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KR101813795B1 - 유연 열전 시스템 - Google Patents

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KR101813795B1
KR101813795B1 KR1020160071829A KR20160071829A KR101813795B1 KR 101813795 B1 KR101813795 B1 KR 101813795B1 KR 1020160071829 A KR1020160071829 A KR 1020160071829A KR 20160071829 A KR20160071829 A KR 20160071829A KR 101813795 B1 KR101813795 B1 KR 101813795B1
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heat
thermoelectric
heat generating
heat dissipation
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김우철
김동규
조병진
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연세대학교 산학협력단
한국과학기술원
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Abstract

개시된 본 발명에 의한 유연 열전 시스템은, 인체에 착용 가능한 열전유닛, 열전유닛과 피부 사이에 위치하도록 열전유닛의 일면에 마련되어 흡습 및 발열성 재질로 형성되는 발열유닛 및 열전유닛을 사이에 두고 발열유닛과 마주하도록 열전유닛의 타면에 마련되어 열을 방열시키는 방열유닛을 포함하며, 발열유닛 및 방열유닛은 유연하게 마련된다. 이러한 구성에 의하면, 피부에 유연하게 부착 가능함과 아울러, 열전유닛의 상하단 온도 차이를 극대화에 따른 발전 또는 냉각 성능 향상에 기여할 수 있게 된다.

Description

유연 열전 시스템{FLEXIBLE THERMOELECTRIC SYSTEM}
본 발명은 유연 열전 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상단과 하단 사이의 온도 차이를 유지시켜 발전 또는 냉각과 같은 성능을 향상시킬 수 있는 유연 열전 시스템에 관한 것이다.
열전소자는 양단의 온도차에 의해 전류가 흐르는 성질을 가지는 소자로써, 웨어러블(Wearable) 형태의 발전장치에 이용되고 있다. 이러한 열전소자가 웨어러블 발전장치로 적용됨에 있어서, 열원이 인체의 온도가 되고 히트싱크(Heat sink)는 외부 환경이 된다.
한편, 인체는 체온을 유지하기 위해 일정한 체온 조절 기능을 가진다. 이러한 체온 조절 기능의 일 예로써, 혈류량 조절, 땀 발산과 같은 인체 작용을 통해 피부의 온도를 일정 온도로 적절히 조절한다. 이러한 땀 발산과 같은 인체의 온도 조절은 인체의 피부 온도를 낮춤에 따라, 인체의 피부와 접촉된 열전소자 하단의 온도도 낮아진다. 이러한 열전소자의 온도 변화는 열전소자의 발전 성능에 영향을 미침에 따라, 근래에는 열전소자의 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
국내출원번호 제2010-0050599호 국내출원번호 제2014-0019511호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 유연하게 마련되어 피부에 부착 가능함과 아울러 열전유닛의 상단과 하단 사이의 온도 차이를 극대화시켜 유지함에 따른 성능을 향상시킬 수 있는 유연 열전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유연 열전 시스템은, 인체에 착용 가능한 열전유닛, 상기 열전유닛과 상기 인체의 피부 사이에 위치하도록 상기 열전유닛의 일면에 마련되어, 흡습 및 발열성 재질로 형성되는 발열유닛 및, 상기 열전유닛을 사이에 두고 상기 발열유닛과 마주하도록 상기 열전유닛의 타면에 마련되어 열을 방열시키는 방열유닛을 포함하며, 상기 발열유닛 및 방열유닛은 유연하게 마련된다.
일측에 의하면, 상기 열전유닛은 상기 발열유닛 및 방열유닛의 사이에 상호 나란하게 이격되도록 복수개 설치되어, 상기 발열유닛 및 방열유닛이 유연하게 휘어짐을 간섭하지 않는다.
일측에 의하면, 상기 발열유닛은 울(Wool) 섬유 또는 아크릴 섬유 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 방열유닛은 밀도와 열용량이 높은 재질로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 방열유닛은 쿨젤(Cool gel) 매트를 포함하는 열저장방출(PCM, Phase Change Material) 소재로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 방열유닛과 마주하도록 배치되어, 탑-다운(Top-Down) 방식으로 공기를 유동시켜 상기 방열유닛을 냉각시키는 냉각팬이 마련된다.
