Re:제벡효과랑 펠티어효과...

[☆완두콩☆]

1821년 독일의 Seebeck(제벡)은 구리(Cu)선과 비스무스(Bi)선, 또는 비스무스선와 안티몬(Sb)선의 양쪽 끝을 서로 용접하고 접합부을 가열하면 전위차가 발생하고 전류가 흐르는 현상을 발견 하였습니다. 이 현상은 온도차에 의해 전압 즉, 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으로서 열전발전의 원리이며, Seebeck효과로 불리웁니다. 현재 이 효과는 특히 온도 측정 센서 분야에서 광범위하게 이용되고 있습니다. 또한 2차대전 이후부터 다양한 종류의 열전반도체가 개발됨에 따라 이들을 응용하여 폐열을 이용한 발전설비(열전변환장치)의 실용화에 관한 연구, 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

한편, 1843년 프랑스의 Peltier는 두 개의 서로 다른 금속선의 양 끝을 접합한 다음 회로에 직류전기를 흘리면 한쪽 접합부에서 흡열, 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상을 발견하였습니다. 이전까지는 전선에 전류를 흘리면 전선 자체의 전기저항에 의한 발열만 일어나는 것으로 생각하였으나, 전혀 기대하지 못했던 현상을 발견하게 된 것입니다. 이 현상은 일종의 heat pumping 현상으로써 전자냉각의 원리이며, Peltier 효과라 합니다. 이와 같이 펠티어 효과를 이용한 소자를 열전반도체(Thermoelectric Module, TEM) 혹은 열전모듈이라 하는데, 이러한 결과를 실용화할 수 있기까지는 오랜 세월이 흐르다가 1948년 Transistor 의 발명을 계기로 반도체의 연구가 급격히 진전되면서 함께 발전하여 1950년대에 이르러 실용화에 성공합니다. 이후 이 열전반도체는 고신뢰성을 요구하는 잠수함, 인공위성 등의 군사용으로 주로 사용되다가 1980년대 후반 들어 민수화되게 되었고, 광통신 Module 및 전기, 전자,통신 및 정밀기계의 국소부위 냉각 system 에 많은 응용과 발전을 이루고 있습니다.

1851년 영국의 Thomson은 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 가역성을 열역학적으로 이론화하던 끝에 제벡 효과나 펠티에 효과 모두 전자들이 두 금속의 접합을 지나갈 때 평균운동에너지가 변화되기 때문에 일어나는 현상임을 증명하였으며 이러한 현상을 Thomson 효과라 부르게 되었습니다. 또한 Seebeck 효과, Peltier 효과와 Thomson 효과를 통틀어 열전 현상이라 합니다.  

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열전대는 구조적으로 간단하고 조작이 간편하여 산업현장이나 실험실등에서 많이 쓰이는 전기 신호식 온도계이다. 측정값이 전기적 신호인 전압크기로 출력되어 측정값을 먼 거리까지 전송할 수 있어 중앙제어에 유용하게 활용되고 있는 범용의 온도센서이다.

열전대는 0.5K부터 2500℃까지 광범위한 측정범위를 갖고 있고 0.1 ～ 1% 의 정밀도를 갖고있다.  300여종의 열전대가 있으나 한국 산업 표준규격에는 8 종류를 규격화하였다. 열전대의 제작형태에 따라 일반열전대(KS C 1602)와 시스열전대(KS C 1615)로 나뉘어지고 온도측정부위에 위치한 열전대로부터 계측기까지는 보상도선(KS C 1609)으로 연장하여 사용하고 있다.    모든 도전성을 갖는 금속선은 서로다른 선과 구성하여 열에 의해 모두 열기전력을 발생시킨다. 그러나 실용화 할 수 있는 열전대가 되려면 다음 요건을 갖추어야 한다.

 ① 온도변화에 따른 열기전력이 클 것.

 ② 고온 또는 저온에서 사용하여도 열기전력이 안정되고 수명이 길 것.

 ③ 내열성이 좋고 고온에서도 기계적 강도가 유지되는 것.

 ④ 내식성이 좋고 화학적 분위기에 대해 강할 것.

 ⑤ 같은 종류의 열전대 소선에는 그 특성이 균일하여 호환성이 있을 것.

이러한 모든 조건을 완전하게 만족시키는 열전대 재료는 얻기 어려우므로 측정조건에 따라 알맞는 열전대를 선택하여야 한다.

열전대를 만드는 방법은 아주 간단하다.  즉 서로 다른 두가지의 금속선(도전체)으로 그림1.1과 같이 폐회로를 구성하면 된다.  이때 측정 대상체에 접촉한 온접점(Hot Junction)인 T_h 이 감지한 온도가 나머지 접점인 기준 접점(Reference Junction)인 T_r과의 온도 차이만큼 열기전력 Ｖ를 발생시킨다. 이것이 열전현상이다.

                                 V ∞ (T_h-T_r)

                                    = S_b(T_h-T_r)

                            만약 기준접점의 온도T_r가 0℃이면

                                    = S_ab(T_h-T_r) = S_abT_{h   ---- 1.1}  

                                     그림 1.1  열전대의 원리

          열전대의 열전현상은 1821년에 독일의 제백이 발견하였다.

열기전력은 식1.1과 같이 측온대상의 온도의 크기만큼,온접점과 기준접점의 차이만큼,증가한다. 그렇지만 열전대를 구성한 소선의 종류에 따라 고유의 물리량의 제벡계수(S_ab)를 보유하고 있어서 열전대마다 단위 온도에 대한 열기전력의 크기가 다르다.

 그리고 그림 1.1의 열전대 회로에 전압계를 연결하는 대신 전압을 가하면 Th 나 Tr 두 접점의 온도차이 만큼,구성소선의 종류에 따라 그 크기가 결정되어, 그중 한 접점은 발열을 하고 다른 한 접점은 흡열을 하여 가열기능과 냉각기능을 한다.

이러한 현상은 펠티어가 발견하여 설명한 펠티어효과이다.

  제벡이 열전현상을 발표한 후 19세기 초반에 많은 과학자들의 열역학적 관점에서의 연구로 열전대의 온도측정에 사용 가능성이 알려졌고 1826년에 베크레르는 고온분야를 측정할 수 있는 획기적인 백금, 팔라듐(Pt/Pd)열전대를 제안하였다.

1885년에 르샤트리(Henri Le Chatelier)가 90%의 백금(Pt)에 10% 로듐(Rh)과 백금(Pt)으로 구성된 S 열전대를 만들어 발표하였다. 그때부터 사실상 고온측정에 사용되기 시작하였다.

이 S 열전대는 1927년 국제온도눈금(ITS-27)부터 1968년 국제 실용 온도눈금(IPTS-68)까지 630℃부터 1068℃ 구간의 보간식을 갖고 표준온도계로 사용되어 왔다. 

그후 S 열전대보다 단위 온도 변화에 대해 높게 발생되는 R 열전대, S.R 열전대와 고온에서 사용할 수 있는 B 열전대등 귀금속 열전대가 개발이 되었다.

  값싼 금속으로 1000℃이하에서 경제적으로 사용할 수 있는 비금속열전대인 K, E, J, T열전대가 개발되고 이상의 열전대는 20세기 중엽에 산업국가에서 국가규격으로 규격화 하게 되었다.  그리고 고온용으로 쓰이는 B 열전대보다 더 높은 온도(3000℃)를 측정할 수 있는 열전대

로 텅스텐, 레니움 열전대를 1955년에 슈나이더가 개발하였다.

한편 극저온대역을 측정할 수 있는 Au․0.07%Fe와 Chromel로 구성한 열전대가 있다.  이 열전대는 미항공우주국(NASA)가 아폴로계획의 일부로 NBS(미국 표준국, 현재는NIST)에 의뢰하여 개발한 열전대로서 0.5K～20K에서 실용성이 입증되어 사용하고 있다. ⁽³⁾ 

열전대는 극저온에서 고온영역까지 광범위하게 측정할 수 있는 특징을 갖은 실용적인 온도계이다.

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1)제백효과(seebeck effect): 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 2점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류를 흘리는 현상이다.(ΔT→E)

그렇다면 이 실험에서의 제백효과에 대해서 알아보기로하자.

열전기변환기는 열에너지를 fan을 돌릴 수 있는 전기에너지로 변환하기 위해 전기 전자의 종류를 사용한다. 각각의 전지는 반도체이다.

실험시 열은 전자안으로 들어가서 전자의 에너지 수준을 높인다. 전자가 고 에너지 상태가 되면 결정내에서 정공을 남기고 자유롭게 이동한다. 저 에너지 전자는 자유롭게 이동할 수는 없으나 정공사이를 뛸 수 있다. 이런 식으로 정공 또한 반도체 물질을 통해 이동할 수 있다. 전자는 N형 반도체 물질을 통해서 이동하고, 정공은 P형을 통해 이동한다.

