KR20090033451A - 박막 밧데리 재충전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 상태 박막 밧데리용 재충전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 재충전 시스템 및 방법은 태양 전지, 자기 유도, 열전기 장치 및 압전 재료와 같은 소오스로부터 재충전하는데 이용할 수 있는 에너지르 수용하는 회로를 포함한다.
재충전 밧데리

Description

박막 밧데리 재충전 시스템 및 방법{THIN-FILM BATTERY RECHARGING SYSTEMS AND METHODS}
관련 출원 상호 참조
본 발명은 2006년 6월 30일자로 제출한 미국가출원 제60/806,458호를 우선권을 기초로 한다.
본 발명은 박막 밧데리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 박막 밧데리 용 재충전 장치 및 이의 방법에 관한 것이다.
재충전용 밧데리는 여러 상업상 응용 분야, 자동 응용분야, 산업상 응용 분야 및 소비자 응용 분야에 통상 이용되는데, 이러한 분야에서, 컴팩트하고 경량이며, 고 용량 및 충전 수명이 긴 휴대용 전원을 이용하는 것이 바람직하다. 컴퓨터, 전자 장치 및 전기 차량과 같은 응용분야에서 크기와 중량 모두가 적절한 밧데리 제조를 선택하는데 중요한 요소이다.
현재 밧데리 기술은 두개의 밧데리 종류, 예를 들어, 액체 전해 밧데리와 고체 전해 밧데리를 포함한다.
폴리머 전해 밧데리는 혼성의 액체 전해 밧데리로 간주된다. 액체 전해 밧데리 기술은 선행기술에 공지되어 있다. 이들 밧데리의 상업상의 예는 납축전지, 니 켈 카드늄 및 니켈 금속 하이드라드 셀 및 산업상 리튬 밧데리이다.
액체 전해 밧데리에서, 전해질은 이온을 캐소우드와 애노드사이에 이송하기 위해 제공된다.
일반적으로, 종래의 전해 밧데리로부터 출력되어 회수한 에너지 양은 밧데리 크기와 무게에 정비레한다. 예를 들어,Pb-에시드 자동 밧데리는 많은 전류를 발생할 수 있지만, 이러한 밧데리는 크기와 무계로 인해 매우 낮은 에너지 밀도와 고유 에너지를 갖는다. 이들 밧데리에 의해 이용되는 부식 액체 전해질은 복잡한 포장과 밀봉이 필요한데, 이러한 포장과 밀봉은 사하중(deadweight)과 사용적(dead volume)을 야기한다. 액체 전해질이 이들 밧데리에 이용되기 때문에, 액체 전해질의 어는점과 끊는점에 의해 이들 동작 온도가 제한되고 이들은 사막 또는 북극 기후, 심해(deep sea), 고위도 또는 공간 응용과 같은 혹독한 환경에 응용하는데 적절하지 못하다.
가장 최근에, 애노드, 캐소우드 및 전해 재료 및 재료 제조 방법의 진보로 인해, 폴리머 전해 밧데리 및 고체 상테 전해 밧데리가 개발되게 되었다.
폴리머 전해 밧데리가 사하중과 사크기를 야기하는 중량 및 크기 감소 때문에 종래의 액체 전해 밧데리에 비해 향상은 되었지만, 밧데리는 이용되는 부식 전해질이 애노드와 이 폴리머 캐소우드와 반응하여 밧데리 충전 성능, 역 충전 능력 및 충전 사이클 수명을 급속하게 저하시키는 액체 전해 밧데리와 유사한 문제를 지닌다.
액체 상태 밧데리는 액체 전해 폴리머 전해 밧데리에 비해 많은 바람직한 장 점을 지니고 있다.
고체 상태 밧데리는 액체 전해 밧데리와 폴리머 전해 밧데리에 비해 바람직한 많은 장점을 지닌다. 부식 전해 재가 이용되지 않기 때문에 부식 문제가 제거되고 밧데리 전지의 간단한 포장과 밀봉이 가능하여 불필요한 사 중량 및 크기를 제거할 수 있다. 반도체 전해질을 이용함으로써 부식문제의 제거로 인해 애노드와 캐소우드와의 전체 반응이 제거되어 안정한 충전 능력, 연장 사이클 후 높은 역 충전 능력 및 긴 밧데리 수명이 성취된다.
따라서, 고체 상태 밧데리는 이론적으로 액체 또는 폴리머 전해 밧데리 보다 높은 에너지 밀도와 고유 에너지를 갖을 수 있다. 부가적으로, 고체 상태 밧데리는 전해질의 어는점 또는 끊는 점 이상의 온도 범위에서 동작할 수 있다. 이러한 이유때문에, 고체 상태 전해 밧데리는 공간, 고위도, 심해, 막 또는 북 기후의 악조건 응용에 특히 유용하다.
상당히 높은 신뢰성, 전해질에서의 매우 느린 고체 상태 이온 확산 에너지 및 이동 크기 제한 및 각각의 에노드와 캐소우드 박막 두께를 갖는 산업상 벌크 밧데리(bulk battery)와는 달리, 고체 상태 밧대리는 품질, 구조, 증착된 박막 전해질의 방향과 특성, 애노드와 캐소우드 층에 있어서 높은 신뢰성을 요구한다.
