KR102653211B1 - 필름 커패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 유전체 필름과 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 커패시터 바디; 및 상기 커패시터 바디에 상기 제1 및 제2 내부 전극과 각각 접속되도록 배치되는 제1 및 제2 외부 전극; 을 포함하며, 상기 유전체 필름은 절연성의 무기 화합물 입자 및 수지로 이루어진 필름과 상기 필름 보다 높은 유전율을 가지며 상기 필름 내에 분산되어 배치되는 고유전율 파우더를 포함하는 필름 커패시터를 제공한다.
Description
본 발명은 필름 커패시터에 관한 것이다.
최근 네트워크 등에 사용되는 산업용 기기는 고출력 성능을 위해 고전압화가 이루어지고 있다. 더불어, 하이브리드 카 또는 전기 차 등의 보급 증가로 인해 고전압 및 고신뢰성을 갖는 커패시터에 대한 요구도 증가하고 있다.
이러한 고전압 및 고신뢰성을 갖는 커패시터로 필름 커패시터가 있다. 필름 커패시터는 폴리프로필렌(PP: polypropylene) 등의 재질로 된 필름을 유전체로 사용하는 커패시터로서, 얇은 내부 전극과 PP 수지에 의한 자기 회복(self-healing) 기능을 이용하여 내부 결함을 미리 치유함으로써 고신뢰성을 구현하는 특징을 가진다.
그러나, 종래의 필름 커패시터는 필름이 갖는 유전율이 2~3 수준으로 매우 작다. 이에 커패시터의 사이즈가 상대적으로 커지고 열에 취약한 문제가 있다. 한편, 커패시터의 사이즈가 커지게 되면 단가가 올라가고 이에 표면실장(SMD: surface mounting device) 타입의 경우 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 자기 회복(self-healing) 기능을 가져 신뢰성을 높이면서 제품의 용량 증가를 통해 소형화에 유리하도록 한 필름 커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 유전체 필름과 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 커패시터 바디; 및 상기 커패시터 바디에 상기 제1 및 제2 내부 전극과 각각 접속되도록 배치되는 제1 및 제2 외부 전극; 을 포함하며, 상기 유전체 필름은 절연성의 무기 화합물 입자 및 수지로 이루어진 필름과 상기 필름의 유전율 보다 고유전율을 가지며 상기 필름 내에 분산되어 배치되는 고유전율 파우더를 포함하는 필름 커패시터를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 커패시터 바디가 얇은 내부 전극과 유전체 필름으로 이루어져 쇼트 발생시 자기 회복 기능을 통해 내부 결함을 치유하여 신뢰성을 높일 수 있고, 유전체 필름 내부에 필름 보다 높은 유전율을 가지는 고유전율 파우더를 포함시켜 기존 제품 대비 용량을 증가시킴으로써 동일한 용량을 기준으로 할 때 제품의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I’선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 I-I’선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 예는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 각 실시 예의 도면에 나타난 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명의 실시 예들을 명확하게 설명하기 위해 커패시터 바디의 방향을 정의하면 도면 상에 표시된 X, Y 및 Z는 각각 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향을 나타낸다. 여기서, 두께 방향은 유전체 필름 및 내부 전극의 적층 방향과 동일한 개념으로 사용될 수 있다.
또한, 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 커패시터 바디(110)의 Z방향으로 대향되는 양면을 제1 및 제2 면(S1, S2)으로 설정하고, X방향으로 대향되며 제1 및 제2 면(S1, S2)의 선단을 연결하는 양면을 제3 및 제4 면(S3, S4)으로 설정하고, Y방향으로 대향되며 제1 및 제2 면(S1, S2)과 제3 및 제4 면(S3, S4)의 선단을 각각 연결하는 양면을 제5 및 제6 면(S5, S6)으로 설정하여 함께 설명하기로 한다. 여기서, 제1 면(S1)은 실장 면과 동일한 개념으로 사용될 수 있다.
필름 커패시터
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I’선 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 필름 커패시터(100)는, 유전체 필름(111)과 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 포함하는 커패시터 바디(110) 및 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)을 포함한다.
