KR102524454B1 - 박막 전지 어셈블리 - Google Patents

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김태봉
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

본 발명은 기재층, 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀, 및 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하여 원하는 전지 성능을 설계하여 사용할 수 있는 박막 전지 어셈블리를 제공한다.

Description

박막 전지 어셈블리{Thin Film Battery Assembly}
본 발명은 박막 전지에 관한 것으로, 상세하게는 원하는 전지 성능을 설계하여 사용할 수 있는 박막 전지 어셈블리에 관한 것이다.
박막 전지는 휴대용 전자 기기 및 정보통신 기기가 소형화됨에 따라 이들을 구동하기 위한 초소형 전원으로 널리 이용되고 있다. 최근에는 유연성(flexibility), 저가격, 제작 용이성 등의 장점을 이용한 고분자계 박막 전지가 활발히 개발되고 있다.
한국특허공개 제10-2012-0098346호(박막전지 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 플렉서블 박막전지)를 보면, 내열성 고분자로 형성된 기판 상에 양극 전류 집전체 및 양극 활물질을 순차적으로 증착하는 단계, 기판에서 양극 활물질이 증착되지 않은 부분을 마스킹(masking)하는 단계, 및 양극 활물질에 580~950nm 파장을 갖는 광을 조사하는 단계 등을 포함하는 박막 전지의 제조방법을 개시하고 있다.
그런데, 이러한 종래기술의 박막 전지는 단일 셀을 기준으로 제조 및 사용되고 있는데, 이러한 제조 및 사용 실태는 다양한 용량 등이 필요한 실제 사용 환경에서는 유연한 대응이 어려운 실정이다.
[선행기술문헌]
한국특허공개 제10-2012-0098346호(박막전지 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 플렉서블 박막전지)
본 발명은 종래기술의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로,
첫째, 박막 전지의 사용 환경에 따라 용량 등의 전지 성능을 유연하게 선택할 수 있고,
둘째, 유연성(flexibility)을 높여 플렉서블 장치, 급격한 곡면 영역 등에 용이하게 적용할 수 있는, 박막 전지를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 전지 어셈블리는, 기재층, 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀, 그리고 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하여 구성할 수 있다.
상기 박막 전지 셀은, 기재층 상에 형성되는 전지층, 전지층 상에 형성되는 절연층, 그리고 절연층을 관통하여 일측은 박막 전지 셀과 접속하고 타측은 절연층의 외부로 노출되어 연결 배선과 접속되는 복수의 콘택을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 전지층은, 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체, 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재, 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층, 그리고 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 절연층은 봉지층과 양극 집전체 및 음극 집전체의 개방된 일부 영역을 덮을 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 콘택은, 절연층을 관통하여 일측은 양극 집전체에 접속하고 타측은 절연층의 외부로 노출되는 제1 콘택, 그리고 절연층을 관통하여 일측은 음극 집전체에 접속하고 타측은 절연층의 외부로 노출되는 제2 콘택을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은, 복수의 박막 전지 셀의 제1 콘택이 일단에 배열되고 제2 콘택이 타단에 배열되며, 일단을 따라 제1 콘택과 접속하는 제1 연결 배선 및 타단을 따라 제2 콘택과 접속하는 제2 연결 배선을 포함할 수 있다. 이러한 구성을 통해, 복수의 박막 전지 셀은 병렬 연결될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은 복수의 박막 전지 셀의 제1 콘택이 일단에 배열되고 제2 콘택이 타단에 배열되며, 제1 콘택 및 인접하는 제2 콘택을 순번으로 연결하는 연결 배선을 포함할 수 있다. 이러한 구성을 통해, 복수의 박막 전지 셀은 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은 일단에서 제1 콘택 및 제2 콘택이 교번으로 배열되고, 일단의 제1 콘택 및 제2 콘택을 연결하되, 2개의 박막 전지 셀을 연결 단위로 이격되는 제1 연결 배선 및 타단의 제2 콘택 및 제1 콘택을 연결하되 2개의 박막 전지 셀을 연결 단위로 이격되고 제1 연결 배선과 교번으로 배열되는 제2 연결 배선을 포함할 수 있다. 이러한 구성을 통해, 복수의 박막 전지 셀은 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 기재층은 분리층과 분리층 상에 형성되는 분리 보호층을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리는 분리층 하부에 위치하는 하부 보호필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 분리층 및 분리 보호층은 박막 전지 셀을 단위로 분리될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리는 연결 배선을 커버하는 상부 보호필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리는, 기재층, 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀, 그리고 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함할 수 있다.
