KR101832057B1 - 배터리 집적 패키징 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치는 복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 형성된 배터리와, 상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 실장되는 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자와, 상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 다층 회로 기판 기술을 이용하여 센서 또는 집적회로 칩의 구동에 필요한 배터리를 형성하고, 에너지 변환 소자와 집적회로 칩 칩을 동시에 패키징할 수 있는 비아를 이용한 배터리 집적 패키징 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 집적회로 제조기술과 유사한 공정을 이용하여 제작된 고체 배터리(slid state battery)칩을 전자소자 및 부품(집적회로 칩)과 함께 패키징하여 시스템에 사용할 수 있도록 개발되고 있다.
종래의 배터리 칩은 반도체 제작공정을 이용하기 때문에 제작비용이 고가이고 용량을 증가시키기 위해서는 고체 배터리용 재료의 품질이 개선되어야하고 또한 배터리 칩의 사이즈가 커져야한다. 또한 다수의 배터리 칩을 3차원으로 집적하는 방법을 고려할 수 있으나 추가적인 와이어 본딩(wire bonding)이나 BGA등 인터 컨넥션이 필요하고 이는 패키징의 사이즈를 증가시키는 요인으로 한계가 있다.
본 발명은 저온 동시 소성 세라믹(low-temperature co-fired ceramic: 이하 LTCC) 기술을 이용하여 센서 및 집적회로 칩의 구동에 필요한 배터리를 다층회로 기판 내에 형성하고, 에너지 변환 소자와 집적회로 칩을 동시에 패키징하는 배터리 패키징 장치 및 방법을 제공한다.
상기한 본 발명의 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치는 복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 형성된 배터리와, 상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 실장되는 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자와, 상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브로 구성되며, 상기 포지티브는 제 1 시트와, 상기 제 1 시트의 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성되며, 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 1 비아와, 상기 제 1 비아의 상부에 형성된 제 1 비아 패드와, 상기 제 1 비아 패드와 소정 간격만큼 이격되어 상기 제 1 시트의 상부에 형성된 포지티브 전류콜렉터와, 상기 포지티브 전류콜렉터의 상부 일부 영역에 형성된 포지티브 전극을 포함하며, 상기 네거티브는 상기 제 1 시트와 적층 결합되는 제 2 시트와, 상기 제 2 시트 상의 비아 홀에 전해질 물질을 매립하여 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전극과 접촉 및 연결되도록 형성되는 전해질 층과, 상기 제 2 시트 상의 다른 비아 홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전류콜렉터와 접촉 및 연결되도록 형성되며, 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 2 비아와, 상기 전해질 층의 상부가 완전히 덮히도록 네거티브 전극재료를 상기 제 2 시트의 상부에 프린팅한 후 건조하여 형성되는 네거티브 전극과, 상기 네거티브 전극과 상기 제 2 비아의 상부가 완전히 덮히도록 금속 재료를 프린팅한 후 건조하여 형성되는 네거티브 전류콜렉터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 기 설정된 온도 및 압력으로 상기 제 1 시트와 제 2 시트를 적층 및 정렬하여 적층 스택을 형성한 후 열처리 공정을 통해 생성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 직렬로 연결되는 구조를 가지며, 상기 포지티브는 상기 제 1 기판 상부에 금속 재료를 일정 간격으로 프린팅하여 형성된 n개의 포지티브 전류단자와, 상기 n개의 포지티브 전류단자의 상부 일부 영역에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 형성된 n개의 포지티브 전극을 포함하며, 상기 네거티브는 상기 제 2 기판 상에 형성된 2n개의 비아홀에 금속재료와 전해질 물질의 매립을 통해 형성된 n개의 비아 및 n개의 전해질 층과,(n개의 전해질 층은 제 1 기판과 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 n개의 전해질 층 각각이 n개의 포지티브 전극에 접촉되도록 형성됨) 상기 n개의 전해질 층 상부에 대응하는 상기 제 2 기판의 영역에 음극 재료를 프린팅하여 형성된 n개의 네거티브 전극과, 상기 n개의 네거티브 전극과 상기 n개의 비아가 형성된 상기 제 2 기판 상에 금속 재료를 프린팅하여 형성된 n개의 비아 패드 및 n개의 네거티브 전류단자(상기 n개의 네거티브 전류단자는 상기 n개의 네거티브 전극 각각을 감싸고 n개의 네거티브 전극 사이에 형성된 비아를 덮는 구조로 형성됨)를 포함하며, 상기 n개의 비아 패드가 상기 n개의 비아를 통해 상기 제 1 기판 상에 형성된 n개의 포지티브 전류단자에 각각 연결되고 상기 n개의 네거티브 전류단자가 상기 n개의 네거티브 