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KR100392372B1 - 박막 이차전지를 원격 충전할 수 있는 전력 공급장치 및그를 구비하는 미세 장치 - Google Patents

박막 이차전지를 원격 충전할 수 있는 전력 공급장치 및그를 구비하는 미세 장치 Download PDF

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KR100392372B1
KR100392372B1 KR10-2000-0059752A KR20000059752A KR100392372B1 KR 100392372 B1 KR100392372 B1 KR 100392372B1 KR 20000059752 A KR20000059752 A KR 20000059752A KR 100392372 B1 KR100392372 B1 KR 100392372B1
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power supply
film secondary
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류광선
김광만
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장순호
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 원거리에서 박막 이차전지를 충전시킬 수 있는 전력공급 장치와 그를 구비하는 미세 장치에 관한 것으로, 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시키는 원격 전력공급 장치 및 박막 이차전지를 구비하여 도선 연결 없이 원거리에서도 전자기파를 이용하여 박막 이차전지를 충전시키는데 그 특징이 있다. 또한 본 발명은 일체화된 원격 전력공급 장치 및 박막 이차전지를 구비하는 장치를 제공함으로써 에너지 공급 시스템이 차지하는 공간을 극소화하여 미세 장치의 집적도를 높이는데 다른 특징이 있다.

Description

박막 이차전지를 원격 충전할 수 있는 전력 공급장치 및 그를 구비하는 미세 장치{Power supply device capable of remote-charging thin film battery and device having the same}
본 발명은 극소형 소자에 관한 것으로, 특히 박막 이차전지의 원거리 충전이 가능한 전력공급 장치와 그를 구비하는 미세 장치에 관한 것이다.
박막 이차전지는 부피가 매우 작기 때문에 MEMS(microelectromechanical system) 소자와 같은 극소형 소자, 각종 소형 센서 및 스마트 카드 등에 사용할 수 있다.
도 1은 박막 이차전지의 구조를 보이는 단면도로서, 기판(10), 상기 기판(10) 상에 각각 형성된 양극전하 집전체(current collector, 11) 및 음극전하 집전체(12), 양극전하 집전체(11) 상에 형성된 양극박막(13), 양극박막(13)의 상부 표면 및 측면을 덮는 고체 전해질막(14), 고체 전해질막(14) 상에 형성되며 음극전하 집전체(12)와 연결된 음극 박막(15)으로 이루어지는 박막 이차전지를 보이고 있다. 박막전지의 제조 기술에 대해서는 미국특허 '5,338,625호'에 개시되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
극소형 소자의 에너지 공급원으로 각광 받고 있는 박막 이차전지는 크기가 작고, 수 천회 이상 충-방전이 가능할 만큼 긴 사이클 라이프(cycle life)를 가지는 장점이 있다.
그러나 박막 이차전지는 방전용량을 좌우하는 양극물질의 양이 적기 때문에 방전용량이 작고 자체 내에 저장되어 있는 전력이 쉽게 소모되며, 그에 따라 자주 충전시켜야 한다. 또한 박막 이차전지가 이용되는 극소형 소자들은 하나의 칩 안에 실장되거나 구조물 내에 내장되고, 소자의 기능이 수행되는 동안 외부와의 도선 연결이 어려운 경우가 많다. 따라서, 박막 이차전지로부터 전력을 공급받을 수 있는 대부분의 소자들은 구조적인 이유로 또는 소자가 기능을 수행하는 동안 외부와 단절되어 있는 경우가 많아 소자의 사용 중 박막 이차 전지 내의 방전용량이 다하면 충전시켜 재사용하기 어려운 문제점을 가지고 있다.
그 예로서, 신호처리를 위한 IC 칩, 외부에서 가해지는 전자기장을 수신하여 IC칩을 구동시키는 안테나 및 전력 공급을 위한 박막형 전지를 구비하는 스마트 카드의 경우 박막형 전지의 방전용량에 따라 스마트 카드의 작동시간이 결정된다.
따라서, 직접적인 도선 연결 없이도 원거리에서 스마트 카드 등과 같은 장치 내의 박막 이차전지를 충전시킬 수 있는 전력공급 장치가 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 원거리에서 박막 이차전지를충전시킬 수 있는 전력공급 장치와 그를 구비하는 미세 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 박막 이차전지의 단면도,
도 2는 본 발명에 따라 박막 이차전지를 원격 충전할 수 있는 전력 공급장치를 포함하는 미세 장치의 구성도,
도 3a는 일체화된 원격 전력공급 장치 및 박막 이차전지의 구조를 3차원적으로 분해하여 보이는 사시도,
도 3b는 도 3a의 A-A' 선을 따른 단면도.
