KR100412076B1 - Integrated Thin Film Battery With High Stability and Fabrication Method Thereof - Google Patents

Integrated Thin Film Battery With High Stability and Fabrication Method Thereof Download PDF

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KR100412076B1 KR10-2001-0023179A KR20010023179A KR100412076B1 KR 100412076 B1 KR100412076 B1 KR 100412076B1 KR 20010023179 A KR20010023179 A KR 20010023179A KR 100412076 B1 KR100412076 B1 KR 100412076B1
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Abstract

본 발명은 안정성이 우수한 단위 박막 전지를 제조할 수 있으며, 또한 수평 방향 및 수직 방향으로 다층으로 박막전지를 집적함에 의해 최소 면적으로 안정성이 확보된 고 에너지, 고 전류량을 달성할 수 있는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명은 양극, 전해질, 음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지로 구성된 다수의 전지층과; 상기 다수의 전지층 하부면 및 측면에 형성되는 기판 및 외벽과; 상기 다수의 전지층 각각의 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 전류 집전체와; 상기 다수의 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선과; 상기 다수의 전지층 사이에 형성되어 서로를 전기적으로 절연시켜 주는 절연층과; 상기 다수의 전지층 중에서 최상부의 전지층 상부면과 상기 외벽의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지를 제공한다.According to the present invention, a unit thin film battery having excellent stability can be manufactured, and stability can be improved to achieve high energy and high amount of electric current having minimum stability by integrating a thin film battery in multiple layers in the horizontal and vertical directions. An integrated thin film battery and a method for manufacturing the same, The present invention comprises: a plurality of battery layers composed of a plurality of unit thin film cells composed of a positive electrode, an electrolyte, a negative electrode; A substrate and an outer wall formed on the bottom and side surfaces of the plurality of battery layers; A plurality of current collectors formed in contact with the positive and negative electrodes of each of the plurality of battery layers to collect currents; A lead wire connecting the plurality of current collectors to each other; An insulating layer formed between the plurality of battery layers to electrically insulate each other; It provides an integrated thin-film battery having improved stability, characterized in that consisting of a protective layer for sealing the top of the battery layer upper surface and the upper end of the outer wall of the plurality of battery layers.

Description

안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법{Integrated Thin Film Battery With High Stability and Fabrication Method Thereof}Integrated Thin Film Battery With High Stability and Fabrication Method Thereof}

본 발명은 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 전지를 기판 위에 형성할 때, 기판의 일부를 식각하여 다수의 그루브를 형성하고 그 내부에 박막 전지를 동시에 형성함으로써, 다양한 용량 및 원하는 전압을 갖도록 조절하면서 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated thin film battery having improved stability, and more particularly, to forming a plurality of grooves by etching a portion of a substrate when a thin film battery is formed on a substrate, and simultaneously forming a thin film battery therein. Thereby, the present invention relates to an integrated thin film battery having improved stability while adjusting to have various capacities and desired voltages, and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 반도체 산업의 고도화로 인하여 극소형 마이크로 전기/전자 소자가 스마트 카드, MEMS(MicroEletroMechanical System), MAV(Micro Air Vehicle), 미세 의료 분야 기기 등의 여러 분야에서 등장함에 따라서, 이들 소자가 요구하는 소비 전력 또한 점점 극소화하고 있으며, 이에 따라 전력 공급원으로써의 박막 전지의 필요성이 절실해지고 있다.In general, due to the advancement of the semiconductor industry, micro-miniature electric / electronic devices have emerged in various fields such as smart cards, micro-electromechanical systems (MEMS), micro air vehicles (MAVs), and micro-medical devices. Power consumption is also minimizing, and thus, the necessity of a thin film battery as a power supply source is urgently needed.

종래 대부분의 소자는 각각의 소자가 제작된 이 후에 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받는 형태를 취하고 있지만, 박막 전지의 도입으로 소자 자체에 전력 공급원을 갖는 것이 가능해졌다.Most of the elements conventionally take the form of receiving power from an external power supply after each device is manufactured. However, the introduction of a thin film battery makes it possible to have a power supply in the device itself.

한편, 박막형 전지의 일반적인 구조는 기판 위에 다양한 반도체 공정을 이용하여 구성 물질들을 증착시켜 제조된 형태로써, 그 특성상 형태나 크기의 제약이 거의 없어 자유롭게 제조될 수 있다는 특징이 있다.On the other hand, the general structure of the thin film battery is a form manufactured by depositing the constituent materials using a variety of semiconductor processes on the substrate, there is a feature that can be produced freely because there is almost no restriction in shape or size.

이러한 박막 전지의 전형적인 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보면, 단위 박막전지는 Si 기판(10)과, 상기 Si 기판(10) 위에 형성된 Ti(Pt, Au)계 물질로이루어진 양극 전류 집전체(11)와, 상기 양극 전류 집전체(11) 위에 형성되며 예를 들어, LiCoO2로 이루어진 양극(13)과, 상기 양극(13)의 노출된 상부면과 측면 및 일측 Si 기판(10)의 일부를 덮고(overlaying) 있으며 예를 들어, LiPON로 이루어진 전해질(14)과, 상기 전해질(14) 위에 형성되며 예를 들어, Li으로 이루어진 음극(15)과, 상기 음극(15)이 대기와의 반응을 차단하기 위하여 음극(15)과 전해질(14)의 일측면 및 일측 Si 기판(10)의 일부를 덮고 있는 Cu 또는 Ti계 물질로 이루어진 음극 전류 집전체(12)와, 상기 음극(15), 전해질(14)의 노출된 일부, 양극 전류 집전체(11)의 일부, 음극 전류 집전체(12)를 보호하기 위한 보호층(16)으로 구성되어 있다.A typical structure of such a thin film battery is shown in FIG. 1. Referring to FIG. 1, the unit thin film battery includes a Si substrate 10, a positive electrode current collector 11 formed of a Ti (Pt, Au) -based material formed on the Si substrate 10, and the positive electrode current collector 11. A positive electrode 13 formed of LiCoO 2 and overlaying a part of the Si substrate 10 exposed on the upper and side surfaces and one side of the positive electrode 13, for example, LiPON. An electrolyte 14 made of an electrolyte, and formed on the electrolyte 14, for example, a cathode 15 made of Li, and the cathode 15 and the electrolyte 15 in order to block the reaction with the atmosphere. A negative electrode current collector 12 made of a Cu or Ti-based material covering one side of one side and a part of one side Si substrate 10, the exposed part of the negative electrode 15 and the electrolyte 14, and a positive electrode current. A part of the current collector 11 and a protective layer 16 for protecting the cathode current collector 12 are formed.

상기 기판(10)은 Si 외에도 글라스, 알루미나, 사파이어 각종 반도체 또는 폴리머 물질로 이루어질 수 있고, 음극(15)은 Li이외에 SnO2, SnO, SiTON, Li4Ti4O12등으로 이루어질 수 있다. 또한 양극(13)은 LiCoO2이외에 LiNiO2, LiMn2O4등의 전이금속 산화물로 이루어 질 수 있다. 음극 전류 집전체(12)는 Cu, Ti 이외에 V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Zr, Hf, Ta 등의 물질로 이루어 질 수 있다.The substrate 10 may be made of glass, alumina, sapphire, various semiconductor or polymer materials in addition to Si, and the cathode 15 may be made of SnO 2 , SnO, SiTON, Li 4 Ti 4 O 12, etc. in addition to Li. In addition, the anode 13 may be made of a transition metal oxide such as LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , in addition to LiCoO 2 . The cathode current collector 12 may be made of a material such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Zr, Hf, Ta, etc. in addition to Cu and Ti.