고체 전해질을 통한 고체 상태 이온 확산 및 전달이 액체 전해질의 확산보다 통상 느리기 때문에, 박막 전해질의 두께와 애노드와 캐소우드 사이의 공간이 최소화로 제어되어 고체 상태 밧데리 성능을 바람직하게 한다.
통상적으로, 거리를 최소로 하기 위해 박막 전해질의 두께와 이들 밧데리의 전극사이의 공간이 1-2마이크론이고 수용가능한 전류 밀도에 대하여 적절한 운동 에너지를 제공한다.
이와는 달리, 상업상 액체 및 폴리머 전해질 밧데리의 전해질, 애노드 및 캐소우드 및 캐소우드 공간은 수백 마이크론에서 수천 센티미터이다.
전자 장치는 공지되어 있으며, 전원 또는 에너지원을 포함한다. 이러한 장치는 플래쉬라이트(flashlight), 코드리스 드릴(cordless drill) 및 전기 구동 기계 공구, 랩탑 컴퓨터, 매디어 플레이어(media player), 페이저(pager), PDA 장치, 라디오, 자동차, 보청기, 페이스마커(facemaker), 임플란트 용 드러그 펌프(implantable drag pump), 도소매 창고 보안 시스템(warehouse tracking and retail theft prevention) 용 ID 태그(Idenfication tag), 회계 처리용 스마트카드, GPS 위치 결정 장치, 텔레비젼 및 스트레오 시스템 용 리모트 컨트롤러, 보안 장치와 같은 이동 검출기 및 기타 센서 및 많은 기타 장치를 포함한다.
대부분의 휴대용 장치는 전원으로 밧데리를 이용한다. 수퍼캐패시터(supercapacitor) 및 광전지 및 연료 전기와 같은 에너지 변환 장치는 휴대용 전자 및 비휴대용 전기 응용에서 전원으로 이용하기 위한 밧데리의 대체물이다. 이러한 에너지원은 장치가 바람직하게 구동할 수 있도록 이 장치를 구동하는 충전된 능력을 가져야 한다. 충분한 밧데리 용량으로 인해 바람직한 나머지 장치에 비해 전원이 크게 된다. 따라서, 전원으로 이용하기에 충분한 에너지원을 갖는 소형 경량의 밧데리가 바람직하다. 더구나, 밧데리가 규칙적으로 재충전되는 경우, 특정 장치에 대한 전체 밧데리 용량이 작아질 수 있기 때문에, 이러한 밧데리를 충전하는 용량이 크기를 더 감소시킨다.
흔히, 전자 장치 대한 에너지 원으로 고체 상태 박막 밧데리가 이용된다.
박막 밧데리의 예는 미국특허 제5,314,765;5,338,625;5,445,126;5,445,906;5,512,147;5,561,004;5,567,210;5,569,520;5,597,660;5,612,152;5,654,084 및 5,705,293호에 개재되어 있고 이를 본 명세서에 포함한다.
미국특허 제5,338,625호는 박막 밧데리, 특히 박막 마이크로 밧데리 및 전자 장치용 재생 또는 제 1 집적 전원으로 응용되는 밧데리를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
미국특허 제5,445,906호는 박막 밧데리 구조를 제조하는 방법 및 시스템을 개재하고 있다.
미국출원공보 제2004/0185310호는 집적된 밧데리와 캐패시터 장치용 결합된 밧데리 및 장치와 이와 관련된 방법을 개재하고 있다.
특히, 전류 고체 상태 박막 밧데리 기술은 다음을 참조하면 된다.
(다음; Julian, etal, Solid State Betteries:Materials Design and Optimization, Kluwer Academic Publishers(Boston, Mass, 1994).
본 발명은 고체 상태 박막 밧데리용 재충전 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
고체 상태 박막 밧데리는 재충전 방법에 대하여 종래의 리튬-이온 및 리튬 폴리머 전지에 비해 더 우수하다. 본 발명에 의한 재충전 시스템 및 방법은 태양 전지, 자기 유도, 열전기 장치 및 압전 재료와 같은 소오스로부터 재충전에 이용할 수 있는 에너지를 수용하는 회로를 포함한다. 적절한 에너지윈이 이용된다.
밧데리가 정전류원, 안정회로, 충전 카운터 또는 타이머 없이 일정 전위 충전 장치를 사용하여 효율적으로 충전할 수 있기 때문에, 본 발명에 의한 이러한 회로는 고체 상태 박막 밧데리와 이용하는데 적합하다. 더구나, 밧데리의 에너지 용량이 종래의 Li-이온 밧데리에 비해 매우 작기 때문에, 수 마이크로 와트에서 수미리와트 전략만이 짧은 기간 내, 통상, 수분 내에 박막 밧데리를 충전하는 충전 전류를 제공하기 위해 필요하다. 더구나. 충전 장치는 본 발명에 따라 밧데리와 직접 집적으로 변경가능하지만, 이러게 하는 것은 중요하지 않다.
본 발명의 실시 예에서, 밧데리 충전 시스템이 제공된다. 밧데리 충전 시스템은 고체 상태 박막 밧데리와 전압 조절기를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 구비한다. 일정 전위 충전 장치는 고체 상태 박막 밧데리의 충전 기간 동안 고체 상태 박막 밧데리의 제 2 전극에 대해 고체 상태 박막 밧데리의 제 1 전극을 제어된 전위로 유지할 수 있다. 고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것이 바람직하다. 일정 전위 충전 장치는 이차 전지, 태양 전지 , 압전 트렌스듀서 및 열전기 전지에 자기적으로 연결된 하나 이상의 일차 코일을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 고체 상태 박막 밧데리를 충전하는 방법이 제공된다. 이 방법은 고체 상태 박막 밧데리와 전압 조절기를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 포함하는 밧데리 충전 시스템을 제공하는 단계와, 충전 기간 동안 고체 상태 박막 밧데리의 제 2 전극에 대하여 고체 상태 박막 밧데리의 제 2 전극을 제어된 전위로 유지하도록 에너지원으로부터 에너지를 이용하는 단계를 구비한다.
