KR20160047843A - 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스 - Google Patents

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KR20160047843A
KR20160047843A KR1020140144287A KR20140144287A KR20160047843A KR 20160047843 A KR20160047843 A KR 20160047843A KR 1020140144287 A KR1020140144287 A KR 1020140144287A KR 20140144287 A KR20140144287 A KR 20140144287A KR 20160047843 A KR20160047843 A KR 20160047843A
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thermoelectric generator
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이은경
최병룡
홍우람
김정한
차도헌
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삼성전자주식회사
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

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Abstract

열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스가 개시된다. 개시된 웨어러블 디바이스는: 적어도 하나의 개구가 형성된 몸체와, 상기 개구에 장착되며, 인접한 열전발전장치 또는 상기 몸체에 배치된 충전부로 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 포함하는 열전발전장치와 상기 열전발전장치의 하부에서 착용자의 스킨에 접촉하는 지지부재를 포함한다. 상기 열전발전장치는 서로 마주보는 고온부와 저온부를 포함하며, 상기 고온부는 상기 지지부재 상에 배치되며, 상기 저온부는 외부를 향하도록 배치된다.

Description

열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스{Wearable device having thermoelectric generator}
열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
열전발전장치(thermoelectric generator)는 열전 변환(thermoelectric conversion) 현상을 이용한 소자다. 열전 변환은 열에너지와 전기에너지 사이의 에너지 변환을 의미하는 것으로, 열전재료의 양단에 온도 차이가 있을 때 전기가 발생하는 것을 제백 효과(seebeck effect)라 하고, 반대로 열전재료에 전류를 흘려주면 그 양단 사이에 온도 구배가 발생하여 온도를 낮추는 응용이 가능한 것을 펠티에 효과(Peltier effect)라 한다. 이러한 열전 변환 현상은 열과 전기의 가역적이고 직접적인 에너지 변환 현상으로서, 열전재료 내부의 전자(electron) 및/또는 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다.
제백 효과를 이용하면 컴퓨터, 자동차 엔진 등에서 발생하는 열이나 각종 산업 폐열 등을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 최근 신에너지 개발, 폐에너지 회수, 환경 보호 등에 대한 관심이 증가하면서, 열전 소자에 대한 관심도 함께 높아지고 있다.
열전발전장치의 효율은 열전재료의 성능계수(figure of merit), 즉, ZT 계수에 의해 결정되며, 무차원의 ZT 계수는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, ZT 계수는 열전재료의 제백 계수(Seebeck coefficient)(S) 및 전기전도도(σ)에 비례하고, 열전도도(k)에 반비례한다. 제백 계수(S)는 단위 온도 변화에 따라 생성되는 전압의 크기(dV/dT)를 나타낸다.
웨어러블 디바이스는 컴퓨터 시스템이 고성능화 및 소형화되고, 디스플레이 장치 및 영상 통신 기술이 발전함에 따라, 유저의 신체 부위에 착용될 수 있는 웨어러블 디바이스들이 개발되고 있다. 예를 들어, 손목에 착용 가능한 스마트 워치(smart watch)나 머리에 착용 가능한 스마트 글래스(smart glass) 등이 개발되고 있다.
이러한 웨어러블 디바이스는 유저에게 소정의 정보를 제공하는 전자모듈과, 전자모듈이 유저에게 착용되도록 구성된 웨어러블 구조물을 포함한다.
최근 스마트폰을 필두로 손목 시계형 스마트 기기 등 웨어러블 형태의 다양한 응용 기기들에 대한 관심이 증대되고 있다. 손목 시계와 같은 웨어러블 디바이스는 몸에 착용하기 때문에 기기의 모양이나 크기, 무게 등이 인체에 부담이 없도록 설계되어야 한다. 이러한 이유로 현재는 배터리 용량이 충분하지 못하여 웨어러블 디바이스에 자주 충전해야 하는 불편함이 있다.
빛이나 열, 운동에너지 등의 청정 에너지를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 모바일 기기들의 에너지원으로써 강한 후보이다. 특히, 인체의 열을 이용하는 열전 소자의 경우 간편하고 온도 차이만 있으면 끊임없는 에너지원으로 이용할 수 있어 향후 웨어러블 디바이스에 적합한 에너지 소자다. 손목 시계형 스마트 기기의 경우, 기기 내부 혹은 스트랩에 열전 소자가 장착되어 인체의 열을 이용하여 배터리를 충전시킬 수 있다.
