KR102119100B1 - 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법 - Google Patents

전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다면체로 이루어지며 복수의 수신면을 통해 복수의 전자파 에너지를 수신하는 안테나 유닛; 상기 안테나 유닛을 회전시키도록 상기 안테나 유닛과 결합되는 회전 유닛; 상기 복수의 전자파 에너지를 이용하여 전기 에너지을 생성하는 하베스팅 유닛; 및 상기 복수의 전자파 에너지가 기설정된 기준값에 대응되는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 상기 회전 유닛의 회전을 제어하고, 상기 복수의 전자파 에너지가 상기 최대 수신 에너지인 경우, 상기 복수의 전자파 에너지를 통해 하베스팅 유닛을 구동시키는 제어 유닛;을 포함하는, 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법에 관한 것이다.

Description

전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법{ELECTROMAGNETIC WAVE HARVESTING STSYTEM AND METHOD RECYCLING ELECTROMAGNETIC WAVE USING THE SAME}
본 발명은 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자제품은 컴퓨터, 휴대 전화, MP3 플레이어, 텔레비전, 모니터, 계산기, 라디오, 냉장고, 에어컨, 세탁기, 디지털 카메라 등을 포함해 일상에서 매일 쓰는 전자공학 기기를 말한다. 또한, 각종 산업, 레저, 교육 등 거의 모든 분야에서도 전기 에너지로 운용되는 제품들이 이용되고 있다.
이러한 기기들은 전기 에너지를 원천으로 하여 구동되는 특성을 갖는다. 다시말해, 해당 기기들을 운용하기 위해서는 전기 에너지의 지속적인 공급이 요구되는 것이다.
해당 전기 기기들은 운용 과정에서 공급된 에너지가 빛, 소리, 열과 같은 형태로 에너지가 전환되어 사라진다. 즉, 사람들이 의식하지 못하는 사이에 수많은 에너지들이 미소 전력으로 변환되어 사라지는 것이다.
최근 친환경 에너지 및 탈원전과 같은 에너지 수급에 대한 요구가 지속되고 있다. 해당 친환경 정책들이 우리 사회가 나아가야할 바람직할 방향이라는 것에 대한 의구심을 전혀 없으나, 이에 뒤따르는 사회적 비용에 대한 우려가 만만치 않다.
태양광과 같은 친환경 에너지 생산 연구는 예전부터 지금까지 지속적으로 이루어지고 있으며, 최그에는 버려지는 에너지를 수집하여 재활용하기 위한 에너지 하베스팅에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅은, 다른 형태로 변환되어 버려지는 에너지를 수집해 전기 에너지로 재활용하는 것을 그 특징으로 한다.
현재 가장 많이 쓰이는 에너지 하베스팅 소자는 압전효과, 열전효과, 광전효과, 및 RF 방식의 물리 현상을 이용한다.
이 중, 전자파를 이용한 RF 방식은 공기 중에 존재하는 미소 전력을 수집하여 전기 에너지로 변환하는 기술이다.
전자파는 전기자기파(電氣磁氣波)로서 이것을 줄여서 전자파라고 부른다. 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지이다. 전기장과 자기장이 반복하면서 파도처럼 퍼져나가기 때문에 전자파로 부른다.
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.
이러한 전자파는 전자제품의 생활화에 따라 사용자가 위치하는 거의 모든 곳에서 발생되고 있다. 다만, 대부분의 전자파는 그 전력이 미소하여 사람이 인지하기 힘들고 이를 활용하는데 어려움이 있었다.
하지만, 최근에는 안테나 기술의 발전을 통해 미소 전력을 수집하고, 수집된 미소 전력을 증폭하여 전기 에너지로 변환하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
다만, 현재 연구 개발 중인 전자파 하베스팅 기술의 경우에도 정적인 안테나를 통해 주위에서 수신되는 미소 전력을 수동적으로 수집함으로써, 위치 및 방향에 따라 수집 효율이 가감될 수 있는 실제 환경에 대응하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 전력 수집 효율을 극대화 시킬 수 있는 방향으로 미소 전력 수집용 안테나의 운용을 제어할 수 있는 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템은, 다면체로 이루어지며 복수의 수신면을 통해 복수의 전자파 에너지를 수신하는 안테나 유닛; 상기 안테나 유닛을 회전시키도록 상기 안테나 유닛과 결합되는 회전 유닛; 상기 복수의 전자파 에너지를 이용하여 전기 에너지을 생성하는 하베스팅 유닛; 및 상기 복수의 전자파 에너지가 기설정된 기준값에 대응되는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 상기 회전 유닛의 회전을 제어하고, 상기 복수의 전자파 에너지가 상기 최대 수신 에너지인 경우, 상기 복수의 전자파 에너지를 통해 하베스팅 유닛을 구동시키는 제어 유닛;을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 수신면은, 프렉탈(Fractal) 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 안테나 유닛은, 오면체로 형성되고, 상기 복수의 수신면은, 상기 오면체의 측면인 제1 수신면, 제2 수신면 및 제3 수신면을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 안테나 유닛으로부터 수신되는 상기 복수의 전자파 에너지를 검출하여 각각의 전자파 에너지 강도 정보를 생성하는 전자파 검출유닛;을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 제1, 2, 3 수신면으로부터 검출되는 상기 전자파 에너지 강도 정보인 제1, 2, 3 강도 정보를 비교하여, 상기 제1 강도 