KR20180041134A - 광학적 무선 전력 공급을 위한 시스템 - Google Patents

광학적 무선 전력 공급을 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

일반적으로 모바일 전자 장치에 위치되는 전력 수신 장치로 광 무선 전력 전송을 위한 시스템이 제공된다. 송신기는 광 빔이 생성되게 하기 위해서 말단 반사기 및 그들 사이에 위치되는 이득 매체를 갖춘 광학 공진기를 가진다. 빔의 주파수는 일반적으로 사용되는 거의 모든 투명 유기 재료에 의해 흡수되도록 선택된다. 송신기 상의 빔 조종 유닛은 빔을 복수의 방향 중 임의의 방향으로 지향시킬 수 있으며, 빔은 낮은 반사 표면을 통해 광-전기 전력 변환기에 의해 수신기에서 흡수된다. 이러한 전력 변환기의 밴드갭은 이득 매체의 밴드갭보다 더 작게 되도록 선택된다. 수신기는 인덕터, 에너지 저장 장치 및 스위치를 포함하는 전압 변환기를 가진다. 빔 조종 제어기는 빔이 수신기에 충돌하는 것을 보장한다.

Description

광 무선 전력 공급장치용 시스템
본 발명은 특히, 가정환경에서 광 전력을 모바일 전자 장치로 전송하기 위해 레이저 기반 전송 시스템의 사용에 적용되는 바와 같은 무선 전력 전송의 분야에 관한 것이다.
물리적인 와이어 연결에 대한 필요없이 원격 위치로 전력을 전송할 필요성을 오랫동안 느끼고 있었다. 이러한 필요성은 주기적으로 재충전해야 할 필요가 있는, 배터리로 작동되는 휴대용 전자 장치의 대중화와 함께 지난 수십 년 동안 중요해 졌다. 그러한 모바일 용례에는 모바일 폰, 랩톱, 자동차, 장난감, 웨어러블 기기(wearable device) 및 보청기가 포함된다. 현재, 최첨단 용량의 배터리 및 집중적으로 사용되는 스마트폰의 전형적인 배터리의 사용에는 하루에 한 번 초과로 배터리를 충전할 필요가 있어, 원격 무선 배터리 재충전에 대한 필요성이 중요해 졌다.
배터리 기술은 오랜 역사를 지니고 있고 여전히 개발이다. 1748년에, 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 캐논 배터리(cannon battery)(배터리란 이름이 여기서 유래)와 비슷한 최초의 전력 공급장치인 라이덴 용기(Leyden jar)로 만든 최초 배터리를 설명하였다. 1800년 후반에, 볼타(Volta)는 훨씬 더 휴대성이 있는 구리 아연 배터리를 발명했다. 납-산 배러티인 최초 재충전식 배터리는 가스통 플랑테(Gaston Plante)에 의해 1859년에 발명되었다. 그 이후로, 재충전식 배터리의 에너지 밀도는 최초 납-산 화학물질로부터 현재의 리튬 기반 화학물질과 아연-공기 화학물질까지의 다양한 재충전식 배터리 화학물질에 대한 중량 및 부피 매개변수에서의 에너지 밀도를 보여주는 도 1에서 볼 수 있듯이 8배 미만으로 증가했다. 동시에, 휴대용 전자/전기 장치에 의해 소비되는 전력은 여러 번의 배터리 완전 충전을 날마다 보충할 필요가 있는 시점에 도달했다.
1870년 내지 1910년 기간의 배터리 발명 이후 거의 1세기 후에, 테슬라(Tesla)는 전자기파를 사용하여 일정 거리에 걸쳐 전력을 전송하려고 시도했다. 그 이후에, 원격 위치로 안전하게 전력을 전송하려는 많은 시도가 있었는데, 이는 송신 또는 수신 장치보다 훨씬 더 큰 거리를 특징으로 할 수 있다. 이는 1980년대 샤프(SHARP(Stationary High Altitude Relay Platform; 고정 고지 릴레이 플랫폼)) 프로젝트를 수행한 NASA로부터 2007년 테슬라 계열 시스템을 실험한 마린 솔랴시치(Marin Soljacic)에 이르기까지 다양하다.
그러나 지금까지, 단지 세 가지의 상용화가 가능한 기술만이 전선 없이 안전하게 모바일 장치로 전력을 전달할 수 있다. 즉,
자기 유도(magnetic induction) - 이는 전형적으로 단지 수 mm 범위로 제한됨.
광전지 - 이는 정상적인(안전한) 조명실에서 태양광 또는 이용 가능한 수준의 인공조명에 의해 조명될 때 모바일 폰과 관련된 크기에 대해 0.1 와트 초과로 생성될 수 없음.
에너지 획득 기술 - RF 파를 사용 가능한 에너지로 변환하지만, 어떠한 것도 현재 실제 상황에서 0.01 와트 초과로 작동할 수 없는데, 이는 RF 신호 전송이 건강 및 FCC 규정으로 인해 제한되기 때문임.
동시에, 휴대용 전자 장치의 전형적인 배터리는 1 내지 100 와트*시간의 용량을 가지며, 전형적으로 일일 충전을 요구하기 때문에, 훨씬 더 긴 범위에서 훨씬 더 높은 전력 전달이 필요하다.
따라서, 전형적으로 재충전식 배터리를 갖춘 휴대용 전자 장치에 수 미터 초과 범위에 걸쳐 전력을 안전하게 전달해야 할 미충족 욕구가 존재한다.
시준된 또는 본질적으로 시준된 전자기파를 사용하여 주거 환경에서 전력을 전달하려는 몇 가지 시도가 시도되었다. 그러나, 대중 시장에 대한 그러한 제품의 상용화는 현재로서는 제한적이다. 그런 상용 시스템을 시작하기 이전에 다음과 같은 몇 가지 문제점이 해결될 필요가 있다:
안전한 시스템이 개발되어야 함.
비용 효율적인 시스템이 개발되어야 함.
먼지 및 지문이나 액체의 유출물과 같은 오염, 진동, 빔 차단, 비전문가 수준의 설치, 및 바닥으로의 주기적인 낙하를 포함한, 일반적인 가정환경의 위험을 견딜수 있는 시스템이 개발되어야 함.
전송된 레이저 전력 수준에 대해 현재 허용된 공중 피폭은 복잡한 안전 시스템 없이 유용한 양의 전력을 제공하는데 불충분하다. 예를 들어, 미국에서 2014년 4월에 개정된 연방 규정(Title 21, volume 8, (21 CFR § 8)), 챕터 1, 서브챕터 J 부 1040은 레이저 제품을 포함한 발광 제품의 성능 표준을 다룬다. 가시 광선 범위를 벗어난 파장에 대해서, 등급 Ⅰ, 등급 Ⅲ-b 및 등급 Ⅳ 레이저(등급 Ⅱ, Ⅱa 및 Ⅲa는 400nm 내지 710nm 레이저, 예를 들어 가시 광선 레이저용이다)가 존재한다. 가시 광선 범위를 벗어나는 레이저 중, 등급 1은 일반 대중 사용용으로 안전하다고 간주되며 등급 IIIb 및 IV는 안전하지 않은 것으로 간주된다.
이제, 0.1 내지 60 초 노출에 대한 위에서 참조된 21 CFR § 8에 따라서, 등급 I 레이저에 대해 7 mm 동공 지름를 위한 MPE(최대 허용 노출 값)를 나타내는 그래프인 도 2를 참조한다. 위의 그래프로부터:
(i) 최대 허용 노출 수준은 일반적으로(항상 그런 것은 아니지만) 파장에 따라 증가하며,
(ii) 21 CFR § 8에 명시된 요건을 충족시키기 위해 사람이 빔에 들어간 후 레이저가 대략 0.1 초간 꺼지더라도, 1.25 W 이하의 광이 전송될 수 있으며, 2.5 μ 초과의 파장에서 크기 제한치는 더 짧은 파장에서 더 작다.
따라서, 몇몇 종류의 안전 시스템이 없으면 단지, 몇 밀리와트의 레이저 전력만이 전송될 수 있으며, 이는 전기로 다시 완전 변환되더라도 대부분의 휴대용 전자 장치를 충전하는데 필요한 전력보다 훨씬 더 적은 전력을 공급할 것이다. 셀룰러 폰은 예를 들어, 모델에 따라서 충전하는데 1 내지 12 W를 요구한다.
등급 1 레이저 MPE의 전력보다 높은 전력을 전송하기 위해, 안전 시스템이 필요하다. 출원인의 지식을 최대한 활용하여도, 교육받지 않은 사람들이 접근할 수 있는 주거 환경에서 상당한 수준의 전력을 전송하기 위해 상용화된 것은 아직 없다.
강력한 안전 시스템의 구축은 어렵다. 지문 및 먼지는 레이저 광을 산란시키며 투명한 표면은 이를 반사 또는 산란시킨다는 것이 당업계에 주지되어 있다. 고전력이 전달되어야 한다면, 신뢰성 있는 안전 시스템을 요구할 수 있는 등급 IV(또는 IIIb) 레이저가 필요할 것이다. 등급 Ⅳ 레이저에 대해서, 주 빔으로부터의 산란 된 방사선조차도 위험하다. 2014년 4월에 개정된 21 CFR § 8에 따르면, 챕터 I, 서브챕터 J 부분 1040의 0.5 W 초과의 빔 출력을 갖는 400 nm 내지 1,400 nm를 방출하는 레이저는 보통 0.5 초 초과의 노출에 대해서 등급 IV 레이저로 간주되며, 그러한 레이저로부터 산란된 방사선조차도 위험할 수 있다. 그러한 레이저는 도 3에 도시된 것과 유사한 잠금 키 및 경고 라벨을 가질 것이 요구되며, 여기서 경고는 "산란된 방사선"에도 관련되며, 레이저 사용자는 보통 안전 고글의 착용이 요구되고 전형적으로 숙련된 전문가이며, 이들 모든 측면은 모바일 전자 장치를 충전하기 위해 가정에서 이용 가능한 레이저 전력 전송 시스템의 사용에 대한 허용 가능한 조건과는 매우 상이하다.
종래 기술은 전형적으로, 그러한 반사를 차단하는 정교한 빔 차단 구조물과 조합하여, 그러한 반사를 방지하기 위해 표면에 반사 방지 코팅을 사용함에도 불구하고 반사가 발생한다. 그러나, 종래 기술에서 사용되는 AR 코팅 해결책은 표면에 묻은 먼지나 유출 액체, 또는 예컨대, 부적절한 세척으로 인한 코팅의 마모 및 파열로 인해 실패하기 쉽다. 또한, 빔 차단 해결책은 전형적으로 시스템의 시야를 심각하게 제한하고, 현재의 휴대용 전자 장치의 크기와 비교하여 부피가 크다.
따라서, 종래 기술은 전력 빔이 원치 않는 방향으로의 산란 및 반사를 방지하는 신뢰성 있고 "작은 풋프린트(footprint)" 메커니즘이 결여되어 있다. 그러한 산란 및 반사는 송신기와 수신기 사이에 부주의하게 배치된 투명 표면에 의해 유발될 수 있으며, 그 투명 표면의 광학 특성은 방대한 수의 상이한 투명 재료로부터 또는 시스템의 외부 표면, 전형적으로 수신기의 전면에 묻을 수 있는 액체 유출물 및 지문으로부터 생길 수 있다.
종래 기술에서 제안된 해결책이 지닌 제 3 문제점은 그러한 안전 시스템이 일반적으로, 전력 빔 시스템과 안전 시스템의 양호한 정렬을 보증하여, 전력 빔이 충분히 발산하거나 충분히 감쇠되어(또는 이들 요인과 임의의 다른 요인의 조합) 더 이상 안전 한계를 초과하지 않을 때까지 두 시스템이 동일 축에서 조준되게 하는 메커니즘을 요구한다는 점이다. 이는 전형적으로 거리가 짧아져서 매우 긴 거리에 대한 안전 한계를 초과하는 시준된 등급 IV 또는 IIIb 레이저 빔에 의해 달성하는 것이 극히 어렵다.
그러한 안전 시스템을 구축하는데 사용되는 하나의 종래 기술의 작동 원리는 빔 경로에 위치될 수 있는 투명한 표면의 광학적 검출이다. 그러나, 빔 경로에 진입할 수 있는 투명한 표면은 방대한 수의 상이한 투명 재료로 만들어질 수 있고, 반사방지 AR 코팅될 수 있거나 브루스터 각도(Brewster's angle)에 가까운 각도로 배치될 수 있어서 투명한 표면이 빔을 흡수하지 않는 한 투명한 표면은 광학 시스템에 거의 보이지 않는다. 그러나, 각각의 재료에 대한 광 흡수 수준이 상이하고 심지어 무시할 수 있으며, 광학 흡수에 의존하는 광학 시스템을 구축하는 것이 너무 재료 특정적일 수 있으며, 이용 가능한 재료의 수가 매우 크기 때문에, 그러한 시스템은 복잡하고 크고 값 비쌀 수 있으며, 적절하게 설계되지 않으면 특히 중요한 안전 시스템인 것으로 간주될 때 신뢰할 수 없을 것이다. 빔의 검출 가능한 감쇠를 제공하기 위해 반사에 의존하는 것이 또한 문제가 되는데, 이는 표면이 반사 방지 코팅에 의해 코팅되거나 빔에 대해 거의 브루스터 각도로 위치될 수 있어서 반사가 표면의 그 특정 위치에 대해 최소가 될 수 있기 때문이다.
