KR100799564B1 - 유비쿼터스 센서 네트워크의 센서 노드용 전원소자 - Google Patents
유비쿼터스 센서 네트워크의 센서 노드용 전원소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100799564B1 KR100799564B1 KR1020060022713A KR20060022713A KR100799564B1 KR 100799564 B1 KR100799564 B1 KR 100799564B1 KR 1020060022713 A KR1020060022713 A KR 1020060022713A KR 20060022713 A KR20060022713 A KR 20060022713A KR 100799564 B1 KR100799564 B1 KR 100799564B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- voltage
- circuit
- secondary battery
- sensor node
- solar cell
- Prior art date
Links
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000006837 decompression Effects 0.000 claims description 18
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 claims description 3
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 claims description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000434 metal complex dye Substances 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M iodide Chemical compound [I-] XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 229940006461 iodide ion Drugs 0.000 claims 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 27
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003307 Ni-Cd Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018095 Ni-MH Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018477 Ni—MH Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910021437 lithium-transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M14/00—Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
- H01M14/005—Photoelectrochemical storage cells
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
- G06F1/26—Power supply means, e.g. regulation thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
USN 시스템에 있어서, 안정적으로 전원을 공급하면서도 비용이 저렴하며, USN의 센서 노드에 장착가능한 초소형 사이즈의 USN의 센서 노드용 전원소자를 제공한다. 그 전원소자는 자가발전 기능을 갖는 태양전지; 태양전지에서 발전한 전기를 저장하고 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network:USN)의 센서 노드(sensor nodes)에 전기를 공급하는 2차 전지; 및 태양전지와 2차 전지 사이를 연결하는 인터페이스 회로;를 포함하고, 태양전지, 2차 전지 및 인터페이스 회로가 상기 센서 노드에 탑재되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 USN의 센서 노드용 전원소자는 태양전지에서 발생하는 전기를 지속적으로 2차 전지에 저장하고 또한 네트워크를 이루는 센서 노드가 필요로 하는 저전류 전기를 연속적이고 안정적으로 공급한다.
유비쿼터스 센서 네트워크, 센서 노드, 염료감응 태양전지, 리튬 2차 전지
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 USN의 센서 노드용 전원소자의 구성요소를 보여주는 블록 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 USN의 센서 노드용 전원소자의 인터페이스 회로의 각 구성요소를 제어하는 제어부 회로를 구체적으로 보여주는 블록 다이어그램이다.
<도면에 주요부분에 대한 설명>
100:염료감응 태양전지....................200:리튬 2차 전지
300:인터페이스 회로........................310:승압회로
320:충전회로...............................330:감압회로
340:보호회로...............................350:충전회로 제어회로부
352:제1 전압 검출기......................354:제2 전압 검출기
356:제1 전류 및/또는 전압 조정기
358:제1 전류 및/또는 전압 검출기.........360:보호회로 제어회로부
362:제3 전압 검출기......................364:온도 검출기
366:보호회로 제어기......................370:감압회로 제어회로부
372:제2 전류 및/또는 전압 검출기
374:제2 전류 및/또는 전압 조정기.........400:센서 노드
본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Senor Network:USN) 시스템에 관한 것으로, 특히 USN의 센서 노드에 부착되어 전원을 공급하는 USN의 센서 노드용 전원소자에 관한 것이다.
USN 시스템은 기존의 단순 인식정보를 제공하는 알에프아이디(radio-frequency identification:RFID)에 센싱 기능이 추가되고 이들 간의 네트워크가 이루어져 실시간으로 통신을 할 수 있는 시스템을 말한다.
좀더 상세히 말하면, USN 시스템은 필요한 모든 사물에 RFID 태그 혹은 센서 노드를 부착하는 유비쿼터스 개념, 그 센서 노드를 통하여 사물의 인식정보를 기본으로 주변의 환경정보 예컨대, 온도, 습도, 오염정보, 균열정보 등을 탐지하는 센싱 개념 및 센싱으로 얻은 환경정보를 실시간으로 네트워크에 연결하여 정보를 관리하는 네트워크의 개념이 복합하여 이루어진 시스템으로서, 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 소통 기능을 부여하여 언제나(anytime), 어디서나(anywhere), 무엇이든(anything) 통신이 가능한 환경을 구현한 시스템을 의미한다.