고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것이 바람직하다. 에너지원은 이차 코일, 태양 전지, 압전 트렌스듀서 및 열 전기 전지에 자기적으로 연결된 하나 이상의 일차코일을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서, 타이어 압력 감지 시스템이 제공된다. 이 시스템은 압력 센서; 신호를 타이어 압력 센서로부터 수신기에 전송할 수 있는 신호 송신기 및 압전 트렌스듀서를 포함하는 일정 전위 충전 장치와 고체 상태 박막 밧데리를 구비한다. 고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 타이어 압력을 감지하는 방법이 제공된다. 이 방법은 압력 센서로 타이어의 압력을 측정하는 단계와, 고체 상태 박막 밧데리로 압력 센서를 구동하는 단계와, 압전 트렌스듀서에 의해 제공된 에너지로 고체 상태 박막 밧데리를 충전하는 단계를 포함한다.
본 발명을 수반한 도면을 참조로 하면서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 충전 시스템에 이용될 수 있는 고체 상태 박막 밧데리의 개략도이다.
도 2는 도 1의 박막 밧데리를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 이차 코일에 자기적으로 연결된 일차 코일 포함하는 일정 전위 충전 장치를 이용하는 고체 상태 박막 밧데리 재충전 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따라 재충전 시스템을 포함하는 집적화한 RFID 태그의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따라 이차 코일에 자기적으로 연결된 일차 코일을 포함하는 일정 전위 충전 장치를 이용하는 또 다른 고체 상태 박막 밧데리 재충전 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따라 태양 전지를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 이용하는 또 다른 도체 박막 재충전 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따라 압전 장치를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 이용하는 또 다른 고체 상태 박막 밧데리 재충전 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따라 열 전기 장치를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 이용하는 또 다른 고체 상태 박막 밧데리 충전 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 압력 감지 시스템의 개략도이다.
바람직한 실시 예의 다음 상세한 설명에서, 부품을 형성하고 본 발명을 수행하는 특정실시예를 예시하는 도면을 참고한다.
본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 경우, 다른 실시 예가 이용될 수 있고 구조 변경이 있을 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 도면 및 명세서에 기재된 밧데리는 하나 이상 의 전지를 이용하여 구동할 수 있고, 복수의 전지가 이용되는 경우, 그 전지는 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
따라서, 밧데리 또는 하나 이상의 전지가 이용되는 경우에도 다른 실시 예는 하나의 전지를 사용할 수 있고, 다른 실시 예는 밧데리 또는 하나 이상의 전지를 이용할 수 있다. 명세서에 사용된 상면(top), 저면(bottom), 상부(upper) 및 하부(lower)라는 용어는 도면에서 방향을 의미하고 제조 또는 사용 중 이용된 방향을 받드시 의미하는 것은 아니다.
웨이퍼 또는 기판이라는 용어는 집적회로(IC)구조 또는 에너지 저장 장치를 형성하기 위한 박막 또는 층이 증착된 노출면을 갖는 구조를 포함한다는 것을 의미한다.
기판이라는 용어는 본 발명에 따라 에너지 저장 장치가 제조될 수 있는 반도체 웨이퍼, 및 기타 구조를 포함한다는 것을 의미한다. 기판이란 이 기판에서 제조되는 기타 층을 포함하는 공정 중의 구조를 의미한다.
웨에퍼와 기판은 도핑되거나 도핑되지 않는 반도체, 베이스 반도체 또는 절연체에 의해 지지되는 에픽탁셀 반도체는 물론 선행기술에 알려진 기타 반도체 구조를 포함한다.
기판은 또한 제조 방법과 이용할 수 있는 기동 재료(starting material)로 이용된다.
밧데리라는 용어는 에너지 저장 장치를 의미한다. 밧데리는 직렬 또는 병렬로 접속된 단일 또는 복수의 전지 또는 단일 전지로 되어 있다.
전지는 화학적 에너지, 예를 들어, 이온 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바니 전기 유닛(galvanic unit)이다.
전지는 이온이 이동하는 전해질에 의해 서로 절연된 상이한 재료의 두 개의 전극을 포함한다. 바람직하기로는, 밧데리는 캐소우드 전류 컬렉터, 소우스 층, 애노드 층, 애노드 전류 컬렉터 및 에노드 층과 캐소우드 층 사이에 배치되어 이들 서로를 절연시키는 전해질을 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 애노드는 리튬 삽입물 재료를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 애노드는 리튬 금속 또는 리튬 합금 재료를 포함한다.
바람직한 실시 예에서 고체 상태 전해질 층은 LiPON 재를 포함한다. LiPON은 리튬 파스퍼러스 옥시니트리드(phosphorous oxtnitride)재료하고 한다.
