KR20110117687A - 커패시터 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
유리층에 의해 분리되는 적어도 2개의 금속층을 포함하는, 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 2중량%이고, 두께가 최대 50㎛인 유리층(16, 18)으로 이루어진 유전체를 갖는 커패시터가 제공된다. 상기 유리층은 다운-드로우법(down-draw method) 또는 오버플로우 다운-드로우 퓨전법(overflow down-draw fusion method)에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 유리 유전체(glass dielectric)를 갖는 커패시터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
많은 양의 전기 에너지로 마이크로초에서 하루까지의 시간 동안 에너지를 저장하기 위한 필요성의 계속적인 증가는 특별한 유전 특성(dielectric properties)을 갖는 물질을 필요하게 하였다.
폴리프로필렌막(Polypropylene film) 커패시터는 선행 기술에서 고출력 커패시터(high-power capacitor)로서 일반적으로 사용되었다. 이들은 권취(rolled)될 수 있고, 유전체 - 폴리프로필렌 -은 초박막(very thin film)의 형태로 제공될 수 있다. 그러나, 약 1 MV/cm의 유전 파괴 전압(dielectric breakdown voltage)은 에너지가 저장될 수 있는 밀도를 한정한다.
또한, 전해질 커패시터는 매우 높은 저장 밀도(storage densities)를 제공할 수 있다. 예컨대, 일본의 Jeol은 저장 밀도(storage densities)가 20 Wh/l인 이중층 전해질 커패시터(double-layer electrolyte capacitors)를 보고했다(JP 11288852 A2).
그러나, 이러한 전해질은 일반적으로 화학적으로 반응성이 있고, 환경에 해로우며, 일부 경우에 폭발할 수 있다.
또한, 세라믹 커패시터(Ceramic capacitors)는 유전체로서 세라믹을 사용하는, 예컨대 강유전체 상(ferroelectric phases)을 포함하는 커패시터로 알려져 있다. 그러나, 세라믹의 잔여 다공성(residual porosity)은 유전 파괴 전계 강도(dielectric breakdown field strength)를 제한한다.
배터리, 예컨대 리튬 이온 배터리는 최근 최대 저장 밀도 800 Wh/l까지 제공한다. 그러나, 배터리는 커패시터와 달리 수명이 한정되어 있고, 몇 시간까지 충전 시간(charging times)을 갖는다.
또한, 커패시터용 유전체로서 유리는 선행 기술에 알려져 있다. 유리 커패시터는 1940년대 이래로 기재되어 왔다. 이들은 위성 및 우주선용 전자 어플리케이션에 널리 사용되었고, 매우 공격적인 환경 조건(aggressive environmental conditions)에서 조작할 수 있다. 또한, 유리의 유전 파괴 전계 강도가 상응하는 결정 시스템(crystal systems)보다 일반적으로 더 크다는 것이 알려져 있다. A. Hippel, R.J. Maurer, Phys. Rev., 59, 820 (1941)는 석영 유리(quartz glass)의 파괴 전계 강도와 석영 결정(quartz crystal)을 비교함으로써 이러한 현상을 기재하였다. 저자는 석영 유리의 파괴 전계 강도(breakdown field strength)가 7 MV/cm라고 나타냈다.
그러나, 석영 유리의 커패시터의 제조는 매우 비싸고, 시간이 걸리는 공정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 유전체로서 유리를 갖는 개선된 커패시터와 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 가열 연마면(fire-polished surface)을 갖는 유리층(glass layer)의 형태로 유전체(dielectric)에 의해 분리된 적어도 2개의 금속층(metal layers)을 포함하는 커패시터에 의해 행해지고, 상기 유리층은 알칼리 금속 산화물(alkali metal oxide)의 함량이 최대 2중량%이고, 두께가 최대 50㎛, 바람직하게는 최대 40㎛, 특히 바람직하게는 최대 30㎛이다.
