JP4833594B2 - Lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質が用いられたリチウム2次電池及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a lithium secondary battery using a solid electrolyte and a method for manufacturing the same.

近年、様々な分野で電子機器の小型・薄型化に対する社会的な要求が顕著に大きくなってきており、これに伴い、機器に搭載される電子部品の小型化に応じて駆動源である電池の小型・軽量化も必須となっている。また、電池に要求される特性を考慮すると、更なる高エネルギー密度化が非常に重要な課題となっている。   In recent years, social demands for downsizing and thinning of electronic devices have increased remarkably in various fields, and as a result, the size of electronic components mounted on the devices has been reduced. Miniaturization and weight reduction are also essential. Further, considering the characteristics required for batteries, further increase in energy density is a very important issue.

現状では、このような用途には、充放電可能なリチウムイオン電池が広く使用されている。しかし、今後普及が進むと予想される、ペーパーディスプレイや超小型のアクティブIDタグなどについては、現行のリチウムイオン電池では液漏れを防ぐために筐体などに制限があり、対応することは難しい。このような状況から、高周波スパッタ法,マグネトロンスパッタ法,及び高周波マグネトロンスパッタ法などのRFスパッタ法やスピンコート法などの薄膜作製技術を用い、固体の正極、固体電解質、固体の負極を積層させ、液体が用いられていない全固体電池を作製する試みが行われている。   At present, chargeable / dischargeable lithium ion batteries are widely used for such applications. However, paper displays and ultra-small active ID tags, which are expected to become popular in the future, are difficult to deal with in the current lithium-ion battery because there are restrictions on the housing and the like to prevent liquid leakage. From such a situation, a solid positive electrode, a solid electrolyte, and a solid negative electrode are laminated using a thin film production technique such as RF sputtering method and spin coating method such as high frequency sputtering method, magnetron sputtering method, and high frequency magnetron sputtering method, Attempts have been made to make all-solid batteries in which no liquid is used.

例えば、J.B.Bateらは、RFスパッタ装置を用いてLiCoO2(正極)を成膜し、更に700℃で熱処理を行って結晶化させた上で、LiPON(固体電解質)及びLi(負極)薄膜を積層して固体電池を作製し、約800μWh/cm2のエネルギー密度を達成している(非特許文献1参照)。また、酸化物の薄膜作製については、スパッタのような乾式プロセスだけでなく、ゾルゲル法のような湿式プロセスも検討されている。Y.H.Rhoらは、ポリビニルピロリドンを安定化剤として添加したLi−Co−Oゾル溶液を基板上にスピンコートし、更に800℃で熱処理を行うことによってLiCoO2薄膜を作製している(非特許文献2参照)。しかし、この技術では、1回のスピンコートで0.1μmの膜厚しか得られず、より厚い膜を作製するためには、スピンコート及び熱処理のプロセスを複数回繰り返し行わなければならない。このため、非特許文献2の技術では、実用的な数μmオーダの膜厚を作製するためには、多くの時間を要し、非常に煩雑なプロセスとなる。 For example, J. et al. B. Bate et al. Formed a film of LiCoO 2 (positive electrode) using an RF sputtering apparatus, crystallized by further heat treatment at 700 ° C., and then laminated a LiPON (solid electrolyte) and Li (negative electrode) thin film. A solid battery was manufactured and an energy density of about 800 μWh / cm 2 was achieved (see Non-Patent Document 1). As for oxide thin film production, not only a dry process such as sputtering but also a wet process such as a sol-gel method has been studied. Y. H. Rho et al. Produced a LiCoO 2 thin film by spin-coating a Li—Co—O sol solution to which polyvinylpyrrolidone was added as a stabilizer on a substrate and further performing a heat treatment at 800 ° C. (Non-patent Document 2). reference). However, with this technique, only a film thickness of 0.1 μm can be obtained by one spin coating, and in order to produce a thicker film, the spin coating and heat treatment processes must be repeated a plurality of times. For this reason, in the technique of Non-Patent Document 2, it takes a lot of time to produce a practical film thickness on the order of several μm, which is a very complicated process.

ところで、前述したように、更なる高エネルギー密度化が非常に重要な課題となっているが、酸化物成膜法として広く利用されている、アルゴンと酸素との混合ガスを用いたRFスパッタ法では、成膜速度が数nm/min程度であり、ガス圧やターゲット電圧を最大限に大きくしても、10nm/min程度までしか成膜速度が速くできない。また、RFスパッタ法で形成された酸化物膜はアモルファス状態に近く、膜を堆積した後に酸化物の結晶化を促進するために熱処理が必要となる。このように、厚膜化のための長時間のスパッタや結晶化のための熱処理という工程については、コストの面で問題がある。この問題はゾルゲル法においても同様であり、スピンコートー及び熱処理の多数回の繰り返しは大幅にコストをアップさせる要因となる。   By the way, as described above, further increase in energy density is a very important issue, but RF sputtering using a mixed gas of argon and oxygen, which is widely used as an oxide film forming method. In this case, the film formation rate is about several nm / min, and even if the gas pressure and the target voltage are maximized, the film formation rate can only be increased to about 10 nm / min. In addition, an oxide film formed by an RF sputtering method is close to an amorphous state, and heat treatment is required to promote crystallization of the oxide after the film is deposited. As described above, there is a problem in terms of cost with respect to the process of long-time sputtering for thickening and heat treatment for crystallization. This problem is also the same in the sol-gel method, and many repetitions of spin coating and heat treatment cause a significant increase in cost.

J.B.Bete, et al.,"Preferred Orientatin of Polycrystalline LiCoO2 Films", Journal of the ElectroChemical Society, Vol.147, No.1, pp59-70, 2000.J.B.Bete, et al., "Preferred Orientatin of Polycrystalline LiCoO2 Films", Journal of the ElectroChemical Society, Vol.147, No.1, pp59-70, 2000. Y.H.Rho, et al.,"LiCoO2 and LiMn2O4 Thin-Film electrodes for Rechargeable Lithium Batteries",Journal of the ElectroChemical Society, Vol.150, No.1, ppA107-A111, 2003.Y.H.Rho, et al., "LiCoO2 and LiMn2O4 Thin-Film electrodes for Rechargeable Lithium Batteries", Journal of the ElectroChemical Society, Vol.150, No.1, ppA107-A111, 2003.

上記のように、全固体電池用の酸化物電極の作製法の現状の課題としては、成膜速度が遅く高コストで高エネルギー密度化が難しいことや熱処理が必要でプロセスが煩雑になることが挙げられる。これらの状況から、全固体電池を実現させるために、従来のRFスパッタ法やスピンコート法などの酸化物薄膜作製法にかわる低廉で簡便な手法が求められている。   As described above, the current problems of the method for producing an oxide electrode for an all-solid-state battery are that the film formation rate is slow, the cost is high, and it is difficult to increase the energy density, and the heat treatment is necessary and the process becomes complicated. Can be mentioned. Under these circumstances, in order to realize an all-solid-state battery, a low-priced and simple technique is required in place of conventional oxide thin film manufacturing methods such as RF sputtering and spin coating.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、全固体のリチウム2次電池が、より容易に製造できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to more easily manufacture an all-solid lithium secondary battery.