하나의 예가 Li3PO4N이다. 다른 예는 전해질을 가로질러 리튬 이온 이동도를 증가하도록 높은 비율의 니트로겐을 함유한다. 바람직한 실시 예에서, 밧데리는 충전되지 않은 상태에서 캐소우드 전류 컬렉터, (LiCoO2 와 같은) 리튬 이온의 소오스인 캐소우드 층, LiPON을 함유하는 하나 이상의 전해질 층 및 애노드 전류 컬렉터를 포함한다. 밧데리 충전시, 금속 리튬은 애노드를 형성하도록 전해질과 애노드 전류 컬렉터 사이에서 도금된다.
일정전위기(potentiostate), 일전 전위 충전 장치 및 일정 전위 충전기라는 용어는 캐소우드의 탈 리튬화(de-lithiation)를 방지하기 위해 최대 전압의 클램프(clamp)를 제공하는 것이 아니라 전류 흐름 또는 충전 시간을 외적으로 제한하지 않고 일정 충전 전압을 전위에 인가한다는 것을 의미한다.
캐소우드가 탈 리튬화될 때, 밧데리는 충/방전 사이클 수명이 감소하게 된다.
물론, 충전을 성취하기 위해, 최소량의 전압이 긍극적으로 어느 때에 밧데리에 인가된다. 전압이 재료 선택에 따라 밧데리의 요건을 만족하도록 제어되는 경우, 전류의 변화, 입력 전력이 단속원 및/또는 심지어 밧데리가 완전히 충전 후 에너지 입력에 의해 고체 상태 밧데리 충전 과정이 악영향을 받는다는 알게 되었다. 이러 인해, 외부 전류 제한 회로 또는 충전 시간 회로를 충전 공전(상술한 최대 전압 클랩프외에)에 사용한 필요가 없다는 것을 알게 되어 여러 응용에 이용가능한 저렴하고 간단한 전력 소오스 시스템에 이용할 수 있게 되었다.
충전 차단 타이머, 정전류원 및 안정회로가 필요 없게 되어서 간단하고 소형이며 비용이 저렴한 에너지 저장 회로를 이용하게 되었다.
본 발명의 실시 예에서, 박막 밧데리를 충전하는 버어블 수단(viable means)에서 펄스 충전이 발견되므로, 충전회로에서 전기에너지로 변환되는 환경에서 에너지가 얻어짐에 따라, DC 펄스가 밧데리 단말에 인가된다. 따라서, 전기 에너지를 변환하기 위해 기계적 에너지, 광 에너지 및 열에너지의 소오스를 갖지 않는 에너지 저장 트렌스듀서처럼, 일정 전위 충전 장치를 이용하여 박막 고체 상태 밧데리가 입력 에너지의 일정 소오스 또는 산발적 소우스로 충전된다.
박막 밧데리의 소자의 두께와 실질적으로 무관한 박막 밧데리의 구조에 이용하도록 선택된 재료에 특정된 특정 충전 전위를 결정할 수 있다는 것을 알았다. 따 라서, 박막 밧데리가 LiCoO2 인 전위는 4.1(+/- 0.3) 볼트로 클램프되어야 한다.
마찬가지로, 박막 밧데리가 LiCoO2 인 캐소우드를 포함하는 실시 예에서, 전해질 층은 LiPON을 포함하고, 애노드는 리튬 삽입물 재료 또는 리튬으로 합금을 형성하기에 알맞는 재료인 실시 예에서, 특성 전위는 상기 금속 리튬 애노드 시스템의 특성 전위로부터 약 0.1-1.5볼트로 이동한다. 당업자가 알 수 있듯이, 박막 밧데리의 구조에 이용하기 위해 선택된 재료에 특정된 특성 충전 전위가 사이클 보타메타(cyclic voltammetry)에 의해 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서, 밧데리 충전 장치는 고체 상태 박막 밧데리와 전압 조절기를 포함하며, 충전 기간 동안 고체 상태 박막 밧데리의 제 1 고체 상태 박막의 제 2 전극에 대하여 제어된 전위로 유지할 수 있는 일정 전위 충전 장치를 포함한다. 상기 전위는 액체 상태 박막 밧데리의 구조에 이용하기 위해 선택된 재료에 특정된, 적절한 에러 마진을 갖는 특정 충전 전위로 제어된다.
도 1은 기판(22)상에 형성되어 본 발명에 따라 충전 시스템에 이용할 수 있는 고체 상태의 박막 밧데리(20)를 도시한다. 밧데리(20)는 기판(20)상에 형성된 캐소우드 전류 컬렉터(32)와 애노드 전류 컬렉터(34)를 포함한다.
캐소우드 층(38)은 캐소우드 전류 컬렉터(32)상에 형성되어 있다. 전해질 층(42)은 캐소우드 층(38)에 형성되어 있다. 애노드 층(44)은 전해질 층(42), 기판(22) 및 애노드 전류 컬렉터(34)위에 형성되어 있다.
전류 컬렉터(32) 및 (34)는 외부 회로에 연결되어 전력을 이 회로에 제공한다.
방전시, 애노드 층(44)의 이온은 전해질 층(42)을 통해 이동하여 캐소우드 층(38)에 축적되어 애노드 전류 컬렉터(34)로부터 캐소우드 전류 컬렉터((32)로 전류 흐름을 만든다. 충전시, 외부 전기 전하가 전류 컬렉터(32) 및 (34)에 인가된다. 캐소우드 층(38)의 이온이 전해질 층(42)을 통해 탈출하여 애노드 층(44)에 축적된다.
