[코팅] 유무기 하이브리드 박막 코팅 공정 기술
박막 제조 기술은 진공 증착이나 스퍼터링 등을 이용하여 절연된 유리, 세라믹, 반도체 등의 기판 상에 형성된 아주 얇은 피막 또는 그 피막을 만드는 기술을 가리킨다. 박막 제조기술은 수 나노미터에서 수 마이크로미터까지 얇은 물질의 단일층 혹은 다층을 코팅하는 것으로 정의되며 재료의 성질과 제조 조건에 따라 다양한 명칭으로 구분된다. 종래 박막 제조 기술은 대표적으로 화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD), 물리기상 증착법 (Physics Vapor Deposition, PVD), 원자층 증착법 (Atomic Layer Deposition, ALD)이 있으며 그 중 원자층 증착법은 Å (angstrom)단위의 매우 얇은 막을 증착 시킬 수 있다는 장점을 기반으로 1980년도 이후부터 현재까지 개발되어 지고 있다.
리튬 이온 전지 코팅 기술은 현재의 산업 분야에서 유망한 기술 중 하나이지만 코팅과정에서 몇 가지 어려움이 있다. 첫 번째로 코팅 방식에 따라 높은 온도에 의해 물리적, 화학적 변형이 발생한다. 두 번째로 코팅막의 두께에 따라 전지 성능이 급격하게 변한다. 세 번째로 유연기판을 기반으로 제작되는 롤투롤 생산 방식에 적용이 용이해야 한다. 따라서 이러한 어려움들을 극복하고 리튬 이온 전지 코팅을 위해서는 낮은 온도에서 제작이 가능하고 원하는 박막의 두께를 증착할 수 있는 기술이 필요로 된다.
본 연구에서는 연속공정기반 저온·상압 환경에서 공정이 가능한 공간분할형 원자층 증착 기술과 전기수력학 미립화 기술을 이용하여 원하는 두께의 박막을 코팅하고 분리막, 양극, 음극의 특성을 강화하여 리튬 이온 전지의 성능을 향상시키고자 한다.
종래의 원자층 증착기술은 기판이 고정되고 시간에 따라 전구체 (precursor)를 분리하는 시간 분할형으로, 시간에 따라 불활성기체를 주입시켜 전구체를 제거하는 방식이다. 박막 증착을 위한 화학반응 시간이 챔버 크기 및 전구체 노출시간에 의해 결정이 되어 비교적 많은 시간이 소요된다. 이러한 한계를 보안하기 위해 개발된 기술이 공간 분할형 원자층 증착기술 (Spatial Atomic Layer Deposition)이다.
공간 분할형 원자층 증착기술은 공간에 따라 전구체를 분리하는 방식으로 기판이 유동적이며 공간에 따라 퍼지가스가 전구체를 분리시킨다. 롤투롤과 상압 공정에 적용이 가능하여 생산성 및 대면적 생산에 이점이 있다. 또한 저온공정으로 인해 유연 기판에 적용이 가능하게 됨으로써 리튬이온전지의 박막 코팅이 가능하다.
전기수력학미립화 (EHDA; electrohydrodynamic atomization) 기술은 전기장과 용액 내에 유도된 전하와의 상호 작용으로 용액이 미립화되어 토출되는 기술이다. 전기적인 힘을 받은 용액의 표면은 전하의 포화상태가 되고 계속해서 전기적인 힘을 가하면 전하에 의해 용액 표면에서 용액이 분리된다.
롤투롤 공간 분할형 원자층 증착 시스템과 롤투롤 전기수력학미립화 시스템을 동시에 사용하여 PMMA와 Al2O3의 유무기 하이브리드 박막을 제작하여 각 층에 대한 표면 형상, 박막 조성 분석을 진행하였고 우수한 표면 형상, 화학적 특성을 확인하였다. 1.58nm의 매우 낮은 산술 평균 거칠기를 갖는 Al2O3 박막은 PMMA막의 불규칙한 표면 형상을 개선시켰고 박막 조성 분석을 통해 증착된 박막들의 존재 유무를 확인하였다.
