KR20050098474A - 스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치 - Google Patents

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Abstract

스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치가 개시된다. 전기기기나 전자기기에 탑재된 전기회로에 전원을 공급하거나 전원공급을 보충하기 위하여, 본 발명의 전원공급장치는 어디에서나 수신 가능한 라디오 방송파의 스펙트럼 에너지로부터 필요한 전원을 추출한다. 이를 위하여 복수개의 프렉탈 안테나를 사용하고, 수신한 교류 에너지를 직류전원으로 변환하는 정류부와 복수개의 직류전원을 중첩하여 하나의 직류전원으로 출력하는 전원결합회로부를 구비한다. 본 발명은 집적회로 내에 한 개의 칩으로 구현될 수도 있다. 이를 통하여, 배터리로 동작하는 기기의 전원을 공급하거나 배터리를 계속 충전함으로써 배터리의 사용시간을 늘릴 수 있다.

Description

스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치{Power Supply device by a spectral power reuse}
본 발명은 전원공급장치에 관한것으로, 상세하게는 어디에서나 수신 가능한 일반 라디오 방송파의 스펙트럼 에너지로부터 필요한 전원을 추출하여 전기기기나 전자기기의 전원을 공급하거나 배터리를 충전하기 위한 스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치에 관한 것이다.
핸드폰, 무선인터넷 단말기, 스마트폰, PDA 등의 각종 이동용 통신기기, 모바일 컴퓨터, 휴대용 프린터, 비행기, 우주선 또는 유선방식의 전원을 사용할 수 없는 지역에서의 각종 전기,전자기기의 전원으로 주로 사용되는 것은 배터리이다. 그러나 배터리는 현재 기술로서 그 물리적 크기와 충전용량의 한계가 있으며, 이에따라 배터리 자체가 아니라 다른 전원 소스(source)로부터 전원을 공급받는 방법도 모색되고 있다. 무선 주파수파(Radio Frequency Wave, 이하 'RF파'라고 함)의 스펙트럼 에너지(Spectrum energy)로부터 그 전원을 공급받는 것이 그 한 예 일것이다. 그러한 스펙트럼 에너지로부터 공급받는 전원을 스펙트럴 파워(Spectral Power)라고 정의 한다.
이런 기술의 구성은 일반적으로 전원을 RF파의 형태로 공급하는 전원송신장치가 있고 RF파의 형태로 공급되는 전원을 수신하는 전원수신장치를 구비한다. 전원수신장치가 최종적으로 전원을 사용하는 장치가 될 수도 있고 또 다른 장치를 위한 배터리 충전장치가 될 수도 있을 것이다. 또한 그 사용 주파수 대역도 상이하며 그에 따라 공급되는 에너지 즉 전원의 크기도 달라질 수 있다. 이런 RF파 형태의 에너지원을 정확하게는 전자기파(electromagnetic wave)라고 한다. 무선 주파수대역의 전자기파는 자기파(magnetic wave)가 전자파(electric wave)와 결합할 때 발생한다. 전자기파의 스펙트럼은 라디오 방송파로부터, 텔레비젼 방송파, 마이크로웨이브(microwave), 엑스레이(x-ray) 등의 다양한 전자기파를 포함한다. 각 종류의 전자기파의 기본적인 차이는 파장이다. 그러므로, 전자기파의 특징은 그 전자기파가 가지는 에너지, 파장, 주파수로 나타낼 수 있다. 전자기파의 에너지는 다음의 수학식 1에 의하여 계산되어 진다. 여기서 h는 플랑크 상수(Plank's constant)로서 6.626 X 10-34[JOULE/SECOND] 이며, f 는 주파수로서 그 단위가 [second-1]이며, E는 단위가 [Joule]로써 에너지를 나타낸다.
