KR102166157B1 - 2차 전지 - Google Patents

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히카루 타카노
토모카즈 사이토
타카시 토노카와
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Abstract

본 발명에 따른 2차 전지는 제1 전극(11), 제2 전극(17), 제1 전극(11)과 제2 전극(17) 사이에 배열되고 절연 재료와 제1 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 충전층(14), 충전층(14)과 제1 전극(11) 사이에 배열되고 제2 n-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 n-타입 산화물 반도체층(13), 충전층(14)과 제2 전극(17) 사이에 배열되고 p-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 p-타입 산화물 반도체층(16), 충전층(14)과 p-타입 산화물 반도체층(16) 사이에 배열되고 산화규소와 제3 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 혼합물층(15), 및 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 배열되고 금속 재료를 포함하는 전도층(12)을 포함한다.

Description

2차 전지
본 발명은 2차 전지의 성능을 개선하기 위한 기술에 관한 것이다.
특허 문헌 1은 제1 전극과 제2 전극 사이에, 절연 재료와 n-타입 반도체 입자의 혼합물을 함유하는 전력 저장층을 포함하는 전력 저장 요소를 개시한다. 또한, p-타입 반도체층이 전력 저장층과 제2 전극 사이에 배열된다. 또한, 누설 억제층이 p-타입 반도체층과 전력 저장층 사이에 배열된다. 누설 억제층은 이산화규소, 산화알루미늄, 또는 산화마그네슘으로부터 선택된 적어도 하나로 형성된다.
특허 문헌 2는 제1 전극과 제2 전극 사이에, 절연 재료와 n-타입 반도체 입자의 혼합물을 함유하는 전력 저장층을 포함하는 전력 저장 요소를 개시한다. 또한, p-타입 반도체층이 전력 저장층과 제2 전극 사이에 배열된다. 또한, 1000 μΩ·cm 이하의 저항을 갖는 확산 억제층이 제1 전극과 전력 저장층 사이에 배열된다. 확산 억제층은 질화물, 탄소화물, 및 붕소화물로 형성된다.
특허 문헌 1: 일본 미심사 특허 출원 공개 No. 2016-82125 특허 문헌 2: 일본 미심사 특허 출원 공개 No. 2016-91931
2차 전지의 성능을 더 개선하기를 희망하여 왔다. 예를 들면, 특허 문헌 1에서의 누설 억제층이 누설 억제 효과를 충분히 얻기 위해 두꺼워질 때, 전하 이동이 제한되어, 전지의 성능이 악화된다. 대안적으로, 누설 억제층이 전하 이동을 제한하지 않도록 하기 위해, 누설 억제층의 재료로 예를 들어 이산화규소를 사용하여 얇아질 때, 불균일한 층이 쉽게 형성될 수 있고, 이것은 국부적인 절연 파괴를 일으키게 되어, 바람직한 전지 성능을 얻기 어려워진다.
특허 문헌 2에서의 확산 억제층은 제1 전극 아래에 배열된 기판 또는 제1 전극의 구성성분이 전력 저장층에서 확산되는 것을 억제하는데 사용되고, 제1 전극의 표면 산화를 방지하도록 배열되는 것이 아니다. 즉, 특허 문헌 2에서는 제1 전극의 표면 산화가 방지될 수 없고, 산화로 인해 제1 전극과 전력 저장층 사이에 전기저항이 증가된다. 따라서, 바람직한 전지 성능을 얻기 어려워진다.
본 발명은 상기의 문제점을 고려하여, 2차 전지의 성능을 개선하기 위한 기술을 제공하기 위해 이루어진 것이다.
본 실시예의 양태에 따른 2차 전지는 제1 전극, 제2 전극, 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열되고 절연 재료와 제1 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 충전층, 충전층과 제1 전극 사이에 배열되고 제2 n-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 n-타입 산화물 반도체층, 충전층과 제2 전극 사이에 배열되고 p-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 p-타입 산화물 반도체층, 충전층과 p-타입 산화물 반도체층 사이에 배열되고 산화규소와 제3 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 혼합물층, 및 제1 전극과 n-타입 산화물 반도체층 사이에 배열되고 금속 재료를 포함하는 전도층을 포함한다.