전극 및 전해질 층을 통해 상기 n개의 포지티브 전류단자 각각에 연결되도록 상기 제1 기판과 제 2 기판을 정렬 및 적층시켜 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 병렬로 연결되는 구조를 가지며, 상기 포지티브는 상기 제 1 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 포지티브 전류단자와, 상기 포지티브 전류단자의 상부에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 형성된 포지티브 전극을 포함하며, 상기 네거티브는 상기 2 기판을 관통하여 형성된 n개의 비아홀 중 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 의해 드러난 상기 포지티브 전류단자와 접촉되는 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성된 비아와, 상기 n개의 비아홀 중 나머지 비아홀에 전해질 물질을 매립하여 형성되되, 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 접촉되도록 형성되는 상기 n-1개의 전해질 층과, 상기 n-1개의 전해질 층을 상호 연결되도록 상기 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 네거티브 전극과, 상기 네거티브 전극을 감싸고 상기 비아의 상부를 덮도록 상기 네거티브 전극이 형성된 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 네거티브 전류단자 및 비아 패드를 포함하며, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 정렬 및 적층될 때 상기 제 2 기판의 n-1개의 전해질 층과 제 1 기판의 포지티브 전극이 접촉 및 연결되고, 상기 포지티브 전류단자가 제 2 기판의 비아와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리의 용량과 전압은 전해질 층의 개수에 의해 결정될 수 있다.
상기한 본 발명의 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치의 제조 방법은 복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 배터리를 형성하는 단계와, 상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자를 실장하는 단계와, 상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브로 구성되며, 상기 배터리를 형성하는 단계는 제 1 시트의 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 1 비아를 형성하는 단계와, 상기 제 1 비아의 상부에 제 1 비아 패드를 형성하는 단계와, 상기 제 1 비아 패드와 소정 간격만큼 이격된 상기 제 1 시트의 상부에 포지티브 전류콜렉터를 형성하는 단계와, 상기 포지티브 전류콜렉터의 상부 일부 영역에 포지티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 시트와 적층 결합되는 제 2 시트 상의 비아 홀에 전해질 물질을 매립하여 전해질 층을 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전극과 접촉 및 연결되도록 전해질 층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 시트 상의 다른 비아 홀에 전도성 금속재료를 매립하여 제 2 비아를 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전류콜렉터와 접촉 및 연결되도록 상기 제 2 비아를 형성하는 단계와, 상기 전해질 층의 상부가 완전히 덮히도록 네거티브 전극재료를 상기 제 2 시트의 상부에 프린팅한 후 건조하여 네거티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 네거티브 전극과 상기 제 2 비아의 상부가 완전히 덮히도록 금속 재료를 프린팅한 후 건조하여 네거티브 전류콜렉터를 형성하는 단계와, 기 설정된 온도 및 압력으로 상기 제 1 시트와 제 2 시트를 적층 및 정렬하여 적층 스택을 형성한 후 열처리 공정을 통해 배터리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 직렬로 연결되는 구조를 가지며, 상기 제 1 기판 상부에 금속 재료를 일정 간격으로 프린팅하여 n개의 포지티브 전류단자를 형성하는 단계와, 상기 n개의 포지티브 전류단자의 상부 일부 영역에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 n개의 포지티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 제 2 기판 상에 형성된 2n개의 비아홀에 금속재료와 전해질 물질의 매립을 통해 n개의 비아 및 n개의 전해질 층을 형성하는 단계와,(n개의 전해질 층은 제 1 기판과 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 n개의 전해질 층 각각이 n개의 포지티브 전극에 접촉되도록 형성됨) 상기 n개의 전해질 층 상부에 대응하는 상기 제 2 기판의 영역에 음극 재료를 프린팅하여 n개의 네거티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 n개의 네거티브 전극과 상기 n개의 비아가 형성된 상기 제 2 기판 상에 금속 재료를 프린팅하여 n개의 비아 패드 및 n개의 네거티브 전류단자를 형성하는 단계와,(상기 n개의 네거티브 전류단자는 상기 n개의 네거티브 전극 각각을 감싸고 n개의 네거티브 전극 사이에 형성된 비아를 덮는 구조로 