(57)【要約】【課題】内部抵抗が小さく、より大容量の薄膜電池を得る。【解決手段】薄膜電池１は、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６がこの順番に通電されるように積層されている。カソード電極層２３と固体電解質層２４との界面、及び、アノード電極層２５と固体電解質層２４との界面の少なくともいずれか一方が凹凸形状となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体層、カソード電極層、固体電解質層、アノード電極層及び負極集電体層がこの順番に通電されるように積層された薄膜電池であって、
前記カソード電極層と前記固体電解質層との界面、及び、前記アノード電極層と前記固体電解質層との界面の少なくともいずれか一方が凹凸形状となっていることを特徴とする薄膜電池。
【請求項２】
前記正極集電体層、前記カソード電極層、前記固体電解質層、前記アノード電極層及び前記負極集電体層について、互いに電気的に接続された隣接する２つの層の各界面が凹凸形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜電池。
【請求項３】
前記凹凸形状は複数の突起部が平面から離散的に突出した形状であると共に、前記突起部の底部の幅Ｄに対する前記突起部の形成間隔Ｌの比Ｌ／Ｄが２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜電池。
【請求項４】
前記凹凸形状が、前記固体電解質層の膜厚方向と直交する面内方向において、二次元的な周期構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜電池。
【請求項５】
前記凹凸形状における凹凸周期が前記固体電解質層の膜厚よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の薄膜電池。
【請求項６】
前記凹凸形状における凹凸周期が前記固体電解質層の膜厚の２倍よりも長いことを特徴とする請求項５に記載の薄膜電池。
【請求項７】
前記凹凸形状が、頂部に近づくに連れて幅の狭い傾斜形状となっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜電池。
【請求項８】
前記カソード電極層との界面とは反対側に設けられた前記正極集電体層の面が凹凸形状となっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の薄膜電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜電池に関し、特に全固体型薄膜電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体電解質を含む薄膜電池（Thin Film Battery （TFB））の開発が進められている。かかる薄膜電池は、そのすべての層が半導体プロセスによって形成される全固体型であるために小型軽量化及び大容量化が可能であるという大きな利点を有している。このような薄膜電池の一例として、特許文献１には、平坦な基板上に、カソード層とリチウム電解質層とアノード層とが蒸着法によって順次積層された薄膜電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５３３８６２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の薄膜電池で用いられているリチウム電解質のような固体電解質は、一般的にイオン伝導度が低い。そのため、薄膜電池の内部抵抗を低下させることは困難であり、これが薄膜電池の容量の向上を阻害する一因となっている。
【０００５】
本発明の目的は、内部抵抗が小さく、より大容量の薄膜電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る薄膜電池は、正極集電体層、カソード電極層、固体電解質層、アノード電極層及び負極集電体層がこの順番に通電されるように積層された薄膜電池であって、前記カソード電極層と前記固体電解質層との界面、及び、前記アノード電極層と前記固体電解質層との界面の少なくともいずれか一方が凹凸形状となっている。
【０００７】
これによって、固体電解質層とこれに隣接するカソード電極層及び／又はアノード電極層との界面の表面積が大きくなるために内部抵抗が低下して電池性能（容量）を向上させることができる。
【０００８】
前記正極集電体層、前記カソード電極層、前記固体電解質層、前記アノード電極層及び前記負極集電体層について、互いに電気的に接続された隣接する２つの層の各界面が凹凸形状となっていることが好ましい。これによって、電池性能をさらに向上させることができる。
【０００９】
前記凹凸形状は複数の突起部が平面から離散的に突出した形状であると共に、前記突起部の底部の幅Ｄに対する前記突起部の形成間隔Ｌの比Ｌ／Ｄが２以下であることが好ましい。これによって、界面の表面積が非常に大きくなるために電池性能を大幅に向上させることができる。
