KR101042241B1 - 플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지 - Google Patents

플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지 Download PDF

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Abstract

플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지가 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 이차전지 제조방법은 희생 기판상에 전극물질을 포함하는 이차전지 소자를 적층하는 단계; 상기 소자를 고온 처리하여 상기 전극물질을 결정화하는 단계; 상기 이차전지 소자 하부의 희생기판을 식각하여, 상기 이차전지 소자를 상기 희생기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 이차전지 소자를 전사층을 이용하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계를 포함하며, 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지 제조방법은 실리콘 기판과 같은 딱딱한 희생기판 상에 이차전지를 제조한 후, 이를 고온처리함으로써 이차전지의 특성을 향상시킬 수 있고, 또한 플렉서블 기판에 따른 공정상의 제약을 피할 수 있다. 더 나아가, 대면적인 경우, 이차전지의 복수 지점으로부터 동시에 비등방 식각을 진행한 후, 하부 희생기판을 제거하는 방식에 의하여 대면적 플렉서블 이차전지의 구현이 가능하다.

Description

플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지{A manufacturing method for flexible secondary cell, the flexible secondary cell manufactured by the same}
본 발명은 플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지를 희생기판으로부터 분리하고, 이를 플렉서블 기판에 전사시킴으로써 플렉서블 기판에 의한 공정상의 제약을 피할 수 있고, 또한 고온처리에 따른 이차전지 특성 향상을 동시에 달성할 수 있는 플렉서블 이차전지 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 이차전지에 관한 것이다.
현재 정보통신의 발달에 따라 새로운 형태의 고성능 유연 소자의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 전기 소자를 작동시키기 위해서는 고성능 반도체 소자와 더불어 에너지원을 공급하고 저장할 수 있는 유연 에너지 소자 기술이 필요한데 현재까지는 고온공정이 불가능한 플라스틱 기판의 한계에 의하여 고성능 에너지 저장 기술을 구현하는 것이 불가능하였다. 종래의 전기 소자는 딱딱한 실리콘 기판 에서 제조된 후 그 형태로 응용되고 있는데, 그 이유는 바로 이러한 소자들의 제조공정이 고온의 반도체 공정을 통하여 제조되기 때문이다. 하지만, 이러한 소자 기판의 한계는 압전소자, 이차전지 등의 응용 범위를 제한하는 문제가 있다.
특히 이러한 에너지 저장 소자 중 하나가 이차전지이다. 이차 전지(secondary cell) 또는 축전지(storage battery)와 같은 에너지 저장 소자는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는데, 이러한 이차전지는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드 및 애노드 사이에 구비되는 전해질층으로 이루어진 구조이며, 현재 하이브리드 자동차, 소형 가전 제품 등에서 널리 사용되고 있으나, 상술한 바와 같이 플렉서블 기판상에 구현시킨 이차전지는 상술한 문제 등으로 인하여 현재 개시되지 못하는 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이차전지가 플렉서블 기판에서 구현된 플렉서블 이차전지 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 제조방법에 따라 제조된 플렉서블 이차전지를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 희생 기판상에 전극물질을 포함하는 이차전지 소자를 적층하는 단계; 상기 소자를 고온 처리하여 상기 전극물질을 결정화하는 단계; 상기 이차전지 소자 하부의 희생기판을 식각하여, 상기 이차전지 소자를 상기 희생기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 이차전지 소자를 전사층을 이용하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법을 제공한다. 상기 고온 처리는 700 내지 900℃의 온도 범위에서 수행되며, 상기 희생 기판은 (1,1,1) 결정 구조의 단결정 실리콘 기판이며, 상기 소자 하부의 희생기판 식각은 (1,1,0)방향으로의 비등방 식각이다.
