KR20040064697A - 전도성 중합체를 이용한 박막 축전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 기판, (b) 상기 기판 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제1 중합막, (c) 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 펜톡시드층, (d) 상기 펜톡시드층 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제2 중합막을 포함하는 박막 축전기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 축전기로 사용되는 박막 적층체에 관한 것이다.
전자 회로에서 축전기를 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 인쇄 회로판(PCB)은 이 기판의 위나 아래에 매달리는 롤형 또는 분말/전해질 축전기를 사용하는 것이 제한된다. 적당한 전기 파라미터 및 안전성을 가지면서 기판에 직접 부착되거나 기판에 일체화될 수 있는 편평형 축전기가 요망될 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 이러한 축전기를 제공하는 것이다.
이러한 목적이 탄탈룸 펜톡시드나 니오븀 펜톡시드 및 폴리티오펜계 중합체인 에이치.씨. 스타아크사(H.C. Starck, Inc.)의 바이트론(Baytron:등록) 종류와 같은 전기전도성 중합막의 층들을 교대로 포함하는 축전기에 의해 충족될 수 있다는 것을 발견하였다. 이롭게도, 여러 유형의 전도성 중합체 박막이 사용될 수 있다.
<발명의 개요>
본 발명은 (a) 기판, (b) 상기 기판 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제1 중합막, (c) 상기 제1 중합막 표면 상에 위치하며, 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 펜톡시드층,및 (d) 상기 펜톡시드층 표면 상에 위치하며 전도성 중합체를 포함하는 제2 중합막을 포함하는 박막 축전기에 관한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 특징, 측면 및 잇점들이 하기의 설명 및 첨부하는 청구항을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 축전기의 한 실시양태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 이러한 축전기의 사진이다.
도 3a 및 3b는 3개층을 갖는 전도성 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)막 (바이트론) 옥시드 어레이의 직렬 및 병렬 접속을 나타내는 개략도이다.
본 발명은 (a) 기판, (b) 상기 기판 상에 위치하며 전도성 중합체를 포함하는 제1 중합막, (c) 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 펜톡시드층, 및 (d) 상기 펜톡시드층 상에 위치하며 전도성 중합체를 포함하는 제2 중합막을 포함하는 박막 축전기에 관한 것이다.
기판은 본 발명에서 사용할 때 얻어진 박막 축전기가 목적 용도에 사용될 수 있다면 어떠한 기판이든 가능하다. 일반적으로, 기판은 비전도성 기판이며, 비닐 중합체, 올레핀 중합체 또는 폴리에스테르 중합체와 같은 물질 중에서 선택할 수 있다. 기판의 두께는 일반적으로 약 0.01 mm 이상이다. 기판의 두께는 용도에 따라 폭넓게 달라질 수 있다. 한 실시양태에서, 이 두께는 약 0.01 내지 약 1 mm의범위이다.
중합막은 본 발명에서 사용할 때 얻어진 박막 축전기가 목적 용도에 사용될 수 있다면 어떠한 전기전도성 중합체든 가능하다. 적합한 전도성 중합체의 예로는 폴리아닐린계 중합체, 폴리피롤계 중합체, 폴리에틸렌옥시드계 중합체, 폴리티오펜계 중합체, 및 이들의 혼합물 또는 공중합체를 들 수 있다. 이들 중합체들 역시 당업계에 공지되어 있다.
