KR20170057470A - 통합된 구조물 내에서 다중 전기화학물질 및 에너지 수집 소자의 제조 및 구조화 방법 - Google Patents

통합된 구조물 내에서 다중 전기화학물질 및 에너지 수집 소자의 제조 및 구조화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통합된 구조물을 갖는 다성분 에너지 장치의 디자인, 제조 및 구조화 방법에 관한 것으로, 각 개별 구성요소는 전기화학 전지, 광전지, 연료전지, 캐패시터, 울트라 캐패시터, 열전기 소자, 압전지, 마이크로 전기기계 터빈 및 에너지 회수장치로 이루어진 리스트로부터 선택된다. 상기 구성요소들은 한 개의 구조물로 이루어져 단일 구성요소가 개별적으로 달성해 낼 수 없는, 다시 말하면 각각의 구성요소들이 서로 보완해야 하는 에너지 밀도, 전력밀도, 전압범위, 전류 범위, 및 제품의 수명을 성취해 낼 수 있다. 개별 구성요소는 하이브리드 구조를 형성하며, 각 소자들은 전기적, 화학적, 열적으로 서로 전도상태에 있다. 전기화학전지는 다양한 화학적 성질을 나타내며, 개별 전지에 비해 더 넓은 전압 및 전류 범위를 제공하며, 에너지 회수 소자는 에너지를 모으고 그 에너지를 통합된 구조물 내의 다른 구성요소로 보충시키기 위하여 활용된다.

Description

통합된 구조물 내에서 다중 전기화학물질 및 에너지 수집 소자의 제조 및 구조화 방법{A METHOD FOR MANUFACTURE AND STRUCTURE OF MULTIPLE ELECTROCHEMISTRIES AND ENERGY GATHERING COMPONENTS WITHIN A UNIFIED STRUCTURE}
본 출원은 2008년 11월 7일에 출원된 발명의 명칭이 "통합된 구조물 내에서 다중 전기화학물질 및 에너지 수집 소자의 제조 및 구조화 방법"인 미국 가출원 번호 제 61/112,707호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 출원에 참조에 의해 포함된다.
본 발명에 따르면, 에너지 장치에 관한 기술이 제공된다. 더 상세하게는 본 발명의 실시예는 통합된 구조물을 갖는 다성분 에너지 장치의 디자인, 제조 및 구조화 방법에 관한 것이다. 각 개별 구성요소는 전기화학전지, 광전지, 연료 전지, 캐패시터, 울트라 캐패시터, 열전기 소자, 압전지, 마이크로 전기기계 터빈, 또는 에너지 회수장치를 포함한다. 여기에 기재된 방법 및 시스템은 다양한 에너지 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 합체된 전지 및 장치 구조물을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 서로 합체된 두 개 이상의 전기화학전지를 제공하는 것을 포함한다. 두 개 이상의 전기화학전지는 관련된 두 개 이상의 전기화학물질을 포함한다. 본 방법은 또한 한 개 이상의 장치가 두 개 이상의 전기화학 전지와 일체로 형성되어 합체된 전지 및 장치 구조물을 형성하는 것을 포함한다.
일체화된 전지 및 장치 구조물을 제조하는 방법은, 서로 일체화되고 기판의 표면 위에 놓이도록 형성되는 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지를 준비하는 단계로서, 상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지는 관련된 두 가지 이상의 상이한 전기화학물질을 포함하는, 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지를 준비하는 단계; 및 상기 기판의 표면 위에 놓이는 통합 구조물로서 상기 일체화된 전지 및 장치 구조물을 형성하기 위하여 상기 두 개 이상의 전기화학 전지와 한 개 이상의 장치를 일체로 형성하도록 하나 이상의 순차적 증착 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지와 상기 한 개 이상의 장치는 상기 하나 이상의 순차적 증착 공정을 이용하여 상기 통합 구조물로서 일체화되고, 상기 일체화된 전지 및 장치 구조물은 상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지와 상기 한 개 이상의 장치가 서로 전기적, 화학적, 및 열적으로 전도되도록 구성된다.
