본문내용
1. 물리1 자율탐구 보고서
1.1. 탐구 주제
본 보고서는 광전효과, 압전효과, 열전효과를 이용한 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대해 탐구하였다. 태양광 에너지의 장점에도 불구하고 기후변화에 따른 단점이 있어 버려지거나 사용하지 않은 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 방법에 대해 궁금증이 생겼기 때문이다. 에너지 하베스팅 기술은 자연에서 직접 전기에너지를 얻을 수 있어 안정성, 보안성 및 지속가능성을 유지할 수 있고, 무엇보다 환경공해를 줄일 수 있는 친환경 에너지라는 점에서 주목받고 있다.
광전효과는 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비출 때 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. 태양광 발전의 기본 원리인데, P형 반도체의 양공과 N형 반도체의 자유전자가 만나 생기는 공핍영역에서 빛을 쬐어 전자가 이동할 수 있게 되어 전기가 흐르게 된다.
압전효과는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 현상으로, 압전 소자에 외부 응력이나 진동을 가하면 전기 신호가 발생한다. 압전 소자에서 이러한 분극현상은 작용하는 힘에 의해 (+)이온과 (-)이온의 상대적인 위치가 변화함에 따라 발생한다. 압전 소자로는 로셸염, 수정, 타이타늄산 바륨, 황화카드뮴 등이 있으며, 본 보고서에서는 압전 소자 제작 실험을 통해 실제 압전 효과를 확인하였다.
열전효과는 열과 전기 사이의 관계를 나타내는 효과의 총칭으로, 두 종류의 금속 또는 반도체의 접합부에 온도 차이를 주면 전위차가 생겨 전류가 흐르는 제백 효과와 전류를 흘려 한쪽은 발열, 다른 한쪽은 흡열되는 펠티에 효과가 있다. 제백 효과는 자동차용 열전 발전기, 난로 팬, 체온으로 구동되는 조명과 스마트 워치 등에 활용되며, 펠티에 효과는 컴퓨터의 CPU 냉각장치 등에 사용된다. 열전소자를 이용한 제백 효과 실험을 통해 열전 발전을 확인하였다.
제백 효과와 펠티에 효과는 열역학 법칙과도 연관이 있다. 제백 효과는 열기관과 유사한 방식으로 해석할 수 있고, 펠티에 효과는 냉동 사이클과 유사하다. 펠티에 효과에서는 전기일(w)과 저온부에서 흡수한 열(ql)이 고온부로 방출(qh=ql+w)되는데, 이는 열역학 2법칙을 만족한다.
본 탐구 활동을 통해 에너지 하베스팅 기술의 무한한 가능성을 알게 되었다. 고속도로나 보도블럭에 압전 소자를 설치하거나 온도차를 이용한 열전 발전 등 우리 주변에서 버려지는 에너지를 활용할 수 있는 방법이 많다는 것을 깨달았다. 또한 인체활동의 미세한 진동을 통한 압전 효과 활용 등 관련 분야에 대해 관심이 생겼다.
1.2. 탐구 내용
광전효과, 압전효과, 열전효과를 이용한 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술을 탐구한다. 먼저 광전, 압전, 열전 효과의 원리를 살펴보고, 실제로 압전 소자를 만드는 실험과정과 열전 효과를 이용해 전기를 얻는 실험과정, 열역학적 탐구를 수행한다. 또한 실제 생활에서의 에너지 하베스팅 기술 사례를 살펴보며 그 긍정적인 면을 찾아 앞으로의 적용 가능성을 예측한다.
광전효과는 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추어 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 이를 활용한 태양광 발전의 원리는 P형과 N형 반도체의 공핍영역에서 자유전자가 이동하면서 전기가 흐르게 되는 것이다.
압전효과는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 현상으로, 압전 소자에 외부 응력이나 진동을 가하면 전기 신호가 발생한다. 압전 소자의 종류로는 로셸염, 수정, 타이타늄산 바륨, 황화카드뮴 등이 있으며, 직접 압전 소자를 만드는 실험과정을 설계하여 수행한다.
열전효과는 열과 전기 사이의 관계를 나타내는 효과로, 두 종류의 금속을 연결하여 한쪽을 고온, 다른쪽을 저온으로 했을 때 기전력이 발생하는 제벡 효과와 반대로 전류를 흘려서 열의 발생이나 흡수가 일어나는 펠티에 효과가 있다. 제벡효과를 이용한 실험과정을 통해 열전기 발전의 원리를 확인하고, 제벡효과와 펠티에 효과의 열역학적 관계를 탐구한다.
이를 통해 에너지 하베스팅 기술의 무한한 가능성을 알게 되었고, 특히 압전 및 열전 효과는 다양한 형태로 활용될 수 있다는 것을 확인하였다. 예를 들어 보도블록이나 자동차 도로에 압전 소자를 설치하여 보행자와 차량의 움직임으로 전기를 생산할 수 있으며, 온도차를 이용한 열전기 발전은 낮과 밤의 극심한 기온차가 있는 지역에서 유용하게 사용될 수 있다. 이처럼 우리 생활 속 버려지고 있는 에너지를 활용하여 전기를 생산할 수 있다는 점에서 에너지 하베스팅 기술은 매우 중요하다고 할 수 있다.
1.3. 주제 선정 이유
수업 시간에 광전효과를 배우고, 태양광 에너지의 원리를 알게 되었다. 그러나 기후변화에 약점으로 효율성이 떨어지는 단점이 있어 일상에서 버려지거나 사용하지 않은 에너지를 변환하여 전기에너지를 생산하는 방법에 대한 궁금증이 생겨 조사하는 과정에서 '에너지 하베스팅(energy harvesting)기술'을 알게 되었고, 에너지 사이에서의 아나바다라는 생각을 하게 되었다. 에너지 하베스팅은 자연에서 직접 전기에너지를 획득할 수 있기 때문에 안정성, 보안성 및 지속가능성을 유지할 수 있다는 장점이 있고, 무엇보다 환경공해를 줄일 수 있는 친환경 에너지라는 생각으로 탐구하게 되었다.
1.4. 관련 심화 내용
1.4.1. 광전효과
금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추면 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 광전효과라 한다. 이는 전자가 빛의 에너지를 흡수하여 물질에서 방출되는 것이다.
광전효과의 원리는 다음과 같다. ...
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