또한, 상기 이차전지 소자는 캐소드층, 전해질층 및 애노드층으로 이루어지며, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 플렉서블 이차전지를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 희생 기판상에 캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 순차적으로 적층하여 소자층을 형성하는 단계; 상기 적층된 소자층 을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계; 상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 희생 기판을 동시에 비등방 식각하여 상기 이차전지 소자층을 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및 전사층을 상기 분리된 소자층에 접촉, 부착시킨 후, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법을 제공한다. 상기 트렌치 구조는 상기 단위 트렌치의 길이 방향이 상기 비등방 식각 방향에 수직하며, 상기 복수 열의 트렌치는 상기 트렌치 길이 방향에서 1nm 내지 10μm 길이 범위만큼 중첩된다. 또한, 상기 트렌치 길이(b)는 10nm 내지 1cm이고, 상기 트렌치 폭(d)은 1nm 내지 50 μm, 트렌치 간 간격은 1 내지 500μm이다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 희생 기판은 (1,1,1) 결정 구조의 단결정 실리콘 기판이며, 상기 비등방 식각은 (1,1,0)방향으로 진행되고, 상기 전사층은 ㄸ또한 PDMS를 포함한다. 상기 캐소드층, 전해질층 및 애노드층은 LiCoO2층, LiPON층 및 Al층이다.
본 발명은 상술한 방법으로 제조된 플렉서블 이차전지를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 적층된 이차전지를 포함하며, 상기 이차전지는 희생 기판에서 제조된 후, 이차전지 하부의 상기 희생 기판을 복수 지점으로부터 동시에 비등방식각함으로써 상기 희생기판으로부터 분리된 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 이차전지는 희생기판에서 분리된 후 상기 플 렉서블 기판에 전사되며, 상기 비등방 식각의 시작 지점은 소정 간격으로 이격된 트렌치이다. 또한, 상기 트렌치는 상기 트렌치의 길이 방향은 상기 비등방식각 방향에 수직한다.
본 발명은 또한 상기 과제를 해결하기 위하여, 제 1 플렉서블 기판상에 패터닝된 제 1 금속층을 형성하는 단계; 제 1 희생 기판상에 제조된 후, 하부 제 1 희생기판이 비등방 식각됨으로써 상기 제 1 희생 기판과 분리된 BTO 소자를 상기 제 1 금속층의 일 영역 및 제 1 플렉서블 기판에 동시에 접촉시킨 후, 떼어냄으로써 압전 소자를 제 1 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 제 2 희생 기판상에 제조된 후, 하부 제 2 희생기판이 비등방 식각됨으로써 상기 제 2 희생 기판과 분리된 이차전지를 상기 제 1 금속층의 타 영역 및 제 1 플렉서블 기판에 동시에 접촉시킨 후, 떼어냄으로써 이차전지를 제 1 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및 상기 제 1 플렉서블 기판에 대향하며, 상기 압전 소자 및 이차전지의 타 측을 전기적으로 연결하는 제 2 금속층이 증착된 제 2 플렉서블 기판을 상기 압전 소자 및 이차전지 타 측에 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법을 제공한다.
상기 압전소자와 제 1 희생 기판의 분리는, 제 1 희생 기판상에 압전소자층을 적층하는 단계; 상기 적층된 압전소자층을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 제 1 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계; 및 상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 제 1 희생 기판을 동시 비등방 식각함으로써 이루어지며, 상기 이차전지와 제 2 희생 기판의 분리 는 제 2 희생 기판상에 이차전지 소자층을 적층하는 단계; 상기 적층된 이차전지 소자층을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 제 2 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계; 및 상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 제 2 희생 기판을 동시에 비등방 식각함으로써 이루어진다.
상기 트렌치 구조는 상기 단위 트렌치의 길이 방향은 상기 비등방 식각 방향에 수직하며, 상기 복수 열의 트렌치는 상기 트렌치 길이 방향에서 1nm 내지 10μm 길이 범위만큼 중첩된다.
본 발명에 따른 플렉서블 이차전지 제조방법은 실리콘 기판과 같은 딱딱한 희생기판 상에 이차전지를 제조한 후, 이를 고온처리함으로써 이차전지의 특성을 향상시킨다. 이후, 이차전지를 희생기판으로부터 분리하고, 이를 플렉서블 기판에 전사시키므로, 플렉서블 기판에 의한 공정상의 제약을 피할 수 있고, 또한 고온처리에 따른 이차전지 특성 향상을 동시에 달성할 수 있다. 또한, 이차전지의 복수 지점으로부터 동시에 비등방 식각을 진행한 후, 하부 희생기판을 제거하는 방식에 의하여 대면적의 플렉서블 이차전지의 구현이 가능하다.
이하 바람직한 실시예 및 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 하기의 실시예 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 이에 한정되거나 제한되지 않는다.
