KR101681399B1 - 탄탈 콘덴서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄탈 콘덴서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 탄탈 콘덴서는 탄탈 소체; 상기 탄탈 소체의 일측 단부에 돌출 형성된 탄탈 와이어; 상기 탄탈 소체의 표면 상에 형성된 유전체층; 상기 유전체층 상에 형성된 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층 상에 형성되되, 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더로 이루어지는 전도성 카본층; 및 상기 전도성 카본층 상에 형성된 금속층;을 포함한다.

Description

탄탈 콘덴서{TANTAL CONDENSER}
본 발명은 탄탈 콘덴서에 관한 것이다.
고체 전해 콘덴서는 전기를 축적하는 기능 이외에 직류 전류를 차단하고 교류 전류를 통과시키려는 목적으로도 사용되는 전자부품이다.
이러한 고체 전해 콘덴서 중 탄탈 콘덴서는 사이즈 대비 고용량을 갖고, 우수한 성능으로 인해 일반 산업 기기용 이외에 정격전압 사용 범위가 낮은 응용 회로에 주로 사용되며, 특히 주파수 특성이 문제되는 회로나 휴대 통신기기의 잡음 감소를 위하여 많이 사용되고 있다.
일반적으로 탄탈 콘덴서는 탄탈 분말을 성형 소결한 탄탈 소자와, 탄탈 소자에 연결되는 양극 단자 및 음극 단자, 그리고 탄탈 소자를 몰딩하는 몰딩재로 구성된다. 이때, 탄탈 소자는 표면에 화성층(Ta2O5), 전도성 고분자층으로 이루어지는 고체 전해질층, 전도성 카본층 및 Ag층이 순차 적층된다.
상기 전도성 카본층은 전도성 고분자층으로부터의 전하를 Ag층으로 효과적으로 전달하는 역할과 금속이온의 이동을 막아주는 장벽 역할을 동시에 수행하며, 각 계면간의 우수한 접합력을 발현할 수 있어야 한다.
또한, 전도성 카본층은 탄탈 소자에 미치는 열 및 기계적 충격에 견딜 수 있는 물리적 강도가 요구된다.
일본공개특허공보 특개2005-294385호
본 발명의 목적은 계면간의 밀착력과 전도도를 향상시킬 수 있는 탄탈 콘덴서를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 상기 탄탈 콘덴서의 목적은,
탄탈 소체의 표면에 적층된 전도성 카본층과 그에 접합된 고체 전해질층 간 계면에서의 밀착력을 향상시킴과 동시에 고전도도를 갖는 전도성 카본층을 구현하여, 이들 계면에서 낮은 등가 직렬 저항(Equivalent Serial Resistance; 이하 'ESR'이라 칭함) 특성을 확보하기 위한 것이다.
이는 탄탈 소체의 표면 상에 순차 적층된 유전체층, 고체 전해질층, 전도성 카본층 및 금속층을 포함하되, 상기 전도성 카본층이 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더의 3성분계로 이루어진 탄탈 콘덴서가 제공됨에 의해서 달성된다.
이때, 전도성 카본층에 함유된 바인더의 함량이 전체 중량 대비 40~60중량%로 조절되어 전도성 카본층과 고체 전해질층 간 계면 밀착력이 향상될 수 있다.
또한, 전도성 카본층은 전도성 고분자가 포함되어 바인더에 기인한 전도도의 저하가 억제됨에 따라 고전도도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 탄탈 콘덴서는 카본층이 카본 파우더, 전도성 고분자 및 바인더로 이루어짐으로써, 카본층과 고체 전해질층 간의 계면 밀착력 향상을 통해 저ESR화를 도모함과 동시에 고전도도를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄탈 콘덴서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 탄탈 소체와 탄탈 와이어를 나타낸 사시도이다.
본 명세서에 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바의 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 탄탈 콘덴서에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄탈 콘덴서의 단면도이고, 도 2는 도 1의 탄탈 소체와 탄탈 와이어를 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 탄탈 콘덴서(100)는 탄탈 소체(110)와, 탄탈 소체(110)의 일측 단부에 돌출 형성된 탄탈 와이어(120)와, 탄탈 소체(110) 상에 순차 적층된 유전체층(130), 고체 전해질층(140), 전도성 카본층(150) 및 금속층(160)을 포함한다.
