KR20100083106A - 평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치 - Google Patents

평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치 Download PDF

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KR20100083106A
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제임스 치이 레이
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노던 라이트 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

본 발명의 평행판 자기 축전기(Mcap)는 2개의 제 1 필라 전극과, 2개의 제 2 필라 전극 및 유전체층을 포함한다. 상기 2개의 제 1 필라 전극은 서로 전기연결되어 있고 제 1 면의 오른쪽 구석과 제 2 면의 왼쪽 구석에 각각 위치해 있다. 상기 2개의 제 2 필라 전극은 서로 전기연결되어 있고 상기 제 1 면의 왼쪽 구석과 상기 제 2 면의 오른쪽 구석에 각각 위치해 있다. 상기 유전체층은 상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극 사이에 위치해 있어 상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극이 그 사이에 정전용량을 형성한다.

Description

평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치{A Parallel Plate Magnetic Capacitor And Electric Energy Storage Device}
본 발명은 축전기 및 전기에너지 저장장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치에 관한 것이다.
통상적으로, 평행판 축전기는 판들 사이에 유전체 물질이 있는 2개의 도전판들을 이용해 구성된다. 평행판 축전기의 정전용량은 표준 수학식 1을 이용해 계산될 수 있고, 정전용량에 따른 전기에너지는 표준 수학식 2를 이용해 계산될 수 있다:
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, C는 평행판 축전기의 정전용량이고, e0는 자유공간의 유전상수(8.85×10-12)이며, ek는 평행판 사이에 있는 재료의 유전상수이고, A는 평행판의 인터페이스 면적이며, r은 평행판 사이의 거리이고, E는 전기 에너지이며, V는 인가 전압이다. 수식(1)은 평행판 축전기의 정전용량이 평판의 인터페이스 면적에 비례하는 것을 나타낸다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 종래의 평행판 축전기 구조의 횡단면도가 도시되어 있다. 종래 평행판 축전기(100)는 상부 도전판(102), 바닥 도전판(104) 및 상기 판(102 및 104) 사이에 유전체층(106)을 포함한다. 상부 도전판(102)의 폭은 18 단위(unit)이다. 상부 도전판(102)의 깊이는 2 단위이다. 따라서, A는 18×2=36단위2로 A에 비례하는 정전용량(108)에 이른다.
상술한 평행판 축전기(100)의 구조는 ek 및 r이 똑같이 유지된다고 가정하면 평행 축전기의 총 정전용량을 늘리기 위해 상기 평행판의 면적을 늘려야 할 것이다. 따라서, 정전용량과 축전기의 크기 간에 등가교환(trade-off)이 있어, 평행판 축전기의 크기를 동일하게 유지하면서 정전용량을 높이려면 병목현상이 도입된다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 주 목적은 축전기의 전체 부피를 유지하면서 정전용량을 늘리기 위한 새로운 구조를 갖는 새로운 평행판 축전기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 자기 축전기(Mcap)가 제공된다. 자기 축전기는 제 1 도전성 자기금속과 제 2 도전성 자기금속, 및 유전체 물질을 포함한다. 상기 제 1 도전성 자기금속은 상부 평면에 위치한 제 1 상부 핑거와 하부 평면에 위치한 제 1 하부 핑거를 가지며, 상기 제 1 상부 핑거는 상기 제 1 하부 핑거에 전기연결되어 있다. 상기 제 2 도전성 자기금속은 제 2 상부 핑거와 서로 전기연결되어 있는 제 2 하부 핑거를 갖는다. 상기 제 2 상부 핑거는 상기 제 1 상부 핑거 옆에서 제 1 인터페이스를 형성하고 상기 제 1 하부 핑거의 위에서 제 2 인터페이스를 형성하도록 상기 상부 평면에 위치되어 있다. 상기 제 2 하부핑거는 상기 제 1 하부 핑거 옆에서 제 3 인터페이스를 형성하고 상기 제 1 상부 핑거 아래에서 제 4 인터페이스를 형성하도록 상기 하부 평면에 위치되어 있다. 상기 유전체 물질은 제 1 인터페이스, 제 2 인터페이스, 제 3 인터페이스, 및 제 4 인터페이스에 위치되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기 축전기(Mcap)가 제공된다. 자기 축전기(Mcap)는 2개의 제 1 필라 전극과 2개의 제 2 필라 전극 및 유전체층을 포함한다. 상기 2개의 제 1 필라 전극은 서로 전기연결되어 있고 제 1 면의 오른쪽 구석과 제 2 면의 왼쪽 구석에 각각 위치해 있다. 상기 2개의 제 2 필라 전극은 서로 전기연결되어 있고 상기 제 1 면의 왼쪽 구석과 상기 제 2 면의 오른쪽 구석에 각각 위치해 있다. 유전체층은 상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극 사이에 위치되어 있어, 상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극이 그 사이에 정전용량을 형성한다.
