WO2015115878A1 - 고정전용량의 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서 - Google Patents

고정전용량의 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서 Download PDF

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시라키신지
박상현
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주식회사 엘지화학
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a wound laminate for a fixed capacitance capacitor and a laminated wound capacitor using the same.
  • the capacitor is constituted by sandwiching a dielectric on an electrode, and has a property of storing a charge.
  • Capacitors are widely used as devices, power supplies, electrical and electronic components, and automotive components.
  • a capacitor has a structure in which a dielectric (insulator) is sandwiched between two electrodes.
  • the capacitance C [F] of the capacitor whose electrode area is A [m 2]
  • the dielectric constant of the dielectric material is [epsilon [F / m]
  • the distance between the electrodes is l [m] is expressed by the following equation.
  • Non Patent Literature 1 Non Patent Literature 1
  • the film capacitor is usually in the form of a cylinder formed by winding the above-mentioned dielectric resin film or a columnar shape in which the cross section is flat by pressing it, and the first and second surfaces of the cylinder opposing each other.
  • the first and second external terminal electrodes are formed on the end faces of the substrates, respectively.
  • the first counter electrode described above is electrically connected to the first external terminal electrode, and the second counter electrode is electrically connected to the second external terminal electrode.
  • Non-Patent Document 2 two metals are vacuum-deposited on one surface of a polypropylene film to make an electrode, and two sheets of the film are prepared and stacked, whereby a polypropylene film as a dielectric is formed between the two electrodes.
  • a clamped capacitor is proposed (FIG. 2).
  • a metal electrode is formed on a polymer film serving as a dielectric by vacuum evaporation, and two pieces of this film are stacked and rolled up (Fig. 2), and a metal spray ( And a capacitor in which an external electrode is formed.
  • the metal electrode material it is common to use aluminum, aluminum alloy, zinc, zinc alloy, copper, copper alloy, etc. in consideration of the point of cost and electrical properties and corrosion resistance.
  • the polypropylene film PP has a very low dielectric constant? Of about 2.2 (1 Pa, 20 DEG C), and it is very difficult to obtain sufficient capacitance in such a film capacitor.
  • the dielectric constant and the dielectric loss tangent are uniquely determined by the dielectric film, it is difficult to control the capacitance and the withstand voltage in the design.
  • PP polypropylene film
  • blocking, breakage, etc. are easily caused by an electric shock, etc.
  • it is not easy to handle in a manufacturing process such as a misalignment of a cross section and wrinkles at the time of winding.
  • Patent Literature 1 has a high dielectric constant magnetic layer (high dielectric constant ceramic layer) having a relative dielectric constant of 10,000 or more and is used for a dielectric layer having a specific composition having a relatively low firing temperature, thereby making it possible to reduce the size and the capacity of a unit per unit area.
  • Possible multilayer ceramic capacitors have been proposed.
  • Such a multilayer ceramic capacitor has a problem of so-called capacity change, such as a change in capacitance caused by temperature change or a decrease in capacitance when a current flows, depending on the material used for the dielectric layer. It was not suitable for the required use.
  • capacity change such as a change in capacitance caused by temperature change or a decrease in capacitance when a current flows, depending on the material used for the dielectric layer. It was not suitable for the required use.
  • the inner electrode area per pair that is opposed is small, and thus the capacitance of the entire capacitor cannot be necessarily increased compared with the film capacitor.
  • Patent Documents 2 to 5 propose a wound type ceramic capacitor manufactured by printing an electrode on an unbaked ceramic sheet made of a ceramic dielectric and winding it in pairs of two.
  • such a wound ceramic capacitor uses a ceramic sheet formed by wet coating a ceramic dielectric on a release film and peeling it from the film after drying, for the dielectric layer. Therefore, it is necessary to sinter the dielectric at a high temperature of several hundred degrees Celsius in a later step. there was.
  • the film thickness of the ceramic sheet was about 10 ⁇ m, and it was difficult to set the distance between the electrodes to 3 ⁇ m or less, it was not possible to obtain a large-capacity and compact capacitor that has been recently required.
  • the dielectric tangent (tan ⁇ ) is several percent, the high breakdown voltage and low loss characteristics required for use in HEV or EV could not be obtained.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2821768
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 61-29526
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 61-29528
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 61-29529
  • Patent Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 62-62447
  • Non-Patent Document 1 Nikkei Electronics, September 17, 2012, “Film Capacitors, Cars Make Energy Crisis Maintenance Free”
  • Non-Patent Document 2 Automotive Technology, July 2011, No. 102-105, "Making a Large-Capacity Capacitor with a Film Less Than 3 ⁇ m"
  • Non-Patent Document 3 Panasonic Technical Journal Vol. 57 No. 3 0ct. 2011 Claims 51 to 55 "Small and high voltage resistant film capacitors for HEV"
  • the present inventors and the like are composed of a metal layer and a dielectric layer formed thereon and, in the present invention, do not include a plastic film, so that a high capacitance and a high breakdown voltage can be realized while minimizing the possibility of miniaturization and ease of manufacture (ease of handling).
