A의 절대열전능을 측정하기 위하여 재료 A로만 구성된 접합을 만들어 전압계에 연결하면, 각 전선에 유기된 Seebeck 전위는 서로 정확하게 상쇄되어 전압계에는 net potential이 나타나지 않게 됩니다, Seebeck 전압은 연결하는 전선이 연구하려는 재료와 다른 경우에 한해서 측정이 가능합니다도체 AB절대열전능(absolute Seebeck coefficient)을 각각 αA,αB 라고 하면 도체간의 열전능 또는 Seebeck 계수 αA-B 는 식(2.2)와 같이 표시됩니다.

αA-B = dVs/dT = dVB/dT – dVA/dT = αB -αA (2.2)

 Seebeck계수는 온도의존성을 갖는 재료 고유의 물리적 특성입니다. 도체 양단간의 온도차가 커서 Seebeck전압 Vs와 온도차 △T 사이에 직선적인 관계가 성립하지 않는 경우에는 Vs를 식(2.3)과 같이 표현할 수 있습니다.

Vs=∫αA-B(T)dT˙αA-B = dVs/dT (2.3)

독일의 Altenkirch1910년경 열전재료의 변환효율과 냉각 및 가열효과에 대한 이론을 도출하였습니다. 이 결과, 열전변환을 실용화하기 위해서는 Seebeck 계수가 크고 전기비저항과 열전도도가 작은 재료가 필요하다는 것이 밝혀졌습니다.그러나 금속은 종류에 관계없이 Wiedemann-Franz의 법칙에 의해 전기비저항과 열전도도의 곱이 일정하기 때문에 전기 비저항과 열전도도를 동시에 낮추는 것은 불가능합니다. 또한 금속은 Seebeck 계수가 매우 적기 때문에 금속재료의 접합대를 이용한 전자냉각이나 발전은 실용가능성이 없습니다.

1929년에 러시아의 Ioffe는 주기율표의 Ⅱ-V, -Ⅵ족 및 Ⅴ-Ⅵ족의 원소를 성분으로 한 화합물 반도체를 사용하면, 열전발전의 변환효율을 2.5 ~ 4.0%까지 비약적으로 향상시킬 수 있다는 것을 이론적인 견지에서 제창하였습니다. 이와 같은 이론을 바탕으로 2차대전 이후부터 열전반도체에 대한 개발 및 이들을 응용한 열전변환장치의 실용화에 관한 연구. 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

Peltier 효과

펠티어효과는 프랑스의 시계공( WATCH MAKER : 時計工 )이자 후에 물리학자가 된 JEAN CHARLESATHANASEPELTIER(1785-1845)가 서로 다른 두금속에 전기를 통하였을 때 서로 다른 금속의 양단면에 온도차가 일어나는 현상을 발견하고 이를 정리 한것입니다. 이는 양단면이 연결된 두 다른 금속에 전기적 부하를 걸었을 때 금속의 각기 다른 양단면에서 발열과 냉각이 동시에 일어나는 현상으로서 수식으로 정리합니다. 면은 아래와 같습니다.

lQpl=αab ·Tj

π = αab ·Tj = 펠티어 계수.

I=전류.

lQpl=단위 시간에 발생하는 열량의 절대값.

αab = 주위 온도에 따른 a.b 두금 속의 상대 열전능.

결국 Peltier 효과는 두 가지의 다른 물질들 간의 접합을 거쳐 전류가 흐를 때 일어나는 열의 방출과 흡수를 의미합니다. 전류가 어떤 한 방향으로 흐를 때 열이 발생된다면 전류가 그 반대방향으로 흐르면 열을 흡수하기 때문에, Peltier 효과는 가역적입니다. 접합에 전류가 흐르면 도체에 전류가 흐를 때 생기는 Joule 열효과에 추가하여 Peltier 효과에 의한 열 발생이나 흡수가 발생합니다.

Fig.2-1에 나타낸 금속과 n형 반도체간의 ohmic 접합을 거쳐 전류가 흐를 때에 어떤현상이 발생할 것인가를 생각하면 Peltier 효과를 쉽게 이해할 수 있습니다. 전자가 금속에서 반도체로 흐를 때 금속의 Fermi 준위에 있는 전자들이 반도체의 전도대로 움직여야 합니다. 따라서 전도전자들은 금속에서 반도체로 움직일 때 평균 운동에너지가 △E만큼 증가되어야 합니다. 이 운동에너지의 변화는 열의 흡수로 생깁니다. 즉, 열에너지가 전자의 평균운동에너지를 증가시키는 데 이용됩니다.또한 Fig. 2-1에서 전류를 반대 방향으로 흘려주는 경우에는 전자의 운동에너지는 △E만큼 감소되고 그와 관련된 열이 발생합니다. 즉, 전자들이 접합을 지나갈 때 평균운동에너지가 변화되기 때문에 전류의 방향에 따라서 열이 흡수되거나 발생된다는 것을 알 수 있습니다. 가역적인 Peltier 효과는 ohmic 접촉을 지나서 전류가 흐를 때 언제나 생깁니다. 금속과 p형 반도체 사이에 형성된 ohmic 접합에서도 전류의 방향에 따라 흡열 및 발열현상이 일어나며, 이러한 Peltier효과에 의해 흡수 및 방출되는 열량 |QP|는 식(2.4)로 표현됩니다.

|QP|=PA-B˙ I = αA-B ˙ I ˙ T (2.4)

식(2.4)에서 PA-B = αA-B ˙ T를 Peltier 계수라고 합니다. Peltier효과는 열전냉각과, 가열 및 열전발전의 기초이론이 됩니다. 서로 다른 물질간의 집합을 포함하는 회로에 전류가 흐를 때 Peltier효과에 의해 저온부에서 고온부로 열이 운반될 수 있습니다. 만일 이와 같은 접합을 직렬로 연결하면 열전 냉장고를 만들 수 있습니다. 이와 같은 열전 냉장고는 냉매를 사용하는 기존의 냉장고에 비해 비교적 비효율적이며 Joule 열의 발생에 의해 고전류에서는 작동시킬 수 없지만, 소음이 없고 소형화가 가능하기 때문에 특수용도로 사용될 수 있습니다.

Thomson 효과

조성이 균일하고 온도기울기가 있는 N형 반도체 재료의 저온단에서 고온단으로 전자들이 이동하도록 전압을 걸어주면, 이동하는 전자들은 자발적으로 막대로부터 열을 흡수하여 열전냉각효과가 일어납니다.만일 전압을 반대로 가하여 전자가 고온단에서 저온단으로 걸어준 전압에 따라서 이동하면 이 전자들은 막대에 대해서 열을 버려야 할 것입니다. 이러한 현상은 재료의 절대열전능 Α가 온도에 따라 다르기 때문에 발생하는 현상으로 Thomson 효과라고 합니다.

온도구배를 DT/DL, 전류밀도를 J라고 하면, 단위체적당 단위시간내에 흡수되거나 발생되는 열량의 절대값 |QT|는 식 (2.5)와 같이 표현됩니다.

|QT|=ΤJ(DT/DL) (2.5)

식 (2.5)에서 Τ는 Thomson 계수로써, 절대열전능 와는 다음과 같은 관계를 갖습니다.

Τ = T(Da/DT) (2.6)

Contact Us

We're not around right now. But you can send us an email and we'll get back to you, asap.