따라서, 종래 기술의 시스템 및 방법의 단점들 중 적어도 일부를 극복하는, 안전 기능이 탑재된 레이저 전력 전송 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 명세서의 이 부분과 다른 부분에서 언급되는 각각의 공보에 대한 개시들은 각각, 전체적으로 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
가정용으로 사용되는 많은 반사 재료가 플라스틱이기 때문에, 본 개시는 원격 장치에 전력을 공급하는데 사용되는 광 빔이 투명 유기 재료의 대부분에 의해 흡수됨으로써, 플라스틱 또는 다른 유기 재료가 빔에 삽입되는 때를 간단히 검출할 수 있는 시스템을 제공하려고 시도한다. 이는 일부 파장에서 본질적으로 투명한 플라스틱 재료에도 적용 가능해야 한다. 이 목표의 달성으로 빔에 삽입된 아마도 투명한 플라스틱 물체로부터의 부주의한 반사로부터 양호한 보호기능을 제공할 수 있는 레이저 전력 전송 시스템이 초래될 수 있다.
모든 투명 재료의 흡수/투과 스펙트럼을 측정하여 그들의 광학 특성을 결정하는 것은 불가능한데, 이는 그러한 재료가 너무 많이 존재하여 그 많은 재료에 대한 평가에 사용될 수 있는, 쉽게 이용 가능한 흡수 스펙트럼을 문헌에 갖지 않기 때문이다. 따라서, 더 이론적이고 체계적인 접근이 필요하다.
불투명하거나 심지어는 부분적으로 불투명한 재료는 빔에 있을 때 빔의 감쇠를 측정함으로써 쉽게 검출될 수 있다. 그러나, 일부 재료는 투명하거나 거의 투명하며 그러한 투명 재료는 검출하는데 훨씬 더 어렵다. 고체 투명 재료, 유기 및 무기 재료의 두 주요 그룹이 있다. 일반 대중이 이용할 수 있는 다수의 무기 투명 고체 재료는 유리, 일반 용도의 몇몇 반도체 재료, 석영, 및 다이아몬드, 루비 및 방해석과 같은 몇몇 자연 발생 미네랄로 대부분 구성되는 아주 제한된 재료이다. 따라서 모든 가능한 시나리오를 커버하는, 무기 투명 재료로부터의 반사에 대한 검출 시스템을 구축하는 것이 가능하다.
다른 한편으로, 일반 대중에게 다른 유기 투명 재료의 이용 가능성은 거대하며, 새로운 투명 재료가 자주 목록에 추가되고 있다. 이러한 그룹을 광학적으로 특성화하는 것이 사실상 불가능하기 때문에, 이는 커다란 문제점이다.
폴리머는 투명 유기 재료의 중요한 그룹이며, 본 발명을 작동시키는 의도된 방식을 설명하는데 도움을 주는 샘플 그룹으로서 사용될 것이다. 폴리머는 전형적으로 단량체의 긴 사슬로 이루어지며, 그러한 폴리머의 근간은 전형적으로 탄소 또는 실리콘으로 만들어진다. 도 4 내지 도 9는 일반적으로 사용되는 몇몇 투명 폴리머의 화학 구조를 도시한다. 도 4는 폴리-메틸 메타크릴레이트(PMMA) 사슬을 도시하며, 도 5는 폴리카보네이트의 구조를 도시하며, 도 6은 폴리스티렌 구조를 도시하며, 도 7은 나일론 6,6을 도시하며, 도 8은 폴리프로필렌 사슬을 도시하며, 도 9는 폴리에틸렌 사슬 구조를 도시한다.
관찰된 바와 같이, 도시된 샘플 폴리머의 화학 구조는 매우 상이하며, 이들 폴리머의 흡수 스펙트럼은 재료의 밀도, 미량의 시약 및 사슬 길이를 포함한 많은 요인에 의존한다. 그러나 위의 모든 투명 폴리머는 공통으로 몇몇 화학 결합, 특히 C-C 및 C-H 결합을 갖는 것으로 관찰된다. 이는 본 개시의 시스템에 의해 검출될 수 있는 유기 재료, 또는 또한 본 개시의 시스템에 의해 검출될 수 있는 실리콘, 폴리실란, 폴리게르메인 및 폴리스타네인(polystannane) 또는 폴리포스파하젠(polyphospahazene)과 같은 반-유기 실리콘 기반 폴리머에 기초하여 거의 완전히 검출될 수 있는 상업적으로 이용 가능한 폴리머에 대해 특히 그러하다.
그 이외에도, 탄소 화학물질을 기반으로 하지 않는 일반 대중이 이용 가능한 투명 재료의 수는 아주 제한되어 있고 대부분이 다양한 유리로 이루어지며, 이들 대부분은 그들의 투과 스펙트럼에 대한 용이하게 이용 가능한 데이터를 가진다.
레이저가 폴리머 내에서 진동에 의해 C-H 또는 또한 아마도 C-C 결합을 여기시키도록 시스템이 설계된다면, 폴리머에 의해 야기되는 전력 강하를 모니터링함으로써, 그러한 하나의 폴리머가 빔 내에 위치될 때를 검출하는 것이 쉬울 것이다. 이는 C-H 또는 C-C 결합의 흡수가 항상 존재하고 레이저 파장에 항상 파장 정렬되어 있다고 추정한다. 회전 피크가 또한 이러한 목적으로 사용될 수 있지만, 이들이 폴리머에서 신뢰될 수 없으므로 진동 C-H(또는 C-C) 흡수가 이러한 목적에 더 적합하다.
이제, 상이한 폴리머 결합의 전형적인 흡수 영역의 차트를 도시하는 도 10을 참조한다. 2900 내지 3200 cm-1 부근의 C-H 신축 진동은 도시된 거의 모든 폴리머에서 나타남이 관찰된다. 따라서, 이는 흡수 대역에서 발생하는 전송 전력의 변화를 사용하여 안전 시스템의 흡수 메커니즘 트리거로서 사용될 수 있다. 그러나, 이들 흡수 대역에는 이들을 이러한 목적에 덜 유용하게 하는 다음의 두 가지 문제점이 있다:
(i) C-H 진동 흡수 선은 전형적으로 매우 날카로우며, 그들의 정확한 주파수는 하나의 폴리머에서 다른 폴리머로 많이 변하기 때문에 레이저는 하나의 폴리머를 여기시키지만 다른 하나는 여기시킬 수 없다. 따라서 레이저가 그 폴리머의 특정 C-H 진동 선에 정확히 맞춰지지 않으면 흡수되지 않을 것이다.
(ii) 그러한 C-H 진동 피크는 일반적으로 중간 흡수 피크이며, 이는 수 mm 두께의 재료 단면으로 인한 빔의 감쇠가 20 내지 50 %가 될 수 있으며(즉, 소형 용기에서 아주 미량의 재료에 대한 검출을 가능하게 하며), 중간(20 내지 70 % 감쇠/cm 재료) 및 강한(> 70 % 감쇠/cm 재료) 흡수 피크는 일반적으로 검출하는데 훨씬 더 쉽지만 이들은 견고한 시스템을 구축하는데 사용될 수 없음을 의미한다.
소비자 환경용으로 설계된 상용 시스템에서 지문은 일반적인 문제점이다. 정상 작동에서 시스템은 단순히 지문이 위에 묻을 때에는 실패하지 않아야 하며, 그 대신에 시스템은 안전 한계를 초과할 위험이 있는 때에는 전송을 차단해야 한다. 그렇게 하려면, 시스템은 빔 차단을 검출해야 하지만 수신기에 묻은 임의의 지문으로 인해 전송을 중단해서는 안된다. 강한 또는 중간 흡수 피크가 사용되는 경우에, 수신기 또는 송신기의 외부 광학 표면에 지문이나 몇몇 다른 오염물이 묻으면 빔을 상당히 흡수하여 전력 전송이 실패하게 된다. 이는 지문이 또한 빔을 흡수할 수 있는 유기 화합물을 포함하여 제어되지 않은 시스템 실패를 초래하기 때문에 발생한다. 지문과 같은 유기 재료가 그의 전형적으로 외부 광학 구성요소의 표면에 묻을 수 있는 환경에서 시스템이 작동하게 하기 위해서, 안전 시스템이 빔에 삽입될 수 있는 위험한 투명 물품을 검출하는 동안 레이저 빔이 지문을 성공적으로 횡단하는 시스템을 구축해야 필요가 있을 수 있다. 다른 한편으로, 안전 시스템이 중간 또는 강한 흡수 대역 대신에 약한 흡수 대역을 사용하면, 시스템은 지문에 대해 계속 작동해야 하며, 차단은 통제되지 않는 방식이 아닌 전자적 결정에 기초하여 수행될 수 있다.
800 cm-1로부터 1300 cm-1까지 신장하는 C-C 흡수 대역으로 돌아가면, 이는 협대역 레이저가 이러한 영역에서 협대역 흡수 피크를 놓치는 것이 거의 확실한 그러한 광대역인데, 이는 피크가 800 cm-1 내지 1300 cm-1 범위에 위치되는 동안 그의 전형적인 폭이 매우 작고 협대역 레이저에 의해 쉽게 놓칠 수 있기 때문이다. 또한, 아래의 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 대역은 800 내지 1300 cm-1에서 흡수 피크가 보이지 않는 몇몇 폴리머에 대해 사라지며 C-C 결합이 존재하지 않고 방향족 탄소-탄소 결합 또는 C=C 결합 및 C-O-C 결합에 의해 치환되는 몇몇 폴리머가 존재할 수 있다.
추가 문제점이 C-C 선의 흡수 강도에서 발생한다. 폴리에틸렌과 같은 대칭 화합물에서 검출하는 것은 거의 불가능할 수 있지만, 다른 화합물에서 수신기 표면의 약한 지문조차도 시스템을 작동 불가능하게 만들 정도로 강력할 수 있는데, 이는 상당한 부분의 전력이 지문에 흡수되어 장치를 사용할 수 없게 만들기 때문이다. 지문이 시스템의 광학 표면에 묻을 수 있는 시스템의 작동을 가능하게 하기 위해서, 약하지만 너무 약하지 않은 흡수 선이 요구되며 그러한 흡수 선은 상이한 폴리머 사이에서 많이 변하지 않고 대부분의 유기 폴리머에서 발견될 수 있으며, 그 피크로 조정되는 레이저가 피크 주위에서 작동하는 시스템과 함께 사용되어야 한다. 도 10으로부터 알 수 있듯이, 일반적으로 사용되는 폴리머 및 도시된 흡수 대역에는 그러한 피크가 존재하지 않는다.
따라서, 본 개시에서 설명되는 시스템의 예시적인 실시예에 따라서, 전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
(a) 단부 반사기를 갖고 광 빔을 방출하도록 구성되는 광학 공진기,
(b) 광학 공진기 내부에 위치되고 제 1 밴드갭 에너지를 가지며, 냉각 시스템에 열적으로 부착되고 그를 통과하는 광을 증폭하도록 구성되는 이득 매체,
(c) 이득 매체에 전력을 공급하고 이득 매체의 소 신호 이득을 제어하는 구동기,
(d) 광 빔을 복수의 방향들 중 적어도 하나의 방향으로 지향시키도록 구성되는 빔 조종 장치,
(e) 광 빔을 전압을 갖는 전력으로 변환하도록 구성되고 제 2 밴드갭 에너지를 갖는 광-전기 전력 변환기,
(f) 광-전기 전력 변환기에 의해 생성된 전력의 전압을 상이한 전압으로 변환하도록 구성되고 인덕터, 에너지 저장 장치 및 스위치를 포함하는 전기 전압 변환기,
(g) 광-전기 전력 변환기와 결합되고 이득 매체와 광-전기 전력 변환기 사이에 광학적으로 배치되는 적어도 하나의 표면,
(h) 광-전기 전력 변환기에 충돌하는 광 빔을 나타내는 신호를 제공하도록 구성되는 검출기, 및
(ⅰ) 빔 조종 장치 및 구동기의 상태 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되고 적어도 검출기로부터 제어 입력 신호를 수신하는 제어기를 포함하며,
(j) 적어도 하나의 표면은 (i) 확산적으로, 또는 (ii) 반사된 광이 표면에 대해 광학 공진기로부터 원격 위치되는 가상 초점을 갖도록, 또는 (iii) 반사된 광이 표면에 대해 광학 공진기의 방향으로 적어도 1cm에 위치되는 실제 초점을 갖도록 표면에 입사하는 광의 작은 부분을 반사시키는 특성을 가지며,
(k) 제어기는 (i) 구동기가 이득 매체의 소 신호 이득을 변경하게 하고, (ii) 광 빔의 복사율을 변경하게 하고, (iii) 구동기에 의해 공급되는 전력을 변경하게 하고, (vi) 빔 조종 장치의 스캔 속도를 변경하게 하고, (v) 빔 조종 장치의 스캔 위치를 변경하게 하고, (vi) 광-전기 전력 변환기의 위치를 정의하는 스캔 위치를 기록하게 하는 것들 중 적어도 하나에 의해 검출기로부터 수신되는 제어 입력 신호에 응답하도록 구성되며,
(l) 이득 매체는 Nd 이온으로 도핑된 반도체 장치 또는 고체 호스트이고, 8,300 cm-1 내지 12,500 cm-1 범위의 파장 수를 갖는 적어도 하나의 주파수에 대한 방사선을 감쇠시키는 필터를 포함하며,
(m) 제 2 밴드갭 에너지는 제 1 밴드갭 에너지보다 작으며,
(n) 제 1 밴드갭 에너지는 0.8 eV 내지 1.1 eV이며,
(o) 스위치는 다음 식에 의해 주어지는 R보다 작은 폐쇄 직렬 저항을 가지며,
Figure pct00001
여기서, R은 옴 단위로 측정되며, Egain은 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지이며, Plaser driver는 와트 단위로 측정되는, 레이저 구동기에 의해 이득 매체로 공급되는 전력이며,
(p) 광 빔은 적어도 8 kW/㎡/s의 복사율, 및 약 6940 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 1 오버톤(overtone)과 약 8130 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 주파수를 가진다.
