KR20040063908A - 복합 티탄산화피막과 그 형성방법 및 티탄 전해 콘덴서 - Google Patents

복합 티탄산화피막과 그 형성방법 및 티탄 전해 콘덴서 Download PDF

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KR20040063908A
KR20040063908A KR10-2004-7005512A KR20047005512A KR20040063908A KR 20040063908 A KR20040063908 A KR 20040063908A KR 20047005512 A KR20047005512 A KR 20047005512A KR 20040063908 A KR20040063908 A KR 20040063908A
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Abstract

금속티탄상의 표면유도율이 커서 안정된 복합티탄산화피막을 이용한 소형이면서 대용량이고 더 나아가 누설전류가 적은 티탄전해 콘덴서의 제공.
금속 티탄 기체(基體)표면에 형성된 하기 일반식 Mx(Tio3)y(여기서 M은 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 한 종류의 금속이온이고,x는 Tio3의 원자가와 동등하고,y는 금속이온 M의 원자가와 동등함.)로 표현된 복합 티탄 산화물의 피막이고, 당해 피막의 두께가 5mm이고 또한 평균 입자 지름이 5~250nm의 입자로 구성된 복합티탄 산화피막임. 이 복합 티탄 산화피막을 갖는 금속 티탄 기체를 양극으로 사용하는 티탄 전해 콘덴서임.

Description

복합 티탄산화피막과 그 형성방법 및 티탄 전해 콘덴서 {COMPLEX TITANIUM OXIDE FILM, METHOD FOR FORMING THE SAME, AND TITANIUM ELECTROLYTIC CAPACITOR}
종래의 고체 전해 콘덴서를 대표하는 소형 대용량 전해 콘덴서로서는 탄탈(tantalum) 전해 콘덴서 및 알루미늄 콘덴서가 대표적으로 실용화 되어 있다.
탄탈 전해 콘덴서는 금속 탄탈의 다공질 소결체(燒結體)를 전극으로 하여 이것을 양극 산화하여 유전체(誘電體)산화피막을 형성하여 제조된다. 이와 같이 형성된 탄탈의 산화피막은 대단히 안정적인 것이기 때문에 유전(誘電)특성이 양호하고 또한 수명이 긴 것을 특징으로 한다. 또, 알루미늄 전해 콘덴서는 마찬가지로 금속 알루미늄 박(箔) 또는 소결체에 유도체로서 산화 알루미늄을 양극 산화에 의해 형성되어 제조된다.
도 3은, 탄탈 전해 콘덴서 및 알루미늄 전해 콘덴서의 일례를 편의상 함께 표시한 모식도이다. 이때 양극(10)으로는 표면에 탄탈산화물(Ta2O5)를 절연체층(11)으로 갖는 Ta 분말 다공질 소결체 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)를 절연체층(11)으로 갖는 Al 분말 다공질 소결체를 이용하여, 양극선(납선)(12)로서 Ta선 혹은 Al선이 소결체 안에 각각 매입되어 있다. 음극으로는, 이산화 망간(MnO2) 고체전해질(13)과 카본 +Ag 음극(음극도선층)(14)을 예시하고 있다.
탄탈 전해 콘덴서의 경우, 예를 들면, 입자 지름 0.1 ~ 10μm의 탄탈 분말을 프레스로 압축 성형하여, 소결하여 다공질 소결체를 형성한다. 이것을 양극화 하여 산화피막을 얻는다. 이 다공질 소결체를 표면적이 극대화하여, 큰 정전용량이 가능하다. 그 다음, 산화피막 위에 유산(硫酸) 망간 등의 망간 화합물을 가열 처리하여 산화망간을 음극으로 할 것인가 또는 다공질 소결체를 유산 망간의 수용액에 담가서 이를 전기로에서 열분해하여 이산화망간으로 하는 공정을 반복하여 이산화 망간층을 성장시켜 충분한 전해질층을 형성한다. 다공질소결체의 가는 구멍의 구석구석까지 이산화망간이 충전피복된다. 또는 전도성 고분자 화합물을 음극으로 하여 콘덴서를 만드는 것이 가능하다. 그 외에도 카본층을 부착시켜 도전 저항을 내리고 다시 은반죽을 도포하여 외부 납선(圖示 없음.)을 납땜질할 수 있다. 이산화 망간 형성후에, 전도성 폴리머를 형성한 이중구조로 하는 것도 가능하다. 액체 전해질의 사용도 가능하다. 알루미늄 전해 콘덴서의 경우도 이에 준한다.