일측에 의하면, 상기 발열 및 방열유닛에 의한 상기 열전유닛의 일면과 타면 사이의 온도차에 의해 전력을 발생시키거나 상기 열전유닛을 냉각시킨다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 유연 열전 시스템은, 피부에 밀착되어 착용 가능하도록 상호 이격되어 복수개 마련되는 열전유닛, 상기 피부에 밀착되는 상기 복수의 열전유닛의 일면에 마련되어 땀 흡수에 따른 흡착열을 발생시키도록 유연하게 마련되는 발열유닛 및, 상기 복수의 열전유닛의 일면과 대향하는 타면에 마련되어 열을 방열시키도록 유연하게 마련되는 방열유닛을 포함하며, 상기 방열유닛은 냉각수단에 의해 방열 온도가 유지된다.
일측에 의하면, 상기 발열유닛은 흡습 및 발열성 재질이면서 울(Wool) 섬유 또는 아크릴 섬유 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 방열유닛은 밀도와 열용량이 높은 재질로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 방열유닛은 쿨젤(Cool gel) 매트를 포함하는 열저장방출(PCM, Phase Change Material) 소재로 형성된다.
일측에 의하면, 상기 냉각수단은 상기 방열유닛과 마주하도록 배치되어, 탑-다운(Top-Down) 방식으로 공기를 유동시켜 상기 방열유닛을 냉각시키는 냉각팬을 포함한다.
일측에 의하면, 상기 발열 및 방열유닛에 의한 상기 열전유닛의 일면과 타면 사이의 온도차에 의해 전력을 발생시키거나 상기 열전유닛을 냉각시킨다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 열전유닛의 일면과 타면에 발열 및 방열을 위한 발열유닛 및 방열유닛이 마련됨으로써, 열전유닛의 일단과 타단 사이의 온도차에 따른 발전성 또는 냉각성과 같은 성능 향상에 기여할 수 있게 된다.
둘째, 피부에 부착되는 열전유닛의 하단에 울소재를 포함하는 발열유닛이 마련됨으로써, 발생된 땀의 흡습발열로 인한 열전유닛 하단의 온도 상승과 함께 쾌적성을 향상시킬 수 있게 된다.
셋째, 방열유닛의 냉각성 유지를 위한 냉각수단이 방열유닛과 마주하도록 마련됨으로써, 방열유닛 온도 유지와 함께 효과적인 냉각으로 인한 열전유닛 상하단 사이의 온도차를 극대화시킬 수 있게 된다.
넷째, 열전유닛의 상하단의 온도차를 극대화시킴과 아울러 온도차를 일정하게 유지시킬 수 있음으로 인해, 착용자의 신뢰성 향상에 기여할 수 있게 된다.
다섯째, 발열 및 방열유닛이 유연하게 마련됨으로써, 피부에 밀착되는 유연 열전 시스템의 착용성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 유연 열전 시스템을 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 유연 열전 시스템이 피부에 유연하게 부착된 상태를 개략적으로 도시한 구성도,
도 3은 도 1에 도시된 발열유닛이 마련된 열전유닛의 온도 분포를 개략적으로 도시한 그래프, 그리고,
도 4는 도 1에 도시된 발열유닛과 열전유닛의 두께에 따른 온도 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 유연 열전 시스템(1)은 열전유닛(10), 발열유닛(20) 및 방열유닛(30)을 포함한다.
참고로, 본 발명에서 설명하는 유연 열전 시스템(1)은 인체에 착용 가능하도록 웨어러블(Wearable)하게 마련되는 스마트 워치(Smart Watch), 미밴드와 같은 스마트 밴드(Smart band) 등을 포함하는 스마트 웨어러블 기기의 전력 공급을 위해 적용 가능하다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 유연 열전 시스템(1)은 자동차 온도조절 시트, 반도체(순환기, 냉각판), 바이오(혈액분석기, PCR, 시료온도싸이클 테스터기), 이학분야(스펙트로포토미터), 광학분야(CCD 쿨링, 적외선센서 냉각, 레이저다이오드 냉각, 포토다이오드 냉각, SHG 레이저 냉각), 컴퓨터(CPU 냉각), 가전제품(김치냉장고, 소형냉장고, 냉온수기, 와인냉장고, 쌀통, 제습기 등), 발전(폐열발전기, 리모트 파워발전) 등과 같은 열전소자가 적용되는 다양한 분야에서 적용 가능하다.