커패시터 바디(110)는 복수의 유전체 필름(111)을 적층하여 형성되며, 특별히 제한되는 것은 아니지만 도시된 바와 같이 대략적으로 육면체 형상을 가질 수 있다. 이때, 커패시터 바디(110)의 형상, 치수 및 유전체 필름(111)의 적층 수가 도면 상에 도시된 것으로 한정되는 것은 아니다.
유전체 필름(111)은 절연성의 무기 화합물 입자와 수지로 이루어진 필름(111a)과, 필러(filler)로서 필름(111a) 내부에 고르게 분산되며 필름(111a) 보다 높은 유전율을 가지는 고유전율 파우더(111b)를 포함한다. 이때, 유전체 필름(111)의 두께는 필름 커패시터(100)의 설계에 맞추어 임의로 변경할 수 있다.
상기 무기 화합물 입자는 세라믹과, 알루미나, 산화티탄, 이산화규소 등의 무기산화물, 질화규소 등의 무기질화물, 유리 등을 포함할 수 있다.
이때, 필름(111a)의 수지는 폴리프로필렌(PP: polypropylene)일 수 있고, 고유전율 파우더(111b)는 BT(티탄산바륨) 또는 CSZT 중 하나일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 및 사이클로올레핀 폴리머(COP) 등일 수 있다.
또한, 고유전율 파우더(111b)의 충진율은 필름(111a) 대비 21% 이상일 수 있다. 필름(111a)은 2~3 정도의 유전율을 가지므로, 100 정도의 유전율을 가지는 고유전율 파우더(111b)를 부피 기준으로 필름(111a) 대비 21% 이상 충진시켜 유전체 필름을 제조하면 커패시터의 용량은 약 4.8배 정도 상승될 수 있다.
제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 서로 다른 극성을 갖는 전극이다. 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 커패시터 바디(110) 내에서 유전체 필름(111)을 사이에 두고 Z방향을 따라 번갈아 배치된다.
제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 커패시터 바디(110)의 제3 및 제4 면(S3, S4)을 통해 각각 노출되도록 형성되고, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)이 Z방향으로 서로 오버랩 되는 면적은 커패시터의 용량 형성과 연관이 있다.
이러한 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 유전체 필름(111) 상에 증착에 의해 형성된 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 등의 금속막으로 이루어진다. 이때, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 두께는 바람직하게 30nm 이하일 수 있다.
제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 커패시터 바디(110)의 제3 및 제4 면(S3, S4)에 각각 형성되고, 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)의 노출된 부분과 각각 접촉되어 전기적으로 접속된다.
제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 도전성 금속을 포함하는 도전성 페이스트에 의해 형성될 수 있다. 상기 도전성 금속은 예컨대 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 금(Au) 또는 이들의 합금일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)은 예컨대 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예의 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)은 30nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 이에, 쇼트에 의해 유전체 필름의 절연 결함부에서 단락이 생긴 경우 단락에 의해 발생한 열로 결함부 주변의 유전체 필름(111)의 필름(111a)이 녹아 제1 및 제2 내부 전극(121, 122)을 서로 격리되도록 함으로써, 커패시터의 절연 파괴를 차단하여 발화나 감전 사고를 방지할 수 있다. 이를 자기 회복 (self-healing)이라고 한다.
본 실시 예의 필름 커패시터는 제품 출하 전에 높은 전압을 인가하는 자기 회복 과정을 통해 커패시터 바디의 내부 결함을 미리 치유함으로써 고신뢰성 커패시터로서의 특성을 가질 수 있다.
또한, 유전체 필름(111)에 필름(111a) 보다 유전율이 높은 고유전율 파우더(111b)를 추가하여, 얇은 내부 전극(121, 122)과 필름(111a)에 의한 자기 회복 기능은 그대로 유지하면서 전체 유전율을 상승시켜 커패시터의 용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 필름 커패시터(100)는 예를 들어 산업 및 전장용 기기의 고전압 및 고신뢰성 커패시터로 적용될 수 있다.
