KR101306598B1 - 패키지형 전기이중층 커패시터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패키지형 전기이중층 커패시터에 관한 것이다. 구조적으로, 세퍼레이터를 사이에 두고 상·하 한 쌍의 전극이 배치되는 전기이중층 구조와, 상기 이중층 구조를 수용하는 용기형 패키지 본체와, 상기 본체의 상부에 제공되어 이중층 구조를 덮는 커버를 포함하는 전기이중층 커패시터를 기반으로 한다. 특히, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 어느 일측에 구비되고 상기 커버의 내면 또는 본체의 바닥면과의 사이에 배치되며, 상기 커버 장착시 수축되어 전기이중층 구조를 가압 밀착시키는 도전성 탄성 지지대를 포함하여 이루어진다. 여기에서, 상기 도전성 탄성 지지대는 전기이중층 커패시터 또는 패키지 본체의 높이에 탄력적으로 대응하여 작용함으로써, 제조 공차에 구애됨이 없이, 일정한 규모 및 전기적 특성을 나타내는 패키지형 전기이중층 커패시터를 안정적으로 제조할 수가 있다.

Description

패키지형 전기이중층 커패시터 {Package type EDLC}

본 발명은 전기이중층 커패시터(EDLC: Electronic Double Layer Capacitor)에 관한 것으로 특히, 칩 스케일 또는 표면 실장이 가능한 패키지형 전기이중층 커패시터에 관한 것이다.

전기이중층 커패시터는 극성이 서로 다른 한 쌍의 전하층(전극층)을 이용하는 에너지 저장장치로서, 계속적인 충방전이 가능하며, 일반적인 다른 커패시터에 비하여 에너지 효율과 출력이 높고 내구성 및 안정성이 뛰어난 장점이 있다. 이에 따라, 최근, 대전류로 충방전 할 수 있는 전기이중층 커패시터가 핸드폰용 보조 전원, 전기 자동차용 보조 전원, 태양전지용 보조 전원 등과 같이 충방전 빈도가 높은 축전 장치로서 유망시되고 있다.

전기이중층 커패시터는 일반적으로 한 쌍의 분극성 전극층 사이에 분리막, 즉, 세퍼레이터를 개재하여 정극 및 부극으로 하는 구조를 가지며, 각 분극성 전극층에는 수계 전해질 용액 또는 비수계 전해질 용액이 함침된다. 이러한 전기이중층 커패시터를 회로 기판에 표면 실장(SMT)하기 위한 일반적인 방안은 코인형의 전기이중층 커패시터의 상하에 브래킷을 용접하여 상기 브래킷을 통해 회로 기판에 실장하는 것이다.

그러나, 코인형 전기이중층 커패시터는 그 두께가 상대적으로 크고, 표면 실장을 위해 필요한 추가 구조물(브래킷 등)에 의해 그 두께는 더 두꺼워 지게된다. 이에 따라, 코인형 전기이중층 커패시터를 사용할 경우, 두께의 증가로 인하여 고용량 제품을 제조하는 데 어려움이 있으며, 나아가, 추가 공정의 발생에 따른 제품 단가 상승의 요인이 된다.

또한 이 구조는 실장시 260℃ 이상의 환경에서 적용되기에 필요한 절연, 누액 방지기술, 개스킷 관련기술 기타 조립기술 등의 애로기술 및 표면실장을 위한 단자용접 등의 공정을 필요로 하며, 이와 같은 애로기술이나 공정 등으로 인하여 제품의 소형화를 구현하는데 한계가 있다. 이러한 코인형 커패시터의 한계를 극복하고자 제안된 것이 패키지형 전기이중층 커패시터이다.

도 1은 패키지형 커패시터의 한 예로서 특허등록 제1030406호로 개시된 "전기화학전지"를 나타낸다. 이 전지는 용기형 패키지 구조로 형성된 본체(1)의 내부에 세퍼레이터(2)를 사이에 두고 양 전극(3,4)이 배치되어 구성되는데, 이때 하나의 전극이 패키지 덮개(5)에 납땜(6)으로 고정되고 다른 전극이 본체(1) 바닥면에 접착제(7)로 고정되는 구조로 되어 있다.

상기 본체(1)는 전해질 누액방지 및 내열을 목적으로 주로 세라믹을 사용하여 성형되며, 그 외 상기 특허에 예시된 바와 같이 저융점 유리나 내열 수지 등이 사용될 수도 있을 것이다. 이러한 구조의 패키지형 커패시터가 제품의 조립성을 향상시키고 소형화를 이루는데 적합하기는 하다.

