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KR101368323B1 - 기판 표면처리를 통하여 전지 성능이 향상된 박막전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

기판 표면처리를 통하여 전지 성능이 향상된 박막전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101368323B1
KR101368323B1 KR1020110136049A KR20110136049A KR101368323B1 KR 101368323 B1 KR101368323 B1 KR 101368323B1 KR 1020110136049 A KR1020110136049 A KR 1020110136049A KR 20110136049 A KR20110136049 A KR 20110136049A KR 101368323 B1 KR101368323 B1 KR 101368323B1
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Abstract

음극 활물질이 기판에 맞닿는 형태의 박막전지에 있어, 음극 활물질과 기판의 부반응에 의해 전지 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 박막전지 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 박막전지는 음극 활물질이 기판에 맞닿는 구조를 갖되, 상기 기판 표면에서 적어도 상기 음극 활물질과 기판이 맞닿는 부분에는, 상기 음극 활물질과 비반응성인 물질을 포함하는 제1표면처리층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 박막전지는 상기 제1표면처리층이 형성된 기판 상의 일측 영역에 형성되는 양극 전류 집전체; 상기 양극 전류 집전체 상에 형성되는 양극 활물질; 상기 기판의 타측 영역에, 상기 양극 전류 집전체와 이격 형성되는 음극 전류 집전체; 상기 양극 활물질을 덮는 형태로 형성되되, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩되어 상기 제1표면처리층을 노출시키는 형태로 형성되는 전해질; 및 상기 음극 전류 집전체, 전해질 및 제1표면처리층 상에 형성되는 음극 활물질;을 포함할 수 있다.

Description

기판 표면처리를 통하여 전지 성능이 향상된 박막전지 및 그 제조 방법 {THIN FILM BATTERY WITH IMPROVED PERFORMANCE BY SURFACE TREATMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE THIN FILM BATTERY}
본 발명은 박막전지 제조 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 활물질과 기판이 접촉하는 구조를 갖는 박막전지에 있어, 음극 활물질과 기판과의 부반응을 억제함으로써 전지 성능을 향상시킬 수 있는 박막전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
박막전지는 기본적인 전지의 구성 요소들을 박막화하여 두께를 얇게 만든 전지이다.
박막전지는 양극/전해질/음극의 모든 구성요소가 고체상태로 이루어져 있으며, CVD, PVD 등의 증착 방법을 통하여 얇은 기판 상에 수 마이크론(㎛) 내외의 두께로 제조된다.
박막전지는 고체전해질 사용으로 폭발위험이 적으며, 고온에서도 안정성이 우수하며, 자가방전율이 낮은 우수한 점 등 여러 장점이 있다.
도 1은 일반적인 박막전지 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 박막전지는 양극 전류 집전체(Cathode Current Collector)(110), 양극 활물질(120), 음극 전류 집전체(Anode Current Collector)(130), 전해질(140) 및 음극 활물질(150)을 포함한다.
또한, 박막전지는 전지 내부로의 수분침투를 방지하기 위하여, 일반적으로 양극 전류 집전체(110)와 음극 전류 집전체(130)의 단자부를 제외한 나머지 요소들을 덮도록 봉지부(encap)가 형성되어 있다.
이때, 일반적인 박막전지의 경우, 음극 전류 집전체(130)와 전해질(140)이 서로 오버랩(overlap)되어 있다. 그리고, 음극 활물질(150)은 기판(100)과 직접 맞닿지 않는다.
그러나, 상기와 같이, 음극 전류 집전체(130)와 전해질(140)이 오버랩되어 있는 경우, 오버랩되는 부분에서 리튬(Li)이 포집되는 현상이 발생한다.
이러한 리튬의 포집은 봉지막의 균열을 야기하며, 이러한 봉지막의 균열에 의하여 수분이 침투할 수 있다. 침투된 수분에 의하여, 음극 전류 집전체(130)의 단자부 쪽의 리튬이 산화되고, 이러한 리튬의 산화는 박막전지의 수명을 저하시키는 요인이 된다.