도 4는 플라스틱 내에 본 발명에 따른 전력 공급장치를 구비하는 스마트 카드의 구조를 보이는 평면도.
*도면의 주요부분에 대한 도면 부호의 설명*
100: 박막 이차전지 200: 원격 전력공급 장치
300: IC 칩 21: 마이크로 스트립 안테나
22: 다이오드 23: 저역통과 필터
30: 기판 31: 양극전하 집전체
32: 음극전하 집전체 33: 양극 박막
34: 고체 전해질막 35: 음극 박막
36: 보호막 37, 38, 39: 배선
40: 플라스틱
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 박막 이차전지에 의해 구동되는 신호처리 수단을 포함하는 장치에 있어서, 박막 이차전지; 상기 박막 이차전지를 덮는 절연막; 상기 절연막 상에 위치하며 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단; 상기 절연막을 통하여 상기 박막 이차전지와 상기 원격 전력공급 수단을 연결하는 배선; 및 상기 박막 이차전지로부터 전력을 인가받아 동작하는 신호처리 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 박막 이차전지에 의해 구동되는 신호처리 수단을 포함하는 장치에 있어서, 기판, 상기 기판 상에 분리되어 형성된 양극전하 집전체 및 음극전하 집전체, 상기 양극전하 집전체 상에 형성된 양극박막, 상기 양극박막을 덮는 전해질막, 상기 전해질막을 덮으며 상기 음극전하 집전체와 연결되는 음극 박막을 포함하는 박막 이차전지; 상기 박막 이차전지를 덮는 절연막; 상기 절연막 상에 위치하며 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단; 상기 절연막을 통하여 상기 원격 전력공급 수단과 상기 박막 이차전지를 연결하는 배선; 및 상기 박막 이차전지로부터 전력을 인가받아 동작하는 신호처리 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력공급 수단으로서 박막 이차전지를 포함하는 장치에 있어서, 박막 이차전지; 상기 박막 이차전지를 덮는 절연막; 전자기파 수신수단, 상기 전자기파 수신수단에 연결된 정류수단 및 상기 전기전자기파 수신수단에 연결된 여과수단으로 이루어지며 상기 절연막 상에 위치하는 원격 전력공급수단; 및 상기 절연막을 통해 상기 여과수단과 상기 박막 이차전지를 연결하여 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 배선을 포함하는 장치를 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전력공급 수단으로서 박막 이차전지를 포함하는 장치에 있어서, 기판, 상기 기판 상에 각각 분리되어 위치하는 양극전하 집전체 및 음극전하 집전체, 상기 양극전하 집전체 상에 형성된 양극박막, 상기 양극박막을 덮는 전해질막, 상기 전해질막을 덮으며 상기 음극전하 집전체와 연결된 음극 박막을 포함하는 박막 이차전지; 상기 박막 이차전지를 덮는 절연막; 상기 절연막 상에 형성 위치하며, 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지의 충전 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단; 및 상기 절연막을 통하여 상기 박막 이차전지와 상기 원격 전력공급 수단을 연결하는 배선을 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명은 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시키는 원격 전력공급 장치 및 박막 이차전지를 구비하여 도선 연결 없이 원거리에서도 전자기파를 이용하여 박막 이차전지를 충전할 수 있는 전력 공급장치를 제공하는데 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 일체화된 원격 전력공급 장치 및 박막 이차전지를 구비하는 전력공급 장치를 제공함으로써 에너지 공급 시스템이 차지하는 공간을 극소화하여 미세 장치의 집적도를 높이는데 다른 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급장치와 그를 구비하는 미세 장치 및 스마트 카드를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 장치의 구성을 보이는 평면도로서, 외부에서 공급된 전자기파를 수신하는 마이크로 스트립 안테나(21), 상기 수신된 전자기파로부터 발생된 전압을 정류하는 다이오드(22) 및 상기 전압 중 고주파 성분을 제거하기 위한 저역통과 필터(23)를 포함하는 원격 전력공급 장치(200)와 상기 원격 전력공급 장치로부터 전압을 인가받아 충전되는 박막 이차전지(100)로 이루어지는 전력 공급장치, 상기 박막 이차전지(100)로부터 전원을 공급받아 신호를 처리하는 IC 칩(300)으로 이루어지는 미세 장치를 보이고 있다.
