KR20040092140A - 마이크로 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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한영수
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이종무
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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 마이크로 전지(micro battery) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지고, 상기 음극은 음극 집전체 상에 형성되어 있는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명을 제조하는 방법은, 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지는 전지를 제조하는 데 있어서, 상기 음극으로 음극 집전체 상에 탄소나노튜브를 형성시키는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 마이크로 전지를 제조하는 데 있어서 탄소나노튜브를 음극으로 사용하여 제조함으로써 열화 현상을 현격히 억제할 수 있으므로 향상된 안정성을 가지는 마이크로 전지를 제조할 수 있으며, 전지의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명은 촉매 금속을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시켜 음극으로 사용함으로써 소형화가 가능하고, 박막 형태로의 증착이 용이하고 리튬 이온의 흡장량이 높아 전지의 효율을 높이는 장점이 있다.

Description

마이크로 전지 및 그 제조 방법{micro battery and the fabrication method}
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 마이크로 전지(micro battery) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 기술의 급속한 발전으로 각종 전자 기기들의 고집적화 및 초 소형화가 급진전되고 있고, 이에 따라 전화기, 컴퓨터, 비디오 카메라 등의 전자 제품들이 휴대 가능한 크기 및 중량을 가진 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 캠코더 등으로 빠르게 대치되고 있다.
이와같이, 전기, 전자, 통신 및 컴퓨터 산업이 급속히 발전함에 따라 고성능, 고안전성의 이차 전지에 대한 수요가 점차 증대되어 왔으며, 특히 전기, 전자 제품의 경박 단소화 및 휴대화 추세에 따라 이 분야의 핵심부품인 이차 전지도 경량화, 소형화가 요구되고 있다.
또한, 각종 첨단 부품 및 기기의 초소형화 및 이의 활발한 응용처 개발로 인하여 이러한 부품 및 기기에 공급되어져야 하는 에너지원 역시 초소형화를 요구하고 있다.
즉, 스마트 카드, 마이크로 로봇(micro-robot), 초소형 정밀기기, 마이크로 센서(micro-sensor) 등의 첨단 제품의 급속한 개발은 이들의 동력원인 초소형의 마이크로 전지의 필요성을 증가시키고 있다.
이와 같은 초소형의 마이크로 전지는 첨단 기기의 광범위한 보급을 가능케 한 핵심 부품으로 특히, 리튬(Li) 이차 전지는 중량·부피당 높은 에너지밀도를 갖는 전지이며, 기존의 Ni-MH, Ni-Cd 전지를 급속도로 대체하면서 상용화되어 있는 대부분의 휴대 전자 기기의 전원으로 채용되고 있다.
상기와 같은 리튬 이차 전지는 기존 전지에 비해 단위 무게당 에너지 밀도가 크고 다양한 형태로 제조 가능하며 적층에 의한 고전압·대용량의 전지개발이 용이하고, 카드뮴이나 수은 같은 환경을 오염시키는 중금속을 사용하지 않아서 환경 친화적이라는 장점을 갖고 있다.
그러나, 현재 사용되고 있는 리튬 이차 전지는 활물질 분말로 된 두 개의 전극과 액상의 전해질로 이루어지는 벌크형 전지로서 독립된 전지 팩의 형태로 제조되고 있기 때문에 초소형 전자 기기에는 적합하지 않다.
또한, 각종 첨가물과 액체 전해질은 전지의 용량을 감소시키고, 충방전 수명의 저하를 초래하며, 환경문제를 야기하는 요인으로 작용한다.
상기한 문제를 해결하기 위해 음극, 양극 및 전해질의 전지 구성 요소들을 스퍼터링, CVD(Chemical vapor deposition), 전자선 증착 등 박막 증착 공정을 이용하여 박막의 형태로 제조한 고상 박막형 리튬 이차 마이크로 전지(이하, 마이크로전지)가 연구되고 있다.