상술한 전반적인 설명과 하기의 상세한 설명 모두는 예로써 청구한 바와 같이 본 발명의 추가 설명을 제공하도록 의도된 것임을 알아야 한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치의 효과를 설명하면 다음과 같다:
첫째, 종래 평행판 축전기들은 단지 평면들 사이에 정전용량을 야기하는 반면에 본원발명의 자기 축전기는 핑거들이 다른 평면상의 핑거들 및 인접한 핑거들과 정전용량을 야기하므로 정전용량이 증가되는 이점이 있다.
둘째, 종래 평행판 축전기에 비해 동일한 재료의 부피내에서 도전성 재료가 덜 소요되고 유전체 물질이 더 많이 사용되므로, 축전기 무게가 가벼워지고 비용이 절감되는 이점이 있다.
셋째, 정전용량을 늘릴 필요가 없을 경우, 종래의 축전기에 비해 부피가 줄어드는 이점이 있다.
첨부도면은 본 발명의 이해를 더하기 위해 제공되도록 포함되어 있다. 상기 도면은 본 발명의 실시예를 도시한 것이며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하도록 제공되어 있다. 도면에서,
도 1은 종래 평행판 축전기의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행판 자기 축전기의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 한가지 바람직한 실시예에 따른 평행판 자기 축전기의 평면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 참조가 이루어질 것이며, 그 예들이 첨부도면에 도시되어 있다. 가능하면, 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 동일한 참조부호가 도면과 상세한 설명에 사용된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 평행판 축전기의 횡단면도가 도시되어 있다. 자기 축전기(200)는 제 1 도전성 자기금속 구조물(202), 제 2 도전성 자기금속 구조물(204), 및 유전체층(206)을 포함한다. 제 1 도전성 자기금속 구조물은 제 1 상부 핑거(208)와 제 1 하부 핑거(210)로 구성된다. 상기 제 1 상부 핑거(208)는 상부 평면(212)상에 위치되어 있고, 상기 제 1 하부 핑거(210)는 하부 평면(214)상에 위치되어 있다. 상기 제 1 상부 핑거(208)는 상기 제 1 하부 핑거(210)에 전기연결되어 있다. 상기 연결은 후술되는 도전성 스트립(216)을 통해 있을 수 있다.
제 2 도전성 자기금속 구조물(204)은 제 2 상부 핑거(218)와 이에 함께 전기연결된 제 2 하부 핑거(220)로 구성된다. 상기 제 2 상부 핑거(218)는 상기 제 1 상부 핑거(208) 옆에 있으며, 상기 제 1 상부 핑거(208)의 측면(222)과 상기 제 2 상부 핑거(218)의 측면(224)이 제 1 인터페이스(226)를 형성하도록 상부 평면(212)상에 위치되어 있다. 게다가, 상기 제 2 상부 핑거(218)는 또한 상기 제 1 하부 핑거(210)의 위쪽에 있으며, 상기 제 2 상부 핑거(218)의 바닥면(228)과 상기 제 1 하부 핑거(210)의 상단면(230)은 제 2 인터페이스(232)를 형성한다.
마찬가지로, 상기 제 2 하부 핑거(220)는 상기 제 1 하부 핑거(210) 옆과 상기 제 1 상부 핑거(208) 아래에 있는 하부 평면(214)상에 위치되어 있다. 따라서, 상기 제 2 하부 핑거(220)는 상기 제 1 상부 핑거(208) 및 상기 제 1 하부 핑거(210)와 함께 제 3 인터페이스(234)와 제 4 인터페이스(236)를 형성한다.
