KR102196743B1 - Wearable device for harvesting energy using body temperature and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신체에 착용되어 체온을 이용한 에너지 하베스팅을 수행하는 웨어러블 장치에 있어서, 제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 다수의 열전 소자를 포함하여, 체온에 의한 온도차를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 열전 모듈; 상기 제2 기판 상에 부착되는 방열 구조체; 상기 열전 모듈의 일측에 위치하는 제1 에어 펌프; 상기 제1 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제1 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제1 공기 유동로; 상기 열전 모듈의 타측에 위치하는 제2 에어 펌프; 및 상기 제2 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제2 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제2 공기 유동로; 를 포함하고, 상기 제1 기판은, 상기 제2 기판에 비하여 상기 신체에 인접 위치하는 것을 특징으로 하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치에 관한 것이다. The present invention is a wearable device worn on the body to perform energy harvesting using body temperature, including a first substrate, a second substrate, and a plurality of thermoelectric elements disposed between the first and second substrates. , A thermoelectric module generating electrical energy using a temperature difference due to body temperature; A heat radiation structure attached to the second substrate; A first air pump positioned on one side of the thermoelectric module; A first air flow path connected between the first air pump and the heat dissipating structure, and configured to flow air to the heat dissipating structure when the first air pump is pressed; A second air pump positioned on the other side of the thermoelectric module; And a second air flow path connected between the second air pump and the heat dissipation structure, and configured to flow air to the heat dissipation structure when the second air pump is pressed. Including, wherein the first substrate, compared to the second substrate relates to a body temperature type energy harvesting wearable device, characterized in that the position adjacent to the body.
Description
본 발명은 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신체의 체온을 이용하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a body temperature type energy harvesting wearable device and a method of operation thereof, and more particularly, to a body temperature type energy harvesting wearable device capable of performing energy harvesting using body temperature, and an operation method thereof. .
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, various energy production methods have been studied in accordance with the shortage of energy resources. In particular, research on a technology for recovering energy discarded in daily life under the concept of energy harvesting has been actively conducted.
에너지 하베스트는 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하는데, 이러한 에너지 하베스트는 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.Energy harvest refers to a technology that collects energy discarded from everyday life such as vibration, light, heat, and electromagnetic waves and converts it into usable electric energy, and such energy harvest is actively researched in a wide variety of fields.
본 발명은 신체의 체온을 이용하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a body temperature type energy harvesting wearable device capable of performing energy harvesting using body temperature and a method of operating the same.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에어 펌프를 구비하여 열전 모듈의 온도차를 극대화할 수 있는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법을 제공하기 위함이다.In addition, another object of the present invention is to provide a body temperature type energy harvesting wearable device capable of maximizing a temperature difference of a thermoelectric module by providing an air pump and an operating method thereof.
본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치는, 신체에 착용되어 체온을 이용한 에너지 하베스팅을 수행하는 웨어러블 장치에 있어서, 제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 다수의 열전 소자를 포함하여, 체온에 의한 온도차를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 열전 모듈, 상기 제2 기판 상에 부착되는 방열 구조체, 상기 열전 모듈의 일측에 위치하는 제1 에어 펌프, 상기 제1 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제1 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제1 공기 유동로, 상기 열전 모듈의 타측에 위치하는 제2 에어 펌프, 및 상기 제2 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제2 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제2 공기 유동로를 포함하고, 상기 제1 기판은, 상기 제2 기판에 비하여 상기 신체에 인접 위치하는 것을 특징으로 한다. A body temperature type energy harvesting wearable device according to an embodiment of the present invention is a wearable device worn on a body to perform energy harvesting using body temperature, comprising: a first substrate, a second substrate, and the first substrate and the first substrate. 2 A thermoelectric module including a plurality of thermoelectric elements disposed between the substrates to generate electric energy by using a temperature difference due to body temperature, a heat dissipation structure attached to the second substrate, a first located on one side of the thermoelectric module An air pump, a first air flow path connected between the first air pump and the heat dissipation structure, for flowing air to the heat dissipation structure when the first air pump is pressed, located on the other side of the thermoelectric module A second air pump connected between the second air pump and the heat dissipating structure, and a second air flow path configured to flow air to the heat dissipating structure when the second air pump is pressed, The first substrate may be positioned adjacent to the body compared to the second substrate.
