KR101044964B1 - 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터 - Google Patents
플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터 Download PDFInfo
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Abstract
고체 전해 커패시터 소자의 리드단자와 리드프레임의 접착특성이 우수한 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터가 개시된다. 상기 고체 전해 커패시터는 플레이트형 리드단자; 상기 플레이트형 리드단자가 연결된 밸브메탈; 상기 밸브메탈의 상부에 형성된 산화 피막층; 상기 산화 피막층의 상부에 형성된 전도성 고분자층; 및 상기 전도성 고분자층 상부에 형성된 음극층을 포함한다. 상기 플레이트형 리드단자는 두께 10 내지 500㎛, 폭 100 내지 5000㎛, 길이 1mm 내지 15mm의 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 지르코늄 등으로 이루어질 수 있으며, 판 모양을 하고 있기 때문에 용접에 의하지 않고, 접착제를 사용하여 리드 프레임의 양극리드와 연결될 수 있다.
밸브메탈, 산화중합, 전해중합 , 실버 접착제, 커패시터, 탄탈륨
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고체 전해 커패시터 소자의 "A" 부분의 확대도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터의 단면도이다.
본 발명은 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체 전해 커패시터 소자의 리드단자와 리드프레임의 접착특성이 우수한 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터에 관한 것이다.
커패시터는 저항, 코일 등과 함께 전자 회로를 구성하는 기본적인 회로 소자로서, 두 금속 전극판을 대향 시키고, 상기 전극판 사이에 기체, 액체, 또는 고체상의 절연성 유전체층을 삽입시켜 제조하며, 이와 같이 유전체층으로 분리된 두 전극판 사이에 전하를 축적하는 기능을 한다. 커패시터의 정전(靜電) 용량은 사용되는 전극판의 면적에 비례하므로, 전극판을 요철 형태로 가공하거나, 금속 파우더를 성형, 소결하여 표면적을 넓히고, 요철 형태의 전극판에 전기화학적 또는 화학적으로 유전체 막을 형성함으로써, 커패시터의 정전 용량을 증가시키는 방법이 통상적으로 사용되고 있다. 이와 같이 요철형태의 전극판에 유전체막을 형성한 경우에는 유전체막과 다른 전극판과의 전기적 접촉 면적을 증가시키기 위하여, 이들 사이에 전해질을 충진하며, 이때 사용되는 전해질의 종류에 따라 커패시터를 액체 전해 커패시터와 고체 전해 커패시터로 분류한다.
고체 전해 커패시터는 전해질로서 고체상의 이산화망간 또는 전도성 고분자층을 형성한 것으로서, 요철이 형성된 유전체층 상부에 이산화망간 또는 전도성 고분자층을 형성하는 다양한 방법이 알려져 있다. 불용성의 이산화망간을 전해질층으로 형성하기 위해서는 유전체층 상부에 질산망간을 코팅하고 이를 열분해하여 이산화망간 유전체층을 형성하는 방법이 통상적으로 사용되고 있다. 그러나, 형성된 이산화망간층의 비저항이 비교적 높고, 이산화망간층을 형성하기 위하여 다수의 열분해 공정을 거치므로 커패시터 소자의 임피던스가 비교적 높아질 뿐만 아니라, 전극상에 형성한 유전체 산화물 피막이 손상되기 쉬우며, 이에 따라 커패시터의 전류 손실량이 커지는 문제점이 있다. 전해질층으로서 전도성 고분자를 사용하는 방법으로는, 유전체 산화물 피막을 전극으로 하여 상기 유전체 산화물 피막 상부에 전기화학적 산화법으로 전도성 헤테로시클릭폴리머층을 형성하는 방법이 사용된 바 있으나(일본 특허공개 1985-244017호), 유전체 산화물 피막이 절연체이므로, 이를 전극으로 사용하는 전기화학적 산화법의 효율이 매우 낮아지는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 극복하기 위하여, 유전체 산화물 피막에 산화제를 함침한 후 건조하고, 다음으로 단량체를 함침하고 건조, 세척함으로서 엷은 제1 전도성 고분자층을 산화중합법으로 형성한 다음, 제1 전도성 고분자층이 형성된 유전체 산화물을 단량체와 도판트가 용해되어 있는 전해액 중에 침지하고, 상기 제1 전도성 고분자층을 전극으로 이용하여, 전해중합법으로 상기 제1 전도성 고분자층 상부에 제2 전도성 고분자층을 형성시키는 방법이 이용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 방법으로 전기적 특성이 우수한 커패시터 소자를 제조하였어도, 커패시터의 전극을 구성하기 위해 커패시터 소자의 리드단자와 리드프레임을 연결시킬 때, 커패시터의 성능이 다시 떨어지는 문제점이 발생한다. 