KR20020083671A - 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정성이 우수한 단위 박막 전지를 제조할 수 있으며, 또한 수평 방향 및 수직 방향으로 다층으로 박막전지를 집적함에 의해 최소 면적으로 안정성이 확보된 고 에너지, 고 전류량을 달성할 수 있는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명은 양극, 전해질, 음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지로 구성된 다수의 전지층과; 상기 다수의 전지층 하부면 및 측면에 형성되는 기판 및 외벽과; 상기 다수의 전지층 각각의 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 전류 집전체와; 상기 다수의 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선과; 상기 다수의 전지층 사이에 형성되어 서로를 전기적으로 절연시켜 주는 절연층과; 상기 다수의 전지층 중에서 최상부의 전지층 상부면과 상기 외벽의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지를 제공한다.

Description

안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법{Integrated Thin Film Battery With High Stability and Fabrication Method Thereof}
본 발명은 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 전지를 기판 위에 형성할 때, 기판의 일부를 식각하여 다수의 그루브를 형성하고 그 내부에 박막 전지를 동시에 형성함으로써, 다양한 용량 및 원하는 전압을 갖도록 조절하면서 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 산업의 고도화로 인하여 극소형 마이크로 전기/전자 소자가 스마트 카드, MEMS(MicroEletroMechanical System), MAV(Micro Air Vehicle), 미세 의료 분야 기기 등의 여러 분야에서 등장함에 따라서, 이들 소자가 요구하는 소비 전력 또한 점점 극소화하고 있으며, 이에 따라 전력 공급원으로써의 박막 전지의 필요성이 절실해지고 있다.
종래 대부분의 소자는 각각의 소자가 제작된 이 후에 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받는 형태를 취하고 있지만, 박막 전지의 도입으로 소자 자체에 전력 공급원을 갖는 것이 가능해졌다.
한편, 박막형 전지의 일반적인 구조는 기판 위에 다양한 반도체 공정을 이용하여 구성 물질들을 증착시켜 제조된 형태로써, 그 특성상 형태나 크기의 제약이 거의 없어 자유롭게 제조될 수 있다는 특징이 있다.
이러한 박막 전지의 전형적인 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보면, 단위 박막전지는 Si 기판(10)과, 상기 Si 기판(10) 위에 형성된 Ti(Pt, Au)계 물질로이루어진 양극 전류 집전체(11)와, 상기 양극 전류 집전체(11) 위에 형성되며 예를 들어, LiCoO2로 이루어진 양극(13)과, 상기 양극(13)의 노출된 상부면과 측면 및 일측 Si 기판(10)의 일부를 덮고(overlaying) 있으며 예를 들어, LiPON로 이루어진 전해질(14)과, 상기 전해질(14) 위에 형성되며 예를 들어, Li으로 이루어진 음극(15)과, 상기 음극(15)이 대기와의 반응을 차단하기 위하여 음극(15)과 전해질(14)의 일측면 및 일측 Si 기판(10)의 일부를 덮고 있는 Cu 또는 Ti계 물질로 이루어진 음극 전류 집전체(12)와, 상기 음극(15), 전해질(14)의 노출된 일부, 양극 전류 집전체(11)의 일부, 음극 전류 집전체(12)를 보호하기 위한 보호층(16)으로 구성되어 있다.
상기 기판(10)은 Si 외에도 글라스, 알루미나, 사파이어 각종 반도체 또는 폴리머 물질로 이루어질 수 있고, 음극(15)은 Li이외에 SnO2, SnO, SiTON, Li4Ti4O12등으로 이루어질 수 있다. 또한 양극(13)은 LiCoO2이외에 LiNiO2, LiMn2O4등의 전이금속 산화물로 이루어 질 수 있다. 음극 전류 집전체(12)는 Cu, Ti 이외에 V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Zr, Hf, Ta 등의 물질로 이루어 질 수 있다.
