KR102125531B1 - 수평방향의 상보적인 패턴을 가지는 전극들을 포함하는 캐패시터 - Google Patents

수평방향의 상보적인 패턴을 가지는 전극들을 포함하는 캐패시터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 하나 이상의 유전체 또는 분리막을 포함하는 구조의 전극구조체; 및
상기 전극구조체를 수납하는 케이스;
를 포함하고 있으며,
상기 전극구조체는 양극, 음극; 및 분리막 또는 유전체가 두께 방향과 수직인 수평 방향으로 배열되어 있고, 상기 양극 및 음극은, 서로 상보적인 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 캐패시터를 제공한다.

Description

수평방향의 상보적인 패턴을 가지는 전극들을 포함하는 캐패시터 {Capacitor Comprising Electrodes Having Complementary Pattern of Horizontal Direction}
본 발명은 수평방향의 상보적인 패턴을 가지는 전극들을 포함하는 캐패시터에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학적 에너지 저장장치는 모든 휴대용 정보통신기기, 전자기기에 필수적으로 사용되는 완제품 기기의 핵심부품이다. 또한, 전기화학적 에너지 저장장치는 미래형 전기자동차 및 휴대용 전자장치등에 적용될수 있는 신재생 에너지 분야의 고품질 에너지원으로써 확실하게 사용될 것이다.
전기화학적 에너지 저장장치 중 전기화학 캐패시터는 긴 수명과 짧은 충전시간, 및 높은 전기 효율을 바탕으로 리튬 이온 전지를 잇는 차세대 전지로 각광받고 있다.
가장 일반적인 에너지 저장 장치인 배터리는 비교적 작은 부피와 중량으로 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있고, 여러 용도에서 적당한 출력을 내 수 있기 때문에 여러 용도로 사용되고 있다. 그러나 배터리는 종류에 무관하게 저장 특성 및 사이클 수명이 낮은 공통적인 문제점을 가지고 있다.
이는 배터리에 내포되어 있는 화학 물질의 자연적인 또는 사용에 따른 열화현상 때문인데, 캐패시터는 전극과 전해질 계면의 단순한 이온의 이동이나 표면 화학 반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 따라서, 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지 장치로 각광받고 있는 것이다.
또한, 저항이 낮아 출력 밀도가 높으며, 짧은 응답시간을 제공하므로 용량이 낮다는 단점에도 불구하고 많은 디바이스에 장착되어 다양한 역할을 수행하고 있다.
또한, 이러한 캐패시터는 원통형 또는 각형 케이스에 전극과 유전체의 적층 구조가 수납된 형태로 제조되어 디바이스에 장착된다.
도 1에는 종래 캐패시터의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 캐패시터는 양극(12)/유전체(14)/음극(13) 구조가 상하로 적층되어 적층체(11)를 형성하고 있고, 이러한 적층체(11)는 캐패시터 케이스에 수납되어 있다. 적층체(11)의 최상단 전극(12a)은 양극이고 최하단 전극(13a)은 음극이다. 최상단에 위치하는 양극(12a)과 최하단에 위치하는 음극(13a)은 각각 양극 외부 입출력 단자(14) 및 음극 외부 입출력 단자(15)와 연결되어 케이스 외부로 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
최근에는 디바이스의 소형화 및 박형화에 따라, 캐패시터의 수납 공간이 충분한 여유를 갖지 못하므로, 캐패시터의 크기가 점점 작아지고 있고, 초박막 캐패시터에 대한 요구가 높아지고 있다.
그러나, 상기 종래 캐패시터와 같은 구조에서는, 그 두께를 박막화 시키는데 한계가 있다.
