KR20020065589A - 특히 전기 이중층 축전기 및 관련 장치를 위한 규칙적인다층 구조물을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

반복되는 층 시퀀스를 가진 다층 구조물을 제조하기 위해 밴드형 지지 재료(1)를 우선 부분적으로 각각 같은 크기의 개별 섹션으로 분할하는 방법이 제공되고, 이 때 개별 섹션들 사이에는 안정적인 연결(4)이 유지된다. 지지 재료의 표면 상에 적어도 하나의 추가 재료층(6)이 계속 적층된 후에는 개별 섹션들이 커팅 공정 또는 스탬핑 공정에 의해 서로 완전히 분할된다. 그렇게 하여 얻어진 다층 섹션들을 서로 겹쳐서 쌓음으로써 다층 구조물이 얻어지고, 이 때 경우에 따라서는 2 개의 다층 섹션 사이에 중간층이 하나 더 삽입될 수 있다.

Description

특히 전기 이중층 축전기 및 관련 장치를 위한 규칙적인 다층 구조물을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCTION OF A REGULAR MULTI-LAYER CONSTRUCTION, IN PARTICULAR FOR ELECTRICAL DOUBLE LAYER CAPACITORS AND THE CORRESPONDING DEVICE}
미국 특허명세서 제 US 5,621,607호에는 예컨대 각각 하나의 유전체가 그들 사이에 배치된 다수의 전극층으로 이루어진 다층 구조를 갖는 축전기가 공지되어있다. 다층 구조를 갖는 축전기는 유전체가 사이에 배치된 2 개의 전극층으로 이루어진 개별 축전기 소자에 전달되는 커패시턴스의 몇 배를 갖는다. 경험적 법칙으로서 다층 구조를 갖는 축전기의 출력 또는 커패시턴스는 각각의 축전기 요소의 커패시턴스와 축전기 요소의 개수를 곱한 값으로부터 산출되는 것이 적용된다.
독일 특허명세서 제 DE 197 04 584 C2호에는 연속하여 연결된 적어도 2 개의 개별 셀을 갖는 이중층 축전기가 공지되어있다. 상기 이중충 축전기는 전극과 전해질 층의 교대 배치 구조를 포함하고, 개별 층들이 쌓여서 압착됨으로써 제조된다. 일본 특허명세서 제 JP 11-260673 A호에는 한 이중층 축전기가 공지되어있는데, 상기 이중층 축전기를 제조하기 위해 양극과 음극이 밴드형 분리기(separator) 내에 교대로 매입되고, 이어서 상기 분리기가 미앤더(meander) 형태로 접힘으로써 양극과 음극이 교대로 배치된 스택이 얻어진다.
다층 구조의 또 다른 장점은 전극 간격이 점차 감소하는 2 개의 전극층 사이에서 전계 강도가 증가한다는 사실이다. 이러한 전계 강도의 증가는 예컨대 개별 압전 액추에이터 요소가 적층 배치된 다층 구조의 압전 액추에이터와 같은 다른 부품들의 경우에도 관심을 끈다. 그러한 다층 구조의 압전 액추에이터는 압전 재료에 있어서 동일한 층 두께를 갖는, 또는 압전에 의해 발생한 동일한 최대 곡률을 갖는 단일층 압전 액추에이터보다 훨씬 더 적은 구동 전압에 의해 구동될 수 있다.
