KR101462359B1 - 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 태양전지를 통하여 수신하여 전기 신호로 변환시킨 다음, 전기 신호에 포함된 직류 성분과 고주파 신호를 상호 분리하여 고주파 신호는 통신 신호 처리부에서 처리하고 직류 성분은 통신 신호 처리부의 에너지로 사용하고자 하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치는 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 출력하는 태양 전지와, 상기 전기 신호를 수신하며 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 직류 및 고주파 분리기와, 상기 직류 성분 신호를 수신하는 충전부와, 상기 고주파 신호를 수신하는 통신 신호 처리부를 구비한다.
본 발명을 이용하면, 태양전지를 이용하여 태양광으로부터 전원을 공급받음과 동시에, 무선 광통신 신호를 수신하여 무선 광통신의 수신부 역할을 하게 되므로, 별도의 외부전원이 없이도 무선 광통신 수신부를 용이하게 구현할 수 있으며, 광 다이오드 (photo diode)가 필요없이 스마트 기기에 부착된 태양전지만으로 무선 광통신 수신부를 구성할 수 있어 경제적으로 무선 광통신 수신부를 구현할 수 있는 장점도 있다.
본 발명에서 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치는 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 출력하는 태양 전지와, 상기 전기 신호를 수신하며 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 직류 및 고주파 분리기와, 상기 직류 성분 신호를 수신하는 충전부와, 상기 고주파 신호를 수신하는 통신 신호 처리부를 구비한다.
본 발명을 이용하면, 태양전지를 이용하여 태양광으로부터 전원을 공급받음과 동시에, 무선 광통신 신호를 수신하여 무선 광통신의 수신부 역할을 하게 되므로, 별도의 외부전원이 없이도 무선 광통신 수신부를 용이하게 구현할 수 있으며, 광 다이오드 (photo diode)가 필요없이 스마트 기기에 부착된 태양전지만으로 무선 광통신 수신부를 구성할 수 있어 경제적으로 무선 광통신 수신부를 구현할 수 있는 장점도 있다.
Description
본 발명은 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 태양전지를 통하여 수신(또는 흡수)하여 전기 신호로 변환시킨 다음, 전기 신호에 포함된 직류 성분과 고주파 신호를 상호 분리하여 고주파 신호는 통신 신호 처리부에서 처리하고 직류 성분은 통신 신호 처리부의 에너지로 사용하고자 하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 태양광을 수신하여 전기를 생산하는 태양 전지와 LED 등과 같은 발광 소자를 이용한 통신 기술에 대한 관심이 고조되고 있다.
그 중에서 태양전지는 태양광을 이용하여 빛을 전기로 바꾸는 전지를 말하는데, 정공에 의해 전도가 발생하는 p형 반도체와 전자에 의해 전도가 발생하는 n형 반도체를 접합시켜 빛에 의하여 전자와 정공 전하가 생성되어 전류가 흐르게 되면서 광기전력이 발생되는 원리를 이용하고 있다.
이러한 태양전지의 출력은 단락전류 Isc와 개방전압 Voc의 곱으로 구성되는데, 태양에서 전해오는 모든 빛을 전기로 변환하는 변환효율은 단락전류나 개방 전압을 높이거나 출력전류전압 곡선이 정사각형(Isc×Voc)에 가까운 정도를 나타내는 fill factor (FF)를 높여야 하며, 이 중 단락전류를 높여서 효율을 향상시키는 방법은 태양전지의 광흡수층에서 빛이 얼마나 흡수되는 가와 그 표면에서 빛이 반사되지 않고 전달되는 반사율 감소와 밀접한 관련이 있는 것으로 알려지고 있다.
한편, LED와 같은 발광소자는 친환경적이고 에너지 변환효율이 우수하고 소비전력 또한 적기 때문에 현대사회에서 차세대 조명으로 사용되고 있었는데, 최근 들어, 반도체 기술의 진전에 따라 응답 속도가 개선도면서 통신 소자로서의 활용에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 즉, 본 발명자가 "Sung-Man Kim and Jong-Bae Jeon, "Experimental Demonstration of 4X4 MIMO Wireless Visible Light Communication Using a Commercial CCD Image Sensor", Journal of Information and Communication Convergence Engineering, Vol.10, No.3, pp.220-224, Sep. 2012."에서 제안한 바와 같이 LED 가시광 통신기술에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 LED 가시광 통신기술은 LED 조명을 이용하여 통신 신호를 무선으로 전달하는 기술로, 빛을 사용하기 때문에 인체에 무해하고 RF통신에 대해 간섭이 없으며 주파수를 무료로 이용할 수 있는 장점이 있다.
