KR102155933B1 - 전자기 에너지를 수확하기 위한 일체형 컬렉터 표면을 갖는 에너지 디바이스 및 전자기 에너지를 수확하는 방법 - Google Patents
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Abstract
전자기 에너지를 수확하여 저장하는 장치, 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 본 발명은 예를 들어, 전자기 에너지 수집의 수단으로서 에너지 저장 컴포넌트 내의 전도성 표면을 자체적으로 이용한다. 전도성 표면은 배터리 또는 커패시터에 필요한 기능을 주로 제공하는 배터리 또는 커패시터 내의 전하 수집 표면과 같은 에너지 디바이스의 일체부일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 금속 또는 전도성 표면은 에너지 디바이스에 대한 전자기 에너지를 수집하기 위한 주요 목적을 위하여 제조동안 에너지 디바이스 내에 추가되며 구체적으로 에너지 디바이스 내에 형성되며, 에너지 저장 컴포넌트를 달리 필요로 하지 않는다. 일단 에너지가 축적되면, 제조시 에너지 저장 컴포넌트에 직접 형성되거나 또는 에너지 디바이스 내에 있지만 에너지 저장 컴포넌트에 외부적으로 연결되어 있는 정류 컴포넌트를 통하여 정류될 수 있다.
Description
본 출원은 35 U.S.C. §119 하에서 2008년 8월 11일자로 출원된 발명의 명칭이 "Energy Device with Integral Collector Surface for Electromagnetic Energy Harvesting and Method Thereof"인 미국 특허 출원 일련 번호 제61/087,927호를 우선권으로 주장하며 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다.
본 발명은 에너지를 수확하는 장치 및/또는 시스템 또는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 주변 환경에 존재하거나 또는 에너지 수확 디바이스에 계획적으로 보내지는 전자기 에너지를 수집하고 이후의 사용을 위하여 상기 에너지를 저장한다.
전자기 에너지는 모든 유형의 형태로 존재한다. 전자 에너지는 일반적으로 정보를 전송하는데 이용되며, 수집되고 저장될 수 있는 에너지의 소스로서 일반적으로 작기는 하지만 존재하고 있다.
일반적으로, 예를 들어 안테나와 같이 전자기 에너지를 수집하는 시스템은 전자기 매체를 통하여 전송중인 정보만을 캡쳐하도록 설계되며, 일반적으로 에너지의 실제적인 부분 자체를 캡쳐하지 않는다. 정보 전달 신호는 안테나에 의해 수신되면 이후 수신기에 의해 증폭될 수 있고 정보를 획득하도록 필터링될 수 있다. 이와 같이, 이러한 시스템은 실제 에너지 자체 보다는 정보 및 정보가 전송되는 특정 파장에 초점이 맞추어져 있다.
현재, 에너지 전자 장치 이용량이 감소함과 동시에, 전송중인 전자기 에너지의 양이 증가하고 있다. 추가로, 전자 장치는 능동적으로 기능을 수행함으로써 또는 수동적으로 정보를 감지 또는 수집함으로써 점점더 자율적으로 동작한다.
본 발명의 특정한 예시적인 실시예의 한 목적은 주변 환경으로부터 에너지를 수집하고 저장함으로써 동작하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예들은 전송을 허용하는 정보 수신 회로를 포함할 수 있지만, 본 발명의 일 예시적인 목적은 주변 환경으로부터 전자기 에너지를 수집하고 그 에너지를 현재 또는 이후의 이용을 위하여 저장하기 위한 것이다. 아래 예로서 보다 자세하게 설명된 바와 같이, 본 발명의 여러 양상 및 실시예들은 관련 기술에서의 배경 기술의 특정한 단점 및 떠오르고 있는 특정 요구를 해결한다.
본 발명은 예를 들어, 전자기 방사의 형태로부터 에너지를 수확하기 위한 장치, 시스템 및 방법을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 전자기 에너지를 수집하도록 적응된 적어도 하나의 전기전도성 표면과, 상기 에너지를 저장하는 에너지 저장 컴포넌트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 예를 들어 에너지를 수집하기 위하여 안테나와 같이 에너지 디바이스의 에너지 저장 컴포넌트 내의 금속 또는 전도성 표면을 포함한다. 전도성 표면은 배터리 또는 커패시터에 다른 필요한 기능을 주로 제공하는 배터리 또는 커패시터 내의 전하 수집 표면과 같은 에너지 디바이스의 일체부일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 금속 또는 전도성 표면은 에너지 디바이스에 대한 전자기 에너지를 수집하기 위한 주요 목적을 위하여 제조동안 에너지 디바이스 내에 추가되며 구체적으로 에너지 디바이스 내에 형성되며, 에너지 저장 컴포넌트를 달리 필요로 하지 않는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들의 일체형 전도성 층은 배터리의 애노드 또는 캐소드 수집 플레이트로 구성될 수 있고 전자기 에너지를 수집하기 위한 추가적인 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 일체형 전도성 층은 에너지 디바이스의 실제 에노드 물질일 수 있다. 다른 실시예에서, 일체형 전도성 층은 커패스터의 최외각 전도성 케이싱체와 같이 에너지 디바이스의 전도성 외부 패키징 물질일 수 있다.