【００１０】
前記凹凸形状が、前記固体電解質層の膜厚方向と直交する面内方向において、二次元的な周期構造を有していることが好ましい。これによって、薄膜電池の局所的な劣化を防止することができる。
【００１１】
前記凹凸形状における凹凸周期が前記固体電解質層の膜厚よりも長いことが好ましく、前記固体電解質層の膜厚の２倍よりも長いことがより好ましい。これによって、カバレッジが良好になると共に、イオンの導通効率が部分的に低下することが少なくなる。
【００１２】
前記凹凸形状が、頂部に近づくに連れて幅の狭い傾斜形状となっていることが好ましい。これによって、カバレッジが良好になる。
【００１３】
前記カソード電極層との界面とは反対側に設けられた前記正極集電体層の面が凹凸形状となっていることが好ましい。これによって、凹凸形状が設けられた基板を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る薄膜電池の断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図１に描かれた薄膜電池の凹凸パターンを示す平面図である。
【図４】好適な凹凸パターンについて考察するために作成したグラフ及び凹凸パターンの模式的な側面図である。
【図５】比較例に係る薄膜電池の部分断面図である。
【図６】図１に描かれた薄膜電池の製造方法を工程順に表した断面図である。
【図７】薄膜電池の製造方法の変形例を工程順に表した断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態の変形例に係る薄膜電池の部分断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る薄膜電池の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態に係る薄膜電池１を示す。基板１０上に形成された薄膜電池１は、その幅が数インチ程度である。
【００１６】
薄膜電池１は、基板１０上に形成された膜厚１５０ｎｍ〜１０００ｎｍの正極集電体層２１、正極集電体層２１の周縁部を覆いそれ以外の部分を露出させる膜厚３０ｎｍ〜５００ｎｍの絶縁膜２２、並びに、正極集電体層２１上に順次形成されたカソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６を有している。薄膜電池１においては、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６がこの順番に通電されるように積層されている。カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５は、いずれも膜厚５００ｎｍ〜２０００ｎｍである。負極集電体層２６の膜厚は１５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
【００１７】
カソード電極層２３の周縁部は絶縁膜２２の周縁部上に位置しており、固体電解質層２４はカソード電極層２３よりも平面視サイズが若干小さく、アノード電極層２５は固体電解質層２４よりも平面視サイズが若干小さく、負極集電体層２６はアノード電極層２５よりも平面視サイズが若干小さい。そのため、薄膜電池１は、カソード電極層２３から負極集電体層２６に掛けてその側面がテーパー形状となっている。これによって層間の導通を抑制することができる。薄膜電池１は、パッシベーション膜２７によってその全体が覆われている。
【００１８】
正極集電体層２１の材料としては、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＮｉ、これらの窒化物、酸化物及びシリサイド、並びに、これら同士の化合物から選択されたものを用いることができる。正極集電体層２１は、単層構造及び複数層の積層構造のいずれを有していてもよい。一例として、下から順に、Ｔｉ（膜厚３０ｎｍ）／Ａｌ（膜厚２００ｎｍ）／Ｔｉ（膜厚３００ｎｍ）の３層積層構造を有する正極集電体層２１を形成してもよい。
【００１９】
絶縁膜２２は、単層構造及び複数層の積層構造のいずれを有していてもよく、その材料としては、例えば、Ｓｉ酸化物又はＳｉ窒化物を用いることができる。一例として、下から順に、Ｓｉ窒化物（膜厚３００ｎｍ）／Ｓｉ酸化物（膜厚５０ｎｍ）の２層積層構造を有する絶縁膜２２を形成してもよい。
【００２０】
カソード電極層２３の材料としては、例えばＬｉＭｎＯ又はＬｉＣｏＯを用いることができる。固体電解質層２４の材料としては、例えばＬｉＰＯＮ、ＬｉＰＯ又はＬｉＢＯＮを用いることができる。アノード電極層２５の材料としては、例えばＬｉ、Ｃ又はＶＯを用いることができる。
【００２１】
