KR20220065001A - 생물오손에 대해 표면을 보호하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

오손 방지 시스템은 생물오손에 대해 표면을 보호하는 데 사용된다. 유도식 전력 전달은 오손 방지 광원 설비에 급전하기 위해 사용되고, 전압 증배기는 수신기(2차)측에서 사용된다. 전압 증배기는 패널에서 2차 코일들의 광학 영향의 감소를 가능하게 한다.

Description

생물오손에 대해 표면을 보호하기 위한 방법 및 시스템

본 발명은 표면의 오손(fouling)을 방지하기 위한 또는 흔히 오손 방지(anti-fouling)로 지칭되는 방법, 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 구체적으로 선박의 선체의 오손 방지를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

생물오손(biofouling) 또는 생물학적 오손은 표면 상에의 미생물, 식물, 조류, 및/또는 동물의 축적이다. 생물오손 유기체의 종류는 매우 다양하며, 따개비 및 해초의 부착을 훨씬 넘어 확대된다. 일부 추정에 따르면, 4000가지를 넘는 유기체를 포함한 1700가지를 넘는 종(species)이 생물오손의 원인이다. 생물오손은 생물막 형성 및 박테리아 부착을 포함하는 미세오손(microfouling), 및 더 큰 유기체의 부착인 거대오손(macrofouling)으로 나뉜다. 유기체가 정착하는 것을 방지하는 것을 결정하는 별개의 화학 반응 및 생물학적 특성으로 인해, 이들 유기체는 또한 경질 또는 연질 오손 유형으로 분류된다.

석회질(경질) 오손 유기체는 따개비, 피각화 이끼벌레, 연체동물, 다모류 및 다른 서관충, 및 얼룩무늬 홍합을 포함한다. 비석회질(연질) 오손 유기체의 예는 해초, 히드로충, 조류 및 생물막 "점액(slime)"이다. 이들 유기체는 함께 오손 군집(fouling community)을 형성한다.

몇몇 상황에서, 생물오손은 상당한 문제를 일으킨다. 기계가 동작을 멈추고, 물 입구가 막히고, 선박의 선체가 증가된 항력을 겪는다. 따라서, 오손 방지의 주제, 즉 오손을 제거하거나 오손이 형성되는 것을 방지하는 공정이 잘 알려져 있다.

산업 공정에서, 생물 분산제(bio-dispersant)가 생물오손을 제어하는 데 사용될 수 있다. 제어가 부족한 환경에서, 유기체는 살생물제를 사용한 코팅, 열 처리 또는 에너지의 펄스로 사멸되거나 억제된다. 유기체가 부착되는 것을 방지하는 무독성 기계적 전략은 미끄러운 표면을 갖는 재료 또는 코팅을 선택하는 것, 또는 단지 불량한 고정점을 제공하는 상어 및 돌고래의 피부와 유사한 나노스케일 표면 토폴로지(topology)의 생성을 포함한다.

예로서, 선박의 선체 상의 생물오손은 항력의 심각한 증가 및 이에 따라 증가된 연료 소비를 유발한다. 연료 소비량의 최대 40%의 증가가 생물오손에 기인할 수 있는 것으로 추정된다. 대형 유조선 또는 컨테이너 수송선이 하루 최대 €200,000의 연료를 소비할 수 있기 때문에, 효과적인 생물오손 방지 방법으로 상당한 절감이 가능하다.

국제 출원 공개 WO 2014/188347호는, 오손으로부터 깨끗하게 유지될 표면(예컨대, 선박의 선체)의 전부 또는 표면의 상당한 양이 살균 광, 특히 UV 광을 방출하는 층으로 덮인, 생물오손을 방지하기 위한 방법 및 시스템을 개시한다. 따라서, 특히 자외선(UV) 광을 사용하는 광학 방법을 채택하는 것이 알려져 있다. 충분한 UV 광으로 대부분의 미생물이 사멸되거나, 비활성 상태로 되거나, 번식할 수 없게 되는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 효과는 주로, UV 광의 총 선량(dose)에 의해 좌우된다. 소정 미생물의 90%를 사멸시키는 전형적인 선량은 제곱미터당 10 mW-h이다.

자외선(UV)은 가시 스펙트럼과 X선 방사선 대역의 더 낮은 파장 극한에 의해 경계지어지는 전자기 광의 부분이다. UV 광의 스펙트럼 범위는, 정의상, 100 내지 400 nm이고, 사람의 눈에 보이지 않는다. CIE 분류를 사용하여, UV 스펙트럼은 하기의 3개의 대역으로 세분된다:

315 내지 400 nm의 UVA(장파)

280 내지 315 nm의 UVB(중파)

100 내지 280 nm의 UVC(단파)

저압 수은 방전 램프, 중압 수은 방전 램프 및 유전체 장벽 방전 램프와 같은, UV를 발생시키기 위한 다양한 광원이 알려져 있다.

예를 들어 국제 출원 공개 WO 2014/188347호에서 제안된 바와 같은 바람직한 선택사양은 저비용 저전력 UV LED이다. LED는 일반적으로 더 작은 패키지 내에 포함되고 다른 유형의 광원보다 더 적은 전력을 소비할 수 있다. LED는 다양한 원하는 파장의 (UV) 광을 방출하도록 제조될 수 있고, 그들의 동작 파라미터, 무엇보다도 특히 출력 파워가 높은 정도로 제어될 수 있다. 적합한 살균 선량은 기존의 UV LED에 의해 용이하게 달성될 수 있다.

UV LED는 보호될 표면 위에 배치될 패널 내에 형성될 수 있다. UV LED에 급전하기 위해, 1차측 전송기로부터 패널 내의 2차측 수신기로의 유도식 전력 전달을 사용할 수 있다. 그러나, 2차측에서 요구되는 픽업 코일은 공간을 차지하고, 이러한 큰 코일 표면은 가외의 LED를 추가함으로써 보상될 필요가 있다. LED의 개수를 증가시키는 것은 문제가 되는데, 그 이유는 더 높은 전력 요구가 있고 따라서 (주어진 전압에 대해) 더 높은 전류 요구가 있어, 더 넓은 전도성 트랙을 필요로 하기 때문이다.

