KR100833892B1 - 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법 중 탄화가 완료된 콘덴서 소자를 산화제와 전도성 고분자 단량체를 용해시키는 용매로서 점도가 낮고 휘발성이 낮은 용매를 선택사용하고, 산화제와 전도성 고분자 단량체를 별도의 용매에 용해시켜 사용하여 중합을 수행하며, 또한 전도성 고분자 단량체 용액에 침지 후 저온, 중온 및 고온에서 단계적으로 중합시키는 중합공정의 개선하여 고분자 용액의 미세 다공성 알루미늄 박 에칭 피트 내부에 고분자 용액의 침투성을 향상시켜 알루미늄 박의 에칭 피트 내부에서 박의 표면까지 균일하고 치밀한 고분자 전해질 층을 형성하도록 하여 콘덴서의 제반 특성을 향상시키고, 고분자 전해질 층의 경도를 증가시켜 콘덴서 조립 시에 발생하는 다양한 충격에 대한 저항성을 높여 제품의 제조수율을 향상시킨 개선된 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 고분자 콘덴서, 저온중합, 중온중합, 고온중합

Description

알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법{Producing method of aluminium polymer condenser}

도 1은 종래 알루미늄 고분자 콘덴서 제조 공정의 흐름도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 알루미늄 고분자 콘덴서 제조 공정의 흐름도를 나타낸 것이다.

본 발명은 알루미늄 고분자 콘덴서 제조방법에 관한 것으로서, 알루미늄 제조 공정 중 고분자 중합공정의 개선을 통하여 고분자 콘덴서의 자동조립 특성 및 표면실장형 칩가공 특성 개선, 등가직렬저항 감소, 유전손실 감소, 내전압 증대, 누설전류 감소 등의 품질특성을 개선한 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 고분자 콘덴서는 도 1에 나타낸 바와 같이 양극 리드 단자가 점철된 양극 용 알루미늄 박과 음극 리드 단자가 점철된 음극 집전체용 알루미늄 박 사이에 종이 재질의 절연지를 2장 삽입한 뒤 권취하여 제조된 콘덴서 소 자 내부에 전도성고분자 용액의 침투성을 증가시키기 위하여 절연지를 태워 그 내부의 섬유조직을 파괴하는 탄화를 완료하고 페릭톨루엔설퍼네이트 등의 산화제와, 에틸렌디옥시씨오펜 등의 전도성 고분자 구성 단량체를 혼합하여 궁극적으로 전도성 고분자인 폴리에틸렌디옥시씨오펜 중합 용액을 제조하고 이를 콘덴서 소자에 디스펜서 등을 사용하여 정량 토출하여 침적한 후 고온에서 건조하여 고분자를 중합하는 제조공정을 거쳐서 제조하였다.

이러한 중합 방법은 산화제와 단량체가 혼합된 중합용액을 콘덴서 소자에 주입하게 되는데, 이때 산화제와 단량체가 혼합되면 바로 중합이 개시되어 시간이 경과할수록 중합도는 높아지게 되고 혼합액의 점도는 높아지고 중합된 고분자의 크기는 증가하게 된다.

상기한 이러한 문제들을 방지하기 위하여 가급적 중합속도가 늦은 부탄올(butanol)을 산화제와 단량체의 용매로 사용한다. 그러나, 부탄올은 점도가 높고 휘발온도가 높으며, 냄새가 자극적이어서 취급이 곤란하고 작업성이 난이한 단점을 가지고 있다.

또한 최대한 혼합 중합액의 중합속도를 낮추어 중합액의 보존성능을 향상시키기 위하여 중합액을 영하의 온도로 유지시켜주는 냉동장치가 필요하게 되어 중합액 보관 설비가 복잡하고 비용이 많이 들게 된다.

또한 콘덴서 소자에 중합액이 주입되면 부탄올의 점도가 높고 중합액이 이미 중합이 진행되어 일부 올리고머(oligomer) 상태의 저분자를 형성하기 때문에 미세 다공성 알루미늄 박 내부에 대한 침투성이 떨어져 콘덴서의 용량 달성율이 떨어지 고 저항이 증가하고 내전압이 떨어지는 등의 품질문제가 발생한다.

또한 고온에서 중합하는 과정에서 급격한 중합이 진행되어 고분자 고체 전해질 층이 생성된 콘덴서 소자의 경도가 약해 콘덴서 소자를 알루미늄 케이스와 밀봉용 고무재료에 끼우고 커링(curling)하는 자동조립 과정 중에 다양한 기계적 충격을 받게 되어 콘덴서의 특성이 현저히 떨어지게 된다.

