KR20210065745A - Electrochemical device comprising an active layer with a controlled porosity and a method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrochemical device that includes an ion storage layer capable of storing ions; and an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of a dopant material. The active layer is a layer whose porosity is controlled by the degree of vacuum in a deposition process. It can be applied to all applications using the ion behavior mechanism and control the porosity to control the behavior of ions in a device, thereby controlling the properties easily.

Description

다공성이 조절된 활성층을 포함하는 전기화학소자 및 이의 제조방법{Electrochemical device comprising an active layer with a controlled porosity and a method of manufacturing the same}An electrochemical device comprising an active layer with a controlled porosity and a method of manufacturing the same

본 발명은 이온(ion) 거동을 우수하게 조절하기 위하여 다공성이 조절된 활성층을 포함하는 전기화학소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 에너지 저장장치, 메모리 장치 등 이온의 이동 메커니즘을 이용한 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있는 전기화학소자에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical device including an active layer with controlled porosity in order to excellently control ion behavior and a method for manufacturing the same, and can be applied to various applications using an ion movement mechanism such as an energy storage device, a memory device, etc. It relates to an electrochemical device that can be

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.Background to the present disclosure is provided herein, which does not necessarily imply known art.

이온(ion)의 이동 메커니즘(mechanism)을 이용하는 에너지 저장장치(energy storage device), 기억장치(memory device) 등의 많은 응용장치(application)들이 실생활 전반부에 걸쳐 사용되어오고 있으며, 이들 소자들에 대한 연구 또한 활발히 진행되어 오고 있다. 이들 소자들은 이온의 이동에 의해 동작되는 만큼 소자의 특성 조절 및 성능 개선을 위해 이동도, 이동하는 이온의 양 등 이온거동 특성을 우수하게 조절하는 것이 중요하다. Many applications such as an energy storage device and a memory device using the movement mechanism of ions have been used throughout real life, and the Research is also being actively carried out. As these devices are operated by the movement of ions, it is important to excellently control the ionic behavior characteristics such as mobility and the amount of moving ions in order to control the characteristics and improve the performance of the device.

예로써, 에너지 저장장치 중 하나인 리튬 이온 배터리(Li-ion battery)의 경우, 더 많은 양의 리튬 이온과 더 빠른 리튬 이온 이동을 통해 높은 용량(capacity)과 빠른 충방전 특성을 확보할 수 있다. 또한 기억장치의 경우에도 많은 이온과 더 빠른 이온 이동을 통해 큰 메모리 윈도우(memory window) 뿐만 아니라 빠른 스위칭(switching)을 구현할 수 있다. 즉, 소자의 특성 및 성능을 기호에 맞게 조절하고 개선시키기 위해서 이온 거동에 대한 효과적인 컨트롤이 요구된다. For example, in the case of a Li-ion battery, which is one of the energy storage devices, high capacity and fast charging/discharging characteristics can be secured through a larger amount of lithium ions and faster lithium ion movement. . Also, in the case of a memory device, not only a large memory window but also fast switching can be realized through a large number of ions and faster ion movement. That is, effective control of ion behavior is required in order to adjust and improve device characteristics and performance according to preference.

종래에는 리튬 이온 배터리의 성능, 예를 들어 방전용량비(rate capability)를 향상시키기 위하여 양극 재료를 표면 개질된 LiCoO2 분말을 사용하거나(한국등록특허 제10-2018470호, 2019.08.29.), 저항 변화 메모리 소자의 저항변화층으로 질소가 도핑된 금속산화물층을 형성함으로써, 고전압의 포밍 과정 없이 충분한 온/오프 전류비(on/off current ratio)를 갖는 스위칭 현상을 제공(한국등록특허 제10-1764983호, 2017.07.28.)하고 있다. Conventionally, in order to improve the performance of a lithium ion battery, for example, rate capability, a LiCoO 2 powder surface-modified as a cathode material is used (Korea Patent No. 10-2018470, 2019.08.29.), or resistance By forming a metal oxide layer doped with nitrogen as a resistance change layer of a changeable memory device, a switching phenomenon with sufficient on/off current ratio is provided without a high voltage forming process (Korean Patent No. 10- No. 1764983, 2017.07.28.).

