KR20030034977A - 저전압 알루미늄 전해 콘덴서용 전해액 및 이를 함유하는전해콘덴서 - Google Patents
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Abstract
비저항이 낮고 내전압이 큰 알루미늄 전해콘덴서용 전해액 및 이를 함유하는 전해콘덴서에 관한 것이다. 전해액은 전해액의 총 중량을 기준으로, 에틸렌 글리콜 35∼45중량% 및 물 40∼50중량%로된 용매; 아디프산 1∼3중량% 및 암모늄 아디페이트 12∼18중량%로된 용질; 및 암모늄 디하이드로겐포스페이트 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량% 및 시트르산 1∼3중량%로된 첨가제;를 포함한다. 이와 같이 조성된 전해액이 함침된 알루미늄 전해콘덴서가 또한 제공된다.
본 발명의 전해액은 비저항이 감소되고 이에 따라 우수한 전도도를 나타내며, 이와 같은 전해액이 함침된 알루미늄 전해 콘덴서는 임피던스 및 손실각에 있어서 우수한 전기적 특성을 갖는다.
Description
본 발명은 전해콘덴서용 전해액 및 이를 함유하는 전해콘덴서에 관한 것이며, 보다 상세하게는 내전압 및 비저항 특성이 개선되고 제품에 적용시 우수한 임피던스 및 손실각특성을 나타내는 저전압 알루미늄 전해콘덴서용 전해액 및 이와 같은 전해액이 함침된 저전압 알루미늄 전해콘덴서에 관한 것이다.
종래 알루미늄 전해 콘덴서는 통상적으로 고순도 알루미늄 포일을 에칭하여 그 표면적을 증가시킨 후 그 알루미늄 포일의 표면을 양극산화시켜 산화피막을 실시한 양극 포일과 표면만을 에칭시킨 음극 포일을 사용하여 제조된다.
얻어진 양극 포일과 음극 포일을 각각 대향으로 배치시키고 이들 포일의 중간에 세파레이터를 개재하여 적층체를 형성하고 이 적층체를 권치한 구조의 콘덴서 소자에 전해액을 함침시킨다. 전해액 함침 후의 소자를 케이스 또는 케이싱에 담은 다음, 탄성 실란트로 밀봉시켜 전해 콘덴서를 완성시킨다.
이때, 전해액은 전해콘덴서의 유전체층과 전극주위에 위치하며 전해액의 저항이 전해콘덴서에 직렬로 삽입된다. 따라서, 전해액의 전도도가 낮으면 전해콘덴서 내부의 등가직렬 저항이 증대되어 고주파 특성 및 손실각 특성이 저하된다. 따라서, 전해콘덴서에서 전해액의 특성이 전해 콘덴서의 성능을 결정짓는 큰 요인으로 작용한다.
특히 최근 전해 콘덴서의 소형화에 수반하여, 에칭에 의해 생성되는 많은 표면적을 가진 양극 포일 또는 음극 포일이 사용되고 있으며 콘덴서의 고유저항 또한 증대되고 있다. 따라서, 전해콘덴서에 사용되는 전해액으로 비저항이 작고 전도도가 큰 전해액이 요구된다.
한편, 콘덴서는 그 성능을 최대한 발휘하기 위해 저임피던스가 요구된다. 임피던스는 여러가지 요인에 따라 결정된다. 예를들어, 콘덴서의 전극면적을 증가시키면 저하되며, 따라서, 대형 콘덴서의 경우에는 임피던스를 저하시킬 수 있다. 그러나, 특히 소형 콘덴서에 있어서는 전해액의 비저항이 임피던스에 큰 지배요인이 된다.
일반적으로 알루미늄 전해 콘덴서는 저압용(160WV이하), 중압용(160∼400WV), 고압용(400WV이상)으로 분류되며, 이러한 분류기준은 일반적으로 전해 콘덴서에 장입되는 전해액에 따라 결정된다.
