KR20050104368A - 고체 전해 콘덴서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고체 전해 콘덴서(1)은, 양극박(4)와 음극박(5)를 격리판(6)을 그 사이에 끼워 권취함으로써 구성되고, 내부에 고체 전해질층 또는 도전성 중합체층이 형성된 콘덴서 소자(2)를 구비하고 있다. 음극박(5) 상에는 금속 질화물 또는 비(非)변작용 금속을 포함하는 피막이 형성되어 있다. 음극박(5)의 폭은 양극박(4)의 폭보다도 좁게 형성되고, 양극박(4)는 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성되어 있다.

Description

고체 전해 콘덴서 {SOLID ELECTROLYTIC CAPACITOR}

본 발명은 양극박과 음극박을 권취한 고체 전해 콘덴서에 관한 것이다.

도 2는, 종래의 고체 전해 콘덴서(1)의 단면 정면도이고, 도 3은 콘덴서 소자(2)의 사시도이다 (예를 들면, 일본 특허 공고 공보 평4-19695호 참조).

이것은, 상면이 열린 알루미늄제의 케이스(3)내에 콘덴서 소자(2)를 수납하고, 고무제의 패킹(30)으로 케이스(3)의 개구를 밀봉하고 있다. 케이스(3)의 상단부를 컬(curl)하여 패킹(30)을 고정하고, 케이스(3)의 상면에는 플라스틱제의 좌판(31)이 부착되어 있다. 콘덴서 소자(2)로부터 연장된 리드선(21)(21)은 패킹(30) 및 좌판(31)을 관통한 후, 횡방향으로 절곡되어 있다.

콘덴서 소자(2)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 유전체 산화 피막이 형성된 알루미늄박인 양극박(4)와, 알루미늄박인 음극박(5)를 종이 등의 절연체인 격리판(6)을 그 사이에 끼워 롤상으로 권취하여 테이프(26)으로 고정시킨 권취 소자(20)으로 구성되고, 내부에 TCNQ(7,7,8,8-테트라시아노퀴노디메탄) 착염 등의 고체 전해질을 함침하거나, 또는 도전성 중합체층이 형성되어 있다. 양극박(4)와 음극박(5)에서는 한쌍의 리드 터브(25)(25)가 인출되어 있고, 상기 리드 터브(25)(25)로부터 상기 리드선(21)(21)이 연장되어 있다.

이러한 고체 전해 콘덴서(1)은 널리 사용되고 있지만, 시장에서는 대용량 또한 소형 콘덴서가 요구되고 있다. 따라서, 이하와 같이 음극박(5)에 금속 질화물을 포함하는 피막을 형성한 것이 제안되어 있다 (예를 들면, 일본 특허 공개 공보 2000-114108호 참조).

음극박(5)에 금속 질화물을 포함하는 피막을 형성하고, 콘덴서를 대용량화하는 원리를 설명한다. 일반적으로, 음극박(5)상에는 유전체 산화 피막을 의도적으로는 형성하지 않지만, 실제로는 자연 산화에 의해 산화 피막이 형성된다. 따라서, 콘덴서의 정전 용량 C는, 양극박(4)측의 정전 용량 Ca와 음극박(5)측의 정전 용량 Cc가 직렬로 접속된 용량이 되어, 이하의 수학식 1로 나타내어진다.

C=Ca×Cc/(Ca+Cc)=Ca×1/(Ca/Cc+1)

즉, 음극박(5)가 정전 용량 Cc를 가지면, 콘덴서의 정전 용량 C는 양극박(4)측의 정전 용량 Ca보다도 작아진다.

그러나, 도 4에 나타낸 바와 같이 음극박(5)에 스퍼터링법이나 증착에 의해, TiN 등의 금속 질화물의 피막(50)을 형성하면, 금속 질화물의 분자가 산화 피막(51)을 돌파하여 음극박(5)의 알루미늄 기재에 접하는 것으로 추측된다. 따라서, 기재와 금속 질화물이 도통하고, 음극박(5)는 용량을 갖지 않는다. 이에 따라, 콘덴서의 외형을 크게 하지 않으면서, 정전 용량을 크게 할 수 있다.

또한, 금속 질화물 대신에 비변작용 금속으로부터 피막을 형성할 수도 있다. 여기서, 변작용(弁作用) 금속이란, 그 표면이 산화 피막으로 덮이는 금속을 가리키고, 알루미늄 이외에 탄탈, 니오븀 등이 해당된다.

그러나, 상기한 콘덴서에서는 이하의 문제가 있다.

이런 종류의 콘덴서는, 대용량화에 추가로 ESR(등가 직렬 저항)이 낮은 것도 요구되고 있고, 이 때문에 양극박(4) 또는 음극박(5)의 상하폭을 넓이면 좋다. 그러나, 양극박(4) 및 음극박(5) 양자의 상하폭은, 격리판(6)보다도 넓게 할 수는 없다. 격리판(6)을 넓게 하는 것은 콘덴서의 소형화에 반한다.