본 발명의 목적은 음극 활물질이 기판에 직접 맞닿는 구조를 갖는 박막전지에 있어서, 음극 활물질이 기판과 부반응하는 현상을 억제할 수 있는 박막전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 기판 이면으로부터의 수분 침투를 방지할 수 있는 박막전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 박막전지는 음극 활물질이 기판에 맞닿는 구조를 갖되, 상기 기판 표면에서 적어도 상기 음극 활물질과 기판이 맞닿는 부분에는, 상기 음극 활물질과 비반응성인 물질을 포함하는 제1표면처리층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 음극 활물질은 리튬(Li)을 포함하고, 상기 제1표면처리층은 알루미늄 산화물 등의 무기재나 아크릴계 수지 등의 유기재를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막전지는 상기 기판의 이면에 형성되어, 상기 기판 이면으로부터 수분이 침투하는 것을 방지하는 제2표면처리층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막전지는 상기 제1표면처리층이 형성된 기판 상의 일측 영역에 형성되는 양극 전류 집전체; 상기 양극 전류 집전체 상에 형성되는 양극 활물질; 상기 기판의 타측 영역에, 상기 양극 전류 집전체와 이격 형성되는 음극 전류 집전체; 상기 양극 활물질을 덮는 형태로 형성되되, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩(non-overlap)되어 상기 제1표면처리층을 노출시키는 형태로 형성되는 전해질; 및 상기 음극 전류 집전체, 상기 전해질 및 상기 제1표면처리층 상에 형성되는 음극 활물질;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 박막전지 제조 방법은 기판 표면에서 적어도 음극 활물질과 맞닿을 부분에, 음극 활물질과 비반응성인 물질을 이용하여 제1표면처리층을 형성하는 단계; 상기 제1표면처리층이 형성된 기판 상의 일측에 양극 전류 집전체를 형성하는 단계; 상기 양극 전류 집전체 상에 양극 활물질을 형성하는 단계; 상기 기판 상의 타측에, 상기 양극 전류 집전체와 이격되도록 음극 전류 집전체를 형성하는 단계; 상기 양극 활물질을 덮으며, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩되어 상기 제1표면처리층이 노출되도록 전해질을 형성하는 단계; 및 상기 음극 전류 집전체, 상기 제1표면처리층 및 상기 전해질 상에 형성되는 음극 활물질;을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막전지 제조 방법은 기판 상의 일측에 양극 전류 집전체를 형성하는 단계; 상기 양극 전류 집전체 상에 양극 활물질을 형성하는 단계; 상기 기판 상의 타측에, 상기 양극 전류 집전체와 이격되도록 음극 전류 집전체를 형성하는 단계; 상기 양극 활물질을 덮으며, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩되도록 전해질을 형성하는 단계; 상기 전해질과 음극 전류 집전체의 비오버랩에 의한 기판 노출 부분에, 리튬과 비반응성인 물질을 이용하여 제1표면처리층을 형성하는 단계; 및 상기 음극 전류 집전체, 상기 제1표면처리층 및 상기 전해질 상에 형성되는 음극 활물질;을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막전지는 기판의 표면처리를 통하여, 음극 활물질과 기판이 부반응하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 음극 활물질과 기판의 부반응에 의한 전지 성능 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막전지는 기판의 이면에도 표면처리를 수행함으로써, 기판의 이면으로부터의 수분 침투를 방지할 수 있어, 박막전지의 전지 성능 저하 및 수명 저하를 방지할 수 있다.
한편, 박막전지의 성능 저하 및 수명 저하 방지는, 박막전지 제조 후 일정 기간이 소요된 후에 음극 활물질의 변색이나 전지 용량, 전압 강하 등으로 확인할 수 있는데, 본 발명에 따른 박막전지의 경우, 제조 후 90℃에서 30일 경과 후에도 음극 활물질의 변색이 발생하지 않는 등 고온안정성 및 시효 특성이 우수한 특성을 나타내낼 수 있다.
도 1은 일반적인 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 음극 활물질과 기판이 맞닿는 구조를 갖는 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면처리된 기판을 이용한 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면처리된 기판을 이용한 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 박막전지에서 기판 이면에도 표면처리된 것을 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 박막전지에서 기판 이면에도 표면처리된 것을 나타낸 단면도이다.
도 7은 운모 기판 상에 표면처리층을 형성하지 않고 Li 음극 및 Al2O3 다층봉지막을 형성한 경우에, 박막전지 제조 후, 90℃에서 7일 경과 후 전면 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 운모 기판 상에 제1표면처리층을 형성한 후, Li 음극 및 Al2O3 다층봉지막을 형성한 경우에, 90℃에서 30일 경과 후 전면 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 기판 표면처리를 통하여 전지 성능이 향상된 박막전지 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 음극 활물질과 기판이 맞닿는 구조를 갖는 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 박막전지는 양극 전류 집전체(110), 양극 활물질(120), 음극 전류 집전체(130), 전해질(140) 및 음극 활물질(150)을 포함한다. 도 2에 도시된 박막전지 역시 도 1에 도시된 바와 마찬가지의 요소들을 포함하나, 전해질(140)이 음극 전류 집전체(130)와 오버랩(overlap)되지 않는 형태로 형성되는 점에서 차이점이 있다.
