KR100356393B1

KR100356393B1 - 콘덴서

Info

Publication number: KR100356393B1
Application number: KR1019990038342A
Authority: KR
Inventors: 강효랑; 홍진영; 장석균; 김선욱
Original assignee: (주) 네스
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2002-10-19
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: KR20010026853A

Abstract

고에너지 밀도를 갖는 콘덴서가 개시되고 있다. 상기 콘덴서는 활성탄으로 코팅된 금속으로 이루어진 음극박을 사용함으로써 음극박의 용량의 한계를 증가시킴과 동시에 이의 장점을 최대한 살리기 위하여 에칭 처리와 화성 처리를 한 금속박을 양극으로 사용하고 EDLC용 전해질을 사용하는 것에 의해 전체 용량을 증가시키고 있다. 또한, 음극박의 용량을 증가시킴에 따라 전체 셀 사이즈를 줄일 수 있어서 단위 부피당 에너지 밀도가 크게 증가된다.

Description

콘덴서{Condenser}

본 발명은 콘덴서에 관한 것으로서, 상세하게는 고에너지 밀도를 갖는 새로운 콘덴서에 관한 것이다.

콘덴서는 일반적으로 두 개의 전자전도성 전극과 그 사이에 유전체가 들어가 있는 구조를 가지며 이 두 전극간에 전압을 인가하면 전압에 비례하여 전하가 다음 식 (1)과 같이 축적되는 에너지 저장 시스템이다.

Q = CV(coulomb) --- (1)

상기식 (1)에서, Q는 전하량, C는 정전 용량(capacitance; 단위 F)이고, V는 인가 전압을 의미한다. 상기 정전 용량 C는 다음식 (2)로 표현된다.

C = 8.854 x 10^-14x ε x S/d --- (2)

상기식 (2)에서, ε은 유전 상수, S는 전극의 면적(cm²), d는 전극간의 거리(cm)를 의미한다. 상기식 (2)에 의하면 전극 면적 S를 크게 하고 전극간 거리 d를 작게 하면 용량이 커진다는 것을 알 수 있다.

많이 사용되는 전해 콘덴서 중에서 알루미늄 전해 콘덴서를 예로하여 설명하기로 한다. 이는 소자 본체(소자, 산화알루미늄 피막을 갖는 알루미늄 양극박, 전해지, 에칭 처리된 알루미늄 음극박을 권취한 것에 전해액을 함침한 것), 양극박과 음극박에서 인출한 단자와 이것을 봉입한 봉구재 및 케이스 등으로 구성되어 있다. 이러한 콘덴서에서, 원리적으로 두 전극은 도체이면 무엇이든 상관없고, 유전체도 절연성이 좋으면 무엇이든지 상관없으며 극성은 없다. 실제로 양극 산화에 의하여 금속의 표면에 형성되는 산화 피막이 유전체의 역할을 하게 된다. 널리 사용되는 양극으로는, 전해액 중에서 양극을 산화할 때 그 표면에 조밀하게 산화 피막을 형성하는 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 네오븀(Nb), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 등의 밸브 메탈(valve metal)이 주로 사용되며 현재 실용화되고 있는 금속은 알루미늄과 탄탈륨이다.

산화 피막이 형성된 전극이 양극으로 되었을 때만 전기 절연성을 나타내고 유전체의 기능을 하므로 전해 콘덴서는 원리상으로는 극성을 가진다. 이 때, 음극은 액체 또는 고체 전해질이 정전 용량을 나타내는 역할을 한다. 알루미늄 산화 피막의 유전율은 8 - 10 으로서, 다른 콘덴서와 비교해 볼 때 큰 값은 아니다. 그러나 음극박인 알루미늄박의 표면을 에칭 처리함으로써 표면적을 확대할 수 있고, 양극박에는 전기 화학적 처리로써 내전압이 높고 두께가 얇은 산화 피막을 형성할 수 있기 때문에 다른 콘덴서에 비하여 단위 면적당 큰 값의 전하량을 얻을 수 있다.

