KR101323812B1 - 연성금속적층판을 이용하는 박막 전지, 그의 제조 장치 및 그의 제조 방법 - Google Patents

연성금속적층판을 이용하는 박막 전지, 그의 제조 장치 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연성금속적층판을 기판 및 집전체로 이용하는 박막 전지, 그의 제조 방법 및 그의 제조 장치가 제공된다. 박막 전지는 폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판, 상기 연성금속적층판 상에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 전해질, 상기 전해질 상에 형성되고, 상기 제1 전극과 다른 극성을 가지는 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 집전체를 포함한다.

Description

연성금속적층판을 이용하는 박막 전지, 그의 제조 장치 및 그의 제조 방법 {Thin film battery using flexible metal clad laminate, Apparatus for manufacturing for the same, and Manufacturing method for the same}
본 발명은 연성금속적층판을 이용하는 박막 전지, 그의 제조 장치 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
각종 전자 기기들의 고집적화 및 초소형화로 인하여, 초소형의 전지가 필요하게 되었다. 박막 전지는 기판 상에 양극, 음극, 전해질 등을 박막화하여 그 크기를 초소형으로 만든 전지로서, 초소형 전지로서 박막 전지의 사용이 늘어나고 있다.
기판은 박막 전지를 전체적으로 지지하는 역할을 하며, 대체로 금속 시트가 기판으로 사용된다. 그런데, 박막 전지의 소형화를 위해 금속 시트를 소형화하면, 쉽게 부러지기 때문에, 박막 전지에 결함이 발생할 우려가 있다.
한편, 기판 상에 양극, 음극, 전해질이 증착되는데, 박막 전지의 제조 장치는 각각의 증착물질을 증착시키기 위한 복수의 진공 챔버를 포함한다. 그러므로, 박막 전지의 제조 장치는 상당한 면적을 필요로 한다.
또한, 상기의 박막 전지의 제조 장치를 이용하여 박막 전지를 제조하면, 진공 챔버의 이동 간에 기판 및 기판에 증착된 물질이 오염될 우려가 있다. 그러므로, 박막 전지의 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 유연성 있는 기판을 포함하여 박막화에 유리한 박막 전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 하나의 진공 챔버만을 포함하여 소형화된 박막 전지의 제조 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 전극 물질의 증착과정에서 기판 및 기판에 증착된 물질의 오염 우려가 없는 박막 전지의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지는 폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판, 상기 연성금속적층판 상에 형성된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 전해질, 상기 전해질 상에 형성되고, 상기 제1 전극과 다른 극성을 가지는 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 집전체를 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치는 제1 로더와, 제2 로더 및 상기 제1 로더와 제2 로더 사이에 배치된 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부를 포함하고, 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더 방향으로 공정이 진행될 때에는, 상기 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부 중 어느 하나만 동작하고, 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더 방향으로 공정이 진행될 때에는, 상기 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부 중 다른 하나만 동작한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 방법은 제1 로더와, 제2 로더와, 상기 제1 로더 및 제2 로더 사이에 배치된 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부를 포함하는 박막 전지의 제조 장치를 제공하고, 폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판 롤을 제1 로더에 로딩하고, 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제1 이송할 때, 상기 제1 전극 생성부는 상기 연성금속적층판 롤 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제2 이송할 때, 상기 전해질 생성부는 상기 제1 전극 상에 전해질을 형성하고, 상기 전해질이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제3 이송할 때, 상기 제2 전극 생성부는 상기 전해질 상에 제2 전극을 형성하고, 상기 제2 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제4 이송할 때, 상기 제2 집전체 생성부는 상기 제2 전극 상에 제2 집전체를 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이다.
도 5는 도 1의 박막 전지의 저면도이다.
도 6는 도 1의 박막 전지의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치의 단면도이다.
도 8 내지 도 11는 도 7의 박막 전지의 제조 장치의 동작을 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 방법의 흐름도이다.
도 13 내지 도 15는 도 1의 박막 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 박막 전지(1)는 폴리머 필름(10)과, 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체(20)를 포함하는 연성금속적층판(5), 연성금속적층판(5) 상에 형성된 제1 전극(30), 제1 전극(30) 상에 형성된 전해질(40), 전해질(40) 상에 형성되고 제1 전극(30)과 다른 극성을 가지는 제2 전극(50), 제2 전극(50) 상에 형성된 제2 집전체(60)를 포함한다.
