KR20090061269A - Thin film battery having enhanced surface area of electrode and enhanced contact area between electrode and electrolyte and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박막(Thin film)형 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시킨 박막형 전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film type battery and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a thin film type battery in which the amount of an electrode and the contact area between an electrode and an electrolyte are increased.
박막형 전지는 고체전해질의 사용으로 인하여, 비사용중 자가방전이 적고 누액이나 폭발의 위험성이 없어 매우 안전한 전지로 알려져 있다. 그러나 박막형 전지에 있어 단점인 낮은 용량을 해결하기 위해서는 양극박막의 두께를 증가시켜야 하나, 박막형 전지의 제조공정상 스퍼터링과 같은 PVD법을 이용하므로 두께 증가에 한계가 있다. Thin-film batteries are known to be very safe due to the use of solid electrolytes, which have little self-discharge during non-use and there is no risk of leakage or explosion. However, in order to solve the low capacity, which is a disadvantage in the thin film battery, the thickness of the anode thin film should be increased, but there is a limit in increasing the thickness due to the PVD method such as sputtering in the manufacturing process of the thin film battery.
특히, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2와 같이 통상적으로 알려진 리튬전이금속화합 물 등의 경우, 결정상으로 존재하여야 효율적인 리튬의 인터컬레이션이 가능하므로 전지로서의 성능을 발휘할 수 있으나, 스퍼터링, 전자선증착, 진공열증착, 레이저 박막증착법 등의 방법을 사용하면 초기 박막증착시 리튬전이금속화합물 등이 비정질 상태로 존재하며, 결정화시키기 위해 별도의 열처리 과정이 요구된다. Particularly, lithium transition metal compounds commonly known as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , etc., must be present in the crystal phase to efficiently perform intercalation of lithium, but can exhibit performance as a battery. However, sputtering and electron beam If a method such as deposition, vacuum thermal deposition, or laser thin film deposition is used, a lithium transition metal compound is present in an amorphous state during initial thin film deposition, and a separate heat treatment process is required to crystallize.
그런데, 박막의 두께가 증가할 수록 박막내 스트레스 증가로 인해 열처리 과정중 크랙발생 등 공정이 어렵고, 실제 이러한 박막을 사용하여 전지를 구성할 경우 수율 및 신뢰성측면에서 좋지 않은 결과를 초래한다. 또한, 양극의 두께 증가시 양극내 도전성이 감소하여 고율방전과 같은 출력특성이 저하되는 단점을 지니게 된다. However, as the thickness of the thin film increases, a process such as cracking during the heat treatment process is difficult due to an increase in the stress in the thin film, and when the battery is actually formed using such a thin film, it results in poor yield and reliability. In addition, when the thickness of the anode increases, the conductivity in the anode decreases, which causes a disadvantage in that output characteristics such as high rate discharge are degraded.
따라서, 상기와 같은 단점들을 해결하는 방법은 박막형 전지의 출발재료인 기판의 표면적을 증가시켜 그 위에 증착될 양극박막의 양을 증가시켜 전지용량 증대 및 출력특성을 동시에 향상시키는 것이다. Therefore, a method for solving the above disadvantages is to increase the surface area of the substrate which is the starting material of the thin film battery and increase the amount of the anode thin film to be deposited thereon, thereby simultaneously increasing battery capacity and improving output characteristics.
기판의 표면적을 증가시키기 위한 방법으로는 기판의 표면을 3차원적으로 식각하여 표면적을 증가시키는 방법이 있다. 상기 식각방법으로는 액체상의 용액을 사용하는 등방성(Isotropic) 식각으로 이루어진 습식법과, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching), 스퍼터 식각(Sputter etching), 증기상 식각(Vapor Phase Etching) 등 이방성(anisotropic) 식각으로 이루어진 건식법이 있다. 이들 식각 방법은 각각의 특성에 따라 사용 용도 또한 상이하다. As a method for increasing the surface area of the substrate, there is a method of increasing the surface area by three-dimensionally etching the surface of the substrate. The etching method is a wet method consisting of an isotropic etching using a liquid solution, anisotropic such as reactive ion etching, sputter etching, vapor phase etching, etc. There is a dry method of etching. These etching methods also differ in their use according to their characteristics.
건식식각의 경우에는 종횡비(aspect ratio)가 우수하고 수 ㎛이하의 정교한 형상을 제어 할 수 있는 장점이 있으나 고가의 건식 식각장비를 사용해야 한다는 단점이 있다. Dry etching has an advantage in that it has an excellent aspect ratio and can control an elaborate shape of several micrometers or less, but it has the disadvantage of using expensive dry etching equipment.
