KR20140101337A - 반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법 - Google Patents

반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법 Download PDF

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Abstract

양자 전지의 제작 프로세스 도중에서의 충전층의 전기적 특성 평가를 행할 수 있는 반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법을 제공한다. 도전성의 전극(54)과 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층(56)을 지지체(52)에 적층하여 구성된 반도체 프로브(50); 반도체 프로브(50)에 구비되어 있는 전극(54)과 2차 전지용 충전층(18)을 적층한 베이스 전극(14)과의 사이에 전압을 인가하는 전압원(62); 및 반도체 프로브(50)에 구비되어 있는 전극(54)과 충전층(18)이 적층되어 있는 베이스 전극(14) 간에 흐르는 전류를 측정하는 전류계(64)를 포함하고, 충전층(18)의 전류-전압 특성을 측정한다.

Description

반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법 {DEVICE AND METHOD FOR TESTING OF QUANTUM CELL BY SEMICONDUCTOR PROBE}
본 발명은 자외선 조사에 의해 금속 산화물의 광 여기(勵起) 구조 변화를 이용하여, 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하여 전자를 포획하는 새로운 동작 원리에 기초한 전고체(全固體) 전지의 시험 장치 및 시험 방법에 관한 것이다.
전기 자동차나 모바일 기기에 사용되고 있는 2차 전지는, 니켈-수소 2차 전지가 많이 탑재되어 있다. 최근에는, 더욱 고출력화, 대용량화가 가능한 2차 전지로서 리튬 이온 전지가 개발되어, 실용화가 개시되고 있는 단계에 있다.
리튬 이온 전지는 양극에 리튬을 함유하는 금속 복(複)산화물, 음극에 탄소 등 리튬을 수용하고, 방출할 수 있는 재료를 사용하여, 이온 해리 가능한 리튬염과 그것을 용해 가능한 유기 용매로 이루어지는 전해액을 함침시킨다. (특허문헌 1 등 참조).
전해액은 액체이므로, 누액(漏液)의 가능성이 있는 것, 가연물(可燃物)이 사용되고 있으므로, 오사용 시의 전지의 안전성을 높일 필요가 있으므로, 전해액 대신에 고체 전해질을 사용한 전고체 리튬 2차 전지의 개시도 있다(특허문헌 2 등 참조).
리튬 이온 전지는, 희금속(rare metal)인 리튬을 사용하므로, 비용면에서도 고가이고, 성능면에서도 한층 더 고성능인 한편 대용량인 2차 전지가 요구되고 있다.
이와 같은 상황에 있어서 본 발명자는, 간단한 구성에 의해 저비용화 및 안정적인 동작이 가능한 전고체형의 반도체 전지(이하, 양자 전지라고 함)를 제안하고 있다(PCT/JP2010-067643).
양자 전지는 기판, 도전성의 베이스 전극, 절연성 물질로 덮인 n형 금속 산화물 반도체를 광 여기 구조 변화시킴으로써 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하여 전자를 포획하는 충전층, P형 반도체층, 및 도전성의 대향 전극을 적층하여 구성되어 있다. 충전층에는 베이스 전극과 대향 전극 간에 전원을 접속하여 충전한다.
이와 같은 양자 전지는 그 제작 프로세스에 있어서 기능을 확인하기 위한 전류-전압 특성 및 충방전 특성의 평가가 행해지고 있다.
전류-전압 특성은 일반적으로 반도체의 특성을 평가하는 방법으로서 알려져 있지만, 2차 전지에 대하여도 성능 평가에 적용되고 있다.
예를 들면, 하이브리드 차량용 전지의 방전 시와 충전 시의 전압과 전류의 측정값에 기초하여 내부 저항을 검출하고, 정확한 전지의 전류-전압 특성을 추정하여 더욱 정확한 전지의 내부 저항을 검출하는 것(특허문헌 3 등 참조)이나, 전지의 출력 범위를 복수의 영역으로 분할하고, 영역마다 설정 그룹 수의 전압과 전류를 측정하고, 이들 측정값에 기초하여 전지의 전류-전압 특성을 특정하고, 그 전류-전압 특성에 따라 전지의 최대 출력을 연산하는 방법(특허문헌 4 등 참조)이 있다.
또한, 양자 전지의 제작 시에는, 2차 전지로서의 성능은 충전층에 의존하기 위하여, 완성품이 된 후에 평가하는 것보다, 제작 프로세스에 있어서, 충전층이 적층된 도중 단계에서 충전층의 평가를 함으로써, 효율적인 제작을 행할 수 있다.
제작 프로세스의 도중 단계에서 기능 평가를 하는 것은 반도체의 분야에서 행해지고 있는 수단이며, 예를 들면, 전계 효과형 박막 트랜지스터를 실제로 제작하지 않고, 그 활성층이 되는 반도체의 전기 특성을 직접 측정하는 것을 목적으로 하여, 절연막으로 덮인 측정용 게이트 전극의 양측에 측정용 소스 전극 및 측정용 드레인 전극이 각각 노출되어 설치된 측정 장치가 있다.
측정용 소스 전극, 측정용 드레인 전극 및 그 사이의 절연막 각각의 노출면을 반도체의 표면에 접촉시키면, 그 접촉 부분에 의해 동일평면형(coplanar type)의 의사 전계 효과형 박막 트랜지스터가 구성된다. 이로써, 소자 제작 전에, 소자 제작 후의 통상의 동일평면형의 전계 효과형 박막 트랜지스터의 경우와 동등한 측정을 행할 수 있다(특허문헌 5 등 참조).
