(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導により電力を誘起するアンテナコイルと、
上記アンテナコイルにより誘起された電力を蓄積する薄膜電池と、
上記アンテナコイルから薄膜電池への電力の蓄積を制御する制御部と
を備え、
上記薄膜電池は、正極と、負極と、上記正極および上記負極の間に設けられる電解質とを備え、
上記電解質は、式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を含むＩＣカード。
Ｌｉ1+2xＭ２xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（２）
（式中、Ｍ２は亜鉛（Ｚｎ）、ケイ素（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群から選択される少なくとも１種を表し、Ｍ２の価数は２価である。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【請求項２】
上記正極および上記負極は、透明導電体を主成分とする集電体を含んでいる請求項１記載のＩＣカード。
【請求項３】
上記透明導電体は、インジウムとスズの酸化物である請求項２記載のＩＣカード。
【請求項４】
上記透明導電体の色の変化を目視するための残量表示部をさらに備える請求項３記載のＩＣカード。
【請求項５】
情報を記憶する記憶部と、
上記記憶部に記憶された情報を表示する表示部と、
をさらに備える請求項１記載のＩＣカード。
【請求項６】
上記薄膜電池は、全固体二次電池である請求項１記載のＩＣカード。
【請求項７】
太陽電池をさらに備え、
上記制御部は、上記太陽電池から上記薄膜電池に対する充電を制御する請求項１記載のＩＣカード。
【請求項８】
上記アンテナコイルにより誘起された電力を蓄積する複数の薄膜電池を備え、
上記複数の薄膜電池は積層されるとともに、直列および／または並列に接続されている請求項１記載のＩＣカード。
【請求項９】
上記薄膜電池を外部電源に接続するための接続端子をさらに備え、
上記制御部が、上記外部電源から上記薄膜電池への充電を制御する請求項１記載のＩＣカード。
【請求項１０】
太陽電池と、
上記太陽電池により発電された電力を蓄積する薄膜電池と、
上記太陽電池から上記薄膜電池に対する電力の蓄積を制御する制御部と
を備え、
上記薄膜電池は、正極と、負極と、上記正極および上記負極の間に設けられる電解質とを備え、
上記電解質は、式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を含むＩＣカード。
Ｌｉ1+2xＭ２xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（２）
（式中、Ｍ２は亜鉛（Ｚｎ）、ケイ素（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群から選択される少なくとも１種を表し、Ｍ２の価数は２価である。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＣカードに関する。詳しくは、電源を備えるＩＣカードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報を電子的に記憶することができる集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）と、この集積回路と接続され、電磁波を送受信可能なコイル状アンテナとを備える非接触型のＩＣカードが広く利用されている。この非接触型ＩＣカードでは、リーダ／ライタから電磁波をアンテナで受け、電磁誘導によって得られる電力を用いて集積回路を駆動することで、リーダ／ライタとの通信が行われる。
【０００３】
ところで、近年では、このようなＩＣカードでは、ユーザが好きな時や場所において、ＩＣカードに記憶された情報、例えば残高やポイントなどを表示して確認できるようにすることが望まれるようになっている。そこで、このような要求に応えるべく、下記の特許文献１では、ＩＣカードに液系二次電池を搭載し、この二次電池により表示装置を駆動し、情報を表示させる技術が提案されている。また、下記の特許文献２には、ＩＣカードに太陽電池を搭載し、この太陽電池により表示装置を駆動する技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８０３７２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、二次電池の電解質として液系の電解質を使用するため、ＩＣカードが厚くなり、薄型、かつフレキシブルというＩＣカードの利点が損なわれてしまう。また、破損時には液漏れを起こし、電気回路や電池のショートを招く虞があり、液系二次電池をＩＣカードに搭載することには、安全性の点でも問題がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載の技術では、十分な光を得ることができない環境下では、表示装置に残高などの情報を表示することは困難である。したがって、ＩＣカードの利便性を高めるためには、二次電池をＩＣカードに搭載することが望まれる。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、厚みの増加を招くことなく、かつ、優れた安全性を有する、二次電池を備えるＩＣカードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、第１の発明は、
電磁誘導により電力を誘起するアンテナコイルと、
