KR102317632B1 - 큰 표면적을 갖는 저 산소 밸브 금속 소결체 제조 방법 - Google Patents
큰 표면적을 갖는 저 산소 밸브 금속 소결체 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 밸브 금속, 특히 탄탈럼으로부터 소결체의 고 표면적에도 불구하고 저 산소 함량 및 애노드 바디에 매립된 와이어의 우수한 뜯김 저항을 갖는 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 밸브 금속으로부터 고 표면적에도 불구하고 저 산소 함량 및 우수한 애노드화성을 갖는 소결체(소결 펠릿)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 방법에 의해 얻을 수 있는 소결체 및 그의 전자 부품, 특히 커패시터를 위한 용도에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기술하는 방법에서의 사용에 특히 적합한 밸브 금속 분말에 관한 것이다.
이동 통신 전자제품을 위해 적합한 소형 설계 및 매우 큰 활성 커패시터 면적을 갖는 고체 전해 커패시터는 대부분 오산화 탄탈럼 장벽 층을 갖는 커패시터 모듈이고, 이는 적절한 전도성 탄탈럼 금속 담체에 적용되어 왔다. 이는 금속("밸브 금속")의 안정성, 비교적 높은 유전율 및 전기화학적 생산을 사용한 매우 균일한 층 두께로 제조할 수 있는 절연성 오산화물 층을 활용한다. 동시에 커패시터의 애노드인 금속 담체는, 매우 세밀하게 갈린 일차 구조 또는 이미 스폰지-유사인 이차 구조의 압축 및 소결에 의해 제조되는 고 다공성, 스폰지-유사 구조로 이루어진다. 이 맥락에서, 압축체의 기계적 안정성은, 커패시터의 실제 담체 구조 또는 애노드인 소결체를 제공하기 위한 추가적인 가공에 필수적이다. 지지 구조의 표면은 비결정질 오산화물로 전해 산화(애노드 산화; "형성")되고, 오산화물 층의 두께는 전해 산화의 최대 전압("형성 전압")에 의해 결정된다. 대향전극은 스폰지-유사 구조에 열에 의해 이산화 망가니즈로 전환되는 질산 망가니즈를 주입하거나, 중합체 전해질의 액체 전구체를 주입하고 중합함으로써 제조된다.
전극과의 접촉은 캐소드 측에는 리본 또는 와이어 형태로 출력 도체에서 흑연 및 전도성 은으로 구성되는 층 구조에 의해, 또한 애노드 측에는 탄탈럼 또는 니오븀으로 만들어진 와이어에 의해 형성되고, 이 와이어는 통상적으로 소결 작업 전에 금형에 삽입되고 커패시터 밖으로 빠져나온다. 와이어가 애노드 구조에 소결된 강도(뜯김 강도 또는 와이어 당김 강도)는 커패시터를 형성하기 위한 추가적인 가공에 필수적인 성질이다.
이러한 소결체의 제조에서 일반적인 문제는, 특히 탄탈럼이 사용될 때, 이로부터 제조되는 커패시터의 특성에 큰 영향을 미치는 산소 함량의 통제이다. 여러 연구가 완성된 탄탈럼 커패시터의 특성에 미치는 산소의 부정적 영향을 입증한다. 상승된 산소 함량은 탄탈럼 소결체의 형성 도중 쌓이는 비결정질 산화 탄탈럼의 원치않는 결정화를 유발할 수 있다. 비결정질 산화 탄탈럼은 뛰어난 절연체인 반면, 결정질 산화 탄탈럼은 적어도 낮은 전기 전도성을 갖고, 이는 상승된 누설 전류 또는 브레이크다운때문에 커패시터의 고장을 유발한다. 탄탈럼은 금속의 추가적인 산화를 막는 자연적인 산화 탄탈럼 부동층을 가지므로, 산소는 완전히 제거될 수 없고; 그 함량은 기껏해야 최소화될 수 있다. 약 3000 ppm*g/m2의 산소 함량이 부동태화에 필요하고, 이는 그렇지 않으면 탄탈럼 분말이 발화성이 되고 외기와의 접촉 시 탈 수 있기 때문이다. 탄탈럼의 자연적인 산화물층은 약 1 내지 2 nm의 두께를 갖고, 이는 약 3000 ppm*g/m2의 산소 함량에 대응하고 결국, 예를 들어, 2 m2/g의 비표면적을 갖는 분말 내에서 약 0.6 %의 함량을 이룬다. 따라서 문헌에서 "무-산소"로 기술한 탄탈럼 분말조차도 항상 적어도 이 산소 함량을 갖는다(예를 들어, 문헌 [Y. Freeman et al, J. Electrochem . Soc . 2010, vol. 157, no. 7, G161]; 문헌 [J. D. Sloppy, Pennsylvania State University, Thesis 2009, p. 180; Q. Lu, S. Mato, P. Skeldon, G. E. Thompson, D. Masheder, Thin Solids Films 2003, 429 (1-2), 238]; 문헌 [G. Battistig, G. Amsel, E. D'artemare, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research B, 1991, 61, 369-376]; 문헌 [L. Young, Trans. Faraday Soc . 1954, 50, 153-159]; 문헌 [V. Macagno, J. W. Schultze, J. Electroanal. Chem . 1984, 180, 157-170]; 문헌 [O. Kerrec in Transfert Electronique pour les systems de type M.O.E . modification des electrodes par constitution de structures de type M.O.M, Chimie 1992, Paris]을 참조할 것). 산소 함량은 탄탈럼 기재의 표면적에 정비례하기 때문에, 문제는 큰 표면적을 갖는 소결체의 경우 더욱 심각하다.
WO 02/45109 A1은 소결 및 탈산화에 더하여, 소결체에 질소를 소량 첨가하는 단계를 포함하는, 탄탈럼 또는 니오븀 커패시터 제조 방법을 개시한다. 이들 소결체는 무-산소 분위기에서 제조된다.
US 4,722,756은 탄탈럼 또는 니오븀 소결체 내의 산소 함량을 감소시키는 방법을 개시한다. 여기서 펠릿은 환원 물질의 존재하에서 수소 분위기에서 소결된다. 환원 물질은 베릴륨, 칼슘, 세륨, 하프늄, 란타넘, 리튬, 프라세오디뮴, 스칸듐, 토륨, 티타늄, 우라늄, 바나듐, 이트륨 또는 지르코늄, 및 이들의 합금 또는 혼합물로 이루어질 수 있다.
DE 33 09 891 C2는 이미 소결된 탄탈럼 소결체를 마그네슘과 같은 환원 금속의 존재하에서 탈산화하는, 전해 커패시터용 소결된 밸브 금속 애노드의 이-단계 제조 방법을 개시한다. 이는 소결체와 함께 금속을 반응 챔버에 도입하고 이들을 함께 650 ℃ 내지 1150 ℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다.