또한, 의사 MOSFET를 사용하여, SOI 기판을 평가할 때 전류-전압 특성을 양호한 정밀도로 측정하고, 시간 경과에 따른 변화에 의한 영향을 최소한으로 하여 재현성이 양호한 값을 얻는 방법(특허문헌 6 등 참조)이나, 측정을 위한 반도체 프로브(특허문헌 7 등 참조)의 제안도 있다.
일본 공개특허공보 제2002-141062호 일본 공개특허공보 제2007-5279호 일본 공개특허공보 제2000-21455호 일본 공개특허공보 제2000-19233호 일본 공개특허공보 평06-275690호 일본 공개특허공보 제2001-267384호 일본 공개특허공보 제2005-524925호
그러나, 양자 전지는 새로운 원리에 기초한 전고체형의 2차 전지이며, 그 제작 프로세스의 도중에 칩의 평가를 행하는 것, 그리고, 전지 특성으로서의 충방전 특성이나 전류-전압 특성을 평가하기 위해서는, 종래의 방법을 그대로 적용하는 것은 불가능하여, 양자 전지 특유의 구조 및 특징을 고려해야 한다.
본 발명은 양자 전지의 제작 프로세스 도중에서의 충전층의 전기적 특성 평가를 행할 수 있는 반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명이 피(被측)정물로서 대상으로 하는 것은 양자 전지이며, 기판에, 도전성의 베이스 전극; 절연성 물질로 덮인 n형 금속 산화물 반도체를 광 여기 구조 변화시킴으로써 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하여 전자를 포획하는 충전층; P형 반도체층; 및 도전성의 대향 전극을 적층하여 구성되어 있다. 또한 안정적인 동작을 행하게 하기 위하여, 베이스 전극과 충전층 사이에 n형 금속 산화물 반도체의 층을 형성해도 된다.
양자 전지에 충전층이 적층된 시점에서 충전층의 전기적 특성을 평가하기 위해서는, 충전층 위에 더 적층되는 층을 반도체 프로브에 형성하고, 이 반도체 프로브를 충전층에 접촉시켜 전기적 특성 측정함으로써, 최종적인 완성품에서의 충전층의 기능을 평가할 수 있다.
따라서, 반도체 프로브는 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된다.
제작 도중의 측정 대상이, 도전성의 베이스 전극과 충전층, 또는 도전성의 베이스 전극 위에 n형 금속 산화물 반도체층과 충전층이 형성되어 있는 경우에는, 반도체 프로브의 금속 산화물 반도체는 p형 반도체이며, 예를 들면, 산화 니켈 또는 동 알루미늄 산화물이다.
또한, 제작 도중의 측정 대상이, 도전성의 대향 전극 위에 p형 금속 산화물 반도체층과 충전층이 형성되어 있는 경우에는, 반도체 프로브의 도전성층 위에, n형 금속 산화물 반도체층을 형성해도 된다. n형 금속 산화물 반도체는, 예를 들면, 이산화 티탄이다.
충전층은, 전자를 포획하기 위해, 절연성 물질로 덮인 n형 금속 산화물 반도체에 자외선을 조사하여, 광 여기 구조 변화시킴으로써 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하고 있다.
반도체 프로브의 지지체를, 탄성체 또는 일부에 탄성체부를 구비한 구성으로 함으로써, 충전층에 수직으로 누른 경우의 접촉 압력을 제어하여, 적정한 압력으로 접촉시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 프로브를 접촉시키는 충전층의 표면은 미세한 입자의 면이며, 이 면에 프로브의 면을 밀착하여 접촉시키기 위해서는, 압력뿐 아니라, 프로브면이 유연성을 가지는 것도 필요하다. 탄성체는, 재료로서, 예를 들면, 엘라스토머(elastomer)를 사용할 수 있다.
반도체 프로브의 선단부의 전극 및 금속 산화물 반도체층은, 반도체 프로브의 선단부보다 넓은 면적을 가지는 충전층 면에 대하여, 영역마다 충전 특성을 평가하면서 충전층 면 전체의 전기적 특성을 평가한다. 이로써, 충전층 면의 특성의 분포나 불균일을 평가할 수 있고, 각 영역 사이의 차분(差分) 측정도 가능하다.
반도체 프로브의 지지체를, 충전층 면을 전면적으로 커버하는 크기로 하여, 독립된 전극 및 금속 산화물 반도체층에 의해 구성되는 층을 복수 구비하는 구성으로 함으로써, 독립된 전극 및 금속 산화물 반도체층으로 형성되는 층을, 반도체 프로브를 접촉한 상태에서, 충전층의 전기적 특성의 분포나 불균일을 동시에 평가할 수 있다.
전술한 반도체 프로브를 사용한 충전층의 전류-전압 특성을 평가하는 전기 특성 시험 장치는,
도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브; 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하는 전압원; 및 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 충전층이 적층되어 있는 베이스 전극 간에 흐르는 전류를 측정하는 전류계를 포함하고, 충전층의 전류-전압 특성을 측정하는 것을 특징으로 하고 있다.
전술한 반도체 프로브를 사용한 충전층의 전류-전압 특성을 평가하는 전기 특성 시험 방법은, 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브; 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하는 전압원; 및 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 충전층이 적층되어 있는 베이스 전극 간에 흐르는 전류를 측정하는 전류계를 사용하여, 충전층의 전류-전압 특성을 측정하는 것을 특징으로 하고 있다.