특히, 박막형 전지를 제조할 경우에는 이방성 식각면, 특히 식각면 측면에 콜렉터, 캐소드, 고체전해질 및 애노드가 균일하게 증착이 되어야 단락 없는 양호한 전지를 구성할 수 있는데, 기존 스퍼터링, 전자선증착, 진공증착과 같은 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition)등에 의하면 건식식각에 의한 이방성 식각면에 균일한 박막을 증착할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 이 경우에는 전구체 가스를 사용한 화학적 기상증착법(chemical vapor deposition)에 의해서만 균일한 박막형성이 가능하다. 그러나, 화학적 기상증착법(CVD) 에 의한 박막형 전지 제조는 공정이 복잡하고 사용되는 가스가 대부분 독성이므로 공정 완료후 배기가스를 재처리하기 위한 장치가 별도로 필요하다.In particular, when manufacturing a thin-film battery, an anisotropic etching surface, in particular, the collector, the cathode, the solid electrolyte, and the anode must be uniformly deposited on the side of the etching surface to form a good battery without a short circuit. Existing sputtering, electron beam deposition, vacuum deposition According to the physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition) and the like there is a problem that can not deposit a uniform thin film on the anisotropic etching surface by dry etching. Therefore, in this case, uniform thin film formation is possible only by chemical vapor deposition using a precursor gas. However, thin film battery manufacturing by chemical vapor deposition (CVD) requires a separate device for reprocessing the exhaust gas after the process is completed because the process is complicated and the gases used are mostly toxic.
이 분야의 종래기술들은 박막형 전지의 낮은 용량을 해결하는 방법으로 기판의 표면적을 넓히는 방법들을 제시하고 있지만, 표면적 확대를 위한 종횡비(aspect ratio)가 우수한 건식법에 의한 이방성 식각을 을 사용하거나 기판의 평면에 대하여 수직인 면을 갖는 요철, 홀 등을 형성하는 방법을 따르고 있기 때문에 표면적이 확대된 기판상에 다른 구성요소들을 형성하는 경우 필연적으로 화학적 기상증착법(CVD)을 채용하게 되어 상술한 바와 같은 문제점을 갖는다. 예컨대, 미국특허 US 6,197,450에서도 에스펙트 비가 큰 홀들로 천공된 실리콘 웨이퍼를 기판으 로 사용하여 기판의 표면적을 넓히기 위한 시도를 하고 있으나, 박막의 증착은 화학적 기상증착법(CVD)에 의하고 있다. Prior arts in this field suggest methods to increase the surface area of substrates to solve the low capacity of thin-film batteries, but use anisotropic etching by dry method with excellent aspect ratio for surface area expansion or planarity of substrates. Since it follows the method of forming irregularities, holes, etc. having a plane perpendicular to the surface, when forming other components on the substrate having an enlarged surface area, the chemical vapor deposition method is inevitably employed. Has For example, US Pat. No. 6,197,450 also attempts to widen the surface area of a substrate by using a silicon wafer perforated with holes having a large aspect ratio as a substrate, but the deposition of the thin film is based on chemical vapor deposition (CVD).
본 발명은 기판 등의 표면을 식각하여 표면적을 증가시키는 방법으로 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시키면서도, 물리적 기상증착법을 그대로 사용하여 상기 식각면 위에 순차적으로 적층되는 박막들을 균일하게 형성하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 박막형 전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is a method of increasing the surface area by etching the surface of the substrate and the like, while increasing the amount of the electrode and the contact area between the electrode and the electrolyte (Electrolyte), using the physical vapor deposition method as it is uniformly stacked on the etch surface by using the physical vapor deposition method It is an object of the present invention to provide a thin film battery and a method for manufacturing the same, which can be formed to be easily formed.
본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서, The present invention provides a substrate, a first collector formed on the substrate, a cathode formed on the first collector, an electrolyte layer formed on the cathode, an anode formed on the electrolyte layer, and a second contacting the anode. In the thin-film battery comprising a collector,
상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지를 제공한다.A plurality of grooves or hemispherical grooves having a semicircular cross section are formed on the surface of the substrate or the first collector by wet etching, and other components are formed by physical vapor deposition on the substrate or the first collector. Provided is a thin film battery characterized by being deposited.
또한, 본 발명은 In addition, the present invention
기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계;Forming a first collector on the substrate;
상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계;Forming a cathode on the first collector;
상기 캐소드상에 전해질층을 형성하는 단계,Forming an electrolyte layer on the cathode,
상기 전해질층상에 애노드를 형성하는 단계, 및Forming an anode on the electrolyte layer, and
상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지의 제조방법에 있어서, In the manufacturing method of a thin film battery comprising the step of forming a second collector in contact with the anode,
상기 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 구성요소들을 물리적 기상증착에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법을 제공한다.Wet etching the surface of the substrate or first collector to form a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves that are semicircular in cross section, and other components formed on top of the substrate or first collector. It provides a method of manufacturing a thin film battery, characterized in that formed by physical vapor deposition.
