KR100302989B1 - Dry chemical cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐리어(carrier) 농도가 5×1016∼2×1019cm-3인 n형 반도체를 음극으로 사용하고, 상기 음극의 전자 친화력보다도 큰 전자 친화력을 갖는 금속을 양극으로 사용하여, 생체의 피부를 전해질로 이용하여 건식화학전지를 형성함으로써, 인체에 대한 안전성 및 가동효율을 높이는 것이 용이한 건식화학전지를 실현한 것이다.The present invention uses an n-type semiconductor having a carrier concentration of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 as a cathode, and uses a metal having an electron affinity greater than that of the cathode as the anode, By using dry skin as an electrolyte to form a dry chemical cell, it is possible to realize a dry chemical cell that is easy to increase the safety and operation efficiency for the human body.
Description
본 발명은 건식화학전지, 상기 건식화학전지용의 부재 및 상기 건식화학전지를 구비한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 전해질을 미리 장비해 두는 것이 불필요한 건식화학전지, 상기 건식화학전지용의 부재 및 이 건식화학전지를 구비한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a dry chemical cell, a member for the dry chemical cell, and an apparatus provided with the dry chemical cell. In particular, the present invention relates to a dry chemical cell, which is not required to be equipped with an electrolyte in advance, a member for the dry chemical cell, and an apparatus provided with the dry chemical cell.
전지의 전해질 용액을 적당한 방법으로 흐르도록 하여 취급이나 휴대에 편리한 일차전지(이하, 그 일차전지(primary cell)를 「건식 건전지」라 한다.)는 전자기기의 전원으로서 널리 이용되고 있고, 특히 최근에는 휴대용 전자기기의 보급에 따라 필수 불가결한 전원이 되고 있다.Primary batteries (hereinafter, referred to as "dry batteries") which are convenient for handling and carrying by allowing electrolyte solutions of batteries to flow in a proper manner have been widely used as power sources for electronic devices. Has become an indispensable power source with the spread of portable electronic devices.
건식화학전지로는, 망간 건전지, 알칼리 건전지, 수은전지, 산화은 전지, 리튬 전지 등이 알려져 있다. 이들 종래의 건식화학전지는 어느 것이나 전해질 용액 또는 고체 전해질을 미리 장비하고 있다.As dry chemical batteries, manganese batteries, alkaline batteries, mercury batteries, silver oxide batteries, lithium batteries and the like are known. All of these conventional dry chemical cells are equipped with an electrolyte solution or a solid electrolyte in advance.
망간 건전지, 알칼리 건전지, 수은전지, 산화은 전지 등의 건식화학전지에 이용되는 전해질 용액은 강알칼리성 또는 강산성의 용액이다. 이 때문에, 이러한전해질 용액을 이용한 건식화학전지에 있어서는, 전해질 용액이 누출되지 않도록 상기 전해질 용액을 소정의 수단으로 용기에 밀봉하고 있다.The electrolyte solution used in dry chemical cells such as manganese batteries, alkaline batteries, mercury batteries, and silver oxide batteries is a strong alkaline or strongly acidic solution. For this reason, in a dry chemical cell using such an electrolyte solution, the electrolyte solution is sealed in a container by a predetermined means so that the electrolyte solution does not leak.
또, 리튬 전지 등의 건식화학전지에 이용되는 고체 전해질로는, 생체에 대한 자극성이 강한 요드화 리튬 등의 물질이 이용된다. 이 때문에, 리튬전지 등에 있어서도 고체 전해질이 소정의 용기에 밀봉되어 있다.In addition, as a solid electrolyte used in dry chemical cells such as lithium batteries, substances such as lithium iodide having a strong irritation to a living body are used. For this reason, also in a lithium battery etc., a solid electrolyte is sealed in the predetermined container.
단, 전해질 용액 및 고체전해질의 어느 것을 이용한 건식화학전지에 있어서도, 전해질 용액 또는 고체전해질이 외부로 누출되는 것을 장기에 걸려 방지하는 것은 곤란하다.However, even in a dry chemical cell using either the electrolyte solution or the solid electrolyte, it is difficult to prevent the electrolyte solution or the solid electrolyte from leaking to the outside for a long time.
휴대용 전자기기의 대부분은, 인체에 접촉한 상태로 이용된다. 그 중에서도, 페이스 메이커(pacemaker) 등의 의료기기, 이어폰형 라디오 등의 정보기기, 보청기, 전자식 손목시계(an electronic watch) 등은 통상적으로 피부에 접한 상태에서 이용된다. 이 때문에, 휴대용 전자기기의 전원에는 인체에 대해 안전한 것이 요구된다. 전해질 용액 또는 고체 전해질이 외부에 누출될 가능성이 있는 건식화학전지는 피부에 접한 상태에서 이용되는 휴대용 전자기기의 전원으로서 바람직하다고는 할 수 없다.Most of the portable electronic devices are used in contact with the human body. Among them, medical devices such as pacemakers, information devices such as earphone-type radios, hearing aids, an electronic watches and the like are usually used in contact with the skin. For this reason, the power supply of portable electronic devices is required to be safe for the human body. A dry chemical cell in which an electrolyte solution or a solid electrolyte may leak to the outside is not preferable as a power source for portable electronic devices used in contact with the skin.
건식화학전지에는, 상술한 바와 같이 안전성이 요구되고 있다. 또 한 편으로, 특히 휴대용 전자기기의 전원으로 이용하는 데 있어서는 한층 더 저가격화가 요구되고 있다.As described above, dry chemical cells are required to have safety. On the other hand, lower cost is required for use as a power source for portable electronic devices.
그러나, 실제적인 문제로서 안전성이 높은 건식화학전지를 보다 저가격으로 제공하는 것은 곤란하다.However, as a practical problem, it is difficult to provide a dry chemical battery having high safety at a lower cost.
건식화학전지 대신 예를 들면, 태양전지(a solar battery cell)를 이용하면 인체에 대한 안전성을 보다 높일 수 있다. 예를 들면, 전자식 손목시계의 소비전력은 현재 1μW정도까지 저하되기 때문에, 수광 면적이 1cm2정도인 태양전지이어도 충분히 전원으로서 이용가능하다.For example, using a solar battery (a solar battery cell) instead of the dry chemical cells can increase the safety to the human body more. For example, since the power consumption of an electronic wrist watch is currently reduced to about 1 µW, even a solar cell having a light receiving area of about 1 cm 2 can be sufficiently used as a power source.
단, 태양전지는 빛이 조사되고 있는 때에만 발전하므로, 야간이나 어두운 곳에서는 전원으로 이용할 수 없다. 즉, 가동효율이 낮다. 이 때문에, 태양전지는 통상적으로 백업용의 내장 이차전지(이차전지:secondary battery)와 병용된다.However, since solar cells generate power only when light is being irradiated, they cannot be used as power sources at night or in dark places. That is, the operation efficiency is low. For this reason, a solar cell is normally used together with a built-in secondary battery (secondary battery) for a backup.
본 발명의 목적은, 인체에 대한 안전성 및 가동효율을 높이는 것이 용이한 건식화학전지, 건식화학전지용 부재 및 건식화학전지를 구비한 장치를 제공하는 것에 있다.An object of the present invention is to provide a device comprising a dry chemical cell, a member for a dry chemical cell, and a dry chemical cell which are easy to increase safety and operating efficiency to a human body.
