KR101929254B1 - 극한 환경에서 이용을 위한 산화 망간 커패시터 - Google Patents
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Abstract
고압 및 고온 환경에서 사용될 수 있는 커패시커 어셈블리를 제공한다. 보다 구체적으로, 커패시터 어셈블리는 양극 산화된 다공의 소결 바디를 포함하는 커패시터 소자를 포함한다. 소결 바디는 산화 망간 고체 전해질로 코팅되어 있다. 고전압(예를 들어, 약 35V 이상) 및 고온(예를 들어, 약 175℃ 이상) 환경에서 사용할 수 있도록 하기 위하여, 커패시터 소자는 불활성 기체를 가지는 가스 분위기 하에서 하우징 안에 동봉되고, 밀폐하여 실링한다. 하우징과 불활성 기체 환경은 이산화 망간에 공급되는 습기량을 제한할 수 있는 것으로 판단된다. 이러한 방법으로 고체 전해질은 극한 상황에서 역반응을 덜 일으키며, 커패시터 어셈블리의 열 안정성을 증가시킨다. 고압 및 고온 환경하에서 잘 작동하는 것에 더하여, 본 발명의 커패시터 어셈블리는 높은 전압효율을 나타낼 수도 있다.
Description
본 발명은 고온 및/또는 고압 환경하에서 향상된 성능을 가지는 고체 전해질 커패시터에 관한 기술이다.
산화 망간은 알려져 있고, 전해질 커패시터에서 고체 전해질로 널리 사용되고 있다. 이러한 커패시터는 종래에는 밸브-금속 애노드(예를 들어, 탄탈룸)를 애노다이징하여 유전체 산화 코팅을 하고, 그리고 그 후에, 질산 망간 수용액에 산화 코팅된 애노드를 침지시킨다. 충분한 시간 후에, 젖은 애노드는 가열되어 질산 망간의 열분해를 초래하여 산화 망간을 만든다. 커패시터 소자는 흑연과 은층으로 코팅되고 나서, 레진으로 피복된다. 안타깝게도 종래의 산화 망간 커패시터의 문제점은 레진 피복(예를 들어, 에폭시 레진)이 극한 환경, 즉 높은 온도(예를 들어, 약 175℃ 이상) 및/또는 높은 전압(예를 들어, 약 35볼트 이상)에서 종종 불안정하다는 것이다. 레진을 없애기 위한 시도는 오히려, 물기가 커패시터 소자와 접촉하도록 하여, 전기적 성능에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다..
따라서, 현재 고온 및/또는 고압 환경하에서 향상된 성능을 가지는 고체 전해질 커패시터를 위한 필요가 존재한다.
본 발명은 양극 산화된 다공의 소결 바디를 포함하는 커패시터 소자를 제공하여 고압 및 고온 환경에서 사용될 수 있도록 한다. 본 발명의 고체 전해질은 극한 상황에서 역반응을 보다 억제하여, 커패시터 어셈블리의 열 안정성을 증가시키고, 높은 전압효율을 나타내는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 커패시터 어셈블리가 제공되고, 커패시터 어셈블리는 커패시터 소자, 은 불활성 기체를 포함하는 가스 분위기를 가진다. 상기 애노드 단자는 상기 애노드 바디와 전기적으로 연결되어 하우징, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 포함한다. 상기 커패시터 소자는 양극 산화되고, 소결된 다공체로부터 형성되는 애노드와 상기 애노드를 코팅하는 고체 전해질을 포함한다. 상기 고체 전해질은 산화 망간을 포함한다. 상기 하우징은 내부 구멍을 정의하고, 상기 내부 구멍 안에는 커패시터 소자가 위치하고, 상기 내부 구멍있고, 상기 캐소드 단자는 상기 고체 전해질과 전기적으로 연결되어 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라서, 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법이 제공되고, 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법은 상기 커패시터 소자를 하우징의 내부 구멍 안에 위치시키고, 상기 커패시터 소자는 양극 산화되고, 소결된 고체 전해질로 코팅된 애노드 바디를 포함하고, 상기 고체 전해질은 산화 망간을 포함하는 단계를 포함한다. 상기 커패시터 소자의 상기 애노드 바디를 상기 애노드 단자에 전기적으로 연결시키고, 상기 커패시터 소자의 상기 고체 전해질을 상기 캐소드 단자에 전기적으로 연결시킨다. 불활성 기체를 가지는 가스 분위기에서 상기 커패시터 소자를 상기 하우징 안에 밀폐하여 실링한다.
이하, 본 발명의 다른 특징에 관해서 상세히 설명한다.
본 발명은 고압 및 고온 환경에서 사용할 수 있는 커패시터 어셈블리를 제공할 수 있으며, 본 발명의 고체 전해질은 극한 상황에서 역반응을 보다 억제하여, 커패시터 어셈블리의 열 안정성을 증가시키고, 높은 전압효율을 나타낸다.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자를 위하여, 제시된 도면을 참고로 하여 명세서 나머지 부분에서 최적 실시예를 포함하여 본 발명을 충분히 실시가능하도록 개시되었다.
도 1은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 일 실시예의 단면도,
도 2는 본 발명의 커패시터 어셈블리의 다른 실시예의 단면도,
도 3은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 또 다른 실시예의 단면도,
도 4는 본 발명의 커패시터 어셈블리의 일 실시예의 상면도이다.
