KR101848098B1 - 고체 전해질 커패시터를 위한 하우징 구성 - Google Patents

고체 전해질 커패시터를 위한 하우징 구성 Download PDF

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Abstract

극한 환경에서도 안정적인 커패시터 어셈블리가 제공된다. 특별히, 상기 어셈블리는 하우징의 내부 구멍 안에 위치한 커패시터 소자를 포함한다. 상기 하우징은 상기 커패시터 소자가 연결된 베이스(base)를 포함한다. 상기 하우징은 또한 측벽으로 연장되는 외벽을 갖는 리드(lid)를 포함한다. 가장자리는 베이스에 밀폐되어 실링된 상기 측벽으로부터 연장된다. 상기 가장자리는 상기 측벽 외주부를 넘어서 위치하는 외주부 모서리를 갖는다. 일부 경우, 상기 가장자리의 상기 외주부 모서리는 상기 베이스의 가장자리와 동일 평면상에 있다. 이러한 가장자리의 사용은 상기 부품들 간 더 안정적인 연결을 가능케 하며, 실링을 향상시키고, 상기 커패시터 어셈블리의 기계적 안정성을 가능케 한다. 그리하여, 극한 환경에서 보다 잘 작동할 수 있게 한다.

Description

고체 전해질 커패시터를 위한 하우징 구성{HOUSING CONFIGURATION FOR A SOLID ELECTROLYTIC CAPACITOR}
본 발명은 극한 환경에서 향상된 밀폐 실링 기능을 보일 수 있는 하우징 구성을 가지는 고체 전해질 커패시터에 관한 것이다.
전해질 커패시터(예를 들어, 탄탈룸 커패시터)는 용적(체적) 효율성, 안전성 및 공정 호환성 때문에 회로 디자인에서의 사용이 증가하고 있다. 예를 들어, 개발된 커패시터의 한 유형은 애노드(예를 들어, 탄탈룸), 상기 애노드 위에 형성된 유전체 산화막(예를 들어, Ta2O5), 고체 전해질 층 및 캐소드를 포함하는 고체 전해질 커패시터이다. "사카타(Sakata)" 등에게 허여된 미국특허 제5,457,862호, "사카타(Sakata)" 등에게 허여된 미국특허 제5,473,503호, "사카타(Sakata)" 등에게 허여된 미국특허 제5,729,428호 및 "쿠도(Kudoh)" 등에게 허여된 미국특허 제5,812,367호에서 설명된 바와 같이, 상기 고체 전해질 층은 전도성 고분자로부터 형성될 수 있다. 그러나 불행히도 이러한 고체 전해질은 첨가(doped) 상태에서 비첨가(un-doped) 상태로 변환, 또는 이 반대로 변환되는 경향으로 인해 고온에서의 성능이 저하된다. 이러한 문제점과 다른 문제점들에 대응해서, 커패시터는 사용 시, 상기 전도성 고분자와 산소와의 접촉을 제한하기 위해 밀폐되어 실링 되도록 개발되었다. 일례로, "라왈(Rawal)" 등에게 허여된 미국특허공보 제2009/0244812호는 불활성 기체 내의 세라믹 하우징 안에 싸여서 밀폐 실링된 전도성 고분자 커패시터를 포함하는 커패시터 어셈블리를 설명한다. 상기 하우징은 베이스 구조의 측벽에 용접된 리드(lid)를 포함한다. "라왈" 등에 의하면, 상기 세라믹 하우징은 상기 전도성 고분자에 제공되는 산소량과 수분량을 제한하여 고온 환경 하에서 산화되는 경향이 적다. 이로 인해, 상기 커패시터 어셈블리의 열안정성이 증가한다. 그러나 상기 이점에도 불구하고, 여전히 문제점은 남아있다. 예를 들어, 상기 측벽 리드의 용접은 소량의 수분 및/또는 산소가 들어오는 곳에서 문제를 야기할 수 있고, 불완전한 실링을 일으킬 수 있다. 어떤 상황에서도 문제를 야기하지 않으며, 고온(예를 들어, 약 175℃ 이상) 및 고전압(예를 들어, 약 35V 이상)의 극한 환경에서 특히 문제가 될 수 있다.
따라서, 극한 환경에서 향상된 밀폐 실링 기능을 보일 수 있는 하우징 구성의 필요가 현재 존재한다.
본 발명은 극한 환경에서 향상된 밀폐 실링 기능을 가지는 고체 전해질 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 발명에서는 가장자리(lip)을 사용하여 부품들 간 더 안정적인 연결을 가능케 하며, 실링을 향상시키고, 커패시터 어셈블리의 기계적 안정성을 가능하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 커패시터 어셈블리가 제공되고, 커패시터 어셈블리는 하우징, 커패시터 소자, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 포함한다. 상기 하우징은 측면으로 연장되는 베이스와, 사이의 내부 구멍의 정의를 위해 상기 베이스를 덮고 있는 리드(lid)로 포함된다. 상기 리드(lid)는 외벽 및 상기 외벽으로부터 상기 베이스을 향해 길이 방향으로 연장되는 측벽을 포함한다. 가장자리(lip)는 상기 측벽으로부터 길이 방향과 각도를 이루어 연장되고, 상기 베이스에 밀폐되어 실링 되어있다. 상기 가장자리는 상기 측벽 외주부를 넘어서 위치한 외주부 모서리를 갖는다. 커패시터 소자는 상기 내부 구멍 내에 위치하고, 상기 하우징의 베이스에 연결되어 있다. 상기 커패시터 소자는 양극 산화되고, 소결된 다공체로부터 형성되는 애노드와 상기 애노드를 덮고 있는 고체 전해질을 포함한다. 상기 애노드 단자는 상기 애노드 바디와 전기적으로 연결되어 있고, 상기 캐소드 단자는 상기 고체 전해질과 전기적으로 연결되어 있다.
이하, 본 발명의 다른 특징에 관해서 상세히 설명한다.
본 발명에서는 가장자리(lip)을 사용하여 부품들 간 더 안정적인 연결을 가능케 하며, 실링을 향상시키고, 커패시터 어셈블리의 기계적 안정성을 제공하여, 극한 환경에서도 향상된 밀폐 실링 기능을 가지는 고체 전해질 커패시터를 공급할 수 있다.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자를 위하여, 제시된 도면을 참고로 하여 명세서 나머지 부분에서 최적 실시 예를 포함하여 본 발명을 충분히 실시가능하도록 개시되었다.
도 1은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 일실시예 단면도,
도 2는 도 1의 상기 리드(lid) 측벽의 분해 단면도,
도 3은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 또 다른 실시예의 단면도,
본 명세서 및 도면에서 반복되는 참조 부호의 사용은 본 발명의 동일 또는 유사 특징 및 요소를 나타내기 위함이다.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에서는 일 실시예에 관한 설명을 기재하는 것이고, 이것이 본 발명의 보다 넓은 태양을 제한하고자 하는 것은 아니며, 본 발명의 보다 넓은 태양은 예시적인 구성에 내포되어 있다고 이해되어야 한다.
본 발명은 극한 환경에서 안정성을 갖는 커패시커 어셈블리를 목적으로 한다. 특별히, 상기 어셈블리는 하우징의 내부 구멍 안에 위치한 커패시터 소자를 포함한다. 상기 하우징은 상기 커패시터 소자가 연결된 베이스(base)를 포함한다. 상기 하우징은 또한 측벽으로 연장되는 외벽을 갖는 리드(lid)를 포함한다. 가장자리(lip)는 베이스에 밀폐되어 실링된 상기 측벽으로부터 연장된다. 상기 가장자리는 상기 측벽 외주부를 넘어서 위치하는 외주부 모서리를 갖는다. 일부 경우, 상기 가장자리의 상기 외주부 모서리는 상기 베이스의 가장자리와 동일 평면상에 있다. 이러한 가장자리의 사용은 상기 부품들 간 더 안정적인 연결을 가능케 하며, 실링을 향상시키고, 상기 커패시터 어셈블리의 기계적 안정성을 가능케 한다. 그리하여, 극한 환경에서 보다 잘 작동할 수 있게 한다.
본 발명의 다양한 실시예가 더욱 상세하게 이하에서 기술된다.
Ⅰ. 커패시터 소자
고압 적용을 위하여, 커패시터 소자의 애노드는 약 70,000 mF*V/g(microFarads*Volts per gram) 이하의 낮은 비전하(specific charge)를 가지는 파우더로부터 형성되는 것이 요구된다. 일부 실시예에서는 약 2,000 mF*V/g 내지 65,000 mF*V/g 이고, 일부 실시예에서는 약 5,000 mF*V/g 내지 50,000 mF*V/g 이다. 물론, 때때로 낮은 비전하 파우더가 요구되지만, 이는 결코 필수 사항을 아니다. 즉 파우더는 상대적으로 높은 약 70,000 mF*V/g 또는 그 이상의 비전하를 가질 수 있고, 일부 실시예에서는 약 80,000 mF*V/g 또는 그 이상이고, 일부 실시예에서는 약 90,000 mF*V/g 또는 그 이상이고, 일부 실시예에서는 약 100,000 mF*V/g 또는 그 이상이고, 일부 실시예에서는 약 120,000에서 약 250,000 ㎌*V/g의 비전하를 가질 수도 있다.
파우더는 탄탈룸, 니오븀, 알루미늄, 하프늄, 티타늄, 이들의 합금, 이들의 산화물, 이들의 질화물 등과 같은 밸브 금속(즉, 산화할 수 있는 금속) 또는 밸브 금속을 기초로 한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 밸브 금속 조성물은 1:1.0 ± 1.0의 니오븀 대 산소의 원자 비율을 가지는 니오븀 산화물과 같은 니오븀의 전기 전도성 산화물을 포함할 수 있고, 다른 실시예에서는 1:1.0 ± 0.3이고, 다른 실시예에서는 1:1.0 ± 0.1이고, 또 다른 실시예에서는 1:1.0 ± 0.05이다. 예를 들어, 상기 니오븀 산화물은 NbO0 .7, NbO1 .0, NbO1 .1 및 NbO2 일 수도 있다. 이러한 밸브 금속 산화물의 예는, "파이프(Fife)"에게 허여된 미국 특허 제6,322,912호, "파이프" 등에게 허여된 제6,391,275호, "파이프" 등에게 허여된 제6,416,730호, "파이프"에게 허여된 제6,527,937호, "킴멜(Kimmel)" 등에게 허여된 제6,576,099호, " 파이프" 등에게 허여된 제6,592,740호, " 킴멜" 등에게 허여된 제6,639,787호, " 킴멜" 등에게 허여된 제7,220,397호뿐 아니라, "슈니터(Schnitter)"의 미국 특허출원 공개공보 제2005/0019581호, " 슈니터" 등의 제2005/0103638호, "토마스(Thomas)" 등의 제2005/0013765호에 기술되며, 이들은 전체로서 본 명세서에서 참고문헌으로서 포함한다.