WO 2009/140274 A2는 내부의 밀도가 외부보다 높은 애노드를 개시한다. 이는 와이어 접합을 개선시키도록 의도된다. 펠릿의 탈산화를 위해, 마그네슘이 여기에 공급되고, 공정 온도는 마그네슘을 기화시키기에 충분히 높다.
DE 31 30 392 A1은 순수 응집된 밸브 금속 분말의 제조 방법을 개시하고, 여기에서 열 응집은 알루미늄, 베릴륨, 칼슘 또는 마그네슘과 같은 환원제의 존재하에서 비교적 낮은 온도에서 수행된다. 이 목적을 위해, 밸브 금속 분말은 예를 들어 마그네슘 분말과 강하게 혼합되고, 혼합물은 원통 형상을 갖는 성형체로 압축되고, 이는 이어서 1200 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 소결된다.
환원 조건하에서의 열적 후처리에 의해 또는 환원 조건하에서의 압분체 소결에 의해 탄탈럼으로 만들어진 소결체의 산소 함량을 낮출 수 있지만, 이들 방법은 매립된 와이어에 대한 소결체 접합의 손실 또는 적어도 뚜렷한 열화를 가져온다. 애노드 바디의 전기적 특성의 결과적인 저하는 이어서 커패시터의 완전한 고장 또는 적어도 현저한 수율 손실을 가져온다.
따라서 본 발명의 목적은 저 산소 함량을 갖는 동시에 우수한 와이어 접합을 갖는 밸브 금속 소결체의 제조 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 저 누설 전류 및 동시에 고 커패시턴스를 갖는 커패시터의 제조가 가능하다. 본 발명의 다른 목적은 종래의 저 산소 밸브 금속 소결체 제조 방법에 비해 짧은 처리 시간을 특징으로 하는, 밸브 금속 소결체 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 방법에 사용하기 특히 적합하고 개선된 소결 특성 및 개선된 소결체에 대한 와이어 접합을 가져오는 밸브 금속 분말을 제공하는 것이다.
상기 목적은 다음의 단계를 포함하는 소결체 제조 방법의 제공에 의해 본 발명에 따라 달성된다:
a) 밸브 금속을 포함하거나 이로 이루어지는 분말을 압축하는 단계,
b) 펠릿이 고체 또는 액체 환원제와 직접 접촉하지 않고 직접 접촉하게 되지 않도록 단계 a)에서 얻어진 펠릿을 환원제와 함께 제공하는 단계,
c) 분말이 소결되어 소결체를 형성하고 동시에 소결체 내의 밸브 금속의 산소 함량이 감소되는 방식으로 가열하는 단계; 및
d) 산화된 환원제를 무기산의 도움으로 제거하는 단계.
바람직한 밸브 금속 분말은, 특히 누설 전류에 부정적인 영향을 줄 수 있는 불순물의 함량 면에서 고순도이다. 나트륨 및 칼륨 함량의 총 합은 바람직하게는 5 ppm 미만, 보다 바람직하게는 2 ppm 미만이다. 철, 크로뮴 및 니켈 함량의 총 합은 바람직하게는 25 ppm 미만, 보다 바람직하게는 15 ppm 미만이다. ppm 값은 각각 질량부 기준이다.
고성능을 달성하지만 단지 작은 크기를 가질 수 있는 부품에 대한 시장을 만족시키는 것이 이동 통신 전자제품에서의 주요 과제이다. 따라서 분말이 소형 성형체(펠릿)로 압축되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다.
본 방법의 효율적인 운영을 담보하기 위해, 펠릿은 바람직하게는 자동 압축기의 도움으로 제조되어야 한다. 분말 내의 미세 분말의 비율이 분말의 표면적이 증가함에 따라 마찬가지로 증가하므로, 압축 금형이 막히거나 심지어 손상될 수 있는 위험이 증가한다. 따라서, 본 방법의 바람직한 실시태양에서, 분말은, 압축 보조제를 포함한다. 이들 압축 보조제는 결합제의 역할을 한다. 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말이 압축 보조제를 포함할 때, 본 발명에 따른 방법의 단계 a)와 b) 사이에 추가적인 탈결합 단계(탈결합제 단계)가 있다.
압축 보조제는 바람직하게는 폴리아크릴산 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 장뇌, 폴리에틸렌 카보네이트 및 스테아르산으로 이루어지는 군에서 선택된다. 압축 보조제는 바람직하게는 한편으로는 압축될 분말에 효율적으로 침투할 수 있지만, 다른 한편으로는 또한 압축 작업 후 낮은 난이도로 다시 제거될 수 있는 종류 및 양의 측면에서 선택된다.
압축 보조제가 사용되면, 압축 보조제가 압축 작업 후 펠릿으로부터 다시 제거되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다. 이 탈결합 작업은, 예를 들어, 열에 의해, 예를 들어 압축 보조제의 기화 또는 열분해에 의해, 또는 알칼리 분해에 의해 수행될 수 있다. 탈결합 방법은 추후 커패시터의 결함을 피하기 위해 바람직하게는 분말 내에 남아있는 탄소 함량이 가능한 한 낮도록 선택된다.
바람직하게는, 소결체의 탄소 함량이 각 경우 질량부 기준으로 200 ppm(백만분율) 미만, 더욱 바람직하게는 100 ppm 미만, 특히 50 ppm 미만 및 특히 40 ppm 미만 및 1 ppm 초과이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 분말은 4.5 g/cm3 내지 9 g/cm3의, 바람직하게는 5 g/cm3 내지 8 g/cm3의, 더욱 바람직하게는 5.5 g/cm3 내지 7.5 g/cm3의, 특히 5.5 g/cm3 내지 6.5 g/cm3의 압분체 밀도(green density)까지 압축된다.
커패시터의 중요한 요소는 전극에 대한 전기적 접촉이다. 전극과의 접촉은 캐소드 측에는 리본 또는 와이어 형태로 출력 도체에서 흑연 및 전도성 은으로 구성되는 층 구조에 의해, 또한 애노드 측에는 탄탈럼 또는 니오븀으로 만들어진 와이어에 의해 형성되고, 이 와이어는 통상적으로 소결 작업 전에 금형에 삽입되고 커패시터 밖으로 빠져나온다. 와이어가 애노드 구조 내에, 및 따라서 소결체 내에 소결된 강도, 즉 애노드 바디에 대한 와이어 접합은, 커패시터를 형성하기 위한 소결체의 추가 가공을 위한 필수적인 성질이다. 따라서, 분말이 와이어 근처에서, 바람직하게는 밸브 금속으로 만들어진 와이어 근처에서 압축되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시태양에서, 와이어는 소결체에 용접하여 접합된다.