본 명세서 및 도면에서 반복되는 참조 부호의 사용은 본 발명의 동일 또는 유사 특징 및 요소를 나타내기 위함이다.
도 1은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 일 실시예의 단면도,
도 2는 본 발명의 커패시터 어셈블리의 다른 실시예의 단면도,
도 3은 본 발명의 커패시터 어셈블리의 또 다른 실시예의 단면도,
도 4는 본 발명의 커패시터 어셈블리의 일 실시예의 상면도이다.
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.
일반적으로 본 발명은 고압 및 고온 환경에서 사용될 수 있는 커패시커 어셈블리를 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 커패시터 어셈블리는 양극 산화된 다공의 소결 바디를 포함하는 커패시터 소자를 포함한다. 소결 바디는 산화 망간 고체 전해질로 코팅되어 있다. 고전압(예를 들어, 약 35V 이상) 및 고온(예를 들어, 약 175℃ 이상) 환경에서 사용할 수 있도록 하기 위하여, 커패시터 소자는 불활성 기체를 가지는 가스 분위기 하에서 하우징 안에 동봉되고, 밀폐하여 실링한다. 하우징과 불활성 기체 환경은 이산화 망간에 공급되는 습기량을 제한할 수 있는 것으로 판단된다. 이러한 방법으로 고체 전해질은 극한 상황에서 역반응을 덜 일으키며, 커패시터 어셈블리의 열 안정성을 증가시킨다. 고압 및 고온 환경하에서 잘 작동하는 것에 더하여, 본 발명의 커패시터 어셈블리는 높은 전압효율을 나타낼 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예가 더욱 상세하게 이하에서 기술된다.
Ⅰ. 커패시터 소자
A.
애노드
고압 적용을 위하여, 커패시터 소자의 애노드는 약 70,000 mF*V/g(microFarads*Volts per gram) 이하의 낮은 비전하(specific charge)를 가지는 파우더로부터 형성될 수 있다. 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.
B. 산화 망간
상기에서 살핀 바와 같이, 본 발명의 커패시터 소자는 산화 망간(예를 들어, MnO2)을 고체 전해질로 포함한다. 상기 산화 망간은 전구체(예를 들어, 질산 망간(Mn(NO3)2))의 열분해성 분해(pyrolytic decompositon)를 통하여 형성되고, 이는 스터머(Sturmer) 등에게 허여된 미국 특허 제4,945,452호에 설명되었으며, 이들 참고문헌을 본 출원의 모든 목적을 위해 전체적으로 참고로 인용하였다. 예를 들어, 절연체-코팅된 애노드 바디는 전구체를 포함하는 용액과 접촉(예를 들어, 담금(dipped), 적심(immersed), 분무(sprayed))되고 그 후 산화물로 전환되기 위하여 가열된다. 원한다면, 희망하는 두께를 얻기 위하여 수차례의 적용 단계가 적용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 애노드 바디는 산화 망간 전구체의 첫 번째 용액에 침지되고, 가열되고, 그 후 산화 망간 전구체의 두 번째 용액에 침지되고 가열된다. 이러한 과정은 원하는 두께에 도달할 때까지 반복된다.
산화 망간 전구체 용액의 구성 성분은 각각의 적용 단계에 따라 다양하지만, 적어도 하나의 용액은 분산제를 포함하는 것이 일반적으로 요구된다. 일부 실시예에서 분산제는 친수성 부분과 소수성 부분을 포함하는 유기 화합물을 포함한다. 예를 들어 상기 친수성 부분은 설포네이트(sulfonate), 포스포네이트(phosphonate), 카르복실레이트(carboxylate), 싸이올(thiol), 설포네이트 에스테르(sulfonate ester), 포스파이트(phosphite), 포스포나이트(phosphonite), 포스피나이트(phosphinite), 포스페이트(phosphate), 설페이트(sulfate), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 설폭사이드(sulfoxide), 설폰(sulfone), 아미노(amino) 등과 이들의 혼합물 및/또는 염을 포함한다. 종래의 표면활성제와는 다르게, 분산제의 상기 소수성 부분은 일반적으로 너무 작아서 용액의 표면 장력을 실질적으로 줄일 수 없다. 예를 들어, 상기 소수성 부분은 방향성(aromatic) 또는 6 내지 14개의 탄소 원자(치환되거나 치환되지 않은)를 갖는 헤테로원자(heteroatomic) 고리 구조이고, 예를 들어 벤젠(benzene), 나프탈렌(naphthalene), 안트라신(anthracene), 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 피리딘(pyridine), 퀴놀린(quinoline), 이소퀴놀린(isoquinoline), 피라진(pyrazine), 아크리딘(acridine), 피리미딘(pyrimidine), 피리다진(pyridazine) 등이 있다.
