KR101754362B1 - 전자파포집전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

전자파포집전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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Abstract

전자파포집전선(3)을 이용해 가정용 건물, 산업용 건물 및 전신주의 전기줄 등에서 발생하는 전자파에너지를 포집하고 변환하여 재활용하는 전자파포집 전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로 전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 전류가 통전되는 케이블부, 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2)를 구비하는 전자파포집전선(3), 변환된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자파포집안테나를 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템을 제안한다.

Description

전자파포집전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템 {Electromagnetic waves Energy Harvesting System by Electromagnetic waves Collecting Wire}
본 발명은 전자파포집전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자파포집전선을 이용해 가정용 건물, 산업용 건물 및 전신주의 전기줄 등에서 발생하는 전자파에너지를 포집하고 변환하여 재활용하는 전자파포집 전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전자파란 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 에너지로 일명 전파라고도 한다. 즉, 전기가 흐르면서 진동이 일어날 때 그 주위에는 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데, 이것이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자파라고 한다. 이러한 전자파는 우리 주변에 항상 존재한다. 전자파는 전압에 의해 발생하는 전기장(Electric Fields)과 전류에 의해 발생하는 자기장(Magnetic Fields)으로 구분할 수 있으며, 우리 주변에 사용중인 송/배전선, 전기제품 등 전기를 사용하는 모든 것으로부터 발생한다. 전기장 혹은 전계는 발생원으로부터 수직방향으로 직선형태로 발생되며 나무, 건물, 사람의 피부 등에 의하여 쉽게 제거되거나 약해진다. 자기장 혹은 자계는 발생원을 중심으로 원형으로 형성되는 특성을 가지며 어떤 물 체나 재료 등에 의해 쉽게 제거 혹은 약해지지 않는 특성을 보인다.
전자파는 주파수(초당 파동수) 크기에 따라 주파수가 낮은 순서대로 전파(장파, 중파, 단파, 초단파, 극초단파, 마이크로파), 적외선, 가시광선(빛), 자외선, x선, 감마선 등으로 구분된다. 전파는 주파수가 3000ghz (초당 3조번 진동)이하의 전자파를 말한다. 즉, 태양빛, 적외선, 자외선도 알고 보면 전자파의 일종이다. 지구도 자체에서 전자파를 발생시킨다. 우리 생활주변의 의도적인 전파 발생원은 방송이나 통신용 안테나(방송국 및 중계소, 기지국, 선박이나 항공 통신용 송신장치, 인공위성 등), 이동전화 단말기(휴대폰, 워키토키 등), 레이더(radar), 온열 치료용 의료기기 등이 있다. 한편 에너지가 강한 x선, 감마선 등의 방사선의 위험성이나 자외선이 피부암 등의 여러 질병을 일으킨다는 것은 이미 널리 알려져 있다. 최근의 전자파 유해성 논란의 대상은 송배전 선로나 가전제품 등에서의 '극저주파'(extremely low ferquency:ELF)와 이동통신 단말기 사용과 기지국 시설의 증가에 따른 무선 주파수에서의 '고주파'(radio frequency:RF)이다. 전자파가 인체에 미치는 악영향은 이미 밝혀져 있는 사실이다. 여러 종류의 전자파 가운데 인체에 영향을 미치는 전자파는 극저주파(ELF), 초저주파(VLF), 라디오파(RF) 및 마이크로웨이브(마이크로파) 등이다. 이는 두통, 시력 저하, 백혈병, 뇌종양, 인체에 누적된 뇌파 혼란 초래, 순환계 이상, 남자 생식기능 파괴, VDP 증후군 및 안질환 유발 등 각종 질병에 영향을 미칠 수 있다고 보고되고 있다. 각종 전기시설이나 전자제품 등에서 나오는 전자파는 무색 무취로 우리의 눈에 보이지도 않고 더구나 피해가 금방 나타나지 않는다. 그러나 오래 누적되면서 자신도 모르는 사이에 증상이 심해지는 수가 많다. 전자파는 생체에서 열작용, 비열작용, 자극작용으로 피해를 준다. 열작용이란 조직세포의 온도를 순식간에 비정상적으로 상승시켜 기능이상을 일으키거나 파괴하는 것이다. 생체에서 열작용의 피해가 가장 큰 곳은 뇌세포 등 열에 아주 약한 조직세포와 혈관분포가 거의 없는 눈의 수정체나 고환을 비롯한 생식기이다. 수정체는 렌즈와 비슷한 역할을 하는 것인데, 이 두께의 조절에 의해서 가까운 곳과 먼 곳을 구별해서 볼 수 있으며 이것에 의해서 상이 맺히게 된다. 결국 눈의 수정체에 영향을 주기 때문에 시력에도 영향을 주게 된다. 비열작용이란 세포 내 대사와 관련된 이온물질에 이상을 일으키고 종양세포의 억제 등 여러 기능을 가진 멜라토닌이라는 호르몬의 분비 이상을 초래, 심하면 각종 암을 발생케 하는 것을 의미한다. 우리 몸의 신경 및 세포, 호르몬 활동은 미세한 전기신호에 의해 조절되는데 인체가 강한 전자파에 노출될 경우 나트륨, 칼륨과 같은 세포간 이온의 흐름이 교란돼 신체장애가 일어나게 된다. 이렇게 인체에 많은 위해를 가하는 전자파를 해결하기 위하여 기존에는 전자파 차단이나 흡수를 통한 해결만을 도모해 온 것이 사실이다.
