KR20110099084A - 박막전지 제조장치 - Google Patents

박막전지 제조장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20110099084A
KR20110099084A KR1020110083703A KR20110083703A KR20110099084A KR 20110099084 A KR20110099084 A KR 20110099084A KR 1020110083703 A KR1020110083703 A KR 1020110083703A KR 20110083703 A KR20110083703 A KR 20110083703A KR 20110099084 A KR20110099084 A KR 20110099084A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
thin film
transfer chamber
film battery
transfer
Prior art date
Application number
KR1020110083703A
Other languages
English (en)
Inventor
남상철
박호영
임영창
안근완
이기창
황호성
박준홍
Original Assignee
지에스나노텍 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지에스나노텍 주식회사 filed Critical 지에스나노텍 주식회사
Priority to KR1020110083703A priority Critical patent/KR20110099084A/ko
Publication of KR20110099084A publication Critical patent/KR20110099084A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/26—Vacuum evaporation by resistance or inductive heating of the source
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/564—Means for minimising impurities in the coating chamber such as dust, moisture, residual gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/568—Transferring the substrates through a series of coating stations

Abstract

본 발명은 다면체 이송챔버; 상기 이송챔버의 제 1 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극 전류집전체를 형성하는 제 1 챔버; 상기 이송챔버의 제 2 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극을 형성하는 제 2 챔버; 상기 이송챔버의 제 3 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극에 급속열처리(RTA: rapid thermal annealing)를 수행하는 제 3 챔버; 및 상기 이송챔버의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되는 로드락 챔버인 제 4 챔버를 포함하는 것을 특징으로 박막전지 제조장치에 관한 것이다.

Description

박막전지 제조장치 {A MANUFACTURING DEVICE OF THIN FILM BATTERY}
본 발명은 박막전지 제조장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고진공 상태에서 대기 노출 없이 연속적으로 양극의 급속열처리 공정으로 박막전지를 제조하여, 대기 노출 시 발생할 수 있는 전류집전체를 포함한 전지의 전체 표면산화, 오염층의 발생 및 열화를 효과적으로 제거할 수 있는 박막전지 제조장치에 관한 것이다.
박막전지는 휴대용 전자기기 및 정보통신 기기가 소형화됨에 따라, 이들을 구동하기 위한 전원으로서 전지의 크기가 소형화되고 그 소비전력 또한 낮아지고 있어 이에 대한 이용이 크게 기대된다. 특히 전지를 구성하는 모든 구성요소가 박막화 혹은 고체상으로 이루어져 있으므로 전지를 사용하지 않는 비사용중 자가방전율이 다른 전지에 비해 매우 적고, 수십 ㎛이내의 매우 얇은 기판을 사용할 경우 전지의 비용량이 크게 증가한다는 장점이 있다. 그러나 무엇보다도 세라믹계 박막을 고체전해질로 사용하기 때문에 안전성 측면에서 폭발이나 발화의 위험성이 거의 존재하지 않는 것은 이러한 박막전지의 가장 큰 특징이라 할 수 있다. 하지만 박막전지에 있어 용량을 결정짓는 것은 주로 양극활물질의 두께에 의존하므로 단위셀의 용량이 다른 리튬계 전지에 비해 적다는 단점이 있으며, 이를 극복하기 위하여 단위셀 내에 구성된 양극활물질 박막의 두께를 증가시키거나, 단위셀을 병렬로 스태킹하여 용량을 증대시키고자 연구들이 수행되고 있다. 일반적으로 박막전지는 Ni, Ti, Cr, 스테인레스 스틸(Stainless steel), W, Mo 등과 같은 금속시트(metal sheet), Al2O3, ZrO2, SiO2, 석영, 유리, 운모 등과 같은 세라믹 혹은 유리시트(ceramic or glass sheet), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드 이미드(Polyamide Imide), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌 술파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르 케톤(Polyetherether Ketone), 폴리에테르 케톤(Polyether Ketone) 등과 같은 고분자시트(polymer sheet)를 기판으로 사용하여, 양극, 음극전류집전체, 양극활물질, 고체전해질, 음극활물질 및 보호막 코팅을 순차적으로 증착함으로서 전지를 구성하는 것이다. 전류집전체는 Pt, Au, ITO등과 같은 귀금속류 및 전도성 산화물막이 사용되며, 양극으로서는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1 /3Ni1 /3Mn1 /3O2, V2O5, MnO2, MoO3, 고체전해질로는 Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, 음극으로는 Li, Sn3N4, Si 등이 사용되고 있다.
