KR20100036280A - Solid-state battery and method for manufacturing of such a solid-state battery - Google Patents

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KR20100036280A
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램코 에이치. 더블유. 피즈넨버그
페트뤼스 에이치. 엘. 노텐
로지에 에이. 에이치. 니센
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

Batteries based on solid-state electrolytes are known in the art. These (planar) energy sources, or solid-state batteries, efficiently convert chemical energy into electrical energy and can be used as the power sources for portable electronics. The invention relates to a method for manufacturing of a solid-state battery. The invention also relates to a battery obtained by performing such a method. The invention further relates to an electronic device provided with such a battery.

Description

고체 배터리 및 이러한 고체 배터리를 제조하는 방법{SOLID-STATE BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING OF SUCH A SOLID-STATE BATTERY}SOLID-STATE BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING OF SUCH A SOLID-STATE BATTERY}

본 발명은 고체 배터리를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행함으로써 얻어진 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 상기 배터리가 제공된 전자 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a solid state battery. The invention also relates to a battery obtained by performing the method. The invention further relates to an electronic device provided with the battery.

고체 전해질들을 기초로 하는 배터리들은 종래에 공지되었다. 이들 (플레이너(planar)) 에너지 소스들, 또는 '고체 배터리들'은 화학 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하고 휴대용 전자 제품들에 대한 전력 소스들로서 사용될 수 있다. 작은 크기의 이러한 배터리들은 전기 에너지를 예를 들어 마이크로전자 모듈들, 특히 집적 회로들(IC)에 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 이것의 예는 국제 특허 출원 WO2005/027245에 개시되고, 여기서 고체 박막 배터리, 특히 리튬 이온 배터리는 실리콘 애노드, 고체 전해질, 및 캐소드의 적층부가 연속적으로 증착된 구조화된 실리콘 기판을 포함한다. 적합한 고체 전해질의 예는 LiPON(리튬 인 옥시니트라이드)이다. 지금, LiPON은 모든 고체 리튬 이온 배터리들을 위한 가장 가능하고 가장 많이 사용되는 전해질들 중 하나이다. 이 재료는 전자들에 대해 우수한 절연 체이고(25℃에서 σel = 10-14S/cm), (다른 고체 전해질들과 비교하여) 리튬 이온들에 비해 비교적 우수한 전도체이다(25℃에서 σion = 2·10-6S/cm). 게다가, LiPON은 전기 화학적으로 안정하다. 그러나, 대부분의 액체 전해질들의 리튬 이온 전도성은 LiPON보다 약 2배 높은 크기이다. 그럼에도 불구하고, 고체 전해질들의 성능은 고체 전해질들이 매우 얇게 만들어질 수 있고, 고체 전해질의 저항이 전해질 두께가 감소할 때 감소하기 때문에 액체 전해질들의 성능에 여전히 접근할 수 있다(또는 아마도 초과할 수 있다). 이런 이유로, 전해질 위 브레이크다운 필드가 초과되지 않는 한, 고체 전해질을 가능한 한 얇게 제조하는 것은 중요하다. 그러나, 1 마이크론 미만의 두께를 가진 핀홀(pinhole)-없는 LiPON 층들을 증착하는 것은 매우 어렵다는 것이 발견되었고, 여기서 이미 고체 전해질 내 단일 핀홀이 단락된 전극들을 발생시킬 수 있고, 따라서 단락된 배터리를 발생시킨다는 것이 주지된다. 따라서, 전해질 층 내 핀홀들의 형성을 방지하고, 이에 따라 단락된 배터리를 방지하기 위하여, 기존 모든 고체 배터리들은 공통적으로 약 3 마이크로 또는 그보다 두꺼운 안전한 두께를 가진 전해질 층을 가진다.Batteries based on solid electrolytes are known in the art. These (planar) energy sources, or 'solid batteries', can efficiently convert chemical energy into electrical energy and be used as power sources for portable electronics. These batteries of small size can be used to supply electrical energy, for example, to microelectronic modules, in particular integrated circuits (IC). An example of this is disclosed in international patent application WO2005 / 027245, wherein a solid thin film battery, in particular a lithium ion battery, comprises a structured silicon substrate on which a stack of silicon anodes, solid electrolytes, and cathodes are successively deposited. An example of a suitable solid electrolyte is LiPON (lithium phosphorus oxynitride). Now, LiPON is one of the most possible and most used electrolytes for all solid lithium ion batteries. This material is a good insulator for electrons (σ el = 10 -14 S / cm at 25 ° C), and a relatively good conductor compared to lithium ions (compared to other solid electrolytes) (σ ion at 25 ° C). = 2 · 10 -6 S / cm). In addition, LiPON is electrochemically stable. However, the lithium ion conductivity of most liquid electrolytes is about twice as high as LiPON. Nevertheless, the performance of solid electrolytes can still approach (or perhaps exceed) the performance of liquid electrolytes because the solid electrolytes can be made very thin and the resistance of the solid electrolyte decreases as the electrolyte thickness decreases. ). For this reason, it is important to make the solid electrolyte as thin as possible, unless the breakdown field on the electrolyte is exceeded. However, it has been found that depositing pinhole-free LiPON layers with a thickness of less than 1 micron is very difficult, where a single pinhole in a solid electrolyte can generate shorted electrodes, thus generating a shorted battery. It is well known. Thus, in order to prevent the formation of pinholes in the electrolyte layer and thus to prevent a shorted battery, all existing solid batteries have in common an electrolyte layer with a safe thickness of about 3 microns or thicker.

본 발명의 목적은 비교적 얇은 핀홀 없는 전해질 층을 포함하는 모든 고체 배터리를 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an improved method for manufacturing all solid state batteries comprising a relatively thin pinhole free electrolyte layer.

