JP2001313237A - 薄膜型スーパーコンデンサ及びその製造方法並びにそれを利用したハイブリッド電池 - Google Patents
薄膜型スーパーコンデンサ及びその製造方法並びにそれを利用したハイブリッド電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
(57)【要約】
【課題】 薄膜型電池をハイブリッド又は単独に構成し
て超小型精密部品及び情報通信機器の電力源として応用
し得る薄膜型スーパーコンデンサ及びその製造方法並び
にそれを利用したハイブリッド電池を提供する。 【解決手段】 基板（２０）上に４μm以下の厚さを有
する下部電極薄膜（２３）を形成し、該下部電極薄膜
（２３）上に５μm以下の厚さを有する固体電解質薄膜
（２４）を形成し、該固体電解質薄膜（２４）上に４μ
m以下の厚さを有する上部電極薄膜（２５）を形成し
て、薄膜型スーパーコンデンサを構成し、これを利用し
たハイブリッド電池を構成する。
て超小型精密部品及び情報通信機器の電力源として応用
し得る薄膜型スーパーコンデンサ及びその製造方法並び
にそれを利用したハイブリッド電池を提供する。 【解決手段】 基板（２０）上に４μm以下の厚さを有
する下部電極薄膜（２３）を形成し、該下部電極薄膜
（２３）上に５μm以下の厚さを有する固体電解質薄膜
（２４）を形成し、該固体電解質薄膜（２４）上に４μ
m以下の厚さを有する上部電極薄膜（２５）を形成し
て、薄膜型スーパーコンデンサを構成し、これを利用し
たハイブリッド電池を構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜型スーパーコ
ンデンサ（Thin film super capacitor）及びその製造
方法、並びにそれを利用したハイブリッド電池に係るも
ので、詳しくは、薄膜型電池を混成（ハイブリッド）又
は単独に構成して超小型精密部品及び情報通信機器の電
力源として使用し得る薄膜型スーパーコンデンサ及びそ
の製造方法、並びにそれを利用したハイブリッド電池に
関するものである。
ンデンサ（Thin film super capacitor）及びその製造
方法、並びにそれを利用したハイブリッド電池に係るも
ので、詳しくは、薄膜型電池を混成（ハイブリッド）又
は単独に構成して超小型精密部品及び情報通信機器の電
力源として使用し得る薄膜型スーパーコンデンサ及びそ
の製造方法、並びにそれを利用したハイブリッド電池に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近来、半導体技術の高度化及び微細化に
伴い、超小型精密機械部品の素子のような微細素子の製
作のためのマイクロ工程技術、及びその材料の開発が、
世界的に進められている。
伴い、超小型精密機械部品の素子のような微細素子の製
作のためのマイクロ工程技術、及びその材料の開発が、
世界的に進められている。
【０００３】このようなマイクロ工程及びその材料技術
の発展に伴って、電子及び通信用部品は、一層小型化及
び精密化されつつ、特に、機能部及び該機能部を制御す
る周辺回路の単一チップ化が求められている。
の発展に伴って、電子及び通信用部品は、一層小型化及
び精密化されつつ、特に、機能部及び該機能部を制御す
る周辺回路の単一チップ化が求められている。
【０００４】かつ、小型精密素子を駆動するためのエネ
ルギー源として小型の電池が必要となり、一層改善され
た小型精密素子を具現するためには、高性能の小型電池
の開発が必須である。
ルギー源として小型の電池が必要となり、一層改善され
た小型精密素子を具現するためには、高性能の小型電池
の開発が必須である。
【０００５】また、科学技術の進歩に従い、殆どの電気
電子機器が漸次小型化されていく傾向にあり、駆動エネ
ルギー源としての電池も、軽量で小型化すべきであるた
め、このような要請に応ずる小型動力源として、薄膜型
電池が適用されている。
電子機器が漸次小型化されていく傾向にあり、駆動エネ
ルギー源としての電池も、軽量で小型化すべきであるた
め、このような要請に応ずる小型動力源として、薄膜型
電池が適用されている。
【０００６】即ち、現在の薄膜技術及びマイクロ工程技
術を応用して軽量の高性能電池を製作することができ
る。
術を応用して軽量の高性能電池を製作することができ
る。
【０００７】一般に、電池は、使い捨て用の一次電池
と、反復的な充放電が可能な二次電池とに分類される
が、前記薄膜電池は、前記二次電池に対応する。
