KR101822065B1 - 수전 기기 및 무선 급전 시스템 - Google Patents

수전 기기 및 무선 급전 시스템 Download PDF

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은, 노이즈(noise)의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 수전(受電) 기기와, 송전(送電) 기기를 사용한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템을 제공한다.
용량 결합 방식의 무선 급전 시스템이고, 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극 및 배터리를 갖는 수전 기기와, 제 2 전극을 갖는 송전 기기를 사용하여 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 직류 전압으로 배터리가 충전된다. 또한, 충전 제어 회로로부터 제 1 전극에 양의 직류 전압이 인가됨으로써 배터리의 충전이 정지되어도 좋다.

Description

수전 기기 및 무선 급전 시스템{POWER RECEIVING DEVICE AND WIRELESS POWER FEED SYSTEM}
본 발명의 기술 분야는 용량 결합 방식을 이용한 수전 기기 및 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템에 관한 것이다.
근년에 들어, 전기를 원동력(原動力)으로 하는 전자 디바이스는, 휴대 전화, 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 모바일 기기로 대표되는 바와 같이, 휴대하여 이용하는 경우가 많다. 또한, 환경면에서도 클린(clean)하고 안정하다는 관점에서 전기가 원동력인 자전거나 자동차 등의 이동 수단이 개발되고 있다.
이와 같이, 행선지, 또는 이동하면서 사용하는 전자 디바이스나 이동 수단에 있어서는, 각 건물에 배전(配電)되는 상용(商用) 전원으로부터 항상 유선으로 전력을 공급하는 것은 어렵다. 따라서, 휴대용 전자 디바이스나 이동 수단은, 상용 전원으로부터 전력을 미리 충전한 배터리를 탑재하여 상기 배터리로부터 전력을 공급함으로써 동작한다.
따라서, 전자 디바이스의 동작 시간은 배터리의 축전량에 따라 제한되어, 연속적으로 장시간 동안 이용하기 위하여는 이용자는 예비 배터리를 준비하거나 또는 행선지에서 배터리를 재충전(再充電)할 수 있는 상용 전원을 찾을 필요가 있었다. 그래서, 상용 전원이 없는 경우라도 배터리에 급전할 수 있도록 비접촉 방식에 의한 급전 시스템이 제안되어 있다.
비접촉 방식에 의한 급전 시스템으로서, 전자 유도 방식, 전자파 송신 방식, 전자장 공명 방식, 전계 결합 방식 등이 있다.
전자 유도 방식이란, 인접하는 코일 중의 한쪽 코일에 전류를 흘림으로써 발생하는 자속(磁束)을 매개하여 다른 쪽의 코일에 기전력을 발생시키는 방식이다. 전자파 송신 방식이란, 공급 전력을 전자파로 변환하여 안테나를 통하여 마이크로파 등으로 송신하는 방식이다. 그리고, 전자장 공명 방식은 전자파의 공명 현상을 이용하는 방식이다.
또한, 전계 결합 방식은 용량 결합 방식이라고도 불리고, 송전측(送電側)의 기기와 수전측(受電側)의 기기 각각에 전극을 설치하여 전극간에 발생하는 전계를 이용하여 전력을 전송하는 방식이다. 전계 결합 방식은 높은 전송 효율을 갖고, 수전측의 기기의 배치 위치에 비교적 큰 마진(margin)을 갖는 점에서 주목을 받고 있다.
전계 결합 방식의 급전 시스템으로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 유전성 물질을 통하여 전기를 반송하는 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시되는 장치에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 고압 고주파 발생기(501)는 한쪽의 단자가 수동 전극(502)에 연결되고, 다른 쪽의 단자가 능동 전극(503; 발생 전극이라고도 한다)에 연결된다. 능동 전극(503)은 수동 전극(502)보다 사이즈가 작다. 또한, 능동 전극(503)은 에너지가 집중하는 강한 전자장(電磁場)의 존(zone; 504)를 생성한다.
고압 고주파 전하(505)는, 한쪽에서는 전극(506; 기전 전극이라고도 한다)에 연결되어, 다른 쪽에서는 전극(507; 수동 전극이라고도 한다)에 연결된다. 전극(506)은 강한 전자장의 존(504)에 배치된다.
또한, 전계 결합 방식의 급전 시스템에서는, 고주파 노이즈에 의하여 수전 기기 또는 송전 기기의 정전(靜電) 파괴나 오동작을 일으키는 경우가 있다. 고주파 노이즈로서는, 예를 들어 정전기 방전(ESD: Electrostatic discharge)이나, 대기 중에 존재하는 전자파 등을 들 수 있다.
그래서, 고주파 노이즈의 영향을 억제하는 기법 중의 하나로서 급전 시스템의 수전 기기 또는 송전 기기에 고주파 노이즈를 차단하기 위한 필터를 설치하는 경우가 있다.
일본국 특표2009-531009호 공보
고주파 노이즈를 차단하기 위한 필터를 급전 시스템의 수전 기기에 설치하면, 필터분만큼 수전 기기가 두껍게 되어 대형화된다.