특히, 상기와 같은 박막형의 마이크로 전지는 초소형의 전력원으로 제작이 가능하므로 반도체 메모리 소자의 스탠바이(stand-by) 및 백업(back-up)으로 뿐 아니라 마이크로 센서와 마이크로 액츄에이터(micro actuator) 등과 혼성하여 초소형의 의료 소자, 에너지원을 내장한 스마트 카드, FM 송수신기 등과 패키지화한 원거리 유해 가스 감지기 등 그 응용의 폭과 가능성이 매우 높다.
도1은 종래의 마이크로 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도1을 참조하면, 마이크로 전지는 기판(substrate, 100) 위에 음극 집전체(anode current colletor, 102), 양극 집전체(cathode current colletor, 101), 양극 박막(cathode, 103), 전해질 박막(electrolyte, 104), 음극 박막(anode, 105) 및 보호막(encapsulation, 106)들이 순차적으로 증착, 형성되어 있다.
상기 마이크로 전지에 사용되어지는 기판(100)은 일반적으로는 규소(Si)가주로 사용되며, 반도체 공정에서 사용되는 웨이퍼(Si-wafer), 전자 부품용 유리(glass) 등을 사용할 수도 있다.
상기 음극 집전체(102) 및 양극 집전체(101)는 반도체 기판을 이용할 경우 대부분의 경우가 금(Au) 또는 백금(Pt)을 이용하고 있다.
또한, 상기 양극 박막(103)은 전지의 특성을 크게 좌우하는 것으로 다양한 물질들이 연구되어 오는데, 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 리튬금속 산화물(Li-M-O;M=Co, Ni, Mn)이다.
이는 벌크형(bulk type) 리튬 이차 전지에도 가장 많이 사용되는 물질이며 용량 및 방전특성이 매우 우수한 장점을 가지고 있다.
또한, 상기 음극 박막(105) 물질로는 순수한 금속의 리튬(Li)이다.
상기 보호막(106)은 세라믹-금속, 팔리렌(Parylene)-금속, 크롬, 니켈, 바나듐 등의 리튬과 화학 반응을 하지 않으면서 대기 중에서 안정한 금속막, 질화물 등으로 이루어진다.
여기서, 상기 리튬의 경우 다른 어떤 음극재료의 경우보다 에너지 밀도(3860 mAh/g)가 매우 높기 때문에 리튬을 음극으로 갖는 전지의 용량이 가장 우수하다.
그러나, 리튬을 박막화하여 음극으로 사용할 경우 다음의 어려운 점이 발생하게 된다.
상기 리튬 금속은 산소 또는 수분과 급격히 반응하여 리튬의 박막화를 위한 시스템이 대기와는 완전히 차단된 글러브 박스에 들어가 있어야 하며 또한 박막의 제작 후 회로화를 위한 패턴 공정을 위하여 패턴 공정 이전에 대기와 완전하게 분리될 수 있는 다른 공정 또는 수단이 필요하며 무엇보다도 사용중 열화를 방지하기 위하여 리튬 전극을 외부로부터 고립시킬 수 있는 고도의 패키징 기술이 필요하다.
또한, 고체 전해질과 리튬 금속과의 계면 반응에 의한 전지의 성능 저하 문제도 심각하며 리튬이 낮은 용융점(180.6℃)을 갖기 때문에 그 사용 온도도 제한되어진다.
따라서, 현재의 리튬 음극을 대치할 수 있는 대기 중에서 안정한 음극 물질의 개발은 박막 전지의 응용에 있어서 매우 중요하다.
본 발명은 탄소나노튜브를 음극으로 사용하여 열화 현상을 억제하고 수명 및 안정성을 현저히 향상시킨 마이크로 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 마이크로 전지의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 전지의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 전지의 제조 방법을 보여주는 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
200 : 기판 201 : 양극 집전체
202 : 음극 집전체 203 : 양극 박막
204 : 전해질 박막 206 : 보호막
210 : 탄소나노튜브 음극
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 전지는, 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지고, 상기 음극은 음극 집전체 상에 형성되어 있는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 한다.