한편, 전이금속화합물 중 LiCoO2 화합물은 상업적으로 널리 이용되고 있을 뿐 아니라,　다양한 박막증착기법을 이용하여 제조된 LiCoO2 박막을 양극활물질로 하는 전고상 박막전지의 개발도 활발하다. 또한, 주로 PVD법에 의해 상온 증착되는 LiCoO2 박막은 전형적으로 비정질을 나타낸다.
그러나 LiCoO2의 경우, 리튬 인터컬레이션 전극으로서 가역성 및 높은 에너지 밀도를 가지기 위해서는 잘 발달된 결정상이 되어야 한다. 따라서 대부분의 제조공정에서 LiCoO2박막의 결정화 또는 결정성 증대를 위한 고온 열처리 공정이 필요하게 된다. 대부분의 LiMO2(M=Co, Mn, Ni)계 양극박막을 이용한 박막전지는 이의 결정화를 위해 노(furnace)를 이용하여 장시간 열처리를 하였다. PVD법에 의해 증착된 양극활물질을 700℃ 이상의 고온에서 수시간의 열처리를 거치게 되면 박막전지 제조상 다양한 형태의 결점 및 제약을 가져오는데 열처리 시 야기되는 연화(softening), 산화(oxidizing), 층간확산(inter-diffusion) 등이 그것이다. 이와 더불어 노(furnace)를 사용하기 위해서는 PVD법에 의해 진공챔버 내에서 증착된 비정질의 양극활물질박막이 일정 시간 대기 중에 노출되는데, 비정질의 양극할물질박막은 일반적으로 대기중의 수분에 민감하여 표면에 제 2종의 리튬계 산화물을 형성하기가 쉽고, 이로 인해 고체전해질박막 증착시 계면저항의 증가를 초래함으로서 최종 전지의 성능열화를 초래하게 된다. 특히 온-칩(on-chip)화를 목적으로 하는 박막전지에서는 열처리 공정이 매우 중요한데 대기 노출 후 장시간의 열처리는 칩상의 다른 소자에 영향을 주게되어 성능저하를 일으키게 되며 또한 생산성에 있어서도 장애가 된다.
본 발명에서는 열처리 시 야기되는 상기 문제점들을 해결하고자 증착된 양극물질을 대기노출 없이 인-시튜(in-situ) 급속열처리(RTA: Rapid Thermal Annealing) 법을 이용하는 결정성 양극박막의 제조 방법이 적용될 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 박막전지의 양극을 제작할 때 종래 로(furnace) 열처리 대신 양극 박막제조와 제조된 박막의 급속열처리 시 각각의 공정을 대기노출 없이 진공분위기에서 연속적으로 진행하여, 종래의 박막표면에 형성된 산화층과 열화를 제거해 박막전지의 성능향상 및 공정시간 단축을 구현할 수 있는 박막전지 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다면체 이송챔버; 상기 이송챔버의 제 1 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극 전류집전체를 형성하는 제 1 챔버; 상기 이송챔버의 제 2 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극을 형성하는 제 2 챔버; 상기 이송챔버의 제 3 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극에 급속열처리(RTA: rapid thermal annealing)를 수행하는 제 3 챔버; 및 상기 이송챔버의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되는 로드락 챔버인 제 4 챔버를 포함하는 것을 특징으로 박막전지 제조장치를 제공한다.
본 발명은 박막전지의 양극을 제작할 때 종래 로(furnace) 열처리 대신 양극 박막제조와 제조된 박막의 급속열처리 시 각각의 공정을 대기노출 없이 진공분위기에서 연속적으로 진행하여, 종래의 박막표면에 형성된 산화층과 열화를 제거해 박막전지의 성능향상 및 공정시간 단축을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막전지 제조장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막전지 제조장치의 제 3 챔버의 개략적인 구성도이다.
