KR101877151B1

KR101877151B1 - 전지

Info

Publication number: KR101877151B1
Application number: KR1020167021780A
Authority: KR
Inventors: 주리 오가사와라; 기요야스 히와다; 아끼라 나까자와
Original assignee: 가부시키가이샤 니혼 마이크로닉스; 구엘라 테크놀로지 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2035-01-09
Also published as: CA2932306C; WO2015141107A1; US20170098870A1; EP3076449A1; EP3076449A4; JP6147417B2; KR20160107266A; TWI568043B; CN106463617A; CN106463617B; EP3076449B1; CA2932306A1; TW201603343A; JPWO2015141107A1

Abstract

본 발명은 우수한 전지를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지는 제1 전극층(6), 제2 전극층(7), 및 제1 전극층(6)과 제2 전극층(7) 사이의 충전 전압이 인가되는 충전층(3)을 갖는다. 충전층(3)은 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발하여 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성함으로써 전자들을 포획할 수 있다. 예로서, 이러한 전지는 충전층(3)이 삼차원으로 형성되는 구성을 갖는다.

Description

전지{BATTERY}

본 발명은 전지에 관한 것이다.

자외선 조사에 의해 유발되는 금속 산화물의 광 여기 구조 변화를 이용하는 전지(이하, 양자 전지)가 본 출원의 출원인에 의해 개발되었다 (특허문헌 1 및 2). 특허문헌 1 및 2에 개시된 양자 전지 기술은 리튬 이온 전지의 용량을 크게 초과하는 전지 용량을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 특허문헌 1 및 2의 이차 전지는 기판 상에 적층된 제1 전극, n형 금속 산화물 반도체층, 충전층, p형 반도체층 및 제2 전극을 포함한다.

국제 특허 공개 번호 WO2012/046325 국제 특허 공개 번호 WO2013/065093

이러한 양자 전지는 박막 전지를 실현하기 위해 평행판 구조를 갖는다. 즉, 충전층이 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 따라서 제1 전극과 제2 전극이 충전층의 전면에 형성된다. 따라서, 이러한 전지의 용적 효율 및/또는 용량의 향상이나 경량화를 도모하는 것이 곤란하다.

본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 우수한 전지를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고, 상기 충전체와 접촉하는 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층의 표면은 곡면이다.

상기 전지에 있어서, 상기 충전체는 구 형상 또는 원기둥 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층은 상기 충전체 내에 배치된다.

상기 전지에 있어서, 상기 충전체는 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 충전체의 내부에 상기 제1 전극층이 배치되고, 상기 충전체의 외주면에 상기 제2 전극층이 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고, 상기 충전체는 삼차원 형상으로 형성된다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고, 상기 제2 전극층은 상기 제1 전극이 배치되는 상기 충전체의 표면 상에 배치된다.

상기 전지에 있어서, 복수의 제2 전극층이 제공될 수 있으며, 상기 충전체를 사이에 두고 상기 제1 전극층에 대향하는 제2 전극층이 더 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고, 상기 제2 전극층은 평면 보기에서 상기 제1 전극층의 위치와 다른 위치에 배치되며, 상기 평면은 상기 충전체의 표면을 따른다.

상기 전지에 있어서, 상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층이 형성되는 상기 충전체의 표면 상에 형성될 수 있다.

상기 전지에 있어서, 상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층이 형성되는 상기 충전체의 표면에 대향하는 표면 상에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 제1 단위 전지; 및 상기 제1 단위 전지와 병렬로 또는 직렬로 접속된 제2 단위 전지를 포함하고, 상기 제1 단위 전지는 상기 전지이고, 상기 제2 단위 전지는 제1 전극층; 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성된다.

상기 전지에 있어서, 상기 제1 단위 전지는 상기 전지이고, 상기 제2 단위 전지는 평행판형 단위 전지일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 전지는 상기 제1 및 제2 단위 전지들 각각이 상기 전지이고, 상기 제1 및 제2 단위 전지들이 적층되는 전지이다.

본 발명에 따르면, 우수한 전지가 제공될 수 있다.

도 1은 양자 전지의 기본 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 양자 전지의 기본 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 전자 침투 현상에 대한 검증 실험에서 사용되는 전지의 개략 평면도이다.
도 4는 전상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 전상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 전상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 전상을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 구성예 1에 따른 양자 전지를 나타내는 사시도이다.
도 9는 구성예 1에 따른 양자 전지를 나타내는 단면도이다.
도 10은 구성예 1에 따른 양자 전지를 나타내는 평면도이다.
도 11은 구성예 2에 따른 양자 전지를 나타내는 사시도이다.
도 12는 구성예 2에 따른 양자 전지를 나타내는 단면도이다.
도 13은 구성예 2에 따른 양자 전지를 나타내는 평면도이다.
도 14는 구성예 3에 따른 양자 전지를 나타내는 사시도이다.
도 15는 구성예 3에 따른 양자 전지를 나타내는 단면도이다.
도 16은 구성예 3에 따른 양자 전지를 나타내는 평면도이다.
도 17은 구성예 4에 따른 양자 전지를 나타내는 단면도이다.
도 18은 구성예 5에 따른 양자 전지를 나타내는 사시도이다.
도 19는 구성예 6에 따른 양자 전지를 나타내는 사시도이다.
도 20은 양자 전지 유닛의 적층 구조 1을 나타내는 단면도이다.
도 21은 양자 전지 유닛의 적층 구조 2를 나타내는 단면도이다.
도 22는 양자 전지 유닛의 적층 구조 3을 나타내는 단면도이다.
도 23은 양자 전지 유닛의 적층 구조 4를 나타내는 단면도이다.

본 발명에 따른 예시적인 실시예들이 도면들을 참조하여 설명된다. 후술하는 예시적인 실시예들은 본 발명에 따른 예들일 뿐이며, 본 발명은 후술하는 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다. 아래의 명세서 및 도면들에서 동일한 심벌들을 갖는 컴포넌트들/구조들은 서로 동일한 컴포넌트들/구조들을 나타낸다는 점에 유의한다.

(A) 양자 전지에 관하여

후술하는 각각의 예시적인 실시예에 따른 전지는 양자 전지 기술이 적용되는 전지이다. 따라서, 각각의 예시적인 실시예를 설명하기 전에 양자 전지가 아래에서 간단히 설명된다.

양자 전지는 원칙적으로 금속 산화물의 광 여기 구조 변화를 이용함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하는 전지(이차 전지)를 의미한다.

양자 전지는 전고체형 전지(all-solid type battery)이며, 단독으로 전지로서 기능한다. 도 1 및 2는 양자 전지의 구성의 일례를 나타낸다. 도 1은 평행판 구조형 양자 전지(11)의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 그의 단면도라는 점에 유의한다. 도 1 및 2에서는 양극 단자 및 음극 단자와 같은 단자 부재들은 물론, 외장 요소 및 피복 요소와 같은 패키징 요소들의 도시가 생략된다는 점에 유의한다.

양자 전지(11)는 충전체(충전층)(3), 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(7)을 포함한다. 충전체(3)는 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이에 배치된다. 따라서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)에 걸쳐 생성되는 충전 전압이 충전체(3)에 인가된다. 충전체(3)는 충전 동작에서 전자들을 축적(포획)하고, 축적된 전자들을 방전 동작에서 방출한다. 충전체(3)는 충전이 수행되지 않을 때 전자들을 유지(전기 축적)하는 층이다. 충전체(3)는 광 여기 구조 변화 기술을 적용함으로써 형성된다.