본 발명의 일 형태에서는, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 수전 기기와 송전 기기를 사용한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다. 또는, 본 발명의 다른 일 형태에서는 전계를 이용하여 무선 급전을 행하는, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 수전 기기를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 형태는, 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극, 및 배터리를 갖는 수전 기기와 제 2 전극을 갖는 송전 기기를 갖고, 제 1 전극과 제 2 전극의 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 배터리가 충전되는, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템이다. 또한, 본 발명의 다른 일 형태는, 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극, 및 배터리를 갖고 제 1 전극과 송전 기기가 갖는 제 2 전극 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 배터리가 충전되는 수전 기기이다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는, 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극, 배터리, 및 충전 제어 회로를 갖는 수전 기기와 제 2 전극을 갖는 송전 기기를 갖고, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 배터리가 충전되고, 충전 제어 회로로부터 제 1 전극에 양의 직류 전압이 인가됨으로써 배터리의 충전이 정지되는 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템이다. 또한, 본 발명의 일 형태는 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극, 배터리, 및 충전 제어 회로를 갖고, 제 1 전극과 송전 기기가 갖는 제 2 전극 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 배터리가 충전되고, 충전 제어 회로로부터 제 1 전극에 양의 직류 전압이 인가됨으로써 배터리의 충전이 정지되는 수전 기기이다.
또한, 산화물 반도체막의 나트륨 농도는 5×1016atoms/cm3 이하인 것이 바람직하다.
또한, 산화물 반도체막의 수소 농도는 5×1019atoms/cm3 이하인 것이 바람직하다.
또한, 배터리로서 리튬 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디칼 전지, 납 축전지, 공기 2차 전지, 니켈 아연 전지, 은 아연 전지 또는 콘덴서를 사용하여도 좋다.
또한, 수전 기기가 휴대 전화, 휴대 정보 단말, 카메라, 컴퓨터, 화상 재생 장치, IC 카드, 또는 IC 태그에 설치되어도 좋다.
또한, 송전 기기가 충전 시트에 설치되어도 좋다.
본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 노이즈의 영향을 받기 어렵고 소형화된 수전 기기와 송전 기기를 사용한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 형태에 따라, 전계를 이용하여 무선 급전을 행하는, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 수전 기기를 제공할 수 있다.
도 1은 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템의 구성의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 2는 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템의 구성의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 3(A) 내지 도 3(F)는 수전 기기를 갖는 전자 기기의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 4는 송전 기기를 갖는 전자 기기의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 5는 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템의 구성의 일례를 설명하기 위한 도면.
도 6(A) 및 도 6(B)는 용량값의 주파수 특성을 측정한 결과를 설명하기 위한 도면.
도 7(A) 및 도 7(B)는 C-V 특성을 측정한 결과를 설명하기 위한 도면.
본 발명을 설명하기 위한 실시형태의 일례에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되지 않는다. 또한, 도면을 참조하는 데에 동일한 것을 가리키는 부호를 상이한 도면간에서 공통적으로 사용하는 경우가 있다. 또한, 상이한 도면간에 있어서, 동일한 것을 가리킬 때에는, 같은 해치 패턴(hatch pattern)을 사용하고, 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
또한, 각 실시형태의 내용을 서로 적절히 조합할 수 있다. 또한, 각 실시형태의 내용을 서로 적절히 치환할 수 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
전계 결합 방식의 무선 급전 시스템은, 수전측의 전극과 송전측의 전극을 근접시킴으로써 전극간에 전계를 발생시켜 상기 전계를 이용하여 전력의 공급을 비접촉으로 행한다. 여기서, 전극간에는 용량이 발생하기 때문에, 전계 결합 방식은 용량 결합 방식이라고도 불린다.
도 1에 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템의 구성의 일례를 나타낸다. 도 1의 무선 급전 시스템에서는, 수전 기기(10)에 송전 기기(20)로부터 전력이 공급된다.
수전 기기(10)는 수전측 전극(102), 전력 변환부(104), 충전 회로(106), 전원 회로(108), 부하(110), 배터리(112), 및 배선(114)을 갖는다. 송전 기기(20)는 송전측 전극(202), 발진기(204), 및 배선(206)을 갖는다. 또한, 도 1에 있어서 수전측 전극(102)과 송전측 전극(202)간에서 발생하는 전계가 집중하는 영역을 영역(150)이라고 도시한다.
수전측 전극(102)으로서 산화물 반도체막을 사용한다.
산화물 반도체막에 사용하는 산화물 반도체는 적어도 In, Ga, Sn, 및 Zn으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 함유한다.
예를 들어, 4원계 금속의 산화물인 In-Sn-Ga-Zn계 산화물, In-Hf-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Hf-Zn계 산화물, In-Hf-Al-Zn계 산화물, 3원계 금속의 산화물인 In-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, In-Al-Zn계 산화물, Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Hf-Zn계 산화물, In-La-Zn계 산화물, In-Ce-Zn계 산화물, In-Pr-Zn계 산화물, In-Nd-Zn계 산화물, In-Sm-Zn계 산화물, In-Eu-Zn계 산화물, In-Gd-Zn계 산화물, In-Tb-Zn계 산화물, In-Dy-Zn계 산화물, In-Ho-Zn계 산화물, In-Er-Zn계 산화물, In-Tm-Zn계 산화물, In-Yb-Zn계 산화물, In-Lu-Zn계 산화물, 2원계 금속의 산화물인, In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, Zn-Mg계 산화물, Sn-Mg계 산화물, In-Mg계 산화물, In-Ga계 산화물이나, 산화인듐, 산화주석, 산화아연 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 산화물에 In, Ga, Sn, Zn 이외의 원소, 예를 들어 SiO2를 포함시켜도 좋다.
