KR100500664B1

KR100500664B1 - 양면 인쇄회로기판의 박막패턴을 이용한 태양위치 추적 센서

Info

Publication number: KR100500664B1
Application number: KR10-2003-0093094A
Authority: KR
Inventors: 정철오; 은종원
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-12
Also published as: US20050133080A1; US7164109B2; KR20050061744A

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판(PCB) 패턴의 온도계수 및 열전도 특성을 이용한 미세한 패턴의 제작으로 분해능이 큰 추적 센서를 구현하면서, 우주 및 지상용의 광범위한 응용범위를 갖는 저렴하고 신뢰성 있는 태양 위치 추적 센서를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 태양 위치 추적 센서는 태양광을 집광 및 필터링하는 집광부, 상기 집광부를 통해 집광 및 필터링된 태양광을 받아들이는 수광패턴이 상면 및 바닥면에 구비된 인쇄회로기판, 상기 인쇄회로기판의 바닥면에 부착되어 상기 인쇄회로기판의 전체적인 온도 증가를 억제하는 방열판, 상기 수광패턴의 일단에 연결되어 상기 태양광이 조사되어 온도가 높아진 특정 수광패턴을 찾기 위한 기준전압원을 공급하는 기준전압공급부, 및 상기 온도가 높아진 특정 수광패턴의 온도계수 변화에 따른 전압변동을 측정하기 위한 전압계를 포함하므로써, 인쇄회로기판의 구리패턴(수광패턴)의 온도계수 특성과 양호한 열전도 특성을 이용하여 저렴한 가격으로 대량생산이 가능한 태양위치추적센서를 구현할 수 있다.

Description

양면 인쇄회로기판의 박막패턴을 이용한 태양위치 추적 센서{SOLAR POSITION TRACE SENSOR USING THIN FILM PATTERN OF BOTH SIDED PRINTED CIRCUIT BOARD}

본 발명은 태양 위치 추적 센서에 관한 것으로, 특히 인쇄회로기판 패턴의 온도계수 특성과 양호한 열전도 특성을 이용한 태양 위치 추적 센서에 관한 것이다.

위성체 자세 제어, 안테나 방향 제어, 항법, 태양광 발전 등 우주 및 지상용 장비에는 태양의 위치를 추적하는 제어장치가 사용되고 있다. 현재는 포토트랜지스터어레이(Photo Transistor Array) 등의 반도체 소자를 이용하여 렌즈, 프리즘 등 광학장치로 정렬된 광원이 포토트랜지스터어레이 상의 특정부위에 있는 포토트랜지스터를 광전효과에 의하여 활성화시키면 그 출력신호를 이용하여 해당 포토트랜지스터의 위치를 판독하고 상호 연동된 제어기를 구동하여 포토트랜지스터어레이 상에 특정위치의 포토트랜지스터가 활성화되도록 방향을 제어한다.

이와 같은 형태의 태양 위치 추적 센서는 그 설계와 제조에 있어 포토트랜지스터어레이의 특성 분석과 소자의 본딩(Bonding), 증폭기, 구동기 및 주변소자와의 연결배선(Interconnection) 등에 세심한 고려와 주의가 요구되며 미세 먼지 등에 의하여 그 성능이 크게 좌우되므로 제조단가가 매우 높아지게 된다. 이런 점은 특히 위성시스템 관련 분야와 같이 대량 생산품이 아닌 단품 생산시스템의 경우 개발비와 제조단가를 높이는 요인과 직결된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 인쇄회로기판(PCB) 패턴의 온도계수 및 열전도 특성을 이용한 미세한 패턴의 제작으로 분해능이 큰 추적 센서를 구현하면서, 우주 및 지상용의 광범위한 응용범위를 갖는 저렴하고 신뢰성 있는 태양 위치 추적 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양 위치 추적 센서는 태양광을 집광 및 필터링하는 집광부, 상기 집광부를 통해 집광 및 필터링된 태양광을 받아들이는 수광패턴이 상면 및 바닥면에 구비된 인쇄회로기판, 상기 인쇄회로기판의 바닥면에 부착되어 상기 인쇄회로기판의 전체적인 온도 증가를 억제하는 방열판, 상기 수광패턴의 일단에 연결되어 상기 태양광이 조사되어 온도가 높아진 특정 수광패턴을 찾기 위한 기준전압원을 공급하는 기준전압공급부, 및 상기 온도가 높아진 특정 수광패턴의 온도계수 변화에 따른 전압변동을 측정하기 위한 전압계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 기준전압공급부는 상기 온도가 높아진 수광패턴을 찾기 위한 기준전압원, 상기 기준전압원을 선택적으로 상기 수광패턴에 공급하기 위한 선택스위치, 상기 선택스위치를 구동시키도록 하는 스위치제어부, 및 상기 선택스위치의 출력단에 접속되어 상기 선택스위치의 소자별 특성을 보정하는 역할을 하는 가변저항을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 스위치제어부는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 인쇄회로기판의 상면 및 바닥면에 형성된 수광패턴은 온도계수특성과 양호한 열전도율을 갖는 구리패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 위치 추적 센서의 전체 구성도이다.

