KR101119053B1 - 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
[과제] 단위체적당 용량 출현률이 높은 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법을 제공한다.
[해결수단] 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자에 있어서,
상기 양극체는 복수장의 평판 형상의 양극체를 직접 겹치게 해서 고체 전해질에 의해 일체화되고, 겹쳐져 인접하는 양극체끼리가 이들의 일부에서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자 및 그 제조 방법.
[해결수단] 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자에 있어서,
상기 양극체는 복수장의 평판 형상의 양극체를 직접 겹치게 해서 고체 전해질에 의해 일체화되고, 겹쳐져 인접하는 양극체끼리가 이들의 일부에서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자 및 그 제조 방법.
Description
본 발명은 도전성 중합체를 고체 전해질층으로서 이용한 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 말하면, 체적당 용량이 높은 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고체 전해 콘덴서는 일반적으로 알루미늄, 탄탈, 니오브, 티탄 및 그 합금 등의 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체의 표면을 에칭에 의해 조면화해서 미크론 오더의 미세 구멍을 형성해서 표면적을 확대하고, 그 위에 화성(化成) 공정에 의해 유전체 산화 피막(이하, 단지 유전체 피막이라고 하는 것이 있다.)을 형성하고, 또한 양극부와의 사이에 절연성 수지로 이루어지는 세퍼레이터를 통해서 음극부에 고체 전해질을 함침시키고, 그 위에 카본 페이스트, 금속 함유 도전성 페이스트로 이루어지는 음극 도전층을 형성한 후에 외부 전극 단자가 되는 리드 프레임에 접속하고, 에폭시 수지 등으로 수지 외장해서 구성된다.
고체 전해질로서 도전성 중합체를 이용한 고체 전해 콘덴서는 이산화망간 등을 고체 전해질로 하는 고체 전해 콘덴서에 비해서 등가 직렬 저항(ESR) 및 누설 전류를 작게 할 수 있기 때문에 퍼스널 컴퓨터를 제어하는 CPU의 백업 전원으로서 널리 사용되고 있다. 퍼스널 컴퓨터는 종래의 데스크톱으로부터 A4 사이즈의 노트북 컴퓨터, B5 사이즈의 노트북 컴퓨터에 다운사이징(downsizing)화가 진행되고 있다. 또한, 작년 시장에 릴리스(release)된 넷북은 기능을 한정해서 저가격화를 실현하고 또한 휴대성도 추구하고 있어 시장으로부터 압도적인 지지를 모으고 있다.
이러한 퍼스널 컴퓨터 본체의 소형화는 그 속에 수납되는 회로 기판 자체의 다운사이징도 강력하게 추진되고 있고, 그 결과, 콘덴서에 대해서도 동일 용량으로 보다 저배(低背), 작은 면적의 제품이 요구되고 있고, 체적당 저전 용량 출현률의 향상으로의 요망은 점점 증대되고 있다.
적층형의 고체 전해 콘덴서의 정전 용량은 칩 내에 수납하는 콘덴서 소자의 장수에 비례한다. 적층되는 콘덴서 소자는 소자 간에 은 페이스트를 통해서 접착하여 일체화하는 방법, 또는 일본 특허 공개 평4-91418호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있는 바와 같이 소자의 음극부를 복수장 겹치게 해서 은 페이스트로 피복하여 일체화하는 방법에 의해 제조되어 있다.
이러한 고체 전해 콘덴서에 있어서 체적당 용량 출현률을 높이기 위해서는 규정의 칩 체적 내에 보다 많은 소자를 봉입하는 것이 필요하고, 소자 1장당 소자 두께를 줄여서 보다 많은 장수의 콘덴서 소자를 적층하는 것이 요구된다. 그러나, 칩 내를 필연적으로 점유하는 양극체(알루미늄박)나 리드 프레임의 두께를 고려하면 그 외의 구성 요소에 대해서 허용되는 두께는 매우 얇게 되어 더나은 고용량화를 실현하는 것은 점점 어렵게 되고 있다.
알루미늄박이나 리드 프레임 이외의 대표적인 구성 요소인 고체 전해질층의 두께에 관해서 말하면, 모노머를 함유하는 용액에 침지하는 공정과 산화제를 함유하는 용액에 침지후 건조하는 공정에 산화제를 함유하지 않은 용액에 침지후 건조하는 공정을 추가한 일본 특허 공개 2006-173593호 공보(특허문헌 2)에 의한 삭감 방법을 예시할 수 있다.
