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제벡효과를 이용해 열전발전을, 펠티에 효과를 활용해 열전냉각을 한다.

금속 또는 반도체재료 중에는 재료의 양끝 사이에 온도차가 존재하면 전압이 발생하고, 이와는 반대로 재료의 양끝에 전류를 통하면 한쪽 끝은 냉각되고 다른 쪽 끝은 가열되는 재료가 있다. 이러한 현상은 이미 1백50여년 전에 발견됐는데 발견자의 이름을 따서 전자를 제벡(Seebeck)효과, 후자를 펠티에(Peltier)효과라 부른다.

이와 같은 기능을 갖는 재료를 우리는 흔히 열전재료라고 말하며, 이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하거나, 전기에너지를 가열 또는 냉각에너지로 바꾸는 에너지의 직접변환방식을 열전변환(熱電變換)이라 한다. 이 열전변환현상의 원리는 발견된지 80여년이 지난 1910년경에 와서야 독일의 알텐키르히에 의해서 밝혀졌다. 뒤이어 1930년경에 소련의 이오훼가 화합물반도체를 이용하면 에너지 변환효율이 비약적으로 향상된다는 사실을 이론적으로 규명한 것을 계기로 열전변환의 실용화 가능성이 검토되기 시작했다.

트랜지스터와 보조를 맞추고

열전변환의 첫 실용화는 1940년 독·소전쟁 때 이뤄졌다. 병사의 반합을 데우는 장작불을 열원으로 하는 발전기가 유격대의 무선통신용 전원으로 사용된 것이다. 당시 이 발전기는 '빨치산의 반합'으로 통했는데 게릴라전 수행에 매우 유용하게 쓰였다.

그 후 태양열을 열원으로 하는 열전발전기도 연구됐다. 특히 시베리아와 같이 전력공급이 어려운 벽지에서는 1950년 초에 등유램프 숯불 가솔린 등을 열원으로 하는 2백~5백W 용량의 발전기를 가정용 전원으로 널리 사용했다. 그러나 당시의 열전발전기의 열효율은 3~4%에 불과한 원시적인 것이었고 이용분야도 벽지전원의 범위에 국한됐으며 연구개발도 그리 진전되지 못했다.

거의 같은 시기에 트랜지스터의 발명이 있었다. 이를 계기로 반도체 기술이 발달함에 따라 열전반도체에 대한 관심이 급격히 증대되었다. 각국의 국가기관이나 기업들은 열전재료의 성능향상과 응용기기의 개발에 참여하기 시작했다. 미국의 RCA에서 열전냉각을 이용하는 냉장고와 냉난방 장치의 모델제품을 선보인 것도 이 시기였다.

그 뒤 50년대와 60년대에 걸쳐 미국과 소련의 우주개발 무기개발 경쟁에 편승, 인공위성이나 군사장비용 전원장치로서 방사성동위원소나 핵연료를 열원으로 각종의 열전발전기가 개발됐다. 예컨대 미국에서는 열전발전기 개발계획인 SNAP계획에 의거, 1961년에 세계 최초로 인공위성용 전원으로 열전발전기를 사용하기 시작했다. 이 계획은 현재까지도 계속되어 아폴로 바이킹 보이저 등의 인공위성에도 열전발전기를 써오고 있다.

하지만 당시 열전변환의 응용은 주로 우주용이나 군사용과 같은 특수용도에 국한됐다. 반면 일반 민수용이나 산업용으로는 한동안 실용화가 정체돼 있었다. 이와 같이 본격적인 실용화가 지체되고 있었던 최대의 요인은 기계적 강도와 화학적 안정성이 높은 고성능 열전재료의 개발이 이뤄지지 않았기 때문이다.

그러나 70년대 중반의 석유파동 이래 폐(廢)에너지의 재활용이나 새로운 에너지 기술에 대한 관심이 고조되고, 또 전자기기 의료기기 과학기기 등의 분야에서 열전냉각 기술의 필요성이 증대되면서 열전재료의 '주가'가 뛰기 시작했다. 그 결과 80년대에 들어오면서부터 고성능 열전재료와 그 응용방식의 개발이 본격적으로 추진되었다. 그에 따라 열전재료의 사용처는 여러 산업분야에서 계속 확대되고 있다. 특히 최근의 재료공학기술의 현저한 발전에 힘입어 고성능 열전재료의 제조가 가능해짐에 따라 열전변환기술의 응용은 더욱 증대될 전망이다.

우리나라에서는 80년대 중반부터 필자의 연구팀과 일부 대학에서 열전재료의 개발과 응용연구에 착수하고 있다. 선진국에 비하면 연구개발의 역사가 매우 짧으나 에너지산업 전자공업 등 열전재료를 필요로 하는 산업의 급격한 신장을 배경으로 개발에 박차를 가하고 있다.

