KR102266350B1 - 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법 - Google Patents

알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에 관한 것으로서, 알루미늄 고분자 커패시터를 반복해서 충방전하고, 충방전 후의 알루미늄 고분자 커패시터의 특성 변화값을 측정하고, 상기 특성 변화값이 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수에 근거하여, 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가함으로써, 단기간에 적은 비용으로 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가할 수 있다.

Description

알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING LIFE CYCLE OF ALUMINUM POLYMER CAPACITOR}
본 발명은 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에 관한 것으로서, 특히 사용하고자 하는 목적에 맞추어 고분자 커패시터의 특성이나 성능을 설계 및 조절할 수 있는 알루미늄 고분자 커패시터의 제조 방법에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
알루미늄 고분자 커패시터는 우수한 특성과 높은 신뢰성으로 인해 종래 액체전해질 사용 전해 커패시터 대체 용도 등으로 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 디지털 융복합 전자기기의 발달로 더 높은 성능, 신뢰성, 수명 등이 요구되고 있다.
성능 측면에서는 정격전압이 2.5V~16V 수준에서 100V까지 대폭 확대되고 있으며, 정전용량도 최대 1000㎌ 정도에서 3000㎌ 수준까지 증가하였고, 제품의 크기도 6~12㎜ 수준에서 15㎜까지 다양화되고 있다. 특히, 알루미늄 고분자 커패시터의 보증 수명은 105℃/2,000시간 수준에서 105℃/20,000시간, 125℃/4,000시간, 135℃/2,000시간으로 대폭 확대되고 있다.
한편, 일반적으로 커패시터의 보증 수명을 평가하기 위해서, 짧은 시간 내에 가혹한 조건에서 시험하는 가속 수명법이 많이 사용되고 있다.
가속 수명법의 일례로서, 알루미늄 고분자 커패시터의 경우, 커패시터의 온도를 높이고 정격전압을 인가한 상태에서 정해진 시간동안 연속적으로 부하를 걸어준 후, 초기 성능과 비교하여 수명을 평가하는 고온부하 수명평가 방법을 많이 사용한다. 고온부하 수명평가 방법에서는 다음과 같은 아레니우스 평가식에 근거하여 온도별 수명을 평가한다.
Figure 112019113478604-pat00001
여기서, Tx는 특정 온도, To는 보증 온도, Lx는 특정 온도에서의 추정 수명(시간), Lo는 보증 온도에서의 보증 수명(시간)을 나타낸다. 예를 들어 125℃, 4,000시간으로 보증된 커패시터의 105℃에서의 기대되는 추정 수명은 40,000시간으로 계산된다. 즉, 125℃에서 4,000시간 수명이 보증된 제품은 105℃에서 40,000시간 수명이 보증된다.
그러나 이러한 가속 수명법을 사용하더라도 여전히 상당한 시간동안 수명 평가를 진행해야 하며, 평가 시간을 줄이기 위해 평가 온도를 높일 경우, 커패시터의 물성에 변화나 왜곡이 발생할 우려가 있다. 또한, 135℃ 이상으로 온도를 높일 경우, 고무전과 같은 외부 하우징 재료가 변성 또는 파괴될 우려도 있다. 뿐만 아니라, 상기한 바와 같이 고성능 및 고수명의 커패시터들이 개발됨에 따라, 단기간에 신속하게 수명을 평가하는 것은 더욱 더 어려워지고 있다.
따라서 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가에서의 시간 및 비용의 문제를 개선할 수 있는 새로운 수명 평가 방법을 개발할 필요가 있다.
한국공개특허 제2003-0069806호
본 발명은 상기한 종래의 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에서의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 단기간에 적은 비용으로 커패시터의 수명을 평가할 수 있는 새로운 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법은, 알루미늄 고분자 커패시터를 반복해서 충방전하는 단계; 상기 충방전 후의 알루미늄 고분자 커패시터의 특성 변화값을 측정하는 단계; 및 상기 특성 변화값이 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수에 근거하여, 상기 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 충방전하는 단계는, 상기 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 시간을 변경하면서 방전할 수 있다.
또한, 상기 충방전하는 단계는, 상기 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 저항을 변경하면서 방전할 수 있다.
또한, 상기 충방전하는 단계는 상온에서 실행하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄 고분자 커패시터의 특성은, 정전용량, 유전손실, 등가직렬저항을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 고분자 커패시터는 정격전압 25V 이상의 고전압 커패시터일 수 있다.
본 발명의 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에 의하면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 적절한 충전 및 방전 조건 하에서 반복적인 충방전을 실행하여, 단시간에 저비용으로 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가할 수 있다.
둘째, 방전 시간을 변경하면서 최적의 방전 조건 하에서 충방전을 실행함으로써, 더욱 단기간에 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가가 가능하게 되어, 정확한 평가를 실시할 수 있다.
