KR100296741B1 - 트렌치 구조를 갖는 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 전지의 단위 면적당 유효 면적을 증가시키기 위하여 트렌치 구조를 갖게한 전지에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전지는 기판을 포함하는 박막요소에 트렌치를 형성함으로써 캐소드와 전해질, 전해질과 애노드간의 접촉계면이 커지고 동시에 단위 면적당 전극의 양을 증가시켜 전류 밀도 및 총 전류저장 밀도가 커지며 또한 방전 후 충전 속도가 증가하게 되는 고성능 전지를 제공한다. 본 발명에 따른 트렌치 구조는 박막형 전지뿐 아니라 벌크형 전지의 제조에도 적용될 수 있다.

Description

트렌치 구조를 갖는 전지 및 그 제조방법{BATTERY WITH TRENCH STRUCTURE AND FABRICATION METHOD}
본 발명은 벌크(Bulk)형 전지 또는 박막(Thin film)형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 캐소드(Cathode)가 형성되는 기판(Substrate) 또는 기판 위에 순차적으로 형성되는 각 박막요소에 '요홈'(이하, 트렌치(Trench)라 함)을 형성하여 단위 면적당 유효면적의 크기를 증가시킴으로써 단위 전지 면적당 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시킨 전지에 관한 것이다.
최근에 휴대용 전자 기기 또는 미세 소자(Micro-Electronic Devices)의 전력 공급원으로 이차 전지가 연구되고 있으며 전자 기기가 소형화됨에 따라 전지의 크기가 더욱 소형화되고 그 성능이 개선되어지고 있다. 이차 전지는 그 응용 범위가 경량의 이동 통신장비(예를 들면 셀룰러 폰) 또는 휴대용 컴퓨터 뿐 아니라 대부분의 미세 소자까지 확대될 것으로 예측되고 있다. 미세 소자의 경우 점차 그 소비 전력이 낮아짐에 따라 종래의 박막형 전지의 구조(USP 5,338,625)가 다방면에 응용될 것으로 보인다. 또한 이차 전지의 연구가 활성화되고 그 결과가 발표됨에 따라 전지는 매우 안정한 작동 특성을 보이고 있으며 소형화가 가능함은 물론 반도체 공정을 이용하여 초소형으로도 제작이 가능해지고 있다. 초소형 전지의 한 예로서 박막형 전지는 그 특성상 형태 또는 크기의 제약이 없고 따라서 소자의 전력원으로 응용될 때 비교적 작은 크기로 제조 될 수 있어 미세 소자에 매우 적합하다.
전지의 성능을 전류밀도, 총 전류저장 밀도, 충전 속도 등으로 결정되는데 박막형전지를 경량의 이동 통신장비, 휴대용 컴퓨터 및 비교적 높은 소비전력을 요구하는 마이크로 일렉트로미케니컬 시스템(Micro-Electromechanical System)에 응용할 때 최대의 난점은 박막의 특성으로 인해 전류 밀도 및 총 전류저장 밀도가 낮다는데 있다. 따라서 다양한 형태가 가능하고 경량의 박막형 전지를 비교적 높은 소비전력 및 전류밀도를 갖는 장비에 응용하기 위해서는 박막형 전지의 총 전류저장 밀도를 증가시켜야만 한다. 총 전류저장 밀도는 전극(캐소드)의 양과 사용된 전극 재료에 의하여 결정 된다. 현재 사용되고 있는 전극 물질 LiCoO2, V2O2, LiMnO2, LiNiO2등이 있다. 각각의 물질은 이론 값의 총 전류저장 밀도 값을 가지고 있으나 실제로 제작된 박막형 전지의 경우 그 이론 값보다 낮은 전류저장 밀도를 나타낸다. 총 전류저장 밀도를 개선하기 위해 전극의 양을 증가시키는 한 방법으로 전극물질을 두껍게 증착할 경우에는 박막형 전지의 내부 저항이 증가되어 전지의 전압 강하와 같은 부정적인 효과가 발생한다. 따라서 전극의 양을 증가시키기 위해서는 단위 전지면적당 전극과 애노드간의 접촉 면적을 증가시킬 필요가 있다.
