KR20200070585A - Wearable Thermoelectric Generator Using Thermoelectric Materials - Google Patents

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이승엽
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Abstract

Disclosed is a wearable thermoelectric generator for collecting body heat using a thermoelectric material. The thermoelectric generator comprises: a thermoelectric block; P-type and N-type thermoelectric materials located inside the thermoelectric block; a substrate including an electrode electrically connecting the thermoelectric material in series; a polymer layer supporting and protecting the thermoelectric material; and a conductive wire connecting thermoelectric modules. The thermoelectric generator is composed of A-type and B-type thermoelectric modules of different sizes, thereby maintaining the output of the modules while adjusting lengths.

Description

열전소재를 이용한 체열 수집용 착용 열전 발전기{Wearable Thermoelectric Generator Using Thermoelectric Materials} Wearable thermoelectric generator for collecting body heat using thermoelectric materials

열전소재의 성능은 figure of merit (zT)값에 의하여 결정되며, 상용화되고 있는 열전 발전기의 경우, 열전소재의 zT 값의 50% 이하의 낮은 성능을 지닌다. 이는 열전소재와 전극 간의 접합, 온도차를 유지할 수 있는 구조, 열원과의 열 접촉 저항 등, 여러 가지 저해요소를 해결하지 못하여 발생하는 현상이다. The performance of the thermoelectric material is determined by the figure of merit (zT) value, and in the case of a commercially available thermoelectric generator, it has a performance lower than 50% of the zT value of the thermoelectric material. This is a phenomenon caused by failing to solve various inhibitors, such as bonding between a thermoelectric material and an electrode, a structure capable of maintaining a temperature difference, and thermal contact resistance with a heat source.

본 발명에서는 열전소재의 zT 값을 온전히 끌어낼 수 있도록 열전 발전기를 자체적으로 길이조절이 가능하도록 하여, 열전모듈이 열원에 밀착될 수 있도록 한다. 이러한 열전모듈은 감소한 열 접촉 저항을 가지게 되어 더 높은 성능을 발휘할 수 있는 구조로 설계되었다. In the present invention, the length of the thermoelectric generator can be adjusted by itself so that the zT value of the thermoelectric material can be completely extracted, so that the thermoelectric module can be closely adhered to the heat source. The thermoelectric module has a reduced thermal contact resistance and is designed to have a higher performance.

현재 연구되고 있는 착용 열전 발전기들은 신체부착을 위한 연질의 소재로 제작하기 위해 비교적 성능이 저하되는 paste계 열전소재를 이용하는 전략을 많이 보이고 있다. 하지만, 이러한 접근은 열전 발전기의 성능 저하를 초래하며, 최근에 이뤄지고 있는 일련의 연구들은 높은 열전 효율을 지닌 bulk 열전소재를 활용하면서 신체에 부착하여 열전성능을 최적화할 수 있는 착용 열전 발전기를 개발하는 방향으로 진행되고 있다. Wearing thermoelectric generators currently being studied show a lot of strategies for using paste-based thermoelectric materials that are relatively degraded to produce soft materials for body attachment. However, this approach leads to a decrease in the performance of the thermoelectric generator, and a series of recent studies has developed a wearable thermoelectric generator that can optimize the thermoelectric performance by attaching it to the body while utilizing a bulk thermoelectric material with high thermoelectric efficiency. Is going in the direction.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, zT는 열전소재의 성능을 나타내며, 제백계수(α, Seebeck coefficient), 전기전도도(σ, Electrical conductivity)에 비례하고, 열전도도(κ, Thermal conductivity)에 반비례한다. κph는 포논에 의한 열전도도이고 kel은 전자에 의한 열전도도를 나타낸다.Here, zT represents the performance of the thermoelectric material, is proportional to the Seebeck coefficient (α), the electrical conductivity (σ), and inversely proportional to the thermal conductivity (κ). κ ph is the thermal conductivity by phonon and k el represents the thermal conductivity by electron.