と、反復的な充放電が可能な二次電池とに分類される
が、前記薄膜電池は、前記二次電池に対応する。
【０００８】このような二次電池は、情報通信分野の携
帯用機器に広く用いられているが、該二次電池を薄膜化
した固体電解質薄膜型電池は、未だに商用化されていな
い。
帯用機器に広く用いられているが、該二次電池を薄膜化
した固体電解質薄膜型電池は、未だに商用化されていな
い。
【０００９】一方、電気化学コンデンサ（electrochemi
cal capacitor）は、従来の静電コンデンサに比べ、比
静電容量（specific capacitance：Ｆ／ｇ）が１００〜
１，０００倍以上向上されるため、スーパーコンデンサ
と称され、該スーパーコンデンサは、前記二次電池に比
べて、パワー密度及び放電率が高く、サイクルの寿命も
長いという多様な利点を有している。
cal capacitor）は、従来の静電コンデンサに比べ、比
静電容量（specific capacitance：Ｆ／ｇ）が１００〜
１，０００倍以上向上されるため、スーパーコンデンサ
と称され、該スーパーコンデンサは、前記二次電池に比
べて、パワー密度及び放電率が高く、サイクルの寿命も
長いという多様な利点を有している。
【００１０】図６は、従来のスーパーコンデンサの構成
を示した断面図である。図示されたように、液状電解質
（１３）の両側に各電極（１１）が、バルク工程を利用
して厚膜状に形成され、それら各電極１１、１１の背面
に各基板１０に形成された集電体１２、１２がそれぞれ
配置されている。
を示した断面図である。図示されたように、液状電解質
（１３）の両側に各電極（１１）が、バルク工程を利用
して厚膜状に形成され、それら各電極１１、１１の背面
に各基板１０に形成された集電体１２、１２がそれぞれ
配置されている。
【００１１】また、薄膜型電池とスーパーコンデンサと
を混成した電池をハイブリッド電池というが、このよう
な薄膜電池は、特定の電圧で長時間の間、非常に安定的
な動作特性を示し、循環ピーク電力を要求する素子の場
合に制限的に使用される。
を混成した電池をハイブリッド電池というが、このよう
な薄膜電池は、特定の電圧で長時間の間、非常に安定的
な動作特性を示し、循環ピーク電力を要求する素子の場
合に制限的に使用される。
【００１２】しかし、スーパーコンデンサの場合は、長
時間の間、連続的に使用することが難しく、瞬間ピーク
電力を使用するときに有効に使用することができるた
め、薄膜電池とスーパーコンデンサとを混成したハイブ
リッド電池を製造すると、薄膜電池の応用範囲を拡大
し、性能の改善を図ることができる。
時間の間、連続的に使用することが難しく、瞬間ピーク
電力を使用するときに有効に使用することができるた
め、薄膜電池とスーパーコンデンサとを混成したハイブ
リッド電池を製造すると、薄膜電池の応用範囲を拡大
し、性能の改善を図ることができる。
【００１３】この場合、スーパーコンデンサを薄膜電池
と混成して使用するためには、薄膜電池の工程との統一
性、並びに小型化及び軽量化を考慮して、薄膜状に形成
すべきである。
と混成して使用するためには、薄膜電池の工程との統一
性、並びに小型化及び軽量化を考慮して、薄膜状に形成
すべきである。
【００１４】現在、スーパーコンデンサに関する研究
は、高分子の電解物質については盛んに行われている
が、コンデンサ自体の薄膜化を具現するための研究は、
それほど進行されていないのが実状である。
は、高分子の電解物質については盛んに行われている
が、コンデンサ自体の薄膜化を具現するための研究は、
それほど進行されていないのが実状である。
【００１５】バルク型スーパーコンデンサの製造時に
は、電極／電解質／分離膜／電解質／電極／集電体を精
密に配列して積層させるセル積層技術が最も重要であ
り、薄膜工程を利用して、薄膜型スーパーコンデンサを
製造すると、電極間を分離して固体電解質に形成するこ
とができるため、分離膜を要せず、セルの積層を一層効
率的に行い得る。
は、電極／電解質／分離膜／電解質／電極／集電体を精
密に配列して積層させるセル積層技術が最も重要であ
り、薄膜工程を利用して、薄膜型スーパーコンデンサを
製造すると、電極間を分離して固体電解質に形成するこ
とができるため、分離膜を要せず、セルの積層を一層効
率的に行い得る。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】従来のスーパーコンデ
ンサにおいては、薄膜電池と混成して使用する場合、薄
