KR100337948B1 - 기능성 고분자 탄탈 전해질 조성물을 이용한 탄탈 고체전해콘덴서의 제조방법 - Google Patents

기능성 고분자 탄탈 전해질 조성물을 이용한 탄탈 고체전해콘덴서의 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄탈륨(Ta)분말에 탄탈륨선을 삽입하여 프레스로 가압 성형한 다음, 고온(1800℃), 고진공(10-6torr)하에서 소결하고 전기화학적으로 양극 산화시켜서 산화탄탈륨(Ta2O5) 유전체 피막을 형성하여 제조된 탄탈륨 캐패시터 소결체에 고체전해질로 이산화망간 대신 높은 전기전도도의 전도성 고분자 용액을 함침하여 기능성 고분자 고체 전해 탄탈륨 캐패시터를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 높은 전기전도도를 갖는 폴리아닐린(Polyaniline)용액에 탄탈 소결체를 양극산화시킨 산화탄탈륨(Ta2O5) 전해 캐패시터 소자를 침적시켜 폴리아닐린을 함침한 후, 일정한 온도로 유지되는 건조로에서 건조하여 용매가 완전히 제거 되도록 한다. 이때, 함침은 상온 상압 뿐만 아니라, 상온감압, 고온상압, 고온 감압하에서도 우수한 함침특성을 나타낸다. 건조 처리되어 전도성 고분자 고체전해질층이 형성된 소자의 고체전해질층에 카본 전극층을 침지(Dipping)에 의해 형성한 후 건조하고, 또한 카본 전극층위에 은(Ag) 전극층을 동일한 침지방법으로 형성한 후 건조하였다. 전극층을 도포완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 수지로 몰딩하여 기능성 고분자 탄탈 고체전해 캐패시터를 제조할 수 있다.

Description

기능성 고분자 탄탈 전해질 조성물을 이용한 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법{Method of producing a tantalum solid electrolytic capacitor by using a functional polymer tantalum electrolytic composition}
본 발명은 고체 전해질로써 이산화망간(MnO2)층 대신에 대기중에서 안정하고 전기전도도가 높으며 합성이 용이하고 일반적인 유기용제에 용해성이 우수한 폴리아닐린을 합성하여 기능성 고분자 조성의 전해질 용액을 제조하여 사용하고 탄탈소결체를 양극산화시킨 산화탄탈륨 소자를 사용함으로써, 고주파 영역에서 전기적 특성이 우수한 고성능, 고신뢰성의 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄탈 고체 전해 콘덴서는 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta) 등의 금속 전극 표면상에 화성처리 공정을 거쳐서 산화 피막을 생성시켜 유전체층을 형성하고, 여기에 고체 전해질을 부착하여 흑연, 은 등의 도전층을 형성한 후 음극을 도출한 것으로 구성되어져 있다. 이러한 종류의 콘덴서는 고체 전해질로서 이산화망간, 산화납 등의 금속산화물이나 유기반도체의 TCNQ착염, 도전성 고분자의 폴리피롤 등이 사용되고 있다.
그런데, 상기 이산화망간은 일반적으로 탄탈륨(Ta) 전해 콘덴서에 사용되어지고 있지만, 이산화망간 고체전해질을 형성하기 위해서는, 탄탈소자를 초산망간 용액에 침전한 후 가열 분해 처리를 하여 이산화망간 고체전해질을 형성하는 방법하는 방법을 이용해야하기 때문에 이 방법에 의한 가열 분해 처리시 유전체인 산화 탄탈륨 피막을 손상시키고, 이로인해 용량저하 및 내압 저하를 초래하며, 공정이 복잡하고 그 조건이 까다롭다는 단점이 있다.