이러한 전해 콘덴서의 장점으로는 소형이며 대용량을 얻을 수 있다는 것으로서 이것은 음극으로 사용하고 있는 알루미늄박을 에칭 처리하여 표면적을 확대시킬 수 있고 양극에 도입되는 유전체의 두께가 15 Å/V로서 매우 얇기 때문에 가능하다. 그러나 알루미늄 전해 콘덴서 외에 다른 콘덴서 즉, 종이, 탄탈륨, 필름 콘덴서 등과 비교했을 때 전기적 특성 면에서 결점도 가지고 있는데 이러한 결점들은 다음과 같다.

(1) 손실이 크다; 전해액의 내부 저항에 기인하는 것으로서 보통 등가직렬저항(ESR; equivalent series resistance) 값으로 취급되며 이 값이 크다는 의미이다.

(2) 정전 용량 허용차(capacitance tolerance)가 크다; 전극을 에칭함에 따라 발생되는 것으로서 현재는 매우 축소되어 있다.

(3) 누설 전류(current leakage)가 크다; 유전체인 산화 피막의 본질적인 절연성 문제에 기인한다.

(4) 장기간 방치시 누설 전류의 증가가 크다; 전해액과 유전체가 항상 접하고 있기 때문에 전해액과 유전체와의 상호 작용에 의해 피막이 서서히 열화 되어 내압성이 떨어지기 때문에 일어나며 온도, 사용 주파수 등과 같은 주위의 사용 조건에 의한 특성 값의 변화가 다른 콘덴서에 비해 크므로 이 점도 고려한 후 사용해야 된다.

(5) 액체 전해질을 사용하기 때문에 누액의 문제가 있다.

(6) 원통형으로만 제조가 용이하다.

(7) 음극박의 용량의 한계로 인해 전체 용량을 늘리는데 한계가 있다.

종래의 알루미늄 전해 콘덴서의 경우, 양극에는 화성박을 이용하고 음극은 표면적을 키우기 위하여 에칭한 구조를 갖는데, 이러한 구조로는 그 용량을 늘리는데 한계가 있다. 다시 말하면, 전체 용량은 양극에 의하여 결정되는데 저압용의 경우 음극의 용량이 양극의 용량보다 5배 이상이 되지 않으므로 실제 양극의 용량을 모두 사용하지 못하고 80% 내외의 용량만을 사용하게 되는 것이다.

이러한 전해 콘덴서의 구조를 좀 더 상세하게 살펴보기로 한다.

전해 콘덴서는 기본적으로 두 개의 콘덴서가 직렬로 연결되어 있는 시스템으로서, 음극박과 전해질 사이의 전기이중층 콘덴서와 양극박의 산화알루미늄(Al₂O₃)을 유전체로 하고 양극 포일(foil)과 전해질로 이루어지는 콘덴서의 두 개가 연결되어 있다. 도 1에 이러한 전해 콘덴서의 구조를 간략하게 나타내었다. 이는 전기이중층 콘덴서인 음극 콘덴서(10), 양극박의 산화알루미늄을 유전체로 하고 양극 포일과 전해질로 이루어지는 양극 콘덴서(20) 및 이들의 사이에 개재되는 격리막 및 전해질(30)로 구성되어 있다.

여기서, 전기이중층 콘덴서는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기이중층에서 발생되는 정전하 현상을 이용한 콘덴서를 의미한다. 전기이중층 콘덴서의 전극으로는 비표면적이 크고 전기전도성이 높으며 전기 화학적으로 안정한 탄소, 금속 산화물, 도핑된 전도성 고분자 등을 사용하고, 전해액으로는 PC(propylene carbonate)와 같은 유기 용매를 사용하거나 이들 유기 용매 내에 테트라에틸 암모늄염과 같은 염을 용해시켜 사용하거나 약 30% 정도의 묽은 황산 등을 사용한다. 전기이중층 콘덴서는 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 대용량의 에너지를 급속히 충/방전시키며 종래의 2차 전지에 비하여 수명 주기가 월등히 우수하다는 특성을 바탕으로 2차 전지의 대체 내지는 성능 보완을 가능하게 하는 새로운 콘덴서이다.