통상 사용되는 커패시터 소자의 리드단자는 둥근 와이어 형태 되어있어, 리드프레임과 용접시, 열적, 기계적, 전기적 충격이 발생하여 커패시터의 ESR(등가직렬저항) 및 LC(누설전류) 특성이 급격하게 나빠지게 된다. 디지털 기기들이 점차 고성능화 및 고기능화 되어감에 따라 대용량의 전류를 고속으로 공급할 수 있는 커패시터가 요구되고 있지만, 커패시터를 고주파로 사용시, ESR(등가직렬저항)이 함께 증가되면 서 커패시터의 성능을 떨어뜨리므로, ESR(등가직렬저항)을 최소화 하기위한 커패시터 리드단자의 소재 개발 및 리드단자와 리드프레임을 연결시키는 새로운 방법이 모색되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 용접에 의하지 않고 커패시터 소자의 리드단자와 리드프레임을 연결시킬 수 있는 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터 를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 등가직렬저항 및 누설전류의 특성이 우수한 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 플레이트형 리드단자; 상기 플레이트형 리드단자가 연결된 밸브메탈; 상기 밸브메탈의 상부에 형성된 산화 피막층; 상기 산화 피막층의 상부에 형성된 전도성 고분자층; 및 상기 전도성 고분자층 상부에 형성된 음극층으로 이루어진 커패시터 소자를 포함하는 고체 전해 커패시터를 제공한다. 여기서, 상기 리드단자는 두께 10 내지 500㎛, 폭 100 내지 5000㎛, 길이 1mm 내지 15mm의 것이 바람직하고, 상기 리드단자는 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 및 지르코늄을 포함하는 군으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터 소자의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 고체 전해 커패시터 소자의 "A"로 표시된 부분의 확대도이며, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트형 양극리드를 포함하는 고체 전해 커패시터의 단면도이다. 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해 커패시터는 플레이트형 리드단자(11); 상기 플레이트형 리드단자(11)가 연결된 밸브메탈(22); 상기 밸브메탈(22)의 상부에 형성된 산화 피막층(23); 상기 산화 피막층(23)의 상부에 형성된 전도성 고분자층(24); 및 상기 전도성 고분자층(24) 상부에 형성된 음극층(26, 27)으로 이루어진 커패시터 소자(20)를 포함한다.
상기 밸브메탈(22)은 커패시터의 양극을 형성하는 것으로서, 통상의 고체 전해 커패시터와 같이, 각형 또는 원통형의 형상을 가지며, 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 지르코늄 등으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 탄탈륨 또는 니오비움으로 이루어질 수 있다. 상기 밸브메탈(22)의 일측면에는 밸브메탈(22)과 양극리드(12)를 전기적으로 연결하기 위한 리드단자(11)가 형성되어 있다. 본 발명에 따른 고체 전해 커패시터에 사용되는 플레이트형 리드단자(11)는 바람직하게는 두께 10 내지 500㎛, 폭 100 내지 5000㎛, 길이 1mm 내지 15mm 이며, 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 지르코늄 등으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 상기 밸브메탈(22)과 동일한 금속으로 이루어지는 것이 좋다. 상기 플레이 트형 리드단자(11)의 두께, 폭, 및 길이가 상기 범위 미만인 경우에는 리드프레임의 양극리드와의 접촉면이 작기 때문에 접착이 어렵고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 ESR(등가직렬저항) 특성이 커지며 소자의 가격 또한 상승하게 된다. 상기 밸브메탈(22)과 상기 리드단자(11)의 연결은 특히 제한없이 고체 전해 커패시터 제조시 사용되는 공지의 방법을 사용할 수 있고, 예를 들면, 각형 또는 원통형의 형상을 가지는 밸브메탈에 리드단자를 삽입시켜 일정한 밀도로 성형, 소결하여 연결할 수 있다. 일반적으로 고체 전해 커패시터 소자(20)의 리드단자는 둥근 와이어 형태로 되어 있으나, 본 발명에 사용되는 리드단자(11)는 얇은 판 모양을 하고 있기 때문에 용접에 의하지 않고, 접착제(12)를 사용하여 리드 프레임의 양극리드(8)와 연결될 수 있다.