연성금속적층판(FMCL; Flexible Metal Clad Laminate)은 폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20)가 접합되어 있다. 연성금속적층판(5)은 예컨대, 폴리이미드(PI; polyimide) 필름 상에 구리(Cu)가 접합된 연성동박적층판(FCCL; Flexible Copper Clad Laminate)일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 연성금속적층판(5)은 폴리이미드 필름 상에 니켈(Ni) 또는 알루미늄(Al)이 접합될 수 있다. 폴리이미드는 유연성과 강성이 우수한 소재이기 때문에, 연성금속적층판(5)을 박막화 하더라도 충격에 쉽게 부러지지 않는다. 그러므로, 연성금속적층판(5)을 이용하면, 박막 전지(1)를 소형화하기 유리하며, 박막 전지(1)의 연성을 확보할 수 있다.
폴리머 필름(10)은 박막 전지(1)를 전체적으로 지지하는 역할을 하며, 유연성, 내열성 및 절연성이 우수한 폴리머(polymer)로 형성될 수 있다. 다만, 폴리머 필름(10)의 재료는 폴리이미드로 제한되지 않고, 예컨대, PET (Polyethylene Terephthalate), PES(Polyether Sulfone), PEN(Polyetheylene Napthalene), PEEK(Polyetheretherketone), PPS(Polyphenylene Sulfide) 중 어느 하나를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
제1 집전체(20)는 폴리머 필름(10)과 접합되며, 전류 집전체(current collector)로서 제1 전극(30)의 전자를 외부로 전달시킬 수 있다. 그러므로, 제1 집전체(20)는 높은 전기 전도성을 갖는 물질일 수 있다. 제1 집전체(20)는 구리로 제한되지 않고, 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속박(Metal Foil)일 수 있다.
폴리이미드, PES, PEN, PEEK, PPS를 포함하는 폴리머 필름(10)을 박막 전지(1)의 기판으로 사용하는 경우, 폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20) 간의 밀착력이 저하될 수 있다.
폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20)의 밀착력 저하의 문제를 해결하기 위해, 연성금속적층판(5)은 다음과 같이 형성될 수 있다. 구체적인 설명을 위해, 도 2 내지 도 4을 참조할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이고, 도 3는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연성금속적층판의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제 1집전체(20)로 사용하는 금속박(Metal Foil) 위에 액상의 폴리머(polymer)를 캐스팅(casting)하여 연성금속적층판(5)을 형성할 수 있다. 예컨대, 용융상태의 폴리이미드를 금속박 위에 도포하고 경화시키는 방식으로 폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20)를 접합시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20) 사이에 접착층(22)을 위치시켜 연성금속적층판(5)을 형성할 수 있다. 접착층(22)에 의해서, 제1 집전체(20)는 폴리머 필름(10) 상에 라미네이트(laminate)될 수 있다.
접착층(22)은 예컨대, 에폭시, 실리콘, 아크릴 중 어느 하나를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
도 4를 참조하면, 연성금속적층판(5)은 폴리머 필름(10) 상에 타이코트(tie coat)를 형성하고, 타이코트(24) 상에 제1 집전체(20)를 전기도금(electro-plating)하여 형성할 수 있다.
타이코트(24)는 인접하는 코팅 사이의 접착력을 강화하며, 제1 집전체(20)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 타이코트(24)는 예컨대, 크롬, 니켈, 팔라듐, 티타늄, 바나듐, 알루미늄, 아이언, 크롬-기반 합금 그리고 니켈-기반 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 집전체(20)는 전기도금법으로 형성할 수 있다. 필요에 따라 타이코트(24) 상에 제1 집전체(20) 형성을 위한 씨드막(seed layer)을 형성하고, 이어서 제1 집전체(20)를 전기도금할 수 있다.
상술한 방법으로 연성금속적층판(5)을 형성하면, 폴리머 필름(10)과 제1 집전체(20) 사이의 밀착력을 강화할 수 있다.
제1 전극(30)은 제1 집전체(20) 상에 형성되며, 환원전극(cathode)이거나 산화전극(anode)일 수 있다.
