KR20130135149A - 고체 전해질 커패시터용 노치된 리드 - Google Patents
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Abstract
다공성 양극체 및 비교적 큰 두께 및/또는 너비 양극 리드(예: 와이어/테이프)를 포함하는 고체 전해질 커패시터가 제공된다. 리드는 양극 단자와의 접촉을 위해 양극체에 전기적으로 연결된다. 상기 리드는 다공성 양극체의 높이의 적어도 약 10%의 두께 및 양극체의 너비의 적어도 약 20%의 너비를 가지고 양극체와의 사이의 접촉점을 늘려 ESR을 감소시킨다. 리드의 일 부분은 양극체의 표면으로부터 길이 방향으로 연장된다. 적어도 하나의 노치가 레이저(laser), 절삭(cutting), 천공(punching) 또는 쏘잉(sawing) 등을 통해 양극체로부터 연장된 리드의 부분에 형성되어, 양극 단자와 리드 사이의 전기적 연결점의 역할을 수행한다.
Description
본 발명은 고체 전해질 커패시터용 노치된 리드에 관한 것이다.
고체 전해질 커패시터(예: 탄탈룸 커패시터)는 전자 회로의 소형화에 기여한 바가 크며 극단적인 환경에서의 전자 회로의 적용을 가능케 했다. 전형적인 고체 전해질 커패시터의 양극은 리드가 양극체(anode body)를 지나도록 연장되고 커패시터의 양극 단자(termination)에 연결된 다공성 양극체를 포함한다. 양극은 먼저 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)으로 압축한 후 각각의 분말 입자 사이에 용해된 연결들을 형성하도록 소결시킴으로써 형성될 수 있다. 종래의 고체 전해질 커패시터들의 문제점 중 하나는 탄탈룸 입자의 작은 입자 크기로 인해 양극체와 리드 사이의 체적 접촉이 줄어들 수 있다는 점이다. 사실상, 리드와 분말 입자들 사이에 접촉점을 많이 찾을 수 없을 수 있다. 양극체와 리드 사이의 접촉 면적이 줄어들면, 그만큼 리드와 양극이 만나는 곳에서의 저항은 커진다. 이렇듯 유효 직렬 저항(equivalent series resistance-ESR)이 커지면 커패시터의 전기적 역량이 줄어든다. 양극체와 양극 리드 사이의 연결을 개선하기 위한 노력이 있어왔으나, 이러한 노력에는 추가적인 처리 단계가 필요하기 때문에 제조의 관점에 보면 불리할 수 있다. 따라서, 양극체와 리드 사이의 접촉점이 많은 고체 전해질 커패시터를 개발하여 초저 ESR 수준을 달성함으로써 전기적 역량을 증진시킬 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 고체 전해질 커패시터 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 양극체와 리드 사이의 접촉점이 많은 고체 전해질 커패시터 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 초저 ESR 수준을 달성함으로써 전기적 역량을 증진된 고체 전해질 커패시터 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 커패시터 요소를 포함하는 고체 전해질 커패시터를 기재한다. 상기 커패시터 요소는 너비와 높이를 갖는 소결된(sintered), 다공성 양극체(porous anode body), 양극 리드, 상기 소결된 다공성 양극체 위에 가로놓인 유전체층, 및 고체 전해질을 포함하는 유전체층에 가로놓인 음극을 포함한다. 또한, 양극 리드는 양극체 내에 위치한 제1 부분과 상기 양극체의 표면으로부터 길이 방향으로 연장된 제2 부분을 갖는다. 제2 부분은 적어도 하나의 노치가 위치한 노치 영역(notched region)을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 너비와 높이를 갖는 소결된, 다공성 양극체를 포함하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법을 기재한다. 상기 방법은 상기 양극 리드의 제2 부분이 상기 양극체의 표면으로부터 길이 방향으로 연장되도록 양극 리드의 제1 부분을 밸브 메탈(valve metal) 조성물로 형성된 분말 안에 배치하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 분말을 상기 양극 리드의 제1 위치 주변에 다지는 단계, 상기 다공성 양극체를 형성하기 위해 상기 다져진 분말과 상기 양극 리드의 제1 위치를 소결하는 단계, 유전체층을 형성하기 위해 상기 소결된 다공성 양극체를 양극 산화하는 단계, 음극을 형성하기 위해 상기 소결되고 양극 산화된 양극체에 고체 전해질을 가하는 단계, 상기 양극 리드의 제2 위치에 적어도 하나의 노치가 배치된 노치 영역을 형성하는 단계 및 상기 양극 리드와 양극 단자 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 상기 노치 영역에서 상기 양극 리드를 양극 단자에 용접하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 측면들을 이하에서 더 자세히 설명한다.
본 발명은 양극체와 리드 사이의 접촉점이 많은 고체 전해질 커패시터 및 그 형성 방법을 제공하고 이를 통해 초저 ESR 수준을 달성함으로써 전기적 역량을 증진된 고체 전해질 커패시터 및 그 형성 방법을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명의 완전하고 실행 가능한 기재를 본 명세서의 나머지 부분에서 더 구체적으로 명시한다.
도 1은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 사시도;
도 2는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 사시도;
도 3은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 평면도;
도 4는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 평면도;
도 5는 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 6은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 7은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 측면도;
도 8의 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 측면도;
도 9는 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도;
도 10은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도;
도 11은 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 사시도;
도 12는 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 사시도;
도 13은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 사시도;
도 14는 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 평면도;
도 15는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 평면도;
도 16은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 17은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 18은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 측면도;
도 19는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 측면도;
도 20은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도; 그리고
도 21은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 1은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 사시도;
도 2는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 사시도;
도 3은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 평면도;
도 4는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 평면도;
도 5는 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 6은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 7은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 측면도;
도 8의 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 측면도;
도 9는 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도;
도 10은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도;
도 11은 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 사시도;
도 12는 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 사시도;
도 13은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 사시도;
도 14는 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 평면도;
도 15는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 평면도;
도 16은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 17은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 평면도;
도 18은 본 발명의 전해질 커패시터의 일 실시예의 측면도;
도 19는 본 발명의 전해질 커패시터의 다른 실시예의 측면도;
도 20은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도; 그리고
도 21은 본 발명의 전해질 커패시터의 또 다른 실시예의 측면도이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다
일반적으로 말해, 본 발명은 커패시터 요소를 함유하는 고체 전해질 커패시터에 관한 것으로서, 소결된 다공성 양극체, 상기 소결된 다공성 양극체 위에 가로놓인 유전체층, 그리고 고체 전해질을 포함하는 상기 유전체층 위에 가로놓인 음극을 포함하는, 커패시터 요소를 함유하는 고체 전해질 커패시터에 관한 것이다. 양극 리드(예: 와이어 또는 테이프)는 양극 단자(anode termination)로의 연결을 위한 양극체에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 양극 리드의 두께(예: 테이프 형태일 때의 직경)나 너비, 또는 두께와 너비 모두 비교적 클 수 있는데, 이는 상기 다공성 양극체와 양극 리드 사이의 접촉점을 개선함으로써, 커패시터의 ESR을 줄일 수 있다.
가령, 양극 리드 와이어 형태인 경우, 양극 리드 와이어의 두께는 상기 다공성 양극체의 높이의 약 10% 내지 약 95%일 수 있다. 다른 실시예들에서, 양극 리드 와이어의 두께는 다공성 양극체의 높이의 약 20% 내지 90%일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는, 상기 다공성 양극체의 높이의 약 30% 내지 약 85%일 수 있다. 또한, 양극 리드 와이어의 두께는 다공성 양극체의 너비의 약 5% 내지 약 65%일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 다공성 양극체의 너비의 약 10% 내지 약 60%일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는, 다공성 양극체의 너비의 약 15% 내지 약 55%일 수 있다.
한편, 양극 리드 테이프 형태인 경우, 양극 리드 테이프의 두께(예: 높이)는 다공성 양극체의 높이의 약 5% 내지 약 70%일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 양극 다공성 양극체의 높이의 약 10% 내지 약 65%일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는, 다공성 양극체의 높이의 약 15% 내지 약 60%일 수 있다. 또한, 양극 리드 테이프의 너비는 다공성 양극체의 너비의 약 20% 내지 약 75%일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 양극 리드 테이프의 너비는 다공성 양극체의 너비의 약 25% 내지 약 70%일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는, 양극 리드 테이프의 너비는 다공성 양극체의 너비의 약 30% 내지 약 65%일 수 있다.
양극 리드의 일부는 양극체 내에 위치할 수 있고 또 일부는 그 표면으로부터 길이 방향으로 연장될 수 있다. 적어도 하나의 노치가 양극체의 표면으로부터 연장되는 양극 리드의 부분에 형성될 수 있다. 양극 리드는 양극 단자, 또는 리드 프레임에 전기적으로 연결되는 한편, 음극은 종래 일반 기술에 따라 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 사용된 기술과 상관없이, 양극 리드와 양극 단자 사이의 연결은 리드의 노치 영역에 형성될 수 있다. 또한, 노치는 커패시터를 손상시키지 않으면서 연결이 이루어질 수 있도록 표면과 노치 사이에 충분한 공간이 생기는 한 양극체의 표면으로부터 연장된 양극 리드 부분을 따라 어디든지 배치될 수 있다. 또한, 양극 리드 상의 노치의 존재로 인해 양극 리드와 양극 단자 사이의 전기적 연결을 형성하는데 필요한 에너지가 줄어든다. 본 발명의 고체 전해질 커패시터의 다양한 실시예들을 이하에서 더 자세히 설명한다.
도 1은 다공성 양극체(33)와 양극 리드 와이어(34)로부터 형성된 커패시터 요소(100)의 구체적인 일 실시예를 도시하고 있다. 일반적으로, 도 1은 양극 리드 와이어(34)를 감싸도록 형성된 다공성 양극체(33)의 사시도로, 다공성 양극체(33)와 양극 리드 와이어(34)의 크기도 표시되어 있다. 도 11에서는 커패시터 요소(1100)의 또 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서의 커패시터 요소(1100) 역시 다공성 양극체로부터 형성되나 도 1의 양극 리드 와이어(34) 대신 양극 리드 테이프(84)를 포함한다. 도 11은 양극 리드 테이프(84)를 감싸도록 형성된 다공성 양극체(33)의 사시도로, 다공성 양극체(33)와 양극 리드 와이어(84)의 크기도 표시되어 있다. 도 1 및 도 11 모두에서, 다공성 양극체(33)는 제1 측면(31), 제2 측면(32), 정면(36), 후면(37), 상면(38), 및 저면(39)을 가질 수 있다. 다공성 양극체(33)는 또한, 가령 정면(36)의 너비를 나타낼 수 있는 너비 W와, 가령 정면(36)의 높이 또는 두께를 나타낼 수 있는 높이 H를 가질 수 있다. 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W는 약 400 마이크로미터 내지 약 6000 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는, 약 800 마이크로미터 내지 4500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 1200 마이크로미터 내지 약 3000 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또한, 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 H는 약 200 마이크로미터 내지 약 4000 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 400 마이크로미터 내지 약 3000 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 또 어떤 실시예에서는 약 600 마이크로미터 내지 약 2000 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다.
도 1 및 도 11에 도시된 구체적인 실시예들에서, 다공성 양극체(33)는 직사각형 펠릿(pellet)의 형태를 갖는다. 그러나 양극은 직사각형 외에도 큐브형, 실린더형, 원형, 또는 그외 기하형태를 가질 수 있다. 양극은 하나 이상의 퍼로우(furrow), 그루브(groove), 디프레션(depression), 또는 인덴테이션(indentation) 등의 홈 또는 고랑을 포함하도록 "풀루트(fluted)"되어, 표면적 대 용적 비율을 증가시켜, ESR을 최소화하고 커패시터의 주파수 응답을 연장시킬 수 있다. 이러한 "플루트"된 양극들은 가령 Hahn, et al.의 미국 공개 특허 제2005/0270725호뿐만 아니라 Webber, et al.의 미국 특허 제6,191,936호; Maeda, et al.의 미국 특허 제5,949,639호; 및 Bourgault et al.의 미국 특허 제3,345,545호에 이미 기재된바 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용된다.
양극 리드가 양극 리드 와이어의 형태로 존재하는 실시예들에 있어서, 비록 도 1에는 양극 리드 와이어(34)가 D의 두께를 갖는 원형 형태로 도시되어 있으나, 본 명세서의 기재된 양극 리드 와이어(34)는 타원형, 사각형, 직사각형 등의 모든 단면 형태 중 하나로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 양극 리드 와이어(34)는 양극체(33) 내에 위치하는 제1 부분 M과 정면(36)과 같은 다공성 양극체(33)의 표면으로부터 연장된 제2 부분 L을 가질 수 있다. 양극 리드 와이어(34)의 두께는 양극체(33)의 전체 크기에 따라 달라질 수 있다. 모든 경우에 있어, 두께 D가 클수록, 다공성 양극체(33)와 양극 리드 와이어(34) 사이의 접촉 지점의 수가 늘어나게 되어, ESR은 줄고 커패시터의 전기적 역량은 향상된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양극 리드 와이어(34)는 다공성 양극체(33)의 정면으로부터 연장된다. 그러나, 양극 리드 와이어(34)가 다공성 양극체(33)의 다른 표면으로부터 연장될 수 있음은 물론이다. 또한, 다공성 양극체(33)의 표면으로부터 연장된 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L은 두께 D를 가질 수 있는데, 앞서 언급한 것처럼, 이는 다공성 양극체(33) 내에 위치한 양극 리드 와이어(34)의 제1 부분 M의 두께를 나타내기도 한다. 양극 리드 와이어(34)의 크기는 양극체(33)의 전체 크기에 따라 달라질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양극 리드 와이어(34)의 두께 D는 제1 부분 M과 제2 부분 L을 따라 동일하게 구현될 수 있지만, 적어도 하나의 노치(50)가 제2 부분 L을 따라 노치 영역 N에서 양극 리드 와이어(34) 상에 존재할 수 있다. 상기 적어도 하나의 노치(50)는 직사각형, 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 계단형, U자형, V자형, 또는 그외 다른 형태 중 하나일 수 있다. 노치(50) 때문에, 양극 리드 와이어(34)는 양극 리드 와이어(34)의 노치 영역 N을 따라 작은 두께 D'를 갖는다.