상기 열전유닛(10)은 인체에 착용 가능하도록 마련되며, 보다 구체적으로는 인체의 피부(S)에 밀착 가능하도록 유연하게 마련된다. 이러한 열전유닛(10)은 전극(11)과 P형 열전소재(12) 및 N형 열전소재(13)를 포함하여, 제백 및 펠티에 효과에 의한 흡열 또는 발열을 이용하는 열전소자이다.
상기와 같은 열전유닛(10)은 도 2의 도시와 같이, 피부(S)에 유연하게 밀착 가능하도록 상호 나란하게 이격되도록 복수개 마련된다. 이러한 열전유닛(10)은 90도 회전된 "ㄷ"자 형상을 가진다. 이대, 도 1에서 가로로 연장된 부분은 상기 열전유닛(10)의 전극(11)이며 세로로 연장된 2개 중 하나는 P형 열전소재(12)이고 다른 하나는 N형 열전소재(13)이다.
참고로, 도 1 및 도 2에 도시된 열전유닛(10)의 개수 및 상호 이격된 간격은 도시된 예로 한정되지 않는다.
상기 발열유닛(20)은 복수의 열전유닛(10)과 피부(S) 사이에 위치하도록 열전유닛(10)의 일면에 마련되어, 흡습 및 발열 특성을 가지며 유연한 재질로 형성된다. 그로 인해, 상기 발열유닛(20)은 피부(S)로부터 발생된 땀의 흡수에 따른 흡착열을 발생시켜, 피부(S)에 밀착되는 열전유닛(10) 하단의 온도를 상승시킨다. 이때, 상기 발열유닛(20)은 도 2와 같이 유연하게 휘어짐 가능하도록 복수의 열전유닛(10)을 동시에 지지함으로써, 피부(S)에 대한 밀착성을 향상시킨다.
상기 발열유닛(20)은 땀을 흡수하여 흡착열을 발생시킴과 아울러, 땀 증발에 따른 기화열 손실을 차단한다. 이러한 발열유닛(20)은 흡착열의 일부를 이용해 흡수된 땀을 증발시킨다. 그로 인해, 상기 발열유닛(20)은 유연 열전 시스템(1)이 적용된 웨어러블 기기를 착용한 착용자의 쾌적함을 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 공기의 열전도도는 0.03W/m²k이며 발열유닛(20)의 열전도도는 0.04W/m²k로 공기보다 높지만 타 물질에 비해 상대적으로 상당히 낮은 수치임에 따라, 단열성이 우수하다. 그로 인해, 상기 피부(S)로부터 땀이 발생되지 않을 경우, 상기 열전유닛(10) 하단에 마련된 발열유닛(20)으로 인해 열전유닛(10)의 열저항이 증가된다. 이때, 상기 열전유닛(10)의 '1-D(두께)' 방향으로의 열 전달량 감소에 따른 상하단 사이의 온도차 감소보다 땀에 의한 기화열 손실을 발열유닛(20)이 차단함에 따른 열전유닛(10)의 온도차 증가의 효과가 우수해진다.
본 실시예에서는, 상기 발열유닛(20)은 흡습 및 발열 특성을 가지는 소재이면서도 열전도율이 낮은 유연한 재질인 울(Wool) 섬유를 포함하여, 열전유닛(10)의 하단인 일면에 마련되는 것으로 예시한다. 그러나, 꼭 이에 한정되지 않으며, 상기 발열유닛(20)이 땀을 흡수하여 흡착열을 발생시키는 아크릴, 합성 폴리머 등과 같은 흡습 및 발열성을 가지는 합성섬유로 형성되는 변형예도 가능하다. 즉, 상기 발열유닛(20)은 피부(S)로부터 발생된 땀을 흡수하여 열을 발생시키는 다양한 재질 중 적어도 어느 한 재질로 형성된다.
