KR100290995B1 - 압출커패시터전극및그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 탄탈 전극 재료는 극도로 낮은 비틀림, 예외적으로 낮은 ESL 및 ESR, 확장된 고주파 성능, 매우 높은 용량 효율, 및 양극 당 감소된 탄탈 소비량을 갖도록 제조된다. 양극 재료는 고밀도(용량 효율) 전극 내에 생성된 이격된 갭에 의해 분리된 탄탈 판으로 이루어진 단면이 특징이다. 물품의 구조적 안정성을 또한 제공하기도 하는 판들은 전기적으로 상호 연결된다. 이것은 제조 도중 탄탈 재료의 형태를 주의깊게 조절함으로써 제조 가능하다. 이러한 재료를 생성하는 방법은 탄탈 봉 및 압출가능한 금속의 혼합물로 충전된(바람직하게는 기하학적으로 균일한) 빌렛을 압출시키는 것을 포함한다. 빌렛이 크기가 충분히 축소되고 절단되었을 경우, 압출가능한 금속은 산을 사용하여 선택적으로 용해시켜서 제거한다. 상기한 잇점 이외에, 생성된 물품은 특히 초미세화 적용을 위한 용도에 적합하다.

Description

[발명의 명칭]

압출 커패시터 전극 및 그의 제조 방법

[도면의 간단한 설명]

제1도는 축소시키기 전의 육각형 판상 금속 및 보조 연성 금속 봉의 대표적인 레이업이다.

제2도는 보조 연성 금속이 여전히 존재하는 본 발명에 따른 대표적인 커패시터 양극의 횡단면도이다.

제3도 및 제4도는 보조 연속 금속이 제거된 본 발명에 따른 커패시터 양극의 대표적인 횡단면도이다.

제5도 및 제6도는 비틀리지 않은 공극을 나타내는 본 발명에 따른 양극의 종단면도이다.

제7도는 비틀린 공극을 나타내는 통상의 방법으로 제조한 양극 재료의 종단면도이다.

제8도 및 제9도는 본 발명애 따른 양극 재료의 하중 하의 변형을 나타낸 곡선이다.

제10도는 탄탈 분말로 제조한 통상적인 전극의 하중 하의 변형을 나타낸 곡선이다.

제11도는 본 발명에 따른 방법을 기재한 순서도이다.

제12도는 본 발명에 따라 제조된 커패시터의 일례이다.

[기술 분야]

본 발명이 속하는 기술 분야는 판상(瓣狀) 금속 재료, 이로부터 제조한 양극(anode) 및 커패시터, 및 그의 제조 방법이다.

[배경 기술]

고체 전해질 형태의 탄탈 커패시터는 전자 횔의 소형화에 중요한 공헌을 해왔다. 또한, 이들은 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동하는 잇점을 가지며, 저장 수명이 양호하고, 유효 수명이 길며, 극한 환경에서도 유용하다.

통상적으로, 이러한 커패시터는 탄탈 분말을 압축시켜 펠릿을 얻고, 이 펠릿을 소결시켜 다공체를 형성함으로써 제조하였다. 이어서, 다공체를 적합한 전해질 중에서 양극 산화시켜 소결체 상에 연속적인 유전성 산하물 필름을 형성한다. 공극을 전해질로 충전시키고, 리이드 와이어를 부착시켜 커패시터를 형성한다. 또한, 다공성 전극은 탄탈 필라멘트를 구리 빌렛(billet) 내에 종방향으로 뚫어 놓은 구멍에 삽입시킴으로써 제조할 수도 있다. 윙(Wong)의 미국 특허 제5,034,857호에 개시된 방법은 빌렛을 또한 압출, 압연, 재퇴적(restack), 및 축소시킨 것이다. 또한, 복합 빌렛 압출은 더 절단 및 축소시키고, 결과적으로 처리된 복합 봉 생성물에서 구리를 침출시키고, 양극 산하시키는 것이다.

전자 제품의 소형화에 따라 전사 산업에서는 점점 더 작은 크기의 양극이 요구되고 있으며, 이는 탄탈 양극 산업에 새로운 목표를 제공한다. 양극이 작아질수록, 양극의 고주파 성능의 결함이 더 큰 문제가 된다. 또한, 양극이 작아짐에 따라, 제조 회사들은 양극의 자동화 작업, 예를 들면 리이드 와이어 부착 작업을 수행함에 있어서 점점 더 큰 어려움에 직면하게 된다. 이러한 와이어를 부착하는데 특정 조작이 필요하게 되고, 따라서 이러한 와이어를 효율적인 비용으로 부착시키기에 충분한 방법으로 소형화된 양극을 취급하는 것이 어려워지게 된다.

