KR20230067630A - 제어 회로 및 전자 기기 - Google Patents

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히데토모 코바야시
유토 야쿠보
타카유키 이케다
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

이차 전지의 보호 회로, 제어 회로 등을 제공한다. 소비 전력이 낮은 회로를 제공한다. 집적도가 높은 회로를 제공한다. 제 1 저항 회로, 제 2 저항 회로, 콤퍼레이터, 및 기억 회로를 가지는 제어 회로이다. 제 1 저항 회로의 한쪽 단자는 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되고, 제 1 저항 회로의 다른 쪽 단자는 콤퍼레이터의 제 1 입력 단자와 제 2 저항 회로의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고, 기억 회로는 제 1 데이터를 유지하는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 데이터를 사용하여 제 1 신호 및 제 2 신호를 생성하는 기능과, 제 1 신호를 제 1 저항 회로에 공급함으로써 제 1 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 제 2 신호를 제 2 저항 회로에 공급함으로써 제 2 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 콤퍼레이터의 출력에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 중 한쪽을 정지하는 기능을 가지고, 기억 회로는 유전체층으로서 강유전체층을 사용한 용량 소자를 가진다.

Description

제어 회로 및 전자 기기
본 발명의 일 형태는 제어 회로 등에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 특히 이차 전지의 제어 회로 등에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 이차 전지의 보호 회로에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 본 발명의 일 형태의 기술분야로서는, 반도체 장치, 촬상 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 기억 장치, 표시 시스템, 전자 기기, 조명 장치, 입력 장치, 입출력 장치, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법을 일례로 들 수 있다. 또한 반도체 장치란 반도체 특성을 이용하는 장치 전반을 가리키고, 이차 전지의 제어 회로는 반도체 장치이다.
이차 전지(배터리, 축전 장치라고도 함)는 소형 전자 기기부터 자동차에 이르기까지 폭넓은 분야에서 이용되고 있다.
이차 전지는, 과방전, 과충전, 과전류, 또는 단락 등의 충방전 시의 이상을 방지하기 위하여, 충방전을 관리하기 위한 제어 회로를 가진다. 제어 회로는 이차 전지의 충방전을 관리하기 위하여, 전압 및 전류 등의 데이터를 취득한다. 제어 회로는 관측되는 데이터를 바탕으로 충방전의 제어를 수행한다.
특허문헌 1에서는 이차 전지의 제어 회로로서 기능하는 보호 감시 회로에 대하여 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는 내부에 복수의 콤퍼레이터(비교기)가 제공되고, 참조 전압과 이차 전지가 접속된 단자의 전압을 비교하여 충방전 시의 이상을 검출하는 구성을 가진 보호 감시 회로에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 2에서는 이차 전지의 자연 방전으로 인하여 감소된 용량을 보충하기 위한 트리클 충전을 수행하는 제어 장치에 대하여 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는 상한 전압과 하한 전압을 설정하고, 설정한 전압 범위에서 충전 상태와 차단 상태를 반복하는 제어를 수행하는 구성을 가진 제어 장치에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 3에서는 전지의 충전 전류를 높은 정밀도로 제어하기 위하여, 전지의 충전 회로에 있어서 저항값의 조정에 의하여 기준 전압이 조정되는 구성에 대하여 개시되어 있다.
저항값의 조정 방법 중 하나로서 퓨즈 트리밍 방법이 알려져 있다. 특허문헌 4에서는, 레이저 트리밍으로 조정할 수 있는 퓨즈 소자를 가진 반도체 집적 회로에 대하여 개시되어 있다.
미국 특허출원공개공보 US2011/267726호 일본 공개특허공보 특개2017-175688호 일본 공개특허공보 특개2009-55652호 일본 공개특허공보 특개2008-198775호
퓨즈 트리밍 방법을 사용하여 저항 조정을 수행하는 경우에는, 레이저 트리밍으로 조정하기 위한 퓨즈 소자를 배치하기 때문에, 회로 면적이 증대될 경우가 있다. 또한, 퓨즈 소자에 큰 전류를 흘리는 경우에는 회로의 소비 전력이 증대될 경우가 있다.
본 발명의 일 형태는 신규 이차 전지의 보호 회로 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 본 발명의 일 형태는 신규 이차 전지의 제어 회로 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 소비 전력의 저감을 도모할 수 있는 신규 구성의 이차 전지의 제어 회로 또는 보호 회로 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 집적화를 도모할 수 있는 신규 구성의 이차 전지의 제어 회로 또는 보호 회로 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 본 발명의 일 형태의 과제는 위에서 열거한 과제에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 과제는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 과제는 이하에 기재되고 본 항목에서는 언급되지 않은 과제이다. 본 항목에서 언급되지 않은 과제는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재로부터 도출할 수 있는 것이고, 이들 기재로부터 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 과제 및/또는 다른 과제 중 적어도 하나의 과제를 해결하는 것이다.
본 발명의 일 형태는 제 1 저항 회로와, 제 2 저항 회로와, 콤퍼레이터와, 기억 회로를 가지는 제어 회로이고, 콤퍼레이터는 제 1 입력 단자와, 제 2 입력 단자와, 제 1 입력 단자와 제 2 입력 단자의 비교 결과를 출력하는 제 1 출력 단자를 가지고, 제 1 저항 회로의 한쪽 단자는 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되고, 제 1 저항 회로의 다른 쪽 단자는 제 1 입력 단자와 제 2 저항 회로의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고, 기억 회로는 제 1 데이터를 유지하는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 데이터를 사용하여 제 1 신호 및 제 2 신호를 생성하는 기능과, 제 1 신호를 제 1 저항 회로에 공급함으로써 제 1 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 제 2 신호를 제 2 저항 회로에 공급함으로써 제 2 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 제 1 출력 단자로부터의 출력에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 중 한쪽을 정지하는 기능을 가지고, 기억 회로는 강유전체층을 사용한 용량 소자를 가지는 제어 회로이다.
또한, 상기 구성에 있어서, 제 1 저항 회로는 하나의 저항 소자와 하나의 스위치의 세트를 복수로 가지고, 하나의 저항 소자와 하나의 스위치의 세트에 있어서, 하나의 스위치는 하나의 저항 소자에 흐르는 전류를 변동시키는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 신호를 사용하여 복수의 세트가 가지는 각각의 스위치의 동작을 제어하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구성에 있어서, 제 2 입력 단자에는 충전 전압의 상한에 대응하는 신호 또는 방전 전압의 하한에 대응하는 신호가 공급되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구성에 있어서, 제 3 저항 회로와 제 2 콤퍼레이터를 가지고, 제 2 콤퍼레이터는 제 3 입력 단자와, 제 4 입력 단자와, 제 3 입력 단자와 제 4 입력 단자의 비교 결과를 출력하는 제 2 출력 단자를 가지고, 제 2 저항 회로의 다른 쪽 단자는 제 3 입력 단자와 제 3 저항 회로의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고, 제 3 저항 회로의 다른 쪽 단자는 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되고, 제어 회로는 제 1 데이터를 사용하여 제 3 신호를 생성하는 기능과, 제 3 신호를 제 3 저항 회로에 공급함으로써 제 3 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 제 2 출력 단자의 출력에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 중 다른 쪽을 정지하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구성에 있어서, 충전 전압의 상한에 대응하는 신호 및 방전 전압의 하한에 대응하는 신호 중 한쪽이 제 2 입력 단자에 공급되고 다른 쪽이 제 4 입력 단자에 공급되는 것이 바람직하다.
또는, 본 발명의 일 형태는 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되는 제 1 단자와, 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되는 제 2 단자와, 이차 전지와 충전기 또는 부하의 전기적 접속을 제어하는 파워 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는 제 3 단자와, 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 접속되는 검출부와, 검출부에 전기적으로 접속되는 제어부와, 제어부에 전기적으로 접속되는 기억 회로를 가지는 제어 회로이고, 기억 회로는 한 쌍의 전극 사이에 강유전체층을 가진 메모리 셀과, 메모리 셀에 전기적으로 접속된 트랜지스터와, 메모리 셀로부터의 신호가 출력되는 디코더를 가지고, 검출부는 기억 회로에 저장된 데이터를 바탕으로 저항이 조정된 저항 회로를 가지고, 제어부는 검출부로부터 입력되는 참조 전위와 제 1 단자의 전위 또는 제 2 단자의 전위의 비교 결과에 의거하여 이차 전지가 과방전 상태에 있다고 판단하는 기능과, 과방전 상태에 있다고 판단되었을 때 제 3 단자에 파워 트랜지스터를 오프 상태로 하는 신호를 출력하는 기능을 가지는 제어 회로이다.
본 발명의 일 형태는 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되는 제 1 단자와, 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되는 제 2 단자와, 이차 전지와 충전기 또는 부하의 전기적 접속을 제어하는 파워 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는 제 3 단자와, 제 1 단자 및 제 2 단자에 전기적으로 접속되는 검출부와, 검출부에 전기적으로 접속되는 제어부와, 제어부에 전기적으로 접속되는 기억 회로를 가지는 제어 회로이고, 기억 회로는 한 쌍의 전극 사이에 강유전체층을 가진 메모리 셀과, 메모리 셀에 전기적으로 접속된 트랜지스터와, 메모리 셀로부터의 신호가 출력되는 디코더를 가지고, 검출부는 기억 회로에 저장된 데이터를 바탕으로 저항이 조정된 저항 회로를 가지고, 제어부는 검출부로부터 입력되는 참조 전위와 제 1 단자의 전위 또는 제 2 단자의 전위의 비교 결과에 의거하여 이차 전지가 과충전 상태에 있다고 판단하는 기능과, 과충전 상태에 있다고 판단되었을 때 제 3 단자에 파워 트랜지스터를 오프 상태로 하는 신호를 출력하는 기능을 가지는 제어 회로이다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 기억 회로로의 데이터의 기록은 제어 회로의 외부로부터 신호가 공급되어 수행되고, 제어 회로는 외부로부터의 신호가 입력되는 제 4 단자를 가진다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 기억 회로가 가지는 강유전체층이 가지는 강유전성 재료는 하프늄 및 지르코늄을 포함하는 산화물을 가진다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 강유전체층이 가지는 강유전성 재료의 결정 구조는 직방정(orthorhombic crystal)이다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 기억 회로가 가지는 한 쌍의 전극은 질화 타이타늄을 포함한다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 트랜지스터는 Si 트랜지스터이다.
또한, 본 발명의 일 형태는 상기 어느 하나에 기재된 제어 회로와 이차 전지를 가지는 전자 기기이다.
본 발명의 일 형태에 의하여 신규 이차 전지의 보호 회로 등을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 의하여 신규 이차 전지의 제어 회로 등을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 의하여 소비 전력의 저감을 도모할 수 있는 신규 구성의 이차 전지의 제어 회로 또는 이차 전지의 보호 회로 등을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 의하여 집적화를 도모할 수 있는 신규 구성의 이차 전지의 제어 회로 또는 이차 전지의 보호 회로 등을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태의 효과는 위에서 열거한 효과에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 효과는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 효과는 이하에 기재되고 본 항목에서는 언급되지 않은 효과이다. 본 항목에서 언급되지 않은 효과는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재로부터 도출할 수 있는 것이고, 이들 기재로부터 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 효과 및/또는 다른 효과 중 적어도 하나의 효과를 가진다. 따라서 본 발명의 일 형태는 경우에 따라서는 위에서 열거한 효과를 가지지 않는 경우도 있다.
도 1은 제어 회로의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)는 전압 생성부의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 2의 (B)는 밴드 갭 기준 회로의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 2의 (C) 및 (D)는 저항 회로의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 3의 (A) 내지 (F)는 제어 회로의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 4의 (A) 및 (B)는 기억 회로의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 5는 축전 시스템의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 6의 (A)는 축전 시스템의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 6의 (B)는 축전 시스템의 일부의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 7은 제어 회로의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 8의 (A)는 메모리 셀(MC)의 회로도를 나타낸 도면이다. 도 8의 (B)는 메모리 셀(MC)의 용량 소자의 단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 산화 하프늄의 결정 구조를 설명하는 모델 도면이다.
도 10의 (A)는 메모리 셀(MC)이 가지는 강유전체층의 히스테리시스 특성을 나타낸 그래프이다. 도 10의 (B)는 메모리 셀(MC)의 구동 방법을 나타낸 도면이다.
도 11의 (A) 및 (B)는 메모리 셀(MC)의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 12는 메모리 셀(MC)의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 13은 양극 활물질의 결정 구조를 설명하는 도면이다.
도 14는 양극 활물질의 결정 구조를 설명하는 도면이다.
도 15는 전자 부품의 일례를 나타낸 도면이다.
도 16의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 16의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 16의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 16의 (D)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 17의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 17의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 17의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 18의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 18의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 18의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 19의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 19의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 20의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 20의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 20의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 22의 (A)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 22의 (B)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 22의 (C)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 22의 (D)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다. 도 22의 (E)는 본 발명의 일 형태의 전기 기기를 설명하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 형태의 시스템의 일례이다.
도 24의 (A) 내지 (C)는 이차 전지의 예를 설명하는 도면이다.
도 25의 (A) 내지 (E)는 전자 기기를 나타낸 사시도이다.
도 26의 (A) 및 (B)는 본 발명의 일 형태에 따른 축전 시스템을 설명하는 도면이다.
이하에서 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위로부터 벗어나지 않고 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해된다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한 본 명세서 등에서 "제 1", "제 2", "제 3"이라는 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이다. 따라서 구성 요소의 수를 한정하는 것이 아니다. 또한 구성 요소의 순서를 한정하는 것이 아니다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 "제 1"로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서 "제 2"로 언급된 구성 요소가 될 수도 있다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 '제 1'로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서는 생략될 수도 있다.
또한, 도면에서 동일한 요소 또는 같은 기능을 가지는 요소, 동일한 재질의 요소, 혹은 동시에 형성되는 요소 등에는 동일한 부호를 붙이는 경우가 있고, 이의 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다.
본 명세서 등에서 금속 산화물(metal oxide)이란, 넓은 의미로의 금속의 산화물이다. 금속 산화물은 산화물 절연체, 산화물 도전체(투명 산화물 도전체를 포함함), 산화물 반도체(Oxide Semiconductor 또는 단순히 OS라고도 함) 등으로 분류된다. 예를 들어 트랜지스터의 활성층에 금속 산화물을 사용한 경우, 상기 금속 산화물을 산화물 반도체라고 하는 경우가 있다. 즉 금속 산화물이 증폭 작용, 정류 작용, 및 스위칭 작용 중 적어도 하나를 가지는 트랜지스터의 채널 형성 영역을 구성할 수 있는 경우, 상기 금속 산화물을 금속 산화물 반도체(metal oxide semiconductor)라고 할 수 있다. 또한 OS FET 또는 OS 트랜지스터라고 기재하는 경우에는, 금속 산화물 또는 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터로 바꿔 말할 수 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 제어 회로 및 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 사용한 축전 시스템에 대하여 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 형태의 제어 회로(191)를 나타내었다. 제어 회로(191)는 제어부(121), 전압 생성부(122), 검출부(127), 검출부(128), 기억 회로(FE1), 레벨 시프터(LS1), 레벨 시프터(LS2) 등을 가진다.
또한, 제어 회로(191)는 단자(VDDD), 단자(VSSS), 단자(CO), 단자(DO), 단자(VM), 및 단자(TES)를 가진다. 단자(VDDD)를 이차 전지의 양극에 접속하고, 단자(VSSS)를 이차 전지의 음극에 접속함으로써 제어 회로(191)를 이차 전지의 보호 회로로서 기능시킬 수 있고, 단자(CO) 및 단자(DO)로부터 이차 전지의 상태에 대응하는 신호가 출력된다. 단자(TES)는 제어 회로(191)의 외부로부터 제어부(121)에 신호를 입력하기 위한 단자로서 사용할 수 있다.
검출부(127)는 이차 전지의 과충전 및 과방전의 검지를 수행하는 기능을 가진다. 검출부(127)는 콤퍼레이터(113_1), 콤퍼레이터(113_2), 저항 회로(Rs1), 저항 회로(Rs2), 저항 회로(Rs3), 및 논리 회로(LC1)를 가진다. 저항 회로(Rs1, Rs2, Rs3)는 직렬로 전기적으로 접속되어 있고, 이 순서대로 단자(VDDD)와 단자(VSSS) 사이에 접속된다.
콤퍼레이터(113_1)의 입력 단자 중 한쪽에는 단자(VDDD)와 단자(VSSS) 사이의 전위를 저항 분할한 전위가 입력되고, 다른 쪽에는 참조 전위 Rf_v(1)이 입력된다. 도 1에 나타낸 예에 있어서, 콤퍼레이터(113_1)의 비반전 입력 단자에는 참조 전위 Rf_v(1)이 입력되고, 반전 입력 단자에는 저항 회로(Rs1)와 저항 회로(Rs2) 사이의 전위인 전위 Vb1이 입력된다.
본 발명의 일 형태의 콤퍼레이터는 입력 단자 중 한쪽에 공급되는 참조 전위와 다른 쪽에 공급되는 전위를 비교하고, 비교 결과를 제어부에 출력하는 기능을 가진다.
제어 회로(191)를 이차 전지의 보호 회로로서 기능시키는 경우에는 전위 Vb1이 참조 전위 Rf_v(1)을 초과하면 이차 전지가 과충전 상태에 있다고 판단되고, 제어부(121)를 거쳐 단자(CO)로부터 충전을 차단하기 위한 신호가 출력된다. 또는 충전 조건을 변경하기 위한 신호가 출력되어도 좋다.
콤퍼레이터(113_2)의 입력 단자 중 한쪽에는 단자(VDDD)와 단자(VSSS) 사이의 전위를 저항 분할한 전위가 입력되고, 다른 쪽에는 참조 전위 Rf_v(2)가 입력된다. 도 1에 나타낸 예에 있어서, 콤퍼레이터(113_2)의 비반전 입력 단자에는 저항 회로(Rs2)와 저항 회로(Rs3) 사이의 전위인 전위 Vb2가 입력되고, 반전 입력 단자에는 참조 전위 Rf_v(2)가 입력된다.
제어 회로(191)를 이차 전지의 보호 회로로서 기능시키는 경우에는, 전위 Vb2가 참조 전위 Rf_v(2) 미만이 되면 이차 전지가 과방전 상태에 있다고 판단되고, 제어부(121)를 거쳐 단자(DO)로부터 방전을 차단하기 위한 신호가 출력된다. 또는 방전 조건을 변경하기 위한 신호가 출력되어도 좋다.
여기서, 저항 분할에 사용하는 복수의 저항 회로 사이에서는 저항값의 변동이 생기는 경우가 있다. 예를 들어, 저항 회로가 박막을 사용한 저항 소자를 가지는 경우에는 막 두께, 막질 등의 변동에 따라 저항값의 변동이 생길 경우가 있다. 저항 소자의 저항값의 변동에 따라 전위 Vb1 및 전위 Vb2가 변동한다.
또한, 콤퍼레이터가 가지는 반도체 소자의 특성의 변동에 따라 콤퍼레이터의 특성이 변동하는 경우가 있다. 콤퍼레이터에는 예를 들어 트랜지스터, 용량 소자 등의 반도체 소자가 사용되는 경우가 있다. 콤퍼레이터의 특성의 변동에 따라 콤퍼레이터의 2개의 입력 단자에 공급되는 전위의 관계와 콤퍼레이터로부터 출력되는 신호 사이에 어긋남이 생길 경우가 있다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로는 제어 회로를 제작하는 공정을 거친 후, 저항 회로의 저항값의 변동 및 콤퍼레이터의 특성의 변동의 영향을 상쇄하도록 저항 분할에 사용하는 저항 회로의 저항값을 조정함으로써, 제어 회로의 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로는 저항 회로의 저항값을 조정함으로써 검출부(127) 등의 전압 검출의 정밀도를 높일 수 있다. 저항값의 조정은 전기적인 신호를 검출부에 공급함으로써 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 제어 회로로의 전원 공급이 정지되어도 검출부에서 조정된 저항값을 기억할 수 있다.
저항 회로의 저항값의 조정에 대해서는 후술한다.
검출부(128)는 콤퍼레이터(113_3), 콤퍼레이터(113_4), 및 콤퍼레이터(113_5)를 가진다. 도 1에 나타낸 구성예에 있어서는, 검출부(128)는 단자(VM)에 전기적으로 접속된다. 각 콤퍼레이터의 한쪽 입력 단자에 이차 전지의 전류에 대응하는 전위를 입력하고, 다른 쪽 입력 단자에 참조 전위를 입력함으로써, 검출부(128)에서 이차 전지의 충전 과전류, 방전 과전류, 및 단락 전류를 검지할 수 있다. 콤퍼레이터(113_3)에는 예를 들어 충전 과전류에 대응하는 참조 전위 Rf_v(3)을 입력하고, 콤퍼레이터(113_4)에는 예를 들어 방전 과전류에 대응하는 참조 전위 Rf_v(4)를 입력하고, 콤퍼레이터(113_5)에는 예를 들어 단락 전류에 대응하는 참조 전위 Rf_v(5)를 입력하면 좋다.
전압 생성부(122)는 참조 전위 Rf_v(x)(x=1, 2, 3, 4, 5), 전위 VD1, 전위 VD2, 전류 Ir1, 클록 신호 CLK, 리셋 신호 RESET 등을 생성하는 기능을 가진다. 전압 생성부(122)에서 생성된 전위, 전류, 및 신호는 제어 회로(191)가 가지는 회로 및 소자에 공급된다. 전압 생성부(122)에 대해서는 도 2의 (A)를 참조하여 자세히 설명한다.
제어부(121)는 검출부(127) 및 검출부(128)로부터 공급되는 신호를 사용하여 레벨 시프터(LS1) 및 레벨 시프터(LS2)에 신호를 공급하는 기능을 가진다. 레벨 시프터(LS1)는 제어부(121)로부터 공급된 신호를 변환하고 단자(CO)에 공급하는 기능을 가진다. 레벨 시프터(LS2)는 제어부(121)로부터 공급된 신호를 변환하고 단자(DO)에 공급하는 기능을 가진다. 스위치(SW1)는 제어부(121)와 단자(DO)의 전기적 접속을 제어하는 기능을 가진다.
도 5를 사용하여 후술하지만, 단자(CO) 및 단자(DO)는 각각 파워 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 레벨 시프터(LS1) 및 레벨 시프터(LS2)는 제어부(121)로부터의 신호를 파워 트랜지스터를 구동하기 위한 게이트 전압으로서 적절한 전위로 변환하는 것이 바람직하다. 여기서 신호의 변환이란, 예를 들어 신호의 전위를 높이는 것, 낮추는 것, 신호의 진폭을 증대시키는 것 등을 가리킨다.
또한 제어부(121)는 검출부(127)에 신호 Sn1을 공급하여, 검출부(127)가 가지는 저항 회로의 저항값을 조정하는 기능을 가진다. 여기서 조정이란 예를 들어 저항값을 원하는 값으로 변경시키는 것을 가리킨다. 검출부(127)에 있어서, 신호 Sn1은 논리 회로(LC1)에 공급된다. 논리 회로(LC1)는 공급된 신호 Sn1을 사용하여, 저항 회로(Rs1), 저항 회로(Rs2), 및 저항 회로(Rs3)의 저항값을 변경한다. 또한, 저항값의 변경이 불필요한 경우에는 저항값을 변경하지 않아도 된다.
기억 회로(FE1)는 신호 Sn1을 생성하기 위한 데이터를 가지는 것이 바람직하다. 기억 회로(FE1)는 비휘발성인 것이 바람직하다. 또한 기억 회로(FE1)는 낮은 전압, 예를 들어 4V 이하의 전압으로 재기록할 수 있는 것이 바람직하다. 기억 회로(FE1)의 자세한 사항에 대해서는 도 2의 (B)를 사용하여 후술한다.
또한, 신호 EN을 레벨 시프터(LS2)에 공급함으로써, 레벨 시프터(LS2)로부터의 출력을 차단하고, 스위치(SW1)를 도통 상태로 하고, 제어부(121)로부터의 신호를 단자(DO)에 출력할 수 있다. 예를 들어, 기억 회로(FE1)에 저장된 데이터를 제어부(121)를 통하여 단자(DO)로부터 출력할 수 있다.
<저항 회로>
저항 회로(Rs1), 저항 회로(Rs2), 및 저항 회로(Rs3)는 스위치의 온 상태와 오프 상태를 전환함으로써 저항값의 조정, 더 구체적으로는 예를 들어 저항값의 감소가 가능한 구성을 가진다.
본 발명의 일 형태의 저항 회로는 예를 들어 하나의 저항 소자와 하나의 스위치의 세트를 복수로 가진다. 하나의 저항 소자와 하나의 스위치의 세트에 있어서, 하나의 스위치는 하나의 저항 소자에 흘리는 전류를 변동시키는 기능을 가진다. 각 스위치에 신호를 공급하고, 그 동작을 제어함으로써 저항 회로의 저항을 조정할 수 있다.
도 2의 (C)에는 저항 회로(Rs1), 저항 회로(Rs2), 및 저항 회로(Rs3)로서 사용할 수 있는 구성의 일례를 나타내었다. 도 2의 (C)에 있어서, 복수의 저항 소자(도면에 있어서, 저항 소자 R로 나타냄)가 직렬로 전기적으로 접속되고, 각 저항 소자에 스위치가 병렬로 전기적으로 접속되어 있다. 도면에 있어서 저항 소자 R로 나타낸 각 저항 소자의 저항값은 같아도 좋고 달라도 좋다. 스위치는 전기적인 신호에 의하여 개폐할 수 있다. 스위치를 오프 상태로 한 경우의 저항값은 병렬로 전기적으로 접속된 저항 소자의 저항값보다 매우 낮은 것으로 한다. 도 2의 (C)에는 4개 이상의 저항 소자가 직렬로 전기적으로 접속되고, 각 저항 소자 R에 스위치(99)(도 2의 (C)에서는 스위치(99_1, 99_2, 99_3, 및 99_4))가 병렬로 전기적으로 접속되는 예를 나타내었지만, 직렬로 전기적으로 접속되는 저항 소자는 4개보다 적어도 좋고, 5개 이상이어도 좋다.
4개의 스위치(99)를 모두 오프 상태로 하는 경우와 비교하여, 하나 이상의 스위치(99)를 온 상태로 하는 경우에 저항 회로의 저항값은 감소한다.
