열전 소자

1. 개요[편집]

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열전 효과 중 하나인 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.

2. 원리[편집]

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열 역학 제 4법칙에 따라 한 물리량 기울기는 다른 물리량 기울기를 유발한다. 제벡 효과는 이 4법칙에 따라 열 에너지의 흐름 (온도 기울기)에 의해 전하를 띈 입자의 이동 (밀도 기울기)이 유발되는 현상이다. 열역학 제4법칙은 모든 기울기에 대해 대칭되기 때문에 반대 현상도 가능한데, 이를 이용한 것이 펠티어 소자이다.

3. 분류[편집]

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크게 전자 혹은 정공의 흐름을 만들어 발전하는 방식 (전자 열전)과 전해질 속 이온을 이동시켜 발전하는 방식 (이온 열전)으로 구분된다.

3.1. 전자 열전 소자[편집]

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전자 열전 소자는 전도성 혹은 반도체성 물질을 이용해 열로 전자 혹은 정공을 이동시켜 기전력을 형성하는 소자이다. 대표적으로 Bi2Te3같은 무기 소재, 혹은 P3HT나 폴리아닐린같은 전도성 고분자 소재도 사용 가능하다. 기전력이 형성되는 기본적인 원인은 열전 소재의 페르미 준위 (Fermi level)가 원자가 띠 (Valence band)와 전도 띠 (Conduction band) 사이 정중앙에 위치하지 않으면, 열에 의해 전자와 정공이 이동할 때 그 수의 차이가 생기기 때문이다.

소자의 일반적인 출력 전압은 수~ 수십 μV / K 정도로 그렇게 높지 않은 편이지만, 수십~수백개의 소자를 직렬 연결하여 일상생활에 사용 가능한 전압 형성이 가능하다. 원자력 전지가 전자 열전 소자에 의해 작동한다. 방사성 물질이 붕괴하며 생기는 열을 이용하는 방식. 하지만 보통은 열에 의해 전류가 형성되는 원리를 이용해 열 감지 센서에 일반적으로 사용된다. 대부분의 온도 센서가 전자 열전 효과를 이용한 것이다.

3.2. 이온 열전 소자[편집]

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이온 열전 소자는 전해질성 물질을 이용해 양이온 혹은 음이온을 이동시켜 기전력을 형성하는 소자이다. 사실 제벡 효과는 모든 입자에 대해 작용하기 때문에 꼭 입자가 전하를 띄지 않아도 된다 (공기 속 먼지 입자도 제벡 효과에 의해 이동시킬 수 있다.). 따라서 이 컨셉 (열을 통해 입자를 이동시키는 것)은 열 영동 (Thermophoresis) 이라는 이름으로 생명과학 분야에서 단백질등의 물질 분리에 종종 사용되었다. 과학자들이 이온 열전 효과를 통해 에너지 소자를 연구하게 된 것은 최근의 일이다.

같은 열전 소자로 묶여 있지만 핵심 메커니즘은 전자 열전 소자와 전혀 다르다. 전자 열전 효과는 소재의 에너지 준위와 관련도가 높지만 (전자기학, 반도체공학적 지식이 필요) 이온 열전 효과는 이동하는 입자의 엔트로피 그리고 주변과의 화학적 상호작용과 관련도가 높다 (열역학, 전기화학적 지식이 필요). 기본적인 원인은 한 입자가 용매에 녹아 있을 때 용해 껍질 (Solvation shell)이 형성되는데, 온도에 따라서 이 껍질 형성에 따른 엔트로피가 변화하기 때문이다.

소자의 일반적인 출력 전압은 수~ 수십 mV / K 정도로 전자 열전 소자의 약 1000배에 달하여 최근 학계에서 많은 연구가 되고 있다. 또한 전해질성 물질 특성상 딱딱한 전자전도성 물질들에 비해 신축성 등의 특성을 부여하기 쉬워 향후 스마트 워치등에 응용되기 쉬울 것으로 기대받고 있다.