WO2012077926A2 - 박막전지 패키지 - Google Patents

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a thin film battery package, and more particularly, a plurality of unit cells are modularized and inserted into one case to maximize the capacity of the thin film battery, and the thin film battery is filled with inert gas or maintained in a vacuum state.
  • each element constituting the thin film battery relates to a thin film battery package that can increase the durability and charge and discharge efficiency by being not affected by the external environment.
  • the size of the power source has not been significantly reduced in comparison with the trend of miniaturization and portability of electronic devices. Accordingly, the energy density is further increased, and the development of excellent and small size lithium secondary batteries has become a very urgent problem.
  • the conventional commercialized lithium secondary battery has an active material, a separator, a liquid electrolyte, and a carbon cathode as a basic configuration.
  • Such a conventional lithium secondary battery has a limitation in miniaturization due to its complicated structure, and it is not easy to manufacture a thin thickness by using a pouch, and there is also a risk of an explosion accident.
  • a thin film battery including a first thin film, an electrolyte, a second thin film, and the like has been developed.
  • the thin film battery is formed by sequentially depositing all the solid-state battery components, which can be manufactured to a thickness of several tens of micrometers, which enables miniaturization, and unlike the conventional lithium secondary battery, there is no risk of explosion and thus it is stable.
  • Such a conventional thin film battery is covered with a protective film made of a polymer or a material such as ceramic or metal in order to protect the first thin film, the electrolyte and the second thin film from the external environment.
  • a protective film made of a polymer or a material such as ceramic or metal
  • fine pinholes may be formed in the process of forming a protective film, or hardening or deformation due to high temperature may occur in a polymer protective film.
  • some elements of the thin film battery may be exposed to the external environment.
  • a problem may occur in that the durability and charging and discharging efficiency of the thin film battery are sharply lowered.
  • the conventional thin film battery consisting of unit cells has a problem that it is limited to use as a power source of many electronic devices due to the low capacity.
  • An object of the present invention is to provide a thin film battery package that can fundamentally protect unit cells, which are the major components constituting the thin film battery, from an external environment.
  • Another object of the present invention is to provide a thin film battery package capable of preventing an electrical short phenomenon during thin film battery packaging.
  • Still another object of the present invention is to provide a thin film battery package which can prevent components of the thin film battery from rapidly deteriorating durability and charging / discharging efficiency according to an external environment or temperature change.
  • Another object of the present invention is to provide a thin film battery package that can be used as a power source of various electronic devices by increasing the capacity of the thin film battery.
  • an internal space having an upper surface open, a case in which a first electrode and a second electrode made of metal are electrically connected to each other inside and outside thereof;
  • a plurality of unit cells are stacked so as to be energized with each other, and the unit cell at one end has a first terminal which is energized by the first electrode and a second terminal which is energized by the second electrode, and is seated inside the case.
  • a battery block ; And it provides a thin film battery package comprising a cover sealingly coupled to the upper surface of the case.
  • the present invention is formed with an inner space that the upper surface is opened, the first electrode and the second electrode made of a metal material is through and coupled to each other through and through the outside;
  • a unit cell having a first terminal energized by the first electrode and a second terminal energized by the second electrode, the unit battery being mounted inside the case;
  • it provides a thin film battery package including a cover sealingly coupled to the upper surface of the case.
  • the present invention is an insulating case in which an inner space is formed in which the upper surface is opened, and the first electrode and the second electrode are formed; A plurality of unit cells are stacked in the internal space so as to be energized with each other, and have a first terminal that is energized with an electrode formed in the case, and a second terminal which is energized with the first electrode.
  • the present invention can be fundamentally protected from the external environment, and particularly, can be protected from external impact or abrasion.
  • the present invention has the effect that the unit cells are present in a vacuum state or a state filled with an inert gas so that durability and charging and discharging efficiency does not rapidly decrease even in a high temperature atmosphere.
  • the present invention by stacking a plurality of unit cells in one sealed case, it is possible to maximize the battery capacity has the effect that can be used as a power source of various electronic devices.
  • the present invention forms the case by a sintering method, by setting the position and shape of the electrode on the case in various ways, there is an effect that can be used as a power source of various electronic devices.
  • the present invention has an effect that can be easily welded to the cover of the metal material by forming a coba alloy on the upper end of the case.
  • the present invention has the effect of preventing the electrical short phenomenon in advance by preventing contact between the conductive paste coating layer for energizing the unit cells stacked in the case and the surface of the metal inside the case.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a thin film battery package in which an example of a supporting member according to the present invention is adopted.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the thin film battery package of FIG. 1.
  • 3 to 5 are plan views illustrating a case of a thin film battery package according to the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a unit cell of a thin film battery package according to the present invention.
  • 7 and 8 are cross-sectional views along the lines A-A and B-B of FIG. 6.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a thin film battery package in which another example of a supporting member according to the present invention is adopted.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a thin film battery package to which another example of a supporting member according to the present invention is adopted.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a thin film battery package in which another example of a cover according to the present invention is adopted.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a thin film battery package in which another example of a cover according to the present invention is adopted.
  • FIG 13 is an experimental graph for showing the effect of the thin film battery package according to the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 illustrate a thin film battery package structure according to the present invention
  • FIGS. 3 to 5 illustrate various types of planar structures of a case of the thin film battery package according to the present invention.
  • 6 illustrates a planar structure of a unit cell of a thin film battery package according to the present invention
  • FIGS. 7 and 8 illustrate cross-sectional structures of portions A-A and B-B of FIG. 6.
  • a case 10 having an upper surface open and forming a predetermined space therein and a plurality of unit cells 30 are stacked and formed by the case 10. It consists of a structure including a battery block 20 is mounted therein, and a cover 40 sealingly coupled to the upper surface of the case 10.
  • the case 10 has a structure in which a top surface is opened and a predetermined space is formed so that the battery block 20 may be seated therein.
  • one side of the case 10, for example, one surface of the case 10 is fixedly formed so that the first electrode 14 and the second electrode 16 made of a conductive metal material can be electrically separated from each other.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 are coupled to the case 10 so as to be energized to the inside and the outside of the case 10, respectively. That is, a part of the first electrode 14 and the second electrode 16 penetratingly coupled to one surface of the case 10 are exposed to the inside and outside of the case 10, whereby the unit cell and other electrons inside
  • the device is configured to be electrically energized with each other.
  • the case 10 may be made of various materials such as glass, ceramic, polymer, metal, etc., but is preferably made of glass or ceramic in consideration of strength, sintering potential, insulation, and the like.
  • the case 10 may be formed by sintering the glass or ceramic powder in a state in which the first electrode 14 and the second electrode 16 are electrically separated from the glass or ceramic powder.
  • the case 10 manufactured by the sintering method may set various positions and shapes of the electrodes 14 and 16, and thus may be used as a power source of various electronic devices.
  • the support member 12 for supporting the case 10 is fixedly attached to the corners and the upper edge of the case 10, the support member 12 is a Koba (Fe, Co, Ni as a main component ( Kovar) alloy is preferable.
  • the support member 12 is preferably formed to extend along the upper edge of the case 10, and further extends downward along each corner in the upper edge.
  • the support member 12 may be formed as a separate member from the case 10, or may be integrally formed.
  • the support member 12 strongly supports the edge of the case 10, and the case 10 made of ceramic material and the support member 12 made of COVA alloy have similar thermal expansion rates, Deformation of the case 10 can be prevented.
  • the metallic cover 40 may be welded to the upper edge of the case 10.
  • the battery block 20 seated inside the case 10 has a structure in which a plurality of unit cells 30 are stacked so as to be energized with each other.
  • the first terminals 32 of the unit cells 30 constituting the battery block 20 are connected to each other so that they can be energized with each other, and the second terminals 35 of the unit cells 30 can be electrically connected to each other.
  • the first terminal 32 of the unit cell 30 disposed at one end of the battery block 20 is electrically connected to the first electrode 14 of the case 10, and the second terminal 35 is electrically connected. Is electrically connected to the second electrode 16 of the case 10. Therefore, the plurality of unit cells 30 constituting the battery block 20 may be electrically connected to an external electronic device through the electrodes 14 and 16 of the case 10.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 of the case 10 may be configured such that one side thereof penetrates the case 10 to be electrically exposed to the outside. 4 or 5, or may be configured to have a pin or pad shape extending through the case 10 to the outside.
  • one unit battery 30 may include a case ( 10) may be configured to be seated therein. That is, one unit battery 30 including a first terminal 32 that supplies electricity to the first electrode 14 and a second terminal 35 that supplies electricity to the second electrode 16 includes the case ( 10) After being seated inside, the cover 40 is sealed to the upper surface of the case 10.
  • the unit cell 30 includes a first terminal 32, a first thin film 33, an electrolyte 34, a second terminal 35, and a second.
  • the thin film 36 and the protective film 37 are formed on the base substrate 31 in a sequential order.
  • the unit battery 30 may be formed of an insulating base substrate 31, a first terminal 32 formed on the base substrate 31, and a conductive current formed on the first terminal 32. Electric current is supplied to the first thin film 33, the electrolyte 34 formed on the first thin film 33, the second terminal 35 disposed to be electrically separated from the first terminal 32, and the second terminal 35.
  • the second thin film 36 formed on the electrolyte 34 and the protective film 37 for protecting the elements of the unit cell 30 from the outside may be formed.
  • the first thin film 33 may be made of a cathode
  • the second thin film 36 may be made of an anode or vice versa.
  • the base substrate 31 may be made of various materials such as glass, ceramic, polymer, metal, and the like, and may be formed of a thin thin plate structure.
  • the first terminal 32 preferably has a structure in which the electrode 32a protrudes in a certain section, and the base substrate 31 is formed of Pt, Au, W, Mo, Cr, Ni, ITO, Inconnel, Hastelloy, or the like. It can be formed by depositing on).
  • the first thin film 33 is formed with a smaller area than the first terminal 32, and is formed by depositing in a range that does not deviate from the first terminal 32.
  • the first thin film 33 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , LiNiVO 4 , LiCoMnO 4 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , V 2 O 5 , MnO 2 , MoO 3 or the like may be formed by depositing on the first terminal 32.