그렇지만, 탄탈전해콘덴서에 있어서는, 탄탈이 고가라는 문제가 있다. 한편, 알루미늄 전해콘덴서에 있어서는, 알루미늄은 가격이 저렴하나 알루미늄 전해콘덴서의 경우, 도 3의 확대도에 표시된 바와 같이, 콘덴서를 형성한 때, 알루미늄 산화막인 절연체층(11) 안에 산소 결함이 생기고, 반도체화 함으로써 발생하는 누수 전류가 크기 때문에 수명이 짧고, 또한 알루미늄은 단위 면적당 유전율이 탄탈보다 작아서 소형으로 대용량의 콘덴서를 만들기가 어렵다고 하는 문제가 있다.
상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위하여, 양극에 금속 탄탈을 사용하여. 이것에 산화 티탄 혹은 복합산화 티탄 등의 산화피막을 형성한 티탄전해콘덴서의 개발이 많이 시도되고 있다. 즉, 티탄은 탄탈보다 저렴하고, 더 나아가 산화티탄 혹은 티탄산(酸)바륨 등의 복합티탄산화물은 산화탄탈 혹은 산화알루미늄에 비해 유전율이 현저하게 높기 때문에, 티탄전해콘덴서는 종래 기술의 과제였던 저렴하면서 대용량의 전해콘덴서의 개발에 높은 가능성을 갖는 것이다.
도 1 은, 티탄 전해콘덴서의 개념도를 보여 주고 있다(도 3에 있어서, Ta, Al분말을 Ti분말에, Ta, Al 산화물을 Ti산화물에 그리하여 Ta, Al선을 Ti선에 각각 치환한 것임.). 티탄선(납선)(7)을 설치한 티탄 기본 양극(1)에는 티탄산화피막 또는 복합티탄산화피막(2)가 형성되어 양극을 구성한다. 양극에는 티탄선이 부설되어있다. 도 3 과 마찬가지로, 고체전해질(3)으로서 MnO2을예시하고, 이에 더하여 카본층(4)을 부착시켜 전도저항을 낮추고, 더욱이 은페이스트(5)를 도포하여 외부 납선(도시 없음)이 때납(8)로 접속된 구조가 예시되어 있다. 완성된 소자는 외부의 습기나 오염으로부터 보호하기 위하여 케이스(6)에 봉입되어 있다. 이와 같이 티탄전해콘덴서를 개발하기 위하여, 유전체막으로서의 티탄산화피막 또는 복합티탄산화피막의 유전율 향상을 중심으로 여러 가지의 시도가 행해지고 있다.
예를 들면, 특개평(特開平) 5-121275호 공보에서는, 티탄 금속판의 양극산화를 전해질 함유 수용액 안에서 정전압에서의 양극산화중에 전류가 상승하는 시점보다 전에 양극 산화를 종료하고, 다음으로 수분함량 60 중량 이하의 유기용매로 된 전해액을 사용하여 온도 60℃이하에서 양극산화를 하고, 티탄판상에 산화피막을 형성하여, 이것을 160~350℃의 온도에서 열처리를 하여 얻어진 티탄을 양극으로 하여 산화피막상에 음극으로서의 고체전극(이산화망간 등) 또는 전해질용액(인산암모늄 4중량%-물36중량%-에틸렌글리콜 60중량%)를 매개로 하여 전극(백금박)을 형성하여 티탄전해콘덴서를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 수용액안에서의 양극산화에 의해 얻어진 산화피막을 갖는 티탄판을 다시 수분함량 60중량% 이하의 유기용매로 된 전해액을 사용하여 양극산화를 하고, 티탄 위에 산화피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
특개평 9-17684호 공보에서는, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로된 다공성의 소결체와 해당 소결체의 표면에 형성된 티탄산(酸)스트론티움 등의 페롭스카이트형 복합산화물을 주성분으로 하는 유전체막과 해당 유전체막의 표면에 형성된 도체 또는 반도체로 된 전극과, 해당 유전체 또는 반도체 전극과 도통하여, 상기 소결체와 대향하는 대향전극(그라파이트층, 은전극층)을 갖추고, 상기 도체 또는 반도체는, 망간, 니켈 등의 금속 산화물과 도전성 고분자 화합물(폴리피롤)의 2층 구조로 된 것을 특징으로 하는 콘덴서가 개시되어 있다. 유전체막 위에는 도체 또는 반도체로 된 건극이 형성되어 있기 때문에, 콘덴서 전체를 대형화하지 않고 큰 정전용량을 실현할 수 있다.
이에 더하여, 특개(特開) 2000-77274호 공보에는, 티탄을 주성분으로 하는 금속으로된 다공성의 소결체를, A이온(A는 Ba, Sr 또는 Pb중에 적어도 하나), B이온(B는 Zr 또는 Ti중 적어도 하나)를 포함하는 알칼리 수용액에서 가열처리하고, 다공성의 소결체 표면에 ABO3피막을 형성하고, 나아가 ABO3피막이 형성된 다공성 소결체를 C이온(C는 Ba 또는 Sr중 적어도 하나)와 Pb이온을 포함하는 알칼리 수용액에서 가열처리하고, 전도성의 CPbO3박막을 대향전극으로 형성하고, 그 후 그라파이트층 및 은전극층을 형성하여 얻을 수 있는 콘덴서와 그 제조방법이 개시되어 있다. 소형이면서도 큰 용량을 갖고, 제조가 용이한 콘덴서를 제조한다고 기재되어 있다.
