KR101843959B1 - 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본원 발명은 개선된 발전 성능을 가지는 웨어러블 열전발전 시스템을 개시한다. 본원 발명의 웨어러블 열전발전 시스템은 착용자의 피부표면에 접촉하고 인체의 열을 흡수할 수 있는 기판, 상기 기판 상부에 구성되는 열전소재와 전극을 포함하여 구성되는 열전소자. 상기 열전소자의 상부에 구성되는 공기에 노출되어 열 교환을 할 수 있는 히트싱크 및 상기 열전소자와 연결되는 전력관리 회로(energy management integrated circuit: EMIC)를 포함한다. 수 mm 이내 두께의 열전소자 양단의 온도 차이를 최대한의 크기로 지속적 유지를 위한 요소기술과 외부 환경 및 전자기기 상태에 맞춰 출력전압을 조절할 수 있는 전력관리기능을 특징으로 하는 웨어러블 열전발전 시스템이다.

Description

웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템{Thermoelectric generation system for wearable device}
본원 발명은 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 대한 것이다. 보다 구체적으로는 착용자의 피부표면에 접촉하고 인체의 열을 흡수할 수 있는 열전도성 기판, 상기 열전도성 기판의 상부에 구성되는 열전소재와 전극의 포함하여 구성되는 열전소자, 상기 열전소자의 상부에 구성되는 공기에 노출되어 열 교환을 할 수 있는 히트싱크 및 상기 열전소자와 연결되는 전력관리회로(EMIC)를 포함하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 대한 것이다.
웨어러블 전자기기를 사용하면 기존보다 간편하고 밀접하게 전자정보기술을 누릴 수 있고 나아가 새로운 애플리케이션을 창출할 수 있다. 향후 센서, 네트워크, 의료기기, 보안장비 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상이 되며, 해당 기술 개발이 활발히 이루어져 가는 중이다. 그러나 휴대용 전자기기와 마찬가지로 웨어러블 전자기기 또한 전원 공급이 중요한 요소이며, 소형 배터리를 활용하는 것 이외에는 현재 대안이 없는 상태이다. 배터리의 단점은 전원을 이용한 충전이 필요하다는 것인데, 이런 문제에 대하여 열전발전 시스템이 대안이 될 수 있다.
열전발전 시스템은 사물의 온도 차이에서 발생하는 열 흐름을 이용하여 발전한다. 열전소재의 경우, 내부에 온도 차이가 발생하면, 전하 운반자가 고온부에서 저온부로 확산하는 제백 효과(Seebeck effect)에 의해 기전력을 상대적으로 쉽게 생성할 수 있다. 이러한 열전발전에서는 열원이 에너지원이 되며, 열원은 체열, 태양열, 자동차 폐열, 각종 발전소 폐열 등 다양한 형태로 주변에 존재하고 있다. 따라서 전력망과는 분리된 독립된 발전시스템(off-grid generators)으로서 열전발전 시스템이 활용될 수 있으며, 관련 연구가 오랫동안 진행되어 왔다.
그러나 대규모 폐열을 활용한 열전발전 시스템은 쉽게 상용화되었음에도 체열을 활용한 열전발전은 아직 다양한 기술개발을 요구하고 있다. 체열 발전이 어려운 이유는 첫째, 일반 성인이 평상시에 방출하는 단위 면적당 열량은 불과 수 mW/cm2에 불과하다. 둘째, 방출하는 열량과 상관없이 피부의 온도는 30℃를 조금 웃도는 수준으로, 실내대기와의 온도차이가 5~10℃에 불과하다. 따라서 체온을 활용한 열전발전을 위해서는 고효율의 열전소재, 열전소재 양단의 온도차를 극대화하는 열전모듈 구조와 수동적 히트싱크, 체열을 효율적으로 흡수할 수 있는 기판, 그리고 시간에 따라 변하는 발전량에 대응할 수 있는 전력관리 회로가 필요하다.
종래의 체온을 활용한 열전발전 시스템은 인체 착용이 가능한 밴드에 다수의 열전모듈을 끼워넣고, 전기적으로 직렬로 연결하여 발전하도록 하였다. 각각의 열전모듈은 전통적인 열전모듈 구조를 채용하여 π모양으로 p형과 n형 열전소재를 교대로 배치하였다. 하지만, 이러한 열전모듈 디자인에서는 열전소재의 길이가 짧고, 방열을 위한 히트싱크(heat sink)가 존재하지 않으므로 열전소재 양단의 온도 차이를 일정수준 유지하기가 어렵다. 또한, 배터리 충전이나 전자기기 작동을 위해 필요한 전압 수준이 존재하나, 기존의 열전발전 시스템에서는 열전 전압을 필요한 출력전압으로 조절해주는 전력관리 회로를 포함하고 있지 않다. 따라서 열전발전 시스템을 활용하여 실질적으로 전자소자를 충전 또는 구동시키는 방안이 명확히 제시되지 않고 있다.
이와 관련된 종래기술로 미국 공개특허 공보 US2013-0087180A에서는 전통적인 열전모듈을 인체착용이 가능한 밴드에 삽입한 구조로 웨어러블 열전발전 시스템은 외주면, 내주면과 단열재로 밴드를 구성하며, 밴드 일부분에 열전모듈을 삽입하고 있고, 열전모듈 측면으로의 방열을 위해 특수 방열재를 사용하며, 열전모듈 상하부에는 열전도성이 우수한 기판을 장착하여 이러한 열전모듈에서 발생한 전력은 전자소자의 충전 또는 작동을 위해 밴드내부 전선을 통해 전달하는 기술을 개시하고 있고, 미국 공개특허 공보 US2014-0326287A에서 개시하고 있는 웨어러블 열전발전 시스템은 밴드에 사각형 구멍을 만들고, 각각의 구멍에 열전모듈을 끼워 넣는 구조이다. 밴드와 열전모듈은 탈부착을 위한 탭과 탭을 잡아주는 형상을 이용하여 조립할 수 있고, 밴드에는 전극이 프린팅 되어 있어 열전모듈들을 전기적으로 직렬 연결한다.