상기 분산제는 실질적으로는 용액의 표면 장력을 낮추지 않으므로, 표면 장력은 물과 거의 같다. 예를 들어, 물의 표면 장력(20℃에서) 대 표면활성제의 표면 장력(20℃ 및 물에서 1중량%의 농도 조건)은 약 0.5 내지 약 2.0, 일부 실시예에서는 약 0.8 내지 약 1.2, 그리고 일부 실시예에서는 약 0.9 내지 약 1.1이다. 특정 실시예에서, 상기 표면 활성제의 표면 장력(20℃ 및 물에서 1중량%의 농도 조건)은 약 50 내지 약 95 dynes/cm이고, 일부 실시예에서는 약 55 내지 약 80 dynes/cm, 그리고 일부 실시예에서는 약 58 내지 약 68 dynes/cm이다. 물의 표면 장력은 약 70 dynes/cm이다. 대조적으로, 종래의 표면 활성제는 일반적으로 더 낮은 표면장력을 갖는다. 예를 들어, 트리톤 X-100 및 얼칸톨ⓡ엔알은 둘 다 표면장력이 대략 30 dynes/cm로 여겨진다.(20℃ 및 물에서 1중량%의 농도 조건). 당해 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 표면 장력은 시판되고 있는 힘 장력측정기(force tensiometers) 또는 광학 장력측정기(optical tensiometer)(또한 접촉 각 미터(contact angle meter) 또는 고니어미터(goniometer)로 알려짐)를 이용하여 아이에스오304(1985)(ISO304(1985)), 코르1(1998)(Cor1(1998)) 및/또는 에이에스티엠 디 1331-89(ASTM D 1331-89)(방법 A)에 따라 측정할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 분산제는 하기 구조를 갖는 화합물 또는 그것의 염을 포함한다.
R1은 1 내지 6의 탄소 원자를 갖는 알킬 그룹;
R2는 설포네이트(sulfonate), 포스포네이트(phosphonate), 카르복실레이트(carboxylate), 싸이올(thiol), 설포네이트 에스테르(sulfonate ester), 포스파이트(phosphite), 포스포나이트(phosphonite), 포스피나이트(phosphinite), 포스페이트(phosphate), 설페이트(sulfate), 포스페이트 에스테르(phosphate ester), 설폭사이드(sulfoxide), 설폰(sulfone), 아미노(amino), 등 및 이들의 혼합물과 같은 친수성기;
m은 0 내지 8, 일부 실시예에서는 0 내지 4, 그리고 한 실시예에서는 0;
p는 1 내지 8, 일부 실시예에서는 1 내지 4, 그리고 한 실시예에서는 1; 및
n은 1 내지 100, 그리고 일부 실시예에서는 2 내지 30. R1 및 R2 그룹은 고리구조의 하나 이상의 탄소 원자와 결합되어야 한다. 또한, 만약 원한다면, 상기 화합물은 염의 형태이고, 양이온은 알칼리 금속(예를 들어, 소듐(sodium), 포타슘(potassium), 암모늄(ammonium) 등), 알카리 토금속(alkaline metal)(예를 들어, 칼슘(calcium)), 암모니아(ammonia)(NH4 +) 등이다. 벤젠 핵(benzene nucleus)과 유사한 화합물 또한 사용될 수 있다.
상기 분산제의 분자량은 일반적으로 원하는 바에 따라 다양하지만, 일반적으로 약 10,000 g/mol(gram per mole) 이하, 일부 실시예에서는 6,000 g/mol 이하, 그리고 일부 실시예에서는 약 2,000 내지 약 5,000 g/mol이다. 이러한 분산제를 형성하기에 적합한 출발물질은 종래 기술에 잘 알려졌으며, 예를 들어 나프탈렌-α-설포닉 산(디하이드레이트)(naphthalene-α-sulfonic acid (dihydrate)), 나프탈렌-α-설포닉 산(모노하이드레이트)(naphthalene-α-ulfonic acid (monohydrate)), 2-메틸나프탈렌-6-설포닉 산(2-methylnapthalene-6-sulfonic acid) 등을 포함한다. 본 발명에서 한가지 특별히 적합한 분산제는 농축된 나프탈렌 설포닉 산의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염이다. 이러한 화합물은 미국 특허 제3,067,243호에 설명되어 있는 것과 같이 마련될 수 있으며, 이들 참고문헌의 전체 내용은 본 출원의 모든 참고 목적을 위해 통합된다. 예를 들어, 상기 화합물은 나프탈렌을 설퍼릭 산(sulfuric acid)를 이용하여 설폰화(sulfonating) 시키고, 설폰화된 나프탈렌을 포름알데하이드와 함께 농축시키고, 그 후 이렇게 얻어진 농축물을 염기(예를 들어, 소듐 하이드록사이드(sodium hydroxide), 포타슘 하이드록사이드(potassium hydroxide), 칼슘 하이드록사이드(calcium hydroxide) 등)로 중화시켜서 얻는다. 얻어진 농축된 나프탈렌 설포닉 산(naphthalene sulfonic acid)의 염은 하기 구조를 갖는다.
R2는 SO3;
p는 1 내지 8의 정수;
n은 1 내지 100; 및
M은 소듐, 포타슘 또는 칼슘. 특별히 적절한 농축된 나프탈렌 설포네이트의 소듐, 포타슘 또는 칼슘 염은 "닥사드(DAXAD)" 이름으로 지오 스페셜리티 케미칼스(Geo Specialty Chemicals)에서 상업적으로 이용 가능하다.