이 분야의 종래기술로서, 대한민국 특허 제205229호에서는 태양전지의 최대 전력점을 추종하여 일정한 전원전압을 유지할 수 있는 태양전지 전원장치를 제공하고 있으며, 또한 대한민국 특허 제229041호에서는 이와 같은 태양전지 전원장치를 무선 단말기의 전원으로 사용하는 장치 및 방법을 제공하고 있다.
그리고 대한민국 특허 공개 2004-106909호에서는 태양전지로부터 충전된 전류의 역전 방지용 다이오드를 장착한 회로를 제공하고 있으며, 또한 대한민국 특허 제465089호에서는 충전효율을 향상시키는 부스터 회로가 장착된 충전회로 및 과충전 방지용 보호회로를 사용하는 태양전지를 이용하는 충전용 배터리를 제공하고 있다.
상기와 같은 종래기술들은 주로 실리콘 계열의 태양전지와, 태양전지로부터 발생된 전기를 적절한 전류와 전압을 갖는 전기로 변환하는 충전회로와, 이 충전회로의 전기를 저장하는 무선통신 단말기용 축전지나 2차 전지 등을 주요 구성요소로 하고 있다.
이러한 태양전지 및 2차 전지의 복합 전원장치는 대개 모바일 정보통신 단말기 충전용으로 사용되며, 최근 대용량의 정보가 고속으로 통신되는 새로운 IT 사회의 급속한 도래에 따라, 고전압, 대용량, 고출력 등의 전기용량적 특성뿐만 아니라 경량성, 소형성, 간편성 등을 함께 고려하여 개발되고 있다.
그러나 아직까지는 종래의 복합 전원장치는 USN의 센서 노드의 전원공급용으로 사용하기에는 사이즈 및 안정적인 전원공급 차원에서 많은 문제가 많으며, 비용면에서도 상당히 고가인 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안정적으로 전원을 공급하면서도 비용이 저렴하며, USN의 센서 노드에 장착가능한 초소형 사이즈의 USN의 센 서 노드용 전원소자를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자가발전 기능을 갖는 태양전지; 상기 태양전지에서 발전한 전기를 저장하고 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network:USN)의 센서 노드(sensor nodes)에 전기를 공급하는 2차 전지; 및 상기 태양전지와 2차 전지 사이를 연결하는 인터페이스 회로;를 포함하고, 상기 태양전지, 2차 전지 및 인터페이스 회로가 상기 센서 노드에 탑재되는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 태양전지는 광합성 원리를 이용하는 염료감응 태양전지로서, 단위 셀당 0.6 ~ 0.7 V의 개방전압 및 10 ~ 12 mA/cm2 의 단락전류밀도를 가지고 약 8% 정도의 광전변환효율을 가질 수 있다. 이러한 태양전지는 여러 개의 단위 셀을 연결하여 약 1.6 ~ 3.5 V 정도의 전압을 공급하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 2차 전지는 리튬 이온을 캐리어로 이용하는 리튬 이온 2차 전지, 리튬 이온 고분자 2차 전지, 리튬금속 고분자 2차 전지 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 동작전압은 약 3.2 ~ 4.2 V 정도이다. 한편, 상기 2차 전지는 상기 인터페이스 회로를 경유하여, 상기 센서 노드에 3V 이하의 전압 및 1.0 mA의 전류를 안정적으로 공급할 수 있다.
상기 인터페이스 회로는 승압회로, 충전회로 및 감압회로를 포함할 수 있으 며, 바람직하게는 상기 충전회로 및 2차 전지 사이에 2차 전지의 과충전 및 과방전을 방지하기 위한 보호회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 전원 소자는 적어도 10년의 사용연한을 가지며, 상기 센서 노드에 탑재가 가능하도록 초소형, 즉 30 mm x 30 mm 이하의 넓이 및 3mm 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 전원 소자에 적용되는 태양전지 및 2차 전지에 대하여 간단히 설명한다.
