KR20020092735A - 마이크로 배터리가 장착된 전자회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착 또는 스퍼터링 등의 복잡한 반도체 회로 제조 공정을 사용하지 않고 간단한 방법으로 제조할 수 있는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판에 관한 것으로서, 일측면에 전자회로가 형성되어 있는 기판 및 상기 기판의 일측면에 접착되고 상기 전자회로와 전기적으로 연결되어 있는 박막 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판을 제공한다. 여기서 상기 박막 배터리는 필름 형태의 양극 극판, 양극활물질, 전해질, 음극활물질 및 음극 극판이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 이들은 파우치에 수용되어 있는 것이 바람직하다.

Description

마이크로 배터리가 장착된 전자회로기판 {Electrical circuit board having micro battery}

본 발명은 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자회로의 전원 역할을 하는 마이크로 배터리가 전자회로기판의 일측면에 장착된 전자회로 기판에 관한 것이다.

일반적으로 반도체칩 회로 등의 전자회로를 구동하기 위해서는 전원으로서 별도의 배터리를 상기 회로에 전기적으로 연결하여 사용하여야 한다. 그러나 전자 기기의 크기가 소형화되고, 전자 회로가 집적화됨에 따라 전자회로기판, 특히 반도체 회로 칩상에 고체 형태의 마이크로 배터리를 내장 또는 장착시켜 해당 전자회로의 전원으로서 활용하려는 연구가 이루어지고 있다.

이와 같이 작은 크기의 반도체 칩상에 배터리를 장착하는 방법으로서 배터리의 구성 요소, 즉 음극, 양극 및 전해질을 스퍼터링, 금속 증착법 등의 반도체 회로 형성 기술을 사용하여 기판에 코팅하는 방법이 알려져 있으며, 그 예를 도 1 및 2에 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 회로 형성 기술을 이용하여 전자회로 기판에 배터리를 형성하기 위해서는, 먼저 기판(10)위에 음극 극판(12) 및 양극 극판(14)을 형성하고, 상기 양극 극판(14)상에 양극활물질(16)로서 V₂O₅를 증착한다. 다음으로 리튬 이온의 이동 매질 역할을 하는 유리 전해질(18)로서 Li_3.3PO_3.9N_0.17을 양극(16)을 덮도록 코팅하고, 상기 전해질(18) 및 음극 극판(12)을 덮도록 음극활물질(20)인 리튬 금속(20)을 증착하여, 음극활물질(20)과 양극활물질(16)이 전해질(18)에 의하여 분리되도록 한다. 이와 같이 음극활물질(20), 양극활물질(16) 및 전해질(18)을 기판(10)에 형성하여 전지를 완성한 다음, 이를 보호하기 위한 보호막(22)을 코팅한다. 전지를 완성한 후, 기판(10)위에 전자회로를 형성하고, 전자회로와 상기 양극 극판(14) 및 음극 극판(12)을 연결하여 전원을 일체적으로 포함하는 전자 회로를 제조할 수 있으며, 제조된 박막 전지는 방전시 동작 전압이 3.4-1.5V인 것으로 알려져 있다.

도 2는 J. Power Source 43-44, 505 (1993)에 개시된 마이크로 배터리의 다른 예로서, 먼저 기판(30)위에 소정의 간격을 두고 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 Cr을 증착함으로서 음극(32) 및 양극 극판(34)을 형성하고, RF마그네트론 스퍼터 방식으로 양극활물질(36)인 TiS₂를 양극 극판(34)위에 증착한다. 다음으로 전해질로서 유리 전해질(38)인 6LiI·4Li₃PO₄·P₂S₅을 RF마그네트론 스퍼터를 이용하여 양극활물질(36)을 덮도록 증착하고, 상기 유리 전해질(38)층에 LiI(40)를 진공 증착하여 전해질 층(42)을 완성한다. 이와 같이 형성된 전해질층(42) 및 음극 극판(32)을 최소한 부분적으로 덮도록 Li금속(44)을 진공 증착하여 전지를 완성한다. 이와 같은 방법으로 완성된 전지는 수명특성이 5000회 이상(80%이상의 용량을 유지)이며, 방전 전압이 2.4-1.75V, 용량은 0.1 mA/cm²이며, 보관기간(Shelf life)은 20년인 이상으로 양호한 것으로 보고되고 있다.

그러나 이와 같이 반도체 공정을 사용하여 배터리의 각 구성요소를 기판에 증착하면 현실적으로 적절한 크기의 배터리를 제조하기 어려우므로 1mAh 이상의 용량을 가지는 전지를 형성하기 어려울 뿐 만 아니라, 고용량 음극활물질인 Li 등을 증착하는 과정에서 회로 자체가 오염될 우려가 있으며, 전지 성분을 증착 또는 스퍼터링하기 위하여 반도체 회로 제작만큼이나 복잡한 공정을 필요로 하므로 제작비가 월등히 증가하여 실용성이 없는 것으로 알려져 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 증착 또는 스퍼터링 등의 복잡한 반도체 회로 제조 공정을 사용하지 않고 간단한 방법으로 제조할 수 있는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 별도의 공정을 통하여 제조한 마이크로 배터리를 반도체 회로에 접착함으로서 배터리와 회로가 일체화된 전자회로 기판을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 종래의 마이크로 배터리에 비하여 큰 용량을 가지는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판을 제공하는 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판의 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판의 단면도.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전자회로 기판에 장착되는 마이크로 배터리의 종단면도 및 평면도.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일측면에 전자회로가 형성되어 있는 기판 및 상기 기판의 일측면에 접착되고 상기 전자회로와 전기적으로 연결되어 있는 박막 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판을 제공한다. 여기서 상기 박막 배터리는 필름 형태의 양극 극판, 양극활물질, 전해질, 음극활물질 및 음극 극판이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 이들은 파우치에 수용되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판은 일측면에 전자회로(120)가 형성되어 있는 기판(100) 및 상기 기판(100)의 일측면에 접착되고 상기 전자회로(120)와 전기적으로 연결되어 있는 박막 배터리(140)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 박막 배터리(140)의 단면도 및 평면도가 도 4a 및 도 4b에 각각 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 박막배터리(140)는 필름 형태의 양극 극판(142), 양극활물질(144), 전해질(146), 음극활물질(148) 및 음극 극판(150)이 순차적으로 적층되어 있으며, 이들은파우치(156)에 수용되어 있다. 양극탭(152) 및 음극탭(154)은 각각 양극 극판(142) 및 음극 극판(150)과 전기적으로 연결되고, 전기회로(120)와 전기적으로 연결될 수 있도록 파우치(156)의 외부로 돌출되어 있다.