アンテナコイルにより誘起された電力を蓄積する薄膜電池と、
アンテナコイルから薄膜電池への電力の蓄積を制御する制御部と
を備え、
薄膜電池は、正極と、負極と、正極および負極の間に設けられる電解質とを備え、
電解質は、式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を含むＩＣカードである。
Ｌｉ1+2xＭ２xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（２）
（式中、Ｍ２は亜鉛（Ｚｎ）、ケイ素（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群から選択される少なくとも１種を表し、Ｍ２の価数は２価である。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【０００９】
第２の発明は、
太陽電池と、
太陽電池により発電された電力を蓄積する薄膜電池と、
太陽電池から薄膜電池に対する電力の蓄積を制御する制御部と
を備え、
薄膜電池は、正極と、負極と、正極および負極の間に設けられる電解質とを備え、
電解質は、式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を含むＩＣカードである。
Ｌｉ1+2xＭ２xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（２）
（式中、Ｍ２は亜鉛（Ｚｎ）、ケイ素（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群から選択される少なくとも１種を表し、Ｍ２の価数は２価である。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【００１０】
第１の発明では、ＩＣカードをリーダ／ライタに近づけると、リーダ／ライタの電磁界により、ＩＣカード内のアンテナコイルに起電力が発生し、電流が流れる。このようにアンテナコイルに電流が流れると、制御部は、アンテナコイルから薄膜電池に対する充電を制御し、薄膜電池に電荷を蓄積する。そして、このように充電された薄膜電池を電源として、制御部は表示部などを駆動する。
【００１１】
第２の発明では、太陽電池に光が照射されると、太陽電池が光を電力に変換する。このように太陽電池が発電すると、制御部は、太陽電池から薄膜電池に対する充電を制御し、薄膜電池に電荷を蓄積する。そして、このように充電された薄膜電池を電源として、制御部は表示部などを駆動する。
【００１２】
また、第１および第２の発明では、薄膜電池は、薄く、かつ、フレキシブル性に優れるので、ＩＣカードの厚みの増加やフレキシブル性を損なうことがない。また、薄膜電池は液系の電解質を使用しないため、破損時に液漏れを起こすこともない。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、厚みの増加を招くことなく、かつ、優れた安全性を有する、二次電池を備えるＩＣカードを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１５】
（１）第１の実施形態
図１は、この発明の第１の実施形態によるＩＣカードの一構成例を示す分解斜視図である。このＩＣカード１は、いわゆる非接触型ＩＣカードであり、図１に示すように、基材２と、基材２の両面に設けられた外装材２ａおよび外装材２ｂとを備える。また、基材２上には、薄膜電池３と、アンテナコイル５と、表示部６と、ＩＣチップ４と、外部接続端子７とを備える。アンテナコイル５の両端がＩＣチップ４に対して接続されている。表示部６および薄膜電池３がＩＣチップに対して接続されている。薄膜電池３は、外部接続端子７に接続され、この外部接続端子７に対して外部電源が接続可能とされる。
【００１６】
基材２の形状としては、フィルム状、シート状、基板状を用いることができるが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、ＩＣカード１に求められる特性に応じて任意に選択し使用することが可能である。基材２の材料としては、耐久性や利便性などの観点から、フレキシブル性を有する樹脂材料を用いることが好ましい。このような樹脂材料としては、例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエステルを用いることができるが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、従来公知の樹脂材料からＩＣカード１に求められる特性に応じて任意に選択し使用することが可能である。
【００１７】
外装材２ａ、２ｂは、ＩＣカード１の表面および裏面を構成するものであり、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチルテレフタレート）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール、配向ＰＥＴなどの高分子材料を主成分とするが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、従来公知の樹脂材料からＩＣカード１に求められる特性に応じて任意に選択し使用することが可能である。
【００１８】
アンテナコイル５は、基材２上に複数回巻回されて形成されたループコイル形状の電磁誘導コイルであり、その両端はＩＣチップ４に接続されている。アンテナコイル５は、リーダ／ライタから発せられる交流磁界を受信して交流電圧を誘起し、その交流電圧をＩＣチップ４に供給する。アンテナコイル５の形成方法としては、例えば、巻き線工法、埋め込み巻き線工法、エッチング方式、メッキ方式、スクリーン印刷方式などを用いることができる。