한편, 일본 특허 공개 평5-304059호 공보(특허문헌 3)에는 양극박(알루미늄 화성박)을 도체편을 통해서 접합해서 일체화한 후, 각 양극박에 고체 전해질층을 형성하여 도전 페이스트층으로 전체를 피복함으로써 음극부를 일체화하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평3-8313호 공보(특허문헌 4)에는 양극박을 폴리비닐알콜 박막을 통해서 적층한 후, 폴리비닐알콜 박막을 물에 용해 제거해서 생긴 간극에 고체 전해질층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 이들 특허문헌의 방법은 모두 양극체와 양극체 사이에 콘덴서 소자 적층체의 두께에 포함되게 되는 간극을 형성해서 거기에 고체 전해질이나 도전체층을 형성하는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하여 소자의 두께를 줄여서 단위체적당 용량 출현률이 보다 높은 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로, 적층형 고체 전해 콘덴서를 구축하기 위해서 적층되는 개개의 콘덴서 소자에는 콘덴서 소자를 덮는 고체 전해질의 외표면에 도전 페이스트층이 설치되어 있다. 이것은, 일반적으로 고체 전해질의 비저항은 은 페이스트층 등의 고도전성 페이스트층에 비해서 크므로, 콘덴서를 흐르는 전류가 고체 전해질을 가능한 한 단거리에서 통과하여 도전성 페이스트층에 집전되는 구조로서 ESR를 낮게 억제하기 위해서이다.
그러나, 본 발명자들이 상기 과제를 감안하여 예의 검토한 결과, 이유는 확실하지는 않지만, 세공(細孔)을 갖는 평판 형상의 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체의 복수장을 직접 겹치게 하고, 인접하는 양극체끼리를 이들의 일부에서 접합한 후 고체 전해질층을 피복해서 이들 양극체를 일체화해도 ESR의 상승은 조금인 것을 발견했다. 그리고, 이 복수장의 양극체를 직접 겹치게 하고, 고체 전해질층을 피복해서 일체화한 양극체로 콘덴서 소자를 구축함으로써 종래의 적층형 고체 전해 콘덴서로 개개의 양극체 소자 사이에 설치하고 있었던 고체 전해질층 및 도전체층(카본 페이스트층ㆍ은 페이스트층 등)이 불필요하게 되고, 체적당 용량 출현률을 증대할 수 있는 것을 발견하여 이들 지견에 의거해서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 이하의 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
[1] 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자에 있어서, 상기 양극체는 복수장의 평판 형상의 양극체를 직접 겹치게 해서 고체 전해질에 의해 일체화되고, 겹쳐져 인접하는 양극체끼리가 이들의 일부에서 접합 되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자.
[2] [1]에 있어서, 접합은 용접에 의해 행해져 있는 고체 전해 콘덴서 소자.
[3] [1] 또는 [2]에 있어서, 고체 전해질로 덮여져 있지 않은 양극부에서 접합되어 있는 고체 전해 콘덴서 소자.
[4] [1] 또는 [2]에 있어서, 고체 전해질로 덮여져 있는 음극부에서 접합되어 있는 고체 전해 콘덴서 소자.
[5] [4]에 있어서, 접합부의 면적은 겹쳐진 양극체의 음극부 면적의 1~30%인 고체 전해 콘덴서 소자.
[6] [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 있어서, 인접하는 양극체는 이들의 일부에서 절연성 수지를 통해 서로 고정되어 있는 고체 전해 콘덴서 소자.
[7] [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 있어서, 양극체의 두께는 50~500㎛인 고체 전해 콘덴서 소자.
[8] [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 있어서, 밸브 작용 금속은 알루미늄, 탄탈, 니오브, 티탄, 지르코늄 및 이들의 합금인 고체 전해 콘덴서 소자.
[9] [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 있어서, 고체 전해질이 도전성 고분자인 고체 전해 콘덴서 소자.
[10] 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법에 있어서, 세공을 갖는 평판 형상의 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체를 복수장 직접 겹치게 하고, 그 일부를 남기고 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정, 및 적어도 인접하는 양극체끼리를 이들의 일부에서 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[11] [10]에 있어서, 접합을 용접에 의해 행하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[12] [10] 또는 [11]에 있어서, 양극체끼리를 접합하는 공정을 행한 후, 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정을 행하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[13] [10] 또는 [11]에 있어서, 양극체의 일부를 남기고 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정을 행한 후에 일부가 남겨진 양극체 부분에서 양극체끼리를 접합하는 공정을 행하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[14] [10] 내지 [13] 중 어느 하나에 있어서, 인접하는 양극체끼리의 일부를 절연성 수지를 통해 서로 고정하는 공정을 추가로 포함하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[15] [10] 내지 [14] 중 어느 하나에 있어서, 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정은 겹쳐져 도전성 중합체가 되는 원료 용액을 직접 겹쳐진 양극체 표면과 양극체 사이에 스며들게 해서 겹치게 함으로써 행해지는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법.
[16] [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자의 양극부 및 음극부는 각각 양극 리드 단자 및 음극 리드 단자에 접속되고, 또한 고체 전해 콘덴서 소자 전체가 절연성 수지로 밀봉되어 있는 고체 전해 콘덴서.
[17] [16]에 있어서, 복수장의 고체 전해 콘덴서 소자가 적층되어 있는 고체 전해 콘덴서.
[18] [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자의 양극부에 양극 리드 단자를 접속하고, 음극부에 음극 리드 단자를 접속하고, 또한 고체 전해 콘덴서 소자 전체를 절연성 수지로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서의 제조 방법.