상기 언급한 바와 같이, 양극 리드 와이어(34)는 제1 부분 M과 제2 부분 L을 따라 두께 D를 갖는다. 상기 두께 D는 양극 리드 와이어 상에서 동일하나, 노치 영역 N에서만 다른 두께 D'를 갖는다. 상기 두께 D는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 H의 적어도 약 10%일 수 있다. 가령, 상기 두께 D는 일반적으로 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 H의 약 10% 내지 약 95%일 수 있다. 또한, 상기 두께 D는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W의 약 5% 내지 약 65%일 수 있다. 가령, 상기 두께 D는 약 20 마이크로미터 내지 약 3800 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는, 약 40 마이크로미터 내지 약 2850 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 또 어떤 실시예들에서는, 약 60 마이크로미터 내지 약 1900 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 두께 D는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 H의 약 30% 내지 약 85% 등과 같이, 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 H의 약 20% 내지 약 90%일 수 있다. 또한, 또 다른 실시예들에서는, 상기 두께 D는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W의 약 15% 내지 약 55% 등과 같이, 다공성 양극체의 정면(36)의 너비 W의 약 10% 내지 약 60%일 수 있다.
한편, 상기 양극 리드 와이어(34)의 노치 영역 N의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 두께 D보다 작을 수 있는데, 이는 노치 영역 N을 따라 양극 리드 와이어(34)로부터 물질이 제거되어 적어도 하나의 노치(50)를 형성하기 때문이다. 상기 노치 영역 N의 두께 D'는 일반적으로 양극 리드 와이어(34)의 제1 직경 D의 약 20% 내지 90%의 범위를 갖는다. 가령, 노치 영역 D'의 두께는 약 4 마이크로미터 내지 약 3425 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 8 마이크로미터 내지 약 2600 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 12 마이크로미터 내지 약 1700 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에 따르면, 노치 영역 D'의 두께는 두께 D의 약 40% 내지 약 70% 등과 같이, 두께 D의 약 30% 내지 약 80%의 범위를 가질 수 있다.
양극 리드가 리드 테이프의 형태를 갖는 실시예들에서, 비록 도 11에는 양극 리드 테이프(84)가 직사각형의 형태를 갖고 있고, 일반적으로 너비 W'와 두께/높이 H'를 갖고 있지만, 여기에 기재된 양극 리드 테이프(84)는 원형, 타원형, 사각형 등 모든 형태의 단면 중 하나로 구현될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)는 양극체(33) 내에 위치한 제1 부분 M과 정면(36)과 같은 다공성 양극체(33)의 표면으로부터 연장된 제2 부분 L을 가질 수 있다. 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 H' 및/또는 너비 W'는 양극체(33)의 전체 크기에 따라 달리질 수 있다. 모든 경우에 있어서, 테이프의 두께 H' 및/또는 너비 W'가 클수록, 다공성 양극체(33)와 양극 리드 테이프(84) 사이의 제1 부분 M에서의 접촉 지점의 수가 늘어남으로써, 커패시터의 ESR은 줄어들고 전기적 역량은 개선된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)는 다공성 양극체(33)의 정면(36)으로부터 연장되나, 양극 리드 테이프(84)가 다공성 양극체(33)의 다른 면에서도 연장될 수 있음은 물론이다. 또한, 다공성 양극체(33)의 표면으로부터 연장된 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L은 너비 W' 및/또는 두께/높이 H'를 가질 수 있는데, 이는 다공성 양극체(33) 내에 위치한 양극 리드 테이프(84)의 제1 부분 M의 너비 및 두께/높이를 나타낼수도 있다. 양극 리드 테이프(84)의 크기는 양극체(33)의 전체 크기에 따라 달라질 수 있다. 모든 경우에 있어, 양극 리드 테이프(84)의 너비 W' 및/또는 높이 또는 두께 H'가 클수록, 다공성 양극체(33)와 양극 리드 테이프(84) 사이의 접촉 지점의 수가 늘어남으로써, ESR은 줄어든다.
도 11에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)의 너비 W'는 제1 부분 M과 제2 부분 L을 포함해, 그 길이를 따라 동일하나, 적어도 하나의 노치(50)가 제2 부분 L을 따라 노치 영역 N에서 양극 리드 테이프(84)에 존재할 수 있다. 상기 적어도 하나의 노치(50)는 직사각형, 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 계단형, U자형, V자형 또는 그외 다른 적당한 형태 중 하나로 구현될 수 있다. 상기 노치(50) 때문에, 양극 리드 테이프(84)는 양극 리드 테이프(84)의 노치 영역 N을 따라 더 작은 제2 너비 E를 갖는다. 또한, 비록 도 11에 도시된 노치(50)는 양극 리드 테이프(84)가 노치 영역 N을 따라 노치(50)에서 줄어든 너비 E를 갖도록 양극 리드 테이프(84)의 X축 대향면 상에 형성되었으나(즉, 오른쪽), 도 12의 커패시터(1200)에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)가 노치 영역 N을 따라 노치(50)에서 줄어든 두께/높이 G를 갖도록 상기 적어도 하나의 노치(50)는 양극 리드 테이프(84)의 Y축 대향면상에 형성될 수 있다(즉 상부 표면). 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프가 노치 영역 N을 따라 줄어든 너비 E와 줄어든 두께/높이 G를 갖도록, 다수의 노치들이 양극 리드 테이프(84)의 X축 대향면들과 Y축 대향면들 모두에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 더 상세히 설명한다.
상기 언급한 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)는 제1 부분 M과 제2 부분 L을 따라 너비 W'를 갖는다. 상기 너비 W'는 양극 리드 테이프를 따라 모두 동일하나, 노치 영역 N에서만 너비 E를 갖는다. 상기 너비 W'는 일반적으로 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W의 약 20% 내지 약 75%의 범위를 가질 수 있다. 가령, 양극 리드 테이프(84)의 너비 W'는 약 80 마이크로미터 내지 약 4500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 160 마이크로미터 내지 약 3500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 또 어떤 실시예들에서는 약 240 마이크로미터 내지 약 2500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 양극 리드 테이프(84)의 너비 W'는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W의 약 30% 내지 약 65% 등과 같이, 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 너비 W의 약 25% 내지 약 70%의 범위를 가질 수 있다.
또한, 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 H'는 양극 리드 테이프 전체에서도 동일하나, 노치 영역 N에서만 두께/높이 G를 갖는다(도 12 참조). 상기 두께/높이 H'는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 또는 두께 H의 적어도 약 5%일 수 있다. 가령, 상기 두께/높이 H'는 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 높이 또는 두께 H의 약 5% 내지 약 70%의 범위를 가질 수 있다. 또한, 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 H'는 약 10 마이크로미터 내지 약 2800 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 20 마이크로미터 내지 약 2100 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 30 마이크로미터 내지 약 1500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 H'는 다공성 양극체의 정면(36)의 두께/높이 H의 약 15% 내지 약 60% 등과 같이, 다공성 양극체(33)의 정면(36)의 두께/높이 H의 약 10% 내지 약 65%의 범위를 가질 수 있다.
또한, 도 11에 도시되고 상기에서 언급한 바와 같이, 어떤 실시예들에서는 양극 리드 테이프(84)의 노치 영역 N의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 너비 W'보다 작은데, 이는 상기 노치 영역 N을 따라 양극 리드 테이프(84)로부터 물질이 제거되어 적어도 하나의 노치(50)를 형성하기 때문이다. 상기 양극 리드 테이프(84)의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 너비 W'의 약 20% 내지 90%의 범위를 가질 수 있다. 가령, 노치 영역 N에서의 너비 E는 약 16 마이크로미터 내지 약 4050 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 32 마이크로미터 내지 약 3375 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 48 마이크로미터 내지 약 2700 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 상기 노치 영역 N의 너비 E는 너비 W'의 약 40% 내지 약 70% 등과 같이 너비 W'의 약 30% 내지 약 80%의 범위를 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 도 12에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프의 노치 영역 N 의 두께/높이 G는 양극 리드 테이프(34)의 두께/높이 H'보다 작은데, 이는 상기 노치 영역 N을 따라 양극 리드 테이프(84)로부터 물질이 제거되어 적어도 하나의 노치(50)를 형성하기 때문이다. 상기 양극 리드 테이프(34)의 두께/높이 G는 일반적으로 양극 리드 테이프(34)의 두께/높이 H'의 약 20% 내지 90%의 범위를 가질 수 있다. 가령, 상기 두께/높이 G는 약 2 마이크로미터 내지 약 2520 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 4 마이크로미터 내지 약 1890 마이크로미터의 범위를 가질 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 6 마이크로미터 내지 약 1575 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 두께/높이 G는 상기 두께/높이 H'의 약 40% 내지 약 70% 등과 같이, 상기 두께/높이 H'의 약 30% 내지 약 80%의 범위를 가질 수 있다.
도 11에서는 노치(50)에서의 양극 리드 테이프(84)가 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분에 비해 더 작은 너비 E와 같은 높이 H'를 갖는 것으로 도시되어 있고, 도 12에서는 노치(50)에서의 양극 리드 테이프(84)가 양극 리드 테이프의 나머지 부분에 비해 더 작은 두께/높이 G 그러나 같은 너비 W'를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 상기 노치 (50)에서 양극 리드 테이프(84)가 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분에 비해 더 작은 너비 E 및 더 작은 두께/높이 G를 갖도록 물질이 제거될 수 있다는 사실이 당업자에게는 이해될 것이다. 가령, 도 13에 따르면, 노치(50)에서의 양극 리드 테이프(74)는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 너비 W'에 비해 작은 너비 E 및 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 H'에 비해 작은 두께/높이 G를 가질 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 노치(50)는 도 11 내지 도 13에 도시된 구성에 한정되지 않으며, 노치(50)에서의 적어도 하나의 두께/높이 또는 너비가 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 또는 너비보다 작은 한, 측면 또는 상면 및 저면상의 양극 리드 테이프(84)의 높이 및 너비를 상기와 다르게 변경하여 조합하는 것도 가능하다는 사실을 당업자는 이해할 것이다.
도 1 내지 2 및 도 11 내지 13에 있어서, 노치 영역 N은 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)가 양극 단자(35)에 용접될 때 캐퍼시터가 손상되지 않도록 노치 영역 N이 다공성 양극체(33)로부터 충분한 간격 F를 두고 위치하는 한, 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 (예: Z 축을 따라) 어디든지 위치할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 더 자세히 설명한다. 일반적으로, 상기 제2 부분 L의 길이 대 노치(50)가 위치한 간격 F의 비율은 어떤 실시예에서는 약 1.1 내지 약 20, 또 다른 실시예에서는 약 1.5 내지 약 15, 또 따른 실시예에서는 약 2 내지 약 10 일 수 있다. 가령, 일 실시예에서, 제2 부분 L는 약 200 마이크로미터 내지 약 50 밀리미터일 수 있고, 또 다른 실시예에서는 약 400 마이크로미터 내지 약 30 밀리미터일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는 약 1000 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터일 수 있다. 따라서, 제2 부분 L의 길이가 약 200 마이크로미터 내지 약 50 밀리미터일 때 간격 F 에서 노치(50)는 약 10 마이크로미터 내지 약 45 밀리미터일 수 있다. 한편, 제2 부분 L의 길이가 약 400 마이크로미터 내지 약 30 밀리미터일 때 간격 F에서 노치(50)까지는 약 20 마이크로미터 내지 약 27 밀리미터일 수 있다. 또한, 제2 부분 L의 길이가 약 1000 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터일 때 간격 F에서 노치(50)까지는 약 50 마이크로미터 내지 약 9 밀리미터일 수 있다.
노치 영역 N(예: 노치(50)의 길이)의 길이는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 약 10% 내지 약 90%일 수 있는데, 이는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)가 다공성 양극체(33)의 정면(36)으로부터 연장되는 전체 거리를 나타낸다. 앞서 명시한 바와 같이, 일 실시예에서, 제2 부분 L은 약 200 마이크로미터 내지 약 50 밀리미터일 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 400 마이크로미터 내지 약 30 밀리미터일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는 약 1000 마이크로미터 내지 약 10 밀리미터일 수 있다. 따라서, 노치 영역 N의 길이는 약 20 마이크로미터 내지 약 45 밀리미터일 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 40 마이크로미터 내지 약 27 밀리미터일 수 있고, 또 다른 실시예들에서는 약 100 마이크로미터 내지 약 9 밀리미터일 수 있다.