실험 예
이하, 본 실시 예의 필름 커패시터를 제조하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 폴리프로필렌 수지를 용매에 용해시켜 필름화한다. 구체적으로는 폴리프로필렌 수지에 필름 보다 높은 유전율을 갖는 고유전율 파우더를 추가하여 슬러리를 만들고, 이 슬러리를 얇은 시트 형태로 성형(casting)하여 제1 및 제2 유전체 필름을 마련한다.
다음으로, 상기 제1 및 제2 유전체 필름의 일면에 금속 성분을 증착하여 일정 패턴의 제1 및 제2 내부 전극을 얇게 각각 형성한다.
다음으로, 상기 제1 및 제2 내부 전극이 형성된 복수의 제1 및 제2 유전체 필름을 번갈아 적층하고 압착하여 바아(bar) 형상의 적층체를 마련한다.
다음으로, 상기 적층체를 각 필름 커패시터에 대응하는 영역마다 절단하여 칩화한다. 그리고, 커패시터 바디에 스퍼터링을 이용하여 상기 제1 및 제2 내부 전극의 노출된 부분과 접속되도록 제1 및 제2 외부 전극을 형성하여 SMD 타입의 필름 커패시터를 제작한다.
본 실험에서는, 제1 및 제2 유전체 필름 제조시 시료 별로 필름 대비 고유전율 파우더의 함량을 다르게 하며, 각 시료 별로 완성된 필름 커패시터의 용량 상승 여부 및 자기 회복 여부를 측정하여 아래 표 1에 기재하였다.
여기서, 용량 상승 여부는 커패시터의 용량 편차를 감안하여 10%를 기준으로 판단하고, 자기 회복 여부는 커패시터에 높은 전압을 인가한 후 쇼트 발생 여부 및 용량 변화를 보고 판단하였다.
| No. | 고유전율 파우더 추가 여부 | 파우더의 유전율 | 충진율 (부피%) |
커패시터 용량 (nF) | 용량 상승 여부 | 자기 회복 여부 (Self-Healing) |
| 1 | X | - | - | 1.0 | - | OK |
| 2 | O | 10 | 14 | 1.1 | NG | OK |
| 3 | O | 10 | 21 | 1.2 | OK | OK |
| 4 | O | 10 | 30 | 1.4 | OK | OK |
| 5 | O | 10 | 61 | 2.2 | OK | OK |
| 6 | O | 10 | 77 | 3.2 | OK | OK |
| 7 | O | 10 | 88 | 4.7 | OK | OK |
| 8 | O | 100 | 14 | 1.2 | NG | OK |
| 9 | O | 100 | 21 | 1.3 | OK | OK |
| 10 | O | 100 | 31 | 1.5 | OK | OK |
| 11 | O | 100 | 60 | 2.4 | OK | OK |
| 12 | O | 100 | 75 | 3.9 | OK | OK |
| 13 | O | 100 | 85 | 6.3 | OK | OK |
시료 1은 고유전율 파우더가 미첨가된 종래의 비교 예로서 이를 기준으로 시료 2 내지 13의 결과를 비교한다. 상기 표 1을 참조하면, 고유전율 파우더의 추가 여부와 상관 없이 자기 회복 기능이 나타났으며, 즉 고유전율 파우더가 자기 회복 기능에는 영향을 미치지 않는 다는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 고유전율 파우더의 충진율이 14%인 시료 2 및 8의 경우 용량 편차가 10% 미만으로 용량 상승 여부에서 불량 판정을 받았다. 반면에, 고유전율 파우더의 충진율이 21% 이상인 시료 3-7 및 9-13에서는 용량 상승률이 10% 이상으로 용량 상승 여부에서 합격 판정을 받아 유의미한 용량 상승이 이루어지는 것을 알 수 있다. 즉, 유의미한 용량 상승을 얻기 위해서는 고유전율 파우더의 충진율이 필름 대비 21% 이상이 되어야 한다.