  • This invention is made
  • the wound laminate for capacitors proposed by the present invention comprises a metal layer and a dielectric layer, wherein the dielectric layer exists on the metal layer (usually an electrode), and a pair of two metal layers provided with the dielectric layer It is laminated
  • the wound laminate for capacitors shown in FIG. 3 includes a first metal layer A1 and a second metal layer A2, and a first dielectric layer B1 and a second dielectric layer B2, which are wound around a winding axis.
  • the 1st external terminal electrode 3 and the 2nd external terminal electrode 4 which are electrically connected to the 1st metal layer A1 and the 2nd metal layer A2, respectively are provided.
  • the 1st external terminal electrode 3 and the 2nd external terminal electrode 4 are the cylindrical obtained by the above, or the winding type laminated body for capacitor
  • the capacitance per unit area is theoretically 100 times or more, and a fixed capacitance can be realized.
  • the dielectric ceramic can be used for the dielectric layer, desired dielectric constants and dielectric tangents can be set in that there is freedom in selecting and combining the constituent materials of the metal layer and the dielectric layer.
  • the dielectric layer does not need to be treated as an extremely thin plastic film, it is excellent in handling and ease of manufacture.
  • 1 is a basic schematic diagram of a capacitor.
  • FIG. 3 is a schematic view of a wound laminate for a capacitor according to the present invention and a capacitor using the same.
  • the wound laminate for capacitors according to the present invention has a metal layer and a dielectric layer (condenser element) as basic units, and is laminated and wound several times so as to conform to a desired capacitance, and does not contain a plastic film (preferably, completed It does not contain a plastic film in the wound type laminated body for capacitor
  • the plastic film is not included.
  • the plastic film generally means that a polymer component such as a synthetic resin is molded into a thin film.
  • the shape of the plastic film includes not only a film but also a film, foil and a sheet.
  • thermoplastic resin for example, polyester (PL) such as polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polychloride Vinylidene (PVDC), polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAC), polyurethane (PUR), polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylonitrile butadiene styrene resin (ABS resin), styrene acrylonitrile copolymer resin (AS resin), acrylic resin (PMMA), and the like.
  • polyester such as polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polychloride Vinylidene (PVDC), polystyrene (PS), polyvinyl acetate (PVAC), polyurethane (PUR), polytetrafluoroethylene (PTFE), acrylonitrile butadiene st
  • thermosetting resins such as phenol resin (PF), epoxy resin (EP), melamine resin (MF), urea resin (urea resin, UF), unsaturated polyester resin (UP), alkyd resin, polyurethane (PUR) ) And thermosetting polyimide (PI).
  • the dielectric layer functions as a dielectric and may be composed of one layer or a plurality of layers.
  • the material constituting the dielectric layer include metal oxides such as molybdenum oxide, zinc oxide, magnesium silicate, titanium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, magnesium oxide, and silicon oxide, metal hydroxides such as aluminum hydroxide and magnesium hydroxide, boron nitride, and nitride Metal nitrides such as aluminum, gallium nitride, indium nitride, silicon nitride, copper nitride, zircon nitride, talc, mica, calcium silicate, potassium silicate, calcined clay, barium sulfate, strontium titanate, calcium titanate, barium titanate, aluminum oxide, and aluminum carbonate 1 type, or 2 or more types of mixtures which consist of magnesium, calcium carbonate, barium carbonate, etc.
  • metal oxides such as molybdenum oxide, zinc oxide, magnesium silicate,
  • the compound which consists of oxides, nitrides, etc. which consist of these may be sufficient, and may be used combining multiple said compounds.
  • a composite dielectric produced by mixing titanium oxide, strontium titanate, barium titanate or titanium oxide and barium oxide as a main material and a few metal oxides; aluminum oxide, silicon oxide, aluminum nitride, silicon carbide, barium titanate, One kind or two or more kinds which consist of forsterite, barium magnesium niobate, barium neodymium titanate, etc. are mentioned, Especially preferably, titanium oxide, strontium titanate, barium titanate, aluminum oxide, and silicon oxide are mentioned. It is available.
  • the layer thickness of a dielectric layer is 5 nm or more and less than 3 micrometers, Preferably a lower limit is 10 nm or more, an upper limit is 1 micrometer or less, More preferably, a lower limit is 20 nm or more and an upper limit is 500 nm or less.
  • the layer thickness of the dielectric layer is 5 nm or more, a short circuit between the electrodes is less likely to occur and sufficient insulation can be obtained.