또한, 리드 와이어(34)가 사용될 경우, 상기 적어도 하나의 노치(50)를 양극 리드 와이어(34)의 중심점을 축으로 다양한 위치를 향할 수 있다. 가령, 노치(50)는 X-축 또는 Y-축을 향하거나 그 사이 위치에도 어디든 향할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예들에서, 가령 노치는 X-축을 향할 수 있으나, 상기 적어도 하나의 노치가 향할 수 있는 방향은 이하 도 3 내지 도 10를 참조로 더 자세히 설명한다.
마찬가지로, 리드 테이프(84)가 사용될 경우, 노치(50)는 X-축 또는 Y-축, 또는 그 사이 모든 위치를 향할 수 있다. 도 11에 도시된 실시예에서는, 가령, 노치가 X-축을 향하는 반면, 도 12에 도시된 실시예에서는, 상기 노치가 Y-축을 향한다. 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거해 더 작은 너비 E, 또는 더 작은 높이 G, 또는 둘 다 형성되었는지와는 상관없이, 노치 영역 N을 따라 양극 리드 테이프(84)로부터 물질이 제거되면, 상기 명시한 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)에 적어도 하나의 노치(50)가 형성된다. 또한, 상기 적어도 하나의 노치(50)는 양극 리드 테이프(84)의 중심점을 중심으로 다양한 위치를 향할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 노치(50)는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면상에 형성될 수 있는데, 이는 양극 단자에 양극 리드 테이프(84)가 봉합되는 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E가 작아지는 결과를 가져올 수 있다 (도 12에 도시됨). 또 다른 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 노치(50)는 양극 리드 테이프의 Y-축 대향면 상에 형성될 수 있는데, 이는 양극 단자에 양극 리드 테이프(84)가 봉합되는 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 G가 작아지는 결과를 가져올 수 있다 (도 12에 도시됨). 또 다른 실시예에서, 도 13에 도시된 커패시터(300)에 나타난 바와 같이, 다수의 노치(63-66)가 양극 리드 테이프(84)의 X-축 및 Y-축 대향면들 상에 형성될 수 있는데, 이는 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E 및 두께/높이 G가 더 작아지는 결과를 가져올 수 있다. 가령, 노치(63)는 테이프의 우측에 형성되며, 노치(64)는 테이프의 상면에 형성되며, 노치(65)는 테이프의 우측에 형성되며, 노치(66)는 테이프의 저면상에 형성된다. 상기 적어도 하나의 노치의 그외 다른 가능한 방향들에 대해서도 이하 도 14 내지 도 21을 참조로 더 상세히 설명한다.
또한, 도 13을 참조로 이미 앞서 설명한 바와 같이, 그리고 도 4 내지 도 5, 도 8 내지 도 9, 도 15 내지 도 16 및 도 19 내지 도 20을 참조로 이하에서 설명한 바와 같이, 노치 영역 N에는 하나 이상의 노치가 형성될 수 있다. 가령, 양극 리드 와이어의 중심점을 중심으로 다양한 위치에서 두 개의 노치가 형성될 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 하나의 노치는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면(70)상에 형성되고, 또 다른 노치는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 대향하는 X-축 대향면(71)상에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 하나의 노치는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 Y-축 대향면(72) 상에 형성되고, 또 다른 노치는 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 Y-축 대향면(73)상에 형성될 수 있다. 상기 두 개의 노치가 양극 리드 와이어에 형성된 경우 또는 양극 리드 테이프에 형성된 경우 모두, 노치들은 와이어나 테이프의 중심점을 중심으로 대칭일 수 있다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하나 이상의 노치들이 양극 리드 와이어(34)의 중심점을 중심으로 어떤 방식으로 배치되는지에 상관없이, 상기 적어도 하나의 노치(50)의 존재로 인해, 양극 단자(35)로의 양극 리드 와이어(34)의 봉합이 이루어질 수 있는 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D가 두께 D'로 더 작아지는 결과를 가져온다 (도 2에 도시됨). 노치 영역 N에서의 물질의 제거로 인해, 양극 리드 와이어(34)의 밀도는 다공성 양극체(33)의 정면(36)으로부터 연장된 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분에 비해 노치 영역 N에서 더 작다.
도 1을 참조로, 양극 리드 와이어(34)의 중심점을 중심으로 한 크기 또는 방향과 상관없이, 상기 적어도 하나의 노치(50)는 양극 리드 와이어(34)의 노치 영역 N에서의 물질의 제거로 형성된다.
또한, 상기 하나 이상의 노치가 양극 리드 테이프(84)의 중심점을 중심으로 배치된 방식과 상관없이, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 적어도 하나의 노치(50)의 존재로 인해, 양극 리드 테이프(84)가 양극 단자(35)에 봉합되는 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 H' 및/또는 너비 W'는 더 작은 두께/높이 G 및/또는 너비 W가 된다 (도 12 및 도 13에 도시됨). 노치 영역 N에서의 물질의 제거로 인해, 양극 리드 테이프(84)의 밀도는 다공성 양극체(33)의 정면(36)으로부터 연장되는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에 비해 노치 영역 N에서 더 작다.
도 11 내지 도 13에 있어서, 양극 리드 테이프(84)의 중심점을 중심으로 한 크기 또는 방향과 상관없이, 상기 적어도 하나의 노치(50)는 양극 리드 테이프(84)의 노치 영역 N에서 물질의 제거로 인해 형성된다.
양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)로부터 절삭, 천공, 또는 톱질에 의해 물질을 제거하여 노치(50)를 형성할 수 있다. 당업자가 아는 어떤 방식이든 사용 가능하다. 가령, 양극 리드 와이어(34)나 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 절삭하여 노치(50)를 형성하기 위해, 절삭 도구를 사용할 수 있다. 반면, 노치(50)는 천공 도구를 통해서도 노치(50)를 형성할 수 있다. 천공 툴 구성은 높은 정확성을 제공하고 선설정의 필요성을 최소화할 수 있다. 탄화 텅스텐, 경화강 또는 그 파생물을 사용해 특별 설계된 펀치 구멍들을 만들 수 있다. 물질 천공을 위한 일반적인 브리넬 경도는 약 1,500 MN/m2 내지 약 1,900 MN/m2의 범위를 가질 수 있는데, 이는 가령 500 MN/m2일 수 있는 소결된 탄탈룸 물질의 경도에 비교될 수 있다.
노치는 가령 정밀한 형태와 깊이 조절을 위해 강한 다이아몬드 날을 사용하는 톱으로 형성될 수 있다. 경화 수지 피복 다이아몬드 그릿(grit)(75%)로부터 특수 설계된 날을 제조할 수 있다. 날의 두께는 약 50 마이크로미터 내지 약 1,500 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다. 한편, 다이아몬드 그릿(grit)의 크기는 약 80 마이크로미터 내지 약 1,200 마이크로미터의 범위를 가질 수 있다.
레이저를 사용해서도 물질을 제거해 노치(50)를 형성할 있다. 가령, 스캔 모드에서 레이저를 사용해 노치 영역 N에서 양극 리드 와이어의 침식을 수행할 수 있다. 가령, 레이저 처리에 의한 침식은 도 6, 10, 17, 및 21에 도시된 계단식 노치 등과 같은 거친면을 형성하여 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)의 양극 단자(35)로의 레이저 용접을 용이하게 할 수 있다. 상기 노치는 각 펄스가 약 0.1 밀리미터 내지 약 0.3 밀리미터의 스폿 직경(spot diameter)에서 약 0.2 밀리세컨드 내지 약 20 밀리세컨드까지 지속되는 단일 레이저 숏(shot)에 의해 형성될 수 있다. 상기 노치는 또한 약 0.1 밀리미터 내지 약 0.3 밀리미터의 스폿 직경에서 약 0.2 밀리세컨드 내지 약 0.5 밀리세컨드(각 펄스당)까지 지속될 수 있는 다수의 레이저 솟에 의해 형성될 수도 있다. 일반적인 작업 영역은 길이는 약 1.0 밀리미터일 수 있고 너비는 0.5 밀리미터일 수 있다.
커패시터가 형성된 특정 디자인이나 방식과 상관없이, 커패시터는 종래 기술에 따라 단자들에 연결될 수 있다. 가령, 양극 및 음극 단자들은 각각 양극 와이어 및 음극에 전기적으로 연결될 수 있다. 단자의 구체적인 구성은 종래 기술과 마찬가지로 다양할 수 있다. 일 실시예에서는, 도 2 및 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 가령 음극 단자(44)는 커패시터 요소의 저면(39)에 전기적으로 접촉한 평면부(45) 및 상기 평면부(45)에 실질적으로 수직으로 위치하고 커패시터 요소의 후면에 전기적으로 접촉한 업스탠딩부(upstanding portion)(46)를 포함할 수 있으나, 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 커패시터 요소를 음극 단자에 부착하기 위해, 종래 기술과 마찬가지로 전도성 접착제를 사용할 수 있다. 상기 전도성 접착제는 가령 수지 조성물이 함유된 전도성 금속 입자들을 포함할 수 있다. 상기 금속 입자들은 은, 구리, 금, 플래티늄, 니켈, 아연, 비스무트 등 중 하나일 수 있다. 상기 수지 조성물은 열경화성 수지(예: 에폭시 수지), 경화제(예: 산 무수물), 및 커플링제(예: 실란 커플링제)를 포함할 수 있다. 적합한 전도성 접착제가 Osako, et al.의 미국 공개 특허 제2006/0038304호에 기재된 바 있는데, 참조의 목적으로 본 명세서에서 인용한다.
도 2 및 도 12 내지 도 13을 참조로, 반드시 요구되는 것은 아니나, 양극 단자(35)도 마찬가지로 평면부(41)와 업스탠딩부(42)를 포함할 수 있다. 상기 업스탠딩부(42)는 본 발명의 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)를 전달하는 영역을 포함할 수 있다. 가령, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 영역은 양극 리드 와이어(34)를 수용하기 위한 슬롯(slot)을 포함할 수 있다. 상기 슬롯은 어떤 형태로도 형성될 수 있고, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 표면 접촉과 기계적 안정성의 증진을 위해 U자형, V자형, 원형, 직사각형, 사각형, 계단형 중 어느 형태로도 형성될 수 있다. 가령, 슬롯의 치수는 노치(50)의 치수에 부합할 수 있다. 한편, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 양극 리드 테이프(84)는 업스탠딩부(42)에 단순히 지탱할 수 있다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 양극 단자(35)는 양극 리드 테이프(84)와 접촉하고 지지하는 제2 평면부(43)를 가질 수 있다. 상기 적어도 하나의 노치가 양극 리드 와이어에 형성된 후, 양극 리드 와이어(34)는 양극 단자(35)에 전기적으로 연결될 수 있다.
레이저 용접, 저항 용접, 또는 전도성 접착체 등 어떤 방식을 통해서든 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)를 양극 단자(35)에 연결할 수 있다. 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)를 양극 단자(35)에 연결하는데 사용된 용접 기술의 종류와 상관없이, 충분한 용접을 위해 필요한 에너지량은 노치(50) 덕분에 줄어든다.
노치(50)로 인해, 리드 와이어(34)을 따라 노치 영역 N에서의 물질이 적기 때문에, 이 영역에서의 용접은 두께 D를 갖는 양극 리드 와이어의 제2 부분 L을 따른 지점에서 용접이 발생한 경우보다 에너지가 적게 든다. 노치(50)의 형성으로 형성된 노치 영역 N에서의 더 작은 두께 D'가 의미하는 것은 양극 리드 와이어(34)와 양극 단자(35) 사이의 충분한 스폿 용접을 형성하기 위해 가열해야 하는 양극 리드 와이어 물질의 양이 적다는 것이다. 마찬가지로, 노치(50)로 인해, 리드 테이프(84)를 따라 노치 영역 N에서의 물질이 적기 때문에, 이 영역에서의 용접은 높이/두께 H' 및 너비 W'를 갖는 양극 리드 테이프의 제2 부분 L을 따른 지점에서 용접이 발생한 경우보다 에너지가 적게 든다. 노치(50)의 형성으로 형성된 노치 영역 N에서의 더 작은 두께/높이 G 및/또는 너비 W가 의미하는 것은 양극 리드 테이프(84)와 양극 단자(35) 사이의 충분한 스폿 용접을 형성하기 위해 가열해야 하는 양극 리드 테이프 물질의 양이 적다는 것이다. 따라서, 양극 리드 와이어(34)나 양극 리드 테이프(84)에 적어도 하나의 노치(50)를 형성함으로써, 비교적 두꺼운 양극 리드 와이어 또는 테이프를 사용하여 다공성 양극체와의 접촉을 개선하여 ESR를 줄이는 한편, 상기와 같이 노치에서의 줄어든 양극 리드 와이어 또는 테이프의 두께로 인해, 양극 단자와 전기적 연결을 형성하기 위한 용접 과정도 여전히 효율적으로, 그리고 비용적으로도 효과적으로 수행할 수 있다. 비록 당업자에게 알려진 어떤 종래 기술로도 양극 리드 와이어(34)를 양극 단자(35)에 용접할 수 있지만, 도 2 및 도 12 내지 도 13은 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)가 레이저(47)를 통해 양극 단자(35)의 업스탠딩부(42)에서 양극 단자(35)에 용접되는 것을 도시하고 있다.
