KR20120030367A - 고전력，고에너지，대면적 에너지 저장 소자들 - Google Patents
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Abstract
쉽게 제조 가능한 고전력, 고에너지, 대면적 에너지 저장 소자가 설명된다.에너지 저장 소자는 대면적 코팅 시스템들과 같은 대면적 프로세싱 툴들과 호환될 수 있는 프로세스들과 가요성 박막 기판들과 호환될 수 있는 선형 프로세싱 시스템들을 사용할 수 있다. 에너지 저장 소자들은 배터리들, 슈퍼-커패시터들 및 울트라-커패시터들을 포함할 수 있다. 에너지 저장 소자는 단일 기판 상에 형성되는 다수의 박막 셀들 ? 상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결됨 ? 을 포함할 수 있고, 상기 다수의 셀들 중 각각의 셀은: 상기 기판의 표면 상의 집전 장치; 상기 집전 장치 상의 제1 전극; 상기 제1 전극 위의 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전해질 층을 포함한다. 게다가, 에너지 저장 소자는 단일 기판 상에 형성되는 복수의 박막 셀들 ? 상기 복수의 셀들은 네트워크로 전기적으로 연결됨 ? 을 포함할 수 있고, 상기 네트워크는 상기 복수의 셀들의 개별 셀들 사이의 병렬 및 직렬 전기 연결들 모두를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 박막 에너지 저장 소자들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전력 및 고에너지를 갖는 대면적(large area) 에너지 저장 소자들에 관한 것이다.
에너지 저장 소자들은 배터리들, 박막 배터리(TFB)들, 커패시터들, 슈퍼커패시터들 및 울트라커패시터들과 같은 폭넓은 범위의 소자들을 포함한다. 이들 에너지 저장 소자들은 (마이크로-센서들, 스마트 카드들, 실시간 클록들 등에 대한) 마이크로-전력원들 그리고 (휴대폰들, PDA들, 랩톱들, 전력 툴들, 운송, 중공업, 발전 및 송전, 재생 에너지 발전을 위한 보충 에너지 저장소 등에 대한) 더 큰 전력/에너지원들을 포함하는 매우 다양한 애플리케이션들에서 사용된다.
산업계 및 과학계 내부의 많은 노력에도 불구하고, 에너지 저장 소자들의 아래의 특성들: 전력 전달 능력; 에너지 저장 용량; 대면적 확장성(large area scalability); 및 제조가능성(manufacturability)을 향상시킬 필요가 존재한다. 그러므로, 에너지 저장 소자들의 성능 및 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있는 개념들 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 쉽게 제조될 수 있는 고전력, 고에너지, 대면적 에너지 저장 소자들을 제공한다. 본 발명의 접근법은, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 대면적 코팅 시스템들과 같은 대면적 프로세싱 툴들과 호환될 수 있는 프로세스들의 사용을 포함한다. 본 발명의 접근법은 또한, 이들로 제한되는 것은 아니지만, 가요성 박막 기판들과 호환될 수 있는 선형 프로세싱 시스템들의 사용을 포함한다. 에너지 저장 소자들은 배터리들, 슈퍼커패시터들 및 울트라-커패시터들 ? 이들의 기본 구조는 포지티브 전극, 고체 상태 전해질, 및 네거티브 전극으로 구성됨 ? 을 포함할 수 있고, 네거티브 및/또는 포지티브의 단자 집전 장치(current collector)들을 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 에너지 저장 소자들의 실시예들은 고충전용량 및 고전압 능력을 갖는 포지티브 전극 재료들, 고충전용량을 갖는 네거티브 전극 재료들, 및 높은 전기화학적 안정성, 높은 이온 전도도 및 매우 낮은 전기 전도성을 갖는 전해질들로 구성될 수 있다.
