KR20230062082A - 상전이 물질을 포함하는 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상전이 물질을 포함하는 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 열전채널 및 제2 열전채널을 포함하고, 상기 제1 열전채널 및 상기 제2 열전채널 중 어느 하나의 열전채널이 상전이 물질로 형성되고, 나머지 하나의 열전채널이 열전물질로 형성되며, 상기 제1 전극 상에 열원이 위치할 경우 상기 상전이 물질이 열전채널로 동작하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 온도 차이에 기반하여 전압을 생성하는 열전소자 및 상기 생성된 전압을 충전하고, 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 충전된 전압을 방전하는 커패시터를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 상전이 물질이 저항채널로 동작하여 상기 방전되는 전압에 기반한 역전류를 차단할 수 있다.
Description
본 발명은 상전이 물질을 포함하는 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 열전소자 주변에 열원이 있을 경우에는 열전소자의 열전채널을 형성하는 상전이 물질이 열전채널로 작동하여 발전하고, 열원이 없을 경우에는 상전이 물질이 저항채널로 작동함에 따라 열(thermal) 스위치로서 작동하여 커패시터에 저장된 전압이 방전됨에 따른 역전류를 차단하는 기술에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심도가 높아짐에 따라 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 주목 받고 있다.
열전소자(thermoelectric device)는 열을 활용하여 전기에너지를 생산하는 소자로서 주변에 존재하는 열이나 태양광에 기반한 태양광열에 해당하는 에너지원을 전기에너지로 변환할 수 있다.
하지만 에너지원의 세기가 주변환경에 따라 변하기 때문에 생산되는 전기에너지도 불규칙적인 단점이 존재한다.
불규칙하게 생성되는 전기에너지를 실제 전자소자에 활용하기 위해서 저장소자인 배터리 또는 커패시터와 열전소자와 같은 에너지 발전소자를 연동한 에너지 하베스팅 시스템이 개발되고 있다.
에너지 발전소자와 에너지 저장소자는 면적당 발전 효율 및 저장 효율을 향상하기 위해서 반도체 공정기술인 리소그래피 등을 활용하여 제작되고 있다.
열전소자를 통해서 전압이 저장된 커패시터는 열원이 제거되어 열전소자가 발전을 멈춘 다음에는 열전소자 방향으로 저장했던 전압을 방전 시킬 수 있는데 이를 역전류라고 지칭한다.
이러한 역전류를 방지 및 차단하기 위해서는 다양한 방법을 회로적으로 구성할 수 있으며 가장 일반적인 방법은 다이오드를 통해서 역전류를 차단하는 방법 또는 구조가 존재한다.
다만, 다이오드는 턴 온 전압(turn-on voltage)이라는 다이오드가 동작하기 위한 최소 전압이 있는데 이는 열전소자의 생성 전압을 소모할 수 있는 단점이 존재한다.
열전소자가 큰 전압을 생성하는 경우에는 문제가 덜 하지만 열전소자가 미소(micro) 에너지를 활용하여 발전하는 경우에는 다이오드의 턴 온 전압은 열전소자에 의해 생성되는 전압을 크게 소모할 수 있다.
본 발명은 열전소자 주변에 열원이 있을 경우에는 열전소자의 열전채널을 형성하는 상전이 물질이 열전채널로 작동하여 발전하고, 열원이 없을 경우에는 상전이 물질이 저항채널로 작동함에 따라 열(thermal) 스위치로서 작동하여 커패시터에 저장된 전압이 방전됨에 따른 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 충전부의 역전류 차단을 위해서 다이오드와 같은 추가 부품을 사용하지 않고 자체적으로 충전부의 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 열원의 유무에 따라 불규칙적으로 발전하면서도 열원이 없어서 발전을 하지 못하는 동안 충전된 전압이 방전되지 않도록 방지 하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 열전채널 및 제2 열전채널을 포함하고, 상기 제1 열전채널 및 상기 제2 열전채널 중 어느 하나의 열전채널이 상전이 물질로 형성되고, 나머지 하나의 열전채널이 열전물질로 형성되며, 상기 제1 전극 상에 열원이 위치할 경우 상기 상전이 물질이 열전채널로 동작하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 온도 차이에 기반하여 전압을 생성하는 열전소자 및 상기 생성된 전압을 충전하고, 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 충전된 전압을 방전하는 커패시터를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 상전이 물질이 저항채널로 동작하여 상기 방전되는 전압에 기반한 역전류를 차단할 수 있다.
