KR20230000396A - Rf 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

Rf 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치는, 송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 RF 신호를 수신하는 수신부; 수신된 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 정류부; 정류된 상기 DC 전압으로 전원을 공급하는 전원 관리부; 및 상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 출력부를 포함하고, 상기 발광형 수신 장치는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시킬 수 있다.

Description

RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법{WIRELESS LIGHT-EMITTING DEVICE ON OPTOGENETICS USING RF WIRELESS POWER TRANSFER AND OPERATING METHOD THEREFOR}
아래의 실시예들은 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF(Radio Frequency) 무선 전력 전송 기술을 이용하여 광유전학에 사용되는 LED(Light-Emitting Diode)에 전원을 무선으로 공급하는 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 바이오 분야에서는 신경세포 활성화 방법으로 전기자극이나 약물을 사용하는 방식뿐 아니라 빛의 반응을 이용하는 광유전학 방식을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광유전학(Optogenetics)은 광학(optics)과 유전학(genetics)의 합성어로 개별 신경세포의 활동을 조절하거나 측정하기 위한 기술이다. 광유전학은 필요한 부위를 선택적으로 빛에 반응하도록 발현시켜 세포의 활동 및 자극을 통제할 수 있다. 이에 따라 빛으로 세포의 활동이 통제되기 때문에 타겟 부위에 해당하는 빛이 도달할 수 있도록 해야 한다.
일반적으로 광유전학에서 빛을 공급하기 위해서 유선으로 전원을 연결하여 실험을 하는데, 전원 공급으로 인하여 실험 구성이 복잡해지고 실험체가 설치류일 경우 전선을 갉아 먹는 등의 문제가 있다. 또한, 전선으로 인하여 실험체의 움직임이 한정되고, 전선이 꼬이는 등의 문제가 발생된다.
따라서 무선으로 LED 등을 발광시켜 위에 언급된 문제들을 해결하고 타겟 부위에 빛을 공급하는 연구가 진행 중이다.
한편, 기존의 광유전학용 발광형 수신 장치의 경우 생체에 삽입되는 삽입형으로 이루어져 수술에 대한 부담이 있으며, 수술로 인한 부작용 등의 문제가 발생된다. 이에 따라 광유전학용 발광형 수신 장치를 생체에 삽입하는 문제에 대한 해결책이 요구되고 있다.
실시예들은 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 기존의 광유전학에서 세포에 빛을 조사시키기 위한 유선 발광 장치를 대체할 수 있는 RF 무선 전력 전송 방식을 이용한 무선 발광형 수신 장치를 제공한다.
실시예들은 간편하게 사용할 수 있도록 부착형으로 개발하여 사용 편리성을 향상시키고, 무선으로 동작하기 때문에 유선으로 인한 실험체의 움직임 제한, 전원선 끊어짐 등의 문제점을 해결할 수 있는, RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치는, 송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 RF 신호를 수신하는 수신부; 수신된 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 정류부; 정류된 상기 DC 전압으로 전원을 공급하는 전원 관리부; 및 상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 출력부를 포함하고, 상기 발광형 수신 장치는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시킬 수 있다.
상기 수신부는, 소형화된 헬리컬 타입 안테나로 이루어질 수 있다.
상기 수신부는, 좌우 대칭 구조의 루프형 안테나로 이루어질 수 있다.
상기 수신부는, 상기 송신기와 안테나의 방사 방향을 매칭하여 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시킬 수 있다.
상기 정류부는, 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로일 수 있다.
상기 정류부는, 정류회로가 구현된 PCB 기판을 상기 피부에 부착시켜 상기 피부를 접지부로 활용함에 따라 접지부의 확장 효과를 통해 소형화된 안테나의 성능을 보상할 수 있다.
하나의 상기 송신기에 복수개의 상기 발광형 수신 장치가 동시 동작 가능하다.
다른 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법은, 수신부를 통해 소정 거리 떨어진 송신기로부터 무선으로 RF 신호를 수신하는 단계; 정류부에서 수신된 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계; 전원 관리부에서 정류된 상기 DC 전압으로 LED의 전원을 공급하는 단계; 및 출력부에서 상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 상기 LED를 발광시키는 단계를 포함하고, 상기 발광형 수신 장치는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시킬 수 있다.