1차측 전류는 1차 코일의 개수를 증가시킴으로써 감소될 수 있지만, 이는 주어진 권수비(turns ratio)를 유지하기 위해 2차측 코일의 개수의 증가를 필요로 한다.

따라서, 유도식 전력 전달 접근법의 광학적 및 전기적 요건들을 충족시키는 데 필요한 절충이 존재한다.

본 발명은 청구범위에 의해 한정된다.

본 발명의 태양에 따른 예들에 따르면, 생물오손에 대해 표면을 보호하기 위한 오손 방지 시스템으로서,

오손 방지 광을 방출하고 표면 위에 장착하기 위한 패널로서, 오손 방지 광을 발생시키기 위한 광원 설비, 및 유도식 전력 전송기의 하나 이상의 1차 권선(winding)과 정렬하기 위한 하나 이상의 2차 권선을 포함하는 유도식 전력 수신기를 포함하는, 상기 패널을 포함하며,

유도식 전력 수신기는 전압 증배기(voltage multiplier)를 포함하는, 오손 방지 시스템이 제공된다.

시스템은 바람직하게는 하나 이상의 1차 권선을 포함하고 표면 위에 장착하기 위한 유도식 전력 전송기를 더 포함한다.

따라서, 본 발명은 패널뿐만 아니라 이 패널을 사용하는 전체 시스템을 제공한다.

전체 시스템은 전력 전송기를 위한 전원과 패널 사이에 갈바닉-절연된(galvanically isolated) 변압기를 생성한다. 패널에서 (2차 권선(들)에 의해 형성된) 2차 코일의 광학 영향을 감소시키기 위해, 전압 증배기가 사용된다. 이는 2차 코일에서 더 적은 권선이 낮은 표면적을 가지고 사용될 수 있고, 이에 의해 패널의 광학 성능이 개선될 수 있음을 의미한다. 이는 결과적으로 광원 설비에서 더 적은 광원(예컨대, LED)이 필요하여서, 더 낮은 동작 전류 및 따라서 더 얇은 전도성 트랙용 선택사양을 제공할 수 있음을 의미한다.

(1차 권선(들)에 의해 형성된) 1차 코일은 자속의 원하는 변화율을 달성하도록 설계되며, 2차 코일 설계 및 전압 증배기 설계의 조합은 원하는 조명 성능을 달성한다.

원하는 자속 특성을 발생시키는 데 요구되는 전류를 감소시키기 위해 1차 권선의 개수의 증가가 사용될 수 있고, 전압 증배기의 사용은 2차 권선의 상응하게 증가되는 개수에 대한 필요성을 회피한다. 2차 권선의 개수가 낮게 유지될 수 있게 함으로써, 트랙 저항에 의해 유발되는 코일 손실이 감소된다.

전압 증배기는 예를 들어 다이오드-커패시터 회로를 포함한다. 이는 작은 개별 구성요소들로 구현될 수 있는데, 이는 따라서 이들이 대체하는 2차 코일 권선들보다 더 적은 공간을 차지하고 더 적은 광학 영향을 갖도록 배열될 수 있다.

전압 증배기는 예를 들어 전압 4배기(quadrupler)이다. 이는 2차 권선의 개수의 원하는 감소 및 전기 효율의 결과적인 손실 사이의 최적의 균형을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

유도식 전력 전송기는 예를 들어 표면에 맞닿아 장착하기 위한 것이고, 패널은 유도식 전력 전송기 위에 장착하기 위한 것이다. 따라서, 갈바닉-절연된 패널은 외측 층이다.

유도식 전력 전송기는 세장형 전력 스트립(strip)을 포함할 수 있고, 패널은 세장형 전력 스트립과 중첩되는 에지(edge) 영역을 포함하며, 유도식 전력 수신기는 에지 영역에 형성된다. 따라서, 코일 또는 코일들은 패널의 상대적으로 작은 영역을 차지한다. (예컨대, 수직으로 배열된) 전력 스트립들 및 (예컨대, 수평으로 배열된) 패널들로 그리드(grid)가 형성될 수 있다.

유도식 전력 전송기는 예를 들어 1차 권선들 아래에, 따라서 보호될 표면과 권선들 사이에 페라이트 시트(ferrite sheet)를 포함한다. 따라서, 시스템 효율은 높게, 예컨대 50%에 가깝게 유지될 수 있다. 페라이트 시트는 표면, 예컨대 선박의 선체와 유도식 변압기 1차 권선들 사이에 있어, 전도성 선체(또는 보호될 표면을 한정하는 다른 전도성 층)를 통한 와전류(eddy current)를 방지한다.

유도식 전력 전송기는 예를 들어 최대 10개의 1차 권선들을 포함하고, 유도식 전송기를 위한 전원은 50 V 이하의 RMS 전압을 갖고 3 A 이하의 RMS 전류를 전달한다.

유도식 전력 수신기는 예를 들어 10개 이하의 2차 권선들을 포함한다.

유도식 전력 수신기는 예를 들어 인쇄 회로 기판 상에 또는 그 내부에 형성된 2차 권선들을 포함한다. PCB 재료는 전형적으로 발생된 UV 광에 대한 흡수기여서, 가능한 한 얇아야 한다.

패널은 예를 들어 5 mm 미만, 예를 들어 4 mm 미만, 예를 들어 3 mm 미만의 두께를 갖는다. 이러한 두께는 전형적으로 인쇄 회로 기판 및 보호 코팅을 포함한다.

예를 들어, 패널은 예컨대 코팅 또는 매립 재료의 형태의 실리콘 재료를 포함한다. 이러한 재료는 광학 기능, 예컨대 광 안내뿐만 아니라 보호 기능을 수행할 수 있다. 이는 발생된 UV 광에 대해 상대적으로 높은 투과성을 갖도록 선택될 수 있다.

