KR100550208B1 - Fabrication Method of Nano Complex Electrode Comprising Electrode Material Joined with Solid Electrolyte for Thin Film Battery - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극의 이온전도도를 개선함으로써 고용량의 특성을 얻을 수 있도록 하기 위한 수단으로, 전극물질과 고체전해질을 타겟으로 하여 코스퍼터링함으로써 전극물질과 고체전해질을 일체화시킨 나노복합전극의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method of manufacturing a nanocomposite electrode in which an electrode material and a solid electrolyte are integrated by coping with an electrode material and a solid electrolyte as a means for obtaining a high capacity characteristic by improving the ion conductivity of the electrode. do.

Description

고체전해질과 전극물질을 일체화시킨 박막전지용 나노복합전극의 제조방법{ Fabrication Method of Nano Complex Electrode Comprising Electrode Material Joined with Solid Electrolyte for Thin Film Battery} Fabrication Method of Nano Complex Electrode Comprising Electrode Material Joined with Solid Electrolyte for Thin Film Battery}             

도 1은 본 발명에 따른 실시 양태로서 고체 전해질과 전극물질을 코스퍼터링하기 위해서 설계된 RF 마그네트론 코스퍼터링 장비의 개략적인 구성도1 is a schematic configuration diagram of an RF magnetron cottering equipment designed for couttering a solid electrolyte and an electrode material as an embodiment according to the present invention;

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 전해질과 전극물질의 일체화된 박막전지를 구성하는 나노복합전극 구조의 X-ray 패턴 및 XPS의 구조분석 결과2A and 2B are X-ray patterns and XPS structural analysis results of a nanocomposite electrode structure constituting a thin film battery integrated with a solid electrolyte and an electrode material according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고체 전해질을 코스퍼터링시킨 경우 나노복합전극의 입자크기에 따른 전자투과현미경의 결과사진Figure 3 is a result photo of the electron transmission microscope according to the particle size of the nanocomposite electrode when the solid electrolyte in accordance with the preferred embodiment of the present invention

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합전극을 구비하는 박막전지와 일반 박막전지와의 용량비교의 결과그래프4 is a result graph of capacity comparison between a thin film battery having a nanocomposite electrode and a general thin film battery according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노복합전극을 구비하는 박막전지와 일반 박막전지와의 안정성 및 수명평가의 결과그래프5 is a graph showing the results of stability and lifetime evaluation between a thin film battery having a nanocomposite electrode and a general thin film battery according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 박막전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 고체전해질을 전극물질과 일체화시켜 전극의 이온전도도를 개선함으로써 고용량의 특성을 얻을 수 있는 나노복합전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a thin film battery, and more particularly, to a method for manufacturing a nanocomposite electrode which can obtain a high capacity characteristic by integrating a solid electrolyte with an electrode material to improve ion conductivity of the electrode.

일반적으로 박막전지는 전지구성요소를 박막화하고 화학에너지를 전기에너지로 변화시켜 파워를 생산하지만 낮은 이온 전도도로 인하여 낮은 용량을 가진다. 이러한 전지의 구성은 음극, 양극 및 전해질로 이루어지며 박막전지의 경우 액체 용액 대신에 고체 전해질이 사용되고 있다. 이러한 고체전해질은 LIPON, Ta2O5 등이 있으며, 전극과는 별도의 층으로 분리되어 따로 사용되고 있다.In general, thin film batteries produce power by thinning battery components and converting chemical energy into electrical energy, but have a low capacity due to low ion conductivity. The battery consists of a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte, and in the case of a thin film battery, a solid electrolyte is used instead of a liquid solution. Such solid electrolytes include LIPON, Ta 2 O 5 , and the like, which are separated from the electrode and used as separate layers.

종래에는 전극의 고효율화를 위하여 이원계 물질을 이용하는 방법을 통해 용량의 향상을 꾀어 왔다. 예를 들면, 음극물질로써 주석산화물에 실리콘 산화물을 도핑하여 고용량을 이루는 방법이 그것이다. 그러나, 전기소자가 점점 고용량, 고효율화 되어가면서 높은 파워가 필요하게 되고 고효율화를 위해서는 기존의 단원계 및 이원계 뿐만 아니라 삼원계도 필요하게 되었다.Conventionally, the capacity has been improved through a method using a binary material in order to increase the efficiency of the electrode. For example, a method of achieving high capacity by doping silicon oxide to tin oxide as a cathode material. However, as electric devices are increasingly high in capacity and high in efficiency, high power is required, and in addition to the existing single and binary systems, ternary systems are required for high efficiency.

