KR20150073192A - 유리 또는 세라믹 기판을 포함하는 박막 전지 - Google Patents

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스튜어트 케빈 셰익스피어
스탠리 제이콥 스테니스로우스키
매튜 이. 플랫랜드
스테판 더블유. 다우니
모건 제이. 토마
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Abstract

박막 전지는 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 열팽창 계수("CTE")를 갖는 유리 또는 세라믹 기판, 약 3 마이크로미터 미만의 두께를 갖고 유리 또는 세라믹 기판 위에 존재하는 연속적 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖는 연속적 필름인 리튬 전이 금속 산화물을 포함하고 캐소드 전류 집전체 위에 존재하는 캐소드 물질층, 약 0.5 내지 약 4 마이크로미터의 두께를 갖고 캐소드 물질층 위에 존재하는 LiPON 전해질층, 및 임의의 애노드 물질을 갖는 애노드 전류 집전체를 포함한다. 상기 전지의 제조 및 사용 방법이 기재되어 있다.

Description

유리 또는 세라믹 기판을 포함하는 박막 전지{Thin film batteries comprising a glass or ceramic substrate}
본 출원은 2012년 10월 15일 출원된 발명의 명칭 "유리 기판을 포함하는 박막 전지"에 관한 미국 가출원 번호 61/714,004호를 우선권 주장하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 박막 고상 에너지 저장 장치 분야에 관한 것이고, 더욱 자세하게는 박막 고상 전지의 응용 구조에 관한 것이다.
전자공학은 컴퓨터, 휴대폰, 이동전화, 트랙킹 시스템, 스캐너, 청취 보조기구, 원격 센서 등과 같은 다수의 휴대 장치에 포함되고 있다. 이러한 휴대 장치에 대한 1개 결점은 장치에 파워 서플라이(power supply)를 포함할 필요가 있는 것이다. 휴대용 장치는 전형적으로 전지를 파워 서플라이로 사용한다. 전지는 적어도 장치가 사용되는 시간 동안 장치에 전력을 공급하도록 충분한 용량을 가져야 한다. 충분한 전지 용량은 장치와 비교하여 불균형적으로 무겁고 및/또는 큰 파워 서플라이를 초래할 수 있다. 따라서, 더 작고 경량의 에너지 저장 장치 (즉, 파워 서플라이)가 요청된다.
이러한 유형의 에너지 저장 장치의 하나는 고상, 박막 전지이다. 박막 전지의 예는 미국 특허 번호 5,314,765호; 5,338,625호; 5,445,906호; 5,512,147호; 5,561,004호; 5,567,210호; 5,569,520호; 5,597,660호; 5,612,152호; 5,654,084호; 및 5,705,293호에 기재되어 있고, 이들 각각은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 미국 특허 번호 5,338,625호는 박막 전지, 특히 박막 마이크로전지, 및 전자 장치에 대한 백업 또는 제1 집적 전원으로서 용도를 갖는 박막 마이크로전지의 제조 방법을 기재한다.
박막 전지는 적어도 일부는 상기 물질의 신뢰성으로 인하여 또 소형의 전자기계적 장치의 제조자들(집적회로 제조자들)이 실리콘 웨이퍼와 친화성을 갖기 때문에 실리콘을 기판으로 사용하여 특히 제조되어 왔다. 특히 소형 장치에서 신뢰성있는 파워 서플라이의 제공을 용이하게 하는 장치 및 방법이 계속 요청되고 있다.
약 7 내지 약 10 ppm/°K의 열팽창 계수("CTE")를 갖는 유리 또는 세라믹 기판, 약 3 마이크로미터 미만의 두께를 갖고 유리 또는 세라믹 기판 위에 존재하는 연속적 금속 또는 금속 산화물 캐소드(cathode) 전류 집전체, 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖는 연속 필름인 리튬 전이 금속 산화물을 포함하고 캐소드 전류 집전체 위에 존재하는 캐소드 물질층, 캐소드 물질층 위에 존재하고 약 0.5 내지 약 4 마이크로미터의 두께를 갖는 LiPON 전해질층, 및 임의의 애노드(anode) 물질을 갖는 애노드 전류 집전체를 포함하는 박막 전지가 제공된다.
전형적인 고상 박막 전지는 매우 얇은 캐소드 물질 층을 사용하는데, 이는 이러한 물질이 더 두꺼울수록 전지 제조하는 동안 또는 전기의 소망하는 생활주기의 초기 단계에서 물질 균열을 형성하는 경향이 있어 전지의 돌발 고장을 초래하기 때문이다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 CTE를 갖는 유리 또는 세라믹, 연속적 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 및 LiPON 전해질층과 조합되어 사용될 때 두꺼운 LiCoO2 캐소드 물질 층을 사용할 수 있음이 놀랍게도 밝혀졌다. 본 발명의 고상 전지 구조는 캐소드 물질층에서 균열을 견디는 것으로 보이며, 또 균열이 생기면 이들은 돌발적 고장을 훨씬 덜 초래하는 경향이 있다. 이론에 얽매이는 것은 아니나, 유리 또는 세라믹 기판, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 및 캐소드 물질층(위에 존재하는 층) 사이의 상호작용은 초기 균열을 감소시키며, 일부 경우 LiPON 전해질층은 상술한 환경에 있는 캐소드 물질층에서 생기는 균열에서 전지의 돌발 고장을 "치유" 또는 다르게는 지연시키거나 방지한다.
