KR20050055271A - 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 함으로써, 전하량과 축전용량을 증가시키고, 활용 전압대를 상승시켜 고전압형 초고용량의 구현이 가능한 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터에 관한 것이다. 본 발명은 비슷한 크기로 형성된 2개의 전극판이 유전체 또는 집전체층에 의하여 간격지어져 있는 초고용량 전기화학 커패시터에 있어서, 상기 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하되, 바람직하기로는 상기 두 극판은 그 두께를 서로 달리하거나 공극율 혹은 충진밀도를 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하며, 상기 두 극판의 전하량 또는 전하밀도의 차이는 1 : 0.2~0.95인 것을 특징으로 한다.

Description

전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터{Super Electrochemical Capacitor having different electric charge of electrode plate}

본 발명은 초고용량 전기화학 커패시터(Super Electrochemical Capacitor; 대표적으로는 EDLC)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전하량과 축전용량을 증가시키고, 활용 전압대를 상승시켜 고전압형 초고용량의 구현이 가능한 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터에 관한 것이다.

통상적으로 커패시터(capacitor) 혹은 콘덴서(condenser)는 크게 정전 커패시터(electrostatic capacitor), 전해 커패시터(electrolytic capacitor) 및 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor) 등으로 분류된다.

또한, 정전 커패시터로는 세라믹 커패시터, 글라스 커패시터 및 운모 커패시터 등이 있으며, 대부분이 약 1.0∼10㎌ 정도의 정전 용량을 갖는다.

상기 전해 커패시터로는 알루미늄 전해 커패시터 또는 탄탈륨 전해 커패시터 등이 알려져 있으며, 전해 커패시터는 정전 콘덴서의 약 100배 정도까지의 정전 용량을 가질 수 있다.

슈퍼 커패시터라고도 호칭되는 전기화학 커패시터로는 전기이중층 커패시터 (Electric Double Layer Capacitor: EDLC) 및 금속산화물 의사(pseudo) 커패시터 , 하이브리드형 슈퍼 커패시터등이 개발되어 있으며, 이들은 대략 1mF∼3000F 정도까지의 향상된 정전 용량을 갖는다.

상기 초고용량 전기화학 커패시터에 있어서, 일반적으로 분말 형태의 활성 탄소(activated carbon)를 도전재인 카본 블랙과 혼합한 다음 이들을 집전체 상에 부착하여 전극으로 사용하며, 이러한 과정에서 활성 탄소와 도전재 및 집전체 간의 결합을 위하여 결합제(binder)를 첨가한다.

이와 같은 결합제로는 폴리사카라이드(polysaccharide)계와 불소(fluoride)계의 결합제가 일반적으로 많이 사용되고 있다. 또한, 상기 결합제를 용해시키는 용매에 따라 수용성 결합제와 유기 결합제로 나누어지며, 이에 따라 전극을 제작하는 공정도 달라지게 된다.

한편, 초고용량 전기화학 커패시터의 제조에 있어서, 현재까지 탄소섬유 또는 활성 탄소 섬유에 금속 집전체를 형성하여 분극성 전극을 제작하는 방법, 탄소 페이스트(paste)를 전도성 고무 또는 금속 집전체에 압착하는 방법 내지 활성탄 분말을 포함하는 슬러리를 금속 집전체에 도포하는 방법 등이 개발되어 왔다.

도 1 은 일반적인 커패시터의 구조를 나타낸 요부 절개 사시도이고, 도 2는 종래기술에 의한 커패시터를 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 커패시터 구조를 도시하였는데 2개의 전극판(11a)(11b)들이 각각 동일한 크기로 형성되어 있고 유전체 또는 집전체층(12)에 의하여 간격지어져 있다.

상기 집전체층(12)은 콘덴서 그레이드 종이나 중합성 필름 또는 양쪽중에서 한개 혹은 둘 이상의 층으로 구성된 복합체를 포함한다. 보통 제작공정은 도시된 바와 같이 두개의 전극판(11a)(11b)들 사이에 집전체층(12)을 끼우고 또 다른 집전체층(12)을 박막전극중 하나의 다음에 배열하는 것이다.

이러한 조립체를 포선형으로 감으면 각 전극은 그 양쪽에 유전물질인 집전체층(12)을 갖게 된다. 이러한 구조와 상기한 모든 것은 유전액에 함침된다. 전에는 보통 이것이 할로겐화 바이페닐이었다.

그러나, 상기한 종래의 커패시터들은 두극판의 전하량이 동일하기 때문에 축전용량 또는 전압을 상승시키기 위해서는 그 부피가 상대적으로 증가하는 등의 문제점이 발생되었다.

따라서, 소형 사이즈에서는 전하량과 축전용량을 증가시키기 어렵고, 활용 전압대를 상승시킬 수 없었으므로 고전압형 초고용량 전기화학 커패시터 구현이 불가능하였을 뿐 아니라 날로 소형화 및 슬림화되는 전자기기들의 추세에 만족할 수 있을 만한 소형 사이즈를 구현하면서도 충분한 전압과 축전용량을 갖는 커패시터를 제공할 수 없었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전체적인 부피를 증가시키지 않고 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 함으로써, 전하량과 축전용량을 증가시키고, 활용 전압대를 상승시켜 고전압형 초고용량의 구현이 가능한 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하량이 다른 두극판을 갖는 전초고용량 전기화학 커패시터는, 비슷한 크기로 형성된 2개의 전극판이 유전체 또는 집전체층에 의하여 간격지어져 있는 초고용량 전기화학 커패시터에 있어서, 상기 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 두 극판은 그 두께를 서로 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 두 극판의 전하량 또는 전하밀도의 차이는 1 : 0.2~0.95인 것을 다른 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 커패시터는 도 1에 도시된 통상의 커패시터 구조와 같이, 2개의 전극판(11a)(11b)들이 비슷한 크기로 되어 있고 유전체 또는 집전체층(12)에 의하여 간격지어져 있음은 전술한 바와 같다.