두 효과는 서로 만난다

열전변환현상은 일반 금속에서는 거의 일어나지 않으나 전기저항이 큰 합금이나 반도체에서는 현저하게 나타난다. 이 경우 재료의 고온측이 +로 대전(帶電)하면 N형재료, -전하를 띠면 P형재료라 한다. N형재료에서는 -전하(電荷)의 자유전자가 전류를 운반하는 운반체(carrier)로 작용하고, P형재료에서는 전자가 빠져나간 자리에 생긴 +전하의 정공(hole)이 운반체가 된다. 반도체에서는 전자를 N형반도체, 후자를 P형반도체라 부른다. 열전재료에서 나타나는 열↔전기 상호변환의 물리적 현상을 개념적으로 나타내면 아래의(그림 1)과 같다.

그림으로 제백효과를 좀 더 구체적으로 알아 보자. 금속전극 A, B로 접합된 열전재료의 한쪽 끝을 가열해 양끝에 온도차를 부여하면, N형재료의 경우 고온측에서 높은 에너지 상태로 활성화된 -전하의 자유전자가 저온측으로 확산된다. 그 결과 저온전극은 -로 대전하고 고온전극은 +전기를 띠므로 A와 B사이에는 전위차(電位差)가 생겨 전압이 발생한다.

또 P형재료의 경우에는 전류를 운반하는 +전하의 정공(正孔)이 저온측으로 확산하므로 저온전극이 +극이 된다. 그렇게 되면 고온전극과의 사이에 전압이 발생한다. 이때 생기는 전압을 열기전력(thermoelectromotive force)이라 하는데, 이 힘은 양쪽끝의 온도차 ⊿T에 비례하여 증가한다.

Vs=α×⊿T. 이 식이 제벡효과를 가장 간단명료하게 보여주는 식이다. 여기서 비례상수 α(volt/℃)는 제벡계수로서 재료고유의 물성치인데 이 값이 큰 재료일수록 열기 전력의 발생은 크게 된다.

이번에는 펠티에 효과를 살펴 보자. 금속전극 A, B를 통해 재료의 양 끝에 화살표 방향으로 전류(I)를 흘려 보내면 어떻게 될까? N형재료의 경우에는 자유전자가 주위의 열을 흡수, 열전재료를 통해 A로부터 B로 이동한다. 따라서 - 전극인 A에서는 흡열(吸熱)이 일어나고, + 전극인 B에서는 전자의 열에너지방출에 의해 발열(發熱)이 일어난다.

반면 P형재료의 경우에는 정공(正孔)이 전류와 같은 방향으로 이동하므로 흡열부인 B가 +전극이 되고, 발열부인 A가 -전극이 된다. 이때 흡열(또는 발열)되는 열량 Q는 공급되는 전류(I)에 비례한다.

Q=π×I. 이 식은 펠티에 효과를 나타내는 식이다. 여기서 비례상수 π는 펠티에계수다.
열을 전기로 변환하는 제벡효과와 전기를 열에너지로 바꿔주는 펠티에효과는 서로 가역적(可逆的)이므로 둘 사이에는 π=a×T의 관계가 성립한다.

대체로 열전재료는 열전발전분야(제벡효과이용)와 물체를 냉각시키는 열전냉각분야(펠티에효과 이용)에 쓰인다. 특히 이 재료를 에너지 직접 변환장치로 쓸 때는 대개 P형과 N형재료의 한쪽 끝을 π자형 또는 U자형으로 접합한 P/N 소자대(素子對)로 만들어 사용하고 있다. 여기서 발전용으로 쓰는 것을 열발전소자, 냉각용은 열전냉각소자 또는 전자냉각소자라고 한다. 실제로는 이러한 소자대를 여러개 직렬로 연결한 모듈을 만들어 사용하는데, 이를 열전모듈이라고 부른다.
 

인공위성의 수명을 결정하기도

우리가 현재 사용하는 전력은 수력 화력 원자력 등의 힘을 빌려 수차나 터빈의 기계적 에너지를 전기에너지로 변환해준 것이다. 따라서 매우 복잡한 발전설비를 필요로 한다. 이에 비해 열전발전은 매우 간단하다(그림 2). P형과 N형재료의 접합전극에 열을 가함으로써 냉접점과의 사이에 온도차만 주면 전압이 발생하고, 이 회로에 외부저항 R을 설치하면 전력이 얻어지는 것이다.