와이어의 밸브 금속은 바람직하게는 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택된다. 또한 바람직하게는, 와이어 근처에서 압축되는 밸브 금속 분말은 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택되는 밸브 금속을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 와이어 및 분말 모두 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택되는 밸브 금속을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 0.05 내지 0.4 ㎛의 최소 치수를 갖는 응집된 일차 입자로 구성된다. 일차 입자는 바람직하게는 ASTM D3663로 측정한 1.5 내지 20 m2/g 범위의 비표면적을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 밸브 금속 분말의 입자 크기 분포는 ASTM B822로 측정한 2 내지 80 ㎛, 바람직하게는 2 내지 30 ㎛의 D10을 갖는다. 밸브 금속 분말은 바람직하게는 10 내지 200 ㎛, 바람직하게는 15 내지 175 ㎛의 D50을 갖는다. 또한 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 30 내지 400 ㎛, 바람직하게는 40 내지 300 ㎛ 범위의 D90을 갖는다. D50 및 D90 모두, 예를 들어, ASTM B822로 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 1.5 m2/g 내지 20 m2/g, 바람직하게는 2.0 m2/g 내지 15 m2/g, 특히 3.0 m2/g 내지 10 m2/g, 특히 4.0 m2/g 내지 8.0 m2/g의 BET 표면적을 갖는다. 본 발명의 맥락에서 BET 표면적은 브루나우어, 에메트 및 텔러의 방법(DIN ISO 9277)에 의해 측정한 비표면적을 나타낸다.
최대 활성 표면적을 달성하기 위해, 최대 개방 기공률을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 과도한 소결의 결과로 발생한 공극 막힘 또는 닫힌 공극의 형성은, 활성 커패시터 표면적의 손실로 이어진다. 이 손실은 질소 및/또는 인, 및 종래에는 또한 붕소, 규소, 황 또는 비소의 항-소결 소량 첨가물의 사용에 의해 방지할 수 있다. 그러나, 지나치게 높은 농도의 항-소결 소량 첨가물은 소결 활성의 감소를 가져오고, 이는 종종 현저하다. 따라서, 밸브 금속 분말이 각 경우 질량부 기준으로 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 내지 20 ppm 미만의 인 함량을 갖는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 항-소결 효과가 있는 것으로 알려진 물질 최소 함량을 갖는다. 특히 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 항-소결제의 임의의 유효량을 갖지 않는다.
바람직하게는, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 300 ppm 미만, 특히 300 ppm 미만 및 0.1 ppm 초과의 질소 함량을 갖는다.
더욱 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 10 ppm 미만, 특히 10 미만 및 0.01 ppm 초과의 붕소 함량을 갖는다.
또한 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 20 ppm 미만, 특히 10 ppm 미만 및 0.1 ppm 초과의 황 함량을 갖는다.
더욱 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 20 ppm 미만, 특히 20 ppm 미만 및 0.01 ppm 초과의 규소 함량을 갖는다.
더욱 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 10 ppm 미만, 특히 10 ppm 미만 및 0.01 ppm 초과의 비소 함량을 갖는다.
바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 20 ppm 미만 및 0.1 ppm 초과의 인 함량, 300 ppm 미만 및 0.1 ppm 초과의 질소 함량, 10 ppm 미만 및 0.01 ppm 초과의 붕소 함량, 20 ppm 미만 및 0.1 ppm 초과의 황 함량, 20 ppm 미만 및 0.01 ppm 초과의 규소 함량 및 10 ppm 미만 및 0.01 ppm 초과의 비소 함량을 갖는다.
밸브 금속은 이들의 산화물이 한 방향의 전류는 막지만 다른 방향으로는 흐르게 한다는 점에서 주목할 만하다. 이들 밸브 금속은, 예를 들어, 탄탈럼, 니오븀 및 알루미늄을 포함한다. 본 발명의 맥락에서 밸브 금속은 또한 합금일 수 있다. 밸브 금속의 다른 특징은 금속의 추가적인 산화 및 따라서 발화를 방지하는 밸브 금속 산화물의 부동층을 갖는 것이다. 산소 함량은 분말의 비표면적, 즉 질량부 기준 ppm으로의 산소 함량을 BET에 따라 측정한 비표면적으로 나눈 값에 기초한다.
통상적으로 대표적인 밸브 금속은 Al, Bi, Hf, Nb, Sb, Ta, W 및 Zr으로 이루어지는 군에서 선택된다. 이들 밸브 금속의 서로와의 합금이 또한 가능하다. 다른 실시태양에서, 본 발명의 맥락에서 밸브 금속은 또한 바람직하게는 Be, Ge, Mg, Si, Sn, Ti 및 V으로 이루어지는 군에서 선택되는 추가적인 금속을 갖는 전술한 밸브 금속의 합금일 수 있다.
밸브 금속의 비율이 전체 합금의 50 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 70 중량% 이상 및 특히 90 중량% 이상, 특히 95 중량% 이상 또는 98.5 중량% 이상, 또는 99.5 중량% 이상인, 밸브 금속의 추가적인 비-밸브 금속과의 합금이 바람직하다.
본 발명의 맥락에서 바람직한 밸브 금속은 탄탈럼 및 니오븀이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 각 경우 질량부 기준으로 3000 ppm*g/m2 초과, 특히 3500 ppm*g/m2 초과 및 더욱 바람직하게는 4100 ppm*g/m2 내지 8000 ppm*g/m2의 산소 함량을 갖는다. 산소 함량은 레코 인스트루멘테 게엠베하(Leco Instrumente GmbH)의 질소/산소 측정기 모델 TCH 600 장치를 사용하여 캐리어 기체 반응 융합에 의해 측정했다.
밸브 금속 분말이 ASTM B822로 측정한 15 내지 175 ㎛, 바람직하게는 20 내지 100 ㎛의 평균 입자 직경 D50을 갖는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 또한 바람직하다.
놀랍게도, 상승된 산소 함량 및 적고 정해진 양의 소결 저해제를 갖는 밸브 금속 분말의 사용이 소결체에 대한 와이어 접합 및 소결성 모두를 현저하게 증가시킨 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명은 다음의 성분을 포함하는 밸브 금속 분말을 또한 제공한다:
i) 4100 ppm·g/m2 초과, 바람직하게는 4100 ppm·g/m2 내지 8000 ppm·g/m2의 양의 산소,
ii) 임의적으로, 300 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 300 ppm의 양의 질소,
iii) 임의적으로, 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 붕소,
iv) 임의적으로, 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 10 ppm의 양의 황,
v) 임의적으로, 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 20 ppm의 양의 규소 및
vi) 임의적으로, 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 비소,
vii) 임의적으로, 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 20 ppm의 양의 인(ppm 값은 각각 질량부 기준이다).
특히 바람직한 본 발명의 밸브 금속 분말은 다음의 성분을 포함한다:
i) 4100 ppm·g/m2 초과, 바람직하게는 4100 ppm·g/m2 내지 8000 ppm·g/m2의 양의 산소,
ii) 300 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 300 ppm의 양의 질소,
iii) 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 붕소,
iv) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 10 ppm의 양의 황,
v) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 20 ppm의 양의 규소 및
vi) 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 비소,
vii) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 20 ppm의 양의 인(ppm 값은 각각 질량부 기준이다).