표면 장력에 영향을 미치기보다는, 본 발명의 분산제는, 산화 망간 전구체가 절연체의 표면에 접촉할 때 초기에 형성되는 비말(droplet)을 "분산"시키는 것을 도와준다. 이 비말이 분산되기 때문에 산화 망간 전구체는 매우 작은 애노드 입자의 사이 공간을 통과할 수 있어 표면 도포 정도를 증가시킬 수 있고, 산화 망간 층의 균일성과 밀도를 높인다. 더군다나, 비말 형성의 감소는 또한 코팅이, 실질적으로 균일한 방법으로, 애노드의 적어도 일 부분을 코팅하도록 하여 필름과 같은 형상이 될 수 있도록 한다. 이는 산화물의 표면 도포뿐 아니라 결과물인 산화물의 질을 높이고, 따라서 커패시터의 전기적 성능도 향상시킨다.
커패시터의 다른 특징에 악영향을 미치지 않고, 산화 망간 전구체의 함침에서 원하는 개선을 이루기 위하여, 분산제의 농도는 특정 범위 내에서 선택적으로 조절되도록 요구된다. 예를 들어, 애노드 바디가 처음으로 침지되는 용액은 분산제를 약 0.001중량% 내지 약 5중량%, 일부 실시예에서 약 0.005중량% 내지 약 2중량%, 그리고 일부 실시예에서, 약 0.01중량% 내지 약 1중량%를 포함한다. 전구체(들)(예를 들어, 질산 망간)는 유사하게 용액의 약 1중량% 내지 약 55중량%, 일부 실시예에서 약 2 중량% 내지 약 15중량%, 그리고 일부 실시예에서 약 5중량% 내지 약 10중량%를 구성한다.
물과 같은 캐리어(carrier)도 용액에 채용될 수 있다. 본 발명의 수용액은, 예를 들어, 물을 약 30 중량% 내지 약 95 중량%, 일부 실시예에서는 약 40중량% 내지 약 99중량%, 그리고 일부 실시예에서는 약 50중량% 내지 약 95중량%를 포함한다. 상기 기재한 구성요소에 더하여, 질산 망간 용액은 결과물인 산화물의 형성을 향상시키는 다른 추가 요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 알코올은 용액과 관련하여 절연체의 젖음성(wettability)을 증진시키는 데에 사용된다. 예를 들어, 적절한 알코올은 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올, 부탄올 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 채용될 때 알코올의 농도는 약 0.1중량% 내지 약 50중량%, 그리고 일부 실시예에서 약 0.5 중량% 내지 약 2중량%이다.
용액에서 구성요소의 실제 양은 입자의 크기 및 애노드에서 입자의 분산, 분해가 일어나는 온도, 분산제의 종류, 캐리어의 종류, 알코올의 종류 등에 의존하여 변화하여야 한다. 또한, 다른 적용 단계에서는 다른 농도가 적용되어야 한다. 예를 들어, 하나 이상의 침지 과정의 첫 번째 셋(set)이 채용되고, 상기 셋(set)에서 산화 망간 전구체가 첫 번째 농도로 존재한다. 그 후, 하나 이상의 침지 과정의 두 번째 셋(set)이 채용되고, 상기 셋(set)에서 산화 망간 전구체가 두 번째 농도로 존재한다. 어떤 경우는, 상기 두 번째 농도가 상기 첫 번째 농도보다 높을 수 있다.
애노드 바디가 산화 망간 전구체 용액과 접촉하는 시간은 원하는 바에 따라 다르다. 예를 들어, 애노드 바디는 이러한 용액에 약 10초 내지 약 10분의 범위의 시간동안 침지된다. 상기 시간은 각각의 침지 과정에 따라 같거나 다르다. 절연체 코팅된 애노드 바디는 실온 또는 전구체 용액과 접촉하기 전에 실온에 있거나 미리 건조되어 있다.
원하는 시간 동안 한 번 전구체 용액과 접촉한 것에 무관하게, 그 부분은 전구체(예를 들어, 질산 망간)가 산화물로 열분해적으로 변하기 위한 충분한 온도로 가열된다. 예를 들어, 가열은 약 150℃ 내지 약 300℃, 일부 실시예에서는 약 180℃ 내지 약 290℃, 그리고 일부 실시예에서는 약 190℃ 내지 약 260℃ 온도의 퍼니스(furnace)에서 일어난다. 가열은 습도가 있는 공기 또는 건조한 공기에서 수행된다. 전환을 위한 시간은 퍼니스의 온도, 열 전도도 및 환경에 의존하지만, 일반적으로 약 3 내지 약 5분이다. 열분해 후에, 누수 전류는 산화 망간의 퇴적 중에 절연체 막에 의해 발생한 손상으로 인하여 때때로 높다. 이러한 누전을 줄이기 위하여, 커패시터는 당해 기술 분야에서 알려진 것과 같이 애노드 산화 배스(anodization bath)에서 재형성된다. 예를 들어, 커패시터는 위에서 기재한 것과 같은 전해질에 침수되고, 그리고 나서 직류 전류가 가해진다.