다층 구조를 가진 부품들은 기능과 용도에 따라 개별 층으로 이루어진 어느정도 느슨한 적층 스택으로서 구현 또는 제조될 수 있다. 그러나 특히 기계적 하중이 가해지는 경우 전체 구조에 충분한 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 다층 구조인 개별 층들의 더 단단한 결합이 요구된다. 세라믹 다층 구조를 가진 부품의 경우 일체식(monolithic) 결합이 추구된다. 특히 액체 전해질을 포함하는 다층 축전기의 경우 전극층들이 비도전성 중간층과 교대로 적층 배치된다. 이 때 중간층을 위해 특히 미앤더 형태로 접힌 분리기가 사용되며, 상기 분리기의 "포켓(pockets)" 내에 전극층이 삽입된다. 이 때 상기 전극층도 다층 구조를 가지는데, 전술한 다층 축전기에서는 예컨대 중간에 알루미늄으로 된 금속 전극층을 갖는 2 개의 다공성 탄소층으로 이루어진 삼층 구조를 가진다. 상기 구조를 생성하기 위해서는 상이한 전극층들이 각각 상하로 적층되어야 한다. 이 경우 각각의 층에 대해 독립된 작업 단계가 필요하다. 그렇게 되면 그와 같은 개별 요소들 내지는 개별층들의 적층시 층들 서로에 대한 정확한 위치 설정과 관련된 문제가 발생하며, 상기 문제는 한 편으로 재생산 가능성에 불리한 영향을 미치고 다른 한 편으로 결함 부품 또는 성능 저하 부품을 야기한다. 특히 층들이 더 얇아지는 경우, 상기 층들의 유연성이 점차 증가하고 기계적으로도 불안정해지기 때문에 개별층들을 다루기도 더 어려워진다.
특히 전기 부품에 있어서, 일반적으로 서로 여러 번 겹쳐서 배열함으로써 전기 단일층 부품의 출력을 증가시키기 위한 다층 구조물이 공지되어있다.
도 1은 상이한 작업 단계동안의 밴드형 지지 재료를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 개별 다층 절단면을 평면도로 나타낸 것이다.
도 3은 개별 다층 절단면을 개략적 횡단면도로 나타낸 것이다.
도 4는 다층 구조를 가진 축전기를 개략적 횡단면도로 나타낸 것이다.
도 5는 다층 절단면을 제조하기 위한 장치를 개략적 횡단면도로 나타낸 것이다.
본 발명의 목적은, 특히 부품에 적합한 규칙적인 다층 구조물을 제조하기 위한 방법으로서, 실행하기가 간편하며 안전하고 정확하게 의도한 결과를 도출하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항에 따른 방법을 통해 달성된다. 다층 구조를 제조하기 위한 방법의 바람직한 실시예 및 장치는 그 외 청구항에 제시된다.
본 발명은 제조가 연속 프로세스로서 실행된다는 기본 개념에서 기인하며, 이점에서 다층 구조에서 반복되는 층 시퀀스도 반복되는 프로세스 단계를 조건으로 한다. 프로세스는 지지 재료로서 사용되며 밴드 형태로 변형시 특히 "엔드리스 밴드(endless band)"로서 제공되는, 기계적으로 매우 안정적인 층에서부터 출발한다.
이때, 상기 밴드형 지지 재료를 원하는 크기 및 형태를 갖는 개별 섹션으로 분리하는 공정은 적어도 2단계에 걸쳐 수행된다. 제 1 부분 분리에서 상기 지지 재료는 개별 지지 섹션들로 분할되고, 이 때 각각 2 개의 인접한 개별 섹션들 사이에는 예컨대 링크형으로 형성된 안정적인 연결부가 유지된다. 그로 인해 지지 재료의 부분적인 연속 추후 처리가 가능하다. 다음 단계에서는 적어도 하나의 추가 재료층이 밴드형 지지 재료의 표면 중 하나에 연속 적층된다. 그럼 다음 비로소 원하는 크기의 개별 섹션이 미리 정해진 분리선을 따라 서로 완전히 분리되고, 이 때 상기 분리선은 이미 실시된 부분 분리선에 포함된다.
이 때 얻어진 동형의 다층 섹션들은 이제 규칙적인 상하 적층을 통해 다층 구조물에 함께 첨가된다. 경우에 따라 각각 2 개의 다층 섹션들 사이에 역시 다층 구조를 포함할 수 있는 중간층이 삽입될 수 있다.