본 발명의 밸브 금속 분말의 산소 함량은 종래 기술 밸브 금속 분말의 산소 함량보다 높고, 따라서 외기와 금속의 접촉을 통해 금속 표면의 산화물층의 형성을 유발하는 통상적인, 즉 자연적인 산소 함량보다 높다. 본 발명의 밸브 금속 분말의 상승된 산소 함량은 특정 방식으로, 예를 들어, 산소를 사용한 금속 분말 처리를 통해 확립될 수 있다.
놀랍게도, 기술한 조성의 분말이 개선된 소결성 및 따라서 소결체에 대한 개선된 와이어 접합을 갖는다는 것을 확인했다. 종래 기술에 비해 상승된 밸브 금속 분말 내의 산소 함량 덕분에, 소결 작업 도중 펠릿 내에 더 높은 온도가 얻어지고, 그 결과 소결체에 대한 더 우수한 와이어 접합이 달성된다.
바람직한 실시태양에서, 밸브 금속 분말은 1.5 m2/g 내지 20 m2/g, 바람직하게는 2.0 m2/g 내지 15 m2/g, 특히 3.0 m2/g 내지 10 m2/g, 특히 4 m2/g 내지 8 m2/g의 BET 표면적을 갖는다.
추가로 바람직한 것은 0.05 내지 0.4 ㎛의 치수를 갖는 응집된 일차 입자로 이루어지는 밸브 금속 분말이다. 일차 입자는 바람직하게는 DIN ISO 9277로 측정한 1.5 내지 20 m2/g 범위의 비표면적을 갖는다. 추가로 바람직하게는, 밸브 금속 분말의 입자 크기 분포는 ASTM B822로 측정한 2 내지 80 ㎛, 바람직하게는 2 내지 30 ㎛의 D10을 갖는다. 밸브 금속 분말은 바람직하게는 10 내지 200 ㎛, 바람직하게는 15 내지 175 ㎛의 D50을 갖는다. 또한 바람직하게는, 밸브 금속 분말은 30 내지 400 ㎛, 바람직하게는 40 내지 300 ㎛ 범위의 D90을 갖는다. D50 및 D90 모두, 예를 들어, ASTM B822로 측정할 수 있다.
본 발명의 밸브 금속 분말은 바람직하게는 니오븀 및/또는 탄탈럼에서 선택된다.
특히 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 밸브 금속 분말은 본 발명에 따른 방법의 단계 a)에서 사용, 즉 압축된다.
바람직한 밸브 금속 분말은, 특히 누설 전류에 부정적인 영향을 줄 수 있는 불순물의 함량 면에서 고순도의 것이다. 나트륨 및 칼륨 함량의 총합은 바람직하게는 5 ppm 미만, 보다 바람직하게는 2 ppm 미만이다. 철, 크로뮴 및 니켈 함량의 총합은 바람직하게는 25 ppm 미만, 보다 바람직하게는 15 ppm 미만이다. ppm 값은 각각 질량부 기준이다.
커패시터 내의 상승된 산소 함량은 더욱 좋지 않은 전기적 특성을 가져온다. 예를 들어, 상승된 산소 함량은 본래 비결정질 밸브 금속 산화물이 비교적 높은 전기 전도성을 갖는 결정질 형태로 전환되도록 할 수 있다. 이 방식으로, 유전체의 절연 효과는 감소하고 커패시터는 더욱 소위 누설 전류를 갖는다. 금속의 부동태화로부터 발생하는 자연적인 산소 함량에 더하여, 비-환원 조건하에서 펠릿의 소결 도중 추가적인 산소의 편입이 있다. 따라서 소결 도중 펠릿 내의 산소 함량을 감소시키는 것이 중요하다. 이는 특히 소결 작업 도중 펠릿이 수축하고, 이는 표면적을 줄이고 결국 다공성 금속 복합재 내의 과량의 산소로 이어지기 때문에 특히 중요하다. 소결 도중 상승된 온도의 결과로, 실온에서의 경우보다 훨씬 많은 산소가 포화 한계까지 금속 격자에 포함될 수 있다. 이러한 포함은 금속 격자의 팽창으로 이어진다. 임계치를 넘자마자, 결정질 밸브 금속 산화물은 석출되고, 이는 기술한 부정적인 효과, 예를 들어 상승된 누설 전류를 일으킨다. 따라서, 펠릿의 소결이 동시에 탈산화와 병행되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다.
본 발명의 맥락에서 탈산화는 이미 환원된 금속으로부터, 예를 들어 금속 격자로부터의 과량의 산소의 제거이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 펠릿은 환원 분위기에서 소결된다. 종래 기술에서 공지된 방법은 분말의 환원제와의 혼합 또는 동시에 환원제를 소결체와 함께 가열하는 것이다. 그러나 이 방법은 이렇게 수행된 탈산화가 좋지 않은 와이어 접합을 가져온다는 단점을 갖고, 이는 와이어가 추가적인 가공 작업 도중 소결체로부터 떨어질 수 있고 소결체 상의 애노드 산화물 층의 생성 또는, 그 후, 이렇게 얻어진 애노드의 전기적 특성의 측정이 더는 불가능한 정도이다. 따라서 산소 함량이 낮춰지면서도, 동시에 소결체에 대한 와이어 접합이 충분히 견고한 방법이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 고체 또는 액체 형태의 환원제는 밸브 금속과 공간적으로 떨어져 있다. 환원제가 증발하는 실시태양이 바람직하다. 바람직한 온도에 이르자마자, 바람직하게는 천공된 니오븀 또는 탄탈럼 시트로 만들어진 바스켓 내에 있는 펠릿은, 증기 내에 담가 지고 펠릿 내의 산소는 환원제와 반응할 수 있다. 본 발명에 따른 실시태양의 바람직한 담금 작업은 달성될 펠릿 내의 온도가 더 높도록 하고, 이는 펠릿의 더 큰 수축 및 따라서 더 높은 치밀화를 가져온다. 놀랍게도, 이 효과는 특히 4100 ppm*g/m2 초과의 산소 함량을 갖는 본 발명의 밸브 금속 분말을 사용하는 경우에 발생하는 것으로 확인되었다. 펠릿의 궁극적인 수축은 탈산화 온도 및 지속 시간에 의해 확인될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 더욱 바람직한 실시태양에서, 마그네슘은 태블릿 위에 놓인다. 그 위에 탄탈럼 또는 니오븀의 천공된 시트가 매달리고 그 위에 펠릿이 존재한다. 이 경우, 마그네슘을 갖는 태블릿과 천공된 니오븀 시트 사이의 거리는, 예를 들어, 4 내지 8 cm일 수 있다. 마그네슘이 존재하는 태블릿은 가열된다. 펠릿 내의 산소는 마그네슘 증기와 접촉하게 되자마자 반응한다.
