KR101161154B1 - 기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지 및 이를 이용하여 제조된 적층형 박막전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막전지 및 이를 이용한 적층형 박막전지 모듈에 관한 것으로, 서로 이격된 위치에 상부면과 배면이 관통되도록 형성되는 제1관통전지전극과 제2관통전지전극을 포함하는 기판 및 상기 기판에 순차적으로 적층되는 제1전극단자, 제1활물질 박막, 고체 전해질 박막, 제2전극단자 및 제2활물질 박막을 포함하는 박막전지 적층체를 포함하되, 상기 제1전극단자가 제1관통전지전극과 연결되고, 상기 제2전극단자가 상기 제2관통전지전극과 연결된 구조를 포함하여, 상기 박막전지 적층체에서 형성된 전류가 상기 기판의 이면으로 전달되어 외부로 출력되도록 하고, 적층 구조가 용이하여 전지의 용량 증가를 자유롭게 수행하고, 모듈 구조를 제조하기 위한 비용 및 시간을 절감시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지 및 이를 이용하여 제조된 적층형 박막전지 모듈{THIN FILM BATTERY CONTANING SUBSTRATE WITH EXTENTION METAL AND MULTI-LAYERED THIN FILM BATTERY MODULE FABRICATED USING THE SAME}
본 발명은 박막전지 및 이를 이용하여 제조된 적층형 박막전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막전지가 형성되는 기판 내에 박막전지 적층체가 형성된 이면으로 연결되는 확장 전지단자를 포함하는 박막전지를 제공함으로써, 단위셀 간의 병렬 적층이 용이하여 박막전지의 용량 증대가 자유롭고, 전지의 패키징을 생략하여 제조 비용을 감소시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
박막전지는 일반 전지의 모든 구성 요소들을 박막형태의 고체를 사용하여 기판 상에 얇게 구현한 것을 말한다.
기존 분말형태의 활물질을 사용하는 벌크형 리튬전지의 경우 양, 음극 전류집전체, 전극 활물질, 분리막, 액체전해질 또는 폴리머 전해질, 알루미늄 파우치 등의 사용으로 인해 총 두께를 0.3mm 이하로 제어하기 어렵지만, 박막전지는 전지 구성 요소 모두를 포함하더라도 0.1mm 이하로 제어가 가능하므로 두께 의존성이 큰 초소형 전자 디바이스의 동력원으로 매우 적합한 것이다.
그 대표적인 예가 전원이 내장되는 스마트 카드 시스템으로서 이러한 카드 시스템은 국제적으로 규격화되어 있어 상부와 하부 커버를 제외하고 전지가 탑재될 수 있는 공간 및 두께는 매우 제한적이라고 할 수 있다.
또한, 카드 제조 공정 중 고온 및 고압의 라미네이션 공정은 기존 벌크형 전지에 있어서 사용상의 많은 제약을 가져올 수밖에 없다.
나아가, 박막전지에 있어 무엇보다도 큰 장점은 바로 안전성이다. 박막전지는 산화물계 고체 세라믹 박막을 전해질로 사용하기 때문에 발화, 폭발의 위험이 거의 없다고 볼 수 있으며, 음극으로 사용하는 리튬의 경우에도 수 마이크론 이내의 박막형태로 증착되므로 매우 안전하다고 할 수 있다.
특히 인체 삽입형, 인체 부착형 전원의 경우 이러한 안전성은 가장 최우선적으로 고려되어야 할 조건이라고 할 수 있다.
그러나, 이러한 두께 특성 및 안전성을 보유하고 있음에도 불구하고, 박막전지는 여전히 낮은 용량으로 인해 많은 전자 디바이스의 동력원으로의 사용하는 데 많은 제약이 있다.