가까운 장래에 도래할 USN 시스템의 중심요소인 센서 노드는, 예를 들어 소위 스마트 더스트(smart dust)라고 하여 약 10 mm 2 이하의 사이즈를 가지고 약 100 ㎼ 이하의 저전력 동작하는 칩으로서, 마이크로 센서, 광수신기, 능동/수동 광전송기, 신호처리 및 제어회로 등에 사용될 수 있다.
이러한 USN의 센서 노드를 구동하기 위한 전원소자는 매우 낮은 전류의 전기를 안정하게 거의 영구적으로 공급하여야 하며, 또한 그 사이즈 면에서도 초소형으로 구현되어야 한다. 이를 위해서는 앞서에서 언급한 종래형 복합 전원장치와는 달리, 태양전지, 2차 전지 및 인터페이스 회로로 구성되고 그 사이즈는 밀리미터(mm) 오더(order) 정도의 초소형인 복합 전원 시스템이 구성되어야 한다.
또한, 이러한 복합 전원 시스템은 저전류, 특히 1.0 mA 이하의 저전류를 안정적으로 공급하여야 하며, 센서 노드가 살포된 위치의 환경조건 변화가 없는 경우 사용연한이 10년 이상의 거의 영구적인 것이 바람직하다.
태양전지의 측면에서, 종래 기술에서 사용하는 실리콘계 태양전지는 반도체 접합 태양전지의 일종으로 소형화, 플렉시블화, 저비용화 등의 관점에서 불리한 점이 많았다. 그러나 본 발명의 전원소자는 종래의 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 광전기화학적 태양전지를 사용한다.
즉, 1991년 스위스 그랏젤 (M. Grazel) 연구그룹에서 발표(Nature, Vol.353, p.737(1991))한 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지 (dye-sensitized nanocrystalline solar cell;이하 '염료감응 태양전지'라 한다)는 에너지 변환효율이 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인하여 세계적으로 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있다. 본 발명은 이러한 염료감응 태양전지를 이용함으로써, USN의 센서 노드용 전원소자의 소형화, 플렉시블화 및 저비용화를 구현한다.
2차 전지 측면의 경우, 현재 개인 휴대통신기기의 급속한 발전에 따라 고에너지밀도화, 장수명화, 초소형화, 경량화, 안전성 확보, 환경친화성 보장 등의 조건이 갈수록 강하게 요구되고 있다.
이에 대응하는 2차 전지로서 초기에 사용하였던 납(Pb) 축전지나 니카드(Ni-Cd) 전지는 환경문제와 관련하여 그 한계가 드러났으며, 니켈수소(Ni-MH) 전지는 고성능 기기에 필요한 고에너지밀도와 고출력밀도라는 요구조건을 충분히 만족시키지 못하는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 전원소자는 리튬 이온의 이동을 통해 에너지 저장 및 변환을 함으로써, 고에너지밀도 실현이 가능한 리튬 2차 전지를 사용한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서, 도면의 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 참조부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 USN의 센서 노드용 전원소자의 구성요소를 보여하는 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 USN의 센서 노드용 전원소자는 염료감응 태양전지(100), 리튬 2차 전지(200) 및 염료감응 태양전지(100)와 리튬 2차 전지(200)를 연결하는 인터페이스 회로(300)를 포함한다. 센서 노드용 전원소자는 센서 노드(400)에 탑재되며, 인터페이스 회로(300)의 말단의 단자를 통해 센서 노드(400)에 전원을 공급한다.
염료감응 태양전지(100)는 일반적으로 루테늄 금속착체 염료가 흡착된 타이타늄 산화물(TiO2) 나노입자가 투명 전도막 위에 코팅된 광전극, 백금이 코팅된 투명 전도막 상대전극, 및 상기 두 전극 사이에 개재되는 산화환원 요오드 이온쌍(I3 -/I-)과 용매의 혼합물을 포함하여 구성된다. 전형적인 염료감응 태양전지(100)는 보통 8% 내외의 광전변환 효율을 나타내는데, 단위 셀당 0.6~0.7V 정도의 개방전압 및 10~12 mA/cm2정도의 단락전류밀도 특성을 보이는 것을 선택하는 것이 바람직하다.