그런데, 상기와 같이 이루어진 기존의 단위 박막 전지는 기판 위에 증착되는 형태이기 때문에 다층으로 적층할 때에 기판 위로 상당히 노출되어 물리적인 작용으로 인하여 전지의 안정성에 심각한 영향을 받을 수 있는 문제점을 안고 있다. 그리고, 직렬 혹은 병렬로 형성된 리드선이 외부의 영향에 의해 손상될 우려가 있어 전지의 수명과 안정성을 저하시키는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 수평 방향 및 수직 방향으로 박막 전지를 직렬 혹은 병렬로 조합하여 고 에너지, 고 전류량을 갖으면서 안정성과 외부 환경에 따른 열화를 감소시켜 주는 구조를 갖도록 집적화된 안정성이 향상된 집적 박막 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 일반적인 박막 전지 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 단면도.
도 4a ~ 도 4m은 본 발명의 제 1실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
20 : 기판21a, 21b : 제 1외벽
21c : 제 1그루브22 : 제 1양극 전류 집전체
23a, 23b : 제 1내벽24~26, 32~34 : 단위 박막 전지
27 : 제 1음극 전류 집전체28 : 절연층
29 : 제 1리드선30 : 제 2양극 전류 집전체
31a, 31d : 제 2외벽31b, 31c : 제 2내벽
35 : 제 2리드선36 : 제 2음극 전류 집전체
37 : 보호층
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계; (b) 상기 제 1그루브에 다수의 전지층을 형성하기 위하여, (b1) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계, (b2), 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계, (b3) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계, (b4) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계, 및 (b5) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 절연층을 증착하여 형성하여 이루어지는 다수의 전지층을 형성하는 단계; (c) 상기다수의 전지층 중에서 서로 다른 전지층의 상기 제 1 및 제 2전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 다수의 전지층 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법을 제공한다.
상기 제 1그루브는 그 내부에 다수 형성되는 전지층의 총 두께보다 적어도 깊게 형성되며, 상기 제 2그루브는 그 내부에 형성되는 단위 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극의 총 두께와 동일한 깊이로 형성된다.
상기 리드선은 상기 다수의 전지층 중에서 각각의 제 1전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 1리드선과, 각각의 제 2전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 2리드선으로 구성되며, 다수의 전지층을 병렬 연결하거나, 상기 다수의 전지층 중에서 서로 인접한 전지층의 제 1전류 집전체와 제 2전류 집전체를 서로 연결하여, 다수의 전지층을 직렬 연결한다.
상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 전이 금속 산화물이면 전지층을 단층으로 형성하고, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 산화바나듐이면 전지층을 다층으로 형성한다.
상기 제 1 및 제 2절연층과 보호층은 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용과 전기 절연성을 가지는 절연 물질이며, 상기 보호층은 전기 절연 물질과, 금속, 폴리머로 조합 구성되어, 전기적 절연과 외부 환경으로부터 전지를 보호하며, 상기 절연 물질은 SiO2, TEOS, SOG, 및 상기 물질들로 조합된 조합물중에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.
상기 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 각 전류 집전체는 각각의 양극 또는 음극에 대하여 하나의 전류 집전체로 형성되어 서로 공유하고, 상기 전지층을 구성하는 단위 박막 전지의 각 양극, 전해질, 음극 물질은 동일한 물질, 시간, 두께로 형성된다.
그리고, 본 발명은 (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계; (b) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계; (c) 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계; (d) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계; (e) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계; 및 (f) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법을 아울러 제공한다.
또한, 본 발명은 양극, 전해질, 음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지로 구성된 다수의 전지층과; 상기 다수의 전지층 하부면 및 측면에 형성되는 기판 및 외벽과; 상기 다수의 전지층 각각의 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 전류 집전체와; 상기 다수의 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선과; 상기 다수의 전지층 사이에 형성되어 서로를 전기적으로 절연시켜 주는 절연층과; 상기 다수의 전지층 중에서 최상부의 전지층 상부면과 상기 외벽의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지를 제공한다.
