KR20180021069A - 코일 커패시터 - Google Patents

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KR20180021069A
KR20180021069A KR1020187000905A KR20187000905A KR20180021069A KR 20180021069 A KR20180021069 A KR 20180021069A KR 1020187000905 A KR1020187000905 A KR 1020187000905A KR 20187000905 A KR20187000905 A KR 20187000905A KR 20180021069 A KR20180021069 A KR 20180021069A
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KR1020187000905A
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매튜 알. 로빈슨
폴 푸루타
파벨 이반 라자레브
Original Assignee
캐패시터 사이언시스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 플랙서블 다층 테이프에 의해 형성된 코일과, 코일의 버트에 위치된 제1 종단 전극(제 1 접촉층) 및 제2 종단 전극(제 2 접촉층)을 포함하는 코일 커패시터를 제공한다. 플랙서블 다층 테이프는 다음과 같은 일련의 층들을 포함한다: 제1 금속층, 플라스틱층, 제2 금속층, 에너지 저장 재료층. 제1 금속층은 제1 종단 전극(제1 접촉층)과 오믹 접촉을 형성하고 제2 금속층(제2 접촉층)은 제2 종단 전극과 오믹 접촉을 형성한다.

Description

코일 커패시터
본 발명은 코일 커패시터에 관한 것이다.
체적 에너지 밀도(volumetric energy density)가 높고, 작동 온도가 높으며, ESR(equivalent series resistance)이 낮고 수명이 긴 커패시터(capacitor)는 펄스-전력(pulse-power), 자동차 및 산업 전자 제품의 핵심 구성 요소이다. 커패시터의 유전체 물질의 물리적 특성은 커패시터의 성능을 결정 짓는 주요 요소이다. 따라서, 커패시터 내의 유전체 재료의 하나 이상의 물리적 특성의 향상은 커패시터 성분의 대응 성능 향상을 가져올 수 있으며, 통상 전자 시스템 또는 그것이 내장 된 제품의 성능 및 수명 향상을 가져온다. 커패시터 유전체의 향상은 제품 크기, 제품 신뢰성 및 제품 효율에 직접적인 영향을 줄 수 있으므로, 그러한 향상과 관련하여 높은 가치가 있다.
커패시터 유전체 재료의 특정 개선 사항은 특정 기술 적용을 가능하게 하는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 높은 유전율(permittivity), 높은 유전 강도, 낮은 ESR 및 낮은 유전체 소산 인자(dielectric dissipation factor)를 갖는 커패시터는 고주파 또는 펄스-전력 애플리케이션을 실제 크기로 감소시킬 수 있다. 고온 작동으로 차세대 전기 자동차가 크게 단순화된다. 개선된 유전체는 스위칭 파워 서플라이, 파워 컨디셔너 및 필터의 특정 전력 및 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 에너지 밀도가 향상되면 현재 인쇄 회로 기판의 커패시터 소자에 사용되는 면적이 줄어들어, 오일 또는 가스 정(gas wells)에서 사용하기 위해 전원 조절 시스템, 전원 공급 장치 및 다운-홀 툴의 무게와 크기가 줄어 든다.
모든 다른 물리적 및 전기적 특성을 유지하면서 커패시터의 크기를 줄이려면 커패시터 유전 상수(dielectric constant) 또는 절연 항복 강도(dielectric breakdown strength)의 증가가 필요하다. 이 둘은 고전압 항복 강도, 높은 유전 상수 및 낮은 ESR 손실을 갖는 새로운 얇고 유연한 유전체의 개발로 실현된다. 일부 응용 분야는 부가적으로 150˚C를 초과하는 온도에서 수명 감소 없이 안정한 유전 상수를 요구한다.