셋째, 상온에서 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가가 가능하므로, 고온의 평가 설비가 불필요하게 되어, 설비 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 알루미늄 고분자 커패시터의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 2는 알루미늄 고분자 커패시터의 충방전에 따른 양극 전극의 변화 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법을 흐름도로서 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 충방전 조건에 따른 정전용량의 변화를 그래프로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 온도 및 습도별 충방전 조건에 따른 정전용량의 변화를 그래프로 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
일반적으로 알루미늄 고분자 커패시터는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양극 전극(10), 음극 전극(20), 절연지(30), 전도성 고분자(40)를 포함하여 구성된다. 또한, 양극 전극(10)에는 유전체 산화피막이 형성되어 있고, 양극 전극(10)과 음극 전극(20)에는 외부 인출용 리드(Lead) 단자(50)가 부착되어 있다. 양극 전극(10) 및 음극 전극(20)과 그 사이에 삽입된 절연지(30)는 권취 테이프(60)에 의해 한꺼번에 감겨서 형성된다.
도 1과 같은 구조의 알루미늄 고분자 커패시터는 미세 다공성 양극 전극(10) 및 음극 전극(20)에 전도성 고분자(40)가 물리적으로 결착되어 있기 때문에, 충전과 방전을 반복하게 되면 고분자 커패시터의 내부 저항 및 누설전류 발생 부위에서 국부적으로 발생하는 주울 열에 의해 전도성 고분자에 열팽창이 발생한다. 이로 인해 전도성 고분자가 변성될 수 있어서 유전손실과 등가직렬저항이 증가하게 되고, 결국 전극(10, 20)의 유전체 표면으로부터 전도성 고분자(40)가 분리되어 정전용량이 급격히 감소하는 현상이 발생한다.
도 2에 온도, 습도, 충전 및 방전 시간에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 양극 전극(10)의 변화 상태를 나타내었다. 도 2로부터 반복적인 충방전에 의해 양극 전극(10)에 손상이 발생함을 알 수 있다. 도 2에서의 온도, 습도, 충전 및 방전 시간의 조건들은 추후 설명하는 실험예와 동일하게 설정하였다.
상기한 알루미늄 고분자 커패시터의 충방전 횟수와 특성 저하의 상관관계에 근거하여, 본 발명에서는 커패시터의 충방전 조건을 조절하여 단시간에 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. 특히, 본 발명에서는 알루미늄 고분자 커패시터의 전도성 고분자를 노화시키는 주된 파라피터가 방전 시간이라는 점을 밝혀내어, 이를 커패시터의 수명 평가에 적용하였다.
도 3에 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법을 흐름도로서 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 수명 평가 방법은, 먼저 알루미늄 고분자 커패시터를 반복해서 충방전한다(단계 100). 이때 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하고 동일한 저항을 연결하여 충방전을 실행한다.
충방전 단계(100)에서의 충전 시간 및 방전 시간은 다수의 시험을 통해 얻은 데이터에 근거하여 결정할 수 있으며, 특히, 방전 시간을 변경하면서 얻은 데이터에 근거하여 결정할 수 있다. 즉, 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 시간을 변경하면서 방전을 실행하여, 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가에 적용할 수 있다. 이는 방전 시간이 짧을수록 커패시터의 특성 저하가 급격히 나타나므로, 단기간에 수명 평가를 완료할 수 있기 때문이다.
또한, 방전 시간을 변경하는 대신에, 방전 저항을 변경하면서 방전을 실행할 수도 있다. 즉, 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 시에는 방전 저항을 변경하면서 방전을 실행하여, 수명 평가에 적용할 수 있다.
한편, 상기한 충방전은, 온도 등의 외부의 물리적 환경에 의한 고분자 커패시터 구성 재료의 영향을 최소화하고 경제성을 고려하여, 상온에서 실행한다. 이는 적정한 방전 속도가 유지될 경우, 온도에 따른 커패시터의 특성 변화가 크게 나타나지 않으므로, 종래와 같이 고온에서 평가 시험을 실행할 필요가 없기 때문이다.
다음으로, 충방전 후의 알루미늄 고분자 커패시터의 특성 변화를 측정한다(단계 200). 즉, 충방전으로 인해 발생한 알루미늄 고분자 커패시터의 특성에서의 변화값을 측정한다. 측정할 커패시터의 특성은 정전용량, 유전손실, 등가직렬저항 등을 포함한다.
다음으로, 상기 특성 변화값이 소정의 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수에 근거하여, 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가한다 (단계 300).
알루미늄 고분자 커패시터의 특성은 반복된 충방전으로 인하여 저하된다. 이러한 특성 변화값이 정상 상태의 범위를 벗어나는 임계값에 도달했을 때, 커패시터의 수명이 다한 것으로 판단할 수 있다. 따라서 특성 변화값이 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수 (즉, 충방전이 반복 실행된 전체 시간)에 근거하여 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예에 따른 수명 평가 방법은, 정격전압 25V 이상의 고전압 커패시터에 적용할 때에 더욱 유용하다. 고전압 커패시터의 경우, 종래의 고온부하 수명평가 방법으로는 장시간이 소요되기 때문이다.
이하에서는, 충방전에 따른 알루미늄 고분자 커패시터의 노화 시험에 대해 설명한다. 충방전 시간을 변경하면서 동일한 정격전압으로 충방전을 실행하고, 커패시터의 특성 변화를 측정하였다.
알루미늄 고분자 커패시터의 충방전 조건은 '30초 충전/330초 방전'의 1 사이클 조건을 기준으로 하고, '30초 충전/30초 방전' 1 사이클, '10초 충전/10초 방전' 1 사이클, '5초 충전/5초 방전'1 사이클로 구분하여, 커패시터에 충방전 부하를 인가하고 방전 조건을 기준으로 평가하였다.
<실험예 1: 제품 63V/68㎌, 시료 각각 20개 평균, 상온에서 1000시간 연속 충방전 실시, 충방전 사용 저항 1㏀>
- 실험예 1-1: 5초 충전, 5초 방전
- 실험예 1-2: 10초 충전, 10초 방전
- 실험예 1-3: 30초 충전, 30초 방전
- 실험예 1-4: 30초 충전, 330초 방전
- 기준: 연속충전