전술한 반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성을 평가하는 충방전 특성 시험 장치는,
도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브; 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하여 충전층을 충전하는 전압원; 전압원과 평행하게 접속된 부하 저항; 및 부하 저항에서의 전압을 측정하는 전압계를 포함하고 있고, 충전층에 충전하고, 그 후 전압원을 차단하여 충전층으로부터의 전류를 부하 저항에 흐르게 하여, 부하 저항에서의 전압 측정에 의해, 전지 특성으로서의 충전층에서의 충방전 특성을 측정하는 것을 특징으로 하고 있다.
전술한 반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성을 평가하는 충방전 특성 시험 방법은, 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브; 반도체 프로브에 구비되어 있는 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하여 충전층을 충전하는 전압원; 전압원과 평행하게 접속된 부하 저항; 및 부하 저항에서의 전압을 측정하는 전압계를 사용하여, 충전층에 충전하고, 그 후 전압원을 차단하여 상기 충전층으로부터의 전류를 상기 부하 저항에 흐르게 하여, 부하 저항에서의 전압 측정에 의해, 전지 특성으로서의 충전층에서의 충방전 특성을 측정하는 것을 특징으로 하고 있다.
충전층의 국소적인 복수의 영역의 전류-전압 특성을 동시에 측정할 수 있으면, 특성의 분포를 파악할 수 있고, 또한, 이상(異常) 개소(個所)나 불량 개소의 특정과 수복(修復)이 쉬워진다. 이를 위해서는, 이하의 시험 장치 및 방법을 적용한다.
반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 장치에 있어서, 전극과 금속 산화물 반도체층을 지지체에 복수 형성함으로써, 충전층의 국소적인 복수의 영역의 전류-전압 특성을 동시에 측정할 수 있다.
반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 방법에 있어서, 전극과 금속 산화물 반도체층을 지지체에 복수 형성한 반도체 프로브를 사용함으로써, 충전층의 국소적인 복수의 영역의 전류-전압 특성을 동시에 측정할 수 있다.
반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 장치에 있어서, 전극과 금속 산화물 반도체층을 지지체에 복수 형성함으로써, 충전층의 국소적인 복수의 영역의 충방전 특성을 측정할 수 있다.
반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 방법에 있어서, 전극과 금속 산화물 반도체층을 지지체에 복수 형성한 반도체 프로브를 사용함으로써, 충전층의 국소적인 복수의 영역의 충방전 특성을 측정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판, 도전성의 베이스 전극, 절연성 물질로 덮인 n형 금속 산화물 반도체를 광 여기 구조 변화시킴으로써 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하여 전자를 포획하는 충전층, P형 반도체층, 및 도전성의 대향 전극을 적층하여 구성되어 있는 양자 전지에 있어서, 전극과 금속 산화물 반도체층을 구비한 반도체 프로브에 의해, 충전층이 적층된 제작 프로세스 도중에 충전층의 전기적인 특성, 즉 전류-전압 특성 및 충방전 특성을 평가할 수 있다.
반도체 프로브의 지지체에 탄성체를 사용함으로써, 반도체 프로브 면과 충전층 면이 밀착된 균일한 접촉을 가능하게 하고, 또한 접촉 압력을 적절하게 제어할 수 있다.
또한, 반도체 프로브의 지지체를, 충전층 면을 전면적으로 커버하는 크기로서, 독립된 전극 및 금속 산화물 반도체층에 의해 구성되는 층을 복수 구비하는 구성으로 함으로써, 충전층 영역의 특성의 분포나 불균일, 및 차분 측정 등이 동시에 측정 가능해지고, 효율적인 특성의 파악 및 이상 개소 불량 개소의 특정과 수복이 쉬워진다.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법을 적용하는 양자 전지의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 양자 전지의 충전층을 설명하는 도면이다.
도 3은 광 여기 구조 변화를 설명하는 밴드 다이어그램이다.
도 4는 광 여기 구조 변화에 따라 형성된 새로운 에너지 준위를 설명하는 밴드 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 의한 반도체 프로브를 설명하는 도면이다.
도 6은 지지체에, 전극 및 금속 산화물 반도체의 적층부를 복수 설치한 반도체 프로브의 일 실시예의 선단(先端) 정면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 반도체 프로브를 사용하여, 충전층의 전류-전압 특성을 평가하는 전기 특성 시험 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 의한 반도체 프로브를 사용하여, 충전층의 충방전 특성을 평가하는 충방전 특성 시험 장치의 개략도이다.
도 9는 반도체 프로브를 사용하여 충전층의 전류-전압 특성을 측정하는 실시예이다.
도 10은 충전층의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 반도체 프로브를 사용하여 충전층의 충방전 특성을 측정하는 실시예이다
도 12는 충전층의 충방전 특성을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 충전층에 광 여기 구조 변화 기술을 채용한 새로운 충전 원리에 기초한, 2차 전지인 양자 전지에 적용하는 반도체 프로브에 의한 양자 전지의 시험 장치 및 시험 방법이며, 발명을 더욱 명확하게 이해하도록 설명하기 위해, 최초에 적용 대상이 되는 양자 전지의 구조와 원리에 대하여 설명하고, 그 후에, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명한다.
