KR20090113106A - 고용량 박막전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막전지의 단위 셀을 적층하여 용량을 증대시킨 박막 전지 모듈에 있어서, 박막 전지 단위셀의 전류 집전체 연결 방법을 도출해 내는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기판 상에 양극 전류 집전체, 양극 활물질 박막, 고체 전해질 박막, 음극 전류 집전체 및 음극 활물질 박막이 순차로 증착되며, 양극 전류 집전체, 음극 전류 집전체 및 기판의 측면에 도전막이 형성된 박막전지가 복수 개 적층된 박막전지 적층체; 적층된 박막전지의 도전막에 제2 도전성 페이스트가 도포되어 형성되는 단자 연결부; 및 박막전지 적층체의 상부 및 하부에 위치하는 전극 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명에 의한 박막 전지 모듈은, 단위셀의 낮은 용량을 보완하기 위해 단위셀을 적층할 때, 전지의 물성을 저하시키지 않으면서 각 단위셀의 전류 집전체를 연결할 수 있다.

박막전지, 전지 모듈, 용량 증가, 고체 전해질

Description

고용량 박막전지 모듈 및 그 제조 방법{HIGH CAPACITY THIN FILM BATTERY MODULE AND THE METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 박막전지의 용량을 증가시키기 위해 박막전지 단위셀을 병렬 적층한 후, 각 단위셀의 양극과 음극 단자가 효과적으로 연결된 박막전지 모듈 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는 100 ㎛ 이하의 두께를 갖는 박막전지 단위셀을 적층한 상태에서 전지의 용량을 증대시키기 위해 양극과 음극 단자를 각각 도전성 페이스트와 같은 재료를 사용하여 연결된 박막전지 모듈 및 그 제작방법에 관한 것이다. 이러한 전지모듈은 기존 박막전지 단위셀의 낮은 용량으로 인한 제한된 응용범위를 확장시킴으로서 다양한 전자 디바이스용 전원으로서 사용할 수 있다.