또한, 본 발명의 목적은 이하 단계를 포함하는 커패시터의 제조방법에 의해 행해진다.
- 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 2중량%인 유리를 준비하는 단계;
- 두께가 최대 50㎛인 가열 연마면(fire-polished surface)을 갖는 유리 스트립(glass strip)에 유리를 인상하는(drawing) 단계;
- 유닛을 형성하기 위해 제1 금속층 및 적어도 하나의 제2 금속층으로 유리 스트립을 어셈블리(assembling)하는 단계; 및
- 2개의 금속층을 전기적으로 접촉하는 단계.
본 발명의 목적은 이러한 방법으로 충분히 행해진다.
구체적으로, 본 발명에 따라서, 저급 알칼리 금속 또는 알칼리 금속-비함유 유리(alkali metal-free glasses)가 유전체로 사용되는 경우에, 석영 유리의 유전 파괴 강도가 행해질 수 있고, 보다 현저히 초과될 수 있다는 것을 발견했다.
또한, 파괴 강도(breakdown strength)는 가열 연마면에 의해 상당히 개선된다.
저급 알칼리 금속 가열 연마된 유리박층(low alkali metal thin fire-polished glass layers)은 고에너지 저장 밀도(storage density)를 갖는 커패시터를 제조하는 간단하고 경제적인 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 개선에 있어서, 유리층의 두께는 적어도 5㎛, 특히 적어도 10㎛, 특히 적어도 15㎛이다.
특히 이러한 두께 범위, 바람직하게는 15-30㎛에 있어서, 특정 평활 표면(smooth surface)은 높은 유전 파괴 강도(dielectric breakdown strength)에 유용한, 저급 알칼리 금속 유리의 강한 인상(drawing)에 의해 얻어진다는 것을 발견했다.
본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 커패시터는 제1 금속층이 준비되고, 적어도 하나의 제2 유리층 및 적어도 하나의 제2 금속층이 준비되는 적어도 하나의 제1 유리층으로 이루어진 층 유닛을 포함하고, 상기 금속층은 권취되고, 2개의 금속층은 각각 말단까지 전기적으로 연결된다.
이러한 유리박층은 쉽게 권취(wound)될 수 있어, 특히 많은 양의 에너지를 매우 작은 공간에 저장할 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 각각의 유리층은 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 1중량%, 바람직하게는 최대 0.5중량%, 보다 바람직하게는 최대 0.1중량% 및 특히 바람직하게는 최대 0.05중량%인 유리로 이루어진다.
특히 저급 알칼리 금속 유리를 사용함으로써, 파괴 강도는 본 발명에 따라서 더욱 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라서, 각각의 유리층의 퀄리티(quality)(ξ)는 적어도 20·1012V/mm3, 바람직하게는 최대 50·1012V/mm3이고, 상기 퀄리티(quality)는 유리층 표면의 조도(roughness) 및 두께의 프러덕트(product)에 대한 파괴 전계 강도(breakdown field strength)의 비율로서 정의된다.
파라미터에 의해 표시된 바와 같이, 유리층의 두께가 얇아질수록, 유리 표면의 조도는 낮아지고, 파괴 강도는 우수해진다.
고 퀄리티의 유리층을 사용하는 경우에는 특히 고에너지 밀도 또는 특히 작은 전체 사이즈를 행할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라서, 각각의 유리층은 전기 전도성이 최대 10-15 S/cm인 유리로 이루어진다.
전기전도성(electrical conductivity)이 매우 낮은 이러한 유리를 사용하는 경우에는, 분에서 일까지 방전에 대한 시간 상수(time constant)가 얻어진다. 이것은 커패시터의 방전(discharge)이 잔여 유전체 전도성(residual dielectric conductivity)의해서가 아니고 커패시터의 패키지(package of the capacitor) 또 다른 요소에 의해 측정된다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 형태에 따라서, 사용되는 유리는 유전손실각(dielectric loss angle)(tanδ)이 1kHz에서 최대 0.001이다. 유전체를 제조하기 위한 특히 적합한 유리는 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 갖는다.