【００１９】
表示部６としては、フレキシブル性を有するものが好ましく、例えば、液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（Organic ElectroLuminescence：ＯＥＬ）などを用いることができる。表示部６は、薄膜電池３から供給される電力により駆動され、ＩＣチップ４に記憶された情報などが表示される。ＩＣカード１が表示部６の駆動を制御するボタンをさらに備え、このボタンをユーザが押すことにより表示部を駆動し、この表示部に情報を表示できる構成としてもよい。
【００２０】
ＩＣチップ４は、薄膜電池３またはアンテナコイル５から供給される電力により駆動し、ＩＣカード１内の各部の制御する。例えば、ＩＣチップ４は、アンテナコイル５を介してリーダ／ライタと通信を行う。具体的には、リーダ／ライタとの相互認証やデータのやり取りなどを行う。また、ＩＣチップ４は、外部接続端子７に対して接続された外部電源から二次電池に対する充電の制御や、アンテナコイル５から薄膜電池３に対する充電の制御を行う。
【００２１】
薄膜電池３は、繰り返し充放電可能な薄膜二次電池であり、外部接続端子７に対して接続された外部電源、またはアンテナコイル５から供給される電荷を蓄電する。また、薄膜電池３は、ＣＰＵ１４および／または表示部６に電力を供給する。
【００２２】
図２は、この発明の第１の実施形態によるＩＣカードの回路の一構成例を示すブロック図である。
【００２３】
ＩＣチップ４は、インタフェース１１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable ROM）１５と、電圧変換部１６とを備える。インタフェース１１と、ＲＡＭ１２と、ＲＯＭ１３と、ＣＰＵ１４と、ＥＥＰＲＯＭ１５がバス１７に対して接続されている。また、薄膜電池３および表示部６は、インタフェース１１を介してバス１７に対して接続されている。
【００２４】
ＲＡＭ１２は、ＣＰＵ１４のワークメモリとして用いられる。ＥＥＰＲＯＭ１５には、ＩＣカード１にチャージした電子マネーの残高や履歴など情報が記憶される。電圧変換部１６は、アンテナコイル５から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。電圧変換部１６によって変換された直流電圧は、薄膜電池３に供給される。
【００２５】
ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１３に予め記憶された動作プログラムに従い動作し、リーダ／ライタとの間で行われる通信動作の制御などを行う。ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１３に予め記憶された動作プログラムに従い動作し、表示部６に情報を表示する。ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１３に予め記憶された動作プログラムに従い動作し、インタフェース１１を介して薄膜電池３の充放電を制御する。例えば、外部接続端子７に対して外部電源が接続された場合には、外部電源から薄膜電池３に対する充電を制御する。また、アンテナコイル５に交流電流が誘起された場合には、アンテナコイル５から薄膜電池３に対する充電を制御する。
【００２６】
図３は、この発明の第１の実施形態による薄膜電池３の一構成例を示す。この薄膜電池３は、全固体薄膜二次電池であり、図３に示すように、正極２１と、負極２５と、正極２１および２５の間に設けられた固体電解質層２４とを備える。
【００２７】
正極２１は、正極集電体２２と、この正極集電体２２の一主面に設けられた正極活物質層２３とを備える。また、正極２１は、その一端に正極端子２２ａを有する。正極端子２２ａは、例えば、正極集電体２２に用いられる材料と同様の金属材料などを主成分とする。正極端子２２ａは、正極集電体２２と一体となって形成されていてもよいし、正極集電体２２の端部に接続されていてもよい。
【００２８】
正極集電体２２は、良好な化学的安定性、および電気伝導性を有する材料を主成分としていることが好ましい。このような材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール、銅、白金、金、銀、などの金属材料、インジウムとスズの酸化物（Indium Tin Oxde、以下ＩＴＯと称する）などが挙げられる。正極集電体２２としては、電子伝導性を有し、且つ正極活物質層２３と反応しない材料であればよく、上記材料に限定されるものではない。
【００２９】
正極活物質層２３は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を主成分としている。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質としては、例えば、化学式ＬｉxＭＯ2（式中、Ｍは遷移金属のうちのいずれか一種または複数種の化合物を表す。ｘは、電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である。）を主体とする、リチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることができる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）などを用いることができる。
【００３０】
このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉxＮｉyＣｏ1-yＯ2（ｘ、ｙは電池の充放電状態によって異なり、通常０＜ｘ＜１、０．７＜ｙ＜１．０２である。）などの層状構造のリチウム複合酸化物や、ＬｉＭｎ2Ｏ4などで示されるスピネル型リチウム・マンガン複合酸化物などが挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度に優れたものである。また、リチウム複合酸化物としては、例えば、一般式ＬｉＭＰＯ4で表されるオリビン型構造金属酸化物を用いることができる。ここで、式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、およびＮｉから選ばれる少なくとも一種である。具体的には、例えばＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＣｏＰＯ4、ＬｉＮｉＰＯ4などが挙げられる。
【００３１】
正極活物質として層状構造のリチウム複合酸化物を用いる場合、リチウム複合酸化物が、固体電解質層２４の主面に対して、リチウム複合酸化物を構成する層が垂直となるように配向していることが好ましい。薄膜電池３の放電時には、負極２５から放出されたリチウムはリチウム複合酸化物の層間に挿入されることから、リチウムが移動しやすくなり、正極活物質層２３の抵抗を低下させることができるからである。
【００３２】
さらに、正極活物質として、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＮｂＳｅ2、Ｖ2Ｏ5などのリチウムを含有しない金属硫化物、金属酸化物、またはポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの特定のポリマーなどを使用してもよい。そして、正極活物質層２３の材料としては、上述したリチウム複合酸化物、金属硫化物、および金属酸化物などのうちの何れか一種または複数種を混合した材料を用いることも可能である。
【００３３】
負極２５は、負極集電体２６と、この負極集電体２６の一主面に設けられた負極活物質層２７とを備える。また、負極２５は、その一端に負極端子２６ａを有する。負極端子２６ａは、例えば、負極集電体２６に用いられる材料と同様の金属材料などを主成分とする。負極端子２６ａは、負極集電体２６と一体となって形成されていてもよいし、負極集電体２６の端部に接続されていてもよい。
【００３４】
負極集電体２６は、正極集電体２２と同様に、良好な化学的安定性、および電気伝導性を有する材料により構成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール、銅、白金、金、銀などの金属材料、ＩＴＯなどが挙げられる。負極集電体２６としては、電子伝導性を有し、且つ負極活物質層２７と反応しない材料であればよく、上記材料に限定されるものではない。
【００３５】
負極活物質層２７は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質を主成分として含んでいる。リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料、または金属系材料と炭素系材料との複合材料、リチウムを合金化可能な材料などを用いることができる。具体的には、リチウムを吸蔵および放出することが可能な炭素材料としては、グラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素などを用いることができ、より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂などを適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭などの炭素材料を用いることができる。
【００３６】
なお、負極活物質としてグラファイトなどの層状構造を有する材料を用いる場合、負極活物質が、固体電解質層２４の主面に対して、グラファイトなどを構成する層が垂直となるように配向していることが好ましい。薄膜電池３の充電時には、グラファイトなどを構成する層と層との間にリチウムが吸蔵されるため、リチウムが移動しやすくなり、負極活物質層２７の抵抗を低下させることができるからである。
【００３７】
リチウムを合金化可能な材料としては、多様な種類の金属元素、半金属元素が使用可能であるが、これらは単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの１種または２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、この発明において、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物あるいはそれらのうちの２種以上が共存するものがある。
【００３８】
このような金属元素あるいは半金属元素としては、具体的には、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、パラジウム（Ｐｄ）あるいは白金（Ｐｔ）などが挙げられる。
【００３９】
中でも、このような元素としては長周期型周期表における１４族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。具体的には、例えば、ケイ素の単体、合金、あるいは化合物、またはスズの単体、合金、あるいは化合物、またはこれらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
【００４０】