제1 전극(30)이 환원전극인 경우, 제1 전극(30)은 Li가 포함된 산화물일 수 있으며, 예컨대, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, LiNiCoO2, LiNiMnO2, LiCoMnO2, LiV2O5, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(30)이 산화전극인 경우, 제1 전극(30)은 Li, C, 흑연, 금속산화물, 질소계 금속, 규소화합물계 금속 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
전해질(40)은 제1 전극(30) 상에 형성될 수 있으며, 전자에 대해서는 부도체 역할을 하고, 이온에 대해서는 전도체 역할을 한다. 전해질(40)은 예컨대, 고체 상태일 수 있으며, 내부저항이 작고, 넓은 온도 범위에서 이온 전도도가 높을 수 있다. 전해질(40)은 LiPON, LISiPON, LiSiON, LiBPON 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
제2 전극(50)은 전해질(40) 상에 형성될 수 있으며, 환원전극이거나 산화전극일 수 있다. 다만, 제2 전극(50)은 제1 전극(30)과 다른 극성을 가진다. 예컨대, 제1 전극(30)이 환원전극인 경우에 제2 전극(50)은 산화전극이고, 반대로, 제1 전극(30)이 산화전극인 경우에 제2 전극(50)은 환원전극이다. 제2 전극(50)이 환원전극 또는 산화전극일 때 사용될 수 있는 전극 물질은 상술한 바와 같다.
제2 집전체(60)은 제2 전극(50) 상에 형성될 수 있으며, 전류 집전체로서 제2 전극(50)의 전자를 외부로 전달시킬 수 있다. 그러므로, 제2 집전체(60)는 높은 전기 전도성을 갖는 물질일 수 있다. 제2 집전체(60)는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속박일 수 있다.
제2 집전체(60)는 제2 전극(50) 상에 형성되어, 제2 전극(50)이 외부와 접촉하는 것을 방지한다. 그러므로, 제2 전극(50)을 보호하기 위한 별도의 보호코팅이 필요없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지(1)는 제2 집전체(60) 상에 형성된 보호층(70)을 더 포함할 수 있다. 보호층(70)은 제2 집전체(60)와 외부의 전자 통로를 제한하는 역할을 한다. 예컨대, 후술할 제2 비아홀(72)을 제외한 제2 집전체(60)의 다른 영역을 덮고 있으므로, 제2 집전체(60)의 전자가 제2 비아홀(72)을 통해서만 이동할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 보호층(70)은 제2 집전체(60)가 외부와 접촉하여 오염되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(70)은 에폭시(epoxy) 또는 아크릴(acryl) 계열의 잉크로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지(1)는 폴리머 필름(10)에 형성된 제1 비아홀(12) 및 보호층(70)에 형성된 제2 비아홀(72)을 더 포함할 수 있다. 구체적인 설명을 위해, 도 5 및 도 6이 추가적으로 참조될 수 있다. 도 5는 도 1의 박막 전지의 저면도이고, 도 6은 도 1의 박막 전지의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 비아홀(12)은 폴리머 필름(10)의 일부 영역이 천공되어 형성된다. 즉, 폴리머 필름(10)의 일부 영역을 관통하도록 제1 비아홀(12)이 형성될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 비아홀(12)의 단면은 사각형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 제1 비아홀(12)의 개수에는 제한이 없으며, 복수의 제1 비아홀(12)이 형성될 수 있다.
제1 비아홀(12)을 통해 제1 집전체(20)의 일부 영역이 외부로 노출된다. 제1 집전체(20)는 제1 비아홀(12)을 통하여 외부 회로와 연결될 수 있다. 그러므로, 제1 전극(30)에서 제1 집전체(20)로 전달된 전자는 제1 집전체(20)에서 제1 비아홀(12)을 통해 외부회로로 이동할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제2 비아홀(72)은 보호층(70)의 일부 영역이 천공되어 형성된다. 즉, 보호층(70)의 일부 영역을 관통하도록 제2 비아홀(72)이 형성될 수 있다. 도 6을 참조하면, 제2 비아홀(72)의 단면은 사각형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 제2 비아홀(72)의 개수에는 제한이 없으며, 복수의 제1 비아홀(72)이 형성될 수 있다.