박막전지는 Ni, Ti, Cr, Stainless steel, W, Mo 등과 같은 금속시트(metal sheet), Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, quartz, glass, Mica 등과 같은 세라믹 혹은 유리시트(ceramic or glass sheet), Polytetrafluoroethylene, Polyimide, Polyamide Imide, Polysulfone, Polyphenylene sulfide, Polyetherether Ketone, Polyether Ketone 등과 같은 고분자시트(polymer sheet)를 기판으로 사용하여, 양극 및 음극 전류집전체, 양극활물질, 고체전해질, 음극활물질 및 보호막 코팅을 순차적으로 증착함으로써 전지를 구성하는 것으로서, 이에 대한 구조는 미국특허 4,878,094, 5,085,953, 5,338,625 등에 나타나 있다. 전류집전체는 Pt, Au, ITO 등과 같은 귀금속류 및 전도성 산화물 막이 사용되며, 양극으로서는 LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiFePO₄, LiNiVO₄, LiCoMnO₄, LiCo_{1 /3}Ni_{1 /3}Mn_{1 /3}O₂, V₂O₅, MnO₂, MoO₃, 고체전해질로는 Li₂O-B₂O₃, Li₂O-V₂O₅-SiO₂, Li₂SO₄-Li₂O-B₂O₃, Li₃PO₄, LiPON, LiBON 음극으로는 Li, Sn₃N₄, Si, Li-Me 합금 등이 사용되고 있다. 일반적으로 분말형태의 활물질을 양극 혹은 음극 활물질로 사용하는 리튬이온 전지 혹은 폴리머 전지와 같은 전지는 활물질의 양에 따라 전지용량이 결정된다. 활물질이 양극일 경우 알루미늄 혹은 니켈 포일, 음극일 경우 구리 포일 등에 활물질을 도포한 후, 전극으로부터의 탈리를 방지하기 위해 일정량의 바인더 및 활물질 입자 간 전기전도성을 향상시키기 위해 도전재 등을 첨가하기 때문에 소정 량의 전지 용량 손실이 발생한다. 박막전지의 경우에는 도전재와 바인더가 사용되지 않으므로 이론적으로는 활물질 기준 대비 효율 측면에서 가장 우수한 전지 형태라고 할 수 있다. 또한, 수~수십마이크론 두께의 Mica, Glass, Si wafer와 같이 매우 얇은 기판을 사용할 경우 단위부피당 에너지 밀도 측면에서도 기존 리튬이온 전지 혹은 폴리머 전지에 비해 우수한 성능을 나타내는 것은 박막전지의 큰 장점이라고 할 수 있다. 즉, 기존 분말형태의 양극 활물질을 사용하는 벌크형 리튬전지의 경우 양, 음극 전류집전체, 전극 활물질, 분리 막, 알루미늄 파우치 등의 사용으로 인해 총 두께를 0.3mm 이하로 제어하기 어렵지만, 박막전지는 전지 구성 요소를 모두 포함하더라도 0.1mm 이하로 제어가 가능하므로 두께 의존성이 큰 박막형 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 증착되어 지므로 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 있다. 일반적으로 박막전지는 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(electron-beam evaporation), 진공열증착(thermal evaporation)과 같은 물리적기상증착법(physical vapor deposition)을 사용하여 진공챔버내에서 일정한 모양을 갖는 마스크(mask)를 교체하며 전지구성 요소들을 순차적으로 증착하게 된다. 경우에 따라서는 전구체 가스(precursor gas)를 사용하는 화학적기상증착법(chemical vapor deposition)을 사용하기도 한다. 박막전지의 제조공정을 살펴보면 표면의 오염물질을 제거한 세정된 기판을 출발로 진공챔버내에서 양, 음극전류집전체, 양극, 고체전해질을 각각의 패턴을 형성하고 있는 마스크를 이용하여 순차적으로 증착한 후, 리튬 박막을 진공열증착법에 의해 2~3 ㎛ 증착한다. 이때 양극활물질의 종류에 따라 결정성이 요구되는 LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂ 등과 같은 재료 등은 열처리 공정이 수반되게 된다. 박막전지를 대기중에서 사용하기 위해서는 리튬을 대기중의 수분과 반응하는 것을 차단하기 위해 고분자/산화물 구조의 다층박막을 증착하며 최종적으로 레이저 혹은 scribing machine을 이용하여 단위셀 형태로 절단함으로서 공정이 완료되게 된다. 기존 벌크형 리튬이온 혹은 리튬폴리머전지의 경우에는 음극/분리막/양극/분리막/음극의 형태로 단위 셀가 구성되어지며, 용량증대를 위해 각각의 단위 셀를 적층하여, 양극단자는 알루미늄, 음극단자는 구리포일을 사용하여 레이저 혹은 스폿 용접함으로써 비교적 용이하게 전극단자를 연결할 수 있다. 그러나, 박막전지의 경우에는 Pt, Au, W, Mo, Ni, SUS, Ti, Cr, 인코넬, 하스텔로이드 등과 같은 양극 및 음극 전류집전체 재료들이 수천 옹스트롬 이하의 박막으로 증착되며, 즉, 기판상에 평면으로만 증착되므로 레이저 혹은 절단 기를 사용하여 단위 셀 절단 시 양극 및 음극 전류집전체를 절단할 경우 혹은 전류집전체를 벗어난 외곽면을 절단할 경우 절단부위의 측면이 신규로 생성되게 된다. 이와 같은 결과로부터 기존 리튬이온전지 혹은 리튬폴리머전지와는 달리 박막전지의 단위 셀를 적층 할 때, 양극 및 음극 전류집전체를 각각 서로 연결시키기가 용이하지 않다.

