KR101799196B1 - 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어에 있어서, 상기 타이어의 이너라이너(inner liner) 상에 부착되고, 상기 타이어 내부의 센서모듈에 전력을 공급하는 기능을 구비하는 열전소자를 포함하는 전력생성층; 상기 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착 및 고정시키고, 탈착을 방지하는 보호층; 을 포함하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어를 제공한다. 본 발명에 따르면 전력생성층의 결합신뢰성을 확보하면서 자가발전이 가능하여 타이어 내부의 센서모듈에 전력공급할 수 있다는 이점이 있다.

Description

열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어 및 이의 제조방법 {A self-powered tire using a thermoelectric element and the manufacturing method thereof}

본 발명은 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 열전소자를 포함하는 전력생성층과 상기 전력생성층을 고정시키고, 탈착을 방지하는 보호층을 포함하여, 상기 타이어 내부의 센서모듈에 전력을 자가공급할 수 있는, 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어에 관한 것이다.

자동차에서 타이어 또는 휠의 회전을 이용하여 발전(generation)하는 방식은 휠에 모터를 장착하여 회생제동에너지를 이용하는 방식과 타이어에 인가되는 압력 및 압전소자를 이용하는 방식(대한민국 공개특허 제2010-0027479호, 제2011-0016604호, 제2013-0135846호 등), 그리고 영구자석과 코일을 사용하여 발전하는 방식(대한민국 공개특허 제2010-0114868호, 제2011-0125198 등)이 있다.

회생제동에너지를 이용하여 발전하는 방식은 현재 하이브리드 자동차에 적용이 된 방식으로 제동 시, 모터가 발전기로 동작하는 방식을 이용하여 발전하므로, 제동 시에만 발전을 할 수 있는 단점이 있다. 모터가 구동되는 동안은 전력을 소모한다.

압력 및 압전소자를 이용하는 방식은 주행 중 타이어와 지면 사이의 압력을 이용하여 발전하는 방식으로 주행 중 타이어에서 손쉽게 발전할 수 있는 방식이나, 타이어의 내부에 압전소자를 삽입하여 사용함으로써 현재 타이어 제조 설비를 크게 변경해야 하는 단점이 있다. 또한 현재 타이어의 구조상에 압전소자라는 불순물이 추가되어 안전성, 주행 성능, 내구성 등의 문제를 발생시키거나 주행 수명을 단축 시킬 가능성이 있으며, 개발이 완료 되더라도 현용 타이어와 동일한 성능을 검증하기 위한 추가 비용이 크게 소요될 수 있다.

영구자석과 코일을 사용하는 발전 방식은 영구자석은 회전하지 않고 고정되어 있으며, 휠에 감겨진 코일이 회전함에 따라 유도 전압이 발생하는 원리를 이용하여 발전하는 방식이다. 이 방식은 타이어를 이용한 직접 발전이 아니고, 구동축의 회전을 이용한 발전이다. 일본 공개특허 제WO 2003/099592호에서는 스틸코드에 자성 재료, 즉 자석을 사용하여 자화를 시키는 방법을 사용하였으며, 또한 자화를 강하게 하기 위해 타이어를 완성한 후 자화를 시키는 방법을 사용하였다. 이미 스틸코드에 자성을 띄는 물질을 감거나 추가하여, 스틸벨트의 제작 비용을 증가시키고, 추가된 물질에 대한 내구성 및 신뢰성 테스트 시험을 추가로 진행해야 할 필요성이 있다. 또한 한번 더 자화를 시키는 공정, 즉 완성된 타이어에 자화시키는 공정을 가짐으로써 타이어의 외관에 손상을 가져올 가능성이 있다. 1벨트와 2, 3벨트의 자계 생성 방향이 다르기 때문에 이를 자화시키기 위해 2가지 이상의 방향으로 자화를 시켜야 하며, 1벨트 자화시 2, 3벨트가 영향을 받아, 스틸코드를 구성하는 스틸벨트의 분자에서 1벨트 방향으로 분극현상이 발생하여 2, 3벨트 방향으로 자화를 시킬 때 2, 3벨트의 분자에서 분극이 제대로 되지 않을 수 있다. 또한 완성된 타이어에 자화를 하는 경우 공기 이외에 타이어의 고무가 자계를 방해하는 저항이 되기 때문에 자계를 크게 생성해야 하는 단점이 있으며, 자계를 크게 생성시키기 위해 전력을 더 많이 사용해야 한다. 또한 대한민국 등록특허 제1396161호에서는 벨트를 자화시켜 자성을 띄는 타이어를 제작하고 유도 전압을 발생시키는 방식을 사용하였다. 타이어 제조 전에 벨트를 자화시키는 방식을 사용하였고, 영구 자석형으로 자계가 지속적으로 형성되는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2014-0053636호에 의하면 무선 전력 전송을 통한 에너지 공급 특허로 무선 공급을 통한 장점이 있으나, 공급장치와의 거리가 멀어지면 전송 효율이 좋지 못한 단점이 있다. 타이어가 주행하는 경우 무선 전력 전송 거리가 지속적으로 변화하기 때문에 효율 측면에서 불리하다.

