KR930008939B1 - 고체 전해 콘덴서 - Google Patents

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서주인
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Abstract

내용 없음.

Description

고체 전해 콘덴서
제 1 도는 본 발명의 실시예에서 사용된 콘덴서 소자의 분해도.
제 2 도는 고체 전해질 함침장치 단면도.
제 3 도는 완성된 고체 전해 콘덴서의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 콘덴서 소자 2 : 양극 알루미늄박
3 : 음극 알루미늄박 4 : 격리지
5 : 음극 리드선 6 : 양극 리드선
7 : 원통형 알루미늄 케이스 8 : 충전된 고체 전해질
9 : 가열블럭 10 : 에폭시 수지
본 발명은 고체 전해 콘덴서에 관한 것이다. 좀더 상세하게는 전해질이 유기 반도체로 된 고체 전해 콘덴서를 제조함에 있어서 본 발명의 개량된 고체 전해질을 사용함으로써 콘덴서의 제조 공정을 개선하고 전해질의 함침율 및 전기 특성을 개선시킨 고체 전해 콘덴서에 관한 것이다.
고체 전해 콘덴서는 알루미늄(Al)박 표면에 산화 알루미늄피막을 형성시키고 그위에 고체 전해질층을 형성시켜서 된 양극과 도전성 음극판으로 구성된 구조를 갖고 있다. 기존의 양산화된 고체 전해 콘덴서 양극의 고체 전해질로는 이산화망간이 사용되어 왔다. 알루미늄산화피막에 이산화망간을 부착시키는 방법으로는 수용액 상태의 초산망간[Mn(NO3)2]을 300℃정도로 열분해시켜서 생성되는 MnO2를 사용하는 방법이 있는데, 이 방법은 질산이 함께 생성되어 알루미늄산화피막에 손상을 주고, 회복성을 저하시켜 콘덴서의 정격 전압 및 수명을 저하시키는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 유기반도체인 테트라시아노퀴노디메탄(이하 TCNQ라 칭함)착염을 적용하는 방법들이 제안되었으나 이들 역시 적용방법에 있어서 다음과 같은 문제점들을 갖고 있다.
첫째, 유기용매중에 TCNQ 착염을 용해시켜 이 용액중에 양극박을 함침시킨 후 용액으로 부터 꺼내어 유기용매를 증발시킴으로써 양극박 표면에 TCNQ 착염층을 형성시키는 방법은 용액중의 TCNQ 착염의 농도가 낮아 함침 및 건조공정을 여러번 되풀이 해야만 하는 공정상의 복잡성을 피할 수 없고, 둘째, 용액중에 고분자 물질과 TCNQ 착염을 용해시킨 후 함침, 건조시키는 방법은 증발후 TCNQ 착염이 결정화되기도 하고 TCNQ 착염과 복잡한 표면을 갖는 다공질의 양극박과의 충분한 접촉이 이루어지지 않아 원하는 정전용량을 얻을 수 없는 결점이 있다. 세번째의 TCNQ 착염을 융점 이상으로 가열 융해시켜 여기에 양극박을 함침시킨 후 냉각시킴으로써 TCNQ 착염을 부착시키는 방법은 한번의 함침작업으로 충분한 TCNQ 착염을 부착시킬 수는 있으나 냉각과정에서 TCNQ 착염이 결정화 되기도 하고 양극박 표면과의 충분한 접촉이 이루어지지 않아 원하는 정전용량을 얻을 수 없는 결점이 있다. 또한 TCNQ 착염자체는 열에 약하기 때문에 용융상태를 유지하면 수십초이내에 열분해를 일으켜 절연체화 되므로 실질적으로 고체 전해질층을 형성시키가 매우 어렵다. 예로, 이소프로필-퀴놀리늄 TCNQ (Isopropyl-quinolinuium TCNQ)착염은 용융상태를 유지시킬 수 있는 시간이 수초로써 매우 짧으며, 메틸 이소퀴놀리늄 TCNQ(Methyl iso-quinolinium TCNQ)착염은 융해전의 가열단계에서 열분해를 일으켜 융해에 의한 전해질 함침이 불가능해진다.
본 발명자들은 상술한 형태의 것과 같은 고체 전해질 TCNQ 착염에 특정의 첨가제를 첨가하므로서 함침 공정에서의 TCNQ 착염의 용융온도를 낮추고 함침공정중에 융용상태로 있는 시간을 연장시킬 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 기존의 용융함침이 불가능한 TCNQ 착염, 또는 용융상태로 존재하는 시간이 극히 짧은 TCNQ 착염을 고체 전해질로 하여 양극박 표면에 부착시키는 것과 함께, TCNQ 착염에의 함침후 냉각과정에서의 결정화에 의해 양극박 표면과의 접촉이 불충분하게 되는 것을 방지하여 함침율을 높이고 우수한 주파수 특성 및 온도특성을 갖는 콘덴서를 제공하는데 