상기 수신부는, 소형화된 헬리컬 타입 안테나로 이루어질 수 있다.
상기 수신부는, 좌우 대칭 구조의 루프형 안테나로 이루어질 수 있다.
상기 RF 신호를 수신하는 단계는, 상기 송신기와 안테나의 방사 방향을 매칭하여 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시킬 수 있다.
상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계는, 배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로를 통해 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환할 수 있다.
상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계는, 정류회로가 구현된 PCB 기판을 상기 피부에 부착시켜 상기 피부를 접지부로 활용함에 따라 접지부의 확장 효과를 통해 소형화된 안테나의 성능을 보상할 수 있다.
하나의 상기 송신기에 복수개의 상기 발광형 수신 장치가 동시 동작 가능하다.
실시예들에 따르면 간편하게 사용할 수 있도록 부착형으로 개발하여 사용 편리성을 향상시키고, 무선으로 동작하기 때문에 유선으로 인한 실험체의 움직임 제한, 전원선 끊어짐 등의 문제점을 해결 할 수 있는, RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 생체에 삽입되지 않고 부착형으로 구성되어 삽입을 위한 수술에 대한 부담 및 수술로 인한 부작용 등의 문제로부터 자유로운, RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치가 단일 수신 장치인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치가 복수개의 수신 장치인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 수신 안테나를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나를 나타내는 도면이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 반사계수(Reflection coefficient)를 나타낸다.
도 8b는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 3D 방사 패턴(3D Radiation Pattern)을 나타낸다.
도 9는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나를 나타내는 도면이다.
도 10a는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 반사계수(Reflection coefficient)를 나타낸다.
도 10b는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 3D 방사 패턴(3D Radiation Pattern)을 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 12는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로 스케메틱을 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로의 불빛 테스트를 나타낸다.
도 14a 내지 도 14c는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 제작 샘플을 나타내는 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 Case1 거리 측정을 나타내는 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 Case2 거리 측정을 나타내는 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 테스트 환경의 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 실험체 부착 예를 나타내는 도면이다.
도 19는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 무선 동시 동작 테스트 환경의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 생략/과장될 수 있다.
광유전학에서는 세포의 반응을 유도하기 위하여 빛을 조사시키는데 보통 유선으로 빛을 통과시킨다. 따라서 빛을 조사시켜야 하는 부위에 빛 통로를 연결하기 위한 수술이 진행된다. 이에 따라 수술에 따른 부작용이 나타날 수도 있고, 회복기가 필요하다. 또한, 빛을 발생시키기 위한 전원선도 연결되기 때문에 실험체의 이동이 제한되고, 이동 중에 줄이 꼬일 수 있다. 실험체가 설치류일 경우에는 전원선을 갉아먹는 등의 문제도 발생될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 아래의 실시예에서는 무선 발광 장치를 제공한다.
본 실시예에서는 빛을 조사시키기 위한 별도의 장치나 수술 없이 피부에 부착하여 간단히 사용할 수 있는 무선 발광형 수신 장치를 제공한다. 또한 본 실시예에서는 유선 장치와는 달리 무선 발광형 수신 장치를 제공하기 때문에 전원선이 끊어지는 등의 문제점이 발생하지 않고, 실험체의 움직임이 자유로운 장점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
무선 기기의 사용량이 늘어남에 따라 유선 충전에 대한 불편함을 해결하기 위하여 무선 충전 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 단거리용으로 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 진행되고, 원거리용으로 RF를 이용한 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. RF를 이용한 무선 전력 전송 방식은 자기 유도나 자기 공명 방식에 비해 효율이 낮지만, 이동 중 무선 전력 전송이 가능하고 자유도가 높다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 송신기(110) 및 수신기(120)를 포함하여 이루어지며, 송신기(110)에서 수신기(120)로 무선 전력 전송이 가능하다.
송신기(110)는 전원부(111), 발진부(112), 전력 증폭부(113) 및 송신부(114)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 송신기(110)는 전력제어 및 통신 송신부(115)를 더 포함할 수 있다.