또한, 상기 제1 에어 펌프를 외부와 연결하는 제1 연결관 및 상기 제2 에어 펌프를 외부와 연결하는 제2 연결관을 더 포함할 수 있다. In addition, a first connecting pipe connecting the first air pump to the outside and a second connecting pipe connecting the second air pump to the outside may be further included.
또한, 상기 제1 연결관에 삽입되거나 상기 제1 연결관으로부터 분리됨으로써, 상기 제1 연결관에 대한 개폐 동작을 수행하는 제1 개폐 마개 및 상기 제2 연결관에 삽입되거나 상기 제2 연결관으로부터 분리됨으로써, 상기 제2 연결관에 대한 개폐 동작을 수행하는 제2 개폐 마개를 더 포함할 수 있다. In addition, by being inserted into the first connector or separated from the first connector, the first opening and closing stopper for performing an opening and closing operation on the first connector and inserted into the second connector or from the second connector By being separated, it may further include a second opening and closing stopper for performing an opening and closing operation on the second connection pipe.
또한, 상기 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치는, 상기 신체 중 발에 착용되는 신발이고, 상기 제1 에어 펌프는, 상기 발의 뒤꿈치에 대응되는 위치에 배치되며, 상기 제2 에어 펌프는, 상기 발의 앞꿈치에 대응되는 위치에 배치되고 상기 제1 에어 펌프보다 작은 크기를 가지고, 상기 제2 공기 유동로는, 상기 제1 공기 유동로에 비해 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the body temperature type energy harvesting wearable device is a shoe worn on the foot of the body, the first air pump is disposed at a position corresponding to the heel of the foot, and the second air pump is the forefoot of the foot It is disposed at a position corresponding to and has a size smaller than that of the first air pump, and the second air flow path is characterized in that it has a smaller diameter than the first air flow path.
또한, 상기 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치는, 상기 방열 구조체 및 상기 열전 모듈이 순차적으로 적층 배치되는 내부 공간을 구비한 수납부를 더 포함하며, 상기 제1 유동로 및 상기 제2 유동로는, 각각 상기 수납부와 연결되는 것을 특징으로 한다. In addition, the body temperature type energy harvesting wearable device further includes a receiving unit having an inner space in which the heat dissipation structure and the thermoelectric module are sequentially stacked and arranged, the first flow path and the second flow path, respectively It characterized in that it is connected to the receiving portion.
본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치의 동작 방법은, 상기 제1 에어 펌프가 가압됨으로써 상기 제1 공기 유동로를 통해 상기 방열 구조체로 공기를 이동시키는 제1 공기 이동 단계, 상기 제1 에어 펌프에 대한 가압이 해제되고, 상기 제2 에어 펌프가 가압됨으로써 상기 제2 공기 유동로를 통해 상기 방열 구조체로 공기를 이동시키는 제2 공기 이동 단계를 포함하고, 상기 제1 공기 이동 단계 및 상기 제2 공기 이동 단계는, 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 한다. In the operating method of the body temperature type energy harvesting wearable device according to an embodiment of the present invention, the first air movement step of moving air to the heat dissipating structure through the first air flow path by pressing the first air pump, the A second air movement step of moving air to the heat dissipating structure through the second air flow path by releasing the pressure on the first air pump and pressing the second air pump, and the first air movement step And the second air movement step is performed repeatedly.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 신체의 체온을 이용하여 에너지 하베스팅을 수행할 수 있는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to provide a body temperature type energy harvesting wearable device capable of performing energy harvesting using body temperature and an operating method thereof.
또한, 본 발명에 따르면 에어 펌프를 구비하여 열전 모듈의 온도차를 극대화할 수 있는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to provide a body temperature type energy harvesting wearable device capable of maximizing a temperature difference of a thermoelectric module and an operating method thereof by including an air pump.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 열전 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 열전 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치가 신발로 구현된 모습을 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a body temperature type energy harvesting wearable device according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the body temperature type energy harvesting wearable device shown in FIG. 1.