정보가 상기 제2, 3 강도 정보보다 높은 강도를 가지고, 상기 2, 3 강도 정보의 강도가 동일한 경우 이를 상기 최대 수신 에너지로 판단하고, 이때의 상기 회전 유닛의 회전 정도에 관한 자세 정보를 최적 자세 정보로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 하베스팅 유닛은, 상기 안테나 유닛으로부터 수신되는 상기 복수의 전자파 에너지를 직류 전력으로 변환시키는 정류부; 변환된 상기 직류 전력을 입력 전력으로 하여 상기 전기 에너지를 생성하는 전력 증폭부; 및 생성된 상기 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장부;를 포함할 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파 자원화 방법은, 다면체로 형성되는 안테나 유닛이 복수의 면에서 수신되는 복수의 전자파 에너지를 수신하는 단계; 제어 유닛이, 상기 복수의 전자파 에너지를 기설정된 기준값에 대응되는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 상기 회전 유닛을 제어하여 상기 안테나 유닛을 회전시키는 단계; 및 상기 제어 유닛은 상기 복수의 전자파 에너지가 상기 최대 수신 에너지에 매칭되는 경우, 상기 복수의 전자파 에너지를 이용하여 하베스팅 유닛을 구동시켜 전기 에너지를 생성하도록 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법에 의하면, 전자파 에너지의 수신 효율이 우세한 방향으로 안테나의 자동 설정하여 에너지 수집 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 안테나의 수신면을 프렉탈 구조로 형성하여 전자파 에너지의 수신 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)의 구성에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)을 이용한 전자파 자원화 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 안테나 유닛(110)의 수신면 방향 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방지재(200)가 각 유닛에 구비되는 전자파 하베스팅 시스템(100')을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방지재(200)가 하우징(H) 외면에 구비되는 전자파 하베스팅 시스템(100'')을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도8은 도 5 및 도 6의 방지재(200)를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
최근 사회는 일상생활의 모든 곳에 전자제품이 배치되어, 이들에 의해 전체 생활이 이루어지고 있다고 해도 과언이 아닐만큼 전자제품의 세계에 살고 있다.
이러한 전자제품은 전기 에너지를 전원하여 구동함에 따라, 지속적인 전기 에너지의 공급이 요구된다.
현재 전기 에너지는 주로 화력 발전 및 원자력 발전과 같은 방식에 의해서 생산 및 공급되고 있다. 이와 같은 전기 생산 방식은 환경 오염 및 방사능 누출 등의 위험에 노출되어 있어, 이를 대처하기 위한 친환경 에너지에 대한 수요가 지속되고 있다.
현재 태양광, 태양열, 조력, 풍력, 및 수력 등을 이용한 친환경 에너지에 대한 연구 개발 및 보급이 일부 이루어지고 있는 실정이지만, 아직 기존 발전 방식을 완전히 대처하기 위한 효율성을 확보하지 못한 상태이다.
이처럼, 친환경 발전의 대처율이 낮은 상황에서 다른 대안으로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술이 제시되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은, 버려지는 에너지를 수확하여 재활용하는 에너지 재활용 기술의 개념으로 선진국을 중심으로 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 관련 시장 규모도 급격히 성장하고 있는 추세이다.
에너지 하베스팅은 에너지 수집 방식에 따라서 신체 에너지 하베스팅, 광 에너지 하베스팅, 진동 에너지 하베스팅, 열 에너지 하베스팅, 중력 에너지 하베스팅, 위치 에너지 하베스팅, 및 전자파 에너지 하베스팅 등의 다양한 종류가 있다.
이 중 전자파 에너지 하베스팅는, 파장(진동)을 전자파로 수집하여 전기로 변환하는 기술로, 방송 전파나 휴대전화 전파 등의 전자파 에너지를 이용하는 방법이다.
일상의 주변에는 다양한 종류의 전자제품들이 위치하고 이들은 유무선으로 전기 공급 장치와 상시 연결되어 구동됨에 따라 거의 모든 시간에 전자파가 방출되고 있다. 다만, 기존에는 이렇게 각각의 전자제품에서 방출되는 전자파 에너지가 미약하기 때문에 이를 인식하기 어려웠다. 하지만, 안테나 기술의 발전에 따라, 이러한 미소한 전자파 에너지를 검출 및 수집할 수 있게 되었다.
하지만, 각 전자제품에서 발생되는 전자파는 여전히 미소하기 때문에 이들을 보다 효율적으로 수집하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 이와같은 문제점을 해소하기 위하여 최적의 전자파 에너지를 자동으로 수집할 수 있는 안테나 유닛(110)을 구비한 전자파 하베스팅 시스템(100)을 제시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전자파 하베스팅 시스템(100)이 배치되는 대상 영역에는 텔레비전(T), 냉장고(R), 전자렌지(M), 조명(C), 및 휴대폰(S)과 같은 다수의 전자제품들이 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
서로 다른 위치에 배치된 이들 전자제품은 서로 다른 방향에서 강도를 달리하는 전자파 에너지(RF)를 방출할 수 있다. 따라서, 해당 전자파 에너지(RF)를 수집하는 안테나 유닛(110)은 최적의 방향성을 갖도록 설정될 필요가 있다.