도 3은 30㎛ 두께의 운모 필름 기판상에 3.61㎠의 면적을 갖는 Li/Lipon/LiCoO2/Pt구조의 박막전지의 방전 및 dQ/dV 곡선을 나타낸다.
도 4는 30㎛ 두께의 운모 필름 기판상에 제조된 박막전지를 4.07V의 OCV에서 1㎒에서 50㎒의 주파수 범위에서 교류임피던스를 인가하여 측정한 나이키스트 선도(Nyquist plot)를 나타낸다.
도 5는 30㎛ 두께의 운모 필름 기판상에 제조된 박막전지를 4.2V까지 충전시킨 후, 30C, 20C, 10C의 정전류를 인가하여 방전시킬 때의 방전곡선을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시 예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 일실시예를 따른 박막전지 제조장치를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예를 따른 박막전지 제조장치(10)는 다면체 이송챔버(100)를 포함한다. 상기 다면체 이송챔버(100)의 각 면에는 제 1 챔버(110), 제 2 챔버(120), 제 3 챔버(130), 제 4 챔버(140)가 설치된다.
상기 이송챔버(100)는 수행하려는 복합공정에 따라 설치되는 챔버의 종류 및 수를 조절할 수 있다. 상기 챔버들이 하나의 이송챔버(100)에 연결되어 있으므로, 동일한 분위기, 즉, 진공분위기를 유지하면서 복합공정을 진행할 수 있고, 이로 인해 표면의 수분 반응 및 산화막의 성장을 억제할 수 있고, 파티클 등의 오염원을 차단할 수 있다. 상기 이송챔버(100)는 이송수단으로서 로봇암(101)을 포함할 수 있다.
상기 제 1 챔버(110)는 상기 이송챔버(100)의 제 1 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연통되고, 박막전지용 양극 전류집전체의 형성을 수행한다. 상기 제 1 챔버(110)는 수행하려는 공정에 따라 다양한 공정 챔버일 수 있다. 본 발명에서, 상기 제 1 챔버(110)는 양극 전류집전체를 형성하기 위한 증착챔버인 것이 바람직하다. 상기 제 1 챔버(110)가 증착챔버일 경우, 챔버 내에 일정한 패턴을 갖는 하드 마스크 및 마스크 얼라이너가 포함될 수 있다. 여기서, 상기 하드 마스크는 이송챔버로부터 장입된 기판이 스테이지에 안착된 후 하강하여 기판에 밀착되며, 증착공정이 완료 후 상승하여 기판이 스테이지로부터 이송챔버로 반출된다.
상기 제 2 챔버(120)는 상기 이송챔버(100)의 제 2 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연통되고, 박막전지용 양극을 형성하는 챔버이다. 상기 제 2 챔버(120)도 수행하려는 공정에 따라 다양한 공정 챔버일 수 있다. 본 발명에서는, 상기 제 2 챔버(120)가 상기 양극 전류집전체 상에 양극을 형성하기 위한 증착챔버인 것이 바람직하다. 상기 제 2 챔버(120)가 증착챔버일 경우, 챔버 내에 일정한 패턴을 갖는 하드 마스크 및 마스크 얼라이너가 포함될 수 있다. 여기서, 상기 하드 마스크는 이송챔버로부터 장입된 기판이 스테이지에 안착된 후 하강하여 기판에 밀착되며, 증착공정이 완료 후 상승하여 기판이 스테이지로부터 이송챔버로 반출된다.
상기 제 3 챔버(130)는 상기 이송챔버(100)의 제 3 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연통되고, 박막전지용 양극에 열처리를 수행하는 챔버이다. 상기 제 3 챔버(130)는 급속열처리 챔버인 것이 바람직하다.
