KR102436125B1 - 에어로젤 커패시터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

에어로젤 커패시터 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터는 동심원 형상으로 형성되는 에어로젤, 유전체층 및 도전체층을 포함하는 튜브 형상의 커패시터 구조체 및 상기 커패시터 구조체를 둘러싸는 지지체를 포함하는 기판, 및 상기 기판 상에 마련되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 에어로젤과 접속되고, 상기 제2 전극은 상기 도전체층과 접속될 수 있다.

Description

에어로젤 커패시터 및 이의 제조 방법{AEROGEL CAPACITOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 에어로젤 커패시터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
적층 세라믹 콘덴서(MLCC: multi layer ceramic condenser)의 용량이 한계에 부딪침에 따라 고용량을 가지는 커패시터가 지속적으로 개발되고 있으며, 특히, 최근 에어로젤(Aerogel)을 이용한 커패시터가 개발되고 있다.
에어로젤은 액체와 기체 사이의 에너지와 밀도를 가지고, 특이한 물리적 성질을 가지는 새로운 형태의 물질이다. 에어로젤은 졸-겔(sol-gel) 용액 반응(solution reaction)으로 형성된 겔 용액(gel solution)을 공기(air)로 치환함으로써 형성되고, 이로써, 공기보다 가벼운 저밀도(low density) 에어로젤 구조물이 제조될 수 있다.
원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition)을 이용하여, 에어로젤 구조물에, 메탈/유전체/메탈(metal/dielectric/metal)의 적층 구조를 형성하는 에어로젤 커패시터는 단위 부피당 고표면적의 특성으로 주목을 받고 있다. 최근, 다공성(porous)의 구조를 가지는 에어로젤 커패시터가 개발되고 있으나, 에어로젤 커패시터에 외부 전극을 형성하는 방법 및 외부 전극과 내부 전극의 연결 방법에 관해 제시하는 문헌은 개시되어 있지 않다.
본 발명의 과제는 커패시터 구조체의 내부 전극에 외부 전극을 용이한 방식으로 연결할 수 있는 에어로젤 커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터는 동심원 형상으로 형성되는 에어로젤, 유전체층 및 도전체층을 포함하는 튜브 형상의 커패시터 구조체 및 상기 커패시터 구조체를 둘러싸는 지지체를 포함하는 기판, 및 상기 기판 상에 마련되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 에어로젤과 접속되고, 상기 제2 전극은 상기 도전체층과 접속될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터는 커패시터 구조체의 내부 전극에 외부 전극을 용이한 방식으로 연결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 구조체의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
도 4은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 일 예로, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 에어로젤 커패시터는 기판(100) 및 전극부(200)를 포함할 수 있다.
기판(100)은 커패시터 구조체(110) 및 지지체(120)를 포함할 수 있다. 커패시터 구조체(110)는 튜브 형상으로 형성될 수 있다. 튜브 형상으로 형성되는 커패시터 구조체(110)는 적어도 하나 구비될 수 있고, 적어도 하나의 커패시터 구조체(110)는 길게 연장되어, 얇은 튜브가 얽혀 있는 형태로 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터 구조체의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 커패시터 구조체(110)는 에어로젤(111), 에어로젤(111)에 증착되는 유전체층(112) 및 유전체층(112)에 증착되는 도전체층(113)을 포함할 수 있다. 커패시터 구조체(110)는 에어로젤(111)을 중심에 두고, 유전체층(112) 및 도전체층(113)이 동심원 형상으로 순차적으로 형성될 수 있다.
에어로젤(111)은 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 및 멀티-월 탄소 나노 튜브(Multi-wall CNT)를 중 하나를 포함할 수 있다. 에어로젤(111)은 커패시터 구조체(110)의 중심체에 해당한다. 에어로젤(111)은 커패시터 구조체(110)의 전체 구조와 유사하게, 튜브 형상으로 형성되고, 튜브 형상의 에어로젤(111)은 길게 연장되어, 얇은 튜브가 얽혀 있는 형태로 배치될 수 있다. 에어로젤(111)은 기판(100) 내에서 얇은 튜브가 얽혀 있는 형태로 배치되어, 에어로젤(111)은, 에어로젤(111)이 배치되지 않는 기판(100) 내부의 영역에, 공간이 마련되는 다공성 구조를 형성할 수 있다.
유전체층(112) 및 도전체층(113)은 에어로젤(111)에 순차적으로 형성될 수 있다. 유전체층(112)은 튜브 형상의 에어로젤(111)을 둘러싸는 형태로 에어로젤(111) 상에 마련되어, 유전체층(112) 또한 내부에 에어로젤(111)을 포함하는 튜브 형상으로 형성될 수 있다. 유전체층(112)과 유사하게, 도전체층(113)은 튜브 형상의 유전체층(112)을 둘러싸는 형태로 유전체층(112) 상에 마련되어, 도전체층(113) 또한 내부에 유전체층(112)을 포함하는 튜브 형상으로 형성될 수 있다. 일 예로, 유전체층(112) 및 도전체층(113)은 원자 층 증착법(ALD: atomic layer deposition)에 의해 순차적으로 형성될 수 있다.
에어로젤(111)-유전체층(112)-도전체층(113)의 구조로 형성되는 커패시터 구조체(110)는 기판(100) 내에서, 커패시터로 기능할 수 있다. 여기서, 에어로젤(111)과 도전체층(113)은 커패시터 구조에서 내부 전극에 해당할 수 있고, 유전체층(112)은 커패시터 구조에서 유전체에 해당할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 지지체(120)는 커패시터 구조체(110)를 둘러쌀 수 있다. 지지체(120)는 얇은 튜브가 얽혀 있는 형태의 커패시터 구조체(110)가 배치되지 않는 기판(100)의 다공성 영역을 충진할 수 있다. 기판(100)의 다공성 영역의 내부 공간에 지지체(120)가 투입되어, 기판(100)의 외관이 형성될 수 있다. 일 예로, 지지체(120)는 폴리머 및 에폭시 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전극부(200)는 기판(100)에 마련될 수 있고, 전극부(200)는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 에어로젤 커패시터(10)의 외부 전극에 해당할 수 있다.