제3 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화주석일 수 있다.
전도층은 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소와 동일한 금속 요소를 포함할 수 있다.
전도층은 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소의 전도율 보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함할 수 있다.
제2 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화티타늄일 수 있다.
전도층은 n-타입 산화물 반도체층과 접촉하도록 제공되는 티타늄 필름을 포함할 수 있다.
전도층은 텅스텐 필름 및 티타늄 필름을 포함하는 적층 구조를 가질 수 있고, 텅스텐 필름은 제1 전극과 접촉하도록 제공된다.
전도층은 n-타입 산화물 반도체층과 접촉하는 제1 금속 필름 및 제1 전극과 접촉하는 제2 금속 필름을 포함할 수 있고, 제1 금속 필름은 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소와 동일한 금속 요소를 포함할 수 있다.
제2 금속 필름은 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함할 수 있다.
혼합물 층은 100nm 내지 250 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 2차 전지의 성능을 개선하기 위한 기술을 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 2차 전지의 적층 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 전도층이 제공된 경우와 제공되지 않은 경우의 에너지 밀도 차이를 도시하는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지의 예가 도면을 참조하여 설명된다. 다음의 설명은 단지 본 발명의 적합한 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 기술적 범위는 다음의 실시예로 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 2차 전지(10)의 적층 구조가 설명된다. 도 1은 2차 전지(10)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 2차 전지(10)는 제1 전극(11), 전도층(12), n-타입 산화물 반도체층(13), 충전층(14), 혼합물층(15), p-타입 산화물 반도체층(16), 및 제 2 전극(17)이 이 순서대로 적층된 적층 구조를 갖는다.
제1 전극(11)은 전도성 시트 또는 전도성 기판으로 형성되고 적층 구조를 제공하는 베이스 재료로 작용한다. 예를 들면, 금속 호일 시트 등이 제1 전극(11)으로 사용될 수 있다. 본 설명에서는 스테인레스 스틸(Steel Use Stainless)(SUS) 시트가 제1 전극(11)으로 사용된다. 대안적으로, 구리, 알루미늄 등으로 구성된 금속 호일 시트가 제1 전극(11)으로 사용될 수 있다.
또한, 절연 재료로 구성된 베이스 재료를 준비함으로서, 제1 전극(11)이 베이스 재료 상에 형성될 수 있다. 베이스 재료 상에 제1 전극(11)이 형성되는 경우, 크롬(Cr)이나 티타늄(Ti)과 같은 금속 재료가 제1 전극(11)의 재료로 사용될 수 있다. 알루미늄(Al), 은(Ag) 등을 포함하는 합금 필름도 또한 제1 전극(11)의 재료로 사용될 수 있다. 베이스 재료 상에 제1 전극(11)이 형성되는 경우, 제1 전극(11)은 이후 설명될 제2 전극(17)과 유사하게 형성될 수 있다.
전도층(12)은 금속 재료로 형성될 수 있다. 전도층(12)은 제1 금속 필름(12a)으로 구성된 단일층 구조이거나, 제1 금속 필름(12a)과 제2 금속 필름(12b)으로 구성된 이중층 구조를 갖는다. 도 1은 제1 금속 필름(12a)과 제2 금속 필름(12b)으로 구성된 이중층 구조를 도시한다. 전도층(12)이 이중층 구조를 갖는 경우, 제2 금속 필름(12b)은 제1 전극(11)과 접촉하고, 제1 금속 필름(12a)은 n-타입 산화물 반도체층(13)과 접촉한다. 전도층(12)이 단일층 구조를 갖는 경우, 제1 금속 필름(12a)은 n-타입 산화물 반도체층(13) 및 제1 전극(11)과 접촉한다.