고상 박막 전지의 돌발적 고장을 피하는 것이 특히 중요하다. 더 작은 장치또는 용이한 전지 교체를 위해 구성되지 않은 장치에 사용될 때 박막 전지의 사용 성질로 인하여, 고상 박막 전지의 고장은 전지 자체의 가치를 훨씬 초과하는 돌발 효과를 갖는다. 동전 또는 버튼 전지와 같은 통상의 전지는 손상되면 단순히 교체될 수 있다. 그러나 상기 기재된 바와 같은 제품 중의 고상 박막 전지는 흔히 예컨대 회로판에 일체화되어 배선이 들어가거나 또는 집적회로, 전원, 안테나, 디스플레이 장치 또는 다수의 장치의 조합과 같은 하나 이상의 장치와 내부 조합된다. 고상 박막 전지가 고장나면, 전지의 교체는 흔히 상업적으로 유용한 선택이 아니다. 전체 전지 및 장치 조합 제품이 쓸모없게 되고, 고상 박막 전지 단독의 경제적 가치보다 훨씬 더 많은 손실을 나타낸다.
본 발명의 전지는 두꺼운 캐소드를 포함하므로, 소형 크기와 신뢰성이 매우 가치있는 전자 장치에 사용하기에 바람직한 높은 에너지 밀도를 갖는 전지가 제공될 수 있다.
본 출원에 포함되고 그 일부를 이루는 첨부한 도면은 본 발명의 몇 개의 특징을 설명하며 실시양태의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면의 간단한 설명은 다음과 같다:
도 1은 본 발명의 일 실시양태인 전지의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태인 2면 전지의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태인 전지의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시양태를 도시하며, 여기서 단일 애노드 전류 집전체가 사용되어 단일 유리 또는 세라믹 기판과 관련된 이중 전지 셀을 제공한다.
이하에 기재된 본 발명의 실시양태는 완전히 철저한 것이 아니거나 이하의 상세한 설명에 개시된 형태에 한정되는 것은 아니다. 오히려 선택되고 기재된 실시양태의 목적은 본 발명의 원리와 실시가 당업자에게 의해 잘 이해되도록 하기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 박막 전지(10)는 유리 또는 세라믹 기판(12) 위에 위치하는 캐소드 전류 집전체(14)를 갖는 유리 또는 세라믹 기판(12)을 포함한다. 캐소드(16)는 상기 캐소드 전류 집전체(14) 위에 위치한다. 전해질(18)은 애노드 전류 집전체(20)로부터 캐소드(16)를 분리한다. 인캡슐레이션(encapsulation)층(22)은 전지 셀을 덮고, 바람직하게는 캐소드 컨택트(cathode contact) (24) 및 애노드 컨택트(anode contact) (26)에 대한 액세스(access)를 제공하도록 구성된다. 애노드(도시되지 않음)는 전해질(18)과 애노드 전류 집전체(20) 사이의 층으로서 전지 제조하는 동안 경우에 따라 제공될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 박막 전지 셀은 애노드는 없지만 리튬 이온의 공급원으로 작용할 수 있는 캐소드층을 갖도록 먼저 작성될 수 있다. 본 박막 전지 셀 실시양태의 충전시, 금속성 리튬은 전해질과 애노드 전류 집전체 사이에서 도금되어 애노드를 형성한다. 다르게는, 상기 애노드는 애노드 층을 형성하기 위해 수용적인 층(도시되지 않음) 중의 애노드 물질의 인터칼레이션(intercalation)에 의해 형성될 수 있다. 박막 전지의 예는 미국 특허 번호 5,314,765호; 5,338,625호; 5,445,906호; 5,512,147; 5,561,004호; 5,567,210호; 5,569,520호; 5,597,660호; 5,612,152호; 5,654,084호; 5,705,293호; 6,906,436호; 6,986,965호; 7,931,989호; 7,776,478호; 및 7,939,205호 및 미국 특허공개 번호 2009/0214899호 및 2007/0012244호에 기재되어 있고, 이들 각각은 모든 목적을 위해, 특히 전지 셀 성분의 작성 방법 및 물질 선택 및 박막 전지를 포함하는 장치의 실시양태에 관하여 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 발명의 목적을 위하여, "전지" 또는 "전지 셀"은 캐소드 전류 집전체, 캐소드, 전해질, 및 애노드와 애노드 전류 집전체의 모든 요소를 포함하는 물질의 작성 또는 애노드는 갖지 않지만, 애노드를 갖지 않는 것이 전지의 충전시 도금 또는 인터칼레이션에 의해 생성되도록 존재하는 물질을 갖는 물질의 작성을 지칭한다.
전지는 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 CTE를 갖는 유리 또는 세라믹 기판 상에 작성된다. 본 발명의 목적을 위하여, 열팽창 계수("CTE")는 ASTM C372-94(2012)에 따라 결정되며 또 25℃-800℃ 온도 범위에 걸쳐 측정된다. 일 실시양태에서, 유리 또는 세라믹 기판은 약 7 내지 약 8.5 ppm/°K의 CTE를 갖는다.