본 발명은 상기 종래 기술이 가지는 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 고체전해질을 전극물질과 일체화시켜 전극의 이온전도도를 개선함으로써 고용량의 특성을 가지는 박막전지용 나노복합전극의 제조방법을 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the problems of the prior art, the object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nanocomposite electrode for a thin film battery having a high capacity characteristics by integrating a solid electrolyte with an electrode material to improve the ion conductivity of the electrode. Is in.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전극물질과 고체전해질을 타겟으로 하여 코스퍼터링함으로써 전극물질과 고체전해질이 일체화된 나노복합전극을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a nanocomposite electrode in which the electrode material and the solid electrolyte are integrated by coping with the electrode material and the solid electrolyte as a target.

상기에서 '전극물질'이라 함은 종래 박막전지에서 양극, 또는 음극으로 제조되는 물질을 지칭하는 것으로 스퍼터링을 위한 타겟으로 적합하게 성형된 물질을 포함한다.The term 'electrode material' refers to a material made of a cathode or an anode in a conventional thin film battery, and includes a material suitably formed as a target for sputtering.

이하, 본 발명의 내용을 도면과 함께 보다 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the content of this invention is demonstrated in detail with drawing.

본 발명을 수행하기 위한 장치의 구성은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같다. 코스퍼터링(Co-sputtering)에 사용되는 장치의 경우, 도 1을 참조하면, 기존의 기본적인 스퍼터링 장치의 구성을 바탕으로 하며 하나의 스퍼터링 건을 이용하는 대신 두개 이상의 스퍼터링 건이 장착되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코스퍼터링 과정은 상기 종래의 RF 마그네트론 스퍼터링 장치내에 타겟물질인 전극물질과 고체전해질에 각각의 RF 파워를 제공하여 동시증착이라는 과정을 통해 수행되었으며 도 1은 그 장치 및 증착과정의 모습을 보여준다. The configuration of the apparatus for carrying out the invention is as schematically shown in FIG. In the case of the apparatus used for co-sputtering, referring to FIG. 1, two or more sputtering guns are mounted on the basis of the existing basic sputtering apparatus, instead of using one sputtering gun. In accordance with a preferred embodiment of the present invention, a co-sputtering process is performed through a process called co-deposition by providing respective RF powers to an electrode material and a solid electrolyte as target materials in the conventional RF magnetron sputtering apparatus. Show the deposition process.

도 1을 참조하면, 타겟 1과 타겟 2에는 각각 전극물질과 고체전해질이 장착되며 이 두 측면에 위치한 타겟 건은 기판에 대해 20∼80도 정도 기울어져 있다. 타겟 1과 타겟 2에 각각의 RF 파워를 제공할 경우 그림에서처럼 플라즈마의 형성과 동시에 두 물질의 동시 증착이 진행된다.Referring to FIG. 1, the target 1 and the target 2 are mounted with an electrode material and a solid electrolyte, respectively, and the target gun positioned at both sides thereof is inclined about 20 to 80 degrees with respect to the substrate. When RF power is supplied to target 1 and target 2, the simultaneous deposition of the two materials proceeds simultaneously with the formation of plasma.

나노복합전극의 제조를 위해 사용가능한 전극물질의 예로는, 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, Sn, SnO, SnO2, SnSi, SnFe, SnO2SiO2등을 포함하는 Sn계, Si, SiSn, SiO2, SiO2SnO2, SiO2Fe등을 포함하는 Si계, V 2O5, V2OPt, V2O5MnO2, VOx 등을 포함하는 V계, LiCoO2, LiMnO2 등을 포함하는 Li계의 물질과 이외에도 Mn계, Co계의 물질 등이 있다.Examples of electrode materials usable for the production of nanocomposite electrodes do not require any particular limitation, and include Sn-based, Si, SiSn, and SiO, including Sn, SnO, SnO 2 , SnSi, SnFe, SnO 2 SiO 2 , and the like. 2 , Si-based containing SiO 2 SnO 2 , SiO 2 Fe and the like, V-based including V 2 O 5 , V 2 OPt, V 2 O 5 MnO 2 , VO x , LiCoO 2 , LiMnO 2 and the like In addition to Li-based materials, Mn-based and Co-based materials may be used.

또한, 고체전해질은 이온(양이온 또는 음이온)의 이동에 의하여 고체상태에서 전류를 통할 수 있는 물질로서 그 예로는, 특별한 한정을 요하는 것은 아니며, LIPON, Ta2O5, Li3.6Si0.6P0.4O4 등이 있다.In addition, the solid electrolyte is a material capable of passing a current in a solid state by the movement of ions (cations or anions), and examples thereof do not require special limitations, and LIPON, Ta 2 O 5 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 and the like.