환원제 및 펠릿이 동일한 가공 챔버 내에 있지만, 서로 공간적으로 떨어져 있는 실시태양이 또한 바람직하다. 이 경우, 예를 들어 펠릿을 증기 내에 매닮으로써 환원제는 바람직하게는 먼저 증발되고 이어서 펠릿이 증기와 접촉한다. 이는 노동에 의한 전환 또는 한 가공 챔버에서 다른 가공 챔버로의 이어지는 증기의 통과를 없애고, 그 결과 시간 절약으로 이어진다. 또한, 펠릿을 증기에 담그는 것은 펠릿이 너무 많은 비표면적을 상실하는 것을 막는다.
여기에서도, 놀랍게도, 4100 ppm*g/m2 초과의 산소 함량을 갖는 본 발명의 밸브 금속 분말의 사용이 소결체에 대한 와이어 접합을 촉진하는 것으로 확인되었다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 펠릿의 탈산화는 불활성 캐리어 기체, 바람직하게는 아르곤 하에서 수행되고, 환원은 5 내지 650 hPa, 바람직하게는 40 hPa 초과, 특히 100 내지 400 hPa의 환원 금속의 부분 증기 압력에서 수행된다. 보다 바람직하게는, 불활성 기체 압력은 50 내지 800 hPa, 바람직하게는 600 hPa 미만, 특히 100 내지 500 hPa의 범위 내이다.
소결체 내의 밸브 금속의 산소 함량의 감소가, 대기압 미만의 압력에서, 바람직하게는 50 내지 800 hPa, 바람직하게는 600 hPa 미만, 특히 100 내지 500 hPa의 기체 압력에서 수행되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 또한 바람직하다.
소결 및 산소 함량의 감소를 유발하는 가열이, 800 ℃ 내지 1400 ℃, 바람직하게는 900 ℃ 내지 1200 ℃, 특히 900 ℃ 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다. 온도 범위는 바람직하게는 소결체의 산소 함량이 바람직한 정도에 들도록 선택된다. 산소는 펠릿의 소결을 저해하는 것으로 일반적으로 알려져있다. 산소 함량을 낮추는 것은 일반적으로 관습적인 것보다 낮은 온도에서 분말 입자 간 및 분말 입자와 매립된 와이어 사이의 보다 효율적인 소결을 가져온다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 환원제는 리튬 및 알칼리 토금속, 바람직하게는 마그네슘 또는 칼슘 및 특히 마그네슘에서 선택된다.
탈산화 도중 형성된 환원제의 산화 생성물은, 소결 도중 이미 증발하지 않았다면, 희석 무기산의 도움으로 소결체에서 씻겨나간다. 소결체에 대한 추가적인 기계적 응력을 피하기 위해, 이들은 바람직하게는 세척액과 함께 세척 용기에 도입된 천공된 니오븀 또는 스테인리스 강 시트 위에 놓인다. 용액은 교반되고, 교반 속도는 바람직하게는 소결체가 세척 작업 도중 움직이기 시작하지 않도록 조절된다. 바람직하게는, 환원제의 산화 생성물은 MgO 조성의 산화 마그네슘이다. 본 발명의 맥락에서 무기산은 임의의 탄소를 포함하지 않는 산, 예를 들어 염산, 황산, 질산 또는 인산이다.
탈산화 및 이어지는 세척 작업은 매립된 와이어가 소결체 내에 소결된 강도(와이어 당김 강도)를 감소시킨다. 소결체에 대한 와이어 접합은 소결제의 추가적인 가공 도중 와이어가 소결체에서 뽑히거나 분리될 정도로 감소될 수 있다. 그러나, 놀랍게도, 4100 ppm*g/m2 초과의 산소 함량을 갖는 본 발명의 밸브 금속 분말의 사용이 소결체에 대한 와이어 접합을 더욱 개선할 수 있다는 것을 확인했다. 다른 경우, 접합은 임의의 전기적 측정을 수행하는 것이 불가능할 정도로 낮고 소결체는 커패시터로 사용할 수 없게 된다. 당업자에게 공지된대로, 이 문제는 탈산화되고 세척된 소결체를 재소결함으로써 종래 기술에 따라 대응된다. 이는 애노드 바디에 대한 와이어 접합을 증가시키지만, 동시에 소결체 내의 산소 함량은 다시 상승한다.
탈산화된 소결체의 산소 함량이 2400 내지 3600 ppm*g/m2(ppm 값은 각각 질량부 기준이다)의 범위인 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다. 산소 함량은 레코 인스트루멘테 게엠베하의 질소/산소 측정기 모델 TCH 600 장치를 사용하여 캐리어 기체 반응 융합에 의해 측정했다.
연구는 탈산화되고 세척된 소결체의 수소 함량이 그냥 소결체에 비해 현저히 증가한 것을 나타냈다. 증가된 수소 함량의 결과로, 매립된 와이어의 취성이 증가할 뿐만 아니라, 전체적인 소결체가 또한 강도를 잃는다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시태양에서, 탈산화되고 세척된 소결체는 다시 가열된다. 여기에서 조건은 바람직하게는 수소가 증발하도록 선택되어야 한다. 놀랍게도, 이 추가적인 탈기체 단계가 가해진 소결체가 매립된 와이어의 개선된 접합을 갖는 것으로 확인되었다.
소결체에 대한 와이어 접합, 즉 "와이어 당김 강도"는 다음과 같이 측정했다: 애노드 와이어를 고정 플레이트의 직경 0.25 mm의 구멍을 통해 삽입하고 자유단을 침압계(샤티용(Chatillon), 모델: DFGS-50 및 LTCM-6 드라이브)의 고정 클램프에 고정시키고, 와이어가 애노드 구조, 즉 소결체에서 뽑힐 때까지 부하를 가했다.
놀랍게도, 애노드 와이어의 와이어 접합이 소결체 형성에 의해 개선될 수 있다는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 단계 d)에서의 산화된 환원제의 제거에 이어 단계 e)에서 소결체의 형성을 포함하는 실시태양이 바람직하다. 형성은 당업자에게 익숙한 과정이다.
이미 언급한 대로, 소결체에 대한 애노드 와이어의 와이어 접합은 소결체가 커패시터에서의 추후 사용에 적합한지를 궁극적으로 결정하는 중요한 기준이다. 놀랍게도, 탈산화 후의 와이어 접합은 매우 높지만 세척 후 현저히 감소하는 것으로 확인되었다. 또한, 소결체 형성 후의 와이어 접합이 다시 탈산화 후 및 세척 전의 그것에 필적하는 수준이라는 것이 확인되었다. 이는 형성 전에 애노드 와이어에, 예를 들어 리드프레임에 용접(전해질에 담그기 위해 애노드를 포함시키고 애노드를 연결하여 접촉시킴)하는 것으로부터 발생하는 기계적 응력이 있다는 점에서 중요하다. 기계적 응력은 와이어가 뽑히도록 할 수 있고, 이는 소결체가 추가적인 가공에 부적합하도록 만들어서, 이어지는 애노드 와이어의 고정이 불가능하게 한다. 또한, 탈산화 후의 산화된 환원제가 무기산의 도움으로 제거되는 세척 작업은, 필요한 제조 단계의 수를 늘리고, 이는 더 높은 경제적 지출 및 작업 복잡도로 이어진다.