また、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）および炭素（Ｃ）を含む合金なども用いることができる。さらに、リチウムを吸蔵および放出することが可能な材料として、ポリアセチレン、ポリピロールなどの高分子やＳｎＯ2などの酸化物などを使用してもよい。そして、負極活物質層２７では、負極活物質として、上記したリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料などのうちの何れか一種または複数種を混合して用いることも可能である。
【００４１】
固体電解質層２４は、例えば、リチウムイオン導電性を有する無機固体電解質を主成分としている。リチウムイオン導電性を有する無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸化物、硫化リン化合物などが挙げられる。より具体的には、Ｌｉ3Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ3Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ4、ＬｉＳｉＯ4−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ3ＰＯ4−Ｌｉ4ＳｉＯ4、Ｌｉ2ＳｉＳ3、Ｌａ2/3-xＬｉ3xＴｉＯ3、ＬｉＳｒ2ＴｉＴａＯ6などが挙げられる。無機固体電解質を用いた固体電解質層２４は、電解液などの可燃性の有機溶媒を用いていないため、液漏れなどの問題が無く、安全性に優れている。
【００４２】
また、リチウムイオン導電性を有する無機固体電解質として、例えば、リチウムとチタンとを含有するリン酸チタン酸リチウム（ＬｉＴｉ2（ＰＯ4）3）を用いることもできる。リン酸チタン酸リチウムはＮＡＳＩＣＯＮ型構造を有しており、高いイオン伝導性を得ることができる。
【００４３】
この薄膜電池３は、電圧変換部１６あるいは外部接続端子７から直流電圧が供給されると充電される。充電時には、例えば、正極活物質層２３からリチウムイオンが放出され、固体電解質層２４を介して負極活物質層２７に吸蔵される。薄膜電池３は、電磁誘導方式により得られる電力によって充電できるため、ＩＣカード１の使用と同時に充電も行うことができる。したがって、煩わしい充電作業の手間を省くことができる。
【００４４】
また、薄膜電池３の放電時には、例えば負極活物質層２７からリチウムイオンが放出され、固体電解質層２４を介して正極活物質層２３に吸蔵される。このように薄膜電池３の放電がなされると、インタフェース１１を介してＣＰＵ１４や表示部６などが駆動される。
【００４５】
図４は、上述の構成を有するＩＣカード１の動作の一例を説明する。
まず、リーダ／ライタ４０のアンテナコイル４１から発生される交流磁界４２の中にＩＣカード１をかざすと、ＩＣカード１のアンテナコイル５に交流電圧が誘起される。この交流電圧は、ＩＣカード１の電圧変換部１６によって直流電圧に変換され、ＣＰＵ１４の制御に基づき、薄膜電池３に対して充電がなされる。また、電圧変換部１６により変換された直流電圧がＣＰＵ１４に供給され、ＣＰＵ１４が駆動されるようにしてもよい。
【００４６】
この第１の実施形態によれば、ＩＣカード１をリーダ／ライタに近づけ、リーダ／ライタの交流磁界により、ＩＣカード１内のアンテナコイル５に交流電圧を誘起し、この交流電圧を電圧変換部１６により直流電圧に変換し、薄膜電池３に供給する。したがって、ＩＣカード１をリーダ／ライタに近づけるだけで、薄膜電池３に簡単に充電することができる。また、ユーザは、ＩＣカード１に備えられたボタンなどを押し、薄膜電池３の電力により表示部６を駆動し、ＥＥＰＲＯＭ１５に記憶された情報などを表示できる。すなわち、ユーザが好きな時や場所において各種情報を確認することができる。
【００４７】
また、薄く、かつ、フレキシブル性に優れる薄膜電池３を二次電池として基材２上に形成しているので、ＩＣカード１の厚みの増加やフレキシブル性を損なうことがない。また、薄膜電池３は液系の電解質を使用しないため、破損時には液漏れを起こすこともない。
【００４８】
（２）第２の実施形態
この第２の実施形態によるＩＣカードは、薄膜電池３の固体電解質層２４が、下記の式（１）または式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を主成分とする点において、第１の実施形態と異なっている。
【００４９】
Ｌｉ1+xＭ１xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（１）
（式中、Ｍ１はアルミニウム（Ａｌ）、スカンジウム（Ｓｃ）、インジウム（Ｉｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）、およびランタン（Ｌａ）からなる群から選択される少なくとも１種を表す。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【００５０】
Ｌｉ1+2xＭ２xＴｉ2-x（ＰＯ4）3  ・・・（２）
（式中、Ｍ２は亜鉛（Ｚｎ）、ケイ素（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびバナジウム（Ｖ）からなる群から選択される少なくとも１種を表し、Ｍ２の価数は２価である。ｘの値は、０≦ｘ≦２．０の範囲内である。）
【００５１】
まず、図５を参照して、式（１）あるいは式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体内のリチウムイオンの拡散経路について説明する。図５Ａは、３次元視覚化させた原子核密度分布を示す。図５Ｂは、二次元視覚化させた（０１０）面の原子核密度分布を示す。図５Ｃは、図５Ａに示す原子核密度分布において、原子の位置を同時に示す図である。