따라서, 당업계에서는 이러한 단점을 극복한 더 작은 양극 및 이러한 양극을 제조하기 위한 개선된 방법을 필요로 한다.

[발명의 요약]

본 발명은 특히 전극에 사용하기에 적합한 탄탈 재료를 기재한다. 탄탈 재료는 탄탈 박판들로 이루어직, 이 박판들은 갭(gap)에 의해 서로 분리되는 단면구조를 가지며, 판과 판 사이에는 다수의 교점을 가짐으로써 이 교점에서 판과 판 사이에 금속 결합이 이루어져 판들이 단면 내에서 전기적으로 상호 연결되고, 또한 구조적 안정성을 제공하게 되는 분리 구조물을 포함한다. 이 형태에서 판들은 하나의 종방향을 따라 실질적으로 서로 평행하고, 이 방향으로 구조는 무한정 연장될 수 있다. 본체를 이 종방향에 대해 수직인 평면으로 절취하는 경우, 종방향에서 본 절취 단부는 탄탈 박판들이 상호 연결되어 있는 패턴을 나타낼 것이며, 이 패턴은 그 구조의 길이의 어느 부분을 따라 절치하든 간에 실질적으로 동일하게 보일 것이다. 이와 같이 보면 판 사이의 갭은 구조의 길이를 통하여 세로로 뻗어있는 길고 곧은 채널처럼 보일 것이고, 따라서 생성딘 구조는 실질적으로 곧은 판 사이 갭의 집합을 인하여 비틀리지 않은(non-tortuous) 공극을 갖는다. 또한, 본 발명은 갭이 보조연성 금속으로 충전된 물품의 형태를 제공한다. 또한, 본 발명은 커패시터의 유전체로서 작용하는 산화탄탈층을 노출된 탄탈 표면 위에 포함하고, 비틀리지 않은 공극 내에 함유된 반대(counter) 전극을 포함하는 이러한 물품의 커패시터 형태를 제공한다.

본 발명은 또한 이러한 물품의 제조 방법을 제공한다. 연성 금속 봉(rod), 시트, 단조(forging), 및(또는) 분말 형태의 탄탈을 탄탈 조각의 길이가 빌렛의 방향(이것은 가공된 구조물에 대해 상기 언급한 종방향일 것임)과 평행하도록 예정된 패턴으로 빌렛에 삽입시킨다. 예정된 패턴 사이의 공간은 후술되는 압출 및 압연 공정 동안 탄탈 조각의 분리를 유지시키기 위하여 연성 보조 금속으로 충전시킨다. 빌렛의 길이를 따라서 종방향으로 아출 및(또는) 압연시킴으로써 예정된 크리고 빌렛을 축소시킨다. 축소시키는 동안, 빌렛의 단면이 최대 75% 까지 축소될 때마다 빌렛을 어니일링시키는 것이 중요하다. 축소시킨 후, 빌렛을 압연 길이를 따라 예정딘 길이로 절단하다. 연성 금속을, 예를 들면 무기산을 용해시킴으로써 제거할 경우, 비틀리지 않은 공극을 갖는 탄탈 물품이 얻어진다.

상기 물품을 제조한 커패시터는 매우 작은 크기로 제조될 수 있고, 개선딘 고주파 감응을 가지며, 용량 효율이 높고, 등가 직렬 저항이 낮고, 정확한 구조 형태 및 기게적 안정성을 가져서 결과적으로 조절가능한 등가 직렬 인덕턴스를 고안할 수 있다.

[발명의 상세한 설명]