본 발명의 양상들에 따르면, 에너지 저장 소자를 제조하는 방법 ? 여기서, 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 다수의 셀들을 포함하고, 상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결됨 ? 은: 상기 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 증착시키는 단계 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?; 다수의 집전 장치 스트라이프(stripe)들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하는 단계; 다수의 제1 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 제1 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 대응하는 하나의 집전 장치 스트라이프의 최상부에 있음 ?; 및 다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ? 를 포함하고, 여기서 상기 다수의 전기적으로 연결된 셀들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 하나의 집전 장치 스트라이프, 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 대응하는 제1 전극 스트라이프, 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 중 대응하는 제2 전극 스트라이프, 및 상기 전해질의 층의 대응하는 부분을 포함한다. 상기 다수의 셀들은 셀들의 직렬 체인으로 구성될 수 있고, 상기 다수의 셀들 중 하나의 셀에 대응하는 집전 장치 스트라이프는 상기 다수의 셀들 중 상기 하나의 셀에 인접한 셀에 대응하는 제2 전극 스트라이프에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 추가 양상들에 따르면, 에너지 저장 소자를 제조하는 제2 방법 ? 여기서, 상기 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 복수의 셀들을 포함하고, 상기 복수의 셀들은 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결됨 ? 은: 상기 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 증착시키는 단계 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?; 다수의 집전 장치 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하는 단계; 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 상에 복수의 제1 영역 전극들을 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 복수의 제1 영역 전극들은 다수의 제1 영역 전극 행들로 형성되고, 상기 다수의 제1 영역 전극 행들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 상이한 하나의 집전 장치 스트라이프에 대응함 ?; 및 다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 상이한 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ? 를 포함하고, 여기서 상기 복수의 셀들 각각은 상기 복수의 제1 영역 전극들 중 하나의 제1 영역 전극, 및 집전 장치 스트라이프, 제2 전극 스트라이프 및 전해질 층의 대응하는 부분들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상들에 따르면, 에너지 저장 소자는 단일 기판 상에 형성되는 다수의 박막 셀들을 포함하고, 상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결되며, 상기 다수의 셀들의 각각의 하나의 셀은: 상기 기판의 표면 상의 집전 장치; 상기 집전 장치 상의 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 있는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 전해질 층을 포함한다. 상기 다수의 셀들 중 제1 셀 및 상기 다수의 셀들 중 제2 셀은, 상기 셀들 중 상기 제1 셀에 대응하는 집전 장치 스트라이프가 상기 셀들 중 상기 제2 셀에 대응하는 제2 전극 스트라이프에 전기적으로 접촉됨으로써, 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 셀들 중 상기 제1 셀은 상기 기판 상의 상기 셀들 중 상기 제2 셀에 인접한다.
본 발명의 추가 양상들에 따르면, 제2 에너지 저장 소자는 단일 기판 상에 형성되는 복수의 박막 셀들을 포함하고, 상기 복수의 셀들은 네트워크로 전기적으로 연결되고, 상기 네트워크는 상기 복수의 셀들의 개별 셀들 사이의 병렬 및 직렬 전기 연결들 모두를 포함하고, 상기 복수의 셀들은: 상기 기판의 표면 상의 다수의 집전 장치 스트라이프들 ? 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들은 상호 병렬임 ?; 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 상의 복수의 제1 셀 전극들 ? 상기 복수의 제1 셀 전극들은 상기 복수의 셀들에 대응함 ?; 상기 복수의 제1 셀 전극들 위에 있는 다수의 제2 전극 스트라이프들 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들에 병렬임 ?; 및 상기 복수의 제1 셀 전극들 및 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 사이의 전해질 층을 포함한다. 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들은 상기 복수의 셀들의 병렬 전기 연결을 제공할 수 있다. 상기 복수의 셀들은 셀들의 행(row)들을 포함할 수 있고, 상기 셀들의 행들은 서로 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 이들 양상들 및 특징들과 다른 양상들 및 특징들은 첨부된 도면들과 함께 본 발명의 특정한 실시예들의 아래의 설명의 리뷰시 당업자에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 대면적 기판들 상의 에너지 저장 소자들의 제조를 위한 릴-투-릴 툴(reel-to-reel tool) 셋업에 대한 도면이다.
도 2는 직렬 연결된 배터리 셀들의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 2의 개략도에 대응하는 대면적 기판 상의 배터리 셀들에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 직렬 및 병렬 모두로 연결된 배터리 셀들의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 4의 개략도에 대응하는 대면적 기판 상의 배터리 셀들에 대한 도면이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 소자 제조 프로세스를 도시한다.
도 7은 도 4의 배터리 셀 네트워크의 일부의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 6b 및 도 7의 구조에 대응하는 패터닝된 캐소드 집전 장치 및 캐소드 층들의 평면도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 셀들의 직렬 전기 연결을 나타내는 에너지 저장 소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 소자들의 제조를 위한 프로세스 라인의 개략도이다.
도 2는 직렬 연결된 배터리 셀들의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 2의 개략도에 대응하는 대면적 기판 상의 배터리 셀들에 대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 직렬 및 병렬 모두로 연결된 배터리 셀들의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 4의 개략도에 대응하는 대면적 기판 상의 배터리 셀들에 대한 도면이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 소자 제조 프로세스를 도시한다.
도 7은 도 4의 배터리 셀 네트워크의 일부의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 6b 및 도 7의 구조에 대응하는 패터닝된 캐소드 집전 장치 및 캐소드 층들의 평면도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 셀들의 직렬 전기 연결을 나타내는 에너지 저장 소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 소자들의 제조를 위한 프로세스 라인의 개략도이다.