그러나 이와 같은 종래기술의 웨어러블 열전발전 시스템은, 밴드와 전통적인 열전모듈의 결합으로 이뤄져 있는 것에 불과한 것으로 상기 열전발전 시스템에는 체열에 의한 열전모듈 상하부의 온도 차이를 극대화하기 위한 특별한 기술이 결합되지 않았으며, 열전 전압과 전자소자의 요구 전압 사이의 간극을 해결해주는 기술이 제시되지 않는 점에서 한계를 가지고 있다..
미국 공개특허 공보 US2013-0087180A 미국 공개특허 공보 US2014-0326287A
S. J. Kim et al., Energy &　Environmental Science, 7, 1959, 2014. V. Leonov, IEEE Sensors Journal, 13, 2284, 2013. Z. Wang et al., Sensors and Actuators A., 156, 95, 2009.
본원 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 개발된 것으로, 체열을 에너지원으로 하지만 안정적인 열의 흐름을 유지시킬 수 있는 웨어러블 열전발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 방식은 단순히 밴드와 전통적 열전모듈을 결합할 경우, 열전모듈 양단의 온도차가 지속적으로 유지되기 어려운 문제를 해결하고, 장시간동안 열전발전을 할 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 본원 발명에서는 열전발전의 실질적 효용성을 도모하고자 열전전압을 전자기기 요구전압에 매칭할 수 있는 전력관리 회로를 제공하고자 한다. 통상적으로 휴대할 수 있는 열전모듈 규격에서 출력 전압은 수 mV 수준으로 휴대 혹은 웨어러블 전자기기가 요구하는 수 V 수준의 요구 전압에 크게 못 미치는 상황이다. 본원 발명에서 이를 해결하고자 한다.
본원 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위하여 열전모듈 양단의 온도 차이를 유지할 수 있는 구조와 요소를 갖는 웨어러블 열전발전 시스템을 제공한다.
본원 발명의 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템은 착용자의 피부표면에 접촉하고 인체의 열을 흡수하는 기판은 체열을 열전소자 하부에 효율적으로 전달하여, 열전소자 하부의 온도를 피부표면의 온도에 가깝게 유지하고자 한다.
본원 발명에서 포함된 열전소자는 웨어러블 디바이스의 특성상 수 mm 또는 그 이하의 두께를 갖지만, 열전소자 양단의 온도차가 수 ℃ 이상 유지하기 위하여 충분한 열저항을 갖도록 열전소재 구조를 설계한다. 상기 열전소재 구조는 기판에 평행한 방향으로 연장 또는 굴곡을 가질 수 있다. 열전소재가 기판과 평행한 방향으로 길이가 길어지면, 열저항이 커지므로 같은 양의 열이 흐르더라도 양단의 온도차가 커지게 될 것이다. 열전소재의 길이가 지나치게 길어지면 열저항 뿐만이 아니라 전기저항도 같이 커지고 열전소자의 성능을 저하시키므로, 열저항과 전기저항이 균형을 이루도록 열전소재 길이를 조절하도록 한다.
본원 발명에서 포함된 히트싱크는 열전소자 상부에 구성되어 공기와 열전소자 상부의 열전달을 용이하게 한다. 히트싱크는 체액 또는 액체를 포함하여 인간의 땀샘과 같이 액체의 기화반응을 통해 열전소자 상부를 공기의 온도에 가깝도록 유지시키는 기능을 하도록 한다.
본원 발명에서 포함된 전력관리 회로는 전력 전달(power transfer) 기능과 콜드 스타트(cold start) 기능을 포함하여, 열전발전 시스템이 외부 환경 변화에도 일정한 전압을 출력하게 하며, 낮은 전압이 형성되는 상황에서도 스타트업이 가능하도록 한다. 이는 웨어러블 발전시스템이 취약할 수 있는 외부 환경에 대한 의존성에 대해 보완하는 기능을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본원 발명은 착용자의 피부표면에 접촉한 상태에서 열전소자 양단의 온도 차이를 지속적으로 유지하며 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 외부 환경 변화에도 웨어러블 전자기기의 안정적인 구동을 돕는 전력관리 기능이 포함된 것도 중요한 장점이다.
도 1a은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 나타낸 사시도이다.
도 1b는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 A-A 방향에서 나타낸 측면도이다.
도 2a는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 나타낸 사시도이다.
도 2b는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 B-B 방향에서 나타낸 측면도이다.
도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 열전소자의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 전체 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하는 열전소자의 단면의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하는 단위 유닛의 내부에 구성되는 열전소재와 수분저장고의 배치를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하는 단위 유닛의 내부에 구성되는 열전소재와 수분저장고의 배치를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하는 단위 유닛의 내부에 구성되는 열전소재와 수분저장고의 배치를 나타낸 사시도이다.