최근 고도의 전기적 특성을 갖는 전해콘덴서가 요구되며, 특히 100℃를 넘는 고온에서 장기간 사용할 수 있는 전해콘덴서는 전도도등 전기적특성 뿐만아니라 고전도도 전해액 사용에 따른 임피던스 및 손실각등 전해콘덴서의 신뢰성 개선이 요구된다.
종래 알루미늄 콘덴서용 전해액으로는 에틸렌글리콜 용매에 전해질을 용해시킨 전해액이 광범위하게 사용되어 왔으며 그 일예로 종래의 에틸렌 글리콜과 물에 암모늄 아디페이트와 아디프산, p-니트로벤조산 및 디암모늄 하이드로겐 포스페이트를 용해시킨 에틸렌글리콜계 전해액은 105℃제품에는 적용하기 어렵고 또한 제품의 손실각이 상승하여 품질이 우수한 물품을 제조하기 어려운 문제가 있다.
또한, 에틸렌글리콜을 주 용매로 하고 여기에 물을 약 10중량% 정도 첨가하여 구성되는 용매에 전해액으로서, 아디프산, 벤조산 등의 카르복시산 또는 그의 암모늄염을 용해시킨 전해액이 사용되었다. 그러나, 이러한 전해액의 비저항은 150Ω㎝으로 높다.
알루미늄 전해 콘덴서에 사용되는 전해액중 용매의 일부로 사용되는 물은 양극 포일 또는 음극포일을 구성하는 알루미늄에 화학적으로 활성임으로 양극포일 또는 음극포일과 반응하여 수소가스를 발생시켜 콘덴서의 특성을 저하시킨다.
종래 또한, 비프로톤계 유기용매, 예컨데 감마-부티로락톤을 사용한 비저항 전해액도 개발되고 있다. 주용매로 감마 부티로락톤 80중량% 그리고 주용질로 1,2,3,4-테트라메틸이미다졸리늄 하이드로젼 프탈레이트 20중량%를 이용한 고전도도 전해액이 사용되어 왔으나, 이는 임피던스가 매우 열악하다.
한편, 대한민국 특허 제 237116호의 γ-부티로락톤과 테트라메틸이미다졸린 하이드로겐프탈레이트로 구성된 전해액은 비저항값이 90Ω㎝/25℃정도로 비교적 높아 전해콘덴서에 적용시 손실각(tan δ)이 증대하며 저조한 신뢰성을 나타낸다.
이에, 본 발명의 목적은 내전압이 크고 비저항이 작은 고전도도 전해액을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 콘덴서에 적용시 우수한 임피던스 및 손실각 특성을 나타내는 알루미늄 전해 콘덴서용 고전도도 전해액을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특히, 저전압 알루미늄 전해콘덴서용 고전도도 전해액을 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 전해액이 함침된 임피던스 및 손실각 특성이 개선된 전해콘덴서를 제공하는 것이다.
도 1a는 용매 성분 및 알루미늄 아디페이트의 함량과 비저항과의 관계를 나타내는 그래프이며,
도 1b는 용매 성분 및 알루미늄 아디페이트의 함량과 내전압과의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 견지에 의하면,
전해액의 총 중량을 기준으로,
에틸렌 글리콜 35∼45중량% 및 물 40∼50중량%로된 용매;
아디프산 1∼3중량% 및 암모늄 아디페이트 12∼18중량%로된 전해질; 및
암모늄 디하이드로겐포스페이트 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량% 및 시트르산 1∼3중량%로된 첨가제;
로 구성되는 알루미늄 전해콘덴서용 전해액이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
전해액의 총 중량을 기준으로,
에틸렌 글리콜 35∼45중량% 및 물 40∼50중량%로된 용매;
아디프산 1∼3중량% 및 암모늄 아디페이트 12∼18중량%로된 전해질; 및
암모늄 디하이드로겐포스페이트 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량%및 시트르산 1∼3중량%로된 첨가제;
로 구성되는 알루미늄 전해콘덴서용 전해액이 함침된 알루미늄 전해콘덴서가 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 전해액은 비저항이 보다 감소되어 고전도도를 나타내며 내전압이 증대된 것이다. 전해액의 비저항과 내전압은 전해액을 구성하는 용매중 물 그리고 전해질인 암모늄 아디페이트와 아디프산의 양에 따라 결정된다. 즉, 비저항은 이들의 양이 많아질수록 감소하고 내전압은 이들의 양이 적어질수록 증대된다. 이와 같이 비저항성과 내전압은 반비례하므로, 본 발명에서는 물 그리고 암모늄 아디페이트와 아디프산을 최적의 조성비로 선정하고 나아가 특정한 첨가제를 사용함으로써 최적의 비저항성과 내전압이 모두 충족되는 것이다.
