KR102436212B1 - Design and Performance Analysis of Powering a Wireless Earphone by a Thermoelectric Generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 N형과 P형으로 조합된 반도체 레그 세트와 금속재로 된 전도체 링 패드가 일체의 열전 발전기를 이루도록 하되, 상기 열전 발전기는 일종의 파워링 형태로서 무선 이어폰에 장착되도록 하는 것으로, 사용자의 체온(귀에 꽂아 닿는 표면 온도)과 대기중의 온도차로 인해 전하(electron)의 이동(온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동)시 전류(전압)가 발생되면 생성된 전력으로 하여금 기 수납된 배터리의 충전을 보조하도록 함으로서, 무선 이어폰의 사용 시간을 연장시킬 수 있도록 하는 것으로 사용 편의성이 증대되는 것을 특징으로 하는 무선 이어폰 배터리용 휴대용 열전 발전기에 관한 것이다.The present invention is such that a semiconductor leg set and a metal conductor ring pad combined with N-type and P-type form an integral thermoelectric generator, wherein the thermoelectric generator is mounted on a wireless earphone as a kind of powering type, and the user's body temperature When an electric current (voltage) is generated during the movement of electrons (moving from a high temperature to a low temperature) due to the temperature difference between (the temperature of the surface that is inserted into the ear) and the temperature in the air, the generated power is used to charge the stored battery. It relates to a portable thermoelectric generator for a wireless earphone battery, characterized in that the ease of use is increased by supporting the wireless earphone, thereby extending the use time of the wireless earphone.
일반적으로 무선 이어폰은 휴대 전화기(스마트폰)나 음향기기 등의 전자기기와 블루투스를 통해 근거리 무선 통신하면서 음성 통화를 하거나 음악을 감상할 수 있도록 형성된다.In general, wireless earphones are formed to make voice calls or listen to music while communicating with electronic devices such as mobile phones (smartphones) or sound devices through short-range wireless communication via Bluetooth.
한편, 종래의 무선 이어폰은 블루투스 모듈이 내장형 배터리에 의해 구동 전원을 공급받는데 이러한 배터리는 사용 중 방전되는 경우 별도의 아답터나 충전잭(또는 충전기)을 통해 재충전된다.On the other hand, in the conventional wireless earphone, the Bluetooth module receives driving power by a built-in battery, and when the battery is discharged during use, it is recharged through a separate adapter or charging jack (or charger).
즉, 무선 이어폰 전용의 충전장치(충전기)는 일종의 케이스 홀더 형태로서 무선 이어폰의 보관과 함께 그 배터리를 충전할 수 있도록 하는데 충전 케이스의 일측에는 직류 전원이 구비되어 무선 이어폰과 전기적으로 통전되면서 배터리가 충전되도록 형성된다.In other words, the charging device (charger) dedicated to the wireless earphone is a type of case holder so that the battery can be charged along with the storage of the wireless earphone. formed to be filled.
이에, 무선 이어폰의 배터리는 휴대성을 좋게 하기 위하여 전자기기의 배터리보다 소형으로 제작된다.Accordingly, the battery of the wireless earphone is made smaller than the battery of the electronic device in order to improve portability.
예컨대 전자기기의 배터리를 사용하여 본체를 구동할 수 있는 시간은 30여 시간인데 반해 블루투스 무선 이어폰의 배터리로 본체를 구동할수 있는 시간은 10시간 내외의 용량이다.For example, the battery of an electronic device can drive the main body for about 30 hours, whereas the battery of a Bluetooth wireless earphone can drive the main body for about 10 hours.
따라서, 충전기가 없는 실외에서 전자기기(스마트폰 포함)와 무선 이어폰 간 블루투스를 통해 사용하는 경우 무선 이어폰의 배터리가 소진되면 데이터의 수신을 받지 못하여 사용이 불가해지는 문제가 발생된다.Therefore, when using the wireless earphone through Bluetooth between an electronic device (including a smartphone) and a wireless earphone outdoors without a charger, when the battery of the wireless earphone is exhausted, data reception is not received and the use becomes impossible.
즉, 전자기기와 블루투스 무선 이어폰은 서로 연동되어 동작하기 때문에 종래의 충전방식으로 충전되는 경우 사용자들은 일정시간이 지나면 전자기기와 블루투스 무선 이어폰을 사용할 수가 없게 된다.That is, since the electronic device and the Bluetooth wireless earphone operate in conjunction with each other, users cannot use the electronic device and the Bluetooth wireless earphone after a certain period of time when they are charged by the conventional charging method.