도 1에 종래의 박막형 전지의 단면도를 나타내었다. 이 경우 박막형 전지의 제1콜렉터(1)/캐소드(2)/전해질(3) 간의 접촉 계면 면적은 실제 전지의 유효면적과 동일하며 전극의 양 즉 캐소드(2)의 두께는 내부 저항의 증가에 의하여 한계 두께를 가지게 되고 따라서 총 전류저장 밀도 또한 한계 값을 가지게 된다. 또한 각각의 박막요소[제1콜렉터(1), 캐소드(2), 전해질(3), 애노드(4), 제2콜렉터(6)]간의 계면 면적에 의하여 충전속도가 결정된다. 여기서 콜렉터(1,6)는 전도성 물질을 뜻한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 박막형 전지의 박막요소에 트렌치 구조를 갖게 함으로써 각 박막요소의 단위 면적당 유효 면적의 크기를 시키고 따라서 단위 전지 면적당 전극(캐소드)의 양과 콜렉터/전극/전해질 간의 접촉 면적을 현저히 증가시켜 성능이 개선된 전지를 제공한다. 위와 같은 트렌치 구조는 박막형 전지 뿐만 아니라 벌크형 전지의 경우에도 적용되며, 이 경우 벌크형 전지의 캐소드 자체에 트렌치 구조를 갖도록 한다.
도 1은 종래의 박막형 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 단면도로서, 기판에 트렌치를 형성한 경우를 보여준다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 단면도로서, 기판에 제1콜렉터가 증착되고 이 콜렉터에 트렌치를 형성한 경우를 보여준다.
도4는 본 발명에 다른 트렌치의 배치 형태를 나타낸 것으로,
도 4a는 기판에 일방향으로 형성된 단일 트렌치를 나타낸 평면도이고,
도 4b는 도 4a의 A-A선 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 트렌치의 배치 형태를 나타낸 것으로서,
도 5a는 기판에 양방향으로 교차된 이중 트렌치를 나타낸 평면도이고,
도 5b는 도 5a의 B-B선 단면도이고,
도 5c는 도 5a의 C-C선 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 제조 공정을 순차적으로 나타낸 것으로, 기판에 트렌치가 형성된 경우를 보여준다.
도 7은 본 발명에 따른 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 제조 공정을 순차적으로나타낸 것으로, 기판에 제1콜렉터가 증착되고 이 콜렉터에 트렌치를 형성한 경우를 보여준다.
도 8은 종래의 벌크형 전지의 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 트렌치가 벌크형 전지에 적용된 상태를 보인 것으로,
도 9a는 트렌치가 형성된 벌크형 전지의 단면도이며,
도 9b는 도 9a 'D'부분의 확대도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1 : 제1콜렉터 1a : 제1콜렉터상의 트렌치
2 : 캐소드 2a : 캐소드상의 트렌치
3 : 전해질 3a : 전해질상의 트렌치
4 : 애노드 5 : 보호막
6 : 제2콜렉터 7 : 분리막
10 : 기판 10a : 기판위에 형성된 트렌치
21 : 트렌치 22 : 트렌치
30 : 캐소드상의 트렌치
본 발명은 벌크(Bulk)형 전지 또는 박막(Thin film)형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 캐소드(Cathode)가 형성되는 기판(Substrate) 또는 기판 위에 순차적으로 형성되는 각 박막요소에 '요홈'(이하, 트렌치(Trench)라 함)을 형성하여 단위 면적당 유효면적의 크기를 증가시킴으로써 단위 전지 면적당 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시킨 전지에 관한 것이다.