이러한 전기이중층 콘덴서로 된 음극 콘덴서와 양극 콘덴서가 조합된 구성을 갖는 전해 콘덴서의 전체 용량은 두 개의 콘덴서가 갖는 용량의 조합으로 얻어지는데 다음식 (3)과 같은 계산식에 의해 결정된다.

1/C_T= 1/Ca + 1/Cc --- (3)

상기 식 (3)에서 C_T는 전체 용량을, Ca는 양극 용량을, Cc는 음극 용량을 의미한다. 실제로 사용되는 음극박은 용량이 67 - 550 μF/cm²정도이고 두께가 50μm 이하이며, 양극박은 용량이 168 μF/cm²이하의 값이고 두께는 100μm 이하이다. 사용되는 용량 값을 비교해 보면 일반적으로 알려진 것처럼 Ca >> Cc의 관계가 성립하지는 않는다는 것을 알 수 있다.

통상적으로 많이 사용되는 알루미늄 음극박은 그 용량 증대에 한계가 있기 때문에 음극의 용량이 전체 셀의 용량 결정에 어느 정도 영향을 미치게 된다. 그러므로 Ca >> Cc의 관계가 성립할 수 있도록 일단 음극에 용량이 큰 전극을 사용하는 콘덴서를 구성하고 양극박의 용량을 극대화할 수 있는 여러 가지 방법이 보고되어 있는데, 예를 들면 미국 특허 제5,369,547호, 5,469,325호, 5,559,667호, 5,737,181호, 5,754,394호 등이 있다. 그런데, 상기한 특허에서는 음극으로 사용하는 루테늄 산화물이나 나이트라이드 등의 가격이 너무 비싸고 그 성능에 대한 근거가 희박하여 실용화하기가 어렵다는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 비용이 저렴하면서 현재 상용화되어 사용되고 있으며 실제 용량이 40 F/g 이상의 값을 나타내는 고용량의 물질, 예를 들면 활성탄을 음극으로 채용함과 동시에 전해 콘덴서에 적용되는 화성 처리된 밸브 메탈박을 양극으로 채용함으로써 고밀도의 구현이 가능한 새로운 콘덴서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 콘덴서의 일례로서 알루미늄 콘덴서의 구조를 간략하게 나타내는 도면이다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘덴서에서 전체 셀의 구성을 간략하게 나타내는 도면이다.

도 3은 도2a 및 도2b에 도시한 콘덴서의 50mF 급 프로토타입 성능 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10...음극 콘덴서 20...양극 콘덴서

30...격리막 및 전해질 40...전체셀

50...음극 60...양극

70...전해질 80a, 80b...단부 플레이트 텝

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 상기 각 셀은

밸브 메탈박을 에칭 처리하여 제조되는 양극;

상기 양극의 일측 또는 양측에서 상기 양극과 마주보도록 구비되고, 그 표면이 활성탄으로 코팅된 금속으로 이루어짐으로서 상기 양극의 용량 보다 100배 이상의 용량을 나타내는 고용량의 물질로 이루어진 음극; 및

상기 양극과 상기 음극의 사이에 제공되어 상기 양극 및 상기 음극과 접촉하게 되는 전해질을 포함하는 콘덴서를 제공한다.

상기 밸브 메탈로는 알루미늄, 탄탈륨, 네오븀, 지르코늄, 티타늄 등이 사용될 수 있으며 바람직하게는 이들의 표면을 각 화합물의 산화물로 코팅하도록 한다.