본 실시예에서의 전자파 하베스팅 시스템(100)은 복수의 전자파 에너지 수신면을 갖는 안테나 유닛(110)을 통해 다방향에서 수신되는 복수의 전자파 에너지(RF)를 검출한다. 이후, 검출된 복수의 전자파 에너지(RF)를 기설정된 기준값과 비교하여, 수집 효율이 극대화될 수 있는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 안테나 유닛(110)을 회전시킬 수 있다. 즉, 전자파 에너지 하베스팅 시스템(100)은, 안테나 유닛(110)이 최적의 에너지 수집 효율을 가지는 방향성을 갖도록 회전 구동 장치를 통해 안테나 유닛(110)을 회전 시키는 것을 그 특징으로 한다.
이와같은 전자파 에너지 하베스팅 시스템(100)에 의하면, 다수의 전자제품에서 발생되는 전자파 에너지(RF)를 가장 효율적으로 수집할 수 있는 안테나 유닛(110)의 방향성을 자동 설정할 수 있어 전체 시스템 효율을 극대화시킬 수 있다.
이상은 전자파 하베스팅 시스템의 간략한 동작 원리에 대하여 설명하였다. 도 2에서는 전자파 에너지 하베스팅 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)의 구성에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이 전자파 하베스팅 시스템(100)은 안테나 유닛(110), 회전 유닛(120), 전자파 검출유닛(130), 하베스팅 유닛(140), 디스플레이(160), 통신 유닛(170), 위치 정보 유닛(180), 및 제어 유닛(190)을 포함할 수 있다.
안테나 유닛(110)은, 전자파 에너지를 수신하기 위한 수단이다. 이를 위해, 다면체로 이루어진 복수의 수신면을 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 안테나 유닛(110)이 오면체인 삼각기둥으로 형성되고, 전자파 에너지를 수신하는 측면은 제1 수신면(111), 제2 수신면(113), 및 제3 수신면(115)을 구비할 수 있다. 하지만, 이에 한정된 것은 아니면, 안테나 유닛(110)의 수신면 및 형상은 실험 및 공정 조건에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 3면의 수신면을 갖는 안테나 유닛(110)을 베이스로 하여 설명하도록 한다.
해당 수신면은, 전자파 에너지를 수신하기 위한 면으로, 각 수신면은 프렉탈(117)(Fractal) 구로로 형성될 수 있다.
프렉탈(117) 구조는, 일부 작은 조작이 전체와 비슷한 기하학적 형태를 말한다. 자기 유사성이라 부르기도 하는데, 이는 공간을 채워가는 궤적을 갖기 때문에 작은 면적에 큰 안테나 구조를 가질 수 있다. 따라서, 안테나 유닛(110)의 한정된 크기 내에서 수신면을 프렉탈(117) 구조로 설정함에 따라, 안테나의 전기적인 길이를 극대화시켜 전자파 에너지 수신 효율을 높일 수 있다.
회전 유닛(120)은, 안테나 유닛(110)을 회전시키기 위한 수단이다. 이를 위해 회전 유닛(120)은, 상부면을 통해 안테나 유닛(110)의 하부와 결합될 수 있다. 이렇게 결합된 상태에서 안테나 유닛(110)을 회전시킬 수 있다. 회전 유닛(120)은, 안테나 유닛(110)과 탈착 가능하게 형성될 수 있으면 안테나 유닛(110)의 회전 정도를 눈금으로 안내하기 위한 각도 표시부(121)가 상부면을 따라 형성될 수 있다.
전자파 검출유닛(130)은, 안테나 유닛(110)으로부터 수신되는 복수의 전자파 에너지를 검출하여 각각의 전자파 강도에 관한 전자파 에너지 강도 정보를 생성할 수 있다. 본 실시예에서처럼 안테나 유닛(110)이 제1,2,3 수신면(111, 113, 115)을 갖는 경우, 각 수신면에서 검출되는 전자파 에너지를 검출하여 이들에 대한 강도 정보인 제1,2,3 강도 정보를 생성할 수 있다.
하베스팅 유닛(140)은, 안테나 유닛(110)을 통해 수신되는 전자파 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 수단일 수 있다. 이를 위해, 하베스팅 유닛(140)은 정류부(141), 전력 증폭부(143), 및 에너지 저장부(145)를 포함할 수 있다.
정류부(141)는, 안테나 유닛(110)으로부터 수신되는 전자파 에너지를 직류 전력으로 변환시킬 수 있다.
전력 증폭부(143)는, 변환된 직류 전력을 입력 전력으로 하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 예컨데, 전력 증폭부(143)는 자석과 유도코일로 구성된 발전기로 구성될 수 있으며, 입력된 직류 전력에 의해 회전 구동되어 전기 에너지를 생성할 수 있다.
에너지 저장부(145)는, 전력 증폭부(143)를 통해 생성된 전기 에너지를 저장하기 위한 수단으로 배터리 등이 적용될수 있다.