한편, 내열성이 있고, 도전성도 양호한 기능성 고분자인 폴리피롤(Polypyrrole)이 사용되고 있지만, 1차로 화학적인 중합에 의해 산화탄탈륨 피막에 폴리피롤층을 형성하고 전기전도도를 향상시키기 위해 2차적으로 전해중합에 의해 화학중합 폴리피롤층 위에 다시 폴리피롤층을 형성해야하기 때문에 공정이 매우 복잡하고 그 조건 또한 매우 까다롭다는 단점이 있으며, 산화탄탈륨피막의미세기공(micro pore)속으로 폴리피롤이 침투해 들어가는 것이 어렵기 때문에 고체전해질의 함침율이 낮아 우수한 전기적 특성을 기대하기는 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래부터 사용했던 탄탈소결체를 양극산화시킨 산화탄탈 소자에 도전성 고분자를 고체전해질로 함침하여 용량이 높고 고주파 대역에서 손실(tanδ), ESR 및 임피던스가 낮은 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서를 제조하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서를 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 탄탈 고체 전해콘덴서 12 : 양극 리드단자
13 : 음극 리드단자 14 : 탄탈 소결체
15 : 산화탄탈륨(Ta2O5) 16 : 전도성 고분자 고체전해질
17 : 카본(carbon) 전극층 18 : 은(Ag) 전극층
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
탄탈륨분말에 탄탈륨선을 삽입하여 프레스로 가압 성형한 다음, 1,800℃의 온도와 10-6torr의 진공하에서 소결하고 전기화학적으로 양극산화시켜서 산화탄탈륨 유전체 피막을 형성함으로써 탄탈캐패시터 소자를 만드는 단계(S1);
제 1의 용매와 제 2의 용매를 1:1의 몰비로 혼합하고 여기에 0.2∼0.6wt%의 계면활성제를 첨가하여 용해시킨 후 폴리아닐린 Emeraldine base 분말(1.0∼5.0wt%)과 도판트(dopant)를 1:2∼3의 몰비로 혼합하여 로드 밀(rod mill)이나 볼 밀(ball mill)로 잘 분쇄하여 상기 계면활성제가 용해된 혼합용매에 첨가하면서 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시킴으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액을 제조하는 단계(S2); 그리고
상기 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액에 상기 탄탈 캐패시터소자를 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일 속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 전도성 고분자 고체전해질층에 카본(carbon) 전극층을 침지에 의해 도포한 후 건조하고, 상기 카본 전극층 위에 은(Ag) 전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하며, 전극층을 도포 완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시 또는 우레탄 수지로 사출 성형하여 밀봉 경화시키는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
탄탈륨 분말에 탄탈륨선을 삽입하여 성형한 다음 1,800℃의 온도와 10-6torr의 진공하에서 소결하고 전기화학적으로 양극산화시켜서 산화탄탈륨 유전체 피막을 형성함으로써 탄탈캐패시터 소자를 만드는 단계(S1);
폴리아닐린 Emeraldine base 분말과 dodecylbenzenesulfonic acid를 1:4∼5의 몰비로 무게를 칭량하여 로드 밀(rod mill)이나 쓰리 롤 밀(3 roll mill)로 분쇄하고, 분쇄된 페이스트(paste) 형태의 용액을 69∼91wt%의 제 1 용매에 2.0∼20.0wt% 첨가하여 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시키고, 용액의 휘발도를 낮추기 위하여 상기 제 1 용매의 10wt%에 해당되는 양만큼의 제 2 용매를 첨가하여 예비 함침 및 코팅액을 제조하는 단계(S2);
상기 예비 함침 및 코팅액에 상기 산화탄탈륨 캐패시터 소자를0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일 속도로 끌어올려 50∼100℃에서 10초∼5분동안 건조 오븐에서 건조시키는 단계(S3);
제 3 용매와 제 4 용매를 1:1의 몰비로 혼합하고 여기에 0.2∼0.6wt%의 계면활성제를 첨가하여 용해시킨 후 폴리아닐린 Emeraldine base 분말(1.0∼5.0wt%)과 도판트(dopant)를 1:2∼3의 몰비로 혼합하여 로드 밀(rod mill)이나 볼 밀(ball mill)로 잘 분쇄하여 첨가하면서 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시킴으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액을 제조하는 단계(S4); 그리고
상기 단계(S3)에서 예비 함침 및 코팅된 산화탄탈륨 캐패시터소자를 상기 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액에 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일 속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 전도성 고분자 고체전해질층에 카본 전극층을 침지에 의해 도포한 후 건조하고, 상기 카본 전극층 위에 은(Ag) 전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하며, 전극층을 도포 완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시, 우레탄, 수지로 사출 성형하여 밀봉 경화시키는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법을 제공한다.