전극물질과 고체전해질의 증착비는 타겟물질에 가해지는 RF 파워나 증착시간 및 타겟과 기판과의 거리에 따라 상이하고, 특별한 한정을 요하는 것은 아니지만 중량비로 전극 1에 대하여 고체전해질은 0.02∼0.7, 바람직하게는 0.1∼0.4 정도가 좋다.The deposition ratio of the electrode material and the solid electrolyte is different depending on the RF power or deposition time applied to the target material, and the distance between the target and the substrate. Preferably, about 0.1-0.4 are good.

RF 마그네트론 스퍼터링은 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 다음의 조건을 통해 달성될 수 있다.RF magnetron sputtering does not require any particular limitation, but can be achieved through the following conditions.

(1) 파워:10W ~ 120W, (2) 가스의 종류: Ar, Ar:O2, N2(1) power: 10W ~ 120W, (2) gas type: Ar, Ar: O2, N2

(3) 가스 유속: 10∼60SCCM, 바람직하게는 40SCCM(3) Gas flow rate: 10 to 60 SCCM, preferably 40 SCCM

(4) 증착시간: 물질이나 두께에 따라 다르며, 금속의 경우: 10분에서 1시간, 산화물인 경우: 30분에서 6시간정도(4) Deposition time: depending on the material and thickness, for metals: 10 minutes to 1 hour, for oxides: 30 minutes to 6 hours

본 발명의 내용을 바람직한 실시예로서 설명하면, RF마그네트론 스퍼터링은 도 1에서와 같은 장치를 이용하여 각각 서로 다른 건에 전극물질(타겟 1: Sn)과 고체전해질 (타겟 2: Ta2O5)을 장착한 후, 각각 타겟의 파워를 적당한 시간과 함께 타겟 1은 50W로, 타겟 2는 20W로 조절하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이때, 스퍼터링시의 기본 압력은 5*10-6torr이고, 작동압력은 5*10-3torr이며, 대기중에 상온에서 40 SCCM의 아르곤 가스 분위기가 이용되었다. 증착시 기판은 실리콘기판을 사용하고, 비교 실험을 수행하기 위해 단일 전극으로 하나의 전극물질(Sn)에 동일한 파워 및 시간으로 스퍼터링을 수행하였다. Referring to the contents of the present invention as a preferred embodiment, RF magnetron sputtering is an electrode material (target 1: Sn) and a solid electrolyte (target 2: Ta 2 O 5 ) to each other using a device as shown in FIG. After mounting, the power of the target can be achieved by adjusting the target 1 to 50W and the target 2 to 20W, respectively, with appropriate time. At this time, the basic pressure during sputtering is 5 * 10 -6 torr, the operating pressure is 5 * 10 -3 torr, and an argon gas atmosphere of 40 SCCM was used at room temperature in the air. In the deposition process, a silicon substrate was used, and sputtering was performed with the same power and time on one electrode material Sn with a single electrode to perform a comparative experiment.

상기 실시예를 통해 제조되는 나노복합전극은 수 nm 에서 수백㎛ 정도의 두께로 균일하게 형성하는 것이 가능하다. 음극물질을 상기와 같이 주석금속으로 구성한 경우 그 이론용량은 분자당 4.4개의 용량을 갖게 되지만, 전극물질만으로 구성된 박막전지의 경우 분자당 3.0개의 용량을 보이며, 본 발명에 따라 고체전해질인 Ta2O5를 전극물질과 코스퍼터링 하는 경우 분자당 4.1개의 이론용량에 근접한 고용량을 얻을 수 있었다 (30%의 성능향상).The nanocomposite electrode manufactured by the above embodiment may be uniformly formed to a thickness of about several hundred μm in several nm. When the negative electrode material is composed of tin metal as described above, the theoretical capacity has 4.4 capacity per molecule, but in the case of a thin film battery composed only of electrode material, it shows 3.0 capacity per molecule, and according to the present invention, Ta 2 O is a solid electrolyte. In the case of coping 5 with the electrode material, a high capacity close to 4.1 theoretical capacity per molecule was obtained (30% performance improvement).