또한 고온에서 중합이 진행됨에 따라 급격한 중합으로 인한 사용 용매 및 소자에 포함된 수분 및 공기의 배출로 소자의 리드 단자 부위에 고분자 덩어리 찌꺼기가 달라붙어 외관품질이 떨어짐은 물론 자동조립시에도 이들 찌꺼기들이 부서지면서 고분자 가루가 콘덴서 구성단위에 침투하여 전기적 단락, 내전압 감소, 누설전류 증가의 품질문제를 유발한다. 또한 이들 고분자 가루가 정밀 자동조립 기계의 부품에 침투하여 조립불량을 발생하거나 기계가 손·망실되는 심각한 문제를 초래한다.

이에 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 연구노력하였다.

그 결과, 중합공정에 사용되는 용매를 저점도이면서 휘발성이 좋은 메탄올, 에탄올 및 이들의 혼합물을 사용하고, 산화제와 전도성 고분자 단량체를 별도의 용매에 용해시켜 사용하는 별개의 공정으로 분리사용하며, 중합시 저온, 중온 및 고온에 걸친 다단계의 중합공정을 도입함으로써 상기한 문제점을 해결할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

본 발명에 의하면 중합된 고분자의 미세 다공성 알루미늄 박 에칭 피트 내부에 대한 고분자 용액의 침투성이 높아지므로 이로인해 알루미늄 고분자 콘덴서의 용량 달성율을 높이고, 저항, 손실, 내전압, 누설전류 등의 제반 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 중합용액의 수명이 연장되어 중합액의 낭비를 막고, 중합설비를 단순화할 수 있다.

따라서, 본 발명은 중합공정을 특이성 있게 조절한 새로운 알루미늄 고분자 콘덴서 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 알루미늄 고분자 콘덴서 제조방법에 있어서, 탄화공정을 거친 콘덴서 소자를, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물을 사용하는 산화제 용액에 침지한 후 건조시킨 다음, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물에 전도성 고분자 단량체를 용해시킨 전도성 고분자 용액에 침지한 후 10 ~ 30 ℃ 온도 범위, 10 ~ 30 % RH 상대습도의 항온항습 조건 하에서 30 ~ 60 분간 저온 중합, 80 ~ 120 ℃ 온도 범위에서 20 ~ 60 분간 중온 중합 및 150 ~ 200 ℃ 온도 범위에서 10 ~ 30 분간 고온 중합시키는 단계적 중합공정을 포함하여 이루어지는 고분자 알루미늄 콘덴서의 제조방법을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 콘덴서 소자의 중합공정에 사용되는 산화제와 전도성 고분자 구성 단량체를 용해하는데 사용하는 용매로서 저점도이면서 휘발성이 좋은 메탄올, 에탄올 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 저점도의 알콜계 용매를 사용한다. 바람직하기로는 에탄올을 사용하는 것이 좋으며, 에탄올과 메탄올을 혼합하여 사용할 경우 이들의 혼합용매 중 메탄올 함량이 50 부피% 이하가 되도록 조절하는 것이 좋다. 상기와 같이 중합공정에 사용되는 용매를 저자극이면서 저점도 및 고휘발 특성을 나타내는 것으로 개선하여 콘덴서 소자를 구성하는 미세 다공성 알루미늄 박의 에칭 피트 내부에 대한 침투성을 증대시킨다. 이로인해 알루미늄 고분자 콘덴서의 용량 달성율을 높이고, 저항, 손실, 내전압, 누설전류 등의 제반 특성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 기존의 경우 중합공정에 사용되는 용액에 산화제와 전도성 고분자 구성 단량체를 동시에 용해시켜 사용하는 것과는 달리 산화제와 전도성 고분자의 구성 단량체를 각각 별개의 용액으로 제조하고 적용하도록 중합공정을 분리하여 설계함으로써 중합용액의 수명을 연장하여 중합액의 낭비를 막고, 중합설비를 단순화한다.

또한, 기존의 경우 중합공정을 단일단계로 구성하는 것과는 달리 다단계로 구성된 메카니즘을 적용하고 각 단계별로 온도 조건을 달리하여 구성함으로써, 전도성 고분자 구조를 치밀하고 단단하게 하는 등 소자의 경도를 증가시키고 내충격성을 확보하여, 전도성 고분자의 고체 전해질 층이 형성된 고분자 콘덴서의 알루미늄 케이스 밀봉용 고무 등과의 자동 조립과정 중에 발생하는 기계적 물질적 충격에 대해 전도성 고분자 고체 전해질층이 알루미늄 전극 박에서 박리되거나 혹은 자체 적으로 부서지거나 손상되지 않도록 소자를 보호할 수 있게 하였다.

