열전현상 & 펠티에 효과 (원본 방랑시인)

열전현상을 처음 발견한 사람은 1821년 독일의 물리학자 T.J.Seebeck으로 서로 다른 두개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생한다. 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열 흐름이 전류를 발생시킨다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다. 1834년에 프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견했는데 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 '펠티에효과(Peltier Effect)'라고 한다. 1854년 윌리엄 톰슨은 기존의 펠티에효과와 제벡 효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였다. 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였다.

 

열전소자의 기본원리

열전모듈, 펠티어소자, ThermoElectric Cooler (TEC), ThermoElectric Module(TEM) 등으로 다양한 이름을 갖고 있는 열전소자는 작은 Heat Pump (저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치) 이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 된다. 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 되는 것이다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.

 

위 그림은 일반적인 열전소자의 형태이다. N타입과 P타입 반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 되며 일반적인 모델의 경우 127쌍의 소자가 사용된다. DC 전압을 양단에 인가하면 N타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 퍼텐셜에너지 차가 있기 때문에 퍼텐셜에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 thermoelectric couple(N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 된다.

 

열전냉각의 장점

열전소자를 이용한 냉각 방식에는 다음과 같은 장점이 있다.

■ 소형화, 경량화   ㅡ 컴프레셔를 이용한 냉각 방식에 비해 크기가 작고 가벼워 좁은 공간에서도 설치가 가능하다.■ 냉각 및 가열   ㅡ 열전소자는 인가전압의 극성을 바꾸어주는 것만으로 용도에 따라 냉각 또는 가열이 가능하다.

■ 정확한 온도 제어   ㅡ 온도 컨트롤러를 이용하여 ±0.1℃ 의 정확한 온도 제어가 가능하다.

■ 우수한 신뢰성   ㅡ 열전소자는 기계적 움직임이 없어서 수명이 길고 유지가 자유롭다.

■ 저소음   ㅡ 컴프레셔 냉각과 달리 기계적 소음이 없다.

■ 국부냉각

ㅡ 불필요하게 시스템 전체를 냉각하지 않고도 특정 부분에 대한 냉각이 가능하다.

■ 환경친화    ㅡ CFC계 (chlorofluorocarbons)물질을 사용하는 컴프레셔 방식에 비해 환경친화적이다

(http://blog.daum.net/storywork/34 방랑시인 님 글 입니다 저장용)