본 발명은 종래 기술이 가지는 전지 면적의 한계 및 전지를 구성하는 각각의 박막요소간의 계면 면적의 한계를 극복하기 위하여, 기판, 제1콜렉터, 캐소드, 전해질 애노드 및 제2콜렉터로 이루어진 박막형 전지에 트렌치 구조를 적용한 것을 특징으로 하는 것으로서, 본 발명에 따른 트렌치는 박막형 전지의 경우 순차 적층되는 각 박막요소 즉, 기판, 제1콜렉터, 또는 캐소드를 식각하여 형성할 수 있으며 상기의 트렌치 구조는 벌크형 전지에도 적용할 수 있다. 트렌치 구조가 형성된 박막형 전지를 제조함에 있어서, 애노드 형성후 평탄화 공정을 수행할 수 있으며 애노드 위에 보호막(Encapsulation)을 형성하는 공정을 추가할 수도 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전지의 단위 면적당 유효면적을 증가시키는 방법으로는 상기의 트렌치 구조외에도 전지 표면에 평탄하지 않는 여러가지 표면 구조를 도입할 수 있다. 예를 들어 에너지를 가진 입자를 기판위에 충돌시킴으로써 표면에 굴곡을 형성하여 단위 면적당 유효면적을 넓히는 방법을 들 수 있다.
이하 본 발명에 관한 실시례를 통해 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
도 2와 도 3은 본 발명에 의한 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 각기 다른 실시예를 보인것으로, 도 2의 실시예에 따른 본 발명의 전지는 기판(10)과, 상기 기판(10)상에 형성되는 제1콜렉터(1)와, 상기 제1콜렉터(1)상에 형성되는 캐소드(2)와, 상기 캐소드(2)상에 형성되는 전해질(3)과, 상기 전해질(3)상에 형성되는 애노드(4)와, 상기 애노드(4)에 접촉되는 제2콜렉터(6)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 전지에 있어서, 상기 초기 기판(10)(아무것도 증착하지 않은 상태)의 상면을 식각하여 그 기판(10)에 소정폭과 깊이를 갖는 다수의 트렌치(10a)를 형성하고, 그 위에 순차 적층되는 각각의 박막요소에 연속적으로 트렌치 구조가형성된 것이다.
상기 기판(10) 재료는 세라믹, 금속, 폴리머 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 트렌치를 제작하기 위하여 화학적 습식 식각법 및 진공의 건식법이 이용될 수 있다. 이때 트렌치의 크기는 폭과 깊이의 비(Aspect ratio ; 이하 외관비라 함)로 정의될 수 있으나 본 발명에서 트렌치의 크기는 실질적으로 제한이 없다. 즉, 본 발명에서 사용되는 트렌치는 유효 표면적을 크게 할 수 있는 모든 외관비를 가질 수 있다. 한편 트렌치의 모양은 도 2에 기술된 것과 같은 형태에 한정되지 않는다. 또한 상기 트렌치의 형성 후 박막을 형성함에 있어서는 물리기상증착법(Physical vapor deposition), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition) 또는 액상법(solgel, Metalorganic decomposition) 등의 모든 박막 제조 방법이 이용될 수 있다.
상기와 같이, 트렌치(10a)가 형성된 기판(10) 상에 콜렉터(1)를 증착하면 그 콜렉터(1)의 상면에 상기 기판(10) 상에 콜렉터(1)를 증착하면 그 콜렉터(1)의 상면에 상기 기판(10)의 트렌치(10a)와 유사한 형태의 트렌치(1a)가 형성되는 바, 이와 같이 형성되는 콜렉터(1)는 상기 기판(10)의 트렌치(10a)의 내면을 따라 형성되는 콜렉터 부분 만큼 유효 면저을 증대시킬 수 있게 된다. 이어 캐소드(2)와 전해질(3)을 각각 형성하면 상기와 유사한 형태의 트렌치(2a)(3a)가 각각 형성되면서 캐소드(2)와 전해질(3)의 유효 접촉계면 면적과 캐소드의 양도 함께 증가시키게 되는 것이다.