본 발명의 목적은 A) 제 1 전극을 기판상에 증착하는 단계, B) 고체 전해질 층을 상기 제 1 전극 상에 증착하는 단계, 및 C) 제 2 전극을 상기 고체 전해질 상에 증착하는 단계를 포함하는 서론에 따른 방법을 제공함으로써 달성될 수 있고, 여기서 단계 B)는 단계 D) 및 단계 E)를 포함하고, 단계 D)는 목표된 최종 층 두께를 초과하는 초기 층 두께를 가진 고체 전해질 층을 상기 제 1 전극 상에 증착하는 단계를 포함하고, 단계 E)는 단계 D) 동안 증착된 전해질 층의 초기 층 두께를 상기 최종 층 두께로 감소시키는 단계를 포함한다. 우선 핀홀들의 안전한 소거를 위해 충분하게 두꺼운 비교적 두꺼운 전해질 층을 증착하고, 그리고 추후 목표된 최종 두께까지 비교적 두꺼운 핀홀 없는 전해질 층의 두께를 감소시킴으로써(초과의 전해질 재료를 제거함으로써), 비교적 얇은 핀홀 없는 전해질 층은 생성될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 수행함으로써 얻어진 배터리의 비교적 얇은 고체 전해질 층은 전해질의 저항을 감소시키고 따라서 이와 같은 배터리의 저항을 감소시키며, 이것은 배터리의 성능에 이익이 될 것이다. 전해질 층 내 핀홀들의 형성을 방지하기 위하여, 충분히 두꺼운 전해질 층을 처음에 증착하는 것은 일반적으로 적당하다. 이런 방식으로 전해질 층에 처음에 형성된 핀홀들은 전해질 재료에 의해 채워지고 폐쇄되며, 그 결과 핀홀 없는 전해질 층은 구현될 수 있다. 1 또는 몇 마이크로의 초기 두께를 가진 전해질 층을 적용하는 것은 고려할 수 있다. 그러나, 초과 초기 층 두께를 가진 전해질 층을 적용하는 것은 일반적으로 바람직하지 않은데, 그 이유는 이것은 전해질 재료의 비교적 큰 초과를 유발하고, 따라서 재료의 상당한 손실(단계 E 동안)을 발생시키기 때문이다. 따라서, 일반적으로 초기 층 두께가 핀홀 형성을 방지하기에만 충분한 전해질 층을 증착하는 것은 바람직한데, 그 이유는 전해질 재료의 최종 손실이 이런 방식으로 최소로 유지될 수 있기 때문이다. 이런 목적을 위해, 적어도 500 nm의 초기 층 두께가 단계 D) 동안 제 1 전극 상에 증착되는 고체 전해질 층을 증착하는 것은 바람직하다. 단계 E) 동안 고체 전해질 층의 초기 층 두께는 바람직하게 500 nm, 바람직하게 100 nm, 더 바람직하게 60 nm 미만의 최종 층 두께로 바람직하게 감소된다. 이런 방식으로 전해질 층의 임피던스의 상당한 감소는 달성될 수 있어서, 상당히 개선된 배터리 성능을 발생시킨다.It is an object of the invention to A) deposit a first electrode on a substrate, B) deposit a solid electrolyte layer on the first electrode, and C) deposit a second electrode on the solid electrolyte. It can be achieved by providing a method according to the present incorporating wherein step B) comprises steps D) and E), and step D) comprises a solid electrolyte layer having an initial layer thickness exceeding the desired final layer thickness. And depositing on the first electrode, step E) comprising reducing the initial layer thickness of the electrolyte layer deposited during step D) to the final layer thickness. First by depositing a sufficiently thick relatively thick electrolyte layer for safe erasure of the pinholes, and subsequently reducing the thickness of the relatively thick pinhole-free electrolyte layer to the desired final thickness (by removing excess electrolyte material) An electrolyte layer can be produced. The relatively thin solid electrolyte layer of the battery obtained by carrying out the method according to the invention reduces the resistance of the electrolyte and thus reduces the resistance of such a battery, which will benefit the performance of the battery. In order to prevent the formation of pinholes in the electrolyte layer, it is generally suitable to initially deposit a sufficiently thick electrolyte layer. In this way, the pinholes initially formed in the electrolyte layer are filled and closed by the electrolyte material, so that the pinhole-free electrolyte layer can be realized. It is conceivable to apply an electrolyte layer with an initial thickness of one or several micros. However, applying an electrolyte layer with an excess initial layer thickness is generally not preferred because this results in a relatively large excess of electrolyte material, thus generating a significant loss of material (during step E). Therefore, it is generally desirable to deposit an electrolyte layer sufficient for the initial layer thickness to prevent pinhole formation, since the final loss of electrolyte material can be kept to a minimum in this way. For this purpose, it is desirable to deposit a solid electrolyte layer in which an initial layer thickness of at least 500 nm is deposited on the first electrode during step D). The initial layer thickness of the solid electrolyte layer during step E) is preferably reduced to a final layer thickness of preferably 500 nm, preferably 100 nm, more preferably less than 60 nm. In this way, a significant reduction in the impedance of the electrolyte layer can be achieved, resulting in significantly improved battery performance.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 고체 전해질 층의 두께는 단계 E) 동안 목표된 최종 층 두께로 전해질 층을 에칭 백 함으로써 감소된다. 일반적으로, 건식 에칭 및 습식 에칭 같은 에칭 기술들은 층들을 패턴화하기 위하여 공지되고, 여기서 에칭 기술들은 공통적으로 통상적인 포토리소그래픽 마스킹과 결합된다. 대안적인 실시예에서, 초과의 전해질 재료는 폴리싱 기술들, 특히 화학-기계적 폴리싱("CMP") 기술들에 의해 제거되고, 여기서 이동성 패드는 폴리싱될 전해질 표면에 대하여 바이어싱되고, 슬러리(slurry)의 삽입은 그 사이에 미세-크기 연마 입자들(및 다른 원료들)을 포함한다. CMP 처리의 결과로서, 전해질 층의 층 두께는 또한 목표된 최종 두께로 감소될 수 있다.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the thickness of the solid electrolyte layer is reduced by etching back the electrolyte layer to the desired final layer thickness during step E). In general, etching techniques such as dry etching and wet etching are known for patterning layers, where etching techniques are commonly combined with conventional photolithographic masking. In an alternative embodiment, the excess electrolyte material is removed by polishing techniques, in particular by chemical-mechanical polishing (“CMP”) techniques, where the removable pads are biased against the electrolyte surface to be polished and slurry The insertion of microparticles includes fine-sized abrasive particles (and other raw materials) in between. As a result of the CMP treatment, the layer thickness of the electrolyte layer can also be reduced to the desired final thickness.