수신기(120)는 수신부(121), 정류부(122), 전원 관리부(123) 및 출력부(124)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 수신기(120)는 전력제어 및 통신 수신부(125)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 전력제어 및 통신 송신부(115)는 전력제어 및 통신 수신부(125)와 무선으로 통신할 수 있다.
본 실시예에서는 RF 무선 전력 전송 방식을 이용한 발광형 수신 장치를 제공할 수 있다. 여기서, RF 무선 전력 전송 방식을 이용한 발광형 수신 장치는 앞에서 설명한 수신기(120)를 포함하거나 포함될 수 있다.
RF 무선 전력 전송 기술은 수 m의 전송 거리까지 확장이 가능하며, 자기장 전력 전송 기술에 비하여 수신기(120)를 자유롭게 위치시킬 수 있고 이동이 가능하며, 다수 개의 수신기(120)의 이용에 용이하다.
본 실시예에 따른 무선 전력 발광형 수신 장치는 광유전학 실험체에 부착되어 동작되는 장치이다. 발광형 수신 장치는 전원 공급원으로부터 1m 이상 이격되어 있고, 실험체가 움직이기 때문에 전력을 수급 받는 고정 위치를 정하기 어렵다. 따라서 실시예들에 따른 무선 전력 발광형 수신 장치는 RF 무선 전력 전송 방식을 이용함으로써 원거리에서 자유롭게 무선 전력 전송이 가능하다.
일 실시예에 따르면 RF 무선 전력 전송 기술을 이용하여 광유전학에 사용되는 LED에 전원을 무선으로 공급할 수 있다.
시험에 사용된 RF 무선 전력 전송을 이용한 발광형 수신 장치는 수신부(121), 정류부(122) 및 출력부(124)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 수신부(121)는 안테나를 포함하고, 정류부(122)는 정류회로를 포함하며, 출력부(124)는 LED를 포함할 수 있다.
실험용으로 사용된 쥐 실험체의 크기가 매우 작기 때문에 발광형 수신 장치로 인한 실험체의 움직임 영향을 최소화하기 위하여 소형화한 헬리컬 타입의 안테나가 적용되었다. 예컨대, 적용된 안테나 크기는 0.05λ0이며, 소형화로 인한 안테나 성능 저하 문제는 발광형 수신 장치의 정류회로 PCB를 실험체 피부에 부착시켜 접지부(그라운드) 확장 효과를 만들어 보상할 수 있다. 안테나로부터 수신된 RF 신호를 DC 신호로 변환하기 위하여 배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로가 적용되었으며, 정류된 DC 전압으로 LED 전원을 공급한다. 실험용 쥐의 척추 부위에 제작된 발광형 무선 전력 수신 장치를 부착하여 테스트를 진행하였다.
송신기(110)의 위치는 발광형 수신 장치로부터 1.2m 떨어진 지점에 위치하였다. 실험 케이지(크기: 29 x 43 x 18 cm3) 내에서 쥐의 움직임과 상관없이 LED가 발광하는 것을 확인하였다.
도 2는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치가 단일 수신 장치인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 발광형 수신 장치가 단일 수신 장치인 경우의 무선 테스트 환경을 나타낸다. 수신기(RX)의 부착 대상은 실험체(여기서는 쥐)(220)이고, 손바닥 크기 정도이며, 성체 약 600g이다. 부착 위치는 척추이다. 실험체(220)는 수술한지 얼마 안된 관계로 움직임이 적은 편이다.
송신기(TX, 210)는 10 dBi, HPBW 약 47 ~ 61 이고, 송신기(TX, 210)와 수신기(RX, 220)의 거리는 170~210cm이다. 케이지의 크기는 29 x 43 x 18 cm3이다.
도 3은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치가 복수개의 수신 장치인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 발광형 수신 장치가 복수개의 수신 장치인 경우의 동시 동작 무선 테스트 환경을 나타낸다. 송신기(TX, 310)와 수신기(RX, 320)의 상태는 도 2에서 설명한 단일 수신 장치의 무선 테스트 환경과 동일하다.