[19] [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자를 복수장 적층하고, 적층체의 양극부에 양극 리드 단자를 접속하고, 음극부에 음극 리드 단자를 접속하고, 또한 고체 전해 콘덴서 소자 전체를 절연성 수지로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 적층형 고체 전해 콘덴서의 제조 방법.
<발명의 효과>
본 발명에 의하면, 단위체적당 용량 출현률이 높아 경제적인 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 양극체의 접합 및 절연성 수지의 도포의 일례를 나타내는 모식도.
도 2는 도 1에서 절연성 수지를 도포한 다른 일례를 나타내는 모식도.
도 3은 양극체를 절연성 수지로 서로 고정한 일례를 나타내는 모식도.
도 4는 도 3에서 양극체를 양극부에서 접합한 일례를 나타내는 모식도.
도 5는 양극체가 음극부에서 접합된 실시예1의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
도 6은 양극체가 양극부에서 접합된 실시예2의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
도 7은 양극체가 양극부 및 음극부에서 접합된 실시예4의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
도 2는 도 1에서 절연성 수지를 도포한 다른 일례를 나타내는 모식도.
도 3은 양극체를 절연성 수지로 서로 고정한 일례를 나타내는 모식도.
도 4는 도 3에서 양극체를 양극부에서 접합한 일례를 나타내는 모식도.
도 5는 양극체가 음극부에서 접합된 실시예1의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
도 6은 양극체가 양극부에서 접합된 실시예2의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
도 7은 양극체가 양극부 및 음극부에서 접합된 실시예4의 고체 전해 콘덴서 소자의 모식도.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고체 전해 콘덴서 및 그 제조 방법을 순서에 따라 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 평판 형상의 미세 구멍을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 복수장을 직접 겹치게 해서 고체 전해질에 의해 일체화하고, 이 고체 전해질 상에 도전체층을 적층해서 고체 전해 콘덴서 소자를 형성한다. 여기서, 「직접 겹치게 해서」의 「직접」은 밸브 작용 금속 표면에 고체 전해질층이나 도전체층 등의 다른 층을 개재시키지 않고 겹치게 하는 것을 의미한다.
[양극체]
본 발명의 양극체로서 사용할 수 있는 밸브 작용 금속은 알루미늄, 탄탈, 니오브, 티탄, 지르코늄 및 이들의 합금으로부터 선택된다. 바람직하게는 알루미늄 또는 그 합금이다. 구체적인 밸브 작용 금속 재료의 형태로서는 박 등의 평판 형상의 것이 바람직하다. 이들 밸브 작용 금속은 미리 공지의 방법에 의해 에칭 처리 등을 실시해서 표면에 미세 구멍을 형성한 것이 특히 바람직하게 사용된다.
도 1은 본 발명의 고체 전해 콘덴서 소자 예를 구성하는 평판 형상의 미세 구멍을 갖는 밸브 작용 금속(이하, 밸브 작용 금속박으로 약칭한다.)을 양극체로 하고, 그 음극부의 중앙부의 접속 부위(4)에서 용접 등에 의해 접합한 상태의 단면을 나타내는 모식도이다. 표면에 유전체 피막(2)이 형성되어 있는 2장의 밸브 작용 금속박이 길이가 짧은 쪽의 밸브 작용 금속박(1a)의 중앙 부분에서, 길이의 긴 쪽의 밸브 작용 금속박(1b)과 접합 부위(4)에서 접합되어 있다. 도 1에는 밸브 작용 금속박의 에칭층(3), 에칭층 내의 절연성 수지(5a), 및 밸브 작용 금속박의 표면에 형성된 절연성 수지층(5b)이 아울러 나타내어져 있다.
고체 전해질에 의해 일체화되는 양극체의 장수는 밸브 작용 금속박의 두께나 재질에도 따르므로 일률적으로 규정할 수는 없지만 2장에서부터 10장까지의 범위에서 겹치게 하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서는 밸브 작용 금속박은 제품의 형상에 맞춘 치수로 재단한 것이 사용된다. 두께는 사용 목적에 따라 변경되지만 일반적으로 두께가 약 50~500㎛인 박이 사용된다. 크기 및 형상도 용도에 따라 다르지만 평판형 소자 단위로서 폭 약 1~50㎜, 길이 약 1~50㎜의 직사각형의 금속박이 바람직하고, 폭 약 2~20㎜, 길이 약 2~20㎜가 보다 바람직하며, 폭 약 2~5㎜, 길이 약 2~6㎜가 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서는 세공을 갖는 평판 형상의 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 복수장을 직접 겹치게 하고, 적어도 인접하는 양극체끼리를 그들의 일부, 즉, 인접하는 양극체의 적어도 1개소 또는 복수 개소에서 접합한다. 접합하는 부위로서는 고체 전해질이나 절연성 수지로 덮여지지 않은 양극체 부분(양극부), 또는 절연성 수지로 이루어지는 세퍼레이터를 통해 양극부로부터 분리한 고체 전해질로 덮여져 음극이 형성되는 부분(음극부), 특히 겹쳐진 양극체의 음극부가 되는 부분의 중앙부가 바람직하다. 또한, 밸브 작용 금속박의 복수 개소를 접합하는 경우에는 복수장의 밸브 작용 금속박이 균등한 힘으로 접합되는 위치가 바람직하다. 특히 용접에 의해 접합하는 경우에는 접합 부위는 알루미늄이 용융되어 일체화된 형상이 되기 때문에 에칭층이 찌부러진다. 따라서, 접합 부위는 당초의 표면적을 잃어버리고, 당초 발현된 정전 용량을 잃어버리기 때문에 접합 범위를 좁게 하는 것이 보다 바람직하다.
