KR101813574B1 - 축전 장치 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 방전 용량을 높이는 것이 가능한 축전 장치 및 그 제작 방법을 제공한다.
집전체 위에 가장자리부를 갖는 금속층을 형성하고, 집전체 및 금속층 위에 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스를 사용하여 가열하는 저압화학 증착(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 실리콘 위스커(whisker)를 포함하는 활물질층으로서 형성하는 전지용의 전극의 제작 방법이다. 또한, 그 전극을 사용한 축전 장치이다.

Description

축전 장치 및 그 제작 방법{POWER STORAGE DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 축전 장치 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
또한, 축전 장치란, 축전 기능을 갖는 소자 및 장치 전반을 가리킨다.
근년, 리튬 이온 2차 전지, 리튬 이온 커패시터(lithium-ion capacitor), 및 공기 전지(air cell) 등, 축전 장치의 개발이 행해지고 있다.
축전 장치용 전극은, 집전체의 일 표면에 활물질을 형성함으로써 제작된다. 활물질로서는, 예를 들어, 탄소 또는 실리콘 등의 캐리어가 되는 이온의 흡장(吸藏) 및 방출이 가능한 재료가 사용된다. 예를 들어, 실리콘 또는 인이 도핑된 실리콘은 탄소와 비교하여 이론 용량이 크고, 축전 장치를 대용량화(大容量化)하는 점에서 뛰어나다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본국 특개2001-210315호 공보
그러나, 실리콘을 음극 활물질로서 사용하여도 이론(理論) 용량과 같은 높은 방전 용량을 얻기가 어렵다. 그래서, 본 발명의 일 형태에서는 방전 용량을 높이는 것이 가능한 축전 장치 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 형태는, 제 1 금속을 포함하는 집전체 위에 제 1 금속과 상이한 제 2 금속을 포함하는 금속층을 형성하고, 그 금속층을 에칭하여 금속층의 패턴을 형성하고, 에칭 후의 금속층 위에 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스를 사용하여 가열하는 저압화학 증착(LPCVD; Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 실리콘 위스커(whisker)를 포함하는 활물질층을 형성하는 축전 장치의 제작 방법이다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는, 제 1 금속 원소를 포함하는 집전체와, 집전체 위에 형성되고, 제 1 금속 원소와 상이한 제 2 금속 원소를 포함하는 직사각형 형상의 금속층과, 금속층 및 집전체 위에 형성된 실리콘 위스커를 포함하는 활물질층을 갖는 축전 장치이다.
실리콘 위스커는 돌기(수염) 형상의 결정성 실리콘이고, 복수의 실리콘 위스커에 있어서 각각의 돌기의 연장 방향(즉, 축의 방향)은 일정하지 않아도 좋다. 또는, 복수의 실리콘 위스커에 있어서의 돌기의 연장 방향(즉, 축의 방향)은 집전체의 법선(法線) 방향이어도 좋다.
활물질층이 실리콘 위스커를 포함함으로써, 표면적이 증대되어 방전 용량을 높일 수 있다.
집전체는, 백금, 알루미늄, 구리로 대표되는 금속 원소 등의 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 또한, 집전체는 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다.
금속층은 실리사이드를 형성하는 금속 원소, 예를 들어, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 코발트, 텅스텐, 또는 니켈로부터 선택된 1 이상의 금속 원소를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 집전체와 활물질층 사이, 또는 금속층과 활물질층 사이에는, 금속 원소와 실리콘의 혼합 영역이 형성되는 경우가 있다. 금속 원소와 실리콘의 혼합 영역을 가짐으로써, 집전체와 활물질층 사이, 또는 금속층과 활물질층 사이에 밀도가 낮은 영역(거친 영역)이 형성되지 않고, 활물질층과 활물질층에 접하는 층의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 혼합 영역과 활물질층 사이에 금속 산화물층을 가져도 좋다. 금속 산화물은 집전체 또는 금속층을 형성하는 금속 원소의 금속 산화물로 형성된다. 금속 산화물층을 산화물 반도체 또는 산화물 도전체로 형성함으로써, 금속 산화물층이 절연물의 경우와 비교하여 집전체와 활물질층 사이, 또는 금속층과 활물질층 사이의 저항을 저감하는 것이 가능하고, 방전 용량을 더 높일 수 있다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 방전 용량이 높은 축전 장치를 제작할 수 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 축전 장치의 전극의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 2(A) 및 도 2(B)는 축전 장치의 전극의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 3(A) 및 도 3(B)는 축전 장치의 일 형태를 설명하기 위한 평면도 및 단면도.
도 4는 축전 장치의 응용의 형태를 설명하기 위한 사시도.
도 5는 무선 급전 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 6은 무선 급전 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 7(A) 및 도 7(B)는 결정성 실리콘층의 SEM 사진.
본 발명의 실시형태의 일례에 대하여 도면을 사용하여 이하에 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위로부터 벗어남이 없이 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 또한, 설명하는 데에 도면을 참조할 때, 동일한 것을 가리키는 부호는 상이한 도면간에서도 공통적으로 사용하는 경우가 있다. 또한, 동일한 것을 가리킬 때에는, 동일한 해치 패턴(hatch pattern)을 사용하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 축전 장치의 전극, 및 그 제작 방법에 대하여 도 1(A) 내지 도 2(B)를 사용하여 설명한다.
도 1(A)에서 도시한 축전 장치의 전극은, 집전체(101) 위에 금속층을 형성하고, 상기 금속층을 선택적으로 에칭하여 금속층(102)을 형성한 후, 금속층(102) 위에 열 CVD밥, 바람직하게는 LPCVD법에 의하여 결정성 실리콘층을 활물질층(103)으로서 형성한다.
집전체(101)는, 전극의 집전체로서 기능한다. 그래서, 박(箔) 형상, 판(板) 형상, 또는 그물 형상의 도전성 부재를 사용한다. 집전체(101)는, 특별히 한정되지 않지만, 백금, 알루미늄, 구리, 티타늄 등으로 대표되는 도전성이 높은 금속 원소를 사용할 수 있다. 또한, 집전체로서 실리콘, 티타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브덴 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 또는, 집전체(101)로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여도 좋다. 또한, 집전체(101)를 활물질층(103)에 사용하는 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다. 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다.
금속층(102)은, 활물질층의 결정 성장을 촉진하는 금속 원소를 포함하는 층이다. 금속층에 사용하는 금속 원소로서는, 활물질층(103)의 결정 성장을 촉진시키는 촉매로서 기능하는 금속 원소를 사용할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 실리사이드를 형성하는 금속 원소를 사용한다. 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다.