3 is a diagram showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of the thermoelectric module shown in FIG. 3.
5 is a view showing a body temperature type energy harvesting wearable device implemented as a shoe according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명과 관련된 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments related to the present invention will be illustrated in the drawings and will be described in detail through detailed description. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and it is to be understood that it includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. .
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. "연결", "결합" 또는 "접속"의 경우, 물리적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것뿐만 아니라 필요에 따라 전기적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"되는 것으로 이해될 수 있다. In describing the constituent elements of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. In addition, in the present specification, when a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but each component It should be understood that another component may be "connected", "coupled" or "connected" between elements. In the case of "connected", "coupled" or "connected", it is understood to be physically "connected", "coupled" or "connected" as well as electrically "connected", "coupled" or "connected" as needed. Can be.
이하, 본 발명의 실시예들과 관련된 도면들을 참고하여, 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치 및 그의 동작 방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a body temperature type energy harvesting wearable device and an operating method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings related to the embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치의 단면도이다. 1 is a view showing a body temperature type energy harvesting wearable device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the body temperature type energy harvesting wearable device shown in FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)는 신체에 착용되어 체온을 이용한 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 수행하는 웨어러블 장치(wearable device)로서, 열전 모듈(10), 방열 구조체(20), 제1 에어 펌프(31), 제2 에어 펌프(32), 제1 공기 유동로(41), 및 제2 공기 유동로(42)를 포함할 수 있다.1 and 2, a body temperature type energy harvesting wearable device 1 according to an embodiment of the present invention is a wearable device that is worn on a body and performs energy harvesting using body temperature. As, a
또한, 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)의 경우 제1 연결관(51), 제2 연결관(52), 제1 개폐 마개(61), 제2 개폐 마개(62), 및 수납부(70)를 추가로 구비할 수 있다. In addition, in the case of the body temperature type energy harvesting wearable device 1, the
이러한 열전 모듈(10), 방열 구조체(20), 제1 에어 펌프(31), 제2 에어 펌프(32), 제1 공기 유동로(41), 제2 공기 유동로(42), 제1 연결관(51), 제2 연결관(52) 등은 베이스 부재(5) 상에 배치될 수 있다. The
열전 모듈(10)은 다수의 열전 소자(13)를 구비함으로써, 체온에 의한 온도차를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 동작을 수행할 수 있다. Since the