이러한 차이점에 의하여, 도 1에 도시된 박막전지는 음극 활물질(150)과 기판(100)이 직접 맞닿지 않으나, 도 2에 도시된 박막전지는 음극 활물질(150)의 일부는 기판(100)과 맞닿게 된다.
전해질(140)과 음극 전류 집전체(130)이 오버랩되는 경우, 오버랩 부분에서 리튬이 포집되는 문제점이 발생한다. 그러나, 전해질(140)과 음극 전류 집전체(130)이 오버랩되지 않는 형태로 형성될 경우, 전해질(140)과 음극 전류 집전체(130) 사이에 리튬이 이동할 수 있는 마진이 발생하게 되므로, 전해질(140)과 음극 전류 집전체(130)의 오버랩 부분에서의 리튬 포집 문제가 발생하지 않는다.
그 결과, 수분 침투 방지를 위하여 형성되는 봉지막(encap)의 균열이 발생하지 않으며, 이에 따라 음극 전류 집전체(130)의 노출 부분, 즉 단자부의 리튬 산화 발생을 억제할 수 있다.
그런데, 음극 활물질(150)은 주로 금속 리튬으로 형성되는데, 리튬의 경우, 반응성이 매우 좋다. 따라서, 도 2에 도시된 예와 같이 음극 활물질(150)과 기판(100)이 맞닿는 구조를 갖는 경우, 음극 활물질과 기판의 부반응에 의하여 리튬의 물성을 변형시켜, 리튬의 산화나 음극 활물질의 단락 등이 발생할 수 있다.
테스트를 위하여, 글래스 기판 및 운모 기판 각각에 Li 음극을 증착한 후, Al2O3를 포함하는 다층 봉지막을 형성하였다. 상기 다층 봉지막은 수분차단 특성이 매우 높기 때문에 표면 침투를 억제할 수 있다. 이후, 오븐에서 90℃로 온도를 유지한 후 7일 경과 후에 리튬과 각각의 기판이 맞닿는 부분을 관찰하였다. 그 결과 도 7에 도시된 전면 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 리튬과 각각의 기판이 맞닿는 부분이 검게 열화되었다.
특히 글래스 기판의 경우 상온에서도 리튬과 기판이 맞닿는 부분이 검게 열화되었다. 이와 같이, 리튬과 각각의 기판이 맞닿는 부분이 검게 열화되는 것은 리튬의 산화 혹은 합금화로 보인다.
따라서, 이러한 음극 활물질(150)이 기판(100)과 부반응하는 것을 방지하기 위하여, 기판(100)을 음극 활물질(150)로부터 화학적으로 격리시킬 필요성이 있다.
이에 본 발명에서는 기판(100)을 표면처리하여, 음극 활물질(150)과 기판(100)이 직접 맞닿지 않도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면처리된 기판을 이용한 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서는 기판(100) 표면에서 음극 활물질(150)과 기판(100)이 맞닿는 부분에는, 음극 활물질(150)과 비반응성인 물질을 포함하는 제1표면처리층(310)이 형성되어 있다.
이때, 음극 활물질(150)이 리튬(Li)으로 형성되는 경우, 제1표면처리층(310)은 리튬과 비반응성인 물질로 단층 또는 다층으로 형성된다. 이러한 리튬과 비반응성인 물질은 무기재 또는 유기재가 될 수 있다.
무기재는 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물, 하프늄 질화물, 탄탈륨 질화물, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 티타늄 산화물, 세륨 산화물, 인듐산화물, 주석산화물, SiON, TiAlO 등이 1종 이상 포함될 수 있다.
유기재는 다이아조계 수지, 아지드계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에폭사이드계 수지, 폴리에테르계 수지, 우레탄계 수지, 폴리스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 우레아계 수지, 이소시아네이트계 수지, 자일렌계 수지 등이 1종 이상 포함될 수 있다.