또한, 중합공정을 온도조건이 조절된 다단계로 조절함으로써, 기존의 경우 전도성 고분자의 고온 건조 중합 시에 급격한 용매 증발에 의해 산화제, 에틸렌디옥시씨오펜 같은 전도성 고분자 구성 단량체, 또는 폴리에틸렌디옥시씨오펜 같은 저분자량의 전도성 고분자 등이 소자의 리드 단자에 달라붙으면서 중합되어 단자 주변에 고분자 덩어리 찌꺼기가 달라붙어 조립불량을 초래하거나 정밀한 자동 조립기를 손망실하는 문제를 개선하기 위하여 리드 단자에 고분자 덩어리가 생기지 않도록 한다.

본 발명의 알루미늄 고분자 콘덴서는 탄화공정까지는 기존의 알루미늄 고분자 콘덴서 제조공정과 동일하게 수행될 수 있으며, 이러한 공정을 간략하게 나타내면 도 1에 제시된 흐름도로 표시할 수 있다.

즉, 탄화공정을 거친 콘덴서 소자를 중합시 적용되는 공정을 개선함에 본 발명의 특징이 있는 것이다.

중합공정에 사용되는 전도성 고분자는 당업계에서 통상적으로 사용하는 전도성 고분자로서 구체적으로 예를 들면, 폴리에틸렌디옥시씨오펜, 폴리피론, 폴리아닐린 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 폴리에틸렌디옥시씨오펜을 많이 사용한다. 또한 중합용액을 제조시 상기 전도성 고분자의 구성단량체를 사용하는데, 폴리에틸렌디옥시씨오펜을 사용할 경우에는 에틸렉디옥시씨오펜을 사용한다.

중합공정에 사용되는 산화제는 당업계에서 통상적으로 사용하는 산화제를 사용할 수 있으며, 예를 들어 페릭톨루엔설퍼네이트를 사용할 수 있다.

즉, 중합공정을 적용 시에는 먼저 상기 선택된 용매에 산화제와 전도성 고분자 구성단량체를 각각 용해시킨 용액을 별도로 제조한 다음 탄화공정이 완료된 콘덴서 소자의 중간제품을 산화제 용액에 침지 또는 디스펜서 등으로 주입하고 꺼내어 100 ~ 150 ℃의 고온에서 20 ~ 40 분간 고온 건조하여 사용된 용매를 신속하게 완전히 제거하여 콘덴서 소자 내부에 산화제 입자들을 균일하게 도포하도록 한다.

이 후 동일한 용매에 용해된 전도성 고분자 구성 단량체 용액에 상기 용매가 제거된 콘덴서 소자에 침지한 후 꺼내어 10 ~ 30 ℃ 온도 범위, 10 ~ 30 % RH 상대습도의 항온항습 조건 하에서 30 ~ 60분간 유지하면서 저온 중합하여 초기에 완만한 중합속도를 유지하면서 사용된 용매를 제거하고 균일하고 단단한 고분자 층을 형성한다. 이러한 저온 중합과정에서 콘덴서 소자의 용량 달성율 증가, 저항 및 손실의 감소가 이루어지고 동시에 콘덴서 소자가 단단해지는 경도 증가가 얻어진다.

이어서 80 ~ 120 ℃ 온도 범위에서 20 ~ 60분간 중온 중합하여 중합을 가속화시키면서 사용된 잔존 용매들을 완전히 제거하는 동시에 콘덴서 소자 내부에 침투한 수증기 및 각종 기체 성분을 콘덴서 소자 내부에서 제거하도록 한다. 이 과정을 통해 고분자의 중합도를 높이고 이어지는 고온 중합시 급속한 공기 및 수증기 배출로 인한 리드 단자 부위의 고분자 찌꺼기 생성을 방지한다.

이후 150 ~ 200 ℃ 온도 범위에서 10 ~ 30분간 고온 중합하여 잔존하는 수증기 및 각종 미량 기체성분 들을 완전히 제거하고 고분자 중합을 완성하도록 한다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

탄화공정이 완료된 알루미늄 콘덴서 중간 제품을 페릭톨루엔설퍼네이트가 45 중량% 농도로 용해된 에탄올에 침지한 후 꺼내어 100 ℃에서 30 분간 고온 건조하한 후 에틸렌디옥시씨오펜이 40 중량% 농도로 용해된 에탄올에 침지한 후 꺼내어 15 ℃, 20 %RH 상대습도 조건에서 60 분간 유지하면서 저온중합시키면서 에탄올을 제거하고, 다시 에틸렌디옥시씨오펜 용액에 침지하여 100 ℃에서 30 분간 유지하면서 중온중합시키면서 에탄올을 제거하고, 다시 에틸렌디옥시씨오펜 용액에 침지하여 150 ℃에서 30 분간 유지하면서 고온중합시키는 단계적 중합공정을 수행하였다.