광 여기 구조 변화는 예로서 국제 특허 공개 번호 WO2008/053561에서 설명되며, 전술한 특허 공개의 발명자(또한, 본원의 발명자)인 Akira Nakazawa에 의해 발견된 현상(기술)이라는 점에 유의해야 한다. 특히, Nakazawa는 사전 결정된 값 이상의 밴드 갭을 갖고 투명성을 갖는 반도체이고 절연성 재료로 피복된 금속 산화물에 유효 여기 에너지가 주어질 때 전자가 존재하지 않는 많은 에너지 레벨이 밴드 갭 내에 생성된다는 것을 발견하였다. 양자 전지(11)는 그러한 에너지 레벨들에서 전자들을 포획함으로써 충전되며, 포획된 전자들을 방출함으로써 방전된다.

충전체(3)에서, 절연성 재료로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 미립자들이 박막 상태로 제2 전극층(7) 상에 배치된다. 이어서, n형 금속 산화물 반도체는 자외선 조사에 의해 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 변화를 겪고, 따라서 전자들을 축적할 수 있다. 충전체(3)는 절연성 재료로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 복수의 미립자를 포함한다.

제1 전극층(6)은 예로서 음극층이며, 제1 전극(1) 및 n형 금속 산화물 반도체층(2)을 포함한다. n형 금속 산화물 반도체층(2)은 제1 전극(1)과 충전체(3) 사이에 배치된다. 따라서, n형 금속 산화물 반도체층(2)의 표면들 중 하나는 제1 전극(1)과 접촉하고, 나머지 표면은 충전체(3)와 접촉한다.

충전체(3)에서, n형 금속 산화물 반도체의 미립자들을 피복하는 절연성 코팅은 반드시 균일한 코팅은 아니다. 코팅이 형성되지 않을 때, 충전체(3) 내의 n형 금속 산화물 반도체는 노출된다. n형 금속 산화물 반도체층(2)은 제1 전극(1)으로부터 충전층 내의 n형 금속 산화물 반도체를 절연하는 절연층으로서 기능하며, 충전 용량과 같은 특성들을 개선하도록 제공된다. 또한, n형 금속 산화물 반도체층(2)은 마무리된 요소들의 특성 변화를 줄이기 위한 효과적인 구조를 제공하여, 제조 라인의 안정성 및 수율을 개선한다.

제2 전극층(7)은 예로서 양극층이며, 제2 전극(5) 및 p형 금속 산화물 반도체층(4)을 포함한다. p형 금속 산화물 반도체층(4)은 제2 전극(5)과 충전체(3) 사이에 배치된다. 따라서, p형 금속 산화물 반도체층(4)의 표면들 중 하나는 충전체(3)와 접촉하며, 나머지 표면은 제2 전극(5)과 접촉한다. p형 금속 산화물 반도체층(4)은 전자들이 제2 전극(5)으로부터 충전체(3) 안으로 흐르는 것을 방지하도록 제공된다.

제1 및 제2 전극들(1, 5) 각각은 도전성 재료로 형성되어야 한다. 그들을 위해 사용될 수 있는 금속 전극들의 예는 알루미늄(Al)을 함유하는 은(Ag) 합금 막을 포함한다. n형 금속 산화물 반도체층(2)의 경우, 그의 재료로서 티타늄 이산화물(TiO2), 주석 산화물(SnO2) 또는 아연 산화물(ZnO)이 사용될 수 있다. p형 금속 산화물 반도체층(4)의 경우, 그의 재료로서 니켈 산화물(NiO), 구리 알루미늄 산화물(CuAlO2) 등이 사용될 수 있다.

위의 설명에 따르면 제1 전극층(6)이 제1 전극(1) 및 n형 금속 산화물 반도체층(2)으로 구성되는 2층 구조를 갖지만, 제1 전극층(6)의 구조는 2층 구조로 한정되지 않는다는 점에 유의한다. 예로서, 제1 전극층(6)은 제1 전극(1)만으로 구성되는 단일층 구조일 수 있다. 유사하게, 제2 전극층(7)의 구조는 p형 금속 산화물 반도체층(4) 및 제2 전극(5)으로 구성되는 2층 구조로 한정되지 않는다. 예로서, 제2 전극층(7)은 제2 전극(5)만으로 구성되는 단일층 구조일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 각각은 금속 전극만으로 구성될 수 있다.

(B) 전자 침투 현상

도 1 및 2에 도시된 것과 같은 양자 전지에서는 충전 동안 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이에 배치된 충전체(3)에만 전자들이 축적되는 것으로 생각되어 왔다. 즉, 충전체(3) 내의 제2 전극층(7) 바로 아래의 영역에만 전자들이 축적되는 것으로 생각되어 왔다. 그러나, 본원의 발명자들에 의해 실시된 실험들은 제2 전극층(7) 바로 아래의 영역이 전자들로 가득 찰 때 전자들이 제2 전극층(7) 바로 아래의 영역 밖으로 스며 나오는 현상을 밝혀냈다. 즉, 전자들이 제2 전극층(7) 바로 아래의 영역 밖으로 스며 나와서 거기에 축적된다는 것이 밝혀졌다.

아래에서 본원의 발명자들에 의해 발견된 전자 침투 현상이 설명된다. 도 3에 도시된 것과 같은 양자 전지(10)가 전자 침투 현상을 발견하는 데 사용되었다. 도 3은 충전체(3) 상에 배치된 제2 전극층(7)의 패턴 형상을 개략적으로 나타내는 XY 평면도라는 점에 유의한다.

도 3에서, 복수의 직사각 제2 전극층(7)이 어레이로 배열된다. 즉, 복수의 직사각 제2 전극층(7)이 X 방향 및 Y 방향을 따라 배열된다. 이웃하는 제2 전극층들(7) 사이에 어떠한 제2 전극층(7)도 배치되지 않은 영역들이 존재한다. 한편, (도 3에 도시되지 않은) 제1 전극층(6)이 충전체(3)의 실질적 전면 상에 형성되는 것으로 가정한다.

여기서, 충전 전압이 인가되는 제2 전극층(7)은 이하 "섹션(7a)"으로 지칭된다. 즉, 섹션(7a)과 다른 섹션에는 어떠한 충전 전압도 인가되지 않는다. 이어서, 섹션(7a)이 충전되고 있을 때와 섹션(7a)이 자연 방전 상태에 있을 때의 각각의 섹션의 전압이 측정되었다.

섹션(7a)에 대한 충전이 계속됨에 따라, 섹션(7a) 근처에 위치하는 섹션(7b) 내의 전압이 증가한다. 즉, 충전 전압이 인가되지 않는 섹션(7b)에서, 충전체(3)에 축적된 전자들에 기초하여 전압이 발생한다. 또한, 섹션(7a)에 대한 충전이 중지된 후에도, 섹션(7b) 내의 전압은 상승하는 반면, 섹션(7a) 내의 전압은 자연 방전으로 인해 감소한다. 이러한 실험은 전자들이 충전된 위치로부터 충전된 위치 주위의 영역으로 침투한다는 것을 보여준다.