상기 종래 기술은 유전체막의 유전율을 향상시켜, 용량이 큰 콘덴서를 만들고 있다. 그러나, 상기 종래기술에서 만들어진 금속 티탄 표면의 티탄계의 산화피막은, 유전율이 높으나, 그 치밀성, 안정성이 결여되어 있고, 콘덴서로서 사용될 때, 누수전류가 대단히 커서 실용화에는 아직 불충분하다.
본 발명은 복합 티탄산화 피막과 그 제조방법 및 그 복합티탄산화피막을 사용한 콘덴서에 관한 것으로, 상세하게는 금속티탄기체 표면상에 뛰어난 절연성을 갖고 또한 큰 정전(靜電)용량을 갖는 콘덴서를 구성할 수 있는 치밀한 복합티탄 산화피막 및 그 형성방법, 또 이를 이용하여 치밀한 산화피막을 갖는 금속티탄 기체를 양극으로 사용하는 티탄 전해콘덴서에 관한 것이다.
도 1 은 티탄전해콘덴서의 개념도를 표시한다.
도 2 는 본발명의 복합티탄산화피막의 SEM 사진이다.
도 3 은 탄탈전해콘덴서 및 알루미늄전해콘덴서를 동시에 보여주는 모식도이다.
도 4 는 본발명의 복합티탄산화피막의 X선 스텍트로포토이다.
따라서, 본 발명의 과제는, 금속티탄 기체표면의 유도율이 크고 안정된 복합티탄 산화피막 및 그 제법을 개발하여 이와 같은 산화피막을 이용함으로써 소형이면서 대용량이고 또한 누수전류가 작아 수명이 긴 티탄전해콘덴서를 제공하는데 있다.
본 발명자는, 상기 종래 문제점에 비추어, 금속 티탄 기체표면의 복합티탄 산화피막에 관하여, 예의 검토한 결과, 특정의 두께를 갖고 또한 특정의 입자 지름을 가진 입자로 구성된 복합 산화 피막이 고유전율이면서 누수전류가 적어 안정된 산화피막인 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다. 또 이와 같은 복합티탄 산화피막은, 금속 티탄기체를 알칼리 금속의 수산화물에 의해 처리한 후, 소망하는 1가지 이상의 금속 이온을 포함하는 용액에서 처리하거나 혹은 금속티탄 기체표면에 우선 티탄산의 칼륨염의 피막을 형성한 후 금속이온을 포함하는 수용액에서 처리하여 형성된 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명의 복합티탄 산화피막은, 금속티탄 기체표면에 형성된 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘,스트론티움, 바륨 및 란탄에서 선택된 적어도 한 종류의 금속 이온을 포함하는 복합 티탄 산화물의 피막이고, 해당 피막의 두께가 5mm 이하이고, 평균 입자 지름이 5~250mm인 입자로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본발명의 복합티탄산화피막의 형성방법은, 금속 티탄기체를 알칼리금속의 수산화물에 의해 처리한 후, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속 이온을 포함하는 수용액에서 처리한 것에 의해 해당 금속티탄기체 표면에 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속이온을 포함하는 복합티탄산화물의 피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본발명의 복합티탄산화피막의 형성방법은, 금속티탄 기체표면에 티탄산의 칼륨염의 피막을 형성한 후, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속 이온을 포함하는 수용액에서 처리한 것에 의해 해당 금속티탄 기체표면에 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속이온을 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 나아가, 본발명은 복합티탄산화물은 티탄산 바륨, 티탄산 스트론티움 및 티탄산 바륨스트론티움으로부터 선택할 수 있는 적어도 1종류가 선호된다.
본발명의 복합티탄산화피막은, 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속이온을 포함하며, 아래 일반식(1)에서 표시된 화합물을 포함한다.
(M2/xO)·y(TiO2) (1)
(여기서 M은 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금속이온이고, x는 금속이온 M의 원자가에 상응하고, y는 0.1 ~ 10이다.)에서 표현된 복합티탄산화물의 피막이고, 그 중에도 금속 이온 M으로서는 스트론티움 및 바륨이 선호된다. 구체적으로는 티탄산바륨, 티탄산스트론티움 및 티탄산바륨스트론티움이고, 하기 일반식(2)
BanSr1-nTiO3(2)
(n은 0≤n≤1로 표현되어 있는 실수임.)로 표현되어 있다. 상기 일반식 (2)에 있어서 (Ba+Sr)와 Ti의 원자비는 반드시 1이 아니어도 좋고, 0.90≤(Ba+Sr)/Ti≤1.10이다. 또, 본발명의 복합티탄산화피막은 상기 일반식 (1)에 표현된 복합티탄 산화물 외에 산화티탄피막을 금속티탄 기체표면과 해당 복합티탄산화물의 사이 혹은 해당 복합티탄산화피막의 내부 또는 표면에 존재해도 좋다.