본 발명에 의하면, 기판 또는 제1콜렉터의 표면을 식각하여 표면적을 증가시키는 방법으로 전극의 양과 전극과 전해질(Electrolyte)간의 접촉 면적을 증가시키면서도, 물리적 기상증착법을 그대로 사용하여 상기 식각면 위에 순차적으로 적층되는 박막들을 균일하게 형성하는 것이 가능하므로 매우 경제적으로 박막 전지의 용량 및 출력밀도를 개선할 수 있다. According to the present invention, while increasing the surface area by etching the surface of the substrate or the first collector, while increasing the amount of the electrode and the contact area between the electrode and the electrolyte (Electrolyte), using the physical vapor deposition method as it is sequentially on the etching surface Since it is possible to uniformly form the thin films to be stacked, it is possible to improve the capacity and output density of the thin film battery very economically.
본 발명은 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1콜렉터, 상기 제1콜렉터상에 형성되는 캐소드, 상기 캐소드상에 형성되는 전해질층, 상기 전해질층상에 형성되 는 애노드, 및 상기 애노드에 접촉되는 제2콜렉터를 포함하여 구성되는 박막형 전지에 있어서, The present invention provides a substrate, a first collector formed on the substrate, a cathode formed on the first collector, an electrolyte layer formed on the cathode, an anode formed on the electrolyte layer, and a second contacting the anode. In the thin-film battery comprising a collector,
상기 기판 또는 제1콜렉터의 표면에 습식식각에 의해 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하고, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 물리적 기상증착에 의하여 다른 구성요소들을 증착한 것을 특징으로 하는 박막형 전지에 관한 것이다.A plurality of grooves or hemispherical grooves having a semicircular cross section are formed on the surface of the substrate or the first collector by wet etching, and other components are formed by physical vapor deposition on the substrate or the first collector. It relates to a thin film battery characterized by being deposited.
본 발명의 박막형 전지는 기판 또는 제1콜렉터에 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성시키는데, 제1콜렉터에 형성시키는 경우 전극의 양의 증가 및 전극과 전해질의 접촉면적이 좀 더 넓게 형성될 수 있는 장점이 있으나 제1콜렉터 막의 두께가 수십마이크론 이상이 되지 않으면 실시가 용이하지 않은 점을 고려해야 한다. The thin film battery of the present invention forms a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves having a semicircular cross section in a substrate or a first collector, and when formed in the first collector, an increase in the amount of electrodes and a contact area between the electrodes and the electrolyte. There is an advantage that it can be formed more widely, but it should be taken into consideration that it is not easy to implement unless the thickness of the first collector film is more than several tens of microns.
본 발명에서 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove)의 반원형 단면이란 그루브를 형성하기 위하여 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의해 등방성으로 식각을 수행하는 경우 통상적으로 생성되는 단면 형상을 의미하는 것이다. 그리고 본 발명에서 상기 단면 형상을 제외한 그루브의 크기, 개수, 배치형태 등은 어떠한 형태라도 가능하며 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 스트라이프형(stripe type), 체크형(check type) 등을 들 수 있다.In the present invention, the semicircular cross-section of a plurality of grooves having a semicircular cross section means a cross-sectional shape that is typically produced when a photoresist pattern is formed to form grooves and etching isotropically by a wet method. In the present invention, the size, number, arrangement, etc. of the grooves except for the cross-sectional shape may be any shape and are not particularly limited. For example, a stripe type, a check type, etc. are mentioned.
또한, 다수의 반구형 홈의 반구형이란 홈을 형성하기 위하여 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의해 등방성으로 식각을 수행하는 경우 통상적으로 생성되는 홈의 형상을 의미하는 것이다. 그리고 본 발명에서 홈의 크기, 개수, 배치형태 등은 어떠한 형태라도 가능하며 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들에만 반구형의 홈이 형성된 것을 들 수 있다.In addition, the hemispherical shape of a plurality of hemispherical grooves means a shape of a groove that is typically generated when a photoresist pattern is formed to form the grooves and etching isotropically by a wet method. In the present invention, the size, number, arrangement, etc. of the grooves may be in any form and are not particularly limited. For example, hemispherical grooves are formed only in the grids adjacent to each other in the diagonal direction among the square grids.