대한민국 특허 제 10 - 0503207호 (발명의 명칭: 전자파를 에너지원으로 사용하는 전자파 감소장치, 이하 종래기술 1이라 한다.) 도전성이 좋은 소재로 선 또는 판 모형으로 형성하여 정전기 및 전자파를 흡수하는 차폐부와 차폐부에 모인 정전기나 전자파를 전기적으로 무선통신단말기의 외부로 끌어 내도록 차폐부에 도전성 소재를 이용하여 만든 전기연결선과 전기연결선으로부터 공급받은 정전기 및 전자파를 소신시키는 장식물로 이루어진 전자파 차폐 장치에 있어서, 차폐부에서 흡수한 전자파를 정류하는 정류다이오드와, 전위차를 크게 하는 캐패시터로 구성된 정류부와 캐패시터 양단에 수동소자가 연결되어 전자파를 소모하는 에너지소모부로 구성된 것을 특징으로 하는 전자파를 에너지원으로 이용한 전자파 감소장치가 기재되어 있다.
대한민국 특허 제10- 1187103호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술 1의 전자파 차폐제제가 판 형상으로 구성되어 특정기기 또는 특정부위에서 생성되는 전자파만을 소모시킨다는 제1문제점, 전자파 차폐제를 이용하여 전자파에너지를 열에너지 및 운동에너지로 소모시키기만 하고 전기에너지로 재활용하지 못한다는 제2문제점을 해결하려 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 전자파에너지를 하베스팅하는 시스템에 있어서, 전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 케이블부, 및 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2)를 구비하는 전자파포집전선(3); 포집된 전자파에너지를 교류(AC)에서 직류(DC)로 전환해주는 기능을 하는 에너지변환부(10); 및 변환된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부(20);를 포함하며, 상기 안테나부는 상기 도체의 외주면을 따라 위치하며, 또한 상기 안테나부는 복수개의 세선(細線)이 이중편조의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
삭제
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 에너지변환부(10)는 컨버터 또는 정류기를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 전자파포집전선(3)은 접지부(130)를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 에너지저장부(20)는 직류(DC)로 변환된 전기에너지를 저장하는 캐패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 에너지저장부(20)는 직류(DC)로 변환된 전기에너지를 저장하는 배터리를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템은 전기에너지를 부하(Load)(40)에 공급하는 에너지전달부(30)를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 에너지전달부(30)는 직류(DC)를 교류(AC)로 전환해 주는 인버터를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 안테나부(2)는 전자파 포집을 위해 구리, 동, 카본, 니켈, 알루미늄 및 아연으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 외부피복과 안테나부(2)는 압출하는 방법으로 일체로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 복수개의 세선은 에나멜로 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 전자파에너지를 하베스팅하는 시스템에 있어서, 전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 케이블부, 및 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2)를 구비하는 전자파포집전선(3); 포집된 전자파에너지를 교류(AC)에서 직류(DC)로 전환해주는 기능을 하는 에너지변환부(10); 및 변환된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부(20);를 포함하며, 상기 안테나부는 상기 도체의 외주면을 따라 위치하며, 또한 상기 안테나부는 복수개의 세선(細線)이 이중편조의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전자파포집전선(3)을 이용하는 전자파에너지 하베스팅 시스템은 종래기술1의 전자파 차폐제와는 달리 안테나부(2)가 전선에 구비되고 접지부(130)를 포함하고 있어 전자파에너지가 포집되고, 전기에너지로 변환되는데 있어서 효율적이며, 가정용 건물, 산업용 건물 및 전신주의 전기줄 등의 전선에서 발생하는 전자파와 공기중의 전자파를 모두 포집할 수 있다는 제1효과, 전자파포집전선(3)에 의해 포집된 전자파에너지를 전기에너지로 재활용하여 부하(Load)(40)들에 재공급하여 전기에너지 낭비를 절감하게 되는 제2효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 전자파포집전선(3)의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전자파포집전선(3) 내부의 전자파에너지를 흡수하는 전자파에너지 하베스팅 시스템 구성의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전자파포집전선(3) 외부의 전자파 에너지를 흡수하는 전자파에너지 하베스팅 시스템 구성의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전자파포집전선(3) 내부의 전자파에너지를 흡수하는 전자파에너지 하베스팅 시스템 구성의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 전자파포집전선(3) 외부의 전자파에너지 하베스팅 시스템 구성의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 전자파포집전선(3)의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 접지부(130)의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 에너지변환부(10)의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 일상생활이나 산업용 건물 및 부자재에서 버려지거나 소모되는 에너지를 모아 전력으로 재사용 하는 에너지하베스팅(Energy Harvesting)시스템에 관한 것이다. 금속이나 식물을 이용한 전자파 흡수는 그 효과가 미비하고 사용 가능한 분야가 한정적이라는 단점이 있었지만 본 발명은 전자파를 흡수하는데 그치지 않고 흡수 및 포집한 전자파를 전기에너지로 재활용하여 전력낭비를 절감하고 에너지효율의 상승을 얻을 수 있다.