본 발명은 박막전지의 단위 셀을 적층하여 용량을 증대시킨 박막 전지 모듈에 있어서, 박막 전지 단위셀의 전류 집전체 연결 방법을 도출해 내는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전류집전체의 연결에 의해 전지 용량이 증대된 전지모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 기존 리튬이온 혹은 리튬폴리머계 전지를 대체할 수 있는 고 용량 및 고 안전성 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기판 상에 양극 전류 집전체, 양극 활물질 박막, 고체 전해질 박막, 음극 전류 집전체 및 음극 활물질 박막이 순차적으로 증착되며, 양극 전류 집전체, 음극 전류 집전체 및 기판의 측면에 도전막이 형성된 박막전지가 복수 개 적층된 박막전지 적층체; 적층된 박막전지의 도전막에 제2 도전성 페이스트가 도포되어 형성되는 단자 연결부; 및 박막전지 적층체의 상부 및 하부에 위치하는 전극 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 상, 하부 전극 지지대의 일부, 박막전지 적층체 및 단자 연결부를 감싸서 박막전지 모듈을 보호하는 절연층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 단자 연결부는 음극 전류 집전체 측에 도포된 도전막에 도포되는 음극 단자 연결부 및 양극 전류 집전체 측에 도포된 도전막에 도포되는 양극 단자 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 음극 단자 연결부는, 박막 전지 적층체의 최상층 박막 전지의 음극 전류 집전체의 상부까지 도포되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 음극 단자 연결부는 상부 전류 지지체와 접촉되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 양극 단자 연결부는, 박막 전지 적층체의 최하층 박막 전지의 기판 하부까지 도포되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 양극 단자 연결부는 하부 전류 지지체와 접촉되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 박막전지 적층체, 단자 연결부 및 전극 지지대를 보호할 수 있도록 감싸는 형태로, 상부가 개방된 금속 전지 케이스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 상부가 개방된 금속 전지 케이스내에 장입된 박막 전지 모듈을 밀봉하는 전지 덮개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 전지 덮개는 금속으로 이루어지며, 박막 전지 모듈의 상부 전극 지지대와 전기적으로 접합되어 외부로 연결을 제공하는 전극 핀; 및 금속 전지 케이스와 용접되는 외부 금속 시트; 전지의 단락 방지 및 보존성을 강화하기 위해 금속 전지 케이스와 용접된 외부 금속 시트와 전지 모듈 상부 전극 지지대와 전기적으로 접합되어 외부로 연결을 제공하는 전극 핀사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing)이 제공되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 박막 전지 적층체는, 적층 시에 각 박막 전지의 상부에 Al₂O₃, SiO₂, SiON, parylene, poly urea, poly acrylate계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어진 보호막 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈을 제공한다.

본 발명은, 박막전지의 기판 측면, 양극 전류 집전체 및 음극 전류 집전체에 각각 제1 도전성 페이스트를 도포하여 도전막을 형성하는 제1 단계; 도전막이 형성된 박막전지를 적층하는 제2 단계; 적층된 박막전지의 도전막에 제2 도전성 페이스트를 도포하여 단자 연결부를 형성하는 제3 단계; 및 단자 연결부가 형성된 박막전지 적층체의 상, 하부에 전극 지지대를 고정하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 제4 단계에 의해 만들어진 박막 전지 모듈에 열 수축 튜브 또는 절연성 필름으로 둘러싸서 절연층을 형성하는 제5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 제5 단계에 의해 만들어진 박막 전지 모듈을 금속 케이스 내에 장입한 후, 유리-금속 밀봉된 덮개로 용접하는 제6 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 제2 단계는, 각 박막 전지의 상부에 Al₂O₃, SiO₂, SiON, parylene, poly urea, poly acrylate계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어지는 보호막 코팅층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 박막 전지 모듈은, 단위셀의 낮은 용량을 보완하기 위해 단위셀을 적층할 때, 전지의 물성을 저하시키지 않으면서 각 단위셀의 전류 집전체를 연결할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 박막 전지 모듈은 박막 전지의 용량이 증대되어 박막 전지의 활용 범위를 확대할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 박막 전지 모듈의 제조 방법은, 종래의 박막 전지의 구조를 크게 변화시키기 않고 박막 전지의 전류 집전체를 용이하게 연결할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 박막 전지 모듈의 제조 방법은, 박막 전지 모듈을 금속케이스내에 장입한 후 유리-금속 밀봉된 덮개를 용접하여 전지를 장시간 사용할 수 있다.

