KR20230095978A

KR20230095978A - 통기구를 갖는 수지 층을 포함하는 표면 실장형 울트라커패시터 장치

Info

Publication number: KR20230095978A
Application number: KR1020237015708A
Authority: KR
Inventors: 로렌트 데스클로스
Original assignee: 교세라 에이브이엑스 컴포넌츠 코포레이션
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2023-06-29
Also published as: EP4238116A1; JP2023548305A; CN116711043A; US20220130623A1; WO2022093911A1

Abstract

표면 실장형 울트라커패시터 장치가 개시된다. 상기 울트라커패시터 장치는, 상부 단부를 정의하기 위해 일반적으로 베이스에 수직인 방향으로 연장하는 측벽들을 포함하는 패키지로, 베이스의 내부 표면과 측벽들 사이에 내부 공동이 정의되는, 패키지; 베이스의 내부 표면 위에 위치하는 제1 및 제2 전도성 부재; 각각이 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되며, 베이스의 외부 표면 위에 있는 제1 및 제2 외부 단자; 상기 내부 공동 내부에 위치하고, 하우징과 상기 하우징 내의 전극 조립체 및 전해질을 포함하며, 각각이 상기 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 리드를 포함하는, 울트라커패시터; 상기 내부 공동 내부에 제공되어 울트라커패시터의 적어도 일부분을 봉입하는 수지; 및 상기 수지를 관통하여 적어도 수지 표면까지 연장하는 하나 이상의 통기구를 포함한다. 본 발명은 또한 전술한 표면 실장형 울트라커패시터 장치를 포함하는 인쇄 회로 기판과 전술한 표면 실장형 울트라커패시터 장치를 포함하는 통신 장치를 개시한다.

Description

통기구를 갖는 수지 층을 포함하는 표면 실장형 울트라커패시터 장치

본 출원은 2020년 10월 27일에 출원된 US 가특허출원 63/105,932호의 출원 이익을 주장한다. 상기 US 63/105,932호는 참고로 그 전체가 본 출원에 통합된다.

전기 에너지 저장 전지는 전자, 전기 기계, 전기 화학 및 기타 유용한 장치에 동력을 공급하는 데 널리 사용된다. 예를 들어, 전기 이중 층 울트라커패시터는 일반적으로 액체 전해질이 함침된 탄소 입자(예: 활성탄(activated carbon))를 포함하는 한 쌍의 분극성 전극을 사용한다. 입자의 유효 표면적과 전극들 사이의 작은 간격으로 인해, 큰 정전용량(capacitance) 값을 얻을 수 있다. 그럼에도 불구하고 문제가 남아 있다. 예를 들어, 사용 중에 가스가 생성되어 압력이 증가하여 울트라커패시터가 폭발하거나 파열될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 많은 울트라커패시터에는 울트라커패시터 하우징에 직접 통기구 밸브가 포함되어 있다. 그러나 이로 인해 전해질 손실이 발생하고 외부 오염 물질이 울트라커패시터로 유입될 가능성이 있다. 또 다른 문제와 관련하여, 부분적으로는 하우징의 특성 때문에 울트라커패시터를 회로 기판에 장착하는 것은 시간이 많이 소요되고 비용이 많이 드는 프로세스일 수 있다. 이와 같이, 아직도 개선된 울트라커패시터에 대한 요구가 존재한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 표면 실장형 울트라커패시터 장치가 개시된다. 상기 장치는 상부 단부를 정의하기 위해 일반적으로 베이스에 수직인 방향으로 연장하는 측벽들을 포함하는 패키지로, 베이스의 내부 표면과 측벽들 사이에 내부 공동이 정의되는, 패키지; 베이스의 내부 표면 위에 위치하는 제1 및 제2 전도성 부재; 각각이 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되며, 베이스의 외부 표면 위에 있는 제1 및 제2 외부 단자; 상기 내부 공동 내부에 위치하고, 하우징과 상기 하우징 내의 전극 조립체 및 전해질을 포함하며, 각각이 상기 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 리드를 포함하는, 울트라커패시터; 상기 내부 공동 내부에 제공되어 울트라커패시터의 적어도 일부분을 봉입하는 수지; 및 상기 수지를 관통하여 적어도 수지 표면까지 연장하는 하나 이상의 통기구를 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 인쇄 회로 기판이 개시된다. 상기 인쇄 회로 기판은 전술한 표면 실장형 울트라커패시터 장치를 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 통신 장치가 개시된다. 통신 장치는 전술한 표면 실장형 울트라 커패시터 장치를 포함한다.

이하에서, 본 발명의 다른 특징들 및 양태들을 더 상세히 설명한다.

당업자에게 지시되는 본 발명의 최선의 형태를 포함하는 본 발명의 완전하고 가능하게 하는 개시는 첨부된 도면을 참조하는 명세서의 나머지 부분에서 보다 구체적으로 설명된다:
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 패키지의 일 실시형태를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 패키지의 다른 실시형태를 예시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 표면 실장형 울트라커패시터 장치의 일 실시형태를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 실장형 울트라커패시터 장치의 다른 실시형태를 예시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 울트라커패시터 하우징의 실시형태를 예시한다.
도 7은 본 발명의 울트라커패시터에 사용될 수 있는 전류 컬렉터의 일 실시형태를 도시한다.
도 8은 본 발명의 울트라커패시터에 사용될 수 있는 전류 컬렉터/탄소질 코팅 구성의 일 실시형태를 예시한다.
도 9는 본 발명의 울트라커패시터에 사용될 수 있는 전극 조립체를 형성하기 위한 일 실시형태를 도시한 것이다.
본 발명의 동일하거나 유사한 피처나 요소들을 나타내기 위해 본 명세서 및 도면에서 참조 부호들을 반복적으로 사용한다.

당업자라면 본 논의가 예시적인 실시형태들의 설명일 뿐이며, 본 발명의 더 넓은 양태를 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다. 더 넓은 양태들은 예시적인 구성에서 구체화된다.

일반적으로 말하면, 본 발명은 표면 실장형 울트라커패시터 장치에 관한 것이다. 이 장치에는 울트라커패시터를 수용하기 위한 패키지가 포함되어 있다. 또한, 장치는 울트라커패시터를 캡슐화하기 위한 수지 및 수지를 관통해 수지의 외부 표면으로 연장되는 하나 이상의 통기구(vent)를 포함한다. 본 발명자들은 본 명세서에 기술된 바와 같은 표면 실장형 장치로서 울트라커패시터를 제공함으로써 다양한 이점이 실현될 수 있음을 발견하였다. 예를 들어, 가스가 울트라커패시터 주변에서 생성되거나, 울트라커패시터 하우징의 밀봉부를 통해 침투할 때, 수지 및 통기구는 상대적으로 안전한 방식으로 가스가 배출되게 한다. 그 결과, 울트라커패시터의 성능 및/또는 구조적 무결성 문제를 피할 수 있고, 그에 따라 울트라커패시터의 안전성이 크게 향상될 수 있다. 결과적으로 이것은 울트라커패시터의 서비스 수명과 강도를 향상시킬 수도 있다. 또한, 패키지 내에 울트라커패시터를 제공함으로써, 인쇄 회로 기판과 같은 회로 기판에 울트라커패시터를 보다 효율적이고 저렴한 방식으로 실장할 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터의 리드를 회로 기판에 전기적으로 및/또는 물리적으로 연결하는 대신에 장치의 패키지 상에 있는 단자(termination)가 일반적으로 당 업계에 알려져 있는 수단을 사용하여 회로 기판에 전기적 및/또는 물리적으로 연결될 수 있다.

이하에서 본 발명의 다양한 실시형태들을 더 상세히 설명한다.

표면 실장형 울트라커패시터 장치(surface mountable ultracapacitor device)

본 명세서에 적시된 바와 같이, 본 발명은 표면 실장형 울트라커패시터 장치에 관한 것이다. 도 3a 내지 도 3c에, 이러한 장치의 일 실시형태가 도시되어 있다. 특히, 장치(70)는 패키지(50)의 내부 공동(58) 내에 울트라커패시터(72)를 수용하기 위한 패키지(50)를 포함한다. 특히, 울트라커패시터(72)는 전극 조립체 및 전해질이 안에 유지되고 밀봉되는 하우징을 포함한다. 전극 조립체는 제1 전극(미도시)과 전기적으로 연결되는 제1 리드(74) 및 제2 전극(미도시)과 전기적으로 연결되는 제2 리드(76)를 포함한다. 리드들(74, 76)은 전극 조립체 및 울트라커패시터에서 외측으로 연장되어, 패키지(50) 위에 구비된 제1 및 제2 전도성 부재(미도시)와 각각 전기적으로 연결된다. 도 3a에서, 리드(74, 76)는 전극 조립체 및 울트라커패시터(72)의 대향 단부들로부터 연장된다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 리드(74, 76)가 전극 조립체 및 울트라커패시터(72)의 동일한 단부로부터 연장될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 도시된 바와 같이, 일 실시형태에서, 리드들은 패키지(50) 내에 남아 있고, 베이스(50), 측벽(52) 및 패키지(50)의 뚜껑(82)을 넘어 연장되지 않는다.

일반적으로 말하면, 리드들(74, 76)은 패키지(50)에 제공된 제1 및 제2 전도성 부재에 각각 부착되며, 리드와 전도성 부재 모두 베이스(56)에 일반적으로 평행한 평면에 제공된다. 그러나, 이러한 방식으로 부착될 때, 전극 조립체의 주요 표면이 일반적으로 베이스(56)에 평행할 수 있는 방식으로 리드의 일부가 전극 조립체로부터 연장된 채로 남을 수 있다. 물론, 이것이 반드시 필요하지 않다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시형태에서, 예를 들어 전극 조립체의 하부 표면에 리드들이 제공되어, 이들이 전도성 부재에 간단히 적층될 수 있다.

임의의 경우에서, 리드들(74, 76)의 전도성 부재에 대한 부착은 공지되어 있는 다양한 기법 예컨대 용접, 레이저 용접, 전도성 접착제 등을 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하나의 특정 실시형태에서, 리드들(74, 76)은 도전성 접착제에 의해 전도성 부재(60, 62)에 각각 연결된다. 전도성 접착제는 수지 조성물에 함유된 전도성 금속 입자로 형성될 수 있다. 금속 입자는 은, 구리, 금, 백금, 니켈, 아연, 비스무스 등일 수 있다. 수지 조성물은 열경화성 수지(예: 에폭시 수지), 경화제(예: 산 무수물) 및 커플링제(예: 실란 커플링제)를 포함할 수 있다. 적당한 전도성 접착제가 미국 특허 출원 공개 번호 2006/0038304(Osako 등)에 기술되어 있다.

원하는 방식으로 연결되면, 수지(78)도 패키지(50)의 내부 공동(58) 내에 제공된다. 수지(78)는 울트라커패시터(72)를 봉입하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터(72)를 패키지(50) 내에 장착한 후에, 울트라커패시터(72)의 어느 정도 양의 표면적이 내부 공동 및 주변에 노출된 채로 남아 있을 수 있다. 이와 관련하여, 수지(78)는 울트라커패시터를 캡슐화하고, 울트라커패시터(72)의 적어도 일정 부분을 덮기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 노출된 울트라커패시터의 영역의 적어도 50% 이상, 예컨대 60% 이상, 예컨대 70% 이상, 예컨대 80% 이상, 예컨대 90% 이상, 예컨대 95% 이상, 예컨대 98% 이상, 예컨대 99% 이상, 예컨대 100%를 커버하는 데에 사용될 수 있다.