  • the electrolyte 34 includes the entirety of the first thin film 33 and the protruding electrode 32a of the first terminal 32. It is desirable to have a size wide enough to cover all but the part.
  • the electrolyte 34 may include Li 2 OB 2 O 3 , Li 2 OV 2 O 5 -SiO 2 , Li 2 SO 4 -Li 2 OB 2 O 3 , Li 3 PO 4 , LiPON, LiBON, and the like. ) To form a vapor deposition on.
  • the second terminal 35 is formed to be separated from the first terminal 32 on the base substrate 31, and is formed at a position corresponding to the protruding electrode 32a of the first terminal 32 at a predetermined interval. It is desirable to be. In this case, if the second terminal 35 can be electrically separated from the first terminal 32, the second terminal 35 may be formed at one side not in contact with the electrolyte 34 or may be formed outside the base substrate 31.
  • the second terminal 35 is made of a material such as Ni, Cu, brass, Pt, Au, Cr, Ti, W, Mo, ITO, or the like.
  • the second thin film 36 is formed on the electrolyte 34 so that the second thin film 36 does not contact the first thin film 33 with the electrolyte 34 interposed therebetween, and a portion thereof overlaps with the second terminal 35 so as to conduct electricity. do.
  • the second thin film 36 is formed by depositing a material such as Li, Sn 3 N 4 , Si, or Li-Me alloy on the electrolyte 34.
  • the first thin film 33 and the second thin film 36 can be electrically separated by the electrolyte 34, the second thin film 36 is configured to be installed in a place other than the electrolyte 34 It may be.
  • the protective film 37 since the protective film 37 is to protect each element constituting the unit cell 30 from the outside, the protective film 37 is large enough to cover all of the first thin film 33, the electrolyte 34, and the second thin film 36. Is formed.
  • the protective film 37 may have a structure in which the planarized organic thin film layer / inorganic thin film layer / conformal organic thin film layer / inorganic thin film layer is sequentially stacked.
  • the planarization organic thin film layer reduces the defects of the elements constituting the unit cell 30 to improve surface roughness.
  • the inorganic thin film layer is stacked on the planarized organic thin film layer to substantially serve as an oxygen and moisture barrier.
  • the conformal organic thin film layer is laminated on the inorganic thin film layer to compensate for the non-uniform covering of particles, which is a disadvantage of the planarized organic thin film layer, and the inorganic thin film layer is laminated on the conformal organic thin film layer to be substantially. It acts as an oxygen and moisture barrier.
  • the plurality of unit cells 30 constituting the battery block 20 can be electrically connected to each other by a coating layer of a conductive paste formed on the terminals 32, 35, and can be fixed to each other. That is, after forming the coating layer of the conductive paste extending from the first terminal 32 and the second terminal 35 of each unit cell 30 to the side surface of the base substrate 31, the unit cells 30 are vertical. When laminated in such a manner, the first terminal 32 and the second terminal 35 of each unit cell 30 may be electrically connected to each other by the coating layer of the conductive paste.
  • the paste is a conductive epoxy which is either one-part or conductive paste.
  • the paste may contain at least any one element of ITO, Ag, Pd, or Ni, and may be any one-component or two-component conductive paste.
  • the unit cell 30 inserted into the case 10 alone, or the unit cell 30 disposed at one end of the battery block 20 also has a first terminal 32 of the unit cell 30.
  • the conductive layer is electrically connected to the first electrode 14 and the second electrode 16 of the case 10, respectively.
  • the battery block 20 can be fixedly attached to the bottom surface of the case 10.
  • the upper surface of the case 10 in which the battery block 20 is embedded is sealed by the cover 40, and in particular, an internal space between the case 10 and the cover 40 in which the battery block 20 is embedded is It is preferably configured to achieve a vacuum state or a state in which an inert gas is filled.
  • nitrogen or argon may be used as the inert gas.
  • the edge between the upper surface of the case 10 and the cover 40 is sealed by local welding by electricity or laser. That is, by performing local welding between the cover member 40 and the support member 12 made of metal formed on the upper edge of the case 10, the upper part of the case 10 is sealed with the cover 40.
  • the cover 40 is made of a metal material as a whole, or only the edge portion is made of a metal material, the center is a variety of glass, ceramic, polymer, non-conductive metal, etc. It may be made of a material.
  • the unit cells 30 constituting the battery block 20 are naturally protected from the external environment.
  • the external environment and the high temperature environment do not affect each of the unit cells 30 constituting the battery block 20, the charge and discharge efficiency is further increased.
  • a filler (not shown) is inserted between the battery block 20 and the bottom surface of the cover 40 so that the filler adheres the battery block 20 to the bottom surface of the case 10. It is desirable to.
  • a filler various materials such as polymer, resin, ceramic, metal, etc. may be used, but it is preferable that the filler is made of a flexible film to secure a space for volume expansion during charging and discharging.
  • a filler may be added to the battery block and the inner bottom surface of the case.
  • the filler may prevent movement of the battery block due to external impact.
  • the filler may be formed of any one of an epoxy or a polymer material.
  • the filler uses an epoxy series for strengthening the adhesive strength, a polymer, Si series for strengthening the elastic force
  • FIG 9 shows another example in which the support member according to the present invention is located at the upper end of the case.
  • a support member 12 ′ of a metal material is positioned at an upper end of a case 10 according to the present invention.
  • the case 10 is formed of an insulating ceramic.
  • the support member 12 ′ may be used as the above-described KOVAR metal. Since the Coba alloy has a coefficient of thermal expansion similar to that of ceramic, it is easy to locate the upper end of the case 10 made of a ceramic material.
  • the support member 12 ′ may be provided as a separate member on the upper end of the case 10 or may be integrally formed with the upper end of the case 10.
  • the support member 12 ′ is positioned at a predetermined height at an upper end of the case 10.
  • the support member 12 ′ may be formed to have the same cross-sectional area as the upper end of the case 10. That is, the inner side surface W2 of the support member 12 'surrounds the side of the inner space a, and the inner side surface W2 of the support member 12' and the inner wall of the inner space a. W1 may follow the same line on each other.
  • a plurality of unit cells 30 are sequentially stacked in the inner space of the case 10 through the upper surface of the case 10.
  • the stacking direction is applied along a direction parallel to the inner wall W2 of the internal space (a).
  • first and second terminals 32 and 35 of the unit cells 30 are electrically connected by the conductive paste coating layer 1 applied therebetween.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 are formed at the bottom of the inner space of the case 10.
  • the unit cells 30 are stacked in the internal space.
  • the first and second terminals 32 and 35 formed in the unit cell 30 are in contact with the first and second electrodes 14 and 16 independently.
  • the conductive paste is applied to a position where the first and second terminals 32 and 35 are disposed on the unit cell 30.
  • the conductive paste applied as described above flows downward along the side of the unit cell 30 so as to independently energize the first and second terminals 32 and 35 to the first and second electrodes 14 and 16.
  • the energization method is the same as the energization method using the conductive paste coating as described above.
  • the conductive paste coating layer 1 is formed on the side portions of the unit cells 30 stacked on each other.
  • the conductive paste coating layer 1 has a shape protruding to the side, and follows the inner wall direction of the internal space (or the stacking direction of the unit cells 30).
  • the cover 40 may be located at an upper end of the case 10 to cover the internal space a of the case 10. In this case, the bottom surface of the cover 40 may be in close contact with the top surface of the support member 12 ′.
  • the cover 40 is formed of a metal material and the support member 12 ′ is formed of a coba alloy, they may be easily joined to each other by welding.
  • the cover 40 may also be formed of a coba alloy.
  • the cover 40 is welded to the upper surface of the support member 12 ′, the internal space a of the case 10 in which the unit cells 30 are stacked on each other can be easily sealed from the outside of the case 10. Can be.
  • the above-mentioned support members 12 and 12 ' may include at least one of Fe, Co, and Ni.
  • the support members 12 and 12 ' may be made of a component ratio of 53% Fe, 17% Co, and 30% Ni.
  • At least one metal of gold, copper, and silver may be coated on the outer surfaces of the support members 12 and 12 '.
  • the coating method is preferably treated by electroplating or electroless plating. This is also the same for the support member 12 "described below.
  • the conductive paste coating layer 1 applied between the unit cells 30 may protrude excessively laterally through the unit cells 30.
  • the conductive paste coating layer 1 protruding to the side thereof is formed of the metallic support member 12'. It may contact the inner side.
  • the unit cells 30 are exposed to an electrical short phenomenon.
  • the present invention proposes an implementation capable of preventing contact between the inner surface of the support member 12 ′ and the conductive paste coating layer 1 protruding from the side surfaces of the unit cells 30.
  • FIG 10 shows another example in which the supporting member according to the present invention is located at the upper end of the case.
  • the support member 12 ′′ positioned at the upper end of the case 10 according to the present invention may be separately formed at the upper end of the case 10 or may be integrally formed as described above.
  • the support member 12 ′′ is positioned at a predetermined height at the upper end of the case 10.
  • an inner side surface W2 of the support member 12 "surrounds a side of the inner space a.
  • An inner side surface W2 of the support member 12" and an inner wall of the inner space a. W1 is formed to shift
  • the inner side surface W2 of the support member 12 " is spaced a predetermined distance d outward from the inner wall W1 of the inner space a.
  • the cross-sectional width of the support member 12" is equal to the support member 12 ". It is formed narrower than the cross-sectional width of the case 10 formed below.
  • the conductive paste coating layer 1 applied between the unit cells 30 when the conductive paste coating layer 1 applied between the unit cells 30 is over-coated, it may protrude excessively laterally through the unit cells 30.
  • the conductive paste coating layer 1 protrudes outward from the side of the upper unit cells 30 surrounded by the support member 12 ′′ of the unit cells 30.
  • the conductive paste coating layer 1 protruding to the side may be supported by the support member ( 12 ”) may not be in contact with the inner side W2.
  • the present invention can prevent the electrical short between the unit cells 30 and the metallic support member 12 "in advance.
  • the cover may be formed of a ceramic body.