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, ZT는 열전모듈의 성능을 나타내며, 제백계수(α, Seebeck coefficient)에 비례하고, 전기적 저항(R, Electrical resistance)과 열 컨덕턴스에 반비례한다.Here, ZT represents the performance of the thermoelectric module, proportional to the Seebeck coefficient (α), and inversely proportional to electrical resistance (R) and thermal conductance.

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, ηmax는 열전모듈이 얻어낼 수 있는 최대의 열-전력 변환효율이고, ωmax는 최대의 전력밀도이다.Here, η max is the maximum heat-power conversion efficiency that the thermoelectric module can obtain, and ω max is the maximum power density.

KR-A-10-2014-0144287, 2014.10.23.KR-A-10-2014-0144287, 2014.10.23. KR-A-10-2015-0178640, 2015.12.14.KR-A-10-2015-0178640, 2015.12.14.

현재 산업에서 활용되는 에너지의 약 70%는 폐열 발생으로 낭비되고 있으며, 에너지 고갈문제가 심각해지고 있는 사회현상에서 대체 에너지, 폐열 수집을 통한 신 재생 에너지 개발 및 에너지 효율 증대는 연구개발이 필수불가결인 상황이다. 현재 열전소재를 이용한 폐열 수집은 활발히 연구가 이루어지고 있는 분야이다.Currently, about 70% of the energy used in the industry is wasted due to the generation of waste heat, and research and development are indispensable for the development of renewable energy and energy efficiency through the collection of alternative energy and waste heat in a social phenomenon where the energy depletion problem is becoming serious. Situation. Currently, waste heat collection using thermoelectric materials is an active area of research.

고온 영역에서 열전소재를 이용한 폐열 수집은 자동차산업, 우주산업 등에서 활발한 연구가 이루어지고 있지만, 체열 수집은 난이도가 높은 저온 영역 폐열 하베스팅 기술이기에 더욱 깊이 있는 연구가 필요하다. 현재까지 등록된 특허 및 논문에서 체열을 수집용 착용 열전 발전기는 구조 및 재질이 고착화되어 있는 상태로 기존의 패러다임을 뛰어넘어 실생활에 적용될 수 있는 연구개발 결과물이 필요한 상황이다.In the high-temperature region, waste heat collection using thermoelectric materials has been actively researched in the automotive industry and aerospace industry, but body heat collection is a low-temperature waste heat harvesting technology with high difficulty, so further research is needed. Wearing thermoelectric generators for collecting body heat from the patents and papers registered so far, the structure and materials are fixed, and the research and development results that can be applied to real life beyond the existing paradigm are needed.

본 발명은 열전 발전기가 길이조절이 가능하도록 새로운 모듈 구조를 설계하여 열 접촉 저항을 효과적으로 낮출 수 있는 열전 발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric generator capable of effectively lowering the thermal contact resistance by designing a new module structure so that the thermoelectric generator can be adjusted in length.

본 발명은 크기가 다른 A형과 B형 열전모듈들의 집합을 포함하고, 각 열전모듈은 P형과 N형 열전소재; 상기 열전소재를 지지하고 보호하는 고분자층; 전극이 인쇄된 세라믹 기판; 기판과 고분자층을 전기적으로 연결하는 솔더;를 포함할 수 있다.The present invention includes a set of A-type and B-type thermoelectric modules of different sizes, and each thermoelectric module includes P-type and N-type thermoelectric materials; A polymer layer supporting and protecting the thermoelectric material; An electrode printed ceramic substrate; And a solder electrically connecting the substrate and the polymer layer.

또한, 각각의 열전모듈은 전도성 와이어를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다.In addition, each thermoelectric module may be electrically connected using a conductive wire.

또한, 열전소재는 P형과 N형으로 나뉘며, P형 열전소재는 비스무스-안티모니-텔루라이드(Bi-Sb-Te) 계열, N형 열전소재는 구리-비스무스-텔루라이드-셀레늄(Cu-Bi-Te-Se) 계열로 사용될 수 있다.In addition, thermoelectric materials are divided into P-type and N-type, P-type thermoelectric materials are bismuth-antimony-telluride (Bi-Sb-Te) series, and N-type thermoelectric materials are copper-bismuth-telluride-selenium (Cu- Bi-Te-Se).