동시 동작 테스트에 사용되는 수신기(RX, 320)의 개수는 7개이고, 송신기(TX, 310)와 수신기(RX, 320)의 거리는 80~120cm이다. 케이지 배열은 3층으로 배열하여 각 층마다 2개, 3개, 2개를 배치하였고, 같은 층의 케이지는 붙어 있으며, 각층은 철판 두께(3cm)로 막혀 있다.
실시예들에 따르면 광유전학에 사용되는 LED를 RF 무선 전력 전송 기술을 이용하여 발광시킬 수 있다. 시험 결과, RF 무선 전력 발생기(송신기)로부터 1.2m 떨어진 지점에서 끊김 현상 없이 LED가 발광하는 것을 확인하였으며, RF 무선 전력 발생기 안테나의 빔 패턴에 따라 최대 7개의 LED가 동시에 발광되는 것을 확인하였다.
본 실시예의 연구 결과를 바탕으로 안테나 높이를 개선하여, 피부 부착이 용이한 low-profile 발광형 무선 전력 수신 장치 또한 제공될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)는 수신부(410), 정류부(420), 전원 관리부(430) 및 출력부(440)를 포함하여 이루어질 수 있다.
수신부(410)는 송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 RF 신호를 수신할 수 있고, 정류부(420)는 수신된 RF 신호를 DC 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 전원 관리부(430)는 정류된 DC 전압으로 전원을 공급할 수 있으며, 출력부(440)는 전원 관리부(430)로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시킬 수 있다. 이와 같이 발광형 수신 장치(400)는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 LED를 발광시킴으로써 타겟의 필요한 부위에 선택적으로 빛이 도달하도록 할 수 있다.
또한, 실시예에 따라 광유전학용 발광형 수신 장치(400)는 RF 무선 전력 전송뿐 아니라, 이하의 다양한 무선 전력 전송 방식을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 방식은 전자기장을 이용하여 전기에너지를 선 없이 부하로 전달하는 기술로, 에너지를 전달하는 송신부과 공급받는 수신부의 거리에 따라서 근거리전송과 원거리 전송으로 구분할 수 있으며, 에너지를 전달하는 방식(또는 파장)에 따라 자기유도 방식, 자기공명 방식, 마이크로파 방식 등으로 구분된다. 기타 레이저(광)나 초음파를 매질로 이용하는 방식도 있다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치는, 송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 신호를 수신하는 수신부, 수신부의 신호의 수신에 따라 전원을 공급하는 전원 관리부, 및 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 출력부를 포함하고, 발광형 수신 장치는 타겟의 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 LED를 발광시킴에 따라 필요한 부위를 선택적으로 빛에 반응하도록 발현시킬 수 있다. 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치는 앞에서 설명한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 구성을 포함할 수 있으며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
아래에서 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)를 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)의 동작 방법은, 수신부(410)를 통해 소정 거리 떨어진 송신기로부터 무선으로 RF 신호를 수신하는 단계(S110), 정류부(420)에서 수신된 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계(S120), 전원 관리부(430)에서 정류된 DC 전압으로 LED의 전원을 공급하는 단계(S130), 및 출력부(440)에서 전원 관리부(430)로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 단계(S140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
발광형 수신 장치(400)는 소형화되어 제작되며, 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 LED를 발광시킬 수 있다. 한편, 발광형 수신 장치(400)는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받기 위해 노치 필터(notch filter)와 같은 필터를 더 포함할 수 있다.
한편, 여기에서는 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법을 중심으로 설명하고 있으나, RF 무선 전력 전송뿐 아니라, 다양한 무선 전력 전송 방식을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법은, 수신부를 통해 소정 거리 떨어진 송신기로부터 무선으로 신호를 수신하는 단계, 전원 관리부에서 수신부의 신호에 따라 LED의 전원을 공급하는 단계, 및 출력부에서 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(S110)에서, 수신부(410)를 통해 소정 거리 떨어진 송신기로부터 무선으로 RF 신호를 수신할 수 있다.
예컨대, 수신부(410)는 소형화된 헬리컬 타입 안테나로 이루어질 수 있다. 송신기의 위치가 측면이고, 부착하는 대상이 움직이는 실험체인 것을 고려하여 수신기 안테나는 헬리컬 안테나로 선정될 수 있다.
