KR101389774B1 - 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법 - Google Patents

박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101389774B1
KR101389774B1 KR1020110017088A KR20110017088A KR101389774B1 KR 101389774 B1 KR101389774 B1 KR 101389774B1 KR 1020110017088 A KR1020110017088 A KR 1020110017088A KR 20110017088 A KR20110017088 A KR 20110017088A KR 101389774 B1 KR101389774 B1 KR 101389774B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
lithium
thin film
target
producing
powder
Prior art date
Application number
KR1020110017088A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120097712A (ko
Inventor
이원준
Original Assignee
세종대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 세종대학교산학협력단 filed Critical 세종대학교산학협력단
Priority to KR1020110017088A priority Critical patent/KR101389774B1/ko
Publication of KR20120097712A publication Critical patent/KR20120097712A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101389774B1 publication Critical patent/KR101389774B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H01M4/0423—Physical vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0421—Methods of deposition of the material involving vapour deposition
    • H01M4/0423—Physical vapour deposition
    • H01M4/0426—Sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471—Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본원은, 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟, 상기 타겟의 제조 방법, 및 상기 타겟을 이용하여 제조된 리튬-함유 박막을 포함하는 리튬 박막 전지에 관한 것으로서, 상기 타겟을 이용하여 화학양론비를 만족하는 리튬 함유 박막을 제조하는 것이 가능하며, 상기 타겟의 제조 방법은, 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 또는 리튬-비함유 원료분말에 리튬-함유 물질을 첨가하여 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 형성하는 것; 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 1차 열처리하는 것; 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하는 것; 상기 분쇄된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 것; 및, 상기 성형체를 2차 열처리하는 것: 을 포함한다.

Description

박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법{TARGET FOR FORMING LITHIUM-COTANING THIN FILM FOR THIN FILM BETTERY AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
본원은, 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟(target), 상기 타겟의 제조 방법, 상기 타겟을 이용하여 제조된 리튬-함유 박막, 및 상기 리튬-함유 박막을 포함하는 리튬 박막 전지에 관한 것이다.
최근, 통신, 반도체, 디스플레이 기술의 발전에 의해 대부분의 전자 기기들이 점차 디지털화되고 휴대형화(소형화)되고 있는 실정이다. 또한, 휴대용 기기의 사용이 증가하면서 배터리의 소형화와 고용량화가 동시에 요구되고 있으며, 기존의 거치형 기기들이 콘센트에 의해 전원을 공급받는 것과는 달리 각종 휴대용 기기들은 기기 내부에 전원공급장치로 배터리를 내장하고 있다. 이에 따라 배터리의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며 성능 또한 꾸준히 향상되고 있다. 그러나 휴대용 기기의 성능이 향상되고 다기능화됨에 따라 소모전력이 급격하게 증가하여 배터리의 용량, 무게, 부피 등이 휴대성을 제한하는 주요 요소로 대두되고 있다.
특히, 의료용 센서기기에서는 소형화가 매우 중요하며 인체에 해로운 액체 전해질이 들어가지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 캡슐내시경은 인위적인 내시경 기기의 삽입이 필요없이 알약만한 캡슐을 삼킴으로써 검사가 가능하며, 삼켜진 캡슐은 생리적인 연동운동으로 상부 식도에서부터 위와 십이지장을 지나 소장을 거쳐 하부대장까지 저절로 내려가면서 사진을 촬영한 후 전파송신기로 사진을 전송함으로써 환자에게 불편감을 주지 않고 소화기관 전체를 검사할 수 있다. 이러한 캡슐내시경은 발광 다이오드(light-emitting diode, LED), 배터리, 렌즈, 카메라 칩, 전파 송신기 및 안테나 등으로 구성되며, 크기는 약 11 mm x 24 mm 로서 쉽게 삼키기에는 다소 크며 소장협착 등이 의심되는 환자에게는 사용이 불가능한 실정이다. 따라서 캡슐내시경의 소형화가 요구되고 있으며, 캡슐내시경 부피의 절반 이상을 배터리가 차지하고 있으므로 특히 배터리의 소형화가 시급한 실정이다. 이와 같이 의료용 캡슐 및 임플란트가 다양화됨에 따라 고용량 소형 배터리의 개발의 중요성은 더욱 높아지고 있다.