접합 범위, 즉 접합부의 면적은 겹쳐진 밸브 작용 금속박의 음극부 면적의 1~30%가 바람직하고, 5~20%가 특히 바람직하다. 접합부 면적이 겹쳐진 밸브 작용 금속박의 음극부 면적의 1% 미만에서는 인접하는 양극체끼리를 안정되게 고정하는 것이 곤란함과 아울러 고체 전해질의 형성 과정에서 박리가 발생되는 경우가 있다. 한편, 접합부 면적이 30%를 초과하면 정전 용량이 저하되므로 소실된 정전 용량을 확보하기 위해서 겹쳐진 밸브 작용 금속박의 장수를 늘려야만 한다.
양극체의 접합은 밸브 작용 금속박 간의 전기적인 접속 및 물리적인 고정 양쪽이 동시에 행해지는 용접이 바람직하다. 용접은, 예컨대, 저항 용접, 레이저 용접, 초음파 용접 중 어느 하나, 또는, 이들 방법을 병용해서 실시할 수 있다.
[절연성 수지]
양극체의 고체 전해질이나 절연성 수지로 덮이지 않은 부분(양극부)과 고체 전해질로 덮여져 음극이 형성되는 부분(음극부)을 분리하기 위해서 양쪽 부분의 경계역(境界域)에는 절연성 수지가 도포된다.
절연성 수지로서는 일반적인 내열성 수지, 바람직하게는 용제에 가용 또는 팽윤 가능한 내열성 수지 또는 그 전구체, 무기질 미분과 셀룰로오스계 수지로 이루어지는 조성물 등을 사용할 수 있지만 재료에는 제한되지 않는다. 구체예로서는 폴리페닐술폰(PPS), 폴리에테르술폰(PES), 시안산 에스테르 수지, 불소 수지(테트라플루오르에틸렌, 테트라플루오르에틸렌ㆍ퍼플루오로알킬 비닐에테르 공중합체 등), 저분자량 폴리이미드 및 그들의 유도체 및 그 전구체 등을 들 수 있고, 특히 저분자량 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 불소 수지 및 그들의 전구체가 바람직하다.
절연성 수지(5)를 도포한 양극체를 도 1~4에 예시한다. 도 1~4는 모두 절연성 수지(5)의 좌측이 양극부가 되고, 우측이 음극부가 된다. 도 1에서는 긴 쪽의 밸브 작용 금속박(1b)의 밸브 작용 금속박의 박이 겹치지 않는 일부분에 절연성 수지(5)가 도포되어 있다. 도 2에서는 도 1에 예시된 절연성 수지(5)가 짧은 쪽의 밸브 작용 금속박(1a)의 선단 부분을 덮음과 동시에 긴 쪽의 밸브 작용 금속박(1b)의 좌측 방향 중간 부분을 덮도록 도포되어 양 박을 서로 고정하고 있다. 도 3에서는 2장의 길이가 동일한 밸브 작용 금속박의 좌측 방향 중간 부분을 절연성 수지로 덮어 양 박을 서로 고정하고 있다. 도 4에서는 도 3에서 예시된 2장의 밸브 작용 금속박의 양극부를 용접에 의해 접합하고 있다.
본 발명에서는 인접하는 양극체를 이들의 일부에서 절연성 수지를 통해 서로 고정할 수 있다. 즉, 절연성 수지를 도포하는 것에 의한 밸브 작용 금속박끼리의 고정은 예컨대 양극체의 양극부와 음극부를 분리하는 부분에 절연성 수지를 도포한 복수장의 밸브 작용 금속박을 겹치게 하고, 가열에 의해 고화 또는 경화하여 접착하는 방법(예컨대, 도 3), 또는 겹쳐진 밸브 작용 금속의 양극부와 음극부를 분리하는 부분에 절연성 수지를 도포한 후 가열 고화 또는 가열 경화해서 고정하는 방법(예컨대, 도 2)에 의해 실시할 수 있다.