본 발명의 실시예들이 이제 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이고, 상기 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 실례적 예들로서 제공된다. 특히, 하기의 도면들 및 예들은 본 발명의 범위를 단일 실시예로 제한시키는 것으로 의미되는 것이 아니고, 설명되거나 예시되는 엘리먼트들 중 일부 또는 전부의 교환을 통한 다른 실시예들이 가능하다. 게다가, 본 발명의 특정 엘리먼트들이 알려진 컴포넌트들을 이용하여 부분적으로 또는 완전히 구현될 수 있는 경우, 본 발명의 이해를 위해 필요한 이러한 알려진 컴포넌트들 중 단지 해당되는 부분들만이 설명될 것이며, 이러한 알려진 컴포넌트들 중 다른 부분들의 상세한 설명들은 본 발명이 불명료해지지 않도록 생략될 것이다. 본 명세서에서, 단수의 컴포넌트를 나타내는 실시예가 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다; 그보다는, 본 발명은, 본 명세서에서 다른 방식으로 명시적으로 언급되지 않는 한, 복수의 동일한 컴포넌트를 포함하는 다른 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다(그 반대의 경우도 마찬가지다). 게다가, 출원인들은 명세서 또는 청구항들에서의 임의의 용어가 또한 명시적으로 언급하지 않는 한 흔하지 않거나 특별한 의미인 것으로 생각되도록 의도하지 않는다. 추가로, 본 발명은 실례로 본 명세서에서 언급된 알려진 컴포넌트들에 대한 현재 및 미래에 알려지는 균등물들을 포함한다.
에너지 저장 소자들이 본 명세서에서 일반적으로 설명되고, TFB 장치들의 특정 예들이 제공된다. 그러나, 본 발명의 개념들은 TFB들로 제한되지 않고, 배터리들, TFG들, 커패시터들, 슈퍼커패시터들 및 울트라커패시터들을 포함하는 에너지 저장 소자들에 일반적으로 적용될 수 있다. 게다가, 대면적 TFB들의 특정 예들이 제공된다. 그러나, 본 발명의 개념들은 대면적 에너지 저장 소자들로 제한되지 않고, (마이크로-센서들, 스마트 카드들 등에 대한) 마이크로-전력원들, (휴대폰들, PDA들, 랩톱들, 전력 툴들 등에 대한) 더 큰 전력/에너지원들, 및 대형 에너지 저장 소자들(예컨대, 솔라 패널들 뒤에 장착하기 위한 미터-스케일(meter-scale) 장치들)을 포함하는 에너지 저장 소자들에 일반적으로 적용될 수 있다.
에너지 저장 소자들은 기판들 상에 형성된다. 릴-투-릴 프로세싱에 적절한 가요성 대면적 기판들의 특정 예들이 제공된다. 그러나, 본 발명의 개념들은 대면적 기판들로 제한되지 않고, 반도체 기판들, 대면적 기판들, 가요성 대면적 기판들, 전도성/금속성 및 유전체 기판들 등을 포함하는 폭넓은 범위의 기판들 상에 형성되는 에너지 저장 소자들에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 대면적 기판들 상에 박막 에너지 저장 소자들의 제조를 위한 릴-투-릴 툴 셋업의 도면이다. 가요성 대면적 기판(2)이 릴들(3) 상에 장착되고, 표시된 바와 같이, 프로세싱 툴(4)을 통해 이동된다. 프로세싱 툴(4)은 대면적 코터(coater)와 같은 증착 장비, 및 패터닝 장비를 포함할 수 있다. 설명의 용이성을 위해, 단 한 개의 프로세싱 툴이 도시된다; 그러나, 다수의 프로세싱 툴들이 동일한 릴-투-릴 툴 셋업 상에서 사용될 수 있다. 도 10을 참조하라. 에너지 저장 소자들은 기판(2) 상에 제조되는 많은 수의 에너지 저장 소자 셀들을 포함할 수 있다. 에너지 저장 소자 셀들은 상기 기판의 폭을 가로지르는 스트라이프들로서 포맷될 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 소자 내의 제1의 두 개의 층들인 집전 장치 스트라이프들(7) 상의 캐소드 스트라이프들(5)이 도 1에서 도시된다; 캐소드 스트라이프들은 에너지 저장 소자의 개별 셀들을 한정한다. 대안적으로, 에너지 저장 소자는 더 작은 에너지 저장 소자 셀들의 행들로서 포맷될 수 있다. 예컨대, 집전 장치 스트라이프들(7) 상의 캐소드 영역들(6)이 또한 도 1에서 도시된다; 캐소드 영역들은 에너지 저장 소자의 개별 셀들을 정의한다. 에너지 저장 소자들의 구조의 더 완전한 설명을 위해 아래를 참조하라. 명확하게, 에너지 저장 소자들은 매우 다양한 상이한 포맷들을 가질 수 있고, 본 발명의 실시예들은 도 1에 도시된 포맷들로 제한되지 않는다.
도 2는 전기적으로 직렬 연결된 배터리 셀들(11)의 개략도이다. 직렬 체인(10)의 배터리 셀들(11)은 전기 연결기들(12)에 의해 직렬 연결되며, 여기서 배터리 셀들이 C1, C2, ...로 지칭된다. 잘 알려진 바와 같이, 배터리 셀들(11)의 이러한 체인들(10)은 개별 배터리 셀들(11) 양단의 전압들의 합인 출력 전압을 제공한다. 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 2의 개략도에 대응하는 대면적 기판(2) 상의 "스트라이프" 포맷을 갖는 배터리 셀들의 도면을 나타낸다. 캐소드 스트라이프들(5)은 셀들의 일반 포맷 및 레이아웃을 표현한다; 셀 구조 및 상기 셀들이 전기적으로 직렬 연결되는 방식에 대한 더욱 세부적인 사항들은 예컨대 도 6a-도 6h의 단면도들로 제공된다. 스트라이프들(5)은 도 6b-도 6h의 패터닝된 캐소드에 대응한다. 도 3에서, 셀들은 스트라이프들(5)에 의해 정의되고, 기판(2)의 폭을 가로질러 연장된다. 기판(2)은 릴 투 릴 프로세싱에 적절한 가요성 대면적 기판일 수 있다.