본 발명의 전도도, 비저항 및 내전압 특성이 우수한 전해액은 전해콘덴서에 적용시, 우수한 임피던스 및 손실각 특성을 나타내는 것으로 제품의 전기적 특성 및 신뢰성이 개선된다.
본 발명의 고전도도 전해액에서 용매로는 에틸렌글리콜과 물이 함께 사용된다. 전해액의 총 중량을 기준으로 에틸렌 글리콜은 35∼45중량% 그리고 물은 40∼50중량%로 사용된다.
에틸렌글리콜이 50중량%미만인 경우에는 용해도 저하로 전해질이 석출될 뿐만 아니라, 내전압이 또한 저하되므로 콘덴서에 적용시, 제품의 신뢰성이 보증되지 않는다. 60중량%를 초과하는 경우에는 비저항이 증가한다.
물이 40중량%미만인 경우에는 내전압이 급격히 감소되어 콘덴서에 적용시 제품의 신뢰성을 확보할 수 없으며, 50중량%를 초과하는 경우에는 전해액의 비점이 낮아져 105℃ 전해콘덴서에 적용할 수 없다.
또한, 용매의 양이 에틸렌글리콜과 물의 혼합양인 75-95%중량의 하한치보다 적으면 비저항값이 상승하고 용해도가 저하되어 용질이 석출되며 95중량%를 초과하면 제품의 신뢰성 보증이 어렵다.
전해질로는 아디프산과 암모늄 아디페이트가 사용된다.
전해액의 총 중량을 기준으로 아디프산은 1∼3중량% 그리고 암모늄 아디페이트는 12∼18중량%로 사용된다. 아디프산의 양이 1중량% 미만이면 내전압이 저하되고 3중량%를 초과하면 용해도 저하로 석출된다. 암모늄 아디페이트는 12중량%미만으로 사용되면 비저항 및 내전압이 떨어지고, 18중량%를 초과하는 경우에는 용해도가 저하되어 암모늄 아디페이트가 석출된다.
또한, 전해질의 양이 아디프산과 암모늄 아디페이트의 혼합양인 12-21중량%의 하한치보다 적으면 비저항값이 상승하고 21중량%를 초과하면 용해도가 저하로 전해질이 석출된다.
첨가제로는 암모늄 디하이드로젠포스페이트, 암모늄 p-니트로벤질알코올과 시트르산이 사용된다. 상기 첨가제는 전해콘덴서를 고온에서 장시간 사용시 발생하는 가스 발생을 억제한다.
전해액의 총중량을 기준으로 암모늄 디하이드로겐포스페이트는 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량% 그리고 시트르산 1∼3중량%로 사용된다.
암모늄 디하이드로겐포스페이트가 1중량%미만인 경우, 인산 고유의 특성인 화성성저하로 누설전류가 증대되며, 3중량%를 초과하는 경우, 과포화 상태로 석출현상이 발생한다.
