열전현상

왜 배우는가: 열전현상은 열전대 온도계와 열전냉각 소자의 원리이므로 계측과 설비 점검 현장에서 자주 쓰인다. 제벡·펠티에·톰슨 효과를 구분해 설명하는 문제가 입력 기준 2개 회차에 출제돼 시험에서도 반복해서 나온다.

출제 이력: 제125회 1교시 4번, 제117회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열전현상은 서로 다른 도체의 접합부나 도체 내부의 온도차와 전류가 상호 작용해 열과 전기 에너지가 바뀌는 현상이다.

핵심 키워드

• 열전현상(thermoelectric effect)
• 제벡 효과(Seebeck effect)
• 펠티에 효과(Peltier effect)
• 톰슨 효과(Thomson effect)
• 열기전력
• 제벡 계수
• 펠티에 계수
• 톰슨 계수

열전현상은 한 가지 효과가 아니라 세 효과를 묶은 이름이다. 세 효과는 모두 재료의 제벡 계수 하나로 설명된다. 답안에서는 첫 줄 정의를 쓴 뒤 세 효과를 각각 입력과 출력의 방향으로 구분해 설명하면 된다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 열전현상은 열과 전기가 서로 바뀌는 현상이다. 금속 두 개를 고리로 잇고 양쪽 접점의 온도를 다르게 하면 전류가 흐른다. 반대로 전류를 흘리면 접점 한쪽은 식고 다른 쪽은 데워진다.

제벡 효과(Seebeck effect)는 온도차가 전기 신호로 바뀌는 효과다. 1821년 제벡이 발견했다. 서로 다른 두 도체로 폐회로를 만들고 두 접점에 온도차를 주면 회로에 열기전력이 생긴다. 온도차가 없으면 기전력도 없다. 개방 상태에서 전압 변화는 온도 변화에 비례하며 dV = S dT 로 쓴다. 여기서 S는 제벡 계수(V/K)다.

제벡 계수는 재료마다 다르다. 상온 제벡 계수의 범위는 재료에 따라 다르다. 이 값이 클수록 같은 온도차에서 큰 기전력이 나온다.

펠티에 효과(Peltier effect)는 전류가 흐를 때 접합부에서 열이 흡수되거나 방출되는 효과다. 전류 방향에 따라 흡열과 발열이 바뀐다. 접합부에서 나가거나 들어오는 열량은 Q = Π I 로 쓰며, Π는 펠티에 계수(V)다. 펠티에 계수는 절대온도 T와 제벡 계수 S의 곱으로 Π = TS 로 표현된다. 줄열은 전류 제곱에 비례하지만, 펠티에 열은 전류 한 제곱에 비례하고 방향에 따라 부호가 바뀐다.

톰슨 효과(Thomson effect)는 온도 구배가 있는 단일 도체에 전류가 흐를 때 도체 길이 방향을 따라 열이 흡수되거나 방출되는 현상이다. 톰슨(켈빈 경)이 제시했다. 단위 길이당 열량은 dQ/dx = μ I dT/dx 로 쓰며, μ는 톰슨 계수다. 식의 부호는 채택한 부호 규약에 따라 해석한다. 톰슨 효과는 접합부 없이 재료 하나에서도 일어난다. 전류나 온도 구배 중 하나라도 없으면 발생하지 않는다.

세 효과의 구분은 다음과 같이 정리한다.

• 제벡 효과: 온도차 입력, 전기(기전력) 출력, 접합부 또는 회로 전체에서 일어남
• 펠티에 효과: 전류 입력, 접합부에서 열 교환
• 톰슨 효과: 전류와 온도 구배 입력, 도체 내부 길이 방향으로 열 교환

1854년 톰슨은 세 계수 사이의 관계식을 얻었다. 제1 관계식은 Π = TS 이고, 제2 관계식은 톰슨 계수와 제벡 계수의 온도 의존성 사이의 관계를 나타낸다. 두 식에 따라 세 효과는 제벡 계수 하나로 결정되는 한 현상의 다른 모습이다.

3. 등장 배경과 필요성

19세기 초 온도는 주로 액체 팽창식 온도계로 쟀다. 이 방식은 고온 측정과 원격 측정에 한계가 있었다. 제벡이 1821년 두 금속 회로에서 온도차에 따라 기전력이 생기는 것을 발견하면서 전기 신호로 온도를 읽는 길이 열렸다. 이것이 열전대(thermocouple) 온도계의 원리다.

열전대는 열기전력을 측정해 온도로 환산한다. 측정점과 지시부를 금속선으로 이으면 원격 측정이 가능하다. 열기전력의 크기와 극성은 양 끝의 온도와 금속선의 조합으로 결정되며, 선의 굵기나 길이와는 무관하다. 그래서 금속 조합별로 온도와 기전력의 관계표를 미리 만들어 쓸 수 있다.

펠티에 효과가 1834년 발견되면서 전기로 흡열과 발열을 조절하는 방식이 생겼다. 이를 이용한 반도체 열전소자는 냉각기와 항온 장치에 쓰인다. 기계식 압축기가 없어 소형으로 만들 수 있다는 장점이 있다. 다만 효율이 낮아 대용량 냉동에는 적합하지 않다.