일 실시양태에서, 상기 기판은 소망하는 CTE 특성을 갖는 소다-라임-실리케이트 유리 및 보로실리케이트 유리로부터 제조되는 유리 기판이다. 바람직한 실시양태에서, 유리는 템퍼링(tampered)되어 증가된 파단강도를 제공하는 유리이다. 유리는 모든 목적을 위해 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 특허 번호 4,218,230호에 기재된 바와 같은 열 및/또는 압력 템퍼링 또는 화학적 템퍼링을 비롯한 적절한 방식에 의해 템퍼링될 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 기판은 실리콘, 알루미늄, 붕소, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 아연, 망간 및 코발트 산화물로부터 선택된 금속 산화물을 포함하는 세라믹 기판이다. 일 실시양태에서, 상기 세라믹 기판은 비정질(amorphous) 세라믹이다. 일 실시양태에서, 상기 기판은 약 99% 초과의 알루미나를 포함하는 비정질 세라믹이다.
본 발명의 목적을 위하여, 기판은 전지 셀의 기능적 부분이 아니고 또 절연 보호 오버코트도 아닌 지지 구조로 규정된다. 일 실시양태에서, 유리 또는 세라믹 기판은 전지에서 유일한 기판 물질이다. 유리 만을 기판으로 사용하면 전지를 통하여 양립성(compatible)의 CTE 특성을 갖는 전지 어셈블리를 유리하게 제공하며, 또 불필요한 층을 제거하는 것에 의해 전체 전지 구조의 두께를 또한 감소시킨다.
바람직한 실시양태에서, 전기 구조의 비활성 성분(즉 기판 및 보호 인캡슐레이션와 같이 전지 반응 자체에 관여하지 않는 성분)은 얇아서 우수한 에너지 밀도를 갖는 전지를 제공한다. 따라서, 바람직한 실시양태에서, 유리 또는 세라믹 기판은 100 마이크로미터 미만의 두께를 갖는다. 다른 바람직한 실시양태에서, 유리 또는 세라믹 기판은 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는다. 바람직한 실시양태에서, 전지는 100 마이크로미터 미만의 두께, 또는 바람직하게는 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는 보호 인캡슐레이션을 구비한다.
상기 전지는 유리 또는 세라믹 기판 위에 존재하고 약 3 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 연속적 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체를 포함한다. 본 발명의 실시양태에서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 약 0.1 내지 2 마이크로미터, 또는 바람직하게는 약 0.5 내지 1 마이크로미터의 두께를 갖는다. 일 실시양태에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 금, 은, 백금, 몰리브덴, 티탄, 망간, 인듐, 금속 합금, 산화물 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일 실시양태에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 약 6 내지 약 12 ppm/°K의 CTE를 갖는다. 다른 실시양태에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 CTE를 갖는다. 캐소드 전류 집전체가 기판의 집전체 및 캐소드 물질 자체의 보고된 CTE 값과 잘 매칭되는 실시양태는 제조 및 성능상 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
일부 실시양태에서, 인듐 주석 산화물과 같은 도전성 유리질 물질이 캐소드 전류 집전체로서 사용된다. 인듐 주석 산화물은 도전성일 뿐만 아니라 유리 또는 세라믹 기판 및 리튬 금속 산화물 캐소드의 CTE와 유사한 CTE 갖는 이점이 있다. 일 실시양태에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 백금이다.
일 실시양태에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 알루미늄이다. 알루미늄은 비교적 낮은 융점을 갖지만, 특정 실시양태에서 캐소드 물질층을 기판에 묶는데 유리한 성능을 제공하는 것으로 믿어진다.
본 발명에서 사용되는 바와 같은 캐소드 물질층은 분말/스크린 인쇄된 캐소드 물질과 대조적으로 연속 필름이다. 이러한 유형의 캐소드 물질은 고체 전해질에 대하여 균일한 표면을 제공하기 때문에 고상 전지 (즉 고체 LiPON 전해질층을 사용하는 전지)에 대해 이점을 제공한다. 이러한 필름 캐소드 물질은 본 발명에서 고려되는 바와 같은 비교적 더 두꺼운 층 두께 제조에 시험대일 수 있다. 따라서 본 발명은 전체적으로 현저한 제조 및 성능상 이점을 제공한다.
본 발명은 통상의 고상 박막 전기 구조과 비교하여 두꺼운 캐소드 물질층, 즉 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 이용한다. 본 발명의 캐소드 물질층은 적어도 하나의 리튬 전이 금속 산화물을 포함하며 또 캐소드 전류 집전체 위에 존재한다. 바람직한 실시양태에서, 상기 캐소드는 LiCoO2, LiFePO4, LiMnO2, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 리튬 전이 금속 산화물을 포함한다. 특히 바람직한 실시양태에서, 캐소드 중의 유일한 리튬 전이 금속 산화물은 LiCoO2이다. 본 발명의 실시양태에서, 캐소드 물질층은 약 15 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는다.
일 실시양태에서, 상기 캐소드 물질층은 약 500℃°내지 약 800℃의 온도로 어닐링된다. 다른 실시양태에서, 상기 캐소드 물질층은 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도로 어닐링된다.
캐소드 물질층 위에 존재하고 또 약 0.5 내지 약 4 마이크로미터의 두께를 갖는 LiPON 전해질층이 제공된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, LiPON은 리튬 인 옥시질화물 물질을 일반적으로 지칭한다. 일례는 Li3PO4N이다. 다른 예는 전해질 전반에 걸쳐 리튬 이온 이동도를 증가시키기 위하여 더 높은 비율의 질소를 혼입한다.