절연성 수지에 의해 밸브 작용 금속박을 고정한 경우에는 복수장의 밸브 작용 금속박 간의 도통을 취하기 위해서 적어도 인접하는 밸브 작용 금속박끼리를 이들의 일부에서 접합시킨다. 도 4에 2장의 밸브 작용 금속박의 양극부를 용접해서 얻어진 양극체 예의 모식도를 나타내고, 도 1 및 2에 2장의 밸브 작용 금속박의 음극부를 용접해서 얻어진 양극체 예의 모식도를 나타내었다.
[유전체 산화 피막]
필요하면, 계속해서, 양극체의 표면에 유전체 산화 피막을 형성한다. 양극체의 표면에 유전체 산화 피막을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않고 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 알루미늄박을 사용할 경우에는 붕산, 인산, 아디핀산, 또는 그들의 나트륨 염, 암모늄 염 등을 함유하는 수용액 중에서 양극 산화해서 산화 피막을 형성할 수 있다. 또한, 탄탈 등의 분말의 소결체를 사용할 경우에는 인산수용액 중에서 양극 산화해서 소결체에 산화 피막을 형성할 수 있다.
화성에 이용하는 화성액, 화성 전압 등의 화성 조건은 제조되는 고체 전해 콘덴서에 필요한 용량, 내전압 등에 따라 미리 실험에 의해 확인하여 적절한 값으로 설정할 수 있다. 또한, 밸브 작용 금속 재료는 그 조면화(다공질화) 후, 화성 처리하고, 유전체 산화 피막을 형성한 화성 기판으로서 시판되고, 고체 전해 콘덴서 등에 이용되고 있다. 본 발명에서는 이러한 시판의 화성 처리가 실시된 밸브 작용 금속박을 사용할 수도 있다. 그러나, 예컨대, 용접에 의해 음극부의 일부를 접합할 경우, 용접 부분의 유전체층은 파괴되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 화성 등에 의해 유전체 산화 피막의 형성이 재차 필요하게 된다.
[고체 전해질]
이어서, 겹쳐져 도전성 중합체가 되는 원료 용액을 직접 겹쳐진 양극체 표면과 양극체 사이에 침지시켜서 겹치게 함으로써 음극부에 고체 전해질층을 형성하고, 이것에 의해 복수장의 양극체를 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정을 행할 수 있다. 복수장의 양극체를 일체화할 때에는 용접, 절연성 수지에 의한 접착 등의 양극체끼리를 고정하는 방법을 병용해도 좋다.
본 발명에 있어서 음극부에 형성하는 고체 전해질로서는 도전성 고분자가 바람직하다.
도전성 고분자로서는 티오펜 골격을 갖는 화합물, 다환상 술피드 골격을 갖는 화합물, 피롤 골격을 갖는 화합물, 푸란 골격을 갖는 화합물, 아닐린 골격을 갖는 화합물 등으로 나타내어지는 구조를 반복 단위로서 포함하는 도전성 중합체를 들 수 있지만, 고체 전해질을 형성하는 도전성 중합체는 이것에 한정되는 것은 아니다.
고체 전해질(6)은 밸브 작용 금속박의 에칭층내(6a) 및 밸브 작용 금속박의 표면(6b)에 형성된다. 도 5 또는 도 6에 있어서는 2장 겹쳐진 밸브 작용 금속박의 외주부뿐만 아니라, 겹쳐진 내측의 에칭층 내에도 고체 전해질이 형성되어 양극체는 일체화되어 있다. 도 5에는 카본 페이스트(7)와 도전성 페이스트(8)가 아울러 나타내어져 있다.
본 발명에 의하면, 이상에 서술한 바와 같이 해서 양극체끼리를 접합하는 공정을 행한 후, 고체 전해질에 의해 복수장의 양극체를 일체화하는 공정을 행할 수 있다. 또한, 양극체를 양극부만으로 접합하는 경우에는 접합하지 않고 고체 전해질에 의해 양극체를 일체화한 후에 양극체의 양극부를 접합해도 좋다(예컨대, 도 4).
겹쳐진 밸브 작용 금속박 간의 간극은 불가피하게 생기는 일이 있지만 가능한 한 간극이 없는 구조쪽이 체적당 정전 용량을 높게 할 수 있으므로 바람직하다.
[고체 전해 콘덴서]
또한, 일체화된 양극체의 음극부 전체를 덮는 고체 전해질층의 표면에 카본 페이스트층과 은 페이스트층을 설치해서 콘덴서의 음극부를 형성해서 콘덴서 소자로 한다.
본 발명의 고체 전해 콘덴서는 콘덴서 소자의 양극부에 양극 리드 단자를 접속하고, 음극부에 음극 리드 단자를 접속하고, 또한 소자 전체를 에폭시 수지 등의 절연성 수지로 밀봉해서 얻을 수 있다.
이렇게 해서 얻어진 본 발명의 콘덴서 소자는 적층해서 이용해도 좋다. 예컨대, 리드 단자 상에 콘덴서 소자를 적층함으로써 적층형 고체 전해 콘덴서를 형성할 수 있다.