본 발명에서는 특히, 기판 또는 제1콜렉터 표면에 다수의 반구형 홈을 형성하는 것이 단면이 반원형인 다수의 그루브를 형성하는 것 보다 표면적 증가측면에서 면에서 유리하다. 예컨대, 가로 10cm 및 세로 10cm인 정사각형 기판을 기준으로 기존 평면형인 경우 표면적이 100cm2이 되며, 기판 내에 반구형 홈이 50개(체크무늬형태)인 경우 표면적은 139.23cm2가 되며, 기판 내에 단면이 반원형인 그루브를 형성한 경우(5개) 표면적은 128.5cm2이 된다.In particular, in the present invention, the formation of a plurality of hemispherical grooves on the surface of the substrate or the first collector is advantageous in terms of surface area increase rather than the formation of a plurality of grooves having a semicircular cross section. For example, based on a square substrate having a width of 10 cm and a height of 10 cm, the surface area is 100 cm 2 , and in the case of 50 hemispherical grooves (check pattern), the surface area is 139.23 cm 2 , and the cross-section is If semicircular grooves are formed (5 pieces), the surface area is 128.5 cm 2 .
본 발명의 박막형 전지는 기판 또는 제1콜렉터에 습식법에 의한 등방성 식각을 실시하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성시킴으로써 전극의 표면적 및 전극과 전해질과의 접촉면적을 확대시키며, 결과적으로 박막형 전지의 용량 및 출력을 증가시킨다. 또한, 상기와 같은 습식법에 의한 등방성 식각 결과, 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈이 형성된 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 막들이 물리적 기상증착에 의하여 형성 되더라도 균일한 막을 형성하는 것이 가능하다.In the thin film battery of the present invention, the surface area of the electrode and the contact area between the electrode and the electrolyte are formed by subjecting the substrate or the first collector to isotropic etching by a wet method to form a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves having a semicircular cross section. And, consequently, increase the capacity and output of the thin film battery. In addition, as a result of the isotropic etching by the wet method as described above, even if a substrate having a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves or other films formed on the first collector are formed by physical vapor deposition, a uniform film may be formed. It is possible.
본 발명은 또한,The present invention also provides
기판상에 제1콜렉터를 형성하는 단계;Forming a first collector on the substrate;
상기 제1콜렉터상에 캐소드를 형성하는 단계;Forming a cathode on the first collector;
상기 캐소드상에 전해질층을 형성하는 단계,Forming an electrolyte layer on the cathode,
상기 전해질층상에 애노드를 형성하는 단계, 및Forming an anode on the electrolyte layer, and
상기 애노드와 접촉하는 제2콜렉터를 형성하는 단계를 포함하는 박막형 전지의 제조방법에 있어서, In the manufacturing method of a thin film battery comprising the step of forming a second collector in contact with the anode,
상기 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기판 또는 제1콜렉터의 상부에 형성되는 다른 구성요소들이 물리적 기상증착에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 전지의 제조방법에 관한 것이다.Wet etching the surface of the substrate or first collector to form a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves that are semicircular in cross section, wherein other components formed on top of the substrate or first collector It relates to a method for manufacturing a thin film battery, characterized in that formed by physical vapor deposition.
상기에서 기판 또는 제1콜렉터 표면을 습식식각하여 단면이 반원형인 다수의 그루브(groove) 또는 다수의 반구형 홈을 형성하는 단계는, 예컨대,The wet etching of the surface of the substrate or the first collector to form a plurality of grooves or a plurality of hemispherical grooves having a semicircular cross section may include, for example,
기판 또는 제1콜렉터 상에 포토레지스트를 도포하고 예비소성(soft bake) 하는 단계;Applying and soft baking the photoresist on the substrate or the first collector;
기판 또는 제1콜렉터 상에 특정한 그루브 또는 반구형 홈들이 형성될 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하는 단계; 및Contacting, exposing and developing a photomask fabricated so as to form specific grooves or hemispherical grooves on the substrate or the first collector; And
상기 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 한 후, 습식식각 하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. And hard etching the formed photoresist pattern, followed by wet etching.
상기에서 특정한 그루브들을 형성하기 위한 포토마스크로는 예컨대, 스트라이프형(stripe type), 체크형(check type) 등 일 수 있으며, The photomask for forming specific grooves may be, for example, a stripe type, a check type, or the like.
특정한 반구형 홈들을 형성하기 위한 포토마스크로는 예컨대, 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 들 수 있다. As a photomask for forming particular hemispherical grooves, for example, a photomask manufactured to allow light to pass through only adjacent grids in a diagonal grid pattern.