한편, 도 2는 상기 제 3 챔버(130)의 급속열처리 챔버일 경우, 챔버 내에 설치된 양극 열처리장치를 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 박막전지 제조장치는 내부에, 기판이 안착되는 스테이지 및 상기 스테이지와 대응되는 일면에 위치하고, 할로겐 램프와 상기 램프가 장착되는 램프 블록을 포함하는 램프 히터를 포함한다.
다시 이어서, 상기 제 4 챔버(140)는 상기 이송챔버(100)의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연통되고, 박막전지 제조장치에 공정을 수행하기 위한 기판 등을 제공하는 로드락 챔버이다. 상기 제 4 챔버(140)는 기판 카세트 및 기판 이송 유닛과 연결될 수 있다. 상기 제 4 챔버(140)는 다른 박막전지 제조장치와 연통되기 위하여, 드라이 컨베이어(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 드라이 컨베이어(170)는 수분이 없는 건조(Dry)상태로 유지된다.
본 발명의 박막전지 제조장치는 제 5 챔버와 제 6 챔버를 더 설치할 수 있다.
상기 제 5 챔버(150)는 상기 이송챔버(100)의 제 5 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 고체전해질을 형성하는 챔버이다. 상기 제 5 챔버(150)는 수행하려는 공정에 따라 다양한 공정 챔버일 수 있다. 본 발명에서, 상기 제 5 챔버(150)는 고체전해질을 형성하기 위한 증착챔버인 것이 바람직하다. 상기 제 5 챔버(150)가 증착챔버일 경우, 챔버 내에 일정한 패턴을 갖는 하드 마스크 및 마스크 얼라이너가 포함될 수 있다. 여기서, 상기 하드 마스크는 이송챔버로부터 장입된 기판이 스테이지에 안착된 후 하강하여 기판에 밀착되며, 증착공정이 완료 후 상승하여 기판이 스테이지로부터 이송챔버로 반출된다.
상기 제 6 챔버(160)는 상기 이송챔버의 제 6 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 음극 전류집전체를 형성하는 챔버이다. 상기 제 6 챔버(160)는 수행하려는 공정에 따라 다양한 공정 챔버일 수 있다. 본 발명에서, 상기 제 6 챔버(160)는 음극 전류집전체를 형성하기 위한 증착챔버인 것이 바람직하다. 상기 제 6 챔버(160)가 증착챔버일 경우, 챔버 내에 일정한 패턴을 갖는 하드 마스크 및 마스크 얼라이너가 포함될 수 있다. 여기서, 상기 하드 마스크는 이송챔버로부터 장입된 기판이 스테이지에 안착된 후 하강하여 기판에 밀착되며, 증착공정이 완료 후 상승하여 기판이 스테이지로부터 이송챔버로 반출된다.
이하, 본 발명의 일실시예를 따른 박막전지 제조장치를 이용한 박막전지의 제조방법을 설명한다.
상기 이송챔버(100)에, 박막전지용 기판이 카세트(미도시), 기판 이송 유닛(미도시), 및 상기 제 4 챔버(140)를 거쳐서, 이송된다. 상기 기판은 금속, 세라믹 또는 플라스틱 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
이어서, 상기 기판이 상기 로봇암(101) 등의 이송수단을 통하여, 상기 이송챔버(100)의 제 1 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연통된 제 1 챔버(110)로 상기 기판이 이송된다. 상기 제 1 챔버(110)에서 상기 기판 상에 양극 전류집전체가 형성된다. 상기 양극 전류집전체는 증착법으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 양극 전류집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 인듐틴옥사이드(ITO), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 스테인레스 스틸, 하스텔로이, 인코넬 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 양극 전류집전체 형성공정이 완료되면, 상기 이송챔버(100)에 설치된 로봇암(101)을 통하여, 상기 이송챔버(100)의 제 2 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 2 챔버(120)로 상기 양극 전류집전체가 형성된 기판이 이송된다. 상기 제 2 챔버(120)에서 양극 전류집전체 상에 양극을 형성한다. 상기 양극은 증착법 또는 스퍼터링법으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 양극은 LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, V2O5, LiNiCoO2, LiNiMnO2, LiCoMnO2 LiV2O5 LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, MnO2, 또는 MoO3중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
이어서, 상기 양극 형성 공정이 완료되면, 상기 이송챔버(100)에 설치된 로봇암(101)을 통하여, 상기 이송챔버(100)의 제 3 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 3 챔버(130)로 이송된다. 상기 제 3 챔버(130)에서 양극의 열처리 공정을 수행한다. 상기 양극의 열처리 공정은 리튬계 전이금속산화물 양극박막을 진공상태에서 열처리시 발생할 수 있는 Li과 같은 휘발성 원소의 감소에 의한 양극특성저하를 방지하기 위해 대기압에서 급속열처리법으로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 급속열처리법은 챔버 내 분위기가 Ar 또는 N2 100%, 공정압력이 대기압 상태에서, 램프히터로 상온에서 10초 내지 20분 사이로 설정된 시간 내에 기판표면온도를 300℃ 내지 800℃ 사이로 설정된 온도로 도달함으로써 수행되는 것이 바람직하다. 상술한 범위로 공정을 수행하면 양극의 연화, 산화 및 층간확산이 방지되고, 박막전지의 다른 소자의 성능 저하를 방지하는 이점이 있다.