제1 전극(210)은 에어로젤(111)과 접속할 수 있고, 제2 전극(220)은 도전체층(113)과 접속할 수 있다.
상술한 바와 같이, 커패시터 구조체(110)는 에어로젤(111)에 유전체층(112) 및 도전체층(113)을 순차적으로 증착하여, 형성될 수 있다. 이 때, 제1 전극(210)은 유전체층(112) 및 도전체층(113)의 증착 전에, 에어로젤(111)과 접속될 수 있다. 이 후, 에어로젤(111) 및 제1 전극(210)이 접속된 상태에서, 에어로젤(111) 상에 유전체층(112) 및 도전체층(113)을 순차적으로 증착되어, 커패시터 구조체(110)가 형성될 수 있다.
제2 전극(220)은 유전체층(112) 및 도전체층(113)의 증착 후에, 다공성 구조의 커패시터 구조체(110)와 접속되어, 결과적으로, 커패시터 구조체(110)의 최외층에 해당하는 제2 전극(220)과 도전체층(113)이 접속될 수 있다. 도전체층(113) 및 제2 전극(220)이 접속된 상태에서, 기판(100)의 다공성 영역에 지지체(120)가 투입될 수 있다.
도 1에서, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)이 기판(100)의 상면에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 기판(100)의 측면 및 하면 중 적어도 하나에 형성될 수 있고, 또한, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)이 기판(100)의 서로 다른 면에 형성될 수 있다.
또한, 도 1에서 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)이 솔리드 전극으로 도시되어 있으나, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 접촉 면적 증대를 위하여, 메쉬 형태로 형성되는 도체선에 의해 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
도 3의 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10a)는 도 1의 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10)와 유사하므로, 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 전극부(200)의 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각은 적어도 하나의 홀(Hall)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 중 적어도 하나에 적어도 하나의 홀이 마련될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10a)는 에어로젤(111) 및 제1 전극(210)이 접속된 상태에서, 에어로젤(111)에 유전체층(112) 및 도전체층(113)을 순차적으로 증착되어, 커패시터 구조체(110)가 형성된다. 이 후, 커패시터 구조체(110)의 최외층에 해당하는 도전체층(113) 및 제2 전극(220)이 접속된 상태에서, 기판(100)의 다공성 영역에 지지체(120)가 투입되어 제조된다.
이와 같이, 제1 전극(210)과 에어로젤(111)이 접속된 상태에서, 에어로젤(111)에 유전체층(112) 및 도전체층(113)을 순차적으로 증착하는 경우, 증착되는 유전체층(112) 및 도전체층(113)이 제1 전극(210)에 의해 차단되어, 수율이 낮아질 수 있고, 유사하게, 제2 전극(220)과 도전체층(113)이 접속된 상태에서, 지지체(120)를 투입하는 경우, 투입되는 지지체(120)가 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)에 의해 차단되어, 수율이 낮아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(210)에 적어도 하나의 홀을 마련하여, 홀을 통해, 에어로젤(111)에 유전체층(112) 및 도전체층(113)을 순차적으로 용이하게 증착하는 한편, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)에 적어도 하나의 홀을 마련하여, 홀을 통해, 다공성 구조의 커패시터 구조체(110)의 내부 공간에 지지체(120)를 용이하게 충진할 수 있다.
도 4은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터의 사시도이다.
도 4의 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10b)는 도 1의 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10)와 유사하므로, 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 4을 참조하면, 전극부(200)는 제1 전극(210)과 연결되는 적어도 하나의 보조 전극(230) 및 비아(240)를 더 포함할 수 있다. 비아(240)는 적어도 하나의 보조 전극(230)을 상호 연결하고, 제1 전극(210)과 적어도 하나의 보조 전극(230)을 연결할 수 있다. 제1 전극(210)은 기판(100)의 일면에 마련될 수 있고, 적어도 하나의 보조 전극(230) 및 비아(240)는 기판(100) 내에 매립될 수 있다. 적어도 하나의 보조 전극(230)은 기판(100) 내에서 서로 다른 레이어에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로젤 커패시터(10b)는 적어도 하나의 보조 전극(230) 및 비아(240)가 마련되는 영역에, 에어로젤(111)을 형성하여, 에어로젤(111)과 적어도 하나의 보조 전극(230) 및 비아(240)를 전기적으로 연결하고, 에어로젤(111)의 일측으로 노출되는 비아와 제1 전극(210)을 전기적으로 연결함으로써, 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(100) 내부에 제1 전극(210)과 전기적으로 연결되는 보조 전극(230)을 마련하여, 내부 전극으로 이용되는 에어로젤(111)과 외부 전극의 접촉 면적을 증대함으로써, 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서, 전극부(200)가 제1 전극(210)과 연결되는 보조 전극(230) 및 비아(240)를 포함하는 것으로 기술되어 있으나, 실시예에 따라 전극부(200)는 제2 전극(220)과 연결되는 보조 전극 및 비아를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 전극(220)과 연결되는 보조 전극 및 비아는 도전체층(113)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 기판
110: 커패시터 구조체
111: 에어로젤
112: 유전체층
113: 도전체층
120: 기판
200: 전극부
210: 제1 전극
220: 제2 전극
230: 보조 전극