본발명의 복합티탄산화피막의 두께는 5㎛ 이하이고, 피막의 두께가 5㎛보다 큰 경우에는, 콘덴서로 하면 유전체로서의 정전용량이 낮게 된다. 또, 산화피막의 두께가 극단적으로 얇은 경우에는, 정전용량은 높게 되나 피막 강도가 약하게 되고더욱이 피막의 균일성이 나빠지고 콘덴서를 만든 경우에는 누수전류가 생기는 경우가 있다. 따라서, 복합티탄산화피막의 두께는 0.5 ~ 5 ㎛가 선호된다.
또한, 본발명의 복합티탄산화피막의 최대 특징은, 해당 피막을 구성하는 입자의 평균 입자 지름이 5 ~ 250nm, 바람직하게는 10 ~ 150nm, 아주 바람직하게는 10 ~ 100nm의 미세한 상기 일반식 (1) 또는 일반식 (2)에 표현된 복합티탄산화물의 입자로 구성된 것이다. 본발명의 복합티탄산화피막 표면의 SEM 사진을 도 2에서 보여주고 있다. 본발명에 있어서, 복합티탄산화피막을 구성하는 입자라 함은, 수nm의 1차 입자가 집합하여 형성된 2차 입자이고, 도2의 SEM 사진에서의 흑색부분으로 구분된 백색 혹은 회색부분의 하나의 섹션을 말한다. 이와 같이 미세한 입자층이 복수로 겹쳐 피막을 구성하는 것에 의해, 치밀한 피막이 형성되어 티탄전해콘덴서를 형성할 경우, 산화피막의 갈라짐이나 박리 등에 의한 누수전류가 적게 되고, 고용량으로 더욱 안정된 콘덴서가 형성된다. 역으로, 피막을 형성하는 입자의 평균 입자 지름이 1㎛보다 큰 경우에는, 적층되는 입자 수가 극단적으로 적게 되어, 입자간에 간극이 생겨 그 결과로서 콘덴서를 형성할 경우, 누수 전류가 극단적으로 증가한다. 또, 본발명의 복합티탄산화피막은 치밀하여, 상기 피막을 형성하는 입자(2차입자)끼리의 간극(도2의 SEM 사진에 있는 흑색부분)이 좁아진다. 구체적으로는, 입자간의 간극이 100nm 이하, 바람직하게는 50nm이하, 아주 바람직하게는 20nm이하이다. 더 나아가, 전술한 바와 같이, 본발명의 복합티탄산화피막은 입자의 층이 복수로 적층되어 피막을 형성하게 되고, 적정한 입자의 지름이 작은 입자가 복수층적층되어 있기 때문에, 피막의 두께는 얇고, 결과로서 누수전류가 없어지고 한층 큰 정전용량이 확보 가능하다. 복합티탄사화피막의 입자 적층수를 피막 두께(㎛)와 입자의 평균 입자지름(㎛)의 비[피막 두께(㎛)/입자의 평균 입자지름(㎛)]로 표시하면, 본발명의 복합티탄산화피막의 입자 적층 수는, 3 이상, 바람직하게는 5 ~ 50, 보다 바람직하게는 10 ~ 30 이다.
금속티탄 기체표면에 티탄산스트론티움과 같은 복합티탄산화피막을 형성하는 기술은 이전부터 보고되어 있고, 예를 들면, [ Growth of Strontium Titanate Thin Films of Controlled Thickness by the Hydrothermal-Electrochemical Method] ( Journal of American Ceramic Society, 77[11] 2889-97(1994))에 있어서는, 소위, 수열전기화학법에 의해 형성된 금속티탄상의 티탄산스트론티움피막에 관하여 개시되어 있다. 그러나 그 방법에 의해 형성된 피막은, 그 표면 위는 입자로 형성되어 있는 것과 같이 보이나, 그 단면은 주상(柱狀)구조이고, 본발명의 복합티탄산화피막과 같이 입자가 몇중으로 겹쳐서 형성된 피막과는 그 구조를 달리 하고 있다. 이 방법은 전기화학적으로 산화피막을 형성하기 위하여 결과적으로 주상결정간에 간극이 존재하기 때문에, 콘덴서를 형성할 경우, 이 간극으로부터 전류가 누수되고 만다.