또한, 열전 모듈(10)은 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)의 신체 착용 시 신체에 인접 위치하는 제1 기판(11)과, 제1 기판(11)에 비하여 상대적으로 신체로부터 멀리 위치하는 제2 기판(12)을 포함할 수 있으며, 이때 열전 소자(13)는 제1 기판(11)과 제2 기판(12) 사이에 배치될 수 있다. In addition, the
이러한 열전 소자(13)는 양측의 온도차가 발생되는 경우 지벡 효과(Seeback effect)에 따라 열전기(thermoelectricity)를 생성할 수 있다. When a temperature difference between both sides of the
제1 기판(11) 측으로 전달되는 체온의 영향으로 인하여 열전 모듈(10)의 제1 기판(11) 측 영역은 상대적으로 고온 영역으로 설정되고, 제2 기판(12) 측으로 전달되는 공기의 영향으로 인하여 열전 모듈(10)의 제2 기판(12) 측 영역은 상대적으로 저온 영역으로 설정될 수 있다.Due to the influence of the body temperature transmitted to the
따라서, 열전 소자(13)는 양측의 온도차에 대응하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. Accordingly, the
방열 구조체(20)는 열전 모듈(10)의 제2 기판(12) 상에 부착될 수 있다. 이는 열전 모듈(10)의 저온 영역에 대한 방열 효과를 극대화하기 위한 것으로서, 표면적을 증대시키기 위한 다양한 방열 구조를 가질 수 있다. The
일례로, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 기판(12)의 하측에 부착된 다수 개의 방열 블록들이 방열 구조체(20)를 형성할 수 있다. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of heat dissipation blocks attached to the lower side of the
방열 구조체(20)의 구조 및 형상은 이에 제한되지 않으며, 다양한 형태로 변경될 수 있다. The structure and shape of the
베이스 부재(5)의 중앙부에는 내부 공간을 구비한 수납부(70)가 형성될 수 있다. An
수납부(70) 내에는 방열 구조체(20)와 열전 모듈(10)이 순차적으로 적층 배치될 수 있다. 즉, 방열 구조체(20)는 열전 모듈(10)의 하측에 배치될 수 있으며, 열전 모듈(10)과 방열 구조체(20)는 수납부(70)를 통해 고정 배치될 수 있다. In the
제1 에어 펌프(31)는 열전 모듈(10)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 에어 펌프(31)는 베이스 부재(5)의 일측 영역에 설치될 수 있다. The
제1 공기 유동로(41)는 제1 에어 펌프(31)와 방열 구조체(20) 사이에 연결될 수 있다. 일례로, 제1 공기 유동로(41)의 일단부는 제1 에어 펌프(31)와 연결되고, 제1 공기 유동로(41)의 타단부는 수납부(70)와 연결될 수 있다. The first
이에 따라, 제1 에어 펌프(31)에 눌림이 발생된 경우 제1 에어 펌프(31)에 의해 내부 공기가 제1 공기 유동로(41)를 통해 방열 구조체(20)로 유동될 수 있다. Accordingly, when the
제2 에어 펌프(32)는 열전 모듈(10)의 타측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 에어 펌프(32)는 베이스 부재(5)의 타측 영역에 설치될 수 있다. The
제2 공기 유동로(42)는 제2 에어 펌프(32)와 방열 구조체(20) 사이에 연결될 수 있다. 일례로, 제2 공기 유동로(42)의 일단부는 제2 에어 펌프(32)와 연결되고, 제2 공기 유동로(42)의 타단부는 수납부(70)와 연결될 수 있다. The second
이에 따라, 제2 에어 펌프(32)에 눌림이 발생된 경우 제2 에어 펌프(32)에 의해 내부 공기가 제2 공기 유동로(42)를 통해 방열 구조체(20)로 유동될 수 있다. Accordingly, when the
이러한 제1 에어 펌프(31)와 제2 에어 펌프(32)의 가압 동작은 번갈아가며 이루어질 수 있으며, 이에 따라 방열 구조체(20)에 대한 공기 순환이 지속적으로 이루어지게 된다. 결국, 열전 모듈(10)에 부여되는 온도차가 증가되므로 전력 발생 효율이 높아질 수 있다. The pressurization operation of the
한편, 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)의 경우 신체 중 발에 착용되는 신발로 구현될 수 있다. On the other hand, in the case of the body temperature type energy harvesting wearable device 1, it may be implemented as a shoe worn on the foot of the body.
이 경우, 제1 에어 펌프(31)는 발의 뒤꿈치에 대응되는 위치에 배치되고, 제2 에어 펌프(32)는 발의 앞꿈치에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. In this case, the
따라서, 사용자가 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)를 착용한 후 걷는 경우, 제1 에어 펌프(31)는 발 뒤꿈치에 의하여 가압되고, 제2 에어 펌프(32)는 발 앞꿈치에 의하여 가압될 수 있다. Therefore, when the user walks after wearing the body temperature type energy harvesting wearable device 1, the