  • the layer thickness of the dielectric layer is less than 3 ⁇ m, it is easy to obtain a fixed capacitance, and it becomes easy to suppress the occurrence of cracking in the dielectric layer when the dielectric layer is formed on the metal layer and then wound.
  • the method for forming the dielectric layer on the metal layer it is preferable to use a vapor phase method to obtain a uniform, dense and extremely thin dielectric layer.
  • the vapor phase method may use any of physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD).
  • PVD vacuum deposition
  • electron beam (EB) deposition MBE (molecular beam epitaxy), ion plating, ICB (cluster ion beam), sputtering, ion beam deposition, and pulse laser deposition.
  • EB electron beam
  • MBE molecular beam epitaxy
  • ICB cluster ion beam
  • sputtering ion beam deposition
  • pulse laser deposition pulse laser deposition.
  • the combination of 1 type, or 2 or more types can be used as a preferable method among the electron beam (EB) vapor deposition method, the ion plating method, and the sputtering method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • APCVD and LPCVD thermal CVD
  • plasma CVD plasma CVD
  • light CVD sol-gel method
  • ALD atomic layer deposition method
  • thermal CVD plasma CVD
  • atomic layer deposition method ALD
  • the Aerosol Deposition (AD) method can also be used as a preferable method for forming the dielectric layer.
  • the metal layer of the present invention functions as an (internal) electrode and may be composed of one layer or a plurality of layers.
  • the material which comprises a metal layer is not specifically limited, For example, a metal foil, a metal film, a metal film can be used, and a metal film can be formed on a release film.
  • a metal foil, a metal film, a metal film can be used, and a metal film can be formed on a release film.
  • a single element such as aluminum, zinc, lead, gold, silver, platinum, chromium, copper, nickel, molybdenum, a plurality of mixtures, alloys, and the like can be used without limitation. In consideration of economical efficiency, capacitor performance, and the like, aluminum, aluminum alloy, zinc, zinc alloy, copper, and copper alloy are preferred.
  • the layer thickness of a metal layer is 0.5 micrometer or more and 20 micrometers or less, Preferably a lower limit is 1 micrometer or more and an upper limit is 13 micrometers or less, More preferably, a lower limit is 1.5 micrometers or more and an upper limit is 8 micrometers or less.
  • the layer thickness of the metal layer is 0.5 ⁇ m or more, when the dielectric layer is formed on the metal layer by roll-to-roll, breakage or the like is unlikely to occur in the metal layer, and high-speed winding is easy.
  • the layer thickness of a metal layer is 20 micrometers or less, when it is set as a capacitor, miniaturization and weight reduction can be achieved easily, and a fixed capacitance can be obtained.
  • the metal layer uses foil, a film, and a film.
  • a metal film may be formed on the release film, and any of the above-described physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and aerosol deposition (AD) method may be used.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • AD aerosol deposition
  • the release film may be a polymer film having excellent heat resistance, for example, a polypropylene film (PP), a polyethylene terephthalate film (PET), or the like.
  • a film coated with silicon is used.
  • a metal layer is divided by patterning as needed for the purpose of peeling off the divided electrode of the location shorted by the fuse function, and restoring insulation, when insulation breakdown generate
  • capacitor elements based on metal layers and dielectric layers (capacitor elements). According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to alternately stack the ends of the capacitor elements as shown in FIG.
  • a laminated wound capacitor using a wound laminate for a capacitor can be proposed.
  • the laminated wound capacitor includes a wound laminate for a capacitor, that is, a metal layer and a dielectric layer, wherein the dielectric layer is present on the metal layer (mainly serving as an electrode), and a pair of two metal layers provided with the dielectric layer is provided. It laminates
  • it can be set as the external electrode provided in the both end surfaces of a multilayer winding type capacitor
  • this invention relates to the winding type laminated body for capacitor
  • the preferable aspect is equipped with external electrodes in both end surfaces of a laminated winding type capacitor, Although it sealed after using adhesion etc. in the Example described below, since evaluation of the characteristics as a capacitor was performed simply, the comparative evaluation was performed by the simple cell which simplified the element structure. The simplification of these device structures is for the purpose of simplification of the characteristic evaluation to the last, and does not impose any limitation in practicing the present invention.
  • the dielectric layer was formed into a film using 1N30 (thin-film thickness 6.5micrometer), and using (D1) the DC magnetron sputtering apparatus. Specifically, it carried out as follows.
  • the distance between the target and the sample was 120 mm
  • the rotation speed of the stage was 10 rpm
  • the flow rate of the Ar gas was 165 sccm
  • the pressure in the chamber after the gas introduction was 0.67 kPa.