도 4 내지 7은 양자 전지(10)에서의 전자 침투 현상을 설명하기 위한 모델들을 나타낸다. 도 4 내지 7에서, 제1 전극층(6)은 충전체(3)의 전면 상에 형성되며, 제2 전극층(7)은 충전체(3)의 표면의 일부에 형성된다. 제2 전극층(7)이 제1 전극층(6)과 중복되는 영역은 "중복 영역(18)"으로 지칭되고, 그들이 중복되지 않는 영역은 "비중복 영역(19)"으로 지칭된다는 점에 유의한다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 전원(31)이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)에 걸쳐 접속되어 양자 전지(10)를 충전하기 위한 충전 전압을 생성한다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 간의 충전 전압은 충전체(3)에 인가된다. 양자 전지(10)의 충전 동안 전자들은 먼저 (도면에서 문자 "e"로 지시되는) 제2 전극층(7) 바로 아래의 영역에 축적되기 시작한다. 즉, 전자들은 중복 영역(18)에 축적된다. 이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 중복 영역(18)이 전자들로 완전히 채워질 때, 전자들은 제2 전극층(7) 바로 아래 영역 밖에 축적되기 시작한다. 즉, 전자들은 중복 영역(18)으로부터 비중복 영역(19)으로 확산된다.

그 후, 도 6에 도시된 바와 같이, 전자들은 전위가 안정될 때까지 충전체(3) 전반으로 확산된다. 즉, 충전체(3) 내의 전자들의 밀도가 균일해진다. 결과적으로, 중복 영역(18) 내의 전자 밀도는 비중복 영역(19) 내의 전자 밀도와 실질적으로 동일해진다. 방전 동안, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 전극층(7) 바로 아래 영역에 위치하는 전자들이 먼저 탈출하며, 이어서 제2 전극층(7) 바로 아래 영역 밖의 전자들이 점차 탈출한다. 즉, 방전이 시작될 때, 중복 영역(18) 내의 전자 밀도는 비중복 영역(19) 내의 전자 밀도보다 낮아진다.

과거에는, 전자들이 제2 전극층(7) 바로 아래 영역에만 축적되는 것으로 생각되었다. 따라서, 충전체(3)의 실질적 전면 상에 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 양자가 형성되는 평행판 구조들이 사용되었다. 그러나, 전자 침투 현상은 전극층(들)이 충전체(3)의 표면의 일부에 배치되는 것을 가능하게 한다. 또한, 전극층(들)이 충전체(3)의 표면의 일부에 형성될 때에도, 충전체(3)의 부피가 전극층(들)이 전면에 형성되는 사례에서의 부피와 동일할 경우, 이러한 사례에서의 전력 용량과 동일한 전력 용량이 달성될 수 있다. 즉, 양자 전지가 100% 충전될 때, 비중복 영역(19) 내의 전자 밀도는 중복 영역(18) 내의 전자 밀도와 실질적으로 동일해진다. 따라서, 전지로서의 그의 기본 기능을 유지하면서 전지의 특성들을 개선하는 것이 가능하다.

(C) 단일층 양자 전지

전술한 바와 같이, 다양한 구성들을 갖는 양자 전지들이 전자 침투 현상에 의해 실현될 수 있다. 양자 전지들의 구성예들이 아래에서 설명된다. 아래의 설명에서는 단일 양자 전지가 설명된다.

(C-1) 구성예 1

도 8은 구성예 1에 따른 양자 전지(20)를 나타내는 사시도이고, 도 9는 그의 단면도이다.

또한, 도 10은 양자 전지(20)의 평면도이다. 구성예 1에서, 충전체(3)는 판 또는 시트 내에 형성된 충전층이다. 즉, 충전체(3)의 2개의 대향하는 표면은 평행한 평면들이다. 제1 전극층(6)이 충전체(3)의 하면에 형성되고, 제2 전극층(7)이 그의 상면에 형성된다. 즉, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3)의 상이한 표면들에 형성된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 충전체(3)는 XY 평면 보기에서 직사각형으로 형성된다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 위치들은 XY 평면 보기에서 서로 시프트된다. 이 예에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 세로 방향이 Y 방향인 좁은 직사각형들로 형성된다. 또한, 제1 전극층(6)은 충전체(3)의 X 방향에서의 양의 단부에 배치되며, 제2 전극층(7)은 그의 X 방향에서 음의 단부에 배치된다. 전술한 바와 같이, 제1 전극층(6)은 X 방향에서의 충전체(3)의 하나의 단부 근처에 배치되며, 제2 전극층(7)은 그의 충전체(3)의 다른 단부 근처에 배치된다.

제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 충전 전압이 인가될 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 충전체(3) 내에 전기력선들이 발생한다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이의 충전 전압에 의해 충전체(3) 내에 전자들이 축적된다. 또한, 전술한 전자 침투 현상으로 인해, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 위치들이 X 방향에서 서로 시프트될 때에도, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다.

제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3)의 부분들에만 형성되므로, 전지의 부피 효율이 개선될 수 있다. 일반적으로, 전지의 부피 효율은 식 "(전지의 부피 효율) = (전지의 유효 부피)/(전지의 총 부피)"에 의해 표현된다. 따라서, 부피 효율은 양자 전지(20)의 총 부피를 줄임으로써 개선될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극층들의 크기가 감소하므로, 부피 효율이 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 표면 상에 부분적으로 형성되므로, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 전면에 형성되는 사례에 비해 양자 전지(20)의 무게가 감소할 수 있다.

(C-2) 구성예 2

도 11은 구성예 2에 따른 양자 전지(30)를 나타내는 사시도이고, 도 12는 그의 단면도이다. 또한, 도 13은 양자 전지(30)의 평면도이다. 구성예 2에서, 충전체(3)는 판 또는 시트 내에 형성된 충전층이다. 즉, 충전체(3)의 2개의 대향 표면은 평행한 평면들이다. 구성예 2는 제1 전극층(6)의 위치에 관하여 구성예 1과 다르다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 둘 다 충전체(3)의 상면에 형성된다. 제2 전극층(7)은 제1 전극층(6)이 배치되는 충전체(3)의 표면 상에 배치된다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3)의 동일 평면 상에 형성된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 충전체(3)는 XY 평면 보기에서 직사각형으로 형성된다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 위치들은 XY 평면 보기에서 서로 시프트된다. 이 예에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 세로 방향이 Y 방향인 좁은 직사각형들로 형성된다. 또한, 제1 전극층(6)은 충전체(3)의 X 방향에서의 양의 단부에 배치되며, 제2 전극층(7)은 X 방향에서의 음의 단부에 배치된다. 전술한 바와 같이, 제1 전극층(6)은 충전체(3)의 하나의 단부 근처에 배치되며, 제2 전극층(7)은 XY 평면 보기에서 그의 다른 단부 근처에 배치된다. 양자 전지(30)에서, 제2 전극층(7)은 XY 평면 보기에서 제1 전극층(6)의 위치와 다른 위치에 배치된다.