파우더 입자들은 플레이크(flaked), 앵귤러(angular), 노듈러(nodular) 형상 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 입자들은 전형적으로 적어도 약 60 메쉬(mesh)의 스크린 크기분포를 가지며, 일부 실시예에서는 약 60 내지 약 325 메쉬, 일부 실시예에서는 약 100 내지 약 200 메쉬로 형성된다. 또한, 비표면적(the specific surface area)은 약 0.1 내지 약 10.0 ㎡/g이고, 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 5.0 ㎡/g이고, 다른 실시예에서는 약 1.0 내지 2.0 ㎡/g 이다. "비표면적(specific surface area)" 용어는 "미국 화학 학회지(Journal of American Chemical Society)" 제60권(1938년)의 309페이지에서 "브루아나우어(Bruanauer)", "에멧(Emmet)", "텔러(Teller)"의 질소를 흡입 가스로 하는 물리적 가스 흡착(physical gas adsorption)(B.E.T.) 방법에 의해 결정되는 표면적(surface area)으로 정의된다. 마찬가지로, 벌크(또는 스캇(Scott)) 밀도는 통상적으로 약 0.1 내지 약 5.0 g/㎤이고, 다른 실시예에서는 약 0.2 내지 약 4.0 g/㎤이며, 또다른 실시예에서는 약 0.5 내지 약 3.0 g/㎤이다.
상기 애노드 바디의 제작을 용이하게 하기 위하여, 파우더에 다른 성분들이 추가될 수 있다. 예를 들면, 애노드 바디를 형성하기 위해 가압될 때 입자들이 상호 적당하게 접합되도록 바인더(binder) 및/또는 윤활제(lubricant)이 채용될 수 있다. 적합한 바인더로는 캄포(camphor), 스테아린산 및 기타 비누질 지방산(soapy fatty acid), Carbowax(유니온 카바이드사), Glyptal(제너럴 일렉트릭사), 나프탈렌, 식물왁스(vegetable wax) 및 마이크로왁스(microwax)(정제파라핀) 등이 포함될 수 있다. 상기 바인더는 용매에서 용해되어 분산될 수 있다. 용매의 예로서, 물, 알콜 등이 이용될 수 있다. 이러한 용매가 사용될 때, 바인더 및/또는 윤활제는 전체 질량비의 약 0.1% 내지 8%으로 다양할 수 있다. 그러나, 바인더와 윤활제는 본 발명에서 필수적인 것은 아님이 이해되어야 한다.
생성된 파우더는 종래의 모든 파우더 프레스 주형을 이용하여 압축될 수 있다. 예를 들어, 프레스 주형은 다이(die)와 단일 또는 멀티 펀치를 이용하여 단일 스테이션 압축성형 프레스(single station compaction press)가 사용될 수 있다. 혹은, 다이와 단일 하부 펀치만을 사용하는 모루형(anvil-type) 압축성형 프레스 주형이 사용될 수 있다. 단일 스테이션 압축형 프레스 주형은 단일 작동, 이중 작동, 플로팅 다이(floating die), 이동식 플래튼(movable platen), 대향하는 램(ram), 스크류(screw), 임팩트(impact), 핫 프레스(hot press), 코이닝(coining) 또는 사이징(sizing)과 같이 다양한 기능을 갖춘 캠(cam), 토글/노클(toggle/knuckle) 및 편심/크랭크(eccentric/crank) 프레스와 같은 몇몇의 기본 형식에서 이용될 수 있다. 압축후에, 결과로 나오는 애노드 바디는 "플루트형(fluted)" 형상을 가질 수 있는데, 이는 하나 이상의 고랑(furrows), 홈(grooves), 침하부(depression) 또는 오목부(indentation)를 포함함으로써 체적 대 표면적비를 증가시켜 등가직렬저항(ESR)을 최소화하고 커패시턴스의 주파수 반응을 증가시킬 수 있다. 애노드 바디는 그리고나서 가열 단계를 거칠 수 있으며, 모든 경우는 아니지만 대부분의 바인더/윤활제가 제거된다. 예를 들어, 애노드 바디는 일반적으로 약 150℃ 내지 500℃의 온도에서 작동하는 오븐에 의해 가열된다. 혹은 "비솝(Bishop)" 등에게 허여된 미국특허 제6,197,252호에서 설명된 바와 같이, 바인더/윤활제는 수용액에 펠릿을 접촉시킴으로써 제거될 수 있다.
일단 형성되면, 애노드 바디가 소결된다. 소결(sintering)의 온도, 압력, 시간은 애노드 타입, 애노드 크기 등의 여러 요소에 의존한다. 통상적으로 소결은 약 800℃ 내지 1,900℃의 온도에서 일어난다. 일부 실시예에서는 약 1,000℃ 내지 1,500℃의 온도에서, 일부 실시예에서는 약 1,100℃ 내지 1,400℃의 온도에서 일어난다. 시간은 약 5분 내지 100분 동안, 일부 실시예에서는 약 30분 내지 60분 동안이다. 원한다면, 소결은 산소 원자가 애노드에 전달되는 것을 제한하는 분위기에서 일어날 수 있다. 예를 들어, 진공, 불활성 기체, 수소 등과 같은 감압 분위기에서 소결은 일어날 수 있다. 감압 분위기는 10 Torr 내지 약 2,000 Torr의 압력일 수 있고, 일부 실시예에서는 약 100 Torr 내지 약 1000 Torr, 일부 실시예에서는 약 100 Torr 내지 약 930 Torr의 압력일 수 있다. 수소 및 다른 기체(예를 들어, 아르곤 또는 질소)의 혼합물도 이용될 수 있다.
애노드 리드가 그 측면 방향으로 연장하는 애노드 바디에 연결될 수도 있다. 상기 애노드 리드는 와이어, 시트 등의 형태일 수 있고, 탄탈룸, 니오븀, 니오븀 산화물과 같은 밸브 금속 화합물로부터 형성될 수도 있다. 만들어지는 동안(예를 들어, 압축 또는 소결 전에) 리드의 연결은 리드를 바디에 용접하거나 또는 리드를 애노드 바디 안에 삽입(embedding)하는 것과 같은 공지된 기술들을 이용해 완성될 수 있다.
애노드는 또한 유전체로 코팅될 수 있다. 유전체는 소결된 애노드를 양극 산화("anodizing")함으로써 형성되어, 유전체층이 애노드 위로 및/또는 안으로 형성된다. 예를 들어, 탄탈룸(Ta) 애노드는 오산화 탄탈룸(Ta2O5)으로 애노드화될 수 있다. 일반적으로, 애노드화는 애노드를 전해질에 담그는 방법과 같이 초기에 애노드에 용액을 적용함으로써 행해진다. 일반적으로 물[예를 들어, 탈이온수(deionized water)]과 같은 용매가 채용된다. 이온 전도성을 높이기 위하여, 용매에 녹아서 이온을 형성할 수 있는 화합물이 채용된다. 그러한 화합물에는, 예를 들어, 전해질과 관련하여 아래에 기술된 산(acid)을 포함한다. 예를 들어, 산(예를 들어, 인산(phosphoric acid))은 애노다이징 용액의 약 0.01중량% 내지 5중량%를 구성하고, 일부 실시예에서는 약 0.05중량% 내지 0.8중량%를 구성하고, 일부 실시예에서는 약 0.1중량% 내지 0.5중량%를 구성한다. 원한다면, 혼합 산도 채용할 수 있다.
유전체 층을 형성하기 위하여 전류는 애노다이징 용액을 통과한다. 형성 전압값은 유전체 층의 두께를 결정한다. 예를 들어, 요구되는 전압에 도달할 때까지 전원 공급은 초기에 갈바노스테틱 모드(galvanostatic mode)로 설정될 수 있다. 그 후에, 전원 공급은 애노드의 전체 표면 위에 원하는 유전체 두께가 형성되도록 포텐시오스테틱 모드(potentiostatic mode)로 전환될 수 있다. 물론, 펄스(pulse) 또는 스텝(step) 포텐시오스테틱 방법과 같은 다른 알려진 방법들이 채용될 수도 있다. 양극 산화가 일어나는 전압은 보통 약 4 내지 약 200V 의 범위이며, 일부 실시예에서는, 약 9 내지 100V 범위이고, 일부 실시예에서는 20 내지 150V 범위이다. 양극 산화(anodic oxidation) 동안, 애노다이징 용액은 약 30℃ 이상과 같은 상승된 온도에서 보관되며, 일부 실시예에서 온도는 40℃ 내지 200℃의 범위에서, 다른 실시예에서 온도는 50℃ 내지 100℃의 범위이다. 양극 산화는 주위 온도 또는 이보다 낮은 온도에서도 행해질 수 있다. 생성된 유전체 층은 애노드의 표면에 또는 그 세공 내부에 형성될 수 있다.
커패시터 소자는 커패시터를 위한 캐소드로서 기능할 수 있는 고체 전해질도 포함한다. 예를 들어, 이산화 망간 고체 전해질은 질산 망간의 열분해에 의하여 형성된다. 이러한 기술은 "스투머(Sturmer)" 등에서 허여된 미국특허번호 제4,945,452호에 기술되어 있으며, 이들은 전체로서 본 명세서에서 참고문헌으로서 포함한다.
대신하여, 고체 전해질은 하나 또는 그 이상의 전도성 고분자 층으로부터 형성될 수 있다.이러한 층에 채용되는 전도성 고분자는 일반적으로 π-결합이고, 산화 후 적어도 약 1㎲*cm-1의 전기 전도성과 같이, 산화 또는 환원 후에 전기 전도성을 가진다. 예를 들어, π-결합된 전도성 고분자는 폴리헤테로싸이클 (예를 들어, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 등), 폴리 아세틸렌, 폴리-p-페닐렌, 폴리페놀레이트 등을 포함한다. 특별히 적합한 전도성 고분자는 다음의 일반 구조를 가지는 폴리티오펜으로 구성된다.
