KR101286620B1 - 박막 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

셀 외부로 노출되는 박막 전지의 단자를 확장, 보강함으로써 반복되는 검사에 따른 단자의 손상을 방지하고 핀 프루브를 이용한 검사가 용이한 구조의 박막 전지를 제시한다.
본 발명의 박막 전지는, 기판 상에 양극 전류집전체, 양극, 전해질층, 음극 전류집전체 및 음극이 적층되어 형성된 전지 구조체와, 전지 구조체를 덮으며 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체의 일부를 노출하는 보호막, 및 보호막 상에 배치되며, 보호막에 의해 노출된 양극 전류집전체와 접속하는 양극 단자보강 패턴 및 음극 전류집전체와 접속하는 음극 단자보강 패턴을 포함한다.

Description

박막 전지 및 그 제조방법{THIN FILM BATTERY AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 박막 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 양극 및 음극 단자부가 확장, 보강된 박막 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
컴퓨터 기술과 이동 통신의 비약적인 발전으로 시작된 정보 혁명에 의해 정보 기기의 디지털화, 소형화, 멀티미디어화가 급속히 진행되고 있다. 대표적인 휴대용 정보 기기인 노트북, PDA(Personal Digital Assistant), 이동 통신 단말기 등의 에너지원으로서 중량이 작으면서도 에너지 밀도가 큰 리튬 전지가 시장을 주도하고 있다. 이와 같은 전자 기기의 소형화가 더욱 진행될 경우 전지가 시스템의 크기를 결정하는 장벽이 되기 쉽다. 전지가 시스템의 크기를 결정지을 수 있는 대표적인 예로서 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor), 스마트 IC 카드, 마이크로 센서, 마이크로 로봇 등이 있다. 반도체 공정과 MEMS 기술의 발전으로 예측해 볼 때, 박막전지가 차세대의 소형 시스템에 대한 중요한 에너지원으로 사용될 것으로 기대되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 박막 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 박막 전지는 일반적으로 기판(1) 상에 양극 전류집전체(2), 양극(3), 음극 전류집전체(6), 전해질(4), 음극(5) 및 보호막(7)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 이러한 박막 전지는 기판을 제외한 전체 두께가 수 ㎛ 내지 수십 ㎛ 정도로 매우 얇은 두께로 제조된다.
박막 전지는, 박막으로 증착하여 음극 근처에 양극을 배치함으로써 전류 밀도가 높고, 전지 효율 특성이 우수하며, 박막으로 형성하므로 이온 간의 이동 거리가 줄어들게 되어 이온의 이동이 용이해지고 빨라지기 때문에 반응 물질의 함량을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한 박막 전지는 특별한 목적에 부합되도록 임의의 모양과 크기로 제작하기가 용이하여 초소형 전자 소자, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자 및 초소형 센서들을 구동시키는 주전원으로서 매우 유망하다.
이러한 박막 전지의 전류집전체는 박막 전지의 양극 또는 음극을 외부 회로 또는 부하와 연결하는 금속 전도체이다. 전류집전체를 형성하는 재료로서는 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 루테늄(Ru), 크롬(Cr) 등의 단일 금속이 사용되거나 인듐틴옥사이드(ITO)와 같은 전도성 산화물이 사용된다. 일반적으로, 양극 전류집전체로서는 백금(Pt) 및 금(Au) 등의 단일 귀금속이 사용되고, 음극 전류집전체로는 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등이 사용된다.
박막 전지를 대기 중에서 사용하기 위해서는 리튬을 대기중의 수분과 반응하는 것을 차단하기 위해 고분자/산화물 구조의 다층박막을 증착하며 최종적으로 레이저 혹은 스크라이빙(scribing) 기계를 이용하여 단위 셀 형태로 절단함으로써 공정이 완료되게 된다.
한편, 박막 전지를 제조한 후에는 제조된 박막 전지의 화성 평가를 위해 충전/방전을 반복하면서 검사를 실시하는데, 일반적으로 복수 개의 박막 전지를 동시에 검사하기 위하여 지그(zig)와 함께 핀 방식의 프로브를 사용한다.
그런데, 박막전지의 외부로 노출된 단자부는 그 면적이 매우 좁다. 이로 인하여, 다수 개의 박막 전지를 검사하는 과정에서 프로브의 접촉으로 인해 양극 및 음극 단자부에 손상이 발생하는 경우가 빈번하게 일어난다.