본 명세서에 참조로 언급된 Dvorak, et al.의 미국 공개 특허 제2010/0072179호를 비롯한 어떤 레이저 용접 기술을 사용해도 무방하다. 가령, 양극 리드 와이어 또는 테이프를 양극 단자에 레이저 용접하는 과정에는 레이저 빔이 양극 와이어 또는 테이프 및 양극 단자와 접촉하기 전에 하나 이상의 굴절 요소들을 통과하도록 하는 것이 포함될 수 있다. 굴절 지수와 굴절 요소의 두께 및 레이저 빔 등에 대해 굴절 요소가 위치한 각도 등을 임의적으로 조절함으로써, 다공성 양극체를 비롯해 커패시터의 다른 부분과 실질적으로 접촉하거나 손상시키지 않으면서 다공성 양극체로부터 충분한 간격 F을 두고 위치한 노치(50) 등, 정확한 용접 위치로 유도될 수 있다.
양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거하여 노치(50)를 형성하는데 레이저를 사용하는 경우, 노치(50)를 형성하고 양극 단자(35)에서 용접을 순차적으로 형성하는데 사용되는 에너지량은 다르다. 일반적으로, 단일 레이저 숏(shot)의 경우, 노치 형성에 필요한 에너지는 약 6 줄(Jule) 내지 약 16 줄인 반면, 양극 리드 와이어를 양극 단자에 용접하는데 필요한 에너지는 약 6 줄 내지 약 26 줄이다.
또한, 상기 언급한 바대로 일단 커패시터 요소가 형성되고 단자에 부착되면, 수지 케이싱 안에 동봉될 수 있고, 이어 실리카 또는 그외 알려진 캡슐화 물질로 채워질 수 있다. 케이스의 너비 및 길이는 적용되는 분야에 따라 달라진다. 그러나, 결과적으로 조립된 구성이 소형 제품(예: "IC 카드") 등에 적용될 수 있게 하기 위해 케이싱의 전반적인 두께는 일반적으로 작다. 가령, 케이싱의 두께는 약 4.0 밀리미터 이하일 수 있고, 어떤 실시예에서는, 약 0.1 내지 약 2.5 밀리미터일 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 0.15 내지 약 2.0 밀리미터일 수 있다. 또한 적합한 케이싱은 가령 "A", "B", "H" 또는 "T" 케이스(AVX 코퍼레이션)을 포함할 수 있다. 캡슐화 이후, 각각의 양극와 음극 단자들의 노출된 부분들을 에이징(aging), 스크리닝(screening) 및 트리밍(trimming) 처리할 수 있다. 또한, 원하는 경우, 노출 부분들을 케이싱(예: 약 90도)의 외부를 따라 두 번 접는 것도 가능하다.
도 3 내지 10 및 도 14 내지 도 21를 참조로, 가능한 노치의 크기에 따른 다양한 실시예들이 이하 자세히 설명한다. 도 3는 양극 리드 와이어(34)를 갖는 커패시터 요소(300)의 평면도이다. 노치 영역 N에 사각형의 노치(51)가 형성되었다. 노치(51)는 양극 리드 와이어(34)의 X-축 대향면(70)상에 존재한다. 노치는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F을 두고 이격되도록 위치한다. 양극 리드 와이어(34)로부터의 물질을 제거하여 사각형의 노치(51)가 형성되기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분을 따라 형성된 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(51)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 커패시터 요소(400)의 평면도를 도시하고 있다. 두 개의 직사각형 노치(52 및 53)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 와이어가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(52)는 양극 리드 와이어(34)의 X-축 대향면(70)상에 존재하고 노치(53)는 그에 대향하는 양극 리드 와이어(34)의 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L을 따라 형성된 다공성 양극체(33)로부터 간격 F을 두고 이격되도록 배치된다. 또한, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거해 직사각형 노치들(52 및 53)을 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분을 따라 형성된 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(52 및 53)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 커패시터 요소(500)의 평면도를 도시하고 있다. 두 개의 삼각형 노치(54 및 55)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 와이어가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(54)는 X-축 대향면(70)상에 존재하고 노치(55)는 그에 대향하는 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L을 따라 형성된 다공성 양극체(33)로부터 간격 F을 두고 이격되도록 배치된다. 또한, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거해 삼각형 노치(54 및 55)가 형성되기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분을 따라 형성된 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(54 및 55)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다. 도 5에서는, 삼각형 노치들(54 및 55)로 인해 노치 영역 N에서 균등하지 않은 두께 D'가 형성되고, 이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이, D'는 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 가장 작은 두께를 나타낸다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른, 커패시터 요소(600)의 평면도를 도시하고 있다. 계단형 노치(56)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(56)는 양극 리드 와이어(34)의 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F만큼 이격되도록 배치된다. 또 다시, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거해 계단형 노치(56)를 형성하기 때문에, 노치 영역N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분L의 나머지 부분에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(56)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다. 도 6에서, 계단형 노치(56)로 인해, 노치 영역 N에서 불균등한 두께 D'가 나타나고, 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, D'는 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 가장 작은 두께를 나타낸다.
도 3 내지 도 6에서는 노치가 양극 리드 와이어의 X-축 대향면들상에 형성된 다양한 실시예들에 따른 커패시터 요소를 도시하고 있는 반면, 도 7 내지 도 10에서는 노치가 Y-축 대향면들상에 형성된 다양한 실시예들에 따른 커패시터 요소를 도시하고 있다. 도 7은 양극 리드 와이어(34)를 갖는 커패시터 요소(700)의 측면도를 도시하고 있다. 사각형 노치(57)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(57)는 양극 리드 와이어(34)의 Y-축 대향면(72)상에 존재한다. 노치는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L에서의 다공성 양극체(33)로부터 간격 F를 두고 이격되도록 배치된다. 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거하여 사각형 노치(57)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(57)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다.
도 8은 다른 실시예에 따른 커패시터 요소(800)의 측면도를 도시하고 있다. 두 개의 직사각형 노치(58 및 59)가 노치 영역 N에 형성되었다. 양극 리드 와이어가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록, 노치(58)는 양극 리드 와이어(34)의 Y-축 대향면(72)상에 존재하고 노치(59)는 그에 대향하는 Y-축 대향면(73)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L에서의 다공성 양극체(33)로부터 간격 F만큼 이격되도록 배치된다. 또한, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거하여 직사각형 노치(58 및 59)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(58 및 59)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 커패시터 요소(900)의 평면도를 도시하고 있다. 두 개의 삼각형 노치(60 및 61)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 와이어가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(60)은 양극 리드 와이어(34)의 Y-축 대향면(72)상에 존재하고 노치(61)은 그에 대향하는 양극 리드 와이어(34)의 Y-축 대형면(73)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분L에서의 다공성 양극체(33)로부터 간격 F만큼 이격되도록 배치된다. 또한, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거해 삼각형의 노치(60 및 61하기 때문에, 노치 영역 N엣에서 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(60 및 61)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다. 도 9에서, 삼각형의 노치들(60 및 61)로 인해 노치 영역 N에서 불균등한 두께 D'라는 결과로 나타나고, 이에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, D'는 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 가장 작은 두께를 나타낸다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 커패시티 요소(1000)의 평면도를 도시하고 있다. 계단형 노치(62)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(62)는 양극 리드 와이어(34)의 Y-축 대향면상에 존재한다. 상기 노치는 제2 부분 L을 따라 다공성 양그그체(33)로부터 간격 F만큼 이격되어 배치된다. 또한 마찬가지로, 양극 리드 와이어(34)로부터 물질을 제거해 계단형 노치(62)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 물질 밀도는 양극 리드 와이어(34)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(62)에서의 양극 리드 와이어(34)의 두께 D'는 양극 리드 와이어(34)의 나머지 부분의 두께 D보다 작다. 도 10에서, 계단형 노치(62)로 인해 노치 영역 N에서 불균등한 두께 D'가 나타나고, 이에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이, D'는 노치 영역 N에서의 양극 리드 와이어(34)의 가장 작은 두께를 나타낸다.
도 14 내지 도 21에 있어서, 가능한 노치 크기들의 다양한 실시예들이 이하에서 더 자세히 설명한다. 도 14은 양극 리드 테이프(84)를 갖는 커패시터 요소(1400)의 평면도를 도시하고 있다. 사각형의 노치(51)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(51)는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면상에 존재한다. 노치는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F만큼 이격되어 배치된다. 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거해 사각형의 노치(51)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(51)에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 너비 W'보다 작다.
도 15는 다른 일 실시예에 따른 커패시터 요소(1500)의 평면도를 도시하고 있다. 두 개의 직사각형의 노치(52 및 53)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 테이프가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(52)는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면(70)상에 존재하고 노치(53)는 대향하는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 또 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거해 직사각형의 노치(52 및 53)들을 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(52 및 53)들에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 너비 W'보다 작다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른, 커패시터 요소(1600)의 평면도를 도시하고 있다. 두개의 삼각형의 노치(54 및 55)들이 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 테이프가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(54)는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면(70)상에 존재하고 노치(55)는 양극 리드 테이프(84)의 대향하는 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 또한 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거해 삼각형의 노치들(54 및 55)을 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치들(54 및 55)에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 너비 W'보다 작다. 도 16에서, 삼각형의 노치들(54 및 55)로 인해 노치 영역 N에서 불균등한 너비 E가 나타나고, 이에 따라, 도 16에 도시된 바와 같이 너비 E는 길이 L'에서의 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 가장 작은 너비를 나타낸다.
도 17은 또 다른 일 실시예에 따른 커패시터 요소(1700)의 평면도를 도시하고 있다. 계단형 노치(56)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(56)는 양극 리드 테이프(84)의 X-축 대향면(71)상에 존재한다. 노치는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 또한 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거하여 계단형 노치(56)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(56)에서의 양극 리드 테이프(84)의 너비 E는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 너비 W'보다 작다. 도 17에서, 계단형 노치(56)로 인해, 노치 영역 N에서 불균등한 너비 E가 나타나고, 이에 따라, 도 17에 도시된 바와 같이 너비 E는 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 가장 작은 너비를 나타낸다.
도 14 내지 도 17은 노치들이 양극 리드 테이프의 X-축 대향면상에 형성된 커패시터 요소의 다양한 실시예들을 도시하는 반면, 도 18 내지 도 21은 노치들이 양극 리드 테이프의 Y-축 대향면상에 형성된 커패시터 요소의 다양한 실시예들을 도시하고 있다. 먼저, 도 18은 양극 리드 테이프(84)를 갖는 커패시터 요소(800)의 측면도이다. 사각형의 노치(57)가 노치 영역 N에 형성되어 있다. 노치(57)는 양극 리드 테이프(84)의 Y-축 대향면(72)상에 존재한다. 노치는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)으로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거해 사각형의 노치(57)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(57)에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 G는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 H'보다 작다.
도 19는 다른 일 실시예에 따른 커패시터 요소(1900)의 측면도를 도시하고 있다. 두 개의 직사각형의 노치(58 및 59)들이 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 테이프가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(58)는 Y-축 대향면(72)상에 존재하고 노치(59)는 양극 리드 테이프의 대향하는 Y-축 대향면(73)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 네이프(84)의 제 2 부분 L을 다라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되어 배치된다. 또한 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거하여 직사각형의 노치들(58 및 59)을 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분을 따라 다공성 양극 테이프(84)의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치들(58 및 59)에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 G는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 H'보다 작다.
도 20은 또 다른 일 실시예에 따른 커패시터 요소(2000)의 평면도를 도시하고 있다. 두 개의 삼각형 노치들(60 및 61)이 노치 영역 N에 형성되어 있다. 양극 리드 테이프가 노치 영역 N에서 대칭을 이루도록 노치(60)는 Y-축 대향면(72)상에 존재하고 노치(61)은 양극 리드 테이프(84)의 대향하는 Y-축 대향면(73)상에 존재한다. 노치들은 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 또한 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거하여 삼각형의 노치들(60 및 61)을 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L의 나머지 부분에서의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치들(60 및 61)에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 G는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 H'보다 작다. 도 20에서, 삼각형 노치들(60 및 61)로 인해, 노치 영역 N에서의 두께/높이 G는 불균등하게 나타나고, 이에 따라 도 20에 도시된 바와 같이, 두께/높이 G는 노치 영역 N에서의 가장 작은 두께/높이를 나타낸다.
도 21은 또 다른 실시예에 따른 커패시터 요소(2100)의 평면도를 도시하고 있다. 계단형 노치(62)가 노치 영역 N에서 형성되었다. 노치(62)는 양극 리드 테이프(84)의 Y-축 대향면(71)상에 존재한다. 상기 노치는 제2 부분 N을 따라 다공성 양극체(33)로부터 간격 F 만큼 이격되도록 배치된다. 또 마찬가지로, 양극 리드 테이프(84)로부터 물질을 제거하여 계단형 노치(62)를 형성하기 때문에, 노치 영역 N에서의 양극 리드 테이프(84)의 물질 밀도는 양극 리드 테이프(84)의 제2 부분 L에서의 물질 밀도보다 작다. 또한, 노치(62)(에서의 양극 리드 테이프(84)의 두께/높이 G는 양극 리드 테이프(84)의 나머지 부분의 두께/높이 H'보다 작다. 도 21에서, 계단형 노치(62)로 인해 노치 영역 N에서 불균등한 두께/높이 G가 나타나고, 이에 따라, 도 21에 도시된 바와 같이, 두께/높이 G는 노치 영역 N에서 양극 리드 테이프(84)의 가장 작은 두께/높이를 나타낸다.
