KR100474403B1 - 박막 배터리를 가진 ｉｃ 카드 - Google Patents

Abstract

전자 디바이스, 그리고 상기 전자 디바이스에 전기적으로 에너지를 제공하기위해 카드 내부에 배터리를 포함하는 IC 카드가 제공된다. 상기 배터리는 리튬 함유 캐소드, 카본 애노드, 그리고 전해질 용액이 주입된 다공성 폴리머 분리기(porous polymer separator)를 가지는 단결정 전기화학적 셀로 이루어진다. 상기 셀은 0.7mm 이하의 두께를 가진다. 패키지는 상기 셀을 내포하며, 적어도 하나의 금속 포일층과 접착성 폴리머 물질을 가지는 유연한 적층 물질의 시트로 형성된다. 상기 배터리는 0.8mm 이하의 전체 두께를 가진다.

Description

박막 배터리를 가진 ＩＣ 카드{IC CARD WITH THIN BATTERY}

본 발명은 일반적으로 IC(집적회로) 정보 카드들에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는, 전원을 그의 일부로 가지는 IC 카드에 관한 것이다.

"지능(intelligent)" 또는 "스마트(smart)" 카드라는 용어는 일반적으로 정보의 저장, 검색, 처리 그리고 전송을 위한 집적회로(IC)를 포함하는 정보 카드를 칭한다. 이러한 스마트 카드들 또는 IC 카드들은 금융, 상거래, 교통, 통신, 건강과 안전, 그리고 신분증 및 보안 분야에서 유용하게 응용된다.

이러한 카드들 내부의 전자 회로에 전원을 제공하기위해서 전자회로 내부에 배터리를 합체시키는 것은 공지되어 있다. 상기 IC 카드내에 배터리를 합체시킴으로써, 훨씬 더 많은 양의 데이터를 저장할 수 있고, 또한, 처리 능력이 개선될 수 있다. IC 카드 내부의 사용 가능한 공간은 제한적이며 극단적으로 얇은 전원을 요구한다. 비록 IC 카드들에 배터리들을 합체시키는 것은 공지되어 있지만, 전형적인 신용 카드의 두께의 IC 카드를 실현함과 동시에 많은 양의 데이터를 저장 및 검색하기위해 필요한 에너지 요구량을 충족시킬 수 있도록 IC 카드의 두께를 줄이는 것은 실질적으로 어려웠다. 전자 디바이스들의 점점 더 많은 기능들이 IC 카드들에 부가됨에 따라, 카드 내부에서 전원을 위해 할당될 수 있는 공간은 점점 더 작아진다. 현재의 기술에서 점점 더 많은 기능들을 내부에 제공하기위한 요구에 따라, (통상적인 신용 카드 규격의) IC 카드 내부에서 배터리를 위해 할당될 수 있는 영역은 약 25mm x 35mm 이하가 되고 있다. 또한, 상기 배터리의 두께는 자체의 두께가 전형적으로 약 0.8mm 인 일반적인 신용 카드들 내부에 설치되기 위해서 1mm 이하여야만 하며, 이러한 제한에 따라, 일반적인 원통 또는 단추 캔(can)들 형태의 배터리들을 이용하고, 또한 필요한 에너지와 전력을 제공하는 것은 점점더 어려워지고 있다. 또한, 점점 더 많은 전자적 기능들(capability)이 IC 카드들에 부가됨에 따라, 에너지 요구량이 증가한다. 전기적 드레인 비율(drain rates)이 더욱 높아짐에 따라 소형보다는 대형의 더 강력한 배터리들이 요구되게된다.