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
알칼리 토금속 산화물 0-30
알칼리 금속 산화물 0-2.
특히, 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 함유하는 유리가 바람직하다.
SiO2 40-75
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
알칼리 토금속 산화물 1-30
알칼리 금속 산화물 0-1.
바람직하게는, 최대 평균 조도 깊이 RMS(maximum mean roughness depth RMS)가 최대 1나노미터(nanometre), 바람직하게는 최대 0.8나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5나노미터이다.
이러한 평활 표면에 있어서는, 특히 고유전 파괴 전압이 행해진다(With such a smooth surface, a particularly high dielectric breakdown voltage is achieved.). 일반적으로, 가열 연마 유리층에서 최대 평균 조도 깊이는 약 0.4나노미터이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 개선에 따라서, 제1 및 제2 유리 스트립은 인상되고(drawing), 제1 유리 스트립은 제1 금속층과, 제2 유리 스트립과 제2 금속층이 함께 어셈블리되고, 유닛을 형성하기 위해 권취된다.
이것은 특히 경제적인 생산을 가능하게 해준다는 것을 발견했다. 이러한 경우에 있어서, 점착층(adhesive layer)(예컨대, 에폭시 점착제(epoxy adhesive))은 영구적인 결합을 얻기 위해서 이웃하는 층들(neighbouring layers) 사이에, 예컨대 분사된 층(sprayed layer)으로서 채용될 수 있다. 대안으로서, 점착층은 권취된 금속층(금속박) 상에 코팅으로서 미리 존재할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 종이 시트 등은 분리된 층으로서 권취(wound)될 필요가 있고, 유리층에 결합하기 전에 권취되지 않을 수 있다.
또 다른 대안으로서, 각각의 유리 스트립은 우선 멜트(melt)로부터 인상되고(drawing), 롤을 형성하기 위해 종이를 권취할 수 있다. 그 후, 방법을 행한 다음에, 금속층이 채용되거나 유리 스트립이 종이층을 권취하지 않은 후에 금속박과 함께 권취될 수 있다(Then, at a later time during the method, the metal layer may be applied or the glass strip may be wound together with a metal foil after unrolling the paper layer).
적합한 모든 가능한 금속이 고려될 수 있다. 예컨대, 알루미늄은 특히 저렴하다는 이점이 있다. 니켈층은 확산(diffusing)이 적다는 이점이 있지만, 더욱 비싸다. 은(silver)층은 더욱 비싸고, 큰 확산(diffusing)을 야기하지만, 그럼에도 불구하고 특히 우수한 전기전도성(electrical conductivity)을 갖는다는 이점이 있다. 적당한 합금도 자연스럽게 사용될 수 있다는 것으로 이해해야 한다.
본 발명에 따라서, 다운-드로우법(down-draw method) 또는 오버플로우 다운-드로우 퓨전법(overflow down-draw fusion method)에 의한 각각의 유리 스트립의 제조는 특히 바람직하다.
선행 기술(cf. 예컨대 다운-드로우법(down-draw method)에 관한 WO 02/051757 A2 및 오버플로우 다운-드로우 퓨전법(overflow down-draw fusion method)에 관한 WO 03/051783 A1)에 널리 알려진 2가지 방법은 특히 얇은 유리 스트립을 50㎛ 이하로 인상되는데(drawing) 특히 적당하다는 것을 발견했다. 2가지 방법은 기본적으로 알려져 있기 때문에, 여기서 이들을 더욱 자세히 설명하지 않는다. 설명을 위해서, WO 02/051757 A2 및 WO 03/051783 A1이 참조로 사용되었고, 이들 명세서는 여기에 참조로 충분히 인용되었다(For details, reference is made to WO 02/051757 A2 and to WO 03/051783 A1, the disclosure of which is fully incorporated by reference here.).
