KR101595337B1 - 비정형 구조의 캐패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 유전체가 상하로 적층되어 있는 구조의 적층체, 및 상기 적층체를 수납하는 케이스를 포함하는 캐패시터로서, 상기 적층체의 최상단 전극과 최하단의 전극은 서로 반대 극성의 전극이며, 각각 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있고, 상기 적층체는 평면상으로 다각형 형상, 또는 적어도 일측이 곡면 형상으로 이루어진 형상인 것을 특징으로 하는 캐패시터를 제공한다.

Description

비정형 구조의 캐패시터 {Capacitor of Irregular Structure}
본 발명은 비정형 구조의 캐패시터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 유전체가 상하로 적층되어 있는 구조의 적층체, 및 상기 적층체를 수납하는 케이스를 포함하는 캐패시터로서, 상기 적층체의 최상단 전극과 최하단의 전극은 서로 반대 극성의 전극이며, 각각 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있고, 상기 적층체는 평면상으로 다각형 형상, 또는 적어도 일측이 곡면 형상으로 이루어진 형상인 것을 특징으로 하는 캐패시터에 관한 것이다.
캐패시터는 긴 수명과 짧은 충전시간, 및 높은 전기 효율을 바탕으로 리튬 이온 전지를 잇는 차세대 전지로 각광받고 있다.
일반적으로, 리튬 이온 전지는 양극재와 음극재의 산화, 환원 등, 화학 반응으로 전기를 생산하지만, 캐패시터는 활성탄 표면에서의 물리적 흡탈착으로 전기가 생산되므로 캐패시터가 리튬 이온 전지보다 수명이 훨씬 길다.
또한, 저항이 낮아 출력 밀도가 높으며, 짧은 응답시간을 제공하므로 용량이 낮다는 단점에도 불구하고 많은 디바이스에 장착되어 다양한 역할을 수행하고 있다.
일반적으로 캐패시터는 전압의 인가시 전하를 축적하는 장치로서 고출력 특성을 나타내며, 대표적인 전기화학 캐패시터(electrochemical capacitors)는 전기이중층 캐패시터(EDLC: electric double-layer capacitors)와 유사 캐패시터(pseudo-capacitors)로 구분할 수 있다. 전기이중층 캐패시터는 전극과 전해질의 계면에 형성되는 전기이중층(electric double-layer)에 전해질 상에는 이온들을, 전극 상에는 전자를 충전시켜 전하를 저장하는 장치이고, 유사 캐패시터는 패러데이 반응을 이용하여 전극재료의 표면 근처에 전자를 저장하는 장치이다.
이러한 캐패시터는 원통형 또는 각형 케이스에 전극과 유전체의 적층 구조가 수납된 형태로 제조되어 디바이스에 장착된다.
그러나, 최근에는 슬림한 타입 또는 다양한 디자인 트랜드로 인하여 새로운 형태의 캐패시터가 요구되고 있는 실정이다. 구체적으로, 디바이스의 소형화 및 박형화에 따라, 캐패시터의 수납 공간이 충분한 여유를 갖지 못한 상태에서도 효율적인 구조로 장착될 수 있는 캐패시터가 필요하다.
또한, 종래의 디바이스는 대략 직육면체 형상으로 제조되었으나, 최근에는 다양한 형태의 외형을 가지는 구조의 디바이스가 개발되는 바, 일반적으로 직육면체 또는 원통형으로 이루어진 캐패시터의 경우, 상기와 같은 디바이스의 내부에 효율적으로 장착되기 어려운 경우가 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 다양한 구조의 디바이스에서도 장착 효율을 높일 수 있는 구조의 캐패시터에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 캐패시터를 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있도록 하는 구조로 설계하여, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화시키고, 일반적으로 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 여러가지 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능한 캐패시터를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캐패시터는,
양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 유전체가 상하로 적층되어 있는 구조의 적층체, 및 상기 적층체를 수납하는 케이스를 포함하는 캐패시터로서,
상기 적층체의 최상단 전극과 최하단의 전극은 서로 반대 극성의 전극이며, 각각 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있고;
상기 적층체는 평면상으로 다각형 형상, 또는 적어도 일측이 곡면 형상으로 이루어진 형상일 수 있다.