음극으로는 알루미늄, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸(stainless steel;SUS), 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 네오븀, 몰리브덴, 텅스텐 등의 금속 표면에 활성탄을 코팅하여 제조되는 고용량의 전기이중층 콘덴서(electric double layer condenser;EDLC)용 음극이 바람직하게 사용되며, 이 때는 전해질을 EDLC용 전해질을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 콘덴서는 새로운 에너지 저장 시스템(new energy storage system ; NESS)으로 사용이 가능하며, 개념 및 메커니즘의 측면에서 기존의 알루미늄 전해 콘덴서와 동일하다. 따라서, 본 발명의 콘덴서도 두 개의 콘덴서가 직렬로 연결된 구조를 가지며 이 두 개의 콘덴서 용량에 의해서 전체 용량이 결정된다. 기존의 것과 다른 점은 기존의 알루미늄 음극박은 그 용량 증대에 한계가 있어서 전체 셀의 용량에 어느 정도 결정적인 역할을 하였으나, 본 발명에 적용되는 고용량 물질, 예컨대 활성탄은 그 실제 용량이 40F/g 이상의 값을 지니므로 Ca >> Cc의 관계가 성립할 수 있도록 시스템을 구성할 수 있다는 것이다. 결국 동일한 구조에서도 용량이 수십% 증가될 수 있고 더불어 양극박을 두껍게 하거나 변형함으로써 기존 보다 2배 이상의 전체 용량을 얻을 수 있는 여지를 제공해 주는 것이다.

바람직하게, 본 발명에서는 양극박으로서는 알루미늄 화성박을 사용하고 음극으로는 EDLC 에서 사용하고 있는 활성탄을 사용하며 전해질로는 EDLC용 고체 고분자 전해질을 사용함으로써 용량이 큰 음극박의 장점을 최대한 살려 단위 부피당 에너지 밀도를 크게 높이고자 한다. 즉, 양극박의 용량을 키워서 전체 셀의 사이즈를 줄이고 단위 부피당 에너지 밀도를 향상시키도록 한 것이다. 화성 처리는 양극박의 표면에 전기 화학적으로 산화물을 코팅하는 공정을 의미한다.

도 2a 및 2b에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘덴서에서 전체셀의 구성도를 간략하게 나타내었다.

도 2a에 의하면 전체 셀(40)은 음극(50), 양극(60) 및 전해질(70)로 구성되어 있으며 음극(50)과 양극(60)의 사이에는 고체 고분자 전해질(70)이 배치되어 있다. 도 2b에는 하나의 단위 셀에 대한 사시도를 나타내었다. 음극(50), 전해질(70) 및 양극(60)이 차례대로 배열된 구조이며 도면 부호 80a 및 80b는 단부 플레이트와의 전기적인 접속을 위한 단부 플레이트 텝을 의미한다.

본 발명에 따른 콘덴서에서는 두 개의 콘덴서가 존재하는데 하나는 양극과 전해질, 나머지 하나는 음극과 전해질 사이의 콘덴서이다. 양극과 전해질 사이의 콘덴서는 산화물을 유전체로 하여 금속과 전해질 내의 음이온에 의하여 형성되며 이 때, 용량은 산화막의 두께와 에칭 처리된 금속의 표면적에 의하여 결정이 된다. 음극과 전해질 사이의 콘덴서는 전해질이 유전체가 되며 고용량 물질, 예컨대 활성탄과 전해질 내의 양이온에 의하여 형성되는 전기이중층에 의하여 전하가 축적된다. 이 음극과 전해질 사이의 콘덴서도 용량 값이 음극의 표면적, 그리고 전해질 내 용매의 유전 상수에 의하여 결정된다.

또한, 본 발명에서는 가격이 싸면서 현재 상용화되어 사용되고 있으며 실제 용량이 40F/g 이상의 값을 나타내는 고용량 물질, 예컨대 활성탄을 음극으로 채용하였다. 같은 사이즈에서 활성탄은 양극박보다 100배 이상의 용량을 얻을 수 있으므로 활성탄을 음극박에 채용한 경우에는 양극박의 용량이 더 큰 것을 사용해도 된다는 장점을 지닌다.