상기 제1 열전채널은 상기 상전이 물질로 형성되고, 상기 열원이 위치할 경우에 p 타입의 열전채널로 동작하고, 상기 열원이 위치하지 않을 경우에는 저항채널로 동작하며, 상기 제2 열전채널은 상기 열전물질로 형성되고, 상기 열원과 관계 없이 n타입의 열전채널로 동작할 수 있다.
상기 상전이 물질은 VO2, Cd2Os2O7, NdNiO3, SmNiO3 및 GdNiO3 중 어느 하나를 포함하고, 상기 열전물질은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성될 수 있다.
상기 어느 하나의 열전채널은 온도가 상전이 온도 대역 보다 높은 경우에 상기 상전이 물질이 상기 열전채널로 동작하는 제1 상태이고, 상기 온도가 상기 상전이 온도 대역 보다 낮은 경우에 상기 상전이 물질이 상기 저항채널로 동작하는 제2 상태이며, 상기 온도가 상기 상전이 온도 대역인 경우에 상기 상전이 물질이 상기 열전채널과 상기 저항채널 간의 전이 상태를 가질 수 있다.
본 발명은 열전소자 주변에 열원이 있을 경우에는 열전소자의 열전채널을 형성하는 상전이 물질이 열전채널로 작동하여 발전하고, 열원이 없을 경우에는 상전이 물질이 저항채널로 작동함에 따라 열(thermal) 스위치로서 작동하여 커패시터에 저장된 전압이 방전됨에 따른 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 충전부의 역전류 차단을 위해서 다이오드와 같은 추가 부품을 사용하지 않고 자체적으로 충전부의 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 열원의 유무에 따라 불규칙적으로 발전하면서도 열원이 없어서 발전을 하지 못하는 동안 충전된 전압이 방전되지 않도록 방지 하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하지 않는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하지 않는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 구조를 예시한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 에너지 하베스팅 시스템(100)은 열전소자(110) 및 커패시터(120)를 포함한다.
일례로, 열전소자(110)는 제1 전극(113) 및 제2 전극(114)를 포함하고, 제1 전극(113)과 제2 전극(114) 사이에 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112) 중 어느 하나의 열전채널이 상전이 물질로 형성되고, 나머지 하나의 열전채널이 열전물질로 형성된다.
예를 들어, 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112)은 스크린 프린팅 공정 또는 리소그래피 공정을 통해 상전이 물질 및 열전물질에 따른 열처리를 통해 형성될 수 있다.
제1 전극(113) 및 제2 전극(114)은 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112) 형성 후 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112)을 연결하도록 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극(113) 및 제2 전극(114)은 형성 이후 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112)의 형성을 통해 연결될 수 있다.
일례로, 제1 열전채널(111)은 상전이 물질로 형성되고, 열원이 위치할 경우에 p 타입의 열전채널로 동작하고, 열원이 위치하지 않을 경우에는 저항채널로 동작할 수 있다.
한편, 제2 열전채널(112)은 열전물질로 형성되고, 열원과 관계 없이 n타입의 열전채널로 동작할 수 있다.
예를 들어, 상전이 물질은 VO2, Cd2Os2O7, NdNiO3, SmNiO3 및 GdNiO3 중 어느 하나를 포함하고, 열전물질은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질을 포함할 수 있다.