본 발명의 한 관점에 의하면, 실온시의 캐리어 농도가 5×1016∼2×1019cm-3의 n형 반도체(a negative-type semiconductor)로 이루어진 음극과, 상기 음극의 전자 친화력(electron affinity)보다도 큰 전자 친화력을 갖는 금속으로 이루어진 양극과, 상기 음극과 상기 양극이 서로 공간적으로 떨어진 상태에서 양자가 생체(a living body)의 피부에 접촉하도록 상기 음극 및 상기 양극을 지지하는 지지부재를 가지는 건식화학전지가 제공된다.According to one aspect of the present invention, an electron affinity of a cathode comprising an n-type semiconductor having a carrier concentration at room temperature of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 , and an electron affinity of the cathode An anode made of a metal having an electron affinity greater than), and a support member for supporting the cathode and the anode so that the cathode contacts the skin of a living body while the cathode and the anode are spatially separated from each other. Dry chemical cells are provided.
본 발명의 다른 한 관점에 의하면, 실온시의 캐리어 농도가 5×1016∼2×1019cm-3의 n형 반도체로 이루어진 음극과, 상기 음극의 전자 친화력보다도 큰 전자친화력을 가지는 금속으로 이루어진 양극을 포함하고, 상기 음극과 상기 양극이 서로 공간적으로 떨어진 상태에서 양자를 생체의 피부에 접촉시킴으로써 건식화학전지가 되는 건식화학전지용 부재가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a cathode composed of an n-type semiconductor having a carrier concentration at room temperature of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 , and a metal having an electron affinity greater than the electron affinity of the cathode. There is provided a member for a dry chemical cell comprising a positive electrode, wherein the negative electrode and the positive electrode are brought into contact with the skin of a living body while being spaced apart from each other.
본 발명의 또 다른 한 관점에 의하면, 실온시의 캐리어 농도가 5×1016∼2×1019cm-3의 n형 반도체로 이루어진 음극과, 상기 음극의 전자친화력보다도 큰 전자친화력을 가지는 금속으로 이루어진 양극과, 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 접속된 부하(a load)를 가지는 장치가 제공된다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a cathode comprising an n-type semiconductor having a carrier concentration at room temperature of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 , and a metal having an electron affinity greater than that of the cathode. A device having a positive electrode, and a load electrically connected to the negative electrode and the positive electrode is provided.
금속과 특정한 n형 반도체를 서로 공간적으로 떨어진 상태에서 생체의 피부에 접촉시킴으로써, 상기 금속을 양극으로 하고 상기 n형 반도체를 음극으로 하여, 상기 피부(피하조직을 포함하는 것으로 한다. 이하 동일.)를 전해질로 하는 건식화학전지를 형성할 수 있다.By contacting the metal and the specific n-type semiconductor to the skin of a living body in a state in which they are spaced apart from each other, the metal is used as an anode and the n-type semiconductor is used as a cathode. It is possible to form a dry chemical cell using the electrolyte.
이 건식화학전지는 생체의 피부를 전해질로 이용하기 때문에, 전해질 자체는 생체에 무해하다. 또, 상기의 금속 및 n형 반도체로 해도 생체에 무해한 것이 용이하게 선택될 수 있다.Since this dry chemical cell uses the skin of a living body as an electrolyte, the electrolyte itself is harmless to the living body. Further, even those metals and n-type semiconductors can be easily selected that are harmless to a living body.
상기의 건식화학전지에 보호저항(과대전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 전기저항)을 가지는 외부회로(external circuit)를 접속하여 사용할 수 있다. 보호저항을 사용함으로써, 피부(피하조직을 포함하는 것으로 한다. 이하 동일)를 흐르는 전류에 의해 피부가 손상되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.An external circuit having a protective resistance (electrical resistance for preventing excessive current from flowing) can be connected to the dry chemical cell. By using the protective resistance, it is possible to easily prevent the skin from being damaged by the current flowing through the skin (subcutaneous tissue, which is the same below).
또, 상기의 건식화학전지는 생체의 피부를 전해질로 이용하는 것이므로, 음극과 양극을 생체의 피부에 접촉시켜 두면, 때와 장소를 선택하지 않고 발전한다.In addition, since the dry chemical cell uses the skin of a living body as an electrolyte, when the negative electrode and the positive electrode are brought into contact with the skin of the living body, the dry chemical battery develops without selecting a time and a place.
즉, 상기의 건식화학전지에서는, 인체에 대한 안전성 및 가동효율을 높이는 것이 용이하다.That is, in the dry chemical cell described above, it is easy to increase safety and operating efficiency to the human body.
도 1은 본 발명의 실시예의 건식화학전지의 원리도,1 is a principle diagram of a dry chemical cell of an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 제 1실시예를 나타낸 도면,2 is a view showing a first embodiment of the present invention;
도 3은 도 2에 도시한 장치로부터 전력을 이끌어 내기 위한 회로의 일예를 나타낸 도면,3 is a view showing an example of a circuit for drawing power from the apparatus shown in FIG.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 장치의 회로구성을 나타낸 도면,4 shows a circuit configuration of an apparatus according to a second embodiment of the present invention;
도 5(a)는 도 4에 도시한 회로구성을 가지는 전자식 손목시계의 일예를 도시한 정면을 도시한 도면,5 (a) is a front view showing an example of an electronic wrist watch having the circuit configuration shown in FIG. 4;
도 5(b)는 상기 전자식 손목시계의 뒷면을 나타낸 도면,Figure 5 (b) is a view showing the back of the electronic wrist watch,
도 6은 본 발명의 제 3실시예를 나타낸 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention.
〈부호의 설명〉<Explanation of sign>
1, 11, 21, 42 : 음극 2, 12, 22, 43 : 양극1, 11, 21, 42: cathode 2, 12, 22, 43: anode
3, 13, 23, 44 : 피부 10 : 칩 저항기3, 13, 23, 44: skin 10: chip resistor
10c : 저항소자 15 : 부하10c: resistor 15: load
16a, 16b : 리드선 24 : 외부 부하회로16a, 16b: lead wire 24: external load circuit
25 : 구동회로 26 : 내장 이차전지25 driving circuit 26 built-in secondary battery
27 : 커패시터 30 : 전자식 손목시계27: capacitor 30: electronic watch
31 : 패키지(package) 40 : 장치31: package 40: device
41 : 지지 부재 Ⅰ : 회로전류41: support member I: circuit current
Ⅰi: 이온 전류Ⅰ i : ion current
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건식화학전지의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the operating principle of a dry chemical cell according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, n형 반도체로 이루어진 음극(1)과 음극(1)보다 전자 친화력이 큰 금속으로 이루어진 양극(2)을 교대로 공간적으로 떨어진 상태에서 생체의 피부(3)에 접촉시킨다. 이들의 음극(1)과 양극(2)이, 예를 들면, 도선(4)에 의해 전기적으로 접속되면, 음극(1)에는 하기(i)∼(ii)의 두가지 변화가 발생한다.As shown in FIG. 1, the negative electrode 1 made of an n-type semiconductor and the positive electrode 2 made of a metal having a greater electron affinity than the negative electrode 1 are in contact with the skin 3 of the living body while being spaced apart alternately. Let's do it. When these cathodes 1 and 2 are electrically connected to each other by, for example, the conductive wires 4, two changes of the following (i) to (ii) occur in the cathode 1.
(i) 음극(1)과 양극(2)의 전자 친화력의 차에 기인하여, 음극(1) 중의 자유전자 (e-)가 도선(4)을 지나 양극(2)으로 이동한다. 그 결과, 음극(1) 중에 과잉의 정공(正孔)(positive hole)(h+)이 발생한다.(i) Due to the difference in electron affinity between the cathode 1 and the anode 2, the free electrons e − in the cathode 1 move past the conductor 4 to the anode 2. As a result, an excess of positive holes h + is generated in the cathode 1.