염료감응 태양전지(100)의 단위 셀의 개수와 셀 배열을 조절하여 염료감응 태양전지(100)에서 나오는 전기의 전압(A)을 1.6 ~ 3.5V 범위로 조정하는 것이 바람직하다. 일반적으로는 5개 내외의 단위 셀을 직렬연결하거나, 그 이상의 개수를 직렬 및 병렬로 연결하여 태양전지의 출력전압을 위의 범위 내로 조정할 수 있다.
이와 같은 범위의 전압으로 조정하는 이유는 단위 셀의 개수와 배열방식의 복잡성에 따른 전기저항의 증가를 최소화하면서도, 또한 이 정도의 전압을 발생시킴으로써, 인터페이스 회로(300) 내의 승압회로(310)에서 더욱 원활하게 전압 상승을 할 수 있도록 하기 위해서이다.
한편, 염료감응 태양전지(100)는 전술한 대로 저비용으로 플렉시블하게 소형으로 제조할 수 있는 장점을 가진다.
리튬 2차 전지(200)는 리튬 이온의 삽입과 탈리를 통해 충전과 방전이 이루어지는 시스템으로 구성된다. 이러한 리튬 2차 전지(200)는 리튬 전이금속 산화물 양극과 흑연 음극으로 구성되는 리튬 이온 2차 전지, 유기 전해액을 고체화시킨 리튬 이온 고분자 2차 전지, 또는 유기 전해액을 고체화하고 음극에 리튬금속을 사용하는 리튬 금속 고분자 2차 전지 등을 이용하여 구현할 수 있다.
한편, 리튬 2차 전지(200)는 3.0 ~ 4.2 V 정도의 작동전압(D)을 가지도록 제작되는 것이 바람직하며, 또한 전체 전원소자의 사이즈를 줄이기 위해서, 수 ~ 수 십 밀리미터 이하 사이즈로 제작되는 것이 바람직하다.
인터페이스 회로(300)는 승압회로(310), 충전회로(320), 감압회로(330) 및 보호회로(340)를 포함한다.
승압회로(310)는 염료감응 태양전지(100)에서 발생시킨 1.6~3.5V 정도의 전압(A)을 5V 정도의 전압(B)으로 상승시켜 출력하는 역할을 한다. 이와 같이 5V 정도로 승압하는 이유는 본 발명에서 채택하고 있는 리튬 2차 전지(200)가 앞서 언급한 대로 3.0 ~ 4.2V의 범위의 작동전압(D)을 가지고 있기 때문이다. 즉, 그 이상의 전압을 유지하여야 리튬 2차 전지(200)로의 충전이 가능하기 때문이다.
충전회로(320)는 승압회로(310)의 출력 전압을 적절히 조정하여 리튬 2차 전지(200)로 충전하는 역할을 한다. 한편, 충전회로(320)와 리튬 2차 전지(200) 사이에 보호회로(340)가 연결되는데, 이러한 보호회로(340)는 리튬 2차 전지(200)의 과충전/과방전 등 전기적 오용과 전지 내부의 과열을 방지하는 회로이다.
한편, 감압회로(330)는 최종적으로 센서 노드(400)와 접속되는 단자 전에 설치되어 세서 노드(400)로 공급되는 전기(C)를 적정 전압 및 전류로 낮추는 역할을 한다. 즉, 감압회로(330)를 통해 공급되는 전기(C)는 센서 노드(400)의 적정 작동전압인 3V 이하의 전압 및 1.0 mA 이하의 전류로 조절된다.
본 실시예에 따른 인터페이스 회로(300)는 일반적인 태양전지와 2차 전지 사이에 개재되어 2차 전지를 충전하는 태양전지 충전회로로 사용할 수 있다. 또한, 이러한 인터페이스 회로(300)는 다른 구성요소를 가지고 구성될 수도 있다. 다만, 본 발명의 USN의 센서 노드의 작동에 적합한, 전술한 적정 전압 및 전류를 최종적 으로 공급할 수 있는 시스템으로 구성되어야 한다.
