NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 4, 2004…445 National Research Laboratory (국가지정연구실)
NRL 소개
이 성 만
강원대학교 신소재공학과 [email protected]
연구실 소개
강원대학교 박막 및 전지재료 연구실은 박막증 착 공정 및 리튬 이차전지의 전극재료 개발과 관련 하여 연구하고 있으며 2001년에는 “음극 및 전해질 에 대한 새로운 물질 설계 및 최적화공정 개발을 통한 박막 마이크로 전지 제조”라는 과제로 국가지 정 연구실로 선정되어 연구를 진행하고 있다.
최근 반도체 및 전자기술의 급속한 발전으로 각 종 전자 기기 및 부품들의 고집적화 및 초소형화 가 급진전되고 있으며 초소형 정밀기계 부품소자 와 같은 미세 소자의 제작을 위한 마이크로 공정 기술 개발이 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.
이러한 추세에 있어서 초소형 소자의 구동을 위한 에너지원으로서 고성능 초소형 마이크로 전지 개 발이 필연적으로 요구된다.
마이크로 전지(microbattery)란 전지를 구성하
는 요소를 박막화하여 그 크기를 작게 만든 고상 의 박막전지(solid state thin-film battery)를 의 미한다. [그림 1]은 박막전지의 단면을 나타낸 것 으로 기판/하부콜렉터/양극/전해질/음극/상부콜 렉터의 구조를 가지며 기판을 제외한 전지의 전체 두께는 10µm 이하로서 전자 기기의 chip 내부 또 는 회로를 구성하는 기판의 적절한 곳에 형성되어 기기의 작동에 필요한 전원을 공급하거나 데이터
http://cc.kangwon.ac.kr/~smlee
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그림 1. IC card에 내장된 박막전지.
IC card
~ 10µm
집적회로 고상박막전지
상부콜렉터 음극 전해질 양극 하부콜렉터 기판
446…NICE, 제22권 제4호, 2004
NRL
소개의 보존을 위한 back-up용 전원으로 사용될 수 있다. 또한 단위 전지를 적층하거나 집적시킴으로 써 용량 및 작동 전압을 조절할 수 있다. 이러한 박막 마이크로 전지의 장점 및 특수성으로 인하여 최근 첨단 산업 및 연구 분야로 부상하고 있는 MEMS(micro electromechanical system), micro- actuator, micromachine, microsensor 등 초미세 device의 전원으로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
박막형 마이크로 전지는 기본구성 요소로서 양 극(cathode), 전해질, 음극(anode)으로 이루어지 는데 이제까지 연구되거나 개발된 대부분의 박막 형 마이크로 전지는 양극(예를 들어 LiCoO2, LiMn2O4) 및 전해질(Li3.3PO3.9：LIPON)은 세라 믹 소재가 이용되지만 음극(anode)은 리튬금속을 장착하여 사용하였다. 그러나 리튬금속의 경우 융 점이 낮고 대기와의 강한 반응성으로 인해 마이크 로 전지의 제조 및 응용에 있어 많은 문제점이 있 다. 고로 리튬금속을 대신할 수 있는 열적·화학 적으로 안정한 새로운 음극재료를 개발하는 것이 중요하다. 이와 함께 양극 및 음극에 대한 저온 합 성 기술 확보가 필요하다. 이로써 마이크로 전지 의 제조 및 보호막 코팅을 포함한 패키징 공정이 용이하게 되며 초소형 전지로서 문제점으로 지적 될 수 있는 전지 용량의 증대를 위한 적층 구조의 전지 제작이 가능하게 된다. 아울러 박막형 마이 크로 전지의 성능극대화 및 실용화를 위해서는 각 응용조건에 대해 각 구성요소 물질 설계 및 박막 제조 공정의 최적화가 이루어져야 한다.
본 연구실에서는 초소형 전원 시스템으로서 박 막형 마이크로 전지의 개발과 실용화를 목표로 한 제조 공정 기술 확립 및 이에 대한 독자적 기술 확 보를 위해 연구를 집중하고 있다.
연구과제의 내용
1) 음극 박막 물질 설계 및 제조 기술 개발 기존의 박막전지에서 사용된 리튬 음극을 대체 할 수 있는 대표적 음극 물질로서는 Sn, Si 등이 가장 유망하다. 그러나 기존의 기술에서 보듯이 이들 물질 자체로는 충·방전 싸이클 과정에서 큰 부피 변화에 의한 싸이클 특성 저하의 문제점이 있고 이들 물질을 이용한 산화물 및 질화물 음극 재료의 경우 싸이클 수명은 충분히 향상되었으나 큰 초기 비가역 용량이 실용화에 문제점으로 지적 된다. 특히 개발하고자 하는 박막 리튬 이온 전지 에 있어 충·방전을 위한 리튬 이온이 리튬 금속 산화물로 이루어진 양극(cathode)으로부터 공급 되어야 하나 박막 전지의 특성상 제한된 전지공간 의 제약성에 비추어 볼 때 초기 비가역 용량은 최 대한 억제되어야 할 것이다.