산화물 반도체막은, 수소 등의 불순물이 충분히 제거되고 또 충분한 산소가 공급된 것이다. 구체적으로는, 산화물 반도체막의 수소 농도는, 5×1019atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 한다.
이와 같이, 수소 농도가 충분히 저감되고 또 충분한 산소가 공급됨으로써, 산소 결핍(缺乏)에 기인하는 에너지 갭 중의 결함 준위가 저감된 산화물 반도체막에서는, 캐리어 농도가 1×1012atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1011atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 1.45×1010atoms/cm3 미만이 된다. 이와 같은 산화물 반도체막은 i형화(진성화) 또는 실질적으로 i형화되어 있다.
또한, 산화물 반도체막의 나트륨 농도는 5×1016atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1016atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체막의 리튬 농도는 5×1015atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이하로 한다. 또한, 산화물 반도체막의 칼륨 농도는 5×1015atoms/cm3 이하, 바람직하게는 1×1015atoms/cm3 이하로 한다.
리튬, 나트륨, 알칼리 금속 및 알칼리 토류 금속은 산화물 반도체에는 나쁜 성질을 갖는 불순물이기 때문에, 적으면 좋다. 특히, 나트륨은 산화물 반도체에 접하는 절연막이 산화물인 경우, 그 중에 확산되어 나트륨 이온(Na+)이 된다. 또한, 산화물 반도체 내에 있어서 금속과 산소의 결합을 분단하거나 또는 결합 중에 들어간다. 따라서, 산화물 반도체막 중의 수소 농도가 5×1019atoms/cm-3 이하, 특히 5×1018atoms/cm-3 이하인 경우에는 나트륨 농도, 리튬 농도, 및 칼륨 농도를 상기 값으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 산화물 반도체막의 수소 농도, 나트륨 농도, 리튬 농도, 및 칼륨 농도는 2차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectroscopy)에 의하여 측정된다.
수전측 전극(102)으로서 산화물 반도체막을 사용함으로써, 수전측 전극(102)을 로우 패스 필터(LPF: Low Pass Filter)로서 기능시킬 수 있다. 따라서, 수전측 전극(102)에 의하여 노이즈, 또는 대기 중에 존재하는 전자파로부터 수전 기기(10)를 보호할 수 있기 때문에, 수전 기기(10)의 정전 파괴나 오동작 등을 방지할 수 있다.
이와 같이, 수전측 전극(102)이 고주파를 차단하기 위한 기능을 갖기 때문에, 고주파 노이즈를 차단하기 위한 필터를 설치할 필요가 없다. 따라서, 필터를 설치하는 경우와 비교하여 수전 기기(10)를 얇게 하여 소형화할 수 있다.
예를 들어, 송전 기기(20)에 있어서, 정전기 방전(ESD)이 발생하여 수전 기기(10)에 대한 노이즈가 되는 경우가 있다. 여기서, 산화물 반도체막을 사용한 수전측 전극(102)에 의하여 정전기 방전으로부터 수전 기기(10)를 보호할 수 있기 때문에, 수전 기기(10)의 정전 파괴나 오동작 등을 방지할 수 있다.
또한, 대기 중에 존재하는 전자파로서 수전 기기(10)의 주변에 배치된 전자 기기로부터 발생한 신호에 포함되는 고주파 성분 등이 있다. 여기서, 산화물 반도체막을 사용한 수전측 전극(102)에 의하여 상기 전자 기기로부터 발생한 신호로부터 수전 기기(10)를 보호할 수 있기 때문에, 수전 기기(10)의 정전 파괴나 오동작 등을 방지할 수 있다.
또한, In-Ga-Zn계 산화물, In-Sn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, In-Al-Zn계 산화물, Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, 산화인듐, 산화주석, 산화아연 등의 산화물을 재료로서 사용함으로써 투명한 산화물 반도체막을 얻을 수 있다.
그리고, 투명한 산화물 반도체막을 수전측 전극(102)으로서 사용함으로써, 수전 기기(10)의 충전 형태의 폭을 확대할 수 있다. 예를 들어, 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템을 사용한 전자 기기의 표시부에 수전 기기(10)의 수전측 전극(102)을 형성할 수 있다. 이 경우, 전자 기기의 표시부를 송전 기기측에 근접시킴으로써, 전자 기기의 충전을 행할 수 있다.
전력 변환부(104)는 영역(150)에 따른 교류 전압으로부터 직류 전압을 생성한다. 전력 변환부(104)로서, 예를 들어 정류 회로를 사용한다.
충전 회로(106)는, 전력 변환부(104)가 생성한 직류 전압으로 배터리(112)를 충전한다. 또한, 충전 회로(106)로부터 전원 회로(108)에 직류 전압이 공급된다.