원격 전력공급 장치의 공진주파수에 해당하는 전자기파가 마이크로 스트립안테나(21)에 유기되면, 마이크로 스트립 안테나(21)에는 유기된 전자기파에 의해 전압이 발생되고 이러한 전압은 다이오드(22)에 의해 정류됨으로써, DC성분과 고주파 성분이 복합된 전압이 마이크로 스트립 안테나(21) 상에 분포하게 되고, 저역통과 필터(23)에 의해 고주파 성분이 제거됨으로써 DC 성분이 박막 이차전지(100)에 전달된다. 이와 같이 원격 전력공급 장치에 의해 충전되는 박막 이차전지(100)에 저장된 에너지는 IC 칩(300) 등과 같은 동작 소자를 구동시키는 데 사용된다.
본 발명의 실시예에 따른 전력공급 장치의 구성을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한다. 도 3a는 본 발명에 따른 전력 공급장치 구조를 보다 명료하게 보이기 위하여 실제로는 일체된 박막 이차전지(100)와 원격 전력 공급장치(200)를 분리하여 3차원적으로 보이고 있다. 도 3b는 도 3a의 A-A'선을 따른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 전력공급 장치는, 기판(30), 상기 기판(30) 상에 각각 형성된 양극전하 집전체(31) 및 음극전하 집전체(32), 양극전하 집전체(31) 상에 형성된 양극박막(33), 양극박막(33)의 상부 표면 및 측면을 덮는 고체 전해질막(34), 고체 전해질막(34)을 덮으며 음극전하 집전체(32)와 연결된 음극 박막(35)으로 이루어지는 박막 이차전지(100)와 박막 이차전지(100)와 원격 전력공급 장치(200)를 물리적, 전기적으로 분리시키기 위한 보호막(encapsulation layer, 36), 보호막(36) 상에 형성된 마이크로 스트립 안테나(21), 저역통과 필터(23), 마이크로 스트립 안테나(21)와 저역통과 필터(23)의 연결 배선(39)을 포함하는 원격 전력공급 장치(300), 그리고 보호막(36)을 통하여저역통과 필터(23)와 박막 이차전지(300)의 양극전하 집전체(31) 및 음극전하 집전체(32) 각각과 연결되는 배선(37, 38)을 포함한다.
상기 마이크로 스트립 안테나(21)는 그 내부에 다이오드(도시하지 않음)를 포함한다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 전력공급 장치 제조 과정에서 절연막인 보호막(36) 상에 원격 전력공급 장치를 형성하기 위해서 평탄화공정(planarization)을 거쳐 보호막(26) 표면을 다듬는다. 또한, 배선(37, 38)은 포토레지스터(photo-resister)를 이용한 선택적 식각 과정을 통해 보호막(36)의 일부를 제거하고, 그 위에 도전체를 증착하고 패터닝하여 박막 이차전지의 양극 또는 음극전하 집전체(31, 32)와 전기적으로 연결시키는 과정을 통하여 형성한다.
도 4는 플라스틱(40) 내에 박막이차 전지(100)와 그 내부에 다이오드(도시하지 않음)가 형성된 마이크로 스트립 안테나(21) 및 저역통과 필터(23)를 포함하는 원격 전력공급 장치(200) 그리고 IC 칩(300)으로 이루어지는 스마트 카드를 보이고 있다. 도 4에서 도면부호 '37' 및 '38'은 각각 저역통과 필터(23)와 박막 이차전지(100)의 음극과 양극의 연결배선을 나타내고, '39'는 마이크로 스트립 안테나(21)와 저역통과 필터(23)의 연결배선을 나타낸다.
상기 박막 이차전지(100)와 원격 전력공급 장치(200)는 도 3a 및 도 3b에 보이는 바와 같은 일체형으로 이루어진다.
원격 전력공급 장치(200)의 공진주파수에 해당하는 전자기파가 스마트 카드내의 마이크로 스트립 안테나(21)에 수신되면, 마이크로 스트립 안테나(21)에는 전자기파에 의해 전압이 발생되고, 이러한 전압은 다이오드에 의해 정류되고 DC성분과 고주파 성분이 복합된 전압이 마이크로 스트립 안테나(21) 상에 분포하게 되고, 저역통과 필터(23)에 의해 고주파 성분이 제거됨으로써 DC 성분이 박막 이차전지(100)에 전달되고, 이와 같이 원격 전력공급 장치(200)에 의해 충전되는 박막 이차전지(100)의 에너지는 IC 칩(300)을 구동시키는 데 사용된다.