전자기파의 에너지가 위와 같은 수학식에 의해 계산될 경우에, 수신장치에서 공급 받을 수 있는 전력의 크기는 다음의 수학식 2에 의하여 계산되어 진다. 여기서 PRx는 수신안테나에서의 수신전력(Received Power at the receiver antenna), PTx는 송신안테나에서의 송신 전력(Transmitted Power by the transmitter antenna), GRx는 수신안테나 이득(Receiver antenna Gain), GTx는 송신안테나 이득(Transmitter antenna Gain), λ는 파장(Wavelength of the Radiated wave), 그리고 L은 매질의 손실계수(Loss factor of the medium)를 나타낸다. d는 거리로서 단위는 [meter]이고, π는 원주율로서 근사값 3.14159로 나타낼 수 있다.
종래 기술로서 이러한 것에 관한 것들로는 무선 카드리더(RF Card Reader)시스템, 기타 무선 충전시스템 등이 그 일 예가 될 것이다. 이러한 시스템들은 별도의 전원송신장치를 구비하여 거기에서 전원을 RF파의 형태로 출력하며 일정거리 안에 위치한 수신장치가 이를 수신하여 자신의 구동전원으로 변환하여 사용하는 것이다. 이들의 특징은 전원송신장치로부터 일정 거리, 일반적으로 수 미터이내에 한정된다는 것이다. 그리고 전원송신을 위한 RF파 형태로 전원을 송신하는 별도의 장치가 필요하다는 점이다. 그러므로 어느 정도 가까운 일정거리를 벗어나 있거나 별도의 전원송신장치가 없으면 안되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 AM,FM 라디오 주파수대역의 방송파로부터 스펙트럴 파워를 추출함으로써 별도의 전용 전원송신장치 없이, 전기기기나 전자기기 또는 그 부품에 전원을 공급하고, 배터리를 충전할 수 있는 스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 해결하기 위한, 본 발명에 따른 스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치는, 적어도 하나의 안테나를 구비하며, 무선 주파수(Radio frequency)대역의 서로 다른 라디오 방송파를 수신하는 안테나부, 상기 안테나부의 상기 적어도 하나의 안테나에 수신된 라디오 방송파를 정류하여 각각 직류전원으로 변환하는 정류부 및 상기 정류부로부터의 직류전원들을 중첩하여 하나의 직류전원으로 출력하는 전원결합회로부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 안테나부의 상기 적어도 하나의 안테나는 프렉탈 안테나 및 프렉탈구조가 혼합된 안테나 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 안테나부의 안테나는 자기진동모드(self-oscillation mode)에서 여기할 수 있는 능력을 갖는 특이 물질(meta-materials)로 할 수 있다.
나아가, 배터리를 더 포함하고, 상기 전원결합회로부는 소모될 전원의 크기를 감지하고 상기 정류부에서의 출력이 부족한 경우 상기 배터리 전원을 함께 출력하게 할 수 있다.
여기에 상기 전원결합회로부로부터 직류전원을 수신받아 상기 배터리를 충전하는 배터리충전부를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 안테나부의 상기 각 안테나가 전기기기 또는 전자기기의 케이스에 부착할 수 있다.
그리고, 상기 안테나부, 정류부 및 전원결합회로부가 한 개의 칩(Chip)내에 포함될 수도 있다.
본 발명의 장치는 주로 핸드폰, 무선인터넷 단말기, 스마트폰, PDA 등의 각종 이동용 통신기기, 모바일 컴퓨터, 휴대용 프린터, 비행기, 우주선 등의 배터리를 주전원으로 사용하는 장치나 유선방식의 전원을 사용할 수 없는 지역에서의 각종 전기,전자기기에 사용될 수 있다. 본 발명은 라디오 방송용 AM, FM 방송파가 지구상의 일반적인 문명화된 지역에는 항상 존재한다는 것에서 출발한다. 그러므로 엄밀하게는 라디오 방송이 수신되지 않는 곳이 아니어야 한다는 지역적 한계를 내포하지만, 상기의 실제사용되는 장치들에 관한 일반적인 사용이라면 어디에서나 가능하다고 말할 수 있다.
