KR20020028643A - 무선 신호와 외부전원에 의한 충전이 가능한 슈퍼캐페시터 내장형 스마트카드 - Google Patents

무선 신호와 외부전원에 의한 충전이 가능한 슈퍼캐페시터 내장형 스마트카드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상대적으로 짧은 시간 내에 충전이 가능하고 순간적인 고율방전을 얻을 수 있으며 도선연결에 의한 충전뿐만 아니라 원거리에서도 급속충전이 가능한 스마트 카드에 관한 것으로, 카드내의 신호처리 수단에 전력을 공급하기 위한 박막형 또는 후막형 슈퍼캐페시터가 내장된 스마트카드를 제공하는데 그 특징이 있다. 또한 본 발명은 카드리더기로부터 직접적인 자기장 공급을 받지 않는 원거리에서도 통신이 가능하게 하고 카드 자체만으로도 정보의 처리가 가능하도록 하기 위하여 슈퍼 캐페시터 및 원격전력 공급장치가 내장된 스마트카드를 제공하는데 그 다른 특징이 있다. 또한 본 발명은 원거리에서 공급되는 전자기파로부터 정류된 DC 전력을 이용한 비접촉형 충전도 가능하고 도선 연결에 의한 충전도 가능한, 슈퍼캐페시터가 내장된 스마트 카드를 제공하는데 그 다른 특징이 있다.

Description

무선 신호와 외부전원에 의한 충전이 가능한 슈퍼 캐페시터 내장형 스마트카드{Smart card with supercapacitor possible charge and discharge by wireless signal and external power}
본 발명은 스마트 카드에 관한 것으로, 특히 무선 신호 또는 외부전원에 의해 충전이 가능한 슈퍼 캐페시터 내장형 스마트 카드에 관한 것이다.
본 발명은 미래에 큰 수요가 예상되는 마이크로 프로세스 칩을 내장한 미래형 스마트 카드의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 기술이다. 미래형 스마트카드는 비접촉형이면서 원거리 작동이 가능하고 복잡한 정보를 빠른 시간 내에 처리가 가능해야 할 것이다.
상용화되어 있는 비접촉형 스마트 카드는 카드를 리더기나 그 외 기기와 접촉하지 않고 외부에서 공급되는 전자기파 신호에 의해 정보를 교환할 수 있는 카드이다. 비접촉형 스마트 카드는 외부에서 전원으로 공급해주는 전자기파 신호를 수신하는 안테나, 안테나에서 만들어 내는 전원을 정류하는 장치, 정류된 전원을 받아 필요한 정보 처리를 해주는 마이크로 프로세스칩 및 신호 송신기 등으로 구성되어 있다. 비접촉형 스마트 카드는 외부의 리더기로부터 공급되는 RF 신호 등에 의해 카드내의 코일로부터 순간적으로 발생되는 전류로 마이크로 프로세스칩을 구동시키고 신호를 발생시켜 정보를 교환하고 있다. 그러나 이때 발생하는 순간전원의 세기가 매우 작아 스마트 카드가 발생시킬 수 있는 신호의 강도가 약하기 때문에 정보를 교환할 수 있는 거리는 수 cm 정도로 매우 짧아 사용에 많은 불편이 있다.
상기의 문제점을 보완하기 위해 대한민국 공개특허공보'2000-0033877'에서와 같이 충전이 가능한 박막형 전지를 내장한 형태의 스마트 카드가 개발되어 근거리 뿐 아니라 원거리에서도 정보의 교환이 가능하게 되었다.