도 1은 본 발명을 적용하는 양자 전지의 단면 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서, 양자 전지(10)는 기판(12)에 도전성의 베이스 전극(14)이 형성되고, 그 위에 n형 금속 산화물 반도체층(16), 에너지를 충전하는 충전층(18), p형 금속 산화물 반도체층(20)과 대향 전극(22)이 적층되어 있다.
기판(12)은 절연성의 물질이라도 도전성의 물질이라도 되고, 예를 들면, 유리 기판이나 고분자 필름의 수지 시트, 또는 금속박 시트가 사용 가능하다.
베이스 전극(14)과 대향 전극(22)은, 도전막이 형성되면 되고, 예를 들면, 금속 재료로서, 알루미늄 Al를 포함하는 은(Ag) 합금막 등이 있다. 그 형성 방법으로서는, 스퍼터링(sputtering), 이온 도금(ion plating), 전자빔 증착(electron beam deposition), 진공 증착(vacuum deposition), 화학 증착(chemical deposition) 등의 기상 성막법(vapor deposition method)을 들 수 있다. 또한, 베이스 전극(14)과 대향 전극(22)은 전해 도금법(electrolytic plating method), 무전해 도금법(electroless plating method) 등에 의해 형성할 수 있다. 도금에 사용되는 금속으로서는, 일반적으로 동, 동 합금, 니켈, 알루미늄, 은, 금, 아연 또는 주석 등을 사용할 수 있다.
n형 금속 산화물 반도체층(16)은 이산화 티탄(TiO2), 산화 주석(SnO2) 또는 산화 아연(ZnO)을 재료로서 사용한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 충전층(18)에는, 절연성의 피막에 덮인 미립자의 n형 금속 산화물 반도체가 충전되고, 자외선 조사에 의해 광 여기 구조 변화되어, 충전 기능을 구비한 층으로 되어 있다. n형 금속 산화물 반도체는 실리콘의 절연성 피막으로 덮여 있다. 충전층(18)으로 사용 가능한 n형 금속 산화물 반도체 재료로서는, 이산화 티탄, 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO)이 매우 적합하고, 이산화 티탄과 산화 주석과 산화 아연을 조합한 재료로 해도 된다.
충전층(18) 위에 형성한 p형 금속 산화물 반도체는, 상부의 대향 전극(22)으로부터의 전자의 주입을 방지하기 위해 설치되어 있다. p형 금속 산화물 반도체층(20)의 재료로서는, 산화 니켈(NiO), 동 알루미늄 산화물(CuAlO2) 등이 사용 가능하다.
충전층(18)의 이산화 티탄은 실리콘에 의해 절연 피막이 형성되어 있지만, 반드시 균일한 피막이 되는 것은 아니며 불균일이 생기고, 현저한 경우에는 피막이 형성되지 않고 전극에 직접 접하는 경우도 생긴다. 이와 같은 경우에는, 재결합에 의해 전자가 이산화 티탄에 주입되어, 밴드 갭 중에 에너지 준위가 형성되지 않고, 충전 용량이 저하된다. 따라서, 충전 용량의 저하를 억제하고, 더욱 고성능인 2차 전지로 하기 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 베이스 전극(14)과 충전층(18) 사이에, n형 금속 산화물 반도체층(16)을 형성하고 있다.
도 3 (A), (B)는, 자외선 조사된 충전층이 광 여기 구조 변화에 의해 새로운 에너지 준위가 형성되는 기본적인 현상을 설명하기 위한 모델 구조의 밴드 다이어그램을 나타내고 있다.
도 3 (A)의 밴드 다이어그램은, 전극(30)과 중간 결정층(32)과 n형 금속 산화물 반도체층(34)으로 되어 있다. 전도대(36)와 가전자대(38) 사이에는 페르미 준위(40)가 존재하고, 전극(30)의 페르미 준위(40)는 전도대(36)에 가깝고, n형 금속 산화물 반도체층(34)의 페르미 준위(40)는 전도대(36)와 가전자대(38)의 중간에 존재한다. 자외선(42)이 조사되면, 중간 결정층(32)에 있는 가전자대(38)의 전자(44)는 전도대(36)로 여기된다.
도 3 (B)에 나타낸 자외선 조사 중의 상태에서는, 자외선(42)의 조사에 의해, 중간 결정층(32)의 영역에서의 가전자대(38)의 전자(44)가 전도대(36)로 여기되고, 여기된 전자(44)는 전도대(36)의 경사에 의해 전극(30)의 전도대(36)에 수용된다. 한편, 가전자대(38)에는 전자(44)가 빠진 정공(46)이 모여 있다. 중간 결정층(32)에 있어서는, 자외선 여기와 재결합의 사이에 시간 차가 발생하고, 이 시간 차가 있음으로써 원자의 재배열이 행해진다. 그러므로, 중간 결정층(32)의 가전자대(38)에 잔류하고 있는 정공(46)이 밴드 갭 중으로 이동하여, 새로운 에너지 준위(48)를 형성한다.
도 4는 자외선(42)의 조사에 의해, 중간 결정층(32)의 밴드 갭 중에 새로운 에너지 준위(48)가 형성된 재결합 후 상태를 나타내고 있다. 전극(30)과 n형 금속 산화물 반도체층(34)의 계면에만 밴드 갭 중의 전자 밀도의 증가, 내각(內殼) 전자의 화학적 이동(chemical shift)도 관측되고 있고, 원자 간격이 변화된과 생각된다.
