KR101336817B1 - 고전압 커패시터 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 커패시터 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 커패시터 제조방법은, 마이카 페이퍼(mica paper)에 금속호일을 교대로 적층하고 정렬시킨 상태에서 와인딩하여 일정사이즈의 원통형 바디를 형성하는 와인딩단계와; 상기 원통형 바디에 대하여, 60~180분 동안 수행하는 탈포진공공정과, 에폭시, 실리콘 및 폴리에스테르 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 함침제를 주입하고 30~180분 동안 진공상태를 유지하는 수지함침공정과, 일정압력을 인가한 상태에서 30~270분 동안 유지하는 양압(positive pressure)함침 공정이 순차적으로 수행되는 진공함침단계와; 0.1~0.6kg/㎠의 가압조건을 유지하고, 60~80℃에서 20분 및 140~180℃에서 60분 동안 수행되는 가열압착단계와; 140~200℃에서 4~12시간 동안 경화시키는 경화단계와; 와이어를 솔더링하고 몰딩하여 커패시터를 제조하는 단계를 구비한다. 본 발명에 따르면, 종래에 비해 우수한 특성을 가짐을 알 수 있으며, 고전압에 사용가능하고 신뢰성이 높은 커패시터의 제조가 가능한 장점이 있다.

Description

고전압 커패시터 제조방법{Method for fabricating high Voltage capacitor}

본 발명은 고전압 커패시터 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 수명이 길고 정전용량의 온도계수가 낮아 고압 및 고신뢰성을 가지는 고전압 커패시터 제조방법에 관한 것이다.

특수 고전압 환경의 설비는 산업 구조의 발달로 인해 급속히 증가하고 있는 추세이다. 대용량의 모터 및 전동기, 대전력 시스템의 절연 감시 시스템 등은 산업 구조가 발달되고 대규모의 도시화에 따라 그 수요 및 중요성이 부각되고 있다. 이러한 특수 환경의 고전압 시스템에서 고전압을 사용하고 있으나, 고전압을 그대로 시스템에 적용할 수는 없다. 그러므로 1차 전압에서 블록킹(blocking) 또는 커플링(coupling)시킬 수 있는 회로가 매우 중요하다. 이러한 회로의 구성이 없으면 수kV ~ 수만kV 에 해당하는 1차 고전압을 시스템에서 사용이 불가능하기 때문이다.

일반적으로 고전압 커패시터는 세라믹(ceramic)을 사용하여 블록 타입의 소자를 구현하여 몇 개의 소자를 연결하여 제조되는 것이 일반적이다. 기존의 일반적인 세라믹 타입의 커패시터에 비해 마이카(MICA) 커패시터는 세라믹 커패시터에서 발생될 수 있는 신뢰성 문제, 외부 환경에 대한 문제점의 개선이 가능하다. 즉, 세라믹 타입의 커패시터는 고전압 신뢰성이 문제가 되며, 특히 온도 변화에 매우 민감한 반면, 마이카 커패시터는 온도 변화에 따른 전기적 특성의 변화가 거의 없다.

구체적으로, 세라믹 타입의 커패시터는 -55℃ ~ 135℃ 범위 내에서 수십 %대의 변화를 나타내지만, 마이카 커패시터는 1% 미만대의 변화를 나타낸다. 또한, 온도 변화에 따른 내부 저항 및 손실 변화에 대해서도 마이카 커패시터는 매우 안정적이며 우수한 특성을 가진다.

그러나, 위와 같이 우수한 절연 특성과 외부 환경에 대한 안정성을 보장하는 마이카 커패시터는 그 구조적인 특성상 현실적으로 고전압의 커패시터로 활용하는데 있어 한계가 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 고전압 커패시터 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고전압에 사용가능하고, 고신뢰성을 가지는 고전압 커패시터 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 커패시터 제조방법은, 마이카 페이퍼(mica paper)에 금속호일을 교대로 적층하고 정렬시킨 상태에서 와인딩하여 일정사이즈의 원통형 바디를 형성하는 와인딩단계와; 상기 원통형 바디에 대하여, 60~180분 동안 수행하는 탈포진공공정과, 에폭시, 실리콘 및 폴리에스테르 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 함침제를 주입하고 30~180분 동안 진공상태를 유지하는 수지함침공정과, 일정압력을 인가한 상태에서 30~270분 동안 유지하는 양압(positive pressure)함침 공정이 순차적으로 수행되는 진공함침단계와; 0.1~0.6kg/㎠의 가압조건을 유지하고, 60~80℃에서 20분 및 140~180℃에서 60분 동안 수행되는 가열압착단계와; 140~200℃에서 4~12시간 동안 경화시키는 경화단계와; 와이어를 솔더링하고 몰딩하여 커패시터를 제조하는 단계를 구비한다.