다만, 본 발명은 비슷한 크기로 형성된 2개의 전극판(11a)(11b)이 유전체 또는 집전체층(12)에 의하여 간격지어져 있는 전기이중층 커패시터에 있어서, 상기 두 전극판(11a)(11b)들의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 구성한다.

이때, 상기 두 극판의 두께는 서로 같게 하고, 공극율 혹은 충진밀도를 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 할 수도 있고, 상기 두 극판의 두께를 서로 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 할 수도 있다.

즉, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량과 각 극판의 Q-V 특성을 살펴보면 다음과 같다.

여기서, V, V'는 전압(V)이고, Q, Q'는 전하량(mAh)이며, C는 축전용량(F)이다. 따라서, 축전용량 C = Q/V(F), C'=Q'/V'로 나타낼 수 있다.

도 3은 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량을 똑같이 하였을 때 각 극판의 Q-V 특성을 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 3의 전하량이 같은 구조로 제작한 ELDC의 Q-V 특성을 나타낸 그래프이다.

또한, 도 5는 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량을 다르게 하였을 때 각 극판들의 Q-V 특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 5의 전하량이 다른 구조로 제작한 EDLC의 Q-V 특성을 나타낸 그래프이며 도 5의 결과와 비교한 것이다.

상기 그래프들을 비교해 보면, 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량을 다르게 하였을 때 전하량(C) 및 축전용량(C)이 증가하고, 그와 동시에 전기화학전압안정영역이 넓어져 고전압형 EDLC 구현이 가능하므로 Q, C, V가 모두 증가함을 알 수 있다.

따라서, 종래의 커패시터들은 두극판의 전하량이 동일하기 때문에 축전용량 또는 전압을 상승시키기 위해서는 그 부피가 비례적으로 증가하였으나, 본 발명은 전체적인 부피를 증가시키지 않고 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 함으로써, 전하량과 축전용량을 증가시킬 수 있는 것이다.

이때, 상기 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량 또는 전하밀도의 차이는 1 : 0.2~0.95인 것이 바람직하며 0.2 ~ 0.95:1비도 가능하다.

아울러, 상기 두 전극판(11a)(11b)들은 그 두께를 서로 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전하량이 다른 두극판을 갖는 전초고용량 전기화학 커패시터에 의하면, 종래의 커패시터들은 두극판의 전하량이 동일하기 때문에 축전용량 또는 전압을 상승시키기 위해서는 그 부피가 비례적으로 증가하는 문제점이 있었으나, 본 발명은 전체적인 부피를 증가시키지 않고 두 극판의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 함으로써, 전하량과 축전용량을 증가시키고, 활용 전압대를 상승시켜 고전압형 초고용량 전기화학 커패시터를 구현할 수 있는 등의 이점이 있는 것이다.

또한, 기존의 커패시터들의 구조에서 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량 또는 전하밀도에 차이가 있도록 하거나, 그 두께를 서로 달리하면 되는 것이므로 기존의 커패시터를 제조하는 회사에서는 매우 쉽게 제작할 수 있는 것으로서 커패시터의 제조가 매우 간편하면서도 소형 사이즈를 유지하더라도 전압 및 축전용량을 증가시킬 수 있는 것이므로 날로 소형화 및 슬림화되는 현대 전자기기들의 추세에 만족할 수 있는 커패시터를 제공할 수 있는 것이다.

도 1은 일반적인 커패시터의 구조를 나타낸 요부 절개 사시도.

도 2는 종래기술에 의한 커패시터를 나타낸 단면도.

도 3은 두극판의 전하량을 똑같이 하였을 때 각 극판의 Q-V 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 도 3의 전하량이 같은 구조로 제작한 초고용량 전기화학 커패시터의 Q-V 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 두극판의 전하량을 다르게 하였을 때 각 극판의 Q-V 특성을 나타낸 그래프.

도 6은 도 7의 전하량이 다른 구조로 제작한 초고용량 전기화학 커패시터의 Q-V 특성을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 커패시터

11a, 11b : 전극판 12 : 집전체층

Claims (4)

1. 비슷한 크기로 형성된 2개의 전극판(11a)(11b)이 유전체 또는 집전체층(12)에 의하여 간격지어져 있는 전기이중층 커패시터에 있어서, 상기 두 전극판(11a)(11b)들의 넓이는 동일하게 유지하면서 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 두 전극판(11a)(11b)들은 그 두께를 서로 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 두 전극판(11a)(11b)들은 공극율 혹은 충진밀도를 달리함으로써 그 내부의 전하량 또는 전하밀도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 두 전극판(11a)(11b)들의 전하량 또는 전하밀도의 차이는 1 : 0.2~ 0.95인 것을 특징으로 하는 전하량이 다른 두극판을 갖는 초고용량 전기화학 커패시터.