이때, 발 뒤꿈치에 의한 가압 세기가 발 앞꿈치보다 강하므로, 제1 에어 펌프(31)의 크기는 제2 에어 펌프(32)보다 크게 설정될 수 있다. At this time, since the intensity of pressure by the heel is stronger than that of the heel, the size of the
이 경우, 제2 에어 펌프(32)에 의한 공기 유속을 제1 에어 펌프(31)와 동일 또는 유사한 정도로 제어하기 위하여, 제2 공기 유동로(42)의 직경(R2)은 제1 공기 유동로(41)의 직경(R1)에 비하여 작게 설정될 수 있다. In this case, in order to control the air flow rate by the
한편, 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)는 제1 에어 펌프(31)를 외부와 연결하는 제1 연결관(51)과, 제2 에어 펌프(32)를 외부와 연결하는 제2 연결관(52)을 추가로 구비할 수 있다. On the other hand, the body temperature type energy harvesting wearable device 1 includes a
제1 연결관(51)과 제2 연결관(52)은 외부 공기를 각 에어 펌프(31, 32)로 제공 가능하며, 특히 겨울철과 같은 실외 온도가 낮은 경우 저온의 공기를 내부로 공급함으로써 방열 구조체(20) 및 열전 모듈(10)의 제2 기판(12) 측 냉각 효과를 증대시킬 수 있다. The
다만, 우천 시 등과 같이 외부 환경에 따라 제1 연결관(51) 및 제2 연결관(52)이 폐쇄되어야 하는 경우를 대비하여, 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)는 제1 개폐 마개(61) 및 제2 개폐 마개(62)를 추가로 구비할 수 있다. However, in case the
제1 개폐 마개(61)는 제1 연결관(51)에 삽입되거나 제1 연결관(51)으로부터 분리됨으로써, 제1 연결관(51)에 대한 개폐 동작을 수행할 수 있다. The first opening/closing
제2 개폐 마개(62)는 제2 연결관(52)에 삽입되거나 제2 연결관(52)으로부터 분리됨으로써, 제2 연결관(52)에 대한 개폐 동작을 수행할 수 있다. The second opening/closing
일례로, 제1 개폐 마개(61)와 제2 개폐 마개(62)는 각 연결관(51, 52)의 끝단에 대하여 끼움 결합될 수 있다. 다만, 이에 제한되지는 않으며 다양한 탈착 방식으로 변형 설계될 수 있다. As an example, the first opening and closing
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 열전 모듈을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 열전 모듈의 단면도이다. 3 is a view showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the thermoelectric module shown in FIG. 3.
본 발명의 실시예에 의한 열전 모듈(10)은 유연성을 가질 수 있으며, 지벡 효과(Seeback effect) 등의 열전 효과(thermoelectric effect)를 이용하여 온도차를 이용한 발전 동작을 수행할 수 있다. The
도 2 및 도 3을 참조하면, 열전 모듈(10)은 제1 기판(11), 제2 기판(12), 열전 소자(13), 전극(14), 및 터미널(15)을 포함할 수 있다. 2 and 3, the
한 쌍의 외부 기판(11, 12)은 서로 대향하도록 이격 배치되는 제1 기판(11)과 제2 기판(12)을 포함할 수 있다. 제1 기판(11)과 제2 기판(12)은 그 사이에 배치되는 열전 소자(13)나 전극(14)을 지지한다. 또 외부 기판(11, 12)은 외부로부터 그 내부의 열전 소자(13)나 전극(14)을 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 외부 기판(11, 12)은 열 전도가 용이하고 유연성을 갖는 재질로 마련될 수 있다. 예를 들어, 외부 기판(11, 12)은 얇은 폴리이미드(PI: polyimide) 필름일 수 있다. 폴리이미드 필름은 굴곡성이 뛰어날 뿐 아니라, 비록 열 전도율이 높은 편은 아니지만 얇은 두께로 제조가 가능하므로 열 전도에는 유리할 수 있다.The pair of
열전 소자(13)는 지벡 효과나 펠티에 효과와 같은 열전 효과를 유발하는 소자일 수 있다. 기본적으로 열전 소자(13)는 열전 효과를 유발하는 열전 쌍을 구성하는 이종 소재의 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)를 포함할 수 있다. 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)는 전기적으로 연결되어 열전 쌍(thermoelectric couple)을 구성한다. 열전 쌍은 전기 에너지가 인가되면 온도차를 발생시키고, 반대로 온도차가 인가되면 전기 에너지를 생산할 수 있다. 열전 소자(13)의 대표적인 예에는, 비스무트(Bismuth)와 안티몬(Antimony)의 쌍이 있다. 또 최근에는 주로 N형 반도체와 P형 반도체의 쌍이 열전 소자(13)로 이용되고 있다.The
열전 소자(13)는 주로 사각 기둥 형태 또는 원 기둥 형태로 제공될 수 있으며, 제1 기판(11)과 제2 기판(12) 사이에 배치될 수 있다. The