상기 방법은 연속적으로 수행될 수 있고, 처리될 가장 작은 섹션은 이미 서로 개별적으로 적층될 필요가 없는 다층 섹션이라는 장점을 갖는다. 다층 섹션은 통합된 프로세스 방식에 따라 균일하고 정밀한 구조를 갖는다는 장점이 있다. 그럼으로써 개별 다층 섹션들 내부에서 정확한 위치설정의 문제가 해결된다. 2단계로 수행되는 분리의 또 다른 장점은 개별층들의 기본면, 즉 지지 섹션과 적어도 하나의 추가 재료층의 기본면이 상이하게 선택될 수 있다는 것이다. 그럼으로써 재료층, 특히 지지 재료는 거의 완전히 다른 재료층들 사이에 매립될 수 있다. 그렇게 되면 부품이 완성되었을때 마지막으로 분리된 링크 영역에서만 지지 재료의 절단 에지를 겉에서 관찰할 수 있게 된다. 이는 특히 추후 처리시 또는 부품의 조작시에 다시 장애가 될 수 있는 날카로운 절단 에지를 형성할 수 있는 금속 지지 재료의 경우에 유리하다.
또한 본 발명에 따른 방법을 이용하면 지지 기판 상에 재료층이 적층될 수 있을 뿐만 아니라 동시에 또는 그에 이어서 추가의 층들이 동일한 또는 마주놓인표면 상에 적층될 수 있다. 또한 각각의 개별 재료층을 위한 추가 절단을 통해 섹션들의 크기가 상이하게 설정될 수 있기 때문에, 특히 다층 섹션 내에서 안쪽에 놓인 층들은 겉에서 절단 에지를 볼 수 없도록 거의 완전히 매립된다. 다층 구조물 내에서는 이제 지지 재료 또는 내부에 놓인 다른 층의 에지의 일부만 볼 수 있으며, 상기 에지는 마지막 분리 단계에서 지지 연결부의 일부로서 분리된다.
특히 3 개 이상의 개별층을 갖는 다층 섹션들의 경우, 제 1 부분 분리시 남겨지는 지지 연결부가 제 2 부분 분리시 추가 재료층이 적층된 후 분리되는 것도 가능하며, 이 경우 물론 제 2 재료층의 일부는 인접한 2 개의 섹션들 사이에 남겨진 연결부로서 존속되어야 한다. 이 경우 3 개의 분리선은 다층 섹션 내에서 지지 재료층으로부터 절단 에지가 관찰될 수 없도록 배치되어야 한다.
개별 재료층에 있어서 상이한 섹션 크기는, 개별 섹션들로의 부분 분리가 인접한 2 개의 섹션들 사이의 분리선이 없이는 수행되지 않는 경우에만 달성될 수 있다. 더 정확하게 말하자면 이러한 경우에는 각각 2 개의 인접 섹션들 사이의 부분 분리시 그 이전의 절단선을 채택하거나, 더 바람직하게는 분리 스트립을 스탬핑하거나, 그렇지 않으면 제거하는 것이 요구된다. 이어서 분리선을 따라 절단된 날카로운 분리부보다도 더 작은 절단폭을 갖는 다층 섹션들로의 추가 부분 분리 또는 완전 분리가 실시되면, 개별 재료에서 상기 섹션들의 면적차가 1 개의 부분 스트립의 면적의 최대에 상응할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 이미 이층의 다층 섹션들에서 다른 층들에 비해 더 작은 절단 면적을 갖는 재료층의 겉에서 관찰 가능한 절단 에지가 안쪽으로 변위됨으로써 장해 유발이 감소된다. 이는 완전 분리시 지지 연결부 영역 내의 분리선이 섹션 중심부를 향하는 리세스를 형성할 때 달성된다. 인접한 양쪽 섹션들에서 그렇게 하기 위해서, 바람직하게는 예컨대 원형 펀칭부의 스탬핑을 통해 링크가 분리된다.
이는 특히 전술한 절단 에지가 다층 구조의 경계면 뒤쪽을 향하는 리세스 내에 위치하게 되는 다층 구조의 경우 관심의 대상이 된다.