이하, 본원 발명에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본원 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 “웨어러블 디바이스(Wearable Device)”는 착용할 수 있는 형태로 사용자가 거부감 없이 신체의 일부처럼 항상 착용하여 사용할 수 있는 안경, 시계, 의복, 컴퓨터 등의 모든 형태의 장치 및 이의 구동을 위한 애플리케이션을 포함하는 의미이다. 이러한 웨어러블 디바이스의 구체적인 활용 형태를 예를 들면, 휴대 가능한 ‘포터블(portable)’은 스마트폰 처럼 간편하게 휴대할 수 있는 형태의 제품으로 현재까지 출시된 안경, 시계, 팔찌 형태의 디바이스가 해당하고, 패치처럼 피부에 직접 부착하는 ‘어태처블(attachable)'은 피부에 부착 가능한 패치 형태로 체온, 압전, 운동에너지 등의 에너지원을 이용하는 것을 의미하며, 신체에 이식하거나 복용하는 ‘이터블(eatable)'은 궁극적인 단계로 신체에 직접 이식하거나 복용할 수 있는 것으로 현재 캡슐형태로 개발이 진행되고 있다.
또한, “열전발전 시스템”은 무기 열전소재, 유기 열전소재, 고분자 열전소재 또는 유무기 하이브리드 열전소재로 이루어진 군에서 선택되는 n형 및 p형의 열전소재, 각각의 열전소재를 연결하는 전극을 포함하는 열전소자, 열교환을 위한 히트싱크(heat sink) 및 전력관리회로(energy management integrated circuit: EMIC)를 포함하는 온도차를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전발전(thermoelectric generator: TEG)을 구성하는 하드웨어와 이를 구동하기 위한 소프트웨어를 포함하는 개념이다.
이하, 본원 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면과 같이 본원이 속하는 기술 분야에서 일반적인 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 본원의 구현 예 및 실시 예를 상세히 설명한다. 특히 이것에 의해 본원 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한을 받지 않는다. 또한, 본원 발명의 내용은 여러 가지 다른 형태의 장비로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템은 착용자의 피부표면에 접촉하고 인체의 열을 흡수할 수 있는 열전도성 기판(9), 상기 열전도성 기판의 상부에 구성되는 열전소재와 전극의 포함하여 구성되는 열전소자, 상기 열전소자의 상부에 구성되는 공기에 노출되어 열 교환을 할 수 있는 히트싱크(1) 및 상기 열전소자와 연결되는 전력관리회로(EMIC)를 포함하고, 상기 열전소자는 열전도성 기판의 평면방향으로 직선상으로 길게 상호 교대로 배치되거나, 열전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)(4)와 p형 열전소재 레그(leg)(3); 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재 일단의 상부를 서로 연결하는 제1전극; 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재의 타단의 하부를 서로 연결하는 제2전극; 및 열전소자 양단에 구성되는 제3전극을 포함하는 열전소자를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1a은 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 나타낸 것으로, 열전도성 기판의 평면방향으로 직선상으로 길게 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)와 p형 열전소재 레그(leg)로 구성되는 열전소재를 이용한 웨어러블 디바이스용 열전소자의 사시도이고, 도 1b는 상기 단위 유닛의 내부를 A-A 방향에서 나타낸 측면도이다.
도 2a는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛의 내부를 나타낸 것으로 전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)(4)와 p형 열전소재 레그(leg)(3)로 구성되는 열전소재를 이용한 웨어러블 디바이스용 열전소자의 사시도이고, 도 2b는 상기 단위 유닛의 내부를 B-B 방향에서 나타낸 측면도이다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템의 단위 유닛은 상부의 히트싱크(1), 상기 히트싱크 상에 다수개 구비되는 활성 개구(2), p형 열전소재 레그(3), n형 열전소재 레그(4) 및 이들 간을 전기적으로 연결하는 제1전극(5), 제2전극(5), 제3전극(5), p형 열전소재의 정션(junction)(6), n형 열전소재의 정션(junction)(7), 및 열전소재의 단위 유닛 내부에서 안정적 지지를 위한 지지대(8) 및 열전도성 기판(9)을 포함하여 구성될 수 있고, 도 1에서 별도로 도시하지는 아니하였지만 상부 히트싱크(1)와 하부의 열전도성 기판(9)과 이들 사이의 공간을 형성하는 단열소재로 전체 단위 유닛이 구성될 수 있다.
도 1a에 도시한 상기 열전소자는 열전도성 기판의 평면방향으로 직선상으로 길게 상호 교대로 배치되거나, 열전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)(4)와 p형 열전소재 레그(leg)(3); 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재 일단의 상부를 서로 연결하는 제1전극; 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재의 타단의 하부를 서로 연결하는 제2전극; 및 열전소자 양단에 구성되는 제3전극을 포함하는 것이 특징이다.
또한, 2a에 도시한 상기 열전소자는 전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)(4)와 p형 열전소재 레그(leg)(3)로 구성되는 점이 특징이며, 열전소재 일단의 상부를 서로 연결하는 제1전극; 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재의 타단의 하부를 서로 연결하는 제2전극; 및 열전소자 양단에 구성되는 제3전극을 포함하는 것은 도 1a와 동일하다.
또한, 제1전극은 n형 열전소재 레그(4)와 p형 열전소재 레그(3)의 상부를 연결하는 전극일 수 있고, 제2전극은 n형 열전소재 레그(4)와 p형 열전소재 레그(3)의 하부를 연결하는 전극일 수 있으며, 제3전극(5)은 열전소재 레그와 열전소재 정션을 연결하는 전극일 수 있다. 이는 열전소재 및 열전소재 정션의 연결에 있어서 서로 다른 3개의 위치에 전극이 존재할 수 있는 것을 의미하는 것일 뿐 서로 다른 것은 아니다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 열전발전 시스템의 단위유닛은 열전도성 기판(9)의 고온부와 히트싱크(1)의 저온부 사이의 온도 차이에서 발생하는 제백 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 도 1a, 1b 및 2a, 2b에 있어서, n형과 p형의 열전 소재 레그는 길이는 대략 1 ~ 5mm 내외로 구성하는 것이 웨어러블 디바이스의 제조에 보다 바람직하고 열저항이 큰 레그(leg)의 형태로 구성하도록 되어 있다.