도 2의 (C)에 나타낸 저항 회로를 저항 사다리 회로 또는 사다리 저항 회로라고 하는 경우가 있다.
스위치(99)로서는 예를 들어 트랜지스터를 사용할 수 있다. 도 2의 (C)에 있어서 스위치의 구체적인 예로서 트랜지스터를 사용한 구성을 도 2의 (D)에 나타내었다. 트랜지스터의 게이트에 신호를 공급함으로써, 스위치의 온 상태와 오프 상태의 전환을 제어할 수 있다.
도 2의 (C) 및 (D)를 참조하여 설명한 바와 같이, 저항 회로(Rs1), 저항 회로(Rs2), 및 저항 회로(Rs3)는 각 저항 회로가 가지는 스위치로 신호를 공급함으로써 저항값을 조정할 수 있다.
논리 회로(LC1)는 신호 Sn1에 의거하여, 각 저항 회로가 가지는 스위치로 신호를 공급하는 기능을 가진다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로는 상술한 바와 같이 저항 회로의 저항값을 조정함으로써 검출부의 전압 검출의 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 기억 회로(FE1)에 저항 회로의 스위치에 공급하는 신호에 관한 데이터를 기억할 수 있기 때문에, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 제어 회로로의 전원 공급이 정지되어도 저항 회로의 저항값을 제어하기 위한 신호를 기억할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 전기적인 신호를 사용하여 저항값을 원하는 값으로 변경할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 저항 분할에 의하여 생성하는 전위의 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 저항 분할에 의하여 생성하는 전위를 원하는 값으로 할 수 있다.
또한, 과충전 상태로 판단되는 전지의 전압은 이차 전지의 SOH(State Of Health: 건전도라고도 함)에 맞추어 변경하여도 좋다. SOH는 이차 전지의 새것의 상태를 100으로 나타내며, 그 이차 전지가 열화되면서 100보다 작은 값으로 나타내어진다. SOH의 저하에 따라 예를 들어 과충전 상태로 판단되는 전지의 전압을 낮추어도 좋다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로는 전기적인 신호를 사용하여 저항값을 변경할 수 있기 때문에 전지의 상태에 맞추어 검출부(127) 및 검출부(128)의 판단 기준을 변경할 수 있다. 더 구체적으로는, 과충전 전압, 과방전 전압, 충전 과전류, 방전 과전류, 및 단락 전류라고 판단하기 위한, 각각의 문턱값을 변경할 수 있다.
<전압 생성부>
도 2의 (A)에는 전압 생성부(122)의 구성의 일례를 나타내었다.
전압 생성부(122)는 밴드 갭 기준 회로(BGR), 발진기(Osc), 파워 온 리셋 회로(POR), 및 레귤레이터 회로(Reg)를 가진다.
밴드 갭 기준 회로(BGR)는 전위 VD1과 전류 Ir1을 생성하는 기능을 가진다. 전위 VD1은 예를 들어 정전위이다. 전류 Ir1은 예를 들어 정전류이다.
레귤레이터 회로(Reg)는 전위 VD1을 승압하여, 전위 VD2를 생성하는 기능을 가진다.
발진기(Osc)는 클록 신호 CLK를 생성하는 기능을 가진다.
파워 온 리셋 회로(POR)는 전압 생성부(122)로의 전원의 공급이 시작될 때에 전압 생성부(122)가 가지는 회로의 리셋을 수행하는 기능을 가진다. 또한, 기억 회로(FE1)에 기억된 데이터의 판독은 예를 들어 파워 온 리셋 회로(POR)에 의하여 리셋이 수행된 직후에 수행된다.
전압 생성부(122)는 전위 VD2를 사용하여, 참조 전위 Rf_v(x)를 생성하는 기능을 가진다. 각 참조 전위는 예를 들어 도 2의 (A)에 나타낸 바와 같이, 전위 VD2를 저항 회로(Rs4(x))와 저항 회로(Rs5(x))를 사용하여 저항 분할함으로써 생성할 수 있다.
저항 회로(Rs4(x)) 및 저항 회로(Rs5(x))에는 도 2의 (C) 및 (D)에 나타낸 저항 회로의 구성을 사용하여도 좋다. 그 경우에는 저항 회로(Rs4(x)) 및 저항 회로(Rs5(x))가 가지는 스위치에 각각 제어부(121)로부터 신호를 공급하여, 저항값의 조정을 수행하여도 좋다.
도 2의 (B)에는 밴드 갭 기준 회로(BGR)의 구성의 일례를 나타내었다. 밴드 갭 기준 회로(BGR)는 저항 소자(Ra) 2개(Ra1, Ra2)와, 저항 소자(Rr)와, 다이오드 소자(Di1)와, 다이오드 소자(Di2)와, 증폭기(AMP)를 가진다. 증폭기(AMP)에는 저항 소자(Ra1)와 다이오드 소자(Di1) 사이의 전위 Va와 저항 소자(Ra2)와 저항 소자(Rr) 사이의 전위 Vb가 입력된다.
<기억 회로>
도 4의 (A) 및 (B)에는 기억 회로(FE1)의 구성의 일례를 나타내었다. 기억 회로(FE1)에는 제어 회로(191)가 가지는 각 저항 회로의 저항값을 제어하는 신호를 생성하기 위한 데이터가 저장된다.
기억 회로(FE1)는 비휘발성 메모리인 것이 바람직하다. 기억 회로(FE1)로서, FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory), NAND형 플래시 메모리, NOR형 플래시 메모리, MRAM(Magnetoresistive RAM), PRAM(Phase change RAM), ReRAM(Resistive RAM) 등의 메모리를 사용할 수 있다. FeRAM은 강유전체 메모리라고 불리는 경우가 있다.
기억 회로(FE1)의 동작 전압, 더 구체적으로는 예를 들어 재기록 동작에 사용하는 전압을 더 낮게 함으로써, 기억 회로(FE1)의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 이차 전지의 보호 회로로서 사용하는 경우에는 기억 회로(FE1)는 예를 들어 이차 전지의 전압 이하로 동작하는 것이 바람직하다. 이차 전지의 전압 이하로 기억 회로(FE1)가 동작하는 경우에는 이차 전지의 전압을 승압할 필요가 없기 때문에, 승압 회로에서의 승압에 필요한 소비 전력을 삭감할 수 있다. 또는, 이차 전지의 전압을 승압할 경우에 있어서도, 소비 전력을 저감하기 위해서는 더 낮은 전압으로 동작할 수 있는 것이 바람직하다.
FeRAM은 매우 낮은 전압으로 동작시킬 수 있고, 예를 들어 리튬 이온 전지의 전압보다 낮은 전압으로 동작시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태의 기억 회로로서 FeRAM을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
기억 회로(FE1)로의 데이터의 기록은 단자를 사용하여 외부로부터 신호를 공급함으로써 수행할 수 있다.
여기서 기억 회로(FE1)로의 기록은 데이터 신호(Din)와 클록 신호(CLK)의 2개의 신호를 서로 다른 단자, 즉 2개의 단자를 사용하여 수행할 수 있다.
또는, 기억 회로(FE1)로의 기록은 하나의 단자만을 사용하여 수행할 수 있다. 제어 회로(191)의 단자수가 많으면, 회로 면적이 증대할 뿐만 아니라 단자에 접속될 배선이 차지하는 용적도 증대되므로, 제어 회로(191)의 점유 면적 및 체적이 증대한다. 또한, 단자수가 많으면, 제어 회로(191)와 다른 회로의 배치에 있어서 자유도가 제한될 경우가 있다. 또한, 단자수가 많으면, 제어 회로(191)에 있어서 설계의 자유도가 제한될 경우가 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태의 제어 회로(191)에 있어서, 기억 회로(FE1)로의 기록을 하나의 단자만, 여기서는 단자(TES)만을 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.
제어 회로(191)에 있어서, 단자(TES)에 데이터 신호(이하, 데이터 신호 Smem라고 함)를 공급하여 기억 회로(FE1)로의 기록을 수행하는 경우에 대하여 설명한다. 데이터 신호 Smem은 제어 회로(191)의 내부에서 생성되는 각 신호와 동기되지 않은 비동기 신호이다. 그러므로 예를 들어 데이터 신호 Smem으로서 전압 생성부(122)에서 생성되는 클록 신호 CLK의 주기보다 느린 주기로 변화하는 신호를 사용한다. 또한, 제어 회로(191)는 단자(TES)로부터 공급되는 데이터 신호를 동기화하는 회로를 가져도 좋다.
도 3의 (A) 내지 (C)에는 단자(TES)에 입력하는 신호의 예를 나타내었다. 단자(TES)에는 데이터 신호로서 데이터 신호 Smem 외에, 테스트 모드인지 통상 모드인지 판정되는 데이터 신호(이하, 신호 Smd), 판독 모드인지 기록 모드인지 판정되는 데이터 신호(이하, 신호 Srw)가 공급된다.
신호 Smd에 대하여, 도 3의 (A) 및 (B)를 사용하여 설명한다. 도 3의 (A)는 테스트 모드라고 판정된 경우의 신호 Smd를 나타낸 것이고, 도 3의 (B)는 통상 모드라고 판정된 경우의 신호 Smd를 나타낸 것이다. 도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 신호가 계속 L(저전위 신호)인 경우에는 통상 모드라고 판정된다. 도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 신호가 H(고전위 신호)인 기간이 존재하는 경우에는 테스트 모드라고 판정된다.
테스트 모드에서는 저항 회로의 조정 등을 수행한다.
통상 모드에 있어서는, 기억 회로(FE1)에 기억된 데이터가 제어부(121)에 판독되고, 논리 회로(LC1)를 거쳐 저항 회로에 공급된다. 통상 모드에서는 예를 들어 이차 전지를 제어 회로에 전기적으로 접속하고, 이차 전지의 감시 및 보호를 수행한다.
테스트 모드에 있어서 신호가 H인 기간(W1) 및 신호가 L인 기간(W2)은 전압 생성부(122)가 생성하는 클록 신호의 주기의 16배 이상인 것이 바람직하다.
신호 Srw에 대하여, 도 3의 (C) 및 (D)를 사용하여 설명한다. 도 3의 (C)는 기록 모드라고 판정된 경우의 신호 Srw를 나타낸 것이고, 도 3의 (D)는 판독 모드라고 판정된 경우의 신호 Srw를 나타낸 것이다. 기록 모드와 판독 모드는 신호가 L인 기간의 길이가 다르다. 기록 모드를 지시하는 신호는, 신호가 H인 기간(W3)이 클록 신호의 주기의 4배 이상인 것이 바람직하고, 신호가 L인 기간(W4)이 클록 신호의 주기의 4배 이상 16배 이하인 것이 바람직하다. 판독 모드를 지시하는 신호는, 신호가 H인 기간(W5)이 클록 신호의 주기의 4배 이상인 것이 바람직하고, 신호가 L인 기간(W6)이 클록 신호의 주기의 20배 이상 32배 이하인 것이 바람직하다.
데이터 신호 Smem에 대하여, 도 3의 (E) 및 (F)를 사용하여 설명한다. 데이터 신호 Smem은 2레벨의 신호로 이루어진다. 도 3의 (E)는 신호 "1"을 나타내는 신호를 나타낸 것이고, 도 3의 (F)는 신호 "0"을 나타내는 신호이다. 신호 "1"을 나타내는 신호와 신호 "0"을 나타내는 신호는 신호가 L인 기간의 길이가 다르다. 신호 "1"을 나타내는 신호는, 신호가 H인 기간(W3)이 클록 신호의 주기의 4배 이상인 것이 바람직하고, 신호가 L인 기간(W4)이 클록 신호의 주기의 4배 이상 16배 이하인 것이 바람직하다. 신호 "0"을 나타내는 신호는, 신호가 H인 기간(W5)이 클록 신호의 주기의 4배 이상인 것이 바람직하고, 신호가 L인 기간(W6)이 클록 신호의 주기의 20배 이상 32배 이하인 것이 바람직하다.
데이터 신호 Smem은 제어부(121)에 있어서, 기억 회로(FE1)에 공급하는 형식으로 변환된 후, 기억 회로(FE1)에 공급된다.
기억 회로(FE1)에 기억된 데이터는 단자(DO)로부터 판독할 수 있다.
레벨 시프터(LS2)로 신호 EN을 공급하고, 레벨 시프터(LS2)의 출력을 정지하고, 스위치(SW1)를 도통 상태로 함으로써, 기억 회로(FE1)에 기억된 데이터를 단자(DO)에 출력할 수 있다. 기억 회로(FE1)로 데이터가 정상적으로 기록되지 않은 경우에는 기록 조건을 변경하거나 기억 회로(FE1)에 있어서 기록이 정상적으로 수행되지 않은 비트를 중복 비트(redundant bit)와 치환하는 등의 처리를 수행한다. 기록 금지 비트의 설정을 수행하여도 좋다. 이와 같은 처리 또는 설정을 수행함으로써, 기억 회로(FE1)의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기억 회로(FE1)의 신뢰성을 높일 수 있다.
<기억 회로의 구성예>
도 4의 (A)에는 본 발명의 일 형태의 기억 회로의 구성예를 나타내었다.
도 4의 (A)에 나타낸 기억 회로(FE1)는 메모리 셀 어레이(MEM_AR) 및 감지 증폭기(SA)를 가진다.
제어부(121)로부터 기억 회로(FE1)로 데이터가 공급된다(Din). 공급된 데이터는 메모리 셀 어레이(MEM_AR)에 기억된다.
메모리 셀 어레이(MEM_AR)에 기억된 데이터의 판독에 대하여 설명한다. 기억된 데이터는 감지 증폭기(SA)에 의하여 증폭되고 제어부(121)로 출력된다(Dout).
메모리 셀 어레이(MEM_AR)가 가지는 각 메모리 셀로서는 예를 들어 하나의 트랜지스터와 하나의 용량 소자로 이루어지는 메모리 셀(1T1C형 메모리 셀)을 사용할 수 있고, 상기 용량 소자의 유전체층으로서 강유전체층을 사용함으로써 기억 회로(FE1)를 FeRAM으로서 기능시킬 수 있다.
<축전 시스템>
도 5에는 상술한 제어 회로(191)를 사용한 축전 시스템(190)의 일례를 나타내었다.
축전 시스템(190)은 이차 전지(192), 제어 회로(191), 부하(193), 충전기(140), 파워 트랜지스터(150A), 및 파워 트랜지스터(150B)를 가진다. 또한 도 5에는 이차 전지(192)의 방전에서 부하(193)에 전류를 흘리기 위한 스위치(131), 이차 전지(192)를 충전하기 위하여 충전기(140)로부터 전류를 흘리기 위한 스위치(141)를 도시하였다. 또한 도 5에서는 부하(193)를 나타내었으며, 충전기(140)의 양극 측에 있는 단자를 VDDD, 음극 측에 있는 단자를 VSSS로서 도시하였다. 제어 회로(191)는 이차 전지의 보호 회로로서 기능할 수 있다.
제어 회로(191)의 단자(CO)는 파워 트랜지스터(150A)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 또한, 단자(DO)는 파워 트랜지스터(150B)의 게이트에 전기적으로 접속된다.
파워 트랜지스터(150A)와 파워 트랜지스터(150B)는 직렬로 전기적으로 접속된다. 파워 트랜지스터(150A) 및 파워 트랜지스터(150B)는 기생 다이오드를 가진다.
파워 트랜지스터(150A)와 파워 트랜지스터(150B)는 단자(VSSS)와 충전기(140) 사이 및 단자(VSSS)와 부하(193) 사이의 전류를 차단하는 기능을 가진다. 제어 회로(191)는 이차 전지(192)를 감시하고, 이차 전지(192)의 상태에 따라 파워 트랜지스터(150A) 및 파워 트랜지스터(150B)의 게이트의 온 상태 또는 오프 상태를 제어하여 이차 전지(192)를 보호하는 기능을 가진다.
단자(VM)와 단자(VSSS) 사이에는 저항 소자(Rs)가 제공된다. 저항 소자(Rs)에 의하여 분배된 전류가 제어 회로(191)의 단자(VM)에 공급된다.
도 6의 (A)에는 이차 전지가 복수의 이차 전지(192)를 사용한 조전지(111)를 가지는 축전 시스템(190)의 예를 나타내었다. 또한, 도 6의 (B)는 도 6의 (A)의 구성에 사용할 수 있는 검출부(127)와, 검출부(127)에 전기적으로 접속되는 이차 전지(192)의 일례를 나타낸 것이다. 또한, 도 6의 (B)에 있어서, 저항 회로(Rs1) 내지 저항 회로(Rs3)는 이차 전지(192)의 충전 또는 방전의 차단을 수행하기 위하여 사용하여도 좋다. 예를 들어, 복수의 이차 전지(192)에 있어서, 만충전이 되는 시간이 상이한 경우가 있다. 예를 들어, 복수의 이차 전지(192)에 있어서, 제 1 이차 전지의 충전이 아직 완료되지 않은 경우에도, 제 2 이차 전지의 충전이 완료되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 제 2 이차 전지에 병렬로 전기적으로 접속되는 저항 회로의 저항을 조정하여, 제 2 이차 전지로 흐르는 충전 전류를 제한하여도 좋다. 이에 의하여, 각 이차 전지의 충전 및 방전을 개별적으로 제어할 수 있기 때문에, 각 이차 전지의 열화를 억제하여 수명을 길게 할 수 있다.
<저항 회로의 저항값의 조정>
본 발명의 일 형태의 제어 회로에 있어서, 저항 회로의 저항값의 조정을 수행하는 방법의 일례를, 도 7에 나타낸 흐름도를 사용하여 설명한다.
우선 단계 S000에서, 처리를 시작한다.
다음으로, 단계 S001에 있어서, 단자(VDDD) 및 단자(VSSS)에 각각 전위를 공급한다. 단자(VDDD)에는 가변 전위가 공급되는 것이 바람직하다. 단자(VSSS)에는 가변 전위를 공급하여도 좋고, 정전위를 공급하여도 좋다. 예를 들어 단자(VDDD)에는 전압을 스위프(주사)할 수 있는 전압원을 전기적으로 접속하고, 단자(VSSS)에는 접지 전위를 공급한다. 여기서, 단자(VDDD)에 공급하는 전압을 전압 Vswp로 하고, 단자(VSSS)에 공급하는 전압을 V0으로 한다. 여기서, 콤퍼레이터(113_1)의 동작을 검증하는 경우에는 예를 들어 단계 S001에서의 전압 Vswp와 전압 V0의 전위차를 이차 전지의 상한 전압보다 낮은 값으로 하고, 콤퍼레이터(113_2)의 동작을 검증하는 경우에는 예를 들어 단계 S001에서의 전압 Vswp와 전압 V0의 전위차를 이차 전지의 하한 전압보다 높은 값으로 한다.
다음으로, 단계 S002에 있어서, 전압 Vswp를 스위프한다. 콤퍼레이터(113_1)의 동작을 검증하는 경우에는 예를 들어 전압 Vswp를 높은 쪽으로 스위프하고, 콤퍼레이터(113_2)의 동작을 검증하는 경우에는 예를 들어 전압 Vswp를 낮은 쪽으로 스위프한다.
다음으로, 단계 S003에 있어서, 검증을 수행하는 콤퍼레이터(콤퍼레이터(113_1) 또는 콤퍼레이터(113_2))가 검지를 수행한다. 콤퍼레이터는 검지를 수행하면 제어부(121)에 검지 신호를 출력한다. 콤퍼레이터(113_1)의 경우에는 전압 Vb1이 참조 전위 Rf_v(1)을 초과하면, 제어부(121)로 출력하는 신호가 고전위 신호 H 및 저전위 신호 L 중 한쪽에서 다른 쪽으로 전환된다. 콤퍼레이터(113_2)의 경우에는 전압 Vb2가 참조 전위 Rf_v(2) 미만이 되면, 제어부(121)로 출력하는 신호가 고전위 신호 H 및 저전위 신호 L 중 한쪽에서 다른 쪽으로 전환된다.
검증을 수행하는 콤퍼레이터가 제어부(121)로 출력하는 신호가 전환됨으로써, 제어부(121)는 이상이 일어났다고 판단한다. 구체적으로는, 콤퍼레이터(113_1)로부터의 출력이 전환된 경우에는 과충전이 발생하였다고 판단하고, 콤퍼레이터(113_2)로부터의 출력이 전환된 경우에는 과방전이 발생하였다고 판단한다. 제어부(121)가 과충전이 발생하였다고 판단한 경우에는 레벨 시프터(LS1)를 통하여 단자(CO)에 파워 트랜지스터(150A)를 오프 상태로 하는 신호를 공급한다. 과방전이 발생하였다고 판단한 경우에는 레벨 시프터(LS2)를 통하여 단자(DO)에 파워 트랜지스터(150B)를 오프 상태로 하는 신호를 공급한다.
다만, 실제의 제어 회로에 있어서는, 저항 회로에 사용하는 저항 소자의 저항값의 편차 및 콤퍼레이터에 사용하는 반도체 소자의 차이에 기인하여, 설계 시에 상정한 전압과는 다른 전압에 있어서, 검증을 수행하는 콤퍼레이터의 출력 신호가 전환되는 경우가 있다.
단계 S004에 있어서, 전압이 벗어난 정도를 검증한다.
단계 S005에 있어서, 단계 S004에서의 검증의 결과, 단계 S003에 있어서 콤퍼레이터가 검지 동작을 수행하였을 때의 전압이, 설계에서 상정된 전압의 범위를 초과한 경우에는 단계 S006으로 넘어가고, 벗어나지 않은 경우에는 단계 S999로 넘어가고 처리를 종료한다.
단계 S006에 있어서, 저항 회로의 저항값의 조정량을 산출한다. 구체적으로는, 전압이 벗어난 정도에 따라, 벗어나지 않도록 하는 저항 회로(Rs1) 내지 저항 회로(Rs3)의 저항값의 조정량을 산출한다. 산출된 조정량을 바탕으로 저항 회로(Rs1) 내지 저항 회로(Rs3)가 가지는 각 스위치로 공급하는 신호(데이터 신호 Smem)가 결정된다.
다음으로, 단계 S007에 있어서, 기억 회로(FE1)로의 기록을 수행한다. 기억 회로(FE1)로의 기록은, 단자(TES)로부터 제어부(121)로 데이터 신호 Smem이 공급되고 제어부(121)로부터 기억 회로(FE1)로 데이터 신호 Smem에 의거한 신호가 공급됨(Din)으로써 수행할 수 있다. 데이터 신호 Smem은 저항 회로(Rs1) 내지 저항 회로(Rs3)가 가지는 각 스위치로 공급하는 신호에 관한 것이다.
여기서, 기억 회로(FE1)의 데이터의 판독을 수행하여도 좋다. 기억 회로(FE1)의 데이터의 판독은 단자(DO)를 사용하여 수행할 수 있다. 이 판독을 수행함으로써, 단계 S007에 있어서 기억 회로(FE1)에 데이터가 정상적으로 기록되었는지 확인할 수 있다.
다음으로, 단계 S008에 있어서, 저항 회로의 저항값을 조정한다. 저항값은, 데이터 신호 Smem에 의거한 신호가 기억 회로(FE1)로부터 제어부(121)로 공급되고(Dout), 제어부(121)로부터 논리 회로(LC1)로 신호 Sn1이 공급되고, 신호 Sn1에 의거하여 논리 회로(LC1)로부터 저항 회로(Rs1) 내지 저항 회로(Rs3)가 가지는 스위치로 신호가 공급됨으로써 조정된다. 제어부(121)는 데이터 신호 Smem에 의거한 신호를 기억 회로(FE1)로부터 공급받고, 상기 신호를 사용하여 신호 Sn1을 생성한다.
그 후, 다시 단계 S001로 돌아간다.
상술한 공정에 의하여, 본 발명의 일 형태의 제어 회로에 있어서, 저항 회로의 저항값을 조정할 수 있다.
본 실시형태에 나타낸 구성은 다른 실시형태에 기재되는 구성과 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 기억 회로에 대하여 설명한다.
도 4의 (B)는 실시형태 1에서 설명한 도 4의 (A)의 자세한 사항을 나타낸 것이다.
도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이 기억 회로(FE1)는 메모리 셀(MC)을 가진다. 메모리 셀(MC)은 어레이상으로 복수로 배치되고 기억 소자 영역(MEM_AR)을 구성한다. 또한 기억 회로(FE1)는 기억 소자 영역(MEM_AR)의 주변에 구동 회로를 가진다. 구동 회로는 주변 회로라고도 불리고, 예를 들어 행 회로 및 열 회로를 가지는 구성으로 할 수 있다. 도 4의 (B)에 나타낸 구동 회로는 행 회로 및 열 회로를 가진다. 행 회로는 기억 소자 영역(MEM_AR)의 입력 측을 제어하는 회로에 상당하고, 열 회로는 기억 소자 영역(MEM_AR)의 출력 측을 제어하는 회로에 상당한다. 행 회로로서, 레벨 시프터(LS3), 시프트 레지스터(SR) 등을 가진다. 레벨 시프터(LS3)는 기억 소자 영역(MEM_AR)에 입력하는 신호의 전위 레벨을 바꾸는 기능을 가지는 것이다. 시프트 레지스터(SR)는 복수의 플립플롭 등을 가지고, 클록 신호(CLK)와 동기하여, 입력하는 신호를 순차적으로 이동시키는 기능을 가지는 것이다. 또한 필요에 따라, 리셋 신호 RESET로 내부 회로를 초기화 상태로 한다. 제어 회로(191)로부터 출력된 신호(Din)를 시프트 레지스터(SR)로 순차적으로 이동시키고, 레벨 시프터(LS3)에서 전위의 레벨을 바꾼 신호가 기억 소자 영역(MEM_AR)에 입력된다. 이러한 행 회로에 의하여, 기억 소자 영역(MEM_AR)이 가지는 메모리 셀(MC)에 신호를 순차적으로 기록할 수 있다. 그러므로, 어드레스 신호 등은 입력되지 않아도 된다. 어드레스 신호가 입력되지 않으면, 행 회로가 복잡해지지 않기 때문에 바람직하다. 기억 소자 영역(MEM_AR)이 가지는 임의의 메모리 셀(MC)에 신호를 입력시키고자 하는 경우에는 어드레스 신호가 필요하다.