한편, 인터페이스 회로(300)는 도 1에 제시된 승압회로(310), 충전회로(320), 감압회로(330) 및 보호회로(340) 이외에도 전체적인 전기의 흐름을 제어하는 제어부 회로가 필요하다. 이하에서 제어부 회로에 대하여 각 요소의 역할과 구성을 설명한다.
도 2는 도 1의 USN의 센서 노드용 전원소자의 인터페이스 회로의 각 구성요소를 제어하는 제어부 회로를 구체적으로 보여주는 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 제어부 회로는 크게 충전회로 제어회로부(350), 보호회로 제어회로부(360) 및 감압회로 제어회로부(370)를 포함하다.
충전회로 제어회로부(350)는 염료감응 태양전지(100)의 출력전압을 검출하는 제1 전압 검출기(352), 승압회로(310)의 출력전압을 검출하는 제2 전압 검출기(354), 충전회로(320)의 출력전압 및/또는 전류를 검출하는 제1 전류 및/또는 전압 검출기(358), 그리고 제1 전압 검출기(352), 제2 전압 검출기(354) 및 제1 전류 및/또는 전압 검출기(358)의 출력을 받아 충전회로(320)의 전압 및/또는 전류를 조정하는 제1 전류 및/또는 전압 조정기(356)를 포함한다. 여기서 제1 전류 및/또는 전압 검출기(358)를 통한 조정부분은 피드백을 통한 조정에 해당한다.
보호회로 제어회로부(360)는 보호회로(340)의 출력전압을 검출하는 제3 전압 검출기(362), 리튬 2차 전지(200)의 온도를 검출하는 온도 검출기(364), 그리고 제3 전압 검출기(362) 및 온도 검출기(364)의 출력을 받아 보호회로(340)를 제어하는 보호회로 제어기(366)를 포함한다. 예컨대, 리튬 2차 전지(200)의 온도가 높은 경 우, 보호회로 제어기(366)는 보호회로(340)로 신호를 보내 리튬 2차 전지(200)로의 전기를 차단하게 함으로써, 리튬 2차 전지(200)를 보호한다.
한편, 감압회로 제어회로부(370)는 감압회로(330)의 출력을 검출하는 제2 전류 및/또는 전압 검출기(372), 그리고 제3 전압 검출기(362)와 제2 전류 및/또는 전압 검출기(372)의 출력을 받아 감압회로의 전류 및/또는 전압을 조정하는 제2 전류 및/또는 전압 조정기(374)를 포함한다. 여기서도 역시 제2 전류 및/또는 전압 검출기(372)를 통한 피드백을 통한 조정이 적용된다.
간단하게 전체의 제어부 회로들을 통한 전기 흐름의 제어를 설명하자면, 충전회로 제어회로부(350)는 각각의 검출기들(352,354,356)로부터 받은 정보를 통해 제1 전류 및/또는 전압 조정기(356)가 충전회로(320)로 신호로 보내어 승압회로(310)의 온/오프 동작을 제어하게 함으로써, 승압회로(310)에서 정전압이 출력될 수 있도록 한다.
또한, 염료감응 태양전지(100)에서의 최대 출력치를 계산하여 충전회로(320) 하단의 제1 전류 및/또는 검출기(358)의 정보를 가지고 충전회로(320)가 일정한 최적의 출력으로 리튬 2차 전지(200)를 충전할 수 있게 한다.
보호회로 제어회로부(360)는 제3 전압 검출기(362)에서 받은 리튬 2차 전지(200)의 상태 정보와 온도 검출기(364)에서 받은 온도 정보를 가지고 보호회로(340)를 제어하여 리튬 2차 전지(200)에서 전원을 입출력, 즉 전기를 충전하거나 방전 또는 차단할 수 있도록 한다. 즉, 리튬 2차 전지(200)의 충전제어, 충전완료 검출 및 보호하는 기능을 한다.
