KR101533328B1

KR101533328B1 - 전기이중층 커패시터

Info

Publication number: KR101533328B1
Application number: KR1020140021156A
Authority: KR
Inventors: 정은숙; 최병찬
Original assignee: (주) 스마트캡; 김상진
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-07-08

Abstract

본 발명은 전기 이중층 커패시터에 관한 것으로, 절연 세퍼레이터를 사이에 두고 상·하로 밀착 배치되는 한 쌍의 전극을 포함하는 전기 이중층 구조와 상기 이중층 구조를 밀봉하는 패키지로 구성된 것을 기반으로 한다. 특히, 상기 패키지는 상기 이중층 구조를 내포하는 링 형상의 절연 인슐레이터와, 상기 인슐레이터의 상·하단면에 각각 용접 접합되는 전도성 금속 플레이트형 상·하부 덮개를 포함하며, 바람직하게 상기 인슐레이터 상에 형성되는 기밀성 용접층을 더 포함하여 이루어진다.

Description

전기이중층 커패시터 {EDLC}

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

전기이중층 커패시터는 일반적으로 한 쌍의 분극성 전극층 사이에 세퍼레이터를 개재하여 (+)극 및 (-)극으로 하는 구조를 가지며, 대향하는 각 전극층에는 전해질 용액이 함침되어 있다. 이에 상기 전극층과 전해질 간의 계면에, 전기이중층 형태로서 서로 상대되는 전하 에너지를 축적하게 된다. 이 구조는 계속적인 충방전이 가능하며 보통의 다른 커패시터에 비하여 에너지 효율이 높아, 최근 전자장치의 보조전원으로 대체 사용되고 있는 추세에 있으며, 또한 향후 차세대 에너지 동력원으로서 그 응용분야가 무한히 확대될 전망이다.

한편, 제품의 소형화 및 슬림화 추세에 맞추어 그 내장 부품의 소형화 및 슬림화가 요구되고 있는 가운데, 전기이중층 커패시터의 경우에도 마찬가지로 회로 기판상의 표면 실장(SMT)을 위한 기술적 요구가 있어 왔다.

일반적인 방안으로서, 특허 제834775호에 개시된 소위 "코인형" 전기이중층 커패시터가 제안되어 있다. 도 1을 참조하면, 이 커패시터는 개스킷(1)으로 절연된 금속재 상·하부 케이스(2,3), 그 내부에 배치된 두 전극(4,5)과 세퍼레이터(6)을 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 케이스(2,3)의 상하에 각각 브래킷을 용접하고, 상기 브래킷을 통해 회로 기판에 실장되는 것이다.

그러나, 코인형 전기이중층 커패시터는 그 두께가 상대적으로 크고, 표면 실장을 위하여 필요한 추가 구조물(브래킷 등)에 의해 그 두께가 더 두꺼워지게 된다. 이에 따라 이 커패시터를 사용하는 경우, 두께의 증가로 인하여 고용량 제품을 생산하는데 어려움이 있으며 나아가, 추가 공정의 발생에 따른 제품 단가가 상승되는 문제가 있다.

또한 이 구조는 실장시 260℃ 이상의 고온의 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, 특허등록 제1030406호에 개시된 소위 "패키지형" 전기이중층 커패시터이다. 도 2를 참조하면, 이 커패시터는 패키지 본체(7)의 내부에 도전성 접착제(10,11)를 이용하여 이중층 구조(4,5,6)가 배치된 상태로, 평판형 덮개(8)가 본체(7)의 측벽(7a) 상단에 접촉하고 용접으로 고정되어 이루어진다. 이 용접을 위하여, 상기 측벽(7a) 상단에는 금속링(7b)이 고정되어 있다.

부호 12와 13은 상기 본체(7)의 각 면을 따라 형성되어 두 전극(4,5)에 각각 접속되는 단자 패턴이다.

여기에서 상기 패키지 본체(7)는 누액 방지 및 내열을 목적으로 주로 세라믹을 사용하여 성형되며, 그 외 상기 특허에 예시된 바와 같이 저융점 유리나 내열 수지 등이 사용될 수도 있을 것이다. 이 구조의 커패시터가 상기한 "코인형" 커패시터에 비하여, 제품의 조립성을 향상시키고 소형화를 이루는데 적합하기는 하다.

그러나 패키지 본체(7)의 재료 특성상 소결에 의한 수축률에 의하여 발생하는 공차범위로 인하여, 일정한 수준 또는 용량의 커패시터를 제조하기가 어렵다는 문제가 있다. 실제로, 이 문제는 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같은 상태의 제조상의 불량을 야기하게 되고, 이는 결국 정전 용량의 안정성을 크게 해치는 원인이 되는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 전기이중층 커패시터들의 문제점을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은:

최대한 소형화를 구현하는 동시에,

제조상 불량이 발생하지 않으며,

이에 안정적인 전기적 특성을 나타내는,

전기이중층 커패시터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 커패시터는:

절연 세퍼레이터를 사이에 두고 상·하로 밀착 배치되는 한 쌍의 전극을 포함하는 전기 이중층 구조, 상기 이중층 구조를 밀봉하는 패키지로 구성된 것이다. 특징적으로, 상기 패키지는:

상기 이중층 구조를 내포하는 링 형상의 절연 인슐레이터와;

상기 인슐레이터의 상·하단면에 각각 용접 접합되는 전도성 금속 플레이트형 상·하부 덮개;

를 포함하여 이루어진다.

