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KR101792287B1 - 집적된 박막 배터리를 갖는 인쇄 회로 보드 - Google Patents

집적된 박막 배터리를 갖는 인쇄 회로 보드 Download PDF

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KR101792287B1
KR101792287B1 KR1020127008146A KR20127008146A KR101792287B1 KR 101792287 B1 KR101792287 B1 KR 101792287B1 KR 1020127008146 A KR1020127008146 A KR 1020127008146A KR 20127008146 A KR20127008146 A KR 20127008146A KR 101792287 B1 KR101792287 B1 KR 101792287B1
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printed circuit
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베른트 제이 노이데커
죠세프 에이 키팅
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사푸라스트 리써치 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 예컨대 박막 배터리 또는 다른 전기화학 전지를 인쇄 회로 보드 자신의 층 또는 층들 사이 또는 그 내부에 구비한 인쇄 회로 보드에 관한 것이다. 본 발명은 또한 예컨대 인쇄 회로 보드의 층 스택 내에 있는 전기화학 전지들에 관한 것이다.

Description

집적된 박막 배터리를 갖는 인쇄 회로 보드{PRINTED CIRCUIT BOARD WITH INTEGRATED THIN FILM BATTERY}
본 출원은 2009년 9월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/238,889호와 관련된 것이고, 35 U.S.C.§119(e)하에서 이 가특허 출원의 우선권을 청구하며, 이 가특허 출원의 내용은 참조로서 본 명세서내에 명백하게 통합된다.
본 발명분야는 예컨대 배터리를 비롯한 고체 상태, 박막 2차 및 1차 전기화학 디바이스들을 인쇄 회로 보드 자신의 층들 사이 및/또는 층들 내에 포함하고 있는 인쇄 회로 보드이다.
일반적인 전기화학 디바이스들은 예컨대, 애노드, 캐소드, 전해질, 기판 및 전류 콜렉터와 같은 다수의 전기적 활성층들을 포함한다. 몇몇의 층들, 예를 들어, 리튬을 포함한 애노드 층은 환경에 매우 민감한 물질들로 구성된다. 기판은 예컨대 개별적인 배터리 엘리먼트가 아닐 수 있고, 이 대신에 배터리가 부착되는 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB) 또는 반도체 디바이스의 반도체 표면 또는 도전성 또는 절연성 패키지 표면에 의해 기판이 제공될 수 있다. 이와 같은 배터리들은 환경에 민감한 물질을 보호하기 위해 캡슐화를 필요로 한다. 몇몇의 방식들은 금 포일(gold foil)을 통한 캡슐화와 같이, 전기화학 디바이스들의 민감층들을 캡슐화한다. 다른 방식들은 예컨대, 디바이스의 둘레 주위를 밀봉하는 금속 및 플라스틱으로 만들어진 파우치(pouch)로 디바이스를 캡슐화한다.
미국 특허 6,916,679 및 미국 공개 특허 출원들 2006/286448 A1, 2007/184345 A1, 2007/202395 A1, 2007/264564 A1, 2008/261107 A1, 2008/0286651, 및 미국 특허 출원 번호 61/179,953(이것들의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합됨)을 비롯한 본 출원인이 이전에 출원한 특허들 및 특허출원들은 어떠한 배터리 및 캡슐화 설계들과 기술들을 제공한다. 이러한 특허들 및 특허출원들은 예컨대 인쇄 회로 보드와 통합된 경우에 이점을 제공할 수 있는 배터리 유형들을 제공한다.
강체 또는 플렉시블 인쇄 회로 보드(PCB)의 표면상의 공간은 매우 제한적이고, 이에 따라 이러한 공간은 귀중하다. 그러므로, PCB 표면 공간을 절감시켜서 이를 보다 잘 활용할 수 있도록 보다 효율적으로 배터리와 같은 전기화학 전지를 PCB의 설계와 통합시킬 필요가 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 반도체 디바이스 또는 PCB와 같은 제품들과 함께 결합된 박막 배터리와 같은 전기화학 전지를 구현하는 실용성을 개선시킴으로써 종래기술 및 이와 다른 다양한 기술을 개선시킨다. 본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들에서, 완전 캡슐화된, 바람직하게는 열, 압력 및 수분 탄력적 전지가 PCB 내에 통합된다. PCB 제조 동안에 노출될 수 있는 응력 환경들을 전지가 견뎌낼 수 있도록 PCB와 전지는 합체될 수 있다. 다양한 실시예들은 갭, 보이드(void), 포켓(pocket), 공간 또는 다른 설계들을 통해 전지에 대한 내부적 및/또는 외부적 액세스를 제공한다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들에서, 전기화학 디바이스는 완전히 캡슐화된 상태로 PCB 또는 반도체 디바이스내로 통합될 수 있다. 하지만, PCB 내로의 전기화학 디바이스의 집적은 전기화학 디바이스를 물리적으로, 화학적으로, 및 생물학적으로 유해한 환경들로부터 보호해준다. 뿐만 아니라, PCB 내로의 전기화학 디바이스의 집적은 PCB에 대해 보다 많은 기능성을 추가시킬 수 있고, 많은 전자 응용들에 대한 기본 전력 구비된 전자장치 빌딩 블록으로서 PCB를 보다 가치있게 만든다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들에서, 박막 배터리를 비롯한 전기화학 전지와 같은 전자 모듈 및 컴포넌트를, 예컨대 미국 특허 출원 번호 11/748,471에서 개시된 바와 같이 인쇄 회로 보드(PCB)의 표면상에 삽입하는 것이 아니라, PCB내에 삽입시킴으로써 PCB 표면상의 공간을 절감시킬 수 있다.
또한, PCB를 삼차원으로 이용하는 것, 즉 다시 말하면 PCB의 표면에 전자 디바이스를 부착시키는 것 대신에 PCB 내로 전기화학 디바이스를 집적시키는 것은 단위 풋프린트(unit footprint) 당 기능 전자장치 밀도를 증가시킨다는 것을 생각할 수 있다.
PCB 내로 전자 모듈 및 컴포넌트를 삽입시키는 것은 또한 예컨대 기능화되거나 또는 로딩된 PCB들의 총 단면 두께를 제한시키는 것에 의해 이로울 수 있다. 집적된 PCB의 몇몇 응용들은 제한된 부피와 두께를 갖기 때문에, PCB의 두께를 제한시키는 것은 예컨대 기하학적인 이유로 바람직할 수 있다. 또한, 예컨대 진동, 원심력 및 가속도 등과 관련한 기계적 몸체의 모멘텀을 감소시키고 이 대신에 기계적 몸체의 주어진 질량을 자신의 무게중심에 가깝게 위치시키도록 하기 위해, PCB의 두께를 제한시키는 것은 기계적인 이유로 바람직할 수 있다. 예를 들어, PCB상에 실장된 세장형 캐패시터(예컨대, 자신의 긴 단자 다리로 인해 직경에 비해 기다란 높이 축을 갖는 캐패시터)는 캐패시터가 PCB로부터 전기적으로 접속해제되도록 야기시킬 수 있는 장기적 진동(long-term vibration)에 민감할 수 있다.