본 발명은 희생 기판상에 전극물질을 포함하는 이차전지 소자를 적층하는 단계; 상기 소자를 고온 처리하여 상기 전극물질을 결정화하는 단계; 상기 이차전지 소자 하부의 희생기판을 식각하여, 상기 이차전지 소자를 상기 희생기판으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 이차전지 소자를 전사층을 이용하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 전극물질을 결정화시키는 고온 공정을 실리콘 기판과 같은 희생기판에서 수행하여, 이차전지의 특성을 개선시킨 후, 이를 플라스틱과 같은 플렉서블 기판에 전사시키는 방식으로 이차전지, 특히 플렉서블 이차전지를 제조한다. 따라서, 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지는 실리콘과 같은 희생기판에서 고온 과정을 거친 후 플렉서블에 전사되므로, 전지 효율이 우수하다.
이하 도면을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이차전지 소자 의 제조방법을 설명한다. 먼저, 본 발명의 이차전지와 함께 사용될 수 있는 BTO 소자 제조방법을 설명한 후, 다시 본 발명에 따른 플렉서블 이차전지 제조방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 희생 기판으로 실리콘 기판, 특히 (1,1,1)의 결정 구조를 갖는 단결정 실리콘 기판이 개시된다. 도 2를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100) 상에 금속층(101)이 적층되는데, 상기 금속층 물질로는 부착층으로 사용되는 티타늄 (Ti, Titanium)에 코팅되는 백금 (Pt, Platinum)을 사용하는데, 이는 고온공정에서도 열화현상이 낮으므로 널리 사용되기 때문이다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 상기 금속층(101)은 압전소자, 특 히 BTO 압전 소자의 하부 전극으로 기능하게 되므로, 이하 하부전극(101)으로 지칭된다. 상기 하부 전극(101)상에 압전재료층인 BTO층(102)이 적층된다(도 3 참조). 상기 BTO층(102)상에는 또 다른 금속층(103)이 적층되는데, 상기 금속층(103)은 BTO 압전 소자 구조에 있어서 상부전극으로 기능하게 된다. 상기 금속층(103)의 전극 물질로 금(Au)이 사용될 수 있다. 이후 상기 희생기판인 실리콘 기판을 고온으로 가열한 후, 양쪽 전극에 수 kV/mm의 전계를 걸어주어, 압전특성을 뛰어나게 하는 공정인, 소위 폴링(polling) 공정이 수행된다. 본 발명은 특히 고온으로 진행되는 폴링 공정에서 플라스틱과 같은 플렉서블 기판은 견디기 어렵다는 점에 착안하여, 폴링 공정 자체를 먼저 희생기판인 실리콘 기판에서 진행하는 방식을 제안한다. 이후 상기 BTO 소자의 상부 금속층(103)은 패터닝되고(도 4 참조), 다시 패터닝되어 노출된 BTO 소자층은 수직 식각됨으로써 소정 간격, 소정 길이, 소정 폭을 갖는 복수 개의 트렌치가 형성된다(도 5 참조).
즉, 본 발명의 일 실시예에서 상기 트렌치(104)는 소정 간격(a)으로 이격되어, 길이 방향으로 소정 길이(b)를 갖는다. 또한, 상기 패터닝에 의하여 소정 간격으로 이격된 트렌치를 복수 개 포함하는 복수 개의 트렌치 열(L1, L2, L3)이 형성된다. 상기 트렌치(104)는 또한 소정 길이의 폭(d)를 가지며, 상기 트렌치 열은 이에 속하는 각각의 트렌치가 서로 교차, 반복하여 서로 연결되지 않는 구조를 가지며, 이를 통하여 소자 전체는 트렌치에 의하여 완전히 분리되지 않고, 서로 연결된다. 만약 전체 실리콘 기판에 대하여 단일 열의 트렌치가 형성되는 경우, 각 트렌치 사이의 소자는 서로 분리, 독립되며, 결국 동일 전사층을 통하여 기판상의 소자 전체가 한꺼번에 분리, 전사되기 어렵기 때문에, 본 발명은 트렌치 열을 복수 개 구비하는 방식을 제공한다. 여기에서 교차, 반복한다는 말은 인접한 두 열의 트렌치는 서로 연결되지 않고, 이격되어, 반복되는 구조를 의미하며, 이는 도 4, 5에서 예시된다.