한편, 도 3의 실시예에 의한 본 발명의 전지는 박막형 전지의 기판(10)상에 제1콜렉터(1)를 형성한 다음, 그 제1콜렉터(1)의 표면을 식각하여 트렌치(1a)를 제작한 것으로, 나머지 부분은 상기 도 2의 실시예와 동일하다. 상기 콜렉터(1) 표면 위에 트렌치(1a)를 형성함에 있어서는 화학적 습식 식각법 및 진공의 건식법이 이용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타난 것과 달리 기판(10)상에 제1콜렉터(1)를 형성하고, 제1콜렉터(1)상에 캐소드(2)를 형성한 후, 캐소드(2) 자체를 식각하여 트렌치를 형성할 수도 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 전지는 상기 애노드(4)를 형성한 후 평탄화 공정을 거칠 수도 있고 그렇지 않아도 무방하다. 또한 상기 제2콜렉터(6)는 애노드(4)의 제작 후 보호막(5)(Encapsulation) 공정을 거쳐 보호막(5)위에 형성될 수 있고, 보호막(5) 공정 없이 직접 애노드(4)에 접촉하도록 형성될 수도 있다.
도 4a 및 4b와 도 5a 내지 5c에는 본 발명이 적용될 수 있는 대표적인 트렌치의 배치 형태를 나타내었다. 도 4a의 경우 전지의 기판(10) 위에 일 방향으로 형성된 단일 트렌치(21)를 나타내며, 도 4b는 도 4a의 A-A선 단면을 나타낸다. 도 5a의 경우는 전지의 기판(10) 위에 양 방향으로 교차된 이중 트렌치(22)를 형성한 경우로서 도 4a의 단일 트렌치에 비하여 높은 유효 표면적을 얻는데 이용될 수 있다. 도 5b와 도 5c에 각각 도 5a의 B-B선 방향, C-C선 방향의 단면을 나타내었다. 도 4와 도 5에서 트렌치와 트렌치 간의 간격은 임의로 설정할 수 있다.
도 6과 도 7에는 상기와 같은 트렌치 구조를 갖는 박막형 전지의 제조 공정을 순차적으로 나타내었다. 도 6의 경우는 도 2에 나타난 전지의 기판에 최초의 트렌치가 구비된 경우의 공정도이며, 도 7은 도 3에 나타난 제1콜렉터 상에 최초의 트렌치가 구비된 전지를 제조하기 위한 공정도이다. 도 6에 도시된 본 발명의 전지의 경우 다음과 같은 공정으로 제조된다.
a. 기판(10)에 트렌치(10a)를 형성한다.
b. 제1콜렉터(1)를 형성한다.
c. 전극(캐소드(2))을 형성한다.
d. 전해질(3)을 형성한다.
e. 전극(애노드(4))을 형성한다.
f. 애노드(4) 형성 후 평탄화 공정을 거쳐 제2콜렉터(6)를 형성한다.
이때 평탄화 공정없이 곧바로 제2콜렉터(6)를 형성한 수도 있다. 제2콜렉터(6)를 형성하기 전에 보호막(5) 공정을 수행할 수도 있다. 이 경우에는 광식각(Photolithography) 공정을 수행하여 애노드(4)와 제2콜렉터(6)를 연결한다.
도 6에 나타난 것과 달리, 제2콜렉터(6)가 기판(10)과 애노드(4) 사이에 위치한 구조(도 1)의 전지를 제조하는 경우에는 전해질(3) 형성 후 제2콜렉터(6)를 형성한다.
도 7에 도시된 전지의 경우에는 전지의 기판위에 제1콜렉터(1)를 형성한 후 그 콜렉터 위에 트렌치(1a)를 형성한다. 이 경우 트렌치(1a)의 깊이는 제1콜렉터의 두께에 의하여 제한되며 제작된 트렌치의 깊이는 제1콜렉터의 두께보다 클 수는 없다. 이후 공정은 도 6에 의한 전지의 예와 동일하다.
도 6 및 도 7에 나타난 전지의 제조공정과 달리, 전지의 기판위에 제1콜렉터를 형성하고 제1콜렉터 위에 캐소드를 형성시킨 후 캐소드의 표면을 식각하여 캐소드 자체에 트렌치를 형성할 수도 있다.