본 발명의 전자파에너지 하베스팅 시스템은 가정용건물, 산업용건물 및 전신주의 전기줄에서 발생하는 전자파나 전기, 전자기기의 대기전력에서 발생하는 전자파를 포집하여 전기에너지로 변환 및 활용하는 기능을 제공하는 것을 목적으로 전자파에너지를 포집하는 전자파포집전선(3), 전자파포집전선(3)과 에너지변환부(10)사이에 위치하는 접지부(130), 포집된 에너지를 변환하는 에너지변환부(10), 변환된 에너지를 저장하는 에너지저장부(20), 부하(Load)(40)에 저장된 에너지를 공급하는 에너지전달부(30)를 구성요소로 갖는다.
이하 각 주요 구성요소들에 대해서 상술하기로 한다.
안테나부(2)에서 포집된 전자파에너지가 표면전류로 변환되었을 때, 전기에너지의 상태는 교류(AC)의 상태이다. 교류(AC)상태이므로 에너지저장부(20)에 저장하기 위해 직류(DC)의 상태로 바꿔줘야 한다. 이 기능을 위해 접지부(130)와 에너지변환부(10)가 더 구비될 수 있다.
접지부(130)는 외부로부터 입력되는 전압을 이용하여 접지(Earth)를 생성하고, 변환부(20)로 생성된 접지를 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 접지부(130)로 220V 또는 110V의 교류 전압이 입력되고, 접지부(130)는 교류 전압을 이용하여 접지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 접지부(130)는 콘센트와 연결되어, 콘센트로부터 교류 전압을 입력 받을 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 변환 및 차단 장치(100)는, 제1 입력 단자(112), 제2 입력 단자(114), 제1출력 단자(122), 제2 출력 단자(124), 접지부(130), 에너지변환부(10), 전류 입력 단자(150), 연결 접지부(160), 및 스위칭소자(170)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)은 외부로부터 입력되는 전압(Vin)을 수신할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)은 콘센트와 연결되어, 110V 또는 220V의 교류 전압이 상기 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)로 입력될 수 있다. 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)은 제1 및 제2 입력단자들(112, 114)와 각각 연결되어, 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)로 입력된 전압(Vin)을 외부로 출력할 수 있다. 일실시 예에 따르면, 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)는, 전력을 소비 또는 수송하는 전력 소비, 수송 장치와 연결되어, 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)로부터 입력된 전압(Vin)을 전력 소비,수송 장치로 전달할 수 있다.
접지부(130)는 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)과 연결되어, 외부로부터 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)로 입력된 전압을 이용하여 접지를 생성할 수 있다. 생성된 접지는 에너지변환부(10)로 제공될 수 있다. 전류 입력 단자(150)는 외부로부터 전류(It)를 수신할 수 있다. 전류 입력 단자(150)는 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)과 연결된 전력 소비, 수송 장치의 플러그의 접지 단자와 연결될 수 있다. 이 경우, 전류 입력 단자(150)로 입력되는 전류(It)는, 전력 소비,수송 장치의 플러그의 접지 단자로부터 전류 입력 단자(150)로 유입되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전류 입력 단자(150)로 입력되는 전류(It)는, 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)과 연결된 전력 소비, 수송장치에서 생성된 전자기파가 변환된 교류 전류를 포함할 수 있다. 연결 접지부(160)는 외부의 접지부와 연결되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연결 접지부(160)는 콘센트의 접지부와 연결되어, 콘센트의 접지부로부터 접지를 제공받을 수 있다. 스위칭소자(170)는 연결 접지부(160)와 에너지변환부(10)를 연결할 수 있다. 스위칭소자(170)는, 본 발명의 실시 예에 따른 전자기파 변환 및 차단 장치(100)를 사용하는 유저(User)에 의해 수동으로 개폐(開閉)될 수 있다.