상기 다수의 전지층은 각 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지를 전기적으로 절연 구분해 주는 다수의 내벽을 포함하여 이루어진다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 다양한 반도체(절연물질) 기판으로 이루어진 기판에 다수의 그루브(groove)를 형성하고 동시에 박막 전지를 형성함으로써, 동일한 용량의 박막 전지가 동시에 형성되는 것이 가능하게 하여 외부 환경에 의하여 열화되는 것을 방지한다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부한 도면, 도 2는 본 발명의 제 1실시예를 설명하기 위한 단면도, 도 3은 본 발명의 제 2실시예를 설명하기 위한 단면도, 도 4a ~ 도 4m은 본 발명의 제 1실시예의 제조 공정을 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명은 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 집적화시켜서 집적 박막 전지를 제조하기 위한 방법으로, 출력하고자 하는 전압 및 전류를 고려하여, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 1개 층에 다수 형성함으로써 한 층의 전지층을 형성하고, 상기 전지층을 상하 다수 층으로 형성한다.
상기와 같이 단위 박막 전지(24~25, 32~34)로 이루어지는 전지층을 다수 층으로 형성하여, 서로를 직렬 또는 병렬로 연결함으로써, 원하는 출력 전압 및 전류량으로 설정하여 출력할 수 있다.
여기서, 전지의 부피 당 전류 용량이 가장 많은 하나의 단위 박막 전지를 형성하지 않고, 본 발명과 같이 다수의 단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 구분해 주는 절연체가 차지하는 부피로 인한 전지의 부피 감소를 초래하면서 전지를 제조하는 이유는 다음과 같다.
박막 전지의 경우에 단위 박막 전지 당 출력되는 전압이 약 3~4V(출력전압 : 산화바나듐은 3V, 전이금속산화물은 3.7V, 따라서 3~4V)로 정해져 있다. 따라서, 전지에 의하여 구동되는 전기/전자 기기의 구동 전압이 단위 박막 전지의 출력 전압 3~4V보다 높은 경우에는 전압 조정을 위한 별도의 수단이 필요해지는 단점을 안고 있으며, 1개의 전지에서 전류가 출력되기 때문에 다수의 충방전에 따른 충방전 효율이 저하되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 이와 같은 기존의 단위 박막 전지에 의한 문제점을 해소하기 위하여 다수의 단위 박막 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 원하는 출력 전압 및 전류량을 제조 단계에서 설정하여 제조할 수 있도록 하며, 하나의 단위 박막 전지로 구성하는 경우보다 여러 개의 단위 박막전지로 구성하는 방법이 고효율 방전이 가능하게 한다.
본 발명은 병렬, 직렬 연결된 2가지 종류의 실시예를 제공하며, 도 2에 나타낸 병렬 연결된 경우의 제 1실시예를 예로 들어 상세하게 설명한다.
본 발명의 제 1실시예는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)로 구성된 제 1층 전지층(240)과, 제 4~6단위 박막 전지(32~34)로 구성된 제 2층 전지층(320), 상기 제 1전지층(240)의 하부면과 측면과 제 2전지층(240, 320)의 측면을 둘러 싸주는 기판(20) 및 제 1외벽(21a, 21b)과 , 상기 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 각각 상하부면에 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 제 1 및 제 2양/음극 전류 집전체(22, 27, 30, 36)와, 상기 제 1양극 전류 집전체(22)와 제 2양극 전류 집전체(30)를 서로 연결시켜 주는 제 1리드선(29)과, 상기 제 1음극 전류 집전체(27)와 제 2음극 전류 집전체(36)를 서로 연결시켜 주는 제 2리드선(35)과, 상기 제 1전지층(240)과 제 2전지층(320)을 전기적으로 절연시켜 주는 절연층(28)과, 상기 제 2전지층(320)의 위와 상기 제 1외벽(21a, 21b)의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층(37)으로 구성된다.
상기 제 1 및 제 2전지층(240, 320)은 각 전지층을 구성하는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 전기적으로 절연 구분해 주는 제 1내벽(23a, 23b)과 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 전기적으로 절연 구분해 주는 제 2내벽(31b, 31c)이 형성된다.