고체 전해질은 바람직하게 Li5La3Ta2O12(가넷-타입 등급), LiPON, LiNbO3, LiTaO3, Li9SiAlO8, 및 Li0 .5La0 .5TiO3(페로브스카이트-타입)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 만들어진다. 바람직하게 적용될 수 있는 다른 고체 전해질 재료들은 리튬 오소텅스테이트(Li2WO4), 리튬 게르마늄 옥시니트라이드(LiGeON), Li14ZnGe4O16(리시콘), Li3N, 베타-알루미나, 또는 Li1 .3Ti1 .7Al0 . 3(PO4)3(나시콘-타입)이다. 양성자 전도성 전해질은 예를 들어 TiO(OH), 또는 ZrO2Hx에 의해 형성될 수 있다.The solid electrolyte is preferably Li 5 La 3 Ta 2 O 12 ( garnet-type rating), LiPON, LiNbO 3, LiTaO 3, Li 9 SiAlO 8, and Li 0 .5 La 0 .5 TiO 3 ( perovskite - Type) and at least one material selected from the group consisting of: Other solid electrolyte materials that can be preferably applied are lithium ortho tungstate (Li 2 WO 4 ), lithium germanium oxynitride (LiGeON), Li 14 ZnGe 4 O 16 (lysicon), Li 3 N, beta-alumina, or Li 1 .3 Ti 1 .7 Al 0 . 3 (PO 4 ) 3 (nacicon-type). The proton conductive electrolyte can be formed, for example, by TiO (OH), or ZrO 2 H x .

제 1 전극은 공통적으로 캐소드를 포함하고, 제 2 전극은 공통적으로 애노드를 포함한다(또는 그 반대로). 바람직한 실시예에서, 캐소드는 LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, V2O5, MoO3, WO3, 및 LiNiO2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 만들어진다. 적어도 이들 재료들이 리튬 이온 에너지 소스들에 적용되기에 매우 적당하다는 것이 발견되었다. 양성자 기반 에너지 소스의 경우 캐소드의 예들은 Ni(OH)2 및 NiM(OH)2이고, 여기서 M은 예를 들어 Cd, Co, 또는 Bi의 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 엘리먼트들에 의해 형성된다. 또한 다른 캐소드 재료들이 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 배터리에 사용될 수 있다는 것은 명확할 수 있다. 애노드는 바람직하게는 Li 금속, Si-기반 합금들, Sn-기반 합금들, Al, Si, SnOx, Li4Ti5O12, SiOx, LiSiON, LiSnON, 및 LiSiSnON, 특히 LixSiSn0.87O1.20N1.72로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 만들어진다.The first electrode commonly comprises a cathode and the second electrode commonly comprises an anode (or vice versa). In a preferred embodiment, the cathode is made of at least one material selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , V 2 O 5 , MoO 3 , WO 3 , and LiNiO 2 . It has been found that at least these materials are very suitable for application to lithium ion energy sources. Examples of cathodes for proton based energy sources are Ni (OH) 2 and NiM (OH) 2 , where M is formed by one or more elements selected from the group of, for example, Cd, Co, or Bi. It can also be clear that other cathode materials can be used in the battery obtained by the method according to the invention. The anode is preferably Li metal, Si-based alloys, Sn-based alloys, Al, Si, SnO x , Li 4 Ti 5 O 12 , SiO x , LiSiON, LiSnON, and LiSiSnON, in particular Li x SiSn 0.87 O It is made of at least one material selected from the group consisting of 1.20 N 1.72 .