또한, 양극박(4) 및 음극박(5)의 상하폭이 격리판(6)과 동일하거나 약간 좁은 경우에는, 박(4)(5)가 어긋나게 권취됨으로써, 두 개의 박(4)(5)가 접촉하고, 누설되어 전류가 크거나, 쇼트 불량이 될 가능성이 높다. 따라서, 두 개의 박(4)(5)는 격리판(6)의 폭보다도 0.5 내지 1 mm 정도 폭을 좁게 하고 있다.

출원인은, 상기한 바와 같이 음극박(5)에 금속 질화물의 피막을 형성하면, 음극박(5)의 정전 용량이 없어진다는 것을 감안하여, 금속 질화물의 피막을 형성한 음극박(5)의 폭을 좁게 하여, 두 개의 박(4)(5)가 접촉하는 것을 방지하는 것을 착상하였다.

본 발명의 목적은, 콘덴서의 대용량화, 저ESR화, 소형화를 달성하면서, 두 개의 박(4)(5)의 접촉 불량을 저감하는 것에 있다.

도 1은 콘덴서 소자의 사시도,

도 2는 종래의 고체 전해 콘덴서의 단면 정면도,

도 3은 종래의 콘덴서 소자의 사시도,

도 4는 금속 질화물의 피막이 산화 피막을 돌파하여 기재에 달하는 상태를 나타내는 단면도이다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이하, 본 발명의 일례를 도면을 사용하여 상술한다.

고체 전해 콘덴서(1)의 전체 형상은, 도 2에 나타내는 종래품과 마찬가지이다. 콘덴서 소자(2)는, 도 1에 나타낸 바와 같이 화성 피막을 형성한 알루미늄박인 양극박(4)와, 알루미늄박인 음극박(5)를 절연체인 격리판(6)을 통해 롤상으로 권취하고, 테이프(26)으로 고정시킨 권취 소자(20)으로 구성된다. 권취 소자(20)의 내부에 TCNQ 착염 등의 고체 전해질이 함침되거나, 도전성 중합체층이 형성되어 있다. 권취 소자(20)에서는 한쌍의 리드선(21)(21)이 연장되어 있다.

음극박(5) 상에는, 티탄(Ti) 박막과 질화 티탄 박막인 피막이 형성되고, 상기와 같이, 이에 따라 음극박(5)는 정전 용량을 갖지 않거나, 갖더라도 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 음극박(5)의 폭은 콘덴서의 정전 용량에는 전혀 영향을 주지 않는다. 또한, 피막을 상기와 같이 비변작용 금속으로 형성하여도 좋다.

양극박(4)의 상하폭은, 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성된다. 또한, 음극박(5)의 폭은, 양극박(4) 폭의 50 ％ 초과 100 ％ 미만의 폭이다.

콘덴서 소자(2)는 이하의 순서대로 형성된다. 양극박(4)는 알루미늄제 시트로부터 잘라내어 제조되기 때문에, 양극박(4)의 단면에는 유전체 산화 피막이 형성되어 있지 않다. 따라서, 우선, 권취 소자(20)의 잘린 부분에 화성(化成)을 행하여, 양극박(4)의 단면에 유전체 산화 피막을 형성한다. 그 후, 권취 소자(20)을 280 ℃에서 열 처리하여 유전체 산화 피막의 특성을 안정시킨다.

이어서, 희석제로서 n-부틸 알코올을 포함하는 3,4-에틸렌디옥시티오펜 및 p-톨루엔술폰산철(III)의 혼합 용액에 권취 소자(20)을 침지한 후, 열 중합하여 두 개의 박(4)(5) 사이에 도전성 중합체층을 형성하여 콘덴서 소자(2)를 완성한다. 콘덴서 소자(2)를 상기 케이스(3)에 봉입하여 고체 전해 콘덴서(1)을 완성한다.

고체 전해 콘덴서(1)은, 양극박(4)와 음극박(5)를 격리판(6)을 그 사이에 끼워 권취하여 구성되고, 내부에 고체 전해질층 또는 도전성 중합체층이 형성된 콘덴서 소자(2)를 구비하고 있다. 음극박(5)상에는 금속 질화물 또는 비변작용 금속을 포함하는 피막(50)이 형성되어 있다. 음극박(5)의 폭은 양극박(4)의 폭보다도 좁게 형성되고, 양극박(4)는 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성되어 있다.