충전 전압이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 인가될 때, 도 12에 도시된 바와 같이 충전체(3) 내에 전기력선들이 발생한다. 결과적으로, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이의 충전 전압에 의해 충전체(3) 내에 전자들이 축적된다. 또한, 전술한 전자 침투 현상으로 인해, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 동일 평면 상에 배치되고 X 방향에서 상이한 위치들에 배치될 때에도, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다.

제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 부분(들)에만 형성되므로, 전지의 부피 효율이 개선될 수 있다. 일반적으로, 전지의 부피 효율은 식 "(전지의 부피 효율) = (전지의 유효 부피)/(전지의 총 부피)"에 의해 표현된다. 따라서, 부피 효율은 양자 전지(30)의 총 부피를 줄임으로써 개선될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전극층의 크기가 감소하므로, 부피 효율이 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)에 부분적으로 형성되므로, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 전면에 형성되는 사례에 비해 양자 전지(30)의 무게가 감소할 수 있다.

(C-3) 구성예 3

도 14는 구성예 3에 따른 양자 전지(40)를 나타내는 사시도이고, 도 15는 그의 단면도이다. 또한, 도 16은 양자 전지(40)의 평면도이다. 구성예 3에서, 충전체(3)는 판 또는 시트 내에 형성된 충전층이다. 즉, 충전체(3)의 2개의 대향 표면은 평행한 평면들이다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 둘 다 충전체(3)의 상면 및 하면 각각에 형성된다.

더 구체적으로, 양자 전지(40)는 2개의 제1 전극층(6) 및 2개의 제2 전극층(7)을 포함한다. 아래의 설명에서, 2개의 제1 전극층(6)은 각각 "제1 전극층(6a)" 및 "제1 전극층(6b)"으로 지칭되며, 2개의 제2 전극층(7)은 각각 "제2 전극층(7a)" 및 "제2 전극층(7b)"으로 지칭된다. 제1 전극층(6a) 및 제2 전극층(7a)은 충전체(3)의 상면에 형성된다. 제1 전극층(6b) 및 제2 전극층(7b)은 충전체(3)의 하면에 형성된다. 제1 전극층(6a)은 충전체(3)의 X 방향에서 양의 단부에 배치되고, 제1 전극층(6b)은 그의 X 방향에서 음의 단부에 배치된다.

제2 전극층(7a)은 충전체(3)의 X 방향에서 음의 단부에 배치되고, 충전체(3)의 하면에 형성되는 제2 전극층(7b)은 그의 X 방향에서 양의 단부에 배치된다. 제2 전극층(7a) 및 제1 전극층(6b)은 충전체(3)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된다. 즉, 제2 전극층(7a)의 위치는 XY 평면 상에서 제1 전극층(6b)의 위치와 일치한다. 제2 전극층(7b) 및 제1 전극층(6a)은 충전체(3)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된다. 즉, 제2 전극층(7b)의 위치는 XY 평면 상에서 제1 전극층(6a)의 위치와 일치한다.

따라서, 양자 전지(40)의 제2 전극층(7)은 XY 평면 보기에서 제1 전극층(6a)의 위치와 다른 위치에 배치되는 제2 전극층(7a), 및 XY 평면 보기에서 제1 전극층(6a)의 위치와 동일한 위치에 배치되는 제2 전극층(7b)을 포함한다. 유사하게, 양자 전지(40)의 제1 전극층(6)은 XY 평면 보기에서 제2 전극층(7a)의 위치와 동일한 위치에 배치되는 제1 전극층(6b), 및 XY 평면 보기에서 제2 전극층(7a)의 위치와 다른 위치에 배치되는 제1 전극층(6a)을 포함한다.

충전 전압이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 인가될 때, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 간의 충전 전압에 의해 전자들이 충전체(3) 내에 축적된다. 또한, 전술한 전자 침투 현상으로 인해, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 동일 평면 상에 그리고 X 방향에서 상이한 위치들에 배치될 때에도, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다.

또한, 구성예 3에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 각각은 복수의 섹션으로 분할되고 그들로서 형성된다. 따라서, 방전 프로세스에서 사용되는 것들과 다른 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 충전 프로세스에서 사용하는 것이 가능하다. 예로서, 양자 전지가 충전될 때, 전원이 제1 전극층들(6a, 6b) 및 제2 전극층들(7a, 7b) 모두에 접속되어, 전지에 충전 전압을 인가한다. 이것은 고속 충전 동작을 가능하게 한다. 한편, 양자 전지가 방전될 때, 부하(들) 등이 제1 전극층(6a) 및 제2 전극층(7b)에만 접속된다. 이러한 방식으로, 한꺼번에 인출되는 전력을 제한하는 것이 가능하며, 따라서 장시간의 방전이 가능해진다.

전술한 바와 같이, 전극층들의 복수의 분할된 섹션을 형성함으로써, 충전 프로세스에서의 중복 영역과 방전 프로세스에서의 중복 영역 사이에서 중복 영역의 크기를 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 충전 프로세스에서의 중복 영역의 크기는 방전 영역에서의 중복 영역에 비해 감소할 수 있다. 대안으로서, 충전 프로세스에서의 중복 영역의 크기는 방전 프로세스에서의 중복 영역에 비해 증가할 수 있다. 제1 전극층(6) 또는 제2 전극층(7)을 복수의 섹션으로 분할함으로써 원하는 충전/방전 특성들이 달성될 수 있다.

(C-4) 구성예 4

도 17은 구성예 4에 따른 양자 전지(50)를 나타내는 단면도이다. 양자 전지(50)는 구성예 4에서 삼차원 형상으로 형성된다. 구체적으로, 양자 전지(50)는 구 형상으로 형성된 충전체(3)를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 구 형상 충전체(3)의 부분들 상에 형성된다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3)의 표면의 일부 상에 형성된다.

제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치된다. 이 예에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 구 형상 충전체(3)의 중심이 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이에 위치하도록 서로 대향하도록 배치된다. 이 경우, 충전 전압이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 인가될 때, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이의 충전 전압에 의해 충전체(3) 내에 전자들이 축적된다. 또한, 전술한 전자 침투 현상으로 인해, 충전체(3) 전반에 전자들이 축적된다. 전술한 바와 같이, 구 형상 충전체(3) 전반에 전자들이 확산된다.

제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 구 형상으로 형성된 충전체(3)의 표면 상에 형성된다. 따라서, 충전체(3)의 표면은 구 형상으로 형성된다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 중 적어도 하나에 대해, 충전체(3)와 접촉하는 표면은 곡면이다. 또한, 충전체(3)의 외면은 곡면이다. 부피 효율은 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성함으로써 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 표면의 일부에 형성되므로, 양자 전지(50)의 무게가 감소할 수 있다.

(C-5) 구성예 5

도 18은 구성예 5에 따른 양자 전지(60)를 나타내는 사시도이다. 구성예 5에서, 양자 전지(60)는 동축 구성을 갖는다. 따라서, 충전체(3)는 원기둥 형상으로 형성된다. 원기둥 제1 전극층(6)이 충전체(3)의 중심에 배치된다. 중심축을 따라 위치하는 제1 전극층(6)의 외주면은 충전체(3)와 접촉한다. 제1 전극층(6)의 하나의 단부가 충전체(3) 밖에 배치되어, 외부 단자에 접속될 수 있다.

