KR0146612B1 - 전도성 고분자 물질을 대향 전극으로 사용한 고체 전해 콘덴서 - Google Patents
전도성 고분자 물질을 대향 전극으로 사용한 고체 전해 콘덴서Info
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Abstract
표면에 산화처리된 유전체 피막을 갖는 알루미늄 양극과 유전체 산화물 피막상에 산화제 수용액에 함침시킨 후, 진공 건조하고, 피롤이 녹아 있는 아세토니트릴 용액과 액상 접촉하여 폴리피롤을 생성하고 이를 이용하여 전기중합법으로 생상한 폴리피놀층을 음극으로 하여 구성된 고체 전해 콘덴서.
Description
본 발명은 고분자 물질을 사용한 고체 전해 콘덴서에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 전도성 고분자 물질을 음극으로 사용하여 임피던스 특성을 향상시킨 고체 전해 콘덴서에 관한 것이다.
근년, 전자기기 셋트들의 전원부품은 소형화와 경량화의 목적으로 스위칭 모드(switching mode)의 전원, DC 콘버터가 사용되고 있다. 또한, 그 스위칭 주파수도 말할 것 없이 소형화이기 때문에, 500kHz~수MHz 정도로의 고주파화가 계속하여 진행되고 있다. 이 고주파 스위칭 전원 DC 콘버터를 사용한 전원 평활용 콘덴서는 소형인 것은 물론, 성능의 고신뢰도가 필수적이다. 따라서, 전기적 성능의 온도 의존성이 적고, 고주파 영역에서 저임피던스, 저등가직렬저항 등의 특성을 가진 더구나 최근에는 표면실장화된 콘덴서 제품이 요구되고 있다.
한편, 최근의 음성신호 및 영상신호의 디지탈화에 동반하여 콘덴서의 고주파 영역에 걸쳐서 펄스응답에 대한 특성의 개선이 더 한층 요구되고 있다. 이들의 요구는 종래의 알루미늄 전해 콘덴서, 금속화 필름(metalized film) 콘덴서, 탄탈 고체 전해 콘덴서 및 세라믹 콘덴사 등에는 쉽게 실현이 되지 않는 수준이다.
일반적으로, 전해 콘덴서는 대용량을 가지면서도 가격이 저렴하므로 많이 사용이 되는데, 액체 전해질을 함침시켜 제작한 전해 콘덴서는 고주파 영역에서 임피던스 특성이 나쁘며, 특히 소형 칩화하는데 문제가 있다. 즉, 고온이 요구되는 봉지의 고정상 액상의 전해질을 사용한 전해 콘덴서는 칩화를 할 수가 없다. 따라서, 전해 콘덴서의 고체화와 고주파 영역에서의 저임피던스 특성을 부여하는 것이 전해 콘덴서에 있어서 매우 중요한 과제로 나타났다.
이 문제를 해결한 것이 최근 공개된 전도성 고분자 물질을 사용한 고체 전해 콘덴서의 제조법이다. 즉, 전도성 고분자 물질을 알루미늄 산화 피막상에 형성시킨 후, 이를 음극물질로 사용하여 전해 콘덴서를 형성한다. 이 경우, 전도성 고분자 물질의 높은 전기 전도도와 소재의 고체화로 고주파 영역에서의 저임피던스, 저등가직렬저항 특성이 우수하며, 전기적 성능의 온도 의존성이 적은 소형 칩형 고체 전해 콘덴서의 개발이 실현되었다(한국 특허공고 제1991-9477호; 특허출원 제1993-19029호).
전도성 고분자 물질을 부도체인 알루미늄 산화 피막상에 형성시키기 위하여서는 여러가지 방법으로 알루미늄 산화 피막상에 전도성층을 미리 형성하여야 한다. 이러한 전도성층은 질산망간을 열분해하여 얻어지는 이산화망간을 사용할 수도 있고 [(Synth. Met. 41, 1133 (1991)], 또는 산화중합으로 전도성 고분자층을 생성하여 전도층으로 사용할 수 있다(한국 특허 공고 제1991-9477호). 후자의 경우, 알루미늄판을 산화제에 함침시킨 뒤 건조시킨 후, 피롤 용액에 함침시켜 산화 피막상에 폴리피롤층을 산화중합으로 생성하여 사용한다. 그리고 나서, 이 전도성층을 작업전극으로 이용하여 전기중합으로써 폴리피롤층을 두껍게 생성한다.
또한, 모노머 용액의 오염을 줄일 수 있는 방법으로 제시된 것이 산화제에 함침시킨 알루미늄판을 모노머 용액상에서 기상 상태로 산화 중합한 후, 그 위에 폴리피롤 또는 폴리아닐린을 전기중합의 방법으로 형성하여 음극으로 사용하는 방법이다(한국 특허출원 제1993-19029호).