본 발명에 따른 양극의 중요한 특성은 소형화를 위한 기회를 제공한다는 것이다. 본 발명에 따른 양극은 중량이 10 ㎍ 정도로 작게 제조할 수 있다. 이러한 중량 범위에서, 이들은 통상 두께가 1.27 ㎜(0.05인치) 미만, 바람직하게는 두께가 0.38 ㎜(0.015 인치) 미만이다. 상기한 바와 같이 펠릿화된 탄탈 분말로 제조한 커패시터 양극에 있어서, 다공성 펠릿 내부로 전해질을 함침시키기 위한 채널이 작은 입자들의 결합에 의해 형성되기 때문에, 이렇게 형성된 양극에 있는 경로는 매우 비틀려 있을 수 있다. 이에 대해서는 제7도를 참조하며, 제7도는 통상의 분말 압축 기술로 제조한 2.54 ㎜(0.100 인치) 직경의 양극 소체의 종단면을 200배 확대한 광학 현미경 사진으로서, 이 사진에서 어두운 영역은 비틀린 공극을 나타낸다. 이것은 용량 효율에 역효과를 줄 뿐만 아니라 생성된 커패시터의 고주파 감응에 있어서도 결점을 갖는다. 본 발명에 따른 재료는 매우 치밀하게 기하학적 구조를 제조할 수 있기 때문에 실질적으로 비틀리지 않은 공극을 갖는다. 상기 언급한 바와 같이, 판 사이의 갭은 구조물의 길이를 통하여 종방향으로 뻗은 길고 곧은 채널처럼 보이는데, 이러한 실질적으로 곧은 판 사이의 갭의 집합 때문에, 생성된 구조물은 비틀리지 않은 공극을 갖는다. 이에 대해서는 제5도 및 제6도를 참조하며, 제5도는 0.38 ㎜(0.015 인치) 직경의 양극 소체의 종단면을 200배 확대한 광학 현미경 사진이고, 제6도는 1.68 ㎜(0.066 인치) 직경의 양극 소체의 종단면을 100배 확대하 광학 현미경적 사진이며, 이들 사진에서 밝은 영역은 비틀리지 않은 공극을 나타낸다. 이것은 전해질의 도입을 훨씬 쉽게 하고, 또한 극소형화를 획기적으로 가능하게 한다. 또한, 리이드 와이어 부착 단계를 필요로 하지 않는다는 부가적인 잇점을 갖는다.

본 발명에 따라 제조한 양극 구조물은 사실상 직경이 300 미크론 미만, 예를들면 100 내지 300 미크론일 수 있으며, 직경이 50 미크론 미만 정도로 작을 수도 있음. 각각의 "암(arm)" (양극의 내부 소자)은 통상 두께가 15미크론이지만, 예를들면 5 미크론 이하 정도로 작게 제조할 수 있다. 갭은 디자인에 따라 매우 달라지지만, 통상적으로는 물품의 약 40 내지 60 용량%를 나타내고, 가장 통상적으로는 물품의 약 50 용량%를 나타낸다.

또한, 상기한 바와 같이, 소형화된 양극 재료의 경우, 리이드 부착이 매우 어렵고, 노동 집약적인 작업일 수 있다. 본 명세서에 기재된 양극 재료의 제조 방법으로는 이 전체 단계를 (임의로) 예를 들면, 전극 소체의 일부를 리이드 와이어로 사용함으로써 생략할 수 있다. 본 발명의 또다른 잇점은 많은 개별적인 전극 구조물을 동일한 빌렛에 충전할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 방법을 사용하여 먼저 직경 6.35 ㎜(0.25 인치)의 양극 재료를 제조한 후, 이것을 절취하고, 절편을 다른 빌렛에 충전하면 동시에 300개의 양극을 처리할 수 있다. 최종 크기로 압출 및 축소시킨 후, 이렇게 축소된 소체를 횡단면으로 절단하면 다수의(예, 수백개) 개별 전극 구조물을 생성하게 되고, 이로써 매우 신속하고 효율적인 커패시터 제조 방법을 제공할 것이다.

본 발명에 따른 중요한 4가지의 기본적인 물품이 있다. 첫째는 판상 금속 구조물 사이 및 주위의 공간 전체에 보조 금속을 함유하는 판상 금속의 전기적으로 연속적인 박판을 갖는 판상 금속 물품이다. 이 형태에서 물품의 판상 금속 성분은 주위에 보조 금속이 존재함으로 인하여 구조적으로 매우 안정하고 보호된다. 기계적 손상으로부터 이러한 수준의 보호를 한다는 것은, 최종의 커패시터로 전환시키기 전에 재료를 운송하고 취급함에 있어서 중요하다. 이에 대해서는 제2도를 참조하며, 제2도는 본 발명에 따른 직경 0.38mm(0.015인치)의 양극 소체의 종단면을 200배 확대한 광학 현미경 사진이고, 이 사진에서 어두운 중앙 영역은 탄탈을 나타내고, 원형 횡단면의 밝은 부분이 구리를 나타낸다. 이러한 형태의 물품의 구조적 안정성의 일례로서, 이러한 형태에서는 사실상 양극 재료를 통상의 연성 와이어와 매우 유사하게 스풀(spool) 위에 제공할 수 있고, 이것은 커패시터 제조 가능성을 매우 증가시킨다.