열전소자를 이용한 발전 방식으로 대한민국 등록특허 제1514523호에 의하면 열전소자를 이용한 발전을 실시하고 있으며, 발생된 전력으로 배터리에 충전시키는 회로까지 포함하는 방식이 있으며, 대한민국 등록특허 제0962665호에서는 열전소자를 이용하여 냉/온시스템을 구동시키는 전력으로 사용하고 있다. 또한 대한민국 등록특허 제1240674호에서는 열전소자를 이용하여 열전 발전용으로 사용하고 있다. 하지만 타이어에는 열전소자를 이용한 특허는 아직 없으며, 타이어 내부에 부착하는 경우 배터리와 충전회로를 포함하는 경우 무게 증가로 인해 타이어의 성능저하를 가져올 수 있다.

이와 관련하여 대한민국 등록특허 제1267969호(이하, 종래기술 1이라고 한다.)에서는 1벨트와 2벨트 사이에 열전소자를 삽입하고, 열전소자가 전기를 생성하면 이를 서브트레드(subtread)로 방전하여 열을 낮추는 방식이 개시되어있다.

또한 미국 공개특허 제2009-0151440호(이하, 종래기술 2라고 한다.)에서는 타이어 내부에 열전 소자를 배치하여 발전하는 방식을 사용하고 있으며, 사이드월과 숄더부에 각각 열전소자의 한극, 열극을 배치시켜 발전을 효율적으로 하는 방식, 타이어 이너라이너 상에 이너라이너에 가까운 곳에 한층, 한층 위에 발전층, 발전층 위에 열층 등과 같이 3단으로 배열하여 타이어와 내부 공기의 온도차를 통해 발전하는 방식이 개시되어 있다.

