KR20170118764A - 자기-회복 커패시터 및 이들의 생산 방법 - Google Patents

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KR20170118764A
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이안 에스.지. 켈리-모간
파벨 이반 라자레프
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캐패시터 사이언시스 인코포레이티드
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Abstract

자기-회복 커패시터는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고 제1 전극에 면하는 제1 표면 및 제2 전극에 면하는 제2 표면을 갖는 유전체 층을 포함한다. 전극들 중 적어도 하나는 금속 포옴을 포함할 수 있다. 유전체 층은 유전체 층의 제1 표면 상에 위치한 출구 점과 유전체 층의 제2 표면 상에 위치한 또 다른 출구 점을 각각 갖는 전기 전도성 채널을 가질 수 있다. 전극은 국부 접촉 차단기를 포함할 수 있으며 이들 각각은 유전체 층과 전극 사이의 계면에서 전극 내에 위치하고 그리고 유전체 층 내 각 전기 전도성 채널의 적어도 하나의 출구 점에 대향한다. 국부 접촉 차단기는 유전체 층 내 전도성 채널을 통한 전류를 방지할 수 있다.

Description

자기-회복 커패시터 및 이들의 생산 방법
우선권 주장
본원은 2015년 2월 26일 출원된 Pavel I. Lazarev의 미국 가특허 출원 번호 62/121,328의 우선권 이점을 주장하고, 이의 전체 내용은 참고로 본 명세서에 편입된다.
커패시터는 정전기 장의 형태로 에너지를 저장하는데 사용되는 수동 전자 부품이고, 그리고 유전체 층에 의해 분리된 한 쌍의 전극을 포함한다. 전위차가 두 전극 사이에 존재할 때, 전기장이 유전체 층에 존재한다. 이상적인 커패시터는 각 전극 상의 전하 대 그 사이의 전위차의 비인 커패시턴스의 단일 일정한 값으로 특성규명된다. 실제로, 전극들 사이에 위치한 유전체 층은 소량의 누설 전류를 통과할 수 있다. 전극 및 리드는 등가 직렬 저항을 도입하고, 그리고 유전체 층은 파손 전압을 초래하는 전기장 강도에 대한 제한을 갖는다.
파손 강도 E bd로 공지된 특징적인 전기장은 커패시터 내 유전체 층이 전도성으로 되는 전기장이다. 이것이 발생하는 전압은 소자의 파손 전압으로 불리며, 유전체 강도와 전극 사이의 분리(거리) d의 곱으로 주어진다,
V bd = E bd d (1)
커패시터에 저장된 최대 용적측정 에너지 밀도는 ~ε·E 2 bd에 비례하는 값에 의해 제한되며, 여기서 ε은 유전체 층의 유전체 유전율이고 그리고 E bd는 파손 유전체 강도이다. 따라서, 커패시터의 저장된 에너지를 증가시키기 위해서는 유전체의 유전체 투과도 ε 및 파손 유전체 강도 E bd를 증가시킬 필요가 있다.
고전압 적용을 위해, 훨씬 더 큰 커패시터가 사용될 수 있다. 파손 전압을 극적으로 감소시킬 수 있는 수많은 인자가 있다. 전도성 전극의 기하학은 커패시터 적용에 중요하다. 특히, 날카로운 모서리 또는 점은 전기장 강도를 국소로 크게 증가시키고 그리고 국부 파손으로 이어질 수 있다. 국부 파손이 임의의 지점에서 시작되면, 파손은 유전체 층을 통해 침투하여 반대편 전극에 도달한다. 파손 흔적 (전기 도전성 채널)은 전도성이며 단락 회로를 야기한다.
유전체 층의 파손은 보통 전기장의 강도가 유전체 물질의 원자로부터 전자를 유리하고 이들이 하나의 전극으로부터 또 다른 전극으로 전류를 전도시키기에 충분히 높아지기 때문에 발생한다. 결정 구조의 유전체 또는 결함(전기 결함)에 존재하는 불순물의 존재는 반도체 소자에서 관측되는 바와 같이 사태 전자눈사태 항복을 초래할 수 있다. 따라서, 전기 전도성 채널은 파손이 발생할 때 유전체 층에 형성된다. 이들 채널은 유전체 층의 양 표면 상에 출구 점을 갖는다.
에너지 저장 장치로서의 커패시터는 전기화학적 에너지 저장, 예를 들면 배터리에 비해 공지된 이점을 갖는다. 배터리와 비교하여, 커패시터는 매우 높은 전력 밀도, 즉 충전/재충전 속도로 에너지를 저장할 수 있고, 적은 분해로 유통 기한이 길며, 그리고 수십만 또는 수백만 번의 충전 및 방전(순환)될 수 있다. 그러나, 커패시터는 흔히 배터리의 경우와 같이 작은 용적 또는 중량으로, 또는 낮은 에너지 저장 비용으로 에너지를 저장하지 않아, 일부 적용, 예를 들면 전기자동차에 대해서는 커패시터를 비실용적으로 만든다.
본 개시내용은 자기-회복 커패시터 및 이들의 생산 방법을 제공한다. 본 개시내용의 자기-회복 커패시터는 일부 에너지 저장 장치와 관련된 예비 에너지의 용적측정 및 질량 밀도의 증가의 문제를 해결할 수 있으며, 동시에 재료 및 제조 공정의 비용을 감소한다.
일 측면에서, 자기-회복 커패시터는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고 제1 전극에 면하는 제1 표면 및 제2 전극에 면하는 제2 표면을 갖는 유전체 층을 포함한다. 전극들 중 적어도 하나는 금속 포옴을 포함한다. 상기 유전체 층은 유전체 층의 제1 표면 상에 위치한 하나의 출구 점과 유전체 층의 제2 표면 상에 위치한 또 다른 출구 점을 각각 갖는 복수의 전기 전도성 채널을 가진다. 상기 제1 및 제2 전극 각각은 유전체 층에 인접하고 유전체 층 내의 전도성 채널을 통과하는 전류의 통과를 방해하는 적어도 하나의 출구 점의 반대편에 위치한 적어도 하나의 국부 접촉 차단기를 포함한다. 전극은 평면이고, 평탄할 필요는 없지만, 서로에 대해서 거의 또는 실질적으로 평행할 수 있다. 전극은 평행한 배치구성으로부터 오프-세트될 수 있다.
또 다른 측면에서, 금속 폼으로 제조된 적어도 하나의 전극을 갖는 자기-회복 커패시터를 제조하는 방법으로, 이는 a) 커패시터 전극에 전기 전압의 인가 및 유전체 층의 전기 파손이 일어날 때까지 전압의 크기의 점진적인 증강, b) 유전체 층의 양 표면에 출구 점을 갖는 전기 전도성 채널의 전기장의 영향 하에서 형성, c) 파손에 의해 유도된 전류에 의한 금속의 주울 가열에 기인하여 이들 출구 점 근처의 전극 내에 국부 접촉 차단기 (관통 구멍 및 돔 구조)의 형성, d) 전극의 충분한 금속이 이들 출구 점 주변에서 증발될 때 전류의 소멸을 포함한다.
본 개시내용의 추가의 측면 및 이점은 단지 본 개시내용의 예시적인 구현예가 도시되고 기재된, 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시내용은 다른 및 상이한 구현예가 가능하며, 그리고 그것의 몇 개의 세부사항은 개시내용을 벗어남이 전혀 없이 다양한 명백한 관점에서 변형이 가능하다. 따라서, 도면 및 설명은 제한적이지 않고, 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
참고에 의한 편입
본 명세서에서 언급된 모든 공보, 특허, 및 특허 출원은 각 개별적인 공보, 특허, 또는 특허 출원이 구체적으로 및 개별적으로 참고로 편입되도록 나타낸 것과 동일한 정도로 참고로 본원에 편입된다.
본 발명의 신규 특징은 첨부된 청구항들에서 특정하게 제시된다. 본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 이용되는 예시적인 구현예를 제시하는 하기 상세한 설명 및 다음의 수반되는 도면을 참고로 얻어질 것이다:
도 1은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 자기-회복 커패시터를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 다양한 구현예들이 본 명세서에서 도시되고 기재되었지만, 당해 분야의 숙련가에게는 그러한 구현예들이 단지 예로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 당해 분야의 숙련가에게 수많은 변동, 변경 및 치환이 발생할 수 있다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 구현예에 대한 다양한 대안이 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 금속성 폴리프로필렌 필름으로 제조된 캐패시터는 약한 전기 결함으로 인해 부분적인 방전을 겪고 그리고 자기-회복이라 불리는 보호성 기전을 갖는다. 자기-회복은 유전체 파손이 큰 전류 밀도를 야기하여 국부 전극 영역을 가열하고 금속을 증발시키는 결함으로 흘러들어갈 때 발생한다. 이 이벤트는 영구적 단락 회로를 형성하기보다는 파손 부위에서 전기 단리를 형성하고 커패시터가 활성 영역의 작은 손실만으로 계속 작동할 수 있게 한다. 이들 결함은 전극의 충분한 금속이 이 지점 주변에서 기화될 때 소멸하는 전기 아크에 의해 파괴될 수 있다. 자기-회복의 휘발된 영역은 국부 파손에 의해 유도된 전류 펄스에 의한 금속의 주울 가열에 기인할 수 있으며, 그리고 필름에 인가된 전압은 일정하지만, 전력 밀도가 일부 임계 전력 밀도보다 낮아질 때, 국부 방전은 정지한다 (아크 소멸).
유전체 물질의 다른 중요한 특징은 유전체 유전율이다. 상이한 유형의 유전체 물질이 커패시터에 사용되며 세라믹, 폴리머 필름 예컨대 폴리프로필렌 및 폴리에스테르, 종이, 및 상이한 종류의 전해 커패시터를 포함한다. 유전체 유전율의 증가는 용적측정 에너지 밀도의 증가를 제공할 수 있다.
본 개시내용은 자기-회복 커패시터를 제공한다. 본 발명의 일 구현예에서, 제1 전극은 유전체 층과 제1 전극 사이 경계 상에서 제1 전극 내에 위치되는 국부 접촉 차단기(불연속성, 불규칙성)를 갖는다. 이들 국부 접촉 차단기는 유전체 층의 제1 표면 상에 위치되는 모든 출구 점의 반대편에 위치된다. 국부 접촉 차단기는 유전체 층 내의 전도성 채널을 통한 전류를 방지한다. 제2 전극은 유전체 층과 제2 전극 사이의 경계 상에서 제2 전극 내에 위치되는 국부 접촉 차단기(불연속성, 불규칙성)를 갖는다. 이들 국부 접촉 차단기는 유전체 층의 제2 표면 상에 위치되는 모든 출구 점의 반대편에 위치된다. 국부 접촉 차단기는 유전체 층 내의 전도성 채널을 통한 전류를 방지한다. 국부 접촉 차단기는 번인 절차의 일부로서 커패시터 제조 공정 중에 형성될 수 있거나 커패시터의 장기간 사용의 결과로서 형성될 수 있다.
국부 접촉 차단기의 형태는 a) 전극의 전체 두께를 관통하는 리이치-쓰루 홀(갭, 개구) 및 b) 유전체 층과의 경계 상에 전극 내부(내)에 위치된 돔 구조를 포함하는 목록으로부터 선택될 수 있다.
전도성 채널은 유전체 층의 물질에서 전기 아크에 기인한 유전체 층의 전기 파손의 과정에서 형성된다. 출구 점 근처의 전극 내에 국부 접촉 차단기의 형성은 파손에 의해 유도된 전류에 의한 금속의 주울 가열에 기인하여 수행된다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 금속 포옴의 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 구리(Cu)이다. 금속 포옴은 고체 금속뿐만 아니라 가스-채워진 기공("거품")의 큰 용적 분율로 구성된 셀의 구조이다. 기공은 밀봉될 수 있거나 (폐쇄된-셀 발포체), 또는 이들은 상호연결된 네트워크 (개방된-셀 발포체)를 형성할 수 있다.
금속 포옴의 특징은 매우 높은 다공도, 예를 들면, 75-95%의 용적이 이들 초고-경량 물질을 만드는 공극 공간으로 구성될 수 있다는 것이다. 금속 포옴은 전형적으로 그것의 기재의 일부 물리적 특성일 수 있다. 비-가연성 금속으로 제조된 포옴은 비-가연성을 유지할 수 있으며 포옴은 그것의 기재로 다시 재활용할 수 있다. 열팽창의 계수는 또한 유사한 채로 유지될 것이고 반면 열전도도는 감소될 수 있다.
자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 금속 포옴의 용융 온도는 약 400℃ - 약 700℃의 범위이다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 전극용 금속 포옴 내 금속 함량은 약 5% 내지 약 30 용적%의 범위이다. 일부 실행에서, 금속 포옴의 저항률은 금속 포옴이 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압의 인가의 결과로서 유전체 층을 통해 전도성 채널로 전류가 흐를 때 유전체 물질 전에 제거되도록 조정될 수 있다. 저항률을 조정하는 것은 주로 금속의 선택과 포옴의 다공성의 조정의 문제이다.
자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 금속 포옴은 금속 함량 당 최대 전도도를 갖는 폐쇄된 거품 유형이다. 유전체 층과의 경계 상에 금속 포옴 전극의 내부(내)에 위치된 돔 구조는 금속 포옴에서 거품을 분리하는 금속 분리 벽(격벽, 분할기)의 융합 및/또는 증발의 결과로서 전기 아크 내 고온으로 인해 형성된다. 거품 유착은 액체 금속의 높은 표면 장력 및 가스 버블의 높은 함량에 기인하여 수행된다. 따라서, 거품 유착은 포옴 전극의 층 내부의 돔 구조의 국부 접촉 차단기를 형성한다. 금속 포옴 전극의 전체의 두께를 통해 관통하는 홀(갭, 개구들)은 전기 아크 내 고온의 결과로 금속의 증발과 액체 금속의 높은 표면 장력에 기인하여 형성된다. 본 발명의 일 구현예에서, 거품의 크기 또는 평균 입자 크기는 약 100nm 내지 약 100,000nm의 범위이다.
자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 금속 포옴을 포함한다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 제1 전극은 금속 포옴을 포함하고 그리고 제2 전극은 포일을 포함한다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 포일의 금속은 Al, Ni, Fe, 또는 Cu이다.
자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 제1 전극은 금속 포옴을 포함하고 그리고 제2 전극은약 20 나노미터(nm) 내지 약 2000nm의 범위인 막의 두께로 증착된 박막 금속을 포함한다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 증착된 박막 금속은 Al, Ni, Fe, 또는 Cu이다. 포일 및 침착된 금속 박막 내 돔 구조 및 홀(갭, 개구들)은 전기 아크 내 고온과 액체 금속의 높은 표면 장력에 기인한 금속의 융합 및/또는 증발의 결과로서 형성된다.
본 발명의 일 구현예에서, 유전체 층은 결정질이다. 유전체 층은 단일 결정 물질, 배치 결정 물질, 또는 비정질 물질을 포함하는 임의의 적합한 결정질 물질로부터 제작될 수 있다.
유전체 층은 사용된 물질 및 제조 절차에 의존하여 비정질과 결정질 고형 층 사이의 범위에서 상이한 구조를 가질 수 있다. 개시된 자기-회복 커패시터의 일 구현예에서, 유전체 층은 옥사이드, 니트라이드, 옥시니트라이드 및 플루오라이드로부터 선택된 물질을 포함한다. 개시된 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 유전체 층은 SiO2, HfO2, Al2O3 또는 Si3N4로부터 선택된 물질을 포함한다. 개시된 자기-회복 커패시터의 일 구현예에서, 유전체 층은 일반적인 구조식 I: {Cor}(M)n, (I)의 변형된 유기 화합물을 포함하고 여기서 Cor은 접합된 π-시스템을 갖는 다환식 유기 화합물이고, M은 변형 작용기; 그리고 n은 0 이상인 변형 작용기의 수이다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 다환식 유기 화합물은 올리고페닐, 이미다졸, 피라졸, 아세나프텐, 트리아이진, 또는 인단트론이다. 비-제한적인 예는 표 1에 주어진다.
표 1. 유전체 층용 다환식 유기 화합물의 예
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
본 발명의 또 다른 구현예에서, 다환식 유기 화합물은 하기 식의 아릴렌 염이다:
Figure pct00007
여기서 n은 0, 1, 2, 3, 4, 5, 또는 6과 동등하고, R1은 디이소프로필페닐이고, 그리고 R2는 tert-옥틸페닐이다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 변형 작용기는 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 이들의 임의의 조합이다. 변형 작용기는 제조 단계에서 유기 화합물의 용해도 및 자기-회복 커패시터의 유전체 층에 추가의 절연 특성을 제공한다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 유전체 층은 폴리머 물질 예컨대 불소화된 알킬, 폴리에틸렌, 폴리-파라페닐렌 테레프탈아미드, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리프로필렌, 불소화된 폴리프로필렌, 또는 폴리디메틸실록산을 포함한다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 유전체 층은 표 2의 반복 기를 갖는 폴리머를 포함하는 폴리머 물질을 포함한다.
표 2. 유전체 층용 수용성 폴리머의 예
Figure pct00008
Figure pct00009
본 발명의 또 다른 구현예에서, 유전체 층은 표 3의 반복 기를 포함하는 폴리머 물질을 포함한다.
표 3. 유전체 층용 유기 용매에서 용해성 폴리머의 예
Figure pct00010
Figure pct00011
여기서 변형 작용기 R1 및 R2는 독립적으로 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 이들의 임의의 조합이다.
본 발명의 일 구현예에서, 유전체 층은 적어도 부분적으로, 전체적으로 또는 실질적으로 전체적으로 결정질이다. 대안적인 것으로, 유전체 층은 비정질이다. 본 발명의 일 구현예에서, 유전체 층은 절연체 매트릭스 내에 전기-전도성 나노-입자의 마이크로-분산을 갖는 콜로이드성 복합체를 포함한다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 전기-전도성 나노-입자는 전기-전도성 올리고머를 포함한다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 전기-전도성 올리고머의 세로 축은 전극 표면에 대해 주로 수직으로 지향된다. 전기-전도성 올리고머에 대한 반복 그룹의 비-제한적인 예는 표 4에 주어진다.
표 4. 유전체 층용 전기-전도성 올리고머의 예
Figure pct00012
Figure pct00013
여기서 X = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 또는 12. 개시된 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 전기전도성 올리고머는 치환기를 추가로 포함하고 그리고 하기 일반적인 구조식 II로 기술된다:
(전기전도성 올리고머)― R q, (II)
여기서 R q 는 치환기의 세트이고, 그리고 q는 세트 R q 에서 치환기 R의 수이고, 그리고 q는 0 이상의 수이다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 치환기 R은 독립적으로 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 이들의 임의의 조합이다. 자기-회복 커패시터의 또 다른 구현예에서, 절연체 매트릭스의 물질은 폴리(아크릴산)(PAA), 폴리(N-비닐피롤리돈)(PVP), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)[P(VDF-HFP)], 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 및 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM)를 포함하는 에틸렌 프로필렌 폴리머, 및 실리콘 고무(PDMSO) 예컨대 디메틸디클로로 실록산, 디메틸실란 디올, 또는 폴리디메틸 실록산이다. 이들 화합물은 거시적 응집으로부터 전기-전도성 나노-입자를 보호하는 안정제로서 작용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 유전체 층은 계면활성제 예컨대 도데실벤젠 설포네이트(DBSA), 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시프로필렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸펜올 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 소르비탄 알킬 에스테르, 소르비탄 알킬 에스테르, 및 도베실디메틸아민 옥사이드를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에서, 전기 전도성 채널은 유전체 층의 파손에 기하여 함께 결합된 전기 결함에 의해 특성규명된다. 본 발명의 또 다른 구현예에서, 금속 포옴을 포함하는 전극은 금속 포옴이 높은 강성도를 갖기 때문에 커패시터의 운반 요소로서 작용한다.
본 발명은 또한 상기 본 명세서에서 개시된 바와 같은 자기-회복 커패시터를 생산하는 방법을 제공한다.
도 1은 제1 전극(1), 유전체 층(2), 제2 전극(3), 전기 전도성 채널(4), 출구 점(5), 또 다른 출구 점(6), 유전체 층의 제1 표면(7), 유전체 층의 제2 표면(8), 쓰루 홀(개구)(9) 및 돔 구조 내부 전극(10)을 포함하는 개시된 자기-회복 커패시터의 구현예를 도시한다.
실시예 1
본 발명의 이 구현예에서, 유전체 층은 도데실벤젠 설포네이트(DBSA)의 존재에서 폴리-아크릴산(PAA)의 수성 분산물 내에 아닐린의 동일계내 중합을 사용하여 합성된 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA를 포함한다. 유전체 층의 두께는 50㎛와 동등하다. 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA는 100,000과 동등한 유전체 유전율을 갖는다. 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 포옴으로 제작된다. 이들 전극의 두께는 10nm와 동등하다. 포옴의 용융 온도는 약 400℃이고 그리고 이들 전극용 포옴에서의 금속 함량은 약 30중량%이다. 포옴은 금속 함량 당 최대 전도도를 갖는 폐쇄된 거품 유형이다. 거품의 크기는 약 100nm 내지 약 100,000nm의 범위이다.
실시예 2
본 발명의 이 구현예에서, 유전체 층은 도데실벤젠 설포네이트(DBSA)의 존재에서 폴리-아크릴산(PAA)의 수성 분산물 내에 아닐린의 동일계내 중합을 사용하여 합성된 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA를 포함한다. 유전체 층의 두께는 50㎛와 동등하다. 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA는 100,000과 동등한 유전체 유전율을 갖는다. 제1 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 포옴으로 제작된다. 이 전극의 두께는 10nm와 동등하다. 제2 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 포일로 제작된다. 이 전극의 두께는 10nm와 동등하다. 포옴의 용융 온도는 약 400℃이고 그리고 이들 전극용 포옴에서의 금속 함량은 약 30중량%이다. 포옴은 금속 함량 당 최대 전도도를 갖는 폐쇄된 거품 유형이다. 거품의 크기는 약 100나노미터(nm) 내지 약 100,000nm의 범위로 될 수 있다.
실시예 3
본 발명의 이 구현예에서, 유전체 층은 도데실벤젠 설포네이트(DBSA)의 존재에서 폴리-아크릴산(PAA)의 수성 분산물 내에 아닐린의 동일계내 중합을 사용하여 합성된 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA를 포함한다. 유전체 층의 두께는 50㎛와 동등하다. 폴리아닐린의 복합체인, PANI-DBSA/PAA는 100,000과 동등한 유전체 유전율을 갖는다. 제1 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 금속 포옴으로 제작된다. 이 전극의 두께는 10nm와 동등하다. 제2 전극은 알루미늄(Al)을 포함하는 증착된 박막 금속으로 제작된다. 이들 전극의 두께는 10nm와 동등하다. 포옴의 용융 온도는 약 400℃이고 그리고 이들 전극용 포옴에서의 금속 함량은 약 30중량%이다. 포옴은 금속 함량 당 최대 전도도를 갖는 폐쇄된 거품 유형이다. 거품의 크기는 약 100nm 내지 약 100,000nm의 범위이다.
본 발명의 바람직한 구현예가 본 명세서에 도시되고 기술되었지만, 당해 분야의 숙련가에게는 그러한 구현예가 단지 예로써 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 발명은 명세서 내에 제공된 구체적인 예들에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 비록 본 발명은 상기 언급된 명세서와 관련하여 기술되었지만, 본 명세서의 구현예의 설명 및 예시는 제한적인 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 본 발명을 벗어나지 않고 당해 분야의 숙련가에게 수많은 변동, 변화 및 대체가 발생할 것이다. 더욱이, 본 발명의 모든 측면은 다양한 조건 및 변수에 의존하여 본 명세서에서 제시된 특정한 도시, 배치구성 또는 상대적인 비에 제한되지 않는다는 것이 이해되어질 것이다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 구현예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는데 이용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 또한 임의의 이러한 대안, 변형, 변동 또는 등가물을 포함할 것이라는 것이 고려된다. 하기 청구범위는 본 발명의 범위를 정의하고 그리고 이들 청구범위의 범위 내에 있는 방법 및 구조와 그것의 균등물은 그것에 의하여 커버되는 것으로 의도된다.

Claims (46)

  1. 제1 전극,
    제2 전극, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 상기 제1 전극에 면하는 제1 표면 및 상기 제2 전극에 면하는 제2 표면을 갖는 유전체 층을 포함하는, 자기-회복 커패시터로서,
    상기 전극은 평면이고, 그리고 서로에 대해서 거의 또는 실질적으로 평행으로 배치되고,
    상기 전극들 중 적어도 하나는 금속 포옴을 포함하는, 자기-회복 커패시터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압의 인가의 결과로 전도성 채널로 전류가 흐를 때 상기 유전체 층 내 상기 전도성 채널의 말단에서 금속 증발의 방식에 의해 접촉 차단기를 형성하도록 구성되는 것인, 자기-회복 커패시터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 복수의 전기 전도성 채널을 포함하고, 각각의 상기 채널은 상기 유전체 층의 상기 제1 표면 상에 위치한 하나의 출구 점과 상기 유전체 층의 상기 제2 표면 상에 위치한 또 다른 출구 점을 가지고, 그리고
    각각의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 유전체 층에서 상기 전도성 채널을 통한 전류의 통과를 방해하는 적어도 하나의 출구 점의 반대편에 위치되고 그리고 상기 유전체 층에 인접한 적어도 하나의 국부 접촉 차단기를 포함하는, 자기-회복 커패시터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 국부 접촉 차단기는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 각 하나의 전체 두께를 관통하는 홀인, 자기-회복 커패시터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 국부 접촉 차단기는 돔 구조인, 자기-회복 커패시터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 알루미늄(Al)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 니켈(Ni)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 철(Fe)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 구리(Cu)를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴의 용융 온도는 약 400℃ 내지 약 700℃인, 자기-회복 커패시터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴의 금속 함량은 약 5중량% 내지 약 30중량%인, 자기-회복 커패시터.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴은 폐쇄된 거품 유형(closed bubble type)의 것인, 자기-회복 커패시터.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 금속 포옴을 포함하고, 그리고 상기 제2 전극은 포일(foil)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 포일은 알루미늄(Al)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  15. 제13항에 있어서, 상기 포일은 니켈(Ni)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  16. 제13항에 있어서, 상기 포일은 철(Fe)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  17. 제13항에 있어서, 상기 포일은 구리(Cu)를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 금속 포옴을 포함하고, 그리고 상기 제2 전극은 증착된 박막 금속을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  19. 제18항에 있어서, 상기 증착된 박막 금속은 알루미늄(Al)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  20. 제18항에 있어서, 상기 증착된 박막 금속은 니켈(Ni)을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  21. 제18항에 있어서, 상기 증착된 박막 금속은 Fe을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  22. 제18항에 있어서, 상기 증착된 박막 금속은 Cu를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  23. 제1항에 있어서, 상기 금속 포옴의 저항률(resistivity)은, 상기 금속 포옴이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압의 인가의 결과로서 상기 유전체 층을 통해 전도성 채널로 전류가 흐를 때 상기 유전체 층 전에 제거되도록 조정된 것인, 자기-회복 커패시터.
  24. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 일반적인 구조식 I:
    {Cor}(M)n, (I)
    의 변형된 유기 화합물을 포함하고,
    상기 식 중, Cor은 접합된 π-시스템을 갖는 다환식 유기 화합물이고, 각 M은 변형 작용기이고; 그리고 n은 0 이상인 변형 작용기의 수인, 자기-회복 커패시터.
  25. 제24항에 있어서, 상기 변형 작용기는 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 및 치환된 아릴로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 자기-회복 커패시터.
  26. 제24항에 있어서, 상기 다환식 유기 화합물은 하기 구조를 갖는 물질을 포함하는, 자기-회복 커패시터:
    Figure pct00014

    상기 식 중, n은 1 내지 6의 범위의 수이고, R1은 디이소프로필페닐이고, 그리고 R2는 tert-옥틸페닐이다.
  27. 제24항에 있어서, 상기 다환식 유기 화합물은 올리고페닐, 이미다졸, 피라졸, 아세나프텐, 트리아이진, 인단트론 및 구조 1 내지 41로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 자기-회복 커패시터:
    Figure pct00015

    Figure pct00016

    Figure pct00017

    Figure pct00018

    Figure pct00019

    Figure pct00020
  28. 제27항에 있어서, 상기 변형 작용기는 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 및 치환된 아릴로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 자기-회복 커패시터.
  29. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 불소화된 알킬, 폴리에틸렌, 폴리-파라페닐렌 테레프탈아미드, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌), 폴리프로필렌, 불소화된 폴리프로필렌, 및 폴리디메틸실록산으로 구성된 군으로부터 선택된 화합물을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  30. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 구조 42 내지 47로부터 선택되는 수용성 폴리머에 기초하여 형성된 폴리머 물질을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터:
    Figure pct00021

    Figure pct00022

    Figure pct00023
  31. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 구조 48 내지 53으로부터 선택되는 유기 용매에서 용해성인 폴리머에 기초하여 형성된 폴리머 물질을 포함하는 것인 자기-회복 커패시터:
    Figure pct00024

    Figure pct00025

    Figure pct00026

    상기 식 중, 각 R1 및 R2는 독립적으로 알킬, 아릴, 치환된 알킬 및 치환된 아릴로부터 선택된다.
  32. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 결정질인, 자기-회복 커패시터.
  33. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 절연체 매트릭스 내 전기-전도성 나노-입자의 마이크로-분산을 갖는 콜로이드성 복합체를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  34. 제33항에 있어서, 상기 전기-전도성 나노-입자는 전기-전도성 올리고머를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  35. 제34항에 있어서, 상기 각 전기-전도성 올리고머의 세로축은 전극 표면에 관하여 수직으로 지향된, 자기-회복 커패시터.
  36. 제34항에 있어서, 상기 전기-전도성 올리고머는 구조 54 내지 60으로부터 선택되는 것인, 자기-회복 커패시터:
    Figure pct00027

    Figure pct00028

    상기 식 중, X는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 또는 12이다.
  37. 제34항에 있어서, 상기 각 전기전도성 올리고머는 치환기를 추가로 포함하고 그리고 하기 일반적인 구조식 II를 갖는 자기-회복 커패시터:
    (전기전도성 올리고머)― R q, (II)
    상기 식 중, R은 치환기이고, 그리고 q는 0 이상의 수이다.
  38. 제37항에 있어서, 각 R은 독립적으로 알킬, 아릴, 치환된 알킬, 또는 치환된 아릴, 및 이들의 임의의 조합인, 자기-회복 커패시터.
  39. 제33항에 있어서, 상기 절연체 매트릭스의 물질은 폴리(아크릴산)(PAA), 폴리(N-비닐피롤리돈)(PVP), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌)[P(VDF-HFP)], 에틸렌 프로필렌 고무(EPR) 및 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM)를 포함하는 에틸렌 프로필렌 폴리머, 및 실리콘 고무(PDMSO) 예컨대 디메틸디클로로 실록산, 디메틸실란 디올, 및 폴리디메틸 실록산으로 구성된 군으로부터 선택된 것인, 자기-회복 커패시터.
  40. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은: 도데실벤젠 설포네이트(DBSA), 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시프로필렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸펜올 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 소르비탄 알킬 에스테르, 소르비탄 알킬 에스테르, 및 도베실디메틸아민 옥사이드로부터 선택된 계면활성제를 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  41. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 옥사이드, 니트라이드, 옥시니트라이드 및 플루오라이드로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  42. 제1항에 있어서, 상기 유전체 층은 SiO2, HfO2, Al2O3 및 Si3N4로 구성된 군으부터 선택된 물질을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  43. 제3항에 있어서, 상기 전기 전도성 채널은 상기 유전체 층의 파손에 기인하여 함께 결합된 전기 결함을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  44. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 금속 포옴을 포함하는 것인, 자기-회복 커패시터.
  45. 자기-회복 커패시터를 생산하는 방법으로서,
    (a) 유전체 층에 의해 분리된 제1 전극 및 제2 전극을 가로지르는 전기 전압을 인가하는 단계로서, 상기 인가 단계는 전기 파손을 달성하기 위해 상기 전기 전압의 점진적인 증강을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 금속 포옴을 포함하는 단계;
    (b) 상기 유전체 층의 대향하는 표면상에 출구 점을 갖는 전기 전도성 채널을 형성하도록 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 가로지르는 전기장을 인가하는 단계;
    (c) (i) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 줄(Joule) 가열을 유도하고 그리고 (ⅱ) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 국부 접촉 차단기를 형성하도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 전류를 인가하는 단계로서, 상기 국부 접촉 차단기는 상기 출구 점에 인접하여 또는 근접하여 형성되는 단계; 및
    (d) 상기 국부 접촉 차단기의 형성에 의해 상기 전류의 상기 인가를 종료하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 전류의 상기 인가는 충분한 양의 금속이 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나로부터 증발되어 상기 국부 접촉 차단기를 형성함에 의해 종료되는 것인, 방법.
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