이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 탄탈륨분말에 탄탈륨선을 삽입하여 성형한 다음 고온(1,800℃), 고진공(10-6torr)에서 소결하고 전기화학적으로 양극산화시켜 산화탄탈륨 유전체 피막을 형성함으로써 탄탈캐패시터 소자를 만들고, 상온 상압하에서 전도성 고분자 고체 전해질 용액에 상기 탄탈캐패시터소자를 단순히 침적함으로써, 높은 함침율을 갖도록 고체 전해질층을 형성시킬 수 있기 때문에, 종래의 방법에 따라 제조된 탄탈 고체 전해콘덴서에 비해서 공정이 간단하고, 그 조건이 단순하며, 함침이 용이하다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 기능성 고분자 탄탈 고체전해 콘덴서는 누설전류 특성이 우수하며 정전용량이 매우 크고, 고주파대역에서 ESR 및 임피던스 값이 낮은 우수한 전기적 특성을 갖는다.
종래의 폴리피롤 등 도전성 고분자의 함침 방법에서는 절연체로서 유전체 산화 피막상에 화학 및 전해 중합의 반복함침에 의해 전해질을 생성시키기 때문에, 핵 피막에 미리 도전성 고분자막과 이산화망간 등을 예비 코팅(Precoating)시켜서 핵 예비코팅막을 형성한 후 전해 중합을 수행한다.
그런데, 이러한 방식은 전극이 얇은 평판일 때는 양호하지만 미세기공(micro-pore)을 많이 갖는 다공성 구조의 소자 일 때는 산화피막 상에 Precoater를 균일하게 생성시키기가 불가능하고 그 후의 전해 중합도 매우 불균일하므로, 제품특성과 신뢰성이 불량하고, 제조공정의 전도성 고분자 중합에 있어서도 여러 단계를 거쳐야 하며, 공정단계의 조건 제어에도 많은 어려움이 따른다.
한편, Precoater의 대표적인 예로서는 피롤의 산화중합이 있다. 이것은 피롤을 산화제에 의해 중합하는 것이다. 산화중합은 피롤과 산화제를 녹인 용액 중에서 이루어지지만, 피롤, 산화제의 농도분포의 차이가 중합도에 크게 영향을 주고, 중합이 이루어지는 표면 부근은 언제나 일정조건을 유지하지 않으면 안된다. 따라서,얇은 평판전극의 경우에는 피롤과 산화제를 충분히 공급시켜서 일정조건으로 제어하기가 쉽지만, 미세기공을 많이 갖는 다공성 구조의 소자에서는 산화중합 시에 소자내부의 미세기공까지 피롤과 산화제의 공급이 불충분하고 산화중합시 피롤중합에 큰 편차가 생기게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 함침이 용이한 고체 전해질로써 기능성 고분자 조성의 용액을 제조하여 사용하고 산화탄탈륨 피막이 형성된 탄탈캐패시터 소자를 사용하여 전기적 특성이 우수한 고성능 고신뢰성의 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서를 제조하려는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 고체전해질로서 전도성이 높고, 대기안정성이 우수하며 함침이 매우 양호한 폴리아닐린 용액을 제조하여 사용한다. 본 발명에서 얻어진 폴리아닐린 용액을 고체전해질로 사용하면, 피롤 등으로 화학중합 및 전해중합을 하는 것 보다 탄탈캐패시터 소자의 산화탄탈륨 유전체 피막 미세기공 내부까지 폴리아닐린 용액이 침투해 들어가 함침됨으로써, 제반 전기적 특성 및 신뢰성이 우수하다. 또한, 본 발명의 기능성 폴리머는 폴리피롤 고분자에 비해 가격이 매우 저렴하며 제조공정 및 공정조건 또한 매우 단순해진다.
본 발명에서는 먼저 산화중합으로 합성된 폴리아닐린 Emeraldine base 분말(1.0∼5.0wt%)을 도판트(dopant)로 사용된 Camphorsulfonic acid(CSA)와 1:2∼3 몰비로 혼합하여 로드 밀(rod mill)로 잘 분쇄하고,트리플루오르아세트산(Trifluoroacetic acid)(CF3COOH) 47wt%와 m-cresol 47wt%가 혼합된 용매 내에 6wt%의 폴리아닐린 분말과 CSA가 혼합된 분말을 첨가하면서 자석교반기(Magnetic stirrer)로 교반하여 용해시켜서 전도성 폴리아닐린 용액을 제조한다.