따라서, 디바이스의 박형화에 따라 매우 얇은 두께의 한정된 부피 내에서도 큰 효율을 나타낼 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 구성하는 양극과 음극; 및 분리막 또는 유전체를 두께 방향과 수직인 수평 방향으로 배열하고, 상기 양극과 음극이 상보적인 패턴을 가지도록 구성함으로써, 상대 전극과 마주하는 면적을 넓혀 반응 포인트를 증가시킴으로써 한정된 부피 내에서 효율성을 극대화한 캐패시터를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캐패시터는,
하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 하나 이상의 유전체 또는 분리막을 포함하는 구조의 전극구조체; 및
상기 전극구조체를 수납하는 케이스;
를 포함하고 있으며,
상기 전극구조체는 양극, 음극; 및 분리막 또는 유전체가 두께 방향과 수직인 수평 방향으로 배열되어 있고, 상기 양극 및 음극은, 서로 상보적인 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 두께 방향은 지면과 수직인 방향이므로, 수평 방향은 지면과 수평인 방향을 의미한다.
이와 같이, 종래 상하로 양극과 음극이 적층되는 구조와 달리, 수평 방향으로 배열되는 형태를 가지므로, 소망하는 정도로 그 두께를 얇게 할 수 있고, 따라서 두께가 1mm 이하의 캐패시터를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 캐패시터는, 더욱 반응 면적을 넓히기 위해, 양극과 음극을 단순한 직사각형 또는 정사각형 형태로 나란히 배열함에 따라 일정한 부피내에서 하나의 대면부만을 가지도록 한 구조에서 더 나아가, 양극과 음극이 상보적인 패턴 구조를 가지도록 함으로써, 더 많은 반응 포인트와 반응 면적을 가지므로 출력 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 상보적인 패턴이란 구체적으로, 상기 양극과 음극은 서로 상보적인 하나 이상의 결락부를 포함하고 있어서, 양측 전극들이 제 1 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 1 대면부와, 양측 전극들이 상기 제 2 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 2 대면부를 가지는 형태를 의미한다.
여기서, 상기 하나의 방향에서 마주한다는 것은 하나의 방향을 기준으로 그 방향에서 면들이 마주해야 하므로, 대면하는 면과 방향은 수직을 이루는 형태이다.
또한, 상기 제 1 방향과 제 2 방향은 두께 방향으로 설정되는 것이 아니고, 수평 방향에서 서로 소정의 각도를 가지는 방향으로 설정된다.
이때, 상기 제 1 방향과 제 2 방향이 이루는 각도는 한정되지 아니하고, 소정의 각도를 가지는 구성이라면 한정되지 아니하나, 상세하게는 10도 내지 90도일 수 있고, 더욱 상세하게는 60도 내지 90도일 수 있으며, 특히 90도일 수 있다.
이는, 상기 제 1 방향과 제 2 방향이 이루는 각도가 10도 미만인 경우에는, 결락부를 형성하지 않은 경우와 유사하여 발휘되는 출력 효율의 향상 정도가 작은 소망하는 효과의 측면에서 그 의미가 크지 않은 바 바람직하지 않다. 또한, 각도가 클수록 전기화학반응이 일어나는 상대 전극과 대면하는 면에서 멀리 떨어진 부위의 면적을 감소시키고, 반대로 반응 면적은 넓힐 수 있는 바, 상기와 같은 상세한 범위가 설정될 수 있다.
상기 결락부의 용어는, 하기에서 설명한 바와 같이 전극이 직사각형의 구조가 아닌, 직사각형에서 일부를 잘라낸 형상을 의미하고, 상기 패턴, 즉, 결락부의 형성 구조에 있어, 상보적이라 함은, 양극의 형상과 음극의 형상이 서로 마주 보는 상태에서 서로의 결락부에 블록 형태처럼 끼워져 부피를 최소화하는 형태를 의미한다.
한편, 상기 양극 및 음극의 모든 제 1 대면부와 제 2 대면부에서는 상대 전극과 전기화학반응이 일어날 수 있다.
따라서, 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 구조를 가지는 캐패시터는, 양극과 음극을 수평방향으로 배열하여 매우 얇은 초박막 구조로 제조될 수 있으면서도, 이 경우, 나타날 수 있는 출력 효율의 감소를 방지하기 위해 양극과 음극을 상보적인 패턴으로 구성함으로써, 동일한 부피 내에서도 양극과 음극이 대면하는 실질적인 면적을 넓혀 출력 효율을 극대화할 수 있는 효과 또한 있다.