그러나, 열전발전장치를 웨이러블 기기 내에 장착시 열전발전장치의 양단의 온도차가 낮으므로 충전 효율이 감소한다.
열전발전장치의 저온부를 외부 공기에 가깝게 배치하여 바람으로 열전발전장치의 고온부와 저온부 사이의 온도차를 유지하여 발전효율을 향상시킨 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스 를 제공한다.
일 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스는:
적어도 하나의 개구가 형성된 몸체;
상기 개구에 장착되며, 인접한 열전발전장치 또는 상기 몸체에 배치된 충전부로 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 포함하는 열전발전장치; 및
상기 열전발전장치의 하부에서 착용자의 스킨에 접촉하는 지지부재;를 포함하며,
상기 열전발전장치는 서로 마주보는 고온부와 저온부를 포함하며, 상기 고온부는 상기 지지부재 상에 배치되며, 상기 저온부는 외부를 향하도록 배치된다.
상기 지지부재는 상기 지지부재로부터 상기 지지부재에 수직으로 연장된 한 쌍의 수직부와, 상기 수직부로부터 상기 상기 개구의 측면으로 연장된 한 쌍의 돌출부를 포함하며, 상기 몸체에는 상기 돌출부가 인입되는 대응되는 홈이 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 단자는 상기 한 쌍의 돌출부 상에서 상기 홈에 인입된다.
상기 한 쌍의 단자는 각각 상기 한쌍의 돌출부 중 서로 다른 하나의 돌출부에 배치될 수 있다.
상기 한 쌍의 단자는 p형 단자와 n형 단자를 포함하며, 상기 n형 단자는 인접한 개구에 형성된 다른 열전발전장치의 p형 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 지지부재는 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
상기 열전발전장치 상의 보호부재 또는 히트 싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크는 금속, 카본, CNT, 그라파이트, 그래핀 및 이들의 복합 물질을 포함할 수 있다.
상기 웨어러블 디바이스는, 상기 지지부재의 복수의 관통홀을 채운 복수의 메탈 비아를 더 포함할 수 있으며, 상기 복수의 메탈 비아는 상기 고온부와 접촉되어 착용자의 스킨으로부터의 열을 상기 고온부에 전달할 수 있다.
상기 몸체는 인간 또는 동물의 신체 일부를 감싸는 스트랩이며, 상기 개구 및 상기 열전발전장치는 상기 스트랩의 폭 방향으로 길게 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스는 착용자로부터 멀어지는 방향에서 형성된 적어도 하나의 개구홈을 포함하는 몸체; 및
상기 개구홈의 바닥에 고온부가 배치되고 외부로 향하는 저온부를 포함하는 열전발전장치;를 구비하며,
상기 열전발전장치는 인접한 열전발전장치 또는 상기 몸체에 배치된 충전부로 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 포함한다.
상기 열전발전장치의 상기 한 쌍의 단자는 상기 개구홈의 측벽에 형성된 측벽홈으로 인입되어서 상기 측벽홈 내에 배치된 도전부와 전기적으로 연결될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 한 쌍의 단자는 상기 몸체의 외주면 상으로 배치되며, 상기 몸체에서 상기 열전발전장치의 상기 저온부를 덮되 상기 외주면 상으로 연장되는 보호부재를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스는 상기 열전발전장치의 p형 소자와 n형 소자 사이와 상기 열전발전장치의 외주를 포위하는 절연층; 상기 절연층에서 상기 한 쌍의 단자와 접촉되게 형성된 한 쌍의 메탈 비아; 및 상기 한 쌍의 메탈 비아와 접촉되게 상기 개구홈의 바닥에 형성된 한 쌍의 도전부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 열전발전장치는 저온부가 거의 외부에 노출되게 배치된다. 바람으로 열전발전장치의 저온부 온도가 낮아질 수 있으므로, 고온부 및 저온부의 온도차가 어느 정도 유지되며, 따라서, 발전효율이 개선된다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스의 개략적 평면도다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선단면도다.
도 3은 도 1의 지지부재의 일 예를 보여주는 사시도다.
도 4는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 개략적 회로도다.
도 5는 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스의 개략적 단면도다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스의 개략적 평면도다.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선단면도다.