상기 하나 이상의 순차적 증착 공정은, 적어도 증발, 물리적 기상증착(PVD), 화학적 기상증착(CVD), 저압화학적 기상증착(LPCVD), 전기화학적 기상증착(EVD), 전기도금, 원자층 증착(ALD), 직접 레이저 기록(DLW), 스퍼터링, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering), 마이크로파 플라즈마 향상 화학적 기상증착(MPECVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 나노임프린트, 이온 주입, 레이저 절삭, 분무 증착, 분무 열분해, 분무 코팅, 플라즈마 분무, 졸/겔 침지 스피닝 및 소결법 중 하나일 수 있다.
상기 두 개 이상의 전기화학 전지는 직렬 및/또는 병렬로 적층되어 구성될 수 있다.
상기 두 개 이상의 전기화학 전지 사이에 설치된 열전달을 위한 분리영역을 추가로 구비할 수 있다.
상기 열전달을 위한 분리영역은 적어도 다이아몬드(C), 다결정 다이아몬드(poly-C), 알루미나, 질화 붕소, 질화 알루미늄, 또는 탄화 규소로 형성될 수 있다.
상기 두 개 이상의 전기화학물질은 적어도 리튬(Li), 리튬이온, 리튬 금속 폴리머(LiM-polymer), 리튬 에어(Li-air), 납(Pb) 산, 니켈 금속 수화물(Ni/MH), 니켈아연(Ni/Zn), 아연 에어(Zn-air), 융해염(Na/NiCl2), 지브라(NaAlCl4), 니켈 카드뮴(Ni/Cd), 은아연(Ag/Zn)으로부터 선택될 수 있다.
상기 장치는 마이크로전기기계시스템(MEMS) 감지소자를 포함할 수 있다.
상기 장치는 한 개 이상의 연료전지를 포함할 수 있다.
상기 장치는 적어도 한 개 이상의 광전지를 포함할 수 있다.
상기 장치는 적어도 한 개 이상의 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 장치는 적어도 한 개 이상의 울트라 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 장치는 전기화학전지, 연료전지, 광전지, 캐패시터, 울트라 캐패시터, 압전소자, 열전기 소자, 마이크로 전기기계 터빈, 및 에너지 회수장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하이브리드 조합 유닛을 포함할 수 있다.
상기 한 개 이상의 장치와 논리적으로 접촉하고 통신하는 데이터 버스와 중앙 연산처리장치(CPU)로 이루어진 감시 장치를 구비하며, 상기 CPU는 한 개 이상의 개별소자를 제어할 수 있다.
상기 감시 장치는 온도 T를 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 감시 장치는 한 개 이상의 부품 간의 응력을 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 감시 장치는 적어도 상기 한 개 이상의 전기화학전지 또는 한 개 이상의 장치의 동작의 결과로 인한 가스나 가스 반응을 검출하도록 구성될 수 있다.
상기 두 개 이상의 전기화학전지 또는 상기 한 개 이상의 장치의 안전한 작동을 유지하기 위한 한 개 이상의 감시장치를 추가로 구비할 수 있다.
다양한 장점이 종래 기술을 극복하여 본 발명을 통해 달성된다. 예를 들면, 여기에 기재된 전기화학전지는 다양한 화학물질을 가지고 있으며, 이로 인해 개별적인 전지에 비해 더 넓은 전압 및 전류범위를 제공한다. 또한, 에너지 회수 소자는 에너지를 모으고 그 에너지를 통합된 구조물 내의 다른 부품으로 보충시키기 위하여 사용된다. 본 실시예에 따르면, 한 가지 이상의 이러한 장점들이 달성될 수 있을 것이다. 이들 및 다른 장점들은 본 발명의 명세서에 더 상세히 기재될 것이며, 이하에 더 구체적으로 기술될 것이다.