도 2는 고체 상태 박막 밧데리(20)의 제조 방법을 도시한다. 먼저, 기판(22)이 고체 상태 박막 밧데리 증착을 위해 마련된다(단계(215)). 캐소우드 전류 컬렉터(32)는 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 기판(22)에 증착되는 것이 바람직하다(단계(217)). 캐소우드 층(38)이 RF-마그네트론 스퍼터링에 의해 캐소우드 전류 컬렉터(32)에 증착된다(단계(219)). 이 방법에서, 마그네트론 소오스는 약 1-3ev의 에너지를 갖는 스퍼터된 재료를 제공하는데, 이 재료는 캐소우드 재료를 결정화하여 이온을 캐소우드 재료 안에 그리고 밖으로 이동하게 하는 바람직한 결정 구조를 형성하는데에는 통상 불충분하다. 캐소우드가 어닐링되어 이 캐소우드가 결정 격자 구조로 되어서 어닐 구조가 바람직한 전기 성능 특성을 갖는 에너지 저장 장치가 생성하게 된다.
밧데리의 예시적인 전기 특성은 용량 범위에 비해 전압이 상당히 일정하고(small delta), 전압이 나머지 용량의 고갈 될때 급속히 강하하는(large delta) 방전 곡선이다. 따라서, 기판의 적층, 캐소우드 전류 컬렉터 및 케소우드 가 700℃에서 어닐되는 것이 바람직하다(도 2의 단계(221)).
애노드 전류 컬렉터는 DC 매가트론 스퍼터링에 의해 기판에 증착되는 것이 바람직하다(단계(223)). 전해질 층은 RF 매가트론 스퍼터링에 의해 증착되는 것이 바람직하다(단계(225)). 애노드는 열 증착법에 의해 증착되는 것이 바람직하다(단계(227)).
본 발명에 의한 예시적인 밧데리 충전 시스템(100)이 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시 예에서, 고체 박막 밧데리(108)는 전기 접점을 경유하여 일차코일에 자기적으로 연결된 이차 코일(101)을 통해 에너지를 수용하여 재충전되고 밧데리(106)의 충전 전압과 일치하는 레벨로 전압을 클림프하도록 전압 조절기(106)(제너 다이오드)에 의해 분로된다. 캐패시터(104)와 같은 여과장치가 이용되는 것이 바람직하다. 또 다른 실시 예에서, 펄스 DC 전류가 직접 전압 조절기에 인가된다. 바람직하기로는, 전압 조절기(106)와 밧데리(106)사이에 배치된 저 누출 다이오드(102)는 불충분한 에너지가 밧데리(108)를 충전하는데 이용될 때, 밧데리가 전압 조절기(106)를 통해 방전하는 것을 방지하기 위해 이용된다.
본 발명에 따라, 충전 시스템(10)은 도 4에 도시되어 있듯이, RFID 태그(113)를 제공하기 위해 RFID 응용에 이용될 수 있다. 박막 밧데리는 대향 포멧 기판(109)상에서 만들어져, 이 기판으로부터 밧데리(108)가 분리되고 RFID 인레이(inlay), 스마트 레벨 또는 스마트 크리딧 카드의 표면에 접착된다. 밧데리가 카드 및 라벨에 적층 되어 고체 구조에 의해 전지가 적층의 열 및 압력에 견딜 수 있다.
밧데리(106)는 RFID 태그(113)를 형성하도록 집적 회로(100)와 안테나(112)와 결합하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라, 유도 코일은 안테나 기능을 하고 RFID 태그 리더로부터 RF 에너지를 수용하기 위해 트렌스폰더에 연결되어 있다. 또한, 박막 밧데리는 PVC 또는 기타 적층 시트네에 집적될 수 있고 그리고 픽업 코일, 정류기 및 필요한 경우, 펄스된 DC를 여과하는 캐패시터와 결합될 수 있다. 즉, 직렬 및 분로 조절기는 집적된 DC 전압을 밧데리에 제공한다. 따라서, 밧데리는 전기 접촉 없이 충전될 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 다른 밧데리 충전 시스템(116)을 개략적으로 도시한다. 충전 시스템(116)은 바람직하기로는 적층된 카드에 수용된 박막 밧데리(118)를 유도적으로 충적하는 기능을 한다. 이 충전 시스템은 권선 코일(이차 권선)(120), 유입하는 AC 전류 신호를 DC 전류로 변환하기 위한 하나 이상의 다이오드를 포함하는 정류 회로(122), 전압을 평균하는 필터 캐패시터(124), 정확한 충전 전압을 밧데리(118)에 제공하는 제너 다이오드와 같은 전압 조절기(125), RFID 트렌스폰더와 같은 집적 회로(123), 상호 접속 와이어 성분 사이를 전기 접촉하게 하는 상호 접속 와이어 또는 회로 기판 트레이스 및 모든 소자를 공통 기판에 접착하기 위한 유연하거나 강고한 재료를 포함하는 엔클로져(130)를 포함한다. 일차 권선은 평편한 패드, 원통형 관 또는 원뿔 형의 형상이며 이차 권선이 일차 권선에 근접하게 되고, 전력을 정류, 여과 및 조절 회로를 경유하여 밧데리에 전달한다. 어느 경유에, 여과 회로(즉 캐패시터)가 필요하지 않지만, DC 전류가 직접 전압 조절기에 인가될 수 있다.