한편, 도 2a와 도 2b에 나타낸 열전소재는 전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지는 형태로 이는 도 1의 열전소재에 비하여 단위 면적당 배치되는 열전소재의 양은 비록 감소하지만 절곡부의 공간을 추후 히트싱크의 하부에 구성되는 수분 저장고(reservoir)를 배치하는 공간으로 활용할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 도 3과 같이 열전소자가 상호 대향하여 끼움 형태로 배치하는 경우에는 단위 면적당 배치되는 열전소재의 양을 증가시켜 높은 밀도의 열전소재의 배치 또한 가능한 장점이 있는 구조이다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 절곡부를 가지는 열전소재가 상호 대향하여 끼움 형태로 배치되어 구성될 수 있다. 도 3은 본원 발명의 일 구현예에 따른 전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(4)와 p형 열전소재 레그(3)를 포함하여 구성되는 열전소자들이 상호 대향하여 끼움 형태로 배치되어 구성되는 것을 나타낸 것이다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 열전소자는 다수의 단위 유닛(11) 내에 구성되고, 상기 단위 유닛은 연결부품(10)으로 다수 개가 연결될 수 있다. 도 4는 본원 발명의 일 구현예에 따른 다수의 단위 유닛이 연결부품(12)을 통하여 서로 연결된 모습을 나타낸 것으로 연결부품에 의하여 개별 단위 유닛이 손목 등에 착용이 용이한 형태로 변형될 수 있어 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하게 된다. 도 4에 있어서 열전소자의 단위 유닛(11) 간의 전기배선 및 기계적 연결을 위한 연결부품(10)은 동시에 인체 착용을 돕는 밴드 구조를 형성할 수 있다. 연결부품(10)은 단위 유닛의 연결뿐만 아니라 단위 유닛 간의 전기적 연결을 위한 기능을 할 수 있는 것이 바람직하다.
도 4에 나타낸 바와 같은 밴드형 열전발전 시스템에서 단위 유닛을 제외한 구성에서 웨어러블 디바이스 본체(도 4의 중앙 부위) 및 본체의 인근에 구성되는 별도의 유닛의 내부에는 전력관리 회로 및 배터리 등을 포함하여, 웨어러블 전자기기의 충전 및 구동을 도울 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 도 4에는 본체 측면에 하나의 별도의 유닛으로 표현하였으나, 본체의 좌우로 각각 두 개의 별도 유닛에 전력관리 회로 및 배터리를 내장하여 구성하거나 또는 2개의 별도 유닛 모두에 전력관리 회로 및 배터리를 내장할 수도 있으며, 배터리는 디바이스 본체에 구성하고 별도 유닛에는 전력관리 회로만을 구성하거나, 또는 별도의 유닛의 없이 디바이스 본체에 전력관리 회로와 배터리를 모두 내장하여 구성할 수도 있으나, 본체에 전력관리 회로와 배터리를 모두 내장하는 경우에는 본체의 두께가 두꺼워져 착용에 불편함이 있을 수 있으므로 전력관리 회로와 배터리는 본체와 별도의 유닛에 구분하여 설치하는 것이 바람직하다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 열전소재 레그(leg)의 단면형상은 사각형, 하단부에서 상단부로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 형상 또는 하단부 보다 상단부의 폭이 좁은 2중 레그형상일 수 있다.
도 5는 본원 발명의 일 구현예에 따른 열전소재 레그(leg)의 단면형상을 나타낸 것으로 일반적인 사각형의 형태(도 5a)뿐만 아니라 하단부에서 상단부로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 형상(도 5b) 또는 하단부 보다 상단부의 폭이 좁은 2중 레그 형상(도 5c)일 수 있다. 특히, 단면형상이 하단부에서 상단부로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 모양의 경우 그 구조적 특징에 의하여 열전소재 자체의 열전도성을 사각형 단면보다 낮출 수 있으며 이러한 형태의 열전소재의 제조는 열전소재의 압출 및 압착 성형시 사용하는 통상적인 금형 또는 노즐의 단면을 사각형에서 사다리꼴로 변경함으로써 달성할 수 있다. 또한, 2중 레그 형상의 단면의 경우는 레그 한쪽, 즉 상부의 단면적을 줄여줌으로써 열전소재 자체의 열전도성을 더욱 낮출 수 있고, 이러한 2중 레그 형상의 단면을 가지는 열전소재의 경우는 각각의 서로 다른 단면의 크기를 가지는 레그를 2개를 통상의 방법으로 압출 성형한 후 이를 접합 또는 압착하여 제조할 수도 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 인접한 n형 열전소재(4)와 p형 열전소재(3) 레그(leg) 사이에는 소정의 공간이 형성될 수 있다. 도 1 내지 도 2에 나타낸 바와 같이 열전소재 레그(leg) 사이에는 공간이 형성되어 있고, 도 5에서도 열전소재 레그(leg) 간의 공간이 구비되어 있다. 본원 발명의 일 구현예에 따른 열전소재 레그(leg) 사이의 공간은 진공 상태 또는 공기보다 열전도도가 낮은 단열재로 충진되거나 또는 해당 공간을 도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같이 히트싱크 하부에 구성되는 수분 저장고(reservoir)(R)의 공간으로 활용할 수도 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 열전소자는 하부의 열전도성 기판과 상부의 히트싱크를 연결하는 측면에 의하여 구획되는 공간인 단위 유닛 내에 배치될 수 있다. 도 1과 도 2 및 도 4를 참조하면, 하부의 열전도성 기판(9), 상부의 히트싱크(1) 및 측면으로 구획되는 공간 내에 열전소자가 배치된 형태를 나타낸 것이고, 상기 단위 유닛 내의 공간은 진공 상태 또는 공기보다 열전도도가 낮은 단열재로 충진되는 것이 바람직하다. 