그런데, 상기와 같이 이루어진 기존의 단위 박막 전지는 기판 위에 증착되는 형태이기 때문에 다층으로 적층할 때에 기판 위로 상당히 노출되어 물리적인 작용으로 인하여 전지의 안정성에 심각한 영향을 받을 수 있는 문제점을 안고 있다. 그리고, 직렬 혹은 병렬로 형성된 리드선이 외부의 영향에 의해 손상될 우려가 있어 전지의 수명과 안정성을 저하시키는 문제점이 있었다.However, since the conventional unit thin film battery formed as described above is deposited on a substrate, there is a problem in that the stability of the battery may be seriously affected due to a physical action due to the substantial exposure to the substrate when stacked in a multilayer. In addition, the lead wires formed in series or in parallel may be damaged by external influences, thereby degrading battery life and stability.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 수평 방향 및 수직 방향으로 박막 전지를 직렬 혹은 병렬로 조합하여 고 에너지, 고 전류량을 갖으면서 안정성과 외부 환경에 따른 열화를 감소시켜 주는 구조를 갖도록 집적화된 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its object is to combine the thin film cells in series or parallel in the horizontal direction and the vertical direction to have a high energy, a high amount of current while deteriorating stability and external environment. The present invention provides an integrated thin film battery and a method for manufacturing the same, which have improved stability integrated to have a structure that reduces the number of pixels.

도 1은 종래의 일반적인 박막 전지 구조를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing a conventional general thin film battery structure.

도 2는 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 단면도.3 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the present invention.

도 4a ~ 도 4m은 본 발명의 제 1실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 공정도.Figures 4a to 4m is a process chart for explaining the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

20 : 기판 21a, 21b : 제 1외벽20: substrate 21a, 21b: first outer wall

21c : 제 1그루브 22 : 제 1양극 전류 집전체21c: first groove 22: first positive current collector

23a, 23b : 제 1내벽 24~26, 32~34 : 단위 박막 전지23a, 23b: first inner wall 24 to 26, 32 to 34: unit thin film battery

27 : 제 1음극 전류 집전체 28 : 절연층27: first negative electrode current collector 28: insulating layer

29 : 제 1리드선 30 : 제 2양극 전류 집전체29: first lead wire 30: second positive electrode current collector

31a, 31d : 제 2외벽 31b, 31c : 제 2내벽31a, 31d: second outer wall 31b, 31c: second inner wall

35 : 제 2리드선 36 : 제 2음극 전류 집전체35: 2nd lead wire 36: 2nd negative electrode current collector

37 : 보호층37: protective layer

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계; (b) 상기 제 1그루브에 다수의 전지층을 형성하기 위하여, (b1) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계, (b2), 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계, (b3) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계, (b4) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계, 및 (b5) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 절연층을 증착하여 형성하여 이루어지는 다수의 전지층을 형성하는 단계; (c) 상기다수의 전지층 중에서 서로 다른 전지층의 상기 제 1 및 제 2전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 다수의 전지층 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (a) forming a first groove that can accommodate a plurality of layers of a battery layer consisting of a plurality of thin film cells by etching the surface of the substrate made of an electrically insulating material; (b) forming a plurality of battery layers in the first groove, (b 1 ) forming a first current collector connecting one electrode of the plurality of unit thin film batteries constituting the battery layer to the first groove; (B 2 ), depositing an insulating material on the first current collector and then etching to form a plurality of second grooves in which one unit thin film battery is accommodated, respectively, (b 3 ) Forming a plurality of unit thin film cells by depositing a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode material constituting a thin film battery on each second groove, (b 4 ) forming a second current collector on the plurality of unit thin film cells And (b 5 ) forming a plurality of battery layers formed by depositing an insulating layer of an insulating material on the second current collector; (c) forming lead wires connecting the first and second current collectors of different battery layers to each other among the plurality of battery layers; And (d) forming a protective layer of an insulating material on the plurality of battery layers.

상기 제 1그루브는 그 내부에 다수 형성되는 전지층의 총 두께보다 적어도 깊게 형성되며, 상기 제 2그루브는 그 내부에 형성되는 단위 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극의 총 두께와 동일한 깊이로 형성된다.The first groove is formed at least deeper than the total thickness of the battery layer formed therein, and the second groove is the same depth as the total thickness of the positive electrode, electrolyte, and negative electrode constituting the unit thin film battery formed therein. Is formed.

상기 리드선은 상기 다수의 전지층 중에서 각각의 제 1전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 1리드선과, 각각의 제 2전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 2리드선으로 구성되며, 다수의 전지층을 병렬 연결하거나, 상기 다수의 전지층 중에서 서로 인접한 전지층의 제 1전류 집전체와 제 2전류 집전체를 서로 연결하여, 다수의 전지층을 직렬 연결한다.The lead wire includes a first lead wire formed to connect each first current collector among the plurality of battery layers, and a second lead wire formed to connect each second current collector, and the plurality of battery layers are connected in parallel. Alternatively, a plurality of battery layers may be connected in series by connecting the first current collector and the second current collector of the battery layers adjacent to each other among the plurality of battery layers.

상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 전이 금속 산화물이면 전지층을 단층으로 형성하고, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 산화바나듐이면 전지층을 다층으로 형성한다.If the positive electrode material constituting the unit thin film battery is a transition metal oxide, the battery layer is formed in a single layer, and if the positive electrode material constituting the unit thin film battery is vanadium oxide, the battery layer is formed in multiple layers.

상기 제 1 및 제 2절연층과 보호층은 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용과 전기 절연성을 가지는 절연 물질이며, 상기 보호층은 전기 절연 물질과, 금속, 폴리머로 조합 구성되어, 전기적 절연과 외부 환경으로부터 전지를 보호하며, 상기 절연 물질은 SiO2, TEOS, SOG, 및 상기 물질들로 조합된 조합물중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.The first and second insulating layer and the protective layer is an insulating material having a buffering action and electrical insulation against the volume change caused by the charge and discharge of the thin film battery, the protective layer is composed of an electrical insulating material, a metal, a polymer Protecting the cell from electrical insulation and the external environment, wherein the insulating material is made from any one selected from SiO 2 , TEOS, SOG, and combinations of these materials.

상기 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 각 전류 집전체는 각각의 양극 또는 음극에 대하여 하나의 전류 집전체로 형성되어 서로 공유하고, 상기 전지층을 구성하는 단위 박막 전지의 각 양극, 전해질, 음극 물질은 동일한 물질, 시간, 두께로 형성된다.Each current collector of the plurality of unit thin film batteries constituting the battery layer is formed as one current collector for each positive electrode or negative electrode and is shared with each other, and each positive electrode and electrolyte of the unit thin film battery constituting the battery layer. The negative electrode material is formed of the same material, time and thickness.

그리고, 본 발명은 (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계; (b) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계; (c) 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계; (d) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계; (e) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계; 및 (f) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법을 아울러 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: (a) etching a surface of a substrate made of an electrically insulating material to form a first groove capable of accommodating a plurality of layers of battery layers composed of a plurality of thin film cells; (b) forming a first current collector for connecting one electrode of the plurality of unit thin film batteries constituting the battery layer to the first groove; (c) depositing an insulating material on the first current collector and then etching to form a plurality of second grooves in which one unit thin film cell is accommodated; (d) forming a plurality of unit thin film cells by depositing a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode material constituting the thin film battery on each of the second grooves; (e) depositing and forming a second current collector on the plurality of unit thin film cells; And (f) forming a protective layer of an insulating material on the second current collector.

