KR101856965B1 - 태양 전지를 구비하는 센서 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비하고, 상기 제1면에 노출되는 전극 연결부를 구비하는 제1 인쇄회로기판; 회로 배선을 구비하며, 상기 제1 인쇄회로기판으로부터 이격된 위치에서 상기 제1 인쇄회로기판의 제2면을 마주보도록 배치되는 제2 인쇄회로기판; 상기 제1 인쇄회로기판의 제1면에 실장되어 상기 전극 연결부에 전기적으로 연결되고, 빛을 이용하여 전력을 생산하도록 이루어지는 적어도 하나의 태양 전지; 상기 제2 인쇄회로기판에 실장되어 상기 회로 배선에 전기적으로 연결되고, 상기 태양 전지에서 생산된 전력으로 구동되는 전기 소자; 및 상기 제1 인쇄회로기판과 상기 제2 인쇄회로기판에 연결되어 상기 전극 연결부와 상기 회로 배선을 서로 전기적으로 연결시키는 연결부를 포함하는 센서 모듈을 제공한다.
Description
본 발명은 빛을 이용하는 전력을 생산하도록 형성되는 태양 전지를 구비하는 센서 모듈에 관한 것이다.
태양 전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 형성된다. 일반적으로 태양 전지는 P형 반도체와 N형 반도체로 이루어지며, 빛을 비추면 전하가 이동하여 전위차가 발생하게 된다.
태양 전지 모듈은 태양 전지를 구비하여 빛으로부터 전력을 생산하도록 형성되는 모듈을 가리킨다. 모듈이란 기계 또는 시스템 등의 구성단위를 의미하는 것으로 여러 전자 부품이나 기계 부품으로 조립되어 특정 기능을 갖는 독립된 장치를 가리킨다. 따라서 태양 전지 모듈은 태양 전지를 구비하여 빛으로부터 전력을 생산하는 기능을 갖는 독립된 장치를 가리키는 것으로 이해될 수 있다.
태양 전지 모듈을 전자 기기에 활용하게 되면, 상기 전자 기기에 별도의 전력 케이블을 연결하지 않고도 1) 형광등이나 LED 에서 공급되는 실내광을 이용하거나, 2) 태양으로부터 공급되는 자연광을 이용하여 전자 기기를 구동할 수 있다. 따라서 반드시 별도의 전력 케이블을 연결해야 하는 종래의 전자 기기와 비교하여, 태양 전지 모듈을 갖는 전자 기기는 설치 장소에 대한 제한이 없다.
태양 전지 모듈의 일 예로 센서 모듈을 들 수 있다. 센서 모듈은 태양 전지를 구비하며, 태양 전지로부터 생산되는 전력을 이용하여 구동된다. 이에 따라 태양 전지를 구비하는 센서 모듈은 설치 장소에 제한 없이 감지 대상을 감지하는 용도로 사용될 수 있다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 종래의 센서 모듈에는 몇 가지 개선해야 문제점이 존재한다.
종래에는 태양 전지, 전원 모듈, 통신 모듈 등의 부품들이 각각 별개로 마련되어 하나의 센서 모듈을 구성하였으며, 태양 전지와 기타 부품들은 전기 케이블에 의해 서로 연결되었다. 따라서 태양 전지와 기타 부품들간에 전기적 연결을 위한 케이블의 연결 구조가 복잡하고, 이들을 배치하기 위한 넓은 면적이 필요하였다. 이것은 곧 센서 모듈의 사이즈 증가로 이어지기 때문에 센서 모듈의 설치 장소를 제한하는 요소로 작용하였다.
전력 케이블에 연결되지 않고도 구동 가능한 장점을 갖는 센서 모듈이 그 크기로 인해 설치 장소에 제한을 받는다면, 장점을 충분히 살리지 못하는 결과로 이어지기 때문에 센서 모듈의 크기를 줄일 수 있는 설계가 필요하다.
본 발명의 일 목적은 종래보다 단순화된 구조를 갖는 센서 모듈의 구조를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 설치 장소에 제한을 받지 않는 센서 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 수광을 위해 면적 확보가 필요한 태양 전지의 설치 면적을 축소시키지 않으면서 종래보다 작은 크기를 갖는 센서 모듈의 구조를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 센서 모듈은 서로 마주보도록 다단으로 배치되는 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판을 구비한다. 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판은 각각 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비한다. 태양 전지는 빛에 노출되도록 제1 인쇄회로기판의 제1면에 적층되고, 전기 소자는 제2 인쇄회로기판에 적층되며, 제1인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판은 연결부에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
연결부에 의해 제1 인쇄회로기판의 태양 전지와 제2 인쇄회로기판의 전기 소자는 서로 전기적으로 연결되고, 태양 전지에서 생산된 전력은 전기 소자의 구동에 이용된다.
연결부는 연성회로기판 또는 적어도 하나의 커넥터에 의해 형성될 수 있다. 연결부가 커넥터에 의해 형성되는 경우 커넥터는 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판 사이에 설치되어 제1 인쇄회로기판을 지지하도록 이루어질 수 있다.
상기 센서 모듈은 제1 인쇄회로기판 또는 제1 인쇄회로기판에 실장되는 센서부를 포함한다.
센서 모듈은 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판을 수용하도록 형성되는 케이스; 및 투명 재질로 형성되고, 상기 케이스에 수용된 태양 전지를 덮으며 상기 케이스에 결합되는 윈도우를 포함한다.