본 발명의 바람직한 개선에 있어서, 각각의 유리 스트립은 인상된(drawing) 후에 레이저 절단 장치를 사용하여 복수의 각각의 스트립으로 분리되었다.
각각의 와이드 유리 스트립으로부터 개시되는 작은 커패시터를 제조하기 위한 방법 절차를 간단히 하였다. 레이저 절단법의 사용은 유리 스트립이 더 작은 유리 스트림으로 비파괴적으로 분리시키고, 바람직하게는 엣지 상에 가열 연마 표면과 같은 표면을 제공한다(The use of a laser cutting method ensures very nondestructive separation of the glass strip into smaller glass strips, which preferably also gives a surface like a fire-polished surface on the edges.). 이러한 방법으로, 특히 고유전 파괴 전압(high dielectric breakdown voltage)이 될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 형태에 따라서, 각각의 유리 스트립(glass strip)은 그것이 인상된(drawing) 후에 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 더 얇은 두께로 인상된다(drawing).
얇은 두께의 유리 스트립이 특히 바람직하기 때문에, 더욱 개선된 표면을 갖는 얇은 유리 스트립을 본 발명에 따라 제조할 수 있어, 제조된 커패시터의 에너지 밀도(energy density)를 더욱 증가시킬 수 있다.
상기 언급되고 이하에 설명될 모든 특성은 각각 나타낸 것을 조합하여 사용될 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 조합 또는 개별적으로 사용될 수 있다고 이해해야 한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면에 관한 바람직한 실례가 되는 실시형태의 이하 설명에서 발견할 수 있다.
도 1은 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 유리 스트립(glass strip)을 인상하는(drawing) 노즐 장치를 나타낸다.
도 2는 다른 순서로 서로 조합되는 2개의 유리층 및 2개의 금속층을 포함하는 유닛을 제조 및 권취(winding)하는 장치의 간략 도시를 나타내고, 상기 2개의 유리층은 각각 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 제조된다.
도 3은 제조된 유리 스트립을 복수의 각각의 유리 스트립으로 분리하는 후속의 레이저 절단 장치를 사용하는 다운-드로우법에 의해 유리 스트립을 인상하는(drawing) 장치의 간략 도시를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 커패시터의 개략도를 나타낸다.
도 5는 파괴 전계 강도(kV/mm)와 두께(mm) 사이의 관계를 나타낸다.
도 6은 두께(mm)의 함수로서 유리층의 퀄리티(ξ)(V/mm3)를 나타낸다.
도 2는 다른 순서로 서로 조합되는 2개의 유리층 및 2개의 금속층을 포함하는 유닛을 제조 및 권취(winding)하는 장치의 간략 도시를 나타내고, 상기 2개의 유리층은 각각 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 제조된다.
도 3은 제조된 유리 스트립을 복수의 각각의 유리 스트립으로 분리하는 후속의 레이저 절단 장치를 사용하는 다운-드로우법에 의해 유리 스트립을 인상하는(drawing) 장치의 간략 도시를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 커패시터의 개략도를 나타낸다.
도 5는 파괴 전계 강도(kV/mm)와 두께(mm) 사이의 관계를 나타낸다.
도 6은 두께(mm)의 함수로서 유리층의 퀄리티(ξ)(V/mm3)를 나타낸다.