열전 소자(13)는 양 단면이 각각 제1 기판(11)과 제2 기판(12)의 내면에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 외부 기판(11, 12)에 의해 지지될 수 있다. 여기서, ‘간접 연결’이란 두 물체가 바로 접촉하는 대신 두 물체의 중간에 배치되는 개재물을 거쳐 이어지는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 열전 소자(13)와 외부 기판(11, 12)이 간접 연결되는 대표적인 형태로는, 열전 소자(13)와 외부 기판(11, 12)이 그 사이에 개재되는 전극(14)을 통해 연결되는 것을 들 수 있다.Both ends of the
열전 소자(13)는 서로 인접한 두 개의 열전 소자(13)가 전극(14)에 의해 열전 쌍을 이루도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 열전 소자(13)가 2차원 어레이로 배치되는 경우, 특정 방향에 따라 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)가 교번적으로 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)는 서로 인접 위치하게 된다. The
전극(14)은 열전 소자(13)를 전기적으로 연결한다. 열전 소자(13)는 적어도 이종 소재의 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)가 열전 쌍을 이루도록 전기적으로 연결되어야 열전 효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 전극(14)은 기본적으로 서로 인접한 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)를 연결하여 열전 쌍을 구성한다.The
또 전극(14)은 다수의 열전 소자(13)를 직렬 연결할 수 있다. 전극(14)에 의해 직렬 연결된 열전 소자들(13)은 동시에 동일한 열전 동작(thermoelectric operation)을 수행하는 열전 그룹(thermoelectric group)을 형성 할 수 있다.In addition, the
전극(14)은 주로 판상으로 제공될 수 있다. 또한, 전극(14)은 스크리닝(screening) 방식, 접착제(예를 들어, 실리콘, 아크릴, 우레탄 등)를 이용하는 접착 방식이나 그 밖의 다양한 부착 방식에 의해 외부 기판(11, 12)에 고정될 수 있다. The
전극(14)은 내면을 통해 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)를 전기적으로 연결할 수 있다. The
전극(14)은 그 길이 방향이 열전 쌍을 이룰 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)의 배열 방향과 일치하도록 배치되고, 길이 방향에 따라 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)를 연결할 수 있다. 구조적으로 전극(14)의 내면의 길이 방향 상의 일 단부 영역과 제1 열전 소자(13a)의 단면이 직간접적으로 접촉하고, 전극(14)의 내면의 길이 방향 상의 타 단부 영역과 제2 열전 소자(13b)의 단면이 직간접적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라 전극(14)은 그 내면을 통해 제1 열전 소자(13a)와 제2 열전 소자(13b)를 전기적으로 연결할 수 있다.The
여기서, 열전 소자(13)와 전극(14)은 솔더링(soldering)이나 웰딩(welding) 등에 의해 서로 결합될 수 있다. 전극(14)은 주로 구리(copper)나 은(silver) 등의 금속 소재로 제공될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Here, the
터미널(15)은 열전 모듈(10)을 외부로 연결하는 단자이다. 터미널(15)은 열전 모듈(10)이 발전 모듈(thermoelectric generating module)로 이용되는 경우, 열전 모듈(10)이 지벡 효과를 이용해 생산한 전력을 외부로 전달할 수 있다. The terminal 15 is a terminal connecting the
일례로, 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치(1)에는 열전 모듈(10)로부터 전달된 전력을 저장하기 위한 별도의 배터리(미도시)를 구비할 수 있다. 이때, 배터리는 열전 모듈(10)이 구비한 한 쌍의 터미널(15)과 전기적으로 연결될 수 있다. As an example, the body temperature type energy harvesting wearable device 1 may be provided with a separate battery (not shown) for storing power transmitted from the
이러한 열전 모듈(10)이 신체에 착용되는 웨어러블 장치(1)에 구비됨으로써, 신체에 인접한 제1 기판(11) 측에 상대적으로 고온이 인가되고, 제2 기판(12) 측에는 에어 펌프(31, 32)를 통한 공기로 인하여 상대적으로 저온이 인가될 수 있다. Since the
따라서, 신체(예를 들어, 발)로부터 나오는 체온과의 온도 차이를 극대화할 수 있으며, 이를 통해 높은 효율의 전력 생산이 가능하다. Accordingly, it is possible to maximize the temperature difference between the body temperature and the body temperature emitted from the body (eg, feet), thereby enabling high-efficiency power generation.
