KR20100090206A - 에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기 - Google Patents

에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기 Download PDF

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KR20100090206A
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magnetic
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electrical device
circuit chip
capacitor
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제임스 치이 레이
카이 춘 퐁
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노던 라이트 세미컨덕터 코포레이션
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Abstract

본 발명은 전기기기를 개시하고 있다. 상기 전기기기는 양극 단자와 음극 단자가 있고 에너지 관리기능을 갖는 집적회로 칩과, 상기 집적회로 칩에 연결되고 전력을 저장하며 상기 전력을 상기 집적회로에 제공하는 자기 축전기를 구비하는 전기기기로서, 상기 자기 축전기는 상기 양극 단자에 연결된 제 1 자기부와, 상기 음극 단자에 연결된 제 2 자기부와, 상기 제 1 자기부와 상기 제 2 자기부 사이에 구성된 유전체부를 구비하며, 상기 유전체부는 상기 전원을 저장하도록 배열되어 있다.

Description

에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기{AN ELECTRICAL DEVICE HAVING A POWER SOURCE WITH A MAGNETIC CAPACITOR AS AN ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 전기기기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기에 관한 것이다.
박막 배터리(thin-film battery)는 시스템에 전력을 공급하기 위한 전원이다. 박막 배터리는 일정 전압을 전기기기에 제공해 상기 전기기기가 안정적인 전원에 의해 구동될 수 있게 된다. 그러나, 전기기기용 전원으로서 박막 배터리를 사용함으로써 여러 가지 문제들을 겪게 된다. 첫째, 기존의 박막 베터리는 크고 카드 가요성에 대한 제약을 둔다. 둘째, 기존의 박막 배터리는 더 넓은 동작범위를 지지하는데 충분한 전력을 갖지 못한다. 셋째, 박막 1차 배터리는 동작 및 선반수명에 한계가 있다. 넷째, 박막 재충전 배터리를 재충전하는데 걸리는 시간이 길다.
상술한 이유로, 에너지 전달 비용이 낮고, 상술한 문제들을 극복하는 한편 배터리에 대한 대안일 수 있는 새로운 타입의 전원이 필요하다.
본 발명은 에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기에 관한 것이다.
본 발명은 전기기기를 개시하고 있다. 상기 전기기기는 양극 단자와 음극 단자가 있고 에너지 관리기능을 갖는 집적회로 칩과, 상기 집적회로 칩에 연결되고 전력을 저장하며 상기 전력을 상기 집적회로에 제공하는 자기 축전기를 구비하고, 상기 자기 축전기는 상기 양극 단자에 연결된 제 1 자기부와, 상기 음극 단자에 연결된 제 2 자기부와, 상기 제 1 자기부와 상기 제 2 자기부 사이에 구성된 유전체부를 구비하며, 상기 유전체부는 상기 전원을 저장하도록 배열되어 있다.
상술한 전반적인 설명과 하기의 상세한 설명은 예이며, 청구한 바와 같이 본 발명의 설명을 더 제공하기 위한 것임을 알아야 한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 에너지 저장장치로서 자기 축전기를 갖는 전원을 구비한 전기기기의 효과를 설명하면 다음과 같다:
첫번째, 본 발명은 시스템용 전원을 재충전하는데 걸리는 시간을 줄이는 이점이 있다.
두번째, 본 발명은 시스템의 무게를 줄이는 이점이 있다.
세번째, 본 발명은 (배터리 크기가 결정요인인 시스템에서) 시스템의 크기를 줄이는 이점이 있다.
네번째, 본 발명은 시스템의 가요성에 영향을 끼치지 않는 이점이 있다.
다섯번째, 본 발명은 시스템의 온보드 프로세싱(onboard processing) 능력을 증가시키는 이점이 있다.
여섯번째, 본 발명은 시스템의 통신 범위를 증가시키는 이점이 있다.
일곱번째, 본 발명의 기기는 성능의 손실없이 매번 재충전 간에 완전 또는 부분 방전될 수 있다는 점에서 배터리와의 메모리 문제를 공유하지 않는 이점이 있다.
여덟번째, 본 발명의 기기는 배터리에 비해 훨씬 더 많은 재충전 횟수를 갖는 이점이 있다.