임의의 그러한 시스템에서, 상이한 전압은 광-전기 변환기에 의해 생성되는 전압보다 더 높은 전압일 수 있다. 또한, 빔 조종 장치의 상태는 빔 조종 장치의 조준 방향 및 스캔 속도 중 어느 하나 또는 모두일 수 있다.
또한, 전술한 시스템 중 임의의 시스템에서, 광학 빔은 적어도 800 kW/㎡/s의 복사율을 가질 수 있다.
다른 예시적인 실시예는 공진기의 단부 반사기 각각은 (i) 유전체 미러, (ii) 브래그 미러, (iii) 프레넬 반사기(Fresnel reflector) 또는 (iv) 상이한 굴절률을 갖는 유전체 또는 반도체 재료의 교대 층으로 구성되는 미러 중 어느 하나인 전술한 시스템 중 임의의 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 이득 매체는 Nd 이온으로 도핑된 투명 고체 호스트 재료 또는 반도체일 수 있다. 그러한 경우에, 시스템은 8300 cm-1보다 큰 파동 수를 갖는 방사선을 추출하기 위한 필터를 더 포함할 수 있다. 이득 매체가 반도체인 경우에, 유리하게는 양자점 이득 매체(quantum dot gain medium)일 수 있다.
전술한 시스템의 추가의 예시적인 실시예에서, 냉각 시스템은 방열판, 펠티어 다이오드(Peltier diode) 및 액체 냉각 판 중 적어도 하나일 수 있다. 팬이 또한 장착될 수 있다. 또한, 이득 매체는 200° 켈빈/와트(Kelvin/Watt) 미만의 열 저항을 갖는 땜납 층을 사용하여 냉각 시스템에 부착될 수 있다. 어쨌든, 냉각 시스템은 이득 매체와 주위 공기 사이의 열 저항이 200 ℃ 켈빈/와트 미만이 될 수 있다.
전술한 시스템 중 임의의 시스템의 대체 실시예에서, 광-전기 전력 변환기는 광전지일 수 있다. 그러한 경우에, 광전지는 III-V 장치일 수 있다. 어쨌든, 광-전기 전력 변환기의 직렬 저항은 1 옴 미만일 수 있다.
전술한 시스템의 추가의 실시예에 따르면, 인덕터는 와트 단위로 측정된 구동기 전력의 2*10-40 배로 나눈 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지의 제곱 미만의 옴 단위로 측정된 직렬 저항을 가진다.
다른 실시예에서, 에너지 저장 장치는 축전기 또는 재충전 가능한 배터리일 수 있다.
추가로, 전술한 시스템 중 임의의 시스템은 역 반사기를 더 포함할 수 있다. 또한, 이득 매체는 구동기에 의해 전기적 또는 광학적으로 펌핑될 수 있다. 또한, 제 2 밴드갭 에너지는 제 1 밴드갭 에너지의 50 % 초과일 수 있다.
또 다른 실시예는 송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법을 수행하며, 이 방법은:
(a) 제 1 전력을, 약 6940 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 약 8130 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 주파수를 갖는 전자기파로 변환하는 단계로서, 상기 전자기파가 적어도 8 kW/㎡/s의 복사율을 가지며, 변환하는 단계가 단부 반사기를 갖는 광학 공진기 및 제 1 전력을 수신하는 레이저 구동기에 연결되는 이득 매체를 사용하여 수행되며, 0.8 eV 내지 1.1 eV의 제 1 밴드갭 에너지를 갖는 이득 매체가 광학 공진기 내부에 위치하고, 냉각 시스템에 열적으로 부착되고, 이를 통과하는 전자기파를 증폭하도록 구성되는, 단계;
(b) 제어 유닛에 의해 제어되는 빔 조종 장치를 사용하여 전자기파를 복수의 방향 중 적어도 하나의 방향으로 지향시키는 단계;
(c) (i) 이득 매체의 소 신호 이득에서의 변화를 야기하고, (ii) 전자기 빔의 복사율에서의 변화를 야기하고, (iii) 제 1 전력에서의 변화를 야기하고, (iv) 빔 조종 장치의 스캔 속도를 변경하고, (v) 빔 조종 장치의 스캔 위치를 변경하고, (vi) 타겟의 위치를 정의하는 스캔 위치를 기록하는 것 중 적어도 하나를 수행하기 위해서 충돌과 관련된 표시가 제어 유닛에 의해 사용될 수 있도록, 연관된 부분적으로 투명한 표면을 갖는 타겟 상에 빔의 충돌을 검출하는 단계;
(d) 제 1 밴드갭 에너지보다 작은 제 2 밴드갭 에너지를 갖는 광-전기 전력 변환기를 사용함으로써 전자기파를 전압을 갖는 제 2 전력으로 변환하는 단계; 및
(e) 인덕터, 에너지 저장 장치 및 다음의 식으로 주어지는 R보다 작은 폐쇄 직렬 저항을 갖는 스위치를 포함하는 전기 전압 변환기를 사용하여 전압을 상이한 전압으로 변환하는 단계로서,
Figure pct00002
여기서, R은 옴 단위로 측정되며, Egain은 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지이며, Plaser_driver는 와트 단위로 측정된 제 1 전력인 단계;를 포함하며;
(f) (i) 확산적으로, 또는 (ii) 반사된 광이 표면에 대해 광학 공진기로부터 원격 위치되는 가상 초점을 갖도록, 또는 (iii) 반사된 광이 표면에 대해 광학 공진기의 방향으로 적어도 1cm에 위치되는 실제 초점을 갖도록, 표면은 표면에 입사하는 광의 작은 부분을 반사시키는 특성을 가지며;
(g) 이득 매체는 8,300 cm-1 내지 12,500 cm-1 범위의 파동 수를 갖는 적어도 하나의 주파수에 대한 방사선을 감쇠시키는 필터를 포함하는 반도체 장치 또는 Nd 이온으로 도핑된 고체 호스트이다.
그러한 방법에서, 스위치는 다음 식에 의해 결정되는 주파수에서 스위칭될 수 있다:
Figure pct00003
Figure pct00004
여기서, f는 Hz 단위로 측정된 스위칭 주파수이며, Egain은 주울 단위로 측정된 이득 매체의 밴드갭이며, Voutput은 볼트 단위로 측정된 전압 변환기로부터의 출력 전압이며, Plaser driver는 와트 단위로 측정된 레이저 드라이버에 의해 이득 매체에 펌핑되는 전력이다.
또한, 타겟에 대한 빔 충돌의 검출은 타겟으로부터의 역 반사 조명의 송신기에서의 검출 또는 수신기 센서를 사용한 타겟의 조명 검출을 사용하여 수행될 수 있다.
또한, 전술한 방법 중 어느 하나의 방법에서, 제 2 밴드갭 에너지는 제 1 밴드갭 에너지의 50 % 초과일 수 있다.
본 발명은 도면과 함께 취한 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해되고 인식될 것이다.
도 1은 다양한 배터리 화학 물질의 에너지 밀도를 도시하며,
도 2는 2014년 4월에 개정된 미국 연방 규정의 법전, 제 21 장, 제 8 권(21 CFR § 8), 챕터 Ⅰ, 서브챕터 J 파트 1040에 따른, 다양한 노출 시간에 대한 레이저의 최대 허용 노출 값을 도시하며,
도 3은 등급 Ⅳ 레이저 제품에 대한 경고 신호의 예를 도시하며,
도 4 내지 도 9는 일반적으로 사용되는 다양한 투명 폴리머의 화학 조성의 예를 도시하며,
도 4는 폴리-메틸 메타크릴레이트(PMMA) 사슬을 도시하며,
도 5는 폴리카보네이트의 구조를 도시하며,
도 6은 폴리스티렌 구조를 도시하며,
도 7은 나일론 6,6의 구조를 도시하며,
도 8은 폴리프로필렌 사슬 구조를 도시하며,
도 9는 폴리에틸렌 사슬 구조를 도시하며,
도 10은 일반적인 유기 화학 결합에 대한 IR 흡수 대역을 도시하며,
도 11은 폴리에틸렌의 IR 흡수 스펙트럼을 도시하며,
도 12는 몇몇 일반적인 유기 화학 결합에 대한 오버톤 흡수 대역을 도시하며,
도 13a 및 도 13b는 광전지의 출력 전압을 상이한 전압으로 변환하기 위한 상이한 전자 구성을 도시하며,
도 14는 복사율 8 kW/㎡/s(steradian)의 빔이 미러에 포커싱 때, 미러에 의해 제곱 미터 당 반사되는 전력을 개구 수의 함수로 도시하며,
도 15a 내지 도 15c는 본 개시의 송신기에 의해 조명되는 수신기의 전면으로부터의 불안전 반사를 피하기 위한, 본 개시에 따른 예시적인 장치의 개략도를 도시하며,
도 16은 본 개시의 완전한 광 무선 전력 공급 시스템의 더 상세한 설명을 보여주는 개략도를 도시하며,
도 17은 빔 조종 미러의 경사각의 함수로서 도 16의 시스템의 전송 전달에서의 변화를 도시하는 그래프이며,
도 18은 도 16의 시스템의 이득 매체에 대한 냉각 시스템의 개략도를 도시한다.
전술한 고려사항에 비추어, 본 개시의 광 무선 전력 공급 시스템의 하나의 예시적인 실시예는 6940 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 1 오버톤(overtone)과 8130 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이에서 작용하도록 조절된 시스템일 수 있다. 그러한 오버톤 대역은 훨씬 적은 화학 정보를 포함하는 덜 공지된 대역이며 본질적으로 금지된 양자 역학적 전이로 인해 발생하며 오직 복잡한 메커니즘으로 인해 허용된다. 결과적으로, 이들은 정확히 이러한 용례에 선호하는 것과 같이 광범위하고 약한 흡수 대역을 제공하지만, 분석 화학에서 상당히 적은 용도만을 발견했다. 대역의 넓은 성질은 다양한 상이한 폴리머 조성을 검출할 수 있게 해주는 반면에, 약한 흡수는 유기성 먼지 및 지문 근처에서도 시스템이 계속 작동할 수 있게 한다. 이는 이들 선을 흡수 측정의 전형적인 용도에 상당히 덜 유용하게 하지만, 본 발명의 과제에 이상적이다. 이러한 선의 다른 장점은 동일한 주파수에 직접 위치된 평범한 흡수 선이 없기 때문에, 재료의 화학 조성의 변경은 측정 결과를 크게 바꿀 수 없다는 점이다. 많은 그러한 오버톤 대역이 도 12의 차트에 도시되어 있다.
아마도 다이오드 레이저와 다이오드-펌핑된 고체 상태(DPSS) 레이저 모두가 이들 주파수에서 상당히 덜 효율적이고 단지 저 전력 레이저만이 현재 상업적으로 이용 가능하기 때문에, 그 대역에서 작동하는 전기 광학 구성요소가 부족하고 소스화하기 어렵다. 원하는 매개변수를 갖는 바람직한 주파수의 레이저가 현재 이용할 수 없기 때문에, 이러한 사용에 적합한 레이저는 처음부터 다시 설계해야 한다. 공진기 및 이득 매체가 설계되어야 한다. 대략적으로 시준 또는 거의 시준된 빔을 용이하게 하는데 충분한 선택된 주파수와 복사율(radiance) 값을 갖는 레이저가 구축되어야 한다. 빔의 양호한 시준을 달성하기 위해서, 적어도 8 kW/m2/s의 복사율이 필요하며, 효율적인 전력 전송을 위해서는 고전력 시스템에 심지어 800 kW/m2/s가 필요할 수 있다. 장거리에서 작동하는 소형 시스템에 대해서, 훨씬 더 높은 복사율(최대 10 GW/m2/s)이 유사한 원칙에 따라 미래에 설계될 수 있다. 그 수준보다 더 낮은 복사율과 함께 사용하기 위한 수신기는 너무 클 필요가 있으며, 이는 시스템을 다루기 힘들게 할 수 있다.