본 발명은 상기 BTO 소자를 희생기판인 실리콘 기판에서 제조한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사시키는 방식을 제공하므로, 상기 트렌치 구조 각 열에서 교차 반복하는 트렌치는 소정 거리 c 만큼 중첩되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 상기 트렌치 구조는 BTO 소자 하부의 실리콘 기판에 대한 비등방 식각의 시작지점이 되는데, 상기 비등방 식각은 상기 트렌치 구조의 횡 방향(A-A'방향)으로 진행된다. 따라서, 실리콘 기판에서 BTO 소자를 모두 식각시키기 위해서는 상기 트렌치는 종 방향(B-B'방향)으로 중첩되는 것이 중요하다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 트렌치 열의 간격 및 치수인 a, b, c, d는 이후 진행되는 비등방 식각 공정의 효과적인 수행에 있어서 중요한데, 이하 비등방 식각 공정과 함께 설명하다.
도 5를 참조하면, 상기 트렌치 열(104) 사이로 노출된 BTO 층(102) 및 하부 전극(101)은 수직 식각된다. 식각 공정은 실리콘 기판에 포로레지스트를 적층, 패터닝한 후 상부전극, BTO, 그리고 하부전극을 ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching) 공정을 통해 식각한다. 이로써 상기 트렌치 패턴에 따라 소정 간격(a)으로 이격된 BTO 소자(하부전극-BTO층-상부전극으로 이루어진 3층 구조)가 실리콘 기판 상에 형성된다. 특히, 본 발명에서는 상기 식각 공정 결과 하부의 실리콘 기판(100)은 노출되며, 상기 노출된 실리콘 기판은 다음에 진행되는 비등방 식각, 즉, 기판의 횡 방향으로 진행되는 비등방 식각의 시작지점이 된다.
도 6은 트렌치 구조 하부에 노출된 실리콘 기판으로부터 실리콘 기판을 식각하는 공정을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 실리콘 기판(100) 상에는 소정 간격으로 이격된 트렌치 구조를 갖는 BTO 소자가 개시되며, 상기 트렌치 구조 아래에 노출된 실리콘 기판(100)을 식각함으로써 상기 BTO 소자를 분리하게 된다. 대면적의 실리콘 기판인 경우 소자 하부의 실리콘 기판을 모두 식각하는 것은 상당한 시간이 걸리고, 잘못하면 기판 자체가 수직으로 식각되는 문제가 있으므로, 본 발명은 상기 비등방 식각의 시작 지점, 즉, 트렌치를 복수개로 하고, 상기 트렌치로부터 동시 식각되는 실리콘 기판 영역이 서로 중첩되는 방식을 취한다.
즉, 본 발명의 비등방 식각의 시작 영역인 트렌치의 복수 열은 종 방향(B-B', 즉, 트렌치 길이방향으로 소정 길이 c 만큼 중첩된다. 특히 본 발명의 일 실시예에서 상기 중첩 길이 c는 1nm 내지 10μm 범위인 것이 바람직하다. 만약, 상기 범위보다 적은 경우, 전체 면적에서 비등방 식각이 안되고, 반대로 상기 범위보다 큰 경우, 연속된 금속선을 만드는데 있어 어려움이 존재한다. 또한 본 발명에서 상기 트렌치 열의 길이(b)는 10nm 내지 1cm인 것이 바람직하다. 만약 트렌치 열의 길이(b)가 상기 범위 미만인 경우, 소자의 길이가 너무 작아져 소자 효율이 떨어지는 문제가 있고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우, PDMS에 의하여 소자를 분리시킬 때 하부 실리콘 기판이 충분히 식각, 분리되지 않아 전사 시 소자 변형을 일으키는 문제가 있다. 또한 본 발명에서 상기 트렌치 열의 폭(d) 범위를 1nm 내지 50μm로 제시한다. 만약 상기 범위 미만인 경우 비등방 식각 공정시 식각액이 하부 실리콘 기판(100)까지 충분히 침투하지 못하는 문제가 있고, 반대로 상기 범위를 벗어나는 경우 실리콘 기판에서 제조되는 BTO 소자의 활성 영역이 과도하게 줄어드는 문제가 있다. 더 나아가, 상기 트렌치 열 간의 간격 a는 1 내지 500μm인 것이 바람직하다. 상기 범위 미만인 경우, 효율성이 낮으며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우는 소자 하부의 실리콘 기판을 식각하기 위한 시간이 과도하게 진행되며 새깅효과로 인하여 식각이 불가능하다. 이와 같이 본 발명은 소자 하부의 실리콘 기판을 복수 지점에서 동시 식각하여 BTO 등과 같은 소자를 실리콘 기판으로부터 효과적으로 분리할 수 있다.