그 밖에도 본 발명에 채용될 수 있는 고용량 물질로는 루테늄 옥사이드, 메탈 나이트라이드, 배터리용 카본 계열 음극 등을 들 수 있다. 루테늄 옥사이드나 메탈 나이트라이드와 같은 물질은 가격이 비싸다는 단점이 있고 카본 계열 음극, 예컨대 흑연 음극은 반응 속도가 느려서 파워 특성이 좋지 못하다는 단점이 있기 때문에 실제로 적용하기가 어려운 점은 있으나 이들도 본 발명의 범주에 포함될 수 있음은 물론이다. 이러한 음극을 채용하는 경우에는 전해질로서 EDLC용 전해질이 사용가능하며 다음과 같은 용액 혼합물도 사용할 수 있다. 즉, 육플루오르화 인산리튬(LiPF₆)염과 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate;EC), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate;DEC) 및 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate;DMC)를 음극의 종류에 따라 조성비를 달리 하여 최적의 조건으로 혼합한 액을 전해액으로 사용할 수도 있는 것이다.

본 발명에서와 같이 활성탄 같은 고용량 물질을 음극으로 채용하는 경우에는 EDLC용 전해질을 사용하는 것이 바람직한데, 액체 형태로 사용해도 되지만 비수용성 고체 고분자 전해질(SPE; non-aqueous solid polymer electrolyte) 형태로 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 고체 고분자 전해질을 사용하면 구조의 가변성이 부여되어 기존의 방법으로는 만들 수 없는 형상을 제조할 수 있다. 또한 기존의 전해 콘덴서에서는 과량의 전해질을 사용해야 하기 때문에 형성할 수 있는 구조에 제약이 많았지만, 고체 고분자 전해질을 사용하면 구조의 가변성을 향상시켜 기존의 제품이 나타낼 수 없는 형상으로 제조가 가능하게 된다.

전해질로서 액체 전해질을 사용하면 누액의 문제도 있다. 상기한 바와 같이 겔 타입의 고분자 전해질을 사용하면 전해질이 고분자 매트릭스 내에 이미 포함되어 있으므로 누액의 문제도 해결할 수 있고 전해질을 나중에 함침하지 않아도 되므로 전해질 함침 공정을 생략할 수 있다는 이점도 있다.

그리고 액체 전해질을 사용하는 경우에는 전해지를 격리막으로 사용하기 때문에 전극과 격리막의 접착력이 떨어져 실제 공정에서는 먼저 양극과 음극 사이에 격리막을 넣고 감은 후에 와인딩체를 케이스에 넣고 전해질을 주입하여 봉합하는형태를 취하고 있다. 이런 이유로 인해 모든 셀의 형태가 실리더형을 취하는 단순한 형태로만 제조가 가능하였다. 그러나 고체 고분자 전해질을 사용하면 전극과 격리막이 접착되기 때문에 각형의 형태로 셀을 만들 수 있으며 전체 셀을 조립한 후에도 전극과 격리막의 계면 특성이 우수하여 보다 특성이 우수하고 안정적인 결과를 얻을 수 있다.

상기한 고분자 전해질에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 이는 고분자 매트릭스 내에 액체 전해질이 함유되어 있다. 기존의 전해 콘덴서에서는 종이류를 사용하여 격리막을 사용하는데 이러한 콘덴서를 계속해서 사용하면 전해질의 건조 속도가 빨라져서 전극 계면 특성이 나빠지고 사용 시간에 따라 성능이 열화 되는 문제점을 지니고 있었다. 그러나 고분자 전해질을 사용하게 되면 고분자의 체인 내에 액체 전해질이 함유되어 있으므로 전해질의 건조 속도가 느려 사용 시간에 따른 성능 열화가 상당히 감소될 수 있다.

또한, 전해질의 종류로는 EDLC용 전해질을 사용하는 것이 바람직한데 그 이유는 다음과 같다. 현재까지 진행된 연구를 보면 고용량 물질을 음극에 채용한 시스템에 대한 연구는 많이 진행되었으나 이들은 모두 전해질로서 기존의 전해 콘덴서용 전해질을 채용하여 수행한 것이다. 실제 콘덴서에서 보면 양극박 쪽에서 일어나는 메커니즘은 음극박 쪽의 반응에 비해서 매우 단순하기 때문에 어떠한 전해질을 사용해도 큰 문제가 없다. 오히려 음극박 쪽은 EDLC 메커니즘을 사용하기 때문에 그 반응에 있어서 전해질이 매우 중요한 역할을 한다. 따라서, 이러한 콘덴서를 구성하기 위해서는 기존의 전해 콘덴서용 전해질을 그대로 사용하는 것보다는 EDLC용 전해질을 기초로 하여 콘덴서를 구성하고 발전시켜야 한다.