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 고체 전해질 주성분으로는 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2, N-에틸-퀴놀리늄(TCNQ)2,N-부틸-퀴놀리늄(TCNQ)2, N-에틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2, N-부틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2, N-에틸-피리디늄(TCNQ)2, N-부틸-피리디늄(TCNQ)2, 등의 TCNQ 착염을 들 수 있고, 이들 중에서 일종 또는 이종이상을 혼합하여 사용한다. 함침공정에서는 용융온도를 낮추고 용융상태로 있는 시간을 연장시켜 함침율을 증가시키기 위한 첨가제로는, N,N-디메틸포름아미드, 술폰난(sul-fonane), γ-락톤, L-솔비톨, L-만니톨, 글루코스 중에서 일종 또는 이종이상을 혼합한 것을 사용한다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명한다.
제 1 도는 본 발명의 실시예에서 사용된 콘덴서 소자의 분해도로서 콘덴서 소자(1)는 전극체를 감아서 만드는데, 양극(2)은 고순도의 알루미늄박으로 제조한다. 상기 양극(2)은 먼저 표면을 확대시키기 위해 에칭 처리를 하며 그 표면위에 유전체 산화피막을 양극산화처리에 의해 형성시킨다. 이렇게 만든 양극(2)과 같은 면적을 갖는 음극(3)과의 사이에 격리지(4)를 개재시켜 한 방향으로 감으면(10 내지 20회) 원통형의 콘덴서 소자가 만들어진다. 또한 콘덴서의 상부에는 외부와의 전기적 접속을 위해 (5), (6)의 리드선이 설치된다.
제 2 도는 고체 전해질 함침장치 단면도로서 함침장치는 상부에 원통홈이 형성된 가열블럭(9)과 이 원통홈에 맞는 원통형 알루미늄 케이스(7)로 구성되어 있다. 고체 전해질(8)은 상기 알루미늄 케이스에 충진되고, 먼저 200℃로 예열시킨 가열블럭의 원통홈에 주입되어 열에 의해 융해액화된다. 여기에, 진공오븐에서 격리지를 탄화처리시킨후, 예비가열시킨, 콘덴서 소자를 소정시간(5초 내지 1분) 함침하여 고체 전해질층을 형성시킨다. 고체 전해질층이 형성된 콘덴서 소자는 알루미늄 케이스(7)와 함께 가열블럭(9)으로부터 꺼내어 실온에서 냉각시킨 후 알루미늄 케이스의 열린 부분을 에폭시 수지(10)로 봉입경화시킴으로서 목적하는 고체 전해 콘덴서를 얻는다(제 3 도).
이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예(종래 제품)에서 제조된 고체 전해 콘덴서의 전기 특성은 케페시턴스 측정기 휴레 펙커드(Hewlett Packard) 4262A(LCR)meter를 사용하여 측정하고 그 결과를 표 Ⅰ에 나타내었다. 전기 특성 측정조건은 다음과 같다. 정전 용량 및 유전손실(tanδ)은 120Hz에서 측정된 것이며, 등가직렬저항(ESR)은 100kHz에 측정되었다. 누설전류(LC)는 전압 25V를 인가한 후 15초 경과시의 누설전류를 의미한다.
[실시예 1]
고류전류로 전기분해 에칭시킨 폭 5mm, 길이 10mm, 두께 80μm의 고순도 알루미늄(순도 99.99%)박을 극판으로 사용한다. 양극으로는 상기 에칭 알루미늄박을 내전압 9V로 양극산화처리하여 산화피막을 형성시킨 것을 사용하고, 음극으로는 에칭 알루미늄박을 사용하여 이들을 마닐라지로 된 격리지와 함께 권취시킨 콘덴서 소자(1)를 준비한다. 준비된 콘덴서 소자를 200℃의 진공오븐 내에서 5시간 방치하여 격리지를 탄화처리시키고 소자전체를 같은 온도를 예열시킨다.
한편, 고체 전해질로는 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)21중량부와 N,N-디에틸포름아미드 0.1중량부로 된 혼합물을 바닥이 있는 원통형의 알루미늄 케이스(7)에 충진시켜 놓는다. 상기 혼합물이 충진된 알루미늄 케이스를 200℃로 가열되어 있는 가열블럭(9)에 위치시킨 후 혼합물이 융해 액화되면 곧바로 예열되어 있는 콘덴서 소자를 제 2 도에서와 같이 알루미늄 케이스에 삽입하여 10초간 함침시킨다. 함침이 끝난 소자는 알루미늄 케이스와 함께 가열블럭으로부터 꺼내어 실온의 대기상태에서 냉각시킨다.
