KR100553418B1 - 열전소자를 이용한 충전 장치 - Google Patents

열전소자를 이용한 충전 장치 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야
본 발명은, 열전기능을 이용한 충전 장치에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부와 외부의 온도 차에 따라 발생하는 전류로 배터리를 충전시키기 위한, 열전기능을 이용한 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결 방법의 요지
본 발명은, 열전기능을 이용한 충전 장치에 있어서, 상기 충전 장치가 구비된 기기 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센싱수단; 상기 기기 내부와 외부의 온도차를 이용하여 전류를 발생시키고, 제어수단의 제어에 따라 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위한 열전수단; 상기 제어수단의 제어에 따라 상기 열전수단에서 발생한 전류로 충전수단을 충전시키기 위한 정류수단; 및 상기 온도센싱수단으로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라 상기 열전수단으로 전류를 공급하여 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 제어하며, 상기 충전수단의 충전전압을 감지하여 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단에서 발생한 전류로 상기 충전수단을 충전시키고, 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단으로부터 상기 충전수단으로 전달되는 전류를 차단시키기 위한 상기 제어수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 무선통신단말기 등에 이용됨.
열전소자, 펠티에 효과, 제베크 효과, 무선통신단말기, 냉각, 충전

Description

열전소자를 이용한 충전 장치{Apparatus for charging device using thermoelectric element}
도 1은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 장치를 구비한 무선통신단말기의 일실시예 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 장치의 일실시예 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 이용되는 펠티에 효과에 대한 일실시예 설명도,
도 4는 본 발명에 이용되는 제베크 효과에 대한 일실시예 설명도,
도 5는 본 발명에 이용되는 열전소자의 일실시예 상세 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 방법 중 펠티에 효과에 따른 냉각 과정에 대한 일실시예 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 방법 중 제베크 효과에 따른 충전 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
10 : 정류장치 11 : 무선송수신장치
12 : 연산/제어장치 13 : 코덱(CODEC)
14 : 저장장치 15 : 음성출력장치(스피커)
16 : 표시장치(LCD) 17 : 입력장치(키패드)
18 : 음성입력장치(마이크) 19 : 열전소자
20 : 온도센서 21 : 배터리
41 : 전력증폭기 42 : 냉각소자
43 : 열전반도체 44 : 열발산판
45 : 금속 기구
본 발명은, 열전기능을 이용한 충전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부의 온도를 냉각시키는 한편, 상기 열전기능을 이용하여 전자 기기 내부와 외부의 온도 차에 따라 발생하는 전류로 배터리를 충전시키기 위한, 열전기능을 이용한 충전 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 무선통신단말기란 이동통신단말기, 개인휴대통신단말기(PCS), 개인용디지털단말기(PDA), 스마트폰, 차세대이동통신단말기(IMT-2000), 무선랜 단말기 등과 같이 개인이 휴대하면서 무선통신이 가능한 단말기를 말한다.
최근 무선통신 가입자의 수가 기하급수적으로 증가하면서, 무선통신단말기가 일반인에게 대중적으로 사용되고 있다. 그런데, 무선통신단말기로 오래 통화를 하다보면 열이 무척 많이 난다. 또한, 무릎에 노트북을 얹어놓고 작업을 하다보면 뜨거운 열이 무릎에 전달되어 온다. 이뿐 아니라 텔레비전, 비디오 등과 같이 열을 낼 필요가 없는 가전제품에서도 상당한 열이 발생한다는 것을 일상생활에서 쉽게 확인할 수 있다. 이는 전기에너지의 일부가 열에너지로 전환됨을 의미한다.
특히, 무선통신단말기 내의 송신 전력 증폭기는 동작 중에 열을 많이 발생시키며, 장시간의 통화나 무선인터넷, 게임 등을 장시간 이용할 경우에는 부품 간의 전류 전달 과정에서 자연적으로 열이 발생하게 된다.