에너지변환부(10)는, 연결 접지부(160) 및 접지부(130)로부터 접지를 제공받고, 전류입력 단자(150)와 연결되어, 외부로부터 입력된 전류(It)를 정류할 수 있다. 본 발명의 실시 예의 변형 예에 따른 전자기파 변환 및 차단 장치는, 노이즈 제거를 위해, 제1 및 제2 입력 단자들(112, 114)과 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)을 연결하는 EMI 필터를 더 포함할 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 변환 및 차단 장치에 포함된 접지 제공부를 설명하기 위한 회로도이다. 도 7를 참조하면, 설명된 접지부(130)는, 제1 내지 제3 저항(132, 134, 136), 제1 내지 제4 다이오드들(130D1, 130D2, 130D3, 130D4), 및 접지가 제공되는 접지 단자(138)를 포함할 수 있다.
제1 저항(132)의 일단(132a)은 상기 제1 입력 단자(112)에 연결되고, 상기 제1 저항(132)의 타단(132b)은 상기 제1 다이오드(130D1)의 애노드 및 제2 다이오드(130D2)의 캐소드와 연결될 수 있다. 제1 다이오드(130D1)의 캐소드는, 제2 저항(134)의 일단(134a) 및 제3 다이오드(130D3)의 캐소드와 연결될 수 있다.
제1 다이오드(130D1)의 애노드는, 제1 저항(132)의 타단(132b) 및 제2 다이오드(130D2)의 캐소드와 연결될 수 있다. 제2 다이오드(130D2)의 캐소드는, 상기 제1 저항(132)의 타단(132b) 및 상기 제1 다이오드(130D1)의 애노드와 연결될 수 있다. 제2 다이오드(130D2)의 애노드는, 제2 저항(134)의 타단(134b) 및 제4 다이오드(130D4)의 애노드와 연결될 수 있다. 제3 다이오드(130D3)의 캐소드는, 제1 다이오드(130D1)의 캐소드 및 제2 저항(134)의 일단(134a)과 연결될 수 있다. 제3 다이오드(130D3)의 애노드는, 제2 입력 단자(114) 및 제4 다이오드(130D4)의 캐소드와 연결될 수 있다. 제4 다이오드(130D4)의 캐소드는 제3 다이오드(130D3)의 애노드 및 제2 입력 단자(114)와 연결될 수 있다. 제4 다이오드(130D4)의 애노드는, 제2 다이오드(130D2)의 애노드 및 제2 저항(134)의 타단(134b)과 연결될 수 있다. 제2 저항(134)의 상기 일단(134a)에는 제1 다이오드(130D1)의 캐소드 및 제3 다이오드(130D3)의 캐소드가 연결될 수 있다. 제2 저항(134)의 타단(134b)에는 상기 제2 다이오드(130D2)의 애노드 및 제4 다이오드(130D4)의 애노드가 연결될 수 있다.
상기 제3 저항(136)의 일단은 제2 저항(134)의 일단(134a)과 연결되고, 상기 제3 저항(136)의 타단은 접지가 제공되는 접지 단자(138)와 연결될 수 있다. 제3 저항(136)은 이상 전류, 과전류, 노이즈 등이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 접지 단자(138)는, 에너지변환부(10)와 연결되어, 접지부(130)는 에너지변환부(10)에 접지를 제공할 수 있다.