負極集電体層２６は、単層構造及び複数層の積層構造のいずれを有していてもよく、その材料としては、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＮｉ、これらの窒化物、酸化物及びシリサイド、並びに、これら同士の化合物から選択されたものを用いることができる。一例として、膜厚２００ｎｍのＣｕからなる単層構造を有する負極集電体層２６を形成してもよい。パッシベーション膜２７は、単層構造及び複数層の積層構造のいずれを有していてもよく、その材料としては、例えば、Ｓｉ酸化物又はＳｉ窒化物を用いることができる。一例として、下から順に、Ｓｉ窒化物（膜厚２５０ｎｍ）／Ｓｉ酸化物（膜厚７００ｎｍ）の２層積層構造を有するパッシベーション膜２７を形成してもよい。
【００２２】
なお、薄膜電池１を構成する各導電層（正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５、負極集電体層２６）の材料としては、基本的には導電率が良好であればどのようなものでも用いることが可能である。しかしながら、薄膜電池１内の導電層は隣接する層との相互作用によって電池特性が低下しにくいことが好ましいので、これを考慮して、最適な材料を選択することが望まれる。
【００２３】
正極集電体層２１は、平坦な基板１０上に形成されていて、その下面である基板１０との界面は平面形状であるが、上面であるカソード電極層２３との界面は凹凸形状となっている。また、カソード電極層２３と固体電解質層２４との界面、固体電解質層２４とアノード電極層２５との界面、アノード電極層２５と負極集電体層２６との界面、及び、負極集電体層２６とパッシベーション膜２７との界面も凹凸形状となっている。
【００２４】
図２及び図３に描かれているように、薄膜電池１における凹凸形状は、上方へと延びた複数の円錐台形状の突起部Ｒが平面から離散的に突出した形状となっている。したがって、凹凸形状は、その頂部に近づくに連れて幅の狭い傾斜形状となっている。
【００２５】
図２及び図３では、突起部Ｒの底部の幅をＤで表し、突起部Ｒの形成間隔をＬで表している。この凹凸形状は、突起部Ｒの平面視における各中心点が正三角形の頂点に位置するように、固体電解質層２４の膜厚方向と直交する面内方向において、二次元的な周期構造を有している。本実施形態において、Ｄは０．１μｍ〜２０μｍであり、Ｌは０．２μｍ〜４０μｍであって、Ｌ／Ｄが１〜２となっている。
【００２６】
このように本実施形態では、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６の５つの導電層の各界面が凹凸形状となっている。導電層間の電気抵抗はその界面の表面積に逆比例するので、薄膜電池１においては、各界面の表面積が非常に大きくなっている。したがって、界面が平坦面である場合と比較して、これら５つの導電層の層間の電気抵抗は非常に小さい。その結果、薄膜電池１を内部抵抗が小さく、大容量なものとすることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、５つの導電層の界面がすべて凹凸形状であるが、他の導電層に比べてイオン伝導度が低い固体電解質層２４の上下界面の少なくともいずれか一方が凹凸形状となっていれば、良好な効果が期待できる。
【００２８】
本実施形態においては、凹凸形状が二次元的な周期構造を有しているので、薄膜電池１内でほぼ均一な充放電反応が生じる。したがって、局所的な劣化を防止することができる。また、凹凸形状がその頂部に近づくに連れて幅の狭い傾斜形状となっているので、良好なカバレッジ（段差被覆性）を実現することができる。
【００２９】
次に、突起部Ｒにおける幅Ｄと形成間隔Ｌとの関係について考察する。ここでは、図４（ｂ）に示した、上方へと延びた複数の円錐形状の突起部Ｒが平面から離散的に突出した凹凸形状を例に考察を行う。さらに、複数の突起部Ｒが図３に示したのと同様に正三角形の二次元配列パターンで形成されているとする。ここでも、突起部Ｒの底部の幅をＤで表し、突起部Ｒの形成間隔をＬで表すことにする。また、突起部Ｒの高さＨが幅Ｄの２倍であるとする。この数値は突起部として一般的なものである。
【００３０】
上記前提において、比Ｌ／Ｄの変化に対する、１つの突起部Ｒ当たりの平面積Ｓ１に対する表面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１の変化の様子を数値計算により求めた。その結果を図４（ａ）に示す。ここで、平面積Ｓ１は、図３に描かれている一辺の長さがＬ／２である正六角形の面積である。表面積Ｓ２は、Ｓ１−（直径Ｄの円の面積）＋（直径Ｄで高さ２Ｄの円錐の側面積）である。
【００３１】
図４（ａ）から分かるように、比Ｓ２／Ｓ１の値は、比Ｌ／Ｄが２以下において急激に大きくなる。この傾向は、複数の突起部が別の形態（例えば格子点状）で二次元配列された場合、及び／又は、突起部の形状が円錐形状ではなく、円錐台形状、円柱形状若しくは直方体形状などの別形状である場合においても同じとなる。したがって、層間の電気抵抗を小さくして電池容量をさらに向上させるためには、比Ｌ／Ｄを２以下とすることが好ましいことが分かる。なお、この効果は凹凸形状が二次元的な周期構造を有していない場合にも得られる。
