KR20200070585A

KR20200070585A - 열전소재를 이용한 체열 수집용 착용 열전 발전기

Info

Publication number: KR20200070585A
Application number: KR1020180157860A
Authority: KR
Inventors: 김지일; 김성엽; 이승엽; 이민혁; 조덕륜; 박태희; 이혜령
Original assignee: 김지일; 이승엽; 이혜령; 조덕륜; 박태희; 김성엽; 이민혁
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-18

Abstract

열전소재를 이용한 체열 수집용 착용 열전 발전기가 개시된다. 개시된 열전 발전기는; 열전블록; 상기 열전블록 내부에 위치된 P형 및 N형 열전소재; 상기 열전소재를 전기적으로 직렬 연결하는 전극을 포함하는 기판; 열전소재를 지지하고 보호하는 고분자층, 상기 열전모듈을 연결하는 전도성 와이어; 를 포함하여 이루어지며, 크기가 서로 다른 A형과 B형 열전모듈로 이루어져, 길이조절을 하면서도 모듈의 출력을 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전소재를 이용한 체열 수집용 착용 열전 발전기{Wearable Thermoelectric Generator Using Thermoelectric Materials}

열전소재의 성능은 figure of merit (zT)값에 의하여 결정되며, 상용화되고 있는 열전 발전기의 경우, 열전소재의 zT 값의 50% 이하의 낮은 성능을 지닌다. 이는 열전소재와 전극 간의 접합, 온도차를 유지할 수 있는 구조, 열원과의 열 접촉 저항 등, 여러 가지 저해요소를 해결하지 못하여 발생하는 현상이다.

본 발명에서는 열전소재의 zT 값을 온전히 끌어낼 수 있도록 열전 발전기를 자체적으로 길이조절이 가능하도록 하여, 열전모듈이 열원에 밀착될 수 있도록 한다. 이러한 열전모듈은 감소한 열 접촉 저항을 가지게 되어 더 높은 성능을 발휘할 수 있는 구조로 설계되었다.

현재 연구되고 있는 착용 열전 발전기들은 신체부착을 위한 연질의 소재로 제작하기 위해 비교적 성능이 저하되는 paste계 열전소재를 이용하는 전략을 많이 보이고 있다. 하지만, 이러한 접근은 열전 발전기의 성능 저하를 초래하며, 최근에 이뤄지고 있는 일련의 연구들은 높은 열전 효율을 지닌 bulk 열전소재를 활용하면서 신체에 부착하여 열전성능을 최적화할 수 있는 착용 열전 발전기를 개발하는 방향으로 진행되고 있다.

여기서, zT는 열전소재의 성능을 나타내며, 제백계수(α, Seebeck coefficient), 전기전도도(σ, Electrical conductivity)에 비례하고, 열전도도(κ, Thermal conductivity)에 반비례한다. κ_ph는 포논에 의한 열전도도이고 k_el은 전자에 의한 열전도도를 나타낸다.

여기서, ZT는 열전모듈의 성능을 나타내며, 제백계수(α, Seebeck coefficient)에 비례하고, 전기적 저항(R, Electrical resistance)과 열 컨덕턴스에 반비례한다.

여기서, η_max는 열전모듈이 얻어낼 수 있는 최대의 열-전력 변환효율이고, ω_max는 최대의 전력밀도이다.

KR-A-10-2014-0144287, 2014.10.23. KR-A-10-2015-0178640, 2015.12.14.