膜電池工程との統一性、小型化及び軽量化を考慮して、
薄膜状に形成すべきであるが、その薄膜化を具現し得る
技術は未だに開発されていないという不都合な点があっ
た。
ンサにおいては、薄膜電池と混成して使用する場合、薄
膜電池工程との統一性、小型化及び軽量化を考慮して、
薄膜状に形成すべきであるが、その薄膜化を具現し得る
技術は未だに開発されていないという不都合な点があっ
た。
【００１７】そこで、本発明は、このような従来の問題
点に鑑みてなされたもので、その目的は、薄膜型電池と
混成するか、又は単独に構成して、将来の超小型精密部
品及び情報通信機器の電力源として適用し得る薄膜型ス
ーパーコンデンサを提供しようとするものである。
点に鑑みてなされたもので、その目的は、薄膜型電池と
混成するか、又は単独に構成して、将来の超小型精密部
品及び情報通信機器の電力源として適用し得る薄膜型ス
ーパーコンデンサを提供しようとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサは、基
板の上面に厚さ４μm以下に形成された下部電極薄膜
と、該下部電極薄膜の上面に厚さ５μm以下に形成され
た固体電解質薄膜と、該固体電解質薄膜の上面に厚さ４
μm以下に形成された上部電極薄膜と、を包含して構成
されることを特徴とする。
るため、本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサは、基
板の上面に厚さ４μm以下に形成された下部電極薄膜
と、該下部電極薄膜の上面に厚さ５μm以下に形成され
た固体電解質薄膜と、該固体電解質薄膜の上面に厚さ４
μm以下に形成された上部電極薄膜と、を包含して構成
されることを特徴とする。
【００１９】なお、前記基板と下部電極薄膜間には、１
μm以下の厚さを有する集電体（current collector）薄
膜を形成して構成することもできる。
μm以下の厚さを有する集電体（current collector）薄
膜を形成して構成することもできる。
【００２０】前記下部及び上部電極薄膜は、酸化ルテニ
ウム、酸化イリジウム、酸化タンタル及び酸化マンガン
中の何れか一つを選択して形成され、前記固体電解質薄
膜は、ＬｉＰＯＮ、ＬｉＡｌＳｉＯ4、Ｓｂ2Ｏ3及びＩ
ｎ2Ｏ3中の何れか一つを選択して形成され、前記集電体
薄膜は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ及びＴａ中の何れか一
つを選択して形成される。
ウム、酸化イリジウム、酸化タンタル及び酸化マンガン
中の何れか一つを選択して形成され、前記固体電解質薄
膜は、ＬｉＰＯＮ、ＬｉＡｌＳｉＯ4、Ｓｂ2Ｏ3及びＩ
ｎ2Ｏ3中の何れか一つを選択して形成され、前記集電体
薄膜は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ及びＴａ中の何れか一
つを選択して形成される。
【００２１】更に、前記基板は、金属、セラミックス及
び高分子中の何れか一つを選択して形成され、前記基板
と集電体薄膜間の接着性を向上するために、ＴｉＯ2、
Ａｌ2Ｏ3及びＭｇＯ中の何れか一つの層をバッファ層と
して追加して形成することもできる。
び高分子中の何れか一つを選択して形成され、前記基板
と集電体薄膜間の接着性を向上するために、ＴｉＯ2、
Ａｌ2Ｏ3及びＭｇＯ中の何れか一つの層をバッファ層と
して追加して形成することもできる。
【００２２】前記各薄膜は、結晶相又は非晶質相の薄膜
に形成することができるし、前記電解質は、固体電解質
を使用する。
に形成することができるし、前記電解質は、固体電解質
を使用する。
【００２３】又、本発明に係る薄膜型スーパーコンデン
サの製造方法は、基板の上面に厚さ４μm以下の下部電
極薄膜を形成する段階と、該下部電極薄膜の上面に厚さ
５μm以下の固体電解質薄膜を形成する段階と、該固体
電解質薄膜の上面に厚さ４μm以下の上部電極薄膜を形
成する段階と、を順次行うことを特徴とする。
サの製造方法は、基板の上面に厚さ４μm以下の下部電
極薄膜を形成する段階と、該下部電極薄膜の上面に厚さ
５μm以下の固体電解質薄膜を形成する段階と、該固体
電解質薄膜の上面に厚さ４μm以下の上部電極薄膜を形
成する段階と、を順次行うことを特徴とする。
【００２４】更に、前記基板の上面に集電体薄膜を１μ
m以下の厚さに蒸着する段階を追加して行うこともでき
る。
m以下の厚さに蒸着する段階を追加して行うこともでき
る。