도 8은 도 7의 변형예의 웨어러블 디바이스의 단면도다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스의 개략적 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스(100)의 개략적 평면도다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선단면도다.
도 1을 참조하면, 웨어러블 디바이스(100)는 몸체와 그 내부에 배치된 전자소자를 포함할 수 있다. 상기 몸체는 인체 또는 동물의 스킨과 접촉하도록 배치되어 사용될 수 있다. 상기 몸체는 착용자(동물 포함)의 손목, 팔, 다리, 가슴 또는 머리를 감싸는 스트랩(또는 밴드)일 수 있다.
상기 몸체는 고무, 플라스틱, 패브릭 등으로 형성될 수 있다.
이하에서는 몸체로서 손목을 감싸는 스트랩(110)을 가지고 설명을 한다. 스트랩(110)에는 적어도 하나의 개구(opening)(112)가 형성된다. 도 1에는 편의상 3개의 개구(112)를 도시하였다. 각 개구(112)에는 열전발전장치(120)가 배치된다. 상기 전자 소자는 충전부(도 4의 102)일 수 있다. 또한, 상기 전자 소자는 열전발전장치(120)로부터의 전기를 소비하는 장치일 수도 있다.
개구(112)는 스트랩(110)의 폭 방향으로 길게 형성될 수 있으며, 열전발전장치(120)도 상기 폭 방향으로 길게 형성될 수 있다. 스트랩(110)을 착용자, 예컨대 손목에 차는 경우, 열전발전장치(120)가 스트랩(110)의 폭 방향으로 설치되는 경우, 손목의 굴곡(curvature)에 의한 영향을 덜 받을 수 있으며, 열전발전장치(120)의 수를 증가시킬 수 있다.
개구(112) 및 열전발전장치(120) 사이에는 갭이 형성될 수도 있다. 이 갭은 공기 또는 에어로젤로 채워질 수 있다.
도 2를 참조하면, 열전발전장치(120)는 적어도 한 쌍의 p형 반도체(121) 및 n형 반도체(122)를 포함한다. 한 쌍의 p형 반도체(121) 및 n형 반도체(122)는 셀(cell)로도 칭한다. 도 2에서는 편의상 두 개의 셀(C1, C2)을 도시하였다. 복수의 셀은 직렬로 연결된다. p형 반도체(121) 및 n형 반도체(122)의 하부에는 하부전극(123)이 형성되어 있다. p형 반도체(121) 및 n형 반도체(122)의 상부에는 인접한 셀의 p형 반도체(121) 및 n형 반도체(122)를 연결하는 상부전극(124)이 형성될 수 있다. 하부전극(123)은 착용자의 스킨과 인접하게 배치되며 스킨과 열교환을 한다. 하부전극(123)은 고온부 또는 핫 정크션이라고도 칭한다.
상부전극(124)은 하부전극(123)과 마주보게 외부를 향하여 배치되며, 저온부 또는 콜드 정크션이라고도 칭한다.
열전발전장치(120)는 외부로 연결하는 p형 단자(125)와 n형 단자(126)를 포함한다.
열전발전장치(120)의 하부에는 지지부재(130)가 배치된다. 지지부재(130)는 단단한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 지지부재(130)는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 지지부재(130)는 착용자의 스킨과 접촉될 수 있다.
지지부재(130)는 도 3의 사시도에서 보듯이 열전발전장치(120) 하부를 지지하는 몸체부(131)와 상기 몸체부(131)로부터 수직으로 형성된 수직부(132)와 상기 수직부(132)로부터 바깥쪽으로 돌출된 돌출부(134)를 포함할 수 있다. 돌출부(134)는 서로 마주보는 방향으로 형성된 두 개의 돌출부(134)를 포함한다.
P형 단자(125)와 n형 단자(126)는 두 개의 돌출부(134) 상에 각각 배치될 수 있다. 하나의 셀의 p형 단자(125)는 인접한 셀의 n형 단자(126)와 배선(도 1의 140)에 의해 직렬로 연결된다.
도 2에서는 p형 단자(125)와 n형 단자(126)가 서로 다른 돌출부(134) 상에 배치되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, p형 단자(125)와 n형 단자(126)는 동일한 돌출부(134) 상에 이격되게 배치될 수 있다. 이 경우, 인접한 개구(112)에 배치된 열전발전장치(120)와의 전기적 연결이 용이해질 수 있다.