(ii) 음극(1)의 피부(3)와의 접촉면측에 열평형 상태를 지지하기 위해 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 형성된다. 이에 따라, 음극(1) 내에서는 피부(3)와의 계면으로부터 수μm에 걸친 영역(1a)에 캐리어 공핍층이 형성된다. 이 영역(1a)에서는, 1×103∼1×105V/cm의 강한 내부전계가 발생한다(이하, 상기의 영역을 「고전계 영역(1a)」이라 한다).(ii) A Schottky barrier is formed on the contact surface side of the cathode 1 with the skin 3 to support the thermal equilibrium. As a result, in the cathode 1, a carrier depletion layer is formed in the region 1a that extends from the interface with the skin 3 to several μm. In this region 1a, a strong internal electric field of 1x10 3 to 1x10 5 V / cm is generated (hereinafter, the above region is referred to as "high electric field region 1a").
상기(i)의 변화에 따라 음극(1)에서 양극(2)으로 이동한 자유전자(e-)는, 양극(2)의 전기적 중성을 지지하기 위해 과잉분이 바로 피부(3)측으로 배출된다.The free electrons (e − ) moved from the cathode (1) to the anode (2) in accordance with the change of (i), the excess is immediately discharged to the skin (3) side in order to support the electrical neutrality of the anode (2).
한 편, 상기(ii)의 변화에 의해 고전계 영역(1a)에 발생한 내부전계는 음극(1) 중에 발생한 정공(h+)을 피부(3)측으로 배출하도록 작용한다.On the other hand, the internal electric field generated in the high electric field region 1a by the change of (ii) acts to discharge the holes h + generated in the cathode 1 to the skin 3 side.
이들의 결과로서, 도 1에 도시한 상태에서는, 음극(1)으로부터 정공(h+)이 피부(3) 내로 주입되고, 양극(2)으로부터 전자(e-)가 피부(3) 내로 주입된다.As a result of these, in the state shown in FIG. 1, holes h + are injected into the skin 3 from the cathode 1, and electrons e − are injected into the skin 3 from the anode 2. .
피부(3) 내에는 각종의 이온이 존재하고 있으므로, 음극(1)의 바로 아래에서는 산화반응이 또, 양극(2)의 바로 아래에서는 환원반응이 각각 연속적으로 발생한다.Since various ions exist in the skin 3, an oxidation reaction occurs immediately below the cathode 1 and a reduction reaction occurs immediately below the anode 2, respectively.
인체 내에 많이 존재하는 철 이온을 예로 들어 상기의 산화환원반응을 설명한다. 산화환원반응은,The redox reaction described above will be described taking iron ions present in the human body as an example. Redox reaction,
Fe2++ h+→ Fe3+(음극(1)의 바로 아래에 있어서의 산화반응)Fe 2+ + h + → Fe 3+ (oxidation reaction directly under the cathode (1))
Fe3++ e-→ Fe2+(양극(2)의 바로 아래에 있어서의 환원반응)Fe 3+ + e - → (reduction in the immediately below the anode (2)) Fe 2+
이 된다. 또, 실제로는 각종 이온이 반응에 관계한다.Becomes In practice, various ions are involved in the reaction.
상기의 산화반응에 의해 발생한 Fe3+이온은 농도확산(concentration diffusion)에 의해 양극(2)의 바로 아래측으로 이동한다. 한 편, 환원반응에 의해 발생한 Fe2+이온은 농도확산에 의해 음극(1)의 바로 아래측으로 이동한다. 이들의결과로서, 차감한 +1가의 전하가 음극(1)측으로부터 양극(2)측으로 흐르게 되므로, 음극(1)측으로부터 양극(2)측으로 피부(3)를 통해 이온전류(Ii)가 흐른다. 즉, 음극(1) - 피부(3) - 양극(2) - 도선(4) - 음극(1)으로 이루어진 전기적 폐회로(electrically closed-circuit)(5)가 형성된다. 이 때, 피부(3)는 전해질로서 기능한다. 다시 말하면, n형 반도체로 이루어진 음극(1)과 금속으로 이루어진 양극(2)을 서로 공간적으로 떨어진 상태에서 생체의 피부(3)에 접촉시킴으로써, 피부(3)를 전해질로 하는 건식화학전지가 형성된다.Fe 3+ ions generated by the oxidation reaction move to the lower side of the anode 2 by concentration diffusion. On the other hand, Fe 2+ ions generated by the reduction reaction move to the lower side of the cathode 1 by concentration diffusion. As a result of these, the subtracted +1 electric charge flows from the cathode 1 side to the anode 2 side, so that the ion current I i from the cathode 1 side to the anode 2 side through the skin 3. Flow. That is, an electrically closed-circuit 5 consisting of the cathode 1-skin 3-anode 2-conductor 4-cathode 1 is formed. At this time, the skin 3 functions as an electrolyte. In other words, a dry chemical cell using the skin 3 as an electrolyte is formed by contacting the skin 3 of the living body with the cathode 1 made of an n-type semiconductor and the anode 2 made of a metal spaced apart from each other. do.
음극(1)의 재료로서 n형 반도체를 이용하기 때문에, 피부(3)와의 경계면에 쇼트키 장벽이 형성된다. 쇼트키 장벽의 캐리어 공핍층(고전계 영역(1a)) 내의 전계에 의해, 음극(1) 중에 발생하는 과잉의 정공(h+)가 신속히 피부(3)측으로 방출된다.Since an n-type semiconductor is used as the material of the cathode 1, a Schottky barrier is formed on the interface with the skin 3. By the electric field in the carrier depletion layer (high electric field region 1a) of the Schottky barrier, excess holes h + generated in the cathode 1 are quickly released to the skin 3 side.
또, 이 쇼트키 장벽은 피부(3)측에서 음극(1) 내로의 전자나 음이온의 침입을 저지한다. 따라서, 쇼트키 장벽이 형성되면, 음극(1)과 음이온, 예를 들면 OH-이온이 반응하여 음극(1)의 표면에 수산화물(전기 절연물)이 형성되는 것이 억제된다.In addition, this Schottky barrier prevents the penetration of electrons and anions into the cathode 1 from the skin 3 side. Therefore, when the Schottky barrier is formed, the formation of hydroxide (electric insulator) on the surface of the cathode 1 by the reaction of the cathode 1 with anions such as OH − ions is suppressed.
회로전류(I)는 음극(1) 중의 자유전자 농도가 높아짐에 따라 증대한다. 그러나, 자유전자농도가 높아짐에 따라 음극(1)이 차례로 금속적 성질을 띠게 되어, 쇼트키 장벽이 붕괴된다. 그 결과로, 쇼트키 장벽에 의한 음이온 침입저지작용 및 캐리어 공핍층(고전계 영역(1a)) 내의 전계에 의한 정공(h+) 배출작용이 각각 저하된다.The circuit current I increases as the free electron concentration in the cathode 1 increases. However, as the free electron concentration increases, the cathode 1 in turn becomes metallic, and the Schottky barrier collapses. As a result, the anion intrusion inhibiting action by the Schottky barrier and the hole (h + ) ejection action by the electric field in the carrier depletion layer (high electric field region 1a) are respectively lowered.
본건의 발명자는, 실온시의 캐리어 농도(이하, 간단히 「캐리어 농도」라 한다.)가 대략 5×1016∼2×1019cm-3의 n형 반도체를 음극재료로 이용함으로써, 기전력이 안정된 실용적인 건식화학전지를 얻을 수 있다는 것을 발견했다.The inventor of the present invention uses an n-type semiconductor having a carrier concentration at room temperature (hereinafter, simply referred to as "carrier concentration") of approximately 5x10 16 to 2x10 19 cm -3 as a cathode material, whereby the electromotive force is stabilized. It has been found that practical dry chemical cells can be obtained.