따라서, 소결체로부터의 산화된 환원제의 제거가 동시에 형성을 수반하는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 바람직하다. 이 방식으로, 와이어 접합의 중대한 저하를 피할 수 있으면서도, 동시에 작업 순서가 최적화된다. 바람직한 실시태양에서, 산화된 환원제는 형성과 동시에 단계 d)에서 제거된다.
단계 d)에서의 형성이 액체 전해질의 존재하에서 수행되는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 또한 바람직하다. 이 경우, 액체 전해질은 바람직하게는 산화된 환원제를 소결체로부터 효율적으로 씻어내고 이것이 만족스럽게 형성되는 것이 담보되도록 선택된다. 놀랍게도, 산화된 환원제는, 특히 무기산의 도움으로 효율적으로 제거될 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 산화제, 예를 들어 과산화수소의 존재는 세척 결과에 유리한 효과를 줄 수 있다. 특히 세척 중의 수소 흡수가 이 방식으로 감소될 수 있다. 과산화수소 첨가의 경우, 형성 온도를 80 ℃ 미만의 온도로 낮추는 것이 추가적으로 가능하다.
따라서, 액체 전해질이 하나 이상의 무기산에 더하여 과산화수소(H2O2)를 포함하는 실시태양이 바람직하다.
바람직한 실시태양에서, 무기산은 황산, 인산, 염산, 질산 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택된다.
액체 전해질이 각 경우 액체 전해질의 총 중량 기준으로 하나 이상의 무기산을 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 8 중량%, 보다 바람직하게는 3 내지 6 중량%의 양으로 포함하는 본 발명에 따른 방법의 실시태양이 특히 바람직하다.
액체 전해질이 각 경우 액체 전해질의 총 중량 기준으로 0.1 내지 0.9 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 중량%의 양으로 과산화수소를 포함하는 실시태양이 또한 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시태양에서, 소결 단계에 이어 500 ℃ 미만, 바람직하게는 200 ℃ 내지 400 ℃에서 질화 작업이 이어진다. 이 과정에서, 소결체에, 예를 들어 냉각 도중, 질소가 공급된다. 소결체 표면이 단지 적은 양의 산소를 함유하므로, 질소는 소결체 표면의 일부를 점유할 수 있다. 이 방식으로, 표면의 산소 피복률이 감소된다. 바람직하게는, 소결체 내의 질소의 농도는 커패시터의 최소 누설 전류 및 최대 신뢰성이 보장되도록 선택된다.
바람직한 실시태양에서, 펠릿의 소결에 이어 소결체 표면의 산화에 의한 소결체의 부동화가 이어진다. 이 목적을 위해, 소결체는, 100 ℃ 미만의 온도로 냉각된 후, 반응기 내에 남는다. 이어서 소결체 표면의 부동태화는 바람직하게는 반응기 내로의 산소의 통제된 점진적인 도입에 의해 수행된다. 바람직하게는, 부동화는 소결에 이어, 그리고 소결체에 대한 질화 작업에 이어 온다.
바람직하게는, 환원제로부터 형성된 산화물은 이어서 묽은 무기산의 도움으로 씻겨나간다.
본 발명은 본 발명에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 소결체를 또한 제공한다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 소결체는 1.5 m2/g 내지 10 m2/g의, 바람직하게는 2 m2/g 내지 8 m2/g의 및 특히 3 m2/g 내지 6 m2/g의 BET 표면적을 갖는다. BET 표면적은 DIN ISO 9277로 측정되었다.
더욱 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 소결체는 바람직하게는 소결체에 결합된, 특히 그와 함께 압축된 밸브 금속으로 이루어지거나 이를 포함하는 와이어를 갖는다. 바람직하게는, 밸브 금속은 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택된다.
다른 바람직한 실시태양에서, 본 발명의 소결체는, 소결체에 용접된, 바람직하게는 밸브 금속으로 이루어진 와이어를 갖는다. 바람직하게는, 밸브 금속은 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택된다.
본 발명에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 소결체가 2000 ppm*g/m2 내지 4000 ppm*g/m2의, 바람직하게는 2500 ppm*g/m2 내지 3500 ppm*g/m2의, 특히 2700 ppm*g/m2 내지 3500 ppm*g/m2의 산소 함량을 갖는 실시태양이 또한 바람직하다. ppm 값은 각각 질량부 기준이다. 산소 함량은 레코 인스트루멘테 게엠베하의 질소/산소 측정기 모델 TCH 600 장치를 사용하여 캐리어 기체 반응 융합에 의해 측정했다.
바람직한 실시태양에서, 소결체는 바람직하게는 다음으로 이루어진 군에서 선택되는 소결 저해제를 포함한다;
i) 300 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 300 ppm의 양의 질소,
ii) 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 붕소,
iii) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 10 ppm의 양의 황,
iv) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 20 ppm의 양의 규소,
v) 10 ppm 미만, 바람직하게는 0.01 ppm 내지 10 ppm의 양의 비소 및
vi) 20 ppm 미만, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 20 ppm의 양의 인(ppm 값은 각각 질량부 기준이다).
본 발명의 소결체는 전자 부품, 특히 이동 통신 분야에서 사용되는 것들에 특히 적합하다.
따라서 본 발명은 전자 부품, 특히 커패시터를 위한 본 발명의 소결체의 용도를 또한 제공한다.
본 발명에 따른 방법을 다음의 실시예에 의해 설명하지만, 실시예는 본 발명의 개념을 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
도 1은 위에서 제시한 실시예 5에서 기술한 소결체의 이차 전자 현미경 사진을 나타낸다.
도 2는 표 4에서 비교예 3으로 사용한 소결체의 이차 전자 현미경 사진을 나타낸다.
도 1 및 2에 나타낸 현미경 사진은, 원소 대비를 통해, 소결체 내의 공극은 검정색으로, 산화 탄탈럼 침전물은 회색으로 그리고 탄탈럼은 흰색으로 나타낸다.
도 2에서 명확한 대로, 회색 부분의 비율이 높고, 이는 산화 탄탈럼의 뚜렷한 비율을 나타낸다. 반면, 이러한 회색 부분이 도 1에 따른 사진에는 전혀 없고, 이는 본 발명의 소결체가 훨씬 더 낮은 비율의 산화 탄탈럼을 갖는다는 것을 나타낸다.