1. 한국등록특허 제10-2018470호 (2019.08.29.)1. Korean Patent Registration No. 10-2018470 (2019.08.29.) 2. 한국등록특허 제10-1764983호 (2017.07.28.)2. Korean Patent No. 10-1764983 (2017.07.28.)

본 발명은 다공성이 조절된 활성층을 포함하는 전기화학소자를 제공함으로써 소자 내 이온 거동을 조절하고 이를 통해 장치 특성을 용이하게 조절할 수 있는 전기화학소자 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide an electrochemical device including an active layer with controlled porosity, thereby controlling ion behavior in the device, and thus providing an electrochemical device capable of easily controlling device characteristics and a method for manufacturing the same.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 이온을 저장할 수 있는 이온 저장층; 및 도펀트 물질의 이온 농도에 따라 전도도가 달라지는 활성층;을 포함하고, 상기 활성층은 증착 시 진공도에 의해 다공성이 조절된 층인 전기화학소자를 제공한다.The present invention provides an ion storage layer capable of storing ions; and an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of the dopant material, wherein the active layer is a layer whose porosity is controlled by a degree of vacuum during deposition.

또한 상기 활성층은 도펀트 물질이 함유된 화합물로 형성된 층으로서, 상기 도펀트 물질은 Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O 및 Ca 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하며, 상기 화합물은 산화물, 황화물, 인산염 및 실리케이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the active layer is a layer formed of a compound containing a dopant material, and the dopant material is any selected from the group consisting of Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O and Ca. It includes one or more, and the compound is characterized in that it includes any one or more selected from the group consisting of oxides, sulfides, phosphates and silicates.

또한 상기 이온 저장층은 비정질 실리콘(a-Si), 이산화티타늄(TiO2), 흑연(graphite), 탄소(carbon), 리튬(Li), 산화텅스텐(WO3) 및 탄소나노튜브(CNT), 산화 몰리브덴(MoOx), 텅스텐 셀레늄(WSex), 바나듐 옥사이드(VO2)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the ion storage layer is amorphous silicon (a-Si), titanium dioxide (TiO 2 ), graphite (graphite), carbon (carbon), lithium (Li), tungsten oxide (WO 3 ) and carbon nanotubes (CNT), Molybdenum oxide (MoO x ), tungsten selenium (WSe x ), vanadium oxide (VO 2 ) It is characterized in that it contains any one or more selected from the group consisting of.

또한 상기 활성층은 증착 시 진공도를 1 내지 100 mTorr 범위 내로 조절하여 다공성을 조절한 층인 것을 특징으로 한다.In addition, the active layer is characterized in that the porosity is controlled by controlling the degree of vacuum during deposition within the range of 1 to 100 mTorr.

또한 본 발명은 상기 전기화학소자를 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.The present invention also provides an energy storage device including the electrochemical device.

또한 본 발명은 상기 전기화학소자를 포함하는 메모리 장치를 제공한다.The present invention also provides a memory device including the electrochemical device.

또한 본 발명은 이온을 저장할 수 있는 이온 저장층을 형성하는 단계; 및 도펀트 물질의 이온 농도에 따라 전도도가 달라지는 활성층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 활성층을 형성하는 단계는 증착방법에 의해 형성되며, 증착 시 진공도에 의해 다공성을 조절하는 단계인 전기화학소자의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of forming an ion storage layer capable of storing ions; and forming an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of the dopant material, wherein the forming of the active layer is formed by a deposition method, and is a step of controlling porosity by vacuum during deposition. A manufacturing method is provided.

또한 상기 활성층을 형성하는 단계는 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착 또는 분자선 에피택시 증착을 이용하여 증착하고, 증착 시 진공도를 1 내지 100 mTorr 범위 내로 조절하는 단계인 것을 특징으로 한다.In addition, the step of forming the active layer is deposited using sputtering, pulsed laser deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or molecular beam epitaxial deposition, and the vacuum degree during deposition is adjusted within the range of 1 to 100 mTorr. It is characterized in that it is a step. .