또한, 열전소재는 압출체를 포함한 Bulk 소자로 구비될 수 있다.In addition, the thermoelectric material may be provided as a bulk element including an extruded body.

또한, 고분자층은 PDMS 등의 비전도성 재질의 지지체로 구비될 수 있다.In addition, the polymer layer may be provided as a non-conductive material support such as PDMS.

또한, 기판은 AlO3, AIN 등의 세라믹 소재로 구비될 수 있으며, DBC(Direct Bonded Copper), DPC(Direct Plated Copper) 방식으로 구비될 수 있다.In addition, the substrate may be made of a ceramic material such as AlO 3 , AIN, or may be provided by a Direct Bonded Copper (DBC) or Direct Plated Copper (DPC) method.

또한, 기판에 인쇄되는 전극은 Au, Ag, Pt, Cu 또는 이들의 복합 물질을 포함할 수 있다. In addition, the electrode printed on the substrate may include Au, Ag, Pt, Cu, or a composite material thereof.

본 발명의 실시예에 의한 열전 발전기는 B형 열전모듈들을 이동시켜 사용자의 신체 부위에 맞춰 다양하게 길이를 조절할 수 있다.The thermoelectric generator according to the embodiment of the present invention can move the B-type thermoelectric modules to adjust various lengths according to a user's body part.

1. 본 발명에 의하면, 사용자의 신체에 맞춰 열전 발전기의 길이를 조절 가능하고, 조절된 부분을 열전 발전기의 다른 부분에 위치시켜 출력을 유지할 수 있다.1. According to the present invention, it is possible to adjust the length of the thermoelectric generator according to the user's body, and to maintain the output by placing the regulated part on another part of the thermoelectric generator.

2. 또한, 열전소재를 이용한 열전 발전기로 체온으로부터 전기를 생산하므로 별도의 배터리 없이 열전 발전기의 전원으로 사용될 수 있다. 2. In addition, since thermoelectric generators using thermoelectric materials produce electricity from body temperature, it can be used as a power source for thermoelectric generators without a separate battery.

도 1은 A형과 B형 열전모듈의 세라믹기판에 인쇄된 전극 패턴의 도면(100)이다.
도 2는 A형 열전모듈(200)의 분해도 이다.
도 3는 B형 열전모듈(300)의 분해도 이다.
도 4는 도 2와 도 3을 전기적으로 연결하는 방식에 관한 조립도(400) 이다.
도 5는 열전 발전기의 구조도(500) 이다.1 is a drawing 100 of electrode patterns printed on ceramic substrates of A-type and B-type thermoelectric modules.
2 is an exploded view of the A-type thermoelectric module 200.
3 is an exploded view of the B-type thermoelectric module 300.
4 is an assembly diagram 400 of a method of electrically connecting FIGS. 2 and 3.
5 is a structural diagram 500 of a thermoelectric generator.

본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. It should be noted that in adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible even though they are displayed on different drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of related known configurations or functions may obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 A형 열전모듈(200) 및 B형 열전모듈(300)에 부착되는 세라믹 기판(160)의 전극 인쇄 패턴 및 규격(100)을 나타낸 것이다. 1 shows an electrode printing pattern and a specification 100 of a ceramic substrate 160 attached to the A-type thermoelectric module 200 and the B-type thermoelectric module 300.

도 1을 참조하면, A형 열전모듈(200)은 상부기판(110); 하부기판(120); 으로 구분되며 하부기판(120)은 양쪽으로 전극(150)이 이어질 수 있도록 패턴(100)이 형성되어 있다.Referring to Figure 1, A-type thermoelectric module 200 is the upper substrate 110; Lower substrate 120; The lower substrate 120 is formed with a pattern 100 so that the electrodes 150 can be connected to both sides.