그러나 카드에 내장되어 있는 박막형 전지를 충전하기 위해서는 도선 연결을 위한 물리적인 접촉이 필요하며 장시간의 충전이 필요하다. 또한 박막형 전지의 특성상 스마트 카드의 순간적인 정보처리에 필요한 고율방전이 어려우므로 다기능의 정보 교환시 필요한 많은 양의 전력을 순간적으로 공급해 줄 수 없는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상대적으로 짧은 시간 내에충전이 가능하며 순간적인 고율방전이 가능한 스마트 카드를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 물리적인 도선연결에 의한 충전뿐만 아니라 원거리에서도 급속충전이 가능한 스마트 카드를 제공하는데 다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따라 원격 전력공급장치 및 슈퍼 캐페시터가 내장된 스마트 카드와 신호검출기 및 외부 전원공급장치를 함께 보이는 설명도,
도 2는 본 발명에 따라 슈퍼 캐페시터, 무선신호 변환을 위한 안테나 코일, 필터 및 외부충전 단자를 포함하는 스마트 카드의 개략적 구성을 보이는 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 스마트 카드에 내장되는 원격 전력공급 장치 및 슈퍼캐페시터의 구성을 보이는 개략도,
도 4a는 본 발명에 따른 스마트 카드에 내장되는 후막형 슈퍼 캐페시터의 구성을 보이는 개략도,
도 4b는 본 발명에 따른 스마트 카드에 내장되는 박막형 슈퍼 캐페시터의 구성을 보이는 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
100: 스마트 카드 200: 신호검출기
300: 외부 전원공급 장치 11, 12: 연결단자
21, 22: 안테나 코일과 저역통과 필터의 연결배선
23, 24: 슈퍼 캐페시터와 IC 소자의 연결배선
31, 32: 저역통과 필터와 슈퍼 캐페시터의 연결배선
41, 42: 슈퍼 캐페시터의 연결단자 41A, 42A: 단자 구멍
43, 49: 포장지 44, 49: 전하집전체
45, 47: 전극판 46: 분리막
51: 기판 52: 양극전하 집전체
53: 음극전하 집전체 54, 56: 전극
55: 고체 전해질막
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 전하집전층, 제1 전극판, 분리막, 제2 전극판 및 제2 전하집전층을 포함하는 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터; 및 상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터로부터 전력을 공급받아 동작하는 신호처리 수단을 포함하는 스마트 카드를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 분리되어 형성된 양극전하 집전층, 음극전하 집전층, 상기 양극전하 집전층 상에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부 표면 및 측면을 덮는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막 상에 형성되며 상기 음극전하 집전체와 연결되는 제2 전극을 포함하는 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터; 및 상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터로부터 전력을 공급받아 동작하는 신호처리 수단을 포함하는 스마트 카드를 제공한다.
본 발명은 카드내의 마이크로 프로세서 및 신호발생 장치에 전력을 공급하기 위한 박막형 또는 후막형 슈퍼캐페시터가 내장된 스마트카드를 제공하는데 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 카드리더기로부터 직접적인 자기장 공급을 받지 않는 원거리에서도 통신이 가능하게 하고 카드 자체만으로도 정보의 처리가 가능하도록 하기 위하여 슈퍼 캐페시터 및 원격전력 공급장치가 내장된 스마트카드를 제공하는데 그 다른 특징이 있다.
또한 본 발명은 원거리에서 공급되는 전자기파로부터 정류된 DC 전력을 이용한 비접촉형 충전도 가능하고 도선 연결에 의한 충전도 가능한, 슈퍼캐페시터가 내장된 스마트 카드를 제공하는데 그 다른 특징이 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 카드를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 스마트 카드는, IC 소자와 같이 정보를 송수신하여 필요한 정보를 저장하거나 논리분석 및 연산을 할 수 있는 신호처리 장치와 신호처리 장치에 전력을 공급하기 위한 슈퍼 캐페시터를 포함하는 스마트 카드로 이루어진다.
상기 슈퍼캐페시터는 도선을 통하여 외부로부터 충전되거나 또는 원격전력공급장치를 통하여 충전될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제2 실시예에 따라 원격 전력공급장치 및 슈퍼 캐페시터가 내장된 스마트 카드(100)가 전자기파 신호발생기를 내장한 신호검출기(200)로부터 전자기파 신호(S1)를 받거나 연결단자(11, 12)를 통하여 외부 전원공급장치(300)로부터 충전되고 고율방전에 의해 카드신호(S2)를 송신하는 것을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 제3 실시예에 따라 슈퍼캐페시터(SC), 무선신호 변환을 위한 안테나 코일(A), 저역통과 필터(F) 및 외부 연결단자(11, 12)를 포함하는 스마트 카드의 개략적 구성을 보이는 평면도이다. 도 2에서 도면부호 'IC'는 마이크로 프로세서 등과 같이 필요한 정보를 저장하거나 논리분석 및 연산을 할 수 있는 부분과 생성된 신호 및 정보를 송신하는 부분이 하나로 일체되어 신호처리 장치로서 역할하는 IC 소자를 나타낸다.
도 2에 보이는 스마트 카드(100)는 원격전력공급장치와 슈퍼 캐페시터로 이루어지는 원거리충전 슈퍼캐페시터 부분과 마이크로 프로세스 칩 등과 같은 IC 소자 부분으로 나눌 수 있다. 원거리충전 슈퍼 캐페시터는 도 3에 나타낸 바와 같이 전자기파를 수신할 수 있는 안테나 코일(A), 정류를 위해 상기 안테나 코일(A)에 내장된 다이오드(D), 안테나 코일(A)에 의해 발생된 전압 중 고주파 성분을 제거하기 위한 저역통과 필터(F)로 이루어져 전자기파로부터 DC 전력을 생산하는 원격전력 공급장치와 슈퍼캐페시터(SC)로 이루어진다.