본 발명의 일 실시양태에서, 상술한 LiPON 층 이외에 다수의 전해질층이 제공될 수 있다. 바람직한 다층의 전해질 구조의 예는 모든 목적을 위해 전체적으로 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭 "연질 및 경질 전해질층을 갖는 박막 전지 및 방법"에 관한 미국 특허 번호 7,776,478호에 기재되어 있다.
애노드 전류 집전체가 제공되며, 또 구리, 티탄, 알루미늄, 니켈, 철, 금, 은, 백금, 몰리브덴, 망간, 금속 합금, 도전성 세라믹, 두껍게 도핑된 다결정성 실리콘과 같은 도전성 반도체, 등과 같은 도전성 물질로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 실시양태에서, 상기 애노드 전류 집전체는 약 0.5 내지 3 마이크로미터의 두께를 갖는다.
상술한 바와 같이, 일부 실시양태에서, 상기 애노드는 제조 공정 중 및 예컨대 금속 퇴적에 의해 제조된 층으로서 초기 충전하기 전에 제공된다. 상기 애노드는 예컨대, 니켈, 알루미늄, 실리콘, 주석, 리튬 및/또는 그의 합금과 같은 금속으로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 실시양태에서, 상기 애노드는 약 1 내지 3 마이크로미터의 두께를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 애노드는 제조되는 전지 구조의 일부로서 먼저 제공되지 않고, 전지의 초기 충전시에만 생성된다. 캐소드 물질이 리튬-함유 화합물을 포함하기 때문에, 애노드는 예컨대 전지의 최초 충전에 의해 전지 어셈블리 이후의 리튬 금속 층인 활성 애노드로서 형성될 수 있다. 이는 때때로 "무-Li" 디자인이라 불리며, 또 고온 (>180℃)의 모듈 어셈블리 및 팩케이징 과정을 견디는 이점이 있는데 초기 충전 이전에 금속성 Li가 존재하지 않기(또 용융되지 않음) 때문이다. 다른 실시양태에서, 예컨대 흑연 층을 제공하는 것에 의해 애노드 인터칼레이션 구조가 제공되고, 또 리튬 이온이 애노드 인터칼레이션 구조에 인터칼레이팅되어 기능적 애노드를 형성한다.
바람직하게는 전지는 전지 셀을 완전히 감싸는 인캡슐레이션층을 구비하므로, 전지를 작동시키기 위하여 애노드 및 캐소드 전류 집전체에 대한 컨택트(contacts)에 대한 액세스만을 제공한다.
인캡슐레이션은 수증기, 산소 및 기타 환경적 오염물에 대한 노출로부터 전지 물질을 보호하는데 바람직하다. 특히 리튬은 다른 원소 및 화합물과 쉽게 반응한다. 박막 전지 성분은 환경적 요소 노출에 대해 민감하기 때문에, 전지 구조는 전지 제조 후 외부로부터 격리되어야 한다. 본 발명의 전지 구조 및 특히 인캡슐에이션과의 조합에 의해 얻어지는 추가의 보호가 매우 유리하다. 최종 인캡슐레이션 물질은 바람직하게는 실리콘, 폴리이미드, 에폭시 또는 다른 중합체와 같은 유기 물질이다. 본 발명의 일 실시양태에서, 인캡슐레이팅 물질 두께는 약 0.5 내지 약 10 마이크로미터이다. 다른 실시양태에서, 상기 인캡슐레이팅 물질 두께는 약 8 내지 약 10 마이크로미터이다. 본 발명의 일 실시양태에서, 최종 외부층은 약 0.5 내지 1 마이크로미터 두께의 실리콘 질화물이며, 이는 부가적 밀폐 보호를 제공하며 또 집적회로 팩케이징 물질과 양립한다. 이러한 최종 층은 또한 마모 및 취급 손상에 대한 물리적 차단제로도 작용한다.
본 발명의 일 실시양태에서, 전지는 충방전 주기 동안 전지에서 생길 수 있는 치수 변화를 수용하기 위하여 신축적인(flexible) 하나 이상의 동일하거나 상이한 물질들의 층을 구비한다. 일 실시양태에서, 박막 고상 전지는 약 0.5 내지 약 10 마이크로미터의 두께를 갖고 약 10 내지 약 100의 쇼어 A 경도를 갖는 물질로 제조된 신축성 층을 구비한다. 일 실시양태에서, 박막 고상 전지는 약 0.5 내지 약 10 마이크로미터의 두께를 갖고 또 약 10 내지 약 90의 쇼어 00 경도를 갖는 물질로 제조된 신축성 층을 구비한다.
일 실시양태에서, 박막 고상 전지는 약 0.5 내지 약 10 마이크로미터의 두께를 갖고 또 적어도 30, 또 일 실시양태에서 약 30 내지 100의 항복 연신율(percent elognation at yeild)을 갖는 물질로 제조된 신축성 층을 구비한다. 항복 연신율은 50 mm/분의 시험 속도로 ASTM D638-02a에 따라 시험하는 것에 의해 결정된다.
신축성 층의 제공은 본 명세서에 기재된 바와 같이 비교적 두꺼운 캐소드층(즉 약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖는 연속적인 필름인 캐소드 물질층)을 갖는 실시양태의 경우에 특히 유리하다. 보다 두꺼운 캐소드 필름 층은 강성 전지 구조에 나쁜 영향을 줄 수 있는 국소적인 치수 변경을 경험할 수 있음에 주목해야 한다.
