KR20170008901A - 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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KR20170008901A
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Abstract

본 발명의 일실시예는 광대역 전자기파 변환 및 저장장치와 그 장치를 이용하는 시스템에 관한 것으로, 저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집 또는 수확하여 부하(Load)(70)로 공급하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서, 고주파대역의 전자기파를 포집하는 안테나(100), 저주파대역의 전자기파를 포집하는 코일부(101)를 포함하여 이루어지고, 포집된 상기 고주파대역의 전자기파를 및 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압노드(102a, 102b) 및 입력전류노드(103)에 각각 인가되는 입력전압 및 입력전류로 형성하는 안테나부(10), 상기 안테나부(10)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 직류로 정류하는 변환부(40), 상기 변화부의 출력단에 연결되고 레귤레이터(60)에서 상기 변환부(40)로 전류의 역류를 막는 역전류방지부(50), 상기 변환부(40)와 병렬로 연결되어 소정의 전압과 전류를 출력하여 상기 부하(Load)(70)에 인가하는 레귤레이터(60)를 포함하여 이루어지는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.

Description

광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템 {A energy harvesting system using a broadband Electromagnetic waves}
본 발명은 광대역 전자기파 변환 및 저장장치와 그 장치를 이용하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파 수신부, 전자파에너지 변환회로, 역전류방지 다이오드, 정전압 회로 혹은 레귤레이터를 포함한 출력부를 포함하며 저주파부터 고주파까지 모든 영역의 전자기파를 수집할수 있는 광대역 전자기파 변환 및 저장장치와 그 장치를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
종래기술인 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술은 주변 환경을 이용하여 에너지를 얻는 분야로, 주변의 에너지를 회로 구동에 이용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 이러한 기술은 배터리 없이, 또는 별도의 전원을 이 용한 배터리 충전 없이도 회로가 동작하도록 함으로써 다양한 센서 및 이를 이용한 통신 소자 등의 전원 또는 보조 전원으로 이용될 수 있으며 그 응용 범위가 상당히 넓은 특징이 있다. 또한, 주변에서 버려지는 에너지를 효율적으로 재사용함으로써 자연 환경을 보존할 수 있는 미래 산업 분야이기도 하다. 이러한 에너지 하베스팅 기술로는 태양 전지(Solar cell)를 이용하여 자연 환경의 빛으로부터 에너지를 얻는 방법이 가장 많이 알려져 있다. 그런데 이 방법의 경우 건물 등의 실내 환경 하에서 얻을 수 있는 에너지의 효율 이 매우 낮은 편이며, 작은 회로 소자에 적용하기에는 필요 면적이 크기 때문에 적용할 수 있는 분야가 한정적 이다. 최근에는 진동(Vibration)이나 온도 차이 등을 이용해 에너지를 얻는 방법, 밀리미터(mm) 크기의 안테나를 이용해 전자기파 신호를 수신하여 에너지를 얻는 방법 등 다양한 방법으로 에너지를 얻고자 하는 연구가 진행되고 있다. 한편, 현재 실내에서 사용되는 조명 기기들은 기기당 수십 와트(Watt)의 큰 소비 전력을 가지며, 조명 기기로 입력되는 전력 중 일부는 빛으로 전환되지 않고 열과 전자기파로 방사된다. 따라서, 이러한 조명 기기들로부터 방출되는 전자기파를 에너지원으로 이용할 경우 얻을 수 있는 전력이 상당히 크다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 형광등의 경우 구동 방식에 따라 자기식 안정기 방식과 전기식 안정기 방식으로 구분되며, 구동 특성상 자기식 안정기 방식은 주파수 60Hz의 전자기파를, 전기식 안정기 방식은 수십 kHz 대역의 전자기파를 방출한다. 그런데, 종래의 안테나 방식을 사용할 경우 이렇게 낮은 주파수 대역의 전자기파를 흡수할 수 있는 안테나를 구현 하여 방출되는 전자기파를 획득하는 것은 공간적인 제한으로 인해 거의 불가능하다는 문제점이 있다.