또한, 본 발명은 양극, 전해질, 음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지로 구성된 다수의 전지층과; 상기 다수의 전지층 하부면 및 측면에 형성되는 기판 및 외벽과; 상기 다수의 전지층 각각의 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 전류 집전체와; 상기 다수의 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선과; 상기 다수의 전지층 사이에 형성되어 서로를 전기적으로 절연시켜 주는 절연층과; 상기 다수의 전지층 중에서 최상부의 전지층 상부면과 상기 외벽의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지를 제공한다.In addition, the present invention includes a plurality of battery layers composed of a plurality of unit thin film cells composed of a positive electrode, an electrolyte, a negative electrode; A substrate and an outer wall formed on the bottom and side surfaces of the plurality of battery layers; A plurality of current collectors formed in contact with the positive and negative electrodes of each of the plurality of battery layers to collect currents; A lead wire connecting the plurality of current collectors to each other; An insulating layer formed between the plurality of battery layers to electrically insulate each other; It provides an integrated thin-film battery having improved stability, characterized in that consisting of a protective layer for sealing the top of the battery layer upper surface and the upper end of the outer wall of the plurality of battery layers.

상기 다수의 전지층은 각 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지를 전기적으로 절연 구분해 주는 다수의 내벽을 포함하여 이루어진다.The plurality of battery layers includes a plurality of inner walls that electrically insulate and separate the plurality of unit thin film cells constituting each battery layer.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 다양한 반도체(절연물질) 기판으로 이루어진 기판에 다수의 그루브(groove)를 형성하고 동시에 박막 전지를 형성함으로써, 동일한 용량의 박막 전지가 동시에 형성되는 것이 가능하게 하여 외부 환경에 의하여 열화되는 것을 방지한다.As described above, in the present invention, by forming a plurality of grooves on a substrate made of various semiconductor (insulating material) substrates and simultaneously forming a thin film battery, it is possible to simultaneously form a thin film battery of the same capacity and to the external environment. To prevent deterioration.

(실시예)(Example)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of the present invention described above in more detail.

첨부한 도면, 도 2는 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 단면도, 도 3은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 단면도, 도 4a ~ 도 4m은 본 발명의 제 1실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 공정도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a second embodiment of the present invention, and FIGS. 4A to 4M illustrate a first embodiment of the present invention. It is a process chart for demonstrating a process.

본 발명은 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 집적화시켜서 집적 박막 전지를 제조하기 위한 방법으로, 출력하고자 하는 전압 및 전류를 고려하여, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 1개 층에 다수 형성함으로써 한 층의 전지층을 형성하고, 상기 전지층을 상하 다수 층으로 형성한다.The present invention is a method for manufacturing an integrated thin film battery by integrating a plurality of unit thin film batteries (24 to 25, 32 to 34), considering the voltage and current to be output, as shown in Figures 2 and 3, By forming a plurality of unit thin film batteries 24 to 25 and 32 to 34 in one layer, one battery layer is formed, and the battery layer is formed in a plurality of upper and lower layers.

상기와 같이 단위 박막 전지(24~25, 32~34)로 이루어지는 전지층을 다수 층으로 형성하여, 서로를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써, 원하는 출력 전압 및 전류량으로 설정하여 출력할 수 있다.By forming a plurality of battery layers composed of the unit thin film batteries 24 to 25 and 32 to 34 as described above, and connecting each other in series or in parallel, a desired output voltage and current amount can be set and output.

여기서, 전지의 부피 당 전류 용량이 가장 많은 하나의 단위 박막 전지를 형성하지 않고, 본 발명과 같이 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 구분해 주는 절연체가 차지하는 부피로 인한 전지의 부피 감소를 초래하면서 전지를 제조하는 이유는 다음과 같다.Here, the battery due to the volume occupied by the insulator which separates the plurality of unit thin film cells 24 to 25 and 32 to 34 as in the present invention without forming one unit thin film battery having the largest current capacity per volume of the battery. The reason for producing the battery while causing a volume reduction of is as follows.

박막 전지의 경우에 단위 박막 전지 당 출력되는 전압이 약 3~4V(출력전압 : 산화바나듐은 3V, 전이금속산화물은 3.7V, 따라서 3~4V)로 정해져 있다. 따라서, 전지에 의하여 구동되는 전기/전자 기기의 구동 전압이 단위 박막 전지의 출력 전압 3~4V보다 높은 경우에는 전압 조정을 위한 별도의 수단이 필요해지는 단점을 안고 있으며, 1개의 전지에서 전류가 출력되기 때문에 다수의 충방전에 따른 충방전 효율이 저하되는 문제점을 안고 있다.In the case of a thin film battery, the output voltage per unit thin film battery is set to about 3 to 4 V (output voltage: 3 V for vanadium oxide, 3.7 V for transition metal oxide, and thus 3 to 4 V). Therefore, when the driving voltage of the electric / electronic device driven by the battery is higher than the output voltage of 3 ~ 4V of the unit thin film battery has a disadvantage that a separate means for adjusting the voltage is required, the current is output from one battery Therefore, there is a problem in that the charge and discharge efficiency is reduced due to a number of charge and discharge.

본 발명은 이와 같은 기존의 단위 박막 전지에 의한 문제점을 해소하기 위하여 다수의 단위 박막 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 원하는 출력 전압 및 전류량을 제조 단계에서 설정하여 제조할 수 있도록 하며, 하나의 단위 박막 전지로 구성하는 경우보다 여러 개의 단위 박막전지로 구성하는 방법이 고효율 방전이 가능하게 한다.In order to solve the problems caused by the existing unit thin film battery, the present invention enables a plurality of unit thin film cells to be connected in series or in parallel so that a desired output voltage and current amount can be set at the manufacturing stage and manufactured. The method of constructing a plurality of unit thin film batteries enables high efficiency discharge rather than the case of a battery.

본 발명은 병렬, 직렬 연결된 2가지 종류의 실시예를 제공하며, 도 2에 나타낸 병렬 연결된 경우의 제 1실시예를 예로 들어 상세하게 설명한다.The present invention provides two types of embodiments connected in parallel and in series, and the first embodiment in the case of the parallel connection shown in FIG. 2 will be described in detail.

본 발명의 제 1실시예는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)로 구성된 제 1층 전지층(240)과, 제 4~6단위 박막 전지(32~34)로 구성된 제 2층 전지층(320), 상기 제 1전지층(240)의 하부면과 측면과 제 2전지층(240, 320)의 측면을 둘러 싸주는 기판(20) 및 제 1외벽(21a, 21b)과 , 상기 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 각각 상하부면에 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 제 1 및 제 2양/음극 전류 집전체(22, 27, 30, 36)와, 상기 제 1양극 전류 집전체(22)와 제 2양극 전류 집전체(30)를 서로 연결시켜 주는 제 1리드선(29)과, 상기 제 1음극 전류 집전체(27)와 제 2음극 전류 집전체(36)를 서로 연결시켜 주는 제 2리드선(35)과, 상기 제 1전지층(240)과 제 2전지층(320)을 전기적으로 절연시켜 주는 절연층(28)과, 상기 제 2전지층(320)의 위와 상기 제 1외벽(21a, 21b)의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층(37)으로 구성된다.The first embodiment of the present invention is the first layer battery layer 240 composed of the first to third unit thin film batteries 24 to 25 and the second layer battery composed of the fourth to six unit thin film batteries 32 to 34. The layer 320, the lower surface and the side surface of the first battery layer 240, and the substrate 20 and the first outer walls 21a and 21b surrounding the side surfaces of the second battery layers 240 and 320, and First and second positive / cathode current collectors 22, 27, 30, and 36 formed on upper and lower surfaces of the first and second battery layers 240 and 320, respectively, to collect currents; A first lead wire 29 connecting the first positive electrode current collector 22 and the second positive electrode current collector 30 to each other, and the first negative electrode current collector 27 and the second negative electrode current collector 36 ), A second lead wire 35 connecting each other, an insulating layer 28 that electrically insulates the first battery layer 240 and the second battery layer 320, and the second battery layer 320. ) And a protective layer 37 for sealing the upper ends of the first outer walls 21a and 21b. It is configured.