현재 산업에서 활용되는 에너지의 약 70%는 폐열 발생으로 낭비되고 있으며, 에너지 고갈문제가 심각해지고 있는 사회현상에서 대체 에너지, 폐열 수집을 통한 신 재생 에너지 개발 및 에너지 효율 증대는 연구개발이 필수불가결인 상황이다. 현재 열전소재를 이용한 폐열 수집은 활발히 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

고온 영역에서 열전소재를 이용한 폐열 수집은 자동차산업, 우주산업 등에서 활발한 연구가 이루어지고 있지만, 체열 수집은 난이도가 높은 저온 영역 폐열 하베스팅 기술이기에 더욱 깊이 있는 연구가 필요하다. 현재까지 등록된 특허 및 논문에서 체열을 수집용 착용 열전 발전기는 구조 및 재질이 고착화되어 있는 상태로 기존의 패러다임을 뛰어넘어 실생활에 적용될 수 있는 연구개발 결과물이 필요한 상황이다.

본 발명은 열전 발전기가 길이조절이 가능하도록 새로운 모듈 구조를 설계하여 열 접촉 저항을 효과적으로 낮출 수 있는 열전 발전기에 관한 것이다.

본 발명은 크기가 다른 A형과 B형 열전모듈들의 집합을 포함하고, 각 열전모듈은 P형과 N형 열전소재; 상기 열전소재를 지지하고 보호하는 고분자층; 전극이 인쇄된 세라믹 기판; 기판과 고분자층을 전기적으로 연결하는 솔더;를 포함할 수 있다.

또한, 각각의 열전모듈은 전도성 와이어를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 열전소재는 P형과 N형으로 나뉘며, P형 열전소재는 비스무스-안티모니-텔루라이드(Bi-Sb-Te) 계열, N형 열전소재는 구리-비스무스-텔루라이드-셀레늄(Cu-Bi-Te-Se) 계열로 사용될 수 있다.

또한, 열전소재는 압출체를 포함한 Bulk 소자로 구비될 수 있다.

또한, 고분자층은 PDMS 등의 비전도성 재질의 지지체로 구비될 수 있다.

또한, 기판은 AlO₃, AIN 등의 세라믹 소재로 구비될 수 있으며, DBC(Direct Bonded Copper), DPC(Direct Plated Copper) 방식으로 구비될 수 있다.

또한, 기판에 인쇄되는 전극은 Au, Ag, Pt, Cu 또는 이들의 복합 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 열전 발전기는 B형 열전모듈들을 이동시켜 사용자의 신체 부위에 맞춰 다양하게 길이를 조절할 수 있다.

1. 본 발명에 의하면, 사용자의 신체에 맞춰 열전 발전기의 길이를 조절 가능하고, 조절된 부분을 열전 발전기의 다른 부분에 위치시켜 출력을 유지할 수 있다.

2. 또한, 열전소재를 이용한 열전 발전기로 체온으로부터 전기를 생산하므로 별도의 배터리 없이 열전 발전기의 전원으로 사용될 수 있다.

도 1은 A형과 B형 열전모듈의 세라믹기판에 인쇄된 전극 패턴의 도면(100)이다.
도 2는 A형 열전모듈(200)의 분해도 이다.
도 3는 B형 열전모듈(300)의 분해도 이다.
도 4는 도 2와 도 3을 전기적으로 연결하는 방식에 관한 조립도(400) 이다.
도 5는 열전 발전기의 구조도(500) 이다.

본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 A형 열전모듈(200) 및 B형 열전모듈(300)에 부착되는 세라믹 기판(160)의 전극 인쇄 패턴 및 규격(100)을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, A형 열전모듈(200)은 상부기판(110); 하부기판(120); 으로 구분되며 하부기판(120)은 양쪽으로 전극(150)이 이어질 수 있도록 패턴(100)이 형성되어 있다.

또한, B형 열전모듈(300)은 상부기판(130); 하부기판(140); 으로 구분되며 하부기판(140)은 양쪽으로 전극(150)이 이어질 수 있도록 패턴(100)이 형성되어 있다.

도 2는 A형 열전모듈의 분해도 및 규격(200)을 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, A형 열전모듈의 상부기판(110); 하부기판(120); 사이에 비전도성 지지체(212); 로 둘러싸인 P형 및 N형 열전소재(211)가 위치하며, 비전도성 지지체(212)와 상기 열전소재(211)를 합쳐 A형 열전블록(210)이라고 한다.