또한, 소형 전지 평가시 단자부의 접촉영역이 매우 협소하기 때문에 프로브의 접촉이 용이하지 않아 검사가 제대로 이루어지지 않는 경우도 발생하게 된다.
또한, 전해질, 보호막 등의 비전도영역의 얼라인(align)이 맞지 않을 경우에도 프로브의 접촉이 용이하지 않아 검사가 정확히 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 셀 외부로 노출되는 박막 전지의 단자를 확장, 보강함으로써 반복되는 검사에 따른 단자의 손상을 방지하고 핀 프로브를 이용한 검사가 용이한 구조의 박막 전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 새로운 구조의 박막전지를 제조하는 적합한 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 박막 전지의 단자 보강을 응용하여 사용자의 사용 목적에 따라 다양한 형태의 박막전지를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 박막 전지는, 기판 상에 양극 전류집전체, 양극, 전해질층, 음극 전류집전체 및 음극이 적층되어 형성된 전지 구조체와, 상기 전지 구조체를 덮으며 상기 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체의 일부를 노출하는 보호막, 및 상기 보호막 상에 배치되며, 상기 보호막에 의해 노출된 상기 양극 전류집전체와 접속하는 양극 단자보강 패턴 및 상기 음극 전류집전체와 접속하는 음극 단자보강 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 및 음극 단자보강 패턴은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 도전성 금속 분말과, 에폭시(epoxy) 수지, 페놀(phenol) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 아크릴레이트(acrylate)계 수지 등의 열경화 또는 광경화성 수지를 포함할 수 있다. 이러한 물질로 형성되는 양극 및 음극 단자보강 패턴은 이들 물질 및 용매를 포함하는 도전성 페이스트로부터 형성될 수 있다.
상기 양극 및 음극 단자보강 패턴은 상기 보호막에 의해 노출되는 상기 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체의 노출면적보다 큰 면적을 갖는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 박막 전지의 제조방법은, 기판 상에 양극 전류집전체, 양극, 전해질층, 음극 전류집전체 및 음극을 포함하는 전지 구조체를 형성하는 단계와, 상기 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체의 일부가 노출되도록 상기 전지 구조체를 덮는 보호막을 형성하는 단계, 및 상기 보호막 상에, 상기 양극 전류집전제와 접속된 양극 단자보강 패턴과, 상기 음극 전류집전체와 접속된 음극 단자보강 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 단자보강 패턴 및 음극 단자보강 패턴을 형성하는 단계는, 실크스크린을 이용한 페이스팅 방법, 그라비아 인쇄 방법, 잉크젯 인쇄 방법 및 디스펜싱 방법 중에서 선택되는 방법으로 실시할 수 있다.
양극 단자보강 패턴 및 음극 단자보강 패턴을 형성하는 단계는, 도전성 페이스트를 준비하는 단계, 프린팅을 위한 마스크를 제작하는 단계, 전지 슬롯을 적정한 위치에 정렬하는 단계, 및 도전성 페이스트로 이루어진 잉크를 마스크 위에 올린 후 스퀴즈를 이용하여 잉크를 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 및 그 제조방법에 따르면, 셀 외부로 노출되는 양극 및 음극 단자가 단자 보강패턴을 통하여 확장 및 보강되어 반복되는 박막 전지의 충,방전 테스트나 핀 프루브(pin probe)를 이용한 화성 평가 등으로 인한 단자의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 단자부의 노출면적이 크게 증가하여 핀 프루브를 이용한 전지의 성능 평가 시 접촉이 용이한 이점이 있다.
상기의 핀 프루브를 이용한 화성 평가는 박막 전지를 단위 셀 형태로 절단하기 이전에 이루어 질 수도 있고, 절단 후에 진행될 수도 있다. 절단 이전의 화성 평가의 경우, 단자 보강패턴을 통한 단자의 확장 및 보강을 통하여 핀 프루브 컨택부의 마모도를 향상시킬 수 있으며, 안정적인 평가가 가능하다. 또한, 절단 이후의 화성 평가의 경우, 단위셀 화성 평가가 가능하여, 슬롯 작업시 표면불량인 것을 제외하고 평가할 수 있어 화성평가 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 단위셀 화성 평가가 가능함으로써 단위셀별 용량 선별 및 불량 선별을 자동화하여 진행할 수 있으며, 동일한 용량의 박막 전지를 이용하여 병렬 적층을 진행 할 경우 신뢰성이 향상 될 수 있다.