상기에 기술한 문제점을 해결하기 위해서는 일정한 형태로 증착된 박막전지 단위셀을 병렬 적층하여 양극과 음극을 각각 연결함으로서, 전지 용량을 증가시키는 모듈형태가 필수적이라 할 수 있으나, 단자부가 박막으로 구성되어 손상되거나, 전기적 연결이 나쁜 관계로 그 적층이 용이하지 못한 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 박막전지는 일반 리튬이차 전지에서 구현하기 어려운 약 0.1mm 이하의 얇은 두께를 가지면서도, 고출력을 낼 수 있는 특성을 갖는다. 또한, 장기 싸이클링 성능이 우수한 장점을 가지고 있다. 그러나, 음극을 구성하는 소재로 리튬을 사용할 경우 박막전지를 보호할 패키지나 커버와 같은 보호막을 형성하기 어려운 문제가 있고, 얇은 두께에 따른 전지의 절대적 부피가 작아서 용량이 작은 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 박막전지가 형성되는 기판 내에 박막전지 적층체와 접속되는 확장형 관통전지단자를 기판 내장형으로 형성함으로써, 박막전지 단위셀을 적층하는 것이 유리하고, 박막전지 보호를 위한 패키지 또는 실링 과정이 용이해질 수 있도록 하는 박막전지를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 단자를 포함하는 박막전지를 병렬 적층한 후, 테두리부를 실링하는 간단한 공정만으로도, 용이한 병렬 적층이 되도록 하여 박막전지의 용량 증대를 자유롭게 하고, 전지의 패키징 절차를 생략하여 제조 비용을 감소시킬 수 있도록 하는 적층형 박막전지 모듈을 제공하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막전지는 박막전지 적층체의 전극단자와 연결되며, 기판을 관통하여 상기 박막전지 적층체가 형성된 이면으로 노출되는 관통전지전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막전지는 서로 전기적으로 이격된 위치에 상부면과 배면이 관통되도록 형성되는 제1관통전지전극과 제2관통전지전극을 포함하는 기판 및 상기 기판에 적층되는 제1전극단자, 제1활물질 박막, 고체 전해질 박막, 제2전극단자 및 제2활물질 박막을 포함하는 박막전지 적층체를 포함하되, 상기 제1전극단자가 제1관통전지전극과 연결되고, 상기 제2전극단자가 상기 제2관통전지전극과 연결된 구조를 포함하여, 상기 박막전지 적층체에서 형성된 전류가 상기 기판의 이면으로 전달되어 외부로 출력되도록 하는 기판 내장형 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 테두리에 실링용 단차부를 포함하고, 상기 제1관통전지전극 및 제2관통전지전극은 각각 상기 기판 표면에 노출 또는 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 박막전지는 상기 기판 상부에 상기 박막전지 적층체를 밀봉하기 위한 보호막을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 보호막은 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2), 실리콘산질화물(SiON), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 이산화티타늄(TiO2), 파릴렌(parylene), 폴리요소(polyurea), 폴리아크릴레이트(poly acrylate) 및 이의 공중합체로 이루어지는 그룹 중 하나 이상의 유, 무기막 또는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 금속 합금으로 이루어지는 그룹 중 하나 이상으로 형성되는 금속 재질의 막인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈은 상술한 박막전지를 단위셀로 하여, 상기 단위셀 복수개가 순차적으로 적층된 박막전지 병렬 적층 구조로 이루어지며, 적층된 상기 각 단위셀의 테두리부를 밀봉하는 실링부재를 포함하여 일체형 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 박막전지 병렬적층 구조는 전도성 페이스트, 전도성 에폭시 및 전도성 테이프 중 하나 이상으로 단자부와 전극부를 연결하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 박막전지 병렬적층 구조는 하부에 형성되는 제1박막전지 및 그 상부에 형성되는 제2박막전지를 포함하되, 상기 제1박막전지의 제1전극단자와 상기 제2박막전지의 제1관통전지전극이 접속되고, 상기 제1박막전지의 제2전극단자 또는 제2활물질 박막과 상기 제2박막전지의 제2관통전지전극이 접속되어, 외부와 접속되는 전지전극이 모듈의 하부에 노출되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 박막전지 병렬적층 구조는 하부에 형성되는 제1박막전지 및 그 상부에 형성되는 제2박막전지를 