실리콘 기판의 상기 비등방 식각은 다양한 방식으로 진행될 수 있는데, 수직으로의 식각속도보다 수평으로의 식각속도가 우세한 식각액을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, (1,1,1)의 단결정 실리콘인 경우, 습식식각에 의한 비등방식각의 식각방향의 배향이 (1,1,0)이 되면 균일한 측면 식각의 방향성을 달성할 수 있는 점을 이용할 수 있으며, 이때 TMAH 또는 KOH 용액 등과 같은 식각 용액을 사용하는 경우 결정방향에 따라 식각 속도가 상이해지며 ((101):(100):(111)=300:600:1의 식각속도), 그 결과 (110) 방향, 즉 수평으로의 비등방성 식각이 효과적으로 이루어질 수 있다
도 7 및 8을 참조하면, 상기 하부 실리콘 기판(100)이 식각된 BTO 소자에 PDMS가 접촉된 후, 실리콘 기판(100)으로 이격됨으로써, 기판 상의 BTO 소자를 실리콘 기판(100)으로부터 분리한다. 이상의 공정을 통하여, 실리콘 기판(100)에서 제조된 BTO 소자는 PDMS(110)에 의하여 실리콘 기판(100)으로부터 분리된다. 하지만, 본 발명은 압전기 효과에 의하여 전기를 생산하는 BTO 소자 등의 전기발생소자로부터 발생한 전기를 저장하기 위한 이차 전지 또한 상술한 방식으로 제조하는 데, 이하 상기 이차 전지, 특히 플렉서블 이차전지를 제조하기 위한 공정을 이하 설명한다.
도 9는 희생기판인 실리콘 기판(200)이 개시된다. 특히 상기 실리콘 기판은 (1,1,1)의 결정 구조를 갖는 단결정 실리콘 기판인 것이 바람직하다. 도 10을 참조하면, 상기 실리콘 기판(200)상에 캐소드(201)가 적층되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 캐소드(201)로 LiCoO2를 포함한다. 하지만 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며 당업계에서 사용되는 어떤한 종류의 물질도 캐소드로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 캐소드(201) 물질을 증착한 후, RTA(Rapid thermal annealer) 장비를 통해 700~900℃사이의 온도에서 10 분간 유지하여 결정화 공정을 진행하였으며, 이러한 고온 결정화 공정을 통하여 캐소드(201) 특성은 향상된다. 만약 상기 온도 범위 미만인 경우 충분한 결정 효과를 달성하기 어렵고, 상기 온도 범위를 초과하는 경우 과도하게 높은 온도로 인하여 소자의 변형, 물질의 용융 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 특히 이차전지 특성 향상을 위한 고온의 결정화 공정을, 고온에서 구조적 변형이 없는 실리콘 기판에서 진행한 후, 다시 이를 플렉서블 기판에 전사시키는 방식으로, 고효율 플렉서블 이차전지를 제조한다.
도 11을 참조하면, 상기 캐소드(201) 상에는 전해질층(202)이 적층되는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전해질로 LiPON이 사용되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 당업계에서 이차전지 전해질로 사용될 수 있는 임의의 모든 물질이 상기 전해질층(202)의 구성 물질로 사용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
도 12를 참조하면, 상기 전해질층(202)상에는 애노드(203)가 적층되는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 애노드(203)는 알루미늄(Al) 이었다. 도 11을 참조하면, 이후 상기 이차전지 소자층(캐소드-전해질-애노드)은 패터닝되어, 소정 간격(a)으로 이격되며, 또한 상기 트렌치 열 각각은 실리콘 기판의 종 방향 (B-B')으로 소정의 길이(b)를 갖게 되다. 또한 상기 트렌치 열은 소정 너비의 폭(d)를 가지게 되는데, 상기 트렌치 구조의 치수는 특히 비등방 식각과 후속하는 PDMS 분리 공정의 효율을 극대화하는 중요한 요소로서, 상기 수치의 범위는 상술한 바와 동일하다. 즉, 실리콘 기판을 비등방식각하고, PDMS로 이를 분리, 전사시키는 공정은 실리콘 기판 위의 소자 종류와 관계없이 동일하므로, 상기 트렌치 구조의 치수 범위는 BTO 소자에서 적용한 범위와 동일하다. 도 13의 패터닝 공정 후 트렌치(204) 하부에는 실리콘 기판(200)이 노출되는데, 상기 실리콘 기판(200)은 비등방 식각된다(도 14참조). 즉, 실리콘 기판이 (1,1,1) 단결정구조인 경우, 상기 비등방 식각은 (1,1,0) 방향으로 우세하게 진행하며, 도 11및 12의 실리콘 기판에서는 A-A'방향(즉, 횡 방향)으로 비등방 식각이 진행된다. 상기 비등방 식각 공정은 상술한 바와 같으니, 이하 생략한다.