바람직하게, 본 발명에 따른 에너지 소스의 적어도 하나의 전극은 다음 원소들 중 적어도 하나의 액티브 종들의 저장을 위해 적용된다: 수소(H), 리튬(Li), 베릴률(Be), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 소듐(Na), 및 포타슘(K), 또는 주기율표의 그룹 1 또는 그룹 2에 할당된 임의의 다른 적당한 원소. 따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 배터리는 다양한 삽입 메카니즘들에 기초할 수 있고 그러므로 다른 종류의 (비축-타입) 배터리 전지들, 예를 들어 Li-이온 배터리 전지들, NiMH 배터리 전지들 등을 형성하기에 적합하다. 바람직한 실시예에서 적어도 하나의 전극, 특히 배터리 애노드는 다음 재료들: C, Sn, Ge, Pb, Zn, Bi, Sb, Li 및 바람직하게는 도핑된 Si 중 적어도 하나를 포함한다. 이들 재료들의 조합은 전극(들)을 형성하기 위하여 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, n 타입 또는 p 타입 도핑 Si는 전극으로서 사용되거나, SiGe 또는 SiGeC 같은 도핑된 Si 관련 화합물은 전극으로서 사용된다. 또한 다른 적당한 재료들은 애노드로서 적용될 수 있고, 배터리의 전극 재료가 상기된 반응성 종들의 삽입 및 저장을 위해 적용되는 경우, 주기율표의 그룹들 12-16 중 하나에 할당된 임의의 다른 적당한 원소가 애노드로서 적용될 수 있다. 상기된 재료들은 리튬 이온 기반 배터리 전지들에 적용되기에 특히 적당하다. 수소 기반 배터리 셀이 적용되는 경우, 애노드는 AB5-타입 재료들, 특히 LaNi5, 및 마그네슘-기반 합금들, 특히 MgxTi1 -x 같은 수소화물 형성 재료를 포함한다.Preferably, at least one electrode of the energy source according to the invention is applied for the storage of at least one active species of the following elements: hydrogen (H), lithium (Li), beryl rate (Be), magnesium (Mg) ), Aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), sodium (Na), and potassium (K), or any other suitable element assigned to group 1 or group 2 of the periodic table. Thus, the battery obtained by the method according to the invention can be based on a variety of insertion mechanisms and therefore can be used for other types of (stock-type) battery cells, for example Li-ion battery cells, NiMH battery cells and the like. Suitable for forming. In a preferred embodiment the at least one electrode, in particular the battery anode, comprises at least one of the following materials: C, Sn, Ge, Pb, Zn, Bi, Sb, Li and preferably doped Si. Combinations of these materials can also be used to form the electrode (s). Preferably, n type or p type doped Si is used as the electrode, or doped Si related compounds such as SiGe or SiGeC are used as the electrode. Other suitable materials may also be applied as anodes, and any other suitable element assigned to one of groups 12-16 of the periodic table as an anode, if the electrode material of the battery is applied for insertion and storage of the reactive species described above Can be applied. The materials described above are particularly suitable for application to lithium ion based battery cells. When a hydrogen based battery cell is applied, the anode comprises a hydride forming material such as AB 5 -type materials, in particular LaNi 5 , and magnesium-based alloys, in particular Mg x Ti 1- x .

상기 방법은 바람직하게 단계 F) 및 단계 G)를 더 포함하고, 단계 F)는 단계 A)에 따라 제 1 전극의 증착 전에 기판 위에 제 1 전류 컬렉터를 증착하는 단계를 포함하고, 단계 G)는 단계 C)에 따라 상기 제 2 전극을 증착한 후 제 2 전극 위에 제 2 전류 컬렉터를 증착하는 단계를 포함한다. 전류 컬렉터들에 의해 배터리는 전자 장치에 쉽게 접속될 수 있다. 바람직하게는, 전류 컬렉터들은 다음 재료들 중 적어도 하나로 만들어진다: Al,Ni,Pt,Au,Ag,Cu,Ta,Ti,TaN 및 TiN. 예를 들어 Si, GaAs, InP 같은 바람직하게 도핑된 반도체 재료들 같은 다른 종류의 전류 컬렉터들이 또한 적용될 수 있다.The method preferably further comprises steps F) and G), wherein step F) comprises depositing a first current collector on the substrate prior to deposition of the first electrode according to step A), and step G) Depositing a second current collector over the second electrode after depositing the second electrode according to step C). The current collectors allow the battery to be easily connected to the electronic device. Preferably, the current collectors are made of at least one of the following materials: Al, Ni, Pt, Au, Ag, Cu, Ta, Ti, TaN and TiN. Other kinds of current collectors can also be applied, for example, preferably doped semiconductor materials such as Si, GaAs, InP.

바람직한 실시예에서, 방법은 단계 H)를 더 포함하고, 상기 단계 H)는 단계 A)에 따라 제 1 전극의 증착 전에 기판 위에 전자-도전성 배리어 층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 배리어 층은 상기 기판에 제 1 전극에 의해 포함된 액티브 종들의 확산을 적어도 실질적으로 미리 방지하도록 적응된다. 이런 방식으로 기판 및 전기화학 전지는 화학적으로 분리될 것이고, 그 결과 전기화학 전지의 성능은 비교적 오래 지속되도록 유지될 수 있다. 리튬 이온 기반 전지가 적용되는 경우, 배리어 층은 바람직하게 다음 재료들 중 적어도 하나로 만들어진다: Ta, TaN, Ti, 및 TiN. 또한 다른 적합한 재료들이 배리어 층으로서 작동하도록 사용될 수 있다는 것은 명확할 수 있다. 일반적으로, 애노드와 인접한 기판 사이에 배리어 층을 배치하는 것은 바람직할 것이다.In a preferred embodiment, the method further comprises step H), wherein step H) comprises depositing an electron-conductive barrier layer on the substrate prior to the deposition of the first electrode according to step A), wherein the barrier layer is It is adapted to at least substantially prevent the diffusion of active species contained by the first electrode in the substrate. In this way, the substrate and the electrochemical cell will be chemically separated, so that the performance of the electrochemical cell can be kept relatively long lasting. When a lithium ion based cell is applied, the barrier layer is preferably made of at least one of the following materials: Ta, TaN, Ti, and TiN. It may also be clear that other suitable materials may be used to act as the barrier layer. In general, it would be desirable to dispose a barrier layer between the anode and an adjacent substrate.

바람직한 실시예에서 기판은 적용되고, 상기 기판은 전극(들)의 패터닝을 용이하게 할 수 있는 기판을 패턴화하기 위한 표면 처리에 적용되기에 이상적으로 적합하다. 기판은 보다 바람직하게 다음 재료들 중 적어도 하나로 만들어진다: C, Si, Ti, Ge, Al, Cu, Ta 및 Pb. 이들 재료들의 결합은 기판(들)을 형성하기 위하여 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, n 타입 또는 p 타입 도핑된 Si 또는 Ge는 기판으로서 사용되거나, SiGe 또는 SiGeC 같은 도핑된 Si 관련 화합물 및/또는 Ge 관련 화합물은 기판으로서 사용된다. 비교적 단단한 재료들 외에, 또한 Kapton® 포일 같은 실질적으로 가요성 재료들은 기판의 제조를 위해 사용될 수 있다. 또한 다른 적합한 재료들이 기판 재료로서 사용될 수 있다는 것은 명확할 수 있다.In a preferred embodiment the substrate is applied and the substrate is ideally suited for application to surface treatments for patterning substrates which can facilitate the patterning of the electrode (s). The substrate is more preferably made of at least one of the following materials: C, Si, Ti, Ge, Al, Cu, Ta and Pb. Combinations of these materials can also be used to form the substrate (s). Preferably, n type or p type doped Si or Ge is used as the substrate, or doped Si related compounds and / or Ge related compounds such as SiGe or SiGeC are used as the substrate. In addition to the relatively rigid material, and Kapton ® foil substantially flexible material, such can be used for the preparation of the substrate. It may also be clear that other suitable materials may be used as the substrate material.