Claims (15)

  1. 동심원 형상으로 형성되는 에어로젤, 유전체층 및 도전체층을 포함하는 튜브 형상의 커패시터 구조체 및 상기 커패시터 구조체를 둘러싸는 지지체를 포함하는 기판; 및
    상기 기판 상에 마련되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부; 를 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 에어로젤과 접속되고, 상기 제2 전극은 상기 도전체층과 접속되며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 상기 기판으로 연장된 적어도 하나의 홀을 포함하는 에어로젤 커패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에어로젤은,
    탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 및 멀티-월 탄소 나노 튜브(Multi-wall CNT)를 중 하나를 포함하는 에어로젤 커패시터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커패시터 구조체는,
    상기 에어로젤을 중심에 두고, 상기 유전체층 및 상기 도전체층이 순차적으로 형성되는 에어로젤 커패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층 및 상기 도전체층은 상기 에어로젤 상에 순차적으로 증착되는 에어로젤 커패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유전체층 및 상기 도전체층은 원자 층 증착법에 의해 증착되는 에어로젤 커패시터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어로젤 및 상기 도전체층은 커패시터 구조에서 내부 전극에 해당하고, 상기 유전체층은 커패시터 구조에서 유전체에 해당하는 에어로젤 커패시터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극부는,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나와 연결되고, 상기 기판 내에 형성되는 적어도 하나의 보조 전극 및 비아를 포함하는 에어로젤 커패시터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 보조 전극은 상기 기판 내에서 서로 다른 레이어에 마련되는 에어로젤 커패시터.
  10. 튜브 형상으로 형성되는 에어로젤을 마련하는 단계;
    상기 에어로젤과 제1 전극을 접속하는 단계;
    상기 에어로젤 상에 순차적으로 유전체층 및 도전체층을 형성하는 단계; 및
    상기 도전체층과 제2 전극을 접속하는 단계; 를 포함하며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 적어도 하나의 홀을 포함하는 에어로젤 커패시터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에어로젤은,
    탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 및 멀티-월 탄소 나노 튜브(Multi-wall CNT)를 중 하나를 포함하는 에어로젤 커패시터의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 유전체층 및 상기 도전체층을 형성하는 단계는,
    상기 에어로젤을 중심에 두고, 상기 유전체층 및 상기 도전체층이 순차적으로 동심원 형상으로 형성되는 에어로젤 커패시터의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 유전체층 및 상기 도전체층은 원자 층 증착법에 의해 상기 에어로젤 상에 증착되는 에어로젤 커패시터의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 에어로젤, 상기 유전체층, 및 상기 도전체층을 포함하는 커패시터 구조체를 둘러싸는 지지체를 형성하는 단계; 를 더 포함하는 에어로젤 커패시터의 제조 방법.
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