한편, 도 9a는 본 발명에 의한 트렌치가 벌크형 전지에 적용된 또 다른 실시예를 보인것으로, 이러한 벌크형 전지는 기판(미도시)과, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터(미도시)와, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드(2)와, 상기 캐소드(2)상에 형성되는 전해질(3)과, 상기 전해질(3)상에 형성되는 분리막(7)과, 상기 분리막(7)상에 형성되는 전해질(3)과, 상기 전해질(3)상에 형성되는 애노드(4)와, 상기 애노드(4)에 접촉되는 제2콜렉터(미도시)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벌크형 전지에 있어서, 상기 캐소드(2) 자체에 트렌치(30)를 형성한 것이다. 상기 벌크형 전지에 있어서 캐소드(2)는 콜렉터의 기능을 할 수도 있다. 도 8은 기존의 벌크형 전지의 구조를 나타낸 것으로서 캐소드(2)와 전해질(3)막의 접촉계면이 평면인 것에 반해, 도 9a는 도 9b의 부분 확대도에 나타난 바와 같이 캐소드상에 트렌치(30)를 형성하여 유효 표면적 및 캐소드(2)의 양이 증가하게 되므로 전지의 성능이 개선될 수 있다. 벌크형 전지의 경우 박막형 전지와 동일하게 캐소드(2)의 제작전에 제1콜렉터(1)를 식각하여 트렌치구조를 형성하거나 캐소드(2) 자체를 식각하여 트렌치 구조를 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면 박막 또는 벌크형 전지에 있어서, 전지에 트렌치 구조를 도입함으로써 단위 전지 면적당 전극의 양과 전극과 전해질간의 접촉면적이 증가하여 종래의 박막형 전지가 가지는 문제점인 낮은 전류밀도 및 총 전류저장 밀도가 커지고 또한 방전 후 충전 속도가 증가한다. 따라서 소비전력이 크고 높은 전류 밀도를 요구하는 전자소자에 적합한 고성능 전지를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기판과, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터와, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드와, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질과, 상기 전해질상에 형성되는 애노드와, 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터로 이루어지는 박막형 전지에 있어서, 상기 기판, 제1콜렉터, 캐소드 중 어느 하나의 표면을 식각하여 소정 폭과 깊이를 갖는 다수의 트렌치를 형성하고, 그 위에 나머지 박막요소들을 순차로 적층시킴으로써, 상기 트렌치에 의하여 캐소드와 전해질간의 유효 접촉계면 및 캐소드의 양을 증가시킨 것을 특징으로 하는 박막형 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 애노드 위에 추가적으로 형성된 보호막을 구비한 것을 특징으로 하는 박막형 전지.
  3. 기판과, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터와, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드와, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질과, 상기 전해질상에 형성되는 분리막과, 상기 분리막상에 형성되는 전해질과, 상기 전해질상에 형성되는 애노드와, 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터로 이루어지는 벌크형 전지에 있어서, 상기 제1콜렉터 또는 캐소드 중 어느 하나를 식각하여 트렌치를 형성시킨 것을 특징으로 하는 벌크형 전지
  4. 기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계와,
    상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계와,
    상기 캐소드상에 전해질을 형성하는 단계와,
    상기 전해질상에 애노드를 형성하는 단계와,
    상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계로 이루어진 박막형 전지 제조방법에 있어서, 상기 기판, 제1콜렉터, 캐소드 중 어느 하나의 표면을 식각하여 소정 폭과 깊이를 갖는 다수의 트렌치를 형성시키는 단계를 포함하는 박막형 전지 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 애노드를 형성한 다음, 추가적으로 상기 애노드 위에 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 애노드를 형성한 다음, 추가적으로 평탄화공정을 수행하는 단계를 포함하는 박막형 전지 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제2콜렉터를 형성하는 단계를 상기 전해질을 형성하는 단계 후 수행하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지 제조 방법.
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