최종적으로 냉각된 콘덴서 소자의 양극 리드선 및 음극 리드선이 노출된 상태에서 알루미늄 케이스의 열린 부분을 에폭시 수지로 봉입하고 경화시켜 본 발명의 고체 전해 콘덴서를 제조한다.
[실시예 2]
고체 전해질로 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2와 N,N-디에틸포름아미드 대신에 N-n-부틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)21중량부, L-솔비톨 0.5 중량부로 된 혼합물을 사용하는 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
[실시예 3]
고체 전해질로 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2와 N,N-디에틸포름아미드 대신에 N-에틸-퀴놀리늄(TCNQ)21중량부, L-만니톨 0.5 중량부로 된 혼합물을 사용하는 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
[비교예 1]
에칭후 산화피막을 형성시킨 알루미늄박을 양극으로 하고 에칭 알루미늄박을 음극으로 하여 이들을 마닐라지로 된 격리지와 함께 권취시킨 콘덴서 소자를 준비한다. 준비된 콘덴서 소자를 액상전해질 에틸렌 글리콜 아디픽산암모늄 함침액이 들어 있는 알루미늄 케이스에 집어 넣어 1분간 함침 처리한 후, 고무마개로 입구를 봉하여 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
[비교예 2]
전해질로 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2와 N,N-디에틸포름아미드 혼합물 대신에 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2를 사용하는 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시한다. 이 경우는 가열융해진 열분해가 일어나 함침이 불가능하였다.
[비교예 3]
전해질로 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2와 N,N-디에틸포름아미드 혼합물 대신에 N-부틸 이소퀴놀리늄(TCNQ)2를 사용하는 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
[비교예 4]
전해질로 N-메틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2와 N,N-디에틸포름아미드 혼합물 대신에 N-에틸-퀴놀리늄(TCNQ)2를 사용하는 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 고체 전해 콘덴서를 제조하였다.
[표 1]
본 발명의 고체 전해 콘덴서의 전기특성 측정치 비교
Figure kpo00001
표 Ⅰ에 나타난 바와 같이 종래에는 함침이 불가능하였던 N-메틸 이소퀴놀리늄(TCNQ)2의 경우(비교예 2)도 본 발명에 따라 함침공정으로 처리가 가능해 졌을(실시예 1) 뿐만아니라, 상기 표 1의 정전용량 수치는 본 발명이 종래제품(비교예)에 비하여 단위 체적당 두배가까이 늘어 났고(융해함침의 경우), 유전손실 및 등가저항에 있어서도 종래제품에 비해 1/2 내지 1/3로 줄었으며 누설전류도 낮아지는 등의 전해 콘덴서로의 특성이 개선되었음을 보여준다. 아울러 본 발명품의 단위 체적당 정전용량이 증가되었다는 사실은 콘덴서의 소형화를 가능케한 것으로 평가될 수 있다.

Claims (2)

  1. 양극 알루미늄박 표면에 유전체 산화피막을 형성시키고 그 위에 고체 전해질층을 형성시킨 고체 전해 콘덴서에 있어서, 고체 전해질로 테트라시아노퀴노디메탄 착염에 N,N-디에틸포름아미드, L-솔비톨, L-만니톨중 일종 또는 이종 이상을 첨가시켜 융해 한후, 상기 융해액에 콘덴서 소자를 함침하여서된 고체 전해질층을 갖는 고체 전해 콘덴서.
  2. 제 1 항에 있어서, 테트라시아노퀴노디메탄 착염은 N-매틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2, N-에틸-퀴놀리늄(TCNQ)2, N-부틸-퀴놀리늄(TCNQ)2, N-부틸-이소퀴놀리늄(TCNQ)2중에서 선택된 일종 또는 이종 이상을 사용하여서된 고체 전해질층을 갖는 고체 전해 콘덴서.
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