PCB 상에 전자 컴포넌트를 삽입하는 것이 아니라 PCB 내에 전자 컴포넌트를 삽입하는 것은 외부적인 화학적, 물리적 및 생물학적 요인들에 대한 이러한 전자 컴포넌트의 견고성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 전자 컴포넌트를 에워싸는 PCB는 높은 습도, 습기, 수분, 산소, 산염기에 의한 부식, 용제, UV 방사, 일시적인 극한적 (고 또는 저) 온도, 물체 스크래칭, 기계적 충격 및 미생물 침식에 대비한 추가적인 캡슐부 또는 보호층으로서 역할을 할 수 있다.
추가적으로, 전기화학 전지 또는 박막 배터리를 PCB 내에 이미 삽입된 전자 회로에 연결하여 제공하는 것은 이러한 유형의 전자 컴포넌트의 생산을 단순화시킬 수 있고 PCB들로의 전자 컴포넌트들의 부착 또는 솔더링에서의 사람의 실수를 방지시킬 수 있다. 그러므로, 집적된 전기화학 전지 또는 박막 배터리를 갖는 PCB는 가전제품 및 미니/마이크로 전자제품을 단순화시키고 소형화시키는 전자 회로에 대한 기본적인 전원 구비된 빌딩 블록으로서 이용될 수 있다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들의 목적은, 예컨대 PCB 내에 임베딩된 전기화학 전지의 횡측 연장을 PCB 표면의 서브영역만으로 한정시키는 것을 방지하는 것이다. 이 대신에, 전기화학 전지는 예컨대 도면들에서 도시된 바와 같이 PCB의 가장자리들을 넘어서 연장될 수 있다. 이러한 연장은 예컨대 전기화학 전지의 접촉부 또는 접촉부 영역에 대한 손쉬운 액세스를 제공할 수 있다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들의 또 다른 목적은, 어떠한 예시적인 도면들에서 도시된 바와 같이, 온통 전기절연층들만을 갖는 PCB를 이용하는 것과는 대조적으로, 예컨대 전지 위 또는 아래에 적어도 하나의 전기도전층을 갖는 PCB 내에 전지를 임베딩하는 것이다. 예컨대, 금속 기판 단자 및 금속 캡슐부 단자를 갖는 배터리를 포함한 실시예가 박막 배터리와 같은 에너지 전지 위와 아래에 절연층들을 포함한 설계에 비해 바람직할 수 있다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들의 또 다른 목적은, 임베딩된 전지 주위의 임의의 잠재적인 갭들을 채울 필요성을 방지해주고, 이 대신에 예컨대 이러한 영역에서 보이드 공간을 허용하는 것이다. 이러한 보이드는 예컨대 전지 또는 전지의 어떠한 부분들과의 접촉 또는 액세스를 가능하게 해줄 수 있다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들의 또 다른 목적은, 전지를 임베딩하기 위해 다수의 전기절연층들을 이용한 인쇄 회로 보드 구조물을 필요로 하는 것을 방지하는 것이다. 이 대신에, 전지는 예컨대 단일층 인쇄 회로 보드에 임베딩될 수 있다. 이 실시예는 예컨대 다른 실시예들보다 단순화되고 얇아질 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
예를 들어 전지 또는 박막 배터리를 PCB 내에 삽입시키는 것은 많은 이점들이 있다. 첫번째로, 어떠한 화학적, 물리적 및 생물학적 충격 인자들에 대하여 전지를 보호해주는 건축학적인 이점이 있다. 두번째로, 이와 같은 기술은, PCB와 전기화학 전지 또는 박막 배터리를 별개의 상품들로서 제공하는 경우로서 제품 제조 또는 집적 체인에서 고객이 PCB의 표면에만 전기화학 전지 또는 박막 배터리를 부착시킬 수 있는 경우보다 더 비용효율적일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 도전체 트레이스들을 포함한 두 개의 전기절연층들을 갖는 층 스택과, 상기 층들 사이에 삽입된 전기화학 전지를 포함하는 인쇄 회로 보드를 포함하고, 상기 전기절연층들 각각은 둘레(perimeter)를 가지며, 상기 전기화학 전지의 일부분은 상기 절연층들 중 하나의 절연층의 둘레를 넘어 횡측으로 연장한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 도전체 트레이스들을 포함한 두 개의 전기절연층들을 갖는 층 스택과, 전기도전층과, 상기 층 스택에 삽입된 전기화학 전지를 포함한 인쇄 회로 보드를 포함하며, 상기 전기화학 전지는 상기 층 스택의 전기절연층들과 상기 전기도전층 사이에서 임베딩된다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 도전체 트레이스들을 포함한 복수의 (예컨대, 두 개의) 전기절연층들을 갖는 층 스택과, 복수의 (예컨대, 두 개의) 전기도전층들과, 상기 층 스택에 삽입된 전기화학 전지를 포함한 인쇄 회로 보드를 포함하며, 상기 전기화학 전지는 상기 전기도전층들 사이에서 임베딩된다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 도전체 트레이스들을 포함한 복수의 (예컨대, 두 개의) 전기절연층들을 갖는 층 스택과, 상기 층 스택에 삽입된 전기화학 전지와, 상기 전기화학 전지의 가장자리에 위치한 갭을 포함한 인쇄 회로 보드를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 도전체 트레이스들을 포함한 하나의 전기절연층과, 상기 전기절연층 내부에 위치한 전기화학 전지를 포함한 인쇄 회로 보드를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 예컨대 PCB의 층들 사이에 제조된 배터리를 포함한다. 배터리는 예컨대, 제1 전기적 접촉부와, 제1 전기적 접촉부 및 제1 임베딩된 도전체와 결합된 접합층과, 제1 임베딩된 도전체를 통해 제1 전기적 접촉부와 선택적인 전기적 접촉을 이루며 PCB 내에 형성되거나 또는 배치될 수 있는 적어도 하나의 배터리 전지 구조물을 포함할 수 있다.
PCB와 결합된 접합층은 택일적인 제2 임베딩된 도전체와 같이, 하나 보다 많은 도전체를 가질 수 있고, 이어서 이 택일적인 제2 임베딩된 도전체는 상기 제1 전기적 접촉부와 PCB의 택일적인 선택적 전기적 접촉을 생성한다. 접합층과 적어도 하나의 배터리 전지 구조물은 PCB 내에서 포개어질(sandwiched) 수 있다.