특히 바람직한 실시예에서 전해질과 면하는 적어도 하나의 전극의 표면은 적어도 부분적으로 패턴화된다. 이런 방식으로 전극(들)과 전해질 사이의 효과적인 접촉 표면 영역은 전극(들)의 통상적인 비교적 부드러운 접촉 표면에 관련하여 실질적으로 증가되어, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 배터리의 정격 능력의 비례적 증가를 유발한다. 전해질과 면하는 하나 또는 다수 전극들의 표면을 패터닝하는 것은 선택적 습식 화학 에칭, 물리적 에칭(반응성 이온 에칭), 기계적 임프린팅(imprinting), 및 화학 기계적 폴리싱(CMP)과 같은 다양한 방법들에 의해 구현될 수 있다. 전극(들) 및 전해질 사이의 접촉 표면 영역을 증가시키는 전극(들)의 패턴은 다양한 방식들로 성형될 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 전극의 패턴화된 표면은 다수의 캐비티들, 특히 필라들(pillar), 트렌치들, 슬릿들(slits), 또는 홀들이 제공되고, 특히 캐비티들은 비교적 정확한 방식으로 적용될 수 있다. 이런 방식으로 배터리의 증가된 성능은 또한 비교적 정확한 방식으로 미리 결정될 수 있다.In a particularly preferred embodiment the surface of at least one electrode facing the electrolyte is at least partially patterned. In this way the effective contact surface area between the electrode (s) and the electrolyte is substantially increased in relation to the typical relatively soft contact surface of the electrode (s), proportional to the rated capacity of the battery obtained by the method according to the invention. Causes an increase. Patterning the surface of one or multiple electrodes facing the electrolyte may be implemented by various methods such as selective wet chemical etching, physical etching (reactive ion etching), mechanical imprinting, and chemical mechanical polishing (CMP). Can be. The pattern of electrode (s) that increases the contact surface area between the electrode (s) and the electrolyte can be shaped in various ways. Preferably, the patterned surface of the at least one electrode is provided with a plurality of cavities, in particular pillars, trenches, slits or holes, in particular the cavities can be applied in a relatively accurate manner. have. In this way the increased performance of the battery can also be predetermined in a relatively accurate manner.

본 발명은 또한 제 1 전극, 전해질 층, 및 기판 위에 추후 증착되는 제 2 전극을 포함하는 본 발명에 따른 방법을 수행함으로써 얻어진 배터리에 관한 것이다. 전해질 층은 바람직하게 비교적 얇고, 여기서 전해질 층의 두께는 500 nm 미만, 바람직하게 100 nm 미만, 보다 바람직하게 60 nm 미만, 및 특히 바람직하게 실질적으로 50 nm이다. 게다가, 전해질 층은 제 1 전극 및 제 2 전극의 단락 회로를 방지하기 위하여 실질적으로 균질하다(핀홀들이 없음). 본 발명에 따른 배터리의 다른 (바람직한) 실시예들 및 장점들은 상기에 이미 개시되었다.The invention also relates to a battery obtained by carrying out the method according to the invention comprising a first electrode, an electrolyte layer and a second electrode which is subsequently deposited on a substrate. The electrolyte layer is preferably relatively thin, wherein the thickness of the electrolyte layer is less than 500 nm, preferably less than 100 nm, more preferably less than 60 nm, and particularly preferably substantially 50 nm. In addition, the electrolyte layer is substantially homogeneous (no pinholes) to prevent short circuits of the first and second electrodes. Other (preferred) embodiments and advantages of the battery according to the invention have already been disclosed above.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리가 제공된 전자 장치, 및 상기 배터리에 접속된 적어도 하나의 전자 컴포넌트에 관한 것이다. 적어도 하나의 전자 컴포넌트는 바람직하게는 배터리의 기판 내에 적어도 부분적으로 삽입된다. 이런 방식으로 패키지 내 시스템(Sip)이 구현될 수 있다. SiP에서 집적 회로들(ICs), 액추에이터들, 센서들, 수신기들, 전송기들 등과 같은 하나 또는 다수의 전자 컴포넌트들 및/또는 장치들은 본 발명에 따라 배터리의 기판 내에 적어도 부분적으로 내장된다. 본 발명에 따른 배터리는 이상적으로 (바이오)임플란트, 보청기, 자율 네트워크 장치들, 및 신경 및 근육 자극 장치들 같은 비교적 작은 고전력 전자 애플리케이션들, 및 직물 전자제품들, 세탁 가능 전자제품들, 사전 성형 배터리들을 요구하는 애플리케이션들, e-페이퍼 및 휴대용 전자 애플리케이션들의 호스트 같은 가요성 전자 장치들에 전력을 제공하기에 적합하다.The invention also relates to an electronic device provided with at least one battery according to the invention and at least one electronic component connected to the battery. At least one electronic component is preferably at least partially inserted into the substrate of the battery. In this way a system in a package (Sip) can be implemented. In SiP, one or more electronic components and / or devices, such as integrated circuits (ICs), actuators, sensors, receivers, transmitters, and the like, are at least partially embedded in a substrate of a battery in accordance with the present invention. The battery according to the invention is ideally suited for relatively small high power electronic applications such as (bio) implants, hearing aids, autonomous network devices, and nerve and muscle stimulation devices, and textile electronics, washable electronics, preformed batteries Is suitable for providing power to flexible electronic devices such as a host of applications requiring e-paper, e-paper and portable electronic applications.