탄탈 소체(110)는 탄탈, 탄탈 화합물 또는 탄탈 합금의 분말이 성형 소결된 소결체로서, 단위 질량당 고용량을 갖는 양극으로서 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대, 탄탈 소체(110)는 일정한 체적을 갖는 원기둥 형상일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 직육면체 형상 등 설계에 따라 다양하게 변경 가능하다.
탄탈 소체(110)를 구성하는 분말은 구 형상, 막대 형상, 평평한 형상 및 플레이크(flake) 형상 등 형상에 상관없이 적절하게 사용될 수 있으며, 적은 열이력 및 큰 비표면적을 갖는 것이 고용량화 관점에서 바람직하게 사용될 수 있다.
탄탈 와이어(120)는, 탄탈 소체(110)의 일측 단부에서, 봉(pole) 형상의 와이어가 탄탈 소체(110)의 일단보다 돌출되어 형성된다. 이때, 탄탈 와이어(120)는 탄탈 소체(110)의 일측 단부에 와이어의 일측 선단부가 매립되어 형성될 수 있다.
탄탈 와이어(120)는 탄탈, 탄탈 화합물 또는 탄탈 합금의 분말이 성형 소결된 소결체로서, 양극 리드 핀(lead pin)으로 사용된다.
이때, 탄탈 와이어(120)는 지름이 탄탈 소체(110)의 지름보다 작게 형성된다.
탄탈 와이어(120)가 형성된 탄탈 소체(110)는, 탄탈 분말이 액상 바인더(binder, 결합제)와 혼합되고, 이어서 압축 성형에 의해 성형된 후, 여기에 탄탈 와이어(120)의 일측 선단부가 매립되어 성형품이 완성되고, 그 성형품이 대략 700℃~1300℃의 온도, 바람직하게 대략 1000℃~1300℃의 온도에서 소결되는 과정을 거쳐 소결체로 얻어질 수 있다.
탄탈 소체(110)의 표면 상에는 유전체층(130), 고체 전해질층(140), 전도성 카본층(150) 및 금속층(160)이 순차 적층된다.
이 중, 탄탈 소체(110)의 표면 상에 형성되는 유전체층(130)은 화성 처리에 의해 탄탈 소체(110)의 표면을 산화시켜 형성한 산화 피막일 수 있다. 이 경우, 유전체층(130)은 화성층으로 불리우며, Ta2O5로 형성된다.
예컨대, 탄탈 소체(110)의 화성 처리는 옥살산(oxalic acid), 아디핀산(adipic acid), 붕산(boric acid), 인산(phosphoric acid) 등의 산(acid) 및 이들의 염(salt) 중 적어도 1종을 함유하는 화성액에 탄탈 소체(110)를 침지하여 수행될 수 있다.
화성 처리에 사용하는 화성액이나 화성 전압 등의 화성 조건은 제조하는 콘덴서에 필요한 용량, 내전압 등에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
예를 들어, 화성액의 농도는 대략 0.05질량%~20질량%, 바람직하게는 대략 0.1질량%~15질량%이며, 화성액의 온도는 대략 0℃~90℃, 바람직하게는 대략 20℃~70℃이다. 화성 처리시의 전류 밀도는 대략 0.1mA/㎠~200mA/㎠, 바람직하게는 대략 1mA/㎠~100mA/㎠이며, 화성 시간은 대략 1000분 이내, 바람직하게는 대략 500분 이내이다.
한편, 유전체층(130)은 공기 중의 산소에 의해 탄탈 소체(110)의 표면을 산화시켜 형성한 산화 피막일 수도 있으며, 이때에도 Ta2O5로 형성된다.
고체 전해질층(140)은 유전체층(130) 상에 형성되며, 이산화망간(MnO2)층 또는 전도성 고분자층으로 형성된다.
전도성 고분자층의 재료로는 피롤(Pyrrole), 티오펜(Thiophene), 아닐린(aniline), 푸란(furan) 또는 이들의 유도체로부터 도입되는 적어도 1개의 반복 단위를 함유하는 전도성 중합체를 예로 들 수 있다.
