KR100784922B1 - 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법은, 양극 전극과 음극 전극 사이에 절연지(separator)를 삽입한 후 권취(winding)시켜 권취 소자를 형성하는 단계, 권취 소자에 전도성 고분자로 이루어진 고체 전해질층을 형성하는 단계, 고체 전해질층을 산화시키는 단계 및 고체 전해질층이 형성된 권취 소자에 대해 외장(housing) 후 에이징(aging)하는 단계를 포함한다.

전해 콘덴서, 권취형, 전도성 고분자, 산화, 누설 전류

Description

전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법{Method for manufacturing winding type electrolytic condenser using conductive polymer}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명은 전해 콘덴서의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 전도성 고분자를 적용한 고체 콘덴서는 주로, 전도성 고분자 용액을 콘덴서용 소자에 주입한 다음 상온 내지 100℃의 온도 환경에서 10분 내지 120분 정도 경화하여 중합시키는 방법에 의해 제조되었다.

그런데, 이와 같은 경우 방법에 의해 제조된 고체 콘덴서의 전도성 고분자는 그 전기 전도도가 콘덴서 사용 용도에 적합하도록 제어 불가능하기 때문에, 액체 전해질 사용 콘덴서에 비해 내전압에 취약할 뿐만 아니라 큰 누설 전류를 갖는다는 등의 단점이 있다. 따라서, 정격 전압 16V 이상인 고체 콘덴서의 경우에는 써지 전압에 대한 내성이 떨어지게 되어 심한 경우 단락(short circuit)에 이르는 경우도 종종 발생되며, 단락에까지 이르지는 않는다고 하더라도 콘덴서의 누설 전류 증가로 인해 전체 소비 전류 및 발열량 증가와 이로 인한 회로 상의 노이즈 증가 등을 유발시켜, 결과적으로 회로 전체적인 품질 저하를 초래하게 된다는 등의 문제점이 있었다.

이러한 문제점의 해결을 위한 방안으로 대한민국 등록특허 118487호(고체 전해 콘덴서의 제조 방법)에는 전해 물질로 TNCQ와 같은 유기 반도체를 적용한 알루미늄 콘덴서를 제조함에 있어, 전해 물질인 유기 반도체의 내부에 직접 수분을 주입시키는 방법이 개시되어 있다. 하지만, 이와 같은 방법에 의해 제조되는 콘덴서는 수분이 유기 반도체의 내부에 균일하게 침투되지 못해 콘덴서 전체적으로 불균일한 저항 특성을 갖게 되며, 제품의 산포도 관리 등에 어려움이 있어 결국 품질의 신뢰성을 유지하기 어렵다는 등의 문제점을 갖는다.

또한, 주입된 수분을 에이징 공정 과정에서 제거하게 될 경우 국부적으로 발생하는 화학반응으로 인해 고체 전해질의 전기 전도도가 불균일하게 되는 등의 품질 불량을 유발할 수 있기 때문에, 에이징 공정의 수행 이전에 주입된 수분에 대한 추가적인 건조 공정을 수행해야만 하는 등의 번거로움도 있다.

따라서, 보다 용이하고 신뢰성있는 공정을 통해 품질 특성이 향상된 고체 전해 콘덴서를 제조할 수 있도록 하기 위한 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법은, 양극 전극과 음극 전극 사이에 절연지(separator)를 삽입한 후 권취(winding)시켜 권취 소자를 형성하는 단계, 권취 소자에 전도성 고분자로 이루어진 고체 전해질층을 형성하는 단계, 고체 전해질층을 산화시키는 단계 및 고체 전해질층이 형성된 권취 소자에 대해 외장(housing) 후 에이징(aging)하는 단계를 포함한다.

여기서 고체 전해질층의 산화는, 고체 전해질층의 내부에 수분을 침투시킴으로써 이루어질 수 있는데, 이러한 수분의 침투는, 고체 전해질층이 형성된 권취 소자를 소정의 습도 분위기 아래에서 1분 내지 60분 간 노출시키는 등의 방법에 의해 수행될 수 있다.

이때, 소정의 습도 분위기는 상대 습도(relative humidity) 30% 내지 60%인 것이 좋다.

또한, 에이징은 상온 내지 125℃의 온도 분위기에서 10분 내지 300분간, 정격 전압 내지 이의 1.3배의 전압을 인가함으로써 이루어질 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법은 크게 보아 권취 소자를 형성하는 단계(110), 고체 전해질층을 형성하는 단계(120) 및 에이징하는 단계(130) 등을 포함하여 구성된다.

권취 소자를 형성하는 단계(110)는 다시, 양극용 금속박(양극박)과 음극용 금속박(음극박)을 에칭(112)한 후 산화시키는 단계(114), 양극박과 음극박 사이에 전해지를 삽입한 후 권취하는 단계(116) 및 전해지를 탄화(carbonization)시키는 단계(118) 등으로 구성된다. 전해지의 탄화는, 이후 수행될 콘덴서의 고체 전해질로 사용되는 전도성 고분자층의 형성 과정에서, 전도성 고분자 물질 원재료 용액의 함침성 향상을 위해 이루어진다.

여기서, 양극박과 음극박으로 사용되는 금속 물질로는 알루미늄이나 이의 합금 등이 사용될 수 있으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이상의 공정을 통해 권취 소자가 형성(110)되면 권취 소자 상에 전해질 물질층을 형성(120)하게 된다. 이러한 전해질 물질로는 액체 전해질이나 고체 전해질 등이 사용될 수 있고, 고체 전해질로는 유기 반도체나 전도성 고분자 등이 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 권취형 콘덴서에 있어서는 폴리피롤(polypyrrole) 또는 폴리사이오펜(polythiophene) 등과 같은 전도성 고분자를 전해질로 사용하는 경우만을 살펴보도록 하겠다.

전도성 고분자 물질로 구성된 고체 전해질층을 형성하기 위해서는 먼저 전도성 고분자의 원료 용액을 권취 소자에 주입(122)한 후 이를 중합(124)시킨다. 전도성 고분자 원료 용액의 주입(122) 및 중합(124) 과정에 있어 통상의 권취형 콘덴서 제조 공정에 사용되는 모든 방법이 적용 가능함은 당업자에 있어 자명할 것이다.
다시 말해, 고체 전해질층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌디옥시씨오펜 등과 같은 전도성 고분자에 대한 화학중합 또는 전기화학중합에 의하여 콘덴서 소자 내부에 형성되게 되는데, 가령, 폴리에틸렌디옥시씨오펜을 사용하는 경우 단량체(monomer)인 에틸렌디옥시씨오펜을 산화제 겸 도판트인 Fe-p-toluenesulfonate와의 화학중합에 의하여 형성하는 등의 방법이 이용될 수 있다. 이때 단량체와 산화제의 반응몰비는 1:2~3 정도로 설정 가능하며, 단량체와 산화제의 반응은 메탄올, 에탄올 및 부탄올 등과 같은 알코올을 용매로 하는 등의 방법에 의해 수행될 수 있을 것이다.

상기의 과정을 통해 전도성 고분자층이 형성되면 이를 산화(126)시킨다.

폴리피롤(polypyrrole) 또는 폴리사이오펜(polythiophene) 등과 같은 전도성 고분자는 10⁰ 내지 10² S/㎝의 전기 전도도를 갖는데, 이를 권취형 콘덴서에 적용할 경우 콘덴서의 등가 직렬 저항이 5 내지 100mΩ 정도를 나타내며, 콘덴서의 정격 전압이 높을 경우에는 30 내지 100mΩ 정도의 등가 직렬 저항을 나타낸다. 따라서, 16V 이상의 높은 정격 전압을 갖는 콘덴서에 있어서는 적절한 등가 직렬 저항을 유 지시켜 안정된 내전압 및 누설 전류 특성을 확보할 수 있도록 하기 위하여, 전도성 고분자의 전기 전도도가 콘덴서의 적절한 직렬 등가 저항값의 유지에 필요한 수준으로 조절될 수 있어야 한다. 이를 위해 전도성 고분자 물질의 산화를 통해 이의 전기 전도도를 조절할 수 있도록 한 것이다.

전도성 고분자 물질을 산화시키기 위한 방법으로는 여러가지가 있을 수 있는데, 본 발명의 실시예에 있어서는 산화를 위해 전도성 고분자 물질을 소정의 습도 환경에 노출시키는 방법을 이용하였다.

전도성 고분자 물질을 소정의 습도 환경에 노출시키기 위한 방법으로 본 발명의 실시예에서 제안하는 바람직한 실시예로는, 전도성 고분자 물질에 적정량의 수분이 균일하게 포함될 수 있도록 하기 위하여, 전도성 고분자 물질층이 형성된 권취 소자를 상대 습도(relative humidity) 30% 내지 60%의 항온조 등에 일정 시간 보관하는 것이다. 이때, 권취 소자가 항온조 등에 보관되는 시간은, 상대적인 고습도 분위기에서는 상대적으로 단시간, 상대적인 저습도 분위기에서는 상대적으로 장시간일 수 있는데, 대체적으로 1분 내지 60분 정도가 좋다.
다시 폴리에틸렌디옥시씨오펜을 예로 들어 설명하자면, 이와 같은 산화 공정은 비저항 10⁵Ω/㎝ 미만의 폴리에틸렌디옥시씨오펜이 생성된 콘덴서 소자를 20~30℃, 30~60% 상대습도 분위기의 항온조 등에서 적정시간 보관한 후, 상온 또는 고온의 분위기에서 전압, 전류를 인가하는 에이징 공정 등을 통해 이루어질 수 있으며, 이 경우 누설전류가 상대적으로 취약한 부위에서 전기화학반응에 의하여 발생하는 국부적인 주울(Joule)열에 의해 취약 부위 전도성 고분자의 비저항이 10^10-13Ω/㎝ 범위로 증가될 수 있게 된다.

즉, 전도성 고분자 물질에 적정량의 수분이 함유되면 수분 내의 산소 성분에 의해 전도성 고분자 물질에 산화가 발생될 수 있는데, 보다 확실한 산화 반응을 위하여 적당한 환경에서 에이징 공정(130)을 수행할 수 있다.

이러한 에이징 공정의 환경은, 가령, 상온 내지 125℃의 온도 분위기에서 10분 내지 300분 간, 정격 전압 내지 이의 1.3배 범위의 전압을 인가하는 방식 등에 의해 이루어질 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 고체 전해질의 산화 과정을 통해 전도성 고분자의 비저항은 10⁵Ω/㎝ 미만에서 10^10~13Ω/㎝ 범위로 증가하게 된다. 또한, 에이징 후 콘덴서의 누설전류는 0.2CV ㎂ 이하에서 0.05CV ㎂ 이하로 감소하게 되며, 내전압 불량률은 5~10%에서 1% 미만으로 감소하게 된다.

에이징 공정에 앞서, 고무전을 이용한 커링(curling) 등의 방식에 의해 하우징(housing) 공정이 수행될 수 있음은 당연하다.

본 발명의 실시예에 따른 권취형 콘덴서의 양극박, 음극박 및 외부 케이스 재질 등으로 알루미늄(Al) 또는 이의 합금 등이 이용될 수 있으며, 내부의 전해 물질로 폴리피롤(polypyrrole) 또는 폴리사이오펜(polythiophene) 등과 같은 전도성 고분자 물질이 사용될 수 있음은 전술한 바 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법에 따르면, 전도성 고분자로 이루어진 고체 전해질층을, 수분 주입 등의 방법에 의해 산화시켜 전기 전도도, 내전압 특성 및 누설 전류와 같은 권취형 콘덴서의 전반적인 품질 특성 및 사용 수명을 향상시킬 수 있게 되었다는 장점이 있다.

이에 따라, 고체 콘덴서의 불량 발생을 현저히 감소시킬 수 있게 됨으로써, 생산 수율 증가 및 이로 인한 제조 비용 절감 등의 다양한 부가 효과를 얻을 수 있게 되었다.

Claims (8)

1. 양극 전극과 음극 전극 사이에 절연지(separator)를 삽입한 후 귄취(winding)시켜 권취 소자를 형성하는 단계;

   상기 권취 소자에 전도성 고분자로 이루어진 고체 전해질층을 형성하는 단계;

   상기 고체 전해질층을 산화시키는 단계; 및

   상기 고체 전해질층이 형성된 권취 소자에 대해 외장(housing) 후 에이징(aging)하는 단계를 포함하되,

   상기 고체 전해질층의 산화는, 상기 고체 전해질층의 내부에 수분을 침투시킴으로써 이루어지고,

   상기 수분의 침투는, 상기 고체 전해질층이 형성된 권취 소자를 상대 습도(relative humidity) 30% 내지 60%의 습도 분위기에서 1분 내지 60분 간 노출시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 고체 전해질층의 산화는 습도의 조절이 자동으로 수행되는 항온조 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 에이징은 상온 내지 125℃의 온도 분위기에서 10분 내지 300분 간, 정격 전압 내지 이의 1.3배의 전압을 인가함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 고체 전해질층을 구성하는 전도성 고분자 물질은 폴리피롤(polypyrrole) 또는 폴리사이오펜(polythiophene)인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 양극 전극과 음극 전극은 알루미늄(Al) 또는 이의 합금 물질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자를 적용한 권취형 전해 콘덴서의 제조 방법.

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