  • Example 2 On the stretched polypropylene (PP) film with a film thickness of 3 ⁇ m, aluminum having a thickness of 30 nm was formed by vacuum deposition. In the same manner as in Example 1, a simple capacitor cell was produced.
  • PP polypropylene
  • the characteristic evaluation of the simple capacitor cell sample was performed using the impedance measuring apparatus.
  • the impedance measuring apparatus connected SOLARTRON 1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYSER of Toyo Corporation, and SOLARTRON SI1287 ELECTROCHEMICAL INTERFACE of the same company, and ZPlot used the analysis software.
  • the evaluation measured the capacitance at the frequency of 1 MHz and the dielectric loss tangent (tan ⁇ ) at room temperature (25 ° C), and calculated the relative dielectric constant.
  • the high temperature withstand voltage test of the simple capacitor cell sample was performed in the following procedure.
  • the device was preheated at the test temperature (110 ° C.) for 1 hour in advance, and then the initial capacitance was set equal to 1. before the test, and evaluated using an impedance measuring device.
  • a voltage of 1.3 mA DC was applied to the simple capacitor cell for 1 minute using a high voltage power source in a 115 ° C high temperature bath.
  • finish of a voltage load was measured with the impedance measuring apparatus, and the rate of change of capacity before and behind a voltage load was computed.
  • the device was returned to the high temperature bath again to perform the second voltage load, the second capacitance change (accumulation) was obtained, and this was repeated four times.
  • the dose change rate of the 4th time was used for evaluation. It can be said that the fourth capacitance change rate is preferably -20% or less in terms of practical use.

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Abstract

고정전용량과 고내전압을 실현할 수 있는 콘덴서용 권회형 적층체를 제공하는 것이다. 콘덴서용 권회형 적층체로서, 금속층과 유전체층을 구비해 이루어지고, 상기 금속층 위에 상기 유전체층이 존재하고, 상기 유전체층을 구비한 금속층 2장을 한 쌍으로 해서 적층 권회되어 이루어지며, 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 것에 의해 달성된다.

Description

고정전용량의 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서
본 출원은 2014년 2월 3일에 출원된 일본특허출원 특원(特願)2014-18708호 및 2015년 2월 3일에 출원된 일본특허출원 특원(特願)2015-19006호에 기초한 우선권을 주장한다. 본 발명은 고정전용량의 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서에 관한 것이다.
콘덴서는 전극에 유전체를 협지한 것으로 구성되며, 전하를 비축하는 성질을 갖는 것이다. 콘덴서는 기기, 전원, 전기전자 부품, 자동차용 부품으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 콘덴서는, 도 1에 나타난 바와 같이, 2장의 전극 사이에 유전체(절연물)를 협지한 구조로 되어 있다. 또한, 전극 면적이 A[㎡], 유전체의 유전율이 ε[F/m], 전극 사이의 거리가 l[m]인 콘덴서의 정전용량 C[F]은 하기 수학식 1로 표시된다.
수학식 1
Figure PCTKR2015001120-appb-M000001
(상기 수학식 1에서, εr는 비유전율이다.)
따라서, 콘덴서에서 고정전용량을 얻기 위해서는,
(1) 유전체와 접하는 전극 면적 A를 높이고,
(2) 유전율이 높은 유전체를 사용하고/하거나,
(3) 전극 사이의 거리를 짧게 하는(=유전체의 두께를 얇게 하는) 방법이 유효하다.
최근, 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV)의 개발 및 보급에 따라, 모터 및 인버터 회로에서 직류 전류에 중첩되는 리플 성분(전압, 전류)을 제거하여 평활화된 고용량 및 고내전압의 콘덴서가 요구되고 있다. 그의 대표적인 예로, 가요성이 있는 수지 필름을 유전체로 이용하면서, 수지 필름을 사이에 끼우고 서로 대향하도록 제1 및 제2의 대향 전극이 되는 금속막을 수지 필름의 각 주면(主面)에 따라 배치한 필름 콘덴서가 제안되고 있다(비특허문헌 1).
I. 필름 콘덴서는 통상적으로, 전술한 유전체 수지 필름을 권회해서 이루어지는 원통형 또는 이를 눌러서 단면(端面)을 편평한 형태가 되도록 한 기둥형의 형태로 되어 있고, 상기 원통의 서로 대향하는 제1 및 제2의 단면(端面) 위에는, 각각 제1 및 제2의 외부 단자 전극이 형성되어 있다. 그리고, 전술한 제1의 대향 전극은 제1의 외부 단자 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 제2의 대향 전극은 제2의 외부 단자 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
예를 들어, 비특허문헌 2에서는 폴리프로필렌 필름의 일 면에, 2개의 금속을 진공 증착시켜 전극을 만들고, 이 필름을 2장 준비하여 포개어 적층함으로써, 2개의 전극 사이에 유전체인 폴리프로필렌 필름이 협지된 콘덴서를 제안하고 있다(도 2). 또한, 비특허문헌 3에서는 유전체가 되는 고분자 필름에 금속 전극을 진공 증착에 의해 형성하고, 이 필름 2장을 한 쌍으로 하여 겹겹이 포개어 권회하고(도 2), 그 단면(端面)에 금속 용사(메탈리콘)하여, 외부 전극을 형성한 콘덴서를 제안하고 있다.