대한민국특허 제 10-0751875호 (발명의 명칭 : 전파를 이용하여 전력 에너지를 수신하는 안테나 일체형 무선 전원 장치, 이하 종래기술1이라 한다.)에 전파를 이용하여 전력 에너지를 수신하고, 상기 전력 에너지를 외부 장치에 공급하는 안테나 일체형 무선 전원 장치에 있어서, 단일의 유전체 기판 상에 형성되는 접지부와, 상기 접지부 상에 형성되는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 특정한 패턴에 따라 형성되는 안테나와, 상기 안테나에 의해 수신된 신호에 대한 필터링과 과전압제한 및 정류를 수행하며 상기 반도체 기판상에 형성되는 전력 변환부와, 정류된 신호를 검사하고 상기 안테나로의 역방전을 방지하며 상기 반도체 기판상에 형성되는 전력 제어부 및 상기 전력 제어부로부터 공급받은 전력을 임시로 저장하며 상기 반도체 기판상에 형성되는 전력 저장부를 구비하는 복수개의 무선 전원 IC 칩; 상기 복수 개의 무선 전원 IC 칩을 가로줄 및 세로줄 주소 중 적어도 어느 하나의 주소에 따라 선택하는 주소부, 외부로부터의 제어신호를 메모리에 저장하고, 상기 제어신호에 따라 상기 주소부를 제어하여 상기 복수개의 무선 전원 IC 칩의 온/오프(on/off)를 결정하는 제어신호 발생부, 및 상기 복수개의 무선 전원 IC 칩으로부터 제공받는 전력을 집속하고, 상기 집속된 전력을 상기 제어신호 발생부 및 상기 외 부 장치 중 적어도 어느 하나에 제공하는 전력 집속부를 포함하는 안테나 일체형 무선 전원 장치가 개시되어 있다.
대한민국특허 제 10-0751875호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술1은 에너지 하베스팅에 있어서 회로와 시스템의 구성이 복잡하고 효율적이지 못하다는 제1문제점, 전자기파를 포집하는데 있어서 특정주파수만을 포집한다는 제2문제점, 부하(Load)(70), 배터리(80) 또는 슈퍼캐패시터(81)에서 역류하는 전류를 방지하지 못한다는 제3문제점을 해결하려는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집 또는 수확하여 부하(Load)(70)로 공급하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서, 고주파대역의 전자기파를 포집하는 안테나(100), 저주파대역의 전자기파를 포집하는 코일부(101)를 포함하여 이루어지고, 포집된 상기 고주파대역의 전자기파를 및 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압노드(102a, 102b) 및 입력전류노드(103)에 각각 인가되는 입력전압 및 입력전류로 형성하는 안테나부(10), 상기 안테나부(10)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 직류로 정류하는 변환부(40), 상기 변화부의 출력단에 연결되고 레귤레이터(60)에서 상기 변환부(40)로 전류의 역류를 막는 역전류방지부(50), 상기 변환부(40)와 병렬로 연결되어 소정의 전압과 전류를 출력하여 상기 부하(Load)(70)에 인가하는 레귤레이터(60)를 포함하여 이루어지는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 제안한다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집 또는 수확하여 부하(Load)(70)로 공급하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서, 고주파대역의 전자기파를 포집하는 안테나(100), 저주파대역의 전자기파를 포집하는 코일부(101)를 포함하여 이루어지고, 포집된 상기 고주파대역의 전자기파를 및 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압노드(102a, 102b) 및 입력전류노드(103)에 각각 인가되는 입력전압 및 입력전류로 형성하는 안테나부(10), 상기 안테나부(10)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 직류로 정류하는 변환부(40), 상기 변화부의 출력단에 연결되고 레귤레이터(60)에서 상기 변환부(40)로 전류의 역류를 막는 역전류방지부(50), 상기 변환부(40)와 병렬로 연결되어 소정의 전압과 전류를 출력하여 배터리(80) 또는 슈퍼캐패시터(81)에 인가하는 레귤레이터(60)를 포함하여 이루어지는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 제안한다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 안테나부(10)는 상기 변환부(40)에 접지(213)를 제공하는 기능을 구비하는 접지제공부(20)를 더 구비하고 상기 안테나부(10)와 상기 접지제공부(20)는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 접지제공부(20)는 상기 입력전압이 인가되는 제1입력단자(201)와 제2입력단자(202)를 더 구비하고, 상기 제1 입력단자와 연결된 애노드, 및 캐소드를 포함하는 제1다이오드(203), 상기 제1 입력단자와 연결된 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2다이오드(204), 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드와 연결된 캐소드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 애노드를 포함하는 제3다이오드(205), 상기 제2다이오드(204)의 상기 애노드와 연결된 애노드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 캐소드를 포함하는 