이상과 같은 발열유닛(20)의 저항이 유연 열전 시스템(1)의 두께에 주는 영향이 하기 표 1에 정리된다.
Figure 112016055533798-pat00001
또한, 도 3의 도시에서는 상기 발열유닛(20)이 마련된 열전유닛(10)의 두께에 따른 표면 온도의 변화가 그래프로 도시된다. 도 3의 도시와 같이, 상기 발열유닛(20)이 마련된 열전유닛(10) 하단의 온도에 비해 열전유닛(10) 상단의 온도가 상승함을 알 수 있다.
또한, 도 4의 그래프를 참고하면, 상기 발열유닛(20)의 두께가 0.3mm이고 열전유닛(10)의 두께가 5mm인 경우의 온도 변화가 도시된다. 도 4의 그래프와 같이, 상기 발열유닛(20)에서 열전유닛(10)를 향해 두께가 증가할수록 온도가 감소됨으로써, 열전유닛(10)의 상단과 하단 사이의 온도차가 발생됨을 확인할 수 있다.
상기 방열유닛(30)은 열전유닛(10)을 사이에 두고 발열유닛(20)과 마주하도록 복수의 열전유닛(10)의 타면에 마련되어 열을 방열시킨다. 이러한 방열유닛(30)은 피부(S)에 밀착되는 복수의 열전유닛(10)의 일면에 대향하는 타면 즉, 상단에 유연하게 마련됨으로써, 열전유닛(10)을 유연하게 지지함과 아울러 온도를 하강시킨다.
상기 방열유닛(30)은 열전유닛(10)을 방열시키는 히트싱크(Heat sink)로써, 밀도와 열용량이 높은 재질로 형성된다. 본 실시예에서는 상기 방열유닛(30)이 쿨젤(Cool gel) 매트와 같은 열저장방출(PCM, Phase Change Material) 소재를 포함하여 열전유닛(10)의 접합 온도를 낮추는 것으로 예시한다.
참고로, 상기 쿨젤 매트로 채용되는 PCM 소재는 열용량(Specific heat)이 2200J/Kg-K, 밀도(Density)가 1850 kg/m3 그리고, 열확산계수(Thermal diffusivity)(α)가 2.7915*10-7m2/s를 가진다.
또한, 상기 방열유닛(30)의 성능을 지속적으로 유지시키기 위해, 상기 방열유닛(30)과 마주하여 탑-다운(Top-Down) 방식으로 공기를 유동시켜 방열유닛(30)을 냉각시키는 냉각팬(31)이 마련된다. 상기 냉각팬(31)은 기존의 열전소자의 상하단 온도차에 의한 다운-탑 유동방식을 강제로 탑-다운 방식의 유동으로 전환시켜 방열유닛(30)의 온도를 지속적이면서도 효과적으로 열을 방출할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 유연 열전 시스템(1)의 동작을 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한다.
도 1 및 도 2와 같이, 상기 열전유닛(10)은 피부(S)에 밀착 가능하도록 복수개 마련되되, 열전유닛(10)의 하단에는 울소재로 형성되는 유연한 발열유닛(20)이 마련되고 상단에는 쿨젤 매트를 포함하는 유연한 방열유닛(30)이 마련된다. 이러한 구성에 의해, 상기 발열유닛(20)은 밀착된 피부(S)로부터 발생된 땀을 흡수하여 발열함으로써, 열전유닛(10) 하단의 온도를 상승시킨다. 아울러, 상기 방열유닛(30)은 히트싱크로써 열전유닛(10) 상단의 온도를 낮추며, 이러한 방열유닛(30)의 성능은 탑-다운 방식으로 공기를 유동시키는 냉각팬(31)에 의해 지속적이면서도 효과적인 냉각이 유지된다.