또한, 본 실시예에서는 도시하지 않았으나, 하베스팅 유닛(140)은 에너지 저장부(145)에 저장된 전기 에너지를 전자제품 등 에너지 소비 대상에 공급하기 위한 에너지 전달부를 포함할 수 있다.
메모리 유닛(150)은, 전자파 하베스팅 시스템(100)에서 발생되는 전기적인 정보들을 저장하기 위한 수단일 수 있다. 특히, 전자파 검출유닛(130)에서 검출되는 전자파 에너지 강도 정보, 회전 유닛(120)의 회전 정도에 관한 자세 정보, 위치 정보, 시간 정보 등을 저장할 수 있다.
디스플레이(160)는, 전자파 하베스팅 시스템(100)에서 생성되는 정보들을 시각적으로 출력하기 위한 수단일 수 있다. 디스플레이(160)는 도시하지 않은 사용자 입력 유닛과 통합된 터치 스크린으로 구성될 수도 있다.
통신 유닛(170)은, 전자파 하베스팅 시스템(100)에서 생성되는 정보들을 외부 단말기로 전송하거나, 외부 단말기에서 전송되는 정보들을 수신할 수 있다.
위치 정보 유닛(180)은, 전자파 하베스팅 시스템(100)의 위치를 감지하여 이에 대한 위치 정보를 생성할 수 있다. GPS 모듈 등이 적용될 수 있다.
제어 유닛(190)은, 상술한 구성을 제어하기 위한 수단이다. 대표적으로 제어 유닛(190)은, 수신되는 전자파 에너지 강도 정보가 최대 수신 에너지인지 여부를 판단할 수 있다. 최대 수신 에너지는, 안테나 유닛(110)이 전자파 에너지의 수신값이 최적화일 경우의 에너지 값일 수 있다.
따라서, 제어 유닛(190)은 안테나 유닛(110)의 제1,2,3 수신면(111, 113, 115)에서 수신되는 에너지 강도 정보인 제1,2,3 강도 정보를 비교하여, 제1 강도 정보가 제2,3 강도 정보보다 높고, 제2,3 강도 정보가 동일한 경우 이를 최대 수신 에너지로 판단할 수 있다. 또한, 제어 유닛(190)은 최대 수신 에너지를 가질 때, 안테나 유닛(110)의 자세 정보를 최적 자세 정보로 판단할 수 있다.
자세 정보는, 회전 유닛(120)의 회전 정도를 감지하여 제어 유닛(190)에 의해 생성될 수 있다.
또한, 제어 유닛(190)은 시스템 구동 간에 발생되는 정보들을 메모리 유닛(150)에 저장시키거나, 외부 단말기로 전송하도록 제어할 수 있다. 즉, 해당 전자파 하베스팅 시스템(100)이 특정 영역에서 구동되는 경우, 해당 구동 간에 발생된 상태(위치 정보, 전자파 에너지 강도 정보, 자세 정보, 전기 에너지 생산 정보 등)을 모두 취합하여 이를 데이터 베이스화시킬 수 있다.
이상은, 전자파 하베스팅 시스템의 구성에 관하여 설명하였다. 도 3 및 도 4에서는 전자파 하베스팅 시스템을 이용한 전자파 자원화 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자파 하베스팅 시스템(100)을 이용한 전자파 자원화 방법에 대한 흐름도이고, 도 4는 도 2 및 도 3의 안테나 유닛(110)의 수신면 방향 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 전자파 하베스팅 시스템의 동작 방법에 관한 것으로 중복되는 도면 부호는 생략하도록 한다.
먼저, 전자파 하베스팅 시스템은 설치 대상 영역에 배치될 수 있다. 해당 영역은 주거지, 작업장, 야외 등이 전자파 에너지를 수신할 수 있는 모든 공간이 대상 영역으로 선정될 수 있다.
이렇게 배치가 완료되면, 사용자 입력 유닛 등에 의해 전자파 하베스팅 시스템이 활성화될 수 있다.
전자파 하베스팅 시스템이 활성화되면, 제어 유닛에 의해 모든 기능들이 제어 될 수 있다.
최초, 제어 유닛은 안테나 유닛을 통해 전자파 에너지가 수신되었는지 여부를 판단할 수 있다(S11). 안테나 유닛은 오면체로 이루어지고, 각 측면인 제1,2,3 수신면을 통해 전자파 에너지를 수신할 수 있다. 이때, 각 수신면은 프렉탈 구조로 형성되어 있어, 미소한 전자파 에너지까지 보다 효율적으로 수집할 수 있다.
제어 유닛은 안테나 유닛을 통해 직접적으로 전자파 에너지의 수신 여부를 판단할 수도 있으나, 전자파 검출유닛을 통해 안테나 유닛의 전자파 에너지 수신 여부를 확인하고, 최대수신전력(최대 수신 에너지) 방향을 결정하는 기준으로 안테나 유닛의 자세를 설정하기 위한 제어 신호를 적용할 수 있다.
전자파 에너지의 수신이 판단되면, 전자파 검출유닛은 수신되는 전자파 에너지의 강도에 관한 전자파 에너지 강도 정보를 각 수신면에 대응되도록 생성할 수 있다. 이때, 제어 유닛은 해당 전자파 에너지 강도 정보에 대응되는 안테나 유닛의 자세에 관한 자세 정보를 생성할 수 있다(S13). 이는, 최대수신전력(최대 수신 에너지) 방향을 판단하기 위한 기초 정보로 활용될 수 있다.