Figure 112012028371884-pat00001
상기 T는 산소(O) 또는 황(S);
D는 임의로 치환된 C1 내지 C5의 알킬렌 라디칼(예를 들어, 메틸렌, 에틸렌, n-프로필렌, n-부틸렌, n-펜틸렌, 등);
R7은 선형 또는 가지형의, 임의로 치환된 C1 내지 C18의 알킬 라디칼 (예를 들어, 메틸, 에틸, n- 또는 이소-프로필, n- 또는 iso-, sec-, tert-부틸, n-펜틸, 1-메틸부틸, 2-메틸부틸, 3-메틸부틸, 1-에틸프로필, 1,1-디메틸프로필, 1,2-디메틸프로필, 2,2-디메틸프로필, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, 2-에틸헥실, n-노닐, n-데실, n-운데실, n-도데실, n-트리데실, n-테트라데실, n-헥사데실, n-옥타데실, 등); 임의로 치환된 C5 내지 C12의 시클로알킬 라디칼 (예를 들어, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸, 시클로노닐, 시클로데실, 등); 임의로 치환된 C6 내지 C14의 아릴 라디칼 (예를 들어, 페닐, 나프틸, 등); 임의로 치환된 C7 내지 C18의 아랄킬 라디칼 (예를 들어, 벤질, o-, m-, p-토일, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2-6, 3-4-, 3,5-자이릴, 메시틸, 등); 임의로 치환된 C1 내지 C4의 하이드록시알킬 라디칼 또는 하이드록실 라디칼;
q는 0부터 8사이의 정수이고, 일부 실시예에서는 0 내지 2이고, 한 실시예에서는 0; 및
n은 2부터 5000사이의 정수이고, 일부 실시예에서는 4 내지 2,000이고, 일부 실시예에서는 5 내지 1,000이다.
라디칼 "D" 또는 "R7"을 위한 치환기는, 예를 들어, 알킬, 시클로알킬, 아릴, 아랄킬, 알콕시, 할로겐, 에테르, 티오에테르, 디술파이드, 술폭사이드, 술폰, 술포네이트, 아미노, 알데히드, 케토, 카르복실산 에스터, 카르복실산, 카르보네이트, 카르복실레이트, 시아노, 알킬실란, 및 알콕시실란 그룹, 카르복실아마이드 그룹, 등을 포함한다.
"D"에 특별히 적합한 티오펜 고분자는 임의로 치환된 C2 내지 C3 알킬렌 라디칼이다. 예를 들어, 상기 고분자는 다음의 일반 구조를 가지는 임의로 치환된 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)일 수 있다.
Figure 112012028371884-pat00002
상기한 바와 같이, 전도성 고분자를 형성하기 위한 방법은 기술 분야에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 모든 목적을 위하여 앞의 참고 문헌에 의해 본 명세서에 포함되는 "머커(Merker)" 등에게 허여된 미국 특허 제6,987,663호에는 단량체 전구체로부터 치환된 폴리티오펜을 형성하기 위한 다양한 기술이 기술된다. 상기 단량체 전구체는, 예를 들어, 다음의 구조를 가질 수 있다.
Figure 112012028371884-pat00003
상기 T, D, R7, 및 q는 위에서 정의되었다. "D"에 특별히 적합한 티오펜 단량체는 임의로 치환된 C2 내지 C3 알킬렌 라디칼이다. 예를 들어, 아래의 일반 구조를 가지는 임의로 치환된, 3,4-알킬렌디옥시티오펜이 사용될 수 있다.
Figure 112012028371884-pat00004
상기 R7 및 q는 위에서 정의되었다. 일 실시예로, q는 0이다. 3,4-알킬렌디옥시티오펜의 하나의 상업적으로 적합한 예는 Clevios™ M 라는 명칭으로, 헤라에우스 클레비오스(Heraeus Clevios)사로부터 구입 가능하다. 다른 적합한 단량체는 "블롬(Blohm)" 등에게 허여된 미국 특허 제5,111,327호와 "그로에넨달(Groenendaal)" 등에게 허여된 제6,635,729호에서 기술되어 있으며, 또한 모든 목적을 위하여 앞의 참고 문헌에 의해 본 명세서에 포함된다. 또한, 단량체의 유도체, 예를 들어, 상기 단량체들의 이량체 또는 삼량체가 사용될 수 있다. 상기 단량체들의 고분자량 유도체, 예를 들어, 사량체, 오량체 등은 본 발명에 있어서 사용에 적합하다. 상기 유도체는 동일하거나 또는 다른 단량체 유닛으로 구성될 수 있고, 순수한 형태로 사용될 수 있으며, 상기 단량체와 함께 및/또는 서로 혼합된 형태일 수 있다. 이러한 전구체들의 산화 또는 환원된 형태도 쓰일 수 있다.
티오펜 모노머들은 산화촉매의 존재하에서, 화학적으로 중합될 수 있다. 산화촉매는 일반적으로, 철(Ⅲ), 구리(Ⅱ), 크롬(Ⅵ), 세륨(Ⅳ), 망간(Ⅳ), 망간(Ⅶ), 루테늄(Ⅲ)양이온 등과 같은 전이금속 양이온(cation)을 포함한다. 또한, 도펀트(dopant)는 전도성 고분자에 초과전하를 제공하고, 전도성 고분자를 안정화시키기 위해 사용될 수 있다. 상기 도펀트는 일반적으로, 설폰산 이온같은 무기 또는 유기 음이온(anion)을 포함한다. 일부 실시예에서, 전구체용액에 사용되는 산화촉매는, 양이온(예를 들면, 전이금속) 및 음이온(예를 들면, 설폰산)을 포함한다는 점에서, 촉매와 도핑기능을 둘다 갖는다. 예를 들면, 산화촉매는, 철(Ⅲ)할로겐화물(예를 들면, FeCl3) 또는 다른 무기산의 철(Ⅲ)염(Fe(ClO4)3 또는 Fe2(SO4)3 등) 같은 철(Ⅲ)양이온; 및 유기라디칼을 포함하는 유기산과 무기산의 철(Ⅲ)염;을 포함하는 전이금속염이 될 수 있다. 예를 들어, 유기라디칼을 갖는 무기산 철(Ⅲ)염은 C1 내지 C20 알칸올의 황산모노에스테르 철(Ⅲ)염(예를 들면, 로릴황산염의 철(Ⅲ)염)을 포함한다. 동일하게, 예를 들어, 유기산의 철(Ⅲ)염은 C1 내지 C20 알칸설폰산철(Ⅲ)염(예를 들면, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 또는 도데칸 설폰산); 지방족 퍼플루오르설폰산의 철(Ⅲ)염(예를 들면, 트리플루오르네탄 설폰산, 퍼플루오르부탄 설폰산 또는 퍼플루오르옥탄 설폰산); 지방족 C1 내지 C20 카르복실산 철(Ⅲ)염(예를 들면, 2-에틸헥실카르복실산); 지방족 퍼플루오르카르복실산 철(Ⅲ)염(예를 들면, 트리플루오르아세트산 또는 퍼플루오르옥탄산); 선택적으로 C1 내지 C20 알킬그룹(예를 들면, 벤젠 설폰산, o-톨루엔 설폰산, p-톨루엔 설폰산 또는 도데실벤젠 설폰산)에 의해 치환된 방향족 설폰산 철(Ⅲ)염; 사이클로알칸 설폰산(예를 들면, 캠퍼 설폰산)의 철(Ⅲ)염; 등을 포함한다. 또한, 상기 언급된 철(Ⅲ)염의 혼합물이 사용될 수 있다. 철(Ⅲ)-p-톨루엔 설폰산염, 철(Ⅲ)-o-톨루엔 설폰산염 및 그 혼합물이 특히 적합하다. 철(Ⅲ)-p-톨루엔 설폰산염의 상업적으로 바람직한 예는 클레비오스M(CleviosTMM)라는 명칭으로 헤라에우스 클레비오스사(Heraeus Clevios)로부터 이용할 수 있다.
다양한 방법들이 전도성 층을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 일실시예에서, 산화촉매 및 모노머는 순차적으로 또는 함께 적용된다. 그런 경우에는 중합반응이 그 자리(in-situ)에서 일어난다. 바람직한 응용기술에는 스크린프린팅(screen-printing), 침지(dipping), 전기영동코팅(electrophoretic coating) 및 분무법(spraying)이 포함될 수 있으며, 전도성 고분자코팅을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예로써, 모노머는 초기에 전구체용액을 형성하기 위해 산화촉매와 혼합될 수 있다. 일단 혼합물이 형성되면, 부분에 적용되어, 중합이 이루어져, 전도성 코팅이 표면상에 형성될 수 있다. 또는, 산화촉매와 모노머가 순차적으로 적용될 수 있다. 일실시예에서, 예를 들면, 산화촉매는 유기용매(예를 들면, 부탄올)에서 용해된 후에, 침지용액으로서 적용된다. 그 후에, 부분(the part)은 침지용액으로부터 용매를 제거하기 위해 건조될 수 있으며, 그 후에, 부분은 모노머를 포함하는 용액에 침지될 수 있다.
중합은 일반적으로, 약 -10℃ 내지 약 250℃, 일부 실시예에서는, 약 0℃ 내지 약 200℃의 온도하에서 수행될 수 있으며, 이러한 온도는 사용되는 산화제 및 원하는 반응시간에 의존한다. 상기 언급된 바와 같은 바람직한 중합기술은 "빌러(Biler)"의 미국특허 제7,515,396호에 더 구체적으로 제시되어 있다. 이런 전도성 코팅을 적용하는 다른 방법은 "사카타(Sakata)" 등의 미국특허 제5,457,862호, 미국특허 제5,473,503호, 미국특허 제5,629,428호, "쿠도(Kudoh)" 등의 미국특허 제5,812,367호에 기술되어 있다. 상기 참고문헌은 본원의 모든 목적을 위해 전체적으로 참고로 인용된다.
인-시츄(in-situ) 어플리케이션에 더하여, 전도성 층은 또한 전도성 고분자 입자의 분산형태로 적용될 수 있다. 비록 이들 입자의 크기가 다양할 수 있지만, 일반적으로 애노드부분에 부착가능한 표면적을 증가시키기 위해 작은 직경을 갖는 상기 입자들이 요구된다. 예를 들면, 입자들의 평균직경은, 약 1nm 내지 약 500nm, 몇몇 실시예에서는, 약 5nm 내지 약 400nm, 몇몇 실시예에서는, 약 10nm 내지 약 300nm일 수 있다. 입자들의 D90값(D90값과 동일하거나 더 작은 직경을 갖는 입자들이 모든 고체입자 전체부피의 90%를 구성함)은 약 15㎛ 또는 그 이하, 몇몇 실시예에서는, 약 10㎛ 또는 그 이하, 몇몇 실시예에서는, 약 1nm 내지 약 8㎛가 될 수 있다. 입자들의 직경은 초원심분리기(ultracentrifuge), 레이저회절(laser diffraction)과 같은 공지기술을 사용하여 결정된다.
미립자형으로 전도성 고분자의 형성은, 치환된 폴리티오펜에 의해 운반된 양전하에 대응하기 위해, 분리된 반대이온(counterion)을 사용함으로써, 향상될 수 있다. 일부 케이스에서, 고분자는 구조단위(structural unit)에 양전하와 음전하를 가질 수 있으며, 양전하는 메인체인에 위치하며, 음전하는 설폰염 또는 카르복시산염 그룹과 같은 라디칼 "R"의 치환체상에 선택적으로 위치한다. 메인체인의 양전하는, 라디칼 "R"상에 선택적으로 존재하는 음이온그룹에 부분적 또는 전체적으로 포화될 수 있다. 전체적으로 보면, 이들 케이스에서, 폴리티오펜은 양이온, 중성 또는 심지어 음이온일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그들은 모두 폴리티오펜 메인체인이 양전하를 갖기 때문에, 양이온성 폴리티오펜으로 간주된다.