도 2는 표 4에서 비교예 3으로 사용한 소결체의 이차 전자 현미경 사진을 나타낸다.
도 1 및 2에 나타낸 현미경 사진은, 원소 대비를 통해, 소결체 내의 공극은 검정색으로, 산화 탄탈럼 침전물은 회색으로 그리고 탄탈럼은 흰색으로 나타낸다.
도 2에서 명확한 대로, 회색 부분의 비율이 높고, 이는 산화 탄탈럼의 뚜렷한 비율을 나타낸다. 반면, 이러한 회색 부분이 도 1에 따른 사진에는 전혀 없고, 이는 본 발명의 소결체가 훨씬 더 낮은 비율의 산화 탄탈럼을 갖는다는 것을 나타낸다.
압축 보조제로서의 스테아르산 및 탄탈럼 와이어와 함께 탄탈럼 분말을 압축하여 6.0 g/cm3의 압축 밀도(pressed density)를 갖는 매립된 와이어를 갖는 펠릿을 얻었다. 스테아르산을 알칼리 가수분해(NaOH) 및 이어지는 물을 사용한 펠릿 세척에 의해 제거했다. 이어서 묽은 산으로 세척했다. 이는 펠릿이 50 ppm 미만의 탄소 함량 및 20 ppm 미만의 나트륨 함량을 갖는 효과를 달성했다. 마그네슘을 반응 챔버에서 가열했다. 원하는 온도가 달성되자마자, 천공된 니오븀 시트로 만들어진 바구니 내의 펠릿을 마그네슘 증기 내로 도입했다. 각 실험의 정확한 온도 및 시간은 표 2에서 확인할 수 있다. 이 방식으로 탈산화되고 소결된 펠릿을 당업자에게 공지된 통상의 방법에 의해 부동화했다. 탈산화 도중 형성된 MgO를 희석 황산의 도움으로 소결체에서 씻어냈다. 이를 위해, 소결체를 묽은 황산을 포함한 세척 용기에 도입된 천공된 니오븀 시트 위에 두었다. 소결체가 움직이기 시작하지 않도록 혼합물을 조심스럽게 교반했다.
사용된 탄탈럼 분말의 정확한 조성은 표 1 및 표 1a에 정리한다.
<표 1> (실시예 1 내지 9에 사용한 분말)
다음의 값이 분말에 대해 또한 측정되었다:
<표 1a*>
실시예 1 내지 4에서 사용된 탄탈럼 분말은 2992 ppm*g/m2의 산소 함량, 실시예 5 및 6에서 사용된 분말은 4155 ppm*g/m2의 산소 함량 및 실시예 7 및 9에서 사용된 분말은 3044 ppm*g/m2의 산소 함량을 가졌다.
표 2는 소결체 제조를 위한 소결 조건을 나타낸다. 본 발명의 실시예 1 내지 7 및 9는 위에서 기술한 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되었다.
비교예 1-4에 따른 소결체는 명시한 조건하에서 통상적인 방법에 의해 소결되었다.
<표 2>
이 방식으로 얻어진 소결체는 표 3에 정리한 조성을 나타냈다.
<표 3>
또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 소결체는 표 4에 정리한 특성을 가졌다:
<표 4>
소결체에 대한 와이어 접합, 즉 "와이어 당김 감도"(WPS)는 다음과 같이 측정했다: 애노드 와이어를 고정 플레이트의 직경 0.25 mm의 구멍을 통해 삽입하고 자유단을 침압계(샤티용, 모델: DFGS-50 및 LTCM-6 드라이브)의 고정 클램프에 고정시키고, 와이어가 애노드 구조, 즉 소결체에서 뽑힐 때까지 부하를 가했다.
소결체를 0.1 % 인산에 담그고 150 mA/g로 제한된 전류에서 10 V(비교예 1 내지 4 및 실시예 1 내지 6) 또는 17.5 V(비교예 3a 및 실시예 8 및 10)의 형성 전압까지에서 형성했다. 실시예 10으로 나타낸 소결체 형성을 위해, 5 중량%의 황산 및 0.5 중량%의 과산화수소가 첨가된 수성 전해질을 사용했고(중량 값은 각각 수성 전해질의 총 중량 기준임), 형성 전압은 17.5 V였다. 전류가 떨어진 후, 전압은 세 시간 동안 유지되었다.
각 공정 단계에서의 와이어 접합과 관련된 분석 결과를 표 5에 정리한다. 표로부터 알 수 있는 대로, 표 1, 실시예 3에 따른 분말로 제조된 소결체는, 산화된 환원제가 씻겨나간 후 매우 낮은 와이어 접합(실시예 7)을 갖고, 이는 소결체가 기계적 응력에 대해 높은 민감성을 받는다는 것을 의미한다. 와이어 접합은 17.5 V에서의 형성 후 다시 상승한다(실시예 8). 반면, 탈산화 직후의 소결체는 비교적 높은 와이어 접합을 가졌다(실시예 9). 실시예 10으로부터 알 수 있는 대로, 높은 와이어 접합은 소결체가 탈산화 직후, 5 중량%의 황산 및 0.5 중량%의 과산화수소가 수성 전해질에 첨가되는 병행된 세척 및 형성 단계를 받을 때 얻어질 수 있다. 이 방식으로, 가공 도중의 와이어 접합 저하를 피할 수 있다. 따라서 한 공정 단계를 생략할 수 있고, 이는 소결체 제조 방법이 덜 시간 소모적이고 더 비용 효율적이도록 만든다. 또한, 소결체는 전체 기간을 통해 높은 와이어 접합을 갖고, 그 결과 기계적 응력에 의한 임의의 손상, 예를 들어 와이어가 뽑히는 것을 피할 수 있다.
<표 5>
표 7로부터 알 수 있는 대로, 병행된 세척 및 형성 단계는 소결체의 전기적 특성에 아무런 부정적인 영향을 미치지 않는다(표 7, 실시예 10). 기재된 데이터는 대신 산화된 환원제의 제거 및 형성이 두 별개의 가공 단계에서 수행되는 소결체의 그것에 필적하는 범위 내이다(표 7, 실시예 8). 전기적 특성이 비교예 3a로 표 7에 비교예로 기록된 소결체는 17.5 V의 형성 전압을 사용하여, 비교예 3과 유사하게 제조했다.
커패시턴스 측정을 위해, 18 % 황산으로 구성된 캐소드를 사용했다. 측정은 1.5 V의 바이어스 전압을 동시에 가하면서 20 Hz 및 120 Hz의 AC 전압을 사용하여 수행했다.
이렇게 얻어진 소결체에 대해, 표 6에 정리한 특성을 확인했다.