본 발명의 상술한 것 및 그 이외의 목적 및 특징과 그것을 달성하는 방법은 당업자에게는 명백할 것이며, 본 발명은 첨부도면과 함께 이하의 상세한 기재를 참조하면 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 합체된 실리콘(Si) 태양 전지 및 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물의 개략 단면도이다.
도 2는 다른 화학물질을 갖는 두 개의 합체된 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물의 개략 단면도이다.
도 3은 합체된 수소/산소 연력전지와 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물의 개략 단면도이다.
도 4는 합체된 울트라 캐패시터와 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물의 개략 단면도이다.
실시예 1
실리콘( Si ) 태양 전지와 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물과 그의 제조방법
물리적 기상 증착(PVD)법을 이용하여 전지 부품을 형성함으로써 도 1에 도시된 바와 같은 실리콘(Si) 태양전지의 후면에 적층된 전지가 마련될 수 있다. P형 실리콘을 활용하는 태양전지는 종래의 실리콘 웨이퍼(쵸콜라스키(Czochralski) 방법)를 사용하여 구성된다. 인(P)을 웨이퍼 내로 확산시켜서 p-n 접합을 형성 한 후, 물리적 기상 증착법을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 p+ 도핑영역(하부측) 상에 알루미늄 후면 접점이 형성된다(도 1의 금속 후면 접점). 알루미늄층은 1-2 μm 두께로 성장된다.
후면 금속 접점이 형성된 후, 두께가 3-5 μm이며, 전기적으로 절연되고 열적 전도성을 가지는 질화 알루미늄(AlN) 분리층이 PVD 법을 이용하여 알루미늄층 상에 제조된다. 이 층은 두 개의 소자로부터 열을 제거하고 그 열을 히트싱크로 전달하는 기능을 가지고 있다.
냉각소자가 완성된 후, 알루미늄 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm), 리튬망간 산화물(LiMn2O4) 캐소드층(두께 3-5 μm), 리튬 인 산화질화물(LiPON) 세라믹 전해질층(두께 1-3 μm), 리튬(Li) 금속 애노드층(두께 3-5 μm), 및 구리(Cu) 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm)과 같은 전지 부품이 물리적 기상증착법에 의해 순차적으로 등각적으로 적층된다.
실시예 2
상이한 화학물질을 갖는 두 개의 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물과 그의 제조방법
도 2에 도시된 바와 같이 물리적 기상 증착법을 이용하여 상이한 전기화학물질을 갖는 두 개의 적층된 전지가 제조된다.
캐소드 전류 콜렉터로서 사용되는 알루미늄(Al) 금속막 상에 리튬철 인산염(LiFePO4) 캐소드층(두께 3-5 μm), 리튬 인 산화질화물(LiPON) 세라믹 전해질층(두께 1-3 μm), 리튬(Li) 금속 애노드층(두께 3-5 μm), 및 구리(Cu) 집전층(두께 1-3 μm)과 같은 제 1 전지 구성요소가 PVD법에 의해 각각 증착된다.
구리 금속 전류 콜렉터가 형성된 후, 두께가 3-5 μm이며, 전기적으로 절연되고 열적전도성을 가지는 질화 알루미늄(AlN) 분리층이 PVD법을 이용하여 구리층상에 제조된다. 이 층은 두 개의 소자로부터 열을 제거하고 그 열을 히트싱크로 전달하는 기능을 가지고 있다.
냉각소자가 완성된 후, 알루미늄 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm), 리튬망간 산화물(LiMn2O4) 캐소드층(두께 3-5 μm), 리튬 인 산화질화물(LiPON) 세라믹 전해질층(두께 1-3 μm), 리튬(Li) 금속 애노드층(두께 3-5 μm), 및 구리(Cu) 집전층(두께 1-3 μm)과 같은 2차 전지 부품이 PVD법에 의해 순차적으로 등각적으로 적층된다.