전원 회로(108)는, 충전 회로(106)로부터 공급된 직류 전압을 사용하여 부하(110)를 구동시키기 위하여 필요한 각종 전압을 생성하여 상기 전압을 부하(110)에 공급한다. 예를 들어, 전력 변환부(104)가 생성한 직류 전압이 일정하게 되도록 조절하여 고전원 전위 Vdd를 생성하고, 상기 고전원 전위 Vdd를 부하(110)에 공급한다. 또한, 충전 회로(106)로부터 충분한 전력이 공급될 수 없는 경우는, 배터리(112)로부터 전력이 공급됨으로써 고전원 전위 Vdd를 생성하여도 좋다.
부하(110)는 전원 회로(108)로부터 공급되는 고전원 전위 Vdd를 사용하여 동작하는, 각종 기능을 갖는 회로로 구성된다.
또한, 부하(110)의 구성은 수전 기기(10)를 갖는 전자 기기의 종류에 따라 상이하다. 예를 들어, 휴대 전화기나 카메라 등에 있어서는, 로직 회로, 증폭 회로, 메모리 컨트롤러 등이 부하(110)에 상당한다. 또한, IC 카드나 IC 태그 등에 있어서는, 고주파 회로 및 로직 회로 등이 부하(110)에 상당한다.
배터리(112)에는 반복적으로 충전 및 방전할 수 있는 전지를 사용할 수 있다. 배터리(112)는 전력 변환부(104)가 생성한 직류 전압이 공급됨으로써 충전되고, 전원 회로(108)를 통하여 배터리(112)에 충전된 전력을 부하(110)에 공급함으로써 방전된다.
배터리(112)로서, 예를 들어 시트 상태로 형성된 전지를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 리튬 전지를 들 수 있다. 리튬 전지 중에서도 겔(gel) 상태 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지나, 리튬 이온 전지, 리튬 2차 전지 등을 사용하면, 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 그 이외에도 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디칼 전지, 납 축전지, 공기 2차 전지, 니켈 아연 전지, 은 아연 전지 등의 충전 및 방전할 수 있는 전지를 사용하여도 좋다. 또한, 콘덴서를 사용하여도 좋고, 콘덴서로서는 적층 세라믹 콘덴서, 전기 2중층 콘덴서를 들 수 있다.
송전측 전극(202)에는 전극으로서 기능하는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 인듐 아연 산화물, 산화아연(ZnO), 및 산화주석(SnO2) 등의 투명한 재료를 사용할 수 있다. 또는, 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 탄탈(Ta), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 및 텅스텐(W) 등의 금속, 또는 이들을 포함하는 합금 등을 사용할 수 있다.
또한, 송전측 전극(202)을 박막을 사용하는 등의 방법에 의하여 가요성을 갖는 전극으로 하면, 송전 기기(20)를 만곡한 것에 설치하여 사용하는 등, 응용 범위를 확대할 수 있고, 또 송전측 전극(202)을 취급하기 쉽게 된다.
또한, 전극으로서 기능하는 재료로서, 인듐 주석 산화물(ITO: Indium Tin Oxide), 산화실리콘을 포함하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화 인듐 산화 아연(IZO: Indium Zinc Oxide) 등의 재료를 사용함으로써, 송전측 전극(202)을 투명 전극으로 할 수 있다.
또한, 송전측 전극(202)의 면적은, 수전측 전극(102)의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 송전측 전극(202)의 면적을 크게 함으로써 송전 기기(20)의 충전 가능 영역을 확대할 수 있기 때문에, 송전 기기(20)에 대한 수전 기기(10)의 위치 자유도를 향상시킬 수 있다.
여기서, 위치 자유도란, 송전 기기(20)로부터 떠난 방향(Z 방향)의 자유도가 아니라, 송전 기기(20)의 송전측 전극(202) 위(XY 평면)에서의 수전 기기(10)의 배치 자유도를 가리킨다.
전자 유도 방식의 급전 시스템이나 전자장 공명 방식의 급전 시스템에서는, 전력의 공급을 확실하게 행하기 위하여 송신측 기기와 수신측 기기의 위치 맞춤을 엄밀하게 행할 필요가 있다. 한편, 이들의 급전 시스템과 비교하여 전계 결합 방식의 급전 시스템에서는, 수전 기기(10)가, 송전 기기(20)의 충전 가능 영역(송전측 전극(202) 위 등의 송전측 전극(202)과 근접하는 위치)에 배치되면 좋기 때문에, 엄밀한 위치 맞춤을 행하지 않아도 좋다. 따라서, 수전 기기(10)의 충전을 용이하게 행할 수 있다.
또한, 송전측 전극(202)의 면적을 크게 함으로써, 1개의 송전 기기(20)에 대하여 복수의 수전 기기(10)를 대응시킬 수 있기 때문에, 1개의 송전 기기(20)를 사용하여 복수의 수전 기기(10)를 동시에 충전할 수 있다.
발진기(204)는, 교류 전압을 생성한다. 발진기(204)로서 예를 들어 교류 전원을 사용한다. 또한, 발진기(204)가 생성한 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 송전측 전극(202)과 발진기(204) 사이에 설치하여도 좋다.