전극이 적층되어 있고 각 전극들에 돌출된 전극 탭들이 상호 결합된 구조로 연결되어 있는 전지의 전극조립체와는 달리, 캐패시터는 적층되어 있는 전극의 최상부 및 최하부의 전극만 외부로 연결되고 내부의 각 전극 층은 유전체가 개재된 상태로 서로 분리되어 있는 구조가 가능하다. 이러한 구조에 의하여 캐패시터는 다양한 형태로 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 캐패시터는, 종래의 일반적인 원통형 또는 직육면체의 구조에서 벗어나, 평면상으로 다각형, 또는 곡면등을 포함하는 비정형 구조로 형성되므로, 상기 캐패시터를 장착하는 디바이스의 제조에 있어서 캐패시터가 디바이스의 다양한 공간에 효율적으로 장착될 수 있으므로, 디바이스의 내부 공간 활용도를 극대화시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 최상단 전극과 최하단 전극 사이의 전극들에만 캐패시터의 외부 입출력 단자가 연결되어 있는 구조일 수 있다. 즉, 상기 최상단 전극과 최하단 전극 사이의 전극들에는 외부 입출력 단자가 연결되어 있지 않은 구조일 수 있다. 따라서, 캐패시터의 전류들은 최상단 전극과 최하단 전극에 연결된 외부 입출력 단자를 통해 외부로 흐르는 구조로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구조에 의하여 본 발명에 따른 캐패시터는 평면상, 또는수직 단면상으로 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
그 다양한 형상의 첫번째 예에서, 상기 적층체는 평면상으로 다각형의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 다각형의 형상은 특별히 한정되지 않고 다양한 구조의 형상일 수 있으며, 삼각형, 사각형, 오각형, 및 육각형 등 여러가지 구조가 가능하며, 별 모양의 다각형도 가능하다.
두번째 예에서, 상기 적층체는 평면상으로 제 1 측 외주면 단부에 외부 입출력 단자와의 연결을 위한 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있으며, 상기 제 1 측 외주면에 대향하는 제 2 측 외주면은 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 측 외주면은 직선 형상으로 이루어질 수 있으며, 또한, 상기 제 2 측 외주면의 곡면 형상은 중심점이 제 1 측 외주면 방향을 향하는 원호 형상으로 형성될 수 있다.
상기 원호의 반경은 예를 들어, 제 1 측 외주면의 길이의 50 내지 300% 크기로형성될 수 있으며, 원호의 모든 부위에서 중심점이 동일한 구조일 수 도 있고, 반대로 원호의 모든 부위 또는 일부 부위에서 중심점이 다른 위치에 형성되는 구조일 수 도 있다. 즉, 원호의 형태는 한정되지 않고 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
세번째 예에서, 상기 적층체는 평면상으로 적어도 하나의 모서리가 곡면 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 적층체는 평면상으로 일부 모서리가 곡면 형상이거나, 또는 모든 모서리가 곡면 형상으로 형성될 수 있으며, 일부 모서리가 곡면 형상인 경우 평면상 비대칭 구조로 형성되는 것도 가능하다.
구체적으로 상기 적층체는 평면상으로 적층체를 가로지르는 중심축을 기준으로 비대칭 구조가 형성될 수 있으며, 이 때, 상기 비대칭 구조는 상기 곡면 형상을 이루는 곡선부로 형성될 수 있다.
이 때, 상기 곡선부는 하나 이상의 원호로 이루어져 있고, 상기 원호의 볼록 부위가 적층체의 외면 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
네번째 예에서, 상기 적층체는 평면상으로 적층체 본체의 일측면에 내측으로 만입된 만입부가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 상기 만입부의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 다각형의 구조, 곡면의 구조, 또는 다각형 및 곡면이 혼합되어 있는 구조 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 캐패시터는 평면상으로 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 또한 하기와 같이 수직 단면상으로 단차가 형성되어 있는 구조로 제조될 수 도 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 적층체는 둘 이상의 양극과 둘 이상의 음극 및 둘 이상의 유전체들을 포함하고 있고, 하나의 양극과 하나의 유전체 및 하나의 음극이 1 단위체를 형성하며, 적어도 둘 이상의 단위체들은 적층체의 외면에 단차가 형성되도록 평면 크기가 서로 다른 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 단위체들은 높이가 서로 동일한 구조일 수 있다.