  • the support member may be coupled to an outer edge portion of the ceramic body.
  • FIG. 11 shows a thin film battery package in which another example of a cover according to the present invention is adopted.
  • the metallic cover 50 mentioned in the present invention may further include an auxiliary cover 51.
  • the auxiliary cover 51 is a portion extending from the lower end of the cover 50.
  • the auxiliary cover 51 extends by forming a predetermined thickness from the cover 50 so that the auxiliary cover 51 can be fitted into the upper surface opening of the inner space a of the case 10.
  • the auxiliary cover 51 is fitted into the upper surface opening of the inner space a, and the lower surface of the cover 50 outside the auxiliary cover 51 is in close contact with the upper end of the support member 12 ". 50 and support member 12 "may be welded.
  • heat generated in the cover 50 may be transferred to the unit cells 30 seated in the space inside the case 10.
  • the unit cells 30 may be exposed to a thermal environment to cause damage.
  • FIG. 12 shows a thin film battery package in which another example of a cover according to the present invention is adopted.
  • the present invention provides a cover 60 capable of preventing thermal damage in the unit cells 30 as described above.
  • the cover 50 having the auxiliary cover 51 and the cover 40 shown in FIGS. 1 and 2, 9 and 10 are formed of a metal material.
  • the support members 12, 12 'welded to the covers 50, 40 are formed of a coba alloy.
  • a cover 60 includes a pair of unit covers 61 and 62 made of a metal material and disposed to face each other, and between the pair of unit covers 61 and 62. It is composed of a thermal barrier layer 63 is located.
  • the pair of unit covers 61 and 62 may include a first unit cover 61 and a second unit cover 62 having different thicknesses.
  • the thermal barrier layer 63 may be formed of heat resistant polyimide.
  • the second unit cover 62 is in contact with the upper surface of the support member 12 ".
  • the second unit cover 62 is formed to be thinner than a thickness of the first unit cover 62.
  • the support member 12 ′′ and the second unit cover 62 may be welded to each other.
  • the heat generated during the welding is transferred to the relatively thin second unit cover 62, and the heat transferred to the internal space by the thermal barrier layer 63 may be easily blocked.
  • a case 10 having an upper surface and having a predetermined space formed therein, and stacking a plurality of unit cells 30, the battery block 20, forming the battery block 20 in the case 10, and sealingly coupling the cover 40 to the upper surface of the case 10.
  • the case 10 has a structure in which a top surface is opened and forms a predetermined space to allow the battery block 20 to be seated therein, and on one side of the case 10, for example, one surface of the case 10.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 made of a conductive metal material are fixedly formed to be electrically separated from each other. At this time, the first electrode 14 and the second electrode 16 is preferably formed to be exposed to the outside of the case 10 to enable electricity.
  • the case 10 may be made of various materials such as glass, ceramic, polymer, non-conductive metal, etc., but is preferably made of glass or ceramic in consideration of strength, sintering potential, insulation, and the like.
  • the case 10 may be formed by sintering the glass or ceramic powder in a state in which the first electrode 14 and the second electrode 16 are electrically separated from the glass or ceramic powder.
  • the support member 12 for supporting the case 10 is fixedly attached to the edge of the case 10, the support member 12 is a Kovar alloy (Feova, Co, Ni) as the main component It is preferable that it consists of. And the support member 12 is preferably formed to extend along the upper edge of the case 10, and further extends downward along each corner in the upper edge.
  • a Kovar alloy Feova, Co, Ni
  • the battery blocks 20 are formed by stacking a plurality of unit cells 30 so as to enable energization between each of the first terminals 32 and the second terminals 35.
  • the battery block 20 forms a plurality of unit cells 30, and after forming a coating layer of a conductive paste on each of the first terminal 32 and the second terminal 35 of the unit cells 30,
  • the first terminals 32 and the second terminals 35 of the unit cells 30 may be manufactured by stacking the unit cells 30 so that they can conduct electricity with each other.
  • the battery block 20 is seated in the case 10 so as to be energized. That is, the first terminal 32 and the second terminal 35 of the unit cell 30 disposed at one end of the battery block 20 are connected to the first electrode 14 and the second electrode of the case 10.
  • the battery block 20 is seated inside the case 10 so as to be electrically connected to each of 16. Therefore, the plurality of unit cells 30 constituting the battery block 20 may be electrically connected to an external electronic device through the electrodes of the case 10.
  • the unit cell 30 includes a first terminal 32, a first thin film 33, an electrolyte 34, a second terminal 35, a second thin film 36, and a protective film 37. It may be formed on the base substrate 31 of the insulating material in a manner that is sequentially formed in a predetermined order.
  • the first terminal 32 having a structure in which the protruding electrode 32a protrudes in a portion of the base substrate 31 is formed.
  • a first thin film 33 made of a material that supplies current to the first terminal 32 is formed on the first terminal 32. .
  • the electrolyte 34 is formed on the first thin film 33.
  • the entire first thin film 33 and the first thin film 33 are formed. It is preferable that the terminal 32 has a size wide enough to cover all of the remaining portions except for the portion of the protruding electrode 32a.
  • the second terminal 35 is formed on the base substrate 31 or the electrolyte 34 so as to be electrically separated from the protruding electrode 32a of the first terminal 32.
  • the second thin film 36 is formed on the electrolyte 34, wherein the second thin film 36 is not in contact with the first thin film 33 with the electrolyte 34 interposed therebetween. Part of the two terminals 35 should be formed to overlap with each other.
  • a protective film 37 for protecting the battery block 20 from the outside is formed on the second thin film 36.
  • the passivation layer 37 may have a structure in which the planarization organic thin film layer / inorganic thin film layer / conformal organic thin film layer / inorganic thin film layer is sequentially stacked.
  • the cover 40 is hermetically coupled to the upper surface of the case 10. .
  • the inner space between the case 10 and the cover 40 is preferably configured to achieve a vacuum state or a state filled with an inert gas.
  • the edge between the upper surface of the case 10 and the cover 40 is sealed by electric or laser welding.
  • the case 10 is provided with a supporting member 12 formed of a coba alloy.
  • the support member 12 extends from the top edge and the top edge of the case 10 to the bottom of each corner to support the case 10.
  • the upper surface of the support member 10, which is a Coba alloy, is in close contact with the lower surface of the metallic cover 40. Then, the support member 12 and the cover 40 are welded. At this time, since the support member 12 and the cover 40 are metal-based, they can be easily welded to each other.
  • the internal space in which the unit cells 30 are seated can be easily sealed.
  • the support member 12 ′ may be positioned at the upper end of the case 10.
  • the support member 12 ′ may be disposed in a form of being stacked on the top of the case 10, or may be integrated with the top of the case 10.
  • the inner surface W2 of the support member 12 ′ may be aligned with the inner wall W1 of the inner space a.
  • the support member 12 ′ and the cover 40 having the above-described configuration are metal based, they can be easily welded to each other.
  • the support member 12 ′′ may be formed to allow the inner side surface W2 of the support member 12 ′ to be spaced a predetermined distance d from the inner wall W1 of the internal space a. Can be.
  • the present invention can prevent the electrical short between the unit cells 30 and the metallic support member 12 "in advance.
  • an auxiliary cover 51 may be further formed on the bottom surface of the cover 50.
  • the airtightness of the inner space a may be improved by inserting the auxiliary cover 51 into the upper surface opening of the inner space a in which the unit cells 30 are seated to close the opening.
  • a heat shield layer 63 formed of heat resistant polyimide is formed on the cover 60.
  • heat generated during welding between the cover 60 and the support member 12 ′′ may be prevented from being transferred to the internal space a, thereby easily protecting the unit cells 30 from thermal damage.
  • FIG 13 is an experimental graph for showing the effect of the thin film battery package according to the present invention.
  • a thin film battery package in which a plurality of unit cells 30 are vacuum sealed as in the present invention, and a conventional thin film battery package stacked in a state in which the plurality of unit cells 30 are not sealed are subjected to atmospheric pressure and a temperature of 140 degrees Celsius.
  • a charge and discharge test was conducted. At this time, the charge and discharge test conditions were set to 4.1V ⁇ 3.8V charge, discharge current 1C (0.6mA), the discharge current was set to 2C (1.2mA).
  • Table 1 shows an experimental table for gas permeability of the thin film battery package according to the present invention.
  • Gas permeability to the outside of the thin film battery package according to the present invention can be in the range of 5x10 -7 atmcc / sec to 10 -9 atmcc / sec.
  • the case referred to in the present invention is made of an insulating material such as ceramic, the support member is made of coba metal, and the cover is made of metal or ceramic.
  • the present invention provides a thin film battery package by welding a combination of ceramic and metal.
  • using the thin battery package provides a result of the experiment of evaluating the blocking and storage characteristics.
  • one packaged battery block is charged into a pressurization chamber made of metal.
  • the helium gas filled in the pressure chamber is held by opening and closing a separate valve.
  • the pressurization chamber is then opened and the packaged battery block is taken out.
  • the battery block is then roasted for 5 minutes with nitrogen gas.
  • the battery block is loaded into a chamber equipped with a helium detector to measure the amount of leakage of helium gas.
  • Experimental Example 1 is helium gas leakage amount of 3.1x10 -8 atm cc / sec, Comparative Example 1 helium gas leakage of 2.5x10 -5 atm cc / sec Looks sheep.
  • Comparative Example 1 Five batteries were stacked, molded using epoxy, and tested by the above procedure.
  • Experimental Example 1 shows that the gas permeability is lower than that of Comparative Example 1.
  • the present invention can use the welding package through the ceramic-metal as in Experimental Example 1 to shape the blocking and preservation characteristics inside the package.