本発明に係るリチウム2次電池の製造方法は、リチウムイオンが伝導する固体の電解質層が形成された状態とする工程と、金属リチウム及びリチウムイオンの少なくとも1つの吸蔵及び放出が行われる固体の負極が電解質層の一方の面に形成された状態とする工程と、所定の組成比で供給された不活性ガスと酸素ガスとからなるプラズマを生成し、少なくともリチウムを含む酸化物から構成されたターゲットに高周波を印加してプラズマより発生した粒子をターゲットに衝突させてスパッタ現象を起こし、ターゲットを構成する材料を堆積することで、少なくともリチウムを含む酸化物から構成された固体の正極が、電解質層の一方の面に形成された状態とする工程とを少なくとも備え、プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成されて発散磁界により運動エネルギーが与えられた電子サイクロトロン共鳴プラズマであるようにしたものである。   The method of manufacturing a lithium secondary battery according to the present invention includes a step of forming a solid electrolyte layer through which lithium ions are conducted, and a solid negative electrode in which at least one insertion and extraction of metallic lithium and lithium ions is performed. A target formed of an oxide containing at least lithium, generating a plasma composed of an inert gas and an oxygen gas supplied at a predetermined composition ratio. A solid positive electrode composed of an oxide containing at least lithium is deposited on the electrolyte layer by causing a sputtering phenomenon by causing particles generated from plasma to collide with the target by applying a high frequency to the target and depositing a material constituting the target. The plasma is generated by electron cyclotron resonance. The divergent magnetic field is obtained as is an electron cyclotron resonance plasma kinetic energy given.

上記リチウム2次電池の製造方法において、正極は、MをCo,Ni,Fe,Mnの少なくとも1つとしたLi1-xMO2(0≦x<1)から構成されたものであなお、高周波のパワー及びプラズマの生成のために印加されるマイクロ波のパワーは、ターゲットを構成するすべての種類の原子がスパッタリングされる範囲とされていればよい。また、酸素ガスの組成比は、ターゲットよりスパッタされたターゲットを構成している金属の粒子が、堆積される面に到達する前には酸素との不要な副反応が抑制された状態とされた範囲であればよい。 In the method for manufacturing the lithium secondary battery, the positive electrode, M a Co, Ni, Fe, Ru der those composed of Li 1-x MO 2 where at least one of Mn (0 ≦ x <1) . Note that the high-frequency power and the microwave power applied to generate plasma may be in a range in which all types of atoms constituting the target are sputtered. The composition ratio of the oxygen gas was such that unnecessary side reactions with oxygen were suppressed before the metal particles constituting the target sputtered from the target reached the surface to be deposited. Any range is acceptable.

また、本発明に係るリチウム2次電池は、上述したリチウム2次電池の製造方法により製造されたものである。   The lithium secondary battery according to the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a lithium secondary battery.

以上説明したように、本発明によれば、少なくともリチウムを含む酸化物から構成された固体の正極を、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたスパッタ法により形成するようにしたので、全固体のリチウム2次電池が、より容易に製造できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the solid positive electrode composed of an oxide containing at least lithium is formed by the sputtering method using electron cyclotron resonance plasma. An excellent effect that the battery can be manufactured more easily is obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるリチウム2次電池の製造方法例を示す工程図である。まず、図1(a)に示すように、SUS304などのステンレス鋼から構成された金属板101を用意する。基板101としては、電池に用いるための電極膜であることを勘案し、電気配線を容易に施すことができるものが好ましい。具体的には、基板自体が、金属であるステンレス鋼、チタン、ニッケルなどから構成されていればよい。又は石英ガラス基板に、金、白金、チタンなどから選ばれる一つ若しくは複数の金属が形成されたものであってもよい。また、折り曲げ可能な高分子フィルム上に、金、白金、チタン、銅などから1種類若しくは複数の材料からなる金属層が形成されているものを用いるようにしてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram showing an example of a method for manufacturing a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a metal plate 101 made of stainless steel such as SUS304 is prepared. The substrate 101 is preferably one that can be easily provided with electric wiring in consideration of an electrode film for use in a battery. Specifically, the substrate itself may be made of a metal such as stainless steel, titanium, or nickel. Alternatively, one or a plurality of metals selected from gold, platinum, titanium, and the like may be formed on a quartz glass substrate. Moreover, you may make it use what forms the metal layer which consists of one type or several materials from gold | metal | money, platinum, titanium, copper etc. on the bendable polymer film.

次に、図1(b)に示すように、用意した基板101の上に、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法によりLiCoO2を選択的に堆積し、正極102が形成された状態とする。例えば、所望とする領域に開口部を備えたマスク板を用いてスパッタ成膜することで、基板101の上に正極102が形成された状態とすることができる。なお、正極102は、化学量論的組成とされたLiCoO2から構成されたものとなればよい。 Next, as shown in FIG. 1B, LiCoO 2 is selectively deposited on the prepared substrate 101 by an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method, and the positive electrode 102 is formed. And For example, the positive electrode 102 can be formed on the substrate 101 by performing sputter deposition using a mask plate having an opening in a desired region. The positive electrode 102 may be made of LiCoO 2 having a stoichiometric composition.

正極102の形成におけるより詳細なスパッタ条件を示すと、まず、ターゲットには、LiCoO2を用いる。また、アルゴンと酸素との混合ガスを用いる。また、マイクロ波(2.45GHz)のパワーは800W、ターゲットに印加するRF(13.5MHz)のパワーは500W、スパッタ時のガス圧は0.13Pa、アルゴンの流量は20sccm(97.6vol%)、酸素の流量は0.5sccm(2.4vol%)とし、また、成膜時間(スパッタ時間)は、6時間とした。この条件により、膜厚6μmのLiCoO2層からなる正極102が形成される。なお、sccmは流量の単位あり、0℃・1気圧の流体が1分間に1cm3流れることを示す。 To describe more detailed sputtering conditions in forming the positive electrode 102, first, LiCoO 2 is used as a target. A mixed gas of argon and oxygen is used. The power of microwave (2.45 GHz) is 800 W, the power of RF (13.5 MHz) applied to the target is 500 W, the gas pressure during sputtering is 0.13 Pa, and the flow rate of argon is 20 sccm (97.6 vol%). The oxygen flow rate was 0.5 sccm (2.4 vol%), and the film formation time (sputtering time) was 6 hours. Under this condition, the positive electrode 102 made of a LiCoO 2 layer having a thickness of 6 μm is formed. Sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1 atm flows 1 cm 3 per minute.

次に、図1(c)に示すように、正極102の側面及び上面をすべて覆うように、LiPON[化学式:Li3P(O,N)4]からなる固体電解質層103が形成された状態とする。例えば、Li3PO4をターゲットとし、RFによりアルゴンと窒素ガスとの混合ガスのプラズマを生成させることによるRFスパッタ法により、固体電解質層103が形成できる。また、このスパッタ法において、前述同様に、マスク板を用いて所望とする領域のみにLiPONを堆積することで、固体電解質層103が形成できる。ついで、図1(d)に示すように、固体電解質層103の上にリチウム(金属リチウム)からなる負極104が形成された状態とする。例えば、マスク板を用いた真空蒸着法により金属リチウムを選択的に堆積することで、負極104が形成できる。この後、負極104が耐熱性を有する絶縁性の樹脂などで封止保護された状態とすることなどにより、全固体リチウム2次電池が形成された状態となる。 Next, as shown in FIG. 1C, a state in which the solid electrolyte layer 103 made of LiPON [chemical formula: Li 3 P (O, N) 4 ] is formed so as to cover all of the side surface and the upper surface of the positive electrode 102. And For example, the solid electrolyte layer 103 can be formed by RF sputtering using Li 3 PO 4 as a target and generating plasma of a mixed gas of argon and nitrogen gas by RF. In this sputtering method, as described above, the solid electrolyte layer 103 can be formed by depositing LiPON only in a desired region using a mask plate. Next, as shown in FIG. 1 (d), the anode 104 made of lithium (metallic lithium) is formed on the solid electrolyte layer 103. For example, the negative electrode 104 can be formed by selectively depositing metallic lithium by a vacuum evaporation method using a mask plate. Thereafter, the all-solid lithium secondary battery is formed, for example, by making the negative electrode 104 sealed and protected with an insulating resin having heat resistance.