공진기에 대한 다양한 미러 설정, 특히 금, 은 또는 알루미늄으로 만들어진 양질의 금속 미러가 사용되었다. 이들은 레이징(lasing) 효율을 상당히 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 훨씬 더 양호한 결과는 유전체 재료 미러에 의해 달성된다. 대안으로, 프레넬(Fresnel) 미러는 이들이 저비용이라는 점에서 하나의 장점을 가진다. 사용될 수 있는 다른 미러는 (유전체 일 수 있는)브래그(Bragg) 미러이다. 미러는 안정적이거나 거의 안정한 공진기, 또는 광자가 레이저 내부의 장벽에 의해 공간에(예컨대, 섬유 또는 다이오드 레이저에) 한정되는 공진기를 형성하도록 위치될 필요가 있으며 이득 매체는 공진기 내에서 공진하는 빔을 증폭시켜 적어도 8 kW/㎡/s의 복사율을 갖도록 허용하는 위치에서 미러들 사이의 공진기 내에 배치되어야 한다.
이득 매체가 하나 초과의 파장에서 레이징이 가능하다면, 유전체 미러는 그 파장을 특정 값으로 제한하도록 선택될 수 있다. 대안으로, 필터는 레이징 주파수를 고정하는데 사용될 수 있다.
특히, 미러가 6940 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 8130 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 적어도 하나의 파장에 대해 높은 반사율을 갖는다면 더 양호하다.
이득 매체에 대해 3 가지 상이한 접근법이 사용될 수 있다.
1. DPSS 설계
DPSS 설계에서, 이득 매체는 Nd가 도핑된 YAG 결정이 될 수 있지만, YVO4 결정, GGG 결정 및 유리가 또한 분명한 호스트를 위한 옵션이다. 네오디뮴은 Nd가 ~ 7450 cm-1 부근의 전이를 갖기 때문에 C-H 대역의 제 1 오버톤과 C-H 대역의 제 2 오버톤 간의 작동에 가장 적합하다. Nd 이온은 전형적으로 808 nm 레이저 다이오드에서 방사선을 흡수하여 여기될 필요가 있지만, 다른 파장도 사용될 수 있다. Nd-기반 이득 매체는 9400 cm-1 부근의 전이를 차단하는 필터가 공진기 내부에 추가되지 않거나 그렇지 않으면 공진기로부터의 원치 않는 방사선이 추출되지 않는 한, 훨씬 더 높은 주파수에서 레이징되는 경향이 있다. 그러한 필터가 추가되면 레이징이 7440 내지 7480 cm-1에서 시작한다. 그러한 필터 작용은 필터 대신에 프리즘 또는 격자를 사용하거나 레이저 공진기의 적절한 색채 설계에 의해 달성될 수 있다.
2. 반도체 레이저
대안으로서, 반도체-기반 설계가 제안될 수 있다. 사용된 반도체의 레이징 밴드갭을 변경함으로써 반도체 레이저의 파장을 조정하는 것이 가능하다. 반도체, 특히 III-V 유형의 반도체, 특히 배타적이지는 않지만 1 eV 정도의 밴드갭을 갖는 양자점 유형은 6900 cm-1 내지 8200 cm-1의 원하는 주파수에서 광을 방출한다. 특히, 0.8 eV 내지 1.1 eV의 밴드갭은 양호한 결과를 가져오며, 본질적으로 모든 일반적으로 사용되는 폴리머에 의해 적어도 부분적으로 흡수된다.
3. 브래그 미러 및/또는 섬유 루프 미러를 포함할 수 있는 Nd 도핑된 섬유 레이저와 같은 다양한 대체 설계가 또한 본 개시에서 설명된 시스템에 사용될 수 있다. 대안으로, 라만 이동 섬유 레이저가 또한 사용될 수 있다.
작동 중에 이득 매체가 가열되어 파장 이동 및 효율 열화를 방지하기 위해 냉각되어야 한다. 이득 매체가 적절히 냉각되면, 6900 cm-1 내지 8200 cm-1의 주파수를 갖는 적어도 8 kW/m2/s의 복사율을 갖는 빔이 방출될 때까지 펌프 전력 또는 전류를 증가시키는 것이 가능하다. 그러한 빔은 거의 시준될 수 있고 검출을 허용하는 폴리머를 포함한 대부분의 유기 재료에 의해 감쇠될 것이다. 그러나 지문과 같은 오염물에 의해 강하게 흡수되지 않을 것이다.
레이저 이득 매체는 전형적으로 섭씨 150도 미만의 온도에서 작동하도록 구성된다. 온도가 전형적으로 약 섭씨 250 도인 수준을 초과하면 다수의 문제가 발생한다.
첫째, 낮은 수준의 여기 상태의 집단, 특히 3 및 4 수준의 레이저 및 반도체의 전하 캐리어의 열 재조합으로 인해 발광 효율이 크게 떨어질 수 있다.
둘째, 그러한 열 부착 방법을 사용하면 이득 매체의 납땜이 손상될 수 있다.
셋째, 열 수차가 발생하여 빔 열화를 유발할 수 있다.
넷째, 레이저 이득 매체의 열 팽창은 그 주위의 열 팽창과 다를 수 있으며, 이는 기계적 응력을 유발하거나 심지어 이득 매체의 휨 및 파손을 유발할 수 있다.
이들 이유로, 특히 이득 매체는 냉각 시스템에 열적으로 부착되어야 한다. 전형적으로, 이득 매체는 1 mm2 내지 40 mm2인 표면으로부터 0.1 내지 100 W의 열을 방출한다. 이득 매체의 온도가 150도 미만으로 유지되기 위해서, 이득 매체의 냉각 시스템이 200 켈빈/와트 미만의 열 저항을 가질 필요가 있으며 전형적으로 10 W 초과의 전력 입력으로부터 발생하는 더 높은 전력을 전송하는 시스템에 대해서 열 저항은 상당히 낮아야 하며 많은 경우에 0.05 켈빈/와트 미만의 열 저항이 필요하다.
냉각 시스템의 표면은 전형적으로 땜납 또는 접착제와 같은 제 3 재료를 사용하여 이득 매체에 부착되며, 이는 이득 매체 자체의 팽창 계수와 냉각 시스템의 전면의 팽창 계수 모두에 양립할 수 있는 팽창 계수를 가져야 한다.
전형적으로, 그러한 냉각 시스템은 수동 방열판, 팬을 갖는 방열판, 팬이 있거나 없는 방열판에 연결된 펠티어 요소 또는 액체 냉각식 냉각 시스템일 수 있다. 대안으로, 순환 펌프를 기반으로 한 능동 순환 또는 열 파이프를 기반으로 한 수동 순환을 갖는 독립형 액체 순환 냉각 시스템에 대한 사용이 이루어질 수 있다.
냉각 시스템이 팬이 있는 방열판으로 이루어지면 그의 열 저항은 0.1° 켈빈/와트 미만이어야 한다. 냉각 시스템이 수동 방열판이면 그의 열 저항은 0.3° 켈빈/와트 미만이어야 한다. 냉각 시스템이 Peltier 요소이면 적어도 5 도의 온도 차이(ΔT)를 발생할 필요가 있다. 냉각 시스템이 능동 액체 냉각식 냉각 시스템이면 여기에 언급된 전체 열 저항 범위를 커버할 수 있어야 한다.
수동 방열판은 저비용 및 저소음 작동용으로 설계된 시스템에서 선호되는 반면에, 액체 냉각 시스템은 고전력 시스템용으로 선호된다. 팬 또는 유체 펌프를 갖는 방열판은 전형적으로 1 W 초과의 전기 출력을 갖는 시스템과 약 1 리터 미만과 같은 작은 체적을 갖는 송신기에 사용된다.
이득 매체는 전형적으로 그에 전력을 공급하는 구동기에 의해 구동되며, 이는 몇몇 반도체 이득 매체의 경우처럼 전력으로서 제공되거나 다른 반도체 이득 매체 또는 DPSS 시스템의 경우처럼 광학으로 제공되거나 화학 또는 다른 형태의 에너지로 제공된다. 구동기에 의해 공급되는 전력의 양은 달성된 소 신호 이득을 결정하며, 이는 레이저의 작동 조건 및 방출을 결정하는 반면에, 이득 매체의 포화 이득은 일반적으로 이득 매체를 위해 선택된 재료의 함수이지만 이는 항상 단순한 선형 방식, 및 궁극적으로 레이저로부터 방출되는 복사율의 함수는 아니다. 그러한 레이저 구동기는 2 개 이상의 작동 상태를 가질 수 있으며, 하나는 전력 전송에 사용되며, 다른 하나는 목표 탐색, 설정 및 정보 전송과 같은 시스템의 다른 기능에 사용된다. 전력 전송 중 안정적인 작동이 더 중요하지만, 레이저 구동기가 두 작동 조건 모두에서 (전력 및 빔 매개변수와 관련하여)안정적인 방출을 생성하는 것이 중요하다.
광 빔을 다시 전기로 변환하여 유용한 전력이 전달되게 하기 위해서, 광-전기 전력 변환기, 전형적으로 광전지가 사용되어야 한다. 레이저와 마찬가지로, 사용된 빔의 주파수에 맞춰진 적합한 광전지는 일반적으로 상용 부품으로서 사용할 수 없으며 맞춤형 셀이 요구된다. 광전지 반도체의 밴드갭은 사용된 이득 매체의 밴드갭보다 약간 더 작아야 하며, 따라서 빔 주파수는 반도체에 의해 효율적으로 흡수된다. 그렇지 않으면, 변환 효율이 매우 떨어질 것이다. 다른 한편으로, 사용된 밴드갭이 너무 작으면, 효율이 떨어지는 시스템이 달성된다. 또한, 광전지의 전도체는 사용된 빔의 복사율에 맞춰질 필요가 있다 - 복사율이 높을수록 필요한 전도체가 더 두꺼워진다.
레이저 이득 매체의 밴드갭이 0.8 내지 1.1 eV 범위에 있어야 하고 사용된 광전지의 밴드갭이 더 낮아야 하며, 단일 접합 광전지가 전형적으로 전자 전하에 의해 나누어진 약 60 내지 80 %의 밴드갭 에너지인 전압을 생성하기 때문에, 레이저 주파수에 맞춰진 단일 접합 셀은 실용적인 시스템에서 요구하는 것처럼 매우 낮은 전압, 전형적으로 0.3 내지 0.8 V, 및 전형적으로 수 와트의 출력으로 추정되는 고전류를 생성한다. 반도체 상의 전도체는 상당한 손실(예컨대, > 5 %)없이 생성 된 전류를 운반하는데 충분히 두꺼울 필요가 있다. 전형적으로 전도체의 직렬 저항은 1 옴 미만, 또는 더 양호하게 0.1 옴 미만일 필요가 있으며 생성된 열은 그의 효율이 일반적으로 온도에 따라 감소하기 때문에 광전지로부터 효율적으로 추출되어야 한다.
고전력과 조합된 저전압의 이러한 조합은 휴대용 장치를 충전하는데 요구되는 고전압(전형적으로 3.3 또는 5 V)으로 쉽게 변환될 수 없다. 또한, 통신 시스템과 같은 몇몇 시스템에는 -48 V, 12 V 또는 3.8 V와 같은 전압을 요구할 수 있다. 그 시스템은 안정된 전압을 광전지에서 예상되는 출력 전압보다 더 높은 수준에서 공급해야 할 필요가 있다. 광전지의 전압을 증가시키는 전형적 인 방법은 광전지를 직렬로 연결하는 것이며, 이는 예컨대, 엠. 에프 암스테르담(M.F. Amsterdam) 등의 "P/N 및 N/P 셀을 포함하는 광전지 직렬 어레이"에 관한 미국 특허 제 3,370,986 호에 기재되어 있으며, 이 특허는 거의 동일한 양의 반도체를 사용하고 추가 부품을 사용하지 않으면서 고전압을 생성하기 위한 전형적인 구성을 보여 주며 따라서 전형적으로 선택되는 해결책이다.
