KR101779660B1 - 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치 - Google Patents

Abstract

스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치는 RF신호를 수신하여 직류 전류를 생성하는 제1 에너지 생성부, 움직임에 따라 진동하는 자석에 의해 코일에 유도 전류를 생성하는 제2 에너지 생성부, 상시 전력원과 유선으로 연결되어 충전되는 제1 배터리부, 상기 제1 에너지 생성부 또는 상기 제2 에너지 생성부가 생성하는 상기 직류 전류를 이용하여 충전되는 제2 배터리부 및 상기 제1 배터리부 또는 상기 제2 배터리부 중 적어도 하나로부터 전달되는 전력을 외부 스마트 기기에 전달하는 전력 인터페이스부를 포함한다.

Description

스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치{WATCH APPARATUS FOR PROVIDING POWER TO SMART DEVICE}

이하 설명하는 기술은 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치에 관한 것이다.

최근 스마트폰, 태블릿 PC 등 다양한 휴대용 스마트 기기들이 급격하게 늘어나고 있다. 음성 통화 외에 다양한 데이터 서비스가 제공되면 스마트 기기의 사용량을 증가하고 있고, 그에 따라 사용자는 자주 배터리를 충전해야 하는 상황이 발생하고 있다.

한국공개특허 제10-2008-0017460호

이하 설명하는 기술은 RF 에너지 하비스팅을 이용하여 배터리를 충전하고, 충전된 전력을 스마트 기기에 제공하는 시계 장치를 제공하고자 한다.

스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치는 RF신호를 수신하여 직류 전류를 생성하는 제1 에너지 생성부, 움직임에 따라 진동하는 자석에 의해 코일에 유도 전류를 생성하는 제2 에너지 생성부, 상시 전력원과 유선으로 연결되어 충전되는 제1 배터리부, 상기 제1 에너지 생성부 또는 상기 제2 에너지 생성부가 생성하는 상기 직류 전류를 이용하여 충전되는 제2 배터리부 및 상기 제1 배터리부 또는 상기 제2 배터리부 중 적어도 하나로부터 전달되는 전력을 외부 스마트 기기에 전달하는 인터페이스부를 포함한다.

이하 설명하는 기술은 별도의 장치 없이 사용자가 착용하고 있는 시계가 상시 배터리를 충전하면서, 전력이 부족한 스마트 기기에 유선 또는 무선으로 전력을 공급한다.

도 1은 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치에 대한 구성을 도시한 예이다.
도 2는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치에 대한 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 3은 RF 에너지 생성부의 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 4는 시계 장치 및 시계 장치로부터 전력을 공급받는 스마트 기기에 대한 예이다.
도 5는 시계 장치가 RF 신호의 세기를 표시하는 상황에 대한 예이다.

이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

이하 설명하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)는 스마트 워치 등과 같은 IT 장치에 해당한다. 한편 스마트 기기는 터치 패널과 같은 입력 장치를 포함하는 장치이다. 예컨대, 스마트 기기는 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등과 같은 장치를 포함한다.

스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)는 스마트 기기와 연동되는 장치로 사용될 수도 있고, 시계 장치(100)와는 별도의 장치일 수도 있다. 시계 장치는 스마트 기기의 배터리를 충전하기 위한 보조 전력 공급 장치로 사용된다. 따라서 스마트 기기는 기본적으로 고정 전원과 연결되지 않는 휴대용 장치를 의미한다. 예컨대, 사용자가 스마트폰을 사용하다가 배터리가 거의 소진된 경우 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)를 이용하여 유선으로 또는 무선으로 스마트폰에 전력을 공급하거나, 스마트폰의 배터리를 충전한다. 이 경우 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)는 보조 배터리에 해당하게 된다.

이하에서는 도면을 참조하면서 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100) 관하여 구체적으로 설명하겠다. 도 1은 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)에 대한 구성을 도시한 예이다. 도 2는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치(100)에 대한 구성을 도시한 블록도의 예이다.