신용 카드 크기의 공간 제약 내에서 요구되는 전원을 제공하는데 있어서의 어려움 때문에, 최대 에너지의 배터리 화학물질들을 실용적으로 사용하는 것이 요구된다. 이는 2차(재충전 가능한) 배터리들에 있어 특히 중요한데, 이는 상용되는 2차 화학물질들이 일반적으로 상용되는 1차(재충전 불가능한) 화학물질들보다 낮은 에너지 함량을 가지기 때문이다. 예를 들어, 리튬-이온 화학물질들은 상용화 가능한 2차 전지들 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 가지지만, 여전히 리튬 금속을 기반으로 하는 것들과 같은 그러한 최대 에너지의 1차 배터리 화학물질들보다 상대적으로 낮은 에너지 함량을 가진다. 현재 사용되는 물질들보다 더 높은 에너지 함량을 가지는 2차 전극 물질들이 공지되었지만, 이들의 안전성, 특히 열적 안정성에 관한 우려때문에 실제로는 사용되지 않고 있다.

본 발명은 이러한 그리고 다른 문제들을 극복할 수 있으며, 유연한 배터리 패키지를 가지는 초-박막의 2차 배터리를 그의 일부로써 가지는 IC 카드를 제공한다.

본 발명은 특정 부분들과 부분들의 구성에서 물리적인 형태를 취하며, 이의 바람직한 실시예는 상세한 설명에서 자세히 설명될 것이며, 그의 일부를 구성하는 첨부 도면들에서 예시될 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 IC 카드의 부분적으로 절단되고, 확대된 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 IC 카드의 부분 절단 상면도이다.

도 3a는 도 1에 도시된 IC 카드에 사용되기 위한 바람직한 배터리 셀의 확대 단면도이다.

도 3b는 도 1에 도시된 IC 카드에 사용되기 위한 대안적인 배터리 셀의 확대 단면도이다.

도 3c는 도 1에 도시된 IC 카드에 사용되기 위한 대안적인 배터리 셀의 확대 단면도이다.

도 4는 도 2의 선 4-4에 따라 취해진 확대 단면도이다.

도 5는 도 2의 선 5-5에 따라 취해진 확대 단면도이다.

도 6은 본 발명의 대안적 실시예를 예시하는 IC 카드의 절단 측면도이다.

도 7은 도 1-5에 도시된 IC 카드의 개략도이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 재충전용 배터리를 도시하는 상부 평면도이다.

도 9는 도 8의 선 9-9에 따라 취해진 단면도이다.

도 10은 재충전 주기로 본 발명에 따른 배터리 카드의 용량을 예시하는 그래프이다.

본 발명에 따르면, 전자 디바이스, 그리고 상기 전자 디바이스에 전기적으로 에너지를 제공하기위해 카드 내부에 배터리를 포함하는 IC 카드가 제공된다. 상기 배터리는 리튬 함유 애노드, 카본 함유 캐소드 그리고 전해질 용액이 주입되는 다공성 폴리머 분리기(porous polymer separator)를 가지는 단결정 전기화학물질 셀로 이루어진다. 상기 셀은 0.7mm 이하의 두께를 가진다. 패키지는 상기 셀을 포함한다. 적어도 하나의 금속 포일층과 접착제와 같은 폴리머 금속층을 가지는 유연한 적층 물질의 박판으로 구성된다. 상기 배터리는 0.8mm 미만의 전체 두께를 가진다.

본 발명의 목적은 전원을 그의 일부로 가지는 IC 카드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전술된 바와 같은 IC 카드를 제공하는 것이며, 여기서 상기 전원은 1차 또는 2차 배터리이다.

본 발명의 또다른 목적은 전술된 바와 같은 IC 카드를 제공하는 것이며, 여기서 상기 IC 카드는 일반적인 신용 카드에 비해 훨씬 얇다.

본 발명의 다른 목적은 전술된 바와 같은 IC 카드를 제공하는 것이며, 여기서 상기 전원은 적층 카드 구조의 일부이다.

본 발명의 다른 목적은 전술된 바와 같은 IC 카드를 제공하는 것이며, 이는 리튬-이온 폴리머 배터리 기술을 이용한다.