박막 전지에 사용되는 절연 물질 즉, 실리콘 산화물로 된 기판(20)은 전지의 용량을 고려하여 면적을 결정하며, 실리콘 산화물 이외에 알루미나 폴리머 등의 절연물이 기판(20)으로 이용 가능하다. 그리고, 상기 기판(20)의 두께는 그 내부에 수용되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 두께를 고려하여 결정한다.
상기 기판(20)에 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)로 구성된 제 1 및 제2전지층(240, 320)이 수용되는 공간을 제공하는 제 1그루브(21c)를 형성하기 위하여 기판(20)의 일면 외곽에 형성되는 제 1외벽(21a, 21b) 부분을 제외한 나머지 부분을 식각 처리하여 제거한다(도 4a 참조).
식각 처리에 의하여 형성되는 상기 제 1외벽(21a, 21b)은 상기 기판(20)의 상부면 가장자리에 형성되는 테두리 벽이며, 상기 제 1외벽(21a, 21b)에 의하여 형성되는 제 1그루브(21c)의 깊이는 상기 설명과 같이 그 내부에 수용되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320)의 두께를 고려하여 형성한다.
여기서, 식각 처리 방법으로 실리콘 산화물, 알루미나 등의 경우에는 플라즈마, 이온 등을 이용한 물리적 식각 방법이나 산성 물질 또는 액상의 화학 물질 등을 이용한 화학적 식각 방법이 이용 가능하며, 폴리머의 경우에는 광감응제를 이용한 사진 식각(Photo lithography) 방법을 이용하여 식각 처리할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 형성된 제 1그루브(21c)의 전체 바닥 면적을 차지하게 제 1양극 전류 집전체(22)를 증착한다(도 4b 참조). 상기 제 1양극 전류 집전체(22)는 그 위에 형성되는 제 1~3단위 박막 전지(24~26)의 양극을 병렬로 연결해 주는 역할을 하며, 이용 가능한 물질은 Pt, Ti, V, Al 등을 이용하며, 기판(20)과의 접촉을 용이하게 하기 위해서 Ti 등 부가적인 금속 층(예를 들어, 전지의 양극이 LiCoO2인 경우 Ti+Pt, VO2인 경우 V, Al)을 도입하는 경우도 가능하다.
상기 제 1양극 전류 집전체(22)를 증착하는데 이용되는 증착 방법으로 DC 마그네트론 스퍼터링(DC magnetron sputtering), RF 마그네트론 스퍼터링(RFmagnetron sputtering), 열증착(thermal evaporation) 등이다.
상기와 같이 제 1양극 전류 집전체(22)가 형성된 후에 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 형성하기 위하여 상기 제 1그루브(21c)를 다수의 제 2그루브(23c)로 분리하여야 하며, 다수의 제 2그루브(23c)를 형성하기 위해서는 상기 제 1그루브(21c) 형성 방법과 마찬가지로 상기 양극 전류 집전체(22) 위에 실리콘 산화물과 같은 절연체를 증착 처리한 후에 식각 처리하여 제 1내벽(23a, 23b)을 돌출 형성한다(도 4c 참조).
그리고, 상기 제 1내벽(23a, 23b)과 제 1외벽(21a, 21b)에 의하여 형성되는 상기 제 2그루브(23c)에 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 구성하는 물질 즉, 양극(24a, 25a, 26a), 전해질(24b, 25b, 26b), 음극(24c, 25c, 26c)을 순서대로 증착시킨다(도 4d 참조). 단, 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 구성하는 양극(24a, 25a, 26a), 전해질(24b, 25b, 26b), 음극(24c, 25c, 26c)을 동일한 물질, 시간, 두께로 증착시켜야만 생산성이 향상되고 전지 역전 현상(cell reversal) 등의 문제를 해결할 수 있으며, 집적화 후 전지를 사용할 때 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)들의 용량 차이로 인한 개개 단위 박막 전지의 열화를 방지할 수 있다.
상기 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 구성하는 각각의 양극(24a, 25a, 26a, 32a, 33a, 34a)은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiVO2등의 전이 금속 산화물이나 이들의 혼합물을 이용하며, 전해질(24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b)은 질화된 Li3PO4즉, LixPOyNz를 이용하고, 음극(24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c)은 Li, Sn,SnO, SnO2등을 이용한다.