【００５２】
図５Ｂ中の矢印ａは（１００）方向、すなわち結晶軸のａ軸方向を表し、矢印ｃは（００１）方向、すなわちｃ軸方向を表す。また、図５Ｂ中の白抜き矢印は、リチウムイオンの拡散経路を示す。また、図５Ｂおよび図５Ｃにおいて、「Ｌｉ１」および「Ｌｉ２」はリチウムの位置を示し、「Ｔｉ／Ａｌ」はチタンまたはアルミニウムの位置を示す。また、「Ｐ」はリンの位置を示し、「Ｏ」は酸素の位置を示す。
【００５３】
上述した図５に示す原子核密度分布は、以下のようにして求めることができる。
まず、式（１）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体として、リン酸チタン酸リチウム（ＬｉＴｉ2（ＰＯ4）3）のチタンの一部を例えばアルミニウムで置換したＬｉ1+xＡｌxＴｉ2-x（ＰＯ4）3（０≦ｘ≦２）の多結晶の粉末を試料に用い、中性子回折実験により結晶構造を調べる。次に、中性子回折実験によって得られたデータを、リードベルト解析により、結晶構造パラメータおよび格子定数を精密化して解析を行う。リードベルト解析からさらに情報理論に基づく最大エントロピー法による解析を行い、原子核密度分布を求める。求められた原子核密度分布を三次元視覚化させ、リチウムイオンの挙動を観測する。
【００５４】
図５から、式（１）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体は、リチウムイオンの流れる方向が決まっている、すなわち異方性を持っていることが分かる。具体的には、Ｌｉ1+xＡｌxＴｉ2-x（ＰＯ4）3内で、リチウムイオンは結晶軸方向に沿って流れ、特にｃ軸方向に沿って流れることが分かる。なお、図５ではチタンの一部をアルミニウムで置換した例について示しているが、チタンの一部を式１中のＭ１、あるいは式２中のＭ２に示すような他の金属元素で置換した場合でも、リチウムイオンの経路は同様となる。
【００５５】
また、Ｌｉ1+xＡｌxＴｉ2-x（ＰＯ4）3において、ｘの値が０より大きい場合に増加したリチウムは、ｃ軸方向のリチウムイオンの拡散経路中に存在することが分かる。この増加したリチウムにより、リチウムイオン伝導度をより向上させることが可能になる。
【００５６】
次に、このような拡散経路を有するリチウムイオン伝導体を、固体電解質材料として最も効率よく使用する方法について、具体的に説明する。
【００５７】
図６に、薄膜電池３の一構成例を示す。この薄膜電池３は、固体電解質層２４が式（１）または式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を主成分とする点において、第１の実施形態とは異なっている。式（１）または式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体は、単結晶または多結晶であることが好ましく、特に単結晶が好ましい。単結晶または多結晶を用いることで、リチウムイオンの拡散経路に沿ってリチウムイオンを効率よく流すことができ、固体電解質層２４の材料として効率よく使用することができる。
【００５８】
また、リチウムイオンは特に結晶のｃ軸方向に沿って流れることから、正極２１および負極２５の主面に対して、固体電解質層２４に含まれる単結晶または多結晶のｃ軸方向が垂直に配向していることが好ましい。すなわち、正極２１および負極２５の主面と、固体電解質層２４に含まれる単結晶または多結晶のｃ軸方向とを直交させることにより、リチウムイオンをより効率よく流すことができるからである。
【００５９】
ここで、式（１）および式（２）においてｘの値は０≦ｘ≦２．０の範囲内であるが、ｘの値がこの範囲内で大きくなるほど、リチウムの濃度が増加してリチウムイオン伝導体内の空隙率を低下させることができる。また、増加したリチウムはリチウムイオンの拡散経路中に存在してリチウムイオンの移動を中継する。その結果、リチウムイオンが結晶内を移動しやすくなり、イオン伝導度を高くすることができる。したがって、ｘの値は大きいほど好ましく、具体的には、イオン伝導度の向上および製造上の容易性の観点から、ｘの範囲は０．１≦ｘ≦０．５の範囲内であることが好ましい。
【００６０】
また、式（１）において、Ｍ１はアルミニウムであることが好ましい。アルミニウムはチタンに比してイオン半径が小さいため、図５Ｂ中の白抜きの矢印に示すようなリチウムイオンの経路をより短くすることができ、イオン伝導度の向上につながるからである。
【００６１】
さらに、式（１）および式（２）において、Ｍ１およびＭ２は２価、あるいはＭ１およびＭ２は１価の元素であることが好ましい。Ｍ１およびＭ２を２価、あるいはＭ１およびＭ２を１価の元素とすることで、リチウムイオン伝導体においてリチウムの濃度を増加させることができ、イオン伝導度を向上させることができるからである。
【００６２】
単結晶を含む固体電解質層２４の作製方法としては、例えば、単結晶よりなる基材を用いて、必要に応じて基材に温度をかけながらレーザアブレーションやスパッタリング法などによって蒸着させる方法、ＣＶＤなどによる気相合成法などにより基材に積層させる方法が挙げられる。また、式（１）または式（２）で示されるリチウムイオン伝導体の多結晶試料を、種々の公知の手法によって溶融し、単結晶のバルク材を得た後、切り出す方法などを用いてもよい。
この第２の実施形態において、上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００６３】