상기 박막 전지 셀은, 기재층 상에 형성되는 전지층과 전지층의 일부에 형성되는 절연층을 포함할 수 있다. 절연층이 형성되지 않은 전지층의 일부는 연결 배선과 접속될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 전지층은, 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체, 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재, 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층, 그리고 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 절연층은 봉지층과 양극 집전체 및 음극 집전체의 개방된 일부 영역을 덮을 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 절연층이 형성되지 않은 전지층의 일부는 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부일 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은, 절연층 내에서 일측은 박막전지 셀의 양극 집전체에 접속하고 타측은 인접하는 박막 전지 셀의 음극 집전체 또는 양극 집전체에 접속할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은, 절연층 내에서 일측은 박막전지 셀의 음극 집전체에 접속하고 타측은 인접하는 박막 전지 셀의 양극 집전체 또는 음극 집전체에 접속할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 연결 배선은 양극 집전체 또는 음극 집전체와 일체형일 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 기재층은 분리층과 분리층 상에 형성되는 분리 보호층을 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리는 분리층 하부에 위치하는 하부 보호필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 분리층과 분리 보호층은 박막 전지 셀을 단위로 분리될 수 있다.
본 발명의 박막 전지 어셈블리는 연결 배선을 커버하는 상부 보호필름을 더 포함할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 박막 전지 어셈블리에 의하면, 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결된 복수의 박막 전지 셀들의 일부를 원하는 전지 성능만큼 잘라서 사용할 수 있어, 필요한 용량 등에 유연하게 설계하여 대응할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 전지 어셈블리에 의하면, 복수의 박막 전지 셀을 이격시켜 수평으로 배치함으로써, 박막 전지의 유연성을 최대화할 수 있고, 그 결과 플렉서블 장치에 쉽게 적용할 수 있으며, 나아가 에지(edge), 폴더블 전자 장치의 굴곡부 등의 급격한 곡면에도 용이하게 적용할 수 있다.
도 1a, 도 1b는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예를 도시하는 평면도, 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 3a, 도3b는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제2 실시예를 도시하는 평면도, 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제2 실시예의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 응용예를 도시하고 있는 평면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a, 도 1b는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예를 도시하는 평면도, 단면도이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리는 복수의 박막 전지 셀(100A~100D), 상기 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 복수의 연결 배선(210,220), 상부 보호필름(300) 등을 포함하여 구성할 수 있다.
복수의 박막 전지 셀(100A~100D)은 소정 간격으로 이격되어 수평으로 배열될 수 있다. 박막 전지 셀(100A~100D)은 형상과 용량을 동일하게 또는 다르게 구성할 수도 있다. 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)은 양극 집전체 또는 음극 집전체를 동일 방향으로 배열할 수도 있고, 교차시켜 즉 지그재그로 배열할 수도 있다.
도 1b는 도 1a의 AA'를 절단한 절단 단면도이다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리는 기재층(120), 상기 기재층 상에 형성되는 박막 전지 셀(100A), 복수의 연결 배선(210,220)을 포함하여 구성할 수 있다. 여기서, 박막 전지 셀(100A)은 전지층(131~136), 절연층(140), 제1,2 콘택(151,152) 등을 포함할 수 있다.
기재층(120)은 박막 전지 셀(100A~100D)을 제조하는 전사 공정에서 사용될 수 있다. 상기 전사 공정은 박막 전지 셀(100A~100D)을 캐리어 기판 상에 형성시킨 후 플렉서블 기판에 전사시키는 공정을 포함하는데, 기재층(120)은 상기 전사 공정에서 상기 박막 전지 셀(100A~100D)을 캐리어 기판으로부터 분리하는데 사용할 수 있다.