셀 용량 차이들의 영향을 감소시키기 위하여, 본 발명의 실시예들은 도 4에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 직렬 및 병렬 모두로 서로 전기적으로 연결되는 배터리 셀들(11)의 네트워크(20)를 포함할 수 있다. 도 4에서, 배터리 셀들이 Cm-n으로 지칭 ? 여기서, m은 열을 지칭하고, n은 행을 지칭함 ? 되는 배터리 셀들(11)의 어레이(20)가 연결기들(12 및 13)에 의해 직렬 및 병렬 모두로 연결되어 도시된다. 도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 대면적 기판(2) 상에 도 4의 개략도에 대응하는 포맷을 갖는 배터리 셀들의 어레이의 도면을 나타낸다. 캐소드 영역들(6)은 셀들의 일반 포맷 및 레이아웃을 표현하는데, 각각의 집전 장치 스트라이프(7) 상에는 n개의 캐소드 영역들(6)이 존재하고, 여기서 캐소드 영역들(6)은 에너지 저장 디바이스의 셀들을 정의한다. 셀들이 직렬 및 병렬로 전기적으로 연결되는 방식의 더욱 세부적인 사항들은 도 8 및 도 6a-도 6h에 예로서 제공된다.
도 6a-도 6h는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 에너지 저장 소자를 위한 제조 프로세스를 도시한다. 도 6a-도 6h에 도시된 특정한 실시예는 단일 기판 상의 다수의 배터리 셀들이다. 도 6a에 도시된 구조를 제공하기 위하여, 집전 장치(102) 및 그 다음에 캐소드(104)(본 명세서에서, 제1 전극으로 또한 지칭됨)가 기판(100) 상에 증착된다. 도 6b에 도시된 구조를 제공하기 위하여, 집전 장치(102) 및 캐소드(104)는 잘 알려진 리소그래피 기술들을 이용하여 패터닝된다. 집전 장치는 다수의 집전 장치 스트라이프들을 형성하기 위해 패터닝되었다 ? 예컨대, 도 1, 도 3 및 도 5의 집전 장치 스트라이프들(7)을 참조하라. 캐소드는 다수의 캐소드 구조들을 형성하기 위하여 패터닝되었다. 캐소드 구조들은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같은 캐소드 스트라이프들(5), 또는 도 1, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같은 캐소드 영역들(6)일 수 있다. 도 6c에 도시된 구조를 제공하기 위하여, 패터닝된 집전 장치 및 캐소드 위에 전해질(106)이 증착된다. 그런 다음에 전해질(106)은 도 6d에 도시된 구조를 제공하기 위하여 잘 알려진 리소그래피 기술들을 이용하여 패터닝된다. 전해질(106) 내의 패터닝된 갭들은 패터닝된 집전 장치(102)로의 전기 접촉을 생성하기 위한 것이다. 도 6e에 도시된 구조를 제공하기 위하여, 애노드(108)(본 명세서에서 제2 전극으로서 또한 지칭됨)가 패터닝된 전해질 위에 증착되고, 패터닝된 전해질(106) 내의 갭들을 통해 집전 장치(102)로의 전기 접촉을 생성한다. 도 6f에 도시된 바와 같이, 셀 격리(cell isolation)를 제공하기 위하여, 애노드(108)는 잘 알려진 리소그래피 기술들을 이용하여 패터닝된다. 도 6g에 도시된 구조를 제공하기 위하여, 최종 보호성 코팅(110)이 증착된다. 도 6h에 도시된 바와 같이, 배터리 셀들의 직렬 체인으로의 외부 전기 접촉을 허용하기 위해, 보호성 코팅 내에 갭들을 제공하기 위하여, 최종 보호성 코팅(110)이 잘 알려진 리소그래피 기술들을 이용하여 패터닝된다. 여기서 "잘 알려진 리소그래피 기술들"은 포토리소그래피, 레지스트-기반 기술들, 레이저-기반 패터닝과 같은 레지스트리스(resistless) 기술들 등을 포함하는, 산업계에서 알려진 폭넓은 범위의 리소그래피 기술들을 커버한다는 것에 주의하라.