상기 상보적인 패턴의 양극과 음극은 서로 마주하는 대면부들 사이의 이격 거리가 10 ㎛ 내지 1000 ㎛일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 이격 거리가 너무 짧은 경우에는 단락 등의 안전성 문제가 있을 수 있고, 이격 거리가 너무 긴 경우에는 반응 거리가 길어져 반응 속도가 현저히 떨어질 수 있는 바 바람직하지 않다.
한편, 상기 전극구조체의 양단은 양극 및 음극으로 구성되고, 이들 각각은 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있을 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 캐패시터의 전극구조체는, 하나의 양극, 음극 및, 이들 사이에 개재되는 유전체 또는 분리막으로 구성될 수도 있으나, 상기 전극구조체가 둘 이상의 양극, 둘 이상의 음극, 및 둘 이상의 분리막 또는 유전체를 포함하고 있을 수 있고, 이 경우, 양단에 위치하는 양극 및 음극 사이에 위치하는 전극들은 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있지 않을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 캐패시터는 상기 전극구조체의 양단에 위치하는 전극들에만 캐패시터의 외부 입출력 단자가 연결되어 있는 구조일 수 있고, 캐패시터의 전류들은 양단에 위치하는 전극들에 연결된 외부 입출력 단자를 통해 외부로 흐르는 구조로 형성될 수 있다.
따라서, 전극들이 적층되어 있고 각 전극들에 돌출된 전극 탭들이 상호 결합된 구조로 연결되어 있는 전지의 전극조립체와는 달리, 본 발명에 따른 캐패시터는 양단의 전극들만 외부로 연결되고 사이의 각 전극은 유전체 또는 분리막이 개재된 상태로 서로 분리되어 있는 구조가 가능하다.
또한, 이와 같이, 둘 이상의 양극, 음극, 및 유전체 또는 분리막이 둘 이상 포함되는 경우, 상기 하나의 양극, 및 음극을 기본단위로 할 때, 상기 양극과 음극이 상보적인 패턴을 가지면 되고, 기본단위체들 사이에서 대면하는 양극과 음극은 상보적인 패턴을 가질 수도 있고, 가지지 않을 수도 있으며 한정되지 아니한다.
또한, 상기 기본 단위를 기준으로 상보적인 패턴은 여러 기본 단위에서 동일한 형상을 가질 수도 있고, 상이한 형상을 가질 수도 있으며, 한정되지 아니하나, 상세하게는 하나의 양극 및 음극을 기본 단위로 수평방향으로 반복 패턴을 가질 수 있다.
이와 같이, 반복 패턴을 가지는 경우에 공정 용이성이 보다 우수하고, 내부에서의 위치별 편차가 크지 않아 보다 바람직하다.
또한, 동일한 부피로 한정되는 경우, 상기와 같이 반복패턴을 형성하는 경우에는 반응 면적을 더 넓힐 수 있고, 전극들 간의 거리를 좁게 할 수 있으므로, 반응 속도 및 반응 효율을 보다 극대화시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 본 발명에 따른 캐패시터는 평면상으로 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
예를 들어, 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. 또는, 상기 캐패시터는 외주면들 중에 곡면 형상을 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다. 즉, 이러한 캐패시터의 구조는 한정되지 아니한다.
이때, 상기 캐패시터의 구조에 맞게 내부 전극구조체의 형태도 다양한 형상으로 형성될 수 있고, 양극과 음극 역시 캐패시터의 외면에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
여기서, 평면상은 캐패시터를 지면에 놓고 상부에서 바라본 형태를 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 캐패시터의 양극과 음극 사이에는 별도의 분리막이 존재하지 않고, 유전체가 개재되어 있을 수 있다.
여기서, 상기 유전체는 공기일 수 있다. 즉, 빈공간으로 형성할 수 있다.