이어서, 상기 양극의 열처리 공정이 완료되면, 상기 이송챔버(100)에 설치된 로봇암(101)을 통하여, 상기 이송챔버(100)의 제 5 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 5 챔버(150)로 상기 열처리된 양극이 형성된 기판이 이송되거나, 상기 이송챔버(100)의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 4 챔버(140)로 이송된다.
상기 제 5 챔버(150)로 이송될 경우, 상기 제 5 챔버(150)에서는 상기 열처리된 양극 상에 고체전해질을 형성한다. 상기 고체전해질은 증착법으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고체전해질은 전해액과 반응성이 없고 리튬 이온 전도성이 있으며 전기 전도성이 없는 물질이 가능하다. 또한 상기 고체전해질은 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), Li3PO4(lithium phosphate), Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, LiSiPON (lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것이 바람직하다. 상기 고체 전해질막은 리튬이온이 포함된 세라믹계 고체전해질일 경우, 상온에서의 리튬 이온전도도는 수 × 10-6 S/cm 정도로 기존 액상 혹은 고분자 전해질에 비해 낮으나, 그 두께가 수천-수 마이크론으로 매우 얇아 전지가 작동하는데 문제가 발생하지 않는다. 또한 액체가 전혀 포함되지 않으므로 누액의 위험이 전혀 없으며 특히 고온에서 발화의 위험성도 없어 전지의 안전성을 극대화 시킬 수 있다.
이어서, 상기 고체전해질의 형성이 완료되면, 상기 이송챔버(100)에 설치된 로봇암(101)을 통하여, 상기 이송챔버(100)의 제 6 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 6 챔버(160)로 상기 고체전해질이 형성된 기판이 이송되거나, 상기 이송챔버(100)의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 4 챔버(140)로 이송된다. 상기 제 6 챔버(160)에서는 상기 고체전해질 상에 음극 전류집전체를 형성한다. 상기 음극 전류집전체는 증착법으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 음극 전류집전체는 전기 전도성을 가지는 물질이 가능하다. 또한, 상기 음극 전류집전체로는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 스테인레스 스틸, 하스텔로이, 인코넬 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 사용되는 것이 바람직하다.