본 발명의 배터리(140)에 사용되는 양극 극판(142) 및 음극 극판(150)으로는 특히 한정하지 않으나 각각 알루미늄 호일(foil) 및 구리 호일을 사용하는 것이 바람직하고, 양극탭(152) 및 음극탭(154)은 각각 양극 극판(142) 및 음극 극판(150)과 동일한 재료로 이루어진 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 양극 극판(142) 및 음극 극판(150)이 연장되어 형성된 것이면 좋다.

상기 양극활물질(144)의 성분 역시 특히 한정하지 않으나, 상기 전해질(146)과 접착 가능한 통상의 양극활물질을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 전해질로서 사용되는 Li-이온 전도성 폴리머와의 접착력이 우수하고, 필름으로 성형하기 용이한 LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, V_xO_y, TiS₂등을 사용한다. 양극 활물질 층의 두께는 10 내지 30㎛인 것이 바람직하고, 20㎛이면 더욱 바람직하다.

상기 전해질(146)로는 리튬이온 전도성이 있으며 필름 형태로 성형이 가능한 폴리머를 사용하며, 바람직하기로는 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide: PEO), 폴리[비스(메톡시에톡시에톡사이드)] (Poly[bis(methoxy ethosy ethoxide): MEEP) 등을 사용한다.

음극활물질(148)로는 리튬이온 전도성 폴리머 전해질(146)과 접착 가능한 Li 금속, 탄소 또는 흑연을 필름형태로 성형하거나, 음극 극판(150)에 도포하여 사용하는 것이 바람직하며, 그 두께는 20 내지 30㎛, 바람직하기로는 25㎛인 것이 좋다.

파우치(156)는 양극 극판(142), 양극활물질(144), 전해질(146), 음극활물질(148) 및 음극 극판(150)을 보호하고, 양극과 음극의 전기적 접속(Short)을 방지하기 위하여 사용할 뿐만 아니라, 배터리(140)와 기판(100)의 접착을 용이하게 한다. 사용되는 파우치(156)는 일반적으로 전지에서 사용되는 고분자 필름은 어떠한 것도 사용할 수 있다.

이와 같이 제작된 배터리(140)의 두께는 배터리(140)가 장착되는 회로의 특성에 따라 달라질 수 있으나, 대략 300 내지 400㎛인 것이 바람직하고, 그 용량은 1.2mAh/cm²이상인 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 박형 마이크로 배터리(140)를 기판(100)에 부착하는 일예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 실시예에서는, 전자 회로(120)는 기판(100)의 상부에 형성되고, 전원을 공급받기 위한 전자회로(120)의 전원 단자(170)가 기판(100)을 관통하여 기판(100)의 하부에 형성되어 있다. 상기 전원단자에 대응되게 양극, 음극탭이 형성된 배터리(140)를 접착제를 사용하여 기판의 하부에 부착하여 전기회로(120)와 배터리(140)를 전기적으로 연결한다.

또한 도 3과는 달리 전자 회로(120)와 배터리(140)의 기판의 동일한 면에 함께 형성할 수도 있으며, 이 때에는 전자 회로의 전원 입력 단자를 기판 상에 형성하고, 배터리의 양극 및 음극 단자가 전원입력 단자에 접촉하도록 배터리를 접착시킴으로서 전기적 연결을 수행할 수 있다.

본 발명의 마이크로 배터리가 형성된 전자회로 기판은 배터리의 양극 및 음극탭에 부착된 태양전지를 더욱 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 태양전지를 부착하여 배터리의 방전시 배터리의 충전을 수행하게 되면 배터리의 교체나 별도의 에너지 공급과정 없이 전자회로를 반영구적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판은 증착 또는 스퍼터링 등의 복잡한 반도체 회로 제조 공정을 사용하지 않고 간단한 방법으로 제조할 수 있으며, 별도의 공정을 통하여 마이크로 배터리를 제조하고, 이를 기판에 접착하므로 용량이 큰 배터리를 용이하게 장착할 수 있으며, 전자회로의 오염 등의 문제점을 회피할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 일측면에 전자회로가 형성되어 있는 기판; 및

   상기 기판의 일측면에 접착되고 상기 전자회로와 전기적으로 연결되어 있는 박막 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자회로와 박막 배터리는 상기 기판의 서로 다른 면에 형성되어 있으며, 기판에 형성된 관통공을 통하여 서로 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.
3. 제1항에 있어서, 상기 박막 배터리는 필름 형태의 양극 극판, 양극활물질, 전해질, 음극활물질 및 음극 극판이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 이들은 파우치에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.
4. 제3항에 있어서, 상기 전해질은 필름 형태로 성형이 가능한 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.
5. 제4항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리[비스(메톡시에톡시에톡사이드)인 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.
6. 제1항에 있어서, 상기 기판과 박막 배터리는 접착제에 의하여 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 배터리가 장착된 전자회로 기판.