자세 정보는, 안테나 유닛과 결합되어 안테나 유닛을 회전시키는 회전 유닛의 회전 정도를 참고하여 생성되며, 자세 정보의 제어 각도에 따라 안테나 유닛의 방향이 결정될 수 있다.
이렇게, 생성되는 자세 정보와 자세 정보에 대응되는 전자파 에너지 강도 정보는 최대수신전력(최대 수신 에너지) 방향 설정을 위한 기초 정보로 메모리 유닛에 저장될 수 있다.
제어 유닛은, 제1 방향을 향하는 자세 정보를 갖는 안테나 유닛으로부터 수신되는 복수의 전자파 에너지 강도 정보를 서로 비교하여 최적의 에너지 수신값인 최대 수신 에너지인지 여부를 판단할 수 있다(S14).
최대 수신 에너지는, 안테나 유닛의 수신면이 제1,2,3 수신면이고, 이들로부터 수신되는 전자파 에너지 강도 정보가, 제1,2,3 강도 정보일 경우, 제1 강도 정보가 제2,3 강도 정보보다 크고, 제2,3 강도 정보가 서로 동일한 경우 해당 전자파 에너지를 최대 수신 에너지로 판단할 수 있다.
다시말해, 안테나 유닛(110)은 도 4에서처럼 3 to 1 voting(Triple Vote System) 방식에 의해 제1,2,3 수신면(111,113,115)에서 수신되는 전자파 에너지 강도가 A,B,C인 경우, A의 강도가 가장 크고, B,C의 강도가 동일하게 설정되는 경우의 전자파 에너지를 최대 수신 에너지로 판단할 수 있다.
최대 수신 에너지: A(제1 수신면 강도 정보) > B(제2 수신면 강도 정보) = C(제3 수신면 강도 정보)
이때, B,C 강도가 동일하게 설정되는 것이 가장 바람직한 결과이나, 환경 요소나 여타 다른 요인에 의해 일부 차이가 발생되는 경우, 기설정된 오차 범위에서 B,C 강도를 동일하게 판단할 수 있다.
만약, 현재 검출된 전자파 에너지 강도 정보가 최대 수신 에너지와 매칭되지 않는 경우, 제어 유닛은 회전 유닛(130)을 구동하여 안테나 유닛의 수신면 방향이 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 변화되도록 회전 유닛의 회전을 제어할 수 있다(S15). 이때, 회전 각도는 메모리 유닛에 저장된 기준 각도 정보에 따라 적용되어 회전될 수 있다.
최대 수신 에너지가 아닌 경우, 회전 유닛 구동 -> 전자파 에너지 강도 정보 생성 -> 최대 수신 에너지 판단의 동작 사이클을 지속하도록 제어될 수 있다.
또한, 본 실시에서는 도시하지 않았으나, 전자파 하베스팅 시스템은 이동 유닛을 더 포함할 수 있다.
이동 유닛은, 전자파 하베스팅 시스템의 위치를 변경하기 위한 이송 수단일 수 있다. 하부에 이동 롤러(자율주행 구동장치)와 같은 이송 수단이 적용될 수 있고, 모터와 같은 구동 수단에 의해 상기 이동 롤러(자율주행 구동장치)가 이동하는 동작을 구성할 수 있다.
이동 유닛이 구비되고 최대 수신 에너지가 아닌 경우, 제어 유닛은 회전 유닛을 구동하는 제어에 더하여, 이동 유닛의 제어를 통해 전자파 하베스팅 시스템 전체의 위치를 순차적으로 변경시킬 수도 있다. 나아가 이동 유닛은 회전 유닛에 구비되어, 안테나 유닛만을 개별적으로 이동시킬 수도 있다.
이러한 경우, 안테나 유닛은 전자파 하베스팅 시스템에서 물리적으로 분리되어 위치가 변경될 수 있다. 이때, 안테나 유닛과 시스템은 유/무선을 통해 전기적으로는 연결이 유지될 수 있다.
이렇게 이동 유닛에 의해 안테나 유닛의 위치가 변경되는 경우, 제어 유닛은 위치 정보 유닛을 통해 안테나 유닛의 위치 정보를 수신하고, 이를 기반으로 이동 유닛 및 회전 유닛을 제어할 수 있다. 위치 정보 유닛은 하베스팅 시스템 및 안테나 유닛에 단일 또는 복수로 설치될 수 있다.
이와 같은, 구동 사이클을 통해 복수의 전자파 에너지 강도 정보가 최대 수신 에너지와 매칭되는 경우, 제어 유닛은 회전 유닛의 구동을 정지시키고, 해당 상태에서의 자세 정보를 최적 자세 정보로 판단할 수 있다(S17).
이후, 제어 유닛은 회전 유닛을 정지시켜 안테나 유닛의 자세를 고정한 상태에서 하베스팅 유닛을 구동시킬 수 있다(S19).
현재 안테나 유닛의 수신면은 최대 전자파 수신 방향으로 자세가 설정되어 있으므로, 하베스팅 유닛을 보다 효율적인 전기 에너지의 변환이 이루어질 수 있다.