결국, 종래의 무선 이어폰은 평상시 또는 빈번한 사용 중 배터리에 저장된 에너지가 소진되면 유선 충전장치(충전기) 찾아 재충전을 시도해야 하는 바, 무선 이어폰의 사용 시간이 짧아 소비자로 하여금 적지 않은 불만이 야기되고 있으며, 특히 충전기를 찾아 헤매야 하는 시간을 소비해야 함으로서 번거로운 사용이 계속되고 있는 실정이다.As a result, when the energy stored in the battery is exhausted during normal or frequent use of the conventional wireless earphone, it is necessary to find a wired charging device (charger) and try to recharge it. , in particular, it is a situation in which cumbersome use continues as it has to spend time wandering in search of a charger.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 TEG(Thermoelectric Generator) 발전 디바이스로서, N형과 P형으로 조합된 반도체 레그 세트와 금속재로 된 전도체 링 패드가 일체의 열전 발전기를 이루도록 하되, 상기 열전 발전기는 일종의 파워링 형태로서 무선 이어폰에 장착되도록 하는 바, 이는 배터리 사용 시간의 연장을 도모하여 사용 편의성이 향상되도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, the technical gist of which is a TEG (Thermoelectric Generator) power generation device, so that a semiconductor leg set and a metal conductor ring pad made of a metal material combined in N-type and P-type to form an integrated thermoelectric generator. However, the thermoelectric generator is a kind of powering type to be mounted on the wireless earphone, which aims to provide a way to extend the battery use time to improve the usability.
즉, 본 발명은 사용자의 체온(귀에 꽂아 닿는 표면 온도)과 대기중의 온도차로 인해 전하(electron)의 이동(온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동)시 전류(전압)가 발생되도록 하는 바, 이는 생성된 전력으로 하여금 배터리의 충전을 보조하도록 함으로서, 무선 이어폰의 사용 시간을 연장시킬 수 있도록 하는 것(사용 편의성 증대)을 제공함에 그 목적이 있다.That is, the present invention causes a current (voltage) to be generated when an electron is moved (moved from a high temperature to a low temperature) due to the temperature difference between the user's body temperature (the surface temperature that is inserted into the ear) and the temperature in the air, The purpose of this is to provide a way to extend the use time of the wireless earphone (increasing ease of use) by allowing the generated power to assist in charging the battery.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다수의 N형 반도체 레그(110)와 P형 반도체 레그(120)가 구비되는 반도체 레그 세트(100)와; 반도체 레그 세트의 길이방향 개구부 양단에 각각 금속 재질의 1차 전도판(210)이 접촉되도록 하되, 상기 1차 전도판(210)의 외측면에는 금속 재질의 2차 전도판(220)이 통전(체온 대비 대기온도 차에 따른 전하_전류 이동)되도록 하는 전도체 링 패드(200)와; 전도체 링 패드의 일측단과 배터리에 전기적으로 연결되어 전류를 배터리에 공급하도록 하는 축전회로(300)가; 구성되어 이루어진다.In order to achieve this object, the present invention provides a
이에, 상기 반도체 레그 세트(100)는 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)가 원주방향을 따라 교차 배열(N형 반도체 레그(110) 사이 마다에는 P형 반도체 레그(120)가 중간중간 삽입)되도록 하되, 상기 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)의 교차 배열시에는 원통형 또는 사각통형, 큐브형, 타원형 또는 다각형상 중 어느 하나의 외관을 이루며 교차 배열되도록 하면서 전하(electron) 이동시 연결통로를 제공하도록 형성된다.Accordingly, the
이때, 상기 전도체 링 패드(200)의 1차 전도판(210)은 구리 재질 또는 이와 동등한 물질(소재)로 형성되고, 2차 전도판(220)은 알루미늄 재질 또는 이와 동등한 물질(소재)로 형성되도록 하되, 1차 전도판(210) 대비 2차 전도판(220)의 표면적은 최소 10% 이상 넓게 형성되어 사용자의 피부 또는 대기와의 접촉 면적이 확장되도록 형성된다.At this time, the primary
이와 같이, 본 발명은 일종의 파워링 형태로서 무선 이어폰에 내장되도록 형성되어 사용자의 체온(귀에 꽂아 닿는 표면 온도)과 대기중의 온도차로 인해 전하(electron)의 이동(온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동)이 발생되면 전류(전압)가 흐르도록 하는 바, 이는 생성된 전력으로 하여금 배터리의 충전을 보조하도록 함으로서, 무선 이어폰의 사용 시간을 연장시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, the present invention is formed to be built-in in the wireless earphone as a kind of powering type, and the movement of electrons (from a high temperature to a low temperature) due to the temperature difference between the user's body temperature (the surface temperature that touches the ear) and the air. movement) is generated, a bar current (voltage) flows, which has the effect of extending the use time of the wireless earphone by allowing the generated power to assist the charging of the battery.