이와 관련하여, 최근 고체전해질을 사용하는 박막 마이크로 전지가 개발되어 무선센서, RFID 태그, 스마트 카드 등에 응용될 것으로 예상되고 있다. 박막 전지는 진공증착법에 의해 배터리 구성요소를 박막형태로 한 층 한 층을 쌓아 올려 만든 배터리로서 일반 배터리에 비해 두께가 얇아서 소형화가 가능한 장점이 있다. 또한, 내부에 액체 전해질이 없어 전해질 누액의 염려가 없으므로, 인체에 해로운 액체가 들어있지 않을 것을 요구되는 의료용 기기 및 임플란트의 경우에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나, 이러한 박막 전지는 에너지 저장용량이 비교적 적고, 반응성이 매우 강한 리튬(Li)을 사용하는 단점이 있다.
이에, 본원은, 상기와 같은 종래의 리튬 함유 박막 제조방법의 문제점을 해결하여, 리튬을 과량으로 포함하는 타겟의 제조방법, 상기 제조방법에 의해 제조된 타겟, 상기 타겟을 이용하게 제조된 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 박막, 및 상기 리튬-함유 박막을 포함하는 리튬 박막 전지를 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원의 일 측면은, 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 또는 리튬-비함유 원료분말에 리튬-함유 물질을 첨가하여 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 형성하는 것; 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 1차 열처리하는 것; 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하는 것; 상기 분쇄된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 것; 및, 상기 성형체를 2차 열처리하는 것: 을 포함하는, 리튬-함유 박막 제조용 타겟(target)의 제조 방법을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 리튬-함유 물질은 Li2CO3, LiNO3, LiOH, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 원료분말은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 원료분말은 Li3PO4, Li4SiO4, Li2O-V2O5-SiO2, Li2O-SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-비함유 원료분말은 코발트 산화물, 망간 산화물, 니켈 산화물, 철 인산화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-비함유 원료분말은 인 산화물, 실리콘 산화물, V2O5-SiO2, SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 원료분말에 포함된 리튬 원자 및 상기 리튬 함유 물질에 포함된 리튬 원자의 원자비는 1 : 0.1 내지 1 : 4 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬-비함유 원료분말에 포함된 금속 원자 및 상기 리튬 함유 물질에 포함된 리튬 원자의 원자비는 1 : 1.1 내지 1 : 5 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 1차 열처리는 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 500℃ 내지 1000℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2 함유 기체 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 분쇄는 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하여 볼 밀링하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 가압 성형은 상기 분쇄된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 몰드에 넣고 100 MPa 내지 1000 MPa 의 압력 하에 성형하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 2차 열처리는 상기 성형체를 800℃ 내지 1200℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2 함유 기체 분위기 하에서 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 다른 측면은, 상기 방법에 의해 제조된 리튬-함유 박막 제조용 타겟을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬-함유 박막은 캐소드 또는 고체 전해질을 제조하기 위해 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 리튬-함유 박막 제조용 타겟을 물리증착법(physical vapor deposition, PVD)에 의해 기판 상에 증착시켜 제조한 리튬-함유 박막을 제공한다.
본원의 또 다른 측면은, 상기 리튬-함유 박막을 포함하는 리튬 박막 전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 리튬 박막 전지는 상기 리튬-함유 박막을 캐소드 또는 고체 전해질로서 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 의하면, 원료분말에 리튬 함유 물질을 첨가하고 하소 및 분쇄공정을 실시함으로써 소결 및 진공증착과 같은 후속 공정에서 리튬이 손실되더라도 화학양론비를 만족하는 박막을 제조하기 위한 타겟을 제조하는 것이 가능하다.
또한, 상기 리튬 함유 물질로서 대기 중에서 불안정하고 다루기 어려운 분말 대신에 대기 중에서 안정하고 다루기 용이하며 인체에 유해하지 않은 Li2CO3, LiNO3, LiOH 등의 분말을 첨가함으로써, 상기 타겟을 이용하여 완성된 박막을 포함하는 리튬 박막 전지를 의료용 센서 기구에 사용할 수 있고, 제조환경의 제약이 적어져서 제조원가 및 제조수율 측면에서 유리한 효과를 나타낼 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 리튬 함유 박막의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 는 일반적인 리튬 박막 전지의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 Li2CO3 분말에 대한 TG/DTA (thermogravimetry/differential thermal analysis) 결과 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계" 는 "~를 위한 단계" 를 의미하지 않는다.