이하에서, 도면을 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1에 도시된 바와 같이, 반응성 이온 식각, 스퍼터 식각, 증기상 식각과 같은 건식법(도 1, (a))의 경우에는 종횡비가 우수하고 수 ㎛이내의 정교한 패턴의 형성이 가능하다. 그러나 이러한 이방성 식각의 경우에는 원자가 일직선상으로 이동하여 증착되는 스퍼터링, 전자선 증착 등과 같은 방법에 의해서는 식각면에 균일하게 전지의 다른 구성 요소들을 순차적으로 증착하는 것이 불가능하여 화학적 기상증착법(CVD) 등과 같은 고가의 공정이 필수적이라고 할 수 있다. 그러나, 습식법(도 1, (b))은 종횡비 및 정밀한 패턴의 식각은 불가능하나 등방성 식각이 가능하기 때문에 스퍼터링, 전자선증착 및 진공증착과 같은 물리적 기상증착법(PVD)을 사용하여도 식각면에 전지의 다른 구성 요소들을 비교적 균일하게 증착하는 것이 가능하다. 따라서, 고가의 공정변환 없이 비교적 용이하게 전극의 표면적을 증가시키는 효과를 제공한다. As shown in FIG. 1, in the case of dry methods (FIG. 1, (a)) such as reactive ion etching, sputter etching, and vapor phase etching, the aspect ratio is excellent and a fine pattern within several μm is possible. However, in such anisotropic etching, it is impossible to sequentially deposit other components of the cell uniformly on the etching surface by methods such as sputtering and electron beam deposition in which atoms are moved in a straight line, and thus, such as chemical vapor deposition (CVD), etc. The same expensive process is essential. However, the wet method (Fig. 1, (b)) is not possible to etch the aspect ratio and precise patterns, but isotropic etching is possible, so even when the physical vapor deposition method (PVD) such as sputtering, electron beam deposition and vacuum deposition is used, It is possible to deposit other components of the substrate relatively uniformly. Thus, it provides the effect of increasing the surface area of the electrode relatively easily without expensive process conversion.
본 발명에서 습식법을 사용하여 등방성 식각을 함으로써 기판의 표면적을 증가시키는 공정을 포함하는 포토리소그라피(photo lithography) 공정은 도 2에 예시된 바와 같이 실시된다. In the present invention, a photolithography process including the step of increasing the surface area of the substrate by isotropic etching using the wet method is performed as illustrated in FIG. 2.
도 2에서 (b)는 기판(a)상에 포토레지스트를 도포하는 공정을 나타낸다. 포토레지스트를 도포하고 통상적으로 예비소성(soft bake)을 한다. (c)는 포토레지스트에 원하는 패턴이 형성되도록 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광하는 공정을 나타낸다. 상기 노광 후에 현상하여 포토레지스트 패턴을 완성한다. (d)는 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 하는 단계를 나타낸다. (e)는 습식법에 의한 등방성 식각 과정을 나타낸다. (f)는 식각이 완료된 후, 포토레지스트를 제거한 기판을 나타낸다. In FIG. 2, (b) shows a process of applying the photoresist on the substrate (a). The photoresist is applied and typically subjected to soft bake. (c) shows a step of bringing the photomask into close contact with the photoresist layer and exposing it so that a desired pattern is formed in the photoresist. It develops after the said exposure and completes a photoresist pattern. (d) shows a step of hard baking the formed photoresist pattern. (e) shows an isotropic etching process by the wet method. (f) shows the substrate from which the photoresist was removed after etching was completed.
상기와 같이 제조된 표면적이 확대된 기판을 사용하여 박막형 전지를 구성하는 방법은 도 3에 예시된 바와 같다. A method of constructing a thin film battery using the substrate having the enlarged surface area manufactured as described above is illustrated in FIG. 3.