이와 같이 밀폐된 공간이 진공 상태 또는 공기보다 열전도도가 낮은 단열재인 퓸드 실리카(fumed silica), 발포체, 다공성 재료 등의 단열재로 충진함으로써 불필요한 열의 전달에 의한 열전발전 효율의 감소를 방지할 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 히트싱크는 다수의 활성 개구(active pore)(2) 즉, 땀샘 모사 구멍과 상기 활성 개구 하부에 구성되는 수분 저장고(reservoir)(R)로 구성되며, 상기 수분 저장고(reservoir)는 열전소재의 열전소재 레그(leg) 상부 또는 레그들 사이의 소정의 공간에 배치될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 이러한 수분 저장고가 다양한 형태로 열전 소재 레그(leg) 사이의 공간에 배치되는 형태를 나타낸 것으로, 이때 히트 싱크의 다수의 활성 개구(2)는 열전소재 레그 사이의 공간의 상부에 위치하는 것이 보다 바람직하고 해당 활성 개구의 하부로 수분 저장고(reservoir)(R)가 배치되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 도 6은 사각형 단면을 가지는 p형 열전 소재 레그(leg)와 n형 열전 소재 레그 사이의 공간에 수분저장고(5)가 배치될 수 있음을 나타낸 것이고, 도 7은 하단부 보다 상단부의 폭이 좁은 2중 레그형상의 상단부 공간에 수분저장고(R)가 배치될 수 있음을 나타낸 것이며, 도 8의 경우는 전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 p형 열전소재의 절곡부 내부 공간에 수분저장고(R)가 배치되는 경우를 나타낸 것이다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 열전소재는 상기 열전소재는 무기 열전소재, 유기 열전소재, 고분자 열전소재 또는 유무기 하이브리드 열전소재로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 무기열전 소재는 Bi-Sb-Te-Se계 상온용 열전소재, 그래핀 나노메쉬 구조체 또는 CNT섬유중 하나일 수 있고, 유무기 하이브리드 열전소재는 P3HT/CNT, SWCNT/TeNW, rGO/PEDOT:PSS/TeNW, PEDOT/Te, Bi-Te/PEDOT 중 1종일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 무기열전 소재는 p형은 BiSbTe이고 n형은 BiTeSe일 수 있고, 상기 무기열전 소재 p형은 스파크 플라즈마 소결법(SPS)으로 제조될 수 있고, 상기 무기열전 소재 n형은 압출공정(texturing)으로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로 무기열전 소재는 상온에서 우수한 열전성능 (Z>310-3/K) 을 나타내는 Bi-Sb-Te-Se계 무기 소재를 사용할 수 있다. p형 열전소재로는 BiSbTe 소재가, n형 열전소재로는 BiTeSe 소재가 바람직하고, 무기 소재가 안정적인 기계적 강도를 확보하려면 다결정 구조를 가져야 하므로, p형은 용융재료를 냉간 변형 및 저온소결을 통하여 소재를 제조할 수 있는 스파크 플라즈마 소결법(Spark plasma sintering: SPS)으로 소결된 것을, n형은 열전 소재의 강한 비등방성을 달성하기 위하여 열간압출법을 이용한 텍스처링(texturing) 공정으로 소결체를 제조하는 것이 더욱 바람직하다. 소결체 제조를 위하여 원재료 파우더의 크기를 수 μm에서 수십 μm로 한정하여 사용할 수 있다. 소결체는 최종적으로 열처리하여 구조적 결함을 줄임으로써 열전성능을 더욱 개선시킬 수 있다.
본원 발명의 바람직한 일 구현예에 따라 열전소자의 유연성과 얇은 두께를 중시할 경우, 유무기 하이브리드 열전 소재를 사용할 수 있다. 유무기 하이브리드 열전소재는 그래핀 나노메쉬 구조체, CNT섬유, P3HT/CNT, SWCNT/TeNW, rGO/PEDOT:PSS/TeNW, PEDOT/Te 나노구조체, Bi-Te/PEDOT 등을 포함한다.
보다 구체적으로 그래핀 나노메쉬 구조체는 대면적 그래핀 시트에 10 nm 이하의 조밀한 구멍을 형성하여 열을 전달하는 포논(phonon)의 산란(scattering)을 유발하여 열전도도를 감소시키면서 전자의 전달 경로를 유지하여 높은 전기전도도를 달성할 수 있는 구조를 이용하는 것이 바람직한데, 이러한 나노메쉬 구조를 가지는 그래핀 시트는 양자구속(quantum confinement)를 유발하여 그래핀의 밴드갭(bandgap)을 열어 열전계수의 비약적 상승을 통하여 열전발전의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, CNT 섬유 열전소재의 경우는 탄소나노튜브가 집속되어 이루어진 탄소나노튜브 스트랜드(strand) 및 상기 하나의 탄소나노튜브 스트랜드(strand)를 길이 방향으로 도핑에 의하여 형성되고 상호 이격되어 교대로 구성되는 n형 열전소재부와 p형 열전소재부를 포함하는 열전소재 일 수 있다. 또한, 상기 CNT 섬유 열전소재의 경우 상기 n형 열전소재부는 탄소나노튜브 스트랜드(strand)에 폴리에틸렌이민(polyethylenimine, PEI), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아자인(polyazine), 폴리(4-아미노스티렌)(poly(4-aminostyrene)), 폴리(4-비닐피리딘) (poly(4-vinylpyridine)), 폴리아릴아민(polyarylamine), 폴리비닐아민(polyvinylamine), 하이드라진(hydrazine), 에틸렌다이아민(ethylenediamine), 트리에틸렌아민(triethylamine), 에틸아민(ethylamine) 및 피롤리딘(pyrrolidine)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 도판트로 도핑 될 수 있고, 상기 도핑은 탄소나노튜브 스트랜드(strand)를 도판트에 함침 후 건조하거나 또는 도판트를 스프레이 도포 후 건조하는 것 일 수 있다.