본 발명의 일부 실시예들에서, 층(108)은 애노드 및 기저 애노드 층을 위한 보호 코팅 모두를 포함할 수 있다 ? 상기 애노드는 첫째로 증착되고, 상기 보호 코팅은 둘째로 증착된다. 예컨대, 애노드가 리튬과 같은 반응성 금속이라면, 구조가 패터닝을 위해 공기(air)에 노출되는 경우 보호 코팅이 요구된다. 상기 보호 코팅은 금속들 및 유전체들의 블랭킷(blanket) 증착을 포함할 수 있다. 잠재적으로 적절한 금속들의 예들로는 Cu, Ti 및 Al가 있다. 적절한 산화물 유전체들이 애노드와 접촉시 안정화될 필요가 있다. 게다가, 보호 코팅은 또한 애노드 집전 장치일 수 있다. 이 실시예의 경우, 층(108)의 패터닝은 위에서 설명된 바와 동일하다.
본 발명의 추가 실시예들에서, 층(108)은 애노드 및 애노드 집전 장치 모두를 포함할 수 있다 ? 상기 애노드는 첫째로 증착되고, 상기 애노드 집전 장치는 둘째로 증착된다. 이 실시예의 경우, 층(108)의 패터닝은 위에서 설명된 바와 동일하다.
도 7은 도 4의 배터리 셀 네트워크의 세부사항을 나타내고, 도 8은 도 7의 구조에 대응하는 패터닝된 집전 장치(102) 및 캐소드 층(104)의 평면도를 나타낸다. 도 8은 네 개의 에너지 저장 셀들을 위한 캐소드 영역들(6)을 도시한다. 도 8에서 보이는 바와 같이, 스트라이프들(7) 내에서 패터닝되는 집전 장치는 개별 셀들 사이에서 병렬 연결을 제공한다. 도 8 내의 단면 평면(X-X)이 도 6a-도 6h의 단면 평면과 동일하다는 것에 주의하라. 게다가, 단면 평면(X-X)은 도 6b의 단면도에 도시된 두 개의 셀들과 동일하다.
도 9는 도 6h의 버전을 도시하며, 여기에서 배터리 셀들과 같은 에너지 저장 소자 셀들의 직렬 전기 연결이 명확하게 표시된다. 제1 에너지 저장 소자 셀은 제1 집전 장치(910), 제1 캐소드(912), 제1 전해질(914) 및 제1 애노드(916)를 포함한다. 제2 에너지 저장 소자는 제2 집전 장치(920), 제2 캐소드(922), 제2 전해질(924) 및 제2 애노드(926)를 포함한다. 에너지 저장 소자로의 외부 전기 연결은 전기 리드들(904 및 908)을 통해 이루어진다. 전기 리드(904)는 제1 패드(902)에 연결되고, 전기 리드(908)는 제2 집전 장치(920)에 연결된다. 셀들의 직렬 연결은 아래와 같다: 제1 애노드(916)는 제1 패드(902)에 연결되고, 제1 집전 장치(910)는 제2 애노드(926)에 연결되고, 제2 집전 장치(920)는 전기 리드(908)에 연결된다. 도 9에서 주어진 예는 두 개의 셀들을 나타낸다; 그러나, 임의의 개수의 셀들이 도 2 및 도 4에서 표시된 바와 같이 서로 직렬 연결될 수 있다.
다시 도 3, 도 5, 도 6a-도 6h 및 도 8을 참조하면, 에너지 저장 소자 셀들은 캐소드 스트라이프들 또는 캐소드 영역 전극들을 포함할 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 소자 셀은 집전 장치 스트라이프, 대응하는 캐소드 스트라이프, 대응하는 애노드 스트라이프, 및 전해질 층의 대응하는 부분을 포함할 수 있다. 집전 장치 스트라이프, 캐소드 스트라이프 및 애노드 스트라이프는 상호 병렬일 수 있다. 대안적으로, 에너지 저장 소자는 캐소드 영역 전극, 집전 장치 스트라이프의 대응하는 부분, 애노드 스트라이프의 대응하는 부분, 및 전해질 층의 대응하는 부분을 포함할 수 있다. 이 후자의 실시예에서, 캐소드 영역 전극들은 행으로 배열될 수 있고, 여기서 행은 집전 장치 스트라이프 및 애노드 스트라이프에 병렬이다.
에너지 저장 소자들은 상이한 포맷들로 패키징될 수 있다. 예컨대, 가요성 기판들 상의 에너지 저장 소자들은 실린더들로 롤링(rolling)될 수 있다. 대안적으로, 에너지 저장 소자들은 스택(stack)될 수 있고, 스택된 소자들은 직렬으로든 및/또는 병렬로든 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 게다가, 에너지 저장 소자들은 스택될 수 있고 그 다음에 롤링될 수 있다. 통상적인 패키징된 장치들의 치수들은 밀리미터로부터 미터 스케일까지 가변할 수 있다. 에너지 저장 소자들은 고전력, 고에너지, 및 고전압(단일 셀 전압의 몇 배들) 중 하나 이상을 요구하는 애플리케이션들을 포함하는 매우 넓은 범위의 애플리케이션들에 적절하다. 통상적인 박막 배터리를 위한 셀당 전압이 대략 3V 내지 5V인 것으로 예상될 수 있고, 이들 셀들을 직렬로 연결시키는 것이 훨씬 더 높은 전압들이 달성되도록 할 수 있다는 것을 주의하라.