또한, B형 열전모듈(300)은 상부기판(130); 하부기판(140); 으로 구분되며 하부기판(140)은 양쪽으로 전극(150)이 이어질 수 있도록 패턴(100)이 형성되어 있다.In addition, the B-type thermoelectric module 300 includes an upper substrate 130; Lower substrate 140; The lower substrate 140 is formed with a pattern 100 so that the electrodes 150 can be connected to both sides.

도 2는 A형 열전모듈의 분해도 및 규격(200)을 나타낸 것이다.2 shows an exploded view and a specification 200 of the A-type thermoelectric module.

도 2를 참조하면, A형 열전모듈의 상부기판(110); 하부기판(120); 사이에 비전도성 지지체(212); 로 둘러싸인 P형 및 N형 열전소재(211)가 위치하며, 비전도성 지지체(212)와 상기 열전소재(211)를 합쳐 A형 열전블록(210)이라고 한다.2, the upper substrate 110 of the A-type thermoelectric module; Lower substrate 120; Between the non-conductive support 212; The P-type and N-type thermoelectric materials 211 surrounded by are located, and the non-conductive support 212 and the thermoelectric materials 211 are collectively referred to as A-type thermoelectric blocks 210.

도 3은 B형 열전모듈의 분해도 및 규격(300)을 나타낸 것이다.3 shows an exploded view and a specification 300 of the B-type thermoelectric module.

도 3을 참조하면, B형 열전모듈의 상부기판(130); 하부기판(140); 사이에 비전도성 지지체(212); 로 둘러싸인 P형 및 N형 열전소재(211)가 위치하며, 비전도성 지지체(212)와 상기 열전소재(211)를 합쳐 B형 열전블록(310)이라고 한다.Referring to Figure 3, the upper substrate 130 of the B-type thermoelectric module; Lower substrate 140; Between the non-conductive support 212; The P-type and N-type thermoelectric materials 211 surrounded by are located, and the non-conductive support 212 and the thermoelectric materials 211 are collectively referred to as a B-type thermoelectric block 310.

도 4는 A형 열전모듈(200); 과 B형 열전모듈(300); 의 조립도(400)를 나타낸 것이다.4 is a type A thermoelectric module 200; And B-type thermoelectric module 300; It shows the assembly diagram 400 of.

도 4를 참조하면, A형 열전모듈(200); 과 B형 열전모듈(300); 은 전도성 와이어(410); 로 연결된다.4, the A-type thermoelectric module 200; And B-type thermoelectric module 300; Silver conductive wire 410; Leads to

도 5는 실시예(520)에 따른 구조도(500)이다.5 is a structural diagram 500 according to an embodiment 520.

도 5는 열전 발전기(510)의 길이 조절이 가능한 구조를 나타내고 이는 열 접촉 저항을 낮출 수 있어 열전소재의 성능을 높일 수 있다.5 shows a structure in which the length of the thermoelectric generator 510 is adjustable, which can lower the thermal contact resistance, thereby improving the performance of the thermoelectric material.

또한, 각각의 열전모듈은 움직임이 자유로운 전도성 와이어(410)로 연결되어 사용자의 신체구조에 따라 다양한 형태의 열전 발전기(510)로 활용이 가능하다.In addition, each thermoelectric module is connected to a freely moving conductive wire 410 and can be utilized as various types of thermoelectric generators 510 according to a user's body structure.

100 : 전극 인쇄 패턴
110 : 상부기판 (A형)
120 : 하부기판 (A형)
130 : 상부기판 (B형)
140 : 하부기판 (B형)
150 : 전극
160 : 세라믹 기판
200 : 열전모듈 (A형)
210 : 열전블록 (A형)
211 : 열전소재 (P형, N형)
212 : 비전도성 지지체
300 : 열전모듈 (B형)
310 : 열전블록 (B형)
400 : 조립도
410 : 전도성 와이어
500 : 구조도
510 : 열전 발전기
520 : 실시예100: electrode printing pattern
110: upper substrate (type A)
120: lower substrate (type A)
130: upper substrate (type B)
140: lower substrate (type B)
150: electrode
160: ceramic substrate
200: thermoelectric module (type A)
210: thermoelectric block (type A)
211: Thermoelectric material (P type, N type)
212: non-conductive support
300: thermoelectric module (type B)
310: thermoelectric block (type B)
400: assembly drawing
410: conductive wire
500: structure diagram
510: thermoelectric generator
520: Example