상기 센서 모듈은 상기 제1 인쇄회로기판의 제1면에 설치되는 센서부를 포함하고, 상기 센서부는 적외선 센서, 초음파 센서 및 조도 센서 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 윈도우를 통해 시각적으로 노출되도록 배치된다.
상기 센서 모듈은 상기 제2 인쇄회로기판에 설치되는 센서부를 포함하고, 상기 센서부는 온도 센서, 습도 센서 및 가스 센서 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 케이스에는 벤트홀이 형성된다.
상기 케이스에는 상기 제1 인쇄회로기판과 상기 제2 인쇄회로기판을 서로 다른 높이에 고정하도록 형성되는 결합부가 형성된다.
상기 센서 모듈은 전력 변환 회로, 배터리 또는 통신부를 포함하며, 상기 전력 변환 회로, 배터리 또는 통신부는 제1 인쇄회로기판 도는 제2 인쇄회로기판에 실장될 수 있다. 전력 변환 회로와 배터리는 제1 인쇄회로기판의 제2면에 실장될 수 있으며, 통신부는 제1 인쇄회로기판에 실장될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 제1 인쇄회로기판을 태양 전지의 적층에 활용하고 제2 인쇄회로기판을 나머지 회로 부품의 실장에 활용함에 따라 하나의 인쇄회로기판에 태양 전지와 회로 부품을 모두 실장하는 구성보다 넓은 수광 면적을 확보할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1 인쇄회로기판과 제2 인쇄회로기판을 서로 다른 높이에 서로 마주보도록 배치하여 센서 모듈이 차지하는 면적을 종래보다 축소시킬 수 있다.
또한 본 발명은, 작은 센서 모듈의 크기를 구현하여 센서 모듈의 설치 장소 제한 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 센서 모듈을 보인 사시도다.
도 2는 케이스의 내부에 수용되는 부품들을 보인 사시도다.
도 3은 센서 모듈의 단면도다.
도 4a 내지 도 4c는 센서 모듈을 제조하는 방법의 일 예를 보인 개념도들이다.
도 5a 내지 도 5e는 센서 모듈을 제조하는 방법의 다른 일 예를 보인 개념도들이다.
도 6은 센서 모듈의 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 7은 센서 모듈의 또 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 2는 케이스의 내부에 수용되는 부품들을 보인 사시도다.
도 3은 센서 모듈의 단면도다.
도 4a 내지 도 4c는 센서 모듈을 제조하는 방법의 일 예를 보인 개념도들이다.
도 5a 내지 도 5e는 센서 모듈을 제조하는 방법의 다른 일 예를 보인 개념도들이다.
도 6은 센서 모듈의 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 7은 센서 모듈의 또 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 1은 본 발명의 센서 모듈(100)을 보인 사시도다.
태양 전지 모듈은 태양 전지(130)를 구비하여 빛으로부터 전력을 생산하도록 형성되는 모듈을 가리킨다. 모듈이란 기계 또는 시스템 등의 구성단위를 의미하는 것으로 여러 전자 부품이나 기계 부품으로 조립되어 특정 기능을 갖는 독립된 장치를 가리킨다. 따라서 태양 전지 모듈은 태양 전지를 구비하여 빛으로부터 전력을 생산하는 기능을 갖는 독립된 장치를 가리키는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 센서 모듈(100)은 태양 전지 모듈의 일 예에 해당한다. 본 발명의 센서 모듈(100)은 태양 전지를 포함하며, 태양 전지로부터 발생되는 전력에 의해 구동된다. 태양 전지 모듈을 센서의 용도로 활용한 것이 센서 모듈(100)인 것으로 이해될 수 있다.
센서 모듈(100)은 케이스(191, 192), 윈도우(180) 및 상기 케이스(191, 192)의 내부에 수용되는 부품들을 포함한다.
케이스(191, 192)는 그 내부에 센서 모듈(100)의 나머지 부품들을 수용하도록 형성된다. 케이스(191, 192)는 센서 모듈(100)의 전면을 제외한 나머지 영역을 보호하도록 이루어진다. 도 1을 참조하면 센서 모듈(100)의 전면에는 윈도우(180)가 형성되고, 윈도우(180)를 제외한 나머지 영역은 모두 케이스(191, 192)에 의해 보호된다.
케이스(191, 192)의 내부에 수용되는 부품들은 도 1에 도시된 제1 인쇄회로기판(110), 태양 전지(130) 및 센서부(160)를 포함하되, 이들에 한정되는 것은 아니다. 케이스(191, 192)에 의해 보호가 필요한 부품이라면 모두 케이스(191, 192)의 내부에 수용될 수 있다.
케이스(191, 192)는 서로 결합 가능한 제1케이스(191)와 제2케이스(192)를 포함할 수 있다.
제1케이스(191)는 윈도우(180)의 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다. 제1케이스(191)는 불투명한 재질로 이루어질 수 있으며, 태양 전지(130)를 시각적으로 가리지 않는 영역에 형성될 수 있다. 제1케이스(191)의 테두리는 제2케이스(192)에 결합 가능하도록 형성될 수 있다.