도 1을 참조하면, 태양광을 집광 및 필터링하는 집광부(100), 집광부(100)를 통해 집광 및 필터링된 태양광을 받아들이는 수광패턴(201, 202)이 상면 및 바닥면에 구비된 인쇄회로기판(200), 인쇄회로기판(200)의 바닥면에 부착되어 강한 태양광에 의한 인쇄회로기판(200)의 전체적인 온도 증가를 억제하는 방열판(300), 수광패턴들(201, 202)의 일단에 연결되어 태양광이 조사된 특정 수광패턴(201, 202)을 찾기 위한 기준전압원(Reference voltage)을 공급하는 기준전압공급부(400), 태양광을 받아들인 수광패턴의 온도계수 변화에 따른 전압변동을 측정하기 위한 전압계(500)로 구성된다.

자세히 살펴보면, 먼저, 집광부(100)는 태양광을 집광하는 집광렌즈(101)와 집광된 태양광을 필터링하는 필터(102)로 구성되고, 방열판(300)은 히트싱크(Heat sink)를 이용한다.

그리고, 조리개제어기(600)는 집광렌즈(101)로 집광된 태양광에 의하여 온도가 상승하는 부분을 찾는 것으로 집광율이 높은 집광렌즈 또는 강력한 태양광이 입력되는 경우 집광된 인쇄회로기판(200) 표면의 온도가 과도하게 올라갈 수 있다. 또한 이를 방지하기 위하여 집광율을 낮추거나 광투과율이 낮은 필터(102)를 고정적으로 사용할 경우 흐린 날씨 등 직사광이 약한 환경에서 집광된 인쇄회로기판(200) 표면의 온도 상승이 미약하여 분해능이 떨어지게 된다. 그러므로 조리개제어기는 시스템에 수광되는 광량을 어느 정도 범위에서 일정하도록 조절하여 과도한 입사광으로 인한 버닝을 방지하고 광량이 적은 환경에서 감도를 높여주는 역할을 한다. 조리개 제어기(600)의 동작은 감지된 인쇄회로기판(200) 표면의 온도에 의하여 변화된 미세한 전류 및 전압을 제어입력으로 하여 네가티브 피드백(negative feedback) 제어방식으로 조리개 구동 서브모터 등을 제어한다.

그리고, 추적제어기(700)는 집광부(100)를 통하여 집광된 태양광이 인쇄회로기판(200)의 중앙부에 위치하도록 하여 태양위치추적을 수행한다. 인쇄회로기판(200) 표면의 온도가 상승한 부분의 위치가 감지되면 서브모터 등의 구동수단을 사용하여 인쇄회로기판(200)의 표면이 태양광과 직각이 되도록 제어한다.

인쇄회로기판(200)의 수광패턴(201, 202)은 온도변화에 따른 저항 변화가 미세하므로 이로 인한 전류, 전압의 변동은 매우 미세하다. 그러므로 이를 직접 조리개 제어기 및 추적제어기 등의 입력으로 사용하기에는 신호의 크기가 작으므로 증폭기(AMP, 800)를 이용하므로써 적당한 이득을 제공한다.

그리고, 수광패턴(201, 202) 및 기준전압공급부(400)는 다음에 도시된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2a는 도 1의 인쇄회로기판(200)의 상면에 형성된 수광패턴(201)을 도시한 상면도이고, 도 2b는 도 1의 인쇄회로기판(200)의 바닥에 형성된 수광패턴(202)을 도시한 저면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(200)의 상면에 형성된 수광패턴(201)은 x 방향으로 뻗은 라인패턴이며, 이 라인패턴이 소정 간격을 두고 여러개 배치되고 있다.

그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(200)의 바닥에 형성된 수광패턴(202)은 y방향으로 뻗은 라인패턴이며, 이 라인패턴이 소정 간격을 두고 여러개 배치되고 있다.

도 2a 및 도 2b에 따르면, 인쇄회로기판(200)의 상면과 바닥에 형성된 수광패턴(201, 202)은 그 배치된 방향이 서로 수직이므로 교차점(203)을 형성한다.

도 2c는 수광패턴들이 형성하는 교차점을 도시한 도면으로서, 수광패턴들이 교차점을 형성함에 따라 태양광의 집광점의 표면상 위치를 확인할 수 있다.