특히 이로운 전도성 중합체는 에이치.씨. 스타아크사에서 시판되는 전도성 중합체인 바이트론(등록) 종류에 포함되는 것이며, 바람직하게는 그 전체 기재내용이 본원에 포함되는 미국 특허 제5,035,926호에 기재된 전도성 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)이다. 이러한 중합체는 바람직하게는 용액 상태의 상응하는 단량체를 이소프로판올 또는 에탄올과 같은 유기 용매 중에 유지되는 철(III)p-톨루엔술포네이트와 혼합하여 합성된다. 중합 시, 철염 침전물이 생기며, 이는 물로 세척하여 제거한다. 전도성 중합체는 또한 콜로이드 안정화제로 기능하는 폴리(스티렌술폰산)의 존재하에 수용액으로 제공될 수 있다. 일반적으로, 이들 전도성 중합체는 전도성이 높고, 박막에서의 투명성이 높고, 안전성 높으며, 공정이 용이하다. 이들 중합체의 적용 분야로는 제한 없이 플라스틱의 방전 코팅, 유리의 방전 코팅, 플라스틱의 정전 코팅, 축전기 전극 (탄탈룸 및 알루미늄), 인쇄 회로판(PCB)의 관통 구멍 도금 및 중합체 발광 다이오드 디스플레이를 들 수 있다.
이러한 바람직한 폴리티오펜 중합체 중 하나인 "바이트론 P"는 양호한 부착력을 나타내는 중합체 수분산액이다. 필요하다면, 결합제를 첨가하여 부착력을 향상시킬 수 있다. 이러한 수분산액은 플라스틱 및 유리 표면에 예를 들어 인쇄법 또는 분무법에 의해 용이하게 도포되며, 수계이므로 환경친화적이다.
전도성 중합체는 코팅을 위해 일반적으로는 적합한 결합제와 조합된다. 적합한 결합제의 예로는 제한 없이 폴리비닐 아세테이트, 폴리카르보네이트, 폴리비닐 부티레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 클로라이드, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리에테르, 폴리에스테르, 실리콘, 피롤/아세크릴레이트, 비닐 아세테이트/아크릴레이트, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 폴리 비닐 알콜을 들 수 있다.
전도성 중합막의 두께는 약 50 nm 이상이 일반적이며, 용도에 따라 약 100 nm 내지 약 10 ㎛의 범위가 바람직하다.
한 실시양태에서, 본 발명은 (a) 기판, (b) 상기 기판 표면 상에 위치하는 제1 중합 전도층 및 (c) 상기 제1 중합층으로부터 확장되는 펜톡시드층/중합 전도층의 복수개의 교대층 (여기서, 펜톡시드층의 총 수는 n, 중합 전도층의 총 수는 n+1이며, n은 바람직하게는 1 내지 30의 범위임)을 포함하는 박막 축전기에 관한 것이다. 또 다른 실시양태에서는, 각 구성요소들이 2 내지 20개층일 수 있다 (일반적으로는 옥시드층에 비해 전도성 막층이 더 많음). 이러한 적층체에서의 실질적인 축전기 각각에는 직렬 또는 병렬 접속이 이루어질 수 있다. 막 적층체 전체가 비닐, 올레핀 또는 폴리에스테르 막과 같은 비전도성 기판 상에 있는 것이 바람직하다.
한 실시양태에서, 전도성 막 각각은 두께가 약 1 미크론이며, 액체 또는 용액 전구체로부터 인쇄, 분무 또는 기타 습식법에 의해 도포된다. 또 다른 실시양태에서, Ta, Nb-옥시드 막 각각은 두께가 약 1 미크론이며, 액체 또는 수증기 전구체로부터 물리적 증착법(PVD) 또는 화학 방법에 의한 반응에 의해 도포된다. 별법으로, Ta 또는 Nb를 도포하고, 동시에 산화시킬 수 있다.
이렇게 제조된 축전기는 공지된 Ta2O5/Cu/Ta2O5/Cu... 적층체에 비해 주위 습도의 영향에 의한 악화에 덜 민감할 것이라는 점에서 잇점을 갖는다. 또한, 짧은 적층체 (산화물 및 중합체 각각이 2 내지 4개층)는 투명할 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따라 제조된 축전기 (10)의 한 실시양태를 개략적으로 나타낸다. 중합체 기판 (12) (예를 들어, 밀라(Mylar:상표) 필름)에 1 미크론의 폴리티오펜 전도층 (14)가 코팅되고, 그 위에 다시 100 nm의 탄탈룸 펜톡시드 막 (16)이, 이어서 또 다른 1 미크론의 전도층 (18)이 덮여 있다. 은 접속 패드 (20)이 층 (14) 및 (18)에 도포된다. 이러한 축전기를 제작하였다. 이를 5 볼트에서 시험한 결과, 전기용량은 옥시드 면적의 평방 cm 당 약 350 nF를 나타내었다.