그러나 본체(1)의 재료 특성상 소결에 의한 수축률에 의하여 발생하는 공차범위로 인하여, 일정한 수준 또는 용량의 전기이중층 커패시터를 제조하기가 어렵다는 문제가 있다. 실제로 이 문제는:

본체(1)가 크게 되면 전극(3)이 분리되어 버리는 도 2a와 같은 형태;

반대로 본체(1)가 작게 되면 덮개(5)가 분리되어 버리는 도 2b와 같은 형태;

로 나타나, 결국 정전용량 불량 및 조립성 불량을 야기하게 되는 것이다.

그러므로 제조상 본체(1)에 대한 기준조차 마련하기 어려운 실정이다. 실제로 이 불량의 문제는 심각하게 발생하여, 패키지형 커패시터에 대한 실효성에 의문을 가져다줄 정도이다.

본 발명은 상기한 종래의 전기이중층 커패시터의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 구조적으로 패키지 내부 요소들이 밀착, 유지되도록 함으로써 상기 제조 공차를 극복하고, 따라서 안정적인 규모(높이) 및 전기적 특성을 나타내는 패키지형 전기이중층 커패시터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 패키지형 전기이중층 커패시터는:

세퍼레이터를 사이에 두고 상·하 한 쌍의 전극이 배치되는 이중층 구조와, 상기 이중층 구조를 수용하는 용기형 패키지 본체와, 상기 본체의 상부에 제공되어 이중층 구조를 덮는 커버를 포함하는 전기이중층 커패시터에 있어서,

상기 한 쌍의 전극 중 적어도 어느 일측에 구비되고 상기 커버의 내면 또는 본체의 바닥면과의 사이에 배치되며, 상기 커버 장착시 수축되어 이중층 구조를 가압 밀착시키는 도전성 탄성 지지대를 포함하는 것;

을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 도전성 탄성 지지대는 전극을 감싸는 형태의 가장자리 절곡부를 포함하여, 상기 이중층 구조를 보호 및 고정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전기이중층 커패시터는 한 쌍의 전극 중 적어도 어느 일측에 구비된 도전성 탄성 지지대를 포함하는데, 이 도전성 탄성 지지대는 제조 공정상 커버 장착시에 수축되어 이중층 구조를 가압 밀착시키게 됩니다. 따라서 패키지 내부 이중층 구조의 요소들이 밀착, 유지되는 효과가 있습니다.

또한 상기 도전성 탄성 지지대는 전기이중층 커패시터 또는 패키지 본체의 높이에 탄력적으로 대응하여 작용함으로써, 종래 기술에서와 같은 제조 공차에 구애됨이 없이, 일정한 규모 및 전기적 특성을 나타내는 패키지형 전기이중층 커패시터를 안정적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 2a, 2b는 종래 기술에 따른 전기이중층 커패시터의 불량 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.

이상 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 3 내지 도 5는 각각 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다. 다만 동일한 기능을 갖는 구성에 대하여, 동일한 부호를 사용하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 패키지형 전기이중층 커패시터(10)는 용기형 패키지 본체(11)와, 상기 본체(11)의 내부에 수용 및 배치되는 이중층 구조(12)와, 상기 본체(11)의 상부에 제공되는 밀폐용 커버(16)를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 이중층 구조(12)는 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 상·하로 배치되는 한 쌍의 전극(14,15)이 밀착 접촉되어 이루어진다. 도시되지 않았으나, 양 전극의 외측면에는 각각 금속박형 집전체가 더 구비될 수도 있다.

특히, 상기 전기이중층 커패시터(10)는 상기 한 쌍의 전극(14,15) 중 적어도 어느 일측에 구비되고 상기 커버(16)의 내면 또는 본체(11)의 바닥면과의 사이에 배치되며, 상기 커버(16) 장착시 수축되어 이중층 구조(12)를 가압 밀착시키는 도전성 탄성 지지대(17)를 포함하는 것이다.

상기 패키지 본체(11)는 이중층 구조(12)를 수용하는 용기 형태로 이루어진다. 패키지형 전기이중층 커패시터(10)의 경우 그 패키지 구조로서 표면 실장이 가능하며, 따라서 표면 실장의 공정에서의 고온(약 260℃)의 환경에서 내부 구조가 보호되어야 하며, 이중층 구조(12)에 포함된 액상 전해질이 누출되지 않아야 한다. 이를 고려하여, 바람직하게 상기 패키지 본체(11)는 세라믹 또는 금속 재료로 제조된다.