상술한 바와 같이, 금속층(102)은, 활물질층의 결정 성장을 촉진하는 기능을 가지므로, 집전체(101) 위에 금속층을 형성한 후, 상기 금속층을 에칭에 의하여 패턴 형성함으로써, 집전체(101) 위에 있어서의 활물질층(103)의 결정 핵의 발생 영역을 제어할 수 있다. 금속층(102)은 100nm 내지 1000nm의 막 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 결정 핵의 발생 영역을 증가시키기 위하여 금속층(102)은 서로 이격시켜 복수 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 집전체(101)와 금속층을 적층한 상태로 금속층의 에칭을 행하므로, 집전체(101)와 금속층은, 에칭의 선택 비율이 얻어지는 금속 원소를 사용할 필요가 있다. 따라서, 집전체(101)와 금속층(102)은 상이한 금속 원소를 포함한다. 금속층(102)은 상이한 금속 원소를 포함하는 박막의 적층을 사용하여도 좋다. 이 경우, 적어도 집전체(101)와 접하는 층에 포함되는 금속 원소는, 집전체(101)에 포함되는 금속 원소와 상이한 금속 원소를 사용하는 것으로 한다.
활물질층(103)은 결정성의 실리콘층이다. 상기 결정성 실리콘층은, 예를 들어 LPCVD법에 의하여 형성할 수 있다. 결정성 실리콘은, 예를 들어, 550℃보다 높은 온도로, 또 LPCVD 장치 및 집전체(101)가 견딜 수 있는 온도 이하, 바람직하게는 580℃ 이상 650℃ 미만의 가열을 행하면서, 원료 가스로서 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스를 사용함으로써 형성할 수 있다. 실리콘을 포함하는 퇴적성 가스로서는, 수소화 실리콘, 불화 실리콘, 또는 염화 실리콘이 있고, 대표적으로는 SiH4, Si2H6, SiF4, SiCl4, Si2Cl6 등이 있다. 또한, 원료 가스에 헬륨, 네온, 아르곤, 크세논 등의 희 가스, 및 수소 중의 하나 이상을 혼합시켜도 좋다.
또한, 활물질층(103)에는 불순물로서 LPCVD 장치의 챔버에 기인한 산소 등이 포함되는 경우가 있다.
또한, 활물질층(103)으로서 형성되는 결정성 실리콘층에는, 인, 붕소 등의 일 도전형을 부여하는 불순물 원소가 첨가되어도 좋다. 인, 붕소 등의 일 도전형을 부여하는 불순물 원소가 첨가된 결정성 실리콘층은, 도전성이 높아지므로 전극의 도전율을 높일 수 있다. 그래서, 상기 결정성 실리콘층을 활물질층으로서 사용함으로써 방전 용량을 더 높일 수 있다.
활물질층(103)으로서 LPCVD법을 사용하여 결정성 실리콘층을 형성하면, 집전체(101)와 활물질층(103) 사이, 또는 금속층(102)과 활물질층(103) 사이에 밀도가 낮은 영역이 형성되기 어렵고, 활물질층(103) 및 활물질층(103)에 접하는 층과의 계면에 있어서의 전자의 이동이 용이해짐과 함께, 집전체(101)와 활물질층(103), 또는 금속층(102)과 활물질층(103)의 밀착성을 높일 수 있다. 이것은, 결정성 실리콘층의 퇴적 공정에 있어서 항상 원료 가스의 활성종이 퇴적 중의 결정성 실리콘층에 공급되므로, 결정성 실리콘층으로부터 집전체(101) 및 금속층(102)에 실리콘이 확산되고, 실리콘이 부족한 영역(거친 영역)이 형성되어도, 상기 영역에 원료 가스의 활성종이 항상 공급되고, 결정성 실리콘층 중에 밀도가 낮은 영역이 형성되기 어려워지기 때문이다. 또한, 기상 성장에 의하여 집전체(101) 위 및 금속층(102) 위에 결정성 실리콘층을 형성하므로 스루풋을 향상시킬 수 있다.
여기서, 집전체(101), 금속층(102) 및 활물질층(103)의 파선으로 나타내는 영역(105)의 확대도를 도 1(B)에 도시한다.
도 1(B)에 도시한 바와 같이, 집전체(101)의 활물질층(103) 형성 표면 근방에는, 집전체(101)에 포함되는 금속 원소와 실리콘의 제 1 혼합 영역(107a)이 형성되는 경우가 있다. 또한, 금속층(102)의 활물질층(103) 형성 표면 근방에는, 금속층(102)에 포함되는 금속 원소와 실리콘의 제 2 혼합 영역(107b)이 형성되는 경우가 있다. 실리콘과 금속 원소의 제 1 혼합 영역(107a) 또는 제 2 혼합 영역(107b)은 활물질층(103)으로서 LPCVD법을 사용하여 결정성 실리콘층을 형성할 때의 가열에 의하여, 결정성 실리콘층에 포함되는 실리콘이 집전체(101) 또는 금속층(102)에 확산됨으로써 형성된다. 또한, 제 1 혼합 영역(107a)과 제 2 혼합 영역(107b)의 계면은 명확하지 않고, 집전체(101)에 포함되는 금속 원소와, 금속층(102)에 포함되는 금속 원소와, 실리콘과의 혼합 영역이 되는 경우도 있다.
금속층(102)은, 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성되므로, 제 2 혼합 영역(107b)에는 상기 금속 원소의 실리사이드, 대표적으로는 지르코늄 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 하프늄 실리사이드, 바나듐 실리사이드, 니오븀 실리사이드, 탄탈 실리사이드, 크롬 실리사이드, 몰리브덴 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 코발트 실리사이드, 및 니켈 실리사이드 중의 하나 이상이 형성된다.
또한, 집전체(101)에 실리사이드를 형성하는 금속 원소를 사용하는 경우, 제 1 혼합 영역(107a)에는 상술한 실리사이드를 형성하는 금속 원소 및 실리콘의 실리사이드의 하나 이상이 형성된다. 또한, 실리사이드를 형성하는 금속 원소 및 실리콘의 합금층이 형성된다.
또한, 제 1 혼합 영역(107a) 또는 제 2 혼합 영역(107b)에는, LPCVD 장치의 챔버에 기인하는 산소 등이 불순물로서 포함되는 경우가 있다.