배선(114) 및 배선(206)에는 각각 저전원 전위 Vss가 공급된다. 또한, 저전원 전위 Vss는 고전원 전위 Vdd에 대하여 Vss＜Vdd의 관계를 충족시킨다. 저전원 전위로서, 예를 들어 GND, 0V 등으로 설정할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 무선 급전 시스템의 구성에서는, 구성 요소를 기능마다 분류하여 서로 독립한 블록(block)으로 나타내지만, 실제의 구성 요소는 기능마다 완전히 분류하기 어렵고, 하나의 구성 요소가 복수의 기능에 관계하여 급전 시스템으로서 동작하는 경우가 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서 설명한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템에서는, 수전측 전극(102)으로서 산화물 반도체막을 사용함으로써, 수전측 전극(102)을 로우 패스 필터(LPF)로서 기능시킬 수 있다. 따라서, 수전측 전극(102)에 의하여 노이즈, 또는 대기 중에 존재하는 전자파로부터 수전 기기(10)를 보호할 수 있기 때문에, 수전 기기(10)의 정전 파괴나 오동작 등을 방지할 수 있다.
또한, 수전측 전극(102)이 로우 패스 필터(LPF)로서 기능하기 때문에, 고주파 노이즈를 차단하기 위한 필터를 설치할 필요가 없다. 따라서, 필터를 형성하는 경우와 비교하여 수전 기기(10)를 얇게 하여 소형화할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템의 구성의 일례를 도시한다. 도 2의 무선 급전 시스템의 수전 기기(12)는, 도 1의 무선 급전 시스템의 수전 기기(10)에 충전 제어 회로(120)를 설치한 것에 상당한다.
충전 제어 회로(120)는, 배터리(112)의 충전 · 비충전을 제어한다. 또한, 본 명세서에 있어서 충전을 정지하는 것을 비충전이라고 한다.
여기서, 수전측 전극(102)으로서 사용하는 산화물 반도체막은 양의 직류 전압을 인가함으로써 절연체로서 기능하는 막이 된다. 따라서, 충전 제어 회로(120)로부터 수전측 전극(102)에 양의 직류 전압을 인가함으로써, 배터리(112)의 충전을 정지할 수 있다. 또한, 양의 직류 전압이란, 송전측 전극(202)에 인가되는 교류 전압의 중심 전위를 기준으로 하여 양의 전위를 갖는 직류 전압을 가리킨다.
그리고, 배터리(112)를 충전하는 경우는, 상기 양의 직류 전압의 인가를 정지함으로써 산화물 반도체막을 도체(導體)로서 기능하는 막으로 한다. 그리고, 수전측 전극(102)과 송전측 전극(202) 사이에 전계를 형성함으로써, 수전 기기(10)에 송전 기기(20)로부터 전력을 공급함으로써 배터리(112)의 충전을 행할 수 있다.
이와 같이, 산화물 반도체막을 사용한 수전측 전극(102)에 대한 양의 직류 전압의 인가의 유무에 따라, 수전 기기(12)의 충전 · 비충전의 제어를 용이하게 행할 수 있다.
또한, 배터리(112)의 충전을 행할 필요가 없는 경우, 충전 제어 회로(120)에 의하여 수전측 전극(102)에 사용되는 산화물 반도체막을 절연체로서 기능하는 막으로 함으로써, 배터리(112)에 충전된 전력의 누설을 방지할 수 있다.
또한, 충전 제어 회로(120)는, 배터리(112)의 충전 상황을 감시(監視)하는 기능을 가져도 좋다. 예를 들어, 충전 제어 회로(120)는 배터리의 전압값을 감시할 수 있다.
그리고, 배터리(112)의 전압값이 소정의 값을 밑돌 경우, 충전 제어 회로(120)는 배터리(112)의 충전을 행한다. 또한, 배터리(112)의 전압값이 소정의 값 이상인 경우, 충전 제어 회로(120)는 배터리(112)의 충전을 정지한다.
이와 같이, 배터리(112)의 충전 상황에 따라, 충전 제어 회로(120)를 사용하여 배터리(112)의 충전 · 비충전을 제어함으로써, 배터리(112)의 충전을 행할 때에 과잉 충전 상태가 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 1개의 송전 기기(20)에 대하여 복수의 수전 기기(12)를 대응시키는 경우, 1개의 송전 기기(20)를 사용하여 복수의 수전 기기(12)를 동시에 충전할 수 있다. 여기서, 복수의 수전 기기(12) 중, 충전할 필요가 없는 수전 기기에 대하여 개별로 충전을 정지시킬 수도 있다. 따라서, 충전할 필요가 있는 수전 기기에 대하여 효율적으로 급전할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서 설명한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템에서는, 산화물 반도체막을 사용한 수전측 전극(102)에 양의 직류 전압을 인가함으로써 산화물 반도체막을 절연체로서 기능하는 막으로 하여 배터리(112)에 충전하는 것을 정지할 수 있다. 따라서, 배터리(112)에 대한 충전 · 비충전을 용이하게 제어할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 실시형태 1 및 실시형태 2에서 설명한 전계 결합 방식의 무선 급전 시스템에 사용되는 수전 기기를 갖는 전자 기기 및 송전 기기를 갖는 전자 기기에 대하여 도 3(A) 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
수전 기기를 갖는 전자 기기로서, 휴대 전화, 휴대 정보 단말(휴대형 컴퓨터, 휴대형 게임기, 및 전자 서적 등), 카메라(디지털 비디오 카메라 및 디지털 카메라 등), 컴퓨터, 기록 매체를 구비한 화상 재생 장치(구체적으로는, DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체를 재생하여 그 화상을 표시하는 표시부를 구비한 장치), IC 카드, IC 태그 등을 들 수 있다. 수전 기기를 갖는 전자 기기의 일례를 도 3(A) 내지 도 3(F)를 참조하여 설명한다.