또한, 충전 완료 후 충전회로(320)의 출력이 차단된 후 제3 전압 검출기(362)를 통하여 받은 리튬 2차 전지(200)의 현재 상태를 감지하여 감압회로(330)의 출력 사용에 따라 방전된 리튬 2차 전지(200)를 재충전할 수 있도록 한다.
감압회로 제어회로부(370)는 제3 전압 검출기(362)에서 받은 리튬 2차 전지(200)의 상태 정보와 제2 전류 및/또는 전압 검출기(372)를 통해 받은 정보를 가지고 제2 전류 및/또는 전압 조정기(374)를 통하여 감압회로(330)의 출력을 온/오프 제어할 수 있도록 한다.
결론적으로 제어부 회로는 인터페이스 회로(300) 내의 모든 부분을 총괄하여 제어하는 역할을 한다. 한편, 제어부 회로의 각각의 제어회로부들은 각각의 제어하는 회로들, 즉 충전회로(320), 감압회로(330) 및 보호회로(340)에 내장되는 형식으로 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 USN의 센서 노드용 전원소자는 저비용으로 플렉시블하게 소형으로 제조하는데 매우 유리한 염료감응 태양전지, 고에너지밀도 및 고출력밀도를 구현할 수 있는 수 ~ 수십 밀리미터 크기의 리튬 2차 전지, 그리고 태양전지 및 리튬 2차 전지 간의 인터페이스 회로로 구성되는 초소형 전원 시스템으로서, 센서 노드에 탑재가 가능하고 센서 노드에 필요한 저전류 구동전기를 연속적이고 안정적으로 공급할 수 있다. 또한, 센서 노드에 일회 부착으로 사용연한이 적어도 10년 이상의 거의 영구적으로 전원공급 기능을 할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양 한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 USN의 센서 노드용 전원소자는 자가 발전 염료감응 태양전지, 리튬 2차 전지 및 인터페이스 회로를 포함함으로써, 태양전지에서 발생하는 전기를 지속적으로 2차 전지에 저장하고 또한 네트워크를 이루는 센서 노드가 필요로 하는 저전류 전기를 연속적이고 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 전원소자는 센서 노드에 탑재됨으로써, 한번 살포된 네트워크 지역 내의 센서 노드의 전원 시스템을 반영구적으로 유지할 수 있다.
Claims (15)
- 광합성 원리를 이용하여 자가발전 기능을 가지는 염료감응 태양전지;상기 태양전지에서 발전한 전기를 저장하고 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network:USN)의 센서 노드(sensor nodes)에 전기를 공급하는 2차 전지; 및상기 태양전지와 2차 전지 사이를 연결하는 인터페이스 회로;를 포함하고,상기 태양전지, 2차 전지 및 인터페이스 회로가 상기 센서 노드에 탑재되는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,상기 염료감응 태양전지는,루테늄 금속착체 염료가 흡착된 타이타늄 산화물(TiO2) 나노입자가 투명 전도막 위에 코팅된 광전극;백금이 코팅된 투명 전도막 상대전극; 및상기 광전극 및 상대전극 사이에 개재되는 산화환원 요오드 이온쌍(I3 -/I-)과 용매의 혼합물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제3 항에 있어서,상기 염료감응 태양전지는 8% 이상의 광전변환효율을 가지며,단위 셀당 0.6 ~ 0.7V의 개방전압 및 10 ~ 12 mA/cm2 의 단락전류밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제1 항에 있어서,상기 태양전지가 공급하는 전기의 전압은 1.6 ~ 3.5V 인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제1 항에 있어서,상기 2차 전지는 인터페이스 회로를 경유하여 센서 노드에 전기를 공급하고,상기 센서 노드에 공급되는 전기는 전압이 3V 이하이고 전류가 1.0 mA 이하인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 2차 전지는 리튬 이온을 캐리어로 이용하는 리튬 이온 2차 전지, 리튬 이온 고분자 2차 전지, 리튬금속 고분자 2차 전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제1 항에 있어서,상기 인터페이스 회로는,상기 태양 전지에서 발전한 전기의 전압을 승압시키는 승압회로;상기 승압회로에서 출력된 전압을 받아 적정 전압으로 상기 2차 전지로 전기를 충전시키는 충전회로; 및상기 충전회로 및 2차 전지 사이에 연결되고 상기 센서 노드에 전압을 감압하여 공급하는 감압회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제8 항에 있어서,상기 인터페이스 회로는,상기 충전회로 및 2차 전지 사이에 연결되어 상기 2차 전지의 과충전 및 과방전을 방지하고,상기 2차 전지의 전기를 상기 감압회로로 출력시키는 보호회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제9 항에 있어서,상기 인터페이스 회로는 상기 승압회로, 충전회로, 감압회로 및 보호회로 각각의 전류 및 전압을 제어하는 제어부 