펠티어 효과와 펠티어 소자

펠티어 소자의 구조를 보여주는 일러스트

제에벡 효과의 원리

펠티어 효과의 원리를 보기 전에 제에벡 효과의 원리부터 살펴보기로 하자. 실제 지금 필자가 말하고자 하는 것도 펠티어 효과이며, 또한 먼저 발견된 것도 펠티어 효과지만 제에벡 효과 쪽이 조금 더 이해하기가 쉬우므로 이쪽부터 설명하기로 한다.

오른쪽에 보이는 그림은 P 형 반도체와 N형 반도체가 2개의 접점을 가지고 있는 폐회로를 보여주고 있다. 2개의 접점 중 한쪽은 바깥의 회로로 연결되어 있다. 회색의 플레이트는 도체를, 그리고 흰색의 플레이트는 절연을 위한 절연체(대개는 세라믹을 사용한다)를 의미하고 있다. 이 상황에서는 어떠한 전하도 발생하지 않는다.

하지만 여기서 한쪽의 플레이트에 열이 가해지는 순간부터 상황은 변한다. 열을 가한다는 것은 그 금속 내에 존재하는 자유전자들에게 에너지를 가해준다는 것을 의미하며, 이렇게 되면 자유전자들은 어디론가 움직여가려 하는 성향이 점차적으로 커진다. 이렇게 부유(浮游)하게 된 자유전자가 움직일 수 있는 방향은 당연히 P형 반도체 쪽이다. N(Negative)형 반도체와 P(Positive)형 반도체는 불순물의 성격에 따라서 그 성질이 다른데, N형은 이름에서 보이다시피 -1가의 금속이 포함되어 있어서 자유전자가 발생하기 쉬우며, P형 반도체는 +1가의 금속이 포함되어 있어서 정공이 발생하기 쉽다. 따라서 가열된 금속 플레이트에서 에너지를 얻은 자유전자는 P형 반도체쪽으로 끌려들어간다.

가열된 금속 플레이트는 P형 반도체에 전자를 내주었으므로, 전자가 부족하게 되고, 이 부족분을 N형 반도체에서 끌어오게 된다. 이러한 과정을 거치면, 회로가 연결되어 있는 양 전극간에는 전위차가 발생해서 결국 N 형 반도체 쪽에서 P형 반도체 쪽으로 흘러들어가는 전류가 발생하는 것이다. 이렇게 완성되는 것이 제에벡 효과이다. 제에벡 효과에 의해서 발생하는 전류는 가해주는 열량에 비례하며, 이 때 가해주는 열량을 dQ라고 하고, 이러한 열량변화에 의해서 만들어지는 전류를 dI라고 하면 이 둘 사이에는 dQ=πdI 라는 공식이 성립한다. 이 때 비례상수 π를 펠티어 계수(Peltier coefficient) 혹은 제에벡 계수(Seebeck coefficient)라고 한다.

이러한 전위차는 한 접점에 열이 계속 가해지고 있는 이상 지속적으로 발생한다.
 

펠티어 효과의 원리

그렇다면 펠티어 효과는? 위의 제에벡 효과를 완전히 반대로 생각하면 된다. 제에벡 효과가 가해지는 열에 의해서 자유전자가 에너지를 얻고 이 에너지를 사용해서 기전력이 발생하는 것이라면, 펠티어 효과는 전자가 전위차가 있는 두 금속사이를 움직이기 위해서 에너지를 필요로 하고, 여기에 필요한 에너지를 금속이 가지고 있는 에너지에서 뺏아간다는 것을 기본 원리로 하고 있다. 가해지는 전류량과 발열/흡열되는 열량은 앞서 제에벡 효과에서 언급한 공식이 그대로 적용되며, 비례상수 또한 같다.

오른쪽 일러스트를 보자. 현재 전류는 시계방향으로 돌고 있으며, 이 때, P형 반도체 내에서 정공은 D와의 접점에서 생성되어 C와의 접점 쪽으로 이동한다. 여기서 정공이 열을 실어나르는 역할을 하게 되며, 그 결과 A-D 플레이트는 지속적으로 차가워지며, B-C 플레이트는 지속적으로 뜨거워진다.

여기서, 전류가 흐르는 방향을 바꾸면 전자 및 정공의 흐름도 뒤바뀌게 되며, 결과적으로 열을 방출/흡수하는 면 역시 반대로 변한다.