커패시터 요소의 개개의 구성요소에 있어서, 다공성 양극체(33)는 약 5,000μF*V/g 이상의 고 비전하(specific charge)를 갖는 밸브 메탈(valve metal)로부터 일반적으로 형성되고, 또 다른 실시예에서는, 약 10,000μF*V/g 이상의, 또 다른 실시예에서는 약 20,000μF*V/g이상의 높은 비전하를 갖는 밸브 메탈로부터 일반적으로 형성된다. 상기와 같이, 본 발명의 리드 조립은 특히 "고 비전하" 분말에 유용할 수 있는데, 이러한 고 비전하 분말은 저 비전하 분말에 비해 소결 과정에서 리드 와이어로부터 수축 및 떨어지는 정도가 큰 경향이 있다. 이러한 분말은 일반적으로 약 10,000 내지 600,000μF*V/g의 비전하, 어떤 실시예에서는 약 40,000 내지 약 500,000μF*V/g, 또 어떤 실시예에서는 약 70,000 내지 약 400,000μF*V/g, 또 어떤 실시예에서는 약 100,000 내지 약 350,000μF*V/g, 또 어떤 실시예에선, 약 150,000 내지 약 300,000μF*V/g의 비전하를 갖는다. 밸브 메탈 구성은 탄탈룸, 니오븀, 알루미늄, 하프늄, 티타늄, 또는 그 합금, 그 산화물, 그 질화물 등의 밸브 메탈(예: 산화가 가능한 금속) 또는 밸브 메탈-기반 화합물을 함유한다. 가령, 밸브 메탈 구성은 1:1.0±1.0의 니오븀 대 산소 원자비를 갖는 니오븀 산화물 등 전기적으로 전도성 있는 니오븀 산화물을 함유할 수 있고, 어떤 실시예에서는 1:1.0±0.3, 또 다른 실시예에서는 1:1.0±0.1, 또 다른 실시예에서는 1:1.0±0.05의 니오븀 대 산소 원자비를 갖는 전기적으로 전도성 있는 니오븀 산화물을 함유할 수 있다. 가령, 니오븀 산화물은 NbO0.7, NbO1.0, NbO1.1, 및 NbO2일 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 니오븀 산화물 구성은 NbO1.0을 함유하는데, 이는 고온에서 소결 후에도 화학적으로 안정성을 유지할 수 있는 전도성 니오븀 산화물이다. 이러한 밸브 메탈 산화물의 예는 Schnitter의 미국 공개 특허 제2005/0019581호; Shnitter, et al.의 미국 공개 특허 제2005/0103638호; Thomas, et al.의 미국 공개 특허 제2005/0013765호뿐만 아니라 Fife의 미국 특허 제6,322,912호; Fife et al.의 미국 특허 제6,391,275호; Fife et al.의 미국 특허 제6,416,730호; Fife의 미국 특허 제6,527,937호; Kimmel, et al.의 미국 특허 제6,576,099호; Fife, et al.의 미국 특허 제6,592,740호; Kimmel, et al.의 미국 특허 제6,639,787호; 그리고 Kimmel, et al.의 미국 특허 제7,220,397호에 기재된 바 있고, 이러한 특허들은 본 명세서에서 참조로 인용되고 있다.
양극을 형성하기 위해, 밸브 메탈 구성의 분말이 일반적으로 사용된다. 상기 분말은 노듈러(nodular-혹 형태), 앵귤러(angular-각진 형태), 플레이크(flake) 조각 형태, 또는 그 혼합 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 특히 적합한 분말로는 Cabot Corp(예: C255 플레이크 분말, TU4D 플레이크/노듈러 분말 등) 및 H.C. Starck(예: NH175 노듈러 분말)에서 나오는 분말 등이 있다. 열처리 등을 통한 종래 기술을 통해 상기 분말을 덩어리화할 수 있으나, 반드시 요구되는 것은 아니다. 분말을 양극 형태로 형성하기 전에, 양극체를 형성하기 위해 입자들을 누를 때 서로간의 접착력을 높이기 위해 바인더(binder) 및/또는 윤활제와 함께 혼합할 수 있다. 이렇게 해서 얻은 분말은 종래의 분말 프레스 장치를 사용해 다져서 펠릿(pellet)을 형성한다. 가령, 다이(die-틀) 및 하나 이상의 펀치 등을 포함하는 단일 스테이션 콤팩션 프레스(single station compaction press) 등의 프레스 몰드(press mold)를 사용할 수 있다. 또는, 하나의 다이 및 단일 저 펀치만을 사용하는 앤빌형 콤팩션 프레스 몰드(anvil-type compaction press mold)를 사용할 수도 있다. 단일 스테이션 콤팩션 프레스 몰드는 단일 액션, 이중 액션, 유동 다이(movable die), 이동성 플래튼(platen), 대향 램(opposed ram), 스크루(screw), 고온 프레싱(hot pressing), 코이닝(coining) 또는 사이징(sizing) 등과 같은 다양한 기능을 갖는 캠(cam), 토글(toggle)/너클(knucle) 및 엑센트릭(eccentric)/크랭크(crank) 프레스 등의 기본 타입 등을 이용할 수 있다.
분말의 구성과 상관없이 모든 상기 분말은 양극 리드 와이어(34) 또는 양극 리드 와이어(84) 주변에 다져서 양극 리드 어셈블리의 적어도 일부가 다져진 다공성 양극체(33)로부터 연장되도록 한다. 구체적인 일 실시예에 따르면, 두 개 이상의 부분(예: 상부와 저부)들을 갖는 다이(die)를 포함하는 프레스 몰드(press mold)를 사용할 수 있다. 프레스 몰드를 사용할 때, 다이의 부분들은 서로 인접하도록 배치하여 그 벽들을 실질적으로 정렬시켜 바라는 양극 형태를 갖는 다이 캐비티(cavity-구멍)를 갖도록 할 수 있다. 다이 캐비티에 특정 양의 분말을 넣는 동안 및/또는 넣은 후에 리드 와이어(34) 또는 리드 테이프(84)를 그 안에 넣을 수 있다. 다이는 와이어나 테이프가 삽입될 수 있는 하나 또는 다수의 슬롯(slot)을 형성할 수 있다. 하나 이상의 리드 와이어 또는 테이프를 사용하는 경우, 리드 와이어 또는 테이프는 소결-접촉을 위해 서로 근접하게 배치할 수 있으나, 반드시 그러해야 하는 것은 아니다. 다이를 분말로 채우고 그 안에 리드 와이어나 테이프를 넣은 후에는 다이 캐비티를 닫고 펀치를 사용해 압축력을 가할 수 있다. 일반적으로 압축력은 길이 방향 축으로 연장되는 양극 리드 와이어 또는 양극 리드 테이프의 길이에 일반적으로 평행하거나 일반적으로 수직인 방향으로 가해진다. 이것은 입자들이 와이어와 밀접하게 접하게 하고 강력한 와이어-대-분말 결합을 일으킨다.
진공 상태에서 몇분 동안 특정 온도(예: 약 150도 내지 약 500도)에서 펠릿을 가열하여 누른 후 바인더(binder)/윤활제를 제거할 수 있다. 또는, 펠릿을 Bishop, et al.의 미국 특허 제6,197,252호에 기재된 수용액과 접촉시킴으로써 바인더/윤활제를 제거할 수 있다. 상기 특허는 본 명세서에서 참조로 인용된다. 그런 다음, 다공성 양극체(33)를 소결하여 다공성, 일체적 덩어리(mass)를 형성한다. 펠릿은 일반적으로 약 1200℃ 내지 약 2000℃의 온도에서 소결되고, 어떤 실시예에서는 약 1300℃ 내지 약 1900℃, 또 다른 실시예에서는 약 1500℃ 내지 약 1800℃의 온도에서 약 5 내지 약 100 분 동안, 또 다른 실시예에서는 약 30 분 내지 약 60분 동안 소결된다. 필요한 경우에는, 산소 원자의 양극으로의 이동을 제한하는 대기 환경에서 소결을 일으킬 수 있다. 가령, 진공, 불활성 기체, 수소 등의 환원성 분위기(reducing atmosphere)에서 소결이 발생할 수 있다. 환원성 분위기는 약 10 토르(Torr) 내지 약 2000 토르의 압력, 어떤 실시예에서는 약 100 토르 내지 약 1000 토르, 또 다른 실시예에서는 약 100 토르 내지 약 930 토르의 압력을 가질 수 있다. 수소와 그외 기체(예: 아르곤 또는 질소) 혼합물 또한 사용할 수 있다.
일단 구성되면, 유전체층은 소결된 양극체를 양극 산화("양극화")함으로써 형성될 수 있다. 이 결과 양극체의 포어(pore-구멍) 위 및/또는 안에 유전체층이 형성된다. 가령, 탄탈룸(Ta) 양극은 탄탈룸 5산화물(Ta2O5)로 양극화될 수 있다. 양극을 전해질에 담그는 등 용액을 양극에 초기에 가함으로써 양극화가 수행된다. 물 등(예:탈이온화된 물) 용액이 일반적으로 사용된다. 이온 전도성을 높이기 위해, 용액에서 분리되어 이온을 형성할 수 있는 화합물이 사용될 수 있다. 이러한 화합물로는 가령 전해질과 관련해 이하에서 설명할 산 등이 포함된다. 가령, 산(예: 인산)은 양극화 용액의 약 0.01wt.% 내지 약 5 wt.%을 차지할 수 있고, 어떤 실시예에서는 약 0.05 wt.% 내지 약 0.8wt.%, 또 다른 실시예에서는 약 0.1 wt.% 내지 약 0.5 wt.%을 차지할 수 있다. 필요한 경우, 산을 혼합하여 사용할 수도 있다.
양극화 용액에 전류를 흐르게 하여 유전체층을 형성할 수 있다. 유전체 형성 과정에 가한 전압은 유전체층의 두께를 조절한다. 가령, 필요한 전압에 다다를때까지 전압 공급을 정전류 모드로 설정할 수 있다. 그런 다음, 양극의 전체 표면에 걸쳐 필요한 유전체 두께가 형성되도록 하기 위해 전력 공급을 정전위 모드로 변경할 수 있다. 펄스 또는 스텝 정전위 모드 등 종래의 다른 방법도 사용 가능함은 물론이다. 양극 산화가 발생하는 전압은 일반적으로 약 4 내지 약 250V, 어떤 실시예에서는 약 9 내지 약 200V, 또 다른 실시예에서는 약 20 내지 약 150V의 범위를 갖는다. 산화 시, 양극화 용액은 더 높은 온도, 가령 약 30℃ 이상, 어떤 실시예에서는 약 40℃ 내지 약 200℃, 또 다른 실시에에서는 약 50℃ 내지 약 100℃에서 유지될 수 있다. 주위 온도(ambient temperature) 또는 그 이하에서도 양극 산화를 수행할 수 있다. 그 결과, 유전체층은 양극의 표면 및 그 포어(구멍)들 안에 형성될 수 있다.
커패시터 요소는 또한 커패시터의 음극으로 기능하는 고체 전해질을 포함할 수 있다. 가령 질산망간(Mn(NO3)2)의 열분해에 의해 이산화망간 고체 전해질이 형성될 수 있다. 이러한 기술은 가령 Sturmer, et al.에 기재된 미국 특허 4,945,452에 기재된 바 있으며, 본 발명에서 참조로 인용된다.
또는, 하나 이상의 전도성 폴리머층으로부터 고체 전해질을 형성할 수 있다. 상기 층들에 사용되는 전도성 폴리머(들)은 일반적으로 ㅠ-결합되고 산화 후 적어도 약 1 μScm-1의 전기적 전도성 등, 산화 또는 환원 후 전기적 전도성을 갖는다. 그러한 ㅠ-결합된 전도성 폴리머의 예로는 가령 폴리헤테로기(예: 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린 등), 폴리아세틸렌, 폴리-피-페틸렌, 폴리페놀레이트 등이 포함된다. 특히 적합한 전도성 폴리머로는 일반적으로 아래와 같은 구조를 갖는 치환된 폴리티오펜이 있다:
여기서,
T 는 O 또는 S;
D는 선택적으로 치환된 C1 내지 C5 알킬렌기(예: 메틸렌, 에틸렌, n-프로필렌, n-부틸렌, n-펜틸렌 등);
R7은 선형 또는 분기형의 선택적으로 치환된 C1 내지 C18 알킬기(예: 메틸, 에틸, n-또는 이소-프로필, n-, 이소-, 2차-또는 3차-부틸, n-펜틸, 1-메틸부틸, 2-메틸부틸, 3-메틸부틸, 1-에틸프로필, 1,1-디메틸프로필, 1,2-디메틸프로필, 2,2-디메틸프로필, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, 2-에틸헥실, n-노닐, n-데실, n-운데실, n-도데실, n-트리데실, n-테트라데실, n-헥사데실, n-옥타데실 등); 선택적으로 치환된 C5 내지 C12 클로로알킬기(예: 클로로펜틸, 클로로헥실, 클로로헵틸, 클로로옥틸, 크롤로노닐 클로로데실 등); 선택적으로 치환된 C6 또는 C14 아릴기(예: 페닐, 나프틸 등); 선택적으로 치환된 C7 내지 C18 아랄킬기(예: 벤질, o-, m-, p-톨릴, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2-6, 3-4-, 3,5-실릴, 메시틸 등); 선택적으로 치환된 C1 내지 C4 하이드록시알킬기, 또는 하이드록실기이고; 및
q는 0 내지 8의 정수이고, 어떤 실시예들에서는, 0 내지 2, 또 어떤 일 실시예에서는 0이고; 및
n은 2 내지 5,000이고, 어떤 실시예들에서는 4 내지 2,000이고, 또 어떤 실시예들에서는 5 내지 1,000이다. "D" 또는 "R7" 등 치환기로는 가령 알킬, 클로로알킬, 아릴, 아랄킬, 알콕시, 팔로겐, 에테르, 티오에테르, 디설파이드, 설폭사이드, 설폰, 설포네이트, 아미노, 알데하이드, 케토, 카르복실산 에테르, 카르복실산, 카르보네이트, 카르복실레이트, 시아노, 알킬실란 및 알콕실란기들, 카르복실아미드기들 등이다.
