펠티어 소자 - 미래의 냉난방 기술

펠티어 소자 - 미래의 냉난방 기술


얼마 전에 연세대 원주캠퍼스의 박영의 의학물리학과 교수 등의 공동연구팀이 펠티어소자를 이용한 에어컨을 개발했다는 소식이 올라왔다. 펠티어 소자를 이용한 에어컨은 프레온가스 같은 냉매들이 필요 없어 지구온난화와 오존층 파괴 등의 오염으로부터 지구를 지킬 수 있고, 설치공간의 제약이나 냉각기에서 물이 나오는 문제로부터 훨씬 자유로울 수 있는 장점이 있다.

펠티어 소자를 이용한 대부분의 기기들은 아직까지는 가격이 비싸고, 에너지 효율이 낮은 단점이 있다. 이번에 개발된 에어컨은 거의 일반 에어컨과 비슷한 수준의 에너지 효율성을 보이고 있다니 그만큼 기대가 된다. 선진국에서는 펠티어소자를 이용한 냉각기가 1960년대에 이미 개발되어 사용되어 왔다. 그렇다면 우리나라에서는 얼마만큼 연구되거나 사용되고 있을까?

펠티어 소자를 사용한 기기들의 장단점은 김치냉장고를 생각하면 된다.
김치냉장고는 우리나라에 가장 많이 쓰이는 펠티어 효과를 이용한 제품이다. 일반냉장고는 압축기를 사용하여 냉매를 순환시키는 방식이어서 냉장고를 설치한 후에 냉매를 안정시킬 시간이 10~15분정도 필요하지만 김치냉장고는 펠티어소자를 이용한 기기여서 냉매를 안정시킬 필요가 없기 때문에 설치 후 바로 사용할 수 있다. 더군다나 기계적인 동작부위가 없기 때문에 매우 작게 만들 수 있고, 고장도 훨씬 적고, 수명도 반영구적이며 냉장고소음의 가장 큰 원인인 압축기가 없기 때문에 소음도 매우 적다. 그러나 펠티어 소자의 가격이 비싸고, 열효율이 낮은 단점이 있어서 일반냉장고보다 김치냉장고가 비싸고 냉각속도도 떨어진다.
펠티어 소자를 이용한 냉난방장치들은 김치냉장고와 장단점이 비슷하다. 그러나 열효율이 낮아서 일반 가정에는 보급되지 못하고 산업용으로만 사용되고 있지만 냉난방장치라면 꼭 필요한 냉각기 등의 설치가 에어컨보다 훨씬 쉬운 점 등의 장점이 있어 앞으로 연구결과에 따라 얼마든지 보급될 여지가 충분하다.

펠티어소자를 이용한 온도계는 용광로 같은 고온을 측정해야 하는 산업현장에서 점차 사용이 증가하고 있다. 더군다나 작은 크기로 제작할 수 있고, 컴퓨터로 정보전송이 쉽다는 장점을 이용해서 일상생활 속의 수도꼭지에도 펠티어 소자를 장착해서 온도를 아주 미세하게 조절할 수 있게 만들어지고 있다. 펠티어 소자가 가장 많이 응용되는 분야가 바로 온도계이다.

펠티어 소자로 만들어진 휴대용 발전기는 아직 상용화 되지는 못했지만 건전지 정도의 성능을 낼 수 있는 발전기를 만들 수 있다.


1. 고체의 종류 : 도체, 부도체, 반도체
고체 내부에는 많은 수의 원자핵과 전자들로 가득 차 있다. 원자핵과 전자들은 전자기력에 의해 서로 끌려서 원자를 만들지만 여러 원자핵들이 가까워서 전자들의 상태가 다양하게 나타날 수 있어서 여러 가지 물리적 성질을 가질 수 있기 때문에 고체의 성질도 다양하게 나타난다. 펠티어 효과를 알아보기 위해서 우선 몇 가지 고체 물리적 성질을 살펴보자.

고체 속에는 셀 수 없이 많은 원자핵과 전자들로 가득한데, 전자들의 에너지 상태를 살펴보면 모든 에너지 상태를 가질 수 있는 것이 아니고, 띄엄띄엄 떨어진 에너지 값만을 갖게 된다. 그림은 부도체, 반도체, 도체(금속)를 도식화 한 것이다.