아홉번째, 본 발명의 기기는 박막 1차 배터리에 비해 더 긴 선반수명을 갖는 이점이 있다.
열번째, 본 발명의 기기는 휴대 시스템에 대한 제한을 줄여 시스템에 더 많은 에너지량을 제공하는 이점이 있다.
열한번째, 본 발명의 기기는 종래 시스템보다 더 긴 동작주기를 제공하는 이점이 있다.
열두번째, 본 발명의 기기는 성능의 손실 또는 열화없이 제한없는 재충전 싸이클 회수를 제공하는 이점이 있다.
열세번째, 본 발명의 기기는 박막 배터리에 비해 훨씬 비용을 절약해 제조될 수 있는 이점이 있다.
첨부도면이 본 발명의 이해를 더 제공하기 위해 포함되며 이 명세서의 일부에 포함되며 그 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 자기 축전기의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기기가 충전되고 있는 경우의 기기를 도시한 것이다.
도 3은 태양열 패널에 의해 충전된 자기 축전기의 측면 횡단면도를 도시한 것이다.
도 4는 파워 스마트 카드(powered smart card)에서 자기 축전기를 도시한 것이다.
도 5는 RFID 리더 및 센서소자를 도시한 것이다.
도 6은 RF 전송을 위해 전력을 제공하는 자기 축전기를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 집적회로(ICs) 칩에 전력을 공급하기 위한 자기 축전기를 포함한 패키지 구조를 도시한 것이다.
예들이 첨부도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세히 참조가 이루진다. 가능한 경우, 동일하거나 유사한 부분을 의미하도록 동일한 참조부호가 도면 및 설명에 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 축전기의 개략도를 도시한 것이다. 다른 타입의 자기 축전기가 본 발명에 사용될 수 있음이 인식된다. 자기 축전기(100)는 제 1 자기부(100)와, 제 2 자기부(120)와, 상기 제 1 자기부(100)와 상기 제 2 자기부(120) 사이에 형성된 유전체부(130)를 갖는다. 상기 유전체부(130)는 전기 에너지를 저장하기 위해 배열되어 있고, 쌍극자(예컨대 115 및 125)를 갖는 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)는 전기 에너지 누출을 방지하기 위해 배열되어 있다. 유전체부(130)는 박막이며, 상기 유전체부(130)는 BaTiO3 또는 TiO3와 같은 유전체 재료로 구성된다.
기기는 제 1 자기부(100) 주위에 배치된 제 1 금속소자(140)를 더 구비하고, 상기 제 1 금속소자(140)는 제 1 자기부(110)의 쌍극자(115)를 제어하도록 배열되어있다. 상기 기기는 또한 상기 제 2 자기부(120) 주위에 배치된 제 2 금속소자(150)를 구비하고, 상기 제 2 금속소자(150)는 제 2 자기부(120)의 쌍극자(125)를 제어하도록 배열되어 있다. 설계자 또는 사용자는 제 1 금속소자140)와 제 2 금속소자(150)를 이용해 외부 전기장을 인가하여 상기 자기부(110 및 120)의 쌍극자를 제어할 수 있다.
상기 기기가 전기 에너지를 저장하는 경우, 제 1 자기부(110)와 제 2 자기부(120)의 쌍극자(115(→) 및 125(→))는 같으며, 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)는 전기 에너지 누출을 방지하여 전기 에너지가 유전체부(130)에 저장될 수 있다. 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)의 쌍극자(115 및 125)가 반대이면, 상기 유전체부(130)에 저장된 전기 에너지는 방출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기기가 충전되는 경우의 기기를 도시한 것이다. 상기 기기가 충전되는 경우, 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)의 쌍극자(115 및 125)는 반대가 되도록 제어되며, 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)는 전원(260)에 연결되어 있다. 전기 에너지는 전원(260)으로부터 유전체부(130)에 입력될 수 있다. 그런 후, 상기 제 1 자기부(110)와 상기 제 2 자기부(120)의 쌍극자(115 및 125)가 같도록 제어되어 입력된 전기 에너지를 저장한다.
