KR101883330B1 - 레독스 커패시터 및 그 제작 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 실온에서 사용할 수 있는 레독스 커패시터 및 그 제작 방법을 제공한다.
레독스 커패시터의 전해질로서 수소를 포함하는 비정질 반도체를 이용한다. 수소를 포함하는 비정질 반도체의 대표예로서는, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 비정질 게르마늄 등의 반도체 원소를 가지는 비정질 반도체가 있다. 또한, 수소를 포함하는 비정질 반도체의 다른 예로서는, 수소를 포함하는 산화물 반도체가 있고, 대표예로서는, 산화아연, 산화티탄, 산화니켈, 산화바나듐, 또는 산화인듐 등의 일원계 산화물 반도체를 가지는 비정질 반도체가 있다. 또는, 수소를 포함하는 산화물 반도체의 다른 예로서는 다원계 산화물 반도체가 있고, 대표적으로는 InMO3(ZnO)m(m＞0, M은 Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)가 있다.

Description

레독스 커패시터 및 그 제작 방법{REDOX CAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 레독스 커패시터 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
근년, 전기 화학 커패시터의 개발이 행해지고 있다. 전기 화학 커패시터에는, 전극 및 전해액의 계면에서 정(正)과 부(負)의 전하가 정전적으로 축적된 용량을 이용하는 전기 이중층 커패시터(EDLC(Electric Double-Layer Capacitor))와 전극 표면에서의 전자 이동 과정(패러데이 과정(Faraday process))을 수반하여 축적된 용량을 이용하는 레독스 커패시터가 있다.
레독스 커패시터의 전해질로서는, 황산이나 염산 등의 산성 수용액이나, 황산수소세슘 등이 이용되고 있다(특허문헌 1 및 2 참조).
일본국 특개 2003-109875호 공보 일본국 특개 2007-123833호 공보
그러나, 산성 수용액을 레독스 커패시터의 전해질로서 이용하면 전극이 부식된다는 문제가 있다. 또한, 황산수소세슘을 레독스 커패시터의 전해질로서 이용하는 경우, 황산수소세슘이 구조 상전이를 일으키는 143℃ 부근 이상에서 사용해야 한다. 한편, 실온에서 사용하기 위해서는, 수분이 필요하고, 습도를 높인 분위기에서 사용해야 하고, 레독스 커패시터의 대형화가 문제였다.
본 발명의 일양태에서는 실온에서 사용 가능한 레독스 커패시터 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다.
본 발명의 일양태는 레독스 커패시터의 전해질로서 수소를 포함하는 비정질 반도체를 이용하는 것을 특징으로 한다. 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 비정질 게르마늄이 있다. 또는, 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는 수소를 포함하는 산화물 반도체가 있고, 수소를 포함하는 산화물 반도체의 대표예로서는, 산화아연, 산화티탄, 산화니켈, 산화바나듐, 또는 산화인듐이 있다. 또는, 수소를 포함하는 비정질 반도체로서는 In-M-Zn-산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)가 있고, 비정질 구조 중에 InMO3(ZnO)m(m＞0)의 결정을 포함하고 있어도 좋다. 또한, In-M-Zn-산화물 반도체 중에 질소를 포함하고 있어도 좋다. 질소를 포함함으로써 In-M-Zn-산화물 반도체의 수소 농도를 높일 수 있다.
본 발명의 일양태는 레독스 커패시터의 전해질을 스퍼터링법, CVD법, 인쇄법, 졸겔법, 딥 코트법 등을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다. 또는, 기판 혹은 활물질 위에 비정질 반도체를 퇴적한 후, 수소를 포함하는 분위기에서 가열하여 수소를 포함하는 비정질 반도체를 전해질로서 형성하는 것을 특징으로 한다. 또는, 기판 혹은 활물질 위에 비정질 반도체를 퇴적한 후, 이온 도핑법 또는 이온 주입법에 의해 비정질 반도체에 수소를 첨가하여, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 전해질로서 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일양태에 의해, 실온에서 동작이 가능하고, 또한 간편한 구조의 레독스 커패시터를 제작할 수 있다.
도 1은 레독스 커패시터의 구조를 설명한 단면도이다.
도 2(A) 내지 도 2(C)는 레독스 커패시터의 충전 기구를 설명한 도면이다.