도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 열 회로로서 감지 증폭 회로(SA), 디코더(SR-MUX) 등을 가진다. 감지 증폭기(SA)는 기억 소자 영역(MEM_AR)으로부터의 출력 신호의 전압을 증폭시키는 기능을 가진다. 출력 신호를 증폭함으로써, 기억 소자 영역(MEM_AR)으로부터의 출력 신호가 공급되는 회로에 적합한 전압으로 할 수 있다. 감지 증폭기(SA)는 차동형 감지 증폭기 또는 래치형 감지 증폭기를 적용할 수 있다. 디코더(SR-MUX)는 감지 증폭기(SA)로 증폭된 각 메모리 데이터를 순차적으로 제어 회로(191)에 출력하는 기능을 가진다. 디코더(SR-MUX)로부터의 신호(Dout)가 제어 회로(191)로 입력된다.
다음으로, 기억 회로(FE1)가 가지는 메모리 셀(MC)에 대하여 설명한다. 도 8의 (A)에 메모리 셀(MC)의 회로도를 나타내었다. 메모리 셀(MC)은 1T1C형 메모리 셀이고, 스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터(11)와, 용량 소자(10)를 가진다. 1T1C형 메모리 셀은 소자 수가 적어 메모리 셀(MC)을 고밀도로 배치할 수 있기 때문에 기억 용량을 크게 할 수 있다. 메모리 셀(MC)이 다른 소자를 가져도 좋다는 것은 말할 나위 없다.
트랜지스터(11)의 게이트는 배선(WL)에 전기적으로 접속된다. 배선(WL)은 워드선으로서의 기능을 가지고, 배선(WL)의 전위를 제어함으로써 트랜지스터(11)의 온과 오프를 제어할 수 있다. 예를 들어, 배선(WL)의 전위를 고전위(H)로 함으로써 트랜지스터(11)를 온 상태로 하고, 배선(WL)의 전위를 저전위(L)로 함으로써 트랜지스터(11)를 오프 상태로 할 수 있다. 배선(WL)은 구동 회로에 전기적으로 접속된다. 구체적으로는 예를 들어 배선(WL)은 도 4의 (B)에 나타낸 레벨 시프터(LS3)에 전기적으로 접속된다. 레벨 시프터(LS3)의 기능에 의하여 배선(WL)이 순차적으로 선택되어, 트랜지스터(11)의 온과 오프가 제어된다.
트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(BL)에 전기적으로 접속되어 있다. 배선(BL)은 비트선으로서의 기능을 가지고, 트랜지스터(11)가 온 상태일 때, 배선(BL)의 전위에 대응하는 전위가 용량 소자(10)의 한쪽 전극에 공급된다. 배선(BL)은 도 4의 (B)에 나타낸 감지 증폭기(SA)에 전기적으로 접속되고, 메모리 셀(MC)로부터 출력된 데이터를 감지 증폭기(SA)를 통하여 판독할 수 있다.
용량 소자(10)의 다른 쪽 전극은 배선(PL)에 전기적으로 접속되어 있다. 배선(PL)은 플레이트선으로서의 기능을 가지고, 배선(PL)의 전위를 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극의 전위로 할 수 있다. 배선(BL)의 전위가 일정한 값이 되었을 때 배선(PL)에 전압을 인가하여 데이터를 판독할 수 있다.
트랜지스터(11)로서 Si 트랜지스터를 적용하는 것이 바람직하다. Si 트랜지스터를 적용한 메모리 셀의 단면도 등에 대해서는 도 11의 (A), (B), 및 도 12 등을 사용하여 후술한다.
트랜지스터(11)로서 OS 트랜지스터를 적용하여도 좋다. OS 트랜지스터란 트랜지스터의 반도체층에 금속 산화물을 사용한 것이고, 상기 금속 산화물을 산화물 반도체(Oxide Semiconductor 또는 단순히 OS라고도 함)라고 부르는 경우가 있다.
OS 트랜지스터는 내압이 높다는 특성을 가진다. 따라서, 트랜지스터(11)를 OS 트랜지스터로 함으로써 트랜지스터(11)를 미세화하여도 트랜지스터(11)에 고전압을 인가할 수 있다. 트랜지스터(11)를 미세화함으로써 메모리 셀(MC)의 점유 면적을 작게 할 수 있으므로 바람직하다. 예를 들어, 메모리 셀(MC) 1개당 점유 면적을 SRAM 셀 1개당 점유 면적의 1/3 내지 1/6로 할 수 있다. 따라서, 메모리 셀(MC)을 고밀도로 배치할 수 있어 기억 용량을 크게 할 수 있다.
도 8의 (B)에는 용량 소자(10)의 단면도를 나타내었다. 용량 소자(10)는 하부 전극(120a)과 상부 전극(120b) 사이에 절연체(130)를 가진다. 절연체(130)는 유전체층으로서 강유전성 재료를 가진다. 강유전성 재료를 가지는 유전체층을 강유전체층이라고 부르는 경우가 있다.
강유전성 재료로서는, 산화 하프늄, 산화 지르코늄, HfZrOX(X는 0보다 큰 실수인 것으로 함), 산화 하프늄에 원소 J1(원소 J1은 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 란타넘(La), 또는 스트론튬(Sr) 등)을 첨가한 재료, 산화 지르코늄에 원소 J2(원소 J2는 하프늄(Hf), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 란타넘(La), 또는 스트론튬(Sr) 등)를 첨가한 재료 등이 있다. 즉 강유전성 재료는 하프늄 및 지르코늄을 포함하는 산화물을 가지는 것이 바람직하다.
또 다른 강유전성 재료로서는, PbTiOX, 타이타늄산 바륨 스트론튬(BST), 타이타늄산 스트론튬, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 탄탈럼산 비스무트산 스트론튬(SBT), 비스무트 페라이트(BFO), 타이타늄산 바륨 등의 페로브스카이트 구조를 가지는 압전성 세라믹이 있다.
또 다른 강유전성 재료로서는, 위에서 열거한 재료에서 선택된 복수의 재료를 가지는 혼합물 또는 화합물이 있다.
위에서 열거한 재료는 결정 구조 또는 첨가물에 따라 강유전성과 강유전성 이외를 발현하는 경우가 있지만, 본 명세서 등에서는 강유전성 재료에 포함된다. 즉 강유전성 재료에는 강유전성을 가진 재료 및 강유전성을 가질 수 있는 재료가 포함된다.
또한 절연체(130)는 단층 구조 또는 다층 구조로 할 수 있다. 다층 구조를 가지는 절연체(130)는 위에서 열거한 재료에서 선택된 재료를 순차적으로 적층한 구조로 할 수 있다.
다음으로, 산화 하프늄을 예로 들어 결정 구조 및 강유전성 등의 물성에 대하여 설명한다. 도 9는 산화 하프늄(HfO2)의 결정 구조를 설명하는 모델 도면이다. 산화 하프늄은 다양한 결정 구조를 가지는 것으로 알려져 있고, 예를 들어, 도 9에 나타낸 cubic(입방정계, 공간군: Fm-3m), tetragonal(정방정계, 공간군: P42/nmc), orthorhombic(직방정계, 공간군: Pbc22), 및 monoclinic(단사정계, 공간군: P21/c) 등의 결정 구조를 가질 수 있다. 산화 하프늄은 단사정일 때 고유전체가 되고, 직방정일 때 강유전체가 되고, 정방정일 때 반강유전체가 된다. 따라서, 강유전체층에 사용하는 경우, 산화 하프늄은 직방정인 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 산화 하프늄의 결정 구조는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 화살표로 나타낸 결정 구조 간에서의 상변화가 가능하다. 상변화는 열처리 등에 의하여 일어날 경우가 있다.
산화 하프늄에 강유전성을 발현시키기 위해서는, 첨가물을 도핑하는 방법도 있다. 첨가물로서는, 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 가돌리늄(Gd), 이트륨(Y), 란타넘(La), 또는 스트론튬(Sr)을 사용할 수 있다.
상기 결정 구조의 제어와 상기 첨가물의 도핑은 서로 독립적으로 또는 조합하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 산화 하프늄에 지르코늄을 도핑함으로써, 단사정계의 결정 구조를 직방정계의 결정 구조로 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 직방정의 산화 하프늄은 강유전체를 발현하기 때문에 강유전체층으로서 바람직하다. 산화 하프늄에 지르코늄을 도핑하였을 때 복합화되어 있는 경우가 있으므로, 산화 하프늄과 산화 지르코늄의 복합 재료 또는 혼정이라고 부르는 경우가 있다.
상술한 복합 재료와는 다른 예이지만 산화 하프늄과 산화 지르코늄을 1:1의 조성이 되도록 교대로 성막한 적층 구조를 강유전체층에 적용하여도 좋다. ALD법을 사용하면 산화 하프늄과 산화 지르코늄을 각각 5nm 이상 25nm 이하로 박막화할 수 있기 때문에 적층 구조를 50nm 이상 100nm 이하로 할 수 있으므로 바람직하다. 상기 적층 구조에 있어서, 적어도 직방정의 결정 구조를 가지는 산화 하프늄을 가지면, 강유전성을 나타낼 수 있어, 강유전체층으로서 적합하다.
또한 상기 적층 구조의 결정 상태는 성막 직후에 비정질 구조를 가지는 경우가 있다. 비정질 구조를 직방정계의 결정 구조로 하기 위해서는 가열을 하는 것이 좋다. 가열 온도 등에 따라, 상기 직방정계의 결정 구조가 단사정계의 결정 구조로 변화하는 경우가 있다. 강유전성의 발현에 있어서 산화 하프늄은 단사정계의 결정 구조보다 직방정계의 결정 구조를 가지는 것이 바람직하기 때문에, 가열 온도를 300℃ 이상 500℃ 이하로 하는 것이 좋다.
또한, 절연체(130)는 강유전성을 발현하기만 하면 그 결정 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 절연체(130)는 비정질 구조이어도 좋고, 단결정이어도 좋다. 또한 절연체(130)는 단층의 재료층에 대하여 비정질 구조와 상기 결정 구조를 가지는 구조(복합 구조)로 하여도 좋다.
절연체(130)로서, 산화 하프늄 및 산화 지르코늄을 가지는 복합 재료(HfZrOx)를 사용하는 경우, 열 ALD법을 사용하여 성막을 하는 것이 바람직하다. ALD법은 원자층 퇴적법이라고도 불리고, 원자 레벨의 제어가 가능하므로, 5nm 이상 25nm 이하로 박막화가 가능하다. 또한 ALD법은 성막 속도가 빠르기 때문에 바람직하다. 산화 하프늄 및 산화 지르코늄을 가지는 복합 재료(HfZrOx)의 조성으로서는 Hf:Zr:O=0.5:0.5:2 또는 Hf:Zr:O=0.25:0.75:2 등이 있다.
열 ALD법을 사용하여 절연체(130)를 성막하는 경우, 전구체로서 탄화수소(Hydro Carbon, HC라고도 함)를 포함하지 않는 재료를 사용하는 것이 적합하다. 절연체(130) 중에 수소 및 탄소 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 포함되면, 절연체(130)의 결정화를 저해하는 경우가 있기 때문에 탄화수소를 포함하지 않는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 탄화수소를 포함하지 않는 전구체를 사용함으로써, 절연체(130) 중의 수소 및 탄소 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 농도가 저감되어 고순도 및 진성이 된다. 예를 들어, 탄화수소를 포함하지 않는 전구체로서는 염소계 재료가 있다. 또한, 절연체(130)로서 산화 하프늄 및 산화 지르코늄을 포함하는 재료(HfZrOx)를 사용하는 경우, 염소계의 전구체로서는 HfCl4 및 ZrCl4 중에서 선택되는 하나 이상을 사용하면 좋다.
또한 수소 및 탄소가 절연체(130) 중에 많이 포함되는 경우에는 수소 및 탄소를 제거하는 공정을 수행하면 좋다. 수소 및 탄소를 제거하는 공정은 수소 및 탄소의 포획층을 형성하고, 가열을 수행하면 좋다. 상기 제거하는 공정을 게터링이라고 부르는 경우가 있다.
또한, 열 ALD법을 사용하여 절연체(130)를 성막하는 경우, 산화제로서는 H2O 또는 O3을 사용할 수 있다. 또한, 열 ALD법의 산화제로서는 H2O를 사용하는 경우보다 O3을 사용하는 경우에 막 중의 수소 농도를 저감할 수 있기 때문에 적합하다. 다만, 열 ALD법의 산화제는 이들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 열 ALD법의 산화제로서는 O2, O3, N2O, NO2, H2O, 및 H2O2 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수를 포함하여도 좋다.
도 8의 (B)에 나타낸 바와 같이, 용량 소자(10)는 절연체(130) 이외에 하부 전극(120a)과 상부 전극(120b)을 가진다. 상부 전극(120b) 및 하부 전극(120a)은 같은 재료 및 같은 공정으로 제작할 수 있다. 상부 전극(120b) 및 하부 전극(120a)은 각각 독립적으로 또는 동일하게 질화 타이타늄 또는 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물을 가진다. 또한 상부 전극(120b) 및 하부 전극(120a)은 각각 독립적으로 또는 동일하게 백금, 알루미늄, 구리 등의 도전성 재료를 가진다. 또한 상부 전극(120b) 및 하부 전극(120a)은 각각 독립적으로 또는 동일하게 산화 인듐, 산화 갈륨, 산화 아연, 산화 주석, 산화 인듐 주석(ITO), 또는 산화 인듐 아연(IZO)을 가진다. 상부 전극(120b) 및 하부 전극(120a)은 각각 독립적으로 또는 동일하게 상술한 재료를 2종류 이상 가지는 고용체를 가져도 좋다. 강유전체층에 안정된 전압을 인가할 수 있다.
상부 전극(120b)은 절연체(130)의 성막 후에 성막되기 때문에, 제작 방법으로서 ALD법 또는 CVD법 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상부 전극(120b)으로서, 열 ALD법을 사용하여 질화 타이타늄을 성막하면 좋다. 여기서, 상부 전극(120b)의 성막에는 열 ALD법과 같이 기판을 가열하면서 성막하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 기판 온도의 하한을 예를 들어 실온 이상, 바람직하게는 300℃ 이상, 더 바람직하게는 325℃ 이상, 더욱 바람직하게는 350℃ 이상으로 하여 성막을 하면 좋다. 또한, 기판 온도의 상한을 예를 들어 500℃ 이하, 바람직하게는 450℃ 이하로 하여 성막을 하면 좋다.
상술한 온도 범위에서 상부 전극(120b)을 성막함으로써, 상부 전극(120b)의 형성 후에 고온의 가열 처리(예를 들어, 온도 400℃ 이상 또는 500℃ 이상에서의 가열 처리)를 수행하지 않아도 절연체(130)에 강유전성을 부여할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 하지에 가해지는 손상이 비교적 적은 ALD법을 사용하여 상부 전극(120b)을 성막함으로써, 절연체(130)의 결정 구조가 과잉으로 파괴되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 절연체(130)의 강유전성을 높이는 것 또는 강유전성이 높은 상태를 유지하는 것이 가능하다.
상부 전극(120b)을 스퍼터링법 등에 의하여 형성하는 경우, 절연체(130)가 손상될 가능성이 있다. 예를 들어, 절연체(130)로서 산화 하프늄 및 산화 지르코늄을 가지는 복합 재료(HfZrOx)를 사용하고, 상부 전극(120b)을 스퍼터링법으로 형성하면 HfZrOx가 손상되어, HfZrOx의 결정 구조(대표적으로는 직방정계 등의 결정 구조)가 붕괴될 가능성이 있다. 그 후, 열처리를 수행함으로써 HfZrOx의 결정 구조의 손상을 회복시키는 등의 방법도 있지만, 스퍼터링법에 의하여 형성된 HfZrOx 중의 손상, 예를 들어 HfZrOx 중의 댕글링 본드(예를 들어, O*)와 HfZrOx 중에 포함되는 수소가 결합되어, HfZrOx의 결정 구조 중의 손상을 회복시킬 수 없는 경우가 있다.
따라서, 절연체(130), 여기서는 HfZrOx로서는 수소를 포함하지 않거나 수소의 함유량이 매우 적은 재료를 사용하는 것이 적합하다. 예를 들어, 절연체(130)에 포함되는 수소의 농도는 5×1020atoms/cm3 이하인 것이 바람직하고, 1×1020atoms/cm3 이하인 것이 더 바람직하다. 수소의 농도는 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)으로 측정할 수 있다. 상기 농도의 하한은 SIMS의 검출 하한이다.
또한, 상술한 바와 같이, 절연체(130) 중의 수소 농도를 저감하기 위해서는 전구체로서 탄화수소를 포함하지 않는 재료를 사용하는 것이 적합하다. 이에 의하여, 절연체(130)는 주성분으로서 탄화수소를 포함하지 않거나 탄화수소의 함유량이 매우 적은 막이 되는 경우가 있다. 예를 들어, 절연체(130)에 포함되는 탄화수소를 구성하는 탄소의 농도는 바람직하게는 5×1020atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1020atoms/cm3 이하이다. 탄화수소 농도는 SIMS로 측정할 수 있다. 상기 농도의 하한은 SIMS의 검출 하한이다.
또한, 절연체(130)의 성막에 있어서 전구체로서 탄화수소를 포함하지 않는 재료를 사용하는 경우, 절연체(130)는 주성분으로서 탄소를 포함하지 않거나 탄소의 함유량이 매우 적은 막이 되는 경우가 있다. 예를 들어, 절연체(130)에 포함되는 탄소의 농도는 바람직하게는 5×1020atoms/cm3 이하, 더 바람직하게는 1×1020atoms/cm3 이하이다. 탄소 농도는 SIMS로 측정할 수 있다. 상기 농도의 하한은 SIMS의 검출 하한이다.
또한, 절연체(130)로서는 수소, 탄화수소, 및 탄소 중 적어도 하나의 함유량이 매우 적은 재료를 사용하는 것이 적합하지만, 이들 중에서도 탄화수소 및 탄소의 함유량을 매우 적게 하는 것이 중요하다. 탄화수소 및 탄소는 수소보다 무거운 분자 또는 무거운 원자이기 때문에 나중의 공정에서 제거하는 것이 어렵다. 그러므로, 절연체(130)의 성막 시에 탄화수소 및 탄소를 철저하게 배제하는 것이 적합하다.
상술한 바와 같이, 절연체(130)로서 적어도 수소, 탄화수소, 및 탄소를 포함하지 않거나 또는 적어도 수소, 탄화수소, 및 탄소 중 하나 이상의 함유량이 매우 적은 재료를 사용함으로써 절연체(130)는 결정성이 향상될 수 있어 높은 강유전성을 가질 수 있다.
절연체(130)의 막 중의 불순물, 여기서는 수소, 탄화수소, 및 탄소 중 적어도 하나를 철저하게 배제함으로써 고순도이며 진성인 강유전성을 가지는 막을 형성할 수 있다. 또한 고순도이며 진성인 강유전성을 가지는 막을 가지는 용량 소자를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 절연체(130)로서, 탄화수소를 사용하지 않는 전구체(대표적으로는 염소계 전구체)와, 산화제(대표적으로는 O3)를 사용하여 열 ALD법으로 강유전체층을 형성한다. 그 후, 대표적으로는 기판 온도를 400℃ 이상으로 하여 성막을 함으로써 상부 전극(120b)을 형성한다. 기판 온도를 400℃ 이상으로 함으로써 상부 전극(120b) 성막 후에 절연체(130)를 결정화하기 위한 가열을 수행하지 않아도 된다. 바꿔 말하면 상부 전극(120b)의 성막 시의 온도를 이용함으로써, 절연체(130)의 결정성 또는 강유전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상부 전극(120b)의 성막 후의 가열을 수행하지 않고, 상부 전극(120b)의 성막 시의 온도를 이용하여 절연체(130)의 결정성 또는 강유전성을 향상시키는 것을 셀프 어닐링이라고 부르는 경우가 있다.
절연체(130)는 상기 방법으로 박막 형성되는 것이 바람직하다. 절연체(130)의 막 두께는 100nm 이하, 바람직하게는 50nm 이하, 더 바람직하게는 20nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이하가 좋다. 미세화된 트랜지스터(11)에 박막화된 절연체(130)를 조합함으로써 기억 장치의 집적도가 향상된다. 산화 하프늄 또는 산화 하프늄과 산화 지르코늄의 복합 재료는 수nm로 박막화되어도 강유전성을 가질 수 있기 때문에 바람직하다.
절연체(130)가 가지는 강유전성 재료는 전기장이 부여됨으로써 내부에 분극이 발생하고, 또한 상기 전기장을 제로로 하여도 분극이 남는 성질을 가진다. 그러므로, 상기 재료를 유전체로서 사용한 용량 소자는 비휘발성 기억 소자로 할 수 있다. 강유전성 재료를 가지는 용량 소자를 강유전 커패시터라고 부르는 경우가 있고, 강유전 커패시터를 사용한 비휘발성 기억 소자는 FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory), 강유전체 메모리 등이라고 불리는 경우가 있다. 즉 메모리 셀(MC)은 강유전체 메모리로서 기능시킬 수 있다.
또한, 절연체(130)는 강유전성 재료를 가지는 강유전체층과, 절연 내력이 큰 재료의 층의 적층 구조로 하는 것이 좋다. 절연 내력이 큰 재료로서는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘 또는 수지 등이 있다. 이와 같은 절연 내력이 큰 절연체의 층을 강유전체층과 적층하여 사용함으로써, 절연 내력이 향상되고 용량 소자(10)의 누설 전류를 억제할 수 있다.
다음으로, 도 8의 (B)에 나타낸 하부 전극(120a)에 대하여 설명한다. 하부 전극(120a)은 상부 전극(120b)과 같은 공정 및 같은 재료로 형성할 수 있다. 즉 하부 전극(120a)은 ALD법으로 성막할 수 있다. 상부 전극(120b)과 달리, 절연체(130) 성막 전에 하부 전극(120a)을 성막하기 때문에, ALD법 이외에 스퍼터링법 또는 CVD법 등을 사용하여 성막을 할 수도 있다. 또한 하부 전극(120a)은 질화 타이타늄을 포함하는 것이 좋다.
상부 전극(120b)에는 도전막의 단층 구조 또는 적층 구조를 채용할 수 있다. 또한 하부 전극(120a)에는 도전막의 단층 구조 또는 적층 구조를 채용할 수 있다. 상부 전극(120b)은 질화 타이타늄과, 알루미늄과, 구리의 적층 구조를 가져도 좋다. 하부 전극(120a)은 질화 타이타늄과, 알루미늄과, 구리의 적층 구조를 가져도 좋다. 상부 전극(120b) 또는 하부 전극(120a)이 적층 구조를 가지면 누설을 억제할 수 있다.
다음으로, 도 10의 (A)에 강유전체층이 가지는 히스테리시스 특성을 예시하였다. 도 10의 (A)에 있어서, 가로축은 강유전체층에 인가하는 전압을 나타낸다.
또한, 도 10의 (A)에 있어서, 세로축은 강유전체층의 분극량을 나타내고, 양의 값인 경우에는 양의 전하가 용량 소자(10)의 한쪽 전극 측에 편재되고 음의 전하가 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극 측에 편재되는 것을 나타낸다. 한편, 분극량이 음의 값인 경우에는 양의 전하가 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극 측에 편재되고 음의 전하가 용량 소자(10)의 한쪽 전극 측에 편재되는 것을 나타낸다.
또한, 도 10의 (A)의 그래프의 가로축에 나타낸 전압을 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극의 전위와 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위의 차로 하여도 좋다. 또한, 도 10의 (A)의 그래프의 세로축에 나타낸 분극량을, 양의 전하가 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극 측에 편재되고 음의 전하가 용량 소자(10)의 한쪽 전극 측에 편재되는 경우에 양의 값으로 하고, 양의 전하가 용량 소자(10)의 한쪽 전극 측에 편재되고 음의 전하가 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극 측에 편재되는 경우에 음의 값으로 하여도 좋다.
도 10의 (A)에 나타낸 바와 같이, 강유전체층의 히스테리시스 특성은 곡선(51)과 곡선(52)으로 나타낼 수 있다. 곡선(51)과 곡선(52)의 교점에서의 전압을 VSP 및 -VSP로 한다. VSP의 극성과 -VSP의 극성이 다르다고 할 수 있다.
강유전체층에 -VSP 이하의 전압을 인가한 후, 강유전체층에 인가하는 전압을 계속 높이면, 강유전체층의 분극량은 곡선(51)을 따라 증가한다. 한편, 강유전체층에 VSP 이상의 전압을 인가한 후, 강유전체층에 인가하는 전압을 계속 낮추면, 강유전체층의 분극량은 곡선(52)을 따라 감소한다. 따라서 VSP 및 -VSP는 포화 분극 전압이라고 할 수 있다. 또한, 예를 들어 VSP를 제 1 포화 분극 전압이라고 부르고, -VSP를 제 2 포화 분극 전압이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 도 10의 (A)에서는 제 1 포화 분극 전압의 절댓값과 제 2 포화 분극 전압의 절댓값이 동일한 것으로 하였지만, 이들은 서로 달라도 좋다.
여기서, 강유전체층의 분극량이 곡선(51)을 따라 변화될 때, 강유전체층의 분극량이 0인 경우에 강유전체층에 인가되는 전압을 Vc로 한다. 또한 강유전체층의 분극량이 곡선(52)을 따라 변화될 때, 강유전체층의 분극량이 0인 경우에 강유전체층에 인가되는 전압을 -Vc로 한다. Vc 및 -Vc는 항전압이라고 할 수 있다. Vc의 값 및 -Vc의 값은 -VSP와 VSP 사이의 값이라고 할 수 있다. 또한, 예를 들어 Vc를 제 1 항전압이라고 부르고, -Vc를 제 2 항전압이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 도 10의 (A)에서는 제 1 항전압의 절댓값과 제 2 항전압의 절댓값을 동일한 것으로 하였지만, 이들은 서로 달라도 좋다. 항전압을 낮게 함으로써, 메모리 셀(MC)을 낮은 전압으로 동작시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 용량 소자(10)가 가지는 강유전체층에 인가되는 전압은 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위와 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극의 전위의 차로 나타낼 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 용량 소자(10)의 다른 쪽 전극은 배선(PL)에 전기적으로 접속된다. 따라서, 배선(PL)의 전위를 제어함으로써 강유전체층에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
도 10의 (B)는 도 8의 (A)에 회로 구성을 나타낸 메모리 셀(MC)의 구동 방법의 일례를 설명하는 것이다. 이하의 설명에 있어서, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압이란, 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위와 다른 쪽 전극(배선(PL))의 전위의 차를 나타내는 것으로 한다. 또한, 트랜지스터(11)의 극성은 n채널로 한다.