본 발명의 실시예에 의한 열전 모듈(10)은 상술한 실시예에 제한되지 않으며, 외부 기판(11, 12)과 열전 소자(13)를 보유하여 체온에 의한 온도차를 통해 전기 에너지를 생성 가능한 열전 모듈이면 충분하다. The
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치가 신발로 구현된 모습을 나타낸 도면이다. 5 is a view showing a body temperature type energy harvesting wearable device implemented as a shoe according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 신발(100)은 사용자의 발바닥과 맞닿는 밑창(110)과 밑창(110)의 상부에 형성되며 사용자의 발의 옆면과 발등을 수용하는 본체부(120)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the
이 경우, 상술한 열전 모듈(10), 방열 구조체(20), 제1 에어 펌프(31), 제2 에어 펌프(32), 제1 공기 유동로(41), 제2 공기 유동로(42), 제1 연결관(51), 제2 연결관(52), 제1 개폐 마개(61), 제2 개폐 마개(62), 및 수납부(70) 등의 구성요소들은 상기 신발(100)의 밑창(110) 내부에 설치될 수 있다. In this case, the
사용자가 신발(100)을 착용하고 걷는 경우, 먼저 사용자의 뒤꿈치에 의하여 제1 에어 펌프(31)가 가압될 수 있다. 이에 따라, 제1 에어 펌프(31)에 의해 공기가 제1 공기 유동로(41)를 통해 방열 구조체(20)로 이동될 수 있다. When the user walks while wearing the
그 후, 사용자의 앞꿈치에 의하여 제2 에어 펌프(32)가 가압될 수 있으며, 무게 중심의 이동에 따라 제1 에어 펌프(31)에 대한 가압이 해제될 수 있다. 이에 따라 제2 에어 펌프(32)에 의해 공기가 제2 공기 유동로(42)를 통해 발열 구조체(20)로 이동될 수 있다. Thereafter, the
제1 에어 펌프(31)에 의한 제1 공기 이동 단계와 제2 에어 펌프(32)에 의한 제2 공기 단계가 반복적으로 수행됨으로써, 열전 모듈(10)에 대한 방열 효과를 극대화할 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈(10)의 온도차 역시 극대화될 수 있으며, 높은 전력 효율을 가능하다. Since the first air movement step by the
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이지 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and are not limiting. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. Must be interpreted.
1: 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치
10: 열전 모듈
20: 방열 구조체
31: 제1 에어 펌프
32: 제2 에어 펌프
41: 제1 공기 유동로
42: 제2 공기 유동로
51: 제1 연결관
52: 제2 연결관
61: 제1 개폐 마개
62: 제2 개폐 마개
70: 수납부1: Body temperature type energy harvesting wearable device
10: thermoelectric module
20: heat dissipation structure
31: first air pump
32: second air pump
41: first air flow path
42: second air flow path
51: first connector
52: 2nd connector
61: first opening and closing stopper
62: second opening and closing stopper
70: storage unit
Claims (6)
제1 기판, 제2 기판, 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 다수의 열전 소자를 포함하여, 체온에 의한 온도차를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 열전 모듈;
상기 제2 기판 상에 부착되는 방열 구조체;
제1 에어 펌프 및 제2 에어펌프;
상기 제1 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제1 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제1 공기 유동로; 및
상기 제2 에어 펌프와 상기 방열 구조체 사이에 연결되며, 상기 제2 에어 펌프에 눌림이 발생된 경우 상기 방열 구조체로 공기를 유동시키기 위한 제2 공기 유동로; 를 포함하고,
상기 제1 기판은, 상기 제2 기판에 비하여 상기 신체에 인접 위치하는 것을 특징으로 하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치.In a wearable device that is worn on the body and performs energy harvesting using body temperature,
A thermoelectric module including a first substrate, a second substrate, and a plurality of thermoelectric elements disposed between the first substrate and the second substrate, and generating electric energy using a temperature difference caused by body temperature;
A heat radiation structure attached to the second substrate;
A first air pump and a second air pump;
A first air flow path connected between the first air pump and the heat dissipation structure, and configured to flow air to the heat dissipation structure when the first air pump is pressed; And
A second air flow path connected between the second air pump and the heat dissipation structure, and configured to flow air to the heat dissipation structure when the second air pump is pressed; Including,
The body temperature type energy harvesting wearable device, wherein the first substrate is located adjacent to the body compared to the second substrate.