예컨대, 전도성 고분자층은 공지된 화학 중합법이나 전해 중합법에 의해 얇은 막 상태로 형성되어 대략 1~100S/㎝의 도전 비율을 가질 수 있다.
본 실시예의 탄탈 콘덴서(100)의 등가 직렬 저항(Equivalent Serial Resistance; 이하 'ESR'이라 칭함)을 감소하기 위해서, 고체 전해질층(140)의 도전 비율을 더욱 높이는 것이 바람직하다.
이는 최근의 전자기기는 저소음으로 높은 주파수와 낮은 전압으로 구동되는 것이 요구되고 있으며, 이것을 달성하기 위해서는 콘덴서도 더욱 고용량, 저ESR 및 향상된 손실각의 탄젠트(tanδ) 특성이 요구되기 때문이다.
한편, 이산화망간(MnO2)층의 고체 전해질층(140)은, 유전체층(130)이 형성된 탄탈 소체(110)를 질산망간수용액에 함침하여 유전체층(130) 표면에 고체 전해질로된 이산화망간층을 열분해하여 형성한다.
전도성 카본층(150)은 고체 전해질층(140)과 금속층(160) 사이에 개재되어, 고체 전해질층(140)으로부터의 전하를 금속층(160)으로 효과적으로 전달하는 역할과 금속이온의 이동을 막아주는 장벽(barrier) 역할을 동시에 수행한다.
이러한 전도성 카본층(150)은 그와 접합되는 고체 전해질층(140) 및 금속층(160)의 각 계면과 우수한 밀착력(접합력)을 가져야 한다.
이를 위해, 본 실시예의 전도성 카본층(150)은 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더의 3성분계로 이루어지며, 이들의 조성비를 적절히 제어하여 계면간 밀착력과 전도도의 향상을 도모하였다.
우선, 전도성 카본층(150)의 구성 중, 바인더는 다량의 고체 입자 등을 결합시키기 위한 비전도성 성분이며, 수지 성분이 주로 사용될 수 있다. 수지 성분의 구체적인 예로는 페놀 수지, 에폭시 수지, 불포화 알키드 수지, 폴리스티렌, 아크릴 수지, 셀룰로오스 수지, 고무 등을 들 수 있다.
이러한 바인더는 계면 밀착력 향상 관점에서, 상대적으로 그 ?t량을 높게 가져가되, 전도성 카본층(150)의 전체 중량 대비 대략 40~60중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다.
바인더가 상기한 범위 내로 전도성 카본층(150)에 함유될 때, 전도성 카본층(150)은 내부, 예컨대 고체 전해질층(140)과의 계면에, 입경이 1㎛ 미만인 서브 마이크론(sub micron) 수준의 나노 보이드(nano void)를 갖기 때문에, 고체 전해질층(140)과의 계면 밀착력이 향상될 수 있다.
또한, 상기한 범위의 바인더가 함유된 전도성 카본층(150)은 플라스틱성을 갖는 바인더에 의해 탄탈 소체(110)에 가해지는 기계적 충격을 효과적으로 흡수할 수 있으므로, 기계적 강도 향상에 기여할 수 있다.
한편, 상기에서 바인더의 함량이 40중량% 미만이면, 고체 전해질층(140)과의 계면 밀착력이 불충분할 수 있고, 반대로 60중량%를 초과하면, 전도도가 저하될 수 있다.
다음, 전도성 카본층(150)의 구성 중, 전도성 고분자는 전기전도성을 갖는 고분자 재료를 말하며, 상대적으로 높은 함량의 바인더에 의해 낮아진 전도도를 보강할 목적으로 첨가된다.
이러한 전도성 고분자는 전도성 카본층(150)의 전체 중량 대비 대략 1~10중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 이때, 전도성 고분자의 함량이 1중량% 미만이면, 전도도 향상 효과가 불충분할 수 있고, 반대로 10중량%를 초과하면, 계면간 밀착력 저하를 초래할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 티오펜(Thiophene)계, 피롤(pyrrole)계, 아닐린(aniline)계 등에서 선택될 수 있다.