본 발명은 다공성이 조절된 활성층을 포함하는 전기화학소자를 제공하여, 이온 거동 메카니즘을 이용하는 응용장치 전반에 적용할 수 있도록 하고, 다공성을 조절함으로써 소자 내 이온 거동을 조절하고 이를 통해 특성을 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 이온 거동에 대한 효과적인 컨트롤 방법을 제공함으로써 소자의 특성 및 성능을 기호에 맞게 조절하고 개선시킬 수 있다. The present invention provides an electrochemical device including an active layer with controlled porosity, so that it can be applied to all applications using an ion behavior mechanism, and by controlling the porosity, the ion behavior in the device is controlled and properties can be easily obtained through this. can be adjusted That is, by providing an effective control method for ion behavior, device characteristics and performance can be adjusted and improved according to preference.

더욱 구체적으로 본 발명에 따른 전기화학소자를 에너지 저장장치(energy storage device)에 적용할 경우 높은 용량(capacity)과 빠른 충방전 특성을 제공할 수 있으며, 저항변화 메모리 장치(memory device)에 적용할 경우 많은 이온과 더 빠른 이온 이동을 통해 큰 메모리 윈도우(memory window) 뿐만 아니라 빠른 스위칭(switching)을 구현할 수 있다.More specifically, when the electrochemical device according to the present invention is applied to an energy storage device, high capacity and fast charging/discharging characteristics can be provided, and it can be applied to a resistance variable memory device. In this case, fast switching as well as a large memory window can be realized through many ions and faster ion movement.

도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 다공성이 조절된 막의 표면 이미지 사진을 나타내었다.
도 2에 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학소자가 적용된 저항변이 메모리 소자의 모식도를 나타내었다.
도 3에 본 발명의 일실시예에 따른 활성층의 다공성에 따른 CV 및 IV 분석 결과를 나타내었다.
도 4에 본 발명의 일실시예에 따른 이온 저장층의 다공성에 따른 외부 전기 펄스에 대한 전도도 변화 측정 결과를 나타내었다.
도 5에 본 발명의 일실시예에 따른 다공성에 따른 외부 전기 펄스에 대한 전도도 변화 측정 결과를 나타내었다.
1 shows a photograph of a surface image of a membrane whose porosity is controlled according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a resistance variable memory device to which an electrochemical device according to an embodiment of the present invention is applied.
3 shows the CV and IV analysis results according to the porosity of the active layer according to an embodiment of the present invention.
4 shows a measurement result of a change in conductivity with respect to an external electric pulse according to the porosity of the ion storage layer according to an embodiment of the present invention.
5 shows a measurement result of a change in conductivity with respect to an external electric pulse according to porosity according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한 본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art, unless otherwise stated. Also throughout this specification and claims, unless otherwise indicated, the term comprise, comprises, comprising is meant to include the recited object, step or group of objects, and steps, and any other It is not used in the sense of excluding an object, step, or group of objects or groups of steps.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다.Prior to describing the present invention in detail below, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the present invention, which is limited only by the appended claims. shall.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the other hand, various embodiments of the present invention may be combined with any other embodiments unless clearly indicated to the contrary. Any feature indicated as particularly preferred or advantageous may be combined with any other feature and features indicated as preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일실시예에 따른 전기화학소자는 이온을 저장할 수 있는 이온 저장층; 및 도펀트 물질의 이온 농도에 따라 전도도가 달라지는 활성층;을 포함한다. 상기 도펀트 물질의 이온은 외부 전계에 따라 활성층에서 이온 저장층으로 삽입 혹은 추출되면서 전기화학소자를 작동시킨다.An electrochemical device according to an embodiment of the present invention includes an ion storage layer capable of storing ions; and an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of the dopant material. Ions of the dopant material are inserted or extracted from the active layer into the ion storage layer according to an external electric field to operate the electrochemical device.