제4다이오드(206)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 접지제공부(20)는 상기 제1 입력단자 및 제2 입력단자들과 각각 연결되어, 상기 입력전압을 전달받아 외부로 출력하는 제1출력단자(210) 및 제2출력단자(211)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 접지제공부(20)는, 상기 제1 입력단자와 연결된 일단, 및 상기 제1다이오드(203)의 상기 애노드 및 상기 제2다이오드(204)의 상기 캐소드와 연결된 타단을 포함하는 제1저항(207)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 접지제공부(20)는, 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드 및 상기 제3다이오드(205)의 캐소드와 연결된 일단, 및 상기 제2다이오드(204)의 애노드 및 상기 제4다이오드(206)의 애노드와 연결된 타단을 갖는 제2저항(208)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 제2저항(208)의 상기 일단과 연결된 일단, 및 타단을 포함하는 제3저항(209)을 더 포함하되, 상기 제3저항(209)의 상기 타단에 접지가 생성되어, 상기 제3저항(209)의 상기 타단이 상기 변환부(40)와 연결되는 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 코일부(101)는 상기 입력전압을 상기 변환부(40)에 권선수의 비에 따라 변압하여 인가하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 안테나부(10)는 특정 주파수를 선택하여 사용하는 기능을 수행하는 동조부(30)를 더 구비하고 상기 동조부(30)는 상기 변환부(40)와 상기 안테나부(10) 사이에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 역전류방지부(50)는 다이오드로 구성되어 상기 변환부(40)에 직렬 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 레귤레이터(60)는 정전압 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 안테나(100)는 전선(104)에 구비되어 하나 이상의 세선(細線)으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 복수개의 세선(細線)은 편조 또는 횡권의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 레귤레이터(60)가 상기 부하(Load)(70)로 전력을 공급하는 방법에 있어서, 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하고, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하, 상기 (i)단계에서 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부직류전원공급부(91)의 소비전력을 감소시키기 위하여 상기 외부직류전원공급부(91)에 상기 레귤레이터(60)의 출력을 합하여 추가 전력을 확보하여 공급하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 전력 공급방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 상기 레귤레이터(60)가 상기 부하(Load)(70)로 전력을 공급하는 방법에 있어서, 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하고, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하고, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부교류전원공급부(90)의 소비전력을 감소시키기 위하여, 상기 외부교류전원공급부(90)를 상기 변환부(40)와 연결하여 전력을 확보하여 공급하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 전력 공급방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅에 있어서 접지제공부(20)의 위치가 종래기술1 대비하여 에너지변환부(40) 앞에 위치함으로 더 효율적인 회로도 구성을 할 수 있다는 제1효과, 전자파를 포집하기 위한 안테나(100)를 활용하여 광대역의 전자기파를 포집하고 동조부(30)를 추가 구성하여 특정주파수만을 이용하는 방법도 포함하는 제2효과, 부하(Load)(70), 배터리(80) 또는 슈퍼캐패시터(81)를 사용하여 전류를 저장하는 경우 전류가 역류하는 것을 방지 하는 제3효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 전자기파 에너지 시스템을 설명하기 위한 모식도이다.
도2는 본 발명의 접지제공부(20)의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도3은 본 발명의 접지제공부(20)의 일실시예를 나타내는 모식도이다..
도4는 본 발명의 접지제공부(20)의 일실시예를 나타내는 회로도이다.
도5는 본 발명의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도6은 본 발명의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도7은 본 발명의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도8은 본 발명의 일실시예를 나타내는 회로도이다.
도9는 본 발명의 변환부(40)의 일실시예를 나타내는 회로도이다.
