Special  열전재료 개발 최신 동향 및 응용 전망

열전재료의 개요 및 특성

이 규 형_ 강원대학교 나노응용공학과 교수

1. 열전(Thermoelectric)

1.1. 열전 현상

열전 현상은 고체상태의 소재 내부에서 열(온도차)에 의해 carrier인 전자(electron) 또는 정공(hole)이 이동함에 의한 열에너지와 전기에너지의 직접적이며 가역적인 변환 현상으로, 전기인가에 의해 열에너지를 이동하여 소재 양단의 온도차를 유발하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 온도차가 전기로 변환되는 제벡 효과(Seebeck effect) 및 이 2가지 현상의 상관관계를 설명하는 톰슨 효과(Thomson effect)를 포함한다.(그림 1 참조)
이러한 열전 현상은 furnace 등에서 높은 대역의 온도측정을 위해 사용되는 열전대(thermocouple)의 원리가 된다. 고체상태의 소재를 이용한 냉각(열전냉각(TEC, thermoelectric cooling): 냉각/냉방 및 발열/난방, 그림 1(b)에 나타낸 바와 같이 홀이 carrier인 p형 소재와 전자가 carrier인 n형 소재를 전극을 이용하여 직렬로 연결한 구조체인 열전모듈(thermoelectric module)을 구성하고 전기를 인가하면, 전류와 반대 방향으로 전자의 이동 및 동일한 방향으로 홀의 이동을 유발하게 되고, 이때 홀과 전자가 열을 수송하여 열전모듈의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 가열됨) 및 발전(열전발전(TEG, thermoelectric power generation): 열(온도차)을 이용한 발전, 그림 1(c)에 나타낸 바와 같이 열전모듈 양단에 온도차를 유발하면 p형 및 n형 열전소재의 고온부에서 carrier인 홀(hole)과 전자(electron)이 각각 생성되어 저온부로 이동함에 의해 전기를 발생함) 시스템 구현이 가능하다.

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