この第２の実施形態によれば、固体電解質層２４が式（１）または式（２）で平均組成が表されるリチウムイオン伝導体を主成分としているので、固体電解質層２４におけるリチウムイオンの伝導性を第１の実施形態に比べて向上することができる。特に、正極２１および負極２５に対して、固体電解質層２４のｃ軸を垂直に配向させることにより、リチウムイオンの拡散経路を正極２１から負極２５に向かう方向とすることができる。また、この薄膜電池３は、リチウムイオンを効率よく流すことができるため、急速充電が可能となる。さらに、固体電解質層２４の抵抗が低いので、発熱の危険性を低下させることができる。
【００６４】
（３）第３の実施形態
この第３の実施形態によるＩＣカードは、複数の薄膜電池３が積層され、これらの薄膜電池３が並列に接続されている点において、第１の実施形態とは異なっている。
【００６５】
図７に、この発明の第３の実施形態による薄膜電池３の一構成例を示す。図７に示すように、この薄膜電池３は、第１の薄膜電池３1と第２の薄膜電池３2とが絶縁層２８を介して積層された構成を有する。第１の薄膜電池３1および第２の薄膜電池３2は、並列に接続される。絶縁層２８の材料としては、例えば、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2などの絶縁材料を主成分とするものを用いることができるが、絶縁層２８として所望の機能が得られるものであればよく、特に上記材料に限定されるものではない。
【００６６】
ＣＰＵ１４は、第１の薄膜電池３1および第２の薄膜電池３2の充放電を制御する。ＣＰＵ１４は、例えば、第１の薄膜電池３1および第２の薄膜電池３2のうち一方に充電し、他方の電池を放電するようにしてもよい。
この第３の実施形態において、上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００６７】
この第３の実施形態によれば、複数の薄膜電池３を積層し、これらの薄膜電池３を並列に接続しているので、第１の実施形態に比べて高容量を得ることができる。
【００６８】
（４）第４の実施形態
この第４の実施形態によるＩＣカードは、複数の薄膜電池３が積層され、これらの薄膜電池３が直列に接続されている点において、第１の実施形態とは異なっている。
【００６９】
図８に、この発明の第４の実施形態による薄膜電池３の一構成例を示す。図８に示すように、この薄膜電池３は、第１の薄膜電池３1と第２の薄膜電池３2とが導電層２９を介して積層された構成を有する。第１の薄膜電池３1および第２の薄膜電池３2は、導電層２９により直列に接続される。導電層２９の材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、白金、金、銀などの金属材料を主成分とするものを用いることができるが、導電層２９として所望の機能が得られるものであればよく、特に上記材料に限定されるものではない。
この第４の実施形態において、上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００７０】
この第４の実施形態によれば、複数の薄膜電池３を積層し、これらの薄膜電池３を直列に接続しているので、第１の実施形態に比べて高電圧を得ることができる。
【００７１】
（５）第５の実施形態
図９は、この発明の第５の実施形態によるＩＣカードの一構成例を示すブロック図である。第５の実施形態によるＩＣカードは、太陽電池５１をさらに備える点において、第１の実施形態とは異なっている。
【００７２】
太陽電池５１は、薄膜電池３に対して接続され、ＣＰＵ１４の制御に基づき、太陽電池５１から薄膜電池３に対する充電が行われる。太陽電池５１としては、例えば、薄膜シリコン太陽電池、ＣＩＧＳ系薄膜太陽電池、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池を用いることができる。
【００７３】
また、ＩＣカードは、アンテナ８を備え、このアンテナ８がインタフェース１１に対して接続されている。アンテナ８としては、例えば、上述の第１の実施形態と同様のアンテナコイルを用いることができる。また、アンテナ８として、マイクロストリップアンテナなどを用いるようにしてもよい。
この第５の実施形態において、上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００７４】
（６）第６の実施形態
図１０は、第６の実施形態によるＩＣカード１の外観を示す平面図である。図１０に示すように、このＩＣカード１は、充電状態により色が変化する薄膜電池３と、この薄膜電池３の色の状態を外部から目視するための残量表示部６１とを備える点において、第１の実施形態とは異なっている。
【００７５】
また、図１０に示すように、ＩＣカード１は、残量表示部６１の近傍に、薄膜電池３の残容量を確認する目盛り６２をさらに備えることが好ましい。この目盛り６２は、各充電状態における薄膜電池３の色が示されている。具体的には、目盛り６２は、薄膜電池３における各充電状態における色をグラデーションで示しており、このグラデーションの一端の色は満充電状態の薄膜電池３と同色の色であり、他端の色は最終放電電圧における薄膜電池３と同色の色となっている。ユーザは、目盛り６２の色と残量表示部６１の色とを対比させることで、薄膜電池３の残容量を容易に判別することができる。
【００７６】
図１１は、薄膜電池３の一構成例を示す断面図である。図１１に示すように、この薄膜電池３は、正極集電体２２、正極活物質層２３、固体電解質層２４、および負極２５が順次積層された構成を有する。正極集電体２２の材料としては、例えば、ＩＴＯなどの透明導電体を主成分とする材料を用いることができる。正極活物質層２３に用いられる正極材料としては、例えば、ＬｉＭｎ2Ｏ4を主成分とする材料を用いることができる。固体電解質層２４の材料としては、例えば、Ｌｉ3ＰＯ4を主成分とする材料を用いることができる。負極２５の材料としては、例えば、ＩＴＯなどの透明導電体を主成分とする材料を用いることができる。