음극(1) 내의 캐리어 농도가 대략 5×1016cm-3보다 낮으면, 상기 음극(1)의 비저항이 대략 10Ωcm를 넘는다. 이 때문에, 회로전류 I가 0.1μA보다 작게 되어, 건식화학전지의 실용성이 저하된다.If the carrier concentration in the negative electrode 1 is lower than approximately 5x10 16 cm -3 , the specific resistance of the negative electrode 1 exceeds approximately 10 kcm. For this reason, circuit current I becomes smaller than 0.1 microamperes, and the utility of a dry chemical battery falls.
한 편, 음극(1) 내의 캐리어 농도가 대략 2×1019cm-3보다 높으면, 반도체가 축퇴(縮退)하여 쇼트키 장벽이 정상으로 형성된다. 이러한 경우, 음극(1) 내에 발생한 과잉의 정공(h+)은 피부(3)측에서 침입하는 자유전자에 의해 전기적으로 중화되어, 음극(1) 내에서 열로 소비된다. 또, 피부(3) 측에서 음극(1) 내로 음이온, 예를 들면 OH-이온이 침입하여 음극(1)의 표면에 수산화물(전기 절연물)이 형성된다. 상기 수산화물(전기 절연물)이 형성되면, 음극(1)과 피부(3)의 접촉부에 전류가 흐르게 된다.On the other hand, when the carrier concentration in the cathode 1 is higher than approximately 2x10 19 cm -3 , the semiconductor degenerates and the Schottky barrier is formed normally. In this case, the excess hole h + generated in the cathode 1 is electrically neutralized by free electrons invading from the skin 3 side and consumed as heat in the cathode 1. In addition, an anion, for example, OH − ions, penetrates into the cathode 1 from the skin 3 side, and a hydroxide (electric insulator) is formed on the surface of the cathode 1. When the hydroxide (electric insulator) is formed, current flows to the contact portion of the cathode 1 and the skin 3.
음극(1)의 바람직한 캐리어 농도는 목적으로 하는 건식화학전지의 용도 등에 따라 적당히 선택된다.Preferable carrier concentration of the negative electrode 1 is appropriately selected according to the purpose of the dry chemical battery of interest.
또, 쇼트키 장벽의 두께(d)는, 음극(1) 내의 이온화한 도너(donor)의 농도(캐리어 농도)를 Nd, 음극(1)의 비유전율을 εr, 캐리어 공핍층 내에 발생한 확산전위를 Vd, 쇼트키 장벽에 인가된 전압을 Vo(쇼트키 장벽이 역바이어스된 경우에 정(正)의 부호로 한다.)로 하면,In addition, the thickness d of the Schottky barrier is N d for the ionized donor concentration (carrier concentration) in the cathode 1, the relative dielectric constant of the cathode 1 is ε r , and diffusion is generated in the carrier depletion layer. When the potential is V d and the voltage applied to the Schottky barrier is set to V o (the positive sign is used when the Schottky barrier is reverse biased).
d2= (2εrεo/ qNd)(Vd+ Vo)d 2 = (2ε r ε o / qN d ) (V d + V o )
로 얻을 수 있다. 여기에서, εo는 진공의 유전율이고, q는 전기소량(電氣素量)(1.6 × 10-19쿨롱)이다.You can get Where ε o is the dielectric constant of vacuum and q is the small amount of electricity (1.6 × 10 −19 coulombs).
음극(1) 내의 캐리어 농도(Nd)가 2×1019cm-3이었던 경우의 쇼트키 장벽의 두께(d)는, 상기의 식에서, 음극(1)이 n형의 게르마늄인 때에는 약 90옹스트롬(약 9nm), n형의 산화아연(산소결손을 가지는 산화아연)인 때에는 약 110옹스트롬(약 11nm)이다. 화합물 반도체(도전성 산화물을 포함한다.)를 상기의 음극(1)으로 이용한 경우, 대부분의 화합물 반도체에서는 두께가 100옹스트롬(10nm)전후의 쇼트키 장벽이 형성된다. 따라서, 음극(1)의 캐리어 농도가 대략 2×1019cm-3보다 높은 때에 상기 음극(1) 내에 침입하는 자유전자의 칩입기구는 상당한 부분이 터널링(tunneling)이라고 생각된다.The thickness d of the Schottky barrier when the carrier concentration N d in the cathode 1 is 2 × 10 19 cm −3 is about 90 Angstroms when the cathode 1 is n-type germanium in the above equation. (About 9 nm) and n-type zinc oxide (zinc oxide having oxygen deficiency), it is about 110 angstroms (about 11 nm). When a compound semiconductor (including a conductive oxide) is used as the cathode 1, a Schottky barrier with a thickness of around 100 Angstroms (10 nm) is formed in most compound semiconductors. Therefore, it is considered that a substantial portion of the intrusion mechanism of free electrons penetrating into the cathode 1 when the carrier concentration of the cathode 1 is higher than approximately 2 × 10 19 cm −3 is tunneling.
상술한 건식화학전지의 기전력은 기본적으로 양극재료와 음극재료와의 조합에 의해 결정된다.The electromotive force of the dry chemical cell described above is basically determined by the combination of the positive electrode material and the negative electrode material.
예를 들면, 양극재료로서 금(Au), 이리듐(Ir), 은(Ag), 동(Cu), 팔라듐(Pd)등을 이용하고, 음극재료로서 캐리어 농도가 대략 5×1016∼2×1019cm-3인 n형 반도체를 이용하고, 음극과 피부와의 접촉면적 및 양극과 피부와의 접촉면적을 각각 대략 0.01∼10㎠로 한 경우에는, 상기 음극(1)의 재료와 그 결정성(단결정, 다결정 또는 비결정의 어느 하나이거나)을 적당히 선택함으로써, 기전력이 0.2∼1.5V정도이고, 전류값이 0.1 ∼ 3μA정도이며, 출력이 0.01 ∼ 10㎼ 정도인 건식화학전지를 비교적 용이하게 얻을 수 있다.For example, gold (Au), iridium (Ir), silver (Ag), copper (Cu), palladium (Pd) and the like are used as the anode material, and the carrier concentration is approximately 5x10 16 to 2x as the cathode material. When the n-type semiconductor of 10 19 cm −3 is used and the contact area between the cathode and the skin and the contact area between the anode and the skin are approximately 0.01 to 10 cm 2 , respectively, the material of the cathode 1 and its crystals are determined. By appropriately selecting the castle (either single crystal, polycrystalline, or amorphous), a dry chemical cell having an electromotive force of about 0.2 to 1.5 V, a current value of about 0.1 to 3 μA, and an output of about 0.01 to 10 mA is relatively easy. You can get it.
인체에 대해 안정된 건식화학전지를 얻기 위해서는, 양극재료 및 음극재료로 인체에 대하여 안전한 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 인체에 대한 안전성을 감안한 경우, 음극(1)의 재료로서는 n형의 게르마늄, n형의 산화아연(산소 결손을 가지는 산화아연), n형의 산화 주석, n형의 인화 인듐, n형의 산화 티탄마그네슘 등을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고, 제조 비용도 감안한 경우, 음극(1)의 재료로는 n형의 산화아연이 특히 바람직하다.In order to obtain a dry chemical cell that is stable to the human body, it is preferable to use a material that is safe for the human body as the anode material and the cathode material. In consideration of the safety to the human body, the material of the cathode 1 is n-type germanium, n-type zinc oxide (zinc oxide having oxygen deficiency), n-type tin oxide, n-type indium phosphide, n-type oxidation It is preferable to use titanium magnesium or the like. And when manufacturing cost is taken into consideration, n-type zinc oxide is especially preferable as a material of the negative electrode 1.