이하에서는, 도 1 및 도 2 를 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 리튬 함유 박막의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2 는 일반적인 리튬 박막 전지의 구조를 나타낸다. 현재 리튬 박막 전지의 캐소드(cathode) 재료 및 고체 전해질(LiPON Electolyte)은 일반적으로 Li을 포함하며, Li은 원자크기가 작아 확산이 빠르고 결합력이 약해 낮은 온도에서 휘발하는 성질을 지니고 있다. 따라서 원재료인 분말로부터 박막 증착에 필요한 타겟(target)을 제조하는 과정, 그리고 타겟을 이용하여 기판 위에 박막을 증착하는 과정에서 Li 성분의 손실이 발생하게 되어, 증착된 박막은 화학 양론비를 만족하는 원료 분말에 비해서 Li 함량이 불충분한 조성(Li 의 화학양론비가 불충분)을 갖게 된다. 구체적으로, 박막 증착에 사용되는 고밀도의 세라믹 타겟을 제조하기 위해서는, 화학양론비가 유지된 원료 분말을 상압 가압성형하고 성형체를 고온 소결하는 과정을 거치게 되는데, 상기 소결 과정에서 Li 이 증발하게 된다. 또한, 상기 소결 후 박막을 기판 상에 증착하는 과정에서도 Li 이 열에 의해 증발되거나 기판에 충돌하는 고에너지의 입자들에 의해 Li 이 기판으로부터 쉽게 분리된다. 예를 들어, 리튬 박막 전지의 캐소드 박막을 형성하기 위한 원료분말로서 LiCoO2 를 사용하게되는 경우, 원료물질 및 캐소드 박막에서의 Li 함유 비율은 하기와 같이 변화한다:
LiCoO2 (캐소드 원료물질) → Li(1-X)CoO2 (캐소드 박막).
따라서, 리튬 박막 전지의 캐소드 및 고체 전해질에는 Li 이 불충분하게 된다.
이와 같이, 리튬과 금속의 화학양론비를 만족하는 원료 분말을 이용하여 타겟을 제조하여 박막을 증착하게 되면 Li 성분이 부족한 캐소드 및 고체전해질 박막이 증착되는 것이 일반적이다. Li 성분이 부족한 박막으로 배터리를 구성하면 화학양론비를 만족하는 박막으로 구성된 배터리에 비해 성능이 나쁘다. 예컨대, 캐소드 박막에 Li 성분이 부족하면 충전용량이 감소하고 고체전해질 박막에 Li 성분이 부족하면 충방전 속도가 느려지게 된다.
따라서, 화학양론비를 만족하는 Li 함유 박막(예를 들어, 캐소드 박막의 경우 Li(1+X)CoO2)을 증착시키기 위해서는 박막 제조용 타겟의 형성 과정 및 박막 증착 과정에서 발생하는 Li 의 손실을 보완하여야 한다.
이에, 본원에서는 리튬-함유 박막 제조용 타겟 제조를 위한 원료분말(화학양론비 만족)에 리튬을 함유한 또 다른 물질을 첨가하여 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 형성함으로써(S10) 후속공정에서의 리튬 손실에도 불구하고 화학양론비를 만족하는 박막을 제조할 수 있다. 상기 원료분말(화학양론비 만족)은 리튬을 함유하거나 또는 함유하지 않을 수 있다.
상기 리튬 함유 물질은, 예를 들어, Li2CO3, LiNO3, LiOH, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Li2CO3, LiNO3 및 LiOH 은 대기 중에서 안정하고 다루기 용이하며 인체에 유해하지 않고, 비용이 저렴하여 상기 리튬 함유 물질로서 사용될 수 있다.