본 연구에서는 산화물 및 질화물의 물질을 배제 함으로써 이들과 관련된 초기 비가역 반응을 억제 하며 Si 및 Sn을 이용한 2원계 및 3원계 합금계에 대해 나노 구조(nanostructure) 및 나노 복합제 (nanocomposite)의 개념을 도입하여 부피 팽창 억제, 구조 안정성을 확보함으로써 충방전 싸이클 특성을 향상시킬 수 있는 새로운 음극 박막 물질 을 개발하고자 하였다. 이에 음극 물질 설계 및 최 적화 공정 개발이 있어 Si-M-M’및 Sn-M-M’
형태의 박막 음극을 개발하여 원자 수준으로 분산 된 Si 및 Sn을 포함하는 음극물질과 실리콘(Si)층 과 금속(M)층, 또는 실리콘-금속(Si-M)층과 금 속(M)층이 각각 나노 두께로 적층된 박막 음극을 개발하여 나노 두께로 구성된 다층 박막 음극을 형성하였다. 또한 리튬과 친화력이 낮은 결정립 (grain)으로 구성된 나노 구조의 결정립계(grain boundary)에 존재하는 활성원소와 리튬이 반응 하여 결정립계는 리튬의 이동통로로 작용하는 나 노 구조의 화합물 박막 음극을 개발하였다.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 4, 2004…447
NRL
소개 National Research Laboratory (국가지정연구실)2) 전해질 박막 물질 설계 및 제조 기술 개발 전해질 박막 물질로서 요구되는 조건으로 높은 이온전도도, 낮은 전자전도도, 큰 전기화학적 안정 구간, 열적 안정성, 양극 및 음극과 화학적 안정성, 상온에서의 제조 가능성 등을 들 수 있는데 이러 한 조건을 만족시키며 박막전지의 응용가능성을 제시해 준 것으로 미국 ORNL의 Bates group이 최근에 발표한 LIPON전해질이 대표적이나 이 물 질에 있어서는 원천 특허 보유와 대기 노출에 예 민한 것이 문제점으로 제기된다.
이러한 상황에서 박막 전지용 음극 및 전해질에 대한 새로운 물질 개발은 박막 전지의 개발 및 응 용 기술 발전에 크게 기여할 것이다. 따라서 이러 한 음극 및 전해질에 대한 새로운 물질 설계 및 최 적화 공정 개발을 통한 박막 마이크로 전지 개발 기반을 구축하고자 하였다.
전해질 박막 물질 설계 및 최적화 공정 개발에 있어 Li-P-O network에 새로운 network former 첨가 및 nitrogen doping을 통해 비정질 전해질의 화학적 구조 안정성 확보 및 이온전도도를 향상시 킨 LISIPON 박막 전해질과 Li-Si-O network에 nitrogen doping을 실시하여 LISION 박막 전해 질을 개발하였다.
위의 과정을 통해 개발된 음극 및 전해질을 사 용한 전고상 박막 전지를 제조하여 평가한 결과 1,000회 이상의 안정한 싸이클 특성과 평균 반응 전위 3.5V의 특성을 관찰할 수 있었다.
3) 박막전지 제조 기술
박막전지는 양극/전해질/음극의 기본구조로 적 층되어 구성되므로 각 구성요소에 대한 최적의 물 질 설계 및 박막화 공정 확립이 매우 중요하며 또 한 형성된 박막의 특성과 각 구성 요소간 계면 특 성의 변화가 전지의 제조 가능성과 성능을 결정하 게 된다. 따라서 박막전지의 응용개발을 위해서는 전지 구성요소의 물질 개발뿐 아니라 전극간 및 전극-전해질 사이의 물리·화학적 반응과 전기 화학적 계면 현상의 규명과 함께 안정적인 제조 공정 확립이 필요하다.
주요 보유 장비
※ 박막 제조
Ion Beam Assisted e-beam Evaporator RF/DC Magnetron Sputter Systems with Glove Box
Spin Coater
Screen Printing System
Rapid Thermal Processing(RTP) System : Post-annealing
※ Target 제조
Ball-milling Systems, Mixer Cold Isostatic Press, Hot Press Tube Furnaces, Box Furnaces
※ 전기화학적 특성 측정 Cycler System Impedance Analyzer
Laser Beam Probe Deflection System