제1 금속 필름(12a)의 재료는 바람직하게는 n-타입 산화물 반도체층(13)과 동일한 금속 요소를 포함한다. 예를 들어, n-타입 산화물 반도체층(13)이 산화티타늄(TiO2)일 때, 제1 금속 필름(12a)은 바람직하게는 티타늄(Ti)이다. 또한, 제1 금속 필름(12a)의 재료는 바람직하게는 n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함한다. 예를 들어, n-타입 산화물 반도체층(13)이 산화티타늄(TiO2)일 때, 제1 금속 필름(12a)은 바람직하게는 티타늄(Ti), 티타늄(Ti)을 포함하는 합금, 알루미늄(Al), 알류미늄(Al)을 포함하는 합금, 크롬(Cr), 또는 니켈(Ni)이다.
제2 금속 필름(12b)은 바람직하게는 예를 들면, n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함한다. 예를 들어, n-타입 산화물 반도체층(13)이 산화티타늄(TiO2)일 때, 제2 금속 필름(12b)은 바람직하게는 알루미늄(Al) 또는 텅스텐(W)이다.
전도층(12)은 예를 들면, 티타늄(Ti) 필름인 제1 금속 필름(12a)으로 구성된 단일층 구조이거나, 티타늄(Ti) 필름인 제1 금속 필름(12a)과 텅스텐(W) 필름인 제2 금속 필름(12b)으로 구성된 이중층 구조를 가질 수 있다. 전도층(12)의 두께는 15 nm 내지 300 nm이다. 전도층(12)은 스퍼터링 또는 증발 증착에 의해 제1 전극(11) 상에 형성될 수 있다.
n-타입 산화물 반도체층(13)은 제2 n-타입 산화물 반도체 재료를 포함한다. n-타입 산화물 반도체층(13)의 재료로는 이산화티타늄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 등이 사용될 수 있다. n-타입 산화물 반도체층(13)의 두께는 바람직하게는 30 nm 내지 120 nm이다. 예를 들면, 60 내지 120 nm의 두께를 갖는 산화티타늄이 n-타입 산화물 반도체층(13)으로 사용될 수 있다. 예를 들어, n-타입 산화물 반도체층(13)은 스퍼터링 또는 증발 증착에 의해 제1 전극(11) 상에 형성된다.
충전층(14)은 절연 재료와 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물로 형성된다. 예를 들면, 충전층(14)의 n-타입 산화물 반도체 재료(제1 n-타입 산화물 반도체 재료)로서, n-타입 산화물 반도체 미립자가 사용될 수 있다. n-타입 산화물 반도체는 자외선 조사에 의해 광학적 여기 구조가 변하기 때문에 충전 기능을 갖는 층으로 변한다. n-타입 산화물 반도체는 n-타입 산화물 반도체 재료와 절연 재료의 혼합물을 포함한다. 절연 재료로는 실리콘 수지가 사용될 수 있다. 예를 들면, 실록산 결합(siloxane bond)에 의해 주요 골격을 갖는 산화규소와 같은 규소 화합물(실리콘(silicone))이 바람직하게는 절연 재료로 사용된다.
예를 들면, 충전층(14)은 제1 n-타입 산화물 반도체 재료로 사용되는 이산화티타늄 및 산화규소로 형성된다. 그 외에, 산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)이 충전층(14)에 사용되는 n-타입 산화물 반도체 재료로 적합하다. 이산화티타늄, 산화주석, 및 산화아연 중 2 개 또는 이들 모두를 혼합하여 얻어진 재료도 또한 사용될 수 있다.
충전층(14)의 제조 과정이 아래에서 설명된다. 먼저, 산화티타늄, 산화주석, 또는 산화아연의 전구체와 실리콘 오일의 혼합물을 용매에 혼합하여 코팅액이 준비된다. 지방산 티타늄과 실리콘 오일을 용매에 혼합하여 코팅액이 준비된다. 그런 다음, 코팅액은 스핀 코팅 방법, 슬릿 코팅 방법 등에 의해 n-타입 산화물 반도체층(13) 상에 도포된다. 코팅 필름이 건조되고 석회화되어, n-타입 산화물 반도체층(13) 상에 충전층(14)을 형성한다. 전구체의 예로서, 예를 들면, 산화티타늄의 전구체인 티타늄 스테아르산염(titanium stearate)이 사용될 수 있음을 알아야 한다. 산화티타늄, 산화주석, 및 산화아연은 금속 산화물의 전구체인 지방족 산염(aliphatic acid salt)을 분해함으로서 형성된다. 건조되고 석회화된 이후 충전층(14)에는 자외선이 조사되어 UV-경화될 수 있다.