고전압 비-극성 커패시터는 통상적으로 원통형으로 권취된 금속화된 중합체 필름을 사용하여 제조된다. 통상적인 권선 커패시터(wound capacitor)에서, 유전체 물질은 통상적으로 중합체 필름이다. 통상적인 중합체 유전체 재료는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, 폴리에스테르로도 공지 됨), 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리설폰을 포함한다. 중합체 유전체-기반 호일 커패시터(polymer dielectric-based foil capacitor)는 일반적으로 중합체 및 금속 호일의 교대 시트들을 적층물에 배치하고 상기 적층물을 튜브형으로 롤링하거나 또는 상기 중합체의 한면에 금속 필름을 증착한 후 두 개의 적층된 금속화 중합체 필름을 관형으로 압연하는 단계를 통해 제조된다. 전기 와이어들은 각 금속 호일에 연결된다. 유전체 물질은 필요한 동작 전압(일반적으로 최소 3 ~ 6 마이크로미터)을 유지할 만큼 두꺼운 자체-지지 층(self-supporting layer)들의 형태로 존재한다. 불행하게도, 중합체 시트의 두께가 두꺼울수록 에너지 저장 밀도가 감소한다. 보통 100-150°C를 초과하는 온도에서 중합체 재료의 결핍으로 인해 이러한 커패시터의 유전 상수가 변하고 수명이 단축된다. 대안적으로, 얇은 금속층(보통 17-100 나노미터의 두께)으로 코팅된 2개의 중합체 필름은 커패시터를 형성하기 위해 튜브형으로 권취된다. 얇은 금속 필름(금속 박막)은 작동 중에 중합체 유전체가 파괴되는 경우 발생할 수 있는 단락을 없애는 이점이 있다. 이는 커패시터의 수명을 연장시키고 커패시터의 치명적인 고장 가능성을 최소화할 수 있다. 종래의 필름 커패시터는 필름의 비유 전율(relative permittivity)(유전 상수 κ으로도 알려짐)이 예를 들어 약 5 미만으로 비교적 낮기 때문에 높은 에너지 밀도를 갖지 않는다.
비정질(amorphous) SiO2, HfO2, 다른 금속 산화물들 및 예를 들어, SiO2/Si3N4와 같은 비결정질 산화물과 질화물의 적층물들은 커패시터의 유전체 재료로서 종래 기술에 개시되어있다. 필름의 양면에 얇은 금속층으로 코팅된 절연성 중합체 필름으로 구성된 플랙서블 기판 및 원통형으로 압연(rolling)될 수 있는 재료를 제조하기 위해 필름 상에 비정질 산화물 및 산화물/질화물 층을 증착하는 공정이 선행 기술에 개시되어 있다.
선행 기술을 통해 금속화된 필름 커패시터가 공지되어 있다. 이 커패시터는 두 개의 단단히 감겨진 시트들을 포함하며, 코어 주위를 둘러싼다. 각각의 시트는 유전체층 및 금속화된 층을 포함한다. 금속화된 층은 시트의 대향 단부로 연장되지 않고, 각 시트의 대향 측면 상에 비-금속화된 마진을 남긴다. 두 개의 견고하게 감긴 시트들로부터 형성된 압연의 단부는 전도성 금속으로 분무(spray)되어 캐패시터를 위한 전도성 종단(conducting termination)을 형성한다. 이러한 방법으로 제조된 커패시터는 시트의 두께 및 유전 상수뿐만 아니라 시트 재료의 유형과 같은 요인에 따라 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 시트의 전형적인 재료는 예를 들어, 배향된 폴리프로필렌 또는 폴리-(에틸렌)-테레프탈레이트이다. 전도성 금속 종단은 전형적으로 진공 금속화 장치에 적용되며 일반적으로 알루미늄, 아연 또는 이들의 합금으로 구성된다.
본 발명은 일부 에너지 저장 장치와 관련된 예비 에너지의 부피 밀도 및 질량 밀도의 추가 증가의 문제를 해결할 수 있고 동시에 재료 비용을 감소시킬 수 있는 코일 커패시터를 제공한다.
본 발명의 양상은 1) 높은 유전율, 2) 고전압을 허용하는 높은 유전 강도 (항복(breakdown) 필드 EBD로도 알려짐) 및 3) 적은 양의 캐리어 기판을 얻도록 설계된 재료들의 사용을 포함한다.
일 측면에서, 본 발명은 플랙서블 다층 테이프에 의해 형성된 코일과 상기 코일의 버트(butt) 상에 위치하는 제1 종단 전극(제1 접촉층) 및 제2 종단 전극(제2 접촉층)을 포함하는 코일 커패시터를 제공한다. 플랙서블 다층 테이프는 다음과 같은 일련의 층들: 제1 금속층, 플라스틱층, 제2 금속층, 에너지 저장 물질층을 포함한다. 제1 금속층은 제1 종단 전극(제 1 접촉층)과 오믹 접촉을 형성하고 제2 금속층(제2 접촉층)은 제2 종단 전극과 오믹 접촉을 형성한다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물들, 특허들 및 특허 출원들은 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 구체적으로 및 개별적으로 참조로 포함되도록 지시 된 것과 동일한 정도로 본원에 참고로 인용된다.
도 1a, 1b 및 1c는 플라스틱 층의 상부 및 하부 표면들상의 금속 스트립 세트의 형성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 플라스틱 층의 금속화된 표면 중 하나 상에 에너지 저장 물질의 층의 형성을 도시한다.
도 3은 다층 테이프들 상에 중간 생성물을 슬릿팅(slitting)하는 것을 도시한다.
그림 4는 다층 테이프의 권선을 보여줍니다.
도 5는 제1 종단 전극 및 제2 종단 전극의 형성을 도시한다.
도 6은 제 2 실시 예에 따른 플라스틱 층의 상부 및 하부 표면상의 2 개의 금속 스트립들의 형성을 도시한다.