중합이 끝난 콘덴서 소자를 조립, 에이징 및 마킹 공정을 거쳐 완제품으로 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예에서 사용한 것과 동일한 탄화공정이 완료된 알루미늄 콘덴서 중간 제품을 페릭톨루엔설퍼네이트가 45 중량% 농도로 용해된 에탄올 에 침지한 후 꺼내서 100 ℃에서 30 분간 고온 건조한 후, 에틸렌디옥시씨오펜이 40 중량% 농도로 용해된 에탄올 에 침지한 후 꺼내서 120 ℃에서 30분간 고온건조하는 중합공정을 수행하였으며, 중합이 끝난 콘덴서 소자는 실시예와 동일한 조건으로 조립, 에이징 및 마킹 공정을 거쳐 완제품으로 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예에서 사용한 것과 동일한 탄화공정이 완료된 알루미늄 콘덴서 중간 제품을 페릭톨루엔설퍼네이트 40 중량%와 에틸렌디옥시씨오펜이 35 중량%를 에탄올용매에 혼합한 용액에 침지한 후 꺼내어 120 ℃에서 30 분간 고온건조하는 중합공정을 수행하였으며, 중합이 끝난 콘덴서 소자는 실시예와 동일한 조건으로 조립, 에이징 및 마킹 공정을 거쳐 완제품으로 제조하였다.

상기 제조된 실시예와 비교예 1 ~ 2에 의하여 제조된 알루미늄 고분자 소자는 정격전압 6.3 V, 정전용량 150 ㎌이었으며, 이들의 특성을 측정한 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

구분	용량(㎌)	저항(mΩ)	소자경도(kfg)	불량률(%)
비교예 1	136 ~ 151	27 ~ 38	1 ~ 1.5	18
비교예 2	112 ~ 136	44 ~ 80	1.5	49
실시예	145 ~ 158	20 ~ 25	2 ~ 3	3

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이상과 같은 저점도의 메탄올, 에탄올과 같은 용매를 사용하여 산화제와 전도성 고분자 구성 단량체 용액을 구성하고 이들을 별개의 공정으로 구성하고 산화제는 고온건조로 콘덴서 소자 내부에 선 도포하고 이어서 전도성 고분자 단량체를 주입 후 중합공정을 저온 중온, 고온을 거치 도록 하여 고분자 용액의 미세 다공성 알루미늄 박 에칭 피트(micro-porous etched pit of aluminum foil) 내부에 전도성 고분자 용액의 침투를 향상시키고, 고분자 층의 경도를 증가시키고, 리드 단자를 중심으로 생성되는 고분자 찌꺼기의 생성을 방지하는 중합공정을 적용하여 고분자 콘덴서를 제작함으로써 콘덴서의 용량달성율을 증가시키고, 등가직렬저항 및 유전손실을 감소시키며, 내전압을 증가시키고, 누설전류를 감소시키며, 전기적 단락현상을 최소화하여 콘덴서의 종합적인 제반 특성을 향상시키도록 한다.

또한 콘덴서 소자의 경도를 증가시키고, 리드 단자 주변의 고분자 찌꺼기 발생을 억제하여 콘덴서의 조립특성을 향상시키고 설비의 고장 문제점들을 해결하여 고분자 콘덴서의 생산수율을 증가시키고, 생산성을 증가시키고 생산원가를 절감하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (6)

1. 알루미늄 고분자 콘덴서 제조방법에 있어서,

   탄화공정을 거친 콘덴서 소자를, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물에 산화제를 용해시킨 산화제 용액에 침지한 후 100 ~ 150 ℃ 온도 범위에서 20 ~ 40 분간 건조시키는 제1단계; 및

   상기 콘덴서 소자를, 메탄올, 에탄올 또는 이들의 혼합물에 전도성 고분자 단량체를 용해시킨 전도성 고분자 용액에 침지한 후 10 ~ 30 ℃ 온도 범위, 10 ~ 30 % RH 상대습도의 항온항습 조건 하에서 30 ~ 60 분간 저온 중합, 80 ~ 120 ℃ 온도 범위에서 20 ~ 60 분간 중온 중합 및 150 ~ 200 ℃ 온도 범위에서 10 ~ 30 분간 고온 중합시키는 순차적 중합공정을 포함하여 이루어지는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 콘덴서의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 메탄올과 에탄올 혼합용매 중 메탄올 함량이 50 부피% 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 콘덴서의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시씨오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화제는 페릭톨루엔설퍼네이트(ferric-p-toluenesulfonate)인 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 메탄올과 에탄올 혼합용매 중 메탄올 함량이 50 부피% 이하인 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 콘덴서의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시씨오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 고분자 알루미늄 고분자 콘덴서의 제조방법.

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