유도식 전력 전송기는 예를 들어 50 ㎑ 내지 1 ㎒, 예를 들어 50 ㎑ 내지 200 ㎑, 예를 들어 60 ㎑ 내지 90 ㎑의 공진 주파수를 갖는 공진 회로를 포함한다.

광원 설비는 예를 들어 270 nm 내지 280 nm의 파장을 갖는 UV-C LED들의 어레이를 포함한다.

이 시스템은 복수의 유도식 전력 전송기들 및 복수의 패널들을 포함할 수 있다. 하나의 유도식 전력 전송기는 하나 이상의 패널과 연관될 수 있다.

본 발명은 또한 생물오손에 대해 표면을 보호하는 방법으로서,

표면 위에 장착된 유도식 전력 전송기를 사용하여 무선으로 전력을 전송하는 단계;

표면 위에 장착된 패널의 유도식 전력 수신기를 사용하여, 무선 전송되는 전력을 수신하는 단계;

유도식 전력 수신기에서 전압 증배를 수행하는 단계; 및

전압 증배되어진 수신된 전력을 사용하여 광원 설비를 구동시키는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.

본 발명의 이들 및 다른 태양이 본 명세서에서 후술되는 실시예(들)로부터 명백하고 그러한 실시예(들)를 참조하여 설명될 것이다.

본 발명의 더 양호한 이해를 위해, 그리고 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는지를 더욱 명확하게 보여주기 위해, 이제 단지 예로서 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 물과 접촉하는 선박의 표면, 즉 선체 표면을 보호하기 위해 선박에 적용되는 오손 방지 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 유도식 전력 전송기들 및 패널들을 통한 (수평 평면 내의) 단면을 도시하는 도면.
도 3은 코일 설비들을 더 상세히 도시하는 도면.
도 4는 패널의 구조의 일례를 도시하는 도면.
도 5는 발광 표면으로부터 본 패널을 도시하는 도면.
도 6은 전압 증배기를 함께 한정하는, LED들, 2차 권선 및 수동 구성요소(passive component)들을 갖는 패널을 도시하는 도면.
도 7은 시스템에 의해 구현된 전기 회로를 도시하는 도면.
도 8은 전압 증배기로서의 전압 4배기 회로의 일례를 도시하는 도면.

본 발명은 도면을 참조하여 기술될 것이다.

상세한 설명 및 구체적인 예는, 장치, 시스템 및 방법의 예시적인 실시예를 나타내지만, 단지 예시의 목적으로 의도되며 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 장치, 시스템 및 방법의 이들 및 다른 특징, 태양, 및 이점이 하기 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부 도면으로부터 더 잘 이해될 것이다. 도면은 단지 개략적이고 축척에 맞게 도시되지는 않는다는 것이 이해되어야 한다. 동일한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 나타내도록 사용된다는 것이 또한 이해되어야 한다.

본 발명은 생물오손에 대해 표면을 보호하는 데 사용되는 오손 방지 시스템을 제공한다. 유도식 전력 전달은 오손 방지 광을 생성하기 위한 광원 설비에 급전하기 위해 사용되고, 전압 증배기가 수신기(2차)측에서 사용된다. 전압 증배기는 패널에서 2차측 코일의 권선들의 광학적 영향의 감소를 가능하게 한다.

도 1은 물과 접촉하는 선박의 표면, 즉 선체 표면을 보호하기 위해 선박(1)에 적용되는, 본 발명에 따라 개조될 수 있는 오손 방지 시스템을 도시한다.

오손 방지 시스템은 표면 위에 장착된 유도식 전력 전송기(10)들의 세트를 포함한다. 이들은 선체에 맞닿아 수직으로 연장되는 전력 급전 라인(power feeding line)들의 형태를 취한다. 상단부에서, 급전 라인들은 전력원(도시되지 않음)에 연결된다. 유도식 전력 전송기들 각각은 하나 이상의 1차 권선들의 세트를 포함한다. 1차 권선들의 세트(하나의 권선이 있든 하나 초과의 권선이 있든지 간에)는 본 문헌에서 1차 코일로 지칭된다.

패널(20)들의 세트가 또한 표면 위에 장착된다. 패널들 각각은 광원 설비, 및 1차 권선들의 세트와의 정렬을 위한 하나 이상의 2차 권선의 세트를 갖는 유도식 전력 수신기를 포함한다. 2차 권선들의 세트(하나의 권선이 있든 하나 초과의 권선이 있든지 간에)는 본 문헌에서 2차 코일로 지칭된다. 따라서, 용어 "코일"은 일반적으로 변압기의 일 측을 형성하는 권선들의 세트를 나타내기 위해 사용된다.

아래의 설명으로부터 명확한 바와 같이, 각각의 전력 급전 라인에 다수의 코일, 예를 들어 각각의 패널의 위치에서 전력 급전 라인을 따라 하나 이상의 코일이 있을 수 있다.

아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 유도식 전력 수신기는 전압 증배기를 포함한다.

본 발명은 전체 시스템, 절연된 패널들, 및 조명 방법을 제공한다.

도 2는 전력 급전 라인(유도식 전력 전송기(10))들을 통한 그리고 패널(20)들을 통한 (수평 평면 내의) 단면을 도시한다. 유도식 전력 전송기는 1차 코일(12), 및 1차 코일의 권선들과 선박의 선체(16)의 금속 사이의 페라이트 시트(14)를 포함한다. 선체의 표면(18)은 오손으로부터 보호될 표면이다. 페라이트 시트는 선박의 선체(16)의 금속에서의 와전류를 방지함으로써 에너지 전달의 효율을 증가시킨다.