본 발명에서는 복수 개의 이차전지 또는 BTO 소자를 먼저 희생기판, 즉, 실 리콘 기판상에서 제조하기 위해서는 상기 A-A'방향으로 소자 전 영역(즉, 실리콘 전 영역)에서 비등방 식각이 진행되어야 하며, 이를 위해서 본 발명은 상기 트렌치 구조의 각 열이 상기 비등방 식각 방향과 수직하는 방향, 즉, 종 방향으로 소정 이상의 길이를 가지며, 상기 각 열은 상기 종 방향(즉, 길이 방향)에 대하여 소정 길이만큼 중첩되어야 하며, 이를 통하여 하부 실리콘 기판의 식각과 상부 소자의 분리가 가능해진다. 소정 간격으로 복수 개의 트렌치 구조로부터 동시에 진행되는 비등방 식각에 따라 상기 소자층 하부의 실리콘 기판은 모두 식각되어, 상기 소자층은 독립된 소자로 완성된다. 도 15를 참조하면, 비등방 식각이 진행되어 실리콘 기판으로부터 분리된 이차전지 소자에 제 1 플렉서블 기판인PDMS 기판(210)가 접근, 접촉하게 된다. 이로써 상기 이차전지 소자는 PDMS(210)에 부착되게 되며, 도 16을 참조하면, 상기 PDMS(210)를 실리콘 기판(200)으로부터 이격시킴으로써 이차전지 소자를 실리콘 기판(200)으로부터 완전 분리하게 된다.
이상의 공정은 모두 본 발명의 예시로서, 모두 희생기판 상에 소자층을 형성한 후, 이를 고온 처리하고, 다시 희생기판으로부터 소자를 분리하여 플렉서블 기판에 전사시키는 방식의 채용하고 있다.
상기 방식의 플렉서블 소자 제조방법을 이용하여, 본 발명은 동일 플렉서블 기판상에 이차전지와 BTO 소자를 동시에 구현하는 방법을 아래와 같이 제공한다.
도 17에서는 새로운 PDMS 기판(500, 제 2 플렉서블 기판)이 개시된다. 도 18을 참조하면, 상기 PDMS(500) 기판에는 제 1 금속층(600)이 적층된다. 상기 제 1 금속층(600)은 이후 구비되는 BTO 소자와 이차전지의 일 전극을 전기적으로 연결하 는 도전선 역할을 수행한다. 따라서, 상기 제 1 금속층(600)은 BTO 소자 및 이차전지가 충분히 접촉할 수 있는 수준의 금속층 패드 영역을 포함하는 것이 바람직하다.
도 19를 참조하면, 상기 제 1 금속층의 소정 영역(일 영역)에 BTO 소자가 접촉하게 되는데, 이때 상기 BTO 소자는 하부의 희생 기판(550, 제 1 희생기판)에서 제조된 후, 상기 제 1 희생기판으로부터 분리된 상태이다. PDMS와의 접촉 시, 상기 BTO 소자의 일부 영역은 제 1 금속층(600)이 아닌 PDMS(500)와도 접촉하게 된다. 이러한 BTO 소자의 PDMS 접촉을 통하여, 제 1 희생 기판에서 분리된 BTO 소자를 효과적으로 분리, 전사시킬 수 있다.