카운터이온은 모노머릭(monomeric) 또는 폴리머릭 음이온이 될 수 있다. 폴리머릭 음이온(polymeric anion)은, 예를 들면, 폴리머릭 카르복실산류(예를 들면, 폴리아크릴산류, 폴리메타아크릴산, 폴리말레산류 등); 폴리머릭 설폰산류(예를 들면, 폴리스티렌 설폰산류("PSS"), 폴리비닐 설폰산류 등); 등의 음이온이 될 수 있다. 또한, 상기 산류(acids)는 다른 중합가능한 모노머(아크릴산 에스테르 및 스티렌 등)를 갖는 비닐 카르복실산류 및 비닐 설폰산류의 공중합체같은 공중합체가 될 수 있다. 또한, 바람직한 모노머릭 음이온은, 예를 들면, C1 내지 C20 알칸 설폰산류(예를 들면, 도에칸 설폰산); 지방족 퍼플루오르설폰산류(예를 들면, 트리플루오르메탄 설폰산, 퍼플루오르부탁 설폰산 또는 퍼플루오르옥탄 설폰산); 지방족 C1 내지 C20 카르복실산류(예를 들면, 2-에틸-헥실카르복실산); 지방족 퍼플루오르카르복실산류(예를 들면, 트리플루오르아세트산 또는 퍼플루오르옥탄산); C1 내지 C20 알킬그룹에 의해 선택적으로 치환된 방향족 설폰산류(예를 들면, 벤젠 설폰산, o-톨루엔 설폰산, p-톨루엔 설폰산 또는 도데실벤젠 설폰산); 사이클로알칸 설폰산(예를 들면, 캠퍼 설폰산 또는 테트라플루오르붕산염, 헥사플루오르인산염, 퍼염소산염,헥사플루오르안티몬산염, 헥사플루오르비산염 또는 헥사클로로안티몬산염); 등의 음이온을 포함한다. 특히 바람직한 카운터음이온은 폴리머릭 카르복실산 또는 설폰산(폴리스티렌 설폰산("PSS") 등)같은 폴리머릭 음이온이다. 폴리머릭 음이온의 분자량은 일반적으로, 약 1,000 내지 약 2,000,000이며, 몇몇 실시예에서는, 약 2,000 내지 약 500,000이다.
적용될 때, 특정층에서 치환된 폴리티오펜에 대한 그 카운터이온의 중량비는 일반적으로 약 0.5 내지 1 내지 약 50:1, 몇몇 실시예에서는, 약 1:1 내지 약 30:1, 몇몇 실시예에서는, 약 2:1 내지 약 20:1이다. 중합동안 완전 전환이 일어난다고 가정하면, 상기 언급된 중량비에서 치환된 폴리티오펜의 중량은 사용된 모노머의 중량부분과 관련이 있다.
또한, 분산에서, 폴리머릭 층의 접착력을 더 향상시키고, 분산내의 입자들의 안정성을 증가시키기 위해, 하나 또는 그 이상의 바인더들이 포함될 수 있다. 바인더들은 자연상태에서 유기물일 수 있으며, 바인더는 폴리비닐알콜류, 폴리비닐피롤리돈류, 폴리염화비닐류, 폴리비닐아세테이트류, 폴리비닐 부티레이트류, 폴리아크릴산에스테르류, 폴리아크릴산아미드류, 폴리메타크릴산에스테르류, 폴리메타르릴산아미드류, 폴리아크릴로니트릴류, 스티렌/아크릴산 에스테르, 비닐 아세테이트/아크릴산 에스테르 공중합체류, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체류, 폴리부타디엔류,폴리이소프렌류, 폴리스티렌류, 폴리에테르류, 폴리에스테르류, 폴리카보네이트류, 폴리우레탄류, 폴리아미드류, 폴리이미드류, 폴리설폰류, 멜라민포름알데히드 레진류, 에폭사이드 레진류, 실리콘 레진류 또는 셀룰로오스류 등과 같다. 또한, 가교제가 바인더의 접착력을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이런 가교제는 예를 들면, 멜라민화합물류, 차폐된 이소시아네이트류 또는 기능성 실란류(3-글리시독시프로필트리알콕시실란, 테트라에톡시실란 및 테트라에톡시실란 하이드롤리세이트 등) 또는 가교가능한 고분자류(폴리우레탄류, 폴리아크릴레이트류 또는 폴리올레핀류 등) 및 서브시퀀트(subsequent) 가교가 포함될 수 있다. 또한, 분산제(예를 들면, 물), 계면활성물질 등과 같이, 본 기술분야에서 공지된 그 밖의 화합물들이 상기 분산내에 포함될 수 있다.
필요하다면, 원하는 두께의 코팅이 형성될 때까지 상기 언급된 어플리케이션 단계가 한번 또는 그 이상 반복될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 코팅의 상대적으로 얇은 층만이 한번에 형성된다. 코팅의 전체 목표두께는 일반적으로 커패시터의 원하는 특성에 의하여, 달라질 수 있다. 일반적으로, 형성된 전도성고분자 코팅의 두께는 약 0.2㎛ 내지 약 50㎛, 몇몇 실시예에서는, 약 0.5㎛ 내지 약 20㎛, 몇몇 실시예에서는, 약 1㎛ 내지 약 5㎛이다. 코팅의 두께는 부분상(on the part)의 모든 위치에서 동일할 필요는 없는 것으로 이해되어야 한다. 그럼에도, 기재(substrate) 상에 코팅의 평균두께는 일반적으로 상기 언급된 범위안에 속한다.
전도성고분자 층은 선택적으로 힐링(healing)될 수 있다. 힐링은 전도성고분자층의 각 어플리케이션 후에 일어나거나, 전체 전도성고분자 코팅의 어플리케이션 후에 일어날 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전도성고분자는 전해질용액에 상기 부분이 침지됨으로써, 힐링될 수 있으며, 그 후에, 전류가 미리 정해진 레벨에서 감소될 때까지, 전해질용액에 정전압이 적용됨으로써, 힐링될 수 있다. 필요하다면, 그런 힐링은 다수의 단계로 수행될 수 있다. 예를 들면, 전해질용액은 알콜 용매(예를 들면, 에탄올)안의 모노머, 촉매 및 도펀트의 묽은 용액이 될 수 있다. 또한, 코팅은 다양한 부산물 및 초과시약(excess reagents) 등을 제거하기 원한다면, 세척될 수 있다.
원한다면, 커패시터는 종래 기술에서 알려진 다른 층도 포함할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 절연성 수지질 물질(천연 또는 합성)로부터 만들어지는 것과 같이, 보호 코팅은 선택적으로 유전체와 고체 전해질 사이에서 채용될 수 있다. 상기 물질은 약 10 Ω/cm 보다 큰, 약 100 보다 큰 실시예, 약 1,000 Ω/cm 보다 큰 실시예, 약 1 x 105 Ω/cm보다 큰 실시예, 1 x 1010 Ω/cm 보다 큰 실시예의 비저항을 가질 수 있다. 본 발명에 활용될 수 있는 몇몇 수지질(resinous)의 물질은, 제한되지는 않으나, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 불포화 에스테르 또는 포화 지방산(예를 들어, 글리세리드) 등을 포함한다. 예를 들어, 적합한 지방산의 에스테르는, 제한되지는 않으나, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 엘레오스테아린산, 올레산, 리놀레산, 리놀렌산, 알류리틱산, 및 셀로릭산의 에스테르 등을 포함한다. 이러한 지방산의 에스테르는, 안정층으로 급속히 중합되기 위한 필름을 결과적으로 형성하게 하는 "건성유"를 형성하기 위한 상대적으로 복잡한 조합물로 사용할 때 특별히 유용한 것이 발견되어 왔다. 상기 건성유는 하나, 둘, 및 셋의, 각각, 에스테르화 된 지방산 수지와 함께 글리세롤 빽본을 가지는 모노-, 디-, 및/또는 트리-글리세리드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 적합한 건성유는, 제한되지는 않으나, 올리브유, 아마인유, 피마자유, 동유, 콩유, 및 셸락을 포함할 수 있다. 이러한 것들 및 다른 보호 코팅 물질은 모든 목적을 위하여 앞의 참고 문헌에 의해 본 명세서에 포함된 미국 특허 제 6,674,635호(파이프 외)에 더 자세히 기술되어 있다.
부분은 탄소층(예를 들어, 흑연)과 은층(silver layer) 각각으로 적용될 수도 있다. 예를 들어, 은코팅은 납땜할 수 있는 전도체, 접촉층 및/또는 집전체(charge collector)로서 역할을 하고, 탄소층은 고체 전해질에 은층이 접촉하는 것을 제한한다. 이러한 코팅은 고체 전해질의 일부 또는 전체를 덮을 수 있다.
일반적으로 말하면, 종래 고체 전해질 커패시터에서는 종종 사용되지만, 커패시터 소자는 커패시터 소자를 감싸는 레진이 실질적으로 없다. 무엇보다도, 커패시터 소자의 감쌈은 고온(예를 들어, 175℃ 이상) 및/또는 고압(예를 들어, 35volts 이상)과 같은 극한 환경에서 불안정성을 초래할 수 있다.
Π. 하우징
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 상기 커패시터 소자는 하우징 내에 밀폐하여 실링된다.
금속, 플라스틱, 세라믹 등과 같이, 다양한 종류의 어떠한 도 상기 하우징을 만들기 위하여 사용될 수 있다. 한 실시예로, 예를 들어, 상기 하우징은 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 동, 은, 강철(예를 들어, 스테인리스), 이들의 합금(예를 들어, 전기적으로 전도적 산화물), 이들의 합성물(예를 들어, 전기적으로 전도성 산화물에 금속 코팅된) 등과 같은, 하나 또는 그 이상의 금속층을 포함한다. 또 다른 실시예로, 상기 하우징은 질화알루미늄, 산화알루미늄, 실리콘 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 유리 및 그들의 조합물 등과 같이, 하나 또는 그 이상의 세라믹 물질층을 포함할 수 있다.
상기 하우징은 원통형, D-형, 직사각형, 삼각형, 각기둥형 등과 같이, 모든 원하는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타나듯이, 하우징(222) 및 커패시터 소자(120)을 포함하는 상기 커패시터 어셈블리(200)의 일 실시예가 도시된다. 특별한 실시예로, 상기 하우징(222)는 일반적으로 직사각형이다. 일반적으로, 상기 하우징 및 상기 커패시터 소자는 상기 커패시터 소자가 내부 공간 안에 손쉽게 수용될 수 있도록, 같거나 유사한 형태를 가진다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 커패시터 소자(120) 및 하우징(222) 모두 일반적으로 사각형 형태를 가진다.