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Abstract

본 발명은 상면이 개방되고 내부에 일정 공간을 형성하며, 일측에 금속 재질의 제1 전극과 제2 전극이 외부에 통전 가능하게 노출 형성되는 케이스; 각 제1 단자와 제2 단자 사이에 통전 가능하도록 다수의 단위 전지가 적층되고, 일측 끝단에 배치되는 단위 전지의 제1 단자와 제2 단자가 각각 상기 제1 전극 및 제2 전극에 통전 가능하도록 상기 케이스 내부에 안착되는 전지 블록; 상기 케이스의 상면에 밀봉 결합되는 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 박막전지 패키지를 구성하는 각 단위 전지들이 외부 환경으로부터 원천적으로 보호될 수 있고, 고온 분위기에서도 충방전 효율이 급격하게 저하되지 않는 효과가 있으며, 또한 케이스를 소결 방식으로 형성하므로 케이스 상에서 전극의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정함으로써 다양한 전자장치의 동력원으로 이용할 수 있게 된다.

Description

박막전지 패키지
본 발명은 박막전지 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 단위 전지들을 모듈화시켜서 하나의 케이스에 삽입함으로써 박막전지의 용량을 극대화시키고, 또한 비활성 기체로 충진되거나 진공을 유지하는 상태에서 박막전지를 외부로부터 밀봉시킴으로써, 박막전지를 구성하는 각 소자들이 외부 환경에 영향을 받지 않도록 하여 내구성 및 충방전 효율을 증가시킬 수 있게 하는 박막전지 패키지에 관한 것이다.
전자, 정보 통신 산업의 발달과 함께 개인이 각종 개인용 단말기와 사무용 기기 등을 휴대하게 되었다. 이로 인해, 휴대전화, 휴대용 AV 기기, 휴대용 OA 기기 등의 많은 분야에서 기기의 소형화가 급격히 이루어지고 있다.
그러나, 전자기기의 소형화, 휴대화 추세에 비해 상대적으로 전원의 크기가 크게 감소되지 않고 있다. 이에 따라, 에너지 밀도가 더욱 증대되어 성능이 우수하고 소형인 리튬 이차전지의 개발이 매우 절실한 문제가 되었다.
한편, 기존의 상용화된 리튬 이차전지는 활물질, 분리막, 액체 전해질, 탄소음극을 기본구성으로 한다. 이러한 기존의 리튬 이차전지는 그 구조가 복잡하여 소형화에 한계가 있고, 또한 파우치(pouch) 사용으로 얇은 두께 제작이 용이하지 않으며, 폭발 사고의 위험성도 있다.
이러한 기존의 리튬 이차전지 문제를 극복하기 위하여, 제1 박막, 전해질 및 제2 박막 등으로 구성되는 박막전지가 개발되었다.
박막전지는 전 고상의 상기 전지 구성 요소들을 순차적으로 성막하여 형성되는데, 수십 마이크로미터 정도의 두께로 제조될 수 있어서 소형화가 가능하고, 또한 기존의 리튬 이차전지와는 달리 폭발의 위험성이 없어서 안정할 뿐만 아니라, 마스크 형태에 따라 다양한 패턴의 전지를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이러한 통상의 박막전지는 제1 박막, 전해질 및 제2 박막을 외부 환경으로부터 보호하기 위해, 고분자 혹은 세라믹이나 금속 등의 재질로 이루어지는 보호막으로 외부를 덮게 된다. 그러나 종래 개발된 박막전지는 일반 대기환경 혹은 고온 분위기에서 사용되는 경우, 보호막의 성막 과정에서 발생할 수 있는 미세 핀홀이 형성될 수 있고, 또는 고분자 재질의 보호막에 고온에 따른 경화 혹은 변형 현상이 발생하게 되며, 그러한 보호막의 흠결로 인해 박막전지를 구성하는 일부 소자가 외부 환경에 노출될 수 있게 된다. 이처럼 박막전지의 일부 구성요소가 외부 환경에 노출되면, 박막전지의 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한 단위 셀로 이루어지는 종래의 박막전지는 낮은 용량으로 인해 많은 전자장치의 동력원으로 사용하는데 제약이 되고 있다는 문제도 있다.
본 발명의 목적은, 박막전지를 구성하는 주요 구성요소인 단위 전지들을 외부 환경으로부터 원천적으로 보호할 수 있는 박막전지 패키지를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 박막전지 패키징 시에 전기적 쇼트 현상을 방지할 수 있는 박막전지 패키지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 박막전지의 구성요소들이 외부 환경 혹은 온도 변화에 따라 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있는 박막전지 패키지를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 박막전지의 용량을 높여서 다양한 전자장치의 동력원으로 사용될 수 있게 하는 박막전지 패키지를 제공함에 있다.
본 발명은 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 금속 재질의 제1 전극과 제2 전극이 내부 및 외부에 각각 통전 가능하게 관통 결합되는 케이스와; 다수의 단위 전지가 상호 통전 가능하게 적층되어 형성되고, 일측 끝단의 단위 전지는 상기 제1 전극에 통전되는 제1 단자와 상기 제2 전극에 통전되는 제2 단자를 구비하며, 상기 케이스 내부에 안착되는 전지 블록; 및 상기 케이스의 상면에 밀봉 결합되는 커버를 포함하는 박막전지 패키지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 금속 재질의 제1 전극과 제2 전극이 내부 및 외부에 각각 통전 가능하게 관통 결합되는 케이스와; 상기 제1 전극에 통전되는 제1 단자와, 상기 제2 전극에 통전되는 제2 단자를 구비하고, 상기 케이스 내부에 안착되는 단위 전지; 및 상기 케이스의 상면에 밀봉 결합되는 커버를 포함하는 박막전지 패키지도 제공한다.
또한, 본 발명은 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 제 1전극과 제 2전극이 형성되는 절연성의 케이스와; 상기 내부 공간에 다수의 단위 전지가 상호 통전 가능하게 적층되고, 상기 케이스에 형성되는 전극과 통전되고, 상기 제 1전극과 통전되는 제 1단자와, 상기 제 2전극과 통전되는 제 2단자를 갖는 전지 블록과; 상기 케이스의 상단부에 위치되며, 금속성의 지지 부재; 및 상기 지지 부재의 상면에 용접되어 상기 내부 공간을 밀폐하는 커버를 포함하는 박막전지 패키지도 제공한다.
본 발명은 박막전지 패키지를 구성하는 각 단위 전지들이 밀봉 상태에서 존재하게 되므로 외부 환경으로부터 원천적으로 보호될 수 있고, 특히 외부의 충격이나 마모로부터 보호될 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 각 단위 전지들이 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태에서 존재하게 되어 고온 분위기에서도 내구성 및 충방전 효율이 급격하게 저하되지 않는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 하나의 밀봉된 케이스 내부에 다수의 단위 전지가 적층됨으로써, 전지 용량을 극대화시킬 수 있게 되어 다양한 전자장치의 동력원으로 이용할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 케이스를 소결 방식으로 형성하므로, 케이스 상에서 전극의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정함으로써, 다양한 전자장치의 동력원으로 이용할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 케이스의 상단부에 코바 합금을 형성함으로써, 금속 재질의 커버와 용이하게 용접이 실시되도록 할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 케이스 내부에 적층되는 단위 전지들 간을 통전시키는 전도성 페이스트 코팅층과 케이스 내부 공간의 금속으로 이루어지는 면과의 접촉을 방지하여, 전기적 쇼트 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따르는 지지 부재의 일 예가 채택된 박막전지 패키지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 박막전지 패키지를 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따르는 박막전지 패키지의 케이스를 나타내는 평면도들이다.
도 6은 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 단위 전지를 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8은 상기 도 6의 선 A-A 및 B-B를 따르는 단면도들이다.
도 9는 본 발명에 따르는 지지 부재의 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따르는 지지 부재의 또 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따르는 커버의 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따르는 커버의 또 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 효과를 나타내기 위한 실험 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 박막전지 패키지에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 박막전지 패키지 구조가 도시되어 있고, 도 3 내지 도 5에는 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 케이스에 대한 다양한 형태의 평면 구조가 도시되어 있다. 그리고 도 6에는 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 단위 전지에 대한 평면 구조가 도시되어 있고, 도 7 및 도 8에는 상기 도 6의 A-A 및 B-B 부분에 대한 단면 구조가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 박막전지는, 상면이 개방되고 내부에 일정 공간을 형성하는 케이스(10), 다수의 단위 전지(30)가 적층되어 형성되고 상기 케이스(10) 내부에 안착되는 전지 블록(20), 그리고 상기 케이스(10)의 상면에 밀봉 결합되는 커버(40)를 포함하는 구조로 이루어진다.
도 1 및 도 2, 그리고 도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 케이스(10)는 상면이 개방되고 내부에 전지 블록(20)이 안착될 수 있도록 일정 공간을 형성하는 구조로 이루어진다. 그리고 상기 케이스(10)의 일측, 예를 들어 케이스(10)의 일면에는 통전 가능한 금속 재질의 제1 전극(14)과 제2 전극(16)이 전기적으로 분리될 수 있도록 고정 형성된다.
이때, 상기 제1 전극(14)과 제2 전극(16)은 케이스(10)의 내부 및 외부에 각각 통전 가능하도록 케이스(10)에 관통 결합되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 케이스(10)의 일면에 관통 결합된 제1 전극(14)과 제2 전극(16)은 그 일부가 케이스(10) 내부 및 외부로 노출됨으로써, 내부의 단위 전지 및 외부의 다른 전자장치에 전기적으로 각각 통전 가능하도록 구성된다.
그리고 상기 케이스(10)는 유리, 세라믹, 고분자, 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수도 있으나, 강도 및 소결 가능성과 절연성 등을 고려하여 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어 상기 케이스(10)는, 유리 또는 세라믹 분말에 제1 전극(14)과 제2 전극(16)을 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하는 방식으로 형성될 수 있다. 이처럼, 소결 방식으로 제조되는 케이스(10)는 전극(14, 16)의 위치 및 형상 등을 다양하게 설정할 수 있어서, 다양한 전자장치의 동력원으로 사용할 수 있게 된다.
한편, 상기 케이스(10)의 모서리 및 상부 테두리에는 케이스(10)를 지지하기 위한 지지부재(12)가 고정 부착되는데, 이러한 지지부재(12)는 Fe, Co, Ni을 주요 성분으로 하는 코바(Kovar) 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 지지부재(12)는 케이스(10)의 상면 테두리를 따라 연장 형성되고, 또한 상면 테두리에서 각 모서리를 따라 하측으로도 연장 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 지지 부재(12)는 상기 케이스(10)와 별도의 부재로 형성될 수도 있고, 일체로 이루어질 수도 있다.