반면, 비특허문헌 2 및 비특허문헌 3에 개시되어 있는 바와 같이, 필름 콘덴서에서 HEV, EV에 사용되는 경우에 고내전압 및 저손실(tan σ=유전정접)이 요구된다. 유전정접(tan σ)이 크면, 에너지 손실이나 이에 수반되는 발열이 발생하고, 고주파 회로의 작동이 불안정해지는 등의 문제를 초래하기 때문이다. 이러한 배경하에, 고주파 용도의 필름 콘덴서에 있어서는 유전체 필름 재료로, 1㎑에서의 유전정접(tan σ)이 0.05% 이하로 극히 작은 폴리프로필렌 필름(PP)이 주로 사용되고 있다. 또한, 금속 전극 재료로는, 전기 특성과 내식성을 갖는 점과 비용 측면을 고려할 때 알루미늄, 알루미늄합금, 아연, 아연합금, 동, 동합금 등을 이용하는 것이 일반적이다.
그러나, 폴리프로필렌 필름(PP)은 유전율(ε)이 약 2.2(1㎑, 20℃)로 매우 낮고, 이러한 필름 콘덴서에서는 충분한 정전용량을 얻는 것이 매우 어렵다. 또한, 필름 콘덴서에서는 유전율, 유전정접이 유전체 필름에 의해 일의적으로 정해진다는 점에서, 설계에 있어 정전용량과 내전압을 컨트롤하기가 어렵다. 또한, 고정전용량을 얻기 위해서는 폴리프로필렌 필름(PP)을 연신해서 박막화할 필요가 있는데, 2㎛ 이하인 극도로 얇은 필름에서는 내전(耐電) 등에 의해 용이하게 블로킹, 파단 등이 발생하기 쉽고, 고속 권취에 맞지 않으며, 또한 권취 시에 단면(端面)의 어긋남 및 구김이 발생하는 등 제조공정에서 취급이 용이하지 않다.
II. 또한, 고유전율의 유전체층과 내부 전극을 번갈아 복수 적층하여 구성되는 적층 세라믹 콘덴서도 종래부터 개발되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는 비유전율 10,000 이상인 고유전율계 자기층(고유전율 세라믹층)을 갖고, 또한, 소성 온도가 비교적 낮은 특정한 조성의 유전체층에 이용함으로써, 저렴하면서도 단위 면적당 용량이 큰, 소형화 가능한 적층 세라믹 콘덴서가 제안되고 있다.
그러나, 이러한 적층 세라믹 콘덴서는 유전체층에 사용하는 재료에 따라, 온도 변화에 수반되는 정전용량의 변화가 커지거나 전류를 흐르게 했을 때 정전용량이 저하되는 등, 이른바 용량 변화의 문제가 있어, 엄밀한 용량이 요구되는 용도로는 부적합했다. 또한, 필름 콘덴서의 형태로 권회하지 않고 적층되어 있기 때문에, 대향하는 한 쌍당 내부 전극 면적이 작으며, 이로 인해 콘덴서 전체의 정전용량은 상기 필름 콘덴서에 비해 반드시 크게 할 수는 없었다.
반면, 특허문헌 2 내지 5에는, 세라믹 유전체로 된 미소성의 세라믹 시트 상에 전극을 인쇄하고, 2장을 한 쌍으로 해서 권회하여 제조된 권회형 세라믹 콘덴서가 제안되고 있다.
그러나, 이러한 권회형 세라믹 콘덴서는 세라믹 유전체를 이형 필름 상에 습식 도포하고, 건조 후에 필름에서 박리하여 형성된 세라믹 시트를 유전체층에 사용하고 있으므로, 후공정에서 천수백℃라는 고온에서 유전체를 소결시킬 필요가 있었다. 또한, 세라믹 시트의 막 두께는 10㎛ 정도이고, 전극 사이의 거리를 3㎛ 이하로 하는 것이 곤란하였기 때문에 최근 요구되고 있는 대용량이면서 소형화가 가능한 콘덴서를 얻을 수가 없었다. 아울러, 유전정접(tan σ)이 수%이어서 HEV나 EV에서의 사용에서 요구되는 고내전압 및 저손실 특성을 얻을 수가 없었다.