도 10의 (B)는 도 8의 (A)에 나타낸 메모리 셀(MC)의 구동 방법의 일례를 나타낸 타이밍 차트이다. 도 10의 (B)에는 메모리 셀(MC)에 2레벨의 디지털 데이터를 기록하고, 판독하는 예를 나타내었다. 구체적으로는, 도 10의 (B)에는, 시각 T01 내지 시각 T02에 있어서 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"을 기록하고, 시각 T03 내지 시각 T05에 있어서 판독 및 재기록을 수행하고, 시각 T11 내지 시각 T13에 있어서 판독 및 메모리 셀(MC)로의 데이터 "0"의 기록을 수행하고, 시각 T14 내지 시각 T16에 있어서 판독 및 재기록을 수행하고, 시각 T17 내지 시각 T19에 있어서 판독 및 메모리 셀(MC)로의 데이터 "1"의 기록을 수행하는 예를 나타내었다.
배선(BL)에 전기적으로 접속되는 감지 증폭기(SA)에는, 기준 전위로서 Vref가 공급되는 것으로 한다. 도 10의 (B)에 나타낸 판독 동작에 있어서, 배선(BL)의 전위가 Vref보다 높은 경우에는 열 회로에 의하여 데이터 "1"이 판독되는 것으로 한다. 한편, 배선(BL)의 전위가 Vref보다 낮은 경우에는 열 회로에 의하여 데이터 "0"이 판독되는 것으로 한다.
시각 T01 내지 시각 T02에 있어서, 배선(WL)의 전위를 고전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(11)가 온 상태가 된다. 또한, 배선(BL)의 전위를 Vw로 한다. 트랜지스터(11)는 온 상태이기 때문에 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위는 Vw가 된다. 또한, 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 "Vw-GND"가 된다. 이에 의하여, 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"을 기록할 수 있다. 따라서 시각 T01 내지 시각 T02는 기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
여기서, Vw는 VSP 이상으로 하는 것이 바람직하고, 예를 들어 VSP와 동일한 것이 바람직하다. 또한, GND는 예를 들어 접지 전위로 할 수 있지만, 메모리 셀(MC)을 본 발명의 일 형태의 취지를 충족하도록 구동시킬 수 있으면, 반드시 접지 전위로 하지 않아도 된다. 예를 들어, 제 1 포화 분극 전압의 절댓값과 제 2 포화 분극 전압의 절댓값이 다르고, 제 1 항전압의 절댓값과 제 2 항전압의 절댓값이 다른 경우에는 GND는 접지 이외의 전위로 할 수 있다.
시각 T02 내지 시각 T03에 있어서, 배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 이에 의하여, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 0V가 된다. 시각 T01 내지 시각 T02에 있어서 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압 "Vw-GND"는 VSP 이상으로 할 수 있기 때문에, 시각 T02 내지 시각 T03에 있어서, 용량 소자(10)의 강유전체층의 분극량은 도 10의 (A)에 나타낸 곡선(52)을 따라서 변화한다. 따라서, 시각 T02 내지 시각 T03에 있어서는 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하지 않는다.
배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한 후, 배선(WL)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(11)는 오프 상태가 된다. 상술한 바와 같이 함으로써, 기록 동작이 완료되고 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"이 유지된다. 또한, 배선(BL) 및 배선(PL)의 전위는 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하지 않는, 즉 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압이 제 2 항전압인 -Vc 이상이 되는 경우에는 임의의 전위로 할 수 있다.
시각 T03 내지 시각 T04에 있어서, 배선(WL)의 전위를 고전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(11)가 온 상태가 된다. 또한, 배선(PL)의 전위를 Vw로 한다. 배선(PL)의 전위를 Vw로 함으로써, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압이 "GND-Vw"가 된다. 상술한 바와 같이, 시각 T01 내지 시각 T02에 있어서 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 "Vw-GND"이다. 따라서, 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생한다. 분극 반전 시에는 배선(BL)에 전류가 흐르고 배선(BL)의 전위는 Vref보다 높게 된다. 그러므로, 열 회로가 메모리 셀(MC)에 유지된 데이터 "1"을 판독할 수 있다. 따라서 시각 T03 내지 시각 T04는 판독 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다. 또한, Vref는 GND보다 높고 Vw보다 낮은 것으로 하였지만, 예를 들어 Vw보다 높아도 좋다.
상기 판독은 파괴 판독이기 때문에 메모리 셀(MC)에 유지된 데이터 "1"은 소실된다. 그러므로, 시각 T04 내지 시각 T05에 있어서, 배선(BL)의 전위를 Vw로 하고, 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 이에 의하여, 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"을 재기록한다. 따라서 시각 T04 내지 시각 T05는 재기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T05 내지 시각 T11에 있어서, 배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 그 후, 배선(WL)의 전위를 저전위로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 재기록 동작이 완료되고 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"이 유지된다.
시각 T11 내지 시각 T12에 있어서, 배선(WL)의 전위를 고전위로 하고, 배선(PL)의 전위를 Vw로 한다. 메모리 셀(MC)에는 데이터 "1"이 유지되어 있기 때문에, 배선(BL)의 전위가 Vref보다 높게 되어, 메모리 셀(MC)에 유지되어 있는 데이터 "1"이 판독된다. 따라서 시각 T11 내지 시각 T12는 판독 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T12 내지 시각 T13에 있어서, 배선(BL)의 전위를 GND로 한다. 트랜지스터(11)는 온 상태이기 때문에 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위는 GND가 된다. 또한, 배선(PL)의 전위를 Vw로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 "GND-Vw"가 된다. 이에 의하여, 메모리 셀(MC)에 데이터 "0"을 기록할 수 있다. 따라서 시각 T12 내지 시각 T13은 기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T13 내지 시각 T14에 있어서, 배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 이에 의하여, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 0V가 된다. 시각 T12 내지 시각 T13에 있어서 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압 "GND-Vw"는 -VSP 이하로 할 수 있기 때문에, 시각 T13 내지 시각 T14에 있어서, 용량 소자(10)의 강유전체층의 분극량은 도 10의 (A)에 나타낸 곡선(51)을 따라서 변화한다. 따라서, 시각 T13 내지 시각 T14에 있어서는 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하지 않는다.
배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한 후, 배선(WL)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(11)는 오프 상태가 된다. 상술한 바와 같이 함으로써, 기록 동작이 완료되고 메모리 셀(MC)로 데이터 "0"이 유지된다. 또한, 배선(BL) 및 배선(PL)의 전위는 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하지 않는 전위, 즉 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압이 제 1 항전압인 Vc 이하가 되는 전위이면 임의의 전위로 할 수 있다.
시각 T14 내지 시각 T15에 있어서, 배선(WL)의 전위를 고전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(11)가 온 상태가 된다. 또한, 배선(PL)의 전위를 Vw로 한다. 배선(PL)의 전위를 Vw로 함으로써, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압이 "GND-Vw"가 된다. 상술한 바와 같이, 시각 T12 내지 시각 T13에 있어서 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 "GND-Vw"이다. 따라서, 용량 소자(10)의 강유전체층에 있어서 분극 반전이 발생하지 않는다. 따라서, 배선(BL)에 흐르는 전류의 양은 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하는 경우보다 적다. 이에 의하여, 배선(BL)의 전위의 상승폭은 용량 소자(10)의 강유전체층에서 분극 반전이 발생하는 경우보다 작아지고, 구체적으로는 배선(BL)의 전위는 Vref 이하가 된다. 그러므로, 열 회로가 메모리 셀(MC)에 유지된 데이터 "0"을 판독할 수 있다. 따라서 시각 T14 내지 시각 T15는 판독 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T15 내지 시각 T16에 있어서, 배선(BL)의 전위를 GND로 한다. 배선(PL)의 전위는 Vw이다. 이에 의하여, 메모리 셀(MC)에 데이터 "0"을 재기록한다. 따라서 시각 T15 내지 시각 T16은 재기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T16 내지 시각 T17에 있어서, 배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 그 후, 배선(WL)의 전위를 저전위로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 재기록 동작이 완료되고 메모리 셀(MC)에 데이터 "0"이 유지된다.
시각 T17 내지 시각 T18에 있어서, 배선(WL)의 전위를 고전위로 하고, 배선(PL)의 전위를 Vw로 한다. 메모리 셀(MC)에는 데이터 "0"이 유지되어 있기 때문에, 배선(BL)의 전위가 Vref보다 낮게 되어, 메모리 셀(MC)에 유지되어 있는 데이터 "0"이 판독된다. 따라서 시각 T17 내지 시각 T18은 판독 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T18 내지 시각 T19에 있어서, 배선(BL)의 전위를 Vw로 한다. 트랜지스터(11)는 온 상태이기 때문에 용량 소자(10)의 한쪽 전극의 전위는 Vw가 된다. 또한, 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 용량 소자(10)의 강유전체층에 인가되는 전압은 "Vw-GND"가 된다. 이에 의하여, 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"을 기록할 수 있다. 따라서 시각 T18 내지 시각 T19는 기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
시각 T19 이후에 있어서, 배선(BL)의 전위 및 배선(PL)의 전위를 GND로 한다. 그 후, 배선(WL)의 전위를 저전위로 한다. 상술한 바와 같이 함으로써, 기록 동작이 완료되고 메모리 셀(MC)에 데이터 "1"이 유지된다. 강유전체층을 가지는 메모리 셀(MC)은 VSP 및 -VSP 등의 2개의 전압값을 이용하여 데이터를 유지할 수 있다. 메모리 셀(MC)은 고속 재기록이 가능하고, 또한 재기록 횟수가 1010회 이상 1012회 이하의 비휘발성 메모리로서 기능할 수 있다. 또한 메모리 셀(MC)은 저전압으로 동작할 수 있다.
다음으로 도 11에 메모리 셀(MC)의 단면 구조를 나타내었다. 상기 단면 구조는 트랜지스터(11)의 위쪽에 용량 소자(10)가 배치된 것이다.
도 11의 (A)에 나타낸 트랜지스터(11)는 기판(311) 위에 제공되고, 게이트로서 기능하는 도전체(316), 게이트 절연체로서 기능하는 절연체(315), 기판(311)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 및 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능하는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)을 가진다. 트랜지스터(11)는 p채널형 및 n채널형 중 어느 것을 사용하여도 좋다.
상기 트랜지스터(11)는 채널이 형성되는 반도체 영역(313)(기판(311)의 일부)이 볼록 형상을 가진다. 그러므로 채널 폭 방향 등에 있어서, 도전체(316)는 절연체(315)를 개재(介在)하여 반도체 영역(313)의 측면 및 상면을 덮도록 제공할 수 있다. 이와 같은 트랜지스터(11)는 반도체 기판의 볼록부를 이용하기 때문에 FIN형 트랜지스터라고도 불린다. 또한 볼록부의 상부와 접하여, 볼록부를 형성하기 위한 마스크로서 기능하는 절연체를 가져도 좋다. 또한 여기서는 반도체 기판의 일부를 가공하여 볼록부를 형성하는 경우에 대하여 설명하였지만, SOI 기판을 가공하여 볼록 형상을 가지는 반도체막을 형성하여도 좋다.
또한 상기 트랜지스터(11)는 일례이고, 그 구조에 한정되지 않고, 회로 구성 또는 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다.
트랜지스터(11)와 용량 소자(10) 사이에는 층간막, 배선, 및 플러그 등이 제공된 배선층이 제공되어도 좋다. 또한 배선층은 설계에 따라 복수 층 제공할 수 있다. 여기서, 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가지는 도전체에는, 복수의 구조를 합쳐서 동일한 부호를 부여하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서 등에 있어서, 배선과 배선에 전기적으로 접속되는 플러그에서 제작 공정을 나누지 않고 연속적으로 제작하여도 좋다. 즉 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우, 그리고 도전체의 일부가 플러그로서 기능하는 경우도 있다.
예를 들어 트랜지스터(11) 위에는 층간막으로서 절연체(320) 및 절연체(322)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한 수소에 대한 배리어 절연막으로서 기능하는 절연체(287)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(287)는 질화 실리콘 또는 산화 알루미늄을 가지는 것이 바람직하다. 질화 실리콘 또는 산화 알루미늄은 수소에 대한 차단성이 높기 때문이다.
절연체(320), 절연체(322), 및 절연체(287)에는 용량 소자(10)와 트랜지스터(11)를 전기적으로 접속하는 도전체(357) 등이 매립되어 있다. 또한, 도전체(357)는 플러그의 기능 또는 배선의 기능, 또는 플러그의 기능 및 배선의 기능을 가진다.
또한 층간막으로서 기능하는 절연체는 그 아래쪽의 요철 형상을 피복하는 평탄화막으로서 기능하여도 좋다. 예를 들어 절연체(322)의 상면은 평탄성을 높이기 위하여 화학 기계 연마(CMP)법 등을 사용한 평탄화 처리에 의하여 평탄화되어도 좋다.
배선층은 용량 소자(10) 위에 제공하여도 좋다. 도 11의 (B)에서는 배선층으로서, 도전체(330), 도전체(356), 및 도전체(357)를 용량 소자(10) 위에 가진다. 도전체(330)를 덮도록 절연체(352)가 제공된다. 도전체(356)를 덮도록 절연체(354)가 제공된다. 도전체(357)를 덮도록 절연체(210)가 제공된다. 배선층은 도전체를 2개 이상 가지는 다층 구조이다.
배선층은 트랜지스터(11)와 용량 소자(10) 사이에 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 12에 있어서, 절연체(320) 및 절연체(322)를 형성하고, 도전체(328)를 매립하여 배선층의 일부를 형성하고, 절연체(324) 및 절연체(326)를 형성하고, 도전체(330)를 매립하여 배선층의 다른 일부를 형성하고, 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)를 형성하고, 도전체(356)를 매립하여 배선층의 또 다른 일부를 형성하고, 절연체(210) 및 절연체(287)를 형성하고, 도전체(357)를 매립하여 배선층의 또 다른 일부를 형성할 수 있다. 절연체(287)는 수소에 대한 배리어 절연막으로서 기능한다. 도전체를 4층 적층한 배선층이 된다. 또한, 도전체(328), 도전체(330), 도전체(356), 및 도전체(357)는 각각 플러그의 기능 또는 배선의 기능, 또는 플러그의 기능 및 배선의 기능을 가진다.
상술한 절연체로서는 절연성을 가지는 산화물, 질화물, 산화질화물, 질화산화물, 금속 산화물, 금속 산화질화물, 금속 질화산화물 등이 있다.
상기 절연체에 유전율이 비교적 낮은 재료를 사용함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서 절연체의 기능에 따라 재료를 선택하는 것이 좋다.
상술한 절연체에는 비유전율이 낮은 절연체를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 절연체는 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 가지는 것이 바람직하다. 또는 상기 절연체는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 또는 공공을 가지는 산화 실리콘과, 수지의 적층 구조를 가지는 것이 바람직하다. 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에, 수지와 조합함으로써 열적으로 안정적이며 비유전율이 낮은 적층 구조로 할 수 있다. 수지로서는, 예를 들어 폴리에스터, 폴리올레핀, 폴리아마이드(나일론, 아라미드 등), 폴리이미드, 폴리카보네이트, 또는 아크릴 등이 있다.
도전체는 배선, 플러그에 사용할 수 있다. 상기 도전체로서는, 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄 등에서 선택된 금속 원소를 1종류 이상 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 또한 인 등의 불순물 원소를 함유시킨 다결정 실리콘으로 대표되는, 전기 전도도가 높은 반도체, 니켈실리사이드 등의 실리사이드를 사용하여도 좋다.
예를 들어 상술한 도전체로서는, 상기 재료로 형성되는 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐, 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄, 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써, 배선 저항을 저감할 수 있다.
또한 도 11의 (A), (B), 및 도 12에 나타낸 용량 소자(10)는 상부 전극(120b)을 열 ALD법 등의 기판 가열을 수행하는 방법으로 성막함으로써, 형성 후에 고온의 베이킹을 수행하지 않아도 절연체(130)의 강유전성을 높일 수 있다. 따라서, 고온의 베이킹을 수행하지 않고 반도체 장치를 제작할 수 있기 때문에 융점이 낮은 구리 등의 저저항 도전성 재료를 사용할 수 있다.
도전체(357)의 상면은 도전체(110)의 하면에 접한다. 도전체(110)의 상면은 적어도 용량 소자(10)의 하부 전극(120a)의 하면에 접한다. 이와 같이 하여, 용량 소자(10)의 하부 전극으로서 기능하는 하부 전극(120a)과, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능하는 저저항 영역(314a)이 적어도 도전체(357)를 통하여 전기적으로 접속된다.
또한, 도 11의 (A), (B), 및 도 12에 나타낸 기억 장치에서는 용량 소자(10)의 아래쪽에 배치된 절연체(287)와, 용량 소자(10)의 위쪽에 배치된 절연체(152a) 및 절연체(152b)로 용량 소자(10)를 밀봉하는 구조로 되어 있다. 절연체(287) 및 절연체(152b)의 외부로부터 용량 소자(10)로 수소가 확산되는 것을 억제하여, 용량 소자(10)의 절연체(130)의 수소 농도를 저감하거나 수소 농도가 저감된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 절연체(130)의 강유전성을 높일 수 있다. 절연체(152a) 및 절연체(152b)는 각각 질화 실리콘 또는 산화 알루미늄을 가지는 것이 좋다.
또한, 절연체(152a)의 아래쪽에 절연체(155)가 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(155)로서는 수소를 포획 및 고착하는 기능을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화 알루미늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 절연체(155)를 용량 소자(10)를 덮도록 제공함으로써, 용량 소자(10)의 절연체(130)에 포함되는 수소를 포획 및 고착하여, 절연체(130) 내의 수소 농도를 저감할 수 있다. 이로써 절연체(130)의 강유전성을 높일 수 있다. 또한, 도전체(110)와 도전체(120) 사이의 누설 전류를 저감할 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 절연체(155)를 제공하지 않는 구성으로 하여도 좋다.
또한 도 11의 (A), (B), 및 도 12에서는 절연체(152b)를 덮어 절연체(286)가 제공된다. 절연체(286)는 절연체(320) 및 절연체(322)와 같은 재료를 가질 수 있다.
도 11의 (A), (B), 및 도 12에 나타낸 단면 구조를 가지는 메모리 셀(MC)은 기억 회로의 고집적도화, 고속 구동화, 고내구성화, 또는 저소비 전력화를 실현하는 것이 가능하다.
본 실시형태에 나타낸 구성, 방법 등은 적어도 그 일부를, 본 명세서 중에 기재하는 다른 실시형태, 다른 실시예 등과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 사용하여 보호되는 이차 전지의 일례에 대하여 설명한다.
<이차 전지의 구성예 1>
이하에서는 양극, 음극, 및 전해액이 외장체에 감싸여 있는 이차 전지에 대하여 예시한다.
[양극]
양극은 양극 활물질층 및 양극 집전체를 가진다. 양극 활물질층은 양극 활물질을 가지고, 도전재 및 바인더를 가져도 좋다.
다른 양극 활물질로서는 예를 들어 올리빈형 결정 구조, 층상 암염형 결정 구조, 또는 스피넬형 결정 구조를 가지는 복합 산화물 등이 있다. 예를 들어 LiFePO4, LiFeO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, Cr2O5, MnO2 등의 화합물을 들 수 있다.
코발트산 리튬(LiCoO2) 등, 층상 암염형 결정 구조를 가지는 재료는 방전 용량이 높아, 이차 전지의 양극 활물질로서 우수한 것이 알려져 있다. 층상 암염형 결정 구조를 가지는 재료로서 예를 들어 LiMO2로 나타내어지는 복합 산화물이 있다. 원소 M의 일례로서 Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다. 또한 원소 M의 일례로서 Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 하나 이상에 더하여, Al 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
또한, 양극 활물질로서 LiMn2O4 등, 망가니즈를 포함하는 스피넬형 결정 구조를 가지는 리튬 함유 재료에 니켈산 리튬(LiNiO2 또는 LiNi1-xMxO2(0<x<1)(M=Co, Al 등))을 혼합시키는 것이 바람직하다. 이 구성으로 함으로써, 이차 전지의 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, 조성식 LiaMnbMcOd로 나타낼 수 있는 리튬 망가니즈 복합 산화물을 사용할 수 있다. 여기서 원소 M으로서는 리튬, 망가니즈 이외에서 선택된 금속 원소, 실리콘, 또는 인을 사용하는 것이 바람직하고, 니켈을 사용하는 것이 더 바람직하다. 또한, 리튬 망가니즈 복합 산화물의 입자 전체를 측정하는 경우, 방전 시에 0<a/(b+c)<2, c>0 및 0.26≤(b+c)/d<0.5를 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 리튬 망가니즈 복합 산화물의 입자 전체의 금속, 실리콘, 및 인 등의 조성은 예를 들어 ICP-MS(유도 결합 플라스마 질량 분석계)를 사용하여 측정될 수 있다. 또한, 리튬 망가니즈 복합 산화물의 입자 전체의 산소의 조성은 예를 들어 EDX(에너지 분산형 X선 분석법)를 사용하여 측정될 수 있다. 또한, ICPMS 분석과 병용하여 융해 가스 분석(fusion gas analysis), XAFS(X선 흡수 미세 구조) 분석의 가수(valence) 평가를 사용함으로써 측정될 수 있다. 또한, 리튬 망가니즈 복합 산화물이란 적어도 리튬과 망가니즈를 포함하는 산화물을 말하고, 크로뮴, 코발트, 알루미늄, 니켈, 철, 마그네슘, 몰리브데넘, 아연, 인듐, 갈륨, 구리, 타이타늄, 나이오븀, 실리콘, 및 인 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종류의 원소가 포함되어도 좋다.
[음극]
음극은 음극 활물질층 및 음극 집전체를 가진다. 또한 음극 활물질층은 도전재 및 바인더를 가져도 좋다.
음극 활물질로서는 예를 들어 합금계 재료 및 탄소계 재료 등 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응이 가능한 원소를 사용할 수 있다. 예를 들어 실리콘, 주석, 갈륨, 알루미늄, 저마늄, 납, 안티모니, 비스무트, 은, 아연, 카드뮴, 인듐 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이러한 원소는 탄소와 비교하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 크다. 그러므로, 음극 활물질에 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 원소를 가지는 화합물을 사용하여도 좋다. 예를 들어 SiO, Mg2Si, Mg2Ge, SnO, SnO2, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등이 있다. 여기서는 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응이 가능한 원소, 및 이러한 원소를 가지는 화합물 등을 합금계 재료라고 부르는 경우가 있다.
본 명세서 등에 있어서, SiO란, 예를 들어 일산화 실리콘을 가리킨다. 또는 SiO는 SiOx라고 나타낼 수도 있다. 여기서 x는 1 근방의 값을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 x는 0.2 이상 1.5 이하가 바람직하고, 0.3 이상 1.2 이하가 더 바람직하다.
탄소계 재료로서는 흑연, 이흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노 튜브, 그래핀, 카본 블랙 등을 사용하면 좋다.
흑연으로서는 인조 흑연 또는 천연 흑연 등을 들 수 있다. 인조 흑연으로서는 예를 들어 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 피치계 인조 흑연 등이 있다. 여기서 인조 흑연으로서 구(球)상의 형상을 가지는 구상 흑연을 사용할 수 있다. 예를 들어 MCMB는 구상의 형상을 가지는 경우가 있어 바람직하다. 또한, MCMB는 그 표면적을 작게 하는 것이 비교적 쉬워, 바람직한 경우가 있다. 천연 흑연으로서는 예를 들어 인편상 흑연(flake graphite), 구상화 천연 흑연 등이 있다.
흑연은 리튬 이온이 흑연에 삽입되었을 때(리튬-흑연 층간 화합물의 생성 시)에, 리튬 금속과 같은 정도로 낮은 전위를 가진다(0.05V 이상 0.3V 이하 vs. Li/Li+). 이 때문에, 리튬 이온 이차 전지는 높은 작동 전압을 가질 수 있다. 또한, 흑연은 단위 체적당 용량이 비교적 높고, 체적 팽창이 비교적 작고, 저렴하고, 리튬 금속과 비교하여 안전성이 높다는 등의 이점을 가지기 때문에 바람직하다.
또한 음극 활물질로서, 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(LixC6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 사용할 수 있다.
또한 음극 활물질로서 리튬과 전이 금속의 복합 질화물인 Li3N형 구조를 가지는 Li3-xMxN(M=Co, Ni, Cu)을 사용할 수 있다. 예를 들어 Li2.6Co0.4N3은 충방전 용량이 크기 때문에(900mAh/g, 1890mAh/cm3) 바람직하다.
리튬과 전이 금속의 복합 질화물을 사용하면, 음극 활물질 중에 리튬 이온이 포함되기 때문에, 양극 활물질로서 리튬 이온을 포함하지 않는 V2O5, Cr3O8 등의 재료와 조합할 수 있어 바람직하다. 또한 양극 활물질에 리튬 이온을 포함하는 재료를 사용하는 경우에도, 양극 활물질에 포함되는 리튬 이온을 미리 이탈시킴으로써, 음극 활물질로서 리튬과 전이 금속의 복합 질화물을 사용할 수 있다.
또한 컨버전(conversion) 반응이 일어나는 재료를 음극 활물질로서 사용할 수도 있다. 예를 들어 산화 코발트(CoO), 산화 니켈(NiO), 산화 철(FeO) 등, 리튬과 합금화되지 않는 전이 금속 산화물을 음극 활물질에 사용하여도 좋다. 컨버전 반응이 일어나는 재료로서는 Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, Cr2O3 등의 산화물, CoS0.89, NiS, CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, CoP3 등의 인화물, FeF3, BiF3 등의 플루오린화물도 들 수 있다.
음극 활물질층이 가질 수 있는 도전재 및 바인더로서는 양극 활물질층이 가질 수 있는 도전재 및 바인더와 같은 재료를 사용할 수 있다.
[집전체]
양극 집전체 및 음극 집전체에는 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화되지 않는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 집전체에는 알루미늄, 구리, 또는 타이타늄 등을 사용할 수 있다.