한편, 상기 유기재를 적용하는 경우, 접착력 증대를 위하여, 기판 상에 유기재를 포함하는 하부층을 형성한 후, 그 위에 무기재를 포함하는 상부층을 형성하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 박막전지 제조시에는 양극 활물질(120)을 결정화하기 위하여 대략 500℃ 이상의 열처리 공정이 포함된다. 따라서, 유기재는 상기의 열처리 이후에 음극 활물질과 기판이 맞닿는 국부 영역에 적용되는 것이 바람직하다. 반면, 무기재의 경우, 상기의 열처리 전후에 관계없이 형성 가능하고, 또한 음극 활물질과 기판이 맞닿는 국부 영역 뿐만 아니라 기판 표면 전체에 적용될 수 있다.
상기와 같이, 음극 활물질(150)과 기판(100)이 맞닿는 부분에 제1표면처리층(310)이 형성됨으로써, 기판(100)과 음극 활물질(150)은 화학적으로 격리가 될 수 있다. 따라서, 기판(100)과 음극 활물질(150)의 부반응에 의한 전지 성능 저하 등을 방지할 수 있다.
테스트를 위하여, 글래스 기판 및 운모 기판 각각에 리튬을 증착한 후, Al2O3를 포함하는 다층 봉지막을 형성하였다. 이후, 오븐에서 90℃로 온도를 유지한 후 30일 경과 후에 리튬과 각각의 기판이 맞닿는 부분을 관찰하였다. 그 결과 도 8에 도시된 전면 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 변색이 발생하지 않았다.
한편, 제1표면처리층(310)은 도 3에 도시된 예와 같이, 기판(100) 표면 전체에 대하여 형성될 수 있다. 이 경우, 기판(100) 표면 전체에 제1표면처리층(310)이 형성됨으로써 기판(100) 이면으로부터의 수분이 침투하는 것도 방지할 수 있다. 그러나, 제1표면처리층(310)이 반드시 기판(100) 표면 전체에 형성되어야 하는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면처리된 기판을 이용한 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제1표면처리층(410)은 기판(100) 표면 일부에 국부적으로 형성될 수 있으며, 제1표면처리층(410)이 포함되는 위치는 음극 활물질(150)이 기판(100)과 맞닿는 부분을 포함한다.
즉, 제1표면처리층(410)은 음극 활물질(150)이 기판(100)과 맞닿는 부분을 포함하는 전제 하에, 기판(100) 표면에 국부적으로 형성될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 박막전지에 포함되는 요소들에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 박막전지에서, 기판(100)은 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 재질로 형성될 수 있다.
기판의 재질로 금속이 이용되는 금속 기판의 경우, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 스테인리스스틸 등으로 형성될 수 있다.
기판의 재질로 세라믹이 이용되는 세라믹 기판의 경우, 쿼츠(quartz), 글래스(glass), 운모 등으로 형성될 수 있다.
기판의 재질로 고분자가 이용되는 고분자 기판의 경우, 내열성이 우수한 폴리이미드(Polyimide)로 형성될 수 있으며, 이외에도 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리아미드이미드(Polyamide Imide), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르 케톤(polyetherether Ketone) 등으로 형성될 수도 있다.
다음으로, 양극 전류 집전체(110)은 기판(100) 상의 일측에 형성된다. 양극 전류 집전체(110)은 전기전도성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 이러한 재질로는 ITO(Indium Tin Oxide), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 스테인레스 스틸, 하스텔로이, 인코넬 등을 제시할 수 있다. 이러한 물질들로 형성되는 양극 전류 집전체(110)은 단층으로 형성될 수 있으며, 기판과의 부착력 향상 등 필요에 따라서는 티타늄/인코넬/백금과 같이 다층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 양극 활물질(120)은 양극 전류 집전체(110) 상에 형성된다. 양극 활물질(120)은 다양한 리튬금속산화물(Litium Metal Oxide)로 수백 nm 내지 수 ㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 양극 활물질(120)은 전기화학적 특성이 우수한 LiCoO2로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
양극 활물질(120)은 주로 스퍼터링 방식 등에 의하여 형성되고, 통상 열처리를 통하여 결정화된 구조를 갖는다.
다음으로, 음극 전류 집전체(130)은 양극 전류 집전체(110)에 이격되도록, 기판(100) 상의 타측에 형성된다.