도 3(A) 및 도 3(B)는 레독스 커패시터의 구조를 설명한 단면도이다.
도 4(A) 및 도 4(B)는 레독스 커패시터의 구조를 설명한 상면도이다.
도 5(A) 내지 도 5(C)는 레독스 커패시터의 구조를 설명한 단면도이다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 레독스 커패시터의 구조를 설명한 단면도이다.
도 7은 레독스 커패시터의 사이클릭 볼타모그램(cyclic voltammogram)을 설명한 도면이다.
본 발명의 실시형태의 일례에 대하여, 도면을 이용하여 이하에 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위로부터 일탈하는 일 없이 그 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아닌 것으로 한다. 또한, 설명 중에 도면을 참조함에 있어서, 같은 것을 가리키는 부호는 다른 도면간에서도 공통으로 이용하는 경우가 있다. 또한, 같은 것을 가리킬 때에는 같은 해치 패턴을 사용하고, 특별히 부호를 붙이지 않는 경우가 있다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 레독스 커패시터의 구조의 일 형태에 대하여 도 1을 이용하여 설명한다.
기판(100) 위에 형성되는 제 1 집전체(102)와, 제 1 집전체(102) 위에 형성되는 제 1 활물질(104)과, 제 1 활물질(104) 위에 형성되는 전해질(106)과, 전해질(106) 위에 형성되는 제 2 활물질(108)과, 제 2 활물질(108) 위에 형성되는 제 2 집전체(110)를 가진다.
기판(100)은 유리, 석영, 알루미나 등의 세라믹, 플라스틱을 이용할 수 있다. 또한, 플라스틱으로서는 FRP(Fiberglass-Reinforced Plastics)판, PVF(폴리비닐플루오라이드) 필름, 폴리에스테르 필름, 또는 아크릴 수지 필름을 이용할 수 있다.
제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)의 한쪽은 정극 집전체로서 기능하고, 다른 한쪽은 부극 집전체로서 기능한다. 제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)는 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리, 금, 은, 백금, 코발트 등의 단체(單體), 합금 혹은 화합물을 이용한다.
또한, 제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)는 활성탄 등의 도전성 카본, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤 등의 도전성 폴리머를 이용할 수 있다.
또한, 도 1에서는 도시하지 않았지만, 제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)의 한쪽은 정극 단자 또는 부극 단자의 한쪽에 접속되고, 제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)의 다른 한쪽은 정극 단자 또는 부극 단자의 다른 한쪽에 접속된다.
제 1 활물질(104) 및 제 2 활물질(108)의 한쪽은 정극 활물질로서 기능하고, 다른 한쪽은 부극 활물질로서 기능한다.
제 1 활물질(104) 및 제 2 활물질(108)은 산화루테늄, 산화이리듐, 산화코발트, 산화망간, 산화텅스텐, 산화니오브, 산화철 등의 하나 또는 복수를 이용할 수 있다.
또한, 제 1 집전체(102) 및 제 2 집전체(110)에, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤 등의 도전성 폴리머를 이용하는 경우는, 제 1 활물질(104) 및 제 2 활물질(108)을 제공하지 않아도, 도전성 폴리머가 집전체와 함께 활물질로서 기능한다.
전해질(106)은 고체의 수소를 포함하는 비정질 반도체로 형성한다. 수소를 포함하는 비정질 반도체의 대표예로서는, 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 비정질 게르마늄 등의 반도체 원소를 가지는 비정질 반도체가 있다. 또한, 수소를 포함하는 비정질 반도체의 다른 예로서는, 수소를 포함하는 산화물 반도체가 있고, 대표적으로는 산화아연, 산화티탄, 산화니켈, 산화바나듐, 또는 산화인듐 등의 일원계 산화물 반도체가 있다. 또한, 수소를 포함하는 산화물 반도체의 다른 예로서, 대표적으로는 In-M-Zn-산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소) 등의 다원계 산화물 반도체가 있고, 비정질 구조 중에 InMO3(ZnO)m(m＞0)의 결정을 포함하고 있어도 좋다. 또한, In-M-Zn-산화물 반도체 중에 질소를 포함하고 있어도 좋다. 질소를 포함함으로써 In-M-Zn-산화물 반도체의 수소 농도를 높일 수 있다.