시계 장치(100)는 주 전원으로 상시 전원에 연결하는 충전하는 제1 배터리부(130)를 포함한다. 사용자는 고정 전원(가정의 콘센트 등)에 어댑터를 연결하여 제1 배터리부(130)를 충전한다.

시계 장치(100)는 RF신호를 수신하여 직류 전류를 생성하는 제1 에너지 생성부(110) 및 움직임에 따라 진동하는 자석에 의해 코일에 유도 전류를 생성하는 제2 에너지 생성부(120)를 포함한다. 제1 에너지 생성부(110) 또는/및 제2 에너지 생성부(120)가 생성하는 전력으로 제2 배터리부(140)를 충전한다.

제2 에너지 생성부(120)는 사용자의 움직임에 따라 진동하는 자석 및 상기 자석의 진동에 따라 유도 전류를 생성하는 코일을 포함한다. 또한 제2 에너지 생성부(120)는 음극이 제2 배터리부(140) 측을 향하고, 양극이 코일부에 연결되어 유도 전류의 역류를 차단하는 다이오드를 포함할 수도 있다. 자석의 진동에 의한 유도 전류 생성에 대한 자세한 설명은 생략한다.

제1 배터리부(130) 및 제2 배터리부(140)는 시계 장치(100)의 기본적인 동작을 위한 에너지원으로 사용된다. 또한 제1 배터리부(130) 및 제2 배터리부(140)는 스마트 기기 충전을 위한 에너지원으로도 사용될 수 있다.

표시부(150)는 제1 배터리부(130)의 대한 에너지 잔량, 제2 배터리부(140)의 대한 에너지 잔량 또는 상기 에너지 생성부가 수신하는 RF 신호의 세기 중 적어도 하나를 표시할 수 있다. 표시부(150)는 LED 램프 또는 별도의 디스플레이 화면으로 구성될 수 있다. 도 1은 표시부(150)에 대한 하나의 예로서, 제1 표시부(150A)는 제1 배터리부(130) 및/또는 제2 배터리부(140)의 충전 상태를 표시한다. 제2 표시부(150B)는 수신하는 RF 신호의 세기를 나타낸다. RF 신호 세기 검출 및 표시에 대해서는 후술한다.

전력 인터페이스부(160)는 유선 또는 무선으로 스마트 기기에 제1 배터리부(130) 및/또는 제2 배터리부(140)의 전력을 공급하는 구성이다. 전력 인터페이스부(160)는 스마트 기기와 유선으로 연결되는 마이크로 핀 포트일 수 있다. 나아가 전력 인터페이스부(160)는 무선으로 전력을 스마트 기기에 전달(무선 충전)할 수도 있다.

무선 충전 기술은 크게 두 가지가 있다. 하나는 자기 공명 방식이며 다른 하나는 자기 유도 방식이다. 자기 공명 방식은 충전기의 코일에서 공진주파수로 진동하는 자기장을 생성해 동일한 공진 주파수로 설계된 휴대 단말기의 수신 코일에 에너지가 집중적으로 전달하게 함으로써 휴대 단말기에 전류를 공급하는 것을 원리로 한다. 반면, 자기 유도 방식은 충전기가 자기장을 만들면 상기 자기장이 휴대 단말기의 수신 코일의 자기장을 유도하여 유도 전류를 발생시킴으로써 휴대 단말기에 전류를 공급하는 것을 원리로 한다. 전력 인터페이스부(160)는 자기 공명 방식 또는 자기 유도 방식에 따라 배터리의 전력을 스마트 기기에 전달할 수 있다. 스마트 기기도 무선 전력 공급 방식을 지원하는 장치임을 전제로 한다.

도 2에 도시한 신호 세기 측정부(170)는 제1 에너지 생성부(110)의 안테나가 수신하는 RF 신호의 세기를 측정하는 구성이다. 스펙트럼 센싱 등의 기법을 통해 현재 지점의 RF 신호의 세기를 측정할 수 있다.

도 3은 RF 에너지 생성부(120)의 구성을 도시한 블록도의 예이다.