이와 같이, n형 금속 산화물 반도체층(34)에 자외선(42)을 조사함으로써 밴드 갭 내에 새로운 에너지 준위(48)를 형성할 수 있다는 것을 설명하였으나, 2차 전지로서는, 이 새롭게 형성된 에너지 준위(48)를 이용함으로써, 전극과 n형 금속 산화물 반도체 사이에 절연층에 의해 장벽을 형성하고, 전자를 제어함으로써 충전 기능을 갖게 할 수 있다.
도 1에 나타낸 충전층(18)은, 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이, 실리콘에 의한 절연 피막(28)이 형성된 이산화 티탄을 재료로 한 n형 금속 산화물 반도체(26)다. 이 경우에 이산화 티탄과 베이스 전극 사이에 절연층에 의한 장벽을 가지게 된다.
양자 전지는, 밴드 갭에 형성된 에너지 준위에 외부로부터 전압을 인가함으로써 전계를 형성하여 전자를 충만시키고, 전극에 부하를 접속함으로써 전자를 방출해 에너지를 인출하여, 전지로서의 기능을 완수한다. 이 현상을 반복하여 행함으로써, 2차 전지로서의 사용이 가능하다.
양자 전지의 제작 프로세스는 기판에 기능층을 순차적으로 적층하는 프로세스가 되지만, 충전층의 기능은 가장 중요하며, 양자 전지로서의 완성을 기다리지 않고 충전층이 적층된 시점에서 평가할 수 있으면, 불량품을 줄일 수 있어 효율적인 양산 프로세스를 확립할 수 있을 뿐만 아니라, 이상 개소, 불량의 특정에 의한 원인 구명(究明)이 행해져, 생산 설비의 수리, 관리도 쉬워진다.
도 5는 양자 전지의 제작 프로세스에 있어서 충전층 적층 후에 기능 평가를 행하는 본 발명에 의한 반도체 프로브를 나타내고 있다. 그리고, 충전층 적층 후란, 충전층이 적층되고, 자외선을 조사하여 충전층 내의 n형 금속 산화물 반도체에 광 여기 구조 변화를 여기한 상태를 말한다.
도 5에 있어서, 반도체 프로브(50)는 절연물인 지지체(52)에 도전성 금속으로 이루어지는 전극(54)과 금속 산화물 반도체(56)를 적층하고 있다. 도 1에 나타낸 양자 전지(10)에서의 충전층(18) 적층 후의 기능층을 반도체 프로브(50)에 형성하고, 충전층(18)이 적층된 제작 도중의 양자 전지(10)에 대하여, 충전층(18) 위에 수직으로 반도체 프로브(50)를 밀착시킨다. 이로써, 양자 전지로서의 동작을 행하게 할 수 있어 충전층을 평가할 수 있다.
평가 시험용의 반도체 프로브(50)의 전극(54)은 도전성을 얻을 수 있으면 되고, 반드시 목적으로 하는 양자 전지(10)과 동일한 재료나 층 두께로 할 필요는 없고, 금속판이나 도금판 또는 도전성 수지 등을 사용할 수 있다.
이에 대하여 금속 산화물 반도체(56)는 한정되는 것은 아니지만, 목적으로 하는 양자 전지(10)와 동일한 재료로 동일한 층 두께로 하는 것이 바람직하다. 충전층(18)에 대해 전기적 특성의 평가 정밀도를 더욱 향상시키기 위해이다.
금속 산화물 반도체(56)의 재료는, 피(被)측정물인 양자 전지(10)의 기능층 적층 순차로 따라 다르다. 도 1에 나타낸 양자 전지(10)를, 기판(12)에 n형 금속 산화물 반도체층(16)과 충전층(18)을 적층하고 있는 상태에서는, 그 위에 p형 금속 산화물 반도체층(20)과 대향 전극(22)이 적층되므로, 반도체 프로브(50)의 금속 산화물 반도체(56)는 p형 금속 산화물 반도체이며, 목적으로 하는 양자 전지(10)의 재료 및 층 두께와 동일한 것으로 하고 있다.
양자 전지(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같은 기능층의 적층 순서일 필요는 없고, 기판(12) 위에, 대향 전극(22), p형 금속 산화물 반도체층(20), 충전층(18), n형 금속 산화물 반도체층(16), 및 베이스 전극(14)을 순차적으로 적층한 구조로 해도 된다. 이 경우, 충전층(18)이 적층된 후의 평가에 사용하는 반도체 프로브(50)는 금속 산화물 반도체(56)를 n형 금속 산화물 반도체로 한다.
지지체(52)는 반도체 프로브(50)를 핸들링하기 위해 적당한 형상이면 되고, 또한, 절연성의 재료로 하는 것이 바람직하다. 또한, 지지체(52)에 반도체 프로브(50)의 선단부를 충전층에 밀착시키기 위한 기능을 갖게 할 수도 있고, 이 경우, 지지체(52)를 탄성체로 하여 반도체 프로브(50)를 가압한다. 탄성체를 통해 반도체 프로브(50)의 충전층(18)과의 접촉 압력을 제어하여, 적정한 압력으로 가압함으로써 밀착성을 향상시키고 있다. 구체적인 탄성체 재료는, 예를 들면, 엘라스토머가 있으며, 각종 엘라스토머가 사용 가능하다.
지지체(52)를 탄성체로 하는 목적은, 미세한 입자로 이루어지는 충전층(18)의 요철면을 따라 적정한 접촉 압력으로 반도체 프로브(50)와 충전층(18)의 밀착성을 양호하게 하기 위한 것이며, 목적으로 보아 지지체(52)의 일부를 탄성체로 하고, 고체와 탄성체의 적층 구조로 해도 된다.