Claims (7)

열전블록; 상기 열전블록 내부에 위치된 P형 및 N형 열전소재; 상기 열전소재를 전기적으로 직렬 연결하는 전극을 포함하는 기판; 열전소재를 지지하고 보호하는 고분자층, 상기 열전모듈을 연결하는 전도성 와이어; 를 포함하여 이루어지며, 크기가 서로 다른 A형과 B형 열전모듈로 이루어져, 길이조절을 하면서도 모듈의 출력을 유지하는 것을 특징으로 하는 체열 수집용 착용 열전 발전기.Thermoelectric block; P-type and N-type thermoelectric materials located inside the thermoelectric block; A substrate including an electrode electrically connecting the thermoelectric material in series; A polymer layer supporting and protecting the thermoelectric material, a conductive wire connecting the thermoelectric module; It is made, including a type A and B thermoelectric modules of different sizes, wearing a thermoelectric generator for collecting body heat, characterized in that to maintain the output of the module while adjusting the length. 제1항에 있어서, 상기 P형, N형 열전소재는 교번하여 위치됨.The P-type and N-type thermoelectric materials are alternately positioned. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극은 열전블록 상, 하부에서 상기 열전소재를 전기적으로 연결함으로써, 상기 열전블록에 형성된 모든 P형 및 N형 열전소재를 직렬 연결.According to claim 1 or claim 2, The electrode is electrically connected to the thermoelectric material above and below the thermoelectric block, thereby connecting all P-type and N-type thermoelectric materials formed in the thermoelectric block in series. 제1항에 있어서, 상기 열전블록은 PDMS 등의 비전도성 재질인 고분자층을 특징으로 함.The method of claim 1, wherein the thermoelectric block is characterized by a polymer layer made of a non-conductive material such as PDMS. 제1항에 있어서, 상기 열전블록의 제조방법으로서,
(a) 열전블록 몰드 제작 단계; (b) 상기 열전블록 몰드에 P형 및 N형 열전소재를 배치하는 단계; (c) 상기 열전소재가 배치된 열전블록 몰드의 열전소재 사이 공간을 비전도성 재질의 고분자로 충진하는 단계; (d) 고분자 경화가 완료된 상기 열전블록을 몰드에서 제거, 적당한 두께로 절단하여, 열전블록을 형성하는 단계; (e) 상기 형성된 열전블록을 DPC, DBC 등의 전극이 인쇄된 기판 위에 부착하는 단계; 를 포함하며, 상기 (c) 단계에 의해 상기 열전소재가 고분자로 충진된 상태로 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열전블록 제조방법.According to claim 1, As a method of manufacturing the thermoelectric block,
(A) thermoelectric block mold manufacturing step; (b) disposing P-type and N-type thermoelectric materials in the thermoelectric block mold; (c) filling the space between the thermoelectric materials of the thermoelectric block mold in which the thermoelectric materials are disposed with a polymer of non-conductive material; (d) removing the thermoelectric block from which the polymer curing is completed from a mold and cutting it to a suitable thickness to form a thermoelectric block; (e) attaching the formed thermoelectric block on a substrate on which electrodes such as DPC and DBC are printed; It includes, the method of manufacturing a thermoelectric block, characterized in that the thermoelectric material is vertically arranged in a state filled with a polymer by the step (c). 제5항에 있어서 상기 (a) 단계에 열전몰드는 3D프린팅 방법으로 제작되는 것을 특징으로 함.The method of claim 5, wherein in step (a), the thermoelectric mold is manufactured by a 3D printing method. 제1항에 있어서 B형 열전모듈들을 이동시켜 사용자의 신체 부위에 맞춰 다양하게 길이를 조절할 수 있는 열전 발전기.The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the B-type thermoelectric modules are moved to adjust various lengths according to a user's body.
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