본 발명은 박막공정을 이용하여 제작된 박막전지 단위셀을 적층하여 전극단자를 효과적으로 연결시킨후, 전지모듈을 제작하는 것에 관한 것으로서, 이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라, 기판상에 제작된 박막전지를 이용한 제작된 전지모듈을 도시한 도면이다. 전지 모듈(1)에 포함되는 박막전지 단위 셀(100)는 기판(110) 상에 양극 전류 집전체(120), 양극 활물질 박막(130), 고체 전해질 박막(140), 음극 전류 집전체(150), 음극 활물질 박막(160)을 순차로 증착하여 형성된다. 기판(110)은 Ni, Ti, Cr, Stainless steel, W, Mo 등과 같은 금속시트(metal sheet), Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, quartz, glass, Mica 등과 같은 세라믹 혹은 유리시트(ceramic or glass sheet) 및 Polytetrafluoroethylene, Polyimide, Polyamide Imide, Polysulfone, Polyphenylene sulfide, Polyetherether Ketone, Polyether Ketone 등과 같은 고분자시트(polymer sheet) 중 어느 하나가 선택되어 사용된다. 또한 양극 전류 집전체는 Pt, Au, W, Mo, Cr, Ni, ITO 등을 기판(110) 상에 수천옹스트롬 증착시켜 형성된다. 양극 활물질 박막(130)으로는 LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂, LiFePO₄, LiNiVO₄, LiCoMnO₄, LiCo_{1 /3}Ni_{1 /3}Mn_{1 /3}O₂, V₂O5, MnO₂, MoO₃ 등이 증착되며, 고체 전해질 박막(140)으로서 Li₂O-B₂O₃, Li₂O-V₂O₅-SiO₂, Li₂SO₄-Li₂O-B₂O₃, Li₃PO₄, LiPON, LiBON 등이 증착된다. 그 다음 Ni, Cr, Ti, W, Mo, ITO 등과 같은 재료로 이루어진 음극 전류 집전체(150)가 증착되고, 그 위에 Li, Sn₃N₄, Si, Li-Me 합금 등으로 이루어진 음극 활물질 박막(160)이 증착된다. 각 박막 전지의 상부에 Al₂O₃, SiO₂, SiON, parylene, poly urea, poly acrylate계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어지는 보호막 코팅층(170)을 형성함으로서 전지의 모듈 제조시 전지 단락에 의한 불량률을 감소시킬 수 있다. 이때 양극 전류 집전체(120), 양극 활물질 박막(130), 고체 전해질 박막(140) 및 음극 전류 집전체(150)는 스퍼터링법에 의해 증착되는 것이 바람직하며, 음극 활물질 박막(160)의 경우 진공 열증착법에 의해 증착되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈(1)에 포함되는 박막전지 단위 셀(100)는 상기와 같이 기판(110) 상에 양극 전류 집전체(120), 양극 활물질 박막(130), 고체 전해질 박막(140), 음극 전류 집전체(150), 음극 활물질 박막(160)을 순차로 증착한 다음, 전지 모듈(1)에서 적층될 때 효과적인 전기적 연결을 위해 도전막(210, 220)이 더 형성된다. 도전막(210, 220)은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni, C 등과 같은 도전성이 우수한 금속분말을 epoxy, phenol, polyurethane 및 acrylate계 수지에 함침하여 제조된 제 도전성 페이스트를 사용하여 형성한다. 제1 도전성 페이스트를 양극 전류 집전체(120)의 최외곽 부분과 양극 전류 집전체(120) 측의 기판(110) 측면에 동시에 균일하게 도포하여 양극 도전막(210)을 형성하고, 음극 전류 집전체(150)의 최외곽 부분과 기판의 음극 전류 집전체(150) 측 측면 동시에 도포하여 음극 도전막(220)을 형성한다. 이때 제1 도전성 페이스트의 점도를 유기용제를 사용하여 조절함으로써 도전막(210, 220) 도포 시에 도전막(210, 220)의 두께 를 조절할 수 있으며, 도전막(210, 220)의 두께는 박막전지의 단위 셀(100) 자체의 두께를 넘지 않도록 조절한다.