윗그림에서 각각의 수평으로 그어진 파랑, 주황, 빨강 선들은 전자들의 위치를 한 차원만 나타낸 상태에서의 에너지와 위치를 보여준다. 파랑 선들은 각각의 원자핵들에 완전히 속박된 전자들의 상태를 나타내며, 이웃의 원자로 이동할 수는 없다. 빨강 선은 고체를 이루고 있는 원자핵들 사이의 거리가 가까워서 하나의 원자핵에 전자가 속박되지 않고, 여러 원자핵으로부터 비슷한 인력을 받아서 (대충 생각했을 때 다른 원자들의 전자들과 위치가 겹쳐서) 여러 원자들 사이를 돌아다니는 (보통 금속에서는 자유전자라 부르는) 전자의 상태를 나타낸다. 반면 주황 선들은 기본적으로 갖는 전자기적 위치에너지만으로는 원자핵의 인력을 탈출할 수는 없지만 전자가 열에너지를 갖게 되면 빨간색 선의 전자(자유전자)로 상태가 바뀔 수 있는 전자들을 나타낸다.
이러한 전자들의 에너지 상태는 고체의 결정상태, 자유전자의 개수, 원자핵의 크기와 전하량, 온도, 전기장과 자기장, 압력 등의 영향을 받는다.

원자에 포함된 모든 전자가 파란색의 상태를 갖는 고체는 부도체가 되며, 일부의 전자가 보라색뿐 아니라 (주황색과) 노란색의 상태를 갖는 고체는 금속 같은 도체가 된다. 반면 전자가 보라색 상태와 주황색의 상태를 갖는 고체는 반도체가 된다. 이렇게 고체의 성질을 나누는 이론을 전자띠 이론(energy bend theory)이라 부른다.

도체나 반도체의 온도는 주로 자유전자(빨간색 상태의 전자)의 에너지가 얼마나 많이 있는가에 의해서 결정되어 자유전자의 평균에너지(평균 운동에너지)가 높으면 온도가 높고, 평균에너지가 낮으면 온도가 낮다. 물론 원자핵도 온도에 따라 움직이는 진동량이 변하기는 하지만 상대적으로 자유전자의 움직임 변화보다 훨씬 적기 때문에 고체의 온도에 훨씬 적게 기여한다.
펠티어 효과는 자유전자들이 에너지에 의해서 온도가 변하기 때문에 나타나는 현상이다.

앞으로 설명할 때는 편의상 물질의 상태를 금속이라고 생각하고 자유전자만 갖고 설명할 것이다.


2. 전류에 의한 발열과 흡열(펠티어 효과;peltier effect)

왼쪽에서는 에너지가 낮은 곳에서 높은 곳으로 전자가 올라가고, 오른쪽에서는 높은 곳에서 낮은 곳으로 전자가 내려간다. 이때 올라가고 내려가는 에너지 차이만큼 흡열과 발열 현상이 생긴다.

윗그림에 있는 금속들에 전기를 흘려주면 어떤 현상이 나타날까? 편의상 전기를 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르도록 도선을 연결해 회로를 만들었다고 생각해보자. 그림의 왼쪽 금속 A와 금속 B의 접합부에서는 금속 A 속에 있는 자유전자들이 금속 B의 자유전자들 속으로 몰려 올라간다. 그리고 오른쪽의 금속 B와 금속 A의 접합부에서는 금속 B 속의 자유전자들이 금속 A의 자유전자들 속으로 몰려 들어간다.¹ 여기서 왼쪽에서 금속 B로 움직여간 자유전자와 오른쪽 금속 A로 움직여간 자유전자들의 수는 항상 같다.

그럼 왜 왼쪽에서는 흡열반응을 하고, 오른쪽에서는 발열반응을 하게 될까?

온도가 같은 하나의 금속 안에서도 전자들의 속도는 각양각색으로 다를 것이다. 매우 빠른 자유전자도 있고, 매우 느린 자유전자도 있다. 온도는 이 모든 자유전자들의 속도를 평균한 값에 관련이 있다. 온도가 올라가면 자유전자들의 평균속도가 점점 빨라지고, 온도가 내려가면 자유전자들의 속도가 점점 느려진다.