상기 양극(24a, 25a, 26a, 32a, 33a, 34a)은 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering), 전해질(24b, 25b, 26b, 32b, 33b, 34b)은 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링(reactive RF magnetron sputtering), 음극(24c, 25c, 26c, 32c, 33c, 34c)은 리튬(Li)의 경우에 열증착(thermal evaporation) 주석(Sn) 산화물의 경우에는 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)으로 증착한다.
이 때, 상기 제 1~3단위 박막 전지(24~25)를 형성할 때에 제 1전지층(240)의 일측과 제 1외벽(21b)사이에 아래에 설명하는 절연층(28)과 리드선(29)을 수용하기 위한 제 1공간(23d)을 남기고 형성한다.
그리고, 상기 제 1전지층(240) 위에 제 1음극 전류 집전체(27)를 증착 처리한다(도 4e 참조). 상기 제 1음극 전류 집전체(27)는 상기 제 1~3단위 박막 전지(24~25)의 음극을 병렬로 연결해 주는 작용을 하며, Cu, Co, Ti 등을 이용하여 DC 또는 RF 마그네트론 스퍼터링, 열증착법으로 증착한다.
그리고, 상기 제 1음극 전류 집전체(28)의 일부를 제외한 나머지 부분과 제 1전지층(240)의 측벽 부분(상기 제 1공간(23d)에 접하는 부분)을 실리콘 산화물이나 알루미나 등과 같은 절연체로 증착하여 절연층(28)을 형성한다(도 4f 참조). 이 때, 상기 제 1공간(23d)은 상기 절연층(28)에 의하여 일부가 잠식되며, 나머지 공간은 아래에 설명하는 제 1리드선(29)이 형성되는 제 1리드선 수용 공간(23d')으로 이용된다.
또한, 상기 절연층(28)의 타단에는 제 1외벽(21a)과 약간의 공간을 두고 형성되어 아래에 설명하는 제 2외벽(31a)과 제 2리드선(35)을 수용하기 위한 제 2공간(28a)으로 활용된다.
상기 기판(20) 위에 수평 방향으로 배열되는 제 1~3단위 박막 전지(24~25)와 제 4~6단위 박막 전지(32~34), 수직 방향으로 배열되는 제 1 및 제 2전지층(240, 320) 사이에 형성되는 제 1 및 제 2내벽(23a, 23b, 31b, 31c), 절연층(28), 제 2외벽(31a, 31d) 등은 제 1~6단위 박막 전지(24~25, 32~34)를 전기적으로 절연시켜 주는 역할을 하면서 기계적인 안정성을 확보할 수 있어야 하고, 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용을 할 수 있어야 한다. 이러한 특징을 만족시키는 물질로써 SiO2, TEOS, SOG 중 어느 하나를 선택하여 이용하거나, 이들의 조합 중에서 선택된 어느 하나를 선택하여 형성한다.
상기 제 2그루브(23c)에 형성된 제 1전지층(240)과 아래에 설명하는 제 2전지층(320)간에 전지 조합(직렬 또는 병렬 연결)을 위하여 필요한 리드선 중에서 제 1리드선(29)을 수용하기 위한 제 1리드선 수용 공간(23d')에 Au, Al, Cu, Co, Ti 등과 같은 소재를 이용하여 증착 처리하여 제 1리드선(29)을 형성한다(도 4g 참조). 따라서, 상기 제 1양극 전류 집전체(22)의 일단과 상기 제 1리드선(29)의 하단부는 서로 전기적으로 연결된다.
이어서, 제 2전지층(320)을 형성하기 위하여, 제 2양극 전류 집전체(30)를 상기 제 1양극 전류 집전체(22) 형성 방법과 같이 상기 제 1전지층(240) 위에 형성한다(도 4h 참조). 이 때, 상기 제 2양극 전류 집전체(30)의 일단은 상기 제 1리드선(29)의 상단부에 연결되며, 그 타단은 상기 절연층(28)의 단부에 일치되도록 형성하여 상기 제 2공간(28a)을 유지하면서 제 2'공간(28a')을 형성한다.