일 실시양태에서, 신축성 층을 제공하기 위한 물질은 감광성 (photodefinable) 중합체 물질이다. 일 실시양태에서, 신축성 층을 제공하기 위한 물질은 감광성 폴리이미드 물질이다. 일 실시양태에서, 신축성 층을 제공하기 위한 물질은 HIPEC ® Q3-6646 Semiconductor Protective Coating (다우 코닝 제조)과 같은 실리콘 중합체 물질이다.
일부 실시양태에서, 본 발명의 전지는 게터(getter) 층을 포함한다. 게터 층은 일반적으로 미국 특허번호 5,654,084호에 기재되어 있고 또 유해 성분에 의해 배리어층의 침투를 방지하는데 보조하기 위하여 환경 중에 있는 유해 성분의 적어도 하나의 성분과 반응하거나 또는 흡수하는 층이다. 예컨대, 티탄, 탄탈, 인, 바륨, 에르븀, 루비듐, 티탄-지르콘 합금, 코발트 산화물, 탄소, 히드라진, 나트륨 설파이트, 등을 함유하는 층을 사용하여 전지의 보호층을 통한 물 또는 산소의 수송을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 전지는 약 12 cm2 내지 약 1000 cm2의 풋 프린트 면적(foot print area)을 갖는다. 일 실시양태에서, 이러한 용도에 사용하기 위한 전지는 예컨대 약 12 cm2 내지 약 50 cm2의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 약간 작은 전지가 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 바람직하게는, 전지는 약 50 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 갖는다.
다른 바람직한 실시양태에서, 더 작은 전지가 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 바람직하게는, 전지는 약 13 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 갖는다. 다른 실시양태에서 전지는 약 12 cm2, 11 cm2, 10 cm2, 9 cm2, 8 cm2, 7 cm2, 6 cm2, 5 cm2, 4 cm2, 3 cm2, 2 cm2, 또는 1 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 갖는다. 일 실시양태에서, 전지는 약 0.025 cm2의 최소 풋프린트 및 약 13 cm2, 12 cm2, 11 cm2, 10 cm2, 9 cm2, 8 cm2, 7 cm2, 6 cm2, 5 cm2, 4 cm2, 3 cm2, 2 cm2, 또는 1 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 갖는다.
바람직하게는, 전지는 기판 및 외부 보호층(즉 층들은 전지 셀에 전기적으로 연결되지 않음)을 포함하지 않은 전체 두께가 약 200 마이크로미터를 초과하지 않는, 더욱 바람직하게는 120 마이크로미터를 초과하지 않은, 더 더욱 바람직하게는 100 마이크로미터를 초과하지 않으며 또 가장 바람직하게는 50 마이크로미터를 초과하지 않는다.
바람직한 실시양태에서, 다수의 전지는 재충전 가능한 멀티-셀 전지 어레이로 서로 전기적으로 연결되며, 적어도 2개의 박막 전지 셀은 전기적으로 서로 평행하게 연결되어 단일 전지 전원으로 전력을 제공한다. 상기 어레이는 바람직하게는 전지 셀이 전체 전지 셀 어레이의 전압과는 상이한 소정 % 이상의 전지 전압을 갖는지 또는 소정 컷오프 임계치 아래의 절대 전압을 갖는지를 결정하기 위한 시험 논리 및 전지 셀이 전체 전지 셀 어레이의 전압과는 상이한 소정 % 이상인 전지 셀 전압을 갖는지 또는 소정 컷오프 임계치 아래의 절대 전압을 가지면 전지 셀 어레이로부터 전지 셀을 분리시키는 논리를 더 포함한다. 이러한 실시양태에서, 단일 전지 셀을 파괴할 수 있는 단일 고장은 본 발명의 전지 셀 어레이의 기능을 파괴하지 않을 것이고, 이는 단일 고장은 오직 1개의 셀에만 영향을 줄 뿐이므로, 다수의 셀은 여전히 작동하기 때문이다. 이렇게 확인된 전지 셀을 분리시키는 것은 전지 셀 어레이의 나머지를 심방전(deep discharge)으로부터 보호하는 작용을 한다. 적어도 2개의 셀, 및 바람직하게는 적어도 4개의 셀을 갖는 어레이를 제공하는 것에 의해, 파워 서플라이에서 가외성 정도(level of redundancy)가 제공될 수 있어 다수의 고장이 있었더라도, 전체 전지 셀 구조는 여전히 작동가능한 수준의 전력을 생성할 수 있다.
또한 어레이에서 전지를 충전 및/또는 분리하기 위한 시스템의 자세한 기재는 2012년 8월 16일 출원된 발명의 명칭“멀티-셀 박막 마이크로전지 어레이"에 관한 미국 특허 출원번호 13/587,469호에 기재되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
멀티-전지 어레이는 사이드-바이-사이드(side-by-side) 구조로 구성될 수 있으므로, 상기 전지는 XY 방향으로 연장되는 일반적으로 평면 배향에 있다. 이러한 일반적으로 평면 어레이는 반도체 웨이퍼 제조에서 일반적인 공정 수법을 이용하여 단일 기판 상에서 제작될 수 있다. 전지 어레이의 서브그룹은 아래에 기재된 바와 같은 수법을 이용하여 대형 제조 구역으로부터 분리될 수 있다. 전지 어레이는 일반적으로 사각형 어레이로 배열될 수 있다. 사각형, 삼각형, 오각형, 원형, 또는 다른 형상을 비롯한 다른 마이크로전지 셀 구조도 이해될 것이다. 마찬가지로, 어레이에서 개별 전지 셀은 일반적으로 사각형상이거나, 또는 다르게는 사각형, 삼각형, 오각형, 원형, 또는 다른 형상을 가질 수 있다.