본 발명의 다른 목적은 리튬-이온 폴리머 배터리 기술을 이용하는, 전술된 바와 같은 IC 카드를 제공하는 것이며, 캐소드 물질은 본래 산화리튬 니켈 산화물이다.

이러한 그리고 다른 이점들은 첨부되는 도면들과 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명들을 고려하는 것으로 명백해질 것이다.

도면들에 도시한 것들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하기위한 목적 뿐이고, 본 발명을 이것으로만 제한하고자 하는 것이 아니다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 IC 카드(10)를 도시한다. 도시된 실시예에서, IC 카드(10)는 그로부터 연장된 리드(lead)들(22, 24)을 가지는 배터리(20)를 포함한다. 리드들(22, 24)은 전자 디바이스와 연결된 것으로 도시된다. 디바이스(12) 내부 및 그 자체는 본 발명의 부분을 구성하지 않으며, IC 카드에서 발견할 수 있는 다양한 전자 디바이스들을 간략하게 나타내기 위해서만 설명된다. 이러한 디바이스들은 예로써, 마이크로프로세서, 메모리 칩들, 액정 표시부들, 키보드들 그리고 스위치들, 송신기들 또는 다른 전자 회로부를 포함할 수 있다. 그러나, 반드시 이것으로만 제한되지 않는다. 이러한 디바이스들 및 다른 것들은 본 발명을 벗어나지 않으면서 배터리(20)에 의해 전원을 공급받는 IC 카드(10) 내부에 합체될 수 있다. 본 발명은 본래 IC 카드 및 그 내부에서 사용되기 위한 박막 배터리에 관한 것이다. 그래서, 구체적인 전자 디바이스들은 도시되지 않았지만, 전기적 에너지를 요구하는 임의의 전자 디바이스가 본 발명을 벗어나지 않으면서 IC 카드(10) 내부에 사용될 수 있음은 명백하다.

도 3a-3c에서, 배터리(20)의 몇몇 실시예들이 도시된다. 본 발명에 따르면, 배터리(20)는 유연한 적층 금속(36)으로 형성된 패키지(34) 내에 포함되는 고체의 전해질 셀(32)이다. 셀(32)은 리튬-기반 전기화학물질 셀인 것이 바람직하다. 셀(32)은 1차(충전 불가) 셀 또는 2차(충전가능) 셀일 수 있지만, 배터리의 수명동안 1차 배터리에의해 가능한 것보다 더 큰 전체 에너지 소비를 허용할 수 있도록 2차 셀인 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 충전 기능의 셀(32)은 카드(10)의 유용한 수명동안 1차 셀에 의해 가능한 것보다 더 높은 드레인 비율을 허용한다. 다시말해, 상기 카드의 수명동안의 더 큰 전체 에너지의 공급은 더 높은 평균 전력 소모를 허용한다. 대안적으로, 또는 추가적으로 2차 배터리는 더 많고 더 잦은 사용 및 더 긴 배터리 수명을 허용한다.

도 3a는 셀(32)의 바람직한 실시예를 예시한다. 도 3a에서, 셀(32)은 2개의 캐소드 부분(section)(42)과 하나의 애노드 부분(52)으로 이루어진다. 각 캐소드 부분(42)은 캐소드 막의 2개 층(44)으로 이루어진다. 캐소드 층(44)을 형성하는 막은 고-순도 망간 산화물(MnO₂)로 구성되는 것이 바람직하다. 금속 포일 또는 스크린(screen) 혹은 망(mesh) 또는 이들의 균등물로 형성되는 전류 콜렉터(46)가 각 캐소드층(44) 사이에 제공된다. 각 전류 콜렉터(46)는 배터리의 양의 (positive) 리드를 정의하도록 함께 결합되는 외부로 연장되는 탭(tab) 또는 스트립(strip)(48)을 포함한다. 애노드 영역(52)은 그 사이에 배치되는 전류 콜렉터(56)를 가지는 애노드 막으로 된 2개층(54)으로 이루어진다. 애노드 층들(54)을 형성하는 상기 막은 리튬 함유 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 전류 콜렉터(56)는 배터리(20)의 음의(negative) 리드를 정의하는 외부로 연장되는 탭 또는 스트립(58)을 포함한다. 애노드 영역들(52)과 각 캐소드 영역(42) 사이에, 2개의 분리막층(62)이 배치된다. 분리막층(62)은 폴리머 매트릭스(polymer matrix)의 높은 전도성의 전해질로 구성되는 것이 바람직하다.