이러한 형태의 본 발명의 물품의 구조적 안정성의 일례로서는, 제8도, 제9도 및 제10도를 참조한다. 이들은 ASTM 표준 방법 E-9에 따라 수행된 압축 시험의 결과를 나타낸다. 본 발명에 따라 제조된 직경 0.38 mm(0.015인치) 및 직경 1.68mm(0.066 인치)의양극에 대해 시험하였다. 평평한 온 사이드 위치에서, 이들은 점차적으로 변형되는데, 이것은 금속 결합된 소체를 나타낸다. (제8도 및 제9도에서, 적용딘 하중은 수직축에 나타내고, 압축 정도는 수평축에 나타내며, 수평축에서 일센티미터는 0.063 mm(0.005) 인치의 압축을 나타낸다) 또한, 탄탈 분말로 제조한 통상의 2.54 mm(0.100 인치) 직경의 양극에 대한 시험 결과를 제10도에 나타낸다. 제8도 및 제9도에서와 같이, 하중은 수직축에, 압축 정도는 수평축에 나타낸다. 이것은 금속 결합이 없는 물품의 경우에 나타나는 곡선의 형태를 보여준다.

본 발명의 물품의 두 번째 실시 태양은 보조 금속이 제거된 판상 금속 매트릭스이다. 이것은 커패시터 단계로 더 가공하는데 특히 유용한 형태이다. 이에 대해서는 제3도 및 제4도를 참조하며, 제3도는 본 발명에 따른 0.38 mm(0.015 인치) 직경의 양극 소체의 횡단면을 200배 확대한 광학 현미경 사진이고, 제4도는 탄탈봉 사이에 금속 결합이 존재함을 나타내는, 구리가 제거되고 파쇄 및 에칭된 1.68 mm(0.066 인치) 직경의 양극 소체를 100배 확대한 주사 전자 현미경 사진이다. 상기한 바와 같이 정면에서 바라볼 겨우, 판상 금속판의 패턴은 여러 가지 배열이 가능하다. 그러나, 몇몇 특정 배열이 특별한 잇점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 작은 부피 내에 판을 최대로 충전시키기 위해서는, 정면에서 바라볼 경우 판들이 서로에 대해 실질적으로 평형한 패턴이 유리할 것이다. 여러가지 목적을 달성하기 위해서 판상 금속판의 패턴의 변형이 용이하다는 것은 이러한 공정의 특별한 잇점이다. 이러한 구조물이 개별적인 소자 사이, 즉 평행한 판들과 상호 연결 리브(rib) 부분 사이의 전기 흐름에 대해 사실상 저항이 없다(전하 강하가 없음)는 것은 중요하다. 이러한 절편들은 통상 축소 처리 중에 결합할 것이지만, 또한 통상의 방식으로 물리적으로 용접시킬 수도 있다.

본 발명의 물품으 또다른 형태는 보조 금속이 제거되고, 또한 양극 산화된 상기 판상 금속 매트릭스이다. 양극 산화는 재료를 인산 또는 다른 전해질 중에 넣고, 물품을 통하여 전류를 통과시켜 판상 금속 표면 상에 산화물 필름을 형성시키는 표준화된 공정이다. 예를 들면, 약 2 내지 약 500 볼트의 전압을 사용하여 전기적으로 금속 산화물 층을 형성시킬 수 있다. 이 공정 중에 일정량의 판상 금속이 소비된다.

본 발명의 추가의 실시 태양은 최종 커패시터이다. 이것은 양극 산화시킨후, 이산화망간 또는 황산과 같은 표준 전해질로 합침시킨 판상 금속 매트릭스를 포함한다. 전해질은 판상 금속 전극 소체의 길이 전체에 존재하는 판 사이의 공극을 충전한다. 즉, 전해질은 상기 언급한 바와 같은 비틀리지 않은 공극을 충전한다. 이어서, 이렇게 처리된 판상 금속/유전성 산화물/전해질 소체(제12도의 부호 1 참조)는 통상의 방식 및 비율로 탄소와 같은 전도체층(20), 은, 탄탈, 또는 니오븀 또는 이들의 합금과 같은 전도성 금속층(3), 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 아크릴 중합체와 같은 플라스틱 캐스팅층(4)을 연속해서 피복시킨다.