음극 전류 집전체(130) 역시 양극 전류 집전체(110)과 마찬가지로, 전기전도성이 우수한 ITO, 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 재질로 형성될 수 있으며, 단층 혹은 다층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 전해질(140)은 양극 활물질(120)과 음극 활물질(150) 간의 리튬 이온을 전도하면서, 아울러, 양극 활물질(120)과 음극 활물질(150) 간의 쇼트를 방지하는 역할을 한다. 이를 위해서 전해질(140)은 높은 리튬 이온전도도 및 비저항을 갖는 고체 전해질 물질로 형성된다. 이러한 물질들로는 LiPON(lithium phosphorous oxynitride), LiBON(lithium boron oxynitride), Li3PO4(lithium phosphate), Li2O-B2O3, Li2OV2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, LiSiPON (lithium silicon phosphorous oxynitride), LiSiON(lithium silicon oxynitride), LiBPON(lithium boron phosphorous oxynitride) 등이 제시될 수 있으며, 이들이 단독으로 사용되거나 혹은 2종 이상 혼용될 수 있다.
이러한 전해질(140)은 양극 활물질(120)의 노출 부분에 형성된다. 또한, 전해질은 양극 전류 집전체(110)과 음극 전류 집전체(130) 사이의 기판(100) 노출 부분을 덮는 형태로 형성되되, 전술한 바와 같이 음극 전류 집전체(130)와는 비오버랩되는 형태로 형성된다. 따라서, 전해질(140)과 음극 전류 집전체(130) 사이에는 기판 노출 부분이 존재하며, 본 발명에서는 기판 표면 중 적어도 이 부분에 제1표면처리층(도 3의 310, 도 4의 410)이 형성된다.
다음으로, 음극 활물질(150)은 음극 전류 집전체(130), 전해질(140) 및 제1표면처리층(310, 410) 상에 형성된다.
음극 활물질(150)은 금속 리튬(Li) 등으로 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 박막전지의 경우, 기판(100) 상에, 제1표면처리층(310), 양극 전류 집전체(110), 양극 활물질(120), 음극 전류 집전체(130), 전해질(140) 및 음극 활물질(150)을 순차적으로 형성함으로써 제조될 수 있다.
박막전지를 구성하는 단위 요소들은 대표적으로 스퍼터링(sputtering)으로 형성할 수 있으며, 그 외 다른 방법으로 형성되어도 무방하다.
이때, 전술한 바와 같이, 음극 활물질(150)은 리튬으로 형성할 수 있으며, 이 경우, 제1표면처리층(310)은 알루미늄산화물과 같이 리튬과 비반응성인 물질로 형성할 수 있다.
또한, 제1표면처리층은 도 3에 도시된 예와 같이 기판 표면 전체에 형성하거나, 음극 활물질과 맞닿을 부분을 포함하는 영역에 국부적으로 형성할 수 있다.
또한, 제1표면처리층이 도 4에 도시된 예와 같이, 음극 활물질과 맞닿을 부분에 국부적으로 형성되는 경우, 제1표면처리층은 기판 표면의 미리 정해진 위치에 미리 형성할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 예와 같이, 제1표면처리층이 음극 활물질과 맞닿을 부분에 국부적으로 형성되는 경우, 제1표면처리층은 음극 전류 집전체 및 전해질을 형성한 후 기판의 노출 부분에 형성할 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 박막전지는 기판(100) 상에, 양극 전류 집전체(110), 양극 활물질(120), 음극 전류 집전체(130), 전해질(140), 제1표면처리층(410) 및 음극 활물질(150)을 순차적으로 형성함으로써 제조될 수 있다.
박막전지는 통상 수분에 취약하다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 박막전지는 단위 구성 요소들(110 ~ 150)에 수분이 침투하는 것을 방지하기 위하여, 상기 요소들을 형성한 후, 봉지막(encap)(미도시)을 더 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 봉지막은 단자 역할을 하는 양극 전류 집전체(110)과 음극 전류 집전체(130) 각각의 일부분을 제외한 나머지 부분을 봉지하는 형태로 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막전지들을 나타낸 것이다. 보다 구체적으로, 도 5는 도 3에 도시된 박막전지에서 기판 이면에도 표면처리된 것을 나타내고, 도 6은 도 4에 도시된 박막전지에서 기판 이면에도 표면처리된 것을 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 박막전지의 기판 이면으로부터의 수분 침투 방지 효율을 향상시키기 위하여, 기판(100) 이면에 제2표면처리층(도 5의 320, 도 6의 420)이 더 형성될 수 있다.