먼저, (a)단계로 습식법에 의해 등방성으로 식각된 기판(10)을 준비한다. 기판은 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, 실리콘, 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(SUS), 마이카 등을 들 수 있다. First, in step (a), an isotropically etched
다음 (b)단계로 상기 기판상에 제1콜렉터(20)을 형성한다. 제1콜렉터 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, Pt 또는 Au 등을 들 수 있다. 상기 제1콜렉터(20)은 물리적 기상증착에 의해 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다. 여기서, 상기 기판(10)과 제1콜렉터(20) 사이에 접착(adhesion)을 향상시키기 위해서 접착층(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 이 접착층은 Al, Ti, Co, Cr, Nb, Ta, W, Fe 중 어느 하나의 금속을 포함하거나, 산화인듐막(Indium Tin Oxide:ITO)층으로 이루어질 수도 있다.In the next step (b), the
다음 (c)단계로 상기 제1콜렉터(20) 위에 캐소드(30)을 형성한다. 캐소드(30) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2 등 리튬 전이 금속이나 V2O5,MoO3,MnO2 등과 같은 금속 산화물을 들 수 있다. 상기 캐소드(30)는 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다. Next, in step (c), the
다음 (d)단계로 상기 캐소드(30) 위에 전해질층(40)을 형성한다. 전해질층(40) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, LiPON과 같은 무기 고체 전해질(Inorganic Solid Electrolyte) 또는 고분자 전해질 등을 들 수 있다. 상기 전해질층(40)도 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다. Next, in step (d), the
다음 (e)단계로 상기 전해질층(40) 위에 애노드(50)을 형성한다. 애노드(50) 형성 재료도 이 분야에서 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, Li, Sn, Si계 합금 등을 들 수 있다. 상기 애노드(50)도 물리적 기상증착에 의해 홈이나 그루브를 포함하는 형상으로 증착된다.Next, in step (e), an
상기 애노드(50) 형성 후 평탄화 공정을 거쳐 제2콜렉터를 형성할 수 있다. 이때 평탄화 공정 없이 곧바로 제2콜렉터를 형성할 수도 있다. 제2콜렉터를 형성하기 전에 보호막 공정을 수행할 수도 있다. 이 경우에는 애노드(50) 자체를 제2콜렉터로 사용하거나, 전지 측면에 제2콜렉터를 형성하여 애노드(50)와 제2콜렉터를 연결한다.After forming the
도 4는 정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하여 기판위에 포토레지스트 패턴을 형성하고 습식법에 의하여 등방성 식각하는 경우를 예상하여 나타낸 평면도이다.FIG. 4 is a photomask manufactured by closely contacting a photomask manufactured to allow light to pass through only adjacent grids in a diagonal grid pattern to a photoresist layer, exposing and developing a photoresist pattern on a substrate, and isotropically etching by a wet method. It is a top view which showed the case anticipated.
구체적으로 본 발명에서 기판 또는 제1콜렉터에 다수의 반구형 홈을 형성하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. Specifically, the method for forming a plurality of hemispherical grooves in the substrate or the first collector includes the following steps.
기판 또는 제1콜렉터 상에 포토레지스트를 도포하고 예비소성(soft bake) 하는 단계;Applying and soft baking the photoresist on the substrate or the first collector;
정사각형의 격자무늬 중 대각선 방향으로 이웃하는 격자들만 빛이 통과할 수 있도록 제작된 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시키고 노광 및 현상하는 단계; 및Contacting, exposing and developing a photomask manufactured to allow light to pass through only adjacent grids in a diagonal direction among square grid patterns; And
상기 형성된 포토레지스트 패턴을 후소성(hard bake) 한 후, 습식식각 하 는 단계.Performing a hard bake on the formed photoresist pattern, followed by wet etching.
상기와 같은 공정에 의해 형성된 다수의 반구형 홈이 형성된 기판을 도 5에 도시하였다. (a)는 식각 전의 티타늄 기판의 표면이며, (b)는 식각 후의 모습이며, (c)는 양극활물질로서 LiCoO2를 증착시킨 후의 SEM 사진이며, (d)는 LiCoO2가 증착된 홀의 벽면의 SEM 사진이다.5 illustrates a substrate on which a plurality of hemispherical grooves formed by the above process are formed. (a) is the surface of the titanium substrate before etching, (b) is the state after etching, (c) is the SEM photograph after the deposition of LiCoO 2 as the cathode active material, and (d) is the wall surface of the hole where LiCoO 2 is deposited. SEM picture.
도 6은 도 5에 기술한 포토리소그라피 공정에 의해 제조된 기판의 SEM 사진으로서 체크무늬형태로 균일하게 반구형 홈이 형성되어 기판의 표면적이 식각전에 비해 증가하고 있음을 보여준다. FIG. 6 is a SEM photograph of a substrate manufactured by the photolithography process described in FIG. 5, showing that a hemispherical groove is uniformly formed in a checkered pattern, thereby increasing the surface area of the substrate compared to before etching.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following example.
실시예Example 1: 기판의 1: of substrate 표면적을Surface area 증가시킨 기판의 제조 Fabrication of Increased Substrates
직경 5mm 크기의 Ti 기판상에 포토레지스트를 도포하고 이를 예비소성(soft bake) 한 후, 격자무늬(20㎛ x 20㎛ 크기의 정사각형, 도 4) 패턴이 그려진 포토마스크를 포토레지스트층에 밀착시켜 자외선을 조사하였다. 그 후 현상(develop)하여 남아있는 포토레지스트 부분을 후소성(hard bake) 한 후, 식각용액으로 piranha 혹은 Ti 에칭 용액을 사용하여 등방성 식각을 수행하였다. 식각공정이 완료된 후, 남아있는 포토레지스트층을 박리액(striper)을 사용하여 제거하였 다. 그 결과 식각면이 약 40㎛ 직경과 약 15㎛ 깊이의 반원형태로 형성된 표면적이 증가된 기판이 제조되었다.After applying a photoresist on a Ti substrate having a diameter of 5 mm and soft baking it, a photomask on which a lattice pattern (a square having a size of 20 μm × 20 μm, FIG. 4) is drawn is brought into close contact with the photoresist layer. Ultraviolet rays were irradiated. After development, the remaining photoresist portion was hard baked and then isotropically etched using piranha or Ti etching solution as an etching solution. After the etching process was completed, the remaining photoresist layer was removed using a stripper. As a result, a substrate having an increased surface area having an etched surface formed in a semicircle having a diameter of about 40 μm and a depth of about 15 μm was manufactured.