상기 음극 전류집전체 공정이 완료되면, 상기 이송챔버(100)의 제 6 면을 통해 상기 이송챔버(100)와 연결된 상기 제 4 챔버(140)로 상기 음극 전류집전체가 형성된 기판이 이송된다. 상기 제 4 챔버(140)에서 상기 드라이 컨베이어(170)으로 이송된다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
30㎛ 두께의 운모 필름 기판상에 1.9㎝ × 1.9㎝의 양극활물질 면적을 갖는 박막전지를 제조하였다. 더 구체적으로 설명하면, 양극 전류집전체 및 LiCoO2 양극활물질박막은 Fe(50㎚)/Pt(200㎚)/LiCoO2(3㎛)의 구조로, Pt 양극전류집전체는 박막전지용 양극 전류집전체를 형성하는 제 1 챔버에서 증착하였고, LiCoO2 양극활물질박막은 박막전지용 양극을 형성하는 제 2 챔버에서 증착하였으며, 양극활물질박막의 열처리는 급속열처리를 수행하는 제 3 챔버에서 수행하여 제조하였다. 모든 공정은 로드락 챔버인 제 4 챔버에 기판을 장입하고 이를 다면체 이송챔버에 장착된 로봇암을 통해 각 챔버로 이송함으로서, 공정중 대기와 노출되지 않도록 진공챔버 내에서 인-시튜 증착되었다. 양극전류집전체는 DC 마그네트론 스퍼터를 사용하여 증착하였으며, 기판과 양극전류집전체와의 접착력 향상을 위해 Fe를 층간 접착층으로 사용하였다. 이 중 LiCoO2 박막은 상온에서 고주파 마그네트론 스퍼터를 이용하여 Ar분위기에서 증착되었다. 증착된 LiCoO2 박막은 할로겐램프가 장착된 급속열처리장치에서 열처리 되었는데, 이때 챔버를 먼저 진공상태를 유지시킨 후, Ar을 주입하여 대기압과 같게 하였다. 열처리 온도는 560℃로 하였고　10분간 유지함과 동시에 승온 및 하강속도를 조절하여 최대 열처리 공정시간을 30분 이내로 하였다. 전고상 박막전지는 고체전해질 박막을 형성하는 제 5 챔버에서 Li3PO4 타켓을 순수한 질소 분위기 하에서 스퍼터링함으로서 형성된 LiPON 박막을 2㎛두께로 증착하여 사용하였다. 음극전류집전체는 음극전류집전체를 형성하는 제 6 챔버에서 Ni을 DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 300㎚로 증착하여 사용하였다. 음극활물질은 금속리튬을 사용하였으며, 이를 증착하기 위해 다면체 이송챔버에 장착된 로봇암을 통해 제 6 챔버에서 로드락 챔버인 제 4 챔버로 이송하여 이를 챔버와 연결된 글로브박스에서 이송박스에 장입한 후, 이를 드라이룸으로 별도 이송하여 진공열증착기를 이용하여 증착하였으며, 이때 증착두께는 2㎛이었다.
도 3은 상기에 기술한 방법에 의해 제조된 박막전지를 초기 4.2V까지 충전 후 1C 비율(약 500㎂의 정전류 방전)로 방전시킬 경우의 방전곡선을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 전형적인 결정구조의 LiCoO2의 방전곡선을 나타내고 있음을 알 수 있다. LiCoO2 양극활물질의 경우 열처리가 미흡한 경우에는 일반적으로 비정질 혹은 스피넬 구조를 나타내게 된다. 비정질의 경우에는 방전 중 전위평탄화 영역이 존재하지 않고 매우 급격하게 전위가 감소함으로써 용량을 거의 갖지 않으며, 대기중의 수분에 민감하게 반응하게 되어 대기와 접촉 시 전극표면에 제 2 상(second phase)을 형성함으로써 충방전 시 리튬의 이동을 방해하게 된다. 스피넬 구조의 경우에도 3.9V 영역에서 나타나는 주된 전위 평탄화 영역 이외에 3.6~3.7V 부근의 낮은 전위에서 전위평탄화 영역이 추가적으로 나타나게 되는데, 도 3 내부에 삽입된 dQ/dV vs. V 그림과 같이 약 3.9V 이하에서는 전위평탄화 영역이 존재하지 않았다. 오히려 4.15V 와 4.05V 에서 미약한 피크(peak)들이 발견되었는데, 이는 LiCoO2의 결정상에서 리튬이온 배열의 질서/무질서(order/disorder) 혹은 헥사고날/모노클리릭(hexagonal/monoclinic)으로의 상전이라고 정의할 수 있으므로 제조된 박막전지가 인-시튜 공정 및 급속열처리 과정을 거치면서 전극표면에 제 2 상의 형성 없이 결정화가 매우 잘 되었음을 알 수 있다. 이러한 결과는 AC 임피던스 결과에서 좀더 명확히 설명될 수 있다.