제1 도전성 페이스트가 도포되어 도전막(210, 220)이 형성된 박막전지 단위 셀(100)은 일정시간 건조하고 적층한다. 복수 개의 박막전지 단위 셀(100)을 적층할 때, 각 박막전지 단위 셀(100)의 양극 도전막(210)과 음극 도전막(220)이 각각 동일한 방향에 위치하도록 적층한다.

박막 전지 단위 셀(100)을 적층하고, 도전막(210, 220)이 이미 형성되어 있는 기판(110)의 측면에 제2 도전성 페이스트를 이용하여 단자 연결부(310, 320)를 형성한다. 제2 도전성 페이스트를 각 박막 전지 단위 셀(100)의 양극 도전막(210)과 기판(110) 측면의 일부 영역에 도포하여 양극 단자 연결부(310)를 형성하고, 각 박막 전지 단위 셀(100)의 음극 도전막(220)과 기판(110) 측면의 일부 영역에 도포하여 음극 단자 연결부(320)를 형성한다.

제2 도전성 페이스트가 건조되어 단자 연결부(310) 형성이 완성되면, Ni, SUS, Cu, Mo, Ti 등과 같은 금속 시트로 만들어진 별도의 양극 전극지지대(410)와 음극 전극지지대(420)를 이용하여, 적층 된 박막 전지의 외부 전극단자를 구성하게 된다. 이러한 전극지지대(410, 420)는 외부 전극단자의 역할과 동시에 적층된 박막전지를 외부의 충격으로부터 보호하는 역할도 수행한다. 이때, 전지의 사용중 단락현상을 방지하며, 전극 단자만 외부로 노출되게 하기 위해 절연성을 갖는 PVC 혹은 PET계 열수축 튜브로 이루어진 절연층(500)을 사용하여 적층된 박막 전지를 감싸 전지 모듈(1)을 제작하게 된다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막전지 모듈을 도시한 도면이다.

리튬으로 이루어진 음극 활물질 박막(160)을 사용하는 박막전지 단위셀(100)의 경우에는 리튬 박막 자체가 가지는 연성으로 인해 기판의 절단시 미세한 파편(particle)이 음극 활물질 박막(160)의 표면에 달라붙을 가능성이 있고, 박막전지의 적층 과정 중에 전지의 단락 및 손실을 야기할 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 음극 활물질 박막(160)을 증착한 후 이를 보호하기 위한 보호막 코팅층(170)을 형성한다. 보호막 코팅층(170)은 음극 활물질 박막(160)을 보호할 수 있도록 소정 형태로 패터닝되며, Al₂O₃, SiO₂, SiON과 같은 무기계 절연막, poly-para xylylene, poly urea 혹은 acrylate계와 같이 리튬과 반응성이 없는 고분자막으로 이루어질 수 있다. 이러한 보호막 코팅층(170)은 박막전지 모듈(1)의 내구성을 증대시켜 줄 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 전지 모듈(1)내에 적층 된 박막전지 단위셀(100)의 기판(110)으로 원형의 디스크 형태의 기판을 사용하고, 적층 된 박막전지 단위셀(100)의 최상, 최하부에 전극지지대(410, 420)를 위치시키고, 적층 된 박막전지와 전극지지대(410, 420)의 둘레를 열수축튜브 또는 절연필름으로 이루어진 절연층(500)으로 둘러싼다. 절연층(500)은 전극지지대(410, 420)의 상면 또는 하면 일부분을 함께 감싸며, 절연층(500)에 의해 전지 모듈(1)은 전극 지지대(410, 420)의 일부분만이 노출되어 전극 지지대(410, 420)를 통해 전자 디바이스에 전원을 공급한다. 즉 절연층(500)에 감싸지지 않고 노출된 전극지지대(410, 420)의 일부분이 전지 모듈(1)의 전극 단자 역할을 하게 된다.