그러나, 이 해결책은 8 kW/㎡/s만큼 높은 복사율 갖는 레이저가 사용되는 본출원에 설명된 것과 같은 시스템에는 적합하지 않은데, 이는 특히 그러한 레이저가 전형적으로 균일한 형상의 빔을 갖지 않기 때문이다. 또한, 그의 빔 형상은 시간에 따라 가변적 일 수 있으며, 포인팅 정확도는 최적으로 원하는 것보다 적을 수 있다. 그러한 상황에서 모든 셀을 균일하게 조명할 수 있는 작고 효율적인 시스템을 설계하는 것은 사실상 불가능하다. 직렬로 연결된 광전지가 균일하게 조명되지 않으면, 광전지는 동일한 전류를 생성하지 않는다. 그러한 경우에 전압은 실제로 원하는 수준으로 증가하지만 전류는 최소 전류를 생성하는 셀, 일반적으로 조명이 가장 적은 셀에 의해 생성된 전류로 떨어질 것이다. 그러한 상황에서 효율성은 매우 낮을 것이다. 따라서, 전압을 증가시키기 위한 개선된 대체 방법에 대한 필요성이 존재한다.
단일 셀의 전압을 증가시키는 한 가지 방법은 축전기를 병렬로 충전한 다음 이들을 직렬로 방전시키는 것일 수 있다. 이 방법은 저 전류에 대해 양호한 결과를 낳지만, 전류가 일정 수준을 초과하여 증가될 때 스위칭 시간이 지배적인 요인이 되어 효율에 영향을 주며, 이는 스위칭 시간이 증가함에 따라 열화된다.
에너지가 고속의 저저항 스위칭 메커니즘을 사용하여 AC로 변환되면, 그 AC 전류는 결합 인덕턴스를 사용하여 증폭된 다음 다시 AC로 변환될 수 있다. 증가된 전압 AC는 다이오드 브릿지 및 에너지 저장 장치, 예컨대 축전기 또는 배터리를 사용하여 DC로 변환될 수 있다. 그러한 시스템은 전압이 광전지 전압의 20 배 초과의 전압으로 증가될 필요가 있을 때 장점을 가진다. 그러한 시스템의 다른 장점은 레이저를 사용하여 송신기로부터 스위칭이 수행될 수 있으며 따라서 수신기의 비용과 복잡성을 절약할 수 있다는 점이다. 그러한 시스템은 전압이 10 배 미만으로 증가될 필요가 있거나 크기 및 부피 제한이 용례에 중요할 때 단점을 가진다.
이제, 효율적이고 간단한 전압 변환 방법을 도시하는 도 13a를 참조한다. 도 13a의 구성에서, 광전지의 전압을 증가시키기 위해 단일 인덕터가 저 저항 스위칭 메커니즘 및 에너지 저장 장치와 함께 사용될 수 있다. 도 13a에서, 좌측 상의 정사각형은 광전지, 스위치(S)는 MOSFET, JFET, BJT, IGBT 또는 pHEMT와 같은 저 저항 스위치이며, 인덕턴스(L)는 광전지의 출력에 연결되며 축전기(C)는 에너지 저장 장치로서 작용한다.
다음 설명은 간략화를 위해 제로 저항을 갖는 구성요소의 사용을 고려한다. 저항 손실을 고려하면 계산이 복잡해지며, 이는 본 개시의 후반부에서 설명된다. 스위칭 메커니즘은 인덕터를 충전 및 방전 단계인 두 가지 기본 작동 단계들 사이에서 순환시킨다. 충전 단계에서, 인덕터는 스위치(S)의 폐쇄에 의해 광전지와 병렬로 연결된다. 이 단계 중에, 인덕터는 광전지에 의해 변환된 에너지로 충전된다. 인덕터 에너지 증가는 다음에 의해 주어진다:
ΔEL _ CH = Vpv*IL*TCH
여기서, Vpv는 광전지의 출력 전압이며,
IL은 평균 인덕터 전류이며,
TCH는 충전 단계의 기간이다.
방전 단계에서, 인덕터는 스위치(S)의 개방에 의해 광전지와 부하 사이에 연결된다. 이 단계 중에, 인덕터로부터 출력 에너지 저장 장치로 전달되는 에너지는 인덕터 에너지 감소에 의해 주어진다:
ΔEC = Vo*IL*TDIS,
여기서, Vo는 에너지 저장 장치의 전압이며, 이는 전형적으로 장치의 원하는 출력 전압에 매우 가깝고 따라서 시스템의 출력 전압으로서 근사화될 수 있으며,
IL은 평균 인덕터 전류이며,
TDIS는 방전 단계의 기간이다.
그 단계 중에 광전지로부터 인덕터로 전달되는 에너지는 ΔEL _ DIS = Vpv*IL*TDIS에 의해 주어진다. 그 단계 중에 인덕터 에너지의 변화는 입력 에너지와 출력 에너지 사이의 차이이다:
ΔEL _ DIS = Vpv*IL*TDIS - Vo*IL*TDIS.
정상 상태 작동에서, 사이클의 종료시 인덕터의 에너지는 사이클의 시작시 생성되는 것과 동일한 값으로 복귀한다:
ΔEL _CH = -ΔEL _ DIS,
그의 치환 이후에 다음 식이 주어진다:
Vo = Vpv*(1 + TCH/TDIS).
따라서, 에너지 저장 장치에서의 전압은 광전지 전압 및 충전 및 방전 단계 기간의 비율에 의해 정의된다.
그러나 본 시스템에서, 구성요소의 기생 특성 및 다른 측면이 변환 작업 및 효율성에 중요한 영향을 줄 수 있고 시스템을 효율적으로 작동할 수 있도록 올바른 구성요소를 선택하고 사용하는 것을 고려해야 한다. 이제, 이들 요소가 하나씩 고려된다.
인덕터
1. 인덕터의 인덕턴스는 dI/dt = V/L에 의해 주어지는 인가된 전압으로 인한 인덕터 전류의 변화율을 정의하며, 여기서 dI/dt는 전류 변화율이며, V는 인덕터 전반에 인가된 전압이며 L은 인덕턴스이다. 본 발명의 시스템 맥락에서, V는 송신기의 이득 매체에 의해 결정된다. 다른 이득 매체를 선택하면 광전자 에너지의 변화가 유발되어 광전지 밴드갭의 결과 변화와 따라서 광전지 전압의 변화를 요구하게 된다. 이는 이어서 상이한 인덕터 및/또는 스위칭 주파수 선택을 요구한다. 스위칭 속도는 인덕터 전류가 송신기로부터 광-전기 전력 변환기를 통해 들어오는 전력의 변화에 반응할 만큼 충분히 빠르고 전력 손실, 입력 전압 리플 및 출력 전압 리플에 기여하는 높은 크기의 전류 리플을 피하는데 충분할 만큼 느려야 한다. 인덕터의 최적 값은 최대 예상 입력 전류의 20 % 내지 40 %인 리플 전류를 생성해야 하지만, 시스템은 10 % 내지 60 %에서 작동할 수 있다. 회로 매개변수의 엄격한 분석은 이러한 목표를 달성하기 위해 헨리(Henries)에서 측정된 인덕터의 값(L)은 한계 내에 있어야 함을 보여준다:
Figure pct00005
Figure pct00006
여기서, f는 Hz 단위로 측정된 스위칭 주파수이며,
Egain은 주울 단위로 측정된 이득 매체의 밴드갭이며,
Voutput은 볼트 단위로 측정된 전압 변환기로부터의 출력 전압이며,
Plaser _driver는 와트 단위로 측정된, 레이저 구동기에 의해 이득 매체로 펌핑되는 전력이다.
인덕터를 모바일 고객에 성공적으로 통합하기 위해서, 인덕턴스는 전형적으로 10 mH보다 더 작아야 하는데, 이는 모바일 고객에 의해 요구되는 충전 전류에 적합하고 휴대 용례에 적합한 부피 제한을 갖는 인덕터가 전형적으로 이러한 값보다 훨씬 미만이기 때문이다. 또한 10 nH와 같이 너무 작은 인덕턴스를 갖는 인덕터는 스위치와 같은 시스템 내의 다른 구성요소의 이용 가능성을 심각하게 제한할 정도로 높은 스위칭 주파수를 필요로 할 것이며, 그러한 고주파에 의해 유발되는 스위칭 손실은 광전지에 의해 전달되는 전력의 양보다 더 높을 수 있다.
2. 인덕터의 직렬 저항(Rparasitic)은 전도 전력 손실을 최소화하기 위해 가능한 한 낮아야 하며, 통상적으로 10 % 미만의 효율 저하를 생성하는 값이 선택되며, 옴 단위로 측정된 인덕터의 직렬 저항은 다음 미만이어야 한다:
Figure pct00007
여기서, Egain은 주울 단위로 측정된 이득 매체의 밴드갭이며,
Plaser _driver는 와트 단위로 측정된, 레이저 구동기에 의해 이득 매체에 펌핑되는 전력이다.
3. 전형적인 시스템에서, 인덕터의 직렬 저항은 10 Ω 미만일 수 있다. 인덕터의 포화 전류는 보통 다음 식에 의해 주어지는 예상 인덕터 피크 전류보다 더 높게 선택된다:
ISAT > IPEAK = Im + Vpv*(1 - Vpv/Vo)/(2*L*f).
단일 접합 광전지로부터 10 mW 초과의 전력을 추출하기 위해서 포화 전류는 10 mW/0.8v = 12.5 mA보다 더 높아야 한다.
4. 신뢰성 있는 작동을 위해, 인덕터는 예상 최대 입력 전류보다 더 높은 전류로 정격화되어야 한다. 단일 접합 광전지로부터 10 mW 초과의 전력을 추출하기 위해, 인덕터 정격 전류는 10 mW/0.8v = 12.5 mA보다 더 높아야 한다.
스위칭 메커니즘
1. 스위칭 메커니즘은 보통 두 개 초과의 장치로 만들어진다. 제 1 장치인 메인 스위치는 전도시 인덕터를 충전 단계로 설정한다. 제 2 장치는 방전 단계 중에 인덕터를 부하 또는 출력 에너지 저장 장치에 연결하고 충전 단계 중에 이를 부하로부터 분리하는 그의 기능을 갖는 다이오드(도 13a에서처럼) 또는 스위치일 수 있다.
2. 스위칭 메커니즘은 스위칭 손실을 최소화하기 위해 낮은 스위치 노드 커패시턴스(switch node capacitance)를 가져야 한다:
PSW2 = 0.5*Csw*Vo2*f.
레이저 전력의 50 % 초과를 추출하기 위해, 스위치 노드 커패시턴스는
Figure pct00008
보다 더 작아야 한다.
3. 전형적인 시스템에서 스위치 노드 커패시턴스는 100 nF 미만 및 10 pF 초과일 수 있다.
4. 인덕터를 접지에 연결하거나 광-전기 전력 변환기를 인덕터에 연결하는, 스위치 노드의 메인 스위치의 직렬 저항은 다음보다 더 작아야 한다:
Figure pct00009
전형적인 시스템에서 스위치 직렬 저항은 10Ω 미만일 수 있다.
에너지 저장 장치
1. 에너지 저장 장치는 축전기 또는 배터리 또는 둘 다일 수 있다.
2. 에너지 저장 장치는 인덕터가 출력으로부터 분리될 때 충전 단계 중에 출력 전압을 유지하도록 요구된다. 저장 장치의 커패시턴스는 스위칭 주파수, 레이저 전력 및 원하는 출력 리플 전압에 기초하여 선택된다:
COUT > PLASER DRIVER/(f*Vo*ΔVo)
여기서, ΔVo는 원하는 출력 리플 전압이다.
3. 에너지 저장 장치는 또한 광학 경로의 일시적인 중단 중에 부하에 전력을 공급할 수 있다. 무정전 전원 공급장치에 대해서, 에너지 저장 장치는 적어도, 최소 작동 출력(POUT_MIN)에 중단 시간 간격(TINT)을 곱한 것과 동일한 양의 에너지를 저장할 수 있어야 한다:
EOUT _ MIN ≥ POUT _MIN* TINT.
축전기가 에너지 저장 장치로서 사용되면, 커패시턴스는:
COUT = OUT /VOUT 2
보다 더 커야 한다.
10 mW보다 더 큰 최소 작동 출력 및 100 ms보다 더 긴 중단 시간 간격에서 중단없는 작동을 위해서, 저장된 에너지는 1 mJ보다 더 커야하며 커패시턴스는 80 μF보다 더 커야한다(VOUT = 5 V라고 추정).