또한, 양극 및 음극 단자 보강 패턴 형성은 동시 작업성과 자동화 연계가 가능하기 때문에, 박막 전지의 양산성이 크게 증가될 수 있다.
더 나아가서, 단자 보강패턴과 추가되는 연장 패턴을 활용하면 박막 전지를 이용하는 사용자의 사용 목적에 맞도록 패드 타입이나, 고용량의 박막전지 적층체를 구현할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 박막 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 구조를 개략적으로 나타낸단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 5는 실크스크린을 이용한 페이스팅 방법을 이용하여 본 발명에 따른 박막 전지의 양극 및 음극 단자보강 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 박막 전지가 응용된 예를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 박막 전지가 적층되어 형성된 박막전지 적층체를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 전지 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 박막 전지는 기판(110) 상에 적층된 양극(120), 음극(130), 전해질층(140), 양극 전류집전체(150) 및 음극 전류집전체(160)를 포함하는 전지 구조체와, 상기 전지 구조체의 상부에 위치하며 상기 양극 전류집전체(150) 및 음극 전류집전체(160)와 각각 접속하는 양극 단자보강 패턴(180) 및 음극 단자보강 패턴(190)을 포함한다.
기판(110)은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 스테인레스스틸(Stainless steel), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 금속시트(metal sheet), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 실리콘옥사이드(SiO2), 쿼츠(quartz), 글래스(glass) 등과 같은 세라믹 혹은 유리시트(ceramic or glass sheet) 및 폴리테트라플루오로에틸(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드(Polyamide Imide), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리네틸렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리-(polyetherether Ketone) 등과 같은 고분자시트(polymer sheet) 중 어느 하나로 이루어진 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(110)으로서 실리콘 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼 상에 산화물이 처리된 기판이 사용될 수도 있다.
양극(120)은 본 기술 분야에서 알려진 양극이 사용될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 양극(120)에는 활물질이 사용될 수 있다. 양극 활물질로는, 예를 들면, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, V2O5, MnO2, MoO3 등이 단독으로, 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
음극(130)은 본 기술 분야에서 잘 알려진 음극이 사용될 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 음극(130)에는 활물질이 사용될 수 있는데, 이러한 음극 활물질로는 Li, Sn3N4, Si, Li-Me 합금 등이 단독으로 또는 2종 이상 조합되어 사용될 수 있다.
전해질층(140)은 양극(120) 및 음극(130) 사이에 위치하며, 무기 고체 전해질 및 유기 고체 전해질이 사용될 수 있다. 무기 고체 전해질로의 예로는 i2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, LiBON 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합되어 사용될 수 있다. 유기 고체 전해질의 예로서는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴 등에 리튬염을 혼합한 형태를 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
양극 전류집전체(150)는 양극(120)과 전기적으로 연결되어 있다. 양극 전류집전체(150)는 박막 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 양극 전류집전체(150)는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO) 등으로 이루어질 수 있으며 수천Å의 두께를 갖는다.
음극 전류집전체(160)는 음극(130)과 전기적으로 연결되어 있으며, 아울러 양극 전류집전체(150)와는 전기적으로 분리되어 있다. 음극 전류집전체(160)는 박막 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO) 등으로 이루어질 수 있으며 수천Å의 두께를 갖는다. 음극 전류집전체(160)의 표면에 필요에 따라 미세 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다.
양극 전류집전체(150), 양극(120), 전해질층(140), 음극 전류집전체(160), 음극(130)을 포함하는 전지 구조체 상부에는 보호막(170)이 더 구비될 수 있다.
보호막(170)은 박막 전지(100)가 대기중에서 산화되는 것을 방지하고, 박막 전지 모듈(module) 제조시 전지 단락에 의한 불량률을 감소시키는 역할을 한다. 상기 보호막(170)은 유기 보호막 또는 무기 보호막, 또는 유기 보호막과 무기 보호막의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 유기 보호막의 재료로는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 광중합(Photo polymerization)에 의하여 중합이 개시되는 다이아조계, 아지드계, 아크릴계, 폴리아미드계, 폴리에스테르계, 에폭사이드계, 폴리에테르계, 우레탄계 수지 등을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또는, 상기 유기 보호막의 재료로는, 예를 들어, 열에 의해 라디칼이 생성되어 중합이 개시되는 폴리스티렌계, 아크릴계, 우레아계, 이소시아네이트계, 자일렌계 수지 등을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 상기 광중합에 의해 중합이 개시되는 수지 및 열에 의해 라디칼이 생성되어 중합이 개시되는 수지 등은 조합되어 사용될 수 있다.