KR 1267969 B1 US 2009-0151440 A1

상기 종래기술 1은 타이어 내부에 열전소자를 삽입하는 방식이 개시되어 있지만, 열전소자를 전력을 생성하여 자가발전 위한 것이 아닌 타이어 내부의 열을 배출하기 위한 수단으로 사용하고 있어 본 발명과 목적하는 바가 상이하고, 벨트 사이에 이물질이 들어가는 원리가 되어 타이어의 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상기 종래기술 2는 타이어 내부에 부착하기 위해 접착제를 사용하여 접착 내구성에 문제가 될 수 있으며, 극체 즉, 열극과 한극을 면적으로 사용하여 충격에 의한 파손우려가 있어 발전의 효율성 및 전기적 쇼트가 발생할 수 있는 단점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 타이어 내부에 열전소자를 포함하는 자가발전장치를 안정적으로 고정시키면서 발전 효율성을 가지는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어에 관한 기술을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어에 있어서, 상기 타이어의 이너라이너(inner liner) 상에 부착되고, 상기 타이어 내부의 센서모듈에 전력을 공급하는 기능을 구비하는 열전소자를 포함하는 전력생성층; 상기 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착 및 고정시키고, 탈착을 방지하는 보호층; 을 포함하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전력생성층은 상기 이너라이너의 원주방향을 따라 전면에 걸쳐 연속적으로 부착 고정될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 상기 전력생성층 전체를 완전히 덮는 형태일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 1개 이상의 밴드패치로 구성되고, 상기 밴드패치는 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 결합되는 결합부 및 상기 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 밴드패치는 타원형, 원형, 오목형 및 사각형 중에서 어느 하나의 형상으로 되고, 상기 결합부는 상기 밴드패치의 양측 단부 각각에 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA), 합성고무, 천연고무, 우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 호모 중합체 또는 이들 단량체의 공중합체로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 상기 이너라이너와 동일한 재질로 될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 점성을 갖는 물질을 포함하여 이루어지고, 상기 점성을 갖는 물질은 실란트, 실리콘, 접착제, 접착성을 갖는 폴리머로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층은 상기 이너라이너 두께의 20~120% 두께로 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열전소자는 제1 금속과 제2 금속을 포함하여 이루어지고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 와이어 형태를 가지며, 서로 교차시켜 접점을 형성할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 열전도도가 다른 금속으로 구성되고, 상기 타이어의 내부에서 전달되는 열에 각각 상이한 온도로 발열하며, 열전도도에 따른 서로 다른 온도의 온도차에 의해 상기 접점에서 전력을 생성할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서, (i) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (ii) 상기 이너라이너 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층을 형성하는 단계; (iii) 상기 전력생성층 위에 보호층을 형성하는 단계; (iv) 상기 (iii)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화 시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서, (ㄱ) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (ㄴ) 상기 그린타이어를 가류하는 단계; (ㄷ) 상기 (ㄴ)단계의 타이어의 상기 이너라이너 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층을 형성하는 단계; (ㄹ) 상기 전력생성층 위에 보호층을 형성하는 단계; (ㅁ) 상기 보호층을 가열하여 상기 보호층과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서, (a) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (b) 상기 타이어의 내부 표면에 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 고정되는 결합부, 열전소자를 포함하는 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부 및 상기 가압부의 표면과 상기 타이어의 내부 표면이 상호 부착되는 것을 방지하기 위하여 상기 가압부의 하부에 위치하는 가압부-타이어부착방지구조(30)를 포함하는 보호층을 형성하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층의 결합부와 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; (d) 상기 가압부-타이어부착방지구조를 제거하는 단계; (e) 상기 가압부-타이어부착방지구조가 제거된 공간에 상기 전력생성층을 삽입하여 고정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 (e)단계 이전에, 상기 전력생성층의 일부위에 임시 또는 영구 고정용 접착제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 가압부-타이어부착방지구조는, 상기 (c)단계에서의 가류하는 공정의 온도에서 용융되지 않는 고온 폴리머 재질로 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 타이어의 구조를 변경하지 않고 이너라이너 위에 전력생성층을 부착하여 전력을 생성할 수 있다는 제1 효과, 현 타이어 제조 설비의 개조없이, 제조 공정을 변경할 필요 없이 본 발명을 적용할 수 있다는 제2 효과, 지속적인 자가발전이 가능하여 타이어 내부에 센서를 이용할 때 전력 문제를 해결할 수 있다는 제3 효과, 발전소자 삽입으로 인한 추가성능 검증을 위한 비용을 절감할 수 있다는 제4 효과 및 전력생성층 아래는 이너라이너가 형성되어 공기의 누설을 막을 수 있고, 전력생성층 위를 보호층으로 고정하기 때문에 타이어 회전시 탈착을 막을 수 있다는 제5 효과를 갖는다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밴드패치 형태의 보호층의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 특수형상으로 되는 밴드패치 형태의 보호층의 평면도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 밴드패치 형태의 보호층의 배치구조를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법의 일실시예에 따른 필름형태의 가압부-타이어부착방지구조의 적용을 설명하는 단면 모식도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 단면 모식도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어(1)에 관한 것으로, 상기 타이어(1)의 이너라이너(2) 상에 부착되고, 상기 타이어(1) 내부의 센서류에 전력을 공급하는 기능을 구비하는 열전소자를 포함하는 전력생성층(10), 상기 전력생성층(10)을 상기 이너라이너(2)에 밀착 및 고정시키고, 탈착을 방지하는 보호층(20)을 주요 구성요소로 갖는다.

이하, 각 구성요소 별로 상술하기로 한다.

본 발명에서 전력생성층(10)은 상기 타이어 내부의 센서모듈에 전력을 공급하는 기능을 수행한다. 상기 전력생성층(10)은 전기적인 동력이 필요한 센서모듈에 배터리 등의 외부 전력공급원 없이도 자동차에서 타이어의 회전에 의한 자가발전으로 전력을 생성하여 반영구적으로 센서모듈에 전력을 공급할 수 있다.