이러한 적층체를 수납하는 케이스 또한, 상기 적층체의 외면 형상에 대응하여 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 단위체들은 너비(가로 길이) 및 폭(세로 길이) 중의 적어도 하나가 다른 구조일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 캐패시터를 구성하는 다양한 형상의 적층체들을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 이들의 다양한 변경 및 조합이 가능함은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 캐패시터를 보조 전원으로 포함하는 이차전지팩을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 캐패시터를 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, 카메라, 완구, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, 캠코더, 오디오, 비디오, 무정전 전원장치(UPS), 자동차, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로부터 선택되는 것일 수 있다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당 업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 캐패시터는 디바이스의 다양한 공간에 장착될 수 있도록 다양한 형태로 제조되므로, 디바이스의 내부 공간의 활용도를 극대화시키고, 일반적으로 장방형의 구조를 가지는 디바이스의 외형 구조에서 벗어나 여러가지 외형을 가지는 디바이스에서도 효율적으로 장착이 가능하며, 이에 따라 캐패시터의 용량 또는 출력을 극대화 시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터의 수직 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 평면도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 평면도이다;
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 평면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 평면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 수직 단면도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
이하 도면에서는 설명의 편의를 위하여 일반적인 캐패시터의 다른 구성 요소를 제외하고, 적층체, 외부 입출력 단자, 및 케이스 등의 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 캐패시터는 양극(112)/유전체(114)/음극(116) 구조가 상하로 적층되어 적층체(110)를 형성하고 있고, 이러한 적층체(110)는 캐패시터 케이스(120)에 수납되어 있다. 적층체(110)의 최상단 전극(112a)은 양극이고 최하단 전극(116a)은 음극이다. 최상단에 위치하는 양극(112a)과 최하단에 위치하는 음극(116a)은 각각 양극 외부 입출력 단자(132) 및 음극 외부 입출력 단자(136)와 연결되어 케이스(120) 외부로 돌출되어 있다.
캐패시터(110)의 평면은 다각형 형상, 곡면을 포함한 형상 등 다양한 형태로 형성되며 이러한 예들이 하기 도면들에 도시되어 있다.
도 2 내지 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터를 구성하는 적층체의 평면도들이 도시되어 있다.
먼저 도 2를 참조하면, 적층체(210)는 평면상으로 직선 형상으로 이루어진제 1 측 외주면(212), 및 곡면 형상으로 이루어진 제 2 측 외주면(214)을 포함하고 있다. 제 2 측 외주면(214)의 곡면 형상의 중심점(C)은 제 1 측 외주면(212) 방향을 향하는 원호 형상으로 형성되어 있으며, 따라서 적층체(210)는 평면상으로 대략 반원의 형상으로 이루어져 있다.
제 1 측 외주면 단부(212)에는 외부 입출력 단자와의 연결을 위한 양극 단자(218) 및 음극 단자(219)가 돌출되어 있다.
도 3을 참조하면, 적층체(310)는 평면상으로 적층체(310) 본체의 일측면(312)에 내측으로 만입된 만입부(315)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 만입부(315)는 도면과 같이 일측 측면에 사각형 형상으로 만입되어 있는 구조일 수 있지만, 또 다른 일측면에 형성될 수 도 있고, 그 모양이 사각형 형태가 아닌 다른 다양한 형태로도 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 적층체(410)는 평면상으로 전극 단자들(418, 419)이 돌출된 일측(412)의 대향측 모서리 중 하나가 곡면(415) 형상으로 이루어져 있다. 이러한 곡면(415)은 원호의 형상으로서, 원호의 볼록 부위가 적층체의 외면 방향으로 향하도록 형성되어 있고, 따라서 평면상으로 적층체(410)를 가로지르는 중심축(A)을 기준으로 비대칭 구조가 형성된다.