도10은 본 발명의 전력공급방법의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도11은 본 발명의 전력공급방법의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도12는 본 발명의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도13은 본 발명의 안타네를 나타내기 위한 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집 또는 수확하여 부하(Load)(70)로 공급하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서,
안테나(100), 코일부(101), 안테나부(10), 변환부(40), 역전류방지부(50), 레귤레이터(60), 동조부(30), 접지제공부(20), 배터리(80), 캐패시터를 주요 구성요소로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템을 제안한다.
이하 주요 구성요소에 대해서 상술하기로 한다.
도1, 도5, 도6, 도7, 도8, 도10, 및 도11에 도시된 도면은, 도2와 도3에 도시된 도면과는 달리 입력전압과 입력전류에 관한 노드(결선)가 생략되어있다.
안테나부(10)는 안테나(100), 코일부(101)를 포함한다. 안테나(100)는 고주파대역의 전자기파를 포집하는 기능을 수행하고, 코일부(101)는 변압기의 기능을 수행하지만 도1의 도시된 코일부(101)의 페라이트를 포함한 왼쪽의 코일은 저주파대역의 전자기파를 포집하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 코일부(101)는 상기 안테나(100)에서 포집한 상기 고주파대역의 전자기파와 상기 코일부(101)에서 포집한 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압 및 입력전류로 상기 접지제공부(20)에 인가하며, 전자기유도를 이용한 변압기의 원리로 오른쪽 부분의 권선수의 비를 조정하여 상기 변환부(40)의 입력전압 및 입력전류를 인가할 수 있다. 상기 코일부(101)는 상기 변환부(40)와 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 안테나부(10)는 상기 변환부(40)에 접지(213)를 제공하는 기능을 구비하는 접지제공부(20)를 더 구비하고 상기 안테나부(10)와 상기 접지제공부(20)는 병렬로 연결될 수 있다.
도4에 도시된 상기 접지제공부(20)의 일실시예를 확인하기 위한 회로도이다. 상기 접지제공부(20)는 상기 입력전압이 인가되는 제1입력단자(201)와 제2입력단자(202)를 더 구비하고, 상기 제1 입력단자와 연결된 애노드, 및 캐소드를 포함하는 제1다이오드(203), 상기 제1 입력단자와 연결된 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2다이오드(204), 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드와 연결된 캐소드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 애노드를 포함하는 제3다이오드(205), 상기 제2다이오드(204)의 상기 애노드와 연결된 애노드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 캐소드를 포함하는 제4다이오드(206)를 포함 할 수 있다.
상기 입력전압이 제1입력단자(201) 및 제2입력단자(202)에 인가 된다는 것의 의미는 상기 제1입력단자(201)및 제2입력단자(202)가 각각 상기 입력전압노드(102a, 102b)에 연결되고 상기 입력전압노드(102a)와 상기 입력전류노드(103)은 동일 노드로 구성될 수 있다.
상기 접지제공부(20)는 상기 제1 입력단자 및 제2 입력단자들과 각각 연결되어, 상기 입력전압을 전달받아 외부로 출력하는 제1출력단자(210) 및 제2출력단자(211)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1출력단자(210)와 상기 제2출력단자는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템이 부하(Load)(70) 또는 배터리(80)에 전원을 공급하는데 있어서, 전력이 모자를 경우 후술하는 전원공급방법 이외로 추가 전원을 더 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 도3과 도4에 도시된 일실시예를 통하여 확인할 수 있다.
상기 접지제공부(20)는, 상기 제1 입력단자와 연결된 일단, 및 상기 제1다이오드(203)의 상기 애노드 및 상기 제2다이오드(204)의 상기 캐소드와 연결된 타단을 포함하는 제1저항(207)을 더 포함할 수 있다.
상기 접지제공부(20)는, 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드 및 상기 제3다이오드(205)의 캐소드와 연결된 일단, 및 상기 제2다이오드(204)의 애노드 및 상기 제4다이오드(206)의 애노드와 연결된 타단을 갖는 제2저항(208)을 포함할 수 있다.
