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최고의 열전효과를 보이는 반도체

전문가 제언: 우리가 사용하는 에너지의 90% 이상이 열적 과정에서 나온다. 예컨대 화력발전소에서 대량생산하는 전기와 항공기 및 대부분의 자동차의 동력원이 이에 속한다. 18세기 초부터 존재한 열 엔진은 산업혁명을 일으켰고 열역학(thermodynamics)의 기초를 닦았다. 열전기(thermoelectricity)는 약 한 세기 후에 발견되었으며 열 엔진과 동일한 열역학원리에 기반을 두지만 열전 발전기는 작동 유체로 수증기나 공기가 아니라 전자를 이용한다. 이 분야의 중요성은 열 과학이 Zhao 등이 보여준 것처럼 꾸준히 발전하는 것에서 알 수 있다.

열역학 제2법칙에 의하면 열 엔진이 일(work)을 하려면 뜨거운 온도(Thot)에 있는 열원(heat source)과 그보다 차가운 온도(Tcold)의 방열기(heat sink) 사이에서 작동해야 한다. 카르노(Carnot)효율, ηmax=1－(Tcold/Thot)는 열 엔진 효율(η)의 상한치이며 여기서 η는 엔진이 사용한 열량과 엔진이 하는 일과의 비를 나타낸다. 전자가 주된 전하운반자인 n-형 반도체와 양공(hole)이 전하운반자인 p-형 반도체로 이루어진 두 열전기물질에서 가로지르는 온도물매 ∇T는 각 물질의 찬 쪽과 뜨거운 쪽 사이에 전기장 E를 일으킨다. E/∇T로 표시되는 Seebeck계수 S는 n-형 물질에 대해서는 음(－)이고 p-형에서는 양(＋)으로 전자의 엔트로피를 전하로 나눈 값에 해당한다. 두 물질은 뜨거운 쪽에서 공급하는 열을 전력으로 바꾸는 사이클을 형성한다. 각 열전기재료의 길이를 따라 온도가 달라도 S가 다르지 않다고 가정하면 이 사이클은 가역적이고 카르노효율을 갖는다.

저자: Joseph P Heremans
자료유형: 연구단신