또한, 수지(78)는 패키지 내부 공동의 30 부피% 이상, 예컨대 40 부피% 이상, 예컨대 50 부피% 이상, 예컨대 60 부피% 이상, 예컨대 70 부피% 이상, 예컨대 80 부피% 이상, 예컨대 90 부피% 이상, 예컨대 95 부피% 이상을 차지하도록 제공될 수 있다. 상기 수지는 패키지 내부 공동의 100 부피% 이하, 예컨대 99 부피% 이하, 예컨대 98 부피% 이하, 예컨대 95 부피% 이하, 예컨대 90 부피% 또는 85 부피% 이하, 예컨대 80 부피% 이하, 예컨대 75 부피% 이하, 예컨대 70 부피% 이하를 커버하도록 제공될 수 있다. 일 실시형태에서, 그러한 백분율은 울트라커패시터의 장착 이전의 내부 캐비티의 총 체적에 기초할 수 있다. 다른 실시형태에서, 그러한 백분율은 울트라커패시터를 장착한 후 내부 공동의 잔류 체적에 기초할 수 있다.

수지는 일반적으로 전자 분야에 사용할 수 있는 울트라커패시터와 함께 이용될 수 있는 임의의 수지로부터 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 수지는 고온에 노출시 안정한 것일 수 있다. 이와 관련하여, 수지는 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 일 실시형태에서, 수지는 열가소성 수지일 수 있다. 다른 실시형태에서, 수지는 열경화성 수지일 수 있다. 수지는 당업계에 일반적으로 알려진 수단을 사용하여 내부 캐비티 내에 제공되고 울트라커패시터를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 내부 캐비티 내에 수지의 용액 또는 용융물이 제공될 수 있다. 그런 다음 용액 또는 용융물을 응고시키거나 경화시켜 수지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 냉각은 패키지(58) 내의 수지(78)를 경화 및 형성하기에 충분할 수 있다. 다른 실시형태에서, 이러한 경화는 양생(curing)에 의해 촉진될 수 있다. 예를 들어, 그러한 경화는 열 경화(예를 들어, 열 적용), 방사선 경화, 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 방사선 경화는 전자 빔 방사선, UV 방사선 등과 같이 당업계에 일반적으로 알려진 다양한 기술을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 수지를 형성하기 위해 열 경화가 필요할 수 있다. 다른 실시형태에서, 수지를 형성하기 위해 방사선 경화가 요구될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 수지를 형성하기 위해 열경화 및 방사선 경화가 필요할 수 있다.

본 명세서에 나타낸 바와 같이, 일 실시형태에서 수지는 열경화성 수지일 수 있다. 예를 들어, 열경화성 수지는 에폭시 수지(예: 에폭시 노볼락 수지), 폴리에스테르(예: 불포화 폴리에스테르), 비닐 에스테르, 시아네이트 에스테르, 폴리시아누레이트, 페놀 수지(예: 페놀-포름알데히드), 폴리우레탄, 멜라민 수지, 폴리이미드 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 에폭시 수지가 특히 적합하다. 적합한 에폭시 수지의 예는 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 오르토크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지 및 비페닐형 에폭시 수지, 환상 지방족 에폭시 수지, 글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜아민형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 페놀아르알킬형 에폭시 수지, 시클로펜타디엔형 에폭시 수지, 복소환형 에폭시 수지 등과 같은 글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 포함한다.

원하는 경우 경화를 촉진하기 위해 경화제를 사용할 수도 있다. 경화제를 사용하는 경우, 경화제는 일반적으로 수지의 약 0.1 내지 약 20 중량%로 구성된다. 예시적인 경화제는 예를 들어 아민, 과산화물, 무수물, 페놀 화합물, 실란, 산 무수물 화합물 및 이들의 조합을 포함한다. 적합한 경화제의 구체적인 예는 디시안디아미드, 1-(2 시아노에틸) 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-벤질 2-메틸이미다졸, 에틸 시아노 프로필 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 2,4-디시아노-6,2-메틸이미다졸릴-(1)-에틸-s-트리아진, 및 2,4-디시아노-6,2-운데실이미다졸릴-(1)-에틸-s-트리아진, 이미다졸륨염(1-시아노에틸-2-운데실이미다졸륨트리멜리테이트, 2-메틸이미다졸륨이소시아누레이트, 2-에틸-4-메틸이미다졸륨테트라페닐보레이트, 2-에틸-1,4-디메틸이미다졸륨테트라페닐보레이트 등)이다. 또 다른 유용한 경화제는 트리부틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리스(디메톡시페닐)포스핀, 트리스(하이드록시프로필)포스핀 및 트리스(시아노에틸)포스핀과 같은 포스핀 화합물, 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 메틸트리부틸포스포늄-테트라페닐보레이트 및 메틸트리시아노에틸포스포늄 테트라페닐보레이트와 같은 포스포늄 염; 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 벤질메틸아민, 테트라메틸부틸구아니딘, N-메틸피페라진, 2-디메틸아미노-1-피롤린 등의 아민류; 트리에틸암모늄테트라페닐보레이트 등의 암모늄염; 1,5-디아자비시클로[5,4,0]-7-운데센, 1,5-디아자비시클로[4,3,0]-5-노넨, 1,4-디아자비시클로[2,2,2]-옥탄 등의 디아자비시클로 화합물; 테트라페닐보레이트, 페놀염, 페놀노볼락염, 2-에틸헥산산염 등의 디아자비시클로 화합물의 염; 기타 등등을 포함한다.

본 명세서에 적시한 바와 같이, 일 실시형태에서, 수지는 열가소성 수지일 수 있다. 열가소성 수지는 폴리에스테르(예를 들어, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산 등), 폴리올레핀, 스티렌계 중합체, 폴리아미드, 폴리아릴렌 설파이드, 폴리카보네이트, 폴리설폰(예를 들어, 폴리아릴에테르설폰, 폴리에테르설폰 등), 폴리케톤, 폴리에테르케톤(예를 들어, 폴리아릴에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤 등), 폴리아미드(예를 들어, 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론-6,10, 나일론-11, 나일론-12 등), 폴리이미드 등을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 열가소성 중합체는 일반적으로 고온에 견딜 수 있는 고성능 고분자일 수 있다. 이때 열가소성 수지는 일반적으로 용융 온도가 높은 것이 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 열가소성 수지의 용융 온도는 약 150℃ 이상, 예컨대 약 200℃ 이상, 예컨대 약 250℃ 이상, 예컨대 약 300℃ 이상, 예컨대 약 350℃ 이상 내지 약 500℃ 이하, 예컨대 약 450℃ 이하, 예컨대 약 400℃ 이하일 수 있다.

수지는 또한 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이들 첨가제는 광개시제, 점도 개질제, 현탁 보조제, 안료, 응력 감소제, 비전도성 충전제, 안정화제 등을 포함할 수 있다. 적합한 광개시제는 예를 들어 벤조인, 벤조인 메틸 에테르, 벤조인 에틸 에테르, 벤조인 n-프로필에테르, 벤조인 이소부틸 에테르, 2,2 디히드록시-2-페닐아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 2,2-디에톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시아세토페논, 벤조페논, 4,4-비스디알릴아미노벤조페논, 4-디메틸아미노벤조산, 알킬 4-디메틸아미노벤조에이트, 2-에틸안트라퀴논, 크산톤, 티오크산톤, 2-클로로티오크산톤 등을 포함할 수 있다. 마찬가지로 비전도성 충전제는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 산화마그네슘, 산화철, 구리 산화물, 제올라이트, 실리케이트, 점토(예를 들어, 스멕타이트 점토) 등 뿐만 아니라 복합재(예를 들어, 알루미나-코팅된 실리카 입자) 및 이들의 혼합물과 같은 무기 산화물 입자를 포함할 수 있다.

도 3b 내지 도 3c를 다시 참조하면, 장치(70)는 수지(78) 외에도 하나 이상의 통기구(80)를 또한 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 통기구(80)는 수지(78)를 관통해 수지(78)의 외부 표면(88)으로 연장될 수 있다. 이와 관련하여, 외부 표면은 일반적으로 패키지(50)(예를 들어, 측벽(52), 베이스(56)) 또는 울트라커패시터(72)와 접촉하지 않는 표면이다. 이론에 의해 제한되지 않고, 통기구(80)는 울트라커패시터(72) 주위에 형성될 수 있거나 울트라커패시터(72)의 하우징 내부로부터 누출될 수 있는 어떠한 가스도 배출되게 할 수 있다.

통기구는 다양한 수단을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 전술한 수지가 내부 공동 내에 존재할 때, 하나 이상의 통기구에 의해 요구되는 공간을 차지하지 않도록 몰드가 내부 캐비티 내에 제공될 수 있다. 이와 관련하여, 수지 형성 시에 하나 이상의 통기구를 동시에 형성할 수도 있다. 대안적으로, 일단 수지가 내부 공동 내에 형성되면, 하나 이상의 통기구를 생성하기 위해 드릴링(또는 다른 유사한 기술)이 이용될 수 있다. 하나 이상의 통기구가 형성되는 방식에 관계없이, 일 실시형태에서, 하나 이상의 통기구가 개방되고 채워지지 않은 상태로 남을 수 있다. 다른 실시형태에서, 하나 이상의 통기구가 채워질 수 있다. 통기구는 세라믹, 수지 등으로 채워질 수 있다. 일반적으로 통풍구를 채우는 데 사용되는 재료는 가스가 빠져나갈 수 있는 것이다. 이와 관련하여, 하나의 실시형태에서, 수지는 전술한 바와 같은 열가소성 수지일 수 있다. 대안적으로, 다른 실시형태에서, 수지는 전술한 바와 같은 열경화성 수지일 수 있다. 또한, 충진 시 통기구 충진을 위한 재료를 미리 제작할 수 있다. 즉, 패키지 외부에서 제조 및 성형한 다음 개구부에 간단히 삽입할 수 있다. 또는 재료를 통기구에 채울 수 있다. 예를 들어, 중합체 용융물 또는 전구체 용액을 통기구에 삽입한 후, 경화시키거나 양생시킬 수 있다.

또한, 도 3b 내지 도 3c에서 설명한 바와 같이, 통기구들은 수지(78)의 표면(88)을 지나 연장된다. 이와 관련하여, 수지의 길이의 50% 이하, 예컨대 40% 이하, 예컨대 30% 이하, 예컨대 20% 이하, 예컨대 10% 또는 예컨대 5% 이하가 수지(78)의 표면(88)으로부터 바깥쪽으로 연장될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서는 통기구(80)가 표면(88)을 지나 연장하지 않고 단지 표면(88)에서 끝날 수 있다는 점을 이해해야 한다. 어떻든지, 통기구(80)는 측벽(52)의 상부 단부(54)를 넘어 연장되지 않을 수 있다. 또한, 도 3b 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 통기구(80)는 울트라커패시터(72)의 하우징 표면까지 완전히 연장되지 않을 수 있다. 이와 관련하여, 하나 이상의 통기구는 울트라커패시터(72)의 하우징과 수지(78)의 표면(88) 사이의 거리의 40% 이상, 예컨대 50% 이상, 예컨대 60% 이상, 예컨대 70% 이상, 예컨대 80% 이상, 예컨대 90% 이상, 예컨대 95% 이상 연장할 수 있다. 하나 이상의 통기구(80)는 울트라커패시터(72)의 하우징과 수지(78)의 표면(88) 사이의 거리의 100% 이하, 예컨대 99% 이하, 예컨대 98% 이하, 예컨대 95% 이하, 예컨대 90% 이하, 예컨대 80% 이하로 연장될 수 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 하나 이상의 통기구(80)는 울트라커패시터(72)의 하우징의 표면까지 연장될 수 있다.