도 2a 및 도 2b에서, 인쇄회로기판(200)의 상면과 바닥에 형성된 수광패턴(201, 202)은 열전도율이 매우 높으며 박막패턴(thin film pattern)이 가능한 구리로 제작된 패턴이다.

따라서, 태양광이 수광되는 인쇄회로기판(200)의 수광부위를 통과하는 특정 수광패턴은 주변의 다른 수광패턴에 비해 온도가 높아지며, 이에 따라 특정 수광패턴은 온도에 따른 저항 계수에 변동이 발생한다. 이때, 특정 수광패턴에 일정한 전압원을 인가하면 전압의 변동을 초래한다.

도 3은 도 1의 기준전압공급부, 전압계 및 수광패턴의 연결관계를 상세히 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기준전압공급부(400)는 온도가 높아진 수광패턴(201, 202)을 찾기 위한 기준전압원(401), 기준전압원(401)을 선택적으로 수광패턴(201, 202)에 공급하기 위한 선택스위치(402), 선택스위치를 구동시키도록 하는 스위치제어부(403), 선택스위치(402)의 출력단에 접속되어 선택스위치(402)의 소자별 특성을 보정하는 역할을 하는 가변저항(404)으로 구성된다.

여기서, 선택스위치(402)는 다수(p1∼p_n))의 수광패턴(201, 202)에 각각 대응하도록 SW1∼SW_n으로 구성되고, 가변저항(404)도 선택스위치(402) 각각에 대응하도록 R_v,1∼R_v,n으로 구성된다. 그리고, 스위치제어부(403)는 선택적으로 선택스위치를 구동하도록 클럭에 동기되어 구동하는 카운터(counter)를 이용하는데, 특히 링카운터(ring counter)를 이용한다.

링카운터는 종과 횡으로 배열된 수광패턴(201, 202) 중에서 온도가 높아진 수광패턴의 위치를 판별하기 위하여 사용된다. 본 발명에서 사용하는 링카운터는 배열된 인쇄회로기판(200)의 수광패턴(201, 202)들을 순차적으로 1개씩 선택하여 온도를 판별하기 위한 접압계에 단락회로를 제공하여 준다. 이로써 다수의 수광패턴(201, 202)의 저항을 1개씩의 증폭기와 전압계를 사용하여 측정할 수 있으며 측정중인 수광패턴(201, 202)의 위치도 판단할 수 있다.

그리고, 기준전압공급부(400)의 각 가변저항(404)은 수광패턴(201, 202)에 각각 연결되며, 가변저항(404)과 수광패턴(201, 202) 사이에 하나의 전압계(500)가 연결된다. 따라서, 수광패턴(201, 202)의 일단은 전압계(500)의 입력단자이며, 수광패턴(201, 202)의 타단은 접지(ground)로 연결되어 단락회로를 구성한다.

도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양광 위치 추적 센서의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 집광렌즈(101)를 통하여 집광된 태양광(적외선)은 필터(102)를 통해 필터링되며, 필터링된 태양광은 태양의 위치에 따라 인쇄회로기판(200) 표면상의 특정 수광패턴(201)에 조사되어 해당 수광패턴(201)의 온도를 높인다. 이렇게 높아진 온도에 의한 열은 인쇄회로기판(200)의 상면을 통해 바닥의 수광패턴(202)으로 전도된다. 여기서, 인쇄회로기판(200)의 상면으로부터 바닥으로의 열 전도는 통상적으로 알려진 바와 같이, 상면에 형성된 수광패턴(201)과 바닥에 형성된 수광패턴(202)이 비아홀(via hole)을 통해 도통되어 있으므로써 가능하다.

위와 같이, 태양광이 집광된 부위를 통과하는 인쇄회로기판(200) 상의 수광패턴(201)의 온도는 주변의 다른 수광패턴-태양광이 집광되지 않은 수광패턴-에 비하여 온도가 높아지며 온도에 따른 저항계수에 변동이 발생한다. 이 경우 일정한 기준전압원(401)을 외부에서 인가하면 전압의 변동을 야기한다.

즉, 온도가 높아진 특정 수광패턴(201, 202)을 찾기 위한 기준전압원(401)을 공급하기 위해 선택스위치(402)들을 순차적으로 턴온시키고, 선택스위치(402)의 턴온동작에 의해 기준전압원(401)을 각 수광패턴(201, 202)에 순차적으로 공급하며, 이때 전압계(500)를 이용하여 각 수광패턴(201, 202)의 전압변동을 측정한다.

이와 같은 일련의 동작시에 태양광이 집광된 특정 수광패턴은 태양광이 집광되지 않은 다른 수광패턴에 비해 온도가 높아져 저항계수 변동이 발생하고, 이때 기준전압원(401)이 공급됨에 따라 전압변동을 초래한다.