도면에 도시된 탄탈 패턴이 특히 유용한 패턴이지만, 최종 용도에 ㄸ라 어떠한 패턴이라도 만들 수 있다. 사실상, 본 발명의 잇점 중 하나는, 재료가 사용딜 특정 용도에 따라, 그 용도를 위한 최대 효율 또는 최대 성능을 위하여 탄탈의 패턴및 그의 구성 부품의 두께 모두의 면에서 패턴을 맞출 수 있다는 것이다.

본 발명의 또다른 잇점은 본 발명에 따른 커패시터에 대한 마이크로패럿 등급을 물품의 성능이 세라믹 재료의 범위에 근접할 수 있을 정도로 매우 낮게 할 수 있다는 것이다. 그러나, 본 발명의 물품은, 이들이 세라믹으로 제조할 수 있는 것보다 물리적으로 더 작은 물품으로 재생할 수 있는 한, 그리고 세라믹 커패시터를 특정 용도로 제한시키는 전기적 특성의 온도 민감성이 없는 한 세라믹 재료보다 중요한 잇점을 갖는다.

분말 기술을 토대로 한 탄탈 커패시터의 경우에는 고주파수에서 전기적 감응이 감소된다. 이것은 어느 정도는 물품의 비틀린 공극에 기인한다. 이것은 결과적으로 외부 회로에 커패시턴스를 제공함에 있어서 커패시터 양극 펠릿의 외부층만이 효과적으로 이용될 수 있는 "스킨 효과"를 일으킨다. 이와 같이 고주파 신호에서 커패시터 양극의 내부 표면의 사용 불가능은 커패시터의 내부의 공극 구조물의 비틀림을 감소시킴으로써 부분적으로 경감시킬 수 있다. 사실상, 이것은 비틀리지 않은 공극의 큰 잇점 중 하나이다. 비틀림에 의해 유발된 고주파 손시을 일부 회복한다는 것은, 이러한 양극의 사용되는 물품에 간한 전자 공학 분야가 고주파 작동 쪽으로 계속 이동하고 있기 때문에 당업계에서 큰 잇점이 된다. 세라믹은 평평하기 때문에 비틀림 문제를 갖지 않는다. 그런, 이들은 그다지 작게 제조될 수 엇고, 이들의 커패시턴스 등급은 고유의 온도 의존성을 갖는다. 본 발명에 따른 판상 금속 물품은 실질적으로 비틀리지 않은 경로의 잇점 뿐만 아니라, 세라믹 재룔는 불가능한 소형화의 잇점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 판상 금속 물풍의 전기적 특성 중 열안정성은 세라믹 재료의 경우보다 양호하다.

본 발명은 양극의 유용성에 관하여 기재하고 있지만, 일반적으로 이 방법은 횡단면 구조, 전기 커패시턴스 또는 종방향의 공극이 유리한 특수 의료용 이식편(implant) 뿐만 아니라, 기계 부품, 예를 들면 대부분의 단순 기계(레버, 지동 기구, 바퀴, 기어 등)의 소형화를 양극 재료를 손쉽게 다룰 수 있게 하는 기계적 강도를 제공할 수 있다.

본 발명은 탄탈에 관하여 기재하였지만, 본 발명에 유용한 기타 재료로는 니오븀, 탄탈 및 이들의 합금이 있다. 총체적으로 이러한 금속들은 판상 금속으로서 공지되어 있다.

본 발명에 따른 구조물을 에칭 구조(예, 원형 횡단면)로서 나타내었지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 특정 목적 용도에 따라, 특정 용도를 위해 비대칭 구조물도 고안해서 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 양극은 개선된 ESR(등가 직렬 저항)을 갖는다. 이것은 커패시터 내의 순수 저항이다. 비틀림이 존재하는 경우 전도 경로의 길이를 증가시켜서 저항을 증가시키는 작용을 하므로, 비틀림이 없다면 낮은 ESR을 제공할 것이다. 유사하게, 본 발명의 물품은 개선된 ESL(등가 직렬 인덕턴스)을 나타내도록 고안될 수 있다. 다시 한번 말하자면, 비틀림의 감소 및 탄탈 판 패턴의 조절능은 모두 인덕션(induction) 손실을 줄이는데 이용할 수 있다. 이러한 특성의 전체적인 개선은 부품들의 고주파 이용가능성을 학장시키는 작용을 하는데, 이것은 본 발명의 재료로 제조한 커패시터가 여전히 커패시터로서 착용할 수 있는 주파수 범위의 확장을 의미한다.