이와 관련하여, 종래 전기화학적 캐패시터는 적층구조의 양극과 음극의 내부 단락을 방지하기 위해, 이들 사이에 분리막을 두고, 액체 상태의 전해액을 이용하나, 본 발명에 따르면 적층된 형태가 아니라, 수평 방향으로 배열된 형태를 가지므로, 양극과 음극 사이에 특별히 단락이 일어나지 않으므로 양극과 음극 사이에 단순히 빈공간(공기)를 두어 작동할 수 있다. 따라서, 더욱 반응속도가 빠르면서도 작은 형태의 캐패시터를 형성할 수 있는 이점을 가진다.
이러한 캐패시터는, 그 종류가 한정되지 아니하고, 이온의 정전기적 흡착과 탈착을 통해 전기를 축적하는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor), 산화-환원 반응을 통하여 전기를 축적하는 의사 캐패시터(Pseudo capacitor) 그리고 비대칭(Asymmetric) 전극 형태를 가지는 하이브리드(hybrid) 캐패시터일 수 있고, 상기 하이브리드 캐패시터는 상세하게는, Li, Na 등의 이온의 인터칼레이션을 이용하는 Li-이온 캐패시터 또는 Na-이온 캐피시터일 수도 있다.
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 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 캐패시터는, 이를 구성하는 양극 및 음극을 수평 방향으로 배열하면서, 서로 상보적인 패턴, 즉, 제 1 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 1 대면부와, 제 2 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 2 대면부를 각각 포함하도록 함으로써, 상대 전극과 마주하는 면적을 넓혀 반응 포인트를 증가시킴으로써 한정된 부피 내에서 캐패시터의 출력 효율을 극대화 시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 캐패시터 전극구조체의 상면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터를 투시적으로 표현한 상면도이다;
도 3은 도 2의 전극구조체의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 캐패시터를 투시적으로 표현한 상면도이다;
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 캐패시터를 투시적으로 표현한 상면도이다;
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 캐패시터를 투시적으로 표현한 상면도이다;
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 캐패시터를 투시적으로 표현한 상면도이다.
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, 전극구조체, 및 케이스 등의 구조를 모식적으로 도시하였다.
도 2 및 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 캐패시터의 효과를 좀 더 명확히 보여주기 위한 캐패시터의 전극구조체의 상면도 및 이를 사시도적으로 표현한 모식도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극구조체(100)은 양극(110), 음극(120), 및 양극과 음극 사이에 개재되는 유전체(130)를 포함하고 이들이 수평방향으로 배열되어 있는 구조로 이루어져 있다. 도 2 및 도 3은 케이스(140) 내의 전극구조체의 구조를 보여주기 위한 모식도인 바, 이들의 외부 구조를 도시하지는 않았지만, 양극(110)과 음극(120)은 각각 양극 외부 입출력 단자 및 음극 외부 입출력 단자와 연결되어 있고 이들은 케이스(140) 외부로 노출되어 있다.
이러한 구조에서는 캐패시터의 두께가 전극의 두께와 동일하게 되므로, 전극의 두께를 얇게 함에 따라 캐패시터의 두께도 동일하게 얇게 구성할 수 있으므로, 소망하는 정도의 초박막 캐패시터를 제조할 수 있다.
더욱이, 양극(110) 및 음극(120)은 상보적인 패턴, 구체적으로, 서로 상보적인 하나의 결락부를 각각 포함하고, 서로 결락부에 끼워진 형태로 배열되어 양극(110)과 음극(120)은 각각 거울에 비친 'ㄱ' 과 'ㄴ'의 형태를 갖는다.
즉, 양극(110)과 음극(120) 모두, 전체 직사각형 형태에서 두개의 모서리가 만나는 부분에서부터 이들 전극(110, 120)의 크기보다 작은 직사각형 형태(파란색 점선으로 표시)가 잘려나간 형태를 가진다.