상기 센서모듈은 하나 이상의 센서 소자 및 이들이 실장되는 기판 등을 포함하며, 외부에 위치하는 컨트롤러로부터의 신호를 수신하거나, 센서 소자가 수집한 타이어내부/노면 데이터 등을 송신하는 통신소자 및 안테나 등을 포함할 수 있다. 센서소자가 수집하는 정보로는, 타이어의 내부압력, 내부온도, 노면상태, 타이어 각부위의 마모정도, 차량 주행상태, 각 타이어의 종/횡가속도 등의 정보를 포함할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 센서모듈에만 한정되지 않고 그 이외에도 다른 측정장치 등의 전력공급이 필요한 장치에 상기 전력생성층(10)은 모두 사용 가능하다. 상기 전력생성층(10)은 상기 이너라이너(2)의 원주방향을 따라 전면에 걸쳐 연속적으로 부착 고정될 수 있고, 길이나 폭은 센서모듈에 필요한 전력량에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에 따른 전력생성층(10)은 열전소자를 사용하여 전력을 생성한다. 열전소자란 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 소자로, 두 개의 서로 다른 금속의 접합부의 온도차에 의해 열기전력이 발생하는 제백효과(seebeck effect)를 응용하여 전력을 생성한다.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 복수개의 밴드패치 형태의 보호층(20)의 배치구조를 나타내는 평면도이다. 도 4를 참조하면, 보호층(20) 아래에 열전소자를 포함하는 전력생성층(10)이 이너라이너(2) 상에 형성되어 있으며, 상기 열전소자는 제1 금속(11)과 제2 금속(12)을 포함하여 이루어지고, 상기 제1 금속(11) 및 상기 제2 금속(12)은 와이어 형태를 가지며, 서로 교차시켜 접점(13)을 형성할 수 있다. 그리고 상기 제1 금속(11) 및 상기 제2 금속(12)은 서로 열전도도가 다른 금속으로 구성되고, 상기 타이어의 내부에서 전달되는 열에 각각 상이한 온도로 발열하며, 열전도도에 따른 서로 다른 온도의 온도차에 의해 상기 접점(13)에서 전력을 생성할 수 있다.

일반적으로 타이어는 하중을 받으면 변형이 생기고, 주행하면 반복응력을 받아 히스테리시스 손실 등에 의하여 타이어 내부에 열을 발생하게 된다. 즉 차량 주행시 타이어는 지면으로부터 힘을 받아 상하 및 회전운동을 하게 되는데, 이때 타이어 내부의 반제품들이 상호적으로 굴신운동을 일으키게 되고 이로 인해 타이어 내부에 열이 발생하게 된다.

타이어 내부에 발생된 열은 상기 열전소자를 구성하는 제1 금속(11) 및 제2 금속(12)이 전달받아 다른 열전도도에 의해 각각 상이한 온도로 발열하게 되고, 양 금속이 교차 접촉하는 접점(13)에서는 상기 제1 금속(11)과 상기 제2 금속(12)의 온도차에 의해 열전류가 발생하게 된다. 상기 제1 금속(11)과 상기 제2 금속(12)은 온도차가 발생하도록 서로 다른 열전도도를 가지는 금속을 사용하고, 상기 금속의 종류는 백금-로듐, 백금로듐-백금, 크로멜-콘스탄탄, 구리-콘스탄탄 등의 합금일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 열전소자에 이용되는 금속으로 공지되어 있는 금속재료라면 열전도도에 차이가 있는 경우에 어느 것이라도 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자의 구조를 나타내는 평면도이다. 도 6을 참조하면, 상기 센서모듈에 공급되어야 할 전력이 더 필요한 경우에는 접점(13)의 개수를 변경하여 전력 생성을 더 크게 할 수 있다. 도 6에서 나타낸 것처럼 교차되는 금속 와이어의 개수를 증가하여 메쉬형태의 접점(13)으로 제작할 수도 있고, 필요에 따라 직렬로 연결하여 발생 전압을 크게 하거나, 병렬로 연결하여 발생 전류를 크게 할 수도 있다. 상기 제1 금속(11) 및 제2 금속(12)의 접합 형태는 이에 한정되지 않고 필요한 전력 생성 정도에 따라 다른 형태를 가질 수 있다.

상기 전력생성층(10)에는 상기 열전소자 이외에도 타이어 주행에 따라 온도가 불규칙하게 변하기 때문에 간단한 전압안정회로 및 승압, 강압회로, 정류회로가 포함될 수 있다. 또한, 전력생성층에서 전력생성수단으로 압전소자 등 기타 다른 자가발전수단도 가능하며, 열전소자에 제한되지 않음을 명시한다.