RF 에너지 생성부(120)는 RF 에너지 하비스팅(RF energy harvesting)에 기반한 장치 구성이다. 에너지 하비스팅(energy harvesting) 기법은 일반적으로 주변 환경을 이용하여 에너지를 획득하는 방법을 통칭한다. RF(radio frequency)를 이용한 에너지 하비스팅(이하 RF 에너지 하비스팅이라 함)은 RF 무선 신호를 에너지 원으로 사용하는 기법을 의미한다. 에너지를 전달하고자 하는 송신기 장치는 큰 출력 전력을 주파수에 실어 신호를 송신하면, 특정 장치를 이를 수신하여 전력으로 사용하는 방식이다. 나아가 에너지 전달을 위한 특정 RF 신호를 이용하지 않고, 일상적인 통신 환경에서 방출되는 RF 신호를 이용하는 방법도 가능하다.

RF 신호는 이동통신신호, WiFi 신호, 방송신호, 근거리 통신(Zigbee 등) 신호, 이동단말기에서 송신하는 신호 등과 같이 다양한 신호를 포함한다.

RF 에너지 생성부(120)는 RF 신호를 수신하여 전력 에너지를 생성하는 장치이다. RF 에너지 생성부(120)는 RF 신호를 수신하는 안테나(121), 안테나(121)에서 수신한 RF 신호의 전력 손실을 제거하는 임피던스 매칭 회로(122) 및 임피던스 매칭 회로(122)의 출력 RF 신호를 직류 전류로 변환하는 전류 변환기(123)를 포함한다. 전류 변환기에서 생성한 직류전류는 배터리부(130)에 전달된다.

도 3에서는 안테나(121), 임피던스 매칭 회로(122) 및 전류 변환기(123)를 별개의 구성으로 도시하였다. 다만 안테나와 정류 회로를 포괄하여 렉테나(rectenna)라고 명명하기도 한다.

통신기기의 RF송수신부 및 RF신호전달부는 다수의 부품이 결합하여 이루어지며, 각 부품 사이의 신호전달특성이 상이하므로 RF 신호에 대한 임피던스를 매칭(matching)이 필요하다. 임피던스 매칭 회로(122)는 호스트 장치에서 전송한 RF 신호를 수신한 후 임피던스 매칭을 수행하는 장치이다. 임피던스 매칭은 실제 장치에서 사용되는 소자(다이오드 등)을 고려하여 최적화하는 것이 바람직하다.

전류 변환기(123)는 RF 신호를 직류 전류로 변환하는 정류기를 포함한다. 일정한 파형을 갖는 RF 신호는 양과 음의 값을 갖는다고 할 수 있다. 정류기는 양과 음의 두 방향을 갖는 신호를 하나의 방향을 갖는 직류 전류 신호를 변환한다.

도 3에 도시하지 않았지만 전류 변환기(123) 다음에 전류 변환기(123)에서 출력된 신호를 일정한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 변환기를 포함할 수 있다.

도 4는 시계 장치(100) 및 시계 장치로부터 전력을 공급받는 스마트 기기(10)에 대한 예이다. 도 4는 시계 장치(100)가 무선으로 스마트폰과 같은 스마트 기기에 전력을 공급하는 예를 도시한다. 자기 공명 방식을 이용하는 경우 스마트 기기를 코일이 형성된 부분을 시계 장치(100)의 전력 인터페이스부(160)의 코일에 매우 근접하게 위치 시켜야 한다. 자기 유도 방식은 도 4와 같이 사용자가 시계 장치(100)를 착용하고 있는 상태에서 일정하게 근접한 스마트 기기(10)에 전력을 공급할 수 있다.

도 4에서는 시계 장치(100)에서 에너지 수집을 위해 이용하는 신호를 몇 가지 도시하였다. RF 신호는 이동통신 기지국(1), Wi-Fi AP(2) 또는 다른 사용자의 단말(3)로부터 전달 될 수 있다.