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 열전 발전기(TEG)를 나타낸 상세 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 열전 발전기(TEG)가 장착된 무선 이어폰 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 열전 발전기(TEG)의 전하 이동 및 전류 생성 원리를 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 열전 발전기(TEG)와 배터리 간 전기적 연결회로 구성을 나타낸 예시도,
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 열전 발전기(TEG)의 전기적 특성 시물레이션을 나타낸 예시도이다.1 to 2 are detailed exemplary views showing a thermoelectric generator (TEG) according to the present invention,
3 is an exemplary view of a wireless earphone equipped with a thermoelectric generator (TEG) according to the present invention;
4 is an exemplary view showing the principle of charge transfer and current generation of a thermoelectric generator (TEG) according to the present invention;
5 is an exemplary view showing an electrical connection circuit configuration between a thermoelectric generator (TEG) and a battery according to the present invention;
6 to 10 are exemplary views illustrating electrical characteristic simulations of a thermoelectric generator (TEG) according to the present invention.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 1 내지 도 10에서 보는 바와 같이 본 발명은 반도체 레그 세트(100)와 전도체 링 패드(200) 및 축전회로(300)로 크게 구성된다.First, as shown in FIGS. 1 to 10 , the present invention is largely composed of a semiconductor leg set 100 , a
이에, 상기 반도체 레그 세트(100)는 다수의 N형 반도체 레그(110)와 P형 반도체 레그(120)가 구비되어 이루어진다.Accordingly, the
이때, 상기 반도체 레그 세트(100)는 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)가 원주방향을 따라 교차 배열(N형 반도체 레그(110) 사이 마다에는 P형 반도체 레그(120)가 중간중간 삽입)되도록 형성된다.At this time, the
이에, 상기 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)의 교차 배열시에는 원통형 또는 사각통형, 큐브형, 타원형 또는 다각형상 중 어느 하나의 외관을 이루며 교차 배열되도록 하면서 전하(electron) 이동시 연결통로를 제공하도록 형성된다.Accordingly, when the N-
참고로, N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)는 도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 한 쌍으로 열개씩 구비된 것으로 도시하고 있으나, 미세한 제작 구조(폭 직경 또는 길이 간격 0.5~5mm 내외)로 인해 열적 응답성이 우수한 다수개의 기둥들로 교차배열시킬 수 있도록 형성된다.For reference, although the N-
한편, 상기 전도체 링 패드(200)는 반도체 레그 세트의 길이방향 개구부 양단에 각각 금속 재질의 1차 전도판(210)이 접촉되도록 하되, 상기 1차 전도판(210)의 외측면에는 금속 재질의 2차 전도판(220)이 통전(체온 대비 대기온도 차에 따른 전하_전류 이동)되도록 형성된다.On the other hand, the
이때, 상기 전도체 링 패드(200)의 1차 전도판(210)은 구리 재질 또는 이와 동등한 물질(소재)로 형성되고, 2차 전도판(220)은 알루미늄 재질 또는 이와 동등한 물질(소재)로 대체될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the primary
즉, 상기 전도체 링 패드에서 2차 전도판은 사용자의 피부에 닿는 것으로 그 면적이 넓을 수록 열흡수 효율이 높게 확보되는 바, 구조적으로는 피부에 접촉시 밀착하는 면적이 넓게 확보되도록 피부를 향해 볼록한 구배형상이 바람직하고, 특히 열전도율이 높은 알루미늄 및 이와 동등하거나 더 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.That is, in the conductive ring pad, the secondary conductive plate is in contact with the user's skin, and the larger the area, the higher the heat absorption efficiency is secured. A gradient shape is preferable, and in particular, it is preferable to use aluminum having high thermal conductivity and a material equivalent to or superior to the same.
아울러, 2차 전도판의 재질은 피부에 거부감이 없도록 감촉이 좋은 재질로 설정하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to set the material of the secondary conductive plate to a material having a good feel so that there is no objection to the skin.
