KR100666506B1 - 박막 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 요철 형상의 미세 패턴이 형성된 고분자 기판과, 기판 위에 요철층을 이루는 제1 전류 콜렉터와, 제1 전류 콜렉터 위에 요철층을 이루는 캐소드와, 캐소드 위에 요철층을 이루는 전해질과, 전해질 위에 요철층을 이루는 애노드와, 애노드 위에 평탄층을 이루는 제2 전류 콜렉터와, 제2 전류 콜렉터 위에 평탄층을 이루며 덮는 보호막을 포함하도록 구성하여 전지의 단위 면적당 유효 면적을 증가시키고, 핫 엠보싱 공정을 이용하여 요철 형상의 미세 패턴을 갖도록 고분자 기판을 가공하는 기판 성형 단계와, 상기 기판 상에 제1 전류 콜렉터, 캐소드, 전해질, 애노드, 제2 전류 콜렉터 및 보호막이 순차적으로 층을 이루도록 적층시키는 박막 형성 단계를 포함하여 보다 저가격으로 용이하게 제작할 수 있도록 한다.
박막 전지, 기판, 미세 패턴, 핫 엠보싱. 폴리에테르슬폰(Polyether Sulfon)

Description

박막 전지 및 그 제조 방법{THIN FILM BATTERY AND FABRICATION METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 전지의 기판 성형 공정을 도시한 도면이다.
본 발명은 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자로 이루어진 플라스틱 기판을 사용하며 기판상에 미세 패턴 구조를 성형함으로써 전지의 단위 면적당 유효 면적을 증가시킨 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 박막 전지는 휴대용 전자 기기 및 정보통신 기기가 소형화됨에 따라 이들을 구동하기 위한 전원으로서 전지의 크기가 소형화되고 그 소비전력 또한 낮아지고 있어 이에 대한 이용이 크게 기대된다.
더욱이, 최근에는 유연성(Flexibility), 저가격 및 제작 용이성 등의 장점을 이용한 고분자계 전자기기 및 소자의 개발 및 연구가 활발하게 진행되고 있다. 따 라서, 이들 전자기기 및 소자의 전원으로서 전지도 박막형 및 유연성의 특성을 갖는 것이 필요하다.
한편, 박막 전지의 경우 그 형태의 특성상 두께가 작아 에너지 저장 용량이 제한된다. 이러한 전지의 에너지 저장용량은 기본적으로 캐소드의 양 및 사용된 캐소드 재료에 의해 결정된다. 현재 캐소드 물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2 등 리튬 천이 금속 산화물이나 V2O5와 같은 금속산화물 등이 주로 이용되고 있다.
주어진 캐소드 재료를 이용하여 에너지 저장용량을 증가시키기 위해 캐소드를 포함한 전극의 두께를 증가시킬 경우 박막형 전지의 충전 및 방전 시 전하이동에 대한 내부 저항이 증가하여 전지전압이 변하게 된다.
따라서, 전극물질의 두께는 어느 한정 두께 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 이에 전극재료의 양을 증가시키는 방법으로 전지 단위 면적당 전극이 형성될 수 있는 유효면적을 증가시키는 것이 필요하다.
이에 따른 본 발명의 박막 전지 및 그 제조 방법은 박막 전지의 기판으로 이용되는 고분자 필름상에 미세 패턴 구조를 형성하여 전지의 단위 면적당 유효면적을 증가시키고, 고분자 필름상에 미세 패턴 구조를 형성하기 위하여 핫 엠보싱 공정을 이용함으로써 더욱 낮은 가격으로 용이하게 제조할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 박막 전지는 요철 형상의 미세 패턴이 형성된 기판과, 기판 위에 요철층을 이루는 제1 전류 콜렉터와, 제1 전류 콜렉터 위에 요철층을 이루는 캐소드와, 캐소드 위에 요철층을 이루는 전해질과, 전해질 위에 요철층을 이루는 애노드와, 애노드 위에 평탄층을 이루는 제2 전류 콜렉터와, 제2 전류 콜렉터 위에 평탄층을 이루며 덮는 보호막을 포함한다.
여기서, 상기 기판은 고분자 재질로 이루어지며, 상기 고분자 재질은 폴리에테르슬폰(Polyether Sulfon)를 포함한다.
상기 기판과 상기 제1 전류 콜렉터 사이에 접착층을 더 포함할 수 있다. 이 접착층은 Al, Ti, Cr, Nb, Ta, W중 어느 하나를 포함하거나, 산화인듐막(Indium Tin Oxide:ITO)층으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 전지 제조 방법은 요철 형상의 미세 패턴을 갖도록 기판을 제조하는 기판 성형 단계와, 기판 위에 제1 전류 콜렉터, 캐소드, 전해질, 애노드, 제2 전류 콜렉터 및 보호막이 순차적으로 층을 이루도록 적층시키는 박막 형성 단계를 포함한다.