도 4은 도 1에서 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 모듈의 임피던스와 박막전지 단위셀의 임피던스를 비교 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

실험에 사용된 전지 모듈은 박막전지 단위셀 11개를 적층하여 제작되었다. 전지 모듈에 사용된 박막전지는 5.1mm의 직경을 갖는 30㎛ 두께의 마이카 필름 기판을 사용하였다. 마이카 필름 기판 표면의 유기물질 제거를 위해 Acetone, Methanol, DI water 클리닝을 실시하였으며, 500^oC의 고온에서 1시간 이상 베이크 공정(bake process)을 실시한 후, 스퍼터링 챔버에서 양극 전류 집전체로 Pt를 200nm DC 스퍼터링하였다. 양극활물질 박막은 LiCoO₂ 타겟을 사용하여 10-20 mTorr의 아르곤 가스 분위기하에서 1.5 ㎛ 두께로 RF 마그네트론 스퍼터링하였으며, 양극의 결정화를 위해 진공을 파기하지 않은 공정조건에서 급속열처리공정을 수행하였다. 고체 전해질 박막은 Li₃PO₄ 타겟을 사용하여 순수한 질소분위기하에서 RF 마그네트론 스퍼터링하여 Li₃PO₄내의 산소가 일부 질소로 치환된 형태의 LiPON 전해질을 1.5㎛ 두께로 증착하였다. 음극 전류 집전체로는 300nm 두께의 Ni 박막을 사용하였다. 금속 리튬으로 제작된 음극 활물질 박막은 진공열증착법에 의해 증착되었으며, 이때 두께는 2㎛, 코팅 직경은 4mm였다. 보호막 코팅층(170)으로서는 약 1㎛ 두께의 파릴렌 고분자를 사용하였다. 상기에 기술한 바와 같이 제조된 박막전지 단위셀은 전지의 충전을 위해 각 단위셀 별로 마이카 표면의 양단에 클립을 연결하여 정전류 충전을 한 후, 도 1에서 기술한 바와 같이 각각의 단위셀 상부 끝에 위치한 양극 및 음극 전류 집전체 상부와 기판 측면에 점도가 제어된 Ag 페이스트와 같은 1차 도전성 페이스트를 균일하게 도포하였다. 박막 전지의 적층을 위해 1차 도전성 페이스트가 도포된 면을 일정하게 배열하여 다시 2차 도전성 페이스트를 균일하게 도포하여 건조시킨 후 양극 전극 지지체 및 음극 전극 지지체를 연결시킨 후 마지막으로 PVD계열의 열수축튜브로 이루어진 케이싱을 씌워 전지모듈을 제작하였다.

임피던스 측정을 위해 박막전지의 단위셀과 전지 모듈 모두 충전상태로서 4.1V까지 충전하였으며, 충전 후 OCV(Open circuit voltage)는 약 4.07V 정도였다. 박막전지의 단위셀을 이용하여 1MHz에서 1Hz의 주파수 범위에서 AC 임피던스 측정결과 약 2개의 반원이 나타나고 있음을 알 수 있는데, 고주파영역에서의 비교적 큰 반원은 고체전해질의 이온전도도를 나타내고 있는 부분으로 박막전지 단위셀의 경우 약 1kohm의 임피던스저항을 나타낸다고 추정할 때, κ=(L/(RA)) (이때, κ는 전도도, L는 전해질의 두께, R은 임피던스저항, A는 전극면적)을 이용하여 전해질의 이온전도도를 계산하면 약 1.2×10^-6 S/cm로 이는 기존에 보고된 수치와 거의 일치하고 있음을 알 수 있다. 단위셀의 계면저항은 양극 활물질 박막과 고체전해질 박막 사이의 계면 및 고체전해질 박막과 음극 활물질 박막 사이의 계면에 의해 형성되는 저항성분으로서, 대부분 양극 활물질 박막과 고체전해질 사이에서 발생하는 것이 지배적이며 반원에 있어 2번째 반원에 해당하며 약 200-250ohm정도의 임피던스가 측정되었다. 박막전지 단위셀을 11셀 적층하여 제조한 전지 모듈의 교류임피 던스 측정 결과 전체저항은 단위셀에서 약 1.3kohm이던 것이 모듈로 변경됨에 따라 약 140ohm으로 감소하였다. 산술적으로는 약 118ohm 정도로 감소하여야 하나, 이보다는 약간 큰 저항값을 나타내었는데, 이는 전지 모듈 제조과정에서 발생되는 여러 가지 저항성분에 기인하기 때문이다. 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 전지 모듈이 박막전지의 단위셀을 적층하는데 있어 매우 효과적임을 알 수 있다.