[전해질]
전해질로서 용매와 염을 포함하는 용액을 사용할 수 있다. 용매로서는 비양성자성 유기 용매가 바람직하고, 예를 들어 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 뷰틸렌 카보네이트, 클로로에틸렌 카보네이트, 바이닐렌 카보네이트, γ-뷰티로락톤, γ-발레로락톤, 다이메틸 카보네이트(DMC), 다이에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC), 폼산 메틸, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 프로피온산 프로필, 뷰티르산 메틸, 1,3-다이옥세인, 1,4-다이옥세인, 다이메톡시에테인(DME), 다이메틸 설폭사이드, 다이에틸에터, 메틸 다이글라임, 아세토나이트릴, 벤조나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 설폴레인, 설톤 등 중 1종류 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한 용매로서, 난연성 및 난휘발성인 이온성 액체(상온 용융염)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 이차 전지의 내부 단락 및 과충전 등으로 인하여 내부 온도가 상승하여도, 이차 전지의 파열 또는 발화 등을 방지할 수 있다. 이온 액체는 양이온과 음이온으로 이루어지며 유기 양이온과 음이온을 포함한다. 전해액에 사용하는 유기 양이온으로서 4급 암모늄 양이온, 3급 설포늄 양이온, 및 4급 포스포늄 양이온 등의 지방족 오늄 양이온, 이미다졸륨 양이온 및 피리디늄 양이온 등의 방향족 양이온을 들 수 있다. 또한 전해액에 사용하는 음이온으로서, 1가 아마이드계 음이온, 1가 메티드계 음이온, 플루오로설폰산 음이온, 퍼플루오로알킬설폰산 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 퍼플루오로알킬보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 또는 퍼플루오로알킬포스페이트 음이온 등을 들 수 있다.
또한 상기 용매에 용해시키는 염으로서는, 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 리튬염을 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
이차 전지에 사용하는 전해질로서 사용하는 용액은 입자상의 먼지 및 전해액의 구성 원소 이외의 원소(이하 단순히 '불순물'이라고도 함)의 함유량이 적은 고순도화된 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 용액에 대한 불순물의 중량비를 1% 이하, 바람직하게는 0.1% 이하, 더 바람직하게는 0.01% 이하로 한다.
또한 용액에 바이닐렌카보네이트, 프로페인설톤(PS), tert-뷰틸벤젠(TBB), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 리튬비스(옥살레이토)보레이트(LiBOB), 숙시노나이트릴, 아디포나이트릴 등의 다이나이트릴 화합물 등의 첨가제를 첨가하여도 좋다. 첨가하는 재료의 농도는, 예를 들어 용매 전체에 대하여 0.1wt% 이상 5wt% 이하로 하면 좋다.
또한 폴리머를 용액으로 팽윤시킨 폴리머 겔 전해질을 사용하여도 좋다.
폴리머 겔 전해질을 사용함으로써, 누액성 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한 이차 전지의 박형화 및 경량화가 가능하다.
겔화된 폴리머로서는 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드계 겔, 폴리프로필렌옥사이드계 겔, 플루오린계 폴리머의 겔 등을 사용할 수 있다.
폴리머로서는 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 등의 폴리알킬렌옥사이드 구조를 가지는 폴리머, PVDF, 폴리아크릴로나이트릴, 및 이들을 포함하는 공중합체 등을 사용할 수 있다. 예를 들어 PVDF와 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 공중합체인 PVDF-HFP를 사용할 수 있다. 또한 형성되는 폴리머가 다공질 형상을 가져도 좋다.
또한, 전해액 대신에 황화물계 또는 산화물계 등의 무기물 재료를 가지는 고체 전해질, 또는 PEO(폴리에틸렌옥사이드)계 등의 고분자 재료를 가지는 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고체 전해질을 사용하는 경우에는 세퍼레이터 및 스페이서 중 적어도 하나의 설치가 불필요하다. 또한 전지 전체를 고체화할 수 있기 때문에, 누액될 우려가 없어져 안전성이 비약적으로 향상된다.
또한, 전해질로서 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고체 전해질로서는, 예를 들어 황화물계 고체 전해질, 산화물계 고체 전해질, 할로젠화물계 고체 전해질 등을 사용할 수 있다.
황화물계 고체 전해질에는 싸이오 리시콘(thio-LISICON)계(Li10GeP2S12, Li3.25Ge0.25P0.75S4 등), 황화물 유리(70Li2S·30P2S5, 30Li2S·26B2S3·44LiI, 63Li2S·36SiS2·1Li3PO4, 57Li2S·38SiS2·5Li4SiO4, 50Li2S·50GeS2 등), 황화물 결정화 유리(Li7P3S11, Li3.25P0.95S4 등)가 포함된다. 황화물계 고체 전해질은 높은 전도도를 가지는 재료가 있고, 낮은 온도에서의 합성이 가능하고, 또한 비교적 부드럽기 때문에 충방전을 거쳐도 도전 경로가 유지되기 쉽다는 등의 이점이 있다.
산화물계 고체 전해질에는 페로브스카이트형 결정 구조를 가지는 재료(La2/3-xLi3xTiO3 등), NASICON형 결정 구조를 가지는 재료(Li1-XAlXTi2-X(PO4)3 등), 가닛형 결정 구조를 가지는 재료(Li7La3Zr2O12 등), LISICON형 결정 구조를 가지는 재료(Li14ZnGe4O16 등), LLZO(Li7La3Zr2O12), 산화물 유리(Li3PO4-Li4SiO4, 50Li4SiO4·50Li3BO3 등), 산화물 결정화 유리(Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3, Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 등)가 포함된다. 산화물계 고체 전해질은 대기 중에서 안정적이라는 이점이 있다.
할로젠화물계 고체 전해질에는 LiAlCl4, Li3InBr6, LiF, LiCl, LiBr, LiI 등이 포함된다. 또한 이들 할로젠화물계 고체 전해질을 다공성 산화 알루미늄 또는 다공성 실리카의 세공에 충전(充塡)한 복합 재료도 고체 전해질로서 사용할 수 있다.
또한 상이한 고체 전해질을 혼합하여 사용하여도 좋다.
그 중에서도 NASICON형 결정 구조를 가지는 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0<x<1)(이하 LATP)는 알루미늄과 타이타늄 등 본 발명의 일 형태의 이차 전지에 사용하는 양극 활물질이 가져도 좋은 원소를 포함하기 때문에, 사이클 특성 향상에 대한 시너지 효과를 기대할 수 있어 바람직하다. 또한 공정 삭감에 의한 생산성 향상도 기대할 수 있다. 또한 본 명세서 등에 있어서, NASICON형 결정 구조란, M2(XO4)3(M: 전이 금속, X: S, P, As, Mo, W 등)으로 나타내어지는 화합물이고, MO6 팔면체와 XO4 사면체가 정점을 공유하여 3차원적으로 배열된 구조를 가지는 것을 말한다.
[세퍼레이터]
또한 이차 전지는 세퍼레이터를 가지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터로서는 예를 들어, 종이, 부직포, 유리 섬유, 세라믹, 또는 나일론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리바이닐 알코올계 섬유), 폴리이미드, 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄을 사용한 합성 섬유 등으로 형성된 것을 사용할 수 있다. 세퍼레이터는 엔벨로프 형상으로 가공하고, 양극 또는 음극 중 어느 한쪽을 감싸도록 배치하는 것이 바람직하다.
세퍼레이터는 다층 구조이어도 좋다. 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 유기 재료 필름을, 세라믹계 재료, 플루오린계 재료, 폴리아마이드계 재료, 또는 이들을 혼합한 것 등으로 코팅할 수 있다. 세라믹계 재료로서는 예를 들어 산화 알루미늄 입자, 산화 실리콘 입자 등을 사용할 수 있다. 플루오린계 재료로서는 예를 들어 PVDF, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 사용할 수 있다. 폴리아마이드계 재료로서는 예를 들어 나일론, 아라미드(메타계 아라미드, 파라계 아라미드) 등을 사용할 수 있다.
세라믹계 재료를 코팅하면 내산화성이 향상되기 때문에 고전압으로 충방전을 수행할 때의 세퍼레이터의 열화를 억제하여 이차 전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 플루오린계 재료로 코팅하면 세퍼레이터와 전극이 밀착되기 쉬워져, 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 폴리아마이드계 재료, 특히 아라미드로 코팅하면 내열성이 향상되기 때문에 이차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어 폴리프로필렌 필름의 양면을, 산화 알루미늄과 아라미드의 혼합 재료로 코팅하여도 좋다. 또한, 폴리프로필렌의 필름에서 양극과 접촉하는 면을 산화 알루미늄과 아라미드의 혼합 재료로 코팅하고, 음극과 접촉하는 면을 플루오린계 재료로 코팅하여도 좋다.
다층 구조의 세퍼레이터를 사용하면, 세퍼레이터 전체의 두께가 얇아도 이차 전지의 안전성을 유지할 수 있기 때문에, 이차 전지의 체적당 용량을 높일 수 있다.
[외장체]
이차 전지가 가지는 외장체로서는 예를 들어 알루미늄 등의 금속 재료 및 수지 재료를 사용할 수 있다. 또한, 필름 형상의 외장체를 사용할 수도 있다. 필름으로서는 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에, 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 우수한 금속 박막을 제공하고, 또한 상기 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 필름을 사용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 사용하여 보호되는 이차 전지의 양극 활물질에 대하여 자세히 설명한다.
이차 전지의 양극 활물질은 높은 충전 전압으로도 충전이 가능한 것이 바람직하다. 충전 전압을 높임으로써, 이차 전지의 에너지 밀도를 높일 수 있다. 따라서 이차 전지의 지속 시간을 길게 할 수 있다. 또한, 작은 용적으로도 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있기 때문에, 전자 기기의 소형화 및 경량화가 가능하다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로를 사용함으로써, 과충전, 과방전, 충전 과전류, 방전 과전류, 단락 전류, 및 셀 밸런스 등의 검지, 제어, 또는 억제를 수행하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 이상의 검지 정밀도가 높다. 예를 들어, 과충전 또는 과방전 시의 검지 동작에 있어서, 실제의 이차 전지의 전압과 설계에서 설정한 전압의 차이를 매우 작게 할 수 있다. 마찬가지로, 실제의 이차 전지의 전류와 설계에서 설정한 전류의 차이를 매우 작게 할 수 있다.
따라서 충전 전압이 높고 특성이 우수한 양극 활물질을 사용하는 경우에 있어서도, 본 발명의 일 형태의 제어 회로에 의하여 안전성을 유지할 수 있어, 양극 활물질이 우수한 특성을 충분히 발휘할 수 있다.
이하에서, 양극 활물질의 일례에 대하여 설명한다.
[양극 활물질의 구조]
앞의 실시형태에서 설명한 바와 같이, 코발트산 리튬(LiCoO2) 등, 층상 암염형 결정 구조를 가지는 재료는 방전 용량이 높아, 이차 전지의 양극 활물질로서 우수한 것이 알려져 있다. 층상 암염형 결정 구조를 가지는 재료로서 예를 들어 LiMO2로 나타내어지는 복합 산화물이 있다. 원소 M의 일례로서 Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다. 또한 원소 M의 일례로서 Co, Ni, Mn 중에서 선택되는 하나 이상에 더하여, Al 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 들 수 있다.
전이 금속 화합물에서의 얀-텔러 효과(Jahn-Teller effect)는 전이 금속의 d궤도의 전자수에 따라, 그 효과의 크기가 다른 것이 알려져 있다.
니켈을 가지는 화합물에서는 얀-텔러 효과로 인하여 변형이 발생하기 쉬운 경우가 있다. 따라서 LiNiO2에서 고전압으로 충방전을 수행한 경우, 변형에 기인하는 결정 구조의 붕괴가 발생할 우려가 있다. LiCoO2에서는, 얀-텔러 효과의 영향이 작은 것이 시사되므로 고전압으로의 충방전에 대한 내성이 더 우수한 경우가 있어 바람직하다.
도 13 및 도 14를 사용하여 양극 활물질의 구조 등에 대하여 설명한다. 도 13 및 도 14에서는 양극 활물질이 가지는 전이 금속으로서 코발트를 사용하는 경우에 대하여 설명한다.
도 14에 나타낸 양극 활물질은 할로젠 및 마그네슘이 첨가되지 않는 코발트산 리튬(LiCoO2)이고, 충전 심도에 따라 결정 구조가 변화된다. 도 14를 사용하여 결정 구조가 변화하는 상태를 설명한다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 충전 심도가 0(방전 상태)인 코발트산 리튬은 공간군 R-3m의 결정 구조를 가지는 영역을 가지고, 단위 격자(unit cell) 중에 CoO2층이 3층 존재한다. 그러므로, 이 결정 구조를 O3형 결정 구조라고 부르는 경우가 있다. 또한, CoO2층이란 코발트에 산소가 6배위한 팔면체 구조가 모서리 공유 상태로 평면에서 연속한 구조를 말한다.
또한, 충전 심도가 1일 때는 공간군 P-3m1의 결정 구조를 가지고, 단위 격자 내에 CoO2층이 1층 존재한다. 그러므로, 이 결정 구조를 O1형 결정 구조라고 부르는 경우가 있다.
또한 충전 심도가 0.88 정도일 때의 코발트산 리튬은 공간군 R-3m의 결정 구조를 가진다. 이 구조는, P-3m1(O1)과 같은 CoO2 구조와 R-3m(O3)과 같은 LiCoO2 구조가 번갈아 적층된 구조라고도 할 수 있다. 그러므로, 이 결정 구조를 H1-3형 결정 구조라고 부르는 경우가 있다. 또한, 실제로는 H1-3형 결정 구조는 단위 격자당 코발트 원자의 수가 다른 구조의 2배이다. 다만 도 14를 비롯하여 본 명세서에서는 다른 구조와 비교하기 쉽게 하기 위하여, H1-3형 결정 구조의 c축을 단위 격자의 1/2로 한 도면으로 나타내었다.
H1-3형 결정 구조는 일례로서, 단위 격자에서의 코발트와 산소의 좌표를 Co(0, 0, 0.42150±0.00016), O1(0, 0, 0.27671±0.00045), O2(0, 0, 0.11535±0.00045)로 나타낼 수 있다. O1 및 O2는 각각 산소 원자이다. 이와 같이, H1-3형 결정 구조는 하나의 코발트 및 2개의 산소를 사용한 단위 격자로 나타내어진다. 한편으로, 후술하는 바와 같이, O3'형 결정 구조는 바람직하게는 하나의 코발트 및 하나의 산소를 사용한 단위 격자로 나타내어진다. 이는 O3'형 결정 구조와 H1-3형 구조 사이에서 코발트와 산소의 대칭성이 다르고, O3 구조에서의 변화가 H1-3형 구조보다 O3'형 결정 구조에서 더 작은 것을 시사한다. 양극 활물질이 가지는 결정 구조를 어느 단위 격자를 사용하여 나타내는 것이 더 바람직한지의 선택은 예를 들어 XRD의 리트벨트 해석에서 GOF(good of fitness)의 값이 더 작아지도록 선택하는 것이 좋다.
리튬 금속의 산화 환원 전위를 기준으로 하여 충전 전압이 4.6V 이상이 될 정도로 높은 전압으로의 충전, 또는 충전 심도가 0.8 이상이 될 정도로 깊은 심도의 충전과, 방전을 반복하면, 코발트산 리튬은 H1-3형 결정 구조와 방전 상태의 R-3m(O3) 구조 사이에서 결정 구조의 변화(즉 비평형(非平衡)적인 상(相)변화)를 반복하게 된다.
그러나, 이 2개의 결정 구조에서는 CoO2층의 위치의 어긋남이 크다. 도 14에서 점선 및 화살표로 나타낸 바와 같이, H1-3형 결정 구조에서는 CoO2층이 R-3m(O3)과 크게 어긋나 있다. 이러한 큰 구조 변화는 결정 구조의 안정성에 악영향을 미칠 수 있다.
게다가 체적의 차이도 크다. 같은 수의 코발트 원자당으로 비교하였을 때, H1-3형 결정 구조와 방전 상태의 O3형 결정 구조의 체적의 차이는 3.0% 이상이다.
또한, H1-3형 결정 구조가 가지는, P-3m1(O1) 등 CoO2층이 연속한 구조는 불안정한 가능성이 높다.
따라서 고전압의 충방전을 반복하면 코발트산 리튬의 결정 구조는 붕괴된다. 결정 구조의 붕괴가 사이클 특성의 악화를 일으킨다. 이는, 결정 구조가 붕괴됨으로써 리튬이 안정적으로 존재할 수 있는 자리가 감소하고, 또한 리튬의 삽입·이탈이 어려워지기 때문이라고 생각된다.
다음으로, 도 13에 나타낸 양극 활물질에서는, 고전압으로의 충방전의 반복에 있어서, CoO2층의 어긋남을 작게 할 수 있다. 또한, 체적의 변화를 작게 할 수 있다. 따라서, 상기 화합물은 우수한 사이클 특성을 실현할 수 있다. 또한, 상기 화합물은 고전압으로의 충전 상태에서 안정적인 결정 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 화합물은 고전압으로의 충전 상태를 유지한 경우에 단락이 발생하기 어렵고, 안전성이 더 향상되기 때문에 바람직하다.
상술한 양극 활물질은, 충분히 방전된 상태와 고전압으로 충전된 상태에서, 결정 구조의 변화 및 같은 수의 전이 금속 원자당으로 비교한 경우의 체적의 차이가 작다.
도 13에는 충방전 전후의 결정 구조를 나타내었다. 양극 활물질은 리튬과, 전이 금속으로서 코발트와, 산소를 포함한 복합 산화물이다. 상기에 더하여, 첨가 원소로서 마그네슘을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 첨가 원소로서 플루오린, 염소 등의 할로젠을 가지는 것이 바람직하다.
도 13의 충전 심도 0(방전 상태)의 결정 구조는 R-3m(O3)이다. 도 14에서와 같은 결정 구조이다. 한편, 도 13에서 충분히 충전된 충전 심도의 경우, 도 14에서 나타낸 H1-3형 결정 구조와 상이한 구조의 결정을 가진다. 도 13에 나타낸 결정 구조는 공간군 R-3m이고, 스피넬형 결정 구조가 아니지만 코발트, 마그네슘 등의 이온이 산소 6배위 위치를 차지하고, 양이온의 배열이 스피넬형과 유사한 대칭성을 가진다. 도 13에 나타낸 결정 구조에 있어서 CoO2층의 대칭성은 O3형과 같다. 따라서, 도 13에 나타낸 결정 구조를 본 명세서 등에서는 O3'형 결정 구조 또는 의사 스피넬형 결정 구조라고 부른다. 또한 도 13에 나타낸 O3'형 결정 구조의 도면에서는 코발트 원자의 대칭성과 산소 원자의 대칭성을 설명하기 위하여 리튬의 표시를 생략하였지만, 실제로는 CoO2층들 간에, 코발트에 대하여 예를 들어 20atomic% 이하의 리튬이 존재한다. 또한 O3형 결정 구조 및 O3'형 결정 구조는 둘 다, CoO2층들 간, 즉 리튬 자리에 마그네슘이 희박하게 존재하는 것이 바람직하다. 또한 산소 자리에 플루오린 등의 할로젠이 랜덤으로 또한 희박하게 존재하는 것이 바람직하다.
또한 O3'형 결정 구조에서, 리튬 등의 경원소는 산소 4배위 위치를 차지하는 경우가 있고, 이 경우에도 이온의 배열이 스피넬형과 유사한 대칭성을 가진다.
또한 O3'형 결정 구조는 층간에 Li을 랜덤으로 포함하지만 CdCl2형 결정 구조와 유사한 결정 구조라고도 할 수 있다. 이 CdCl2형과 유사한 결정 구조는 니켈산 리튬을 충전 심도 0.94까지 충전하였을 때(Li0.06NiO2)의 결정 구조와 가깝지만, 순수한 코발트산 리튬, 또는 코발트를 많이 포함하는 층상 암염형 양극 활물질은 일반적으로 이러한 결정 구조를 가지지 않는 것이 알려져 있다.
마그네슘 등을 포함하지 않는 양극 활물질과 비교하여, 상술한 양극 활물질은 고전압으로 충전하여 많은 리튬이 이탈된 경우의 결정 구조의 변화가 더 억제되어 있다. 예를 들어 도 13 중에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 이들 결정 구조 사이에서는 CoO2층의 위치의 차이가 거의 없다.
더 자세하게 설명하면, 도 13에 나타낸 양극 활물질은 충전 전압이 높은 경우에도 구조의 안정성이 높다. 예를 들어, 마그네슘 등을 포함하지 않는 도 14에 나타낸 양극 활물질에 있어서 리튬 금속의 전위를 기준으로 하여 4.6V 정도의 충전 전압인 경우에는 H1-3형 결정 구조가 되지만, 도 13에 나타낸 양극 활물질은 상기 4.6V 정도의 충전 전압인 경우에도 R-3m(O3)의 결정 구조를 유지할 수 있다. 더 높은 충전 전압, 예를 들어 리튬 금속의 전위를 기준으로 하여 4.65V 내지 4.7V 정도의 전압인 경우에도 도 13에 나타낸 양극 활물질은 O3'형 결정 구조를 가질 수 있다. 도 13에 나타낸 양극 활물질에서는 충전 전압을 4.7V보다 높이면 마침내 H1-3형 결정이 관측되는 경우가 있다. 또한 충전 전압이 더 낮은 경우, 예를 들어 충전 전압이 리튬 금속의 전위를 기준으로 하여 4.5V 이상 4.6V 미만인 경우에도, 도 13에 나타낸 양극 활물질은 O3'형 결정 구조를 가질 수 있는 경우가 있다.
또한, 이차 전지에서, 예를 들어 음극 활물질로서 흑연을 사용하는 경우에는, 상기보다 흑연의 전위와 리튬 금속의 전위의 차분만큼 이차 전지의 전압이 저하된다. 흑연의 전위는 리튬 금속의 전위를 기준으로 하여 0.05V 내지 0.2V 정도이다. 그러므로, 예를 들어 음극 활물질에 흑연을 사용한 이차 전지의 전압이 4.3V 이상 4.5V 이하인 경우에도 도 13에 나타낸 양극 활물질은 R-3m(O3)의 결정 구조를 유지할 수 있고, 충전 전압을 더 높인 경우, 예를 들어 이차 전지의 전압이 4.5V 초과 4.6V 이하인 경우에도 O3'형 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 충전 전압이 더 낮은 경우, 예를 들어 이차 전지의 전압이 4.2V 이상 4.3V 미만인 경우에도, 도 13에 나타낸 양극 활물질은 O3'형 결정 구조를 가질 수 있는 경우가 있다.
그러므로, 도 13에 나타낸 양극 활물질에서는 고전압으로 충방전을 반복하여도 결정 구조가 붕괴되기 어렵다.
또한 양극 활물질에서, 충전 심도 0의 O3형 결정 구조와 충전 심도 0.8 정도의 O3'형 결정 구조의 단위 격자당 체적의 차이는 2.5% 이하, 더 자세하게는 2.2% 이하이다.
또한 O3'형 결정 구조는 단위 격자에서의 코발트와 산소의 좌표를 Co(0, 0, 0.5), O(0, 0, x), 0.20≤x≤0.25의 범위 내로 나타낼 수 있다.
CoO2층들 간, 즉 리튬 자리에 랜덤하며 희박하게 존재하는 첨가 원소, 예를 들어 마그네슘에는 CoO2층의 어긋남을 저감할 수 있는 효과가 있다. 그러므로 CoO2층들 간에 마그네슘이 존재하면 O3'형 결정 구조를 가지기 쉽다. 그러므로 마그네슘은 양극 활물질의 입자 전체에 분포되는 것이 바람직하다. 또한 입자 전체에 마그네슘을 분포시키기 위하여 양극 활물질의 제작 공정에서 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다.
그러나 가열 처리의 온도가 지나치게 높으면 양이온 혼합(cation mixing)이 일어나 첨가 원소, 예를 들어 마그네슘이 코발트 자리에 들어갈 가능성이 높아진다. 코발트 자리에 존재하는 마그네슘은 고전압 충전 시에 R-3m 구조를 유지하는 효과를 가지지 않는다. 또한, 가열 처리의 온도가 지나치게 높으면 코발트가 환원되어 2가가 되거나, 리튬이 증발된다는 등의 악영향도 우려된다.
그러므로, 입자 전체에 마그네슘을 분포시키기 위한 가열 처리 전에, 플루오린 화합물 등의 할로젠 화합물을 코발트산 리튬에 첨가하는 것이 바람직하다. 할로젠 화합물을 첨가함으로써 코발트산 리튬의 융점 강하가 일어난다. 융점 강하가 일어나면, 양이온 혼합이 일어나기 어려운 온도에서 입자 전체에 마그네슘을 분포시키는 것이 용이해진다. 또한 플루오린 화합물이 존재하면, 전해액이 분해되어 생긴 플루오린화 수소산에 대한 내식성이 향상되는 것을 기대할 수 있다.
또한, 마그네슘 농도를 원하는 값 이상으로 높게 하면, 결정 구조의 안정화에 대한 효과가 작아지는 경우가 있다. 마그네슘이 리튬 자리뿐만 아니라, 코발트 자리에도 들어가게 되기 때문이라고 생각된다. 양극 활물질이 가지는 마그네슘의 원자수는 전이 금속의 원자수의 0.001배 이상 0.1배 이하가 바람직하고, 0.01배보다 크고 0.04배 미만이 더 바람직하고, 0.02배 정도가 더욱 바람직하다. 여기서 나타내는 마그네슘 농도는, 예를 들어 ICP-MS 등을 사용하여 양극 활물질의 입자 전체를 원소 분석하여 얻은 값이어도 좋고, 양극 활물질의 제작 과정에서의 원료의 배합의 값에 의거하여도 좋다.
코발트산 리튬에 코발트 이외의 금속(첨가 원소)으로서 예를 들어 니켈, 알루미늄, 망가니즈, 타이타늄, 바나듐, 및 크로뮴 중에서 선택되는 하나 이상의 금속을 첨가하여도 좋고, 특히 니켈 및 알루미늄 중 하나 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 망가니즈, 타이타늄, 바나듐, 및 크로뮴은 안정적으로 4가를 취하기 쉬운 경우가 있어, 구조 안정화에 크게 기여하는 경우가 있다. 첨가 원소를 첨가함으로써 양극 활물질에서는 예를 들어, 고전압으로의 충전 상태에서 결정 구조가 더 안정되는 경우가 있다. 여기서 양극 활물질에 있어서, 첨가 원소는 코발트산 리튬의 결정성을 크게 바꾸지 않는 농도로 첨가되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상술한 얀-텔러 효과 등이 발현되지 않을 정도의 양인 것이 바람직하다.