상기 무기 보호막의 재료로는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들어, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 티타늄 산화물, 석산화물, 세륨 산화물, 실리콘 산화질화물(SiON) 등을 단독으로 또는 2종 이상이 조합되어 사용될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 박막 전지의 일 예를 도시한 것으로, 상기 박막 전지의 단위 셀에서 각 구성 요소의 적층 순서는 특별히 한정되지 않는다.
상기 보호막(170) 위에는 양극 전류집전체(150) 및 음극 전류집전체(160)와 각각 접속되는 양극 단자보강 패턴(180) 및 음극 단자보강 패턴(190)이 구비된다.
상기 양극 단자보강 패턴(180) 및 음극 단자보강 패턴(190)은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등과 같은 도전성이 우수한 금속 분말을 포함하고, 또한 에폭시(epoxy) 수지, 페놀(phenol) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 아크릴레이트(acrylate)계 수지와 같은 열경화성 또는 광경화성 수지를 포함하는 전도성 페이스트로부터 형성될 수 있다.
양극 단자보강 패턴(180)은 양극 전류집전체(150)와 전기적으로 접속되어 양극 전류집전체(150)의 셀 외부로의 노출 면적을 확장시키고 물리적 강도를 보강하는 역할을 한다.
또한, 음극 단자보강 패턴(190)은 음극 전류집전체(160)와 접속되어 음극 전류집전체(160)의 셀 외부로의 노출 면적을 확장시키고 물리적 강도를 보강하는 역할을 한다.
양극 단자보강 패턴(180) 및 음극 단자보강 패턴(190)으로 인해 양극 및 음극 전류집전체(150, 160)의 셀 외부로의 노출면적은 도 1에 도시된 종래의 박막 전지에서의 노출면적에 비해 크게 증가하며 물리적 강도 또한 크게 증가하게 된다.
도 2에서는 양극 단자보강 패턴 및 음극 단자보강 패턴이 박막전지 상부에 위치하는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 양극 단자보강 패턴 및 음극 단자보강 패턴은 기판상에 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체가 형성되기 전에 미리 형성될 수 있다.
또한, 기판 상에 양극 단자보강 패턴(이하, 제1 양극 단자보강 패턴) 및 음극 단자보강 패턴(이하, 제1 음극 단자보강 패턴)이 형성된 경우, 박막전지 상부에 도 2에 도시된 바와 같은 양극 단자보강 패턴(이하, 제2 양극 단자보강 패턴) 및 음극 단자보강 패턴(이하, 제2 음극 단자보강 패턴)이 더 형성될 수 있다.
다음은, 본 발명에 따른 박막 전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 기판(110) 상에 박막 전지의 단위 셀들을 구성하는 전지 구조체를 형성한다.
전지 구조체는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 도 3에 도시된 구조의 경우,기판(110) 상에 양극 전류집전체(150), 양극(120), 전해질층(140), 음극 전류집전체(160), 음극(130)을 순차적으로 증착하여 형성할 수 있다.
기판(110)은 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 스테인레스스틸(Stainless steel), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 금속시트(metal sheet), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 실리콘옥사이드(SiO2), 쿼츠(quartz), 글래스(glass) 등과 같은 세라믹 혹은 유리시트(ceramic or glass sheet) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드 이미드(Polyamide Imide), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르 케톤(polyetherether Ketone), 폴리에테르 케톤(Polyether Ketone) 등과 같은 고분자시트(polymer sheet) 중 어느 하나로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판(110)으로서 실리콘 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼 상에 산화물이 처리된 기판을 사용할 수도 있다.
양극(120)은 본 기술 분야에서 알려진 양극을 사용할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 양극(120)에는 활물질이 사용될 수 있다. 양극 활물질로는, 예를 들면, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, V2O5, MnO2, MoO3 등을 단독으로, 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
음극(130)은 본 기술 분야에서 잘 알려진 음극을 사용할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 음극(130)에는 활물질이 사용될 수 있는데, 이러한 음극 활물질로는 Li, Sn3N4, Si, Li-Me 합금 등을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
전해질층(140)은 무기 고체 전해질 및 유기 고체 전해질로 형성할 수 있다. 무기 고체 전해질로의 예로는 i2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, LiBON 등을 들 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다. 유기 고체 전해질의 예로서는 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 설파이드, 폴리비닐알코올, 폴리 불화 비닐리덴 등에 리튬염을 혼합한 형태를 들 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
양극 전류집전체(150)는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO) 등을 기판(110) 상에 수천Å 증착하여 형성할 수 있다.