본 발명은 다음 비제한적 예들에 의해 도시된다.The invention is illustrated by the following non-limiting examples.

도 1은 비교적 얇은 전해질 층을 포함하는 공지된 고체 배터리의 단면도를 도시하는 도면.1 shows a cross-sectional view of a known solid battery comprising a relatively thin electrolyte layer.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 배터리의 제조를 도시하는 도면.2a to 2d show the manufacture of a battery according to the invention;

도 1은 종래 기술로부터 공지된 배터리(1)의 개략적인 단면도를 도시한다. 도 1에 도시된 배터리(1)의 예는 국제 특허 출원 WO2005/027245에 또한 개시된다. 공지된 배터리(1)는 애노드(3), 고체 전해질(4), 및 캐소드(5)의 리튬 이온 셀 스택(2)을 포함하고, 상기 셀 스택(2)은 하나 또는 그 이상의 전자 컴포넌트들(7)이 내장되는 기판(6) 상에 배치된다. 이 실시예에서, 기판(6)은 고유 실리콘으로 만들어지고, 애노드(3)는 비결정질 실리콘(a-Si)으로 만들어진다. 캐소드(5)는 V2O5로 만들어지고, 고체 전해질은 LiPON으로 만들어진다. 배터리 스택(2) 및 기판(6) 사이에서 리튬 배리어 층(8)은 기판(6) 위에 증착된다. 이러한 예시에서, 리튬 확산 배리어 층(8)은 탄탈륨으로 만들어진다. 도전성 탄탈륨 층(8)은 이 층이 기판(6) 내로 적층(2)에 의해 처음에 포함된 리튬 이온들(또는 다른 액티브 종들)의 확산을 막기 때문에 화학적 배리어로서 작동한다. 리튬 이온들이 스택(2)을 떠나가 기판(6)에 진입하는 경우 스택(2)의 성능은 영향을 받는다. 게다가, 이런 확산은 기판(6) 내에 내장된 전자 컴포넌트(들)(7)에 심하게 영향을 준다. 이러한 실시예에서, 리튬 확산 배리어 층(8)은 또한 공지된 배터리(1) 내 애노드(3)에 대한 전류 컬렉터로서 작동한다. 배터리(1)는 배터리 스택(2)의 상부, 및 특히 캐소드(5)의 상부에 증착된 알루미늄으로 만들어진 부가적인 전류 컬렉터(9)를 더 포함한다. 개별 층들(3,4,5,8,9)의 증착은 예를 들어 CVD, 스퍼터링, E-빔 증착 또는 졸-겔 증착에 의해 달성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 약 100 nm의 두께를 가진 비교적 얇은 전해질 층(4)은 애노드(3) 위에 증착된다. 비교적 얇은 전해질 층(4)을 적용하는 것의 장점은 배터리의 성능에 바람직한 이 층(4)의 비교적 작은 저항이다. 그러나, 비교적 얇은 전해질 층을 증착하는 것의 실질적인 위험성은 애노 드(3) 및 캐소드(5)의 단락 회로를 유발하는 전해질 층(4) 내 핀홀들(10)의 형성이다. 따라서, 통상적인 박막 모든 고체 배터리들은 전해질 층(4) 내에서 핀홀 형성을 방지하기 위하여 배터리 성능의 손실로 도시된 바와 같은 전해질 층(4)과 비교하여 두꺼운 전해질 층들(약 몇 마이크론)이 일반적으로 장비된다.1 shows a schematic cross-sectional view of a battery 1 known from the prior art. An example of the battery 1 shown in FIG. 1 is also disclosed in international patent application WO2005 / 027245. The known battery 1 comprises a lithium ion cell stack 2 of an anode 3, a solid electrolyte 4, and a cathode 5, the cell stack 2 comprising one or more electronic components ( 7) is disposed on the substrate 6 on which it is embedded. In this embodiment, the substrate 6 is made of native silicon and the anode 3 is made of amorphous silicon (a-Si). The cathode 5 is made of V 2 O 5 and the solid electrolyte is made of LiPON. A lithium barrier layer 8 is deposited over the substrate 6 between the battery stack 2 and the substrate 6. In this example, the lithium diffusion barrier layer 8 is made of tantalum. The conductive tantalum layer 8 acts as a chemical barrier because this layer prevents the diffusion of lithium ions (or other active species) initially contained by the stack 2 into the substrate 6. When lithium ions leave the stack 2 and enter the substrate 6, the performance of the stack 2 is affected. In addition, this diffusion severely affects the electronic component (s) 7 embedded in the substrate 6. In this embodiment, the lithium diffusion barrier layer 8 also acts as a current collector for the anode 3 in the known battery 1. The battery 1 further comprises an additional current collector 9 made of aluminum deposited on top of the battery stack 2 and in particular on top of the cathode 5. Deposition of the individual layers 3, 4, 5, 8, 9 can