제2 비아홀(72)을 통해 제2 집전체(60)의 일부 영역이 외부로 노출된다. 제2 집전체(60)는 제2 비아홀(72)을 통해서 외부 회로와 연결될 수 있다. 그러므로, 제2 전극(50)에서 제2 집전체(60)로 전달된 전자는 제2 집전체(60)에서 제2 비아홀(72)을 통해 외부회로로 이동할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지(1)는 제1 집전체(20)를 포함하는 연성금속적층판(5) - 제1 전극(30) - 전해질(40) - 제2 전극(50) - 제2 집전체(60) - 보호층(70) 순으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 다만, 제1 전극(30)과 제2 전극(50)의 극성은 제1 전극(30)과 제2 전극(50)을 형성하는 물질에 따라서 변할 수 있다. 그러므로, 제1 전극(30)이 환원전극인 경우에는, 박막 전지(1)는 환원전극 집전체를 포함하는 연성금속적층판 - 환원전극 - 전해질 - 산화전극 - 산화전극 집전체 - 보호층이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 그리고, 제1 전극(30)이 산화전극인 경우에는, 박막 전지(1)는 산화전극 집전체를 포함하는 연성금속적층판 - 산화전극 - 전해질 - 환원전극 - 환원전극 집전체 - 보호층이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치를 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치는 롤투롤 방식의 장치로서, 구체적인 설명을 위해 도 7을 참조할 수 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 박막 전지의 제조 장치(100)는 제1 로더(110)와, 제2 로더(112) 및 제1 로더(110)와 제2 로더(112) 사이에 배치된 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160)를 포함한다.
박막 전지의 제조 장치(100)는 공정 챔버(102)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 로더(110), 제2 로더(112), 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160) 및 후술할 히터(130)를 포함하는 박막 전지의 제조 장치(100)의 구성요소가 하나의 공정 챔버(102) 내에 위치할 수 있다. 그러므로, 연성금속적층판 롤(205) 상에 전극, 전해질, 집전체를 형성하기 위해, 물질마다 각각의 공정 챔버를 형성할 필요가 없으므로, 박막 전지의 제조 장치(100)의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 하나의 공정 챔버(102)에서 전극, 전해질, 집전체 모두를 연성금속적층판 롤(205) 상에 증착시킬 수 있다. 예컨대, 제1 공정 챔버에서 연성금속적층판 롤(205) 상에 전극을 증착시킨 후, 전극 상에 전해질을 증착시키기 위해 연성금속적층판 롤(205)을 다른 공정 챔버로 이동시킬 필요가 없다. 이에 따라, 진공이 유지된 공정 챔버(102) 내에서 전극, 전해질, 집전체를 일괄 증착함으로써, 각 물질이 증착과정에서 수분과 산소와 접촉하는 것을 차단할 수 있어서 신뢰성 있는 박막 전지를 제조할 수 있다.
다만, 공정 챔버(102) 내에 다수의 생성부, 및 히터(130)가 있으므로, 각각의 생성부 및 히터(130)가 인접한 생성부 및 히터(130)에 미치는 영향을 최소화할 필요가 있다. 그러므로, 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160) 및 히터(130) 사이에는 각각 격막(117)이 형성될 수 있다.
제1 로더(110)와 제2 로더(112)는 일정한 거리를 두고 배치되며, 연성금속적층판 롤(205)은 롤투롤 방식으로 제1 로더(110)와 제2 로더(112)를 왕복할 수 있다. 제1 로더(110) 또는 제2 로더(112)에는 띠 형상의 연성금속적층판 롤(205)이 감길 수 있다. 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 연성금속적층판 롤(205)이 이송할 때, 제1 로더(110)는 감겨진 연성금속적층판 롤(205)을 풀어주는 권출롤의 역할을 하고, 제2 로더(112)는 제1 로더(110)에서 풀어진 연성금속적층판 롤(205)을 롤투롤 방식으로 되감는 권취롤 역할을 한다. 반대로, 제2 로더(112)에서 제1 로더(110)로 연성금속적층판 롤(205)이 이송할 때, 제2 로더(112)는 감겨진 연성금속적층판 롤(205)을 풀어주는 권출롤의 역할을 하고, 제1 로더(110)는 제2 로더(112)에서 풀어진 연성금속적층판 롤(205)을 롤투롤 방식으로 되감는 권취롤 역할을 한다.