결국, 저항계수 변동이 발생한 특정 수광패턴은 전압변동이 초래되지만, 태양광이 집광되지 않은 다른 수광패턴은 전압변동이 발생하지 않는다. 이를 이용하여 태양광이 집광된 수광패턴을 찾을 수 있는 것이다.

이와 같이, 태양광이 집광된 수광패턴을 찾아내면 태양광의 집광점의 표면상 위치를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 카운터와 조합하여 하나의 전압계(500)로 다수의 수광패턴을 검사할 수 있고, 또한, 수광패턴을 미세한 패턴으로 제작가능한 구리패턴으로 형성할 수 있어 분해능이 큰 태양 위치센서를 구현할 수 있다.

그리고, 반도체소자 제조 공정시에 주로 적용하는 인쇄회로기판을 이용하므로, 신뢰성과 경비 절감에 우수한 장점을 가지고 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은 기존의 반도체 소자 및 광학소자에 의한 추적센서에 비해 인쇄회로기판에 형성된 수광패턴(구리 패턴)의 온도계수 특성과 양호한 열전도 특성을 이용하므로, 전체 구조가 단순하고 생산이 용이한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 태양광 위치 추적 센서를 구성하는 부품의 선정 및 사용에 따라 우주용(저궤도, 중궤도, 정지궤도) 또는 지상용 장비에 쉽게 구성하여 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 태양의 위치를 기준으로 하는 안테나 위치 제어기, 태양 전지판 등 태양 위치 추적 시스템으로 우주용 및 지상용으로 광범위한 응용범위를 가지고 있어 저렴한 가격으로 대량생산이 가능한 태양위치추적센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 위치 추적 센서의 전체 구성도,

도 2a는 도 1의 인쇄회로기판의 상면에 형성된 수광패턴을 도시한 상면도,

도 2b는 도 1의 인쇄회로기판의 바닥에 형성된 수광패턴을 도시한 저면도,

도 2c는 수광패턴들이 형성하는 교차점을 도시한 도면,

도 3은 도 1의 기준전압공급부, 전압계 및 수광패턴의 연결관계를 상세히 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 집광부 200 : 인쇄회로기판

201, 202 : 수광패턴 300 : 방열판

400 : 기준전압공급부 401 : 기준전압원

402 : 선택스위치 403 : 스위치제어부

404 : 가변저항 500 : 전압계

Claims

태양광을 집광 및 필터링하는 집광부;

상기 집광부를 통해 집광 및 필터링된 태양광을 받아들이는 수광패턴이 상면 및 바닥면에 구비된 인쇄회로기판;

상기 인쇄회로기판의 바닥면에 부착되어 상기 인쇄회로기판의 전체적인 온도 증가를 억제하는 방열판;

상기 수광패턴의 일단에 연결되어 상기 태양광이 조사되어 온도가 높아진 특정 수광패턴을 찾기 위한 기준전압원을 공급하는 기준전압공급부; 및

상기 온도가 높아진 특정 수광패턴의 온도계수 변화에 따른 전압변동을 측정하기 위한 전압계

를 포함하는 태양 위치 추적 센서.
제1항에 있어서,

상기 기준전압공급부는,

상기 온도가 높아진 수광패턴을 찾기 위한 기준전압원;

상기 기준전압원을 선택적으로 상기 수광패턴에 공급하기 위한 선택스위치;

상기 선택스위치를 구동시키도록 하는 스위치제어부; 및

상기 선택스위치의 출력단에 접속되어 상기 선택스위치의 소자별 특성을 보정하는 역할을 하는 가변저항

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 센서.
제2항에 있어서,

상기 스위치제어부는,

카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 센서.
제1항에 있어서,

상기 수광패턴은,

상기 인쇄회로기판의 표면 상에서 일방향으로 뻗은 라인형태의 제1수광패턴; 및

상기 인쇄회로기판의 바닥면에서 상기 제1수광패턴과 수직교차하는 라인형태의 제2수광패턴

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 센서.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 수광패턴은,

구리패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 위치 추적 센서.
제1항에 있어서,

상기 인쇄회로기판의 표면온도에 의하여 변화된 미세한 전류 및 전압을 제어입력으로 하여 상기 인쇄회로기판에 도달하는 태양광의 광량을 조절하기 위한 조리개제어기;

상기 인쇄회로기판에 도달하는 태양광을 상기 인쇄회로기판의 중앙부에 위치하도록 하는 추적제어기; 및

상기 인쇄회로기판의 온도변화를 통해 발생하는 저항변화에 따른 전류 및 전압을 증폭하여 상기 조리개제어기 및 상기 추적제어기의 입력신호로 제공하기 위한 증폭기

를 더 포함하는 태양 위치 추적 센서.