스트랩(110)에는 돌출부(134) 및 그 위의 p형 단자(125)와 n형 단자(126)가 인입되는 홈(114)이 형성될 수 있다. 홈(114)에는 p형 단자(125)와 n형 단자(126)가 연결되는 도전부(116)가 형성된다. 도전부(116)는 배선(140)에 연결될 수 있다.
열전발전장치들(120)은 스트랩(110)에 배치된 배선(140)에 의해서 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 배치된 열전발전장치(120)의 최초 및 최후의 열전발전장치(120)에 연결된 p형 단자(125)와 n형 단자(126)는 충전부(도 4의 102)에 연결될 수 있다.
지지부재(130) 및 열전발전장치(120) 사이에는 이들을 접착하는 접착제(미도시)가 형성될 수 있다. 접착제는 thermal interface material (TIM) 로 형성될 수 있다.
열전발전장치(120) 상에는 히트 싱크(150)가 더 형성될 수 있다. 히트 싱크(150)는 금속, 카본, CNT, 그라파이트, 그래핀 및 이들의 복합 물질로 이루어질 수 있다. 히트 싱크(150) 하부에는 절연성 접착제(152)가 형성되어 히트 싱크(150)를 상부전극(124)에 고정시킬 수 있다. 절연성 접착제(152)는 TIM 일 수 있다.
본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 히트 싱크(150) 대신에 절연물질로 이루어진 보호부재(미도시)가 형성될 수도 있다. 보호부재는 폴리에틸렌, PVA, PDMA, 플라스틱, 아크릴류, 비닐 등과 같은 유기 폴리머, 글래스, 패브릭, 산화물, 질화물, 나무, 고무 등으로 이루어질 수 있다.
열전발전장치(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 셀을 포함할 수 있으며, 또한, 하나의 셀을 포함할 수도 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(100)의 개략적 회로도다.
도 4를 참조하면, 웨어러블 디바이스(100)는 열전발전부(101), 전압변환기(102) 및 충전부(103)를 포함할 수 있다.
열전발전부(101)는 상술하였듯이 적어도 하나의 열전발전장치(120)를 포함한다.
전압변환기(102)는 열전발전장치(120)로터 생성된 전기를 받아서 충전부(103)로 공급되는 전압을 조절할 수 있다. 전압변환기(102)는 생략될 수도 있다.
충전부(103)는 전압변환기(102)로부터 공급된 전기를 저장할 수 있다. 충전부(103)는 충전 배터리일 수 있다. 충전부(103)는 웨어러블 디바이스(100)에서 작동하는 전자 기기의 충전 배터리일 수 있다.
실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 충전부(103)는 열전발전장치(120)에서 생성된 전기를 저장하고, 외부 전자 기기를 충전하는 데 사용될 수도 있다. 외부 전자기기의 충전을 위해서 충전부(103)에 다른 전압 변환기가 더 설치될 수 있다.
일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 열전발전장치는 저온부가 거의 외부에 노출되게 배치된다. 열전발전장치의 고온부는 예컨대 대략 35℃°정도의 손목 피부에 접촉되며, 저온부는 외부에 노출된다. 소정 시간의 경과로 일반적인 열전발전장치의 고온부의 온도와 저온부의 온도의 차가 감소되어 열전효과가 감소한다. 그러나, 실시예에 따른 열전발전장치는 저온부가 외부에 거의 노출되므로, 바람으로 열전발전장치의 저온부 온도가 낮아질 수 있으므로, 고온부 및 저온부의 온도차가 어느 정도 유지되며, 따라서, 발전효율이 개선된다.
또한, 웨어러블 디바이스를 찬 손목을 흔들어도 열전발전장치의 저온부의 온도를 낮추므로, 열전발전장치의 발전 효율을 증가시킬 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스(200)의 개략적 단면도다. 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 지지부재(230)의 몸체부(231)에는 복수의 메탈 비아(239)가 실질적으로 수직으로 설치되어 있다. 메탈 비아(239)는 지지부재(230)의 몸체부(231)에서 하부전극(123)과 스킨 사이의 열전달을 촉진할 수 있다. 메탈 비아(239)는 지지부재(230)에 형성된 관통홀(237)을 채운 메탈 비아(239)일 수 있다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 메탈 비아(239) 대신에 히트 파이브가 배치될 수도 있다.