본발명에서 사용될 수 있는 금속티탄기체는, 금속티탄판 또는 금속티탄 분말을 소결한 다공질 소결체이나, 통상적으로, 티탄전해 콘덴서를 만드는 경우에는,양극으로서 후자의 금속티탄 분말을 소결한 다공질 소결체가 이용될 수 있다. 이 다공질 소결체를 만드는 경우, 원료로서 금속티탄분말을 사용해도 좋으나, 연화된 수소화 티탄분말도 사용이 가능하다. 수소화 티탄 분말을 사용하는 경우에는, 소결 전, 소결시 혹은 소결 후에 갑압하에 가열처리하여 탈수소 처리를 한다. 이와 같은, 금속 티탄분말이나 수소화 티탄분말은 공지의 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 수소화 티탄분말은 스폰지 티탄이나 티탄결정체 등의 조각 등의 티탄 원료를 먼저 수소화하여 연화시킨 다음, 분쇄하여 미립자화하고, 그 후 분류 혹은 체질하여 입도를 조정하여 제조된다. 금속티탄분말은 이 수소화 티탄 분말을 가열 혹은 진공가열하여 탈수소하여 얻을 수 있다.
상기의 금속 티탄 분말의 다공질 소결체를 만들 경우, 사용되는 금속티탄분말은 통상, 입자 직경이 0.1 ~ 150 ㎛, 바람직하게는 0.1 ~ 50 ㎛, 평균 입자 지름이 0.5 ~ 100 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛이다. 다공질 소결체를 만드는 방법에 관해서는 공지의 방법을 채용할 수 있으나, 예를 들면, 먼저 티탄분말을 프레스 성형기에 의해 가압 성형한다. 이 경우, 필요에 따라 스티렌 수지, 아크릴 수지, 장뢰 등의 바인더, 혹은 이러한 바인더를 톨루엔이나 키실렌 등의 유기용매에 용해시킨 것을 티탄분말에 혼합한다. 이와 같이 형성된 것을 진공상태에서 600 ~ 1100℃에서 태워 만든다. 이와 같이 형성된 다공질 소결체를 콘덴서에 사용하는 경우, 티탄선을 가압 성형시 혹은 태워 만든 후 획득한다. 콘덴서를 만들 때의 정전용량을 크게 하기 위해서는, 다공질 소결체는 가능한한 비표(比表) 면적이 크게 될 수 있도록 만드는 것이 필요하다. 구체적으로는, 다공질 소결체의 소결밀도(금속티탄의 진(眞)비중에 대한 다공링 소결체의 밀도 비율)은 30 ~ 70 %가 될 수 있도록 만드는 것이 바람직하다. 소결 밀도를 높게 하면, 비표면적은 작게 된다. 소결 밀도를 과도하게 낮게 하면 비표면적은 크게 되나, 다공질 소결체의 강도가 낮아져 콘덴서로서 사용할 수 없게 된다.
이하에서, 본발명의 복합티탄 산화피막의 형성방법을 구체적으로 설명한다. 우선, 상기의 금속티탄 기체를 알칼리 금속의 수용액 안에서 처리를 한다.(제1처리 공정). 이 경우, 알칼리 금속으로서는 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 등을 들 수 있으나, 바람직하게는 수산화 칼륨이다.
제1처리 공정시의 처리조건에 의해 얻을 수 있는 복합티탄 산화 피막의 두께 및 피막을 구성하는 입자의 입경이 좌우되어, 우선 알칼리 금속 수용액의 농도는 0.1 ~ 100 M, 바람직하게는 3 ~ 20 M이다. 또 처리온도는 200℃ 이하, 바람직하게는 60 ~ 150℃이다. 처리 시간은 상기 알칼리 금속 수용액의 농도 및 처리온도에 따라 다르나, 통산 10분 이상, 바람직하게는 30분 ~ 10시간이다.
상기와 같이 알칼리 금속 수용액에서 처리할 경우, 상기의 처리조작 전에, 금속 티탄기체 표면에 부착되어 있는 오염을 제거하고, 아울러 기체표면의 비표면적을 향상시키기 위한 표면 처리를 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 불화수소 등의 산 혹은 다른 산화제 등으로 처리한다.
상기와 같이 알칼리 수용액에서 금속 티탄기체를 처리함으로써, 금속티탄 기체 표면에 알칼리금속의 티탄산염의 피막을 생성할 수 있다. 알칼리 금속의 티탄산염의 피막 중에서도 특히 티탄산의 칼륨염의 피막을 형성시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 금속 티탄기체를 수산화 칼륨 수용액에서 처리하여, 금속티탄 기체표면에 티탄산의 칼륨염 피막을 형성시킨다. 여기서 티탄산의 칼륨염이라 함은 TiO2(OH) 로 표현되는 조성을 갖는 화합물 또는 K2O·n(TiO2) (여기서 n은 2 ~ 8의 정수임.)로 표현되는 티탄산 칼륨이다. 이 티탄산 칼륨염은 섬유상 또는 단결정(whisker)상의 치밀한 피막을 형성하기 위하여도, 본발명의 복합티탄 산화피막을 형성하기 위해서도 바람직하다.
