강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 연구 개발 목표 박막 마이크로 전지의 구성 요소인 음극 및 전해질에 대 한 원천 기술 확보 박막 마이크로 전지 제조 기술 개발을 통한 박막 마이크 로 전지 실용화 기술 확립.

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1 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 연구 개발 목표 박막 마이크로 전지의 구성 요소인 음극 및 전해질에 대 한 원천 기술 확보 박막 마이크로 전지 제조 기술 개발을 통한 박막 마이크 로 전지 실용화 기술 확립

2 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 연구 개발 목표 및 내용 최종 목표 박막 마이크로 전지의 구성 요소인 음극 및 전해질에 대한 원천 기술 확보 박막 마이크로 전지 제조 기술 개발 및 실용화 기술 확립 1 단계 단위 박막 전지의 안전성 확보 및 소자 적용 기술 개발 박막 마이크로 전지의 실용화 기술 확립 단위 박막 마이크로 전지 제조 및 성능 에너지 밀도 및 용량 극대화 기술 확립 음극 및 전해질에 대한 새로운 물질 설계 및 최적화 공정 개발 박막 마이크로 전지 개발 기반 구축 2 단계 1000 싸이클 이상의 안정한 충방전 특성 평균 반응 전위 : 3.5V 낮은 초기 비가역 용량 손실 : <10% 낮은 용량 손실 : < 0.01%/ 싸이클 적층구조의 다중 셀 박막 전지 제조 Trench 구조의 박막 전지 제조

3 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 연구 개발 방법 음극 박막 물질 설계 및 제조 기술 개발 요구 조건 음극 물질문제점 Li 금속 제조 공정상 어려움 - 낮은 융점 (181 ℃ ) 및 대기와의 강한 반응성 Sn, Si 싸이클 특성의 문제 ( 충방전시 큰 부피팽창 ) Sn + 4.4Li Li 4.4 Sn ( 부피 팽창 676%) Si + 4.4Li Li 4.4 Si ( 부피 팽창 322%) SnO, SnO 2 초기 비가역 용량이 큼 싸이클 수명 ( 충방전시 구조적 불안정성 ) SnO + 6.4Li -> Li 2 O + Li 4.4 Sn Li 2 O + 4.4Li + Sn SiTON 초기 비가역 용량 (40 ∼ 60%) - 비가역적인 Li 2 O 및 Li 3 N 형성 리튬에 대한 작은 전위차 작은 초기 비가역 반응 우수한 싸이클 특성 상온 및 저온 제조 가능성 열적 및 화학적 안정성 직렬 · 병렬 연결을 위한 식각 공정에 대한 특성 기존 기술

4 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 개발 기술 산화물 및 질화물 물질 배제 Si 및 Sn 합금계에 나노구조 (nanostructure) 및 나노 복합체 (nanocomposite) 개념 도입 특허출원 : 출원 번호 2000-28975, 2000-33592 기술이전 : 삼성 SDI ( 특허출원 : 2000-68728) 특허출원 : 출원 번호 2000-28975, 2000-33592 기술이전 : 삼성 SDI ( 특허출원 : 2000-68728) 초기 비가역 반응 최소화 싸이클 수명 향상 Li 이온에 대한 비활성 결정립 결정립계에 존재 하는 활성원소 나노구조의 화합물 Si (-M)/M  Sn (-M)/M M  Li  이온  전 자  전도층 나노 두께로 구성된 다층 박막구조 Si (-M), Sn (-M) 활물질층 Si-M-M  및 Sn-M-M 원자 수준으로 분산된 Si, Sn M  전도성  촉진  원소 M 구조 안정화 원소 Si or SnLi 부피팽창 억제 ( 충방전시 ) 구조 안정성 확보 Approach AimTarget 연구 개발 방법