반도체 프로브(50)의 선단 형상, 더욱 상세하게는 전극(54)과 금속 산화물 반도체(56)의 적층 부분의 형상은, 일례로서 4각형이어도 된다. 정사각형이어도 직사각형이어도 되고, 이것은 양자 전지(10)가 평면적으로는 4각형인 경우, 충전층(18)을 국소적으로 전기 특성의 평가를 행하고, 복수 개소의 측정에 의해 충전층 면을 전면적으로 커버할 수 있도록 하기 위해서이다. 이로써, 이상 개소나 불량 개소의 특정을 행하는 것이 쉬워진다. 그러므로, 고정밀도로 이상 개소나 불량 개소를 특정하기 위해서는, 더욱 작은 면적의 선단 형상으로 하면 된다.
그리고, 선단 형상은 사각형에 한정되는 것은 아니고, 원이나 타원형 또는 삼각형이어도 되고, 피측정물인 양자 전지의 형상에 맞추어 효율적으로 측정할 수 있는 형상으로 할 수 있다.
복수 개소의 충전층(18)을 동시에 측정하기 위해는, 지지체(52)에, 복수의 전극(54)과 금속 산화물 반도체(56)의 적층부를 설치할 수 있다.
도 6은 반도체 프로브(50)의 일 실시예의 선단부를 정면에서 본 도면이며, 지지체(52)의 세로 방향과 가로 방향 각각에, 전극(54)과 금속 산화물 반도체(56)의 적층부를 5개씩 배열하고 있다. 도 6의 파선(破船)은 충전층(18)의 충전 대응 영역(58)을 나타내고 있다. 이와 같이, 도 6에 나타낸 반도체 프로브(50)를 사용함으로써, 충전층(18)을 부분적으로 분할한 영역에 대하여 전기적 특성을 동시에 측정할 수 있다. 그러므로, 전기적 특성의 분포나 불균일을 측정할 수 있고, 또한 분할된 각 영역의 차분 측정을 동시에 행하는 것도 가능하다.
그리고, 제작 도중의 측정 대상이, 도전성의 베이스 전극 위에 n형 금속 산화물 반도체층과 충전층이 형성되어 있는 경우에는, 반도체 프로브의 금속 산화물 반도체는 p형 반도체이며, 충전층이 형성되는 전에, n형 금속 산화물 반도체층에 접촉하여, 다이오드 특성으로서의 PN 접합을 평가하고, n형 금속 산화물 반도체층의 시험도 행할 수 있다.
마찬가지로, 제작 도중의 측정 대상이 도전성의 대향 전극 위에 p형 금속 산화물 반도체층과 충전층이 형성되어 있는 경우에는, n형 금속 산화물 반도체층을 형성한 반도체 프로브를 p형 금속 산화물 반도체층에 접촉시켜, 다이오드 특성으로서의 PN 접합을 평가하고, p형 금속 산화물 반도체층의 시험도 행할 수 있다.
다음에, 본 발명에 의한 반도체 프로브를 사용한 전기적인 특성을 측정하는 시험 장치를 설명한다.
도 7은 본 발명에 의한 반도체 프로브를 사용하여 전류-전압 특성을 측정하는 전기 특성 시험 장치의 개략을 나타낸 도면이다. 도 7에 있어서, 피측정물(60)은, 제작 프로세스 중간 단계에서 충전층(18)이 적층된 제작 도중의 양자 전지(10)이며, 기판(12), 베이스 전극(14), n형 금속 산화물 반도체층(16) 및 충전층(18)이 적층되고, 충전층(18)은 자외선 조사에 의한 광 여기 구조 변화가 일어나고 있다.
이 피측정물(60)에 반도체 프로브(50)를 수직 방향으로부터 접촉시켜, 적정한 압력으로 밀착성을 유지한다. 이로써, 양자 전지로서의 기능층이 모두 적층된 상태가 된다.
전류-전압 특성을 측정하기 위해서는, 반도체 프로브(50)의 전극(54)과 피측정물(60)의 베이스 전극(14)과의 사이에, 전압원(62)과 전류계(64)를 직렬로 접속한다. 전압원(62)은 전압 값을 제어할 수 있고, 전압원(62)으로부터의 전압 값에 대한 전류계(64)에서의 전류 값을 측정함으로써, 전류-전압 특성을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 반도체 프로브를 사용하여 충방전 특성을 측정하는 충방전 특성 시험 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8에 있어서, 피측정물(60)은, 제작 프로세스 중간 단계에서 충전층(18)이 적층된 제작 도중의 양자 전지(10)이며, 기판(12), 베이스 전극(14), n형 금속 산화물 반도체층(16) 및 충전층(18)이 적층되고, 충전층(18)은 자외선 조사에 의한 광 여기 구조 변화가 일어나고 있다.
이 피측정물(60)에, 반도체 프로브(50)를 수직 방향으로부터 접촉시켜 적정한 압력으로 밀착성을 유지한다. 이로써, 양자 전지로서의 기능층이 모두 적층된 상태가 된다.
충방전 특성을 측정하기 위해는, 반도체 프로브(50)의 전극(54)과 피측정물(60)의 베이스 전극(14)과의 사이에, 전압원(62), 전압계(66)와 부하 저항(68)을 병렬로 접속한다. 전압원(62)은 전압 값을 제어할 수 있고, 일정한 전압으로 충전층(18)을 충전한 후, 전압원(62)을 차단하여, 부하 저항(68)에 관한 전압을 전압계(66)로 측정하고, 시간 경과에 대한 전압 값에 의해 충방전 특성을 얻을 수 있다.