도 7은 에너지 저장 물질의 층의 형성을 도시한다.
도 8은 다층 테이프의 권선을 보여줍니다.
도 9는 제1 종단 전극 및 제2 종단 전극의 형성을 도시한다.
본 개시의 다양한 양태들이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 당업자에게는 그러한 양태들이 단지 예시로서 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 당업자에게는 다양한 변형, 변경 및 대체가 발생할 수 있다. 본 명세서에 설명된 양태들에 대한 다양한 대안들이 채용 될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 코일 커패시터를 제공한다. 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 코일 커패시터는 플랙서블 다층 테이프가 권취되는 유전체 코어를 더 포함한다. 에너지 저장 물질은 약 100보다 큰 유전 상수 κ 및 약 0.001 볼트(V)/나노 미터(㎚)와 같거나 더 큰 항복 필드(breakdown field) Ebd를 특징으로 할 수 있다. 유전 상수 κ는 약 100, 200, 300, 400, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000, 10,000 또는 100,000 이상일 수 있다. 항복 필드는 약 0.01V/nm, 0.05V/nm, 0.1V/nm, 0.2V/nm, 0.3V/nm, 0.4V/nm, 0.5V/nm, 1V/nm 또는 10 V/nm보다 클 수 있다. 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니지만, 에너지 저장 물질은 약 100 내지 약 1,000,000의 유전 상수 κ 및 약 0.01V/nm 내지 약 2.0V/nm의 항복 필드 Ebd를 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 에너지 저장 물질은 리렌(rylene) 조각(fragment)들을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 리렌 조각들은 표 1에 주어진 구조들 1 내지 21을 포함하는 목록으로부터 선택될 수 있다.
표 1. 리렌 조각들을 포함하는 에너지 저장 물질의 예:
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
본 발명의 일 측면에 따른 코일 커패시터의 일 예에서, 에너지 저장 물질은 도핑된 올리고아닐린(oligoaniline) 및 p-올리고-페닐렌(p-oligo-phenylene)을 포함하는 리스트로부터 선택된다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, 도핑된 올리고아닐린은 아닐린의 페닐 고리들 상에 SO3-그룹 또는 COO-그룹을 갖는 자체-도핑된(self-doped) 올리고아닐린이다. 코일 캐패시터의 또 다른 실시 예에서, 도핑된 올리고아닐린은 산화된 상태로 올리고아닐린에 혼합된 유기 구조-무기/유기 산에 의해 혼합-도핑되며, 유기 구조는 알킬, 아릴 및 이들의 중합체를 포함하는 리스트로부터 선택되고, 무기/유기 산은 SO3H, COOH, HCl, H2SO4, H3PO4, HBF4, HPF6, 벤조 산(benzoic acid) 및 이들의 유도체(derivative)들을 포함하는 리스트로부터 선택된다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 에너지 저장 물질은 유기 용제(solvent)에 가용성인 중합체의 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시 예에서, 에너지 저장 물질은 표 2에 주어진 바와 같은 구조 22 내지 27로부터 선택된 구조를 갖는 유기 용매에 가용성인 중합체를 포함한다.
표 2. 유기 용제에 가용성인 중합체를 포함하는 에너지 저장 물질의 예들:
Figure pct00004
Figure pct00005
각각의 R1 및 R2는 알킬, 아릴, 치환된 알킬 및 치환된 아릴로부터 독립적으로 선택된다. 