도시된 예에서, 표면(18)은 패널들에 의해 본질적으로 완전히 덮인다. 따라서, 표면(18)은 패널들에 의해 보호되며, 오손에 취약한 것은 패널들의 노출된 표면이다. 따라서, 패널들에 의해 제공되는 조명은 패널들의 표면 상에서의 오손 유기체의 형성을 방지하는 것을 목표로 한다.

그러나, 이는 여전히 (시스템이 없다면, 선체 표면은 생물오손을 겪을 것이라는 점에서) 생물오손으로부터 선체 표면을 보호하기 위한 시스템을 형성하는 것으로 이해된다.

예를 들어, 대안적인 설비는 보호될 표면의 작은 부분만을 덮고 광이 보호될 표면을 향해 지향되거나 안내되는 패널들을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 선체 표면의 주요 부분은 실제로 물에 노출되고, 이에 따라 생물오손에 민감하다.

도 2에 도시된 예에서, 유도식 전력 전송기(10)들은 선체 표면(18)에 맞닿아 장착되고, 패널(20)들은 유도식 전력 전송기들 위에 장착된다.

특히, 각각의 패널(20)의 에지 영역(22)은 급전 라인들과 중첩된다. 패널(20)들 각각은 이러한 에지 영역에 위치된 2차 코일(24), 및 광원 설비(26)를 갖는다.

2차 권선들은 유도식 전력 전달을 제공하도록 1차 권선들과 정렬된다. 무선으로 전송된 전력은 광원 설비(26)에 급전하도록 패널(20)들에 의해 사용된다.

1차 코일들은 급전 라인들의 인쇄 회로 기판 상에 또는 그 내부에 형성될 수 있고, 2차 코일들은 또한 패널의 인쇄 회로 기판 상에 또는 그 내부에 형성될 수 있다. 광원 설비는 또한 2차 코일들의 인쇄 회로 기판과 별개이거나 그와 동일할 수 있는 인쇄 회로 기판 상에 형성될 수 있다. 공유된 가요성 인쇄 회로 기판은 예를 들어 패널들이 하부의 급전 라인들의 윤곽에 적응되게 할 수 있다. 대신에, 패널 내의 별개의 인쇄 회로 기판들 및 이들 사이의 전기 접속부가 있을 수 있다. 대안적으로, 광원 설비는 와이어 그리드 구조체로서 형성될 수 있다. 이는 2차 코일들에 대해서만 PCB가 필요하기 때문에 PCB 면적을 감소시킨다.

도시된 구조체를 단순하게 유지하기 위해 인쇄 회로 기판들은 도면에 도시되어 있지 않다.

유도식 전력 전송기(10)들의 1차 코일들에는, 예를 들어 발광 시스템의 동작 동안 100 ㎑ 내지 150 ㎑ 사인파가 공급될 수 있다. 급전 라인들의 위치에서 선체(16)로의 용량성 누설 전류를 보상하기 위해, 급전 라인들에는 저역 통과 필터를 구현하기 위한 커패시터가 추가로 제공될 수 있다. 이는, 예를 들어 AC 공급을 발생시키기 위해 고효율 절환식 증폭기가 사용되는 경우에 관심대상이다. 그러한 경우에, 증폭기의 잔류하는 더 높은 주파수의 고조파에 대해 저역 통과 필터가 사용된다.

대안은 AC 공급을 발생시키기 위해 공진 회로를 사용하는 것이다. 예를 들어, 각각의 급전 라인은 60 ㎑ 내지 90 ㎑ 범위 내의 공진을 갖는, 용량식 공진 회로에 기반한 공진 회로를 포함할 수 있다.

일반적으로, 동작 주파수(공진 또는 종동)는 50 ㎑ 내지 1 ㎒, 예를 들어 50 ㎑ 내지 200 ㎑, 예를 들어 60 ㎑ 내지 90 ㎑ 범위 내일 수 있다.

도 3은 코일 설비들을 도시한다.

도 2의 예는 하나의 에지에서 연관된 급전 라인과 중첩되는 패널들을 갖는다. 도 4에서, 패널(20)들은 둘 모두의 측방향 에지들에서 급전 라인(10)들과 중첩되고, 각각의 급전 라인(10)은 그의 길이를 따라 배열된 1차 코일들의 쌍들을 갖는다. 쌍의 하나의 코일은 일 측에 대해 패널에 급전하기 위한 것이고, 쌍의 다른 코일은 다른 측에 대해 패널에 급전하기 위한 것이다. 이러한 방식으로, 각각의 패널은 양 측으로부터 전력이 공급된다. 이는 광원 설비에 필요한 전력 라인들의 길이를 감소시킨다.

급전 라인들의 모든 코일들은 동일한 상(phase)을 가질 수 있는데, 이는 발광 시스템(40)의 전기 리던던시(redundancy)에 기여한다. 광원 설비(26)들은 급전 라인이 파손되는 경우 여전히 전체적으로 기능할 수 있다. 이와 관련하여, 급전 라인들은 정상 수준의 2배의 증가된 수준으로 전력을 전달하도록 설계될 수 있다.

따라서, 패널당 하나의 코일 조립체(즉, 1차 코일 및 2차 코일)(도 2) 또는 패널당 2개의 코일 조립체(도 3)가 있을 수 있다.

예를 들어 급전 라인당 2 내지 50개의 패널, 예를 들어 급전 라인에 연결된 개별 타일(tile)들의 20개의 행이 있을 수 있다.

도시된 예에서, 급전 라인들은 선박의 측면을 따라 실질적으로 수직 배향으로 연장된다. 그러나, 급전 라인들의 임의의 적합한 배열이 가능하다. 급전 라인들은 예를 들어 선박의 선체의 용접 시임(seam)들 및/또는 다른 표면 요철들을 덮을 수 있다.

도 4는 본 예에서 측면 발광 UV-C LED인 복수의 광원(40)을 갖는 패널(20)의 구조체의 일례를 도시하는데, 여기서 광은 LED의 측면으로부터 주로 방출되고 표면에 다소 평행하다. 광원(40)들은 액밀 광학 매체(42) 내에 봉지되어, 광원(40)으로부터 방출된 광(44)의 적어도 일부를 광학 매체를 통해 내부 전반사에 의하여 안내한다.