한편, 제1 전극(113) 및 제2 전극(114)은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(110)는 열원이 제1 전극(113) 상에 위치하는 경우에는 제1 열전채널(111) 및 제2 열전채널(112)이 모두 열전채널로 동작함에 따라 제1 전극(113)과 제2 전극(114) 간의 온도차이에 기반하여 발전을 할 수 있다.
즉, 열전소자(110)는 제1 전극(113)과 제2 전극(114) 간의 온도를 다르게 하면 기전력이 생기는 제베크(Seebeck) 효과를 이용하여 발전하는 열전소자일 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(113)은 열원에 의해 핫(hot) 전극으로 동작하고, 제2 전극(114)은 콜드(cold) 전극으로 동작할 수 있다.
일례로, 열전소자(110)는 제1 전극(113)과 제2 전극(114) 간의 온도 차이에 기반하여 생성된 전압을 커패시터(120)로 전달하여 커패시터(120)가 전압을 충전하도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 커패시터(120)는 열전소자(110)로부터 전압이 전달되면 전압을 충전하고, 전압이 전달되지 않으면 기 충전된 전압을 방전할 수 있다.
여기서, 방전되는 전압에 따른 전류가 열전소자(110)로 역류하는 현상이 발생될 수 있는데 이를 역전류라고 칭한다.
예를 들어, 커패시터(120)는 리소그래피, 써멀증착, 스핀코팅 등의 공정을 이용하여 형성될 수 있고, 충전 및 방전을 수행함에 따라 충방전부로 지칭될 수 있다.
일례로, 커패시터(120)는 열전소자(110)에 의해 생성된 전압을 충전하고, 열원이 제1 전극(113) 상에 위치하지 않아서 열전소자(110)가 발전하지 않는 경우에 기 충전된 전압을 방전할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(110)는 열원이 위치하지 않을 경우에는 상전이 물질이 저항채널로 동작하여 커패시터(120)에서 방전되는 전압에 기반한 역전류가 열전소자(110) 내 역으로 흐르지 않도록 역전류를 차단할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 구조에서 제1 전극 상에 열원이 위치하는 경우를 예시한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 에너지 하베스팅 시스템(200)은 열전소자(210) 및 커패시터(220)를 포함한다.
일례로, 열전소자(210)는 제1 전극(213) 및 제2 전극(214)를 포함하고, 제1 전극(213)과 제2 전극(214) 사이에 제1 열전채널(211) 및 제2 열전채널(212)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(210)는 제1 전극(213) 상에 위치하는 열원의 열에 의한 제1 전극(213)의 온도와 제2 전극(214)의 온도 간의 온도 차이에 기반하여 제1 열전채널(211) 및 제2 열전채널(212)에서 전압을 생성하고, 생성된 전압을 커패시터(220)로 전달할 수 있다.
일례로, 제1 열전채널(211)은 상전이 물질로 형성되고, 열원에 의한 열에 기반하여 열전채널로 동작함에 따라 제1 전극(213) 상에 위치하는 열원의 열과 제2 전극(214) 간의 온도 차이에 기반하여 제2 열전채널(212)과 함께 전압을 생성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제1 열전채널(211)은 상전이 물질로 형성될 수 있는데, 상전이 물질은 열원에 의한 고온에서 다결정(polycrystal) 또는 결정(crystal) 구조로 저항이 낮아져서 열전채널로 동작할 수 있다.
일례로, 열전소자(210)는 열원에 기반하여 증가된 온도에 따라 제1 열전채널(211)이 열전채널로 동작하여 제2 열전채널(212)과 함께 전압을 생성할 수 있다.
예를 들어, 커패시터(220)는 열전소자(210)로부터 전달되는 전압을 충전할 수 있다.