상기 제1단계 전에 상기 마이카 페이퍼(mica paper)에 실리콘 액 또는 왁스를 스프레이 코팅하고, 건조벨트 오븐을 이용하여 60℃에서 일정시간 건조한 다음, 진공오븐을 이용하여 60℃에서 2시간 건조하여 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 금속호일은 알루미늄 호일일 수 있다.

상기 함침제에는 점도조절제가 첨가될 수 있다.

상기 진공함침단계와 상기 가열압착단계 사이에, 80℃ 및 0.1kg/㎠의 가압조건에서 10분 동안 수행하는 수지확산단계가 더 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래에 비해 우수한 특성을 가짐을 알 수 있으며, 고전압에 사용가능하고 신뢰성이 높은 커패시터의 제조가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터의 제조방법의 공정순서도이고,
도 2 내지 도 5는 도 1에 따라 제조된 커패시터와 종래의 커패시터의 특성비교그래프들이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 제조방법은, 우선 마이카 페이퍼(mica paper)를 준비하고, 상기 마이카 페이퍼와 금속호일을 교대로 적층하고 정렬한다(S110).

상기 마이카 페이퍼와 금속호일의 적층구조는 마이카 페이퍼와 금속호일의 적층 수에 의하여 커패시턴스 용량이 결정되므로, 용량에 맞게 마이카페이터의 두께 및 적층수를 정할 수 있다.

또한 금속호일의 면적이 마이카 페이터의 면적보다 작아 금속호일에 의해 덮히지 않는 마이카 페이터 영역이 존재할 수 있는데, 그 면적 또한 커패시턴스에 영향을 주므로 용도에 맞게 설계가 가능하다.

상기 마이카 페이퍼는 100㎛ 정도의 두께를 가지고, 상기 금속호일은 5~6㎛ 의 두께를 가지는 것을 사용할 수 있다. 그리고 상기 금속호일은 알루미늄 호일이 사용될 수 있다.

상기 마이카 페이퍼는 연성이 부족하여 후속공정의 와인딩시에 조직이 파괴될 수 있다. 따라서, 상기 마이카 페이퍼에 실리콘액을 스프레이하거나 왁스를 스프레이 코딩하고, 건조밸트 오픈을 사용하여 60℃에서 일정시간 건조하고, 다음으로 진공오븐에서 60℃에서 2시간 정도 건조하는 공정이 추가될 수 있다. 즉 상기 마이카 페이퍼는 상술한 전처리 공정을 거친 이후에 상기 금속호일과 적층 및 정렬을 행할 수 있다.

다음으로 와인딩 공정이 수행된다. 즉 상기 마이카 페이퍼와 금속호일을 적층 및 정렬한 상태에서, 와인딩하여 원통형 바디를 형성한다(S112).

상기 와인딩 공정시 상기 원통형 바디에 탭(tab)이 삽입될 수 있다. 상기 탭은 내부전극인 상기 금속호일과 외부단자를 연결하기 위한 것으로, 연성이 있어 압착시 내부전극과 외부전극에 손상을 주지 않도록 하는 재질이 사용되며, 30~60㎛ 의 두께를 가질 수 있다. 상기 탭은 외부 리드와이어와 용이하게 솔더링되어야 하므로, 구리 플레이트(Cu plate), 니켈 플레이트(Ni plate), 니켈(Ni)이 40%이상 함유된 니켈-철(Ni-Fe) 합금 플레이트가 이용될 수 있다.

상기 와인딩 공정이 수행되면, 진공함침 공정이 수행된다(S114). 상기 진공함침 공정은 소자의 내/외부의 표면 기공을 함침제를 사용하여 채워주는 공정으로 소음 감소 효과와 핀홀(Pin-hole)이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 진공함침공정은, 진공펌프, 가열장치 및 가압장치를 이용하여, 탈포진공공정, 수지함침공정, 및 양압함침공정을 순차적으로 진행하게 된다(S114).

예를 들어, 1차로 진공을 최대로 인가하여 수행하는 탈포진공, 진공챔버 속으로 함침제를 주입한 다음 다시 진공을 인가하는 수지함침, 다음으로 양압을 인가하는 양압함침공정 순서로 진행되게 된다.

상기 탈포진공공정은 진공챔버를 이용하여 상기 원통형 바디에 형성되어 잇는 기포를 제거하는 공정이며, 진공상태에서 60~180분 동안 수행될 수 있다.

상기 수지함침공정은 진공챔버에 에폭시, 실리콘 및 폴리에스테르 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 함침제(함침액)를 주입하고 30~180분 동안 진공상태를 유지하는 공정이다.