따라서, 안테나 코일(A)에 수신된 전자기파는 다이오드(D)에 의해 정류되어 저역통과 필터(F)에 전달되고, 저역통과 필터(F)를 통과한 후 DC 전압 형태로 슈퍼캐페시터(SC)를 충전시킨다. 한편, 슈퍼 캐페시터는 스마트 카드의 외부 연결단자(11, 12)를 통해서도 충전된다. 슈퍼 캐페시터(SC)는 마이크로 프로세스 칩 등을 포함한 신호처리 장치인 IC 소자(IC) 작동에 필요한 전력을 공급하며, 이러한 과정을 통해 스마트 카드(100)는 필요한 정보를 처리하고 신호를 외부로 발생시키게 된다.
도 2에서 미설명 도면부호 '21', '22'는 안테나 코일(A)과 저역통과 필터(F)의 연결배선, '23', '24'는 슈퍼 캐페시터(SC)와 IC 소자(IC)의 연결배선, 31', '32'는 저역통과 필터(F)와 슈퍼 캐페시터(SC)의 연결배선, '41', '42는 슈퍼 캐페시터(SC)의 연결단자를 나타낸다.
본 발명에 따른 스마트 카드에 내장되는 캐페시터는 슈퍼 캐페시터(또는 울트라 캐페시터)로서, 재래식 콘덴서에 비하여 비축적 용량(specific capacitor: F/g)이 100 배 내지 1000 배 이상 크고, 최신형 2차 전지에 비하여 동력밀도가 10배 이상, 에너지 밀도는 1/10 수준으로 향상되는 등 다량의 에너지를 신속하게 저장할 수 있는 에너지 저장 동력원으로 이용되는 캐페시터를 말한다. 슈퍼 캐페시터는 작동 원리에 따라 전기이중층 슈퍼 캐페시터(electrical double layer super capacitor(EDLC))와 산화환원 슈퍼캐페시터(redox super capacitor)로 나눌 수 있다.
EDLC는 전하분리(charge separation)에 의해 작동되며 주로 전극물질로는 활성화된 탄소계열을 사용하고, 산화환원 슈퍼캐페시터는 전하이동(charge transport)에 의해 작동되며 금속산화물과 전도성 고분자 등의 활성전극, 분리막(separator), 전해액(electrolyte), 집전체(charge collector)와 포장재(case, sealing)로 구성된다.
전술한 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 스마트 카드에 내장되는 슈퍼 캐페시터는 카드의 두께와 응용분야에 따라 전기이중충 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터 중 어느 하나이고 그 형태는 후막형 또는 박막형이 될 수 있다. 그리고, 다양한 스마트 카드의 종류 및 기능에 따라 각기 다른 축전용량의 슈퍼 캐페시터가 이용될 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 스마트 카드에 내장될 후막형 슈퍼 캐페시터 구성을 분해하여 보이는 사시도로서, 그 각각이 단자 구멍(41A, 42A)을 구비하는 절연막인 제1 포장지(43) 및 제2 포장지(49) 각각이 알루미늄과 같은 제1 전하집전체(44) 및 제2 전하집전체(48) 각각과 접합되고, 제1 포장지(43)와 접합된 제1 전하집전체(44) 상에 제1 전극판(45), 분리막(46), 제2 전극판(47)을 적층하고, 제2 전극판(47) 상에 제2 포장지(49)와 접합된 제2 전하집전체(48)를 차례로 적층한 다음, 적층 구조의 가운데 부분을 눌러주면서 제1 포장지(43) 및 제2 포장지(49)의 가장자리를 열접합하여 제조한 후막형 슈퍼 캐페시터를 보이고 있다.
상기 제1 및 제2 포장지(43, 49)는 제1 및 제2 전하집전체(44, 48) 보다 다소 크며, 상기 제1 포장지(43) 및 제2 포장지(49)의 단자구멍(41A, 42A)은 중첩되지 않는 위치에 형성된다. 한편, 상기 적층 과정에서 제1 전극판(45) 및 제2 전극판(47) 전극판 위에는 전해액을 조금씩 떨어뜨린다.
상기 후막형 슈퍼 캐페시터의 제1 전극판(45) 및 제2 전극판(47) 각각은 표면적을 최대한 높일 수 있는 탄소류, 니켈산화물 및 루테늄산화물 등과 같은 금속산화물 또는 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리사이오펜과 그들의 유도체 같은 전도성고분자 중 적어도 어느 하나로 이루어진다. 슈퍼 캐페시터 형성 과정에서 사용되는 전해액은 황산 등과 같은 수용성 전해액, Et4NBF4, Et4NPF6,Et4NClO4,Me4NBF4,Bu4NBF4와같은 염과 아세토니트릴(AN)이나 프로필렌카보네이트(PC)를 포함하는 비수용성 용매로 이루어진다.