ここで、正極102の形成に用いるECRスパッタ装置について説明する。図2は、ECRスパッタ装置の構成例を示す断面図であり、まず、処理室201とこれに連通するプラズマ生成室202とを備える。処理室201は、排気管203により図示しない真空排気装置に連通し、この真空排気装置により、プラズマ生成室202とともに内部が真空排気される。また、処理室201の内部には、処理対象の基板が載置(固定)される基板ホルダ204が設けられている。   Here, an ECR sputtering apparatus used for forming the positive electrode 102 will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of the ECR sputtering apparatus. First, a processing chamber 201 and a plasma generation chamber 202 communicating with the processing chamber 201 are provided. The processing chamber 201 communicates with an evacuation device (not shown) through an exhaust pipe 203, and the inside of the processing chamber 201 is evacuated together with the plasma generation chamber 202 by this vacuum evacuation device. A substrate holder 204 on which a substrate to be processed is placed (fixed) is provided inside the processing chamber 201.

処理室201の内部のプラズマ生成室202からのプラズマが導入される開口領域には、開口領域を取り巻くようにリング状に形成されたLiCoO2からなるターゲット205が備えられている。ターゲット205には、マッチングユニット211を介して高周波電源212が接続され、例えば、13.5MHzの高周波が印加可能とされている。また、処理室201には、反応性ガス導入部208が接続され、例えば酸素ガスが供給可能とされている。なお、ターゲット205は、上面からみた状態で、円形状に限らず、多角形状であってもよい。 An opening region into which plasma from the plasma generation chamber 202 inside the processing chamber 201 is introduced is provided with a target 205 made of LiCoO 2 formed in a ring shape so as to surround the opening region. A high frequency power supply 212 is connected to the target 205 via a matching unit 211 so that, for example, a high frequency of 13.5 MHz can be applied. In addition, a reactive gas introduction unit 208 is connected to the processing chamber 201 so that, for example, oxygen gas can be supplied. The target 205 is not limited to a circular shape as viewed from above, and may be a polygonal shape.

一方、プラズマ生成室202には、マイクロ波導入管206を介してマイクロ波が導入可能とされ、加えて、プラズマ生成室202の周囲に配置された磁気コイル(磁場形成手段)207により磁場が発生可能とされている。また、プラズマ生成室202には、不活性ガス導入部209が接続され、例えば、アルゴンなどの不活性ガスが供給可能とされている。なお、図2では、酸素などの反応性ガスとアルゴンなどの不活性ガスを、各々異なる箇所より供給するようにしたが、これに限るものではなく、同一の導入部より両者が供給されるようにしてもよい。例えば、処理室201に連通する供給部より、酸素ガス及びアルゴンガスが供給されるようにしてもよい。   On the other hand, microwaves can be introduced into the plasma generation chamber 202 via the microwave introduction tube 206, and in addition, a magnetic field is generated by a magnetic coil (magnetic field forming means) 207 disposed around the plasma generation chamber 202. It is possible. In addition, an inert gas introduction unit 209 is connected to the plasma generation chamber 202 so that, for example, an inert gas such as argon can be supplied. In FIG. 2, a reactive gas such as oxygen and an inert gas such as argon are supplied from different locations, but the present invention is not limited to this, and both are supplied from the same introduction section. It may be. For example, oxygen gas and argon gas may be supplied from a supply unit communicating with the processing chamber 201.

以下、図2に示すECRスパッタ装置の動作例について説明すると、まず、不活性ガス導入部209よりプラズマ生成室202に、アルゴンガスなどの不活性ガスが導入された状態とし、プラズマ生成室202の内部が所定の圧力とされた状態とする。このとき、反応性ガス導入部208より酸素ガスが導入された状態としてもよい。また、以降に説明するECRプラズマが生成した後に酸素ガスが供給されるようにしてもよい。   Hereinafter, an operation example of the ECR sputtering apparatus shown in FIG. 2 will be described. First, an inert gas such as argon gas is introduced into the plasma generation chamber 202 from the inert gas introduction unit 209, and the plasma generation chamber 202 The inside is set to a predetermined pressure. At this time, oxygen gas may be introduced from the reactive gas introduction unit 208. Further, oxygen gas may be supplied after ECR plasma described below is generated.

ついで、図示しないマイクロ波発生装置より、マイクロ波導入管206を通し、マイクロ波がプラズマ生成室202へ導入される状態とする。導入されるマイクロ波のパワーは、任意に調節可能である。また、磁気コイル207に電流を流すことによって、プラズマ生成室202の内部に磁場が発生された状態とし、前述のマイクロ波が導入された状態で、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件を満たすことによって、不活性ガス及び酸素のイオン粒子を含むECRプラズマが、プラズマ生成室202の内部に生成された状態とすることができる。ここで導入される不活性ガスとしては、コストや汎用性の面からアルゴンを用いることが望ましい。また、酸素ガスは、酸化物を成膜する場合に反応性ガスとして用いられる。酸化物の膜を形成する場合は、酸素を用いるが、例えば窒化物を形成する場合は窒素を導入し、水素化物を成膜する場合には、水素を導入すればよい。   Next, a microwave is introduced into the plasma generation chamber 202 through a microwave introduction tube 206 from a microwave generator (not shown). The power of the introduced microwave can be arbitrarily adjusted. Further, by passing a current through the magnetic coil 207, a magnetic field is generated inside the plasma generation chamber 202, and by satisfying the electron cyclotron resonance (ECR) condition in the state where the above-described microwave is introduced, An ECR plasma containing an inert gas and oxygen ion particles may be generated in the plasma generation chamber 202. As the inert gas introduced here, it is desirable to use argon from the viewpoint of cost and versatility. The oxygen gas is used as a reactive gas when forming an oxide film. When an oxide film is formed, oxygen is used. For example, nitrogen is introduced when forming a nitride film, and hydrogen is introduced when forming a hydride film.

上述したことにより、プラズマ生成室202に生成されたECRプラズマは、磁気コイル207により形成されている発散磁場(磁界)により運動エネルギーが与えられて処理室201へと導かれる。このとき、ターゲット205に、高周波(RF)パワーが印加されていれば、引出されたプラズマがターゲット205へと引き寄せられ、引き寄せられたプラズマ中のイオン(粒子)が、ターゲット205の表面に衝突する。このことにより、ターゲット205の表面では、スパッタリング現象が起こり、ターゲット205の表面よりターゲット205を構成している粒子が飛び出す。ターゲット205は、LiCoO2から構成されており、上記スパッタリング現象により、ターゲット205の表面より、リチウムやコバルトの金属イオン粒子及び酸素イオン粒子が飛び出す。 As described above, the ECR plasma generated in the plasma generation chamber 202 is given kinetic energy by the divergent magnetic field (magnetic field) formed by the magnetic coil 207 and is guided to the processing chamber 201. At this time, if radio frequency (RF) power is applied to the target 205, the extracted plasma is attracted to the target 205, and ions (particles) in the attracted plasma collide with the surface of the target 205. . As a result, a sputtering phenomenon occurs on the surface of the target 205, and particles constituting the target 205 are ejected from the surface of the target 205. The target 205 is made of LiCoO 2 , and metal ion particles and oxygen ion particles of lithium and cobalt are ejected from the surface of the target 205 by the sputtering phenomenon.

ここで、ターゲット205としては目的とする膜組成と同様の組成を用いるか、リチウム(Li)と遷移金属(Co)のスパッタ効率の違いを勘案して目的組成よりもリチウム過剰若しくは遷移金属物過剰のターゲットも用いることができる。飛び出したイオン粒子は、プラズマ流とともに基板ホルダ204上の基板に叩きつけられ、金属イオン粒子が元々プラズマ流に含まれていた酸素イオン粒子若しくはターゲット205からの酸素イオン粒子により酸化され、金属酸化物の層が基板(成膜対象表面)の上に形成される。   Here, as the target 205, the same composition as the target film composition is used, or in consideration of the difference in sputtering efficiency between lithium (Li) and transition metal (Co), the target is excessive in lithium or in excess of transition metal. These targets can also be used. The ejected ion particles are struck against the substrate on the substrate holder 204 together with the plasma flow, and the metal ion particles are oxidized by the oxygen ion particles originally contained in the plasma flow or the oxygen ion particles from the target 205, and the metal oxide A layer is formed on the substrate (surface to be deposited).