또한, 수소를 포함하는 산화물 반도체로서 상기 외에도, In-Sn-산화물 반도체, In-Sn-Zn-산화물 반도체, In-Al-Zn-산화물 반도체, Sn-Ga-Zn-산화물 반도체, Al-Ga-Zn-산화물 반도체, Sn-Al-Zn-산화물 반도체, In-Zn-산화물 반도체, Sn-Zn-산화물 반도체, 또는 Al-Zn-산화물 반도체를 적용할 수 있다. 또한 상기 금속 산화물에 산화실리콘을 포함시켜도 좋다.
수소를 포함하는 산화물 반도체는 수화(水和) 산화물이어도 좋다. 수화산화물의 바람직한 수화수는 금속의 종류에 따라 다르다.
또한, 레독스 커패시터의 주위에 보호층(112)을 형성해도 좋다. 보호층(112)은 질화실리콘, DLC(Diamond Like Carbon), 산화실리콘 등을 이용할 수 있다. 레독스 커패시터의 주위에 보호층(112)을 형성함으로써, 레독스 커패시터의 안정적인 동작이 가능하고, 열화를 저감할 수 있다.
본 실시형태에 나타내는 레독스 커패시터의 충방전 기구에 대하여, 이하에 설명한다. 여기에서는, 수소를 포함하는 산화물 반도체(M은 금속, O는 산소를 나타냄)로 전해질을 형성한 레독스 커패시터를 이용하여 설명한다.
충전 반응의 경우, 외부로부터 레독스 커패시터에 전압을 인가하면, 도 2(A)에 나타낸 바와 같이 O1과 결합하고 있는 H400이, 도 2(B)에 나타낸 바와 같이 O2로 전위(轉位)한 후, 도 2(C)에 나타낸 바와 같이 O2와 결합을 형성한다. 이와 같이, 수소를 포함하는 비정질 반도체에 전압을 인가함으로써, 비정질 반도체 중의 정극측의 수소가 프로톤 호핑(proton hopping)에 의해 확산하여 부극으로 이동한다. 이 결과, 전자가 정극으로부터 부극으로 이동하기 때문에, 충전을 할 수 있다. 결정성 반도체와 비교하여, 비정질 반도체는 결함이 많기 때문에, 수소가 프로톤 호핑하기 쉽다.
방전 반응의 경우, 도 2(C), 도 2(B), 도 2(A)의 순으로, 충전 반응과는 반대의 반응에 의해, 비정질 반도체 중의 부극측의 수소가 프로톤 호핑에 의해 확산되어 정극으로 이동함과 동시에, 전자가 부극으로부터 정극으로 흐르기 때문에, 전류가 흐른다.
또한, 비정질 반도체가 비정질 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄, 또는 비정질 게르마늄의 경우도 마찬가지로 결함이 많기 때문에, 이 결함을 통한 프로톤 호핑에 의해 수소가 전극간을 이동하여, 충방전이 가능하다.
이상으로부터, 전해질에 수소를 포함하는 비정질 반도체를 이용함으로써, 레독스 커패시터를 제작할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 실시형태 1과 다른 구조의 레독스 커패시터의 구조에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3(A)에 나타낸 레독스 커패시터는 기판(120) 위에 형성되는 전해질(126)과 전해질(126) 위에 형성되는 제 1 활물질(124) 및 제 2 활물질(128)과, 제 1 활물질(124) 위에 형성되는 제 1 집전체(122)와, 제 2 활물질(128) 위에 형성되는 제 2 집전체(130)를 가진다.
도 3(B)에 나타낸 레독스 커패시터는 기판(140) 위에 형성되는 제 1 집전체(142) 및 제 2 집전체(150)와, 제 1 집전체(142) 위에 형성되는 제 1 활물질(144)과, 제 2 집전체(150) 위에 형성되는 제 2 활물질(148)과, 제 1 집전체(142) 및 제 2 집전체(150)의 측면 및 제 1 활물질(144) 및 제 2 활물질(148)의 상면 및 측면을 덮는 전해질(146)을 가진다.
도 3에 나타낸 제 1 집전체(122, 142), 및 제 2 집전체(130, 150)는 실시형태 1에 나타내는 제 1 집전체(102), 제 2 집전체(110)와 같은 재료를 이용할 수 있다.