집전체(101) 또는 금속층(102)과, 활물질층(103) 사이에 금속 원소와 실리콘의 혼합 영역을 가짐으로써, 집전체(101) 또는 금속층(102)과, 활물질층(103)의 계면에 있어서의 저항을 저감시킬 수 있으므로, 전극의 도전율을 높일 수 있다. 또한, 집전체(101) 또는 금속층(102)과, 활물질층(103)의 밀착성을 높일 수 있고, 축전 장치의 열화를 저감할 수 있다.
제 1 혼합 영역(107a) 위에는, 집전체(101)를 형성하는 금속 원소의 산화물로 형성되는 제 1 금속 산화물층(109a)이 형성되어도 좋다. 또한, 제 2 혼합 영역(107b) 위에는, 금속층(102)를 형성하는 금속 원소의 산화물로 형성되는 제 2 금속 산화물층(109b)이 형성되어도 좋다. 이들의 금속 산화물층은, 활물질층(103)으로서 LPCVD법으로 결정성 실리콘층을 형성할 때의 가열에 의하여 LPCVD 장치의 석영제 챔버로부터 산소가 탈리(脫離)하고, 집전체(101) 또는 금속층(102)이 산화되므로 형성되는 경우가 있다. 또한, 제 1 금속 산화물층(109a) 및 제 2 금속 산화물층(109b)이 형성되는 경우, 제 1 금속 산화물층(109a)과 제 2 금속 산화물층(109b)의 계면은 명확하지 않고, 집전체(101)에 포함되는 제 1 금속 원소와, 금속층(102)에 포함되는 제 2 금속 원소의 산화물의 양쪽을 포함하는 금속 산화물층이 형성되는 경우가 있다. 또한, LPCVD법으로 결정성 실리콘층을 형성할 때 챔버 내에 헬륨, 네온, 아르곤, 크세논 등의 희 가스를 충전함으로써, 상기 금속 산화물층의 형성을 억제할 수 있다.
제 2 금속 산화물층(109b)으로서는, 실리사이드를 형성하는 금속 원소의 산화물로 형성되는 금속 산화물층이 형성된다. 또한, 집전체(101)를 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하는 경우에는, 제 1 금속 산화물층(109a)으로서 실리사이드를 형성하는 금속 원소의 산화물로 형성되는 금속 산화물층이 형성된다. 이와 같은 금속 산화물층의 대표적인 예로서는 산화 지르코늄, 산화 티타늄, 산화 하프늄, 산화 바나듐, 산화 니오븀, 산화 탄탈, 산화 크롬, 산화 몰리브덴, 산화 텅스텐, 산화 코발트, 산화 니켈 등이 있다.
또한, 집전체(101) 또는 금속층(102)을 티타늄, 지르코늄, 니오븀 등으로 형성하면, 제 1 금속 산화물층(109a) 또는 제 2 금속 산화물층(109b)으로서 산화 티타늄, 산화 지르코늄, 산화 니오븀 등의 산화물 도전체가 형성되므로, 집전체(101)와 활물질층(103) 사이, 또는 금속층(102)과 활물질층(103) 사이의 저항을 저감할 수 있고, 전극의 도전율을 높일 수 있다. 그래서, 방전 용량을 더 높일 수 있다.
활물질층(103)은, 집전체(101) 및 금속층(102)을 덮도록 형성되고, 실리콘 위스커(113)를 갖는다. 실리콘 위스커(113)는 돌기(수염) 형상의 실리콘이고, 복수의 실리콘 위스커(113)에 있어서 돌기의 정점(頂点) 방향은 분산되어 있다. 또한, 실리콘 위스커(113)의 형상은, 수염 형상에 한정되지 않고, 원주 형상, 각주(角柱) 형상 등의 기둥 형상, 원뿔 형상 또는 각뿔 형상의 침 형상이라도 좋다. 또한, 실리콘 위스커(113)는, 정상부(頂部)가 만곡하고 있어도 좋다. 실리콘 위스커(113)의 직경은 50nm 이상 10μm 이하, 바람직하게는 500nm 이상 3μm 이하이다. 또한, 실리콘 위스커(113)의 길이 h는 0.5μm 이상 1000μm 이하, 바람직하게는 1μm 이상 100μm 이하이다.
여기서, 실리콘 위스커(113)의 길이 h란, 실리콘 위스커(113)의 성장 방향(종 방향)의 사이즈를 가리킨다. 예를 들어, 실리콘 위스커(113)를 기둥 형상으로 가정된 경우에는 상면과 바닥 면의 거리를 가리키고, 송곳 형상으로 가정된 경우에는, 두정점(頭頂点)과 바닥 면의 거리를 가리킨다. 복수의 실리콘 위스커(113)에 있어서 각각의 길이 h는 반드시 동일하지는 않다.
또한, 실리콘 위스커(113)의 성장 방향을 종 방향이라고 부르고, 종 방향을 따른 단면의 형상을 종 단면 형상이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 종 방향이 법선 방향이 되는 단면의 형상을 횡단 단면 형상(transverse cross-sectional shape)이라고 부르는 경우가 있다.
도 1(B)에는, 실리콘 위스커(113)의 종 방향이 일정하지 않는 경우를 도시한다. 예를 들어, 종 방향이 집전체(101) 표면에 대한 법선 방향과, 상기 법선 방향과는 상이한 제 2 방향으로 연장된다. 그래서, 도 1(B)에 있어서 실리콘 위스커(113)의 종 단면 형상과 함께 실리콘 위스커(113)의 횡단 단면 형상이 혼재한다. 도 1(B)에서는 원주 형상 또는 원뿔 형상의 돌기의 횡 단면 형상이기 때문에 횡단 단면 형상은 원형이지만 돌기가 각주 형상 또는 각뿔 형상이면 횡단 단면 형상은 다각 형상이 된다. 실리콘 위스커(113)의 종 방향이 일정하지 않으면, 돌기끼리 얽힌 경우가 있으므로, 축전 장치의 충전 및 방전에 있어서 돌기가 탈리하기 어렵다.
또한, 실리콘 위스커(113)의 성장 방향은 도 1(B)의 경우에 한정되지 않고, 종 방향이 한 방향, 예를 들어 집전체(101) 표면에 대하여 법선 방향으로 연장하여도 좋다. 또한, "실리콘 위스커(113)의 종 방향이 한 방향"이란 각각의 실리콘 위스커(113)에 있어서의 종 방향이 집전체(101) 표면에 대한 법선 방향과 대략 일치하면 좋고, 각각의 방향의 차이는 대표적으로는 5도 이내인 것이 바람직하다.