구 분		 용량 (㎌) 손실 (%) ESR (mΩ)
전 후 전 후 전 후
실험예 1-1 72.1 47.6 1.6 4.9 10.6 89.1
실험예 1-2 71.1 59.3 1.7 3.8 10.2 30.3
실험예 1-3 72.9 61.2 1.6 2.1 10.5 21.6
실험예 1-4 71.8 70.1 1.6 1.7 10.3 10.9
기준 71.4 71.3 1.6 1.6 10.1 10.2
상기 표에 나타낸 실험 결과에서 정전용량의 변화에 대해서는 도 4에 그래프로도 나타내었다.
상기한 실험결과에 의하면, 방전 시간이 짧을수록 급격한 정전용량 감소 현상이 발생하고, 이에 따라 유전손실이 증가하고 등가직렬저항이 급격히 증가한다. 이것은 방전 시간에 따라 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 단축이 일어남을 나타내며, 이를 통하여 커패시터의 수명을 예측할 수 있다.
<실험예 2: 제품 63V/68㎌, 시료 각각 20개 평균, 각 온도별로 2000시간 연속 충방전 실시, 충방전 사용 저항 1㏀>
- 실험예 2-1: 125℃, 30초 충전, 30초 방전
- 실험예 2-2: 125℃, 30초 충전, 330초 방전
- 실험예 2-3: 60℃/90%RH, 30초 충전, 330초 방전
- 실험예 2-4: 85℃/85%RH, 30초 충전, 330초 방전
- 기준: 125℃, 연속충전