be accomplished by, for example, CVD, sputtering, E-beam deposition or sol-gel deposition. In this embodiment, a relatively thin electrolyte layer 4 with a thickness of about 100 nm is deposited over the anode 3. The advantage of applying a relatively thin electrolyte layer 4 is the relatively small resistance of this layer 4 which is desirable for the performance of the battery. However, a substantial risk of depositing a relatively thin electrolyte layer is the formation of pinholes 10 in the electrolyte layer 4 causing short circuits of the anode 3 and the cathode 5. Thus, conventional thin film all solid-state batteries generally have thicker electrolyte layers (about a few microns) compared to electrolyte layer 4 as shown by loss of battery performance to prevent pinhole formation in electrolyte layer 4. Is equipped.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 배터리(11)의 제조를 도시한다. 도 2a에서 배리어 층(12), 애노드(13), 및 고체 전해질(14)이 하나 또는 다수 전자 컴포넌트들(16)을 구비한 기판(15) 위에 추후 증착되는 것은 도시된다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 목표된 최종 층 두께(점선으로 도시됨)와 비교하여 처음에 비교적 두꺼운 전해질 층(14)은 핀홀없는 전해질 층(14)을 고착하기 위하여 애노드(13) 상에 증착된다. 전해질 층(14)의 처음 두께는 이 실시예에서 약 500 nm이다. 전해질 층(14)의 상부 표면은 불규칙부들(17)을 가질 수 있다. 이들 불규칙부들(17)을 제거하기 위하여 전해질 층(14)은 통상적인 에칭 및/또는 폴리싱 기술들(도 2b 참조)에 의해 평탄화된다. 전해질 층(14)의 평탄화 후 상기 층(14)의 두께는 예를 들어 50 nm의 목표된 층 두께로 (추가로) 감소된다(도 2c 참조). 이런 비교적 얇은 전해질 층(14)은 핀홀들이 없을 것이고, 따라서 전해질(14) 상에 증착될 애노드(13) 및 캐소드(18)를 물리적으로 독립시킬 수 있다(도 2d). 캐소드(18) 상부 상에 전류 컬렉터(19)가 증착된다. 비교적 얇은 전해질 층(14)은 본 발명에 따라 배터리(1)의 성능에 바람직할 비교적 작은 저항을 가질 것이다. 따라서 본 발명에 따른 방법을 수행함으로써 비교적 얇은 고성능 배터리(11)는 비교적 간단하고 효과적인 방식으로 제조될 수 있다.2a to 2d show the manufacture of a battery 11 according to the invention. In FIG. 2A it is shown that the barrier layer 12, the anode 13, and the solid electrolyte 14 are subsequently deposited on the substrate 15 with one or more electronic components 16. As shown in this figure, an initially relatively thick electrolyte layer 14 as compared to the desired final layer thickness (shown in dashed lines) is deposited on the anode 13 to adhere the pinhole-free electrolyte layer 14. do. The initial thickness of electrolyte layer 14 is about 500 nm in this embodiment. The upper surface of the electrolyte layer 14 may have irregularities 17. To remove these irregularities 17, the electrolyte layer 14 is planarized by conventional etching and / or polishing techniques (see FIG. 2B). After planarization of the electrolyte layer 14, the thickness of the layer 14 is reduced (in addition) to a desired layer thickness of, for example, 50 nm (see FIG. 2C). This relatively thin electrolyte layer 14 will be free of pinholes and thus can physically separate the anode 13 and cathode 18 to be deposited on the electrolyte 14 (FIG. 2D). A current collector 19 is deposited on top of cathode 18. The relatively thin electrolyte layer 14 will have a relatively small resistance which would be desirable for the performance of the battery 1 according to the invention. Thus by carrying out the method according to the invention a relatively thin high performance battery 11 can be manufactured in a relatively simple and effective manner.

