KR102384176B1 - 광전지 일체형 슬롯 안테나 - Google Patents

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이재진
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아주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 광전지 일체형 슬롯 안테나에 관한 것으로, 광전지 일체형 슬롯 안테나는, 광전효과에 의해 생성한 전류를 전달하는 버스바를 포함하는 메탈 그리드가 일면에 인쇄된 제1 기판; 상기 제1 기판의 타면에 배치되고, 슬롯이 형성된 접지 금속층(ground plane);및 상기 접지 금속층의 하부에 배치되고, 상기 슬롯부에 급전을 위한 마이크로스트립 급전라인이 형성된 제2 기판을 포함한다.

Description

광전지 일체형 슬롯 안테나{Photovoltic cell integrated slot antenna}
본 발명은 광전지 일체형 슬롯 안테나에 관한 것으로, 보다 자세하게는 광전지의 금속 하부 전극에 슬롯을 형성하고, 슬롯이 있는 하부 전극을 안테나 및 접지 금속층으로 사용한 광전지 일체형 슬롯 안테나에 관한 것이다.
최근 많은 연구에서 무선 통신의 수많은 잠재적 이점 때문에 안테나와 태양 광 전지의 통합을 탐구해왔다.
그 결과, 안테나와 태양광 전지를 쌓거나 겹쳐 놓은 방법이 제안되었다. 그러나, 이와 같이 안테나와 태양광 전지를 쌓거나 겹쳐 놓은 경우, 안테나가 태양광 전지의 햇볕 노출에 방해가 되어 효율적이지 않다는 문제가 있다.
또한, 종래의 안테나와 태양광 전지를 쌓거나 겹쳐 놓은 경우에 안테나와 태양광 전지는 서로 독립적으로 동작하였다.
따라서 태양광 전지의 햇볕 노출에 방해가 되지 않으면서도 효율적으로 동작가능한 안테나가 요구된다. 또한, IOT 응용 기술의 발전과 함께 IOT 장치에 쉽게 부착할 수 있는 간단하고 컴팩트한 안테나 설계가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전지와 슬롯 안테나를 일체화한 광전지 일체형 슬롯 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나는 광전효과에 의해 생성한 전류를 전달하는 버스바를 포함하는 메탈 그리드가 일면에 인쇄된 제1 기판; 상기 제1 기판의 타면에 배치되고, 슬롯이 형성된 접지 금속층(ground plane);및 상기 접지 금속층의 하부에 배치되고, 상기 슬롯부에 급전을 위한 마이크로스트립 급전라인이 형성된 제2 기판을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광전지 일체형 슬롯 안테나는 상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 버스바에 일단이 연결된 인덕터를 포함하는 AC 차단 회로; 및 상기 AC 차단 회로의 인덕터의 타단과 접지 금속층을 연결하는 연결패치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 기판은 GaAs로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 슬롯은 상기 접지 금속층의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 버스바는 상기 제1 기판의 양단에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광 전지의 기판의 일면에 안테나를 집적함으로써, 전원 케이블이 필요하지 않아 설치 및 사용이 용이하며, 별도의 전원 공급 장치를 필요로 하지 않아, 물리적 크기 및 무게가 감소되는 효과가 있다. 이러한 안테나는 경량 및 소형화되어 5G 통신 및 IoT 시스템에서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나는 안테나가 광전지 패널에 방해가 되지 않아 광전지 효율이 우수하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 광전지 일체형 슬롯 안테나의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 광전지 일체형 슬롯 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 광전지 일체형 슬롯 안테나의 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나의 방사패턴의 시뮬레이션 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 광전지 일체형 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서 (a)는 광전지 일체형 슬롯 안테나의 평면도, (b)는 광전지 일체형 슬롯 안테나의 접지 금속층(ground plane)을 나타낸 도면, (c)는 광전지 일체형 슬롯 안테나의 측면도를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나는 제1 기판(110), 접지 금속층(120), 제2 기판(130)을 포함한다. 제1 기판(110) 및 접지 금속층(120)은 광전지로서 기능하고, 접지 금속층(120) 및 제2 기판(130)은 안테나로서 기능한다.