上述したECRスパッタ法によれば、RFスパッタ法と比較して、一般的にプラズマ密度が大きく、基板へのダメージも少なく、得られる膜は平坦性に優れ均一性が高いなどの特徴を有する。また、ECRスパッタ法では、スパッタのエネルギーも大きく、酸化物を堆積する場合、低温での結晶化が期待される。図1を用いて説明したように、上述したマイクロ波のパワーは800W以上、RFパワーは500W以上とし、更に、アルゴンと酸素の混合ガスにおいて酸素濃度yが、0<y<4.5(容量%)の範囲とすることで、結晶性や配向性により優れ、不純物相の少ないLiCoO2膜が形成できる。上記酸素濃度の範囲とすることで、以降に示すように、X線回折パターンに結晶面(003)のピークが示されるようになり、顕著な結晶配向性を備えた状態に形成されるようになる。 According to the above-mentioned ECR sputtering method, compared with the RF sputtering method, the plasma density is generally large, the damage to the substrate is small, and the resulting film has excellent flatness and high uniformity. Further, in the ECR sputtering method, the sputtering energy is large, and when an oxide is deposited, crystallization at a low temperature is expected. As described with reference to FIG. 1, the microwave power described above is 800 W or more, the RF power is 500 W or more, and the oxygen concentration y in the mixed gas of argon and oxygen is 0 <y <4.5 (capacity). %)), It is possible to form a LiCoO 2 film which is excellent in crystallinity and orientation and has few impurity phases. By setting the oxygen concentration within the above range, as shown below, the peak of the crystal plane (003) is shown in the X-ray diffraction pattern, and the crystal is formed in a state having remarkable crystal orientation. Become.

次に、図1に示す製造方法により形成されたLiCoO2から構成された正極102のX線回折(XRD)パターンを図3に示す。なお、図3においては、各ピークが示す結晶面のミラー指数が併記されている。図3に示すように、正極102の結晶構造は、ICDDナンバー:50−0653に帰属され、類似の構造を有するものの電極材料としては性能が低いと考えられる低温相ではなく、より優れた電極特性を示すとされるα−NaFeO2型構造を有する高温相LiCoO2が生成していることが確認された。また、ピークの鋭さから、結晶性もよく、結晶面(003)のピークが選択的に大きな強度を示すことから、顕著な結晶配向性を有していることが分かる。また不純物によるピークも確認されない。なお、図3中の*印は、XRD測定用の基板固定用コンパウンド、下向きの黒三角印はステンレス基板によるピークであり、LiCoO2より得られるものではない。 Next, FIG. 3 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern of the positive electrode 102 made of LiCoO 2 formed by the manufacturing method shown in FIG. In FIG. 3, the Miller index of the crystal plane indicated by each peak is also shown. As shown in FIG. 3, the crystal structure of the positive electrode 102 is attributed to ICDD number: 50-0653, and although it has a similar structure, the electrode material is not a low-temperature phase that is considered to have low performance, but has better electrode characteristics. It was confirmed that a high-temperature phase LiCoO 2 having an α-NaFeO 2 type structure was generated. Further, from the sharpness of the peak, the crystallinity is good, and the peak of the crystal plane (003) selectively shows a large intensity, so that it can be seen that it has a remarkable crystal orientation. Also, no peaks due to impurities are confirmed. The * mark in FIG. 3 is a substrate fixing compound for XRD measurement, and the downward black triangle mark is a peak due to a stainless steel substrate, and is not obtained from LiCoO 2 .

このように、図1に示す製造方法によれば、1時間あたりにμmオーダ(16.6nm/min)の成膜速度で、単相で高結晶性・高配向性のLiCoO2からなる正極が容易に形成可能である。また、成膜後の熱処理も不要である。また、このように形成された正極102を用いた図1(d)に部分を示す全固体電池によれば、高いエネルギー密度の状態が得られる。この全固体電池によれば、図4に示すような充放電特性が得られる。この全固体電池の充放電特性は、充放電電流20μAで4.3−3.0Vの範囲で測定した結果であり、また、20回目の充放電曲線である。平均放電電圧は、約3.8Vと十分な高電圧であり、放電容量も240μAh/cm2と大きく、充電容量との差もなく可逆的な充放電プロファイルを示しており、高性能であることが示されている。 Thus, according to the manufacturing method shown in FIG. 1, a positive electrode made of LiCoO 2 having a single phase, high crystallinity and high orientation at a film formation rate of 1 μm per hour (16.6 nm / min). It can be easily formed. Further, no heat treatment after film formation is necessary. Moreover, according to the all-solid-state battery shown in FIG. 1D using the positive electrode 102 formed in this way, a high energy density state can be obtained. According to this all solid state battery, charge / discharge characteristics as shown in FIG. 4 are obtained. The charge / discharge characteristics of this all-solid battery are the results of measurement in the range of 4.3-3.0 V with a charge / discharge current of 20 μA, and are the 20th charge / discharge curve. The average discharge voltage is a sufficiently high voltage of about 3.8 V, the discharge capacity is as large as 240 μAh / cm 2 , shows a reversible charge / discharge profile with no difference from the charge capacity, and has high performance. It is shown.

次に、図1(d)に示す全固体電池の放電容量の充放電サイクル依存性について、図5を用いて説明する。図5は、本全固体電池の放電容量の充放電サイクル依存性を示す特性図であり、初期に容量の減少がみられるが、この後は、安定した放電容量が示されている。なお、図5において、(a)が、図1(d)に示す全固体電池の放電容量の充放電サイクル依存性を示し、(b)は、以降に説明する従来技術により作成される比較例の全固体電池の特性を示す。   Next, the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity of the all solid state battery shown in FIG. 1 (d) will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity of the all-solid-state battery. Although the capacity is initially reduced, a stable discharge capacity is shown thereafter. 5A shows the charge / discharge cycle dependency of the discharge capacity of the all-solid-state battery shown in FIG. 1D, and FIG. 5B shows a comparative example created by the prior art described below. The characteristics of the all-solid-state battery are shown.

ところで、図1に示す製造方法例では、基板101の上に正極102が形成された後、固体電解質層103及び負極104がこの順に積層されるように形成したが、これに限るものではない。例えば、基板の上に、負極、固体電解質層,及び正極が、この順に積層される順に形成されてもよい。このように形成された全固体電池によっても、前述同様の電池特性が得られることが確認されている。   In the example of the manufacturing method illustrated in FIG. 1, after the positive electrode 102 is formed on the substrate 101, the solid electrolyte layer 103 and the negative electrode 104 are formed to be stacked in this order, but the present invention is not limited to this. For example, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the positive electrode may be formed in this order on the substrate. It has been confirmed that the battery characteristics similar to those described above can be obtained even with the all-solid battery formed in this way.

ここで、固体電池に用いられる正極電極に要求される条件について考察する。この条件としては、不純物を含まない単相であること、結晶性が高いこと、高い配向性を有していること、基板との密着性が良好であることが挙げられる。これらの諸条件は、製造プロセスの簡素化のために、熱処理なしで達成されることが望ましく、ECRスパッタ装置の各種の成膜パラメータを最適化することにより実現される。主なパラメータとしては次の通りである。   Here, the conditions required for the positive electrode used in the solid state battery will be considered. This condition includes a single phase containing no impurities, high crystallinity, high orientation, and good adhesion to the substrate. These various conditions are desirably achieved without heat treatment in order to simplify the manufacturing process, and can be realized by optimizing various film formation parameters of the ECR sputtering apparatus. The main parameters are as follows.