C. 커패시터의 다른 구성 요소
원한다면, 커패시터는 해당 기술에서 알려진 바와 같이 다른 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교적 절연성(insulative) 수지성(resinous) 물질로부터 만들어진 것(천연 또는 합성)과 같이, 절연체와 고체 전해질 사이에 보호 코팅이 선택적으로 형성된다. 이러한 물질은 약 10 Ω/cm 이상, 일부 실시예에서는 100 Ω/cm 이상, 일부 실시예에서는 약 1,000 Ω/cm, 일부 실시예에서는 약 1×105 Ω/cm이상, 그리고 일부 실시예에서는 약 1×1010 Ω/cm이상의 비저항을 갖는다. 본 발명에 포함되어 이용되는 몇 가지 수지성 물질은, 제한되지 아니하나, 폴리우레탄(polyurethane), 폴리스티렌(polystyrene), 불포화 또는 포화된 지방산 에스테르(esters of unsaturated or saturated faatty acids)(예를 들어, 글리세라이드(glycerides)) 등과 같은 물질을 포함한다. 예를 들어, 지방산 에스테르로 적당한 물질은, 제한되지는 아니하나, 라우릭 산(lauric acid), 미리스틱 산(myristic acid), 팔미틱 산(palmitic acid), 스테아릭 산(stearic acid), 일레오스테아릭 산(eleostearic acid), 올레익 산(oleic acid), 리놀레익 산(linoleic acid), 리놀레닉 산(linolenic acid), 알류리틱 산(aleuritic acid), 셀롤릭 산(shellolic acid)의 에스테르와 같은 물질을 포함한다. 결과물인 필름이 안정한 층으로 빠르게 폴리머화되도록 하는 건성 오일(drying oil)을 형성시키기 위한 비교적 복잡한 조성물에 사용할 때, 이 지방산 에스테르들은 특히 유용하게 사용할 수 있음이 밝혀졌다. 이러한 건성 오일은 모노(mono)-, 디(di)- 및/또는 트리(tri)-글리세라이드(glyceride)를 포함하고, 이들은 글리세롤 백본(backbone)에 각각 하나, 둘 및 셋의 에스테르화된 지방 아실(acyl) 레지듀(residue)를 갖는다. 예를 들어, 사용되는 몇몇의 적절한 건성 오일은, 제한되지는 아니하나, 올리브유(olive oil), 아마인유(linseed oil), 파자마유(castor oil), 동유(tung oil), 콩기름(soybean oil), 및 셀락(shellac)이 포함된다. 이 것들과 다른 보호 코팅 물질은 파이프(Fife) 등에게 허여된 미국 특허 제6,674,635호에 더 자세하게 기재되었으며, 이 것들은 이들의 전체에서 모든 목적을 위하여 여기에서 이용되었다.
원한다면, 상기 부분은 또한 탄소층(예를 들어, 흑연(graphite)) 및 은층에도 각각 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 은 코팅은 납땜 가능한(solderable) 전도체, 접촉층 및/또는 커패시터를 위한 집진기(charge collector)로 작용하고, 탄소 코팅은 상기 은코팅이 고체 전해질과 접촉하는 것을 제한한다. 이러한 코팅은 고체 전해질의 일부분 또는 전부를 덮는다.
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. 사용하는 동안 상기 고체 전해질의 산화를 억제하기 위하여, 일반적으로 적어도 밀봉은 하나의 비활성 기체를 포함하는 기체 환경의 존재 하에서 일어난다. 상기 비활성 기체는, 예를 들어, 질소, 헬륨, 아르곤, 크세논, 네온, 크립톤, 라돈 및 그들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 일반적으로, 비활성 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.
금속, 플라스틱, 세라믹 등과 같이, 재료의 모든 다양한 변화도 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(122) 및 커패시터 소자(120)을 포함하는 상기 커패시터 어셈블리(100)의 일 실시예가 도시된다. 특별한 실시예로, 상기 하우징(122)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(122) 모두 일반적으로 사각형 형태를 가진다.
