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물리전지
물리전지(physical cell , 物理電池)는 화학 반응을 수반하지 않는 물리적 에너지를 에너지원으로 하는 전지이다. 이 전지는 종류에 따라 발전의 원리가 각각 다른데, 태양전지, 원자력전지, 열전기 발전형 전지, 열전자 발전형 전지 등이 있다.
개요[편집]
물리전지는 물질의 물리적 변화에 의해서 발생하는 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지이다.
물리작용에 의한 전지의 예로는 태양전지를 들 수 있다. 이것은 실리콘에 미량의 비소(砒素)를 넣은 n형 반도체를 붕소의 화합물 속에서 가열하여 얇은 붕소의 층을 부착시켜서 p형 반도체로 만든다. 이 pn접합면에 햇빛이 닿았을 때 최고 0.6V 정도의 기전력을 얻을 수 있고, 햇빛이 닿는 반도체의 면적 1㎠에 대하여 10mW 정도의 전력을 얻을 수 있다. 이와 같은 소자(素子)를 다수조합하면 높은 기전력을 만들 수 있다. 이 전지는 야간이나 구름이 낀 날에는 전지로서의 구실을 하지 못하지만, 인공위성이나 우주기지에서는 유력한 전원으로 이용된다.
열전지는 열기전력을 이용한 것과 고온의 전극에서 방출되는 열전자에 의한 것이 있는데, 전자를 열전쌍형(熱電雙型), 후자를 열전자형의 전지라고 한다. 열전쌍형은 2종류의 다른 금속선의 양끝을 잇고 양쪽 이음매에 온도차를 주면 이 루프 내에 열기전력이 생기는 현상을 이용한 것으로서, 기전력의 값은 두 금속의 종류와 두 접합점의 온도차에 의해서 결정된다. 구리와 콘스탄탄의 조합인 경우 온도 400℃에서 약 20mV의 작은 것이므로, 여러 개의 열전쌍을 조합해서 열전기더미(熱電堆)로 만들어야 한다.
열전자형은 진공 속에 두 전극을 두고, 음극 쪽을 고온으로 했을 때 나온 열전자가 양극에 도달하면 에너지가 방출된다. 이것을 에너지원으로 한 것으로, 전극재료로는 음극에 텅스텐, 양극에 몰리브덴을 사용한 예가 있다.
물리전지와 화학전지 비교[편집]
화학전지와 물리전지 구분 화학전지 구분 물리전지 1차전지 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지로서 화학반응이 비가역적이라도 충전이 용이하지 않음 태양전지 반도체의 p-n집합을 이용하여 광전효과에 의해 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치 2차전지 화학에너지와 전기에너지간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지 열전소자 반도체의 p-n집합을 이용하여 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치 연료전지 연료(천연가스, Methamol, 석탄)의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 화학발전 장치로서 외부에서 연료가 연속 공급되어 발전이 가능한 전지 원자력 전지 방사성 동위원소의 에너지를 전기에너지로 변환
상세[편집]
태양 전지[편집]
빛 에너지가 전기로 바뀌는 현상을 광기전 효과(photovoltaic effect)라고 부르며, 이런 전기기구를 태양 전지, 광기전력 전지(photovoltaic cell) 혹은 간단히 광전지라고 부른다. 태양 전지는 그 광원이 태양이라는 데서 유래하였지만, 인공의 빛으로도 작동하기 때문에 광전지라고 해도 그 의미는 같다. 예전에는 ‘solar battery’라는 말도 쓰였다. 빛을 쪼이면 전류, 전압, 저항과 같은 전기적 특성이 변화하는 기구를 통틀어 광전 기구(photoelectric devices)라고 하는데, 태양 전지는 이런 기구의 하나이다.
태양 전지가 작동하려면 다음 세 가지 기본 조건이 충족되어야 한다.
- 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 만들어야 한다. 전자와 정공은 전하가 반대인 전하 운반자(charge carrier)이다.
- 전하가 반대인 전하 운반자가 분리되어야 한다. 둘이 분리되지 못하고 결합하면 전지로 이용할 수 없다.
- 외부 회로를 통해 전하 운반자를 이동시킬 수 있어야 한다.
빛을 흡수하여 만들어진 전자와 정공은 각각 캐쏘드(cathode)와 애노드(anode)로 이동하는데, 이는 p-n 접합 부분에서 전위차(potential difference)가 생기기 때문이다. 이 결과 전자와 정공을 다시 합쳐지지 않고 분리된다. 전자는 전극(캐쏘드)을 통해 외부로 흘러 전기가 하는 여러 가지 일을 하고 태양 전지로 돌아와 정공과 결합한다.
열전지[편집]
열전지(thermal cell , 熱電池)는 열기전력을 이용한 것과 고온의 전극에서 방출되는 열전자에 의해 만들어지는 전지이다. 전자를 열전쌍형(熱電雙型) 전지, 후자를 열전자형의 전지라고 한다.
원자력 전지[편집]
원자력 전지(atomic cell, 原子力電池)는 원자력을 이용하여 전력을 내는 전지를 말한다. 우주선이나 인공심장의 에너지원으로 사용된다. 일반 전지와는 달리 10~20년정도의 수명을 가진다. 우주선용 원자력전지는 1961년 미국이 발사한 항법위성 트랜짓 4A에 처음 탑재됐다. 이후 미국 항공우주국(NASA)의 달탐사 계획인 아폴로 프로젝트를 시작으로 목성 탐사선 갈릴레오, 토성 탐사선 카시니, 명왕성 탐사선 뉴호라이즌 등에 쓰였다.
미국과 러시아만 원자력 전지를 생산할 수 있다.
원자력 전지는 크게 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방법이나 광 입자를 활용하는 방법으로 나뉜다. 우선 열을 이용하는 방식은 기존 RTG 방식으로 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 모터나 기타 부품 등을 이용해 사용한다. 반면 광 입자를 활용하는 방식에는 핵붕괴 과정에서 나오는 알파 혹은 베타 입자를 기존 태양전지의 반도체 접합에서 생기는 전압차가 생기는 원리를 이용하여 전기를 발전시킨다.
최근 원자력 발전소에서 발생하는 탄소를 다이아몬드화 시켜 사용하려는 전지기술도 연구중에 있다.
배타선을 방출하는 대표 방사성동위원소가 니켈(Ni)-63, 스트론튬(Sr)-90, 트리튬(H)-3이다. 이들 방사성동위원소는 방사선을 내보내면서 원래 있던 방사능의 양이 절반으로 줄일 때까지 걸리는 반감기가 각각 100.1년, 28.8년, 12.3년이다. 방사성동위원소가 내뿜는 베타선인 전자를 반도체에 충돌시켜서 전력을 생산한다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