이렇게 제조된 폴리아닐린 용액에, 산화탄탈륨 유전체 피막이 형성된 탄탈캐패시터 소자를 탄탈륨 리드단자(lead wire)와 탄탈륨 소결체의 부착점까지 침적함으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질을 함침시킨다. 함침후 용매를 완전히 건조시키기 위해서 100℃, 70∼76cmHg 감압으로 유지되는 진공건조기(Vacuum Drying Oven)내에서 5∼10분간 감압 열처리하여 건조함으로써 고체 전해질을 형성한다.
본 발명에 의하여 종래에 폴리피롤 및 아닐린의 고체 전해질 층을 형성하기 위해 행하던 화학중합 및 전해중합을 반복해야 하는 공정상의 복잡함이 제거 되었다. 또한, 화학 중합 및 전해 중합에 의해서는 탄탈캐패시터 소자의 산화탄탄륨 유전체 피막 미세기공 내부까지 균일하게 함침되는 것이 불가능하여 제반 전기적 특성 및 신뢰성이 불량하였으나, 본 발명의 전도성 고분자 용액이 갖는 낮은 표면장력, 낮은 점도 및 우수한 유동 특성에 의해 소자 침적시 상온 상압하에서도 모세관 현상 및 확산효과 의한 함침이 용이하게 탄탈캐패시터 소자의 산화탄탈륨 유전체 피막 미세기공 내부로 일어남으로써 균일한 고체 전해질 층이 형성된다. 따라서, 종래의 방법에 의해 제조된 제품에 비해 용량이 크고, 고주파대역에서 임피던스 및 ESR, 손실값 등이 낮은 장점을 가지고 있다.
또한, 폴리피롤을 사용하여 함침을 행하는 방법은 산화중합 및 전해중합을반복하여 고체 전해질층을 형성해야 하기 때문에 공정이 복잡하고 공정조건제어가 까다롭고, 폴리피롤의 가격이 폴리아닐린에 비해 매우 비싸고, 공정단가 또한 비싸다는 단점이 존재하나, 본 발명의 폴리아닐린 전해질 용액은 작업방법 및 조건이 매우 간단하고, 용이하며 그 가격 또한 폴리피롤에 비해 약로 매우 저렴하다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서를 나타낸 도면이다.
도 1에서, 참조부호 12는 양극단자, 13은 음극단자, 14는 탄탈소결체, 15는 산화탄탈륨, 16은 전도성 고분자 고체전해질, 17은 카본(carbon) 전극층, 18은 은(Ag)전극층을 나타내고, 도 2에서 19는 소자 침적 위치이며, 10은 콘덴서 소자를 나타낸다.
실시예
이하에서 본 발명의 구체적 실시예에 대해서 서술하면, 탄탈륨 분말에 탄탈륨선을 삽입하여 프레스로 가압 성형한 다음, 고온 고진공(1800℃, 10-6torr)에서 소결하고, 탄탈소결체를 전기화학적으로 양극산화시켜서 산화탄탈륨 유전체 피막층을 형성하여 제조된 탄탈 캐패시터 소자를 만들었다. 이 탄탈캐패시터 소자를 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액에 침적시켜 함침한다.
① 제 1 실시예
전도성 고분자 고체전해질 용액 조성물을 만들기 위하여, 먼저 용매로 사용되는 Trifluoroacetic acid(CF3COOH) 42.5∼48.5wt%와 m-cresol 42.5∼48.5wt%를혼합하여 사용하거나 Trifluoroacetic acid(CF3COOH) 20.0∼30.0wt%와 Trifluoroethanol(CF3CH2OH) 55.0∼75.0wt%를 혼합하여 사용한다. 이때, Trifluoroacetic acid의 대체용매로는 Formic acid나 Acetic acid가 사용될 수 있고, m-cresol의 대체용매로는 p-cresol이나 NMP가 사용될 수 있다.
상기에 제조된 혼합용매에 계면활성제로 Dioctyl sulfo succinate sodium salt 0.2∼0.6wt%를 첨가하여 용해시킨다.