형성됨) 상기 n개의 비아 패드가 상기 n개의 비아를 통해 상기 제 1 기판 상에 형성된 n개의 포지티브 전류단자에 각각 연결되고 상기 n개의 네거티브 전류단자가 상기 n개의 네거티브 전극 및 전해질 층을 통해 상기 n개의 포지티브 전류단자 각각에 연결되도록 상기 제1 기판과 제 2 기판을 정렬 및 적층시켜 상기 배터리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 병렬로 연결되는 구조를 가지며, 상기 제 1 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 포지티브 전류단자를 형성하는 단계와, 상기 포지티브 전류단자의 상부에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 포지티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 2 기판을 관통하여 형성된 n개의 비아홀 중 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 의해 드러난 상기 포지티브 전류단자와 접촉되는 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 비아를 형성하는 단계와, 상기 n개의 비아홀 중 나머지 비아홀에 전해질 물질을 매립하여 n-1개의 전해질 층을 형성하되, 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 접촉되도록 상기 n-1개의 전해질 층을 형성하는 단계와, 상기 n-1개의 전해질 층을 상호 연결되도록 상기 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 네거티브 전극을 형성하는 단계와, 상기 네거티브 전극을 감싸고 상기 비아의 상부를 덮도록 상기 네거티브 전극이 형성된 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 네거티브 전류단자 및 비아 패드를 형성하는 단계와, 상기 제 2 기판의 n-1개의 전해질 층과 제 1 기판의 포지티브 전극이 접촉 및 연결되고, 상기 포지티브 전류단자가 제 2 기판의 비아와 연결되도록 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 정렬 및 적층하여 배터리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에 따르면, LTCC 술을 이용하여 센서 및 집적회로 칩의 구동에 필요한 배터리를 다층회로 기판 내에 형성하고, 에너지 변환 소자와 집적회로 칩을 동시에 패키징하는 배터리 패키징 장치 및 방법을 제공함으로써, 배터리의 사이즈를 최소화시킬 수 있다. 또한, 이를 통해 외부의 전원 공급 없이 독립적으로 사용해야하는 사물 인터넷용 센서 및 통신용 모듈에 사용이 가능한 배터리를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치의 전체 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LTCC 3차원 다층 회로 기판을 이용한 패키징 공정을 통해 형성된 배터리의 구조와 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은본 발명의 다른 실시 예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 직렬연결의 배터리 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 병렬연결 배터리 구조의 단면과 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LTCC 3차원 다층 회로 기판을 이용한 패키징 공정을 통해 형성된 배터리의 구조와 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은본 발명의 다른 실시 예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 직렬연결의 배터리 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 병렬연결 배터리 구조의 단면과 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치의 전체 구조를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 집적 패키징 장치(100)는 태양전지와 같은 에너지 변환 소자(110), 에너지 변환 소자(110)에서 생산된 전력이 저장되는 배터리(120), 배터리(120)에 의해 공급되는 전력에 의해 동작하는 센서(130) 및 집적회로 칩(140) 및 복수의 입출력 단자(150)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 집적 패키징 장치(100)는 복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 형성된 배터리(120)와, 배터리(120)가 포함된 패키징 장치에 실장되는 센서(130), 집적회로 칩(140) 및 에너지 변환 소자(110)와, 센서(130), 집적회로 칩(140), 에너지 변환 소자(110) 및 배터리(120)를 상호 연결시키는 입출력 단자(150)를 포함할 수 있다.
한편, 배터리(120)는 LTCC 3차원 다층 회로 기판을 이용하여 패키징 공정을 통해 형성될 수 있다. 구체적으로, 배터리(120)는 배터리용 전해질 재료, 포지티브 전극 재료, 네거티브 전극 재료를 스크린 프린팅 또는 3D 프린팅 기술을 통해 패키징하여 고체 상태로 형성될 수 있다. 배터리(120)형성을 위한 기판이외의 여분의 3차원 다층 회로 기판 형성 기술을 사용하여 센서(130), 집적회로 칩(140) 및 에너지 변환 소자(110)와 이를 상호연결하고 입출력 단자(150)를 형성할 수 있다.