도 3은 B형 열전모듈의 분해도 및 규격(300)을 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, B형 열전모듈의 상부기판(130); 하부기판(140); 사이에 비전도성 지지체(212); 로 둘러싸인 P형 및 N형 열전소재(211)가 위치하며, 비전도성 지지체(212)와 상기 열전소재(211)를 합쳐 B형 열전블록(310)이라고 한다.

도 4는 A형 열전모듈(200); 과 B형 열전모듈(300); 의 조립도(400)를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, A형 열전모듈(200); 과 B형 열전모듈(300); 은 전도성 와이어(410); 로 연결된다.

도 5는 실시예(520)에 따른 구조도(500)이다.

도 5는 열전 발전기(510)의 길이 조절이 가능한 구조를 나타내고 이는 열 접촉 저항을 낮출 수 있어 열전소재의 성능을 높일 수 있다.

또한, 각각의 열전모듈은 움직임이 자유로운 전도성 와이어(410)로 연결되어 사용자의 신체구조에 따라 다양한 형태의 열전 발전기(510)로 활용이 가능하다.

100 : 전극 인쇄 패턴
110 : 상부기판 (A형)
120 : 하부기판 (A형)
130 : 상부기판 (B형)
140 : 하부기판 (B형)
150 : 전극
160 : 세라믹 기판
200 : 열전모듈 (A형)
210 : 열전블록 (A형)
211 : 열전소재 (P형, N형)
212 : 비전도성 지지체
300 : 열전모듈 (B형)
310 : 열전블록 (B형)
400 : 조립도
410 : 전도성 와이어
500 : 구조도
510 : 열전 발전기
520 : 실시예

Claims

열전블록; 상기 열전블록 내부에 위치된 P형 및 N형 열전소재; 상기 열전소재를 전기적으로 직렬 연결하는 전극을 포함하는 기판; 열전소재를 지지하고 보호하는 고분자층, 상기 열전모듈을 연결하는 전도성 와이어; 를 포함하여 이루어지며, 크기가 서로 다른 A형과 B형 열전모듈로 이루어져, 길이조절을 하면서도 모듈의 출력을 유지하는 것을 특징으로 하는 체열 수집용 착용 열전 발전기.
제1항에 있어서, 상기 P형, N형 열전소재는 교번하여 위치됨.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극은 열전블록 상, 하부에서 상기 열전소재를 전기적으로 연결함으로써, 상기 열전블록에 형성된 모든 P형 및 N형 열전소재를 직렬 연결.
제1항에 있어서, 상기 열전블록은 PDMS 등의 비전도성 재질인 고분자층을 특징으로 함.
제1항에 있어서, 상기 열전블록의 제조방법으로서,
(a) 열전블록 몰드 제작 단계; (b) 상기 열전블록 몰드에 P형 및 N형 열전소재를 배치하는 단계; (c) 상기 열전소재가 배치된 열전블록 몰드의 열전소재 사이 공간을 비전도성 재질의 고분자로 충진하는 단계; (d) 고분자 경화가 완료된 상기 열전블록을 몰드에서 제거, 적당한 두께로 절단하여, 열전블록을 형성하는 단계; (e) 상기 형성된 열전블록을 DPC, DBC 등의 전극이 인쇄된 기판 위에 부착하는 단계; 를 포함하며, 상기 (c) 단계에 의해 상기 열전소재가 고분자로 충진된 상태로 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열전블록 제조방법.
제5항에 있어서 상기 (a) 단계에 열전몰드는 3D프린팅 방법으로 제작되는 것을 특징으로 함.
제1항에 있어서 B형 열전모듈들을 이동시켜 사용자의 신체 부위에 맞춰 다양하게 길이를 조절할 수 있는 열전 발전기.