특별히 적합한 티오펜 폴리머로는 "D"가 선택적으로 치환된 C2 내지 C3 알킬렌기가 있다. 가령, 폴리머는 다음과 같은 일반적인 구조를 갖는 선택적으로 치환된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)일 수 있다.
상기 명시된 바와 같은 전도성 폴리머를 형성하기 위한 방법은 이미 종래 기술로 알려져 있다. 가령, Merker, et al.의 미국 특허 제6,987,663호에 기재된 바 있는 것으로, 본 발명에서 참조로 인용되고 있으며, 모노머 전구체로부터 치환된 폴리티오펜을 형성하는 다양한 기술을 명시하고 있다. 모노머 전구체는 가령 다음의 구조를 가질 수 있다:
여기서, T, D, R7, 및 q는 위에서 정의되었다. 특별히 적합한 티어펜 모노머로는 "D"가 선택적으로 치환된 C2 내지 C3 알킬렌기인 것들이 있다. 가령, 선택적으로 치환된 3, 4-알킬렌디옥시티오펜들은 다음의 일반적인 구조를 갖는다:
여기서, R7 및 q는 위에서 정의되었다. 특정한 일 실시예에서, "q"는 0이다. 상업적으로 적합한 3, 4-에틸렌디오티오펜의 예는 지칭 CleviosTMM에 따른 Heraeus Clevios로부터 얻을 수 있다. 그외 적합한 모노머로는 Blohm, et al.의 미국 특허 제5,111,327호 및 Groenendaal, et al.의 미국 특허 제6,635,729호에 기재된 것들로, 본 발명에 참조로 인용되었다. 이러한 모노머의 파생물 또한 사용될 수 있는데, 가령 상기 모노머들의 2분량체 또는 3분량체 등이 그러하다. 모노머의 더 고분자 파생물, 즉, 테트라머, 펜타머 등 또한 본 발명에 사용하기에 적합하다. 이러한 파생물들은 동일한 또는 다른 모노머 유닛들로 구성될 수 있으며 순수한 형태로 사용될 수도 있고 서로 혼합되거나 다른 모노머와 혼합되어 사용될 수 있다. 이러한 전구체들의 산화된 또는 환원된 형태 또한 사용 가능하다.
티오펜 모노머들은 산화 촉매제의 존재 하에 화학적으로 중합된다. 산화 촉매제는 일반적으로 철(III), 구리(II), 크롬(VI), 세륨(IV), 망간(IV), 망간 (VII), 또는 루테늄(III) 양이온 등과 같은 전이 금속 양이온을 포함한다. 전도성 폴리머에 잉여 전하를 제공하고 폴리머의 전도성을 안정시키기 위해 도펀트도 사용될 수 있다. 도펀트는 일반적으로 술폰산의 이온 등과 같은 무기 또는 유기 음이온을 포함한다. 특정 실시예들에 따르면, 전구체 용액에 사용된 산화 촉매제는 양이온(예: 전이 금속) 및 음이온(예: 술폰산)을 포함한다는 점에서 촉매 기능과 도핑 기능을 둘다 포함한다. 가령, 산화 촉매제는 철(III) 할라이드(예: FeCl3)와 같은 철(III) 양이온 또는 Fe(ClO4)3 또는 Fe2(SO4)3 등과 같은 다른 무기산들의 철(III) 염 및 유기산 및 유기기를 포함하는 무기산들의 철(III) 염을 포함하는 전이 금속 염일 수 있다. 유기기를 포함하는 무기산의 철(III) 염의 예로는 가령 C1 내지 C20 알카놀의 술폰산 모노에스테르 철(III) 염 (예: 라우릴 황산나트륨의 철(III) 염)이 포함된다. 마찬가지로, 유기산의 철(III) 염의 예로는 가령 C1 내지 C20 알칸 술폰산염(예: 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 또는 도데칸 술폰산)의 철(III)의 염 ; 지방족 C1 내지 C20 카르복실산(예: 2-에틸헥실카르복신산)의 철(III) 염; 지방족 페르플루오르카르복실산(예: 트리플루오르아세트산 또는 페르플루오르아세트산)의 철(III) 염; C1 내지 C20 알킬기에 의해 선택적으로 치환된 방향족 술폰산(예: 벤젠 술폰산, o-톨루엔 술폰산, p-톨루엔 술폰산, 또는 도데실벤젠 술폰산)의 철(III) 염; 시클로알칸 술폰산(예: 장뇌 술폰산)의 철(III) 염; 등이 포함된다. 상기 언급된 철(III) 염들의 혼합물 또한 사용 가능하다. 특히 철(III)-p-톨루엔 술폰산염, 철(III)-o-톨루엔 술폰산염, 및 그 혼합물 등이 적합하다. 철(III)-p-톨루엔 술폰산염의 상업적으로 적합한 예는 지칭 CleviosTMC에 따른 Heraeus Clevios로부터 제공 가능하다.
다양한 방법을 사용해 전도성 폴리머층을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 산화 촉매제 및 모노머를 순차적으로 또는 함께 사용하여 양극 부분상의 제 자리에서 중합 반응이 발생하도록 할 수 있다. 적합한 적용 기술에는 스크린-프린팅(screen-printing), 디핑(dipping), 전기 영동 코팅(electrophoretic coating), 및 스프레잉(spraying) 등이 포함되며 이들을 사용해 전도성 폴리머 코팅을 형성할 수 있다. 가령, 모노머를 최초에 산화 촉매제와 혼합해 전구체 용액을 형성할 수 있다. 상기 혼합물이 형성되면, 양극 부분에 적용한 후, 중합 반응을 일으켜 전도성 코팅이 표면에 형성되도록 한다. 또는, 산화 촉매제와 모노머를 순차적으로 적용할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 가령, 산화 촉매제는 유기 용제(예: 부탄올)에 용해한 후 디핑 용액으로서 적용할 수 있다. 그런 다음, 양극 부분을 건조해 용제를 제거할 수 있다. 다음, 모노머가 함유된 용액에 상기 부분을 디핑할 수 있다.
중합 반응은 사용된 산화제와 요구되는 반응 시간에 따라 일반적으로 약 -10℃ 내지 약 250℃의 온도에서 수행되며, 어떤 실시예에서는 약 0℃ 내지 약 200℃에서 수행된다. 상기에 명시된 바와 같은 적합한 중합 기술들은 Biler의 미국 특허 제7,515,396호에서 더 자세히 기재된 바 있다. 상기와 같은 전도성 코팅제를 적용하는 그외 방법들은 Sakata, et al.의 미국 특허 제5,457,862호, Sakata, et al. 미국 특허 제5,473,503호, Sakata, et al. 미국 특허 제5,729,428호, 그리고 Kudoh, et al.의 미국 특허 제5,812,367호에 기재된 바 있으며, 본 명세서에서 참조로 인용되었다.
그 자체에 의한 적용 뿐만 아니라, 전도성 폴리머층은 또한 전도성 폴리머 입자들의 분산의 형태로도 적용될 수 있다. 입자 크기가 다양할 수는 있으나, 일반적으로는 입자들이 양극 부분에 부착되기에 가능한 표면적을 늘리기 위해 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 가령, 입자들은 약 1 내지 약 500 나노미터의 평균 직경을 가질 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 5 내지 400 나노미터, 그리고 어떤 실시예들에서는 약 10 내지 약 300 나노미터의 평균 직경을 가질 수 있다. 입자들의 D90 값 (D90 값 이하의 직경을 갖는 입자들이 모든 고체 입자들의 총 부피의 90%를 차지)은 약 15 마이크로미터 이하일 수 있고, 어떤 실시예들에서는 약 10 마이크로미터 이하, 또 다른 실시예들에서는 약 1 나노미터 내지 약 8 마이크로미터일 수 있다. 입자들의 직경은 초원심분리, 레이저 회절법 등의 종래 기술을 사용해 결정될 수 있다.
전도성 폴리머를 입자 형태로 형성하는 것은 치환된 폴리티오펜에 의해 전달된 양전하에 대응하기 위한 별도의 반대 이온을 사용해 증진될 수 있다.어떤 경우에는, 폴리머가 구조적 유닛 안에 양전하와 음전하를 포함할 수 있는데, 이때 양전하는 주요 사슬에 위치하고 음전하는 술폰산염 또는 카르복실산기 등의 기 "R"의 치환물상에 선택적으로 위치할 수 있다. 주요 사슬의 양전하는 기 "R"상의 선택적으로 존재하는 음이온기들과 부분적으로 또는 전체가 포화될 수 있다. 이러한 경우, 폴리티오펜은 전반적으로 양이온, 중립 또는 음이온일 수 있다. 그럼에도 불구하고 폴리티오펜 주요 사슬이 양전하를 띠기 때문에 이들 모두 양이온 폴리티아펜으로 간주된다.
반대 이온은 모노머 또는 폴리머 이온일 수 있다. 폴리머 이온들에는 가령 폴리머 카르복실산(예: 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리말릭산 등)의 음이온; 폴리머 술폰산(예: 폴리스티렌 술폰산 ("PSS"), 폴리비닐 술폰산 등); 등이 될 수 있다. 상기 산들은 또한 비닐 카르복실산 및 비닐 술폰산과 아크릴산 에스테르 및 스티렌 등 그외 중합 가능한 폴리머의 공동중합체 등의 공동중합체일 수 있다. 마찬가지로, 적합한 모노머 음이온에는 가령, C1 내지 C20 알칸 술폰산(예: 도데칸 술폰산); 지방족 페르플루오르술폰산(예: 트리플루오르메탄 술폰산, 페르플루오르부탄 술폰산 또는 페르플루오르옥탄 술폰산); 지방족 C1 내지 C20 카르복실산(예: 2-에틸-헥실카르복실산); 지방족 페르플루오르카르복실산(예: 트리플루오르아세트산 또는 페르플루오르옥탄산); C1 내지 C20 알킬기와 선택적으로 치환된 방향족 술폰산(예: 벤젠 술폰산, ㅇ-톨루엔 술폰산, p-톨루엔 술폰산 또는 도데실벤젠 술폰산); 시클로알칸 술폰산 (예: 장뇌 술폰산 또는 테트라플루오르붕산염, 헥사플루오르인산염, 과염소산염, 헥사플루오르안티몬산염, 헥사플루오르비산염 또는 헥사클로로안티몬산염); 등의 음이온이 포함될 수 있다. 특히 적합한 반대 이온으로는 폴리머 카르복실산 또는 술폰산(예: 폴리스티렌 술폰산("PSS")) 등의 폴리머 음이온이 있다. 이러한 폴리머 음이온의 분자량은 일반적으로 약 1,000 내지 약 2,000,000의 범위를 가지며, 어떤 실시예들에서는 약 2,000 내지 약 500,000의 범위를 갖는다.
사용된 경우, 주어진 특정 층에서의 상기와 같은 반대 이온 대 치환된 폴리티오펜의 중량비는 일반적으로 약 0.5:1 내지 약 50:1이고, 어떤 실시예들에서는 약 1:1 내지 약 30:1이고, 또 다른 실시예들에서는 약 2:1 내지 약 20:1이다. 상기 언급된 중량비에서의 치환된 폴리티오펜의 중량은 사용된 모노머의 가중 부분을 나타내는데, 이때 중합 반응 시 완전한 변환이 발생한다고 가정한다.
상기 분산은 폴리머층의 접착력을 높이고 분산 내 입자들의 안정성을 높이기 위한 하나 이상의 바인더(binder)를 포함할 수 있다. 상기 바인더는 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티레이트, 폴리아크릴산 에스테르, 폴리아크릴산아미드, 폴리메타클릴산 에스테르, 폴리메타크릴산아미드, 폴리아크릴로니트릴, 스티렌/아크릴산 에스테르, 비닐 아세테이트/아크릴산 에스테르 및 에틸렌/비닐 아세테이트 공동폴리머, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리스티렌, 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리술폰, 멜라민 포름알데히드 수지, 에폭시드 수지, 실리콘 수지 또는 셀룰로스 등과 같은 유기물일 수 있다. 가교제(crosslinking agents) 또한 바인더의 접착력 증진을 위해 사용될 수 있다. 이러한 가교제에는 멜라민 화합물, 마스크된 이소시아네이트, 또는 가령 3-글리시독시프로필트리알콕시실란, 테트라에톡시실란 및 테트라에톡시실란 가수 분해물 등과 같은 기능성 실란 또는 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트 또는 폴리올레핀 등과 같은 가교 가능한 폴리머 등이 포함될 수 있다. 이 외에도, 분산제(예: 물), 표면-활성 물질 등 종래에 알려진 다른 구성 요소들도 분산에 포함될 수 있다.