추가된 특성, 패턴 또는 형상을 에너지 디바이스의 전도성 표면에 적용하여, 특정한 주파수 대역, 광대역(broad band), 또는 다른 에너지 애플리케이션에서 에너지 수집시 효율 및/또는 용량(capacity)을 증가시킬 수 있다. 플렉시블 디바이스에서, 예를 들어, 일체형 전도성 표면을 굴곡(curve)(예를 들어, z-축 변위)시켜 디바이스의 에너지 수집 능력을 증대시키고 디바이스의 지향성 수신 특성을 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 에너지 수집 능력을 증대시키고 디바이스의 지향성 수신 특성을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 일부 특징 및 이점은 본 발명을 설명하려 하기 위한 것이지 본 발명을 제한하려 하기 위한 아닌 특정의 바람직한 실시예의 도면을 참조로 설명된다.
본 명세서의 일부를 구성하고 본 명세서에 포함되며 본 발명의 추가 이해를 제공하도록 포함된 첨부 도면은 상세한 설명과 함께, 본 발명의 특정 원리를 설명하는 것을 돕는 본 발명의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 1은 전기화학 셀을 포함하는 에너지 저장 컴포넌트를 갖는 본 발명의 일 실시예의 횡단면도이다.
도 2a는 하단에 안테나의 치수를 초과하여 연장된 기판의 묘사를 추가함이 없이 상단에 안테나가 있는 본 발명의 일 실시예의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 3a는 하단에 안테나의 치수를 초과하여 연장된 기판의 묘사를 추가함이 없이 상단에 안테나가 있는 본 발명의 일 실시예의 평면도이다.
도 3b는 다이오드를 추가한 본 발명의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 4는 본 발명의 전방향성 어레이의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 5는 본 발명의 듀얼 주파수 어레이의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 6은 본 발명의 전방향성 형태에 이용된 곡선 표면 에너지 디바이스의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 7a는 본 발명의 다평면(multi-planar) 실시예에 따른 횡단 측면도이다.
도 7b는 본 발명의 다평면 실시예의 한 디바이스의 측면도이다.
도 7c는 본 발명의 다평면 실시예의 제2 디바이스를 다른 각도에서 본 측면도이다.
본 명세서의 일부를 구성하고 본 명세서에 포함되며 본 발명의 추가 이해를 제공하도록 포함된 첨부 도면은 상세한 설명과 함께, 본 발명의 특정 원리를 설명하는 것을 돕는 본 발명의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 1은 전기화학 셀을 포함하는 에너지 저장 컴포넌트를 갖는 본 발명의 일 실시예의 횡단면도이다.
도 2a는 하단에 안테나의 치수를 초과하여 연장된 기판의 묘사를 추가함이 없이 상단에 안테나가 있는 본 발명의 일 실시예의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 3a는 하단에 안테나의 치수를 초과하여 연장된 기판의 묘사를 추가함이 없이 상단에 안테나가 있는 본 발명의 일 실시예의 평면도이다.
도 3b는 다이오드를 추가한 본 발명의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 4는 본 발명의 전방향성 어레이의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 5는 본 발명의 듀얼 주파수 어레이의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 6은 본 발명의 전방향성 형태에 이용된 곡선 표면 에너지 디바이스의 일 실시예의 횡단 측면도이다.
도 7a는 본 발명의 다평면(multi-planar) 실시예에 따른 횡단 측면도이다.
도 7b는 본 발명의 다평면 실시예의 한 디바이스의 측면도이다.
도 7c는 본 발명의 다평면 실시예의 제2 디바이스를 다른 각도에서 본 측면도이다.