이러한 배터리(120)의 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LTCC 3차원 다층 회로 기판을 이용한 패키징 공정을 통해 형성된 배터리(120)의 구조와 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(120)의 포지티브측은 레이저 또는 기계 펀칭기를 이용하여 제 1 시트(201)의 소정 영역을 펀칭하여 제 1 비아홀을 형성한 후 제 1 비아홀에 전도성 금속 재료의 매립을 통해 형성된 제 1 비아(210), 제 1 비아(210)의 상부에 금속 재료를 스크린 프린팅하여 형성된 제 1 비아 패드(212) 및 포지티브 전극의 전력을 모으는 포지티브 전류 콜렉터(211)를 포함할 수 있다.
또한, 배터리(120)는 포지티브 전류 콜렉터(211)의 상부 일부 영역에 포지티브 전극 재료를 스크린 프린팅하여 형성된 포지티브 전극(213)을 포함할 수 있다. 이때, 포지티브 전극(213)은 포지티브 전류 콜렉터(211)와 동일한 형태를 가지며, 면적이 작은 형태를 가질 수 있다.
또한, 제 1 시트(201)와 제 2 시트(202)가 정렬 및 적층될 때 포지티브 전극(213)은 전해질 층(221)에 접촉 및 연결될 수 있다.
상기와 같은 배터리(120)의 제 1 비아(210)는 이후 실장되는 센서(130), 집적회로 칩(140) 및 에너지 변환 소자(110)와 연결시키며, 이러한 연결을 통해 배터리(120)에 전력을 충전함과 더불어 센서(130) 및 집적회로 칩(140)에 전력을 공급할 수 있다.
배터리(120)에서 네거티브측은 레이저 또는 기계 펀칭기를 이용하여 제 2 시트(202)의 소정 영역을 펀칭하여 제 2 및 3 비아홀을 형성한 후 제 2 비아홀에 전도성 금속 재료의 매립을 통해 형성된 제 2 비아(220), 제 3 비아홀에 전해질 재료를 매립하여 형성된 전해질 층(221), 전해질 층(221) 상부에 네거티브 전극 재료의 스크린 프린팅하여 형성된 네거티브 전극(222), 제 2 비아(220)의 상부에 금속 재료를 스크린 프린팅하여 형성된 제 2 비아 패드(223) 및 네거티브 전극(222)이 완전히 덮히도록 금속 재료를 스크린 프린팅하여 형성된 네거티브 전류콜렉터(224)를 포함할 수 있다. 여기에서, 네거티브 전류콜렉터(224)는 네거티브 전극(222)의 전류를 모을 수 있다.
상기와 같은 전해질 층(221), 네거티브 전극(222), 제 2 비아 패드(223) 및 네거티브 전류 콜렉터(224)는 해당 재료를 매립 및 스크린 프린팅한 후 소정의 건조 공정을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 네거티브 전류콜렉터(224)와 제 2 비아 패드(223)는 동시에 형성될 수 있다. 구체적으로, 네거티브 전극(222)이 형성된 제 2 시트(202)의 상부에 네거티브 전극(222)이 완전히 감싸면서 제 2 비아(220)의 상부를 덮히도록 금속재료를 프린팅하여 네거티브 전류콜렉터(224)와 제 2 비아 패드(223)를 형성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 제 2 비아(220)는 이후 실장되는 센서(130), 집적회로 칩(140) 및 에너지 변환 소자(110)와 연결시키며, 이러한 연결을 통해 배터리(120)에 전력을 충전함과 더불어 센서(130) 및 집적회로 칩(140)에 전력을 공급할 수 있다.
도 3은본 발명의 다른 실시 예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 직렬연결의 배터리 구조를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(120)의 포지티브측은 제 1 기판(301) 상에 금속 재료의 프린팅과 건조를 통해 형성된 제 1, 2, 3 포지티브 전류 단자(310-a, 310-b, 310-c)와 제 1, 2, 3 포지티브 전류 단자(310-a, 310-b, 310-c) 각 상부 일부 영역에 포지티브 전극 재료의 프린팅과 건조 공정을 통해 형성된 제 1, 2, 3 포지티브 전극(311-a, 311-b, 311-c)을 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 기판(301, 302)이 정렬 및 적층될 때, 제 1, 2, 3 포지티브 전극(311-a, 311-b, 311-c)은 네거티브측의 제 1, 2, 3 전해질 층(321-a, 321-b, 321-c)에 접촉 및 연결될 수 있도록 제 1, 2, 3 포지티브 전류 단자(310-a, 310-b, 310-c)의 상부 영역에 형성될 수 있다.