여기서, 연성금속적층판 롤(205)은 상술한 연성금속적층판(5)과 동일한 구조를 가지며, 동일한 물질로 형성된다. 다만, 롤투롤 방식으로 박막 전지를 제조하기 위해서, 연성금속적층판은 띠 형상으로 긴 구조를 가지고 있어야 한다. 이러한 구조적인 특징을 나타내기 위해 연성금속적층판 롤이라는 용어를 사용한다.
제1 로더(110)와 제2 로더(112)의 사이에 드럼(115)이 배치될 수 있다. 제1 로더(110)에서 풀린 연성금속적층판 롤(205)은 드럼(115)에 의해 안내되어 제2 로더(112)로 이송될 수 있다. 드럼(115)의 내부에는 냉각액이 흐를 수 있으며, 냉각액으로 인하여 박막 전지의 제조 과정에서 연성금속적층판 롤(205)은 일정 온도를 유지할 수 있다.
제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140) 및 제2 집전체 생성부(160)는 연성금속적층판 롤(205) 상에 각각 제1 전극, 제2 전극, 전해질 및 제2 집전체를 형성할 수 있다. 예컨대, 각각의 생성부는 각각의 생성 물질을 분사하는 스퍼터(sputter) 장치일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고, 각각의 생성부는 이온 플레이팅(ion plating), 활성화 반응성 증착법(activated reactive evaporation), 이온빔 보조 증착법(ion beam assisted deposition), 이온화된 클러스터 빔 증착법(ionized cluster beam deposition), 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition) 및 아크 증착법(arc source deposition) 중 어느 하나의 방법으로 생성 물질을 연성금속적층판 롤(205) 상에 증착할 수 있는 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치(100)는 히터(130)를 더 포함할 수 있다. 히터(130)는 열을 방출하여 연성금속적층판 롤(205) 상에 증착된 물질에 열처리를 할 수 있다. 제1 전극 생성부(120) 또는 제2 전극 생성부(150)에 의해서 연성금속적층판 롤(205) 상에 환원전극(cathode) 물질이 증착됨과 동시에 히터(130)에 의해서 증착된 환원전극 물질이 열처리 될 수 있다.
환원전극으로 비결정성 물질이 이용될 경우, 히터(130)가 사용될 수 있다. 환원전극으로 예컨대, 비결정성 물질인 LiCoO2가 이용될 수 있다. 비결정성 물질인 LiCoO2로 환원전극을 형성하는 경우에는, 환원전극의 특성이 저하될 수 있다. 그러므로, 히터(130)를 사용하여 LiCoO2를 열처리하여 LiCoO2가 결정화(crystallization)되도록 하여, 환원전극의 결정화도(degree of crystallinity)를 높일 수 있다.
공정 챔버(102) 내에서, 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160) 및 히터(130)는 예컨대, 드럼(115)을 향하도록 배치될 수 있다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 장치(100)의 동작을 살펴본다.
개략적으로, 제1 로더(110)에서 제2 로더(112) 방향으로 공정이 진행될 때에는, 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160) 중 어느 하나만 동작하고, 제2 로더(112)에서 제1 로더(110) 방향으로 공정이 진행될 때에는, 제1 전극 생성부(120), 제2 전극 생성부(150), 전해질 생성부(140), 제2 집전체 생성부(160) 중 다른 하나만 동작한다. 즉, 롤투롤 방식으로 연성금속적층판 롤(205)은 제1 로더(110)와 제2 로더(112) 사이를 왕복하고, 연성금속적층판 롤(205)이 일방향으로 이송될 때마다 생성부에 의해서 연성금속적층판 롤(205) 상에 하나의 물질이 증착될 수 있다.
상술한 방법으로 박막 전지를 형성하는 경우, 하나의 물질에 대한 증착을 완료한 이후에 다른 물질을 증착한다. 그러므로, 제1 물질과 제2 물질의 증착과정이 분리되어 있으므로, 증착과정에서 연성금속적층판 롤(205) 상에 증착되는 물질 간 오염되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 각 물질 별로 증착속도를 조절하는 것이 가능하므로, 전극, 전해질, 집전체의 두께 조절이 용이하다.