하기에는 본 발명이 실시예 및 상기 실시예와 관련된 5 개의 도면을 참고로 더 자세히 설명된다.
하기에는 다층 구조를 갖는 축전기용 전극으로서 사용되는 다층 절단면의 형성이 실시예로서 기술된다. 밴드형 지지 재료(1), 특히 도전성 박판, 예컨대 알루미늄 박판에서 출발한다. 도 1은 상이한 처리 단계별로 여러 섹션으로 이루어진지지 재료(1)를 단면도로 나타낸 것이다. 파선(2)으로 표시된 것은 상이한 섹션(a 내지 h)간의 가상 경계를 나타낸다.
제 1 처리 단계로서 지지 재료(1)가 부분적으로 개별 재료 섹션(예: b와 c)으로 분리된다. 이를 위해 적절한 절단 장치 또는 스탬핑 장치에 의해 상기 지지 재료(1)로부터 상이한 리세스들(3)이 분리된다. 부분적으로 분리된 2 개의 섹션(c와 b) 사이에는 "무단 재료(endless material)"로서의 박판(1)의 부가 처리를 보증하는 안정적인 연결부가 링크(4) 형태로 남게 된다. 도시된 실시예에서 천공된 면(3) 상부에는 섹션들(a 내지 f) 사이에 관통 연결부가 하나 더 얻어지며, 상기 관통 연결부 내에서는 섹션 분할이 실시되지 않는다.
섹션 d에서 시작하여 추가 재료층이 지지 재료 상에 적층되는데, 본 경우에는 전술한 축전기 사용을 위해 카본천(carbon cloth, 5)이 제공된다. 이러한 추가 재료층은 전면에 걸쳐서 도포되지만, 축전기 사용을 위해 도면에서 상부 에지 스트립이 덮이지 않은 채로 남게된다. 또한 카본천이 바람직하게는 도 1의 하부에 도시된 지지 재료(1)의 에지 위로 좁은 스트립 방식으로 돌출되도록 적층된다. 그와 동시에 또는 시간적으로 불일치하여 지지 재료(1)의 하부면 상에 상응하는 방식으로 역시 추가의 재료층이 도포될 수 있는데, 여기서는 축전기를 위해 추가의 카본천이 제공되며, 이는 간략화를 위해 도면에 도시되어있지 않다.
다음 처리 단계에서는 지지 재료(1)와 그 위에 적층된 재료층(5)의 완전 분리가 실시된다. 적절한 절단 장치 또는 스탬핑 장치에 의해 도 1에서 더 굵은 선(6)으로 표시된 분리선을 따라 도면에서 밴드형 지지 재료(1)의 좌측 단부에 있는 개별 다층 섹션(8)이 절단된다. 상기 분리선(6)은 여기서 제 1 부분 분리 공정에 따른 리세스(3)에 의해 센터링되어 연장된다. 링크(4) 영역 내에서는 원형 리세스(7)가 천공된다. 상기 분리선은, 덮이지 않은 지지 재료로 형성되는 클립(9)이 다층 섹션(8)으로부터 유도되도록, 도면 상부의, 카본천(5)으로 덮이지 않은 지지 재료(1)의 에지 스트립으로부터 유도된다.
그 결과 예컨대 도 2에 도시된 것과 같은 개별 다층 섹션(8)이 얻어진다. 카본천(5)은 지지 재료(1) 섹션의 모든 면에 겹쳐지며, 위에서 바라볼 때 원형 펀칭부(10) 영역의 절단 에지만을 상기 지지 재료(1)와 공유한다. 다층 섹션이 추후에 축전기 내에서 전극 유닛으로서 사용될 때 다층 구조와의 콘택팅을 위해 사용되는 클립(9)만이 카본천으로 덮인 다층 섹션(8)으로부터 지지 재료(1)의 일부로서 돌출된다.