배터리(120)의 네거티브측은 제 2 기판(302)에 대한 레이저 또는 기계 펀칭기를 통해 형성된 복수의 비아홀에 전도성 재료 및 전해질 재료의 매립을 통해 형성된 복수의 제 3, 4, 5 비아(320-a, 320-b, 320-c)와 제 1, 2, 3 전해질 층(321-a, 321-b, 321-c)을 포함할 수 있다.
제 1, 2, 3 전해질 층(321-a, 321-b, 321-c)의 각 상부 일부 영역에는 네거티브 전극 재료가 일정한 면적을 갖도록 네거티브 전극 재료를 프린팅 및 건조하여 제 1, 2, 3 네거티브 전극(322-a, 322b, 322-c)이 형성될 수 있다.
제 3, 4, 5 비아(320-a, 320-b, 320-c) 및 제 1, 2, 3 전해질 층(321-a, 321-b, 321-c) 상부에 금속 재료를 프린팅 건조하여 제 3 비아 패드(323)와 제 1, 2, 3 네거티브 전류 단자(324-a, 324-b, 324-c)를 형성한다.
본 발명의 실시예에서 제 1, 2, 3 네거티브 전류 단자((324-a, 324-b, 324-c))는 제 1, 2, 3 네거티브 전극(322-a, 322b, 322-c)의 전체를 감싸면서 제 4 및 제 5 비아(320-b, 320-c)를 덮는 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제 1 네거티브 전류 단자(324-a)는 제 4 비아(320-b)를 덮는 구조로 형성되며, 제 2 네거티브 전류 단자(324-b)는 제 5 비아(320-c)를 덮는 구조로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LTCC 기판을 이용한 패키징 제조 공정에서 병렬연결 배터리 구조의 단면과 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 병렬연결의 배터리 구조에서 포지티브측은 제 1 기판(401)에 금속재료를 프린팅 및 건조하여 형성된 포지티브 전류단자(410), 배터리 포지티브 전극 재료를 프린팅 및 건조하여 형성된 포지티브 전극(411)을 포함할 수 있다.
제 1 기판(401)이 제 2 기판(402)과 정렬 및 적층되었을 때, 포지티브 전극(411)은 네거티브측의 제 2 기판(402)의 전해질 층(421)들과 연결 및 접촉될 수 있도록 포지티브 전류 단자(410)의 상부 영역에 형성될 수 있다.
한편, 병렬 배터리 구조에서 네거티브측은 제 2 기판(402)에 하부 기판(401)의 포지티브 전류단자(411)와 연결되도록 형성된 비아(420) 및 복수의 병렬연결용 전해질 층들(421)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 2 기판(402)을 기계 펀칭기 또는 레이저를 이용하여 제 2 기판(402)에 복수의 비아홀을 형성한 후 비아홀 중 어느 하나에 전도성 금속 재료을 매립하여 비아(420)를 형성하며, 그 외에 비아홀에 전해질 물질을 매립하여 복수의 병렬연결용 전해질 층(421)을 형성한다.
또한, 병렬 배터리 구조에서 네거티브측은 복수의 병렬연결용 전해질 층들(421) 상부에 네커티브 전극재료를 일정한 면적을 갖도록 프린팅 및 건조하여 형성된 네커티브 전극(422)과 비아(420) 및 네커티브 전극(422) 상부에 금속재료를 프린팅 및 건조하여 형성된 비아 패드(423)와 네커티브 전류단자(424)를 포함할 수 있다.
한편, 제 1 및 제 2 기판(401, 402)을 정렬 및 적층할 경우, 제 2 기판(402)의 전해질 층 (421)과 제 1 기판의 포지티브 전극(411)과 접촉 및 연결되고, 포지티브 전류단자(410)는 제 2 기판(402)의 비아(420)와 연결되어 병렬 연결된 배터리를 형성할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 배터리(120)의 구조에서 비아 패드(423)와 네커티브 전류 단자(424)를 이용하여 배터리(120)와 동시에 패키징된 에너지 변환 소자(100)와 센서(130) 및 집적회로 칩(120)과 연결하여 전원의 충전과 전원공급을 위해 패키징의 다른 부분과 연결할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에서 전해질 층(221, 321-a, 321-b, 321-c, 421)은 순수이온전도체 파우더(powder)에 바인더를 포함하는 스크린 프린팅용 페이스트 형태로 성형하여 제조하고, 열처리 공정을 거치면 그라스 세라믹(glass ceramic) 형태의 고체 상태로 변환될 수 있다. 여기에서, 순수 이온전도체는 Li, P, S 및 Ag로 구성된 어느 하나의 산화화합물을 들 수 있다.