상기 함침제는 하나 또는 두가지 이상의 함침제를 섞어 사용할 수 있다. 또한 상기 함침제에는 점도조절제를 첨가하는 것이 가능하다.

표1은 에폭시계 함침제에 점도조절제를 첨가하는 경우의 함량비(무게비율)에 따른 유전손실을 나타낸 것이다.

첨가비율(함침제:점도조절제)	유전손실(%)		비고
	25℃	125℃
100 : 0	0.2	1.7
90 : 10	0.2	1.6
70 : 30	0.2	0.7
50 : 50	0.2	0.4	가장우수
30 : 70	0.2	0.5
0 : 100	0.5	1.25

표1에 나타난 바와 같이, 함침제와 점도조절제가 50:50의 무게비로 혼합되었을 때 125℃에서 가장 낮은 손실계수를 나타내었다.

상기 양압함침공정은 일정압력을 인가한 상태에서 30~270분 동안 유지하는 공정이다. 상기 양압함침공정에서 가해지는 압력은 85psi 일 수 있으나, 함침제의 종류에 따라 다양하게 변경가능하다. 상기 양압함침공정에서는 챔버에 공기압을 이용한 압력, 산소가스를 이용한 압력 및 질소가스를 이용하여 압력을 가할 수 있다.

상기 탈포진공공정(T1), 상기 수지함침공정(T2), 및 상기 양압함침공정(T3)의 진공 및 가압시간은 함침제의 종류에 따라 달라야 하며, 복수의 실험을 통해 가장 우수한 특성을 가지도록 다양한 조건으로 변경가능하다.

표 2는 상기 진공함침공정에서의 진공 및 가압시간의 변동에 따른 브레이크다운 전압(B.D.V;Breakdown Voltage)의 측정결과를 나타낸 것이다. 이때 함침제는 에폭시계 함침제와 점도조절제가 50:50으로 구성된 함침제가 사용되었으며, 가압 조건은 85psi 이다.

탈포진공(T1:분)	수지함침(T2:분)	양압함침(T3:분)	B.D.V(kV)	비고
60	30	180	5.2	가장우수
60	60	180	4.0
60	180	180	3.4
60	30	30	2.5
30	30	180	3.6
90	30	180	4.0
180	30	180	4.4
60	30	30	3.2
60	30	60	3.2
60	30	270	5.1	우수

표2에 나타난 바와 같이, 상기 진공함침공정에서의 진공 및 가압시간을 변동시킨 결과, 상기 탈포진공공정(T1) 시간은 60분 이상이 되어야 하며, 상기 수지함침공정(T2) 시간은 특정시간 이상 올라가면 효과가 없었다, 또한 상기 양압함침공정(T3) 시간은 특정시간 이상일 경우에 우수한 특성을 나타냈다.

이들 실험례 중 상기 탈포진공공정(T1)은 60분, 상기 수지함침공정(T2)은 30분, 상기 양압함침공정(T3)은 180분을 수행하는 경우 특성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 상기 탈포진공공정(T1)은 60분, 상기 수지함침공정(T2)은 30분, 상기 양압함침공정(T3)은 270분을 수행하는 경우에도 우수한 특성이 나타남을 알 수 있었다.

다음으로 가열압착공정이 진행된다(S116).

상기 진공함침공정이 진행되고 나서 상기 가열압착공정이 진행되기 전에, 80℃ 및 0.1kg/㎠의 가압조건에서 10분 동안 수행하는 수지확산공정이 더 구비될 수 있다.

상기 가열압착공정은 0.1 ~ 0.6kg/㎠의 가압조건에서 60~80℃에서 20분, 140~180℃에서 60분 동안 수행된다.

표 3은 상기 가열압착공정에서의 압착압력의 변화에 따른 커패시터 특성을 나타낸 실험예이다. 이때 함침제는 에폭시계 함침제와 점도조절제가 50:50으로 구성된 함침제가 사용되었으며, 상기 탈포진공공정(T1)은 60분, 상기 수지함침공정(T2)은 30분, 상기 양압함침공정(T3)은 180분으로 하고, 아래 표의 압력조건에서 상기 가열압착공정을 60℃에서 20분, 180℃에서 60분 동안 수행하였다.

압착압력(kg/㎠)	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
커패시턴스(nF)	440	446	453	483	498	497
두께(mm)	4.87	4.79	4.68	4.66	4.55	4.50
손실(%)	0.19	0.20	0.20	0.18	0.17	0.16
B.D.V(kV,DC)	2.8	5.2	3.9	2.9	4.3	2.0
비고		우수

표 3에 나타난 바와 같이, 0.2kg/㎠의 가압조건으로 가열압착공정을 수행할 경우 가장 우수한 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 압력을 크게 할수록 유전체 두께는 얇아져서 커패시턴스는 올라가는 반면 과도하게 압력이 증가하면 마이카 페이퍼의 조직이 늘어나는 현상에 의해 유전체 층이 얇아져 브레이크다운 전압(B.D.V;Breakdown Voltage)도 낮아지는 경향을 보인다.