원한다면, 본 발명의 상기 커패시터 어셈블리는 비교적 높은 체적 효율을 나타낼 수 있다. 상기 고 효율을 가능하게 하기 위하여, 상기 커패시터 소자는 일반적으로 상기 하우징의 내부 구멍 체적의 실질적인 부분을 차지한다. 예를 들어, 상기 커패시터 소자는 상기 하우징의 상기 내부 구성의 약 30 부피% 또는 그 이상, 일부 실시예에서는 약 50 부피% 또는 그 이상, 일부 실시예에서는 약 60 부피% 또는 그 이상, 일부 실시예에서는 약 70 부피% 또는 그 이상, 일부 실시예에서는 약 80 부피% 내지 98 부피%, 일부 실시예에서는 약 85 부피% 내지 97 부피%를 차지한다. 이를 위하여, 일반적으로 상기 커패시터 소자의 디멘션과 상기 하우징에 의해 정의되는 상기 내부 구멍의 디멘션의 차이는 상대적으로 작다.
도 1에 나타나듯이, 예를 들어, 도 1의 상기 커패시터 소자(120)는 하우징(222)에 의하여 정의된 내부 구멍의 길이와 상대적으로 비슷한 길이(애노드 리드(6)의 길이를 제외한)를 가진다. 일반적으로, 상기 내부 구멍의 길이에 대한 상기 애노드 길이의 비율은 약 0.4 내지 1.00, 일부 실시예에서는 약 0.50 내지 약 0.99이고, 일부 실시예에서는 약 0.60 내지 약 0.99이고, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.70 내지 0.98의 범위이다. 예를 들어, 상기 커패시터 소자(120)은 약 5 내지 약 10 밀리미터의 길이를 가지며, 상기 내부 구멍(126)은 약 6 내지 15 밀리미터의 길이를 가질 수 있다. 유사하게, 상기 내부 구멍(126)의 높이에 대한 상기 커패시터 소자(120)의 높이(-z 방향)의 비는 약 0.40 내지 1.00, 일부 실시예에서는 약 0.50 내지 약 0.99이고, 일부 실시예에서는 약 0.60 내지 약 0.99이고, 일부 실시예에서는 약 0.70 내지 약 0.98의 범위일 수 있다. 상기 내부 구멍(126)의 폭에 대한 상기 커패시터 소자(120)의 폭(-x 방향)의 비는 약 0.50 내지 1.00, 일부 실시예에서는 약 0.60 내지 약 0.99이고, 일부 실시예에서는 약 0.70 내지 약 0.99이고, 일부 실시예에서는 약 0.80 내지 약 0.98이고, 일부 실시예에서는 약 0.85 내지 약 0.95의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 커패시터 소자(120)의 폭은 약 2 내지 약 7 밀리미터, 상기 내부 구멍(126)의 폭은 약 3 내지 10 밀리미터, 상기 커패시터 소자(120)의 높이는 약 0.5 내지 2 밀리미터, 상기 내부공간(126)의 너비는 약 0.7 내지 6밀리미터 일 수 있다.
요구되는 것을 절대 아니지만, 애노드 단자와 캐소드 단자가 하우징의 외부에 형성되어 이 후의 회로 안으로 통합을 위하여, 커패시터 소자는 하우징에 붙을 수 있다. 단자들의 특별한 형태는 의도하는 적용에 따라서 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 애노드 리드는 외부의 표면 장착 가능한 애노드 및 캐소드 단자(예를 들어, 패드, 시트, 판, 틀 등)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 단자들은 상기 커패시터와 연결하기 위하여 상기 하우징을 통하여 연장된다. 단자의 두께 또는 높이는 일반적으로 상기 커패시터 어셈블리의 두께를 최소화하도록 선택된다. 예를 들어, 상기 단자의 두께는 약 0.05 내지 1 밀리미터, 일부 실시예에서는 약 0.05 내지 약 0.5 밀리미터이고, 일부 실시예에서는 약 0.1 내지 약 0.2 밀리미터의 범위일 수 있다. 만일 원한다면, 상기 회로판에 마지막 부분이 장착될 수 있도록 기술분야에 알려진 바와 같이, 단자의 표면은 니켈, 은, 금, 주석 등으로 전기도금(electroplate)될 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 단자(들)은 각자, 니켈 및 은 플래시들로 증착될 수 있고, 상기 장착된 표면은 또한 주석 납땜 층으로 코팅될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 상기 단자(들)은 전도성을 증가시키기 위하여, 기저 금속 층(예를 들어, 동합금) 위에 얇은 외부 금속 층(예를 들어, 금)으로 증착된다.
어떤 실시예에 있어서, 연결 부재가 기계적으로 안정한 방법에 의해 상기 단자에 연결을 용이하게 하기 위하여, 상기 하우징의 상기 내부 구멍 안에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 다시 참조하면, 상기 커패시터 어셈블리(200)는 제1부분(167) 및 제2부분(165)으로부터 형성된 연결 부재(162)를 포함할 수 있다. 상기 연결 부재(162)는 외부 단자와 유사한 전도성 물질로부터 형성될 수 있다. 상기 제1부분(167) 및 제2부분(165)은 직접 또는 추가적인 전도성 소자(예를 들어, 금속)를 통하여, 통합된 부분이거나, 함께 연결되는 분리된 부분일 수 있다. 나타난 실시예에서는 제2부분(165)은 리드가 연장되는 측면 방향(예를 들어, -y 방향)에 일반적으로 평행한 평면으로 공급된다. 제1부분(167)은 리드(6)가 연장되는 측면 방향 일반적으로 직각인 평면으로 공급된다는 의미에서 "직립(upstanding)"이다. 이러한 방법으로 제1부분(167)은 리드(6)의 수평 방향으로의 움직임을 제한하여, 사용할 때 표면 접촉과 기계적 안정성을 높일 수 있다. 원한다면, 절연 물질(예를 들어, TeflonTMwasher)이 리드 주위에 채용될 수 있다.
제1부분(167)은 또한 애노드 리드(6)에 연결된 장착 영역(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 상기 영역은 표면 접촉 및 애노드 리드의 기계적 안정성을 강화하기 위하여 "U자 형태"를 가질 수 있다. 상기 리드(6)에 상기 영역의 연결은 용접, 레이져 용접, 전도성 접착제 등 어떠한 알려진 다양한 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 한 특별한 실시예로, 상기 영역은 상기 애노드 리드(6)에 레이져 용접된다. 그러나, 기술 선택에 상관없이, 제1부분(167)은 상기 커패시터 어셈블리(200)의 수치 안정성을 강화하기 위하여, 상당히 수평 정렬된 애노드 리드(6)를 붙잡을 수 있다.
다시 도 1를 참조하여, 연결 소자(162) 및 커패시터 소자(120)가 각각, 애노드 및 캐소드 단자(127 및 129)를 통하여 상기 하우징(222)에 연결되는 본 발명의 일 실시예가 도시된다. 애노드 단자(127)는 상기 하우징(222) 내에 위치하고 상기 연결 부재(162)에 전기적으로 연결된 제1영역(127a) 및 상기 하우징(222) 외부에 위치하고 장착 면(201)을 제공하는 제2영역(127b)을 포함한다. 마찬가지로, 상기 캐소드 단자(129)는 상기 하우징(222) 내에 위치하고 상기 커패시터 소자(120)의 고체 전해질에 전기적으로 연결된 제1영역(129a) 및 상기 하우징(222)의 외부에 위치하고 장착 면(203)을 제공하는 제2영역(129b)를 포함한다. 상기 영역의 모든 부분은 상기 하우징의 내부 또는 외부에 위치할 필요는 없다는 점은 이해되어야만 한다.
나타난 실시예에서, 전도성 흔적(conductive trace)(127c)은 하우징의 베이스(123)에서 연장되어, 제1영역(127a)과 제2영역(127b)을 연결한다. 유사하게, 전도성 흔적(129c)은 하우징의 베이스(123)에서 연장되어, 제1영역(127a)과 제2영역(127b)을 연결한다. 전도성 흔적들과 단자의 영역들은 분리될 수도 있고, 통합될 수도 있다. 하우징의 외벽을 통하여 연장하는 것에 더하여, 흔적들은 외벽의 외부와 같이, 다른 장소에 위치할 수도 있다. 물론, 본 발명은 원하는 단자를 형성하기 위하여 전도성 흔적의 사용에 제한되지는 결코 않는다.
채용되는 특정 형태에 관계없이, 커패시터 소자(120)에 단자(127 및 129)가 연결되는 것은 용접, 레이져 용접, 전도성 접착제 등 어떠한 알려진 기술을 사용하여 만들어 질 수 있다. 특별한 실시예로, 예를 들어, 전도성 접착제(131)는 상기 애노드 단자(127)에 상기 연결 부재(162)의 제2부분(165)를 연결하기 위하여 사용된다. 마찬가지로, 전도성 접착제(133)은 상기 캐소드 단자(129)에 상기 커패시터 소자(120)의 캐소드를 연결하기 위하여 사용된다. 상기 전도성 접착제는 수지 조성물을 포함하는 전도성 금속 입자로부터 형성될 수 있다. 상기 금속 입자는 은, 동, 금, 백금, 니켈, 아연, 비스무트 등일 수 있다. 상기 수지 조성물은 열경화성 수지(예를 들어, 에폭시 수지), 경화제(예를 들어, 산무수물), 및 경화제(예를 들어, 실란 커플링제)를 포함한다. 적합한 전도성 접착제는 모든 목적을 위하여 앞의 참고 문헌에 의해 본 명세서에 포함된 "오사코(Osako)" 외의 미국 공개 특허 제 2006/0038304호에 기재되어 있다.
선택적으로, 중합 억제제(polymeric restraint)도 후면, 전면, 윗면, 저면, 측면 또는 이들의 결합과 같이, 커패시터 소자의 하나 또는 그 이상의 표면과 접촉하도록 배치될 수 있다. 중합 억제제는 커패시터 소자에 의하여 하우징으로부터 탈리될 수 있는 가능성을 줄일 수 있다. 이러한 면에서, 중합 억제제는 어느 정도의 강도를 가져서, 크랙을 초래하는 강력한 힘은 아니지만, 진동하는 힘에 노출되어도 상대적으로 고정된 위치에서 커패시터 소자를 보유할 수 있다. 예를 들어, 억제제는 25℃에서 측정하였을 때, 약 1 내지 150메가파스칼("MPa")의 인장 강도를 가질 수 있고, 일부 실시예에서는 2 내지 100 MPa이고, 일부 실시예에서는 10 내지 80 MPa이고, 일부 실시예에서는 20 내지 70 MPa이다. 억제제는 보통 전기적으로 전도성을 가지지 않는 것이 바람직하다.