전도성 고분자 물질을 음극으로 사용한 전해 콘덴서의 제조시, 그 전기적 특성은 전도성 고분자 물질의 화학적중합과 전기중합의 조건에 따라 변한다. 특히, 전기중합시에는 모노머와 같이 수용액에 존재하는 전해질염의 종류에 따라서 그 열적 성질과 전기적 성질이 크게 좌우된다. 비스살리실산보론(bissalycylboron)과 같은 유기 카르복실산을 사용할 수도 있고(한국 특허공개 제1988-13199호), 페놀술폰산 유도체를 사용하면 온도특성을 향상시킬 수 있다(한국 특허출원 제1993-19029호). 고체 전해 콘덴서의 전기적 특성은 전기중합시에 알킬나프탈렌술폰산을 전해질로 사용한 경우가 가장 우수하게 나타난다고 알려져 있다 [Synth. Met., 54 (1993) 453].
본 발명은 전기중합시 전해질염으로 사용되는 알킬나프탈렌술폰산 대신에 나프탈렌술폰산과 포르말린으로 부터 제조된 하기 구조식 I의 폴리(술퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염(Poly(sulfonaphthalenediyl)methylene, sodiumsalt)을 사용하여 제조한 알루미늄 전해 콘덴서에 관한 것이다.
[구조식 Ⅰ]
본 발명에 있어서, 1) 구조식 I의 폴리머는 기존의 알킬나프탈렌술폰산보다 가격이 저렴하여 전해 콘덴서의 가격을 내릴수 있는 장점과 2) 구조식 I의 폴리머는 매우 우수한 계면활성제이므로 에칭된 알루미늄 기공 안쪽으로 폴리피롤의 생성이 쉽게되게끔 도와주므로 최종 제품의 용량을 증대시킬 수 있는 특징을 가진다.
본 발명을 아래에 더 상세히 설명한다. 에칭된 알루미늄판에 아디프계 산의 화성액을 이용하여 적절한 화성 전압(10~100V)을 인가함으로써 산화 알루미늄층을 형성한다. 다음으로, 한번의 열처리와 두번의 화성공정을 더 거쳐서 산화되지 않은 알루미늄막을 최소화한다.
위의 방법으로 처리된 알루미늄박을 산화제 용액에 10분정도 함침하여 엣칭된 기공속으로 용액이 스며들게 한 후, 진공 건조를 통해 산화제가 에칭된 포일에 고르게 증착되도록 한다. 건조된 포일을 다시 피롤 모노머 용액에 30분 정도 함침시켜 얇은 폴리피롤막을 형성시킨다. 이때, 일반적으로 사용되는 산화제에는 염화 제이철, 과염소산 제이철, 나트륨퍼설페이트, 암모늄 퍼설페이트, 과산화수소, 염화제이구리, 과염소산 제이구리 등이 있으나, 본 발명에서는 암모늄퍼설페이트를 사용하였고, 용매로서는 물을 사용했다. 모노머로서는 피롤, 아닐린 또는 티오펜 등을 사용할 수 있으나, 본 발명에서 모노머로서는 피롤을 사용하였고, 용매로서는 아세토니트릴을 사용하였다.
위와같은 화학중합법으로 폴리피롤층이 형성된 알루미늄박을 다시 피롤과 전해질염의 혼합 수용액에 침지하고, 전류를 가하여 더 밀도있는 폴리피롤층이 형성되게 하였다. 여기에 각 과정마다 화성단계를 거침으로서 제작과정에서 일어날 수 있는 산화 피막의 손상을 최소화 시켰다. 이렇게 형성된 전도성 고분자층에 탄소 페이스트와 은 페이스트를 이용하여 인출선을 연결하고, 에폭시 수지로 봉지하여 칩형 콘덴서를 제작하였다. 이때, 화학중합시 사용된 산화제의 농도와 모노머의 농도는 각각 0.1 내지 0.5몰/L이며, 전기중합시 모노머의 농도는 0.05 내지 0.5몰/L이고, 전해질염의 농도는 0.05몰/L 내지 1몰/L이었다.
전해질염으로서는 구조식 I의 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염을 사용하였다. 또한, 여기에 p-톨루엔술폰산, 페놀유도체의 술폰산 및 부틸나프탈렌술폰산, 나트륨염들을 같이 혼합하여서도 사용하였다. 이러한 도판트의 혼합은 경우에 따라 그 용량 및 누설 전류 특성을 향상시킨다.