박막 전지의 제조 장치(100)의 동작은 박막 전지의 제조 방법과 동시에 설명할 수 있다. 구체적인 설명을 위해, 도 8 내지 도 15가 참조될 수 있다. 도 8 내지 도 11는 도 7의 박막 전지의 제조 장치의 동작을 나타낸 단면도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 전지의 제조 방법의 흐름도이며, 도 13 및 도 14는 도 1의 박막 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
우선, 도 8, 도 12 및 도 13을 참조하여, 연성금속적층판 롤(205)을 제1 로더(110)에 로딩(S100)한다.
연성금속적층판 롤(205)을 롤투롤 방식으로 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 이송하기 위해, 제1 로더(110)에 연성금속적층판 롤(205)을 감는다.
도 13은 박막 전지의 제조 장치(100)에 로딩되는 연성금속적층판 롤(205)의 단면도이다. 연성금속적층판 롤(205)은 폴리머 필름(10)과, 폴리머 필름(210) 상에 배치된 제1 집전체(220)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 제1 집전체(220)는 캐스팅(casting), 라미네이트(laminate), 전기도금(electro-plating) 중 어느 하나의 방식으로 폴리머 필름(210) 상에 형성될 수 있다.
연성금속적층판 롤(205)은 폴리머 필름(210)의 일부 영역을 관통하도록 형성된 제1 비아홀(212)을 포함할 수 있다. 제1 비아홀(212)의 단면은 사각형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 제1 비아홀(212)의 개수에는 제한이 없으며, 복수의 제1 비아홀(212)이 형성될 수 있다.
연성금속적층판 롤(205)은 제1 집전체(220)를 포함하고 있으므로, 연성금속적층판 롤(205)을 사용하면, 박막 전지의 제조 과정에서 제1 집전체를 형성하는 제조 공정을 실시하지 않아도 된다. 그러므로, 제조 공정이 단축될 수 있다.
이어서, 도 8, 도 12 및 도 14를 참조하여, 연성금속적층판 롤(205) 상에 제1 전극(230)을 증착(S200)한다. 구체적으로, 연성금속적층판 롤(205)이 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 이송할 때, 제1 전극 생성부(120)는 연성금속적층판 롤(205) 상에 제1 전극(230)을 형성한다.
제1 전극(230)은 연성금속적층판 롤(205)이 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 제1 이송할 때 형성된다. 제1 전극(230)의 형성을 위해서, 제1 전극 생성부(120)만 작동하며, 이송되는 연성금속적층판 롤(205) 상에 제1 전극(230)이 증착될 수 있다.
제1 전극(230)은 환원전극이거나 산화전극일 수 있다. 전극 물질의 증착방법으로, 예컨대 스퍼터링법이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 고체 전극 물질을 증착할 수 있는 이온플레이팅(Ion Plating), 활성화 반응성 증착법(activated reactive evaporation), 이온빔 보조 증착법 (Ion beam assisted deposition), 이온화된 클러스터 빔 증착법 (Ionized cluster beam deposition), 펄스 레이저 증착법 (Pulsed laser deposition) 및 아크 증착법 (Arc source deposition) 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
제1 전극(230)이 환원전극인 경우, 제1 전극(230)은 예컨대, LiCoO2를 포함하는 비결정성 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 제1 전극 생성부(120)에 의한 제1 전극(230)의 증착과 동시에 히터(130)에서 열을 방출하여 증착된 제1 전극(230)을 열처리를 할 수 있다. 이를 통하여, 비결정성 물질을 포함하는 제1 전극(230)의 결정화도(degree of crystallinity)를 높여서, 제1 전극(230)이 환원전극으로서 특성이 향상되도록 할 수 있다.
이어서, 도 9, 도 12 및 도 14를 참조하여, 제1 전극(230) 상에 전해질(240)을 증착(S300)한다. 구체적으로, 제1 전극(230)이 형성된 연성금속적층판 롤(205)이 제2 로더(112)에서 제1 로더(110)로 제2 이송할 때, 전해질 생성부(140)는 제1 전극(230) 상에 전해질(240)을 형성한다.