제2 전극층(7)이 충전체(3)의 외주면 상에 배치된다. 따라서, 제1 전극층(6) 또는 제2 전극층(7)과 접촉하는 충전체(3)의 표면은 곡면이다. 충전 전압이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 인가될 때, 전자들은 원기둥 충전체(3) 전반으로 확산된다. 도 18에는 제2 전극층(7)이 충전체(3)의 외주면의 전체 영역에 형성되지만, 제2 전극층(7)은 외주면 상에 부분적으로 형성될 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 제2 전극층(7)은 충전체(3)의 외주면의 부분(들) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 전극층들(7)의 복수의 섹션이 충전체(3)의 외주면 상에 형성될 수 있다.

또한, 제1 전극층(6)은 충전체(3) 내의 소정의 중점까지만 연장하는 X 방향의 길이를 가질 수 있다. 물론, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 위치들은 상호 변경될 수 있다. 즉, 제1 전극층(6)은 충전체(3)의 바깥쪽에 형성될 수 있고, 제2 전극층(7)은 충전체(3)의 안쪽에 형성될 수 있다.

충전체(3)는 원기둥 제1 전극층(6)의 외주면 상에 형성된다. 또한, 제2 전극층(7)은 충전체(3)의 외주면 상에 형성된다. 충전체(3)의 표면은 곡면이다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 중 적어도 하나에 대해, 충전체(3)와 접촉하는 표면은 곡면이다. 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성함으로써 부피 효율이 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 충전체(3)의 일부 상에 형성되므로, 양자 전지(60)의 무게가 감소할 수 있다.

(C-6) 구성예 6

도 19는 구성예 6에 따른 양자 전지(70)를 나타내는 사시도이다. 양자 전지(70)에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)은 충전체(3) 안에 배치된다. 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 각각의 하나의 단부는 외부 단자들과 접속될 수 있도록 충전체(3) 밖에 배치된다. 이 예에서, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 각각은 세로 방향이 Y 방향인 원기둥 형상으로 형성된다. 충전체(3)는 직육면체 형상으로 형성되며, 그 안에 제1 및 제2 전극층들(6, 7)이 배치된다. 물론, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 및 충전체(3)의 형상들은 임의의 특정 형상들로 제한되지 않는다.

충전체(3)의 일부가 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이에 배치된다. 충전 전압이 제1 및 제2 전극층들(6, 7)을 가로질러 제공될 때, 충전체(3)에 전압이 제공된다. 충전이 계속됨에 따라, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 사이의 영역으로부터 충전체(3)의 전체 영역으로 전자들이 확산된다. 전술한 전자 침투 현상으로 인해, 전자들이 충전체(3) 전반에 축적된다.

도 19에서는 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 양자가 충전체(3) 내에 배치되지만, 제1 및 제2 전극층들(6, 7) 중 하나만이 충전체(3) 내에 배치될 수 있다는 점에 유의한다. 이 경우, 나머지 전극층은 충전체(3)의 표면 상에 형성될 수 있다.

구성예 1 내지 3에서, 전극층들은 판형 또는 시트형 충전체(3)의 표면의 일부 상에 형성된다. 그러한 구성들을 이용함으로써, 다양한 패키징 구성들이 실현될 수 있다. 결과적으로, 양자 전지의 부피 효율을 개선하고/하거나 양자 전지의 무게 및/또는 비용을 줄이는 것이 가능하다.

구성예 4 내지 6에서, 충전체(3)는 삼차원 형상으로 형성된다. 충전체(3)의 부피는 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성함으로써 증가할 수 있다. 즉, 전지 용량은 큰 두께를 갖는 충전체(3)를 사용함으로써 증가할 수 있다. 예로서, 판형 또는 시트형 충전층이 사용될 때, 충전층의 면적(즉, 이차원 크기)을 증가시켜 충전층의 부피를 증가시켜야 한다. 그러나, 충전층 크기는 그의 균일성을 고려할 때 증가시키기 어려울 수 있다. 이 예시적인 실시예에서 전술한 바와 같이, 삼차원 충전체(3)를 사용함으로써 높은 전지 용량 및 우수한 특성들을 갖는 양자 전지를 실현하는 것이 가능하다. 또한, 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성함으로써 다양한 패키징 구성들이 실현될 수 있다. 결과적으로, 양자 전지의 부피 효율을 개선하고/하거나 양자 전지의 무게 및/또는 비용을 줄이는 것이 가능하다.

다양한 형성(또는 성형) 방법이 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성하기 위한 방법으로 이용될 수 있다. 예로서, 원하는 형상을 갖는 형틀을 이용하여 충전체(3)가 성형될 수 있다. 구체적으로, 절연성 재료로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 미립자들이 형틀 내에 넣어진다. 이어서, 미립자들이 압착된 후에 구워진다. 그렇게 함으로써, 임의의 형상을 갖는 충전체(3)가 성형될 수 있다. 원하는 형상을 갖는 형틀을 사용함으로써 충전체(3) 내에 큰 두께를 갖는 섹션(들)을 형성하여, 충전체(3)를 삼차원 형상으로 형성하는 것이 가능하다. 또한, 구성예 5 및 6에서, 충전체(3)는 그 안에 전극층(들)이 배치된 상태로 성형된다.

(D) 양자 전지의 적층 구조

구성예 1-6 각각에는 단일 양자 전지가 도시된다. 그러나, 복수의 양자 전지를 결합하여 용량을 증가시키는 것이 가능하다. 아래에서는 각자가 구성예 1 내지 6에 도시된 양자 전지들 중 하나일 수 있는 복수의 단일 양자 전지를 포함하는 양자 전지가 설명된다. 이하, 단일 양자 전지는 "단위 양자 전지"로도 지칭되며, 복수의 단위 양자 전지를 포함하는 양자 전지는 "양자 전지 유닛"으로도 지칭된다. 복수의 단위 양자 전지를 병렬로 또는 직렬로 접속함으로써 훨씬 더 양자 전지의 부피 효율을 개선하고/하거나 양자 전지의 무게 및/또는 비용을 줄이는 것이 가능하다.

(D-1) 양자 전지 유닛의 적층 구조 1

도 20은 적층 구조 1에 따른 양자 전지 유닛(100)을 나타내는 단면도이다. 도 20에서는, 각자가 구성예 1에 도시된 2개의 양자 전지(20)가 사용된다. 도 20에서, 양자 전지들(20)은 각각 단위 양자 전지들(20a, 20b)로서 지칭된다. 단위 양자 전지들(20a, 20b)은 직렬로 접속된다.

도 20에서는, 시트형 또는 판형 단위 양자 전지들(20a, 20b)이 서로 적층된다. 즉, 충전체들(3a, 3b)이 서로 병렬로 배열된다. 또한, 단위 양자 전지(20a)의 제1 전극층(6a) 및 단위 양자 전지(20b)의 제2 전극층(7b)이 충전체들(3a, 3b) 사이에 배치된다. 제1 전극층(6b)이 음극 단자(101)에 접속되고, 제2 전극층(7a)이 양극 단자(102)에 접속된다. 또한, 제1 전극층(6a)은 제2 전극층(7b)에 접속된다. 제1 전극층(6a)은 예로서 접속 단자(들)(도시되지 않음)를 통해 제2 전극층(7b)에 접속된다. 대안으로서, 제1 전극층(6a)은 충전체(3a 또는 3b) 상에 도전성 패턴을 형성함으로써 제2 전극층(7b)에 접속될 수 있다. 또한, 제1 전극층(6a)이 충전체(3b)와 접촉하는 것을 또는 제2 전극층(7b)이 충전체(3a)와 접촉하는 것을 방지하기 위해 절연층이 제공될 수 있다.