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제10 항에 있어서,상기 제어부 회로는,상기 태양전지의 전압을 검출하는 제1 전압 검출기;상기 승압회로의 전압을 검출하는 제2 전압 검출기;상기 제1 및 제2 검출기의 출력을 받아 상기 충전회로의 전류 및 전압을 조정하는 제1 전류 및 전압 조종회로;상기 충전회로의 전류 및 전압을 검출하여 상기 제1 전류 및 전압 조정기로 출력하는 제1 전류 및 전압 검출기;상기 보호회로의 전압을 검출하는 제3 전압 검출기;상기 2차 전지의 온도를 검출하는 온도 검출기;상기 제3 전압 검출기 및 온도 검출기의 출력을 받아 상기 보호회로의 전압의 과도 또는 저하를 방지하는 보호회로 제어기;상기 감압회로의 전류 및 전압을 검출하는 제2 전류 및 전압 검출기; 및상기 제3 전압 검출기, 및 상기 제2 전류 및 전압 검출기 받아 상기 감압회로의 전류 및 전압을 조정하는 제2 전류 및 전압 조정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제8 항에 있어서,상기 2차 전지의 동작 전압은 3.0 ~ 4.2 V인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제12 항에 있어서,상기 태양전지가 공급하는 전기의 전압은 1.6 ~ 3.5V이고,상기 승압회로에 의해 승압되는 전압이 5 ~ 10 V이며,상기 감압회로를 통해 공급되는 전기는 전압이 3V 이하이고 전류가 1.0 mA 이하인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제1 항에 있어서,상기 전원소자의 사용연한은 적어도 10 년인 것을 특징으로 하는 USN의 센서 노드용 전원소자.
- 제14 항에 있어서,상기 전원소자는 30 mm x 30 mm 이하의 넓이 및 3mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 USN의 센서 노드용 전원소자.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US11/516,089 US20070132426A1 (en) | 2005-12-08 | 2006-09-06 | Power source device for sensor nodes of ubiquitous sensor network |
| EP06120160A EP1796201A1 (en) | 2005-12-08 | 2006-09-06 | Power source device for sensor nodes of ubiquitous sensor network |
| JP2006331887A JP2007159399A (ja) | 2005-12-08 | 2006-12-08 | ユビキタスセンサネットワークのセンサノード用電源素子 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050120030 | 2005-12-08 | ||
| KR20050120030 | 2005-12-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070060986A KR20070060986A (ko) | 2007-06-13 |
| KR100799564B1 true KR100799564B1 (ko) | 2008-01-31 |
Family
ID=38131057
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020060022713A KR100799564B1 (ko) | 2005-12-08 | 2006-03-10 | 유비쿼터스 센서 네트워크의 센서 노드용 전원소자 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100799564B1 (ko) |
| CN (1) | CN1979998A (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100903680B1 (ko) * | 2007-09-22 | 2009-06-18 | 전자부품연구원 | 위급상황 발생 지점의 예측 거리 표시가 가능한 센서네트워크를 이용한 교통 위급상황 전파 장치, 시스템 및방법 |
| JP5618134B2 (ja) * | 2010-06-29 | 2014-11-05 | ソニー株式会社 | 制御装置および方法、並びに、太陽電池 |
| KR101325632B1 (ko) * | 2012-04-25 | 2013-11-07 | 비나텍주식회사 | 자가충전 복합전지 및 그를 이용한 ｕｓｎ 센서노드 모듈 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002065418A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-05 | Hitachi Cable Ltd | 商品情報表示システム及び商品情報表示媒体 |
| JP2005328662A (ja) * | 2004-05-14 | 2005-11-24 | Nec Tokin Corp | 電源装置及び該電源装置に用いられる制御方法 |
| KR20060064482A (ko) * | 2004-12-08 | 2006-06-13 | 한국전자통신연구원 | 자가 발진 통신 모듈 |