전구체 대신에, 산화티타늄, 산화주석, 산화아연 등에 산화물 반도체 미립자를 사용하는 것이 또한 가능함을 알아야 한다. 산화티타늄 또는 산화아연의 나노입자는 실리콘 오일과 혼합되어 액체 혼합물을 얻는다. 이때, 액체 혼합물은 용액에 혼합되어 코팅액을 얻는다. 코팅액은 스핀 코팅 방법, 슬릿 코팅 방법 등에 의해 n-타입 산화물 반도체층(13)에 도포된다. 코팅 필름은 건조되고 석화되고, UV-경화되어 충전층(14)을 형성한다.
혼합물층(15)은 절연 재료와 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물로 형성된다. 절연 재료로는 산화규소가 사용될 수 있다. 예를 들어, 절연 재료가 산화규소일 때, 혼합물층(15)은 이산화규소(SiO2)를 포함한다. 혼합물층(15)의 절연 재료는 충전층(14)의 절연 재료와 동일한 재료일 수 있다.
n-타입 산화물 반도체 재료로는 산화주석(SnO)이 사용될 수 있다. 이 경우, 혼합물층(15)은 산화규소와 산화주석의 혼합물을 포함한다. 혼합물층(15)에서, n-타입 산화물 반도체 재료가 산화규소, 질화규소, 또는 실리콘 오일에 추가된다. n-타입 산화물 반도체는 절연 재료인 이산화규소에 확산된다.
충전층(14)에 포함된 제1 n-타입 산화물 반도체 재료는 n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 제2 n-타입 산화물 반도체 재료와 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 혼합물층(15)에 포함된 n-타입 산화물 반도체 재료가 산화주석일 때, 충전층(14)에 포함된 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화주석 또는 산화주석을 제외한 다른 n-타입 산화물 반도체 재료일 수 있다.
충전층(14)의 두께는 예를 들어, 200 nm 내지 1000 nm가 되고, 혼합물층(15)의 두께는 100 nm 내지 150 nm가 된다. 혼합물층(15)은 50 nm 내지 250 nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는, 혼합물층(15)은 150 nm 내지 200 nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
혼합물층(15)은 충전층(14)과 유사한 제조 과정으로 형성될 수 있다. 먼저, 산화주석의 전구체와 실리콘 오일의 혼합물을 용매에 혼합하여 코팅액이 준비된다. 그런 다음, 코팅액은 스핀 코팅 방법, 슬릿 코팅 방법 등에 의해 충전층(14)에 도포된다. 코팅 필름이 건조되고 석회화되어, 충전층(14) 상에 혼합물층(15)을 형성한다. 산화주석은 산화물 반도체의 전구체인 지방족산을 분해함으로서 형성된다. 건조되고 석회화된 이후 혼합물층(15)에는 자외선이 조사되어 UV-경화될 수 있다.
전구체 대신에, 산화물 반도체 재료에 산화물 반도체 미립자를 사용하는 것이 또한 가능함을 알아야 한다. 산화주석의 나노입자는 실리콘 오일과 혼합되어 액체 혼합물을 얻는다. 그 다음에, 액체 혼합물은 용액에 혼합되어 코팅액을 얻는다. 코팅액은 스핀 코팅 방법, 슬릿 코팅 방법 등에 의해 충전층(14)에 도포된다. 코팅 필름은 건조되고 석화되고, UV-경화되어 혼합물층(15)을 형성한다
p-타입 산화물 반도체층(16)은 p-타입 산화물 반도체 재료를 포함한다. p-타입 산화물 반도체층(16)의 재료로는 산화니켈(NiO), 산화알루미늄구리(CuAlO2) 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, p-타입 산화물 반도체층(16)은 400 nm의 두께를 갖는 산화니켈 필름이다. p-타입 산화물 반도체층(16)은 스퍼터링 또는 증발 증착과 같은 필름 형성 방법에 의해 혼합물층(15) 상에 형성된다.