도 4는 제조된 박막전지를 사용하여 상온, 4.07V의 OCV에서 1 MHz 에서 50 mHz 의 주파수 범위에 걸쳐 임피던스를 측정한 나이키스트 선도(Nyquist plot)를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면 고주파 혹은 중주파 영역에서 반원(semicircle)이 나타남을 알 수 있다. 이러한 반원은 박막전지에 있어 양극 및 음극전류집전체에서 발생하는 전극저항(Re), 고체전해질박막의 저항(Rel), 음극으로 사용된 리튬금속과 고체전해질 사이의 계면 및 전하이동저항을 무시한다고 가정할 때, 양극박막과 고체전해질 사이에서 발생하는 계면저항(Ri) 및 전하이동저항(Rct)으로 나눌 수 있으며, 이 경우 계면저항과 전하이동저항을 나타내는 두번째 반원이 상대적으로 매우 작게 나타내는 현상으로부터 도 1 에서 기술한 바와 마찬가지로 양극박막표면에 리튬의 이동을 방해하는 제 2 상이 형성되지 않았음을 증명하고 있음을 알 수 있다. 이때 첫번째 반원의 크기로부터 계산된 고체전해질박막의 리튬이온전도도는 1.2 x 10-6 S/cm 이었다.
도 5는 상기에 기술한 방법에 의해 제조된 박막전지의 시간에 따른 펄스 방전곡선을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 약 500uAh의 용량을 갖는 박막전지를 초기에 4.2V까지 충전시킨 후 수십분 동안 전류를 인가하지 않는 휴지기를 거치게 함으로서 4.187V의 OCV를 유지하도록 한 후, 순간적으로 높은 전류를 수초간 인가하여 방전전압을 관찰한 그래프이다. 15 ㎃(약 30C rate에 해당)의 높은 전류를 박막전지에 인가하여 방전시킬 때, 전지의 내부저항으로 인하여 전압은 3.25 V까지 감소하였으나 전지의 사용구간을 3.0 V 까지라고 할 때, 정상적으로 전지가 동작하고 있음을 알 수 있다. 박막전지가 지니고 있는 전하량이 1.8C 일 때, 15 mA 의 전류가 인가된 시간 동안의 전하량은 0.975C으로 약 54.2%의 전기량이 흘렀음을 알 수 있다. 이와 마찬가지로 10㎃ (약 20C rate에 해당)와 5 mA(약 10C rate에 해당)의 전류를 인가하여 방전하였을 때도 전지에 별다른 영향 없이 동작을 잘 하고 있음을 알 수 있으며, 10㎃와 5㎃의 방전전류 인가 시 전체 전기량 대비 25.0% 와 12.5%로서 3.0V까지 방전시킬 때 전체 전하량 대비 91.7%의 전하량이 펄스방전 시험에서 발현되고 있음을 알 수 있다. 오옴의 법칙(ohm’s law)을 이용하여 전지 내부저항을 계산한 결과 약 62Ω~65Ω으로 도 4의 임피던스 결과와(약 60Ω) 유사한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 박막전지에 있어 양극활물질박막은 진공을 파기하지 않는 인-시튜 공정과 급속열처리과정을 거칠 경우 계면저항을 감소시켜 펄스형태의 고율방전에도 전지에 영향을 주지 않고 작동함을 알 수 있다.