본 발명은 본 명세서에 설명된 특정한 방법, 화합물, 물질, 제조 기술, 이용예, 애플리케이션으로 제한되지 않으며 이들이 변경될 수 있음을 알아야 한다. 본 명세서에 설명된 방법은 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 이용되며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않음을 알아야 한다. 본 명세서와 청구범위 내에 이용된 단수 형태 "하나", "한" 및 "그"는 달리 명시적으로 표현되지 않은 한 복수의 언급을 포함하는 것임을 알아야 한다. 따라서, 예를 들어, 도면 부호 "한 엘리먼트"는 하나 이상의 엘리먼트에 대한 언급이며 당해 기술 분야의 숙련된 자에게 알려진 것의 등가물들을 포함한다. 이와 유사하게, 다른 예를 들어, "한 단계" 또는 "한 수단"에 대한 언급은 한 이상의 단계 또는 수단에 대한 언급이며, 보조 단계 또는 보조 수단을 포함할 수 있다. 이용된 모든 결합은 가능한 가장 포괄적인 의미로 이해되어야 한다. 따라서, 용어 "or"은 문장이 달리 명확하게 언급되어 있지 않은 한, 논리적 "배타적 or"의 정의를 갖기 보다는 논리적 "or"의 정의를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 설명된 구조는 이러한 구조의 기능적 등가물을 언급하는 것으로 또한 이해되어야 한다. 근사값을 설명하는 것으로 간주될 수 있는 언어는 달리 명시적으로 표현되지 않는 한 근사값인 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되어 있지 않는 한, 본 명세서에 이용된 모든 기술 용어 또는 과학 용어는 본 발명이 속한 당해 기술 분야의 숙련된 자에 의해 일반적으로 이해되고 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 선호되는 방법, 기술, 디바이스 및 물질이 설명되어 있지만, 설명된 것과 유사 또는 동등한 임의의 방법, 기술, 디바이스 또는 물질이 본 발명의 실시 또는 시험시에 이용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 구조는 이러한 구조의 기능적 등가물을 언급하는 것으로 또한 이해되어야 한다.
예를 들어, 본 발명과 결합하여 유용할 수 있는 공개공보에 설명된 방법을 설명 및 개시하기 위한 목적으로 모든 특허 및 다른 공개공보가 본 명세서 내에서 참조로서 포함된다. 이들 공개 공보는 본 출원의 출원일 전에 오직 공개를 위하여 제공된 것이다. 이러한 점에서, 그 어떠한 것도, 이전 발병에 의해 또는 어떠한 다른 이유로도 이러한 공개 공보를 선행하도록 자격을 부여받은 허가로서 간주되어서는 안된다.
본 출원은 2006년 11월 17일 출원된 발명의 명칭이 "Hybrid Thin-Film Battery"인 미국 특허 출원 일련 번호 제11/561,277호와, 2007년 3월 16일 출원된 발명의 명칭이 "Metal Foil Encapsulation"인 미국 특허 출원 일련 번호 제11/687,032호에 관한 것이며, 본 명세서에서는 이들 전체 내용을 참조로서 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 횡단 측면도이다. 이 실시예에서, 전기 전도성 표면(180)은 에너지 저장 디바이스의 구조의 일부를 형성한다. 도 1에 도시된 이 실시예에서, 에너지 저장 디바이스는 전해질(140)에 의해 분리되어 있는 캐소드(130)와 애노드(150)를 갖는 전기화학 셀이다. 이 실시예는 양극 단자 기판(110)과 배리어 층(120)을 포함한다. 절연성 층(160)은 전기화학 셀을 캡슐화하고 있고, 하나 이상의 전도체(170)가 애노드(150)로부터 전기 전도성 표면(180)으로 연장된다.
일 특정 실시예에서, 전기화학 셀은 이전에 참조로서 포함된 미국 특허 출원 일련 번호 제11/561,277호에 개시된 것과 같은 박막형 배터리이다. 이 실시예에서, 디바이스는 하단에서부터 상단으로의 방향으로 예를 들어, 양의 콘택트부로서 기능하는 금속 포일 기판(110); 캐소드 전류 컬렉터로서 기능하며 예를 들어 크롬, 니켈, 또는 티탄 서브레이어 상에서 제조된 금, 은 또는 백금 서브레이어로 바람직하게 구성된 배리어 층(120); 예를 들어, LiCoO2(Lithium Cobalt Oxide)로 바람직하게 구성된 캐소드(130); 예를 들어 LiPON으로 바람직하게 형성된 고체 상태 전해질(140); 및 예를 들어, 리튬을 바람직하게 포함하는 애노드(150)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 디바이스와 와이어 메시 전도체(170)를 덮을 수 있는 설린(Surlyn) 층으로 바람직하게 형성된 절연성/접착층(160)은 전기 전도성 표면(180)과 전기화학 디바이스 사이에 조립되어 이들과 접촉할 수 있다.