도 1은 매우 고정밀하게 매우 얇은 시트 유리를 인상하기(drawing) 위해 다운-드로우법(down-draw method)으로 사용되는 기본적으로 알려진 디자인의 노즐 장치(nozzle device)(10)를 나타낸다. WO 02/051757 A2에 일반적으로 기재된 다운-드로우법(down-draw method)에 있어서, 버블-비함유(bubble-free) 및 고균질 유리(highly homogenized glass)는 인상 탱크(drawing tank)라고 하는 유리 저수지(glass reservoir)로 흐른다(flow). 상기 인상 탱크(drawing tank)는 귀금속, 예컨대 플래티넘 또는 플래티넘 합금으로 이루어진다. 슬릿 노즐(slit nozzle)(14)을 포함하는 노즐 장치(nozzle device)(10)는 인상 탱크(drawing tank) 밑에 배열되어 있다. 슬릿 노즐의 크기 및 형태는 인상될 유리 스트립(16)의 통류(through-flow) 및 유리 스트립의 폭(width) 상에 두께 분포(thickness distribution)로 정의된다. 유리 스트립을 인상 롤러(drawing rollers)(26, 28)(도 2)를 사용함으로써 아래쪽으로 인상하고(drawn downward), 마지막으로 인상 롤러(drawing rollers)부터 이어지는 어닐링 오븐(annealing oven)(도시하지 않음)을 통과시킨다. 유리에 있어서 스트레스(stresses)를 피하기 위해서, 상기 어닐링 오븐은 실온까지 유리를 천천히 냉각시킨다. 인상 롤러(drawing rollers)의 속도는 유리 스트립의 두께로 정의한다. 인상(drawing) 공정 후, 다른 공정에서 유리는 수직 위치로부터 수평 위치까지 구부러진다(bent).
제조된 유리 스트립(16)은 선행 기술에 알려진 바와 같이 롤을 형성하기 위해 종이와 함께 권취된다. 커패시터의 더 나은 제조를 위해, 종이는 나중에 다시 권취되지 않아야 하고, 금속박, 예컨대 알루미늄박의 위치에서 유리와 접촉되어야 한다(the paper must then be unrolled again at a later time and in its place a metal foil, for example a thin aluminium foil, must be brought in contact with the glass.). 커패시터를 제조하기 위해, 예컨대 도 4에 따라서, 유닛(을 형성하기 위해 제1 유리 스트립은 금속박과 함께 권취된 후 제2 유리 스트립 그 후 제2 금속박으로 권취되고, 최종 생성물(end product)의 크기가 된다. 2개의 금속박은 말단(72, 74)에 제공된 유리층에 의해 서로 전기적으로 절연되어 커패시터(70)가 얻어진다. 도 4에 따른 권취된 유닛(wound unit)(48)은, 예컨대 상대적으로 낮은 용융점 근처의 유리를 용융시킴으로써 제조될 수 있는 패키지(package)(76)에 의해 에워싸지는(enclosed) 것이 바람직하다.
도 2는 제1 유리층 그 후 금속박 그 후 제2 유리층 그 후 제2 금속층으로 이루어지고, 롤(50) 상에 권취되는 유닛(48)을 제조하기 위한 장치(20)를 개략적으로 나타낸다. 제1 유리 스트립(16)은 제1 인상 장치(first drawing device)(22)로부터 나타나고, 인상 롤러(drawing rollers)(26)에 의해 인상된다(drawing). 충분한 냉각 후, 유리 스트립(16)은 가이드 롤러(guide roller)(34)를 통해 전달되고 롤러(30)로부터 권취되지 않는 금속박, 예컨대 알루미늄박(32)과 함께 권취된다. 제2 인상 장치(24)로부터, 제2 유리 스트립(18)은 인상 롤러(drawing roller)(28)를 통해 인상되고(drawing), 금속박(32)의 표면 상에 가이드 롤러(guide roller)(36, 38)를 통해 그 후에 전달된다.
제2 금속박, 예컨대 알루미늄박(42)의 형태는 가이드 롤러(guide rollers)(44)를 통해 전달되고 롤러(40)로부터 그 후에 권취되지 않는다(unwound). 이러한 방법으로 형성된 유닛(48)은 롤러(50) 상에 가이드 롤러(45)를 통해 선택적으로 권취된다. 이러한 경우에 있어서, 아킹(arcing) 또는 단락(short circuit)을 피하기 위해, 제1 금속박은 한쪽만이 튀어나오고(protrudes), 제2 금속박은 다른 한쪽만이 튀어나오도록(protrudes) 할 필요가 있다.