전류가 오른쪽에서 왼쪽으로 흐른다고 하였으므로 왼쪽의 금속 A에 있는 자유전자들은 전기장에 이끌려 오른쪽으로 움직이려 한다. 그러나 금속 A 속의 자유전자의 입장에서 보면 금속 B는 절벽처럼 생각되 것이다. 전기장을 따라 움직이던 금속 A의 모든 자유전자들은 높은 에너지들을 갖는 금속 B 속의 자유전자를 향하여 움직이려고 하겠지만 만약 금속 B로 움직이려던 자유전자가 너무 느리다면 절벽을 오르지 못하고, 이들 대신 속도가 빠른 자유전자가 (추월해서) 금속 B의 자유전자 속으로 들어간다. 그렇게 되면 느린 자유전자는 금속 A를 떠날 수 없게 된다.
결국 왼쪽 금속 A에서 금속 B로 움직여 가는 자유전자들은 속도가 빠른, 다시 말해서 에너지를 많이 갖고 있는 전자일 가능성이 높다. 그렇게 되면 왼쪽의 금속 A 속의 자유전자들은 점점 에너지를 조금 갖는 것들만 남게 되고, 자유전자들의 평균에너지는 낮아지게 된다. 즉 온도가 내려간다.

금속 B의 속을 움직이던 자유전자들도 전기장을 따라서 자신이 갖고 있던 에너지와 상관없이 무조건 오른쪽의 금속 A의 자유전자 속으로 움직이려 할 것이다. 이 때의 자유전자들은 절벽 아래로 내려가는 것이므로 백제 의자왕의 가녀린 삼천궁녀가 낙화암에서 뛰어내리듯이 오른쪽 금속 A의 자유전자들 속으로 풍덩풍덩 뛰어들 것이다. 이 때 금속 B의 자유전자는 금속 A의 자유전자들보다 평균적으로 더 많은 에너지를 갖고 있으므로 결국 오른쪽 금속 A는 평균에너지가 점점 올라간다. 즉 온도가 올라간다.

흡열반응과 발열반응이 일어나는 양쪽의 금속 A의 온도변화는 열의 총량이 일정하게 유지됨으로서 에너지 보존의 법칙을 지키며, 온도차이가 커지면 커질수록 왼쪽의 접합부위에서 자유전자가 절벽을 올라가기가 점점 힘들어지므로 전기저항이 커져서 전류가 점점 줄어들어 냉각과 가열 현상이 적어진다.

3 온도차에 의한 전류의 형성(제백 효과;Seebeck effect)
펠티어 효과를 발견한 펠티어보다 후대 인물인 제백(Seebeck)은 펠티어 효과의 반대 현상, 즉 금속의 양쪽 접합부의 온도가 다르면 전류가 형성되지 않을까 궁금증을 느꼈고, 이 현상을 실험으로 입증했다.

일반적으로 온도가 높은 금속 A에 더 빠르게 움직이는 자유전자의 수가 많으므로 온도가 낮은 금속 A에서보다 더 많은 수의 자유전자를 금속B로 보낼 수 있다.

금속마다 비열이 다르기 때문에 온도에 따른 자유전자의 평균에너지의 변화는 각 금속들마다 다르게 변한다. <그림3>의 경우 왼쪽의 금속 A와 금속 B의 접합부분이 오른쪽의 접합부분보다 온도가 높은 상태를 나타낸다. 같은 금속인 금속 A의 경우에 온도가 높은 왼쪽의 자유전자의 평균에너지가 크고, 금속 B의 경우 부분적인 온도가 차이가 나기 때문에 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 서서히 자유전자의 평균에너지가 줄어든다. (그러나 양쪽 접합부분의 A, B 두 금속이 같은 온도임에도 불구하고) 자유전자들의 평균에너지 차이가 더 크게 나타나는 오른쪽 접합부분이 왼쪽 접합부분보다 금속 B로 움직여 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖는 전자들이 적으므로 왼쪽 접합부분에서 금속 B로 움직여 들어가는 전자들의 수가 많다. 그리고 반대로 금속 B에서 금속 A로 움직이는 전자들은 평균에너지의 차이가 더 큰 쪽으로 조금 더 많이 밀려나게 된다.
결국 <그림3>의 회로는 전자가 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이고, 따라서 전류는 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르게 된다. (에너지 차이가 고온과 저온에서 바뀌면 전류의 흐름도 반대가 된다.)
전류가 흐르게 됨에 따라서 고온 부분의 자유전자의 평균에너지는 줄고(감열하고) 저온 부분의 자유전자의 평균에너지는 늘어나(발열하여) 온도차이는 점차 줄어들게 된다.


4. 펠티어 효과의 미래

펠티어 효과를 이용한 각종 특허들은 선진국일수록 많으며, 계속해서 활발히 연구되고 있는 분야다. 펠티어 효과의 가능성을 높게 평가하고 있기 때문이다. 그래서 선진국을 중심으로 최근 특허건수가 증가하고 있다.
그러나 우리나라에서는 아직 많은 연구가 진행되지 않고 있다. 앞으로 많은 투자를 해야 하는 분야이다.