필요한 경우, 바라는 코팅 두께를 달성할 때까지 하나 이상의 상기 명시된 적용 단계들을 반복할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 한번에 비교적 얇은 코팅 층이 형성된다. 코팅의 총 목표 두께는 커패시터의 바람직한 특성에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 결과적으로 형성되는 전도성 폴리머 코팅은 약 0.2 마이크로미터("μm") 내지 약 50μm의 두께를 가질 수 있고, 또 다른 실시예들에서는 약 0.5μm 내지 약 20μm의 두께를 가질 수 있고, 또 다른 실시예들에서는 약 1μm 내지 약 5μm의 두께를 가질 수 있다. 코팅의 두께는 양극 부분의 모든 위치에서 반드시 동일하지 않다는 점이 이해되어져야 할 것이다. 그럼에도 불구하고, 기판상의 코팅의 평균 두께는 일반적으로 상기에 언급한 범위 내에 포함된다.
전도성 폴리머층은 선택적으로 힐링(healing)될 수 있다. 힐링은 각각의 전도성 폴리머층의 적용 이후 또는 전체적인 코팅의 적용 이후 발생할 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 전도성 폴리머의 해당 부분을 전해질 용액에 담근 후, 일정한 전압을 용액에 인가하고, 전류가 기설정된 수준으로 떨어질 때까지 그대로 놔두는 과정을 통해 힐링이 수행된다. 필요한 경우, 이러한 힐링 과정을 여러 단계를 통해 수행하는 것도 가능하다. 가령, 전해질 용액은 모노머의 희석 용액, 촉매제, 및 알코올 용제(예: 에탄올)의 도펀트일 수 있다. 또한, 필요한 경우, 코팅을 세척하여 다양한 부산물, 과량의 시약 등을 제거할 수 있다.
또한 필요한 경우, 커패시터에는 종래에 알려진 바대로 다른 층이 포함될 수 있다. 가령, 유전체 및 고체 전해질 사이에는 비교적 절연 수지성 물질(천연 또는 합성) 등으로 형성된 보호 코팅이 선택적으로 형성될 수 있다. 이러한 물질은 약 10 Ω/cm을 초과하는 저항력, 어떤 실시예들에서는 약 100Ω/cm을 초과하는 저항력, 또 다른 실시예들에서는 약 1,000Ω/cm을 초과하는 저항력, 또 다른 실시예들에서는 약 1×105Ω/cm을 초과하는 저항력, 또 다른 실시예들에서는 약 1×1010Ω/cm을 초과하는 저항력을 가질 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 수지성 물질은 폴리우레탄, 폴리스티렌, 불포화 또는 포화 지방산(예: 글리세리드) 등을 포함할 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다. 가령, 적합한 지방산 에스테르에는 라우르산(lauric acid), 미리스트산(myristic acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아르산(stearic acid), 엘레오스테아르산(eleostearic acid), 올레산(oleic acid), 리올렌산(linolenic acid), 알로이리트산(aleuritic acid), 쉘롤산(shellolic acid) 등을 포함할 수 있으나, 여기에 한정되지는 않는다. 이러한 지방산 에스테르들은 비교적 복잡한 조합을 통해 "건성유(drying oil)"를 형성함으로써 결과적으로 형성되는 막이 안정된 층으로 빠르게 중합 반응을 일으킬 수 있도록 하는데 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 건성유에는 모노-, 디-, 및/또는 트리-글리세리드가 포함될 수 있는데, 이들은 에스테르화된 각각 하나, 두 개, 및 세 개의 지방 아실 잔류물을 갖는 글리세롤 백본(backbone)을 포함한다. 가령, 사용될 수 있는 적합한 건성유에는 올리브유, 아마인유, 피마자유, 동유, 대두유 및 셸락(shellac)을 포함할 수 있으나 여기에 한정되지 않는다. 상기 코팅 물질을 비롯한 그외 사용 가능한 코팅 물질들이 Fife, et al.의 미국 특허 제6,674,635호에 더 자세히 기재된 바 있으며, 본 명세서에 참조로 인용되었다.
양극 부분은 각각 탄소층(예: 흑연) 및 은 층과 함께 적용될 수 있다. 가령 은 코팅은 커패시터에서 땜질 가능한(solderable) 전도체, 접촉층, 및/또는 전하 콜렉터(charge collector)의 역할을 할 수 있고, 탄소 코팅은 은 코팅은 은 코팅과 고체 전해질의 접촉을 제한할 수 있다. 이러한 코팅은 고체 전해질의 일부 또는 전부를 도포할 수 있다.
본 발명의 결과로, 이하 설명할 실험 과정을 통해 우수한 전기적 성질을 나타내는 커패시터가 형성될 수 있다. 가령, 본 발명의 커패시터는 초저 ESR을 나타낼 수 있다. 가령, 주파수 100KHz와 온도 23℃±2℃에서 설정된 약 300 밀리옴 (mΩ)이하, 어떤 실시예들에서는 약 100 mΩ 이하, 또 다른 실시예들에서는 약 0.01 내지 약 50 mΩ 이하, 그리고 또 다른 실시예들에서는 약 0.1 내지 약 20mΩ 이하의 초저 ESR을 나타낼 수 있다. 또한, 일반적으로 한 전도체로부터 인접 전도체로의, 절연체를 통한 전류 흐름을 나타내는 누설 전류는 비교적 낮은 수준으로 유지될 수 있다. 가령, 본 발명의 커패시터의 정상화된 누설 전류의 수치는 어떤 실시예들에서는 약 0.1μA/μF*V 미만, 또 다른 실시예들에서는 약 0.01μA/μF*V 미만, 또 다른 실시예들에서는 약 0.001μA/μF*V 미만으로, 여기서 μA는 마이크로암페어이고 μF*V는 정전 용량 및 정격 전압의 산물이다.
실험 과정
등가직렬전압(Equivalent Series REsistance-ESR)
ESR은 일반적으로 전자 회로에서 충전 및 방전 시 커패시터가 저항기로서의 역할을 하는 정도를 의미하며, 일반적으로 커패시터와 직렬 저항으로 표현된다. ESR은 일반적으로 운영 주파수 100kHz와 온도 23℃±2℃에서 Keithley 3330 Precision LCZ meter와 Kelvin Leads 2.2 볼트 DC bias 및 0.5 볼트 피크-투-피크(peak-to-peak) 정현 신호를 사용해 측정한다.
정전 용량("Cap")
정전 용량은 Keithley 3330 Precision LCZ meter와 Kelvin Leads와 2.2 볼트 DC bias 및 0.5 볼트 피크-투-피크 정현 신호를 사용해 측정한다. 운영 주파수는 120Hz이고, 온도는 23℃±2℃였다.
누설 전류(Leakage current)
누설 전류("DCL")은 최소 30초 후 온도 23℃±2℃ 및 정격 전압에서 누설 전류를 측정하는 누설 테스트 세트를 사용해 측정한다.
레이저 용접(Laser Weld)
Trumpf Nd: YaG HAAS 레이저(약 1,064 나노미터의 파장에서 적외선 가까이에서 방사)를 사용해 레이저 용접이 수행되었다. 용접 에너지는 일반적으로 양극 리드 와이어를 양극 단자/리드 프레임에 접합하는데 필요한 레이저 에너지 양을 가리킨다. 용접 에너지는 줄(Joule)로 맞춰졌다.
70,000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 1.80mm(길이), 2.40mm(너비) 및 1.20mm(두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 0.40mm 너비/직경 (실시예 1) 탄탈룸 와이어와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 상기 와이어의 관통률을 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 1,300℃에서 감소된 압력 하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 펀칭 도구를 통한 적재 처리 시 양극 리드 와이어가 노치됐을 때 다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 감소된 영역의 너비/직경은 0.22mm이었다.
탄탈룸 양극을 0.1%의 인산 액체 전해질에서 14V로 양극 산화처리하여 120Hz에서 150μF을 갖는 커패시터를 형성했다. 그런 다음, 탄탈룸 양극을 5 분간 철(III) 톨루엔술폰산염(CleviosTMC, H.C. Starck)의 부탄올 용액에 담근 후, 1분간 3,4-에틸렌디옥시티오펜(CleviosTMM, H.C. Starck)에 담궈 전도성 폴리머 코팅을 형성했다. 45분간의 중합 반응 후, 유전체 표면상에 얇은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)층이 형성되었다. 상기 부분들을 메탄올에 넣어 세척하여 반응 부산물들을 제거하고, 액체 전해질에서 양극 산화처리 한 후, 다시 메탄올에서 세척했다. 이 중합 반응 사이클을 10번 반복했다. 종래의 조립 기술로 상기 부분들을 마무리하고 측정했다. 조립 과정 마무리를 위해 구리-기반 리드 프레임을 사용했다. 레이저 용접 처리를 통해 커패시터 요소를 부착하여 양극 리드 와이어를 양극 단자에 접합했다. 와이어의 크로핑(cropping)과 용접에 사용된 에너지는 8.6줄로 맞춰졌다. 다음, 리드 프레임은 캡슐화 에폭시 수지로 봉인되었다.
비교
실시예
1A-1B
와이어 노칭(notching)에 추가적인 천공(punching) 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 1에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.17mm 너비/직경 (실시예 1A) 또는 0.40mm 너비/직경 (실시예 1B)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(1250)을 제작한 후, 전기적 성능(예: ESR 및 정전 용량) 테스트가 수행되었다. 아래 표 1은 비교 실시예 1A-1B 뿐만 아니라 실시예 1에 의한 완성된 커패시터의 탄탈룸 와이어 직경, 레이저 용접 설정 및 평균 정전 용량 및 ESR을 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경 [mm] | Ta 와이어 노치된 영역 직경 [mm] |
레이저 용접 에너지 [J] | DCL[μA] | CAP[μF] | ESR[mΩ] | |
| 실시예 1 | 0.40 | 0.22 | 8.6 | 2.63 | 138.3 | 36.8 |
| 비교 실시예 1A | 0.17 | 0.17 | 6.0 | 1.47 | 145.2 | 45.1 |
| 비교 실시예 1B | 0.40 | 0.40 | 26.0 | N/A | N/A | N/A |
70,000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 4.20mm(길이), 3.60mm(너비) 및 0.95mm(두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 0.50mm 너비/직경 (실시예 2) 탄탈룸 와이어와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 와이어의 관통률을 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 1,300℃에서 감소된 압력 하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 그런 다음, 다이아몬드날(Kulicke & Soffa 정밀 톱)로 양극 리드 와이어를 노치시켰다. 다이아몬드날의 두께는 1.0 밀리미터였으며, 절삭은 리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 수행되었다. 감소된 영역의 너비/직경은 0.33mm이었다.
탄탈룸 양극을 0.1%의 인산 액체 전해질에서 13V로 양극 산화처리하여 120Hz에서 330μF를 갖는 커패시터를 형성했다. 그런 다음, 탄탈룸 양극을 5 분간 철(III) 톨루엔술폰산염(CleviosTMC, H.C. Starck)의 부탄올 용액에 담근 후, 1분간 3,4-에틸렌디옥시티오펜(CleviosTMM, H.C. Starck)에 담궈 전도성 폴리머 코팅을 형성했다. 45분간의 중합 반응 후, 유전체 표면상에 얇은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)층이 형성되었다. 상기 부분들을 메탄올에 넣어 세척하여 반응 부산물들을 제거하고, 액체 전해질에서 양극 산화처리 한 후, 다시 메탄올에서 세척했다. 이 중합 반응 사이클을 10번 반복했다. 종래의 조립 기술로 상기 부분들을 마무리하고 측정했다. 조립 과정 마무리를 위해 구리-기반 리드 프레임을 사용했다. 레이저 용접 처리를 통해 커패시터 요소를 부착하여 양극 리드 와이어를 양극 단자에 접합했다. 와이어의 크로핑(cropping)과 용접에 사용된 에너지는 16.0줄로 맞춰졌다. 다음, 리드 프레임은 캡슐화 에폭시 수지로 봉인되었다.
비교
실시예
2A-2B
와이어 노칭(notching)에 추가적인 쏘잉(sawing) 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 2에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.24mm 너비(실시예 2A) 또는 0.50mm 너비/직경 (실시예 2B)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(900)을 제작한 후, 전기적 성능(예: ESR 및 정전 용량) 테스트가 수행되었다. 아래 표 2는 비교 실시예 2A-2B 뿐만 아니라 실시예 2에 의한 완성된 커패시터의 탄탈룸 와이어 직경, 레이저 용접 설정 및 평균 정전 용량 및 ESR을 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경 [mm] | Ta 와이어 노치된 영역 직경 [mm] | 레이저 용접 에너지 [J] | DCL[μA] | CAP[μF] | ESR[mΩ] | |
| 실시예 2 | 0.50 | 0.33 | 16.0 | 17.2 | 301.4 | 18.1 |
| 비교 실시예 2A |
0.24 | 0.24 | 10.5 | 14.8 | 321.2 | 29.2 |
| 비교 실시예 2B |
0.50 | 0.50 | 32.0 | N/A | N/A | N/A |
40.000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 5.20mm(길이), 3.70mm(너비) 및 0.95mm(두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 0.50mm 너비 (실시예 3) 탄탈룸 와이어와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 와이어의 관통률은 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 1,450℃에서 감소된 압력 하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 그런 다음, 양극 리드 와이어는 스캐닝 레이저(Trumpf TruMark 레이저)를 통해 노치되었다. 작업 영역은 1.0 밀리미터였고, 각 단일 레이저 숏(shot)은 0.2 밀리세컨드 동안 지속되었고, 에너지는 50 밀리줄에 맞춰졌다. 침식은 리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 수행되었다. 감소된 영역의 너비/직경은 0.30mm이었다.