제2 전극(17)은 단지 전도성 필름으로 형성되도록 요구된다. 제2 전극(17)의 재료로는 크롬(Cr) 또는 구리(Cu)와 같은 금속 재료가 사용될 수 있다. 그 외에, 알루미늄(Al)을 함유하는 은(Ag) 합금이 또한 사용된다. 제2 전극(22)의 형성 방법은 스퍼터링과 같은 증기 증착, 이온 도금, 전자빔 증착, 진공 증착, 또는 화학적 증착을 포함한다. 또한, 금속 전극은 전해 도금 방법 또는 무전해 도금 방법에 의해 형성될 수 있다. 도금에 사용되는 금속은 일반적으로 구리, 구리 합금, 니켈, 알루미늄, 은, 금, 아연, 주석 등이다. 예를 들면, 제2 전극(17)은 300 nm의 두께를 갖는 Al 필름이다.
<발명의 효과>
본 실시예에 따른 2차 전지(10)에서, 혼합물층(15)은 충전층(14)과 p-타입 산화물 반도체층(16) 사이에 배열된다. 혼합물층(15)은 산화규소와 제3 n-타입 산화물 반도체 재료(전도성 재료)의 혼합물로 형성된다. 산화규소(절연 재료)만으로 형성된 층과 비교하여, 본 실시예에 따른 2차 전지내 층의 전도율은 전도성 재료에 의해 조정될 수 있어, 혼합물층(15)이 두꺼워지더라도 특정한 전도율 레벨을 보장하는 것이 가능하다. 즉, 본 실시예에 따른 2차 전지에서 혼합물층(15)이 원하는 두께를 갖는 것이 가능하다. 따라서, 2차 전지(10)의 성능을 개선하는 것이 가능하다.
또한, 특정한 전도성 레벨이 보장되면서 혼합물층(15)이 원하는 두께를 갖는 것이 가능하므로, 산화규소(절연 재료)만으로 형성된 층과 다르게 전하 이동을 방해하지 않기 위해 층을 얇게 형성할 필요가 없어진다. 따라서, 불균일한 층이 형성되는 것을 방지하는 것이 가능하다. 즉, 본 실시예에 따른 2차 전지에서, 불균일한 층에서의 국부적인 유전 파괴와 같은 손상을 방지하는 것이 가능하다.
더욱이, 전도층(12)은 본 실시예에 따른 2차 전지(10)에서 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 배열된다. 전도층은 제1 금속 필름(12a)으로서 타티늄(Ti) 필름을 포함하는 단일층 구조 또는 제1 금속 필름(12a)으로서 티타늄(Ti) 필름 및 제2 금속 필름(12b)으로서 텅스텐(W) 필름을 포함하는 이중층 구조를 갖는다.
<단일층 구조>
전도층(12)이 단일층 구조(제1 금속 필름(12a))를 가질 때, 금속 재료(금속 재료는 바람직하게는 n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 금속 요소와 동일한 금속 요소 또는 n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 금속 요소보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함함)를 포함하는 전도층(12)은 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 배열된다. 이러한 이유로, 전도층(12)이 배열되지 않은 경우와 비교하여 제1 전극(11)에서 n-타입 산화물 반도체층(13)으로 전류가 더 용이하게 흐른다. 즉, 전도층(12)을 배열함으로서, 제1 전극(11)에서 n-타입 산화물 반도체층(13)으로의 전도율이 조정될 수 있다. 또한, 전도층(12)을 배열함으로서, 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 접착력을 개선하는 것이 가능하다.
제1 전극(11)의 표면이 전도층(12)없이 산화될 때, 제1 전극(11)과 충전층(14) 사이의 전도율은 낮아진다. 제1 전극(11) 상에 전도층(12)을 배열함으로서, 제1 전극(11)의 표면 산화를 줄이면서 특정한 전도율 레벨을 보장하는 것이 가능하다.
n-타입 산화물 반도체층(13)이 산화티타늄일 때, 전도층(12)(제1 금속 필름(12a))은 바람직하게는 n-타입 산화물 반도체층(13)과 동일한 금속 요소인 티타늄 필름을 포함한다. 이 티타늄 필름은 특정한 전도율 레벨을 보장하고, 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 접착력을 개선하는 접착층으로서 작용한다.