또한, 상기 1차 전도판(210) 대비 2차 전도판(220)의 표면적은 최소 10% 이상 넓게 형성되어 사용자의 피부 또는 대기와의 접촉 면적이 확장되도록 형성된다. 이는 열적 응답 면적이 증대되도록 하기 위함이다.In addition, the surface area of the secondary
이에, 상기 축전회로(300)는 전도체 링 패드의 일측단과 배터리에 전기적으로 연결되어 전류를 배터리에 공급하도록 구성된다.Accordingly, the
다시 말해, 반도체와 금속을 접합시키면 열전효과가 크게 되는데, 이러한 복합식 구조는 더 많은 일렉트론들이 온도차에 의해 원활하게 이동하게 되고, 발생된 전압은 배터리에 보조적으로 충전하게 된다.In other words, when the semiconductor and the metal are joined, the thermoelectric effect is great. In this complex structure, more electrons move smoothly due to the temperature difference, and the generated voltage is charged to the battery auxiliary.
이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.This is explained in more detail as follows.
무선 이어폰은 휴대용 전원이 필요한데 현재는 저장된 에너지가 완전히 소모될 때까지 사용하는 소형 배터리가 이어폰 자체에 내장되어 있다.Wireless earphones require a portable power source, but currently, a small battery that uses the stored energy until it is completely consumed is built into the earphone itself.
이에 본 발명은 N형과 P형으로 조합된 반도체 레그 세트와 금속재로 된 전도체 링 패드가 일체의 열전 발전기로 구비된다.Accordingly, in the present invention, a set of semiconductor legs combined with an N-type and a P-type and a conductive ring pad made of a metal material are provided as an integral thermoelectric generator.
이러한 열전 발전기는 무선 이어폰의 일측에 내장되도록 하는 바, 귀에 착용한 상태에서 제1전도판으로 하여금 열을 흡수하고, 반대측 제2전도판에 해당하는 대기 중의 온도와 그 편차로 하여금 전하 이동이 발생하면 그 원리에 의해 생성된 전류가 배터리의 보조 전력원으로 사용할 수 있도록 형성된다. 즉, 열전 발전기(TEG)는 열을 전기 에너지로 변환하는데 사용된다.This thermoelectric generator is built into one side of the wireless earphone, and when worn on the ear, the first conductive plate absorbs heat, and the temperature in the atmosphere corresponding to the second conductive plate on the opposite side and the deviation cause charge transfer. Then, the current generated by the principle is formed so that it can be used as an auxiliary power source of the battery. That is, a thermoelectric generator (TEG) is used to convert heat into electrical energy.
다시 말해, 본 발명은 도 4 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 열적으로 병렬 및 전기적으로 연결된 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)는 온도 차이가 발생할 때 원자 수준에서 전하가 캐리어의 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 확산됨으로서, 전류를 흐름을 생성하게 된다. In other words, in the present invention, as shown in FIGS. 4 to 5 , the N-
이에, N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)의 양쪽 끝에 병렬로 NS를 연결한다. 이때, 알루미나 기판의 두께는 0.25mm이고, 구리는 P형 반도체 레그와 연결하는 전극으로 사용된다.Accordingly, NS is connected in parallel to both ends of the N-
이때, 직렬로 연결된 N형 반도체 레그는 구리 전극의 두께와 같이 0.25mm이다.At this time, the N-type semiconductor legs connected in series are 0.25 mm as thick as the copper electrode.
그리고, 각 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)의 길이는 8mm이고 단면은 1.73mm2 인 것이 바람직하다.In addition, each of the N-
참고로, 도 6 내지 도 8은 TEG의 온도 시물레이션으로서, 도 6은 사용자가 귀에 착용한 상태에서 대기중의 온도와의 편차 데이터이다.For reference, FIGS. 6 to 8 are temperature simulations of the TEG, and FIG. 6 is data of deviation from the temperature in the air in a state in which the user wears the ear.
즉, 귀에 닿는 제1전도판측의온도는 각각 305.15K 이고, 뜨거운 곳과 낮은 곳의 온도차로 인해 차가운 측면의 표면 온도는 297.65.K 로 나타난다.That is, the temperature of the first conductive plate that touches the ear is 305.15K, respectively, and the surface temperature of the cold side is 297.65.K due to the temperature difference between the hot and low places.
아울러, 도 7은 본 발명의 열전 발전기의 전압 변화를 나타낸 것으로, 서로 다른 온도 구배에서 두 터미널은 고온 및 저온시의 전압 프로파일을 보여준다.In addition, FIG. 7 shows the voltage change of the thermoelectric generator of the present invention, and the two terminals show voltage profiles at high and low temperatures in different temperature gradients.