상기 이온 저장층은 이온을 저장할 수 있는 층으로서, 비정질 실리콘(a-Si), 이산화티타늄(TiO2), 흑연(graphite), 탄소(carbon), 리튬(Li), 산화텅스텐(WO3), 탄소나노튜브(CNT), 산화 몰리브덴(MoOx), 텅스텐 셀레늄(WSex), 바나듐 옥사이드(VO2) 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하여 형성된 단일층 이거나 상기 단일층이 적어도 2층 이상 구비되는 다중층일 수 있다. The ion storage layer is a layer capable of storing ions, amorphous silicon (a-Si), titanium dioxide (TiO 2 ), graphite, carbon (carbon), lithium (Li), tungsten oxide (WO 3 ), Carbon nanotubes (CNT), molybdenum oxide (MoO x ), tungsten selenium (WSe x ), vanadium oxide (VO 2 ) is a single layer formed including any one or more selected from the group consisting of, or the single layer is at least It may be a multi-layer provided with two or more layers.

이온 저장층의 두께는 1 nm 내지 500 nm로 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않고 소자의 특성에 따라 형성될 수 있다. The thickness of the ion storage layer may be formed in a range of 1 nm to 500 nm, but is not limited thereto and may be formed according to the characteristics of the device.

상기 활성층은 전도도를 바꾸는데 기여하는 물질인 도펀트 물질이 함유된 화합물로 형성된 층으로서, 활성층 내의 도펀트 물질의 양에 따라 전도도를 조절할 수 있다. 즉 활성층 내의 도펀트 물질을 이온 저장층으로 이동시켜 저장하면 소자의 전반적인 전도도는 증가(저항은 감소)하며 반대의 동작에서는 전도도가 감소(저항이 증가)하게 된다. The active layer is a layer formed of a compound containing a dopant material, which is a material contributing to changing the conductivity, and the conductivity may be controlled according to the amount of the dopant material in the active layer. That is, when the dopant material in the active layer is moved and stored in the ion storage layer, the overall conductivity of the device increases (resistance decreases), and in the opposite operation, the conductivity decreases (resistance increases).

상기 도펀트 물질은 Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O 및 Ca 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하며, 상기 화합물은 산화물, 황화물, 인산염 및 실리케이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 상기 활성층 또한 단일층이거나 상기 단일층이 적어도 2층 이상 구비되는 다중층일 수 있다. The dopant material includes at least one selected from the group consisting of Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O and Ca, and the compound is an oxide, sulfide, phosphate and any one or more selected from the group consisting of silicates. The active layer may also be a single layer or a multilayer including at least two or more single layers.

활성층의 두께는 1 nm 내지 500 nm로 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않고 소자의 특성에 따라 형성될 수 있다.The thickness of the active layer may be formed in a range of 1 nm to 500 nm, but is not limited thereto and may be formed according to the characteristics of the device.

본 발명에 따른 전기화학소자가 메모리 장치에 사용되는 경우 활성층 상에 이온 저장층을 형성하고, 이온 저장층 상에 전극을 구비하는 형태로 적용할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극, 활성층, 이온 저장층 및 상부 전극으로 구성될 수 있다. When the electrochemical device according to the present invention is used in a memory device, an ion storage layer may be formed on the active layer, and an electrode may be provided on the ion storage layer. For example, it may be composed of a lower electrode, an active layer, an ion storage layer, and an upper electrode.

본 발명에 따른 전기화학소자가 배터리 등 에너지 저장장치에 사용되는 경우 상기 활성층을 양극(cathod)으로, 상기 이온 저장층을 음극(anode)로 적용할 수 있으며, 상기 이온 저장층 및 활성층 사이에 구비되어 외부 전계 인가 시 이온이 이동하고 외부 전계가 인가되지 않을 경우 이온의 자가 이동을 억제하고 활성층과 이온 저장층 간 전기적인 쇼트를 방지하는 이온-배리어층(전해질층)을 더 포함할 수 있다. 도펀트 이온 양에 따라 저항이 변하는 활성층과 이온을 저장하는 층 사이에 도펀트 이온에 대한 배리어층을 형성시킴으로써 이온의 자가 이동을 억제하여 소자의 안정성을 증진시킬 수 있다. When the electrochemical device according to the present invention is used in an energy storage device such as a battery, the active layer may be applied as an anode and the ion storage layer may be applied as an anode, provided between the ion storage layer and the active layer It may further include an ion-barrier layer (electrolyte layer) that prevents ions from moving when an external electric field is applied, and suppresses self-movement of ions when an external electric field is not applied and prevents an electrical short between the active layer and the ion storage layer. By forming a barrier layer against dopant ions between the active layer, whose resistance varies according to the amount of dopant ions, and the ion-storing layer, self-movement of ions can be suppressed, thereby improving device stability.