제1 전기적 접촉부는 예컨대 캡슐부 금속을 포함할 수 있다. 접합층은 접착제 물질, 절연 물질, 플라스틱, 폴리머 물질, 유리 및/또는 유리섬유일 수 있다. 절연 강화층이 접합층 내에 임베딩될 수 있다. 이와 같은 강화층은 선택적으로 도전성일 수 있다. 도전체는 예컨대, 탭, 와이어, 금속 스트립, 금속 리본, 다중 와이어, 다중 금속 스트립, 다중 금속 리본, 와이어 메시, 다공 금속, 접착제 층 또는 디스크에 도포된 금속 코팅재일 수 있다. 도전체는 접합층 내에서 직조(woven)될 수 있고, 접합층은 슬릿을 포함할 수 있고, 임베딩된 도전체는 이 슬릿 내에서 직조된다.
배터리 전지 구조물은 애노드, 전해질, 캐소드 및 배리어 층을 포함할 수 있다. 캐소드는 예컨대 대류 노(convection furnace), 급속 열 어닐링법을 이용하거나 또는 레이저 어닐링 및/또는 결정화 공정에 의해 저온 또는 고온에서 어닐링되거나, 또는 전혀 어닐링되지 않을 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 박막 배터리를 제조하는 방법을 포함하며, 이 방법은, 선택적으로 도전성인 접합층을 생성하는 단계, 접합층을 제1 접촉층과 결합시키는 단계, 예컨대 PCB 내에서 형성된 포켓(pocket) 내에서 배터리 전지 구조물의 제1 측면을 결합시키는 단계 및 배터리 전지 구조물을 PCB와 결합시키는 단계를 특별한 순서 없이 포함한다. 택일적으로, 접합층은 추가적인 위치에서 선택적으로 도전성이 될 수 있으며, 이 추가적인 위치에서 선택적으로 도전성인 접합층은 제1 접촉층과 PCB간의 전기적 접촉을 생성한다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 박막 배터리를 제조하는 방법을 포함하며, 이 방법은, 선택적으로 도전성인 접합층을 생성하는 단계, 접합층을 제1 접촉층과 결합시키는 단계, 배터리 전지의 제1 측면을 제1 접촉층에도 결합시키는 단계, 접합층을 PCB 내의 내면과 결합시키는 단계, 및 배터리 전지 구조물의 제2 측면을 접합층과 결합시키는 단계를 특별한 순서 없이 포함한다.
이 예시적인 실시예의 예시들은 애노드, 캐소드 및 전해질 층들을 갖는 배터리 전지 구조물을 생성하는 단계, 적어도 하나의 도전체를 접합층 내에 임베딩하는 단계, 접합층을 통해 적어도 하나의 도전성 와이어 - 상기 도전성 와이어의 선택적인 부분들은 노출됨 - 를 직조(weave)하는 단계, 접합층을 가열하고 이 접합층 내에 도전체를 압착시키는 단계, 및 절연 물질로 배터리를 절연시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시예는 접합층 내에 임베딩된 절연 강화층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 강화층은 선택적으로 도전성일 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 PCB 내의 배터리를 포함하며, 배터리 전지 구조물의 제1 측면은 적어도 PCB의 내면과 직접적인 기계적 접촉을 이룬다. 이 예시적인 실시예는 제1 전기적 접촉부와, 제1 전기적 접촉부 및 제1 임베딩된 도전체와 결합된 접합층과, 제1 임베딩된 도전체를 통해 제1 전기적 접촉부와 선택적인 전기적 접촉을 이루는 적어도 하나의 배터리 전지 구조물을 포함하며, 접합층은 제1 전기적 접촉부와 결합되고 제1 전기적 접촉부 및 인쇄 회로 보드와 선택적인 전기적 접촉을 이루는 제2 임베딩된 도전체를 포함한다. 접합층과 적어도 하나의 배터리 전지 구조물은 PCB 내에서 제1 접촉층 사이에 포개어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는, 예컨대 PCB 내의 배터리를 포함하며, 배터리 전지 구조물은 (PCB 내면들과는 직접적인 기계적 접촉을 이루지 않으며) 적어도 접합층에 의해 기계적으로 분리된다. 예시적인 실시예는 제1 전기적 접촉부와, 제1 전기적 접촉부 및 제1 임베딩된 도전체와 결합된 접합층과, 상기 제1 임베딩된 도전체를 통해 제1 전기적 접촉부와 선택적인 전기적 접촉을 이루는 적어도 하나의 배터리 전지 구조물을 포함하며, 접합층은 PCB와 결합되고 접합층에서의 택일적인 제2 임베딩된 도전체를 가지며, 이 제2 임베딩된 도전체는 제1 전기적 접촉부와의 PCB의 택일적인 선택적인 전기적 접촉을 생성한다. 접합층과 적어도 하나의 배터리 전지 구조물은 PCB의 내면과 제1 접촉층 사이에 포개어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 박막 배터리를 제조하는 방법은, 선택적으로 도전성인 접합층을 생성하는 단계, 접합층을 제1 접촉층과 결합시키는 단계, 배터리 전지 구조물의 제1 측면을 예컨대 PCB의 층의 내면과 결합시키는 단계, 및 배터리 전지 구조물의 제2 측면을 접합층과 결합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 박막 배터리를 제조하는 방법은, 선택적으로 도전성인 접합층을 생성하는 단계, 접합층을 제1 접촉층과 결합시키는 단계, 배터리 전지 구조물의 제1 측면을 제1 접촉층과 결합시키는 단계, 배터리 전지 구조물의 제2 측면을 선택적으로 도전성인 접합층과 결합시키는 단계, 및 접합층을 예컨대 PCB의 층들내에서 결합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 배터리 전지와 PCB간의 전기적 접속을 포함한다. 배터리 전지와 예컨대 PCB 내의 층들의 내면들간의 전기적 접속은 직접적인 물리적 접촉에 의하거나 또는 와이어 접합에 의해 행해질 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, PCB 내 또는 PCB 내의 도전성 또는 절연 표면 내에서의 배터리의 집적 이전에, 배터리는 개별적인 디바이스로서 제조되어, 나중에 자신의 캡슐부 및 기판과 함께 전체적으로 반도체 디바이스의 내부에 집적될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 PCB의 내부를 통해 PCB의 표면까지의 PCB 내의 다중 배터리 전지 스택간의 전기적 접속을 포함한다.
본 발명은 박막 배터리 또는 다른 전기화학 전지를 인쇄 회로 보드 자신의 층 또는 층들 사이 또는 그 내부에 구비한 인쇄 회로 보드를 제공한다. 본 발명은 또한 인쇄 회로 보드의 층 스택 내에 있는 전기화학 전지들을 제공한다.