이러한 지지부재(12)가 케이스(10)의 모서리를 강력하게 지지하고, 또한 세라믹 재질의 케이스(10)와 코바 합금의 지지부재(12)가 유사한 열 팽창율을 가지므로, 고온이나 외부 충격에 따른 케이스(10)의 변형이 방지될 수 있게 된다.
또한 상기와 같이 케이스(10)의 상부 테두리에 코바 합금의 지지부재(12)가 형성됨으로써, 케이스(10)의 상부 테두리에 금속성의 커버(40)가 용접 결합될 수 있게 된다.
그리고 상기 케이스(10) 내부에 안착되는 전지 블록(20)은 다수의 단위 전지(30)가 상호 통전 가능하게 적층되는 구조로 이루어진다. 특히, 전지 블록(20)을 구성하는 각 단위 전지(30)의 제1 단자(32)끼리 상호 통전 가능하게 연결되고, 또한 각 단위 전지(30)의 제2 단자(35)끼리 상호 통전 가능하게 연결된다. 또한 전지 블록(20)의 일측 끝단에 배치되는 단위 전지(30)의 제1 단자(32)는 상기 케이스(10)의 제1 전극(14)에 통전 가능하게 연결되고, 제2 단자(35)는 상기 케이스(10)의 제2 전극(16)에 통전 가능하게 연결된다. 따라서 전지 블록(20)을 구성하는 다수의 단위 전지(30)는 상기 케이스(10)의 전극(14, 16)을 통해 외부의 전자장치와 전기적으로 연결될 수 있게 된다.
한편, 상기 케이스(10)의 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)은, 도 3에 도시된 바와 같이 그 일측면이 케이스(10)를 관통하여 외부에 통전 가능하게 노출되도록 구성될 수도 있고, 또는 도 4 혹은 도 5에 도시된 바와 같이 케이스(10)를 관통하여 외부로 연장되는 핀 또는 패드 형상으로 이루어지도록 구성될 수도 있다.
그리고 상기에서는 다수의 단위 전지(30)가 통전 가능하게 적층된 전지 블록(20)이 케이스(10) 내부에 안착되는 것으로 설명하였으나, 전지 블록(20) 대신 하나의 단위 전지(30)가 케이스(10) 내부에 안착되도록 구성될 수도 있다. 즉, 상기 제1 전극(14)에 통전하는 제1 단자(32)와, 상기 제2 전극(16)에 통전하는 제2 단자(35)를 구비하는 하나의 단위 전지(30)가 상기 케이스(10) 내부에 안착된 후, 상기 케이스(10)의 상면에 커버(40)로 밀봉 결합하게 된다.
도 6, 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 단위 전지(30)는 제1 단자(32), 제1 박막(33), 전해질(34), 제2 단자(35), 제2 박막(36), 그리고 보호막(37)이 베이스 기판(31) 위에 일정 순서에 따라 순차적으로 성막되는 구조로 이루어진다.
예를 들어, 상기 단위 전지(30)는 절연성 재질의 베이스 기판(31)과, 상기 베이스 기판(31) 위에 형성되는 제1 단자(32), 상기 제1 단자(32) 위에 통전 가능하게 형성되는 제1 박막(33), 제1 박막(33) 위에 형성되는 전해질(34), 제1 단자(32)와 전기적으로 분리되도록 배치되는 제2 단자(35), 상기 제2 단자(35)에 통전 가능하도록 전해질(34) 위에 형성되는 제2 박막(36), 그리고 단위 전지(30)의 각 소자들을 외부로부터 보호하기 위한 보호막(37)의 적층 구조로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제1 박막(33)은 캐소드로 이루어지고, 상기 제2 박막(36)은 애노드로 이루어질 수도 있고, 또는 그 반대로 이루어질 수도 있다.
상기 베이스 기판(31)은 유리, 세라믹, 고분자, 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있고, 얇은 박판 구조로 이루어진다.
그리고 상기 제1 단자(32)는 일부 구간에서 전극(32a)이 돌출 형성되는 구조로 이루어지는 것이 바람직하고, Pt, Au, W, Mo, Cr, Ni, ITO, Inconnel, Hastelloy 등을 베이스 기판(31) 상에 증착시키는 방식으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제1 박막(33)은 제1 단자(32)보다 상대적으로 작은 면적으로 이루어지고, 제1 단자(32)를 벗어나지 않는 범위에서 증착 형성된다. 이러한 제1 박막(33)은 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, V2O5, MnO2, MoO3 등을 제1 단자(32) 위에 증착하는 방식으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 전해질(34)은 제1 박막(33)과 제2 박막(36) 사이의 쇼트를 방지하기 위해, 제1 박막(33) 전체와, 제1 단자(32)의 돌출 전극(32a)의 일부분을 제외한 나머지 부분을 모두 덮을 수 있도록 충분히 넓은 크기로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 전해질(34)은 Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON, LiBON 등을 제1 박막(33) 위에 증착시켜서 형성한다.
그리고 상기 제2 단자(35)는 베이스 기판(31) 위에서 제1 단자(32)와 분리되도록 형성되고, 특히 제1 단자(32)의 돌출 전극(32a)과 일정 간격을 두고 대응되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제2 단자(35)는 제1 단자(32)와 전기적으로 분리될 수 있으면, 전해질(34)과 접촉하지 않는 일측에 형성되거나 베이스 기판(31) 외부에 형성될 수도 있다. 이러한 제2 단자(35)는 Ni, Cu, brass, Pt, Au, Cr, Ti, W, Mo, ITO 등의 재료로 이루어진다.
그리고 상기 제2 박막(36)은 전해질(34) 위에 형성됨으로써 전해질(34)을 사이에 두고 제1 박막(33)과 접촉하지 않고, 또한 제2 단자(35)와 통전 가능하도록 일부가 겹치게 형성된다. 이러한 제2 박막(36)은 Li, Sn3N4, Si, Li-Me 합금 등의 재료를 전해질(34) 위에 증착시켜서 형성하게 된다. 한편, 상기 제1 박막(33)과 제2 박막(36)이 전해질(34)에 의해 전기적으로 분리 설치될 수 있으면, 제2 박막(36)은 전해질(34) 이외의 다른 곳에 설치되도록 구성될 수도 있다.
그리고 상기 보호막(37)은 단위 전지(30)를 구성하는 각 소자들을 외부로부터 보호하기 위한 것이므로, 제1 박막(33), 전해질(34) 및 제2 박막(36)을 모두 덮을 수 있도록 충분한 크기로 형성된다. 이러한 보호막(37)은, 평탄화 유기 박막층/무기 박막층/컨포멀(conformal) 유기 박막층/무기 박막층이 순서대로 적층되는 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 평탄화 유기 박막층은 단위 전지(30)를 구성하는 각 소자들의 결함을 감소시켜서 표면 조도를 향상시키는 역할을 한다. 그리고 무기 박막층은 상기 평탄화 유기 박막층 상에 적층되어 실질적으로 산소 및 수분 배리어의 역할을 한다. 또한 컨포멀(conformal) 유기 박막층은 상기 무기 박막층 상에 적층되어 상기 평탄화 유기 박막층이 갖는 단점인 파티클에 대한 불균일 커버링을 보완하고, 무기 박막층은 상기 컨포멀(conformal) 유기 박막층 상에 적층되어 실질적으로 산소 및 수분 배리어의 역할을 하게 된다.
한편, 상기 전지 블록(20)을 구성하는 다수의 단위 전지(30)들은 단자(32, 35)에 형성되는 전도성 페이스트의 코팅층에 의해 상호 통전 가능하게 연결되고, 또한 상호 고정 부착될 수 있게 된다. 즉, 각 단위 전지(30)의 제1 단자(32)와 제2 단자(35)에서 베이스 기판(31)의 측면으로 연장되는 전도성 페이스트의 코팅층을 형성한 후, 이러한 단위 전지(30)들을 수직하게 적층하면, 상기 전도성 페이스트의 코팅층에 의해 각 단위 전지(30)들의 제1 단자(32)끼리, 그리고 제2 단자(35)끼리 상호 통전 가능하게 연결된다.
여기서, 상기 페이스트는 1액형 또는 전도성 페이스트 중 어느 하나인 전도성 에폭시이다.
또한, 상기 페이스트는, ITO, Ag, Pd, Ni 중 적어도 어느 하나 원소 이상을 포함하고, 1액형 또는 2액형 전도성 페이스트 중 어느 하나일 수도 있다.
그리고, 상기 페이스트의 점도 13,000~20,000을 이룬다.
마찬가지로, 케이스(10)에 단독으로 삽입되는 단위 전지(30), 혹은 전지 블록(20)의 일측 끝단에 배치되는 단위 전지(30) 역시, 그 단위 전지(30)의 제1 단자(32)와 제2 단자(35)에서 베이스 기판(31)의 측면으로 연장되는 전도성 페이스트의 코팅층에 의해, 케이스(10)의 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)에 각각 통전 가능하게 연결된다. 또한 상기 전도성 페이스트의 코팅층으로 인해, 전지 블록(20)이 케이스(10)의 바닥면에 고정 부착될 수 있게 된다.
이러한 전지 블록(20)을 내장한 케이스(10)의 상면은 커버(40)에 의해 밀봉 결합되고, 특히 상기 전지 블록(20)이 내장되는 케이스(10)와 커버(40) 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 비활성 기체로는 질소 또는 아르곤 등이 이용될 수 있다.
예를 들어, 케이스(10) 내부에 전지 블록(20)을 통전 가능하게 안착시킨 후, 케이스(10)의 상면과 커버(40) 사이의 테두리를 전기 또는 레이저에 의한 국부 용접을 통해 밀봉시키게 된다. 즉, 케이스(10)의 상부 테두리에 형성된 금속 재질의 지지부재(12)와 커버(40) 사이에 국부 용접을 수행함으로써, 케이스(10)의 상부를 커버(40)로 밀봉시키게 된다.