제1 및 제2 입력 단자(112, 114)가 외부의 콘센트와 연결되어, 제1 및 제2 입력 단자(112, 114)에 교류 전압이 입력되는 경우, 예를 들어, 제1 입력 단자(112)에 전원선이 위치하는 경우, 전압의 대부분이 제1 저항(132) 및 제2 저항(134)에 인가되며, (+) 극성을 갖는 전류는 제1 다이오드(130D1)을 통과하여 제2 저항(134)의 일단(134a)으로 유입되며, (-) 극성을 갖는 전류는 제2 다이오드(130D2)를 통과하여 제2 저항(134)의 타단(134b)으로 유입된다. 이 경우, 제2 저항(134)의 상기 일단(134a)으로 유입된 (+) 극성을 갖는 전류 및 제2 저항(134)의 상기 타단(134b)으로 유입된 (-) 극성을 갖는 전류는 서로 위상이 반대이다. 이로 인해, 접지 단자(138)에 접지가 제공될 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 입력 단자(114)에 전원선이 위치하는 경우, 전압의 대부분이 제2 저항(134)에 인가되며, (+) 극성을 갖는 전류는 상기 제3 다이오드(130D3)를 통과하여 제2 저항(134a)로 유입되며, (-) 극성을 갖는 전류는 제4 다이오드(130D4)를 통과하여 상기 제2 저항(134)의 타단(134b)에 유입된다. 이 경우, 제2 저항(134)의 일단(134a)으로 유입된 (+) 극성을 갖는 전류 및 상기 제2 저항(134)의 타단(134b)으로 유입된 (-) 극성을 갖는 전류는 서로 위상이 반대이다. 이로 인해, 접지 단자(138)에 접지가 제공될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여, 에너지변환부(10)가 설명된다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자기파 변환 및 차단 장치에 포함된 에너지변환부(10)를 설명하기 위한 회로도이다. 도8을 참조하면, 에너지변환부(10)는, 제1 내지 제4 다이오드들(140D1, 140D2, 140D3, 140D4)을 포함하는 정류기를 포함할 수 있다. 전류 입력 단자(150)는 외부로부터 전류(It)를 수신할 수 있다. 전류(It)는 에너지변환부(10)의 제1노드(140N1)로 입력될 수 있다. 제1 노드(140N1)로 입력된 상기 전류(It)는 정류기에 의해 정류될 수 있다. 전류 입력 단자(150)는 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)과 연결된 전력 소비, 수송 장치의 플러그의 접지 단자와 연결될 수 있고, 이 경우, 전류 입력 단자(150)로 입력되는 전류(It)는, 전력 소비, 수송 장치의 플러그의 접지 단자로부터 전류 입력 단자(150)로 유입되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전류 입력 단자(150)로 입력되는 전류(It)는, 제1 및 제2 출력 단자들(122, 124)과 연결된 전력 소비, 수송 장치에서 생성된 전자기파가 변환된 교류 전류를 포함할 수 있다.
제1 다이오드(140D1)의 캐소드는 제1 노드(140N1)에 연결될 수 있다. 제2 다이오드(140D2)의 애노드는 제1 노드(140N1)에 연결될 수 있다. 제2 다이오드(140D2)의 캐소드는 커패시터(142)의 일단(142a)에 연결될 수 있다. 제1 다이오드(140D1)의 애노드는 커패시터(134)의 타단(142b)에 연결될 수 있다. 제3 다이오드(140D3)의 애노드는 제1 다이오드(140D1)의 애노드와 연결될 수 있다. 제3 다이오드(140D3)의 캐소드는 제3 다이오드(140D3)의 캐소드에 접지가 제공될 수 있다.
제4 다이오드(140D4)의 캐소드는 커패시터(142)의 일단(142a)과 연결될 수 있다. 제4 다이오드(140D4)의 애노드는 제4 다이오드(140D4)의 애노드에 접지가 제공될 수 있다. 다시 말하면, 제1 내지 제4 다이오드들(140D1, 140D2, 140D3, 140D4) 및 접지 수신부(144)는, 교류 전류가 (+) 극성인 구간에서 커패시터(142)의 타단(142b)에 접지를 제공하고, 교류 전류가(-) 극성인 구간에서 커패시터(142)의 일단(142a)에 접지를 제공할 수 있다.
다시 말하면, 교류 전류의 극성에 따라서, 커패시터(142)의 일단(142a) 및 타단(142b) 중 어느 한 곳에 접지가 스위칭(switching)되어 제공될 수 있다. 구체적으로, 교류 전류의 극성이 (+)인 구간에서, 커패시터(142)의 타단(142b)에 접지가 제공되고, 교류 전류의 극성이 (-)인 구간에서, 커패시터(142)의 일단(142a)에 접지가 제공될 수 있다. 도 7을 참조하여 설명된 접지부(130) 및 연결 접지부(160)와 연결되어, 접지를 제공받을 수 있다.
에너지변환부(10)는 컨버터 또는 정류기 등을 구비함으로 교류(AC)에서 직류(DC)로 전기에너지를 변환해주는 기능을 할 수 있다.
컨버터는 교류(AC)에서 직류(DC), 직류(DC)에서 직류(DC) 및 직류(DC)에서 교류(AC)로 전기에너지의 형태를 바꿔주는 기능을 구비할 수 있다.
정류기는 전위차가 나는 두 개의 단자로 구성되어 있으며, 접합 부근에는 전압이 가해지지 않은 상태에서 전위 장벽(potential　barrier)이 존재한다. 전위가 낮은 단자에 전원의　음극이 연결되고 전위가 높은 단자에　양극이 연결되면(순방향) 전위장벽이 낮아져 전류가 잘 흐르게 된다. 반대로 연결될 경우는 전위장벽이 높아져 저항이 무한대로 커지게 되어(역방향) 전류가 흐르지 못하게 된다. 이런 과정을 통해 한 쪽 방향의 전류만 통과하여 정류가 될 수 있다.
전자파에너지를 포집하는데 있어서, 접지부(130)가 에너지변환부(10)와 안테나부(2) 사이에 구비됨으로써 표면전류가 안테나부(2)를 통전할 때 전류 손실이 줄어들어 전기에너지로 변환되는 효율이 향상 될 수 있다.