[실시예]
이하에 본 발명에 대해서 대표적인 예를 나타내고, 구체적으로 설명한다. 또한, 이들은 설명을 위한 단순한 예시이며, 본 발명은 이들에 하등 제한되는 것은 아니다.
실시예1: 2장의 양극체를 겹친 도 5의 형태에 의한 고체 전해 콘덴서의 제조
두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 3.5㎜ 폭으로 절단한 것을 13㎜씩의 길이로 잘라내고, 이 박편의 한쪽의 단변부를 금속제 가이드에 용접에 의해 고정했다. 계속해서, 3.5㎜ 폭으로 절단한 알루미늄 화성박을 4.5㎜의 길이로 절단하고, 금속제 가이드에 용접한 또 한쪽의 화성 알루미늄 상면에 배치하고, 가이드에 고정하지 않은 선단을 정렬해서 겹친 상태에서 4.5㎜의 길이의 화성박의 중앙부 (음극 중앙부)를 저항 용접했다. 저항 용접의 전극은 1㎜×2㎜의 직사각형의 전극을 사용해서 실시했다. 또한, 용접에 의해 초기의 정전 용량이 소실된 영역은 12%이었다.
이어서, 양극부와 음극부를 분리하는 마스킹재(폴리이미드 수지)를 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 선상으로 도포하고 180℃에서 1시간 건조시켰다. 이어서, 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 도포된 폴리이미드 수지까지의 부분을 화성 처리(9질량％ 아디핀산 암모늄 수용액 중, 전류 밀도 5mA/㎠, 화성 전압 3.5V, 온도 65℃에서 10분간)를 행하여 수세, 건조를 행했다. 음극층인 고체 전해질은 음극부(3.5㎜×4.6㎜) 3,4-에틸렌디옥시티오펜을 함유하는 이소프로판올 용액(용액 1)에 침지하고, 끌어 올려서 방치했다. 이어서, 과황산 암모늄을 함유하는 수용액(용액 2)에 침지하고, 이것을 건조하고, 산화 중합을 행하였다. 용액 1에 침지하고나서 용액 2에 침지하고, 산화 중합을 행하는 조작을 20회 반복했다. 이어서, 50℃의 온수에서 세정한 후, 100℃에서 건조시켜 고체 전해질층을 형성했다. 또한, 음극부에 카본 페이스트, 은 페이스트로 전극을 형성하고, 도 5에 단면을 나타내는 구성의 콘덴서 소자를 완성시켰다.
음극부를 리드 프레임 상에 은 페이스트로 접합하고, 고체 전해질이 붙어 있지 않은 부분에 양극 리드 단자를 용접에 의해 접합하고, 전체를 에폭시 수지로 밀봉하고, 135℃에서 2V의 전압을 인가해서 에이징하여 합계 10개의 칩형 고체 전해 콘덴서를 제작했다. 이들 10개의 콘덴서에 대해서 초기 특성으로서 120㎐에 있어서의 정전 용량과 100kH에 있어서의 등가 직렬 저항(ESR)을 측정하고, 그 평균값을 표 1에 나타내었다. 또한, 콘덴서 소자의 평균 두께(소자 두께), 및 용량 출현률(정전 용량/콘덴서 소자 두께)을 표 1에 정리해서 나타내었다.
실시예2: 2장의 양극체를 겹친 도 6의 형태에 의한 고체 전해 콘덴서의 제조
두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 3.5㎜ 폭으로 절단한 것을 13㎜씩의 길이로 잘라내고, 이 박편의 한쪽의 단변부를 금속제 가이드에 용접에 의해 고정했다. 절구(切口)를 화성하기 위해서 가이드에 고정하지 않은 선단으로부터 7㎜의 개소에 폴리이미드수지 용액(우베코우산 제작)을 0.8㎜ 폭으로 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 도포된 폴리이미드 수지까지의 부분을 실시예1과 마찬가지로 화성 처리를 행하여 수세, 건조를 행했다. 이어서, 양극부와 음극부를 분리하는 폴리이미드 수지를 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 편면에 선상으로 도포했다. 아직 덜 마른 상태에 있는 알루미늄 화성박의 폴리이미드 수지가 도포된 면끼리를 압착하여 30분 정치한 후, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 다시, 겹쳐진 외측의 양면에 폴리이미드 수지를 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 편면에 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 폴리이미드 수지의 도포 이후는 실시예1과 마찬가지로 처리하여 화성박 2장을 겹치게 한 도 6에 단면을 나타내는 구성의 콘덴서 소자를 제조했다.
계속해서, 양극 리드 단자에 2장의 알루미늄 화성박의 고체 전해질의 붙어 있지 않은 부분을 동시에 용접하여 도통 접합하는 것 이외는 실시예1과 마찬가지로 하여 도 6에 단면을 나타내는 구성의 칩형 고체 전해 콘덴서를 합계 10개 제작해서 평가하였다. 콘덴서 소자의 평균 두께(소자 두께), 초기 특성, 콘덴서 소자의 소자 두께당 정전 용량 출현률을 표 1에 나타내었다.
