KR100962032B1 - 전극의 표면적 및 전극과 전해질의 접촉면적을 증가시킨박막형 전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

전극의 표면적 및 전극과 전해질의 접촉면적을 증가시킨박막형 전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서,
상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지 및 상기 박막형 전지의 제조방법에 관한 것이다.
습식식각, 박막형 전지, 기상증착, 캐소드,

Description

전극의 표면적 및 전극과 전해질의 접촉면적을 증가시킨 박막형 전지 및 그의 제조방법{THIN FILM BATTERY HAVING ENHANCED SURFACE AREA OF ELECTRODE AND ENHANCED CONTACT AREA BETWEEN ELECTRODE AND ELECTROLYTE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 박막(Thin film)형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시킨 박막형 전지에 관한 것이다.
박막형 전지는 고체전해질의 사용으로 인하여, 비사용중 자가방전이 적고 누액이나 폭발의 위험성이 없어 매우 안전한 전지로 알려져 있다. 그러나 박막형 전지에 있어 단점인 낮은 용량을 해결하기 위해서는 양극박막의 두께를 증가시켜야 하나, 박막형 전지의 제조공정상 스퍼터링과 같은 PVD법을 이용하므로 두께 증가에 한계가 있다.
특히, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2와 같이 통상적으로 알려진 리튬전이금속화합 물 등의 경우, 결정상으로 존재하여야 효율적인 리튬의 인터컬레이션이 가능하므로 전지로서의 성능을 발휘할 수 있으나, 스퍼터링, 전자선증착, 진공열증착, 레이저 박막증착법 등의 방법을 사용하면 초기 박막증착시 리튬전이금속화합물 등이 비정질 상태로 존재하며, 결정화시키기 위해 별도의 열처리 과정이 요구된다.
그런데, 박막의 두께가 증가할 수록 박막내 스트레스 증가로 인해 열처리 과정중 크랙발생 등 공정이 어렵고, 실제 이러한 박막을 사용하여 전지를 구성할 경우 수율 및 신뢰성측면에서 좋지 않은 결과를 초래한다. 또한, 양극의 두께 증가시 양극내 도전성이 감소하여 고율방전과 같은 출력특성이 저하되는 단점을 지니게 된다.
따라서, 상기와 같은 단점들을 해결하는 방법은 박막형 전지의 출발재료인 기판의 표면적을 증가시켜 그 위에 증착될 양극박막의 양을 증가시켜 전지용량 증대 및 출력특성을 동시에 향상시키는 것이다.
기판의 표면적을 증가시키기 위한 방법으로는 기판의 표면을 3차원적으로 식각하여 표면적을 증가시키는 방법이 있다. 상기 식각방법으로는 액체상의 용액을 사용하는 등방성(Isotropic) 식각으로 이루어진 습식법과, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching), 스퍼터 식각(Sputter etching), 증기상 식각(Vapor Phase Etching) 등 이방성(anisotropic) 식각으로 이루어진 건식법이 있다. 이들 식각 방법은 각각의 특성에 따라 사용 용도 또한 상이하다.
건식식각의 경우에는 종횡비(aspect ratio)가 우수하고 수 ㎛이하의 정교한 형상을 제어 할 수 있는 장점이 있으나 고가의 건식 식각장비를 사용해야 한다는 단점이 있다.
특히, 박막형 전지를 제조할 경우에는 이방성 식각면, 특히 식각면 측면에 콜렉터, 캐소드, 고체전해질 및 애노드가 균일하게 증착이 되어야 단락 없는 양호한 전지를 구성할 수 있는데, 기존 스퍼터링, 전자선증착, 진공증착과 같은 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition)등에 의하면 건식식각에 의한 이방성 식각면에 균일한 박막을 증착할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 이 경우에는 전구체 가스를 사용한 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition)에 의해서만 균일한 박막형성이 가능하다. 그러나, 화학적 기상증착법(CVD) 에 의한 박막형 전지 제조는 공정이 복잡하고 사용되는 가스가 대부분 독성이므로 공정 완료후 배기가스를 재처리하기 위한 장치가 별도로 필요하다.