또한, 포지티브 전극(213, 311-a, 311-b, 311-c, 411)용 재료는 Li이 포함된 금속의 산화물로 전도도를 개선하기 위하여 전도성 첨가제 및 바인더를 포함하고 있으며 스크린 프린팅이 용이하게 페이스트 형태로 제조될 수 있다.
네가티브 전극(222, 322-a, 322-b, 322-c, 422)용 재료는 In 화합물 및 바인더를 포함하거나, Sn, S, P 화합물 및 바인더를 포함하거나, 카본 및 바인더를 포함하거나, 또는 그래파이트(graphite) 재료 및 바인더를 포함하는 재료를 이용하여 스크린 프린팅이 용이하게 페이스트 형태로 제조될 수 있다.
포지티브 전류콜렉터(211, 310-a, 310-b, 310-c, 410) 및 네거티브 전류콜렉터(224, 324-a, 324-b, 324-c)용 금속재료는 Ag 또는 Cu를 기본 원소로 전도성 첨가제, 바인더, 포지티브내지는 네거티브 전극재료의 합금을 이용하여 스크린 프린팅이 용이하게 페이스트 형태로 제조될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 배터리 집적 패키징 장치
110 : 에너지 변환 소자
120 : 배터리
130 : 센서
140 : 집적회로 칩
150 : 입출력 단자
110 : 에너지 변환 소자
120 : 배터리
130 : 센서
140 : 집적회로 칩
150 : 입출력 단자
Claims (11)
- 삭제
- 배터리를 포함하는 패키징 장치에 있어서,
복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 형성된 배터리와,
상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 실장되는 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자와,
상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 포함하며,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브로 구성되며,
상기 포지티브는,
제 1 시트와,
상기 제 1 시트의 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성되며, 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 1 비아와,
상기 제 1 비아의 상부에 형성된 제 1 비아 패드와,
상기 제 1 비아 패드와 소정 간격만큼 이격되어 상기 제 1 시트의 상부에 형성된 포지티브 전류콜렉터와,
상기 포지티브 전류콜렉터의 상부 일부 영역에 형성된 포지티브 전극을 포함하며,
상기 네거티브는,
상기 제 1 시트와 적층 결합되는 제 2 시트와,
상기 제 2 시트 상의 비아 홀에 전해질 물질을 매립하여 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전극과 접촉 및 연결되도록 형성되는 전해질 층과,
상기 제 2 시트 상의 다른 비아 홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전류콜렉터와 접촉 및 연결되도록 형성되며, 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 2 비아와,
상기 전해질 층의 상부가 완전히 덮히도록 네거티브 전극재료를 상기 제 2 시트의 상부에 프린팅한 후 건조하여 형성되는 네거티브 전극과,
상기 네거티브 전극과 상기 제 2 비아의 상부가 완전히 덮히도록 금속 재료를 프린팅한 후 건조하여 형성되는 네거티브 전류콜렉터를 포함하는 배터리 집적 패키징 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 배터리는,
기 설정된 온도 및 압력으로 상기 제 1 시트와 제 2 시트를 적층 및 정렬하여 적층 스택을 형성한 후 열처리 공정을 통해 생성되는 배터리 집적 패키징 장치.