또한 상기와 같이 용접이 가능하도록, 상기 커버(40)는 전체가 금속 재질로 이루어지거나, 또는 용접이 이루어지는 테두리 부분만 금속 재질로 이루어지고, 중심부는 유리, 세라믹, 고분자, 비 전도성 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
이처럼 케이스(10)와 커버(40)를 이용하여 전지 블록(20)을 진공 또는 비활성 분위기 상태로 밀봉시키게 되면, 전지 블록(20)을 구성하는 각각의 단위 전지(30)들이 자연스럽게 외부 환경으로부터 보호될 수 있고, 또한 외부 환경 및 고온 환경이 전지 블록(20)을 구성하는 각각의 단위 전지(30)들에 영향을 미치지 못하게 되므로, 충방전 효율이 더욱 높아지게 된다.
한편, 상기 케이스(10)와 커버(40) 사이에 형성되는 내부 공간에 전지 블록(20)이 삽입되어 있는 경우, 전지 블록(20)과 커버(40) 사이에 소정의 공간이 형성될 수 있고, 그로 인해 전지 블록(20)이 케이스(10)의 저면에 밀착 결합되지 못하고 케이스(10) 내부에서 유동할 염려가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전지 블록(20)과 커버(40)의 저면 사이에 충진재(도시 생략)가 삽입되어, 상기 충진재가 전지 블록(20)을 케이스(10)의 저면에 밀착시키도록 구성하는 것이 바람직하다. 물론, 전지 블록(20) 대신 하나의 단위 전지(30)가 케이스(10)에 삽입되는 경우에는, 단위 전지(30)와 커버(40)의 저면 사이에 충진재가 삽입되도록 구성된다. 이러한 충진재로는 고분자, 합성수지, 세라믹, 금속 등의 다양한 재질이 이용될 수 있으나, 충방전시의 부피 팽창을 위한 공간 확보를 위해 연성의 필름으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전지 블록과 케이스 내부 바닥면에는 충진재가 첨가될 수 있다. 이러한 경우, 상기 충진재는 외부 충격에 의한 상기 전지 블록의 이동을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 충진재는 에폭시 또는 고분자 소재 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 충진재는 접착력 강화를 위한 에폭시, 고분자, 탄성력 강화를 위한 Si계열을 사용한다
도 9는 본 발명에 따르는 지지 부재가 케이스의 상단부에 위치되는 다른 예를 보여준다.
도 9를 참조 하면, 본 발명에 따르는 케이스(10)의 상단부에는 금속 재질의 지지 부재(12')가 위치된다. 상기 케이스(10)는 절연성을 지닌 세라믹으로 형성된다.
그리고, 상기 지지 부재(12')는 상술된 코바(KOVAR) 금속으로 사용할 수 있다. 상기 코바 합금은 열팽창 계수가 세라믹과 유사하기 때문에, 세라믹 재질인 케이스(10)의 상단부에 위치시키기 용이하다.
상기 지지 부재(12')는 상기 케이스(10)의 상단에 별도의 부재로 마련될 수도 있고, 케이스(10)의 상단과 일체로 이루어질 수도 있다. 상기 지지 부재(12')는 케이스(10)의 상단부에 일정 높이를 이루어 위치된다.
또한, 상기 지지 부재(12')는 케이스(10)의 상단부 횡단면적과 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 지지 부재(12')의 내측면(W2)은 상기 내부 공간(a)의 측부를 에워싸고, 상기 지지 부재(12')의 내측면(W2)과 상기 내부 공간(a)의 내벽(W1)은 서로 동일선 상을 따를 수 있다.
그리고, 상기 케이스(10)의 내부 공간에는 개구되는 상면을 통하여 다수의 단위 전지들(30)이 순차적으로 적층된다. 상기 적층되는 방향은 상기 내부 공간(a)의 내벽(W2)과 나란한 방향을 따라 적충된다.
여기서, 각 단위 전지들(30)의 제1,2단자(32,35)는 이들 사이에 도포되는 전도성 페이스트 코팅층(1)에 의하여 전기적으로 연결된다.
케이스(10)의 내부 공간 저부에는 제 1전극(14)과 제 2전극(16)이 형성된다. 내부 공간에 단위 전지(30)가 적층된다. 여기서, 단위 전지(30)에 형성되는 제 1,2단자(32,35)는 상기 제 1,2전극(14,16)에 독립적으로 접촉된다.
그리고, 단위 전지(30) 상부에서 제 1,2단자(32,35)가 배치되는 위치에 전도성 페이스트를 도포한다.
이와 같이 도포되는 전도성 페이스트는 단위 전지(30)의 측부를 따라 하방으로 유동하여 제 1,2단자(32,35)를 상기 제 1,2전극(14,16)에 독립적으로 통전시킨다.
이어, 상기 단위 전지(30)의 상부에는 일정 개수의 다른 단위 전지들(30)이 서로 통전되도록 적층된다. 여기서, 상기 통전 방식은 상기와 같은 전도성 페이스트 도포를 이용한 통전 방식과 동일하다.
따라서, 서로 적층되는 단위 전지들(30)의 측부에는 전도성 페이스트 코팅층(1)이 형성된다. 상기 전도성 페이스트 코팅층(1)은 측부로 돌출되는 형상을 이루고, 내부 공간의 내벽 방향(또는, 단위 전지들(30)의 적층 방향)을 따른다.
그리고, 상기 커버(40)는 상기 케이스(10)의 내부 공간(a)을 덮도록 케이스(10)의 상단부에 위치될 수 있다. 이때, 커버(40)의 하면은 상기 지지 부재(12')의 상면과 밀착될 수 있다.
여기서, 상기 커버(40)는 금속 재질로 형성되고, 상기 지지 부재(12')는 코바 합금으로 형성되기 때문에, 이들은 서로 용접 방식으로 용이하게 접합될 수 있다. 여기서, 상기 커버(40)도 코바 합금으로 형성될 수 있다.
상기 커버(40)가 지지 부재(12')의 상면에 용접됨으로써, 단위 전지들(30)이 서로 적층되는 케이스(10)의 내부 공간(a)은 케이스(10)의 외부로부터 용이하게 밀봉될 수 있다.
여기서, 상기에 언급된 지지 부재(12, 12')는, Fe와, Co와, Ni 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지 부재(12, 12')는, Fe 53%, Co 17%, Ni 30% 의 성분비로 이루어질 수도 있다.
이에 더하여, 상기 지지 부재(12, 12')의 외면에는, 금, 구리, 은 중 적어도 어느 하나 이상의 금속이 코팅될 수도 있다.
상기 코팅 방식은 전기 도금 또는 무전해 도금으로 처리하는 것이 바람직하다. 이는 후술되는 지지 부재(12") 역시 동일하다.
만일, 단위 전지들(30) 사이에 도포되는 전도성 페이스트 코팅층(1)이 과도포되는 경우, 이는 단위 전지들(30)의 사이를 통하여 측방으로 과도하게 돌출될 수 있다.
단위 전지들(30) 중 지지 부재(12')에 의하여 에워싸이는 상부측 단위 전지들(30)에서, 이들의 측방으로 돌출되는 전도성 페이스트 코팅층(1)은 금속성의 지지 부재(12')의 내측면에 접촉될 수 있다.
이러한 경우, 단위 전지들(30)은 전기적 쇼트 현상에 노출된다.
따라서, 본 발명은 상기 지지 부재(12')의 내측면과 단위 전지들(30) 측면부에 돌출되는 전도성 페이스트 코팅층(1)과의 접촉을 방지할 수 있는 실시를 제시한다.
도 10은 본 발명에 따르는 지지 부재가 케이스의 상단부에 위치되는 또 다른 예를 보여준다.
도 10을 참조 하면, 본 발명에 따르는 케이스(10)의 상단부에 위치되는 지지 부재(12")는 상술한 바와 같이 케이스(10)의 상단에 별도로 형성되거나, 일체로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 지지 부재(12")는 케이스(10)의 상단부에 일정 높이를 이루어 위치된다.
또한, 상기 지지 부재(12")의 내측면(W2)은 상기 내부 공간(a)의 측부를 에워싼다. 상기 지지 부재(12")의 내측면(W2)과 상기 내부 공간(a)의 내벽(W1)은 서로 어긋나도록 형성된다.
상기 지지 부재(12")의 내측면(W2)은 상기 내부 공간(a)의 내벽(W1) 외측으로 일정 거리(d) 이격된다. 상기 지지 부재(12")의 단면폭은 지지 부재(12")의 하방에 형성되는 케이스(10)의 단면폭 보다 좁게 형성된다.
상기 구성을 참조 하면, 단위 전지들(30) 사이에 도포되는 전도성 페이스트코팅층(1)이 과도포되는 경우, 이는 단위 전지들(30)의 사이를 통하여 측방으로 과도하게 돌출될 수 있다.
단위 전지들(30) 중 지지 부재(12")에 의하여 에워싸이는 상부측 단위 전지들(30)의 측방에서 전도성 페이스트 코팅층(1)이 외측으로 돌출된다.
이때, 상기 지지 부재(12")의 내측면(W2)이 내부 공간(a)의 내벽(W1)으로부터 'd'만큼 이격 되기 때문에, 상기 측방으로 돌출되는 전도성 페이스트 코팅층(1)은 지지 부재(12")의 내측면(W2)과 접촉되지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명은 단위 전지들(30)과 금속성의 지지 부재(12")와의 전기적 쇼트 현상을 미연에 방지할 수 있다.
그리고, 코바 합금의 지지 부재(12")와 금속성의 커버(40)와의 용접 방식은 도 9를 참조하여 상술한 바와 동일하다.
또한, 상기 커버는, 세라믹 몸체로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 지지 부재는 상기 세라믹 몸체의 외측 모서리 부에 결합될 수 있다.
도 11은 본 발명에 따르는 커버의 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 보여준다.
도 11을 참조 하면, 본 발명에서 언급되는 금속성의 커버(50)는 보조 커버(51)를 더 구비할 수 있다. 상기 보조 커버(51)는 커버(50)의 하단부로부터 연장되는 부분이다.
