리튬 이온 전지는 이차 전지의 일종으로 리튬 이온의 전기화학 반응을 전기적 에너지로 저장하는 전지이다. 이러한 리튬이온전지는 휴대용 전자기기의 발전에 따라 급속도로 발전이 되었다. 하지만, 리튬 이온 전지의 응용분야가 초소형 전자기기로 확대되면서 초소형 전지의 개발 또한 요구되었다. 그에 따라 개발된 리튬 이온 ...
리튬 이온 전지는 이차 전지의 일종으로 리튬 이온의 전기화학 반응을 전기적 에너지로 저장하는 전지이다. 이러한 리튬이온전지는 휴대용 전자기기의 발전에 따라 급속도로 발전이 되었다. 하지만, 리튬 이온 전지의 응용분야가 초소형 전자기기로 확대되면서 초소형 전지의 개발 또한 요구되었다. 그에 따라 개발된 리튬 이온 박막 전지는 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터, 마이크로 로봇, 스마트카드, 헬스 모니터링 디바이스, 웨어러블 디바이스 등 응용가능성이 매우 크다. 리튬 이온 박막 전지를 적용하기 위한 다양한 웨어러블 디바이스 중에서 스마트 렌즈는 가장 혁신적이고 어려운 기술이다. 그 이유는 다양한 초소형 소자들이 렌즈의 좁은 영역에 집적 되어야 하며, 모든 소자가 유연성을 가져야하기 때문이다. 최근 이러한 스마트 렌즈는 시력개선, 디스플레이, 비디오카메라, 헬스 모니터링 디바이스 등과 같은 다양한 분야에서 보고 되었다. 그러나 스마트 렌즈를 작동시키기 위한 가장 중요한 에너지 저장 장치에 대한 연구는 보고된 적이 없다. 올리빈계는 리튬 이온 박막전지 용 양극활물질 중에서 높은 안정성, 우수한 결정구조, 열 안정성, 낮은 가격, 무독성 등 많은 장점을 갖고 있다. 또한 스마트렌즈용 리튬 이온 박막 전지에 적합한 가장 중요한 두가지 특성을 갖고 있다. 첫째, 올리빈계 박막은 다른 결정 구조의 양극재 보다 상대적으로 낮은 결정화 온도를 갖고 있어 유연한 리튬 이온 박막 전지를 만들 수 있다. 둘째, 올리빈계 박막은 넓은 밴드 갭 에너지를 갖고 있어 스마트렌즈용 투명 박막전지 개발 시 가장 적합한 양극재이다. 본 연구에서는 올리빈계 양극재를 사용하여 스마트렌즈용 리튭 이온 박막 전지를 개발하였다. 올리빈계 양극 박막은 90도 방향으로 꺾인 스퍼터 건을 이용하여 증착하였고, 그에 따라 나노스케일의 미세구조를 갖게 되었다. 나노스케일로 성장된 올리빈계 양극 박막은 400도에서 결정화가 되었으며, 고체 전해질(LiPON)과 리튬 음극을 이용하여 폴리이미드 기판상에 리튬 이온 박막 전지를 제작하였다. 리튬 이온 박막 전지는 박막 봉지를 한 후 콘택트렌즈 상에 부착하여 젖은 상태에서도 구동하는 것을 확인하였다. 또한 박막 봉지를 이용한 리튬 이온 박막 전지를 대기중에서 장시간 테스트하여 안정한 박막 봉지를 개발하였다. 스마트렌즈용 리튬 이온 박막 전지는 더 넓은 면적을 사용하여 전지용량을 증가시키기 위하여 최종적으로 모든 요소가 투명한 전지로 만들어져야 한다. 따라서 투명 박막 전지를 위하여 올리빈계를 이용한 고용량, 고투과율의 최적 양극 조성을 연속조성확산법을 통하여 탐색하였다. 최적 조성의 올리빈계 양극 조성은 코인셀과 박막전지를 통하여 고용량, 고투과율을 갖는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 투명 음극재의 경우 반응성 스퍼터링을 사용하여 질화규소계 음극재를 개발하였다. 따라서, 본 연구에서 제시한 올리빈계 양극재를 이용한 리튬 박막 전지는 스마트 렌즈에 적용이 가능함을 입증하였으며, 추후 스마트 렌즈용 투명 박막 전지에 적합한 활물질 조성을 제시하였다.