웨어러블 디바이스(200)의 다른 구성요소와 작용은 상술한 실시예로부터 잘 알 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스(300)의 개략적 평면도다. 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 선단면도다. 상기 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 웨어러블 디바이스(300)는 몸체와, 몸체 내부에 배치된 전자 소자를 포함할 수 있다. 몸체는 스트랩(310)을 포함할 수 있다. 이하에서는 몸체로서 손목을 감싸는 스트랩(310)을 가지고 설명을 한다. 스트랩(310)에는 적어도 하나의 개구홈(312)이 형성된다. 도 6에는 편의상 3개의 개구홈(312)을 도시하였다. 각 개구홈(312)에는 열전발전장치(320)가 장착될 수 있다. 상기 전자 소자는 충전부(도 4의 103)일 수 있다. 또한, 상기 전자 소자는 열전발전장치(320)로부터의 전기를 소비하는 장치일 수 있다.
개구홈(312)은 스트랩(310)의 폭 방향으로 길게 형성될 수 있다. 열전발전장치(320)도 스트랩(310)의 폭 방향으로 길게 형성될 수 있다. 스트랩(310)을 착용자, 예컨대 손목에 차는 경우, 열전발전장치(320)가 스트랩(310)의 폭 방향으로 설치되는 경우, 손목의 굴곡(curvature)에 의한 영향을 덜 받을 수 있으며, 열전발전장치(320)의 수를 증가시킬 수 있다.
도 6 및 도 7을 함께 참조하면, 열전발전장치(320)는 적어도 한 쌍의 p형 반도체(321) 및 n형 반도체(322)를 포함한다. 한 쌍의 p형 반도체(321) 및 n형 반도체(322)는 셀(cell)로도 칭한다. 도 6에서는 편의상 두 개의 셀(C1, C2)을 도시하였다. 복수의 셀은 직렬로 연결된다. p형 반도체(321) 및 n형 반도체(322)의 하부에는 하부전극(323)이 형성되어 있다. p형 반도체(321) 및 n형 반도체(322)의 상부에는 인접한 셀의 p형 반도체(321) 및 n형 반도체(322)를 연결하는 상부전극(324)이 형성될 수 있다. 열전발전장치(320)는 외부로 연결하는 p형 단자(325)와 n형 단자(326)를 포함한다. 제1 셀(C1)의 n형 단자(326)는 인접한 제2 셀(C2)의 p형 단자(325)와 상부전극(324)에 의해 직렬로 연결된다.
제1 셀(C1)의 p형 단자(325)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(326)는 각각 열전발전장치(320)로부터 서로 마주보는 방향으로 돌출되게 형성될 수 있다. 스트랩(310)에는 제1 셀(C1)의 p형 단자(325)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(326)를 수용하는 홈(314)이 형성될 수 있다. 홈(314)에는 도전부(316)가 형성되어서 제1 셀(C1)의 p형 단자(325)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(326)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6에서는 제1 셀(C1)의 p형 단자(325)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(326)가 서로 다른 방향으로 배치되어 있으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 셀(C1)의 p형 단자(325)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(326)가 동일한 방향으로 돌출되게 형성될 수도 있다.
열전발전장치들(320)은 스트랩(310)에 배치된 배선(340)에 의해서 직렬로 연결될 수 있다. 직렬로 배치된 열전발전장치(320)의 최초 열전발전장치(320)에 연결된 p형 단자(325)와 최후 열전발전장치(320)에 연결된 n형 단자(326)는 충전부(도 4의 103)에 연결될 수 있다.
열전발전장치(320)의 하부에는 개구홈(312)에 바닥에 접착하는 접착제(미도시)가 형성될 수 있다. 접착제는 thermal interface material (TIM) 로 형성될 수 있다.
열전발전장치(320) 상에는 히트 싱크(350)가 더 형성될 수 있다. 히트 싱크(350)는 금속, 카본, CNT, 그라파이트, 그래핀 및 이들의 복합 물질로 이루어질 수 있다. 히트 싱크(350) 하부에는 절연성 접착제(352)가 형성되어 히트 싱크(350)를 상부전극(124)에 고정시킬 수 있다. 절연성 접착제(352)는 TIM 일 수 있다.