많은 카드가 빈(bin) 및 호퍼(hopper)에 위치할 수 있으며, 이 빈 또는 호퍼 밑에는 유도 루프가 마련되어 있다.
본 발명에 의한 또 다른 재충전 시스템(132)이 도 6에 도시되어 있다. 밧데리(134)는 특정 파장의 전자 방사를 전압 및 전류 형태의 에너지로 변환하는 태양 전지(136)의 출력으로부터 에너지를 수용하여 재충전된다. 다음, 이 에너지가 전기 접점 LC 전압 기준 장치(130)를 통해 밧데리(134)에 전달되며, 이 잔압 기준 장치는 공칭적으로 약 4.1V-약 4.3V의 전압 강하를 갖는 기준 다이오드 또는 분로 조절기를 포함하는 것이 바람직하다. 저 역전 정류 다이오드(140)는 태양전지(136)가 어두운 상태에 있을 때, 밧데리(134)가 태양전지(136)를 통해 방전되는 것을 방지하는데 이용된다.
태양 전지는 충분한 전압을 얻어 조절기에 바이어스하기 위해 직렬로 접속되어 있다. 대안적으로, 부스트 변환기는 전압을 밧데리를 충전하는데 충분한 크기로 설정하는데 이용된다. 물리적으로, 밧데리는 태양 전지의 비활성면에 적충되거거나 접착될 수 있으며, 어느 경우에는 유연한 포일 기판상에 제조될 수 있다. 밧데리는 기판의 일면과 그 반대 면의 태양 전지 상에서 제조될 수 있다. 기판은 실리콘, 금속, 세라믹, 유리 또는 고체 상태 박막 밧데리 및 태앙 전지의 제조에 이용되는 여러 재료를 증착하는데 필요한 물리적 열적 특성을 갖는 기타 재료를 포함할 수 있다.
또한, 밧데리는 실리콘, 세라믹 또는 유리 기판 상에 제조될 수 있고 공통 포장으로 단결정 실리콘으로 제조된 태양 전지와 적층할 수 있다. 이것은 하드웨어 재충전 소오스 없이 동작할 수 있는 에너지 저장 유닛 소오스로 역할을 하는 복수 의 칩 모듈을 만든다.
이러한 장치는 전지에 손상을 주거나 파괴할 수 있는 과도한 전압을 인가하지 않고도 전하를 밧데리에 전달하기에 충분한 레벨로 밧데리 충전 전압을 제한하는 충전 제어회로를 포함할 수 있다.
태양 전지가 출력 단말에서 적절히 전압을 형성하기에 적절한 광 에너지를 갖지 못할 때, 이 회로는 밧데리가 태양 전지를 통해 방전하는 것을 방지하기 위해 밧데리와 태양 전지사이에 저 역 누출 전류 통로를 형성한다.
밧데리 태양 전지 및 전하 제어 소자 사이의 연결은 종래의 와이어 접착 기술, 전도 에폭시에 의해 이루어지거나, 각각의 장치를 FR-4 또는 BT 재료와 같은 회로 기판 또는 적층 기판의 전도 트레이에 납땜함으로써 성취된다.
전체 모둘은 태양 전기의 활성 면의 충분한 부분이 포톤 흡수에 개방한 채로 표준 에폭시에 캡슐화될 수 있다.
모듈은 근접성, 온도, 압력, 진동 또는 환경 파라미터를 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 이 센서는 태양 전지 및 밧데리 결합으로 구동되는 것이 바람직하다. 또한, 이 모듈은 감지된 정보를 원격 수신기에 전달하는 무선 송신기를 포함할 수 있다. 이 송신기는 태양 전지 및/또는 밧데리에 의해 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 태양 전지와 밧데리는 실리콘의 모놀리식 슬리이스(monolithic slice) 위에 제조될 있으므로, 밧데리는 태양 전지의 제조 전 후에, 태양 전지를 따라 제조될 수 있다.
조절기와 블로킹 다이오드를 포함하는 충전 제어 장치는 동일한 실리콘 기판 위에 제조될 수 있다.
도 7은 또 다른 충전 시스템(142)를 개략적으로 도시한 것으로 이 충전 시스템은 에너지를 세라믹 또는 PVDF와 같은 재료를 포함하는 압전 장치(144)로부터 전기 접저에 의해 밧데리(146)으로의 이동시킨다. 충전 시스템(142)은 밧데리(146)에 인가된 전압의 크기를 제한하기 위한 전압 조절 또는 클램핑 장치(148)를 포함하고 약 4.1V-약 4.3V의 전압 강하를 갖는 기준 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다. 레지스터(150)는 고 임피던스 부하를 압전 장치(144)에 제공하는데 이용한다. 다이오드(152)는 밧데리가 충전회로를 통해 방전되는 것을 방지한다. 이 충전 장치의 또 다른 실시 예는 전파 정류를 제공하여 압전 장치(144)에 의해 발생한 양 및 음의 전압이 밧데리(146)에 전달되어 인자 2까지 에너지 전송 효율을 향상시킨다.
도 8은 또 다른 충전 시스템(154)을 개략적으로 도시한 것으로, 이 충전 시스템은 전기 접점에 의해 에너지를 압전 장치(156)에서 밧데리(158)로 이동시킨다. 충전 시스템(154)은 밧데리(158)에 인가된 전압의 크기를 제한하기 위한 전압 조절 또는 클램핑 장치(160)를 포함하고 바람직하기로는 공칭적으로 약 4.1V- 약 4.3V의 전압 강하를 갖는 기준 다이오드를 포함한다.