통기구(80)는 또한 특정한 단면 치수 및/또는 크기를 가질 수 있다. 단면 형상은 반드시 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 예를 들어, 단면 형상은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 마름모꼴, 삼각형, 별, 십자형 등일 수 있다. 또한, 통기구의 단면은 적어도 한 방향에서 최대 치수를 가질 수 있다. 그러한 최대 치수는 0.1 ㎜ 이상, 예컨대 0.5 ㎜ 이상, 예컨대 1 ㎜ 이상, 예컨대 2 ㎜ 이상, 예컨대 3 ㎜ 이상, 예컨대 4 ㎜ 이상, 예컨대 5 ㎜ 이상일 수 있다. 단면 내에서 이러한 최대 치수는 20 ㎜ 이하, 예컨대 10 ㎜ 이하, 예컨대 8 ㎜ 이하, 예컨대 6 ㎜ 이하, 예컨대 5 ㎜ 이하, 예컨대 4 ㎜ 이하, 예컨대 3 ㎜ 이하, 예컨대 2 ㎜ 이하, 예컨대 1 ㎜ 이하, 예컨대 0.5 ㎜ 이하일 수 있다. 또한, 통기구의 단면적은 0.001 ㎟이상, 예컨대 0.01 ㎟이상, 예컨대 0.05 ㎟이상, 예컨대 0.1 ㎟이상, 예컨대 0.2 ㎟이상, 예를 들어 0.3 ㎟이상, 예를 들어 0.5 ㎟이상, 예를 들어 1 ㎟이상, 예를 들어 2 ㎟이상, 예를 들어 3 ㎟이상, 예를 들어 5 ㎟이상, 예를 들어 10 ㎟이상, 예컨대 20 ㎟이상일 수 있다. 통기구의 단면적은 500 ㎟이하, 예컨대 300 ㎟이하, 예컨대 200 ㎟이하, 예컨대 150 ㎟이하, 예컨대 100 ㎟ 이하, 예컨대 80 ㎟이하, 예컨대 60 ㎟이하, 예컨대 50 ㎟이하, 예컨대 40 ㎟이하, 예컨대 30 ㎟이하, 예컨대 20 ㎟이하, 예컨대 10 ㎟이하, 예컨대 8 ㎟이하, 예컨대 6 ㎟이하, 예컨대 5 ㎟이하, 예컨대 4 ㎟이하, 예컨대 3 ㎟이하, 예컨대 2 ㎟이하, 예컨대 1 ㎟이하, 예컨대 0.5 ㎟이하일 수 있다. 일 실시형태에서, 전술한 단면적은 결합된 모든 통기구의 총 단면적에 적용될 수 있다.

또한, 도 3b 내지 도 3c는 일반적으로 측벽(52)에 평행하고 일반적으로 패키지(50)의 베이스(56)에 수직인 방향으로 연장되는 배기구(80)를 도시한다. 예를 들어, 통기구(80)는 도시되어 있는 바와 같이 외부 표면(88)이 내부 공동(58)의 채워지지 않은 나머지 공간과 수지(78)의 계면을 이루는 상태에서, 외부 표면(88)으로 연장한다. 그러나, 통기구(80)가 다른 방향으로도 연장될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 하나 이상의 통기구(80)는 일반적으로 측벽(52)에 수직하고 베이스(56)에 일반적으로 평행한 방향으로 연장될 수 있다. 통기구(80)가 이러한 방식으로 제공되는 경우, 수지(78)는 하나 이상의 측벽으로 연장되지 않도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 측벽(52)과 수지(78) 사이에 비어 있는 공동을 제공함으로써, 이러한 공동은 배기구(80)를 통해 내부 공동(58)의 비어 있는 공동으로 가스가 빠져나갈 수 있게 할 수 있다.

본 발명은 통기구의 수를 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 3b 내지 도 3c는 3개의 통기구를 도시한다. 그러나 장치(70)는 단순히 하나 또는 그 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장치(70)는 일 실시형태에서 단순히 하나의 통기구를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 장치(70)는 2개 이상, 3개 이상, 5개 이상의 통기구와 같이 둘 이상의 통기구를 포함할 수 있다.

일단 울트라커패시터(72) 및 수지(78)가 제공되고, 하나 이상의 통기구(80)가 형성되면, 패키지(50)는 뚜껑(82)을 사용하여 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 뚜껑(82)은 측벽(52)의 상단부(54)에 배치될 수 있다. 뚜껑(82)은 세라믹, 금속(예를 들어, 철, 구리, 니켈, 코발트 등 및 이들의 합금), 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 뚜껑은 가요성 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 특정 압력 임계값 미만에서, 뚜껑이 압력을 받을 때 뚜껑이 변형될 수는 있지만 파열되지 않아 뚜껑과 패키지의 구조적 무결성을 유지할 수 있다.

뚜껑이 적용되면, 장치 내에 어느 정도 부피의 공간이 비어 있을 수 있다. 그러한 부피는 패키지 내부 공동 전체 부피의 50 부피% 이하, 예컨대 40 부피% 이하, 예컨대 30 부피% 이하, 예컨대 20 부피% 이하, 예컨대 15 부피% 이하, 예컨대 10 부피% 이하, 예컨대 8 부피% 이하, 예컨대 5 부피% 이하일 수 있다. 그러한 부피는 패키지 내부 공동 전체 부피의 0 부피% 이상, 예를 들어 1 부피% 이상, 예를 들어 2 부피% 이상, 예를 들어 5 부피% 이상, 예를 들어 10 부피% 이상, 예를 들어 15 부피% 이상, 예를 들어 20 부피% 이상, 예를 들어 25 부피% 이상, 예를 들어 30 부피% 이상일 수 있다.

패키지

본 명세서에 적시한 바와 같이, 본 발명의 표면 실장형 울트라커패시터 장치는 안에 울트라커패시터가 수용된 패키지를 사용한다. 일 실시형태에서, 패키지는 표면 실장이 가능한 패키지일 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 패키지(50)는 베이스(56)에 일반적으로 수직인 방향으로 연장되는 측벽(52)을 갖는다. 베이스(56)는 내부 표면(56a) 및 외부 표면(56b)을 정의한다. 안에 울트라커패시터가 위치할 수 있는 내부 공동(58)이 베이스(56)의 내부 표면(56a)과 측벽(52) 사이에 형성된다. 일부 실시형태에서, 표면 실장형 장치 및 내부 공동(58)은 환경에 노출될 수 있다. 다른 실시형태에서, 패키지(50)는 또한 패키지(50) 내의 울트라커패시터를 밀봉하기 위해 측벽(52)의 상부 단부(54)에 배치되는 뚜껑(82)을 포함할 수 있다.

원한다면, 밀봉 부재(미도시)가 뚜껑(82)과 측벽(52) 사이에 배치되어 우수한 밀봉을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 밀봉 부재는 유리-대-금속 밀봉, Kovar® 링(Goodfellow Cambridge, Ltd.) 등을 포함할 수 있다. 측벽(52)의 높이는 일반적으로 뚜껑(82)이 울트라커패시터(70)의 어떤 표면과도 접촉하지 않도록 하는 높이이다. 다른 실시형태에서, 측벽(52)의 높이는 일반적으로 뚜껑이 본 명세서에 기술된 바와 같이 수지의 어떤 표면과도 접촉하지 않도록 한다. 원하는 위치에 배치될 때, 뚜껑(82)은 용접(예를 들어, 저항 용접, 레이저 용접 등), 솔더링 등과 같은 공지된 기술을 사용하여 측벽(52)에 밀봉될 수 있다.

패키지, 특히 측벽(52) 및 베이스(56)를 형성하기 위해 임의의 다양한 상이한 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들 재료는 금속, 플라스틱, 세라믹 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 측벽 및/또는 베이스는 세라믹 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 세라믹 재료는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 유리 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 측벽 및/또는 베이스는 금속의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 금속은 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 강(예: 스테인리스), 이들의 합금(예: 전기 전도성 산화물), 이들의 복합물(예: 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속), 기타 등등을 포함할 수 있다.

울트라커패시터를 패키지에, 특히 전극 조립체를 패키지에 기계적으로 안정되게 부착하기 위해, 패키지(50)의 내부 공동(58) 내부에 제1 전도성 부재(60)와 제2 전도성 부재(62)가 배치된다. 특히, 제1 전도성 부재(60) 및 제2 전도성 부재(62)는 베이스(56)의 내부 표면(56a) 상에 배치되고, 베이스(56)에 대체로 평행한 평면에서 연장된다. 울트라커패시터는 마찬가지로 울트라커패시터로부터 바깥쪽으로 연장하고, 제1 및 제2 도전성 부재(60, 62)에 각각 전기적으로 연결된 제1 ㅁ및 제2 리드를 포함한다. 제1 및 제2 전도성 부재(60, 62)는 궁극적으로 도 1c에 도시된 바와 같이 베이스(56)의 외부 표면(56b)에 제공된 제1 및 제2 외부 단자(84, 86)에 각각 전기적으로 연결된다.

전도성 부재는 임의의 형태(예를 들어, 패드, 플레이트, 프레임 등)로 제공될 수 있지만, 일반적으로 상대적으로 얇은 두께를 갖는다. 예를 들어, 전도성 부재의 두께는 약 0.05 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.1 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.2 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.5 ㎜ 이상 내지 약 1 ㎜ 이하, 예컨대 약 0.5 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.4 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.2 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.1 ㎜ 이하의 범위일 수 있다. 전도성 부재는 전형적으로 니켈, 은, 금, 주석, 구리 등과 같은 금속의 하나 이상의 층으로 형성된다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 전도성 부재(60, 62)는 베이스(56)의 내부 표면(56a)의 대향 단부들에 위치된다. 이와 관련하여, 이러한 구성은 대향 단부들에 단자 또는 리드를 갖는 울트라커패시터를 수용하는 데 유리할 수 있다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 부재(60, 62)는 베이스(56)의 내부 표면(56a)의 동일한 단부에 위치할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 이러한 구성은 동일 단부에 단자 또는 리드를 갖는 울트라커패시터를 수용하는 데에 유리할 수 있다.

구성에 상관없이, 제1 및 제2 전도성 부재(60, 62)는 각각 베이스(56)의 외부 표면(56b)에 제공되고 일반적으로 베이스(56)에 평행한 평면에서 연장되는 제1 및 제2 외부 단자(84, 86)에 전기적으로 연결된다. 단자(termination)(84, 86)는 임의의 형태(예를 들어, 패드, 플레이트, 프레임 등)로 제공될 수 있지만, 일반적으로 회로 기판에 표면 실장되는 능력을 향상시키기 위해 비교적 작은 두께를 갖는다. 예를 들어, 단자의 두께는 약 0.05 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.1 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.2 ㎜ 이상, 예컨대 약 0.5 ㎜ 이상 내지 약 1 ㎜ 이하, 예컨대 약 0.5 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.4 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.2 ㎜ 이하, 예를 들어 약 0.1 ㎜ 이하의 범위일 수 있다.

