Fabrication and Electrochemical Characterization of All Solid-State Thin Film Micro-Battery by in-situ Sputtering

In-situ 스퍼터링을 이용한 잔고상 박막 전지의 제작 및 전기화학적 특성 평가

All solid-state thin film micro-batteries consisting of lithium metal anode, an amorphous LiPON electrolyte and cathode of vanadium oxide have been fabricated and characterized, which were fabricated with cell structure of $Li/LiPON/V_2O_5Pt$. The effect of various oxygen partial pressure on the electrochemical properties of vanadium oxide thin films formed by d.c. reactive sputtering deposition were investigated. The vanadium oxide thin film with deposition condition of $20\%\;O_2/Ar$ ratio showed good cycling behavior. In in-siか process, the LiPON electrolyte was deposited on the $V_2O_5$ films without breaking vacuum by r.f. magnetron sputtering at room temperature. After deposition of the amorphous LiPON, the Li metal films were grown by a thermal evaporator in a dry room. The charge-discharge cycle measurements as a function of current density and voltage variation revealed that the $Li/LiPON/V_2O_5$ thin film had excellent rechargeable properly when current density was $7{\mu}A/cm^2$. and cut-off voltage was between 3.6 and 2.7V In practical experiment, a stopwatch ran on this $Li/LiPON/V_2O_5$ thin film micro-battery. This result means that thin film micro-battery fabricated by in-siか process is a promising for power source for electronic devices.

양극 물질로 산화바나듐 박막, 고체전해질로는 LiPON 박막 그리고 음극 물질로는 리튬 금속 박막을 선택하여 $Li/LiPON/V_2O_5/Pt$ 구조의 전고상 박막 전지를 제작하였고 전지 특성을 평가하였다. 산화바나듐 박막은 여러 산소 분압에서 직류 반응성 스퍼터링으로 증착하여 전기화학적 특성을 분석한 결과 $20\%\;O_2/Ar$비에서 가장 우수한 가역 특성을 나타내었다. 직류 반응성 스퍼터링에 의해 산화바나듐 박막을 제작한 후 진공을 그대로 유지한 상태에서 r.f. 반응성 스퍼터링에 의해 LiPON 고체전해질 박막을 증착하였다. 그 후 dry room내에서 진공 열증착법에 의해 리튬 금속 박막을 증착하여 전고상의 박막 전지를 제작하였다. $Li/LiPON/V_2O_5$ 박막 전지를 전압 범위와 전류 밀도를 변화시켜 충방전 시험을 행한 결과 $7{\mu}A/cm^2$의 전류 밀도와 3.6-2.7 V의 전압범위에서 가장 우수한 가역 특성을 나타내었다. $Li/LiPON/V_2O_5$박막 전지로 초시계를 구동 시켰으며 이는 in-situ공정에 의해 제작된 박막 전지가 소자 에너지원으로의 응용 가능성을 보여 주었다.