도 3a에 도시된 실시예에서, 각 캐소드 층(44)은 약 50㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 100㎛ - 200㎛ 의 두께를 갖는다. 각 분리층(62)은 약 10㎛ 내지 75㎛의 두께를 가지며, 15 - 35㎛인 것이 바람직하다. 각 애노드층(54)은 약 50㎛ 내지 300㎛의 두께를 가지며, 100㎛ - 200㎛인 것이 바람직하다. 전류 도체들(46, 56)은 금속 포일로 형성되며, 약 5㎛ 내지 약 35㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 셀(32)의 전체 두께는 800㎛ 이하이며, 500㎛ 이하인 것이 바람직하다.

도 3b에서, 셀(32')의 대안적 실시예가 도시된다. 도 3b에서, 셀(32')은 캐소드 영역(72), 분리층(74) 및 애노드 영역(76)으로 이루어진다. 캐소드 영역(72)은 2개의 캐소드 막층들(82)과 이들 사이에 포함되는 전류 콜렉터(84)로 이루어진다. 전류 콜렉터(84)는 셀(32')의 양의 리드를 정의하는, 외부로 연장되는 탭(86)을 포함한다. 애노드 영역(76)은 그 사이에 배치되는 전류 콜렉터(94)를 가지는 2개의 애노드 막층(92)으로 이루어진다. 전류 콜렉터(94)는 배터리(20)의 음의 리드를 정의하는, 외부로 연장되는 탭(96)을 포함한다. 도 3c는 도면부호 32"로 나타내어지는 다른 셀을 예시한다. 셀(32")은 셀(32')과 유사한 바, 즉, 캐소드층(102), 분리층(104) 및 애노드층(106)을 포함한다. 그러나, 셀(32")에서, 외부로 연장된 탭(114)을 가지는 전류 콜렉터(112)는 배터리(20)의 양의 리드를 정의하도록 캐소드(102)의 외부 표면에 제공된다.

외부로 연장되는 탭(118)을 가지는 전류 콜렉터(116)는 배터리(20)의 음의 리드를 정의하도록 애노드(106)의 외부 표면 상에 배치된다.

외부 패키지(34)에 관하여, 본 발명의 일 양상에 따르면, 셀(32) 또는 셀(32') 또는 셀(32")을 감싸는 패키지(34)는 유연한 적층 물질(36)의 시트로 형성된다. 넓게 말해서, 상기 유연한 적층 물질은 다중-적층된 것이 바람직하며, 적어도 한 층의 금속 포일과 적어도 한 층의 열가소성(thermoplastic) 접착 및 밀봉 물질을 포함한다. 금속 포일층은 셀(32) 주변에 용접 밀폐부(hermetic seal)를 형성하기 위한 장벽으로서 제공된다. 상기 열가소성 접착제 및 밀봉 물질은, 가열 및 냉각되면 그 자체 또는 금속층 상에 접착되는, 접착층으로서 제공되며 그로 인해 용접 밀폐부가 셀(32) 주변에 형성된다. 상기 적층의 두께는 배터리(20)의 전체 체적을 줄이기 위해, 가능한 한 얇게 유지되는 것이 바람직하다.