단자는 일반적으로 니켈, 은, 금, 주석, 구리 등과 같은 금속의 하나 이상의 층으로 형성된다. 원하는 경우 단자의 표면은 최종 파트가 회로 기판에 장착될 수 있음을 보장하기 위해 당업계에 공지된 바와 같이 니켈, 은, 금, 주석 등으로 전기 도금될 수 있다. 하나의 특정 실시형태에서, 단자(들)는 니켈 및 은 플래시로 각각 증착되고, 장착 표면은 또한 주석 땜납 층으로 도금된다. 다른 실시형태에서, 단자(들)는 전도성을 추가로 증가시키기 위해 베이스 금속층(예를 들어, 구리 합금) 상에 얇은 외부 금속층(예를 들어, 금)으로 증착된다.

제1 및 제2 외부 단자(84, 86)가 형성되는 방식에 관계없이, 제1 및 제2 외부 단자(84, 86)는 각각 제1 및 제2 도전성 부재(60, 62)와 전기적으로 연결되어 전극 조립체와 원하는 연결을 제공한다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 전도성 부재(60, 62)는 외부 단자(84, 86)를 형성하기 위해 단순히 베이스(56)를 통해 연장될 수 있다. 대안적으로, 별개의 전도성 트레이스(미도시)가 베이스(56)를 통해 연장하고, 제1 외부 단자(84)를 형성하거나 또는 외부 단자(84) 역할을 하는 추가의 전도성 부재에 연결되는 제1 전도성 부재(62)에 부착될 수 있다. 유사하게, 제2 전도성 부재(62)는 베이스(56)를 통해 연장되어 외부 단자(86)를 형성하거나, 별도의 전도성 트레이스(미도시)가 베이스(56)를 통해 연장되고 단자(86)를 형성하거나 단자(86) 역할을 하는 추가 전도성 부재에 연결되는 제2 전도성 부재(62)에 부착될 수 있다. 트레이스들이 사용될 때, 트레이스를 수용하기 위해 베이스(56) 내에 비아(미도시)가 형성될 수 있다.

전도성 부재와 외부 단자가 전기적으로 연결되는 방식은 당업계에 공지된 바와 같이 다양할 수 있다. 특정 실시형태에서, 예를 들어 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접 등과 같은 용접 기술이 사용될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 전도성 부재를 각각의 단자에 연결하기 위해 전도성 접착제가 사용될 수 있다.

전도성 접착제가 사용되는 경우, 전도성 접착제는 일반적으로 전기 전도성 재료(예: 금속)로 형성된 복수의 입자를 포함한다. 적합한 전도성 재료의 예는 예를 들어 니켈, 구리, 금, 은, 은 코팅된 구리, 은 코팅된 니켈 등과 같은 금속, 흑연, 니켈 코팅된 탄소 등과 같은 탄소 물질; 기타 등등을 포함할 수 있다. 전도성 접착제는 또한 일반적으로 전도성 입자가 분산된 수지 재료를 포함한다. 임의의 수지 물질이 사용될 수 있지만, 일반적으로 에폭시 수지, 멜라민 수지, 말레이미드 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지 등과 같은 경화성 열경화성 수지인 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지가 특히 적합하다. 적합한 에폭시 수지의 예는 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 오르토크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 에폭시 수지 및 비페닐형 에폭시 수지와 같은 글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 페놀 아르알킬형 에폭시 수지, 시클로펜타디엔형 에폭시 수지, 복소환식 에폭시 수지 등과 같은 글리시딜 에테르형 에폭시 수지를 포함한다. 여전히 다른 적당한 전도성 접착제 수지는 또한 미국 특허 출원 공개 번호 2006/0038304(Osako, et al.) 및 US Pat. Chacko의 7,554,793호(Chacko)에 기재되어 있을 수 있다. 전형적으로, 수지 물질은 접착제 건조 중량의 약 0.5 중량% 내지 약 50 중량%, 일부 실시형태에서 약 1 중량% 내지 약 25 중량%, 일부 실시형태에서는 약 2 중량% 내지 약 20 중량%를 구성한다. 마찬가지로, 전도성 입자는 일반적으로 건조 중량을 기준으로 접착제의 약 50 중량% 내지 약 99.5 중량%, 일부 실시형태에서 약 75 중량% 내지 약 99 중량%, 일부 실시형태에서는 약 80 중량% 내지 약 98 중량%를 구성한다. 접착제는 스크린 인쇄, 침지, 전기영동 코팅, 전자 빔 증착, 스프레이, 롤러 압착, 브러싱, 닥터 블레이드 캐스팅, 진공 증착, 코팅 등과 같은 공지된 기술을 사용하여 적용될 수 있다. 어쨋든 일단 전도성 접착제가 적용되면, 전도성 접착제는 열 경화, 화학 방사선 경화(예를 들어, 자외선, e-빔 방사선, 적외선 방사선 등) 등과 같은 임의의 다양한 공지 기술을 사용하여 경화될 수 있다.

전극 조립체(electrode assembly)

일반적으로 울트라커패시터는 제1 전극, 제2 전극 및 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체를 포함한다. 예를 들어, 제1 전극은 전형적으로 제1 전류 컬렉터에 전기적으로 결합된 제1 탄소질 코팅(예를 들어, 활성탄(activated carbon) 입자)을 포함하는 제1 전극을 포함하고, 제2 전극은 전형적으로 제2 전류 컬렉터에 전기적으로 결합된 제2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성탄 입자)을 포함한다. 제1 전극과 제2 전극 사이에 세퍼레이터가 위치할 수도 있다. 또한, 울트라커패시터는 각각 제1 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 리드를 포함한다.

아래에서 이러한 조립체의 다양한 실시형태를 더 자세히 설명한다.

전극(electrode)

상술한 바와 같이, 울트라커패시터는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 전극조립체를 포함한다. 전극 조립체 내에 사용되는 전극들은 일반적으로 전류 컬렉터를 포함한다. 전류 컬렉터는 동일한 재료나 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 각각의 전극의 전류 컬렉터는 동일한 재료로 형성된다. 그럼에도 불구하고, 각 컬렉터는 일반적으로 알루미늄, 스테인리스강, 니켈, 은, 팔라듐 등과 같은 전도성 금속 및 이들의 합금을 포함하는 기판으로 형성된다. 본 발명에 사용하기에는 알루미늄 및 알루미늄 합금이 특히 적합하다.

전류 컬렉터 기판은 포일, 시트, 플레이트, 메쉬 등의 형태일 수 있다. 기판은 또한 예를 들어 약 200 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 150 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 100 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 80 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 50 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 40 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 30 마이크로미터 이하의 상대적으로 작은 두께를 갖는다. 기판은 약 1 마이크로미터 이상, 예컨대 약 5 마이크로미터 이상, 예컨대 약 10 마이크로미터 이상, 예컨대 약 20 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다.

반드시 필요한 것은 아니지만, 기판의 표면이 표면 처리될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 표면은 세척, 에칭, 블라스팅 등에 의해 조면화(粗面化)될 수 있다. 특정 실시형태에서, 전류 컬렉터는 기판으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 복수의 섬유-형 휘스커(whisker)를 함유할 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 이러한 휘스커는 전류 컬렉터의 표면적을 효과적으로 증가시킬 수 있고 또한 대응하는 전극에 대한 전류 컬렉터의 접착력을 향상시킬 수 있다고 여겨진다. 이것은 제1 전극 및/또는 제2 전극에서 상대적으로 적은 양의 바인더를 사용할 수 있게 하며, 이는 전하 이동을 개선하고 계면 저항을 감소시킬 수 있으며 결과적으로 매우 낮은 ESR 값을 초래할 수 있다. 휘스커는 전형적으로 탄소 및/또는 탄소와 전도성 금속의 반응 생성물을 함유하는 재료로부터 형성된다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 재료는 알루미늄 탄화물(Al₄C₃)과 같은 전도성 금속 탄화물을 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 예를 들어, 도 7에는 기판(1)으로부터 외부로 돌출하는 복수의 휘스커(21)를 포함하는 전류 컬렉터의 일 실시형태가 도시되어 있다. 원하는 경우, 휘스커(21)는 선택적으로 기판(1) 내에 매립된 시드부(3)으로부터 돌출할 수 있다. 휘스커(21)와 유사하게, 시드부(3)는 탄소 및/또는 탄소와 전도성 금속의 반응 생성물, 예를 들어 전도성 금속의 탄화물(예를 들어, 알루미늄 탄화물)을 포함하는 재료로 형성될 수도 있다. 또한, 도 8은 본 명세서에 기재된 바와 같은 탄소질 코팅(22)과 함께 기판(1)으로부터 외부로 돌출하는 복수의 휘스커(21)를 갖는 전술한 전류 컬렉터를 포함하는 전극을 예시한다.

그러한 휘스커가 기판 상에 형성되는 방식은 원하는 대로 변경될 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 기판의 전도성 금속은 탄화수소 화합물과 반응한다. 이러한 탄화수소 화합물은 예를 들어 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 펜탄 등과 같은 파라핀 탄화수소 화합물; 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 부타디엔 같은 올레핀 탄화수소 화합물; 아세틸렌과 같은 아세틸렌 탄화수소 화합물; 뿐만 아니라 전술한 것의 파생물 또는 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 탄화수소 화합물은 반응하는 동안 기체 형태인 것이 바람직하다. 따라서, 가열될 때 기체 형태인 메탄, 에탄 및 프로판과 같은 탄화수소 화합물을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 반드시 필요한 것은 아니지만, 탄화수소 화합물은 일반적으로 기판 100 중량부를 기준으로 약 0.1 내지 약 50 중량부, 일부 실시형태에서는 약 0.5 내지 약 30 중량부의 범위로 사용된다. 탄화수소와 전도성 금속의 반응을 개시하기 위해, 기판은 일반적으로 약 300℃ 이상, 일부 실시형태에서는 약 400℃ 이상, 일부 실시형태에서는 약 500℃ 내지 약 650℃ 온도인 분위기에서 가열된다. 가열 시간은 선택된 정확한 온도에 따라 다르지만 일반적으로 약 1 시간에서 약 100 시간 범위이다. 분위기는 일반적으로 기판 표면에 유전체 필름의 형성을 최소화하기 위해 상대적으로 적은 양의 산소를 포함한다. 예를 들어, 분위기 중의 산소 함량은 약 1 부피% 이하일 수 있다.

울트라커패시터에 사용되는 전극은 또한 전류 컬렉터의 대향 측면들에 코팅된 탄소질 재료를 포함한다. 이들은 동일하거나 상이한 유형의 재료로부터 형성될 수 있고, 하나 이상의 층을 포함할 수 있는데, 각각의 탄소질 코팅은 일반적으로 활성화된 입자를 포함하는 하나 이상의 층을 포함한다. 특정 실시형태에서, 예를 들어, 활성 탄소 층이 전류 컬렉터 위에 바로 위치할 수 있고, 선택적으로 탄소질 코팅의 유일한 층일 수 있다. 적당한 활성 탄소 입자의 예는 예를 들어 코코넛 껍질 기반 활성 탄소, 석유 코크스 기반 활성 탄소, 피치 기반 활성 탄소, 폴리염화비닐리덴 기반 활성 탄소, 페놀 수지 기반 활성 탄소, 폴리아크릴로니트릴 기반 활성 탄소, 석탄, 목탄 또는 기타 천연 유기 공급원과 같은 천연 공급원의 활성 탄소를 포함할 수 있다.