실리콘 위스커(113)는 금속층(102)에 포함되는 금속 원소를 촉매로서 성장하므로, 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 금속층(102)과 중첩하는 영역, 특히 금속층(102)의 가장자리부(에지(edge)부)와 중첩하는 영역에 있어서 밀도 높게 형성된다. 이와 같이, 금속층(102)을 선택적으로 형성함으로써 집전체(101) 위에 있어서 실리콘 위스커(113)의 발생 영역(결정성 실리콘의 핵 발생 영역이라고 바꿔 말할 수 있음)을 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 실리콘 위스커(113)는 금속층(102)의 가장자리부와 중첩하는 영역에 있어서, 높은 밀도로 배치되므로, 금속층(102)은 가장자리부를 갖는 형상, 예를 들어 직사각형으로 형성하는 것이 바람직하다. 금속층(102)의 크기, 및 금속층(102)의 하나와 다른 금속층(102)과의 거리는, 적절히 설정할 수 있지만, 금속층(102)을 미세하게 형성함으로써 핵 발생 영역을 증가시킬 수 있으므로 바람직하다.
또한, 금속층(102)은 가장자리부를 갖는 것이 바람직하고, 그 형상은 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시한 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2(A)에 도시한 바와 같이, 집전체(101) 위에 금속층을 형성한 후, 상기 금속층을 하프 에칭함으로써, 요철(凹凸)을 갖는 금속층(102a)으로 하여도 좋다. 또는, 집전체(101) 위에 금속층을 형성한 후, 상기 금속층에 샌드블라스트(sandblasting)법 등에 의한 처리를 실시함으로써 표면에 요철 형상을 형성하여도 좋다. 또는, 이들을 조합하여 금속층을 형성하여도 좋다.
본 실시형태에 나타낸 축전 장치의 전극은, 집전체 및 활물질층으로서 기능하는 결정성 실리콘층 사이에 적어도 금속층을 갖는다. 그래서, 활물질층에 있어서 실리콘 위스커를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 또한 그 발생 영역을 제어할 수 있게 된다. 이로써, 전극의 방전 용량을 높일 수 있다. 또한, 집전체, 또는 금속층과, 활물질층으로서 기능하는 결정성 실리콘층과의 사이에 혼합 영역을 갖는 것이 바람직하다. 혼합 영역을 가짐으로써 집전체 또는 금속층과 결정성 실리콘층과의 사이의 계면 저항을 저감하고, 또 밀착성을 높일 수 있으므로 축전 장치의 열화를 저감할 수 있다.
또한, 도 1(A) 및 도 1(B)에 있어서는 집전체(101)는 박 형상, 판 형상, 또는 그물 형상의 도전성 부재로 형성되는 형태를 도시하였지만, 도 2(B)에 도시한 바와 같이, 기판(115) 위에 스퍼터링법, 증착법, 인쇄법, 잉크젯법, CVD법 등을 적절히 사용하여 집전체(111)를 형성할 수 있다.
<실험예 1>
실리콘 위스커를 포함하는 결정성 실리콘층을 축전 장치의 전극의 일부에 사용하는 경우의 효과를 확인하였다. 구체적으로는 음극의 활물질층으로서 실리콘 위스커를 포함하는 결정성 실리콘층을 사용한 축전 장치(실험예 1)와, 음극의 활물질층으로서 평탄한 결정성 실리콘층을 사용한 축전 장치(비교예)를 사용하여 이들의 특성을 비교하였다.
또한, 실험 예 1에 따른 축전 장치의 구성과, 비교예에 따른 축전 장치의 구성은, 음극의 활물질층을 제외하여 마찬가지의 구성으로 하였다. 즉, 본 실험예에 있어서 나타내는 결과는 음극의 활물질층의 차이에 기인하는 것이다.
실험예 1에 따른 축전 장치의 음극의 활물질층에는, 다수의 실리콘 위스커가 포함되어 있다. 그래서, 활물질층의 표면적은 활물질층이 평탄한 경우와 비교하여 크게 된다. 실리콘 위스커의 길이는, 긴 것으로 15μm 내지 20μm 정도이었다. 또한, 실리콘 위스커의 근본 부근에 있어서의 직경은 1μm 내지 2μm 정도이었다. 또한, 실리콘 위스커의 방향은 일정하지 않다.
비교예에 따른 축전 장치의 음극의 활물질층에는, 평탄한 결정성 실리콘층을 사용하였다. 상기 결정성 실리콘층은 플라즈마 CVD법에 의하여 형성된, 인이 첨가된 비정질 실리콘층을 열 처리하여 얻어진 것이다. 또한, 열 처리의 분위기는 Ar 분위기, 열 처리의 온도는 700℃, 열 처리의 시간은 6시간으로 하였다.
상술한 바와 같은 음극의 활물질층이 상이한 2종류의 축전 장치에 대하여 충방전 측정기를 사용하여 방전 용량을 측정하였다. 상기 측정은, 2.0mA의 전류를 약 0.2C의 레이트로 충전 및 방전하는 정전류 방식으로 행하였다. 상한 전압은 1.0V, 하한 전압은 0.03V로 하였다. 또한, 모든 측정은 실온(약 25℃)으로 행하였다.
상술한 방법에 의하여 구한 축전 장치의 초기 특성(활물질층의 단위 체적당의 방전 용량(mAh/cm3)의 초기 특성)은, 실험예 1에 따른 축전 장치로 7300mAh/cm3, 비교예에 따른 축전 장치로 4050mAh/cm3였다. 실험예 1에 따른 축전 장치에서는, 비교예에 따른 축전 장치의 1.8배 정도 큰 것을 알 수 있다. 또한, 여기서는 실험예 1에 따른 축전 장치의 활물질층의 두께를 3.5μm, 비교예에 따른 축전 장치의 활물질층의 두께를 3.0μm로서 방전 용량(mAh/cm3)을 산출하였다.
이와 같이, 본 실험예에 따른 축전 장치의 실제 용량은, 그 이론 용량(9800mAh/cm3)에 가까운 값을 갖고, 실리콘 위스커를 포함하는 결정성 실리콘층을 축전 장치의 전극의 일부로서 사용하는 것을 극히 유효하다는 것을 이해할 수 있다.
<실험예 2>
본 실험예에 있어서는, 서로 이격한 상태로 배치된 복수의 직사각형의 금속층 위에 LPCVD법을 사용하여 실리콘층을 형성한 경우의 실리콘 위스커의 성장에 대하여 나타낸다.