또 다른 실시예에서, 자기 축전기는 태양열 전원에 의해 충전된다. 도 3은 태양열 패널로 충전된 자기 축전기의 측횡단면도를 도시한 것이다. 태양열 패널(320)은 태양광으로부터 태양열 에너지를 받으며, 자기 축전기(100)는 태양열 에너지를 저장한다. 태양열 패널(320)는 제 1 면(121)과 제 2 면(122)을 구비한다. 태양열 패널(121)의 제 1 면은 태양을 바라보고, 자기 축전기(100)의 제 2 자기부(120)는 상기 태양열 패널(320)의 제 2 면(122)에 부착된다. 자기 축전기(100)의 제 1 자기부(110)는 태양광으로부터 떨어져 있다. 태양열 패널(320)의 제 2 면(122)과 상기 자기 축전기(100)의 제 2 자기부(120) 사이에 제 1 와이어(150)가 있다. 상기 태양열 패널(320)의 제 1 면(121)과 상기 자기 축전기(100)의 제 1 자기부(110) 사이에 제 2 와이어(170)가 있다. 상기 제 1 와이어(150)의 일단은 양극일 수 있는 반면, 상기 제 2 와이어의 일단은 음극일 수 있다.
태양열 패널에 의해 충전되는 자기 축전기 제조방법은 제 1 면(121)과 제 2 면(122)을 구비한 태양열 패널(320)을 형성하는 단계와, 제 1 자기부(110), 제 2 자기부(120), 및 유전체부(130)를 구비한 자기 축전기(100)를 형성하는 단계와, 접촉에 의해 상기 태양열 패널(320)과 상기 자기 축전기(100)를 연결시키는 단계와, 상기 태양열 패널(320)의 제 2 면(122)과 상기 자기 축전기(100)의 제 2 자기부(120) 사이에 제 1 와이어(150)를 배치하는 단계와, 상기 태양열 패널(320)의 제 1 면(121)과 상기 자기 축전기(100)의 제 1 자기부(110) 사이에 제 2 와이어(170)를 부착하는 단계를 포함한다. 상기 제 1 와이어(150)의 일단은 양극을 형성하는 반면, 상기 제 2 와이어(170)의 일단은 음극을 형성한다. 태양열 패널(320)과 자기 축전기(100)는 반도체 제조장비상에 모두 제조된다. 태양열 패널(320)은 고온으로 형성되는 반면, 자기 축전기(100)는 저온으로 형성된다. 태양열 패널(320)과 자기 축전기(100)는 별도로 제조되므로, 산출량이 더 높을 수 있다. 태양열 패널(320)의 제 2 면(122)상의 금속 및 자기 축전기(100)의 제 2 자기부(120)상의 금속으로 둘 다 연결이 쉬워진다.
전기 에너지를 저장하는 자기 축전기(100)는 집적회로(ICs), RF 송신기 및 스마트 카드, RFIDs, 및 센서와 같은 초저전력 전자시스템(ultra low power electronics system)에 전력을 제공하는데 사용될 수 있다.
도 4는 파워 스마트 카드(powered smart card)에 있는 자기 축전기를 도시한 것이다. 파워 스마트 카드(400)는 카드 기판(404), 상기 카드 기판(404)상에 모두 형성된 IC 칩(401) 및 디스플레이(402)를 포함한다. IC 칩(401)은 계산 및 메모리 기능을 모두 수행할 수 있다. 예컨대, 실시예에서, 스마트 카드(400)는 일회용 비밀번호(one-time password)를 발생하기 위해 프로그램 처리할 수 있다. 자기 축전기(100)는 IC 칩(401)에 연결되어 상기 IC 칩(401)에 전원을 공급하여 계산을 수행한다. 일실시예에서, 제 1 자기부(110)와 제 2 자기부(120)는 각각 IC 칩(401)의 양극 단자와 음극 단자에 연결되어 있다. 디스플레이(402)는 일회용 비밀번호와 같은 계산 결과를 나타낼 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스마트 카드(400)는 보안을 향상시키기 위해 생체인식 센서를 이용해 사용자를 탐지한다. 생체인식 센서용 전원은 자기 축전기(100)에 의해 제공된다.