전지 셀 어레이는 예컨대 약 12 cm2 내지 약 1000 cm2의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 전지 셀 어레이는 예컨대 약 12 cm2 내지 약 50 cm2의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 약간 작은 전지 셀 어레이가 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 바람직하게는, 전지 셀 어레이는 약 50 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다.
다른 바람직한 실시양태에서, 더 작은 전지 셀 어레이가 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 바람직하게는, 전지 셀 어레이는 약 13 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서 전지 셀 어레이는 약 12 cm2, 11 cm2, 10 cm2, 9 cm2, 8 cm2, 7 cm2, 6 cm2, 5 cm2, 4 cm2, 3 cm2, 2 cm2, 또는 1 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 전지 셀 어레이는 약 0.025 cm2의 최소 풋 프린트 및 약 13 cm2, 12 cm2, 11 cm2, 10 cm2, 9 cm2, 8 cm2, 7 cm2, 6 cm2, 5 cm2, 4 cm2, 3 cm2, 2 cm2, 또는 1 cm2 이하의 풋 프린트 면적을 갖는다.
부가적으로, 상기 어레이는 개별 전지 셀의 수직형 또는 스택형 구조(stacked configuration)로 배열되거나, 또는 전지 셀의 수평 및 수직 어레이의 조합으로 배열될 수 있다. 스택형 전지의 어레이는 발명의 명칭 "전지 어레이, 작성 및 방법"에 관한 미국 특허 출원 공개번호 2011/0183183호에 기재되어 있고, 이는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 상기 나타낸 바와 같이, 어레이의 개별 전지는 사각형과는 다른 형상일 수 있다.
도 2는 유리 또는 세라믹 기판의 양쪽 주요 표면 상에 존재하는 셀을 갖는 2-전지 셀 어레이인 본 발명의 실시양태를 도시한다. 자세하게는, 2-면 유리 또는 세라믹 기판 전지 어레이(100)는 제1 주요 표면(104) 및 제2 주요 표면(106)을 갖는 유리 또는 세라믹 기판(102)으로부터 작성된다. 제1 캐소드 전류 집전체(108)는 제1 주요 표면(104) 위에 존재하고, 또 제2 캐소드 전류 집전체(108)는 제2 주요 표면(106) 위에 존재한다. 제1 캐소드(112)는 제1 캐소드 전류 집전체(108) 위에 존재하고, 또 제2 캐소드(114)는 제2 캐소드 전류 집전체(110) 위에 존재한다. LiPON 전해질(116)은 제1 애노드 전류 집전체(120)로부터 제1 캐소드(112) 사이에서 그를 분리하며, 또 LiPON 전해질(118)은 제2 애노드 전류 집전체(122)로부터 제2 캐소드(114) 사이에서 그를 분리하며, 인캡슐레이션 물질(124, 126)은 각 전지 셀 구조를 보호한다. 전기적 연결을 전지에 부착하기 위하여 캐소드 전류 집전체에 대한 액세스는 인캡슐레이션 물질(124, 126) 너머로 연장되는 부분에서 얻어질 수 있다. 전기적 연결을 전지에 부착하기 위하여 애노드 전류 집전체(120, 122)에 대한 액세스는 바이어스(124, 126)에서 얻어질 수 있다.
이 실시양태에서, 캐소드 물질의 유효 두께는 기판에 대하여 2배이다; 용량의 증가에 수반한 부가적 기판 두께를 피할 수 있다. 이러한 구조는 단일 면 구조와 비교하여 전지의 에너지 밀도를 개선한다. 또한, 기판/캐소드 물질 특성의 미스매치(mismatch)도 대칭에 의해 옵셋될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시양태를 도시하는 것으로, 단일 애노드 전류 집전체가 사용되어 단일 유리 또는 세라믹 기판과 관련된 이중 전지 셀을 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이중 전지 셀은 유리 또는 세라믹 기판의 제2 주요 표면 상에서 되풀이(replicated)되므로, 단일 유리 또는 세라믹 기판이 사용되어 4개의 전지 셀을 지지하게된다. 일 실시양태에서, 상기 이중 전지 셀은 유리 또는 세라믹 기판의 일개 면에만 제공된다. 다른 실시양태에서, 도시된 바와 같은 4-셀 구조는 수평 구조, 수직 구조 또는 그의 조합으로 다수의 어레이에 제공된다.
도 4의 실시양태의 상세한 설명을 참조하면, 박막 전지(400)는 유리 또는 세라믹 기판(412)의 양쪽 주요 표면 위에 존재하는 캐소드 전류 집전체(414, 415)를 갖는 유리 또는 세라믹 기판(412)을 포함한다. 캐소드(416, 417)는 캐소드 전류 집전체(414, 415) 위에 존재한다. 전해질(418, 419)는 애노드 전류 집전체(420, 421)로부터 캐소드(416, 417)을 분리한다. 제2 전해질층(422, 423)은 제2 캐소드(424, 425)로부터 애노드 전류 집전체(420, 421)를 분리한다. 제2 캐소드 전류 집전체(426, 427)는 캐소드(424, 425) 위에 존재한다.