실시예는 이에 한정되지 않는다. 히트 싱크(350) 대신에 절연물질로 이루어진 보호부재(미도시)가 형성될 수도 있다. 상기 보호부재는 폴리에틸렌, PVA, PDMA, 플라스틱, 아크릴류, 비닐 등과 같은 유기 폴리머, 글래스, 패브릭, 산화물, 질화물, 나무, 고무 등으로 이루어질 수 있다.
개구홈(312)의 바닥에는 도 5의 메탈 비아(239)가 형성될 수도 있다.
도 8은 도 7의 변형예의 웨어러블 디바이스(400)의 단면도다. 도 7의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 제1 셀(C1)의 p형 단자(425)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(426)가 스트랩(410)의 상부면으로 연장되어 배치될 수 있다. 스트랩(410)에서 제1 셀(C1)의 p형 단자(425)와 제2 셀(C2)의 n형 단자(426)와 대응되는 부분에는 도전부(416)가 형성될 수 있다. 개구홈(412) 상으로 열전발전장치(420)를 덮는 보호부재(450)가 형성될 수 있다. 보호부재(450)는 스트랩(410)의 상부면(외주면) 일부 또는 전부를 덮도록 형성될 수 있다. 보호부재(453)는 플라스틱, 고무, 폴리머 등으로 얇게 형성될 수 있다. 보호부재(453) 및 열전발전장치(420) 사이에는 접착제(미도시)가 더 형성될 수 있다.
보호부재(450)는 열전발전장치(420)의 p형 반도체(421) 및 n형 반도체(422)를 절연하도록 개구홈(312)을 채우도록 형성될 수도 있다.
보호부재(450) 상으로 히트 싱크(도 7의 350 참조)가 더 배치될 수 있다.
본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 열전발전장치(420)의 상부전극(424) 및 단자들(425, 426)이 개구홈(312)의 상부면 보다 높게 형성될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열전발전장치를 포함하는 웨어러블 디바이스(500)의 개략적 단면도다. 도 7의 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 스트랩(510)에 형성된 개구홈(512)에 안착되는 열전발전장치(520)는 적어도 하나의 셀을 포함한다. 도 9에는 두 개의 셀(C1, C2)을 도시하였다. 각 셀은 p형 반도체(521) 및 n형 반도체(522)를 포함한다. 각 셀들의 p형 반도체(521) 및 n형 반도체(522) 사이와 셀들(C1, C2)의 외주에는 절연층(560)이 형성된다. 절연층(560)에서 p형 단자(325)와 n형 단자(326)와 대응되게 관통홀(562)을 채운 메탈 비아(564)가 형성되어 있다. 개구홈(312)의 바닥에는 메탈 비아(564)와 접촉되는 도전부(516)가 배치된다. 도전부(516)는 다른 열전발전장치(520) 또는 충전부(도 4의 103)와 전기적으로 연결될 수 있다. 열전발전장치(520)는 개구홈(512)의 바닥에 접착제(미도시)로 고정될 수 있다.
열전발전장치(520)의 상부에는 보호부재(550)가 형성될 수 있다. 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 보호부재(550) 대신에 열전발전장치(520)를 덮는 히트 싱크(도 7의 350)가 배치될 수 있다. 히트 싱크(350) 및 열전발전장치(520) 사이에는 접착제(미도시)가 형성되어서 히트 싱크(350)를 열전발전장치(520)의 상부에 고정할 수 있다. 접착제는 TIM일 수 있다.