따라서, 양극과 음극은 각각, 보단 긴 방향의 제 1 방향에서 마주하는 두 개의 제 1 대면부(S1)와, 양측 전극들이 상기 제 1 방향에 대해 90도(a)로 경사진 방향인 보다 짧은 방향의 제 2 방향에서 마주하는 한 개의 제 2 대면부(S2)를 갖는다.
여기서, 제 1 방향과 제 2 방향은, 도 3을 참조하면 알 수 있듯이, 전극구조체(100)의 두께 방향을 기준으로는 모두 90도인 수평 방향이다.
한편, 이러한 캐패시터(100)의 전극구조체에서 전기화학적 반응은 빨간색 화살표로 표시하였다.
구체적으로, 양극(110)과 음극(120)은 유전체(130)를 사이에 두고 제 1 방향 및 제 2 방향에서 대면하고 있으며, 각각 대면하고 있는 면들(S1, S2)에서 양극(110)과 음극(120) 사이에 전기화학적 반응(빨간색 화살표)이 일어난다.
이때, 유전체(130)의 폭과 대면 면적(S1+S2)이 전기화학적 반응의 속도를 좌우하는데, 면적이 클수록 반응할 수 있는 반응면적, 즉 반응 포인트가 늘어나 반응 효율성이 좋고, 폭이 작을수록 반응 속도가 빨라진다.
이러한 내용을 기반으로 할 때, 본 발명에 따른 캐패시터(100)의 양극(110)과 음극(120)은 서로 상보적인 패턴을 가짐으로써, 단순히 수평 방향으로 배열된 경우와 비교하여, 같은 부피 내에서 반응면적이 현저하게 넓은 구조를 갖는다.
또한, 유전체(130)를 사이에 두고 대면부들(S1, S2)에서 반응이 이루어지는 바, 폭이 작을수록 반응 속도를 높일 수 있다. 다만, 유전체(130)의 폭은 디바이스의 크기 및 안전성을 고려하여 적절히 선택될 수 있고, 상세하게는 상기 유전체(130)의 폭은 양극(110)과 음극(120)의 이격 거리로 10 ㎛ 내지 1000 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 캐패시터의 구조를 보여주기 위한 캐패시터(300)의 상면도가 도 4 내지 도 7에 모식적으로 도시되어 있다.
먼저, 도 4를 참조하면, 캐패시터(200)는, 상기 도 2에서 도시한 것과 같은 구조의 양극(211) 음극(221), 및 이들 사이에 개재되는 유전체(231)가 하나의 기본 단위(201)가 되어 수평방향으로 3개의 반복 패턴을 가지면서, 이러한 기본 단위들 사이에서 음극과 양극의 분리를 위한 유전체들(232, 234)이 추가로 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서 전체적으로는, 양극(211)/유전체(231)/음극(221)/유전체(232)/양극(212)/유전체(233)/음극(222)/유전체(234)/양극(213)/유전체(235)/음극(223)의 구조로 수평방향으로 배열되어 있으면서, 양극(211)과 음극(221), 양극(212)와 음극(222), 및 양극(213)과 음극(223)은 서로 상보적인 결락부를 가지는 한편, 기본 단위(201)를 기준으로 할 때 두 개의 기본 단위가 만나는 부분, 즉, 음극(221)과 양극(212), 음극(222)과 양극(213)은 상보적인 패턴이 아닌 서로 일직선상으로 대면하는 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조에서 역시, 양극들(211, 212, 213)과 음극들(221, 222, 223)이 대면하는 모든 부위에서 상대 전극과 전기화학반응이 일어난다. 이러한 전기화학반응을 역시 빨간색 화살표로 표시하였다.
구체적으로, 도 4에 따른 구조에서는 기본 단위 내에서는 상기 도 2에서와 같은 반응 포인트를 가지면서, 기본 단위들 사이에서는 제 1 방향에 대면하는 대면부만을 가지는 바, 일방향으로의 전기화학반응이 일어난다.