도 3에 나타낸 제 1 활물질(124, 144), 및 제 2 활물질(128, 148)은 실시형태 1에 나타내는 제 1 활물질(104) 및 제 2 활물질(108)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
도 3에 나타낸 전해질(126, 146)은 실시형태 1에 나타내는 전해질(106)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
또한, 레독스 커패시터의 주위에 보호층(132, 152)을 형성해도 좋다. 보호층(132, 152)으로서는, 실시형태 1에 나타내는 보호층(112)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
도 3(A)에 나타낸 레독스 커패시터의 상면도를 도 4에 나타낸다.
도 4(A)에 나타낸 바와 같이, 제 1 집전체(122)와 제 2 집전체(130)를 평행하게 배치할 수 있다. 또한, 도 4(B)에 나타낸 바와 같이, 제 1 집전체(122)와 제 2 집전체(130)를 빗살형으로 할 수 있다. 이와 같이 제 1 집전체(122) 및 제 2 집전체(130)를 평행 또는 빗살형으로 함으로써, 제 1 집전체(122)와 제 2 집전체(130)의 대향 면적을 넓히는 것이 가능하고, 레독스 커패시터의 방전 용량을 증가시킬 수 있다.
또한, 제 1 집전체(122)는 정극 단자 및 부극 단자의 한쪽(136)에 접속하고, 제 2 집전체(130)는 정극 단자 및 부극 단자의 한쪽(134)에 접속한다. 단, 집전체와 정극 단자 또는 부극 단자의 접속 방법을 한정하는 것은 아니고, 집전체와 정극 단자 또는 부극 단자의 조합은 적절히 변경해도 상관없다.
또한, 도 3(B)에 나타낸 레독스 커패시터의 제 1 집전체(142)와 제 2 집전체(150)도, 도 4에 나타낸 형상으로 할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 실시형태 1 및 실시형태 2보다 용량을 증대시키는 것이 가능한 레독스 커패시터에 관하여, 도 5를 이용하여 설명한다. 본 실시형태에 나타내는 레독스 커패시터는 기판 위에 형성되는 제 1 집전체 또는 전해질이 요철 형상인 것을 특징으로 한다.
도 5(A)에 나타낸 레독스 커패시터는 기판(160) 위에 형성되는 요철 형상의 제 1 집전체(162)와, 제 1 집전체(162) 위에 형성되는 제 1 활물질(164)과, 제 1 활물질(164) 위에 형성되는 전해질(166)과, 전해질(166) 위에 형성되는 제 2 활물질(168)과, 제 2 활물질(168) 위에 형성되는 제 2 집전체(170)를 가진다.
도 5(B)에 나타낸 레독스 커패시터는 기판(180) 위에 형성되는 요철 형상의 전해질(186)과, 전해질(186) 위에 형성되는 제 1 활물질(184) 및 제 2 활물질(188)과, 제 1 활물질(184) 위에 형성되는 제 1 집전체(182)와, 제 2 활물질(188) 위에 형성되는 제 2 집전체(190)를 가진다.
도 5(C)에 나타낸 레독스 커패시터는 기판(200) 위에 형성되는 요철 형상의 제 1 집전체(202) 및 제 2 집전체(210)와, 제 1 집전체(202) 위에 형성되는 제 1 활물질(204)과, 제 2 집전체(210) 위에 형성되는 제 2 활물질(208)과, 제 1 집전체(202) 및 제 2 집전체(210)의 측면 및 제 1 활물질(204) 및 제 2 활물질(208)의 상면 및 측면을 덮는 전해질(206)을 가진다.
도 5에 나타낸 제 1 집전체(162, 182, 202), 및 제 2 집전체(170, 190, 210)는 실시형태 1에 나타내는 제 1 집전체(102), 제 2 집전체(110)와 같은 재료를 이용할 수 있다.
도 5에 나타낸 제 1 활물질(164, 184, 204), 및 제 2 활물질(168, 188, 208)은 실시형태 1에 나타내는 제 1 활물질(104) 및 제 2 활물질(108)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
도 5에 나타낸 전해질(166, 186, 206)은 실시형태 1에 나타내는 전해질(106)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
또한, 레독스 커패시터의 주위에 보호층(172, 192, 212)을 형성해도 좋다. 보호층(172, 192, 212)으로서는, 실시형태 1에 나타내는 보호층(112)과 같은 재료를 이용할 수 있다.