- 배터리를 포함하는 패키징 장치에 있어서,
복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 형성된 배터리와,
상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 실장되는 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자와,
상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 포함하며,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 직렬로 연결되는 구조를 가지며,
상기 포지티브는,
상기 제 1 기판 상부에 금속 재료를 일정 간격으로 프린팅하여 형성된 n개의 포지티브 전류단자와,
상기 n개의 포지티브 전류단자의 상부 일부 영역에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 형성된 n개의 포지티브 전극을 포함하며,
상기 네거티브는,
상기 제 2 기판 상에 형성된 2n개의 비아홀에 금속재료와 전해질 물질의 매립을 통해 형성된 n개의 비아 및 n개의 전해질 층과,(n개의 전해질 층은 제 1 기판과 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 n개의 전해질 층 각각이 n개의 포지티브 전극에 접촉되도록 형성됨)
상기 n개의 전해질 층 상부에 대응하는 상기 제 2 기판의 영역에 음극 재료를 프린팅하여 형성된 n개의 네거티브 전극과,
상기 n개의 네거티브 전극과 상기 n개의 비아가 형성된 상기 제 2 기판 상에 금속 재료를 프린팅하여 형성된 n개의 비아 패드 및 n개의 네거티브 전류단자(상기 n개의 네거티브 전류단자는 상기 n개의 네거티브 전극 각각을 감싸고 n개의 네거티브 전극 사이에 형성된 비아를 덮는 구조로 형성됨)를 포함하며,
상기 n개의 비아 패드가 상기 n개의 비아를 통해 상기 제 1 기판 상에 형성된 n개의 포지티브 전류단자에 각각 연결되고 상기 n개의 네거티브 전류단자가 상기 n개의 네거티브 전극 및 전해질 층을 통해 상기 n개의 포지티브 전류단자 각각에 연결되도록 상기 제1 기판과 제 2 기판을 정렬 및 적층시켜 형성되는 배터리 집적 패키징 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 배터리의 용량과 전압은,
전해질 층의 개수에 의해 결정되는 배터리 집적 패키징 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 병렬로 연결되는 구조를 가지며,
상기 포지티브는,
상기 제 1 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 포지티브 전류단자와,
상기 포지티브 전류단자의 상부에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 형성된 포지티브 전극을 포함하며,
상기 네거티브는,
상기 2 기판을 관통하여 형성된 n개의 비아홀 중 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 의해 드러난 상기 포지티브 전류단자와 접촉되는 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 형성된 비아와,
상기 n개의 비아홀 중 나머지 비아홀에 전해질 물질을 매립하여 형성되되, 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 접촉되도록 형성되는 n-1개의 전해질 층과,
상기 n-1개의 전해질 층을 상호 연결되도록 상기 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 네거티브 전극과,
상기 네거티브 전극을 감싸고 상기 비아의 상부를 덮도록 상기 네거티브 전극이 형성된 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 형성된 네거티브 전류단자 및 비아 패드를 포함하며,
상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 정렬 및 적층될 때 상기 제 2 기판의 n-1개의 전해질 층과 제 1 기판의 포지티브 전극이 접촉 및 연결되고, 상기 포지티브 전류단자가 제 2 기판의 비아와 연결되는 배터리 집적 패키징 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 배터리의 용량과 전압은,
전해질 층의 개수에 의해 결정되는 배터리 집적 패키징 장치.
- 삭제
- 배터리를 포함하는 패키징 장치를 제조하는 방법에 있어서,
복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 배터리를 형성하는 단계와,
상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자를 실장하는 단계와,
상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브로 구성되며,
상기 배터리를 형성하는 단계는,
제 1 시트의 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 상기 입출력 단자를 통해 에너지 변환 소자와 연결되어 센서 및 집적회로 칩에 전원을 공급하는 제 1 비아를 형성하는 단계와,
상기 제 1 비아의 상부에 제 1 비아 패드를 형성하는 단계와,
상기 제 1 비아 패드와 소정 간격만큼 이격된 상기 제 1 시트의 상부에 포지티브 전류콜렉터를 형성하는 단계와,
상기 포지티브 전류콜렉터의 상부 일부 영역에 포지티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 제 1 시트와 적층 결합되는 제 2 시트 상의 비아 홀에 전해질 물질을 매립하여 전해질 층을 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전극과 접촉 및 연결되도록 전해질 층을 형성하는 단계와,
상기 제 2 시트 상의 다른 비아 홀에 전도성 금속재료를 매립하여 제 2 비아를 형성하되, 상기 제 2 시트가 상기 제 1 시트에 적층될 때 상기 포지티브 전류콜렉터와 접촉 및 연결되도록 상기 제 2 비아를 형성하는 단계와,
상기 전해질 층의 상부가 완전히 덮히도록 네거티브 전극재료를 상기 제 2 시트의 상부에 프린팅한 후 건조하여 네거티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 네거티브 전극과 상기 제 2 비아의 상부가 완전히 덮히도록 금속 재료를 프린팅한 후 건조하여 네거티브 전류콜렉터를 형성하는 단계와,
기 설정된 온도 및 압력으로 상기 제 1 시트와 제 2 시트를 적층 및 정렬하여 적층 스택을 형성한 후 열처리 공정을 통해 배터리를 형성하는 단계를 포함하는 배터리 집적 패키징 장치의 제조 방법.