상기 제 1 및 제 2전지층(240, 320)은 각 전지층을 구성하는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 전기적으로 절연 구분해 주는 제 1내벽(23a, 23b)과 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 전기적으로 절연 구분해 주는 제 2내벽(31b, 31c)이 형성된다.The first and second battery layers 240 and 320 are the first inner walls 23a and 23b and the fourth to electrically insulate the first to third unit thin film batteries 24 to 25 constituting each battery layer. Second inner walls 31b and 31c which electrically insulate the ˜6 unit thin film batteries 32 to 34 are formed.

박막 전지에 사용되는 절연 물질 즉, 실리콘 산화물로 된 기판(20)은 전지의 용량을 고려하여 면적을 결정하며, 실리콘 산화물 이외에 알루미나 폴리머 등의 절연물이 기판(20)으로 이용 가능하다. 그리고, 상기 기판(20)의 두께는 그 내부에 수용되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 두께를 고려하여 결정한다.The substrate 20 made of an insulating material, ie, silicon oxide, used in a thin film battery is determined in consideration of the capacity of the battery, and an insulating material such as an alumina polymer may be used as the substrate 20 in addition to the silicon oxide. The thickness of the substrate 20 is determined in consideration of the thicknesses of the first and second battery layers 240 and 320 accommodated therein.

상기 기판(20)에 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)로 구성된 제 1 및 제2전지층(240, 320)이 수용되는 공간을 제공하는 제 1그루브(21c)를 형성하기 위하여 기판(20)의 일면 외곽에 형성되는 제 1외벽(21a, 21b) 부분을 제외한 나머지 부분을 식각 처리하여 제거한다(도 4a 참조).A first groove 21c is provided on the substrate 20 to provide a space in which the first and second battery layers 240 and 320 composed of the first to sixth unit thin film batteries 24 to 25 and 32 to 34 are accommodated. In order to form, the remaining portions except for the first outer walls 21a and 21b formed on one surface of the substrate 20 are removed by etching (see FIG. 4A).

식각 처리에 의하여 형성되는 상기 제 1외벽(21a, 21b)은 상기 기판(20)의 상부면 가장자리에 형성되는 테두리 벽이며, 상기 제 1외벽(21a, 21b)에 의하여 형성되는 제 1그루브(21c)의 깊이는 상기 설명과 같이 그 내부에 수용되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 두께를 고려하여 형성한다.The first outer walls 21a and 21b formed by the etching process are edge walls formed at the edges of the upper surface of the substrate 20, and the first grooves 21c formed by the first outer walls 21a and 21b. As described above, the depth of N) is formed in consideration of the thicknesses of the first and second battery layers 240 and 320 accommodated therein.

여기서, 식각 처리 방법으로 실리콘 산화물, 알루미나 등의 경우에는 플라즈마, 이온 등을 이용한 물리적 식각 방법이나 산성 물질 또는 액상의 화학 물질 등을 이용한 화학적 식각 방법이 이용 가능하며, 폴리머의 경우에는 광감응제를 이용한 사진 식각(Photo lithography) 방법을 이용하여 식각 처리할 수 있다.Here, as an etching method, in the case of silicon oxide, alumina, etc., a physical etching method using plasma, ions, etc., or a chemical etching method using an acidic substance or a liquid chemical substance may be used. In the case of a polymer, a photosensitive agent may be used. Etching may be performed using a photo lithography method.

상기와 같은 방법으로 형성된 제 1그루브(21c)의 전체 바닥 면적을 차지하게 제 1양극 전류 집전체(22)를 증착한다(도 4b 참조). 상기 제 1양극 전류 집전체(22)는 그 위에 형성되는 제 1~3단위 박막 전지(24~26)의 양극을 병렬로 연결해 주는 역할을 하며, 이용 가능한 물질은 Pt, Ti, V, Al 등을 이용하며, 기판(20)과의 접촉을 용이하게 하기 위해서 Ti 등 부가적인 금속 층(예를 들어, 전지의 양극이 LiCoO2인 경우 Ti+Pt, VO2인 경우 V, Al)을 도입하는 경우도 가능하다.The first cathode current collector 22 is deposited to occupy the entire bottom area of the first groove 21c formed by the above method (see FIG. 4B). The first positive current collector 22 serves to connect the positive electrodes of the first to third unit thin film batteries 24 to 26 formed thereon in parallel, and available materials include Pt, Ti, V, Al, and the like. In order to facilitate contact with the substrate 20, an additional metal layer such as Ti (for example, Ti + Pt when the anode of the battery is LiCoO 2 and V and Al when VO 2 is introduced) is introduced. It is also possible.

상기 제 1양극 전류 집전체(22)를 증착하는데 이용되는 증착 방법으로 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering), RF 마그네트론 스퍼터링(RFmagnetron sputtering), 열증착(thermal evaporation) 등이다.Deposition methods used to deposit the first cathode current collector 22 include DC magnetron sputtering, RF magnetron sputtering, thermal evaporation, and the like.

상기와 같이 제 1양극 전류 집전체(22)가 형성된 후에 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 형성하기 위하여 상기 제 1그루브(21c)를 다수의 제 2그루브(23c)로 분리하여야 하며, 다수의 제 2그루브(23c)를 형성하기 위해서는 상기 제 1그루브(21c) 형성 방법과 마찬가지로 상기 양극 전류 집전체(22) 위에 실리콘 산화물과 같은 절연체를 증착 처리한 후에 식각 처리하여 제 1내벽(23a, 23b)을 돌출 형성한다(도 4c 참조).After the first positive current collector 22 is formed as described above, the first grooves 21c must be separated into a plurality of second grooves 23c to form the first to third unit thin film batteries 24 to 25. In order to form a plurality of second grooves 23c, a first inner wall is formed by depositing an insulator such as silicon oxide on the anode current collector 22 and etching the same as the method of forming the first grooves 21c. 23a and 23b are protruded (refer to FIG. 4C).