<이중 구조 층>
전도층(12)이 이중층 구조(제1 금속 필름(12a)과 제2 금속 필름(12b))를 가질 때, 전도층(12)이 단일층 구조를 가질 때의 효과(전도성 및 접착력) 이외에, 제1 전극(11)을 형성하는 중금속이 n-타입 산화물 반도체층(13)으로 이동되는 것을 억제하고, 제2 금속 필름(12b) 상에 배열된 층과 제2 금속 필름(12b) 아래에 배열된 층 사이에서 접착력을 개선하는 것이 가능하다. 이러한 효과의 상세한 설명은 제2 금속 필름(12b)이 텅스텐이고, n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 제2 n-타입 산화물 반도체 재료가 산화티타늄인 (즉, n-타입 산화물 반도체층(13)이 금속 요소로 티타늄을 포함하는) 예를 참고로 설명된다.
텅스텐(W)의 전기저항율은 5.29x10-8 Ωm이다. 티타늄의 전기저항율은 4.27x10-7 Ω m이다. 전기저항율은 전도율의 역수이다. 즉, 제2 금속 필름(12b)에 포함된 금속 요소는 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소보다 높은 전도율을 갖는다. 다시 말해, 제2 금속 필름(12b)을 배열함으로서, 제1 전극(11)과 n-타입 산화물 반도체층(13) 사이에 전도율을 보장하는 것이 가능하다. 예를 들면, 단지 낮은 전도율을 갖는 층을 배열함으로서 이동을 억제하는 것이 가능할 수 있지만, 저항이 너무 높아 전도율을 보장할 수 없으므로, 원하는 전지 성능이 얻어질 수 없다. 본 실시예에 따른 제2 금속 필름과 같이, 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소보다 높은 전도율을 갖는 층을 배열하는 것이 중요하다.
15 nm의 두께를 갖는 티타늄 필름인 전도층(12), 60 nm의 두께를 갖는 TiO 필름인 n-타입 산화물 반도체층(13), 1000 nm의 두께를 갖는 충전층(14), 150 nm의 두께를 갖는 혼합물층(15), 400 nm의 두께를 갖는 NiO 필름인 p-타입 산화물 반도체층(16), 및 300 nm의 두께를 갖는 Al 필름인 제2 전극(17)을 형성함으로써, 높은 성능을 얻는 것이 가능하다.
도 2는 전도층(12)이 제공된 경우와 제공되지 않은 경우에 에너지 밀도의 측정 결과를 도시한다. 측정 결과(A)는 전도층(12)이 티타늄 단일층인 2차 전지의 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과(B)는 전도층(12)이 제공되지 않고 제1 전극(11)이 n-타입 산화물 반도체층(13)과 접촉되는 2차 전지의 측정 결과를 나타낸다. 여기서, n-타입 산화물 반도체층(13)의 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화티타늄이다. 또한, 도 2는 충전층(14)의 두께가 200 nm이고 다른 층들의 두께가 변화되는 각각의 2차 전지의 측정 결과를 도시한다.
구체적으로, 도 2의 측정 결과(A)는 다음의 (조건 1) 내지 (조건 4)를 만족시키는 2차 전지의 측정 결과를 나타낸다.
(조건 1) n-타입 산화물 반도체층(13)의 두께는 65 내지 120 nm의 범위에서 변화된다.
(조건 2) 혼합물층(15)의 두께는 100 내지 250 nm의 범위에서 변화된다.
(조건 3) SUS 호일이 제1 전극(11)으로 사용되고 그 두께는 5 내지 10 nm 범위에서 변화된다.
(조건 4) 전도층(12)이 2차 전지에 제공되고 전도층(12)의 두께는 15 내지 120 nm의 범위에서 변화된다.