여기서, 기판 성형 단계는 핫 엠보싱 공정으로 이루어지며, 이 핫 엠보싱 공정은 금형에 요철 형상의 미세 패턴 가공하는 금형 가공 단계와, 이 금형을 유리전이온도 이상으로 가열된 고분자 시료에 압착하여 요철 형상의 미세 패턴을 각인하는 엠보싱 가공 단계를 포함한다.
금형 가공 공정은 리가(LIGA; Lithographie Galvanoformung Abformung) 또는 깊은 반응 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching)에 의해 이루어질 수 있다.
박막 형성 단계는 기판과 제1 전류 콜렉터 사이에 적어도 한 층 이상의 접착층을 증착시키는 접착층 형성 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 박막 형성 단계는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition), 또는 화학적 기상 증착법(Chemical vapor Deposition)으로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 전지 및 그 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 전지의 단면도이다.
이 도면을 참조하여 설명하면, 박막 전지는 요철 형상의 미세 패턴(1a)이 형성된 기판(1) 위에 제1 전류 콜렉터(2), 캐소드(3), 전해질(4)과, 애노드(5)를 순차적으로 적층시켜 미세 패턴(1a)에 대응하는 요철층을 형성하도록 하고, 그 위에 제2 전류 콜렉터(6) 및 보호막(7)이 평탄층을 형성하도록 적층하여 전지의 단위 면적당 유효 면적을 증가시키도록 구성된다.
이 기판(1)은 유연성(Flexibility)을 가지며 핫 엠보싱(Hot-Embossing) 공법을 이용하여 보다 낮은 가격으로 용이하게 제작될 수 있는 고분자 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 내열성, 기계적 강도, 내 약품성 등이 우수한 열가소성 플라스틱(Thermo plastic)인 폴리에테르슬폰(Polyether Sulfon, PES)인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 실시예에서 기판(1)에 형성된 미세 패턴(1a)은 사각 단면 형상으로 요철지게 형성되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전지의 단위 면적당 유효 면적을 증가시킬 수 있는 한 보다 다양한 형태의 단면을 갖는 미세 패턴으로 형 성할 수 있음은 당연하다.
상기한 기판(1) 위에 Pt, 또는 Au 등으로 이루어진 제1 전류 콜렉터(2)가 적층 형성된다. 여기서, 기판(1)과, 제1 전류 콜렉터(2) 사이에 접착(adhesion)을 향상시키기 위해서 접착층(미도시)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
고분자 재질의 기판(1) 위에 제1 전류 콜렉터(2)를 증착할 경우에 있어서, 일반적인 금속의 경우 고분자 물질에 비하여 응집 에너지(cohesive energy)가 크고, 고분자 물질의 표면이 비극성이므로 금속과 고분자의 결합이 어렵다. 더욱이, 제1 전류 콜렉터를 이루는 Pt, Au의 경우 다른 금속에 비하여 반응성이 작으므로 고분자 물질과 더욱 결합하기 어렵다. 하지만, 산소(Oxygen)와 반응성이 큰 금속 또는, 금속 산화물(Oxide)의 경우 고분자 물질 내지 금속과의 접착이 향상시키게 된다.
따라서, 접착층은 기판(1)위에 Al, Ti, Cr, Nb, Ta, W 중 어느 한 금속과 이들을 포함하는 Al2O3 및 TiO2와 같은 금속 산화물들이 적어도 한 층 이상을 이루도록 형성된다. 또한, 접착층은 산화인듐막(Indium Tin Oxide;이하, ITO라 한다.)을 포함한다.
일예로, 접착층이 두 층 이상으로 형성되는 경우 기판(1) 위에 전술한 Al2O3 및 TiO2와 같이 금속 산환물들 또는 ITO가 적층되고, 그 위에 Al, Ti, Cr, Nb, Ta, W 중 어느 한 금속이 순차적으로 적층되는 것이 보다 바람직하다.
그리고, 제1 전류 콜렉터(2) 위에 LiCoO2, LiMn2O4 또는 LiNiO2 등 리튬 천이 금속이나 V2O5와 같은 금속 산화물로 이루어진 캐소드(3) 증착시키고, 그 위에 LiPON과 같은 무기 고체 전해질(Inorganic Solid Electrolyte) 또는 고분자 전해질(4)및 Li 또는 Sn 및 Si계 합금과 같은 애노드(5)가 전지의 유효 면적을 증가시킬 수 있도록 순차적으로 요철층을 이루도록 적층한다.