몇몇 경우에, 축전기가 고객 애플리케이션을 위한 에너지 저장 장치로 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 고객 애플리케이션은 임의의 2차 에너지 저장 장치(모바일 장치에 설치되는 종래에 사용되는 배터리)없이 설계될 수 있으며, 본 발명에서 설명된 시스템의 에너지 저장 장치는 다음 충전 이벤트까지 고객 장치의 전력 수요를 공급하는데 충분한 에너지를 저장해야 한다. 그러한 경우에, 적어도 0.5 F, 및 심지어 10 F 초과인 커패시턴스를 갖는 슈퍼 축전기가 사용될 수 있다. 고객 장치의 전원 요건이 낮은 경우나, 장치의 내부에 설치되는 배터리와 같은 독립적인 에너지 저장 장치를 갖는 경우에, 또는 전력이 공급되지 않을 때 장치가 작동될 필요가 없는 다른 경우들에서, 사용된 축전기는 전형적으로 1 F를 훨씬 초과할 수 있다. 재충전 가능한 배터리가 에너지 저장 장치로 사용되거나, 따라서 축전기 논리와 유사하게 배터리가 충전 이벤트들 사이에 고객 장치에 전원 공급을 유지하는 수단으로서가 아닌 단지 전압을 조절하는 수단으로만 사용되면, 배터리의 에너지 용량은 스위치의 100 사이클 동안 공급되는 에너지의 100 배까지(전형적으로 0.1 Wh 미만)가 유리할 수 있으며, 이 수준은 배터리의 용량 계획 및 비용 효율성에 따라 결정된다. 다른 한편으로, 배터리가 또한 충전 이벤트들 사이에서 고객 장치에 전력을 공급하는데 사용되면, 그 용량은 적어도, 충전 이벤트들 사이에서 고객 장치에 의해 필요한 에너지를 저장하는데 충분히 커야 한다 - 셀룰러 폰의 경우에 전형적으로 0.1 Wh 초과. 배터리는 또한 사용하려는 제품에 따라 용적 제한이 있다. 따라서, 장치에 외부적으로 통합되면, 어떤 용적(V)을 갖는 제품의 배터리는 통상적으로 장치의 용적의 최대 배수, 즉 3 V로 제한될 것이다. 이러한 경험 법칙의 예로서, 100 cc 용적의 셀룰러 폰에 전력을 공급하는데 사용되는 배터리는 전형적으로 300 cc 미만으로 제한된다. 그러한 배터리는 위에서 언급한 제한 때문에 전형적으로 300 Wh 미만의 용량을 가질 것이다.
도 13a의 회로는 가능한 유일한 위상(topology)이 아니다. 도 13b는 유사한 성능 특성을 달성할 수 있는 상이한 설계를 도시한다. 도 13b의 구성요소 역할, 제약 및 예상 값은 도 13a의 회로에 나열된 것과 동일하다. 주요 차이점은 출력 전압의 양극 및 음극 단자가 반대로 되어 있다는 점이다.
몇몇 용례에서, 에너지 저장 장치는 바람직하게 수신된 전력을 사용하고자 하는 장치 내부에 위치될 수 있다. 다른 용례에서, 특히 단기 작동이 예상되고 조절된 전압을 요구하지 않는 이들 용례에서, 에너지 저장 장치는 심지어 제거될 수 있다.
조절 지점
광전지의 전력 출력은 입력 광 전력 및 그에 인가되는 부하에 의존한다. 최적의 부하 조건은 광전지로부터 최대 출력을 생성할 것이며, 따라서 전압 변환기의 제어 메커니즘은 부하 지점을 조절해야 한다. 제어 메커니즘은 대부분의 조건에 대해 최대 전력 작동 지점으로 공지된 셀 단자들 사이에 일정 전압을 유지하도록 설계될 수 있거나, 셀 출력을 측정하고 임의의 작동 조건 하의 최적 셀 전압을 구함으로써 최대 전력 작동 지점을 추적할 수 있다. 제 1 접근방법은 더 간단하며, 제 2 접근방법은 전력 효율이 높다.
생성된 레이저 빔은 수신기 쪽으로 지향될 필요가 있다. 빔을 수신기 쪽으로 지향시키기 위해서, 빔 조종 장치가 사용되어야 한다. 사용될 수 있는 몇몇 빔 조종 서브-시스템은 이동 미러, 이동 렌즈, 전기-광학 변조기, 자기-광학 변조기, 하나 이상의 방향으로 전체 송신기 시스템을 이동시키는 모터 세트, 또는 임의의 다른 적합한 빔 편향 장치를 포함한다. 빔 조종 장치는 제어기, 가장 편리하게는 레이저 구동기를 제어하는데 사용되는 동일한 제어기에 의해 제어되어야 한다. 빔 조종 장치는 다수의 방향들 중 임의의 방향으로 > 8 kW/㎡/s을 지향시키도록 구성된다. 빔 조종 장치의 손상 임계값은 빔의 복사율을 견딜 수 있는 것을 필요로 한다. 예를 들어, 빔이 0.5의 개구 수를 갖는 포커싱 메커니즘을 사용하여 미러 상에 포커싱되면, 미러는 8 kW/㎡/s을 갖는 빔에 대해 적어도 6.7 kW/㎡의 전력 밀도를 견딜 필요가 있다. 더 높은 복사율을 갖는 빔이 사용되면 미러는 그에 상응하는 더 큰 손상 임계값을 가질 수 있도록 선택되어야 한다.
도 14는 8 kW/㎡/s의 빔이 개구 수의 함수로서 그에 포커싱될 때 미러에 의해 제곱 미터당 반사되는 전력을 도시한다. 더 높은 복사율이 사용되면, 미러에 의해 반사된 전력은 대응하여 선형 방식으로 증가한다. 빔이 균일한 것과 거리가 멀기 때문에, 때때로 빔 평균에 비해 10 배의 조사량을 갖는 "핫스팟(hotspot)"이 생성될 수 있다. 따라서, 미러는 실제 빔 조사량 및 미러 상의 포커싱 메커니즘의 개구 수에 맞게 조정된 도 14에 도시된 것보다 적어도 크고 바람직하게는 적어도 10 배인 손상 임계값을 가져야 한다.
전형적으로, 광전지 근처 및 광전지와 송신기 사이에 위치되고, 빔이 그를 통해 수신기로 진입하고, 광전지의 전형적으로 섬세한 구조를 보호하기 위해, 그리고 많은 경우에 전력 수신기가 통합된 장치의 외부 설계와 일치시키기 위해 요구되는 광학 전면이 수신기 내에 존재한다. 전면은 코닝 고릴라 글래스(Corning Gorilla Glass®)등과 같은 스크래치로부터 전면을 보호하는 코팅을 가질 수 있거나 전면이 스크래치에 더 양호하게 견딜수 있도록 처리될 수 있다. 전면은 그 위에 정착할 수 있는 지문이나 먼지와 같은 오염물의 수준을 줄이거나 그들의 광학 효과를 줄이도록 또한 처리될 수 있거나, 그로부터 반사된 광의 수준을 줄이도록 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 광전지의 전면은 또한 코팅될 수 있다. 몇몇 경우에, 전면은 광전지 자체의 구조의 일부이거나 광전지에 코팅될 수 있다.
몇몇 상황에서 매우 낮은 반사율의 반사 방지 코팅을 선택하여 표면으로부터의 반사량을 안전 임계값 미만으로 줄이는 것이 가능할 수 있지만, 코팅이 그에 유출된 액체나 지문에 의해 오염되거나 덮이게 되면, 그러한 반사 방지 코팅은 반사량을 줄이는데 효과적이지 않을 것이며, 전형적으로 입사광의 3 내지 4 %는 제어되지 않은 방향으로 반사될 것이다. 그러한 반사가 발산 방식으로 반사되면, 그의 전력 밀도는 곧 안전한 수준으로 떨어질 것이다. 그러나 반사가 집중되면 전력 밀도는 안전하지 않은 수준으로 증가할 수 있다. 그러한 이유로, 그러한 표면의 임의의 점에서의 표면의 ROC(곡률 반경)가 미리 결정된 값보다 작아서는 안 된다는 것이 중요하다. 일반적으로, 표면으로부터의 반사는 입사광의 단지 작은 부분만으로 의도되며, 그럼으로써 표면 곡률이 어떤 성질 또는 어떤 형태를 취하는지에 관계없이 임의의 상당한 빔 반사의 위험을 감소시킨다. 반사광의 수준은 가변적일 수 있는데, 이는 표면상의 외부 오염 재료 층이 증가된 반사율을 생성하는 경우에, 처리되지 않은 유리 표면으로부터 심지어 ~ 4 %의 반사가 증가될 수 있기 때문이다. 그러나 그 반사율은 20 %를 초과하지 않을 것으로 예상되며 일반적으로 AR 코팅 유리의 경우와 같은 처리되지 않은 유리의 4 %보다 실질적으로 작을 것이며, 0.1 % 또는 심지어 그 미만의 반사율이 일반적이다. 따라서, 그 표면은 입사광의 작은 부분을 반사하는 특성을 갖는 것으로서 본 개시에서 설명되고 그러한 방식으로 청구되며, 이러한 기재는 입사광의 20 % 미만, 일반적으로 미처리 유리의 4 % 미만을 의미하는데 사용된다.
이제, 표면으로부터 반사될 수 있는 입사광의 심지어 작은 부분에 대해서도 전술한 안전하지 않은 반사를 피하는 방법을 개략적으로 도시하는 도 15a 내지 도 15c를 참조한다. 도 15a는 표면이 오목 표면인 상황을 도시하며, 도 15b는 표면이 볼록 표면인 상황을 도시하며, 도 15c는 표면이 확산 표면인 상황을 도시한다. 도 15a에서, 적어도 8 kW/m2/s 복수율을 갖는 입사 빔(110)은 광전지의 전면일 수 있는 전면(111)을 통과하여 광전지(112) 쪽으로 지향된다. 전면(111)은 빔(110)의 일부를 반사하여 표면으로부터 일정 거리 떨어진 초점(114)을 갖는 포커싱된 빔(113)을 생성한다. 초점(114)이 눈이나 피부 또는 다른 물체에 임의의 위험을 주지 않게 보장하기 위해서, 표면(111)의 반경 곡률 반경(ROC)은 빔이 도 15a에서와 같이 낮은 개구 수로 포커싱되거나, 도 15b에서와 같이 디포커싱되거나, 도 15c에서와 같이 확산될 수 있어야 한다. 이들 제한을 달성하기 위해서, 표면이 도 15a에서처럼 송신기로부터 광전지 쪽으로 오목하게 보인다면 그의 ROC는 1 cm보다 더 커야하며, 전형적으로 광의 0.5 와트 초과인 더 높은 전력 시스템이 사용되면 ROC는 5 cm보다 더 커야 한다. 대안으로, 표면 ROC는 도 15b에서와 같이 음이 될 수 있지만, ROC는 0 내지 1 ㎝의 범위 내에 있을 수 없다. 이들 제한은 반사된 광 빔이 가상, 즉 발산 반사 빔과 관련되거나 표면 전방의 적어도 1 cm인 초점을 갖는 것을 보장하여 초점에 의해 생성되는 위험이 현저히 감소되게 한다. 표면은 또한 더 작은 곡률을 갖는 다수의 영역을 가질 수 있어서, 도 15c에서와 같은 확산 표면을 생성하며, 이는 위험한 초점의 위험을 감소시키는데 크게 도움이 된다. 그러한 경우에, 표면의 각 서브 섹션의 곡률 반경은 초점을 생성하지 않고 1 cm보다 더 작을 수 있다. 또한, 표면이 다중 구역으로 분할되면 각각의 구역은 더 작은 곡률을 가질 수 있다.
안전하게 작동하기 위해서, 시스템은 또한 전력 빔을 광전지로 지향시켜 그에 의해 차단되게 하고 몇몇 안전하지 못한 영역으로 지향되지 않게 할 필요가 있다. 이를 달성하기 위해서, 검출기는 빔의 충돌을 수신기에 표시하도록 위치되어야 한다. 그러한 검출기는 전형적으로 수신기 내에 위치되어야 하지만, 그러한 검출기가 송신기 내에 위치되는 구성도 또한 가능하며, 그 경우에 검출기는 수신기상의 빔의 충돌로 인해 발생하는 현상에 반응해야 한다. 그러한 송신기-관련 시스템은 송신기가 바코드의 조명 패턴을 검출할 수 있도록, 수신기 상에 인쇄된 바코드로부터의 빔 반사와 같이 수신기로부터 수신된 광학 정보의 이미지 획득 및 처리를 포함할 수 있다. 역 반사기 또는 역 반사기들로부터 또는 그의 어레이 또는 패턴으로부터의 반사는 수신기에 위치될 수 있으며, 그러한 반사는 이미지 처리의 방식, 역 반사 측정 또는 반사의 일관성 효과 측정에 의해 송신기에서 검출될 수 있다. 검출기는 수신기 내에 위치되는 전류 또는 전압 센서, 수신기 또는 송신기 내의 포토다이오드, 또는 송신기 또는 수신기 중 하나일 수 있는 이미징 장치일 수 있다. 광전지 부근에 있는 역 반사기가 또한, 역 반사기로부터 반사된 광을 검출하는 송신기 내의 추가 검출기와 함께 사용될 수 있다.
검출기는 광전지에 충돌하는 광 빔의 검출시 이에 따라 시스템 제어기로 신호를 보낸다. 검출기가 수신기에 있다면, 그러한 시그널링은 RF, IR, 가시광, UV, 빔의 변조, TCP/IP 또는 소리일 수 있는 통신 채널을 사용하여 무선으로 수행될 수 있다. 시스템 제어기는 보통 송신기 내에 위치되지만, 심지어 송신기의 컴퓨터 네트워크에 있을 수 있는 주 제어 유닛 내에 위치될 수도 있다. 신호의 수신시, 제어기는 다음 중 적어도 하나를 수행함으로써 반응한다:
(a) 레이저 구동기의 상태 변경,
(b) 빔 조종 장치의 작동 특성, 예컨대 빔을 지향시키는 방향 또는 그러한 방향을 변경시키는 속도.