한편, CNT 섬유 열전소재의 또 다른 바람직한 일 구현예는 탄소나노튜브가 집속되어 이루어지는 탄소나노튜브 섬유가 부직포 형태의 적층구조로 형성된 탄소나노튜브 섬유 웹(web)에 전도성 금속이 도핑 된 형태일 수 있다. 이때 바람직한 전도성 금속은 Au 나노입자 일 수 있으며, Au 나노입자는 Au 원소를 함유하는 금속염의 환원반응에 의하여 형성되는 Au 나노입자 일 수 있다. 또한, 전도성 금속이 도핑된 탄소나노튜브 섬유 웹은 전도성 고분자를 추가로 포함할 수도 있다. 이때 포함되는 전도성 고분자는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 또는 PANI(poly(aniline))일 수 있다.
또한, P3HT/CNT 열전소재의 경우는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))와 CNT(carbon nanotube)를 용액 상에서 혼합한 후 초음파 처리를 이용하여 제조한 잉크를 사용하여 제조한 유무기 하이브리드 복합필름일 수 있고 추가적으로 제조된 필름을 FeCl3 도핑공정을 통하여 제조된 하이브리드 열전소재일 수 있다.
또한, SWCNT/TeNW 열전소재는 텔루륨(tellurium: Te) 나노 와이어(TeNW)와 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 포함하여 이루어진 하이브리드 열전소재일 수 있다.
또한, rGO/PEDOT:PSS/TeNW 열전소재는 환원된 그래핀 옥사이드(rGO), PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))과 PSS(poly(styrenesulfonate))의 혼합물 및 텔루륨(tellurium: Te) 나노 와이어(TeNW)를 포함하여 이루어진 하이브리드 열전소재일 수 있다.
또한, PEDOT/Te 나노구조체 열전 소재는 텔루륨(tellurium: Te) 나노 구조체와 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))의 혼합에 의하여 제조되는 하이브리드 열전소재일 수 있다.
또한, Bi-Te/PEDOT 열전 소재는 덤벨의 형상을 가지는 Bi2Te3 나노 입자를 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))으로 둘러싼(encapsulation) 하이브리드 열전소재 일 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 유기 열전소재, 고분자 열전소재 또는 유무기 하이브리드 열전소재는 스프레이 코팅방법 또는 프린팅 방법으로 형성될 수 있다.
한편, 두께가 수 mm 이내로 얇아야 하는 웨어러블 열전발전 시스템의 제약을 고려하면 열전소재를 기판과 수평한 방향으로 연장을 하거나 굴곡을 주는 것이 양단의 온도차를 유지하기에 유리하다. 이러한 소재의 구조는 p형, n형 열전소재의 정션(junction)과 정션(junction) 사이의 길이를 연장함으로써 소재의 열저항을 증가시킬 수 있다. 열저항이 증가할 경우, 같은 양의 열이 소재를 통해 흐르는 경우에도, 열전소재 junction과 junction 사이의 온도차이가 증가하고, 이는 제백 효과의 증가를 동반하게 된다.
또한, 상기 열전소재는 p형, n형 열전소재의 정션(junction)에서 전극과 내구성과 접합 성능이 우수한 솔더인 Bi-Sn계 솔더에 의하여 고전도성 전극과 접착될 수 있고, 고전도성 전극은 Al, Ni, Au, Ag, Cu와 같은 금속을 사용할 수 있으며, 수에서 수십 μm 두께를 가질 수 있다. 전극의 두께가 충분히 두꺼워야 p형, n형 열전소재의 정션(junction) 이외의 부분에서 열전소재가 기판과 닿아 열손실이 발생하는 경우를 방지할 수 있다. 또한, 전극과 기판간의 접합은 Cu, 솔더(solder) 및 레진(resin)으로 구성되는 하이브리드 페이스트와 같은 고열전도성 접착소재를 사용할 수 있다. 또한, 열전소재가 무게나 외부 충격에 의해 하부 기판으로 닿는 것을 방지하기 위해, 열전도성이 극히 낮은 폴리머 소재를 활용하여 열전소재의 일부에서 지지를 할 수 있다. 이러한 폴리머 소재와 기판간의 접합은 열전도성이 낮은 에폭시 계열 접착소재를 사용할 수 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 열전도성 기판은 질화붕소(BN) 또는 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나 이상의 필러와 폴리이미드(PI)의 복합재로 구성될 수 있다.
또한, 본원 발명에 따르면 인체 피부의 열을 열전소자에 전달하기 위하여 열전도율이 높은 기판을 사용할 수 있다. 기판 소재로서 열전도성이 200~400 W/m·K인 Al, Cu와 같은 금속을 사용할 수도 있으며, 상부 열전소재와의 전기적 절연을 위해 수십 μm 두께의 절연 물질을 코팅해야 한다. 금속 기판에 대한 코팅 물질로는 질화붕소(BN) 또는 질화알루미늄(AlN) 입자들이 혼합된 에폭시일 수 있다.