에너지저장부(20)는 직류(DC)로 변환된 전기에너지를 저장하는 장치로 캐패시터 또는 배터리를 구비할 수 있다.
캐패시터는 두 장의 금속판을 인접시켜 놓은 구조로 경우에 따라서는 금속판 사이에 유리나 아크릴 같은 유전체가 끼어있을 수 있다. 캐패시터에 전기에너지가　저장되는 원리는 전기적인 인력을 이용하는데, 직류(DC)를 캐패시터에 흘리게 되면 인접한 두 판이 (+), (-)로 대전 되어 전기에너지를 저장할 수 있다.
바람직하게는 배터리를 사용하는데 있어서, 2차 전지를 사용할 수 있는데 2차 전지는 외부 전원으로 공급받은 전류가 양극과 음극 사이에서 물질의 산화, 환원 반응을 일으키는 과정에서 생산된 전기를 충전하는 방식으로 반영구적 사용이 가능한 전지로써, 분리막, 양극재, 전해질 등의 4대 핵심소재로 구성될 수 있다. 충전물질에 따라 니켈, 리튬, 폴리머, 리튬폴리머, 리튬설파, 니켈카드뮴 등의 소재가 사용될 수 있지만 이에 한정하지는 않는다.
전자파에너지 하베스팅 시스템은 전기에너지를 부하(Load)(40)에 공급하는 에너지전달부(30)를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 에너지전달부(30)는 정류기와 인버터를 구비할 수 있는데, 인버터의 종류는 전류형인버터(CSI), 전압형 인버터(VSI), 쵸퍼 제어형 인버터 및 펄스 폭 변조(PWM)인버터를 사용할 수 있지만 이에 한정하는 것은 아니다. 전류형인버터는 정류기가 전류를 가변(리액터가 있다.)하고 인버터가 주파수를 가변 할 수 있다. 전압형 인버터는 정류기가 전압을 가변(L-C필터가 있다.)하고 인버터부에서 주파수를 가변 할 수 있다. 쵸퍼 제어형 인버터는 정류기가 일정 직류(DC)전압을 만들고 직류회로에서 쵸퍼에 의해 직류(DC)전압을 가변 한 후, 인버터가 주파수를 가변 할 수 있다. 펄스 폭 변조 인버터는 정류기에서 직류(DC)전압을 만들고 인버터가 전압과 주파수를 동시에 가변 할 수 있다. 바람직하게는 펄스 폭 변조(PWM)인버터를 사용하는 것이 효율적일 수 있다.
에너지전달부(30)는 인버터를 이용하여 에너지저장부(20)에 저장되어 있는 직류(DC)상태의 전기에너지를 교류(AC)상태로 바꿔주어 부하(Load)(40)에 공급하게 될 수 있다.
부하(Load)(40)에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 에너지전달부(30)는 제어의 전자파에너지 하베스팅 시스템의 전체적인 제어의 기능도 할 수 있다. 에너지전달부(30)내에 제어부를 구비하여 시스템내의 에너지저장부(20)와 인버터 등의 전체적인 상황을 제어할 수 있다.
전자파포집전선(3)의 도체(1)는 단심 또는 다심으로 이루어져 있으며, 각각의 도체(1)는 절연피복으로 감싸져 구성 될 수 있다. 전자파포집전선(3)은 종래의 일반 전선에서 사용 되지는 일반 전원 송신 공급부를 선택할 수 있음을 배제하지는 않는다.
전자파포집전선(3)의 안테나부(2)는 전자파를 포집하는 기능을 구비하고 있으며, 전기 전도성이 좋은 물질로 구성된다. 전자파를 전기신호로 바꿔주는 기능을 하는 센서를 RF수신모듈이라고 하는데 안테나부(2)가 RF수신모듈의 기능을 할 수 있다. 전도성 물질은 전자파 포집을 위해 삼원계 도금강판(아연, 알루미늄 및 마그네슘이 포함.), 구리, 동, 카본, 니켈, 알루미늄 및 아연으로부터 선택되는 1종 또는 2종이상의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 물론, 루렉스, 스테인레스섬유 및 탄소나노튜브 등의 전기전도성섬유금속을 배제하지는 않는다.
또한, 안테나부(2)는 전자파포집전선(3) 내측에 위치하는 도체(1) 또는 도체(1)들의 외주면을 따라 위치하게 되는데 이때 안테나부(2)는 외주면 넓이의 소정의 비율 이상을 감싸는 것을 특징으로 할 수 있다. 바람직하게는 케이블부 외주면의 넓은 면적을 감쌀수록 더 많은 양의 전자파를 포집할 수 있다.