다음에는, 폴리아닐린 Emeraldine base 분말(1.0∼5.0wt%)과 도판트(dopant)인 Camphorsulfonic acid(CSA)를 1:2∼3의 몰비로 혼합하여 밀링장치인 로드 밀(rod mill)이나 볼 밀(ball mill)로 잘 분쇄한 후 계면활성제가 용해된 용매에 첨가하면서 용해장치인 호모믹서(Homo mixer), 자석 교반기(Magnetic Stirrer), Attritor, 또는 유화기(Emulsifier)로 교반하여 용해시킴으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질용액을 제조한다. 이때, 상기 도판트 CSA의 대체물질로는 Boric acid, Succinic acid 또는 Ethylene carbonate, adipic acid 등을 들 수 있고, 상기 계면활성제 Dioctyl sulfo succinate sodium salt의 대체물질로는 Phosphate ester계 음이온 계면활성제, 3-(Trimethoxysilyl) propyl methacrylate 또는 3-Aminopropyl triethoxysilane 등을 들 수 있다.
이렇게 제조된 전도성 폴리아닐린 고체 전해질용액에 산화탄탈륨 캐패시터 소자를 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 침적시와 동일 속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 전도성 고분자 고체전해질층에 카본층을 침지(Dipping)에 의해 포도한 후 건조하고, 또한 카본 전극층위에 은(Ag)전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하였다. 전극층을 도포 완료한 소자에 음극 단자를 인출한 후 PE, PP, PET, 에폭시, 또는 우레탄 수지로 사출 성형 경화하여 기능성 고분자 탄탈 고체 전해 콘덴서를 제조한다.
② 제 2 실시예
먼저 예비 함침 및 코팅액을 제조하기 위하여, 폴리아닐린 Emeraldine base 분말(1.0∼5.0wt%)과 dodecylbenzenesulfonic acid를 1:4∼5의 몰비로 무게를 칭량하여 밀링장치인 로드 밀(rod mill), 쓰리 롤 밀(3 roll mill)로 혼합,분쇄한다. 분쇄된 페이스트(paste) 형태의 고점도 용액을 69∼91wt%의 크로로포롬(CHCl3) 용매에 2.0∼20.0wt% 첨가하여 용해장치인 호모믹서(Homo mixer), 자석 교반기(Magnetic Stirrer), Attritor, 또는 유화기(Emulsifier)로 교반하여 용해시키고, 용액의 휘발도를 낮추기 위하여 상기 크로로포롬 용매의 10wt%에 해당되는 양만큼의 에틸렌글리콜 모노부틸 에테르(Ethyleneglycol monobutyl ether)를 첨가하여 예비 코팅액을 제조한다.
이때, 상기 크로로포롬의 대체물질로는 Acetonitrile, n-Butyl alcohol, Tetrahydro furfuryl alcohol, iso-propyl alcohol, CCl4, MEK, MIBK, Cyclohexanone, propylene carbonate, sulfolane, acetic acid ethyl ester, acetic acid butyl ester, Iso-butyl alcohol, Diacetone alcohol이 사용될 수 있고, 상기 에틸렌글리콜 모노부틸 에테르의 대체물질로는 ethylene glycolmonoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate가 사용될 수 있다.
이렇게 제조된 예비 함침 및 코팅액에 산화탄탈륨 유전체 피막이 형성된 탄탈륨 캐패시터 소자를 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 침적시와 동일 속도로 끌어올려 50∼100℃에서 10초∼5분동안 건조 오븐에서 건조시킨다.
다음에는, 예비 함침 및 코팅된 탄탈륨 캐패시터 소자를 상기 실시예 1에서 사용된 상기 전도성 고분자 고체 전해질용액에 상기 실시예 1에서와 동일한 방법 및 조건으로 2차 침적하여 고체 전해질을 함침시킨다.
즉, 예비 함침 및 코팅된 탄탈륨 캐패시터 소자를 상기 실시예 1에서 제조된 상기 전도성 폴리아닐린 고체 전해질용액에 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 침적시와 동일 속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 고체전해질층에 카본층을 침지에 의해 도포한 후 건조하고, 또한 카본 전극층 위에 은(Ag)전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하였다. 전극층을 도포완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 PE,PP, PET, 에폭시 또는 우레탄 수지로 사출 성형, 경화하여 기능성 고분자 탄탈 고체 전해 콘덴서를 제조한다.