이 분야의 종래기술들은 박막형 전지의 낮은 용량을 해결하는 방법으로 기판의 표면적을 넓히는 방법들을 제시하고 있지만, 표면적 확대를 위한 종횡비(aspect ratio)가 우수한 건식법에 의한 이방성 식각을 을 사용하거나 기판의 평면에 대하여 수직인 면을 갖는 요철, 홀 등을 형성하는 방법을 따르고 있기 때문에 표면적이 확대된 기판상에 다른 구성요소들을 형성하는 경우 필연적으로 화학적 기상증착법(CVD)을 채용하게 되어 상술한 바와 같은 문제점을 갖는다. 예컨대, 미국특허 US 6,197,450에서도 에스펙트 비가 큰 홀들로 천공된 실리콘 웨이퍼를 기판으 로 사용하여 기판의 표면적을 넓히기 위한 시도를 하고 있으나, 박막의 증착은 화학적 기상증착법(CVD)에 의하고 있다.
본 발명은 기판 등의 표면을 식각하여 표면적을 증가시키는 방법으로 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시키면서도, 물리적 기상증착법을 그대로 사용하여 상기 식각면 위에 순차적으로 적층되는 박막들을 균일하게 형성하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 박막형 전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서,
상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계;
상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계;
상기 캐소드상에 전해질층을 형성하는 단계,
상기 전해질층상에 애노드를 형성하는 단계, 및
상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지의 제조방법에 있어서,
상기 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 구성요소들을 물리적 기상증착에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기판 또는 제1콜렉터의 표면을 식각하여 표면적을 증가시키는 방법으로 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시키면서도, 물리적 기상증착법을 그대로 사용하여 상기 식각면 위에 순차적으로 적층되는 박막들을 균일하게 형성하는 것이 가능하므로 매우 경제적으로 박막 전지의 용량 및 출력밀도를 개선할 수 있다.
본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되 는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서,
상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지에 관한 것이다.
본 발명의 박막형 전지는 기판 또는 제1콜렉터에 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성시키는데, 제1콜렉터에 형성시키는 경우 전극의 양의 증가 및 전극과 전해질의 접촉면적이 좀 더 넓게 형성될 수 있는 장점이 있으나 제1콜렉터 막의 두께가 수십마이크론 이상이 되지 않으면 실시가 용이하지 않은 점을 고려해야 한다.
본 발명에서 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove)의 반원형 단면이란 그루브를 형성하기 위하여 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의해 등방성으로 식각을 수행하는 경우 통상적으로 생성되는 단면 형상을 의미하는 것이다. 그리고 본 발명에서 상기 단면 형상을 제외한 그루브의 크기, 개수, 배치형태 등은 어떠한 형태라도 가능하며 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 스트라이프형(stripe type), 체크형(check type) 등을 들 수 있다.
또한, 다수의 반구형 홈의 반구형이란 홈을 형성하기 위하여 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의해 등방성으로 식각을 수행하는 경우 통상적으로 생성되는 홈의 형상을 의미하는 것이다. 그리고 본 발명에서 홈의 크기, 개수, 배치형태 등은 어떠한 형태라도 가능하며 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들에만 반구형의 홈이 형성된 것을 들 수 있다.
본 발명에서는 특히, 기판 또는 제1콜렉터 표면에 다수의 반구형 홈을 형성하는 것이 단면이 반원형인 다수의 그루브를 형성하는 것 보다 표면적 증가측면에서 면에서 유리하다. 예컨대, 가로 10cm 및 세로 10cm인 정사각형 기판을 기준으로 기존 평면형인 경우 표면적이 100cm2이 되며, 기판 내에 반구형 홈이 50개(체크무늬형태)인 경우 표면적은 139.23cm2가 되며, 기판 내에 단면이 반원형인 그루브를 형성한 경우(5개) 표면적은 128.5cm2이 된다.
본 발명의 박막형 전지는 기판 또는 제1콜렉터에 습식법에 의한 등방성 식각을 실시하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성시킴으로써 전극의 표면적 및 전극과 전해질과의 접촉면적을 확대시키며, 결과적으로 박막형 전지의 용량 및 출력을 증가시킨다. 또한, 상기와 같은 습식법에 의한 등방성 식각 결과, 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈이 형성된 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 막들이 물리적 기상증착에 의하여 형성 되더라도 균일한 막을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명은 또한,
기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계;
상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계;
상기 캐소드상에 전해질층을 형성하는 단계,
상기 전해질층상에 애노드를 형성하는 단계, 및
상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지의 제조방법에 있어서,
상기 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 구성요소들이 물리적 기상증착에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법에 관한 것이다.