상기 음극 집전체 상에 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 촉매 금속이 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매 금속은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 한다.
상기 전해질은 고체 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 양극은 리튬금속산화물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 전지 제조 방법은, 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지는 전지를 제조하는 데 있어서, 상기 음극으로 음극 집전체 상에 탄소나노튜브를 형성시키는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 음극 집전체는 금속을 패터닝함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 증착시키는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브를 성장시키는 공정 이후에, 플라즈마 처리 또는 촉매 클리닝 처리를 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 전지의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
본 발명에서 마이크로 전지의 음극으로 사용하고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube:CNT)는 박막 형태로 증착이 가능하며, 흑연판의 구조를 가지고 있으므로 리튬 이온이 층간삽입/층간탈리(intercalation/deintercalation)될 수 있을 뿐만 아니라 결정성이 우수하기 때문에 다른 소재들에 비해 리튬 이온의 흐장량이 높은 장점이 있다.
이와같이 리튬 이온이 전해질을 통해서 박막 형태의 탄소나노튜브 내부에 가역적으로 층간 삽입되었다가 다시 층간 탈리되는 것이 용이하다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 전지는 기판(substrate, 200) 위에 음극 집전체(anode current colletor, 202), 양극 집전체(cathode current colletor, 201)가 증착, 형성되어 있고, 상기 음극 집전체(202) 상에 탄소나노튜브 음극(CNT anode, 210), 양극 박막(cathode, 203), 전해질 박막(electrolyte, 204) 및 보호막(encapsulation, 206)들이 순차적으로 증착, 형성되어 있다.
상기 마이크로 전지에 사용되어지는 기판(200)은 일반적으로는 규소(Si)가 주로 사용되며, 반도체 공정에서 사용되는 웨이퍼(Si-wafer), 전자 부품용 유리(glass) 등을 사용할 수도 있다.
그리고, 상기 음극 집전체(202) 및 양극 집전체(201)는 반도체 기판을 이용할 경우 대부분의 경우가 금(Au) 또는 백금(Pt)을 이용하고 있다.
또한, 상기 양극 박막(203)은 전지의 특성을 크게 좌우하는 것으로 다양한 물질들이 연구되어 오는데, 현재 가장 많이 사용되고 있는 것은 리튬금속 산화물(Li-M-O;M=Co, Ni, Mn)이다.
이는 벌크형(bulk type) 리튬 이차 전지에도 가장 많이 사용되는 물질이며 용량 및 방전특성이 매우 우수한 장점을 가지고 있다.
상기 보호막(106)은 세라믹-금속, 팔리렌(Parylene)-금속, 크롬, 니켈, 바나듐 등의 리튬과 화학 반응을 하지 않으면서 대기 중에서 안정한 금속막, 질화물 등으로 이루어진다.
여기서, 상기 탄소나노튜브 음극(210)은 음극 집전체(202)상에 형성된다.
상기 음극 집전체(202)를 백금(Pt)이나 금(Au)을 사용하여 형성하면, 상기음극 집전체(202)상에 촉매 금속으로 니켈(Ni) 금속을 수 나노미터(nm) 이하로 코팅한다.
그리고, 상기 코팅된 니켈 금속 박막에 플라즈마(plasma)를 이용한 건식 습각(dry etching) 또는 습식 에칭(wet etching) 등의 방법으로 음극 집전체(202) 표면을 촉매화(catalyst) 처리한 후 그 위에 탄소나노튜브를 증착한다.
여기서, 상기 탄소 나노 튜브를 증착하는 방법은 기판(200)의 종류 및 특성에 따라 다양한 방법을 사용할 수 있다.