도 2는 상기 축전기의 사진이며, 참조 번호는 도 1에서의 층들을 나타낸다. 1 cm, 1 인치 (2.54 cm)의 기준 표선이 나타나 있다. 전도층 (14)의 원은 직경이 약 2.75 인치 (6.98 cm)이다.
한 실시양태에서, 축전기는 전도층들을 교대로 하여 1 내지 30개의 옥시드층들로 제조될 수 있다. 원한다면, 기판 필름 (12)는 실리콘 코팅을 가질 수 있으며, 이는 축전기 제작 후 제거될 수 있다. 유사하게, 축전기를 새로운 기판에 부착시키기 위해 전사 오버코팅을 도포할 수 있다. 다른 실시양태에서, 축전기는 30개가 넘는 옥시드층들로 제조될 수 있다.
도 3a 및 3b는 3개의 옥시드층 (16, 26 및 36)을 갖는 전도성 막 (바이트론)-옥시드 어레이와 4개의 전도성 막 (14, 18, 24 및 28) (각각은 약 1 미크론임)의 직렬 및 병렬 접속된 축전기 (10A, 10B)를 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 박막 축전기는 일반적으로 (i) 기판 상에 위치하며 전도성 중합체를 포함하는 중합막을 도포하는 단계, (ii) 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 또는 이들의 혼합물의 펜톡시드층을 상기 중합체 전도층에 도포하는 단계, 및 (iii) 상기 펜톡시드층에 위치하는 제2 전도성 중합체를 도포하는 단계에 의해 제조된다. 원하는 구성요소의 층 수에 따라 제조 단계들을 반복할 수 있다.
폴리티오펜계 중합체가 수용액으로 사용되는 경우, 용액을 임의의 적합한 방법, 예컨대 인쇄, 바 코팅, 스핀 코팅 또는 딥 코팅에 의해 기판에 도포한다. 용액을 도포한 후에는, 담체 용매를 증발시키기 위해 건조 단계가 필요하다. 일부 경우에는 바이트론 P 용액에 몇가지 추가 용매 및(또는) 결합제를 첨가하는 것이 이로우며, 이것이 일부 경우에는 기판에 대한 막의 부착력을 증가시킨다.
중합을 동시에 수행하면서 층에 중합체 전도성 박막을 제조하고자 하는 경우에는, 단량체 및 산화제 용액을 하나의 용액으로 혼합한다. 이 용액을 기판 상에 도포하는 것이 필요하며, 이는 공지된 임의의 습식법 (예를 들어 인쇄, 바 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅)에 의해 달성될 수 있다. 용액을 도포한 후, 담체 용매를 증발시키기 위해 건조 단계가 필요하다. 그 후, 얻어진 중합막을 세척하여 중합 중에 형성된 임의의 염을 제거한다.
초박막이지만 조밀하고 유전율이 높은 산화막을 얻는 방법은 제한 없이
(a) Ta, Nb 타겟의 반응성 스퍼터링 또는 레이저 또는 EB 스캔 가열 등의 물리적 증착법(PVD)으로 침착된 상태로 산화물을 형성하는 방법;
(b) 산화물 타겟을 스퍼터링하여 산화물을 필름 기판으로 (또는 이전에 놓인 전도층의 상부에) 전사하는 방법;
(c) Ta, Nb 필름을 공지된 임의의 방법으로 코팅하고, 이를 (전기분해적 또는 화학적 양극처리화에 의해) 양극 처리화하는 방법을 들 수 있다. 이러한 경우, 막은 부분적으로 산화될 것이며, 비산화된 부분은 인접한 전도층의 일부가 된다.