그런데, 종래 LED 가시광 통신기술의 경우, 수신부(또는 수신측)에 광 다이오드(photo diode)를 사용하여 통신 신호를 수신하여야 하였는데, 이러한 경우 수신부에 별도의 광 다이오드를 부착해야 하고, 또한 광 다이오드에 사용되는 외부전원을 별도로 공급하여야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 광 다이오드 대신 태양전지를 이용하여 무선 통신을 가능하게 하는 기술을 제안하고자 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 태양광 에너지와 무선 광통신 신호를 태양전지를 통하여 수신하는 구조를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명은 태양 전지를 통하여 수신된 태양광 에너지와 무선 광통신 신호를 전기 신호로 분리한 후 직류 성분과 교류 신호로 필터링하는 구조를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 직류 성분은 배터리 충전용으로 사용하고 교류 성분은 통신 신호 처리부에서 사용 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 제안하는 일 실시예인 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치는 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 출력하는 태양 전지와, 상기 전기 신호를 수신하며 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 직류 및 고주파 분리기와, 상기 직류 성분 신호를 수신하는 충전부와, 상기 고주파 신호를 수신하는 통신 신호 처리부를 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전부는 상기 통신 신호 처리부로 소정의 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 고주파 무선 광통신 신호는 발광 소자에서 출력되는 신호인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 발광 소자는 LED일 수 있으며, 상기 LED에서 출력되는 신호의 주파수는 가시광선 대역인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 다른 실시예인 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 방법은 태양전지를 통하여 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하는 단계; 상기 태양전지를 통하여 소정의 전기 신호를 출력하는 단계; 직류 및 고주파 분리기를 이용하여 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 단계; 상기 직류 성분 신호를 충전부로 전송하고 상기 고주파 신호를 통신 신호 처리부로 전송하는 단계; 및 상기 충전부에서 생성한 전력을 상기 통신 신호 처리부의 전력으로 공급하는 단계로 이루어진다.
본 발명을 이용하면, 태양전지를 이용하여 태양광으로부터 전원을 공급받음과 동시에, 무선 광통신 신호를 수신하여 무선 광통신의 수신부 역할을 하게 되므로, 별도의 외부전원이 없이도 무선 광통신 수신부를 용이하게 구현할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 광 다이오드 (photo diode)가 필요없이 스마트 기기에 부착된 태양전지만으로 무선 광통신 수신부를 구성할 수 있어 경제적으로 무선 광통신 수신부를 구현할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 태양전지의 주파수 응답 속도를 보여주는 파형도이다.
도 3은 본 발명에서 직접 실험을 통해 측정한 "태양전지에 수신된 LED 가시광 통신신호의 아이 다이어그램"이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지에 수신된 광 에너지의 세기를 측정한 결과이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 태양전지의 주파수 응답 속도를 보여주는 파형도이다.
도 3은 본 발명에서 직접 실험을 통해 측정한 "태양전지에 수신된 LED 가시광 통신신호의 아이 다이어그램"이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지에 수신된 광 에너지의 세기를 측정한 결과이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에서 제안하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치 및 그 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 기술적 사상을 설명하는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치는 태양전지(110)와, 직류 및 고주파 성분 분리기(120)와, 배터리로 이루어지는 충전부(130)와, 통신신호 처리부(140)을 구비한다.
본 발명에서, 태양전지(110)는 태양광을 수신하여 전기 에너지로 변환하는 모든 종류의 태양전지를 포함한다.
다음, 직류 및 고주파 성분 분리기(120)는 태양전기(110)로부터 출력되는 전기 에너지 중에서 직류 성분과 소정 주파수 대역의 고주파 성분을 상호 분리하는 필터를 구비하는 모든 종류의 분리기를 모두 포함하는 개념이다.
다음, 충전부(130)는 다양한 종류의 배터리를 모두 포함하는 개념으로 직류 및 고주파 성분 분리기(120)로부터 출력되는 전기 에너지 중에서 직류 성분의 전기 에너지를 공급받아 충전하는 기능을 수행한다.
마지막으로, 통신 신호 처리부(140)는 직류 및 고주파 성분 분리기(130)로부터 출력되는 전기 에너지 중에서 직류 성분을 제외한 소정 주파수 대역의 고주파 성분을 수신한다. 여기서, 통신 신호 처리부(140)에서 수신되는 고주파 성분은 태양전지(110)를 통하여 수신되는 무선 광통신 신호를 의미한다.
이하에서는 이러한 본 발명의 동작에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서는 무선 광통신 신호와 태양광을 동시에 수신하는 태양전지와 데이터 전송속도를 결정하기 위해 시판중인 태양전지에 대한 에너지 변환효율을 측정하였고, 그 결과 변환효율이 가장 우수했던 태양전지를 선택하여 그 주파수 응답을 측정하였으며 그 일예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2에서 알 수 있듯이 시판중인 태양전지를 이용하는 경우 최대 10 kb/s 정도의 대역폭이 나오는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서는 태양 전지로 송신되는 무선 광통신 신호로 LED를 이용하여 실험하였는데, 가시광 통신을 위한 LED와 태양전지 사이의 거리는 대략 40cm 정도였다.