도시된 실시예에서, 패키지(34)는 평평한 전해질 셀(32)을 상기 유연한 적층 시트의 일측면에 위치시킴으로써 형성된다(상기 유연한 패키지의 형성은 셀(32)과 관련하여 설명될 것이다). 유연한 패키지 형성을 위한 그러한 공정은 셀(32')과 셀(32")에 동일하게 적용된다. 셀(32)은 적층의 접착 및 밀봉층과 접촉되며, 셀(32)로부터 연장되는 리드들(22, 24)을 형성하는 전류 콜렉터들의 탭들의 일부는 상기 적층 상에 위치되고, 그의 일부는 상기 적층의 가장자리(edge)를 넘어서 연장된다. 상기 유연한 적층 박판(36)의 다른 절반은 상기 박판의 타측에 오버레이하도록 배터리(20)를 둘러싼다. 상기 폴리머 접착 밀봉층은 상기 유연한 적층의 내부층이기 때문에, 그 자체적으로 유연한 적층 박판이 셀(32)을 넘어 연장하는 곳인 3개의 주변 가장자리들을 따라 접촉한다. 이러한 관점에서, 상기 적층 박판은 둘러싸이는 경우, 셀(32)의 3개의 주변 가장자리를 넘어 연장하도록 치수가 정해진다. 상기 3개의 연장되는 주변 가장자리에 열 및 압력을 인가함으로써, 상기 폴리머 접착 밀봉 물질이 부드럽게 되고 자체적으로 서로 본딩되어 셀(32)의 주변부 주위에 일반적으로 U자형의 플랜지(38)가 형성되게 된다.

도 3과 도 4에 잘 예시된 바와 같이, 플랜지(38)는 셀(32)과 동일 평면에서 셀(32)의 양측으로부터 측면으로 연장된다. 따라서, 상기 적층의 폴리머 접착 밀봉 물질은 배터리의 주변부 주위에 밀봉부를 형성하며, 그럼으로써 금속 포일과 함께 셀(32)을 내포하면서 밀봉하기 위한 패키지가 제공된다. 본 발명에 따르면, 배터리의 크기는 35mm × 25mm × 0.8mm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 주요 특징은 배터리가 모놀리식(monolithic)으로 된 것이다. 다시 말해서, 모든 구성 요소들은 서로 홀딩되어 배터리를 통해 적절하기만 하면 모든 전기화학적 활성 구성 요소들을 양호한 이온 및/또는 전기적 접촉으로 유지하고 그리고 또한 예컨대, 일반적인 원통형 배터리들에서 금속 캔에 의해 유지되는 것처럼 임의의 외부 적층 압력(stack pressure) 없이 기계적 결합(mechanical cohesion)을 유지한다.

카드(10)의 조립에 있어서, 리드들(22, 24)은 통상적인 수단에 의해 전자 디바이스(12)에 부착되며, 그 후 폴리머 물질이 카드(10)를 형성하도록 배터리(20)와 디바이스(12) 주변에 몰딩된다. 도 1 - 5에 도시된 실시예에서, 배터리(20)는 하나의 카드로 완전하게 봉합된다. 도 6은 도면부호 10a와 10b로 표시된 절반부분(half section)으로부터 카드(10)가 형성되는 것을 예시한다.

평평한 얇은 배터리(20)를 이용하고, 그리고 접착성 밀봉 물질 및 금속 포일 만을 이용하여 유연한 적층 패키징을 최소화 함으로써, 0.8mm 이하 바람직하게는 0.5mm 의 전체 두께를 가지는 배터리(20)가 얻어진다. 배터리(20)가 카드(10)의 플라스틱 외피 내부에 봉합되기 때문에, 패키지(34)를 형성하는 유연한 적층(36)은 셀(32)을 밀봉하기 위한 폴리머 밀봉층 및 금속 포일만이 필요하며, 그로인해 배터리(20)의 전체 두께가 줄어든다.