상기 이중층 구조(12)의 전극(14,15)은 활성탄을 이용한 분극성 전극이다. 실제로 상기 분극성 전극(14,15)은 활성탄 분말에 테프론 수지 등의 불소수지를 소량 혼합하고 집전체에 프레스 성형한 형태, 활성탄 분말 페이스트를 도전성 고무전극에 압착한 형태, 활성탄 섬유에 금속 집천체를 용착 또는 플라즈마 증착식으로 밀착시킨 형태 등으로 제공된다.

또한, 상기 세퍼레이터(13)는 이온 투과가 가능한 다공성 재료가 사용되는데, 예를 들면 폴리프로필렌 나일론, 폴리에스터, 글라스화이버(glass-fiber), 부직포 등이 적용될 수 있다.

그리고 상기 전극(14,15)은 액상 전해질이 함침되어 전하층으로서의 기능을 하는데, 상기 전해질로서 이온성 유기용매 또는 유기용매와 유기 화합물로 된 용질의 적정 혼합된 조성이 필요하다. 예컨대 용질이 5중량% 미만이거나 융기용매가 40중량%를 초과할 경우 분극성 전극의 함침을 쉽게 하는 반면 전하축전 성능이 과도하게 낮아져 전기이중층 구조의 기능을 수행하기 어렵게 된다. 반면에 용질이 90중량%를 초과하거나 유기용매가 5중량% 미만일 경우 전하축전 성능을 향상시킬 수 있는 반면 전극에 함침시키기 어려워 전기이중층 구조의 제작이 어렵게 된다.

도시되지 않았으나, 상기 본체(11)의 내부에는 전해질의 누액 방지, 절연 및 단락 방지를 위한 개스킷(gasket)이 구비될 수 있다.

한편, 상기 커버(16)는 패키지 본체(11)의 상측에 제공되어, 내부에 수용된 이중층 구조(12)를 덮어 보호하기 위한 구성이다. 상술한 패키지 본체(11)와 마찬가지로, 커버(16) 또한 세라믹(고온 동시-소결 세라믹 또는 저온 동시-소결 세라믹)또는 합금 등의 금속 재료로 이루어지며, 용접층(19)에 의해 본체(11)에 접합되어, 내장된 이중층 구조(12)를 밀봉한다.

상기 커버(16)로서 금속 재료를 사용하는 경우 상기 용접층(19)과 열팽창계수가 유사한 재료를 사용하는 것이 좋다. 가령 패키지 본체(11) 상측면에 형성된 용접층(19)과 전혀 다른 열팽창계수의 금속 재료가 사용된다면 용접시 또는 용접후의 열적 환경에 의해 그랙 또는 이격이 발생되어 기밀이 보장될 수 없기 때문이다.

부호 21a 및 21b는 분극성 전극(14,15)에 전기적으로 연결되는 접속단자로서, 니켈 또는 금 도금이 적용되고, 단자 21a는 상기 본체(11) 위의 용접층(19)과 커버(16) 및 도전성 탄성 지지대(17)을 경유하여 전극(14)에 연결된다.

본 발명에서는, 분극성 전극(14,15)과 세퍼레이터(13)으로 구성되는 이중층 구조(12)가 바람직하게 고온 또는 저온 동시-소결 세라믹(HTCC 또는 LTCC) 패키지 본체(11) 내부에 밀착 배치되고 기밀적으로 밀폐되도록 하기 위해, 전기이중층 커패시터(10)의 치수(높이) 공차 특히, 패키지 본체(11)의 제조 공차를 보상할 수 있는 수단으로 상기 도전성 탄성 지지대(17)가 구비된다.

본 실시예에서, 상기 도전성 탄성 지지대(17)는 한 쌍의 전극(14,15) 중 상측 전극(14)의 표면에 구비되고 상기 커버(16)의 내면과의 사이에 배치되며, 상기 커버(16) 장착시 가압 및 수축되어 이중층 구조(12)를 가압 밀착시키는 역할을 한다. 따라서 제조 공차에 크게 구애됨이 없이, 패키지 본체(11) 내부 이중층 구조(12)의 요소들이 밀착, 유지될 수 있는 것이다.