이와 같이, 티탄산 칼륨과 같은 알칼리 금속의 티탄산염의 피막을 금속티탄 기체 표면에 형성시킨다. 그 후 필요에 따라서 피막을 형성한 금속티탄 기체를 건조시킨다. 이 경우의 건조는 상온부터 200℃이다.
다음으로, 상기의 표면에 알칼리 금속의 티탄산염의 피막을 형성한 금속 티탄기체를, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 한 종류의 금속이온을 포함하는 수용액에 넣어 처리를 한다.(제2처리 공정). 이러한 금속 화합물은 수산화물, 초산염, 유산염, 염화물 등이 이용될 수 있다. 구체적인 화합물로서는, 수산화 리튬, 염화 리튬, 초산 리튬, 수산화 마그네슘, 염화 마그네슘, 초산 마그네슘, 수산화 칼슘, 초산 칼슘, 유산 칼슘, 염화 칼슘, 수산화 스트론티움, 초산 스트론티움, 유산 스트론티움, 염화 스트론티움, 수산화 바륨, 초산 바륨, 유산 바륨, 염화 바륨, 수산화 란탄, 초산 란탄, 유산 란탄, 염화 란탄이고, 이 중에서도 수산화 리튬, 수산화 스트론티움, 수산화 바륨, 염화 스트론티움, 염화 바륨이다. 그러한 화합물은 1 종류 또는 2 종류 이상의 조합이 이용될 수 있다.
상기 제2처리공정시의 조건에 의해서도, 얻을 수 있는 복합티탄 산화피막의 두께 및 피막을 구성하는 입자의 입경이 좌우되어, 먼저 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1종류의 금소이온을 포함하는 수용액 안의 해당 금속 이온의 농도는 0.1 ~ 100 M, 바람직하게는 0.3 ~ 10M이다. 또 처리온도는 200℃ 이하, 바람직하게는 40 ~ 150 ℃이다. 처리시간은 상기 알칼리 금속 수용액의 농도 및 처리온도에 따라 다르나, 통상 1분 이상, 바람직하게는 30분 ~ 10 시간이다. 또, 제1처리공정에서 사용된 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨 등의 알칼리 금속을 상기의 금속이온 수용액과 공존시켜도 좋다.
상기와 같이, 제1처리공정에서 생성된 알칼리 금속의 티탄산염의 피막을, 제2처리공정에서 다른 금속이온에서 처리함으로써 칼륨 등의 알칼리금속이 다른 금속에 치환되어 본발명의 치밀한 복합티탄 산화피막이 형성된다. 본발명의 복합티탄 산화피막의 바람직한 형성방법은 아래와 같다:
1) 먼저, 금속티탄기체를 50 ~ 100℃의 수산화 칼륨 수용액에서 처리(제1처리공정)하고, 그후 상온에서 건조하여 섬유상의 티탄산 칼륨피막을 금속티탄 기체 표면에 형성한다.
2) 상기의 티탄산 칼륨피막을 형성한 티탄기체를 50 ~ 100 ℃의 수산화 바륨 혹은 수산화 스트론티움(또는 이러한 것들의 혼합물) 수용액에서 처리한다(제2처리공정). 이것을 건조하여 본발명의 복합티탄 산화피막인 티탄산 바륨, 티탄산 스트론티움 또는 티탄산바륨스트론티움 피막을 얻을 수 있다.
본발명의 복합티탄산화피막을 갖는 금속티탄 기체를 양극으로 하여 고체전해 콘덴서를 만들 수 있다. 이 경우, 음극으로서는 탄탈 전해 콘덴서와 마찬가지로, 산화피막 위에 유산망간 등의 망간 화합물을 가열처리하여 산화망간을 음극으로 하거나, 다공질 소결체를 초산망간의 수용액에 침전시켜 이것을 전기로에서 열분해하여 이산화 망간으로 하는 공정을 반복하여 이산화망간층을 성장시키거나 혹은 유전성 고분자화합물을 음극으로 하여 콘덴서를 만드는 것이 가능하다. 그 위에 카본층을 부착시켜 도전저항을 낮추고, 더 나아가 은반죽을 도포하여 외부 납선(도시 없음)이 땜질이 가능하다. 이산화망간 형성 후에 도전성 폴리머를 형성한 2중 구조로 하는 것도 가능하다. 액체 전해질의 사용도 가능하다. 고체 전해질 및 액체 전해질을 포함하여, 종래 기술로서 앞에서 예시된 바와 같은 임의의 공지 음극구조를 채용하는 것이 가능하다.