도 8과 9에 있어서, 배터리(20)를 재충전하는 한 방법이 도시된다. 도 8에서 최적으로 도시되는 바와 같이, 안테나 필라멘트(antenna filament)(122)가 카드(10) 주위를 코일형태로 감싼다. 필라멘트(122)를 이용함으로써, 도 9에 간략히 예시되는 유도 디바이스(124)는 필라멘트(122)에 전류를 유도하여 배터리(20)를 충전할 수 있게 된다. 카드(10) 내부에 2차 전지를 제공함으로써, 재충전되는 배터리(20)의 기능은 장시간 이용을 제공하며, 그로인해 디바이스(12)에 대한 전기적 에너지의 연속적인 공급원을 제공할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따라 형성된 배터리(20)의 고 용량 유지(high capacity retention)를 그래프로 예시한다. 이러한 배터리는 도 3a에 예시된 구조에 따라서 형성된다. 상기 애노드 층은 인조 흑연 중간상 마이크로비드들(artificial graphite mesophase microbeads)(MCMB25-28)을 포함하고 18 × 24 ㎟ 의 체적을 가지며, 캐소드층들은 LiCoO₂를 포함하고 17 × 23 ㎟ 의 체적을 가지며, 이들을 합친 중량은 0.263g 이다. 구성요소의 층들은 상승된 온도들 및 압력들을 이용하여 적층 공정들의 절차에 의해 단일층 구조로 결합되고, 다공(pore) 형성 구성요소들은 추출된 용제이며, 연결 탭들이 부착되고, 상기 배터리는 플라스틱/금속 포일 적층으로 봉합되며, 전해질이 부가되고, 상기 배터리는 전기화학적으로 형성되며, 잉여 가스들이 제거되고 그리고 최종 용접 밀봉 패키지가 형성된다. 상기 적층된 배터리 두께는 약 0.47mm이고, 최종 패키징된 배터리의 두께는 약 0.67mm이다. 최종 배터리는 연결 탭들을 무시하면, 약 22 × 29 ㎟ 의 풋프린트 치수를 가진다. 이러한 배터리는 도 10에 예시되는 바와 같이, 약 C/2 비율에서 주기를 이루는 경우, 약 19mAh의 초기 방전 용량을 보이며, 129 주기 이후, 약 17mAh의 용량을 유지한다.

전술한 설명은 본 발명의 특정 실시예이다. 본 실시예는 예시를 위한 목적으로 설명된 것이며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 당 업자들에의해 다양한 대안들과 변경들이 수행될 수 있다는 것은 명백하다. 청구된 본 발명의 범위 또는 그의 등가물들의 범위 내에 속하는 한 이러한 모든 변경들과 대안들을 포함한다.

Claims (5)

1. 전자 디바이스와 그리고 상기 전자 디바이스에 전기적으로 에너지를 공급하기 위해 내부에 배터리를 가지는 IC 카드로서,

   상기 배터리는,

   리튬-함유 캐소드, 카본 애노드, 그리고 전해질 용액이 주입된 다공성 폴리머 분리기를 가지는 모롤리식 전기화학적 셀(들) - 상기 셀은 0.7mm 이하의 두께를 가진다 - 과; 그리고

   상기 셀을 내포하며, 적어도 하나의 금속 포일층과 접착성 폴리머 물질을 가지는 유연한 적층 물질 시트로 형성되는 패키지를 포함하며, 상기 배터리는 0.8mm 이하의 전체 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 IC 카드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 배터리는 1차 배터리인 것을 특징으로 하는 IC 카드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 배터리는 2차 배터리인 것을 특징으로 하는 IC 카드.
4. 제 3항에 있어서, 상기 배터리를 재충전하기 위해 상기 카드 내부에 재충전 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IC 카드.
5. 제 4항에 있어서, 상기 재충전 수단은 원격 디바이스에 의해 상기 배터리의 유도 충전을 위해 상기 카드 내부에 삽입되는 안테나 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 IC 카드.