상기 이온-배리어층은 도펀트 물질의 이온의 이동이 가능한 전해질(electrolyte) 역할뿐만 아니라 높은 전기적인 비저항을 갖는다. 상기 이온-배리어층은 LiPO, LiPON, LiPOSe, SiO2, TiN 및 TiO2으로 구성된 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다. 바람직하게는 LiPO, LiPON 및 LiPOSe으로 구성된 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것이 좋다. The ion-barrier layer not only serves as an electrolyte in which ions of the dopant material can move, but also has a high electrical resistivity. The ion-barrier layer includes at least one selected from the group consisting of LiPO, LiPON, LiPOSe, SiO 2 , TiN and TiO 2 . Preferably, it is good to include any one or more selected from the group consisting of LiPO, LiPON and LiPOSe.

또한 저항을 HRS(High Resistance state) 및 LRS(Low Resistance state) 상태로 변화시켜 스위칭 소자로 적용 가능하다.In addition, it can be applied as a switching device by changing the resistance to a high resistance state (HRS) and a low resistance state (LRS).

본 발명에 따른 이온 저장층 및 활성층은 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착 또는 분자선 에피택시 증착 등 증착 방법에 의하여 형성되며, 활성층은 다공성이 조절된 활성층으로서 증착 시 진공도를 조절함으로써 다공성을 조절한다. 낮은 진공 상태에서는 증착 입자들과 대기 입자간의 충돌이 적으므로 증착 입자들이 에너지를 잃지 않고 막 성장에 기여한다. 그 결과 우수한 막, 치밀한(dense) 막을 성장시킬 수 있다. 반면 높은 진공 상태에서는 증착입자들과 대기 입자간의 충돌이 많으므로 증착 입자들이 에너지를 잃고 막 성장에 기여한다. 그 결과 다공성(porous) 막이 형성되게 된다. The ion storage layer and the active layer according to the present invention are formed by a deposition method such as sputtering, pulsed laser deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition or molecular beam epitaxy deposition, and the active layer is an active layer with controlled porosity. control porosity. In a low vacuum state, there are few collisions between the deposited particles and atmospheric particles, so the deposited particles contribute to film growth without losing energy. As a result, an excellent film, a dense film can be grown. On the other hand, in a high vacuum state, there are many collisions between the deposited particles and atmospheric particles, so the deposited particles lose energy and contribute to film growth. As a result, a porous membrane is formed.

활성층 형성 시 진공도 조절이 아닌 질소 가스 및 비활성 가스로 이루어진 혼합가스 분위기 하에서 증착하여 다공성 박막을 형성하는 경우 순수한 성분이 아닌 질화물 등의 불순물 성분이 포함된 형태로 증착될 가능성이 있으므로 진공도를 조절함으로써 원하는 활성층의 다공성을 조절하는 것이 좋다. 활성층의 다공성이 증가할수록 다량의 확산 경로(diffusion path)를 제공하므로 이동하는 이온의 양이 증가되며, 소자가 가지는 전도도가 외부 전기 펄스에 의해 보다 빠르게 변화되도록 조절할 수 있다. 반대로 활성층의 다공성이 감소할수록 확산 경로가 감소하므로 이동하는 이온의 양이 감소되며, 소자가 가지는 전도도가 외부 전기 펄스에 의해 보다 천천히 변화되도록 조절할 수 있다.In the case of forming a porous thin film by depositing under a mixed gas atmosphere consisting of nitrogen gas and inert gas, rather than controlling the vacuum level when forming the active layer, there is a possibility that the porous thin film is deposited in a form containing impurity components such as nitride, not pure components. It is good to control the porosity of the active layer. As the porosity of the active layer increases, a large amount of diffusion path is provided, so the amount of moving ions increases, and the conductivity of the device can be controlled to be changed more rapidly by an external electric pulse. Conversely, as the porosity of the active layer decreases, the diffusion path decreases, so the amount of moving ions decreases, and the conductivity of the device can be controlled to be changed more slowly by an external electric pulse.