제2케이스(192)는 센서 모듈(100)의 측벽과 바닥을 형성할 수 있다. 제2케이스(192) 센서 모듈(100)의 나머지 부품들을 수용하도록 형성될 수 있다. 제2케이스(192)에는 벤트홀(192a)이 형성될 수 있다. 벤트홀(192a)은 빛이나 외부 환경에 노출될 필요가 없는 센서들을 위한 구성으로, 벤트홀(192a)에 대하여는 후술한다.
센서 모듈(100)의 내부 부품들을 유지 및 보수할 필요가 있는 경우에는 제1케이스(191)와 제2케이스(192)를 서로 분리하여 내부 부품들을 노출시키면 된다.
윈도우(180)는 케이스(191, 192)에 수용된 태양 전지(130)를 덮으면서 케이스(191, 192)에 결합된다. 예를 들어 윈도우(180)의 둘레는 제1케이스(191)에 결합될 수 있다. 윈도우(180)는 태양 전지(130)를 보호하도록 태양 전지(130)의 전면을 마주보게 배치된다. 윈도우(180)는 태양 전지(130)로 빛이 공급될 수 있도록 투명한 재질로 이루어진다.
윈도우(180)와 케이스(191, 192)에 의해 형성되는 공간 내에 센서 모듈(100)의 나머지 부품들이 수용된다. 도 1에서는 제1 인쇄회로기판(110)과 태양 전지(130) 및 센서부(160)가 케이스(191, 192)의 내부에 수용되는 구성을 보이고 있다.
태양 전지(130)는 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되며, 윈도우(180)를 통해 의해 시각적으로 노출되도록 배치된다. 태양 전지(130)가 윈도우(180)를 통해 시각적으로 노출되도록 배치되는 이유는 태양 전지(130)의 수광을 위해서다.
제1 인쇄회로기판(110)에 실장되는 태양 전지(130)의 수는 센서 모듈(100)의 설계에 따라 결정될 수 있다. 도 1에서는 두 개의 태양 전지(131, 132)가 제1 인쇄회로기판(110)에 실장된 구성을 보이고 있다.
태양 전지(130)와 마찬가지로 센서부(160)도 제1 인쇄회로기판(110)에 설치되고, 윈도우(180)를 통해 시각적으로 노출되도록 배치될 수 있다. 센서부(160)에 구비되는 센서의 종류에 따라 빛이나 외부 환경에 노출될 필요성이 있을 수 있으며, 도 1은 이러한 구성을 보이고 있다.
예를 들어, 적외선 센서는 적외선을 이용하여 사물의 유무 또는 거리를 측정하도록 이루어지고, 초음파 센서는 초음파를 이용하여 사물의 유무 또는 거리를 측정하도록 이루어지며, 조도 센서는 빛의 밝기를 측정하도록 이루어진다. 따라서 적외선 센서, 초음파 센서 및 조도 센서는 빛이나 외부 환경에 노출되어야 하며, 그렇지 않다면 센서로서의 기능을 상실하게 된다.
따라서 도 1에 도시된 센서부(160)는 적외선 센서, 초음파 센서, 조도 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 만일 센서부(160)가 적외선 센서, 초음파 센서, 조도 센서 등과 같이 빛이나 외부 환경에 노출되어야 하는 센서들로만 구성되는 경우에는, 앞서 설명한 벤트홀(192a)은 선택적 구성이 될 수 있다. 벤트홀(192a)은 빛이나 외부 환경에 노출될 필요가 없는 센서들을 위한 구성이기 때문이다.
이하에서는 종래보다 단순화 되고, 축소된 크기를 갖는 센서 모듈(100)의 내부 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 케이스(191, 192)의 내부에 수용되는 부품들을 보인 사시도다.
센서 모듈(100)은 제1 인쇄회로기판(110), 제2 인쇄회로기판(120), 태양 전지(130), 전기 소자(140), 센서부(160)를 포함한다.
제1 인쇄회로기판(110)은 서로 반대 방향을 향하는 제1면(111)과 제2면(112)을 구비한다. 제1면(111)은 상면 또는 전면으로 명명되고, 제2면(112)은 하면 또는 배면으로 명명될 수 있다. 도 1에서 설명되었던 윈도우(180)를 통해 노출되는 면은 제1면(111)에 해당한다.
제1 인쇄회로기판(110)에는 전극 연결부(114)가 형성된다. 전극 연결부(114)는 제1면(111)으로 노출되며, 상기 제1면(111)에 실장되는 태양 전지(130)와 전기적으로 연결된다. 다만, 도 2에서 전극 연결부 중 일부(113, 115, 도 3 참조)는 그 위에 실장된 태양 전지(130)에 의해 가려진다.
제2 인쇄회로기판(120)은 제1 인쇄회로기판(110)으로부터 이격된 위치에서 제1 인쇄회로기판(110)의 제2면(112)을 마주보도록 배치된다. 도 2를 기준으로 제2 인쇄회로기판(120)은 제1 인쇄회로기판(110)의 아래에 배치된다. 도 1에서 설명된 케이스(191, 192) 내에서 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)은 서로 다른 높이에 배치되어 다단 구조를 형성한다.
제2 인쇄회로기판(120)도 제1 인쇄회로기판(110)과 마찬가지로 서로 반대 방향을 향하는 제1면(121)과 제2면(122)을 구비한다. 제1면(111)은 상면 또는 전면으로 명명되고, 제2면(112)은 하면 또는 배면으로 명명될 수 있다.
