KR101108582B1 - 전기 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

전기 에너지를 저장하는 장치는 제 1 자기층, 제 2 자기층, 및 유전층을 포함한다. 제 1 자기층은 제 1 자기 섹션 및 제 2 자기 섹션을 포함한다. 제 1 자기 섹션은 수평 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 자기층은 제 3 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션을 포함한다. 제 3 자기 섹션은 수평방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 4 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 유전층은 제 1 자기층과 제 2 자기층 사이에서 구성된다. 유전층은 전기 에너지를 저장하도록 구성된다. 제 1 자기층 및 제 2 자기층은 전기 에너지 누설을 방지하도록 구성된다. 제 2 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션의 수직 자기 쌍극자는 본 장치의 전기용량을 증가시키도록 설계된다.
자기 쌍극자, 유전층, 전기 에너지

Description

전기 에너지 저장 장치{APPARATUS FOR STORING ELECTRICAL ENERGY}
본 발명은 전기 에너지를 저장하는 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전기 에너지를 저장하는 자기 캐패시터에 관한 것이다.
에너지 저장부는 전기 디바이스의 성능 및 동작 시간에 영향을 미치기 때문에, 우리의 일상 생활에서 중요한 역할을 한다. 회로에서 이용되는 캐패시터 및 휴대용 디바이스에서 이용되는 배터리와 같은 콤포넌트는 가장 일반적인 에너지 저장부이다.
거대자기저항 효과 (GMR; Giant Magnetoresistance Effect) 는 자기막 섹션과 비자기막 섹션이 교차하는 구조에서 관측되는 양자역학 효과이다. GMR 효과는 인가된 외부 필드에 따라 제로-필드 하이 저항 상태로부터 하이-필드 로우 저항 상태까지 전기 저항에서의 상당한 변화를 나타낸다.
따라서, GMR 효과는 양호한 성능을 갖는 절연체로서 이용될 수 있다. 그 결과, GMR 효과를 갖는 장치는 전기 에너지를 저장하도록 구현될 수 있다. 자기 캐패시터는 GMR 효과를 갖는 장치의 일 예이다. 자기 캐패시터는 자기 플레이트로 형성된다. 자기 플레이트는 N 극 (north pole) 및 S 극 (south pole) 을 가지며, N 극 및 S 극은 자기 플레이트에 따라 가장 강한 자기 필드를 가진다. 실질적으로, 자기 필드 강도는 자기용이축 (easy axis) 을 따라 모든 자기 쌍극자와 요약되고 결합된다. 자기 캐패시터에서 자기 플레이트의 편향된 쌍극자를 도시하는 도 1 을 참조한다. 자기 캐패시터는 제 1 자기 플레이트 (110), 제 2 자기 플레이트 (120), 및 유전층 (130) 을 포함한다. 제 1 자기 플레이트 (110) 및 제 2 자기 플레이트 (120) 는 동일한 방향을 지향하는 쌍극자를 갖는다.
도 1b는 자기 플레이트 및 필드 강도 밀도를 도시하는 자기 플레이트의 자기 필드 컨투어를 도시한다. 자기 필드 컨투어의 자기 필드 라인 밀도는 자기 필드 강도를 나타낸다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 자기 필드 강도는 자기 플레이트의 2 개의 측면으로부터 감소한다. 자기 필드 효과로 인해, 자기 캐패시터는 도시된 거대한 전기용량을 가진다. 따라서, 거대한 자기 효과는 자석 플레이트의 에지로부터 중앙으로 감소한다. 그러나, 전기 장치의 사이즈가 축소됨에 따라, 제한된 영역에 더 많은 전기용량을 저장할 필요가 증가하고 있다.
전술한 이유로 인해, 전기 에너지를 저장하는 큰 전기용량값 및 GMR 효과를 갖는 장치를 가질 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 큰 전기용량값으로 전기 에너지를 저장하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르는 경우, 이 장치는 제 1 자기층, 제 2 자기층, 및 유전층을 포함한다. 제 1 자기층은 제 1 자기 섹션 및 제 2 자기 섹션을 포함한다. 제 1 자기 섹션은 수평 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 자기층은 제 3 자기 섹션 및 제 4 가지 섹션을 포함한다. 제 3 자기 섹션은 수평 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 4 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 유전층은 제 1 자기층과 제 2 자기층 사이에서 구성된다. 유전층은 전기 에너지를 저장하도록 구성된다. 제 1 자기층 및 제 2 자기층은 전기 에너지 누설을 방지하도록 구성된다. 제 2 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션의 수직 자기 쌍극자는 본 장치의 전기용량을 증가시키도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르는 경우, 본 장치는 제 1 자기층, 제 2 자기층, 및 유전층을 포함한다. 제 1 자기층은 제 1 자기 섹션 및 제 2 자기 섹션을 포함한다. 제 2 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 자기층은 제 3 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션을 포함한다. 제 4 자기 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 유전층은 제 1 자기층과 제 2 자기층 사이에서 구성된다. 제 2 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션의 수직 자기 쌍극자는 본 장치의 전기용량을 증가 시키도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르는 경우, 본 장치는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 유전층을 포함한다. 제 1 전극은 제 1 전도 섹션 및 제 2 전도 섹션을 포함한다. 제 2 전도 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 제 2 전극은 제 3 전도 섹션 및 제 4 전도 섹션을 포함한다. 제 4 전도 섹션은 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는다. 유전층은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 구성된다. 제 2 전도 섹션 및 제 4 전도 섹션의 수직 자기 쌍극자는 본 장치의 전기용량을 증가시키도록 설계된다.
앞선 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이며, 주장된 바와 같은 본 발명의 더 많은 설명을 제공하도록 의도된다.
전기 에너지를 저장하는 큰 전기용량값 및 GMR 효과를 가지며, 큰 전기용량값으로 전기 에너지를 저장하는 장치를 제공하여, 전기 장치의 사이즈가 축소되더라도, 제한된 영역에 더 많은 전기용량을 저장할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태, 및 이점이 다음의 설명, 첨부된 청구항, 및 첨부된 도면과 관련하여 더욱 잘 이해될 것이다.
본 발명의 현재 선호된 실시형태에 대해 참조가 상세히 이루러질 것이며, 그 예들이 첨부된 도면에서 도시된다. 어디에서 가능하더라도, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 부분을 언급하도록 도면 및 상세한 설명에서 이용된다.
본 발명의 실시형태에 따르는 전기 에너지를 저장하는 장치를 도시하는 도 2a 를 참조한다. 전기 에너지를 저장하는 장치는 자기 캐패시터이다. 자기 캐패시터는 제 1 자기층 (210), 제 2 자기층 (220), 및 유전층 (230) 을 포함한다. 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 은 모두 자기막 필름이다. 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 은 전도성 재료로 이루어진다. 유전층 (230) 은 절연체로 이루어지고, 따라서 전류가 유전층 (230) 을 통과하지 못한다. 유전층 (230) 은 박막이며, 이 유전층 (230) 은 BaTiO3 또는 TiO3 와 같은 유전체로 구성될 수도 있다.
제 1 자기층 (210) 은 톱니 거칠기를 갖는 제 1 표면 (125) 을 갖는다. 제 2 자기층 (220) 은 또한 톱니 거칠기를 갖는 제 2 표면 (225) 을 갖는다. 유전층 (230) 은 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 사이에서 구성된다. 유전층 (230) 은 전기 에너지를 저장하도록 구성된다. 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 은 전기 에너지 누설을 방지하도록 구성된다. 제 1 표면 (215) 및 제 2 표면 (225) 의 톱니 거칠기는 제 1 표면 (215) 및 제 2 표면 (225) 의 표면 영역을 증가시킬 수도 있고, 그 결과 자기 캐패시터의 전기용량을 증가시킨다.
본 발명의 일 실시형태에 따르는 전기 에너지를 저장하는 장치의 편향된 쌍극자를 도시하는 도 2b 에 대한 참조가 이루어진다. 제 1 자기층 (210) 은 수평 방향의 자기 쌍극자를 갖는 제 1 자기 섹션 (212) 및 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는 제 2 자기 섹션 (214) 을 포함한다. 제 2 자기층 (220) 은 수평 방향의 자기 쌍극자를 갖는 제 3 자기 섹션 (222) 및 수직 방향의 자기 쌍극자를 갖는 제 4 자기 섹션 (224) 을 포함한다. 본 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우, 제 1 자기 섹션 (212) 및 제 3 자기 섹션 (222) 의 자기 쌍극자는 도면에 도시된 바와 같이 동일한 수평 방향을 가질 수도 있다.
즉, 자기 섹션 (212) 의 쌍극자 및 자기 섹션 (222) 의 자기 쌍극자가 동일한 방향을 가지는 경우, 유전 섹션 (230) 의 전자의 스핀 방향은 하나의 방향으로 지향한다. 이에 의해 전류 누설이 발생하지 않아, 그 결과 에너지가 저장된다. 심볼 '→' 자기 섹션의 쌍극자를 나타내도록 배열될 뿐이며, 쌍극자 방향을 제한하도록 배열되지는 않는다.
제 1 자기 섹션 (212) 및 제 3 자기 섹션 (222) 에서 도시된 화살표는 서로 평행하다. 이 발명의 일 양태에서, 제 1 자기 섹션 (212) 및 제 3 자기 섹션 (222) 에서 도시된 화살표는 자기용이축에 따라 다이렉트된다. 그러나, 본 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우, 제 1 자기 섹션의 쌍극자 방향 및 제 3 자기 섹션의 쌍극자 방향은 서로 (동일한 방향으로 지향하면서) 평행하거나 (상반된 방향으로 지향하면서) 서로 역평행하다. 반면에, 본 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우, 제 2 자기 섹션 (214) 의 자기 쌍극자는 제 1 섹션 (212) 의 자기 쌍극자에 수직이며, 제 4 자기 섹션 (224) 의 자기 쌍극자는 제 3 자기 섹션 (222) 의 자기 쌍극자에 수직이다. 본 발명의 일 양태에서, 제 2 자기 섹션 (214) 및 제 4 자기 섹션 (224) 에서 도시된 화살표는 자기용이축에 수직이다. 그러나, 제 2 자기 섹션 (214) 및 제 4 자기 섹션 (224) 에서 도시된 화살표는 서로 역평행이다. 자기 캐패시터의 제 2 자기 섹션 및 제 4 자기 섹션의 쌍극자 방향은 도 2b 내지 도 2e 에서 도시된 바 와 같이, 서로 (상반된 방향을 지향하면서) 역평행이거나 (동일한 방향을 지향하면서) 서로 평행이다.
제 1 자기층 (210) 은 자기 캐패시터의 제 1 전극일 수도 있다. 제 2 자기층 (220) 은 자기 캐패시터의 제 2 전극일 수도 있다. 제 1 자기 섹션 (212), 제 2 자기 섹션 (214), 제 3 자기 섹션 (222), 및 제 4 자기 섹션 (224) 은 전도 섹션이다.
캐패시터 플레이트의 내부 측면을 따라 나노 자석을 갖는 자기 캐패시터를 도시하는 도 3 을 참조한다. 도 2a 에 도시된 자기 캐패시터의 톱니 거칠기는 여기서 도시된 자기 플레이트 (310 및 320) 의 내부 측면에 따라 나노 자석 (315 및 325) 을 구축하는 효과를 갖는다. 유전층 (330) 은 자기 플레이트 (310 및 320) 사이에서 구성된다. 나노 자석 (315 및 325) 이 존재하지 않는 경우, 자기 플레이트에 따른 N 극 및 S 극은 가장 강한 자기 필드를 가지며, 거대한 자기 효과는 자기 플레이트의 에지로부터 중앙까지 감소한다. 나노 자석 (315 및 325) 에 의해 생성된 나노 자기 효과는 이러한 자기 캐패시터의 취약점을 보완한다. 그 결과, 자기 캐패시터의 자기 필드 강도는 수직 방향의 자기 쌍극자로 인해 증가한다.
도 4 는 본 발명에 따라 충전 중인 장치를 도시한다. 본 장치가 충전되는 동안, 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 은 전원 (460) 에 커플링된다. 전기 에너지는 전원 (460) 으로부터 유전층 (230) 으로 입력될 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따라 방전 중인 장치를 도시한다. 본 장치가 방전되는 동안, 제 1 자기층 (210) 및 제 2 자기층 (220) 은 로딩 디바이스 (570) 에 커플링된 다. 전기 에너지는 유전층 (230) 으로부터 로딩 디바이스 (570) 로 출력될 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따라 충전된 이후의 장치를 도시한다. 전극이 자기 캐패시터의 양 측면에 인가되는 경우, 제 1 자기층 (210) 의 제 1 표면 (215) 뿐만 아니라 제 2 자기층 (220) 의 제 2 표면 (225) 상에 전기 쌍극자를 생성한다. 전기용량은 캐패시터 영역의 증가뿐만 아니라 자기 필드 강도의 증가로 인해 크기 순서로 증가할 것이다.
결과적으로, 본 발명은 전기 에너지를 저장하는 장치를 제공한다. 캐패시터 플레이트상의 나노 자기 효과로 인해, 전기 에너지를 저장하는 장치는 큰 전기용량을 가진다.
이 분야의 당업자에게는 본 발 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 구조에 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 자명할 것이다. 전술한 상세한 설명의 관점에서, 이 발명의 수정 및 변경이 다음의 청구항의 범위 및 그 균등물에 속하는 경우, 본 발명은 이러한 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다.
도 1a 는 자지 캐패시터에서 자기 플레이트의 편향된 쌍극자를 나타낸다.
도 1b 는 필드 강도 밀도를 도시하는 자기 플레이트의 자기 필드 컨투어 및 자기 플레이트를 나타낸다.
도 2a 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 전기 에너지를 저장하는 장치를 도시한다.