즉, 305.15K의 일정한 온도에서 TEG는 22.7mV의 개방 회로 전압이 확인된다. 이러한 온도 변화로 인한 전압 발생은 뜨거운 쪽 온도를 일정하게 유지하는 것으로 확인된다.(305.15K에서).That is, at a constant temperature of 305.15K, an open circuit voltage of 22.7mV is confirmed for the TEG. The voltage generation due to this temperature change is confirmed to keep the hot side temperature constant (at 305.15K).
그리고, 차가운 쪽 온도를 297.65K로 낮추게 되는데, 이때에는 7.5K의 온도차에서 37mV를 생성하는 것으로 확인된다.Then, the cold side temperature is lowered to 297.65K, and in this case, it is confirmed that 37mV is generated at a temperature difference of 7.5K.
또한, TEG의 매개변수는 도 8 내지 도 9에서 보는 바와 같이, 외부 부하에 대한 전력 공급은 일치함에 있어서, 전원의 저항과 내부 저항의 변화를 보여준다.In addition, as shown in FIGS. 8 to 9 , the parameters of the TEG show changes in the resistance of the power source and the internal resistance when the power supply to the external load coincides.
아울러, 도 10은 (a) 온도 프로파일 (b) 생성된 전압에 관한 것으로, 외부 부하에 대한 저항이 더 높기 때문에 전자 흐름은 외부를 통해 점차적으로 감소하는 것이 확인된다.In addition, FIG. 10 is (a) temperature profile (b) related to the generated voltage, and it is confirmed that the electron flow gradually decreases through the outside because the resistance to the external load is higher.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims, anyone with ordinary skill in the art to which the invention pertains can implement various modifications Of course, such modifications are intended to be within the scope of the claims.
100 ... 반도체 레그 세트 110 ... N형 반도체 레그
120 ... P형 반도체 레그 200 ... 전도체 링 패드
210 ... 1차 전도판 220 ... 2차 전도판
300 ... 축전회로 100 ... semiconductor leg set 110 ... N-type semiconductor leg
120 ... P-
210 ...
300 ... power storage circuit
Claims (3)
상기 반도체 레그 세트(100)는 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)가 원주방향을 따라 교차 배열되도록 하되, 상기 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)의 교차 배열시에는 사각통형의 외관을 이루며 교차 배열되도록 하면서 전하(electron) 이동시 연결통로를 제공하도록 형성되고, 상기 전도체 링 패드(200)의 1차 전도판(210)은 구리 재질로 형성되며, 2차 전도판(220)은 알루미늄 재질로 형성되도록 하되, 1차 전도판(210) 대비 2차 전도판(220)의 표면적은 최소 10% 이상 넓게 형성되어 사용자의 피부 또는 대기와의 접촉 면적이 확장되도록 형성되고, 상기 2차 전도판(220)은 피부를 향하면서 밀착하는 면에 볼록한 구배 형상이 형성되며, 상기 N형 반도체 레그(110)과 P형 반도체 레그(120)는 사각통형 막대 형태로서, 폭 단면 직경이 0.5mm이고 길이 단면 직경이 5mm인 기둥 구조로서 교차배열되도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 이어폰 배터리용 휴대용 열전 발전기.
a semiconductor leg set 100 including a plurality of N-type semiconductor legs 110 and P-type semiconductor legs 120; The first conductive plate 210 made of metal is in contact with both ends of the opening in the longitudinal direction of the semiconductor leg set, and the secondary conductive plate 220 made of metal is energized on the outer surface of the first conductive plate 210. a conductor ring pad 200 and; A power storage circuit 300 electrically connected to one end of the conductive ring pad and the battery to supply current to the battery; A portable thermoelectric generator for a wireless earphone battery comprising:
The semiconductor leg set 100 is such that the N-type semiconductor leg 110 and the P-type semiconductor leg 120 are cross-arranged along the circumferential direction, but the N-type semiconductor leg 110 and the P-type semiconductor leg 120 are When cross-arranging, it has a rectangular cylindrical appearance and is formed to provide a connection path when electrons are moved while being cross-arranged, and the primary conductive plate 210 of the conductor ring pad 200 is made of copper, 2 The secondary conductive plate 220 is formed of an aluminum material, but the surface area of the secondary conductive plate 220 is at least 10% wider than that of the primary conductive plate 210, so that the contact area with the user's skin or the atmosphere is expanded The secondary conductive plate 220 has a convex gradient shape on the surface that is in close contact with the skin, and the N-type semiconductor leg 110 and the P-type semiconductor leg 120 are in the form of a rectangular tubular bar. , A portable thermoelectric generator for a wireless earphone battery, characterized in that it is cross-arranged as a column structure having a width cross-sectional diameter of 0.5 mm and a length cross-sectional diameter of 5 mm.
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