본 발명에서 보호층(20)은 타이어의 이너라이너(2) 상에 상기 전력생성층(10)을 부착 고정시키기 위한 수단으로써, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 보호층(20)은 상기 전력생성층(10) 전체를 완전히 덮는 형태일 수 있다. 완전히 덮는 덮개 형태의 경우, 상기 전력생성층(10)을 이너라이너(2)상에 확실히 고정하여 타이어 회전시에도 안정적으로 고정되고 탈착을 방지할 수 있다. 전력생성층(10)이 타이어 내부 공기와 접촉하지 않아서 온도 변화에 따른 전력 생성 효율이 감소할 수 있다.

또한, 상기 보호층(20)은 1개 이상의 밴드패치로 구성되고, 상기 밴드패치는 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 결합되는 결합부(21) 및 상기 전력생성층(10)을 상기 이너라이너(2)에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부(22)를 포함하여 이루어질 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 보호층(20)은 상기 타이어의 내부표면에서 이너라이너(2) 양끝단에 부착, 결합되어 전력생성층(10)을 고정시킬 수 있으나, 이에 한정되지 않고 타이어 내부의 숄더부 양측에 부착될 수도 있고, 다른 일실시예에서 타이어의 사이드 월 양측에 부착되어 전력생성층(10)을 고정시킬 수 있다. 다만, 결합하는 위치는 전력생성층(10)이 타이어의 내부 표면과 안정적으로 밀착하여 장착 신뢰성을 충분히 확보하기 위하여 숄더부에 부착되는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밴드패치 형태의 보호층(20)의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 밴드패치는 타원형, 원형, 오목형 및 사각형 중에서 어느 하나의 형상으로 되고, 상기 결합부(21)는 상기 밴드패치의 양측 단부 각각에 형성될 수 있다. 양 결합부(21)의 사이 영역은 가압부(22)가 형성되므로, 전력생성층(10)은 가압부(22)의 측면을 통해 가압부(22)의 밑면으로 삽입되는 구성을 취하게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 특수형상으로 되는 밴드패치 형태의 보호층(20)의 평면도이다. 도 3을 참조하면, 밴드패치 형태의 보호층(20)의 형상은 도 2의 형태에 제한되지 않고, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 "X"형태, 나아가 도 3의 (b)에 도시된 바와 같은 "*"형태 혹은 "+" 형태로도 가능할 수 있을 것이다.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 밴드패치 형태의 보호층(20)의 배치구조를 나타내는 평면도이다. 먼저 도 4를 참조하면, 복수의 밴드패치는 "ㅡ" 형태로 타이어의 내측 표면에 각각 고정될 수 있으며, 소정의 간격을 두고 고정된 복수의 밴드패치의 가압부(22) 하단에 타이어의 원주방향을 따라 연속적으로 열전소자를 포함하는 전력생성층(10)이 부착 고정될 수 있다. 또한, 도 5를 참조하면, 복수의 밴드패치는 "X"형태로 타이어의 내측 표면에 각각 고정될 수 있다. 상기 "X"형태는 도 5에서 도시한 것처럼 일자형태의 밴드패치를 교차하여 부착 고정시킬 수 있고, 또는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 "X"형태의 밴드패치를 사용하여 부착 고정시킬 수 있다. 이때 제1 금속(11)과 제2 금속(12)의 접합 부위인 접점(13)은 타이어 내부 공기와 접촉할 수 있도록 밴드패치를 위치시킬 수 있다.

상기 밴드패치는, 신축가능한 소재로 되며, 이로 인해, 가압부(22)는 전력생성층(10)이 고정된 상태(설치상태)와 전력생성층(10)의 고정이전상태에서나 고정된 후 탈거된 상태(이탈상태)에서의 신장방향으로의 길이가 서로 달라질 수 있게 되는 것이다. 상기 밴드패치의 소재는 탄성체로 간주되고, 고유한 탄성계수를 보유하게 되며, 신장방향으로의 변형길이에 비례하여 수축력이 발생하며(후크의 법칙), 이러한 수축력이 전력생성층(10)이 설치되었을 때, 상기 밴드패치가 전력생성층(10)의 상면에 가하게 되는 하방 압력의 원천이 된다.