마지막으로, 각각의 유리 스트립이 복수의 개별적인 스트립으로 분리될 수 있고, 이는 인상 장치(drawing device)(22) 상에 유리 스트립(16)을 인상한(drawing) 후에 즉시 행해지는 것이 바람직하다는 것을 도 3에서 확인할 수 있다. 도 3은 인상 장치(22)로부터 인상되는(drawing) 유리 스트립(16)을 개략적으로 나타낸다. 인상 롤러, 냉각 영역(cooling zones) 등의 표시는 명확성을 위해 생략했다. 인상 장치(drawing device)(22)를 지나간 후, 유리 스트립(16)은 우선 검사 장치(inspection device)(60)를 사용하여 자동적으로 점검된다. 이것은, 예컨대 카메라계 시스템(camera-based system)을 포함할 수 있다. 이어서, 유리 스트립은 복수의 레이저(52, 54, 56, 58)를 포함하는 레이저 절단 장치를 사용하여 일련의 개별 스트립 16I, 16II, 16III, 16IV, 16V으로 분리된다. 예컨대, 각각의 폭이 10cm인 이러한 개별 스트립 16I, 16II, 16III, 16IV, 16V는 도 2와 대응하는 방법으로 가공될 수 있거나, 각각 종이로 권취될 수 있다.
실시예
두께가 30㎛인 유리 D263의 유리 스트립 및 두께가 50㎛인 유리 AF45의 유리 스트립은 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 제조되고, 각각은 종이와 함께 권취된다.
이어서, 커패시터의 제조를 위해 제조되는 유리 시트의 적합성이 테스트된다.
Schott AG 제품의 2개의 유리 AF45 및 D263의 일반적인 조성물은 표 1에 요약했다.
따라서, 유리 AF45는 알칼리 금속-비함유 유리이고, 이는 본 발명에 있어서 특히 바람직하다. 반대로, 유리 D263는 알칼리 금속 산화물을 16중량% 함유하고 있기 때문에 비교예이다.
유리 스트립에 대한, 산술 평균 조도값(arithmetic mean roughness value)(Ra)이라고도 하는, DIN ISO 1302에 따른 평균 조도(RMS)는 약 0.4 내지 0.5nm이다. 따라서, 표면은 매우 평활하다. 2개의 유리 스트립 AF45 및 D263의 유전 파괴 강도가 측정되었다. 약 5 내지 7MV/cm의 높은 파괴 강도는 두께 50㎛의 AF45로 제조된 유리 시트에서 발견되었다.
D263로 제조된 비교예에 있어서, 평균 파괴 강도(average breakdown strength)가 약 4MV/cm이었다. 이것은 알칼리 금속-비함유 유리 AF45의 유전 파괴 강도가 알칼리 금속을 함유하는 유리 D263보다 매우 우수하다는 것을 의미한다. 이러한 맥락에서, 유전체의 파괴 강도는 두께를 감소시키면서(소정의 한계값까지) 증가한다고 일반적으로 알려진 것을 고려해야만 한다(In this context, it should be taken into account that it is generally known that the breakdown strength of a dielectric increases with a decreasing thickness (to a certain limit value.)). 따라서, 이것은 더 큰 두께이지만 더 높은 파괴 강도가 측정되기 때문에, 알칼리 금속-비함유 유리 AF45의 상당히 개선된 파괴 강도를 나타낸다.
총 에너지 밀도(total energy density) E는 이하와 같이 전계 강도(field strength) U/d 와 관련된다.
식 중, ε0=8.854187·10-12As/Vm는 유전 전계 상수(dielectric field constant)이고, ε은 비투전율(relative permittivity)이고, U는 사용되는 전압이고, d는 유전체의 두께이다.