본 발명이 기존의 발명보다 우수한 점은 그 용량이 기존의 도판트를 사용했을 때 보다 증가했다는 것과 저렴한 가격의 전해질 염을 사용하였다는 것이다. 이하 본 발명을 다음의 비제한 실시예에 의해서 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
표면에 산화처리가 되어 유전체 피막을 갖는 알루미늄 양극박을 0.3몰/L 암모늄 퍼설페이트에 10분간 침지한 후, 10분간 진공 건조하고, 이를 다시 0.3몰/L 피롤 용액에 30분간 함침하여 화학중합했다. 이렇게 화학중합된 알루미늄박을 화성한 후, 0.3몰/L 피롤 모노머와 0.1몰/L 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염이 녹아있는 수용액에 침지하고, 스테인레스스틸 전극을 음극으로 사용하여 0.6mA/㎠의 전류로 약 30분간 60분 정도 정전류 방식으로 방식으로 전류를 흘려 약 50 내지 100㎜두께의 폴리피롤층을 산화 피막상에 형성했다. 이를 화성 용액에서 재화성한 뒤, 탄소 페이스트 및 은 페이스트를 사용하여 양극과 음극으로부터 인출봉을 접착시킨 뒤, 에폭시 수지로 봉지하여 콘덴서를 제작했다. 제작된 콘덴서의 특성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
[비교예 1]
실시예 1과 같은 방법으로 행하였으나, 전해질염으로 0.15몰/L 부틸나프탈렌술폰산 나트륨염, 그리고 0.3몰/L 피롤이 녹아있는 수용액에서 전기중합하였다. 제작된 콘덴서의 특성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
[실시예 2]
실시예 1과 같은 방법으로 행하였으나, 전해질염으로 0.1몰/L 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염과, 0.05몰/L 부틸나프탈렌술폰산 나트륨염, 그리고 0.3몰/L 피롤이 녹아있는 수용액에서 전기중합하였다. 제작된 콘덴서의 특성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
[실시예 3]
실시예 1과 같은 방법으로 행하였으나, 전해질염으로 0.1몰/L 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염과, 0.05몰/L 톨루엔술폰산 나트륨염, 그리고 0.3몰/L 피롤이 녹아있는 수용액에서 전기중합하였다. 제작된 콘덴서의 특성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
[실시예 4]
실시예 1과 같은 방법으로 행하였으나, 전해질염으로 0.1몰/L 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨염과, 0.05몰/L 크레졸술폰산 나트륨염, 그리고 0.3몰/L 피롤이 녹아있는 수용액에서 전기중합하였다. 제작된 콘덴서의 특성은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
본 발명에서 제조된 전도성 고분자 물질을 대향전극으로 사용한 고체 전해콘덴서는 소형화 및 칩화가 가능하며, 고주파 영역에서의 임피던스 특성이 우수하므로, 전원 평활용 콘덴서 및 고주파 특성이 요구되는 부품으로 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에서 개발된 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌, 나트륨 염을 전기중합시 전해질 염으로 사용함으로서 기존의 방법에 비해 용량의 증가와 더불어 콘덴서 단가를 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (6)
- 표면에 산화처리된 유전체 피막을 갖는 알루미늄 양극과 유전체 산화물 피막상에 산화제 수용액에 함침시킨 후, 진공 건조하고, 피롤이 녹아있는 아세토니트릴 용액과 액상 접촉하여 폴리피롤을 생성하고, 이를 이용하여 전기중합법으로 생성한 폴리피롤층을 음극으로 하여 구성된 고체 전해 콘덴서.
- 제1항에 있어서, 전기중합시 사용한 전해질염이 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌 나트륨염인 고체 전해 콘덴서.
- 제1항에 있어서, 전기중합시 사용한 전해질염이 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌 나트륨염과 부틸나프탈렌술폰산 나트륨염의 혼합용액인 고체 전해 콘덴서.
- 제1항에 있어서, 전기중합시 사용한 전해질염이 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌 나트륨염과 p-톨루엔술폰산 나트륨염의 혼합용액인 고체 전해 콘덴서.
- 제1항에 있어서, 전기중합시 사용한 전해질염이 폴리(설퍼나프탈렌디일)메틸렌 나트륨염과 크레졸술폰산 나트륨염의 혼합용액인 고체 전해 콘덴서.
- 화학 중합과 전기중합 후, 재화성 공정을 행하여 누설 전류를 감소시키도록한 고체 전해 콘덴서.
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| KR1019950001283A KR0146612B1 (ko) | 1995-01-25 | 1995-01-25 | 전도성 고분자 물질을 대향 전극으로 사용한 고체 전해 콘덴서 |
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| KR100449627B1 (ko) * | 1998-12-09 | 2004-12-17 | 삼성전기주식회사 | 전도성고분자층을이용한탄탈전해캐패시터의제조방법 |
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1995
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