톰슨은 1854년 관계식으로 세 효과를 하나로 묶었다. 이 작업은 비가역 과정을 다루는 열역학 이론의 초기 시도로 평가된다. 현재 열전 소자 설계에서는 이 관계식으로 재료의 제벡 계수를 측정해 다른 두 계수를 계산한다.

소방 분야에서는 열전대가 버너 화염 온도 측정, 화재 실험의 온도 기록, 설비 과열 감시에 쓰인다. 따라서 열기전력이 온도차와 금속 조합으로 결정된다는 원리를 알아야 측정 오차와 접점 온度 보정을 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

열전현상은 서로 다른 두 도체를 접합한 회로에서 열과 전기가 상호 변환되는 현상이다. 핵심 구성요소는 열기전력, 펠티에 계수, 톰슨 계수다. 세 효과는 발생 조건과 결과가 다르므로 표로 나누어 정리한다.

표의 세 효과 중 제벡 효과는 온도차가 원인이다. 고온측 전자는 에너지가 커서 저온측으로 확산한다. 두 금속의 확산 정도가 달라 접점 사이에 전위차가 생기고, 개방회로에서 이 전위차가 열기전력으로 측정된다. 열기전력은 양단 온도차와 금속 조합으로 정해지며 금속선의 굵기나 길이의 영향을 받지 않는다. 이 성질이 열전대 온도 측정의 근거다.

펠티에 효과는 전류가 원인이다. 접합점을 지나는 전류 방향에 따라 접점에서 열을 흡수하거나 방출한다. 이 열은 줄열과 별개이며, 접합점에서 교환되는 열량은 전류에 비례한다. 톰슨 효과는 단일 도체 내부에서 전류와 온도구배가 함께 있을 때 생기는 열이다. 전류와 온도구배의 방향에 따른 열의 흡수·방출은 채택한 부호 규약에 따라 해석한다. 전류가 없거나 온도구배가 없으면 톰슨 열은 생기지 않는다.

제벡 기전력은 다음과 같이 쓴다.

$\Delta V = \int_{T_c}^{T_h} \left(S_A - S_B\right) dT$

\Delta V는 열기전력[V], S_A, S_B는 금속 A, B의 제벡 계수[V/K], T_h, T_c는 고온·저온 접점의 절대온도[K]다. 두 금속의 계수 차이가 클수록 같은 온도차에서 기전력이 커진다.

펠티에 열량은 다음과 같다.

$Q = \Pi\, I = S\,T\,I$

Q는 접점에서 흡수 또는 방출되는 열량[W], \Pi는 펠티에 계수[V], I는 전류[A], T는 접점의 절대온도[K]다. 톰슨 효과의 단위 길이당 열은 다음과 같다.

$\frac{dQ}{dx} = \mu\, I\, \frac{dT}{dx}$

식의 부호는 채택한 부호 규약에 따라 해석한다.

\mu는 톰슨 계수[V/K], x는 거리[m]다. 세 계수는 켈빈 관계식으로 이어진다.

$\Pi = S\,T$

이 관계식은 세 효과가 하나의 제벡 계수로 설명됨을 뜻하며, 톰슨 계수는 제벡 계수의 온도 의존성과 관련된다. 그림은 열전대 측정 회로의 구성이다.

제벡 효과는 온도차로 기전력, 펠티에 효과는 전류로 접점 흡열·발열.

열전대 측정 절차는 다음 순서다.

• 이종 금속 A, B를 접합하여 측온접점을 만든다.
• 기준접점의 온도를 일정하게 유지한다(예: 빙점 기준). 기준접점 온도 일정 유지
• 측온접점과 기준접점 사이에 온도차를 준다. 이때 열기전력이 발생한다.
• 전압계로 열기전력을 측정한다. 개방회로 조건에서 측정한다.
• 기준표 또는 분도표로 기전력을 온도로 환산한다.

펠티에 효과는 냉각에도 쓰인다. n형과 p형 Bi2Te3 반도체 소자를 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬로 연결하면 전류 방향에 따라 한쪽 접점이 냉각된다. 냉동기나 항온조가 이 원리를 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

열전현상 자체는 소방·전기 법령에 수치 기준이 없다. 계측 측면에서는 열전대 규격과 계수 범위가 기준이 된다. 아래 표는 근거에 있는 값과 관계식만 모았다.

제벡 계수 범위는 재료에 따라 크게 다르다. 같은 온도차라도 금속 조합에 따라 기전력이 달라진다. 실제 계측에서는 전압계 리드선의 열기전력이 서로 상쇄되도록 회로를 구성한다. 두 리드선이 같은 재료이고 같은 온도 변화를 겪으면 기여분이 서로 지워진다. 열전현상의 발견은 1821년 제벡의 실험에 기원하며, 개정 연혁은 없다. 열전대 규격은 국제·국내 개정에 따라 바뀌므로 최신 규격 번호를 확인한다.