제2 인쇄회로기판(120)에는 회로 배선(123)이 형성된다. 회로 배선(123)은 상기 제2 인쇄회로기판(120)에 실장되는 전기 소자(140)와 전기적으로 연결되며, 상기 전기 소자(140)에 속하는 각종 소자 및 각종 회로(141, 142)를 서로 전기적으로 연결시킨다.
태양 전지(130)는 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)에 실장된다. 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)은 도 1에서 설명한 윈도우(180)를 마주보도록 배치되므로, 제1면(111)에 실장된 태양 전지(130)는 윈도우(180)를 통해 시각적으로 노출될 수 있다.
태양 전지(130)가 윈도우(180)를 통해 시각적으로 노출됨에 따라 빛은 투명한 윈도우(180)를 통해 태양 전지(130)로 입사될 수 있다. 태양 전지(130)는 이 빛을 이용하여 센서 모듈(100)의 구동에 필요한 전력을 생산하도록 이루어진다.
전기 소자(140)는 제1 인쇄회로기판 또는 제2 인쇄회로기판(120)에 실장된다. 전기 소자(140)는 태양 전지(130)에서 생산된 전력으로 구동된다. 후술하는 연결부(150)에 의해 전극 연결부(114) 회로 배선(123)이 서로 전기적으로 연결되어 있으므로 태양 전지(130)에 생산된 전력은 전기 소자(140)의 구동에 이용될 수 있다.
전기 소자(140)는 센서 모듈(100)의 구동과 제어를 위한 각종 소자와 각종 회로(141, 142)를 포함한다. 예를 들어 전기 소자(140)는 구동 회로, 충전 회로, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘 회로, DC to DC(승압(boost), 강압(buck)) 컨버터, 센서 모듈(100)의 사물 인터넷(Internet of Things)을 구현하는 통신부, 센서부(160) 전원 및 배터리 충전 회로 등을 포함할 수 있다. 도 1에서는 두 개의 소자(141, 142)가 제2 인쇄회로기판(120)에 실장된 구성을 보이고 있으나, 소자와 회로의 종류는 센서 모듈(100)의 설계에 따라 변경될 수 있다.
배터리(170)는 제1 인쇄회로기판(110) 또는 제2 인쇄회로기판(120)에 설치될 수 있다. 배터리(170)는 태양 전지(130)에서 생산된 전력을 저장하도록 이루어진다. 태양 전지(130)에서 생산된 전력은 전기 소자(140)의 전력 변환 회로에 의해 배터리(170)에 저장될 수 있는 전력으로 변환된 후 배터리(170)에 저장될 수 있다.
그리고 배터리(170)에 저장된 전력은 센서 모듈(100)의 구동에 이용되며, 특히 빛이 존재하지 않을 때에도 배터리(170)에 저장된 전력을 이용하여 센서 모듈(100)이 구동될 수 있다.
연결부(150)는 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)에 연결된다. 연결부(150)는 제1 인쇄회로기판(110)에 구비되는 전극 연결부(114)와 제2 인쇄회로기판(120)에 구비되는 회로 배선(123)을 서로 전기적으로 연결시키도록 이루어진다. 제1 인쇄회로기판(110)의 전극 연결부(114)는 태양 전지(130)와 전기적으로 연결되어 있고 제2 인쇄회로기판(120)의 회로 배선(123)은 전기 소자(140)와 전기적으로 연결되어 있으므로, 결과적으로 태양 전지(130)와 전기 소자(140)도 연결부(150)에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
도 2에서는 연결부(150)가 연성회로기판(FPC : Flexible Printed Circuit)에 의해 형성되는 구성을 보이고 있다. 연성회로기판은 절연성과 내열성을 가진 폴리이미드 베이스(polyimide base)와 커버 레이(cover lay) 사이에 정밀 부식한 미세회로를 형성하여 유연성과 굴곡성을 갖도록 이루어진 배선기관을 의미한다.
일반적인 인쇄회로기판(printed circuit board : PCB)이 페놀이나 에폭시 등의 절연체로 이루어져 있어 유연성과 굴곡성을 갖지 못하는 것과 달리, 연성회로기판은 유연성과 굴곡성을 가지므로, 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)의 높이차를 자유롭게 설정할 수 있다. 이에 따라 후술하는 결합부(192b, 192c, 도 3 참조)의 구조가 자유롭게 변경될 수 있다.
제1 인쇄회로기판(110)에 실장된 태양 전지(130)와 제2 인쇄회로기판(120)에 실장된 전기 소자(140)가 연결부(150)에 의해 서로 전기적으로 연결되어 있으므로, 태양 전지(130)에서 생산된 전력은 전기 소자(140)에 의해 제어될 수 있다. 따라서 태양 전지(130)와 전기 소자(140)는 서로 다른 인쇄회로기판에 각각 실장될 수 있다.
충분한 전력 생산을 위해 태양 전지(130)는 그 수가 많을수록 바람직하며, 수광을 위해서는 다수의 태양 전지(130)가 모두 인쇄회로기판의 한 면(빛이 직접적으로 비치는 면)에 배치되어야 한다. 뿐만 아니라 센서 모듈(100)의 구동을 위해서는 전기 소자(140)도 인쇄회로기판에 실장되어야 한다. 종래에는 태양 전지와 전기 소자가 동일한 인쇄회로기판에 실장되었으므로, 하나의 인쇄회로기판이 태양 전지의 실장 영역과 전기 소자의 실장 영역으로 분할되어야 했다. 이러한 종래의 구조는 태양 전지의 수를 증가시키기 위해 센서 모듈의 면적을 증가시키는 것이 불가피 했다.