특히, PDMS와 접촉되기 전, 상기 BTO 소자(551) 하부의 제 1희생 기판인 실리콘 기판(550)은 상술한 방식에 따라 이미 비등방 식각(즉, 복수 개의 트렌치로부터의 동시 비등방식각)되며, 상기 실리콘 기판(550) 상부의 BTO 소자는 실리콘 기판(550)으로부터 분리된 상태이다. 따라서, 본 발명에 따른 BTO 소자는 하부 실리콘 기판(550)을 분리시키기 위한 복수 개의 트렌치 구조를 가지며, 상기 트렌치는 복수 열을 이루면서, 그 길이, 크기, 폭의 조건은 상술한 바와 같다. 본 발명에 따른 상기 복수 열의 트렌치는 상호 교차 반복하는 구조로서, 서로 연결되지 않으며, 이러한 구조를 통하여 소자 전체는 하나로 연결되며, 이 중 일부 영역만이 PDMS에 접촉, 부착되어도, 전체 소자가 동시에 하부 희생 기판으로부터 분리, 떨어질 수 있다.
도 20을 참조하면, 제1 PDMS 기판(500)을 소자 하부의 실리콘 기판(552)으로 부터 떼어냄으로써 상기 제 1 금속층(600) 및 제1 PDMS 기판(500)에 BTO 소자(551)를 적층시킨다. 즉, PDMS와 접촉하고 있는 BTO 소자 영역은 PDMS와 BTO 소자 간의 결합력을 제공하고, 금속층과 접촉하는 BTO 소자영역은 전기적으로 금속층과 연결된다.
도 21 및 22를 참조하면, 동일한 방식으로 상기 BTO 소자(551)가 부착된 제 1 금속층의 또 다른 영역에 이차전지(561)를 적층시킨다.
상기 이차전지(561)은 실리콘과 같은 희생기판에서 제조된 후, 고온 처리 과정, 즉, 고온의 결정화 공정을 거친 것으로, 실리콘 기판에서의 고온 공정에 의하여 전지 효율이 우수하다. 또한 상기 이차전지(561)는 희생기판인 실리콘 기판으로부터 분리되어, 상기 PDMS에 전사되며, 이로써 PDMS 소자의 제 1 금속층과도 일부 접촉하게 된다. 즉, 상기 이차전지(561)의 일부 영역은 제 1 PDMS 기판(500)에, 또 다른 영역은 제 1 금속층(600)에 접촉하며, 상기 연결 각각은 결합력과 전기적 연결이라는 효과를 발생시킨다. 지금까지의 공정을 통하여, 플렉서블한 제 1 PDMS 기판에 BTO 소자(551), 이차 전지(561) 및 상기 BTO 소자(551)와 이차 전지(561)를 연결하는 제 1 금속층이 구비된다. 이후 본 발명은 상기 BTO 소자(551) 및 이차 전지(561)의 타 측에 또 다른 PDMS(501) 및 상기 PDMS(501) 상의 제 2 금속층(601)을 접촉, 결합시키며, 이로써 BTO 소자(551) 및 이차 전지(561)의 양 측이 전기적으로 연결된 하나의 완성된 회로 구조를 구현한다(도 23, 24 참조). 즉, 상기 제 2 금속층(601)은 상기 제 1 금속층(600)에 대항하며, 상기 BTO 소자 및 이차전지의 타 측(즉, 소자의 상대 전극)을 전기적으로 연결하게 되며, 이를 통하여, 플렉서블 기 판의 휨이나 가압 등에 따라 BTO 소자로부터 발생하는 전기가 이차 전지로 흘러 이차 전지를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 소자의 종류, 물질의 종류에 제한되거나, 한정되지 않으며, 실리콘 기판에서 반도체 공정에 의하여 제조되는 임의의 모든 소자가 본 발명의 범위에 속하며, 본 발명은 상기 실시예에 의하여 그 범위가 제한되거나 한정되지 않는다.
도 1 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 압전소자 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 9 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 이차전지 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 17 내지 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 에너지 저장 소자의 제조방법을 설명하는 도면이다.

Claims (23)

  1. 희생 기판상에 전극물질을 포함하는 이차전지 소자를 적층하는 단계;
    상기 소자를 고온 처리하여 상기 전극물질을 결정화하는 단계;
    상기 이차전지 소자 하부의 희생기판을 식각하여, 상기 이차전지 소자를 상기 희생기판으로부터 분리하는 단계; 및
    상기 분리된 이차전지 소자를 전사층을 이용하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고온 처리는 700 내지 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 희생 기판은 (1,1,1) 결정 구조의 단결정 실리콘 기판이며, 상기 소자 하부의 희생기판 식각은 (1,1,0)방향으로의 비등방 식각인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이차전지 소자는 캐소드층, 전해질층 및 애노드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 플렉서블 이차전지.