위에서 나타난 바와 같이, 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 하우징에 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 내부 구멍(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(100)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 평면으로 공급되어, 평면은 리드가 연장되는 측면 방향(예를 들어, -y 방향)으로 일반적으로 평행하다. 제1부분(167)은 평면으로 공급되어, 평면은 애노드 리드(6)가 연장되는 직각 방향으로 일반적으로 평행하다는 의미에서는 "직립(upstanding)"이다. 이러한 방법으로 제1부분(167)은 애노드 리드(6)의 수평 방향으로의 움직임을 제한하여, 사용할 때 표면 접촉과 기계적 안정성을 높일 수 있다. 원한다면, 절연 물질(7)(예를 들어, TeflonTMwasher)이 애노드 리드(6) 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 애노드 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(100)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(122)에 연결되는 본 발명의 일 실시예가 도시된다. 더 구체적으로, 본 실시예의 하우징(122)은 외벽(123) 및 두 개의 대향하는 측벽들(124)을 포함하고, 이들 사이에 커패시터 소자(120)를 포함하도록 형성된 구멍(cavity)126)가 위치한다. 상기 외벽(122) 및 측벽들(124)은 상기한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 금속, 플라스틱 또는 세라믹 물질의 층으로부터 형성될 수 있다. 이러한 특별한 실시예에 있어서, 상기 애노드 단자(127)는 상기 하우징(122) 내에 위치하고 상기 연결 부재(162)에 전기적으로 연결된 제1영역(127a) 및 상기 하우징(122) 외부에 위치하고 장착 면(201)을 제공하는 제2영역(127b)을 포함한다. 마찬가지로, 상기 캐소드 단자(129)는 상기 하우징 내에 위치하고 상기 커패시터 소자(120)의 고체 전해질에 전기적으로 연결된 제1영역(129a) 및 상기 하우징(122)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 트레이스(conductive trace)(127c)은 하우징의 외벽(123)에서 연장되어, 제1영역(127a)과 제2영역(127b)을 연결한다. 유사하게, 전도성 트레이스(129c)는 하우징의 외벽(123)에서 연장되어, 제1영역(127a)과 제2영역(127b)을 연결한다. 전도성 트레이스들과 단자의 영역들은 분리될 수도 있고, 통합될 수도 있다. 하우징의 외벽을 통하여 연장하는 것에 더하여, 트레이스들은 외벽의 외부와 같이, 다른 장소에 위치할 수도 있다. 물론, 본 발명은 원하는 단자를 형성하기 위하여 전도성 트레이스의 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 미국 공개 특허 제 2006/0038304호 (오사코 외)에 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 억제제는 측벽(124)의 안쪽 면(107)과 외벽(123)의 안쪽 면(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 팩키지는 상기와 같이 밀폐하여 실링된다. 예를 들어, 도 1을 다시 참고하여, 커패시터 소자(120)와 중합 억제제(197)가 하우징(122) 안에 위치한 후에, 하우징(122)은 측벽(124)의 상면 위에 위치하는 리드(125)를 포함할 수도 있다. 리드(125)는 세라믹, 금속(예를 들어, 철, 구리, 니켈, 코발트 등 및 이들의 합금), 플라스틱 등으로부터 형성될 수 있다. 원한다면, 실링 소자(187)는 리드(125)와 측벽(124)의 사이에 위치하여 실링이 잘 되도록 돕니다. 일 실시예에서는 실링 소자는 유리-금속 실링, 코바링(Kovarⓡring)(굿펠로우 캠리즈사, Goodfellow Camridge, Ltd.) 등을 포함한다. 측벽(124)의 높이는 일반적으로 리드(125)가 커패시터 소자(120)의 어떠한 면과도 접촉하지 않도록 하여, 오염되지 않는다. 중합 억제제(197)는 리드(125)와 접촉할 수도 있고, 접촉하지 않을 수도 있다. 원하는 장소에 위치할 때, 용접(예를 들어, 저항 용접, 레이저 용접 등), 납땜 등과 같은 종래 알려진 모든 방법을 이용하여, 리드(125)는 측벽(124)에 밀폐하여 실링된다. 상기에서 설명한 바와 같이 밀폐 실링은 불활성 기체의 존재하에서 일어나며, 결과로 나오는 어셈블리는 산소 또는 수증기와 같은 반응성 기체로부터 실질적으로 자유롭다.
기술된 실시예는 단지 예시적이며, 하우징 안에 커패시터 소자를 밀폐하여 실링하기 위한 다양한 다른 형태가 본 발명에 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하여, 하우징(222)을 채용하는 커패시터 어셈블리(200)의 다른 실시예가 보여지며, 하우징(222)은 외벽(123)과 리드(225)를 포함하고, 이들 사이에 커패시터 소자(120)와 중합 억제제(197)를 포함하는 구멍(126)이 형성된다. 리드(225)는 적어도 하나의 측벽(224)과 통합되는 외벽(223)을 포함한다. 보여지는 실시예에서 두 개의 대응하는 측면은 단면(cross-section)으로 보여진다. 외벽들(223, 123) 모두 측면 방향(-y 방향)으로 연장되고, 일반적으로 서로 평행하고, 애노드 리드(6)의 측면 방향이다. 외벽(123)에 대하여 일반적으로 수직인 길이 방향으로, 측벽(224)은 외벽(223)으로부터 연장된다. 리드(225)의 일단 끝(distal end, 500)은 외벽(223)에 의하여 정의되고, 근접 끝(proximal end, 501)은 측벽(224)의 가장자리(lip, 253)에 의하여 정의된다.
가장자리(253)는 측벽(224)으로부터 측면 방향으로 연장되고, 이는 외벽(123)의 측면 방향에 일반적으로 평행하다. 측벽(224)과 가장자리(253) 사이의 각도는 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 주변 모서리(251)를 정의하고, 주변 모서리(251)는 가장자리(253)와 외벽(123)이 연장되는 측면 방향에 일반적으로 수직이다. 주변 모서리(251)는 측벽(223)의 외부 주변 위에 위치하고, 외벽(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 외벽(123)에 실링될 수 있다. 예를 들어, 도시한 실시예에서는 실링 소자(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.