이처럼 막의 다공성이 증가함에 따라 이온 이동의 거동이 증가하고 빠르게 거동하는 것은, 다공성이 높은 막의 경우 많은 확산 경로(diffusion path)가 존재하므로 이온이 이동하기에 쉬운 조건임에 기인될 것으로 예측된다. 따라서 다공성 조절을 통해 이온의 거동을 용이하고 효과적으로 조절할 수 있다. 또한 다공성 조절을 통해 많은 이온이 빠르게 이동하도록 조절함으로써 소자의 특성 및 성능을 용이하게 조절할 수 있음을 보여준다. As such, as the porosity of the membrane increases, the behavior of ion migration increases and the rapid behavior is expected to be due to the condition that ions are easy to move because there are many diffusion paths in the case of a high porosity membrane. Therefore, the behavior of ions can be easily and effectively controlled through porosity control. It also shows that the properties and performance of the device can be easily controlled by controlling the rapid movement of many ions through porosity control.

상기 활성층 증착 시 진공도를 1 내지 100 mTorr 범위 내로 조절하여 다공성을 조절하며, 제어된 다공도에 따라 이온 거동의 차이를 유발할 수 있다. When the active layer is deposited, the porosity is controlled by adjusting the vacuum degree within the range of 1 to 100 mTorr, and a difference in ion behavior may be caused according to the controlled porosity.

실시예 (1)Example (1)

5 mTorr, 10 mTorr 및 15 mTorr 의 진공도에서 각각 스퍼터링 증착하여 몰리브덴 막(film)을 성막 시켰다. 성막된 필름 상부의 이미지를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이 높은 진공 상태일수록 다공성(porous) 막이 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이는 공정 중 압력(진공도 조절)을 통해 필름의 다공성을 조절할 수 있음을 알 수 있다. A molybdenum film was formed by sputtering deposition at vacuum degrees of 5 mTorr, 10 mTorr, and 15 mTorr, respectively. An image of the top of the deposited film is shown in FIG. 1 . As shown in FIG. 1 , it can be seen that the higher the vacuum state, the more porous film is formed, and it can be seen that the porosity of the film can be controlled through the pressure (vacuum degree control) during the process.

실시예 (2)Example (2)

리튬(Li) 이온 기반의 저항 변이 기억소자를 제조하였다. 구조는 도 2에 나타낸 것과 같다. 제작한 저항 변화 기반의 기억소자는 활성층 내 리튬 이온의 농도에 따라 소자의 저항상태를 변화시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 하부전극 (Cr) / 활성층 (LiCoO2) / 이온저장층 (a-Si) / 상부전극 (TiN)의 구조를 가진다. 구성하고 있는 film들 모두 RF-sputter 장치를 이용하여 제조하였다. A resistance-variable memory device based on lithium (Li) ions was manufactured. The structure is as shown in FIG. 2 . The fabricated resistance change-based memory device can change the resistance state of the device according to the concentration of lithium ions in the active layer. More specifically, it has a structure of a lower electrode (Cr) / an active layer (LiCoO 2 ) / an ion storage layer (a-Si) / an upper electrode (TiN). All of the composing films were manufactured using an RF-sputter device.

하부전극 (Cr)의 경우 100W (power), 10mTorr, Ar 분위기 에서 성막되었고, 활성층 (LiCoO2)의 경우 다공성을 조절에 따른 이온의 거동 차이를 확인하기 위해 LiCoO2 층에 대한 다공성 조절 방법이 적용되었다. 상세히는 10 mTorr, 30 mTorr, 50 mTorr 진공 상태에서 증착한 LiCoO2를 함유하는 세 종류의 소자를 제작하였다(100W power 사용). 이온저장층 (a-Si)의 경우 100 W, 5m Torr, Ar 분위기에서 증착하였다. 상부전극 (TiN)의 경우 120W, 20m Torr, Ar 분위기에서 증착하였다.In the case of the lower electrode (Cr), a film was formed in an atmosphere of 100W (power), 10 mTorr, and Ar, and in the case of the active layer (LiCoO 2 ), the porosity control method for the LiCoO 2 layer was applied to check the difference in ion behavior according to the porosity control. became In detail, three types of devices containing LiCoO 2 deposited in a vacuum state of 10 mTorr, 30 mTorr, and 50 mTorr were fabricated (using 100W power). The ion storage layer (a-Si) was deposited in an atmosphere of 100 W, 5 m Torr, and Ar. The upper electrode (TiN) was deposited in an Ar atmosphere at 120 W, 20 m Torr.