또한 수신부(410)는 좌우 대칭 구조의 루프형 안테나로 이루어질 수 있다. 예컨대, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 구조의 안테나로 이루어질 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 일 실시예에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)의 수신 안테나를 나타내는 도면이다.
예를 들어, RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)의 수신 안테나는 가장자리부터 둘러지는 패턴이 루프 안테나를 변형한 패턴으로 이루어지고, 그 내부에 매칭 스터브를 만들어 공진을 맞출 수 있다. 또한, 가운데 사각형 부분(6x8)은 GND 영역으로 앞뒤 모두 생성되어 있고 도통되어 있다(VIA 연결). 이 GND 영역에 필터, 정류회로, 출력부 등의 소자를 배치할 수 있다. 한편, RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)의 수신 안테나는 도 14a 내지 도 14c와 같이 제작될 수 있다.
송신기와 수신기의 방사 방향을 맞출 경우 방사 방향이 맞지 않는 경우에 비해 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시킬 수 있다. 이에 따라 수신부(410)는 송신기와 안테나의 방사 방향을 매칭하여 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시킬 수 있다.
단계(S120)에서, 정류부(420)에서 수신된 RF 신호를 DC 전압으로 변환할 수 있다. 예컨대, 정류부(420)는 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로일 수 있다. 한편, 정류부(420)는 배전압 회로(Voltage doubler)에 제한되지 않으며, Single-Shunt 등 다른 정류회로도 가능하다.
정류부(420)는 정류회로가 구현된 PCB 기판을 피부에 부착시켜 피부를 접지부로 활용할 수 있다. 이에 따라 접지부의 확장 효과를 통해 소형화된 안테나의 성능을 보상할 수 있다.
단계(S130)에서, 전원 관리부(430)에서 정류된 DC 전압으로 LED의 전원을 공급할 수 있다. 한편, 정류부(420) 및 전원 관리부(430)는 PCB 기판에 수신 회로로 구현될 수 있다.
단계(S140)에서, 출력부(440)에서 전원 관리부(430)로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시킬 수 있다. 이 때, 수신부(410)의 안테나가 부착되는 반대면에 LED를 배치하여 환부에 빛을 받을 수 있도록 레이아웃을 제작할 수 있다.
특히, 하나의 송신기에 복수개의 발광형 수신 장치(400)가 동시 동작하도록 할 수 있다.
실시예들에 따른 RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치(400)는 타겟의 피부에 부착됨으로써 타겟 부위에 빛이 도달할 수 있도록 하며, 필요한 부위를 선택적으로 빛에 반응하도록 발현시켜 세포의 활동 및 자극을 통제할 수 있다.
아래에서는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 설계를 예를 들어 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 8a는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 반사계수(Reflection coefficient)를 나타내며, 도 8b는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 3D 방사 패턴(3D Radiation Pattern)을 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 7은 시뮬레이션을 위해 실체 부착되는 크기의 모델링 안테나를 나타내는 것으로, 도 7의 (a)는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도를 나타내고, (b)는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 측면도를 나타내며, (c)는 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 평면도를 나타낸다.
도 7, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 송신기의 위치가 측면이고, 부착하는 대상이 움직이는 실험체인 것을 고려하여 수신기 안테나는 헬리컬 안테나로 선정될 수 있다. 실험체의 크기가 약 10cm 정도인 것을 감안하여 부착면이 되는 접지부(GND) 및 안테나 크기를 소형화할 수 있다. 예를 들어, 접지부(GND)의 크기는 8mm x 8 mm이고, 헬리컬 턴(turn) 수는 12 턴(turn)이다.
시뮬레이션 결과, S11: -3.32dB, Peak gain: 1.7dBi이다.
아래에서는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 설계를 예를 들어 설명하며, 접지부(GND)가 확장된 시뮬레이션을 수행한다.
도 9는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 10a는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 반사계수(Reflection coefficient)를 나타내며, 도 10b는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 3D 방사 패턴(3D Radiation Pattern)을 나타낸다.