배터리 또는 박막 저장 배터리와 같은 전기화학적 저장 디바이스에 더하여, 에너지 저장 컴포넌트는 커패시터 또는 박막 또는 커패시터와 같은 전기적 저장 디바이스일 수 있지만, 예를 들어, 플라이휠, 마이크로 플라이휠, 마이크로 전자 기계적 시스템(MEMS; micro electro-mechanical system) 또는 기계적 스프링(mechanical spring)과 같은 기계적 에너지 저장 디바이스일 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트는 또한, 예를 들어 발명의 명칭이 "Method and Apparatus for an Ambient Energy Battery or Capacitor Recharge System"인 미국 특허 등록 번호 제 7,088,031호 - 본 명세서는 이 전체 내용을 참조로서 포함함 - 에 개시된 발명의 여러 실시예들과 같은 자전기 소자 또는 압전 소자와 같은 전자 기계적 디바이스일 수 있다. 에너지 저장 컴포넌트는 또한 서멀 매스 컨테이너(thermal mass container)와 같은 서멀 에너지 저장 디바이스일 수 있거나 또는 에너지 저장 컴포넌트는 예를 들어, 하이드로젠 컨테이너(hydrogen container)를 갖는 하이드로젠 발생기 또는 오존 컨테이너(ozone container)를 갖는 오존 발생기와 같은 화학 에너지 저장 디바이스일 수 있다. 이들 디바이스의 각각은 특정한 예시적 시스템 소자에 기초하여 에너지를 저장하는데 이용될 수 있다.
이와 유사하게, 전기 전도성 표면의 물질 및 기하 구조는 시스템 애플리케이션에 따라 변할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 전기 전도성 표면은 수집된 전기전자 에너지의 주파수에 적응되는 적합한 전자기 임피던스를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 전도성 표면은 금속, 합금, 반도체, 전도성 유기물, 폴리머, 및/또는 전도성 화합물로 형성될 수 있다. 디바이스는 또한 예를 들어 가요성일 수 있고, 특정 유형들의 전자기 에너지를 보다 양호하게 수집하도록 자체적으로 조립형성될 수 있다.
수개의 실시예들에서, 전기 전도성 표면은 또한 에너지 저장 컴포넌트의 일체된 부분일 수 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 수집하는 전도성 표면은 전기화학적 저장 디바이스의 애노드, 전기화학적 저장 디바이스의 애노드 전류 컬렉터, 전기화학적 저장 디바이스의 캐소드, 전기화학적 저장 디바이스의 캐소드 전류 컬렉터, 전기화학적 저장 디바이스의 캡슐화부, 전기화학적 저장 디바이스의 기판, 전기화학적 저장 디바이스의 케이싱체, 커패시터의 음의 전극, 커패시터의 양의 전극, 또는 커패시터의 케이싱체로 구현될 수 있다.
전기 전도성 에너지를 수집하는 표면이 에너지 저장 컴포넌트에 일체화되어진 일부 실시예에서, 이 표면은 예를 들어, 전자기 에너지의 수집에 대한 상기 표면의 적응성을 최적화하기 위하여 상기 에너지 저장 컴포넌트의 주요 기능 요구 이상으로 구조적 또는 화학적으로 변경될 수 있다. 구조적 변경은 표면을 확장하거나 늘리거나, 증대시키거나 또는 달리 연장시킴으로써 하나 이상의 표면의 표면적을 넓히는 것을 포함할 수 있다. 도 1의 에너지 디바이스에서 예를 들어, 표면(180)은 그 형상이 확장, 또는 연장 또는 달리 증대될 수 있다. 이와 유사하게, 표면(110, 170) 또는 임의의 다른 전도성 표면은 예를 들어, 이 또는 이들 소자의 에너지 수확 용량을 단독으로 또는 조합하여 개선하기 위해 표면적을 연장하도록 변경될 수 있다. 추가적으로, 이들 디바이스 소자의 에너지 수확 속성 및/또는 표면적을 증가시키기 위해 이들 전도성 표면은 그 두께가 증가될 수 있거나 또는 임의의 바람직한 방향으로 천공될 수 있다.