상기 상·하부 덮개의 가장자리 부분은 필요에 따라 굴절될 수 있다.

바람직하게 상기 패키지는,

인슐레이터의 상·하단면 중 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 용접의 실링을 보강하는 기밀 용접층;

을 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 이중층 구조를 밀봉하는 패키지의 구성이 플레이트형 덮개와 인슐레이터로 이루어짐에 따라 매우 간편하고 소형으로 구현되는 장점이 있다. 또한 외부 터미널과 전기적으로 직접 연결되는 금속 덮개를 사용하여 기밀적으로 용접함으로써 역시 간편하고 소형으로 구현되는 동시에 제조 불량이 발생하지 않으며 안정적인 전기적 특성을 나타낼 수 있는 효과가 있다.

바람직한 예에서, 상기 인슐레이터 단부에 형성되는 기밀 용접층은 패키지의 용접부위 실링을 보강하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 2는 종래의 다른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 3a, 3b, 3c는 각각 도 2의 '불량' 상태를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기이중층 커패시터의 단면도.
도 7은 도 4 내지 도 6에 적용된 인슐레이터의 평면도

이상 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 4 및 도 6은 각각 본 발명에 따른 기밀형 전기이중층 커패시터(이하 '커패시터'라 함)의 실시예를 나타낸다. 다만, 각 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성에 대하여는 동일한 부호를 사용하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 커패시터(100)는 전기 이중층 구조(110)와, 상기 이중층 구조(110)를 밀봉하는 패키지(120)로 구성된 것이다. 여기에서 상기 패키지(120)는 상기 이중층 구조(110)를 내포하는 링 형상의 절연 인슐레이터(121)와, 상기 인슐레이터(121)의 상·하단면에 각각 용접 접합되는 전도성 금속 플레이트형 상·하부 덮개(122,123)를 포함하여 이루어진다.

상기 이중층 구조(110)는 절연 세퍼레이터(112)를 사이에 두고 상·하로 대향하여 밀착 배치되는 한 쌍의 전극(111,113)을 포함하며, 각 전극(111,113)에 전해질 용액이 함침된 통상의 전기 이중층 구조이다. 상기 이중층 구조(110)의 전극(111,113)은 활성탄을 이용한 분극성 전극이다. 실제로 이 분극성 전극(111,113)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(112)는 이온 투과가 가능한 다공성 재료가 사용되는데, 예를 들면 폴리프로필렌 나일론, 폴리에스터, 글라스화이버(glass-fiber), 부직포 등이 적용될 수 있다.

그리고 상기 전극(111,113)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.

한편, 도시되지 않았으나, 양 전극(111,113)의 외측면에는 각각 금속박형 집전체가 더 구비될 수도 있다. 다만, 각 전극(111,113) 전기적으로 접속되기 위한 금속 패턴이나 리드 선 등은, 금속성 덮개(122,123)로 인하여, 본 발명에서는 구비되지 않는다.

상기 인슐레이터(121)는 위 구조의 이중층 구조(110)를 내포하는 것으로, 본 발명에서는 단지 링 형태로 제공되는 것이며 이는 절연성이 우수한 특성을 가져야 한다. 예컨대 Al₂O₃, SiO₂, B₂O₃, MgO, PbO, Na₂O, K₂O, Li₂O, CaO 등의 적정 비율로 혼합하여 글라스(galss)계 또는 세라믹(ceramic)계의 절연성이 우수한 인슐레이터(121)를 성형한다.

상기 상·하부 덮개(122,123)는 전기 전도성 금속 플레이트이다. 이 덮개(122,123)는 상기 인슐레이터(121)의 상·하단면에 각각 용접 접합되는데, 이때 용융용접, 레이저용접, 시임용접, 고주파용접 등의 방법이 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 상·하부 덮개(122,123)는 직접 전기적 연결이 가능한 금속 플레이트로서, 외부와의 전기적 연결을 위해 별도의 패턴이나 리드 선 등을 필요로 하지는 않는다.