상기 보조 커버(51)는 케이스(10)의 내부 공간(a)의 상면 개구에 끼워질 수 있도록 커버(50)로부터 일정 두께를 형성하여 연장된다.
따라서, 상기 보조 커버(51)는 내부 공간(a)의 상면 개구에 끼워지고, 보조 커버(51) 외측의 커버(50) 하면은 지지 부재(12")의 상단에 밀착된다. 그리고, 커버(50)와 지지 부재(12")는 용접될 수 있다.
상기 용접 진행시, 커버(50)에 발생되는 열은 케이스(10) 내부 공간에 안착된 단위 전지들(30)로 전달될 수 있다. 이러한 경우, 상기 단위 전지들(30)은 열적 환경에 노출되어 손상이 유발될 수 있다.
도 12는 본 발명에 따르는 커버의 또 다른 예가 채택된 박막전지 패키지를 보여준다.
본 발명은 도 12에 도시되는 바와 같이, 상기와 같은 단위 전지들(30)에서의 열적 손상을 방지할 수 있는 커버(60)를 제공한다.
상기의 보조 커버(51)를 갖는 커버(50) 및 도 1 및 도 2, 도 9 및 도 10에 도시되는 커버(40)는 금속 재질로 형성된다. 상기 커버(50,40)와 용접되는 지지 부재(12,12')는 코바 합금으로 형성된다.
도 12를 참조 하면, 본 발명에 따르는 커버(60)는 금속재질로 이루어지고 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 단위 커버(61,62)와, 상기 한 쌍의 단위 커버(61,62) 사이에 위치되는 열차단층(63)으로 구성된다.
상기 한 쌍의 단위 커버(61,62)는 서로 두께가 다른 제 1단위 커버(61)와 제 2단위 커버(62)로 구성된다.
상기 열차단층(63)은 내열성의 폴리 이미드로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 2단위 커버(62)는 지지 부재(12")의 상면에 접촉된다.
상기 제 2단위 커버(62)는 제 1단위 커버(62)의 두께 보다 일정 두께 얇게 형성된다.
상기 지지 부재(12")와 상기 제 2단위 커버(62)는 서로 용접될 수 있다.
상기 용접시 발생되는 열은 상대적으로 얇은 제 2단위 커버(62)로 전달되고, 상기 열차단층(63)에 의하여 내부 공간으로 전달되는 열은 용이하게 차단될 수 있다.
다음으로, 전술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 제조방법에 대해 살펴본다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 제조방법은, 상면이 개방되고 내부에 일정 공간이 형성되는 케이스(10)를 형성하는 단계, 다수의 단위 전지(30)를 적층하여 전지 블록(20)을 형성하는 단계, 전지 블록(20)을 상기 케이스(10) 내부에 안착시키는 단계, 상기 케이스(10)의 상면에 커버(40)를 밀봉 결합하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 케이스(10)는 상면이 개방되고 내부에 전지 블록(20)이 안착될 수 있도록 일정 공간을 형성하는 구조로 이루어지며, 상기 케이스(10)의 일측, 예를 들어 케이스(10)의 일면에는 통전 가능한 금속 재질의 제1 전극(14)과 제2 전극(16)이 전기적으로 분리되도록 고정 형성된다. 이때, 상기 제1 전극(14)과 제2 전극(16)은 케이스(10)의 외부에 통전 가능하도록 노출 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 케이스(10)는 유리, 세라믹, 고분자, 비 전도성 금속 등의 다양한 재질로 이루어질 수도 있으나, 강도 및 소결 가능성과 절연성 등을 고려하여 유리 또는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어 상기 케이스(10)는, 유리 또는 세라믹 분말에 제1 전극(14)과 제2 전극(16)을 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하는 방식으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 케이스(10)의 모서리에는 케이스(10)를 지지하기 위한 지지부재(12)가 고정 부착되는데, 이러한 지지부재(12)는 Fe, Co, Ni을 주요 성분으로 하는 코바(Kovar) 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 상기 지지부재(12)는 케이스(10)의 상면 테두리를 따라 연장 형성되고, 또한 상면 테두리에서 각 모서리를 따라 하측으로도 연장 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 각 제1 단자(32)와 제2 단자(35) 사이에 통전 가능하도록 다수의 단위 전지(30)를 적층하여 전지 블록(20)을 형성한다.
이러한 전지 블록(20)은, 다수의 단위 전지(30)를 형성하고, 단위 전지(30)들의 각 제1 단자(32)와 제2 단자(35)에 전도성 페이스트의 코팅층을 형성한 후, 각 단위 전지(30)들의 제1 단자(32)끼리, 그리고 제2 단자(35)끼리 상호 통전 가능하도록 단위 전지(30)들을 적층함으로써 제조될 수 있다.
그리고 상기 전지 블록(20)은 케이스(10) 내부에 통전 가능하게 안착된다. 즉, 전지 블록(20)의 일측 끝단에 배치되는 단위 전지(30)의 제1 단자(32)와 제2 단자(35)가 상기 케이스(10)의 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)에 각각 통전 가능하게 연결되도록 전지 블록(20)은 케이스(10) 내부에 안착시킨다. 따라서 전지 블록(20)을 구성하는 다수의 단위 전지(30)는 상기 케이스(10)의 전극을 통해 외부의 전자장치와 전기적으로 연결될 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 단위 전지(30)는 제1 단자(32), 제1 박막(33), 전해질(34), 제2 단자(35), 제2 박막(36), 그리고 보호막(37)이 절연성 재질의 베이스 기판(31) 위에 일정 순서에 따라 순차적으로 성막되는 방식으로 형성될 수 있다.
즉, 베이스 기판(31) 위에 일부 구간에서 돌출 전극(32a)이 돌출 형성되는 구조로 이루어지는 제1 단자(32)를 형성한다. 그리고 제1 단자(32)에 통전하는 재질의 제1 박막(33)을 제1 단자(32) 위에 형성하는데, 이때 제1 단자(32)의 돌출 전극(32a)에 겹치지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
이후, 제1 박막(33) 위에 전해질(34)을 형성하게 되는데, 이때 제1 박막(33)과 제2 박막(36) 사이의 쇼트를 방지하기 위해, 제1 박막(33) 전체와, 제1 단자(32) 중 돌출 전극(32a)의 일부분을 제외한 나머지 부분을 모두 덮을 수 있도록 충분히 넓은 크기로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제1 단자(32)의 돌출 전극(32a)과 전기적으로 분리되도록 제2 단자(35)를 상기 베이스 기판(31) 또는 전해질(34) 위에 형성한다. 다음으로, 제2 박막(36)을 전해질(34) 위에 형성하게 되는데, 이때 상기 제2 박막(36)은 전해질(34)을 사이에 두고 제1 박막(33)과 접촉하지 않으면서, 동시에 제2 단자(35)와 통전 가능하도록 일부가 겹치게 형성되어야 한다.
그리고 전지 블록(20)을 외부로부터 보호하기 위한 보호막(37)을 제2 박막(36) 위에 형성한다. 이러한 보호막(37)은 평탄화 유기 박막층/무기 박막층/컨포멀(conformal) 유기 박막층/무기 박막층이 순서대로 적층되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 구성되는 다수의 단위 전지(30)들로 이루어지는 전지 블록(20)이 케이스(10) 내부에 통전 가능하게 안착된 후, 상기 케이스(10)의 상면에 커버(40)를 밀봉 결합시킨다.
여기서, 상기 케이스(10)와 커버(40) 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진된 상태를 이루도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 케이스(10)의 내부에 전지 블록(20)을 안착시킨 후, 케이스(10)의 상면과 커버(40) 사이의 테두리를 전기 또는 레이저에 의한 용접을 통해 밀봉시키게 된다.
케이스(10)에는 코바 합금으로 형성되는 지지 부재(12)가 마련된다. 상기 지지 부재(12)는 상기 케이스(10)의 상면 테두리와 상면 테두리에서 각 모서리 하부로 연장되어 케이스(10)를 지지한다.
코바 합금인 지지 부재(10)의 상면은 금속성의 커버(40)의 하면과 밀착시킨다. 그리고, 상기 지지 부재(12)와 커버(40)를 용접한다. 이때, 상기 지지 부재(12)와 커버(40)는 금속 계열이기 때문에 서로 용이하게 용접을 할 수 있다.
따라서, 상기 단위 전지들(30)이 안착되는 내부 공간을 용이하게 밀봉할 수 있다.
또한, 도 9를 참조 하면, 지지 부재(12')를 케이스(10)의 상단부에 위치시킬 수 있다. 여기서, 상기 지지 부재(12')를 케이스(10)의 상단에 적층하는 형태로 배치할 수도 있고, 케이스(10)의 상단과 일체를 이루도록 할 수도 있다.
그리고, 상기 지지 부재(12')의 내측면(W2)을 내부 공간(a)의 내벽(W1)과 동일 선상을 이루도록 할 수 있다.
상기의 구성을 갖는 지지 부재(12')와 커버(40)는 금속 계열이기 때문에 서로 용이하게 용접을 할 수 있다.
또한, 도 10을 참조 하면, 지지 부재(12')의 내측면(W2)을 내부 공간(a)의 내벽(W1)으로부터 일정 거리(d) 이격시킬 수 있도록 지지 부재(12")를 형성할 수 있다.
단위 전지들(30) 중 지지 부재(12")에 의하여 에워싸이는 상부측 단위 전지들(30)의 측방으로 전도성 페이스트 코팅층(1)이 돌출되는 경우, 상기 지지 부재(12")의 내측면(W2)이 내부 공간(a)의 내벽(W1)으로부터 'd'만큼 이격 되기 때문에, 상기 측방으로 돌출되는 전도성 페이스트 코팅층(1)은 지지 부재(12")의 내측면(W2)과 접촉되지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명은 단위 전지들(30)과 금속성의 지지 부재(12")와의 전기적 쇼트 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 도 11을 참조 하면, 커버(50)의 하면에 보조 커버(51)를 더 형성할 수 있다.
따라서, 보조 커버(51)를 단위 전지들(30)이 안착된 내부 공간(a)의 상면 개구에 끼워 개구를 막음으로써, 내부 공간(a)의 기밀성을 향상시킬 수도 있다.