상기 제2저항(208)의 상기 일단과 연결된 일단, 및 타단을 포함하는 제3저항(209)을 더 포함하되, 상기 제3저항(209)의 상기 타단에 접지(213)가 생성되어, 상기 제3저항(209)의 상기 타단이 상기 변환부(40)와 연결되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 접지제공부(20)는 기존접지가 있을 경우 접지제공부(20) 또는 기존접지의 사용을 선택할 수 있고, 선택을 위하여 스위치(212)가 더 구비될 수 있다. 도6과 도7에 도시된 일실시예를 통하여 확인할 수 있다.
상기 안테나부(10)는 특정 주파수를 선택하여 사용하는 기능을 수행하는 동조부(30)를 더 구비하고 상기 동조부(30)는 상기 변환부(40)와 상기 안테나부(10) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 상기 동조부(30)는 가변캐패시터 또는 가변콘덴서를 구비함으로 특정주파수를 제외한 교류전류를 통과시키지 않아 원하는 대역의 주파수만을 이용할 수 있는 장점이 있지만, 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템에 있어서, 특정주파수만 사용하는 것보다 상기 고주파대역의 전자기파와 상기 저주파대역의 전자기파를 포함한 광대역의 전자기파를 사용하는 것이 더 효율적인 경우에는 상기 동조부(30)를 생략할 수 있다.
상기 역전류방지부(50)는 다이오드로 구성되어 상기 변환부(40)에 직렬 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 역전류방지부(50)는 후술하는 레귤레이터(60) 또는 배터리(80)에 전압과 전류가 인가되지 않을 때, 전류가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
상기 레귤레이터(60)는 정전압 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 부하(Load)(70) 또는 상기 배터리(80)에 필요한 소정의 전압과 전력을 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 레귤레이터(60)는 내부에 소정의 내전압을 갖는 캐패시터와 다이오드를 더 구비하여 후술하는 상기 변환부(40)에서 인가되는 전류를 저장할 수 있다.
상기 코일부(101)에서 전자기유도를 통한 변압기의 원리로 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 인가하는데 이때, 상기 입력전류는 교류상태로 이루어져 있는데 상기 변환부(40)는 상기 입력전류를 직류로 정류할 수 있다.
또한, 도9에 도시된 상기 변환부(40)의 일실시예는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템에 포함된 상기 변환부(40)를 설명하기 위한 회로도이다.
상기 변환부(40)는, 제5다이오드(401), 제6다이오드(402), 제7다이오드(403) 또는 제8 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제5다이오드(401)의 캐소드는 제1노드(406)에 연결될 수 있다. 상기 제6다이오드(402)의 애노드는 상기 제1노드(406)에 연결될 수 있다. 상기 제6다이오드(402)의 캐소드는 변환부(40)캐패시터의 일단에 연결될 수 있다. 상기 제5다이오드(401)의 애노드는 상기 변환부(40)캐패시터의 타단에 연결될 수 있다. 상기 제7다이오드(403)의 애노드는 상기 제5다이오드(401)의 상기 애노드와 연결될 수 있다. 상기 제7다이오드(403)의 캐소드는 제2노드(407)와 연결되고, 상기 제8다이오드(404)의 캐소드는 상기 변환부(40)캐패시터의 상기 일단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 변환부(40)는 정류된 직류를 변환부(40)캐패시터에 저장하고 출력할 수 있다.
상기 안테나(100)는 전선(104)에 구비되어 상기 전선(104)의 외주면을 감싸는 방법으로 박판 또는 하나 이상의 세선(細線)으로 이루어지고 상기 세선(細線)은 편조 또는 횡권의 형상으로 이루어질 수 있다. 도13에 도시된 일실시예에서 확인 할 수 있다. 물론, 상기 안테나(100)의 종류에 있어서도 전선에 구비되지 않는 전자기파를 포집할 수 있는 안테나를 배제하지는 않는다. 또한, 상기 안테나(100)의 형상에 있어서 금속재질의 판형, 루프형, 막대형 등의 다양한 형상을 배제하지는 않는다.
상기 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 구동시스템을 설명하면 다음과 같다.
상기 안테나(100)가 상기 고주파대역의 전자기파를 수신 또는 포집하고, 상기 코일부(101)의 왼쪽 코일과 페라이트가 저주파대역의 전자기파를 수신 또는 포집한다.
