KR20140086863A - 축전 장치의 제어 시스템, 축전 시스템, 및 전기 기기 - Google Patents

축전 장치의 제어 시스템, 축전 시스템, 및 전기 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축전 장치의 열화를 억제한다.
복수의 축전 장치의 접속을 각각 개별적으로 제어하는 스위치를 제공하고 스위치를 복수의 제어 신호에 의하여 제어함으로써 각 축전 장치의 충방전의 전환, 또는 복수의 축전 장치의 직렬 접속과 병렬 접속의 전환을 수행한다. 또한 축전 장치에 연산이 가능한 기능을 갖는 반도체 회로를 제공함으로써 축전 장치의 제어 시스템 또는 축전 시스템을 구성한다.

Description

축전 장치의 제어 시스템, 축전 시스템, 및 전기 기기{POWER STORAGE DEVICE CONTROL SYSTEM, POWER STORAGE SYSTEM, AND ELECTRICAL APPLIANCE}
본 발명은 물건(프로덕트. 기계(machine), 제품(manufacture), 조성물(composition of matter)을 포함함), 및 방법(프로세스. 단순 방법 및 생산 방법을 포함함)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 축전 장치, 축전 장치의 제어 시스템, 축전 시스템, 전자 회로, 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 또는 기타 전기 기기, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 산화물 반도체를 갖는 축전 장치, 축전 장치의 제어 시스템, 축전 시스템, 전자 회로, 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 또는 기타 전기 기기, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
근년에 들어 리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지 등 다양한 축전 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특히, 출력이 높으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지는, 휴대 전화기나 스마트폰 그리고 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말, 휴대용 음악 플레이어나 디지털 카메라 등의 전기 기기, 또는 의료용 기기, 하이브리드 자동차(HEV)나 전기 자동차(EV) 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차 등, 반도체 산업의 발전에 따라 급속도로 그 수요가 확대되어, 충전 가능한 에너지의 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 불가결한 것이 되고 있다.
종래의 축전 장치 외의 예로서는, 예를 들어, 복수의 배터리 셀을 직렬로 접속한 축전 시스템 등도 들 수 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).
국제 공개 제 10/113268호
일본국 특개 2012-135154호 공보
종래의 축전 장치에는, 충방전이 반복되면 서서히 열화되어 용량의 감소나 저항의 상승 등이 일어나는 등의 문제가 있었다.
예를 들어, 리튬 이온 이차 전지의 경우, 충전 기간에 음극의 저항이 상승될 수 있다. 이 이유 중 하나로서는 예를 들어, 양극으로부터 음극으로 캐리어 이온이 이동하여 음극의 전위 값이 허용 값 미만이 된 경우 캐리어 이온이 음극에 석출되는 것을 들 수 있다.
또는, 복수의 배터리 셀이 직렬로 접속된 종래의 축전 장치에서는, 충전 시에 각 배터리 셀의 저항 값이 다른 경우 저항 값이 가장 높은 배터리 셀의 전압을 기준으로 하여 각 배터리 셀이 충전되므로 복수의 배터리 셀 모두를 충분히 충전할 수 없는 경우가 있다.
본 발명의 일 형태에서는, 축전 장치 등의 열화를 억제하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는 축전 장치 등의 용량이 충전 또는 방전에 의하여 저감됨을 억제하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는, 복수의 배터리 셀에 대한 충전 효율을 높이는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는 축전 장치 등의 제어를 저소비 전력으로 수행하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는, 축전 장치 등의 신뢰성을 향상시키는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는, 축전 장치 등의 안전성을 향상시키는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태에서는, 신규의 축전 장치의 제어 시스템 또는 축전 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 본 발명의 일 형태에서는 효율성이 좋은 축전 장치의 제어 시스템 또는 축전 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또는, 본 발명의 일 형태는 신뢰성이 높은 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
특히, 본 발명의 일 형태는 상술한 과제 중 적어도 하나를 해결할 수 있는 경우가 있다. 또한, 본 발명의 일 형태는 상술한 과제 모두를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한, 상술한 과제에 포함되지 않은 과제도 명세서, 도면, 또는 특허 청구 범위 등의 기재를 보면 저절로 밝혀지고, 명세서, 도면, 또는 특허 청구 범위 등의 기재로부터 과제로서 추출될 수 있다.
본 발명의 발명자는, 복수의 축전 장치의 접속을 각각 개별적으로 제어하는 스위치를 제공함으로써 각 축전 장치의 충방전의 전환, 또는 복수의 축전 장치의 직렬 접속과 병렬 접속의 전환을 수행할 수 있음을 알아냈다.
또한 본 발명의 발명자는 축전 장치에 제어 회로를 실장함으로써 축전 장치의 제어 시스템 또는 축전 시스템을 구성하는 것을 알아냈다.
본 발명의 일 형태는, 적어도 제 1 축전 소자 내지 제 4 축전 소자의 충전 및 방전을 제어하는 축전 장치의 제어 시스템이고, 한 쌍의 제 1 스위치와, 한 쌍의 제 2 스위치와, 한 쌍의 제 3 스위치와, 한 쌍의 제 4 스위치와, 제 5 스위치와, 인코더와, 반도체 회로와, 전원에 전기적으로 접속될 수 있는 한 쌍의 제 1 접속 단자와, 부하에 전기적으로 접속될 수 있는 한 쌍의 제 2 접속 단자를 갖고, 한 쌍의 제 1 스위치는 제 1 제어 신호에 따라 한 쌍의 제 1 접속 단자에 제 1 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지 또는 한 쌍의 제 2 접속 단자 중 한쪽에 제 1 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖고, 한 쌍의 제 2 스위치는 제 2 제어 신호에 따라 한 쌍의 제 1 접속 단자에 제 2 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지 또는 한 쌍의 제 2 접속 단자 중 한 쪽에 제 2 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖고, 한 쌍의 제 3 스위치는 제 3 제어 신호에 따라 한 쌍의 제 1 접속 단자에 제 3 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지 또는 한 쌍의 제 2 접속 단자에 제 3 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖고, 한 쌍의 제 4 스위치는 제 4 제어 신호에 따라 한 쌍의 제 1 접속 단자에 제 4 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지 또는 한 쌍의 제 2 접속 단자에 제 4 축전 소자를 전기적으로 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖고, 제 5 스위치는 제 1 제어 신호 내지 제 4 제어 신호 중 하나에 따라 제 1 축전 소자 및 제 2 축전 소자 중 적어도 하나와 제 3 축전 소자 및 제 4 축전 소자 중 적어도 하나를 전기적으로 직렬로 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖고, 인코더는 입력되는 복수의 데이터 신호를 부호화함으로써 적어도 제 1 제어 신호 내지 제 4 제어 신호를 생성하여 출력하는 기능을 갖고, 반도체 회로는 제 1 축전 소자 내지 제 4 축전 소자 각각의 충전 또는 방전을 지시하는 명령을 복수의 데이터 신호로서 출력하는 기능을 가짐을 특징으로 하는 축전 장치의 제어 시스템이다.
상기 축전 장치의 제어 시스템에 있어서, 반도체 회로는, 프로세서와, 프로세서에 전기적으로 접속되는 메모리와, 프로세서 및 메모리에 전기적으로 접속되는 컨트롤러를 갖고, 프로세서는 레지스터를 갖고, 레지스터는 전력이 프로세서에 공급되는 기간에 데이터를 유지하는 기능을 갖는 제 1 기억 회로와, 프로세서로의 전력의 공급이 정지되는 기간에 데이터를 유지하는 기능을 갖는 제 2 기억 회로를 갖고, 제 2 기억 회로는 데이터의 기록 및 유지를 제어하는 기능을 갖는 트랜지스터를 갖고, 트랜지스터는 오프 전류가 채널 폭 1μm당 100zA 이하라도 좋다.
본 발명의 일 형태는, 상기 제어 시스템과, 제 1 축전 소자 내지 제 4 축전 소자를 갖는 축전 시스템이다.
본 발명의 일 형태는 상기 축전 시스템을 갖는 전기 기기이다.
충전에 의하여 축전 장치의 용량이 저감됨을 억제할 수 있다. 또는, 축전 장치의 제어를 저소비 전력으로 수행할 수 있다. 또는, 축전 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또는, 축전 장치의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또는, 신규의 축전 장치를 제공할 수 있다. 또는, 효율성이 좋은 축전 장치를 제공할 수 있다. 또는, 복수의 축전 장치에 대한 충전 효율을 높일 수 있다.
또는, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 2는 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 3은 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 4는 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 5는 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 6은 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 7은 제어 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 8은 스위치를 설명하기 위한 도면.
도 9는 반도체 회로를 설명하기 위한 도면.
도 10은 레지스터를 설명하기 위한 도면.
도 11은 메모리를 설명하기 위한 도면.
도 12는 메모리를 설명하기 위한 도면.
도 13은 메모리를 설명하기 위한 도면.
도 14는 메모리를 설명하기 위한 도면.
도 15는 트랜지스터의 구조 예를 설명하기 위한 도면.
도 16은 트랜지스터의 구조 예를 설명하기 위한 도면.
도 17은 양극을 설명하기 위한 도면.
도 18은 음극을 설명하기 위한 도면.
도 19는 축전 장치를 설명하기 위한 도면.
도 20은 축전 장치를 설명하기 위한 도면.
도 21은 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 22는 축전 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 23은 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 24는 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
도 25는 전기 기기를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 실시형태에 대해서는 도면을 사용하면서 이하에서 자세하게 설명하기로 한다.
다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 그 형태를 다양하게 변경할 수 있음은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에서 제시하는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다.
또한, 본 명세서에서 설명하는 각 도면에서 막이나 층 그리고 기판 등의 두께나 영역의 크기 등 각 구성 요소의 크기는 각각 설명을 명료화하기 위하여 과장되는 경우가 있다. 따라서, 각 구성 요소는 그 크기에 반드시 한정되지는 않고, 또한, 각 구성 요소간에서의 상대적인 크기에 한정되지 않는다.
또한, 본 명세서 등에서 제 1, 제 2 등으로서 붙이는 서수사는 편의상 사용하는 것이며, 공정 순서나 적층 순서 등을 가리키는 것이 아니다. 또한, 본 명세서 등에 있어서 발명을 특정하기 위한 사항으로서 고유의 명칭을 나타내는 것이 아니다.
또한, 본 명세서 등에서 설명하는 본 발명의 구성에서, 동일 부분 또는 같은 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면간에서 공통적으로 사용하고 그 반복 설명은 생략한다. 또한, 같은 기능을 갖는 부분을 가리키는 경우에는 해치 패턴을 동일하게 하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
또한, 실제의 제작 공정에서 에칭 등의 처리에 의하여 레지스트 마스크 등의 크기가 의도하지 않게 줄 수도 있으나, 이해하기 쉽게 하기 위하여, 도면에서는 그것을 생략하는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서 "위"나 "아래"라는 용어는 구성 요소의 위치 관계가 "직상" 또는 "직하"인 것을 한정하는 것이 아니다. 예를 들어, "게이트 절연층 위의 게이트 전극"이라는 표현이라면, 게이트 절연층과 게이트 전극 사이에 다른 구성 요소를 포함하는 것을 제외하지 않는다.
또한, 전압이란 어느 전위와 기준 전위(예를 들어, 접지 전위(GND) 또는 소스 전위)의 전위차를 가리키는 경우가 많다. 따라서, 전압을 전위로 바꾸어 말하는 것이 가능하다.
또한, 본 명세서 등에 있어서 "전극"이나 "배선"이라는 용어는 이들 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들어, "전극"은 "배선"의 일부로서 사용되는 경우가 있고 그 반대도 마찬가지이다. 또한, "전극"이나 "배선"이라는 용어는 복수의 "전극"이나 "배선"이 일체로 형성된 경우 등도 포함한다.
또한, "소스"나 "드레인"의 기능은, 다른 극성을 갖는 트랜지스터를 채용하는 경우나, 회로 동작에서 전류의 방향이 변화되는 경우 등에는 교체될 수 있다. 그러므로, 본 명세서 등에서는 "소스"나 "드레인"이라는 용어는 교체하여 사용할 수 있는 것이다.
또한, 본 명세서 등에서 "접속"이란, 전기적으로 접속되는 경우, 기능적으로 접속되는 경우, 및 직접 접속되는 경우를 포함한다. 또한, 실시형태에서 제시하는 각 구성 요소의 접속 관계는 도면 또는 문장에서 제시한 접속 관계만으로 한정되는 것이 아니다.
또한, 본 명세서 등에서는 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자(커패시터), 저항 소자 등) 등이 갖는 모든 단자는 그 접속 대상이 특정되지 않더라도, 당업자라면 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능한 경우가 있다. 즉, 접속 대상이 특정되지 않더라도 발명의 일 형태가 명확하며 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 특히, 단자의 접속 대상이 몇 가지 생각될 수 있는 경우에는, 그 단자의 접속 대상을 특정한 개소로 한정할 필요는 없다. 따라서, 능동 소자(트랜지스터, 다이오드 등), 수동 소자(용량 소자, 저항 소자 등) 등이 갖는 일부의 단자에 관해서만 그 접속 대상을 특정함으로써, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능한 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서는 어떤 회로에 관하여 적어도 접속 대상을 특정하기만 하면, 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 또는, 어떤 회로에 관하여 적어도 기능을 특정하기만 하면, 당업자라면 발명을 특정하는 것이 가능한 경우가 있다. 즉, 기능을 특정하면 발명의 일 형태가 명확하며 본 명세서 등에 기재되어 있다고 판단할 수 있는 경우가 있다. 따라서, 어떤 회로에 관하여 기능을 특정하지 않더라도 접속 대상을 특정하기만 하면, 본 발명의 일 형태로서 개시(開示)되어 있는 것으로, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다. 또는, 어떤 회로에 관하여 접속 대상을 특정하지 않더라도, 기능을 특정하면, 발명의 일 형태로서 개시되어 있는 것으로, 발명의 일 형태를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 본 명세서 등에서 이차 전지용 양극 및 음극의 양쪽을 합쳐서 전극이라고 부르는 경우가 있지만 이와 같은 경우, 전극은 양극 및 음극 중 적어도 어느 한쪽을 가리키는 것으로 한다.
또한, 본 명세서 등에서 충전 레이트 C란, 이차 전지의 충전 속도를 가리키는 것이다. 예를 들어, 용량이 1Ah인 전지를 1A로 충전하는 경우의 충전 레이트는 1C이다. 또한, 방전 레이트 C란, 이차 전지의 방전 속도를 가리키는 것이다. 예를 들어, 용량이 1Ah인 전지를 1A로 방전하는 경우의 방전 레이트는 1C이다.
또한, 이 발명을 실시하기 위한 형태에 기재된 내용은 적절히 조합하여 사용될 수 있다.
(실시형태 1. 축전 시스템)
축전 장치 및 축전 시스템의 예에 대하여 설명한다.
[1.1. 구성]
도 1을 참조하면서, 축전 시스템의 회로 구성 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 축전 시스템은, 축전 소자(10_1)와, 축전 소자(10_2)와, 축전 소자(20_1)와, 축전 소자(20_2)와, 한 쌍의 스위치(11)(스위치(11a) 및 스위치(11b))와, 한 쌍의 스위치(12)(스위치(12a) 및 스위치(12b))와, 한 쌍의 스위치(21)(스위치(21a) 및 스위치(21b))와, 한 쌍의 스위치(22)(스위치(22a) 및 스위치(22b))와, 스위치(51)와, 스위치(61)를 갖는다.
스위치(11a) 및 스위치(11b)는, 예를 들어, 한 쌍의 접속 단자(71)(접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b))에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(11a)는, 예를 들어, 한 쌍의 접속 단자(71)(접속 단자(71a))에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(11a)는, 예를 들어, 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 마찬가지로, 스위치(11b)는, 예를 들어, 한 쌍의 접속 단자(71)(접속 단자(71b))에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(11b)는, 예를 들어, 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(11a)는, 예를 들어, 축전 소자(10_1)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다. 이와 마찬가지로 스위치(11b)는, 예를 들어, 축전 소자(10_1)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다.
접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)는 예를 들어 전원에 접속될 수 있는 단자이다.
접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)는 예를 들어 부하에 접속될 수 있는 단자이다.
스위치(12a) 및 스위치(12b)는, 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(10_2)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_2)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(21a) 및 스위치(21b)는, 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(21a)는, 예를 들어, 접속 단자(71a)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(21a)는, 예를 들어, 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 마찬가지로, 스위치(21b)는, 예를 들어, 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(21b)는, 예를 들어, 접속 단자(72b)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(21a)는, 예를 들어, 축전 소자(20_1)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다. 이와 마찬가지로 스위치(21b)는, 예를 들어, 축전 소자(20_1)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다.
스위치(22a) 및 스위치(22b)는, 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(22a)는, 예를 들어, 접속 단자(71a)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(22a)는, 예를 들어, 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 마찬가지로, 스위치(22b)는, 예를 들어, 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(22b)는, 예를 들어, 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다. 또는, 스위치(22a)는, 예를 들어, 축전 소자(20_2)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다. 이와 마찬가지로 스위치(22b)는, 예를 들어, 축전 소자(20_2)를 어느 단자에도 접속시키지 않도록 하는 기능을 갖는다.
또한, 스위치가 A와 B를 “접속시킨다” “접속시키지 않는다”란 표현은, 스위치가 A와 B 사이를 “도통 상태로 한다” “비도통 상태로 한다”란 뜻으로 사용되는 경우가 있다. 또는, 스위치가 A와 B를 “접속시킨다” “접속시키지 않는다”란 표현은, 스위치가 “도통 상태이다(온 상태이다)” “비도통 상태이다(오프 상태이다)”란 뜻으로 사용되는 경우가 있다.
스위치(51)는 축전 소자(10_1) 및 축전 소자(10_2) 중 적어도 하나와 축전 소자(20_1) 및 축전 소자(20_2) 중 적어도 하나를 직렬로 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(61)는 축전 소자(10_1) 및 축전 소자(10_2) 중 적어도 하나와 축전 소자(20_1) 및 축전 소자(20_2) 중 적어도 하나를 직렬 접속으로 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
또한, 축전 소자 및 스위치의 개수는 도 1에 도시된 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 축전 소자 및 스위치의 개수를 늘려도 좋고, 복수의 축전 소자를 제공하고 이 축전 소자마다 스위치를 제공하면 좋다. 도 2에 도시된 축전 시스템의 구성에 대해서는 이하에서 설명하기로 한다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 구성의 서로 공통되는 부분에 대해서는 각각의 설명을 적절히 원용하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 축전 시스템은, 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3)와, 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3)와, 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)와, 한 쌍의 스위치(11)(스위치(11a) 및 스위치(11b))와, 한 쌍의 스위치(12)(스위치(12a) 및 스위치(12b))와, 한 쌍의 스위치(13)(스위치(13a) 및 스위치(13b))와, 한 쌍의 스위치(21)(스위치(21a) 및 스위치(21b))와, 한 쌍의 스위치(22)(스위치(22a) 및 스위치(22b))와, 한 쌍의 스위치(23)(스위치(23a) 및 스위치(23b))와, 한 쌍의 스위치(31)(스위치(31a) 및 스위치(31b))와, 한 쌍의 스위치(32)(스위치(32a) 및 스위치(32b))와, 한 쌍의 스위치(33)(스위치(33a) 및 스위치(33b))와, 스위치(51)와, 스위치(52)와, 스위치(61)와, 스위치(62)와, 한 쌍의 접속 단자(71)(접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b))와, 한 쌍의 접속 단자(72)(접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b))를 갖는다.
축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3)는 셀(100_1)에 제공된다. 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3)는 셀(100_2)에 제공된다. 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)는 셀(100_3)에 제공된다. 축전 소자란, 한 쌍의 전극과 전해질을 적어도 갖고, 축전할 수 있는 기능을 갖는 소자를 말한다. 또한, 축전 소자를 축전 장치로서 사용하여도 좋다. 또는, 하나의 셀을 하나의 축전 장치, 배터리 셀로서 사용하여도 좋다. 또는, 하나의 셀을 하나의 조전지(assembled battery)로서 사용하여도 좋다.
축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)로서는, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지, 납 축전지, 리튬 이온 폴리머 이차 전지, 니켈 수소 축전지, 니켈 카드뮴 축전지, 니켈 철 축전지, 니켈·아연 축전지, 및 산화은·아연 축전지 등의 이차 전지, 레독스 플로우 전지(Redox Flow battery), 아연·염소 전지, 및 아연 브롬 전지 등의 액순환형 이차 전지(secondary flow battery), 알루미늄·공기 전지, 공기 아연 전지, 및 공기·철 전지 등의 기계식 충전형 이차 전지, 나트륨·황 전지, 리튬·황화 철 전지 등의 고온 동작형 이차 전지 등을 사용할 수 있다. 또한, 이들에 한정되지 않고, 예를 들어 리튬 이온 커패시터 등을 사용함으로써 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)를 구성하여도 좋다.
스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(13a), 스위치(13b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 스위치(22b), 스위치(23a), 스위치(23b), 스위치(31a), 스위치(31b), 스위치(32a), 스위치(32b), 스위치(33a), 및 스위치(33b) 각각은 적어도 3가지의 단자(제 1 단자, 제 2 단자, 제 3 단자라고 함)를 갖는다. 예를 들어, 복수의 트랜지스터를 사용하여 3가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다. 또한, 기타 미소 전기 기계 시스템(MEMS라고도 함) 등을 사용하여 3가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다. 또는, 기타 전기적인 스위치 또는 기계적인 스위치를 사용하여도 좋다.
스위치(11a)의 제 1 단자는 축전 소자(10_1)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(12a)의 제 3 단자, 스위치(13a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(11b)의 제 1 단자는 축전 소자(10_1)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(12b)의 제 3 단자, 및 스위치(13b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(11a) 및 스위치(11b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(10_1)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_1)를 접속시키킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(12a)의 제 1 단자는 축전 소자(10_2)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(11a)의 제 3 단자, 스위치(13a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(12b)의 제 1 단자는 축전 소자(10_2)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(11b)의 제 3 단자, 및 스위치(13b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(12a) 및 스위치(12b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(10_2)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_2)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(13a)의 제 1 단자는 축전 소자(10_3)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(11a)의 제 3 단자, 스위치(12a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(13b)의 제 1 단자는 축전 소자(10_3)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(11b)의 제 3 단자, 및 스위치(12b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(13a) 및 스위치(13b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(10_3)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(10_3)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(21a)의 제 1 단자는 축전 소자(20_1)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(22a)의 제 3 단자, 스위치(23a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(21b)의 제 1 단자는 축전 소자(20_1)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(22b)의 제 3 단자, 및 스위치(23b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(21a) 및 스위치(21b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_1)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(22a)의 제 1 단자는 축전 소자(20_2)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(21a)의 제 3 단자, 스위치(23a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(22b)의 제 1 단자는 축전 소자(20_2)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(21b)의 제 3 단자, 및 스위치(23b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(22a) 및 스위치(22b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_2)를 접속시킬지 선택할 수 있는 기능을 갖는다.