리튬 박막 전지의 캐소드 박막을 형성하기 위한 상기 원료분말은 Li 을 함유할 수 있으며, 예를 들어, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 캐소드 박막을 형성하기 위한 상기 원료분말은 Li 을 함유하지 않을 수 있으며, 이 경우 Li 을 함유하지 않은 원료분말에 상기 리튬 함유 물질을 첨가하고, 반응시킴으로써 Li 을 함유하는 캐소드 박막 제조용 타겟을 제조할 수 있다. 상기 Li 을 함유하지 않는 원료분말은, 예를 들어, 코발트 산화물, 망간 산화물, 니켈 산화물, 철 인산화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
리튬 박막 전지의 고체 전해질 박막을 형성하기 위한 상기 원료분말은 Li 을 함유할 수 있으며, 예를 들어, Li3PO4, Li4SiO4, Li2O-V2O5-SiO2, Li2O-SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 고체 전해질 박막을 형성하기 위한 상기 원료분말은 Li 을 함유하지 않을 수 있으며, 이 경우 Li 을 함유하지 않은 원료분말에 상기 리튬 함유 물질을 첨가하고, 반응시킴으로써 Li 을 함유하는 고체 전해질 박막 제조용 타겟을 제조할 수 있다. 상기 Li 을 함유하지 않는 원료분말은, 예를 들어, 인 산화물, 실리콘 산화물, V2O5-SiO2, SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도펀트는, 예를 들어, Sb, As, Ga, P, B, S, Se, Te, F, 또는 이들의 조합 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학양론비를 만족하는 리튬을 함유하는 원료분말에 포함된 리튬 원자 및 상기 리튬 함유 물질에 포함돤 리튬 원자 사이의 원자비는 1 : 0.1 내지 1 : 4 인 것일 수 있다. 상기 원자비가 1 : 0.1 미만이면 제조된 박막의 Li 이 화학양론비를 만족시킬 수 없으며, 상기 몰비가 1 : 4 초과이면 하기에 검토할 1차 열처리 과정에서 상기 리튬 함유 물질의 불필요한 성분을 완전히 제거하지 못할 수 있다.
또한, 상기 화학양론비를 만족하는 리튬을 함유하지 않는 원료분말에 포함된 금속 원자 및 상기 리튬 함유 물질에 포함된 리튬 사이의 원자비는 1 : 1.1 내지 1 : 5 인 것일 수 있다. 상기 몰비가 1 : 1.1 미만이면 제조된 박막의 Li 이 화학양론비를 만족시킬 수 없으며, 상기 몰비가 1 : 5 초과이면 하기에 검토할 1차 열처리 과정에서 상기 리튬 함유 물질의 불필요한 성분을 완전히 제거하지 못할 수 있다.
상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말에는, 상기 리튬 함유 물질에 포함되어 있는 불필요한 성분을 1차 열처리를 통하여 제거할 필요가 있다(S20). 상기 1차 열처리 과정에서는 리튬 함유 물질의 불필요한 성분이 제거되는바, 소위 하소(calcinations)의 효과가 달성된다. 상기 1차 열처리 과정에서는, 예를 들어, Li2CO3 가 상기 리튬 함유 물질로 사용되는 경우 CO3 가, LiNO3 가 상기 리튬 함유 물질로 사용되는 경우 NO3 가, LiOH 가 상기 리튬 함유 물질로 사용되는 경우 OH 가 각각 제거된다. 상기 1차 열처리 과정은, 예를 들어, 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 500℃ 내지 1000℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2-함유 기체 분위기 하에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 500℃ 미만이면 불필요한 성분이 완전히 제거되지 않을 수 있으며, 상기 온도가 1000℃ 초과이면 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말의 증발 및/또는 용융이 일어날 수 있다. 또한, 상기 시간이 1 시간 미만이면 불필요한 성분이 완전히 제거되지 않을 수 있으며, 상기 시간이 100 시간 초과이면 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말 내의 Li 이 함께 제거될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 LiCO3 가 상기 리튬-함유 물질로 사용되는 경우, 800℃ 내지 1000℃ 에서 열분해 및 CO3 의 증발에 의해 급격한 무게감소가 일어났다. 이는, 리튬-함유 물질로서 LiCO3 를 사용하는 경우, 상기 1차 열처리 온도는 800℃ 내지 1000℃ 일 수 있음을 의미한다. 도 3 에 도시된 Li2CO3 분말에 대한 TG/DTA (thermogravimetry/differential thermal analysis) 결과를 통해 이를 확인할 수 있다.
상기 1차 열처리 과정을 거친 과잉의 리튬을 함유한 원료분말은 응집 및 물질확산으로 인해 입자 크기가 매우 크다. 따라서 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하여(S30) 작은 크기의 균일한 분말을 제조한다. 예를 들어, 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을, 예를 들어, 막자사발에서 분쇄하고, 이를 볼밀링함으로써 미세 분말을 제조할 수 있다.
이어서, 상기 분쇄된 원료분말을 가압 성형하여 성형체를 형성한다(S40). 상기 가압 성형 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 분쇄된 원료분말을 몰드에 넣고, 100 MPa 내지 1000 MPa 의 압력하에 성형하여 성형체를 제조한다. 상기 가압 성형의 방법은 제한되지 않으며, 예를 들어, 냉간 등압 성형법(Cold Isostatic Press, CIP), 건식 등압 성형법(Dry Isostatic Press, DIP), 열간 등압 성형법(Hot Isostatic Press, HIP) 등을 이용할 수 있다.