또한 압력을 서서히 인가하여 최종압력에 도달하여야 우수한 특성의 커패시터 제조가 가능하고, 급격하게 최종압력까지 도달하는 경우 마이카 구조가 파괴되어 원하는 형상을 얻을 수 없고 매우 낮은 전압에서 브레이크 다운 전압이 형성되게 된다.

상기 가열압착공정 이후에 140~180℃의 오븐에서 4~12시간 동안 경화시키는 경화공정이 수행될 수 있다(S118).

경화공정이 완료되면, 리드 와이어를 솔더링하고(S120), 몰딩하여 커패시터를 제조하게 된다(S122).

상기 리드와이어는 티타늄, 주선(Sn), 은(Ag) 등이 도금된 구리와이어나 일반적으로 통상의 기술자에게 잘 알려진 와이어 재질이 이용될 수 있다.

도 2 내지 도 5는 도 1에 따라 제조된 커패시터의 특성과 종래의 커패시터의 특성을 비교한 그래프들이다. 종래의 커패시터로는 미국 C 사의 마이카 커패시터제품과 프랑스의 E 사의 마이카 커패시터 제품이 이용되었다. 본 발명에 따른 커패시터는 점도조절제가 첨가된 실리콘계 함침제가 사용되어 제조된 커패시터가 이용되었다.

도 2는 온도에 따른 커패시턴스 변화율을 나타낸 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 저온에서는 미국의 C사의 제품이 커패시턴스 변화율이 가장 적었으나, 고온에서는 변화율이 커져 좋지 않은 특성을 가지며, 프랑스의 E사의 경우는 저온 및 고온에서의 커패시턴스 변화율이 안정적이나, 본 발명에 따른 커패시터의 경우 전체온도범위에서 전체적으로 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 3은 온도에 따른 손실(Dissipation factor) 변화율을 나타낸 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 커패시터의 경우보다 본 발명에 따른 커패시터가 전체적인 온도범위에서 낮은 값을 가져 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 4는 온도에 따른 절연저항 변화율을 나타낸 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 커패시터의 경우보다 본발명에 따른 커패시터가 전체적인 온도범위에서 가장 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.

도 5는 주파수에 따른 손실(Dissipation factor) 변화율을 나타낸 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 주파수가 증가함에 따라 손실(Dissipation factor) 증가하는 경향을 보이고 있으며, 이는 일반적인 유전체의 특성을 나타내고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 커패시터 제조방법은 종래에 비해 우수한 특성을 가짐을 알 수 있으며, 고전압에 사용가능하고 신뢰성이 높은 커패시터의 제조가 가능한 장점이 있다.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.

Claims (5)

1. 커패시터 제조방법에 있어서:
   마이카 페이퍼(mica paper)에 금속호일을 교대로 적층하고 정렬시킨 상태에서 와인딩하여 일정사이즈의 원통형 바디를 형성하는 와인딩단계와;
   상기 원통형 바디에 대하여, 60~180분 동안 수행하는 탈포진공공정과, 에폭시, 실리콘 및 폴리에스테르 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 함침제를 주입하고 30~180분 동안 진공상태를 유지하는 수지함침공정과, 일정압력을 인가한 상태에서 30~270분 동안 유지하는 양압(positive pressure)함침 공정이 순차적으로 수행되는 진공함침단계와;
   0.1~0.6kg/㎠의 가압조건을 유지하고, 60~80℃에서 20분 및 140~180℃에서 60분 동안 수행되는 가열압착단계와;
   140~200℃에서 4~12시간 동안 경화시키는 경화단계와;
   와이어를 솔더링하고 몰딩하여 커패시터를 제조하는 단계를 구비하되,
   상기 진공함침단계와 상기 가열압착단계 사이에, 80℃ 및 0.1kg/㎠의 가압조건에서 10분 동안 수행하는 수지확산단계가 더 구비됨을 특징으로 하는 커패시터 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 와인딩단계 전에 상기 마이카 페이퍼(mica paper)에 실리콘 액 또는 왁스를 스프레이 코팅하고, 건조벨트 오븐을 이용하여 60℃에서 일정시간 건조한 다음, 진공오븐을 이용하여 60℃에서 2시간 건조하여 전처리하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 커패시터 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속호일은 알루미늄 호일임을 특징으로 하는 커패시터 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 함침제에는 점도조절제가 첨가됨을 특징으로 하는 커패시터 제조방법.
   
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