예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 유전체(260)의 높이는 커패시터 또는 배터리 내의 유전체 또는 배터리 또는 커패시터 또는 이들 양쪽의 조합 내에 세퍼레이터 소자(separating element)의 두께에 따를 수 있다. 예를 들어, 이 두께는 배터리 캐소드 두께에 세퍼레이터 물질을 더한 것을 나타낼 수 있다. 도 2b의 기판(230)은 예를 들어, 박막형 배터리의 캐소드 전류 컬렉터에 의해 제공될 수 있다. 안테나 소자(280)는 예를 들어, 배터리의 애노드 전류 컬렉터 또는 세퍼레이터 소자에 의해 제공될 수 있다. 여러 소자들에 대한 치수는 예를 들어, 예를 들어, "Antenna Theory, Analysis and Design"(2nd edition, Constantine A. Balanis, 1982, 1997, ISBN 0-471-59268-4; 본 명세서에서는 전체 내용을 참조로서 포함함)에서 찾아지는 설명으로부터 외삽 추정(extrapolate)함으로써 유도될 수 있다. 유전체의 높이(h), 유전체의 유전 상수(εr ) 및 대상이 되는 주파수(fr)는 설계에 의해 조정될 수 있다. 이들 값이 설정되면, 예를 들어 길이와, 적합한 폭 비를 최적화하는데 다음 식이 이용될 수 있다. 안테나의 길이는 λ/2, λ/4, λ/8, λ/16 등과 같이 파장(λ)의 일정 평분(even division)값일 수 있다. 아래 V0는 자유 공간에서의 광속이다.
각각의 실시예에서의 전기 전도성 표면은 예를 들어, 하나 이상의 특정 형태로 전자기 에너지를 수집할 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 형태는 예를 들어, 전기장이 결합된 에너지, 자기장이 결합된 에너지, 광파가 직접 결합된 에너지(light wave direct coupled energy), 광파가 열적으로 결합된 에너지, 레이저 또는 코히런트 광이 결합된 에너지, 서브밀리미터(sub-millimeter) 파장 방사선이 결합된 에너지, 광대역 주파수, 협대역 주파수, 직접 에너지, 간접 에너지, ULF(ultra low frequency), SLF(super low frequency), VLF(very low frequency), LF(low frequency), MF(medium frequency), HF(high frequency), VHF(very high frequency), UHF(ultra high frequency), SHF(super high frequency), EHF(extremely high frequency), 적외선 광 주파수, 가시광 주파수, 자외선광 주파수, 및/또는 x-선 주파수를 포함할 수 있다.
추가적인 컴포넌트들이 또한 본 발명의 특정 실시예들 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 전기 전도성의 에너지 수집 표면 상에서 유도된 교류 전류를 직류 전류로 정류하여 전류가 예를 들어, 배터리 또는 커패시터에 쉽게 저장될 수 있도록 한 하나 이상의 전기 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트는 예를 들어, 에너지 저장 컴포넌트의 외부에 있을 수 있지만, 그러나, 이들은 또한 대안적으로 또는 추가적으로 에너지 저장 컴포넌트 내에 내장될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 셀의 컴포넌트로서 이용될 수 있는 반도체 특성의 리튬 코발트 산화물은 특정 영역에서 n형 도핑 및 p형 도핑될 수 있고, 이에 의해 정류기(rectifier)로서 동작하도록 구성될 수 있는 다이오드 특성을 갖는 디바이스를 생성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 안테나 표면(380)과 전도성 기판 표면(330) 사이에 다이오드를 제공한 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 위의 예에 의해 설명된 바와 같이, 안테나 소자(380)는 예를 들어, 배터리의 애노드 전류 컬렉터 또는 세퍼레이터 소자에 의해 제공될 수 있다. 유전체(360)는 커패시터 또는 배터리 내의 유전체 또는 커패시터 또는 배터리 내의 세퍼레이터 소자 또는 이들 둘의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 이는 배터리 캐소드 두께에 세퍼레이터 물질을 더한 것을 나타낼 수 있다. 도 3b의 기판(330)은 예를 들어, 박막형 배터리의 캐소드 전류 컬렉터에 의해 제공될 수 있다. 에너지 저장 디바이스의 직접 충전은 예를 들어, 안테나 표면과 전도성 기판 표면 사이에 다이오드를 연결시킴으로써 달성될 수 있다. 이 접속은 기판 표면(330)에 연결된 다이오드의 애노드와, 안테나 표면(380)에 부착된 다이오드의 캐소드로 이루어질 수 있다. 다이오드는 외부의 개별 컴포넌트 또는 제조된 에너지 저장 디바이스의 일체화된 부분일 수 있다.