스위치(23a)의 제 1 단자는 축전 소자(20_3)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(21a)의 제 3 단자, 스위치(22a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(23b)의 제 1 단자는 축전 소자(20_3)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(21b)의 제 3 단자, 및 스위치(22b)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(23a) 및 스위치(23b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(20_3)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a)에 축전 소자(20_3)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(31a)의 제 1 단자는 축전 소자(30_1)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(32a)의 제 3 단자, 스위치(33a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(31b)의 제 1 단자는 축전 소자(30_1)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(32b)의 제 3 단자, 스위치(33b)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72b)에 접속된다.
스위치(31a) 및 스위치(31b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(30_1)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 축전 소자(30_1)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(32a)의 제 1 단자는 축전 소자(30_2)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(31a)의 제 3 단자, 스위치(33a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(32b)의 제 1 단자는 축전 소자(30_2)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(31b)의 제 3 단자, 스위치(33b)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72b)에 접속된다.
스위치(32a) 및 스위치(32b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(30_2)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 축전 소자(30_2)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(33a)의 제 1 단자는 축전 소자(30_3)의 양극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71a)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(31a)의 제 3 단자, 스위치(32a)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(33b)의 제 1 단자는 축전 소자(30_3)의 음극에 접속되고, 제 2 단자는 접속 단자(71b)에 접속되고, 제 3 단자는 스위치(31b)의 제 3 단자, 스위치(32b)의 제 3 단자, 및 접속 단자(72b)에 접속된다.
스위치(33a) 및 스위치(33b)는 예를 들어, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 축전 소자(30_3)를 접속시킬지 또는 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 축전 소자(30_3)를 접속시킬지 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(51) 및 스위치(52) 각각은 적어도 2가지의 단자(제 1 단자 및 제 2 단자라고 함)를 갖는다. 예를 들어, 트랜지스터를 사용하여 2가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다. 또한, 기타 미소 전기 기계 시스템 등을 사용하여 2가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다.
스위치(51)의 제 1 단자는, 스위치(11b), 스위치(12b), 스위치(13b)의 제 3 단자에 접속되고, 제 2 단자는 스위치(21a), 스위치(22a), 스위치(23a)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(51)는 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3) 중 적어도 하나와 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(30_3) 중 적어도 하나를 직렬로 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(52)의 제 1 단자는, 스위치(21b), 스위치(22b), 스위치(23b)의 제 3 단자에 접속되고, 제 2 단자는 스위치(31a), 스위치(32a), 스위치(33a)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(52)는 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3) 중 적어도 하나와 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3) 중 적어도 하나를 직렬로 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(61) 및 스위치(62) 각각은 2가지의 단자(제 1 단자 및 제 2 단자라고 함)를 적어도 갖는다. 예를 들어, 트랜지스터를 사용하여 2가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다. 또한, 기타 미소 전기 기계 시스템 등을 사용하여 2가지의 단자를 갖는 스위치를 구성하여도 좋다.
스위치(61)의 제 1 단자는 접속 단자(72a)에 접속되고, 제 2 단자는 스위치(21a), 스위치(22a), 스위치(23a)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(61)는, 접속 단자(72a)와 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3) 중 적어도 하나를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
스위치(62)의 제 1 단자는 접속 단자(72a)에 접속되고, 제 2 단자는 스위치(31a), 스위치(32a), 스위치(33a)의 제 3 단자에 접속된다.
스위치(62)는, 접속 단자(72a)와 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3) 중 적어도 하나를 접속시킬지 여부를 선택하는 기능을 갖는다.
또한, 일례로서 복수의 축전 소자를 제공하는 예를 제시하였으나, 본 발명의 일 형태는 이에 한정되지 않는다. 상황에 따라 또는 경우에 따라 축전 소자를 반드시 제공하지 않아도 좋다.
[1.2. 구동 방법]
다음에 도 2에 도시된 축전 시스템의 구동 방법 예에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하면서 설명하기로 한다. 또한, 편의상, 도 3 내지 도 6에서는 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)가 전원(91)에 접속되고, 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)가 부하(92)에 접속되는 경우에 대하여 설명하기로 한다.
[1.2.1. 구동 방법 1]
충전 또는 방전을 수행하는 경우의 구동 방법 예에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명하기로 한다.
축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)를 충전하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 스위치(11a) 내지 스위치(13a), 스위치(11b) 내지 스위치(13b), 스위치(21a) 내지 스위치(23a), 스위치(21b) 내지 스위치(23b), 스위치(31a) 내지 스위치(33a), 스위치(31b) 내지 스위치(33b)에 의하여, 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)와 전원(91)을 병렬로 접속한다. 또한 스위치(51) 및 스위치(52)를 오프 상태로 한다. 또한, 스위치(61) 및 스위치(62)는 온 상태라도 좋고 오프 상태라도 좋다.
이 때 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3) 각각이 충전된다. 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3) 각각은 병렬로 접속되어 있기 때문에, 축전 소자마다 충전할 수 있다. 복수의 축전 소자를 직렬로 접속한 축전 장치를 충전하는 경우에는, 각각의 축전 소자의 저항 값이 상이하면 저항 값이 가장 큰 축전 소자의 전압이 기준이 되어 각 축전 소자가 충전되고 복수의 축전 소자 모두를 충분히 충전할 수 없다는 문제가 발생되지만, 본 실시형태의 구동 방법으로는 그런 문제가 발생되지 않는다. 따라서, 예를 들어 축전 소자의 안전성을 높일 수 있다.
축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)를 방전시키는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 스위치(51) 및 스위치(52)를 온 상태로 하고 스위치(61) 및 스위치(62)를 오프 상태로 한다. 또한 스위치(11a) 내지 스위치(13a), 스위치(11b) 내지 스위치(13b), 스위치(21a) 내지 스위치(23a), 스위치(21b) 내지 스위치(23b), 스위치(31a) 내지 스위치(33a), 스위치(31b) 내지 스위치(33b)에 의하여, 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)와 부하(92)를 직렬로 접속한다.
이 때 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3) 각각이 방전되어 부하(92)에 전류가 흐른다. 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)는 직렬로 접속되어 있기 때문에 부하(92)에 공급하는 전류량을 많게 할 수 있다.
[1.2.2. 구동 방법 2]
도 4를 참조하면서 방전 시의 구동 방법으로서 모든 축전 소자를 방전시키는 경우에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 일부의 축전 소자만 방전시켜도 좋다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 스위치(51)를 오프 상태로 하고, 스위치(52)를 온 상태로 하고, 스위치(61)를 온 상태로 하고, 스위치(62)를 오프 상태로 한다. 또한 스위치(11a) 내지 스위치(13a), 스위치(11b) 내지 스위치(13b), 스위치(21a) 내지 스위치(23a), 스위치(21b) 내지 스위치(23b)에 의하여 축전 소자(10_1) 내지 축전 소자(10_3)를 방전시키지 않고, 스위치(31a) 내지 스위치(33a), 스위치(31b) 내지 스위치(33b)에 의하여 축전 소자(20_1) 내지 축전 소자(20_3), 및 축전 소자(30_1) 내지 축전 소자(30_3)를 전기적으로 직렬로 접속시키고 방전시켜도 좋다. 이로써 컨버터 등의 전압 변환 회로를 제공하지 않아도 부하(92)를 통하여 흐르는 전류를 적절히 변화시킬 수 있다.
[1.2.3. 구동 방법 3]
도 3 및 도 4를 참조하면서 구동 방법으로서 모든 축전 소자를 충전 또는 방전시키는 경우에 대하여 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 일부의 축전 소자를 충전하고 나머지 축전 소자를 방전시켜도 좋다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 스위치(12a) 및 스위치(12b)에 의하여 축전 소자(10_2)와 전원(91)을 병렬로 접속시키고, 스위치(22a) 및 스위치(22b)에 의하여 축전 소자(20_2)와 전원(91)을 병렬로 접속시키고, 스위치(32a) 및 스위치(32b)에 의하여 축전 소자(30_2)와 전원(91)을 병렬로 접속시킴으로써, 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_2), 축전 소자(30_2)를 충전한다. 한편, 스위치(51) 및 스위치(52)를 온 상태로 하고, 스위치(61) 및 스위치(62)를 오프 상태로 한다. 또한, 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(13a), 스위치(13b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(23a), 스위치(23b), 스위치(31a), 스위치(31b), 스위치(33a), 스위치(33b)에 의하여 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1), 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1), 및 축전 소자(30_3)와 부하(92)를 직렬로 접속시켜서 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_3), 축전 소자(20_1), 축전 소자(20_3), 축전 소자(30_1), 축전 소자(30_3)를 방전시켜도 좋다. 또한, 충전하는 축전 소자는 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_2), 축전 소자(30_2)에 한정되지 않고 예를 들어 스위치(11a) 내지 스위치(13a), 스위치(11b) 내지 스위치(13b), 스위치(21a) 내지 스위치(23a), 스위치(21b) 내지 스위치(23b), 스위치(31a) 내지 스위치(33a), 스위치(31b) 내지 스위치(33b)에 의하여, 충전하는 축전 소자를 순차적으로 전환하여도 좋다.
도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 일부의 축전 소자를 방전시키는 동안에 다른 축전 소자를 충전할 수 있기 때문에, 충전하기 위하여 축전 시스템의 동작 정지 기간을 설정할 필요가 없어 빠르게 동작시킬 수 있다.
(실시형태 2. 축전 장치의 제어 시스템)
본 발명의 일 형태인 축전 시스템에 사용할 수 있는 축전 장치의 제어 시스템의 예에 대하여 설명한다. 또한, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 축전 시스템의 설명과 같은 부분에 대해서는 상술한 설명을 적절히 원용할 수 있다.
[2.1. 구성]
축전 장치의 제어 시스템의 예에 대하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7에 도시된 회로(200)는, 한 쌍의 스위치(11)(스위치(11a) 및 스위치(11b))와, 한 쌍의 스위치(12)(스위치(12a) 및 스위치(12b))와, 한 쌍의 스위치(21)(스위치(21a) 및 스위치(21b))와, 한 쌍의 스위치(22)(스위치(22a) 및 스위치(22b))와, 스위치(51)와, 스위치(61)와, 인코더(240)와, 전류 검출 회로(245)와, 반도체 회로(246)와, 한 쌍의 접속 단자(201)(접속 단자(201a) 및 접속 단자(201b))와, 한 쌍의 접속 단자(202)(접속 단자(202a) 및 접속 단자(202b))와, 한 쌍의 접속 단자(203)(접속 단자(203a) 및 접속 단자(203b))와, 한 쌍의 접속 단자(204)(접속 단자(204a) 및 접속 단자(204b))와, 한 쌍의 접속 단자(71)(접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b))와, 한 쌍의 접속 단자(72)(접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b))를 갖는다. 또한, 회로(200)를 제어 시스템, 컨트롤러, 또는 회로 기판으로 하여도 좋다. 축전 시스템은 회로(200)와 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)를 조합하여 구성된다. 또한, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)를 통하여 회로(200)를 전원에 접속시켜도 좋다. 또는, 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)를 통하여 회로(200)를 부하에 접속시켜도 좋다. 또한, 부하에 출력한 전압을 사용하여 전원 전압(VDD-VSS)을 생성하여 회로(200)에 입력하여도 좋다. 또한, 회로(200)에서는 4개의 축전 소자를 제어하는 예에 대하여 설명하지만 이에 한정되지 않고, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 축전 소자의 개수를 4보다 많게 하여도 좋다.
도 8은 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 및 스위치(22b) 각각의 구체 예에 대하여 도시한 것이다.
도 8에 도시된 스위치는 3개의 입출력 단자(입출력 단자(IOa) 내지 입출력 단자(IOc)라고도 함)와, 2개의 제어 단자(제어 단자(CTL_1) 및 제어 단자(CTL_2)라고도 함)를 갖는다.
또한, 도 8에 도시된 스위치는 트랜지스터(251)와 트랜지스터(252)를 갖는다.
트랜지스터(251)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 입출력 단자(IOa)에 접속되고 다른 쪽은 입출력 단자(IOb)에 접속된다. 트랜지스터(251)의 게이트는 제어 단자(CTL_1)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(252)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 입출력 단자(IOa)에 접속되고 다른 쪽은 입출력 단자(IOc)에 접속된다. 트랜지스터(252)의 게이트는 제어 단자(CTL_2)에 전기적으로 접속된다.
도 8에 도시된 스위치는 제어 신호에 따라 트랜지스터(251)의 소스와 드레인의 도통 상태, 및 트랜지스터(252)의 소스와 드레인의 도통 상태를 제어함으로써, 입출력 단자(IOa)와 입출력 단자(IOb)의 접속, 입출력 단자(IOa)와 입출력 단자(IOc)의 접속을 선택할 수 있다.
또한, 제어 단자(CTL_1)와 제어 단자(CTL_2)의 전위를 제어함으로써 트랜지스터(251)와 트랜지스터(252) 양쪽 모두를 오프 상태로 할 수 있다.
또한, 트랜지스터(251)와 병렬로, 다른 극성을 갖는 트랜지스터를 제공함으로써 CMOS 구성으로 할 수도 있다. 마찬가지로, 트랜지스터(252)와 병렬로, 다른 극성을 갖는 트랜지스터를 제공함으로써 CMOS 구성으로 할 수도 있다.
이상이 스위치의 구체 예이다.
스위치(11a)의 제어 단자(CTL_1) 및 스위치(11b)의 제어 단자(CTL_1)에는 인코더(240)로부터 제어 신호(CTL1)가 입력되고, 제어 단자(CTL_2)에는 인버터(241_1)로부터 제어 신호(CTL1)의 반전 신호가 입력된다.
스위치(11a)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(201a)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(201a)를 통하여 스위치(11a)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(10_1)의 양극에 접속시킬 수 있다. 스위치(11a)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71a)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 저항 소자(244)를 통하여 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(11b)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(201b)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(201b)를 통하여 스위치(11b)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(10_1)의 음극에 접속시킬 수 있다. 스위치(11b)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71b)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 스위치(51)가 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 접속된다.
스위치(12a)의 제어 단자(CTL_1) 및 스위치(12b)의 제어 단자(CTL_1)에는 인코더(240)로부터 제어 신호(CTL2)가 입력되고, 제어 단자(CTL_2)에는 인버터(241_2)로부터 제어 신호(CTL2)의 반전 신호가 입력된다.
스위치(12a)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(202a)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(202a)를 통하여 스위치(12a)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(10_2)의 양극에 접속시킬 수 있다. 스위치(12a)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71a)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 저항 소자(244)를 통하여 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(12b)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(202b)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(202b)를 통하여 스위치(12b)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(10_2)의 음극에 접속시킬 수 있다. 스위치(12b)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71b)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 스위치(51)가 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 접속된다.
스위치(21a)의 제어 단자(CTL_1) 및 스위치(21b)의 제어 단자(CTL_1)에는 인코더(240)로부터 제어 신호(CTL3)가 입력되고, 제어 단자(CTL_2)에는 인버터(241_3)로부터 제어 신호(CTL3)의 반전 신호가 입력된다.
스위치(21a)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(203a)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(203a)를 통하여 스위치(21a)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(20_1)의 양극에 접속시킬 수 있다. 스위치(21a)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71a)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 저항 소자(244)를 통하여 접속 단자(72a)에 접속되고, 또한 스위치(51)가 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속된다.
스위치(21b)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(203b)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(203b)를 통하여 스위치(21b)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(20_1)의 음극에 접속시킬 수 있다. 스위치(21b)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71b)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 접속 단자(72b)에 접속된다.
스위치(22a)의 제어 단자(CTL_1) 및 스위치(22b)의 제어 단자(CTL_1)에는 인코더(240)로부터 제어 신호(CTL4)가 입력되고, 제어 단자(CTL_2)에는 인버터(241_4)로부터 제어 신호(CTL4)의 반전 신호가 입력된다.
스위치(22a)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(204a)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(204a)를 통하여 스위치(22a)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(20_2)의 양극에 접속시킬 수 있다. 스위치(22a)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71a)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 저항 소자(244)를 통하여 접속 단자(72a)에 접속된다.
스위치(22b)의 입출력 단자(IOa)는 접속 단자(204b)에 접속된다. 이로써, 접속 단자(204b)를 통하여 스위치(22b)의 입출력 단자(IOa)를 축전 소자(20_2)의 음극에 접속시킬 수 있다. 스위치(22b)의 입출력 단자(IOb)는 접속 단자(71b)에 접속되고 입출력 단자(IOc)는 접속 단자(72b)에 접속된다.
스위치(51)가 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 스위치(11b)의 입출력 단자(IOc) 및 스위치(12b)의 입출력 단자(IOc)에 접속되고, 다른 쪽은 스위치(21a)의 입출력 단자(IOc) 및 스위치(22a)의 입출력 단자(IOc)에 접속된다. 스위치(51)가 갖는 트랜지스터의 게이트 전위는 논리 회로(243)에 의하여 제어된다. 논리 회로(243)의 출력은, 제어 신호(CTL1)의 전위와 제어 신호(CTL2)의 전위의 논리합에 상당한다. 따라서, 제어 신호(CTL1)의 전위와 제어 신호(CTL2)의 전위에 따라 스위치(51)의 도통 상태가 제어된다. 논리 회로(243)는 예를 들어 OR회로를 사용하여 구성된다.
스위치(61)가 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 스위치(11a)의 입출력 단자(IOc) 및 스위치(12a)의 입출력 단자(IOc)에 접속되고, 다른 쪽은 스위치(21a)의 입출력 단자(IOc) 및 스위치(22a)의 입출력 단자(IOc)에 접속된다. 스위치(61)가 갖는 트랜지스터의 게이트 전위는 논리 회로(247)에 의하여 제어된다. 논리 회로(247)의 출력은, 제어 신호(CTL1)의 반전 신호의 전위와 제어 신호(CTL2)의 반전 신호의 전위의 논리합에 상당한다. 따라서, 제어 신호(CTL1)의 반전 신호의 전위와 제어 신호(CTL2)의 반전 신호의 전위에 따라 스위치(61)의 도통 상태가 제어된다. 논리 회로(247)는 예를 들어 OR회로를 사용하여 구성된다.
인코더(240)는, 반도체 회로(246)로부터 입력되는 복수의 데이터 신호를 부호화함으로써 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)를 생성하여 출력할 수 있는 기능을 갖는다.
전류 검출 회로(245)는 저항 소자(244)의 양단의 전위를 검출하고 각각 전위를 검출 신호로서 비교 회로에 입력함으로써 저항 소자(244)를 통하여 흐르는 전류가 기준 값보다 클지 여부를 판정할 수 있는 기능을 갖는다.
반도체 회로(246)는 축전 소자의 충전 또는 방전을 지시하는 명령을 포함하는 복수의 데이터 신호를 생성하여 출력할 수 있는 기능을 갖는다. 또한, 반도체 회로(246)는, 예를 들어 부하 등의 외부 회로와 신호를 주고 받아도 좋다. 반도체 회로(246)를 예를 들어 마이크로 컴퓨터, 마이크로 프로세서(MPU라고도 함), 마이크로 컨트롤 유닛(MCU라고도 함), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA라고도 함), 중앙 연산 장치(CPU라고도 함), 또는 배터리 매니지먼트 유닛(BMU라고도 함)으로 하여도 좋다.
또한, 회로(200)의 스위치(예를 들어, 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 스위치(22b), 스위치(51), 스위치(61)) 등에 사용할 수 있는 트랜지스터로서, 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 적용하여도 좋다. 오프 전류가 낮은 트랜지스터로서는, 예를 들어 실리콘보다 밴드 갭이 넓은 산화물 반도체를 포함한 채널 형성 영역을 가지며 이 채널 형성 영역이 실질적으로 i형인 트랜지스터를 적용할 수 있다. 또한, 회로(200)에 한정되지 않고, 예를 들어 도 2에 도시된 스위치(31a), 스위치(31b), 스위치(32a), 스위치(32b), 스위치(33a), 스위치(33b), 스위치(52), 스위치(62) 등에도 상기 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 사용하여도 좋다. 이에 한정되지 않고, 예를 들어 실리콘을 갖는 반도체를 사용하여 상기 스위치를 구성하여도 좋다.
예를 들어, 수소 또는 물 등의 불순물을 가능한 한 제거하고, 산소를 공급하여 산소 결손을 가능한 한 줄임으로써, 상기 산화물 반도체를 포함한 트랜지스터를 제작할 수 있다. 이 때 채널 형성 영역에서, 도너 불순물이라고 불리는 수소의 양을 이차 이온 질량 분석법(SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry))에 의한 측정값으로 1×1019/cm3 이하, 바람직하게는 1×1018/cm3 이하로 저감시키는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 오프 전류는 25℃로 채널 폭 1μm당 1×10-19A(100zA) 이하이다. 더 바람직하게는 1×10-22A(100yA) 이하이다. 트랜지스터의 오프 전류는 낮으면 낮을수록 좋지만, 트랜지스터의 오프 전류의 하한 값은 약 1×10-30A/μm로 어림잡을 수 있다.
상기 산화물 반도체에는, 예를 들어 In계 금속 산화물, Zn계 금속 산화물, In-Zn계 금속 산화물, 또는 In-Ga-Zn계 금속 산화물 등을 적용할 수 있다.
여기서 반도체 회로(246)의 예에 대하여 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 9에 도시된 반도체 회로(246)는, 프로세서(710), 버스 브리지(711), 메모리(712), 메모리 인터페이스(713), 컨트롤러(720), 인터럽트 컨트롤러(721), I/O인터페이스(입출력 인터페이스)(722), 및 파워 게이트 유닛(730)을 갖는다.
또한 반도체 회로(246)는 수정(水晶) 발진 회로(741), 타이머 회로(745), I/O인터페이스(746), I/O포트(750), 콤퍼레이터(751), I/O인터페이스(752), 버스 라인(761), 버스 라인(762), 버스 라인(763), 및 데이터 버스 라인(764)을 갖는다. 또한 반도체 회로(246)는 외부 장치와의 접속부로서 접속 단자(770) 내지 접속 단자(776)를 적어도 갖는다. 또한, 접속 단자(770) 내지 접속 단자(776) 각각은 하나의 단자 또는 복수의 단자로 이루어지는 단자군을 나타낸다. 또한, 수정 진동자(743)를 갖는 발진자(742)가 접속 단자(772) 및 접속 단자(773)를 통하여 반도체 회로(246)에 접속된다.
프로세서(710)는 레지스터(785)를 갖고, 버스 브리지(711)를 통하여 버스 라인(761) 내지 버스 라인(763) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속된다.
메모리(712)는 프로세서(710)의 메인 메모리로서 기능할 수 있는 기억 장치이고, 예를 들어 랜덤 액세스 메모리가 사용된다. 메모리(712)는 프로세서(710)가 실행하는 명령, 명령의 실행에 필요한 데이터, 및 프로세서(710)의 처리에 의한 데이터를 기억하는 장치이다. 프로세서(710)가 처리하는 명령에 따라 메모리(712)로의 데이터의 기록, 판독이 수행된다. 예를 들어, 반도체 회로(246)에서는, 각 축전 소자의 접속을 지시하는 명령에 따라 데이터 신호를 생성하고, I/O포트(750)를 통하여 이 데이터 신호를 출력하여도 좋다.