예를 들면, 인체의 피부면의 저항치(두 개의 금속전극을 접촉면적 0.1㎠정도 하에 피부에 접촉시킨 때의 상기 두 개의 금속 전극 사이의 저항치)는 전극의 접촉저항도 포함해서 대략 1㏀ 이상이고, 통상적으로는 100㏀을 초과하는 경우가 많다. 그러나, 그 저항치는 발한 등에 의해 크게 변화한다. 발한 등에 의해 피부저항이 저하되면, 큰 이온전류(Ii)(도 1참조)가 흐른다. 이 큰 이온전류에 의해 피부가 손상되는 경우가 있다. 과대 전류에 의한 피부의 손상을 방지하기 위해, 도 1에 도시한 전기적 폐회로(5) 중에 보호저항을 삽입하는 것이 바람직하다.For example, the resistance value of the skin surface of the human body (resistance value between the two metal electrodes when the two metal electrodes are in contact with the skin under a contact area of about 0.1 cm 2) is approximately 1 kPa or more, including the contact resistance of the electrodes. Usually, it exceeds 100 kPa in many cases. However, the resistance is greatly changed due to sweating and the like. When the skin resistance decreases due to sweating or the like, a large ion current I i (see FIG. 1) flows. The skin may be damaged by this large ion current. In order to prevent damage to the skin due to excessive current, it is preferable to insert a protective resistor in the electrical closed circuit 5 shown in FIG.
도 1에 도시한 건식화학전지를 장시간 사용하는 경우에는, 피부가 손상하는 것을 방지하기 위해, 이온전류(Ii)를 0.1mA 정도 이하로 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 10kΩ정도 이하의 저항값을 가지는 보호저항을 전기적 폐회로(5) 중에 삽입하는 것이 바람직하다. 즉, 대략 10㏀∼10㏁의 범위내의 적당한 저항치를 가지는 부하를 전기적 폐회로(5) 중에 삽입하는 것이 바람직하다.When using the dry chemical cell shown in FIG. 1 for a long time, it is preferable to make ion current I i about 0.1 mA or less in order to prevent skin damage. For this purpose, it is preferable to insert a protective resistor having a resistance value of about 10 kΩ or less into the electrical closed circuit 5. That is, it is preferable to insert a load having an appropriate resistance value within the range of approximately 10 kV to 10 kV into the electrical closed circuit 5.
상기의 음극과 상기의 양극은 서로 공간적으로 떨어진 상태에서 사용된다. 이 때문에, 건식화학전지 또는 건식화학전지용 부재에 있어서는, 필요에 따라서 이들의 음극 및 양극을 서로 공간적으로 떨어진 상태로 지지하는 지지부재가 미리 준비된다. 지지부재의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니라, 봉 형상, 평판 형상, 원판 형상, 박판 형상, 끼워맞춤 형상 등, 여러 형상으로 할 수 있다. 음극 및 양극은 지지부재의 단부 또는 가장자리부에 배치해도 되고, 예를 들면 특정한 면 위에 양극을 돌기 형상으로 형성하여, 상기 양극을 둘러싸도록 하여 상기의 면 위에 음극을 배치해도 된다.The negative electrode and the positive electrode are used in a spaced apart state from each other. For this reason, in the dry chemical cell or the dry chemical cell member, the support member which supports these negative electrode and positive electrode in the state which spatially separated from each other as needed is prepared beforehand. The shape of the support member is not particularly limited and can be in various shapes such as a rod shape, a flat plate shape, a disc shape, a thin plate shape and a fitting shape. The negative electrode and the positive electrode may be disposed at the end or the edge portion of the support member. For example, the positive electrode may be formed in a projection shape on a specific surface to surround the positive electrode, and the negative electrode may be disposed on the surface.
지지부재는, 음극와 양극을 부하와 함께 전기적으로 접속하는 기능을 구비해도 된다. 또, 지지부재에 감압(減壓) 접착제층을 미리 설치하여, 감압 접착제층에 의해 지지부재 및 지지부재에 의해 지지된 음극 및 양극을 피부면 위에 고정하도록 해도 된다. 또, 지지부재에 보호저항의 기능을 가지게 해도 된다.The support member may have a function of electrically connecting the cathode and the anode together with the load. In addition, a pressure-sensitive adhesive layer may be provided in advance on the support member to fix the negative electrode and the positive electrode supported by the support member and the support member by the pressure-sensitive adhesive layer on the skin surface. In addition, the supporting member may have a function of a protective resistance.
도 2는, 본 발명의 건식화학전지 또는 장치에 관한 제 1 실시예를 나타내고있다. 원통상의 칩 저항기(chip resistor)(10)의 길이 방향의 양단부에, 금속단자(10a, 10b)가 장치되어 있다. 또, 저항소자(10c)가 칩 저항기(10)의 내부에 설치되어 있다. 저항소자(10c)는 금속단자(10a, 10b)와 전기적으로 접속되어 있다. 칩 저항기(10)의 외측표면은 금속단자(10a, 10b)를 제외하고 전기절연성 재료에 의해 형성되어 있다.2 shows a first embodiment of a dry chemical cell or apparatus of the present invention. Metal terminals 10a and 10b are provided at both ends in the longitudinal direction of the cylindrical chip resistor 10. In addition, the resistance element 10c is provided inside the chip resistor 10. The resistance element 10c is electrically connected to the metal terminals 10a and 10b. The outer surface of the chip resistor 10 is formed of an electrically insulating material except for the metal terminals 10a and 10b.
금속단자(10a)는 칩 저항기(10)에서의 길이 방향의 한 방향의 단면 위에 상기 단면의 일부를 덮도록 하여 장착되어 있다. 마찬가지로, 금속단자(10b)는 칩 저항기(10)에서의 길이 방향의 다른 방향의 단면위에 상기 단면의 일부를 덮도록 하여 장착되어 있다.The metal terminal 10a is mounted on the chip resistor 10 so as to cover a part of the end face on one end face in the longitudinal direction. Similarly, the metal terminal 10b is mounted on the chip resistor 10 so as to cover part of the cross section on the cross section in the other direction in the longitudinal direction.
금속단자(10a)의 위 및 상기 금속단자(10a)가 장착되어 있는 상기의 단면의 노출면 위에는 캐리어 농도가 5×1016∼2×1019cm-3인 n형 반도체로 이루어진 음극(11)이 장착되어 있다. 또, 금속단자(10b)의 위 및 상기 금속단자(10b)가 장착되어 있는 상기의 단면의 노출면 위에는, 음극(11)의 전자 친화력보다도 큰 전자 친화력을 가지는 금속으로 이루어진 양극(12)이 장착되어 있다. 금속단자(10a)와 금속단자(10b)와의 거리는 약 1㎝이다. 칩 저항기(10)는, 음극(11) 및 양극(12) 각각을 공간적으로 떨어진 상태에서 지지하는 지지부재로서도 기능하고 있다.A cathode 11 made of an n-type semiconductor having a carrier concentration of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 on the metal terminal 10a and on the exposed surface of the cross section on which the metal terminal 10a is mounted. Is equipped. Moreover, on the exposed surface of the said cross section where the metal terminal 10b and the said metal terminal 10b are mounted, the anode 12 which consists of metal which has an electron affinity larger than the electron affinity of the cathode 11 is mounted. It is. The distance between the metal terminal 10a and the metal terminal 10b is about 1 cm. The chip resistor 10 also functions as a support member for supporting each of the cathode 11 and the anode 12 in a spaced apart state.