열전발전은 이와 같이 가열이라는 단순한 조작만으로 전력이 얻어지므로 구조가 간단하다. 그리고 구동부분이 없어 소형·경량화가 가능하며 소음과 고장이 적은 것이 장점이다. 또 1백℃ 미만의 저온에너지부터 1천℃ 정도의 고온에너지에 이르기까지 광범위하게 열원으로 사용할 수 있다는 점도 유리하다. 대개 각종의 화석연료 산업폐열 태양열과 같은 자연에너지가 열원으로 이용된다.

현재 실제로 설치돼 있는 열전발전기는 1천5백W 미만의 소형발전기가 대부분으로 위성용 해저용 군사용 통신중계소 기상관측소 등의 전원장치로 이용되고 있다.

인공위성에는 연료나 산소의 공급이 불가능하므로 플루토늄(${ }^{238}$Pu) 스트론튬(${ }^{90}$Sr) 코발트(${ }^{60}$Co)등과 같은 방사성동위원소의 붕괴열을 열원으로 하는 열전발전기가 사용되고 있다. 따라서 인공위성의 수명은 열원이 되는 방사성동위원소의 반감기와 일치하는 경우가 많다.

또 열전발전기는 소형화가 가능하고 소음이 없으므로 작전지역의 군사장비용(레이다 통신기 등) 전원으로도 유용하게 쓰일 수 있다. 그리고 장기간무인운전이 가능하기 때문에 사람이 살기 어려운 사막이나 산간·도서지방의 TV나 통신중계국의 전원장치로 이용되고 있다. 실제로 캐나다는 '테란'(Teran)이라는 5백W급 발전기를 선보이고 있다. 이것은 프로판이나 부탄과 같은 기체연료를 연소시켜 발전하는데, 연료의 자동공급장치를 장착하고 있어 수개월간 무인운전이 가능하다.

이런 종류의 발전장치는 앞으로 우주 해저자원 남극개발시대의 도래와 함께 새로운 용도가 계속 생길 것으로 전망된다. 아울러 일반 민간용으로도 유망하다. 취사나 난방용 폐열을 이용하는 소형발전장치로서의 용도 개발이 크게 기대되고 있는 것이다.
 

변환효율을 높여야

한편 각종의 산업폐열이나 자연에너지를 이용하는 중대형 열전발전은 아직 연구단계에 있다. 물론 그 전망은 밝은 편이다. 특히 선진각국에서 의욕적으로 개발을 추진하고 있으므로 곧 새로운 에너지 기술로서 각광받을 것으로 보인다.

현재 철강공장에서 사용하는 에너지의 이용효율은 50% 정도이고, 화력발전소의 경우에는 30~40%에 불과한 실정이다. 나머지는 온수 또는 배기가스로 배출된다. 현재의 기술로는 이 버려진 에너지들을 제대로 거둬들일 수 없으나, 열전발전을 이용하면 효율적인 회수가 가능하다.
이러한 산업폐열을 회수하는 열전발전의 원리는 (그림 3)과 같다. 폐가스가 배출되는 연돌에 열전모듈을 부착시켜 모듈의 고온쪽을 연돌가스로 가열시키고, 저온쪽은 외부공기로 냉각시키면 모듈의 양끝 사이에 온도차가 생겨 전력이 얻어지는 것이다.
 

또 태양열이나 해양온도와 같은 저온의 자연에너지를 이용하는 발전도 가능하다.(그림 4)는 해양온도차를 이용하는 열전발전의 원리. 바다 속 50m 이내의 표층부의 온도는 3백K(27℃) 정도고, 5백m 이하의 심층부의 온도는 약 2백80K(7℃)이므로 이 두 곳 사이에는 온도차가 있다. 따라서 이를 펌프로 끌어올려 열전모듈의 고온부와 저온부로 이용하면 전력을 얻을 수 있다. 실제로 일본에서는 이에 대한 개발이 활발하게 추진중이다. 이와 같이 산업폐열이나 자연에너지를 이용하는 경우에는 연료비가 들지 않으므로 경제성이 매우 좋다.
 

현재 열전발전기의 에너지변환효율은 최대 20%가 고작이다. 이는 연소식 내연엔진의 효율과 대등한 수준이다.
열전발전기의 변환효율을 좌우하는 열전재료는 열원이 몇 도이냐에 따라 달라진다. 1백50℃ 미만의 저온용으로는 비스무트-텔루륨(Bi-Te)과 같은 주기율표 Ⅴ-Ⅵ족 화합물, 5백℃ 정도의 중온용에는 납-텔루륨(Pb-Te)과 같은 Ⅳ-Ⅴ족 화합물, 5백℃이상의 고온에는 실리콘-게르마늄(Si-Ge) 또는 철-규소(Fe-Si)와 같은 천이금속규화물이 쓰이고 있다. 지금도 변환효율이 우수한 각종 고성능재료가 계속 출현하고 있다. 따라서 변환효율의 증가는 물론이고 열전재료의 응용도 더욱 늘어날 전망이다.