또한, 상기 밴드패치의 소재의 탄성계수가 큰 경우, 상기 밴드패치의 신장에 큰 힘이 필요하여 설치가 어려울 수 있으며, 신축성이 작은 경우, 애초에 전력생성층(10)을 설치하는 것이 불가능할 수도 있기 때문에 전력생성층(10)의 장착 전후 길이간의 차이도 고려하여야 한다.

결합부(21)는, 다양한 형상으로 형성할 수 있고, 그 크기도 정해진 것은 아니나, 결합부(21)의 타이어 내부 표면과의 접촉면적이 클수록 타이어 내부 표면과 전력생성층(10)과의 결합력을 더 크게 형성할 수 있다는 것을 고려하여 결정하여야 하며, 나아가 가압부(22)의 크기가 커진다면, 결합부(21)의 크기도 크게 설정하는 것이 바람직하다.

보호층(20)은 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA), 합성고무, 천연고무, 우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 호모 중합체 또는 이들 단량체의 공중합체로 이루어질 수 있다. 또한, 라텍스 등의 소재를 적용할 수 있음은 물론이다. 보호층(20)은 기본적으로, 소정의 탄성을 보유할 수 있도록 조성물의 설계를 수행하여야 한다. 또한, 보호층(20)은 이너라이너(2) 상에 형성하는 경우, 보호층(20)의 소재를 이너라이너(2)와 동일한 재질로 할 수 있는데, 이는 특히 후술하는 바와 같이 보호층(20)과 이너라이너(2)를 가류공정에 의해 결합하는 경우, 별도의 접착제를 사용하지 않으면서도 상호 결합성을 극대화 시킬 수 있는 등의 유리한 점이 있음을 감안한다. 또한, 보호층(20)은 부착, 고정을 위하여 점성을 갖는 물질을 포함하여 이루어지고, 상기 점성을 갖는 물질은 실란트, 실리콘, 접착제, 접착성을 갖는 폴리머로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상일 수 있다.

상기 보호층(20)은 상기 이너라이너(2) 두께의 20~120% 두께로 형성될 수 있다. 일반적으로 16인치 승용타이어의 이너라이너(2)의 두께는 1.5mm로 형성됨을 감안할 때, 20% 미만으로 형성되는 경우, 보호층(20)의 두께가 지나치게 얇아 전력생성층(10)의 삽입 시, 파단이 발생하는 등의 내구성 문제가 발생할 가능성이 크고, 120%를 초과하여 형성되는 경우, 전력생성층(10)의 부착 시 또는 부착 이후, 해당 부위의 질량 증가분이 무시할 수 있는 수준을 넘어서므로, 국부적으로 균일화되지 않은 원심력이 발생하게 되고, 이는 타이어의 편마모를 야기하는 등의 문제를 발생시킬 수 있음을 감안한다.

다음은, 상기 본 발명에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어(1)의 제조방법과 관련하여 설명하기로 한다. 크게 3가지의 방법으로 본 발명에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어(1)를 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

첫번째 방법으로, (i) 이너라이너(2)를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (ii) 상기 이너라이너(2) 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층(10)을 형성하는 단계; (iii) 상기 전력생성층(10) 위에 보호층(20)을 형성하는 단계; (iv) 상기 (iii)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층(20)과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다.

가류공정은, 미가황의 그린타이어를 가류 금형에 장착시킨 후, 열과 압력을 가하여 타이어를 소정의 형상으로 성형하는 동시에 타이어의 요구물성을 확보하는 공정인데, 본 발명에서의 보호층(20)을 타이어 내부 표면에 결합하는데 활용할 수 있다. 이때 보호층(20)의 재질은 이너라이너(2)와 동일한 재질을 사용하여 가류공정의 효과를 극대화할 수 있다.

두번재 방법으로, (ㄱ) 이너라이너(2)를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (ㄴ) 상기 그린타이어를 가류하는 단계; (ㄷ) 상기 (ㄴ)단계의 타이어의 상기 이너라이너(2) 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층(10)을 형성하는 단계; (ㄹ) 상기 전력생성층(10) 위에 보호층(20)을 형성하는 단계; (ㅁ) 상기 보호층(20)을 가열하여 상기 보호층(20)과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다. 첫번째 방법과의 차이는 가류공정까지 수행하여 타이어를 형성한 후 전력생성층(10)과 보호층(20)을 형성한다는 것인데, 별도의 가열공정이 필요하지만, 타이어의 구조를 변경하지 않고, 기존의 제조 공정을 변경할 필요 없이 본 발명의 타이어를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 상기 방법에 따르는 경우, 접착, 고정 성능을 향상시키기 위해 실란트, 실리콘, 접착제, 접착성을 갖는 폴리머 등의 점성을 갖는 물질을 보호층(20)의 물질로 사용할 수 있다.