또한, 본 발명에서는 다른 가능한 하우징 형태가 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 3은, 말단 핀(327b, 329b)이 각각 애노드와 캐소드를 위한 외부 말단으로 채용되는 점을 제외하고는 도 2의 것과 유사한, 하우징 형태를 가지는 커패시터 어셈블리(300)를 보여준다. 보다 구체적으로는, 말단 핀(327a)은 외벽(323)에 형성된 트레이스(trace, 327c)를 통하여 연장된다. 핀(327b)을 확보하기 위하여, 추가적인 부분(327a)이 채용될 수 있다. 동일하게, 말단 핀(329b)은 외벽(323)에 형성된 트레이스(trace, 329c)를 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. 예를 들어, 도 4를 참고하여, 2개의 커패시터 소자를 포함하는 커패시터 어셈블리(400)의 구체적인 일 실시예가 보여지고, 보다 상세하게는 설명하지는 않는다. 보다 구체적으로는 커패시터 어셈블리(400)는 제2 커패시터 소자(420b)와 전기적으로 소통하는 제1 커패시터 소자(420a)를 포함한다. 상기 실시예에서는, 커패시터 소자는 주요 면들이 평행한 형태를 이루도록 나열되어 있다. 즉, 폭(-x 방향)과 길이(-y 방향)로 정의되는 커패시터 소자(420a)의 주요 면은 대응되는 커패시터 소자(420b)의 주요 면과 인접하게 위치한다. 따라서, 주요 면들은 일반적으로 동일 평면 상에 있다. 대안으로, 커패시터 소자가 주요 면들이 동일 평면상에 있지 않도록 나열될 수도 있다. 하지만, -z 방향 또는 -x 방향과 같이, 특정 방향에서는 서로 수직이다. 물론, 커패시터 소자는 동일 방향으로 연장될 필요는 없다.
커패시터 소자(420a, 420b)는 외벽(423)과 모두 구멍(426)을 정의하는 측벽들(424, 425)을 포함하는 하우징(422) 안에 위치해 있다. 도시되지는 않았지만, 상술한 바와 같이, 측벽(424, 425)들의 상면을 덮고 어셈블리(400)를 실링하도록, 리드가 채용될 수 있다. 선택적으로 중합 억제제도 커패시터 소자의 진동을 제한하기 위하여 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서는, 개별 중합 억제제(497a, 497b)는 커패시터 소자(420a, 420b) 각각에 인접하여, 접촉하도록 위치해 있다. 중합 억제제(497a, 497b)는 다양한 여러 장소에 위치할 수도 있다. 나아가, 중합 억제제의 하나는 제거될 수도 있고, 추가적인 중합 억제제가 채용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서는, 커패시터 소자 사이에 중합 억제제를 채용하여 기계적 안정성을 보다 향상시킬 수 있도록 요구된다.
커패시터 소자에 더하여, 커패시터 어셈블리는 각각의 커패시터 소자의 애노드 리드가 전기적으로 연결된 애노드 단자와 각각의 커패시터 소자의 캐소드가 전기적으로 연결된 캐소드 단자를 포함할 수 있다. 도 4를 다시 참고하여, 커패시터 소자는 공통의 캐소드 단자(429)에 평행하게 연결되어 있음이 보여진다. 이러한 구체적인 실시예에서는, 커패시터 소자의 저면에 일반적으로 평행한 평면으로, 캐소드 단자(429)가 초기에 공급되고, 전도성 트레이스와 전기적으로 접촉하도록 한다(도시되지는 않음). 커패시터 어셈블리(400)는 커패시터 소자(420a, 420b)의 애노드 리드(407a, 407b) 각각에 연결되는 연결 소자(427, 527)를 포함한다. 보다 상세하게는, 연결 소자(427)는 직립 부분(465)과 애노드 단자(도시되지 않음)와 연결되는 평면 부분(463)을 포함한다. 동일하게, 연결 소자(527)는 직립 부분(565)과 애노드 단자(도시되지 않음)와 연결되는 평면 부분(563)을 포함한다. 물론, 다양한 종류의 다른 형태의 연결 메커니즘이 채용될 수 있음을 알아야 한다.
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 다음을 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.
누설전류
25℃ 온도에서 최소 60초 후의 정격전압에서 누설전류(DCL)를 측정하는 누설 테스트 세트를 이용하여 누설전류가 측정되었다.
실시예
탄탈룸 애노드(5.20㎜x3.70㎜x0.85㎜)는 액체 전해질에서 125V에서 10μF으로 애노드화되었다. 전도성 코팅은 전체 애노드를 망간(Ⅱ) 질산염(1050㎏/㎥) 수용액에 150초 동안 담금으로써 형성이 되고, 그리고나서 250℃에서 분해된다. 이 과정은 2번 반복된다. 다음, 부분을 망간(Ⅱ) 질산염(1150㎏/㎥) 수용액에 150초 동안 담그고, 그리고 나서 250℃에서 분해된다. 이 과정은 8번 반복된다. 그리고 나서 부분을 망간(Ⅱ) 질산염(1300㎏/㎥) 수용액에 담그고, 그리고 나서 250℃에서 분해된다. 이 과정은 8번 반복된다. 그리고 나서 부분을 높은 비중의 망간(Ⅱ) 질산염에 담그고, 부분은 흑연과 은으로 코팅된다. 단일 캐소드 연결 소자는 은 접착제를 이용하여 커패시터 소자의 하면에 붙여진다. 커패시터 소자의 탄탈룸 와이어는 그리고 나서 애노드 연결 소자에 레이저 용접된다.