제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 수용하는 제 3그루브(31e)를 상기 제 1그루브(23c) 형성 방법과 동일한 방법으로 형성한다(도 4i 참조).
다시 말하면, 상기 제 2양극 전류 집전체(30) 위에 절연체인 실리콘 산화물이나 알루미나 등을 이용하여 증착하고, 다시 식각 처리하여 상기 제 1외벽(21a, 21b)에 내접하는 제 2외벽(31a, 31d)과, 그 내부에 제 2내벽(31b, 31c)을 동시에 형성함으로써 제 2외벽(31a, 31d)과 제 2내벽(31b, 31c)에 의하여 생성되는 제 3그루브(31e)를 형성하는 것이다.
이 때, 상기 제 2'공간(28a')은 상기 제 2외벽(31a)에 의하여 일부 잠식되며, 나머지 부분은 제 2리드선(35)을 수용할 수 있는 제 2리드선 수용 공간(28a")으로 활용되며, 상기 제 2리드선 수용 공간(28a")에 상기 제 1리드선(29) 형성 방법과 동일하게 제 2리드선(35)을 형성한다(도 4j 참조).
상기 제 3그루브(31e)에 제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위 박막 전지(32~34)를 상기 제 1전지층(240) 형성 방법과 동일하게 형성한다(도 4k 참조).
상기 제 2리드선(35), 제 2전지층(320) 위에 상기 제 1음극 전류 집전체(27) 형성 방법과 동일한 방법으로 제 2음극 전류 집전체(36)를 형성한다(도 4l 참조). 이 때, 상기 제 2음극 전류 집전체(36)는 제 2전지층(320)을 구성하는 제 4~6단위박막 전지(24~25, 32~34)의 각 음극(32c, 33c, 34c)과 제 2리드선(35)의 상단부를 각각 연결시켜 준다.
상기 제 2음극 전류 집전체(36) 위에 절연체인 실리콘산화물이나 알루미나 등을 이용하여 증착 처리하여 제 2전지층(320)을 전기적으로 절연시키면서 전지를 보호하는 보호층(37)을 증착한다(도 4m 참조). 이 때, 상기 보호층(37)은 최상층의 제 2음극 전류 집전체(36)에 대한 전기 절연 기능과 함께 외부 환경으로부터 전지를 보호하는 기능을 구비해야 하므로, 실리콘산화물, 알루미나 등과 금속 또는 폴리머를 사용하여 기계적 안정성을 확보한다.
상기한 바와 같은 공정으로 이루어진 박막 전지는 결과적으로 제 1~3단위 박막 전지(24~25)가 병렬 연결되어 구성되는 제 1전지층(240)과 제 4~6단위 박막 전지(32~34)가 병렬 연결되어 구성되는 제 2전지층(320)이 서로 병렬 연결된 전지 구조를 가진다.
따라서, 제 1 및 제 2전지층(240, 320) 각각은 단위 박막 전지에 비하여 3배의 전류 용량을 출력할 수 있으며, 제 1 및 제 2전지층(240, 320)이 서로 병렬 연결되어 있으므로 결과적으로 6배의 전류 용량을 출력할 수 있다.
한편, 도 3에는 3개의 단위 박막 전지로 구성된 층 전지를 4번 적층하여 각 층 전지를 서로 직렬 연결함으로써, 단위 박막 전지 기준으로 3배의 전류 용량과 4배의 전압 증가 효과를 제공한다.
이를 위해서는 도 3에 나타낸 제 2실시예는 기판(109) 위에 외벽(110a, 110b)을 상기 제 1외벽(21a, 21b) 형성 방법과 같이 형성하고, 제 1양극 전류 집전체(111)를 형성하고, 제 1층 내벽(112a, 112b)을 형성하고, 그로 인하여 형성되는 그루브에 제 1층 박막 전지(113a ~ 113c)를 형성하고, 제 1음극 전류 집전체(114)를 형성하여 제 1층 전지를 형성한다.