리튬 이온 전지는 이차 전지의 일종으로 리튬 이온의 전기화학 반응을 전기적 에너지로 저장하는 전지이다. 이러한 리튬이온전지는 휴대용 전자기기의 발전에 따라 급속도로 발전이 되었다. 하지만, 리튬 이온 전지의 응용분야가 초소형 전자기기로 확대되면서 초소형 전지의 개발 또한 요구되었다. 그에 따라 개발된 리튬 이온 박막 전지는 마이크로 센서, 마이크로 엑츄에이터, 마이크로 로봇, 스마트카드, 헬스 모니터링 디바이스, 웨어러블 디바이스 등 응용가능성이 매우 크다. 리튬 이온 박막 전지를 적용하기 위한 다양한 웨어러블 디바이스 중에서 스마트 렌즈는 가장 혁신적이고 어려운 기술이다. 그 이유는 다양한 초소형 소자들이 렌즈의 좁은 영역에 집적 되어야 하며, 모든 소자가 유연성을 가져야하기 때문이다. 최근 이러한 스마트 렌즈는 시력개선, 디스플레이, 비디오카메라, 헬스 모니터링 디바이스 등과 같은 다양한 분야에서 보고 되었다. 그러나 스마트 렌즈를 작동시키기 위한 가장 중요한 에너지 저장 장치에 대한 연구는 보고된 적이 없다. 올리빈계는 리튬 이온 박막전지 용 양극활물질 중에서 높은 안정성, 우수한 결정구조, 열 안정성, 낮은 가격, 무독성 등 많은 장점을 갖고 있다. 또한 스마트렌즈용 리튬 이온 박막 전지에 적합한 가장 중요한 두가지 특성을 갖고 있다. 첫째, 올리빈계 박막은 다른 결정 구조의 양극재 보다 상대적으로 낮은 결정화 온도를 갖고 있어 유연한 리튬 이온 박막 전지를 만들 수 있다. 둘째, 올리빈계 박막은 넓은 밴드 갭 에너지를 갖고 있어 스마트렌즈용 투명 박막전지 개발 시 가장 적합한 양극재이다. 본 연구에서는 올리빈계 양극재를 사용하여 스마트렌즈용 리튭 이온 박막 전지를 개발하였다. 올리빈계 양극 박막은 90도 방향으로 꺾인 스퍼터 건을 이용하여 증착하였고, 그에 따라 나노스케일의 미세구조를 갖게 되었다. 나노스케일로 성장된 올리빈계 양극 박막은 400도에서 결정화가 되었으며, 고체 전해질(LiPON)과 리튬 음극을 이용하여 폴리이미드 기판상에 리튬 이온 박막 전지를 제작하였다. 리튬 이온 박막 전지는 박막 봉지를 한 후 콘택트렌즈 상에 부착하여 젖은 상태에서도 구동하는 것을 확인하였다. 또한 박막 봉지를 이용한 리튬 이온 박막 전지를 대기중에서 장시간 테스트하여 안정한 박막 봉지를 개발하였다. 스마트렌즈용 리튬 이온 박막 전지는 더 넓은 면적을 사용하여 전지용량을 증가시키기 위하여 최종적으로 모든 요소가 투명한 전지로 만들어져야 한다. 따라서 투명 박막 전지를 위하여 올리빈계를 이용한 고용량, 고투과율의 최적 양극 조성을 연속조성확산법을 통하여 탐색하였다. 최적 조성의 올리빈계 양극 조성은 코인셀과 박막전지를 통하여 고용량, 고투과율을 갖는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 투명 음극재의 경우 반응성 스퍼터링을 사용하여 질화규소계 음극재를 개발하였다. 따라서, 본 연구에서 제시한 올리빈계 양극재를 이용한 리튬 박막 전지는 스마트 렌즈에 적용이 가능함을 입증하였으며, 추후 스마트 렌즈용 투명 박막 전지에 적합한 활물질 조성을 제시하였다.
A lithium-ion battery, which is a type of secondary battery, is a device that stores energy by electrochemical reaction. Lithium-ion batteries have been significantly developed as portable devices. However, the development of microelectronic batteries is necessary as the application of lithium-ion b...