본 발명은 그의 바람직한 특정 버젼을 참고로 상세히 기재하였으나, 다른 변형들도 가능하다. 따라서, 첨부되는 청구항의 취지 및 범주는 본원에 포함되는 버젼의 기재로 한정되서는 안된다.
Claims (18)
- (a) 기판,(b) 상기 기판 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제1 중합막,(c) 상기 제1 중합막 표면 상에 위치하며, 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 펜톡시드층, 및(d) 상기 펜톡시드층 표면 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제2 중합막을 포함하는 박막 축전기.
- 제1항에 있어서, 기판이 비닐 중합체, 올레핀 중합체, 폴리에스테르 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 박막 축전기.
- 제1항에 있어서, 제1 중합막 및 제2 중합막이 폴리아닐린 중합체, 리그노-황산 중합체, 폴리 피롤 중합체, 티오펜계 중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 박막 축전기.
- 제1항에 있어서, 제1 중합막의 두께가 약 100 nm 내지 약 10 ㎛의 범위인 박막 축전기.
- 제1항에 있어서, 펜톡시드층의 두께가 약 10 내지 약 100 nm의 범위인 박막 축전기.
- 기판의 두께가 약 0.01 mm 이상인 박막 축전기.
- 제1항에 있어서, 제1 중합막 및 제2 중합막이 폴리티오펜계 중합체, 폴리아닐린계 중합체, 폴리피롤계 중합체, 폴리에틸렌옥시드계 중합체, 및 이들의 혼합물 또는 공중합체로 구성된 군 중에서 선택되는 박막 축전기.
- (a) 기판, (b) 상기 기판 상에 위치하는 제1 중합 전도층 및 (c) 상기 제1 중합층으로부터 확장되는 펜톡시드층/중합 전도층의 복수개의 교대층을 포함하며, 펜톡시드층의 총 수가 n, 중합 전도층의 총 수가 n+1인 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, n이 1 내지 30의 범위인 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, 직렬 접속된 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, 병렬 접속된 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, 기판이 비닐 중합체, 올레핀 중합체, 폴리에스테르 중합체및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택된 비전도성 기판인 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, 기판이 비닐 중합체, 올레핀 중합체, 폴리에스테르 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 박막 축전기.
- 제8항에 있어서, 1종 이상의 중합막이 폴리아닐린계 중합체, 폴리피롤계 중합체, 폴리에틸렌옥시드계 중합체, 폴리티오펜계 중합체 및 이들의 혼합물 또는 공중합체로 구성된 군 중에서 선택되는 박막 축전기.
- (a) 기판 상에 위치하는 제1 전기전도성 중합체를 도포하는 단계;(b) 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 또는 이들의 혼합물의 펜톡시드층을 상기 중합체 전도층에 도포하는 단계; 및(c) 상기 펜톡시드층 상에 위치하는 제2 전기전도성 중합체를 도포하여 박막 축전기를 형성하는 단계를 포함하는, 박막 축전기의 제조 방법.
- 제15항에 있어서, 형성된 박막 축전기가(a) 기판,(b) 상기 기판 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제1 중합막,(c) 상기 제1 중합막 표면 상에 위치하며, 탄탈룸 펜톡시드 또는 니오븀 펜톡시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 펜톡시드층, 및(d) 상기 펜톡시드층 표면 상에 위치하며 전기전도성 중합체를 포함하는 제2 중합막을 포함하는 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 박막 축전기가 (a) 기판, (b) 상기 기판 표면 상에 위치하는 제1 중합 전도층 및 (c) 상기 제1 중합층으로부터 확장되는 펜톡시드층/중합 전기전도층의 복수개의 교대층을 포함하며, 펜톡시드층의 총 수가 n, 중합 전도층의 총 수가 n+1인 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 제1 중합막 및 제2 중합막이 폴리아닐린계 중합체, 폴리피롤계 중합체, 폴리에틸렌옥시드계 중합체, 폴리티오펜계 중합체, 및 이들의 혼합물 또는 공중합체로 구성된 군 중에서 선택되는 것인 방법.
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