암모늄 p-니트로벤질알코올이 1중량%미만인 경우에는 수소가스 흡수제로서의 충분한 역할을 발휘하지 못하여 신뢰성이 저하되며, 3중량%를 초과하면, 과포화상태로 석출된다.
시트르산이 1중량% 미만으로 사용되는 경우 또한, 수소가스 발생억제성능이 저조하며, 3중량%를 초과시에는 석출된다.
또한, 첨가제의 양이 암모늄 디하이드로젠포스페이트, 암모늄 p-니트로벤질알코올과 시트르산의 혼합양인 3-9중량%의 하한치보다 적으면 알루미늄 포일과 전기화학 반응시에 수소가스를 흡수하지 못하여 제품의 방폭변 작동이 일어나며, 9중량%를초과하면, 첨가제가 석출된다.
본 발명의 전해액은 105℃의 전해콘덴서에 사용될 수 있도록 용매 및 전해질을 상기와 같이 조성하여 전해액의 비점을 조절한 것이다. 또한, 본 발명의 전해액이 사용되는 전해콘덴서를 밀폐성이 우수한 부틸고무로된 봉구재를 사용하여 봉지함으로써 105℃의 전해콘덴서 적용시 신뢰성이 증대된다.
본 발명의 전해액은 비저항이 약 40-50Ω㎝/25℃으로 제품에 적용시 우수한 임피던스와 손실각 및 신뢰도를 나타내고 초저임피던스 제품에 적용시 사용자의 요구사항을 충족하는 것이다.
본 발명의 전해액은 특히, 최대 105℃에서 적용되는 저압용(50V이하) 전해콘덴서에 적용되는 경우 우수한 신뢰성(105℃ 정격전압하에서 2000시간의 수명)을 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
실시예 1-전해액 제조
상온에서 에틸렌 글리콜과 물을 혼합한 후 30℃로 승온시키고 아디프산 및 암모늄 아디페이트를 각각 별도로 첨가한 후 75℃로 승온시킨다. 75℃를 유지하면서 암모늄 디하이드로젠포스페이트, 암모늄 p-니트로벤질 알코올 및 시트르산을 첨가하고 30분간 교반하였다.
그 후, 105℃로 승온시키고 2시간동안 교반한 다음 40℃로 자연냉각시켜 비교예 1-4 및 발명예 1-3의 전해액을 제조하였다. 전해액을 구성하는 각 성분은 하기 표 1의 양으로 혼합하였다.
한편, 종래예로서 신양화성공업주식회사(일본)에서 시판되는 전해액 CP-110을 사용하여 전해액의 전기적 특성을 비교하였다.
하기 표 1에 각 전해액에 대한 비저항, pH 및 내전압을 나타내었다.
| 구분 | 성 분 (g) | 물 성 | ||||||||
| EG | 물 | 아디프산 | 암모늄아디페이트 | ADHP | APNBA | 시트르산 | 비저항(Ω㎝/25℃) | pH | 내전압(Volt) | |
| 종래예 | - | - | - | - | - | 90 | 5.0 | 70 | ||
| 비교예 1 | 30 | 55 | 0.5 | 20 | 1 | 5 | 0 | 31.1 | 6.6 | 200 |
| 비교예 2 | 50 | 35 | 6 | 10 | 3 | 0.5 | 0 | 70.5 | 7.0 | 250 |
| 비교예 3 | 30 | 40 | 1 | 15 | 1 | 1 | 0 | 35.0 | 6.5 | 230 |
| 비교예 4 | 50 | 35 | 1 | 15 | 1 | 1 | 0 | 60.5 | 6.3 | 240 |
| 발명예 1 | 35 | 40 | 1 | 12 | 1 | 1 | 1 | 45 | 6.5 | 230 |
| 발명예 2 | 45 | 50 | 5 | 18 | 1 | 3 | 2 | 43.2 | 6.7 | 250 |
| 발명예 3 | 40 | 45 | 3 | 15 | 2 | 2 | 3 | 46.4 | 6.6 | 230 |
* EG: 에틸렌글리콜
ADHP: 암모늄 디하이드로겐포스페이트
APNBA: 암모늄 p-니트로벤질알코올
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 전해액은 내전압이 종래 시판되는 종래예의 전해액 CP-110의 내전압 70 V에 비하여 230V(발명예 1)로 크게 상승되며 따라서 제품 에이징(aging)시 발열 및 음극 호일의 열화 문제가 해소된다. 또한, 비저항은 종래예에 따른 전해액의 비저항 90Ω㎝에 비하여 45Ω㎝(발명예 1)로 낮아져 높은 전도도를 나타낸다.