AF45의 비투전율은 6.2로 측정되었다. 유전 파괴 전계 강도(dielectric breakdown field strength)가 7 MV/cm이라 가정하면, 3.7 Wh/l에 상응하는 유리 AF45의 에너지 강도가 20·106Ws/m3으로 얻어진다.
예상되는 고유전 파괴 전계 강도가 12 MV/cm라고 가정하면, 11 Wh/l에 상응하는 유리 AF45의 얇은 유리 시트에 있어서 에너지 밀도가 약 40·106 Ws/m3으로 얻어진다.
알칼리 금속 산화물을 약 16% 함유하는 유리 D263에 대해서, 반대로 약 4 MV/cm의 유전 파괴 강도가 측정되고, 이는 상응하는 낮은 특성 에너지 밀도를 야기한다(which leads to a correspondingly lower characteristic energy density.).
유리 D263과 비교하여 유리 AF45의 현저히 높은 유전 파괴 강도(dielectric breakdown strength)는 유리 AF45의 알칼리 금속 자유도(alkali metal freedom) 때문이다.
다른 알칼리 금속-비함유 유리, 예컨대 Schott-AG에서 제조되고 시판되는 AF32, AF37 및 8252는 유사하게 우수한 결과를 야기하는 것이 추측된다. 이들 유리의 조성물은 표 2에 나타냈다.
표 3은 본 발명에 따라 커패시터 제조를 위해 특히 적합한 알칼리 금속-비함유 유리를 더 요약했다.
표 1 내지 표 3에 따른 상기 유리들은 불순물로서 알칼리 금속 산화물을 약 0.5중량%까지 함유할 수 있다고 이해해야 한다(원료의 오염 및 내화 클래딩으로부터 용융을 위해(owing to contamination of the raw materials and melting out from the refractory cladding)).
도 6은 유리 AF45에 대한 유리층(mm)의 두께와 파괴 전계 강도(kV/mm) 사이의 관계를 도식으로 나타냈다. 파괴 전계 강도가 증가하면 두께가 얇아진다는 것을 알 수 있다.
도 7은 유리 AF45의 샘플 두께의 함수로서 유리층의 퀄리티(V/mm3), RMS 조도로 추측되는 0.4나노미터의 값(일반적으로 가열 연마 표면)을 나타낸다. 특히 유용한 값은 2012 V/mm3 이상인 것을 알 수 있다. 그 때문에, 최대 에너지 밀도가 행해진다.
Claims (24)
- 가열 연마면(fire-polished surface)을 갖는 유리층(glass layer)(16, 18)의 형태로 유전체(dielectric)에 의해 분리된 적어도 2개의 금속층(metal layers)(32, 42)을 포함하는 커패시터로서:
상기 유리층(16, 18)은 알칼리 금속 산화물(alkali metal oxide)의 함량이 최대 2중량%이고, 두께가 최대 50㎛, 바람직하게는 최대 40㎛, 특히 바람직하게는 최대 30㎛인, 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 유리층(16, 18)의 두께가 적어도 5㎛, 특히 적어도 10㎛, 특히 적어도 15㎛인, 커패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금속층(32, 42) 및 상기 유리층(16, 18)은 층 유닛(layer unit)(48)을 형성하기 위해 권취되고(wound), 2개의 금속층(32, 42)은 각각 말단(72, 74)까지 전기적으로 연결되어 있는, 커패시터.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 1중량%, 바람직하게는 최대 0.5중량%, 보다 바람직하게는 최대 0.1중량% 및 특히 바람직하게는 최대 0.05중량%인 유리로 이루어진, 커패시터.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 전기 전도성이 최대 10-15 S/cm인 유리로 이루어진, 커패시터.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 유전손실각(dielectric loss angle)(tanδ)이 1kHz에서 최대 0.001인 유리로 이루어진, 커패시터.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 함유하는 유리로 이루어진, 커패시터:
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
알칼리 토금속 산화물 0-30
알칼리 금속 산화물 0-2.
