KR20100130450A - 섀도우 마스크의 사용을 최소화한 박막전지의 제조방법 - Google Patents

섀도우 마스크의 사용을 최소화한 박막전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체가 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계; (b)상기 전해질 박막 위에 음극 전류집전체를 형성하는 단계; (c)상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 음극 박막을 형성하는 단계; (d)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부 전체면 또는 음극 전류집전체의 전극단자 상부를 제외한 전체면에 보호막을 형성하는 단계; 및 (e)양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 전해질 증착 공정까지는 섀도우 마스크를 사용하지 않고, 그 이후의 공정에서만 섀도우 마스크를 사용하기 때문에 섀도우 마스크의 사용으로 인한 비용이 크게 절감되며, 불량률이 획기적으로 줄어들며, 생산성도 크게 향상된다.
섀도우 마스크, 패턴, 박막 전지, 건식 식각

Description

섀도우 마스크의 사용을 최소화한 박막전지의 제조방법{MATHOD OF PREPARING THIN FILM BATTERY MINIMIZING USE OF SHADOW MASK}
본 발명은 섀도우 마스크의 사용을 최소화한 박막전지의 제조방법에 관한 것이다.
컴퓨터 기술과 이동 통신의 비약적인 발전으로 시작된 정보 혁명에 의해 정보 기기의 디지털화, 소형화, 멀티미디어화가 급속히 진행되고 있다. 대표적인 휴대용 정보 기기인 노트북, PDA(Personal Digital Assistant), 이동 통신 단말기 등의 에너지원으로서 중량이 작으면서도 에너지 밀도가 큰 리튬 전지가 시장을 주도하고 있다.
전자 기기의 소형화가 더욱 진행될 경우 전지가 시스템의 크기를 결정하는 장벽이 되기 쉽다. 이와 같이 전지가 시스템의 크기를 결정짓는 대표적인 예로는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor), 스마트 IC카드, 마이크로 센서, 마이크로 로봇 등이 있다.
도1및 도2는 종래 기술에 따른 박막 전지의 적층구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 박막 전지는 기본적으로 기판(1) 위에 양극전류집전체(2) 및 양극(3)을 형성하고, 열처리 공정 후 전해질(4), 음극전류집전체(6), 음극(5) 및 보호막(7)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 기판을 제외한 전체 두께가 약10~15㎛ 정도가 되도록 제조된다.
박막 전지에 있어서, 박막의 형성은 다양한 방법으로 실시될 수 있는데, 주로 스퍼터링 방식이 사용되고 있다. 스퍼터링은 예컨대, 진공 중에 불활성 가스(주로 아르곤)를 도입시키면서 기판과 재료물질인 타겟 사이에 직류전원(DC) 또는 교류전원(AC)을 인가하여 이온화된 가스이온을 타겟에 충돌시켜서 튕겨져 날아간 타겟 물질을 기판에 성막시키는 방법이다. 공정가스의 경우 성막하고자 하는 물질의 종류에 따라 산소나 질소를 사용하기도 하며, 아르곤과 혼합하여 사용하기도 한다. 교류전원은 타겟 물질이 부도체인 경우에 사용하는데, 주로 라디오 주파수(RF)전원을 말한다.
한편, 양극전류집전체 및 음극 전류집전체, 양극, 전해질 및 음극 등을 기판 상에 집적하여 박막전지를 구성하기 위해서는 각각의 형태에 맞추어 패턴화된 섀도우 마스크가 필요하다. 상기 마스크는 기판표면에 접촉되어 상기 타겟으로부터 입사된 스퍼터링 입자가 선택적으로 패턴화되어 성막될 수 있도록 한다.
그런데, 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 박막을 형성하는 경우에는 다양한 문제가 야기되는 것으로 보고되고 있다. 그러한 문제들의 대표적인 예로는 (i)섀도우 마스크의 제작, 세정, 재생을 위하여 적지 않은 비용이 소요되며, (ⅱ)패턴 경계(가장자리)부에 미세한 박리 또는 두께 불균일 영역이 발생하므로 불량률이 상승되며, (ⅲ)스퍼터링 등의 진공 성막 시 발생하는 열의 영향으로 마스크의 휨 변형에 의한 패턴 번짐이 발생하므로 불량률이 상승되며, (ⅳ)고출력의 반응성 RF스퍼터링에 의한 고체전해질 성막 시 금속 마스크와 기판 간 재질 차이 및 입체적 형상의 영향으로 플라즈마 이상 방전 또는 막의 이상 성장에 의한 기판 및 하부 박막의 손상이 발생되며, (ⅴ)마스크에 누적 성막된 박막의 박리 등에 의하여 파티클이 발생하여 불량률이 상승되며, (ⅵ)구분되어진 각각의 박막에 의한 스트레스 분포가 복잡하므로 불량률이 상승되며, (ⅶ)섀도우 패턴 마스크 제작을 위해 필요한 최소의 패턴 간격이 필요하므로 저밀도로 인한 Batch 당 생산량이 감소되는 문제 등을 들 수 있다(도3참조).
그러므로, 박막전지의 제조에 있어서, 가능하면 섀도우 마스크를 적게 사용하는 것이 바람직하나, 섀도우 마스크 없이 박막의 패턴을 정밀하게 형성하는 것이 기술적으로 어려울 뿐만 아니라 그에 따른 비용도 적지 않기 때문에 바람직한 대안이 제시되지 못하고 있다.
본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 박막전지의 제조 공정에서 섀도우 마스크의 사용 횟수를 크게 줄임으로써, 비용이 절감되고, 불량률이 감소하며, 생산성이 향상되는 박막전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은,
양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체가 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
(b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
(c)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계;
(d)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 및
(e)양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체가 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
(b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
(c)상기 양극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계;
(d)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계; 및
(e)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 의하면, 섀도우 마스크를 사용하는 경우에 대부분의 불량이 야기되는 전해질 증착 공정까지는 섀도우 마스크를 사용하지 않고, 그 이후의 공정에서만 섀도우 마스크를 사용하기 때문에 섀도우 마스크의 사용으로 인한 섀도우 마스크 제작, 세정, 재생 등의 비용이 절감되며, 불량률이 획기적으로 줄어들며, 생산성도 크게 향상된다.
본 발명은, 양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체가 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
(b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
(c)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계;