상기 기재층(120)은 유기막, 무기막 또는 유무기 복합제막으로 구성할 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 무기막은 예를 들면, 금속 산화물 및 금속 질화물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 유기막은 예를 들면, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리카보네이트 등을 포함할 수 있다. 유무기 복합제막은 예를 들면, 무기 입자와 고분자의 복합제로 이루어질 수 있다. 무기 입자로는 SiO2, Al2O3, MgO, BaTiO3, ZrO2, ZnO 등이 있다.
상기 기재층(120)은 공지의 코팅 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 스핀 코팅, 다이 코팅, 스프레이 코팅, 롤 코팅, 스크린 코팅, 슬릿 코팅, 딥 코팅, 그라비아 코팅 등을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 기재층(120)은 분리층 및 상기 분리층 상에 형성되는 분리 보호층으로 구성할 수 있다. 상기 분리층은 상기 캐리어 기판에 직접적으로 접촉되는 부분으로, 전지층을 캐리어 기판으로부터 분리 시에 크랙의 발생 없이 깔끔하게 분리되도록 박리력을 조절시켜 형성되거나, 고분자 유기막을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 고분자 유기막은, 예를 들어, 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐알코올(poly vinyl alcohol), 폴리아믹산(polyamic acid), 폴리아미드(polyamide), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리노보넨(polynorbornene), 페닐말레이미드 공중합체(phenylmaleimide copolymer), 폴리아조벤젠(polyazobenzene), 폴리페닐렌프탈아미드(polyphenylenephthalamide), 폴리에스테르(polyester), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아릴레이트(polyarylate), 신나메이트(cinnamate)계 고분자, 쿠마린(coumarin)계 고분자, 프탈리미딘(phthalimidine)계 고분자, 칼콘(chalcone)계 고분자 및 방향족 아세틸렌계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
분리 보호층은 분리층 상에 결합하여 분리층을 보호하는 것으로, 상기 분리 과정에서 분리층 또는 박막 전지 셀(100A~100D)의 크랙을 방지할 수 있으며, 상기 분리 보호층은 유기 절연막, 고분자 수지 필름, 유무기 복합제 막 등 유연성을 가지는 재료라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
상기 분리 보호층은 전지층에 수분 또는 산소가 침투하는 것을 방지하기 위해 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 기재층(120) 하부에 하부 보호필름(110)을 형성할 수 있다.
하부 보호필름(110)은 상기 기재층(120)을 보호하는 필름으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 등의 플렉서블 플라스틱 필름을 포함할 수 있지만 상기 플라스틱 필름에 한정되지 않을 수 있다.
기재층(120)을 분리층과 분리 보호층으로 구성하는 경우, 하부 보호필름(110)을 생략할 수 있다.
전지층(131~136)은 전기를 방전하거나 충전하는 것으로, 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133), 양극재(132)와 음극재(134), 전해질층(135), 봉지층(136) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전지층(131~136)은 박막 전지의 용량, 출력, 수명, 이온전도도 등의 전지 성능을 향상시키기 위해 별도의 기능층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 기능층은 하나 이상의 층으로 이루어질 수 있고, 상기 기능층의 위치는 제한되지 않는다. 상기 전지층(131~136)은 스퍼터링, PVD, CVD, 열증착 등의 증착 방법으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 스퍼터링으로 수행될 수 있지만 증착 방법에 제한되지 않고 수행될 수 있다.
양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)는 기재층(120)에서 이격 형성될 수 있다. 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)는 전기 전도성이 우수한 재질, 예를들어 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 스테인레스 스틸 및 인코넬 중 어느 하나 이상으로 구성할 수 있다. 또한, 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)는 단층으로 구성할 수도 있고, 필요에 따라서는 티타늄/인코넬/백금과 같이 다층으로 구성할 수도 있다. 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)는 두께를 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 1000 내지 2000
Figure 112019109377315-pat00001
의 두께로 구성할 수 있다.