전술한 바와 같이, 2개의 단위 양자 전지(20a, 20b)를 직렬로 접속함으로써 출력 전압이 증가할 수 있다. 또한, 부분 전극 구성으로 인해, 양자 전지 유닛(100)의 부피 효율이 개선될 수 있다. 단자 구조가 간소화될 수 있으므로, 부피 효율이 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 크기들이 작으므로, 무게가 감소할 수 있다.

물론, 3개 이상의 층으로 구성되는 적층 구조가 양자 전지 유닛(100)을 위해 채택될 수 있다. 예로서, 그러한 적층 구조는 각자가 도 20에 도시된 2개 이상의 구조를 반복적으로 배치함으로써 쉽게 실현될 수 있다. 양자 전지 유닛(100)의 출력 전압은 "NxV"로 표현되고, 양자 전지 유닛(100)의 전류 용량은 "Ah"로 표현되며, 여기서 V는 단위 양자 전지(20)의 전압이고, Ah는 단위 양자 전지(20)의 전류 용량이고, N은 적층된 층들의 수이다.

(D-2) 양자 전지 유닛의 적층 구조 2

도 21은 적층 구조 2에 따른 양자 전지 유닛(200)을 나타내는 단면도이다. 도 21에서는, 각자가 구성예 1에 도시된 2개의 양자 전지(20)가 사용된다. 도 21에서, 양자 전지들(20)은 각각 단위 양자 전지들(20a, 20b)로서 지칭된다. 단위 양자 전지들(20a, 20b)은 병렬로 접속된다. 도 21에서, 시트형 또는 판형 단위 양자 전지들(20a, 20b)이 서로 적층된다. 즉, 충전체들(3a, 3b)이 서로 병렬로 배열된다.

구체적으로, 단위 양자 전지들(20a, 20b)은 제2 전극층들(7a, 7b)이 서로 대면하도록 배열된다. 즉, 제2 전극층(7a)은 충전체(3a)의 하면에 배치되고, 제2 전극층(7b)은 충전체(3b)의 상면에 배치된다. 또한, 양극 단자(102)가 제2 전극층들(7a, 7b) 사이에 배치된다. 양극 단자(102)는 양극 단자(102)가 제2 전극층들(7a, 7b) 사이에 삽입되는 상태로 제2 전극층들(7a, 7b)에 접속된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 단위 양자 전지들(20a, 20b)은 양극 단자(102)를 공유할 수 있으며, 따라서 단자 구조를 간소화하는 것이 가능해진다. 또한, 도 21에서, 양자 전지는 제2 전극층(7)이 충전체(3)의 표면으로부터 돌출하지 않도록 형성된다.

한편, 제1 전극층(6a)은 충전체(3a)의 상면에 배치되고, 제1 전극층(6b)은 충전체(3b)의 하면에 배치된다. 또한, 음극 단자(101)가 제1 전극층들(6a, 6b)에 접속된다. 음극 단자(101)는 제1 전극층들(6a, 6b) 각각에 접속되도록 분기된다.

전술한 바와 같이 2개의 단위 양자 전지(20a, 20b)를 병렬로 접속함으로써 전류 용량이 증가할 수 있다. 또한, 부분 전극 구성으로 인해, 양자 전지 유닛(200)의 부피 효율이 개선될 수 있다. 단자 구조가 간소화될 수 있으므로, 부피 효율이 개선될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극층들(6, 7)의 크기들이 작으므로, 무게가 감소할 수 있다.

물론, 3개 이상의 층으로 구성되는 적층 구조가 양자 전지 유닛(200)을 위해 채택될 수 있다. 이 경우, 그러한 적층 구조는 각자가 도 21에 도시된 2개 이상의 구조를 반복적으로 배치함으로써 쉽게 실현될 수 있다. 양자 전지 유닛(200)의 전류 용량은 "N x Ah"로 표현되고, 양자 전지 유닛(200)의 출력 전압은 "V"로 표현되며, 여기서 V는 단위 양자 전지(20)의 출력 전압이고, Ah는 단위 양자 전지(20)의 전류 용량이고, N은 적층된 층들의 수이다.

단위 양자 전지들(20)이 적층 구조 1 및 2에 따른 양자 전지 유닛들 내에 적층되지만, 다른 구성들을 갖는 단위 양자 전지들이 다른 양자 전지 유닛들 내에 적층될 수 있다는 점에 유의한다. 예로서, 단위 양자 전지들(30) 또는 단위 양자 전지들(40)이 다른 양자 전지 유닛들 내에 적층될 수 있다. 대안으로서, 상이한 구성들을 갖는 단위 양자 전지들(20, 30 및/또는 40)이 다른 양자 전지 유닛들 내에 적층될 수 있다. 예로서, 단위 양자 전지(20) 및 단위 양자 전지(30)가 적층될 수 있거나, 단위 양자 전지(20) 및 단위 양자 전지(40)가 적층될 수 있다. 대안으로서, 단위 양자 전지(30) 및 단위 양자 전지(40)가 적층될 수 있다. 물론, 3개 이상의 단위 양자 전지가 결합될 수 있다. 이 경우, 전류 용량은 "N x Ah"로서 표현된다.

또한, 2개 이상의 병렬 접속된 단위 양자 전지를 2개 이상의 직렬 접속된 단위 양자 전지와 결합하는 것이 가능하다. 예로서, 병렬 접속들의 수가 N이고, 직렬 접속들의 수가 N인 2N개의 단위 양자 전지를 포함하는 구성을 채택하는 것이 가능하다. 이 경우, 단위 양자 전지의 출력 전압은 "N x V"로 표현되고, 전류 용량은 "N x Ah"로 표현되며, 여기서 V는 단위 양자 전지의 전압이고, Ah는 단위 양자 전지의 전류 용량이다.

(D-3) 양자 전지 유닛의 적층 구조 3

도 22는 적층 구조 3에 따른 양자 전지 유닛(300)을 나타내는 단면도이다. 도 22에서는, 도 1 및 2에 도시된 병렬판형 양자 전지(11)가 구성 예 4에 도시된 양자 전지(50)와 결합된다. 도 22에서, 양자 전지 유닛(300)은 하나의 단위 양자 전지(11) 및 6개의 단위 양자 전지(50)를 포함한다. 즉, 삼차원 단위 양자 전지들(50)이 병렬판형 단위 양자 전지(11)와 결합된다.

더 구체적으로, 3개의 단위 양자 전지(50)가 양자 전지(11)의 각각의 표면 상에 배치된다. 양자 전지 유닛(300)은 하나의 단위 양자 전지(11) 및 6개의 단위 양자 전지(50)를 포함한다. 도 22에서, 양자 전지 유닛(300) 내에 포함된 단위 양자 전지들(50) 및 단위 양자 전지(11)는 각각 단위 양자 전지들(50a 내지 50f) 및 단위 양자 전지(11g)로 지칭된다.