한편, 비교예 1 및 3의 경우, 비저항 및 내전압 특성은 양호하나, 전해질이 석출되었다.
실시예 2 - 전해콘덴서의 제품특성
양극박과 음극박 사이에 마닐라 섬유로된 분리기를 개재시키고, 이 권취형(rolled-up) 알루미늄 전해콘덴서에 CP-110 및 상기 발명예 1의 전해액을 함침시켜서 정격 전압 6.3V-정전용량 1500㎌(크기:Ф10 x L 20)의 알루미늄 전해 콘덴서를 제조하였다.
이 콘덴서 소자를 봉함재와 함께 알루미늄제의 외장 케이스에 봉입한 후, 컬링 가공으로 개구부를 봉지하였다. 이 봉함재로는 이소부틸렌-이소프렌-디비닐벤젠과의 공중합체로된 부틸 고무 중합체를 사용하였다.
상기 전해콘덴서를 2000hrs 동안 105℃, 6.3V에서 고온부하시험을 행한 후, 임피던스 및 손실각등의 제품특성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 종래예 | 발명예 1 | 비고 |
| 임피던스(Ω) | 27.0 | 16.5 | 39%향상 |
| 손실각(Tan δ) | 0.55 | 0.40 | 27%향상 |
상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 전해액(발명예 1)이 적용된 전해콘덴서는 CP-110이 사용된 전해콘덴서에 비하여 임피던스 특성 및 손실각(Tan δ) 특성이 개선되며 또한 제품의 신뢰도가 확보된다.
본 발명의 전해액은 비저항이 감소된 것으로 전도도가 우수하고 따라서 이를 알루미늄 전해 콘덴서에 적용하는 경우 임피던스 및 손실각등 우수한 전기적 특성을 갖는다. 이와 같은 본 발명의 전해액은 세트의 고성능화에 따른 전해콘덴서의 저임피던스의 임피던스 특성 향상 및 손실각 특성의 개선으로 품질의 향상을 도모할 뿐만 아니라, 사용자의 요구를 충족하는 것이다.
Claims (3)
- 에틸렌 글리콜 35∼45중량% 및 물 40∼50중량%로된 용매;아디프산 1∼3중량% 및 암모늄 아디페이트 12∼18중량%로된 용질; 및암모늄 디하이드로겐포스페이트 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량% 및 시트르산 1∼3중량%로된 첨가제;로 구성되는 알루미늄 전해콘덴서용 전해액.
- 전해액의 총 중량을 기준으로,에틸렌 글리콜 35∼45중량% 및 물 40∼50중량%로된 용매;아디프산 1∼3중량% 및 암모늄 아디페이트 12∼18중량%로된 용질; 및암모늄 디하이드로겐포스페이트 1∼3중량%, 암모늄 p-니트로벤질알코올 1∼3중량% 및 시트르산 1∼3중량%로된 첨가제;로 구성되는 알루미늄 전해콘덴서용 전해액이 함침된 알루미늄 전해콘덴서
- 제 2항에 있어서, 상기 알루미늄 전해콘덴서는 부틸고무로된 봉구재로 봉지됨을 특징으로 하는 알루미늄 전해콘덴서
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