그 다음, 상기 안테나(100)와 상기 코일부(101)의 입력전압및 입력전류가 접지제공부(20)에 제공된다.
그 다음, 상기 입력전압 및 입력전류가 전자기유도 현상을 이용한 변압기의 원리로 변환부(40)에 인가 된다.
그 다음, 상기 변환부(40)는 상기 입력전류를 직류로 정류한다.
이때, 상기 변환부(40) 전에 상기 동조부(30)를 구비함으로 특정 주파수만을 선택하여 사용할 수 있다.
그 다음, 상기 변환부(40)가 정류한 전류를 출력하여 상기 레귤레이터(60)로 입력한다.
그 다음, 상기 레귤레이터(60)는 부하(Load)(70), 배터리(80) 또는 슈퍼캐패시터(81)에 필요한 전압 및 전류를 출력하여 공급한다.
상기 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 구동 시스템에 있어서, 상기 레귤레이터(60)가 상기 부하(Load)(70)로 전력을 공급하는 방법의 일실시예가 있을 수 있다.
<제1실시예>
공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하고, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하여 부하(Load)(70)가 갖고 있던 기존의 외부직류전원공급부(91)를 대체할 수 있다..
또한, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부직류전원공급부(91)의 소비전력을 감소시키기 위하여 상기 외부직류전원공급부(91)에 상기 레귤레이터(60)의 출력을 합하여 추가 전력을 확보하여 공급할 수 있다. 부하(Load)(70)에 필요한 전력이 유동적으로 변하는데 필요한 만큼 전원에서 공급하는 전류의 양이 변하게 되고, 그 양이 급격히 변할 때 오작동을 막기 위해 소정의 회로들이 추가될 수 있다. 또한, 상기 외부직류전원공급부(91)와 상기 레귤레이터(60)의 출력에 합하여 추가전력을 확보할 때는 증폭의 원리를 활용해OP-AMP 또는 트랜지스터를 사용하여 전압 또는 전류를 합쳐줄 수 있다.
<제2실시예>
공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하고, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하여 부하(Load)(70)가 갖고 있던 기존의 외부교류전원공급부(90)를 대체할 수 있다.
또한, 상기 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부교류전원공급부(90)의 소비전력을 감소시키기 위하여, 상기 외부교류전원공급부(90)를 상기 변환부(40)와 연결하여 전력을 확보하여 공급할 수 있다. 이 경우에는 추가 회로가 필요하지 않고 간단하게 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 부하(Load)(70)에 있는 디커플링 캐패시터를 이용하여 전력을 충전하여 사용하거나, 증폭의 원리를 활용해OP-AMP 또는 트랜지스터를 사용하여 전압 또는 전류를 합쳐줄 수 있다.
상기 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템은 상기 부하(Load)(70)에 전력을 공급할 뿐만 아니라 상기 배터리(80) 또는 상기 슈퍼캐패시터(81)를 이용하여 전력을 저장하여 사용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 안테나부
100 : 안테나
101 : 코일부
102 : 입력전압
103 : 입력전류
104 : 전선
20 : 접지제공부
201 : 제1입력단자
202 : 제2입력단자
203 : 제1다이오드
204 : 제2다이오드
205 : 제3다이오드
206 : 제4다이오드
207 : 제1저항
208 : 제2저항
209 : 제3저항
210 : 제1출력단자
211 : 제2출력단자
212 : 스위치
213 : 접지
30 : 동조부
40 : 변환부(40)
401 : 제5다이오드
402 : 제6다이오드
403 : 제7다이오드
404 : 제8다이오드
405 : 변환부캐패시터
406 : 제1노드
407 : 제2노드
50 : 역전류방지부
60 : 레귤레이터
70 : 부하
80 : 배터리
81 : 슈퍼캐패시터
90 : 외부교류전원공급부
91 : 외부직류전원공급부

Claims (30)

  1. 저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집 또는 수확하여 부하(Load)(70)로 공급하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서,
    고주파대역의 전자기파를 포집하는 안테나(100), 저주파대역의 전자기파를 포집하는 코일부(101)를 포함하여 이루어지고, 포집된 상기 고주파대역의 전자기파를 및 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압노드(102a, 102b) 및 입력전류노드(103)에 각각 인가되는 입력전압 및 입력전류로 형성하는 안테나부(10);
    상기 안테나부(10)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 직류로 정류하는 변환부(40);
    상기 변화부의 출력단에 연결되고 레귤레이터(60)에서 상기 변환부(40)로 전류의 역류를 막는 역전류방지부(50);
    상기 변환부(40)와 병렬로 연결되어 소정의 전압과 전류를 출력하여 상기 부하(Load)(70)에 인가하는 레귤레이터(60);