그리고, 상기 제 1내벽(23a, 23b)과 제 1외벽(21a, 21b)에 의하여 형성되는 상기 제 2그루브(23c)에 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 구성하는 물질 즉, 양극(24a, 25a, 26a), 전해질(24b, 25b, 26b), 음극(24c, 25c, 26c)을 순서대로 증착시킨다(도 4d 참조). 단, 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 구성하는 양극(24a, 25a, 26a), 전해질(24b, 25b, 26b), 음극(24c, 25c, 26c)을 동일한 물질, 시간, 두께로 증착시켜야만 생산성이 향상되고 전지 역전 현상(cell reversal) 등의 문제를 해결할 수 있으며, 집적화 후 전지를 사용할 때 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)들의 용량 차이로 인한 개개 단위 박막 전지의 열화를 방지할 수 있다.In addition, a material constituting the first to third unit thin film batteries 24 to 25 in the second groove 23c formed by the first inner walls 23a and 23b and the first outer walls 21a and 21b. Anodes 24a, 25a, 26a, electrolytes 24b, 25b, 26b, and cathodes 24c, 25c, 26c are deposited in that order (see FIG. 4D). However, the anodes 24a, 25a, 26a, the electrolytes 24b, 25b, 26b and the cathodes 24c, 25c, and 26c constituting the first to third unit thin film batteries 24 to 25 are made of the same material, time and thickness. It must be deposited to improve productivity and to solve problems such as cell reversal, and when using the cell after integration, the individual capacity of the first to sixth unit thin films (24 to 25 and 32 to 34) due to the difference in capacity Deterioration of the unit thin film battery can be prevented.

상기 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 구성하는 각각의 양극(24a, 25a, 26a, 32a, 33a, 34a)은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiVO2등의 전이 금속 산화물이나 이들의 혼합물을 이용하며, 전해질(24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b)은 질화된 Li3PO4즉, LixPOyNz를 이용하고, 음극(24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c)은 Li, Sn,SnO, SnO2등을 이용한다.Each of the anodes 24a, 25a, 26a, 32a, 33a, and 34a constituting the first to sixth unit thin film batteries 24 to 25 and 32 to 34 may be LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , or LiVO 2. Transition metal oxides or mixtures thereof, and the electrolytes 24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b use nitrided Li 3 PO 4, that is, Li x PO y N z , and the negative electrode 24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c) uses Li, Sn, SnO, SnO 2 , and the like.

상기 양극(24a, 25a, 26a, 32a, 33a, 34a)은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering), 전해질(24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b)은 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링(reactive RF magnetron sputtering), 음극(24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c)은 리튬(Li)의 경우에 열증착(thermal evaporation) 주석(Sn) 산화물의 경우에는 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)으로 증착한다.The anodes 24a, 25a, 26a, 32a, 33a, 34a are RF magnetron sputtering, and the electrolytes 24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b are reactive RF magnetron sputtering. The cathodes 24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c are deposited by RF magnetron sputtering in the case of thermal evaporation tin (Sn) oxide in the case of lithium (Li).

이 때, 상기 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 형성할 때에 제 1전지층(240)의 일측과 제 1외벽(21b)사이에 아래에 설명하는 절연층(28)과 리드선(29)을 수용하기 위한 제 1공간(23d)을 남기고 형성한다.At this time, when forming the first to third unit thin film batteries 24 to 25, the insulating layer 28 and the lead wire (described below) are formed between one side of the first battery layer 240 and the first outer wall 21b. 29 is formed leaving a first space 23d for accommodating the 29).

그리고, 상기 제 1전지층(240) 위에 제 1음극 전류 집전체(27)를 증착 처리한다(도 4e 참조). 상기 제 1음극 전류 집전체(27)는 상기 제 1~3단위 박막 전지(24~25)의 음극을 병렬로 연결해 주는 작용을 하며, Cu, Co, Ti 등을 이용하여 DC 또는 RF 마그네트론 스퍼터링, 열증착법으로 증착한다.In addition, a first cathode current collector 27 is deposited on the first battery layer 240 (see FIG. 4E). The first cathode current collector 27 functions to connect the cathodes of the first to third unit thin film batteries 24 to 25 in parallel, and uses DC, RF, or magnetron sputtering using Cu, Co, Ti, or the like. Deposit by thermal evaporation.

그리고, 상기 제 1음극 전류 집전체(28)의 일부를 제외한 나머지 부분과 제 1전지층(240)의 측벽 부분(상기 제 1공간(23d)에 접하는 부분)을 실리콘 산화물이나 알루미나 등과 같은 절연체로 증착하여 절연층(28)을 형성한다(도 4f 참조). 이 때, 상기 제 1공간(23d)은 상기 절연층(28)에 의하여 일부가 잠식되며, 나머지 공간은 아래에 설명하는 제 1리드선(29)이 형성되는 제 1리드선 수용 공간(23d')으로 이용된다.In addition, the remaining portion except the part of the first negative electrode current collector 28 and the sidewall portion of the first battery layer 240 (the portion in contact with the first space 23d) may be formed of an insulator such as silicon oxide or alumina. It deposits to form the insulating layer 28 (refer FIG. 4F). At this time, the first space 23d is partially encroached by the insulating layer 28, and the remaining space is the first lead wire accommodating space 23d 'in which the first lead wire 29, which will be described below, is formed. Is used.

또한, 상기 절연층(28)의 타단에는 제 1외벽(21a)과 약간의 공간을 두고 형성되어 아래에 설명하는 제 2외벽(31a)과 제 2리드선(35)을 수용하기 위한 제 2공간(28a)으로 활용된다.In addition, a second space is formed at the other end of the insulating layer 28 with the first outer wall 21a and a little space to accommodate the second outer wall 31a and the second lead wire 35 to be described below. 28a).

상기 기판(20) 위에 수평 방향으로 배열되는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)와 제 4~6단위 박막 전지(32~34), 수직 방향으로 배열되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320) 사이에 형성되는 제 1 및 제 2내벽(23a, 23b, 31b, 31c), 절연층(28), 제 2외벽(31a, 31d) 등은 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 전기적으로 절연시켜 주는 역할을 하면서 기계적인 안정성을 확보할 수 있어야 하고, 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용을 할 수 있어야 한다. 이러한 특징을 만족시키는 물질로써 SiO2, TEOS, SOG 중 어느 하나를 선택하여 이용하거나, 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 선택하여 형성한다.First to third unit thin film batteries 24 to 25 and fourth to six unit thin film batteries 32 to 34 arranged in a horizontal direction on the substrate 20, and first and second battery layers arranged in a vertical direction ( The first and second inner walls 23a, 23b, 31b, and 31c, the insulating layer 28, and the second outer walls 31a and 31d formed between the 240 and 320 may be the first to sixth unit thin film batteries 24 to. 25, 32 ~ 34) should be able to secure mechanical stability while acting as electrical insulation, and should be able to buffer the volume change due to charge and discharge of thin film battery. As a material satisfying these characteristics, one selected from SiO 2 , TEOS, and SOG is used, or one selected from a combination thereof is formed.

상기 제 2그루브(23c)에 형성된 제 1전지층(240)과 아래에 설명하는 제 2전지층(320)간에 전지 조합(직렬 또는 병렬 연결)을 위하여 필요한 리드선 중에서 제 1리드선(29)을 수용하기 위한 제 1리드선 수용 공간(23d')에 Au, Al, Cu, Co, Ti 등과 같은 소재를 이용하여 증착 처리하여 제 1리드선(29)을 형성한다(도 4g 참조). 따라서, 상기 제 1양극 전류 집전체(22)의 일단과 상기 제 1리드선(29)의 하단부는 서로 전기적으로 연결된다.The first lead wire 29 is accommodated among the lead wires required for battery combination (serial or parallel connection) between the first battery layer 240 formed on the second groove 23c and the second battery layer 320 described below. The first lead wire 29 is formed in the first lead wire accommodating space 23d 'by using a material such as Au, Al, Cu, Co, Ti, or the like (see FIG. 4G). Accordingly, one end of the first positive current collector 22 and the lower end of the first lead wire 29 are electrically connected to each other.