본 실험예에 있어서는, 유리 기판 위에 스퍼터링법에 의하여 금속층으로서 막 두께 1μm의 티타늄층을 형성한 후, 상기 티타늄층을 에칭하여 복수의 직사각형의 티타늄층을 형성하였다. 그 후, 티타늄층 위에 LPCVD법을 사용하여 결정성 실리콘층을 형성하였다. LPCVD법에 의한 결정성 실리콘층의 형성은, 재료 가스로서 실란을 사용하고, 실란의 유량을 300sccm로서 반응실 내에 재료 가스를 도입하여 반응실 내의 압력을 20Pa로 하고, 반응실 내의 온도를 600℃로서 행하였다. 성막 시간은, 2시간 15분으로 하였다.
형성된 결정성 실리콘층의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 도 7(A) 및 도 7(B)에 도시한다. 또한, 도 7(A)는 배율 400배의 SEM 사진이고, 도 7(B)는 배율 3000배의 SEM 사진이다.
도 7(A) 및 도 7(B)에 도시한 바와 같이, 결정성 실리콘층에 있어서 실리콘 위스커는 금속층으로서 형성된 티타늄층 위에 선택적으로 성장하는 것을 알 수 있다. 또한, 실리콘 위스커의 성장의 방향은 일정하지 않고, 실리콘 위스커의 길이는 긴 것으로 15μm 내지 20μm 정도이었다. 또한, 실리콘 위스커의 근본 부근에 있어서의 직경은 1μm 내지 2μm 정도이었다.
또한, 실리콘 위스커는 티타늄층 위에 균일하게 발생하지 않고, 티타늄층의 가장자리부(에지부)에 있어서 그 외의 평면부보다 높은 밀도로 배치되어 있는 것을 확인되었다.
이상으로, 금속층(본 실험예에서는 티타늄층)을 형성함으로써 결정성 실리콘층에 있어서 실리콘 위스커를 효과적으로 발생시킬 수 있는 것이 제시되었다. 또한, 금속층의 배치 및 그 형상으로 실리콘 위스커의 발생 영역을 제어할 수 있게 되는 것이 제시되었다.
또한, 본 실시예에서는 금속층 및 결정성 실리콘층의 피형성 부재로서 유리 기판을 사용하지만, 집전체를 사용하는 경우도 실리콘 위스커의 발생을 단연히 제어할 수 있다.
이상, 본 실시형태에 의하여 방출 용량이 높은 축전 장치의 전극이 실현된다. 본 실시형태는, 다른 실시형태와 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 축전 장치의 구조에 대하여 도 3(A) 및 도 3(B)를 사용하여 설명한다.
우선, 축전 장치의 일례인 2차 전지의 구조에 대하여 설명한다. 2차 전지 중에서도 LiCoO2 등의 리튬 함유 금속 산화물을 사용한 리튬 이온 전지는, 방전 용량이 크고, 안전성이 높다. 따라서, 여기서는 2차 전지의 대표적인 예인 리튬 이온 전지의 구조에 대하여 설명한다.
도 3(A)는 축전 장치(151)의 평면도이며, 도 3(A)의 일점 쇄선(一点鎖線) A-B의 단면도를 도 3(B)에 도시한다.
도 3(A)에 도시한 축전 장치(151)는, 외장(外裝) 부재(153)의 내부에 축전 셀(155)을 갖는다. 또한, 축전 셀(155)에 접속하는 단자부(157), 단자부(159)를 갖는다. 외장 부재(153)에는 라미네이트 필름, 고분자 필름, 금속 필름, 금속 케이스, 플라스틱 케이스 등을 사용할 수 있다.
도 3(B)에 도시한 바와 같이, 축전 셀(155)은, 음극(163)과, 양극(165)과, 음극(163) 및 양극(165) 사이에 설치되는 세퍼레이터(separator; 167)와, 외장 부재(153) 중에 충전(充塡)되는 전해질(169)로 구성된다.
음극(163)은, 음극 집전체(171) 및 음극 활물질(173)을 포함하여 구성된다. 양극(165)은, 양극 집전체(175) 및 양극 활물질층(177)을 포함하여 구성된다. 음극 활물질(173)은, 음극 집전체(171)의 한쪽 면, 또는 양쪽 면에 형성된다. 양극 활물질층(177)은, 양극 집전체(175)의 한쪽 면, 또는 양쪽 면에 형성된다.
또한, 음극 집전체(171)는, 단자부(159)와 접속한다. 또한, 양극 집전체(175)는 단자부(157)와 접속한다. 또한, 단자부(157) 및 단자부(159)는, 각각 일부가 외장 부재(153)의 외측에 도출(導出)된다.
또한, 본 실시형태에서는, 축전 장치(151)로서 밀폐된 박형 축전 장치를 나타내지만, 버튼(button)형 축전 장치, 원통형(圓筒形) 축전 장치, 각형(角形) 축전 장치 등 다양한 형상의 축전 장치를 실현할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 적층된 구조를 나타내지만, 양극, 음극, 및 세퍼레이터 모두가 감겨진 구조라도 좋다.
음극 집전체(171)는, 실시형태 1에 나타내는 집전체(101, 111)를 사용할 수 있다.
음극 활물질(173)에는, 실시형태 1에 나타낸 결정성 실리콘층으로 형성되는 활물질층(103)을 사용할 수 있다. 또한, 결정 실리콘층에 리튬을 프리 도핑(pre-doping)하여도 좋다. 또한, LPCVD 장치에 있어서 음극 집전체(171)를 프레임형의 서셉터(susceptor)로 유지하면서, 결정성 실리콘층으로 형성되는 활물질층(103)을 형성함으로써 음극 집전체(171)의 양쪽 면에 동시에 활물질층(103)을 형성할 수 있으므로, 공정 수를 삭감할 수 있다.
양극 집전체(175)에는, 알루미늄, 스테인리스 등을 사용한다. 양극 집전체(175)에는, 박 형상, 판 형상, 그물 형상 등의 형상을 적절히 사용할 수 있다.
양극 활물질층(177)은, LiFeO2, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiCoPO4, LiNiPO4, LiMn2PO4, 그 이외의 리튬 화합물, 또는 V2O5, Cr2O5, MnO2를 재료로서 사용할 수 있다. 또한, 캐리어 이온은 리튬 이외의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토류 금속 이온으로 하는 경우에는, 양극 활물질층(177)의 상기 리튬 화합물에 있어서 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 나트륨이나 칼륨)이나 알칼리 토류 금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨), 베릴륨, 마그네슘을 사용할 수도 있다.