- 제7항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 함유하는 유리로 이루어진, 커패시터:
SiO2 40-75
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
알칼리 토금속 산화물 1-30
알칼리 금속 산화물 0-1.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리층(16, 18)은 최대 평균 조도 깊이 RMS(maximum mean roughness depth RMS)가 최대 1나노미터(nanometre), 바람직하게는 최대 0.8나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5나노미터인, 커패시터.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유리층(16, 18)은 퀄리티(quality)(ξ)가 적어도 20·1012V/mm3, 바람직하게는 최대 50·1012V/mm3이고, 상기 퀄리티(quality)는 유리층 표면의 조도 및 두께의 프러덕트에 대한 파괴 전계 강도(breakdown field strength)의 비율로서 정의되는, 커패시터.
- 이하 단계를 포함하는 커패시터의 제조방법으로서:
- 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 2중량%인 유리를 준비하는 단계;
- 두께가 최대 50㎛인 가열 연마면(fire-polished surface)을 갖는 유리 스트립(glass strip) (16, 18)에 유리를 인상하는(drawing) 단계;
- 유닛을 형성하기 위해 제1 금속층(32) 및 적어도 하나의 제2 금속층(42)으로 유리 스트립(16, 18)을 어셈블리(assembling)하는 단계; 및
- 2개의 금속층(32, 42)을 전기적으로 접촉하는 단계.
- 제11항에 있어서,
제1(16) 및 제2(18) 유리 스트립은 인상되고(drawing), 제1(16) 유리 스트립은 제1 금속층(32)과, 제2(18) 유리 스트립과 제2 금속층(42)이 함께 어셈블리되고, 유닛을 형성하기 위해 권취되는, 방법.
- 제12항에 있어서,
점착층(adhesive layer)은 이웃하는 층들(neighbouring layers)(16, 18, 32, 42) 사이에 각각 위치하는, 방법.
- 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 다운-드로우법(down-draw method) 또는 오버플로우 다운-드로우 퓨전법(overflow down-draw fusion method)에 의해 제조되는, 방법.
- 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 인상된(drawing) 후에 레이저 절단 장치(laser cutting device)를 사용하여 복수의 개별적인 스트립(16I, 16II, 16III, 16IV)으로 분리되는, 방법.
- 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 인상된(drawing) 후에 다운-드로우법(down-draw method)에 의해 보다 얇은 두께로 인상되는(drawing), 방법.
- 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 두께가 최대 40㎛, 특히 바람직하게는 최대 30㎛로 인상되는(drawing), 방법.
- 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 두께가 적어도 5㎛, 특히 적어도 10㎛, 특히 적어도 15㎛로 인상되는(drawing), 방법.
- 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 알칼리 금속 산화물의 함량이 최대 1중량%, 바람직하게는 최대 0.5중량%, 보다 바람직하게는 최대 0.1중량% 및 특히 바람직하게는 최대 0.05중량%인 유리로 제조되는, 방법.
- 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 전기전도성이 최대 10-15 S/cm인 유리로 이루어진, 방법.
- 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 유전손실각(dielectric loss angle)(tanδ)이 1kHz에서 최대 0.001인 유리로 이루어진, 방법.
- 제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 함유하는 유리로 제조되는, 방법:
SiO2 40-75
Al2O3 1-25
B2O3 0-16
알칼리 토금속 산화물 0-30
알칼리 금속 산화물 0-2.
- 제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 이하 성분(산화물에 대한 중량%)을 함유하는 유리로 제조되는, 방법:
SiO2 40-75
Al2O3 5-25
B2O3 1-16
알칼리 토금속 산화물 1-30
알칼리 금속 산화물 0-1.
- 제11항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 유리 스트립(16, 18)은 인상되어(drawing), 산술 평균 조도값(RMS)(arithmetic mean roughness value)이 그 표면 상에서 최대 1나노미터(nanometre), 바람직하게는 최대 0.8나노미터, 특히 바람직하게는 최대 0.5나노미터인, 방법.
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