도 5는 실제 제작된 전지모듈을 이용하여 전지의 충방전을 수행한 결과를 나타낸 것으로서 4.2V-3.0V의 전압범위에서 약 30㎂의 정전류로 충방전을 수행하였을때 전형적인 LiCoO₂의 충방전 거동, 즉 4.15V와 4.05V부근에서의 육방정/단사정(hexagonal/monoclinic) 간의 1차 상전위와 3.9V부근에서의 능면체상(rhombohedral) 간의 2차 상전이 현상을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 충방전 효율도 99%이상으로 매우 양호함을 알 수 있다. 도 4에서 기술한 바와 같이 단위셀 1개의 용량이 약 7㎂h임을 감안할때 단위셀 11개가 적층되어 있는 모듈의 방전용량이 약 75㎂h를 나타내는 것으로 보아 본 발명에 따른 전지 모듈 제조방법이 매우 효과적으로 단위셀을 연결시켜 주는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전지 모듈을 도시한 도면이다.

제1 실시예와 같이 제조된 전지 모듈은 외부의 충격으로부터 전지 모듈 내부에 적층된 박막 전지를 보호하기 미흡하다. 따라서 Ni, SUS, Cu 및 이들의 합금으로 이루어지며, 상부가 개방된 형태의 별도의 전지케이스(600) 내에 제1 실시예와 같이 제조된 전지 모듈(1)을 장입한다. 전지 모듈(1)를 밀봉하기 위해 상부에 전지 덮개(700)가 설치된다. 전지 덮개(700)는 전지 모듈(1)을 밀봉하여 전지를 장기간 보존 가능하게 해 준다. 일반적으로 전지 덮개(700)는 금속으로 형성되고, 금속 재질의 전지 케이스(600)와 용접된다. 이때, 전지 덮개(700)와 내부에 장입 된 전지모듈(1)에서의 상부 전극단자가 접촉하여 전지가 단락되는 것을 방지하기 위해, 상부 전극단자의 상부에는 연결 단자(800)가 접촉하는 곳을 제외하고 절연층이 형성된다. 도 6에 도시된 제3 실시예에서는 양극 전극지지체(410: 도 1에 도시)가 상부 전극 단자 역할을 한다. 또한 연결 단자(800)와 전지 덮개(600)가 접촉하여 전지가 단락되는 것을 방지하는 동시에 밀봉성을 높이기 위해, 연결 단자(800)와 전지 덮개(600) 사이에는 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing: 900)이 행해진다. 전지모듈(1)의 하부 전극단자는 전지케이스(700) 바닥면 내벽과 직접적인 접촉이 이루어지므로 전지케이스(700) 자체가 음극 전극으로 작용하게 된다. 이때 제조된 전지가 실제 전자소자에 장입되기 위해 별도의 전극 핀(1010, 1020)이 용접될 수도 있다.

도 1은 기판상에 제작된 박막전지를 이용한 전지모듈형태;

도 2는 기판상에 제작된 보호막이 코팅된 박막전지를 이용한 전지모듈형태;

도 3은 전지모듈 외관도;

도 4은 박막전지 단위셀과 단위셀이 11셀 적층된 전지모듈의 교류임피던스 측정결과;

도 5는 박막전지 단위셀이 11셀 적층된 전지 모듈의 충방전 특성;

도 6은 전지케이스 내에 박막전지모듈이 장입된 모식도.