이어서, 상기 성형체를 2차 열처리하여 입자들이 더욱 단단하게 밀착된 리튬 함유 박막 제조용 타겟을 제조할 수 있다(S50). 상기 2차 열처리 과정에서는 입자들이 더욱 단단하게 밀착되는바, 소위 소결(sintering)의 효과가 달성된다. 상기 2차 열처리 온도는 제한되지 않으나, 상기 1차 열처리 온도 보다 높은 온도에서 실시할 수 있으며, 예를 들어, 800℃ 내지 1200℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2 함유 기체 분위기 하에서 2차 열처리하여 입자가 단단하게 밀착된 리튬 함유 박막 제조용 타겟을 제조할 수 있다.
상기 타겟을 기판 상에 물리기상증착(physical vapor deposition PVD)시켜 리튬-함유 박막을 형성할 수 있다(S60). 상기 물리기상증착은, 예를 들어, RF 마그네트론 스퍼터링법(RF magnetron sputtering), DC 마그네트론 스퍼터링법(DC magnetron sputtering), e-빔 증착법(e-beam evaporation), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 등에 의하여 수행될 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 리튬-함유 박막 제조용 타겟은 리튬 박막 전지의 캐소드 박막 또는 고체 전해질 박막을 제조하기 위한 타겟으로서 사용 가능하다. 예를 들어, 상기 화학양론비를 만족하는 원료분말로서 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, 또는 이들의 조합; 및, 코발트 산화물, 망간 산화물, 니켈 산화물, 철 인산화물, 또는 이들의 조합: 을 사용하였을 경우 리튬 박막 전지의 캐소드 박막으로서 사용될 수 있으며, 상기 화학양론비를 만족하는 원료분말로서 Li3PO4, Li4SiO4, Li2O-V2O5-SiO2, Li2O-SiO2-SnO2 또는 이들의 조합; 및, 인 산화물, 실리콘 산화물, V2O5-SiO2, SiO2-SnO2 또는 이들의 조합: 을 사용하였을 경우 리튬 박막 전지의 고체 전해질 박막으로서 사용될 수 있다.
상기에서는 본원의 예시적인 구현예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 또는 리튬-비함유 원료분말에 리튬-함유 물질을 첨가하여 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 형성하는 것;
    상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 1차 열처리하는 것;
    상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하는 것;
    상기 분쇄된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 가압 성형하여 성형체를 제조하는 것; 및,
    상기 성형체를 2차 열처리하는 것
    을 포함하고,
    상기 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 원료분말은 Li3PO4, Li4SiO4, Li2O-V2O5-SiO2, Li2O-SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하고,
    상기 화학양론비를 만족하는 리튬-비함유 원료분말은 인 산화물, 실리콘 산화물, V2O5-SiO2, SiO2-SnO2, 이들의 조합, 및 이들에 도펀트를 첨가한 물질로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인,
    리튬-함유 박막 제조용 타겟(target)의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리튬-함유 물질은 Li2CO3, LiNO3, LiOH, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학양론비를 만족하는 리튬-함유 원료분말에 포함된 리튬 원자 및 상기 리튬-함유 물질에 포함된 리튬 원자의 원자비는 1 : 0.1 내지 1 : 4 인 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학양론비를 만족하는 리튬-비함유 원료분말에 포함된 금속 원자 및 상기 리튬-함유 물질에 포함된 리튬 원자의 원자비는 1 : 1.1 내지 1 : 5 인 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열처리는 상기 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 500℃ 내지 1000℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2 함유 기체 분위기 하에서 수행되는 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분쇄는 상기 1차 열처리된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 분쇄하여 볼 밀링하는 것을 포함하는 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압 성형은 상기 분쇄된 과잉의 리튬을 함유한 원료분말을 몰드에 넣고 100 MPa 내지 1000 MPa 의 압력 하에 성형하는 것을 포함하는 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 열처리는 상기 성형체를 800℃ 내지 1200℃ 에서 1 시간 내지 100 시간 동안 O2-함유 기체 분위기 하에서 수행되는 것인, 리튬-함유 박막 제조용 타겟의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