전해질(169)의 용질은, 캐리어 이온인 리튬 이온을 이송할 수 있고, 또 리튬 이온이 안정적으로 존재하는 재료를 사용한다. 전해질의 용질의 대표적인 예로서, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiPF6, Li(C2F5SO2)2N 등의 리튬염이 있다. 또한, 캐리어 이온을 리튬 이외의 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토류 금속 이온으로 하는 경우에는, 전해질(169)의 용질로서 나트륨염, 칼륨염 등의 알칼리 금속염이나, 칼슘염, 스트론튬염, 바륨염 등의 알칼리 토류 금속염, 베릴륨염, 마그네슘염 등을 적절히 사용할 수 있다.
또한, 전해질(169)의 용매로서는, 캐리어 이온인 리튬 이온을 이송할 수 있는 재료를 사용한다. 전해질(169)의 용매로서는, 비프로톤성 유기 용매(aprotic organic solvent)가 바람직하다. 비프로톤성 유기 용매의 대표적인 예로서는, 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트, γ-부티로락톤, 아세토니트릴, 디메톡시에탄, 테트라하이드로푸란 등이 있고, 이들의 하나 또는 복수를 사용할 수 있다. 또한, 전해질(169)의 용매로서 겔(gel)화되는 고분자 재료를 사용함으로써, 누액성(liquid leakage)을 포함한 안정성이 높아진다. 또한, 축전 장치(151)의 박형화 및 경량화가 가능하다. 겔화되는 고분자 재료의 대표적인 예로서는, 실리콘 겔, 아크릴 겔, 아크릴로니트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 불소계 폴리머 등이 있다.
또한, 전해질(169)로서, Li3PO4 등의 고체 전해질을 사용할 수 있다.
세퍼레이터(167)에는, 절연성의 다공체(多孔體)를 사용한다. 세퍼레이터(167)의 대표적인 예로서는, 셀룰로오스(종이), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있다.
리튬 이온 전지는, 메모리 효과가 작고, 에너지 밀도가 높고, 방전 용량이 크다. 또한, 동작 전압이 높다. 또한, 이들에 의하여 소형화 및 경량화가 가능하다. 또한, 충전 및 방전의 반복으로 인한 열화가 적고, 장기간 동안 사용할 수 있고, 비용을 삭감할 수 있다.
다음에, 축전 장치의 다른 예인 커패시터의 구조에 대하여 설명한다. 커패시터의 대표적인 예로서는, 2중층 커패시터, 리튬 이온 커패시터 등이 있다.
커패시터의 경우는, 도 3(A)에 도시한 2차 전지의 양극 활물질층(177) 대신에 리튬 이온 및/또는 음이온(anion)을 가역적(可逆的)으로 흡장(吸藏)할 수 있는 재료를 사용하면 좋다. 양극 활물질층(177)의 대표적인 예로서는, 활성탄(活性炭), 도전성 고분자, 폴리아센 유기 반도체(PAS)가 있다.
리튬 이온 커패시터는, 충전 및 방전의 효율이 높고, 급속하게 충전하거나 방전하는 것이 가능하고, 반복적으로 사용하여도 수명이 길다.
이들의 커패시터에 있어서도, 음극으로서 실시형태 1에 나타낸 집전체 및 활물질층을 포함하는 전극을 사용함으로써, 방전 용량이 높은 축전 장치를 제작할 수 있다.
또한, 개시하는 발명의 일 형태인 전극을 사용하는 축전 장치는, 상술한 내용에 한정되지 않는다. 예를 들어, 축전 장치의 다른 일 형태인 공기 전지의 음극으로서 실시형태 1에 나타낸 집전체 및 활물질층을 포함하는 전극을 사용할 수도 있다. 이 경우에도 방전 용량이 높은 축전 장치를 제작할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 실시형태 2에서 설명한 축전 장치의 응용 형태에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다.
실시형태 2에서 설명한 축전 장치는, 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말, 음향 재생 장치 등의 전자 기기에 사용할 수 있다. 또한, 전기 자동차, 하이브리드 자동차(hybrid vehicle), 철도용 전기 차량, 작업차(作業車), 카트(cart), 휠체어(Wheelchair) 등의 전기 추진 차량에 사용할 수 있다. 여기서는, 전기 추진 차량의 대표적인 예로서 휠체어를 사용하여 설명한다.
도 4는 전동식(電動式)의 휠체어(501)의 사시도이다. 전동식의 휠체어(501)는, 사용자가 앉는 좌석부(座席部; 503), 좌석부(503)의 후방(後方)에 설치된 등받이(backrest; 505), 좌석부(503)의 앞면의 아래쪽에 설치된 풋 레스트(footrest; 507), 좌석부(503)의 좌우에 설치된 암 레스트(armrest; 509), 등받이(505)의 위의 뒤쪽에 설치된 핸들(handle; 511)을 갖는다. 암 레스트(509)의 한쪽에는 휠체어의 동작을 제어하는 컨트롤러(513)가 설치된다. 좌석부(503) 아래쪽의 프레임(515)을 사이에 두고 좌석부(503) 앞면의 아래쪽에는 한 쌍의 전륜(前輪; 517)이 설치되고, 좌석부(503)의 뒷면 아래쪽에는 한 쌍의 후륜(後輪; 519)이 설치된다. 후륜(519)은, 모터(motor), 브레이크(brake), 기어(gear) 등을 갖는 구동부(521)에 접속된다. 좌석부(503)의 아래쪽에는, 배터리(battery), 전력 제어부, 제어 수단 등을 갖는 제어부(523)가 설치된다. 제어부(523)는, 컨트롤러(513) 및 구동부(521)와 접속되고, 사용자가 컨트롤러(513)를 조작함으로써, 제어부(523)를 통하여 구동부(521)가 구동하여 전동식의 휠체어(501)의 전진(前進), 후진(後進), 선회(旋回) 등의 동작 및 속도를 제어한다.
실시형태 2에서 설명한 축전 장치를 제어부(523)의 전원으로서 사용할 수 있다. 제어부(523)의 전원은, 플러그-인(plug-in) 기술이나 비접속 급전에 의한 외부로부터 전력을 공급함으로써 충전할 수 있다. 또한, 전기 추진 차량이 철도용 전기 차량인 경우, 가선(架線)이나 도전 궤조(導電軌條)로부터 전력을 공급함으로써 충전할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 무선 급전 시스템(이하, RF 급전 시스템이라고 부름)에 사용한 경우의 일례를, 도 5 및 도 6의 블록도를 사용하여 설명한다. 또한, 각 블록도에서는, 수전(受電) 장치 및 급전 장치 내의 구성 요소를 기능마다 분류하고, 서로 독립한 블록으로서 도시하였지만, 실제의 구성 요소는 기능마다 완전히 분류하기 어렵고, 하나의 구성 요소가 복수의 기능에 관련될 수도 있다.