본 명세서에 설명된 에너지 저장 소자들의 실시예들은 고충전용량 및 고전압 허용오차(tolerance)를 갖는 네거티브 전극(애노드) 재료들, 고충전용량을 갖는 포지티브 전극(캐소드) 재료들, 및 높은 전기화학적 안정성을 갖는 전해질로 구성될 수 있다. 포지티브 전극 재료들은 전이 금속 산화물들, 인산염들, 플루오르화된 산화물들 및 인산염들, 그리고 그들의 다양한 혼합물들을 포함할 수 있다. 금속산화물 포지티브 전극 재료들의 예들은 LiCoO2 및 LinNixCoyAlzOm과 같은 다층(layered) 재료들, LiMn2O4 및 Co/Ni 치환된 Mn 산화물과 같은 스피넬(spinel) 재료들, 및 LiFePO4와 같은 감람석 재료들이다. 고전압 허용오차들을 갖는 재료들의 예들은 Li 금속 네거티브 전극에 관하여 각각 ~4.8V 및 5.2V의 개회로 전압들을 갖는 LiCoPO4 및 LiNiPO4를 포함한다. 이들 재료들은 또한 ~170mAh/gm의 고충전용량들을 나타낸다.
고충전용량 네거티브 전극 재료들은, 이온성 전하 캐리어, 즉 Li와의 이원 합금들을 형성할 Si, Sn, Ge, Al 등을 포함할 수 있다. 이러한 재료들의 사용은 순수 Li의 사용을 제거할 잠재성을 제공하고, 이는 제조시에 상당한 난제들 및 복잡성들을 나타낸다. 합금 네거티브 전극 재료들에 관한 최대 관심사들 중 하나는 충전(MLix --> M + xLi) 및 방전(M + xLi --> MLix) 주기들 동안 큰 볼륨 변화들로부터 야기되는 증착된 전극 재료에서의 스트레스에 대한 잠재성이다. 스트레스의 축적(build-up)은, 이들 주기 이벤트들 동안, 네거티브 전극 재료들의 "호흡(breathing)"을 허용하기 위해, 예컨대 그레인 크기, 밀도 또는 다공성에 있어서 증착된 증들의 나노-구조화를 이용함으로써 완화될 수 있다.
이들 포지티브 전극 재료 및 네거티브 전극 재료들 전부는 에너지 저장 소자들을 제조하는데 사용될 수 있다. 표준 진공 증착 방법들 및 비-진공 증착 방법들을 포함하는 다양한 증착 방법들이 사용될 수 있다. 진공 증착을 위해, PVD 및 CVD 기술들이 사용될 수 있다. 전극 재료들의 도핑을 위해, 원해지는 조성물을 갖는 타겟 재료들과 함께 스퍼터 증착이 사용될 수 있다. 대안적으로, 전극 재료들은 정확한 조성물을 형성하기 위해 그리고 필요하다면, 반응성 환경 내에서 여러 타겟들로부터 공동-스퍼터링될 수 있다. 이러한 방법들은 탄소 코팅 또한 부가하기 위해 사용될 수 있다. 나노-구조화되거나 또는 다공성의 재료들을 달성하기 위한 그레인(grain) 구조의 조절(modulation)은 증착 프로세스들을 제어함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 저온 증착이 확산 동역학을 제한시키고 그레인 성장(grain growth)을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 적절한 잉크, 확산 등을 이용하는 잉크 제트 프린팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅 등을 포함하는 다양한 비-진공 증착 기술들이 사용될 수 있고, 여기서 원하는 재료 조성물 및 그레인 구조는 증착 이전에 미리 생성된다.
고이온전도도, 저전기전도성 및 높고 광범위한 전기화학적 안정성 윈도우를 갖는 전해질들이 요구된다. 에너지 저장 소자들의 실시예들에서 사용될 수 있는 여러 후보 재료들이 존재한다. 진공 증착된 재료들을 위해, 리튬 인 산화질화물(lithium phosphorous oxynitride)(LiPON) 및 그들의 변형체, 규산염(silicate)들, 탄탈산염(tantalate)들 등과 같은 금속산화물들을 포함하는 리튬, 및 LiO2, P2O5 및 P2S5의 3성분 조합(ternary combination)들이 사용될 수 있다. 적절한 액체(실온에서) 전해질 후보들은 이온성 액체들 및 용매화된 Li 솔트(salt)들을 갖는 용융염(molten salt)들일 수 있다.