이하 도면을 이용하여 본 발명의 기술적 사상에 대해 상세하게 설명한다. 도 1는 본 발명에 따른 스펙트럼 에너지를 활용한 전원공급장치의 블록도로서 1 실시예를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 전원공급장치는 안테나부(110), 정류부(120), 전원결합회로부(Power Combining Circuit, PCC)(130), 배터리충전부(140), 회로블록(150), 그리고 배터리(160)를 포함한다.
안테나부(110)는 적어도 하나의 안테나(111)를 포함할 수 있으며, 각 안테나(111)는 무선 주파수(Radio frequency)대역 중에서 AM 또는 FM 방송파(Broadcasting Wave)를 수신한다. 이러한 AM 또는 FM 방송파는 전자기파(electromagnetic wave)이며 여기서 기기의 구동 전력인 스펙트럴 파워를 추출한다
본 발명의 장치는 RF파 대역의 모든 주파수에서 스펙트럴 파워를 추출할 수 있다. 그러나 그중에서도 라디오 방송용 RF파를 사용한다. 라디오 방송용 주파수 대역은 3 ㎑의 장파에서부터 300 ㎓의 밀리파까지의 대역을 사용하고 있으며, 30 ㎓이상의 밀리파 대역은 아직 일부만 사용중이며 개발 대상영역이다. 향후 300 ㎓이상의 대역도 개발되어 확장될 전망이다. 본 발명의 장치는 라디오 방송용 주파수 대역의 모든 라디오 방송으로부터 스펙트럴 파워를 추출할 수 있다. 다만, 전세계적으로 주로 사용되는 것이 중파인 AM 과 초단파인 FM 방송이므로 이를 사용하는 것이 바람직하며, 안테나(111)도 이 대역을 수신토록 하는것이 바람직하다. AM 방송은 대개 300 ㎑ ~ 3000 ㎑ 사이의 중파를 사용하고, FM 방송은 대개 30 ㎒에서 300 ㎒사이의 초단파를 사용한다.
AM, FM 방송파에서 추출할 수 있는 스펙트럴 파워는 하나의 숫자로 정의될 수는 없다, 지역적 영향에 따른 감도의 차이, 수신 안테나(111)의 개수, 그리고 그 방송파 자체의 출력의 크기 등 그 제한 요소에 따라 가변하기 때문이다. FM의 경우 라디오 송신기에서 약 40 ㎞ 떨어진 곳에서 6개의 안테나(111)를 가지고 측정하면 수 십㎼ 정도이고, AM의 경우에는 약 수 ㎽ 가 측정되기도 있다. 다만, 이런 값들은 그 수신 가능한 스펙트럴 파워의 정도을 가늠할 데이타가 될 뿐이다.
안테나부(110)는 본 발명의 효율을 결정하는 중요한 부분이다. AM, FM 라디오 방송 주파수는 지역마다 다르기 때문에 안테나(111)는 라디오 주파수 대역의 대부분의 방송 주파수를 수신할 수 있어야 한다. 또한 안테나(111)는 본 발명의 장치가 구현될 기기나 소자의 크기에 부합해야 한다. 그리고 필요한 주파수 대역에 의해 결정되는 물리적 크기의 제한과도 부합해야 한다. 그 가능한 선택의 하나가 프렉탈이론(Fractal Theory)을 이용한 프렉탈 안테나(Fractal antenna)를 사용하는 것이다.