先ずは、ECRプラズマの強さであるが、これはプラズマ生成室にマイクロ波導入管から導入されるマイクロ波パワーにより制御可能である。2つ目のパラメータは、ターゲットに印加されるRFパワーである。このRFパワーを大きくすることによって、プラズマ生成室で生成されたプラズマが、ターゲット表面に強く叩き込まれてスパッタされ、ターゲット表面から飛び出るリチウムイオンやコバルトイオンなどの濃度や、基板(成膜対象面,堆積面)表面への衝突スピード(エネルギー)が変化する。これらの2つのパラメータは、スパッタ効率が異なる複数の金属を含むターゲットを用いる場合に重要である。金属イオン(原子)を含むターゲットを構成するすべての種類の原子(元素)がスパッタされターゲットから飛び出すためには、ターゲットを構成している各元素に対し、あるしきい値以上のプラズマの強さとプラズマをターゲットへ誘引するパワーが必要である。この2つは、マイクロ波パワー及びRFパワーで決定される。   The first is the strength of the ECR plasma, which can be controlled by the microwave power introduced from the microwave introduction tube into the plasma generation chamber. The second parameter is the RF power applied to the target. By increasing this RF power, the plasma generated in the plasma generation chamber is strongly struck and sputtered onto the target surface, and the concentration of lithium ions and cobalt ions that jump out of the target surface, and the substrate (film formation target surface, The impact speed (energy) on the surface changes. These two parameters are important when using a target including a plurality of metals having different sputtering efficiencies. In order for all types of atoms (elements) constituting a target including metal ions (atoms) to be sputtered and jump out of the target, the plasma strength above a certain threshold value must be applied to each element constituting the target. Power to attract plasma to the target is required. These two are determined by microwave power and RF power.

例えば、これらの両者の値がしきい値以下であると、リチウムはターゲットからスパッタ現象で飛び出すが、遷移金属(Co)は変化がなくターゲット中にとどまるという不均衡な状態になり、結果として、得られる膜の組成は目的値から外れたものとなり不純物との混合相になる。従って、遷移金属酸化物をスパッタする場合には、ターゲットを構成しているすべての金属イオンが均等にスパッタされるために、ある値以上のマイクロ波パワー及びRFパワーが必要ということになる。   For example, if both of these values are less than or equal to the threshold value, lithium jumps out of the target due to the sputtering phenomenon, but the transition metal (Co) remains in the target without change, resulting in an unbalanced state. The composition of the resulting film deviates from the target value and becomes a mixed phase with impurities. Therefore, when the transition metal oxide is sputtered, all the metal ions constituting the target are sputtered evenly, so that microwave power and RF power of a certain value or more are necessary.

また、スパッタ時のガス雰囲気も、目的とする酸化物膜を得るために非常に重要である。スパッタによって飛び出した金属イオン粒子は、ECRプラズマ中の酸素イオン粒子、若しくは酸化物ターゲットよりスパッタされて飛び出た酸素イオン粒子と衝突する。この衝突により、スパッタされた金属イオン粒子が堆積面(成膜対象の表面)まで到達せず、リチウム酸化物もしくは遷移金属(コバルト)酸化物として不均一な分布が生じ、堆積面の付近でリチウムと遷移金属のいずれかが不足した状態のまま堆積面に到達して膜として形成され、電極材料として所望とする組成からずれ、膜の結晶性に影響を及ぼす場合がある。酸素濃度が高くなれば、これらの衝突の確率が高くなり、ある値以上の酸素濃度は、形成される膜の品質低下の要因となる。   Further, the gas atmosphere at the time of sputtering is very important for obtaining a target oxide film. The metal ion particles jumped out by sputtering collide with oxygen ion particles in the ECR plasma or oxygen ion particles sputtered out from the oxide target. Due to this collision, the sputtered metal ion particles do not reach the deposition surface (the surface to be deposited), and non-uniform distribution occurs as lithium oxide or transition metal (cobalt) oxide. In some cases, the film reaches the deposition surface in a state where either of the transition metal and the transition metal is insufficient, and is formed as a film, deviating from the composition desired as the electrode material, and may affect the crystallinity of the film. As the oxygen concentration increases, the probability of these collisions increases, and an oxygen concentration above a certain value causes a reduction in the quality of the formed film.

従って、上述した不要な衝突を抑制し、ターゲットよりスパッタされた金属イオン(ターゲットを構成している金属の粒子)が、基板(堆積される面)に到達する前には酸素との不要な副反応が抑制された状態で堆積面に到達し、より高い品質の膜を形成するためには、酸素濃度はある値以下であることが望ましい。適切な酸素濃度比の範囲であれば、電極材料として適した組成を持つ膜が形成可能となる。しかしながら、酸素濃度を極端に小さな値に設定すると、ECRプラズマ中の酸素イオン粒子も減少し、堆積面に到達する酸素イオンも欠乏し、膜中の酸素含量が不足し、目的とする組成から外れ、不純物が混合して金属イオン過剰の膜となり好ましくない。   Therefore, the unnecessary collision described above is suppressed, and before the metal ions sputtered from the target (metal particles constituting the target) reach the substrate (the surface to be deposited), unnecessary side collision with oxygen is performed. In order to reach the deposition surface with the reaction suppressed and to form a higher quality film, the oxygen concentration is desirably below a certain value. A film having a composition suitable as an electrode material can be formed within an appropriate oxygen concentration ratio range. However, if the oxygen concentration is set to an extremely small value, the oxygen ion particles in the ECR plasma are reduced, the oxygen ions reaching the deposition surface are also deficient, the oxygen content in the film is insufficient, and the composition is not intended. , Impurities are mixed to form a metal ion excess film, which is not preferable.

よって、良好な電極特性のリチウム遷移金属酸化物膜を得るためのパラメータとして、ある濃度範囲で酸素を流通させながら行うことが望ましい。なお、上述した各パラメータは、使用する装置の種類や大きさ、成膜室やプラズマ生成室を構成している真空チャンバの構造、ターゲットと基板(堆積面)との距離などが装置によって異なり、装置ごとに値が設定されるものである。   Therefore, it is desirable that oxygen be circulated in a certain concentration range as a parameter for obtaining a lithium transition metal oxide film having good electrode characteristics. Each parameter described above varies depending on the type and size of the device used, the structure of the vacuum chamber constituting the film formation chamber and the plasma generation chamber, the distance between the target and the substrate (deposition surface), etc. A value is set for each device.

なお、上述したように、各条件(パラメータ)が適宜設定されたECRスパッタ法によれば、リチウム含有遷移金属酸化物膜を正極とし、リチウムイオン導電性固体電解質、負極材料から構成される全固体電池、詳しくは全固体型リチウム2次電池が、容易に作成可能である。固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有している物質であれば用いることができ、Li3PO4の酸素イオンの一部が窒素イオンに置換されたLiPONや、固体ポリマー電解質などが使用可能である。 In addition, as described above, according to the ECR sputtering method in which each condition (parameter) is appropriately set, all solids composed of a lithium-containing transition metal oxide film as a positive electrode, a lithium ion conductive solid electrolyte, and a negative electrode material. A battery, in particular, an all solid-state lithium secondary battery can be easily produced. As the solid electrolyte, any substance having lithium ion conductivity can be used, and LiPON in which some of the oxygen ions of Li 3 PO 4 are replaced with nitrogen ions, solid polymer electrolyte, etc. can be used. It is.