전해질(40)은 연성금속적층판 롤(205)이 제2 로더(112)에서 제1 로더(110)로 제2 이송할 때 형성된다. 전해질(240)의 형성을 위해서, 전해질 생성부(140)만 작동하며, 이송되는 연성금속적층판 롤(205)상에 전해질(240)이 증착될 수 있다.
이어서, 도 10, 도 12 및 도 14를 참조하면, 전해질(240) 상에 제2 전극(250)을 증착(S400)한다. 구체적으로, 전해질(240)이 형성된 연성금속적층판 롤(205)이 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 제3 이송할 때, 제2 전극 생성부(150)는 전해질(240) 상에 제2 전극(250)을 형성할 수 있다.
제2 전극(50)은 연성금속적층판 롤(205)이 제1 로더(110)에서 제2 로더(112)로 제3 이송할 때 형성된다. 제2 전극(250)의 형성을 위해서, 제2 전극 생성부(150)만 작동하며, 이송되는 연성금속적층판 롤(205) 상에 제2 전극(250)이 증착될 수 있다.
제2 전극(250)은 환원전극이거나 산화전극일 수 있다. 다만, 제2 전극(250)은 제1 전극(230)과 다른 극성을 가진다.
제2 전극(250)이 환원전극인 경우, 제2 전극(250)은 예컨대, LiCoO2를 포함하는 비결정성 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 제2 전극 생성부(150)에 의한 제2 전극(250)의 증착과 동시에 히터(130)에서 열을 방출하여 증착된 제2 전극(250)을 열처리를 할 수 있다.
이어서, 도 11, 도 12 및 도 14를 참조하면, 제2 전극(250) 상에 제2 집전체(260)를 증착(S500)한다. 구체적으로, 제2 전극(250)이 형성된 연성금속적층판 롤(205)이 제2 로더(112)에서 제1 로더(110)로 제4 이송할 때, 제2 집전체 생성부(160)는 제2 전극(250) 상에 제2 집전체(260)를 형성할 수 있다.
제2 집전체(260)는 연성금속적층판 롤(205)이 제2 로더(112)에서 제1 로더(110)로 제4 이송할 때 형성된다. 제2 집전체(260)의 형성을 위해서, 제2 집전체 생성부(160)만 작동하며, 이송되는 연성금속적층판 롤(205) 상에 제2 집전체(260)가 증착될 수 있다.
도 14는 박막 전지의 제조 장치에서 제조된 박막 전지의 단면도이다. 박막 전지의 제조 장치(100)를 이용하여, 롤투롤 방식으로 연성금속적층판 롤(205) 상에 제1 전극(230), 전해질(240), 제2 전극(250), 제2 집전체(260)를 형성할 수 있다.
이어서, 박막 전지의 제조 장치(100)에서 제1 전극(230), 전해질(240), 제2 전극(250), 제2 집전체(260)가 증착된 연성금속적층판 롤(205)을 꺼낸다. 도 15를 참조하여, 보호층(270)의 증착은 박막 전지의 제조 장치(100)의 외부에서 이루어질 수 있다. 또한, 보호층(270)의 일부 영역을 관통하도록 제2 비아홀(272)을 형성할 수 있다. 제2 비아홀(272)의 단면은 사각형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 제2 비아홀(272)의 개수에는 제한이 없으며, 복수의 제2 비아홀(212)이 형성될 수 있다.