측정 결과(B)는 상기 (조건 1) 내지 (조건 3)을 만족시키는 2차 전지의 측정 결과를 나타낸다. 즉, 측정 결과(B)는 전도층(12)이 제공되지 않은 2차 전지의 측정 결과를 도시한다. 또한, 전도층(12)이 제1 금속 필름(12a)으로서 텅스텐을 사용하고 제2 금속 필름(12b)으로서 티타늄을 사용하는 이중층인 2차 전지의 측정 결과는 전도층(12)이 티타늄 단일층인 2차 전지의 측정 결과(A)와 실질적으로 동일하다.
도2의 측정 결과(A) 및 (B) 각각에서, 15개 샘플에서의 에너지 밀도의 측정값은 박스 플롯의 형태로 도시된다. 박스 플롯의 형태에서, 15개 샘플 중 상위 25%와 하위 25%는 박스로 나타내진다. 15개 샘플의 중간값은 두꺼운 수평선으로 표시된다. 수직축은 에너지 밀도(Wh/l)를 나타낸다. 전도층(12)이 제공된 측정 결과(A)와 전도층(12)이 제공되지 않은 측정 결과(B)를 비교하면, 전도층(12)이 제공된 측정 결과(A)는 더 높은 에너지 밀도가 얻어지는 것으로 나타난다.
제2 금속 필름(12b)은 n-타입 산화물 반도체층(13)에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도성을 갖고 n-타입 산화물 반도체(13)에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 일 함수(work function)을 갖는 금속 요소를 포함할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, n-타입 산화물 반도체층(13)이 산화티타늄(TiO2)일 때, 제2 금속 필름(12b)은 바람직하게는 텅스텐(W)이다. 텅스텐(W)의 일 함수는 4.52 eV임을 알아야 한다. 티타늄의 일 함수는 4.14 eV이다.
본 발명의 실시예의 예가 위에서 설명되었으며, 본 발명은 그 목적과 이점을 손상시키지 않는 적절한 수정을 포함하고 위의 실시예로 제한되지 않는다.
본 출원은 2016년 8월 1일자로 출원된 일본 특허출원 No. 2016-151073에 기초하고 그 우선권의 이득을 주장하며, 그 전체 내용은 본 출원에서 참조로 포함된다.
10 2차 전지
11 제1 전극
12 전도층
12a 제1 금속 필름
12b 제2 금속 필름
13 N-타입 산화물 반도체층
14 충전층
15 혼합물층
16 P-타입 산화물 반도체층
17 제2 전극

Claims (10)

  1. 2차 전지로서,
    제1 전극;
    제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배열되고 절연 재료와 제1 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 충전층;
    상기 충전층과 상기 제1 전극 사이에 배열되고 제2 n-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 n-타입 산화물 반도체층;
    상기 충전층과 상기 제2 전극 사이에 배열되고 p-타입 산화물 반도체 재료를 포함하는 p-타입 산화물 반도체층;
    상기 충전층과 상기 p-타입 산화물 반도체층 사이에 배열되고 산화규소와 제3 n-타입 산화물 반도체 재료의 혼합물을 포함하는 혼합물층; 및
    상기 제1 전극과 상기 n-타입 산화물 반도체층 사이에 배열되고 금속 재료를 포함하는 전도층을 포함하는, 2차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화주석인, 2차 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소와 동일한 금속 요소를 포함하는, 2차 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함하는, 2차 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 n-타입 산화물 반도체 재료는 산화티타늄인, 2차 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전도층은 상기 n-타입 산화물 반도체층과 접촉하도록 제공되는 티타늄 필름을 포함하는, 2차 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도층은 텅스텐 필름과 티타늄 필름을 포함하는 적층 구조를 갖고, 상기 텅스텐 필름은 상기 제1 전극과 접촉하도록 제공되는, 2차 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은:
    상기 n-타입 산화물 반도체층과 접촉하는 제1 금속 필름; 및
    상기 제1 전극과 접촉하는 제2 금속 필름을 포함하고,
    상기 제1 금속 필름은 상기 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소와 동일한 금속 요소를 포함하는, 2차 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 금속 필름은 상기 제2 n-타입 산화물 반도체 재료에 포함된 금속 요소의 전도율보다 높은 전도율을 갖는 금속 요소를 포함하는, 2차 전지.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합물층은 100 nm 내지 250 nm의 두께를 갖는, 2차 전지.
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