반도체 회로(246)에서는, 저소비 전력 모드 시에 메모리(712)에 대한 전력 공급이 차단된다. 그러므로 메모리(712)는, 전원이 공급되지 않는 상태에서도 데이터를 유지할 수 있는 메모리로 구성되는 것이 바람직하다.
메모리 인터페이스(713)는 외부 기억 장치와의 입출력 인터페이스이다. 프로세서(710)가 처리하는 명령에 따라, 메모리 인터페이스(713)를 통하여 접속 단자(776)에 접속되는 외부 기억 장치에 데이터의 기록 및 판독이 수행된다.
클록 생성 회로(715)는 프로세서(710)에서 사용되는 클록 신호 MCLK(이하 단순히 “MCLK”라고도 부름)를 생성하는 회로이며 RC 발진기 등을 갖는다. MCLK는 컨트롤러(720) 및 인터럽트 컨트롤러(721)에도 출력된다.
컨트롤러(720)는 반도체 회로(246)의 제어를 수행하는 회로이고, 예를 들어 반도체 회로(246)의 전원 제어, 클록 생성 회로(715), 수정 발진 회로(741)의 제어 등을 수행할 수 있다.
접속 단자(770)는 외부의 인터럽트 신호 입력용 단자이고, 접속 단자(770)를 통하여 마스크 불가능 인터럽트 신호(NMI)가 컨트롤러(720)에 입력된다. 컨트롤러(720)에 마스크 불가능 인터럽트 신호(NMI)가 입력되면 컨트롤러(720)는 즉시 프로세서(710)에 마스크 불가능 인터럽트 신호(NMI2)를 출력하고 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
또한, 인터럽트 신호(INT)가 접속 단자(770)를 통하여 인터럽트 컨트롤러(721)에 입력된다. 인터럽트 컨트롤러(721)에는, 주변 회로로부터의 인터럽트 신호(T0IRQ, P0IRQ, C0IRQ)도 버스 라인(버스 라인(761) 내지 버스 라인(764))을 경유하지 않고 입력된다.
인터럽트 컨트롤러(721)는 인터럽트 요구의 우선순위를 할당하는 기능을 갖는다. 인터럽트 컨트롤러(721)는 인터럽트 신호를 검출하면 그 인터럽트 요구가 유효한지 여부를 판정한다. 유효한 인터럽트 요구인 경우 컨트롤러(720)에 인터럽트 신호(IRQ)를 출력한다.
또한, 인터럽트 컨트롤러(721)는 I/O인터페이스(722)를 통하여 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속된다.
컨트롤러(720)는 인터럽트 신호(INT)가 입력되면 프로세서(710)에 인터럽트 신호(INT2)를 출력하고 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
또한, 인터럽트 신호(T0IRQ)가 인터럽트 컨트롤러(721)를 통과하지 않고 직접 컨트롤러(720)에 입력되는 경우가 있다. 컨트롤러(720)는 인터럽트 신호(T0IRQ)가 입력되면 프로세서(710)에 마스크 불가능 인터럽트 신호(NMI2)를 출력하고 프로세서(710)에 인터럽트 처리를 실행시킨다.
컨트롤러(720)의 레지스터(780)는 컨트롤러(720) 내에 제공되고 인터럽트 컨트롤러(721)의 레지스터(786)는 I/O인터페이스(722)에 제공된다.
다음에 반도체 회로(246)가 갖는 주변 회로에 대하여 설명하기로 한다. 반도체 회로(246)는, 타이머 회로(745), I/O포트(750), 및 콤퍼레이터(751)를 주변 회로로서 갖는다. 상술한 주변 회로는 일례에 불과하고, 반도체 회로(246)가 사용되는 전기 기기에 따라 필요한 회로를 제공할 수 있다.
타이머 회로(745)는 클록 생성 회로(740)로부터 출력되는 클록 신호(TCLK)(이하 단순히 “TCLK”라고도 부름)를 사용하여 시간을 계측할 수 있는 기능을 갖는다. 타이머 회로(745)에는 복수의 타이머 회로를 제공하여도 좋다. 또한, 타이머 회로(745)는 정해진 시간 간격으로 인터럽트 신호(T0IRQ)를 컨트롤러(720) 및 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력할 수 있다. 타이머 회로(745)는 I/O인터페이스(746)를 통하여 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속된다. 예를 들어 타이머 회로(745)는 축전 소자의 충전 시간 또는 방전 시간을 제어할 수 있는 기능을 갖는다.
TCLK는 MCLK보다 낮은 주파수를 갖는 클록 신호이다. 예를 들어 MCLK의 주파수를 수 MHz 정도(예를 들어 8MHz)로 하고 TCLK의 주파수는 수십 kHz 정도(예를 들어 32kHz)로 한다. 클록 생성 회로(740)는 반도체 회로(246)에 내장된 수정 발진 회로(741)와, 접속 단자(772) 및 접속 단자(773)에 접속된 발진자(742)를 갖는다. 발진자(742)의 진동자로서 수정 진동자(743)가 사용된다. 또한, CR 발진기 등으로 클록 생성 회로(740)를 구성함으로써 클록 생성 회로(740)의 모든 모듈을 반도체 회로(246)에 내장할 수 있다.
I/O포트(750)는 접속 단자(774)를 통하여 접속된 외부 기기와 정보의 입출력을 수행하기 위한 인터페이스이며, 디지털 신호의 입출력 인터페이스이다. 예를 들어, I/O포트(750)는 입력된 디지털 신호에 따라 인터럽트 신호(P0IRQ)를 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력한다. I/O포트(750)는 접속 단자(774)를 통하여 도 7에 도시된 인코더(240) 및 전류 검출 회로(245)에 접속된다. 이로써, 인코더(240)에 데이터 신호를 출력할 수 있다. 또한, 전류 검출 회로(245)로부터 검출 신호가 입력된다. 또한, 접속 단자(774)가 복수로 제공되어도 좋다.
콤퍼레이터(751)는 예를 들어 접속 단자(775)로부터 입력되는 아날로그 신호의 전위(또는 전류)와 기준 신호의 전위(또는 전류)의 대소를 비교할 수 있고 값이 0 또는 1인 디지털 신호를 생성할 수 있다. 또한 콤퍼레이터(751)는 이 디지털 신호에 따라 인터럽트 신호(C0IRQ)를 생성할 수 있다. 인터럽트 신호(C0IRQ)는 인터럽트 컨트롤러(721)에 출력된다.
I/O포트(750) 및 콤퍼레이터(751)는 공통의 I/O인터페이스(752)를 통하여 버스 라인(761) 및 데이터 버스 라인(764)에 접속된다. 여기서는 I/O포트(750), 콤퍼레이터(751) 각각의 I/O인터페이스에서 공유될 수 있는 회로가 있으므로, 하나의 I/O인터페이스(752)를 사용하였으나, I/O인터페이스를 I/O포트(750), 콤퍼레이터(751) 각각에 제공할 수도 있다.
또한, 주변 회로의 레지스터는, 대응하는 입출력 인터페이스에 제공된다. 타이머 회로(745)의 레지스터(787)는 I/O인터페이스(746)에 제공되고, I/O포트(750)의 레지스터(783) 및 콤퍼레이터(751)의 레지스터(784) 각각은 I/O인터페이스(752)에 제공된다.
반도체 회로(246)는 내부 회로로의 전력 공급을 차단하기 위한 파워 게이트 유닛(730)을 갖는다. 파워 게이트 유닛(730)에 의하여 동작에 필요한 회로에만 전력을 공급함으로써 반도체 회로(246)의 소비 전력을 낮출 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 반도체 회로(246) 내의 이점 쇄선으로 둘러싸인 유닛(701), 유닛(702), 유닛(703), 유닛(704)의 회로는 파워 게이트 유닛(730)을 통하여 접속 단자(771)에 접속된다.
본 실시형태에서, 유닛(701)은 타이머 회로(745), 및 I/O인터페이스(746)를 포함하고, 유닛(702)은 I/O포트(750), 콤퍼레이터(751), 및 I/O인터페이스(752)를 포함하고, 유닛(703)은 인터럽트 컨트롤러(721), 및 I/O인터페이스(722)를 포함하고, 유닛(704)은 프로세서(710), 메모리(712), 버스 브리지(711), 및 메모리 인터페이스(713)를 포함한다.
파워 게이트 유닛(730)은 컨트롤러(720)에 의하여 제어된다. 파워 게이트 유닛(730)은 유닛(701) 내지 유닛(704)으로의 전원 전압의 공급을 차단하기 위한 스위치(731) 및 스위치(732)를 갖는다. 이 경우 전원 전압으로서는 예를 들어 제어 시스템의 전원 전압 등을 사용할 수 있다.
스위치(731) 및 스위치(732)의 온/오프는 컨트롤러(720)에 의하여 제어된다. 구체적으로는, 컨트롤러(720)는, 프로세서(710)의 요구에 따라 파워 게이트 유닛(730)이 갖는 스위치의 일부 또는 전부를 오프 상태로 하는 신호를 출력한다(전력 공급의 정지). 또한, 컨트롤러(720)는 마스크 불가능 인터럽트 신호(NMI) 또는 타이머 회로(745)로부터의 인터럽트 신호(T0IRQ)를 트리거로 하여 파워 게이트 유닛(730)이 갖는 스위치를 온 상태로 하는 신호를 출력한다(전력 공급의 개시(開始)).
또한, 도 9에는 파워 게이트 유닛(730)에 2개의 스위치(스위치(731) 및 스위치(732))를 제공하는 구성을 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 전원 차단에 필요한 만큼 스위치를 제공하면 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 유닛(701)에 대한 전력 공급을 독립적으로 제어할 수 있도록 스위치(731)를 제공하고 유닛(702) 내지 유닛(704)에 대한 전력 공급을 독립적으로 제어할 수 있도록 스위치(732)를 제공하지만 이런 전력 공급 경로에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 메모리(712)의 전력 공급을 독립적으로 제어할 수 있도록 스위치(732)와는 다른 스위치를 제공하여도 좋다. 또한, 하나의 회로에 대하여 복수의 스위치를 제공하여도 좋다.
또한, 컨트롤러(720)에는 파워 게이트 유닛(730)을 통과하지 않고, 접속 단자(771)로부터 전원 전압이 항상 공급된다. 또한, 노이즈가 미치는 영향을 줄이기 위하여 클록 생성 회로(715)의 발진 회로, 수정 발진 회로(741)에는 각각 전원 전압의 전원 회로와는 다른 외부의 전원 회로로부터 전원 전위가 공급된다.
컨트롤러(720) 및 파워 게이트 유닛(730) 등을 구비함으로써, 반도체 회로(246)를 3가지 동작 모드로 동작시킬 수 있다. 제 1 동작 모드는 통상 동작 모드이며 반도체 회로(246)가 갖는 모든 회로가 액티브 상태이다. 여기서는 제 1 동작 모드를 “Active 모드”라고 부른다.
제 2 동작 모드 및 제 3 동작 모드는 저소비 전력 모드이며, 일부의 회로를 액티브 상태로 하는 모드이다. 제 2 동작 모드에서는 컨트롤러(720), 및 타이머 회로(745)와 그 관련 회로(수정 발진 회로(741), I/O인터페이스(746))가 액티브 상태이다. 제 3 동작 모드에서는 컨트롤러(720)만 액티브 상태이다. 여기서는, 제 2 동작 모드를 "Noff1 모드"라고 부르고 제 3 동작 모드를 "Noff2 모드"라고 부르기로 한다. Noff1 모드에서는 컨트롤러(720)와, 주변 회로의 일부(타이머 동작에 필요한 회로)가 동작하고, Noff2 모드에서는 컨트롤러(720)만 동작한다.
또한, 클록 생성 회로(715)의 발진기, 및 수정 발진 회로(741)는 동작 모드에 관계 없이 전원이 항상 공급된다. 클록 생성 회로(715) 및 수정 발진 회로(741)를 비액티브 상태로 하기 위해서는, 컨트롤러(720)로부터 또는 외부로부터 인에이블 신호를 입력하고 클록 생성 회로(715) 및 수정 발진 회로(741)의 발진을 정지시킨다.
또한, Noff1 모드 및 Noff2 모드에서는 파워 게이트 유닛(730)에 의하여 전력 공급이 차단되므로 I/O포트(750), I/O인터페이스(752)는 비액티브 상태가 되지만 접속 단자(774)에 접속되는 외부 기기를 정상적으로 동작시키기 위하여 I/O포트(750), I/O인터페이스(752)의 일부에는 전력이 공급된다. 구체적으로는 I/O포트(750)의 출력 버퍼, I/O포트(750)용의 레지스터(783)에 전력이 공급된다.
또한, 본 명세서에서, 회로가 비액티브 상태란, 전력의 공급이 차단되어 회로가 정지되는 상태에 더하여, Active 모드(통상 동작 모드)에서의 주된 기능이 정지되는 상태나 Active 모드보다 전력이 절약화되어 동작되는 상태를 포함한다.
상술한 구성으로 하면, 예를 들어 사용자가 축전 장치의 충전 동작을 강제로 종료시킨 경우에 프로세서(710)의 요구에 따라 파워 게이트 유닛(730)이 갖는 스위치의 일부 또는 전부를 오프 상태로 하는 신호를 출력하고, Noff1 모드 또는 Noff2 모드로 전환하여, 불필요한 회로 블록에 대한 전력의 공급을 정지시킬 수도 있다.
[2.2 구동 방법]
제어 시스템의 동작 예에 대하여 상기 축전 시스템의 구동 방법 예를 참조하면서 설명하기로 한다.
하나 이상의 축전 소자를 충전하는 경우, 인코더(240)에 의하여 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)의 전위를 설정함으로써, 충전하는 축전 소자의 양극 및 음극을 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 접속시킨다.
예를 들어 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)를 충전하는 경우, 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)에 의하여 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 스위치(22b)가 각각 갖는 트랜지스터(251)를 온 상태로 하고 트랜지스터(252)를 오프 상태로 한다. 또한 스위치(51)가 갖는 트랜지스터를 오프 상태로 한다.
이 때 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)와 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)가 도통 상태가 되므로, 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)를 통하여 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)가 충전된다.
하나 이상의 축전 소자를 방전시키는 경우, 인코더(240)에 의하여 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)의 전위를 설정함으로써, 방전시키는 축전 소자의 양극 및 음극을 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)에 접속시킨다.
예를 들어 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)를 방전시키는 경우, 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)에 의하여 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 스위치(22b)가 각각 갖는 트랜지스터(252)를 온 상태로 하고 트랜지스터(251)를 오프 상태로 한다. 또한 제어 신호(CTL1) 또는 제어 신호(CTL2)에 의하여 스위치(51)가 갖는 트랜지스터를 온 상태로 하고 스위치(61)가 갖는 트랜지스터를 오프 상태로 한다.
이 때 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)와 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)가 도통 상태가 되므로, 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)를 통하여 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)가 방전된다.
또한, 전류 검출 회로(245)로부터 출력된 검출 신호에 따라, 축전 소자를 충전할지 여부를 전환할 수도 있다.
예를 들어, 저항 소자(244)를 통하여 흐르는 전류량이 전류 검출 회로(245)에 의하여 기준 값 이하로 판정되면 검출 신호가 하이 레벨이 되는 것으로 한다. 이 때 반도체 회로(246)는, 축전 소자의 충전이 필요한 것으로 판단한다. 반도체 회로(246)가 저소비 전력 모드일 때는 인터럽트 신호(P0IRQ)를 액티브 상태로 하여 프로세서(710)에 대한 전원 공급을 재개(再開)한다. 또한 대응하는 축전 소자의 충전을 지시하는 명령에 따라 데이터 신호를 생성하고, I/O포트(750)를 통하여 이 데이터 신호를 출력한다. 또한, 도 9에 도시된 반도체 회로(246)에서는 I/O포트(750)의 접속 단자(774)를 하나만 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 본 구동 방법 예와 같이 복수의 데이터 신호를 생성하여 출력하는 경우에는 복수의 접속 단자(774)를 제공하여도 좋다.
이 때 인코더(240)는, 입력된 데이터 신호를 부호화함으로써 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)의 전위를 설정한다. 이로써, 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2) 중 충전 대상의 축전 소자를 접속 단자(71a) 및 접속 단자(71b)에 접속시켜서 이 축전 소자를 충전할 수 있다.
부하에 흘리는 전류량을 조정하려면, 부하에 직렬로 접속하는 축전 소자의 개수를 바꾸면 좋다. 이 때 원하는 전류량에 대응하는 축전 소자(10_1), 축전 소자(10_2), 축전 소자(20_1), 및 축전 소자(20_2)의 접속 상태를 설정하기 위한 명령을 데이터로서 메모리(712)에 미리 기록한다.
예를 들어 부하에 흘리는 전류량이 최대 전류보다 작아도 되는 경우, 원하는 전류량으로 설정하는 명령에 따라 데이터 신호를 생성하고, I/O포트(750)를 통하여 이 데이터 신호를 출력한다.
이 때 인코더(240)는, 입력된 데이터 신호를 부호화함으로써 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)의 전위를 설정한다. 이로써, 스위치(11a), 스위치(11b), 스위치(12a), 스위치(12b), 스위치(21a), 스위치(21b), 스위치(22a), 및 스위치(22b) 각각이 갖는 트랜지스터(252) 및 트랜지스터(251), 스위치(51)가 갖는 트랜지스터, 스위치(61)가 갖는 트랜지스터를 제어하여, 직렬로 접속되는 축전 소자의 개수를 설정할 수 있다.
축전 장치의 방전 또는 충전을 수행하는 경우 I/O인터페이스(746)의 레지스터(787)에 기준 값이 되는 충전 시간 또는 방전 시간을 설정하는 데이터를 미리 기록한다. 그리고 타이머 회로(745)에 의하여 시간을 계측한다. 반도체 회로(246)에서는, 타이머 회로(745)에 의하여 계측되는 값이 레지스터(787)에 미리 기록된 시간 데이터의 값에 도달하면, 타이머 회로(745)는 T0IRQ를 액티브 상태로 하여 인터럽트 신호를 출력하고 인터럽트 컨트롤러(721)를 통하여 프로세서(710)로 인터럽트 신호(INT2)를 송신한다. 프로세서(710)는 충전 또는 방전으로 전환하는 명령을 실행하고 데이터 신호를 생성하여 I/O포트(750)를 통하여 출력하여도 좋다.
예를 들어 축전 소자(10_1)를 갖는 축전 장치의 방전 또는 충전을 수행하는 경우, 반도체 회로(246)에서는, 타이머 회로(745)에 의하여 계측되는 값이 상기 레지스터(787)에 기록된 시간 데이터의 값을 초과하면 프로세서(710)를 사용하여 축전 소자(10_1)의 방전을 실행하기 위한 명령에 따라 데이터 신호를 생성하고, I/O포트(750)를 통하여 이 데이터 신호를 인코더(240)에 출력한다. 인코더(240)는, 입력된 신호를 부호화함으로써 제어 신호(CTL1) 내지 제어 신호(CTL4)의 전위를 설정하고 축전 소자(10_1)와 접속 단자(72a) 및 접속 단자(72b)를 도통 상태로 한다. 이로써 축전 소자(10_1)는 방전된다.
상술한 바와 같이, I/O인터페이스(746)의 레지스터(787)에 대하여 충전 시간 및 방전 시간을 설정함으로써, 타이머 회로(745)에 의하여 충전 기간 및 방전 기간의 길이를 제어함으로써 방전 또는 충전을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 반도체 회로(246) 및 인코더(240)를 사용하여 스위치를 제어함으로써 축전 소자의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
(실시형태 3. 레지스터)
반도체 회로(246)의 각 회로 블록에 적용 가능한 레지스터의 구성 예에 대하여 도 10을 참조하면서 설명하기로 한다.
[3.1. 구성]
도 10의 (A)에 도시된 레지스터는 기억 회로(651)와, 기억 회로(652)와, 선택기(653)를 갖는다.
기억 회로(651)에는 리셋 신호(RST), 클록 신호(CLK), 및 데이터 신호(D)가 입력된다. 기억 회로(651)는 입력되는 데이터 신호(D)의 데이터를 클록 신호(CLK)에 따라 유지하고 데이터 신호(Q)로서 출력할 수 있는 기능을 갖는다. 기억 회로(651)로서는, 예를 들어 버퍼 레지스터나 범용 레지스터 등의 레지스터가 사용된다. 또는, 기억 회로(651)로서는, Static Random Access Memory(SRAM이라고도 함) 등으로 이루어진 캐시 메모리를 제공할 수도 있다. 이 레지스터나 캐시 메모리의 데이터는 기억 회로(652)에 기억될 수 있다.
기억 회로(652)에는, 기록 제어 신호(WE), 판독 제어 신호(RD), 및 데이터 신호가 입력된다.
기억 회로(652)는, 기록 제어 신호(WE)에 따라, 입력되는 데이터 신호의 데이터를 기억하고, 판독 제어 신호(RD)에 따라, 기억된 데이터를 데이터 신호로서 출력할 수 있는 기능을 갖는다.
선택기(653)는, 판독 제어 신호(RD)에 따라, 데이터 신호(D) 또는 기억 회로(652)로부터 출력되는 데이터 신호를 선택하고, 기억 회로(651)에 입력한다.
기억 회로(652)에는 트랜지스터(631) 및 용량 소자(632)가 제공된다.
트랜지스터(631)는 n채널형 트랜지스터이며, 선택 트랜지스터로서 기능한다. 트랜지스터(631)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 기억 회로(651)의 출력 단자에 접속된다. 또한 트랜지스터(631)의 백 게이트에는 전원 전위가 공급된다. 또한 트랜지스터(631)는 기록 제어 신호(WE)에 따라, 기억 회로(651)로부터 출력되는 데이터 신호의 유지를 제어할 수 있는 기능을 갖는다.
트랜지스터(631)로서는 예를 들어 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 적용하여도 좋다.
용량 소자(632)의 한 쌍의 전극 중 한쪽은 트랜지스터(631)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되고, 다른 쪽에 저전원 전위(VSS)가 공급된다. 용량 소자(632)는 기억하는 데이터 신호의 데이터에 기초하는 전하를 유지할 수 있는 기능을 갖는다. 트랜지스터(631)의 오프 전류가 매우 낮기 때문에 전원 전압의 공급이 정지되어도 용량 소자(632)의 전하는 유지되고 데이터가 유지된다. 전원 전압(VDD-VSS)은 예를 들어 축전 소자로부터 공급되는 전력을 사용하여 생성된다.
트랜지스터(633)는 p채널형 트랜지스터이다. 트랜지스터(633)의 소스 및 드레인 중 한쪽에는 고전원 전위(VDD)가 공급되고 게이트에는 판독 제어 신호(RD)가 입력된다.