유전체층(206)이 모든 인터페이스들 사이에 위치되어 있다. 각 인터페이스(226, 232, 234 및 236)는 제 1 정전용량(238), 제 2 정전용량(240), 제 3 정전용량(242), 및 제 4 정전용량(244)을 각각 야기한다. 따라서, 인터페이스(226, 232, 234 및 236)를 갖는 축전기에 의해 야기된 총 정전용량은 정전용량(238, 240, 242, 244)의 합이다. 예컨대, 각 인터페이스가 4 정전용량 단위를 도입하면, 제 1 도전성 자기금속 구조물(202)과 제 2 도전성 자기금속 구조물(204) 사이에 전압차가 인가될 때, 상기 4개의 인터페이스(226, 232, 234 및 236)에 의해 야기된 총 정전용량은 16단위가 된다.
또한, 제 1 도전성 자기금속 구조물(202)과 제 2 도전성 자기금속 구조물(204)이 전기적으로 바이어스되어 있는 경우, 이들은 자기 편극을 가질 것이며, 도 2에 도시된 화살표는 자기 편극을 나타낸다.
평행한 축전기 구조가 도 2에 도시된 바와 같이 확장될 수 있다. 제 3 상부 핑거(246)와 제 3 하부 핑거(248)가 제 1 도전성 자기금속 구조물(202)과 제 2 도전성 자기금속 구조물(204)에 각각 포함되어 추가 정전용량(250, 252, 및 254)을 야기할 수 있다. 제 3 상부 핑거(246)는 제 1 상부 핑거(208) 맞은 편의 제 2 상부 핑거(218)의 다른 면에 위치되어 있다. 제 3 하부 핑거(248)는 제 3 상부 핑거(246) 아래에 위치해 있다. 마찬가지로, 자기 축전기(200)는 동일한 패턴을 따라 더 확장될 수 있고, 제 1 도전성 자기금속 구조물(202)의 모든 핑거들은 서로 전기연결되어 있다. 제 2 도전성 자기금속 구조물(204)의 모든 핑거들도 서로 전기연결되어 있다.
동일 치수의 2개의 평행판 축전기들, 즉, 축전기(100)과 축전기(200)에 대해, 축전기(200)는 축전기(100)보다 더 큰 정전용량을 야기하는 것을 나타내기 위해, 제 1 상부 핑거(208)는 2×2 치수(폭=2단위, 깊이=2단위)이고, 축전기(200)내 각 핑거는 동일한 치수를 갖는다고 가정하자. 따라서, 제 1 정전용량(238)은 4단위2에 비례하며, 다른 모든 정전용량(정전용량 240, 242, 244 등)도 4단위2의 값을 갖는다. 따라서, 도 2에서, 핑거들 간의 거리도 또한 2 단위라 하면, 총 134 단위2의 정전용량이 폭 18 단위, 깊이 2 단위의 자기 축전기(200)에 야기된다. 13개 정전용량의 합은 52단위2의 총 정전용량과 같다. 이 결과를 도 1에 도시된 평행판 축전기(100)에서 36단위2의 정전용량과 비교하면, 자기 축전기(200)에서의 정전용량은 축전기(100)에서 정전용량의 약 1.5배로 약 50% 증가한다. 더욱이, 더 많은 유전체 물질이 이용될 수 있고 따라서 자기금속 구조물들이 제안된 축전기에 이용되기 때문에 유전상수도 또한 에너지 저장을 위한 자기효과로 인해 크기 차수가 증가된다. 그 결과, 평행판 자기 축전기의 정전용량도 자기 효과, 소위 "거대 자기 정전용량(Colossal Magnetic Capacitance, CMC)" 효과로 인해 증가될 수 있다. 추가로, 평행판 자기 축전기의 정전용량은 다음과 같이 수학식 3을 이용해 계산될 수 있다:
Figure pat00003
여기서, eCMS는 거대 자기 정전용량 효과로 인한 계수이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행판 자기 축전기를 도시한 것이다. 제 1 상부 핑거(208), 제 3 상부 핑거(246), 및 유사하게 구성된 상부 핑거(256)가 상부 평면(212)상에 위치되어 있다. 제 1 하부 핑거(210)와 유사하게 구성된 하부 핑거(258)가 하부 평면(214)상에 위치되어 있다. 상기 상부 평면(212)상의 제 1 도전성 자기금속 구조물의 핑거들은 상술한 바와 같이 도전성 스트립(260)을 통해 전기연결되어 있다. 상기 하부 평면(214)상의 제 1 도전성 자기금속 구조물의 핑거들은 도전성 스트립(216)을 통해 전기연결되어 있다. 도 3에서 자기 축전기의 평면도로부터, 상부 평면(212)상의 핑거들은 제 1 도전성 자기금속 구조물의 단부들 중 어느 하나에 대한 짧은 상호연결(262)을 통해 상기 하부 평면(214)상의 핑거들에 전기연결될 수 있다. 또한, 도 3에서 화살표는 자기 편극을 나타낸다. 본 발명의 상술한 실시예로부터, 종래 평행판 축전기와 동일한 재료의 부피내에서 더 많은 정전용량이 야기된다. 종래 평행판 축전기들은 단지 평면들 사이에 정전용량을 야기하는 반면 상기 핑거들은 다른 평면상의 핑거들 및 인접한 핑거들과 정전용량을 야기하기 때문에 정전용량이 증가될 뿐만 아니라 도전성 재료가 덜 든다. 따라서, 더 많은 유전물질이 사용된다. 따라서, 개시된 자기 축전기는 무게가 가벼워진다.