도 2b ~ 2e 는 전기 에너지를 저장하는 장치의 편향된 쌍극자를 도시한다.
도 3 은 캐패시터 플레이트의 내부 측면을 따라 나노 자석을 갖는 자기 캐패시터를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 충전중인 장치를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 방전중인 장치를 도시한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 충전된 이후의 장치를 도시한다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
110 : 제 1 자기 플레이트 120 : 제 2 자기 플레이트
130, 230 : 유전층 210 : 제 1 자기층
220 : 제 2 자기층 230 : 유전층
310, 320 : 자기 플레이트 315, 325 : 나노 자석

Claims (19)

  1. 전기 에너지를 저장하는 장치로서,
    제 1 자기층;
    제 2 자기층; 및
    상기 제 1 자기층과 상기 제 2 자기층 사이에 구성된 유전층을 포함하며,
    상기 제 1 자기층은,
    수평 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 1 자기 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 2 자기 섹션을 포함하고,
    상기 제 2 자기층은,
    수평 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 3 자기 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 4 자기 섹션을 포함하고,
    상기 유전층은 전기 에너지를 저장하도록 구성되고, 상기 제 1 자기층 및 상기 제 2 자기층은 전기 에너지 누설을 방지하도록 구성되고, 상기 제 2 자기 섹션 및 상기 제 4 자기 섹션의 수직 자기 쌍극자는 상기 전기 에너지를 저장하는 장치의 전기용량을 증가시키도록 설계되며,
    상기 전기 에너지 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우,
    상기 제 1 자기 섹션의 자기 쌍극자 및 상기 제 3 자기 섹션의 자기 쌍극자는 서로 평행이거나 역평행인, 전기 에너지 저장 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우,
    상기 제 2 자기 섹션의 자기 쌍극자는 상기 제 1 자기 섹션의 자기 쌍극자에 수직이며, 상기 제 4 자기 섹션의 자기 쌍극자는 상기 제 3 자기 섹션의 자기 쌍극자에 수직인, 전기 에너지 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우,
    상기 제 2 자기 섹션의 자기 쌍극자 및 상기 제 4 자기 섹션의 자기 쌍극자는 서로 평행하거나 역평행인, 전기 에너지 저장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 자기 섹션 및 상기 제 4 자기 섹션은 톱니 거칠기 (saw tooth roughness) 를 가지는, 전기 에너지 저장 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전층은 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전층은 유전체로 구성되는, 전기 에너지 저장 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자기층은 자기 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자기층은 자기 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 장치가 충전되는 동안, 상기 제 1 자기층 및 상기 제 2 자기층은 전원에 커플링되는, 전기 에너지 저장 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 장치가 방전되는 동안, 상기 제 1 자기층 및 상기 제 2 자기층은 로딩 디바이스에 커플링되는, 전기 에너지 저장 장치.
  12. 전기 에너지를 저장하는 장치로서,
    제 1 자기층;
    제 2 자기층; 및
    상기 제 1 자기층과 상기 제 2 자기층 사이에 구성된 유전층을 포함하며,
    상기 제 1 자기층은,
    제 1 자기 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 2 자기 섹션을 포함하고,
    상기 제 2 자기층은,
    제 3 자기 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 4 자기 섹션을 포함하고,
    상기 제 2 자기 섹션 및 상기 제 4 자기 섹션의 수직 자기 쌍극자는 상기 전기 에너지 저장 장치의 전기용량을 증가시키도록 설계되며,
    상기 전기 에너지 저장 장치가 전기 에너지를 저장하는 경우,
    상기 제 2 자기 섹션의 자기 쌍극자 및 상기 제 4 자기 섹션의 자기 쌍극자는 평행이거나 역평행인, 전기 에너지 저장 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 자기 섹션 및 상기 제 4 자기 섹션은 톱니 거칠기를 가지는, 전기 에너지 저장 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전층은 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전층은 유전체로 구성되는, 전기 에너지 저장 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 자기층은 자기 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 자기층은 자기 박막인, 전기 에너지 저장 장치.
  19. 전기 에너지를 저장하는 장치로서,
    제 1 전극;
    제 2 전극; 및
    유전층을 포함하며,
    상기 제 1 전극은,
    제 1 전도 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 제 2 전도 섹션을 포함하고,
    상기 제 2 전극은,
    제 3 전도 섹션; 및
    수직 방향의 복수의 자기 쌍극자를 갖는 4 전도 섹션을 포함하고,
    상기 유전층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에서 구성되며,
    상기 제 2 전도 섹션 및 상기 제 4 전도 섹션의 수직 자기 쌍극자는 상기 전기 에너지 저장 장치의 전기 용량을 증가시키도록 설계되는, 전기 에너지 저장 장치.
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