전자기 에너지를 수확하는 시스템은 또한 예를 들어 본 명세서에 설명된 여러 개시에 의해 제공된다. 이 시스템은 예를 들어, 어레이를 형성하도록 공동으로 연결된 복수의 에너지 수확 디바이스들을 포함할 수 있다. 어레이 내의 디바이스의 배치는 예를 들어, 전방향성 또는 단방향성 방식으로 전자기 에너지의 수집을 최적화하도록 변경될 수 있다. 에너지 수확 디바이스 자체는 예를 들어 가변 파장의 전자기 에너지의 수집을 최적화하도록 단일 시스템 내에서 변할 수 있다 - 이는 전기 전도성 표면의 형상 및 크기를 포함할 수 있지만 물질의 유형도 또한 포함할 수 있다. 추가로, 에너지 수확 디바이스의 상호접속은 특정 전압 출력을 생성하도록 직렬로 또는 병렬로 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같은 전방향성 어레이의 일례는 공동으로 배치되는 두개의 기판(430)과 외부 방향으로 향해지는 수집 표면(481 및 482)을 제공한다. 유전체 층(461 및 462)은 기판(430)과 수집 표면(481 및 482) 사이에 제공된다. 대안으로서 배터리 또는 다른 에너지 저장 디바이스를 갖는 기판이 기판의 어느 한쪽에 배치될 수 있다. 여러 구성의 복수의 표면들이 또한 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 기판(530) 상에, 여러 L/W 비들을 가능하게 갖는 두개의 에너지 저장 디바이스(581, 582)를 제공함으로써, 예를들어 도 5에 도시된 바와 같이 다중 주파수 어레이를 제공할 수 있다. 복수의 표면 및/또는 디바이스가 또한 여러 실시예에서 제공될 수 있다. 대안으로서, 단일 셀의 상단에는 전기적으로 도 5의 배치처럼 보이는 절연체/전도체의 패터닝된 상단부가 제공될 수 있고, 이에 의해 배터리 기판이 도면 내의 전체 기판처럼 보이기 때문에 외적인 변경 없이 다중 주파수 안테나를 제공할 수 있다. 도 6은 전방향성 형태로 이용될 수 있는 곡선 표면 에너지 디바이스의 일례를 제공한다. 도면의 상단 또는 하단으로부터 발생되는 것으로 도시된 대로 에너지(610 및/또는 620)를 모으는 것을 허용하는 예를 들어 구의 일부분인 수신 표면을 생성하는데 곡선을 이용할 수 있다. 위에서 예를 들어 설명된 바와 같이, 다이오드는 이 예시적인 설계로 유사하게 통합될 수 있다. 추가로, 안테나 소자(680), 유전체 요소(660) 및 기판 요소(660)는 예를 들어 도시된 바와 같이 제공될 수 있다.
본 발명의 다평면 실시예의 일례는 예를 들어, 도 7a, 도 7b, 도 7c에서 설명된다. 이 예에서는, (도 7a에서 781, 782로서 도시된) 둘 이상의 디바이스가 서로 소정의 각도로 배치될 수 있다. 이들 디바이스는 제조 동안에, 또는 포스트 프로세스 단계에서 적절한 각도로 형성된 하나의 기판 상에 또는 (도 7a에서 731 및 732로서 도시된) 개별 기판 상에 형성될 수 있다. 각도(a)는 임의의 각도일 수 있으며 예를 들어, 0° 내지 180°의 범위에 있을 수 있다. 임의의 주어진 주파수, 주파수들의 그룹, 또는 주파수 또는 대역의 임의의 쌍에 대한 길이, 폭 및 높이 값(L, W 및 h) 및 이들 값에 대한 비는 동일할 수도 또는 완전 다를 수도 있다.
추가적으로, 이 실시예 또는 이들 실시예에서 단일의 평면 디바이스와 유사하게 다이오드 정류가 수행될 수 있으며, 여기서 다이오드는 예를 들어 각각의 안테나/기판을 가로질러 제공될 수 있다.
이 시스템은 예를 들어, 자율 전기 회로에 단독으로 전원을 공급하거나 또는 예를 들어 태양 전지 또는 솔라 서멀 컬렉터와 같은 다른 전원 소스와 결합하여 전원을 공급하는데 이용될 수 있다. 이러한 결합은 자율 전기 회로가 전자기 에너지를 포함하는 환경에서 태양 광선으로 동작하거나 태양 광선 없이 동작하는 것을 허용하는데 이용된다. 예를 들어, 태양 전지는 제조 동안에 상단 또는 하단에서 저장 디바이스 상에 직접 퇴적될 수 있다. 이 퇴적은 PVD 또는 예를 들어 프린팅을 포함할 수 있다. 이러한 태양 전지는 적어도 둘의 반도체들을 포함할 수 있고 반도체들은 서로 접촉하여 p-n 접합을 생성할 수 있다. 추가로, 태양 전지 내에는 기판과 금속 전도성 전류 컬렉터가 있을 수 있다. 특히, 예를 들어 SiO2와 같은 유전체 층은 예를 들어 Si-Ti-Pd-Ag와 같은 금속 전도성 반사방지 층에 의해 덮혀질 수 있다. 안테나형 수신기 평면으로서 기능할 수 잇는 배터리와 유사하게, 에너지를 생성할 수 있지만 에너지를 저장할 수 없는 태양 전지가 제공될 수 있다.