우선, 도 5를 사용하여 RF 급전 시스템에 대하여 설명한다.
수전 장치(600)는, 급전 장치(700)로부터 공급된 전력으로 구동하는 전자 기기 또는 전기 추진 차량이지만, 이 이외에 전력으로 구동하는 장치에 적절히 적용할 수 있다. 전자 기기의 대표적인 예로서는, 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라, 디지털 포토 프레임, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대형 게임기, 휴대 정보 단말, 음향 재생 장치, 표시 장치, 컴퓨터 등이 있다. 또한, 전기 추진 차량의 대표적인 예로서는, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 철도용 전기 차량, 작업차, 카트, 휠체어 등이 있다. 또한, 급전 장치(700)는, 수전 장치(600)에 전력을 공급하는 기능을 갖는다.
도 5에 있어서, 수전 장치(600)는, 수전 장치부(601)와 전원 부하부(610)를 갖는다. 수전 장치부(601)는, 수전 장치용 안테나 회로(602)와, 신호 처리 회로(603)와, 2차 전지(604)를 적어도 갖는다. 또한, 급전 장치(700)는, 급전 장치용 안테나 회로(701)와, 신호 처리 회로(702)를 적어도 갖는다.
수전 장치용 안테나 회로(602)는, 급전 장치용 안테나 회로(701)가 발신하는 신호를 받거나, 또는 급전 장치용 안테나 회로(701)에 신호를 발신하는 역할을 갖는다. 신호 처리 회로(603)는, 수전 장치용 안테나 회로(602)가 수신한 신호를 처리하고, 2차 전지(604)의 충전, 및 2차 전지(604)로부터 전원 부하부(610)로의 전력의 공급을 제어한다. 또한, 신호 처리 회로(603)는 수전 장치용 안테나 회로(602)의 동작을 제어한다. 즉, 수전 장치용 안테나 회로(602)로부터 발진하는 신호의 강도, 주파수 등을 제어할 수 있다. 전원 부하부(610)는, 2차 전지(604)로부터 전력을 받고, 수전 장치(600)를 구동하는 구동부이다. 전원 부하부(610)의 대표적인 예로서는, 모터, 구동 회로 등이 있지만, 그 이외의 전력을 받아 수전 장치를 구동하는 장치를 적절히 사용할 수 있다. 또한, 급전 장치용 안테나 회로(701)는, 수전 장치용 안테나 회로(602)에 신호를 송신하거나, 또는 수전 장치용 안테나 회로(602)로부터의 신호를 받는 역할을 갖는다. 신호 처리 회로(702)는, 급전 장치용 안테나 회로(701)가 수신한 신호를 처리한다. 또한, 신호 처리 회로(702)는, 급전 장치용 안테나 회로(701)의 동작을 제어한다. 즉, 급전 장치용 안테나 회로(701)로부터 발신하는 신호의 강도, 주파수 등을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지는, 도 5에서 설명한 RF 급전 시스템에 있어서의 수전 장치(600)가 갖는 2차 전지(604)로서 이용된다.
RF 급전 시스템에 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 이용함으로써, 종래의 2차 전지와 비교하여 축전량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 무선 급전의 시간 간격을 연장시킬 수 있다(몇 번에 걸쳐 급전하는 횟수를 줄일 수 있다).
또한, RF 급전 시스템에 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 이용함으로써 전원 부하부(610)를 구동할 수 있는 축전량이 종래와 동일하면, 수전 장치(600)의 소형화 및 경량화가 가능하다. 따라서, 합계 비용을 저감시킬 수 있다.
다음에, RF 급전 시스템의 다른 예에 대해서 도 6을 사용하여 설명한다.
도 6에 있어서, 수전 장치(600)는 수전 장치부(601)와, 전원 부하부(610)를 갖는다. 수전 장치부(601)는, 수전 장치용 안테나 회로(602)와, 신호 처리 회로(603)와, 2차 전지(604)와, 정류 회로(605)와, 변조 회로(606)와, 전원 회로(607)를 적어도 갖는다. 또한, 급전 장치(700)는 급전 장치용 안테나 회로(701)와, 신호 처리 회로(702)와, 정류 회로(703)와, 변조 회로(704)와, 복조 회로(705)와, 발진 회로(706)를 적어도 갖는다.
수전 장치용 안테나 회로(602)는, 급전 장치용 안테나 회로(701)가 발신하는 신호를 받거나, 또는 급전 장치용 안테나 회로(701)에 신호를 발신하는 역할을 갖는다. 급전 장치용 안테나 회로(701)가 발신하는 신호를 받는 경우, 정류 회로(605)는 수전 장치용 안테나 회로(602)가 수신한 신호로부터 직류 전압을 생성하는 역할을 갖는다. 신호 처리 회로(603)는 수전 장치용 안테나 회로(602)가 수신한 신호를 처리하고, 2차 전지(604)의 충전, 2차 전지(604)로부터 전원 회로(607)로의 전력의 공급을 제어하는 역할을 갖는다. 전원 회로(607)는, 2차 전지(604)가 축전하는 전압을 전원 부하부(610)가 필요한 전압으로 변환하는 역할을 갖는다. 변조 회로(606)는, 수전 장치(600)로부터 급전 장치(700)로 어떠한 응답 신호를 송신하는 경우에 사용된다.
전원 회로(607)를 가짐으로써, 전원 부하부(610)에 공급하는 전력을 제어할 수 있다. 따라서, 전원 부하부(610)에 과전압이 인가되는 것을 저감할 수 있고, 수전 장치(600)의 열화나 파괴를 저감시킬 수 있다.
또한, 변조 회로(606)를 가짐으로써, 수전 장치(600)로부터 급전 장치(700)에 신호를 송신할 수 있다. 따라서, 수전 장치(600)의 충전량을 판단하여 일정량의 충전이 행해진 경우에, 수전 장치(600)로부터 급전 장치(700)에 신호를 송신하고, 급전 장치(700)로부터 수전 장치(600)로의 급전을 정지시킬 수 있다. 결과적으로, 축전 장치(604)의 충전량을 100%로 하지 않는 것으로, 2차 전지(604)의 충전 가능한 횟수를 증가시킬 수 있다.