특허문헌 1: 일본 특허 제2821768호
특허문헌 2: 일본 특허 공개 소61-29526호
특허문헌 3: 일본 특허 공개 소61-29528호
특허문헌 4: 일본 특허 공개 소61-29529호
특허문헌 5: 일본 특허 공개 소62-62447호
비특허문헌 1: 닛케이일렉트로닉스 2012년 9월 17일호 "필름·콘덴서 약진, 자동차가 에너지의 위기를 메인터넌스 프리하게"
비특허문헌 2: Automotive Technology 2011.7월호 제102항 내지 제105항 "3㎛ 이하의 필름으로 대용량 콘덴서를 만들다"
비특허문헌 3: Panasonic Technical Journal Vol.57 No.3 0ct. 2011 제51항 내지 제55항 "HEV용 소형·고내전압 필름 콘덴서"
이상으로부터, 여전히 필름 콘덴서 및 적층 세라믹 콘덴서로 대체할 수 있는, 고정전용량과 고내전압이 우수하면서 소형화 가능성 및 제조 용이성이 우수한 콘덴서용 적층체 및 콘덴서의 개발이 시급한 상황이다.
본 발명자 등은 본 발명시에, 금속층과 그 위에 형성되는 유전체층으로 구성되고, 또한, 플라스틱 필름을 포함하지 않음으로써, 고정전용량과 고내전압을 실현할 수 있으면서 소형화 가능성 및 제조 용이성(취급 용이성)이 우수한 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 콘덴서를 얻을 수 있다는 식견을 얻었다. 본 발명은 이러한 식견에 의거하여 이루어진 것이다.
본 발명이 제안하는 콘덴서용 권회형 적층체는 금속층과 유전체층을 구비하여 이루어지고, 상기 금속층(주로 전극을 의미한다) 위에 상기 유전체층이 존재하며, 상기 유전체층을 구비한 금속층 2장을 한 쌍으로 하여 적층 권회되고, 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것을 특징으로 한 것이다.
도 3에 나타난 콘덴서용 권회형 적층체는 권회축 주위로 권회되는, 서로 대향하는 제1 금속층(A1) 및 제2 금속층(A2)과, 제1 유전체층(B1) 및 제2 유전체층(B2)을 구비함과 함께, 제1 금속층(A1) 및 제2 금속층(A2)에 각각 전기적으로 접속되는 제1 외부 단자 전극(3) 및 제2 외부 단자 전극(4)을 구비하고 있다.
제1 외부 단자 전극(3) 및 제2 외부 단자 전극(4)은, 전술한 바와 같이 해서 얻어진 원통형 또는 이를 가압하여 단면(端面)을 편평하게 한 기둥형으로 된 형상의 콘덴서용 권회형 적층체의 각 단면(端面)상에, 이를 테면 아연 등의 금속을 용사함으로써 형성된다. 이 때, 제1 외부 단자 전극(3)은 제1 금속층(A1)의 노출 단부와 접촉하고, 이에 따라 제1 금속층(A1)과 전기적으로 접속된다. 한편, 제2 외부 단자 전극(4)은 제2 금속층(A2)의 노출 단부와 접촉하고, 이에 따라 제2 금속층(A2)과 전기적으로 접속된다. 이로 인해, 본 발명의 일례인 적층 권회형 콘덴서를 제안할 수가 있다.
본 발명에 의한 콘덴서용 권회형 적층체에 따르면, 단위 면적당 정전용량이 이론상 100배 이상이 되어, 고정전용량을 실현할 수 있다. 또한, 유전체층에 유전성 세라믹을 사용할 수 있기 때문에 금속층과 유전체층의 구성 재료 선택 및 조합에 자유도가 있다는 점에서, 원하는 유전율 및 유전정접을 설정할 수 있다. 또한, 유전체층을 극도로 얇은 플라스틱 필름으로 취급할 필요가 없기 때문에, 취급성 및 제조 용이성이 우수하다.
도 1은 콘덴서의 기본 개략도이다.
도 2는 종래의 필름 콘덴서의 개요이다.
도 3은 본 발명에 의한 콘덴서용 권회 적층체 및 이를 이용한 콘덴서의 개략도이다.
(적층 권회형 콘덴서)
본 발명에 의한 콘덴서용 권회형 적층체는 금속층 및 유전체층(콘덴서 소자)을 기본 단위로 하고, 이를 원하는 정전용량에 합치되도록 여러 번 적층 권회하고, 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것(바람직하게는, 완성된 콘덴서용 권회형 적층체에 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것)을 특징으로 한 것이다.
(플라스틱 필름)
본 발명에서는 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.
플라스틱 필름이란, 일반적으로 합성 수지 등 고분자 성분을 얇은 막 형상으로 성형한 것을 의미한다. 플라스틱 필름의 형상은 필름 뿐만 아니라, 막, 박, 시트를 포함하는 것이다.