코일 커패시터의 다른 실시 예에서, 에너지 저장 물질은 절연체 매트릭스 내에 전도성 비 등방성(electro-conductive anisometric) 입자의 분산을 갖는 콜로이드 성 복합체(colloidal composite)를 포함한다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, 전도성 비 등방성 입자는 전도성 올리고머(oligomer)를 포함한다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, 절연체 매트릭스의 재료는 폴리(아크릴산)(PAA), 폴리(N-비닐피롤리돈)(PVP), 폴리(비닐리덴 플로오라이드-헥사플루오로프로필렌)[P(VDF-HFP)], 에틸렌 프로필렌 루버(EPR) 및 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM)를 포함하는 에틸렌 프로필렌 중합체 및 디메틸디클로로 실록산, 디메틸실란 디올, 폴리디메틸 실록산 및 폴리스티렌 술폰산(PSS)과 같은 실리콘 루버(PDMSO)로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 코일 커패시터의 다른 실시 예에서, 에너지 저장 물질은: 도데실벤젠 설포네이트(DBSA), 폴리옥시 에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시프로필렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 소르비탄 알킬 에스테르, 소르비탄 알킬 에스테르 및 도데닐디메틸아민 옥사이드로부터 선택된 표면 활성 물질을 포함한다.
코일 캐패시터의 또 다른 실시 예에서, 에너지 저장 물질은 세라믹 슬러리(ceramic slurries), 스퍼터링된 얇은 필름(sputtered thin films) 및 분자로 배열된 결정(molecularly ordered crystals)을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 분자로 배열된 결정이라는 용어는 캐스케이드 결정화(cascade crystallization)에 의해 조립된 필름 또는 리오트로픽 액정(lyotropic liquid crystals)을 포함하는 용액으로 제조된 필름을 지칭한다. 분자로 배열된 결정의 예는, 이에 제한되는 것은 아니며, 2015년 5월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/719,072호(대리인 관리 번호 CSI-005)에 기술된 에너지 저장 분자 물질을 포함하며, 이의 전체 내용은 본원에 참고로 인용된다. 예로서, 이에 제한되는 것은 아니며, 초분자 복합체(supramolecular complexes)를 갖는 콜로이드 시스템(colloidal system)로부터 분자로 배열된 결정을 제조하는 방법은 하기 단계들:
- 기판상에 콜로이드 시스템을 도포. 콜로이드 시스템은 전형적으로 미리 설정된 온도 및 일정한 농도의 분산된 상을 유지함으로써 제공되는 틱소트로픽(thixotropic) 특성을 가짐;
- 기계적 요인들을 사용하거나 또는 임의의 다른 수단에 의해, 예를 들어 정상 또는 상승된 온도에서 추가적인 조명, 자기장 또는 광학장(예를 들어, 일관된 광전자 효과(coherent photovoltaic effect))을 갖거나 갖지 않은 외부 전기장을 인가함으로써 생성될 수 있는 상기 시스템 상의 외부의 정렬(external alignment); 외부 정렬의 정도는 콜로이드 시스템의 운동 단위에 필요한 배향을 부여하고 결정 유전체 층의 결정 격자의 베이스로 작용하는 구조를 형성하기에 충분해야 함; 및
- 용제를 제거하여 최종 분자로 배열된 결정을 형성하기 위해 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
코일 캐패시터의 또 다른 예에서, 플라스틱은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 폴리에스테르(PET), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PP), 폴리스티렌(PS), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함을 포함하는 목록으로부터 선택된다. 코일 커패시터의 또 다른 실시 예에서, 플라스틱 층의 두께는 2 ㎛보다 작을 수 없다. 코일 커패시터의 또 다른 실시 예에서, 플라스틱 층의 두께는 2.5 ㎛ 내지 52 ㎛이다. 코일 커패시터의 일례에서, 플라스틱 층은 폴리프로필렌을 포함하고 플라스틱 층의 두께는 12㎛이다. 코일 캐패시터의 다른 예에서, 제1 금속 층 및 제2 금속 층의 재료는 Pt, Cu, Al, Ag, Au, Ni 및 Al:Ni, 및 금속 발포체(metal foam)를 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택된다. 코일 캐패시터의 또 다른 예에서, 제1 및 제2 콘택 층의 두께는 독립적으로 10nm 내지 1000nm로 변화한다. 코일 캐패시터의 일 실시 예에서, 제1 및 제2 접촉층의 시트 저항은 독립적으로 0.1 옴(Ohm)/스퀘어(Square) 보다 작을 수 없다. 코일 캐패시터의 또 다른 예에서, 제1 및 제2 접촉층의 시트 저항은 독립적으로 0.1 옴/스퀘어 내지 2.5 옴/스퀘어로 변한다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, 금속 발포체(metal foam)의 금속은 Al, Ni, Fe, Cu를 포함하는 리스트로부터 선택된다. 