또한, 급전 장치용 안테나 회로(701)는, 수전 장치용 안테나 회로(602)에 신호를 송신하거나, 또는 수전 장치용 안테나 회로(602)로부터의 신호를 받는 역할을 갖는다. 수전 장치용 안테나 회로(602)에 신호를 송신하는 경우, 신호 처리 회로(702)는, 수전 장치에 송신하는 신호를 생성한다. 발진 회로(706)는, 일정한 주파수의 신호를 생성하는 회로이다. 변조 회로(704)는 신호 처리 회로(702)가 생성한 신호와 발진 회로(706)에서 생성된 일정한 주파수의 신호에 따라, 급전 장치용 안테나 회로(701)에 전압을 인가하는 역할을 갖는다. 이로써, 급전 장치용 안테나 회로(701)로부터 신호가 출력된다. 한편, 수전 장치용 안테나 회로(602)로부터 신호를 받는 경우, 정류 회로(703)는 받은 신호를 정류하는 역할을 갖는다. 복조 회로(705)는, 정류 회로(703)가 정류한 신호로부터 수전 장치(600)가 급전 장치(700)에 송신한 신호를 추출한다. 신호 처리 회로(702)는 복조 회로(705)에 의하여 추출된 신호를 해석하는 역할을 갖는다.
또한, RF 급전을 행할 수 있다면, 각 회로의 사이에 어떤 회로가 형성되어도 좋다. 예를 들어, 수전 장치(600)가 신호를 수신하고 정류 회로(605)에서 직류 전압을 생성한 후에, 후단에 DC-DC컨버터나 레귤레이터 등의 회로를 형성하여 정전압을 생성하여도 좋다. 이로써, 수전 장치(600) 내부에 과인의 전압이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지는 도 6에서 설명한 RF 급전 시스템에 있어서의 수전 장치(600)가 갖는 2차 전지(604)로서 이용된다.
RF 급전 시스템에 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 이용함으로써, 종래의 2차 전지와 비교하여 축전량을 증가시킬 수 있기 때문에, 무선 급전의 간격을 연장시킬 수 있다(몇 번에 걸쳐 급전하는 횟수를 줄일 수 있다).
또한, RF 급전 시스템에 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 이용함으로써, 전원 부하부(610)를 구동할 수 있는 축전량이 종래와 동일하면, 수전 장치(600)의 소형화 및 경량화가 가능하다. 따라서, 합계 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, RF 급전 시스템에 본 발명의 일 형태에 따른 2차 전지를 이용하여 수전 장치용 안테나 회로(602)와 2차 전지(604)를 중첩하는 경우는, 2차 전지(604)의 충전 및 방전에 의하여 2차 전지(604)의 형상이 변화되고, 상기 형상의 변화에 따른 안테나의 변화에 의하여 수전 장치용 안테나 회로(602)의 임피던스가 변화되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 안테나의 임피던스가 변화되면, 충분한 전력이 공급되지 않을 가능성이 있기 때문이다. 예를 들어, 2차 전지(604)를 금속제(金屬製) 또는 세라믹스제의 전지 팩에 장전(裝塡)하면 좋다. 또한, 그 때 수전 장치용 안테나 회로(602)와 전지 팩은 수십μm 이상 이격해 두는 것이 바람직하다.
또한, 충전용의 신호의 주파수는 특별히 한정은 없고, 전력이 전송될 수 있는 주파수라면 어느 대역이라도 상관없다. 충전용 신호는, 예를 들어 135kHz의 LF 대역(장파)이라도 좋고, 13.56MHz의 HF 대역이라도 좋고, 900MHz 내지 1GHz의 UHF 대역이라도 좋고, 2.45GHz의 마이크로파 대역이라도 좋다.
또한, 신호의 전송 방식으로서 전자 결합 방식, 전자 유도 방식, 공명 방식, 마이크로파 방식 등 다양한 종류가 있지만, 적절히 선택하면 좋다. 다만, 비, 진흙 등의 수분을 포함한 이물(異物)로 인한 에너지의 손실을 억제하기 위해서는, 주파수가 낮은 대역, 구체적으로는 단파인 3MHz 내지 30MHz, 중파인 300kHz 내지 3MHz, 장파인 30kHz 내지 300kHz, 및 초장파인 3kHz 내지 30kHz의 주파수를 이용한 전자 유도 방식, 공명 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 조합하여 실시할 수 있다.
101: 집전체 102: 금속층
103: 활물질층 105: 영역
107a: 혼합 영역 107b: 혼합 영역
109a: 금속 산화물층 109b: 금속 산화물층
113: 실리콘 위스커

Claims (13)

  1. 축전 장치의 제작 방법으로서,
    제 1 금속 원소를 포함하는 집전체 위에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 에칭하여 패터닝된 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 패터닝된 금속층 위에 복수의 실리콘 위스커를 포함하는 활물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 금속층은 상기 제 1 금속 원소와 상이한 제 2 금속 원소를 포함하고,
    상기 패터닝된 금속층의 가장자리부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도는 상기 패터닝된 금속층의 평면부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도보다 높은, 축전 장치의 제작 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 축전 장치의 제작 방법으로서,
    제 1 금속 원소를 포함하는 집전체 위에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 에칭하여 직사각형 형상의 패터닝된 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 패터닝된 금속층 위에 복수의 실리콘 위스커를 포함하는 활물질층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 금속층은 상기 제 1 금속 원소와 상이한 제 2 금속 원소를 포함하고,
    상기 패터닝된 금속층의 가장자리부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도는 상기 패터닝된 금속층의 평면부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도보다 높은, 축전 장치의 제작 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 원소는 실리사이드를 형성하는 원소인, 축전 장치의 제작 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 원소는 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 및 니켈로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 금속 원소인, 축전 장치의 제작 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 활물질층은 실리콘을 함유하는 퇴적성 가스를 사용하는 LPCVD법에 의하여 형성되는, 축전 장치의 제작 방법.
  11. 축전 장치로서,
    제 1 금속 원소를 포함하는 집전체;
    상기 집전체 위의 직사각형 형상을 가지는 금속층; 및
    상기 금속층과 상기 집전체 위에 있고, 복수의 실리콘 위스커를 포함하는 활물질층을 포함하고,
    상기 금속층은 상기 제 1 금속 원소와 상이한 제 2 금속 원소를 포함하고,
    상기 금속층의 가장자리부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도는 상기 금속층의 평면부 상의 상기 복수의 실리콘 위스커의 밀도보다 높은, 축전 장치.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    실리콘과 상기 제 1 금속 원소를 포함하는 제 1 혼합 영역은 상기 활물질층과 상기 금속층 사이에 제공되고,
    실리콘과 상기 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 혼합 영역은 상기 활물질층과 상기 집전체 사이에 제공되는, 축전 장치.
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