음극 전류집전체(160)는 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO) 등으로 형성할 수 있으며 수천Å의 두께로 형성한다. 음극 전류집전체(160)의 표면에 필요에 따라 미세 요철을 형성하여 음극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다.
다음에, 박막 전지의 상부에 알루미늄옥사이드(Al2O3), 실리콘옥사이드(SiO2), 실리콘옥시나이트라이드(SiON), 페릴렌(parylene), 폴리우레아(poly urea), 폴리아크릴레이트(poly acrylate)계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 형성함으로써 전지의 모듈 제조시 전지 단락에 의한 불량률을 감소시키기 위한 보호막(170)을 형성한다.
상기 양극(120), 양극 전류집전체(150), 전해질층(140) 및 음극 전류집전체(160)는 스퍼터링법을 사용하여 증착할 수 있으며, 음극(130)의 경우 진공 열증착법으로 증착할 수 있다.
또한, 양극(120), 음극(130), 전해질층(140), 양극 전류집전체(150) 및 음극 전류집전체(160)은 각각 패턴화된 쉐도우 마스크를 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 패턴화된 쉐도우 마스크를 제작한 다음, 마스크를 기판 위에 장착하고 마스크가 장착된 기판에 스퍼터링 또는 다른 증착법을 사용하여 해당 물질층을 형성할 수 있다.
그러나 이러한 일반적인 방법 외에 다른 방법으로도 형성할 수 있다. 예를 들면, 양극 전류집전체(150), 양극(120) 및 전해질층(140)을 기판의 전체 면에 순차적으로 형성한 후 건식식각을 수행하여 형성할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 보호막이 형성된 기판의 결과물 상에, 양극 및 음극 전류집전체의 셀 외부 노출면인 양극 및 음극 단자를 확장 및 보강하기 위한 양극 단자보강 패턴(180) 및 음극 단자보강 패턴(190)을 형성한다.
상기 양극 및 음극 단자보강 패턴(180, 190)은 박막 전지 셀의 외부로 노출되는 양극 및 음극 단자의 노출면을 확장하고 물리적 강도를 보강하기 위한 것으로, 실크스크린(silk screen)을 이용한 페이스팅 방법, 그라비아(gravure) 인쇄 방법, 잉크젯 인쇄 방법, 디스펜싱(dispensing) 방법 등 다양한 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 그라비아 인쇄 방법의 경우 빠른 인쇄에 따른 양산성을 확보할 수 있으며, 잉크젯의 경우 카트리지 방식의 사용에 따라 유지, 보수의 장점을 가진다.
바람직하게는, 상기 양극 및 음극 단자보강 패턴(180, 190)은 실크스크린 방법으로 형성할 수 있다.
실크스크린 방법을 사용하여 양극 및 음극 단자보강 패턴(180, 190)을 형성하는 방법에 대해 도 5의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 먼저, 양극 및 음극 단자보강 패턴을 형성하기 위한 도전성 페이스트(paste)를 준비한다(단계 210).
도전성 페이스트는 고형분을 기준으로, 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등과 같은 도전성이 우수한 금속 분말을 포함하고, 또한, 에폭시(epoxy) 수지, 페놀(phenol) 수지, 폴리우레탄(polyurethane) 수지, 아크릴레이트(acrylate)계 수지 등과 같은 열경화성 혹은 광경화성 수지를 포함한다.
열경화성 혹은 광경화성 수지는 도전성 확보 측면에서 금속 분말 100 중량부 대비 대략 5~20 중량부 정도 사용할 수 있다.
또한, 실크스크린을 이용한 페이스팅 공정을 하기 위해서는 도전성 페이스트에 수백 cps 내지 수만 cps 정도의 점도가 부여되어야 한다. 이를 위하여, 도전성 페이스트에는 상기 금속 분말이나 수지 외에도, 물, 아세톤, 에탄올, 클로로포름 등의 용매가 포함된다.