그리고, 그 위에 Cu, Ni, Ti 또는 W계 물질로 이루어진 제2 전류 콜렉터(6)와, 패릴린(parylene)-금속-세라믹 등의 조합으로 이루어진 보호막(7)이 순차적으로 평탄층을 이루도로 적층시킨다.
이와 같이, 두께가 작아 에너지 저장 용량이 제한되는 박막 전지의 경우 에너지 저장용량은 기본적으로 캐소드(3)의 양 및 사용된 캐소드(3) 재질에 의해 결정된다. 따라서, 캐소드(3)가 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2 등 리튬 천이 금속 산화물이나 V2O5와 같은 금속산화물 등의 재질로 이루어짐에 따라 에너지 저장용량을 증가시키기 위해 캐소드(3)를 포함한 전극의 두께를 증가시킬 경우 박막형 전지의 충전 및 방전 시 전하이동에 대한 내부 저항이 증가하여 전지전압이 변하게 된다.
따라서, 박막 전지의 전극 두께는 어느 한정 두께 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 이에 전극 재료의 양을 증가시키는 방법으로 상기한 요철층을 이루면 증차시켜 단위 면적당 전극이 형성될 수 있는 유효면적을 증가시킴에 따라 전지 용량을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 전지의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 대한 박막 전지의 제조 방법은 먼저 요철 형상의 미세 패턴(1a)을 갖는 고분자 기판(1)을 가공하는 기판 성형 단계와, 이 기판 성형 단계에서 요철이 형성된 기판(1) 위에 제1 전류 콜렉터(2), 캐소드(3), 전해질(4), 애노드(5) 및 제2 전류 콜렉터(5)와, 보호막(7)을 순차적으로 적층시키는 박막 형성 단계를 포함하다.
먼저, 기판 성형 단계는 핫 엠보싱(Hot Embossing) 공정에 의해 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 핫 엠보싱 공정은 유리전이온도 이상으로 가열된 고분자 기판 재료에 금형(8;Master)을 압착하여 금형(8)에 구현된 미세 패턴(8a) 형상을 고분자에 그대로 각인하는 고분자 가공기술로서 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 미크론(Micron) 크기의 미세 패턴 구조물을 저가격으로 용이하게 대량 생산할 수 있는 기술로 알려져 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 전지의 기판 성형 단계를 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하여 설명하면, 핫 엠보싱 공정은 금형(8)에 요철 형상의 미세 패턴 가공하는 금형 가공 단계와, 이 금형을 유리전이온도(즉, 고분자의 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 온도) 이상으로 가열된 고분자 시료, 보다 상세하게는 폴리에테르슬폰 재질의 기판(1)에 압착하여 요철 형상의 미세 패턴(1a)을 각인하는 엠보싱 가공 단계를 포함한다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 금형 가공 단계는 리가(LIGA; Lithographie Galvanoformung Abformung) 또는 깊은 반응 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching) 을 이용해 금형(8)에 요철 형상의 미세 패턴(8a)을 형성하도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 리가(LIGA) 공정은 미세 가공 기술(Micro Electro Mechanical System 이하, MEMS이라 한다.)의 일종으로 엑스레이(X-Ray) 등의 고가 장치를 필요로 하지 않으며 일반적인 아이-라인(I-Line)이나 지-라인(G-Line) 등 이미 보편화 된 기술을 아무런 부담 없이 적용할 수 있어 MEMS 인덕터 등 MEMS 소자 제조 공정에 적용되고 있으며, 깊은 반응 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching)과 같이 주지된 표면 가공 기술의 하나로써 이들에 대한 보다 상세한 설명은 생략 한다.
도 2b 및 도 2c에 도시한 바와 같이, 엠보싱 가공 단계에서는 상기한 금형 가공 단계에서 요철 형상의 미세 패턴(8a)이 형성된 금형(8)을 유리전이온도 이상으로 가열된 폴리에테르슬폰 재질의 고분자 기판 재료에 압착하여 요철 형상의 미세 패턴(1a)이 각인된 박막 기판(1)을 형성한다.
따라서, 전술된 핫 엠보싱 공정은 요철 형상의 미세 패턴(1a)을 갖는 폴리에테르슬폰 재질의 박막형 기판(1)을 용이하게 제작할 수 있도록 함과 아울러 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 박막 전지는 기판(1)이 고분자 재질로 이루어짐에 따라 유연성을 특징으로 하는 각종 전자기기 및 소자에 적용할 수 있다.