코일 커패시터의 일 예에서, 금속 발포체의 용융 온도는 400˚C 내지 700˚C 범위이다. 코일 캐패시터의 또 다른 예에서, 전극용 금속 발포체의 금속 함량은 무게의 5% 내지 30%의 범위이다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, 금속 발포체는 금속 함량 당 최대 컨덕턴스(maximum conductance per metal content)를 갖는 폐쇄형 "버블" 타입(closed bubble type)이다. 코일 커패시터의 또 다른 예에서, "버블"의 크기는 100nm 내지 100,000nm의 범위 내에 있다. 코일 캐패시터의 일례에서, 제1 종단 전극 및 제2 종단 전극의 재료는 Pt, Cu, Al, Ag 및 Au를 포함하는 리스트로부터 독립적으로 선택된다. 코일 캐패시터의 다른 실시 예에서, 제1 금속층은 플라스틱층의 제1 표면의 일부분 상에 증착되고, 이 제1 표면은 증착된 금속이 없는 제1 마진부를 가지며, 제2 금속층은 플라스틱층의 제2 표면의 일부분 상에 증착되고, 이 제2 표면은 증착된 금속이 없고 제1 마진 부로부터 플라스틱층의 대향 가장자리 상에 위치되는 제2 마진부를 갖는다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 에너지 저장 물질은 초분자(supramolecules) 또는 분자 스택(stacks of molecules)을 포함할 수 있다. 이러한 초분자는 분자 구조와 같이 막대(rod)에 쌓여 있는 자가-조립 분자(self- assembling molecules)에 의해 형성될 수 있다. 이러한 구조의 예로는 표 1에 주어진 바와 같은 구조를 포함하는 목록으로부터 선택된 구조 및 표 3에 주어진 바와 같은 구조 28-62를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
표 3-에너지 저장 물질의 초분자 구조의 추가 예:
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
Figure pct00013
Figure pct00014
Figure pct00015
Figure pct00016
그러한 초분자 구조물로부터 에너지 저장 물질을 형성하기 위해, 유기 분자(organic molecules)는 초분자 화학을 사용하여 개질(modified)될 수 있고 액체에서 자기-조립되어 리오트로픽 액정(lyotropic liquid crystals)을 형성할 수 있다. 리오트로픽 액정을 함유하는 액체는 기판 상에 코팅되고 코팅 중에 액정이 정렬된다. 액체가 건조되면 액정이 결정화되어 에너지 저장 재료를 형성합니다.
본 발명이 보다 쉽게 이해될 수 있도록 하기 위해, 하기 실시 예를 참조 할 것이며, 다만 이들은 본 발명의 예시 일뿐 본 발명의 범주를 제한하려는 것은 아니다.
예들
예 1
이 예는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 코일 커패시터의 제조를 위한 일련의 기술적 동작을 개략적으로 설명한다. 이 예는 개시된 코일 커패시터의 가능한 제조 방법 중 하나를 나타낸다. 도 1a, 1b 및 1c는 플라스틱층(4)의 상부(2, 도 1b) 및 하부(3, 도 1c) 표면 상의 금속 스트립들(1)의 형성을 도시한다. 도 1a는 상부 표면 상에 위치한 금속 스트립들이 하부 표면 상에 위치한 금속 스트립들과 상대적으로 변위 된 것을 도시한다. 이 예에서, 금속 스트립의 폭(width)은 1cm 내지 100cm의 범위 내에서 변할 수 있다. 폭은 지정된 값 범위에 의해 제한되지 않습니다. 일반적으로 바람직한 폭은 각 응용에 대해 산출된다. 압연 크기, 전력, 에너지 등과 같은 다양한 요소들이 폭의 크기에 영향을 줄 수 있다. 폭에 대한 큰 영향은 개시된 코일 커패시터의 장래의 적용을 가능하게 할 수 있다. 금속 스트립의 두께는 0.01㎛ 내지 1㎛ 범위 내에서 변할 수 있다. 스트립들 사이의 거리는 0.5mm에서 3mm로 변경될 수 있다. 이 예에서 중요한 특징은 이 플라스틱 층 위에 코팅되거나 또는 이 플라스틱 층에 의해 지지되는 커패시터의 모든 층들에 대해 하나의 플라스틱 층을 부하가 걸리는 기판(a load-carrying substrate)으로 사용하는 것이다.