음극(11)은, 예를 들면 금속단자(10a) 및 상기 금속단자(10a)가 장착되어 있는 상기의 단면의 노출면을 덮도록 하여 아연을 전해도금하고, 이 도금막(아연막)을 가볍게 산처리를 함으로서 형성된 막두께가 약 3㎛인 n형 ZnO박막이다. 이 n형ZnO박막의 캐리어 농도는 약 5×1018㎝-3이었다. 양극(12)은, 예를 들면 금속단자(10b) 및 상기 금속단자(10b)가 장착된 상기 단면의 노출면을 덮도록 하여 전해도금된 막 두께 약 3㎛의 금(Au) 박막이다.The cathode 11 is electroplated with zinc so as to cover, for example, the exposed surface of the cross section on which the metal terminal 10a and the metal terminal 10a are mounted, and lightly plate the zinc film. An n-type ZnO thin film having a film thickness of about 3 mu m formed by acid treatment. The carrier concentration of this n-type ZnO thin film was about 5 x 10 18 cm -3 . The anode 12 is, for example, a thin film of gold (Au) having a thickness of about 3 µm, which is electroplated so as to cover the exposed surface of the end surface on which the metal terminal 10b and the metal terminal 10b are mounted.
음극(11)의 토대가 되는 아연막을 전해도금으로 형성할 때에는, 금속단자(10b)를 적당한 보호막(예를 들면, 접착제(glue))으로 미리 피복하여 둔다. 마찬가지로, 양극(12)을 전해 도금으로 형성할 때에는, 금속단자(10a)를 적당한 보호막(예를 들면, 접착제)로 미리 피복하여 둔다. 금속단자(10a, 10b)를 제외한 칩 저항기(10)의 표면은 전기절연성 재료에 의해 피복되어 있다. 전기절연성 재료에 의해 피복되어 있는 부분은, 전해도금시에 보포막으로 보호할 필요가 없다.When the zinc film serving as the base of the cathode 11 is formed by electroplating, the metal terminal 10b is coated with a suitable protective film (for example, an adhesive) in advance. Similarly, when the anode 12 is formed by electroplating, the metal terminal 10a is previously covered with a suitable protective film (for example, an adhesive). The surface of the chip resistor 10 except for the metal terminals 10a and 10b is covered with an electrically insulating material. The part covered with the electrically insulating material does not need to be protected by a blister film during electroplating.
물론, 전해도금 이외의 방법은, 예를 들면 물리적 기상퇴적법(Physical Vapor Deposition법), 화학적 기상퇴적법(Chemical Vapor Deposition법), 인쇄법 등에 의해 음극(11) 및 양극(12)을 형성할 수도 있다.Of course, methods other than electroplating may form the cathode 11 and anode 12 by, for example, physical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition), chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition), printing, or the like. It may be.
음극(11)과 양극(12)을 각각 피부(13)에 접촉시키면, 음극(11)과 양극(12)과 피부(13)에 의해 건식화학전지가 형성된다. 이 때, 양극(12)에서 음극(11)으로 향하는 외부전류(I)(회로전류(I))가 칩 저항기(10)를 통해 흐른다. 또, 피부(13) 내에는 이온 전류(Ii)가 흐른다.When the negative electrode 11 and the positive electrode 12 are in contact with the skin 13, respectively, the dry chemical cell is formed by the negative electrode 11, the positive electrode 12, and the skin 13. At this time, an external current I (circuit current I) flowing from the anode 12 to the cathode 11 flows through the chip resistor 10. In addition, the ion current I i flows in the skin 13.
음극(11)으로서 n형 ZnO박막을, 또 양극(12)으로서 금(Au)박막을 이용하면, 건식화학전지의 기전력은 대략 1.5V가 된다. 또, 5㎼정도의 전력을 끌어 낼 수 있다.If an n-type ZnO thin film is used as the cathode 11 and a gold (Au) thin film is used as the anode 12, the electromotive force of the dry chemical cell is approximately 1.5V. It can also draw about 5 kW of power.
도 3은 도 2에 도시한 건식화학전지에서 전력을 끌어 낼 때의 회로의 일예를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 예를 들면 칩 저항기(10) 내의 저항소자(10c)와 직렬로 부하(15)를 접속함으로써, 상기 부하(15)에 소정의 전력을 끌어 낼 수 있다. 이 때, 칩 저항기(10)에는, 전력도출용의 리드선(16a, 16b)을 미리 설치해 둔다.FIG. 3 shows an example of a circuit when drawing power from the dry chemical cell shown in FIG. 2. As shown in the figure, for example, by connecting the load 15 in series with the resistance element 10c in the chip resistor 10, it is possible to draw a predetermined power to the load 15. At this time, the lead wires 16a and 16b for power generation are provided in advance in the chip resistor 10.
칩 저항기(10)의 저항치를 1㏁으로 선택하면, 이온전류(Ii)는 피부 임피던스의 변화에 관계없이 1μA이하로 억제된다. 이온전류(Ii)가 대략 1㎂이하이면, 건식화학전지를 피부(13)에 장시간 접촉시켜 두어도, 피부(13)가 실질적으로 손상을 받지 않는다. 발한 등으로 피부(13)상에서 음극(11)과 양극(12)이 단락하면, 피부(13)내에서의 산화환원반응이 정지하고, 이것에 따라 발전도 자동적으로 정지하므로 안전하다.If the resistance value of the chip resistor 10 is selected to be 1 mA, the ion current I i is suppressed to 1 μA or less regardless of the change in skin impedance. When the ion current I i is about 1 mA or less, even if the dry chemical cell is in contact with the skin 13 for a long time, the skin 13 is not substantially damaged. If the negative electrode 11 and the positive electrode 12 are short-circuited on the skin 13 due to sweating or the like, the redox reaction in the skin 13 stops, and accordingly, the power generation also automatically stops accordingly, so it is safe.
건식화학전지의 사용시에는 상기의 이온전류(Ii)가 흐르고, 상기 이온전류(Ii)에 의해 피부(13)에 물리적 자극이 주어지므로, 어깨 결림이나 요통 등의 원인모를 고통에 대한 호소(a general physical complaint)를 치유하거나 완화시키는 부차적인 효과도 얻을 수 있다.When the dry chemical cell is used, the ion current I i flows, and the ionic current I i gives a physical stimulus to the skin 13, thereby causing complaints about pain such as stiff shoulders and back pain. A secondary effect can be obtained that heals or alleviates a general physical complaint.
n형 ZnO박막은 도금법으로 형성한 아연막(Zn막)을 습한 공기 중에서 가열처리함으로써도 형성할 수 있다. n형 ZnO박막의 캐리어 농도는 아연(Zn)과 산소(O)의 화학량론비(stoichoiometrical ratio)로부터의 어긋남 즉, 산소결손의 정도(산소의 결함농도)에 의해 변화한다. 따라서, 가열처리의 조건(습도, 온도, 처리시간 등)을적당히 선정함으로써, 얻어진 n형 ZnO박막의 캐리어 농도를 조정할 수 있다.An n-type ZnO thin film can also be formed by heat-processing a zinc film (Zn film) formed by the plating method in humid air. The carrier concentration of the n-type ZnO thin film varies with the deviation from the stoichoiometrical ratio of zinc (Zn) and oxygen (O), that is, the degree of oxygen deficiency (concentration of oxygen defect). Therefore, by appropriately selecting the conditions (humidity, temperature, processing time, etc.) of the heat treatment, the carrier concentration of the obtained n-type ZnO thin film can be adjusted.
상기 방법으로, 캐리어 농도가 상이한 각종 n형 ZnO박막을 형성하고, 이들의 n형 ZnO박막을 이용하여 도 2에 도시한 건식화학전지를 제작했다. 그리고, n형 ZnO박막에서의 캐리어 농도와 건식화학전지의 특성과의 관계를 조사했다.In this manner, various n-type ZnO thin films having different carrier concentrations were formed, and dry chemical cells shown in FIG. 2 were produced using these n-type ZnO thin films. The relationship between the carrier concentration in the n-type ZnO thin film and the characteristics of the dry chemical cell was investigated.
