KR101231396B1 - 플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자 - Google Patents

플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자 Download PDF

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Abstract

플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 전지소자 제조방법은 희생기판 상에 전지층을제조하는 단계; 상기 희생기판을 제거하는 단계; 및 전사층을 이용, 상기 전지층을 플라스틱 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자{A manufacturing method for plastic battery device, plastic battery device manufactured by the same}
본 발명은 플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라스틱 기판상에 소자의 변형 없이 전지를 효과적으로 전사, 제조될 수 있는 플라스틱 전지소자 제조방법, 이에 따라 제조된 플라스틱 전지소자에 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 전지소자는 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 전지이다. 전지는 에너지 저장 소자로서, 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 것을, 이러한 충전이 불가능한 일차전지와 충전가능한 이차전지로 보통 구분된다. 이중 이차전지는 양극(캐소드), 음극(애노드) 및 상기 양극과 음극 사이에 구비되는 전해질로 이루어진 구조이며, 현재 하이브리드 자동차, 소형 가전 제품 등에서 널리 사용되고 있으나, 상술한 바와 같이 플라스틱 기판상에 구현시킨 이차전지는 상술한 문제, 즉, 고온의 공정을 견딜 수 없다는 문제 등으로 인하여 현재 개시되지 못하는 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이차전지가 플라스틱 기판에서 구현된 플라스틱 전지소자 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 제조방법에 따라 제조된 플라스틱 전지소자를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 희생기판상에 전지층을제조하는 단계; 상기 희생기판을 제거하는 단계; 및 전사층을 이용, 상기 전지층을 플라스틱 기판으로 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 전지소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 희생기판을 제거하기 전, 상기 전지층 상에 지지기판을 접합시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 희생기판 및 지지기판은 각각 제 1 실리콘 기판 및 제 2 실리콘 기판이며, 상기 제 1 실리콘 기판상에는 실리콘 산화물층이 적층된다.
본 발명의 일 실시예에서 제 2 실리콘 기판상에 전사층을 접합시킨 후, 상기 전지층을 플라스틱 기판으로 전사시키며, 상기 전사층은 폴리디메틸실록산을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 플라스틱 기판상에는 접착층이 구비되며, 상기 실리콘 산화물층이 플라스틱 기판상의 상기 접착층과 접촉하여, 상기 전지층이 플라스틱 기판에 접합된다.
본 발명의 일 실시예에서 플라스틱 전지소자 제조방법은 제 1 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 산화물층상에 전지층을 제조하는 단계; 상기 전지층의 측면과 상부를 제 1 접합층으로 도포하는 단계; 상기 전지층 상부에 제 2 실리콘 기판을 접합시키는 단계; 상기 제 1 실리콘 기판을 제거하는 단계; 상기 제 2 실리콘 기판과 전사층을 접합시킨 후, 상부에 제 2 접합층이 도포된 플라스틱 기판에 상기 전지층를 전사시키는 단계; 및 상기 제 2 실리콘층 및 제 1 접합층을 제거하여, 상기 전지층을 상기 플라스틱 기판상에서 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 제 1 실리콘 기판 제거는 습식식각 방식으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 접합층은 상기 실리콘 산화물층과 접촉하며, 이로써 상기 실리콘 산화물층 상의 전지층은 제 2 접합층 하부의 플라스틱 기판과 연결된다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 상술한 방법에 의하여 제조된 플라스틱 전지소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 플라스틱 전지소자는 플라스틱 기판; 상기 플라스틱 기판상의 접합층; 및 상기 접합층상에 적층된 전지층을 포함하며, 여기에서 상기 전지층과 접합층 사이에는 실리콘 산화물층이 구비된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전지층은 상기 실리콘 산화물층 상에서 제조된 후 상기 플라스틱 기판으로 전사되며, 상기 전사는 상기 전지층상에 구비된 실리콘 기판과 전사층 사이의 접합에 따라 진행되며, 상기 전사 후 상기 전지 상에 구비된 실리콘 기판은 제거된다. 또한 상기 전사층은 폴리디메틸실록산을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플렉서블 전지소자 제조방법 및 전지소자는 실리콘 기판에서 제조된 후, 하부의 실리콘 기판이 제거된다. 특히 하부 실리콘 기판 제거에 따라 전지가 프리스탠딩되어, 변형이 생기는 문제를 방지하기 위하여, 별도의 실리콘 산화물 기판을 전지와 하부 실리콘 기판 사이에 구비시킨다. 또한, 상부의 별도 실리콘층을 통하여 전사시 발생하는 소자 변형, 오염 등의 문제를 효과적으로 방지하고, 전사의 정확도를 증대시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에 따르면 플라스틱 기판상에 소자의 변형 없이 전지소자를 효과적으로 전사, 제조할 수 있다.