도 1a는 PCB 내에 임베딩된 전기화학 전지를 포함하며, 전기화학 전지의 가장자리가 PCB의 가장자리를 넘어 연장해 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 1b는 PCB 내에 임베딩된 전기화학 전지를 포함하며, 전기화학 전지의 가장자리가 PCB의 가장자리를 넘어 연장해 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 1c는 PCB 내에 임베딩된 전기화학 전지를 포함하며, PCB의 일부분이 제거되어 갭 또는 공간이 형성되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 1d는 PCB 내에 임베딩된 전기화학 전지를 포함하며, PCB의 일부분이 제거되어 전기화학 전지의 일부분이 노출되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 2는 전기화학 전지를 포함한 3층 PCB를 포함하며, 임베딩된 전기화학 전지의 양쪽 측면들상에 포켓이 있는 본 발명의 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 3은 임베딩된 전기화학 전지를 포함한 다중층 PCB를 포함하며, 임베딩된 전기화학 전지의 양쪽 측면들상에 포켓이 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 4는 PCB의 상부 또는 바닥 절연층 중 어느 하나와 전기화학 전지 사이에 도전층을 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 5a는 PCB의 절연층들과 접촉해 있으며 전기화학 전지의 상부 및 바닥부상에 있는 전기도전층들과 함께 전기화학 전지를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 5b는 두 개의 부분들로 분할된 전기도전층과 함께 전기화학 전지를 포함하며, 이 두 개의 부분들 중 한 부분은 전기화학 전지의 바닥부상에 있고 제2 부분은 와이어 접합에 의해 전기화학 전지에 전기적으로 접속되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 5c는 전기화학 전지의 바닥부상의 두 개의 부분들로 분할된 전기도전층과 함께 전기화학 전지를 포함하며, 이 두 개의 부분들 중 한 부분은 전기화학 전지와 접촉해 있고 제2 부분은 전기화학 전지와는 물리적으로 절연되어 있되 와이어 접합에 의해 전기화학 전지에 전기적으로 접속되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 6a는 PCB 및 임베딩된 전기화학 전지를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 6b는 PCB의 가장자리를 넘어 연장하는 임베딩된 전기화학 전지와 함께 PCB를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 6c는 PCB의 가장자리와 동일한 평면상에 있는 임베딩된 전기화학 전지와 함께 PCB를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 6d는 PCB 및 임베딩된 전기화학 전지를 포함하며, PCB의 일부분이 제거되어 전기화학 전지의 일부분이 노출되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 7a는 PCB, 임베딩된 전기화학 전지, 및 PCB와 전기화학 전지 사이의 도전층을 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다.
도 7b는 PCB, 임베딩된 전기화학 전지, 및 PCB상의 도전체를 포함하며, 전기화학 전지의 가장자리가 PCB의 가장자리를 넘어 연장해 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 7c는 PCB, 임베딩된 전기화학 전지, 및 PCB와 전기화학 전지 사이의 도전층을 포함하며, PCB의 일부분이 제거되어 갭 또는 공간이 형성되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 7d는 PCB, 임베딩된 전기화학 전지, 및 PCB와 전기화학 전지 사이의 도전층을 포함하며, PCB의 일부분이 제거되어 전기화학 전지의 일부분이 노출되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예의 일부분의 확대된 측단면도를 도시한다.
도 8a는 PCB와 전기화학 전지를 포함하며, 전기화학 전지의 일부분은 PCB 내부에 임베딩되고 전기화학 전지의 일부분은 외부적으로 액세스가능한 본 발명의 예시적인 실시예의 단면도를 제공한다.
도 8b는 PCB 내에 전체적으로 임베딩된 전기화학 전지를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 단면도를 제공한다.
도 8c는 PCB의 하나 보다 많은 수의 측면들로부터 외부적으로 액세스가능한 전기화학 전지와 함께 PCB를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예의 단면도를 제공한다.
도 8d, 도 8e, 도 8f, 도 8g, 도 8h, 도 8i, 도 8j 및 도 8k는 전기화학 전지가 PCB 내에 임베딩되어 있는 본 발명의 예시적인 실시예들을 제공한다.
본 명세서에서 설명된 특정한 방법론, 화합물, 물질, 제조 기술, 이용법, 및 응용들은 달라질 수 있기 때문에, 본 발명은 이것들로 한정되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 실시예들을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정시키려는 의도는 없다. 본 명세서에서 사용된 몇몇의 단수형 표현들은 문맥에서 명백히 이와 달리 표시되지 않는 한 복수형 언급을 포함한다. 따라서, “구성요소”에 대한 언급은 하나 이상의 구성요소들을 언급하는 것이며, 이것은 본 발명분야의 당업자에게 알려진 등가물을 포함한다. 마찬가지로, 다른 예를 들면, “단계” 또는 “수단”에 대한 언급은 하나 이상의 단계들 또는 수단들을 언급하는 것이며, 이것은 서브 단계들 및 종속적인 수단들을 포함할 수 있다. 사용되는 모든 접속사들은 가능한 가장 포괄적인 의미로 이해해야한다. 따라서, 단어 “또는”은 문맥에서 이와 달리 명백히 나타내지 않는 한 “배타적 논리합”의 정의보다는 “논리 합”의 정의를 갖는 것으로서 이해해야 한다. 설명된 구조물들은 해당 구조물의 기능적 등가물을 또한 언급하는 것으로 이해해야 한다. 근사값을 표현하는 것으로 이해될 수 있는 어구는 문맥에서 이와 달리 명백히 나타내지 않는 한 그렇게 이해되어야 한다.
본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는, 달리 정의되지 않는다면, 본 발명이 속한 분야의 당업자 중의 한명에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 바람직한 방법, 기술, 장치, 및 물질이 설명되지만, 본 명세서에서 설명된 것과 유사하거나 또는 등가적인 임의의 방법, 기술, 장치, 및 물질이 본 발명의 실시 또는 테스트에서 이용될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 구조물들은 해당 구조물의 기능적 등가물을 또한 언급하는 것으로 이해해야 한다.
확인된 모든 특허문헌 및 기타의 공개문헌은 예를 들어, 본 발명과 관련하여 이용될 수 있는 이러한 공개문헌들에서 설명된 방법론들을 설명하고 개시하기 위한 목적으로 본 명세서내에 참조로서 통합된다. 이러한 공개문헌들은 본 출원의 출원일 이전의 개시만을 목적으로 제공된다. 이와 관련하여, 이전 발명에 의해 또는 어떠한 다른 이유로 이와 같은 개시를 선행한다라는 자격이 본 발명자들에게는 없다라는 자백으로서 해석되어서는 안된다.