이와 같이 무선통신단말기를 포함한 여러 전자 제품(노트북, 텔레비전, 비디오)에서 발생하는 열은 전자 제품의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
따라서, 온도차에 의해 기전력이 발생하며(제베크 효과), 전류를 공급받음에 따라 열의 흡수 또는 발생이 생기는(펠티에 효과) 특성을 가지는 열전소자를 이용하여 전자 제품 내부의 온도가 높을 때에는 전자 제품 내부의 온도를 냉각시키는 한편, 전자 제품 외부의 온도가 높을 때에는 내부와의 온도차에 의하여 발생한 열기전력으로 배터리를 충전한다면 일석이조의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
본 발명은, 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부와 외부의 온도 차에 따라 발생하는 전류로 배터리를 충전시키기 위한, 열전기능을 이용한 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 열전기능을 이용하여 제품 내부의 온도를 냉각시키는 한편, 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부와 외부의 온도 차에 따라 발생하는 전류로 배터리를 충전시키기 위한, 열전기능을 이용한 충전 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 열전기능을 이용한 충전 장치에 있어서, 상기 충전 장치가 구비된 기기 내부와 외부의 온도차를 이용하여 전류를 발생시키기 위한 열전수단; 제어수단의 제어에 따라 상기 열전수단에서 발생한 전류로 충전수단을 충전시키기 위한 정류수단; 및 상기 충전수단의 충전전압을 감지하여, 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단에서 발생한 전류로 상기 충전수단을 충전시키고, 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단으로부터 상기 충전수단으로 전달되는 전류를 차단시키기 위한 상기 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 열전기능을 이용한 충전 장치에 있어서, 상기 충전 장치가 구비된 기기 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센싱수단; 상기 기기 내부와 외부의 온도차를 이용하여 전류를 발생시키고, 제어수단의 제어에 따라 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위한 열전수단; 상기 제어수단의 제어에 따라 상기 열전수단에서 발생한 전류로 충전수단을 충전시키기 위한 정류수단; 및 상기 온도센싱수단으로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라 상기 열전수단으로 전류를 공급하여 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 제어하며, 상기 충전수단의 충전전압을 감지하여 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단에서 발생한 전류로 상기 충전수단을 충전시키고, 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단으로부터 상기 충전수단으로 전달되는 전류를 차단시키기 위한 상기 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
열전소자란 열과 전기의 교환시스템으로서, 직류 전기가 가해짐에 따라 네가티브(negative)로 대전된 금속/반도체 접점에서 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 열전소자 내부로 이동하여 냉각이 일어나는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용하여 냉각 또는 발열하는 소자이다.
일반적으로 열전소자는 극전환(+ , -)을 통해 상온에서 냉각과 발열을 통해 - 30 ℃에서 + 150 ℃ 까지 대상물을 일정 온도로 유지시킬 수 있다. 또한, 열전소자는 가로, 세로 0.8 cm x 0.8 cm부터 국소부위 및 광범위한 범위까지 부착과 동시에 냉각과 발열이 가능한 소자이다.
참고적으로, 펠티에 효과(Peltier effect)란 도 2에 도시된 바와 같이, 두 종류의 금속을 접속하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상을 말한다. 즉, 펠티에 효과는 1834년 펠티에가 발견한 현상으로서, 두 종류의 금속을 접속하여 전류를 흘려보내면 한쪽 접합부에서 흡열, 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상을 일컫는다. 이 때, 제베크(Seebeck) 효과에 의하면 금속보다는 이종의 반도체에서 더 높은 효율이 발생하는데, 이는 금속보다는 반도체에서 펠티에 계수가 더 크기 때문이다.
제베크(Seebeck) 효과란 도 3에 도시된 바와 같이, 온도차에 의한 전압, 즉 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐르는 현상으로서, 열전발전의 원리이다. 현재, 제베크(Seebeck) 효과는 특히 온도 측정 센서 분야에서 광범위하게 이용되고 있으며, 다양한 종류의 열전반도체가 개발됨에 따라 이들을 응용한 발전설비(열전변환장치)에 관한 연구, 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 장치가 무선통신단말기에 구비된 형태를 일실시예로 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 장치를 구비한 무선통신단말기의 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 장치를 구비한 무선통신단말기는, 안테나를 통하여 무선으로 신호를 송수신하기 위한 무선송수신장치(11), 상기 무선통신단말기를 구동시키고 제어하며, 온도센서(20)로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라 열전소자(19)로 전류를 공급하여 상기 무선통신단말기 내부(특히, 무선송수신장치(11)의 전력증폭기)에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 제어하는 한편, 배터리(21)의 충전전압을 감지하여 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 정류장치(10)를 제어하여 열전소자(19)에서 발생한 전류로 배터리(21)를 충전시키고, 상기 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 정류장치(10)를 제어하여 열전소자(19)로부터 배터리(21)로 전달되는 전류를 차단시키기 위한 연산/제어장치(12), 상기 연산/제어장치(12)의 제어에 따라 상기 무선송수신장치(11)로부터 전달받은 신호를 음성으로 변환하여 음성출력장치(스피커)(15)로 출력하고, 음성입력장치(마이크)(18)로부터 입력받은 음성을 신호로 변환하여 상기 연산/제어장치(12)로 전달하여 상기 무선송수신장치(11)를 통하여 송출되도록 하기 위한 코덱(CODEC)(13), 상기 무선통신단말기를 구동시키기 위한 프로그램과 파일 시스템(이미지, 캐릭터, 아이콘) 등을 저장하기 위한 저장장치(14), 상기 코덱(CODEC)(13)으로부터 전달받은 음성을 출력하기 위한 음성출력장치(스피커)(15), 상기 연산/제어장치(12)의 제어에 따른 화면을 출력하기 위한 표시장치(LCD)(16), 버튼을 통해 전화번호, 메뉴선택정보, 메뉴 일괄 설정 요청 신호, 메뉴 설정 신호 등을 입력받기 위한 입력장치(키패드)(17), 음성을 입력받아 상기 코덱(CODEC)(13)으로 전달하기 위한 음성입력장치(마이크)(18), 상기 무선통신단말기 내부와 외부의 온도차를 이용하여 전류를 발생시키고, 상기 연산/제어장치(12)의 제어에 따라 상기 무선통신단말기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위한 열전소자(19), 및 상기 무선통신 단말기 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센서(20), 상기 연산/제어장치(12)의 제어에 따라 열전소자(19)로부터 발생한 전류를 배터리(21)로 전달하여 충전시키기 위한 정류장치(10)를 포함한다.