【００２５】本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサに
おいては、各コンデンサ間を直列又は並列に連結して容
量を増加することができるし、各コンデンサを直列に連
結する場合、多層薄膜製造技術を利用して製造すること
ができる。
おいては、各コンデンサ間を直列又は並列に連結して容
量を増加することができるし、各コンデンサを直列に連
結する場合、多層薄膜製造技術を利用して製造すること
ができる。
【００２６】又、本発明に係る薄膜型スーパーコンデン
サを利用して、薄膜電池が混成されたてハイブリッド電
池を製造することができる。
サを利用して、薄膜電池が混成されたてハイブリッド電
池を製造することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対し
図面を用いて説明する。
図面を用いて説明する。
【００２８】本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサ
は、基板の上面に厚さ４μm以下に形成された下部電極
薄膜と、該下部電極薄膜の上面に厚さ５μm以下に形成
された固体電解質薄膜と、該固体電解質薄膜の上面に厚
さ４μm以下に形成された上部電極薄膜と、を包含して
構成されることを特徴とする。
は、基板の上面に厚さ４μm以下に形成された下部電極
薄膜と、該下部電極薄膜の上面に厚さ５μm以下に形成
された固体電解質薄膜と、該固体電解質薄膜の上面に厚
さ４μm以下に形成された上部電極薄膜と、を包含して
構成されることを特徴とする。
【００２９】そして、前記上部及び下部電極薄膜は、薄
膜製造用として報告されたバルク型スーパーコンデンサ
の優秀な特性を奏する酸化ルテニウム、酸化イリジウ
ム、酸化タンタル及び酸化マンガン中の何れか一つを用
いる。
膜製造用として報告されたバルク型スーパーコンデンサ
の優秀な特性を奏する酸化ルテニウム、酸化イリジウ
ム、酸化タンタル及び酸化マンガン中の何れか一つを用
いる。
【００３０】かつ、前記電解質薄膜は、薄膜型二次電池
の電解質用として使用されているＬｉＰＯＮ、ＬｉＡｌ
ＳｉＯ4、Ｓｂ2Ｏ3及びＩｎ2Ｏ3中の何れか一つを選択
して、薄膜型スーパーコンデンサを構成する。
の電解質用として使用されているＬｉＰＯＮ、ＬｉＡｌ
ＳｉＯ4、Ｓｂ2Ｏ3及びＩｎ2Ｏ3中の何れか一つを選択
して、薄膜型スーパーコンデンサを構成する。
【００３１】また、このように構成された薄膜型スーパ
ーコンデンサを複数積層して用いることもできるし、こ
れを利用してハイブリッド電池を構成することができ
る。
ーコンデンサを複数積層して用いることもできるし、こ
れを利用してハイブリッド電池を構成することができ
る。
【００３２】以下、このような薄膜型スーパーコンデン
サの製造方法を説明する。先ず、図１（Ａ）に示したよ
うに、金属、セラミックス又は高分子からなる基板（２
０）に、常温でバッファ層（２１）のＴｉＯ2を、１０n
mの厚さに蒸着した後、集電体（２２）として、Ｐｔを
インシツー（in-situ）工程を施して０．２μmの厚さに
連続して蒸着する。
サの製造方法を説明する。先ず、図１（Ａ）に示したよ
うに、金属、セラミックス又は高分子からなる基板（２
０）に、常温でバッファ層（２１）のＴｉＯ2を、１０n
mの厚さに蒸着した後、集電体（２２）として、Ｐｔを
インシツー（in-situ）工程を施して０．２μmの厚さに
連続して蒸着する。
【００３３】このとき、前記ＴｉＯ２の代わりに、Ａｌ
2Ｏ3又はＭｇＯを使用することができるし、前記Ｐｔの
代わりに、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ及びＴａ中の何れか一つを
選択して用いることもできる。
2Ｏ3又はＭｇＯを使用することができるし、前記Ｐｔの
代わりに、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ及びＴａ中の何れか一つを
選択して用いることもできる。
【００３４】次いで、図１（Ｂ）に示したように、前記
基板（２０）の上面に下部電極（２３）形成物質の酸化
ルテニウム薄膜を、４μm 以下、好ましくは、０．２μ
mの厚さに、常温で直流反応性マグネトロンスパッタリ
ングを施すことによって蒸着する。
基板（２０）の上面に下部電極（２３）形成物質の酸化
ルテニウム薄膜を、４μm 以下、好ましくは、０．２μ
mの厚さに、常温で直流反応性マグネトロンスパッタリ
ングを施すことによって蒸着する。