상기에서 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계는, 예컨대,
기판 또는 제1콜렉터 상에 포토레지스트를 도포하고 예비소성(soft bake) 하는 단계;
기판 또는 제1콜렉터 상에 특정한 그루브 또는 반구형 홈들이 형성될 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하는 단계; 및
상기 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 한 후, 습식식각 하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기에서 특정한 그루브들을 형성하기 위한 포토마스크로는 예컨대, 스트라이프형(stripe type), 체크형(check type) 등 일 수 있으며,
특정한 반구형 홈들을 형성하기 위한 포토마스크로는 예컨대, 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 들 수 있다.
이하에서, 도면을 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 식각, 스퍼터 식각, 증기상 식각과 같은 건식법(도 1, (a))의 경우에는 종횡비가 우수하고 수 ㎛이내의 정교한 패턴의 형성이 가능하다. 그러나 이러한 이방성 식각의 경우에는 원자가 일직선상으로 이동하여 증착되는 스퍼터링, 전자선 증착 등과 같은 방법에 의해서는 식각면에 균일하게 전지의 다른 구성 요소들을 순차적으로 증착하는 것이 불가능하여 화학적 기상증착법(CVD) 등과 같은 고가의 공정이 필수적이라고 할 수 있다. 그러나, 습식법(도 1, (b))은 종횡비 및 정밀한 패턴의 식각은 불가능하나 등방성 식각이 가능하기 때문에 스퍼터링, 전자선증착 및 진공증착과 같은 물리적 기상증착법(PVD)을 사용하여도 식각면에 전지의 다른 구성 요소들을 비교적 균일하게 증착하는 것이 가능하다. 따라서, 고가의 공정변환 없이 비교적 용이하게 전극의 표면적을 증가시키는 효과를 제공한다.
본 발명에서 습식법을 사용하여 등방성 식각을 함으로써 기판의 표면적을 증가시키는 공정을 포함하는 포토리소그라피(photo lithography) 공정은 도 2에 예시된 바와 같이 실시된다.
도 2에서 (b)는 기판(a)상에 포토레지스트를 도포하는 공정을 나타낸다. 포토레지스트를 도포하고 통상적으로 예비소성(soft bake)을 한다. (c)는 포토레지스트에 원하는 패턴이 형성되도록 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광하는 공정을 나타낸다. 상기 노광 후에 현상하여 포토레지스트 패턴을 완성한다. (d)는 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 하는 단계를 나타낸다. (e)는 습식법에 의한 등방성 식각 과정을 나타낸다. (f)는 식각이 완료된 후, 포토레지스트를 제거한 기판을 나타낸다.
상기와 같이 제조된 표면적이 확대된 기판을 사용하여 박막형 전지를 구성하는 방법은 도 3에 예시된 바와 같다.
먼저, (a)단계로 습식법에 의해 등방성으로 식각된 기판(10)을 준비한다. 기판은 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, 실리콘, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(SUS), 마이카 등을 들 수 있다.
다음 (b)단계로 상기 기판상에 제1콜렉터(20)을 형성한다. 제1콜렉터 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, Pt 또는 Au 등을 들 수 있다. 상기 제1콜렉터(20)은 물리적 기상증착에 의해 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다. 여기서, 상기 기판(10)과 제1콜렉터(20) 사이에 접착(adhesion)을 향상시키기 위해서 접착층(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 이 접착층은 Al, Ti, Co, Cr, Nb, Ta, W, Fe 중 어느 하나의 금속을 포함하거나, 산화인듐막(Indium Tin Oxide:ITO)층으로 이루어질 수도 있다.
다음 (c)단계로 상기 제1콜렉터(20) 위에 캐소드(30)을 형성한다. 캐소드(30) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2 등 리튬 전이 금속이나 V2O5,MoO3,MnO2 등과 같은 금속 산화물을 들 수 있다. 상기 캐소드(30)는 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다.