온도제어가 뛰어나

어떤 물체를 냉각시키려면 냉매가스(프레온)가 압축과 증발을 반복하게 하면 된다. 다시 말해 증발시에 물체로부터 흡수하는 기화열을 외부로 방출시키는 것이다. 이 기계적 냉각법이 바로 전기냉장고의 원리다. 그런데 이러한 냉각장치는 가스압축기 순환모터 가스배관 등 매우 복잡한 구조로 돼 있다.

이때 열전변환방식을 이용하면 전자가 전기에너지를 열에너지로 직접 바꿔주므로 매우 간단한 장치로 물체를 냉각시킬 수 있다.(그림 5)와 같이 P형과 N형재료를 접합한 열전소자에 전류를 통해주면 전자와 정공이 열을 A전극에서 B전극으로 운반하므로, A에서는 흡열이 일어나고 B에서는 발열이 일어난다. 따라서 냉각시키려는 물체를 A주위에 놓으면 목적이 달성된다.

이와 같이 열전냉각은 종래의 냉각방식에 비해 그 구조가 간단하다. 압축기나 복잡한 가스배관이 없기 때문이다. 또 소음이 없고, 고장이 적은 장점을 갖는다. 그리고 전류의 방향을 바꿔주면 흡열이 가열로 바뀌므로(그 반대도 가능하다) 하나의 장치에서 가열과 냉각을 자유로이 할 수 있다. 뿐만 아니라 원하는 부분만을 선택적으로 냉각시키는 국부냉각도 가능하다.

이와 같은 특징 때문에 열전냉각은 전자 광학 과학기기 의료기기 등 광범위한 분야에서 응용되고 있다. 최근의 전자기기는 소형화와 고성능화가 신제품개발의 목표가 되고 있는데, 이 경우 열 발생에 따른 잡음과 성능 저하가 가장 큰 문제로 떠오르고 있다. 여기서도 열전냉각을 이용한 전자부품의 냉각이나 온도제어가 가장 유력한 해결수단으로 자리잡을 것으로 보인다. 예컨대 전산기의 기억소자 적외선센서 파워트랜지스터 등의 냉각과 항온제어에 이 열전냉각방식이 이용되 전망이다.

특히 열전냉각을 활용하는 온도제어는 1백℃ 미만의 낮은 온도 범위에서도 ±0.1℃의 정밀도를 갖고 있어 다른 어떤 온도제어 방법보다 성능이 우수하다. 의학분야에서는 혈액의 냉각 보전 수송과 각종 진단기기에 응용될 전망이다. 또 과학기기분야에서는 저온장치 진공장치 화학분석기기 각종계측기 등에 쓰이고 있다. 이외에도 공업용항온조 건조장치 냉난방공조장치 등 새로운 용도가 계속 출현하고 있다.
 

TGV의 실내를 상쾌하게 한다

냉난방 공조장치에서 흥미있는 것은 전류의 방향에 따라 냉방이 되기도 하고, 난방이 되기도 한다는 사실이다. 현재 이와같은 냉·난방장치가 프랑스의 고속전철(TGV)에 설치되어 있는데 객차내는 사계절을 통해 항상 24±2℃의 쾌적한 온도가 유지되고 있다. 또 이러한 냉·난방방식은 소음이 없고 구조가 간단하며 고장이 적으므로 가정용 냉장고나 냉·난방장치로 상품화가 기대된다.

열전냉각은 아직도 전자공업을 위시한 다방면에서 용도개발이 진행중에 있다. 현재 열전냉각에 이용되는 열전재료는 주기율표Ⅴ족 원소인 비스무트(Bi) 안티몬(Sb), Ⅵ족 원소인 텔루륨(Te) 셀레늄(Se)으로 구성되는 Ⅴ-Ⅵ족 화합물반도체가 주류를 이루고 있다.

요컨대 제벡효과를 이용하는 열전발전은 특수용도의 소형 전원장치에 널리 활용될 것으로 보인다. 뿐만 아니라 각종 산업폐열이나 자연에너지의 활용을 가능케 하는 새로운 에너지기술로서 장래가 주목된다. 또 펠티에효과를 이용하는 열전냉각은 전자 반도체 광학 과학계측 등 광범위한 분야에서 쓰이고 있다.

열전변환의 응용은 이제 겨우 실용화의 초기단계에 불과하나 첨단산업분야에서 앞으로 크게 활약할 것으로 기대된다. 그러나 본격적으로 용도를 확대해 나가려면 열전재료의 성능향상, 경제적인 제조법의 개발, 응용기술의 개발 등 기술적으로 해결해야할 문제가 많이 남아 있다.