위에서 언급한 원하는 강도 특성을 가지는 모든 종류의 물질이 채용될 수 있지만, 경화성 열경화 수지는 본 발명에서 사용하기에 특별히 적합한 것으로 밝혀졌다. 이러한 수지로는, 예를 들어, 에폭시 수지, 폴리이미드, 멜라민 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 폴리우레탄, 실리콘 고분자, 페놀릭 수지 등을 포함한다. 일부 실시예에서는 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 폴리오가노실록산을 채용할 수 있다. 이러한 고분자에 사용되는 실리콘-결합 유기 그룹은 1가의 하이드로카본 및/또는 1가의 할로겐화 하이드로카본 그룹을 포함할 수 있다. 이러한 1가 그룹은 통상 1 내지 20 탄소 원자를 가지고, 바람직하게는 1 내지 10 탄소 원자를 가지며, 열거되는 예들에 제한되지는 않지만, 알킬(예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 옥틸, 운데실 그리고 옥타데실), 사이클로알킬(예를 들어, 사이클로헥실), 알케닐(예를 들어, 비닐, 알릴, 부텐닐 그리고 헥센닐), 아릴(예를 들어, 페닐, 톨릴, 크실릴, 벤질 그리고 2-페닐에틸) 그리고 할로겐화 하이드로카본 그룹(예를 들어, 3,3,3-트리플루오로프로필, 3-클로로프로필 그리고 디클로로페닐)을 예로 들 수 있다. 보통, 유기 그룹의 적어도 50%, 보다 바람직하게는 적어도 80%는 메틸이다. 예를 들어, 이러한 메틸폴리실록산은 폴리디메틸실록산("PDMS"), 폴리메틸하이드로젠실록산 등을 포함한다. 또한, 다른 적당한 메틸 폴리실록산은 디메틸디페닐폴리실록산, 디메틸/메틸페닐폴리실록산, 폴리메틸페닐실록산, 메틸페닐/디메틸실록산, 비닐디메닐 종단의(terminated) 폴리디메틸실록산, 비닐메틸/디메틸폴리실록산, 비닐디메틸 종단의 비닐메틸/디메틸폴리실록산, 디비닐메틸 종단의 폴리디메실실록산, 비닐페닐메틸 종단의 폴리디메틸실록산, 디메틸하이드로 종단의 폴리디메틸실록산, 메틸하이드로/페닐메틸 폴리실록산 등을 포함한다.
또한, 오르가노폴리실록산은 하이드록실, 에폭시, 카르복실, 아미노, 알콕시 메타크릴릭 또는 메르캅토 그룹과 같은 어느 정도의 고분자에 친수성을 전하는 하나 이상의 펜던트(pendant) 및/또는 말단 극성 관능기를 포함한다. 예를 들어, 오르가노폴리실록산은 적어도 하나의 하이드록시 그룹과 선택적으로 분자당 적어도 2개의 실리콘-결합된 하이드록시 그룹의 평균을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 오르가노폴리실록산은 디하이드록시폴리디메틸실록산, 하이드록시-트리메틸실록시폴리디메틸실록산 등을 포함한다. 하이드록실-변형 오르가노폴리실록산의 다른 예는 "클레예르(Kleyer)" 등에게 허여된 미국 특허출원 공개번호 제2003/0105207호에 기술되어 있으며, 이는 모든 목적을 위하여 참고로 통합되어 있다. 디메톡시폴리디메틸실록산, 메톡시-트리메틸실록시폴리디메틸실록산, 디에톡시폴리디메틸실록산, 에톡시-트리메틸실록시-폴리디메틸실록산 등과 같은 알콕시-변형 오르가노폴리실록산도 채용될 수 있다. 또한, 다른 적당한 오르가노폴리실록산이 적어도 하나의 아미노 관능기를 가지고 변형된다. 예를 들어, 이러한 아미노-관능성 폴리실록산은 디아미노-관능성 폴리디메틸실록산을 포함한다. 오르가노폴리실록산을 위한 다른 다양한 적당한 극성 관능기가 "플란텐버그(Plantenberg)" 등에 허여된 미국 특허출원 공개번호 제2010-00234517호에 기술되어 있으며, 이는 모든 목적을 위하여 참고로 통합되어 있다.
에폭시 수지는 또한 중합 억제제로 사용되는데 특별히 적당하다. 예를 들면, 적당한 에폭시 수지는 비스페놀 A 타입 에폭시 수지와 같은 글리시딜 에테르 타입 에폭시 수지, 비스페놀 F 타입 에폭시 수지, 페놀 노볼락 타입 에폭시 수지, 오토크레졸 노볼락 타입 에폭시 수지, 브롬화된 에폭시 수지 그리고 비스페놀 타입 에폭시 수지, 사이클릭 지방족 에폭시 수지, 글리시딜 에스테르 타입 에폭시 수지, 글리시딜아민 타입 에폭시 수지, 크레졸 노볼락 타입 에폭시 수지, 나프탈렌 타입 에폭시 수지, 페놀 아랄킬 타입 에폭시 수지, 사이클로펜타디엔 타입 에폭시 수지, 헤테로사이클릭 에폭시 수지 등을 포함한다. 다른 적당한 전도성 접착제 수지도 "오사코(Osako)" 등에게 허여된 미국 특허출원 공개번호 제2006/0038304호와 "착코(Chacko)" 등에게 허여된 미국 특허번호 제7,554,793호에서 기술되어 있으며, 이는 모든 목적을 위하여 참고로 통합되어 있다.
원한다면, 경화제도 가교를 돕기 위하여 중합 억제제에 채용될 수도 있다. 경화제는 보통 억제제의 약 0.1 내지 20중량%를 구성한다. 예를 들어, 경화제는 아민, 페록사이드, 무수물, 페놀 화합물, 실란, 산무수물 화합물 그리고 이들의 혼합물을 포함한다. 적당한 경화제의 구체적인 예는 디시안디아미드, 1-(2 시아노에틸)2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-벤질 2-메틸이미다졸, 에틸 시아노 프로필 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 2,4-디시아노-6,2-메틸이미다졸릴-(1)-에틸-s-트라아진 그리고 2,4-디시아노-6,2-운데실이미다졸릴-(1)-에틸-s-트리아진, 이미다졸리움 염(예를 들어, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸리움 트리멜리테이트, 2-메틸이미다졸리움 이소시아누레이트, 2-에틸-4-메틸이미다졸리움 테트라페닐보레이트 그리고 2-에틸-1,4-디메틸이미다졸리움 테트라페닐보레이트 등)이다. 또 다른 유용한 경화제는 포스핀 화합물(예를 들어, 트리부틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리스(디메톡시페닐)포스핀, 트리스(하이드록시프로필)포스핀 그리고 트리스(시아노에틸)포스핀), 포스포니움 염(예를 들어, 테트라페닐포스포니움-테트라페닐보레이트, 메틸트리부틸포스포니움-테트라페닐보레이트 그리고 메틸트리시아노에틸포스포니움 테트라페닐보레이트), 아민(예를 들어, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 벤질메틸아민, 테트라메틸부틸구아니딘, N-메틸피페라진 그리고 2-디메틸아미노-1-피롤린), 암모늄 염(예를 들어, 트리에틸암모늄 테트라페닐보레이트), 디아자바이사이클로 화합물(예를 들어, 1,5-디아자바이사이클로[4,3,0]-5,노넨) 그리고 1,4-디아자바이사이클로[2,2,2]-옥탄), 테트라페닐보레이트와 같은 디아자바이사이클로 화합물의 염, 페놀 염, 페놀노볼락 염 그리고 2-에틸헥사노익산염 등을 포함한다.
광개시제, 점도 조절제, 서스펜션 보조제, 피그먼트, 스트레스 감소제, 커필링제(예를 들어, 실란 커플링제), 비전도성 필러(예를 들어, 클레이, 실리카, 알루미나 등), 안정제 등과 같은 또 다른 첨가제도 채용될 수 있다. 예를 들어, 적당한 광개시제는 벤조인, 벤조인 메틸 에테르, 벤조인 에틸 에테르, 벤조인 n-프로필 에테르, 벤조인 이소부틸 에테르, 2,2 디하이드록시-2-페닐아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시아세토페논, 벤조페논, 4,4-비스디알릴아미노벤조페논, 4-디메틸아미노벤조익산, 알킬 4-디메틸아미노벤조에이트, 2-에틸안트라퀴논, 크산톤, 티오크산톤, 2-클로로티오크산톤 등을 포함한다. 채용될 때, 이러한 첨가제는 보통 전체 조성물의 약 0.1 내지 20중량%를 구성한다.
도 1을 다시 참고하여, 예를 들어, 일실시예에서는 커패시터 소자(120)의 상면(181)과 후면(177)과 접촉하도록 단일 중합 억제제(197)가 위치한다. 도 1에서는 단일 억제제가 보여지지만, 분리된 억제제가 채용되어 동일한 기능을 수행할 수 있다고 이해되어야 한다. 사실, 보다 일반적으로, 모든 중합 억제제는 채용되어 커패시터 소자의 원하는 모든 부분과 접촉할 수 있다. 다수의 억제제가 채용될 때, 이들은 서로 접촉하거나 물리적으로 분리된 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 일시예에서는 두번째 중합 억제제(도시되지 않음)가 채용되어, 커패시터 소자(120)의 상면(181)과 전면(179)에 접촉하도록 할 수 있다. 첫번째 중합 억제제와 두번째 중합 억제제(도시되지 않음)는 서로 접촉할 수도 있고, 안 할 수도 있다. 다른 실시예에서는 중합 억제제는, 다른 면과 함께 또는 다른 면을 대신하여, 커패시터 소자(120)의 하면(183) 및/또는 측면에 접촉할 수도 있다.
어떻게 적용되는지에 관계없이, 중합 억제제는 하우징의 적어도 한 면과 접촉하도록 하여, 혹시 있을 수 있는 박리에 대하여 커패시터 소자를 기계적으로 안정화시킬 수 있어야 한다. 예를 들어, 억제제는 하나 또는 그 이상의 측벽, 외벽, 리드 등과 접촉하도록 한다. 예를 들어, 도 1에서는 중합 억제제(197)는 하우징(222)의 내면들(107, 109)에 접촉한다. 하우징과 접촉하는 동안, 하우징에 의하여 정의되는 구멍의 적어도 한 부분은 점유되지 않고, 불활성 기체가 구멍을 통하여 흐르도록 하고, 고체 전해질과 산소가 접촉하는 것을 제한하도록 한다. 예를 들어, 통상 구멍 부피의 적어도 약 5%는 커패시터 소자와 중합 억제제에 의하여 점유되지 않도록 남으며, 일부 실시예에서는 구멍 부피의 약 10% 내지 50%이다.