그러나, SiO2/Si-Ti-Pd-Ag 안테나형 수신기 평면은 배터리에 연결될 수 있고 배터리는 이어서 안테나형 수신기 평면으로서 자체적으로 기능할 수도 또는 기능하지 않을 수도 있다.
전자기 에너지를 수확하는 방법 및/또는 에너지 수확 디바이스의 새로운 사용이 또한 예를 들어 본 명세서 내에 설명된다. 예를 들어, 하나 이상의 에너지 수확 디바이스 또는 시스템은 주파수 및 전력과 같은 알려진 또는 알려지지 않은 파라미터와 함께 전자기 에너지의 알려진 또는 알려지지 않은 소스를 포함하는 환경에 배치될 수 있다. 전기 전도성 표면상에 입사되는 전자기 에너지는 전기 전도성 표면으로의 전류를 유도할 수 있다. 이 후, 이 전류는 에너지 저장 컴포넌트에 의해 수집될 수 있다. 일 실시예에서, 전기 전류는 예를 들어, 전기화학 셀 또는 커패시터를 충전하기 전에 정류기 회로에 의해 정류된다. 전기 전류는 또한 위에서 언급된 다른 에너지 저장 컴포넌트를 충전시킬 수 있다. 디바이스는 에너지를 수집하고 저장한 다음, 예를 들어, 소정의 기간 동안 동작하도록 자율 전기 디바이스에 전원을 제공가능할 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 수개의 실시예로 설명되었다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 여러 실시예에서 본 발명에 의해 강화되는 에너지 또는 전자 디바이스의 성능을 수용할 수 있는 많은 변경 및 수정이 있을 수 있음이 명백하다. 위에서 설명된 실시예들은 오직 설명을 위한 것이다. 당해 기술 분야의 숙련된 자는 본 명세서에 구체적으로 설명된 실시예들로부터, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된 변경이 있음을 이해할 수 있다. 이로서, 본 발명은 오직 다음의 청구항들에 의해서만 제한된다. 따라서, 본 발명은 이들이 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있다면, 본 발명의 변경을 포함하는 것으로 의도된다.
110: 양극 단자 기판
120: 배리어 층
130: 캐소드
140: 전해질
150: 애노드
160: 절연성 층
170: 전도체
180: 전기 전도성 표면
120: 배리어 층
130: 캐소드
140: 전해질
150: 애노드
160: 절연성 층
170: 전도체
180: 전기 전도성 표면
Claims (21)
- 에너지 디바이스로서,
복수의 컴포넌트 층을 가진 전기화학 셀을 포함하는 에너지 저장 컴포넌트;
상기 에너지 저장 컴포넌트의 애노드 전류 컬렉터의 일부분인 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층 - 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층은 전자기 에너지를 수집하도록 구성되어 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층 내로 전류가 유도되는 것을 가능하게 하며, 상기 에너지 저장 컴포넌트는 상기 전류의 적어도 일부분을 수집하고 저장하도록 구성되며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층은, 상기 전기화학 셀의 상기 복수의 컴포넌트 층들에 평행한 방향으로 연장하는 전기 전도성 돌출부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층은 상기 전기화학 셀의 상기 복수의 컴포넌트 층들의 치수(dimension)를 넘어 연장함 - ; 및
상기 에너지 저장 컴포넌트의 캐소드 전류 컬렉터의 일부분인 기판 - 상기 기판은 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층의 치수를 넘어 연장함 -
을 포함하는 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전기 전도성 표면은, 수집을 위해 타겟팅된 파장에서 신호 이득들을 생성하기 위해 상기 전기 전도성 표면의 치수의 크기가 정해지도록 상기 수집된 전자기 에너지들의 주파수들에 대응되는 전자기 임피던스를 포함하는, 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면은, 전자기 에너지를 수집하기 위한 상기 전기 전도성 표면 층의 능력을 증가시키도록 구조적으로 또는 화학적으로 변경되는, 에너지 디바이스. - 제3항에 있어서,