【００３５】このとき、９９．９５％の純度を有する直
径５１mmのルテニウム金属をターゲットとして使用し、
スパッタリングの初期には、真空度を１．３m Pa（１×
１０ -5 Torr）以下にして、酸化ルテニウムを蒸着する
前にルテニウムターゲット表面に酸化層を形成すること
を防止するために、純粋なアルゴン雰囲気化でガス圧力
１．３Pa（１０mTorr）、直流電力は２００Ｗにし、２
０分の間予備スパッタリングを行った。
径５１mmのルテニウム金属をターゲットとして使用し、
スパッタリングの初期には、真空度を１．３m Pa（１×
１０ -5 Torr）以下にして、酸化ルテニウムを蒸着する
前にルテニウムターゲット表面に酸化層を形成すること
を防止するために、純粋なアルゴン雰囲気化でガス圧力
１．３Pa（１０mTorr）、直流電力は２００Ｗにし、２
０分の間予備スパッタリングを行った。
【００３６】その後、ガス圧力を１．３Pa（１０mTor
r）に維持しながら酸素を流入して、酸素分圧を３０％
にし（Ｏ2１５sccm、Ａｒ３５sccm）、反応性スパッタ
リングを行った。
r）に維持しながら酸素を流入して、酸素分圧を３０％
にし（Ｏ2１５sccm、Ａｒ３５sccm）、反応性スパッタ
リングを行った。
【００３７】この場合、直流電力は、２００Ｗであり、
基板の温度は、４００℃に維持する。
基板の温度は、４００℃に維持する。
【００３８】次いで、図１（Ｃ）に示したように、電解
質（２４）のＬｉＰＯＮを、エクスシツー（ex-situ）
に連続して常温で高周波反応性スパッタリングを施して
厚さ５μm以下、好ましくは、１．３μmになるように蒸
着した。
質（２４）のＬｉＰＯＮを、エクスシツー（ex-situ）
に連続して常温で高周波反応性スパッタリングを施して
厚さ５μm以下、好ましくは、１．３μmになるように蒸
着した。
【００３９】このとき、前記ＬｉＰＯＮの薄膜は、下げ
（down）方式のオン・アクシス（on-axis）スパッタガ
ンを使用し、ターゲットは、直径１０２mm（４インチ）
のＬｉ3ＰＯ4- ターゲットを使用し、酸素５sccmと窒素
５０sccmとを混合した雰囲気下で、ガス圧力を０．６７
Pa（５mTorr）に維持し、３００Ｗの高周波電力を利用
して蒸着を行った。
（down）方式のオン・アクシス（on-axis）スパッタガ
ンを使用し、ターゲットは、直径１０２mm（４インチ）
のＬｉ3ＰＯ4- ターゲットを使用し、酸素５sccmと窒素
５０sccmとを混合した雰囲気下で、ガス圧力を０．６７
Pa（５mTorr）に維持し、３００Ｗの高周波電力を利用
して蒸着を行った。
【００４０】次いで、図１（Ｄ）に示したように、前記
下部電極（２３）用酸化ルテニウムＲｕＯxの蒸着時と
同様に上部電極（２５）を形成すると、本発明に係る薄
膜型スーパーコンデンサが、ＲｕＯ2／ＬｉＰＯＮ／Ｒ
ｕＯ2／Ｐｔ／ＴｉＯ2／Ｓｉの構造で製造される。
下部電極（２３）用酸化ルテニウムＲｕＯxの蒸着時と
同様に上部電極（２５）を形成すると、本発明に係る薄
膜型スーパーコンデンサが、ＲｕＯ2／ＬｉＰＯＮ／Ｒ
ｕＯ2／Ｐｔ／ＴｉＯ2／Ｓｉの構造で製造される。
【００４１】このように製造されたスーパーコンデンサ
に対し、蒸着された酸化ルテニウム薄膜の結晶化を分析
し、ＳＥＭを利用して各蒸着された薄膜の表面及び断面
を分析した。
に対し、蒸着された酸化ルテニウム薄膜の結晶化を分析
し、ＳＥＭを利用して各蒸着された薄膜の表面及び断面
を分析した。
【００４２】前記薄膜の厚さは、Tencor 社の Alpha st
ep P1 を利用して５回繰り返して測定した後、平均値を
求めた。
ep P1 を利用して５回繰り返して測定した後、平均値を
求めた。
【００４３】前記ＲｕＯ2は、非晶質状態で一層高い静
電容量（７６８Ｆ／ｇ）を示すと報告されているが、全
体静電容量は、前記ＲｕＯ2量に比例するため、単位面
積当たり蒸着されたＲｕＯ2 薄膜の密度が増大されるよ
うに、結晶化温度よりも低い４００℃でＲｕＯ2 の蒸着
を行った。
電容量（７６８Ｆ／ｇ）を示すと報告されているが、全
体静電容量は、前記ＲｕＯ2量に比例するため、単位面
積当たり蒸着されたＲｕＯ2 薄膜の密度が増大されるよ
うに、結晶化温度よりも低い４００℃でＲｕＯ2 の蒸着
を行った。
【００４４】その蒸着されたＲｕＯ２薄膜の結晶特性を
表すＸＲＤピークのグラフを図２に示した。図示された
ように、基板の他に、ＲｕＯ2の何れの結晶性ピークも
発生しないので、ＲｕＯ2は、非晶質状態であることが