도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 디바이스(100)의 다양한 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 도 1a는 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)(101) 내에 임베딩된 전기화학 전지(102)를 포함하며 전기화학 전지(102)의 가장자리가 PCB(101)의 가장자리를 넘어 연장해 있는 예시적인 디바이스(100)의 평면도를 도시한다. 본 발명의 PCB(101) 또는 다른 예시적인 실시예들은 다중층의 스택, 예컨대, 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개 또는 그 이상의 층들의 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서 도시된 바와 같이, PCB(101)는 두 개의 층들을 포함한다. 전기화학 전지(102)는 또한 다중층들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(102)는 두 개의 층들, 즉 상부층(102a)과 바닥층(102b)을 포함한다. 상부층(102a)은 예컨대 전기화학 전지(102)의 양단자일 수 있고, 바닥층(102b)은 예컨대 전기화학 전지(102)의 음단자일 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 상부층(102a)은 예컨대 전기화학 전지(102)의 음단자일 수 있고, 바닥층(102b)은 예컨대 전기화학 전지(102)의 양단자일 수 있다. 도 1b는 PCB(101)의 가장자리를 넘어 연장하는 전지(102)를 포함한 디바이스(100)의 확대된 측면도를 도시한다. PCB(101)는 적어도 부분적으로, 내연제 4(flame retardant 4; FR4) 또는 예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌, FR-1, CEM-1(면종이 및 에폭시), CEM-2(면종이 및 에폭시), CEM-3(직물 유리 및 에폭시), CEM-4(직물 유리 및 에폭시), CEM-5(직물 유리 및 폴리에스테르), FR-2(페놀 면종이), FR-3(면종이 및 에폭시), FR-5(직물 유리 및 에폭시), FR-6(매트 유리 및 폴리에스테르), G-10(직물 유리 및 에폭시) 및/또는 예컨대 Kapton®와 같은 폴리이미드와 같은 본 발명분야에서 알려진 다른 PCB 층 물질들로부터 구축될 수 있다. PCB(101)는 PCB의 하나 또는 양쪽 외부 표면들상에 도전성 트레이스들(103)을 포함할 수 있다. 도전성 트레이스들(103)은 예컨대 구리 포일로 구축될 수 있다. 도전성 트레이스들(103)은 도 1a에서 도시된 바와 같이, 단면 실장과 같은, 표면 실장상에 포함될 수 있다. 도 1c는 PCB(101)에서 갭(114)을 형성하도록 PCB(101)의 일부분이 제거된 디바이스(100)의 또 다른 예시적인 확대된 측면도를 도시한다. 도 1d는 일부분이 제거되어 전지(102)의 일부분을 노출시키고 있는 PCB(101)를 포함한 디바이스(100)의 확대도를 도시한다. 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 또한 다중층, 예컨대 두 개의 층들을 갖는 전기화학 전지(102)를 도시한다. 하지만, 본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 두 개보다 많은 층들, 예컨대, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개 또는 그 이상의 층들을 갖는 전기화학 전지를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 도 1a, 도 1 b, 도 1c 및 도 1d에서 도시된 예시적인 실시예들은 다중 전기화학 전지, 예컨대, 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개 또는 그 이상의 전기화학 전지들을 포함할 수 있다.
도 2는 포켓(pocket)들(206)을 갖는 3층 PCB(101)를 포함한, 본 발명의 디바이스(200)의 예시적인 실시예의 측단면도를 도시한다. 포켓들(206)은 FR4 절연층들에서 임베딩될 수 있는 전기화학 전지(102)의 측면들상에서 공간 갭들을 갖는다. 포켓들(206)은 임베딩된 전기화학 전지(102)의 하나 이상의 측면들상에 있을 수 있다. PCB(101)는 PCB(101)의 하나 또는 양쪽의 외부 측면들상에서 트레이스들 및/또는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 스페이서들(205)은 PCB(101)의 일부분을 구성하며 PCB(101)의 상부층을 PCB(101)의 바닥층에 연결시킨다. 스페이서들(205)은 또한 디바이스(200)에 대한 지지 및 안정성을 정의하고 및/또는 제공할 수 있다. 포켓들(206)은 예컨대, 조립체 내에서 응력들을 감소시킬 수 있고, 버퍼 영역을 제공할 수 있고, 다른 컴포넌트들 또는 설계 피처들을 위한 장소를 제공할 수 있으며 및/또는 열적 제어를 위한 체적을 제공할 수 있다.
도 3은 포켓(206) 구조물들 및 대안적인 PCB(101)를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. PCB(101)는 전기화학 전지(102)를 감싸는 두 개의 층들을 포함할 수 있다. 그러므로, PCB(101)의 두 개의 층들의 내부는 곡선형 구조를 가지며, 이것은 포켓들(206)이 이와 유사한 곡선형 외부 형상을 갖도록 야기시킨다. 뿐만 아니라, 도 3에서 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(102)는 PCB(101)의 층보다 얇을 수 있거나 또는 PCB(101)의 다중층들의 조합보다 얇을 수 있다. 하지만, 본 발명의 대안적인 예시적 실시예들에 따르면, 전기화학 전지(102)는 PCB(101)의 층보다 두꺼울 수 있고, PCB(101)의 다중층, 예컨대 두 개, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개 또는 그 이상의 층들의 조합보다 두꺼울 수 있거나 또는 PCB(101)의 하나의 층 또는 다중층들과 대략 동일한 두께를 가질 수 있다.
도 4는 예컨대, 도전성 접촉 패드, 도전성 라인, 도전성 비아 또는 또 다른 도전층과 함께 도전성 표면을 포함한 본 발명의 디바이스(400)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도전성 표면은 또한 PCB와 같은 절연 표면과 함께 형성될 수 있으며, 도전성 표면은 PCB의 내부 층상에서 형성될 수 있다. 도 4는 예컨대 내부 FR4 절연층 내 또는 그 위에서 임베딩된 임베딩 도전체(407)를 도시한다. 임베딩 도전체(407)는 PCB(101)의 가장자리에서 외부적으로 액세스가능할 수 있다. 임베딩 도전체(407)는 PCB(101)의 가장자리 끝 까지 연장하지 않을 수 있고, 이에 따라 예컨대 PCB 내부 전기적 상호접속부로서 기능을 할 수 있다. 임베딩 도전체(407)는 예컨대 선택적으로 도전성인 접합층으로서 기능을 할 수 있다. 선택적으로 도전성인 접합층은 예컨대 전지(102)로부터 접합층을 거쳐서 전지 접촉부에 까지 또는 특정 지점들의 하나 이상의 트레이스들(미도시)까지의 전도를 허용할 수 있다. 선택적으로 도전성인 접합층은 또한 전지 접촉부와 PCB(101) 사이에 절연을 제공할 수 있다. 다른 유형들의 배터리 전지 구조물들이 또한 이용될 수 있다. 전기화학 전지(102)는 여러가지 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 전지는 완전히 패키지화되지 않을 수 있고, 미국 특허 공개 2007/264564(이것은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된다)의 도 1 및/또는 도 3에서 설명된 전지들과 유사할 수 있거나, 또는 완전히 패키지화된 전지일 수 있거나, 예컨대 미국 특허 공개 2008/261107(이것은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된다)의 도 20에서 설명된 전지와 유사할 수 있다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 디바이스(500)의 다양한 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 도 5a는 제1 또는 제2 접촉부(미도시)와 PCB(101)간에 전기적 접촉을 선택적으로 생성시키는 제2 임베딩된 도전체(508)와 함께 전기화학 전지(102)를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. PCB(101)의 도전성 또는 절연 표면은 제1 임베딩된 도전체(407)와 제2 임베딩된 도전체(508)가 PCB(101)와 만나는 접촉점들 사이에서 선택적으로 절연될 수 있다. 임베딩된 도전체들(407, 508)은 PCB(101)의 가장자리들에서 외부적으로 액세스가능할 수 있다. 대안적으로, 임베딩된 도전체들(407, 508)은 PCB(101)의 가장자리에 까지 연장하지 않을 수 있고, 대신에 PCB 내부 전기적 상호접속부로서 역할을 할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 두 개보다 많은 임베딩된 도전체들, 예컨대, 세 개, 네 개, 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개, 여덟 개 또는 그 이상의 임베딩된 도전체들을 포함할 수 있다.