또한, 도 12를 참조 하면, 커버(60)에 내열성의 폴리 이미드로 형성되는 열차단층(63)을 형성한다.
따라서, 커버(60)와 지지 부재(12") 간의 용접 시에 발생되는 열이 내부 공간(a)으로 전달되는 것을 방지하여, 단위 전지들(30)을 열적 손상으로부터 용이하게 보호할 수 있다.
도 13에는 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 효과를 나타내기 위한 실험 그래프가 도시되어 있다.
본 발명과 같이 다수의 단위 전지(30)가 진공 밀봉된 박막전지 패키지와, 다수의 단위 전지(30)가 밀봉되지 않은 상태에서 적층된 종래의 박막전지 패키지를 대기압, 그리고 섭씨 140도 온도 분위기에서 충방전 테스트를 실시하였다. 이때, 충방전 테스트 조건은 충방전 전압이 4.1V ~ 3.8V이고, 충전 전류는 1C(0.6mA)이며, 방전 전류는 2C(1.2mA)로 설정하였다.
상기와 같은 조건의 충방전 테스트 결과, 도 13에 도시된 바와 같이, 68 사이클 후에 종래 밀봉되지 않은 박막전지 패키지는 초기 용량 대비 82.6%로 크게 감소한 반면, 본 발명과 같이 진공 밀봉된 박막전지 패키지는 초기 용량 대비 95.4%의 우수한 결과가 나타남을 알 수 있다.
이에 더하여, 하기의 표 1에는 본 발명에 따른 박막전지 패키지의 가스 투과도에 대한 실험표가 도시된다.
표 1
가스 투과도
실험예1 (세라믹 패키지) 3.1x10-8atm cc/sec
비교예1 (에폭시 패키지) 2.5x10-5ata cc/sec
본 발명에 따르는 박막 전지 패키지의 외부로의 가스 투과도는, 5x10-7atmcc/sec ~ 10-9atmcc/sec 의 범위를 이룰 수 있다.
본 발명에 언급되는 케이스는 세라믹과 같은 절연 물질로 이루어지고, 지지 부재는 코바 금속, 커버는 금속 또는 세라믹으로 이루어진다.
따라서, 본 발명에서는 세라믹과 금속과의 용접 결합을 통한 박막 전지 패키지를 제공한다.
본 발명에서는 박박 전지 패키지를 사용하여 차단 및 보존 특성 평가 실험을 실시한 결과를 제공한다.
- 비교 실험-
먼저, 패키지된 전지 블록 1개를 금속 재질인 가압 챔버에 장입한다.
그리고, 가압 챔버의 내부를 완전하게 밀폐시킨다.
이어, 상기 가압 챔버의 내부에 99.9%의 헬륨 가스를 가압 챔버의 압력이 4kg/cm2이 되도록 주입하고, 이 상태를 2시간 동안 유지한다.
그리고, 상기 가압 챔버의 내부에 충진된 헬륨 가스를 별도의 밸브를 개폐하여 파지한다.
이어, 상기 가압 챔버를 개방하고, 상기 패키지 된 전지 블록을 꺼낸다.
그리고, 상기 전지 블록을 질소 가스로 5분간 불로워한다.
이후, 상기 전지 블록을 헬륨 디텍터가 장착된 챔버에 로딩하여, 헬륨 가스의 누설 양을 측정한다.
도 11을 참조 하면, 상기와 같은 실험 절차로 진행한 결과, 실험예1은 3.1x10-8atm cc/sec의 헬륨 가스 누설양, 비교예1은 2.5x10-5atm cc/sec의 헬륨 가스 누설양을 보인다.
여기서, 상기 실험예1은 5개의 전지를 10x7x1.2 mm3의 세라믹 패키지 내부에 적층하고 금속과 세라믹을 Ar 분위기에서 용접후 상기 절차에 의해 테스트를 수행하였다.
그리고, 상기 비교예1은 5개의 전지를 적층하고, 에폭시를 사용하여 몰딩하고 상기 절차에 의해 테스트를 수행 하였다.
이에 따라, 실험예1은 비교예1에 비하여, 가스의 투과도가 낮음을 보이고 있다.
본 발명은 실험예1과 같이 세라믹-금속을 통한 용접 패키지를 사용하여 패키지 내부의 차단 및 보존 특성을 형상시킬 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (31)

  1. 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 금속 재질의 제1 전극과 제2 전극이 내부 및 외부에 각각 통전 가능하게 관통 결합되는 케이스;
    다수의 단위 전지가 상호 통전 가능하게 적층되어 형성되고, 일측 끝단의 단위 전지는 상기 제1 전극에 통전되는 제1 단자와 상기 제2 전극에 통전되는 제2 단자를 구비하며, 상기 케이스 내부에 안착되는 전지 블록; 및
    상기 케이스의 상면에 밀봉 결합되는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  2. 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 금속 재질의 제1 전극과 제2 전극이 내부 및 외부에 각각 통전 가능하게 관통 결합되는 케이스;
    상기 제1 전극에 통전되는 제1 단자와, 상기 제2 전극에 통전되는 제2 단자를 구비하고, 상기 케이스 내부에 안착되는 단위 전지; 및
    상기 케이스의 상면에 밀봉 결합되는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  3. 상면이 개구되는 내부 공간이 형성되고, 제 1전극과 제 2전극이 형성되는 절연성의 케이스;
    상기 내부 공간에 다수의 단위 전지가 상호 통전 가능하게 적층되고, 상기 케이스에 형성되는 전극과 통전되고, 상기 제 1전극과 통전되는 제 1단자와, 상기 제 2전극과 통전되는 제 2단자를 갖는 전지 블록;
    상기 케이스의 상단부에 위치되며, 금속성의 지지 부재; 및
    상기 지지 부재의 상면에 용접되어 상기 내부 공간을 밀폐하는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재의 내측면과 상기 내부 공간의 내벽은 서로 동일선 상을 따르는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재는 상기 내부 공간의 외측으로 단차지어 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재는,
    코바 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재는,
    Fe와, Co와, Ni 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재는,
    Fe 53%, Co 17%, Ni 30% 의 성분비로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 부재의 외면에는,
    금, 구리, 은 중 적어도 어느 하나 이상의 금속이 코팅되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 커버는, 세라믹 몸체로 형성되고,
    상기 지지 부재는 상기 세라믹 몸체의 외측 모서리부에 결합되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스와 커버 사이의 내부 공간은 진공 상태 또는 비활성 기체가 충진되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스는,
    유리 또는 세라믹 분말에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 분리되도록 배치한 상태에서, 상기 유리 또는 세라믹 분말을 소결하여 형성되고,
    상기 커버는,
    금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 박막 전지 패키지의 외부로의 가스 투과도는,
    5x10-7atmcc/sec ~ 10-9atmcc/sec 의 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 케이스의 모서리와 상부 테두리 중 적어도 어느 한 곳에는,
    코바(Kovar) 합금으로 형성되는 지지 부재가 포함되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재와 상기 커버는,
    전기 또는 레이저에 의한 용접을 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버는,
    서로 마주 보도록 배치되는 한 쌍의 단위 커버와,
    상기 한 쌍의 단위 커버 사이에 형성되는 열 차단층을 구비하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버는,
    상기 커버의 하단으로부터 일정 두께로 연장되어 상기 내부 공간의 개구에 끼워지는 보조 커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은,
    상기 케이스를 관통하여 외부로 연장되는 핀 또는 패드 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지 블록의 상면과 커버의 저면 사이에는,
    상기 전지 블록을 상기 케이스의 저면에 밀착시키는 충진재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 단위 전지의 상면과 커버의 저면 사이에는,
    상기 단위 전지를 상기 케이스의 저면에 밀착시키는 충진재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  21. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전지 블록과 케이스 내부 바닥면과, 상기 케이스의 내부 측면에는 충진재가 첨가되고,
    상기 충진재는 외부 충격에 의한 상기 전지 블록의 이동을 방지하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  22. 제 2항에 있어서,
    상기 단위 전지와 케이스 내부 바닥면과, 상기 케이스의 내부 측면에는 충진재가 첨가되고,
    상기 충진재는 외부 충격에 의한 상기 전지 블록의 이동을 방지하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  23. 제 19항 내지 재 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충진재는 에폭시 또는 고분자 소재 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  24. 제 19항 내지 재 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충진재는 연성의 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  25. 제3항에 있어서,
    상기 전지 블록을 구성하는 다수의 단위 전지들은,
    상기 내부 공간의 내벽을 따라 적층되고,
    각각의 단자에 도포되는 페이스트의 코팅층에 의해 상호 통전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  26. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 전지의 제1 단자와 제2 단자는,
    페이스트의 코팅층에 의해 케이스의 제1 전극 및 제2 전극에 각각 통전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  27. 제 25항 또는 제 26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트는,
    1액형 또는 전도성 페이스트 중 어느 하나인 전도성 에폭시인 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  28. 제 25항 또는 제 26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트는, ITO, Ag, Pd, Ni 중 적어도 어느 하나 원소 이상을 포함하고,
    1액형 또는 2액형 전도성 페이스트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  29. 제 25항 또는 제 26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페이스트는, 점도 13,000~20,000를 이루는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  30. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 전지는,
    베이스 기판과,
    상기 베이스 기판 위에 형성되는 상기 제1 단자와,
    상기 제1 단자와 통전하는 제1 박막과,
    상기 제1 단자와 전기적으로 분리되도록 배치되는 상기 제2 단자와,
    상기 제2 단자에 통전하는 제2 박막과,
    상기 제1 박막과 상기 제2 박막을 전기적으로 분리시키기 위한 전해질과,
    상기 제2 박막 위에 형성되는 보호막을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
  31. 케이스;
    다수의 단위 전지가 상호 통전 가능하게 적층되는 전지부; 및
    상기 케이스를 밀봉시키는 커버를 포함하되,
    상기 박막 전지 패키지의 외부로의 가스 투과도는,
    5x10-7atmcc/sec ~ 10-9atmcc/sec 의 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 박막전지 패키지.
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