포함하되, 상기 제1박막전지의 제1전극단자와 상기 제2박막전지의 제1전극단자가 접속되고, 상기 제1박막전지의 제2활물질 박막 또는 제2전극단자와 상기 제2박막전지의 제2활물질 박막이 또는 제2전극단자가 접속되어, 외부와 접속되는 전지전극이 모듈의 상부 및 하부 양면에 노출되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 박막전지 병렬적층 구조는 최 상부 및 최 하부 중 하나 이상에 더 형성되어 밀봉 구조를 유지하도록 하는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 박막전지 병렬적층 구조는 최 상부 및 최 하부 중 하나 이상에 노출되는 전지전극을 보호하면서, 상기 모듈의 외측벽을 감싸는 형태의 외부 전지전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막전지는 박막전지가 형성되는 기판 내에 박막전지 적층체가 형성된 이면으로 연결되는 확장형 관통전지단자를 포함하는 박막전지를 제공함으로써, 병렬 적층이 용이하여 박막전지의 용량 증대가 자유롭고, 그 활용성을 극대화 시킬 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명에 의한 적층형 박막전지 모듈은, 상술한 기판 내장형 전지전극을 포함하는 박막전지 단위셀을 적층할 때, 전지의 물성을 저하시키지 않으면서 각 단위셀의 전극들을 용이하게 연결시킬 수 있으며, 별도의 패키징 공정을 생략하고 간단한 실링만으로도 박막전지 적층체의 보호가 가능하도록 하여, 전지의 제조 비용을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한 본 발명에 의한 적층형 박막전지 모듈의 제조 방법은, 박막전지 모듈 의 상부 또는 하부에 밀봉가능한 덮개를 실링하여 전지사용 기간을 증가시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지 및 이를 이용하여 제조된 적층형 박막전지 모듈에 대하여 상세히 설명한다.
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.
여기서, 상기 기판 내장형이라 함은 기판을 관통하여 외부로 노출되는 단자 형태를 정의하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 기판 내장형 단자를 포함하는 박막전지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 단위셀을 이루는 박막전지(200)의 기판(100)이 구비된다. 이때, 기판(100)의 일측에는 기판(100)을 관통하여 구비되는 제1관통전지전극(180) 및 제2관통전지전극(170)이 구비된다.
여기서, 기판(100)은 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화실리콘(SiO2), 쿼츠(quartz), 유리(glass), 운모(mica) 등과 같은 세라믹 시트(ceramic sheet), 유리시트(glass sheet), 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드이미드(Polyamide Imide), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리페닐렌술폰(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(Polyetherether Ketone), 폴리에테르케톤(Polyether Ketone) 등과 같은 고분자시트(polymer sheet), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 스테인레스 스틸(SUS)등의 금속 시트(Metal sheet) 중 한 종류의 기판이 사용될 수 있다. 단, 금속 시트를 사용하는 경우는 전극이 일부 생략될 수도 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 단위셀을 이루는 기판(100)의 일측에 드릴링 공정 또는 기타 식각 공정을 이용하여 관통공을 형성한 후, 상기 관통공 내에 전도성 도전물질을 매립하여 제1관통전지전극(180) 및 제2관통전지전극(170)을 형성한다.
이와 같이, 기존에는 기판 표면에 구비되며, 외부로 돌출된 형태로 구비되던 전지전극들을, 본 발명에서는 기판(100)에 내장된 형태로 형성함으로써, 단위셀을 이루는 박막전지(200)의 외관을 정형화 시킬 수 있다.
따라서, 단위셀 적층이 용이해질 수 있다. 즉, 단위셀과 단위셀을 병렬 연결하는 적층시 제1관통전지전극(180) 및 제2관통전지전극(170)을 통하여 접속이 이루어지도록 함으로써, 특별한 배선장치 없이도 직접 적층이 가능하도록 할 수 있다. 그리고 이와 같은, 적층이 이루어지면 적층형 박막전지 모듈의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 동일 두께 대비 박막전지의 용량을 더 크게 형성할 수 있다.