이렇게 생성되는 전기 에너지는 에너지 저장부에 저장되며, 필요에 따라 에너지 공급부를 통해 전기 에너지를 필요로하는 각종 전자제품 또는 시설에 제공될 수 있다.
또한, 전자파 하베스팅 시스템의 구동 간에 발생되는 각종 정보들은 제어 유닛에 시스템 운용 정보로 변환되어 메모리 유닛에 저장될 수 있다. 시스템 운용 정보는, 시간 정보, 위치 정보, 시스템 식별 정보, 전자파 에너지 강도 정보, 전기 에너지 생산 정보, 및 최적 자세 정보 등을 포함할 수 있다. 특히, 제어 유닛은 위치 정보 및 최적 자세 정보를 서로 매칭할 수 있다. 이에 따라, 향후 동일한 위치에서 동일한 전자파 하베스팅 시스템의 재구동 시, 초기 자세 정보로 최적 자세 정보를 적용함으로써 하베스팅 시스템의 보다 효율적인 운용이 이루어질 수 있다.
제어 유닛은, 생성된 시스템 운용 정보가 관리자 단말기나 통합 데이터 베이스에 전송되도록 통신 유닛을 제어할 수도 있다.
이와 같은 전자파 하베스팅 시스템을 이용한 전자파 자원화 방법에 따르면, 미소한 전자파 에너지를 보다 효율적으로 수집하여 시트템 전체의 효율을 극대화시킴과 동시에 해당 모든 동작들이 자동화되어 운용 편리성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방지재(200)가 각 유닛에 구비되는 전자파 하베스팅 시스템(100')을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 전자파 하베스팅 시스템(100')의 각 유닛은 기판(P) 상에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 설명의 간략성을 위해, 전자파 검출유닛, 하베스팅 유닛, 및 제어 유닛만 기재하였으나, 도 2의 모든 유닛 및 구성들이 기판(P) 상에 배치되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 안테나 유닛만 별도로 배치되고, 안테나 유닛을 제외한 다른 구성들은 모두 기판에 연결되어 방지재(200)에 둘러 쌓일 수 있다.
이때, 각 유닛 및 기판의 일부 또는 전부는 방지재(200)에 의해 둘러 쌓일 수 있다.
방지재(200)는, 외부에서 가해지는 충격을 완화할 수 있을뿐 아니라, 방수 성능을 개선할 수 있다. 방지재(200)에 대한 구체적인 설명은 이하의 도 7 및 도 8에서 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방지재(200)가 하우징(H) 외면에 구비되는 전자파 하베스팅 시스템(100'')을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 전자파 하베스팅 시스템은(100'') 도 5의 하베스팅 시스템(100')과 대체로 유사하나, 하우징(H)을 구비하고 방지재(200)가 하우징(H)의 외면을 감싸도록 배치된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 기판(P) 및 기판(P) 상에 결합되는 유닛들은 하우징(H)의 내부 공간에 배치되고, 하우징(H)의 외부는 방지재(200)에 의해 둘러 싸여질 수 있다. 이에 따라, 하우징(H) 내부에 구비되는 전기적인 구성들은 하우징(H) 및 방지재(200)에 의해 외부 충격 및 누수로부터 보호될 수 있다.
도 7 및 도8은 도 5 및 도 6의 방지재(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 차단층(210)은 방지재(200)의 베이스를 이루는 구성이다. 차단층(210)은 제1 영역을 한정한다. 상기 제1 영역은, 예를 들어 대체로 사각형의 영역일 수 있다.
차단층(210)은 주로 빛을 차단하거나 방수 특성도 갖도록 구성될 수 있다.
제1 부착층(230)은 차단층(210)의 상면에 적층될 수 있다. 제1 부착층(230)은 차단층(210)의 제1 영역에 대응하여 그와 동일한 면적을 갖는 제2 영역을 한정할 수 있다. 상기 제2 영역 역시 제1 영역과 동일하게 사각 형태를 가질 수 있다. 이러한 제1 부착층(230)은 차단층(210)과 밀착되며 내충격성 확보에서 주된 역할을 한다.
제1 부착층(230)은 베이스(231)와, 중공부(235)를 가질 수 있다. 베이스(231)는 제1 부착층(230)의 몸체를 이루는 부분이다. 중공부(235)는 베이스(231)의 상면 측에서 오목 형성된 홈이다. 중공부(235)는 상기 제2 영역에서 복수 개로서 형성될 수 있다. 복수 개의 캐비티(235)는 상기 제2 영역 내에 가로 및 세로 방향을 따라 등 간격으로 배치되는 매트릭스 배열을 이룰 수 있다.
중공부(235)는 형태적으로 베이스(231)의 상면에서 하면을 향한 방향으로 경사지게 연장되는 홈일 수 있다.