프렉탈 안테나(fractal antenna)라고 하는 것은 랜덤 프렉탈이론에 바탕을 두고, 프렉탈 형태의 특징을 적용한 안테나를 말한다. 프렉탈 이론은 산, 나무, 해안선 등 복잡한 구조를 가진 대상을 수학적인 모델로 표현한 이론으로, 여러개의 다른 주파수를 한꺼번에 처리하는 안테나 개발에 이용 가능하다. 프렉탈 안테나의 대표적인 특징으로는 광대역 및 다중대역 특성, 안테나의 크기를 줄일 수 있는 것 등을 들 수 있다. 프렉탈 안테나는 그 형태가 가지는 자기 유사성(self-similar) 때문에 다중 대역의 특성을 가지고, 공간 채움(space-filling) 특성에 의해 안테나의 크기를 줄일 수 있다. 프렉탈이 이상적으로는 무한대로 반복되는 형태이지만, 실제로 안테나로 제작할 수 있는 것은 유한의 반복뿐이므로, 실제 프렉탈 안테나는 제한을 가진다. 또한 프렉탈 안테나의 물리적 크기는 수신할려는 주파수 대역과 일치해야 한다. 나중에 다시 얘기 되겠지만, 프렉탈 안테나를 사용함으로써 본 발명이 한 개의 집적회로(Integrated Circuit)로 구현될 수 있게 한다.
프렉탈 안테나를 대신하여 단극안테나(monopole antenna)를 사용할 수 있다. 그러나 안테나 크기가 전원이 최종적으로 사용될 기기 즉 회롤블록(150)의 크기와 관련하여 상대적으로 커져야 한다.
또한 안테나는 자기진동모드(self-oscillation mode) 즉 그 자체의 자기공진주파수(self-resonance frequency)에서 여기될 수 있는 합성물질로 만들어질 수 있다. 이러한 안테나 물질은 순수 물질로 얻을 수 없는 특성을 갖는 합성물질로 특이물질(meta-materials)로 정의된다. 특이물질의 예로서 NaCaB506(OH)6-5H20 (Hydrate Sodium Calcium Borate Hydroxide) 등을 들 수 있다.
안테나부(110)의 안테나(111)는 한 개 또는 복수개를 사용할 수 있으며 그 수의 제한은 없다. 플렉탈 안테나를 사용하면 한 개의 안테나로도 가능할 수 있다. 복수개의 안테나를 사용하는 것은, 한 개의 안테나(111)가 수신할 수 있는 전원의 크기가 미세하기 때문으로 그 지역에 존재하는 복수개의 가능한 라디오 공중파를 수신하고 이를 중첩하여 필요한 크기의 전력을 가지기 위함이다. 다만, 안테나(111)의 수가 증가함에 따라 연결되는 정류부(120) 및 전원결합회로부(130)등의 회로가 같이 커지게 되므로, 그 회로의 크기 등의 제약을 받는다.
정류부(120)는 안테나부(110)의 각 안테나(111)에서 수신한 교류인 방송파를 직류전원으로 변환하는 장치이다. 정류부(120)내의 정류기(121)는 각 안테나(111)에 할당된 정류회로로서, 각 안테나(111) 채널마다 별도로 둔다.
전원결합회로부(130)는 정류부(120)의 각 정류기(121)에서 출력되는 직류전원을 하나의 직류전원으로 만들고 이를 회로블록(150)내의 각 부품에 공급하는 장치이다. 이를 위하여 수 개의 정류기(121)에서 나오는 직류전원을 중첩이론(superposition Theory)에 의하여 하나의 직류전원으로 만든다. 전원결합회로부(130)의 출력은 전원이 사용될 회로블록(150)내의 각 부품으로 직접 공급될 수도 있고, 배터리(160)를 구비한 경우라면 배터리충전부(140)을 통하여 배터리(160)를 충전할 수 있다. 또한 스펙트럴 파워에 의한 전원공급으로 충분히 회로블록(150)을 구동시킬 수 있다면 배터리(160)의 전원공급을 차단할 수 있으며, 스펙트럴 파워로 부족한 경우는 배터리(160)와 함께 회로블록(150)에 전원을 공급할 수 있다.
배터리충전부(140)는 전원결합회로부(130)의 출력으로 배터리(160)를 충전시키기 위한 장치이다.