TEM(Thermoelectric Module)

TEM(ThermoElectric Module)

이제, 흔히 사용하는 펠티어 소자에 대해서 알아보자. 앞서 언급했던 내용에서 보이다시피, 펠티어 소자를 이용한 냉각을 구현하기 위해서는 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 가지고 있어야 한다는 전제조건이 필요하다. 그러나 어쨋건 하나의 소자로는 큰 냉각효과를 기대하기 어려우며, 그래서 펠티어 소자를 사용한 TEM(TermoElectric Module)의 경우는 이들 소자를 여러개 직렬로 이어붙인 형태를 하고 있다. 그 구조를 보자.

TEM의 구조

맨 아래와 맨 위에는 세라믹층이 있으며, 이것은 열을 효율적으로 전달하면서도 전기의 흐름은 제한하는 역할을 한다. 그 아래에 있는 전도체 층과 반도체 층이 실질적인 냉각 '엔진'이다. 그리고 가장 아래층에는 역시 절연체인 세라믹이 위치해 있다. (약간 여담같기는 하지만, 이 세라믹 층은 충격에 대단히 약한데, 괜히 좀 단단해보인다고 해서 드라이버 등의 경질의 물체로 톡톡 두드리거나 하면 얼마 가지 못해서 금이 쩍쩍 가 있는 세라믹 플레이트를 보게 될 것이다.) 반도체 층의 경우 P형 반도체와 N형 반도체 전체가 직렬로 이어져서 최대한의 냉각효율을 끌어내도록 구성되어 있다.

P 형 및 N 형 반도체가 직렬로 이어져 있다.

펠티어 소자에 사용되는 반도체

기본적으로, 펠티어 소자는 서로 다른 반도체, 즉 P형 반도체와 N 형 반도체의 접합에 기반하고 있다. 여기에 사용되는 반도체는 일반적으로 반도체라고 불리는 갈륨-비소 반도체를 사용하지 못한다. 이것은 TEM의 특성상 최고의 효율을 내기 위해서는 세가지 조건이 조화를 이루어 줘야 하는데, 이 세가지는 제에벡 계수(약자로 π를 사용하며, 이에 대해서는 위에서 언급한 바 있다.)가 높아야 하며, 전기저항이 낮아야 하며, 열전도성 또한 최대한 낮아야 한다. 제에벡 계수가 높다는 것은 적은 전력으로도 높은 냉각효과를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 전기저항이 개입되는 이유는 반도체 스스로의 발열 때문이다. 열로 손실되는 에너지의 양은 저항값의 제곱에 비례하기 때문에 저항이 낮으면 낮을수록 소자 자체의 발열이 적어서 소자 자체의 발열로 인한 전체적인 온도의 상승을 억제할 수 있다. 물론 전력 역시 적게 소모하게 된다. 열전도성이 낮아야 한다는 것은 전위차에 의해 유도된 소자 양단의 온도차를 그대로 유지시키기 위함이다. 만약 열전도성이 높다면 양단의 온도차를 만들어준 것이 무의미하게 되기 때문이다. 이러한 모든 성질을 종합한 것이 '메리트 상수'라는 것이다. 메리트 상수는 Z라는 약자로 표기되며 이라는 공식에 의해서 만들어진다.

현재 가장 많이 사용되는 펠티어 소자로는 텔루오르화 비스무스(Bi₂Te₃), 텔루오르화 납(PbTe)이 있다. 이 두가지와 가장 일반적인 반도체인 갈륨-비소(SiGe) 반도체의 온도에 따른 메리트 변화를 그래프로 그려보면 아래와 같다.

Bi₂Te₃, PbTe, SiGe의 온도에 따른 메리트 상수 변화 그래프
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위의 그래프를 보면 갈륨-비소 반도체에 비해서 월등히 높은 메리트 상수를 가지고 있음을 알 수 있다. 동작온도는 텔루오르화 비스무스가 -100℃에서 200℃ 정도까지이며, 텔루오르화 납의 경우는 100℃에서 600℃까지이다. 이렇게 되면 어차피 100℃가 넘어가는 온도에서 동작하는 것은 지금 이 글을 보고 있는 사용자들이 원하는 온도는 아닐 것이다. 실제로, 컴퓨터에서의 쿨링에 사용되는 모든 펠티어 소자의 기본 재료는 텔루오르화 비스무스(Bi₂Te₃)이다. 이 물질은 약 70℃에서 최고의 효율을 보여주며, 0℃에서 100℃ 사이에서는 항상 2.5를 상회하는 메리트 상수를 가지고 있어서 거의 모든 용도를 통털어 펠티어 소자를 제작하는데에 가장 많이 사용되는 소재이다.