이온 저장층 증착 시 진공도를 10 mTorr, 30 mTorr, 50 mTorr로 하여 다공성을 조절하여 제조한 세 종류의 소자를 비교예로 제조하였다. When the ion storage layer was deposited, three types of devices manufactured by controlling the porosity by setting the vacuum degree to 10 mTorr, 30 mTorr, and 50 mTorr were prepared as Comparative Examples.

실험예Experimental example

상기 제작한 저항변이 메모리 소자에서 활성층의 다공도에 따른 이온 거동 차이와 이에 따른 기억소자 특성 변화를 측정하였다. 도 3에 나타낸 것과 같이 이온의 이동에 기인되는 피크 전류(peak current)가 다공성 차이에 따라 다른 거동을 보임을 확인하였다. 이동하는 이온의 양이 클수록 피크 전류는 증가한다. 결과적으로, 활성층의 밀도가 높을수록(Dense) 관찰되는 피크 전류는 수백 피코(pico) 암페어로서 매우 작은 값을 보이고 있으며, 이는 이온의 이동이 적음을 보여준다. 반면, 다공성이 심화됨에 따라(Porous) 피크 전류는 눈에 띄게 증가됨을 확인할 수 있으며 이는 이동하는 이온의 양이 증가됨을 보여주고 있다. 또한 밀도가 높을수록 더 많은 격리 거동(insulating behavior)을 나타내며 이는 CV 분석 결과와 연관된다.The difference in ion behavior according to the porosity of the active layer in the fabricated resistance-variable memory device and the corresponding change in the characteristics of the memory device were measured. As shown in FIG. 3 , it was confirmed that the peak current caused by the movement of ions showed different behavior according to the difference in porosity. As the amount of moving ions increases, the peak current increases. As a result, as the density of the active layer increases (Dense), the observed peak current shows a very small value of several hundred pico amps, indicating that the movement of ions is small. On the other hand, as the porosity increases (porous), it can be seen that the peak current is remarkably increased, which shows that the amount of moving ions is increased. Also, the higher the density, the more insulating behavior, which is related to the CV analysis result.

반면 이온 저장층의 다공성을 조절한 경우 도 4에 나타낸 것과 같이 유사한 CV 거동을 나타 내었지만, 동일한 바이어스 하에서 IV 곡선은 a-Si 층이 밀도가 높아짐에 따라 감소된 전류 레벨을 보여 주었다. 이는 Li 이온이 동일한 바이어스 하에서 이동될 수 있지만, a-Si 층이 밀도가 높아질수록 삽입된 Li 이온의 양이 감소한다는 것을 의미한다. 이것은 a-Si와 LiCoO2 층 사이의 계면에서 형태 변화로 인한 것으로 보인다. 이러한 결과로부터 양극 및 음극의 다공도는 작동 전압 및 이동성 Li 이온의 양에 상당한 영향을 미치는 것으로 해석될 수 있다.On the other hand, when the porosity of the ion storage layer was controlled, similar CV behavior was shown as shown in FIG. 4 , but the IV curve under the same bias showed a decreased current level as the density of the a-Si layer increased. This means that Li ions can migrate under the same bias, but the amount of intercalated Li ions decreases as the density of the a-Si layer increases. This appears to be due to the morphological change at the interface between the a-Si and LiCoO 2 layers. From these results, it can be interpreted that the porosity of the anode and the cathode significantly affects the operating voltage and the amount of mobile Li ions.