내부 전반사를 파괴하고 광을 산란시키며, 이어서 산란된 광(48)을 광학 매체(42) 밖으로, 생물오손 유기체가 존재하는 영역인 광에 대한 타겟을 향해 안내하기 위해 광학 구조체(46)들이 제공된다.

표면(52) 상의 생물오손 유기체는 광 산란된 광(48)이 물에 들어가기 전에 이를 직접 수광할 것이다.

또한, 물에 들어가는 내부 산란된 광(48) 중 일부는 외부 산란 부위들과 마주칠 것이다. 이는 물 내에 조명(50)을 생성하며, 조명 중 일부는 또한 생물오손이 방지되어야 하는 패널(20)의 표면(52)으로 다시 반사될 것이다.

조명은 표면(52)에서의 단세포 생물-메커니즘이 성장 및 분할을 중단할 것이고, 따라서 UV-C 광의 영향 하에 사라질 것임을 의미한다.

광학 매체는 패널이 2차원 구조체인 것으로 간주될 수 있도록 비교적 얇다. 광을 산란시키는 광학 구조체(46)들은 광학 매체 재료의 하나 이상의 부분에서, 가능하게는 그의 전부 전체에 걸쳐 산포될 수 있고, 광 출력은 대체로 균질하거나 달리 국부화될 수 있다.

상이한 구조적 특성들을 갖는 내부 산란 중심들은 조합되어, 광학적뿐만 아니라 구조적 특성들, 예를 들어 내마모성 및/또는 내충격성을 제공할 수 있다. 적합한 산란체는 불투명한 물체를 포함하지만, 대체로 반투명한 물체, 예컨대 작은 공기 기포, 유리 및/또는 실리카가 또한 사용될 수 있는데, 요건은 단지 사용된 파장(들)에 대해 굴절률의 변화가 일어나는 것이다.

표면에 걸친 광 안내 및 확산 광의 원리는 잘 알려져 있으며 다양한 분야에서 널리 적용된다. 여기서, 원리는 오손 방지의 목적을 위한 UV 광에 적용된다.

내부 전반사에 대한 조건을 유지하기 위해, 광 안내 재료의 굴절률은 주변 매체의 굴절률보다 더 높아야 한다. 그러나, 도광체 상에서의 (부분적으로) 반사하는 코팅의 사용 및/또는 보호된 표면, 예컨대 선박의 선체, 자체의 반사 특성의 사용은 또한 광학 매체를 통해 광을 안내하기 위한 조건을 확립하는 데 사용될 수 있다.

상기 예에서, 패널은 보호될 표면 위에 새로운 표면을 형성하고, 광은 보호될 표면으로부터 외향으로 지향된다. 그러나, 대안은 패널이 보호될 표면 위에서 이격되고 광을 보호될 표면을 향해 다시 지향시키는 것이다.

이때, 패널의 광원 설비와 보호될 표면 사이에 작은 공기 간극이 도입될 수 있다. UV 광은, 이러한 광학 매체가 광 안내 재료로서 설계된 때에도, 광학 매체에서보다 공기 중에서 더 적은 흡수를 가지고 더 잘 이동할 수 있다.

대부분의 재료가 UV 광에 대해 (매우) 제한된 투과율을 갖기 때문에, 광학 매체의 설계에서 주의를 기울여야 한다. 그 결과, 광이 광학 매체를 통해 이동해야 하는 거리를 최소화하기 위해, 저전력 LED들의 비교적 미세한 피치(pitch)가 선택될 수 있다.

일례에서, 광학 매체(42)는 실리콘, 및 양호한 UV-C 투과도를 갖도록 설계된 것을 포함한다.

도 4에 도시된 바와 같이 중실 봉지부가 사용될 수 있다. 그러나, 실리콘 매트(mat)를 보호되는 표면으로부터 멀리 작은 거리에서 유지하는 스페이서(spacer)들을 갖는 실리콘 매트와 같은 중공 구조체가 대신에 사용될 수 있다. 이는 공기 채널들을 생성하고, 이를 통해 UV 광이 더 높은 효율로 전파될 수 있다. 그러한 구조체들에 의해 제공되는 가스 충전된 채널들의 사용은, 그렇지 않을 경우 UV 광을 너무 강하게 흡수하여 오손 방지에 유용하지 않을, 재료의 광학 매체 내에서 상당한 거리들에 걸쳐 UV 광을 분포시키는 것을 허용한다. 유사하게, 별개의 포켓들이 형성될 수 있다.

도 5는 전방으로부터 본 패널(20)을 도시하고, 조명 패턴을 도시한다. 패널은 LED(40)들의 2차원 어레이 및 에지 영역(22)에서의 1차 코일(24)을 포함한다.

본 발명에 따르면, 유도식 전력 수신기는 전압 증배기를 포함한다. 선택적으로, 전압 증배기는 또한 정류를 구현한다.

전압 증배기는 다이오드-커패시터 회로를 형성하는 다이오드 및 커패시터와 같은 수동 구성요소들로 형성될 수 있다. LED(40)들은 인쇄 회로 기판 상에 제공되고, 인쇄 회로 기판 트레이스들은 또한 2차 코일의 권선들을 한정한다. 전압 증배기의 구성요소들은 또한 LED들이 산재된 동일한 기재(substrate) 상에 제공될 수 있다.

도 6은 전압 증배기를 함께 한정하는, LED(40)들, 2차 코일(24) 및 수동 구성요소(60)(예컨대, 커패시터 및 다이오드)들을 갖는 패널을 도시한다. 전압 증배기는 예를 들어 전압 4배기이다. 개별 구성요소로들부터 전압 증배기의 회로를 구성하기 위한 PCB 트랙들이 있다.