また、負極材料としては、リチウム金属のほか、卑電位において、リチウムイオンの蓄積(吸蔵)及び放出が可能な物質であればよく、シリコン、スズ又はこれらを含む合金などが適用可能である。リチウム金属から負極が構成されている場合も、負極よりリチウムイオンが放出されまた負極にリチウムイオンが蓄積されるものとなっている。固体電解質及び負極は、スパッタ法、真空蒸着法、ゾルゲル法などの既知の手法によって形成すればよい。これらの膜の積層構造としては、基板,正極,固体電解質,及び負極の順に積層してもよく、また、基板,負極,固体電解質,及び正極の順に積層するようにしてもよい。何れにおいても、固体電解質が、正極及び負極の接触による短絡を防止するように両電極間に成膜された構造であれば、どちらでも電池として機能することができる。このようにして作製された全固体電池は、水分による劣化を防ぐために電池を覆う高分子膜や導電性を有しない窒化物膜などの防湿膜で、保護されているようにすることが好ましい。   The negative electrode material may be any material that can store (occlude) and release lithium ions at a base potential in addition to lithium metal, and silicon, tin, or an alloy containing these materials can be used. Even when the negative electrode is made of lithium metal, lithium ions are released from the negative electrode, and lithium ions are accumulated in the negative electrode. The solid electrolyte and the negative electrode may be formed by a known method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a sol-gel method. As a laminated structure of these films, the substrate, the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode may be laminated in this order, or the substrate, the negative electrode, the solid electrolyte, and the positive electrode may be laminated in this order. In any case, any solid electrolyte can function as a battery as long as it has a structure in which a film is formed between both electrodes so as to prevent a short circuit due to contact between the positive electrode and the negative electrode. The all solid state battery thus produced is preferably protected by a moisture-proof film such as a polymer film covering the battery or a non-conductive nitride film in order to prevent deterioration due to moisture.

上述したようにすることで製造された本発明によるリチウム含有遷移金属酸化物正極を用いた全固体電池は、正極が電極材料に適した高結晶性・高配向性・高密着性という特徴を有する。このため、過電圧の低減によって放電電圧が高くなることや、充放電サイクルを繰り返しても放電容量の減少が著しく抑えられるなどの、電池として優れた特性を有する。また、ECRスパッタ法によるリチウム含有遷移金属酸化物の成膜(形成)は、前述した成膜パラメータの最適化により、熱処理も必要なく短時間での厚膜化が可能であり、製造コストを低減できるという面に優れ、かつ大きなエネルギー密度を有する全固体電池が作製可能であるという利点がある。なお、上述では、これまでの報告例から、サイクル安定性や熱安定性に優れた特性を備えていることが明らかなコバルト酸リチウム(LiCoO2)を例に説明したが、これに限るものではなく、上述した本発明の製造方法によれば、前述した各パラメータを決定することによって、何れのリチウム含有遷移金属酸化物Li1-xMO2(0≦x<1、MはCo,Ni,Fe,Mnの少なくとも1つもしくは複数からなる遷移金属)であっても適用可能であり、作成された全固体電池は、電池としての性能も優れたものであることが確認されている。 The all-solid-state battery using the lithium-containing transition metal oxide positive electrode according to the present invention manufactured as described above has characteristics of high crystallinity, high orientation, and high adhesion suitable for the electrode material. . For this reason, it has excellent characteristics as a battery such that the discharge voltage is increased by reducing the overvoltage, and the decrease in the discharge capacity is remarkably suppressed even if the charge / discharge cycle is repeated. In addition, film formation (formation) of lithium-containing transition metal oxides by ECR sputtering can be performed in a short time without the need for heat treatment by optimizing the film formation parameters described above, thus reducing manufacturing costs. There is an advantage that an all-solid-state battery having excellent energy efficiency and a large energy density can be produced. In the above description, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), which has been clearly shown to have excellent cycle stability and thermal stability, has been described as an example from previous reports. However, the present invention is not limited to this. Instead, according to the manufacturing method of the present invention described above, by determining each of the above-described parameters, any lithium-containing transition metal oxide Li 1-x MO 2 (0 ≦ x <1, M is Co, Ni, It is also applicable to a transition metal composed of at least one or more of Fe and Mn), and it has been confirmed that the produced all-solid battery has excellent battery performance.

次に、前述した成膜パラメータについて、調査した結果について説明する。まず、図1(a),図1(b)を用いて説明した製造方法例における成膜パラメータによるLiCoO2膜を製造方法例1とする。 Next, the results of investigation on the above-described film formation parameters will be described. First, a LiCoO 2 film based on the film formation parameters in the manufacturing method example described with reference to FIGS.

また、「マイクロ波パワー:800W、RFパワー:500W、酸素濃度:4.8%、スパッタ時間:6h」として形成したLiCoO2膜を製造方法例2とする。また、「マイクロ波パワー:800W、RFパワー:500W、酸素濃度:50%、スパッタ時間:6h」として形成したLiCoO2膜を製造方法例3とする。また、「マイクロ波パワー:500W、RFパワー:500W、酸素濃度:20%スパッタ時間:6h」として形成したLiCoO2膜を製造方法例4とする。 Further, a LiCoO 2 film formed with “microwave power: 800 W, RF power: 500 W, oxygen concentration: 4.8%, sputtering time: 6 h” is referred to as Production Method Example 2. A LiCoO 2 film formed with “microwave power: 800 W, RF power: 500 W, oxygen concentration: 50%, sputtering time: 6 h” is referred to as Production Method Example 3. Further, a LiCoO 2 film formed with “microwave power: 500 W, RF power: 500 W, oxygen concentration: 20% sputtering time: 6 h” is referred to as Production Method Example 4.

上記製造方法例2〜製造方法例4の何れにおいても、α−NaFeO2型構造を有するLiCoO2が単相で形成される。また、これらの膜を正極として図1(d)と同様に構成した全固体電池においては、充放電可能であることが確認された。これらのことから、ECRスパッタ法による成膜が、LiCoO2の膜の形成に有効であることがわかる。 In any one of Production Method Examples 2 to 4, LiCoO 2 having an α-NaFeO 2 type structure is formed in a single phase. Further, it was confirmed that charging and discharging are possible in the all solid state battery having these films as the positive electrode and configured in the same manner as in FIG. From these, it can be seen that the film formation by the ECR sputtering method is effective for the formation of the LiCoO 2 film.

ただし、製造方法例1によるLiCoO2膜に比較して、製造方法例2〜4によるLiCoO2膜は、図6に示すように結晶性や配向性に差が観察される。図6は、製造方法例1及び製造方法例2〜製造方法例4の各条件で作製したLiCoO2膜のXRDパターンを、特に結晶面(003)のピークに着目して示す特性図である。なお、図6において、(a)が、製造方法例1のLiCoO2膜のXRDパターンを示し、(b)が、製造方法例2のLiCoO2膜のXRDパターンを示し、(c)が、製造方法例3のLiCoO2膜のXRDパターンを示し、(d)が、製造方法例4のLiCoO2膜のXRDパターンを示している。また、図中の*印は、XRD測定用の基板固定用のコンパウンドによるピークであり、LiCoO2より得られるものではない。 However, compared to the LiCoO 2 film by the manufacturing method Example 1, LiCoO 2 film by the manufacturing method Example 2-4, the difference in crystallinity and orientation, as shown in FIG. 6 is observed. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the XRD pattern of the LiCoO 2 film produced under the conditions of Production Method Example 1 and Production Method Example 2 to Production Method Example 4, particularly focusing on the peak of the crystal plane (003). Incidentally, In FIG. 6, (a) is shows the XRD pattern of the LiCoO 2 film manufacturing method Example 1, (b) is shows the XRD pattern of the LiCoO 2 film manufacturing method Example 2, the (c), producing It shows the XRD pattern of the LiCoO 2 film method example 3, (d) is shows the XRD pattern of the LiCoO 2 film manufacturing method example 4. In addition, the * mark in the figure is a peak due to the compound for fixing the substrate for XRD measurement, and is not obtained from LiCoO 2 .

