펠티어 효과와 펠티어 냉각
펠티어 효과는 전기적으로 연결된 두 다른 전도체의 접합부에서 발생하는 가열 혹은 냉각 현상입니다. 이 현상은 1834년 프랑스 물리학자 장 샤를 아타나스 펠티어가 발견했으며, 씨벡 효과의 아날로그로 여겨집니다. 씨벡 효과가 서로 다른 온도의 J1과 J2 접합부에서 C와 D 사이에 전위차를 생성하는 반면, 펠티어 효과는 전기동력원을 사용하여 전류를 유도해 한 접합부를 가열하고 다른 접합부를 냉각합니다.
펠티어 계수
펠티어 효과는 펠티어 계수(π)로 정량적으로 설명됩니다. 펠티어 계수는 전류(I)와 가열율(q)의 비율로 정의되며, π = I/q로 표현됩니다. 이는 단위 전하당 전달되는 열의 양을 나타내며, π의 부호는 어느 접합부가 가열되고 냉각되는지에 따라 결정됩니다.
펠티어 열 펌프
전형적인 펠티어 열 펌프는 여러 접합부가 직렬로 연결되어 있으며, 여기에 전류가 흐릅니다. 이 접합부 중 일부는 펠티어 효과로 인해 열을 잃고, 다른 일부는 열을 얻습니다. 이러한 현상은 열전 냉각장치나 냉장고에 사용되는 열전 히트 펌프에서 활용됩니다.
톰슨 효과와 켈빈 관계
톰슨 효과는 다양한 재료에서 씨벡 계수가 온도에 따라 일정하지 않아, 온도에 공간적 그라데이션이 있을 때 발생하는 씨벡 계수의 그라데이션으로 인해 연속적인 펠티어 효과가 일어납니다. 작은 온도 구배가 적용될 때 단일 도체에서 발생하는 전기 전류를 설명하는 톰슨 효과는 q = βIΔT 공식으로 표현됩니다. 여기서 q는 가열율, I는 전기 전류, ΔT는 온도 변화, β는 톰슨 계수를 나타냅니다. 켈빈은 씨벡, 펠티어, 톰슨 계수를 연결하는 켈빈 관계를 제시했습니다. 이들은 서로 밀접한 관계가 있으며, 펠티어 효과는 씨벡 효과의 역행 대응으로 간주될 수 있습니다.
열전 재료
열전 재료는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전 변환 과정을 거칩니다. 이러한 재료는 고 전기 전도도(σ)와 낮은 열 전도도(κ)를 가져야 합니다. 낮은 열 전도도는 한쪽이 뜨거워질 때 다른 쪽이 차가워지게 하여, 온도 구배에서 큰 전압을 생성하는 데 도움이 됩니다. 열전 발전기에 주로 사용되는 세 가지 재료는 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3), 납 텔루라이드(PbTe), 실리콘 게르마늄(SiGe)입니다. 오늘날 나노기술을 사용하여 반도체의 열 전도도를 낮추면서도 높은 전기적 특성을 유지할 수 있습니다. 이는 대량의 반도체 재료에 나노스케일의 입자, 와이어, 인터페이스를 생성함으로써 달성됩니다.
