열전소자의 열전변환

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열전냉각, 가열

p형 소자와 n형 소자를 금속전극에 접합시킨 π형 직렬회로 p-n(couple) 양분지단의 전극을 각각 -,+로 되도록 전류를 n형에서 p형으로 흘리면, p형소자내의 정공은 -극으로, n형소자내의 전자는 +전극으로 이끌리게 됩니다. 이때 정공과 전자 모두 상부의 p-n접합부 전극(A)으로부터 열을 갖고 하부 양분지단 전극으로 이동하기 때문에 상부의 접합부에서는 냉각되어 주위로부터 열을 흡수하고, 하부의 양분지단은 열을 방출합니다. 또한 전류의 방향을 역으로 하면 정공과 전자 모두 상부의 n-p접합부 전극으로 열을 운반하기 때문에 상부에서는 발열이 하부에서는 흡열이 일어나 냉각되게 됩니다.

이러한 현상을 Peltier 효과라고 하며 전자냉각의 원리가 될 뿐만 아니라 히트 파이프(heat -pipe)의 역할도 갖습니다.

열전발전

p형 소자와 n형 소자를 π형으로 금속접합하고 상부의 접합부(A)에 열을 가하여 하부 와의 온도차(T=Th-Tc)를 부여하면, n형 소자내에서는 전자가, p형소자내에서는 정공이 열에너지를 받아 전체 에너지가 높아지기 때문에 저온측으로 이동합니다. 따라서 n형 소자에서 전자가 유입된 저온측은 -로 대전되고, 고온측에서는 +로 대전되고 p형 소자에 있어서는 n형과 반대로, 저온측에서는 +, 고온측에서는 -로 대전됩니다. 이로인해 하부의 p형 소자에서는 +의 공간전하를 형성하고, n형소자에서는 -극의 공간전하를 형성하여 전류가 흐르게 됩니다.

이러한 현상을 Seebeck 효과라고 하며, 양분지단 전극에 부하저항 R을 연결하면 전류I가 흘러 전압 Vp-n 이 발생하는데, 이 전압을 열기전력(thermoelectromotive force)이라 합니다.

열전재료의 성능의 척도는 성능지수 Z(Figure of Merit)로 나타내며, 성능지수는 Seebeck 계수(α), 비저항(p) 및 열전도율(k)의 관계로 주어집니다.

 

Z=α 2 / p . k

 

위 식으로부터 높은 성능지수를 얻기위해서는 Seebeck 계수가 높고 비저항과 열전도율이 낮아야 하는 것을 알 수 있습니다. 그러나 이들의 무리정수는 독립적이 아니고 캐리어(carrier, 전자 또는 정공)농도에 관계가 있어, 열전능과 비저항은 전자농도 n의 증가에 따라 감소합니다. 또한 열전도율은 일반적으로 전자의 열전도율 ke1로 되어 있고

 

k=ke1+kph=LTσ + kph

 

로 나타냅니다. 여기서 L은 로렌쯔 상수이며, σ(=1/p)은 전기전도도입니다. 그러나 ke1은 캐리어농도 nc에 비례하지만 kphnc에 의존하지 않고 일정합니다. 성능지수가 최대값을 나타내는 전자농도는 약 1025/m3의 영역이며 금속의 전자농도의 거의 1/1000입니다. 이 영역에서의 ke1은 단원소반도체(Si, Ge) kph1%이하로 자고 또한 화합물반도체 kph10%정도입니다.

따라서 전자농도가 작은 영역에서, 성능지수가 최대치를 보이는 전자농도는 출력인자(=α2σ)의 극대치와 비교해 거의 변화되지 않습니다. 이러한 정성적인 고찰로부터 성능지수가 큰 물질은 적당한 불순물의 첨가에 의해 캐리어 농도를 적당히 제어하여야 합니다. 또한 열전도율은 비데만 프란쯔 법칙(Wiedemann-Franz law)을 따르기 때문에 비저항과의 독립된 제어가 어렵지만, 격자의 열전도율을 제어함으로써 전체 열전도율을 낮출 수 있습니다.

따라서 높은 에너지를 갖는 고진동 포논(phonon)이 격자의 불규칙한 장소에서 강하게 산란되도록 조성 및 첨가재의 양을 변화시켜 이종재료의 고용체화에 의해 격자의 열전도율을 저하시킬 수 있습니다. 뿐만아니라 고온에서는 열의 대부분이 낮은에너지를 갖는 저진동 포논(phonon)에 의해 운반되고 이 포논은 캐리어나 다른 포논과 상호작용하기도 하고 입계산란 효과를 갖기 때문에 그 결과로써 격자의 열전도율을 감소시킵니다. 비교적 큰 결정입경을 갖는 다른결정체에서는 단위체적당 결정입계 면적이 작고 결정입계간의 거리도 입계산란의 자유행로 보다 큽니다. 이 경우 Dedye 온도 이하에서 열의 대부분을 운반하는 저진동 포논의 입계산란은 적고, 이 효과에 의한 격자의 열전도율의 저하는 적습니다. 그러나 미세결정립의 다른 결정이나 소결체에서는 입계산란에 의해 열전도율이 저하되는 효과가 생기고, 이러한 입계산란에 의한 격자의 열전도율 kph 은 결정입경의 감소에 반해 작게되며, 이 감소량은 결정입경이 작을수록 현저합니다. 따라서 재료의 고용체화와 결정립 미세화로 격자열전도율을 감소시킴으로써 성능지수를 증가시킬 수 있습니다.

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