안테나부(2)는 박판의 형상으로 제작할 수 있는데, 이때는 안테나부(2)가 도체(1) 또는 도체(1)들의 외주면 전체를 덮고 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
박판의 형상으로 제작될 때에는 박판의 두께를 소정의 비율로 유지함으로 반복적인 굽힘에 의한 파단이 일어나지 않게 시공성을 고려할 수 있다.
또한, 안테나부(2)는 외부피복이 제작될 때, 전도성물질들로 배합 또는 혼합의 방법으로 압출하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 안테나부(2)는 복수개의 세선(細線)으로 이루어질 수 있다. 세선(細線)으로 이루어졌을 때는 횡권의 방법으로 구성할 수 있으며, 이중횡권으로도 구성할 수 있다. 이중횡권으로 구성하게 할 때는, 더 많은 부분을 감싸게 되어서 두 배의 효율을 확인할 수 있으며 전자파를 포집하는데 있어서 더욱 효과적일 수 있다.
안테나부(2)를 구성하는데 있어서, 바람직하게는 편조의 형상으로 구성할 수 있으며, 도 6에 도시된 일실시예에서 확인할 수 있다. 더욱 바람직하게는 이중편조의 형상으로 안테나부(2)를 구성하여 전자파 포집 효율을 최대화할 수 있다.
이중편조의 안테나부(2)는 케이블부에서 1차적으로 발생한 전자파를 첫번째 안테나부(2)에서 포집하고, 전자파에너지가가 안테나부(2)를 흐를 때 2차적으로 발생하는 전자파를 두번째 안테나부(2)에서 흡수하는 원리로 두 배 이상의 효율을 확인 할 수 있다.
안테나부(2)는 에나멜 코팅이 이루어질 수 있는데 에나멜 도료는 호르마르, 폴리우레탄 또는 폴리에스테르를 사용할 수 있지만 이에 한정 하는 것은 아니다.
안테나부(2)는 절연체로 이루어지는 안테나보호부를 더 포함할 수 있는데 안테나보호부는 안테나부(2)의 부식 및 손상이나 타 전선과의 합선 등의 전기사고를 막기 위해 절연체로 형성된 피복을 사용 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 안테나부(2)를 기존에 사용하던 전선에도 적용할 수 있는데, 기존의 가정용 건물 및 산업용 건물 과 전신주의 전기줄 등에서 이미 사용하고 있는 전선 외주면에 나선형으로 감싸는 방법과 같은 후 작업으로 설치하여 전자파를 포집하는 안테나를 구비하는 전선으로써 기능을 할 수 있다.
전자파포집전선(3)의 도체(1)에 전원이 공급되어 전류가 흐르기 시작하면 전자파가 방출되는데 이때 방출되는 전자파를 안테나부(2)가 포집하게 된다. 전자파에너지를 포집하는 방법은 가정 및 산업용 건물내의 전자기기들에서 발생한 전자파가 안테나부(2)에 접촉 하게 되면 안테나부(2)를 구성하고 있는 전기 전도성 물질에 의해 표면전류로 변하여 흐르게 된다.
가정용, 산업용 건물 및 전신주의 전기줄 등에서 발생하는 전자파에너지를 하베스팅하는 시스템에 있어서, 전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 전류가 통전되는 케이블부, 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2) 및 상기 안테나부(2)의 파손을 방지하기 위한 안테나보호부를 구비하는 전자파포집전선(3), 포집되어 표면전류로 흐르는 전기에너지를 부하(Load)(40)에 공급하는 전력전달부(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자파포집안테나를 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있으며, 전자파에너지 하베스팅 시스템의 또 다른 일실시예로 도 4 및 도5에 도시된 일실시예를 통하여 확인할 수 있다.
전자파포집전선(3)의 구성에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
전자파에너지 하베스팅 시스템은 전자파포집전선(3) 내부에서 발생하는 전자파를 흡수하여 전기에너지로 전환 및 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 공기 중에 존재하는 방송전파, 휴대전화 전파, 와이파이(Wifi) 전자파, 라디오 전파, 컴퓨터 및 TV 등의 전자파까지 포집이 가능하며 이러한 전자파에너지를 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있다. 이는 도 1, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 일실시예를 통하여 확인 할 수 있다. 물론 전자파포집전선(3)의 내, 외부에서 발생한 전자파를 동시에 포집하여 전기에너지로 재활용할 수 있음을 배제하지는 않는다.
전자파에너지 하베스팅 시스템의 에너지전달부(30) 및 전력전달부(50)에서 전기에너지를 전달받는 부하(Load)(40)로는 가정용 전자기기 및 비상전원공급창지 등이 있을 수 있으며, 산업용 건물의 조명, 전신주의 전기줄의 비상전원공급장치 및 송전탑의 항공기 유도 조명 등에도 사용할 수 있다. 물론, 부하(Load)(40)에 대해서 이에 한정하는 것은 아니다.