도 5는 시계 장치(100)가 RF 신호의 세기를 표시하는 상황에 대한 예이다. 도 1에서 시계 장치(100)가 RF 신호의 세기를 표시할 수 있다고 설명하였다. 도 5는 다른 사용자의 단말(3)들로부터 RF 신호를 수신하는 환경을 예로 도시하였다. 도 5에서 X, A, B 및 C는 시계 장치(100)의 위치를 나타내고, 해당 위치에서 전선으로 표시한 부분은 시계 장치(100)의 표시부에서 RF 신호의 세기를 나타내는 막대(gauge)를 도시한다.

RF 에너지의 원활한 수집을 위해서는 사용자는 RF 에너지가 많이 방출되는 곳을 탐지하고 그곳으로 이동하여 에너지 하비스팅을 하는 것이 바람직하다. 스펙트럼 센싱(Spectrum sensing) 기술은 RF 에너지를 찾아내는 기술로써 통신을 하고 있는 사용자들의 방출하는 RF 에너지를 센싱하는 기술이다. 시계 장치(100)의 사용자는 사용자는 거리를 다니며 RF 에너지가 방출되는 곳을 시계의 에너지 감지량을 통해 확인할 수 있고, 감지량이 높은 곳에서 대기하면서 더욱 효율이 높은 에너지 하비스팅을 할 수 있다.

도 5에서 사용자가 X 위치에 있을 경우 그림과 같이 주위에 RF 에너지를 방사하는 사용자가 없으므로 에너지 감지량은 거의 나타나지 않는다. 하지만 주위의 스마트 기기를 사용하여 RF 에너지를 방사하는 사용자들이 많을수록 그 에너지를 센싱하고 그 감지량을 에너지 하비스팅 시계를 통하여 확인할 수 있다. 도 5와 같이 RF 에너지를 방출하는 단말(3)이 많은 A 위치에서 에너지 감지량이 제일 높게 나타나고 RF 에너지를 방출하는 단말(3)이 가장 적은 C 위치에서 에너지 감지량은 낮게 나타난다. B 위치에서는 A 위치보다는 적은 에너지를 감지하였고, C 위치 보다는 많은 에너지를 감지하였다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

100 : 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치
110 : 제1 에너지 생성부 120 : 제2 에너지 생성부
121 : RF 안테나 122 : 임피던스 매칭 회로
123 : 전류 변환기 130 : 제1 배터리부
140 : 제2 배터리부 150 : 표시부
150A, 150B : 표시부 160 : 전력 인터페이스부

Claims (6)

1. RF 신호를 수신하여 직류 전류를 생성하는 제1 에너지 생성부;
   움직임에 따라 진동하는 자석에 의해 코일에 유도 전류를 생성하는 제2 에너지 생성부;
   상시 전력원과 유선으로 연결되어 충전되는 제1 배터리부;
   상기 제1 에너지 생성부 또는 상기 제2 에너지 생성부가 생성하는 상기 직류 전류를 이용하여 충전되는 제2 배터리부;
   상기 제1 배터리부 또는 상기 제2 배터리부 중 적어도 하나로부터 전달되는 전력을 외부 스마트 기기에 전달하는 전력 인터페이스부; 및
   상기 제1 에너지 생성부가 수신하는 RF 신호의 세기를 측정하는 신호 세기 측정부를 포함하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 배터리부의 대한 에너지 잔량, 상기 제2 배터리부의 대한 에너지 잔량 또는 상기 에너지 생성부가 수신하는 RF 신호의 세기 중 적어도 하나를 표시하는 표시부를 더 포함하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 에너지 생성부는
   상기 RF 신호를 수신하는 RF 수신 안테나;
   수신한 상기 RF 신호에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭 회로; 및
   임피던스 매칭된 상기 RF 신호를 직류 전류로 변환하는 전류 변환기를 포함하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전력 인터페이스부는 유선으로 또는 무선 전력 송신 기법을 사용하여 상기 외부 스마트 기기에 전력을 공급하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 전력 인터페이스부는 자기 공명 방식 또는 자기 유도 방식에 따라 전력을 외부로 송출하기 위한 자기장을 생성하는 코일부를 더 포함하는 스마트 기기에 전력을 공급하는 시계 장치.

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