이제, 완전한 시스템의 상세한 설명을 보여주는 개략도인 도 16을 참조한다. 시스템은 송신기(21) 및 수신기(22)를 포함한다. 일반적으로, 송신기 및 수신기는 서로 원격 위치되지만, 편의상 서로 가까이 있는 것으로 도 16에 도시된다. 빔(15)은 송신기(21)로부터 수신기(22)로 전력을 전달한다.
수신기(22)에서, 전면(7)은 반사 빔(16)으로서 입사 빔(15)의 작은 부분을 반사시키는 동시에, 이를 확산시키거나 전면(7) 뒤에 가상 초점 또는 표면 전면의 적어도 1 cm에 실제 초점을 생성한다. 적어도 부분적으로 투명한 표면(7)을 투과한 이후에, 빔(15)은 광-전기 전력 변환기(1)에 충돌한다.
광-전기 전력 변환기(1)는 표면(7) 또는 별도의 창일 수 있는 전방 창을 가질 수 있는 패키지 내에 봉입될 수 있다. 또한 공기와의 인터페이스 또는 접착제 또는 그것을 감싸는 유리로서 기능을 하도록 적응된 외부 표면을 갖도록 코팅될 수 있다. 전형적인 구성에서, 광-전기 전력 변환기(1)는 전형적으로 그 위에 증착된 전도체를 갖는 반도체 층들의 접합부일 수 있다. 많은 실시예에서, 표면(7)은 이들 반도체 층들 중 하나의 외부 표면 상에 코팅되거나 이들의 외부 표면일 수 있다.
시그널링 검출기(8)는 빔(15)이 광전지(1)에 충돌하고 그 정보를 송신기(21)에 위치되는, 이 예시적인 시스템에서 제어기(13)로 전송하는 것을 나타낸다. 제어 신호는 링크(23)에 의해 송신기 상의 검출기(24)로 송신된다.
전력 변환기(1)는 밴드갭(E8)을 갖고 전형적으로 0.35 내지 1.1 V의 전압을 생성하지만, 다중 접합 광전지의 사용으로 더 높은 전압을 생성할 수 있다. 전력은 광전지(1)로부터 낮은 저항을 갖는 전도체(2a 및 2b)를 통해, 자기장을 통해 흐르는 에너지의 일부를 저장하는 인덕터(3)로 흐른다.
자동 스위치(4), 전형적으로 (도 16에 도시되지 않은)제어 회로에 연결되는 MOSFET 트랜지스터는 교류 상태들 사이에서 스위칭하여, 전류가 인덕터(3)를 통해 시간의 제 1 부분 동안 접지로 흐르게 하고, 시간의 제 2 부분 동안 인덕터가 광전지의 전압보다 더 높은 전압에서 전류로서 저장된 그의 자기 에너지를 다이오드(5)를 통해 부하(6)로 방출할 수 있게 하여, 후에 전력을 사용할 수 있게 한다.
자동 스위치(4)는 고정 주파수 또는 가변 주파수 및/또는 듀티 사이클 및/또는 파형에서 작동할 수 있으며, 이는 송신기로부터 제어되거나 고객 부하로부터 제어되거나, 부하에서의 전류, 전압 또는 온도에 기초하거나, 자동 스위치(4)에서의 전류, 전압 또는 온도에 기초하거나, 광-전기 전력 변환기(1)에 의해 방출된 전류, 전압 또는 온도에 기초하거나, 시스템의 상태에 관한 몇몇 다른 표시기에 기초한다.
수신기는 도 16에 도시된 바와 같이 직접적으로 부하(6)에 연결될 수 있거나, 부하(6)는 수신기의 외부에 있을 수 있거나, 심지어 핸드폰 또는 다른 전력 소비 장치와 같은 별도의 장치일 수 있으며, USB/Micro USB/라이팅(Lightning)/USB 유형 C와 같은 소켓을 사용하여 연결될 수 있다.
대부분의 경우에, 부하(6)에 병렬로 연결된 축전기 또는 배터리와 같은 에너지 저장 장치가 또한 있을 수 있거나, 부하(6)는 축전기 또는 배터리와 같은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다.
송신기(21)는 빔(15)을 생성하여 수신기(22)로 지향시킨다. 제 1 작동 모드에서, 송신기(21)는 스캐닝 빔을 사용하거나, RF, 광, IR 광, UV 광, 또는 소리 등과 같은 통신 수단을 사용하여 수신기를 검출함으로써, 또는 역 반사기(retro-reflector) 또는 역 반사 구조물, 바코드(bar-code), 고 대비 패턴 또는 기타 시각 표시기와 같은 수신기의 시각적인 표시기를 검출하기 위한 카메라를 사용함으로써 수신기(22)의 존재를 탐색한다. 대략적인 위치가 발견되면, 전형적으로 저전력에서의 빔(15)은 수신기(22) 주변의 대략적인 구역을 스캔한다. 그러한 스캔 중에, 빔(15)은 광전지(1)에 충돌한다. 빔(15)이 광전지(1)에 충돌할 때, 검출기(8)는 이를 검출하고 그에 따라 제어기(13)에 신호를 보낸다.
제어기(13)는 레이저 구동기(12)에 지시하여 이득 매체(11)에 입력되는 전력(P)을 변경하거나 미러(14)에 지시하여 빔을 지향시키는 그의 스캔 속도 또는 방향을 변경하거나 그의 위치를 유지하는 어느 하나 또는 모두에 의해 그러한 신호에 반응한다. 이득 매체(11)가 레이저 전력 공급장치(12)로부터 상이한 전력(P)을 수신할 때, 그의 작은 신호 이득 - 단일 광자가 이득 매체를 가로지를 때 그리고 다른 광자가 동시에 이득 매체를 가로지르지 않을 때 단일 광자가 겪는 이득 - 이 변화한다. 후방 백미러(10)와 출력 커플러(9) 사이의 방향으로 지향된 광자가 이득 매체(11)를 통과할 때, 더 많은 광자가 동일한 방향 - 빔(15)의 방향 - 으로 방출되고 후방 미러(10)와 출력 커플러(9) 사이에서 광학 공진을 발생시킨다.
출력 커플러(9)는 6940 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 8130 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 스펙트럼의 적어도 일부에서 작동하는 반사율(R)을 갖는 부분 투과 미러이며, 전형적으로 유리, 플라스틱 또는 이득 매체(11)의 표면인 기판상에 상이한 굴절률 재료의 교대 층이 증착되는 다층 유전체 또는 반도체 코팅이다. 대안으로, 이득 매체가 충분한 작은 신호 이득을 제공할 수 있거나, 충분한 굴절률을 가질 수 있거나, 일반 금속 미러가 사용될 수 있다면, 프레넬 반사가 사용될 수 있다. 이득 매체가 반도체 또는 섬유 증폭기라면, 브래그 반사기가 또한 사용될 수 있다. 출력 커플러(9)는 또한, 광의 일부를 투과시키고 공진기 내의 전방 진행파로부터 광의 다른 일부분을 추출하는 반투명 광학 구성요소와 같은 빔 추출기와 조합된 고반사 미러, 그러나 전형적으로 또한 공진기 내의 후방 전파 파로부터 추출된 제 3 부분으로 구성될 수 있다.
후방 반사기(10)는 소량의 광이 그로부터 역 누출될 수 있고 모니터링 또는 다른 목적으로 사용될 수 있지만, 스펙트럼의 적어도 일부가 6940 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 8130 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이에서 작동하는 고 반사율 미러이어야 한다. 후방 반사기는 기판, 보통 유리, 금속 또는 플라스틱 상에 증착된 상이한 굴절률 재료의 교대 층으로 전형적으로 구성될 수 있다. 대안으로, 이득 매체가 충분한 소 신호 이득을 제공할 수 있다면 프레넬 반사가 사용될 있거나 일반 금속 미러가 사용될 수 있다. 브래그 반사기는 또한, 이득 매체가 반도체 또는 섬유 증폭기일 때도 사용될 수 있다.
이득 매체(11)는 이러한 스펙트럼 범위 전체에 걸쳐 반드시 필요한 것은 아니지만, 6940 cm-1에서의 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 8130 cm-1에서 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 방사선을 증폭시킨다. 레이저 구동기(12)에 의해 전력(P)으로 펌핑될 때 출력 커플러(9)에 의해 야기되는 손실보다 더 큰 작은 신호 이득을 전달할 수 있다. 그의 면적, 시야 및 손상 임계값은 적어도 8 kW/m2/s/(1-R)의 빔을 유지하는데 충분할 정도로 커야 하며, 여기서 R은 출력 커플러(9)의 반사율이다. 이는 0.8 내지 1.1 eV의 밴드갭을 갖는 반도체 재료 또는 Nd 이온으로 도핑된 투명 호스트 재료, 또는 그 스펙트럼 범위에서 자극 방출 가능한 다른 구조로 구성될 수 있다. 이득 매체(11)은 후방 반사기(10)로부터 출력 커플러(9)로의 광학 시선 내에 위치되어, 후방 반사기(10)에 의해 반사된 방사선이 이득 매체(11)를 통해 후방 반사기(10)와 출력 커플러(9) 사이에서 공진하게 한다.
이득 매체(11)가 0.8 내지 1.1 eV의 밴드갭을 갖는 반도체인 예시적인 실시예에 대해서, 바람직하게는 열 추출 장치에 부착되어야 하고 레이저 구동기(12)에 의해 전기적으로 또는 광학적으로 펌핑될 수 있다.
이득 매체(11)가 Nd 이온으로 도핑된 YAG, YVO4, GGG 또는 유리나 세라믹과 같은 투명 호스트인 예시적인 실시예에서, 이득 매체(11)는 바람직하게, 후방 미러(10)와 출력 커플러(9) 사이에서 공진하는 방사선으로부터 대략 9400 cm-1의 방사선을 추출하기 위한 필터와 또한 광학적으로 통신해야 한다.
빔 조종 장치(14)는 제어기(13)에 의해 제어된 것으로 도시되어 있다. 이는 빔(15)을 복수의 방향으로 편향시킬 수 있다. 그의 면적은 심지어 그의 최대 작동 경사각으로 기울어질 때 본질적으로 대부분의 빔(15)을 포함할 수 있을 정도로 충분히 커야 한다. 단순한 2D 예를 고려할 때, 빔(15)이 시준된 5 mm 직경(1/e2 직경)의 가우시안 빔이고 빔 조종 장치가 빔 중심에 중심 맞춰진 단일의 둥근 짐볼 미러이며, 미러에 요구되는 최대 경사가 30도이고 빔 조종 장치(14)가 다른 개구를 갖지 않는다고 가정하며, 미러가 빔의 직경과 같은 5 mm 직경을 갖는다면, 빔에 대한 수직 입사에서 약 13 %의 손실을 갖지만, 60도 경사각에서 약 60 % 손실을 가질 수 있다. 이는 시스템의 성능을 심각하게 손상시킬 수 있다. 이러한 전력 손실은 도 17의 그래프에 도시되어 있다.
작동 개시시, 제어기(13)는 레이저 구동기(12) 및 미러(14)에 탐색 작동을 수행하도록 명령한다. 이는 제 1 상태에서 작동하는 레이저 구동기(12)에 의해, 수신기(22)가 발견되기 쉬운 일반적인 방향으로 빔(15)을 향하게 함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 실내의 천장 코너에 장착되는 송신기의 경우에, 스캔은 하향으로 그리고 실내의 두 인접한 벽들 사이에서 수행될 수 있다. 빔(15)이 광-전기 전력 변환기(1)를 포함하는 수신기(22)에 충돌하면, 검출기(8)는 제어기(13)에 그대로 신호를 보낸다. 그러한 신호가 수신되지 않는 한, 제어기(13)는 빔 조종 장치(1l4)에 명령하여 다른 방향으로 계속해서 빔(15)을 지향시켜, 수신자를 탐색한다. 그러한 신호가 검출기(8)로부터 수신되면, 제어기(13)는 빔 조종 장치(14)에 명령하여 그의 스캔을 정지시키거나 감속시켜 수신기에 고정시키고 레이저 구동기(12)에 지시하여 그의 전력 방출을 증가시킬 수 있다. 대안으로, 제어기(3)는 수신기(22)의 위치를 기록하고 이를 후속 단계로 복귀시킬 수 있다.