도 13 중의 범례로 나타낸 바와 같이, 니켈, 망가니즈를 비롯한 전이 금속 및 알루미늄은 코발트 자리에 존재하는 것이 바람직하지만, 일부가 리튬 자리에 존재하여도 좋다. 또한 마그네슘은 리튬 자리에 존재하는 것이 바람직하다. 산소는 일부가 플루오린과 치환되어도 좋다.
양극 활물질의 용량은 양극 활물질의 마그네슘 농도가 높아질수록 양극 활물질의 방전 용량이 감소되는 경우가 있다. 그 요인의 예로서는, 리튬 자리에 마그네슘이 들어감으로써 충방전에 기여하는 리튬의 양이 감소되는 것을 들 수 있다. 또한 과잉의 마그네슘이 충방전에 기여하지 않는 마그네슘 화합물을 생성하는 경우도 있다. 양극 활물질이 마그네슘에 더하여 첨가 원소로서 니켈을 포함함으로써, 중량당 및 체적당 용량을 높일 수 있는 경우가 있다. 또한 양극 활물질이 마그네슘에 더하여 첨가 원소로서 알루미늄을 가짐으로써, 중량당 및 체적당 용량을 높일 수 있는 경우가 있다. 또한 양극 활물질이 마그네슘에 더하여 니켈 및 알루미늄을 포함함으로써, 중량당 및 체적당 용량을 높일 수 있는 경우가 있다.
이하에서 양극 활물질이 가지는 마그네슘 등의 원소의 농도를 원자수를 사용하여 나타낸다.
양극 활물질에 포함되는 니켈의 원자수는 코발트의 원자수의 10% 이하가 바람직하고, 7.5% 이하가 더 바람직하고, 0.05% 이상 4% 이하가 더욱 바람직하고, 0.1% 이상 2% 이하가 특히 바람직하다. 여기서 나타내는 니켈의 농도는 예를 들어 ICP-MS 등을 사용하여 양극 활물질의 입자 전체를 원소 분석하여 얻은 값이어도 좋고, 양극 활물질의 제작 과정에서의 원료의 배합의 값에 의거하여도 좋다.
고전압으로 충전된 상태를 장시간 유지하면, 양극 활물질로부터 전이 금속이 전해액에 용출되어 결정 구조가 붕괴될 우려가 생긴다. 그러나 상기 비율로 니켈을 포함함으로써, 양극 활물질로부터의 전이 금속의 용출을 억제할 수 있는 경우가 있다. 양극 활물질에 포함되는 알루미늄의 원자수는 코발트의 원자수의 0.05% 이상 4% 이하가 바람직하고, 0.1% 이상 2% 이하가 더 바람직하다. 여기서 나타내는 알루미늄 농도는, 예를 들어 ICP-MS 등을 사용하여 양극 활물질의 입자 전체를 원소 분석하여 얻은 값이어도 좋고, 양극 활물질의 제작 과정에서의 원료의 배합의 값에 기초하여도 좋다.
양극 활물질은 첨가 원소 X를 가지는 것이 바람직하고, 첨가 원소 X로서 인을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 일 형태의 양극 활물질은 인과 산소를 포함하는 화합물을 가지는 것이 더 바람직하다.
양극 활물질이 첨가 원소 X를 포함하는 화합물을 가짐으로써 고전압의 충전 상태를 유지한 경우에서, 단락이 발생되기 어려운 경우가 있다.
양극 활물질이 첨가 원소 X로서 인을 포함하는 경우에는 전해액의 분해에 의하여 발생한 플루오린화 수소와 인이 반응하여 전해액 중의 플루오린화 수소 농도가 저하될 가능성이 있다.
전해액이 LiPF6을 포함하는 경우, 가수 분해에 의하여 플루오린화 수소가 발생하는 경우가 있다. 또한 양극의 구성 요소로서 사용되는 PVDF와 알칼리의 반응에 의하여 플루오린화 수소가 발생하는 경우도 있다. 전해액 내의 플루오린화 수소 농도가 저하됨으로써, 집전체의 부식 및/또는 피막의 벗겨짐을 억제할 수 있는 경우가 있다. 또한 PVDF의 겔화 및/또는 불용화로 인한 접착성의 저하를 억제할 수 있는 경우가 있다.
양극 활물질이 첨가 원소 X에 더하여 마그네슘을 포함하는 경우, 고전압의 충전 상태에서의 안정성이 매우 높다. 첨가 원소 X가 인인 경우, 인의 원자수는 코발트의 원자수의 1% 이상 20% 이하가 바람직하고, 2% 이상 10% 이하가 더 바람직하고, 3% 이상 8% 이하가 더욱 바람직하고, 또한 마그네슘의 원자수는 코발트의 원자수의 0.1% 이상 10% 이하가 바람직하고, 0.5% 이상 5% 이하가 더 바람직하고, 0.7% 이상 4% 이하가 더욱 바람직하다. 여기서 나타내는 인 및 마그네슘의 농도는, 예를 들어 ICP-MS 등을 사용하여 양극 활물질의 입자 전체를 원소 분석하여 얻은 값이어도 좋고, 양극 활물질의 제작 과정에서의 원료의 배합의 값에 기초하여도 좋다.
양극 활물질이 크랙을 가지는 경우, 그 내부에 인, 더 구체적으로는 예를 들어 인과 산소를 포함한 화합물이 존재함으로써 크랙의 진행이 억제되는 경우가 있다.
또한 도 13에서 화살표로 나타낸 산소 원자에서 알 수 있듯이, O3형 결정 구조와 O3'형 결정 구조에서는 산소 원자의 대칭성이 미묘하게 다르다. 구체적으로는 O3형 결정 구조에서는 산소 원자가 점선으로 나타낸 (-1 0 2)면을 따라 정렬되고, 한편 O3'형 결정 구조의 산소 원자는 엄밀하게는 (-1 0 2)면을 따라 정렬되지 않는다. 이는, O3'형 결정 구조에서는 리튬의 감소에 따라 4가의 코발트가 증가되고 얀-텔러의 변형이 커져 CoO6의 팔면체 구조가 변형되었기 때문이다. 또한, 리튬의 감소에 따라 CoO2층의 산소들 사이의 반발이 강해진 것도 영향을 미친다.
마그네슘은 양극 활물질의 입자 전체에 분포되는 것이 바람직하고, 이에 더하여 입자 표층부의 마그네슘 농도가 입자 전체의 평균보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들어 XPS 등으로 측정되는 표층부의 마그네슘 농도가 ICP-MS 등으로 측정되는 입자 전체의 평균의 마그네슘 농도보다 높은 것이 바람직하다.
또한 양극 활물질이 코발트 이외의 원소, 예를 들어 니켈, 알루미늄, 망가니즈, 철, 및 크로뮴 중에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하는 경우에는, 상기 금속의 입자 표면 근방에서의 농도가 입자 전체의 평균보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들어 XPS 등으로 측정되는 표층부의 코발트 이외의 원소의 농도가 ICP-MS 등으로 측정되는 입자 전체의 평균의 상기 원소의 농도보다 높은 것이 바람직하다.
입자 표면은 이를테면 전체가 결정 결함이고, 게다가 충전 시에는 표면에서 리튬이 빠져나가기 때문에 내부보다 리튬 농도가 낮아지기 쉬운 부분이다. 그러므로 불안정해지기 쉬워 결정 구조가 붕괴되기 쉬운 부분이다. 표층부의 마그네슘 농도가 높으면 결정 구조의 변화를 더 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 표층부의 마그네슘 농도가 높으면, 전해액이 분해되어 생긴 플루오린화 수소산에 대한 내식성이 향상되는 것도 기대할 수 있다.
또한 플루오린 등의 할로젠도 양극 활물질의 표층부에서의 농도가 입자 전체의 평균보다 높은 것이 바람직하다. 전해액과 접하는 영역인 표층부에 할로젠이 존재함으로써, 플루오린화 수소산에 대한 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 양극 활물질의 표층부는 내부보다 첨가 원소, 예를 들어 마그네슘 및 플루오린의 농도가 높은, 내부와 다른 조성인 것이 바람직하다. 또한 그 조성으로서 상온에서 안정적인 결정 구조를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 표층부는 내부와 다른 결정 구조를 가져도 좋다. 예를 들어, 양극 활물질의 표층부의 적어도 일부가 암염형 결정 구조를 가져도 좋다. 또한 표층부와 내부가 다른 결정 구조를 가지는 경우, 표층부와 내부의 결정 배향이 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.
층상 암염형 결정 및 암염형 결정의 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구조(면심 입방 격자 구조)를 가진다. O3'형 결정도 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구조를 가지는 것으로 추정된다. 이들이 접촉할 때 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구조의 방향이 일치하는 결정면이 존재한다. 다만 층상 암염형 결정 및 O3'형 결정의 공간군은 R-3m이고, 암염형 결정의 공간군 Fm-3m(일반적인 암염형 결정의 공간군) 및 Fd-3m(가장 단순한 대칭성을 가지는 암염형 결정의 공간군)과는 다르기 때문에, 상기 조건을 만족시키는 결정면의 밀러 지수는 층상 암염형 결정 및 O3'형 결정과, 암염형 결정 사이에서 다르다. 본 명세서에서는 층상 암염형 결정, O3'형 결정, 및 암염형 결정에서, 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구조의 방향이 일치하는 상태를, 결정 배향이 실질적으로 일치한다고 하는 경우가 있다.
2개의 영역의 결정 배향이 실질적으로 일치하는지는 TEM(transmission electron microscope) 이미지, STEM(scanning transmission electron microscope) 이미지, HAADF-STEM(high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope) 이미지, ABF-STEM(annular bright-field scanning transmission electron microscope) 이미지 등에서 판단할 수 있다. X선 회절(XRD), 전자 회절, 중성자 회절 등도 판단의 재료로 할 수 있다. 결정 배향이 실질적으로 일치하는 경우, TEM 이미지 등에서, 양이온과 음이온이 직선으로 번갈아 배열된 열의 방향의 차가 5° 이하, 바람직하게는 2.5° 이하인 것을 관찰할 수 있다. 또한, TEM 이미지 등에서 산소, 플루오린을 비롯한 경원소는 명확하게 관찰될 수 없는 경우가 있지만, 이러한 경우에는 금속 원소의 배열에 의하여 배향의 일치를 판단할 수 있다.
다만 MgO만을 포함하거나 MgO과 CoO(II)가 고용체를 형성하는 표층부에서는 리튬의 삽입·이탈이 어렵다. 그러므로 표층부는 적어도 코발트를 포함하고 방전 상태에서는 리튬도 포함하여, 리튬의 삽입·이탈 경로를 가질 필요가 있다. 또한 마그네슘보다 코발트의 농도가 높은 것이 바람직하다.
또한 첨가 원소 X는 양극 활물질의 입자의 표층부에 위치하는 것이 바람직하다. 예를 들어 양극 활물질은 첨가 원소 X를 가지는 피막으로 덮여 있어도 좋다.
<입계>
양극 활물질이 가지는 첨가 원소 X는 내부에 랜덤하며 희박하게 존재하여도 좋지만, 일부는 입계에 편석되어 있는 것이 더 바람직하다.
바꿔 말하면, 양극 활물질의 입계 및 그 근방의 첨가 원소 X의 농도도 내부의 다른 영역보다 높은 것이 바람직하다.
입자 표면과 마찬가지로 결정립계도 면 결함이다. 그러므로 불안정해지기 쉬워 결정 구조의 변화가 시작되기 쉽다. 그러므로 입계 및 그 근방의 첨가 원소 X의 농도가 높으면 결정 구조의 변화를 더 효과적으로 억제할 수 있다.
또한 입계 및 그 근방의 첨가 원소 X의 농도가 높은 경우, 양극 활물질의 입자의 입계를 따라 크랙이 생긴 경우에도, 크랙에 의하여 생긴 표면 근방에서 첨가 원소 X의 농도가 높아진다. 따라서 크랙이 생긴 후의 양극 활물질도 플루오린화 수소산에 대한 내식성을 높일 수 있다.
또한 본 명세서 등에 있어서, 결정립계의 근방이란, 입계로부터 10nm 정도까지의 영역을 말한다.
<입경>
양극 활물질은 입경이 지나치게 크면 리튬의 확산이 어려워지거나, 집전체에 코팅된 경우에 활물질층의 표면이 지나치게 거칠어지는 등의 문제가 있다. 한편으로, 지나치게 작으면 집전체에 코팅하였을 때 활물질층을 담지하기 어려워지거나, 전해액과의 반응이 지나치게 진행되는 등의 문제도 생긴다. 그러므로, 평균 입경(D50: 중위 직경이라고도 함)이 1μm 이상 100μm 이하인 것이 바람직하고, 2μm 이상 40μm 이하인 것이 더 바람직하고, 5μm 이상 30μm 이하인 것이 더욱 바람직하다.
<분석 방법>
어떤 양극 활물질이, 고전압으로 충전되었을 때 O3'형 결정 구조를 가지는지 여부는 고전압으로 충전된 양극을 XRD, 전자 회절, 중성자 회절, 전자 스핀 공명(ESR), 핵자기 공명(NMR) 등을 사용하여 해석함으로써 판단할 수 있다. 특히 XRD는, 양극 활물질에 포함되는 코발트 등의 전이 금속의 대칭성을 고분해능으로 분석할 수 있거나, 결정성의 정도 및 결정의 배향성을 비교할 수 있거나, 격자의 주기성의 변형 및 결정자 크기를 분석할 수 있거나, 이차 전지를 해체하여 얻은 양극을 그대로 측정하여도 충분한 정확도를 얻을 수 있다는 등의 점에서 바람직하다.
양극 활물질은 상술한 바와 같이 고전압으로 충전한 상태와 방전 상태 사이에서 결정 구조의 변화가 적은 것이 특징이다. 고전압으로 충전한 상태에서 방전 상태와의 변화가 큰 결정 구조가 50wt% 이상을 차지하는 재료는, 고전압으로의 충방전에 견딜 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 그리고 첨가 원소를 첨가하는 것만으로는 목적하는 결정 구조를 가지지 않는 경우가 있다는 점에 주의하여야 한다. 예를 들어 마그네슘 및 플루오린을 포함하는 코발트산 리튬이라는 점이 공통되어도, 고전압으로 충전된 상태에서, O3'형 결정 구조가 60wt% 이상을 차지하는 경우와, H1-3형 결정 구조가 50wt% 이상을 차지하는 경우가 있다. 또한, 소정의 전압에서는 O3'형 결정 구조가 거의 100wt%가 되고, 상기 소정의 전압을 더 높이면 H1-3형 결정 구조가 발생하는 경우도 있다. 따라서 양극 활물질인지 여부를 판단하기 위해서는 XRD를 비롯한 결정 구조에 대한 분석이 필요하다.
다만, 고전압으로 충전한 상태 또는 방전 상태의 양극 활물질은 대기에 노출되면 결정 구조가 변화되는 경우가 있다. 예를 들어 O3'형 결정 구조에서 H1-3형 결정 구조로 변화되는 경우가 있다. 따라서 시료는 모두 아르곤 분위기 등의 불활성 분위기에서 취급하는 것이 바람직하다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는 위의 실시형태에서 설명한 이차 전지의 제어 회로를 전자 부품으로 하는 예에 대하여 도 15를 사용하여 설명한다.
도 15에는 프린트 기판(Printed Circuit Board: PCB)(1203) 위에 복수의 칩이 제공된 예를 나타내었다. 도 15에서 프린트 기판(1203) 위에는 칩(1201)이 제공되어 있다. 칩(1201)에는 본 발명의 일 형태의 제어 회로가 제공되어 있다. 칩(1201)의 뒷면에는 복수의 범프(1202)가 제공되어 있고, 프린트 기판(1203)에 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로를 제공함으로써, 전자 부품의 용적을 작게 할 수 있다. 또한 전자 기기의 소비 전력을 저감할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 칩의 집적화가 가능하게 되기 때문에, 휴대 단말기 및 기타 다양한 전자 기기에서 제어 회로의 점유 체적을 작게 할 수 있어, 전자 기기의 소형화가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 소비 전력이 낮기 때문에 이차 전지의 지속 시간을 길게 할 수 있다. 또한 제어 회로의 소형화에 의하여 전지가 차지하는 체적을 크게 할 수도 있다. 이에 의하여 이차 전지의 지속 시간을 길게 할 수 있다.
프린트 기판(1203)에는 제 2 칩으로서 집적 회로(1223)가 제공되는 것이 바람직하다. 집적 회로(1223)는 제어 신호 또는 전원 등을 칩(1201)에 공급하는 기능을 가진다.
프린트 기판(1203)에 제공되는 다양한 칩으로서 DRAM(1221), FeRAM(1222) 등의 기억 장치가 제공되어도 좋다. 또한 프린트 기판(1203)에는 무선 통신을 수행하는 기능을 가지는 칩으로서 칩(1225)이 제공되어도 좋다.
또한 집적 회로(1223)는 화상 처리를 수행하는 기능 및 적화 연산(product-sum operation)을 수행하는 기능 중 적어도 하나를 가져도 좋다.
또한 집적 회로(1223)는 A/D(아날로그/디지털) 변환 회로 및 D/A(디지털/아날로그) 변환 회로 중 한쪽 또는 양쪽을 가져도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태에서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 가지는 전자 부품을 적용할 수 있는 축전 시스템의 구성에 대하여 설명한다.
[원통형 이차 전지]
원통형 이차 전지의 예에 대하여 도 16의 (A)를 참조하여 설명한다. 원통형 이차 전지(400)는, 도 16의 (A)에 도시된 바와 같이 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(401)을 가지고, 측면 및 저면에 전지 캔(외장 캔)(402)을 가진다. 이들 양극 캡(401)과 전지 캔(외장 캔)(402)은 개스킷(절연 패킹)(410)에 의하여 절연되어 있다.
도 16의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 16의 (B)에 나타낸 원통형 이차 전지는 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 가지고, 측면 및 저면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 가진다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연되어 있다.
중공 원통형 전지 캔(602)의 안쪽에는 띠 형상의 양극(604)과 음극(606)이 세퍼레이터(605)를 사이에 끼워 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 한쪽 단부가 닫혀 있고, 다른 쪽 단부가 열려 있다. 전지 캔(602)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금, 그리고 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한, 전해액에 의한 부식을 방지하기 위하여 니켈 또는 알루미늄 등으로 전지 캔(602)을 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 안쪽에서, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609)에 끼워져 있다. 또한, 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부에는 비수전해액(도시하지 않았음)이 주입되어 있다. 비수전해액으로서는 코인형 이차 전지에 사용하는 것과 같은 것을 사용할 수 있다.
원통형 축전지에 사용되는 양극 및 음극은 권회되기 때문에, 활물질을 집전체의 양면에 형성하는 것이 바람직하다. 양극(604)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(603)가 전기적으로 접속되고, 음극(606)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(607)가 전기적으로 접속된다. 양극 단자(603) 및 음극 단자(607)에는 각각 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(613)에 저항 용접되고, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(613)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(611)를 통하여 양극 캡(601)에 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(613)는 전지의 내압이 소정의 문턱값을 넘어 상승한 경우에 양극 캡(601)과 양극(604)의 전기적 접속을 절단하는 것이다. 또한, PTC 소자(611)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹 등을 사용할 수 있다.
도 16의 (C)는 축전 시스템(415)의 일례를 나타낸 것이다. 축전 시스템(415)은 복수의 이차 전지(400)를 가진다. 각 이차 전지(400)의 양극은 절연체(425)로 분리된 도전체(424)에 접촉하고 전기적으로 접속되어 있다. 도전체(424)는 배선(423)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 각 이차 전지(400)의 음극은 배선(426)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(420)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다.
도 16의 (D)는 축전 시스템(415)의 일례를 나타낸 것이다. 축전 시스템(415)은 복수의 이차 전지(400)를 가지고, 복수의 이차 전지(400)는 도전판(413)과 도전판(414) 사이에 끼워져 있다. 복수의 이차 전지(400)는 배선(416)에 의하여 도전판(413) 및 도전판(414)에 전기적으로 접속된다. 복수의 이차 전지(400)는 병렬 접속되어도 좋고, 직렬 접속되어도 좋고, 병렬로 접속된 후 직렬로 접속되어도 좋다. 복수의 이차 전지(400)를 가지는 축전 시스템(415)을 구성함으로써, 큰 전력을 추출할 수 있다.
복수의 이차 전지(400)가 병렬로 전기적으로 접속된 후, 직렬로 다시 전기적으로 접속되는 경우를 생각한다. 이와 같은 경우에는, 하나의 제어 회로가 병렬로 전기적으로 접속된 복수의 이차 전지에 전기적으로 접속된다.
복수의 이차 전지(400) 사이에 온도 제어 장치를 가져도 좋다. 이차 전지(400)가 과열되었을 때에는 온도 제어 장치에 의하여 냉각하고, 이차 전지(400)가 지나치게 냉각되었을 때에는 온도 제어 장치에 의하여 가열할 수 있다. 그러므로 축전 시스템(415)의 성능이 외기 온도의 영향을 받기 어려워진다.
또한, 도 16의 (D)에서 축전 시스템(415)은 배선(421) 및 배선(422)을 통하여 제어 회로(420)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(420)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다. 배선(421)은 도전판(413)을 통하여 복수의 이차 전지(400)의 양극에 전기적으로 접속되고, 배선(422)은 도전판(414)을 통하여 복수의 이차 전지(400)의 음극에 전기적으로 접속된다.
또한, 도 24의 (A) 내지 (C)에 나타낸 권회체(950a)를 가지는 이차 전지(913)로 하여도 좋다. 도 24의 (A)에 나타낸 권회체(950a)는 음극(931)과, 양극(932)과, 세퍼레이터(933)를 가진다. 음극(931)은 음극 활물질층(931a)을 가진다. 양극(932)은 양극 활물질층(932a)을 가진다. 세퍼레이터(933)는 음극 활물질층(931a) 및 양극 활물질층(932a)보다 폭이 넓고, 음극 활물질층(931a) 및 양극 활물질층(932a)과 중첩되도록 권회되어 있다. 또한, 안전성의 관점에서, 양극 활물질층(932a)의 폭보다 음극 활물질층(931a)의 폭이 넓은 것이 바람직하다. 또한 이와 같은 형상의 권회체(950a)는 안전성 및 생산성이 높으므로 바람직하다.
도 24의 (B)에 나타낸 바와 같이, 음극(931)은 단자(951)와 전기적으로 접속된다. 단자(951)는 단자(911a)와 전기적으로 접속된다. 또한, 양극(932)과 단자(952)는 전기적으로 접속된다. 단자(952)는 단자(911b)와 전기적으로 접속된다.
도 24의 (C)에 나타낸 바와 같이 하우징(930)에 의하여 권회체(950a) 및 전해액이 덮여, 이차 전지(913)가 된다. 하우징(930)에는 안전 밸브, 과전류 보호 소자 등을 제공하는 것이 바람직하다.
도 24의 (B)에 나타낸 바와 같이, 이차 전지(913)는 복수의 권회체(950a)를 가져도 좋다. 복수의 권회체(950a)를 사용함으로써, 충방전 용량이 더 높은 이차 전지(913)로 할 수 있다.
양극(932)에 앞의 실시형태에서 설명한 양극 활물질을 사용함으로써, 충방전 용량이 높으며 사이클 특성이 우수한 이차 전지(913)로 할 수 있다.
[이차 전지 팩]
다음으로, 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 예를 도 17을 사용하여 설명한다.
도 17의 (A)는 이차 전지 팩(531)의 외관을 나타낸 도면이다. 도 17의 (B)는 이차 전지 팩(531)의 구성을 설명하는 도면이다. 이차 전지 팩(531)은 회로 기판(501)과 이차 전지(513)를 가진다. 이차 전지(513)에는 라벨(509)이 부착되어 있다. 회로 기판(501)은 실(seal)(515)에 의하여 고정되어 있다. 또한 이차 전지 팩(531)은 안테나(517)를 가진다.
회로 기판(501)은 제어 회로(590)를 가진다. 제어 회로(590)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 17의 (B)에 도시된 바와 같이 회로 기판(501) 위에 제어 회로(590)를 가진다. 또한 회로 기판(501)은 단자(511)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 회로 기판(501)은 안테나(517), 이차 전지(513)의 양극 리드와 음극 리드 중 한쪽(551), 양극 리드와 음극 리드 중 다른 쪽(552)에 전기적으로 접속된다.
또는 도 17의 (C)에 나타내어진 바와 같이, 회로 기판(501) 위에 제공되는 회로 시스템(590a)과, 단자(511)를 통하여 회로 기판(501)에 전기적으로 접속되는 회로 시스템(590b)을 가져도 좋다. 예를 들어 본 발명의 일 형태의 제어 회로의 일부가 회로 시스템(590a)에 제공되고, 다른 일부가 회로 시스템(590b)에 제공된다.
또한 안테나(517)는 코일 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 선형, 판형이어도 좋다. 또한 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자계 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다. 또는 안테나(517)는 평판 형상의 도체이어도 좋다. 이 평판 형상의 도체는 전계 결합용 도체 중 하나로서 기능할 수 있다. 즉 콘덴서가 가지는 2개의 도체 중 하나의 도체로서, 안테나(517)를 기능시켜도 좋다. 이에 의하여, 전자계, 자계뿐만 아니라 전계에 의한 전력의 송수신도 가능하게 된다.
이차 전지 팩(531)은 안테나(517)와 이차 전지(513) 사이에 층(519)을 가진다. 층(519)은 예를 들어 이차 전지(513)에 의한 전자계를 차폐할 수 있는 기능을 가진다. 층(519)으로서는 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.
이차 전지(513)는, 예를 들어 세퍼레이터를 끼워 음극과 양극이 중첩되어 적층되고, 상기 적층 시트가 권회된 것이다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 7)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태인 축전 시스템을 차량에 탑재하는 예를 나타낸다. 차량으로서는 예를 들어 자동차, 이륜차, 자전거 등이 있다.
축전 시스템을 차량에 탑재하면, 하이브리드 자동차(HV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차를 실현할 수 있다.
