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1. 서론
1.1. 탐구동기
2013년 탐구토론대회를 준비하며 대회의 주제인 '개발도상국에서 사용할 수 있는 적정기술'에 대해 알아보고 있던 중 세계 에너지 협회에서 아프리카의 에너지 부족 문제를 가장 주요한 문제점으로 정했다는 기사를 접하게 되었다"" 이는 개발도상국인 아프리카의 에너지 부족 문제가 매우 심각한 상황임을 보여주는 것이다. 이에 따라 연구자는 '적정기술'이라는 용어의 의미에 부합하게 다수의 개발도상국이 위치한 아프리카의 에너지부족을 해결 할 수 있는 발전기술의 개발을 목표로 설정하고 탐구를 진행하게 되었다"".
1.2. 탐구목표
펠티어 소자를 이용한 발전이 가능한지 알아보고 발전에 있어서 온도범위의 최적 조건을 파악하는 것이다. 또한 펠티어 소자의 상단과 하단의 온도 차이와 전류 생산량 사이의 관계를 알아보고자 한다. 마지막으로 야외에서 펠티어 소자가 햇빛을 받았을 때의 발전량을 측정하여 구체적인 적용방안을 모색하고자 한다. 이를 통해 펠티어 소자를 활용한 발전 시스템의 실현가능성과 최적 발전 조건을 확인하고자 한다.
2. 펠티어 효과와 제백 효과
2.1. 제백 효과
제백 효과는 두 종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도 차를 주면 회로에 열기전력을 일으키는 현상이다. 이것은 1821년 T. Seebeck이 Cu(구리)와 Bi(비스무트) 또는 Sb(안티몬)에 대하여 발견한 것이다.
제백 효과에 따르면, 두 종류의 금속이나 반도체를 연결하여 양 끝에 온도 차를 주면 전기 전압이 발생한다. 이는 온도 차로 인해 전자들의 이동 속도 차이가 생기고, 이에 따른 전위차로 인해 기전력이 발생하기 때문이다. 금속의 경우 자유 전자의 이동으로, 반도체의 경우 전자와 정공의 이동으로 기전력이 발생한다.
특히, 반도체의 경우 금속보다 열기전력 계수가 크기 때문에 제백 효과가 더 크게 일어난다. 따라서 제백 효과를 응용한 열전 발전 기술에 반도체가 널리 사용된다. 열전 발전은 온도 차를 이용하여 직접 전기를 생산하는 기술로, 태양열 발전, 폐열 회수 등 다양한 분야에 활용된다.
2.2. 펠티어 효과
펠티어 효과는 제백 효과와는 반대되는 효과이다. 제백 효과가 열로 전기를 발생시키는 효과라면 펠티어 효과는 전류를 흘려주어 열을 발생시키는 효과이다. 제백 효과와 마찬가지로 2종류의 금속 반도체의 양 끝을 접합한 소자에 전류를 흘려주면 한쪽은 발열, 한쪽은 냉각되는 현상이 일어나는데 이것이 펠티어 효과이다. 펠티어 효과는 1834년 JeanPeltier에 의해 발견되었으며, 열전모듈을 이용한 냉각을 가능하게 한다. 이를 응용하여 냉온수기, 냉장고, 차량용 냉장고, 해수온도차 발전, 폐열발전, 지열 발전, 항온조기, 전자부품 온도제어, 전자 제습기, 혈액 분석기, CCD 카메라, 화장품 보관함, 와인 쿨러, 정수기, 에어컨 등에 활용된다. 펠티에 소자를 이용한 냉각의 특징으로는 기계적 가동부분이 없고, +/-의 변환으로 냉각과 가열이 쉽게 변환되며, 소형이고, 냉매가스를 사용하지 않는다는 점, 그리고 반영구적인 수명과 온도 응답성이 매우 빠르다는 점 등이 있다. 또한 정밀한 온도제어가 가능하고, 국부냉각이 가능하며, 무소음, 무진동으로 유지되고, 수명이 길고 신뢰성이 높으며 보수가 불필요하고, 양방향으로 사용이 가능한 점 등이 장점이다.
2.3. 펠티어 소자
펠티어 소자는 N형 반도체와 P형 반도체가 직렬로 연결된 구조이다. 펠티어 소자의 구조는 N형 반도체와 P형 반도체가 금속 플레이트로 연결되어 있으며, 상하 표면은 열전도율이 높은 세라믹으로 덮여 있다.
N형 반도체는 전자가 많은 반도체이고, P형 반도체는 정공이 많은 반도체이다. 펠티어 소자에 전류를 흘려주면 한쪽 접합부는 가열되고 다른 쪽 접합부는 냉각되는 현상이 발생한다. 이는 전류가 흐르면서 전자와 정공의 이동에 의해 열이 발생하거나 흡수되는...