【００３２】
次に、凹凸周期すなわち突起部Ｒの形成間隔Ｌと固体電解質層２４の膜厚Ｔとの関係について考察する。本実施形態では、突起部Ｒの形成間隔Ｌが固体電解質層２４の膜厚Ｔの７倍となっている。そのため、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）又はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）といった蒸着法で固体電解質層２４を成膜したとき、固体電解質層２４はその下地層であるカソード電極層２３の上面の凹凸に十分に追従することができるので、図２に示すように、固体電解質層２４について良好なカバレッジが得られる。しかも、固体電解質層２４の膜厚がほぼ均一になるためにカソード電極層２３とアノード電極層２５との距離もほぼ一様になって、固体電解質層２４の全域でイオンの導通効率がほぼ均一になる。
【００３３】
本発明者が確認したところ、この効果は突起部Ｒの形成間隔Ｌが固体電解質層２４の膜厚Ｔよりも長ければ得ることができ、特に２倍よりも長いときに顕著となることが分かった。
【００３４】
なお、本実施形態では、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６のいずれについても、突起部Ｒの形成間隔Ｌは各膜厚の２倍を超えた値となっている。
【００３５】
図５は、突起部Ｒの形成間隔Ｌを固体電解質層２４’の膜厚Ｔ以下（詳細にはＬがＴの０．８倍）とした比較例に係る薄膜電池の部分断面図である。図５において、基板１０’上には、下から順に、正極集電体層２１’、カソード電極層２３’、固体電解質層２４’、アノード電極層２５’、負極集電体層２６’及びパッシベーション膜２７’が順次形成されている。この比較例では、正極集電体層２１’、カソード電極層２３’、固体電解質層２４’、アノード電極層２５’及び負極集電体層２６’のいずれについても、突起部Ｒの形成間隔Ｌは各膜厚以下の値となっている。
【００３６】
この比較例では、ＣＶＤ又はＰＶＤといった蒸着法で固体電解質層２４’を成膜したとき、固体電解質層２４’はその下地層であるカソード電極層２３’の上面の凹凸に十分に追従することができないので、固体電解質層２４’について良好なカバレッジが得られない。しかも、固体電解質層２４’の膜厚がその凸部よりも凹部において大きくなるという現象が生じるためにカソード電極層２３’とアノード電極層２５’との距離に大きなばらつきが生じて、固体電解質層２４’の凹部においてイオンの導通効率が悪化する。
【００３７】
以上の結果から、突起部Ｒの形成間隔Ｌを固体電解質層２４の膜厚Ｔよりも長くすることが凹凸形状を有する薄膜電池にとって有益であることが分かる。なお、以上の説明は突起部Ｒの形成間隔Ｌと固体電解質層２４の膜厚Ｔとの関係に焦点を当てたものであったが、正極集電体層２１、カソード電極層２３、アノード電極層２５及び負極集電体層２６の各膜厚についても同様の議論が成り立つことは容易に理解できる。
【００３８】
次に、薄膜電池１の製造方法について図６を参照しつつ説明する。まず、基板１０上の全面にＰＶＤによって導電層を形成した後、レジストを用いたエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、この導電層から正極集電体層２１を形成する。この段階において正極集電体層２１の上面には凹凸が形成されていない。しかる後、図６（ａ）に示すように、正極集電体層２１を含む基板１０の全面にフォトレジスト３１を塗布する。
【００３９】
続いて、図示しないマスクを用いてフォトレジスト３１を所定パターン（非露光領域が最終的に突起部となるパターン）で露光する。そして、フォトレジスト３１の感光領域を現像液によって溶解させる。その結果として得られたパターン形成されたフォトレジスト３１をマスクとして、図６（ｂ）に示すように、正極集電体層２１をその膜厚の途中までエッチングする。これによって、正極集電体層２１の上面に図２に示したのと同じ凹凸形状が形成される。本実施形態において、このときのエッチングは等方性エッチングである。その後、溶剤などによってフォトレジスト３１を除去する。
【００４０】
次に、ＣＶＤによって、基板１０の全面を絶縁膜２２で覆う。しかる後、図６（ｃ）に示すように、正極集電体層２１の上面を露出させるように、エッチング工程を含むフォトリソグラフィによって絶縁膜２２の一部を除去する。
【００４１】
引き続いて、図６（ｄ）に示すように、スパッタリング又はＰＶＤによる成膜及びエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、正極集電体層２１上に、カソード電極層２３を形成する。さらに、図６（ｅ）に示すように、スパッタリング又はＰＶＤによる成膜及びエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、カソード電極層２３上に、固体電解質層２４を形成する。