도 2 및 도 4를 비교하면, 이와 같이 다수의 양극들(211, 212, 213)과 음극들(221, 222, 223)을 반복적으로 개재하여 캐패시터를 제조하는 경우에는, 동일한 부피내에서 하나의 양극 및 음극을 포함하는 경우보다 반응 면적을 더 넓힐 수 있어, 효율적으로 더욱 바람직하다.
한편, 도 2에서와 같이, 도면에 도시하지는 않았지만, 이 경우에는 최양단의 양극(211)과 음극(223)은 각각 양극 외부 입출력 단자 및 음극 외부 입출력 단자와 연결되어 있고 이들은 케이스(240) 외부로 노출되어 있으며, 이들 사이의 위치하는 양극들(212, 213) 및 음극들(221, 222)은 외부 입출력 단자에 연결되어 있지 않는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 양단의 전극들만 외부로 연결되고 사이의 각 전극은 유전체가 개재된 상태로 서로 분리되어 있는 구조가 가능하다.
다음으로 도 5를 참조하면, 양극(310)과 음극(320)을 하나씩 가지면서도 보다 반응 면적을 넓힐 수 있는 형태를 개시하고 있다.
즉, 캐패시터(300)은 양극(310)과 음극(320)에 결락부를 다수 형성하여 양극(310)과 음극(320)이 서로 톱니 형태로 맞물린 형상이 되도록 형성함으로써, 동일한 부피에서도 하나의 결락부를 형성한 도 2의 캐패시터(200)에 비해 보다 반응 면적을 넓힌 구조를 가질 수 있다.
이러한 구조에서 일어나는 전기화학반응 역시 빨간색 화살표로 표시하였다. 캐패시터(300)은, 다수의 제 1 방향에서 마주하는 제 1 대면부와 제 2 방향에서 마주하는 제 2 대면부를 모두 가지고, 이들 대면부에서 모두 상대 전극과 전기화학반응이 일어난다.
도 5 역시, 이들의 외부 구조를 도시하지는 않았지만, 양극(310)과 음극(320)은 각각 양극 외부 입출력 단자 및 음극 외부 입출력 단자와 연결되어 있고 이들은 케이스(340) 외부로 노출되어 있다.
도 6에는 도 5에서 도시한 형태의 전극구조체를 기본 단위로 하여 수평방향으로 반복 패턴을 가지는 구조의 캐패시터(400)가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 상기 도 5에서 도시한 것과 같은 구조의 양극(411) 음극(421), 및 이들 사이에 개재되는 유전체(431)가 하나의 기본 단위가 되어 수평방향으로 3개의 반복 패턴을 가지면서, 이러한 기본 단위들 사이에서 음극과 양극의 분리를 위한 유전체들(432, 434)이 추가로 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서 전체적으로는, 양극(411)/유전체(431)/음극(421)/유전체(432)/양극(412)/유전체(433)/음극(422)/유전체(434)/양극(413)/유전체(435)/음극(423)의 구조로 수평방향으로 배열되어 있으면서, 양극(411)과 음극(421), 양극(412)와 음극(422), 및 양극(413)과 음극(423)은 서로 상보적인 톱니 형태의 패턴을 가지는 한편, 기본 단위를 기준으로 할 때 두 개의 기본 단위가 만나는 부분, 즉, 음극(421)과 양극(412), 음극(422)과 양극(413)은 상보적인 패턴이 아닌 서로 일직선상으로 대면하는 구조로 이루어져 있다.
이러한 구조에서 역시, 양극들(411, 412, 413)과 음극들(421, 422, 423)이 대면하는 모든 부위에서 상대 전극과 전기화학반응이 일어난다. 이러한 전기화학반응을 역시 빨간색 화살표로 표시하였다.
도 6 역시, 이들의 외부 구조를 도시하지는 않았지만, 최양단의 양극(411)과 음극(423)은 각각 양극 외부 입출력 단자 및 음극 외부 입출력 단자와 연결되어 있고 이들은 케이스(440) 외부로 노출되어 있다.