구 분		 용량 (㎌) 손실 (%) ESR (mΩ)
전 후 전 후 전 후
실험예 2-1 71.7 57.4 1.7 6.8 10.5 101.3
실험예 2-2 72.2 71.5 1.7 2.0 10.6 11.9
실험예 2-3 72.8 71.3 1.6 2.1 10.3 11.7
실험예 2-4 71.1 70.4 1.6 1.9 10.4 11.8
기준 71.0 71.5 1.6 1.9 10.3 11.2
상기 표에 나타낸 실험 결과에서 정전용량의 변화에 대해서는 도 5에 그래프로도 나타내었다.
상기 실험 결과에 의하면, 방전 조건이 330초인 경우 내습부하 조건 60℃/90%RH, 85℃/85%RH에 따라 전도성 고분자의 변성이 거의 없었으며, 전극과 전도성 고분자와의 결착 상태에도 별다른 영향이 없으며, 이러한 결과는 125℃ 연속 충전에서도 동일하였다. 이는 적정한 방전 속도가 확보되면, 충방전이 반복되더라도 온도는 알루미늄 고분자 커패시터 수명에 별다른 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다. 상온에서 실험한 실험예 1-3 및 1-4와 비교하더라도, 온도에 따른 영향은 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그러나 방전 시간을 30초로 단축한 경우에는, 충방전이 반복될수록 정전용량이 급격히 감소하였다.
따라서 방전 시간이 알루미늄 고분자 커패시터의 노화 속도에 결정적인 영향을 준다는 사실을 알 수 있으며, 상온에서 커패시터의 수명 평가가 가능하므로, 수명 평가를 위해 고온의 평가 오븐과 같은 설비가 불필요하다.
이상 설명한 본 발명의 수명 평가 방법은, 정격전압 25V 이상의 고전압 알루미늄 고분자 커패시터 분야에 최적으로 적용될 수 있으며, 또한 다른 커패시터나 전자 부품의 제조에 적절히 응용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
10 양극 전극
20 음극 전극
30 절연지
40 전도성 고분자
50 리드 단자
60 권취 테이프

Claims (6)

  1. 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에 있어서,
    알루미늄 고분자 커패시터를 반복해서 충방전하는 단계;
    상기 충방전 후의 알루미늄 고분자 커패시터의 특성 변화값을 측정하는 단계; 및
    상기 특성 변화값이 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수에 근거하여, 상기 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 충방전하는 단계는, 상온에서 실행되는 것을 특징으로 하고,
    상기 알루미늄 고분자 커패시터의 특성은, 정전용량, 유전손실, 등가직렬저항을 포함하고,
    상기 알루미늄 고분자 커패시터는 정격전압 25V 이상의 고전압 커패시터인 것을 특징으로 하고,
    상기 충방전하는 단계는
    상기 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 시간을 변경하면서 방전하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법.

  2. 삭제
  3. 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법에 있어서,
    알루미늄 고분자 커패시터를 반복해서 충방전하는 단계;
    상기 충방전 후의 알루미늄 고분자 커패시터의 특성 변화값을 측정하는 단계; 및
    상기 특성 변화값이 임계값에 도달했을 때의 충방전 횟수에 근거하여, 상기 알루미늄 고분자 커패시터의 수명을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 충방전하는 단계는, 상온에서 실행되는 것을 특징으로 하고,
    상기 알루미늄 고분자 커패시터의 특성은, 정전용량, 유전손실, 등가직렬저항을 포함하고,
    상기 알루미늄 고분자 커패시터는 정격전압 25V 이상의 고전압 커패시터인 것을 특징으로 하고,
    상기 충방전하는 단계는
    상기 알루미늄 고분자 커패시터에 동일한 정격전압을 인가하여 일정한 시간동안 충전하고, 방전 저항을 변경하면서 방전하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 고분자 커패시터의 수명 평가 방법.

  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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