소형이며 저렴한 리드 또는 리드리스 표면 마운트 포멧(leaded or leadless surface mount formate)으로 구매할 수 있어 제어회로가 충전하도록된 박막 밧데리를 포함하던 포함하지 않던 간에, 이들 회로는 리드리스 칩 캐리어(leadless chip carrier)(LCC), 멀티 칩 모듈(mult-chip module), 볼 그리드 어레이, 마이크로 BGA(μBGA), 패키지(SiP)시스템 및 기타 패키지형과 같은 단일 패키지에 내장된다.
어느 실시 예에서, 본 발명은 단일 패키지에 디바이스를 포함하는 장치를 제공한다. 상기 디바이스는 충전 입력 단말; 접지 단말; 전지 단말에 전기적으로 접속된 제 1 전기 접점과, 제 2 전기 접점을 갖는 박막 리튬 이온 밧데리; 충전 입력 단말과 밧데리의 제 2 전기 접점 사이에 선택적으로 구동하는 전기 접속을 제공하는 두개이상의 직렬 접속 트렌지스터; 충전 입력 단말과 전력 출력 단말 사이세 선택적으로 구동하는 전기 접속을 제공하는 두 개 이상의 직렬 접속 트렌지스터를 포함한다.
또 다른 실시 예는 두개 이상의 직렬 접속 트렌지스터에 연결되어 충전 입력 단말과 밧데리의 제 2 전기 접점사이에 선택적으로 구동하는 전기 접속을 제공하는 제 3 트렌지스터를 포함한다. 이 제 3 트렌지스터는 외부에 인가된 제어 전압을 기초하여 선택적으로 구동한다.
어느 실시 예에서, 언급된 모든 트렌지스터는 에이식(single application -specic integrated circuit)(ASIC)의 부분이다.
어느 실시 예에서, 언급된 트렌지스터는 이산 부분이다.
어느 실시 예에서, 본 발명은 단일 패키지에 디바이스를 포함하는 장치를 제공한다. 이 디바이스는 충전 입력 단말; 전력 출력 단말; 접지 단말; 접지 단말에 전기적으로 연결된 제 1 전기 접점과 제 2 전기 접점을 갖는 박막 리튬-이온 밧데리와; 충전 입력 단말과 밧데리의 제 2 전기 접점사이에 선택적으로 구동하는 전 기 접속을 제공하는 두개 이상의 직렬 접속 트렌지스터와; 밧데리의 제 2 전기 접점과 전력 출력 단말 사이에 선택적으로 구동하는 전기 접속을 제공하는 낮은 순방향 전압 강하 (low-voltage-drop)(또는 쇼트키(Sohotty); 충전 입력 단말과 전력 출력 단말 사이에 전기 구동 전기 접속을 제공하는 낮은 순방향 전압 강하(또는 쇼트키)를 제공한다.
본 발명에 의한 충전 회로의 예시적인 응용은 타이어 압력 감지 시스템(162)를 포함하고 도 9에 개략적으로 도시되어 있다.
도시되어 있듯이, 압력 감시 시스템(162)은 도 8에 도시된 열 전기를 토대로 한 충전 시스템(142)을 포함하지만 본 발명의 어느 충전 시스템이 이용된다.
밧데리(146)에 의해 일정하거나 빈번한 충전이 제공되어 이용 기간 동안 밧데리가 재충전된다. 밧데리가 완전히 고체이고 두께 대 표면의 비가 매우 크기 때문에, 이 밧데리는 실질적으로 성능 및 용량의 저하 없이 신속하고 반복적으로 충전할 수 있다.
감지 시스템(162)은 실시간 감지 및 데이터 전송 능력을 포함하여 차량의 데이터의 상태를 감지하여 보고하는 타이어 압력 센서(164)를 포함한다.
단일 프로세서 및 송신기(166)에 연결된 압력 센서(164)는 정보를 안테나(168)를 경유해 감지용 인디케이터에 전달할 수 있다.
압력 정보의 수집은 이벤트(event) 당 에너지의 수 나노 엠프-하우어( a few nanoamp-hours)만을 요구하기 때문에, 이벤트 사이에서 전기 충전이 가능하게 되면, 밧데리 장치는 매우 소형으로 될 수 있다. 이를 가능하게 하는 하나의 방법은 타이어가 회전할 때, 전하를 밧데리에 부가하도록 압전재료를 이용하여, 밧데리를 크기를 측정하여 차량이 사용시, 아직 이동하지 않을 때 기간을 제공하고, 차량이 주차할 때 밧데리 자체 방전을 제공하고 여러 동작 온도하에서의 밧데리 용량의 변화를 더 수용하도록 하는 것이다. Cymet Corporation으로부터 얻을 수 있는 고체 상태 박막 밧데리는 타이어 내의 극단 온도에 견디는데 충분히 강력하고 낮은 자체 방전율과 낮은 기대 전력 밀도를 야기하는 완전 고체 재료로 만들어져 안정한 충전을 가능케 하고 여러 제한 영역 또는 여러 형상에 맞도록 소형이며 경향이다. 이 밧데리가 얇고 유연하고 경량의 기판상에서 제조될 수 있기 때문에, 밧데리 무게는 수분의 그램으로 유지될 수 있고 타이어 자체에 고정되어 충전 전류를 제공하는 압전 재료와 직접 집적된다.