추가 재료층이 적층됨에 따라 상기 다층 섹션(8)은 개별층들 사이의 느슨한 연결부만 갖는다. 본 실시예에서는 카본천(5)과 지지 재료로서 사용되는 알루미늄 박판(1) 사이의 연결이 컨베이어의 압착력에 의해서만 이루어진다. 따라서 바람직하게는 분리된 다층 섹션들(8)이 곧바로 계속해서 처리된다.
이 경우 다층 구조를 갖는 축전기를 제조하기 위해 다층 섹션들(8)이 서로 적층되고, 각각 2 개의 다층 섹션(8) 사이에 1 개의 비도전성 재료가 분리기로서 배치된다. 바람직하게는 분리기 재료로서 미앤더 형태로 접히며 전기적으로는 절연되나 이온을 통과시키는, 역시 밴드형의 박판이 사용된다. 도 4는 미앤더 형태로 접힌 상기 분리기 박판(12)의 포켓 내에 준비된 다층 섹션(8)이 어떻게 삽입되는지를 보여준다. 이 때 규칙적인 다층 구조(13)가 생성된다. 축전기를 위해 분리기(12)가 사이에 놓인 다층 섹션이 100개까지 배치될 수 있다. 완성된 축전기에서 분극 및 콘택팅을 구현하기 위해 개별 다층 섹션들이 바람직하게는 교대로 180°회전됨에 따라 상이한 면 위에 있는 알루미늄 박판으로 된 클립(9)이 다층 구조물(13)로부터 돌출된다.
완성을 위해 상기 다층 구조물(13)이 하우징 내로 삽입되고, 포켓들이 서로 및 상기 하우징과 용접되며, 이어서 상기 하우징은 용매와 도전성 염(conducting salt)으로 채워진다. 다층 구조를 갖는 이러한 축전기의 가능 치수는 약 100 F를 가진 축전기의 경우 약 16x30x55 mm부터 약 2700 F를 가진 축전기의 경우 60x60x160 mm의 치수까지 이른다.
도 5는 다층 섹션들(8)을 제조하기에 적합한 장치의 개략도이다. 상기 장치는 예컨대 저장 롤러(15) 및 적어도 1 개의 편향/수송 롤러(19)로 구성된, 밴드형 지지 재료(1)용 제 1 공급 장치를 포함한다. 상기 장치를 통해 밴드형 지지 재료(1)가 처리 방향(x)으로 수송된다. 제 1 천공 장치(18)에서는, 예컨대 도 1의 리세스(3)에 따라, 밴드형 지지 재료(1)가 개별 섹션들로 부분적으로 분리된다. 제 1 천공 장치(18)에 이어서 적어도 하나의 추가 재료층(5)을 계속 적층하기 위한 장치(5)가 가담되고, 상기 장치(5)는 예컨대 밴드형 추가 재료(5)의 경우 적어도 저장 롤러(17)와 수송 롤러(20) 및 편향 롤러(21)로 구성된다. 특수 실시예를 위해 도 5에는 제 3 밴드형 재료층(14)을 위한 가능한 추가 공급 장치가 도시되어있으며, 여기서 상기 추가 공급 장치는 저장 롤러(16)와 적어도 2 개의 추가 수송 롤러 및 편향 롤러를 포함한다.
이어서 적어도 하나의 추가 층을 적층하기 위해 제 2 천공 장치(22)가 가담되고, 상기 제 2 천공 장치(22)는 여기서 3 개의 층으로 이루어져 지금까지 함께 달려 있던 재료 밴드의 완전한 분리를 위해 설계된다. 도 5에는 상기 제 2 천공 장치(22)가 절단 커터로서 간략하게 도시되어있다. 상기 절단 커터에 의해 분리된 다층 섹션(8)이 얻어지고, 이 다층 섹션들은 이제 상하로 적층됨으로써 다층 구조물(13)을 제조하는데 사용될 수 있다.