본 발명에 따른 재료의 또다른 큰 잇점은 재료의 취급 및 가공에 있다. 필요한 부품의 크기를 제공하기 위해서는 양극의 길이를 따라 그 만큼의 보조 금속만이 침출될 필요가 있다. 잔류하는 탄탈 및 보조 금속 매트릭스는, 추가의 리이드 와이어를 첨가함이 없이 노출된 탄탈 부분을 양극 산화시키기 위해 전류를 고급하는 리이드 와이어로서 사용할 수 있다. 이것은 소형화로 인한 어려움을 고려하지 않더라도 양극을 제조하는 데 있어서의 비용을 상당히 절감시킨다. 리이드 와이어 기이는 용도/적용에 따라 다양하지만, 통상적으로 리이드 와이어는 양극의 직경 치수의 약 2배일 것이다. 초기 취급의 목적상, 리이드 와이어는 양극 길이의 약 4배가 바람직하다. 또한, 니켈, 판상 금속 또는 기타 통상의 리이드 와이어를 통상의 방식, 예를 들면 용접으로 양극에 부착시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 물품은 하나의 양극 당 탄탈 소비가 감소된다는 특성을 갖는다. 상기 설명된 스킨 효과는 특히 고주파수에서 많은 탄탈을 소비한다. 통상의 펠릿의 경우는 그 내부가 이용되지 않는다. 이러한 이유로, 제조자는 넓은 외부 표면을 이용하기 위해서 고자파용 펠릿을 물리적으로 크게 제조한다. 본 발명의 방법에 따르면, 내부 표면에 이르는 공극의 비틀림 정도가 낮기 때문에 탄탈 표면의 전부, 즉 외부 뿐만 아니라 내부를 효과적으로 이용할 수 있는 양극을 제조할 수 있다.

빌렛과 관련하여, 탄탈 및 보조 금속을 봉입하기 위하여 사용된 재료(캔)는 쉽게 제거할 수 있어야 하지만, 또한 압출시키는 동안 탄탈 내로 쉽게 확산되지 않는 재료이어야 한다. 빌렛의 기능은 봉, 바아 등을 제자리에 고정시키는 것이고, 탄탈이 산화되는 것을 방지하는 것이다. 본 발명은 탄탈 (또는 기타 판상 금속) 및 보조 금속의 봉에 관하여 기재하고 있지만, 또한 다른 형태의 재료도 사용될 수 있다. 예를 들면, 용접 탄탈 봉 또는 판의 미리제작된 구조물 (또는 단조 구조물)을 제조하여 캔에 넣을 수 있다. 이어서, 갭을 판, 분말 또는 용융 형태의 보조 금속으로 충전시킬 수 있다. 보조 금속은 연성이어야 하고, 탄탈에 대해 기본적으로 불활성이어야 한다. 구리가 바람직하다. 캔을 탄탈 및 구리, 예를 들면 봉 주위에 놓고, 배기시키고, 용접하여 밀봉시켜 공기를 배출시킨다. 이어서, 이것을 고온 등압 압축 성형(HIP)시켜 단일형(unitary) 피스를 얻는다.

이 캔은 통상적으로 약 0.63 mm(0.025 인치) 두께이고, 통상적으로 원형인 HIP 프레스 형태이고, 프레스 캔 핸들의 길이와 동일한 길이를 갖는다. 구리캔의 경우에, 산소가 없는 구리를 사용하는 것이 중요하다. 산소는 구리에 대한 친화성 보다 탄탈에 대한 친화성이 더 크다. 일단 빌렛을 고온 등압 압축 성형시킨ㅎ, 이것을 통상의 방식으로 압출시킨다. 본 발명의 공정 중 중요한 부분은 어니일링이다(제11도 참조). 축소시키기 전에 원래 디자인된 구조물의 형태를 유지하는 것이 중요하다. 빌렛을 압출 또는 압연시켜 축소시킬 때마다, 직경은 75% 이하로 감소되는데, 압출된 재료는 한번 이상 어니일링시켜야 한다.