그 결과, n형 ZnO박막의 캐리어 농도가 대략 2×1019㎝-3를 넘으면, 상기 n형 ZnO박막이 금속적 성질을 띠게 되어 건식화학전지의 기전력이 단시간에 저하되었다. 이 때의 n형 ZnO 박막의 표면을 분석한 바, 수산화물(OH 화합물)의 존재가 확인되었다. 한 편, n형 ZnO 박막의 캐리어 농도가 대략 5×1016㎝-3미만에서는, 칩 저항기(10)의 저항치를 100Ω정도로 내려도 이온전류(Ii)의 값은 0.01㎂정도였다. 이온전류(Ii)가 0.01μA정도에서는 원인모를 고통에 대한 호소를 치유하거나 완화시키는 부차적인 효과도 저하했다.As a result, when the carrier concentration of the n-type ZnO thin film exceeds approximately 2 x 10 19 cm -3 , the n-type ZnO thin film has a metallic property, and the electromotive force of the dry chemical cell is reduced in a short time. When the surface of the n-type ZnO thin film was analyzed at this time, the presence of hydroxide (OH compound) was confirmed. On the other hand, when the carrier concentration of the n-type ZnO thin film was less than approximately 5 × 10 16 cm -3 , the value of the ion current I i was about 0.01 mA even when the resistance of the chip resistor 10 was lowered to about 100 mA. When the ion current (I i ) was about 0.01 μA, the secondary effect of healing or mitigating the cause of pain was also reduced.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 장치의 회로구성을 나타낸 도면이다. 음극(21), 양극(22) 및 피부(23)에 의해 건식화학전지가 구성되고, 이 건식화학전지에 외부부하회로(an external load circuit)(24)가 접속되어 있다. 외부부하회로(24)는 예를 들면, 전자식 손목시계에 있어서의 회로의 일부이다.4 is a diagram showing the circuit configuration of the apparatus according to the second embodiment of the present invention. The dry chemical cell is constituted by the negative electrode 21, the positive electrode 22, and the skin 23, and an external load circuit 24 is connected to the dry chemical cell. The external load circuit 24 is part of a circuit in an electronic wrist watch, for example.
외부부하회로(24)는 전자식 손목시계의 구동회로(25), 백업용의 1.5V 내장 이차전지(26) 및 커패시터(27)를 병렬접속한 구성을 가진다.The external load circuit 24 has a configuration in which the drive circuit 25 of the electronic watch, the 1.5V built-in secondary battery 26 for backup, and the capacitor 27 are connected in parallel.
외부부하회로(24)는, 전자식 손목시계의 패키지 내에 저장되어 있다. 이 패키지 내에는, 이 외에 표시회로 등의 전자회로가 조립되어 있지만, 여기에서는 그 도시를 생략한다.The external load circuit 24 is stored in the package of the electronic wrist watch. In this package, other electronic circuits such as a display circuit are assembled, but the illustration is omitted here.
음극(21)은, 게르마늄(Ge)에 도너를 첨가함으로써 제작된 n형의 게르마늄 또는 산소결손을 가지는 언도프(undope)의 산화아연등으로 이루어진 n형 반도체에 의해 형성된다. 음극(24)의 캐리어 농도는, 5×1016∼2×1019cm-3의 범위 내, 보다 바람직하게는 3×1017∼5×1018㎝-3의 범위내에서 적절히 선택된다.The cathode 21 is formed of an n-type semiconductor made of n-type germanium or an undoped zinc oxide having an oxygen deficiency, which is produced by adding a donor to germanium (Ge). The carrier concentration of the negative electrode 24 is appropriately selected within the range of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm −3 , more preferably within the range of 3 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 .
음극(22)은 음극(21)의 전자친화력보다도 큰 전자친화력을 가지는 금속, 예를 들면 금(Au)이나 이리듐(Ir)에 의해 형성된다.The cathode 22 is formed of a metal having an electron affinity greater than the electron affinity of the cathode 21, for example, gold (Au) or iridium (Ir).
음극(21) 및 양극(22)은, 상기의 패키지의 소정 개소, 즉 전자식 손목시계를 장착한 때에 상기 음극(21) 및 양극(22)이 인체의 피부(23)에 동시에 접촉할 수 있는 개소에 소정의 간격을 두고 설치되어 있다.The negative electrode 21 and the positive electrode 22 are the positions where the negative electrode 21 and the positive electrode 22 can contact the skin 23 of the human body at the same time when the predetermined point of the package, that is, the electronic watch is mounted. Are provided at predetermined intervals.
도 5(a) 및 도 5(b)는, 음극(21) 및 양극(22)을 장착한 전자식 손목시계의 일예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5(a)에 도시한 바와 같이, 상기 전자식 손목시계(30)는, 정면으로 볼 때 통상의 전자식 손목시계와 같은 외관을 나타낸다. 그러나, 그 패키지(31)의 뒷면에는, 도 5(b)에 도시한 바와 같이 음극(21) 및 양극(22)이 공간적으로 떨어진 상태에서 채워져 있다. 이 때, 패키지(31)는 음극(21) 및 양극(22) 각각을 공간적으로 떨어진 상태에서 지지하는 지지부재로서도 기능하고 있다.5 (a) and 5 (b) are diagrams schematically showing an example of an electronic wrist watch equipped with a cathode 21 and an anode 22. As shown in Fig. 5A, the electronic watch 30 shows the same appearance as a normal electronic watch when viewed from the front. However, the back surface of the package 31 is filled with the cathode 21 and the anode 22 spaced apart from each other as shown in Fig. 5B. At this time, the package 31 also functions as a support member for supporting each of the cathode 21 and the anode 22 in a spaced apart state.
구동회로(25) 및 다른 전자회로의 합계 소비전력은, 전자식 손목시계가 문자판을 비추기 위한 조명장치를 구비하고 있지 않은 경우, 약 2㎼이다.The total power consumption of the drive circuit 25 and other electronic circuits is about 2 kW when the electronic watch is not provided with a lighting device for illuminating the dial.
전자식 손목시계가 인체에 장착되어 있지 않은 때, 상기 전자식 손목시계를 구동시키기 위해 필요한 전력은, 내장이차전지(26)에 의해 조달된다.When the electronic wrist watch is not attached to the human body, electric power required to drive the electronic wrist watch is supplied by the built-in secondary battery 26.
한 편, 전자식 손목시계가 인체에 장착되면, 음극(21) 및 양극(22)이 피부(23)에 접촉하여 건식화학전지가 가동된다. 이 건식화학전지의 기전력은 0.3∼1.6V이고, 회로전류(I)의 크기는 1∼2㎂이다.On the other hand, when the electronic wrist watch is mounted on the human body, the negative electrode 21 and the positive electrode 22 contact the skin 23 to operate the dry chemical battery. The electromotive force of this dry chemical cell is 0.3-1.6V, and the magnitude | size of a circuit current (I) is 1-2 kW.
건식화학전지가 가동되면, 자유전자(e-)가 음극(21)으로부터 외부부하회로(24)로 유출하여 먼저 커패시터(27)가 충전된다. 커패시터(27)가 1.5V까지 충전되면, 내장 이차전지(26)의 소모분을 커패시터(27)로부터의 방전으로 보급해가면서 구동회로(25)에 전력이 공급된다.When the dry chemical cell is operated, free electrons (e − ) flow out from the cathode 21 to the external load circuit 24 to charge the capacitor 27 first. When the capacitor 27 is charged to 1.5V, power is supplied to the driving circuit 25 while supplying the consumed amount of the built-in secondary battery 26 to the discharge from the capacitor 27.