Claims (15)

1. 기판 상에 양극 전류 집전체, 양극 활물질 박막, 고체 전해질 박막, 음극 전류 집전체 및 음극 활물질 박막이 순차로 증착되며, 양극 전류 집전체, 음극 전류 집전체 및 기판의 측면에 제1 도전막이 형성된 박막전지가 복수 개 적층된 박막전지 적층체;

   적층된 박막전지의 제1 도전막에 제2 도전성 페이스트가 도포되어 형성되는 단자 연결부; 및

   박막전지 적층체의 상부 및 하부에 위치하는 전극 지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,

   상, 하부 전극 지지대의 일부, 박막전지 적층체 및 단자 연결부를 감싸서 박막전지 모듈을 보호하는 절연층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈.
3. 제2항에 있어서,

   절연층은 열 수축 튜브 및 절연성 필름 중 어느 하나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈.
4. 제1항에 있어서,

   단자 연결부는 음극 전류 집전체 측에 도포된 도전막에 도포되는 음극 단자 연결부 및 양극 전류 집전체 측에 도포된 도전막에 도포되는 양극 단자 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
5. 제4항에 있어서,

   음극 단자 연결부는, 박막 전지 적층체의 최상층 박막 전지의 음극 전류 집전체의 상부까지 도포되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
6. 제5항에 있어서,

   음극 단자 연결부는 상부 전류 지지체와 접촉되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
7. 제4항에 있어서,

   양극 단자 연결부는, 박막 전지 적층체의 최하층 박막 전지의 기판 하부까지 도포되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
8. 제7항에 있어서,

   양극 단자 연결부는 하부 전류 지지체와 접촉되는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈.
9. 제1항에 있어서,

   박막전지 적층체, 단자 연결부 및 전극 지지대를 보호할 수 있도록 감싸는 형태로, 상부가 개방된 금속 전지 케이스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈.
10. 제9항에 있어서,

    상부가 개방된 금속 전지 케이스내에 장입된 박막 전지 모듈을 밀봉하는 전지 덮개;

    전지 덮개는 금속으로 이루어지며, 박막 전지 모듈의 상부 전극 지지대와 전기적으로 접합되어 외부로 연결을 제공하는 전극 핀;

    금속 전지 케이스와 용접되는 외부 금속 시트; 및

    전지의 단락 방지 및 보존성을 강화하기 위해 금속 전지 케이스와 용접된 외부 금속 시트와 전지 모듈 상부 전극 지지대와 전기적으로 접합되어 외부로 연결을 제공하는 전극 핀사이에 유리-금속 밀봉(glass-to-metal sealing);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막전지 모듈을 제공한다.
11. 제1항 내지 제10항에 있어서,

    박막 전지 적층체는, 적층 시에 각 박막 전지의 상부에 Al₂O₃, SiO₂, SiON, paralene, poly urea, poly acrylate계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어진 보호막 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈.
12. 박막전지의 기판 측면, 양극 전류 집전체 및 음극 전류 집전체에 각각 제1 도전성 페이스트를 도포하여 도전막을 형성하는 제1 단계;

    도전막이 형성된 박막전지를 적층하는 제2 단계;

    적층된 박막전지의 도전막에 제2 도전성 페이스트를 도포하여 단자 연결부를 형성하는 제3 단계; 및

    단자 연결부가 형성된 박막전지 적층체의 상, 하부에 전극 지지대를 고정하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서,

    제4 단계에 의해 만들어진 박막 전지 모듈에 열 수축 튜브 또는 절연성 필름으로 둘러싸서 절연층을 형성하는 제5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법.
14. 제13항에 있어서,

    제5 단계에 의해 만들어진 박막 전지 모듈을 금속 케이스 내에 장입 한 후, 유리-금속 밀봉된 덮개로 용접하는 제6 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    제2 단계는, 각 박막 전지의 상부에 Al₂O₃, SiO₂, SiON, parylene, poly urea, poly acrylate계 무기막 및 유기막 중 어느 하나로 이루어지는 보호막 코팅층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 전지 모듈의 제조 방법.

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