상기 밸브메탈(22) 표면에 형성된 산화 피막층(23)은 커패시터의 유전체 기능을 하는 것으로서, 플레이트 모양의 리드단자(11)가 연결된 밸브메탈(22)을 화성용액에 함침 시킨 후, 적정 전압을 인가하여 밸브메탈(22)의 표면을 산화 시킴으로써 형성할 수 있다. 상기 전도성 고분자층(24)은 단일층 또는 2 이상의 층으로 형성될 수 있으나, 바람직하기로는 폴리피롤과 같은 상대적으로 전도성이 낮은 고분자로 이루어지며, 산화 피막층(23)의 상부에 형성된 제1 전도성 고분자층(24a)과, 폴리티오펜과 같은 상대적으로 전도성이 높은 고분자로 이루어지며, 제1 전도성 고분자층(24a) 상부에 형성된 제2 전도성 고분자층(24b)의 이중층 구조를 가지는 것이 좋다. 상기 제2 전도성 고분자층(24b) 상부에 형성된 상기 음극층(26, 27)은 예를 들면, 카본층(26) 및 상기 카본층(26) 상부에 형성된 실버층(27)으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 형성된 커패시터 소자(20)를 이용하여, 커패시터를 제조하기 위해서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 리드단자(11)를 리드프레임의 양극리드(8)에 연결시키고, 상기 음극을 형성하는 실버층(27)과 음극리드(7)를 연결시킨 다음, 소자를 금형에 넣고 몰딩 프레스에서 일정 압력으로 몰딩시켜, 상기 커패시터 소자(20)를 몰딩수지(13)로 봉지하고, 외부로 돌출된 리드프레임을 커팅함으로써 고체 전해 커패시터를 완성시킨다. 여기서, 상기 리드단자(11)와 양극리드(8)의 연결 및 상기 실버층(27)과 음극리드(7)의 연결은 실버 접착제 등의 접착제(12)를 이용하여 수행할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 고체 전해 커패시터의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따른 커패시터를 제조하기 위해서는, 먼저, 플레이트 모양의 리드단자(11)가 연결된 탄탈펠렛(22)을 화성용액에 함침 시킨 후, 적정 전압을 인가하여 산화 피막층(23)을 형성시킨다. 이때 사용되는 화성용액은 예를 들면 질산수용액을 사용할 수 있고, 적정 전압은 10 내지 80V 이다. 산화 피막층(23)이 형성된 후, 상기 산화 피막층(23)의 상부에 제1 전도성 고분자층(24a)을 형성시킨다. 이때 통상적으로 공지된 산화중합법을 이용할 수 있으며, 예를 들면 산화 피막층(23)에 산화제를 함침 후 건조하고, 계속하여 단량체를 함침, 건조, 세척함으로서 제1 전도성 고분자층(24a)을 형성할 수 있다. 상기 산화중합에 이용될 수 있는 산화제로는 페릭클로라 이드, 암모늄퍼설페이트 등을 사용할 수 있고, 산화제의 농도는 0.001몰/ℓ 내지 3몰/ℓ, 단량체의 농도는 0.01몰/ℓ 이상을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 전도성 고분자층(24)을 형성하기 위한 단량체로는 피롤(pyrrole), 아닐린(aniline), 티오펜(thiophene) 등을 사용할 수 있다. 필요에 따라 소자의 ESR(등가직렬저항) 및 LC(누설전류)의 특성을 향상시키기 위해 전해중합을 통하여 전도성이 높은 제2 전도성 고분자층(24b)을 형성시킬 수 있는데, 전해중합 공정은 다음과 같다. 도판트와 단량체가 용해되어진 용액에 소자를 함침시킨 후 전극을 연결하고, 전류를 인가함으로써 상기 제1 전도성 고분자층(24a)의 상부에 제2 전도성 고분자층(24b)을 형성할 수 있다. 제2 전도성 고분자층(24b)을 형성하기 위한 전해액은 0.01 내지 5 몰/ℓ 농도의 전도성 단량체와 0.1몰/ℓ 내지 1몰/ℓ 농도의 도판트(전해질 염)를 함유하는 것이 바람직하다. 제2 전도성 고분자층(24b)을 형성하기에 적합한 전해중합 적용 전류는 0.01mA 내지 1mA/소자 정도이나, 이는 소자의 크기, 전해 중합되는 단량체의 종류 및 농도에 따라 적절히 변경될 수 있다. 상기 전해중합 공정에 사용될 수 있는 도판트로는 비한정적으로 헥사플로오로인산리튬, 헥사플로오로인산나트륨, 헥사플로오로인산칼륨, 과염소산리튬, 과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼륨, 테트라부틸암모늄 톨루엔설포네이트, 소듐 파라톨루엔설포네이트, 파라톨루엔설포닉엑시드, 나프탈렌설포닉엑시드, 벤젠설포닉엑시드, 소듐벤젠설포네이트, 소듐 나프탈렌설포네이트, 소듐 알킬나프탈렌설포네이트, 소듐 도데실벤젠설포네이트 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하기로는 소듐 파라톨루엔설포네이트, 파라톨루엔설포닉엑시드, 나프탈렌설포닉엑시드, 벤젠설포닉엑시드, 소듐 나프탈렌설포네이트, 소듐 알킬나프탈렌설포네이트, 소듐 도데실벤젠설포네이트, 소듐벤젠설포네이트 등을 사용한다. 