전압 증배기는 도 6에 도시된 바와 같이 일정 영역에 걸쳐 분포될 수 있거나, 단일 위치에 제공될 수 있다. PCB에 걸쳐 분산된 다수의 전압 증배기가 있을 수 있다. 큰 조명 타일들의 경우, 전압 증배기들은 타일들에 걸쳐 분포될 수 있고, 타일의 국소 영역에서 광원들에 전력을 전달하도록 전기 접속될 수 있다.

유도식 전력 전달의 사용은 전원과 패널 사이에 갈바닉-절연된 변압기를 생성한다. 전압 증배기는 더 적은 2차 코일 권선이 사용될 수 있고, 이에 의해 패널의 광학 성능이 개선될 수 있음을 의미한다. 도 6은 패널 위에서 LED들의 균일한 분포를 유지하기 위해, LED들이 권선들의 내측 영역 내에 제공될 수 있음을 도시한다. 개선된 광학 성능은 광원 설비에서 더 적은 광원(예컨대, LED)이 필요하여서, 더 낮은 동작 전류 및 따라서 더 얇은 전도성 트랙용 선택사양을 제공할 수 있음을 의미한다.

1차 코일(크기, 재료, 및 개수)은 자속의 원하는 변화율을 달성하도록 설계되며, 2차 코일 설계 및 전압 증배기 설계의 조합은 원하는 조명 성능을 달성한다.

원하는 자속을 발생시키는 데 요구되는 전류를 감소시키기 위해 1차 권선의 개수의 증가가 사용될 수 있고, 전압 증배기의 사용은 2차 권선의 상응하게 증가되는 개수에 대한 필요성을 회피한다. 2차 권선의 개수가 낮게 유지될 수 있게 함으로써, 트랙 저항에 의해 유발되는 코일 손실이 감소된다.

예로서, 전력 전송기의 각각의 코일은 10개 이하의 권선을 가질 수 있다.

예를 들어, 1개의 1차측 권선을 갖는 1차 코일은 상대적으로 낮은 전압, 예컨대 5 V rms를 필요로 하는 상대적으로 큰 전류, 예컨대 2 A rms로 구동될 수 있다. 5개의 1차측 권선을 갖는 코일은 더 큰 전압, 예컨대 10V rms를 필요로 하는 감소된 전류, 예컨대 1A rms로 구동될 수 있다. 10개의 1차측 권선을 갖는 코일은 상대적으로 높은 전압(예컨대 24 V rms)을 필요로 하는 상대적으로 작은 전류, 예컨대 0.4 A rms로 구동될 수 있다.

전압 증배 없이, 2차측에서의 코일은 예를 들어 24 V rms에서 10개의 1차측 권선을 갖는 코일로부터 원하는 48 V 공급을 생성하기 위해 20개의 권선을 필요로 할 수 있다.

전압 2배기(doubler)가 사용되는 경우, 이때 2차측에서의 코일은 10개의 권선을 필요로 할 수 있다. 전압 4배기가 사용되는 경우, 이때 2차측에서의 코일은 5개의 권선을 필요로 할 수 있다.

전형적인 2차측 전류는 0.1 A이고, 전형적인 요구되는 2차측 전압은 대략 40 V이다. 안전을 위해, (단지 예로서) 50 V rms의 최대 전압이 고려될 수 있다. 시스템은 전류들의 확산 및 유도식 커플링의 모든 특성들을 고려하여 최대 전압 미만에서 설계되거나 동작한다. 주어진 동작 전압에 대해, 요구되는 전류는 요구되는 전력에 의존한다. 더 높은 전압은 더 낮은 전류를 가능하게 하고, 그 반대도 가능하다.

급전 라인은 예를 들어 1 mm 미만, 예를 들어 0.5 mm의 두께를 갖는 PCB를 사용하여, 대략 3 mm의 성형된 구조체 두께를 생성한다.

패널은 예를 들어 0.8 mm의 PCB 두께, 및 5 mm 미만의, 예를 들어 2 mm 내지 4 mm 범위의 실리콘을 갖는 총 두께를 갖는다.

도 7은 시스템에 의해 구현된 전기 회로를 도시한다.

이는 1차 권선들의 세트(14), 2차 권선들의 세트(24), 전압 증배기(70), 및 UV-C LED들의 직렬 연결을 보여준다. LED들은 프로그래밍가능 전류원(72)에 의해 구동된다. 저역 통과 필터(74)가 저항기 및 커패시터에 의해 형성된다.

도 8은 전압 증배기(70)로서의 전압 4배기 회로의 일례를 도시한다. 회로는 도 6을 참조하여 설명된 바와 같이 패널의 PCB 상에 장착된 별개의 구성요소들을 사용하여 형성된 공지의 다이오드-커패시터 회로이다. 회로는 정류기 및 전압 증배기 둘 모두로서 기능하고, 이에 의해 수신기 코일로부터의 AC 입력으로부터 DC 출력 전압을 생성한다.

회로는 4개의 커패시터를 갖는다. 입력 전압은 각각의 커패시터를 충전시키고, 커패시터들 사이의 다이오드 연결은 전압의 연이은 추가를 제공한다.

다이오드 및 커패시터에 기초한 다양한 상이한 전압 증배기 회로 토폴로지가 있으며, 이는 단지 일례이다.

본 발명은 해양 물체에 대해 특히 관심이 있지만, 해수에서 그러나 또한 생물오손 유기체를 함유하는 것으로 알려진 임의의 유형의 물에서 사용되기 위한 물체들로 제한되지 않는다. 해양 물체의 예는 선박 및 다른 배, 해양 스테이션, 해상-기지 석유 또는 가스 설비, 부력 장치, 해상에서의 풍력 터빈을 위한 지지 구조체, 파력/조력 에너지를 수확하기 위한 구조체, 해수함(sea chest), 수중 도구 등을 포함한다.