실시예3: 3장의 양극체를 겹친 고체 전해 콘덴서의 제조
두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 3.5㎜ 폭으로 절단한 것을 13㎜씩의 길이로 잘라내고, 이 박편의 한쪽의 단변부를 금속제 가이드에 용접에 의해 고정했다. 두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 4.5㎜ 폭으로 절단한 것을 7㎜씩의 길이로 잘라내어 중앙 부분에서 절곡된 것을 상기 길이 13㎜의 화성 알루미늄박의 가이드에 고정하지 않은 선단에 정렬시켜 겹치게 하여 중앙부를 저항 용접해서 일체화했다.
이어서, 양극부와 음극부를 분리하는 폴리이미드 수지를 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 선상으로 도포하고, 180℃에서 1시간 건조시켰다. 절구를 화성하기 위해서 고정하지 않은 끝으로부터 7㎜의 개소에 폴리이미드 수지 용액(우베코우산 제작)을 0.8㎜ 폭으로 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 도포된 폴리이미드 수지까지의 부분을 실시예1과 마찬가지로 화성 처리를 행하여 수세, 건조를 행했다. 음극부(3.5㎜×4.6㎜)로의 고체 전해질의 형성 이후는 실시예1과 마찬가지로 처리하여 합계 10개의 칩형 콘덴서를 제조해서 평가했다. 콘덴서 소자의 평균 두께(소자 두께), 초기 특성, 콘덴서 소자의 소자 두께당 저전 용량 출현률을 표 1에 나타내었다.
실시예4: 2장의 양극체를 겹친 도 7의 형태에 의한 고체 전해 콘덴서의 제조
두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 3.5㎜ 폭으로 절단한 것을 13㎜씩의 길이로 잘라내고, 이 박편의 한쪽의 단변부를 금속제 가이드에 용접에 의해 고정했다. 절구를 화성하기 위해서 가이드에 고정하지 않은 선단으로부터 7㎜의 개소에 폴리이미드 수지 용액(우베코우산 제작)을 0.8㎜ 폭으로 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 도포된 폴리이미드 수지까지의 부분을 실시예1과 마찬가지로 화성 처리를 행하여 수세, 건조를 행했다. 이어서, 양극부와 음극부를 분리하는 폴리이미드 수지를 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 편면에 선상으로 도포했다. 아직 덜 마른 상태에 있는 알루미늄 화성박의 폴리이미드 수지가 도포된 면끼리를 압착하여 30분 정치한 후, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 다시, 겹쳐진 외측의 양면에 폴리이미드 수지를 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 편면에 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 또한, 음극의 중앙부를 1㎜×2㎜의 직사각형의 전극을 사용해서 저항 용접했다. 폴리이미드 수지의 도포 이후는 실시예1과 마찬가지로 처리해서 도 7에 단면을 나타내는 구성의 콘덴서 소자를 제조했다.
계속해서, 양극 리드 단자에 2장의 알루미늄 화성박의 고체 전해질의 붙어 있지 않은 부분을 동시에 용접하여 도통 접합하는 것 이외는 실시예1과 마찬가지로 하여 합계 10개의 칩형 고체 전해 콘덴서를 제작해서 평가하였다. 콘덴서 소자의 평균 두께(소자 두께), 초기 특성, 콘덴서 소자의 소자 두께당 저전 용량 출현률을 표 1에 나타내었다.
비교예1:
두께 110㎛의 화성 알루미늄박(3V 화성품)을 3.5㎜ 폭으로 절단한 것을 13㎜씩의 길이로 잘라내고, 이 박편의 한쪽의 단변부를 금속제 가이드에 용접에 의해 고정했다. 절구를 화성하기 위해서 가이드에 고정하지 않은 선단으로부터 7㎜의 개소에 폴리이미드 수지 용액(우베코우산 제작)을 0.8㎜ 폭으로 선상으로 그리고, 약 180℃에서 30분 건조시켰다. 가이드에 고정하지 않은 알루미늄박의 선단으로부터 도포된 폴리이미드 수지까지의 부분을 화성 처리를 행하여 수세, 건조를 행했다. 이어서, 양극부와 음극부를 분리하는 폴리이미드 수지를 알루미늄박의 선단으로부터 5㎜의 부분을 중심으로 해서 0.8㎜ 폭으로 선상으로 도포하고, 180℃에서 1시간 건조시켰다. 음극부(3.5㎜×4.6㎜)로의 고체 전해질의 형성 이후는 실시예1과 마찬가지로 처리하여 합계 10개의 칩형 콘덴서를 제조해서 평가했다. 콘덴서 소자의 평균 두께(소자 두께), 초기 특성, 콘덴서 소자의 소자 두께당 저전 용량 출현률을 표 1에 나타내었다.
| 실시예 | 소자 특성 | 초기 특성 | 용량 출현률 | |
| 항목 | 소자 두께 (㎛) |
정전 용량 (㎌) |
ESR (mΩ) |
정전용량/소자 두께 (㎌/㎛) |
| 실시예1 | 263 | 79 | 19.8 | 0.30 |
| 실시예2 | 279 | 90 | 15.4 | 0.32 |
| 실시예3 | 373 | 117 | 18.1 | 0.32 |
| 실시예4 | 275 | 88 | 13.6 | 0.32 |
| 비교예1 | 196 | 48 | 18.3 | 0.24 |
표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 콘덴서 소자(실시예1~4)는 종래의 소자(비교예1)에 비해서 ESR을 거의 악화시키지 않고 소자 두께당 저전 용량 출현률을 크게 할 수 있다.