이하에서 실시례 및 비교례를 보여 본발명의 효과를 구체적으로 설명한다.
여기서, 현성된 산화피막의 절연성의 평가 및 전기 용량 측정은 이하의 방법으로 실시한다.
1) 절연성 평가(누수전류의 측정)
복합티탄 산화피막을 갖는 티탄판으로된 시험 샘플을 절연 테이프에 의해 마스킹하여 약 1 cm2의 전극면적을 남긴다. 이 전극면상에도전성 패이스트, 도전성 테이프 등에서 대극(對極)을 형성하여 음극으로 한다. 인가전압을 5V, 10V, 15V, 20V, 30V로 한 경우 각각 1분 후에 정극과 대극간에 흐른 전류치(누수전류)를 측정한다. 이 경우, 전압을 인가하는 순서에 의해 누수전류의 측정치가 변화하기 때문에 저전압측으로부터 측정을 한다.
2) 전기용량측정
누수전류를 측정한 시험샘플을 정극으로 하여, 대극으로서 티탄판(20mm X 100 mm)를 이용하여, 이하의 조건에서 LCR(Inductance . Capacitor. 저항) 미터에 의해 직접 막의 전기용량을 측정한다.
- 측정 조건
전해액 : 150g/L아디핀산암모니움 수용액
주파수 : 120 Hz
진폭 : 1V
(주) 이 측정방법에서는 대극의 표면 용량이 직렬로 가산되나, Ti판의 용량은 시험극에 비해 충분히 크기 때문에 무시할 수 있다.(1/합계용량 = 1/샘플용량+ 1/Ti판 용량으로 표현되기 때문에, Ti판의 용량은 그것이 샘플 용량에 비해 충분히 큰 경우에는 무시할 수 있다.)
3) 피막의 두께
복합티탄 산화피막 형성 전후의 중량과 피막 형성 면적에 의해 피막의 두께를 산출한다.
4) 입자 평균 입경
피막의 SEM 사진으로부터, 백색 및 회색부분을 입자로 하여, 화상 분석에 의해 각 입자의 촬영면적에 상응하는 면적의 원의 직경을 산출하여, 그 평균을 입자의 평균 입경으로 한다.
<실시례 1>
8M의 수산화 칼륨 수용액 안에 금속티탄판을 담가 80℃에서 240분 처리를 한다.(제1처리공정). 이 금속티탄판을 실온에서 건조하고 다음으로 1M의 수산화 바륨 수용액 안에 담가 60℃에서 360분 처리를 한다.(제2처리공정). 그 후 처리를 한 금속티탄판을 실온에서 건조하여 금속티탄 표면상에 티탄산 바륨의 피막을 형성한다.
이 산화피막에 관하여, 피막의 두께, 입자의 입경, 절연성 평가 및 전기 용량을 측정한다. 얻어진 결과를 표1에 표시하였다. 또 얻어진 복합티탄 산화피막의 SEM 사진을 도2에, 또한 복합산화피막의 X선 스펙트럼을 도4에 표시하였다.
<실시례 2>
10M의 수산화 칼륨 수용액 안에 금속티탄판을 담가 80℃에서 240분 처리를 한다(제1처리공정). 이 금속티탄판을 실온에서 건조시키고, 그 다음 0.5M의 수산화 스트론티움 수용액 안에 담가 80℃에서 420분 처리를 한다(제2처리공정). 그후 처리를 한 금속티탄판을 실온에서 건조하여 금속티탄 표면상에 티탄산 스트론티움의 피막을 형성한다.
이 산화피막에 관하여, 피막의 두께, 입자의 입경, 절연성의 평가 및 전기요량을 측정한다. 얻어진 결과를 표1에 표시하였다.
<실시례 3>
8M의 수산화 칼륨 수용액 안에 금속티탄판을 담가 80℃에서 240분 처리를 한다(제1처리공정). 이 금속티탄판을 실온에서 건조시키고, 그 다음 바륨이온과 스트론티움이온이 같은 몰 함유한 합계 이온의 농도가 1M의 수산화 바륨/수산화 스트론티움의 혼합 수용액 안에 담가 60℃에서 360분 처리를 한다(제2처리공정). 그후 처리를 한 금속티탄판을 실온에서 건조하여 금속티탄 표면상에 티탄산 바륨의 피막을 형성한다.
이 산화피막에 관하여, 피막의 두께, 입자의 입경, 절연성의 평가 및 전기요량을 측정한다. 얻어진 결과를 표1에 표시하였다.