특정 실시형태에서, 하나 이상의 충전-방전 사이클을 겪은 후에 특정 유형의 전해질에 대한 이온 이동성을 개선하는 데 도움을 주기 위해, 활성 탄소 입자의 특정 측면, 예를 들어 활성 탄소 입자의 입자 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포를 선택적으로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자의 적어도 50 부피%(D50 크기)는 약 0.01 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 0.1 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 0.5 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 1 마이크로미터 이상 내지 약 30 마이크로미터 이하, 예컨대 약 25 마이크로미터 이하, 예컨대 약 20 마이크로미터 이하, 예컨대 약 15 마이크로미터 이하, 예컨대 약 10 마이크로미터 이하의 크기를 가질 수 있다. 입자의 적어도 90 부피%(D90 크기)는 마찬가지로 약 2 마이크로미터 이상, 예컨대 약 5 마이크로미터 이상, 예컨대 약 6 마이크로미터 이상 내지 약 40 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 30 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 20 마이크로미터 이하, 예를 들어 약 15 마이크로미터 이하의 크기를 가질 수 있다. BET 표면은 또한 약 900 ㎡/g 이상, 예컨대 약 1,000 ㎡/g 이상, 예컨대 약 1,100 ㎡/g 이상, 예컨대 약 1,200 ㎡/g 이상 내지 약 3,000 ㎡/g 이하, 예컨대 약 2,500 ㎡/g 이하, 예컨대 약 2,000 ㎡/g 이하, 예컨대 약 1,800 ㎡/g 이하, 예컨대 약 1,500 ㎡/g 이하의 범위에 있을 수 있다.

특정 크기 및 표면적을 갖는 것 외에, 활성 탄소 입자는 또한 특정 크기 분포를 갖는 기공을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 약 2 나노미터 미만인 기공(즉, "마이크로기공(micropore)")의 양은 총 기공 부피의 약 50 부피% 이하, 예를 들어 약 40 부피% 이하, 예를 들어 약 30 부피% 이하, 예컨대 약 20 부피% 이하, 예컨대 약 15 부피% 이하, 예컨대 약 10 부피% 이하, 예컨대 약 5 부피% 이하의 기공 부피를 제공할 수 있다. 크기가 약 2 나노미터 미만인 기공(즉, "마이크로기공")의 양은 전체 기공 부피의 약 0 부피% 이상, 예를 들어 약 0.1 부피% 이상, 예를 들어 약 0.5 부피% 이상, 예를 들어 약 1 부피% 이상의 기공 부피를 제공할 수 있다. 크기가 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터 사이인 기공(즉, "메조기공(mesopore)")의 양은 마찬가지로 총 기공 부피의 약 20 부피% 이상, 예를 들어 약 25 부피% 이상, 예를 들어 약 30 부피% 이상, 예를 들어 약 35 부피% 이상, 예를 들어 약 40 부피% 이상, 예를 들어 약 50 부피% 이상일 수 있다. 크기가 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터인 기공(즉, "메조기공")의 양은 전체 기공 부피의 약 90 부피% 이하, 예를 들어 약 80 부피% 이하, 예를 들어 약 75 부피% 이하, 예를 들어 약 65 부피% 이하, 예를 들어 약 55 부피% 이하, 예를 들어 약 50 부피% 이하일 수 있다. 마지막으로, 크기가 약 50 나노미터보다 큰 기공(즉, "매크로기공(macropore)")의 양은 총 기공 부피의 약 1 부피% 이상, 예를 들어 약 5 부피% 이상, 예를 들어 약 10 부피% 이상, 예를 들어 약 15 부피% 이상일 수 있다. 크기가 약 50 나노미터보다 큰 기공(즉, "매크로기공")의 양은 전체 기공 부피의 약 50 부피% 이하, 예를 들어 약 40 부피% 이하, 예를 들어 약 35 부피% 이하, 예를 들어 약 30 부피% 이하, 예를 들어 약 25 부피% 이하일 수 있다. 탄소 입자의 총 기공 부피는 약 0.2 ㎤/g 이상, 예를 들어 약 0.4 ㎤/g 이상, 예를 들어 약 0.5 ㎤/g 이상 내지 약 1.5 ㎤/g 이하, 예컨대 약 1.3 ㎤/g 이하, 예컨대 약 1.0 ㎤/g 이하, 예컨대 약 0.8 ㎤/g 이하의 범위에 있을 수 있다. 중간값 기공 폭은 약 8 나노미터 이하, 예를 들어 약 5 나노미터 이하, 예를 들어 약 4 나노미터 이하일 수 있다. 중간값 기공 폭은 약 2 나노미터 이상과 같이 약 1 나노미터 이상일 수 있다. 기공 크기 및 총 기공 부피는 당업계에 잘 알려진 바와 같이 질소 흡착을 사용하여 측정할 수 있고, Barrett-Joyner-Halenda("BJH") 기술로 분석할 수 있다.

본 발명의 하나의 독특한 측면은 전극이 울트라커패시터 전극에 통상적으로 사용되는 상당한 양의 결합제(binder)를 함유할 필요가 없다는 것이다. 즉, 결합제는 탄소질 코팅에서 탄소 100 파트 당 약 60 파트 이하, 예컨대 약 40 파트 이하, 예컨대 약 30 파트 이하, 예컨대 약 25 파트 이하, 예컨대 약 20 파트 이하 내지 약 1 파트 이상, 예컨대 약 5 파트 이상의 양으로 존재할 수 있다. 결합제는 예를 들어 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15 중량% 이하, 예를 들어 약 10 중량% 이하, 예를 들어 약 8 중량% 이하, 예를 들어 약 5 중량% 이하, 예를 들어 약 4 중량% 이하를 구성할 수 있다. 결합제는 탄소질 코팅의 총 중량의 약 0.1 중량% 이상, 예컨대 약 0.5 중량% 이상, 예컨대 약 1 중량% 이상을 구성할 수 있다.

그럼에도 불구하고 결합제가 사용되는 경우, 다양한 적절한 결합제 중 임의의 것을 전극에 사용할 수 있다. 예를 들어, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리비닐 아세테이트 호모중합체, 비닐-아세테이트 에틸렌 공중합체, 비닐-아세테이트 아크릴 공중합체, 에틸렌-염화비닐 공중합체, 에틸렌-염화비닐-비닐 아세테이트 삼원공중합체, 아크릴 폴리비닐 클로라이드 중합체, 아크릴 중합체, 니트릴 중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 플루오로중합체, 폴리올레핀 등 뿐만 아니라 이들의 혼합물과 같은 불수용성 유기 결합제가 특정 구현예에서 사용될 수 있다. 다당류 및 이의 유도체와 같은 수용성 유기 결합제가 또한 사용될 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 다당류는 비이온성 셀룰로오스 에테르, 예컨대 알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로오스 및 에틸 셀룰로오스); 히드록시알킬셀룰로오스 에테르류(예를 들면, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시프로필히드록시부틸셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시부틸셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필히드록시부틸셀룰로오스 등); 알킬 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 메틸 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스 및 메틸 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스); 카르복시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스); 등 뿐만 아니라 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스와 같은 전술한 것의 양성자화된 염일 수 있다.

원한다면, 탄소질 재료의 활성 탄소 층 내에 다른 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서, 전기 전도도를 추가로 증가시키기 위해 전도도 촉진제(conductivity promoter)가 사용될 수 있다. 예시적인 전도성 촉진제는 예를 들어 카본 블랙, 흑연(천연 또는 인공), 흑연, 탄소 나노튜브, 나노와이어 또는 나노튜브, 금속 섬유, 그래핀 등 뿐만 아니라 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 카본 블랙이 일 실시형태에서 특히 적합하다. 다른 실시형태에서, 탄소 나노튜브가 특히 적합하다. 사용되는 경우, 전도도 촉진제는 전형적으로 탄소질 코팅 내 탄소 100 파트 당 약 60 파트 이하, 예를 들어 약 40 파트 이하, 예를 들어 약 30 파트 이하, 예를 들어 약 25 파트 이하, 예를 들어 약 20 파트 이하 내지 약 1 파트 이상, 예를 들어 약 5 파트 이상을 구성한다. 전도도 촉진제는 예를 들어 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15 중량% 이하, 예를 들어 약 10 중량% 이하, 예를 들어 약 8 중량% 이하, 예를 들어 약 5 중량% 이하, 예를 들어 약 4 중량% 이하를 구성할 수 있다. 전도도 촉진제는 탄소질 코팅의 총 중량의 약 0.1 중량% 이상, 예를 들어 약 0.5 중량% 이상, 예를 들어 약 1 중량% 이상을 구성할 수 있다. 한편, 활성 탄소 입자는 마찬가지로 전형적으로 탄소질 코팅의 총 중량의 85 중량% 이상, 예컨대 약 90 중량% 이상, 예컨대 약 95 중량% 이상, 예컨대 약 97 중량% 이상을 구성한다. 활성 탄소 입자는 탄소질 코팅의 총 중량의 100 중량% 미만, 예를 들어 약 99.5 중량% 이하, 예를 들어 약 99 중량% 이하, 예를 들어 약 98 중량% 이하를 구성할 수 있다.

탄소질 재료가 전류 컬렉터의 측면에 피복되는 특정 방식은 인쇄(예를 들어, 윤전 그라비어(rotogravure)), 분무, 슬롯-다이 코팅, 드롭 코팅, 침지-코팅 등과 같이 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 다양할 수 있다. 탄소질 재료가 적용되는 방식에 관계없이, 생성된 전극은 전형적으로 약 100℃ 이상의 온도, 일부 실시형태에서는 약 200℃의 온도, 일부 실시형태에서는 약 300℃ 내지 약 500℃에서와 같은 온도에서 건조되어 코팅으로부터 수분을 제거한다. 전극은 또한 울트라커패시터의 체적 효율을 최적화하기 위해 압축(예를 들어, 캘린더링)될 수 있다. 선택적인 압축 후, 각 탄소질 코팅의 두께는 일반적으로 울트라커패시터의 원하는 전기적 성능 및 작동 범위에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 전형적인 코팅의 두께는 약 20 내지 약 200 마이크로미터, 30 내지 약 150 마이크로미터, 일부 실시형태에서는 약 40 내지 약 100 마이크로미터이다. 코팅은 전류 컬렉터의 한 면 또는 양 면에 존재할 수 있다. 여하튼, 전체 전극의 두께(선택적인 압축 후 전류 컬렉터 및 탄소질 코팅(들) 포함)는 일반적으로 약 20 내지 약 350 마이크로미터, 일부 실시형태에서는 약 30 내지 약 300 마이크로미터의 범위, 일부 실시형태에서는, 약 50 내지 약 250 마이크로미터의 범위에 있다.

세퍼레이터(separator)

상술한 바와 같이, 전극 조립체는 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 세퍼레이터는 한 전극을 다른 전극과 전기적으로 분리하여 전기적 단락을 방지하는 데 도움이 되지만, 두 전극 사이에서 이온 수송은 여전히 허용할 수 있다. 특정 실시형태에서, 예를 들어, 셀룰로오스 섬유질 재료(예를 들어, 에어레이드 페이퍼 웹, 습식 페이퍼 웹 등), 부직포 섬유질 재료(예를 들어, 폴리올레핀 부직포 웹), 직물, 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 세퍼레이터가 사용될 수 있다. 천연 섬유, 합성 섬유 등을 포함하는 것들과 같은 셀룰로오스 섬유 재료가 울트라커패시터에 사용하기에 특히 적합하다. 세퍼레이터에 사용하기에 적합한 셀룰로오스 섬유의 특정 예는 예를 들어, 활엽수 펄프 섬유, 침엽수 펄프 섬유, 레이온 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유 등을 포함할 수 있다.

사용된 특정 재료에 관계없이, 세퍼레이터의 두께는 전형적으로 약 100 마이크로미터 이하, 약 80 마이크로미터 이하, 약 50 마이크로미터 이하, 약 40 마이크로미터, 약 30 마이크로미터 이하와 같이 약 150 마이크로미터 이하이다. 세퍼레이터는 약 1 마이크로미터 이상, 예컨대 약 5 마이크로미터 이상, 예컨대 약 10 마이크로미터 이상, 예컨대 약 20 마이크로미터 이상의 두께를 가질 수 있다.

비수성 전해질(nonaqueous electrolyte)

또한, 울트라커패시터는 하우징 내에 채용되는 전해질을 포함할 수도 있다. 전해질은 일반적으로 전반적으로 비수성이므로 적어도 하나의 비수성 용매를 함유한다. 울트라커패시터의 작동 온도 범위를 확장하는 것을 돕기 위해, 일반적으로 비수성 용매는 약 150℃ 이상, 일부 실시형태에서는 약 200℃ 이상, 일부 실시형태에서는 약 220℃ 내지 약 300℃의 상대적으로 고온의 끓는점을 갖는 것이 바람직하다. 특히 적합한 고온의 끓는점 용매는 예를 들어 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 부틸렌 탄산염, 비닐렌 탄산염 등과 같은 환형 탄산염 용매를 포함할 수 있다. 프로필렌 탄산염은 높은 전기 전도성 및 분해 전압과 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있는 능력으로 인해 특히 적합하다. 물론, 다른 비수성 용매를 단독으로 또는 환형 탄산염 용매와 조합하여 사용할 수도 있다. 그러한 용매의 예는 예를 들어 개방 사슬 탄산염(예: 디메틸 탄산염, 에틸 메틸 탄산염, 디에틸 탄산염 등), 지방족 모노카복실레이트(예: 메틸 아세테이트, 메틸 프로피오네이트 등), 락톤 용매(예:, 부티로락톤 발레로락톤 등), 니트릴류(예: 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴 등), 아미드류(예: N,N-디메틸포름아미드, N,N-디에틸아세트아미드, N-메틸피롤리디논), 알칸 (예를 들어, 니트로메탄, 니트로에탄 등), 황 화합물 (예를 들어, 술포란, 디메틸 술폭시드 등); 기타 등등을 포함할 수 있다.

전해질은 또한 비수성 용매에 용해될 수 있는 적어도 하나의 이온성 액체를 함유한다. 이온성 액체의 농도는 변할 수 있지만, 일반적으로 이온성 액체가 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 약 0.8몰(M) 이상, 일부 실시형태에서는 약 1.0M 이상, 예를 들어 약 1.2M 이상, 예를 들어 약 1.3M 이상, 예를 들어 약 1.5M 이상으로 존재할 수 있다. 이온성 액체는 약 2.0M 이하, 예를 들어 약 1.8M 이하, 예를 들어 약 1.5M 이하, 예를 들어 약 1.4M 이하, 예를 들어 약 1.3M 이하의 양으로 존재할 수 있다.

이온성 액체는 일반적으로 약 400℃ 이하, 일부 실시형태에서는 약 350℃ 이하, 일부 실시형태에서는 약 1℃ 내지 약 100℃, 및 일부에서는 실시형태에서, 약 5℃ 내지 약 50℃의 상대적으로 낮은 용융 온도를 갖는 염(salt)이다. 염은 양이온 종과 카운터이온을 포함한다. 양이온 종은 "양이온 중심(cationic center)"으로서 적어도 하나의 헤테로원자(예를 들어, 질소 또는 인)를 갖는 화합물을 함유한다. 이러한 헤테로원자 화합물의 예는 예를 들어, 비치환 또는 치환된 유기4차 암모늄 화합물, 예컨대 암모늄(예를 들어, 트리메틸암모늄, 테트라에틸암모늄 등), 피리디늄, 피리다지늄, 피라디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 퀴놀리늄을 포함한다. 피페리디늄, 피롤리디늄, 2개 이상의 고리가 스피로 원자(예: 탄소, 헤테로원자 등)에 의해 함께 연결된 4차 암모늄 스피로 화합물, 4차 암모늄 융합 고리 구조(예: 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄 등) 등을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시형태에서, 예를 들어, 양이온성 종은 N-스피로바이사이클릭 화합물, 예를 들어 사이클릭 고리를 갖는 대칭 또는 비대칭 N-스피로바이사이클릭 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 한 예는 다음 구조를 갖는다.

여기서 m 및 n은 독립적으로 3 내지 7, 일부 실시형태에서는 4 내지 5(예를 들어, 피롤리디늄 또는 피페리디늄)의 수이다.

양이온 종에 적합한 카운터이온은 마찬가지로 할로겐(예를 들어, 클로라이드, 브로마이드, 요오다이드 등); 설페이트 또는 설포네이트(예를 들어, 메틸 설페이트, 에틸 설페이트, 부틸 설페이트, 헥실 설페이트, 옥틸 설페이트, 수소 설페이트, 메탄 설포네이트, 도데실벤젠 설포네이트, 도데실 설페이트, 트리플루오로메탄 설포네이트, 헵타데카플루오로옥탄설포네이트, 나트륨 도데실에톡시설페이트 등); 설포숙시네이트; 아미드(예를 들어, 디시안아미드); 이미드(예를 들어, 비스( 펜타플루오로에틸-술포닐 )이미드, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸)이미드 등); 보레이트(예를 들어, 테트라플루오로보레이트, 테트라시아노보레이트, 비스[옥살라토]보레이트, 비스[살리실라토]보레이트 등); 포스페이트 또는 포스피네이트(예를 들어, 헥사플루오로포스페이트, 디에틸포스페이트, 비스(펜타플루오로에틸)포스피네이트, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 트리스(노나플루오로부틸)트리플루오로포스페이트 등); 안티모네이트(예를 들어, 헥사플루오로안티모네이트); 알루미네이트(예를 들어, 테트라클로로알루미네이트); 지방산 카르복실레이트(예를 들어, 올레이트, 이소스테아레이트, 펜타데카플루오로옥타노에이트 등); 시안산염; 아세테이트; 등등 뿐만 아니라 전술한 것들의 조합을 포함할 수 있다.

적합한 이온성 액체의 여러 예는 예를 들어 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 요오다이드, 트리에틸메틸 암모늄 요오다이드, 테트라에틸 암모늄을 포함할 수 있다. 요오드화물, 메틸트리에틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄헥사플루오로포스페이트 등을 포함할 수 있다.

하우징(housing)

본 발명의 울트라커패시터는 내부에 전극 조립체 및 전해질이 유지되는 하우징을 사용한다. 컴포넌트들이 하우징에 삽입되는 방식은 당업계에 알려진 바와 같이 다양할 수 있다. 예를 들어, 전극 및 세퍼레이터는 초기에 접히거나, 감기거나, 그렇지 않으면 함께 접촉하여 전극 조립체를 형성할 수 있다. 전해질은 선택적으로 어셈블리의 전극에 담길 수 있다. 하나의 특정 실시형태에서, 전극, 세퍼레이터 및 선택적인 전해질은 "젤리-롤" 구성을 갖는 전극 조립체로 권취될 수 있다. 도 9를 참조하면, 예를 들어, 제1 전극(1102), 제2 전극(1104), 및 전극들(1102, 1104) 사이에 위치한 세퍼레이터(1106)를 포함하는 이러한 젤리롤 전극 조립체(1100)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 이러한 특정 실시형태에서, 전극 조립체(1100)는 또한 제2 전극(1104) 위에 위치하는 또 다른 세퍼레이터(1108)를 포함한다. 이러한 방식으로, 전극의 2개의 코팅된 표면 각각은 세퍼레이터에 의해 분리되어, 단위 부피당 표면적 및 커패시턴스를 최대화한다. 반드시 필요한 것은 아니지만, 전극(1102, 1104)들은 제1 및 제2 분리기(1106, 1108) 각각의 제1 및 제2 에지를 넘어 연장되는 각각의 접촉 에지를 남기도록 이 실시형태에서 오프셋된다. 무엇보다도 이것은 전극들 사이의 전류 흐름으로 인한 "단락(shorting)"을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나, 다른 구성이 또한 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 전극, 세퍼레이터 및 선택적인 전해질은 라미나 구조(laminar configuration)를 갖는 전극 조립체로서 제공될 수 있다.

본 명세서에 나타낸 바와 같이, 컴포넌트들은 울트라커패시터의 하우징 내에 제공될 수 있고 선택적으로 밀봉될 수 있다. 하우징의 특성은 원하는 바에 따라 변경될 수 있다. 특정 실시형태에서, 예를 들어 하우징은 울트라커패시터의 컴포넌트를 둘러싸는 유연한 패키지 형태일 수 있다. 도 6을 참조하면, 예를 들어, 전극 조립체(102) 및 전해질(112)을 둘러싸는 가요성 패키지(103)를 포함하는 울트라커패시터(101)의 일 실시형태가 도시되어 있다. 전극 조립체(102)는 전극(105, 106) 및 서로 마주보는 구조로 적층되어 있으며, 대향하는 탭들(104)에 의해 서로 연결된 세퍼레이터(미도시)를 포함할 수 있다. 울트라커패시터(101)는 탭(104)과 각각 전기적으로 연결되는 제1 단자(105) 및 제2 단자(106)를 또한 포함한다. 특히, 전극(105, 106)은 패키지(103) 내부에 배치된 제1 단부(107, 108) 및 각각이 패키지(103) 외부에 배치된 제2 단부(109, 110)를 갖는다. 적층(stacking) 외에도, 전극 조립체는 원하는 임의의 다른 형태로 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 전극은 젤리 롤 구조로 함께 접히거나 감길 수 있다.

패키지(103)는 일반적으로 2개의 단부들(115, 116) 사이에서 연장하고, 에지들(117, 118, 119, 120)을 갖는 기판(114)을 포함한다. 단부들(115, 116) 및 중첩하는 양 사이드(119, 120)의 부분들은 (예를 들어, 열 용접에 의해) 서로에 대해 밀봉적으로 맞닿아 있다. 이러한 방식으로, 전해질(112)이 패키지(103) 내에 유지될 수 있다. 기판(114)의 두께는 일반적으로 약 20 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 50 마이크로미터 이상, 약 100 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 200 마이크로미터 이상, 예를 들어 약 1,000 마이크로미터 이하, 예컨대 약 800 마이크로미터 이하, 예컨대 약 600 마이크로미터 이하, 예컨대 약 400 마이크로미터 이하, 예컨대 약 200 마이크로미터 이하일 수 있다.

기판(114)은 원하는 수준의 장벽 특성을 달성하기 위해 1개 이상, 일부 실시형태에서는 2개 이상, 일부 실시형태에서는 2 내지 4개와 같이 원하는 임의의 수의 층을 포함할 수 있다. 일반적으로, 기판은 알루미늄, 니켈, 탄탈륨, 티타늄, 스테인리스강 등과 같은 금속을 포함할 수 있는 장벽 층을 포함한다. 이러한 장벽 층은 일반적으로 전해질을 통과시키지 않아 전해질이 누설되는 것을 방지하고, 물 및 기타 오염 물질을 통과시키지 않는다. 원한다면, 기판은 또한 패키지를 위한 보호 층 역할을 하는 외부 층을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 장벽 층은 외부 층과 전극 조립체 사이에 위치한다. 외부 층은 예를 들어 폴리올레핀(예를 들어, 에틸렌 공중합체, 프로필렌 공중합체, 프로필렌 동종중합체 등), 폴리에스테르 등으로 형성된 것과 같은 중합체 필름으로 형성될 수 있다. 특히 적합한 폴리에스테르 필름은 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등을 포함할 수 있다.

원한다면, 기판은 또한 전극 조립체와 장벽 층 사이에 위치하는 내부 층을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 내부 층은 열-밀봉가능 중합체를 함유할 수 있다. 적합한 열-밀봉가능 중합체는 예를 들어 염화비닐 중합체, 비닐 클로리딘 중합체, 이오노머 등 뿐만 아니라 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이오노머가 특히 적합하다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 이오노머는 α-올레핀 및 (메트)아크릴산 반복 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다. 특정 α-올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-디메틸-1-부텐; 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환체를 갖는 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 에틸, 메틸 또는 디메틸-치환된 1-데센; 1-도데센; 및 스티렌을 포함할 수 있다. 에틸렌이 특히 적합하다. 언급된 바와 같이, 공중합체는 또한 (메트)아크릴산 반복 단위일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "(메트)아크릴((meth)acrylic)"은 아크릴 및 메타크릴 모노머뿐만 아니라 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 모노머와 같은 이의 염 또는 에스테르를 포함한다. 이러한 (메트)아크릴 모노머의 예는 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-프로필 아크릴레이트, i-프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, s-부틸 아크릴레이트, i-부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-아밀 아크릴레이트를 포함할 수 있다., i-아밀 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 2-에틸부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, n-옥틸 아크릴레이트, n-데실 아크릴레이트, 메틸사이클로헥실 아크릴레이트, 사이클로펜틸 아크릴레이트, 사이클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 2 -히드록시에틸 메타크릴레이트, n-프로필 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, i-프로필 메타크릴레이트, i-부틸 메타크릴레이트, n-아밀 메타크릴레이트, n-헥실 메타크릴레이트, 아밀 메타크릴레이트, s-부틸-메타크릴레이트, t-부틸 메타크릴레이트, 2- 에틸부틸 메타크릴레이트, 메틸사이클로헥실 메타크릴레이트, 신나밀 메타크릴레이트, 크로틸 메타크릴레이트, 사이클로헥실 메타크릴레이트, 사이클로펜틸 메타크릴레이트, 2-에톡시에틸 메타크릴레이트, 이소보르닐 메타크릴레이트 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, α-올레핀/(메트)아크릴산 공중합체는 금속 이온으로 적어도 부분적으로 중화되어 이오노머를 형성한다. 적합한 금속 이온은 예를 들어 알칼리 금속(예: 리튬, 나트륨, 칼륨 등), 알칼리 토금속(예: 칼슘, 마그네슘 등), 전이 금속(예: 망간, 아연 등) 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 금속 이온은 금속 포르메이트, 아세테이트, 니트레이트, 카보네이트, 하이드로겐 카보네이트, 옥사이드, 하이드록사이드, 알콕사이드 등과 같은 이온성 화합물에 의해 제공될 수 있다.

전술한 바와 같은 가요성 패키지 외에, 다른 하우징 구성이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 하우징은 울트라커패시터의 컴포넌트들을 둘러싸는 용기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하우징은 탄탈륨, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 강(예: 스테인리스), 이들의 합금, 이들의 복합재(예를 들어, 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속) 등으로 형성된 금속 용기("캔")를 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용하기에는 알루미늄이 특히 적합하다. 금속 용기는 원통형, D-형상 등과 같이 다양한 형상일 수 있다. 원통형 용기가 특히 적합하다.

전극 조립체는 다양한 상이한 기술을 사용하여 원통형 하우징 내에 밀봉될 수 있다. 도 5에서, 전극 조립체(2108)를 포함하는 울트라커패시터의 일 실시형태가 도시되며, 이는 위에서 논의된 바와 같이 젤리롤 구성으로 함께 감긴 층(2106)을 포함한다. 이러한 특정 실시형태에서, 울트라커패시터는 디스크-형 부분(2134), 스터드 부분(2136) 및 파스너(2138)(예를 들어, 나사)를 포함하는 제1 컬렉터 디스크(2114)를 포함한다. 컬렉터 디스크(2114)는 전극 조립체의 중심에 형성된 중공 코어(2160)의 제1 단부와 정렬되고, 스터드 부분(2136)은 디스크-형 부분(2134)이 제1 접촉 에지(2110)에서 전극 조립체(2108)의 제1 단부에 대해 안착되도록 코어의 개구부에 삽입된다. 뚜껑(2118)은 제1 단자 포스트(2116)에 용접(예를 들어, 레이저 용접)되고, 예를 들어 나사산이 형성될 수 있는 소켓은 파스너(2144)에 체결된다. 울트라커패시터는 또한 디스크-형 부분(2142), 스터드 부분(2140) 및 제2 단자 포스트(2144)를 포함하는 제2 컬렉터 디스크(2120)를 포함한다. 제2 컬렉터 디스크(2120)는 중공 코어(2160)의 제2 단부와 정렬된다. 그리고 나서 스터드 부분(2140)이 코어의 개구부로 삽입되어 컬렉터 디스크 부분(2142)이 전극 조립체(2108)의 제2 단부에 대해 안착된다.

그 후, 금속 용기(2122)(예를 들어, 원통형 캔)가 전극 조립체(2108) 위로 미끄러져, 제2 컬렉터 디스크(2120)가 먼저 용기(2122)에 들어가고, 제1 절연 와셔(2124)를 통과하고, 용기(2122)의 단부에서 축방향 구멍을 통과한 후 제2 절연 와셔(2126)를 통과한다. 제2 컬렉터 디스크(2120)는 또한 플랫 와셔(2128) 및 스프링 와셔(2130)를 통과한다. 로크너트(2132)는 스프링 와셔(2130) 위에 조여져 스프링 와셔(2130)를 플랫 와셔(2128)에 대해 압축하고, 궁극적으로 제2 절연 와셔(2126)에 대해 압축된다. 제2 절연 와셔(2126)는 금속 용기(2122)의 축방향 구멍의 외주에 대해 압축되고, 제2 컬렉터 디스크(2120)가 이 압축력에 의해 축 방향을 구멍을 향해 드로잉 된다. 제1 절연 와셔(2124)는 제2 컬렉터 디스크(2120)와 용기(2122)의 축방향 구멍의 내주부 사이에서 압축된다. 제1 절연 와셔(2124) 상의 플랜지는 제2 컬렉터 디스크(2120)와 축방향 구멍의 림 사이의 전기적 접촉을 저해한다. 동시에, 뚜껑(2118)은 용기(2122)의 개구부로 인입되어 뚜껑(2118)의 림이 용기(2122)의 개구부의 립 바로 안쪽에 위치하도록 한다. 그런 다음, 뚜껑(2118)의 림이 용기(2122)의 개국부의 립에 용접된다.

로크너트(2132)가 스프링 와셔(2130)에 대해 조여지면, 축방향 구멍, 제1 절연 와셔(2124), 제2 절연 와셔(2126) 및 제2 컬렉터 디스크(2120) 사이에 밀폐 밀봉이 형성될 수 있다. 유사하게, 용기(2122)의 립에 대한 뚜껑(2118)의 용접과 제1 단자 포스트(2116)에 대한 뚜껑(2118)의 용접은 또 다른 밀봉을 형성할 수 있다. 뚜껑(2118)의 구멍(2146)은 위에서 설명한 전해질을 위한 충전 포트 역할을 하기 위해 열린 채로 남아 있을 수 있다. 일단 전해질이 캔에 들어가면(즉, 전술한 바와 같이 진공 상태에서 캔 안으로 끌어당겨짐), 부싱(2148)이 구멍(2146)에 삽입되고 구멍(2146)의 내부 가장자리에서 플랜지(2150)에 맞닿아 안착된다. 부싱(2148)은 예를 들어, 플러그(2152)를 수용하도록 만들어진 속이 빈 실린더 모양이어야 한다. 원통형 모양의 플러그(2152)는 부싱(2148)의 중심으로 가압되어 구멍(2146)의 내부에 대해 부싱(2148)을 압축하여, 구멍(2146), 부싱(2148) 및 플러그(2152) 사이에 기밀 밀봉을 형성한다. 플러그(2152) 및 부싱(2148)은 울트라커패시터 내에서 규정된 수준의 압력에 도달할 때 제거되도록 선택될 수 있고, 이에 의해 과압 안전 메커니즘을 형성한다.

전술한 실시형태는 일반적으로 울트라커패시터에서 단일 전극 조립체의 사용을 언급한다. 그러나, 본 발명의 커패시터는 또한 2개 이상의 전극 조립체를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 그러한 일 실시형태에서, 예를 들어, 울트라커패시터는 동일하거나 상이할 수 있는 2개 이상의 전극 조립체의 스택을 포함할 수 있다.

물성 및 응용(properties and application)

본 발명에 따라 이용되는 울트라커패시터는 특히 고온에 노출될 때 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 23℃의 온도, 120Hz의 주파수에서 전압이 인가되지 않은 상태에서 측정하였을 때, 울트라커패시터는 약 6 F/㎤이상, 일부 실시형태에서는 약 8 F/㎤이상, 일부 실시형태에서는 약 9 내지 약 100 F/㎤, 일부 실시형태에서는 약 10 내지 약 80 F/㎤의 정전용량(capacitance)을 나타낼 수 있다. 울트라커패시터는 또한 23℃의 온도, 1kHz의 주파수 및 인가된 전압 없이 측정하였을 때, 예를 들어 약 150 mohms 이하, 일부 실시형태에서는 약 125 mohms 미만, 일부 실시형태에서는 약 0.01 내지 약 100 mohms, 일부 실시형태에서는 약 0.05 내지 약 70mohms의 낮은 등가 직렬 저항("ESR")을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 생성된 울트라커패시터는 향상된 커패시턴스 및 ESR 값과 같은 다양한 유익한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 놀랍게도, 특히 울트라커패시터는 고온에 노출되어도 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터는 약 80 ℃ 이상, 일부 실시형태에서는 약 100℃ 내지 약 150℃, 일부 실시형태에서는 약 105℃ 내지 약 130℃(예: 85℃ 또는 105℃) 온도의 분위기와 접촉할 수 있다. 커패시턴스 및 ESR 값은 그러한 온도에서도 상당한 시간 동안, 예컨대 약 100시간 이상, 일부 실시형태에서는 약 300시간 내지 약 5000시간, 일부 실시형태에서는 약 600시간 내지 약 4500시간(예: 168, 336, 504, 672, 840, 1008, 1512, 2040, 3024 또는 4032시간) 동안 안정적일 수 있다.