다음으로, 기판(100) 상부에 제1전극단자(120), 제1활물질 박막(130), 고체 전해질 박막(140), 제2전극단자(110) 및 제2활물질 박막(150)을 포함하는 박막전지 적층체를 형성한다.
여기서, 제1전극단자(120)는 제1관통전지전극(180)과 접속되도록 하고, 제2전극단자(110)는 제2관통전지전극(170)과 접속되도록 하여, 각 활물질 박막으로부터 집전된 전류를 각각의 관통전지전극을 통하여 박막전지의 외부로 전달시키는 구조를 갖는다.
이때, 제1활물질 박막(130) 및 제2활물질 박막(150)은 전지의 양극 또는 음극을 나타내는 것으로, 제1활물질 박막(130)이 양극이 될 경우 제2활물질 박막(150)은 음극이 되고, 그 반대의 경우도 가능하다.
여기서, 활물질 박막이 양극으로 사용될 경우에는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiFePO4, LiNiVO4, LiCoMnO4, LiCo1 /3Ni1 /3Mn1 /3O2, V2O5, MnO2 및 MoO3 중 하나 이상의 소재를 포함할 수 있으며, 음극으로 사용될 경우에는 Li, Sn3N4, Si 및 Li-Me합금 중 하나 이상의 소재들을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 양극 또는 음극의 전류를 집전시켜서 박막전지 적층체의 외부로 전달하는 제1전극단자(120) 및 제2전극단자(110)는 각각 백금(Pt), 금(Au), ITO(Indium Tin Oxide), 인코넬(Inconel), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등과 같은 금속류 및 전도성 산화물막을 이용하여 형성할 수 있다.
그 다음으로, 고체 전해질 박막(140)은 Li2O-B2O3, Li2O-V2O5-SiO2, Li2SO4-Li2O-B2O3, Li3PO4, LiPON 및 LiBON 중 하나 이상을 포함하는 소재로 형성될 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 상술한 박막전지 적층체를 보호하기 위하여 보호막(160)을 더 형성할 수 있다. 이때, 보호막은 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2), 실리콘산질화물(SiON), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 이산화티타늄(TiO2), 파릴렌(parylene), 폴리요소(polyurea), 폴리아크릴레이트(poly acrylate) 및 이의 공중합체로 이루어지는 그룹 중 하나 이상의 유,무기막 또는 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 금속 합금으로 이루어지는 그룹 중 하나 이상으로 형성되는 금속 재질의 막으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막전지는 상술한 바와 같이, 기판을 관통하여 구비되는 확장형의 제1관통전지전극(180) 및 제2관통전지전극(170)을 갖는다.
따라서, 박막전지간의 적층이 용이해 질 수 있도록 하고, 제조 공정을 간소화시킬 수 있으며, 그 구체적인 적층 구조에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1단위셀을 이루는 제1기판(300), 제1양극(320) 및 제2음극(310)이 구비되고, 제2단위셀을 이루는 제2기판(305), 제2양극(325) 및 제2음극(315)이 구비된다.
이때, 각 단위셀의 양극들(320, 325)은 상기 도 1의 제1전극단자 및 제1활물질 박막이 결합된 일례를 나타낸 것이다.
그리고, 각 단위셀의 음극들(310, 315)은 상기 도 1의 제2전극단자 및 제2활물질 박막이 결합된 일례를 나타낸 것이다.
또한, 여기서는 고체 전해질 박막은 생략된 형태로 도시하였는데, 상기와 같은 사항들에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
이상의 전제하에서 도 2에 도시된 실시예는 단위셀을 이루는 박막전지를 일방향으로 정렬시킨 후 순차적으로 적층한 박막전지 모듈을 나타낸 것이다.
따라서, 본 실시예에서는 하부에 형성되는 제1단위셀의 제1양극(320)과 제2단위셀의 제1관통전지전극(385)이 접속되고, 제1단위셀의 제1음극(310)과 제2단위셀의 제2관통전지전극(375)이 접속되어, 외부와 접속되는 전지전극이 모듈의 하부에 노출되는 구조를 갖는다.