박막 형성 단계는 전술된 기판 성형 단계에서 요철 형상의 미세 패턴(1a)을 갖도록 제조된 기판(1) 위에 제1 전류 콜렉터(2), 캐소드(3), 전해질(4), 애노드(5), 제2 전류 콜렉터(6), 보호막(7)을, 도 1에서 이미 도시한 바와 같이, 순차적 으로 증착시킨다.
또한, 박막 형성단계에서는 전술한 바와 같이 폴리에테르슬폰과 같은 고분자 기판(1)과 제1 전류 콜렉터(2)의 접착을 향상시키기 위해 접착층을 형성하는 접착층 형성 단계를 더 포함한다.
접착층 형성 단계는 고분자 기판(1) 위에 Al, Ti, Cr, Nb, Ta, W중 어느 한 금속들과 이들을 포함하는 금속 산화물들이 적어도 한 층 이상을 이루도록 증착시켜 접착층을 형성하거나, ITO(Indium Tin Oxide)을 포함하여 접착층을 형성한다.
따라서, 폴리에테르슬폰과 같은 고분자 기판(1)과 Pt 및 Au의 제1 전류 콜렉터(2)의 접착을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 박막 형성 단계에서 각 구성요소들에 대한 박막 형성은 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition), 또는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등이 이용될 수 있으며, 이미 주지된 물리적 기상 증착법과 화학적 기상 증착법에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 박막 전지 및 그 제조 방법은 박막 전지의 기판으로 이용되는 고분자 필름상에 미세 패턴 구조를 형성하여 전지의 단 위 면적당 유효면적을 증가시키고, 고분자 필름상에 미세 패턴 구조를 형성하기 위하여 핫 엠보싱 공정을 이용함으로써 보다 낮은 가격으로 용이하게 제조할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

Claims (14)

  1. 박막 전지에 있어서,
    요철 형상의 미세 패턴이 형성된 고분자 재질의 기판;
    상기 기판 위에 요철층을 이루는 제1 전류 콜렉터;
    상기 기판과 상기 제1 전류 콜렉터 사이에 형성되는 접착층;
    상기 제1 전류 콜렉터 위에 요철층을 이루는 캐소드;
    상기 캐소드 위에 요철층을 이루는 전해질;
    상기 전해질 위에 요철층을 이루는 애노드;
    상기 애노드 위에 평탄층을 이루는 제2 전류 콜렉터; 및
    상기 제2 전류 콜렉터 위에 평탄층을 이루는 보호막을 포함하는 박막 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 핫 엠보싱(Hot Embossing)에 의한 미세 패턴의 형성되는 박막 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 재질은 폴리에테르슬폰(Polyether Sulfon)를 포함하는 박막 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 기판과 상기 제1 전류 콜렉터 사이에 적어도 하나 이상의 층으로 이루어지는 박막 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접착층은 Al, Ti, Cr, Nb, Ta, W 및 이들을 포함하는 금속 산화물로 이루어지는 박막 전지.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 접착층은 ITO (Indium Tin Oxide)층을 포함하는 박막 전지.
  7. 고분자 재질의 기판에 핫 엠보싱 공정으로 요철 형상의 미세 패턴을 형성하는 기판 성형 단계; 및
    상기 기판 위에서 요철층을 이루도록 제1 전류 콜렉터, 캐소드, 전해질, 애노드를 순차적으로 증착시키고, 상기 에노드 위에 평탄층을 이루도록 제2 전류 콜렉터 및 보호막을 순차적으로 증착시키는 박막 형성 단계를 포함하며,
    상기 박막 형성 단계는 상기 기판과 상기 제1 전류 콜렉터 사이에서 접착층을 증착시키는 접착층 형성 단계를 더욱 포함하는 박막 전지 제조 방법
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 핫 엠보싱 공정은,
    금형에 요철 형상의 미세 패턴 가공하는 금형 가공 단계; 및
    상기 금형을 유리전이온도 이상으로 가열된 고분자 기판 시료에 압착하여 요철 형상의 미세 패턴을 각인하는 엠보싱 가공 단계를 포함하는 박막 전지 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금형 가공 단계는 리가(LIGA; Lithographie Galvanoformung Abformung)에 의해 이루어지는 박막 전지 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 금형 가공 단계는 깊은 반응 이온 식각(Deep Reactive Ion Etching )에 의해 이루어지는 박막 전지 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 기판과 상기 제1 전류 콜렉터 사이에서 적어도 한 층 이상의 층으로 형성되는 박막 전지 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 박막 형성 단계는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)으로 이루어지는 박막 전지 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 박막 형성 단계는 화학적 기상 증착법(Chemical vapor Deposition)으로 이루어지는 박막 전지 제조 방법.
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