쟝 벨띠에(Jean Peltier)와 열전현상

Jean Peltier

아이스쿨러에 사용되는 소자를 '펠티어 소자'라고 하는 것을 많이 듣는다. 하지만 이 이름의 원조가 되는 Peltier는 프랑스 사람이기에 '벨띠에'라고 부르는게 옳지 않을까 한다. 쟝 벨띠에는 누굴까.

쟝 벨띠에(Peltier, Jean Charles Athanase, 1785~1845, 프랑스 태생 물리학자). 시계공이었던 그는 30살 때부터 물리학의 길에 접어들었고 50세되던 1834년에 펠티어 효과(Peltier Effect... 원음대로 하자면 '벨띠에 효과'가 아닐까?)를 발견한다. 그가 발견한 것은 '열전현상'이라고 불리는 열과 전기의 상호작용 현상 중 전류의 흐름에 의해서 열의 이동이 유발되는 현상을 지칭하고 있다.(혹시 쟝 벨띠에의 초상화/일러스트나 사진을 구할 수 있으신 분은 필자의 이메일로 해당 사진을 보내주실 수 있으면 후사드립니다. 아무리 찾아봐도 도저히 구할 수가 없더군요) 그리고 이 현상을 그의 이름을 따서 'Pentier 효과'라고 부른다. 유감스럽게도 그에 대해서 어떠한 곳에서도 이 이상을 언급해 놓지 않았다. 그러나 펠티어 효과는 현재 많은 분야에서 냉각기에 다양하게 이용된다.

펠티어가 발견한 이러한 현상은 열과 전기와의 상호작용 관계를 의미하고 있으며, 이와 유사한 제에백 효과(Seebek Effect) 및 톰슨 효과(Thomson Effect)와 함께 열전현상(Thermoelectric Effect)라고 불린다.

열전현상

그러면 펠티어 효과와 펠티어 쿨러에 대해서 자세히 설명하기 전에 이들 열전현상에는 어떤 것이 있는지에 대해서 간단히 알아보기로 하자. (물론 고등학교 물리시간을 무척이나 증오했던 사용자라면 필자가 지금 써내려갈 내용에 대해서 대단한 거부감을 가질것이라고 쉽사리 예상이 되기는 한다. 하지만 펠티어 소자만 딸랑 설명하기에는 어딘가 부족하다고 생각하지 않으시는가?)

제에벡 효과(Seebeck Effect)

제에벡 효과는 1822년 제에벡(Thomas Johann Seebeck, 1770~1831, 에스토니아 탈린 태생 물리학자)에 의해서 발견되었다. 그는 괴팅겐에 있는 베를린대학에서 의학을 연구하다가 물리학으로 방향을 바꿨다. 베를린 아카데미의 일원이었던 그는 1822년 두 개의 접점을 가진 서로 다른 금속으로 만들어진 폐회로상에서 양 금속간에 온도차가 만들어지면 이 두 금속간에 전위차가 생성된다는 것을 발견하였고, 이를 그의 이름을 따서 제에벡 효과라고 명명하였다. 이는 위에서 언급했던 펠티어 효과와는 정 반대되는 개념이다. 하나의 금속을 일정한 온도에 두고, 반대편의 금속을 고온의 위치에 둘 경우 이 둘 사이에는 온도차에 비례하는 전위차가 나타나기 때문에 온도의 차이가 곧 전위차이로 나타날 수 있으며, 고온의 온도를 정량적으로 측정할 수 있어서 고온 온도계 등에 많이 사용된다.

펠티어 효과(Peltier Effect)

위에서도 언급했듯, 1834년 쟝 벨띠에에 의해서 발견된 효과이다. 이 효과는 두 개의 서로 다른 금속이 2개의 접점을 가지고 붙어있을 때, 이 두 금속 양단에 전위차를 걸어주면, 이 때의 전위의 이동에 의해서 열의 이동이 발생하는 현상을 말한다. 이 현상을 요약하면, 기전력에 의해서 이동하는 자유전자가 보다 높은 페르미 준위로의 이동을 위해서 에너지를 흡수해만 하는 상황에서, 가장 구하기 쉬운 열에너지를 흡수하여 이동함으로써 전자를 내어주는 편에서는 지속적으로 열이 흡수되고, 반대편에서는 지속적으로 열이 방출된다는 것이다. 간단한 구조와 환경친화성, 그리고 높은 신뢰성(물리적인 동작구조를 전혀 가지지 않는 전기 회로로만 구성되기 때문에 고장날 여지가 거의 없다.)을 가지고 있어서 국부 냉각기 등에 대단히 널리 사용되고 있다. 흔히 보는 '반도체를 사용한 냉정수기' 등은 바로 펠티어 효과를 이용한 제품들이다.

톰슨 효과(Thomson Effect)

1854년 윌리엄 톰슨(Kelvin, William Thomson, Baron, 작위 칭호를 가지고 있어서 Sir William Thomson이라고도 함. 1824~1907, 영국 물리학자/엔지니어/수학자)에 의해서 발견된 효과. 톰슨은 기존의 펠티어 효과와 제에벡 효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들사이의 상관관계를 정리해내었다. 또한 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 예측을 만들어냈다. 이 예측은 실제로 존재하는 것으로 증명되었고, 이 효과를 그의 이름을 따서 톰슨 효과라고 부른다.

(머리에 쥐가 나려는 독자도 있을 것이라 확신한다. 뭔소리인지 머리가 아파도 조금만 참아주시길. 필자라고 해서 이런 골아픈 이야기를 즐기는 것은 아니니.. 이 글의 필자의 머리에도 또한 쥐가 나고 있음을...-_-;)