삼차원 단위 양자 전지들(50a 내지 50f)은 시트형 단위 양자 전지(11g)의 양면 상에 배치된다. 즉, 병렬판형 단지 양자 전지(11)는 삼차원 단위 양자 전지들(50) 사이에 배치된다. 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)은 X 방향을 따라 일렬로 배열된다. 단위 양자 전지들(50d 내지 50f)도 X 방향을 따라 일렬로 배열된다.

단위 양자 전지들(50a, 50b, 50c)은 단위 양자 전지(11g)의 상측(+Z측)에 배치되고, 단위 양자 전지들(50d, 50e, 50f)은 단위 양자 전지(11g)의 하측(-Z측)에 배치된다. 단위 양자 전지(11g) 및 단위 양자 전지들(50a 내지 50f)은 병렬로 접속된다. 따라서, 양극 단자(102)는 제2 전극층들(7a 내지 7g) 각각에 접속되고, 음극 단자(101)는 제1 전극층들(6a 내지 6g) 각각에 접속된다.

양극 단자(102)의 일부가 제2 전극층(7g) 위에 배치된다. 또한, 양극 단자(102)의 일부가 또한 제2 전극층들(7a, 7b, 7c) 아래에 배치된다. 따라서, 양극 단자(102)는 실질적으로 제2 전극층(7g)과 제2 전극층들(7a, 7b, 7c) 사이에 배치된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 공통 양극 단자(102)가 제2 전극층들(7a, 7b, 7c)에 그리고 제2 전극층(7g)에 접속될 수 있다. 즉, 판형 양극 단자(102)의 상면은 제2 전극층들(7a, 7b, 7c)과 접촉하고, 그의 하면은 제2 전극층(7g)과 접촉한다. 이러한 구성을 이용하여, 단자 구조가 간소화될 수 있다.

음극 단자(101)의 일부가 제1 전극층(6g) 아래에 배치된다. 또한, 음극 단자(101)의 일부가 제1 전극층들(6d, 6e, 6f) 위에도 배치된다. 따라서, 음극 단자(101)는 실질적으로 제1 전극층(6g)과 제1 전극층들(6d, 6e, 6f) 사이에 배치된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 공통 음극 단자(101)는 제1 전극층들(6d, 6e, 6f)에 그리고 제1 전극층(6g)에 접속될 수 있다. 즉, 판형 음극 단자(101)의 하면은 제1 전극층들(6d, 6e, 6f)과 접촉하고, 음극 단자(101)의 상면은 제1 전극층(6g)과 접촉한다. 이러한 구성을 이용하여, 단자 구조가 간소화될 수 있다.

도 22에 도시된 구성에서는, 평행판형 단위 양자 전지(11)가 사용되므로, 전력 밀도가 개선될 수 있다. 게다가, 큰 부피를 갖는 충전체(3)를 각각 포함하는 단위 양자 전지들(50)이 사용되므로, 전류 용량이 개선될 수 있다. 시트형 양자 전지(들)를 삼차원 양자 전지(들)와 접속함으로써 큰 전류 용량 및 큰 부피 밀도를 갖는 전지가 실현될 수 있다. 따라서, 우수한 특성들을 갖는 양자 전지 유닛(300)이 실현될 수 있다.

단위 양자 전지들(50)이 단위 양자 전지(11)의 각각의 표면 상에 일렬로 배열되는 구성이 도 22에 도시되지만, 단위 양자 전지들(50)은 2개 이상의 열로 배열될 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 단위 양자 전지들(50)은 행렬로 배열될 수 있다. 이 경우, 복수의 단위 양자 전지(50)가 X 방향을 따라 그리고 Y 방향을 따라 배열된다. 또한, 단위 양자 전지들(50)은 단위 양자 전지(11)의 하나의 표면에만 배열될 수 있다. 또한, 구성예 1, 2 및 3에 도시된 양자 전지들(20 내지 40) 중 어느 하나를 평행판형 단위 양자 전지(11)로서 사용하는 것도 가능하다.

(D-4) 양자 전지 유닛의 적층 구조 4

도 23은 적층 구조 4에 따른 양자 전지 유닛(400)을 나타내는 단면도이다. 도 23에서는, 도 1에 도시된 평행판형 양자 전지(11)가 구성예 4에 도시된 양자 전지(50)와 결합된다. 도 23에서, 양자 전지 유닛(400)은 2개의 단위 양자 전지(11) 및 3개의 단위 양자 전지(50)를 포함한다.

더 구체적으로, 하나의 단위 양자 전지(11)가 양자 전지들(50) 위에 배치되고, 나머지 단위 양자 전지(11)가 양자 전지들(50) 아래에 배치된다. 즉, 삼차원 단위 양자 전지들(50)은 평행판형 단위 양자 전지들(11) 사이에 배치된다. 도 23에서, 양자 전지 유닛(400)에 포함된 단위 양자 전지들(50) 및 단위 양자 전지들(11)은 각각 단위 양자 전지들(50a 내지 50c) 및 단위 양자 전지들(11d, 11e)로 지칭된다.

삼차원 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)은 시트형 단위 양자 전지들(11d, 11e) 사이에 배치된다. 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)은 X 방향을 따라 일렬로 배열된다. 단위 양자 전지들(11d, 11e) 및 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)은 병렬로 접속된다. 따라서, 양극 단자(102)는 제2 전극층들(7a 내지 7g) 각각에 접속되고, 음극 단자(101)는 제1 전극층들(6a 내지 6g) 각각에 접속된다.

제2 전극층(7d)은 단위 양자 전지(11d)의 상면에 배치되고, 제1 전극층(6d)은 이 전지의 하면에 배치된다. 제1 전극층들(6a 내지 6c)은 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)의 상면에 배치된다. 또한, 음극 단자(101)의 일부가 제1 전극층들(6a 내지 6c)과 제1 전극층(6d) 사이에 배치된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 공통 음극 단자(101)가 제1 전극층들(6a, 6b, 6c)에 그리고 제1 전극층(6d)에 접속될 수 있다. 즉, 판형 음극 단자(101)의 하면은 제1 전극층들(6a, 6b, 6c)과 접촉하고, 그의 상면은 제1 전극층(6d)과 접촉한다. 이러한 구성을 이용하여, 단자 구조가 간소화될 수 있다.

제2 전극층(7e)은 단위 양자 전지(11e)의 상면에 배치되며, 제1 전극층(6e)은 단위 양자 전지(11e)의 하면에 배치된다. 제2 전극층들(7a 내지 7c)은 단위 양자 전지들(50a 내지 50c)의 하면에 배치된다. 또한, 양극 단자(102)의 일부가 제2 전극층들(7a 내지 7c)과 제2 전극층(7e) 사이에 배치된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 공통 양극 단자(102)가 제2 전극층들(7a 내지 7c)에 그리고 제2 전극층(7e)에 접속될 수 있다. 즉, 판형 양극 단자(102)의 상면은 제2 전극층들(7a, 7b, 7c)과 접촉하고, 그의 하면은 제2 전극층(7d)과 접촉한다. 이러한 구성을 이용하여, 단자 구조가 간소화될 수 있다.