또한, 일반적인 RF 마그네트론 스퍼터링은 박막전극의 고정된 조성을 가지지만 나노 구조를 가질 수는 없는 반면, 상기 본 발명의 방법에 의하면 다양하게 조절된 조성과 함께 나노 구조를 갖는 전극을 제조할 수 있다. 이때, 조성의 조절은 타겟의 파워를 조절한다든지, 가스 압력, 건사이의 거리 등을 조절하는 방법으로 수행될 수 있다.In addition, while general RF magnetron sputtering has a fixed composition of a thin film electrode but cannot have a nano structure, the method of the present invention can produce an electrode having a nano structure with variously controlled compositions. At this time, the adjustment of the composition may be performed by adjusting the power of the target, gas pressure, the distance between the gun and the like.

구조 및 성분 분석Structural and Component Analysis

도 2a는 상기 바람직한 실시예를 통해 얻어진 전극을 대상으로 하여 다결정 전극 (Sn)이 비정질 고체전해질 기저에 존재하는 상태의 것을 XRD를 통해 확인한 결과사진이다. 나노복합전극 (Sn-Ta2O5)뿐 아니라 단일전극 (Sn)의 XRD 패턴은 JCPDS cards No. 04-0673에서와 일치하였다. 또한, XRD 패턴의 피크가 관찰되지 않음으로써 고체전해질 (Sn-Ta2O5) 기저가 비정질임을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 결과로부터 하나의 전극에 비정질의 고체전해질 기저와 나노 구조의 전극 (Sn)이 존재하는 나노복합전극 (Sn-Ta2O5)이 형성되었음을 확인 할 수 있다. Figure 2a is a photograph of the result confirmed by XRD that the state of the polycrystalline electrode (Sn) is present on the amorphous solid electrolyte base for the electrode obtained through the preferred embodiment. The XRD pattern of the nanocomposite electrode (Sn-Ta 2 O 5 ) as well as the single electrode (Sn) is described in JCPDS cards No. Consistent with 04-0673. In addition, since no peak of the XRD pattern is observed, it can be confirmed that the solid electrolyte (Sn-Ta 2 O 5 ) base is amorphous. Therefore, it can be confirmed from these results that a nanocomposite electrode (Sn-Ta 2 O 5 ) having an amorphous solid electrolyte base and a nanostructured electrode (Sn) is formed on one electrode.

도 2b는 XPS의 구조분석 결과로서 이에 의하면, 전극의 정확한 조성을 알 수 있을 뿐 아니라 정확한 전극 구조와, 고체전해질이 비정질 산화물 상태임을 확인 할 수 있다. 또한, 3차원 XPS 결과를 통해서 XRD 분석과 일치하는 것을 확인하였고, 주석산화물과 같은 산화물 피크가 관찰되지 않음으로써 정확한 조성의 나노복합 전극이 얻어졌음을 확인하였다. Figure 2b is a structural analysis of the XPS according to this, not only can know the exact composition of the electrode, it can be confirmed that the correct electrode structure and the solid electrolyte is in the amorphous oxide state. In addition, it was confirmed that the results were consistent with the XRD analysis through the three-dimensional XPS results, and no oxide peaks such as tin oxide were observed to confirm that nanocomposite electrodes having the correct composition were obtained.

전자현미경 분석Electron microscopy analysis

도 3은 전극물질 (Sn: 어두운 영역)과 비정질의 고체전해질 (Ta2O5: 밝은 영역)로 구성된 나노복합전극 (Sn-Ta2O5)이 형성된 모습을 보여준다. 이에 의하면, 평균 크기가 ~25 nm 인 입자가 잘 분산되어져 있음을 확인할 수 있다. 더욱이, 고분 해 TEM 이미지를 통해 관찰한 결과, 비정질 고체전해질에 전극이 깊숙이 박혀있음을 확인할 수 있었다. 3 illustrates a nanocomposite electrode (Sn-Ta 2 O 5 ) formed of an electrode material (Sn: dark region) and an amorphous solid electrolyte (Ta 2 O 5 : bright region). This confirms that particles having an average size of ˜25 nm are well dispersed. Furthermore, as a result of observing through the TEM image, it was confirmed that the electrode was embedded in the amorphous solid electrolyte.

위와 같은 사실로부터 본 발명의 나노복합전극은 리튬 이차전지에서 충방전시 리튬의 쉽고 빠른 이동을 도울 수 있을 것으로 기대되어 고성능의 박막 전지를 제조할 수 있게 해줄 것으로 기대된다. From the above facts, the nanocomposite electrode of the present invention is expected to be able to help the quick and easy movement of lithium during charging and discharging in a lithium secondary battery, and is expected to be able to manufacture a high performance thin film battery.