도 18에 본 발명의 일 형태인 축전 시스템을 사용한 차량을 예시하였다. 도 18의 (A)에 도시된 자동차(8400)는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 자동차이다. 또는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 항속 거리가 긴 차량을 실현할 수 있다. 자동차(8400)는 축전 시스템을 가진다. 축전 시스템은 전기 모터(8406)를 구동시킬 뿐만 아니라 헤드라이트(8401) 및 실내등(도시하지 않았음) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다.
또한 축전 시스템은 자동차(8400)가 가지는 속도계, 회전 속도계 등의 표시 장치에 전력을 공급할 수 있다. 또한 축전 시스템은 자동차(8400)가 가지는 내비게이션 시스템 등에 전력을 공급할 수 있다.
도 18의 (B)에 도시된 자동차(8500)는 자동차(8500)가 가지는 축전 시스템(8024)에 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등에 의하여 외부의 충전 설비로부터 전력 공급을 받아 충전할 수 있다. 도 18의 (B)에 지상 설치형 충전 장치(8021)로부터 자동차(8500)에 탑재된 축전 시스템(8024)에 케이블(8022)을 통하여 충전을 수행하는 상태를 나타내었다. 충전 시의 충전 방법 및 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표) 또는 콤보 등 소정의 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이어도 좋고, 또한 일반 주택의 전원이어도 좋다. 예를 들어 플러그인 기술을 이용하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8500)에 탑재된 축전 시스템(8024)을 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수행할 수 있다.
또한, 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하여 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는, 도로 또는 외벽에 송전 장치를 설치함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량끼리 전력의 송수신을 하여도 좋다. 또한 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여 정차 시 또는 주행 중에 축전 시스템의 충전을 하여도 좋다. 이러한 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식 및 자기장 공명 방식을 이용할 수 있다.
또한, 도 18의 (C)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 사용한 이륜차의 일례를 나타낸 도면이다. 도 18의 (C)에 도시된 스쿠터(8600)는 축전 시스템(8602), 사이드 미러(8601), 방향 지시등(8603)을 가진다. 축전 시스템(8602)은 방향 지시등(8603)에 전기를 공급할 수 있다.
또한, 도 18의 (C)에 도시된 스쿠터(8600)는 좌석 아래 수납 공간(8604)에 축전 시스템(8602)을 수납할 수 있다. 축전 시스템(8602)은 좌석 아래 수납 공간(8604)이 소형이어도 좌석 아래 수납 공간(8604)에 수납할 수 있다.
또한, 도 19의 (A)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 사용한 전동 자전거의 일례를 나타낸 것이다. 도 19의 (A)에 도시된 전기 자전거(8700)에 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 적용할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은, 예를 들어 복수의 축전지와, 보호 회로와, 신경망을 가진다.
전기 자전거(8700)는 축전 시스템(8702)을 가진다. 축전 시스템(8702)은 운전자를 보조하는 모터에 전기를 공급할 수 있다. 또한, 축전 시스템(8702)은 들고 다닐 수 있고, 도 19의 (B)에 자전거로부터 분리된 상태를 나타내었다. 또한, 축전 시스템(8702)에는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템이 가지는 축전지(8701)가 복수 내장되어 있으며, 그 배터리 잔량 등을 표시부(8703)에 표시할 수 있다. 또한 축전 시스템(8702)은 본 발명의 일 형태의 제어 회로(8704)를 가진다. 제어 회로(8704)는 축전지(8701)의 양극 및 음극에 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(8704)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 8)
본 실시형태에서는 앞의 실시형태에서 설명한 축전 시스템을 전자 기기에 실장하는 예에 대하여 설명한다.
다음으로, 도 20의 (A) 및 (B)에 반으로 접을 수 있는 태블릿형 단말기(클램셸형 단말기도 포함함)의 일례를 나타내었다. 도 20의 (A) 및 (B)에 도시된 태블릿형 단말기(9600)는 하우징(9630a), 하우징(9630b), 하우징(9630a)과 하우징(9630b)을 접속하는 가동부(9640), 표시부(9631), 표시 모드 전환 스위치(9626), 전원 스위치(9627), 절전 모드 전환 스위치(9625), 잠금부(9629), 조작 스위치(9628)를 가진다. 표시부(9631)에는 가요성을 가지는 패널을 사용함으로써, 보다 넓은 표시부를 가지는 태블릿 단말기로 할 수 있다. 도 20의 (A)는 태블릿형 단말기(9600)를 연 상태를 나타낸 것이고, 도 20의 (B)는 태블릿형 단말기(9600)를 닫은 상태를 나타낸 것이다.
또한 태블릿형 단말기(9600)는 하우징(9630a) 및 하우징(9630b)의 내부에 축전체(9635)를 가진다. 축전체(9635)는 가동부(9640)를 거쳐, 하우징(9630a)과 하우징(9630b)에 걸쳐 제공되어 있다.
표시부(9631)는 일부를 터치 패널 영역으로 할 수 있으며, 표시된 조작 키를 터치함으로써 데이터를 입력할 수 있다. 또한 터치 패널의 키보드 표시 전환 버튼이 표시되어 있는 위치를, 손가락 또는 스타일러스 등으로 터치함으로써 표시부(9631)에 키보드 버튼을 표시할 수 있다.
또한 표시 모드 전환 스위치(9626)는 세로 표시 또는 가로 표시 등 표시 방향의 전환, 흑백 표시와 컬러 표시의 전환 등을 선택할 수 있다. 전력 절약 모드 전환 스위치(9625)는 태블릿형 단말기(9600)에 내장된 광 센서에서 검출되는 사용 시의 외광의 광량에 따라 표시의 휘도를 최적화할 수 있다. 태블릿형 단말기에는 광 센서뿐만 아니라 자이로스코프, 가속도 센서 등 기울기를 검출하는 센서 등 다른 검출 장치가 내장되어도 좋다.
도 20의 (B)는 태블릿형 단말기(9600)가 닫힌 상태이고, 태블릿형 단말기(9600)는, 하우징(9630), 태양 전지(9633), 및 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 가진다. 축전 시스템은 제어 회로(9634)와 축전체(9635)를 가진다. 제어 회로(9634)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다.
또한 태블릿형 단말기(9600)는 반으로 접을 수 있기 때문에, 사용하지 않을 때는 하우징(9630a) 및 하우징(9630b)이 중첩되도록 접을 수 있다. 접음으로써, 표시부(9631)를 보호할 수 있기 때문에, 태블릿 단말기(9600)의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 이 외에도 도 20의 (A) 및 (B)에 도시된 태블릿형 단말기는 다양한 정보(정지 화상, 동영상, 텍스트 화상 등)를 표시하는 기능, 달력, 날짜, 또는 시각 등을 표시부에 표시하는 기능, 표시부에 표시한 정보를 터치 입력으로 조작 또는 편집하는 터치 입력 기능, 다양한 소프트웨어(프로그램)에 의하여 처리를 제어하는 기능 등을 가질 수 있다.
태블릿형 단말기의 표면에 장착된 태양 전지(9633)에 의하여, 전력을 터치 패널, 표시부, 또는 영상 신호 처리부 등에 공급할 수 있다. 또한 태양 전지(9633)는 하우징(9630)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 제공할 수 있고, 축전체(9635)의 충전을 효율적으로 수행하는 구성으로 할 수 있다.
또한 도 20의 (A), (B)에서는, 반으로 접을 수 있는 태블릿형 단말기에 앞의 실시형태에서 설명한 전지 제어 회로를 사용한 제어 회로를 적용하는 구성에 대하여 설명하였지만, 다른 구성이어도 좋다. 예를 들어, 도 20의 (C)에 도시된 바와 같이 클램셸형 단말기인 노트북형 퍼스널 컴퓨터로 적용할 수도 있다. 도 20의 (C)에서는, 하우징(9630a)에 표시부(9631)를, 하우징(9630b)에 키보드부(9650)를 가진 노트북형 퍼스널 컴퓨터(9601)를 도시하였다. 노트북형 퍼스널 컴퓨터(9601) 내에는 도 20의 (A), (B)에서 설명한 제어 회로(9634)와 축전체(9635)를 가진다. 제어 회로(9634)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다.
도 21에 다른 전자 기기의 예를 나타내었다. 도 21에 있어서, 표시 장치(8000)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 실장하는 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 표시 장치(8000)는 TV 방송 수신용 표시 장치에 상당하며, 하우징(8001), 표시부(8002), 스피커부(8003), 이차 전지(8004) 등을 가진다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 하우징(8001) 내부에 제공되어 있다. 표시 장치(8000)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8004)에 저장된 전력을 사용할 수도 있다.
표시부(8002)에는 액정 표시 장치, 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 각 화소에 가지는 발광 장치, 전기 영동 표시 장치, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등 반도체 표시 장치를 사용할 수 있다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)에도 이차 전지를 사용한다. 음성 입력 디바이스(8005)는 앞의 실시형태에서 설명한 축전 시스템을 가진다. 음성 입력 디바이스(8005)는 무선 통신 소자 외에 마이크로폰을 포함하는 센서(광학 센서, 온도 센서, 습도 센서, 기압 센서, 조도 센서, 동작 센서 등)를 복수로 가지고, 사용자가 명령하는 말로 다른 디바이스를 조작할 수 있고, 예를 들어 표시 장치(8000)의 전원 조작, 조명 장치(8100)의 광량 조절 등을 수행할 수 있다. 음성 입력 디바이스(8005)를 통하여 음성으로 주변 기기의 조작을 수행할 수 있고 수동의 리모트 컨트롤러를 대체할 수 있다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)는 차륜 및 기계식 이동 수단 중 적어도 하나를 가지고, 사용자가 말하는 소리가 들리는 방향으로 이동하고, 내장된 마이크로폰으로 명령을 정확하게 알아듣고 그 내용을 표시부(8008)에 표시하거나, 또는 표시부(8008)에서 터치 입력 조작이 수행될 수 있는 구성을 가진다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)는 스마트폰 등의 휴대 정보 단말기(8009)의 충전 독으로서도 기능시킬 수 있다. 휴대 정보 단말기(8009)와 음성 입력 디바이스(8005)는 유선 또는 무선으로 전력을 주고받을 수 있다. 휴대 정보 단말기(8009)를 휴대할 필요가 특별히 없는 실내에서는, 필요한 용량을 확보하면서도 이차 전지에 부하가 가해져 열화되는 것을 피하기 위하여, 음성 입력 디바이스(8005)에 의하여 이차 전지의 관리, 보수 등을 수행할 수 있는 것이 바람직하다. 또한 음성 입력 디바이스(8005)는 스피커(8007) 및 마이크로폰을 가지기 때문에, 휴대 정보 단말기(8009)가 충전 중일 때에도 핸즈프리로 대화할 수 있다. 또한 음성 입력 디바이스(8005)의 이차 전지의 용량이 저하하였을 때는 화살표 방향으로 이동하고 외부 전원과 접속된 충전 모듈(8010)로부터 무선 충전에 의하여 충전을 수행하면 좋다.
또한 음성 입력 디바이스(8005)를 받침대에 올려 놓아도 좋다. 또한 차륜 및 기계식 이동 수단 중 적어도 하나를 제공하여 음성 입력 디바이스(8005)를 원하는 위치로 이동시키거나, 또는 스탠드 및 차륜을 제공하지 않고 음성 입력 디바이스(8005)를 원하는 위치, 예를 들어 바닥 위 등에 고정시켜도 좋다.
또한 표시 장치에는 TV 방송 수신용 외에, 퍼스널 컴퓨터용, 광고 표시용 등 모든 정보 표시용 표시 장치가 포함된다.
도 21에 있어서, 설치형 조명 장치(8100)는, 충전을 제어하는 마이크로프로세서(APS를 포함함)로 제어되는 이차 전지(8103)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는 조명 장치(8100)는 하우징(8101), 광원(8102), 이차 전지(8103) 등을 가진다. 도 21에서는, 이차 전지(8103)가, 하우징(8101) 및 광원(8102)이 설치된 천장(8104) 내부에 제공되어 있는 경우를 예시하였지만, 이차 전지(8103)는 하우징(8101) 내부에 제공되어 있어도 좋다. 조명 장치(8100)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8103)에 저장된 전력을 사용할 수도 있다.
또한, 도 21에서는 천장(8104)에 제공된 설치형 조명 장치(8100)를 예시하였지만, 이차 전지(8103)는 천장(8104) 이외에, 예를 들어 측벽(8105), 바닥(8106), 창문(8107) 등에 제공된 설치형 조명 장치에 사용할 수도 있고, 탁상형 조명 장치 등에 사용할 수도 있다.
또한 광원(8102)으로서는, 전력을 이용하여 인공적으로 광을 얻는 인공 광원을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 백열전구, 형광등 등의 방전 램프, LED, 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 상기 인공 광원의 일례로서 들 수 있다.
도 21에 있어서, 실내기(8200) 및 실외기(8204)를 가지는 에어컨디셔너는 이차 전지(8203)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는 실내기(8200)는 하우징(8201), 송풍구(8202), 이차 전지(8203) 등을 가진다. 도 21에는 이차 전지(8203)가 실내기(8200)에 제공되는 경우를 예시하였지만, 이차 전지(8203)는 실외기(8204)에 제공되어도 좋다. 또는 실내기(8200)와 실외기(8204) 양쪽 모두에 이차 전지(8203)가 제공되어 있어도 좋다. 에어컨디셔너는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8203)에 저장된 전력을 사용할 수도 있다.
도 21에 있어서, 전기 냉동 냉장고(8300)는 이차 전지(8304)를 사용한 전자 기기의 일례이다. 구체적으로는, 전기 냉동 냉장고(8300)는 하우징(8301), 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303), 이차 전지(8304) 등을 가진다. 도 21에서는 이차 전지(8304)가 하우징(8301) 내부에 제공되어 있다. 전기 냉동 냉장고(8300)는 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 이차 전지(8304)에 저장된 전력을 사용할 수도 있다.
또한 전자 기기가 사용되지 않는 시간대, 특히 상용 전원의 공급원이 공급할 수 있는 총전력량 중 실제로 사용되는 전력량의 비율(전력 사용률이라고 함)이 낮은 시간대에 이차 전지에 전력을 저장해 둠으로써, 상기 시간대 외에서 전력 사용률이 높아지는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어, 전기 냉동 냉장고(8300)의 경우, 기온이 낮고 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303)이 개폐되지 않는 야간에, 이차 전지(8304)에 전력을 저장한다. 그리고 기온이 높아지고 냉장실용 문(8302), 냉동실용 문(8303)이 개폐되는 낮에, 이차 전지(8304)를 보조 전원으로서 사용함으로써 낮의 전력 사용률을 억제할 수 있다.
상술한 전자 기기 외에도 이차 전지는 다양한 전자 기기에 탑재될 수 있다. 본 발명의 일 형태에 의하여 이차 전지의 사이클 특성이 양호해진다. 그러므로 본 발명의 일 형태인, 충전을 제어하는 마이크로프로세서(APS를 포함함)를 본 실시형태에서 설명한 전자 기기에 탑재함으로써 수명이 더 긴 전자 기기로 할 수 있다. 본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 전자 기기에 실장하는 예를 도 22의 (A) 내지 (E)에 나타내었다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 적용한 전자 기기로서는, 예를 들어 텔레비전 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 액자, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말기, 음향 재생 장치, 파친코기 등의 대형 게임기 등이 있다.
도 22의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400)는 하우징(7401)에 제공된 표시부(7402) 외에, 조작 버튼(7403), 외부 접속 포트(7404), 스피커(7405), 마이크로폰(7406) 등을 가진다. 또한 휴대 전화기(7400)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 가진다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 예를 들어 축전지(7407)와, 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 가진다.
도 22의 (B)는 휴대 전화기(7400)를 만곡시킨 상태를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(7400)를 외부의 힘으로 변형시켜 전체를 만곡시키면, 그 내부에 제공된 축전지(7407)도 만곡되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 축전지(7407)로서 가요성을 가지는 축전지를 사용하는 것이 바람직하다. 가요성을 가지는 축전지의 굴곡된 상태를 도 22의 (C)에 도시하였다. 축전지에는 제어 회로(7408)가 전기적으로 접속되어 있다. 제어 회로(7408)로서는 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 사용할 수 있다.
또한 플렉시블한 형상을 가지는 축전지를, 가옥 또는 빌딩의 내벽 또는 외벽, 자동차의 내장 또는 외장의 곡면을 따라 제공할 수도 있다.
도 22의 (D)는 뱅글형 표시 장치의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 표시 장치(7100)는 하우징(7101), 표시부(7102), 조작 버튼(7103), 및 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 가진다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 예를 들어 축전지(7104)와, 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 가진다.
도 22의 (E)는 손목시계형 휴대 정보 단말기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 정보 단말기(7200)는 하우징(7201), 표시부(7202), 밴드(7203), 버클(7204), 조작 버튼(7205), 입출력 단자(7206) 등을 가진다.
휴대 정보 단말기(7200)는 이동 전화, 전자 메일, 문장 열람 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등의 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다.
표시부(7202)는 그 표시면이 만곡되어 제공되며, 만곡된 표시면을 따라 표시를 수행할 수 있다. 또한 표시부(7202)는 터치 센서를 가지고, 손가락 또는 스타일러스 등으로 화면을 터치함으로써 조작할 수 있다. 예를 들어, 표시부(7202)에 표시된 아이콘(7207)을 터치함으로써 애플리케이션을 기동할 수 있다.
조작 버튼(7205)은 시각 설정 외에, 전원의 온, 오프 동작, 무선 통신의 온, 오프 동작, 매너 모드의 실행 및 해제, 전력 절약 모드의 실행 및 해제 등, 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 휴대 정보 단말기(7200)에 제공된 운영 체계에 의하여, 조작 버튼(7205)의 기능을 자유로이 설정할 수도 있다.
또한 휴대 정보 단말기(7200)는 통신 규격된 근거리 무선 통신을 실행할 수 있다. 예를 들어 무선 통신할 수 있는 헤드세트와 상호 통신함으로써, 핸즈프리로 통화할 수도 있다.
또한 휴대 정보 단말기(7200)는 입출력 단자(7206)를 포함하고 커넥터를 통하여 다른 정보 단말기와 직접 데이터를 송수신할 수 있다. 또한 입출력 단자(7206)를 통하여 충전할 수도 있다. 또한 충전 동작은 입출력 단자(7206)를 통하지 않고 무선 급전에 의하여 수행하여도 좋다.
휴대 정보 단말기(7200)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 가진다. 상기 축전 시스템은 축전지와, 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로를 가진다.
휴대 정보 단말기(7200)는 센서를 가지는 것이 바람직하다. 센서로서는 예를 들어 지문 센서, 맥박 센서, 체온 센서 등의 인체 센서, 터치 센서, 가압 센서, 및 가속도 센서 등 중 하나 이상이 탑재되는 것이 바람직하다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 제어 회로를 가진 전자 기기의 예에 대하여 도 23을 사용하여 설명한다.
로봇 청소기(7140)는 이차 전지, 상면에 배치된 디스플레이, 측면에 배치된 복수의 카메라, 브러시, 조작 버튼, 각종 센서 등을 가진다. 도시하지 않았지만, 로봇 청소기(7140)에는 바퀴, 흡입구 등이 제공되어 있다. 로봇 청소기(7140)는 자율 주행하고, 먼지를 검지하고, 하면에 제공된 흡입구로부터 먼지를 흡입할 수 있다. 로봇 청소기(7140)의 이차 전지에 전기적으로 접속되는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 마이크로 단락 등의 이상을 검지할 수 있다.
로봇 청소기(7140)는 이차 전지, 조도 센서, 마이크로폰, 카메라, 스피커, 디스플레이, 각종 센서(적외선 센서, 초음파 센서, 가속도 센서, 피에조 센서, 광 센서, 자이로 센서 등), 및 이동 기구 등을 가진다. 로봇 청소기(7140)의 이차 전지에 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있다.
마이크로폰은 사용자의 음성 및 환경 소리 등의 음향 신호를 검지하는 기능을 가진다. 또한 스피커는 음성 및 경고음 등의 오디오 신호를 출력하는 기능을 가진다. 로봇 청소기(7140)는 마이크로폰을 통하여 입력된 오디오 신호를 해석하여, 필요한 오디오 신호를 스피커로부터 출력할 수 있다. 로봇 청소기(7140)는 마이크로폰 및 스피커를 사용하여 사용자와 의사소통을 할 수 있다.
카메라는 로봇 청소기(7140)의 주위를 촬상하는 기능을 가진다. 또한 로봇 청소기(7140)는 이동 기구를 사용하여 이동하는 기능을 가진다. 로봇 청소기(7140)는 카메라를 사용하여 주위의 화상을 촬상하고, 화상을 해석하여 이동할 때의 장애물의 유무 등을 검지할 수 있다.
로봇(7000)은 이차 전지, 조도 센서, 마이크로폰, 카메라, 스피커, 표시부, 장애물 센서, 이동 기구, 연산 장치 등을 가진다.
마이크로폰은 사용자의 목소리 및 환경 소리 등을 검지하는 기능을 가진다. 또한, 스피커는 음성을 출력하는 기능을 가진다. 로봇(7000)은 마이크로폰 및 스피커를 사용하여, 사용자와 의사소통을 할 수 있다.
표시부는 각종 정보를 표시하는 기능을 가진다. 로봇(7000)은 사용자가 원하는 정보를 표시부에 표시시킬 수 있다. 표시부에는 터치 패널을 탑재하여도 좋다. 또한, 표시부는 탈착 가능한 정보 단말기이어도 좋고, 로봇(7000)의 정위치에 설치하면 충전 및 데이터의 수수를 수행할 수 있다.
카메라는 로봇(7000)의 주위를 촬상하는 기능을 가진다. 또한, 장애물 센서는 이동 기구를 사용하여 로봇(7000)이 전진할 때의 진행 방향에서의 장애물의 유무를 감지할 수 있다. 로봇(7000)은 카메라 및 장애물 센서를 사용하여, 주위의 환경을 인식하고, 안전하게 이동하는 것이 가능하다.
로봇(7000)은 내부 영역에 본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지와, 반도체 장치 또는 전자 부품을 가진다. 로봇(7000)이 가지는 이차 전지에 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있다.
비행체(7120)는 프로펠러, 카메라, 및 이차 전지 등을 가지고, 자율적으로 비행하는 기능을 가진다.
또한 비행체(7120)의 이차 전지에 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 경량화에 더하여 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있다.
전기 자동차(7160)는 이동체의 일례이다. 전기 자동차(7160)는 이차 전지, 타이어, 브레이크, 조종 장치, 카메라 등을 가진다. 전기 자동차(7160)의 이차 전지에 전기적으로 접속되는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 마이크로 단락 등의 이상을 검지할 수 있다.
또한 앞에서는 이동체의 일례로서 전기 자동차에 대하여 설명하였지만, 이동체는 전기 자동차에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이동체로서는 전철, 모노레일, 선박, 비행체(헬리콥터, 무인 항공기(드론), 비행기, 로켓) 등을 들 수도 있고, 이들 이동체의 이차 전지에 전기적으로 접속되는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 마이크로 단락 등의 이상을 검지할 수 있다.
본 발명의 제어 회로를 가지는 전지 팩은, 스마트폰(7210), PC(7220)(퍼스널 컴퓨터), 게임기(7240) 등에 제공될 수 있다. 또한, 전지 팩에 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 접착하여도 좋다.
스마트폰(7210)은 휴대 정보 단말기의 일례이다. 스마트폰(7210)은 마이크로폰, 카메라, 스피커, 각종 센서, 및 표시부를 포함한다. 제어 회로를 탑재한 반도체 장치에 의하여 이들 주변 기기가 제어된다. 스마트폰(7210)의 이차 전지에 전기적으로 접속되는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.
PC(7220)는 노트북형 PC의 예이다. 노트북형 PC의 이차 전지에 전기적으로 접속되는 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.
게임기(7240)는 휴대용 게임기의 일례이다. 게임기(7260)는 가정용 거치형 게임기의 일례이다. 게임기(7260)에는 무선 또는 유선으로 컨트롤러(7262)가 접속되어 있다. 컨트롤러(7262)에 본 발명의 일 형태의 제어 회로를 탑재한 반도체 장치를 적용함으로써, 사용 부품수를 삭감할 수 있고, 또한 이차 전지의 제어 및 보호 등을 수행할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 9)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 제어 회로와, 이차 전지를 가지는 축전 시스템을 전자 기기 또는 이동체에 실장하는 예에 대하여 설명한다.
우선 앞의 실시형태에서 설명한 제어 회로와, 이차 전지를 가지는 축전 시스템을 전자 기기에 실장하는 예를 도 25의 (A) 내지 (D)에 나타내었다. 축전 시스템을 적용한 전자 기기로서는 예를 들어 텔레비전 장치(텔레비전 또는 텔레비전 수신기라고도 함), 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 액자, 휴대 전화기(휴대 전화, 휴대 전화 장치라고도 함), 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말기, 음향 재생 장치, 파친코기 등의 대형 게임기 등이 있다.
또한 이동체, 대표적으로는 자동차에 이차 전지를 적용할 수 있다. 자동차로서는 하이브리드 자동차(HV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차를 들 수 있고, 자동차에 탑재하는 전원의 하나로서 이차 전지를 적용할 수 있다. 이동체는 자동차에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이동체로서는 전철, 모노레일, 선박, 비행체(헬리콥터, 무인 항공기(드론), 비행기, 로켓), 전기 자전거, 전기 바이크 등도 있고, 이들 이동체에 본 발명의 일 형태의 제어 회로와, 이차 전지를 가지는 축전 시스템을 적용할 수 있다.
또한 주택에 설치된 지상 설치형 충전 장치 또는 상업 시설에 설치된 충전 스테이션에 본 실시형태의 제어 회로와, 이차 전지를 가지는 축전 시스템을 적용하여도 좋다.
도 25의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(2100)는 하우징(2101)에 제공된 표시부(2102) 외에, 조작 버튼(2103), 외부 접속 포트(2104), 스피커(2105), 마이크로폰(2106) 등을 가진다. 또한, 휴대 전화기(2100)는 축전 시스템(2107)을 가진다.
휴대 전화기(2100)는 이동 전화, 전자 메일, 문장 열람 및 작성, 음악 재생, 인터넷 통신, 컴퓨터 게임 등, 다양한 애플리케이션을 실행할 수 있다.