큰 형태 인자(form factor)들을 갖는 에너지 저장 소자들의 실시예들은, 평판 디스플레이, 유리 코팅 및 박막 태양 발전 산업계들에서 사용되는 코터들과 같은 대면적 코터들을 이용하여 제조될 수 있다. 대면적 코팅 시스템들은 생산의 스케일링을 위해 유용할 수 있고, 그리고 물건의 큰 크기 및 제조상 훌륭한 수율(manufacturing worthy throughput)들을 효율적으로 다룰 수 있다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 프로세스 라인(1000)의 개략도를 나타낸다. 프로세스 라인은 선형 프로세싱 시스템으로서 셋업될 수 있다. 게다가, 프로세스 라인은 가요성 박막 기판들과 호환될 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같은 릴-투-릴 셋업을 사용할 수 있다. 프로세스 라인(1000)은 증착 툴들 및 패터닝 툴들과 같은 다수의 프로세스 툴들(1010)을 포함한다. 기판들/가요성 기판은 화살표들에 의해 표시된 바와 같이 연속으로 프로세스 툴들(1010)을 통해 이동한다. 프로세스 툴들(1010)은 위에서 설명된 방법들 중 임의의 방법에 따라 에너지 저장 소자들을 제조하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 프로세스 툴들(1010)은: 박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 기판 상에 증착하기 위한 증착 툴들 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?; 집전 장치를 패터닝하기 위한 제1 패터닝 툴; 제1 전극을 패터닝하기 위한 제2 패터닝 툴; 및 제2 전극을 패터닝하기 위한 제3 패터닝 툴을 포함할 수 있다. 프로세스 라인 내의 프로세스 툴들의 순서는 사용되고 있는 특정한 제조 방법에 의해 결정될 것임을 주의하라.
본 발명이 특히 본 발명의 특정한 실시예들을 참조하여 설명되었더라도, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 형태 및 세부사항들에 있어서 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백해야 한다. 첨부된 청구범위가 이러한 변경들 및 수정들을 포함하는 것이 의도된다. 아래의 청구항들이 본 발명을 한정한다.
Claims (15)
- 에너지 저장 소자를 제조하는 방법으로서,
상기 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 다수의 셀들을 포함하고, 상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결되고,
상기 방법은,
상기 기판을 제공하는 단계;
박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 상기 기판 상에 증착하는 단계 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치(current collector), 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?;
다수의 집전 장치 스트라이프(stripe)들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하는 단계;
다수의 제1 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 제1 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 대응하는 하나의 집전 장치 스트라이프의 최상부(top)에 있음 ?; 및
다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ?
를 포함하고,
상기 다수의 전기적으로 연결된 셀들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 하나의 집전 장치 스트라이프, 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 상기 대응하는 하나의 제1 전극 스트라이프, 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 중 상기 대응하는 하나의 제2 전극 스트라이프, 및 상기 전해질의 층의 대응하는 부분을 포함하는,
에너지 저장 소자를 제조하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 집전 장치 스트라이프들, 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 및 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들은 상호 병렬인,
에너지 저장 소자를 제조하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 셀들은 셀들의 직렬 체인으로 구성되고, 상기 다수의 셀들 중 하나의 셀에 대응하는 상기 집전 장치 스트라이프는 상기 다수의 셀들 중 상기 하나의 셀에 인접하는 셀에 대응하는 상기 제2 전극 스트라이프에 전기적으로 연결되는,
에너지 저장 소자를 제조하는 방법. - 에너지 저장 소자를 형성하기 위한 장치로서,
상기 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 다수의 셀들을 포함하고, 상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결되고,
상기 장치는,
박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 기판 상에 증착시키기 위한 증착 툴들 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?;
다수의 집전 장치 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하기 위한 제1 패터닝 툴;
다수의 제1 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하기 위한 제2 패터닝 툴 ? 상기 제1 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 대응하는 하나의 집전 장치 스트라이프의 최상부에 있음 ?; 및
다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하기 위한 제3 패터닝 툴 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ?
을 포함하고,
상기 다수의 전기적으로 연결된 셀들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 하나의 집전 장치 스트라이프, 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 상기 대응하는 하나의 제1 전극 스트라이프, 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 중 상기 대응하는 하나의 제2 전극 스트라이프, 및 상기 전해질의 층의 대응하는 부분을 포함하는,
에너지 저장 소자를 형성하기 위한 장치. - 제 4 항에 있어서,
릴 투 릴(reel to reel) 시스템 상에서 상기 증착 툴들, 상기 제1 패터닝 툴, 상기 제2 패터닝 툴 및 상기 제3 패터닝 툴을 통해 상기 기판을 이동시키는 것
을 더 포함하고,
상기 기판은 가요성 기판인,
에너지 저장 소자를 형성하기 위한 장치. - 에너지 저장 소자로서,
단일 기판 상에 형성되는 다수의 박막 셀들
을 포함하고,
상기 다수의 셀들은 전기적으로 직렬 연결되고,
상기 다수의 셀들 중 각각의 셀은,
상기 기판의 표면 상의 집전 장치;
상기 집전 장치 상의 제1 전극;
상기 제1 전극 위의 제2 전극; 및
상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 사이의 전해질 층
을 포함하는,
에너지 저장 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 다수의 집전 장치들은 병렬 스트라이프들로 구성되고, 상기 다수의 제2 전극들은 병렬 스트라이프들로 구성되고, 상기 다수의 집전 장치들은 상기 다수의 제2 전극들과 병렬로 구성되는,
에너지 저장 소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 다수의 제1 전극들은 병렬 스트라이프들로 구성되고, 상기 다수의 제1 전극들은 상기 다수의 집전 장치들과 병렬로 구성되는,
에너지 저장 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 다수의 셀들 중 제1 셀 및 상기 다수의 셀들 중 제2 셀은, 상기 셀들 중 상기 제1 셀에 대응하는 집전 장치 스트라이프가 상기 셀들 중 상기 제2 셀에 대응하는 제2 전극 스트라이프에 전기적으로 접촉됨으로써 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 셀들 중 상기 제1 셀은 상기 기판 상의 상기 셀들 중 상기 제2 셀에 인접하는,
에너지 저장 소자. - 에너지 저장 소자를 제조하는 방법으로서,
상기 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 복수의 셀들을 포함하고, 상기 복수의 셀들은 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되고,
상기 방법은,
상기 기판을 제공하는 단계;
박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 상기 기판 상에 증착시키는 단계 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?;
다수의 집전 장치 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하는 단계;
상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 상에 복수의 제1 영역 전극들을 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 복수의 제1 영역 전극들은 다수의 제1 영역 전극 행(row)들로 형성되고, 상기 다수의 제1 영역 전극 행들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 상이한 하나의 집전 장치 스트라이프에 대응함 ?; 및
다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하는 단계 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 상이한 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ?