보다 구체적으로, 도 9는 시뮬레이션을 위해 실체 부착되는 크기의 모델링 안테나를 나타내는 것으로, 접지부(GND) 확장 예측 모델링 안테나를 나타낸다. 도 9의 (a)는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도를 나타내고, (b)는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 평면도를 나타내며, (c)는 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 측면도를 나타낸다.
도 9, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 수신기를 실험체에 부착할 때 실험체에 의해 접지부(GND)의 확장 효과가 있을 것으로 예상되어 실험체의 크기를 고려하여 시뮬레이션을 진행한다. 수신기의 부착 위치는 실험체의 머리 뒤쪽 하단부이기 때문에 안테나의 방사 조건은 도 9의 모델링과 같이 될 것으로 예상될 수 있다. 예를 들어, 확장된 접지부(GND)의 크기는 80mm x 80mm이고, 헬리컬 턴(turn) 수는 10 턴(turn)이다.
시뮬레이션 결과, S11: -12.74dB, Peak gain: 2.2dBi이다.
아래에서는 발광형 수신 장치의 회로 설계에 대해 설명한다.
도 11은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로 블록 다이어그램을 나타내고, 도 12는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로 스케메틱을 나타내며, 도 13은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로의 불빛 테스트를 나타낸다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 수신 회로는 매칭(matching)부(1110), 정류부(1120) 및 출력부(1130)를 포함하여 구성될 수 있고, 최종 출력은 LED이다. 이 때, 무선 동작 테스트 및 실험체의 움직임을 감안하여 저항 값을 통한 LED 빛을 조절할 수 있다.
예를 들어, 실험체에 부착되는 면이 매우 작은 관계로 발광형 수신 장치의 회로 또한 8mm x 8mm 크기로 설계할 수 있다. 안테나가 부착되는 반대면에 LED를 배치하여 실험체가 환부에 빛을 받을 수 있도록 레이아웃을 제작할 수 있다. 설계한 발광형 수신 장치의 회로에서 최소 불빛이 켜지는 필요 전력은 3dBm이고, 정상 밝기로 동작하기 위해서는 최소 약 7dBm 필요하다.
도 14a 내지 도 14c는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 제작 샘플을 나타내는 도면이고, 도 15는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 Case1 거리 측정을 나타내는 도면이며, 도 16은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 Case2 거리 측정을 나타내는 도면이다.
도 14a는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 제작 샘플을 나타내며, 도 14b는 발광형 수신 장치에 사용되는 수신 안테나의 전면을 나타내고, 도 14c는 발광형 수신 장치에 사용되는 수신 안테나의 후면을 나타낸다.
도 14a 내지 도 14c, 도 15 및 도 16을 참조하면, 예를 들어 헬리컬 안테나의 턴(turn) 수는 최종 실험을 통하여 12.5 턴(turn)으로 제작될 수 있다. 수신 회로는 8mm x 8 mm의 PCB에 제작될 수 있다.
실험체의 움직임을 고려하여 발광형 수신 장치의 부착 이전에 제작 샘플의 동작 거리를 측정할 수 있다. Case1은 송신기와 수신기의 방사 방향을 맞출 경우 2m 이상이다. Case2는 송신기와 수신기의 방사 방향이 맞지 않을 경우 약 80cm이다.
도 17은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 테스트 환경의 예를 나타내는 도면이며, 도 18은 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 실험체 부착 예를 나타내는 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 발광형 수신 장치의 무선 동작 테스트를 수행할 수 있다. 송신기(TX)에서 빛을 쪼이는 주기에 맞춰 동작하도록 컨트롤하여 테스트를 진행한다. 실험체의 척수 쪽 털을 밀고 발광형 수신 장치를 부착하며, 실험체가 움직일 수 있는 공간은 케이지 크기인 43cm이다. 이를 고려하면, 송신기(TX)로부터 약 170cm ~ 210cm 떨어진 거리에 실험체가 있다.