이어서, 제 2전지층(320)을 형성하기 위하여, 제 2양극 전류 집전체(30)를 상기 제 1양극 전류 집전체(22) 형성 방법과 같이 상기 제 1전지층(240) 위에 형성한다(도 4h 참조). 이 때, 상기 제 2양극 전류 집전체(30)의 일단은 상기 제 1리드선(29)의 상단부에 연결되며, 그 타단은 상기 절연층(28)의 단부에 일치되도록 형성하여 상기 제 2공간(28a)을 유지하면서 제 2'공간(28a')을 형성한다.Subsequently, in order to form the second battery layer 320, the second cathode current collector 30 is formed on the first battery layer 240 in the same manner as the first cathode current collector 22. See FIG. 4H). At this time, one end of the second positive current collector 30 is connected to an upper end of the first lead wire 29, and the other end thereof is formed to coincide with an end of the insulating layer 28. The second 'space 28a' is formed while maintaining 28a).

제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 수용하는 제 3그루브(31e)를 상기 제 1그루브(23c) 형성 방법과 동일한 방법으로 형성한다(도 4i 참조).A third groove 31e for accommodating the fourth to sixth unit thin film batteries 32 to 34 constituting the second battery layer 320 is formed in the same manner as the method for forming the first groove 23c (FIG. 4I). Reference).

다시 말하면, 상기 제 2양극 전류 집전체(30) 위에 절연체인 실리콘 산화물이나 알루미나 등을 이용하여 증착하고, 다시 식각 처리하여 상기 제 1외벽(21a, 21b)에 내접하는 제 2외벽(31a, 31d)과, 그 내부에 제 2내벽(31b, 31c)을 동시에 형성함으로써 제 2외벽(31a, 31d)과 제 2내벽(31b, 31c)에 의하여 생성되는 제 3그루브(31e)를 형성하는 것이다.In other words, the second outer walls 31a and 31d are deposited on the second cathode current collector 30 using silicon oxide, alumina, or the like as an insulator, and then etched to inscribe the first outer walls 21a and 21b. ) And the third inner groove 31e formed by the second outer walls 31a and 31d and the second inner walls 31b and 31c by simultaneously forming the second inner walls 31b and 31c therein.

이 때, 상기 제 2'공간(28a')은 상기 제 2외벽(31a)에 의하여 일부 잠식되며, 나머지 부분은 제 2리드선(35)을 수용할 수 있는 제 2리드선 수용 공간(28a")으로 활용되며, 상기 제 2리드선 수용 공간(28a")에 상기 제 1리드선(29) 형성 방법과 동일하게 제 2리드선(35)을 형성한다(도 4j 참조).At this time, the second 'space 28a' is partially encroached by the second outer wall 31a, and the remaining part is a second lead wire accommodating space 28a "capable of accommodating the second lead wire 35. The second lead wire 35 is formed in the second lead wire accommodating space 28a ″ in the same manner as the method of forming the first lead wire 29 (see FIG. 4J).

상기 제 3그루브(31e)에 제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 상기 제 1전지층(240) 형성 방법과 동일하게 형성한다(도 4k 참조).The fourth to sixth unit thin film batteries 32 to 34 constituting the second battery layer 320 are formed in the third groove 31e in the same manner as the first battery layer 240 forming method (see FIG. 4K). ).

상기 제 2리드선(35), 제 2전지층(320) 위에 상기 제 1음극 전류 집전체(27) 형성 방법과 동일한 방법으로 제 2음극 전류 집전체(36)를 형성한다(도 4l 참조). 이 때, 상기 제 2음극 전류 집전체(36)는 제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위박막 전지(24~25, 32~34)의 각 음극(32c, 33c, 34c)과 제 2리드선(35)의 상단부를 각각 연결시켜 준다.A second cathode current collector 36 is formed on the second lead wire 35 and the second battery layer 320 in the same manner as the first cathode current collector 27 is formed (see FIG. 4L). At this time, the second negative electrode current collector 36 includes the negative electrodes 32c, 33c, and 34c of the fourth to sixth unit thin film batteries 24 to 25 and 32 to 34 constituting the second battery layer 320. Connect the upper ends of the and second lead wires 35, respectively.

상기 제 2음극 전류 집전체(36) 위에 절연체인 실리콘산화물이나 알루미나 등을 이용하여 증착 처리하여 제 2전지층(320)을 전기적으로 절연시키면서 전지를 보호하는 보호층(37)을 증착한다(도 4m 참조). 이 때, 상기 보호층(37)은 최상층의 제 2음극 전류 집전체(36)에 대한 전기 절연 기능과 함께 외부 환경으로부터 전지를 보호하는 기능을 구비해야 하므로, 실리콘산화물, 알루미나 등과 금속 또는 폴리머를 사용하여 기계적 안정성을 확보한다.On the second cathode current collector 36, a deposition process is performed using silicon oxide or alumina, which is an insulator, to deposit a protective layer 37 that protects the battery while electrically insulating the second battery layer 320 (Fig. 4m). At this time, since the protective layer 37 must have a function of protecting the battery from the external environment together with the electrical insulation function of the second cathode current collector 36 of the uppermost layer, silicon or alumina or the like metal or polymer To ensure mechanical stability.

상기한 바와 같은 공정으로 이루어진 박막 전지는 결과적으로 제 1~3단위 박막 전지(24~25)가 병렬 연결되어 구성되는 제 1전지층(240)과 제 4~6단위 박막 전지(32~34)가 병렬 연결되어 구성되는 제 2전지층(320)이 서로 병렬 연결된 전지 구조를 가진다.As a result, the thin film battery formed as described above has the first battery layer 240 and the fourth to sixth unit thin film batteries 32 to 34 formed by connecting the first to third unit thin film batteries 24 to 25 in parallel. Has a battery structure in which the second battery layers 320 formed in parallel are connected to each other in parallel.

따라서, 제 1 및 제 2전지층(240, 320) 각각은 단위 박막 전지에 비하여 3배의 전류 용량을 출력할 수 있으며, 제 1 및 제 2전지층(240, 320)이 서로 병렬 연결되어 있으므로 결과적으로 6배의 전류 용량을 출력할 수 있다.Therefore, each of the first and second battery layers 240 and 320 may output a current capacity three times larger than that of a unit thin film battery, and since the first and second battery layers 240 and 320 are connected to each other in parallel. As a result, six times the current capacity can be output.

한편, 도 3에는 3개의 단위 박막 전지로 구성된 층 전지를 4번 적층하여 각 층 전지를 서로 직렬 연결함으로써, 단위 박막 전지 기준으로 3배의 전류 용량과 4배의 전압 증가 효과를 제공한다.On the other hand, in Figure 3 by stacking a layer battery consisting of three unit thin-film cells four times to connect each layer battery in series, it provides a three times the current capacity and a four times the voltage increase effect on the basis of the unit thin film battery.

이를 위해서는 도 3에 나타낸 제 2실시예는 기판(109) 위에 외벽(110a, 110b)을 상기 제 1외벽(21a, 21b) 형성 방법과 같이 형성하고, 제 1양극 전류 집전체(111)를 형성하고, 제 1층 내벽(112a, 112b)을 형성하고, 그로 인하여 형성되는 그루브에 제 1층 박막 전지(113a ~ 113c)를 형성하고, 제 1음극 전류 집전체(114)를 형성하여 제 1층 전지를 형성한다.To this end, in the second embodiment shown in FIG. 3, the outer walls 110a and 110b are formed on the substrate 109 in the same manner as the first outer walls 21a and 21b, and the first positive current collector 111 is formed. The first layer inner walls 112a and 112b are formed, and the first layer thin film cells 113a to 113c are formed in the grooves thereby formed, and the first cathode current collector 114 is formed to form the first layer. Form a battery.