図6から明らかなように、製造方法例1のみがLiCoO2の(003)配向を示すピーク強度が鋭く、良好な配向性及び結晶性を有している。他の製造方法例2〜4の膜では、不純物相はないものの、このような鋭いピークが全く見られず、更に固体電池としての特性も充放電の安定性が、図1を用いて説明した全固体電池の場合よりも低い。これらのことからわかるように、図1を用いて説明した製造方法のパラメータに例示するように、マイクロ波のパワーは800W以上、RFパワーは500W以上とし、かつ、アルゴンと酸素の混合ガスにおいて酸素濃度yが、0<y<4.5(Vol%)の範囲など、最適化された成膜条件とすることで、結晶性及び配向性のより高い酸化物膜が得られることがわかる。また、このようにして製造された正極を用いた全固体電池によれば、電池特性もより高性能化することがわかる。 As apparent from FIG. 6, only the production method example 1 has a sharp peak intensity indicating the (003) orientation of LiCoO 2 and has good orientation and crystallinity. In the films of the other production method examples 2 to 4, although there is no impurity phase, such a sharp peak is not observed at all, and the characteristics as a solid battery are described with reference to FIG. Lower than for all solid state batteries. As can be seen from these, as exemplified in the parameters of the manufacturing method described with reference to FIG. 1, the microwave power is set to 800 W or more, the RF power is set to 500 W or more, and oxygen is mixed in the mixed gas of argon and oxygen. It can be seen that an oxide film with higher crystallinity and orientation can be obtained by using optimized film formation conditions such that the concentration y is in the range of 0 <y <4.5 (Vol%). In addition, it can be seen that according to the all-solid battery using the positive electrode manufactured in this way, the battery characteristics are further improved.

次に、ECRスパッタ法により形成する場合と、RFスパッタ法により形成する場合との比較の結果を示す。まず、図1(a),図1(b)を用いて説明した製造方法例における成膜パラメータによるLiCoO2膜を製造方法例1とする。これは前述同様である。 Next, a comparison result between the case of forming by the ECR sputtering method and the case of forming by the RF sputtering method is shown. First, a LiCoO 2 film based on the film formation parameters in the manufacturing method example described with reference to FIGS. This is the same as described above.

また、「マイクロ波パワー:500W、RFパワー:500W、アルゴン流量20sccm、酸素流量5sccm(濃度換算25%)、スパッタ時間:6h」として形成したLiCoO2膜を製造方法例5とする。 Also, a LiCoO 2 film formed with “microwave power: 500 W, RF power: 500 W, argon flow rate 20 sccm, oxygen flow rate 5 sccm (concentration conversion: 25%), sputtering time: 6 h” is referred to as Production Method Example 5.

また、「スパッタ時のガス圧は3.7Pa、RFパワー:300W、アルゴン流量48sccm、酸素流量16sccm(濃度換算25%)、スパッタ時間:18h」とし、RFスパッタ装置により形成したLiCoO2膜を比較例1とし、「スパッタ時のガス圧は3.7Pa、RFパワー:600W、アルゴン流量48sccm、酸素流量16sccm(濃度換算25%)、スパッタ時間:13h」とし、RFスパッタ装置により形成したLiCoO2膜を比較例2とする。 In addition, the gas pressure during sputtering is 3.7 Pa, RF power: 300 W, argon flow rate 48 sccm, oxygen flow rate 16 sccm (concentration conversion: 25%), sputtering time: 18 h, and a LiCoO 2 film formed by an RF sputtering apparatus is compared. LiCoO 2 film formed by an RF sputtering apparatus in Example 1 with “gas pressure during sputtering: 3.7 Pa, RF power: 600 W, argon flow rate 48 sccm, oxygen flow rate 16 sccm (concentration conversion: 25%), sputtering time: 13 h” Is referred to as Comparative Example 2.

製造方法例1の条件では、前述したように、成膜速度が16.6nm/minであり、製造方法例5の条件では、成膜速度が7.7nm/min(総厚2.7μm)である。これに対し、比較例1の条件では、成膜速度が2.4nm/min(総厚2.6μm)、比較例2の条件では、成膜速度が4.4nm/min(総厚4.4μm)となる。このように、ECRスパッタ法を用いた製造方法例1及び5による成膜は、RFスパッタ法による比較例1及び2よりも、明らかに大きな成膜速度を有していることがわかる。   As described above, the film formation speed is 16.6 nm / min under the conditions of the manufacturing method example 1, and the film formation speed is 7.7 nm / min (total thickness is 2.7 μm) under the conditions of the manufacturing method example 5. is there. On the other hand, under the conditions of Comparative Example 1, the deposition rate is 2.4 nm / min (total thickness 2.6 μm), and under the conditions of Comparative Example 2, the deposition rate is 4.4 nm / min (total thickness 4.4 μm). ) As described above, it can be seen that the film formation by the manufacturing method examples 1 and 5 using the ECR sputtering method has a clearly higher film forming speed than the comparative examples 1 and 2 by the RF sputtering method.

一般的に、RFスパッタ法では、膜の堆積速度(成膜速度)を向上させるためにターゲットに印加されるパワーを大きくし、また、数Pa程度までガス圧を高めたりする手法が用いられている。また、一般的に酸素濃度が大きいと成膜速度は低下するため、酸素が希薄な状態でスッパタリングする場合もみられる。しかし、これらの手法では、目的組成から外れた酸素欠損型の酸化物しか得られない可能性が高くなり好ましくない。   Generally, in the RF sputtering method, in order to improve the deposition rate (film formation rate) of the film, a method of increasing the power applied to the target and increasing the gas pressure to about several Pa is used. Yes. In general, when the oxygen concentration is high, the film formation rate is decreased, and thus sputtering is sometimes performed in a state where oxygen is diluted. However, these methods are not preferable because there is a high possibility that only oxygen-deficient oxides deviating from the target composition can be obtained.

これらのRFスパッタ法に対し、本発明におけるECRスッパタ法では、印加されるマイクロ波パワー・及びRFパワーを、同規模のRFスパッタ装置と比較して非常に大きく設定することが可能であり、高速成膜に有利である。また、製造方法例1の条件である酸素濃度2.4%のような低濃度領域でのECRスパッタは、高速成膜に好適であり、かつ、得られる膜の組成がほぼ化学量論的組成のLiCoO2となり、酸素欠損した酸化物が生成するような事象は見られない。 In contrast to these RF sputtering methods, in the ECR sputtering method of the present invention, the applied microwave power and RF power can be set to be very large compared to the RF sputtering apparatus of the same scale, and the high speed It is advantageous for film formation. Further, ECR sputtering in a low concentration region such as an oxygen concentration of 2.4%, which is the condition of Production Method Example 1, is suitable for high-speed film formation, and the composition of the obtained film is almost stoichiometric composition. There is no event that LiCoO 2 is formed and an oxygen-deficient oxide is formed.

また、ECRスパッタでは、プラズマ密度が非常に大きいために、ガス圧も0.1−0.2Pa程度で十分高速で成膜することができる。また、同じECRスパッタ法による成膜でも、製造方法例1の方が製造方法例5よりも大きな成膜速度を示すが、これは製造方法例1の方が、設定したパワーが大きく、低酸素濃度下での成膜であるためである。本発明の条件下では、以上述べたように高速成膜可能で、条件の最適化により具体的には1時間のスパッタ成膜で、約1μmの膜厚のLiCoO2を形成することができる。また、本発明による膜は、熱処理なしでも結晶性や配向性に優れており、前述したように、十分な電極活性を示し、製造プロセスの簡素化に大きく寄与すると考えられる。このように、図1(a)〜図1(d)を用いて説明した製造方法によれば、LiCoO2よりなる正極が、熱処理が不要でかつ高速に形成可能であり、製造コストの面で非常に有利な製造方法である。 In ECR sputtering, since the plasma density is very high, the film can be formed at a sufficiently high speed with a gas pressure of about 0.1-0.2 Pa. Further, even in the film formation by the same ECR sputtering method, the production method example 1 shows a larger film formation speed than the production method example 5, and this is because the production method example 1 has a larger set power and a lower oxygen content. This is because the film is formed under a concentration. Under the conditions of the present invention, as described above, high-speed film formation is possible. By optimizing the conditions, specifically, LiCoO 2 having a film thickness of about 1 μm can be formed by sputtering film formation for 1 hour. In addition, the film according to the present invention is excellent in crystallinity and orientation even without heat treatment, and as described above, exhibits sufficient electrode activity and is considered to contribute greatly to simplification of the manufacturing process. As described above, according to the manufacturing method described with reference to FIGS. 1A to 1D, the positive electrode made of LiCoO 2 can be formed at a high speed without the need for heat treatment. This is a very advantageous production method.