(실시예 1)
도 9는 실제의 시험제작한 피측정물(60)을, 본 발명의 반도체 프로브(50)를 사용한 전기 특성 시험 장치에서 측정하는 경우의 실시예를 나타내고 있다. 피측정물(60)은, 기판(12)에 폴리이미드 필름, 베이스 전극(14)에 동 합금을 사용하고, n형 금속 산화물층(16)에는 이산화 티탄을 사용하였다. 또한, 충전층(18)은 실리콘으로 피복된 이산화 티탄 미립자이다.
반도체 프로브(50)의 지지체에는 엘라스토머(74)를 사용하고, 대향 전극(54)은 동 합금, 금속 산화물 반도체(56)는 산화 니켈을 사용하였다. 엘라스토머(74)의 사용에 의해, 반도체 프로브(50)와 충전층(18)의 면과의 밀착성을 향상시키고 있다. 이 대향 전극(54)과 금속 산화물(56)의 적층 영역이 측정할 수 있는 측정 영역(76)이 된다. 또한 측정 영역(76)에 대응하는 피측정물(60)의 충전층 측정 영역(78)의 전기 특성을 측정하게 된다. 측정 영역은 8㎜×25㎜의 크기로 하고 있다.
전압원(62)과 전압계(66), 또한 전류 측정용의 전류계(64)를, 엘라스토머(74)에 설치되어 있는 전극(도시하지 않음)과 피측정물(60)의 베이스 전극(14)에 접속한다. 베이스 전극(14)은, 도 9에 나타낸 바와 같이, 배선 접속을 위해, 기판 면(12)에 충전층(18)보다 넓은 영역으로 형성되어 있다. 전압원(62)은 가변 전압이며, 일정한 전압 범위를 출력할 수 있다. 이 전기 특성 시험기에 의해 피측정물(60)을 측정함으로써 전압에 대한 전류의 관계를 얻을 수 있다.
도 10은 전압원(62)의 전압 값을 전압계(66)로 모니터하면서, 전류계(64)의 값을 취득한 데이터를 나타낸 전류-전압 특성 특정 결과이다. 전압 값은 -2V∼6V까지 변화시키고 있다. X축은 전압 값(V)이며, Y축은 전류 값(μA)이다. 0V∼1V 부근에서의 등가(等價) 저항은 약 10MΩ이며, 다이오드 특성으로서 동작하고 있는 것이 확인할 수 있었다. 그리고, 반도체 프로브(50)의 측정 영역(76)을, 피측정물(60)의 전극(14)에 직접 접촉시켜, 전류-전압 특성을 측정한 경우도 다이오드 특성을 얻을 수 있어, 반도체 프로브(50)의 기능을 달성하고 있음을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
도 11은 실제로 시험제작한 피측정물(60)을, 본 발명의 반도체 프로브(50)를 사용한 충방전 특성 시험 장치에서 측정하는 경우의 실시예를 나타내고 있다. 피측정물(60)은, 기판(12)에 폴리이미드 필름, 베이스 전극(14)에 동 합금을 사용하고, n형 금속 산화물층에는 이산화 티탄을 사용하였다. 또한, 충전층(18)은 실리콘으로 피복된 이산화 티탄 미립자이다.
반도체 프로브(50)의 지지체에는 엘라스토머(74)를 사용하고, 대향 전극(54)은 동 합금, 금속 산화물 반도체(56)는 산화 니켈을 사용하였다. 엘라스토머(74)의 사용에 의해, 반도체 프로브(50)와 충전층(18)의 면과의 밀착성을 향상시키고 있다. 이 대향 전극(54)과 금속 산화물(56)의 적층 영역이 측정할 수 있는 측정 영역(76)이 된다. 또한 측정 영역(76)에 대응하는 피측정물(60)의 충전층 측정 영역(78)의 충방전 특성을 측정하게 된다.
전압원(62)과 전압계(66), 부하 저항(68)을, 엘라스토머(74)에 설치되어 있는 전극(도시하지 않음)과 피측정물(60)의 베이스 전극(14)에 병렬로 접속한다. 또한, 충전층(18)의 충전 후에 전압원(62)을 차단하기 위하여, 스위치(80)가 전압원(62)과 직렬로 설치되어 있다.
베이스 전극(14)은, 도 11에 나타낸 바와 같이, 배선 접속을 위해, 기판 면에 충전층(18)보다 넓은 영역으로 형성되어 있다. 전압원(62)으로부터 충전층(18)의 충전층 측정 영역(78)을 충전하고, 그 후 스위치(80)를 오프하여, 부하 저항(68)의 전압을 전압계로 경과 시간과 함께 측정한다. 이 충방전 특성 시험기에 의해 피측정물(60)을 측정함으로써 부하 저항(68)에 대한 방전 전압과 경과 시간의 관계를 얻을 수 있다.
도 12는 전압원(62)으로 충전층(18)을 1.5V에 충전하고, 그 후 스위치(80)를 오프하여, 부하 저항(RL)을 개방((10GΩ 이상), 10MΩ, 0.9MΩ으로 한 경우에 대하여, 전압계(66)로 모니터하면서 시간 경과와 함께 변화하는 전압의 값을 얻은 결과이다. X축은 경과 시간(sec), Y축은 전압 값(V)이다. 결과로부터, 2차 전지로서의 방전 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 그 목적과 이점을 손상시키지 않는 적절한 변형을 포함하고, 또한 상기한 실시형태에 의한 제한은 받지 않는다.
