ＬｉＣｏＯ２의 증착 document_id A220623068204

고상 박막 전지는 일반적으로 기판 상에 박막을 적층하여 상기 박막이 상호작용하여 전압을 형성하는 방식으로 제조된다. 이러한 박막은 일반적으로 집전체, 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함한다. 박막은 스퍼터링 및 전기도금을 포함하는 다양한 증착 공정을 이용하여 증착될 수 있다. LiCoO2막을 결정화시키기 위하여 이와 같은 적용에 적합한 기판은 통상적으로 공기 중에서 적어도 700℃로 약 2시간에 이르기까지 적어도 하나의 고온 어닐 공정을 견딜 수 있는 고온 소재였다. 이와 같은 기판은 적당한 구조 및 물성을 가지는 적절한 물질일 수 있는데, 예를 들면 반도체 웨이퍼, 금속시트(예를 들어, 티타늄 또는 지르코늄), 알루미나와 같은 세라믹, 또는 LiCoO2 존재 하에서 일련의 고온 공정을 견딜 수 있는 기타 물질일 수 있으며, 이는 이들 온도 사이클 동안 전지에 사용되는 대부분의 물질과 상당한 계면반응을 겪을 수 있다. LiCoO2 외에도 Ni, Nb, Mn, V을 포함하는, 때에 따라선 Co도 포함하는, 그러나 기타 전이 금속 산화물을 포함하는 리튬 함유 혼합 금속 산화물은 결정에너지 저장 캐소드 물질로 평가되고 있다. 일반적으로, 캐소드 물질은 비정질 형태로 증착된 다음 어닐 공정(anneal process)에서 가열되어 결정질 물질을 형성한다. 예를 들어 LiCoO2의 경우, 700℃ 이상에서의 어닐은 증착된 비정질막을 결정질 형태로 전환시킨다. 그러나, 이러한 고온 어닐은 기판으로 사용될 수 있는 물질을 극히 제한하고, 리튬 함유 캐소드 물질과 파괴적 반응을 유발하며, 종종 금과 같은 고가의 귀금속 사용을 필요로 한다. 이러한 높은 써멀 버짓(thermal budget) 공정(즉, 연장된 기간 동안 고온임)은 반도체 또는 MEM 소자 공정과 맞지 아니하고 기판 물질의 선택을 제한하며, 비용을 증가시키고, 그러한 전지의 수율을 감소시킨다. 비정질 LiCoO2의 결정화는 귀금속 상에서 이루어질 수 있다고 알려져 있다. 이러한 결정화의 예는 Kim et al.에 논의되어 있으며, 여기서 귀금속 위의 LiCoO2 비정질층을 700℃에서 20분 동안 통상적인 로 어닐(furnace anneal)하면 X선 회절 데이터에서 보여지는 것처럼 LiCoO2 물질의 결정화를 얻을 수 있다. Kim, Han-Ki and Yoon, Young Soo, "Characteristics of rapid-thermal-annealed LiCoO2, cathode film for an all-solid-state film microbattery," J. Vac. Sci. Techn. A 22(4), Jul/Aug 2004. Kim et al.에서, LiCoO2막은 고온의 MgO/Si 기판 상에 증착된 백금막 상에 증착되었다. Kim et al.에서는 그러한 결정질 막이 기능성 전고상 Li+ 이온 전지의 Li+ 이온 함유 캐소드층을 구성할 수 있는 것으로 나타났다. 낮은 각도의 X선 회절(XRD)로 관찰가능한 몇몇 결정 조성을 나타내는 LiCoO2막을 제공할 수 있는 이온빔 보조 공정을 개시하는 참고문헌이 많이 있다. 이들 중 몇 예는 미국특허출원 제09/815,983호(미국공개번호 제2002/001747호), 제09/815,621호(미국공개번호 제2001/0032666호), 및 제09/815,919호(미국공개번호 제2002/0001746호)에 나타나있다. 이들 참고문헌은, 기판 표면에서 LiCoO2 증기 플럭스와 이온 플럭스의 중복 영역을 얻기 위하여 증착원과 나란히 제2의 정면 이온빔 또는 다른 이온원을 사용하는 것을 개시하고 있다. 이들 참고문헌 중 어느 것도 저온 공정이라는 전제를 지지하기 위한 막의 막 온도 또는 다른 온도 데이터를 개시하고 있지는 않다. 물질층을 스퍼터링하거나 이온 플럭스로 충격(bombardment)시켜 균일한 증착을 형성하는 것은 매우 어렵다. 기판에 대하여 동일한 위치 및 범위를 갖지 않는 두 개의 소스(source)로부터 두 개의 균일한 분배를 동시에 사용한다는 것은 균일한 물질의 증착을 얻는데 관련된 어려움을 크게 증가시킨다. 이들 참고문헌은 박막 전지의 신뢰성 있는 제조에 필요한 균일한 물질의 증착에 대하여 개시하고 있지 않다. 유용한 전지 제품을 위한 물질의 균일도에 대하여 잘 알려진 시방서는 박막 제조에 있어서 5%의 단일 시그마 물질의 균일도가 기준이라는 것이다. 이러한 균일도를 갖는 약 86%의 막이 전지 제조에 허용가능한 것으로 알려질 것이다. 기판을 200mm 또는 300mm와 같은 제조상 스케일로 맞추는 것은 더더욱 어려운 것이다. 실제로, 스퍼터링 증착과 이온빔 증착 모두를 사용한 상기 논의된 참고문헌에서는, 지극히 작은 면적의 타겟과 작은 면적의 기판이 개시되어 있다. 이들 참고문헌은 하나의 실행가능한 결과를 개시한다. 두 개의 분리된 전면 소스로부터 균일한 분배를 얻기 위한 어떠한 방법도 이들 참고문헌에서는 개시되어 있지 않다. 나아가, 종래의 물질 및 제조 공정은 제조된 전지의 에너지 밀도 용량을 한정할 수 있으며, 이는 더 큰 부피를 차지하는 더 많은 전지를 필요로 하게 한다. 낮은 중량 및 작은 부피의 전지를 제공하기 위하여 단위 부피당 많은 양의 저장 에너지를 가지는 전지를 제조하는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 결정성 물질, 예를 들어 LiCoO2 물질을 기판 상에 증착하기 위한 저온 공정이 필요하다. 특히, 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 구리박과 같은 저온 물질 상에 기능성 구조물의 제조를 허용하기 위하여 충분히 낮은 써멀 버짓을 갖는 배터리 구조물을 위한 캐소드 리튬막을 제조할 수 있도록 하는 공정이 필요하다.