플라스틱 필름을 구성하는 합성 수지 등에는, 열가소성 수지, 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 폴리에스테르(PL), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리스틸렌(PS), 폴리아세트산비닐(PVAC), 폴리우레탄(PUR), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 아크릴로니트릴부타디엔스틸렌 수지(ABS수지), 스틸렌아크릴로니트릴코폴리머 수지(AS 수지), 아크릴 수지(PMMA) 등이 있다. 또한, 열경화성 수지, 예를 들어 페놀 수지(PF), 에폭시 수지(EP), 멜라민 수지(MF), 요소 수지(우레아수지, UF), 불포화폴리에스텔 수지(UP), 알키드 수지, 폴리우레탄(PUR), 열경화성 폴리이미드(PI) 등이 있다.
본 발명에서는, 상기 중에서도 특히 유전성의 플라스틱 필름을 제외한다.
(유전체층)
유전체층은 유전체로서 기능하고, 한 층 또는 복수 층으로 구성될 수 있다. 유전체층을 구성하는 재료로는, 산화몰리브덴, 산화아연, 규산마그네슘, 산화티탄, 산화지르코늄, 산화탄탈, 산화마그네슘, 산화실리콘 등의 금속산화물, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 등의 금속수산화물, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화실리콘, 질화동, 질화지르콘 등의 금속질화물, 탈크, 마이카, 규산칼슘, 규산칼륨, 소성클레이, 황산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산칼슘, 티탄산바륨, 산화알루미늄, 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산바륨 등으로 이루어지는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있으며, 이 밖에도, 몰리브덴, 아연, 칼슘, 인, 알루미늄, 칼륨, 규소, 마그네슘 등으로 이루어지는 1종 또는 2종 이상의 원소로 이루어지는 산화물이나 질화물 등의 화합물이어도 되고, 상기 화합물을 복수 조합해서 이용해도 된다.　
이 중에서 특히, 산화티탄, 티탄산스트론튬, 티탄산바륨 또는 산화티탄과 산화바륨을 주재료로 하고, 몇 개의 금속산화물을 혼합하여 제작된 복합유전체；산화알루미늄, 산화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 티탄산바륨, 포르스테라이트(forsterite), 니오브산마그네슘산바륨, 티탄산네오듐산바륨 등으로 이루어지는 1종 또는 2종 이상의 것을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 산화티탄, 티탄산스트론튬, 티탄산바륨, 산화알루미늄, 산화규소를 이용할 수 있다.
유전체층의 층 두께는 5㎚ 이상 3㎛ 미만이며, 바람직하게는 하한값이 10㎚ 이상, 상한값이 1㎛ 이하이며, 보다 바람직하게는 하한값이 20㎚ 이상, 상한값이 500㎚ 이하이다.
유전체층의 층 두께가 5㎚ 이상인 경우, 전극 사이의 단락이 일어나기 어려워지고 충분한 절연성을 얻을 수 있게 된다. 유전체층의 층 두께가 3㎛ 미만이면, 고정전용량을 얻기 쉬워지고, 또한, 금속층 위에 유전체층을 형성한 후 권회했을 때 유전체층에 균열이 생기는 것을 억제하기가 용이해진다.
본 발명에서 유전체층을 금속층 위에 형성하는 방법으로는, 균일하면서 치밀하고 극히 얇은 유전체층을 얻기 위해 기상법을 이용하는 것이 바람직하다. 기상법은 물리증착법(PVD)과 화학증착법(CVD) 중 임의의 것을 사용할 수 있다.
PVD의 구체적인 방법으로는 진공증착법, 전자선(EB) 증착법, MBE(분자선 에피택시)법, 이온 플레이팅법, ICB(클러스터 이온빔)법, 스퍼터법, 이온빔 디포지션, 펄스 레이저 디포지션 등을 들 수 있으며, 이 중에서도 전자선(EB) 증착법, 이온 플레이팅법 및 스퍼터법 중에서 1종 또는 2종 이상을 조합한 것을 바람직한 방법으로 이용할 수 있다.
또한, CVD의 구체적인 방법으로는 열 CVD(APCVD 및 LPCVD), 플라즈마 CVD, 광 CVD, 졸겔법 및 원자층증착법(ALD) 등을 들 수 있으며, 이 중에서도 열 CVD, 플라즈마 CVD 및 원자층증착법(ALD)을 바람직한 방법으로 이용할 수 있다.
나아가, PVD, CVD 이외에, 에어로졸 디포지션(Aerosol Deposition: AD)법도 유전체층을 형성하는 바람직한 방법으로 이용할 수 있다.