상기 제 1층 전지 위에 제 1절연층(115)을 형성하고, 그 좌측에 제 1리드선(116)을 형성하고, 차례로 제 2양극 전류 집전체(117), 제 2층 내벽(118a, 118b), 제 2층 박막 전지(119a ~ 119c), 제 2음극 전류 집전체(120)를 형성하여 제 2층 전지를 형성한다.A first insulating layer 115 is formed on the first layer battery, a first lead wire 116 is formed on the left side thereof, and a second positive current collector 117 and a second layer inner walls 118a and 118b are sequentially formed. The second layer thin film batteries 119a to 119c and the second negative electrode current collector 120 are formed to form a second layer battery.

상기 제 2층 전지 위에 제 2절연층(121)을 형성하고, 그 우측에 제 2리드선(122)을 형성하고, 차례로 제 3양극 전류 집전체(123), 제 3층 내벽(124a, 124b), 제 3층 박막 전지(125a~125c), 제 3음극 전류 집전체(126)를 형성하여 제 3층 전지를 형성한다.The second insulating layer 121 is formed on the second layer battery, the second lead wire 122 is formed on the right side thereof, and the third positive current collector 123 and the third layer inner walls 124a and 124b are sequentially formed. The third layer thin film batteries 125a to 125c and the third negative electrode current collector 126 are formed to form a third layer battery.

그리고, 상기 제 3층 전지 위에 제 3절연층(127)을 형성하고, 그 좌측에 제 3리드선(128)을 형성하고, 차례로 제 4양극 전류 집전체(129), 제 4층 내벽(130a, 130b), 제 4층 박막 전지(131a ~ 131c), 제 4음극 전류 집전체(132)를 형성하여 제 4층 전지를 형성하고, 마지막으로 보호층(133)을 형성한다.The third insulating layer 127 is formed on the third layer battery, and the third lead wire 128 is formed on the left side thereof, and the fourth positive current collector 129 and the fourth layer inner wall 130a, 130b), the fourth layer thin film batteries 131a to 131c, and the fourth cathode current collector 132 are formed to form a fourth layer battery, and finally, a protective layer 133 is formed.

따라서, 상기 제 1 ~ 4층 전지는 제 1 ~ 3리드선에 의하여 각각 직렬 연결되므로, 단위 박막 전지를 기준으로 하여 3배의 전류 용량과 4배의 전압이 출력된다.Therefore, since the first to fourth layer batteries are connected in series by the first to third lead wires, three times the current capacity and four times the voltage are output based on the unit thin film battery.

상기 제 1 및 제 2실시예에서는 각각 3개의 단위 박막 전지를 이용하여 병렬 또는 직렬 구성하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 필요 전압 및 전류량에 따라서 그 조합을 달리할 수 있다.In the first and second embodiments, a case in which a parallel or series configuration is performed using three unit thin film cells is described as an example. However, the combination may be changed according to the required voltage and current amount.

그리고, 본 발명은 상기 제 1 및 제 2실시예에서 보는 바와 같이, 1개 층의 박막 전지를 구성하는 단위 박막 전지를 1개의 양극/음극 전류 집전체로 취합하여 전류를 출력할 수 있기 때문에 각각의 단위 박막 전지에 대한 전류 집전체를 별도로 형성하지 않아도 되는 공정 단축의 특징이 있다.In the present invention, as shown in the first and second embodiments, since the unit thin film cells constituting the thin film battery of one layer can be collected as one positive electrode / cathode current collector and output current, respectively. There is a feature of shortening the process that does not require a separate current collector for the unit thin film battery.

한편, 상기 실시예서는 박막 전지를 구성하는 양극 물질로써 전이 금속 산화물 종류를 예로 들어 설명하였으나, 상기 전이 금속 산화물들을 증착 처리한 후에 양극 활물질(positive active matterial)로 사용하기 위해서는 반드시 열처리를 필요로 하는데, 다층으로 박막 전지를 적층할 때에 열처리가 반복적으로 이루어지는 것은 현실적으로 불가능하다.On the other hand, the embodiment has been described using a transition metal oxide as an example of a positive electrode material constituting a thin film battery, but after the deposition treatment of the transition metal oxides to be used as a positive active material (positive active matterial) necessarily requires heat treatment When the thin film battery is laminated in multiple layers, it is practically impossible to repeatedly perform the heat treatment.

상기 양극 물질의 열처리는 통상 800?? 전후에서 이루어지는데, 한 층의 박막 전지는 동시에 형성이 가능하지만, 이 후에 형성되는 전지층 대한 열처리를 할 때에 아래 전지층의 전해질과 리튬 음극이 영향을 받으므로 고체 전해질과 리튬 음극이 모두 변질되어 전지로서의 역할을 할 수 없는 문제점을 야기한다.Heat treatment of the positive electrode material is usually 800 ?? Although the thin film battery can be formed at the same time before and after, the solid electrolyte and the lithium negative electrode are both deteriorated because the electrolyte and the lithium negative electrode of the lower battery layer are affected when heat treatment is performed on the battery layer formed thereafter. It causes a problem that cannot serve as a battery.

따라서, 본 발명과 같이 다층으로 박막 전지를 구성하는 경우에는 양극 물질로써 이용할 수 있는 물질은 열처리 공정이 필요 없는 산화바나듐(VO2)에 국한된다.Therefore, in the case of forming a thin film battery in a multilayer as in the present invention, a material that can be used as a positive electrode material is limited to vanadium oxide (VO 2 ) that does not require a heat treatment process.

결과적으로, 박막전지를 구성할 때에 다층으로 구성하고자 하면, 박막 전지의 양극 물질로 산화바나듐을 사용하고, 전지를 단층으로 구성하는 경우에는 양극을 먼저 증착하고 전해질과 음극에 대한 증착이 이루어지기 때문에 전이 금속 산화물을 이용하여 집적화된 박막 전지를 구성할 수 있다.As a result, if a thin film battery is to be formed in multiple layers, vanadium oxide is used as the anode material of the thin film battery, and when the battery is composed of a single layer, the anode is first deposited and then the electrolyte and the cathode are deposited. The transition metal oxide may be used to construct an integrated thin film battery.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 반도체 기판으로 이루어진 기판에 다수의 그루브(groove)를 도입하여, 수평 방향 및 수직 방향으로 집적된 박막 전지를 형성함으로써, 기존의 박막 전지에 비해 우수한 안정성을 확보할 수 있으며, 양극 및 음극 전류 집전체를 공유함으로써, 공정 상의 단순화를 달성할 수 있다. 또한 기존의 집적된 박막 전지에 비해 안정성이 우수하면서, 저비용, 고용량, 고 에너지 밀도를 갖는 박막 전지의 제조가 가능하다.The present invention made as described above, by introducing a plurality of grooves (groove) to a substrate made of a semiconductor substrate, to form a thin film battery integrated in the horizontal direction and vertical direction, it is possible to secure excellent stability compared to the conventional thin film battery And by sharing the positive and negative current collectors, process simplifications can be achieved. In addition, while excellent in stability compared to the existing integrated thin film battery, it is possible to manufacture a thin film battery having a low cost, high capacity, high energy density.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the general knowledge in the technical field to which the present invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be made by those who possess.