상기 연산/제어장치(12)는 온도센서(20)로부터 온도 감지 신호를 지속적으로 전달받는다. 그리고, 온도센서(20)로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상이면 열전소자(19)로 전류를 공급하여 무선통신단말기 내부의 열을 외부로 방출시킨다. 또한, 열전소자(19)의 동작으로 인하여 무선통신단말기 내부의 온도가 기설정치 미만으로 내려가면(온도센서(20)로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 미만이면) 열전소자(19)로의 전류 공급을 중지시킨다.
한편, 상기 연산/제어장치(12)는 열전소자(19)에 전류를 공급하지 않을 때에는(냉각 기능을 이용하지 않을 때에는) 충전모드로 동작한다. 즉, 충전모드(일반적으로는 대기모드일 경우와 일치할 것임)에서 상기 연산/제어장치(12)는 열전소자(19)에서 발생하는 전류가 배터리(21)로 전달되도록 정류장치(10)를 제어한다. 이 때, 상기 연산/제어장치(12)는 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하면 정류장치(10)를 제어하여 배터리(21)로 전달되는 전류를 차단한다.
상기 열전소자(19)는 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상(제베크 효과) 및 전류에 따라 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상(펠티에 효과)을 이용한 소자이다. 도 4를 참조하여 열전소자(19)의 구조를 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 이용되는 열전소자(19)는 연산/제어장치(12)의 제어에 따라 전류를 공급받아 무선통신단말기 내부의 열을 외 부로 방출시킨다. 이는 열전소자(19)의 펠티에 효과를 이용한 것으로서, 펠티에 효과란 앞에서 설명한 바와 같이, 서로 다른 2개의 반도체를 접속하여 전류를 인가하면 접합부에서 주울열 이외의 열이 흡수되는 현상을 말한다. 이 때, 열전소자(19)를 무선송수신장치(11)의 전력증폭기(41)에 접촉시키면 무선통신단말기에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
즉, 연산/제어장치(12)가 무선통신단말기 내부의 온도가 기설정치 이상으로 올라감을 감지함에 따라(온도센서(20)로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라) 열전반도체(43)로 전류(직류(DC))를 흘려준다. 그러면, 전기적으로 직렬, 열적으로 병렬로 연결된 열전쌍들로 구성되어 있는 냉각소자(42)는 전력증폭기에서 발생한 열을 열전반도체(43)로 전달하여, 열전반도체(43)에서 흡열되도록 한다.
이러한 열전반도체(43)의 흡열로 인하여 무선통신단말기 내부의 온도가 기설정치 이하로 내려가면 연산/제어장치(12)는 열전반도체(43)에 가하였던 전류(직류(DC))를 차단한다.
그러면, 열전반도체(43)는 제베크 효과에 의하여, 무선통신단말기 내부와 외부의 온도 차에 의한 열기전력(전류)을 발생시킨다. 이 때, 발생하는 전류의 양을 극대화하기 위하여 무선통신단말기의 외부에 열 전달이 잘되는 금속 기구(45, 51)를 도 5에 도시된 바와 같이 장착한다.
즉, 사용자가 무선통신단말기의 외부에 장착된 금속 기구를 통하여 체온을 전달하면, 체온은 열발산판(heatsink)(44)을 통하여 열전반도체(43)의 한 접점에 전달된다. 그러면, 열전반도체(43)는 한 접점과 다른 한 접점과의 온도 차로 인하여 열기전력을 발생시키고, 이 전류는 정류장치(10)를 거쳐 배터리(21)로 전달되어 충전이 이루어진다.