도 7에는 평면 형상이 육각형인 구조의 캐패시터(500)가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 도 5와 유사하게, 하나의 양극(510)과 하나의 음극(520) 및 이들 사이에 개재되는 유전체(530)로 구성되고, 양극(510)과 음극(520)이 결락부를 다수 형성하여 양극(510)과 음극(520)이 서로 톱니 형태로 맞물린 형상의 구조로 이루어져 있으며, 이러한 구조에서 일어나는 전기화학반응 역시 빨간색 화살표로 표시하였다.
즉, 앞서 설명한 캐패시터들의 구조와 달리, 도 7에 따른 캐패시터(500)는 평면 형상은 육각형인 점에서 다르고, 이에 따라, 이러한 구조에 맞게 내부의 양극(510)과 음극(520)의 외면도 캐패시터(500)의 형상에 대응되는 형태로 이루어져 있다. 물론, 도 7에는 육각형의 구조만 도시되어 있으나, 이로 한정되는 것은 아니고, 다양하게 가능하다.
한편, 도 7 역시, 이들의 외부 구조를 도시하지는 않았지만, 양극(510)과 음극(520)은 각각 양극 외부 입출력 단자 및 음극 외부 입출력 단자와 연결되어 있고 이들은 케이스(540) 외부로 노출되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 캐패시터는, 하나 이상의 양극과 음극이 수평방향으로 배열되는 바, 단락의 위험성이 적어, 이들 사이에 분리막을 개재하지 않고, 빈공간을 형성하는 것으로도 분리가 가능하므로, 이들 사이의 간격을 더욱 줄일 수 있으므로, 반응속도를 더욱 높일 수 있으며, 이와 함께 전극들의 형상을 양극과 음극이 서로 상보적인 패턴으로 형성함으로써, 이들의 반응 면적을 늘려 반응 효율도 극대화시킬 수 있다.
상기 도면들은 본 발명의 하나의 구체적인 예들을 도시한 것이고, 캐패시터 내의 양극과 음극이 상기 양극과 음극 사이의 반응 면적을 넓힐 수 있는 형태로 결락부를 포함하는 경우라면 한정되지 아니한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 하나 이상의 양극, 하나 이상의 음극, 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 하나 이상의 유전체 또는 분리막을 포함하는 구조의 전극구조체; 및
    상기 전극구조체를 수납하는 케이스;
    를 포함하고 있으며,
    상기 전극구조체는 양극, 음극; 및 분리막 또는 유전체가 두께 방향과 수직인 수평 방향으로 배열되어 있고, 상기 양극 및 음극은, 서로 상보적인 패턴을 가지며,
    상기 유전체는 공기이며,
    상기 서로 상보적인 패턴은 상기 양극과 음극은 서로 상보적인 하나 이상의 결락부를 포함하고 있어서, 양극과 음극은 각각 보다 긴 방향의 제 1 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 1 대면부와, 양측 전극들이 상기 제 1 방향에 대해 90도(a)로 경사진 방향인 보다 짧은 방향의 제 2 방향에서 마주하는 하나 이상의 제 2 대면부를 가지는 형태이고,
    상기 양극과 음극은 각각 거울에 비친 ‘ㄱ’ 과 ‘ㄴ’의 형태를 갖으며,
    상기 전극구조체의 양단은 양극 및 음극이고, 각각 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있고,
    상기 양단에 위치하는 양극 및 음극 사이에 위치하는 전극들은 캐패시터의 외부 입출력 단자에 연결되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 및 음극의 모든 상기 제 1 대면부와 상기 제 2 대면부에서 상대 전극과 전기화학반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극구조체는 둘 이상의 양극, 둘 이상의 음극, 및 둘 이상의 분리막 또는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전극구조체는 하나의 양극 및 음극을 기본 단위로 수평방향으로 반복 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 양극과 음극 사이에는 유전체가 개재되는 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 캐패시터의 두께는 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 캐패시터.
  12. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 9 항 및 제 11 항 중 어느 하나에 따른 캐패시터를 보조 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지팩.
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