실험 결과, 실험체의 움직임에도 발광형 수신 장치가 잘 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 발광형 수신 장치의 무선 동시 동작 테스트 환경의 예를 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 발광형 수신 장치의 무선 동시 동작 테스트를 수행할 수 있다. 여기서, 테스트 기기의 개수는 송신기(TX) 1개 및 수신기(RX) 7개이다. 송신기(TX) 안테나의 HPBW는 약 47 ~ 61 로 이를 고려하여 케이지를 배치한다. 송신기(TX)에서 빛을 쪼이는 주기에 맞춰 동작하도록 할 때, 각 케이지의 발광형 수신 장치가 동시에 동작하는지 여부를 테스트 할 수 있다.
실험 결과, 케이지 안에서 실험체가 움직임에도 각각의 발광형 수신 장치가 정상 동작하는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 실시예들은 광유전학에 사용되는 LED를 RF 무선 전력 전송 기술을 이용하여 발광시키는 실험을 진행하였다.
발광형 수신 장치의 안테나는 0.05λ0 소형 헬리컬 안테나로 설계될 수 있다. 무선 전력 발광형 수신 장치의 크기는 8 x 8 x 16mm3이고, 타겟 실험체에 부착 가능한 형태로 제작될 수 있다. 발광형 수신 장치 1 개는 실험체에 부착되어 2.1m 에서 정상 동작하는 것을 확인하였다. 또한, 송신기(TX)로부터 1.2m 위치에서는 7 개의 발광형 수신 장치가 실험체에 부착되어 동시 동작하는 것을 실험을 통하여 검증하였다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치에 있어서,
    송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 RF 신호를 수신하는 수신부;
    수신된 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 정류부;
    정류된 상기 DC 전압으로 전원을 공급하는 전원 관리부; 및
    상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 출력부
    를 포함하고,
    상기 발광형 수신 장치는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시키는, 발광형 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는,
    소형화된 헬리컬 타입 안테나로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는,
    좌우 대칭 구조의 루프형 안테나로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는,
    상기 송신기와 안테나의 방사 방향을 매칭하여 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시키는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로인 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    정류회로가 구현된 PCB 기판을 상기 피부에 부착시켜 상기 피부를 접지부로 활용함에 따라 접지부의 확장 효과를 통해 소형화된 안테나의 성능을 보상하는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    하나의 상기 송신기에 복수개의 상기 발광형 수신 장치가 동시 동작 가능한 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치.
  8. RF 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치의 동작 방법에 있어서,
    수신부를 통해 소정 거리 떨어진 송신기로부터 무선으로 RF 신호를 수신하는 단계;
    정류부에서 수신된 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계;
    전원 관리부에서 정류된 상기 DC 전압으로 LED의 전원을 공급하는 단계; 및
    출력부에서 상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 상기 LED를 발광시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 발광형 수신 장치는 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시키는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신부는,
    소형화된 헬리컬 타입 안테나로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수신부는,
    좌우 대칭 구조의 루프형 안테나로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 RF 신호를 수신하는 단계는,
    상기 송신기와 안테나의 방사 방향을 매칭하여 RF 무선 전력 전송을 위한 동작 거리를 확장시키는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계는,
    배전압 회로(Voltage doubler) 구조의 정류회로를 통해 상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 단계는,
    정류회로가 구현된 PCB 기판을 상기 피부에 부착시켜 상기 피부를 접지부로 활용함에 따라 접지부의 확장 효과를 통해 소형화된 안테나의 성능을 보상하는 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    하나의 상기 송신기에 복수개의 상기 발광형 수신 장치가 동시 동작 가능한 것
    을 특징으로 하는, 발광형 수신 장치의 동작 방법.
  15. 무선 전력 전송을 이용한 광유전학용 발광형 수신 장치에 있어서,
    송신기와 소정 거리 떨어져 무선으로 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신부의 신호의 수신에 따라 전원을 공급하는 전원 관리부; 및
    상기 전원 관리부로부터 공급 받은 전원을 이용하여 LED를 발광시키는 출력부
    를 포함하고,
    상기 발광형 수신 장치는 타겟의 피부에 부착되어 무선으로 전원을 공급 받아 상기 LED를 발광시킴에 따라 필요한 부위를 선택적으로 빛에 반응하도록 발현시키는, 발광형 수신 장치.
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