상기 기판(200)이 유리(glass)와 같은 저온형 기판일 경우는 ICP(inductive coupled plasma) CVD, 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 사용할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼(Si-wafer) 등 고온처리가 가능한 기판의 경우에는 화학 기상 증착법(Thermal CVD, PECVD등)을 이용하여 500℃의 성장 온도에서 탄소가 포함된 가스( 탄화 수소 가스 또는 일산화 탄소 가스)를 고온 또는 플라즈마 내에 흘려주어 탄소 나노 튜브를 성장시킨다.
상기 전해질 박막(204)으로는 리튬 이온의 전도 특성이 우수한 고체 폴리머(polymer)를 사용한다.
또한, 상기 양극 박막(203) 물질로는 리튬금속산화물(LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4등)을 사용한다.
여기서, 상기 탄소나노튜브는 리튬 이온이 흑연판의 측면(prismatic plane)을 통해서 층간삽입/층간탈리되기 때문에 상기 탄소나노튜브의 끝이 양극을 향하도록 기판에 수직하게 성장시키는 것이 고율방전특성(rate capability) 개선에 유리하다.
또한, 상기 탄소나노튜브의 증착 후에 약간의 플라즈마 처리 또는 니켈 촉매 를 이용한 클리닝 처리를 하면 탄소나노튜브의 끝이 오픈되어 충전/방전 용량 및 특성이 향상된다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 전지를 제조하는 방법을 보여주는 순서도이다.
먼저, 기판 위에 집전체용 금속(Pt, Au, Ni 등)을 패터닝한다(S100).
그리고, 백금(Pt)이나 금(Au)을 집전체용 금속으로 사용한 경우에는 음극 집전체 위에 촉매 금속을 수 나노미터(nm) 이하로 코팅하고, 상기 촉매 금속(예를 들어, 니켈)의 표면을 촉매화 처리한다(S110).
이어서, 상기 촉매화 처리된 촉매 금속 상에 탄소나노튜브를 수직 성장시켜 증착한다(S120).
그리고, 상기와 같이 형성된 탄소나노튜브 음극 상에 전해질 및 양극을 형성한다(S130).
상기 전해질로는 전도 특성이 우수한 고체 폴리머를 사용할 수 있으며, 상기 양극 물질로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4등의 리튬 금속 산화물을 사용할 수 있다.
최종적으로, 보호막을 형성하며, 상기 보호막은 세라믹-금속, 팔리렌(Parylene)-금속, 크롬, 니켈, 바나듐 등의 리튬과 화학 반응을 하지 않으면서 대기 중에서 안정한 금속막, 질화물 등을 사용한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 전지 및 그 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 마이크로 전지를 제조하는 데 있어서 탄소나노튜브를 음극으로 사용하여 제조함으로써 열화 현상을 현격히 억제할 수 있으므로 향상된 안정성을 가지는 마이크로 전지를 제조할 수 있으며, 전지의 수명을 연장하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 촉매 금속을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시켜 음극으로 사용함으로써 소형화가 가능하고, 박막 형태로의 증착이 용이하고 리튬 이온의 흡장량이 높아 전지의 효율을 높이는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지고,
    상기 음극은 음극 집전체 상에 형성되어 있는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 마이크로 전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 음극 집전체 상에 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 촉매 금속이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 마이크로 전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질은 고체 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양극은 리튬금속산화물을 사용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지.
  6. 양극 및 음극과 전해질을 포함하여 이루어지는 전지를 제조하는 데 있어서,
    상기 음극으로 음극 집전체 상에 탄소나노튜브를 형성시키는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 음극 집전체는 금속을 패터닝함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 증착시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지 제조 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 성장시키는 공정 이후에, 플라즈마 처리 또는 촉매 클리닝 처리를 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 전지 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101409337B (zh) * 2007-10-10 2011-07-27 清华大学 锂离子电池负极,其制备方法和应用该负极的锂离子电池

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