그러나 본 발명의 구조에 의하면, 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)을 모두 태양 전지(130)의 실장에 활용할 수 있다. 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)이 태양 전지(130)의 실장 영역과 전기 소자(140)의 실장 영역으로 분할되지 않아도 된다. 불가피하게 센서부(160)가 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)에 실장될 수 있으나, 센서부(160)에 속하는 센서의 종류에 따라 제2 인쇄회로기판(120)에 실장되는 것도 가능하다.
대신 제2 인쇄회로기판(120)이 전기 소자(140)의 실장 영역으로 활용된다. 나아가 제2 인쇄회로기판(120)은 제1 인쇄회로기판(110)과 동일한 평면 상에 배치되는 것이 아니라 제1 인쇄회로기판(110)과 중첩되도록 제1 인쇄회로기판(110)과는 다른 높이에 배치되므로, 센서 모듈(100)이 차지하는 면적을 종래보다 축소시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 구조는 부품들 간의 복잡한 케이블 연결을 필요로 하지 않으므로, 센서 모듈(100)의 구조를 단순화 할 수 있다. 특히 케이블에 의해 부품들끼리 연결되는 구조는 유지 보수의 어려움을 유발하기 때문에 본 발명의 구조는 센서 모듈(100)의 유지 보수를 용이하게 한다.
그리고 센서 모듈(100)이 차지는 면적이 축소되면, 센서 모듈(100)의 설치 장소에 대한 제한이 대부분 해소될 수 있다. 태양 전지(130)를 구비하는 센서 모듈(100)은 수광을 위해 반드시 빛의 입사 방향을 향하도록 배치되어야 하는 방향 제한과 함께, 경우에 따라 좁은 공간에 설치되어야 하는 크기 제한을 갖는다. 그러나 본 발명의 구조에 의해 센서 모듈(100)이 차지하는 면적을 축소시키면 상기 크기 제한을 해소할 수 있으며, 이에 따라 설치 장소의 제한을 해소될 수 있다.
도 3은 센서 모듈(100)의 단면도다.
제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111)에는 전극 연결부(113, 114, 115)가 형성된다. 각각의 태양 전지들(131, 132)는 두 개의 전극들(131a, 131b)(132a, 132b)을 구비하고, 전극들(131a, 131b)(132a, 132b)은 전극 연결부(113, 114, 115)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라 태양 전지들(131, 132)는 직렬로 연결된다.
봉지층 및/또는 보호층(135)은 태양 전지를 덮도록 이루어진다. 봉지층 및/또는 보호층(135)은 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어 폴리머 보호층이 EVA (에틸린초산비닐 공중합체(ethylene-vinyl acetate copolymer)) 봉지층 또는 PC (폴리카보네이트) 봉지층에 의해 태양 전지에 접착될 수 있다. 이 경우에는 폴리머 보호층이 태양 전지를 보호하는 최외곽층에 해당한다.
다른 예로 실리콘을 포함하는 소재가 봉지층을 형성할 수도 있다. 실리콘은 EVA 봉지층에 비하여 고내열성을 갖는다는 장점이 있다. 실리콘은 센서 모듈의 최외곽층을 형성할 수 있으므로 별도의 보호층을 필요로 하지 않는다.
제2 인쇄회로기판(120)에는 회로 배선(123)이 형성되며, 회로 배선(123)은 제2 인쇄회로기판(120)의 제1면(121)으로 노출될 수 있다. 전기 소자(140)나 배터리(170)는 제2 인쇄회로기판(120)의 제1면(121)에 실장되어 상기 회로 배선(123)에 전기적으로 연결된다.
도 3에서는 제1 인쇄회로기판(110)의 제2면(112)과 제2 인쇄회로기판(120)의 제2면(122)에 부품이 실장되지 않으나, 필요에 따라 각각의 제2면(112)(122)에도 부품이 실장될 수 있다. 각각의 제2면(112)(122)에 실장된 부품들도 연결부(150)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 이러한 구조에 대하여는 후술한다.
케이스(191, 192)에는 결합부(192a, 192b)가 형성될 수 있다. 도 3을 참조하면 결합부(192a, 192b)는 제2케이스(192)의 바닥으로부터 돌출된다. 결합부(192a, 192b)는 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)을 서로 다른 높이에 고정하도록 형성된다. 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 결합부(192a, 192b)에는 래치 구조의 홈이 형성될 수 있다. 각 결합부(192a, 192b)마다 높이차를 형성하는 두 개의 홈이 형성되며, 각각의 홈에 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)이 삽입된다.
결합부(192a, 192b)에 의해 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)은 서로 다른 높이에 고정될 수 있으며, 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 본 발명에서는 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)을 고정하는 구조를 어느 하나로 한정하지 않으며, 다만 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)을 서로 다른 높이에 고정할 수 있으면 된다.
도 3에서 미설명된 도면부호 180은 윈도우(180)로 이에 대한 설명은 앞서 설명으로 갈음한다.
도 4a 내지 도 4c는 센서 모듈을 제조하는 방법의 일 예를 보인 개념도들이다.