성능평가Performance evaluation

도 4는 전압 범위가 0.2∼1.8 V 인 전류밀도 20 A/cm2로 측정된 본 발명에 따른 나노복합전극 (Li/Sn-Ta2O5)과 대조구로서 단일전극 (Li/Sn cells)의 충방전 실험결과를 보여준다. 나노복합전극의 경우 단일전극과 비교하여 첫 번째 사이클 동안에는 분명히 용량의 차이를 보이고 있다. 즉, 단일전극의 경우에는 분자당 3개의 리튬이 반응하고 반 정도가 충전시 제거되었으나, 본 발명에 따른 나노복합전극의 경우 4.1 개의 리튬이 반응하였다. 따라서, 이러한 사실로부터 본 발명에 따른 나노복합전극은 단일전극에 비하여 월등히 높은 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 고체전해질을 전극물질과 코스퍼터링함으로써 리튬이온의 접근이 용이하게 되었고 또한 나노 수준인 전극의 반응 부위가 월등히 증가한 것에서 기인한다. 위 사실로부터, 본 발명에 따른 나노복합전극을 포함하는 박막전지는 다양한 전자기계에 적용할 때 높은 성능으로 인하여 고효율을 얻을 수 있게 함을 알 수 있다. 4 shows a nanocomposite electrode (Li / Sn-Ta 2 O 5 ) and a single electrode (Li / Sn cells) as a control, measured at a current density of 20 A / cm 2 with a voltage range of 0.2 to 1.8 V. Shows the results of charge and discharge experiments. In the case of nanocomposite electrodes, there is a clear difference in capacitance during the first cycle compared to a single electrode. That is, in the case of a single electrode, three lithium per molecule reacted and about half were removed during charging. In the case of the nanocomposite electrode according to the present invention, 4.1 lithium reacted. Therefore, it was confirmed from this fact that the nanocomposite electrode according to the present invention has a much higher performance than the single electrode. This is due to the easy access of lithium ions by coping the solid electrolyte with the electrode material, and also due to the significantly increased reaction site of the nano-level electrode. From the above fact, it can be seen that the thin film battery including the nanocomposite electrode according to the present invention can obtain high efficiency due to high performance when applied to various electromechanical devices.

사이클 특성평가Cycle Characteristic Evaluation

본 발명에 따른 나노복합전극의 전기화학적 특성을 더욱 규명하기 위하여 사이클 특성 평가를 수행하고 단일전극과의 데이터를 비교하였다. 도 5의 결과로부터 본 발명에 따른 나노복합전극의 경우가 단일전극에 비하여 높은 초기성능 뿐 아니라 우수한 안정성을 보임을 관찰할 수 있다. In order to further elucidate the electrochemical characteristics of the nanocomposite electrode according to the present invention, the cycle characteristics were evaluated and the data with the single electrode were compared. It can be observed from the results of FIG. 5 that the nanocomposite electrode according to the present invention exhibits excellent initial stability as well as excellent stability compared to a single electrode.

본 발명에 의하면, 코스퍼터링방법을 이용하여 고체전해질을 전극물질과 일체화시켜 전극의 이온전도도를 개선함으로써 고용량의 특성을 가지는 박막전지를 제조할 수 있게 한다.According to the present invention, it is possible to manufacture a thin film battery having high capacity by improving the ion conductivity of the electrode by integrating the solid electrolyte with the electrode material by using the couttering method.

Claims (4)

전극물질과 고체전해질을 타겟으로 하여 코스퍼터링함으로써 전극과 고체전해질이 일체화된 복합나노전극을 제조하는 방법A method of manufacturing a composite nano-electrode in which an electrode and a solid electrolyte are integrated by coping with an electrode material and a solid electrolyte as a target. 제 1항에 있어서, 전극은 Sn계, Si계, V계, Li계, Mn계, Co계의 물질에서 선택됨을 특징으로 하는 제조방법The method of claim 1, wherein the electrode is selected from Sn-based, Si-based, V-based, Li-based, Mn-based, or Co-based materials. 제 1항에 있어서, 고체전해질은 LIPON, Ta2O5, Li3.6Si0.6 P0.4O4에서 선택됨을 특징으로 하는 제조방법The method of claim 1, wherein the solid electrolyte is selected from LIPON, Ta 2 O 5 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 . 제 1항에 있어서, 타겟의 각도는 기판과 20∼80도 사이에 위치하도록 간격을 형성함을 특징으로 하는 제조방법 The method according to claim 1, wherein the angle of the target is formed so as to be positioned between 20 and 80 degrees with the substrate.
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