도 5는 RFID 리더 및 센서소자를 도시한 것이다. 장치는 PDA형 배터리 구동 이동장치이다. 상기 장치는 온도, 압력, 속도 등을 감지하기 위한 물리적 센서(501), 저전력 마이크로컨트롤러(502), 및 저전력의 단거리 무선 주파수 연결부(503)를 포함한다. 이 실시예에서, 자기 축전기(100)는 상기 마이크로컨트롤러(502)에 전력을 제공하는 전원이다. 일실시예에서, 제 1 자기부(110)와 제 2 자기부(120)는 상기 마이크로컨트롤러(502)의 양극 단자와 음극 단자에 각각 연결되어 있다. 안정적인 전원을 상기 마이크로컨트롤러(502)에 공급하기 위해, 태양열 패널(320)이 자기 축전기(100)를 충전시키는데 사용된다. 태양열 패널(320)과 자기 축전기(100)의 구조가 도 3에 도시되어 있다. 더욱이, 에너지 관리부(504)는 상기 마이크로컨트롤러(502)에 공급되는 전원을 관리한다.
도 6은 RF 전송을 위한 전원을 공급하는 자기 축전기를 도시한 것이다. RF 송신기(600)는 태그 기판(601), 상기 태그 기판(610)상에 형성된 안테나(603), 및 상기 안테나(603)에 의해 둘러싸인 RFID ASIC(602)을 포함한다. 자기 축전기(100)는 RFID ASIC(602)에 전원을 공급하기 위해 상기 RFID ASIC(602)에 연결되어 있다. 일실시예에서, 제 1 자기부(110)와 제 2 자기부(120)는 RFID ASIC(602)의 양극 단자와 음극 단자에 각각 연결되어 있다. RF 송신기(600)는 전원과 자기 축전기(100)를 갖고 있기 때문에, RF 송신기(600)는 더 먼 거리로 전송할 수 있는 활성 RF 태그이다.
도 7 및 도 8은 집적회로(ICs) 칩에 전력을 공급하기 위한 자기 축전기를 포함하는 패키지 구조를 도시한 것이다. 패키지 구조(700)는 복수의 솔더볼(702)을 갖는 기판(701)을 포함한다. 전력을 관리하는 집적회로(ICs) 칩(703)이 기판(710) 위에 형성되어 있고 상기 기판(701)과 연결하기 위해 복수의 솔더볼(704)을 포함한다. 자기 축전기(100)는 집적회로(ICs) 칩(703) 위에 형성되어 있다. 리드 와이어(705)는 기판(701)과 자기 축전기(100)의 양극 단자를 연결시킨다. 리드 와이어(706)는 기판(701)과 자기 축전기(100)의 음극 단자를 연결시킨다. 그런 후, 패키지 재료가 상기 집적회로(ICs) 칩(703)과 자기 축전기(100) 주위에 덧붙여져 패키지 구조(700)를 형성하여 회로와 합체된다.
더욱이, 또 다른 실시예에서, 패키지 구조(700)는 특별 프로세서(801), DRAM, 또는 플래시 메모리(802)와 같은 다수의 칩들을 포함할 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 동일 기판에 모두 장착된다. 이는 완전한 기능유닛이 멀티칩 패키지에 만들어 질 수 있어 외부 구성요소들이 작동하게 추가될 필요가 거의 없음을 의미한다. 이는 인쇄회로기판과 전체 디자인의 복잡도를 줄이기 때문에 특히 MP3 플레이어 및 휴대폰과 같이 공간이 제한된 환경에 유용하다.
다양한 변형 및 변경들이 본 발명의 기술사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 구조에 대해 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 상기를 고려하여, 본 발명은 본 발명의 변형 및 변경들이 하기의 특허청구범위와 균등물내에 있다면 포함하는 것으로 의도되어 있다.