예를 들어, 약 1cm ×4cm의 PVDF 재료의 압전 박막이 이용될 수 있다. 이용시, 필름이 타이어의 운동으로부터 플렉스(flex)되고 필름에 가해진 스트레인(strain)과 이 필름에 존재하는 부하(load)의 특성에 따라 약 10미리초 동안 수 볼트에서 약 20V볼트의 범위의 가변 전압 범위를 발생한다.
타이어의 각각의 회전으로 발생하는 전압은 반파 또는 전파 정류되고 바람직하기로는 박막 밧데리의 충전 전압을 초과하지 않도록 4.2V에서 클램프 된다. 전류 제한은 밧데리 화학적 특성때문에, 받드시 필요로 하지는 않는다. 따라서, 간단하고 저렴한 충전 제어 회로가 이용될 수 있다.
60km/hour의 평균 속도에서 일반 타이어는 시간 당 약 50.000번 회전한다. 결국, 밧데리에 전달될 수 있는 충전 양은 구동 시간당 약 2.5 마이크로 앰프-아우 어로 변경한다. 입력 센서와 송신기를 구동하는데 필요한 에너지 양이 트렌스미션 당 10mdp 대한 10nu로 주어 지면, 필요한 에너지 양은 트렌스미션 당 28nA-아우어이다. 이는 밧데리에 대해 평형을 유지하기 위해 센서 및 송신기는 시간 당 2.5uAh/28nAh=90펄스에 대해 또는 약 40초 마다 활성화될 수 있다.
이것은 적절한 샘플링 기간일 수 있지만, 이 비율은 응용을 위해 압전 필름을 정확히 만들어서 그리고 저 전력 송신기의 이용을 통해 향상될 수 있다. 추가적으로, 스트레인 대 충전 효율이 높은 압전 재료가 현재 이용가능하다.
본 발명의 실시 예에서 필름 밧데리와 밧데리 충전 회로는 단일 패키지를 형성하기 위해 캡슐화되어 있다. 본 발명의 실시 예에서, 이 캡슐화는 기판에 부착된 외면을 갖는 얇은 패키지를 형성한다. 바람직한 실시 예에서, 이 외면은 고무에 부착되도록 선택된다.
본 발명은 여러 실시 예를 참조하며 설명했다. 본 발명의 전체의 개재가 참고로 포함되어 있다.
상세한 실시 예는 이해를 분명히 하기 위함이다. 당업자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면, 실시 예에서 여러 변경이 있을 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 선택된 구조뿐 아니라, 청구범위에 의해 설명된 구조 및 이르 구조의 등가물에 의해 제한될 수 있다.

Claims (20)

  1. 고체 상태 박막 밧데리와;
    전압 조절기를 포함하며, 충전 기간 동안 고체 상태 박막 밧데리의 제 2 전극에 대하여 상기 고체 상태 박막 밧데리를 제어된 전위로 유지할 수 있는 일정 전위 충전 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    압전 충전 장치는 이차 코일에 자기적으로 연결된 일차 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    여과 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    일정 전위 충전 장치는 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    일정 전위 충전 장치는 압전 트렌스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    센서와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    센서는 공기 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    타이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  10. 제 6항에 있어서,
    일정 전위 충전 장치는 고체 상태 박막 밧데리를 충전하기 위해 압전 트렌스듀서에 의해 제공된 양 및 음의 모든 전압을 이용할 수 있는 전파 정류 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    일정 전위 충전 장치는 열전기 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 밧데리 충전 시스템.
  12. 박막 밧데리를 충전하는 방법에 있어서,
    이 방법은,
    고체 상태 박막 밧데리와 전압 조절기를 포함하는 일정 전위 충전 충전장치를 포함하는 밧데리 충전 시스템을 제공하는 단계와;
    충전 기간 동안, 고체 상태 박막 밧데리의 제 2 전극에 대해 고체 상태 박막 밧데리의 제 1 전극을 제어된 전위로 유지하도록 에너지원으로부터 에너지를 이용하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 박막 밧데리를 충전하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    이차 코일, 태양 전지, 압전 트렌스듀서 및 열 전기 전지에 자기적으로 연결된 하나 이상의 일차 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 밧데리를 충전하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 밧데리를 충전하는 방법.
  15. 타이어 압력 센서와;
    신호를 압력 센서로부터 수신기로 전송할 수 있는 신호 송신기 회로와;
    고체 상태 박막 밧데리와 압전 트렌스듀서를 포함하는 일정 전위 충전 장치를 구비하는 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 타이어 압력 감지 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    고체 상태 박막 밧데리는 LiPON을 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 감지 시스템.
  17. 제 15항에 있어서,
    일정 전위 충전 장치는 고체 상태 박막 밧데리를 충전하도록 압전 트렌스튜서에 의해 제공된 양 및 음의 전압 모두를 이용할 수 있는 전파 정유 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 감지 시스템.
  18. 압력센스로 타이어의 압력을 감지하는 단계와;
    고체 상태 박막 밧데리로 압력 센서를 구동하는 단계와;
    압전 트렌스듀서에 의해 제공된 에너지로 고체 상태 박막 밧데리를 충전하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 압력 감지 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    고체 상태 박막 밧데리를 충전하기 위해 압전 트렌스듀서에 의해 제공된 양 및 부의 전압 모두를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 감지 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    압력을 나타내는 신호를 수신기에 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 감지 방법.
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