- 배터리를 포함하는 패키징 장치를 제조하는 방법에 있어서,
복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 배터리를 형성하는 단계와,
상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자를 실장하는 단계와,
상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 직렬로 연결되는 구조를 가지며,
상기 제 1 기판 상부에 금속 재료를 일정 간격으로 프린팅하여 n개의 포지티브 전류단자를 형성하는 단계와,
상기 n개의 포지티브 전류단자의 상부 일부 영역에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 n개의 포지티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 제 2 기판 상에 형성된 2n개의 비아홀에 금속재료와 전해질 물질의 매립을 통해 n개의 비아 및 n개의 전해질 층을 형성하는 단계와,(n개의 전해질 층은 제 1 기판과 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 n개의 전해질 층 각각이 n개의 포지티브 전극에 접촉되도록 형성됨)
상기 n개의 전해질 층 상부에 대응하는 상기 제 2 기판의 영역에 음극 재료를 프린팅하여 n개의 네거티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 n개의 네거티브 전극과 상기 n개의 비아가 형성된 상기 제 2 기판 상에 금속 재료를 프린팅하여 n개의 비아 패드 및 n개의 네거티브 전류단자를 형성하는 단계와,(상기 n개의 네거티브 전류단자는 상기 n개의 네거티브 전극 각각을 감싸고 n개의 네거티브 전극 사이에 형성된 비아를 덮는 구조로 형성됨)
상기 n개의 비아 패드가 상기 n개의 비아를 통해 상기 제 1 기판 상에 형성된 n개의 포지티브 전류단자에 각각 연결되고 상기 n개의 네거티브 전류단자가 상기 n개의 네거티브 전극 및 전해질 층을 통해 상기 n개의 포지티브 전류단자 각각에 연결되도록 상기 제1 기판과 제 2 기판을 정렬 및 적층시켜 상기 배터리를 형성하는 단계를 포함하는 배터리 집적 패키징 장치의 제조 방법.
- 배터리를 포함하는 패키징 장치를 제조하는 방법에 있어서,
복수의 기판 또는 시트 상에 복수의 비아홀을 형성하여 전해질 물질 및 전도성 금속물질을 매립하고, 상기 복수의 기판 또는 시트 상에 포지티브 재료 및 네거티브 재료의 프린팅 및 건조를 통해 배터리를 형성하는 단계와,
상기 배터리가 포함된 패키징 장치에 센서, 집적회로 칩 및 에너지 변환 소자를 실장하는 단계와,
상기 센서, 집적회로 칩, 에너지 변환 소자 및 배터리를 상호 연결시키는 입출력 단자를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 배터리는 포지티브와 네거티브에 해당하는 제 1 및 제 2 기판이 병렬로 연결되는 구조를 가지며,
상기 제 1 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 포지티브 전류단자를 형성하는 단계와,
상기 포지티브 전류단자의 상부에 포지티브 전극재료를 프린팅하여 포지티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 2 기판을 관통하여 형성된 n개의 비아홀 중 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 의해 드러난 상기 포지티브 전류단자와 접촉되는 비아홀에 전도성 금속재료를 매립하여 비아를 형성하는 단계와,
상기 n개의 비아홀 중 나머지 비아홀에 전해질 물질을 매립하여 n-1개의 전해질 층을 형성하되, 상기 제 1 및 제 2 기판이 정렬 및 적층될 때 상기 포지티브 전극에 접촉되도록 상기 n-1개의 전해질 층을 형성하는 단계와,
상기 n-1개의 전해질 층을 상호 연결되도록 상기 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 네거티브 전극을 형성하는 단계와,
상기 네거티브 전극을 감싸고 상기 비아의 상부를 덮도록 상기 네거티브 전극이 형성된 제 2 기판 상에 금속재료를 프린팅하여 네거티브 전류단자 및 비아 패드를 형성하는 단계와,
상기 제 2 기판의 n-1개의 전해질 층과 제 1 기판의 포지티브 전극이 접촉 및 연결되고, 상기 포지티브 전류단자가 제 2 기판의 비아와 연결되도록 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 정렬 및 적층하여 배터리를 형성하는 단계를 포함하는 배터리 집적 패키징 장치의 제조 방법.
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