다음 (d)단계로 상기 캐소드(30) 위에 전해질층(40)을 형성한다. 전해질층(40) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, LiPON과 같은 무기 고체 전해질(Inorganic Solid Electrolyte) 또는 고분자 전해질 등을 들 수 있다. 상기 전해질층(40)도 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다.
다음 (e)단계로 상기 전해질층(40) 위에 애노드(50)을 형성한다. 애노드(50) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, Li, Sn, Si계 합금 등을 들 수 있다. 상기 애노드(50)도 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다.
상기 애노드(50) 형성 후 평탄화 공정을 거쳐 제2콜렉터를 형성할 수 있다. 이때 평탄화 공정 없이 곧바로 제2콜렉터를 형성할 수도 있다. 제2콜렉터를 형성하기 전에 보호막 공정을 수행할 수도 있다. 이 경우에는 애노드(50) 자체를 제2콜렉터로 사용하거나, 전지 측면에 제2콜렉터를 형성하여 애노드(50)와 제2콜렉터를 연결한다.
도 4는 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하여 기판위에 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의하여 등방성 식각하는 경우를 예상하여 나타낸 평면도이다.
구체적으로 본 발명에서 기판 또는 제1콜렉터에 다수의 반구형 홈을 형성하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
기판 또는 제1콜렉터 상에 포토레지스트를 도포하고 예비소성(soft bake) 하는 단계;
정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하는 단계; 및
상기 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 한 후, 습식식각 하 는 단계.
상기와 같은 공정에 의해 형성된 다수의 반구형 홈이 형성된 기판을 도 5에 도시하였다. (a)는 식각 전의 티타늄 기판의 표면이며, (b)는 식각 후의 모습이며, (c)는 양극활물질로서 LiCoO2를 증착시킨 후의 SEM 사진이며, (d)는 LiCoO2가 증착된 홀의 벽면의 SEM 사진이다.
도 6은 도 5에 기술한 포토리소그라피 공정에 의해 제조된 기판의 SEM 사진으로서 체크무늬형태로 균일하게 반구형 홈이 형성되어 기판의 표면적이 식각전에 비해 증가하고 있음을 보여준다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 기판의 표면적을 증가시킨 기판의 제조
직경 5mm 크기의 Ti 기판상에 포토레지스트를 도포하고 이를 예비소성(soft bake) 한 후, 격자무늬(20㎛ x 20㎛ 크기의 정사각형, 도 4) 패턴이 그려진 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시켜 자외선을 조사하였다. 그 후 현상(develop)하여 남아있는 포토레지스트 부분을 후소성(hard bake) 한 후, 식각용액으로 piranha 혹은 Ti 에칭 용액을 사용하여 등방성 식각을 수행하였다. 식각공정이 완료된 후, 남아있는 포토레지스트층을 박리액(striper)을 사용하여 제거하였 다. 그 결과 식각면이 약 40㎛ 직경과 약 15㎛ 깊이의 반원형태로 형성된 표면적이 증가된 기판이 제조되었다.
실시예 2: 방전용량 및 출력특성이 향상된 박막형 전지의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 기판을 사용하여 배치(batch) 내에서 전지를 제조하였다. 박막형 전지는 금속기판상에 양극 전류집전체로 Pt를 DC 스퍼터링에 의해 250nm 두께로 증착하고, LiCoO2 양극 활물질을 RF 스퍼터링에 의해 3㎛ 두께로 증착하여 이를 급속열처리 하여 헥사고날(hexagonal) 구조의 양극을 제조하였다. 이때, Pt 전류집전체와 Ti 금속기판 사이에 접착력을 증가시키기 위해 Ti 20nm와 Co 30nm를 연속적으로 증착하였다. 고체전해질은 Li3PO4 타겟을 사용하여 순수한 질소분위기 하에서 반응성 스퍼터링에 의해 Li3PO4 내의 산소를 일부 질소원자로 치환시킨 1.5㎛ 두께의 LiPON 전해질을 사용하였으며, 음극은 진공열증착법을 사용하여 순수한 리튬박막을 2㎛ 두께로 증착하여 사용하였다. 이때 음극의 유효면적은 12.56mm2 이었다.