도 1 내지 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 전지소자 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플라스틱 전지소자를 나타내는 도면이다.
이하 바람직한 실시예 및 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 다음에 소개되는 실시예들은당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A', B-B', 또는 C-C')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.
본 명세서에서 플라스틱 기판은 유연성, 즉, 플렉서블 특성을 가지는 임의의 모든 기판을 다 포함하는 것으로 해석되며, 보다 명확하게는 플렉서블 중합체를 의미한다.
본 발명은 플라스틱 전지소자 제조방법으로, 고온 및 극심한 조건의 반도체 공정이 진행될 수 있는 기판 위에 전지소자를 제조한 후, 기판을 제거하는 방식을 제안한다. 여기에서 기판은 실제 전지가 작동하는 플라스틱 기판이 아니라, 제조공정에서만 사용된 후 제거되므로, 희생기판이라 지칭된다. 즉, 본 발명은 희생기판에서 전지층 (즉, 박막 형태의 전지소자로 이루어진 층)을 제조한 후, 제조된 전지층을 플라스틱 기판으로 전사하는 방식을 취한다.
더 나아가, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 희생기판 자체가 모두 제거되는 경우, 전지층이 프리스탠딩 상태가 되어 소자가 접혀지거나 휘게 되는 물리적 변형이 발생하는 문제를 해결하기 위하여, 전지층 위에 소정의 지지기판을 먼저 접합시켜, 희생기판 제거 후 발생할 수 있는 전지층의 변형을 방지한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 지지기판과 희생기판은 모두 실리콘 기판이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
더 나아가, 본 발명은 희생기판 제거시 발생할 수 있는 소자의 손상을 방지하기 위하여, 상기 희생기판과 전지층 사이에 산화물층과 같은 버퍼층을 구비시키며, 상기 산화물층은 습식 식각에 있어, 느린 식각 속도를 나타내므로, 일종의 식각멈춤층으로 기능하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지소자 제조방법은 희생기판 상에 산화물층을 형성하는 단계; 상기 산화물층상에 전지층을 제조하는 단계; 상기 전지 위에 실리콘층을적층하는 단계; 상기 희생기판을 제거하는 단계; 및 상기 실리콘층에전사층을 접합시킨 후, 상기 산화물층상에 구비된 전지를 플라스틱 기판으로 전사시키는 단계를 포함한다. 상기 기판은 고온의 전지 제조공정을 견딜 수 있는 기판, 예를 들면 실리콘 기판일 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 전지소자 제조방법을 도면과 함께 설명한다.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(100)이 개시된다. 상기 실리콘 기판은 바람직하게는 단결정 실리콘 기판이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 2를 참조하면, 상기 실리콘 기판(100)에 대한 산화공정이 진행되어 실리콘 산화물층(200)이 상기 실리콘 기판(100) 상에 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 산화 공정은 PECVD 공정이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 상기 실리콘 산화물층(200) 상에 전지층(300)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전지는 고체상태 전지(Solid State Battery)로서, 고체 전해질을 포함하는 박막 리튬 이차전지이었으나, 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전지(300)는 전지의 기본구조, 즉, 양극, 음극 및 전해질을 포함하며, 소정의 높이 및 면적으로 가지는 박막 이차전지이므로, 이하 전지층이라 표현된다.
도 4 내지 도 8은 상술한 전지층(300)의 구체적인 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 전류집전체(310)가 적층된다. 여기에서 상기 전류집전체는 전지에서 발생하는 전류를 수집(collect)하여 외부로 전달하는 기능을 수행하며, 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu)등과 같은 금속 재료가 사용되나, 전극활물질 또는 리튬과 반응하여 리튬의 가역적 반응을 방해하지 않고 전류를 통할 수 있다면 본 발명은 이에 특별히 한정되지 않는다.전류집전체와 기판 사이는 접착력 향상을 위하여 티타늄(Ti), 크롬(Cr)과 같은 부착층(미도시)이 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 전류집전체(310) 위로 전극물질이 증착되어, 양극(320)이 적층된다. 본 발명에서 사용된 리튬 이차전지의 경우, 양극으로 LiCoO2, LiNiO2 등의 층상계 소재, LiMn2O4 등의 스핀넬계 소재, LiFePO4 등의 올리빈계 소재, Li2FeSiO4 등의 실리케이트계 소재 등의 리튬산화물을 사용할 수 있다.