A lithium-ion battery, which is a type of secondary battery, is a device that stores energy by electrochemical reaction. Lithium-ion batteries have been significantly developed as portable devices. However, the development of microelectronic batteries is necessary as the application of lithium-ion batteries is expanded to microelectronic devices. Lithium-ion thin film batteries can be used in micro-sensors, micro-actuators, micro-robots, smart cards, health-monitoring devices, and wearable devices. Among the various wearable devices, a smart lens is the most innovative technology, and the integration of a lithium thin film battery with a smart lens is the most difficult because various flexible microdevices need to be integrated in the lens. Recently, the use of smart lenses has been reported in various fields such as vision improvement, displays, video cameras, and health-monitoring devices. However, there are no reports on energy storage devices for smart lenses, which is the most important device to operate a smart lens. Among the cathode materials used for smart lenses, olivine materials offer many advantages such as high stability, excellent structural and thermal stability, low price, and non-toxicity. Additionally, it has two important properties suitable for application in smart lenses. First, the crystallization temperature of olivine thin films is lower than those of the other cathode materials having different structures, which facilitates their application in flexible lithium-ion thin film batteries. Secondly, olivine thin films with wide bandgap energies are suitable cathode materials for developing transparent thin film batteries for smart lenses. In this work, we developed a lithium-ion thin film battery using an olivine cathode material for smart lenses. The olivine cathode thin film was deposited using a 90° off-axis gun, which yielded nanosized grains. Olivine thin films grown to the nanosized grains were crystallized at 400°C, and the lithium-ion thin film battery was fabricated on a polyimide substrate using a solid electrolyte and a Li anode. When encapsulated by a multi-layer thin film, the lithium-ion thin film battery could work even in wet conditions. The stability of the multi-layer thin film-encapsulated lithium-ion thin film battery was investigated by using it for a long time in air atmosphere. For smart lenses, all component should be transparent so that the battery capacity can be increased by increasing the active area. Thus, to fabricate a transparent thin film battery, the optimal composition of the olivine-based cathode having high capacity and high transmittance was explored by a continuous composition spread method. The olivine-based cathode with optimal composition exhibited high capacity and high transparency, as determined by testing a coin cell and the thin film battery. In addition, in the case of the transparent anode material, SiNx was developed using reactive sputtering. We confirmed that the transmittance of SiN0.85 thin film on the glass substrate is 88 % in the visible region (400-800nm). In this study, the lithium thin film battery using an olivine-based cathode was applied in a smart lens, and the suitable composition of the active materials in the transparent thin film battery for smart lenses was presented.
A lithium-ion battery, which is a type of secondary battery, is a device that stores energy by electrochemical reaction. Lithium-ion batteries have been significantly developed as portable devices. However, the development of microelectronic batteries is necessary as the application of lithium-ion batteries is expanded to microelectronic devices. Lithium-ion thin film batteries can be used in micro-sensors, micro-actuators, micro-robots, smart cards, health-monitoring devices, and wearable devices. Among the various wearable devices, a smart lens is the most innovative technology, and the integration of a lithium thin film battery with a smart lens is the most difficult because various flexible microdevices need to be integrated in the lens. Recently, the use of smart lenses has been reported in various fields such as vision improvement, displays, video cameras, and health-monitoring devices. However, there are no reports on energy storage devices for smart lenses, which is the most important device to operate a smart lens. Among the cathode materials used for smart lenses, olivine materials offer many advantages such as high stability, excellent structural and thermal stability, low price, and non-toxicity. Additionally, it has two important properties suitable for application in smart lenses. First, the crystallization temperature of olivine thin films is lower than those of the other cathode materials having different structures, which facilitates their application in flexible lithium-ion thin film batteries. Secondly, olivine thin films with wide bandgap energies are suitable cathode materials for developing transparent thin film batteries for smart lenses. In this work, we developed a lithium-ion thin film battery using an olivine cathode material for smart lenses. The olivine cathode thin film was deposited using a 90° off-axis gun, which yielded nanosized grains. Olivine thin films grown to the nanosized grains were crystallized at 400°C, and the lithium-ion thin film battery was fabricated on a polyimide substrate using a solid electrolyte and a Li anode. When encapsulated by a multi-layer thin film, the lithium-ion thin film battery could work even in wet conditions. The stability of the multi-layer thin film-encapsulated lithium-ion thin film battery was investigated by using it for a long time in air atmosphere. For smart lenses, all component should be transparent so that the battery capacity can be increased by increasing the active area. Thus, to fabricate a transparent thin film battery, the optimal composition of the olivine-based cathode having high capacity and high transmittance was explored by a continuous composition spread method. The olivine-based cathode with optimal composition exhibited high capacity and high transparency, as determined by testing a coin cell and the thin film battery. In addition, in the case of the transparent anode material, SiNx was developed using reactive sputtering. We confirmed that the transmittance of SiN0.85 thin film on the glass substrate is 88 % in the visible region (400-800nm). In this study, the lithium thin film battery using an olivine-based cathode was applied in a smart lens, and the suitable composition of the active materials in the transparent thin film battery for smart lenses was presented.
주제어
#리튬이온 박막전지 마이크로 전지 투명 박막 전지 올리빈 스마트 렌즈 질화규소 Lithium ion thin film battery Micro battery Transparent thin film battery Olivine Smart lens Silicon nitride
학위논문 정보
저자
이현석
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내박사
학과
Department of Materials Science and Engineering
지도교수
Kwang-Bum Kim
발행연도
2020
총페이지
xi, 161 p.
키워드
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