이때, 각 단위셀에는 박막전지 적층체를 밀봉시키는 보호막이 더 형성될 수 있는데, 이와 같은 경우에는 도시된 바와 같이 제1단위셀과 제2단위셀이 이격된 형태로 나타날 수 있다.
그러나 실제적으로는 직접 접속도 가능한 구조를 취하고 있으며, 제1단위셀의 양극(320)과 제2단위셀의 제1관통전지전극(385)은 별도의 배선에 의해서 연결될 수도 있다.
이때, 상기 박막전지 병렬적층 구조는 상기 양극 또는 음극을 포함하는 단자부와, 상기 관통전지전극을 포함하는 전극부는 전도성 페이스트, 전도성 에폭시 및 전도성 테이프 중 하나 이상과 같은 별도의 배선 구조에 의해 연결될 수 있다.
또한, 각 단위셀의 관통전지전극들을 기판 표면에서 돌출된 형태로 형성하여 상기와 같은 별도의 배선 없이 직접 접속이 가능하도록 할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 관통전지전극들은 전자와 같이 별도의 배선 구조를 이용할 경우 기판에 단순 노출될 형태의 실시예를 제공하고, 후자와 같이 전극부 및 단자부가 직접 접속되는 구조를 이용할 경우, 기판의 표면 상부로 돌출된 형태의 실시예를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 상기와 같은 모든 접속 수단은 기판 범위 내, 즉 단위셀을 이루는 기판 영역 내에서 수직 구조로만 구비될 뿐, 기판의 외곽에 부가적으로 부착되는 수단을 요구하지 않는다.
따라서, 본 발명에 따르면 적층형 박막전지 모듈의 부피를 최소화 할 수 있으며, 기판에 내장된 형태의 관통전지전극들을 통하여 직접적인 적층이 가능하므로, 모듈의 두께 또한 최소화시킬 수 있다.
상기와 같은 구조의 모듈이 완성되면, 각 단위셀 보호를 위한 실링재(390, 395)를 더 형성하여 모듈의 수명을 연장될 수 있도록 한다.
이때, 실링재(390, 395)는 유리-유리 실링을 위한 시트 형태가 단위셀 사이의 영역에 삽입될 수 있도록 하는 것이 바람직하나, 각 단위셀의 테두리부를 밀봉시키는 형태가 되면 어느 것이든 제한은 없다.
따라서, 도시된 바와 같이 기판에 미리 실링용 단차부(390a, 395a)를 형성하고, 각 실링용 단차부(390a, 395a) 사이를 완벽하게 밀봉시킬 수 있는 구조의 실링재를 이용하여, 적층형 박막전지 모듈(400)의 외관이 일체형 구조를 가질 수 있도록 형성할 수 있다.
아울러, 최 상부의 단위셀 상부에는 밀봉용 덮개(410)를 더 형성하여서 전체 단위셀들이 모두 밀봉된 형태의 적층형 박막전지 모듈(400)을 완성할 수 있다.
이때, 제1단위셀의 제1관통전지전극(380) 및 제2관통전지전극(370)이 노출된 하부에도 덮개를 형성할 수 있는데, 이 경우에는 각 관통전지전극이 덮개 외부에 노출될 수 있는 형태가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 밀봉용 덮개는 관통형 전극을 포함한 기판을 활용하여 표면으로의 단자 노출이 가능하다.
다음으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3은 상기 도 2의 적층형 박막전지 모듈(400)을 뒤집어서 도시한 것으로 제1단위셀의 제1관통전지전극(380) 및 제2관통전지전극(370)이 노출된 형태를 보이기 위해 도시한 것이다.