도 3(A) 및 도 3(B)는 휴대 전화(652)의 일례이다. 또한, 도 3(B)는 도 3(A)의 이면(裏面)을 도시한 도면이다. 휴대 전화(652)는 본체(611), 음성 출력부(612), 음성 입력부(613), 표시부(614), 조작 키(615), 안테나(616), 전극(617) 등으로 구성된다. 또한, 본체(611)에는 배터리가 내장된다.
음성 출력부(612), 음성 입력부(613), 표시부(614), 및 조작 키(615) 등의 전자 부품이 실시형태 1 및 실시형태 2에서 설명한 수전 기기가 갖는 부하에 대응한다. 또한, 전극(617)이 수전 기기가 갖는 수전측 전극에 대응한다.
그리고, 송전측 전극을 갖는 송전 기기에 휴대 전화(652)를 근접시킴으로써, 전극(617)과 송전측 전극의 사이에 전계를 발생시켜 송전 기기로부터 휴대 전화(652)에 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 전극(617)으로서 산화물 반도체막을 사용함으로써, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 휴대 전화(652)를 얻을 수 있다.
도 3(C) 및 도 3(D)는 휴대형 컴퓨터(654; 노트형 컴퓨터라고도 한다)의 일례이다. 또한, 도 3(D)는 도 3(C)의 이면을 도시한 도면이다. 휴대형 컴퓨터(654)는 본체(621), 케이스(622), 표시부(623), 키보드(624), 외부 접속 포트(625), 포인팅 디바이스(626), 전극(627) 등으로 구성된다. 또한, 본체(621)에는 배터리가 내장된다.
표시부(623), 키보드(624), 외부 접속 포트(625), 및 포인팅 디바이스(626) 등의 전자 부품이 실시형태 1 및 실시형태 2에서 설명한 수전 기기가 갖는 부하에 대응한다. 또한, 전극(627)이 수전 기기가 갖는 수전측 전극에 대응한다.
그리고, 송전측 전극을 갖는 송전 기기에 휴대형 컴퓨터(654)를 근접시킴으로써, 전극(627)과 송전측 전극의 사이에 전계를 발생시켜 송전 기기로부터 휴대형 컴퓨터(654)에 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 전극(627)으로서 산화물 반도체막을 사용함으로써, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 휴대형 컴퓨터(654)를 얻을 수 있다.
또한, 도 3(D)에 있어서 전극(627)을 본체(621)에 설치함으로써 휴대형 컴퓨터(654)를 충전하면서 조작할 수 있다. 또는, 전극(627)을 케이스(622)에 설치하여도 좋다.
도 3(E) 및 도 3(F)는 디지털 카메라(656)의 일례이다. 또한, 도 3(F)는 도 3(E)의 이면을 도시한 도면이다. 디지털 카메라(656)는 케이스(631), 표시부(632), 렌즈(633), 조작 키(634), 조작 키(635), 전극(636) 등으로 구성된다. 또한, 케이스(631)에는 배터리가 내장된다.
또한, 디지털 카메라(656)에 안테나 등을 설치하여 안테나에서 영상 신호나 음성 신호 등의 신호를 수신함으로써 표시부(632)를 텔레비전 수상기 등의 표시 매체로서 기능시켜도 좋다.
표시부(632), 조작 키(634) 및 조작 키(635) 등의 전자 부품이 실시형태 1 및 실시형태 2에서 설명한 수전 기기가 갖는 부하에 대응한다. 또한, 전극(636)이 수전 기기가 갖는 수전측 전극에 대응한다.
그리고, 송전측 전극을 갖는 송전 기기에 디지털 카메라(656)를 근접시킴으로써, 전극(636)과 송전측 전극의 사이에 전계를 발생시켜 송전 기기로부터 디지털 카메라(656)에 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 전극(636)으로서 산화물 반도체막을 사용함으로써, 노이즈의 영향을 받기 어렵고, 소형화된 디지털 카메라(656)를 얻을 수 있다.
다음에, 송전 기기를 갖는 전자 기기의 일례를 도 4를 참조하여 설명한다. 송전 기기를 갖는 전자 기기로서, 예를 들어 충전 시트 및 식탁보(table cloth) 등의 시트 상태의 것을 들 수 있다. 그 이외에도, 테이블 및 선반 등의 가구(家具), 마루 및 벽 등의 건물의 일부에 송전 기기를 내장하여도 좋다.
도 4는 충전 시트(650)를 사용하여 수전 기기를 갖는 전자 기기를 충전하는 상태를 도시한다. 충전 시트(650)에는 실시형태 1 및 실시형태 2에서 설명한 송전 기기가 내장된다.
또한, 도 4에서는 수전 기기를 갖는 전자 기기로서, 휴대 전화(652), 휴대형 컴퓨터(654) 및 디지털 카메라(656)를 도시한다. 또한, 휴대 전화(652) 등은 수전 기기를 갖는 전자 기기의 일례이고, 이것에 한정되지 않는다.