제2 부착층(250)은 제1 부착층(230) 상에 적층되는 것이다. 제2 부착층(250)은 상기 제2 영역과 동일한 면적의 제3 영역을 한정한다. 상기 제3 영역 역시 사각 형상을 가져서, 상기 제2 영역에 맞대응되게 배치될 수 있다. 그에 의해, 제2 부착층(250)은 제1 부착층(230)의 중공부(235)를 외부에 대해 밀폐하게 된다. 구체적으로, 예를 들어 그라비아 인쇄 방식으로 중공부(235)를 가진 제1 부착층(230)이 차단층(210)에 전사된 후에 60℃에서 12시간 정도 경화된 후에, 제2 부착층(250)이 제1 부착층(230) 상에 다시 전사되어 중공부(235)가 공기를 가진 채로 밀폐될 수 있다.
제2 부착층(250)은 주로 피착 대상물과의 강한 접착력을 갖는 것이다. 이러한 제2 부착층(250)은 제1 부착층(230)과는 다른 특성을 가질 수 있다. 구체적으로, 제2 부착층(250)은 제1 부착층(230)과 같은 아크릴계 점착제이나 구체적 특성이 다소 차이가 있을 수 있다. 그에 의해, 제1 부착층(230)이 상대적으로 하드(hard)한 특성을 가진다면, 제2 부착층(250)은 상대적으로 소프트(soft)한 특성을 갖게 된다. 제2 부착층(250)은 소프트한 특성을 강화하기 위해, 상대적으로 소프트한 특성의 베이스(251)에 중공형 볼 입자(255)가 첨가된 것일 수 있다. 여기서, 볼 입자(255)는, 예를 들어 실리카일 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 방지재(200)에 충격이 가해질 때, 그 충격은 방지재(200)의 수직 방향을 따라 작용하게 된다.
이때, 제2 부착층(250)은 제1 부착층(230) 보다 소프트하면서도, 내부에 볼 입자(255)를 함유하여, 방지재(200)의 충격에 대한 1차적 흡수 능력이 강화되게 한다.
나아가, 제1 부착층(230)은 베이스(231)의 충격 흡수력에 더하여 중공부(235)가 에어 트랩(Air Trap)을 형성함으로써, 상기 충격에 따른 힘을 2차적으로 흡수할 수 있게 된다. 여기서, 중공부(235)는 폭(W) 보다 깊이(D)가 몇 배 큰 구조를 가져서, 베이스(231) 중 중공부(235)와 중공부(235) 사이의 영역은 좌굴(buckling)에 의해 다소 변형되면서 위 충격이 보다 효과적으로 흡수될 수 있게 한다.
나아가, 차단층(210), 제1 부착층(230), 및 제2 부착층(250) 등에 의해, 방지재(200)는 방수 성능도 갖출 수 있게 된다.
돌출부(215)는 차단층(210)의 베이스(211)에서 돌출 형성되는 것이다. 돌출부(215)는 제1 부착층(230)을 향한 방향으로 돌출된다. 이때, 돌출부(215)는 복수 개로 형성되며, 그들은 매트릭스 배열을 가질 수 있다. 돌출부(215)는 형태상으로는 돔 형상의 모양일 수 있다.
수용부(237)는 돌출부(215)를 수용하도록 돌출부(215)에 대응하는 형태를 가진다. 수용부(237)는 제1 부착층(230)의 일 면에 복수 개로 형성될 수 있다.
이러한 배치 구조에 있어서, 중공부(235)는 인접한 한 쌍의 수용부 사이에 위치할 수 있다. 또한, 중공부(235)의 폭(W)은 수용부(237)의 폭(W')보다 좁고, 중공부(235)이 깊이(D)는 수용부(237)의 깊이(D')보다 깊은 것일 수 있다.
나아가, 차단층(210)의 다른 면에는 이상의 제1 부착층(230), 제2 부착층(250) 각각에 대응하는 부착층들(230')(250')이 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 방지재(200)에 가해지는 충격은 제2 부착층(250), 제1 부착층(230)을 통해 1차적, 2차적으로 흡수될 수 있다.
본 실시예에서는, 돌출부(215)와 수용부(237)에 의한 강화된 충격 흡수 효과를 가진다. 구체적으로, 제1 부착층(230)의 베이스(231)로 전달된 충격은 차단층(210)으로 전달됨에 있어서, 돌출부(215) 및 수용부(237)를 통해 보다 넓은 면적으로 분산될 수 있다. 그에 의해, 돌출부(215) 및 수용부(237)에 의한 충격 흡수가 상당 부분 이루어진다.
또한, 수용부(237)와 중공부(235)가 어긋나게 배치됨에 의해, 그들이 일치되게 배치되는 경우에서 제1 부착층(230)의 종방향 강도가 약화되는 문제를 방지할 수 있다. 나아가, 수용부(237)는 그의 폭(W')이 깊이(D')보다는 큰 크기를 가져서 중공부(235)에 비해 좌굴에 강하게 견디면서, 돌출부(215)와의 대응 면적 확대에 의해 충격 흡수 역량을 효과적으로 발휘하게 된다.
따라서, 이와 같은 방지재(200)가 전자파 하베스팅 시스템에 설치되는 경우, 외부 충격 및 누수와 같은 손상으로부터 보다 안전하게 내부 구성들이 보호될 수 있다.