【００４２】
その後、図６（ｆ）に示すように、スパッタリング又はＰＶＤによる成膜及びエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、固体電解質層２４上に、アノード電極層２５を形成する。さらに、図６（ｇ）に示すように、スパッタリング又はＰＶＤによる成膜及びエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、アノード電極層２５上に、負極集電体層２６を形成する。しかる後、基板１０の全面を覆うパッシベーション膜２７を形成することで、図１に示した薄膜電池１が製造される。
【００４３】
次に、薄膜電池１の製造方法に係る変形例について図７を参照しつつ説明する。本変形例はナノインプリント技術を用いたものである。ナノインプリント技術の詳細は、例えば特開２０１０−２０６１１５号公報に開示されている。
【００４４】
まず、図７（ａ）に示すように、基板１０上の全面にＰＶＤによって導電層を形成した後、レジストを用いたエッチング工程を含むフォトリソグラフィによって、この導電層から正極集電体層２１を形成する。この段階において正極集電体層２１の上面には凹凸が形成されていない。しかる後、スピン塗布法又はインクジェット法によって、正極集電体層２１上に感光性樹脂組成物膜４２を形成する。
【００４５】
続いて、感光性樹脂組成物膜４２上に下面に微細な凹凸パターン（その凹部が最終的に正極集電体層の凸部となるパターン）が形成されたモールド４３を感光性樹脂組成物膜４２の上面に押し付ける。これによって、モールド４３の凹凸パターンが感光性樹脂組成物膜４２の上面に転写される。このとき、モールド４３としては例えば石英といった透明な材料からなるものを用いる。しかる後、モールド４３の上方に配置した光源４５からモールド４３を介して感光性樹脂組成物膜４２に紫外線などの光線を照射する。これによって、感光性樹脂組成物膜４２が硬化する。なお、後述する第２実施形態のように基板に凹凸形状を形成する場合において基板が透明であるときには、光源４５を基板１０の下方に配置して基板１０を介して感光性樹脂組成物膜４２に紫外線を照射してもよい。
【００４６】
その後、図７（ｂ）に示すように、硬化した感光性樹脂組成物膜４２からモールド４３を剥離する。
【００４７】
続いて、図７（ｃ）に示すように、凸部間にあって膜厚が薄くなった感光性樹脂組成物膜４２の薄肉部を、イオン照射によるエッチングによって除去する。これによって、感光性樹脂組成物膜４２には、最終的な正極集電体層２１の凹凸形状の凹部に対応した複数の貫通孔が形成される。
【００４８】
しかる後、図７（ｄ）に示すように、感光性樹脂組成物膜４２をマスクとして、正極集電体層２１をその膜厚の途中までエッチングする。これによって、正極集電体層２１の上面に図２に示したのと同じ凹凸形状が形成される。本実施形態において、このときのエッチングは等方性エッチングである。その後、溶剤などによって感光性樹脂組成物膜４２を除去する。以後は、図６で説明したのと同じ工程を経ることによって、図１及び図２に示した薄膜電池１が製造される。
【００４９】
〔第１実施形態の変形例〕
図１及び図２に示した第１実施形態では上方へと延びた複数の円錐台形状の突起部Ｒが平面から離散的に突出した凹凸形状となっていたが、以下においては、突起部Ｒの形状が円錐台形状以外である変形例について図８を参照しつつ説明する。
【００５０】
図８（ａ）に示す変形例では、基板１０上に形成された正極集電体層５１の上面に円柱形状又は角柱形状の複数の突起部が形成されている。図８（ｂ）に示す変形例では、基板１０上に形成された正極集電体層５２の上面に円錐形状、三角錐形状又は四角錐形状の複数の突起部が形成されている。
【００５１】
図８（ｃ）に示す変形例では、基板１０上に形成された正極集電体層５３の上面に半球形状の複数の突起部が形成されている。図８（ｄ）に示す変形例では、基板１０上に形成された正極集電体層５４の上面全体が波形に湾曲している。図８（ａ）〜８（ｅ）に示した変形例の中で本例だけ突起部の間に平面が設けられていない。図８（ｅ）に示す変形例では、基板１０上に形成された正極集電体層５５の上面に下半分が円柱で上半分が円錐台となった形状の複数の突起部が形成されている。
【００５２】
図８（ａ）〜８（ｅ）に示した形状は、図６で説明したエッチング法及び図７で説明したナノインプリント法などを適宜用いて形成することが可能である。
【００５３】
なお、上述した実施形態において、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６をこの順序で形成しているが、形成順を逆にしてもよい。また、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６の順番に通電されるのであれば、形成順序が入れ替わってもよい。