일단 원하는 대로 연결이 되면, 결과로 얻어지는 패키지는 상기와 같이 밀폐하여 실링된다. 예를 들어, 도 1을 다시 참고하여, 하우징(222)은 베이스(123)와 리드(225)를 포함하고, 이들 사이에 구멍(126)이 형성된다. 리드(225)와 베이스(123)는 세라믹, 금속(예를 들어, 철, 구리, 니켈, 코발트 등 및 이들의 합금), 플라스틱 등으로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서는 베이스(123)가 세라믹 물질(225)로부터 형성되고, 리드는 금속 물질로부터 형성된다. 리드(225)는 적어도 하나의 측벽(224)과 통합되는 외벽(223)을 포함한다. 나타난 실시예에서는 두 개의 대향하는 측벽(224)이 단면으로 보여진다. 측벽(들)(224)의 높이는 일반적으로 리드(225)가 커패시터 소자(120)의 어떠한 면과도 접촉하지 않도록 하여, 오염되지 않는다. 외벽(223)과 베이스(123)는 모두 측면 방향(-y 방향)으로 연장되고, 일반적으로 서로 애노드 리드(6)의 측면 방향에 대하여 평행하다. 측벽(224)은 외벽(223)으로부터 길이 방향으로 연장되고, 베이스(123)에 대하여 일반적으로 수직이다. 리드(lid)의 일단(distal)의 끝(end)(500)은 외벽(223)에 의하여 정의되고, 근위단(proximal)의 끝(end)은 측벽(224)의 가장자리(253)에 의하여 정의된다.
도 2는 가장자리(253)를 보다 상세하게 보여준다. 보다 구체적으로는 측벽은 표면 사이에 형성된, 측면 방향으로, 두께를 가진다.
가장자리(lip)(253)는 측벽(224)으로부터 측면 방향으로 연장되고, 이는 베이스(123)의 측면 방향에 일반적으로 평행하다. 측벽(224)과 가장자리(253) 사이의 각도 α는 다를 수 있지만, 일반적으로 약 60° 내지 120°이고, 일부 실시예에서는 70°내지 110°이고, 일부 실시예에서는 80° 내지 100°(예를 들어, 약 90°)이다. 가장자리(253)는 또한 외주부 모서리(251)를 정의하고, 외주부 모서리(251)는 가장자리(253)와 베이스(123)가 연장되는 측면 방향에 일반적으로 수직이다. 외주부 모서리(251)는 측벽(223)의 외부 외주부 너머에 위치하고, 베이스(123)의 모서리(151)와 일반적으로 동일 평면상에 있다. 용접(예를 들어, 저항 용접, 레이저 용접 등), 납땜 등과 같은 종래 알려진 모든 방법을 이용하여, 가장자리(253)는 베이스(123)에 실링될 수 있다. 예를 들어, 도시한 실시예에서는 실링 부재(287)는 성분들 사이에 채용(예를 들어, 유리-금속 실링, 코바링(Kovarⓡring))되어, 이들이 잘 부착되도록 한다. 관계없이, 상술한 가장자리의 사용은 성분들간에 보다 안정적인 연결을 가능하게 하고, 실링과 커패시터 어셈블리의 기계적 안정성을 향상시킨다.
사용하는 동안 상기 고체 전해질의 산화를 억제하기 위하여, 일반적으로 적어도 밀봉은 하나의 불활성 기체를 포함하는 기체 환경의 존재 하에서 일어난다. 상기 불활성 기체는, 예를 들어, 질소, 헬륨, 아르곤, 크세논, 네온, 크립톤, 라돈 및 그들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 일반적으로, 불활성 기체는 상기 분위기의 약 50 중량% 내지 100 중량%, 일부 실시예에서는 75 중량% 내지 100 중량%, 일부 실시예에서는 90 중량% 내지 99 중량% 같이, 상기 하우징 내의 기체의 대부분을 구성한다. 만일 원한다면, 이산화탄소, 산소, 수증기 등, 비교적 작은 양의 활성 기체가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 경우에 있어서, 활성 기체는 일반적으로 상기 하우징 내의 상기 환경의 15 중량% 또는 그보다 적게, 일부 실시예에서는 10 중량% 또는 그보다 적으며, 일부 실시예에서는 5 중량% 또는 그보다 적고, 일부 실시예에서는 1 중량% 또는 그보다 적고, 일부 실시예에서는 약 0.01 중량% 내지 1 중량%를 구성한다. 예를 들어, 수분함량(상대 습도의 형태로 표현된)은 약 10% 또는 그보다 적게, 일부 실시예에서는 5% 또는 그보다 적고, 일부 실시예에서는 1% 또는 그보다 적고, 일부 실시예에서는 약 0.01 내지 5 % 일 수 있다.
기술된 실시예는 단지 예시적이며, 하우징 안에 본 발명에서는 다양한 다른 형태가 본 발명에 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 3은, 말단 핀(327b, 329b)이 각각 애노드와 캐소드를 위한 외부 말단으로 채용되는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 2의 것과 유사한, 하우징 형태를 가지는 커패시터 어셈블리(300)를 보여준다. 보다 구체적으로는, 말단 핀(327a)은 외벽(323)에 형성된 흔적(trace, 327c)을 통하여 연장된다. 핀(327b)을 확보하기 위하여, 추가적인 부분(327a)이 채용될 수 있다. 동일하게, 말단 핀(329b)은 외벽(323)에 형성된 흔적(trace, 329c)을 통하여 연장되고, 상기에서 언급한 것과 같은 전도성 접착제(133)를 통하여 캐소드에 연결된다.
도 1 내지 도 3에서 보여진 실시예들은 단일 커패시터 소자에 대해서만 설명되어 있다. 그러나, 멀티 커패시터 소자도 하우징 안에 밀폐하여 실링될 수 있음도 알아야 한다. 복수 커패시터 소자는 다양한 여러 방법을 이용하여, 하우징에 연결될 수 있다.
본 발명의 결과, 고온 및 고전압 환경에 노출되더라도, 커패시터 어셈블리는 뛰어난 전기적 특성을 나타낸다. 예를 들어, 커패시터 어셈블리는 약 35 V(volts) 이상, 일부 실시예에서는 약 50 V 이상, 일부 실시예에서는 약 60V 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 60 V 내지 약 100 V인 것과 같이, 비교적 높은 "파손 전압(breakdown volatage)"(커패시터가 파손되는 전압)을 보이고, 파손 전압은 누전 전류가 1 mA가 될 때까지 3 V 단위로 적용 전압을 올림으로써 측정하였다. 마찬가지로, 커패시터는 고전압의 장비에서 일반적인, 비교적 높은 서지 전류(surge current)에 견딜 수 있다. 최고 서지 전류는 정격 전압의 약 2배 이상이며, 예를 들어, 약 40 Amps 이상, 일부 실시예에서는 약 60 Amps 이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 120 Amps 내지 약 250 Amps이다.
커패시시턴스는 마찬가지로, 약 1 milliFarad/cm2(mF/cm2)또는 그 이상, 일부 실시예에서는 약 2 mF/cm2 또는 그 이상이고, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 50 mF/cm2이고, 일부 실시예에서는 약 8 내지 약 20 mF/cm2이다. 커패시턴스는 120Hz의 작동 주파수와 25℃에서 측정된다. 더불어, 상기 커패시터 어셈블리는 습식 커패시턴스의 비교적 높은 백분율을 보일 수 있고, 이러한 점이 대기 습기의 존재하에서 아주 작은 커패시턴스의 손실 및/또는 변동만을 가지게 할 수 있다. 이러한 작동 특징은 "건식 대 습식 커패시턴스 백분율"에 의해 정량화되며, 아래 공식에 의해 측정된다.
건식 대 습식( Dry to Wet ) 커패시턴스 = (1-([습식-건식]/습식))×100
예를 들어, 본 발명에 의한 커패시터는 약 80% 이상의 건식 대 습식 커패시턴스의 백분률을 나타내며, 일부 실시예에서는 약 85% 이상, 일부 실시예에서는 약 90%이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 92% 내지 100%를 보인다.
커패시터 어셈블리는 50 ohm 보다 작은 등가직렬저항("ESR", equivalence series resistance)을 가지고, 일부 실시예에서는 약 0.01 내지 50 ohm 이고, 일부 실시예에서는 약 0.05 내지 5 ohm 이며, 작동 주파수 100kHz에서 측정된다. 나아가, 일반적으로 한 전도체로부터 절연체를 통하여 인접하는 전도체로 흐르는 전류로 나타내어지는 누설 전류는, 비교적 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 커패시터의 정규화된 누설 전류의 수치 값은, 일 실시예로, 약 1 ㎂/㎌*V 보다 작고, 일부 실시에에서는 약 0.5 ㎂/㎌*V보다 작고, 일부 실시에에서는 약 0.1 ㎂/㎌*V보다 작으며, ㎂는 microamps이고, ㎌*V는 커패시턴스 및 정격 전압의 곱이다.
상술한 바와 같이, 전기적 특성은 고온에서 상당한 양의 시간 동안 에이징(aging) 후에도 유지될 수 있다. 예를 들어, 상기 값은 약 100℃ 이상에서 유지될 수 있고, 일부 실시예에서는 약 300시간 내지 3000시간이고, 일부 실시예에서는 약 400 시간 내지 2500 시간(예를 들어, 500 시간, 600 시간, 700 시간, 800 시간, 900 시간, 1000 시간, 1100시간, 1200 시간, 또는 2000 시간)이고, 온도 범위는 약 100℃ 내지 250℃이고, 일부 실시예에서는 약 100℃ 내지 약 225℃이고, 일부 실시예에서는 약 100℃ 약 225℃ 이다.(예를 들어, 100℃, 125℃, 150℃, 175℃, 또는 200℃)
본 발명은 다음 실시예를 참고로 하여 잘 이해될 수 있다.
실험절차
등가직렬저항 (" ESR ")
등가직렬저항은 케이틀리(Keithly) 3330 프리시젼 LCZ 미터를 케빈 리드 2.2volt DC 바이어스와 피크 사인 신호에 0.5volt 피크를 함께 이용하여 측정되었고, 작동 주파수는 100 Hz 였고 온도는 23℃±2℃였다.
커패시턴스
커패시턴스는 케이틀리(Keithly) 3330 프리시젼 LCZ 미터를 케빈 리드 2.2volt DC 바이어스와 피크 사인 신호에 0.5volt 피크를 함께 이용하여 측정되었고, 작동 주파수는 120 Hz 였고 온도는 23℃±2℃였다.