즉, 에너지 하베스팅 시스템(200)은 열원이 열전소자(210) 상에 위치하는 경우, 열전소자(210)가 열원의 열을 제1 전극(213)을 통해 제1 열전채널(211)로 전달하고, 제1 열전채널(211)을 형성하는 상전이 물질이 열전채널로서 동작함에 따라 제1 전극(213)과 제2 전극(214) 간의 온도차이에 기반하여 제1 열전채널(211)과 제2 열전채널(212)을 통해 전압을 생성하고, 생성된 전압을 커패시터(220)에 충전하는 동작을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 열전소자 주변에 열원이 있을 경우에는 열전소자의 열전채널을 형성하는 상전이 물질이 열전채널로 작동하여 발전하고, 열원이 없을 경우에는 상전이 물질이 저항채널로 작동함에 따라 열(thermal) 스위치로서 작동하여 커패시터에 저장된 전압이 방전됨에 따른 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 주변에 열원이 존재하지 않는 경우에 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자 및 이를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 구조에서 에너지 하베스팅 시스템의 주변에 열원이 위치하지 않는 경우를 예시한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따르면 에너지 하베스팅 시스템(300)은 열전소자(310) 및 커패시터(320)를 포함한다.
일례로, 열전소자(310)는 제1 전극(313) 및 제2 전극(314)를 포함하고, 제1 전극(313)과 제2 전극(314) 사이에 제1 열전채널(311) 및 제2 열전채널(312)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(310)는 열원이 주변에 위치하지 않음에 따라 상온 상태에 위치하고, 제1 열전채널(311)을 형성하는 상전이 물질이 상온에서 무정형(Amorphous) 구조로 저항이 매우 높아지는 특징에 기반하여 저항채널로 동작할 수 있다.
일례로, 커패시터(320)는 열전소자(310)로부터 전압이 전달되지 않음에 따라 충전된 전압을 방전하여 열전소자(310)로 전류를 인가하는 역전류를 형성할 수 있다.
그러나, 열전소자(310)는 제1 열전채널(311)이 상전이 물질에 기반하여 저항 채널로 동작함에 따라 커패시터(320)로부터의 역전류를 차단할 수 있다.
다시 말해, 제1 열전채널(311)은 열원이 존재하지 않거나 제거된 후에는 상온이 되면서 상전이 물질의 저항이 증가함에 따라 커패시터(320)로부터 방전되는 전압을 차단하여 커패시터(320)의 방전을 방지할 수 있다.
즉, 제1 열전채널(311)은 열원의 존재 유무에 따라 커패시터(320)로 전압을 충전하는 열전채널로 동작하거나 커패시터(320)로부터의 전압의 방전을 방지하는 열(thermal) 스위치로서의 역할을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 충전부의 역전류 차단을 위해서 다이오드와 같은 추가 부품을 사용하지 않고 자체적으로 충전부의 역전류를 차단하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 열원의 유무에 따라 불규칙적으로 발전하면서도 열원이 없어서 발전을 하지 못하는 동안 충전된 전압이 방전되지 않도록 방지 하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질을 포함하는 열전소자의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상전이 물질의 온도에 따른 저항 변화에 따라 열전채널 또는 저항채널로 동작 가능함을 예시한다.
도 4를 참고하면, 그래프(400)는 가로축에서 온도의 변화를 나타내고, 세로축에서 저항의 변화를 나타낸다.
그래프(400)의 지시선(401)은 가열(heating)에 따른 온도 변화에서 저항 변화를 나타낼 수 있다.
그래프(400)의 지시선(402)은 냉각(cooling)에 따른 온도 변화에서 저항 변화를 나타낼 수 있다.
그래프(400)는 온도의 변화에 따른 저항의 변화에 따라 상전이 물질이 제1 상태(410), 제2 상태(430) 및 전이 상태(420)를 가질 수 있음을 나타낸다.
다시 말해, 상전이 물질로 형성되는 제1 열전채널은 제1 상태(410), 제2 상태(430) 및 전이 상태(420)를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상전이 물질로 형성되는 어느 하나의 열전채널은 온도가 상전이 온도 대역 보다 높은 65도 내지 90도인 경우에 상전이 물질이 열전채널로 동작하는 제1 상태(410)를 가질 수 있다.