양극재(132)는 일측이 양극 집전체(131)에 접하도록 형성할 수 있다. 상기 양극재(132)로는 리튬금속산화물, 리튬금속인화물 및 리튬금속규화물 중 어느 하나 이상으로을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 양극재(132)는 리튬코발트산화물, 리튬망간산화물, 리튬니켈산화물, 리튬바나듐산화물, 리튬니켈코발트망간산화물, 리튬니켈코발트알루미늄산화물, 리튬니켈망간산화물, 리튬니오븀산화물, 리튬철규화물, 리튬망간규화물, 리튬철인화물, 리튬망간인화물 등으로 형성될 수 있으며, 이들은 단독으로 사용되거나 2종 이상 혼용될 수 있다. 특히 전기화학적 특성이 우수한 리튬코발트산화물(LiCoO2)로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 양극재(132)는 3~30㎛ 두께로 형성될 수 있다.
음극재(134)는 일측이 음극 집전체(133)에 접하도록 형성할 수 있다. 상기 음극재(134)로는 천연흑연, 인조흑연 등의 탄소질 재료, 리튬 함유 티타늄 복합 산화물, Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe 등의 금속류 재료, 상기 금속류 재료로 구성된 합금류, 상기 금속류 재료의 산화물 및 상기 금속류와 탄소와의 복합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 물질이 사용될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 특히 상기 음극재(134)는 리튬(Li)을 사용할 수 있고, 두께는 2~10㎛로 형성할 수 있다.
전해질층(135)은 양극재(132) 및 음극재(134) 간의 리튬이온을 이동시키고, 양극재(132) 및 음극재(134) 간의 직접적인 접촉으로 인한 쇼트를 방지하기 위한 것으로, 높은 리튬이온 전도도 및 비저항을 갖는 고체 전해질 물질로 구성할 수 있다. 상기 고체 전해질 물질로는 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiBON(lithium boron oxynitride), Li3PO4(lithium phosphate), Li2O-B2O3, Li2O-B2O3-P2O5, Li2O-B2O3-ZnO, Li2S-P2S5, Li2O-SiO2, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, LiSiPON(lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride) 등을 사용할 수 있고, 이들은 단독 또는 2종 이상을 혼용하여 사용할 수 있다.
봉지층(136)은 양극재(132)와 음극재(134), 전해질층(135)으로 수분이 침투하는 것을 차단하는 것으로, 양극재(132)와 음극재(134), 전해질층(135)을 커버하는 형태로 구성할 수 있다. 상기 봉지층(136)은 우레탄 (메트)아크릴레이트 올리고머, (메트)아크릴레이트 단량체, 점착성 부여 수지 및 광개시제를 포함하는 광경화성 조성물과 반응형 자외선 안정제를 포함하는 무용제형의 점착제 조성물의 경화물을 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 봉지층(136)은, 전지층(131~136)과 외부의 접속을 위해, 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)의 일부를 개방하는 형태로 형성될 수 있다.
절연층(140)은 봉지층(136)을 커버하는 형태로 결합하여 전지층(131~136)을 추가로 보호할 수 있다. 절연층(140)은 봉지층(136) 외에 봉지층(136)에서 노출되는 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)의 일부 개방 영역까지 밀봉하는 형태로 형성할 수 있다.
절연층(140)은 열경화성 또는 UV 경화성 유기 고분자를 사용할 수 있는데, 예를 들어 에폭시 화합물, 아크릴 화합물, 멜라민 화합물 등을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
제1,2 콘택(151,152)은 절연층(140)을 관통하여 전지층(131~136)과 연결 배선(210,220)을 연결할 수 있다.
제1 콘택(151)은 절연층(140)을 관통하여 일측은 양극 집전체(131)에 접속하고 타측은 절연층(140)의 외부로 노출되어 제1 연결 배선(210)에 접속할 수 있다.
제2 콘택(152)은 절연층(140)을 관통하여 일측은 음극 집전체(133)에 접속하고 타측은 절연층(140)의 외부로 노출되어 제2 연결 배선(220)에 접속할 수 있다.