100: 자기 축전기 110: 제 1 자기부
120: 제 2 자기부 130: 유전체부
115,125: 쌍극자 260: 전원
320: 태양열 패널 121: 제 1 면
122: 제 2 면 150: 제 1 와이어
170: 제 2 와이어 400: 파워 스마트 카드
401: IC 칩 402: 디스플레이
600: RF 송신기 601: 태그 기판
602: RFID ASIC 603: 안테나
700: 패키지 구조 702, 704: 복수의 솔더볼
703: 집적회로(ICs) 칩 705, 706: 리드 와이어
801: 프로세서 802: 플래시 메모리

Claims (20)

  1. 양극 단자와 음극 단자가 있고 에너지 관리기능을 갖는 집적회로 칩과,
    상기 집적회로 칩에 연결되고 전력을 저장하며 상기 전력을 상기 집적회로에 제공하는 자기 축전기를 구비하는 전기기기로서,
    상기 자기 축전기는
    상기 양극 단자에 연결된 제 1 자기부와,
    상기 음극 단자에 연결된 제 2 자기부와,
    상기 제 1 자기부와 상기 제 2 자기부 사이에 구성된 유전체부를 구비하며,
    상기 유전체부는 상기 전원을 저장하도록 배열되는 전기기기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    태양열 패널을 더 구비하고,
    상기 태양열 패널은 제 1 면과 제 2 면을 구비하고, 상기 제 1 면은 태양광으로부터 태양열 에너지를 받으며, 상기 제 2 면에 상기 제 2 자기부가 부착되어 있는 전기기기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 면과 상기 제 2 자기부 사이에 배치되는 제 1 와이어와, 상기 제 1 면과 상기 제 1 자기부 사이에 부착되는 제 2 와이어를 더 구비하는 전기기기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 와이어의 단부는 양극이고, 상기 제 2 와이어의 단부는 음극인 전기기기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기기기는 스마트 카드이며, 상기 집적회로는 스마트 카드 집적회로인 전기기기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기기기는 RF 송신기이고, 상기 집적회로 칩은 RFID ASIC인 전기기기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    태그 기판과, 상기 태그 기판상에 형성된 안테나와, 상기 안테나에 의해 둘러싸인 RFID ASIC를 더 구비하는 전기기기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기기기는 센서장치이고, 상기 집적회로는 마이크로컨트롤러인 전기기기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러에 연결된 센서와 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 무선 주파수 연결부를 더 구비하는 전기기기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기기기는 팩(packed) 전기기기이고, 상기 팩 전기기기는 복수의 솔더 볼을 갖는 기판과, 상기 기판 위에 형성된 적어도 하나의 집적회로 칩과, 상기 집적회로 칩 위에 형성된 자기 축전기를 구비하는 전기기기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 집적회로 칩은 특수 프로세서, DRAM 또는 플래시 메모리인 전기기기.
  12. 양극 단자와 음극 단자가 있고 에너지 관리 기능을 갖는 집적회로 칩과,
    상기 집적회로 칩에 연결되고 전력을 저장하며 상기 집적회로 칩에 전력을 제공하는 자기 축전기를 구비하는 전기기기로서,
    상기 자기 축전기는
    제 1 자기부와,
    제 2 자기부와,
    상기 제 1 자기부와 상기 제 2 자기부 사이에 구성된 유전체부와,
    제 1 면과 제 2 면이 있고, 상기 제 1 면은 태양광으로부터 태양열 에너지를 받고 상기 제 2 면에 상기 제 2 자기부가 부착되는 태양열 패널을 구비하며,
    상기 유전체부는 상기 전원을 저장하도록 배열되는 전기기기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 면과 상기 제 2 자기부 사이에 배치되는 제 1 와이어와, 상기 제 1 면과 상기 제 1 자기부 사이에 부착되는 제 2 와이어를 더 구비하는 전기기기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 와이어의 일단은 양극 단자에 연결되고, 상기 제 2 와이어의 일단은 음극 단자에 연결되는 전기기기.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기기기는 스마트 카드이고, 상기 집적회로 칩은 스마트 카드 집적회로인 전기기기.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기기기는 RF 송신기이고, 상기 집적회로 칩은 RFID ASIC인 전기기기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    태그 기판과, 상기 태그 기판상에 형성된 안테나와 상기 안테나에 의해 둘러싸인 상기 RFID ASIC를 더 구비하는 전기기기.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기기기는 센서장치이고, 상기 집적회로 칩은 마이크로컨트롤러인 전기기기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러에 연결된 센서와 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 무선 주파수 연결부를 더 구비하는 전기기기.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 전기기기는 팩 전기기기이고, 상기 팩 전기기기는 복수의 솔더 볼들이 있는 기판과, 상기 기판 위에 형성된 적어도 하나의 집적회로 칩과, 상기 집적회로 칩 위에 형성된 자기 축전기를 구비하는 전기기기.
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