(d)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 및
(e)양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법에 관한 것이다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계
도4에 예시된 바와 같이, 먼저, 마이카(Mica), 실리콘 웨이퍼, 유리, 세라믹과 같은 기판상의 전체면에 DC와 RF 스퍼터링에 의해 Ti, Cr, TiO2, Pt, Au 등을 사용하여 양극 전류집전체 박막을 형성한다. 이 때 양극전류집전체 박막은 기판상의 전체면에 형성되기 때문에 패턴화된 섀도우 마스크는 사용할 필요가 없다.
이어서, 상기 양극전류집전체 박막의 상부 전체면에 RF 스퍼터링에 의해 LiCoO2 등의 양극활물질을 사용하여 양극 박막을 형성한다. 이 때 양극 박막은 기 양극전류집전체 박막상의 전체면에 형성되기 때문에 패턴화된 섀도우 마스크는 사용할 필요가 없다.
이어서, 상기 양극 박막의 상부 전체면에 RF 스퍼터링에 의해 Lithium Phosphate(Li3PO4) 타겟 물질을 사용하여 전해질 박막을 형성한다. 이 때 전해질 박막은 양극 박막상의 전체면에 형성되기 때문에 패턴화된 섀도우 마스크는 사용할 필요가 없다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제조방법은 섀도우 마스크를 사용하는 경우에 대부분의 불량이 야기되는 전해질 증착 공정까지 섀도우 마스크를 전혀 사용하지 않는다. 따라서, 섀도우 마스크의 사용으로 인한 섀도우 마스크 제작, 세정, 재생 등의 비용 절감, 불량률의 획기적인 감소, 및 생산성 향상의 효과가 제공된다.
(b)전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계
상기 (a)단계에서 형성된 전해질 박막의 위에 음극 전류집전체를 형성하는 방법으로는 일반적인 방법이 채용될 수 있다. 예컨대, 도4에 예시된 바와 같이, 패턴화된 섀도우 마스크를 제작하고, 상기 마스크를 전해질 박막 위에 장착한 후에 DC 스퍼터링에 의해 Cu, Ni 등을 사용하여 음극 전류집전체 박막을 형성한다.
(c)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계
상기 음극을 형성하는 방법으로는 일반적인 방법이 채용될 수 있다. 예컨대, 도4에 예시된 바와 같이, 패턴화된 섀도우 마스크를 제작하고, 상기 마스크를 전해질 박막 및 음극 전류집전체 박막 위에 장착한 후에 진공열증착 또는 E-Beam법 에 의해 Li, SnO2, Si계 합금 등을 사용하여 음극 박막을 형성한다. 이 때, 형성된 음극은 대부분의 면적이 전해질 박막 위에 형성되며, 일부분은 음극 전류집전체와 접촉을 형성하며, 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 형성된다.
(d)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 보호막을 형성하는 단계
상기 보호막을 형성하는 방법으로는 일반적인 방법이 채용될 수 있다. 예컨대, 도4, 단계6에 예시된 바와 같이, 음극 박막을 완전히 덮으며, 음극 전류집전체의 전극단자 상부가 노출되도록 패턴화된 섀도우 마스크를 제작하고, 상기 마스크를 음극 박막이 형성된 박막 전지의 상부면에 장착한 후에 진공증착에 의해 폴리머와 세라믹 다층막으로 형성된 보호막을 형성하는 것을 들 수 있다(도5a 참조). 상기 보호막은 후속 공정인, 전극단자의 노출을 위한 건식식각 공정 및/또는 기판 상에 형성된 전지들을 단위 박막전지로 분리하기 위한 절단 공정을 수행할 때 발생되는 미세 입자에 의한 박막전지의 오염 및 대기 중 수분에 의한 산화를 방지하기 위하여 형성된다. 따라서, 상기와 같은 보호막이 형성되는 경우, 건식식각 및/또는 절단 공정이 완료된 후에 박막전지가 대기 중에서 장기간 보존될 수 있도록 완전히 보호하기 위한 2차 보호막을 더 형성할 수 있다.
또한, 상기 보호막은 상기 음극 전류집전체의 전극단자 상부를 포함하여 음극이 형성된 박막전지 상부의 전체면에 형성될 수도 있다. 이 경우(도5b 참조)에는 패턴화된 섀도우 마스크를 사용할 필요가 없다.
(e)양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계
상기 건식식각에는 이 분야에서 일반적으로 사용되는 장치가 사용될 수 있다. 양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 방법은 도5a 내지 도5b에 예시된 바와 같이 실시될 수 있다. 도5a에 도시된 바와 같이, 보호막의 형성시 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 노출시킨 경우에는 건식식각에 의해 양극 전류집전체의 전극단자 부분만을 식각하여 노출시키면 된다. 그러나, 도5b에 도시된 바와 같이, 보호막이 음극 전류집전체의 상부에도 형성된 경우에는 음극 전류집전체의 전극단자 부분과 양극 전류집전체의 전극단자 부분을 모두 식각해야 한다.
상기 건식식각 단계에서는 기판 상에 형성된 전지들을 단위 박막전지로 분리하기 위한 절단 공정도 함께 수행될 수 있다.
(f)2차 보호막의 형성 단계
상기 건식식각 및/또는 절단 공정이 완료된 후에, 박막전지가 대기 중에서 장기간 보존될 수 있도록 완전히 보호하기 위한 2차 보호막을 더 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은
양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극 및 음극 전류집전체가 기판위에 집 적된 박막전지의 제조에 있어서,
(a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
(b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
(c)상기 양극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계;
(d)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계; 및
(e)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법에 관한 것이다.
상기의 제조방법은 음극 박막을 형성하기 전에 건식식각을 수행하는 것을 제외하고는 상기에서 기술된 방법과 동일하게 수행될 수 있다. 상기 제조방법은 도5c에 의하여 용이하게 이해될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.
도 1 은 박막전지의 일반적인 적층구조를 나타내는 도면이다.
도 2 는 박막전지의 일반적인 적층구조에 있어서, 각 박막층의 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 박막의 증착 공정에서 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하는 경우에 발생하는 증착 불량의 유형을 나타낸 사진이다[(A):패턴 번짐, (B): 패턴 틀어짐, (C): 패턴 에지부 이상 증착, (D):패턴 에지부 박막 리프팅].
도 4는 본 발명의 섀도우 마스크의 사용을 최소화한 박막전지의 제조방법을 공정 흐름에 따라 예시한 도면이다.
도 5a 내지 도5c는 본 발명의 박막전지의 제조방법에 있어서 보호막의 형성 방식과 음극 박막의 형성 순서에 따르는 건식식각 공정을 예시한 도면이다[5a: 1차 보호막형성, 건식식각 및 2차보호막 형성을 순차적으로 수행하는 공정; 5b: 보호막형성 및 건식식각을 순차적으로 수행하는 공정; 5c: 건식식각, 음극 박막 형성 및 보호막형성을 순차적으로 수행하는 공정].