트랜지스터(634)는 n채널형 트랜지스터이다. 트랜지스터(634)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 트랜지스터(633)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되고, 게이트에는 판독 제어 신호(RD)가 입력된다.
트랜지스터(635)는 n채널형 트랜지스터이다. 트랜지스터(635)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 트랜지스터(634)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되고, 트랜지스터(635)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 저전원 전위(VSS)가 공급된다.
인버터(636)의 입력 단자는 트랜지스터(633)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속된다. 또한, 인버터(636)의 출력 단자는 선택기(653)의 입력 단자에 접속된다.
용량 소자(637)의 한 쌍의 전극 중 한쪽은 인버터(636)의 입력 단자에 접속되고, 다른 쪽에는 저전원 전위(VSS)가 공급된다. 용량 소자(637)는 인버터(636)에 입력되는 데이터 신호의 데이터에 기초하는 전하를 유지할 수 있는 기능을 갖는다.
또한, 상기에 한정되지 않고, 예를 들어 상변화형 메모리(PRAM(Phase-change RAM) 또는 PCM(Phase Change Memory)이라고도 함), 저항 변화 메모리(ReRAM(Resistance RAM)이라고도 함), 자기 저항 메모리(MRAM(Magnetoresistive RAM)이라고도 함) 등을 사용하여 기억 회로(652)를 구성하여도 좋다. 예를 들어, MRAM으로서는 자기 터널 접합 소자(MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 소자라고도 함)를 사용한 MRAM을 적용할 수 있다.
[3.2. 구동 방법]
다음에 도 10의 (A)에 도시된 레지스터의 구동 방법 예에 대하여 설명하기로 한다.
우선, 통상 동작 기간에 있어서, 전력이 되는 전원 전압, 리셋 신호(RST), 클록 신호(CLK)는 레지스터에 공급된 상태이다. 이 때 선택기(653)는 데이터 신호(D)의 데이터를 기억 회로(651)에 출력한다. 기억 회로(651)는 입력된 데이터 신호(D)의 데이터를 클록 신호(CLK)에 따라 유지한다. 이 때, 판독 제어 신호(RD)에 의하여 트랜지스터(633)가 온 상태가 되고, 트랜지스터(634)가 오프 상태가 된다.
다음에 전원 전압을 정지시키기 바로 전의 백업 기간에 있어서, 기록 제어 신호(WE)에 따라, 트랜지스터(631)가 온 상태가 되고, 기억 회로(652)에 데이터 신호(D)의 데이터가 기억되고, 트랜지스터(631)가 오프 상태가 된다. 이 후에 레지스터에 대한 클록 신호(CLK)의 공급을 정지시키고, 그 다음에 레지스터에 대한 리셋 신호(RST)의 공급을 정지시킨다. 또한, 트랜지스터(631)가 온 상태일 때 트랜지스터(631)의 백 게이트에 정(正)전원 전위를 공급하여도 좋다. 이 때 판독 제어 신호(RD)에 따라 트랜지스터(633)가 온 상태가 되고 트랜지스터(634)가 오프 상태가 된다.
다음에 전원 정지 기간에 있어서, 레지스터에 대한 전원 전압의 공급을 정지시킨다. 이 때 기억 회로(652)의 트랜지스터(631)의 오프 전류가 낮으므로 기억된 데이터가 유지된다. 또한, 고전원 전위(VDD) 대신 접지 전위(GND)를 공급함으로써 전원 전압의 공급을 정지시킬 수도 있다. 또한, 트랜지스터(631)가 오프 상태일 때 트랜지스터(631)의 백 게이트에 부전원 전위를 공급하여 트랜지스터(631)의 오프 상태를 유지하여도 좋다.
다음에 통상 동작 기간으로 되돌아가는 바로 전의 복구(recovery) 기간에 있어서, 레지스터에 대한 전원 전압의 공급을 재개시킨 후에 클록 신호(CLK)의 공급을 재개시키고, 또한 그 후에 리셋 신호(RST)의 공급을 재개시킨다. 이 때 클록 신호(CLK)가 공급되는 배선을 미리 고전원 전위(VDD)로 하고 그 후에 클록 신호(CLK)의 공급을 재개시킨다. 또한 판독 제어 신호(RD)에 따라 트랜지스터(633)가 오프 상태가 되고 트랜지스터(634)가 온 상태가 되고, 기억 회로(652)에 기억된 값의 데이터 신호가 선택기(653)에 출력된다. 선택기(653)는 판독 제어 신호(RD)에 따라 상기 데이터 신호를 기억 회로(651)에 출력한다. 이로써, 전원 정지 기간 직전의 상태로 기억 회로(651)를 복귀시킬 수 있다.
이 후에 통상 동작 기간에 있어서, 기억 회로(651)의 통상 동작을 다시 수행한다.
이상이 도 10의 (A)에 도시된 레지스터의 구동 방법 예이다.
또한, 레지스터는 도 10의 (A)에 도시된 구성에 한정되지 않는다.
예를 들어 도 10의 (B)에 도시된 레지스터는, 도 10의 (A)에 도시된 레지스터의 구성에 포함되는 트랜지스터(633), 트랜지스터(634), 인버터(636), 용량 소자(637)가 없고, 선택기(654)를 갖는 구성이다. 도 10의 (A)에 도시된 레지스터와 같은 부분에 대해서는 도 10의 (A)에 도시된 레지스터에 대한 설명을 적절히 원용한다.
이 경우, 트랜지스터(635)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 선택기(653)의 입력 단자에 접속된다.
또한 선택기(654)는, 기록 제어 신호(WE2)에 따라, 데이터가 되는 저전원 전위(VSS) 또는 기억 회로(651)로부터 출력되는 데이터 신호를 선택하고, 기억 회로(652)에 입력한다.
다음에 도 10의 (B)에 도시된 레지스터의 구동 방법 예에 대하여 설명하기로 한다.
우선, 통상 동작 기간에 있어서, 전원 전압, 리셋 신호(RST), 클록 신호(CLK)는 레지스터에 공급된 상태이다. 이 때 선택기(653)는 데이터 신호(D)의 데이터를 기억 회로(651)에 출력한다. 기억 회로(651)는 입력된 데이터 신호(D)의 데이터를 클록 신호(CLK)에 따라 유지한다. 또한, 선택기(654)는 기록 제어 신호(WE2)에 따라 저전원 전위(VSS)를 기억 회로(652)에 출력한다. 기억 회로(652)에서는, 기록 제어 신호(WE)에 따라 트랜지스터(631)가 온 상태가 되고, 기억 회로(652)에 저전원 전위(VSS)가 데이터로서 기억된다.
다음에 전원 전압을 정지시키기 바로 전의 백업 기간에 있어서, 선택기(654)는 기록 제어 신호(WE2)에 따라, 저전원 전위(VSS)의 공급 대신 기억 회로(651)의 출력 단자와 트랜지스터(631)의 소스 및 드레인 중 한 쪽을 도통 상태로 한다. 또한 기록 제어 신호(WE)에 따라, 트랜지스터(631)가 온 상태가 되고, 기억 회로(652)에 데이터 신호(D)의 데이터가 기억되고, 트랜지스터(631)가 오프 상태가 된다. 이 때 데이터 신호(D)의 전위가 고전원 전위(VDD)와 같은 값인 경우에만 기억 회로(652)의 데이터가 재기록된다. 또한 레지스터에 대한 클록 신호(CLK)의 공급을 정지시키고, 레지스터에 대한 리셋 신호(RST)의 공급을 정지시킨다. 또한, 트랜지스터(631)가 온 상태일 때 트랜지스터(631)의 백 게이트에 정전원 전위를 공급하여도 좋다.
다음에 전원 정지 기간에 있어서, 레지스터에 대한 전원 전압의 공급을 정지시킨다. 이 때 기억 회로(652)에 있어서, 트랜지스터(631)의 오프 전류가 낮으므로 데이터의 값이 유지된다. 또한, 고전원 전위(VDD) 대신 접지 전위(GND)를 공급함으로써 전원 전압의 공급을 정지시킬 수도 있다. 또한, 멀티플렉서에 의하여, 트랜지스터(631)가 오프 상태일 때 트랜지스터(631)의 백 게이트에 부전원 전위를 공급하여 트랜지스터(631)의 오프 상태를 유지하여도 좋다.
다음에 통상 동작 기간으로 되돌아가는 바로 전의 복구 기간에 있어서, 레지스터에 대한 전원 전압의 공급을 재개시킨 후에 클록 신호(CLK)의 공급을 재개시키고, 그 후에 리셋 신호(RST)의 공급을 재개시킨다. 이 때 클록 신호(CLK)가 공급되는 배선을 미리 고전원 전위(VDD)로 하고 그 후에 클록 신호(CLK)의 공급을 재개시킨다. 선택기(653)는, 판독 제어 신호(RD)에 따라, 기억 회로(652)에 기억된 데이터에 대응하는 값의 데이터 신호를 기억 회로(651)에 출력한다. 이로써, 전원 정지 기간 직전의 상태로 기억 회로(651)를 복귀시킬 수 있다.
이 후에, 통상 동작 기간에 있어서, 기억 회로(651)의 통상 동작을 다시 수행한다.
이상이 도 10의 (B)에 도시된 레지스터의 구동 방법 예이다.
도 10의 (B)에 도시된 구성으로 함으로써, 백업 기간에 저전원 전위(VSS)의 데이터를 기록할 필요가 없으므로 빠르게 동작시킬 수 있다.
상술한 레지스터를 레지스터(784) 내지 레지스터(787)에 사용하면, Active 모드로부터 Noff1 모드 및 Noff2 모드로의 이행 시에, 전원 차단에 앞서, 레지스터(784) 내지 레지스터(787)의 기억 회로(651)의 데이터는 기억 회로(652)에 기록되고, 기억 회로(651)의 데이터를 초기 값으로 리셋되고, 전원이 차단된다.
또한, Noff1 모드 및 Noff2 모드로부터 Active 모드로 복귀될 때, 레지스터(784) 내지 레지스터(787)로의 전력 공급이 재개되면, 우선, 기억 회로(651)의 데이터가 초기 값으로 리셋된다. 그리고, 기억 회로(652)의 데이터가 기억 회로(651)에 기록된다.
따라서, 저소비 전력 모드 시에도, 반도체 회로(246)의 처리에 필요한 데이터가 레지스터(784) 내지 레지스터(787)에서 유지되므로 반도체 회로(246)를 저소비 전력 모드로부터 Active 모드로 바로 복귀시킬 수 있다. 따라서, 반도체 회로(246)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
(실시형태 4. 메모리)
본 발명의 일 형태에 적용 가능한 메모리의 예에 대하여 설명하기로 한다. 이 메모리는 예를 들어 도 9에 도시된 메모리(712)에 적용할 수도 있다.
[4.1. SRAM]
여기서는 인버터의 회로를 응용한 플립 플롭으로 구성되는 메모리인 SRAM에 대하여 설명하기로 한다.
SRAM은 플립 플롭을 사용하여 데이터를 유지하므로, DRAM(Dynamic Random Access Memory)와 달리, 리프레시 동작이 불필요하다. 그러므로 데이터 유지 시의 소비 전력을 억제할 수 있다. 또한, 용량 소자가 사용되지 않기 때문에 고속 동작이 필요한 용도에 적합하다.
도 11은 본 발명의 일 형태에 따른 SRAM의 메모리 셀에 대응하는 회로도를 도시한 것이다. 또한, 도 11에는 한 메모리 셀만 도시하였으나, 이 메모리 셀을 복수로 배치한 메모리 셀 어레이에 본 발명의 일 형태를 적용하여도 좋다.
도 11에 도시된 메모리 셀은, 트랜지스터(Tr1e)와, 트랜지스터(Tr2e)와, 트랜지스터(Tr3e)와, 트랜지스터(Tr4e)와, 트랜지스터(Tr5e)와, 트랜지스터(Tr6e)를 갖는다. 트랜지스터(Tr1e) 및 트랜지스터(Tr2e)는 p채널형 트랜지스터이고, 트랜지스터(Tr3e) 및 트랜지스터(Tr4e)는 n채널형 트랜지스터이다. 트랜지스터(Tr1e)의 게이트는 트랜지스터(Tr2e)의 드레인, 트랜지스터(Tr3e)의 게이트, 트랜지스터(Tr4e)의 드레인, 및 트랜지스터(Tr6e)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr1e)의 소스에는 고전원 전위(VDD)가 공급된다. 트랜지스터(Tr1e)의 드레인은 트랜지스터(Tr2e)의 게이트, 트랜지스터(Tr3e)의 드레인, 및 트랜지스터(Tr5e)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr2e)의 소스에는 고전원 전위(VDD)가 공급된다. 트랜지스터(Tr3e)의 소스에는 접지 전위(GND)가 공급된다. 트랜지스터(Tr3e)의 백 게이트는 백 게이트선(BGL)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr4e)의 소스에는 접지 전위(GND)가 공급된다. 트랜지스터(Tr4e)의 백 게이트는 백 게이트선(BGL)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr5e)의 게이트는 워드선(WL)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr5e)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 비트선(BLB)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr6e)의 게이트는 워드선(WL)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(Tr6e)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 비트선(BL)에 전기적으로 접속된다.
또한, 본 실시형태에서는, 트랜지스터(Tr5e) 및 트랜지스터(Tr6e)로서 n채널형 트랜지스터를 적용한 예에 대하여 제시한다. 다만, 트랜지스터(Tr5e) 및 트랜지스터(Tr6e)로서는, n채널형 트랜지스터에 한정되지 않고 p채널형 트랜지스터를 적용할 수도 있다. 이 경우 나중에 제시하는 기록, 유지, 및 판독의 방법도 적절히 변경하면 좋다.
이와 같이 트랜지스터(Tr1e) 및 트랜지스터(Tr3e)를 갖는 인버터와, 트랜지스터(Tr2e) 및 트랜지스터(Tr4e)를 갖는 인버터를 링(ring) 접속함으로써 플립 플롭이 구성된다.
p채널형 트랜지스터로서는 예를 들어 실리콘을 사용한 트랜지스터를 적용하면 좋다. 다만, p채널형 트랜지스터는 실리콘을 사용한 트랜지스터에 한정되지 않는다. 또한, n채널형 트랜지스터로서는 앞의 실시형태에서 제시한 산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터를 적용하면 좋다.
본 실시형태에서는, 트랜지스터(Tr3e) 및 트랜지스터(Tr4e)로서는 앞의 실시형태에서 제시한 산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터를 적용한다. 이 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮으므로 관통 전류도 매우 낮게 된다.
또한, 트랜지스터(Tr1e) 및 트랜지스터(Tr2e)로서, p채널형 트랜지스터 대신 n채널형 트랜지스터를 적용할 수도 있다. 트랜지스터(Tr1e) 및 트랜지스터(Tr2e)로서 n채널형 트랜지스터를 사용하는 경우, 디플리션(depletion)형 트랜지스터를 적용하면 좋다.
도 11에 도시된 메모리 셀의 기록, 유지, 및 판독에 대하여 이하에서 설명한다.
기록 시에는, 우선, 비트선(BL) 및 비트선(BLB)에 데이터 0 또는 데이터 1에 대응하는 전위를 인가한다.
예를 들어, 데이터 1을 기록하고 싶은 경우에는 비트선(BL)을 고전원 전위(VDD), 비트선(BLB)을 접지 전위(GND)로 한다. 다음에, 워드선(WL)에 트랜지스터(Tr5e), 트랜지스터(Tr6e)의 문턱 전압에 고전원 전위(VDD)를 가한 전위 이상의 전위(VH)를 인가한다.
다음에, 워드선(WL)의 전위를 트랜지스터(Tr5e), 트랜지스터(Tr6e)의 문턱 전압 미만으로 함으로써 플립 플롭에 기록한 데이터 1이 유지된다. SRAM의 경우, 데이터를 유지함으로써 트랜지스터의 누설 전류만 흐른다. 여기서, SRAM을 구성하는 일부의 트랜지스터에는 상기 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 적용하면, 데이터를 유지하기 위한 대기 전력을 낮게 할 수 있다.
판독 시에는 비트선(BL) 및 비트선(BLB)을 고전원 전위(VDD)로 미리 한다. 다음에, 워드선(WL)에 VH를 인가함으로써, 비트선(BL)은 고전원 전위(VDD)를 유지하여 변화되지 않지만, 비트선(BLB)은 트랜지스터(Tr5e) 및 트랜지스터(Tr3e)를 통하여 방전되고 접지 전위(GND)가 된다. 이 비트선(BL)과 비트선(BLB)의 전위차를 센스 앰프(도시하지 않았음)에 의하여 증폭함으로써 유지된 데이터 1을 판독할 수 있다.
또한, 데이터 0을 기록하고자 하는 경우에는 비트선(BL)을 접지 전위(GND), 비트선(BLB)을 고전원 전위(VDD)로 하고, 이 후에 워드선(WL)에 VH를 인가하면 좋다. 다음에, 워드선(WL)의 전위를 트랜지스터(Tr5e), 트랜지스터(Tr6e)의 문턱 전압 미만으로 함으로써, 플립 플롭에 기록한 데이터 0이 유지된다. 판독 시에는, 비트선(BL) 및 비트선(BLB)을 미리 고전원 전위(VDD)로 하고, 워드선(WL)에 VH를 인가함으로써, 비트선(BLB)은 고전원 전위(VDD)를 유지하여 변화되지 않지만, 비트선(BL)은 트랜지스터(Tr6e) 및 트랜지스터(Tr4e)를 통하여 방전되고 접지 전위(GND)가 된다. 이 비트선(BL)과 비트선(BLB)의 전위차를 센스 앰프에 의하여 증폭함으로써, 유지된 데이터 0을 판독할 수 있다.
상술한 일 형태에 의하여, 대기 전력이 낮은 SRAM을 제공할 수 있다.
[4.2. DOSRAM]
산화물 반도체막을 사용한 트랜지스터는 오프 전류를 매우 낮게 할 수 있다. 즉, 이 트랜지스터를 통하여 전하의 누설이 발생되기 어려운 전기 특성을 갖는다. 이하에서는, 기지의 메모리에 비하여, 기능적으로 뛰어난 메모리로서, 상술한 바와 같은 전기 특성을 갖는 트랜지스터가 적용된 DOSRAM(Dynamic Oxide Semiconductor Random Access Memory)에 대하여 설명하기로 한다. DOSRAM이란, 상기 오프 전류가 낮은 트랜지스터를, 메모리 셀의 선택 트랜지스터(스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터)에 사용한 메모리를 가리킨다.
우선, 메모리에 대하여, 도 12를 참조하면서 설명하기로 한다. 여기서, 도 12의 (A)는 메모리의 메모리 셀 어레이의 회로도를 도시한 것이다. 도 12의 (B)는 메모리 셀의 회로도를 도시한 것이다.
도 12의 (A)에 도시된 메모리 셀 어레이는, 메모리 셀(1050)과, 비트선(1051)과, 워드선(1052)과, 용량선(1053)과, 센스 앰프(1054)를 각각 복수로 갖는다.
또한, 비트선(1051) 및 워드선(1052)이 그리드(grid) 형태로 제공되고, 메모리 셀(1050)이 비트선(1051) 및 워드선(1052)의 각 교점에 하나씩 배치된다. 비트선(1051)은 센스 앰프(1054)와 접속되고, 비트선(1051)의 전위를 데이터로서 판독하는 기능을 갖는다.
도 12의 (B)에 도시된 바와 같이, 메모리 셀(1050)은 트랜지스터(1055)와, 커패시터(1056)를 갖는다. 또한, 트랜지스터(1055)의 게이트는 워드선(1052)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(1055)의 소스는 비트선(1051)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(1055)의 드레인은 커패시터(1056)의 한쪽 단자와 전기적으로 접속된다. 커패시터(1056)의 다른 쪽 단자는 용량선(1053)에 전기적으로 접속된다.
도 13은 메모리의 사시도를 도시한 것이다. 도 13에 도시된 메모리는, 상부에 복수의 메모리 셀을 기억 회로로서 포함하는 메모리 셀 어레이(메모리 셀 어레이(3400a) 내지 메모리 셀 어레이(3400n)(n은 2 이상의 정수(整數)))를 복수 층 갖고, 하부에 메모리 셀 어레이(3400a) 내지 메모리 셀 어레이(3400n)를 동작시키기는 데 필요한 논리 회로(3004)를 갖는다.
커패시터(1056)에 유지된 전압은 트랜지스터(1055)의 누설로 인하여 시간이 지나면 서서히 저감된다. 처음에 V0부터 V1까지 충전된 전압은, 시간이 지나면 data1을 판독하는 한계점인 VA까지 저감된다. 이 기간을 유지 기간(T_1)으로 한다. 즉, 2치(two-level) 메모리 셀의 경우, 유지 기간(T_1) 동안에 리프레시할 필요가 있다.
예를 들어, 트랜지스터(1055)의 오프 전류가 충분히 낮지 않은 경우, 커패시터(1056)에 유지된 전압의 시간 변화가 크기 때문에 유지 기간(T_1)이 짧아진다. 따라서, 빈번하게 리프레시할 필요가 있다. 리프레시의 빈도가 높아지면 메모리의 소비 전력이 높게 된다.
본 실시형태에서는, 트랜지스터(1055)의 오프 전류가 매우 낮으므로, 유지 기간(T_1)을 매우 길게 할 수 있다. 즉, 리프레시 빈도를 적게 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 오프 전류가 1×10-21A 내지 1×10-25A인 트랜지스터(1055)를 사용하여 메모리 셀을 구성하면 전력 공급 없이 며칠간 내지 수십 년간에 걸쳐 데이터를 유지하는 것이 가능하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 형태에 의하여, 집적도가 높고 소비 전력이 낮은 메모리를 얻을 수 있다.
[4.3. NOSRAM]
다음에 도 11 및 도 13에 도시된 메모리와 다른 메모리로서 NOSRAM(Non-volatile Oxide Semiconductor Random Access Memory)에 대하여 설명하기로 한다. NOSRAM이란, 상기 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 메모리 셀의 선택 트랜지스터(스위칭 소자로서 사용되는 트랜지스터)에 사용하고 실리콘 재료 등을 사용한 트랜지스터를 메모리 셀의 출력 트랜지스터에 사용한 메모리를 가리킨다.
도 14의 (A)는 메모리를 구성하는 메모리 셀 및 배선을 포함한 회로도를 도시한 것이다. 또한, 도 14의 (B)는 도 14의 (A)에 도시된 메모리 셀의 전기 특성에 대하여 나타낸 것이다.
도 14의 (A)에 도시된 바와 같이, 메모리 셀은 트랜지스터(1071)와, 트랜지스터(1072)와, 커패시터(1073)를 갖는다. 여기서, 트랜지스터(1071)의 게이트는 워드선(1076)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(1071)의 소스는 소스선(1074)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(1071)의 드레인은 트랜지스터(1072)의 게이트 및 커패시터(1073)의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고, 이 부분을 노드(1079)로 한다. 트랜지스터(1072)의 소스는 소스선(1075)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(1072)의 드레인은 드레인선(1077)에 전기적으로 접속된다. 커패시터(1073)의 다른 쪽 단자는 용량선(1078)에 전기적으로 접속된다.