실시예에 따라 단지 한 예로서 기술된 다층 구조물의 제조는 다른 용도로도 간단하게 변형될 수 있으며, 이 경우 특히 재료, 추가 층의 개수 및 섹션의 형태 내지는 상기 섹션의 부분적인 및 완전한 분리를 위한 절단 경향이 변동될 수 있다. 종합해볼 때, 적어도 다층 섹션 내에서 서로에 대한 개별층들의 상대적으로 안정적인 위치 설정을 보증하는 완전 자동 프로세스를 위한 방법이 가장 적합하다. 이 경우 개별 층 섹션들의 복잡한 관리가 더 이상 필요없게 된다.

Claims (11)

  1. 반복되는 층 시퀀스를 포함하는 다층 구조물(13)을 제조하기 위한 방법으로서,
    - 밴드형 지지 재료(1)를 제공하는 단계,
    - 개별 섹션들 사이에 링크로서 형성된 안정적인 연결부의 유지 하에, 상기 지지 재료를 부분적으로 각각 동일한 크기와 형태를 갖는 개별 지지 섹션(a, b, ..h)으로 분리하는 단계,
    - 상기 지지 재료(1)의 표면 중 적어도 하나에 추가 재료층(5)을 연속 적층하는 단계,
    - 이미 수행된 부분 분리를 이용하여 상기 지지 재료와 적어도 하나의 추가 재료층을 분리선(6)을 따라 완전 분리하고, 반복되는 층 시퀀스를 포함하는 다층 섹션(8)의 적어도 일부가 얻어지는 단계, 및
    - 상기 다층 섹션들(8)이 다층 구조물(13)을 위해 규칙적으로 상하 적층되는 단계로 이루어진 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 재료(1)의 부분 분리는 지지 섹션들(a, b, ...h)이 다층 섹션들(8)보다 더 작은 기본면을 가짐으로써 이루어지는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 지지 재료(1)의 부분 분리를 위해 천공 공정을 통해 리세스들(3)이 형성되고, 완전한 분리를 위해 절단부(6)가 상기 리세스의 영역 내에서 적어도 하나의 추가 재료층(5) 및 개별 섹션들 사이의 안정적 연결부(4)를 통해 연장되는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 분리선(6)은, 다층 섹션(8) 내에 각 섹션의 중앙을 가리키는 리세스(7, 10)가 형성되도록 링크(4) 영역 내에서 연장되는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지 재료(1)로서 금속 박판이 삽입되고, 추가 재료층(5)으로서 다공성 전극층이 삽입되며, 다층 섹션(8)은 전기 다층 부품(13)용 전극으로서 사용되는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각 2 개의 다층 섹션들 사이에 1 개의 중간층(12)이 삽입되는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른, 다층 축전기(13)를 제조하기 위한 방법으로서 상기 다층 섹션(8)이 상하 중첩시 분리 박판(12)에 의해 분리되는 방법의 용도.
  8. 다층 섹션(8)의 연속 제조를 위한 장치로서, 직렬 배치된
    - 밴드형 지지 재료(1)의 제 1 공급 장치(15, 19),
    - 상기 지지 재료를 개별 지지 섹션(a, b, ...h)으로 부분 분리하기 위한 제 1 천공 장치(18),
    - 상기 지지 재료(1) 위에 적어도 하나의 제 2 재료층(5, 14)을 연속 증착하기 위한 장치(16, 17, 20, 21),
    - 상기 지지 재료와 적어도 하나의 추가 재료층(5, 14)을 개별 다층 섹션들(8)로 완전히 분리하기 위한 제 2 천공 장치(22)를 포함하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연속 적층 장치는 밴드형으로 놓인 제 2 재료(14)를 위한 제 2 공급 장치(16)로서 설계되는 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 공급 장치 및 경우에 따라 제 2 공급 장치(15, 19, 17, 20, 21)가 밴드형 재료의 저장 롤러(15, 17)를 포함하는 장치.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 적층용 장치는 각각 하나의 제 2 재료층(5, 14)이 지지 재료의 상부면 및 하부면에 적층될 수 있도록 설계되는 장치.
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