기판 위에 형성하는 집전체를 요철 형상으로 함으로써, 그 위에 적층되는 활물질 및 전해질의 접촉 면적이 증대된다. 또한, 기판 위에 형성하는 전해질을 요철 형상으로 함으로써, 그 위에 형성되는 활물질과 전해질과의 접촉 면적이 증대된다. 따라서, 실시형태 1 및 실시형태 2와 비교하여 레독스 커패시터의 방전 용량을 증대시킬 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 레독스 커패시터의 제작 방법에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는 실시형태 1에 나타내는 레독스 커패시터의 제작 방법에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(100) 위에 제 1 집전체(102)를 형성한다. 제 1 집전체(102)는 스퍼터링법, 증착법, 도금법, 인쇄법, CVD법, 잉크젯법 등을 이용하여 형성한다.
다음에, 제 1 집전체(102) 위에 제 1 활물질(104)을 형성한다. 제 1 활물질(104)은 스퍼터링법, 증착법, 인쇄법 등을 이용하여 형성한다.
다음에, 제 1 활물질(104) 위에 전해질(106)을 형성한다. 전해질(106)은 스퍼터링법, CVD법, 인쇄법, 졸겔법, 딥 코트법, 잉크젯법 등을 이용하여 형성한다.
스퍼터링법을 이용하여 전해질(106)을 형성하는 경우는, 수소를 포함하는 반도체를 타겟으로 이용하고, 스퍼터링 가스로서 희가스, 혹은 희가스 및 수소를 이용하여 스퍼터링하여, 제 1 활물질(104) 위에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적할 수 있다. 또한, 스퍼터링 가스에 수소를 이용하는 경우는 타겟은 수소를 포함하지 않아도 좋다. 대표적으로는, 수소를 포함하는 실리콘 타겟, 수소를 포함하는 게르마늄 타겟, 또는 수소를 포함하는 실리콘 게르마늄 타겟과, 스퍼터링 가스로서 희가스 또는/및 수소를 이용하여 스퍼터링하여, 비정질 실리콘, 비정질 게르마늄, 또는 비정질 실리콘 게르마늄을 퇴적한다. 또는, 수소를 포함하는 산화아연, 수소를 포함하는 산화티탄, 수소를 포함하는 산화니켈, 수소를 포함하는 산화바나듐, 수소를 포함하는 산화인듐, 또는 수소를 포함하는 In-M-Zn-산화물 반도체(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)를 타겟으로서 이용하여 스퍼터링 가스로서 희가스 또는/및 수소를 이용하여 스퍼터링하여, 제 1 활물질(104) 위에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적할 수 있다. 또한, 스퍼터링 가스에 수소를 이용하는 경우는, 타겟은 수소를 포함하지 않아도 좋다. 또한, 반응성 스퍼터링을 이용할 수 있다. 대표적으로는, 아연, 티탄, 니켈, 바나듐, 인듐, 또는 In-M-Zn(M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나의 금속 원소 또는 복수의 금속 원소)을 타겟으로 이용하여 스퍼터링 가스로서 희가스 및 산소, 혹은 희가스, 산소 및 수소를 이용하여 스퍼터링하여, 제 1 활물질(104) 위에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적할 수 있다. 또한, 타겟으로 수소가 포함되는 경우는, 스퍼터링 가스에 수소를 이용하지 않아도 좋다.
또는, CVD법을 이용하여 전해질(106)을 형성하는 경우는, 원료 가스에 수소 원자를 포함하는 가스를 이용한 CVD법에 의해, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 제 1 활물질(104) 위에 퇴적할 수 있다. 대표적으로는, 실란, 디실란, 또는/및 게르만을 이용한 플라즈마 CVD법에 의해, 제 1 활물질(104) 위에, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 퇴적할 수 있다. 또한, 원료 가스에 수소, 혹은 수소 및 희가스를 이용해도 좋다.
다음에, 전해질(106) 위에, 제 2 활물질(108)을 형성한다. 제 2 활물질(108)은 제 1 활물질(104)과 마찬가지로 형성할 수 있다.