양극 및 음극 단자보강 패턴의 경우, 건조에 의한 용매 제거 후, 금속 분말이 수지의 경화물에 함침된 형태를 갖게 된다.
도전성 페이스트가 준비되면, 단자보강 패턴이 형성될 위치, 즉 단위 셀 어레이의 배열 및 도포 면적 등의 정보를 반영한 도면을 작성하여 프린팅을 위한 마스크를 제작한다(단계 220).
이때, 도전성 페이스트를 도포하기 위한 도포 정보에, 개별 셀의 얼라인 정확도를 위하여 슬롯(slot)별 얼라인 키를 마주보는 세로 방향으로 각각 반영하고, 이를 마스크 및 작업대에 표기하여 작업시 정확한 얼라인이 이루어지도록 한다.
얼라인 키는 박막전지의 제조 과정 중 증착을 통하여 슬롯별 형성이 가능하며, 바람직하게는 광학적 인식이 좋은 금속소재가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 황동을 사용하는 것이 좋다.
마스크의 프린팅되는 부분은 메쉬(mesh) 타입으로 제작하는데, 도전성 페이스트가 메쉬 사이로 스며들어 정량 도포가 이루어질 수 있도록 메쉬의 크기 및 간격 등을 조절하여 제작한다.
한편, 마스크 아래의 전지 구조체에 전기적 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 마스크는 절연체 재질을 이용하거나, 혹은 절연 처리되어 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 마스크의 재질로 절연체인 고분자를 이용할 수 있다. 또한, 마스크가 금속 재질일 경우, 마스크의 표면을 양극산화(anodizing) 처리하여 표면을 절연시킬 수 있다.
마스크의 제작이 완료되면, 전지 슬롯을 적정한 위치에 정렬한 다음 진공을 작동시켜 전지 슬롯과 작업 바닥면이 흡착되도록 한다(단계 230). 이때, 전지 슬롯의 얼라인 키(align key)와 작업 바닥면에 표시해둔 고정 얼라인 키를 서로 정렬시킨다.
다음으로, 마스크 위에 도전성 페이스트를 적정량 올리고, 스퀴즈를 이용하여 프린팅한다(단계 240).
실크스크린 인쇄시 도전성 페이스트를 밀어주는 스퀴즈는 균일한 도포와 압력을 위하여 일정한 경도를 갖는 고무재질로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.
마스크 위에 도전성 페이스트를 올리기 전에, 금속 분말의 침강이나 점도 상승을 방지하기 위하여, 도전성 페이스트를 충분히 교반하여 준다. 그 후, 스퀴즈를 이용하여 도전성 페이스트를 균일한 힘과 압력으로 밀어 마스크의 프린팅 도포 부위에 도전성 페이스트가 빈틈없이 채워지도록 한다.
이후, 페이스팅된 도전성 페이스트를 일정 시간 건조를 건조한 후, 경화를 통하여 양극 및 음극 단자보강 패턴을 형성한다. 도전성 페이스트의 건조 혹은 경화는 마스크와 전지 슬롯 분리 후에도 이루어질 수 있다.
양극 및 음극 단자 보강패턴 형성이 종료되면 마스크와 전지 슬롯을 서로 분리한다.(단계 250)
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 양극 및 음극 단자보강 패턴을 구비하는 박막 전지가 응용된 예를 나타낸 것으로, 도6은 박막전지의 전면을 나타낸 것이고, 도 7은 박막전지의 배면을 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 박막전지(610)의 전류집전체 노출부(612)에 단자 보강 패턴(620)이 형성되어 있는 경우, 박막전지(610) 외부의 연결 단자부 구현이 용이하다. 즉, 단자 보강패턴(620)이 연결 매개체로 작용할 수 있어, 외부 단자(630)를 박막전지에 연결할 수 있다. 따라서, 사용 목적에 따라서 다양한 형태로 박막 전지를 구현할 수 있다.
단자보강 패턴(620)과 외부 단자(630)의 연결은 도전성 패드나, 도전성 와이어 등을 통하여 이루어질 수 있다. 도전성 패드의 경우, 금속 시트, 금속 도금 처리된 시트, 골드 블락 등 이 이용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 박막 전지가 적층되어 형성된 박막전지 적층체를 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 박막전지 적층체는 복수의 단위 박막전지(810)가 연결부(820)에 의하여 서로 병렬 연결된 구조를 갖는다. 연결부(820)는 도전성 페이스트(820)나 도전성 와이어 등으로 형성될 수 있다.