    를 포함하여 이루어지는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나부(10)는 상기 변환부(40)에 접지(213)를 제공하는 기능을 구비하는 접지제공부(20)를 더 구비하고 상기 안테나부(10)와 상기 접지제공부(20)는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는 상기 입력전압이 인가되는 제1입력단자(201)와 제2입력단자(202)를 더 구비하고, 상기 제1 입력단자와 연결된 애노드, 및 캐소드를 포함하는 제1다이오드(203), 상기 제1 입력단자와 연결된 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2다이오드(204), 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드와 연결된 캐소드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 애노드를 포함하는 제3다이오드(205), 상기 제2다이오드(204)의 상기 애노드와 연결된 애노드, 및 상기 제2 입력단자와 연결된 캐소드를 포함하는 제4다이오드(206)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는 상기 제1 입력단자 및 제2 입력단자들과 각각 연결되어, 상기 입력전압을 전달받아 외부로 출력하는 제1출력단자(210) 및 제2출력단자(211)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는, 상기 제1 입력단자와 연결된 일단, 및 상기 제1다이오드(203)의 상기 애노드 및 상기 제2다이오드(204)의 상기 캐소드와 연결된 타단을 포함하는 제1저항(207)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는, 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드 및 상기 제3다이오드(205)의 캐소드와 연결된 일단, 및 상기 제2다이오드(204)의 애노드 및 상기 제4다이오드(206)의 애노드와 연결된 타단을 갖는 제2저항(208)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2저항(208)의 상기 일단과 연결된 일단, 및 타단을 포함하는 제3저항(209)을 더 포함하되,
    상기 제3저항(209)의 상기 타단에 접지(213)가 생성되어, 상기 제3저항(209)의 상기 타단이 상기 변환부(40)와 연결되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일부(101)는 상기 입력전압을 상기 변환부(40)에 권선수의 비에 따라 변압하여 인가하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나부(10)는 특정 주파수를 선택하여 사용하는 기능을 수행하는 동조부(30)를 더 구비하고 상기 동조부(30)는 상기 변환부(40)와 상기 안테나부(10) 사이에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 역전류방지부(50)는 다이오드로 구성되어 상기 변환부(40)에 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레귤레이터(60)는 정전압 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나(100)는 전선(104)에 구비되어 박판 또는 하나 이상의 세선(細線)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 복수개의 세선(細線)은 편조 또는 횡권의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나(100)는 금속재질의 판형, 루프형 막대형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  15. 저주파부터 고주파까지 광대역의 전자기파를 포집, 수확 또는 활용하는 광대역 전자기파 에너지하베스팅 시스템에 있어서,
    고주파대역의 전자기파를 포집하는 안테나(100), 저주파대역의 전자기파를 포집하는 코일부(101)를 포함하여 이루어지고, 포집된 상기 고주파대역의 전자기파를 및 상기 저주파대역의 전자기파를 입력전압노드(102a, 102b) 및 입력전류노드(103)에 각각 인가되는 입력전압 및 입력전류로 형성하는 안테나부(10);
    상기 안테나부(10)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전압 및 상기 입력전류를 직류로 정류하는 변환부(40);
    상기 변화부의 출력단에 연결되고 레귤레이터(60)에서 상기 변환부(40)로 전류의 역류를 막는 역전류방지부(50);
    상기 변환부(40)와 병렬로 연결되어 소정의 전압과 전류를 출력하여 배터리(80) 또는 슈퍼캐패시터(81)에 인가하는 레귤레이터(60);