레이저 구동기(12)가 그의 전력 방출을 증가시킬 때, 이득 매체(11)의 소 신호 이득이 증가하고, 결과적으로 빔(15)이 더 많은 전력을 전달하고 전력 전송이 시작된다. 검출기(8)가 미리 결정되거나 동적으로 설정될 수 있고, 전형적으로 최대 허용 가능한 노출 수준의 상당 부분을 나타내는 수준에 있고, 또한 전형적으로 시스템 잡음 지수보다 더 큰 임계값보다 더 큰 전력 손실을 검출하면, 이들 조건은 빔(15)이 더 이상 광-전기 전력 변환기(1)에 정확하게 조준되지 않거나, 몇몇 물체가 빔 경로에 진입했거나, 오기능이 발생했다는 것을 암시하는 것으로, 제어기(13)는 정상적으로 레이저 구동기(12)에 명령하여 요구되는 안전 수준을 유지하기 위해 전력을 감소시킴으로써 그의 상태를 변경하게 한다. 사용자 인터페이스 또는 API에 의해 표시될 수 있는 송신 안전에 관한 사용자로부터의 표시 또는 제 2 안전 시스템으로부터의 안전 작동의 표시와 같은 안전 작동의 다른 표시가 존재하면, 제어기는 또한 레이저에 명령하여 전력 손실을 보완하기 위해 전력을 증가시킬 수 있다. 제어기(13)는 또한 빔 조종 조립체(14)에 명령하여 탐색 작동을 다시 수행하게 할 수 있다.
탐색 작업에는 두 가지 상이한 단계가 있을 수 있다. 먼저, 가상 패턴, 역 반사기, 고 대비 이미지, 수신기로부터의 응답 신호, 또는 다른 표시기를 탐색할 수 있는 카메라를 사용함으로써, 또는 빔 조종 조립체(14)의 스캐닝 특징을 사용함으로써 비정밀 탐색이 수행될 수 있다. 따라서 수신기가 발견될 수 있는 잠재적인 위치 목록이 생성될 수 있다. 제 2 단계는 검출기(8)가 광-전기 전력 변환기(1)에 충돌한다고 신호할 때까지 빔 조종 미러(14)가 빔(15)을 더 작은 구역으로 지향시키는 정밀 탐색이다.
이제, 도 16의 시스템의 이득 매체(11)를 위한 예시적인 냉각 시스템을 도시하는 도 18을 참조한다. 반사기(9, 10)가 별개의 광학 요소로서 도시되어 있지만, 시스템을 단순화하기 위해 이득 매체 단부 면에 이들 중 하나 또는 모두가 직접적으로 코팅될 수 있다. 이득 매체(11)는 이득 매체가 레이저 구동기(12)로부터 수신하는 전력을 열 및 광자 모두로 변환시키며 전형적으로, 이득 매체가 특정 온도 초과로 가열되는 경우 시스템 성능을 열화시킬 수 있다. 그런 이유로, 이득 매체(11)는 바람직하게 낮은 열 저항을 갖는 열 전도성 땜납인 접합제(33)를 사용하여 방열판(34)에 부착된다. 접합제(33)는 또한 전도성 접착제일 수 있다. 접합제(33)는 이득 매체(11)와 방열판(34)의 열 팽창 계수 사이에 있는 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 방열판(34)은 전형적으로, 그의 표면적을 증가시키기 위한 핀을 갖추거나 팬 또는 액체 펌프(35)와 같은 외부 유체 펌핑 시스템을 갖출 수 있는, 금속으로 제조되는 낮은 열 저항 방열판일 수 있다.
본 발명이 위에서 구체적으로 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위-조합뿐만 아니라, 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 발생할 수 있고 종래 기술에 존재하지 않는 변형 및 수정을 포함한다.

Claims (24)

  1. 전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템으로서,
    단부 반사기를 갖고 광 빔을 방출하도록 적응되는 광학 공진기,
    광학 공진기 내부에 위치되고 제 1 밴드갭 에너지를 가지며, 냉각 시스템에 열적으로 부착되고 그를 통과하는 광을 증폭하도록 구성되는 이득 매체,
    이득 매체에 전력을 공급하고 상기 이득 매체의 소 신호 이득을 제어하는 구동기,
    상기 광 빔을 복수의 방향들 중 적어도 하나의 방향으로 지향시키도록 구성되는 빔 조종 장치,
    상기 광 빔을 전압을 갖는 전력으로 변환하도록 구성되고 제 2 밴드갭 에너지를 갖는 광-전기 전력 변환기,
    광-전기 전력 변환기에 의해 생성된 상기 전력의 전압을 상이한 전압으로 변환하도록 적응되고 인덕터, 에너지 저장 장치 및 스위치를 포함하는 전기 전압 변환기,
    상기 광-전기 전력 변환기와 결합되고 상기 이득 매체와 상기 광-전기 전력 변환기 사이에 광학적으로 배치되는 적어도 하나의 표면,
    상기 광-전기 전력 변환기에 충돌하는 상기 광 빔을 나타내는 신호를 제공하도록 구성되는 검출기, 및
    상기 빔 조종 장치 및 상기 구동기의 상태 중 적어도 하나를 제어하도록 적응되고 적어도 상기 검출기로부터 제어 입력 신호를 수신하는 제어기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 표면은 (i) 확산적으로, 또는 (ii) 상기 반사된 광이 표면에 대해 상기 광학 공진기로부터 원격 위치되는 가상 초점을 갖도록, 또는 (iii) 상기 반사된 광이 상기 표면에 대해 상기 광학 공진기의 방향으로 적어도 1cm에 위치되는 실제 초점을 갖도록 표면에 입사하는 광의 작은 부분을 반사시키는 특성을 가지며,
    상기 제어기는:
    상기 구동기가 이득 매체의 소 신호 이득을 변경하게 하고,
    상기 광 빔의 복사율을 변경하게 하고,
    상기 구동기에 의해 공급되는 전력을 변경하게 하고,
    상기 빔 조종 장치의 스캔 속도를 변경하게 하고,
    상기 빔 조종 장치의 스캔 위치를 변경하게 하고,
    상기 광-전기 전력 변환기의 위치를 정의하는 스캔 위치를 기록하는 것들 중 적어도 하나에 의해 상기 검출기로부터 수신되는 상기 제어 입력 신호에 응답하도록 구성되며,
    상기 이득 매체는 Nd 이온으로 도핑된 반도체 장치 또는 고체 호스트이고, 8,300 cm-1 내지 12,500 cm-1 범위의 파장 수를 갖는 적어도 하나의 주파수에 대한 방사선을 감쇠시키는 필터를 포함하며,
    상기 제 2 밴드갭 에너지는 제 1 밴드갭 에너지보다 작으며,
    상기 제 1 밴드갭 에너지는 0.8 eV 내지 1.1 eV이며,
    상기 스위치는 다음 식에 의해 주어지는 R보다 더 작은 폐쇄 직렬 저항을 가지며,
    Figure pct00010

    여기서, R은 옴 단위로 측정되며, Egain은 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지이며, Plaser driver는 와트 단위로 측정되는, 레이저 구동기에 의해 이득 매체로 공급되는 전력이며,
    상기 광 빔은 적어도 8 kW/㎡/s의 복사율, 및 약 6940 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 1 오버톤(overtone)과 약 8130 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 주파수를 갖는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상이한 전압은 상기 광-전기 변환기에 의해 생성되는 상기 전압보다 더 높은 전압인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 빔 조종 장치의 상기 상태는 상기 빔 조종 장치의 조준 방향 또는 스캔 속도 중 적어도 하나인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 빔은 적어도 800 kW/㎡/s의 복사율을 가지는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기의 상기 단부 반사기 중 각각의 하나는 (i) 유전체 미러, (ii) 브래그 미러, (iii) 프레넬 반사기(Fresnel reflector) 또는 (iv) 상이한 굴절률을 갖는 유전체 또는 반도체 재료의 교대 층으로 구성되는 미러 중 어느 하나인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 매체는 Nd 이온으로 도핑된 투명 고체 호스트 재료 또는 반도체인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    8300 cm-1보다 더 큰 파동 수를 갖는 방사선을 추출하기 위한 필터를 더 포함하는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이득 매체가 양자점 이득 매체인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 방열판, 펠티어 다이오드(Peltier diode) 및 액체 냉각 판 중 적어도 하나인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 팬을 또한 갖추고 있는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 이득 매체는 200° 켈빈/와트 미만의 열 저항을 갖는 땜납 층을 사용하여 상기 냉각 시스템에 부착되는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    이득 매체와 주위 공기 사이의 열 저항은 200 ℃ 켈빈/와트 미만인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광-전기 전력 변환기는 광전지인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광-전기 전력 변환기의 직렬 저항은 1 옴 미만인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광전지는 III-V 장치인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터는 와트 단위로 측정된 상기 구동기 전력의 2*10-40 배로 나눈 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지의 제곱 미만의 옴 단위로 측정된 직렬 저항을 가지는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는 축전기 또는 재충전 가능한 배터리인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    역 반사기를 더 포함하는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이득 매체는 구동기에 의해 전기적 또는 광학적으로 펌핑되는
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 밴드갭 에너지는 상기 제 1 밴드갭 에너지의 50 % 초과인
    전력 수신 장치로의 광 무선 전력 전송용 시스템.
  21. 송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법으로서,
    제 1 전력을, 약 6940 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 1 오버톤과 약 8130 cm-1에 위치된 C-H 흡수의 제 2 오버톤 사이의 주파수를 갖는 전자기파로 변환하는 단계로서, 상기 전자기파가 적어도 8 kW/㎡/s의 복사율을 가지며, 변환하는 단계가 단부 반사기를 갖는 광학 공진기 및 상기 제 1 전력을 수신하는 레이저 구동기에 연결되는 이득 매체를 사용하여 수행되며, 0.8 eV 내지 1.1 eV의 제 1 밴드갭 에너지를 갖는 상기 이득 매체가 상기 광학 공진기 내부에 위치하고, 냉각 시스템에 열적으로 부착되고, 이를 통과하는 상기 전자기파를 증폭하도록 구성되는, 단계;
    제어 유닛에 의해 제어되는 빔 조종 장치를 사용하여 전자기파를 복수의 방향 중 적어도 하나의 방향으로 지향시키는 단계;
    이득 매체의 소 신호 이득에서의 변화를 야기하고,
    상기 전자기 빔의 복사율에서의 변화를 야기하고,
    상기 제 1 전력에서의 변화를 야기하고,
    상기 빔 조종 장치의 스캔 속도를 변경하고,
    상기 빔 조종 장치의 스캔 위치를 변경하고,
    상기 타겟의 위치를 정의하는 스캔 위치를 기록하는 것 중 적어도 하나를 수행하기 위해서 상기 충돌과 관련된 표시가 상기 제어 유닛에 의해 사용될 수 있도록, 연관된 부분적으로 투명한 표면을 갖는 타겟 상에 상기 빔의 충돌을 검출하는 단계;
    상기 제 1 밴드갭 에너지보다 더 작은 상기 제 2 밴드갭 에너지를 갖는 광-전기 전력 변환기를 사용함으로써 상기 전자기파를 상기 전압을 갖는 제 2 전력으로 변환하는 단계; 및
    인덕터, 에너지 저장 장치 및 다음의 식으로 주어지는 R보다 작은 폐쇄 직렬 저항을 갖는 스위치를 포함하는 전압 변환기를 사용하여 전압을 상이한 전압으로 변환하는 단계로서,
    Figure pct00011

    여기서, R은 옴 단위로 측정되며, Egain은 주울 단위로 측정된 제 1 밴드갭 에너지이며, Plaser_driver는 와트 단위로 측정된 상기 제 1 전력인 단계;를 포함하며;
    (i) 확산적으로, 또는 (ii) 상기 반사된 광이 표면에 대해 상기 광학 공진기로부터 원격 위치되는 가상 초점을 갖도록, 또는 (iii) 상기 반사된 광이 상기 표면에 대해 상기 광학 공진기의 방향으로 적어도 1cm에 위치되는 실제 초점을 갖도록, 표면은 표면에 입사하는 광의 작은 부분을 반사시키는 특성을 가지며;
    상기 이득 매체는 8,300 cm-1 내지 12,500 cm-1 범위의 파동 수를 갖는 적어도 하나의 주파수에 대한 방사선을 감쇠시키는 필터를 포함하는 반도체 장치 또는 Nd 이온으로 도핑된 고체 호스트인
    송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 스위치는 다음 식에 의해 결정되는 주파수에서 스위칭될 수 있으며,
    Figure pct00012

    Figure pct00013

    여기서, f는 Hz 단위로 측정된 스위칭 주파수이며,
    Egain은 주울 단위로 측정된 이득 매체의 밴드갭이며,
    Voutput은 볼트 단위로 측정된 전압 변환기로부터의 출력 전압이며,
    Plaser driver는 와트 단위로 측정된 레이저 드라이버에 의해 이득 매체에 펌핑되는 전력인
    송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 타겟에 대한 상기 빔 충돌의 상기 검출은:
    상기 타겟으로부터의 역 반사 조명에 대한 상기 송신기에서의 검출, 또는
    수신기 센서를 사용한 상기 타겟에 대한 조명 검출을 사용하여 수행되는
    송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 밴드갭 에너지는 상기 제 1 밴드갭 에너지의 50 % 초과인
    송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 방법.
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