세번째 방법으로, (a) 이너라이너(2)를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계; (b) 상기 타이어의 내부 표면에 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 고정되는 결합부(21), 열전소자를 포함하는 전력생성층(10)을 상기 이너라이너(2)에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부(22) 및 상기 가압부(22)의 표면과 상기 타이어의 내부 표면이 상호 부착되는 것을 방지하기 위하여 상기 가압부(22)의 하부에 위치하는 가압부-타이어부착방지구조(30)를 포함하는 보호층(20)을 형성하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층(20)의 결합부(21)와 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; (d) 상기 가압부-타이어부착방지구조(30)를 제거하는 단계; (e) 상기 가압부-타이어부착방지구조(30)가 제거된 공간에 상기 전력생성층(10)을 삽입하여 고정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법을 제공한다. 상기 방법과의 차이는 보호층(20)을 먼저 형성하여 가류 공정후 전력생성층(10)을 삽입 고정한다는 점으로, 가류공정에서 전력생성층(10)의 변형 우려가 없으며, 접착제 등의 성분을 사용하지 않고도 전력생성층(10)을 고정시키고 탈착을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 (e)단계 이전에 상기 전력생성층(10)의 일부위에 임시 또는 영구 고정용 접착제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 임시 고정용의 접착제의 접착력은 강할 필요는 없는 반면, 영구적으로 전력생성층(10)을 타이어의 내부 표면상에 고정하고자 할 경우, 접착력이 강한 접착제를 적용할 수 있을 것이다. 이와 같이 접착제를 추가 적용하는 경우, 보호층(20)이 제공하는 하방 압력에 접착제의 접착력이 더 부가되므로, 전력생성층(10)의 장착 신뢰성을 증대시킬 수 있다.

가류공정 중 보호층(20)을 구성하는 밴드패치의 가압부(22)의 표면이 타이어의 내부 표면과 상호 부착되는 것을 방지하기 위하여 가류공정 이전에, 가압부(22)의 하부에 가압부-타이어부착방지구조(30)를 위치시킬 수 있다. 이러한 가압부-타이어부착방지구조(30)는, 적어도 그 표면이 가류공정의 온도에서 용융되지 않는 고온 폴리머 재질로 되는 것이 요구된다.

도 7은 본 발명의 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법의 일실시예에 따른 필름형태의 가압부-타이어부착방지구조(30)의 적용을 설명하는 단면 모식도이다. 도 7의 (a)를 참조하면, 가압부-타이어부착방지구조(30)는, 그 형상이 두께가 얇은 필름형상일 수 있는데, 이 경우, 가압부(22)의 신장방향의 초기 길이를 최소로 할 수 있으며, 이러한 실시예는 적용되는 전력생성층(10)의 두께가 얇은 경우에 적용하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 가압부-타이어부착방지구조(30)는, 가류공정을 통해 보호층(20)의 결합부(21)와 타이어 내부 표면의 결합이 완료된 이후에는, 제거하여야 하는데, 제거 시기는 전력생성층(10)의 장착 이전의 임의의 시점이면 충분하다.

도 7의 (c)를 참조하면, 가압부(22)에 힘을 가하여 보호층(20)을 상방향으로 신장시킨 후, 신장된 보호층(20)의 측면을 통해 가압부-타이어부착방지구조(30)를 제거하고 생성된 전력생성층 삽입공간(31)에 전력생성층을 위치시킨다. 다음으로 신장시키는 힘을 제거하면 보호층(20)이 수축하면서 가압부(22)가 전력생성층(10)에 하방 압력을 가하도록 하면서 타이어 내부표면과의 밀착상태를 유지하도록 한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 타이어
2: 이너라이너(inner liner)
10: 전력생성층
11: 제1 금속
12: 제2 금속
13: 접점
20: 보호층
21: 결합부
22: 가압부
30: 가압부-타이어부착방지구조
31: 전력생성층 삽입 공간

Claims (16)