KR1020110017088A 2011-02-25 2011-02-25 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법 KR101389774B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110017088A KR101389774B1 (ko) 2011-02-25 2011-02-25 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110017088A KR101389774B1 (ko) 2011-02-25 2011-02-25 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120097712A KR20120097712A (ko) 2012-09-05
KR101389774B1 true KR101389774B1 (ko) 2014-04-28

Family

ID=47108882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110017088A KR101389774B1 (ko) 2011-02-25 2011-02-25 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101389774B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0134930B1 (ko) * 1994-11-14 1998-05-15 선우증호 이차전지용 리튬 망간 산화물 박막전극 및 그 제조방법
KR20050024097A (ko) * 2003-09-04 2005-03-10 재단법인서울대학교산학협력재단 비정질 리튬-설페이트계 고체 전해질 및 그 제조 방법
KR20080106466A (ko) * 2006-07-27 2008-12-05 닛코 킨조쿠 가부시키가이샤 리튬 함유 전이금속 산화물 타겟 및 그 제조 방법 그리고 리튬 이온 박막 2차 전지
KR101001163B1 (ko) * 2008-03-18 2010-12-17 한국과학기술연구원 리튬-망간-주석 산화물 양극 박막을 포함하는 리튬이차 전지, 리튬-망간-주석 산화물 타겟 제조 방법 및 이를 이용한 양극 박막 형성 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0134930B1 (ko) * 1994-11-14 1998-05-15 선우증호 이차전지용 리튬 망간 산화물 박막전극 및 그 제조방법
KR20050024097A (ko) * 2003-09-04 2005-03-10 재단법인서울대학교산학협력재단 비정질 리튬-설페이트계 고체 전해질 및 그 제조 방법
KR20080106466A (ko) * 2006-07-27 2008-12-05 닛코 킨조쿠 가부시키가이샤 리튬 함유 전이금속 산화물 타겟 및 그 제조 방법 그리고 리튬 이온 박막 2차 전지
KR101001163B1 (ko) * 2008-03-18 2010-12-17 한국과학기술연구원 리튬-망간-주석 산화물 양극 박막을 포함하는 리튬이차 전지, 리튬-망간-주석 산화물 타겟 제조 방법 및 이를 이용한 양극 박막 형성 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120097712A (ko) 2012-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6773170B2 (ja) リチウムイオン伝導体および電池
Birke et al. A first approach to a monolithic all solid state inorganic lithium battery
CN105637694B (zh) 钠离子电池用电极复合材料及其制造方法、以及钠全固态电池
CN106458634B (zh) 掺杂的镍酸盐材料
WO2016092889A1 (ja) 電池搭載デバイス
JP5132639B2 (ja) セラミックス材料及びその製造方法
CN103765658B (zh) 具有依赖尺寸的组成的正极材料
JP5283188B2 (ja) 全固体二次電池およびその製造方法
JP5273732B2 (ja) セラミックス材料の製造方法
US10770750B2 (en) Lithium ion conductor, solid electrolyte layer, electrode, battery, and electronic device
JP2016171067A (ja) ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有するリチウムイオン伝導性酸化物セラミックス材料
JP6575109B2 (ja) リチウムイオン伝導体、電極、電池およびその製造方法、ならびに電子機器
JP2010045019A (ja) 全固体リチウム二次電池及びその製造方法
EP3909915A1 (en) Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery, and molded article
JP7468590B2 (ja) リチウム化合物粉末
CN115461890A (zh) 烧结体电极、电池用部件以及烧结体电极和电池用部件的制造方法、固体电解质前体溶液、固体电解质前体和固体电解质
JP2020087769A (ja) 固体電解質の製造方法、固体電解質、二次電池、電子機器
CN115699213A (zh) 锂离子传导性固体电解质和全固体电池
JP7260656B2 (ja) 固体電解質材料、固体電解質、これらの製造方法および全固体電池
JP2024100801A (ja) 正極活物質の作製方法
KR101134474B1 (ko) 급속 충방전이 가능한 리튬 이차전지용 고용량 음극소재 및 그 제조 방법
KR101389774B1 (ko) 박막 전지용 리튬-함유 박막 형성용 타겟 및 이의 제조 방법
JP2020087770A (ja) 固体電解質、固体電解質の製造方法、二次電池、電子機器
JP2001143697A (ja) 二次電池用電極、該電極を用いた二次電池およびそれらの製造方法
CN117203177A (zh) 锂离子传导性氧化物和全固体电池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee