열전냉각, 가열

Peltier 효과는 두 가지의 다른 물질들이 가는 접합을 거쳐 전류가 흐를 때 일어나는 열의 방출과 흡수를 의미합니다. 전류가 어떤 한 방향으로 흐를 떄 열이 발생됩니다만 전류가 그 반대방향으로 흐르면 열을 흡수하기 때문에, Peltier 효과는 가역적입니다. 접합에 전류가 흐르면 도체에 전류가 흐를 때 생기는 Joule 열 효과에 추가하여 Peltier효과에 의한 열 발생이나 흡수가 발생합니다. 우리는 금속과 n형 반도체간의 ohmic 접합을 거쳐 전류가 흐를 때에 어떤 현상이 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 평균운동에너지가 △E만큼 증가되어야 합니다. 이 운동에너지의 변화는 열의 흡수로 생깁니다. 즉, 열에너지가 전자의 평균 운동에너지를 증가시키는 데 이용됩니다. 또한 Fig 2-3에서 전류를 반대 방향으로 흘려주는 경우에는 전자의 운동에너지는 △E만큼 감소되고 그와 관련된 열이 발생합니다.

전자들이 접합을 지나갈 때 평균운동에너지가 변화되기 떄문에 전류의 방향에 따라서 열이 흡수되거나 발생되는 것을 알 수 있습니다. 가역 적인 Peltier 효과는 ohmic접합에서도 전류의 방향에 따라 흡열 및 발열 현상이 일어나며 이러한 Peltier 효과에 의해 흡수 및 방출되는 열랑 |Qp| 는 식(2-4)로 표현됩니다.

식(2-4)에서 PA-B=αA-B·T를 Peltier계수라고 합니다. Peltier효과는 열전냉각과, 가열 및 열전발정의 기초이론이 됩니다. 서로 다른 물질간의 접합을 포함하는 회로에 전류가 흐를 때 Peltier효과에 의해 저온 부에서 고운 부로 열이 운반될 수 있습니다. 만일 이와 같은 접합을 다수직렬로 연결하면 열전 냉자고를 만들 수 있습니다.

이와 같은 열전 냉장고는 냉매를 사용하는 기존의 냉장고에 비해 비교적 비효울적이며 Joule 열의 발생에 의해 고전류에서는 작동시킬 수 없지만, 소음이 없고 소형화가 가능하기 때문에 특수용도로 사용될 수 있습니다.

Thomson효과

조성이 균일한 물질이 있고, 그림2(c)와 같이 좌측 끝을 저온 Tcj, 우측 끝을 고온 Thj로 유지하고, 온도구배가 있는 길이 L방향을 따라 직류를 흘리면, 이 물질의 내부에는 흡열 또는 발열 현상이 발생합니다. 이는 물질의 절대 열전능 α가 온도에 따라 다르게 되기 때문에 발생하는 현상으로 Thomson효과 라고 부릅니다. 온도구배를 dT/dL, 전류밀도를 J라고 하면, 단위체적당 단위 시간 내에 흡수 또는 발생하는 열량의 절대값 |qT| 는

로 표현되며, τ 를 Thomson계수라고 부립니다. τ와 절대 열전능 α 와의 사이에는

의 관계가 있습니다. 이론적으로는 이 식을 이용하여 τ의 값에서 절대 열전능 α를 구할 수 있으나, Thomson열의 측정은 매우 어렵습니다. 열전능이 온도가 상승함에 따라 크게되는 물질의 τ의 부호는 플러스로, 그림 2(c)와 같이 고온단으로 향하여 전류가 흐르면 물질내부에서는 열의 흡수가 있고 τ의 부호 또는 전류의 방향이 반대가 되면 열의 발생이 있습니다. 달리 말하면 Fig 2-4와 같이 조성이 균일하고 온도기울기가 있는 n형 반도체재료의 저온 단에서 고온 단 으로 전자들이 이동하도록 전압을 걸어주면, 이동하는 전자들은 자발적으로 막대로부터 열을 흡수하여 열전냉각효과가 일어난다. 만일 전압을 반대로 가하여 전자가 고운 단에서 저온 단으로 걸어준 전압에 따라서 이동합니다만 이 전자들은 막대에 대해서열을 버려야 할 것입니다. 이러한 현상은 재료의 절대열전능 α가 온도에 따라 다르기 때문에 발생하는 현상으로써, Thomson 효과라고 합니다.