한편, 고유전율 파우더의 유전율이 10인 시료 3-7과 고유전율 파우더의 유전율이 100인 시료 9-13의 커패시터 용량을 서로 비교해 보면, 시료 9-13에서 용량 상승이 상대적으로 더 높게 나타나는 것은 알 수 있지만, 그 상승 정도를 감안할 때 커패시터의 용량 상승은 유전체 필름에 포함된 고유전율 파우더의 유전율 보다는 충진율에 더 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
따라서, 고유전율 파우더의 유전율을 높이거나 충진율을 높여 커패시터의 용량을 증가시키고자 할 때, 고유전율 파우더의 유전율을 높이는 것 보다는 고유전율 파우더의 충진율을 높이는 것에 더 우선 순위가 있다 하겠다.
변형 예
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
여기서, 유전체 필름(111)과 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)의 구조는 앞서 설명한 실시 예와 유사하므로 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시 예의 필름 커패시터(100')는 부유 전극(125)을 더 포함한다. 또한, 제1 및 제2 내부 전극(123, 124)은 하나의 유전체 필름(111) 상에 X방향으로 서로 이격되게 배치된다.
제1 내부 전극(123)은 커패시터 바디(110')의 X방향의 제3 면(S3)을 통해 노출되고, 이렇게 노출된 부분은 커패시터 바디(110')의 제3 면(S3)에 배치된 제1 외부 전극(131)과 접속된다. 이때 제1 내부 전극(123)의 길이는 커패시터 바디(110') 길이의 1/2 미만이 된다.
제2 내부 전극(124)은 커패시터 바디(110')의 X방향의 제4 면(S4)을 통해 노출되고, 이렇게 노출된 부분은 커패시터 바디(110')의 제4 면(S4)에 배치된 제2 외부 전극(132)과 접속된다. 이때 제2 내부 전극(124)의 길이는 커패시터 바디(110') 길이의 1/2 미만이 된다.
부유 전극(125)은 유전체 필름(111)을 사이에 두고 제1 및 제2 내부 전극(123, 124)과 Z방향으로 번갈아 배치된다. 부유 전극(125)은 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)과 X방향으로 이격되어 커패시터 바디(110') 내부에 위치하도록 형성된다. 부유 전극(125)은 제1 및 제2 내부 전극(123, 124)의 일부와 오버랩 되게 배치되어 커패시터의 용량을 형성한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 필름 커패시터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
여기서, 유전체 필름(111)과 제1 및 제2 외부 전극(131, 132)의 구조는 앞서 설명한 제1 실시 예와 유사하므로 중복을 피하기 위하여 구체적인 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시 예의 필름 커패시터(100")는 제1 및 제2 부유 전극(128, 129)을 더 포함한다. 또한, 제1 및 제2 내부 전극(126, 127)은 유전체 필름(111)을 사이에 두고 Z방향으로 번갈아 배치된다.
제1 내부 전극(126)은 커패시터 바디(110")의 X방향의 제3 면(S3)을 통해 노출되고, 이렇게 노출된 부분은 커패시터 바디(110")의 제3 면(S3)에 배치된 제1 외부 전극(131)과 접속된다. 이때, 제1 내부 전극(126)의 길이는 커패시터 바디(110") 길이의 1/2 미만으로 설정하는 것이 바람직하다.
제1 부유 전극(128)은 제1 내부 전극(126)이 배치된 유전체 필름(111) 상에 배치된다. 제1 부유 전극(128)은 제1 내부 전극(126) 및 제2 외부 전극(132)과 X방향으로 이격되어 커패시터 바디(110") 내부에 위치하도록 형성된다.
제1 부유 전극(128)은 제2 내부 전극(127) 및 제2 부유 전극(129)의 일부와 오버랩 되게 배치되어 커패시터의 용량을 형성한다. 이때, 제1 부유 전극(128)의 길이는 제1 내부 전극(126)의 길이 보다 길게 설정할 수 있으며, 제2 내부 전극(127) 및 제2 부유 전극(129)과의 오버랩 면적을 증가시켜 커패시터의 용량을 더 확보할 수 있도록 커패시터 바디(110") 길이의 1/2 이상으로 설정할 수 있다.