인캡슐레이션층(428, 429)은 전지 셀을 덮거나, 바람직하게는 캐소드 접점(430, 431) 및 애노드 접점(432, 433)에 대한 액세스를 제공하도록 구성된다.
애노드(도시되지 않음)는 전해질(418)과 애노드 전류 집전체(420, 421) 사이, 및 부가적으로 애노드 전류 집전체(420, 421)와 제2 전해질층(422, 423) 사이의 층으로서 전지 제작하는 동안 임의로 제공될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 박막 전지 셀은 애노드없이 먼저 작성될 수 있고, 또 캐소드(416, 417), 및 제2 캐소드(424, 425)는 리튬 이온의 공급원으로서 작용한다. 이러한 박막 전지 셀 실시양태를 충전할 때, 금속성 리튬은 각 전해질과 애노드 전류 집전체 사이에서 도금되어 실시양태에 도시된 바와 같이 4개의 애노드를 형성한다. 다르게는, 애노드는 애노드 층을 형성하는데 수용성인 층(도시되지 않음)에서 애노드 물질의 인터칼레이션에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 전지는 보호성 금속 층과 캐소드 전류 집전체 사이의 밀폐 영역을 규정하기 위하여 캐소드 물질, 전해질 및 애노드 전류 집전체의 일부 위를 덮어씌우는 보호성 금속 층을 제공하는 것에 의해 요소로부터 부가적 보호를 제공하도록 구성된다. 자세하게는, 도 3은 유리 또는 세라믹 기판(212) 위에 존재하는 캐소드 전류 집전체(214)를 갖는 유리 또는 세라믹 기판(212)을 포함하는 박막 전지(200)를 도시한다. 캐소드(216)는 캐소드 전류 집전체(214) 위에 존재한다. 전해질(218)은 애노드 전류 집전체(220)로부터 캐소드(216)를 분리한다. 인캡슐레이션층(222)은 전지 셀을 덮어, 바람직하게는 캐소드 컨택트(224) 및 애노드 컨택트(226)에 대한 액세스를 제공하도록 구성된다. 애노드(도시되지 않음)는 전해질(218)과 애노드 전류 집전체(220) 사이의 층으로서 전지 제작하는 동안 경우에 따라 제공될 수 있다. 보호성 금속 층(226)은 인캡슐레이션층(222) 위에 제공되며 또 접합부(228)에서 금속-대-금속 밀봉으로 캐소드 전류 집전체(214)와 밀봉된다. 이러한 금속 에지 밀봉은 전체 전지 주변 근처에서 완전한 금속-대-금속 경계 밀봉을 제공하는 것에 의해 요소에 비하여 전지의 더 우수한 보호를 제공한다. 제2 인캡슐레이션층(230)은 전지 셀을 덮어, 바람직하게는 캐소드 컨택트(224) 및 애노드 컨택트(226)에 대한 액세스를 제공하도록 구성된다. 이러한 레이아웃은 금속/비-금속 계면을 따라 전지 구조의 민감한 성분에 대한 직접적 측면 경로를 제공할 인접한 금속 및 비-금속층의 에지의 나쁜 환경 노출을 방지한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 유사한 구조는 발명의 명칭 "전체 금속 에지 밀봉을 포함하는 전지 레이아웃"에 관한 미국 특허 출원 공개번호 2009/0214899호에 기재되어 있고, 그 내용은 모든 목적을 위해 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 본 발명의 전지의 모든 실시양태는 접촉 패드, 바이어스, 기타 적합한 연결 구조 또는 그의 조합을 이용하는 것에 의해 전지 전력을 필요로 하는 장치에 전기적으로 연결될 수 있다. 배선결합, 땜납, 도전성 에폭시를 사용한 연결 등과 같은 적합한 연결 시스템에 의해 부착을 실시할 수 있다.
본 발명의 전지는 다양한 적용에 사용하기 위한 특정 전력 요건을 만족하도록 디자인될 수 있다. 일 실시양태에서, 개별 전지는 약 .5 mAh 내지 약 20 mAh의 수명 용량을 갖도록 제공된다. 일 실시양태에서, 멀티-전지 어레이는 약 0.5 mAh 내지 약 500mAh의 수명 용량을 제공한다. 일 실시양태에서, 멀티-전지 어레이는 약 5mAh 내지 약 100 mAh의 수명 용량을 제공한다.
본 발명에 따른 전지는 전지 크기에 적합한 제조 공정에 의하여 제조될 수 있다. 따라서, 아주 대형의 전지는 당업자에게 명백하지 않은 스크린 수법을 이용한 물질 증착 및 스퍼티링 수법에 의해 제조될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 전지는 그 내용이 모든 목적을 위해 참조에 의해 본 명세서에 포함된, 발명의 명칭 "고상 마이크로전지 포토리소그래피 제조를 위한 방법 및 장치, 싱귤레이션 및 패시베이션"에 관한 미국 특허 공개 번호 US 2008/0032236호에 기재된 바와 같은 포토리소그래피 및 에칭 수법을 이용하여 제조될 수 있다.