상기와 같은 전자파 하베스팅 시스템 및 이를 이용한 전자파 자원화 방법는, 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
100: 전자파 하베스팅 시스템 160: 디스플레이
110: 안테나 유닛 170: 통신 유닛
120: 회전 유닛 180: 위치 정보 유닛
130: 전자파 검출유닛 190: 제어 유닛
140: 하베스팅 유닛 200: 방지재
150: 메모리 유닛 RF: 전자파 에너지

Claims (7)

  1. 오면체로 이루어지며 측면인 제1 수신면, 제2 수신면, 및 제3 수신면을 통해 복수의 전자파 에너지를 수신하는 안테나 유닛;
    상기 안테나 유닛을 회전시키도록 상기 안테나 유닛과 결합되는 회전 유닛;
    상기 복수의 전자파 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 하베스팅 유닛;
    상기 안테나 유닛으로부터 수신되는 상기 복수의 전자파 에너지를 검출하여 각각의 전자파 에너지 강도 정보를 생성하는 전자파 검출유닛;
    상기 안테나 유닛 하부 설치되어 상기 안테나 유닛을 이동시키기 위한 이동 유닛; 및
    상기 복수의 전자파 에너지가 기설정된 기준값에 대응되는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 상기 회전 유닛의 회전을 제어하고, 상기 복수의 전자파 에너지가 상기 최대 수신 에너지인 경우, 상기 복수의 전자파 에너지를 통해 하베스팅 유닛을 구동시키는 제어 유닛;을 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 최대 수신 에너지를 참고하여 상기 이동 유닛의 이동을 제어하고, 상기 제1,2,3 수신면으로부터 검출되는 상기 전자파 에너지 강도 정보인 제1,2,3 강도 정보를 비교하여, 상기 제1 강도 정보가 상기 제2,3 강도 정보보다 높은 강도를 가지고, 상기 제2,3 강도 정보의 강도가 동일한 경우 이를 상기 최대 수신 에너지로 판단하고, 이때의 상기 회전 유닛의 회전 정도에 관한 자세 정보를 최적 자세 정보로 판단하는, 전자파 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수신면은,
    프렉탈(Fractal) 구조로 이루어지는, 전자파 하베스팅 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 유닛, 상기 회전 유닛, 상기 하베스팅 유닛, 상기 전자파 검출유닛, 및 상기 제어 유닛을 상부에 수용하기 위한 기판; 및
    상기 기판을 둘러싸도록 형성되어 외부에 의한 충격을 방지하기 위한 방지재;를 더 포함하는, 전자파 하베스팅 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방지재는,
    제1 영역을 한정하며, 광의 투과를 차단하기 위한 차단층;
    상기 차단층의 두께보다 큰 값의 두께를 갖고, 상기 차단층에 부착되며, 상기 제1 영역과 동일한 면적의 제2 영역을 한정하며, 복수의 중공부가 매트릭스 배열을 이루도록 형성된 제1 부착층; 및
    상기 제1 부착층에 부착되어 상기 복수의 중공부를 밀폐하고, 상기 제2 영역과 동일한 면적의 제3 영역을 한정하며, 상기 제1 부착층보다 소프트한 특성을 갖는 제2 부착층을 포함하는, 전자파 하베스팅 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상기 차단층은,
    상기 제1 부착층을 향한 방향으로 돌출된 복수의 돌출부를 포함하고,
    상기 제1 부착층은,
    상기 복수의 돌출부를 각각 수용하는 복수의 수용부를 포함하며,
    상기 중공부는,
    상기 복수의 수용부 중 인접한 한 쌍의 수용부들 사이에 위치하는, 전자파 하베스팅 시스템.
  7. 오면체로 이루어지며 측면인 제1 수신면, 제2 수신면, 및 제3 수신면을 구비하는 안테나 유닛이 상기 제1,2,3 수신면에서 수신되는 복수의 전자파 에너지를 수신하는 단계;
    제어 유닛이, 상기 복수의 전자파 에너지를 기설정된 기준값에 대응되는 최대 수신 에너지에 매칭되도록 상기 안테나 유닛과 결합되는 회전 유닛을 제어하여 상기 안테나 유닛을 회전시키는 단계;
    전자파 검출유닛이 상기 안테나 유닛으로부터 수신되는 상기 복수의 전자파 에너지를 검출하여 각각의 전자파 에너지 강도 정보를 생성하는 단계;
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 전자파 에너지가 상기 최대 수신 에너지에 매칭되는 경우, 상기 복수의 전자파 에너지를 이용하여 하베스팅 유닛을 구동시켜 전기 에너지를 생성하도록 제어하는 단계;
    상기 제어 유닛이 상기 최대 수신 에너지를 참고하여 상기 안테나 유닛의 하부에 이동 가능하게 설치되는 이동 유닛의 이동을 제어하는 단계; 및
    상기 제어 유닛이 상기 제1,2,3 수신면으로부터 검출되는 상기 전자파 에너지 강도 정보인 제1,2,3 강도 정보를 비교하여, 상기 제1 강도 정보가 상기 제2,3 강도 정보보다 높은 강도를 가지고, 상기 제2,3 강도 정보의 강도가 동일한 경우 이를 상기 최대 수신 에너지로 판단하고, 이때의 상기 회전 유닛의 회전 정도에 관한 자세 정보를 최적 자세 정보로 판단하는 단계;를 포함하는, 전자파 자원화 방법.
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