본 발명은 단위체적당 용량 출현률이 높고 경제적인 고체 전해 콘덴서 소자 및 그 제조 방법을 제공한 것이다. 본 발명의 고체 전해 콘덴서 소자에 의하면 동일 용량으로 보다 저배, 작은 면적의 고체 전해 콘덴서를 제조할 수 있다.
1 : 밸브 작용 금속박 1a : 짧은 쪽의 밸브 작용 금속박
1b : 긴 쪽의 밸브 작용 금속박 2 : 유전체 피막
3 : 밸브 작용 금속박의 에칭층 4 : 접속 부위
5 : 절연성 수지 5a : 에칭층 내의 절연성 수지층
5b : 밸브 작용 금속박의 표면에 형성된 절연성 수지층
6 : 고체 전해질층 6a : 에칭층 내의 고체 전해질층
6b : 밸브 작용 금속박의 표면에 형성된 고체 전해질층
7 : 카본 페이스트층 8 : 도전성 페이스트층
1b : 긴 쪽의 밸브 작용 금속박 2 : 유전체 피막
3 : 밸브 작용 금속박의 에칭층 4 : 접속 부위
5 : 절연성 수지 5a : 에칭층 내의 절연성 수지층
5b : 밸브 작용 금속박의 표면에 형성된 절연성 수지층
6 : 고체 전해질층 6a : 에칭층 내의 고체 전해질층
6b : 밸브 작용 금속박의 표면에 형성된 고체 전해질층
7 : 카본 페이스트층 8 : 도전성 페이스트층
Claims (19)
- 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자에 있어서:
상기 양극체는 복수장의 평판 형상의 양극체를 직접 겹치게 해서 고체 전해질에 의해 일체화되고, 겹쳐져 인접하는 양극체끼리가 이들의 일부에서 용접에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고체 전해질로 덮여져 있지 않은 양극부에서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 고체 전해질로 덮여져 있는 음극부에서 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 4 항에 있어서,
접합부의 면적은 겹쳐진 양극체의 음극부 면적의 1~30%인 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 1 항에 있어서,
인접하는 양극체는 이들의 일부에서 절연성 수지를 통해 서로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양극체의 두께는 50~500㎛인 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 밸브 작용 금속은 알루미늄, 탄탈, 니오브, 티탄, 지르코늄 및 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 고체 전해질이 도전성 고분자인 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자. - 세공을 갖는 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체 표면 상에 형성된 유전체층 상에 고체 전해질층을 설치한 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법에 있어서:
세공을 갖는 평판 형상의 상기 밸브 작용 금속으로 이루어지는 양극체를 복수장 직접 겹치게 하고, 그 일부를 남기고 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정, 및 적어도 인접하는 양극체끼리를 이들의 일부에서 용접에 의해 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법. - 삭제
- 제 10 항에 있어서,
상기 양극체끼리를 접합하는 공정을 행한 후 상기 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 양극체의 일부를 남기고 상기 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정을 행한 후에 일부가 남겨진 상기 양극체 부분에서 양극체끼리를 접합하는 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
인접하는 상기 양극체끼리의 일부를 절연성 수지를 통해 서로 고정하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 고체 전해질에 의해 덮어 일체화하는 공정은 겹쳐져 도전성 중합체가 되는 원료 용액을 직접 겹쳐진 상기 양극체 표면과 상기 양극체 사이에 스며들게 해서 겹치게 함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서 소자의 제조 방법. - 제 1 항에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자의 양극부 및 음극부는 각각 양극 리드 단자 및 음극 리드 단자에 접속되고, 또한 상기 고체 전해 콘덴서 소자 전체가 절연성 수지로 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서.
- 제 16 항에 있어서,
복수장의 고체 전해 콘덴서 소자가 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서. - 제 1 항에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자의 양극부에 양극 리드 단자를 접속하고, 음극부에 음극 리드 단자를 접속하고, 또한 상기 고체 전해 콘덴서 소자 전체를 절연성 수지로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서의 제조 방법.
- 제 1 항에 기재된 고체 전해 콘덴서 소자를 복수장 적층하고, 적층체의 양극부에 양극 리드 단자를 접속하고, 음극부에 음극 리드 단자를 접속하고, 또한 상기 고체 전해 콘덴서 소자 전체를 절연성 수지로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 적층형 고체 전해 콘덴서의 제조 방법.
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