도 4에 도시한 바와 같이, 커패시터(27)를 외부부하회로(24) 내에 삽입해 둠으로써, 구동회로(25)에 공급되는 전압을 안정화시킬 수 있다.As shown in FIG. 4, by inserting the capacitor 27 into the external load circuit 24, the voltage supplied to the drive circuit 25 can be stabilized.
도 6은 본 발명의 장치에 관한 제 3실시예를 나타낸 단면도이다. 이 도면에 도시한 장치(40)는, 한 면에 점착 테입(41a)이 고착되어 있는 원판으로 이루어진 지지부재(41)와, 상기 지지부재(41)에서 점착 테입(41a)이 고착되어 있는 측과는 반대측의 면(41b)의 중앙부에 형성되어 있는 돌기부(41c)를 둘러싸도록 하여 형성된 음극(42)과 돌기부(41c)의 표면에 형성된 양극(43)을 가지고 있다.6 is a sectional view showing a third embodiment of the apparatus of the present invention. The device 40 shown in this figure has a support member 41 made of a disc on which one side of the adhesive tape 41a is fixed, and a side on which the adhesive tape 41a is fixed on the support member 41. The cathode 42 has a cathode 42 formed to surround the projection 41c formed in the center portion of the surface 41b on the opposite side, and an anode 43 formed on the surface of the projection 41c.
지지부재(41)는, 금속, BaTiO3등의 도전성 산화물, 도전성 카본, 도전성 유리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 음극(42)은, 실온시의 캐리어 농도가5×1016∼2×1019cm-3의 n형 반도체로 이루어져 있고, 양극(43)은 음극(42)의 전자 친화력보다도 큰 전자친화력을 가진 금속으로 이루어져 있다. 음극(42)은, 양극(43)으로부터 소정의 거리가 떨어진 상태에서 상기 양극(42)을 둘러싸도록 하여 면(41b) 위에 형성된다.The support member 41 is formed of a conductive material such as metal, conductive oxide such as BaTiO 3 , conductive carbon, or conductive glass. The cathode 42 is composed of an n-type semiconductor having a carrier concentration of 5x10 16 to 2x10 19 cm -3 at room temperature, and the anode 43 has an electron affinity greater than the electron affinity of the cathode 42. It is made of metal. The cathode 42 is formed on the surface 41b so as to surround the anode 42 at a predetermined distance from the anode 43.
장치(40)는 점착 테입(41)에 의해 피부(44) 위에 점착된다. 이 때, 음극(42) 및 양극(43)이 각각 피부(44)와 접촉하므로, 음극(42), 양극(43) 및 피부(44)로 이루어진 건식화학전지가 형성된다.The device 40 is adhered onto the skin 44 by an adhesive tape 41. At this time, since the negative electrode 42 and the positive electrode 43 respectively contact the skin 44, a dry chemical cell including the negative electrode 42, the positive electrode 43, and the skin 44 is formed.
이상, 실시예를 들어 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러가지의 변경, 개량, 조합 등이 가능하다는 것은 당업자에게는 명백한 것이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated to an Example, this invention is not limited to said Example, It is clear to those skilled in the art that various changes, improvement, a combination, etc. are possible.
예를 들면, 본 발명의 건식화학전지는 실시예로 든 전자식 손목시계의 전원 이외에 이어폰형 라디오, 보청기, 디지털 체온계 등, 각종 장치의 전원으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치는 실시예로 든 전자식 손목시계 이외에 본 발명의 건식화학전지가 조립된 각종의 장치를 포함한다.For example, the dry chemical battery of the present invention can be used as a power source for various devices such as an earphone type radio, a hearing aid, and a digital thermometer in addition to the power source of the electronic wrist watch as an example. Accordingly, the apparatus of the present invention includes various apparatuses in which the dry chemical battery of the present invention is assembled, in addition to the electronic wristwatch in the embodiment.
또, 본 발명의 건식화학전지용 부재는 본 발명의 건식화학전지를 형성하는 데 필요한 부재 중, 생체의 피부 이외의 부재이어도 된다. 상기 건식화학전지용 부재는, 최저한 실온시의 캐리어 농도가 5×1016∼2×1019cm-3인 n형 반도체로 이루어진 음극과, 상기 음극의 전자 친화력보다도 큰 전자 친화력을 가지는 금속으로 이루어진 양극을 포함하면 된다. 개개의 부재는 서로 분리되어 있어도 되고, 소정의 관계로 접속되어도 된다. 개개의 부재가 서로 분리되어 있는 경우에는, 그 사용시에 각 부재가 소정의 관계로 접속된다. 건식화학전지용 부재에 각종 조합이 포함된다는 것은 당업자에게는 명백한 것이다.Moreover, the member for dry chemical cells of this invention may be a member other than the skin of a living body among the members required to form the dry chemical battery of this invention. The dry chemical battery member comprises a negative electrode made of an n-type semiconductor having a carrier concentration of 5 × 10 16 to 2 × 10 19 cm -3 at the minimum of room temperature, and a metal having an electron affinity greater than the electron affinity of the negative electrode. An anode may be included. The individual members may be separated from each other or may be connected in a predetermined relationship. When the individual members are separated from each other, each member is connected in a predetermined relationship at the time of its use. It will be apparent to those skilled in the art that various combinations are included in the dry chemical cell member.
예를 들면, 도 2에 도시한 칩 저항기(10)와 상기 칩 저항기(10)에 배설된 금속단자(10a, 10b) 및 금속단자(10a, 10b)에 장착된 음극(11) 및 양극(12)도 건식화학전지용 부재에 포함된다. 또, 도 5(b)에 도시한 음극(21), 양극(22) 및 패키지(31)도 건식화학전지용 부재에 포함된다. 물론, 도 5(b)에 도시한 음극(21) 및 양극(22)의 2 부재만을 건식화학전지용 부재로 볼 수도 있다. 또, 도 6에 도시한 장치(40)도 건식화학전지용 부재에 포함된다.For example, the chip resistor 10 shown in FIG. 2, the metal terminals 10a and 10b disposed on the chip resistor 10, and the cathode 11 and the anode 12 mounted on the metal terminals 10a and 10b. ) Is also included in the dry chemical cell member. In addition, the negative electrode 21, the positive electrode 22, and the package 31 shown in Fig. 5B are also included in the dry chemical cell member. Of course, only two members of the negative electrode 21 and the positive electrode 22 shown in Fig. 5 (b) can be regarded as a dry chemical cell member. The apparatus 40 shown in FIG. 6 is also included in the dry chemical cell member.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 건식화학전지는 인체에 대한 안전성 및 가동효율을 높이는 것이 용이한 건식화학전지이고, 또 상기 건식화학전지는 전해질을 미리 장비해 두고 있을 필요가 없다. 또, 본 발명의 건식화학전지용 부재를 이용하면 상기의 건식화학전지를 용이하게 형성할 수 있다.As described above, the dry chemical cell of the present invention is a dry chemical cell that is easy to increase safety and operation efficiency for the human body, and the dry chemical cell does not need to be equipped with an electrolyte in advance. Moreover, when the member for dry chemical cells of this invention is used, said dry chemical battery can be formed easily.
따라서, 본 발명에 의하면, 인체에 대해 안전하고 또한 가동효율이 높은 전류구동형 장치를 저가로 제공하는 것이 용이해진다.Therefore, according to this invention, it becomes easy to provide the current drive type apparatus which is safe for a human body, and has high operation efficiency at low cost.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A201 | Request for examination | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |