KR20140021256A - 탄탈 캐패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄탈 캐패시터에 관한 것으로, 본 발명은 양극 인출선이 일측에서 연장되며, 탄탈 분말이 소결된 탄탈 소결체; 상기 탄탈 소결체 상에 형성된 탄탈 산화물 유전체층; 상기 유전체층 상에 형성된 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층 상에 형성된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 전도성 메탈층;을 포함하는 탄탈 캐패시터를 제공한다.
본 발명에 따르면 전극 인출 과정에서 카본 및 실버 페이스트를 사용하지 않고, 전도성 메탈을 음극층인 고체 전해질층 상에 직접 코팅하여 등가직렬저항(ESR) 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

탄탈 캐패시터{TANTALUM CAPACITOR}
본 발명은 탄탈 캐패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전극 인출 과정에서 카본(Carbon)과 실버(Ag) 페이스트를 사용하지 않고 전도성 메탈을 음극층인 고체 전해질층 상에 직접 코팅함으로써, 낮은 초저 등가직렬저항(ESR) 특성의 탄탈 캐패시터에 관한 것이다.
탄탈(tantalum: Ta) 소재는 융점이 높고 연성, 내식성 등이 우수한 기계적, 물리적 특징으로 인해 전기, 전자를 비롯하여 기계, 화공, 의료뿐만 아니라 우주, 군사 등 산업전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있는 금속이다.
특히 탄탈 소재는 모든 금속 중 가장 안정한 양극 산화피막을 형성시킬 수 있는 특성으로 현재 소형 커패시터의 양극소재로 널리 이용되고 있다.
더욱이 탄탈 소재는 최근 전자, 정보통신 등 IT 산업의 급격한 발달로 인해 매년 그 사용량이 10%씩 급격히 증가하고 있다.
탄탈 캐패시터(Tantalum Capacitor)는 탄탈 파우더(Tantalum Powder)를 소결하여 굳혔을때 나오는 빈틈을 이용하는 구조로 되어 있으며, 전극 금속으로서의 탄탈 표면에, 양극 산화법에 의해 산화 탄탈(Ta2O5)을 형성하고, 이것을 유전체로 하여, 그 위에 전해질로서 이산화망간층(MnO2)을 형성한다.
또한 음극 전극의 도출 때문에 MnO2층 위에 그래파이트 층 및 금속층을 형성하게 된다. 기존에는 상기 금속층의 경우 MnO2층 위에 카본(Carbon)과 실버(Ag) 페이스트를 순차적으로 사용하여 고체 전해질층과의 전기적 저항을 줄이는 방식으로 전극을 인출하였다.
그러나, 기존의 음극인출 물질인 카본과 실버 페이스트를 사용하는 경우에는 전기저항이 다소 높다는 문제가 있었다.
따라서, 기존의 음극인출 물질인 카본과 실버 페이스트를 사용하지 않고, 금속 물질들을 고체 전해질층에 직접 코팅하는 방식으로 사용하면 전기저항을 낮출 수 있다.
본 발명은 탄탈 캐패시터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전극 인출 과정에서 카본 및 실버 페이스트를 사용하지 않고, 전도성 메탈을 음극층인 고체 전해질층 상에 직접 코팅하는 탄탈 캐패시터에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 양극 인출선이 일측에서 연장되며, 탄탈 분말이 소결된 탄탈 소결체; 상기 탄탈 소결체 상에 형성된 탄탈 산화물 유전체층; 상기 유전체층 상에 형성된 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층 상에 형성된 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 전도성 메탈층;을 포함하는 탄탈 커패시터를 제공한다.
상기 고체 전해질층은 망간옥사이드 또는 전도성 고분자층일 수 있다.
상기 소결체의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층이 순차적으로 도포되어 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층은 이산화망간(MnO2) 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(Polypyrrol), 폴리에틸렌 디옥시 티오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 중간층은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 탄탈 분말이 소결하여 형성되며 실장면을 갖는 칩소결체; 상기 칩소결체가 실장될 수 있는 음극 리드 프레임; 상기 칩소결체 내부에 위치하는 삽입영역과, 상기 칩소결체 외부에 위치하는 비삽입 영역을 갖는 티탄으로 형성된 양극 인출선; 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선의 비삽입 영역과 연결되는 양극 리드 프레임; 및 상기 칩소결체 및 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선을 둘러싸도록 형성된 수지 몰딩부;를 포함하는 탄탈 캐패시터를 제공한다.
상기 소결체의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층이 순차적으로 도포되어 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층은 망간옥사이드 또는 전도성 고분자층일 수 있다.
상기 고체 전해질층은 이산화망간(MnO2) 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리피롤(Polypyrrol), 폴리에틸렌 디옥시 티오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 중간층은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 전극 인출 과정에서 카본 및 실버 페이스트를 사용하지 않고, 전도성 메탈을 음극층인 고체 전해질층 상에 직접 코팅하여 등가직렬저항(ESR) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 칩소결체의 단면 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 내부 구조에 대한 단면도이다.
본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 칩소결체의 단면 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 탄탈 분말이 소결하여 형성된 칩소결체(11); 및 상기 칩소결체 내부에 위치하는 삽입영역과 상기 칩소결체 외부에 위치하는 비삽입 영역을 갖는 티탄으로 형성된 양극 인출선(12);을 포함할 수 있다.
상기 칩소결체(11)는 바인더를 혼합한 탄탈 분말에 양극 인출선을 삽입하고 원하는 크기의 탄탈 소자를 성형한 다음 상기 탄탈 소자를 1000~2000℃의 고진공(10-5torr 이하) 분위기에서 30분 정도 소결하여 마련할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 상기 바인더를 혼합한 탄탈 분말에 삽입하는 상기 양극 인출선을 티탄 재질로 형성할 수 있다.
티탄으로 형성된 양극 인출선(12)을 상기 바인더를 혼합한 탄탈 분말에 삽입한 후 성형 및 소결 공정을 거쳐 상기 칩소결체(11)를 마련하기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 인출선(12)과 탄탈 분말과의 결합력이 우수할 수 있다.
이는 상기 탄탈 소자를 1000~2000℃의 온도에서 소결하므로, 융점이 1668℃로 낮은 티탄 소재를 양극 인출선(12)으로 사용할 경우, 탄탈 분말과의 결합력이 우수할 수 있는 것이다.
구체적으로, 탄탈 소자에 사용되는 탄탈 분말은 나노 입자로서, 낮은 소결 온도인 1000~2000℃의 온도에서 소결되나, 양극 인출선을 탄탈 소재로 제작할 경우 벌크(bulk) 특성을 가지게 됨으로써, 융점이 3000℃ 이상일 수 있다.
이런 경우, 탄탈 소재로 제작된 양극 인출선이 삽입된 바인더를 혼합한 탄탈 분말을 1000~2000℃의 온도에서 소결할 경우, 융점이 높은 탄탈 소재 양극 인출선과 탄탈 분말과의 결합력이 낮게 되는 문제가 있을 수 있다.
이와 같이 제작된 탄탈 캐패시터는 등가직렬저항(ESR) 및 누설 전류(Leakage Current, LC) 특성에 문제가 있을 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시형태에 따른 탄탈 캐패시터는 양극 인출선을 융점이 낮은 티탄 소재로 대체함으로써, 탄탈 분말과의 결합력이 강화되어, 등가직렬저항(ESR) 및 누설 전류(Leakage Current, LC) 특성이 향상될 수 있다.
한편, 상기 칩소결체(11)의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층(13), 고체 전해질층(14), 중간층(15) 및 전도성 메탈층(16)이 순차적으로 도포되어 형성될 수 있다.
상기와 같은 순차적 도포의 경우, 도 1에 나타나는 것처럼 탄탈 산화물 유전체층(13) 상에는 고체 전해질층(14)만 존재하게 되는데, 이는 양극 인출선(12)이 금속층(15, 16)과 만나면 전기적 단락(electrical short)이 발생할 수 있기 때문이다.
상기 칩소결체(11)는 탄탈 분말 이외에 티탄(Ti) 또는 니오브(Nb)와 같은 분말과 바인더를 혼합하여 제작될 수도 있다.
상기 탄탈 산화물 유전체층(13)은 상기 칩소결체(11)의 표면에 전기화학 반응을 이용한 화성 공정에 의해 산화 피막(Ta2O5)을 성장시킴에 의해 형성될 수 있다.
상기 고체 전해질층(14)은 상기 탄탈 산화물 유전체층(13)의 표면에 질산-망간 용액을 도포한 후 소성 공정에 의해 이산화망간(MnO2)을 형성시킴으로써 음극의 극성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 상기 고체 전해질층(14)의 표면에 상기 고체 전해질층의 도전성을 향상시키기 위하여 전도성 물질의 중간층(15) 및 전도성 메탈층(16)이 더 형성될 수 있다.
상기 중간층(15) 및 전도성 메탈층(16)은 상기 고체 전해질층(14)의 표면에 기존에 사용되어 왔던 카본과 실버 페이스트를 사용하지 않고, 크롬 및 티타늄으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상과 전도성 금속이 순차적으로 도포되어 형성될 수 있다.
상기 중간층은 일반적으로 스퍼터링법으로 제조될 수 있으나 그 제조방법이 제한되는 것은 아니고, 상기 전도성 금속도 제한적이지 않고 다양하게 사용될 수 있다.
기존에 사용되어 왔던 탄탈 캐패시터는 카본과 실버 페이스트를 순차적으로 사용하여 고체 전해질층과의 전기적 저항을 줄이는 방식으로 전극을 인출하나, 본 발명에서는 진공하에서 배위 전자수가 많아 유기물과 무기물과의 전기적 접촉이 우수한 크롬 또는 티타늄을 직접 고체 전해질층 표면에 형성한 다음, 진공을 유지한 상태에서 음극층을 형성할 수 있는 다른 메탈로 다시 그 표면을 코팅함으로써 전기저항을 최소화할 수 있다.
즉, 기존의 음극인출 물질인 카본과 실버 페이스트를 사용하지 않고 금속 물질들을 고체 전해질층에 직접 코팅하는 방식으로 사용하여 전기저항을 낮출 수 있고, 낮은 초저 등가직렬저항(ESR) 특성이 가능할 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터의 내부 구조에 대한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터(100)는 탄탈 분말이 소결하여 형성되며 실장면을 갖는 칩소결체(110); 상기 칩소결체(110)가 실장될 수 있는 음극 리드 프레임(180); 상기 칩소결체(110) 내부에 위치하는 삽입영역과, 상기 칩소결체(110) 외부에 위치하는 비삽입 영역을 갖는 티탄으로 형성된 양극 인출선(120); 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)의 비삽입 영역과 연결되는 양극 리드 프레임(170); 및 상기 칩소결체(110) 및 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)을 둘러싸도록 형성된 수지 몰딩부(190);를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 탄탈 분말이 소결하여 형성되며 실장면을 갖는 칩소결체(110)를 포함할 수 있다.
상기 칩소결체(110)의 제조방법은 상술한 바와 동일하며, 여기서는 생략하도록 한다.
또한, 상기 칩소결체(110)의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층이 순차적으로 도포되어 형성될 수 있다(도시하지 않음).
상기 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층에 관한 특징은 본 발명의 일 실시예에서 설명한 내용과 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 상기 칩소결체(110) 내부에 위치하는 삽입영역과 상기 칩소결체(110) 외부에 위치하는 비삽입 영역을 갖는 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)을 포함할 수 있다.
상기와 같이, 양극 인출선(120)을 융점이 낮은 티탄 소재로 대체함으로써, 탄탈 분말과의 결합력이 강화되어, 등가직렬저항(ESR) 및 누설 전류(Leakage Current, LC) 특성이 향상될 수 있다.
상기 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)의 비삽입 영역과 양극 리드 프레임(170)을 연결할 수 있는데, 상기 양극 인출선(120)과 상기 양극 리드 프레임(170)을 연결하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 전기 용접에 의하여 부착할 수 있으며, 특히 용접은 전기 스폿 용접 방식을 사용하여 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 상기 칩소결체(110) 및 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)을 둘러싸도록 형성된 수지 몰딩부(190)를 포함할 수 있다.
상기 수지 몰딩부(190)의 재질은 특별히 제한되지 않으며, 상기 칩소결체(110) 및 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선(120)을 둘러싸도록 에폭시로 몰딩하여 수행될 수 있다.
상기 수지 몰딩부(190)는 상기 칩소결체(110)를 보호하고 인쇄회로기판(PCB)에 실장이 용이하도록 탄탈 캐패시터의 형상을 만드는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄탈 캐패시터는 양극 인출선을 티탄 와이어로 사용함으로써, 소결시 탄탈 분말과 결합력을 강화하여 등가직렬저항(ESR) 및 누설 전류(Leakage Current, LC) 특성이 우수할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
11 : 칩소결체 12 : 양극 인출선
13 : 탄탈 산화물 유전체층 14 : 고체 전해질층
15 : 중간층 16 : 전도성 메탈층
100 : 탄탈 캐패시터 110 : 칩소결체
120 : 양극 인출선 170 : 양극 리드 프레임
180 : 음극 리드 프레임 190 : 수지 몰딩부

Claims (12)

  1. 양극 인출선이 일측에서 연장되며, 탄탈 분말이 소결된 탄탈 소결체;
    상기 탄탈 소결체 상에 형성된 탄탈 산화물 유전체층;
    상기 유전체층 상에 형성된 고체 전해질층;
    상기 고체 전해질층 상에 형성된 중간층; 및
    상기 중간층 상에 형성된 전도성 메탈층;
    을 포함하는 탄탈 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 망간옥사이드 또는 전도성 고분자층인 탄탈 캐패시터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소결체의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층이 순차적으로 도포되어 형성된 탄탈 캐패시터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 이산화망간(MnO2) 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리피롤(Polypyrrol), 폴리에틸렌 디옥시 티오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
  7. 탄탈 분말이 소결하여 형성되며 실장면을 갖는 칩소결체;
    상기 칩소결체가 실장될 수 있는 음극 리드 프레임;
    상기 칩소결체 내부에 위치하는 삽입영역과 상기 칩소결체 외부에 위치하는 비삽입 영역을 갖는 티탄으로 형성된 양극 인출선;
    상기 티탄으로 형성된 양극 인출선의 비삽입 영역과 연결되는 양극 리드 프레임; 및
    상기 칩소결체 및 상기 티탄으로 형성된 양극 인출선을 둘러싸도록 형성된 수지 몰딩부;
    를 포함하는 탄탈 캐패시터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소결체의 표면에는 탄탈 산화물 유전체층, 고체 전해질층, 중간층 및 전도성 메탈층이 순차적으로 도포되어 형성된 탄탈 캐패시터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 망간옥사이드 또는 전도성 고분자층인 탄탈 캐패시터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 이산화망간(MnO2) 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리피롤(Polypyrrol), 폴리에틸렌 디옥시 티오펜 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 중간층은 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 형성된 탄탈 캐패시터.
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