다음에, 제 2 활물질(108) 위에 제 2 집전체(110)를 형성한다. 제 2 집전체(110)는 제 1 집전체(102)와 마찬가지로 형성할 수 있다.
이후, 스퍼터링법, CVD법 등에 의해 보호층(112)을 형성해도 좋다. 또한, 점착성 시트를 붙여도 좋다.
이상의 공정에 의해, 레독스 커패시터를 제작할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 실시형태 1에 나타내는 구조의 레독스 커패시터의 제작 방법을 설명했지만, 적절히 실시형태 2 또는 실시형태 3에 나타내는 구조의 레독스 커패시터의 제작 방법으로 적용할 수 있다. 또한, 실시형태 2의 도 3에 나타낸 레독스 커패시터, 및 실시형태 3의 도 5(B) 및 도 5(C)에 나타낸 레독스 커패시터는 제 1 집전체와 제 2 집전체를 동시에 형성하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 활물질과 제 2 활물질을 동시에 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 레독스 커패시터의 제작 공정수를 삭감할 수 있다.
또한, 실시형태 3에 나타내는 요철 형상의 제 1 집전체(162), 요철 형상의 전해질(186), 및 요철 형상의 제 1 집전체(202) 및 제 2 집전체(210)는 기판 위에 박막을 형성하고, 박막 위에 요철 형상의 레지스트 마스크를 포토리소그래피 공정에 의해 형성한 후, 이 레지스트 마스크를 이용하여 기판 위의 박막을 이방성 에칭함으로써 형성할 수 있다. 또한, 요철 형상의 레지스트 마스크는 하프톤 마스크 또는 그레이톤 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정에 의해 형성할 수 있다. 또한, 스텝퍼에 의한 축소 투영 노광에 의해 요철 형상의 레지스트 마스크를 형성할 수 있다.
본 실시형태에서는, 반도체 제조 장치를 이용하여 복수의 레독스 커패시터를 동일 기판 위에 제작하는 것이 가능하기 때문에, 생산성을 높일 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는, 실시형태 4와 다른 전해질(106)의 제작 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 제 1 활물질(104) 위에 비정질 반도체를 형성한 후, 비정질 반도체에 수소를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 대표적으로는, 비정질 반도체를 제 1 활물질(104) 위에 퇴적한 후, 수소 분위기에서 가열함으로써, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 전해질(106)로서 형성할 수 있다. 또는, 비정질 반도체를 제 1 활물질(104) 위에 퇴적한 후, 이온 도핑법 또는 이온 주입법에 의해 비정질 반도체에 수소를 첨가하여, 수소를 포함하는 비정질 반도체를 전해질(106)로서 형성할 수 있다.
본 실시형태에서는, 반도체 제조 장치를 이용하여 복수의 레독스 커패시터를 동일 기판 위에 제작하는 것이 가능하기 때문에, 생산성을 높일 수 있다.
(실시형태 6)
실시형태 1 내지 실시형태 3에 나타내는 레독스 커패시터의 봉지 구조에 대하여, 도 6을 이용하여 설명한다. 본 실시형태에서는 실시형태 2에 나타내는 레독스 커패시터를 이용하여 설명한다.
도 6(A)에 나타낸 바와 같이, 레독스 커패시터를 밀봉 부재(302)로 봉지한다. 이 경우, 도시하지 않았지만, 제 1 집전체(122)에 접속하는 외부 단자와 제 2 집전체(130)에 접속하는 외부 단자가 밀봉 부재(302)의 외부로 돌출되어 있다. 또한, 밀봉 부재(302)의 내부는 감압되어 있어도 좋다. 또는, 불활성 가스가 충전되어 있어도 좋다. 밀봉 부재(302)로서는, 라미네이트 필름, 금속 봉지캔 등을 이용할 수 있다. 또한, 도 6(A)에서는, 레독스 커패시터가 형성된 기판을 복수 적층하여, 각각의 레독스 커패시터를 직렬 또는 병렬로 접속해도 좋다.