이어서, 박막 전지(201)의 제단 및 포장 공정을 진행할 수 있다. 박막 전지(201)는 롤의 형태로 길게 형성되어 있기 때문에, 정해진 규격에 따라 박막 전지(201)가 제단될 수 있다. 예컨대, 도 15의 박막 전지(201)를 기본 유닛의 규격에 맞도록 제단하면, 도 1의 박막 전지(1)와 동일한 박막 전지 기본 유닛(301)을 얻을 수 있다. 이어서, 박막 전지 기본 유닛(301)을 포장하는 포장 공정이 수행될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 201: 박막 전지 5: 연성금속적층판
10, 210: 폴리머 필름 12, 212: 제1 비아홀
20, 220: 제1 집전체 22: 접착층
24: 타이코트 30, 230: 제1 전극
40, 240: 전해질 50, 250: 제2 전극
60, 260: 제2 집전체 70, 207: 보호층
72, 272: 제2 비아홀 100: 박막 전지의 제조 장치
102: 공정 챔버 110: 제1 로더
112: 제2 로더 115: 드럼
117: 격막 120: 제1 전극 생성부
130: 히터 140: 전해질 생성부
150: 제2 전극 생성부 160: 제2 집전체 생성부
205: 연성금속적층판 롤 301: 박막 전지 기본 유닛

Claims (10)

  1. 폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판;
    상기 연성금속적층판 상에 형성된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 전해질;
    상기 전해질 상에 형성되고, 상기 제1 전극과 다른 극성을 가지는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 형성된 제2 집전체; 및
    상기 제2 집전체 상에 형성된 보호층을 더 포함하고,
    상기 연성금속적층판은 상기 폴리머 필름에 형성된 제1 비아홀을 더 포함하며, 상기 제1 비아홀을 통해 상기 제1 집전체의 일부가 외부로 노출되고,
    상기 보호층은 제2 비아홀을 포함하며, 상기 제2 비아홀을 통해 상기 제2 집전체의 일부가 외부로 노출되는 박막 전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연성금속적층판은 상기 제1 집전체 위에 액상의 상기 폴리머 필름을 캐스팅(casting)하여 형성된 박막 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연성금속적층판은 상기 폴리머 필름과 상기 제1 집전체 사이에 형성된 접착층을 더 포함하는 박막 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연성금속적층판은 상기 폴리머 필름 상에 타이코트(tie coat)를 형성하고, 상기 타이코트 상에 상기 제1 집전체를 전기도금(electro plating)하여 형성된 박막 전지.
  6. 제1 로더와, 제2 로더; 및
    상기 제1 로더와 상기 제2 로더 사이에 배치된 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부, 히터를 포함하고,
    상기 제1 로더에서 상기 제2 로더 방향으로 공정이 진행될 때에는, 상기 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부 중 어느 하나만 동작하고,
    상기 제2 로더에서 상기 제1 로더 방향으로 공정이 진행될 때에는, 상기 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부 중 다른 하나만 동작하되,
    폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판 롤을 제1 로더에 로딩하고,
    상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제1 이송할 때, 상기 제1 전극 생성부는 상기 연성금속적층판 롤 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극의 형성과 동시에 상기 히터가 상기 제1 전극을 열처리하고,
    상기 제1 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제2 이송할 때, 상기 전해질 생성부는 상기 제1 전극 상에 전해질을 형성하고,
    상기 전해질이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제3 이송할 때, 상기 제2 전극 생성부는 상기 전해질 상에 제2 전극을 형성하고,
    상기 제2 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제4 이송할 때, 상기 제2 집전체 생성부는 상기 제2 전극 상에 제2 집전체를 형성하는 박막 전지의 제조 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1 로더, 제2 로더, 상기 제1 로더와 상기 제2 로더 사이에 배치된 제1 전극 생성부, 제2 전극 생성부, 전해질 생성부, 제2 집전체 생성부, 히터를 포함하는 박막 전지의 제조 장치를 제공하고,
    폴리머 필름과, 상기 폴리머 필름 상에 배치된 제1 집전체를 포함하는 연성금속적층판 롤을 제1 로더에 로딩하고,
    상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제1 이송할 때, 상기 제1 전극 생성부는 상기 연성금속적층판 롤 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극의 형성과 동시에 상기 히터가 상기 제1 전극을 열처리하고,
    상기 제1 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제2 이송할 때, 상기 전해질 생성부는 상기 제1 전극 상에 전해질을 형성하고,
    상기 전해질이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제1 로더에서 상기 제2 로더로 제3 이송할 때, 상기 제2 전극 생성부는 상기 전해질 상에 제2 전극을 형성하고,
    상기 제2 전극이 형성된 상기 연성금속적층판 롤이 상기 제2 로더에서 상기 제1 로더로 제4 이송할 때, 상기 제2 집전체 생성부는 상기 제2 전극 상에 제2 집전체를 형성하는 것을 포함하는 박막 전지의 제조 방법.
  10. 삭제
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