상기 제1 에어 펌프를 외부와 연결하는 제1 연결관; 및
상기 제2 에어 펌프를 외부와 연결하는 제2 연결관; 을 더 포함하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치.The method of claim 1,
A first connection pipe connecting the first air pump to the outside; And
A second connection pipe connecting the second air pump to the outside; Body temperature type energy harvesting wearable device further comprising a.
상기 제1 연결관에 삽입되거나 상기 제1 연결관으로부터 분리됨으로써, 상기 제1 연결관에 대한 개폐 동작을 수행하는 제1 개폐 마개; 및
상기 제2 연결관에 삽입되거나 상기 제2 연결관으로부터 분리됨으로써, 상기 제2 연결관에 대한 개폐 동작을 수행하는 제2 개폐 마개; 를 더 포함하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치.The method of claim 2,
A first opening/closing stopper inserted into the first connection pipe or separated from the first connection pipe to perform an opening/closing operation for the first connection pipe; And
A second opening/closing stopper inserted into the second connection pipe or separated from the second connection pipe, thereby performing an opening/closing operation for the second connection pipe; Body temperature type energy harvesting wearable device further comprising a.
상기 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치는, 상기 신체 중 발에 착용되는 신발이고,
상기 제1 에어 펌프는, 상기 발의 뒤꿈치에 대응되는 위치에 배치되며,
상기 제2 에어 펌프는, 상기 발의 앞꿈치에 대응되는 위치에 배치되고 상기 제1 에어 펌프보다 작은 크기를 가지고,
상기 제2 공기 유동로는, 상기 제1 공기 유동로에 비해 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치.The method of claim 3,
The body temperature type energy harvesting wearable device is a shoe worn on a foot among the body,
The first air pump is disposed at a position corresponding to the heel of the foot,
The second air pump is disposed at a position corresponding to the forefoot of the foot and has a size smaller than that of the first air pump,
The body temperature type energy harvesting wearable device, wherein the second air flow path has a diameter smaller than that of the first air flow path.
상기 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치는, 상기 방열 구조체 및 상기 열전 모듈이 순차적으로 적층 배치되는 내부 공간을 구비한 수납부; 를 더 포함하며,
상기 제1 공기 유동로 및 상기 제2 공기 유동로는, 각각 상기 수납부와 연결되는 것을 특징으로 하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치.The method of claim 1,
The body temperature type energy harvesting wearable device includes: a storage unit having an inner space in which the heat dissipation structure and the thermoelectric module are sequentially stacked and arranged; It further includes,
The body temperature type energy harvesting wearable device, wherein the first air flow path and the second air flow path are respectively connected to the storage unit.
상기 제1 에어 펌프가 가압됨으로써 상기 제1 공기 유동로를 통해 상기 방열 구조체로 공기를 이동시키는 제1 공기 이동 단계;
상기 제1 에어 펌프에 대한 가압이 해제되고, 상기 제2 에어 펌프가 가압됨으로써 상기 제2 공기 유동로를 통해 상기 방열 구조체로 공기를 이동시키는 제2 공기 이동 단계; 를 포함하고,
상기 제1 공기 이동 단계 및 상기 제2 공기 이동 단계는, 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 체온형 에너지 하베스팅 웨어러블 장치의 동작 방법.In the operating method of the body temperature type energy harvesting wearable device according to claim 1,
A first air movement step of moving air to the heat dissipating structure through the first air flow path by pressing the first air pump;
A second air movement step of moving air to the heat dissipating structure through the second air flow path by releasing pressurization of the first air pump and pressing the second air pump; Including,
The first air movement step and the second air movement step, characterized in that the operation method of the body temperature type energy harvesting wearable device is performed repeatedly.
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