도 5b 및 도 5c는 미세 와이어 접합(509)의 형태인 제2 도전체와 임베딩된 도전체(508)를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 5b는 임베딩된 도전체(508)가 두 개의 부분들, 즉 도전체 부분들(508a 및 508b)로 분할된 것을 도시한다. 도전체 부분(508b)은 전기화학 전지(102)에 결합되어 이와 전기적으로 연결되고, 도전체 부분(508a)은 전기화학 전지(102)로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 도전체 부분(508a)은 와이어 접합(509)을 통해 선택적으로 전기화학 전지(102)에 전기적으로 연결된다. 하지만, 도전체 부분(508a)은 다른 방법들, 예컨대 다양한 다른 금속 도전체들을 통해 전기화학 전지(102)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 5c는 임베딩된 도전체(508)가 부분들(508a 및 508b)로 분할된 것과, 도전체 부분(508a)이, 도 5b에서와는 달리, 전기화학 전지(102) 아래에서 연장되는 것을 도시한다. 도전체 부분(508a)은 절연체(510)에 의해 전기화학 전지(102)로부터 물리적으로 분리된다.
본 발명의 어떠한 실시예들에 따르면, 제1 임베딩된 도전체(407)와 제2 임베딩된 도전체(508)는 예컨대 상이한 많은 방법들로 접합층들 내에 위치할 수 있다. 예를 들어, 임베딩된 도전체는 금속 탭, 금속 와이어, 금속 스트립, 금속 리본, 다중 금속 와이어, 다중 금속 스트립, 다중 금속 리본, 금속 와이어 메시, 다공 금속 포일, 다공 금속, 접착제 층에 도포된 금속 코팅재, 금속성 디스크, 금속적으로 코팅된 유리섬유와 같은 여러 물질들로 구성될 수 있거나 또는 이들의 조합이 이용될 수 있다. 제1 임베딩된 도전체(407)와 제2 임베딩된 도전체(508)는 전지(102)와 전지 접촉부 사이의 전기적 전도를 제공할 수 있다. 접합층은 전기적 접촉부와 PCB(101) 사이에 절연을 제공할 수 있다. 임베딩된 도전체들(407, 508)은 슬릿, 구멍, 또는 다른 수단들을 통해 접합층 내에서 직조(woven)될 수 있거나 위치될 수 있다. 임베딩된 도전체들(407, 508)은 예컨대 접합층 내에 임베딩된 디스크들일 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 강화층이 접합층 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 유리섬유 물질이 접합층의 하나의 표면의 절반을 덮을 수 있고, 접합층을 통해 직조될 수 있거나 및/또는 접합층의 다른 나머지 절반을 덮을 수 있다. 도전성 코팅재가 없는 이러한 유리섬유층은 전기화학 디바이스 및 다른 물질들을 절연시킬 것이다. 유리섬유는 국부적인 영역에서 도전성 물질로 코팅될 수 있다. 이러한 도전성 코팅재는 접합층의 상부면 및 바닥면상의 유리섬유 영역을 코팅할 수 있다. 유리섬유는 상위 접촉부와 전지 사이를 전도시킬 수 있다. 도전성 물질은 잉크 젯, 실크 스크린, 플라즈마 퇴적, e빔 퇴적, 스프레이 및/또는 브러쉬 방법들을 이용하여 유리섬유상에 위치될 수 있다. 강화층은 예컨대 Kevlar®, 플라스틱 또는 유리와 같은, 유리섬유 이외의 다른 물질들을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 전기적 접촉부는 접합층에서의 구멍들을 통해 배터리 전지 구조물과의 선택적인 접촉을 가질 수 있다. 접합층과 배터리 전지 구조물은 예컨대 함께 압착되어 접촉부를 생성할 수 있다. 이와 달리, 예컨대 접합층에서의 구멍 근처 또는 구멍 내에서 도전성 아교 또는 잉크를 도포하거나, 또는 솔더, 웰딩, 와이어접합, 이방성 도전성 막 또는 리튬에 의해 층들은 서로 접촉할 수 있다.
임베딩된 도전체들(407 및 508) 및/또는 전기적 접촉부는 예컨대, 금, 백금, 스테인리스 강, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈늄, 텅스텐, 알루미늄, 인듐, 주석, 은, 탄소, 청동, 황동, 베릴륨, 또는 산화물, 질화물, 탄화물, 및 이들의 합금들로 구성될 수 있다. 전기적 접촉부는 금속 포일, 스테인리스 강 또는 필수적인 양의 도전율을 갖는 임의의 다른 금속성 물질로 구성될 수 있다. 금속 포일은 구리, 니켈 또는 주석과 같은 솔더링가능한 합금을 포함할 수 있다. 전기적 접촉부는, 예컨대 약 100 미크론 두께 미만이거나, 50 미크론 두께 미만이거나, 또는 25 미크론 두께 미만일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에서 도시된 전기화학 전지(102)는 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐소드는 LiCoO2를 포함할 수 있고, 애노드는 리튬을 포함할 수 있으며, 전해질은 LIPON을 포함할 수 있다. 다른 전기화학 디바이스들이 필요에 따라 이용될 수 있다.
전기화학 전지(102)는 수많은 방법들로 PCB(101)의 내부 층들 또는 표면들과 결합될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전기화학 전지(102)는 예컨대 아교, 솔더, 웰딩, 와이어접합 또는 이방성 도전성 막을 이용하여 PCB(101)의 내부 층들과 결합될 수 있다. 아교는, 시멘트 아교 또는 수지 아교와 같이, 전기화학 전지(102)를 PCB(101)에 부착시킬 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 아교는 전기화학 전지(102)와 PCB(101)간의 기계적 및/또는 화학적 접합을 생성시킬 수 있다. 아교는 또한 또 다른 물질 또는 층을 도입시키지 않고서 전기화학 전지(102)를 PCB(101)에 화학적으로 접합시키는 것을 포함할 수 있다. 아교는 전기적으로 도전성, 반도전성, 또는 절연성일 수 있다.