비교예 1: 평탄한 기판을 사용한 박막형 전지의 제조
식각을 수행하지 않은 평탄한 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법과 조건으로 박막형 전지를 제조하였다.
시험예 1: 박막형 전지의 방전 특성 평가
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 습식식각된 기판과 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용하여 제조된 박막형 전지를 사용하여 각각의 셀에 20㎂의 일정한 전류를 인가하여 방전시험을 실시하였다. 그 결과, 습식식각된 기판을 사용한 박막형 전지는 식각되지 않은 평탄한 기판에 비해 전지의 단락현상 없이 전형적인 LiCoO2의 방전곡선을 나타내었으며, 약 25%의 용량증가 효과를 나타내었다(도 7 참조).
시험예 2: 박막형 전지의 출력 특성 평가
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 습식식각된 기판과 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용하여 제조된 박막형 전지를 사용하여 각각의 셀에 20㎂의 동일한 전류를 인가하여 방전을 수행할 시의 초기용량을 100으로 보고 200㎂, 400㎂와 같이 높은 전류를 인가하여 전지의 출력 특성을 평가하였다. 시험 결과는 도 8에 나타내었다. 도 8은 용량비 및 방전곡선을 나타낸 것으로서, 비교예 1에서 제조된 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용한 박막형 전지는 a-a'-a''와 같이 방전전류 증가에 따라 전지 내부저항에 따른 전위 하락 및 용량감소율이 큰 것으로 나타났으며, 약 1,670 ohm정도의 내부저항을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 그러나, 실시예 2에서 제조된 (습식식각을 수행함) 박막형 전지의 경우에는 b-b'-b''와 같이 전류증가에 따른 전위하락이 크게 감소함을 나타내었다. 내부저항 추정결과 약 1,253ohm 정도로 저항 또한 약 25%의 감소함을 확인하였다.
도 1은 (a)건식법에 의한 이방성 식각과 (b)습식법에 의한 등방성 식각을 비교하여 도시한 것이다.
도 2는 습식법에 의해 등방성 식각을 수행함으로써 기판의 표면적을 증가시키는 공정을 포함하는 포토리소그라피(photo lithography) 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예로 제조된 기판을 사용하여 박막형 전지를 구성하는 방법을 순서대로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예 중 다수의 반구형 홈의 형성 과정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예로서,
(a): 식각 전의 티타늄 기판의 표면의 SEM 사진이며,
(b): 상기 티타늄 기판의 식각 후의 SEM 사진(실시예 1)이며,
(c): 상기 실시예 1에서 제조된 기판에 Pt 전류집전체 및 양극활물질로서 LiCoO2를 증착시킨 후의 SEM 사진(실시예 2)이며,
(d)는 LiCoO2가 증착된 홀의 벽면 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에서 제조된 습식식각된 티타늄 기판의 표면 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 박막형 전지와 비교예 1에서 제조 된 박막형 전지의 방전용량을 비교하여 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 박막형 전지와 비교예 1에서 제조된 박막형 전지의 출력특성을 비교하여 그래프로 도시한 것이다.
*도면 부호의 설명*
10: 기판 20: 제1콜렉터
30: 캐소드 40: 전해질층
50: 애노드

Claims (7)

  1. 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서,
    상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다수의 반구형 홈이, 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만을 제거한 레지스트 패턴을 기판 또는 제 1 콜렉터 상에 형성하고, 습식식각을 수행하여 형성된 것임을 특징으로 하는 박막형 전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 기판과 제1콜렉터 사이에 접착 증가층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 전지.
  4. 기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계;
    상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계;
    상기 캐소드상에 전해질층을 형성하는 단계,
    상기 전해질층상에 애노드를 형성하는 단계, 및
    상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지의 제조방법에 있어서,
    상기 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 구성요소들을 물리적 기상증착에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기에서 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계가,
    기판 또는 제1콜렉터 상에 포토레지스트를 도포하고 예비소성(soft bake) 하는 단계;
    기판 또는 제1콜렉터 상에 특정한 반구형 홈들이 형성될 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하는 단계; 및
    상기 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 한 후, 습식식각 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기에서 포토마스크가 정사각형의 격자무늬 중 대각 선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 것임을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계가 기판과 제1콜렉터 사이에 접착 증가층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법.
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