[실시예]
전자파포집전선(3)을 구성하기 위하여 기존의 사용하고 있는 일반전선과 에나멜코팅된 구리선을 준비하고, 에나멜코팅된 구리선을 안테나부(2)로 구성하여 기존의 사용하고 있는 일반전선에 횡권의 방법으로 감아주어 전자파포집전선을(3) 제조하였다.
[비교예]
기존의 사용하고 있는 일반전선을 준비하였다.
[실험예]
기존의 사용하고 있는 일반전선에 전압을 주고 전자파 측정장치(ME 3030B)를 이용하여 전선 주위의 전자파를 측정하였다. 그리고 전자파포집전선을 전선에 감싼 후, 전자파포집량을 확인하기 위해 전류계를 이용하여 전자파포집전선(3)에 흐르는 전류의 양을 측정하고 전자파측정기를 이용하여 전자파포집전선(3) 주위의 전자파량을 측정하였다.
비교예 실시예
전자파량 1134 V/m 3 V/m
기존의 사용하고 있는 일반전선에서 발생하는 전자파는 1134V/m로 높은 수치였으나 본 발명의 전자파포집전선(3)을 활용하여 전자파감쇄(차폐)효과를 확인한 결과 3 V/m로 99.9%이상의 전자파 감쇄(차폐) 효율을 확인할 수 있었다. 그리고 전자파포집전선(3)에 흐르는 전류의 양이 1.28mA로 측정되었고(전선의 전위차는 102V), 이에 포집된 전자파 에너지는 2W의 전력을 생성할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 도체
2 : 안테나부
3 : 전자파포집전선
10 : 에너지변환부 (Energy Conversion Unit, ECU)
20 : 에너지저장부 (Energy Storage Unit, ESU)
30 : 에너지전달부 (Energy Transmitting Unit, ETU)
40 : 부하 (Load)
50 : 전력전달부 (Power Transmitting Unit, PTU)
130 : 접지부 (Earth Unit, EU)
112, 114 : 제1 및 제2 입력단자
122, 124 : 제1 및 제2출력 단자
130D1, 130D2, 130D3, 130D4 : 제1 내지 제 4다이오드들
132, 134, 136 : 제1 내지 제3저항
138 : 접지단자
140D1, 140D2, 140D3, 140D4 : 제1 내지 제4 다이오드들
142 : 커패시터
150: 전류입력부
160 : 연결 접지부
170 : 스위칭소자

Claims (15)

  1. 전자파에너지를 하베스팅하는 시스템에 있어서,
    전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 케이블부, 및 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2)를 구비하는 전자파포집전선(3);
    포집된 전자파에너지를 교류(AC)에서 직류(DC)로 전환해주는 기능을 하는 에너지변환부(10); 및
    변환된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부(20);
    를 포함하며,
    상기 안테나부는 상기 도체의 외주면을 따라 위치하며, 또한 상기 안테나부는 복수개의 세선(細線)이 이중편조의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지변환부(10)는 컨버터 또는 정류기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자파포집전선(3)은 접지부(130)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지저장부(20)는 직류(DC)로 변환된 전기에너지를 저장하는 캐패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지저장부(20)는 직류(DC)로 변환된 전기에너지를 저장하는 배터리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기에너지를 부하(Load)(40)에 공급하는 에너지전달부(30)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 에너지전달부(30)는 직류(DC)를 교류(AC)로 전환해 주는 인버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나부(2)는 전자파 포집을 위해 구리, 동, 카본, 니켈, 알루미늄 및 아연으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    외부피복과 상기 안테나부(2)는 압출하는 방법으로, 일체로 제조되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 세선(細線)은 각각 에나멜로 코팅되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
  14. 삭제
  15. 전자파에너지를 하베스팅하는 시스템에 있어서,
    전류가 흐르는 도체(1)와 상기 도체(1)를 감싸는 절연피복으로 이루어진 케이블부, 전도성 물질로 이루어져 전자파에너지를 포집할 수 있는 안테나부(2), 및 상기 안테나부(2)의 파손을 방지하기 위한 안테나보호부를 구비하는 전자파포집전선(3);
    포집되어 표면전류로 흐르는 전기에너지를 부하(Load)(40)에 공급하는 전력전달부(50);
    를 포함하며,
    상기 안테나부는 상기 도체의 외주면을 따라 위치하며, 또한 상기 안테나부는 복수개의 세선(細線)이 이중편조의 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파에너지 하베스팅 시스템.
KR1020150085036A 2015-06-16 2015-06-16 전자파포집전선을 이용한 전자파에너지 하베스팅 시스템 KR101754362B1 (ko)

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