본 발명의 어떠한 예시적인 실시예들에서, PCB(101)의 도전성 또는 절연성 내부층 표면을 비롯하여, PCB의 내부 층들은 전기화학 전지에 대한 기판으로서 작용한다. 전기화학 전지(102)는 PCB(101)의 층 표면상에 퇴적되거 또는 이와 다른 형태로 위치될 수 있다. 전기화학 전지(102)는 또한 예컨대 아교, 솔더, 웰딩, 와이어접합 또는 이방성 도전성 막을 이용하여 PCB(101)의 내부 층 표면에 결합될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, LiCoO2 캐소드 층이 예컨대 PCB(101)의 내부 층상에 퇴적될 수 있다. 본 발명분야에서 알려진 퇴적 기술들에는, 비제한적인 예시로서, 반응성 또는 비반응성 RF 마그네트론 스퍼터링, 반응성 또는 비반응성 펄스형 DC 마그네트론 스퍼터링, 반응성 또는 비반응성 DC 다이오드 스퍼터링, 반응성 또는 비반응성 열적(저항성) 증착, 반응성 또는 비반응성 전자 빔 증착, 이온 빔 지원 퇴적, 플라즈마 강화된 화학적 기상 증착, 스핀 코팅, 잉크 젯팅, 열 스프레이 퇴적 및 딥 코팅이 포함된다. 제조 공정의 일부로서, 예컨대 캐소드가 저온도(예컨대, 400℃ 미만)에서의 열 어닐링, 고온(예컨대, 400℃ 초과)에서의 열 어닐링, 급속 열 어닐링을 이용하여 어닐링될 수 있거나 또는 대류 노(convection furnace)를 이용하여 어닐링될 수 있다. 또 다른 또는 대안적인 퇴적후 어닐링은 LiCoO2층의 전기화학적 포텐셜, 에너지, 전력 성능 및 전기화학적 및 열적 싸이클링에 대한 가역적 격자 파라미터들과 같은, LiCoO2층의 화학적 특성들을 미세조정하고 최적화하기 위해 LiCoO2층의 결정화를 개선시키기 위한 레이저 어닐링을 포함할 수 있다.
캐소드 층의 퇴적 이후, 본 발명분야의 당업자에게 알려진 수 많은 공정들 중 임의의 공정을 이용하여, 전해질은 캐소드상에 퇴적되고, 이어서 애노드상에 퇴적될 수 있다. 금속 캡슐층이 예컨대 도 5에서 도시된 임베딩된 도전체(407) 및/또는 임베딩된 도전체(508)를 이용하는 것 대신에 전기화학 전지 자체상에서 형성될 수 있다. 금속 캡슐층은 금속 포일, 스테인리스 강 또는 필수적인 양의 도전율을 갖는 임의의 다른 금속성 물질로 만들어질 수 있다. 금속 포일은 예컨대 구리, 니켈 또는 주석의 합금과 같은 솔더링가능한 합금을 포함할 수 있다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 본 발명의 디바이스(600)의 다양한 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 디바이스(600)는 PCB(101)상에 임베딩된 전기화학 전지(102)를 포함한 본 발명의 예시적인 실시예를 포함한다. 도 6b는 예컨대, PCB(101)의 가장자리를 넘어 연장하는 전기화학 전지(102)를 도시한다. 도 6c는 PCB(101)의 가장자리와 동일 평면상에 있는 전기화학 전지(102)의 상부층을 도시한다. 뿐만 아니라, 예컨대 디바이스(100)와는 달리, 실시예는 전기화학 전지, 예컨대 미세 에너지 전지(micro-energy cell; MEC) 위에 PCB층을 포함하지 않을 수 있다. 어떠한 예시적인 실시예들은 개방된 PCB 또는 PCB의 층에서의 연장된 개구들을 포함할 수 있다. 도 6d는, 예컨대 PCB의 전체 표면 또는 일부분이 노출되도록 하는 PCB내의 공간을 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 디바이스(700)의 다양한 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 디바이스(700)는 임베딩된 MEC와 함께 PCB층(101)상의 도전체(508)를 포함한다. PCB(101)는 PCB(101)의 하나 또는 양쪽 측면들상에서 트레이스들 및/또는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 실시예들은 또한 예컨대 도 6a 내지 도 6d에서 도시된 개방된 PCB 구조물들을 포함할 수 있다.
도 8a 내지 도 8k는 본 발명의 디바이스(800)의 다양한 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 도 8a는 전기화학 전지(102)의 일부분이 PCB(101) 내부에 임베딩되고 전기화학 전지(102)의 일부분은 외부적으로 액세스가능하도록 배치된 전기화학 전지(102)의 단면도를 도시한다. 도 8b는 PCB(101) 내부에 완전히 임베딩된 전기화학 전지(102)의 단면도를 도시한다. 도 8c는 PCB(101)의 하나 보다 많은 측면들로부터 외부적으로 액세스가능한 전기화학 전지(102)의 단면도를 도시한다. 전기화학 전지(102)는 예컨대 세 개 또는 네 개의 측면들상에서 PCB로부터 연장될 수 있다. 도 8d는 전기화학 전지(102)가 PCB 개구(815)를 통해 PCB(101)의 상부로부터 외부적으로 액세스가능할 수 있도록 하는 개방 구조를 갖는 PCB(101)의 단면도를 도시한다. 도 8e는 PCB(101)의 개구(815)가 전기화학 전지(102)의 너비 보다 넓지 않을 수 있는 PCB(101)의 단면도를 도시한다. 전기화학 전지(102)가 PCB(101)의 끝부분들 내에서 부분적으로 임베딩되도록 PCB(101)는 전기화학 전지(102)의 끝부분들의 부분들 위에서 연장된다. 도 8f는 PCB(101)의 개구(815)가 전기화학 전지(102)의 너비 보다 넓을 수 있는 PCB(101)의 단면도를 도시한다. 전기화학 전지(102)의 끝부분들이 PCB(101)와 접촉하지 않아서 전기화학 전지(102)와 PCB(101) 사이에 갭(816)을 형성하도록 전기화학 전지(102)는 PCB(101)에서의 개구(815) 내에 배치될 수 있다. 전기화학 전지(102)와 PCB(101)는 다양한 대안적인 구성들로 연결될 수 있으며, 이것들의 예시들은 도 8g 내지 도 8k에서 평면도 형태로 도시된다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서와 같이, 임베딩된 전지의 일부분들의 노출 면들(그렇지 않은 경우 액세스 포트 또는 핍 구멍(peep hole)을 제공했을 수 있음)은 절연 물질 또는 후속하여 절연 물질 또는 절연층으로 덮혀지는 도전성 물질로 채워지고 및/또는 덮혀질 수 있다. 전지에 대한 직접적인 외부적 액세스를 감소시키거나 또는 제거시키도록 구멍 또는 보이드(void)는 덮혀지거나 또는 채워질 수 있다.