또한, 도 14에 도시된 메모리는, 노드(1079)의 전위에 따라 트랜지스터(1072)의 외견상의 문턱 전압이 변동됨을 이용한 것이다. 예를 들어, 도 14의 (B)는 용량선(1078)의 전압(VCL)과 트랜지스터(1072)를 흐르는 드레인 전류(Id_2)의 관계를 설명한 도면이다.
또한, 트랜지스터(1071)를 통하여 노드(1079)의 전위를 조정할 수 있다. 예를 들어, 소스선(1074)의 전위를 고전원 전위(VDD)로 한다. 이 때, 워드선(1076)의 전위를, 트랜지스터(1071)의 문턱 전압(Vth)에 고전원 전위(VDD)를 가한 전위 이상으로 함으로써, 노드(1079)의 전위를 HIGH로 할 수 있다. 또한, 워드선(1076)의 전위를 트랜지스터(1071)의 문턱 전압(Vth) 이하로 함으로써 노드(1079)의 전위를 LOW로 할 수 있다.
그래서, 트랜지스터(1072)는 LOW로 나타낸 VCL-Id_2 커브와, HIGH로 나타낸 VCL-Id_2 커브 중 어느 하나의 전기 특성을 갖게 된다. 즉, LOW에서는 VCL=0V에서 Id_2가 작기 때문에 데이터 0이 된다. 또한, HIGH에서는 VCL=0V에서 Id_2가 크기 때문에 데이터 1이 된다. 이로써, 데이터를 기억할 수 있다.
트랜지스터(1071)로서 오프 전류가 낮은 트랜지스터를 사용함으로써 데이터 유지 시간을 길게 할 수 있다. 트랜지스터(1072)를 사용함으로써 데이터 판독 시에 데이터가 손실되지 않기 때문에 반복적으로 데이터를 판독할 수 있다.
(실시형태 5. 반도체 장치의 구조 예)
제어 시스템, 축전 시스템 등에 사용되는 반도체 장치의 구조 예에 대하여 설명하기로 한다.
[5.1. 트랜지스터의 구조]
우선, 반도체 회로에 적용 가능한 트랜지스터의 구조 예에 대하여 설명하기로 한다.
트랜지스터의 구조는 특별히 한정되지 않고 임의의 구조로 할 수 있다. 트랜지스터의 구조로서는, 예를 들어 이하에서 설명하는 보텀 게이트 구조의 스태거형이나 플레이너형 등을 사용할 수 있다. 또한, 트랜지스터는 채널 형성 영역이 하나 형성되는 싱글 게이트 구조이어도 좋고, 2개 형성되는 더블 게이트 구조 또는 3개 형성되는 트리플 게이트 구조 등의 멀티 게이트 구조이어도 좋다. 또한, 채널 형성 영역의 상하에 게이트 절연막을 개재(介在)하여 배치된 2개의 게이트 전극을 갖는 구조(본 명세서에서는 이것을 듀얼 게이트 구조라고 함)이어도 좋다. 또한, 채널 에치(channel-etch)형 트랜지스터, 채널 보호형 트랜지스터로 하여도 좋다.
[5.1.1. 보텀 게이트 구조]
도 15는 보텀 게이트형 트랜지스터의 일종인 보텀 게이트 톱 콘택트 구조의 트랜지스터(421)의 구성 예를 도시한 것이다. 도 15의 (A)는 트랜지스터(421)의 평면도를 도시한 것이고, 도 15의 (B)는 도 15의 (A) 중 일점 쇄선 A1-A2부분의 단면도를 도시한 것이고, 도 15의 (C)는 도 15의 (A) 중 일점 쇄선 B1-B2부분의 단면도를 도시한 것이다.
트랜지스터(421)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 제공된 게이트 전극(401)과, 게이트 전극(401) 위에 제공된 게이트 절연막(402)과, 게이트 절연막(402)을 개재하여 게이트 전극(401)과 중첩되는 산화물막(404)과, 산화물막(404)과 접촉하도록 제공된 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)을 갖는다. 또한, 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)을 덮고 산화물막(404)과 접촉하도록 절연막(406)이 제공된다. 또한, 기판(400)은 다른 소자가 형성된 기판이라도 좋다.
또한, 산화물막(404) 중 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)과 접촉하는 영역에 n형화 영역(403)을 가져도 좋다.
[5.1.2. 톱 게이트 구조]
도 16의 (A)는 톱 게이트 구조의 트랜지스터(422)를 도시한 것이다.
트랜지스터(422)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 제공된 절연막(408)과, 절연막(408) 위에 제공된 산화물막(404)과, 산화물막(404)과 접촉하도록 제공된 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)과, 산화물막(404)과 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b) 위에 제공된 게이트 절연막(409)과, 게이트 절연막(409)을 개재하여 산화물막(404)과 중첩되는 게이트 전극(410)을 갖는다.
또한, 산화물막(404) 중 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)과 접촉하는 영역에 n형화 영역(403)을 가져도 좋다.
[5.1.3. 듀얼 게이트 구조]
도 16의 (B)는 채널 형성 영역의 상하에 게이트 절연막을 개재하여 배치된 2개의 게이트 전극을 갖는, 듀얼 게이트 구조의 트랜지스터(423)를 도시한 것이다.
트랜지스터(423)는 절연 표면을 갖는 기판(400) 위에 제공된 게이트 전극(401)과, 게이트 전극(401) 위에 제공된 게이트 절연막(402)과, 게이트 절연막(402)을 개재하여 게이트 전극(401)과 중첩되는 산화물막(404)과, 산화물막(404)과 접촉하도록 제공된 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)과, 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)을 덮고 산화물막(404)과 접촉하는 게이트 절연막(409)과, 게이트 절연막(409)을 개재하여 산화물막(404)과 중첩되는 게이트 전극(410)을 갖는다.
또한, 산화물막(404) 중 소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)과 접촉하는 영역에 n형화 영역(403)을 가져도 좋다.
[5.2. 트랜지스터의 구성 요소]
트랜지스터의 각 구성 요소에 대하여 설명하기로 한다.
[5.2.1. 도전막]
게이트 전극(401) 및 게이트 전극(410)으로서는, 예를 들어, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W 등을 갖는 층을 사용할 수 있다.
소스 전극(405a) 및 드레인 전극(405b)으로서는, 예를 들어, Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W 등을 갖는 층을 사용할 수 있다.
[5.2.2. 절연막]
게이트 절연막(402), 절연막(406), 게이트 절연막(409)으로서는, 예를 들어, 산화 실리콘막, 산화 질화 실리콘막, 질화 산화 실리콘막, 질화 실리콘막, 산화 갈륨막, 산화 알루미늄막, 질화 알루미늄막, 또는 산화 질화 알루미늄막을 사용할 수 있다.
또한, 산소가 많이 포함되는 성막 조건에서 절연막을 형성함으로써 과잉 산소를 포함한 절연막을 형성할 수 있다. 또한, 더 많은 과잉 산소를 절연막에 포함시키려면 이온 주입법이나, 이온 도핑법이나, 플라즈마 처리를 이용하여 산소를 첨가하면 좋다. 이로써, 산화물막에 산소를 공급할 수 있다.
[5.2.3. 산화물막]
또한 산화물막(404)에 적용 가능한 재료에 대하여 설명하기로 한다.
산화물막(404)으로서는 예를 들어, In계 금속 산화물, Zn계 금속 산화물, In-Zn계 금속 산화물, 또는 In-Ga-Zn계 금속 산화물 등의 막을 적용할 수 있다.
In은 예를 들어 산화물막(404)의 도전성을 높이는 기능을 가져도 좋다. 예를 들어, In을 포함시킴으로써 산화물막(404)의 캐리어 이동도를 향상시킬 수 있다.
또는, 상기 In-Ga-Zn계 금속 산화물에 포함되는 Ga의 일부 또는 전부 대신에 다른 금속 원소를 포함한 금속 산화물을 사용하여도 좋다. 상기 다른 금속 원소로서는, 예를 들어 갈륨보다 많은 산소 원자와 결합할 수 있는 금속 원소를 사용하면 좋고, 예를 들어 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 게르마늄, 및 주석 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 사용하면 좋다. 또한, 상기 다른 금속 원소로서는 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 및 루테튬 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 사용하면 좋다. 이들 금속 원소는 스테빌라이저로서의 기능을 갖고 산화물막 내의 산소 결손의 발생을 억제하는 기능을 가져도 좋다. 또한, 이들 금속 원소의 첨가량은 금속 산화물이 반도체로서 기능하는 것이 가능한 양이다. 갈륨보다 많은 산소 원자와 결합할 수 있는 금속 원소를 사용함으로써, 또한 금속 산화물 내에 산소를 공급함으로써, 금속 산화물 내의 산소 결함을 적게 할 수 있다.
Zn은 예를 들어 산화물막을 결정화시키기 쉽게 하는 기능을 가져도 좋다.
이차 이온 질량 분석(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 측정되는 산화물막 내의 수소 농도는, 2×1020atoms/cm3 이하, 바람직하게는 5×1019atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하로 할 수 있다.
또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 질소 농도는, 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 할 수 있다.
또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 탄소 농도는, 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 할 수 있다.
또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 실리콘 농도는, 5×1019atoms/cm3 미만, 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하, 더욱 바람직하게는 5×1017atoms/cm3 이하로 할 수 있다.
또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 나트륨 농도는, 5×1016cm-3 이하, 바람직하게는 1×1016cm-3 이하, 더 바람직하게는 1×1015cm-3 이하로 할 수 있다. 또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 리튬 농도는, 5×1015cm-3 이하, 바람직하게는 1×1015cm-3 이하로 할 수 있다. 또한, SIMS에 의하여 측정되는 산화물막 내의 칼륨 농도는 5×1015cm-3 이하, 바람직하게는 1×1015cm-3 이하로 할 수 있다.
또한, 산화물막에서는, 승온 이탈 가스 분광법(TDS: Thermal Desorption Spectroscopy) 분석에 의하여 측정되는, m/z가 2(수소 분자 등)인 기체 분자(원자), m/z가 18인 기체 분자(원자), m/z가 28인 기체 분자(원자), 및 m/z가 44인 기체 분자(원자)의 방출량이, 각각 1×1019개/cm3 이하, 바람직하게는 1×1018개/cm3 이하인 것이 바람직하다.
산화물막(404)에는 예를 들어 산화물 반도체막을 사용할 수 있다.
산화물 반도체막은 예를 들어 비단결정을 가져도 좋다. 비단결정은 예를 들어 CAAC(C Axis Aligned Crystal), 다결정, 미결정, 비정질부를 갖는다. 비정질부는, 미결정 및 CAAC보다 결함 준위 밀도가 높다. 또한, 미결정은 CAAC보다 결함 준위 밀도가 높다. 또한, CAAC를 갖는 산화물 반도체를 CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)라고 부른다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 CAAC-OS를 가져도 좋다. CAAC-OS는 예를 들어 c축 배향하고, a축 또는/및 b축은 거시적으로 보면 정렬되어 있지 않은 산화물 반도체를 갖는다.
(실시형태 6. 축전 장치)
축전 장치의 일례로서 리튬 이온 이차 전지로 대표되는 비수계 이차 전지에 대하여 설명하기로 한다.
[6.1. 양극]
우선, 축전 장치의 양극에 대하여 도 17을 참조하여 설명하기로 한다.
양극(6000)은 양극 집전체(6001)와, 도포법, CVD법, 또는 스퍼터링법 등을 이용하여 양극 집전체(6001) 위에 형성된 양극 활물질층(6002) 등에 의하여 구성된다. 도 17의 (A)는 시트 형상(또는 띠 형상)의 양극 집전체(6001)의 양면에 양극 활물질층(6002)을 제공한 예를 도시한 것이지만, 이에 한정되지 않고, 양극 활물질층(6002)은 양극 집전체(6001)의 한쪽 면에만 제공되어도 좋다. 또한, 도 17의 (A)에서는 양극 활물질층(6002)은 양극 집전체(6001) 위의 모든 영역에 제공되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 양극 집전체(6001)의 일부 위에 제공되어도 좋다. 예를 들어 양극 집전체(6001)와 양극 태브가 접속되는 부분에는 양극 활물질층(6002)을 제공하지 않는 구성으로 하면 좋다.
양극 집전체(6001)에는 스테인리스, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 알루미늄, 티타늄 등의 금속 및 이들 금속의 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 사용할 수 있다. 또한, 실리콘, 티타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브데넘 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 양극 집전체(6001)는, 박(箔) 형상, 판 형상(시트 형상), 그물 형상, 펀칭 메탈(punching-metal) 형상, 강망(expanded-metal) 형상 등의 형상을 적절히 사용할 수 있다. 양극 집전체(6001)는 두께가 10μm 이상 30μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
도 17의 (B)는 양극 활물질층(6002)의 세로 단면의 모식도를 도시한 것이다. 양극 활물질층(6002)은 입자 형태의 양극 활물질(6003)과, 도전조제로서 사용되는 그래핀(6004)과, 바인더(6005)(결착제)를 포함한다.
도전조제로서는, 후술하는 그래핀 외에, 아세틸렌 블랙(AB), 케첸 블랙(KetjenBlack), 그래파이트(흑연(黑鉛)) 입자, 카본 나노 튜브 등을 사용할 수 있고, 여기서는 일례로서 그래핀(6004)을 사용한 양극 활물질층(6002)에 대하여 설명하기로 한다.
양극 활물질(6003)은, 원료 화합물을 정해진 비율로 혼합하여 소성한 소성물을 적당한 수단에 의하여 분쇄, 조립(造粒) 및 분급(分級)한, 평균 입경이나 입경 분포를 갖는 이차 입자로 이루어진 입자 형태를 갖는 양극 활물질이다. 그래서, 도 17의 (B)에서는 양극 활물질(6003)을 모식적으로 동그라미로 도시하였지만 이 형상에 한정되지는 않는다.
양극 활물질(6003)로서는, 리튬 이온 등의 캐리어 이온의 삽입 및 이탈이 가능한 재료라면 좋다.
예를 들어, 올리빈형 구조의 리튬 함유 복합 인산염(일반식 LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상))을 사용할 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표 예로서는 LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a＋b는 1 이하, 0<a<1, 0<b<1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c＋d＋e는 1 이하, 0<c<1, 0<d<1, 0<e<1), LiFefNigCohMniPO4(f＋g＋h＋i는 1 이하, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 0<i<1) 등의 리튬 화합물을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
또는, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2) 등의 리튬 함유 복합 실리콘산염을 사용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표 예로서는 Li(2-j)FeSiO4, Li(2-j)NiSiO4, Li(2-j)CoSiO4, Li(2-j)MnSiO4, Li(2-j)FekNilSiO4, Li(2-j)FekColSiO4, Li(2-j)FekMnlSiO4, Li(2-j)NikColSiO4, Li(2-j)NikMnlSiO4(k+l은 1 이하, 0＜k＜1, 0＜l＜1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q는 1 이하, 0＜m＜1, 0＜n＜1, 0＜q＜1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u는 1 이하, 0＜r＜1, 0＜s＜1, 0＜t＜1, 0＜u＜1) 등의 화합물을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
또한, 층상 암염형의 결정 구조를 갖는, 코발트산 리튬(LiCoO2), LiNiO2, LiMnO2, Li2MnO3, LiNi0.8Co0.2O2 등의 NiCo계(일반식은 LiNixCo1 －xO2(0<x<1)), LiNi0 .5Mn0 .5O2 등의 NiMn계(일반식은 LiNixMn1 －xO2(0<x<1)), LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2 등의 NiMnCo계(NMC라고도 하고, 일반식은 LiNixMnyCo1 -x-yO2(x>0, y>0, x+y<1)) 등의 리튬 함유 재료를 사용할 수 있다.
또한, LiMn2O4 등 스피넬형의 결정 구조를 갖는 활물질, LiMVO4 등 역 스피넬형의 결정 구조를 갖는 활물질 등, 기타 다양한 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 캐리어 이온이 리튬 이온 외의 알칼리 금속 이온이나, 알칼리 토금속 이온인 경우, 양극 활물질(6003)로서 상기 화합물 및 산화물에 있어서 리튬 대신 알칼리 금속(예를 들어, 나트륨이나 칼륨 등), 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 베릴륨, 마그네슘 등)을 사용하여도 좋다.
또한, 도시하지 않았지만 양극 활물질(6003)의 표면에 탄소층을 제공하여도 좋다. 탄소층을 제공함으로써 전극의 도전성을 향상시킬 수 있다. 탄소층에 의한 양극 활물질(6003)의 피복은, 양극 활물질의 소성 시에 글루코오스 등의 탄수화물을 혼합하여 수행될 수 있다.
또한, 도전조제로서 양극 활물질층(6002)에 첨가하는 그래핀(6004)은 산화 그래핀에 대하여 환원 처리를 수행함으로써 형성할 수 있다.
여기서, 본 명세서에서의 그래핀은, 단층의 그래핀 또는 2층 이상 100층 이하의 다층 그래핀을 포함하는 것이다. 단층 그래핀이란, π결합을 갖는 1원자층의 탄소 분자의 시트를 말한다. 또한, 산화 그래핀이란, 상기 그래핀이 산화된 화합물을 말한다. 또한, 산화 그래핀을 환원하여 그래핀을 형성하는 경우, 산화 그래핀에 포함되는 산소는 모두 이탈되지 않고 일부의 산소는 그래핀에 잔존한다. 그래핀에 산소가 포함되는 경우, 산소의 비율은 XPS에 의한 측정 시에는 그래핀 전체의 2atomic% 이상 20atomic% 이하, 바람직하게는 3atomic% 이상 15atomic% 이하이다.
여기서, 그래핀이 다층 그래핀인 경우에는, 산화 그래핀을 환원한 그래핀을 가짐으로써 그래핀의 층간 거리는 0.34nm 이상 0.5nm 이하, 바람직하게는 0.38nm 이상 0.42nm 이하, 더 바람직하게는 0.39nm 이상 0.41nm 이하이다. 일반적인 그래파이트에서는 단층 그래핀의 층간 거리가 0.34nm이고, 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치에 사용되는 그래핀의 층간 거리가 더 기므로 다층 그래핀의 층간에서 캐리어 이온이 이동하기 쉬워진다.
산화 그래핀은 예를 들어 Hummers법이란 산화법을 이용하여 제작할 수 있다.
Hummers법은 그래파이트 분말에 과망간산 칼륨의 황산 용액, 과산화 수소수 등을 가하여 산화 반응시켜 산화 그래파이트를 포함한 분산액을 제작한다. 산화 그래파이트는 그래파이트의 탄소의 산화에 의하여 에폭시기, 카보닐기, 카복실기, 하이드록실기 등의 관능기가 결합된다. 그러므로 복수의 그래핀의 층간 거리가 그래파이트보다 길어지고 층간의 분리에 의한 박편화가 용이해진다. 다음에 산화 그래파이트를 포함한 혼합액에 초음파 진동을 가함으로써 층간 거리가 긴 산화 그래파이트를 벽개(劈開)하고, 산화 그래핀을 분리함과 함께 산화 그래핀을 포함한 분산액을 제작할 수 있다. 그리고, 산화 그래핀을 포함한 분산액으로부터 용매를 제거함으로써, 분말상의 산화 그래핀을 얻을 수 있다.
또한, 산화 그래핀의 제작은 과망간산 칼륨의 황산 용액을 사용한 Hummers법에 한정되지 않고, 예를 들어 질산, 염소산 칼륨, 질산 나트륨, 과망간산 칼륨 등을 사용하는 Hummers법, 또는 Hummers법 외의 산화 그래핀의 제작 방법을 적절히 이용하여도 좋다.
또한, 산화 그래파이트의 박편화는 초음파 진동의 부가 외에, 마이크로파나 라디오파, 또는 열 플라즈마의 조사나, 물리적 응력의 부가에 의하여 수행하여도 좋다.
제작한 산화 그래핀은 에폭시기, 카보닐기, 카복실기, 하이드록실기 등을 갖는다. 산화 그래핀은 NMP(N-메틸피롤리돈, 1-메틸-2-피롤리돈, N-메틸-2-피롤리돈 등이라고도 함)로 대표되는 극성 용매 내에서는, 관능기 내의 산소가 음으로 대전되므로, NMP와는 상호 작용하는 한편 다른 산화 그래핀과는 반발하여 응집되기 어렵다. 그러므로 극성 용매 내에서 산화 그래핀은 균일하게 분산되기 쉽다.
또한 산화 그래핀의 한 변의 길이(플레이크(flake) 사이즈라고도 함)는 50nm 이상 100μm 이하, 바람직하게는 800nm 이상 20μm 이하로 하면 좋다.
도 17의 (B)에 도시된 양극 활물질층(6002)의 단면도를 보면 알다시피, 복수의 입자 형태의 양극 활물질(6003)은 복수의 그래핀(6004)에 의하여 피복되어 있다. 한 장의 시트 형상의 그래핀(6004)은 복수의 입자 형태의 양극 활물질(6003)과 접속된다. 특히, 그래핀(6004)이 시트 형상이기 때문에, 입자 형태의 양극 활물질(6003)의 표면의 일부를 둘러싸도록 면 접촉할 수 있다. 양극 활물질과 점접촉하는 아세틸렌 블랙 등의 입자 형태의 도전조제와 달리, 그래핀(6004)은 접촉 저항이 낮은 면 접촉을 가능하게 하는 것이므로 도전조제의 양을 증가시키지 않으면서 입자 형태의 양극 활물질(6003)과 그래핀(6004)의 전자 전도성을 향상시킬 수 있다.
또한, 복수의 그래핀(6004)끼리가 면 접촉한다. 이것은 그래핀(6004)의 형성에, 극성 용매 내에서의 분산성이 매우 높은 산화 그래핀을 사용하기 때문이다. 균일하게 분산한 산화 그래핀을 함유하는 분산매로부터 용매를 휘발 제거하고, 산화 그래핀을 환원하여 그래핀으로 하기 때문에, 양극 활물질층(6002)에 잔류하는 그래핀(6004)은 부분적으로 중첩되고 서로 면 접촉할 정도로 분산되어 있음으로 전자 전도의 경로를 형성한다.
또한, 그래핀(6004)의 일부는 복수의 양극 활물질(6003) 사이에 제공되어 3차원적으로 배치되도록 형성된다. 또한, 그래핀(6004)은 탄소 분자의 단층 또는 이들 적층으로 구성되는 매우 얇은 막(시트)이므로, 입자 형태의 양극 활물질(6003) 각각의 표면을 따라도록 그 표면의 일부를 덮어 접촉되어 있고, 양극 활물질(6003)에 접촉하지 않는 부분은 복수의 입자 형태의 양극 활물질(6003) 사이에서 휘어져 주름이 생기거나, 또는 늘어진 상태를 나타낸다.