도 1a,1b에 도시한 바와 같이, 제1,2 연결 배선(210,220)은 인접하는 박막 전지 셀(100A~100D)을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제1,2 연결 배선(210,220)은 박막 전지 셀(100A~100D)의 제1,2 콘택(151,152)와 접속되어 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 병렬 및 직렬 중 어느 하나 이상으로 연결할 수 있다.
복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)가 같은 방향에 위치하도록 배열하는 경우, 제1 연결 배선(210)은 일단, 즉 박막 전지 셀(100A~100D)의 양극 집전체(131)들에 접속하고, 제2 연결 배선(220)은 타단, 즉 박막 전지 셀(100A~100D)의 음극 집전체(133)들에 접속하도록 구성할 수 있다. 이러한 접속 구성은, 제1,2 연결 배선(210,220)이 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 병렬 연결하게 된다.
도 1a와 같은 병렬 연결에서는, 복수의 박막 전지 셀들(100A~100D) 중에서 일부, 예를 들어 2개의 박막 전지 셀(100A~100B) 또는 3개의 박막 전지 셀(100A~100C)을 필요에 따라 잘라서 사용할 수 있다. 이에 따라 원하는 전지 성능을 설계하여 적용할 수 있고, 사용 용량의 변경 등에 쉽게 대응할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 제1,2 연결 배선(210,220)을 커버하여 보호하기 위해 상부 보호필름(300)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1,2 연결 배선(210,220)을 커버하는 형태로 절연층(140) 및 제1,2 연결 배선(210,220) 상에 결합할 수 있다. 상부 보호필름(300)은, 하부 보호필름(110)과 같이, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 등의 플렉서블 플라스틱 필름을 사용할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 2에 도시한 제1 실시예의 변형예는 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 직렬로 연결한 경우를 예시하고 있다.
도 2에서는, 제1 박막 전지 셀(100A)의 양극 집전체(131)와 인접하는 제2 박막 전지 셀(100B)의 음극 집전체(133)를 같은 방향에 위치하도록 배열할 수 있다. 이 경우, 제1 연결 배선(210)은, 제1 박막 전지 셀(100A)에서는 양극 집전체(131)에 접속하는 제1 콘택(151)에 접속하고, 인접하는 제2 박막 전지 셀(100B)에서는 음극 집전체(133)에 접속하는 제2 콘택(152)에 접속할 수 있다. 이러한 접속 구성은, 제1,2 연결 배선(210,220)이 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 직렬로 연결하게 된다.
또한, 이러한 연결 구성은, 제1 연결 배선(210)에서 보면, 2개의 박막 전지 셀(100A,100B)을 연결 단위로 하여 이격되는 형태, 즉 제2 박막 전지 셀(100B)과 제3 박막 전지 셀(100C)의 연결을 건너뛰고 제3 박막 전지 셀(100C)과 그 다음의 제4 박막 전지 셀(100D)에서 다시 연결되는 형태를 띌 수 있다. 제2 연결 배선(220)에서 보면, 2개의 박막 전지 셀(100B,100C)을 연결 단위로 하여 이격되는 형태, 즉 제3 박막 전지 셀(100C)과 제4 박막 전지 셀(100D)의 연결을 건너뛰고 제4 박막 전지 셀(100D)과 그 다음의 제5 박막 전지 셀에서 다시 연결되는 형태를 띌 수 있다.