상기 제 1층 전지 위에 제 1절연층(115)을 형성하고, 그 좌측에 제 1리드선(116)을 형성하고, 차례로 제 2양극 전류 집전체(117), 제 2층 내벽(118a, 118b), 제 2층 박막 전지(119a ~ 119c), 제 2음극 전류 집전체(120)를 형성하여 제 2층 전지를 형성한다.
상기 제 2층 전지 위에 제 2절연층(121)을 형성하고, 그 우측에 제 2리드선(122)을 형성하고, 차례로 제 3양극 전류 집전체(123), 제 3층 내벽(124a, 124b), 제 3층 박막 전지(125a~125c), 제 3음극 전류 집전체(126)를 형성하여 제 3층 전지를 형성한다.
그리고, 상기 제 3층 전지 위에 제 3절연층(127)을 형성하고, 그 좌측에 제 3리드선(128)을 형성하고, 차례로 제 4양극 전류 집전체(129), 제 4층 내벽(130a, 130b), 제 4층 박막 전지(131a ~ 131c), 제 4음극 전류 집전체(132)를 형성하여 제 4층 전지를 형성하고, 마지막으로 보호층(133)을 형성한다.
따라서, 상기 제 1 ~ 4층 전지는 제 1 ~ 3리드선에 의하여 각각 직렬 연결되므로, 단위 박막 전지를 기준으로 하여 3배의 전류 용량과 4배의 전압이 출력된다.
상기 제 1 및 제 2실시예에서는 각각 3개의 단위 박막 전지를 이용하여 병렬 또는 직렬 구성하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 필요 전압 및 전류량에 따라서 그 조합을 달리할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 제 1 및 제 2실시예에서 보는 바와 같이, 1개 층의 박막 전지를 구성하는 단위 박막 전지를 1개의 양극/음극 전류 집전체로 취합하여 전류를 출력할 수 있기 때문에 각각의 단위 박막 전지에 대한 전류 집전체를 별도로 형성하지 않아도 되는 공정 단축의 특징이 있다.
한편, 상기 실시예서는 박막 전지를 구성하는 양극 물질로써 전이 금속 산화물 종류를 예로 들어 설명하였으나, 상기 전이 금속 산화물들을 증착 처리한 후에 양극 활물질(positive active matterial)로 사용하기 위해서는 반드시 열처리를 필요로 하는데, 다층으로 박막 전지를 적층할 때에 열처리가 반복적으로 이루어지는 것은 현실적으로 불가능하다.
상기 양극 물질의 열처리는 통상 800?? 전후에서 이루어지는데, 한 층의 박막 전지는 동시에 형성이 가능하지만, 이 후에 형성되는 전지층 대한 열처리를 할 때에 아래 전지층의 전해질과 리튬 음극이 영향을 받으므로 고체 전해질과 리튬 음극이 모두 변질되어 전지로서의 역할을 할 수 없는 문제점을 야기한다.
따라서, 본 발명과 같이 다층으로 박막 전지를 구성하는 경우에는 양극 물질로써 이용할 수 있는 물질은 열처리 공정이 필요 없는 산화바나듐(VO2)에 국한된다.