아울러, 적층형 박막전지 모듈(400)의 적층 구조를 명확히 하기 위하여 각 기판(300, 305) 및 실링재(390, 395)들의 두께를 표시하였으나, 실제 모듈 전체 두께는 0.1mm 이하로 나타나는 초박막형 박막전지 모듈이다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈(400)은 하부에 전지전극이 노출된 구조를 갖는데, 본 발명에 따른 기판 내장형 단자를 갖는 박막전지 단위셀을 이용할 경우에는, 하기 도4에서와 같이 모듈의 상부 및 하부 양면에 전지전극이 노출되는 구조로도 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 하부 구조로 도시된 제1단위셀의 제1음극(510)과 상부 구조로 도시된 제2단위셀의 제2음극(515)이 직접 접속된 구조의 적층형 박막전지 모듈(600)을 볼 수 있다.
이와 같이, 제1단위셀의 제1음극(510)과 제2단위셀의 제2음극(515)이 직접 접속되는 경우에는 자연스럽게 단위셀들이 밀봉된 구조가 형성되어 전체 모듈의 두께를 더 감소시킬 수 있다.
이때, 제1단위셀의 제1양극(520)과 제2단위셀의 제2양극(525)이 접속되는 구조는 별도의 배선이나 돌출된 형태의 제1관통전지전극(580, 585)을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 제1단위셀의 제1기판(500)과 제2단위셀의 제2기판(505) 사이의 테두리부에 실링재(590)를 몰딩하여 적층형 박막전지 모듈(600)을 완성한다. 이때, 실링재(590)의 소재 및 결합 구조는 상기 도 3에 기술한 바와 같다.
다만, 본 실시예에 따를 경우 하나의 실링재만을 필요로 하므로, 상기 도 4에 대한 모듈 구조보다 전체 두께를 더 감소시킬 수 있다.
하기 도 5는 이를 시각적으로 나타내기 위해 도시된 것으로, 상기 도 4의 실시예에 대한 적층형 박막전지 모듈(600)을 나타낸 사시도이다.
도 4에 도시된 순차적 적층 구조의 박막전지 모듈(400)과 비교할 때, 도 5의 적층형 박막전지 모듈(600)은 실링재 1개와 덮개가 빠지므로, 그 만큼의 두께를 더 감소시킬 수 있다.
아울러, 모듈의 상부면 및 하부면에 각각 관통전지전극(570, 575, 580, 585)이 노출될 수 있도록 함으로써, 그 활용 범위를 더 확대시킬 수 있다.
다음으로, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층형 박막전지 모듈을 나타낸 사시도 이다.
도 6에 따른 실시예는 상술한 모든 구조의 박막전지 병렬적층 구조에 있어서, 최 상부 및 최 하부 중 하나 이상에 노출되는 전지전극(775, 785)을 보호하면서, 모듈(800)의 외측벽을 감싸는 형태의 외부 전지전극(810, 820)을 더 포함하는 구조를 나타낸 것이다.
이와 같이, 외부 전지전극을(810, 820)을 더 형성함으로써, 본 발명에 따른 적층형 박막전지 모듈에서 전지전극이 상부 또는 하부 방향으로만 노출되는 한계를 극복할 수 있으며, 그 활용성을 더 확장시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막전지는 기판 내에 박막전지 적층체가 형성된 이면으로 연결되는 확장형 관통전지단자를 제공함으로써, 전지 용량 확보를 위한 병렬 적층이 용이해 지도록 한다.
따라서, 본 발명은 박막전지의 용량 증대가 자유롭고, 그 활용성을 극대화 시킬 수 있는 박막전지 및 적층형 박막전지 모듈을 제공한다.
아울러, 본 발명에 의한 적층형 박막전지 모듈은, 상술한 기판 내장형 전지전극을 포함하는 박막전지 단위셀을 적층할 때, 전지의 물성을 저하시키지 않으면서 각 단위셀의 전극들을 용이하게 연결시킬 수 있는 구조를 제공한다.