휴대 전화(652), 휴대형 컴퓨터(654), 및 디지털 카메라(656)는 충전 시트(650) 위에 배치함으로써 동시에 충전을 행할 수 있다. 또한, 수전 기기를 갖는 전자 기기 모두가 항상 동시에 충전될 필요는 없다. 예를 들어, 실시형태 2에서 설명한 바와 같이, 복수의 수전 기기를 갖는 전자 기기의 각각이 충전 제어 회로에 의하여 충전 · 비충전이 제어되고, 충전 시트(650) 위에 배치된 복수의 수전 기기를 갖는 전자 기기 중에 충전을 행하지 않는 것이 있어도 좋다.
충전 시트(650) 전체 면에 송전측 전극을 형성한 경우, 충전 시트(650) 중의 적어도 일부와 수전 기기를 갖는 전자 기기의 수전측 전극이 근접함으로써 충전 시트(650)로부터 수전 기기를 갖는 전자 기기에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 휴대형 컴퓨터(654)에 형성된 전극(627)와 충전 시트(650)가 근접함으로써, 충전 시트(650)로부터 휴대형 컴퓨터(654)에 전력이 공급된다.
이와 같이, 충전 시트(650)의 전체 면에 송전측 전극을 설치함으로써, 수전 기기를 갖는 전자 기기의 충전을 행할 때는, 수전측 전극이 충전 시트(650)에 근접하면 좋다. 따라서, 수전 기기를 갖는 전자 기기의 충전 시트(650)에 대한 위치 자유도를 크게 할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 전극(627)이 충전 시트(650) 위에 배치되면 좋고, 휴대형 컴퓨터(654)의 전체 면이 충전 시트(650) 위에 배치될 필요는 없다.
또한, 충전 시트(650)의 전체 면에 송전측 전극을 설치하는 것이 아니라, 충전 시트(650)의 적어도 1개소의 임의의 영역에 송전측 전극을 설치하는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 상기 임의의 영역과 수전 기기를 갖는 전자 기기의 수전측 전극이 근접하도록 수전 기기를 갖는 전자 기기를 배치함으로써 충전 시트(650)로부터 수전 기기를 갖는 전자 기기에 전력을 공급할 수 있다.
이와 같이, 충전 시트(650)의 임의의 영역에 송전측 전극을 설치함으로써, 충전 시트(650)로부터 수전 기기를 갖는 전자 기기에 효율 좋게 전력을 공급할 수 있다. 또한, 송전측 전극의 면적을 작게 할 수 있기 때문에, 충전 시트(650)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 평가용 소자(TEG라고도 한다)를 사용하여 용량값의 주파수 특성 및 C-V 특성을 측정한 결과에 대하여 도 6(A) 내지 도 7(B)를 참조하여 설명한다.
평가용 소자로서, TEG-1 및 TEG-2를 사용하였다.
TEG-1은 상기 실시형태에서 설명한 무선 급전 시스템에 대응한다. TEG-1로서 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 사이에 두고 산화물 반도체층을 형성하였다. TEG-1에 있어서는 게이트 전극 및 산화물 반도체층으로 용량이 구성된다. 그리고, 산화물 반도체층에 접하는 금속층을 형성하였다.
TEG-1은 게이트 전극으로서 두께가 100nm의 텅스텐(W)층, 게이트 절연막으로서 두께가 100nm의 산화질화실리콘막을 사용하였다. 또한, 산화물 반도체층으로서, 두께가 25nm, 면적이 1000μm×1000μm의 산화아연으로 이루어지는 산화물(IGZO: Indium Gallium Zinc Oxide)막을 사용하였다. 또한, 금속층은 티타늄(Ti)층 위에 알루미늄(Al)층을 형성한 적층 구조를 사용하였다.
TEG-2는 TEG-1의 비교용으로서 제작된 평가용 소자이다. TEG-2로서, 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 사이에 두고 반도체층을 형성하고, 반도체층 위에 금속층을 형성하였다. TEG-2에 있어서는, 게이트 전극, 반도체층, 및 금속층으로 용량이 구성된다.
TEG-2는 게이트 전극으로서 두께가 100nm의 텅스텐(W)층, 게이트 절연막으로서 두께가 300nm의 산화질화실리콘막을 사용하였다. 또한, 반도체층은 두께가 25nm의 미결정 반도체막을 형성한 후, 표면 부근의 영역에 일 도전형을 부여하는 불순물 원소로서 인(P)을 첨가함으로써 형성하였다. 반도체층의 면적은 1000μm×1000μm로 하였다. 또한, 금속층은 티타늄(Ti)층 위에 알루미늄(Al)층을 형성한 적층 구조를 사용하였다.
<용량값의 주파수 특성>
용량값의 주파수 특성의 평가 방법으로서, TEG-1 및 TEG-2에 인가하는 교류 전압의 주파수 f(단위: Hz)를 60MHz 내지 1MHz의 범위에서 변화시킨 경우의 용량 C(단위: pF)를 측정하였다. 여기서, 측정 조건으로서 TEG-1 및 TEG-2의 금속층에 인가하는 직류 전압을 -30V 내지 5V 범위에서 변화시켰다.
용량값의 주파수 특성을 측정한 결과를 이하에 설명한다. 도 6(A)는 TEG-1의 측정 결과, 도 6(B)는 TEG-2의 측정 결과이다.