1. 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어에 있어서,
   상기 타이어의 이너라이너(inner liner) 상에 부착되고, 상기 타이어 내부의 센서모듈에 전력을 공급하는 기능을 구비하도록 서로 다른 열전도를 갖는 제1 금속 및 제2 금속으로 이루어져 서로 다른 온도차에 의해 제1 금속 및 제2 금속이 교차하여 형성된 접점에서 전력을 생성하는 열전소자를 포함하는 전력생성층; 및
   상기 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착 및 고정시키고, 탈착을 방지하도록 마련되며, 상기 이너라이너와 동일한 재질의 소재로 마련되어 상기 이너라이너와 가류 공정에 의해 결합되는 보호층; 을 포함하며,
   상기 타이어는, 차량 주행시 지면으로부터 전달받는 반복응력에 의해 내부의 반제품들이 상호적으로 굴신운동을 일으킴에 따라 내부에 열이 발생하며,
   서로 다른 열전도를 갖는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은, 상기 타이어 내부 열에 의해 각각 상이한 온도로 발열되고,
   상기 열전소자는, 상기 접점에서의 온도차에 의해 발생한 열전류에 따라 전력을 생성하고,
   상기 열전소자는, 서로 다른 열전도를 갖는 복수의 금속 와이어를 더 포함하며, 상기 복수의 금속 와이어를 메쉬형태로 교차하여 복수의 접점을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전력생성층은 상기 이너라이너의 원주방향을 따라 전면에 걸쳐 연속적으로 부착 고정되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층은 상기 전력생성층 전체를 완전히 덮는 형태인 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층은 1개 이상의 밴드패치로 구성되고, 상기 밴드패치는 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 결합되는 결합부 및 상기 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 밴드패치는 타원형, 원형, 오목형 및 사각형 중에서 어느 하나의 형상으로 되고, 상기 결합부는 상기 밴드패치의 양측 단부 각각에 형성되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층은 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA), 합성고무, 천연고무, 우레탄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 호모 중합체 또는 이들 단량체의 공중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층은 점성을 갖는 물질을 포함하여 이루어지고, 상기 점성을 갖는 물질은 실란트, 실리콘, 접착성을 갖는 폴리머로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상인 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층은 상기 이너라이너 두께의 20~120% 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 청구항 1에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서,
    (i) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계;
    (ii) 상기 이너라이너 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 전력생성층 위에 보호층을 형성하는 단계;
    (iv) 상기 (iii)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법.
    
13. 청구항 1에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서,
    (ㄱ) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계;
    (ㄴ) 상기 그린타이어를 가류하는 단계;
    (ㄷ) 상기 (ㄴ)단계의 타이어의 상기 이너라이너 상에 열전소자를 포함하는 전력생성층을 형성하는 단계;
    (ㄹ) 상기 전력생성층 위에 보호층을 형성하는 단계;
    (ㅁ) 상기 보호층을 가열하여 상기 보호층과 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법.
    
14. 청구항 4에 따른 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법에 있어서,
    (a) 이너라이너를 구비하는 그린타이어를 형성하는 단계;
    (b) 상기 타이어의 내부 표면에 신축가능한 소재로 되고, 상기 타이어의 내부 표면과 고정되는 결합부, 열전소자를 포함하는 전력생성층을 상기 이너라이너에 밀착시키고, 밀착상태를 유지하는 기능을 구비하는 가압부 및 상기 가압부의 표면과 상기 타이어의 내부 표면이 상호 부착되는 것을 방지하기 위하여 상기 가압부의 하부에 위치하는 가압부-타이어부착방지구조를 포함하는 보호층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계의 타이어를 가류하여 상기 보호층의 결합부와 상기 타이어의 내부 표면이 결합되어 일체화 시키는 단계;
    (d) 상기 가압부-타이어부착방지구조를 제거하는 단계;
    (e) 상기 가압부-타이어부착방지구조가 제거된 공간에 상기 전력생성층을 삽입하여 고정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 (e)단계 이전에, 상기 전력생성층의 일부위에 임시 또는 영구 고정용 접착제를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법.
    
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 가압부-타이어부착방지구조는, 상기 (c)단계에서의 가류하는 공정의 온도에서 용융되지 않는 고온 폴리머 재질로 되는 것을 특징으로 하는 열전소자를 이용하여 자가발전이 가능한 타이어의 제조방법.

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