본 예에서는, 폴리티오펜계 도전성 중합체로 전해질층을 형성하고 있지만, 폴리피롤계 또는 폴리아닐린계 기능성 고분자를 사용하여도 좋다. 또한, 도전성 중합체층 대신에 TCNQ 착염 등의 고체 전해질층을 형성할 수도 있다.

실험 결과

출원인은, 음극박(5)의 폭을 양극박(4)의 90 ％, 80 ％, 60 ％의 폭으로 형성한 콘덴서 소자(2)를 40개씩 제조하고, 이들로 고체 전해 콘덴서(1)을 제조하여 각각 실시예 1, 2, 3이라 하였다. 양극박(4)의 상하폭은, 상기와 같이 격리판(6)과 거의 동일한 폭이고, 격리판(6)의 폭을 초과하지 않는다.

또한, 음극박(5) 및 양극박(4)의 폭을, 각각 격리판(6)의 폭의 75 ％, 100 ％로 한 종래의 콘덴서 소자(2)를 40개씩 제조하고, 이들로 고체 전해 콘덴서(1)을 제조하여 종래예 1, 2라 하였다. 종래예 1, 2의 콘덴서 소자(2)의 음극박(5)상에는, 금속 질화물의 피막이 제조되어 있지 않다. 시험 제작한 것은, 정격 전압 4 V이고, 케이스(3)의 외형 치수가 직경 8.0 mm이고 높이 17.0 mm인 콘덴서이다.

실시예 1, 2, 3과 종래예 1, 2와의 권취 공정에서의 불량률, 콘덴서 완성 후의 불량률, 누설 전류(LC) 불량률을 하기 표 1에 나타낸다 (단위: ％).

상기한 표 1로부터, 음극박(5) 및 양극박(4)의 폭을 격리판(6)의 폭과 동일하게 한 종래예 2의 콘덴서에서는, 권취 공정 및 검사 공정에서의 쇼트 불량률, 누설 전류 불량률이 현저히 상승하여 대량 생산에 적합하지 않는다는 것을 알 수 있다.

이어서, 120 Hz의 교류 정격 전압을 인가하여 정전 용량(Cap, 단위: μF), 유전 손실(tanδ, 단위: ％)을 측정하고, 100 kHz의 교류 정격 전압을 인가하여 등가 직렬 저항(ESR, 단위: mΩ)을 측정하였다. 또한, 직류 정격 전압을 2 분간 인가한 후, 누설 전류(LC, 단위: μA)를 측정하였다. 측정 결과의 평균값을 하기 표 2에 나타낸다.

상기한 표 2로부터, 양극박(4)의 폭을 격리판(6)의 폭의 75 ％로 한 종래예 1의 콘덴서에서는, 정전 용량이 현저히 저하한다. 따라서, 콘덴서의 대용량화를 달성하기 위해서는, 양극박(4)의 폭을 격리판(6)과 거의 동일하게 해 둘 필요가 있다.

상기 표 1 및 2로부터, 음극박(5)의 폭을 양극박(4)의 50 ％ 초과 100 ％ 미만의 폭으로 하고, 양극박(4)를 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성하면, 종래의 공정 불량률(쇼트 불량률, 누설 전류 불량률)을 유지한 채로, 콘덴서의 대용량화, 저ESR화를 달성할 수 있었다.

음극박(5) 상에는 금속 질화물 또는 비변작용 금속을 포함하는 피막이 형성되어 있고, 음극박(5)는 용량을 갖지 않거나, 갖더라도 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 콘덴서의 정전 용량은 양극박(4)의 정전 용량으로 결정된다.

이러한 양극박(4)는 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성되어 있기 때문에, 양극박(4)의 ESR은 적게 할 수 있으며, 정전 용량을 늘릴 수 있게 된다. 음극박(5)는 양극박(4)보다도 좁게 형성되어 있기 때문에, 두 개의 박(4)(5)의 접촉 불량을 방지할 수 있어, 누설 전류가 커지거나, 쇼트 불량품이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 양극박(4)와 음극박(5)를 격리판(6)을 그 사이에 끼워 권취함으로써 구성되고, 내부에 고체 전해질층 또는 도전성 중합체층이 형성된 콘덴서 소자(2)를 구비하여, 음극박(5)상에는 금속 질화물 또는 비(非)변작용 금속을 포함하는 피막(50)이 형성된 고체 전해 콘덴서로서,

   음극박(5)의 폭이 양극박(4)의 폭보다도 좁게 형성되고, 양극박(4)는 격리판(6)과 거의 동일한 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 전해 콘덴서.
2. 제1항에 있어서, 음극박(5)의 폭이 양극박(4)의 폭의 50 ％ 초과 100 ％ 미만인 고체 전해 콘덴서.
3. 제1항에 있어서, 콘덴서 소자(2)내의 전해질이 폴리티오펜계 도전성 고분자를 사용한 것인 고체 전해 콘덴서.