또한, 유연 열전소자의 경우 금속 기판 이외에 플라스틱 중 열전도율이 높은 폴리이미드(PI)를 필름의 형태로 성형하여 사용할 수 있으며, 열전도율을 향상시키기 위해 상기 플라스틱 내부에 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN)을 필러로 사용하는 것이 바람직하고, 질화붕소(BN)와 질화알루미늄(AlN)을 서로 혼합한 하이브리드 필러를 고분자 수지 필름 매트릭스 내에 분산시켜 사용하는 것도 가능하다. 특히, 일반적으로 층상구조 형태의 입자인 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN)을 층상구조의 입자상으로 고분자 매트릭스에 분산하기보다는 용액공정 또는 건식의 마이크로나이징(micronizing) 공정을 이용하여 층상구조의 필러를 박리하거나 박리된 박편을 고분자 수지 필름 매트릭스 내에 분산시키는 것이 열전도성 기판의 열전도성 향상과 우수한 기계적 물성을 달성함에 있어서 보다 바람직하다.
한편, 열전도성 기판의 경우 기판의 평면 방향보다는 기판의 두께 방향으로의 열전도성이 우수한 이방성의 열전도성을 가지는 것이 바람직하고, 이러한 기판의 두께 방향의 열전도성의 향상을 위하여 폴리이미드(PI) 등의 고분자 수지 매트릭스 내에 두께 방향으로 필러 입자 또는 박편을 배향하는 것이 더욱 바람직하다.
본원 발명의 일 구현예에 따르면, 사용되는 필러의 두께 방향으로의 배향성을 향상시켜 열전도성의 이방성을 달성하기 위한 수단으로는 먼저 필러 입자와 고분자 수지의 혼합물을 압출기(extruder)로 압출하고, 압출에 의하여 필러가 압출방향으로 배향된 압출 성형물을 압출 방향에 대하여 수직방향으로 소정의 두께로 절단하여 사용하거나 절단된 다수의 압출 성형물을 원하는 크기 또는 형태로 평행하게 다수 배치한 후 가열 압착 등의 방법을 사용하여 재성형하는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 필러가 분산된 고분자 수지 용액을 캐스팅의 공정을 이용하여 필름의 형태로 제조하거나 필러와 고분자 수지 혼합물을 시트 형상으로 압출한 후 제조된 필름 또는 시트를 다층으로 적층하여 가열 압착 등의 방법을 사용하여 재성형한 후 전술한 방법과 같이 적층 필름 또는 적층 시트의 두께 방향으로 절단하는 방법을 사용할 수도 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따르면, 사용되는 필러의 두께 방향으로의 배향성을 향상시켜 열전도성의 이방성을 달성하기 위한 또 다른 수단으로는 자기장을 이용한 필러의 두께 방향 배향을 유도할 수도 있다. 자기장을 이용한 필러의 두께 방향의 배향은 먼저 질화붕소(BN)와 질화알루미늄(AlN)의 필러 입자 또는 필러 박편의 표면에 자기장에 반응할 수 있는 나노입자인 예를 들면 산화철(Fe2O3) 나노입자를 흡착 또는 코팅을 한 후 나노입자가 코팅된 필러 입자 또는 필러 박편을 고분자 수지 매트릭스에 분산시켜 필름을 제조한 후 제조된 필름을 가열하면서 자기장을 가하여 고분자 수지 매트릭스에 분산된 필러의 두께 방향의 배향을 유도할 수 있다. 특히, 폴리이미드 수지의 경우에는 필러가 분산된 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산을 필름의 형상으로 캐스팅한 후 자기장을 인가하면서 이미드화 반응을 통하여 필러가 두께 방향으로 배향된 폴리이미드 필름을 제조할 수도 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 히트싱크는 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크일 수 있고, 상기 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크는 온도에 따라 증발하는 수분의 양이 조절될 수 있으며, 상기 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크는 수분 저장고(reservoir)(R)와 활성 개구(active pore)(2)로 구성되어, 수분 저장고(reservoir)에는 수분이 저장되고, 활성 개구(active pore)는 온도에 따라 개구되는 면적이 조절되는 것일 수 있다. 이때, 상기 수분 저장고(reservoir)는 열전소재의 열전소재 레그(leg) 상부 또는 레그들 사이의 소정의 공간에 배치되는 될 수 있다.
보다 구체적으로 열전소자 양단의 온도 차이를 수 ℃ 이상 유지하기 위해서는 대기와 열저항을 줄여야 하므로 별도의 외부의 에너지원 또는 동력을 사용하지 않고 체열을 효과적으로 대기로 방출하기 위한 방법으로 액체의 기화반응을 적용한 인체 땀샘구조를 모사한 히트싱크를 사용할 수 있다.
도 8에는 본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 열전발전 시스템을 구성하는 단위 유닛의 내부에 구성되는 열전소재와 수분 저장고의 배치를 나타낸 나타내었다. 상기 인체 땀샘 모사 히트싱크(1)는 수분 저장고(reservoir)(R)와 활성 개구(active pore)(2)로 구성되어, 수분 저장고(reservoir)에는 수분이 저장되고, 활성 개구(active pore)는 온도에 따라 개구되는 면적이 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다. 체열에 의해 열전소자 상부 온도가 상승하게 될 경우, 활성 개구의 면적이 넓어지게 되면(도 8a), 다량의 수분이 기화되어 열전소자 상부는 기화열에 해당하는 열에너지 손실로 인해 온도가 내려가게 된다. 반면에 낮은 온도에서는 도 8b에 나타낸 바와 같이 활성 개구의 면적이 좁아지게 되어 기화되는 수분의 함량을 줄일 수 있다. 이러한 활성 개구(2)는 체온 영역에서 온도에 따른 부피 변화가 큰 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)(poly(N-isopropyl acrylamide): PNIPAM)과 같은 고분자를 사용할 수 있고, 온도에 따른 활성개구의 크기가 효과적으로 변화할 수 있는 메쉬 형태의 다공성 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 수분 저장고는 활성 개구를 구성하는 소재와 동일한 소재인 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)를 이용한 하이드로젤을 사용할 수도 있다.