한편, 정전용량이 증가될 필요가 없는 경우, 축전기의 용량은 종래 평행판 축전기와 동일한 정전용량을 얻기 위해 개시된 구조를 이용해 줄어들 수 있다. 또한, 개시된 축전기는 동일한 구조의 기하학적 형태를 이용해 다중 평면들에까지 확장될 수 있다. 상기 실시예로부터, 구조적 패턴이 관찰될 수 있다. 구조적 패턴은 맞은 편 구석과 다른 평면에 있는 2개의 제 1 필라 전극과 다른 평면의 나머지 구석에 있는 2개의 제 2 필라 전극을 포함한다. 예컨대, 상기 제 1 전극들이 제 1 평면의 오른쪽 구석에 그리고 제 2 평면의 왼쪽 구석에 위치해 있는 경우, 제 2 전극들은 제 1 면의 왼쪽 구석에 그리고 제 2 면의 오른쪽 구석에 위치해 있다. 유전층이 정전용량을 형성하기 위해 상기 전극들 사이에 위치해 있다.
상술한 구조적 패턴에 따르면, 제 3 평면이 상기 축전기를 확장시키기 위해 상기 제 2 면 아래에 추가될 수 있다. 제 3 평면상에, 제 3 필라 전극과 제 4 필라 전극이 그 위에 위치되어 서로 그리고 제 2 면에 있는 전극들과 함께 추가 정전용량을 형성한다.
상술한 실시예에 따르면, 반도체 재료는 거대 자기 정전용량을 얻기 위해 자기층들로 둘러쌓일 수 있으며, 상기 물질의 유전상수는 109에까지 이른다. 또한, 자기 축전기는 무게, 부피, 비용을 줄일 수 있고, 고가의 축전기가 될 수 있다.
다양한 변형과 변경이 본 발명의 기술사상으로부터 벗어남이 없이 본 발명의 구조로 이루어질 수 있음이 당업자에게는 자명하다. 상기를 고려하여, 본 발명은 이 발명의 변형과 변경이 하기의 특허청구범위와 균등물의 범위내에 있다면 포함하는 것으로 의도되어 있다.