도 23에 도시된 구성에서는, 평행판형 단위 양자 전지(11)가 사용되므로, 전력 밀도가 개선될 수 있다. 게다가, 큰 부피를 갖는 충전체(3)를 각각 포함하는 단위 양자 전지들(50)이 사용되므로, 전류 용량이 개선될 수 있다. 시트형 양자 전지(들)를 삼차원 양자 전지(들)와 접속함으로써 큰 전류 용량 및 큰 부피 밀도를 갖는 전지가 실현될 수 있다. 따라서, 우수한 특성들을 갖는 양자 전지 유닛(400)이 실현될 수 있다.

단위 양자 전지들(50)이 단위 양자 전지들(11)의 표면들 상에 일렬로 배열되는 구성이 도 23에 도시되지만, 단위 양자 전지들(50)은 2개의 이상의 열로 배열될 수 있다는 점에 유의한다. 즉, 단위 양자 전지들(50)은 행렬로 배열될 수 있다. 이 경우, 복수의 단위 양자 전지(50)가 X 방향을 따라 그리고 Y 방향을 따라 배열된다. 이러한 구성을 이용하여, 전지 용량이 개선될 수 있다.

적층 구조 3 및 4에 도시된 바와 같이, 시트형 단위 양자 전지(들)를 삼차원 단위 양자 전지(들)와 결합함으로써 양자 전지 유닛이 형성된다. 즉, 시트형 단위 양자 전지(들)의 전극층은 삼차원 단위 양자 전지(들)의 전극층에 접속된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 이러한 전지들의 특성들은 서로 보완하게 된다. 즉, 시트형 단위 양자 전지의 경우, 전극층이 충전체(3)와 접촉하는 면적이 증가할 수 있으므로, 전력 밀도(전류 밀도)가 증가할 수 있다. 한편, 삼차원 단위 양자 전지의 경우, 충전체(3)의 부피가 크므로, 전지 용량이 크다. 따라서, 이러한 전지들의 특성들은 시트형 단위 양자 전지(들)를 삼차원 단위 양자 전지(들)와 접속함으로써 서로 보완하게 될 수 있다. 결과적으로, 우수한 양자 전지 유닛을 실현하는 것이 가능하다.

적층 구조 3 및 4에서는 상이한 구조들을 갖는 단위 양자 전지들이 병렬로 접속되지만, 그들은 직렬로 접속될 수 있다. 이 경우, 시트형 단위 양자 전지(11)의 제2 전극층(7)은 삼차원 단위 양자 전지(50)의 제1 전극층(6)에 접속될 수 있다. 대안으로서, 시트형 단위 양자 전지(11)의 제1 전극층(6)은 삼차원 단위 양자 전지(50)의 제2 전극층(7)에 접속될 수 있다.

또한, 구성예 1, 2 및 3에 도시된 양자 전지들(20 내지 40) 중 어느 하나를 적층 구조 3 및 4의 평행판형 단위 양자 전지(11)로서 사용하는 것도 가능하다. 위의 설명은 제1 전극층(6)이 음극층이고, 제2 전극층(7)이 양극층이라는 가정하에 주어지지만, 제1 전극층(6)이 양극층일 있고, 제2 전극층(7)이 음극층일 수 있다.

본 발명에 따른 소정의 예시적인 실시예들이 위에서 설명되었지만, 본 발명은 본 발명의 목적들 및 장점들을 실질적으로 손상시키지 않는 다양한 변경들도 포함한다. 또한, 전술한 예시적인 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 데 사용되지 않아야 한다.
본 출원은 2014년 3월 18일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-054978호를 기초로 하는 우선권을 주장하고 그 개시의 전부를 여기에 포함한다.

1: 제1 전극
2: n형 금속 산화물 반도체층
3: 충전체
4: p형 금속 산화물 반도체층
5: 제2 전극
6: 제1 전극층
7: 제2 전극층
10: 양자 전지
18: 중복 영역
19: 비중복 영역

Claims

전지로서,
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체(charging element)
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화(photoexcited structural change)를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되며,
상기 충전체는 원통형으로 되어 있고,
상기 충전체의 중심축 상에 상기 제1 전극층이 배치되고, 상기 제1 전극층의 외주면이 상기 충전체와 접촉하고,
상기 충전체의 외주면에 상기 제2 전극층이 배치되는, 전지.
삭제
전지로서,
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되며,
상기 충전체는 구형으로 되어 있고,
상기 충전체의 외주면에 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 배치되고,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 상기 충전체를 사이에 두고 대향 배치되는, 전지.
삭제
전지로서,
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고,
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 원통형으로 형성되고, 상기 충전체의 내부에 배치되고,
상기 원통형의 상기 제1 전극층의 길이 방향이, 원통형의 상기 제2 전극층의 길이 방향과 평행하게 되는, 전지.
전지로서,
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고,
상기 제1 전극층은 제1 금속 전극과, 상기 제1 금속 전극 및 상기 충전체 사이에 배치된 n형 금속 산화물 반도체층을 갖는 음극층이고,
상기 제2 전극층은 제2 금속 전극과, 상기 제2 금속 전극 및 상기 충전체 사이에 배치된 p형 금속 산화물 반도체층을 갖는 양극층이고,
상기 충전체의 상기 제1 전극층이 형성된 측면에 상기 제2 전극층이 형성되어 있는, 전지.
제6항에 있어서,
복수의 제2 전극층이 제공되며,
상기 충전체를 사이에 두고 상기 제1 전극층에 대향하는 제2 전극층이 더 제공되는 전지.
전지로서,
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되고,
상기 제1 전극층은 제1 금속 전극과, 상기 제1 금속 전극 및 상기 충전체 사이에 배치된 n형 금속 산화물 반도체층을 갖는 음극층이고,
상기 제2 전극층은 제2 금속 전극과, 상기 제2 금속 전극 및 상기 충전체 사이에 배치된 p형 금속 산화물 반도체층을 갖는 양극층이고,
상기 제2 전극층은 XY 평면 상에서 상기 제1 전극층이 배치된 위치와 다른 위치에 배치되며, 상기 평면은 상기 충전체의 표면을 따르는 전지.
제8항에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층이 형성되는 상기 충전체의 표면 상에 형성되는 전지.
제8항에 있어서,
상기 제2 전극층은 상기 제1 전극층이 형성되는 상기 충전체의 표면에 대향하는 표면 상에 형성되는 전지.
전지로서,
제1 단위 전지; 및
상기 제1 단위 전지와 병렬로 또는 직렬로 접속된 제2 단위 전지
를 포함하고, 상기 제1 단위 전지는 제1항, 제3항, 및 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항의 전지이고,
상기 제2 단위 전지는
제1 전극층;
제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이의 충전 전압이 인가되는 충전체
를 포함하고, 상기 충전체는 절연성 물질로 피복된 n형 금속 산화물 반도체의 광 여기 구조 변화를 유발함으로써 밴드 갭 내의 에너지 레벨을 형성하여 전자를 포획하도록 구성되는 전지.
제11항에 있어서,
상기 제1 단위 전지는 제1항의 전지이고,
상기 제2 단위 전지는 평행판형(parallel-plate type) 단위 전지인 전지.
제11항에 있어서,
상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지 각각은 제6항의 전지이고,
상기 제1 단위 전지 및 제2 단위 전지는 적층되는 전지.