이상과 같이 유연 열전 시스템(1)의 상하단의 온도를 착용자의 땀 발산과 같은 상태 변화에 상관 없이 일정 이상의 온도차를 유지시킬 수 있어, 발전되는 열전유닛(10)의 발전성 유지에 기여하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 상기 유연 열전 시스템(1)이 열전유닛(10)의 상단과 하단 사이의 온도차를 극대화시켜 전력 공급을 위한 발전성을 가지는 것으로 예시하였으나, 발전성과 함께 냉각성도 가진다. 보다 구체적으로, 상기 열전유닛(10)에 전류를 공급함과 동시에 발열유닛(20)과 방열유닛(30)에 의한 일면과 타면 사이의 온도차를 인위적으로 형성시킴으로써, 유연 열전 시스템(1)의 열전유닛(10)은 냉각성을 가진다. 즉, 전류 인가에 따라 일측은 열을 흡수하고 타측은 열을 방출함에 따른 열전유닛(10)의 냉각성이 상하단과 사이의 온도차 극대화에 의해 향상되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 유연 열전 시스템
10: 열전유닛
20: 발열유닛
30: 방열유닛
31: 냉각팬

Claims (13)

  1. 인체에 착용 가능한 열전유닛;
    상기 열전유닛과 상기 인체의 피부 사이에 위치하도록 상기 열전유닛의 일면에 마련되어, 흡습 및 발열성 재질로 형성되는 발열유닛; 및
    상기 열전유닛을 사이에 두고 상기 발열유닛과 마주하도록 상기 열전유닛의 타면에 마련되어 열을 방열시키는 방열유닛;
    을 포함하며
    상기 발열유닛 및 방열유닛은 유연하게 마련되는 유연 열전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전유닛은 상기 발열유닛 및 방열유닛의 사이에 상호 나란하게 이격되도록 복수개 설치되어, 상기 발열유닛 및 방열유닛이 유연하게 휘어짐을 간섭하지 않는 유연 열전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발열유닛은 울(Wool) 섬유 또는 아크릴 섬유 중 적어도 어느 하나로 형성되는 유연 열전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열유닛은 밀도와 열용량이 공기보다 높은 재질로 형성되는 유연 열전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열유닛은 쿨젤(Cool gel) 매트를 포함하는 열저장방출(PCM, Phase Change Material) 소재로 형성되는 유연 열전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열유닛과 마주하도록 배치되어, 탑-다운(Top-Down) 방식으로 공기를 유동시켜 상기 방열유닛을 냉각시키는 냉각팬이 마련되는 유연 열전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발열 및 방열유닛에 의한 상기 열전유닛의 일면과 타면 사이의 온도차에 의해 전력을 발생시키거나 상기 열전유닛을 냉각시키는 유연 열전 시스템.
  8. 피부에 밀착되어 착용 가능하도록 상호 이격되어 복수개 마련되는 열전유닛;
    상기 피부에 밀착되는 상기 복수의 열전유닛 일면에 마련되어 땀 흡수에 따른 흡착열을 발생시키도록 유연하게 마련되는 발열유닛; 및
    상기 복수의 열전유닛 일면과 대향하는 타면에 마련되어 열을 방열시키도록 유연하게 마련되는 방열유닛;
    을 포함하며,
    상기 방열유닛은 냉각수단에 의해 방열 온도가 유지되는 유연 열전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발열유닛은 흡습 및 발열성 재질이면서 울(Wool) 섬유 또는 아크릴 섬유 중 적어도 어느 하나로 형성되는 유연 열전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방열유닛은 밀도와 열용량이 공기보다 높은 재질로 형성되는 유연 열전 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 방열유닛은 쿨젤(Cool gel) 매트를 포함하는 열저장방출(PCM, Phase Change Material) 소재로 형성되는 유연 열전 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 냉각수단은 상기 방열유닛과 마주하도록 배치되어, 탑-다운(Top-Down) 방식으로 공기를 유동시켜 상기 방열유닛을 냉각시키는 냉각팬을 포함하는 유연 열전 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 발열 및 방열유닛에 의한 상기 열전유닛의 일면과 타면 사이의 온도차에 의해 전력을 발생시키거나 상기 열전유닛을 냉각시키는 유연 열전 시스템.
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