또한, 도 6(B)에 나타낸 바와 같이, 레독스 커패시터를 유기 수지(304)로 봉지할 수 있다. 이 경우, 도시하지 않았지만, 제 1 집전체(122)에 접속하는 외부 단자와 제 2 집전체(130)에 접속하는 외부 단자가 유기 수지(304)의 외부로 돌출하고 있다. 실시형태 1 내지 실시형태 3에 나타내는 레독스 커패시터는 전해질이 고체이기 때문에, 유기 수지(304)에서의 봉지가 용이하게 된다. 또한, 도 6(B)에서는, 레독스 커패시터가 형성된 기판을 복수 적층하여, 각각의 레독스 커패시터를 직렬 또는 병렬로 접속한 것을 유기 수지(304)로 봉지해도 좋다.
다른 기판 위에 형성된 레독스 커패시터를 직렬로 접속함으로써, 충방전의 전압을 크게 할 수 있다. 또한, 다른 기판 위에 형성된 레독스 커패시터를 병렬로 접속함으로써, 정전 용량을 증대시킬 수 있다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 전해질에 수소를 포함하는 In-Ga-Zn 산화물 반도체를 이용한 레독스 커패시터의 제작 방법 및 이 레독스 커패시터의 전기 특성을 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry)에 의해 측정한 결과를 나타낸다.
유리 기판 위에 스퍼터링법에 의해 두께 100 nm의 수소를 포함하는 In-Ga-Zn-산화물 반도체를 전해질로서 형성했다. 이때의 성막 조건을 이하에 나타낸다. 타겟의 조성을 In：Ga：Zn = 1：1：0.5, 스퍼터링 가스를 30 sccm의 Ar과 15 sccm의 O2, 압력을 0.4 Pa, 공급 전력을 0.5 kW, 전극간 거리를 60 mm, 성막 온도를 실온에서 했다. 유리 기판 위에 퇴적한 In-Ga-Zn-산화물 반도체의 조성은 전자선 프로브 마이크로 애널라이저(EPMA：Electron Probe X-ray MicroAnalyzer) 분석으로, O：Ga：In：Zn = 61.3：15.8：16.8：6이었다. 또한, 2차 이온 질량 분석계(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의한 수소의 농도는 7×1020 atoms/cm3이었다.
다음에, 집전체로서 두께 0.5 mm, 폭 10 mm, 길이 63 mm의 카본판을 2개 준비하고, 이 카본판에 산화루테늄을 포함하는 혼련물을 도포한 후, 산화루테늄을 포함하는 혼련물이 도포된 면을 전해질에 가압했다. 이때의 2개의 카본판의 간격을 1 mm로 했다. 또한, 이때의 산화루테늄 혼련물은 0.05 g의 산화루테늄과 1 ml의 물을 혼련한 것을 사용했다.
다음에, 2개의 카본판의 절연성을 유지하기 위해, 노출되어 있는 In-Ga-Zn-산화물 반도체에 점착성 시트를 압착하여 레독스 커패시터를 제작했다.
다음에, 레독스 커패시터의 전기 특성을 사이클릭 볼타메트리에 의해 측정했다. 이때의 측정 조건은 충방전의 전압을 0 V∼1 V, 스캔 속도를 100 mV/s, 사이클수를 5회, 측정 간격을 100 ms로 했다. 이때의 사이클릭 전류 전위 곡선을 도 7에 나타낸다.
도 7로부터, 전해질에 In-Gz-Zn-산화물 반도체를 이용한 레독스 커패시터를 제작할 수 있는 것을 알 수 있다.
100 : 기판 102 : 집전체
104 : 활물질 106 : 전해질
108 : 활물질 110 : 집전체
112 : 정극층 120 : 기판
122 : 집전체 124 : 활물질
126 : 전해질 128 : 활물질
130 : 집전체 132 : 정극층
140 : 기판 142 : 집전체
144 : 활물질 146 : 전해질
148 : 활물질 150 : 집전체
160 : 기판 162 : 집전체
164 : 활물질 166 : 전해질
168 : 활물질 170 : 집전체
172 : 정극층 180 : 기판
182 : 집전체 184 : 활물질
186 : 전해질 188 : 활물질
190 : 집전체 200 : 기판
202 : 집전체 204 : 활물질
206 : 전해질 208 : 활물질
210 : 집전체 302 : 밀봉 부재
304 : 유기 수지

Claims (18)

  1. 레독스 커패시터로서,
    수소를 포함하는 비정질 실리콘, 수소를 포함하는 비정질 실리콘 게르마늄, 및 수소를 포함하는 비정질 게르마늄 중 어느 하나를 사용하여 형성된 전해질을 포함하는, 레독스 커패시터.