양극 물질로 사용되는 리튬 산화물은 집전체(current collector)위에 보통 스퍼터링법으로 증착된 후 고온 열처리를 통하여 결정화된다. 예를 들어 고속열처리공정(rapid thermal process)의 경우는 보통 500℃ 이상에서 10분 이상, 가열로(furnace)의 경우는 500℃ 이상에서 2시간 이상의 열처리 시간을 요한다. 본 발명의 경우, 하부의 실리콘 기판이 가지는 우수한 내열 특성으로 인하여, 이러한 고온 열처리 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 양극(320) 상으로 전해질층(330)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 전해질층(330)의 전해질은 고체 전해질이며, LiPON(Lithium Phosphorus Oxynitride)과 같은 물질을 주로 사용하였다. 하지만, 리튬이온의 이동에 의하여 전기를 통할 수 있다면 특별히 한정되지 않는다.
도 7을 참조하면, 상기 전해질층(330) 위로 음극(340)이 적층되는데, 상기 음극 물질로는 주로 리튬금속, 리튬합금, 탄소계 재료, 실리콘, 실리콘 합금 등이 사용될 수 있으나, 리튬의 삽입과 탈리가 가역적으로 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다.
도 8을 참조하면, 상기 음극(340) 위로 포장재층(350)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 포장재층(350)은 전극 물질의 외부와의 접촉을 막아 전지의 성능을 저하시키는 부수적 반응을 방지하는 것으로, 당업계에서 사용되는 임의의 모든 물질이 상기 포장재층(350)에 포함될 수 있다. 이상 도 4 내지 8의 공정을 통하여, 전류집전체(310)-양극(320)-전해질층(330)-음극(340)-포장재층(350)으로 이루어진 전지층(300)이 형성된다. 하지만, 전류를 저장하여, 생성시키는 임의의 다른 구조도 상기 전지층(300)에 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 더 나아가, 도 4 내지 8의 공정을 통하여 제조된 본 발명의 전지층(300) 면적은 하부의 실리콘 기판(100)보다 적은 면적인 것이 바람직하다.
도 9를 참조하면, 상기 전지층(300)으로 제 1 접착층(400)이 도포되는데, 이때 상기 제 1 접착층(400)은 전지층(300)이 적층되지 않는 실리콘산화물층(200) 또한 도포하게 된다. 이때 상기 제 1 접착층(400)의 높이는 전지층(300)의 높이보다 높으며, 이로써 상기 제 1 접착층(400)은 전지층(300)을 완전히 덮을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 접착층(400)은 경화성 수지인 에폭시 수지이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 10을 참조하면, 전지층(300)을 완전히 도포하는 접착층(400) 위로 다시 또 다른 실리콘 기판(110)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서는열판(heating plate) 위에서 약간 굳힌 접합층(400) 위로 상기 실리콘 기판(110)을 얹어 완전히 굳히는 방식을 취하였다. 상기 상부 실리콘 기판(110)은 하부 실리콘 기판(100)과 구분되며, 이하 하부 실리콘 기판(100)은 제 1 실리콘 기판, 상부 실리콘 기판(110)은 제 2 실리콘 기판이라 지칭한다. 상술한 바와 같이 제 2 실리콘 기판(110)은 전지층(300)과 물리적으로 접합되며, 하부 기판(100)의 제거에 따라 발생하는 전지층(300)의 물리적 변형을 방지한다. 즉, 본 발명에 따른 플라스틱 전지소자 제조방법은 전지의 하부와 상부에 각각 실리콘 층(기판)을 구비시켜, 이를 순차적으로 제거하는 방식의 플라스틱 전지소자 제조방법을 제공한다.