分かる。
表すＸＲＤピークのグラフを図２に示した。図示された
ように、基板の他に、ＲｕＯ2の何れの結晶性ピークも
発生しないので、ＲｕＯ2は、非晶質状態であることが
分かる。
【００４５】図３は、蒸着された薄膜の表面構造を示し
た走査電子顕微鏡ＳＥＭ写真で、図示されたように、大
きい欠陥及び亀裂は存在せず、小粒子からなる非結晶粒
が分布されている。
た走査電子顕微鏡ＳＥＭ写真で、図示されたように、大
きい欠陥及び亀裂は存在せず、小粒子からなる非結晶粒
が分布されている。
【００４６】一方、大きい亀裂又は気孔のような欠陥が
あると、その上面に電解質を蒸着するとき、電気的に非
常に不安定になるため、薄膜型スーパーコンデンサの製
造時に非常に重要である。
あると、その上面に電解質を蒸着するとき、電気的に非
常に不安定になるため、薄膜型スーパーコンデンサの製
造時に非常に重要である。
【００４７】図４は、本発明に係る薄膜型スーパーコン
デンサの充放電特性を示したグラフで、グラフ中、測定
した電圧区間は、０〜２．５Ｖである。図示されたよう
に、固体電解質を使用して製造された薄膜型スーパーコ
ンデンサは、電気化学的特性を示している。
デンサの充放電特性を示したグラフで、グラフ中、測定
した電圧区間は、０〜２．５Ｖである。図示されたよう
に、固体電解質を使用して製造された薄膜型スーパーコ
ンデンサは、電気化学的特性を示している。
【００４８】即ち、液状電解質を使用して製造された場
合とは異なって、大きい内部抵抗により放電曲線が急激
に減少して（ＩＲドロップ）、約３．７２×１０-2 Ｆ
／cm2 −μmの低容量になるが、これは、電極と電解質間
の界面抵抗と、ＬｉＰＯＮ電解質の低イオン伝導度及び
電解質からのリーク電流とにより発生するものである。
合とは異なって、大きい内部抵抗により放電曲線が急激
に減少して（ＩＲドロップ）、約３．７２×１０-2 Ｆ
／cm2 −μmの低容量になるが、これは、電極と電解質間
の界面抵抗と、ＬｉＰＯＮ電解質の低イオン伝導度及び
電解質からのリーク電流とにより発生するものである。
【００４９】ＬｉＰＯＮ電解質を利用する場合には、そ
の反応メカニズムがＬｉ+、Ｏ2- 及びＮＯ2- によるも
のと予測され、充放電過程では、このようなイオンの移
動が電解質の構造を劣化させるため、サイクル特性が減
少されると判断される。
の反応メカニズムがＬｉ+、Ｏ2- 及びＮＯ2- によるも
のと予測され、充放電過程では、このようなイオンの移
動が電解質の構造を劣化させるため、サイクル特性が減
少されると判断される。
【００５０】本発明によって製造されたスーパーコンデ
ンサは、約２０００回の充放電の後に、その容量が大き
く減少するが、その減少の程度は既存の液状電解質を利
用する場合に比べて、非常に低い値に止まる。
ンサは、約２０００回の充放電の後に、その容量が大き
く減少するが、その減少の程度は既存の液状電解質を利
用する場合に比べて、非常に低い値に止まる。
【００５１】このように低い値のサイクル特性を有する
理由は、前述のように、メカニズムが相異するためであ
る。
理由は、前述のように、メカニズムが相異するためであ
る。
【００５２】例えば、従来の固状薄膜型スーパーコンデ
ンサの充放電特性は、バルクより優秀ではなかったが、
これは、固体電解質による欠点であって、高いイオン伝
導度を有するか、又は効率的にプロトンイオンを移動さ
せ、リーク電流を最小化し得る電解質を開発して問題を
解決することができる。
ンサの充放電特性は、バルクより優秀ではなかったが、
これは、固体電解質による欠点であって、高いイオン伝
導度を有するか、又は効率的にプロトンイオンを移動さ
せ、リーク電流を最小化し得る電解質を開発して問題を
解決することができる。
【００５３】そして、本発明に係るスーパーコンデンサ
と薄膜電池とを一つの基板上に形成したハイブリッド電
池においては、図５に示したように、基板（６０）の上
面に電流集電体（６１）が形成され、該集電体（６１）
の上面に設けた絶縁体（７０）の一方（左）側に、下部
電極（６４）、電解質（６６）及び上部電極（６８）が
それぞれ順次形成され、前記絶縁体（７０）の他方
（右）側にはカソード（６３）、電解質（６５）及びア
ノード（６７）がそれぞれ順次形成され、該アノード
（６７）の上面に再び電流集電体（６９）を形成して構
成されている。
と薄膜電池とを一つの基板上に形成したハイブリッド電
池においては、図５に示したように、基板（６０）の上
面に電流集電体（６１）が形成され、該集電体（６１）