실시예 3
연료전지 및 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물과 그의 제조방법
물리적 기상 증착법(PVD법)을 이용하여 전지부품을 형성함으로써 도 3에 도시된 바와 같은 프로톤 교환막(PEM) 연료전지의 후면에 적층된 전지를 준비한다. Nafion®과 같은 퍼플루오로 술폰산염 아이오노머 전해액을 채용하는 높은 프로톤 전도율을 갖는 프로톤 교환막을 활용하는 PEM 연료전지가 전극용 막 및 습식 슬러리를 제조하는 종래의 졸-겔 방법을 사용하여 구성된다.
연료전지를 조립한 후, 두께가 3-5 μm이며, 전기적으로 절연되고 열적 전도성을 가지는 질화 알루미늄(AlN) 분리층이 PVD법을 이용하여 연료전지 전류 콜렉터 상에 제조된다. 이 층은 두 개의 소자로부터 열을 제거하고 그 열을 히트싱크로 전달하는 기능을 가지고 있다.
냉각소자가 완성된 후, 알루미늄 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm), 리튬망간 산화물(LiMn2O4) 캐소드층(두께 3-5 μm), 리튬 인 산화질화물(LiPON) 세라믹 전해질층(두께 1-3 μm), 리튬(Li) 금속 애노드층(두께 3-5 μm), 및 구리(Cu) 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm)과 같은 전지 부품이 물리적 기상증착법에 의해 순차적으로 등각적으로 적층된다.
실시예 4
울트라 캐패시터와 박막 전지를 포함하는 통합된 구조물과 그의 제조방법
PVD법을 이용하여 전지부품을 형성함으로써 도 3에 도시된 바와 같은 울트라 캐패시터라고도 알려진 전기기계적 이중층 캐패시터(EDLC)의 후면에 적층된 전지를 준비한다. 이와 같은 하이브리드 시스템에서, EDLC는 시스템 내에서 고파워 용량을 가능하게 하며, 전지는 높은 에너지 밀도를 제공한다.
EDLC는 고표면적 탄소(활성탄), 전기활성 고분자, 천이금속 산화물 및 질화물을 포함하는 활성물질을 조합시킨 에너지 저장장치의 일종이다. 분리재료로는 개량된 유전체, 종래 및 개량된 고분자 전해질, 이온전도물질을 포함한다. 전극배열은 대칭일 수도 있고 반대칭일 수도 있다. 도 4에서, 소자전극에 대해서는 반대칭 전극배열이 이용되었다. 캐패시터의 전극은 캐패시턴스가 최대 700 F/g인 졸-겔 방법에 의해 제조된 금속 산화물(예를 들면, 루테늄 옥사이드 수화물, RuO2·0.5H2O)과 같은 높은 캐패시턴스를 갖는 산화환원 활성물질인 활성탄과 같은 고표면적 물질에 의해 형성될 수 있다. 반대칭 전극과 상이한 애노드 및 캐소드 물질을 사용하는 것은 더 사용 전압을 더 높게 하며, 이러한 소자의 에너지 저장 능력을 개선시킨다.
울트라 캐패시터를 조립한 후, 두께가 3-5 μm이며, 전기적으로 절연되고 열적 전도성을 가지는 질화 알루미늄(AlN) 분리층이 PVD법을 이용하여 유전 재료층 상에 제조된다. 이 층은 두 개의 소자로부터 열을 제거하고 그 열을 히트싱크로 전달하는 기능을 가지고 있다.
냉각소자가 완성된 후, 알루미늄 집전장치층(두께 1-3 μm), 리튬망간 산화물(LiMn2O4) 캐소드층(두께 3-5 μm), 리튬 인 산화질화물(LiPON) 세라믹 전해질층(두께 1-3 μm), 리튬(Li) 금속 애노드층(두께 3-5 μm), 및 구리(Cu) 전류 콜렉터층(두께 1-3 μm)과 같은 전지 부품이 PVD법에 의해 순차적으로 등각적으로 적층된다.
