불(열)을 이용해서 배터리를 충전하기(원리와 실제 제품: 열전소자)

열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 원리

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불을 이용하여 배터리를 충전하는 원리는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 이용합니다. 이러한 원리를 열전기 변환 또는 열전 변환(Thermoelectric Conversion)이라고 합니다. 열전 변환은 Seebeck 효과와 Peltier 효과를 기반으로 합니다.

 

1. Seebeck 효과: Seebeck 효과는 두 개의 다른 금속 또는 반도체 소재를 만나게 되면, 이 두 소재 사이에서 온도 차이가 발생할 때 전기적인 전압 차이가 생긴다는 원리입니다. 즉, 열이 한쪽에서 다른 한쪽으로 전기를 생성하는 효과를 의미합니다. 이때 생성된 전기를 이용하여 배터리를 충전할 수 있습니다.
   
   하나의 열전 소자에서 발전과 냉각이 동시에 이뤄지는 일은 신기하다. 열전 소자의 발전 능력은 독일의 시벡(Seebeck)이 1821년 발견했습니다. 구리(Cu)와 비스무트(Bi), 혹은 비스무트와 안티몬(Sb)를 교차로 연결해 접합 부분의 한쪽을 가열할 때 전기가 발생하는 사실을 발견했습니다. 후에 사람들은 열전 소재의 발전 능력을 첫 발견자인 시벡의 이름을 따서 ‘시벡 효과’라고 부릅니다.
   
   
2. Peltier 효과: Peltier 효과는 전기가 흐르는 반도체 소재의 양쪽 단면에 열이 흡수되거나 방출되는 현상입니다. 전기를 흐르게 하면 한 쪽 면이 냉각되고, 다른 한 면이 가열되는데, 이를 이용하여 냉장과 난방 장치에 사용되기도 합니다. 이 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 데 사용할 수도 있습니다.
   
   열전 소자의 냉각 효과는 프랑스의 펠티에(Peltier)가 1843년 발견했습니다. 펠티에는 열전 소자에 직류전기를 흘렸더니 접합부 한쪽에선 흡열이 일어나고 다른 한쪽에선 발열이 일어난다는 사실을 발견했습니다. 이전에는 전선에 전류를 흘리면 발열 현상만 나타나는 줄 알았기 때문에 펠티에의 발견이 주목받았습니다. 열전 소자의 흡열 혹은 냉각 현상을 발견자 이름을 따서 ‘펠티에 효과’라고 부릅니다.
   

 

따라서, 불을 이용하여 배터리를 충전하려면 불로 열을 발생시키고 이 열을 열전 변환 소재(예: 특정 반도체 물질)에 적용하여 Seebeck 효과를 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정을 거쳐야 합니다. 이렇게 생성된 전기 에너지는 배터리를 충전하는데 사용됩니다.

 

 

 

 

 

열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체

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열에서 전기를 발생시키는 반도체 소재는 열전기 물질(Thermoelectric Material)이라고 합니다. 열전기 물질은 Seebeck 효과를 이용하여 열 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소재입니다.

Seebeck 효과를 간단히 설명하면, 두 종류의 다른 금속이나 반도체 소재가 만나는 지점에서 온도 차이가 발생하면 이 두 지점 사이에서 전기적인 전압 차이가 발생한다는 원리입니다. 이러한 소재는 열을 통해 전기를 발생시키는 열전기 재료로 사용될 수 있습니다.

몇 가지 일반적인 열전기 물질로는 다음과 같은 소재들이 있습니다.

 

1. 비소화물 (Bismuth Telluride): 비소화물은 가장 널리 사용되는 열전기 물질 중 하나로, 상대적으로 높은 열전도도와 낮은 전기 전도도를 가지고 있습니다.
2. 산화물 (Oxides): 몇 가지 산화물은 높은 온도에서도 효율적으로 작동할 수 있기 때문에 고온 응용에 적합합니다.
3. 피어로브스카이트 (Perovskites): 피어로브스카이트 구조의 소재들이 최근에 많은 관심을 받고 있습니다. 새로운 피어로브스카이트 소재들은 높은 열전도도와 전기전도도를 갖고 있어 향상된 성능을 제공할 수 있습니다.
4. 실리콘 제조소자 (Silicon Germanium Alloys): 일부 실리콘 제조소자도 열전기 변환에 사용될 수 있습니다.