따라서, 복수의 그래핀(6004)에 의하여 양극(6000) 내에 전자 전도의 네트워크를 형성한다. 그러므로 양극 활물질(6003)끼리의 전기 전도의 경로가 유지된다. 이상으로부터, 도포법인 경우, 균일하게 분산된 산화 그래핀을 함유한 분산매를 도포하고 건조한 후에 환원하여 얻어지는 그래핀을 도전조제로서 사용함으로써 높은 전자 전도성을 갖는 양극 활물질층(6002)을 형성할 수 있다.
또한 양극 활물질(6003)과 그래핀(6004)의 접촉점을 늘리기 위하여 도전조제의 첨가량을 증가시키지 않아도 좋으므로, 양극 활물질층(6002)에서의 양극 활물질(6003)의 비율을 증가시킬 수 있다. 이로써, 이차 전지의 방전 용량을 증가시킬 수 있다.
입자 형태의 양극 활물질(6003)의 일차 입자의 평균 입경은 500nm 이하, 바람직하게는 50nm 이상 500nm 이하인 것을 사용하면 좋다. 이 복수의 입자 형태의 양극 활물질(6003)과 면 접촉하기 위하여, 그래핀(6004)은 한 변의 길이가 50nm 이상 100μm 이하, 바람직하게는 800nm 이상 20μm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 양극 활물질층(6002)에 포함되는 바인더(결착제)로서는, 대표적으로는 폴리불화비닐리덴(PVDF) 외, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 에틸렌프로필렌다이엔폴리머, 스타이렌-뷰타다이엔고무, 아크릴로나이트릴-뷰타다이엔고무， 불소고무, 폴리아세트산비닐, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌, 나이트로셀룰로스 등을 사용할 수 있다.
상술한 양극 활물질층(6002)은, 양극 활물질층(6002)의 총량에 대하여 양극 활물질(6003)을 90wt% 이상 94wt% 이하, 도전조제로서의 그래핀(6004)을 1wt% 이상 5wt% 이하, 및 바인더를 1wt% 이상 5wt% 이하의 비율로 함유하는 것이 바람직하다.
[6.2. 음극]
다음에 축전 장치의 음극에 대하여 도 18을 참조하면서 설명하기로 한다.
음극(6100)은, 음극 집전체(6101)와, 도포법, CVD법, 또는 스퍼터링법 등에 의하여 음극 집전체(6101) 위에 형성된 음극 활물질층(6102) 등에 의하여 구성된다. 도 18의 (A)는 시트 형상(또는 띠 형상)의 음극 집전체(6101)의 양면에 음극 활물질층(6102)을 제공한 예를 도시한 것이지만, 이에 한정되지 않고, 음극 활물질층(6102)은 음극 집전체(6101)의 한쪽 면에만 제공되어도 좋다. 또한, 도 18의 (A)에서는 음극 활물질층(6102)은 음극 집전체(6101) 위의 모든 영역에 제공되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 음극 집전체(6101)의 일부 위에 제공되어도 좋다. 예를 들어 음극 집전체(6101)와 음극 태브가 접속되는 부분에는 음극 활물질층(6102)을 제공하지 않는 구성으로 하면 좋다.
음극 집전체(6101)에는 스테인리스, 금, 백금, 아연, 철, 구리, 티타늄 등의 금속 및 이들 금속의 합금 등, 도전성이 높고, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화하지 않는 재료를 사용할 수 있다. 또한, 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로 형성하여도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 음극 집전체(6101)의 형상으로서는 박(箔) 형상, 판 형상(시트 형상), 그물 형상, 펀칭 메탈 형상, 강망 형상 등의 형상을 적절히 사용할 수 있다. 음극 집전체(6101)는 두께가 10μm 이상 30μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
도 18의 (B)는 음극 활물질층(6102)의 일부의 단면을 모식적으로 도시한 것이다. 여기서, 음극 활물질층(6102)은 음극 활물질(6103)과 바인더(6105)(결착제)를 갖는 예를 제시하였으나, 이에 한정되지 않고 적어도 음극 활물질(6103)을 가지면 좋다.
음극 활물질(6103)로서 사용하는 재료는, 금속의 용해·석출, 또는 금속 이온의 삽입·이탈이 가능한 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 음극 활물질(6103)의 재료로서는, 리튬 금속 외에, 축전 분야에서 일반적인 탄소재인 흑연을 사용할 수 있다. 흑연으로서는, 연질 탄소나 경질 탄소 등의 저결정성 탄소나, 천연 흑연, 키슈 흑연, 열분해 탄소, 액정 피치계 탄소 섬유, 메소카본 마이크로 비즈(MCMB), 액정 피치, 석유 또는 석탄계 코크스 등의 고결정성 탄소를 들 수 있다.
또한, 음극 활물질(6103)에는 상술한 재료 외, 캐리어 이온과의 합금화, 탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 수행할 수 있는 합금계 재료를 사용할 수 있다. 캐리어 이온이 리튬 이온인 경우, 합금계 재료로서는 예를 들어, Mg, Ca, Al, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, 및 In 등 중 적어도 하나를 포함한 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 금속은 흑연에 대하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 비약적으로 높다. 따라서, 음극 활물질(6103)에 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다.
도 18의 (B)에서는 음극 활물질(6103)을 입자 형태의 물질로서 도시하였으나 이에 한정되지 않고, 음극 활물질(6103)의 형상은 예를 들어 판 형상, 막대기 형상, 원기둥 형상, 분말상, 인편(鱗片) 형상 등 임의의 형상으로 할 수 있다. 또한, 판 형상의 표면에 요철 형상을 갖는 것이나, 표면에 미세한 요철 형상을 갖는 것, 다공질 형상을 갖는 것 등, 입체 형상을 갖는 것이라도 좋다.
도포법을 이용하여 음극 활물질층(6102)을 형성하는 경우에는, 음극 활물질(6103)에 도전조제(도시하지 않았음)나 결착제(6105)를 첨가하여 음극 페이스트를 제작하고, 이것을 음극 집전체(6101) 위에 도포하고 건조시키면 좋다.
또한, 음극 활물질층(6102)에 리튬을 프레도핑(predoping)하여도 좋다. 프레도핑 방법으로서는, 스퍼터링법에 의하여 음극 활물질층(6102) 표면에 리튬층을 형성하여도 좋다. 또한, 음극 활물질층(6102)의 표면에 리튬박(箔)을 제공함으로써, 음극 활물질층(6102)에 리튬을 프레도핑할 수도 있다.
또한, 음극 활물질(6103) 표면에 그래핀(도시하지 않았음)을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 음극 활물질(6103)을 실리콘으로 한 경우, 충방전 사이클에서의 캐리어 이온의 흡장·방출에 따른 실리콘의 체적 변화가 크기 때문에, 음극 집전체(6101)와 음극 활물질층(6102)의 밀착성이 저하되어, 충방전으로 인하여 전지 특성이 열화된다. 따라서, 실리콘을 포함한 음극 활물질(6103)의 표면에 그래핀을 형성함으로써, 충방전 사이클에 있어서 실리콘의 체적이 변화하더라도, 음극 집전체(6101)와 음극 활물질층(6102)의 밀착성의 저하를 억제할 수 있어 전지 특성의 열화가 저감되기 때문에 바람직하다.
음극 활물질(6103) 표면에 형성하는 그래핀은 양극의 제작 방법과 마찬가지로 산화 그래핀을 환원하여 형성할 수 있다. 이 산화 그래핀으로서는 상술한 산화 그래핀을 사용할 수 있다.
또한, 음극 활물질(6103) 표면에 산화물 등의 피막(6104)을 형성하여도 좋다. 충전 시에 전해액의 분해 등에 의하여 형성되는 피막(Solid Electrolyte Interphase)은 그 형성 시에 소비된 전하량을 방출할 수 없고, 불가역 용량을 형성한다. 이에 대하여, 산화물 등의 피막(6104)을 음극 활물질(6103)의 표면에 미리 제공함으로써 불가역 용량의 발생을 억제 또는 방지할 수 있다.
이와 같은 음극 활물질(6103)을 피복하는 피막(6104)에는, 니오븀, 티타늄, 바나듐, 탄탈럼, 텅스텐, 지르코늄, 몰리브데넘, 하프늄, 크로뮴, 알루미늄 또는 실리콘 중 어느 하나로 이루어진 산화막 또는 이들 원소 중 어느 하나와 리튬을 포함한 산화막을 사용할 수 있다. 이와 같은 피막(6104)은 종래의 전해액의 분해 생성물에 의하여 음극 표면에 형성되는 피막에 비하여 충분히 치밀한 막이다.
예를 들어 산화 니오븀(Nb2O5)은 전기 전도도가 10-9S/cm로 낮고, 높은 절연성을 갖는다. 따라서, 산화 니오븀막은 음극 활물질과 전해액의 전기 화학적인 분해 반응을 저해한다. 한편, 산화 니오븀의 리튬 확산 계수는 10-9cm2/sec이며 높은 리튬 이온 전도성을 갖는다. 따라서, 리튬 이온을 투과시킬 수 있다.
음극 활물질(6103)을 피복하는 피막(6104)은 예를 들어 졸-겔법을 이용하여 형성할 수 있다. 졸-겔법이란, 금속 알콕사이드나 금속염 등으로 이루어진 용액을 가수 분해 반응·중축합 반응에 의하여 유동성을 손실한 겔로 하고, 이 겔을 소성하여 박막을 형성하는 방법을 말한다. 졸-겔법은 액상으로부터 박막을 형성하는 방법이기 때문에, 원료를 분자 레벨로 균등하게 혼합할 수 있다. 그러므로, 용매의 단계에서의 금속 산화막의 원료에 흑연 등의 음극 활물질을 첨가함으로써, 겔 내에 활물질을 용이하게 분산시킬 수 있다. 이로써, 음극 활물질(6103)의 표면에 피막(6104)을 형성할 수 있다.
상기 피막(6104)을 사용함으로써, 축전 장치의 용량의 저하를 방지시킬 수 있다.
[6.3. 전해액]
축전 장치에 사용하는 전해액의 용매로서는, 비프로톤성 유기 용매가 바람직하고, 예를 들어, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트, 클로로에틸렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 다이메틸카보네이트(DMC), 다이에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 폼산메틸, 아세트산메틸, 부티르산메틸, 1,3-다이옥산, 1,4-다이옥산, 다이메톡시에탄(DME), 다이메틸설폭사이드, 다이에틸에테르, 메틸다이글라임, 아세토나이트릴, 벤조나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 설폴레인, 술톤 등 중에서 1 종류, 또는 이들 중 2 종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한, 겔화되는 고분자 재료를 전해액의 용매로서 사용함으로써 누액성(漏液性) 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한, 축전 장치의 박형화 및 경량화가 가능하다. 겔화된 고분자 재료의 대표적인 예로서는, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 불소계 폴리머 등이 있다.
또한, 전해액의 용매로서 난연성 및 난휘발성인 이온 액체(상온 용융염)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 축전 장치의 내부 단락이나 과충전 등으로 인하여 내부 온도가 상승하여도 축전 장치의 파열이나 발화 등을 방지시킬 수 있다.
또한, 상술한 용매에 용해시키는 전해질로서는, 캐리어에 리튬 이온을 사용하는 경우, 예를 들어 LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2)(CF3SO2), LiN(C2F5SO2)2, 등의 리튬염 중에서 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
[6.4. 세퍼레이터]
축전 장치의 세퍼레이터에는 셀룰로스나, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리부텐, 나일론, 폴리에스테르, 폴리설폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리불화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌 등의 다공성 절연체를 사용할 수 있다. 또한, 유리 섬유 등의 부직포나, 유리 섬유와 고분자 섬유를 복합한 격막을 사용하여도 좋다.
[6.5. 비수계 이차 전지]
다음에, 비수계 이차 전지의 구조에 대하여 도 19 및 도 20을 참조하면서 설명하기로 한다.
[6.5.1. 코인형 이차 전지]
도 19의 (A)는 코인형(단층식 편평형)의 리튬 이온 이차 전지의 외관도를 도시한 것이고 부분적으로 그 단면 구조를 함께 도시한 도면이다.
코인형의 이차 전지(950)는 양극 단자를 겸하는 양극 캔(951)과 음극 단자를 겸하는 음극 캔(952)이 폴리프로필렌 등으로 형성된 개스킷(953)으로 절연되어 밀봉되어 있다. 양극(954)은 양극 집전체(955)와, 이 양극 집전체(955)와 접촉하도록 제공된 양극 활물질층(956)으로 형성된다. 한편, 음극(957)은 음극 집전체(958)와, 음극 집전체(958)와 접촉하도록 제공된 음극 활물질층(959)으로 형성된다. 양극 활물질층(956)과 음극 활물질층(959) 사이에는 세퍼레이터(960)와, 전해액(도시하지 않았음)을 갖는다.
음극(957)은 음극 집전체(958) 위에 음극 활물질층(959)을 갖고, 양극(954)은 양극 집전체(955) 위에 양극 활물질층(956)을 갖는다.
양극(954), 음극(957), 세퍼레이터(960), 전해액에는 각각 상술한 부재를 사용할 수 있다.
양극 캔(951), 음극 캔(952)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 티타늄 등의 금속, 또는 이들 금속의 합금이나, 상기 금속과 다른 금속의 합금(예를 들어, 스테인리스 강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여, 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 양극 캔(951)은 양극(954)에 전기적으로 접속되고, 음극 캔(952)은 음극(957)에 전기적으로 접속된다.
상술한 음극(957), 양극(954), 및 세퍼레이터(960)에 전해액을 함침(含浸)시키고, 도 19의 (A)에 도시된 바와 같이 양극 캔(951)을 아래로 하여 양극(954), 세퍼레이터(960), 음극(957), 음극 캔(952)을 이 차례로 적층하고, 개스킷(953)을 개재하여 양극 캔(951)과 음극 캔(952)을 압착시켜, 코인형의 이차 전지(950)를 제조한다.
[6.5.2. 박형 이차 전지]
다음에 박형 이차 전지의 일례에 대하여 도 19의 (B)를 참조하면서 설명하기로 한다. 도 19의 (B)에서는 설명의 편의상, 부분적으로 그 내부 구조를 노출시켜 도시하였다.
도 19의 (B)에 도시된 박형 이차 전지(970)는 양극 집전체(971) 및 양극 활물질층(972)을 갖는 양극(973)과, 음극 집전체(974) 및 음극 활물질층(975)을 갖는 음극(976)과, 세퍼레이터(977)와, 전해액(도시하지 않았음)과, 외장체(978)를 갖는다. 외장체(978) 내에 제공된 양극(973)과 음극(976) 사이에 세퍼레이터(977)가 설치된다. 또한, 외장체(978) 내는 전해액으로 채워져 있다. 또한, 도 19의 (B)에서는 양극(973), 음극(976), 세퍼레이터(977)가 각각 한 장씩 사용되어 있지만, 이들을 교대로 적층한 적층형의 이차 전지로 하여도 좋다.
양극, 음극, 세퍼레이터, 전해액(전해질 및 용매)에는 각각 상술한 부재를 사용할 수 있다.
도 19의 (B)에 도시된 박형 이차 전지(970)에서, 양극 집전체(971) 및 음극 집전체(974)는 외부와의 전기적 접촉을 얻기 위한 단자(태브)의 역할도 한다. 그러므로, 양극 집전체(971) 및 음극 집전체(974)의 일부는 외장체(978)로부터 외측으로 노출되도록 배치된다.
박형 이차 전지(970)에서, 외장체(978)에는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 아이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 뛰어난 금속 박막을 제공하고, 또한 이 금속 박막 위에 외장체의 외부 표면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스테르계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 적층 필름을 사용할 수 있다. 이와 같은 3층 구조로 함으로써, 전해액이나 기체의 투과를 차단함과 함께, 절연성을 확보하면서 내전해액성을 얻을 수 있다.
[6.5.3. 원통형 이차 전지]
다음에 원통형 이차 전지의 일례에 대하여 도 20을 참조하면서 설명하기로 한다. 도 20의 (A)에 도시된 바와 같이, 원통형 이차 전지(980)는 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(981)을 갖고, 측면 및 저면에 전지 캔(외장 캔)(982)을 갖는다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(982)은 개스킷(절연 패킹)(990)으로 절연된다.
도 20의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 도시한 것이다. 중공(中空) 원기둥 형상의 전지 캔(982)의 내측에는 띠 형상의 양극(984)과 음극(986)이 세퍼레이터(985)를 끼우고 말아져 이루어진 전지 소자가 제공된다. 도시하지 않았지만 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 하여 말아진다. 전지 캔(982)은 한쪽 끝이 닫혀 있고, 다른 쪽 끝이 열려 있다.
양극(984), 음극(986), 세퍼레이터(985)에는 상술한 부재를 사용할 수 있다.
전지 캔(982)에는， 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 티타늄 등의 금속, 또는 이들 금속의 합금이나, 상기 금속과 다른 금속의 합금(예를 들어, 스테인리스 강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여, 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(982)의 내측에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 말아져 이루어진 전지 소자는, 서로 대향하는 한 쌍의 절연판(988) 및 절연판(989)에 의하여 끼워져 있다.
또한, 전지 소자가 제공된 전지 캔(982) 내부에는 전해액(도시하지 않았음)이 주입된다. 전해액에는 상술한 전해질 및 용매를 사용할 수 있다.
원통형 이차 전지에 사용하는 양극(984) 및 음극(986)은 감겨지므로, 집전체 양쪽 면에 활물질을 형성한다. 양극(984)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(983)가 접속되고, 음극(986)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(987)가 접속된다. 양극 단자(983) 및 음극 단자(987) 양쪽 모두에 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(983)는 안전 밸브 기구(992)에, 음극 단자(987)는 전지 캔(982)의 저면에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(992)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(991)를 통하여 양극 캡(981)에 전기적으로 접속된다. 안전 밸브 기구(992)는, 전지의 내압의 상승이, 정해진 문턱 값을 넘는 경우에 양극 캡(981)과 양극(984)의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한, PTC 소자(991)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이고, 저항이 증대됨에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 티타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹스 등을 사용할 수 있다.
[6.5.4. 각형 이차 전지]
다음에 각형 이차 전지의 일례에 대하여 도 19의 (C)를 참조하여 설명하기로 한다. 도 19의 (C)에 도시된 권회체(993)는, 음극(994)과, 양극(995)과, 세퍼레이터(996)를 갖는다. 권회체(993)는, 음극(994)과 양극(995)이 세퍼레이터(996)를 끼워 중첩되도록 적층되고, 이 적층된 시트가 말아진 것이다. 이 권회체(993)를 각형의 밀봉 캔 등에 넣어서 덮음으로써, 각형의 이차 전지가 형성된다. 또한, 음극(994), 양극(995), 및 세퍼레이터(996)로 이루어진 적층의 층 수는 필요한 용량과 소자 체적에 따라 적절히 설계하면 좋다.
원통형의 이차 전지와 마찬가지로, 음극(994)은 단자(997) 및 단자(998) 중 한쪽을 통하여 음극 태브(도시하지 않았음)에 접속되고, 양극(995)은 단자(997) 및 단자(998) 중 다른 쪽을 통하여 양극 태브(도시하지 않았음)에 접속된다. 이들 외에 안전 밸브 기구 등의 주변 구조는 원통형 이차 전지에 준한다.
상술한 바와 같이 이차 전지로서 코인형, 박형(라미네이트형이라고도 불림), 원통형, 및 각형의 이차 전지에 대하여 설명하였으나, 이들 외의 다양한 형상의 이차 전지를 사용할 수 있다. 또한, 복수의 양극과 음극과 세퍼레이터가 적층된 구조나, 양극과 음극과 세퍼레이터가 감겨진 구조라도 좋다.
[6.6. 리튬 이온 커패시터]
다음에 축전 장치의 일례인 리튬 이온 커패시터에 대하여 설명한다.
리튬 이온 커패시터는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor(약칭: EDLC))의 양극과, 탄소 재료가 사용된 리튬 이온 이차 전지의 음극을 조합한 하이브리드 커패시터이고, 양극과 음극의 축전 원리가 다른 비대칭 커패시터이다. 양극이 전기 이중층을 형성하고 물리적인 작용에 의하여 충방전을 수행하는 한편, 음극은 리튬의 화학적인 작용에 의하여 충방전을 수행한다. 이 음극 활물질인 탄소 재료 등에 리튬을 미리 흡장시킨 음극을 사용함으로써, 종래의 음극에 활성탄을 사용한 전기 이중층 커패시터에 비하여 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킨다.
리튬 이온 커패시터에는, 리튬 이온 이차 전지의 양극 활물질층 대신에 리튬 이온 및 음이온 중 적어도 하나를 가역적으로 담지할 수 있는 재료를 사용하면 좋다. 이와 같은 재료로서, 예를 들어 활성탄, 도전성 고분자, 폴리아센계 유기 반도체(PolyAcenic Semiconductor(약칭: PAS)) 등을 들 수 있다.
리튬 이온 커패시터는, 충방전의 효율이 높고, 충방전을 급속하게 수행할 수 있고, 반복하여 사용하여도 수명이 길다.
상술한 바와 같은 리튬 이온 커패시터를 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치에 사용할 수 있다. 이에 의하여 불가역 용량의 발생을 억제하고 사이클 특성을 향상시킨 축전 장치를 제작할 수 있다.
(실시형태 7. 축전 시스템)
축전 시스템의 구조 예에 대하여 설명한다.
축전 시스템의 구조 예를 도 21에 도시하였다. 도 21의 (A)는 복수의 축전 소자(810)와 회로 기판(850)을 하우징(800) 내에 갖는 축전 시스템을 도시한 것이다.
축전 소자(810)로서는, 예를 들어 도 17 내지 도 20을 참조하면서 설명한 축전 장치를 적용할 수 있다.
회로 기판(850)에는, 예를 들어 칩(851)을 포함하는 도 7을 참조하면서 설명한 제어 시스템을 갖는다. 칩(851)으로서는, 예를 들어 도 7에 도시된 반도체 회로(246) 등을 들 수 있다. 또한 회로 기판(850)은, 외부 기기와 접속되는 커넥터(852)에 접속된다. 회로 기판(850)은, 커넥터(852)에 의하여 예를 들어 전원 또는 부하에 접속된다.
회로 기판(850)으로서는, 예를 들어 프린트 기판(PCB)을 사용할 수 있다. 프린트 기판을 회로 기판(850)으로서 사용한 경우, 프린트 기판 위에 저항 소자, 콘덴서 등의 용량 소자, 코일(인덕터), 반도체 집적 회로(IC) 등의 전자 부품을 실장하고 결선(結線)시켜 제어 시스템을 형성할 수 있다. 전자 부품으로서는, 이들 외에, 서미스터 등의 온도 검출 소자, 퓨즈, 필터, 수정 발진기, EMC 대책 부품 등, 다양한 부품을 실장할 수 있다.
여기서 상술한 반도체 집적 회로(IC)에는, 트랜지스터를 갖는 회로를 사용할 수 있다. 따라서, 제어 시스템의 소비 전력을 대폭적으로 저감시킬 수 있다.