먼저 도 4a를 참조하면, 제1 인쇄회로기판(110)에는 전극 연결부(113, 114, 115)가 형성되며, 태양 전지(130)는 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되어 상기 전극 연결부(113, 114, 115)에 전기적으로 연결된다. 태양 전지(130)의 실장은 다양한 방법에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어 솔더를 이용하여 태양 전지(130)를 전극 연결부(113, 114, 115)에 접합할 수 있다.
다음으로 도 4b를 참조하면, 태양 전지(130) 위에 액상의 봉지층 원료(135')를 디스펜싱하고 열(Q)을 가해 봉지층(135)이 형성된다. 봉지층(135)은 필요에 따라 태양 전지(130)를 덮는 최외곽층이 될 수 있다. 예를 들어 봉지층(135)이 실리콘을 포함하는 소재로 이루어지는 경우, 봉지층(135)은 별도의 보호층을 필요로 하지 않을 수 있다.
실리콘 봉지층은 액상의 봉지층 원료(135')를 태양 전지 위에 디스펜싱하고, 열(Q)을 가해 액상의 봉지층 원료(135')를 열경화시켜 형성된다. 만일 액상의 봉지층 원료(135')에 접착제가 포함되어 있지 않으면 태양 전지(130)와 봉지층(135) 사이에 접착력을 제공하는 프라이머 층이 형성될 수 있다.
제1 인쇄회로기판(110)에는 태양 전지(130) 외에 전기 소자 중 적어도 일부(미도시)가 실장될 수 있으며, 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되는 전기 소자의 종류와 수는 설계에 따라 달라질 수 있다. 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되는 전기 소자는 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111) 또는 제2면(112)에 실장될 수 있다. 제1 인쇄회로기판(110)에 전기 소자가 실장된 구성은 도 6과 도 7을 참조하면 알 수 있다.
특히 실리콘 봉지층(135)은 앞서 설명한 바와 같이 고내열성을 갖기 때문에, 제1 인쇄회로기판(135)에 전기 소자를 실장하고자 하는 경우 고온의 표면 실장 기술을 적용한 자동화 공정을 이용할 수 있다. 고온의 표면 실장 기술을 적용한 자동화 공정이란 로(furnace)에서 열을 가하여 인쇄회로기판과 전기 소자를 접착하는 공정을 의미한다. 제1 인쇄회로기판(110)에 실리콘 봉지층(135)을 형성하는 것과 전기 소자를 실장하는 순서는 서로 바뀔 수 있다.
다음으로 도 4c를 참조하면 제2 인쇄회로기판(120)에 회로 배선(123)이 형성되며, 전기 소자(140)가 제2 인쇄회로기판(120)에 실장되어 상기 회로 배선(123)에 전기적으로 연결되어 있다. 마지막으로 연결부(150)로 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)을 연결하면, 제1 인쇄회로기판(110)에 실장된 태양 전지(130) 등과 제2 인쇄회로기판에 실장된 전기 소자(140) 등은 서로 전기적으로 연결되게 된다. 도 4c에서 미설명된 도면 부호 170은 배터리다.
도 5a 내지 도 5e는 센서 모듈을 제조하는 방법의 다른 일 예를 보인 개념도들이다.
먼저 도 5a를 참조하면, 제1 인쇄회로기판((110)에는 전극 연결부(113, 114, 115)가 형성되며, 태양 전지(130)는 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되어 상기 전극 연결부(113, 114, 115)에 전기적으로 연결된다.
다음으로 도 5b를 참조하면, 태양 전지(130) 위에 봉지층(135)이 적층된다. 그리고 도 5c를 참조하면 봉지층(135) 위에 보호층(136)이 적층된다. 다음으로 도 5d를 참조하면, 제1 인쇄회로기판(110), 태양 전지(130), 봉지층(135) 및 보호층(136)에 열(Q)을 가하며 양측에서 가압(P)하는 라미네이션 공정을 통해 보호층(136)을 태양 전지(130)에 접착시킨다.
봉지층(135)은 앞서 설명된 EVA 또는 PC로 이루어질 있으며, 보호층(136)은 폴리머로 이루어질 수 있다. 라미네이션 공정 동안 봉지층(135)이 녹았다가 열경화되면서 보호층(136)이 태양 전지(130) 접착되게 된다.
앞서 설명한 바와 같이 제1 인쇄회로기판(110)에는 태양 전지(130) 외에 전기 소자 중 적어도 일부(미도시)가 실장될 수 있으며, 제1 인쇄회로기판(110)에 실장되는 전기 소자의 종류와 수는 설계에 따라 달라질 수 있다. 제1 인쇄회로기판(110)에서 실장되는 전기 소자는 제1 인쇄회로기판(110)의 제1면(111) 또는 제2면(112)에 실장될 수 있다. 제1 인쇄회로기판(110)에도 전기 소자가 실장된 구성은 도 6과 도 7을 참조하면 알 수 있다.
다음으로 도 5e를 참조하면 제2 인쇄회로기판(120)에 회로 배선(123)이 형성되며, 전기 소자(140)가 제2 인쇄회로기판(120)에 실장되어 상기 회로 배선(123)에 전기적으로 연결되어 있다. 마지막으로 연결부(150)로 제1 인쇄회로기판(110)과 제2 인쇄회로기판(120)을 연결하면, 제1 인쇄회로기판(110)에 실장된 태양 전지(130) 등과 제2 인쇄회로기판(120)에 실장된 전기 소자(140) 등은 서로 전기적으로 연결되게 된다.