도 2와 같은 직렬 연결에서도, 복수의 박막 전지 셀들(100A~100D) 중에서 일부, 예를 들어 2개의 박막 전지 셀(100A~100B) 또는 3개의 박막 전지 셀(100A~100C)을 필요에 따라 잘라서 사용할 수 있다. 이를 통해 원하는 전지 성능을 설계하여 적용할 수 있고, 필요한 용량과 전압의 변경 등에 쉽게 대응할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 변형예에 따르면, 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 양극 집전체(131)와 음극 집전체(133)가 같은 방향에 위치하도록 배열하는 경우, 연결 배선은 제1 박막 전지 셀(100A)에서는 양극 집전체(131)에 접속하는 제1 콘택(151)에 접속하고, 인접하는 제2 박막 전지 셀(100B)에서는 음극 집전체(133)에 접속하는 제2 콘택(152)에 접속할 수 있다. 또한 제2 박막 전지 셀(100B)의 제2 콘택(152)에 접속한 연결 배선은 인접하는 제3 박막 전지 셀(100C)의 제1 콘택(151)과 접속될 수 있다. 이러한 연결 구성은 인접하는 박막 전지 셀끼리 제1 콘택(151) 및 제2 콘택(152)이 순번으로 연결될 수 있다. 이러한 접속 구성은, 제1,2 연결 배선(210,220)이 복수의 박막 전지 셀(100A~100D)을 직렬로 연결하게된다.
상기와 같은 직렬 연결에서도, 복수의 박막 전지 셀들(100A~100D) 중에서 일부, 예를 들어 2개의 박막 전지 셀(100A~100B) 또는 3개의 박막 전지 셀(100A~100C)을 필요에 따라 잘라서 사용할 수 있다. 이를 통해 원하는 전지 성능을 설계하여 적용할 수 있고, 필요한 용량과 전압의 변경 등에 쉽게 대응할 수 있다.
도 3a,3b는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제2 실시예를 도시하는 평면도, 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 BB'를 절단한 절단 단면도를 도시하고 있다.
도 3a,3b에 도시한 바와 같이, 기재층(120), 상기 기재층 상에 형성되는 복수의 박막 전지 셀(100A,100B), 제1,2 연결 배선(210,220)을 포함하여 구성할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 박막 전지 셀(100A,100B)은 전지층(131~136) 및 상기 전지층의 일부에 형성되는 절연층(140) 등을 포함할 수 있다.
상기 기재층(120)은 분리층 및 분리층 상에 형성되는 분리 보호층을 포함할 수 있다. 상기 전지층(131~136)은 상기 기재층(120) 상에 이격 형성되는 양극 집전체(131) 및 음극 집전체(133), 상기 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재(132) 및 음극재(134), 상기 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층(135) 및 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서, 상기 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층(136)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 기재층 및 상기 복수의 박막 전지 셀의 상세 구성은 제1 실시예와 동일할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 달리, 제1,2 연결 배선(210,220)을 외부가 아닌 절연층(140) 내부에 매몰시킬 수 있다. 이 때, 제1,2 연결 배선(210,220)은 절연층이 형성되지 않은 전지층, 즉 양극 집전체(131) 및 음극 집전체(133)의 일부와 접속될 수 있다.
도 3a,3b와 같이, 제1,2 연결 배선(210,220)을 절연층(140) 내에 매몰시키면, 제1,2 연결 배선(210,220)을 보호하기 위한 상부 보호필름을 추가로 형성하지 않아도 무방하다.
도 3a,3b의 제2 실시예는, 제1 박막 전지 셀(100A)의 양극 집전체(131)와 인접하는 제2 박막 전지 셀(100B)의 음극 집전체(133)를 연결하는, 즉 직렬 연결 구조를 예시하고 있다. 여기서, 제1,2 연결 배선(210,220)을 양극 집전체(131) 또는 음극 집전체(133)와 별개의 구성으로 구성한 것을 도시하고 있으나, 제1,2 연결 배선(210,220)은 양극 집전체(131) 또는 음극 집전체(133)의 일부로서, 즉 양극 집전체(131) 또는 음극 집전체(133)과 일체형으로 형성할 수도 있다.
제2 실시예에서도, 박막 전지 셀(100A~100D)의 배치를 교차되게, 즉 지그재그로 배치하거나, 제1,2 연결 배선(210,220)을 연장하는 등의 방법으로, 박막 전지 셀(100A~100D)을 병렬 연결할 수 있다. 상기와 같은 병렬 연결에서도, 복수의 박막 전지 셀들(100A~100D) 중에서 일부, 예를 들어 2개의 박막 전지 셀(100A~100B) 또는 3개의 박막 전지 셀(100A~100C)을 필요에 따라 잘라서 사용할 수 있다. 이를 통해 원하는 전지 성능을 설계하여 적용할 수 있고, 필요한 용량과 전압의 변경 등에 쉽게 대응할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제1 실시예의 다른 변형예를 도시하는 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 제2 실시예의 변형예를 도시하는 평면도이다.