【００７７】
このような構成を有する薄膜電池３では、充放電によりリチウムが電極間で移動すると、薄膜電池３の色が変化する。例えば、充電によりリチウムイオンが正極２１から負極１５に移動すると、薄膜電池３の色が黒に変化する。これは、透明導電体である負極２５にリチウムが入り込む、または負極２５がリチウムと分解反応することにより薄膜電池３の色が変色するためであると考えられる。
【００７８】
この第６の実施形態によれば、集電体として透明導電体を用いているので、ユーザは残量表示部６１を介して薄膜電池３の色の変化を確認することができる。したがって、薄膜電池３の色の変化を電池残量インジケータとして利用することができる。また、ユーザは薄膜電池３の充電状態を一目で判断することができる。
【００７９】
従来の電池では、電解質として液系の電解質を使用していため、電池を包装部材によりパッキングする必要があり、正極２１、負極２５、電解質層２４などを目視することは困難である。すなわち、集電体として透明導電体を用いたとしても、充放電に伴う電池の色の変化を確認することができない。これに対して、この第６の実施形態による薄膜電池３では、電解質として固体電解質を使用しているため、電池を包装部材によりパッキングする必要がなく、正極２１、負極２５、電解質層２４などを目視することが可能である。すなわち、集電体として透明導電体を用いると、充放電に伴う電池の色の変化を確認することができる。
【００８０】
また、従来の電池では、電池残量を示すインジケータを表示するためには、電圧を観測するユニットが必要である。これに対して、この第６の実施形態による薄膜電池３では、薄膜電池３の色の変化を確認することにより充電状態を判断できるので、電圧を観測するユニットが必要なくなる。
【００８１】
以上、この発明の第１〜第６の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の第１〜第６の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００８２】
例えば、上述の第１〜第６の実施形態において挙げた形状や構成はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００８３】
また、上述の第１〜第６の実施形態の各構成は、この発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【００８４】
また、上述の第１〜第６の実施形態では、非接触型ＩＣカードに対してこの発明を適用した例について説明したが、この発明は接触型ＩＣカードに対しても適用可能である。また、非接触型ＩＣカードと接触型ＩＣカードとの両方の機能を備えるハイブリッドカードに対してもこの発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＩＣカードの一構成例を示す分解斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＩＣカードの一構成例を示すブロック図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＩＣカードに設けられた薄膜電池の一構成例を示す斜視図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＩＣカードの動作の一例を説明するための概略図である。
【図５】リチウムイオン伝導体内におけるリチウムイオンの拡散経路を示す図である。
【図６】この発明の第２の実施形態による薄膜電池の拡大断面図である。
【図７】この発明の第３の実施形態による薄膜電池の一構成例を示す斜視図である。
【図８】この発明の第４の実施形態による薄膜電池の一構成例を示す斜視図である。
【図９】この発明の第５の実施形態によるＩＣカードの一構成例を示すブロック図である。
【図１０】この発明の第６の実施形態によるＩＣカード１の外観の一例を示す平面図である。
【図１１】この発明の第６の実施形態による薄膜電池の一構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８６】
１    ＩＣカード
２    基材
２ａ、２ｂ    外装材
３    薄膜電池
４    ＩＣチップ
５    アンテナコイル
６    表示部
７    外部接続端子
１１    インタフェース
１２    ＲＡＭ
１３    ＲＯＭ
１４    ＣＰＵ
１５    ＥＥＰＲＯＭ
１６    電圧変化部
２１    正極
２２    正極集電体
２２ａ    正極端子
２３    正極活物質層
２４    固体電解質層
２５    負極
２６    負極集電体
２６ａ    負極端子
２７    負極活物質層
２８    絶縁層
２９    導電層
４０    リーダ／ライタ
４１    アンテナコイル
５１    太陽電池
６１    残量表示部
６２    目盛り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
0005181759.tif 000009
【図５】
0005181759.tif 000010
【図６】
0005181759.tif 000011
【図１０】
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