실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 열전발전장치는 저온부가 거의 외부에 노출되게 배치된다. 따라서, 바람으로 열전발전장치의 저온부 온도가 낮아질 수 있으므로, 고온부 및 저온부의 온도차가 어느 정도 유지되며, 따라서, 발전효율이 개선된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 웨어러블 디바이스 110: 스트랩
112: 개구 114: 홈
116: 도전부 120: 열전발전장치
121: p형 반도체 122: n형 반도체
123: 하부전극 124: 상부전극
125: p형 단자 126: n형 단자
130: 지지부재 131: 몸체부
132 수직부 134: 돌출부
150: 히트싱크 152: 절연성 접착제

Claims (19)

  1. 적어도 하나의 개구가 형성된 몸체;
    상기 개구에 장착되며, 인접한 열전발전장치 또는 상기 몸체에 배치된 충전부로 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 포함하는 열전발전장치; 및
    상기 열전발전장치의 하부에서 착용자의 스킨에 접촉하는 지지부재;를 구비하며,
    상기 열전발전장치는 서로 마주보는 고온부와 저온부를 포함하며, 상기 고온부는 상기 지지부재 상에 배치되며, 상기 저온부는 외부를 향하도록 배치되는 웨어러블 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부재는 상기 지지부재로부터 상기 지지부재에 수직으로 연장된 한 쌍의 수직부와,
    상기 수직부로부터 상기 상기 개구의 측면으로 연장된 한 쌍의 돌출부를 포함하며, 상기 몸체에는 상기 돌출부가 인입되는 대응되는 홈이 형성된 웨어러블 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단자는 상기 한 쌍의 돌출부 상에서 상기 홈에 인입하는 웨어러블 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단자는 각각 상기 한쌍의 돌출부 중 서로 다른 하나의 돌출부에 배치되는 웨어러블 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단자는 p형 단자와 n형 단자를 포함하며, 상기 n형 단자는 인접한 개구에 형성된 다른 열전발전장치의 p형 단자와 전기적으로 연결되는 웨어러블 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부재는 플라스틱으로 이루어진 웨어러블 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전발전장치 상의 보호부재 또는 히트 싱크를 더 포함하는 웨어러블 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 금속, 카본, CNT, 그라파이트, 그래핀 및 이들의 복합 물질을 구비하는 웨어러블 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부재의 복수의 관통홀을 채운 복수의 메탈 비아를 더 포함하며,
    상기 복수의 메탈 비아는 상기 고온부와 접촉되어 착용자의 스킨으로부터의 열을 상기 고온부에 전달하는 웨어러블 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 인체 또는 동물의 손목 또는 머리를 감싸는 스트랩이며, 상기 개구 및 상기 열전발전장치는 상기 스트랩의 폭 방향으로 길게 배치된 웨어러블 디바이스.
  11. 착용자로부터 멀어지는 방향에서 형성된 적어도 하나의 개구홈을 포함하는 몸체; 및
    상기 개구홈의 바닥에 고온부가 배치되고 외부로 향하는 저온부를 포함하는 열전발전장치;를 구비하며,
    상기 열전발전장치는 인접한 열전발전장치 또는 상기 몸체에 배치된 충전부로 전기적으로 연결되는 한 쌍의 단자를 포함하는 웨어러블 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전발전장치의 상기 한 쌍의 단자는 상기 개구홈의 측벽에 형성된 측벽홈으로 인입되어서 상기 측벽홈 내에 배치된 도전부와 전기적으로 연결되는 웨어러블 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단자는 p형 단자와 n형 단자를 포함하며, 상기 n형 단자는 인접한 개구홈에 배치된 다른 열전발전장치의 p형 단자와 연결되는 웨어러블 디바이스.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전발전장치 상의 보호 부재 또는 히트 싱크를 더 포함하는 웨어러블 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 금속, 카본, CNT, 그라파이트, 그래핀 및 이들의 복합 물질을 포함하는 웨어러블 디바이스.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 몸체에서 상기 개구홈의 바닥에 형성된 복수의 관통홀을 채운 복수의 제1 메탈 비아를 더 포함하며,
    상기 복수의 제1 메탈 비아는 상기 고온부와 접촉되어 착용자의 스킨으로부터의 열을 상기 고온부에 전달하는 웨어러블 디바이스.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 몸체는 인체 또는 동물의 손목 또는 머리를 감싸는 스트랩이며, 상기 개구 및 상기 열전발전장치는 상기 스트랩의 폭 방향으로 길게 배치된 웨어러블 디바이스.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 단자는 상기 몸체의 외주면 상으로 배치되며,
    상기 몸체에서 상기 열전발전장치의 상기 저온부를 덮되 적어도 일부 상기 외주면 상으로 연장되는 보호부재를 더 포함하는 웨어러블 디바이스.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전발전장치의 p형 소자와 n형 소자 사이와 상기 열전발전장치의 외주를 포위하는 절연층;
    상기 절연층에서 상기 한 쌍의 단자와 접촉되게 형성된 한 쌍의 제2 메탈 비아; 및
    상기 한 쌍의 제2 메탈 비아와 접촉되게 상기 개구홈의 바닥에 형성된 한 쌍의 도전부;를 더 포함하는 웨어러블 디바이스.
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