비교예 1
산화탄탈륨 유전체 피막이 형성된 타탈륨 캐패시터 소자를 피롤 모노머 용액과 Ammonium peroxy disulfate[(NH4)2S2O8] 용액에 교대로 침적시켜 산화중합함으로써 폴리피롤의 precoating층을 형성시켰다. 그 후 전해중합은 피롤 0.05mol, p-toluene sulfonic acid 0.025mol, tri-n-butyl amine을 아세토니트릴 (Acetonitrile)류에 용해시킨 용액 중에 2㎃/㎠으로 1시간 전해중합을 하였다. 다음으로 세정건조를 간단히 수행한 다음 전도성 고분자 고체전해질층에 카본 전극층을 침지에 의해 도포한 후 건조하고, 또한 카본 전극층위에 은(Ag)전극층을 동일한침지방법으로 도포한 후 건조하였다. 전극층을 도포 완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 에폭시 수지로 사출성형, 경화하여 탄탈 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
결과 및 고찰
하기표1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들을 종래기술에 따른 비교예와 비교해 보면, 본 발명에 따라 제조된 탄탈 고체 전해 콘덴서가 함침율을 나타내는 tanδ, ESR 및 누설전류 특성이 우수하며, 정전용량 또한 우수한 값을 갖는 다는 것을 알 수 있다.
표 1
정전용량(㎌) tanδ 100㎑ ESR(Ω) 누설전류(㎂)
실시예1 22.92 0.022 0.105 0.062
실시예2 23.32 0.021 0.106 0.056
비교예1 21.30 0.025 0.114 0.104
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 기능성 고분자 탄탈 고체 전해 콘덴서는 종래 기술에 따라 제조된 탄탈 고체 전해 콘덴서에 비해서 함침이 용이하고 함침율이 높다. 또한, 누설전류 특성이 우수하고 정전용량 또한 매우 크다. 게다가, 상온 상압하에서 전도성 고분자 용액에 탄탈륨 캐패시터 소자를 단순히 침적함으로써 높은 함침율을 갖도록 전도성 고분자 고체 전해질층을 형성시킬수 있기 때문에, 종래의 방법에 비해 공정이 단순하고 공정 조건도 매우 간단해진다. 따라서, 제품의 신뢰성 및 제반 전기적특성을 향상시킬 수 있고, 전도성 고분자 용액의 단가가 매우 저렴하기 때문에 제품의 제조단가를 크게 절감시킬 수 있어서 그 실용적, 산업적 가치가 매우크다.
이와같은 장점을 갖는 본 발명의 기능성 고분자 탄탈 고체 전해 콘덴서는 긴수명을 갖는 캐패시터로서, 통신기기, 계측기, 컴퓨터, 가전기기, 음향기기, 사진기 등의 전기 전자기기에 트랜지스터 응용회로 및 바이패스(by-pass) 회로, 시정수회로, 전원 평활용, 노이즈 제거용 및 고주파 저 ESR 값, 저 손실값이 요구되는 분야에 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 탄탈륨 분말에 탄탈륨선을 삽입하여 프레스로 가압 성형한 다음, 1,800℃의 온도와 10-6torr의 진공하에서 소결하고, 전기화학적으로 양극산화시켜서 산화탄탈륨 유전체 피막을 형성함으로써 탄탈륨 캐패시터 소자를 만드는 단계(S1);
    제 1의 용매와 제 2의 용매를 1:1의 몰비로 혼합한후 여기에 0.2∼0.6wt%의 계면활성제를 첨가하여 용해시키고, 폴리아닐린 Emeraldine base 분말과 도판트(dopant)를 1:2∼3의 몰비로 혼합하여 로드 밀(rod mill)이나 볼 밀(ball mill)로 잘 분쇄하여 상기 계면활성제가 용해된 혼합용매에 첨가하면서 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시킴으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액을 제조하는 단계(S2); 그리고
    상기 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액에 상기 탄탈륨 캐패시터 소자를 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일 속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 전도성 고분자 고체 전해질층에 카본(carbon) 전극층을 침지(dipping)에 의해 도포한 후 건조하고, 또한 상기 카본 전극층 위에 은(Ag) 전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하며, 전극층을 도포 완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시 또는 우레탄 수지로 사출 성형하여 밀봉 경화시키는 단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1의 용매가 Trifluoroacetic acid(CF3COOH), Trifluoroethanol(CF3CH2OH), Formic acid 또는 Acetic acid로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2의 용매가 m-cresol, p-cresol 또는 NMP로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 도판트가 Camphorsulfonic acid(CSA), Boric acid, Succinic acid 또는 Ethylene carbonate, Adipic acid(HCOO(CH2)4OOCH)로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 계면활성제가 Dioctyl sulfo succinate sodium salt, Phosphate ester계 음이온 계면활성제, 3-(Trimethoxysilyl) propyl methacrylate 또는 3-Aminopropyl triethoxysilane로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  6. 탄탈륨 분말에 탄탈륨선을 삽입하여 프레스로 가압 성형한 다음, 1,800℃의온도와 10-6torr의 진공하에서 소결하고, 전기화학적으로 양극산화시켜 산화탄탈륨 유전체 피막을 형성함으로써 탄탈륨 캐패시터 소자를 만드는 단계(S1);