상기 산화중합공정과 전해중합공정을 통하여 전도성 고분자층(24)을 형성한 후에는 재화성 공정을 실시하여, 전해중합 공정에서 손상된 화성피막을 수복하고, 커패시터의 내전압과 LC(누설전류) 특성을 향상시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 재화성 공정은 0.05 내지 1M의 톨루엔설포닉엑시드 또는 황산수소암모늄 용액에 전도성 고분자층(24)이 형성된 소자를 함침시키고 전류를 인가하여 수행한다. 전도성 고분자층(24)을 형성한 후, 카본 페이스트를 이용하여 카본층(26)을 형성하고, 실버 페이스트를 이용하여 실버층(27)을 형성한다. 카본층(26)은 유기 용매에 용해시킨 카본 페이스트에 소자(20)를 약 10초간 함침한 다음, 110 내지 130℃에서 5 내지 15분간 건조하고, 140 내지 160℃에서 20 내지 40분간 건조하여 형성할 수 있고, 실버층(27)은 유기 용매에 용해시킨 실버 페이스트에 소자(20)를 약 10초간 함침한 다음, 110 내지 130℃에서 5 내지 15분간 건조하고, 140 내지 160℃에서 20 내지 40분간 건조하여 형성할 수 있다. 이와 같이 커패시터 소자(20)를 제조한 후, 상술한 바와 같이 양극리드(8)와 음극리드(7)를 연결하고, 몰딩수지(13)로 봉지하여 고체 전해 커패시터를 완성한다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
두께 300㎛, 폭 3000㎛, 길이 10mm인 플레이트 모양의 탄탈륨 양극 리드가 연결된 탄탈륨을 질산수용액에 함침시킨 후, 20V의 전압을 인가하여 산화 피막층을 형성한 다음, 상기 산화 피막층 위에 제1 전도성 고분자층과 제2 전도성 고분자층을 형성하였다. 상기 제1 전도성 고분자층은 산화 피막층이 형성된 소자를 0.01몰/ℓ의 암모늄 퍼설페이트 용액에 10분간 함침하고, 다시 1몰/ℓ의 피롤 모노머를 포함하는 용액에 10분간 함침한 후, 세척하여 형성하였다. 상기 제2 전도성 고분자층은 소자를 0.1몰/ℓ 농도의 피롤 모노머와 0.01몰/ℓ 농도의 소듐파라톨루엔설포네이트 및 0.01몰/ℓ 농도의 소듐안트라퀴논디설포네이트, 0.01몰/ℓ 농도의 옥살릭에시드를 포함하는 반응물 용액에 침지하고, 0.1mA의 직류 전류를 가함으로써 전해중합법으로 형성하였다. 다음으로, 카본 페이스트 및 실버(Ag) 페이스트를 소자에 도포한 후, 150℃에서 10분간 건조 및 경화시켜, 전기 접촉성을 개선시키는 카본 및 실버(Ag)층을 형성하였으며, 음극을 형성하는 실버층의 일측면 및 두께 300㎛, 폭 3000㎛, 길이 10mm인 플레이트 모양의 탄탈륨 리드단자를 리드 프레임의 음극리드 및 양극리드와 실버 접착제로 연결하였다. 그 다음, 소자를 금형에 넣고 몰딩 프레스에서 일정 압력으로 몰딩 시키고, 외부로 돌출된 리드프레임을 커팅함으로써, 고체 전해 커패시터를 완성시켰다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 얇은 플레이트형 리드단자를 사용하기 때문에, 용접에 의하지 않고 커패시터 소자의 리드단자와 리드프레임을 연결시킴으로써, 등가직렬저항 및 누설전류 특성이 우수한 커패시터를 제조할 수 있다.
Claims (6)
- 플레이트형 리드단자;상기 플레이트형 리드단자가 삽입되어 연결되어 있는 밸브메탈;상기 밸브메탈의 상부에 형성된 산화 피막층;상기 산화 피막층의 상부에 형성된 전도성 고분자층; 및상기 전도성 고분자층 상부에 형성된 음극층으로 이루어진 커패시터 소자를 포함하며,상기 플레이트형 리드단자는, 두께 10 내지 500㎛, 폭 100 내지 5000㎛, 길이 1mm 내지 15mm이고, 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 및 지르코늄로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 것이며, 리드프레임의 양극리드와 실버 접착제로 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 전해 커패시터.
- 제1항에 있어서, 상기 밸브메탈은 각형 또는 원통형의 형상을 가지며, 알루미늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나듐, 티탄, 및 지르코늄을 포함하는 군으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 전해 커패시터.
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- 제1항에 있어서, 상기 전도성 고분자층은 산화중합과 전해중합 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 전해 커패시터.
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