5 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 연구 개발 방법 전해질 박막 물질 설계 및 제조 기술 개발 요구조건기존기술개발기술 이온전도도 (10 -6 S/cm) 1210 - 20 전기화학적 안정구간 (V) 0 – 50 – 5.5 Transference number (Li + )111 열적 안정성 (C) 250 제조 온도상온 비 고 ORNL US Patent 특허 출원 : 2001-4262 목적 LIPON (Li 3.3 PO 3.9 N 0.17 ) 원천 특허 보유 ( 미국 ORNL) 대기 노출에 민감 박막 합성의 어려움 새로운 고체 박막 전해질 개발 비정질 전해질 화학적 구조 안정성 확보 이온 전도도 향상 Li 3 PO 4 에 network modifier 첨가 및 조절 Simulation 을 통한 설계 및 예측 접근 방법

6 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 목적 : 대기 및 수분을 포함한 분위기에서 박막전지의 안전성 확보를 위한 보호막 형성 기존 기술 패키징 기술 연구 개발 방법 리튬 음극 Glove box 내 리튬 증착 시스템 설치 고도의 패키징 공정 수반 생산성 저하 및 원가 상승 사용중 열화 문제 박막 전지 실용화의 어려움 산소 및 수분과의 급격한 반응성 개발 기술 대기중에서 안정한 음극 재료 개발 본 연구에서 개발된 음극 재료에 대한 패키징 연구 대기중 산소 수분에 대한 안정성 평가 열적 안정성 평가 최적의 보호막 재료 선정 ( 제조의 용이성 및 경제성 고려 )

7 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 적층구조의 다중셀 박막전지 제조 목적 : 2 개 이상의 cell 을 직렬 또는 병렬로 연결, 전압 및 에너지 밀도, 용량 증가. ⇒ “ 차세대 박막전지 제조 기술 ” 연구 개발 방법 에너지 밀도 및 용량 극대화 기술 : Stacking 요구 조건 저융점의 리튬 금속을 대체할 수 있는 음극 재료 개발 개발 방법 적층 구조의 다중 cell 박막전지 구조 설계 양극 박막의 저온 합성법 개발 ( 결정질 및 비정질 재료 ) 전지 구성요소에 대한 마스킹 (masking) 및 식각 공정 조건 도출 전지 성능 평가 및 개선

8 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 에너지 밀도 및 용량 극대화 기술 : Trench Trench 구조의 마이크로 전지 제조 목적 : 평면 구조가 아닌 trench 구조의 소자에 적용 기판의 단위 면적당 유효 표면적 증가에 의한 전지 용량 증가 개발 방법 보호막상부콜렉터 음극 전해질 양극 하부콜렉터 + - 기판 연구 개발 방법 Trench 구조 도입 Si 기판 Trench 구조 최적화 ( 크기, 모양 ) 전지 구성 요소의 균일 증착 기술 개발

9 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 기대성과 및 활용방안 기대성과 기술적 측면 음극박막 재료 및 전해질 박막 제조기술에 대한 지적 재산권 확보를 통한 박막전지 제조기술의 국제 경쟁력 확보 전지구성요소의 자체기술개발을 통한 단위전지 제조기술 확보와 함께 보다 발전된 차세대 박막전지로서 다층구조의 전지 제조 기술 개발 가능 경제 산업적 측면 전자기기의 소형화, 고집적화 및 초소형 정밀기기를 응용하는 분야의 산업 발전 속도 가속화 초소형 전자기기 및 정밀기기 관련 시장 형성시 기술 경쟁력 확보와 기술료 절감 등의 경제적 효과

10 강원대학교 박막 및 전지 재료 연구실 기대성과 및 활용방안 활용방안 음극 및 전해질 박막 제조기술 박막 마이크로 전지의 응용기술 및 실용화기술 새로운 개념의 원천 특허 기술로서 산업체에 이전 관련 업체와의 공동연구를 통한 기술전수 벤처기업 설립 지원을 통한 산 · 학 · 연 협동 연구체제 지속적 추진