또한 도 21의 (B)에 도시된 바와 같이, 회로 기판(850)은, 복수의 접속 단자(811a)와, 복수의 접속 단자(811b)를 갖는다. 접속 단자(811a) 및 접속 단자(811b)는 축전 소자(810)마다 제공된다. 접속 단자(811a)는 대응하는 축전 소자(810)의 접속 단자(812a)에 접속된다. 접속 단자(811b)는, 대응하는 축전 소자(810)의 접속 단자(812b)에 접속된다. 이 때 축전 소자(810)는 접속 단자(811a) 및 접속 단자(811b)를 통하여 회로 기판(850)에 제공된 제어 시스템에 접속된다.
또한, 도 22에 도시된 바와 같이, 하우징(800)에 안테나(860)를 제공하여도 좋다.
안테나(860)는, 예를 들어 외부로부터 복수의 축전 소자(810)와의 전력의 수수(授受) 또는 신호의 수수를 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 안테나(860)를 회로 기판(850)에 전기적으로 접속함으로써 전기 회로에 의하여 외부와의 전력의 수수 또는 신호의 수수를 제어할 수 있다.
또한, 안테나를 복수 종류 제공하여도 좋고, 또는 안테나를 제공하지 않는 구성으로 하여도 좋다.
도 22에서는 안테나(860)가 코일 형상인 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 예를 들어 선 형상, 평판 형상이라도 좋다. 또한, 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자계(磁界) 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다.
또한, 무선을 이용한 전력의 수수(비접촉 전력 전송, 무접점 전력 전송 또는 와이어리스 급전 등이라고도 함)에는 전자(電磁) 유도 방식, 자계 공명 방식, 전파 방식 등을 이용할 수 있다.
또한, 하우징(800)을, 축전 소자(810)에 의한 전계 또는 자계의 차폐를 방지할 수 있는 기능을 갖는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우 하우징(800)에는 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.
이로써, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같은 축전 시스템을 구성할 수 있다. 이에 의하여, 예를 들어 축전 시스템에 사용되는 축전 장치의 열화를 방지시킬 수 있다.
(실시형태 8. 전기 기기)
본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치는 다양한 전기 기기에 사용할 수 있다.
[8.1. 전기 기기의 범주]
여기서 전기 기기란, 전력에 의하여 작용되는 부분을 포함한 공업 제품을 말한다. 전기 기기는, 가전 제품 등 민생용에 한정되지 않고, 업무용, 산업용, 군사용 등 다양한 용도에 관한 것을 그 범주에 널리 포함한다.
[8.2. 전기 기기의 일례]
본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 사용한 전기 기기로서는, 예를 들어 텔레비전이나 모니터 등의 표시 장치, 조명 장치, 데스크톱형이나 노트북형의 퍼스널 컴퓨터, 워드 프로세서, DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체에 기억된 정지 화상 또는 동영상을 재생하는 화상 재생 장치, CD(Compact Disc) 플레이어나 디지털 오디오 플레이어 등의 휴대형 또는 설치형 음향 재생 기기, 휴대형 또는 설치형 라디오 수신기, 테이프 리코더나 IC 리코더(음성 기록 장치) 등의 녹음 재생 기기, 헤드폰 스테레오, 스테레오, 리모트 컨트롤러, 탁상 시계나 벽시계 등의 시계, 코드리스 전화기, 트랜시버, 휴대 전화기, 자동차 전화, 휴대형 또는 설치형 게임기, 보수계, 계산기, 휴대 정보 단말, 전자 수첩, 전자 서적, 전자 번역기, 마이크로폰 등의 음성 입력 기기, 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 사진기, 장난감, 전기 면도기, 전동 칫솔, 전자 레인지 등의 고주파 가열 장치, 전기 밥솥, 전기 세탁기, 전기 청소기, 온수기, 선풍기, 헤어드라이어, 가습기나 제습기나 에어컨디셔너 등의 공기 조화 설비, 식기 세척기, 식기 건조기, 의류 건조기, 이불 건조기, 전기 냉장고, 전기 냉동고, 전기 냉동 냉장고, DNA 보존용 냉동고, 회중전등, 전동 공구, 연기 감지기, 보청기, 심장 페이스메이커, 휴대형 X선 촬영 장치, 방사선 측정기, 전기 마사지기나 투석 장치 등의 건강 기기나 의료 기기 등을 들 수 있다. 또한, 유도등, 신호기, 가스 미터나, 수도 미터 등의 계량기, 벨트 컨베이어, 엘리베이터, 에스컬레이터, 자동 판매기, 티켓 자동 판매기, 현금 자동 지급기(Cash Dispenser(약칭: CD)), 현금 자동 입출금기(AutoＭated Teller Machine(약칭: ATM)), 디지털 사이니지(전자 간판), 산업용 로봇, 무선용 중계국, 휴대 전화의 기지국, 전력 저장 시스템, 전력의 평준화나 스마트 그리드를 위한 축전 장치 등의 산업 기기를 들 수 있다. 또한, 축전 장치로부터의 전력을 사용하여 전동기에 의하여 추진하는 이동체(수송체) 등도 전기 기기의 범주에 포함된다. 상기 이동체로서 예를 들어, 전기 자동차(EV), 내연 기관과 전동기를 겸비한 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 이들 타이어 차륜을 무한 궤도로 바꾼 장궤(裝軌)차량, 농업 기계, 전동 어시스트 자전거를 포함한 원동기가 달린 자전거, 자동 이륜차, 전동 휠체어, 전동 카트, 소형 또는 대형 선박, 잠수함, 고정 날개 항공기나 회전 날개 항공기 등의 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기, 혹성 탐사기, 우주선 등을 들 수 있다.
또한, 상기 전기 기기는 소비되는 전력의 대부분을 공급하기 위한 주전원으로서 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 사용할 수 있다. 또한, 상기 전기 기기는, 주전원이나 상용 전원으로부터의 전력 공급이 정지된 경우에, 전기 기기로의 전력 공급을 수행할 수 있는 무정전 전원으로서, 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 사용할 수 있다. 또는, 상기 전기 기기는 주전원이나 상용 전원으로부터 전기 기기로의 전력 공급과 병행하여, 전기 기기로의 전력 공급을 수행하기 위한 보조 전원으로서 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 사용할 수 있다.
[8.3. 전력계의 네트워크의 일례]
상술한 전기 기기는, 축전 장치를 개별적으로 탑재하는 경우에 한정되지 않고, 복수의 전기 기기와 축전 장치와 이들 전력계를 제어하는 제어 장치를 유선 또는 무선으로 접속한 전력계 네트워크(전력망)를 형성하여도 좋다. 전력계 네트워크를 제어 장치에 의하여 제어함으로써 네트워크 전체에서의 전력 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 23의 (A)는, 복수의 가전 기기, 제어 장치, 축전 장치 등을 주택 내에서 접속시킨 HEMS(주택 내 에너지 관리 시스템(Home Energy Management System의 약칭))의 예를 도시한 것이다. 이런 시스템에 의하여, 주택 전체의 전력 소비량을 용이하게 파악할 수 있다. 또한, 복수의 가전 기기의 운전을 원격(遠隔) 조작할 수 있다. 또한, 센서나 제어 장치를 사용하여 가전 기기를 자동적으로 제어하는 경우에는 전력 절약에도 공헌할 수 있다.
주택(8000)에 설치된 분전반(8003)은 인입선(Service Wire)(8002)을 통하여 전력계통(8001)에 접속된다. 분전반(8003)은, 인입선(8002)으로부터 공급되는 상용 전력인 교류 전력을 복수의 가전 기기 각각에 공급하는 것이다. 제어 장치(8004)는 분전반(8003)에 접속됨과 함께, 복수의 가전 기기나 축전 시스템(8005), 태양광 발전 시스템(8006) 등에 접속된다. 또한, 제어 장치(8004)는, 주택(8000)의 옥외 등에 주차되며 분전반(8003)과는 독립된 전기 자동차(8012)에 접속될 수도 있다.
제어 장치(8004)는, 분전반(8003)과 복수의 가전 기기를 연결시켜 네트워크를 구성하는 것이며, 네트워크에 접속된 복수의 가전 기기를 제어하는 것이다.
또한, 제어 장치(8004)는, 인터넷(8011)에 접속되고, 인터넷(8011)을 경유하여 관리 서버(8013)에 접속될 수 있다. 관리 서버(8013)는 사용자의 전력 사용 상황을 수신하여 데이터베이스를 구축할 수 있으며, 이 데이터베이스에 기초하여 다양한 서비스를 사용자에 제공할 수 있다. 또한, 관리 서버(8013)는, 예를 들어 시간대에 따른 전력의 요금 정보를 사용자에게 제공할 수 있으며, 이 정보에 따라 제어 장치(8004)는 주택(8000) 내에서의 최적한 사용 형태를 설정할 수도 있다.
복수의 가전 기기는, 도 23의 (A)에는 표시 장치(8007), 조명 장치(8008), 공기 조화 설비(8009), 전기 냉장고(8010)가 예를 들어 도시되었지만, 이에 한정되지 않고 상술한 전기 기기 등 주택 내에 설치 가능한 모든 전기 기기일 수도 있다.
예를 들어 표시 장치(8007)로서는, 액정 표시 장치, 유기 EL(Electro Luminescence) 소자 등의 발광 소자를 각 화소에 구비한 발광 장치, 전기 영동 표시 장치, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등의 반도체 표시 장치가 표시부에 내장되고, TV 방송 수신용 외에 퍼스널 컴퓨터용이나 광고 표시용 등 정보 표시용 표시 장치로서 기능하는 표시 장치가 포함된다.
또한, 조명 장치(8008)는 전력을 이용하여 인공적으로 빛을 발하는 인공 광원을 포함하고, 인공 광원으로서는 백열 전구, 형광등 등의 방전 램프, LED(Light Emitting Diode)나 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 사용할 수 있다. 도 23의 (A)에 도시된 조명 장치(8008)는 천장에 설치된 것인데, 이에 한정되지 않고 벽면, 바닥, 창문 등에 설치된 설치형이라도 좋고, 탁상형이라도 좋다.
또한, 공기 조화 설비(8009)는 온도, 습도, 공기 청정도 등의 실내 환경을 조정하는 기능을 갖는다. 도 23의 (A)에서는, 일례로서 에어컨디셔너를 도시하였다. 에어컨디셔너는, 압축기나 증발기를 일체로 한 실내기 및 콘덴서를 내장한 실외기(도시하지 않았음)를 구비하는 것이나, 이들을 일체로 한 것 등으로 구성된다.
또한, 전기 냉장고(8010)는, 식료품 등을 저온으로 보관하기 위한 전기 기기이고, 0℃ 이하로 식료품 등을 보관하기 위한 냉동고를 포함한다. 압축기에 의하여 압축한 파이프 내의 냉매(refrigerant)가 기화활 때 열을 빼앗는 것으로 전기 냉장고(8010) 내를 냉각시킨다.
이들 복수의 가전 기기는, 각각이 축전 장치를 가져도 좋고, 또한 축전 장치를 갖지 않고 축전 시스템(8005)의 전력이나 상용 전원으로부터의 전력을 이용하여도 좋다. 가전 기기가 내부에 축전 장치를 갖는 경우, 정전 등에 의하여 상용 전원으로부터 전력의 공급을 받을 수 없을 때도 축전 장치를 무정전 전원으로서 사용함으로써, 상기 가전 기기의 이용이 가능하게 된다.
상술한 바와 같은 가전 기기 각각의 전원 공급 단자의 근방에, 전류 센서 등의 전력 검출 수단을 제공할 수 있다. 전력 검출 수단에 의하여 검출한 정보를 제어 장치(8004)로 송신함으로써, 사용자가 주택 전체의 전력 사용량을 파악할 수 있고, 또한 이 정보에 따라 제어 장치(8004)가 복수의 가전 기기로의 전력 분배를 설정하고 주택(8000) 내에서 효율적으로 또는 경제적으로 전력이 사용될 수 있다.
또한, 상용 전원의 공급원이 공급할 수 있는 총 전력량 중 전력 사용률이 낮은 시간대에서, 상용 전원으로부터 축전 시스템(8005)에 충전할 수 있다. 또한, 태양광 발전 시스템(8006)에 의하여, 낮에 축전 시스템(8005)을 충전할 수 있다. 충전 대상은 축전 시스템(8005)에 한정되지 않고, 제어 장치(8004)에 접속된 전기 자동차(8012)에 탑재된 축전 장치라도 좋고 복수의 가전 기기가 갖는 축전 장치라도 좋다.
상술한 바와 같이 하여, 다양한 축전 장치에 충전된 전력을 제어 장치(8004)가 효율적을 분배하여 사용함으로써, 주택(8000) 내에서 효율적으로 또는 경제적으로 전력이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 전력계를 네트워크화하여 제어하는 예로서 주택 내 규모의 전력망을 제시하였으나 이에 한정되지 않고, 스마트 미터(smart meter) 등의 제어 기능이나 통신 기능을 조합한 도시 규모, 국가 규모의 전력망(스마트 그리드라고 함)을 구축할 수도 있다. 또한, 공장이나 사업소 규모로 에너지 공급원과 소비 시설을 구성 단위로 하는 마이크로 그리드를 구축할 수도 있다.
[8.4. 전기 기기의 일례(전기 자동차의 예)]
다음에 전기 기기의 일례로서 이동체의 예에 대하여 도 23의 (B) 및 (C)를 참조하면서 설명하기로 한다. 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 이동체 제어용의 축전 장치에 사용할 수 있다.
도 23의 (B)는 전기 자동차의 내부 구조의 일례를 도시한 것이다. 전기 자동차(8020)에는 충방전이 가능한 축전 장치(8024)가 탑재되어 있다. 축전 장치(8024)의 전력은, 전자 제어 유닛(8025)(Electronic Control Unit(약칭: ECU))에 의하여 출력이 조정되고 인버터 유닛(8026)을 통하여 주행 모터 유닛(8027)에 공급된다. 인버터 유닛(8026)은, 축전 장치(8024)로부터 입력된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환함과 함께, 변환한 교류 전력의 전압, 전류, 및 주파수를 조정하여 주행 모터 유닛(8027)에 출력할 수 있다.
따라서, 운전자가 액셀러레이터 페달(도시하지 않았음)을 밟으면, 주행 모터 유닛(8027)이 작동되고, 주행 모터 유닛(8027)에서 발생된 토크(torque)가 출력축(8028) 및 구동축(8029)을 통하여 후륜(구동륜)(8030)에 전달된다. 이 때, 전륜(8023)도 같이 구동됨으로써 전기 자동차(8020)를 구동 주행시킬 수 있다.
각 유닛에는, 예를 들어, 전압 센서, 전류 센서, 온도 센서 등의 검출 수단이 제공되고 전기 자동차(8020)의 각 부위에서의 물리량이 적절히 감시된다.
전자 제어 유닛(8025)은, 도시하지 않은 RAM이나 ROM 등의 메모리, 또한 CPU를 갖는 처리 장치이다. 전자 제어 유닛(8025)은, 전기 자동차(8020)의 가속, 감속, 및 정지 등의 조작 정보, 주행 환경이나 각 유닛의 온도 정보, 제어 정보, 축전 장치의 충전 상태(State Of Charge, 약칭: SOC) 등의 입력 정보에 따라 인버터 유닛(8026)이나 주행 모터 유닛(8027), 축전 장치(8024)에 제어 신호를 출력한다. 상기 메모리에는 각종 데이터나 프로그램이 기억된다.
주행 모터 유닛(8027)은, 교류 전동기 외, 직류 전동기나, 이들 전동기와 내연 기관을 조합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 구비하면, 상술한 이동체에 특별히 한정되지 않는다는 것은 물론이다.
전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)는 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의하여 외부의 충전 설비로부터 전력 공급을 받아 충전할 수 있다. 도 23의 (C)는, 지상 설치형의 충전 장치(8021)로부터 케이블(8022)을 통하여 전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)를 충전하는 상태를 도시한 것이다. 충전 시, 충전 방법이나 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표) 등의 정해진 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이라도 좋고, 또한 주택의 전원이라도 좋다. 예를 들어, 도 23의 (B)에 도시된 축전 장치(8024)에 접속되는 접속 플러그(8031)를 충전 장치(8021)에 전기적으로 접속시키는 플러그인 기술에 의하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 전기 자동차(8020)에 탑재된 축전 장치(8024)를 충전할 수 있다. 충전은, AC/DC 컨버터 등의 변환 장치에 의하여, 일정한 전압 값을 갖는 직류 정전압으로 변환하여 수행할 수 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 수전(受電) 장치를 이동체에 탑재하고 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우, 도로나 외벽에 송전 장치를 장착함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한, 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 이동체끼리 전력을 송수신하여도 좋다. 또한 이동체의 외장부에 태양 전지를 제공하여 정차 시나 주행 시에 축전 장치(8024)를 충전하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자 유도 방식이나 자계 공명 방식을 이용할 수 있다.
또한, 이동체가 철도용 전기 차량인 경우, 탑재된 축전 장치는 가선(架線)이나 동체(導體) 레일로부터의 전력 공급에 의하여 충전될 수 있다.
축전 장치(8024)로서 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 탑재함으로써 축전 장치의 사이클 특성이 양호하게 되고 편의성을 향상시킬 수 있다. 또한, 축전 장치(8024)의 특성 향상에 의하여 축전 장치(8024) 자체를 소형 경량화할 수 있으면, 차량의 경량화에 기여하기 때문에, 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이동체에 탑재된 축전 장치(8024)가 비교적 대용량이므로 실내 등의 전력 공급원으로서 사용할 수도 있다. 이 경우 전력 수요의 피크 시에 상용 전원을 사용하는 것을 회피할 수 있다.
[8.5. 전기 기기의 일례(휴대 정보 단말의 예)]
또한, 전기 기기의 일례로서 휴대 정보 단말의 예에 대하여 도 24를 참조하면서 설명하기로 한다.
도 24의 (A)는 휴대 정보 단말(8040)의 정면 및 측면의 사시도를 도시한 것이다. 휴대 정보 단말(8040)은 일례로서, 이동 전화, 전자 메일, 문장 보기 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등의 다양한 애플리케이션의 실행이 가능하다. 휴대 정보 단말(8040)은 하우징(8041)의 정면에 표시부(8042), 카메라(8045), 마이크로폰(8046), 스피커(8047)를 갖고, 하우징(8041)의 왼쪽 측면에는 조작용 버튼(8043), 저면에는 접속 단자(8048)를 갖는다.
표시부(8042)에는, 표시 모듈 또는 표시 패널이 사용된다. 표시 모듈 또는 표시 패널로서 유기 발광 소자(OLED)로 대표되는 발광 소자를 각 화소에 구비한 발광 장치, 액정 표시 장치, 전기 영동 방식이나 전자 분류체(粉流體) 방식 등에 의하여 표시를 수행하는 전자 페이퍼, DMD, PDP, FED, SED(Surface Conduction Electron-emitter Display), LED 디스플레이, 카본 나노 튜브 디스플레이, 나노 결정 디스플레이, 양자 도트 디스플레이 등을 사용할 수 있다.
도 24의 (A)에 도시된 휴대 정보 단말(8040)은 하우징(8041)에 표시부(8042)를 하나 제공한 예이지만 이에 한정되지 않고, 표시부(8042)를 휴대 정보 단말(8040)의 배면에 제공하여도 좋고, 폴더형 휴대 정보 단말로 하여 두 개 이상의 표시부를 제공하여도 좋다.
또한, 표시부(8042)에는, 손가락이나 스타일러스 등의 지시 수단에 의한 정보 입력이 가능한 터치 패널이 입력 수단으로서 제공된다. 이로써, 표시부(8042)에 표시된 아이콘(8044)을 지시 수단에 의하여 간단하게 조작할 수 있다. 또한, 터치 패널을 배치함으로써 휴대 정보 단말(8040)에 키보드를 배치하는 영역이 불필요하게 되므로, 넓은 영역에 표시부를 배치할 수 있다. 또한, 손가락이나 스타일러스로 정보의 입력이 가능하게 되므로, 사용자 친화적(user-friendly)인 인터페이스를 실현할 수 있다. 터치 패널로서는 저항막 방식, 정전 용량 방식, 적외선 방식, 전자 유도 방식, 표면 탄성파 방식 등 각종 방식을 채용할 수 있지만, 표시부(8042)는 만곡되는 것이기 때문에 특히 저항막 방식이나 정전 용량 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 이런 터치 패널은 상술한 표시 모듈 또는 표시 패널과 일체로 조합된, 소위 인-셀 방식을 이용한 것이라도 좋다.
또한, 터치 패널은 이미지 센서로서 기능시킬 수 있는 것이라도 좋다. 이 경우, 예를 들어, 표시부(8042)를 손바닥이나 손가락으로 터치하여 장문(掌紋)이나 지문 등을 촬상함으로써 본인 인증을 수행할 수 있다. 또한, 근적외광을 발광하는 백 라이트 또는 근적외광을 발광하는 센싱용 광원을 표시부(8042)에 사용하면, 손가락 정맥, 손바닥 정맥 등을 촬상할 수도 있다.
또한, 표시부(8042)에 터치 패널을 제공하지 않고 키보드를 제공하여도 좋고, 또한 터치 패널과 키보드 양쪽 모두를 제공하여도 좋다.
조작 버튼(8043)에는 용도에 따라 다양한 기능을 구비시킬 수 있다. 예를 들어, 버튼(8043)를 홈 버튼으로 하고, 버튼(8043)을 누름으로써 표시부(8042)에 홈 화면을 표시하는 구성으로 하여도 좋다. 또한, 버튼(8043)을 정해진 시간 동안 계속 누르면 휴대 정보 단말(8040)의 주전원이 오프가 되도록 하여도 좋다. 또한, 슬립 모드 상태 시에 버튼(8043)을 누름으로써 슬립 모드 상태로부터 복귀시킬 수 있도록 하여도 좋다. 그 외에, 계속 누르는 시간을 바꾸거나, 또한 다른 버튼도 동시에 누르는 등에 의하여 다양한 기능을 기동시키는 스위치로서 사용할 수 있다.
또한, 버튼(8043)을 음량 조정 버튼이나 음소거 버튼으로 하고 음성 출력을 위한 스피커(8047)의 음량의 조정 등을 수행하는 기능을 구비시켜도 좋다. 스피커(8047)로부터는, OS(operating system)의 기동음 등 특정한 처리 시에 설정한 음성, 음악 재생 애플리케이션 소프트웨어로부터의 음악 등 각종 애플리케이션에서 실행되는 음성 파일에 의한 음성, 전자 메일의 착신음 등 다양한 음성을 출력한다. 또한, 도시하지 않았으나, 스피커(8047)와 함께, 또는 스피커(8047) 대신에 헤드 폰, 이어폰, 헤드 세트 등의 장치에 음성을 출력하기 위한 커넥터를 제공하여도 좋다.
상술한 바와 같이, 버튼(8043)은 다양한 기능을 가질 수 있다. 도 24의 (A)는 왼쪽 측면에 버튼(8043)을 두 게 제공한 휴대 정보 단말(8040)을 도시한 것이지만, 물론 버튼(8043)의 개수나 배치 위치 등은 이에 한정되지 않고 적절히 설계할 수 있다.