도 4b는 본 발명에 따른 스마트 카드에 내장될 박막형 슈퍼캐페시터의 구조를 보이는 단면도로서, 기판(51), 상기 기판(51) 상에 각각 형성된 양극전하 집전체(52) 및 음극전하 집전체(53), 양극전하 집전체(52) 상에 형성된 제1 전극(54), 제1 전극(54)의 상부 표면 및 측면을 덮는 고체 전해질막(55), 상기 고체 전해질막(55) 상에 형성되며 음극전하 집전체(55)와 연결되는 제2 전극(56)으로 이루어지는 박막형 슈퍼 캐페시터를 보이고 있다.
상기 고체 전해질막(55)은 제1 전극(54) 및 제2 전극(56)을 전기적으로 단락시켜주며 이온의 전도가 가능한 물질로 이루어진다. 상기 고체 전해질막(55)은 이온전도는 가능해도 전기전도는 일어나지 않으므로 제1 전극(54)과 제2 전극(56)간의 단락은 발생하지 않는다.
박막형 슈퍼 캐페시터 상에 원격전력 공급장치 또는 IC 소자 등을 적층할 수 있다. 즉, 도 4b와 같은 적층 구조의 박막형 슈퍼 캐페시터 상에 슈퍼 캐페시터와 원격전력 공급장치를 물리적, 전기적으로 분리시킬 수 있는 보호막(encapsulation layer)을 형성하고, 평탄화 공정을 거쳐 보호막 표면을 다듬은 다음 상기 보호막 상에 스마트 카드에 내장될 다양한 소자를 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 본 발명에 따른 스마트 카드는 단 시간 내에 충전과 순간적인 고율방전이 가능한 후막형 또는 박막형 슈퍼 캐페시터를 에너지원으로 사용함으로써, 종래의 스마트카드보다 상대적으로 원거리에서 정보를 주고받을 수 있을 뿐만 아니라, 슈퍼 캐페시터로부터 고율의 전력을 순간적으로 공급받을 수 있기 때문에 많은 양의 전력이 소모되는 복잡한 정보의 처리도 가능하게 한다.
또한 본 발명에 따른 스마트 카드는, 슈퍼 캐페시터의 충전과정을 도선을 통한 접촉식뿐 아니라 원격전력공급장치를 이용한 원거리 충전방식을 포함시킴으로써 카드 리더기 등 외부의 정보교환장치와의 정보교환뿐 아니라 전자기파를 통한 전력공급도 함께 받을 수 있다. 충전식 전지와는 달리 단시간 내에 충전이 가능한 슈퍼캐페시터에 의해 특별한 충전시간이 필요 없이도 정보를 교환하는 과정 중에 충분한 충전이 이루어질 수 있다.

Claims (9)

  1. 스마트 카드에 있어서,
    제1 전하집전층, 제1 전극판, 분리막, 제2 전극판 및 제2 전하집전층을 포함하는 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터; 및
    상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터로부터 전력을 공급받아 동작하는 신호처리 수단
    을 포함하는 스마트 카드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극판 및 상기 제2 전극판 각각은,
    탄소류, 금속산화물 또는 전도성 고분자 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전하집전층 및 상기 제2 전하집전층은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  4. 스마트 카드에 있어서,
    기판, 상기 기판 상에 분리되어 형성된 양극전하 집전층, 음극전하 집전층, 상기 양극전하 집전층 상에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부 표면 및 측면을 덮는 고체 전해질막, 상기 고체 전해질막 상에 형성되며 상기 음극전하 집전체와 연결되는 제2 전극을 포함하는 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터; 및
    상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터로부터 전력을 공급받아 동작하는 신호처리 수단
    을 포함하는 스마트 카드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호처리 수단은,
    정보를 송수신하여 정보를 저장, 논리분석 또는 연산을 할 수 있는 IC 소자인 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    전자기파를 받아 DC 전력을 생산해 상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원캐페시터를 충전시키는 원격전력 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스마트 카드는,
    외부 도선을 통해 상기 전기이중층 캐페시터 또는 산화환원 캐페시터를 충전하기 위한 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 원격전력 공급 장치는,
    전자기파 수신수단; 및
    정류수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 원격전력 공급 장치는,
    상기 전자기파 수신수단으로부터 전달된 전압 중 고주파 성분을 제거하기 위한 여과수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 카드.
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