<실시례 4>
12M의 수산화 칼륨 수용액 안에 금속티탄판을 담가 60℃에서 360분 처리를 한다(제1처리공정). 이 금속티탄판을 실온에서 건조시키고, 그 다음 1M의 70℃의 수산화 바륨 수용액 안에 담가, 그후 90℃로 승온하여 60분 처리를 한다(제2처리공정). 그후 처리를 한 금속티탄판을 실온에서 건조하여 금속티탄 표면상에 티탄산 바륨의 피막을 형성한다.
이 산화피막에 관하여, 피막의 두께, 입자의 입경, 절연성의 평가 및 전기요량을 측정한다. 얻어진 결과를 표1에 표시하였다.
<비교례 1>
10M의 수산화 칼륨 수용액과 0.5M의 수산화 바륨 수용액을 혼합하여 수산화칼륨/수산화 바륨의 혼합수를 제조한다. 이 혼합 수용액 안에 금속티탄판을 담가 80℃에서 240분 처리를 한다. 그 후 처리를 한 금속티탄판을 실온에서 건조하여 금속티탄 표면상에 티탄산 바륨의 피막을 형성한다.
이 산화피막에 관하여, 피막의 두께, 입자의 입경, 절연성의 평가 및 전기요량을 측정한다. 얻어진 결과를 표 1 에 표시하였다.
[표 1]
피막두께(㎛) 1차 입자평균입경(㎚) 절연성평가(누수전류)(15V인가시) (㎂) 전기용량(㎋)
실시례 1 1.4 50 0.02 6350
실시례 2 0.8 110 0.77 3420
실시례 3 0.9 70 0.15 4404
실시례 4 2.5 230 118 1004
비교례 1 0.5 300 1580 9140
표 1로부터, 본발명의 복합티탄 산화피막은 안정되고, 이를 이용함으로써 누수전류가 작게 되고 더 나아가 전기용량이 큰 티탄전해 콘덴서를 얻을 수 있음이 이해된다.
금속티탄 기체표면에 유도율이 크고 안정된 치밀한 복합티탄 산화피막 및 그 형성방법을 제공하고, 이와 같은 산화피막을 이용함으로써 소형이면서 대용량, 또한 누수전류가 적어 수명이 긴 티탄 전해콘덴서의 개발에 성공하였다.

Claims (15)

  1. 금속티탄 표면에 형성된 티탄과, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 한 종류의 금속이온을 포함하는 복합티탄 산화물의 피막이고, 상기 피막 두께가 5㎛ 이하이고 또한 평균입경이 5 ~ 250nm의 입자로 구성된 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합산화물은 티탄산 바륨, 티탄산 스트론티움 및 티탄산 바륨스트론티움으로부터 선택된 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복합티탄 산화피막은 금속티탄기체를 알칼리 금속의 수산화물에서 처리한 후 상기 금속이온을 포함하는 화합물과 반응시켜 생성된 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한항에 기재된 복합티탄 산화피막을 갖는 금속티탄기체를 양극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 티탄전해 콘덴서.
  5. 금속티탄기체를 알칼리 금속의 수산화물 수용액에 의해 처리한 후, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 한 종류의 금속이온을 포함하는 수용액에서 처리하여 해당 금속티탄 기체 표면에 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어고 한 종류의 금속이온을 포함하는 복합티탄 산화물의 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속티탄 기체상에의 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 복합 산화물이 티탄산 바륨, 티탄산 스트론티움 및 티탄산 바륨스트론티움으로부터 선택된 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 복합티탄 산화피막의 두께는 5 ㎛ 이하이고, 평균입경은 5 ~ 250nm의 입자로 구성된 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 알칼리금속의 수산화물은 수산화 칼륨인 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  9. 제 5 항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성된 복합 티탄 산화 피막.
  10. 제 9 항에 기재된 복합티탄 산화피막을 갖는 금속티탄 기체를 양극으로 하여 사용하는 것을 특징으로 하는 티탄 전해 콘덴서.
  11. 금속티탄 기체표면에 티탄산 칼륨염의 피막을 형성한 후, 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1 종류의 금속이온을 포함하는 수용액에서 처리한 것에 의해 해당 금속티탄 기체표면에 티탄과 리튬, 마그네슘, 칼슘, 스트론티움, 바륨 및 란탄으로부터 선택된 적어도 1 종류의 금속이온을 포함하는 복합티탄 산화물의 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속티탄 기체상의 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 복합산화물은 티탄산 바륨, 티탄산 스트론티움 및티탄산 바륨스트론티움으로부터 선택할 수 있는 적어도 1종류인 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 복합티탄 산화피막의 두께는 5㎛ 이하이고 평균 입경은 5 ~ 250 nm의 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합티탄 산화피막의 형성방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항중 어느 한 항의 기재방법으로 형성된 복합티탄 산화피막.
  15. 청구항 14항 기재의 복합티탄 산화피막을 갖는 금속티탄 기체를 양극으로 하여 사용하는 것을 특징으로 하는 티탄 전해 콘덴서
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