마이크로폰(8046)은 음성 입력이나 녹음에 사용할 수 있다. 또한 카메라(8045)에 의하여 취득한 화상을 표시부(8042)에 표시시킬 수 있다.
휴대 정보 단말(8040)은, 상술한 표시부(8042)에 제공된 터치 패널이나 버튼(8043) 외에, 카메라(8045)나 휴대 정보 단말(8040)에 내장된 센서 등을 사용하여 사용자의 동작(gesture)을 인식시켜서 조작을 수행할 수도 있다(제스처 입력이라고 함). 또는, 마이크로폰(8046)을 사용하여 사용자의 음성을 인식시켜서 조작을 수행할 수도 있다(음성 입력이라고 함). 이와 같이, 인간의 자연스러운 행동에 의하여 전기 기기에 입력하는 NUI(Natural User Interface) 기술을 실장함으로써 휴대 정보 단말(8040)의 조작성을 더욱 향상시킬 수 있다.
접속 단자(8048)는 외부 기기와의 통신을 위한 신호나 전력 공급을 위한 전력의 입력 단자이다. 예를 들어, 휴대 정보 단말(8040)에 외부 메모리 드라이브를 접속시키기 위하여, 접속 단자(8048)를 사용할 수 있다. 외부 메모리 드라이브로서, 예를 들어 외부 부착 HDD(Hard Disk Drive)나 플래시 메모리 드라이브, DVD 드라이브나 DVD-R(DVD-Recordable) 드라이브, DVD-RW(DVD-ReWritable) 드라이브, CD 드라이브, CD-R(Compact Disc Recordable) 드라이브, CD-RW(Compact Disc ReWritable) 드라이브, MO(Magneto-Optical Disc) 드라이브, FDD(Floppy Disk Drive), 또는 다른 불휘발성의 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive: SSD) 디바이스 등의 기록 미디어 드라이브를 들 수 있다. 또한, 휴대 정보 단말(8040)은 표시부(8042) 위에 터치 패널을 갖지만 이를 대신하여 하우징(8041) 위에 키보드를 제공하여도 좋고 또한 외부에 키보드를 부착하여도 좋다.
도 24의 (A)는 저면에 접속 단자(8048)를 하나 제공한 휴대 정보 단말(8040)을 도시한 것이지만, 접속 단자(8048)의 개수나 배치 위치 등은 이에 한정되지 않고 적절히 설계할 수 있다.
도 24의 (B)는 휴대 정보 단말(8040)의 배면 및 측면의 사시도를 도시한 것이다. 휴대 정보 단말(8040)은, 하우징(8041)의 표면에 태양 전지(8049)와 카메라(8050)를 갖고, 또한, 충방전 제어 회로(8051), 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053) 등을 갖는다. 또한, 도 24의 (B)는 충방전 제어 회로(8051)의 일례로서 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053)를 갖는 구성에 대하여 도시한 것이고, 축전 장치(8052)에는 상기 실시형태에서 설명한 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 사용한다.
휴대 정보 단말(8040)의 배면에 장착된 태양 전지(8049)에 의하여 전력을 표시부, 터치 패널, 또는 영상 신호 처리부 등에 공급할 수 있다. 또한, 태양 전지(8049)는 하우징(8041)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공할 수 있다. 휴대 정보 단말(8040)에 태양 전지(8049)를 탑재함으로써 옥외 등의 전력의 공급 수단이 없는 장소에서도 휴대 정보 단말(8040)의 축전 장치(8052)를 충전할 수 있다.
또한, 태양 전지(8049)로서는, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 미결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 이들 적층으로 이루어진 실리콘계 태양 전지나, InGaAs계, GaAs계, CIS계, Cu2ZnSnS4계, CdTe-CdS계의 태양 전지, 유기 염료(organic dye)를 사용한 염료 감응 태양 전지, 도전성 폴리머나 풀러렌 등을 사용한 유기 박막 태양 전지, 실리콘 등에 의하여 i층 내에 양자 도트 구조가 형성된 pin구조를 갖는 양자 도트형 태양 전지 등을 사용할 수 있다.
여기서, 도 24의 (B)에 도시된 충방전 제어 회로(8051)의 구성 및 동작에 대한 일례를 도 24의 (C)에 도시된 블록도를 참조하면서 설명하기로 한다.
도 24의 (C)에서는 태양 전지(8049), 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053), 컨버터(8057), 스위치(8054), 스위치(8055), 스위치(8056), 표시부(8042)에 대하여 도시하였고, 축전 장치(8052), DCDC 컨버터(8053), 컨버터(8057), 스위치(8054), 스위치(8055), 스위치(8056)가 도 24의 (B)에 도시된 충방전 제어 회로(8051)에 대응하는 부분이다.
외광에 의하여 태양 전지(8049)에서 발전한 전력은 축전 장치(8052)를 충전하기에 필요한 전압이 되도록 DCDC 컨버터(8053)에서 승압 또는 강압된다. 그리고, 표시부(8042)의 동작에 태양 전지(8049)로부터의 전력이 사용될 때는 스위치(8054)를 온 상태로 하여 컨버터(8057)에서 표시부(8042)에 필요한 전압으로 승압 또는 강압한다. 또한, 표시부(8042)에서 표시를 수행하지 않을 때는 스위치(8054)를 오프 상태로 하고 스위치(8055)를 온 상태로 하여 축전 장치(8052)를 충전한다.
또한, 발전 수단의 일례로서 태양 전지(8049)를 제시하였지만, 이에 한정되지 않고 압전 소자(피에조 소자)나 열전 변환 소자(펠티어 소자) 등 다른 발전 수단에 의하여 축전 장치(8052)를 충전하여도 좋다. 또한, 휴대 정보 단말(8040)의 축전 장치(8052)로의 충전 방법은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 상술한 접속 단자(8048)와 전원을 접속시켜서 충전하여도 좋다. 또한, 무선으로 전력을 송수신하여 충전하는 비접촉 전력 전송 모듈을 사용하여도 좋고, 상술한 충전 방법을 조합하여도 좋다.
여기서 축전 장치(8052)의 충전 상태(State Of Charge, 약칭: SOC)가 표시부(8042) 왼쪽 윗부분(파선으로 둘러싸인 범위 내)에 표시된다. 그래서, 사용자는 축전 장치(8052)의 충전 상태를 파악할 수 있고, 이에 따라 휴대 정보 단말(8040)을 전력 절약 모드로 선택할 수도 있다. 사용자가 전력 절약 모드를 선택하는 경우에는, 예를 들어 상술한 버튼(8043)이나 아이콘(8044)을 조작하여 휴대 정보 단말(8040)에 탑재된 표시 모듈 또는 표시 패널이나, CPU 등의 연산 장치, 메모리 등의 구성 부품을 전력 절약 모드로 전환할 수 있다. 구체적으로는, 이들 구성 부품 각각에서 정지를 함으로써, 임의의 기능의 사용 빈도를 저감시킨다. 또한, 전력 절약 모드에서는 충전 상태에 따라서, 설정에 따라 자동적으로 전력 절약 모드로 전환화는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 휴대 정보 단말(8040)에 광 센서 등의 검출 수단을 제공하고 휴대 정보 단말(8040) 사용 시에서의 외광의 광량을 검출하여 표시 휘도를 최적화함으로써 축전 장치(8052)의 전력 소비를 억제할 수 있다.
또한, 도 24의 (B)에 도시된 바와 같이, 태양 전지(8049) 등에 의한 충전 시에는 표시부(8042) 왼쪽 윗부분(파선으로 둘러싸인 범위 내)에, 그것을 나타내는 화상 등이 표시되어도 좋다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 구비하면 도 24에 도시된 전기 기기에 한정되지 않는다는 것은 물론이다.
[8.6. 전기 기기의 일례(축전 시스템의 예)]
또한 전기 기기의 일례로서 축전 시스템의 예에 대하여 도 25를 참조하면서 설명하기로 한다. 여기서 설명하는 축전 시스템(8100)은 상술한 축전 시스템(8005)으로서 주택에서 사용할 수 있다. 또한, 여기서는 일례로서 주택용의 축전 시스템에 대하여 설명하지만 이에 한정되지 않고, 업무용으로서 또는 기타 용도로 사용할 수 있다.
도 25에 도시된 바와 같이, 축전 시스템(8100)은 계통 전원(system power supply)(8103)에 전기적으로 접속하기 위한 플러그(8101)를 갖는다. 또한, 축전 시스템(8100)은 주택 내에 제공된 분전반(8104)에 전기적으로 접속된다.
또한, 축전 시스템(8100)은 동작 상태 등을 표시하는 표시 패널(8102) 등을 가져도 좋다. 표시 패널은 터치 스크린을 가져도 좋다. 또한, 표시 패널 외에, 주전원의 온/오프를 전환하기 위한 스위치나, 축전 시스템의 조작을 수행하기 위한 스위치 등을 가져도 좋다.
또한, 도시하지 않았지만, 축전 시스템(8100)을 조작하기 위하여, 축전 시스템(8100)과 별도로 예를 들어 실내의 벽에 조작 스위치를 제공하여도 좋다. 또는, 축전 시스템(8100)을 주택 내에 제공된 퍼스널 컴퓨터, 서버 등에 접속시켜 간접적으로 축전 시스템(8100)을 조작하여도 좋다. 또한 스마트폰 등의 정보 단말기나 인터넷 등을 사용하여 축전 시스템(8100)을 원격 조작하여도 좋다. 이들 경우, 축전 시스템(8100)과 기타 기기가 유선 또는 무선으로 통신하는 기구를 축전 시스템(8100)에 제공하면 좋다.
축전 시스템(8100)은 예를 들어 도 21에 도시된 복수의 축전 소자와, 제어 시스템을 갖는다.
제어 시스템은 복수의 축전 소자의 상태를 감시 및 제어하고, 또한 축전 소자를 보호할 수 있는 기능을 갖는다. 제어 시스템은 구체적으로 축전 소자의 셀 전압, 셀 온도 데이터 수집, 과충전 및 과방전의 감시, 과전류의 감시, 셀 밸런서(cell balancer)의 제어, 전지 열화 상태의 관리, 전지 잔량((충전율)SOC)의 산출 연산, 구동용 축전 장치의 냉각팬의 제어, 또는 고장 검출의 제어 등을 수행한다.
또한, 축전 시스템(8100)으로의 충전은 상술하는 계통 전원(8103)에 한정되지 않고, 예를 들어 옥외에 설치한 태양 발전 시스템으로부터 전력을 공급하여도 좋고 전기 자동차에 탑재된 축전 시스템으로부터 전력을 공급하여도 좋다.
10_1: 축전 소자
10_2: 축전 소자
10_3: 축전 소자
11: 스위치
11a: 스위치
11b: 스위치
12: 스위치
12a: 스위치
12b: 스위치
13: 스위치
13a: 스위치
13b: 스위치
20_1: 축전 소자
20_2: 축전 소자
20_3: 축전 소자
21: 스위치
21a: 스위치
21b: 스위치
22: 스위치
22a: 스위치
22b: 스위치
23: 스위치
23a: 스위치
23b: 스위치
30_1: 축전 소자
30_2: 축전 소자
30_3: 축전 소자
31: 스위치
31a: 스위치
31b: 스위치
32: 스위치
32a: 스위치
32b: 스위치
33: 스위치
33a: 스위치
33b: 스위치
51: 스위치
52: 스위치
61: 스위치
62: 스위치
71: 접속 단자
71a: 접속 단자
71b: 접속 단자
72: 접속 단자
72a: 접속 단자
72b: 접속 단자
91: 전원
92: 부하
100_1: 셀
100_2: 셀
100_3: 셀
200: 회로
201: 접속 단자
201a: 접속 단자
201b: 접속 단자
202: 접속 단자
202a: 접속 단자
202b: 접속 단자
203: 접속 단자
203a: 접속 단자
203b: 접속 단자
204: 접속 단자
204a: 접속 단자
204b: 접속 단자
240: 인코더
241_1: 인버터
241_2: 인버터
241_3: 인버터
241_4: 인버터
243: 논리 회로
244: 저항 소자
245: 전류 검출 회로
246: 반도체 회로
247: 논리 회로
251: 트랜지스터
252: 트랜지스터
400: 기판
401: 게이트 전극
402: 게이트 절연막
403: n형화 영역
404: 산화물막
405a: 소스 전극
405b: 드레인 전극
406: 절연막
408: 절연막
409: 게이트 절연막
410: 게이트 전극
421: 트랜지스터
422: 트랜지스터
423: 트랜지스터
631: 트랜지스터
632: 용량 소자
633: 트랜지스터
634: 트랜지스터
635: 트랜지스터
636: 인버터
637: 용량 소자
651: 기억 회로
652: 기억 회로
653: 선택기
654: 선택기
701: 유닛
702: 유닛
703: 유닛
704: 유닛
710: 프로세서
711: 버스 브리지
712: 메모리
713: 메모리 인터페이스
715: 클록 생성 회로
720: 컨트롤러
721: 컨트롤러
722: I/O인터페이스
730: 파워 게이트 유닛
731: 스위치
732: 스위치
740: 클록 생성 회로
741: 수정 발진 회로
742: 발진자
743: 수정 진동자
745: 타이머 회로
746: I/O인터페이스
750: I/O포트
751: 콤퍼레이터
752: I/O인터페이스
761: 버스 라인
762: 버스 라인
763: 버스 라인
764: 데이터 버스 라인
770: 접속 단자
771: 접속 단자
772: 접속 단자
773: 접속 단자
774: 접속 단자
775: 접속 단자
776: 접속 단자
780: 레지스터
783: 레지스터
784: 레지스터
785: 레지스터
786: 레지스터
787: 레지스터
800: 하우징
810: 축전 소자
811a: 접속 단자
811b: 접속 단자
812a: 접속 단자
812b: 접속 단자
850: 회로 기판
851: 칩
852: 커넥터
860: 안테나
993: 권회체
950: 이차 전지
951: 양극 캔
952: 음극 캔
953: 개스킷
954: 양극
955: 양극 집전체
956: 양극 활물질층
957: 음극
958: 음극 집전체
959: 음극 활물질층
960: 세퍼레이터
970: 이차 전지
971: 양극 집전체
972: 양극 활물질층
973: 양극
974: 음극 집전체
975: 음극 활물질층
976: 음극
977: 세퍼레이터
978: 외장체
980: 이차 전지
981: 양극 캡
982: 전지 캔
983: 양극 단자
984: 양극
985: 세퍼레이터
986: 음극
987: 음극 단자
988: 절연판
989: 절연판
991: PTC 소자
992: 안전 밸브 기구
994: 음극
995: 양극
996: 세퍼레이터
997: 단자
998: 단자
3004: 논리 회로
3400a: 메모리 셀 어레이
3400n: 메모리 셀 어레이
6000: 양극
6001: 양극 집전체
6002: 양극 활물질층
6003 양극 활물질
6004: 그래핀
6005: 바인더
6100: 음극
6101: 음극 집전체
6102: 음극 활물질층
6103: 음극 활물질
6104: 피막
6105: 바인더
8000: 주택
8001: 전력 계통
8002: 선
8003: 분전반
8004: 제어 장치
8005: 축전 시스템
8006: 태양광 발전 시스템
8007: 표시 장치
8008: 조명 장치
8009: 공기 조화 설비
8010: 전기 냉장고
8011: 인터넷
8012: 전기 자동차
8013: 관리 서버
8020: 전기 자동차
8021: 충전 장치
8022: 케이블
8023: 전륜
8024: 축전 장치
8025: 전자 제어 유닛
8026: 인버터 유닛
8027: 주행 모터 유닛
8028: 출력축
8029: 구동축
8031: 접속 플러그
8040: 휴대 정보 단말
8041: 하우징
8042: 표시부
8043: 버튼
8044: 아이콘
8045: 카메라
8046: 마이크로폰
8047: 스피커
8048: 접속 단자
8049: 태양 전지
8050: 카메라
8051: 충방전 제어 회로
8052: 축전 장치
8053: DCDC 컨버터
8054: 스위치
8055: 스위치
8056: 스위치
8057: 컨버터
8100: 축전 시스템
8101: 플러그
8102: 표시 패널
8103: 계통 전원
8104: 분전반

Claims (16)

  1. 축전 장치의 제어 시스템에 있어서,
    제 1 축전 소자와;
    제 2 축전 소자와;
    제 3 축전 소자와;
    제 4 축전 소자와;
    제 1 접속 단자와;
    제 2 접속 단자와;
    제 3 접속 단자와;
    제 4 접속 단자와;
    상기 제 1 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 1 축전 소자의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 3 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 1 스위치와;
    상기 제 2 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 1 축전 소자의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 제 1 노드와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 2 스위치와;
    상기 제 1 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 2 축전 소자의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 3 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 3 스위치와;
    상기 제 2 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 2 축전 소자의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 1 노드와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 4 스위치와;
    상기 제 1 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 3 축전 소자의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 제 2 노드와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 5 스위치와;
    상기 제 2 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 3 축전 소자의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 4 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 6 스위치와;
    상기 제 1 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 4 축전 소자의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 2 노드와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 7 스위치와;
    상기 제 2 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 4 축전 소자의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자와; 상기 제 4 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 3 단자를 포함하는, 제 8 스위치와;
    상기 제 1 노드와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 2 노드와 전기적으로 접속되는 제 2 단자를 포함하는, 제 9 스위치와;
    상기 제 2 노드와 전기적으로 접속되는 제 1 단자와; 상기 제 3 접속 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 단자를 포함하는, 제 10 스위치를 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접속 단자는 전원의 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 접속 단자는 상기 전원의 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 접속 단자는 부하의 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 4 접속 단자는 상기 부하의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는, 축전 장치의 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자의 각각은 제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전해질은 리튬염을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  5. 축전 장치의 제어 시스템에 있어서,
    제 1 축전 소자와;
    제 2 축전 소자와;
    제 3 축전 소자와;
    제 4 축전 소자와;
    제 1 접속 단자와;
    제 2 접속 단자와;
    제 3 접속 단자와;
    제 4 접속 단자와;
    제 1 스위치와;
    제 2 스위치와;
    제 3 스위치와;
    제 4 스위치와;
    제 5 스위치와;
    제 6 스위치와;
    제 7 스위치와;
    제 8 스위치와;
    제 9 스위치와;
    제 10 스위치를 포함하고,
    상기 제 1 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 3 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 2 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 제 1 노드와 상기 제 1 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 3 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 3 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 4 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 1 노드와 상기 제 2 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 5 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 제 2 노드와 상기 제 3 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 6 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 4 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 7 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 2 노드와 상기 제 4 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 8 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 4 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 9 스위치는 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 10 스위치는 상기 제 2 노드와 상기 제 3 접속 단자 사이의 도통 상태를 제어하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 접속 단자는 전원의 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 접속 단자는 상기 전원의 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 접속 단자는 부하의 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 4 접속 단자는 상기 부하의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는, 축전 장치의 제어 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자의 각각은 제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질은 리튬염을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  9. 축전 장치의 제어 시스템에 있어서,
    제 1 축전 소자와;
    제 2 축전 소자와;
    제 3 축전 소자와;
    제 4 축전 소자와;
    전원의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 1 접속 단자와;
    상기 전원의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 2 접속 단자와;
    부하의 제 1 단자와 전기적으로 접속되는 제 3 접속 단자와;
    상기 부하의 제 2 단자와 전기적으로 접속되는 제 4 접속 단자와;
    제 1 스위치와;
    제 2 스위치와;
    제 3 스위치와;
    제 4 스위치와;
    제 5 스위치와;
    제 6 스위치와;
    제 7 스위치와;
    제 8 스위치와;
    제 9 스위치와;
    제 10 스위치와;
    인코더와;
    반도체 회로를 포함하고,
    제 1 제어 신호에 따라, 상기 제 1 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 3 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 1 제어 신호에 따라, 상기 제 2 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 1 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 1 노드와 상기 제 1 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    제 2 제어 신호에 따라, 상기 제 3 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 3 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 2 제어 신호에 따라, 상기 제 4 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 2 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 1 노드와 상기 제 2 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    제 3 제어 신호에 따라, 상기 제 5 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 제 2 노드와 상기 제 3 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 3 제어 신호에 따라, 상기 제 6 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 4 접속 단자와 상기 제 3 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    제 4 제어 신호에 따라, 상기 제 7 스위치는 상기 제 1 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 2 노드와 상기 제 4 축전 소자의 상기 제 1 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 4 제어 신호에 따라, 상기 제 8 스위치는 상기 제 2 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고 상기 제 4 접속 단자와 상기 제 4 축전 소자의 상기 제 2 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 9 스위치는 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 제 10 스위치는 상기 제 2 노드와 상기 제 3 접속 단자 사이의 도통 상태를 제어하고,
    상기 인코더는 복수의 데이터 신호를 부호화함으로써 적어도 상기 제 1 제어 신호, 상기 제 2 제어 신호, 상기 제 3 제어 신호, 및 상기 제 4 제어 신호를 생성하여 출력하고,
    상기 반도체 회로는 상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자의 충전의 명령의 데이터 또는 방전의 명령의 데이터를 상기 복수의 데이터 신호로서 출력하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자의 각각은 제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해질은 리튬염을 포함하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 부하를 통하여 흐르는 전류량을 검출하는 전류 검출 회로를 더 포함하고,
    상기 반도체 회로는, 상기 전류 검출 회로에 의하여 검출되는 상기 전류량이 기준 값 이하일 때, 상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자의 상기 충전의 명령의 데이터를 상기 복수의 데이터 신호로서 출력하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 회로는 프로세서와, 상기 프로세서와 전기적으로 접속되는 메모리와, 상기 프로세서 및 상기 메모리와 전기적으로 접속되는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 프로세서는 레지스터를 포함하고,
    상기 레지스터는, 전력이 상기 프로세서에 공급되는 기간에 데이터를 유지하는 제 1 기억 회로와, 상기 프로세서로의 전력의 공급이 정지되는 기간에 데이터를 유지하는 제 2 기억 회로를 포함하고,
    상기 제 2 기억 회로는 데이터의 기록 및 유지를 제어하는 트랜지스터를 포함하고,
    상기 트랜지스터의 오프 전류가 채널 폭 1μm당 100zA 이하인, 축전 장치의 제어 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반도체 회로는 타이머 회로를 포함하고,
    상기 반도체 회로는, 상기 타이머 회로의 계측 값이 기준 값을 초과하면, 상기 제 1 축전 소자, 상기 제 2 축전 소자, 상기 제 3 축전 소자, 및 상기 제 4 축전 소자 중 적어도 하나의 충전과 방전을 전환하는 데이터 신호를 출력하는, 축전 장치의 제어 시스템.
  15. 축전 시스템에 있어서,
    제 9 항에 따른 제어 시스템을 포함하는, 축전 시스템.
  16. 전기 기기에 있어서,
    제 15 항에 따른 축전 시스템을 포함하는, 전기 기기.
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