탄탈룸 양극을 0.1%의 인산 액체 전해질에서 18V로 양극 산화처리하여 120Hz에서 150μF를 갖는 커패시터를 형성했다. 그런 다음, 탄탈룸 양극을 5 분간 철(III) 톨루엔술폰산염(CleviosTMC, H.C. Starck)의 부탄올 용액에 담근 후, 1분간 3,4-에틸렌디옥시티오펜(CleviosTMM, H.C. Starck)에 담궈 전도성 폴리머 코팅을 형성했다. 45분간의 중합 반응 후, 유전체 표면상에 얇은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)층이 형성되었다. 상기 부분들을 메탄올에 넣어 세척하여 반응 부산물들을 제거하고, 액체 전해질에서 양극 산화처리 한 후, 다시 메탄올에서 세척했다. 이 중합 반응 사이클을 10번 반복했다. 종래의 조립 기술로 상기 부분들을 마무리하고 측정했다. 조립 과정 마무리를 위해 구리-기반 리드 프레임을 사용했다. 레이저 용접 처리를 통해 커패시터 요소를 부착하여 양극 리드 와이어를 양극 단자에 접합했다. 와이어의 크로핑(cropping)과 용접에 사용된 에너지는 15.0 줄로 맞춰졌다. 다음, 리드 프레임은 캡슐화 에폭시 수지로 봉인되었다.
비교
실시예
3A-3B
와이어 노칭(notching)에 추가적인 레이저 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 3에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.19mm 너비(실시예 3A) 또는 0.50mm 너비 (실시예 3B)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(900)을 제작한 후, 전기적 성능(예: ESR 및 정전 용량) 테스트가 수행되었다. 아래 표 3은 비교 실시예 3A-3B 뿐만 아니라 실시예 3에 의한 완성된 커패시터의 탄탈룸 와이어 직경, 레이저 용접 설정 및 평균 정전 용량 및 ESR을 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경 [mm] | Ta 와이어 노치된 영역 직경 [mm] | 레이저 용접 에너지 [J] | DCL[μA] | CAP[μF] | ESR[mΩ] | |
| 실시예 3 | 0.50 | 0.30 | 15.0 | 12.4 | 144.3 | 11.2 |
| 비교 실시예 3A | 0.19 | 0.19 | 8.2 | 4.5 | 152.6 | 21.4 |
| 비교 실시예 3B | 0.50 | 0.50 | 32.0 | N/A | N/A | N/A |
표 1, 표 2, 및 표 3에 나타난 바와 같이, 노치된 와이어를 사용함에 따른 혜택은 전반적으로 동일한 와이어 직경을 갖는 비교 실시예들과 비교해 ESR 수치의 증진 및 용접에 필요한 에너지 절감이다. 비교 실시예 B의 전기적 데이터를 얻을 수 없는 이유는 레이저 용접 처리 과정이 불가능하기 때문이다 (리드 프레임측에는 용접 처리 수행을 위한 물질이 충분하지 않았고, 이어지는 조립 과정 시 모든 커패시터는 회로가 오픈식이었다).
40,000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 5.20mm(길이), 3.70mm(너비) 및 0.90mm(높이/두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 1.50mm(너비) 및 0.35mm(높이/두께)의 탄탈룸 테이프와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 상기 테이프의 관통률은 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 1,450℃에서 감소된 압력 하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 천공(punching) 도구를 통한 적재 처리 시 양극 리드 와이어가 노치됐을 때 다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 감소된 영역의 너비는 1.00mm이었다.
탄탈룸 양극은 가공되지 않았다. 구리-기반의 리드 프레임을 사용해 조립 처리 과정을 촉진했다. 레이저 용접 처리를 통해 커패시터 요소를 부착하여 양극 리드 와이어를 양극 단자에 접합했다. 다음, 적합한 방식을 통해 ESR 기여도를 측정했다 (양극 리드 프레임 단자에 두 개의 접촉 및 소결되었으나 형성되지 않은 양극체에 두 개의 접촉).
비교
실시예
4A-4B
테이프 노칭(notching)에 추가적인 천공 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 4에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.24mm 너비(실시예 4A) 또는 0.50mm 너비 (실시예 4B)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(90)을 제작한 후, ESR 성능 측정을 위한 테스트가 수행되었다. 아래 표 4는 실시예 4의 탄탈룸 와이어/테이프 직경 및 평균 ESR을 비교예 4A-4B의 경우와 비교 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경/테이프 높이×너비 [mm] | Ta 와이어 직경/테이프 노치된 영역 높이 ×너비 [mm] | ESR[mΩ] | |
| 실시예 4 | 0.35×1.50 | 0.35×1.00 | 3.3 |
| 비교 실시예 4A | 0.24 | 0.24 | 9.8 |
| 비교 실시예 4B | 0.50 | 0.50 | 4.8 |
70,000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 1.80mm(길이), 2.40mm(너비) 및 1.20mm(높이/두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 1.50mm(너비) 및 0.15mm(높이/두께)의 탄탈룸 테이프와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 상기 테이프의 관통률은 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 1,300℃에서 감소된 압력 하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 천공(punching) 도구를 통한 적재 처리 시 양극 리드 와이어가 노치됐을 때 다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 감소된 영역의 너비는 1.00mm이었다.
ESR 측정은 실시예 4에 기재된 방식으로 수행되었다.
비교
실시예
5A-5B
테이프 노칭(notching)에 추가적인 천공 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 5에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.17mm 너비(실시예 5A) 또는 0.50mm 너비 (실시예 5B)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(90)을 제작한 후, ESR 성능 측정을 위한 테스트가 수행되었다. 아래 표 5는 실시예 5의 탄탈룸 와이어/테이프 직경 및 평균 ESR을 비교예 5A-5B의 경우와 비교 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경/테이프 높이×너비 [mm] |
Ta 와이어 직경/테이프 노치된 영역 높이 ×너비 [mm] | ESR[mΩ] | |
| 실시예 5 | 0.15×1.50 | 0.15×1.00 | 1.8 |
| 비교 실시예 5A | 0.17 | 0.17 | 12.6 |
| 비교 실시예 5B | 0.50 | 0.50 | 2.9 |
150,000μFV/g 탄탈룸 분말을 펠릿(pellet)에 프레스(press)시켜 2.30mm(길이), 2.30mm(너비) 및 0.55mm(높이/두께)의 크기를 갖는 다공성 몸체들을 형성했다. 탄탈룸 분말을 탄탈룸 장치 자동 몰딩 기계(tantalum device automatic molding machine)의 호퍼(hopper)에 충전하고 1.50mm(너비) 및 0.15mm(높이/두께)의 탄탈룸 테이프와 함께 자동으로 몰딩시켜 다공성 몸체를 제작했다. 상기 테이프의 관통률은 양극 길이의 70%였다. 이렇게 해서 몰딩된 몸체를 감소된 압력 1,200℃하에 세워두어 소결된 몸체를 수득했다.
리드 와이어를 리드 프레임에 접합하기에 중요한 특정 영역에서 천공(punching) 도구를 통한 적재 처리 시 양극 리드 와이어가 노치됐을 때 다공성 소결된 탄탈룸 몸체를 보조 스테인리스 강재 스트립(stainless steel strip)에 용접했다. 감소된 영역의 너비는 1.00mm이었다.
ESR 측정은 실시예 4에 기재된 방식으로 수행되었다.
비교
실시예
6A-6B
테이프 노칭(notching)에 추가적인 천공 장치를 사용한 것을 제외하고는 커패시터는 실시예 6에 기재된 방식으로 형성되었다. 비교 실시예를 위해, 탄탈룸 분말을 0.17mm 너비(실시예 6A)의 탄탈룸 와이어와 몰딩시켰다. 기재된 방식에 따라 다수의 부분들(90)을 제작한 후, ESR 성능 측정을 위한 테스트가 수행되었다. 아래 표 6는 실시예 6의 탄탈룸 와이어/테이프 직경 및 평균 ESR을 비교예 6A의 경우와 비교 요약한 표이다.
| Ta 와이어 직경/테이프 높이×너비 [mm] |
Ta 와이어 직경/테이프 노치된 영역 높이 ×너비 [mm] |
ESR[mΩ] | |
| 실시예 6 | 0.15×1.50 | 0.15×1.00 | 8.2 |
| 비교 실시예 6A | 0.17 | 0.17 | 17.6 |
표 4, 5, 및 6에 나타난 바와 같이, 노치되지 않은 리드 대 노치된 리드 테이프를 사용 시 얻는 혜택은 비교 실시예들에 비해 개선된 ESR 값이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
Claims (19)
- 커패시터(capacitor) 요소를 포함하는 고체 전해질 커패시터(solid electrolytic capacitor)로서,
너비와 높이를 갖는 소결된 다공성 양극체(sintered porous anode body);
제1 부분이 상기 양극체 내에 위치하고 제2 부분이 상기 양극체의 표면으로부터 길이 방향으로 연장되고, 상기 제2 부분에는 적어도 하나의 노치(notch)가 배치된 노치 영역을 갖는 양극 리드(lead);
상기 소결된 다공성 양극체 위에 가로놓인 유전체층; 및
고체 전해질을 포함하는 상기 유전체층 위에 가로놓인 음극을 포함하는 것을 특징으로 하는 커패시터 요소를 포함하는 고체 전해질 커패시터.
- 제1항에 있어서,
상기 노치 영역은 상기 양극 리드의 제2 부분의 길이 대 상기 양극체의 표면으로부터 상기 노치 영역의 위치까지의 거리의 비율이 약 1.1 내지 20인 것을 특징으로 하는 커패시터 요소를 포함하는 고체 전해질 커패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 노치는 직사각형, 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 계단형, U자 형, 또는 V자 형인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터.
- 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극체는 약 10,000μF*V/g 내지 약 600,000μF*V/g의 비전하(specific charge)를 갖는 분말(powder)로 형성된 것이고, 상기 분말은 탄탈룸, 니오븀, 알루미늄, 하프늄, 티타늄, 이들 금속의 전기 전도성 산화물, 또는 이들 금속의 전기 전도성 질화물과 같은 밸브 메탈(valve metal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터.
- 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극 리드에 전기적으로 연결된 양극 단자, 상기 음극에 전기적으로 연결된 음극 단자, 그리고 상기 커패시터 요소를 캡슐화하고 상기 양극 단자의 적어도 일부와 상기 음극 단자의 적어도 일부를 노출된 상태로 남겨두는 몰딩 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터.
- 제5항에 있어서,
상기 양극 리드 와이어는 상기 노치 영역에서 상기 양극 단자에 용접된 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터.
- 너비와 높이를 갖는 소결된 다공성 양극체를 포함하는 고체 전해질 커패시터를 형성하는 방법으로서,
양극 리드의 제2 부분이 양극체의 표면으로부터 길이 방향으로 연장되도록 양극 리드의 제1 부분을 밸브 메탈 조성물로 형성된 분말 안에 배치하는 단계;
상기 양극 리드 제1 위치 주변의 상기 분말을 다지는 단계;
상기 다공성 양극체를 형성하기 위해 상기 다져진 분말과 상기 양극 리드의 제1 위치를 소결하는 단계;
유전체층을 형성하기 위해 상기 소결된, 다공성 양극체를 양극 산화하는 단계;
음극을 형성하기 위해 상기 양극 산화된, 소결된 다공성 양극체에 고체 전해질을 가하는 단계;
상기 양극 리드의 제2 위치에 적어도 하나의 노치가 배치되는 노치 영역을 형성하는 단계; 및
상기 양극 리드와 양극 단자 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 상기 노치 영역에서 상기 양극 리드를 양극 단자에 용접하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 노치는 레이저 절삭(cutting), 천공(punching), 또는 쏘잉(sawing)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 양극 리드는 상기 양극 리드와 상기 양극 단자 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 상기 노치 영역에서 상기 양극 단자에 레이저 용접되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법.
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노치는 레이저에 의해 형성되고, 상기 양극 리드는 상기 양극 리드와 상기 양극 종단 사이에 전기적 연결을 형성하기 위해 상기 노치 영역에서 상기 양극 종단에 순차적으로 레이저 용접되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 레이저를 제1 에너지 레벨에서 사용하여 상기 노치를 형성하고, 제2 에너지 레벨에서 순차적으로 사용하여 상기 양극 리드를 상기 양극 종단에 레이저 용접하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 형성 방법.
- 제1항 또는 제7항에 있어서,
상기 양극 리드는 상기 다공성 양극체의 높이의 적어도 약 10%인 두께를 갖는 양극 리드 와이어인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 양극 리드 와이어의 두께는 약 20 마이크로미터 내지 약 3800 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제12항 내지 제13항에 있어서,
상기 노치 영역은 상기 양극 리드 와이어의 두께의 약 20% 내지 약 90%인 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제1항 또는 제7항에 있어서,
상기 양극 납은 상기 다공성 양극체 너비의 적어도 약 20%인 너비를 갖는 양극 리드 테이프인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제15항에 있어서,
상기 양극 리드 테이프의 너비는 약 80 마이크로미터 내지 약 4500 마이크로미터이고 상기 양극 리드 테이프의 두께는 약 10 마이크로미터 내지 약 2800 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 노치 영역은 상기 양극 리드 테이프의 너비의 약 20% 내지 약 90%인 너비 및 상기 양극 리드 테이프의 두께의 약 20% 내지 약 90%인 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항 또는 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양극 리드에 두 개의 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
- 제18항에 있어서,
상기 두 개의 노치는 상기 노치 영역이 대칭이 되도록 상기 양극 리드의 대향하는 면들에 형성된 것을 특징으로 하는 고체 전해질 커패시터 또는 그 형성 방법.
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