제2표면처리층(320,420) 역시 제1표면처리층(도 5의 310, 도 6의 410)과 마찬가지로, 알루미늄산화물 등의 무기제나 아크릴계 수지 등의 유기재를 포함하여 형성될 수 있으며, 기타 세라믹, 금속 등으로 형성될 수도 있다.
또한, 제2표면처리층(320,420)은 CaO, MgO, CaCl2 등의 흡습제를 1종 이상 포함하는 파우더 타입, 벌크 타입 혹은 필름 타입의 게터층으로 형성될 수 있다. 이 경우, 특히 기판의 표면쪽으로 수분이 침투하는 것을 지연시킬 수 있는 효과를 높일 수 있다.
제2표면처리층은 양극 전류 집전체 형성전에 제1표면처리층과 동시에 혹은 순차적으로 형성할 수 있으며, 그 외 박막전지 제조 과정 중 어느 과정에서도 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막전지는 음극 활물질과 비반응성인 물질로 기판을 표면처리함으로써, 음극 활물질과 기판이 맞닿는 부분에서 부반응이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 음극 활물질과 기판의 부반응에 의한 전지 성능 저하를 방지할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 기판 110 : 양극 전류 집전체
120 : 양극 활물질 130 : 음극 전류 집전체
140 : 전해질 150 : 음극 활물질
310, 410 : 제1표면처리층 320, 420 : 제2표면처리층

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 제1표면처리층; 및
    일부분이 상기 제1표면처리층 상에 형성되는 음극 활물질;을 포함하고,
    상기 제1표면처리층은 상기 음극 활물질과 비반응성인 유기재로 이루어지는 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되며 상기 음극 활물질과 비반응성인 무기재로 이루어지는 상부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극 활물질은
    리튬(Li)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1표면처리층의 하부층은
    다이아조계 수지, 아지드계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에폭사이드계 수지, 폴리에테르계 수지, 우레탄계 수지, 폴리스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 우레아계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 자일렌계 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 유기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 이면에 형성되어, 상기 기판 이면으로부터 수분이 침투하는 것을 방지하는 제2표면처리층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2표면처리층은
    CaO, MgO 및 CaCl2 중에서 1종 이상을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  9. 기판;
    상기 기판 상의 일측 영역에 형성되는 양극 전류 집전체;
    상기 양극 전류 집전체 상에 형성되는 양극 활물질;
    상기 기판의 타측 영역에, 상기 양극 전류 집전체와 이격 형성되는 음극 전류 집전체;
    상기 양극 활물질을 덮는 형태로 형성되되, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩(non-overlap)되는 형태로 형성되는 전해질;
    상기 전해질과 상기 음극 전류 집전체 사이의 기판 노출 부분에 형성되는 제1표면처리층; 및
    상기 음극 전류 집전체, 상기 전해질 및 상기 제1표면처리층 상에 형성되는 음극 활물질;을 포함하고,
    상기 제1표면처리층은 상기 음극 활물질과 비반응성인 유기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 기판 상의 일측에 양극 전류 집전체를 형성하는 단계;
    상기 양극 전류 집전체 상에 양극 활물질을 형성하는 단계;
    상기 기판 상의 타측에, 상기 양극 전류 집전체와 이격되도록 음극 전류 집전체를 형성하는 단계;
    상기 양극 활물질을 덮으며, 상기 음극 전류 집전체와 비오버랩되도록 전해질을 형성하는 단계;
    상기 전해질과 음극 전류 집전체의 비오버랩에 의한 기판 노출 부분에 제1표면처리층을 형성하는 단계; 및
    상기 음극 전류 집전체, 상기 제1표면처리층 및 상기 전해질 상에 형성되는 음극 활물질을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1표면처리층을 형성하는 단계는 음극 활물질과 비반응성인 유기재를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음극 활물질은
    리튬(Li)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1표면처리층을 형성하는 단계는
    다이아조계 수지, 아지드계 수지, 아크릴계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리에스테르계 수지, 에폭사이드계 수지, 폴리에테르계 수지, 우레탄계 수지, 폴리스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 우레아계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 자일렌계 수지 중에서 선택되는 1종 이상의 유기재를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1표면처리층을 형성하는 단계는
    상기 유기재를 포함하는 하부층을 형성한 후, 상기 하부층의 상부에 음극 활물질과 비반응성인 무기재를 포함하는 상부층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기판 이면으로부터 수분이 침투하는 것을 방지하는 제2표면처리층을 상기 기판의 이면에 더 형성하는 것을 특징으로 하는 박막전지 제조 방법.
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