  6. 플렉서블 이차전지 제조방법에 있어서,
    상기 방법은
    희생 기판상에
    캐소드층, 전해질층 및 애노드층을 순차적으로 적층하여 소자층을 형성하는 단계;
    상기 적층된 소자층을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계;
    상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 희생 기판을 동시에 비등방 식각하여 상기 이차전지 소자층을 희생 기판으로부터 분리하는 단계; 및
    전사층을 상기 분리된 소자층에 접촉, 부착시킨 후, 플렉서블 기판에 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 트렌치 구조는 상기 단위 트렌치의 길이 방향이 상기 비등방 식각 방향 에 수직하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 복수 열의 트렌치는 상기 트렌치 길이 방향에서 1nm 내지 10μm 길이 범위만큼 중첩되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 트렌치 길이(b)는 10nm 내지 1cm인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 트렌치 폭(d)은 1nm 내지 50 μm, 트렌치 간 간격은 1 내지 500μm인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 희생 기판은 (1,1,1) 결정 구조의 단결정 실리콘 기판이며, 상기 비등방 식각은 (1,1,0)방향으로 진행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 전사층은 PDMS를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  13. 제 6항에 있어서,
    상기 캐소드층, 전해질층 및 애노드층은 LiCoO2층, LiPON층 및 Al층인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  14. 제 6항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 플렉서블 이차전지.
  15. 플렉서블 기판;
    상기 플렉서블 기판 상에 적층된 이차전지를 포함하며, 상기 이차전지는 희생 기판에서 제조된 후, 이차전지 하부의 상기 희생 기판을 복수 지점으로부터 동시에 비등방식각함으로써 상기 희생기판으로부터 분리된 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 이차전지는 희생기판에서 분리된 후 상기 플렉서블 기판에 전사된 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 비등방 식각의 시작 지점은 소정 간격으로 이격된 트렌치인 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 트렌치의 길이 방향은 상기 비등방식각 방향에 수직하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지.
  19. 제 1 플렉서블 기판상에 패터닝된 제 1 금속층을 형성하는 단계;
    제 1 희생 기판상에 제조된 후, 하부 제 1 희생기판이 비등방 식각됨으로써 상기 제 1 희생 기판과 분리된 BTO 소자를 상기 제 1 금속층의 일 영역 및 제 1 플렉서블 기판에 동시에 접촉시킨 후, 떼어냄으로써 압전 소자를 제 1 플렉서블 기판에 전사시키는 단계;
    제 2 희생 기판상에 제조된 후, 하부 제 2 희생기판이 비등방 식각됨으로써 상기 제 2 희생 기판과 분리된 이차전지를 상기 제 1 금속층의 타 영역 및 제 1 플렉서블 기판에 동시에 접촉시킨 후, 떼어냄으로써 이차전지를 제 1 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 및
    상기 제 1 플렉서블 기판에 대향하며, 상기 압전 소자 및 이차전지의 타 측을 전기적으로 연결하는 제 2 금속층이 증착된 제 2 플렉서블 기판을 상기 압전 소자 및 이차전지 타 측에 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 압전소자와 제 1 희생 기판의 분리는,
    제 1 희생 기판상에 압전소자층을 적층하는 단계;
    상기 적층된 압전소자층을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 제 1 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계; 및
    상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 제 1 희생 기판을 동시에 비등방 식각함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 이차전지와 제 2 희생 기판의 분리는
    제 2 희생 기판상에 이차전지 소자층을 적층하는 단계;
    상기 적층된 이차전지 소자층을 식각하여, 소정 간격으로 이격되며, 하부의 제 2 희생 기판이 노출된 복수 개의 단위 트렌치로 이루어진 트렌치 열을 복수 개 형성시키는 단계; 및
    상기 복수 개의 트렌치 구조 하부의 제 2 희생 기판을 동시에 비등방 식각함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  22. 제 20항 또는 제 21항에 있어서,
    상기 트렌치 구조는 상기 단위 트렌치의 길이 방향은 상기 비등방 식각 방향에 수직하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
  23. 제 20항 또는 제 21항에 있어서
    상기 복수 열의 트렌치는 상기 트렌치 길이 방향에서 1nm 내지 10μm 길이 범위만큼 중첩되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 이차전지 제조방법.
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