실시예Example 2: 방전용량 및 출력특성이 향상된 박막형 전지의 제조 2: Fabrication of Thin Film Battery with Improved Discharge Capacity and Output Characteristics
상기 실시예 1에서 제조한 기판을 사용하여 배치(batch) 내에서 전지를 제조하였다. 박막형 전지는 금속기판상에 양극 전류집전체로 Pt를 DC 스퍼터링에 의해 250nm 두께로 증착하고, LiCoO2 양극 활물질을 RF 스퍼터링에 의해 3㎛ 두께로 증착하여 이를 급속열처리 하여 헥사고날(hexagonal) 구조의 양극을 제조하였다. 이때, Pt 전류집전체와 Ti 금속기판 사이에 접착력을 증가시키기 위해 Ti 20nm와 Co 30nm를 연속적으로 증착하였다. 고체전해질은 Li3PO4 타겟을 사용하여 순수한 질소분위기 하에서 반응성 스퍼터링에 의해 Li3PO4 내의 산소를 일부 질소원자로 치환시킨 1.5㎛ 두께의 LiPON 전해질을 사용하였으며, 음극은 진공열증착법을 사용하여 순수한 리튬박막을 2㎛ 두께로 증착하여 사용하였다. 이때 음극의 유효면적은 12.56mm2 이었다. A battery was prepared in a batch using the substrate prepared in Example 1 above. The thin film type battery is a positive electrode current collector on a metal substrate, and Pt is deposited to a thickness of 250 nm by DC sputtering, and a LiCoO 2 cathode active material is deposited to a thickness of 3 μm by RF sputtering and rapidly heat-treated to form a hexagonal structure anode. Was prepared. At this time, Ti 20nm and Co 30nm were successively deposited to increase adhesion between the Pt current collector and the Ti metal substrate. The solid electrolyte was a 1.5 μm thick LiPON electrolyte in which oxygen in Li 3 PO 4 was replaced with some nitrogen atoms by reactive sputtering under a pure nitrogen atmosphere using a Li 3 PO 4 target, and the negative electrode was purified using vacuum thermal evaporation. Lithium thin film was used by evaporating to a thickness of 2㎛. At this time, the effective area of the negative electrode was 12.56 mm 2 .
비교예Comparative example 1: 평탄한 기판을 사용한 박막형 전지의 제조 1: Fabrication of Thin Film Battery Using Flat Substrate
식각을 수행하지 않은 평탄한 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법과 조건으로 박막형 전지를 제조하였다. A thin film type battery was manufactured in the same manner and in the same manner as in Example 2, except that a flat substrate without etching was used.
시험예Test Example 1: 박막형 전지의 방전 특성 평가 1: Evaluation of discharge characteristics of thin film battery
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 습식식각된 기판과 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용하여 제조된 박막형 전지를 사용하여 각각의 셀에 20㎂의 일정한 전류를 인가하여 방전시험을 실시하였다. 그 결과, 습식식각된 기판을 사용한 박막형 전지는 식각되지 않은 평탄한 기판에 비해 전지의 단락현상 없이 전형적인 LiCoO2의 방전곡선을 나타내었으며, 약 25%의 용량증가 효과를 나타내었다(도 7 참조). The discharge test was performed by applying a constant current of 20 mA to each cell using a thin film battery manufactured using a wet etched substrate and a non-etched flat substrate prepared in Example 2 and Comparative Example 1, respectively. As a result, the thin film type battery using the wet etched substrate exhibited a typical LiCoO 2 discharge curve without short-circuit of the battery compared to the unetched flat substrate, and exhibited a capacity increase of about 25% (see FIG. 7).