여기에서 기재된 실시예 및 실시형태는 예시만을 목적으로 하는 것이며, 그것을 이용한 다양한 응용 또는 변형이 당업자에게 제안될 수 있으며, 본 출원의 사상 및 범위의 범주에 속하며, 첨부하는 청구항의 범위 내에 속한다는 것은 자명하다.

Claims (17)

  1. 일체화된 전지 및 장치 구조물을 제조하는 방법으로서,
    서로 일체화되고 기판의 표면 위에 놓이도록 형성되는 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지를 준비하는 단계로서, 상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지는 관련된 두 가지 이상의 상이한 전기화학물질을 포함하는, 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지를 준비하는 단계; 및
    상기 기판의 표면 위에 놓이는 통합 구조물로서 상기 일체화된 전지 및 장치 구조물을 형성하기 위하여 상기 두 개 이상의 전기화학 전지와 한 개 이상의 장치를 일체로 형성하도록 하나 이상의 순차적 증착 공정을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지와 상기 한 개 이상의 장치는 상기 하나 이상의 순차적 증착 공정을 이용하여 상기 통합 구조물로서 일체화되고, 상기 일체화된 전지 및 장치 구조물은 상기 두 개 이상의 적층된 전기화학 전지와 상기 한 개 이상의 장치가 서로 전기적, 화학적, 및 열적으로 전도되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 순차적 증착 공정은, 적어도 증발, 물리적 기상증착(PVD), 화학적 기상증착(CVD), 저압화학적 기상증착(LPCVD), 전기화학적 기상증착(EVD), 전기도금, 원자층 증착(ALD), 직접 레이저 기록(DLW), 스퍼터링, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering), 마이크로파 플라즈마 향상 화학적 기상증착(MPECVD), 펄스 레이저 증착(PLD), 나노임프린트, 이온 주입, 레이저 절삭, 분무 증착, 분무 열분해, 분무 코팅, 플라즈마 분무, 졸/겔 침지 스피닝 및 소결법 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개 이상의 전기화학 전지는 직렬 및/또는 병렬로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 두 개 이상의 전기화학 전지 사이에 설치된 열전달을 위한 분리영역을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열전달을 위한 분리영역은 적어도 다이아몬드(C), 다결정 다이아몬드(poly-C), 알루미나, 질화 붕소, 질화 알루미늄, 또는 탄화 규소로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 가지 이상의 전기화학물질은 적어도 리튬(Li), 리튬이온, 리튬 금속 폴리머(LiM-polymer), 리튬 에어(Li-air), 납(Pb) 산, 니켈 금속 수화물(Ni/MH), 니켈아연(Ni/Zn), 아연 에어(Zn-air), 융해염(Na/NiCl2), 지브라(NaAlCl4), 니켈 카드뮴(Ni/Cd), 은아연(Ag/Zn)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 마이크로전기기계시스템(MEMS) 감지소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 한 개 이상의 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 적어도 한 개 이상의 광전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 적어도 한 개 이상의 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 적어도 한 개 이상의 울트라 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 전기화학전지, 연료전지, 광전지, 캐패시터, 울트라 캐패시터, 압전소자, 열전기 소자, 마이크로 전기기계 터빈, 및 에너지 회수장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하이브리드 조합 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 개 이상의 장치와 논리적으로 접촉하고 통신하는 데이터 버스와 중앙 연산처리장치(CPU)로 이루어진 감시 장치를 구비하며, 상기 CPU는 한 개 이상의 개별소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 감시 장치는 온도 T를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 감시 장치는 한 개 이상의 부품 간의 응력을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 감시 장치는 적어도 상기 두 개 이상의 전기화학 전지 또는 한 개 이상의 장치의 동작의 결과로 인한 가스나 가스 반응을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개 이상의 전기화학 전지 또는 상기 한 개 이상의 장치의 안전한 작동을 유지하기 위한 한 개 이상의 감시 장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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