본 발명의 전체적인 동작 과정에 대하여서는 도 6 및 도 7을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 방법 중 펠티에 효과에 따른 냉각 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 연산/제어장치(12)가 온도센서(20)로부터 온도 감지 신호를 전달받으면(601), 상기 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상인지를 확인한다(602).
상기 확인 결과(602), 상기 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상이면 열전소자(19)로 전류(직류(DC))를 공급하여 무선통신단말기 내부의 열을 외부로 방출(냉각)시킨다(603).
이후, 연산/제어장치(12)는 온도센서(20)로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 미만인지를 확인한다(604).
상기 확인 결과(604), 상기 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 미만이면 열전소자(19)로의 전류 공급을 차단한다(605). 이는 열전소자(19)의 동작으로 인하여 무선통신단말기 내부의 온도가 기설정치 이하로 내려갔다는 것을 의미한다.
한편, 상기 확인 결과(604), 상기 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상이면 "603" 과정으로 진행하여 계속해서 무선통신단말기 내부의 열을 외부로 방출(냉각)시킨다.
도 7은 본 발명에 따른 열전소자를 이용한 충전 방법 중 제베크 효과에 따른 충전 과정에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 충전모드(일반적으로는 대기모드일 경우와 일치할 것임)에서 열전소자(19)가 무선통신단말기의 내부와 외부의 온도차에 의하여 전류를 발생시키면(701), 연산/제어장치(12)는 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하였는지를 확인한다(702).
상기 확인 결과(702), 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 열전소자(19)에서 발생시킨 전류가 배터리(21)로 전달되도록 정류장치(10)를 제어하여 배터리(21)를 충전시킨다(703).
한편, 상기 확인 결과(702), 배터리(21)의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 정류장치(10)를 제어하여 열전소자(19)로부터 배터리(21)로 전달되는 전류를 차단한다(704).
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 무선통신단말기를 포함한 여러 전자 제품(노트북, 텔레비전, 비디오)에 적용할 수 있으며, 특히 무선통신단말기에 적용하였을 경우에는 장시간 사용으로 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있음은 물론, 언제 어디서나 체온으로 배터리를 충전시킬 수 있다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같이 본 발명은, 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부와 외부의 온도 차에 따라 발생하는 전류로 배터리를 충전시킬 수 있으므로, 사용자가 체온을 이용하여 언제 어디서나 배터리를 간편하게 충전시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 상기와 같은 충전 기능 이외에도 열전기능을 이용하여 전자 제품 내부의 온도를 냉각시켜, 전자 제품 내부의 열 발생으로 인한 성능 저하를 효과적으로 막을 수 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 열전기능을 이용한 충전 장치에 있어서,
    상기 충전 장치가 구비된 기기 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센싱수단;
    상기 기기 내부와 외부의 온도차를 이용하여 전류를 발생시키고, 제어수단의 제어에 따라 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위한 열전수단;
    상기 제어수단의 제어에 따라 상기 열전수단에서 발생한 전류로 충전수단을 충전시키기 위한 정류수단; 및
    상기 온도센싱수단으로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라 상기 열전수단으로 전류를 공급하여 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 제어하며, 상기 충전수단의 충전전압을 감지하여 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하지 않았으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단에서 발생한 전류로 상기 충전수단을 충전시키고, 상기 충전수단의 충전 전압이 기설정치에 도달하였으면 상기 정류수단을 제어하여 상기 열전수단으로부터 상기 충전수단으로 전달되는 전류를 차단시키기 위한 상기 제어수단
    을 포함하는 열전기능을 이용한 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어수단이 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키도록 제어하는 과정은,
    상기 온도센싱수단으로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 이상임에 따라 상기 열전수단에 전류(DC)를 공급하여 상기 기기 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기도록 제어하고, 이후 상기 온도센싱수단으로부터 전달받은 온도 감지 신호가 기설정치 미만임에 따라 상기 열전수단에 공급하던 전류(DC)를 차단하는 것을 특징으로 하는 열전수단을 이용한 충전 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전수단은,
    전력증폭기에 장착되는 것을 특징으로 하는 열전기능을 이용한 충전 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전수단은,
    한 접점은 상기 기기 외부의 온도를 전달받고, 다른 한 접점은 상기 기기 내부의 온도를 전달받아 상기 기기 외부와 내부의 온도 차로 인한 열기전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 열전기능을 이용한 충전 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열전수단의 한 접점은,
    상기 기기의 외부에 장착된 금속 기구를 통하여 상기 기기 외부의 온도를 전달받는 것을 특징으로 하는 열전기능을 이용한 충전 장치.
  10. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 장치는,
    무선통신단말기에 구비되는 것을 특징으로 하는 열전기능을 이용한 충전 장치.
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