제2 내부 전극(127)은 커패시터 바디(110")의 X방향의 제4 면(S4)을 통해 노출되고, 이렇게 노출된 부분은 커패시터 바디(110")의 제4 면(S4)에 배치된 제2 외부 전극(132)과 접속된다. 이때, 제2 내부 전극(132)의 길이는 커패시터 바디(110") 길이의 1/2 미만으로 설정하는 것이 바람직하다.
제2 부유 전극(129)은 제2 내부 전극(127)이 배치된 유전체 필름(111) 상에 배치된다. 제2 부유 전극(129)은 제2 내부 전극(127) 및 제1 외부 전극(132)과 X방향으로 이격되어 커패시터 바디(110") 내부에 위치하도록 형성된다.
제2 부유 전극(129)은 제1 내부 전극(126) 및 제1 부유 전극(128)의 일부와 오버랩 되게 배치되어 커패시터의 용량을 형성한다. 이때, 제2 부유 전극(129)의 길이는 제2 내부 전극(127)의 길이 보다 길게 설정할 수 있으며, 제1 내부 전극(126) 및 제1 부유 전극(128)과의 오버랩 면적을 증가시켜 커패시터의 용량을 더 확보할 수 있도록 커패시터 바디(110") 길이의 1/2 이상으로 설정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 100', 100": 필름 커패시터
110, 110', 110": 커패시터 바디
111: 유전체 필름
111a: 필름
111b: 고유전율 파우더
121, 123, 126: 제1 내부 전극
122, 124, 127: 제2 내부 전극
125: 부유 전극
128, 129: 제1 및 제2 부유 전극
131, 132: 제1 및 제2 외부 전극
110, 110', 110": 커패시터 바디
111: 유전체 필름
111a: 필름
111b: 고유전율 파우더
121, 123, 126: 제1 내부 전극
122, 124, 127: 제2 내부 전극
125: 부유 전극
128, 129: 제1 및 제2 부유 전극
131, 132: 제1 및 제2 외부 전극
Claims (6)
- 유전체 필름과 제1 및 제2 내부 전극을 포함하는 커패시터 바디; 및
상기 커패시터 바디에 상기 제1 및 제2 내부 전극과 각각 접속되도록 배치되는 제1 및 제2 외부 전극; 을 포함하며,
상기 유전체 필름은 절연성의 무기 화합물 입자 및 수지로 이루어진 필름과 상기 필름의 유전율 보다 고유전율을 가지며 상기 필름 내에 분산되어 배치되는 고유전율 파우더를 포함하고,
상기 제1 및 제2 내부 전극은 상기 유전체 필름을 사이에 두고 번갈아 배치되고 상기 커패시터 바디의 대향하는 양면을 통해 각각 노출되며,
상기 제1 및 제2 외부 전극은 상기 커패시터 바디의 대향하는 양면에 각각 배치되어 상기 제1 및 제2 내부 전극의 노출된 부분과 각각 접속되고,
상기 제1 내부 전극이 배치된 유전체 필름 상에 상기 제1 내부 전극과 이격되도록 배치되는 제1 부유 전극; 및
상기 제2 내부 전극이 배치된 유전체 필름 상에 상기 제2 내부 전극과 이격되도록 배치되는 제2 부유 전극; 을 더 포함하고,
상기 제1 및 제2 부유 전극은 상기 제1 및 제2 외부 전극과 이격되고,
상기 제1 부유 전극은 상기 제2 내부 전극의 일부 및 상기 제2 부유 전극의 일부와 오버랩 되고,
상기 제2 부유 전극은 상기 제1 내부 전극의 일부 및 상기 제2 부유 전극의 일부와 오버랩 되는, 필름 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체 필름에서, 상기 고유전율 파우더의 충진율이 상기 필름 대비 21% 이상인 필름 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 고유전율 파우더가 BT(티탄산바륨) 또는 CSZT 중 하나인 필름 커패시터.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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