도 1a 내지 도 8k에서 도시된 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서 도시된 것과 다른 전기화학 디바이스들이 필요에 따라 이용될 수 있다. 전기화학 디바이스들은 또한, 예컨대 지르코늄 질화물과 지르코늄 또는 티타늄 질화물과 티타늄의 다중 교호층들을 포함할 수 있는, 세라믹 금속 복합 적층물로 구성될 수 있는 캡슐부를 포함할 수 있다.
LiCoO2를 퇴적하기 위해 이용되는 방법의 예시들은 미국 공개 특허 2007/0125638에서 개시되어 있으며, 이 공개 특허 내용 전체는 참조로서 본 명세서내에 통합된다.
PCB의 도전성 표면 또는 절연 표면을 비롯하여, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서의 PCB 층들은 메모리 디바이스, 프로세서 또는 다른 논리 회로를 포함할 수 있는 임의의 집적 회로 부분일 수 있다.
본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서의 PCB는 예컨대 다중 회로 보드층들을 포함할 수 있는 플렉시블 회로 보드를 포함할 수 있다. 다중 회로 보드층들은 트레이스, 단일 또는 이중 측면형 반강체, 예컨대 Kapton®와 같은 막 및/또는 폴리이미드 막을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 어떠한 실시예들에서, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들에서의 PCB 층들은 예컨대 박막 배터리와 같은 전기화학 전지에 대한 캡슐부로서 작용할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 서로가 적층되어 있는 다중 전기화학 디바이스들, 서로가 적층되어 있는 다중 PCB들 및/또는 도전성 또는 절연 표면들 또는 층들을 갖는 PCB 내의 다중층들을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 전기적 접촉부들상에 적층된 다중 전기화학 디바이스들을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 전기화학 디바이스들의 민감층들을 화학적으로 및 기계적으로 캡슐화하는 대안적인 방법들을 제공한다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 전기화학 디바이스를 캡슐화하는 금속 및 플라스틱 파우치들 내의 가스가 팽창 및/또는 수축하도록 야기시키는 온도 변동들과 관련된 문제들을 해결하여 금속 및 플라스틱 파우치들의 밀봉들이 파괴되지 않도록 한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 또한 하나 이상의 PCB들 내에서 직접 제조된 재충전가능한 2차 배터리를 제공한다. 이러한 배터리들은 회로가 파워 오프된 시간 동안에 전력을 공급하고 전력이 재개된 때에는 신속하고 손쉽게 재충전된다. 중요한 회로는 이러한 배터리에 의해 제공된 국부적 전력으로부터 이로울 수 있다. 예시적인 실시예들은 또한 알려진 캡슐화 방법보다 실질적으로 얇은 캡슐부를 포함하여, 저가이면서 보다 신뢰적인 캡슐부 및 전기도전성 접촉부들을 제공하는 보다 나은 접근법을 제공한다. 예시적인 실시예들은 또한 박막 플렉시블 배터리들이 결합되어 있는 플렉시블 집적 회로 및/또는 플렉시블 인쇄 회로 보드를 제공한다.
전기화학 디바이스는 PCB 내에서 개별적인 디바이스(예컨대 각자 소유의 기판과 캡슐부를 가지면서 완전히 패키지화된 디바이스)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 디바이스는, PCB 내로 집적되기 전에, 개별적인 디바이스로서 제조될 수 있고, 나중에 자신의 기판 및 캡슐부와 함께 PCB 내로 전체적으로 집적될 수 있다.
여기서 설명된 본 발명의 실시예들은 단지 예시에 불과하다. 본 발명분야의 당업자라면 본 명세서에서 자세하게 설명한 실시예들로부터의 변형들을 알아차릴 수 있으며, 이러한 변형들은 본 발명개시의 범위내에 있는 것으로 한다. 따라서, 본 발명은 다음의 청구범위들에 의해서만 한정된다. 본 발명은 첨부된 청구범위들 및 이 청구범위들의 등가물의 범위내에 속하도록 제공된 이러한 변형들을 커버한다.

Claims (24)

  1. 인쇄 회로 보드에 있어서,
    도전체 트레이스들을 갖는 두 개의 외부 전기절연층들을 포함하는 복수의 층들을 갖는 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB) 층 스택 - 상기 도전체 트레이스들은 상기 외부 전기절연층들 중 하나 또는 양쪽 모두 상에서 형성되고, 상기 두 개의 외부 전기절연층들 각각은 둘레(perimeter)를 포함함 - ; 및
    상기 두 개의 외부 전기절연층들 사이에 삽입된 전기화학 전지 - 상기 전기화학 전지의 일부분은 상기 두 개의 외부 전기절연층들 둘 다의 상기 둘레들을 넘어 측면으로(laterally) 연장함 -
    를 포함하는, 인쇄 회로 보드.
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  11. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 두 개의 단자들을 포함하며, 상기 전기화학 전지는 상기 전기절연층들 중 하나의 전기절연층의 둘레를 넘어 측면으로 연장하여 상기 단자들 중의 하나의 단자에 대한 직접적인 전기적 외부 액세스를 제공하는 것인, 인쇄 회로 보드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 전지와 전기적 접속을 이루는 전기적 접촉부
    를 더 포함하며, 상기 전기적 접촉부는 액세스 포트를 통해 외부적으로 액세스가능한 것인, 인쇄 회로 보드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 단자를 포함하며, 상기 전기적 접촉부는 상기 단자와 전기적으로 접속하며, 상기 단자는 상기 액세스 포트를 통해 외부적으로 액세스가능하지 않는 것인, 인쇄 회로 보드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액세스 포트 내의 도전체 물질; 및
    상기 액세스 포트 위의 절연 물질의 캡
    을 더 포함한, 인쇄 회로 보드.
  15. 삭제
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  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들의 조합과 동일한 두께를 갖는 것인, 인쇄 회로 보드.
  20. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들의 조합보다 두꺼운 것인, 인쇄 회로 보드.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들의 조합보다 얇은 것인, 인쇄 회로 보드.
  22. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들 중 하나의 전기절연층보다 두꺼운 것인, 인쇄 회로 보드.
  23. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들 중 하나의 전기절연층보다 얇은 것인, 인쇄 회로 보드.
  24. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 전지는 상기 두 개의 외부 전기절연층들 중 하나의 전기절연층과 동일한 두께를 갖는 것인, 인쇄 회로 보드.
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