    를 포함하여 이루어지는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 안테나부(10)는 상기 변환부(40)에 접지(213)를 제공하는 기능을 구비하는 접지제공부(20)를 더 구비하고 상기 안테나부(10)와 상기 접지제공부(20)는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는 상기 외부전압이 인가되는 제1입력단자(201)와 제2입력단자(202)를 더 구비하고, 상기 제1 입력 단자와 연결된 애노드, 및 캐소드를 포함하는 제1다이오드(203), 상기 제1 입력 단자와 연결된 캐소드 및 애노드를 포함하는 제2다이오드(204), 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드와 연결된 캐소드, 및 상기 제2 입력 단자와 연결된 애노드를 포함하는 제3다이오드(205), 상기 제2다이오드(204)의 상기 애노드와 연결된 애노드, 및 상기 제2 입력 단자와 연결된 캐소드를 포함하는 제4다이오드(206)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는 상기 제1 입력단자 및 제2 입력 단자들과 각각 연결되어, 상기 입력전압을 전달받아 외부로 출력하는 제1출력단자(210) 및 제2 출력 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는, 상기 제1 입력 단자와 연결된 일단, 및 상기 제1다이오드(203)의 상기 애노드 및 상기 제2다이오드(204)의 상기 캐소드와 연결된 타단을 포함하는 제1저항(207)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 접지제공부(20)는, 상기 제1다이오드(203)의 상기 캐소드 및 상기 제3다이오드(205)의 캐소드와 연결된 일단, 및 상기 제2다이오드(204)의 애노드 및 상기 제4다이오드(206)의 애노드와 연결된 타단을 갖는 제2저항(208)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2저항(208)의 상기 일단과 연결된 일단, 및 타단을 포함하는 제3저항(209)을 더 포함하되,
    상기 제3저항(209)의 상기 타단에 접지(213)가 생성되어, 상기 제3저항(209)의 상기 타단이 상기 변환부(40)와 연결되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  22. 청구항 15에 있어서,
    상기 코일부(101)는 상기 입력전압을 상기 변환부(40)에 권선수의 비에 따라 변압하여 인가하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  23. 청구항 15에서,
    상기 안테나부(10)는 특정 주파수를 선택하여 사용하는 기능을 수행하는 동조부(30)를 더 구비하고, 상기 동조부(30)는 상기 변환부(40)와 상기 안테나부(10) 사이에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  24. 청구항 15에 있어서,
    상기 역전류방지부(50)는 다이오드로 구성되어 상기 변환부(40)에 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  25. 청구항 15에 있어서,
    상기 레귤레이터(60)는 정전압 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  26. 청구항 15에 있어서,
    상기 안테나(100)는 전선(104)에 구비되어 박판 또는 하나 이상의 세선(細線)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 복수개의 세선(細線)은 편조 또는 횡권의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  28. 청구항 15에 있어서,
    상기 안테나(100)는 금속재질의 판형, 루프형 막대형의 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템.
  29. 청구항 1의 상기 레귤레이터(60)가 상기 부하(Load)(70)로 전력을 공급하는 방법에 있어서,
    (i) 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하는 단계.
    (ii) 상기 (i)단계에서 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하는 단계.
    (iii) 상기 (i)단계에서 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부직류전원공급부(91)의 소비전력을 감소시키기 위하여 상기 외부직류전원공급부(90)에 상기 레귤레이터(60)의 출력을 합하여 추가 전력을 확보하여 공급하는 단계.
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 전력 공급방법.
  30. 청구항 1의 상기 레귤레이터(60)가 상기 부하(Load)(70)로 전력을 공급하는 방법에 있어서,
    (i) 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상인지 판단하는 단계.
    (ii) 상기 (i)단계에서 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 이상이라면 상기 광대역 전자기파 에너지 시스템을 사용하는 단계.
    (iii) 상기 (i)단계에서 공급전력이 상기 부하(Load)(70)의 필요전력 미만이라면 외부교류전원공급부(90)의 소비전력을 감소시키기 위하여, 상기 외부교류전원공급부(90)를 상기 변환부(40)와 연결하여 전력을 확보하여 공급하는 단계.
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템의 전력 공급방법.

KR1020150099503A 2015-07-14 2015-07-14 광대역 전자기파를 포집 및 이용하는 에너지 하베스팅 시스템 KR20170008901A (ko)

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