(N형과 P형은 실리콘결정에, 전자와 정공의 이동을 쉽게 하는 즉, 전기전도성을 증가하게 하기 위해 특별한 불순물 첨가한 도핑처리된 물질이다.)

외부회로로 흐르는 전자는 fan모터를 가동하고, 회로 끝에서 나오는 전자는 다시 전지로 들어가 P형 반도체안의 정공을 채운다. 이 현상은 찬 부분끝에서 일어난다. 전자가 정공을 채우면서 약간의 초과된 에너지는 포기하고 열은 유지한다. 온도차가 있을때는 전자와 정공의 계속된 이동으로 양전극이 유지되고 fan은 계속 회전하다. 그러나 온도차가 없으면 과잉 에너지를 포기할 장소가 없어서 전자와 정공의 결합은 없다. 이로써 열전기 전지는 열역학 제2법칙이 성립한다.

고온부에서 많은 전자가 충만대에서 전도대로 이동되고 저온부쪽으로 확산된다. 이에 따라 상대적으로 고온부에서 저온부쪽으로 향하는 전기장이 생기므로 반도체 내부의 에너지준위가 경사를 이루고 양측 금속의 페르미 준위사이에 온도차가 생겨 고온부가 양전위의 열기전력이 생긴다.

2)펠티어효과(peltier effect): 금속, 반도체를 접속한 두 점사이에 폐로를 구성, 전류를 흘리면 한쪽은 열이 발생하고 다른쪽은 열을 흡수하는 현상이다.(E→ΔT)

이실험에서의 펠티어효과에 대해서 알아보자.
 

실험시, 전자와 정공이 N형 또는 P형반도체의 한쪽끝에서 다른쪽로 이동하면서 전위차를 발생시킨다. N형반도체의 전지는 반도체끝부분의 내부에너지와 함께 이동해 그 결과 반도체가 차가워진다. P형반도체의 경우는 정공이동시에도 같다. 일반적으로 이 효과에 의하여 단위시간에는 두 종류의 금속 A,B의 접점에서 발생 또는 흡수되는 열량Q는 전류의 세기 I 에 비례한다. I/Q는 두 금속의 종류에 따라 정해진 값을 가지며, A와B의 조합에 따른 펠티어계수 I/Q는 열전력, 절대온도에 비례한다. 펠티어효과는 전자를 작업물질로 하는 열펌프효과로 간주되며, 보통 이극형 반도체 조합했을 때 생기는 냉각효과를 이용한다.

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님이 쓰신 글 보구 저도 궁금해서 찾아봤는데요 우선 인터넷 검색을 통해 도움이 될까 싶은 글들만 스크랩 해왔어요. 전 이거 봐도 확실하게 잘 이해는 안가네요. 찾다 보니깐 열전대라는 말이 많이 나오는데 반도체나 신소재 쪽 책 찾아보심 나올 듯도 싶네요.

정확한 원리를 설명할 순 없지만 종합 이해한걸 말씀드리자면 각각의 금속 혹은 합금의 결정 구조에 따른 전자의 배열 상태가 달라서 일어나는 현상같은데요. 할리데이 보면은 "반도체는 도핑이라는 과정을 통하여 느슨하게 고정되어서 쉽게 움직일 수 있는 전자나 양전하를 만들수 있다" " 도핑을 조절하여 전류를 형성하는 전하운반자의 밀도를 조절할 수 있고, 따라서 전기적 특성을 바꿀 수도 있다" 고 했잖아요. 이 원리랑 유사한 것이 아닐까라는 막연한 짐작이...^^;;;

금속의 결정 구조에 따라 전자의 배열 상태가 어떻게 다른지는 고체역학이 도움이 되지 않을까 싶고요..각각 금속의 특성이 어떻게 되는지 찾아보시려면..금속재료공학 책 보심 잘 나와있더라구요.(전에 논문쓰다가 보았던 기억이..^^;;)

열을 가해줌에 따라 전자의 평균 운동 에너지 변화가 달라져서 전위차가 나타나는 거라고 했는데..자세한 수식이나 구체적으로 이해하시게 되믄 저도 좀 갈켜주세요~^^ㅋ

[피흘리는겨울]

밑에 그림있는 내용보니깐 조금은 이해가 가네요.....^^ ㄳ합니다....