| KR20060117839A (ko) * | 2005-05-14 | 2006-11-17 | 아람테크 주식회사 | 태양 전지를 이용한 능동형 ｒｆｉｄ 태그 및 ｒｆｉｄ시스템 |
-
2006
- 2006-03-10 KR KR1020060022713A patent/KR100799564B1/ko active IP Right Grant
- 2006-09-28 CN CNA2006101593936A patent/CN1979998A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002065418A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-03-05 | Hitachi Cable Ltd | 商品情報表示システム及び商品情報表示媒体 |
| JP2005328662A (ja) * | 2004-05-14 | 2005-11-24 | Nec Tokin Corp | 電源装置及び該電源装置に用いられる制御方法 |
| KR20060064482A (ko) * | 2004-12-08 | 2006-06-13 | 한국전자통신연구원 | 자가 발진 통신 모듈 |
| KR20060117839A (ko) * | 2005-05-14 | 2006-11-17 | 아람테크 주식회사 | 태양 전지를 이용한 능동형 ｒｆｉｄ 태그 및 ｒｆｉｄ시스템 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20070060986A (ko) | 2007-06-13 |
| CN1979998A (zh) | 2007-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Indoor light energy harvesting system for energy-aware wireless sensor node | |
| US6476311B1 (en) | Portable multiple power supply comprising solar cell | |
| US20120176078A1 (en) | Solar chargeable battery for portable devices | |
| US9082897B2 (en) | Solar power storage module, and solar power storage system and solar power supply system having same | |
| CN102498635B (zh) | 混合电源系统 | |
| EP1528654A1 (en) | Circuit for battery/capacitor power source | |
| KR930703727A (ko) | 일체형의 배터리 충전 및 공급 조절 회로 | |
| US20070132426A1 (en) | Power source device for sensor nodes of ubiquitous sensor network | |
| CN202711296U (zh) | 太阳能有源标签 | |
| KR100799564B1 (ko) | 유비쿼터스 센서 네트워크의 센서 노드용 전원소자 | |
| WO2014085578A1 (en) | Thin film microbattery charge and output control | |
| KR101962957B1 (ko) | 배터리의 수명 연장 및 보호기능이 포함된 배터리 보호시스템 | |
| WO2017128751A1 (zh) | 电源组件及电子设备 | |
| CN101268598B (zh) | 用于对蓄电池进行充电的装置和方法 | |
| KR101207049B1 (ko) | 휴대용 전자기기 충전 장치 및 방법 | |
| KR100983071B1 (ko) | 전기이중층커패시터의 밸런서 | |
| KR20080081657A (ko) | 센서노드를 위한 하이브리드 전원공급장치 및 그 방법 | |
| RU151736U1 (ru) | Система электропитания электронного прибора с использованием электроэнергии внешней среды | |
| KR20110132190A (ko) | 태양전지 일체형 무선 충전패드 및 이를 구비한 전자기기 | |
| JP2005512344A (ja) | 薄膜エネルギーシステム | |
| CN100547877C (zh) | 正负组合脉冲充电机的自动停充控制电路 | |
| Ra et al. | Optimized Electrical Interface for a Vanadium Redox Flow Battery (VRFB) Storage System: Modeling, Development, and Implementation | |
| WO2002007287A1 (en) | Method and apparatus for charging secondary lithium ion battery using solar battery | |
| CN219351323U (zh) | 一种电池均衡系统 | |
| CN116317064B (zh) | 一种适用于高海拔地区的便携式微型独立光伏发电及储能系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20110104 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111208 Year of fee payment: 20 |