10 : 박막전지 제조장치 100 : 다면체 이송챔버
101 로봇암 110 : 제 1 챔버
120 : 제 2 챔버 130 : 제 3 챔버
140 : 제 4 챔버 150 : 제 5 챔버
160 : 제 6 챔버 170 : 드라이 컨베이어

Claims (5)

  1. 다면체 이송챔버;
    상기 이송챔버의 제 1 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극 전류집전체를 형성하는 제 1 챔버;
    상기 이송챔버의 제 2 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극을 형성하는 제 2 챔버;
    상기 이송챔버의 제 3 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 양극에 급속열처리(RTA: rapid thermal annealing)를 수행하는 제 3 챔버; 및
    상기 이송챔버의 제 4 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되는 로드락 챔버인 제 4 챔버를 포함하고,
    상기 이송챔버, 제 1 내지 제 4 챔버간 반송 시 인-시튜(in-situ) 진공상태를 유지하고,
    상기 제 3 챔버의 챔버 내 분위기가 Ar 또는 N2 100%이고,
    상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버는 일정한 패턴을 갖는 하드마스크를 포함하고,
    상기 하드마스크는 상기 이송챔버로부터 장입된 기판이 스테이지에 안착된 후 하강하여 기판에 밀착되며, 증착공정이 완료된 후 상승하여 기판이 스테이지로부터 상기 이송챔버로 반출되는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이송챔버는
    이송수단으로 로봇암을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 3 챔버는
    기판이 안착되는 스테이지와,
    상기 스테이지와 대응되는 일면에 위치하고, 할로겐 램프와 상기 램프가 장착되는 램프 블록을 포함하는 램프 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버는
    증착 챔버인 것을 특징으로 하는 박막전지 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 박막전지 제조장치는
    상기 이송챔버의 제 5 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 고체전해질을 형성하는 제 5 챔버; 및
    상기 이송챔버의 제 6 면을 통해 상기 이송챔버와 연통되고, 박막전지용 음극 집전체를 형성하는 제 6 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조장치.
KR1020110083703A 2011-08-22 2011-08-22 박막전지 제조장치 KR20110099084A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110083703A KR20110099084A (ko) 2011-08-22 2011-08-22 박막전지 제조장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110083703A KR20110099084A (ko) 2011-08-22 2011-08-22 박막전지 제조장치

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080035137A Division KR101069256B1 (ko) 2008-04-16 2008-04-16 박막전지 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110099084A true KR20110099084A (ko) 2011-09-06

Family

ID=44952199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110083703A KR20110099084A (ko) 2011-08-22 2011-08-22 박막전지 제조장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110099084A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101855772B (zh) 锂电池及其制造方法
Kuwata et al. Thin-film lithium-ion battery with amorphous solid electrolyte fabricated by pulsed laser deposition
US9093707B2 (en) MultiLayer solid electrolyte for lithium thin film batteries
KR101605929B1 (ko) 박막전지용 장벽층
CN102738516B (zh) 正极及蓄电装置的制造方法
WO2010119754A1 (ja) 固体電解質電池の製造方法および固体電解質電池
US10084207B2 (en) Substrate for solid-state battery
JP2011108532A (ja) 固体電解質電池および正極活物質
KR101154545B1 (ko) 향상된 전류 집전 효율을 갖는 박막 전지
KR20130106965A (ko) 고온 열처리가 가능한 플렉시블 박막전지 및 이의 제조방법
TW201404902A (zh) 以低溫退火進行之電化學裝置製造製程
CN102124600B (zh) 发电元件以及具有该发电元件的非水电解质电池
US20180212270A1 (en) Graphite modified lithium metal electrode
CN107464913B (zh) 一种生产全固态薄膜锂电池的方法
TWI587398B (zh) 電化學裝置的微波快速熱處理
WO2012111783A1 (ja) 固体電解質電池
KR101200306B1 (ko) 음극 성능이 개선된 박막전지 및 이의 제조방법
KR101069256B1 (ko) 박막전지 제조방법
KR20110099084A (ko) 박막전지 제조장치
JP2004183078A (ja) 積層薄膜とその製造方法ならびにそれを用いた全固体リチウムイオン二次電池
JP2011154890A (ja) 非水電解質電池および非水電解質電池用固体電解質層の形成方法
KR101131555B1 (ko) 박막 전지 제조용 패턴 마스크, 박막 전지 및 그 제조 방법
CN110838597A (zh) 一种薄膜锂电池的制备方法
JP7206100B2 (ja) 全固体型薄膜リチウム電池用負極および全固体型薄膜リチウム電池
Goncalves et al. Integrated solid-state film lithium battery

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
WITN Withdrawal due to no request for examination