또한 활성층의 다공성 변화에 따른 이온 거동 조절을 통해 저항 변이 메모리 소자 특성 및 성능을 조절한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타낸 것과 같이 다공성을 심화시킴으로써 소자가 가지는 전도도가 외부 전기 펄스에 의해 보다 빠르게 변화되도록 조절되는 것을 확인할 수 있다. 이는 많은 이온의 빠른 이동에 기인된다. 이러한 결과는, 다공성 조절을 통해 소자의 특성 및 성능을 용이하게 조절할 수 있음을 보여준다. In addition, the results of adjusting the resistance-variable memory device characteristics and performance by controlling the ion behavior according to the change in porosity of the active layer are shown in FIG. 5 . As shown in FIG. 5 , it can be confirmed that the conductivity of the device is controlled to be changed more rapidly by an external electric pulse by increasing the porosity. This is due to the rapid movement of many ions. These results show that the properties and performance of the device can be easily controlled by controlling the porosity.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범 위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Features, structures, effects, etc. exemplified in each of the above-described embodiments may be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Therefore, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (8)

이온을 저장할 수 있는 이온 저장층; 및
도펀트 물질의 이온 농도에 따라 전도도가 달라지는 활성층;을 포함하고,
상기 활성층은 증착 시 진공도에 의해 다공성이 조절된 층인 전기화학소자.
an ion storage layer capable of storing ions; and
Including; an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of the dopant material;
The active layer is an electrochemical device whose porosity is controlled by the degree of vacuum during deposition.
제1항에 있어서,
상기 활성층은 도펀트 물질이 함유된 화합물로 형성된 층으로서,
상기 도펀트 물질은 Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O 및 Ca 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하며,
상기 화합물은 산화물, 황화물, 인산염 및 실리케이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
According to claim 1,
The active layer is a layer formed of a compound containing a dopant material,
The dopant material includes any one or more selected from the group consisting of Li, H, Cu, Ag, Na, Mg, Fe, Ni, Ti, Te, O and Ca,
The compound is an electrochemical device comprising at least one selected from the group consisting of oxides, sulfides, phosphates and silicates.
제1항에 있어서,
상기 이온 저장층은 비정질 실리콘(a-Si), 이산화티타늄(TiO2), 흑연(graphite), 탄소(carbon), 리튬(Li), 산화텅스텐(WO3), 탄소나노튜브(CNT), 산화 몰리브덴(MoOx), 텅스텐 셀레늄(WSex), 바나듐 옥사이드(VO2) 로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
According to claim 1,
The ion storage layer is amorphous silicon (a-Si), titanium dioxide (TiO 2 ), graphite (graphite), carbon (carbon), lithium (Li), tungsten oxide (WO 3 ), carbon nanotubes (CNT), oxide Molybdenum (MoO x ), tungsten selenium (WSe x ), vanadium oxide (VO 2 ) Electrochemical device comprising any one or more selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 활성층은 증착 시 진공도를 1 내지 100 mTorr 범위 내로 조절하여 다공성을 조절한 층인 것을 특징으로 하는 전기화학소자.
According to claim 1,
The active layer is an electrochemical device, characterized in that the porosity is controlled by controlling the vacuum degree within the range of 1 to 100 mTorr during deposition.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 전기화학소자를 포함하는 에너지 저장장치.
An energy storage device comprising the electrochemical device according to any one of claims 1 to 4.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 전기화학소자를 포함하는 메모리 장치.
A memory device comprising the electrochemical device according to any one of claims 1 to 4.
이온을 저장할 수 있는 이온 저장층을 형성하는 단계; 및
도펀트 물질의 이온 농도에 따라 전도도가 달라지는 활성층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 활성층을 형성하는 단계는 증착방법에 의해 형성되며, 증착 시 진공도에 의해 다공성을 조절하는 단계인 전기화학소자의 제조방법.
forming an ion storage layer capable of storing ions; and
Including; forming an active layer whose conductivity varies depending on the ion concentration of the dopant material;
The step of forming the active layer is formed by a deposition method, and the method of manufacturing an electrochemical device is a step of controlling porosity by a degree of vacuum during deposition.
제7항에 있어서,
상기 활성층을 형성하는 단계는 스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착 또는 분자선 에피택시 증착을 이용하여 증착하고, 증착 시 진공도를 1 내지 100 mTorr 범위 내로 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step of forming the active layer is deposited using sputtering, pulsed laser deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or molecular beam epitaxial deposition, and the vacuum degree is adjusted within the range of 1 to 100 mTorr during deposition. Electricity, characterized in that A method of manufacturing a chemical device.
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