리드 프레임의 애노드 및 캐소드 연결 소자는 글 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. 후에, 길이 9.95㎜, 폭 4.95㎜ 그리고 두께 0.10㎜를 가지는 코바(Kovarⓡ) 리드(lid)가 용기의 위에, 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 부분이 이러한 방법으로 만들어져서, 부분들을 솔더 페이스트를 이용하여 PCB 보드에 붙임으로써 전기적 성능(예를 들어, 에이징 후의 누수전류, 등가직렬저항, 커패시턴스)을 실험한다. 측정은 25℃에서 수행되며, 적용된 정격전압 0V에서, 200℃, 215℃ 그리고 230℃의 온도에서 500시간 저장 후에 반복된다. 결과는 아래와 같다.
나타난 바와 같이, 고온의 극한 조건에서도, 커패시터 어셈블리는 비교적 안정한 전기 성능을 유지할 수 있다.
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 100 :커패시터 어셈블리
120 : 커패시터 소자 122 : 하우징
123 : 외벽 124 : 측벽
126 : 구멍 127 : 애노드 단자
127a : 제1영역 127b : 제2영역
127c : 전도성 트레이스 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 : 주변 모서리 253 : 가장자리
287 : 실링 소자
120 : 커패시터 소자 122 : 하우징
123 : 외벽 124 : 측벽
126 : 구멍 127 : 애노드 단자
127a : 제1영역 127b : 제2영역
127c : 전도성 트레이스 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 : 주변 모서리 253 : 가장자리
287 : 실링 소자
Claims (18)
- 커패시터 어셈블리는 커패시터 소자, 하우징, 애노드 단자 및 캐소드 단자를 포함하고,
상기 커패시터 소자는 양극 산화되고, 소결된 다공체로부터 형성되는 애노드와 상기 애노드를 코팅하는 고체 전해질을 포함하고, 상기 고체 전해질은 산화 망간을 포함하고, 상기 산화 망간은 상기 애노드의 적어도 일부를 필름 형태로 코팅하며,
상기 하우징은 내부 구멍을 정의하고, 상기 내부 구멍 안에는 커패시터 소자가 위치하고, 상기 내부 구멍은 불활성 기체를 포함하는 가스 분위기를 가지고,
상기 애노드 단자는 애노드 바디와 전기적으로 연결되어 있고,
상기 캐소드 단자는 상기 고체 전해질과 전기적으로 연결되어 있는 커패시터 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 다공체는 탄탈룸 또는 니오븀 산화물 파우더로부터 형성되는 커패시터 어셈블리. - 제2항에 있어서,
상기 파우더는 70,000μF*V/g 보다 작은 비전하를 갖는 커패시터 어셈블리. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 커패시터 소자는 내부 구멍의 30 부피% 이상을 차지하는 커패시터 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 불활성 기체는 상기 가스 분위기의 50중량% 내지 100중량%를 구성하는 커패시터 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 하우징은 메탈, 플라스틱, 세라믹 또는 이들의 혼합으로부터 이루어지는 커패시터 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 애노드의 상기 다공체로부터 측면 방향으로 연장되는 애노드 리드를 더 포함하고, 상기 애노드 리드는 상기 하우징의 상기 내부 구멍안에 위치하는 커패시터 어셈블리. - 제8항에 있어서,
제1부분를 포함하는 연결 소자를 더 포함하고, 상기 제1부분은 일반적으로 상기 애노드 리드의 측면 방향에 일반적으로 수직으로 위치하고, 상기 애노드 리드에 연결되는 커패시터 어셈블리. - 제9항에 있어서,
상기 연결 소자는 제2부분을 더 포함하고, 상기 제2부분은 상기 애노드 리드가 연장하는 측면 방향에 일반적으로 평행한 커패시터 어셈블리. - 제10항에 있어서,
상기 제2부분은 상기 하우징 안에 위치하는 커패시터 어셈블리. - 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법에 있어서,
커패시터 소자를 하우징의 내부 구멍 안에 위치시키는 단계, 상기 커패시터 소자는 양극 산화되고, 소결된 고체 전해질로 코팅된 애노드 바디를 포함하고, 상기 고체 전해질은 산화 망간을 포함하고, 상기 산화 망간은 상기 애노드의 적어도 일부를 필름 형태로 코팅하며;
상기 커패시터 소자의 상기 애노드 바디를 애노드 단자에 전기적으로 연결시키고, 상기 커패시터 소자의 상기 고체 전해질을 캐소드 단자에 전기적으로 연결시키는 단계; 및
불활성 기체를 가지는 가스 분위기에서 상기 커패시터 소자를 상기 하우징 안에 밀폐하여 실링하는 단계를 포함하는 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 커패시퍼 소자는 소결된 애노드 바디를 양극 산화하여 유전체 코팅을 형성하고, 유전체 코팅된 상기 애노드 바디를 산화 망간 전구체 용액을 가지고 접촉시키고, 열분해하여 상기 산화 망간 전구체 용액을 산화 망간 고체 전해질로 전환시킴으로써 형성되는 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 산화 망간 전구체는 질화 망간인 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 전구체 용액은 분산제를 포함하는 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 분산제(물에서 1중량% 농도, 20℃에서)의 표면 장력에 대한 물(20℃에서)의 표면 장력의 비는 0.5 내지 2.0인 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 산화 망간 전구체 용액은 수용액인 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 산화 망간 전구체 용액은 열분해적으로 150℃ 내지 300℃의 온도에서 산화물로 전환되는 커패시터 어셈블리를 형성하는 방법.
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