를 포함하고,
상기 복수의 셀들 각각은 상기 복수의 제1 영역 전극들 중 하나의 제1 영역 전극, 및 집전 장치 스트라이프, 제2 전극 스트라이프 및 전해질 층의 대응하는 부분들을 포함하는,
에너지 저장 소자를 제조하는 방법. - 에너지 저장 소자를 형성하기 위한 장치로서,
상기 에너지 저장 소자는 기판 상에 통합되는 복수의 셀들을 포함하고, 상기 복수의 셀들은 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결되고,
상기 장치는,
박막 에너지 저장 소자에 대응하는 층들을 상기 기판 상에 증착시키기 위한 증착 툴들 ? 상기 층들은, 증착 순서로, 집전 장치, 제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 포함함 ?;
다수의 집전 장치 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 집전 장치를 패터닝하기 위한 제1 패터닝 툴;
복수의 제1 영역 전극들을 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 상에 형성하기 위해 상기 제1 전극을 패터닝하기 위한 제2 패터닝 툴 ? 상기 복수의 제1 영역 전극들은 다수의 제1 영역 전극 행들로 형성되고, 상기 다수의 제1 영역 전극 행들 각각은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 중 상이한 하나의 집전 장치 스트라이프에 대응함 ?; 및
다수의 제2 전극 스트라이프들을 형성하기 위해 상기 제2 전극을 패터닝하기 위한 제3 패터닝 툴 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 각각은 상기 다수의 제1 전극 스트라이프들 중 상이한 하나의 제1 전극 스트라이프에 대응함 ?
을 포함하고,
상기 복수의 셀들 각각은 상기 복수의 제1 영역 전극들 중 하나의 제1 영역 전극, 및 집전 장치 스트라이프, 제2 전극 스트라이프 및 전해질 층의 대응하는 부분들을 포함하는,
에너지 저장 소자를 형성하기 위한 장치. - 에너지 저장 소자로서,
기판 상에서 형성되는 복수의 박막 셀들을 포함하고, 상기 복수의 셀들은 네트워크로 전기적으로 연결되고, 상기 네트워크는 상기 복수의 셀들의 개별 셀들 사이의 병렬 및 직렬 전기 연결들 모두를 포함하고,
상기 복수의 셀들은,
상기 기판의 표면 상의 다수의 집전 장치 스트라이프들 ? 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들은 상호 병렬임 ?;
상기 다수의 집전 장치 스트라이프들 상의 복수의 제1 셀 전극들 ? 상기 복수의 제1 셀 전극들은 상기 복수의 셀들에 대응함 ?;
상기 복수의 제1 셀 전극들 위에 있는 다수의 제2 전극 스트라이프들 ? 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들은 상기 다수의 집전 장치 스트라이프들에 병렬임 ?; 및
상기 복수의 제1 셀 전극들 및 상기 다수의 제2 전극 스트라이프들 사이의 전해질 층
을 포함하는,
에너지 저장 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 다수의 집전 장치 스트라이프들은 상기 복수의 셀들의 병렬 전기 연결을 제공하는,
에너지 저장 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 복수의 셀들은 셀들의 행들을 포함하고, 상기 셀들의 행들은 서로 전기적으로 직렬 연결되는,
에너지 저장 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 셀들의 행들 중 제1 행 및 상기 셀들의 행들 중 제2 행은, 상기 셀들의 행들 중 상기 제1 행에 대응하는 집전 장치 스트라이프가 상기 셀들의 행들 중 상기 제2 행에 대응하는 제2 전극 스트라이프에 전기적으로 접촉됨으로써 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 셀들의 행들 중 상기 제1 행은 상기 기판 상에서 상기 셀들의 행들 중 상기 제2 행에 인접하는,
에너지 저장 소자.
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