 

열전기 물질은 환경 친화적이며 무연로이드나 움직이는 부품이 없어 유지보수가 쉽다는 장점이 있습니다. 그러나 현재까지는 전기 에너지로의 효율이 상대적으로 낮아 주로 특정 응용 분야에서 사용되고 있습니다.

 

 

 

전기와 열 동시에 만드는 "열전 소자"

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열전 소자는 서로 반대 방향으로 작동하는 두 개의 반도체를 연결해 만듭니다. 서로 다르게 작동하기 때문에 N형 열전반도체, P형 열전반도체라고 부릅니다. 여기서 N은 네거티브(negative), -를 의미하고 P는 포지티브(positive), +를 의미한다. 마치 구슬로 목걸이를 만들 듯 N형 열전반도체 다음에 P형 열전반도체를 이으면 열전 소자가 만들어집니다.

 

열전 소자에 전기를 걸어주면 N형과 P형 열전반도체가 서로 연결된 지점에서 열이 흡수되거나 방출됩니다. 보통 30∼180℃의 열을 만들 수 있습니다. 0℃ 이하의 차가운 상태에 열이 있다고 말하는 걸 이상하게 생각할 수 있는데 사실 얼음도 열이 있는 상태입니다. 열이 완전히 없는 상태를 절대온도라고 부르는데 섭씨 -273℃일 때입니다. 섭씨 0℃란 흔히 ‘물’이라고 부르는 수산화산소(H2O)가 고체로 어는점일 뿐 열이 완전히 없는 상태가 아닙니다. 단지 액체 상태인 물보다 열량이 적어 차갑게 느껴질 뿐입니다.

열전 소자가 주변의 열을 흡수해 0℃ 이하로 만드는 상태를 열전 냉각이라고 부릅니다. 전기 대신 열전 소자에 열이 가해지면 반대로 전기가 생산됩니다.

 

미국의 톰슨(Thomson)이 열전 소자의 발전과 냉각 현상을 정리하면서 1851년 발표했습니다. 톰슨은 N형 열전 반도체에 저온에서 고온으로 전자들이 이동하도록 전기를 걸어주면 내부에 있는 전자들이 막대에서 열을 흡수해 냉각효과가 일어날 것이라고 봤습니다. 반대로 전기를 걸어주면 전자들은 막대에 열을 버릴 것이라고 봤습니다.

 

 

열전 소자 해외 업체

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1. Marlow Industries: Marlow Industries는 열전 모듈과 열전기 솔루션을 제공하는 선도적인 업체입니다. 자동차, 의료 기기, 무인 항공기 등 다양한 분야에서 사용되는 열전 모듈을 생산하고 있습니다.
2. Laird Thermal Systems: Laird Thermal Systems는 열 관리 솔루션을 제공하는 글로벌 기업으로서 열전 모듈과 열전기 쿨러를 생산합니다. 자동차, 통신 기기, 산업용 장비 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
3. Ferrotec: Ferrotec은 다양한 열전 모듈과 열전기 쿨링 장치를 제공하는 회사입니다. 자동차 냉각 시스템, 의료 기기, 레이저, 반도체 장비 등에서 사용됩니다.
4. TE Technology (TE Tech): TE Technology는 열전 모듈 및 열전기 쿨링 솔루션을 제조하는 미국 기업입니다. 플라스틱 성형기, 통신 장비, 발전기 등에 사용됩니다.

 

 

열전 소자 국내 업체

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LG이노텍 : https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=17338148&memberNo=39046504 

열과 전기를 만드는 반도체? 열전반도체 이야기

 

 

 

열전 소자를 활용한 실제 제품

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https://www.bioliteenergy.com/products/campstove-2-plus

CampStove 2+