상기 전기 전도성 돌출부는 제1 전기 전도성 돌출부이며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층은 또한 상기 에너지 저장 컴포넌트 층들에 직교하는 방향으로 연장하는 제2 전기 전도성 돌출부를 포함하는, 에너지 디바이스. - 제3항에 있어서,
상기 전기 전도성 표면은, 고립된 전도성 및 반도전성의 영역들에 제공되기 위해 상기 전기 전도성 표면 층의 영역들에서의 RF 전도 특성들에 영향을 주도록 구성되는, 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전기 전도성 돌출부는 제1 전기 전도성 돌출부이며, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 표면 층은 또한 상기 에너지 저장 컴포넌트에 직교하는 방향으로 연장하는 제2 전기 전도성 돌출부를 포함하는, 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전자기 에너지의 전력의 수집을 위해 방향성 응답을 향상시키는 어레이를 형성하도록 구성되는 복수의 전기 전도성 표면을 추가로 포함하는 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 수집된 전자기 에너지를 정류(rectify)하도록 구성되는 적어도 하나의 외부 정류 요소를 더 포함하는 에너지 디바이스. - 제1항에 있어서,
복수의 전도성 표면 사이에 하나 이상의 층을 추가로 포함하고, 상기 층들은 절연 층을 포함하는, 에너지 디바이스. - 제1항의 에너지 디바이스를 복수 개 포함하는 어레이.
- 제10항에 있어서,
전방향성(omni-directional) 응답에서 전자기 에너지를 수집하도록 구성되는 전기 전도성 표면들을 추가로 포함하는 어레이. - 제11항에 있어서,
기판 엘리먼트와 적어도 두 개의 수집 표면을 포함하고, 상기 수집 표면 각각은 상기 기판 엘리먼트의 대향하는 측면들 상에 위치하는, 어레이. - 제10항에 있어서,
단방향성 응답에서 전자기 에너지를 수집하도록 구성되는 전기 전도성 표면들을 추가로 포함하는 어레이. - 제10항에 있어서,
상기 에너지 디바이스들의 어레이는 직렬 또는 병렬 연결을 포함하며, 상기 에너지 디바이스들 중 적어도 하나는 전자기 에너지를 수집하도록 구성되는 전기 전도성 표면을 제공하는, 어레이. - 제14항에 있어서,
상기 에너지 디바이스들은 모두 실질적으로 동일한 크기와 형상을 포함하는, 어레이. - 제14항에 있어서,
상기 에너지 디바이스들 중 적어도 하나는 다른 에너지 디바이스들과 실질적으로 상이한 크기 및 형상을 포함하는, 어레이. - 전자기 에너지를 포함하는 환경 내에서 전자기 에너지를 수집하는 방법으로서,
상기 환경 내에 적어도 하나의 에너지 수집 디바이스를 제공하는 단계 - 상기 디바이스는, 전기 전도성 표면, 기판, 및 에너지 저장 컴포넌트를 포함하고,
상기 전기 전도성 표면은 상기 에너지 저장 컴포넌트의 애노드 전류 컬렉터의 일부분이며,
상기 전기 전도성 표면은 상기 전자기 에너지를 수집하도록 구성됨으로써, 상기 전기 전도성 표면 내에서 전류가 유도되는 것을 가능하게 하고,
상기 에너지 저장 컴포넌트는 복수의 컴포넌트 층을 구비하는 전기화학 셀을 포함하고,
상기 전기 전도성 표면은 상기 전기화학 셀의 상기 복수의 컴포넌트 층들에 평행한 방향으로 연장하는 전기 전도성 돌출부를 포함하고 상기 전기 전도성 표면은 상기 전기화학 셀의 상기 복수의 컴포넌트 층들의 치수를 넘어 연장하고,
상기 기판은 상기 에너지 저장 컴포넌트의 캐소드 전류 컬렉터의 일부분이고 상기 전기 전도성 표면의 치수를 넘어 연장됨 -;
상기 전기 전도성 표면을 통해 상기 환경으로부터 상기 전자기 에너지를 수집하는 단계; 및
상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 에너지를 저장하는 단계
를 포함하는 방법. - 삭제
- 제17항에 있어서,
상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 에너지를 저장하기 전에 상기 수집된 전자기 에너지를 정류(rectifying)하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제17항에 있어서,
상기 에너지 저장 컴포넌트에 상기 에너지를 저장한 후에 자율 전기 디바이스에 전력을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 삭제
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