상기된 실시예들이 본 발명을 제한하기보다 예시하고, 당업자는 첨부된 청구항들의 범위에서 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예들을 설계할 수 있다는 것은 주지된다. 청구항들에서, 괄호들 사이에 배치된 임의의 참조 부호들은 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 동사 "포함하다"의 사용 및 그것의 활용들은 청구항에 언급된 것과 다른 엘리먼트들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 엘리먼트에 선행하는 단수 관사는 다수의 상기 엘리먼트들의 존재를 배제하지 않는다. 특정 조치들이 상호 다른 종속항들에 열거되는 단순한 사실은 이들 조치들의 결합이 장점으로 사용될 수 없다는 것을 가리키지 않는다.It is noted that the above-described embodiments illustrate rather than limit the invention, and that those skilled in the art can design many alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. In the claims, any reference signs placed between parentheses shall not be construed as limiting the claim. The use of the verb "comprise" and its utilization does not exclude the presence of elements or steps other than those stated in a claim. Singular articles preceding an element do not exclude the presence of a plurality of such elements. The simple fact that certain measures are listed in different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage.

Claims (18)

고체 배터리를 제조하기 위한 방법으로서,As a method for manufacturing a solid state battery, A) 기판상에 제 1 전극을 증착하는 단계,A) depositing a first electrode on the substrate, B) 상기 제 1 전극 상에 고체 전해질 층을 증착하는 단계, 및B) depositing a solid electrolyte layer on the first electrode, and C) 상기 고체 전해질 상에 제 2 전극을 증착하는 단계를 포함하고, C) depositing a second electrode on said solid electrolyte, 상기 단계 B)는 단계 D) 및 단계 E)를 포함하고, 상기 단계 D)는 상기 제 1 전극상에 목표된 최종 층 두께를 초과하는 초기 층 두께로 고체 전해질 층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 단계 E)는 상기 단계 D) 동안 증착된 전해질 층의 초기 층 두께를 상기 최종 층 두께로 감소시키는 단계를 포함하는, 고체 배터리 제조 방법.Said step B) comprises steps D) and E), said step D) comprising depositing a solid electrolyte layer with an initial layer thickness exceeding a desired final layer thickness on said first electrode, Wherein said step E) comprises reducing an initial layer thickness of an electrolyte layer deposited during said step D) to said final layer thickness. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 D) 동안, 적어도 500 nm의 초기 층 두께를 가진 상기 고체 전해질 층은 상기 제 1 전극상에 증착되는, 고체 배터리 제조 방법.During the step D), the solid electrolyte layer having an initial layer thickness of at least 500 nm is deposited on the first electrode. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 단계 E) 동안, 상기 고체 전해질 층의 초기 층 두께는 500 nm 미만, 바람직하게 100 nm, 보다 바람직하게 60 nm 미만의 최종 층 두께로 감소되는, 고체 배터리 제조 방법.During the step E), the initial layer thickness of the solid electrolyte layer is reduced to a final layer thickness of less than 500 nm, preferably of 100 nm, more preferably of less than 60 nm. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,4. The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 단계 E) 동안 상기 고체 전해질 층의 두께는 전해질 층을 목표된 최종 층 두께로 에칭백함으로써 감소되는, 고체 배터리 제조 방법.The thickness of the solid electrolyte layer during step E) is reduced by etching back the electrolyte layer to the desired final layer thickness. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 단계 E) 동안, 상기 고체 전해질 층의 두께는 목표된 최종 층 두께로 전해질 층을 폴리싱함으로써 감소되는, 고체 배터리 제조 방법.During the step E), the thickness of the solid electrolyte layer is reduced by polishing the electrolyte layer to the desired final layer thickness. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,6. The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 제 1 전극은 애노드에 의해 형성되고 상기 제 2 전극은 캐소드에 의해 형성되는, 고체 배터리 제조 방법.Wherein the first electrode is formed by an anode and the second electrode is formed by a cathode. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,7. The method according to any one of claims 1 to 6, 상기 고체 배터리 제조 방법은 상기 단계 F) 및 상기 단계 G)를 더 포함하고, 상기 단계 F)는 상기 단계 A)에 따라 상기 제 1 전극의 증착 전에 상기 기판상에 제 1 전류 컬렉터를 증착하는 단계를 포함하고, 상기 단계 G)는 상기 단계 C)에 따라 상기 제 2 전극을 증착한 후 상기 제 2 전극상에 제 2 전류 컬렉터를 증착하는 단계를 포함하는, 고체 배터리 제조 방법.The method for manufacturing a solid battery further comprises the step F) and the step G), wherein step F) comprises depositing a first current collector on the substrate before deposition of the first electrode according to step A). Wherein said step G) comprises depositing a second current collector on said second electrode after depositing said second electrode according to said step C). 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,8. The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 방법은 상기 단계 A)에 따라 상기 제 1 전극의 증착 전에 상기 기판상에 전자-도전성 배리어 층을 증착하는 단계를 포함하는 상기 단계 H)를 더 포함하고, 상기 배리어 층은 상기 기판 내로 상기 제 1 전극에 의해 포함된 액티브 종들의 확산을 적어도 실질적으로 미리 방지하도록 적응되는, 고체 배터리 제조 방법.The method further comprises the step H) comprising depositing an electron-conductive barrier layer on the substrate prior to the deposition of the first electrode according to step A), wherein the barrier layer is formed into the substrate. A method of manufacturing a solid battery, adapted to at least substantially prevent diffusion of active species contained by one electrode. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행함으로써 얻어진 배터리에 있어서,A battery obtained by performing the method according to any one of claims 1 to 8, 제 1 전극, 전해질 층, 및 기판상에 추후 증착된 제 2 전극을 포함하는, 배터리.A battery comprising a first electrode, an electrolyte layer, and a second electrode subsequently deposited on a substrate. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 전해질 층은 실질적으로 균질한, 배터리.And the electrolyte layer is substantially homogeneous. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,11. The method according to claim 9 or 10, 상기 전해질 층의 두께는 500 nm 미만, 바람직하게 100 nm, 보다 바람직하게 60 nm 미만인, 배터리.The thickness of the electrolyte layer is less than 500 nm, preferably 100 nm, more preferably less than 60 nm. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 9 to 11, 상기 고체 전해질은 Li5La3Ta2O12, LiPON, LiNbO3, Li3N, 베타-알루미나, Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3LiTaO3, LiGeON, Li2WO4, Li14ZnGe4O16, Li9SiAlO8, Li0 .5La0 .5TiO3, TiO(OH), 및 ZrO2Hx로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 재료로 만들어지는, 배터리.The solid electrolyte is Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , LiPON, LiNbO 3 , Li 3 N, beta-alumina, Li 1.3 Ti 1.7 Al 0.3 (PO 4 ) 3 LiTaO 3 , LiGeON, Li 2 WO 4 , Li 14 ZnGe 4 O 16 , Li 9 SiAlO 8, Li 0 .5 La 0 .5 TiO 3, TiO (OH), ZrO 2, and is made of at least one material selected from the group consisting of H x, the battery. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 9 to 12, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 H, Li, Be, Mg, Cu, Ag, Al, Na 및 K 원소들 중 적어도 하나의 이온들의 저장을 위해 적응되는, 배터리.At least one of the first and second electrodes is adapted for storage of ions of at least one of H, Li, Be, Mg, Cu, Ag, Al, Na and K elements. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 9 to 13, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 중 적어도 하나는 C, Sn, Ge, Pb, Zn, Bi, Sb, 및 바람직하게 도핑된 Si 재료들 중 적어도 하나로 만들어지는, 배터리.At least one of the first and second electrodes is made of at least one of C, Sn, Ge, Pb, Zn, Bi, Sb, and preferably doped Si materials. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 기판은 Si를 포함하는, 배터리.And the substrate comprises Si. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리를 구비한, 전자 장치.An electronic device provided with at least one battery according to any one of claims 9 to 15. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16, 상기 적어도 하나의 전자 컴포넌트, 특히 집적 회로(IC)는 적어도 부분적으로 상기 배터리의 상기 기판 내에 내장되는, 전자 장치.The at least one electronic component, in particular an integrated circuit (IC), is at least partially embedded in the substrate of the battery. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,18. The method according to claim 16 or 17, 상기 전자 장치 및 상기 배터리는 패키지내 시스템(SiP)을 형성하는, 전자 장치.The electronic device and the battery form a system in a package (SiP).
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