장 샤를 아타나스 펠티에

펠티어 효과는 두 종류의 서로 다른 도체 또는 반도체를 접합하여 전류를 흘려주었을 때, 한쪽 접합부에서는 열을 흡수하고 다른 쪽 접합부에서는 열을 방출하는 현상이다. 이 현상은 1834년 프랑스 물리학자 장 샤를 아타나스 펠티에가 발견했으며, 냉매나 기계적인 부품 없이 전기를 이용해 냉각과 가열을 동시에 구현할 수 있는 열전 현상의 핵심 원리이다.

이 효과는 단순히 전류가 흐를 때 도체 전체에서 열이 발생하는 줄 열과는 성격이 다르다. 펠티어 효과는 두 물질의 접합면에서만 발생하며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열 위치도 바뀌는 방향성을 가진다. 그 원리는 전하를 운반하는 자유 전자 또는 정공이 서로 다른 에너지 준위를 가진 물질 사이를 이동할 때, 에너지 준위 차이를 메우기 위해 주변의 열에너지를 흡수하거나 여분의 에너지를 열로 방출하기 때문이다.

이 효과는 다른 두 가지 열전현상인 제베크 효과 및 톰슨 효과와 밀접하게 연관되어 있다. 특히 펠티어 효과는 제베크 효과의 역현상으로 볼 수 있으며, 이들 효과 간의 관계는 열역학 법칙을 통해 설명된다. 펠티어 효과를 이용한 냉각 소자는 일반적으로 P형 반도체와 N형 반도체를 여러 쌍으로 직렬 연결한 형태로 제작되어, 전자기기의 국소 냉각이나 휴대용 냉장고 등에 활용된다.

펠티어 효과의 원리는 두 가지 서로 다른 도체 또는 반도체의 접합부에 전류를 흘려주었을 때, 접합면에서 전자의 에너지 상태 변화에 따라 열을 흡수하거나 방출하는 현상이다. 이 효과는 줄 열과는 구별되는데, 줄 열은 도체의 저항 때문에 전류가 흐를 때 도체 전체에서 열이 발생하는 비가역적 현상인 반면, 펠티어 효과는 접합부에서 전류의 방향에 따라 가역적으로 열의 이동이 일어난다.

구체적으로, 서로 다른 두 물질은 각기 다른 에너지 준위를 가지는데, 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 이동하려면 추가 에너지가 필요하다. 이때 전자는 접합부 주변의 열에너지를 흡수하여 이동하게 되므로, 그 접합부의 온도가 낮아지는 냉각 현상이 발생한다. 반대로 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 이동하면 남는 에너지를 열에너지 형태로 방출하게 되어 접합부의 온도가 상승한다. 이렇게 흡수되거나 방출되는 열량은 전류의 세기에 비례하며, 그 비례 상수를 펠티어 계수라고 한다.

펠티어 효과는 제베크 효과와 톰슨 효과와 함께 열전 현상을 구성하는 세 가지 주요 효과 중 하나이다. 특히 펠티어 효과는 제베크 효과의 역현상으로 간주될 수 있다. 제베크 효과는 두 접합부의 온도 차이로 인해 기전력이 발생하는 현상인 반면, 펠티어 효과는 외부에서 전류를 공급하여 두 접합부 사이에 온도 차이를 만들어내는 현상이다. 이는 열역학 제2법칙에 따른 자연적인 열의 흐름을 전기 에너지를 이용해 역전시키는 원리라고 볼 수 있다.

펠티어 효과는 냉매나 기계적 부품 없이 전기 에너지를 직접 열 이동으로 변환한다는 점에서 다양한 분야에 응용된다. 가장 대표적인 활용 분야는 정밀 냉각이 필요한 전자 장비이다. CPU나 GPU와 같은 고성능 반도체 소자는 작동 시 많은 열을 발생시키는데, 펠티어 소자를 이용한 액티브 쿨러는 소형화와 정밀 온도 제어가 가능하여 이러한 부품의 열을 효과적으로 관리한다. 또한 광학 센서나 레이저 다이오드와 같이 온도 변화에 민감한 장비의 안정화에도 널리 사용된다.

소형 냉장고나 휴대용 냉온장고 또한 펠티어 효과의 주요 응용 사례이다. 기존의 압축기 방식에 비해 소음과 진동이 적고 구조가 간단하여 차량 내부나 사무실 등에서 편리하게 사용된다. 의료 및 과학 분야에서는 현미경 스테이지 냉각이나 혈액 분석기의 시료 온도 유지, 피부 관리 장비 등 정밀한 국소 냉각이 필요한 다양한 장치에 적용된다.

한편, 펠티어 효과의 역현상인 제베크 효과를 이용한 열전 발전도 중요한 응용 분야이다. 산업 공정에서 발생하는 폐열이나 자동차의 배기가스 열, 심지어 인체의 체온과 외부 환경의 온도차를 이용하여 전기를 생산하는 기술로 연구되고 있다. 이는 에너지 회수 및 친환경 에너지 생산의 한 방법으로 주목받으며, 우주 탐사선의 동력원으로도 활용된다.