[실시예 1]

직경 2.54 mm(0.1 인치)의 구리봉 및 탄탈봉을 세척한 후 구리캔에 삽입시킨다. 적합성을 증가시키기 위하여 육각 봉을 사용하였다. 캔 안의 탄탈(검정 육각형) 및 구리(흰 육각형) 배열의 일례에 대해서는 제1도를 참조한다. 구리 뚜껑으로 캔을 덮고, 상부와 하부를 용접하여 밀봉시키고, 캔을 배기시킨다. 통상적인 방식으로 고온 등압 압축시켜 갭을 제거하였다. 이상적으로는 모든 개이 우선 봉으로 충전되지만, 형태, 굴곡 등에 약간의 차이가 있기 때문에 이것이 항상 가능한 것은 아니다. 일단 빌렛이 고온 등압 압축되면 약 700℃에서 통상의 방식으로 통상의 압출기를 통하여 압출시킨다. 직경(내경) 약 101.6 mm(4 인치)의 캔이 직경 44.45 mm(1.75 인치) 미만으로 압출된다. 이어서, 19.05 mm(0.75 인치) 미만으로 냉각 압연시키고, 최종적으로 직경 0.38 mm(0.015 인치) 미만으로 압연시키는 작업을 통상의 방식으로 두번 반복한다. 압연시키는 도중 패턴을 유지시켜서 비틀리지 않은 공극을 유지하는 것이 중요하다. 작업함에 따라 금속이 더 단단해지고 더 깨지기 쉽게 되어, 중가에 열처리 없이 내경을 101.6 mm(4 인치)에서 0.38 mm(0.015 인치)로 축소시킨다면 패턴은 붕괴될 것이다. 본 발명자들은 금속이 상이한 속도로 늘어나기 때문에, 단면적이 75% (또는 미만) 축소될 때마다 표준 어니일링 공정을 수행하는 것이 중요하다는 것을 알게 되었다. 통상, 900℃에서 2시간 동안의 어니일링 공정을 사용하였다. 이것은 금속의 응력을 감소시킨다. 또한, 본 발명자들은 강도를 부가하기 위하여 캔의 중심부를 구리로 충전시키는 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 이상적으로는, 표면적을 극대화시키기 위하여 다수의 암과 핀(fin)이 물품 내부에 설계되어야 하기 때문에, 상기 설명한 바와 같은 설계는 꽤 중요한 문제일 수 있다. 기계 취급을 위한 물품 강도를 유지하기 위하여 구리 침출은 될 수 있는 한 길게 지연시킨다.

[실시예 2]

실시예 1의 구리를 함유하는 탄탈 양극을 초음파 진동을 사용하여 규칙적으로 산 에칭시킴으로써 작은 공극에 있는 구리 제거를 보조하였다. 그러나, 바람직한 방법은 이 목적을 위해 고안된 전해질 제거 시스템을 사용하는 것이다. 음극으로서 작용하는 H₂SO₄200 g/l 및 CuSO₄40 g/l의 대향 구리판을 함유하는 물과 황산 중의 항산구리 용액에 양극을 침지시켰다. 양극에 매우 낮은 전압, 예를 들면 0.3 볼트 내지 0.4 볼트를 걸었을 경우, 구리는 양극으로부터 용액으로 검출되어 판뒷면에 침착되었다. 이것은 전기 침출법을 의미한다.

구리 제거를 포함하여 상기 실시예에 따라 양극 본체를 제조한 후, 표준 공업 공정을 사용함으로써 물 중의 인산 희석액에서 양극 산화시켰다. 이어서, 이들을 상이한 길이에서 커패시턴스를 시험하였다. 시험 결과는, 양극이 표준 양극과 같이 작용하지만 한 가지 중요한 예외점을 갖는데, 감응이 정상 감응이지만, 이와 같은 크기, 즉 이러한 소형의 양극에 있어서는 일반적인 것이 아님을 보여주었다. 시험 결과를 하기 표에 나타내었다. 여기서, 직경은 미크론, 길이는 밀리미터, 형성 전압은 볼트이고, 커패시턴스는 마이크로패럿이다.

표

본 발명에 따른 양극을 사용하여 극도의 소형화를 달성할 수 있는 것 이외에, 고주파에서의 성능, 예외적인 ESL 및 ESR, 확장된 고주파 성능 및 매우 높은 용량 효율이 본 발명의 기타 잇점들이다. 또한, 구조적 안정성 및 후속 커패시터 가공을 위한 취급의 용이성이 주요한 개선점이다.