그리고, 별도의 패키징 공정을 생략하고 간단한 실링만으로도 박막전지 적층체의 보호가 가능하도록 하여, 전지의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 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, 300, 305, 500, 505, 700, 705 : 기판
110 : 제2전극단자 120 : 제1전극단자
130 : 제1활물질 박막 140 : 고체 전해질 박막
150 : 제2활물질 박막 160 : 보호막
180, 380, 385, 580, 585, 785 : 제1관통전지전극
170, 370, 375, 570, 575, 775 : 제2관통전지전극
200 : 박막전지 310, 315, 510, 515 : 음극
320, 325, 520, 525 : 양극 390, 395, 590, 790 : 실링재
390a, 395b : 실링용 단차부
400, 600, 800 : 적층형 박막전지 모듈
410 : 밀봉용 덮개

Claims (12)

  1. 박막전지 적층체의 전극단자와 연결되며, 기판을 관통하여 상기 박막전지 적층체가 형성된 이면으로 노출되는 관통전지전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  2. 전기적으로 서로 이격된 위치에 상부면과 배면이 관통되도록 형성되는 제1관통전지전극과 제2관통전지전극을 포함하는 기판; 및
    상기 기판에 적층되는 제1전극단자, 제1활물질 박막, 고체 전해질 박막, 제2전극단자 및 제2활물질 박막을 포함하는 박막전지 적층체를 포함하되,
    상기 제1전극단자가 제1관통전지전극과 연결되고, 상기 제2전극단자가 상기 제2관통전지전극과 연결된 구조를 포함하여, 상기 박막전지 적층체에서 형성된 전류가 상기 기판의 이면으로 전달되어 외부로 출력되도록 하는 기판 내장형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은
    테두리에 실링용 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1관통전지전극 및 제2관통전지전극은
    각각 상기 기판 표면에 노출 또는 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 박막전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 박막전지는
    상기 기판 상부에 상기 박막전지 적층체를 밀봉하기 위한 보호막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보호막은
    산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2), 실리콘산질화물(SiON), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 이산화티타늄(TiO2), 파릴렌(parylene), 폴리요소(polyurea), 폴리아크릴레이트(poly acrylate) 및 이의 공중합체로 이루어지는 그룹 중 하나 이상으로 형성되는 유기막 또는 무기막이거나, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 금속 합금으로 이루어지는 그룹 중 하나 이상으로 형성되는 금속막인 것을 특징으로 하는 박막전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 박막전지를 단위셀로 하여, 상기 단위셀 복수개가 순차적으로 적층된 박막전지 병렬 적층 구조로 이루어지며, 적층된 상기 각 단위셀의 테두리부를 밀봉하는 실링부재를 포함하여 일체형 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 박막전지 병렬적층 구조는
    전도성 페이스트, 전도성 에폭시 및 전도성 테이프 중 하나 이상으로 단자부와 전극부를 연결하는 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 박막전지 병렬적층 구조는
    하부에 형성되는 제1박막전지 및 그 상부에 형성되는 제2박막전지를 포함하되,
    상기 제1박막전지의 제1전극단자와 상기 제2박막전지의 제1관통전지전극이 접속되고,
    상기 제1박막전지의 제2전극단자 또는 제2활물질 박막과 상기 제2박막전지의 제2관통전지전극이 접속되어, 외부와 접속되는 전지전극이 모듈의 하부에 노출되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 박막전지 병렬적층 구조는
    하부에 형성되는 제1박막전지 및 그 상부에 형성되는 제2박막전지를 포함하되,
    상기 제1박막전지의 제1전극단자와 상기 제2박막전지의 제1전극단자가 접속되고,
    상기 제1박막전지의 제2활물질 박막 또는 제2전극단자와 상기 제2박막전지의 제2활물질 박막 또는 제2전극단자가 접속되어, 외부와 접속되는 전지전극이 모듈의 상부 및 하부 양면에 노출되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 박막전지 병렬적층 구조는
    최 상부 및 최 하부 중 하나 이상에 더 형성되어 밀봉 구조를 유지하도록 하는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 박막전지 병렬적층 구조는
    최 상부 및 최 하부 중 하나 이상에 노출되는 전지전극을 보호하면서, 상기 모듈의 외측벽을 감싸는 형태의 외부 전지전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 박막전지 모듈.
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