Claims (15)

(a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계;(a) etching a surface of a substrate made of an electrically insulating material to form a first groove capable of accommodating a plurality of layers of a battery layer composed of a plurality of thin film cells; (b) 상기 제 1그루브에 다수의 전지층을 형성하기 위하여,(b) to form a plurality of battery layers in the first groove, (b1) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계,(b 1 ) forming a first current collector for connecting one electrode of the plurality of unit thin film batteries constituting the battery layer to the first groove; (b2), 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계,(b 2 ), depositing an insulating material on the first current collector and then etching to form a plurality of second grooves in which one unit thin film battery is accommodated; (b3) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계,(b 3 ) forming a plurality of unit thin film batteries by depositing a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode material constituting the thin film battery on each of the second grooves; (b4) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계 및,(b 4 ) depositing and forming a second current collector on the plurality of unit thin film cells; (b5) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 절연층을 증착하여 형성하여 이루어지는 다수의 전지층을 형성하는 단계;(b 5 ) forming a plurality of battery layers formed by depositing an insulating layer of an insulating material on the second current collector; (c) 상기 다수의 전지층 중에서 서로 다른 전지층에 형성된 다수의 제 1전류 집전체 및 제 2전류 집전체 중에서, 다수의 제 1전류 집전체를 서로 연결시키는 제 1리드선과 다수의 제 2전류 집전체를 서로 연결시키는 제 2리드선으로 된 병렬 리드선과, 다수의 전지층에서 서로 인접한 각각의 제 1전류 집전체와 제 2전류 집전체를 직렬로 연결시켜 주는 다수의 직렬 리드선 중 선택된 어느 한 리드선을 형성하는 단계; 및(c) a first lead wire and a plurality of second currents connecting the plurality of first current collectors to each other among a plurality of first current collectors and second current collectors formed on different battery layers among the plurality of battery layers; Any one of a parallel lead wire comprising a second lead wire connecting the current collectors to each other, and a plurality of series lead wires connecting the respective first current collectors and the second current collectors in series in a plurality of battery layers; Forming a; And (d) 상기 다수의 전지층 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.and (d) forming a protective layer of an insulating material on the plurality of battery layers. 제 1항에 있어서, 상기 제 1그루브는 그 내부에 다수 형성되는 전지층의 총 두께보다 적어도 깊게 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein the first groove is formed at least deeper than a total thickness of a battery layer formed therein. 제 1항에 있어서, 상기 제 2그루브는 그 내부에 형성되는 단위 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극의 총 두께와 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein the second groove is formed to have the same depth as the total thickness of the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode constituting the unit thin film battery formed therein. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 전이 금속 산화물이면 전지층을 단층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein the battery layer is formed as a single layer when the cathode material constituting the unit thin film battery is a transition metal oxide. 제 1항에 있어서, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 산화바나듐이면 전지층을 다층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein the battery layer is formed in multiple layers when the cathode material constituting the unit thin film battery is vanadium oxide. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2절연층과 보호층은 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용과 전기 절연성을 가지는 절연 물질인 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The integrated thin film battery of claim 1, wherein the first and second insulating layers and the protective layer are insulating materials having a buffering function against electrical volume change and electrical insulating properties. Way. 제 1항 또는 8항에 있어서, 상기 보호층은 전기 절연 물질과, 금속, 폴리머로 조합 구성되어, 전기적 절연과 외부 환경으로부터 전지를 보호하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein the protective layer is composed of an electrical insulating material, a metal, and a polymer to protect the battery from electrical insulation and an external environment. 제 8항에 있어서, 상기 절연 물질은 SiO2, TEOS, SOG, 및 상기 물질들로 조합된 조합물 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 8, wherein the insulating material is any one selected from SiO 2 , TEOS, SOG, and a combination thereof. 제 1항에 있어서, 상기 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 각 전류 집전체는 각각의 양극 또는 음극에 대하여 하나의 전류 집전체로 형성되어 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The integrated thin film of claim 1, wherein each current collector of the plurality of unit thin film cells constituting the battery layer is formed as one current collector for each positive electrode or negative electrode and is shared with each other. Battery manufacturing method. 제 1항에 있어서, 상기 전지층을 구성하는 단위 박막 전지의 각 양극, 전해질, 음극 물질은 동일한 물질, 시간, 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.The method of claim 1, wherein each of the positive electrode, the electrolyte, and the negative electrode of the unit thin film battery constituting the battery layer is formed of the same material, time, and thickness. (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계;(a) etching a surface of a substrate made of an electrically insulating material to form a first groove capable of accommodating a plurality of layers of a battery layer composed of a plurality of thin film cells; (b) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계;(b) forming a first current collector for connecting one electrode of the plurality of unit thin film batteries constituting the battery layer to the first groove; (c) 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계;(c) depositing an insulating material on the first current collector and then etching to form a plurality of second grooves in which one unit thin film cell is accommodated; (d) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계;(d) forming a plurality of unit thin film cells by depositing a positive electrode, an electrolyte, and a negative electrode material constituting the thin film battery on each of the second grooves; (e) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계; 및(e) depositing and forming a second current collector on the plurality of unit thin film cells; And (f) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.and (f) forming a protective layer of an insulating material on the second current collector. 각각 양극/전해질/음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지와, 상기 다수의 단위 박막 전지 사이를 전기적으로 절연해 주는 다수의 내벽을 포함하는 다수의 전지층;A plurality of battery layers including a plurality of unit thin film cells each consisting of a cathode / electrolyte / cathode and a plurality of inner walls electrically insulating the plurality of unit thin film cells; 상기 다수의 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 각 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 양극 전류 집전체 및 음극 전류 집전체;A plurality of positive electrode current collectors and negative electrode current collectors formed in contact with the positive and negative electrodes of the plurality of unit thin film cells constituting the plurality of battery layers to collect currents; 상기 다수의 전지층과 각각의 전지층에 형성된 양극 전류 집전체 및 음극 전류 집전체를 인접한 다른 전지층과 양극 전류 집전체 또는 음극 전류 집전체에 대하여 전기적으로 절연시켜 주는 절연층;An insulating layer electrically insulating the plurality of battery layers and the positive electrode current collector and the negative electrode current collector formed on each of the battery layers from other adjacent battery layers and the positive electrode current collector or the negative electrode current collector; 상기 다수의 양극 전류 집전체와 다수의 음극 전류 집전체 중에서, 다수의 양극 전류 집전체를 서로 연결시키고 다수의 음극 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 병렬 리드선과, 서로 인접된 각 양극 전류 집전체와 음극 전류 집전체를 직렬로 연결시켜 주는 다수의 직렬 리드선 중 선택된 어느 한 리드선;Among the plurality of positive current collectors and the plurality of negative current collectors, parallel lead wires connecting the plurality of positive current collectors to each other and the plurality of negative current collectors to each other; Any one selected from among a plurality of series leads connecting the cathode current collectors in series; 다수의 양극 또는 음극 전류 집전체 중에서 최하단에 형성된 전류 집전체의 하부면에 형성되는 기판;A substrate formed on a lower surface of a current collector formed at a lowermost end of a plurality of positive or negative current collectors; 상기 다수의 전지층의 최외곽면에 형성되는 외벽;An outer wall formed on the outermost surfaces of the plurality of battery layers; 다수의 양극 또는 음극 전류 집전체 중에서 최상단에 형성된 전류 집전체의 상부면에 형성되는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지.An integrated thin film battery having improved stability, comprising a protective layer formed on an upper surface of a current collector formed at the top of a plurality of positive or negative current collectors. 삭제delete
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