제1 기판(110)은 소정의 유전율을 가지는 유전체 기판으로서, 박막 형태로 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 제1 기판(110)은 광전지 기판 예컨대 GaAs로 형성되었으나, 다른 유전체 기판을 사용할 수도 있다. 또한, 기판(110)은 유전상수(ε r )는 12.9, 손실 탄젠트(tanδ)는 0.0004　, 두께(h 2 )는 0.385 mm로 구성될 수 있다.
제1 기판(110)은 일면에 복수개의 핑거바와 두 줄의 버스바(112)를 포함하는 메탈 그리드(111)가 인쇄된다. 핑거바는 버스바(112)에 수직하게 형성된다. 두줄의 버스바(112)는 기판(110)의 양단에 길이(L) 방향으로 배치된다. 핑거바와 버스바(112)는 빛 광자가 광전효과에 의해 생성한 전자를 기전력에 의해 이동하는 통로(광기전력효과)가 된다.
메탈 그리드는 스크린 인쇄라는 기술을 통해 광전지 셀 표면인 제1 기판(11)에 인쇄된다. 버스바는 전도성 물질로 형성되며 전류 전도도(current conductivity)와 산화 감소를 위해 은도금(silver plating)될 수 있다.
메탈 그리드(111)는 상기 버스(112)에 수직한 복수개의 그리드 선(핑거바)을 가지며, 각각의 그리드 선은 p　=　1.975mm　간격으로 이격되어 있다. 그리드 선과 버스바(112)는 각각 g　w　=　0.1 mm 및　b　s　=　1 mm의 너비를 갖는다.
접지 금속층(120)은 제1 기판(110)과 제2 기판(130) 사이에 배치된다. 즉 제1 기판(110)의 하부 제2 기판(130)의 상부에 배치된다.
접지 금속층(120)은 슬롯 안테나의 접지면 역할을 수행한다. 접지 금속층(120)은 공명을 위한 슬롯(slot)(121)을 포함한다.
슬롯(121)은 길이(L a )가 폭(W a ) 보다 긴 직사각형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 슬롯 안테나에서 슬롯의 크기에 따라 공진 주파수가 제어되므로, 슬롯 안테나의 공진 주파수에 따라 슬롯(121)의 크기를 설정한다. 슬롯(121)은 접지 금속층(120)의 폭 방향(W)으로 배치된다. 즉, 슬롯(121)은 접지 금속층(120)의 폭방향으로 길게 형성된다.
AC 차단 회로(113)는 광전지로의 RF 전류 흐름을 방지하기 위한 회로로서, 59nH 인덕터로 구현된다. 인덕터의 일단은 제1 기판(110)의 버스(112)에 연결된다.
AC 차단 회로(113)는 제1 기판(110)의 일면에 배치될 수 있다.
연결 패치(114)는 AC 차단 회로(113)의 인덕터의 타단과 안테나의 접지면인 접지 금속층(120)을 연결한다.
AC 차단 회로(113) 및 연결 패치(114)는 제1 기판(110)의 일면에 배치될 수 있다.
제2 기판(130)은 접지 금속층(120)의 하부에 배치되고, 마이크로스트립 급전라인이 형성된다. 마이크로스트립 급전라인(131)은 일단이 상기 슬롯에 대응하는 위치에 배치된다.
제2 기판(130)은 유전상수(ε r )는 3.38, 손실 탄젠트(tanδ)는 0.0027　, 두께(h 2 )는 0.508 mm로 구성될 수 있다.
마이크로스트립 급전라인(131)은 공급받은 전력을 공급한다. 마이크로스트립 급전라인(131)의 저항은 50Ω일 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 마이크로스트립 급전라인(131)은 머리 영역, 중간 영역, 꼬리 영역을 포함할 수 있다. 머리 영역은 슬롯(121)을 포함하거나 슬롯(121)을 넘어간 영역을 말하고, 중간 영역은 머리 영역이하 꼬리 영역까지의 영역을 말한다. 중간 영역의 길이 Q L 는 1/4 파장이고, 중간 영역 이후부터 전지 금속층(120)의 일단까지의 길이가 꼬리 영역이 된다. 이때, 중간 영역의 폭은 꼬리 영역과 머리 영역의 폭 보다 좁게 형성될 수 있다. 중간 영역의 사이즈 변형에 의해 임피던스 매칭을 개선할 수 있다.
설계된 광전지 통합 슬롯 안테나는 ANSYS 고주파 구조 시뮬레이터로 시뮬레이션할 수 있다. 이때, 안테나의 최적 설계 파라미터는 예컨대, 설계된 광 전지 통합 슬롯 안테나의 최종 매개 변수 값은 다음과 같다.
h　1　=　0.508 mm,　h　2　=　0.385 mm,　W　=　25 mm,　L　=　31.75 mm,　L　1　=　29.5 mm,　L　2　=　2.25 mm ,　L　a　=　12.5 mm,　W　　a　　=　2.1 mm,　Q　w　=　0.25 mm,　Q　L　=　11.7 mm,　F　w　=　1.3 mm,　F　L　=　4.25 mm,　L　m　=　0.25 mm