  2. 레독스 커패시터로서,
    수소를 포함하는 금속 산화물을 사용하여 형성된 전해질을 포함하고,
    수소를 포함하는 상기 금속 산화물은 In-M-Zn 산화물을 포함하고,
    상기 M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소인, 레독스 커패시터.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 In-M-Zn 산화물은 질소를 포함하는, 레독스 커패시터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 In-M-Zn 산화물은 결정을 포함하는, 레독스 커패시터.
  6. 기판 위에 형성되고 제 1 집전체와 접촉하는 제 1 활물질 위에 전해질을 형성하는 단계를 포함하는 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 비정질 실리콘, 수소를 포함하는 비정질 실리콘 게르마늄, 및 수소를 포함하는 비정질 게르마늄 중 어느 하나를 사용하여 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  7. 기판 위에 형성되고 제 1 집전체와 접촉하는 제 1 활물질 위에 전해질을 형성하는 단계를 포함하는 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 금속 산화물을 사용하여 형성되고,
    수소를 포함하는 상기 금속 산화물은 In-M-Zn 산화물을 포함하고,
    상기 M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소인, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  8. 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    기판 위에 전해질을 형성하는 단계;
    상기 전해질을 형성한 후, 상기 전해질과 접촉하는 제 1 활물질과 제 2 활물질을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 활물질과 접촉하는 제 1 집전체와, 상기 제 2 활물질과 접촉하는 제 2 집전체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 비정질 실리콘, 수소를 포함하는 비정질 실리콘 게르마늄, 및 수소를 포함하는 비정질 게르마늄 중 어느 하나를 사용하여 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  9. 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    기판 위에 전해질을 형성하는 단계;
    상기 전해질을 형성한 후, 상기 전해질과 접촉하는 제 1 활물질과 제 2 활물질을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 활물질과 접촉하는 제 1 집전체와, 상기 제 2 활물질과 접촉하는 제 2 집전체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 금속 산화물을 사용하여 형성되고,
    수소를 포함하는 상기 금속 산화물은 In-M-Zn 산화물을 포함하고,
    상기 M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소인, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  10. 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    기판 위에 제 1 집전체 및 제 2 집전체를 형성하는 단계;
    상기 제 1 집전체와 접촉하는 제 1 활물질을 형성하는 단계;
    상기 제 2 집전체와 접촉하는 제 2 활물질을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 활물질을 형성하고 상기 제 2 활물질을 형성한 후, 상기 제 1 활물질 및 상기 제 2 활물질과 접촉하는 전해질을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 비정질 실리콘, 수소를 포함하는 비정질 실리콘 게르마늄, 및 수소를 포함하는 비정질 게르마늄 중 어느 하나를 사용하여 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  11. 레독스 커패시터의 제작 방법으로서,
    기판 위에 제 1 집전체 및 제 2 집전체를 형성하는 단계;
    상기 제 1 집전체와 접촉하는 제 1 활물질을 형성하는 단계;
    상기 제 2 집전체와 접촉하는 제 2 활물질을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 활물질을 형성하고 상기 제 2 활물질을 형성한 후, 상기 제 1 활물질 및 상기 제 2 활물질과 접촉하는 전해질을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 금속 산화물을 사용하여 형성되고,
    수소를 포함하는 상기 금속 산화물은 In-M-Zn 산화물을 포함하고,
    상기 M은 Al, Ga, Fe, Ni, Mn 및 Co로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소인, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  12. 삭제
  13. 제 7 항, 제 9 항, 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 In-M-Zn 산화물은 질소를 포함하는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  14. 제 7 항, 제 9 항, 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 In-M-Zn 산화물은 결정을 포함하는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  15. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질과 접촉하는 제 2 활물질과, 상기 제 2 활물질과 접촉하는 제 2 집전체가 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  16. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 수소를 포함하는 타겟을 사용하여 스퍼터링함으로써 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  17. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 스퍼터링 가스로서 희가스 또는 희가스 및 수소를 사용하여 타겟을 스퍼터링함으로써 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
  18. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질은 수소 원자를 포함하는 원료 가스를 사용하는 CVD법으로 형성되는, 레독스 커패시터의 제작 방법.
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