또한, 상전이 물질로 형성되는 어느 하나의 열전채널은 온도가 상전이 온도 대역 보다 낮은 20도 내지 55도인 경우에 상전이 물질이 저항채널로 동작하는 제2 상태(430)를 가질 수 있다.
또한, 상전이 물질로 형성되는 어느 하나의 열전채널은 온도가 상전이 온도 대역인 56도 내지 66도인 경우에 상전이 물질이 열전채널과 저항채널 간의 전이 상태(420)를 가질 수 있다.
일례로, 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자는 제1 열전채널의 제1 상태(410)에서 제1 전극과 제2 전극 간의 온도 차이를 이용하여 전압을 생성하고, 생성된 전압을 커패시터로 전달 한다.
커패시터는 열전소자의 제1 열전채널이 제1 상태(410)인 경우에는 열전소자로부터 전압을 전달받아서 전압을 충전한다.
일례로, 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자는 제1 열전채널의 제2 상태(430)에서 제1 열전채널이 저항채널로 동작함에 따라 전압을 생성하지 않는다.
일반적으로, 커패시터는 열전소자로부터 전압이 전달되지 않음에 따라 기 충전된 전압을 방전하고, 방전된 전압이 열전소자에 역전류로 전달할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자는 제1 열전채널의 제2 상태(430)에서 제1 열전채널이 저항채널임에 따라 역전류를 차단하는 열 스위치로 동작할 수 있다.
다시 말해, 제1 열전채널은 특정 온도 이상인 경우에는 전압을 생성하고, 생성된 전압이 커패시터로 전달되도록 열전소자와 커패시터 간을 연결하거나 특정 온도 이하인 경우에는 커패시터로부터 열전소자로 전류가 전달되지 않도록 차단하는 열 스위치로 동작할 수 있다.
따라서, 본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 에너지 하베스팅 시스템
110: 열전소자
111: 제1 열전채널 112: 제2 열전채널
113: 제1 전극 114: 제2 전극
120: 커패시터
111: 제1 열전채널 112: 제2 열전채널
113: 제1 전극 114: 제2 전극
120: 커패시터
Claims (5)
- 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제1 열전채널 및 제2 열전채널을 포함하고, 상기 제1 열전채널 및 상기 제2 열전채널 중 어느 하나의 열전채널이 상전이 물질로 형성되고, 나머지 하나의 열전채널이 열전물질로 형성되며, 상기 제1 전극 상에 열원이 위치할 경우 상기 상전이 물질이 열전채널로 동작하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 온도 차이에 기반하여 전압을 생성하는 열전소자; 및
상기 생성된 전압을 충전하고, 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 충전된 전압을 방전하는 커패시터를 포함하고,
상기 열전소자는 상기 열원이 위치하지 않을 경우에 상기 상전이 물질이 저항채널로 동작하여 상기 방전되는 전압에 기반한 역전류를 차단하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 열전채널은 상기 상전이 물질로 형성되고, 상기 열원이 위치할 경우에 p 타입의 열전채널로 동작하고, 상기 열원이 위치하지 않을 경우에는 저항채널로 동작하며,
상기 제2 열전채널은 상기 열전물질로 형성되고, 상기 열원과 관계 없이 n타입의 열전채널로 동작하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 상전이 물질은 VO2, Cd2Os2O7, NdNiO3, SmNiO3 및 GdNiO3 중 어느 하나를 포함하고,
상기 열전물질은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 어느 하나의 열전채널은 온도가 상전이 온도 대역 보다 높은 경우에 상기 상전이 물질이 상기 열전채널로 동작하는 제1 상태이고, 상기 온도가 상기 상전이 온도 대역 보다 낮은 경우에 상기 상전이 물질이 상기 저항채널로 동작하는 제2 상태이며, 상기 온도가 상기 상전이 온도 대역인 경우에 상기 상전이 물질이 상기 열전채널과 상기 저항채널 간의 전이 상태를 가지는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템.
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| KR20180078654A (ko) | 2016-12-30 | 2018-07-10 | 엘지이노텍 주식회사 | 열전 소자 |
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