조작 버튼(2103)은 시각 설정 외에, 전원의 온, 오프 동작, 무선 통신의 온, 오프 동작, 매너 모드의 실행 및 해제, 전력 절약 모드의 실행 및 해제 등, 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 휴대 전화기(2100)에 제공된 운영 체계에 의하여, 조작 버튼(2103)의 기능을 자유로이 설정할 수도 있다.
또한, 휴대 전화기(2100)는 통신 규격화된 근거리 무선 통신을 실행할 수 있다. 예를 들어 무선 통신할 수 있는 헤드세트와 상호 통신함으로써, 핸즈프리로 통화할 수도 있다.
또한 휴대 전화기(2100)는 외부 접속 포트(2104)를 가지고, 커넥터를 통하여 다른 정보 단말기와 직접 데이터를 송수신할 수 있다. 또한, 외부 접속 포트(2104)를 통하여 충전을 수행할 수도 있다. 또한, 충전 동작은 외부 접속 포트(2104)를 통하지 않고 무선 급전에 의하여 수행하여도 좋다.
휴대 전화기(2100)는 센서를 가지는 것이 바람직하다. 센서로서는 예를 들어 지문 센서, 맥박 센서, 체온 센서 등의 인체 센서, 터치 센서, 가압 센서, 및 가속도 센서 등 중 적어도 하나가 탑재되는 것이 바람직하다.
도 25의 (B)는 복수의 로터(2302)를 가지는 무인 항공기(2300)이다. 무인 항공기(2300)는 드론이라고 불리는 경우도 있다. 무인 항공기(2300)는 본 발명의 일 형태인 축전 시스템(2301)과, 카메라(2303)와, 안테나(도시하지 않았음)를 가진다. 무인 항공기(2300)는 안테나를 통하여 원격 조작할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템은 안전성이 높기 때문에, 장기간에 걸쳐 장시간 안전하게 사용할 수 있어, 무인 항공기(2300)에 탑재하는 이차 전지로서 적합하다.
또한 도 25의 (C)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 형태의 축전 시스템(2602)을 하이브리드 자동차(HV), 전기 자동차(EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHV), 또는 그 외의 전자 기기에 탑재하여도 좋다. 축전 시스템(2602)은 복수의 이차 전지(2601)를 가진다.
도 25의 (D)에 축전 시스템(2602)이 탑재된 차량의 일례를 나타내었다. 차량(2603)은 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 전기 자동차이다. 또는 주행을 위한 동력원으로서 전기 모터와 엔진을 적절히 선택하여 사용할 수 있는 하이브리드 자동차이다. 전기 모터를 사용하는 차량(2603)은 복수의 ECU(Electronic Control Unit)를 가지고, ECU에 의하여 엔진 제어 등을 수행한다. ECU는 마이크로컴퓨터를 포함한다. ECU는 전동 차량에 제공된 CAN(Controller Area Network)에 접속된다. CAN은 차량 내 LAN으로서 사용되는 직렬 통신 규격의 하나이다. 본 발명의 일 형태의 축전 시스템을 ECU의 전원으로서 기능시킴으로써, 안전성이 높고, 항속 거리가 긴 차량을 실현할 수 있다.
축전 시스템은 전기 모터(도시하지 않았음)를 구동시킬 뿐만 아니라, 헤드라이트 및 실내등 등의 발광 장치 중 하나 이상에 전력을 공급할 수 있다. 또한 축전 시스템은 차량(2603)이 가지는 속도계, 태코미터, 내비게이션 시스템 등의 표시 장치 및 반도체 장치에 전력을 공급할 수 있다.
차량(2603)은 축전 시스템(2602)이 가지는 이차 전지(2601)에 플러그인 방식 또는 비접촉 급전 방식 등으로 외부의 충전 설비로부터 전력을 공급받음으로써 충전될 수 있다.
도 25의 (E)는 지상 설치형 충전 장치(2604)로부터 케이블을 통하여 차량(2603)을 충전하는 상태를 도시한 것이다. 충전 시의 충전 방법 및 커넥터의 규격 등은 CHAdeMO(등록 상표) 또는 콤보 등 소정의 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 예를 들어 플러그인 기술을 이용하여, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 차량(2603)에 탑재된 축전 시스템(2602)을 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수행할 수 있다. 충전 장치(2604)는 도 25의 (E)와 같이 주택에 제공된 것이어도 좋고, 상용 시설에 제공된 충전 스테이션이어도 좋다.
또한, 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하여 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는, 도로 또는 외벽에 송전 장치를 설치함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 시에도 충전할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량끼리 전력의 송수신을 하여도 좋다. 또한 차량의 외장부에 태양 전지를 제공하여, 정차 시 또는 주행 시에 이차 전지를 충전하여도 좋다. 이러한 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식 및 자기장 공명 방식을 이용할 수 있다.
다음으로 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 예에 대하여, 도 26의 (A) 및 (B)를 사용하여 설명한다.
또한, 도 26의 (A)에 도시된 주택은 본 발명의 일 형태인 제어 회로와, 이차 전지를 가지는 축전 시스템(2612)과 태양 전지판(2610)을 가진다. 축전 시스템(2612)은 배선(2611) 등을 통하여 태양 전지판(2610)과 전기적으로 접속되어 있다. 또한 축전 시스템(2612)과 지상 설치형 충전 장치(2604)가 전기적으로 접속되어도 좋다. 태양 전지판(2610)으로 얻은 전력으로 축전 시스템(2612)을 충전할 수 있다. 또한 축전 시스템(2612)에 저장된 전력으로 차량(2603)이 가지는 축전 시스템(2602)을 충전 장치(2604)를 통하여 충전할 수 있다. 축전 시스템(2612)은 바닥 아래 공간부에 설치되는 것이 바람직하다. 바닥 아래 공간부에 설치함으로써, 바닥 위의 공간을 유효하게 이용할 수 있다. 또는, 축전 시스템(2612)은 바닥 위에 설치되어도 좋다.
축전 시스템(2612)에 저장된 전력은 주택 내의 다른 전자 기기에도 공급될 수 있다. 따라서, 정전 등으로 인하여 상용 전원으로부터 전력을 공급받을 수 없을 때에도, 본 발명의 일 형태의 축전 시스템(2612)을 무정전 전원으로서 사용하면, 전자 기기를 이용할 수 있게 된다.
도 26의 (B)는 본 발명의 일 형태의 축전 시스템의 일례를 나타낸 것이다. 도 26의 (B)에 나타낸 바와 같이, 건물(799)의 바닥 아래 공간부(796)에는 본 발명의 일 형태인 축전 시스템(791)이 설치되어 있다.
축전 시스템(791)에는 제어 장치(790)가 설치되어 있고, 제어 장치(790)는 배선을 통하여 분전반(703), 축전 컨트롤러(705)(제어 장치라고도 함), 표시기(706), 및 라우터(709)와 전기적으로 접속되어 있다.
상용 전원(701)으로부터 인입선 장착부(710)를 통하여 전력이 분전반(703)으로 송신된다. 또한, 분전반(703)에는 축전 시스템(791)과 상용 전원(701)으로부터 전력이 송신되고, 분전반(703)은 송신된 전력을 콘센트(도시하지 않았음)를 통하여 일반 부하(707) 및 축전계 부하(708)에 공급한다.
일반 부하(707)는, 예를 들어 텔레비전 또는 퍼스널 컴퓨터 등의 전기 기기이고, 축전계 부하(708)는, 예를 들어 전자 레인지, 냉장고, 에어컨디셔너 등의 전기 기기이다.
축전 컨트롤러(705)는 계측부(711)와, 예측부(712)와, 계획부(713)를 가진다. 계측부(711)는 하루(예를 들어 0시부터 24시까지)에 일반 부하(707) 및 축전계 부하(708)에 의하여 소비된 전력량을 계측하는 기능을 가진다. 또한, 계측부(711)는 축전 시스템(791)의 전력량과 상용 전원(701)으로부터 공급된 전력량을 계측하는 기능을 가져도 좋다. 또한, 예측부(712)는 하루에 일반 부하(707) 및 축전계 부하(708)에 의하여 소비된 전력량에 의거하여, 다음날에 일반 부하(707) 및 축전계 부하(708)에 의하여 소비되는 수요 전력량을 예측하는 기능을 가진다. 또한, 계획부(713)는 예측부(712)가 예측한 수요 전력량에 의거하여, 축전 시스템(791)의 충방전 계획을 세우는 기능을 가진다.
계측부(711)로 계측된, 일반 부하(707) 및 축전계 부하(708)에 의하여 소비된 전력량은 표시기(706)를 사용하여 확인할 수 있다. 또한, 라우터(709)를 통하여 텔레비전 및 퍼스널 컴퓨터 등의 전기 기기에서 확인할 수도 있다. 또한, 라우터(709)를 통하여 스마트폰 및 태블릿 등의 휴대 전자 단말기로도 확인할 수 있다. 또한, 표시기(706), 전기 기기, 휴대 전자 단말기로, 예측부(712)가 예측한 시간대별(또는 1시간당) 수요 전력량 등도 확인할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
(본 명세서 등의 기재에 관한 부기)
앞의 실시형태 및 실시형태에서의 각 구성의 설명에 대하여 이하에서 부기한다.
각 실시형태에 기재된 구성은, 다른 실시형태에 기재된 구성과 적절히 조합하여 본 발명의 일 형태로 할 수 있다. 또한 하나의 실시형태에 복수의 구성예가 기재되는 경우에는 구성예를 적절히 조합할 수 있다.
또한 어떤 하나의 실시형태에서 기재하는 내용(일부 내용이어도 좋음)은, 그 실시형태에서 설명하는 다른 내용(일부 내용이어도 좋음) 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 설명하는 내용(일부 내용이어도 좋음)에 대하여 적용, 조합, 또는 치환 등을 수행할 수 있다.
또한 실시형태에서 설명하는 내용이란, 각 실시형태에서 다양한 도면을 사용하여 설명하는 내용 또는 명세서에 기재되는 문장을 사용하여 설명하는 내용을 말한다.
또한 어떤 하나의 실시형태에서 설명하는 도면(일부이어도 좋음)은, 그 도면의 다른 부분, 그 실시형태에서 설명하는 다른 도면(일부이어도 좋음), 및/또는 하나 또는 복수의 다른 실시형태에서 설명하는 도면(일부이어도 좋음)과 조합함으로써, 더 많은 도면을 구성할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 블록도에서는 구성 요소를 기능마다 분류하고 서로 독립된 블록으로서 나타내었다. 그러나, 실제의 회로 등에서는 구성 요소를 기능마다 분류하기가 어렵고, 하나의 회로에 복수의 기능이 관련되는 경우, 또는 복수의 회로에 하나의 기능이 관련되는 경우가 있을 수 있다. 그러므로 블록도의 블록은 명세서에서 설명한 구성 요소에 한정되지 않고, 상황에 따라 적절히 바꿔 말할 수 있다.
또한 도면에서 크기, 층의 두께, 또는 영역은 설명의 편의상 임의의 크기로 나타낸 것이다. 따라서 반드시 그 스케일에 한정되는 것은 아니다. 또한 도면은 명확성을 위하여 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타낸 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다. 예를 들어 노이즈에 기인한 신호, 전압, 또는 전류의 편차, 혹은 타이밍의 어긋남으로 인한 신호, 전압, 또는 전류의 편차 등을 포함할 수 있다.
본 명세서 등에서 트랜지스터의 접속 관계를 설명하는 경우, "소스 및 드레인 중 한쪽"(또는 제 1 전극 또는 제 1 단자), 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 "소스 및 드레인 중 다른 쪽"(또는 제 2 전극 또는 제 2 단자)이라는 표기를 사용한다. 이는, 트랜지스터의 소스와 드레인은 트랜지스터의 구조 또는 동작 조건 등에 따라 바뀌기 때문이다. 또한 트랜지스터의 소스와 드레인이라는 호칭은, 소스(드레인) 단자, 소스(드레인) 전극 등, 상황에 따라 적절히 바꿔 말할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 "전극" 및 "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" 및 "배선"이라는 용어는 복수의 "전극" 및 "배선"이 일체가 되어 형성되는 경우 등도 포함한다.
또한 본 명세서 등에서 전압과 전위는 적절히 바꿔 말할 수 있다. 전압은 기준이 되는 전위로부터의 전위차를 가리키고, 예를 들어 기준이 되는 전위를 그라운드 전압으로 하면, 전압을 전위로 바꿔 말할 수 있다. 그라운드 전위는 반드시 0V를 의미하는 것은 아니다. 또한 전위는 상대적인 것이고, 기준이 되는 전위에 따라서는 배선 등에 인가되는 전위를 변화시키는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "막", "층" 등의 어구는, 경우에 따라 또는 상황에 따라 서로 바꿀 수 있다. 예를 들어, "도전층"이라는 용어를 "도전막"이라는 용어로 변경할 수 있는 경우가 있다. 또는 예를 들어 "절연막"이라는 용어를 "절연층"이라는 용어로 변경할 수 있는 경우가 있다.
본 명세서 등에서 스위치란, 도통 상태(온 상태) 또는 비도통 상태(오프 상태)가 되어 전류를 흘릴지 여부를 제어하는 기능을 가지는 것을 말한다. 또는 스위치란, 전류를 흘리는 경로를 전환하는 기능을 가지는 것을 말한다.
본 명세서 등에서 채널 길이란, 예를 들어 트랜지스터의 상면도에서 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트가 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스와 드레인 사이의 거리를 말한다.
본 명세서 등에서 채널 폭이란, 예를 들어 반도체(또는 트랜지스터가 온 상태일 때 반도체 내에서 전류가 흐르는 부분)와 게이트 전극이 중첩되는 영역, 또는 채널이 형성되는 영역에서의 소스와 드레인이 대향하는 부분의 길이를 말한다.
본 명세서 등에서 "A와 B가 접속되어 있다"에는, A와 B가 직접 접속되어 있는 경우 외에, 전기적으로 접속되어 있는 경우도 포함되는 것으로 한다. 여기서 "A와 B가 전기적으로 접속되어 있다"란, A와 B 사이에 어떠한 전기적 작용을 가지는 대상물이 존재할 때, A와 B 사이에서 전기 신호의 수수가 가능한 경우를 말한다.
10: 용량 소자, 11: 트랜지스터, 51: 곡선, 52: 곡선, 99: 스위치, 99_1: 스위치, 99_2: 스위치, 99_3: 스위치, 110: 도전체, 111: 조전지, 113_1: 콤퍼레이터, 113_2: 콤퍼레이터, 113_3: 콤퍼레이터, 113_4: 콤퍼레이터, 113_5: 콤퍼레이터, 120a: 하부 전극, 120b: 상부 전극, 121: 제어부, 122: 전압 생성부, 127: 검출부, 128: 검출부, 130: 절연체, 131: 스위치, 140: 충전기, 141: 스위치, 150A: 파워 트랜지스터, 150B: 파워 트랜지스터, 152a: 절연체, 152b: 절연체, 155: 절연체, 190: 축전 시스템, 191: 제어 회로, 192: 이차 전지, 193: 부하, 210: 절연체, 286: 절연체, 287: 절연체, 311: 기판, 313: 반도체 영역, 314a: 저저항 영역, 314b: 저저항 영역, 315: 절연체, 316: 도전체, 320: 절연체, 322: 절연체, 324: 절연체, 326: 절연체, 328: 도전체, 330: 도전체, 350: 절연체, 352: 절연체, 354: 절연체, 356: 도전체, 357: 도전체, 400: 이차 전지, 401: 양극 캡, 413: 도전판, 414: 도전판, 415: 축전 시스템, 416: 배선, 420: 제어 회로, 421: 배선, 422: 배선, 423: 배선, 424: 도전체, 425: 절연체, 426: 배선, 501: 회로 기판, 509: 라벨, 511: 단자, 513: 이차 전지, 515: 실(seal), 517: 안테나, 519: 층, 531: 이차 전지 팩, 551: 양극 리드 및 음극 리드 중 한쪽, 552: 양극 리드 및 음극 리드 중 다른 쪽, 590: 제어 회로, 590a: 회로 시스템, 590b: 회로 시스템, 601: 양극 캡, 602: 전지 캔, 603: 양극 단자, 604: 양극, 605: 세퍼레이터, 606: 음극, 607: 음극 단자, 608: 절연판, 609: 절연판, 611: PTC 소자, 613: 안전 밸브 기구, 701: 상용 전원, 703: 분전반, 705: 축전 컨트롤러, 706: 표시기, 707: 일반 부하, 708: 축전계 부하, 709: 라우터, 710: 인입선 장착부, 711: 계측부, 712: 예측부, 713: 계획부, 790: 제어 장치, 791: 축전 시스템, 796: 바닥 아래 공간부, 799: 건물, 911a: 단자, 911b: 단자, 913: 이차 전지, 930: 하우징, 931: 음극, 931a: 음극 활물질층, 932: 양극, 932a: 양극 활물질층, 933: 세퍼레이터, 950a: 권회체, 951: 단자, 952: 단자, 1201: 칩, 1202: 범프, 1203: 프린트 기판, 1213: 아날로그 연산부, 1221: DRAM, 1222: FeRAM, 1223: 집적 회로, 1225: 칩, 2100: 휴대 전화기, 2101: 하우징, 2102: 표시부, 2103: 조작 버튼, 2104: 외부 접속 포트, 2105: 스피커, 2106: 마이크로폰, 2107: 축전 시스템, 2300: 무인 항공기, 2301: 축전 시스템, 2302: 로터, 2303: 카메라, 2601: 이차 전지, 2602: 축전 시스템, 2603: 차량, 2604: 충전 장치, 2610: 태양 전지판, 2611: 배선, 2612: 축전 시스템, 7000: 로봇, 7100: 휴대 표시 장치, 7101: 하우징, 7102: 표시부, 7103: 조작 버튼, 7104: 축전지, 7120: 비행체, 7140:로봇 청소기, 7160: 전기 자동차, 7200: 휴대 정보 단말기, 7201: 하우징, 7202: 표시부, 7203: 밴드, 7204: 버클, 7205: 조작 버튼, 7206: 입출력 단자, 7207: 아이콘, 7210: 스마트폰, 7220: PC, 7240: 게임기, 7260: 게임기, 7262: 컨트롤러, 7400: 휴대 전화기, 7401: 하우징, 7402: 표시부, 7403: 조작 버튼, 7404: 외부 접속 포트, 7405: 스피커, 7406: 마이크로폰, 7407: 축전지, 7408: 제어 회로, 8000: 표시 장치, 8001: 하우징, 8002: 표시부, 8003: 스피커부, 8004: 이차 전지, 8005: 음성 입력 디바이스, 8007: 스피커, 8008: 표시부, 8009: 휴대 정보 단말기, 8010: 충전 모듈, 8021: 충전 장치, 8022: 케이블, 8024: 축전 시스템, 8100: 조명 장치, 8101: 하우징, 8102: 광원, 8103: 이차 전지, 8104: 천장, 8105: 측벽, 8106: 바닥, 8107: 창문, 8200: 실내기, 8201: 하우징, 8202: 송풍구, 8203: 이차 전지, 8204: 실외기, 8300: 전기 냉동 냉장고, 8301: 하우징, 8302: 냉장실용 문, 8303: 냉동실용 문, 8304: 이차 전지, 8400: 자동차, 8401: 헤드라이트, 8406: 전기 모터, 8500: 자동차, 8600: 수쿠터, 8601: 사이드 미러, 8602: 축전 시스템, 8603: 방향 지시등, 8604: 좌석 아래 수납 공간, 8700: 전기 자전거, 8701: 축전지, 8702: 축전 시스템, 8703: 표시부, 8704: 제어 회로, 9600: 태블릿형 단말기, 9601: 노트북형 퍼스널 컴퓨터, 9625: 스위치, 9626: 스위치, 9627: 전원 스위치, 9628: 조작 스위치, 9629: 잠금부, 9630: 하우징, 9630a: 하우징, 9630b: 하우징, 9631: 표시부, 9633: 태양 전지, 9634: 제어 회로, 9635: 축전체, 9640: 가동부, 9650: 키보드부

Claims (13)

  1. 제 1 저항 회로와, 제 2 저항 회로와, 콤퍼레이터와, 기억 회로를 가지는 제어 회로로서,
    상기 콤퍼레이터는 제 1 입력 단자와, 제 2 입력 단자와, 상기 제 1 입력 단자와 상기 제 2 입력 단자의 비교 결과를 출력하는 제 1 출력 단자를 가지고,
    상기 제 1 저항 회로의 한쪽 단자는 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 저항 회로의 다른 쪽 단자는 상기 제 1 입력 단자와 상기 제 2 저항 회로의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고,
    상기 기억 회로는 제 1 데이터를 유지하는 기능을 가지고,
    상기 제어 회로는 상기 제 1 데이터를 사용하여 제 1 신호 및 제 2 신호를 생성하는 기능과, 상기 제 1 신호를 상기 제 1 저항 회로에 공급함으로써 상기 제 1 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 상기 제 2 신호를 상기 제 2 저항 회로에 공급함으로써 상기 제 2 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과, 상기 제 1 출력 단자로부터의 출력에 따라 상기 이차 전지의 충전 및 방전 중 한쪽을 정지하는 기능을 가지고,
    상기 기억 회로는 강유전체층을 사용한 용량 소자를 가지는, 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 저항 회로는 하나의 저항 소자와 하나의 스위치의 세트를 복수로 가지고,
    상기 하나의 저항 소자와 상기 하나의 스위치의 상기 세트에 있어서, 상기 하나의 스위치는 상기 하나의 저항 소자에 흐르는 전류를 변동시키는 기능을 가지고,
    상기 제 1 신호를 사용하여 상기 복수의 세트가 가지는 각각의 상기 스위치의 동작을 제어하는 기능을 가지는, 제어 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 입력 단자에는 충전 전압의 상한에 대응하는 신호 또는 방전 전압의 하한에 대응하는 신호가 공급되는, 제어 회로.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 3 저항 회로와 제 2 콤퍼레이터를 가지고,
    상기 제 2 콤퍼레이터는 제 3 입력 단자와, 제 4 입력 단자와, 상기 제 3 입력 단자와 상기 제 4 입력 단자의 비교 결과를 출력하는 제 2 출력 단자를 가지고,
    상기 제 2 저항 회로의 다른 쪽 단자는 상기 제 3 입력 단자와 상기 제 3 저항 회로의 한쪽 단자에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 저항 회로의 다른 쪽 단자는 상기 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되고,
    상기 제어 회로는,
    상기 제 1 데이터를 사용하여 제 3 신호를 생성하는 기능과,
    상기 제 3 신호를 상기 제 3 저항 회로에 공급함으로써 상기 제 3 저항 회로의 저항을 조정하는 기능과,
    상기 제 2 출력 단자의 출력에 따라 상기 이차 전지의 충전 및 방전 중 다른 쪽을 정지하는 기능을 가지는, 제어 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    충전 전압의 상한에 대응하는 신호 및 방전 전압의 하한에 대응하는 신호 중 한쪽이 상기 제 2 입력 단자에 공급되고 다른 쪽이 상기 제 4 입력 단자에 공급되는, 제어 회로.
  6. 제어 회로로서,
    이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되는 제 1 단자와,
    상기 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되는 제 2 단자와,
    상기 이차 전지와 충전기 또는 부하의 전기적 접속을 제어하는 파워 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는 제 3 단자와,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자에 전기적으로 접속되는 검출부와,
    상기 검출부에 전기적으로 접속되는 제어부와,
    상기 제어부에 전기적으로 접속되는 기억 회로를 가지고,
    상기 기억 회로는 한 쌍의 전극 사이에 강유전체층을 가진 메모리 셀과, 상기 메모리 셀에 전기적으로 접속된 트랜지스터와, 상기 메모리 셀로부터의 신호가 출력되는 디코더를 가지고,
    상기 검출부는 상기 기억 회로에 저장된 데이터를 바탕으로 저항이 조정된 저항 회로를 가지고,
    상기 제어부는 상기 검출부로부터 입력되는 참조 전위와 상기 제 1 단자의 전위 또는 상기 제 2 단자의 전위의 비교 결과에 의거하여 상기 이차 전지가 과방전 상태에 있다고 판단하는 기능과, 상기 과방전 상태에 있다고 판단되었을 때 상기 제 3 단자에 상기 파워 트랜지스터를 오프 상태로 하는 신호를 출력하는 기능을 가지는, 제어 회로.
  7. 제어 회로로서,
    이차 전지의 양극에 전기적으로 접속되는 제 1 단자와,
    상기 이차 전지의 음극에 전기적으로 접속되는 제 2 단자와,
    상기 이차 전지와 충전기 또는 부하의 전기적 접속을 제어하는 파워 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되는 제 3 단자와,
    상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자에 전기적으로 접속되는 검출부와,
    상기 검출부에 전기적으로 접속되는 제어부와,
    상기 제어부에 전기적으로 접속되는 기억 회로를 가지고,
    상기 기억 회로는 한 쌍의 전극 사이에 강유전체층을 가지는 메모리 셀과, 상기 메모리 셀에 전기적으로 접속된 트랜지스터와, 상기 메모리 셀로부터의 신호가 출력되는 디코더를 가지고,
    상기 검출부는 상기 기억 회로에 저장된 데이터를 바탕으로 저항이 조정된 저항 회로를 가지고,
    상기 제어부는 상기 검출부로부터 입력되는 참조 전위와 상기 제 1 단자의 전위 또는 상기 제 2 단자의 전위의 비교 결과에 의거하여 상기 이차 전지가 과충전 상태에 있다고 판단하는 기능과, 과충전 상태에 있다고 판단되었을 때 상기 제 3 단자에 상기 파워 트랜지스터를 오프 상태로 하는 신호를 출력하는 기능을 가지는, 제어 회로.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 기억 회로로의 데이터의 기록은 상기 제어 회로의 외부로부터 신호가 공급되어 수행되고, 상기 제어 회로는 상기 외부로부터의 신호가 입력되는 제 4 단자를 가지는, 제어 회로.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기억 회로가 가지는 강유전체층이 가지는 상기 강유전성 재료는 하프늄 및 지르코늄을 포함하는 산화물을 가지는, 제어 회로.
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체층이 가지는 강유전성 재료의 결정 구조는 직방정(orthorhombic crystal)인, 제어 회로.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기억 회로가 가지는 상기 한 쌍의 전극은 질화 타이타늄을 포함하는, 제어 회로.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 Si 트랜지스터인, 제어 회로.
  13. 전자 기기로서,
    제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 제어 회로와,
    이차 전지를 가지는, 전자 기기.
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