시험예Test Example 2: 박막형 전지의 출력 특성 평가 2: Evaluation of Output Characteristics of Thin Film Battery Cells
상기 실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조된 습식식각된 기판과 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용하여 제조된 박막형 전지를 사용하여 각각의 셀에 20㎂의 동일한 전류를 인가하여 방전을 수행할 시의 초기용량을 100으로 보고 200㎂, 400㎂와 같이 높은 전류를 인가하여 전지의 출력 특성을 평가하였다. 시험 결과는 도 8에 나타내었다. 도 8은 용량비 및 방전곡선을 나타낸 것으로서, 비교예 1에서 제조된 식각되지 않은 평탄한 기판을 사용한 박막형 전지는 a-a'-a''와 같이 방전전류 증가에 따라 전지 내부저항에 따른 전위 하락 및 용량감소율이 큰 것으로 나타났으며, 약 1,670 ohm정도의 내부저항을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 그러나, 실시예 2에서 제조된 (습식식각을 수행함) 박막형 전지의 경우에는 b-b'-b''와 같이 전류증가에 따른 전위하락이 크게 감소함을 나타내었다. 내부저항 추정결과 약 1,253ohm 정도로 저항 또한 약 25%의 감소함을 확인하였다.When a discharge was performed by applying the same current of 20 mA to each cell using a thin film battery manufactured using a wet etched substrate and a non-etched flat substrate, respectively prepared in Example 2 and Comparative Example 1. An initial capacity of 100 was applied to evaluate the output characteristics of the battery by applying a high current such as 200 mA and 400 mA. The test results are shown in FIG. 8 shows the capacity ratio and the discharge curve. In the thin film battery using the unetched flat substrate prepared in Comparative Example 1, the potential drop according to the internal resistance of the battery according to the increase in the discharge current, such as a-a'-a '', The capacity reduction rate was large, and it was confirmed that the internal resistance was about 1670 ohm. However, in the case of the thin film battery manufactured by performing wet etching (performed by wet etching), the potential drop according to the increase of the current was greatly reduced, as in b-b'-b ''. As a result of the internal resistance estimation, the resistance was also reduced by about 25% to about 1,253ohm.
도 1은 (a)건식법에 의한 이방성 식각과 (b)습식법에 의한 등방성 식각을 비교하여 도시한 것이다. 1 shows a comparison of (a) anisotropic etching by the dry method and (b) isotropic etching by the wet method.
도 2는 습식법에 의해 등방성 식각을 수행함으로써 기판의 표면적을 증가시키는 공정을 포함하는 포토리소그라피(photo lithography) 공정을 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a photolithography process that includes a step of increasing the surface area of a substrate by performing isotropic etching by a wet method.
도 3은 본 발명의 일실시예로 제조된 기판을 사용하여 박막형 전지를 구성하는 방법을 순서대로 도시한 것이다.3 illustrates a method of constructing a thin film battery using a substrate manufactured according to an embodiment of the present invention in order.
도 4는 본 발명의 일실시예 중 다수의 반구형 홈의 형성 과정을 도시한 것이다.4 illustrates a process of forming a plurality of hemispherical grooves in one embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예로서, 5 is an embodiment of the present invention.
(a): 식각 전의 티타늄 기판의 표면의 SEM 사진이며, (a): SEM photograph of the surface of the titanium substrate before etching,
(b): 상기 티타늄 기판의 식각 후의 SEM 사진(실시예 1)이며, (b): SEM photograph (Example 1) after etching of the titanium substrate,
(c): 상기 실시예 1에서 제조된 기판에 Pt 전류집전체 및 양극활물질로서 LiCoO2를 증착시킨 후의 SEM 사진(실시예 2)이며,(c): SEM image (Example 2) after depositing LiCoO 2 as a Pt current collector and a cathode active material on the substrate prepared in Example 1,
(d)는 LiCoO2가 증착된 홀의 벽면 SEM 사진이다.(d) is a wall SEM photograph of the hole on which LiCoO 2 is deposited.
도 6은 본 발명의 일실시예에서 제조된 습식식각된 티타늄 기판의 표면 SEM 사진이다.6 is a SEM image of the surface of a wet-etched titanium substrate prepared in one embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 박막형 전지와 비교예 1에서 제조 된 박막형 전지의 방전용량을 비교하여 그래프로 도시한 것이다.7 is a graph showing the discharge capacity of the thin film battery prepared in Example 2 of the present invention and the thin film battery prepared in Comparative Example 1.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 박막형 전지와 비교예 1에서 제조된 박막형 전지의 출력특성을 비교하여 그래프로 도시한 것이다.8 is a graph illustrating output characteristics of the thin film battery prepared in Example 2 of the present invention and the thin film battery prepared in Comparative Example 1.
*도면 부호의 설명** Description of Drawing Symbols *
10: 기판 20: 제1콜렉터10: substrate 20: first collector
30: 캐소드 40: 전해질층30: cathode 40: electrolyte layer
50: 애노드50: anode
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