이하에서는 센서 모듈의 다른 실시예들에 대하여 설명하되, 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 센서 모듈(200)의 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 6에는 제1 인쇄회로기판(210)의 제2면(212)과 제2 인쇄회로기판(220)의 제1면(221)이 도시되어 있다. 제1 인쇄회로기판(210)의 제1면(211)에는 태양 전지(미도시)가 실장된다.
제1 인쇄회로기판(210)의 제2면(212)에는 회로 배선(216)이 형성되며, 전기 소자(240) 및 배터리(270)가 상기 제2면(212)에 실장되어 회로 배선(216)과 전기적으로 연결된다. 전기 소자(240)는 각종 소자와 각종 회로(241, 242)를 포함하는 개념이므로, 제2면(212)에 실장된 전기 소자(240) 중 적어도 하나는 전력 변환 회로가 될 수 있다. 태양 전지에서 생산된 전력은 전력 변환 회로에서 배터리(270)에 저장되기 적합하게 변환된 후에 배터리(270)에 저장된다.
제2 인쇄회로기판(220)의 제1면(221) 또는 제2면(222)에 센서부(260)가 실장된다. 앞서 센서부(260)의 실장 위치는 빛이나 외부 환경에 노출될 필요성 유무에 따라 달라질 수 있음을 설명하였다.
온도 센서는 공기와의 접촉을 통해 온도를 감지하도록 이루어지고, 습도 센서는 공기 중에 포함된 수분과의 접촉을 통해 습도를 감지하도록 이루어지며, 가스 센서는 공기 중의 가스와 접촉되어 가스의 유무 또는 그 농도를 감지하도록 이루어진다. 따라서 온도 센서, 습도 센서 및 가스 센서는 빛이나 외부 환경에 노출될 필요가 없다. 케이스(191, 192, 도 1 참조)에 벤트홀(vent hole)(192a, 도 1 참조)이 형성되면, 이 벤트홀(192a)을 통해 공기가 유동하여 제2 인쇄회로기판(220)에 실장된 온도 센서, 습도 센서 및 가스 센서에 접촉될 수 있기 때문이다.
센서부(260)가 온도 센서, 습도 센서 및 가스 센서 중 적어도 하나를 포함하는 경우, 이들 센서의 보호를 위해 센서부(260)는 제2 인쇄회로기판(220)에 실장되는 것이 바람직하다. 또한 센서부(260)가 제2 인쇄회로기판(220)에 실장되면 제1 인쇄회로기판(210)의 제1면(211)을 모두 태양 전지의 배치에 활용할 수 있다. 나아가 센서부(260)가 제2 인쇄회로기판(220)에 실장되면, 케이스(191, 192)에 반드시 벤트홀(292a)이 형성되어야 한다.
사물 인터넷을 구현하는 통신부는 제1 인쇄회로기판 또는 제2 인쇄회로기판에 실장될 수 있다. 만일 센서 모듈의 다단 구조가 통신부의 신호 전송과 수신을 방해한다면 통신부는 제1 인쇄회로기판에 실장되는 것이 바람직하다. 통신부가 제1 인쇄회로기판에 실장되어야 신호의 송수신을 방해하는 요소가 없어지기 때문이다.
도 6에서 미설명된 도면부호 223은 회로 배선, 240'은 제2 인쇄회로기판(220)에 실장된 전기 소자, 243, 244는 각종 소자와 각종 회로, 250은 연결부를 가리킨다.
도 7은 센서 모듈(300)의 또 다른 실시예를 보인 사시도다.
도 7에는 제1 인쇄회로기판(310)의 제2면(312)과 제2 인쇄회로기판(320)의 제2면(322)이 도시되어 있다. 제1 인쇄회로기판(310)의 제1면(311)에는 태양 전지가 실장된다. 제2 인쇄회로기판(320)의 제2면(312)에는 전기 소자(345)가 실장된다.
연결부(350)는 커넥터(351, 352, 353)에 의해 형성되고, 제1 인쇄회로기판(310)과 제2 인쇄회로기판(320)은 상기 커넥터(351, 352, 353)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 제1 인쇄회로기판(310)과 제2 인쇄회로기판(320)에 커넥터(351, 352, 353)를 연결할 수 있는 소켓 등의 상대물(미도시)이 형성되고, 커넥터(351, 352, 353)의 양단이 각각의 상대물에 연결되면, 제1 인쇄회로기판(310)과 제2 인쇄회로기판(320)이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
커넥터(351, 352, 353)는 복수로 구비될 수 있다. 도 7에서는 세 개의 커넥터(351, 352, 353)가 제1 인쇄회로기판(310)과 제2 인쇄회로기판(320)에 연결된 구성을 보이고 있다. 커넥터(351, 352, 353)의 수와 위치는 센서 모듈(300)의 설계에 따라 달라질 수 있다.
커넥터(351, 352, 353)는 제1 인쇄회로기판(310)의 제2면(312)을 지지하도록 이루어질 수 있다. 도 7에 도시된 것과 같이 커넥터(351, 352, 353)가 제1 인쇄회로기판(310)과 제2 인쇄회로기판(320) 사이에 배치되면, 제1 인쇄회로기판(310)의 제2면(312)을 지지할 수 있다.