우선, 태양광의 간섭이 없는 상태에서의 LED 가시광 통신 실험을 수행하였는데, 전송속도는 3 kb/s로 하였으며, 이때 태양전지에 인가된 광 에너지는 56.7 W/m2로 측정되었다. 그 결과 통신이 가능하였고 태양전지에서 전기에너지로 변환된 에너지는 대략 3.4 W/m2로 측정되었다.
다음으로는 태양광이 함께 존재하는 상태에서의 LED무선 가시광 통신실험을 수행하였다.
태양광을 제외한 모든 조건의 위의 실험과 동일하게 하였고, 태양전지에 인가된 총 광 에너지는 110 W/m2로 측정되었다. (참고로 본 실험은 3월달 오후 2 시에 수행되었다.)
도 3은 본 발명에서 직접 실험을 통해 태양전지에 수신된 LED 가시광 통신신호의 아이(eye) 다이어그램이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 통신이 성공적으로 수행되는 것을 확인 할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지에 수신된 광 에너지의 세기를 측정한 결과이다.
도 4에서 태양전지에 수신된 광 에너지는 33.6 W/m2정도인 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 1개의 LED 송신부와 태양전지 수신부를 이용하여 40 cm의 전송거리에서 LED 가시광 통신 및 광 에너지의 동시 수신 실험을 구현하였다. 본 연구를 통해 태양전지를 이용해서도 수 kb/s 정도의 LED 가시광 통신은 태양전지 수신부를 이용하여 구현할 수 있음을 보였다.
또한, 이 기술을 활용하면 별도의 전원이 필요없는 LED 가시광 수신부를 구현할 수 있어 각종 센서네트워크나 친환경적인 통신망을 구축하는데 큰 도움이 되리라 생각된다.
지금까지 설명한 본 발명의 구성 및 동작을 종합하여 설명하면 다음과 같다.
1) 태양 전지에는 태양광(또는 기타 광 에너지 포함) 에너지가 인가됨과 아울러 무선 광통신 신호도 함께 인가된다.
2) 태양전지에 인가된 태양광 에너지와 무선 광통신 신호는 전기 신호로 변환되며, 태양전지의 그 출력단으로부터는 직류 성분의 DC (direct current) 전력과 고주파의 통신 신호도 혼합되어 출력된다.
3) 직류 및 고주파 분리기에서는 직류 성분의 DC 전력과 고주파 통신 신호를 필터링하여 상호 분리한다.
4) 직류 성분인 DC 전력은 충전부로 공급되며 따라서 소정의 전력 에너지가 충전된다.
5) 고주파 통신 신호는 통신신호 처리부로 입력된다.
6)충전부에서 충전된 전력은 통신신호 처리부로 전력을 공급하여 별도의 외부전원이 없이도 통신신호 처리부가 정상 동작하도록 한다.
지금까지 설명한 본 발명은 태양전지만을 이용하여 태양광 에너지와 무선 광통신 신호를 동시에 수신할 수 있기 때문에 별도의 외부전원이 필요없이 무선 광통신 수신부를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 광 다이오드 (photo diode)가 필요없이 스마트 기기에 부착된 태양전지만으로 무선 광통신 수신부를 구성할 수 있어 경제적으로 무선 광통신 수신부를 구현할 수 있는 장점도 있다.
본 발명은 기본적으로 LED 발광소자를 이용한 무선 가시광 통신에 관한 발명이지만 이는 일 실시예에 불과하며 본 발명의 기술적 사상은 태양전지를 통하여 태양광 에너지와 무선 통신 신호를 동시에 수신하는 모든 종류의 무선 광통신 분야에 적용 가능하다.
Claims (6)
- 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 출력하는 태양 전지와,
상기 전기 신호를 수신하며 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 직류 및 고주파 분리기와,
상기 직류 성분 신호를 수신하는 충전부와,
상기 고주파 신호를 수신하는 통신 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 충전부는 상기 통신 신호 처리부로 소정의 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고주파 무선 광통신 신호는 발광 소자에서 출력되는 신호인 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 발광 소자는 LED인 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 LED에서 출력되는 신호의 주파수는 가시광선 대역인 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 장치. - 태양전지를 통하여 태양광 에너지와 고주파 무선 광통신 신호를 수신하는 단계;
상기 태양전지를 통하여 소정의 전기 신호를 출력하는 단계;
직류 및 고주파 분리기를 이용하여 상기 전기 신호에 포함된 직류 성분 신호와 고주파 신호를 분리하는 단계;
상기 직류 성분 신호를 충전부로 전송하고 상기 고주파 신호를 통신 신호 처리부로 전송하는 단계; 및
상기 충전부에서 생성한 전력을 상기 통신 신호 처리부의 전력으로 공급하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용하여 고주파 무선 광통신 신호와 태양광 에너지를 동시에 수신하는 방법.
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