본원 발명의 일 구현예에 따른 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템에 있어서, 상기 전력관리회로(EMIC)는 콜드 스타트(cold start) 기능과 전력 전달(power transfer) 기능을 포함할 수 있고, 열전발전 시스템이 외부 환경의 변화에도 일정한 전압을 출력하게 하며, 낮은 전압이 형성되는 상황에서도 스타트업이 가능하도록 한다.
보다 구체적으로는, 열전소자의 출력전압의 변화에 따른 전력변환 효율 극대화를 위하여 MCU기반 MPPT(maximum power point tracking)방법과 프랜스포머 기반 자가동작 전압 부스팅 변환기 구조를 사용하거나, MPPT기법을 적용하여 변환효율 68%@1mA 성능을 갖는 μW급 저전력 부스트 변환기를 사용할 수도 있으며, 5mV start-up 전압에서 MPPT 기법 기반 전력관리 IC를 구동할 수 있는 열전 에너지 하베스팅 소자 정합 회로를 이용한 피크 전력효율 58% 성능을 갖는 DC-DC buck 변환기 구조를 사용할 수도 있다. 어느 경우에나 전력관리회로는 단위 유닛의 열전소자의 직렬연결을 통한 고전압 출력 및 이를 바탕으로 전압부스트를 통하여 웨어러블 디바이스에서 필요로 하는 전원을 공급하도록 할 수 있으며 병렬/분산 구조의 전력 출력을 통하여 고효율의 출력 유지 및 이상이 생긴 열전소자의 전력차단을 통한 안정적 전력공급이 가능하도록하는 것이 바람직하다.
1: 히트싱크, 2: 활성 개구, 3: p형 열전소재 레그, 4: n형 열전소재 레그,
5: 제1전극, 제2전극, 제3전극, 6: p형 열전소재의 정션(junction),
7: n형 열전소재의 정션(junction), 8: 지지대, 9: 열전도성 기판,
10: 연결부품, 11: 단위 유닛, R: 수분 저장고

Claims (18)

  1. 착용자의 피부표면에 접촉하고 인체의 열을 흡수할 수 있는 열전도성 기판, 상기 열전도성 기판의 상부에 구성되는 열전소재와 전극의 포함하여 구성되는 열전소자, 상기 열전소자의 상부에 구성되는 공기에 노출되어 열 교환을 할 수 있는 히트싱크 및 상기 열전소자와 연결되는 전력관리회로(EMIC)를 포함하고,
    상기 열전소자는 열전도성 기판의 평면방향으로 직선상으로 길게 상호 교대로 배치되거나, 열전도성 기판의 평면방향으로 절곡부를 가지며 상호 교대로 배치되는 다수의 n형 열전소재 레그(leg)와 p형 열전소재 레그(leg); 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재 일단의 상부를 서로 연결하는 제1전극; 서로 인접한 n형 열전소재와 p형 열전소재의 타단의 하부를 서로 연결하는 제2전극; 및 열전소자 양단에 구성되는 제3전극을 포함하는 열전소자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 n형 열전소재 레그(leg)와 p형 열전소재 레그(leg)의 단면형상은 사각형, 하단부에서 상단부로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 형상 또는 하단부보다 상단부의 폭이 좁은 2중 레그 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 절곡부를 가지는 열전소재 레그(leg)로 구성되는 열전소자 들은 상호 대향하여 끼움 형태로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    인접한 n형 열전소재 레그와 p형 열전소재 레그(leg) 사이에는 소정의 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소자는 하부의 열전도성 기판과 상부의 히트싱크를 연결하는 측면에 의하여 구획되는 공간인 단위 유닛 내에 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단위 유닛은 연결부품으로 다수 개가 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 단위 유닛 내의 공간은 진공 상태 또는 공기보다 열전도도가 낮은 단열재로 충진되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크는 다수의 활성 개구(active pore)와 상기 활성 개구 하부에 구성되는 수분 저장고(reservoir)로 구성되며, 상기 수분 저장고(reservoir)는 열전소재의 열전소재 레그(leg) 상부 또는 레그들 사이의 소정의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소재는 무기 열전소재, 유기 열전소재, 고분자 열전소재 또는 유무기 하이브리드 열전소재로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 무기열전 소재는 Bi-Sb-Te-Se계 상온용 열전소재, 그래핀 나노메쉬 구조체 또는 CNT섬유이고, 유무기 하이브리드 열전소재는 P3HT/CNT, SWCNT/TeNW, rGO/PEDOT:PSS/TeNW, PEDOT/Te, Bi-Te/PEDOT 중 1종인 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전도성 기판은 질화붕소(BN) 또는 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나 이상의 필러와 폴리이미드(PI)의 복합재로 구성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 무기열전 소재는 p형은 BiSbTe이고, n형은 BiTeSe인 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 무기열전 소재 p형은 스파크 플라즈마 소결법(SPS)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 무기열전 소재 n형은 압출공정(texturing)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기 열전소재, 고분자 열전소재 또는 유무기 하이브리드 열전소재는 스프레이 코팅방법 또는 프린팅 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크는 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크인 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크는 온도에 따라 증발하는 수분의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 인체 땀샘 모사 능동형 히트싱크는 수분 저장고(reservoir)와 활성 개구(active pore)로 구성되어, 수분 저장고(reservoir)에는 수분이 저장되고, 활성 개구(active pore)는 온도에 따라 개구되는 면적이 조절되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력관리회로(EMIC)는 콜드 스타트(cold start) 기능과 전력 전달(power transfer) 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스용 열전발전 시스템.
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