또한 이러한 전해질을 고체 고분자 형태로 사용하면 별도의 격리막이 필요 없을 뿐 아니라 기존의 격리막의 두께가 50μm 인 것에 비하여 20μm 정도의 두께밖에 안되고 계면의 접촉 특성이 우수하며 사용되는 전해질의 이온 전도도가 기존의 알루미늄 전해 콘덴서에서 사용하는 전해질 보다 크므로 그 저항을 줄일 수 있어서 낮은 임피던스를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 효과를 살펴보기 위하여 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 살펴보기로 한다.

<실시예 1>

전해질로서 EDLC용 전해질인 PC/1M Et₄NBF₄를 고분자에 고정시킨 고체 고분자 전해질로 제조하여 사용하고, 양극으로는 100μm 두께의 에칭 알루미늄(ALUKO 사제, 10.5V 급, 4 x 4 cm²)을 사용하였으며 음극으로는 활성탄을 알루미늄박 위에 코팅한 50μm 두께의 활성탄(4 x 4 cm²)을 사용하였다. 얻어지는 콘덴서의 ESR, 용량, 공정 주파수, 시간 상수 및 누설 전류를 표 1에 나타내었다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일하게 수행하되, 전해질로서 EDLC용 전해질인 PC/1M Et₄NBF₄전해질을 사용하고 격리막으로서 콘지로 알려진 50μm 두께의 MER2.5를 사용하였다. 얻어지는 콘덴서의 ESR, 용량, 공정 주파수, 시간 상수 및 누설 전류를 표 1에 나타내었다.

<비교예 1>

실시예 2와 동일하게 수행하되, 음극으로서 50μm 두께의 에칭 알루미늄(ALUKO 사제, 550μF/cm², 4 x 4 cm²)을 사용하고 전해질로서 CP110(상품명, Sanyo 사제)을 사용하였다. 얻어지는 콘덴서의 ESR, 용량, 공정 주파수, 시간 상수 및 누설 전류를 표 1에 나타내었다.

구분	음극/격리막, 전해질/양극	ESR(mΩ)	용량(mF)	공명 주파수(KHz)	시간 상수(msec)	누설 전류(mA)
실시예 1	AC/SPE, PC-Et₄NBF₄/Al	40.29	2.03	20.7	81.65	-16.52
실시예 2	AC/MER2.5, PC-Et₄NBF₄/Al	153.74	1.95	31.1	300.33	-44.70
비교예 1	Al/MER2.5, CP110/Al	161.25	1.33	30.1	214.70	-18.67

상기 표 1에서 Al은 알루미늄 전극을 의미하고, AC는 활성탄 음극을 의미한다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 음극에는 고용량 물질인 활성탄을 사용하고 전해질로는 EDLC용 전해질인 PC-Et₄NBF₄를 사용하되 고체 고분자 형태로 사용한 실시예 1의 경우에 가장 우수한 성능을 나타낸다. 상기 전해질을 액체 형태로 사용한 실시예 2의 경우에는 실시예 1에 비하여 전반적으로 성능이 떨어지지만, 음극으로 에칭된 알루미늄을 사용한 비교예 1에 비해서는 용량이 크게 증가하며 전반적으로 약간 우수한 성능을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.

참고로, CP110은 기존의 알려진 전해질 중에서도 특히 우수한 성능을 제공해 줄 수 있는 전해질로서, 알루미늄 전해 콘덴서에서 많이 사용하였었다. 본 발명에서도 이 전해질을 채용할 수 있는데, 본 발명자의 반복적인 실험에 의하면 액체 형태로 사용했을 때는 아주 우수한 효과를 제공해 주지만, 고체 고분자 형태로 사용하면 PC-Et₄NBF₄고체 고분자 전해질에 비해서 효과가 약간 떨어진다는 것을 확인할 수 있었다.

비교예 1에서는 음극으로서 에칭 알루미늄을 사용하는 종래의 알루미늄 전해 콘덴서를 예시하고 있는데, 이는 음극으로 활성탄을 사용하는 경우보다는 성능이 떨어지나 전해질로서 성능이 우수한 CP110을 사용하기 때문에 종래의 콘덴서 중에서도 아주 우수한 효과를 나타내어 실시예 2와 비교할 때 용량을 제외한 다른 특성값에서는 거의 비슷한 효과를 보여 주고 있다.

다음은 본 발명에 따른 콘덴서를 50mF 급 프로토타입에 적용한 경우에 대한 실시예를 설명하기로 한다.

<실시예 3>

고분자 45g에 1M 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트(Et₄NBF₄)가 용해된 PC(propylene carbonate) 용액 36g을 가하여 12 시간 동안 교반하였다. 이후 약 1 시간 동안 80℃ 온도로 가열하여 반응물을 예열시킨 후 약 30분 동안 130℃ 의 온도로 가열하여 고체 고분자 매트릭스를 형성하였다. 얻어지는 고체 고분자 매트릭스는 캐스팅 하기 좋은 높은 점도를 갖게 된다. 닥터롤블레이트 방법에 따라 캐스팅 하여 30-50μm 두께의 고체 고분자 전해질 필름을 제조하였다.

양극으로는 100μm 두께를 갖는 에칭 알루미늄(ALUKO 사제, 10.5V 급)을 사용하였다.

활성탄(Kruarey Chemical 사제) 36g 및 도전성 카본 블랙 10g을 볼 밀링 방법으로 24 시간 동안 건식 혼합하였다. 바인더(Sigma-Aldrich 사제) 4g을 증류수 180㎖에 녹여서 바인더 용액을 제조한 후, 이를 볼 밀링한 혼합물에 첨가하고 볼 밀링 방법으로 12 시간 동안 습식 혼합하였다. 이 때, 로터리 비스코미터(rotary viscometer, Brookfield 사제)로 측정된 점도는 4500 cps 정도 였다. 얻어지는 슬러리를 20μm 두께의 알루미늄 포일(동해 알루미늄 사제)의 상부에 10μm 두께로 코팅하였다. 얻어지는 전극을 카본 음극으로 사용하였다.

전극의 크기가 4 x 4 cm²이 되도록 하여 제조된 알루미늄 양극, 고체 고분자 전해질 및 카본 음극을 조합하여 단위 셀로 하고, 다수의 단위 셀을 적층하여 두께 6.5mm 인 50mF 급 콘덴서를 제조하였다.

얻어지는 콘덴서의 ESR은 20mΩ 이하였으며 종래의 전해 콘덴서에 비해 1/3 정도의 크기로 유사한 성능을 구현할 수 있었다.

도 3에는 본 실시예에 따른 콘덴서를 글로벌 통신 시스템 중의 하나인 이리듐 전화기 품위에 맞추어 실험한 결과를 나타내었다. 실험 조건은 32W의 출력에 각 펄스의 주기는 11Hz, 그리고 듀티 레시오(duty ratio)는 1:9 였다. 도 3 으로부터 32W 파워를 10ms 동안 뽑아 낼 수 있으며 ESR 값이 낮기 때문에 순간 파워 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한 상온에서 500 시간 이상까지도 용량의 감소 없이 성능이 구현되는 것을 확인할 수 있었으며 본 발명에 따른 콘덴서가 기준 조건을 충분히 만족한다는 것을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 콘덴서에서는 고용량 음극의 큰 용량을 최대한 활용할 수 있기 때문에 셀 사이즈를 크게 줄일 수 있고 이에 따라 단위 중량당 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한 전해질로서 고체 고분자 전해질을 사용하면 포장(packaging)이 용이한 각형 셀을 만들 수 있기 때문에 다양한 형태의 디자인을 갖는 콘덴서를 제조할 수 있으며 같은 용량이라도 전체 셀 사이즈를 기존 전해 콘덴서의 1/3 이하로 줄일 수 있다. 본 발명의 장점을 요약하여 정리하면 다음과 같다.

(1) 신뢰성의 향상; 전극 계면 특성이 우수하여 특성이 안정적이다.

(2) 안정성의 향상; 최적량의 전해질만 사용하기 때문에 누액 문제가 거의 없다.

(3) 디자인 가변성; 전해질로서 고체 고분자 전해질을 사용하는 경우에는 적층이 가능하며 각형의 제조가 가능하고, 블루 백등 다양한 재질의 외장재가 사용가능 하다.

(4) 고에너지 밀도의 구현이 가능하다; 음극의 용량을 증가시켜 줌으로써 용량이 큰 양극을 사용할 수 있게 된다.

(5) 일반 알루미늄 전해 콘덴서를 SMD(surface mounted device; 표면 실장 부품) 타입으로 제조가 가능하다.

(6) 전해질로서 고체 고분자 전해질을 사용하는 경우 두께가 기존의 전해지에 비해 얇아서 부피와 ESR이 줄어든다.

(7) 전해질로서 고체 고분자 전해질을 사용하는 경우 전해질 함침 공정을 생략할 수 있어서 공정이 단순화된다.

이상에서는 본 발명의 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 명확히 인지할 수 있을 것이다.

Claims

다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 상기 각 셀은

밸브 메탈박을 에칭 처리하여 제조되는 양극;

상기 양극의 일측 또는 양측에서 상기 양극과 마주보도록 구비되고, 알루미늄, 니켈, 구리, 스테인레스 스틸(stainless steel), 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 네오븀, 몰리브덴 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어지고, 상기 금속의 표면에 활성탄을 코팅하여 상기 양극보다 100배 이상의 용량을 나타내는 고용량 물질로 이루어진 음극; 및

상기 양극과 상기 음극의 사이에 제공되어 상기 양극 및 상기 음극과 접촉하게 되는 전해질을 포함하는 콘덴서.
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제1항에 있어서, 상기 전해질이 전기이중층 콘덴서(electric double layer condenser)용 전해질인 것을 특징으로 하는 콘덴서.
제4항에 있어서, 상기 전해질이 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate) 및 테트라-에틸 암모늄 테트라-플루오로보레이트(Et₄NBF₄) 또는 CP110(상품명, Sanyo 사제)을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서.
제1항 또는 5항에 있어서, 상기 전해질이 고체 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 콘덴서.
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제1항에 있어서, 상기 밸브 메탈이 알루미늄, 탄탈륨, 네오븀, 지르코늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 콘덴서.
제1항 또는 9항에 있어서, 상기 양극의 표면이 산화물로 코팅된 것임을 특징으로 하는 콘덴서.
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제1항에 있어서, 상기 양극이 알루미늄박의 표면을 알루미늄 산화물로 코팅한 것임을 특징으로 하는 콘덴서.
다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 상기 각 셀은

밸브 메탈박을 에칭 처리하여 제조되는 양극;

상기 양극의 일측 또는 양측에서 상기 양극과 마주보도록 구비되고, 루테늄 옥사이드, 메탈 나이트라이드 또는 흑연중 어느 하나의 금속으로 이루어지고, 상기 금속의 표면에 활성탄을 코팅하여 상기 양극보다 100배 이상의 용량을 나타내는 고용량 물질로 이루어진 음극; 및

상기 양극과 상기 음극의 사이에 제공되어 상기 양극 및 상기 음극과 접촉하게 되는 전해질을 포함하는 콘덴서
제15항에 있어서, 상기 전해질이 전기이중층 콘덴서용 전해질 또는 육플루오르화 인산 리튬(LiPF₆)염, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디에틸 카보네이트(diethyl carbonate) 및 디메틸 카보네이트(dimethyl carbonate)를 포함하는 전해질인 것을 특징으로 하는 콘덴서.