바람직한 예에서, 오손 방지 광원은 상기에 설명된 바와 같이 UV LED이다. UV LED들의 그리드는 액밀 봉지부 내에 봉지될 수 있으며, 액밀 봉지부의 실리콘은 단지 일례이다. UV LED들은 직렬 및/또는 병렬 배열로 전기 접속될 수 있다. UV LED들은 예를 들어 패키징된 표면 실장 LED들이며, 이 경우에 이들은 넓은 방출 각도에 걸쳐 LED 패키지로부터 방출된 광을 분배하기 위한 광학 요소를 이미 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, UV LED는, 전형적으로 광학 요소를 포함하는 것이 아니라, 패키징된 LED보다 상당히 더 얇은 LED 다이(die)일 수 있다. 일례로서, LED 다이는 픽업되어 광학 매체의 표면 상으로 배치될 수 있다.

실리콘 재료는 다른 재료와 비교하여 손실이 거의 없는 UV 광에 대한 광 투과를 제공하도록 선택될 수 있다. 이는 특히 더 짧은 파장의 광, 예컨대 300 nm 미만의 파장을 갖는 UV 광에 대한 경우이다. 실리콘 재료들의 특히 효율적인 그룹은 일반 화학식 CH₃[Si(CH₃)₂O]_nSi(CH₃)₃ (이때, "n"은 임의의 적합한 정수를 나타냄)에 따른 소위 메틸 실리콘이거나, 적어도 이를 포함한다.

실리콘 재료들은 또한 가요성이고 탄성적이어서, 이들은 강건하고, 내구적이며, 예를 들어 표면에 대한 물체의 부딪침(bump), 충돌(collision) 등, 예컨대 부두에 대한 선박의 부딪침으로 인한 압축을 견딜 수 있다. 또한, 온도 변동, 파도에 의한 철썩임(pounding), 너울(swell) 위에서의 선박의 휨(flexion) 등으로 인한 변형이 수용될 수 있다.

하나 이상의 광원에 의해 방출된 광의 적어도 일부는 보호될 표면에 실질적으로 평행한 성분을 갖는 방향으로 확산될 수 있다. 이는 보호되는 표면 또는 포일(foil)의 적용 표면을 따라 상당한 거리에 걸쳐 광을 분배하는 것을 용이하게 하며, 이는 오손 방지 광의 적합한 강도 분포를 얻는 것을 돕는다.

파장 변환 재료가 광학 매체 내에 포함될 수 있고, 오손 방지 광의 적어도 일부는, 파장 변환 재료를 제1 파장을 갖는 광으로 광 여기시켜 파장 변환 재료가 다른 파장의 오손 방지 광을 방출하게 함으로써 발생될 수 있다. 파장 변환 재료는 상향 변환 인광체, 양자점(quantum dot), 비선형 매체, 예를 들어 하나 이상의 광결정 광섬유(photonic crystal fiber) 등으로서 제공될 수 있다. UV 광보다 대개 더 긴 파장의 상이한 파장의 광에 대한 광학 매체에서의 흡수 및/또는 산란 손실이 광학 매체에서 덜 두드러지는 경향이 있기 때문에, 비-UV 광을 발생시키고 이를 광학 매체를 통해 투과시키며 그의 원하는 사용 위치(즉, 표면으로부터 액체 환경 내로의 방출)에서 또는 그 부근에서 UV 오손 방지 광을 발생시키는 것이 더 에너지-효율적일 수 있다.

도시된 예는 측면 발광 LED 및 광학 산란 부위를 사용한다. 그러나, 측면 광을 생성하기 위해 광 확산 설비가 사용될 수 있다. 예를 들어, 원추가 광학 매체 내에 배열되고 광원의 반대편에 위치될 수 있는데, 여기서 대향하는 원추는 상기 표면에 수직으로 광원에 의해 방출된 광을 상기 표면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 반사시키기 위해 보호되는 표면에 대한 수직에 45° 각도를 갖는 표면 영역을 갖는다.

LED는 바람직하게는 DC 구동된다. 그러나, 한 쌍의 배면을 맞댄 평행 LED들이 AC 구동 신호에 의해 구동될 수 있다.

전술된 바와 같이, LED들은 바람직하게는 PCB 상에 장착되고, (PCB 표면 상의 또는 내부적으로 PCB의 층들 내의) PCB 트랙들이 수신기 코일을 형성한다. 그러나, LED 그리드는 대신에 납땜, 접착 또는 임의의 다른 공지된 전기 접속 기술에 의해 LED들을 자립형(freestanding) 와이어 구조체의 연결 노드에 접속시킴으로써 형성될 수 있다. 이는 더 작은 PCB 상의 2차 코일과 조합될 수 있다.

본 발명은 매우 다양한 분야에 적용될 수 있다. 자연수(natural water)와 접촉하게 되는 거의 임의의 물체는 시간 경과에 따라 생물오손을 받게 될 것이다. 이는 예컨대 담수화 플랜트(desalination plant)의 물 입구를 막거나, 펌핑 스테이션의 파이프를 차단하거나, 심지어 실외 수영장의 벽과 바닥을 덮을 수 있다. 이들 응용 모두는 현재 제공된 방법, 조명 모듈 및/또는 시스템, 즉 전체 표면 영역 상에서의 생물오손을 방지하는 효과적인 얇은 추가 표면 층으로부터 이익을 얻을 것이다.

UV 광이 바람직한 해결책이지만, 다른 파장이 또한 예상된다. 비-UV 광(가시광)이 또한 생물오손에 대해 효과적이다. 전형적인 미생물은 UV 광보다 비-UV 광에 덜 민감하지만, 광원으로의 단위 입력 전력당 훨씬 더 높은 선량이 가시 스펙트럼에서 발생될 수 있다.