미세누설실험
밀폐 실링된 하우징에서 적합한 어셈블된 부분은 헬륨 챔버(4.3 kg/cm)에 놓여 진다. 1시간 후, 상기 어셈블된 부분은 10-8 cc·atm·s-1의 거부(rejection) 한계에서 헬륨 질량 검출기(Pfeiffer Vacuum―HLT560)로 측정된다.
실시예1
탄탈룸 애노드(5.20㎜x3.70㎜x0.85㎜)는 액체 전해질에서 125V에서 10μF으로 애노드화 된다. 전도성 고분자 코팅은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)("PEDT") 분산(Clevios™K, 고체 함량 1.1%). 부분은 이후 125℃에서 20분 동안 건조된다. 이 과정은 10회 반복된다. 그 이후, 0.1mm/s의 속도로 PEDT분산(고체 함량 2.8%)에 담가 져서 상기 분산은 부분의 숄더(shoulder)에 닿는다. 부분은 10초 동안 분산 상태를 유지하다가, 30분 동안 125℃에서 건조된 후 상온으로 저하된다. 이 과정은 5회 반복된다. 부분은 흑연과 은으로 코팅된다. 구리 기반의 리드프레임 물질은 상기 어셈블리 공정의 완성을 위해 사용된다. 단일 캐소드 연결 소자는 은 접착제를 이용하여 커패시터 소자의 하면에 붙여진다. 커패시터 소자의 탄탈룸 와이어는 그리고 나서 애노드 연결 소자에 레이저 용접된다.
상기 리드 프레임의 애노드 및 캐소드 연결 소자는 금 캐소드 단자에 붙여지고, 세라믹 하우징 안에 위치한 금 애노드 단자에 용접되고, 하우징은 길이 11.00㎜, 폭 6.00㎜ 그리고 두께 2.20㎜를 가진다. 하우징은 세라믹 하우징 부분 안의 바닥에 금 도금된 솔더(solder) 패드(pad)를 가진다. 캐소드 연결을 위하여 채용되는 접착제는 주석 솔더 페이스트(EPO-Tek E3035)이고, 접착제는 리드프레임 부분과 금 도금된 솔더 패드 사이에만 적용된다. 상기 애노드 연결에 사용된 용접은 저항 용접이고 190W의 에너지가 90ms 동안 상기 리드프레임 부분과 세라믹 하우징 금 도금된 솔더 사이에 적용된다. 상기 어셈블리는 이후 대류 리플로 오븐에서 솔더 페이스트에 장착된다. 그 이후, 길이 9.95㎜, 폭 4.95㎜ 그리고 두께 0.10㎜를 가지는 코바(Kovarⓡ) 리드(lid)가 용기의 위에 놓여지고, 세라믹 하우징(두께 0.30㎜를 가지는 코바(Kovarⓡ) 반지)의 실링(seal) 반지(ring)에 가까이 놓여져서, 리드의 내부 표면과 붙여진 커패시터의 외부 표면 사이에는 직접적인 접촉은 없다. 결과로 얻어지는 어셈블리는 용접 챔버에 놓여지고, 실링 반지와 리드 사이에서 이음매(seam) 용접이 수행되기 전에 120분 동안 질소 가스를 가지고 퍼지(purge)한다. 이음매 용접 후에는 추가적인 통전(通電)테스트(burn-in) 또는 힐링(healing)이 실행되지 않았다. 복수 부분(50)이 이러한 방법으로 제작된다.
실시예2
커패시터 소자는 처음에 형성되어 실시예 1에 기술된 바와 같이, 애노드와 캐소드 연결부재에 연결된다. 상기 애노드 및 캐소드 연결 부재는 도 3에 보여지듯이, 이후 하벽에 위치한 단자의 스텐리스강 부분에 저항 용접된다. 상기 용접은 90ms 동안 190W의 에너지에서 발생한다. 도 3에 보여지는 금속 리드(lid) 용기 가장자리(lip)는 길이 20.10mm, 폭 12.50mm, 그리고 두께 4.60mm의 하우징을 형성하기 위해 상기 벽 위에 놓인다. 스테인리스강 패드(금속 하우징 부분으로부터 유리 부싱(bushing)을 통하여 분리된)는 상기 접촉 영역과 바닥벽(bottom wall) 사이에 위치한다. 결과로 얻어지는 어셈블리는 용접 챔버에 놓여 지고, 이음매(seam) 용접이 수행되기 전에 120분 동안 질소 가스를 가지고 퍼지(purge)한다. 이음매 용접 후에는 추가적인 통전(通電)테스트(burn-in) 또는 힐링(healing)이 실행되지 않았다. 복수 부분(50)이 이러한 방법으로 제작된다.
실시예 1 및 실시예 2의 완성된 커패시터는 상기 기술된 바와 같이 미세누설실험을 한다. 실시예 1 부분의 81%와 비교할 때, 실시예 2의 부분의 95% 이상이 질량검출한계를 통과하도록 측정한다. 이러한 고효율이 가능한 이유는 상기 리드(lid)의 가장자리(lip) 디자인을 사용하기 때문으로 여겨진다. 이는 하우징 부품들간 연결을 더 안정적이게 하고, 이음매 용접 공정을 더 수월하게 해주기 때문이다. 실시예 1과 실시예 2의 상기 완성된 커패시터 또한, 부분들을 솔더 페이스트를 이용하여 PCB 보드에 붙임으로써 전기적 성능(예를 들어, 누수전류, 등가직렬저항, 커패시턴스)을 실험한다. 25℃에서 측정되며, 적용된 정격전압 35V에서, 125℃의 온도에서 2000시간 저장 후에 반복된다. 결과는 아래와 같다.
Figure 112012028371884-pat00005
본 발명의 언급한 형태와 그 다양한 변형은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여, 본 발명의 범위와 정신을 떠나지 않고, 실시될 수 있다. 나아가, 다양한 실시예는 전체로 또는 부분으로 상호 교환될 수 있다. 더불어, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 설명한 내용이 단지 예시적인 실시예에 불과하며, 첨부된 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
6 : 애노드 리드 200 :커패시터 어셈블리
120 : 커패시터 소자 222 : 하우징
123 : 외벽 124 : 측벽
126 : 구멍 127 : 애노드 단자
127a : 제1영역 127b : 제2영역
127c : 전도성 흔적 129 : 캐소드 단자
133 : 전도성 접착제 162 : 연결 소자
165 : 제2부분 167 : 제1부분
177 : 후면 179 : 전면
181 : 상면 183 : 하면
197 : 중합 억제제 201 : 장착 면
251 : 외주부 모서리 253 : 가장자리
287 : 실링 부재

Claims (21)

  1. 커패시터 어셈블리는 하우징, 커패시티 소자, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 포함하고,
    상기 하우징은 측면 방향으로 연장되는 베이스와 상기 베이스를 덮는 리드를 포함하여, 상기 베이스와 상기 리드 사이 내부 구멍을 정의하고, 상기 리드는 외벽과 외벽으로부터 상기 베이스를 향해 길이 방향으로 연장되는 측벽을 포함하고, 가장자리는 길이 방향과 각도를 이루며 상기 측벽으로부터 상기 하우징의 바깥쪽으로 연장되고 밀폐되어 상기 베이스에 실링되고, 상기 가장자리는 상기 측벽의 외주부를 넘어서 위치하는 외주부 모서리를 가지고,
    상기 커패시터 소자는 상기 내부 구멍 안에 위치해 있으며 상기 하우징의 상기 베이스에 연결되고, 상기 커패시티 소자는 양극 산화되고, 소결된 다공체로부터 형성되는 애노드와 상기 애노드 위에 놓이는 고체 전해질을 포함하고,
    상기 애노드 단자는 애노드 바디와 전기적으로 연결되고,
    상기 캐소드 단자는 상기 고체 전해질과 전기적으로 연결되며,
    상기 실링 부재는 상기 가장자리와 상기 베이스 사이에 배치되며, 상기 실링 부재는 상기 가장자리의 상기 외주부 모서리와 일반적으로 동일 평면상에 있고 상기 베이스의 외주부 모서리와도 일반적으로 동일 평면상에 있는 외주부 모서리를 갖는 것을 특징으로 하는 커패시터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외벽은 상기 리드의 상부 끝을 정의하고, 상기 가장자리는 상기 리드의 하부 끝을 정의하는 커패시티 어셈블리.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가장자리의 외주부 모서리가 상기 베이스의 측면 방향에 일반적으로 수직 방향으로 연장되는 커패시터 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측벽이 상기 베이스의 상기 측면 방향에 일반적으로 수직 방향으로 연장되는 커패시터 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가장자리가 상기 측벽에서부터 상기 베이스의 상기 측면 방향에 일반적으로 평행 방향으로 연장되는 커패시터 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측벽과 상기 가장자리의 각도는 80°내지 100°인 커패시터 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    실링 부재는 상기 가장자리와 상기 베이스 사이에 배치되는 커패시터 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    대향하는 측벽들은 상기 리드의 외벽으로부터 길이 방향으로 상기 베이스를 향해 연장되고, 가장자리는 상기 측벽 각각으로부터 상기의 길이 방향과 각도를 이루며 연장되고, 상기 베이스에 밀폐되어 실링되고, 각각의 가장자리는 측벽 외주부를 넘어서 위치하는 외주부 모서리를 가지는 커패시터 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내부 구멍은 불활성 기체를 포함하는 기체 분위기를 갖는 커패시터 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커패시터 소자는 상기 내부 구멍의 30부피% 또는 이상을 차지하는 커패시터 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    불활성 기체는 상기 기체 분위기의 50중량% 내지 100중량% 정도를 포함하는 커패시터 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다공체는 탄탈룸 또는 니오븀 산화물로부터 형성되는 커패시터 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 전도성 고분자를 포함하는 커패시티 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 입자 분산 형태인 커패시티 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 베이스과 상기 리드는 금속, 플라스틱 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 커패시티 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 리드는 금속으로부터 형성되는 커패시티 어셈블리.
  18. 제1항에 있어서,
    애노드 리드를 더 포함하고, 상기 애노드 리드는 상기 애노드의 상기 다공체로부터 측면 방향으로 연장되고, 상기 애노드 리드가 상기 하우징의 상기 내부 구멍 안에 위치하는 커패시터 어셈블리.
  19. 제18항에 있어서,
    연결 소자를 더 포함하고, 상기 연결 소자는 제1부분을 포함하고, 상기 제1부분은 상기 애노드 리드의 측면 방향에 일반적으로 수직으로 위치하고, 상기 애노드 리드에 연결되는 커패시터 어셈블리.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 연결 소자는 제2부분을 더 포함하고, 상기 제2부분은 상기 애노드 리드가 연장하는 측면 방향에 일반적으로 평행한 커패시터 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2부분은 상기 하우징 안에 위치하는 커패시터 어셈블리.
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