결과적으로, 박막전지를 구성할 때에 다층으로 구성하고자 하면, 박막 전지의 양극 물질로 산화바나듐을 사용하고, 전지를 단층으로 구성하는 경우에는 양극을 먼저 증착하고 전해질과 음극에 대한 증착이 이루어지기 때문에 전이 금속 산화물을 이용하여 집적화된 박막 전지를 구성할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 반도체 기판으로 이루어진 기판에 다수의 그루브(groove)를 도입하여, 수평 방향 및 수직 방향으로 집적된 박막 전지를 형성함으로써, 기존의 박막 전지에 비해 우수한 안정성을 확보할 수 있으며, 양극 및 음극 전류 집전체를 공유함으로써, 공정 상의 단순화를 달성할 수 있다. 또한 기존의 집적된 박막 전지에 비해 안정성이 우수하면서, 저비용, 고용량, 고 에너지 밀도를 갖는 박막 전지의 제조가 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계;
    (b) 상기 제 1그루브에 다수의 전지층을 형성하기 위하여,
    (b1) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계,
    (b2), 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계,
    (b3) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계,
    (b4) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계 및,
    (b5) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 절연층을 증착하여 형성하여 이루어지는 다수의 전지층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 다수의 전지층 중에서 서로 다른 전지층의 상기 제 1 및 제 2전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 다수의 전지층 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1그루브는 그 내부에 다수 형성되는 전지층의 총 두께보다 적어도 깊게 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2그루브는 그 내부에 형성되는 단위 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극의 총 두께와 동일한 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 리드선은 상기 다수의 전지층 중에서 각각의 제 1전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 1리드선과, 각각의 제 2전류 집전체를 연결하도록 형성된 제 2리드선으로 구성되며, 다수의 전지층을 병렬 연결하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 리드선은 상기 다수의 전지층 중에서 서로 인접한 전지층의 제 1전류 집전체와 제 2전류 집전체를 서로 연결하여, 다수의 전지층을 직렬 연결하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 전이 금속 산화물이면 전지층을 단층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 단위 박막 전지를 구성하는 양극 물질이 산화바나듐이면 전지층을 다층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2절연층과 보호층은 박막 전지의 충방전에 따른 체적 변화에 대한 완충 작용과 전기 절연성을 가지는 절연 물질인 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  9. 제 1항 또는 8항에 있어서, 상기 보호층은 전기 절연 물질과, 금속, 폴리머로 조합 구성되어, 전기적 절연과 외부 환경으로부터 전지를 보호하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 절연 물질은 SiO2, TEOS, SOG, 및 상기 물질들로 조합된 조합물 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 각 전류 집전체는 각각의 양극 또는 음극에 대하여 하나의 전류 집전체로 형성되어 서로 공유하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 전지층을 구성하는 단위 박막 전지의 각 양극, 전해질, 음극 물질은 동일한 물질, 시간, 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  13. (a) 전기적 절연 물질로 된 기판의 일면을 식각 처리하여 다수의 박막 전지로 구성된 전지층을 다수층 수용할 수 있는 제 1그루브를 형성하는 단계;
    (b) 상기 제 1그루브에 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지의 어느 한쪽 전극을 연결해 주는 제 1전류 집전체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 제 1전류 집전체 위에 절연 물질을 증착한 후에 식각 처리하여 그 각각에 한 개의 단위 박막 전지가 수용되는 다수의 제 2그루브를 형성하는 단계;
    (d) 상기 각각의 제 2그루브에 박막 전지를 구성하는 양극, 전해질, 음극 물질을 증착하여 다수의 단위 박막 전지를 형성하는 단계;
    (e) 상기 다수의 단위 박막 전지 위에 제 2전류 집전체를 증착하여 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 제 2전류 집전체 위에 절연 물질로 된 보호층을 형성하는 단계를포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지 제조 방법.
  14. 양극, 전해질, 음극으로 구성되는 다수의 단위 박막 전지로 구성된 다수의 전지층과;
    상기 다수의 전지층 하부면 및 측면에 형성되는 기판 및 외벽과;
    상기 다수의 전지층 각각의 양극 및 음극에 접하게 형성되어 각각의 전류를 집전시켜 주는 다수의 전류 집전체와;
    상기 다수의 전류 집전체를 서로 연결시켜 주는 리드선과;
    상기 다수의 전지층 사이에 형성되어 서로를 전기적으로 절연시켜 주는 절연층과;
    상기 다수의 전지층 중에서 최상부의 전지층 상부면과 상기 외벽의 상단부를 밀폐시켜 주는 보호층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 다수의 전지층은 각 전지층을 구성하는 다수의 단위 박막 전지를 전기적으로 절연 구분해 주는 다수의 내벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 안정성이 향상된 집적 박막 전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101383448B1 (ko) * 2012-09-07 2014-04-17 한국과학기술원 사용자 단말 전력공급용 다층 배터리 및 그 제조방법
KR20180034119A (ko) * 2016-09-27 2018-04-04 삼성전자주식회사 곡률을 갖는 3차원 구조의 이차전지 및 그 제조방법
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