の上面に設けた絶縁体（７０）の一方（左）側に、下部
電極（６４）、電解質（６６）及び上部電極（６８）が
それぞれ順次形成され、前記絶縁体（７０）の他方
（右）側にはカソード（６３）、電解質（６５）及びア
ノード（６７）がそれぞれ順次形成され、該アノード
（６７）の上面に再び電流集電体（６９）を形成して構
成されている。
【００５４】このように、スーパーコンデンサと電池と
を一つの基板上に薄膜状に形成して、各構造の利点を採
用しながら、単一チップ上に混成構造を形成することが
できるため、各種のマイクロディバイスに有効に適用す
ることができる。
を一つの基板上に薄膜状に形成して、各構造の利点を採
用しながら、単一チップ上に混成構造を形成することが
できるため、各種のマイクロディバイスに有効に適用す
ることができる。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る薄膜
型スーパーコンデンサ及びその製造方法並びにそれを利
用したハイブリッド電池においては、超小型精密部品及
び情報通信機器の電力源として応用し得る小型及び軽量
のスーパーコンデンサを提供し、薄膜工程を適用してス
ーパーコンデンサの製造時のセルの積層工程を簡便化し
得るという効果がある。
型スーパーコンデンサ及びその製造方法並びにそれを利
用したハイブリッド電池においては、超小型精密部品及
び情報通信機器の電力源として応用し得る小型及び軽量
のスーパーコンデンサを提供し、薄膜工程を適用してス
ーパーコンデンサの製造時のセルの積層工程を簡便化し
得るという効果がある。
【００５６】且つ、薄膜電池と混成して使用されて、特
定電圧下で長時間に亘って安定的に動作し、瞬間ピーク
電力を供給することができるため、薄膜電池の応用範囲
を拡大し得るという効果がある。
定電圧下で長時間に亘って安定的に動作し、瞬間ピーク
電力を供給することができるため、薄膜電池の応用範囲
を拡大し得るという効果がある。
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る薄膜型スーパ
ーコンデンサの製造方法を示した工程縦断面図である。
ーコンデンサの製造方法を示した工程縦断面図である。
【図２】本発明に係るスパッタリングにより蒸着された
ＲｕＯ2 薄膜のＸＲＤピークを示したグラフである。
ＲｕＯ2 薄膜のＸＲＤピークを示したグラフである。
【図３】本発明に係るスパッタリングにより蒸着された
ＲｕＯ2 薄膜の表面構造を示した走査電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）写真である。
ＲｕＯ2 薄膜の表面構造を示した走査電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）写真である。
【図４】本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサの充／
放電特性を示したグラフである。
放電特性を示したグラフである。
【図５】本発明に係る薄膜型スーパーコンデンサと薄膜
電池とを混成したハイブリッド電池の構造を示した縦断
面図である。
電池とを混成したハイブリッド電池の構造を示した縦断
面図である。
【図６】従来のスーパーコンデンサの構造を示した縦断
面図である。
面図である。
２０：基板 ２１：バッファ層 ２２：集電体 ２３：下部電極 ２４：固体電解質 ２５：上部電極
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｇ 9/025 Ｈ０１Ｇ 9/00 ３０１Ｇ 9/058 ３０１Ａ 9/016 ３０１Ｆ 9/28 ５３１ Ｈ０１Ｍ 2/10 (72)発明者 ▲ちょ▼ 炳源 大韓民国ソウル特別市恩平区佛光洞217− ９ 三益アパート606 (72)発明者 尹 景錫 大韓民国ソウル特別市銅雀区舍堂洞山17番 地 舍堂宇星アパート20−1302 (72)発明者 丁 炯鎭 大韓民国ソウル特別市東大門区清凉里洞 美住アパート５−401 (72)発明者 任 哉泓 大韓民国ソウル特別市城北区石串洞 コー ロンアパート106−1902 (72)発明者 全 恩正 大韓民国京畿道城南市壽井区壽進２洞4366 番地 (72)発明者 南 相哲 大韓民国ソウル特別市城北区敦岩洞 豊林 アパート105−504 Ｆターム(参考） 4K029 BA41 BA43 BC03 CA06 DA08 DC03 DC35 DC39 5H040 AA01 AS00 AS11 AT04 AY00 CC00 GG00 JJ00