도 6(A)에 도시한 바와 같이, TEG-1에서는 주파수 f가 일정한 값을 초과하면 용량 C가 저하하였다. 그리고, 주파수 f가 1MHz의 고주파수가 되면, TEG-1이 용량으로서의 기능을 거의 다하지 않는 것이 확인되었다.
또한, 주파수 f는 게이트 전극에 인가하는 직류 전압의 크기에 의존하는 것이 확인되었다. 도 6(A)에서는, TEG-1이 용량으로서 기능하기 위하여는 직류 전압이 -5V 이하인 것이 필요하다고 생각되었다. 또한, TEG가 용량으로서 기능하기 위하여 필요한 직류 전압의 값은 산화물 반도체층의 특성에 의존한다.
한편, 도 6(B)에 도시한 바와 같이, TEG-2에서는 주파수 f가 1MHz의 고주파수가 되어도 용량으로서 기능하는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이, 상기 실시형태에서 설명한 무선 급전 시스템에 대응하는 TEG-1은, 인가하는 교류 전압의 주파수가 고주파가 되면 용량으로서 기능하지 않는 것이 확인되었다. 이로써, 전극으로서 산화물 반도체층을 사용함으로써 상기 산화물 반도체층이 고주파를 차단하는 로우 패스 필터(LPF)로서 기능하는 것이 확인되었다.
<C-V 특성>
C-V 특성의 평가 방법으로서, TEG-1 및 TEG-2의 게이트 전극에 인가하는 직류 전압 V(단위: V)를 -20V 내지 20V의 범위에서 변화시켰을 때의 용량 C(단위: pF)를 측정하였다. 여기서, 측정 조건으로서, TEG-1 및 TEG-2에 인가하는 교류 전압의 주파수를 60Hz 내지 1MHz의 범위에서 변화시켰다.
C-V 특성을 측정한 결과를 이하에 설명한다. 도 7(A)는 TEG-1의 측정 결과, 도 7(B)는 TEG-2의 측정 결과이다.
도 7(A)에 도시한 바와 같이, TEG-1에서는, 게이트 전극에 양의 직류 전압을 인가하면 용량으로서의 기능을 갖지 않는 소자가 되는 것이 확인되었다. 이것은, 양의 직류 전압을 인가함으로써, 전극으로서 사용하는 산화물 반도체층에 축적된 캐리어가 소실하고, 산화물 반도체층이 절연체로서 기능하는 막이 되기 때문이라고 생각되었다.
한편, 도 7(B)에 도시한 바와 같이, TEG-2에서는 양의 직류 전압을 인가하여도 용량으로서 기능하는 것이 확인되었다.
이상, 상기 실시형태에서 설명한 무선 급전 시스템에 대응하는 TEG-1은, 양의 직류 전압을 인가하면 용량으로서 기능하지 않는 것이 확인되었다. 따라서, 전극으로서 산화물 반도체층을 사용함으로써 직류 전압을 인가하면 상기 산화물 반도체층을 절연체로서 기능하는 막으로 될 수 있는 것이 확인되었다.
10: 수전 기기 20: 송전 기기
102: 수전측 전극 104: 전력 변환부
106: 충전 회로 108: 전원 회로
110: 부하 112: 배터리
114: 배선 150: 영역
202: 송전측 전극 204: 발진기
206: 배선

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극과;
    배터리와;
    충전 제어 회로를 포함하고,
    상기 배터리는 상기 제 1 전극과 송전 기기의 제 2 전극 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 충전되고,
    상기 배터리의 충전은 상기 충전 제어 회로로부터 상기 제 1 전극에 양의 직류 전압이 인가됨으로써 정지되는, 수전 기기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체막의 나트륨 농도는 5×1016atoms/cm3 이하인, 수전 기기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체막의 수소 농도는 5×1019atoms/cm3 이하인, 수전 기기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디칼 전지, 납 축전지, 공기 2차 전지, 니켈 아연 전지, 은 아연 전지, 또는 콘덴서를 포함하는, 수전 기기.
  6. 제 2 항에 따른 수전 기기를 포함하는 전자 기기는, 휴대 전화, 휴대 정보 단말, 카메라, 컴퓨터, 화상 재생 장치, IC 카드, 또는 IC 태그인, 전자 기기.
  7. 삭제
  8. 산화물 반도체막을 사용한 제 1 전극, 배터리, 및 충전 제어 회로를 포함하는 수전 기기와;
    제 2 전극을 포함하는 송전 기기를 포함하고,
    상기 배터리는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 발생하는 전계를 기초로 하여 생성된 전압으로 충전되고,
    상기 배터리의 충전은 상기 충전 제어 회로로부터 상기 제 1 전극에 양의 직류 전압이 인가됨으로써 정지되는, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체막의 나트륨 농도는 5×1016atoms/cm3 이하인, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체막의 수소 농도는 5×1019atoms/cm3 이하인, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디칼 전지, 납 축전지, 공기 2차 전지, 니켈 아연 전지, 은 아연 전지, 또는 콘덴서를 포함하는, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 수전 기기는 휴대 전화, 휴대 정보 단말, 카메라, 컴퓨터, 화상 재생 장치, IC 카드, 또는 IC 태그에 설치되는, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 송전 기기는 충전 시트에 설치되는, 용량 결합 방식의 무선 급전 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
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