도 11을 참조하면, 상기 제 1 실리콘 기판(100)은 제거되는데, 본 발명의 일 실시예에서 상기 하부 실리콘 기판(100) 제거는 습식식각 방식으로 수행되었다. 상기 습식식각에 의하여 전지가 구비되는 하부 기판은 제 1 실리콘 기판(100)이 아닌 실리콘 산화물층(200)이 된다. 이는 습식식각 공정에서의 실리콘 산화물층(200) 느린 식각속도에 기인하며, 만약, 실리콘 산화물층(200)이 없는 경우, 전지소자(300)가 바로 식각액에 노출되는 문제가 발생한다. 더 나아가, 본 발명의 일 실시예는 실리콘 산화물층(200)만으로 전지층의 하부기판을 구성하는 경우, 식각액이 전지층 사이로 침투할 수 있다는 문제를 방지하기 위하여, 하부의 제 1 실리콘 기판을 기판 바깥쪽으로 일부 남기는 방식을 취하였다. 즉, 습식식각의 경우, 식각액(예를 들어, KOH, 테트라메틸암모늄히드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide (TMAH)) 등)이 실리콘 산화물층(200)과 전지층(300) 사이로 스며드는 문제가 발생할 수 있으므로, 소정 높이로 제 1 실리콘 기판(100)을 기판 주변부에 남겨 식각액이 기판 측면으로 넘어가지 못하도록 하였다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 적어도 전지층(200) 영역의 하부 실리콘 기판(100)이 식각 공정을 통하여 제거되는 한, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 상기 기판 주변의 제 1 실리콘 기판(100)은 그라인딩 등을 통하여 제거된다.
도 11을 참조하면, 하부 제 1 실리콘 기판이 제거된 전지층(300)은 여전히 제 2 실리콘 기판(110)과 접촉, 접합된 상태를 유지한다. 이후, 제 2 실리콘 기판(110)은 전사층(미도시)과 접합하게 되는데, 본 명세서에서 전사층은 플라스틱 기판으로 상기 전지소자를 옮길 수 있는 기판 또는 평면 부재를 모두 포함하는 것으로, 예를 들면, 실리콘 기판, 폴리디메틸실록산(PDMS) 층이 모두 상기 전사층에 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 에폭시 또는 SU-8과 같은 접착수지가 도포된 PDMS를 전사층으로 사용하였다.
이후, 상기 제 2 실리콘 기판(110)과 접합된 전사층을 이용, 상기 전지층(300)은 플라스틱 기판으로 전사된다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 플라스틱 전지는 하부 플라스틱 기판(600), 상기 하부 플라스틱 기판(600) 상의 제 2 접합층(500), 상기 제 2 접합층(500)과 접촉함으로써 접합된 실리콘 산화물층(200)을 포함하며, 상기 실리콘 산화물층(200) 상에 전지층(300)이 적층되며, 상기 전지층(300)의 상부에는 제 2 실리콘층(110)이, 측면에는 제 1 접합층(400)이 구비된 상태이다.
도 13을 참조하면, 플라스틱 기판(600)으로 전사된 전지소자(300)의 측면과 상부의 제 1 접합층 및 제 2 실리콘 기판은 제거되며, 이로써 플라스틱 기판(600)위에 노출된 전지층(300)이 형성된, 소위 플라스틱 전지소자가 제조된다. 본 발명의 일 실시예에서는에폭시 수지인 상기 제 1 접합층을 아세톤 등과 같은 유기용매로 녹이는 방식으로 제 2 실리콘 기판(110) 및 제 1 접합층(400)을 하부 전지소자(300)로부터 분리, 제거하였다.
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.

Claims (16)

  1. 플라스틱 전지소자 제조방법으로, 상기 방법은
    제 1 실리콘 기판상에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 산화물층상에 전지층을 제조하는 단계;
    상기 전지층의 측면과 상부를 제 1 접합층으로 도포하는 단계;
    상기 전지층 상부에 제 2 실리콘 기판을 접합시키는 단계;
    상기 제 1 실리콘 기판을 제거하는 단계;
    상기 제 2 실리콘 기판과 전사층을 접합시킨 후, 상부에 제 2 접합층이 도포된 플라스틱 기판에 상기 전지층를 전사시키는 단계; 및
    상기 제 2 실리콘층 및 제 1 접합층을 제거하여, 상기 전지층을 상기 플라스틱 기판상에서 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 전지소자 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판 제거는 습식식각 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 전지소자 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 접합층은 상기 실리콘 산화물층과 접촉하며, 이로써 상기 실리콘 산화물층 상의 전지층은 제 2 접합층 하부의 플라스틱 기판과 연결되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 전지소자 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 플라스틱 전지소자.
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