    폴리아닐린 Emeraldine base 분말과 dodecylbenzenesulfonic acid를 1:4∼5의 몰비로 무게를 칭량하여 로드 밀(rod mill)이나 쓰리 롤 밀(3 roll mill)로 분쇄하고, 분쇄된 페이스트(paste) 형태의 용액을 69∼91wt%의 제 1 용매에 2.0∼20.0wt%를 첨가하여 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시키고, 용액의 휘발도를 낮추기 위하여 상기 제 1 용매의 10wt%에 해당되는 양만큼의 제 2 용매를 첨가하여 예비 함침 및 코팅액을 제조하는 단계(S2);
    상기 예비 함침 및 코팅액에 상기 탄탈륨 캐패시터 소자를 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일 속도로 끌어올려 50∼100℃에서 10초∼5분동안 건조 오븐에서 건조시키는 단계(S3);
    제 3 용매와 제 4 용매를 1:1의 몰비로 혼합하고 여기에 0.2∼0.6wt%의 계면활성제를 첨가하여 용해시키고, 폴리아닐린 Emeraldine base 분말과 도판트(dopant)를 1:2∼3의 몰비로 혼합하여 로드 밀(rod mill)이나 볼 밀(ball mill)로 잘 분쇄하여 계면활성제가 용해된 혼합용매에 첨가하면서 용해장치를 사용하여 교반 및 용해시킴으로써 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액을 제조하는 단계(S4); 그리고
    상기 단계(S3)에서 예비 함침 및 코팅된 탄탈륨 캐패시터 소자를 상기 전도성 폴리아닐린 고체 전해질 용액에 0.5∼10㎜/sec 속도로 침적시킨 후 이와 동일속도로 끌어올려 80∼150℃에서 5∼30분 동안 건조 오븐에서 건조시키고, 함침액이 완전 건조되어 형성된 전도성 고분자 고체전해질층에 카본 전극층을 침지에 의해 도포한 후 건조하고, 상기 카본 전극층위에 은(Ag) 전극층을 동일한 침지방법으로 도포한 후 건조하며, 전극층을 도포완료한 소자에 음극단자를 인출한 후 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에폭시 또는 우레탄 수지로 사출 성형하여 밀봉 경화시키는 단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 용매는, 크로로포롬, Acetonitrile, n-Butyl alcohol, Tetrahydro furfuryl alcohol, iso-propyl alcohol, CCl4, MEK, MIBK, Cyclohexanone, propylene carbonate, sulfolane, acetic acid ethyl ester, acetic acid butyl ester, Iso-butyl alcohol 및 Diacetone alcohol로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체전해 콘덴서의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 용매는, 에틸렌글리콜 모노부틸 에테르, ethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, diethylene glycol monobutyl ether acetate, ethylene glycol monoethyl etheracetate 및 ethylene glycol monobutyl ether acetate로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제 3 용매가 Trifluoroacetic acid(CF3COOH), Trifluoroethanol(CF3CH2OH), Formic acid 또는 Acetic acid으로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 제 4 용매가 m-cresol, p-cresol 또는 NMP로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 도판트가 Camphorsulfonic acid(CSA), Boric acid, Succinic acid 또는 Ethylene carbonate, Adipic acid[HCOO(CH2)4OOCH]로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 계면활성제가 Dioctyl sulfo succinate sodium salt, Phosphate ester계 음이온 계면활성제, 3-(Trimethoxysilyl) propyl methacrylate 또는 3-Aminopropyl triethoxysilane로 이루어진 것을 특징으로 하는 기능성 고분자 탄탈 고체 전해콘덴서의 제조방법.
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