회로블록(150)은 실제로 스펙트럴 파워를 사용할 기기로서 직류전원을 사용하는 모든 기기가 될 수 있다. 다만, 그 스펙트럴 파워로부터 공급가능한 전원의 크기 등을 고려할 때, 바람직하게는 전기의 소모량이 적은 휴대전화기, 휴대용 개인 정보단말기(Personal Digital Assistants) 등 소형기기이거나 칩(chip) 단위의 소자일 수 있다.
배터리(160)는 회로블록(150)에 전원을 공급하는 장치로서, 본 발명의 구성에 포함되는 필수적인 장치는 아니다. 회로블록(150)의 구동을 위해 필요한 전원이 전원결합회로부(130)로부터의 출력으로 부족한 경우 등 기타의 필요에 의하여 구비될 수 있다. 이런 경우에 배터리(160)는 배터리충전부(130)의 출력으로 충전될 수 있으며, 외부에서 충전된 것으로 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 스펙트럴 파워를 활용한 전원공급장치의 실제적인 실시예를 살피면,
첫째, 상기의 안테나부(110), 정류부(120), 전원결합회로부(130)를 한 개의 칩(Chip)안에 실장하여 집적회로(Integrated Circuit, IC)로 구현하는 것이다. 단독으로 전원공급장치로 구현하는 방법 뿐 아니라 다른 부품과 함께 칩으로 구현하여 그 부분에 한정적으로 전원을 공급할 수 있다. 이를 위하여, 안테나부(110)의 각 안테나(111)로 프렉탈 안테나를 사용하여 그 크기를 줄이고, 나머지 부품과 함께 집적회로 설계기술에 의하여 칩으로 구현함으로써 전기,전자기기 전체를 구동하지 못하더라도 그 부분에 한정적으로 구동전원을 공급하는 역할을 할 수도 있다.
둘째, 본 발명의 장치가 배터리를 구비한 장치에 사용될 경우에, 그 배터리 장치의 충전수단으로 사용될 수 있다. 일반적으로 유선에 의한 전원공급이 가능한 경우에는 AC와 연결된 어댑터를 사용하여 충전하고, 그 보조 충전수단으로 본 발명의 장치를 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 라디오 방송이 수신되는 곳이라면 어디에서라도 본 발명의 장치에 의하여 전기기기 및 전자기기 등 전기를 사용하여 구동하는 장치에 전원을 공급할 수 있다. 이에 따라 종래기술에서 처럼 별도의 전원송신장치를 구비할 필요가 없고 전원송신장치와의 거리의 한계를 극복할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 장치에 의하여 직접적으로 전기기기 등을 구동할 수도 있고, 그 전력이 필요한 양에 미치지 못하는 경우라도 배터리 장치등을 지속적으로 충전시켜 배터리의 사용시간을 늘릴 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전원공급장치의 블럭도 이다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 안테나를 구비하며, 무선 주파수(Radio frequency)대역의 서로 다른 라디오 방송파를 수신하는 안테나부;
    상기 안테나부의 상기 적어도 하나의 안테나에 수신된 라디오 방송파를 정류하여 각각 직류전원으로 변환하는 정류부; 및,
    상기 정류부로부터의 직류전원들을 중첩하여 하나의 직류전원으로 출력하는 전원결합회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나부의 상기 적어도 하나의 안테나는 프렉탈 안테나 및 프렉탈구조가 혼합된 안테나 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나부의 안테나는 자기진동모드(self-oscillation mode)에서 여기할 수 있는 능력을 갖는 특이 물질(meta-materials)인 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리;를 더 포함하고,
    상기 전원결합회로부는 소모될 전원의 크기를 감지하고 상기 정류부에서의 출력이 부족한 경우 상기 배터리 전원을 함께 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전원결합회로부로부터 직류전원을 수신받아 상기 배터리를 충전하는 배터리충전부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나부의 상기 각 안테나가 전기기기 또는 전자기기의 케이스에 부착되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나부, 정류부 및 전원결합회로부가 한 개의 칩(Chip)내에 포함되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치.
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