일 실시형태에서, 예를 들어, 고온에 초기에 노출되었을 때의 울트라커패시터의 정전용량 값에 대한 1008시간 동안 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출된 후 울트라커패시터의 정전용량 값의 비율은 약 0.75 이상, 일부 실시형태에서는 약 0.8 내지 1.0, 일부 실시형태에서는 약 0.85 내지 1.0이다. 이러한 높은 커패시턴스 값은 전압이 인가될 때 및/또는 습한 대기와 같은 다양한 극한 조건에서도 유지될 수 있다. 예를 들어, 전압이 인가되기 전에 고온 분위기에 노출된 울트라커패시터의 초기 정전용량 값에 대한 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되고, 전압이 인가된 후 울트라커패시터의 정전용량 값의 비율은 약 0.60 이상, 일부 실시형태에서는 약 0.65 내지 1.0, 일부 실시형태에서는 약 0.7 내지 1.0일 수 있다. 전압은 예를 들어 약 1볼트 이상, 일부 실시형태에서는 약 1.5볼트 이상, 일부 실시형태에서는 약 2 내지 약 10볼트(예를 들어, 2.1볼트)일 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 상기 언급된 비율은 1008시간 이상 동안 유지될 수 있다. 울트라커패시터는 또한 상대 습도가 약 40% 이상, 일부 실시형태에서는 약 45% 이상, 일부 실시형태에서는 약 50% 이상, 일부 실시형태에서는 약 70% 이상(예를 들어, 약 85% 내지 100%)인 분위기와 접촉할 때와 같이 습도가 높은 레벨에 노출될 때에도 전술한 커패시턴스 값을 유지할 수 있다. 예를 들어, 상대 습도는 ASTM E337-02, 방법 A(2007)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 높은 습도에 노출되기 전에 고온 분위기에 노출된 울트라커패시터의 초기 정전용량에 대한 고온 분위기(예: 85℃ 또는 105℃) 및 고습도(예: 85%)에 노출된 후 울트라커패시터의 정전용량 값의 비율은 약 0.7 이상, 일부 실시형태에서는 약 0.75 내지 1.0, 일부 실시형태에서는 약 0.80 내지 1.0일 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 이 비율은 1008시간 이상 동안 유지될 수 있다.

ESR은 또한 위에서 언급한 것과 같은 상당한 시간 동안 이러한 온도에서 안정적으로 유지될 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 초기에 고온 분위기에 노출되었을 때 울트라커패시터의 ESR에 대한 1008시간 동안 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출된 후 울트라커패시터의 ESR의 비율은 약 1.5 이하, 일부 실시형태에서는 약 1.2 이하, 일부 실시형태에서는 약 0.2 내지 약 1이다. 특히, 이러한 낮은 ESR 값은 또한 고전압 및/또는 또는 위에서 설명한 것처럼 습한 분위기에 노출되었을 때와 같이 다양하게 극한 조건에서도 유지될 수 있다. 예를 들어, 전압이 인가되기 전에 고온 분위기에 노출된 울트라커패시터의 초기 ESR에 대한 고온 분위기(예를 들어, 85℃ 또는 105℃)에 노출되고, 전압이 인가된 후의 울트라커패시터의 ESR의 비율은 약 1.8 이하, 일부 실시형태에서는 약 1.7 이하, 일부 실시형태에서는 약 0.2 내지 약 1.6일 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 상기 언급된 비율은 1008시간 이상 동안 유지될 수 있다. 울트라커패시터 또한 높은 습도 수준에 노출될 때 위에 언급된 ESR 값을 유지할 수 있다. 예를 들어, 높은 습도에 노출되기 전에 고온 분위기에 노출된 울트라커패시터의 초기 정전용량 값에 대한 고온(예: 85℃ 또는 105℃) 및 고습도(예: 85%)에 노출된 후 울트라커패시터의 ESR의 비율은 약 1.5 이하, 일부 실시형태에서는 약 1.4 이하, 일부 실시형태에서는 약 0.2 내지 약 1.2일 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어, 이 비율은 1008시간 이상 동안 유지될 수 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 표면 실장형 울트라커패시터 장치가 인쇄 회로 기판과 같은 회로 기판 상에 실장될 수 있다. 일반적으로 회로 기판은 상면과 하면 그리고 그 안에 형성된 복수의 전류 경로를 갖는 기판(예를 들어, 절연 층)을 포함한다. 장치의 외부 단자는 회로 기판의 사전 결정된 전류 경로와 각각 전기 통신한다. 또한, 장치의 외부 단자는 일반적인 솔더링 기술과 같은 당업계에 일반적으로 알려진 임의의 방법을 사용하여 회로 기판에 물리적으로 연결될 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 장치 및 회로 기판은 많은 분야에서 채용될 수 있다. 하나의 예로서, 이러한 분야는 다양한 통신 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이더넷 시스템, 무선 네트워크 라우터, 광섬유 통신 시스템, 저장 장치, 모바일 장치, 컴퓨터 메모리 장치(예: RAM) 등을 포함할 수 있다.

테스트 방법

등가 직렬 저항(ESR) : 등가 직렬 저항은 0.0볼트, 1.1볼트 또는 2.1볼트(0.5볼트 피크 대 피크 정현파 신호)의 DC 바이어스가 있는 Keithley 3330 정밀 LCZ 미터를 사용하여 측정할 수 있다. 작동 주파수는 1kHz이다. 다양한 온도 및 상대 습도 수준을 테스트할 수 있다. 예를 들어, 온도는 23℃, 85℃ 또는 105℃일 수 있고, 상대 습도는 25% 또는 85%일 수 있다.

캐패시턴스 : 캐패시턴스는 0.0볼트, 1.1볼트 또는 2.1볼트(0.5볼트 피크 대 피크 정현파 신호)의 DC 바이어스가 있는 Keithley 3330 정밀 LCZ 미터를 사용하여 측정할 수 있다. 작동 주파수는 120Hz이다. 다양한 온도 및 상대 습도 수준을 테스트할 수 있다. 예를 들어, 온도는 23℃, 85℃ 또는 105℃일 수 있고 상대 습도는 25% 또는 85%일 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 수정 및 변형은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 다양한 실시형태의 양태는 전체적으로 또는 부분적으로 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 당업자는 전술한 설명이 단지 예일 뿐이며, 첨부된 청구범위에서 추가로 설명되는 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다.

Claims

표면 실장형 울트라커패시터 장치로, 상기 울트라커패시터 장치는,
상부 단부를 정의하기 위해 일반적으로 베이스에 수직인 방향으로 연장하는 측벽들을 포함하는 패키지로, 베이스의 내부 표면과 측벽들 사이에 내부 공동이 정의되는, 패키지;
베이스의 내부 표면 위에 위치하는 제1 및 제2 전도성 부재;
각각이 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되며, 베이스의 외부 표면 위에 있는 제1 및 제2 외부 단자;
상기 내부 공동 내부에 위치하고, 하우징과 상기 하우징 내의 전극 조립체 및 전해질을 포함하며, 각각이 상기 제1 및 제2 전도성 부재에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 리드를 포함하는, 울트라커패시터;
상기 내부 공동 내부에 제공되어 울트라커패시터의 적어도 일부분을 봉입하는 수지; 및
상기 수지를 관통하여 적어도 수지 표면까지 연장하는 하나 이상의 통기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항에 있어서, 상기 측벽들과 베이스가 세라믹 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항에 있어서, 상기 측벽들과 베이스가 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전도성 부재가 일반적으로 베이스와 평행한 평면에서 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 단자가 일반적으로 베이스와 평행한 평면에서 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 부재들과 상기 단자들이 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 부재들이 베이스를 관통하여 연장하여 단자들을 형성하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전도성 부재에 전도성 트레이스가 부착되고, 베이스를 관통하여 연장하여 제1 외부 단자에 부착되고, 또한 제2 전도성 부재에 전도성 트레이스가 부착되고, 베이스를 관통하여 연장하여 제2 외부 단자에 부착되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 리드들이 울트라커패시터의 하우징의 동일한 단부들로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 리드들이 울트라커패시터의 하우징의 대향하는 단부들로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 수지가 열경화성인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제11항에 있어서, 수지가 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 수지가 열가소성인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지는, 울트라커패시터가 자리잡은 후에 정의되는 패키지의 내부 공동의 적어도 50 부피%를 차지하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지는, 울트라커패시터가 자리잡은 후에 울트라커패시터의 노출된 영역의 50% 이상을 커버하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 통기구가 열경화성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 통기구가 열가소성 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 통기구는, 수지 표면과 울트라커패시터의 하우징 사이의 거리의 70% 이상 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 통기구 길이의 30% 이상이 수지 표면으로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 전극 조립체가 젤리롤 구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 전극 조립체가 라미나 구조로 제공되는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 전극 조립체는 제1 탄소질 코팅에 전기적으로 체결된 제1 전류 컬렉터를 포함하는 제1 전극, 제2 탄소질 코팅에 전기적으로 체결된 제2 전류 컬렉터를 포함하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전류 컬렉터 및 제2 전류 컬렉터 각각은 전도성 금속을 포함하는 기판 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위차하는 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제22항에 있어서, 전도성 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제22항 또는 제23항에 있어서, 복수의 섬유-형 휘스커가 제1 전류 컬렉터, 제2 전류 컬렉터 또는 이들 모두의 기판으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제24항에 있어서, 휘스커가 전도성 금속의 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전극, 제2 전극 또는 이들의 조합의 탄소질 코팅이 활성탄 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제26항에 있어서, 활성탄 입자의 적어도 50 부피%가 약 0.01 내지 약 30 마이크로미터의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제26항 또는 제27항에 있어서, 활성탄 입자는 복수의 기공을 포함하되, 약 2 나노미터 이하의 크기의 기공의 양은 총 기공 부피의 약 50 부피% 이하이고, 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터 크기의 기공의 양은 총 기공 부피의 약 20 부피% 내지 약 80 부피%이며, 약 50 나노미터 이상의 크기의 기공의 양은 총 기공 부피의 약 1 부피% 내지 약 50 부피%인 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 전해질은 비수성 용매와 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제29항에 있어서, 용매는 카보네이트 또는 니트릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제29항 또는 제30항에 있어서, 이온성 액체는 양이온 종과 카운터이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제31항에 있어서, 양이온 종은 유기4차 암모늄 화합물(organoquaternary ammonium compound)을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제32항에 있어서, 유기4차 암모늄 화합물이 다음 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.

여기서, m과 n은 독립적으로 3 내지 7 사이의 수임.
제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 이온성 액체는 약 1.0 M 이상의 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제22항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 세퍼레이터는 셀룰로오스 섬유질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 하우징이 원통형 금속 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 하우징은 두께가 약 20 마이크로미터 내지 약 1,000 마이크로미터인 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제37항에 있어서, 하우징은 금속을 포함하는 장벽 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제38항에 있어서, 기판은 폴리올레핀, 폴리에스테르 또는 이들의 조합을 포함하는 외부 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
제38항 또는 제39항에 있어서, 기판은 이오노머를 포함하는 밀봉 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 울트라커패시터 장치.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 표면 실장형 울트라커패시터 장치를 포함하는 인쇄 회로 기판.
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 표면 실장형 울트라커패시터 장치를 포함하는 통신 장치.