Claims (31)

1. 두께가 조절된 판상 금속제 판들로 이루어진 단면을 갖고, 이 판들은 서로 예정되고 조절된 치수로 이격된 갭에 의해 분리되며, 판과 판 사이의 교점에서의 금속 접촉에 의해 또는 상기 단면 내의 선택된 지점에서의 판들의 판상 금속 상호 연결을 통해 전기적을 연속적이며, 구조적으로 안정하고, 비틀리지 않은 공극을 갖는, 특히 전극에 사용하기에 적합한 판상 금속 재료.
2. 제1항에 있어서, 재료 직경의 가장 큰 치수가 1.27 mm(0.05 인치) 미만인 것인 재료.
3. 제2항에 있어서, 가장 큰 치수가 0.38 mm(0.015 인치) 미만인 것인 재료.
4. 제1항에 있어서, 재료가 판상 금속 재료 사이의 갭을 또한 충전하는 압출가능한 보조 금속 내에 포장된 것인 재료.
5. 제4항에 있어서, 재료가 롤에 감겨진 것인 재료.
6. 제4항에 있어서, 보조 금속이 구리인 것인 재료.
7. 제6항에 있어서, 판상 금속이 탄탈인 것인 재료.
8. 제1항에 있어서, 노출된 판상 금속 표면 상에 두께 약 0.004 내지 약 0.85㎛의 판상 금속 산화물층을 더 함유하는 재료.
9. 제8항에 있어서, 이격된 갭이 전해질로 함침된 재료.
10. 제9항에 있어서, 재료 (1)이 전도체층 (2), 금속층 (3) 및 중합체층 (4)로 연속적으로 피복된 것인 함침된 재료.
11. 제10항에 있어서, 진도체 (2)가 탄소이고, 금속 (3)이 은, 탄탈, 니오븀, 또는 이들의 합금이고, 플라스틱 (4)가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 아크릴 중합체인 피복된 재료.
12. 빌렛캔을 연성 보조 금속의 존재 및 배열에 의해 생긴 갭에 의해 이격된 판상 금속의 미리배열된 패턴으로 판상 금속 및 연성 보조 금속으로 실질적으로 충전시키고, 상기 빌렛을 예정된 크기로 축소시키고, 상기 빌렛이 75% 이하로 축소된 후 1회 이상 어니일링시키는 것을 포함하는, 특히 전극에 사용하기에 적합한 판상 금속 물품의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서, 빌렛에 충전시키기 이전의 판상 금속 및 연성 보조 금속 중 적어도 하나가 봉, 시트, 단조(forgings), 분말 또는 이들의 조합된 형태인 방법.
14. 제12항에 있어서, 판상 금속 및 연성 보조 금속 중 적얻 하나가 봉 또는 시트 또는 이들의 조합된 형태인 방법.
15. 제12항에 있어서, 축소된 빌렛이 그의 길이를 따라 예정된 지점에서 절단되는 것인 방법.
16. 제12항에 있어서, 빌렛을 축소시킨 후 연성 보조 금속을 제거하는 것을 더 포함하는 방법.
17. 제12항에 있어서, 빌렛캔이 구리인 방법.
18. 제12항에 있어서, 연성 보조 금속이 구리인 방법.
19. 제12항에 있어서, 빌렛의 단면을 75% 이하 축소할 때마다 빌렛을 어니일링시키는 것을 포함하는 방법.
20. 제16항에 있어서, 연성 보조 금속이 전기적으로 인가된 전압에 의해 제거되는 것인 방법.
21. 제20항에 있어서, 사용된 전압이 0.3 내지 0.4 볼트인 방법.
22. 제12항에 있어서, 물품을 예정된 길이로 절다하고, 절단 단부로부터 물품의 길이를 따라 보조 금속의 일부를 제거하는 것을 포함하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 예정된 길이가 1 내지 6 mm인 방법.
24. 제16항에 있어서, 판상 금속 산화물층이 노출된 판상 금속 표면 상에 생성되는 것인 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 층이 약 2 내지 500 볼트의 전압을 사용하여 전기적으로 형성되는 것인 방법.
26. 제12항에 있어서, 예정된 크기가 1.27 mm(0.05 인치) 미만의 두께를 포함하는 것인 방법.
27. 제12항에 있어서, 예정된 크기가 0.38 mm(0.015 인치) 미만의 두께를 포함하는 것인 방법.
28. 제16항에 있어서, 이격된 갭이 전해질로 함참된 것인 방법.
29. 제28항에 있어서, 함침된 판상 금속 (1)이 전도체층 (2), 금속층 (3) 및 중합체층 (4)로 연속적으로 피복된 것인 방법.
30. 제29항에 있어서, 전도체 (2)가 탄소이고, 금속 (3)이 은, 탄탈, 니오븀 또는 이들의 합금이고, 플라스틱 (4)가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 아크릴 중합체인 방법.
31. 제12항에 있어서, 축소된 물품을 절단하고, 절단된 조각들을 빌렛 캔에 조립하여 실질적으로 캔을 충전하고, 축소 공정을 반복하여 다수의 판상 금속 물품을 생산하는 방법.