이하, 이러한 최적 설계 파라미터를 적용한 경우, 안테나 성능에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 광전지 일체형 슬롯 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프, 도 4는 도 1에 도시된 광전지 일체형 슬롯 안테나의 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제작된 프로토 타입의 측정된 임피던스 대역폭은 5.63GHz에서 5.9GHz으로 약 270MHz으로 측정되었고, 시뮬레이션된 임피던스 대역폭은 5.59GHz에서 5.82GHz으로 약 230MHz으로 시뮬레이션되었다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나의 시뮬레이션된 반사계수와 측정된 반사계수가 거의 일치함을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나의 대역폭 5.6 GHz 내지 5.8 GHz 사이에서의 시뮬레이션된 최대이득은 3.41dBi이고, 동일 대역폭에서의 측정된 최대이득은 약 3dBi로 약간 감소하였으나, 거의 비슷함을 알 수 있다. 이러한 오차는 측정 오차 범위에 포함된다.
설계된 광전지 일체형 슬롯 안테나는 쌍극자와 같은 무지향성 방사 패턴을 가지며, 광 전지의 유무에 따라 방사 특성이 변하지 않는다.
일 실시예에 따라, 최적 설계 파라미터를 적용한 광전지 일체형 슬롯 안테나의 방사특성을 대한민국 인천 RFID / USN 센터의 완전 무반향실에서 측정하였다.
무반향 실의 크기는 15.2m (W) Х 7.9m (L) Х 7.9m (H)이고, 송신기로 혼 안테나를 사용하였다. 수신기로, 일 실시예에 따른 최적 설계 파라미터를 적용한 광전지 일체형 슬롯 안테나를 사용하였다.
송신기와 수신기의 거리는 10m 거리로 하였으며, 광전지 일체형 슬롯 안테나는 혼 안테나가 고정된 상태에서 -180 °에서 180 °로 원형으로 이동되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전지 일체형 슬롯 안테나의 방사패턴의 시뮬레이션 결과이다.
도 5를 참조하면, 측정된 방사 패턴과 시뮬레이션 된 방사 패턴은 E- 평면과 H- 평면에서 비교적 일치 함을 알 수 있다. 측정된 방사 패턴에서의 E- 평면과 H- 평면의 일부 오차는 측정시 사용된 테이프 등에 의한 측정 오차이다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광전지 일체형 슬롯 안테나가 광전지와 안테나로서 동시에 작동할 수 있으므로, 소형화 경량화를 가져올 수 있다. 또한, 광전지 일체형 슬롯 안테나는 우수한 이득 성능과 임피던스 대역폭 내에서 안정적인 무지향성 방사 패턴을 보여준다.
이처럼 광전지 일체형 슬롯 안테나의 우수한 특성은 소형화 및 경량화 특성과 결합되어, 저전력 IoT 애플리케이션 및 센서 기술을 위한 온보드 전원으로 활용할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 제1 기판
111 : 메탈 그리드
120 : 접지 금속층
121 : 슬롯
130 : 제2 기판
131 : 마리크로스트립 급전라인

Claims (5)

  1. 광전효과에 의해 생성한 전류를 전달하는 버스바를 포함하는 메탈 그리드가 일면에 인쇄된 제1 기판;
    상기 제1 기판의 타면에 배치되고, 슬롯이 형성된 접지 금속층(ground plane);및
    상기 접지 금속층의 하부에 배치되고, 상기 슬롯에 급전을 위한 마이크로스트립 급전라인이 형성된 제2 기판
    을 포함하는 광전지 일체형 슬롯 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 버스바에 일단이 연결된 인덕터를 포함하는 AC 차단 회로; 및
    상기 AC 차단 회로의 인덕터의 타단과 접지 금속층을 연결하는 연결패치
    를 더 포함하는 광전지 일체형 슬롯 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 광전지 기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전지 일체형 슬롯 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯은 상기 접지 금속층의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 하는 광전지 일체형 슬롯 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버스바는 상기 제1 기판의 양단에 배치되는 것을 특징으로 하는 광전지 일체형 슬롯 안테나.
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