이때, 박막전지의 전류집전체 노출부에 단자 보강 패턴이 형성되어 있는 경우, 단위 박막전지(810)와 단위 박막전지(810)의 단자 연결을 위하여 요구되는 추가의 도전성 페이스트(820) 혹은 와이어와 단자가 페이스트와 페이스트 접합 혹은 와이어와 페이스트의 접합의 형태가 된다. 따라서, 단자와 추가 페이스트 혹은 와이어와의 밀착성을 높일 수 있으며, 전기적 연결 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 박막 전지에 따르면, 양극 및 음극 전류집전체 중 셀 외부로 노출되는 부분인 양극 단자 및 음극 단자를 확장 및 보강하기 위한 보강 패턴(180, 190)을 구비함으로써 전극 단자의 유효 면적을 충분히 확보할 수 있다.
따라서, 전지에 대한 화성 평가를 반복하여 수행하더라도 단자에 대한 손상이 최소화되고, 단자의 노출 면적이 증가함으로써 핀 프로브를 사용한 전지의 검사를 용이하게 하여 박막 전지의 제조 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 전지를 최소 크기로 절단할 수 있으므로 전지의 에너지 밀도가 상승하는 효과가 있다.
또한, 고용량을 위하여 여러 박막전지가 병렬 연결되도록 박막전지 적층체를 형성하는 공정에서, 단자보강 패턴과 추가 페이스트 혹은 와이어와의 밀착성을 높일 수 있고 또한 전기적 연결 신뢰성을 높일 수 있다.
상술한 본 발명의 박막 전지 및 그 제조방법에 따르면, 셀 외부로 노출되는 양극 및 음극 단자가 단자 보강패턴으로 인해 확장 및 보강되어 반복되는 박막 전지의 충,방전, 핀 프로브를 이용한 화성 평가 등으로 인한 단자의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 단자부의 노출면적이 크게 증가하여 핀 프로브를 이용한 전지의 성능 평가시 접촉이 용이한 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110..... 기판 120..... 양극
130..... 음극 140..... 고체 전해질층
150..... 양극 전류집전체 160..... 음극 전류집전체
170..... 보호막 180..... 양극 단자보강 패턴
190..... 음극 단자보강 패턴
610..... 박막전지 612..... 전류집전체 노출부
620..... 단자보강 패턴 630..... 외부 단자
810..... 단위 박막전지 820..... 연결부

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  11. 기판 상에 양극 전류집전체, 양극, 전해질층, 음극 전류집전체 및 음극을 포함하는 전지 구조체를 형성하는 단계;
    상기 양극 전류집전체 및 음극 전류집전체의 일부가 노출되도록 상기 전지 구조체를 덮는 보호막을 형성하는 단계; 및
    상기 보호막 상에, 상기 양극 전류집전제와 접속된 양극 단자보강 패턴과, 상기 음극 전류집전체와 접속된 음극 단자보강 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 양극 단자보강 패턴 및 음극 단자보강 패턴을 형성하는 단계는,
    도전성 페이스트를 준비하는 단계와,
    프린팅을 위한 마스크를 제작하는 단계와,
    전지 슬롯을 정렬하는 단계와,
    도전성 페이스트를 마스크 위에 올린 후 스퀴즈를 이용하여 페이스팅(pasting)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도전성 페이스트는,
    은(Ag) 분말, 금(Au) 분말, 백금(Pt) 분말, 구리(Cu) 분말및 니켈(Ni) 분말 중에서 1종이상 선택되는 금속 분말과,
    에폭시(epoxy), 페놀(phenol), 폴리우레탄(polyurethane) 및 아크릴레이트(acrylate)계 수지 중에서 1종이상 선택되는 수지와,
    용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 마스크를 제작하는 단계에서,
    상기 박막 전지의 단위 셀 어레이의 배열 및 도포 면적을 포함하는 정보를 반영하여 제작하는 것을 특징으로 하는 박막 전지의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 마스크를 제작하는 단계에서,
    슬롯별 얼라인 키를 도포 정보에 반영하고, 이를 마스크 및 프린팅 작업대에 표기하여 작업시 정확한 얼라인이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 전지의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 스퀴즈는
    고무재질로 이루어진 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 전지의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 마스크는
    절연체 재질이거나 표면 절연 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
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