Claims (5)

  1. 양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극전류집전체 및 음극이 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
    (a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
    (b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
    (c)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계;
    (d)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 보호막을 형성하는 단계; 및
    (e)양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (d)단계의 보호막은 음극 박막이 커버링되고 음극 전류집전체의 전극단자는 노출되도록 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 (e)단계의 건식식각 후에, 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 노출시킬 양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자를 제외한 부분에 2차 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (d)단계의 보호막은 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부 전체면에 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
  5. 양극 전류집전체, 양극, 전해질, 음극전류집전체 및 음극이 기판위에 집적된 박막전지의 제조에 있어서,
    (a)기판상에 양극 전류집전체, 양극 박막 및 전해질 박막을 순차적으로 전체면에 형성하는 단계;
    (b)상기 전해질 박막 위에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 음극 전류집전체를 형성하는 단계;
    (c)상기 양극 전류집전체의 전극단자가 노출되도록 건식식각을 수행하는 단계;
    (d)패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 상기 전해질 박막 및 음극 전류집전체와 접촉되고 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 음극 박막을 형성하는 단계; 및
    (e)상기 음극 박막이 형성된 박막전지의 상부에 패턴화된 섀도우 마스크를 사용하여 양극 전류집전체의 전극단자 및 음극 전류집전체의 전극단자가 노출되는 형태로 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지의 제조방법.
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