100: 평행판 축전기 102: 상부 도전판
104: 바닥 도전판 106, 206: 유전체층
200: 자기 축전기 202: 제 1 도전성 자기금속 구조물
204: 제 2 도전성 자기금속 구조물 208: 제 1 상부 핑거
210: 제 1 하부 핑거 212: 상부 평면
214: 하부 평면 216, 260: 도전성 스트립
218: 제 2 상부 핑거 220: 제 2 하부 핑거
222, 224: 측면 226: 제 1 인터페이스
232: 제 2 인터페이스 234: 제 3 인터페이스
236: 제 4 인터페이스 238: 제 1 정전용량
240: 제 2 정전용량 242: 제 3 정전용량
244: 제 4 정전용량 246: 제 3 상부 핑거
248: 제 3 하부 핑거 256: 상부 핑거
258: 하부 핑거

Claims (14)

  1. 상부 평면에 위치한 제 1 상부 핑거와 하부 평면에 위치한 제 1 하부 핑거를 가지며, 상기 제 1 상부 핑거는 상기 제 1 하부 핑거에 전기연결된 제 1 도전성 자기금속과,
    제 2 상부 핑거와 이에 서로 전기연결된 제 2 하부 핑거를 가지며, 상기 제 2 상부 핑거는 상기 제 1 상부 핑거 옆에서 제 1 인터페이스를 형성하고 상기 제 1 하부 핑거의 상부에서 제 2 인터페이스를 형성하도록 상기 상부 평면에 위치되어 있으며, 상기 제 2 하부 핑거는 상기 제 1 하부 핑거 옆에서 제 3 인터페이스를 형성하고 상기 제 1 상부 핑거 아래에서 제 4 인터페이스를 형성하도록 상기 하부 평면에 위치되어 있는 제 2 도전성 자기금속과,
    상기 제 1 인터페이스, 상기 제 2 인터페이스, 상기 제 3 인터페이스 및 상기 제 4 인터페이스에 위치된 유전체 물질을 구비하는 평행판 자기 축전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 핑거, 상기 제 2 상부 핑거, 상기 제 1 하부 핑거 및 상기 제 2 하부 핑거는 자기금속 라인들인 평행판 자기 축전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인터페이스, 상기 제 2 인터페이스, 상기 제 3 인터페이스, 및 상기 제 4 인터페이스는 상기 제 1 도전성 자기금속과 상기 제 2 도전성 자기금속이 자기 편극을 가지며 전기적으로 바이어스될 때 제 1 정전용량, 제 2 정전용량, 제 3 정전용량, 및 제 4 정전용량을 각각 야기하는 평행판 자기 축전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 정전용량, 상기 제 2 정전용량, 상기 제 3 정전용량, 및 상기 제 4 정전용량은 총 정전용량으로 합해지는 평행판 자기 축전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전성 자기금속은 상기 제 1 하부 핑거에 전기연결되고 상부 평면에 위치해 있는 제 3 상부 핑거를 더 구비하며, 상기 제 3 상부 핑거는 상기 제 1 상부 핑거의 맞은 편의 상기 제 2 상부 핑거 옆에 있어 제 5 인터페이스를 형성하는 평행판 자기 축전기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 5 인터페이스는 제 5 정전용량을 야기하는 평행판 자기 축전기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 도전성 금속은 상기 제 2 하부 핑거에 전기연결되고 하부 평면에 위치해 있는 제 3 하부 핑거를 더 구비하며, 상기 제 3 하부 핑거는 상기 제 3 상부 핑거의 아래에서 제 6 인터페이스를 형성하는 평행판 자기 축전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 6 인터페이스는 제 6 정전용량을 야기하는 평행판 자기 축전기.
  9. 서로 전기연결하며 제 1 면의 오른쪽 구석과 제 2 면의 왼쪽 구석에 각각 위치해 있는 2개의 제 1 필라 전극과,
    서로 전기연결하며 상기 제 1 면의 왼쪽 구석과 상기 제 2 면의 오른쪽 구석에 각각 위치해 있는 2개의 제 2 필라 전극과,
    상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극이 사이에서 정전용량을 형성하도록 상기 제 1 필라 전극과 상기 제 2 필라 전극 사이에 위치해 있는 유전체층을 구비하는 평행판 자기 축전기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 필라 전극은 제 1 전위를 갖고 상기 제 2 필라 전극은 상기 제 1 전위와는 다른 제 2 전위를 갖는 평행판 자기 축전기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 면은 상기 제 2 면의 상단에 있는 평행판 자기 축전기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    제 3 면의 오른쪽 구석에 위치해 있고, 상기 제 3 면은 상기 제 2 면의 아래에 있는 제 3 필라 전극과,
    상기 제 3 면의 왼쪽 구석에 위치해 있는 제 4 필라 전극을 더 구비하는 평행판 자기 축전기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 필라 전극은 상기 제 1 전위를 가지며 상기 제 4 필라 전극은 제 2 전위를 갖는 평행판 자기 축전기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체층은 상기 제 3 필라 전극과 상기 제 4 필라 전극 사이, 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이에, 그리고 상기 제 1 전극과 상기 제 4 전극 사이에 있는 평행판 자기 축전기.
KR1020100002623A 2009-01-12 2010-01-12 평행판 자기 축전기 및 전기에너지 저장장치 KR20100083106A (ko)

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