<표 6>
<표 7>
제시한 데이터로부터 알 수 있는 대로, 제조된 소결체 내의 산소 함량은 현재의 표준 방법에 의해 얻을 수 있는 소결체보다 훨씬 낮다. 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 소결체는 또한 애노드 바디에 매립된 와이어의 뜯김 저항이 감소되는 보통의 단점을 보이지 않는다. 본 발명의 탈산화 후의 소결체 세척 및 소결체 형성의 병행은 공정 도중 와이어 접합의 일시적인 저하를 추가로 피할 수 있다. 소결체는 또한 더 낮은 누설 전류를 갖는다.
표 4의 값으로부터 알 수 있는 대로, 비교적 높은 산소 함량(4155 ppm*g/m2)을 갖는 탄탈럼 분말을 사용하여 제조된 소결체는 해당 기술분야에서 관습적인 산소 함량(2992 ppm*g/m2)을 갖는 탄탈럼 분말을 사용하여 제조된 소결체보다 더 우수한 와이어 접합을 갖는다. 당업자에게 공지된 대로, 와이어 접합은 소결 조건에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 동일한 조건하에서 소결된 소결체의 비교만 가능하다. 따라서, 실시예 1의 실시예 5와의 비교 및 실시예 2의 실시예 6과의 비교는 본 발명에 따라 달성된 와이어 접합의 개선을 나타낸다.
비교예가 비슷한 본 발명의 소결체보다 훨씬 높은 누설 전류를 갖는 것으로 추가로 확인되었다. 비교예 1에 따라 저온에서 제조된 소결체는 전기적 특성의 측정을 수행하기에 충분한 접합을 갖지 않는 것으로 추가로 확인된다. 비교 소결체 2 또한, 10 중 2 소결체만이 측정에 적합한 것으로 확인되었다.
Claims (28)
- i) 4100 ppm·g/m2 초과 내지 8000 ppm·g/m2의 양의 산소,
ii) 0 ppm 내지 300 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 300 ppm 미만의 양의 질소,
iii) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 붕소,
iv) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 황,
v) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 규소,
vi) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 비소, 및
vii) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 인
을 포함하고, 여기서 ppm 값은 각각 질량부를 기준으로 하는 것인 밸브 금속 분말. - 제1항에 있어서, 1.5 m2/g 내지 20 m2/g, 또는 2.0 m2/g 내지 15 m2/g, 또는 3.0 m2/g 내지 10 m2/g, 또는 4.0 m2/g 내지 8.0 m2/g의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 금속 분말.
- 소결체를 제조하는 방법이며,
a) i) 4100 ppm·g/m2 초과 내지 8000 ppm·g/m2의 양의 산소,
ii) 0 ppm 내지 300 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 300 ppm 미만의 양의 질소,
iii) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 붕소,
iv) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 황,
v) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 규소,
vi) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 비소, 및
vii) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 인
을 포함하고, 여기서 ppm 값은 각각 질량부를 기준으로 하는 것인 밸브 금속 분말을 압축하는 단계이며, 상기 분말은 와이어 근처에서 압축되는 것을 특징으로 하는 단계,
b) 펠릿이 고체 또는 액체 환원제와 직접 접촉하지 않고 직접 접촉하게 되지 않도록 단계 a)에서 얻어진 펠릿을 환원제와 함께 제공하는 단계,
c) 분말이 소결되어 소결체를 형성하고 동시에 소결체 내의 밸브 금속의 산소 함량이 감소되는 방식으로 가열하는 단계; 및
d) 산화된 환원제를 무기산의 도움으로 제거하는 단계
를 포함하고, 여기서 소결체의 산소 함량은 2400 내지 3600 ppm·g/m2인 방법. - 제3항에 있어서, 단계 c)에서의 가열이 800 ℃ 내지 1400 ℃, 또는 900 ℃ 내지 1200 ℃, 또는 900 ℃ 내지 1100 ℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 환원제가 리튬 및 알칼리 토금속, 또는 마그네슘 또는 칼슘으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 밸브 금속 분말이 1.5 m2/g 내지 20 m2/g, 또는 2.0 m2/g 내지 15 m2/g, 또는 3.0 m2/g 내지 10 m2/g, 또는 4 내지 8 m2/g의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 분말이 밸브 금속으로 만들어진 와이어 근처에서 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 고체 또는 액체 형태의 환원제가 밸브 금속과 공간적으로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 분말이 4.5 g/cm3 내지 9 g/cm3, 또는 5 g/cm3 내지 8 g/cm3, 또는 5.5 g/cm3 내지 7.5 g/cm3, 또는 5.5 g/cm3 내지 6.5 g/cm3의 압분체 밀도(green density)까지 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 분말이 압축 보조제를 포함하고, 상기 방법은 분말이 압축 보조제를 포함할 때 단계 a)와 단계 b) 사이에 탈결합 단계를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서, 압축 보조제가 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 글리콜, 장뇌, 폴리에틸렌 카보네이트 및 스테아르산으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 소결 단계 c) 이후에
500 ℃ 미만, 또는 200 ℃ 내지 400 ℃의 온도에서의 질화 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제3항 또는 제4항에 있어서, 밸브 금속 분말이 탄탈럼 및 니오븀으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 밸브 금속 분말이 10 내지 200 ㎛의, 또는 15 내지 175 ㎛의 평균 입자 직경 D50을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 소결체 내의 밸브 금속의 산소 함량의 감소가 대기압 미만의 압력에서, 또는 50 내지 800 hPa, 또는 50 내지 600 hPa 미만, 또는 100 내지 500 hPa의 기체 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 단계 d) 이후에 형성 단계 e)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 단계 d)에서의 산화된 환원제의 제거가 동시에 소결체의 형성을 수반하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 단계 d)에서의 형성이 액체 전해질의 존재하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 액체 전해질이 하나 이상의 무기산에 더하여 과산화수소(H2O2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제18항에 있어서, 무기산이 황산, 인산, 염산, 질산 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항 또는 제4항에 기재된 방법에 의해 얻어지는 소결체이며, 2000 내지 4000 ppm·g/m2의 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 소결체.
- 제21항에 있어서, 1.5 내지 10 m2/g, 또는 2 내지 8 m2/g, 또는 3 내지 6 m2/g의 BET 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 소결체.
- 제21항에 있어서, 2500 내지 3500 ppm·g/m2, 또는 2700 내지 3500 ppm·g/m2의 산소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 소결체.
- 제21항에 있어서,
i) 0 ppm 내지 300 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 300 ppm 미만의 양의 질소,
ii) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 붕소,
iii) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 황,
iv) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 규소,
v) 0 ppm 내지 10 ppm 미만, 또는 0.01 ppm 내지 10 ppm 미만의 양의 비소, 및
vi) 0 ppm 내지 20 ppm 미만, 또는 0.1 ppm 내지 20 ppm 미만의 양의 인
으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있는 소결 저해제를 포함하는 것을 특징으로 하고, 여기서 ppm 값은 각각 질량부를 기준으로 하는 것인 소결체. - 제21항에 따른 소결체를 포함하며, 전자 부품 또는 커패시터인 물품.
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