티오펜계 전도성 고분자의 대표적인 예로는 높은 내열성 및 높은 전도도를 갖는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene; PEDOT)을 들 수 있다.
아닐린계 전도성 고분자의 예로는 폴리아닐린(Polyaniline; PANI)을 들 수 있다. 폴리아닐린은 합성이 용이하고, 고전도도를 가지면서, 공기 중에서 비교적 안정하며 가공성이 비교적 용이한 장점을 지닌다.
피롤계 전도성 고분자는 폴리피롤(polypyrrole; PP)을 예로 들 수 있다.
따라서, 상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린 및 폴리피롤 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 높은 내열성 및 높은 전도도를 가지는 PEDOT로 형성될 수 있다.
다음, 전도성 카본층(150)의 구성 중, 카본 파우더는 서브 마이크론 입경의 나노 입자로 형성되는 카본 블랙(carbon black)일 수 있다.
카본 파우더의 입경을 1㎛ 미만의 나노 사이즈로 가져가면, 전도성 카본층(150)의 표면 조도(roughness)를 낮춰 전도성 카본층(150)과 고체 전해질층(140) 간 계면 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
상기 카본 파우더는 전자수송층 및 장벽층 역할을 수행할 수 있도록, 전도성 카본층(150)의 전체 중량 대비 대략 30~59중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 이때, 카본 파우더의 함량이 30중량% 미만이면, 그 효과가 불충분할 수 있고, 반대로 10중량%를 초과하면, 계면간 밀착력이나 전도도 저하를 초래할 수 있다.
이러한 3성분계 구성을 갖는 전도성 카본층(150)은 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더를 함유한 전도성 고분자 함유 카본 페이스트에 고체 전해질층(140)이 형성된 탄탈 소체(110)를 침지하여 전도성 고분자 함유 카본 페이스트가 고체 전해질층(140) 상에 코팅된 후 건조 및 열처리되는 과정을 거쳐 형성될 수 있다.
한편, 전도성 카본층(150)을 형성하기 위한 전도성 고분자 함유 카본 페이스트는 유기 용제를 더 포함할 수 있으며, 이 유기 용제는 열처리 과정에서 제거된다.
금속층(160)은 전도성 카본층(150) 상에 형성되며, 전도성 금속 분말, 예컨대, 은(Ag) 분말, 동(Cu) 분말, 알루미늄(Al) 분말, 니켈(Ni) 분말 등을 포함하여 형성될 수 있다.
이들 전도성 금속 분말은 단독으로 사용되거나, 1종 이상의 합금 분말 또는 1종 이상의 혼합 분말의 형태로 사용될 수 있다. 이와는 달리, 금속층(160)은 은(Ag) 분말을 제외한 상기 전도성 금속 분말의 표면에 은(Ag) 분말이 코팅된 은(Ag) 코팅 분말로 형성될 수도 있다.
금속층(160)은 전도도 및 내화학성 향상 관점에서, 은(Ag) 분말, 은(Ag)을 주성분으로 하는 합금, 은(Ag)을 주성분으로 하는 혼합 분말, 은 코팅 분말 등 은(Ag)을 포함하여 형성됨이 바람직하고, 은(Ag) 분말을 포함하여 형성됨이 보다 바람직하다.
또한, 금속층(160)은 전도성 금속 분말을 결합시킬 수 있는 바인더를 포함한다. 이러한 바인더는 전도성 금속 분말을 결합시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않지만, 예컨대 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 등이 이용될 수 있다.
금속층(160)은 전도성 카본층(150)과의 밀착성 및 ESR 관점에서, 통상 40~97질량%, 바람직하게는 90~97질량%, 보다 바람직하게는 90~95질량%가 전도성 금속 분말이고, 통상 3~60질량%, 바람직하게는 3~10질량%, 보다 바람직하게는 5~10질량%가 바인더인 것이 바람직하다.
이때, 바인더의 함량이 3질량% 미만이면, 금속층(160)과 전도성 카본층(150)의 밀착성이 저하될 수 있고, 초기 ESR이 저하되는 경향이 있다. 반대로, 바인더의 함량이 10질량%를 초과하면, 리플로우(Reflow) 등에서의 열적 스트레스에 의해 실장 후 ESR이 상승하는 경향이 있다.
금속층(160)은 전도성 금속 분말과 액상 바인더를 함유하는 전도성 금속 페이스트가 전도성 카본층(150) 상에 도포된 후 건조 및 열처리되는 과정을 거쳐 형성될 수 있다.
또한, 금속층(160)을 형성하기 위한 전도성 금속 페이스트는 유기 용제를 더 포함할 수 있으며, 이 유기 용제는 열처리 과정에서 제거된다.
상기한 전도성 카본층(150) 및 금속층(160)은 음극으로 사용될 수 있으며, 이는 양극인 탄탈 소체(110)의 상대 전극이 된다.
한편, 도 1에서는 유전체층(130), 고체 전해질층(140), 전도성 카본층(150) 및 금속층(160)의 적층체가 탄탈 소체(110)의 외주면들 중 탄탈 와이어(120)가 형성된 면을 제외한 나머지 면들에 형성되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 탄탈 와이어(120)의 일부를 노출시키는 범위 내에서 다양하게 변경 가능하다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 본 실시예의 탄탈 콘덴서(100)는 탄탈 와이어(120)와 접속되는 양극 단자(미도시)와, 금속층(160)과 접속되는 음극 단자(미도시), 및 유전체층(130)부터 금속층(160)까지의 적층체가 형성된 탄탈 소체(110)를 몰딩하는 몰딩재를 더 포함하며, 이는 공지된 바를 따르므로 생략한다.
본 실시예의 탄탈 콘덴서(100)는 양극 단자와 음극 단자가 용접 또는 접착제를 이용한 접합에 의해 탄탈 와이어(120)와 금속층(160)에 각각 전기적으로 연결된 후, 에폭시(Epoxy) 재질 등의 몰딩재에 의해서 외장이 형성된 다음 기타 후속 조립 공정을 통해 완성된다.
이와 같은 구성을 갖는 탄탈 콘덴서(100)는 전도성 카본층(150)이 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더로 이루어짐으로써, 전도성 카본층(150)과 고체 전해질층(140) 간의 계면 밀착력 향상을 통해 저ESR화를 도모함과 동시에 고전도도를 구현할 수 있다.
또한, 이와 같은 구성의 탄탈 콘덴서(100)는 상대적으로 바인더의 함량이 높은 전도성 카본층(150)이 구비됨에 따라 기계적 강도가 개선된다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 탄탈 콘덴서 110 : 탄탈 소체
120 : 탄탈 와이어 130 : 유전체층
140 : 고체 전해질층 150 : 전도성 카본층
160 : 금속층

Claims (10)

  1. 탄탈 소체;
    상기 탄탈 소체의 일측 단부에 돌출 형성된 탄탈 와이어;
    상기 탄탈 소체의 표면 상에 형성된 유전체층;
    상기 유전체층 상에 형성된 고체 전해질층;
    상기 고체 전해질층 상에 형성되되, 카본 파우더, 전도성 고분자 및 비전도성 바인더로 이루어지는 전도성 카본층; 및
    상기 전도성 카본층 상에 형성된 금속층;을 포함하고,
    상기 카본 파우더는 서브 마이크론(submicron) 입경의 나노 입자로 형성되고, 상기 전도성 카본층은 보이드(void)의 크기가 1 ㎛ 미만이고,
    상기 비전도성 바인더의 함량은 상기 전도성 카본층의 전체 함량 대비 40중량% 내지 60중량%인, 탄탈 콘덴서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는
    폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린 및 폴리피롤 중에서 선택된 1종 이상인 탄탈 콘덴서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자의 함량은
    상기 전도성 카본층의 전체 함량 대비 1중량% 내지 10중량%인 탄탈 콘덴서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은
    이산화망간(MnO2)층 또는 전도성 고분자층으로 형성되는 탄탈 콘덴서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 Ta2O5로 형성되는 탄탈 콘덴서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 바인더와 은(Ag)을 포함하는 탄탈 콘덴서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄탈 콘덴서는
    상기 탄탈 와이어와 연결되는 양극 단자와,
    상기 금속층과 연결되는 음극 단자를 더 포함하는 탄탈 콘덴서.
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