금속 스트립들은 플라스틱 층의 대향 표면 상에 형성되어, 증착된 금속이 없는 마진부들이 플라스틱 층의 각 표면 상에 생성되고, 이들 마진부들은 플라스틱 층의 대향 에지(opposite edge) 상에 위치된다. 다음 단계는 도 2에 표시된 플라스틱 층의 금속 표면 중 하나에 에너지 저장 물질 층을 형성하는 단계이다. 이러한 형성 단계는 두 개의 단계를 포함한다: 제1 단계는 에너지 저장 물질의 용액의 도포이며, 제2 단계는 에너지 저장 물질의 고체층(5)을 형성하도록 도포된 용액을 건조시키는 것을 포함한다. 에너지 저장 물질의 층의 두께는 0.5㎛ 내지 50㎛의 범위 내에서 변할 수 있다. 따라서, 이 단계에서 코일 커패시터의 추가 형성을 위한 중간 생성물이 형성된다. 그 다음, 다층 테이프 상에 중간 생성물의 슬리팅(slitting)이 이루어진다. 수신된 다층 테이프의 개략도가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 제1 금속층(6)이 플라스틱층(7)의 제1 표면 상의 일부에 증착되고 이 제1 표면은 증착된 금속이 없는 제1 마진부(8)를 가지며, 제2 금속층(9)은 플라스틱층(7)의 제 2 표면 상의 일부에 증착되고 이 제2 표면은 증착된 금속이 없고 제1 마진 부로부터 플라스틱층의 대향 에지 상에 위치된 제2 마진부(10)를 갖는 것을 보여준다. 또한, 다층 테이프의 권취(winding)가 수행된다(도 4 참조). 그 다음, 코일의 버트(butts)에 위치된 제1 종단 전극(제1 접촉층)(11) 및 제2 종단 전극(제2 접촉층)(12)이 형성된다(도 5 참조). 마지막으로, 치유(healing)가 코일 커패시터의 제1 및 제2 종단 전극에 정밀하게 보정된 전압을 적용하여 이루어지고, 그에 따라 기존의 모든 결함은 "제거(burned away)"된다.
예 2
이 예는 코일 형 커패시터의 제조를 위한 또 다른 일련의 기술적 동작을 개략적으로 설명한다. 도 6은 플라스틱층(17)의 상부(15) 및 하부(16) 표면 상에 2 개의 금속 스트립들(13 및 14)의 형성을 도시한다. 도 6은 상부 표면 상에 위치한 금속 스트립이 하부 표면 상에 위치한 금속 스트립에 대해 측 방향(laterally)으로 변위되는 것을 도시한다. 따라서, 제1 금속 스트립(13)은 플라스틱층(15)의 제1 표면의 일부분 상에 증착되고 이 제1 표면은 증착된 금속이 없는 제1 마진부(18)를 가지며, 제2 금속 스트립(14)은 플라스틱층(15)의 제2 표면의 일부분 상에 증착되고 이 제2 표면은 증착된 금속이 없고 제1 마진부로부터 플라스틱 층의 대향 에지 상에 위치된 제2 마진부(19)를 갖는다. 플라스틱층의 두께는 2.5 ㎛ 내지 52 ㎛의 범위 내에서 변한다. 금속 스트립의 폭은 1cm 내지 100cm의 범위 내에서 변할 수 있고 그 두께는 0.01㎛ 내지 1㎛의 범위 내에서 변할 수 있다. 플라스틱층은 이 플라스틱 층 위에 코팅되거나 이 플라스틱 층에 의해 지지되는 커패시터의 다른 모든 층에 대해 부하가 걸리는 기판으로 사용된다.
다음 단계는 도 7에 도시된 플라스틱층의 금속화된 표면 중 하나에 에너지 저장 물질층(20)을 형성하는 단계이다. 이 형성 단계는 두 개의 단계를 포함한다: 제1 단계는 에너지 저장 물질의 용액의 도포이며, 제2 단계는 에너지 저장 물질(20)의 고체층을 형성하기 위한 건조를 포함한다. 에너지 저장 물질의 층의 두께는 0.5㎛ 내지 50㎛의 범위 내에서 변할 수 있다. 또한, 다층 테이프의 권취가 수행된다(도 8 참조). 그 다음, 코일의 버트에 위치된 제1 종단 전극(제1 접촉층)(21) 및 제2 종단 전극(제2 접촉층)(22)이 형성된다(도 9 참조). 마지막으로, 치유는 코일 커패시터의 제1 및 제2 종단 전극에 정밀하게 보정 된 전압을 적용하여 이루어지고, 그에 따라 기존의 모든 결함은 "제거(burned away)"된다.
이상이 본 발명의 바람직한 실시 예의 완전한 설명이지만, 다양한 대안, 수정 및 균등물을 사용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기 설명을 참조하지 않고 결정되어야 하며, 그 대신 균등물의 전체 범위와 함께 첨부된 청구 범위를 참조하여 결정되어야 한다. 본원에 설명된 임의의 특징은 선호되는지의 여부와 상관없이 본원에 기재된 임의의 다른 특징과 조합될 수 있다. 뒤 따르는 청구범위에서, 명확하지 않은 "단수"의 기재는 다르게 명시된 경우를 제외하고는 그 조항을 따르는 항목 중 하나 이상의 수량을 나타낸다. 본 명세서에 사용된 대체물의 목록에 있는 "또는"이라는 단어는 논리적인 포괄적인 의미로 사용된다. 예를 들어 "X 또는 Y"의 표현은, 다르게 명시된 경우를 제외하고는, X 단독, Y 단독 또는 X와 Y를 모두 포함한다. 대안으로 나열된 둘 이상의 요소를 함께 결합 할 수 있다. 첨부 된 청구항은 "수단(means for)"라는 문구를 사용하여 주어진 청구항에 명시적으로 언급 된 경우를 제외하고는 수단-플러스-기능 제한(means-plus-function limitations)을 포함하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (31)

  1. 코일 커패시터에 있어서,
    플랙서블 다층 테이프(flexible multilayered tape)로 형성된 코일, 및
    상기 코일의 버트(butts)에 위치하는 제1 종단 전극(제1 접촉층) 및 제2 종단 전극(제2 접촉층)을 포함하고,
    상기 플랙서블 다층 테이프는 차례로 적층된 제1 금속층, 플라스틱층, 제2 금속층, 에너지 저장 재료를 포함하고,
    상기 제1 금속층은 상기 제1 종단 전극(제1 접촉층)과 오믹 접촉을 형성하고, 상기 제2 금속층은 상기 제2 종단 전극(제2 접촉층)과 오믹 접촉을 형성하는 코일 커패시터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플랙서블 다층 페이프가 감겨진 유전체 코어를 더 포함하는 코일 커패시터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 리렌 조각들(rylene fragments)을 포함하는 코일 커패시터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 리렌 조각들은 구조들 1 내지 21을 포함하는 목록으로부터 선택된 하나 이상의 구조를 포함하는 코일 커패시터.
    Figure pct00017

    Figure pct00018

    Figure pct00019
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 도핑된((doped) 올리고아닐린(oligoaniline) 및 p-올리고-페닐렌(p-oligo-phenylene)을 포함하는 목록으로부터 선택되는 코일 커패시터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 도핑된 올리고아닐린은 아닐린의 페닐 고리 상에 SO3-그룹 또는 COO-그룹을 갖는 자기-도핑된(self-doped) 올리고아닐린인 코일 커패시터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 도핑된 올리고아닐린은 산화된 상태로 올리고아닐린에 혼합된 유기 구조(organic structure)-무기/유기산(inorganic/organic acid)에 의해 혼합-도핑되고, 상기 유기 구조는 알킬(alkyl), 아릴(aryl) 및 이들의 중합체(polymer)들을 포함하는 목록으로부터 선택되며, 상기 무기/유기산은 SO3H, COOH, HC1, H2SO4, H3SO4, HBF4, HPF6, 벤조산(benzoic acid) 및 이들의 유도체(derivatives)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 코일 커패시터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 유기 용매에 가용성인 중합체성 물질(polymeric material)을 포함하는 코일 커패시터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 중합체성 물질은 구조들 22 내지 27을 포함하는 목록으로부터 선택된 하나 이상의 구조를 포함하는 코일 커패시터.
    Figure pct00020

    Figure pct00021

    상기 R1 및 R2는 알킬, 아릴, 치환된 알킬 및 치환된 아릴로부터 독립적으로 선택된다.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 구조들 28 내지 62를 포함하는 목록으로부터 선택된 하나 이상의 초분자(supramolecular) 구조를 포함하는 코일 커패시터.
    Figure pct00022
    Figure pct00023

    Figure pct00024

    Figure pct00025

    Figure pct00026

    Figure pct00027

    Figure pct00028

    Figure pct00029

    Figure pct00030

    Figure pct00031

    Figure pct00032
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 절연체 매트릭스(insulator matrix) 내에 전도성 이방성 입자(electro-conductive anisometric particle)들의 분산(dispersion)(현탁(suspension))을 갖는 콜로이드 성 복합체(colloidal composite)를 포함하는 코일 커패시터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도성 이방성 입자들은 전도성 올리고머(electro-conductive oligomer)를 포함하는 코일 커패시터.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 절연체 매트릭스의 물질은 폴리(아크릴산)(PAA), 폴리(N-비닐피롤리돈)(PVP), 폴리(비닐리덴 플로오라이드-헥사플루오로프로필렌)[P(VDF-HFP)], 에틸렌 프로필렌 루버(EPR) 및 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM)를 포함하는 에틸렌 프로필렌 중합체 및 디메틸디클로로 실록산, 디메틸실란 디올, 폴리디메틸 실록산 및 폴리스티렌 술폰산(PSS)과 같은 실리콘 루버(PDMSO)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 코일 커패시터.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 저장 물질은 도데실벤젠 설포네이트(DBSA), 폴리옥시 에틸렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시프로필렌 글리콜 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페놀 에테르, 폴리옥시에틸렌 글리콜 소르비탄 알킬 에스테르, 소르비탄 알킬 에스테르 및 도데닐디메틸아민 옥사이드로부터 선택된 표면 활성 물질(surfactant)을 포함하는 코일 커패시터.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 에너지 저장 물질은 세라믹 슬러리(ceramic slurrie), 스퍼터링된 얇은 필름(sputtered thin film), 또는 분자 정렬된 결정(molecularly ordered crystal)을 포함한다.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱층은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 폴리에스테르(PET), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PP), 폴리스티렌(PS), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는 목록으로부터 선택되는 코일 커패시터.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱층의 두께는 2㎛보다 크거나 같은 코일 커패시터.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 플라스틱층의 두께는 2.5㎛ 내지 52㎛인 코일 커패시터.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱층은 폴리프로필렌을 포함하고, 상기 플라스틱층의 두께는 12㎛인 코일 커패시터.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라스틱층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하고, 상기 플라스틱층의 두께는 12㎛인 코일 커패시터.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속층 및 제2 금속층의 재료는 Pt, Cu, Al, Ag, Au, Ni, Al:Ni 및 금속 발포체(metal foam)를 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되는 코일 커패시터.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접촉층의 두께는 독립적으로 10nm 내지 1000nm 범위에서 선택되는 코일 커패시터.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접촉층의 시트 저항은 0.1옴(Ohm)/스퀘어(Square)보다 크거나 같은 코일 커패시터.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접촉층의 시트 저항은 독립적으로 0.1옴/스퀘어 내지 2.5옴/스퀘어 범위에서 선택되는 코일 커패시터.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 금속 발포체의 금속은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe) 및 구리(Cu)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 코일 커패시터.
  26. 청구항 21에 있어서,
    상기 금속 발포체의 용융 온도는 400˚C 내지 700˚C인 코일 커패시터.
  27. 청구항 21에 있어서,
    상기 금속 발포체 내의 금속 함유량은 무게의 5% 내지 30%인 코일 커패시터.
  28. 청구항 21에 있어서,
    상기 금속 발포체는 금속 함량 당 최대 컨덕턴스를 갖는 폐쇄된 "버블" 타입(closed bubble type)인 코일 커패시터.
  29. 청구항 21에 있어서,
    상기 금속 발포체 내의 버블의 크기는 100nm 내지 100000nm인 코일 커패시터.
  30. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 종단 전극 및 제2 종단 전극의 재료는 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 목록으로부터 독립적으로 선택되는 코일 커패시터.
  31. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속층은 상기 플라스틱층의 제1 표면의 일부분 상에 증착되고 상기 제1 표면은 증착된 금속이 없는 제1 마진부를 가지며, 상기 제2 금속층은 상기 플라스틱층의 제2 표면의 일부분 상에 증착되고 상기 제2 표면은 증착된 금속이 없고 상기 제1 마진부로부터 상기 플라스틱층의 대향 가장자리 상에 위치하는 제2 마진부를 갖는 코일 커패시터.
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