구체적으로, 상기 도전성 탄성 지지대(17)는 금속 기타 도전성 재료로 형성되어 전극(14)의 표면에 부착되며, 가장자리 부분에 스프링 요소(18)가 일체로 형성되어, 상기 커버(16)의 내면에 지지된다. 따라서 커버(16)가 본체(11) 상에 장착될 때 수축되어 탄성력을 가지게 되고, 이에 본체(11) 내에 수용된 이중층 구조(12)를 가압 밀착시키게 되는 것이다.

도면에서, 상기 스프링 요소(18)는 도전성 탄성 지지대(17)의 가장자리 끝단 부분을 절곡하여 형성된 판 스프링이다. 스프링 요소(18)로서 이 형태는 제작 및 형성의 편리라는 측면에서 이익이 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서 전기이중층 커패시터(10a)의 도전성 탄성 지지대(17)는 한 쌍의 전극(14,15) 중 하측 전극(14)의 표면에 구비되고 상기 본체(11)의 바닥면과의 사이에 배치되며, 상기 커버(16) 장착시 가압 및 수축되고 그 탄성력으로 이중층 구조(12)를 가압 밀착시키는 역할을 한다.

즉, 이상의 도 3 및 도 4의 구조에서 상기 도전성 탄성 지지대(17)는 전기이중층 커패시터(10) 또는 패키지 본체(11)의 높이에 탄력적으로 대응하여 작용함으로써, 제조 공차에 구애됨이 없이, 일정한 규모 및 전기적 특성을 나타내는 패키지형 전기이중층 커패시터를 안정적으로 제조할 수가 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서 전기이중층 커패시터(10b)의 도전성 탄성 지지대(17)는 가장자리 부분에서 전극(14,15)을 감싸도록 절곡된 파지부(17a)를 갖는다. 이 파지부(17a)는 상기 이중층 구조(12)가 유동되지 않도록 한다. 실제로 상기 본체(11)의 바닥면과 도전성 탄성 지지대(17)의 접합 또는 커버(16)와 도전성 탄성 지지대(17)의 접합은 레이저 용접이나 도전성 접착제(20)에 의해 접합된다. 부분적으로 납땜이 이용될 수도 있다.

이때 상기 파지부(17a)는 고정된 이중층 구조(12)의 유동 방지를 위하여 보강되는 구성이다.

10,10a,10b. 패키지형 전기이중층 커패시터
11. 본체 12. 이중층 구조
13. 세퍼레이터 14,15. 전극
16. 커버 17. 도전성 탄성 지지대
18. 스프링 요소 19. 용접층
20. 접착제 21a,21b. 단자

Claims (10)

1. 세퍼레이터를 사이에 두고 상·하 한 쌍의 전극이 배치되는 전기이중층 구조와, 상기 이중층 구조를 수용하는 용기형 패키지 본체와, 상기 본체의 상부에 제공되어 이중층 구조를 덮는 커버를 포함하는 전기이중층 커패시터에 있어서,
   상기 한 쌍의 전극 중 적어도 어느 일측에 구비되고 상기 커버의 내면 또는 본체의 바닥면과의 사이에 배치되며, 상기 커버 장착시 수축되어 전기이중층 구조를 가압 밀착시키는 도전성 탄성 지지대(17)를 포함하며;
   상기 도전성 탄성 지지대는 전극(14)의 표면에 부착되며, 가장자리 부분에 스프링 요소(18)가 일체로 형성되어, 상기 커버(16)의 내면 또는 본체(11)의 바닥면에 지지되는 것이고;
   상기 스프링 요소(18)는 도전성 탄성 지지대(17)의 가장자리 끝단 부분을 절곡하여 형성된 판 스프링인 것;
   을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도전성 탄성 지지대(17)는 전극을 감싸는 형태의 가장자리 절곡부를 포함하여, 상기 이중층 구조의 유동을 방지하는 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 패키지 본체(11)는 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 세라믹 재료는 고온 또는 저온 동시-소결 세라믹(HTCC 또는 LTCC) 재료인 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 본체(11)의 바닥면과 도전성 탄성 지지대(17)의 접합 또는 커버(16)와 도전성 탄성 지지대(17)의 접합은 도전성 접착제(20)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 도전성 탄성 지지대(17)와 커버는 레이저 용접이나 도전성 접착제 또는 납땜으로 접합되는 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.
10. 제1항에 있어서,
    상기 상·하 한 쌍의 전극(14,15)에 각각 전기적으로 연결되는 접속단자 중의 하나가 상기 본체(11) 위의 용접층(19)과 커버(16) 및 도전성 탄성 지지대(17)을 경유하여 전극(14)에 연결되는 것을 특징으로 하는 패키지형 전기이중층 커패시터.

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