이와 같이 박막 이차전지를 충전할 수 있는 전력공급 장치를 구비하는 스마트 카드는 그 내부의 박막 이차전지를 카드 리더기 등을 통하여 원거리에서도 쉽게 충전을 할 수 있으므로 스마트 카드의 작동시간을 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 이루어지는 스마트 카드는 원거리에서 박막 이차 전지에 충전이 가능한 것은 물론, 소자 내에 에너지를 공급하는 부분이 차지하는 공간을 극소화시켜 시스템의 집적도를 높일 수 있고 소자와 하나의 칩 형태로 일체화시켜 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 전자기파를 이용하여 원거리에서도 박막이차전지를 충전할 수 있으며 소자와 일체화되어 에너지 공급 시스템의 면적을 극소화시키고 시스템의 집적도를 극대화시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 박막 이차전지에 의해 구동되는 신호처리 수단을 포함하는 장치에 있어서,
    박막 이차전지;
    상기 박막 이차전지를 덮는 절연막;
    상기 절연막 상에 위치하며 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단;
    상기 절연막을 통하여 상기 박막 이차전지와 상기 원격 전력공급 수단을 연결하는 배선; 및
    상기 박막 이차전지로부터 전력을 인가받아 동작하는 신호처리 수단
    을 포함하는 장치.
  3. 박막 이차전지에 의해 구동되는 신호처리 수단을 포함하는 장치에 있어서,
    기판, 상기 기판 상에 분리되어 형성된 양극전하 집전체 및 음극전하 집전체, 상기 양극전하 집전체 상에 형성된 양극박막, 상기 양극박막을 덮는 전해질막, 상기 전해질막을 덮으며 상기 음극전하 집전체와 연결되는 음극 박막을 포함하는 박막 이차전지;
    상기 박막 이차전지를 덮는 절연막;
    상기 절연막 상에 위치하며 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단;
    상기 절연막을 통하여 상기 원격 전력공급 수단과 상기 박막 이차전지를 연결하는 배선; 및
    상기 박막 이차전지로부터 전력을 인가받아 동작하는 신호처리 수단
    을 포함하는 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 원격 전력공급 수단은,
    상기 전자기파 수신수단; 및
    상기 수신된 전자기파로부터 발생된 전압을 정류하는 정류수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호처리 수단은 IC칩인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자기파 수신수단은 마이크로 스트립 안테나이고,
    상기 정류수단은 다이오드인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원격 전력공급 수단은,
    상기 전자기파 수신수단과 상기 박막 이차전지 사이에 여과수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 정류수단은 상기 전자기파 수신 수단 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 전력공급 수단으로서 박막 이차전지를 포함하는 장치에 있어서,
    박막 이차전지;
    상기 박막 이차전지를 덮는 절연막;
    전자기파 수신수단, 상기 전자기파 수신수단에 연결된 정류수단 및 상기 전기전자기파 수신수단에 연결된 여과수단으로 이루어지며 상기 절연막 상에 위치하는 원격 전력공급수단; 및
    상기 절연막을 통해 상기 여과수단과 상기 박막 이차전지를 연결하여 상기 박막 이차전지에 전력을 공급하는 배선
    을 포함하는 장치.
  10. 전력공급 수단으로서 박막 이차전지를 포함하는 장치에 있어서,
    기판, 상기 기판 상에 각각 분리되어 위치하는 양극전하 집전체 및 음극전하 집전체, 상기 양극전하 집전체 상에 형성된 양극박막, 상기 양극박막을 덮는 전해질막, 상기 전해질막을 덮으며 상기 음극전하 집전체와 연결된 음극 박막을 포함하는 박막 이차전지;
    상기 박막 이차전지를 덮는 절연막;
    상기 절연막 상에 형성 위치하며, 전자기파를 수신받아 전기적 에너지로 변환시켜 상기 박막 이차전지의 충전 전력을 공급하는 원격 전력공급 수단; 및
    상기 절연막을 통하여 상기 박막 이차전지와 상기 원격 전력공급 수단을 연결하는 배선
    을 포함하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 원격 전력공급 수단은,
    전자기파 수신수단; 및
    상기 전자기파 수신수단에 연결된 정류수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 수신수단은 마이크로 스트립 안테나이고,
    상기 정류수단은 다이오드인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 원격 전력공급 수단은,
    상기 전자기파 수신수단과 상기 박막 이차전지 사이에 여과수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 정류수단은 상기 전자기파 수신수단 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
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