Claims (14)
- 【請求項１】 基板の上面に厚さ４μm以下に形成され
た下部電極薄膜と、 該下部電極薄膜の上面に厚さ５μm以下に形成された固
体電解質薄膜と、 該固体電解質薄膜の上面に厚さ４μm以下に形成された
上部電極薄膜と、 を包含して構成されることを特徴とする薄膜型スーパー
コンデンサ。 - 【請求項２】 前記下部及び上部電極薄膜は、酸化ルテ
ニウム、酸化イリジウム、酸化タンタル及び酸化マンガ
ン中の何れか一つを選択して形成される、請求項１に記
載の薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項３】 前記固体電解質薄膜は、ＬｉＰＯＮ、Ｌ
ｉＡｌＳｉＯ4、Ｓｂ2Ｏ3及びＩｎ2Ｏ3中の何れか一つ
を選択して形成される、請求項１に記載の薄膜型スーパ
ーコンデンサ。 - 【請求項４】 前記基板は、金属、セラミックス又は高
分子である、請求項１に記載の薄膜型スーパーコンデン
サ。 - 【請求項５】 前記基板と下部電極間に４μm以下の厚
さの集電体薄膜を更に形成して構成される、請求項１に
記載の薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項６】 前記集電体薄膜は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、
Ａｇ及びＴａ中の何れか一つを選択して形成される、請
求項５に記載の薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項７】 前記基板と集電体薄膜間に、ＴｉＯ2、
Ａｌ２Ｏ3及びＭｇＯ中の何れか一つを選択してバッフ
ァ層が追加形成される、請求項５に記載の薄膜型スーパ
ーコンデンサ。 - 【請求項８】 前記各薄膜が、結晶相である、請求項１
に記載の薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項９】 前記各薄膜が、非晶質である、請求項１
に記載の薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項１０】 基板の上面に下部電極薄膜を厚さ４μ
m以下に蒸着して形成する段階と、 前記下部電極薄膜の上面に電解質薄膜を厚さ５μm以下
に蒸着して形成する段階と、 前記電解質薄膜の上面に、上部電極薄膜を厚さ４μm以
下に蒸着して形成する段階と、 を順次行うことを特徴とする薄膜型スーパーコンデンサ
の製造方法。 - 【請求項１１】 基板の上面に集電体薄膜を１μm以下
の厚さに蒸着する段階を追加して行うこと、請求項１０
に記載の薄膜型スーパーコンデンサの製造方法。 - 【請求項１２】 各コンデンサを直列又は並列に連結し
て薄膜スーパーコンデンサを構成する、請求項１０に記
載の薄膜型スーパーコンデンサの製造方法。 - 【請求項１３】 一つの基板の上面に請求項１に記載の
薄膜型スーパーコンデンサを複数層積層して、直列に連
結した、薄膜型スーパーコンデンサ。 - 【請求項１４】 一つの基板上に薄膜型スーパーコンデ
ンサと薄膜電池とが混成して形成されたことを特徴とす
るハイブリッド電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR21951/2000 | 2000-04-25 | ||
| KR1020000021951A KR100359055B1 (ko) | 2000-04-25 | 2000-04-25 | 박막형 슈퍼 캐패시터 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001313237A true JP2001313237A (ja) | 2001-11-09 |
Family
ID=19666813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000355363A Pending JP2001313237A (ja) | 2000-04-25 | 2000-11-22 | 薄膜型スーパーコンデンサ及びその製造方法並びにそれを利用したハイブリッド電池 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR100359055B1 (ja) |
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