ここで、上述した比較例2により形成したLiCoO2膜を正極とし、図1(c)及び図1(d)を用いて説明した製造方法と同様にして全固体電池を作製し、これを比較電池例とする。この比較電池例の全固体電池について、充放電電流20μAで4.3−3.0Vの電圧範囲で電池特性を測定した結果を、図5(b)に示す。比較電池例の電池は、初回の放電容量が200μAh/cm2と比較的大きな値を示すものの、充放電を繰り返すと容量は直線的に減少し、15回目のサイクルでは初回の25%程度でしかない。 Here, using the LiCoO 2 film formed in Comparative Example 2 described above as a positive electrode, an all-solid battery was prepared in the same manner as the manufacturing method described with reference to FIGS. 1C and 1D, and this was compared. Let us take a battery example. FIG. 5B shows the result of measuring the battery characteristics of the all-solid-state battery of this comparative battery example in the voltage range of 4.3 to 3.0 V with a charge / discharge current of 20 μA. Although the battery of the comparative battery example shows a relatively large value of the initial discharge capacity of 200 μAh / cm 2, the capacity decreases linearly when charging and discharging are repeated, and in the 15th cycle, it is only about 25% of the first time. .

この傾向は、安定なサイクルを示した図5(d)に示す全固体電池の特性とは顕著な差異が見られる。この傾向は、比較電池例の正極を構成しているLiCoO2膜の結晶性や配向性がECRスパッタ法による膜よりも劣っているためと考えられる。 This tendency is markedly different from the characteristics of the all-solid-state battery shown in FIG. 5 (d) showing a stable cycle. This tendency is considered because the crystallinity and orientation of the LiCoO 2 film constituting the positive electrode of the comparative battery example are inferior to those of the film formed by the ECR sputtering method.

以上の具体例で示したように、本発明の製造方法法におけるリチウム含有遷移金属酸化物の成膜は、従来広く用いられてきたRFスパッタ法よりも、膜質については高結晶性・高配向性の酸化物膜が得られること、プロセス面では高速成膜が可能であり、更に熱処理が不要であるという点で非常に有利であり、本発明で得られた酸化物電極を正極として組み込んだ固体電池についてもより良好な特性を示すこと確認された。例えば、上記正極を用いることによって高エネルギー密度で安定したサイクル特性を有する全固体型2次電池を作製することができる。また、図1に示すようにすることで製造された全固体電池は、薄膜形状という特徴を有しており、小型・薄型エレクトロニクス機器への搭載を考慮した場合、従来型のコイン電池などと比較し、形状の観点から非常に有利である。   As shown in the above specific examples, the film formation of the lithium-containing transition metal oxide in the manufacturing method of the present invention has a higher crystallinity and higher orientation than the conventionally widely used RF sputtering method. It is very advantageous in that the oxide film can be obtained, high-speed film formation is possible in terms of process, and heat treatment is unnecessary, and a solid in which the oxide electrode obtained in the present invention is incorporated as a positive electrode. It was confirmed that the battery also showed better characteristics. For example, by using the positive electrode, an all solid state secondary battery having stable cycle characteristics at a high energy density can be produced. In addition, the all-solid-state battery manufactured as shown in FIG. 1 has a feature of a thin film shape, and compared with a conventional coin battery, etc. in consideration of mounting on a small and thin electronic device. However, it is very advantageous from the viewpoint of shape.

本発明の実施の形態におけるリチウム2次電池の製造方法例を示す工程図である。It is process drawing which shows the example of a manufacturing method of the lithium secondary battery in embodiment of this invention. ECRスパッタ装置の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of an ECR sputtering apparatus. 図1に示す製造方法により形成されたLiCoO2から構成された正極102のX線回折(XRD)パターンを示す特性図である。It is a characteristic diagram showing the X-ray diffraction (XRD) patterns of the positive electrode 102 that is composed of LiCoO 2 formed by the manufacturing method shown in FIG. 図1(d)に部分を示す全固体電池の充放電特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the charging / discharging characteristic of the all-solid-state battery which shows a part in FIG.1 (d). 図1(d)に示す全固体電池の放電容量の充放電サイクル依存性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the charging / discharging cycle dependence of the discharge capacity of the all-solid-state battery shown in FIG.1 (d). 各製造方法例1〜4によるLiCoO2膜のXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic diagram showing the XRD pattern of the LiCoO 2 film by the manufacturing method Examples 1-4.

符号の説明Explanation of symbols

101…金属板、102…正極、103…固体電解質層、104…負極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Metal plate, 102 ... Positive electrode, 103 ... Solid electrolyte layer, 104 ... Negative electrode.

Claims (4)

リチウムイオンが伝導する固体の電解質層が形成された状態とする工程と、
リチウムイオンの蓄積及び放出が行われる固体の負極が前記電解質層の一方の面に形成された状態とする工程と、
所定の組成比で供給された不活性ガスと酸素ガスとからなるプラズマを生成し、少なくともリチウムを含む酸化物から構成されたターゲットに高周波を印加して前記プラズマより発生した粒子を前記ターゲットに衝突させてスパッタ現象を起こし、前記ターゲットを構成する材料を堆積することで、少なくともリチウムを含む酸化物から構成された固体の正極が、前記電解質層の一方の面に形成された状態とする工程と
を少なくとも備え、
前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴により生成されて発散磁界により運動エネルギーが与えられた電子サイクロトロン共鳴プラズマであり、
前記正極は、MをCo,Ni,Fe,Mnの少なくとも1つとしたLi 1-x MO 2 (0≦x<1)から構成されたものである
ことを特徴とするリチウム2次電池の製造方法。
A step of forming a solid electrolyte layer through which lithium ions are conducted; and
A step of forming a solid negative electrode on which accumulation and release of lithium ions are formed on one surface of the electrolyte layer;
A plasma composed of an inert gas and an oxygen gas supplied at a predetermined composition ratio is generated, and a high frequency is applied to a target composed of an oxide containing at least lithium, and particles generated from the plasma collide with the target. Causing a sputtering phenomenon, and depositing a material constituting the target, whereby a solid positive electrode composed of an oxide containing at least lithium is formed on one surface of the electrolyte layer; and Comprising at least
The plasma, Ri Oh an electron cyclotron resonance plasma kinetic energy provided by the divergent magnetic field is generated by electron cyclotron resonance,
The method of manufacturing a lithium secondary battery, wherein the positive electrode is made of Li 1-x MO 2 (0 ≦ x <1) in which M is at least one of Co, Ni, Fe, and Mn. .
請求項1記載のリチウム2次電池の製造方法において、
前記高周波のパワー及び前記プラズマの生成のために印加されるマイクロ波のパワーは、前記ターゲットを構成するすべての原子がスパッタリングされる範囲とされている
ことを特徴とするリチウム2次電池の製造方法。
Oite the manufacture how the lithium secondary battery of claim 1 Symbol placement,
The method for producing a lithium secondary battery, wherein the high-frequency power and the microwave power applied to generate the plasma are within a range in which all atoms constituting the target are sputtered. .
請求項1または2記載のリチウム2次電池の製造方法において、
前記酸素ガスの組成比は、
前記ターゲットよりスパッタされた前記ターゲットを構成する原子の粒子が、堆積される面に到達する前には酸素との不要な副反応が抑制された状態とされた範囲である
ことを特徴とするリチウム2次電池の製造方法。
In the manufacturing method of the lithium secondary battery of Claim 1 or 2 ,
The composition ratio of the oxygen gas is
The lithium particles sputtered from the target are in a range in which unnecessary side reactions with oxygen are suppressed before reaching the surface to be deposited. A method for manufacturing a secondary battery.
請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウム2次電池の製造方法により製造されたことを特徴とするリチウム2次電池。 Lithium secondary batteries, characterized by being manufactured by the manufacturing method of a lithium secondary battery according to any one of claims 1-3.
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