부가적으로, 전지는 레이저 절삭을 이용하여 물질을 제거함으로써 전지 물질의 소망하는 패턴을 남기고, 이는 다시 후속 층에 의해 코팅되는 것에 의해 제조될 수 있다. 일 실시양태에서, 전지는 스크린 수법, 포토리소그래피 및 레이저 절삭의 2 이상의 조합에 의해 제조된다. 특히 다수의 전지 셀을 단일 기판 상에서 제조하고, 이때 개별 전지 또는 전자 어레이의 서브그룹은 레이저 절삭, 에칭 및/또는 다이싱-소(dicing-saw) 수법과 같은 싱귤레이션 수법에 의해 제조 구역으로부터 분리된다.
본 발명의 전지는 전지 전력을 필요로 하는 장치에 전력을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 실시양태에서, 전력을 받을 장치는 집적회로 또는 다수의 집적회로이다. 상기 회로는 경우에 따라 1 이상의 프로세서(processor), 메모리, 및 입력 장치, 출력 장치, 및 안테나를 포함할 수 있다. 이러한 적용에서, 전지는 매우 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 전력을 받을 장치는 음악 플레이어, 전화기, 전자 판독기, 타블렛 컴퓨터, 또는 휴대용 컴퓨터와 같은 전자 장치이다. 이러한 장치의 성질은 전지의 크기를 규정할 것이다. 일 실시양태에서, 상기 장치는 디스플레이 스크린을 갖고 또 상기 전지는 디스플레이 스크린 크기와 근사한 XY 치수를 갖는 크기이다. 본 발명의 전지는 장치 디자인 요건에 의해 규정되는 임의 형상에서 고 에너지 밀도를 제공하는 것에 의해 우수한 공간 효율을 제공할 수 있다.
모든 특허, 특허 출원(가출원 포함), 및 본 명세서에 인용된 문헌은 모든 목적을 위해 개별적으로 포함되는 것처럼 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 다르게 나타내지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량 기준이며 또 모든 분자량은 중량 평균 분자량이다. 상술한 상세한 설명은 이해를 분명히 하기 위하여 주어진 것일 뿐이다. 본 발명은 도시되고 기재된 정확한 예시에 한정되지 않으며, 당업자에게 명백한 변형은 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (20)

  1. 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 열팽창 계수("CTE")를 갖는 유리 또는 세라믹 기판;
    약 3 마이크로미터 미만의 두께를 갖고, 유리 또는 세라믹 기판 위에 존재하는 연속적 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체;
    약 10 내지 약 80 마이크로미터의 두께를 갖는 연속적 필름인 리튬 전이 금속 산화물을 포함하고, 캐소드 전류 집전체 위에 존재하는 캐소드 물질층;
    약 0.5 내지 약 4 마이크로미터의 두께를 갖고, 캐소드 물질층 위에 존재하는 LiPON 전해질층; 및
    애노드 전류 집전체를 포함하는 박막 전지.
  2. 제1항에 있어서, 유리 또는 세라믹 기판은 전지 중의 유일한 기판 물질인 박막 전지.
  3. 제1항에 있어서, 유리 또는 세라믹 기판은 약 20 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는 박막 전지.
  4. 제1항에 있어서, 캐소드 물질층은 LiCoO2, LiFePO4, LiMnO2, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 리튬 전이 금속 산화물을 포함하는 박막 전지.
  5. 제1항에 있어서, 캐소드 물질층 중의 유일한 리튬 전이 금속 산화물은 LiCoO2인 박막 전지.
  6. 제1항에 있어서, 캐소드 물질층은 약 15 내지 약 50 마이크로미터의 두께를 갖는 박막 전지.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 물질층은 약 500℃ 내지 약 800℃의 온도로 어닐링되는 박막 전지.
  8. 제1항에 있어서, 캐소드 물질층은 약 650℃ 내지 약 750℃의 온도로 어닐링되는 박막 전지.
  9. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 구리, 알루미늄, 니켈, 철, 금, 은, 백금, 몰리브덴, 티탄, 망간, 인듐, 금속 합금, 산화물 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 박막 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 약 6 내지 약 12 ppm/°K의 CTE를 갖는 박막 전지.
  11. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체 금속은 약 7 내지 약 10 ppm/°K의 CTE를 갖는 박막 전지.
  12. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 인듐 주석 산화물인 박막 전지.
  13. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 백금인 박막 전지.
  14. 제1항에 있어서, 금속 또는 금속 산화물 캐소드 전류 집전체는 알루미늄인 박막 전지.
  15. 제1항에 있어서, 전지는 애노드를 더 포함하는 박막 전지.
  16. 제1항에 있어서, 유리 또는 세라믹 기판은 2개의 주요 표면을 갖고, 전지 셀 어레이가 유리 또는 세라믹 기판의 양쪽의 주요 표면 상에 존재하는 박막 전지.
  17. 제1항에 있어서, 유리 또는 세라믹 기판은 실리콘, 알루미늄, 붕소, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 아연, 망간 및 코발트 산화물로부터 선택된 금속 산화물을 포함하는 박막 전지.
  18. 제1항에 있어서, 전지는 약 .5 mAh 내지 약 20 mAh의 수명 용량을 제공하는 박막 전지.
  19. 제11항에 있어서, 멀티-전지 어레이는 약 0.5 mAh 내지 약 500mAh의 수명 용량을 제공하는 박막 전지.
  20. 제11항에 있어서, 멀티-전지 어레이는 약 5mAh 내지 약 100 mAh의 수명 용량을 제공하는 박막 전지.
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