【００５４】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る薄膜電池について図９を参照しつつ説明する。図９に示すように、本実施形態に係る薄膜電池１０１は、基板１１０の上面が凹凸形状となっている点において、第１実施形態の薄膜電池１とは相違している。
【００５５】
薄膜電池１０１は、基板１１０上に形成された膜厚１５０ｎｍ〜１０００ｎｍの正極集電体層１２１、正極集電体層１２１の周縁部を覆いそれ以外の部分を露出させる膜厚３０ｎｍ〜５００ｎｍの絶縁膜（図示せず）、並びに、正極集電体層１２１上に順次形成されたカソード電極層１２３、固体電解質層１２４、アノード電極層１２５及び負極集電体層１２６を有している。薄膜電池１０１においては、正極集電体層１２１、カソード電極層１２３、固体電解質層１２４、アノード電極層１２５及び負極集電体層１２６がこの順番に通電されるように積層されている。カソード電極層１２３、固体電解質層１２４、アノード電極層１２５は、いずれも膜厚５００ｎｍ〜２０００ｎｍである。負極集電体層１２６の膜厚は１５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。薄膜電池１０１は、図示しないパッシベーション膜によってその全体が覆われている。各層の材料は第１実施形態で説明したのと同じである。
【００５６】
本実施形態において、基板１１０の上面には、図２に示した正極集電体層２１の上面とほぼ同じ凹凸形状が形成されている。基板１１０の上面を凹凸形状に加工する方法としては、第１実施形態において正極集電体層２１の上面を凹凸形状に加工する方法と同じ方法が用いられる。
【００５７】
本実施形態においては、基板１１０の上面が凹凸形状となっているために、基板１１０と正極集電体層１２１との界面、正極集電体層１２１とカソード電極層１２３との界面、カソード電極層２３と固体電解質層２４との界面、固体電解質層２４とアノード電極層２５との界面、アノード電極層２５と負極集電体層２６との界面、及び、負極集電体層２６とパッシベーション膜２７との界面が凹凸形状となっている。
【００５８】
図９に描かれているように、薄膜電池１０１における凹凸形状は、上方へと延びた複数の円錐台形状の突起部Ｒが平面から離散的に突出した形状となっている。したがって、凹凸形状は、その頂部に近づくに連れて幅の狭い傾斜形状となっている。
【００５９】
図９では、突起部Ｒの底部の幅をＤで表し、突起部Ｒの形成間隔をＬで表している。この凹凸形状は、突起部Ｒの平面視における各中心点が正三角形の頂点に位置するように、固体電解質層１２４の膜厚方向と直交する面内方向において、二次元的な周期構造を有している。本実施形態において、Ｄは０．１μｍ〜２０μｍであり、Ｌは０．２μｍ〜４０μｍであって、Ｌ／Ｄが１〜２となっている。
【００６０】
このように本実施形態では、正極集電体層１２１、カソード電極層１２３、固体電解質層１２４、アノード電極層１２５及び負極集電体層１２６の５つの導電層の各界面が凹凸形状となっている。導電層間の電気抵抗はその界面の表面積に逆比例するので、薄膜電池１０１においては、各界面の表面積が非常に大きくなっている。したがって、界面が平坦面である場合と比較して、これら５つの導電層の層間の電気抵抗は非常に小さい。その結果、薄膜電池１を内部抵抗が小さく、大容量なものとすることができる。また、凹凸形状が設けられた基板１１０を用いることができる。
【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施形態に施すことが可能である。例えば、上述した実施形態では、各界面の全域が凹凸形状となっていたが、界面が部分的に凹凸形状となっていてもよい。また、上述した実施形態では、各界面の全域に周期構造が形成されていたが、各界面の一部に周期構造が形成されていてもよいし、各界面に周期構造が形成されていなくてもよい。さらに、突起部の底部の幅Ｄに対する前記突起部の形成間隔Ｌの比Ｌ／Ｄが２を超えていてもよい。
【００６２】
また、上述したとおり、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６の形成順序は、上述した実施形態のものに限定されない。すなわち、正極集電体層２１、カソード電極層２３、固体電解質層２４、アノード電極層２５及び負極集電体層２６の順番に通電されるのであれば、形成順序が入れ替わってもよい。また、本発明に係る薄膜電池は基板上に形成されたものに限定されない。
【符号の説明】
【００６３】
１  薄膜電池
１０  基板
２１  正極集電体層
２２  絶縁膜
２３  カソード電極層
２４  固体電解質層
２５  アノード電極層
２６  負極集電体層
２７  パッシベーション膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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