도 4,5에 도시한 바와 같이, 박막 전지 셀(100A~100D)을 정사각형 형태로도 구성할 수 있으며, 셀의 형상은 설계에 따라 제한되지 않고 다양하게 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리의 응용예를 도시하고 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리는 충전부(400), 방전부(500)를 구비하고, 충방전이 가능하게 구성할 수 있다. 충전부(400), 방전부(500)는 접속단자 등의 형태로 구성할 수 있다.
도 6에서, 충전부(400), 방전부(500)를 분리 구성하고 있으나, 이와 달리, 충전부(400), 방전부(500)를 하나의 접속단자로 구성할 수도 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 박막 전지 어셈블리는 RFID 태그, 스마트 카드처럼 얇고 구부러지는 특성을 요구하는 제품에 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 박막 전지는 굴곡 특성이 우수하여 플렉서블 전자 기기에 유용하게 사용될 수 있다.
위에서 설명한 본 발명의 박막 전지 어셈블리에서, 분리층과 분리 보호층은 박막 전지 셀을 단위로 하여 분리하여, 즉 분리층과 분리 보호층을 하나의 하부 보호필름(110) 상에서 박막 전지 셀마다 각각 형성할 수 있다.
이상, 본 발명을 여러 실시예로서 설명하였는데, 이들은 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 통상의 기술자라면 이러한 실시예들을 다른 형태로 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명의 권리범위는 아래의 특허청구범위에 의해 정해지므로, 그러한 변형이나 수정이 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
100A~100D : 박막 전지 셀 110 : 하부 보호필름
120 : 기재층 131 : 양극 집전체
132 : 양극재 133 : 음극 집전체
134 : 음극재 135 : 전해질층
136 : 봉지층 140 : 절연층
151,152 : 제1,2 콘택 210,220 : 제1,2 연결 배선
300 : 상부 보호필름 400 : 충전부
500 : 방전부

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 기재층;
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀; 및
    상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하고,
    상기 복수의 박막 전지 셀은,
    상기 기재층 상에 형성되는 전지층;
    상기 전지층 상에 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층을 관통하여 상기 연결 배선과 접속되는 복수의 콘택을 포함하며,
    상기 전지층은
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체;
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재;
    상기 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층; 및
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서, 상기 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함하고,
    상기 콘택은
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 양극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제1 콘택; 및
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 음극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제2 콘택을 포함하며,
    상기 연결 배선은 상기 복수의 박막 전지 셀의 상기 제1 콘택이 일단에 배열되고 상기 제2 콘택이 타단에 배열되며,
    상기 일단을 따라 상기 제1 콘택과 접속하는 제1 연결 배선; 및
    상기 타단을 따라 상기 제2 콘택과 접속하는 제2 연결 배선을 포함하여 상기 복수의 박막 전지 셀을 병렬 연결하는, 박막 전지 어셈블리.
  6. 기재층;
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀; 및
    상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하고,
    상기 복수의 박막 전지 셀은,
    상기 기재층 상에 형성되는 전지층;
    상기 전지층 상에 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층을 관통하여 상기 연결 배선과 접속되는 복수의 콘택을 포함하며,
    상기 전지층은
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체;
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재;
    상기 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층; 및
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서, 상기 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함하고,
    상기 콘택은
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 양극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제1 콘택; 및
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 음극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제2 콘택을 포함하며,
    상기 연결 배선은 상기 복수의 박막 전지 셀의 상기 제1 콘택이 일단에 배열되고 상기 제2 콘택이 타단에 배열되며,
    상기 제1 콘택 및 인접하는 상기 제2 콘택을 순번으로 연결하는 연결 배선을 포함하여 상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 연결하는, 박막 전지 어셈블리.