UV LED는 얇은 발광 표면을 위한 이상적인 광원이다. 그러나, 저압 수은 증기 램프와 같은 LED 이외의 UV 광원이 또한 사용될 수 있다. 이들 광원의 폼 팩터(form factor)는 매우 상이한데, 주로 이 광원이 훨씬 더 크다. 이는 단일 광원으로부터의 광 전부를 넓은 영역에 걸쳐 분포시키기 위해 상이한 광학 설계를 초래한다. 또한, 원하는 파장들 및/또는 파장 조합들에서의 광의 상당한 기여가 일어날 수 있다. 생물오손을 피하기 위해 보호되는 표면으로부터 멀어지는 방향으로 외향으로 UV 광을 방출하는 얇은 층을 사용하는 대신에, 전술된 바와 같이, 보호되는 표면의 방향으로 외부로부터 UV 광을 적용함으로써 생물오손이 또한 잠재적으로 제거될 수 있다. 패널은 대신에 보호될 표면을 향하는 그리고 그로부터 멀어지는 둘 모두의 방향으로 오손 방지 광을 방출할 수 있다.

상기 예들에서, 패널은 급전 라인들과 중첩된다. 이는 물에 노출되는 구조체와 전력 공급부 사이에 갈바닉 절연을 제공한다. 대신에, 급전 라인들이 패널들 위에 제공될 수 있다. 별개의 전기 절연이 (예컨대, 급전 라인들의 상부에) 제공될 수 있다. 이때, 급전 라인들의 표면은 생물오손에 민감할 것이어서, 이때 급전 라인을 통한 투과에 의해 또는 패널 내에서의 반사 또는 도파관 전송에 의해 광이 급전 라인들의 표면에 도달하는 것이 보장되어야 한다. 따라서, 유도식 전력 전송기와 패널 둘 모두는 표면 위에 그러나 어느 순서로든 장착되기 위한 것이다.

개시된 실시예에 대한 변형이 도면, 개시 내용 및 첨부된 청구범위의 검토로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어서 당업자에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 단수 형태(부정 관사 "a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단이 상호 상이한 종속항에 열거된다는 단순한 사실은 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 용어 "~하도록 개조된"이 청구범위 또는 설명에 사용되는 경우, 용어 "~하도록 개조된"이 용어 "~하도록 구성된"과 동등하도록 의도된다는 것에 유의한다. 청구범위 내의 임의의 도면 부호는 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

1. 생물오손(biofouling)에 대해 표면(16)을 보호하기 위한 오손 방지(anti-fouling) 시스템으로서,
   오손 방지 광을 방출하고 상기 표면 위에 장착하기 위한 패널(20)로서, 상기 오손 방지 광을 발생시키기 위한 오손 방지 광원 설비, 및 유도식 전력 전송기의 하나 이상의 1차 권선(winding)과 정렬하기 위한 하나 이상의 2차 권선을 포함하는 유도식 전력 수신기(24)를 포함하는, 상기 패널을 포함하며,
   상기 유도식 전력 수신기(24)는 전압 증배기(voltage multiplier)(70)를 포함하는, 오손 방지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전압 증배기(70)는 다이오드-커패시터 회로를 포함하는, 오손 방지 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전압 증배기(70)는 전압 4배기(quadrupler)인, 오손 방지 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도식 전력 수신기(24)는 인쇄 회로 기판 상에 또는 그 내에 형성된 10개 이하의 2차 권선들을 포함하는, 오손 방지 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패널(20)은 5 mm 미만, 예를 들어 4 mm 미만, 예를 들어 3 mm 미만의 두께를 갖는, 오손 방지 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패널은 적어도 상기 하나 이상의 2차 권선을 위한 인쇄 회로 기판 및 실리콘 코팅을 포함하는, 오손 방지 시스템.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오손 방지 광원 설비는 270 nm 내지 280 nm의 파장을 갖는 상기 오손 방지 광을 방출하기 위한 하나 이상의 UV-C LED를 포함하는, 오손 방지 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 1차 권선을 포함하고 상기 표면(16) 위에 장착하기 위한 상기 유도식 전력 전송기(12)를 더 포함하는, 오손 방지 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 유도식 전력 전송기는 상기 표면(16)에 맞닿아 장착하기 위한 것이고, 상기 패널(20)은 상기 유도식 전력 전송기 위에 장착하기 위한 것인, 오손 방지 시스템.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 유도식 전력 전송기(10)는 세장형 전력 스트립(strip)을 포함하고, 상기 패널은 상기 세장형 전력 스트립(10)과 중첩되는 에지(edge) 영역(22)을 포함하며, 상기 유도식 전력 수신기(24)는 상기 에지 영역(22)에 형성되는, 오손 방지 시스템.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 유도식 전력 전송기는 상기 권선들 아래에서 페라이트 시트(ferrite sheet)(14)를 포함하는, 오손 방지 시스템.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도식 전력 전송기(12)는 최대 10개의 1차 권선들을 포함하고, 상기 유도식 전송기를 위한 전원은 50 V 이하의 RMS 전압을 갖고 3 A 이하의 RMS 전류를 전달하는, 오손 방지 시스템.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도식 전력 전송기(12)는 50 ㎑ 내지 1 ㎒, 예를 들어 50 ㎑ 내지 200 ㎑, 예를 들어 60 ㎑ 내지 90 ㎑의 공진 주파수를 갖는 공진 회로를 포함하는, 오손 방지 시스템.
14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 유도식 전력 전송기(10)들 및 복수의 패널(20)들을 포함하는, 오손 방지 시스템.
15. 생물오손에 대해 표면(16)을 보호하는 방법으로서,
    상기 표면 위에 장착된 유도식 전력 전송기(12)를 사용하여 무선으로 전력을 전송하는 단계;
    상기 표면 위에 장착되고 오손 방지 광을 제공하기 위한 패널(20)의 유도식 전력 수신기(24)를 사용하여, 무선 전송되는 전력을 수신하는 단계;
    상기 유도식 전력 수신기(24)에서 전압 증배를 수행하는 단계; 및
    전압 증배되어진 수신된 전력을 사용하여 오손 방지 광원 설비(26)를 구동시키는 단계를 포함하는, 방법.

Images