10: 양자 전지
12: 기판
14: 베이스 전극
16: n형 금속 산화물 반도체층
18: 충전층
20: p형 금속 산화물 반도체층
22: 대향 전극
26: n형 금속 산화물 반도체
28: 절연 피막
30: 전극
32: 중간 결정층
34: n형 금속 산화물 반도체층
36: 전도대
38: 가전자대
40: 페르미 준위
42: 자외선
44: 전자
46: 정공
48: 에너지 준위
50: 반도체 프로브
52: 지지체
54: 전극
56: 금속 산화물 반도체
58: 충전 대응 영역
60: 피측정물
62: 전압원
64: 전류계
66: 전압계
68: 부하 저항
74: 엘라스토머
76: 측정 영역
78: 충전층 측정 영역
80: 스위치
82: PET 필름

Claims (19)

  1. 도전성의 전극; 및
    금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층
    을 지지체에 적층하여 구성되며,
    2차 전지용 충전층에 접촉시켜 특성 평가를 행하는,
    반도체 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 반도체는 p형 반도체인, 반도체 프로브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p형 반도체는 산화 니켈 또는 동 알루미늄 산화물인, 반도체 프로브.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 반도체는 n형 반도체인, 반도체 프로브.
  5. 제4항에 있어서,
    특성 평가의 대상이 되는 2차 전지용 충전층은 p형 반도체를 개재시켜 전극에 적층되어 있는, 반도체 프로브.
  6. 제4항에 에 있어서,
    상기 n형 금속 산화물 반도체는 이산화 티탄, 산화 주석, 산화 아연 중 어느 1종인, 반도체 프로브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전층은, 전자를 포획하기 위해, 절연성 물질로 덮인 n형 금속 산화물 반도체에 자외선을 조사하여, 광 여기 구조 변화시킴으로써 밴드 갭 중에 에너지 준위를 형성하고 있는, 반도체 프로브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 탄성체인, 반도체 프로브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 일부에 탄성체를 포함하는, 반도체 프로브.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 탄성체는 엘라스토머인, 반도체 프로브.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지지체에, 독립된 상기 전극 및 상기 금속 산화물 반도체층을 복수 포함하는, 반도체 프로브.
  12. 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브;
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하는 전압원; 및
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 상기 충전층이 적층되어 있는 상기 베이스 전극 간에 흐르는 전류를 측정하는 전류계
    를 포함하고,
    상기 충전층의 전류-전압 특성을 측정하는,
    반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 장치.
  13. 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브;
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극 사이에 전압을 인가하는 전압원; 및
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 상기 충전층이 적층되어 있는 상기 베이스 전극 간에 흐르는 전류를 측정하는 전류계
    를 사용하여,
    상기 충전층의 전류-전압 특성을 측정하는,
    반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 방법.
  14. 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브;
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하여 충전층을 충전하는 전압원;
    상기 전압원과 평행하게 접속된 부하 저항; 및
    상기 부하 저항에서의 전압을 측정하는 전압계
    를 포함하고,
    상기 충전층에 충전하고, 그 후 상기 전압원을 차단하여 상기 충전층으로부터의 전류를 상기 부하 저항에 흐르게 하여, 상기 부하 저항에서의 전압 측정에 의해, 전지 특성으로서의 상기 충전층에서의 충방전 특성을 측정하는,
    반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 장치.
  15. 도전성의 전극과, 금속 산화물 반도체로 이루어지는 금속 산화물 반도체층을 지지체에 적층하여 구성된 반도체 프로브;
    상기 반도체 프로브에 구비되어 있는 상기 전극과 2차 전지용 충전층을 적층한 베이스 전극과의 사이에 전압을 인가하여 충전층을 충전하는 전압원;
    상기 전압원과 평행하게 접속된 부하 저항; 및
    상기 부하 저항에서의 전압을 측정하는 전압계
    를 사용하여,
    상기 충전층에 충전하고, 그 후 상기 전압원을 차단하여 상기 충전층으로부터의 전류를 상기 부하 저항에 흐르게 하여, 상기 부하 저항에서의 전압 측정에 의해, 전지 특성으로서의 상기 충전층에서의 충방전 특성을 측정하는,
    반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전극과 상기 금속 산화물 반도체층을 상기 지지체에 복수 형성하고,
    상기 충전층의 국소적인 복수의 영역의 전류-전압 특성을 측정하는, 반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전극과 상기 금속 산화물 반도체층을 상기 지지체에 복수 형성한 반도체 프로브를 사용하여,
    상기 충전층의 국소적인 복수의 영역의 전류-전압 특성을 측정하는, 반도체 프로브를 사용한 충전층의 전기 특성 시험 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 전극과 상기 금속 산화물 반도체층을 상기 지지체에 복수 형성하고,
    상기 충전층의 국소적인 복수의 영역의 충방전 특성을 측정하는, 반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 전극과 상기 금속 산화물 반도체층을 상기 지지체에 복수 형성한 반도체 프로브를 사용하여,
    상기 충전층의 국소적인 복수의 영역의 충방전 특성을 측정하는, 반도체 프로브를 사용한 충전층의 충방전 특성 시험 방법.
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