도 5를 참조하면, 적층체(510)는 평면상으로 대략 별의 형상으로 이루어져있다. 이러한 별 형상의 적층체(510)는 예시적인 것으로서, 적층체의 평면상의 형태가 특별히 한정되지 않고 다양하게 형성될 수 있음을 보여준다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 캐패시터의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 캐패시터(600)의 적층체(610)는 다수의 양극들(612a, 612b, 612c)과 다수의 음극들(616a, 616b, 616c), 및 다수의 유전체들(616a, 616b, 616c)을 포함하고 있고, 하나의 양극과 하나의 유전체 및 하나의 음극이 적층되어 1 단위체를 형성하고 있으며, 이러한 단위체들이 적층되어 적층체를 형성하고 있다. 그리고, 최상단에 위치하는 양극(112a)과 최하단에 위치하는 음극(116a)은 각각 양극 외부 입출력 단자(132) 및 음극 외부 입출력 단자(136)와 연결되어 케이스(120) 외부로 돌출되어 있다.
적층된 단위체들 중 일부는 적층체의 외면에 단차가 형성되도록 평면 크기가 다른 구조로 형성되어 있다. 즉, 적층 방향으로 너비(가로 길이)가 다른 형태의 단위체들(610a, 610b, 610c)이 적층되어 있으며, 적층 상부 방향으로 단위체들(610a, 610b, 610c)의 너비가 점점 좁아지는 구조에 의해 계단 형상의 단차 구조를 형성하고 있다.
적층체(610)를 수납하는 케이스(620)는 적층체(610)의 외면 형상에 대응하여 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 유전체가 상하로 적층되어 있는 구조의 적층체, 및 상기 적층체를 수납하는 케이스를 포함하는 캐패시터로서,
    상기 적층체의 최상단 전극과 최하단의 전극은 서로 반대 극성의 전극이며, 각각 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있고;
    상기 최상단 전극과 최하단 전극 사이의 전극들은 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있지 않으며;
    상기 적층체는 평면상으로 다각형 형상, 또는 적어도 일측이 곡면 형상으로 이루어진 형상인 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 평면상으로 제 1 측 외주면 단부에 외부 입출력 단자와의 연결을 위한 양극 단자 및 음극 단자가 돌출되어 있으며, 상기 제 1 측 외주면에 대향하는 제 2 측 외주면은 곡면 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 측 외주면은 직선 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 측 외주면의 곡면 형상은 중심점이 제 1 측 외주면 방향을 향하는 원호인 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 원호의 반경은 제 1 측 외주면의 길이의 50 내지 300% 크기인 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 평면상으로 적어도 하나의 모서리가 곡면 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 평면상으로 적층체를 가로지르는 중심축을 기준으로 비대칭 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 비대칭 구조는 곡선부로 형성되어 있는 것을특징으로 하는 캐패시터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 곡선부는 하나 이상의 원호로 이루어져 있고, 상기 원호의 볼록 부위가 적층체의 외면 방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 평면상으로 적층체 본체의 일측면에 내측으로 만입된 만입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 둘 이상의 양극과 둘 이상의 음극 및 둘 이상의 유전체들을 포함하고 있고, 하나의 양극과 하나의 유전체 및 하나의 음극이 1 단위체를 형성하며, 적어도 둘 이상의 단위체들은 적층체의 외면에 단차가 형성되도록 평면 크기가 서로 다른 구조인 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 케이스는 적층체의 외면 형상에 대응하여 계단 형상의 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 단위체들은 높이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 평면 크기가 서로 다른 둘 이상의 단위체들은 너비(가로 길이) 및 폭(세로 길이) 중의 적어도 하나가 다른 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  16. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 캐패시터를 보조 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지팩.
  17. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북, 휴대폰, 카메라, 완구, PDP, PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, 캠코더, 오디오, 비디오, 무정전 전원장치(UPS), 자동차, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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