제1 인쇄회로기판(310)의 제2면(312)에 배터리(370)가 장착되어 제1 인쇄회로기판(310)의 양면(311, 312)이 모두 부품의 실장에 활용될 수 있는 것처럼, 제2 인쇄회로기판(320)의 양면(321, 322)도 모두 부품의 실장에 활용될 수 있다. 도 7에서는 제2 인쇄회로기판(320)의 제2면(322)에도 전기 소자(345)가 실장된 구성을 보이고 있다.
제2 인쇄회로기판(320)은 나사 체결에 의해 케이스(191, 192, 도 1 참조)에 고정될 수 있다. 제2 인쇄회로기판(320)에는 홀(324)이 형성되며, 케이스(191, 192)에는 상기 홀에 대응되는 나사 체결구(미도시)가 형성될 수 있다. 제2 인쇄회로기판(320)의 제2면(322)이 케이스(191, 192)의 내측 바닥면을 마주보도록 배치된 상태에서 나사의 축이 홀(324)을 통과해 나사 체결구에 체결되면, 제2 인쇄회로기판(320)이 고정된다. 홀(324)과 나사 체결구의 수와 위치는 설계에 따라 달라질 수 있다.
제2 인쇄회로기판(320)이 케이스(191, 192)에 고정된 상태에서 제2 인쇄회로기판(320)에 커넥터(351, 352, 353)를 연결하고, 커넥터(351, 352, 353) 위에 제1 인쇄회로기판(310)을 설치하면, 케이스(191, 192) 내부에 센서 모듈(300)의 부품 실장이 완료된다.
이와 같이 제1 인쇄회로기판(310)의 양면(311, 312)과 제2 인쇄회로기판(320)의 양면(321, 322)을 모두 센서 모듈(300)의 부품 실장에 활용하면, 센서 모듈(300)의 크기를 더욱 축소시킬 수 있다.
이상에서 설명된 센서 모듈은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
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Claims (12)
- 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비하고, 상기 제1면에 노출되는 전극 연결부를 구비하는 제1 인쇄회로기판;
회로 배선을 구비하며, 상기 제1 인쇄회로기판으로부터 이격된 위치에서 상기 제1 인쇄회로기판의 제2면을 마주보도록 배치되는 제2 인쇄회로기판;
상기 제1 인쇄회로기판의 제1면에 실장되어 상기 전극 연결부에 전기적으로 연결되고, 빛을 이용하여 전력을 생산하도록 이루어지는 적어도 하나의 태양 전지;
상기 제2 인쇄회로기판에 실장되어 상기 회로 배선에 전기적으로 연결되고, 상기 태양 전지에서 생산된 전력으로 구동되는 적어도 하나의 전기 소자; 및
상기 제1 인쇄회로기판과 상기 제2 인쇄회로기판에 연결되어 상기 전극 연결부와 상기 회로 배선을 서로 전기적으로 연결시키는 연결부를 포함하고,
상기 제1 인쇄회로기판의 제1면에는 상기 태양 전지가 실장되는 태양 전지의 실장 영역이 구비되고,
상기 제2 인쇄회로기판에는 상기 전기 소자가 실장되는 전기 소자의 실장 영역이 구비되고,
상기 전기 소자의 실장 영역은 상기 태양 전지의 실장 영역 적어도 일부와 중첩되도록 다른 높이에 형성되는 센서 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 연결부는 연성회로기판(FPC : Flexible Printed Circuit)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 연결부는 적어도 하나의 커넥터(connector)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제3항에 있어서,
상기 커넥터는 상기 제1 인쇄회로기판의 제2면을 지지하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 센서 모듈은 상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판에 설치되는 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 센서 모듈은,
상기 제1 인쇄회로기판과 상기 제2 인쇄회로기판을 수용하도록 형성되는 케이스; 및
투명 재질로 형성되고 상기 케이스에 결합되는 윈도우를 포함하고,
상기 케이스는 상기 윈도우의 둘레를 감싸도록 형성되고,
상기 윈도우는 상기 케이스에 수용된 태양 전지를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 센서 모듈은 상기 제1 인쇄회로기판의 제1면에 설치되는 센서부를 포함하고,
상기 센서부는 적외선 센서, 초음파 센서 및 조도 센서 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 윈도우를 통해 시각적으로 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 센서 모듈은 상기 제2 인쇄회로기판에 설치되는 센서부를 포함하고,
상기 센서부는 온도 센서, 습도 센서 및 가스 센서 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 케이스에는 벤트홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제6항에 있어서,
상기 케이스에는 상기 제1 인쇄회로기판과 상기 제2 인쇄회로기판을 서로 다른 높이에 고정하도록 형성되는 결합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 센서 모듈은 전력 변환 회로, 배터리 또는 통신부를 포함하고,
상기 전력 변환 회로, 상기 배터리 또는 상기 통신부는 상기 제1 인쇄회로기판 또는 상기 제2 인쇄회로기판에 실장되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제10항에 있어서,
상기 전력 변환 회로 또는 상기 배터리는 상기 제1 인쇄회로기판의 제2면에 실장되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈. - 제10항에 있어서,
상기 통신부는 상기 제1 인쇄회로기판에 실장되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
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