  7. 기재층;
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀; 및
    상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하고,
    상기 복수의 박막 전지 셀은,
    상기 기재층 상에 형성되는 전지층;
    상기 전지층 상에 형성되는 절연층; 및
    상기 절연층을 관통하여 상기 연결 배선과 접속되는 복수의 콘택을 포함하며,
    상기 전지층은
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체;
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재;
    상기 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층; 및
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서, 상기 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함하고,
    상기 콘택은
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 양극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제1 콘택; 및
    상기 절연층을 관통하여 일측은 상기 음극 집전체에 접속하고 타측은 상기 절연층의 외부로 노출되는 제2 콘택을 포함하며,
    상기 연결 배선은 일단에서 상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택이 교번으로 배열되고,
    일단의 상기 제1 콘택 및 제2 콘택을 연결하되, 2개의 박막 전지 셀을 연결 단위로 이격되는 제1 연결 배선; 및
    타단의 상기 제2 콘택 및 제1 콘택을 연결하되, 2개의 박막 전지 셀을 연결 단위로 이격되고 상기 제1 연결 배선과 교번으로 배열되는 제2 연결 배선을 포함하여 상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 연결하는, 박막 전지 어셈블리.
  8. 제5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재층은
    분리층; 및
    상기 분리층 상에 형성되는 분리 보호층을 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리층 하부에 위치하는 하부 보호필름을 더 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서, 상기 분리층 및 상기 분리 보호층은
    상기 박막 전지 셀을 단위로 분리되는, 박막 전지 어셈블리.
  11. 제5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 배선을 커버하는 상부 보호필름을 더 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  12. 기재층;
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 복수의 박막 전지 셀; 및
    상기 복수의 박막 전지 셀을 직렬 및 병렬 중 어느 하나 이상으로 연결하는 연결 배선을 포함하고,
    상기 복수의 박막 전지 셀은,
    상기 기재층 상에 형성되는 전지층; 및
    상기 전지층의 일부에 형성되는 절연층을 포함하고,
    상기 절연층이 형성되지 않은 전지층의 일부가 상기 연결 배선과 접속되는, 박막 전지 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전지층은
    상기 기재층 상에 이격 형성되는 양극 집전체 및 음극 집전체;
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체에 각각 접촉되는 양극재 및 음극재;
    상기 양극재 및 음극재 사이에 위치하는 전해질층; 및
    상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부를 개방하면서, 상기 양극 집전체, 음극 집전체, 양극재, 음극재, 및 전해질층을 봉지하는 봉지층을 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 봉지층과 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 개방된 일부 영역을 덮는, 박막 전지 어셈블리.
  15. 제13항에 있어서, 상기 절연층이 형성되지 않은 전지층의 일부는 상기 양극 집전체 및 음극 집전체의 일부인, 박막 전지 어셈블리.
  16. 제13항에 있어서, 상기 연결 배선은
    상기 절연층 내에서 일측은 상기 박막전지 셀의 양극 집전체에 접속하고 타측은 인접하는 상기 박막 전지 셀의 음극 집전체 또는 양극 집전체에 접속하는, 박막 전지 어셈블리.
  17. 제13항에 있어서, 상기 연결 배선은
    상기 절연층 내에서 일측은 상기 박막전지 셀의 음극 집전체에 접속하고 타측은 인접하는 상기 박막 전지 셀의 양극 집전체 또는 음극 집전체에 접속하는, 박막 전지 어셈블리.
  18. 제13항에 있어서, 상기 연결 배선은 양극 집전체 또는 음극 집전체와 일체형인, 박막 전지 어셈블리.
  19. 제12항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재층은
    분리층; 및
    상기 분리층 상에 형성되는 분리 보호층을 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 분리층 하부에 위치하는 하부 보호필름을 더 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서, 상기 분리층과 분리 보호층은 상기 박막 전지 셀을 단위로 분리되는, 박막 전지 어셈블리.
  22. 제12항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 배선을 커버하는 상부 보호필름을 더 포함하는, 박막 전지 어셈블리.
KR1020190133792A 2019-10-25 2019-10-25 박막 전지 어셈블리 KR102524454B1 (ko)

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