상기 분극성 전극(111,113)과 덮개(122,123) 간 접합의 경우, 그 접합 부분에는 그라파이트(grahite) 등의 도전재료가 함유된 접착제를 사용한다. 다만, 알미늄 호일 등 박형 집전체(114)가 사용된 경우에는 용접 특히 레이저 용접으로 상호 접합된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 이중층 구조(110)를 밀봉하는 패키지(130,130a)는 상기 인슐레이터(121)의 상·하단면 중 적어도 어느 일면에 형성된 기밀 용접층(131)을 더 포함한다. 상기 기밀 용접층(131)은 인슐레이터(121)의 재료에 따라 글라스 프릿(glass frit) 또는 금속 페이스트(paste)를 사용한 도금층이다. 이 경우 역시 용융용접, 레이저용접, 시임용접, 고주파용접 및 기타의 용접 방법이 선택적으로 사용되어 덮개(122,123)와 인슐레이터(121) 간 기밀용접이 수행될 수 있다.

즉, 상기 인슐레이터(121)에 기밀 용접층(131)을 형성하는 경우, 상기 용접층(131)은 인슐레이터(121)의 성형 재료에 따라 그 재료가 달리 적용될 것이나, 인슐레이터(121)가 세라믹계일 경우에는 텅스텐 등의 금속 페이스트를 이용하여 패턴을 형성한 후 소결하는 메탈라이징에 의한 도금층일 수 있다.

다른 예로서, 상기 기밀 용접층(131)은 금속링(ring)으로 된 금속층일 수 있다.

실제로 도 3의 부호 124는 인슐레이터(121) 상에 형성된 용접층으로서, 글라스 프릿(glass frit) 또는 금속 페이스트를 사용한 도금층이다. 이와 달리, 도 5와 도 6은 상기 기밀 용접층(131)으로서 금속 링(seal ring type)이 적용된 예를 나타낸 것이다. 모든 예에서, 금속 덮개(122,123)의 기밀 용접시 인슐레이터(121)에 준비된 용접층(131)과의 상호 기밀은 통상의 레이저용접, 시임용접, 저항용접 등으 통해 형성 및 유지된다.

도 6에 예시된 것처럼, 상기 상·하부 덮개(122,123)의 가장자리 부분은 필요에 따라 굴절될 수 있다. 이것은 밀봉된 이중층 구조(110)의 유동을 방지하고자 하는 목적 및 본 발명에 따른 커패시터의 소형화 목적에 따라 적절하게 형성될 수 있을 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명의 커패시터 구조에 따르면, 이중층 구조(110)를 밀봉하는 패키지의 구성이 금속 플레이트형 덮개(122,123)와 인슐레이터(121)로 이루어짐에 따라 매우 간편하고 소형으로 구현될 수 있다. 또한, 금속 덮개와 용접층(131)을 사용하여 기밀적으로 용접함으로써 동시에 제조 불량이 발생하지 않으며 안정적인 전기적 특성을 나타낼 수가 있다.

도 7을 참조하면, 상기 인슐레이터(121)의 일측에 요홈(125)이 형성되어 있다. 이는 전극(111,113)의 극성이 구분된 상태에서 일정한 방향으로 다수의 커패시터(100)를 정렬하기 위하여 형성된 수단으로서, 그 형태가 굳이 요홈으로 구성될 필요는 없다.

100. 전기이중층 커패시터
110. 이중층 구조 111,113. 전극
112. 세퍼레이터 114. 집전체
120. 패키지
121. 인슐레이터 122,123. 덮개
124. 용접층 125. 요홈
130,130a. 패키지 131. 용접층
132. 페이스트 133,134. 단자

Claims

절연 세퍼레이터를 사이에 두고 상·하로 밀착 배치되는 한 쌍의 전극을 포함하는 전기 이중층 구조, 상기 이중층 구조를 밀봉하는 패키지로 구성된 것에 있어서, 상기 패키지는:
상기 이중층 구조를 내포하는 링 형상의 절연 인슐레이터와;
상기 인슐레이터의 상·하단면에 각각 용접 접합되는 전도성 금속 플레이트형 상·하부 덮개를 포함하며,
상기 상부 덮개의 가장자리 부분은 상향으로 굴절 형성되어, 상측 가장자리 부분이 상기 인슐에이터의 상측에 접합되고, 하측 중앙부분이 상기 전기 이중층 구조를 밀착하는 것;
을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
제1항에 있어서,
상기 패키지는:
상기 인슐레이터의 상·하단면 중 적어도 어느 일측에 형성되어 상기 용접의 실링을 보강하는 기밀 용접층;
을 더 포함하며,
상기 상부 덮개의 가장자리 부분은 상기 기밀 용접층에 접합되는 것;
을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
제2항에 있어서,
상기 인슐레이터는 글라스계 또는 세라믹계 인슐레이터인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
제2항에 있어서,
상기 기밀 용접층은 인슐레이터의 재료에 따라 글라스 프릿 또는 금속 페이스트를 사용한 도금층인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
제2항에 있어서,
상기 기밀 용접층은 금속층인 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 인슐레이터는 일측에, 전극의 극성이 구분된 상태에서 다수 커패시터를 일정한 방향으로 정렬하기 위한 수단이 형성된 것을 특징으로 하는 전기 이중층 커패시터.