(금속층)
본 발명의 금속층은 (내부) 전극으로 기능하고, 한 층 또는 복수 층으로 구성될 수 있다.
금속층을 구성하는 재료는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속박, 금속막, 금속 필름을 사용할 수 있고, 또한 이형 필름 상에 금속 성막을 할 수 있다. 금속층에 이용되는 금속으로는 알루미늄, 아연, 납, 금, 은, 백금, 크롬, 동, 니켈, 몰리브덴 등의 단체(單體), 복수 종의 혼합물, 합금 등이 제한없이 이용될 수 있는데, 환경이나 경제성, 콘덴서 성능 등을 고려하면 알루미늄, 알루미늄합금, 아연, 아연합금, 동, 동합금이 바람직하다.
금속층의 층 두께는 0.5㎛ 이상, 20㎛ 이하이며, 바람직하게는 하한값이 1㎛ 이상, 상한값이 13㎛ 이하이며, 보다 바람직하게는 하한값이 1.5㎛ 이상, 상한값이 8㎛ 이하이다.
금속층의 층 두께가 0.5㎛ 이상인 경우, 롤-투-롤(roll-to-roll)로 금속층 위에 유전체층을 형성할 때, 금속층에 파단 등이 생기기 어렵고, 고속 권취가 용이하다. 금속층의 층 두께가 20㎛ 이하인 경우, 콘덴서로 할 때 소형화·경량화를 용이하게 달성할 수 있으며, 또한, 고정전용량을 얻을 수 있다.
금속층은 박, 막, 필름을 사용한다. 또한, 이형 필름 위에 금속 성막해도 되며, 성막 방법은 전술한 물리증착(PVD)과 화학증착(CVD), 에어로졸 디포지션(AD)법 중 임의의 방법을 사용할 수 있다.
이형 필름은 내열성이 우수한 고분자 필름, 예를 들어 폴리프로필렌 필름(PP), 폴리에틸렌 텔레프탈레이트 필름(PET) 등을 들 수 있으며, 이형성을 더욱 향상시키기 위해서는 상기 필름에 실리콘을 도포한 필름이 사용된다.
또한, 금속층은 필요에 따라, 절연 파괴가 발생했을 때 퓨즈 기능에 의해 단락한 개소의 분할 전극을 떼어내어 절연을 회복시킬 목적으로, 패터닝(patterning)에 의해 분할되는 것이 바람직하다.
(적층)
본 발명에 있어서는 금속층 및 유전체층(콘덴서 소자)을 기본단위로 해서 콘덴서 소자를 축차 적층시켜서 달성된다. 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 도 3에 나타난 것처럼 콘덴서 소자의 단부를 엇갈리게 적층시키는 것이 바람직하다.
(용도)
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 콘덴서용 권회형 적층체를 이용한 적층 권회형 콘덴서를 제안할 수 있다. 적층 권회형 콘덴서는, 콘덴서용 권회형 적층체, 즉 금속층과 유전체층을 구비하여 이루어지고, 상기 금속층(주로 전극으로 기능) 상에 상기 유전체층이 존재하고, 상기 유전체층을 구비한 금속층 2장을 한 쌍으로 하여 적층 권회되며, 또한, 플라스틱 필름을 포함하지 않는 것을 구비하여 이루어지는 것이다.
(외부 전극)
본 발명에 있어서는 적층 권회형 콘덴서의 양쪽 단면(端面)에 외부 전극을 구비해 이루어지는 것으로 할 수 있다. 외부 전극을 금속 용사에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
(밀봉)
본 발명에 있어서는 외부 전극에 리드 등을 부착시킨 후, 수지 등을 이용하여 밀봉한 것으로 제안할 수 있다.
이하, 본 발명의 내용을 실시예를 들어 설명하나, 본 발명의 범위는 이 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 된다. 또한, 전술한 바와 같이 본 발명은 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서에 관한 것이며, 그 바람직한 양태는 적층 권회형 콘덴서의 양쪽 단면(端面)에 외부 전극을 구비하고, 리드 등을 부착시킨 후에 수지 등을 이용하여 밀봉한 것인데, 이하 서술하는 실시예에 있어서는 콘덴서로서의 특성 평가를 간소화하여 실시한 것이므로, 소자 구조를 단순화한 간이 셀로 비교 평가를 실시하였다. 이들 소자 구조의 단순화는, 어디까지나 특성 평가의 간소화를 목적으로 한 것으로, 본 발명을 실시하는 데 있어 어떠한 제한을 부여하는 것은 아니다.
(실시예 1)
1. 금속층 위에 유전체층의 형성
금속층으로, (a1); Sumikei Aluminium Foil 사의 알루미늄 소박(素箔); 1N30(박 두께 6.5㎛)을 이용하고, (a1) 위에 DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 유전체층을 성막하였다. 구체적으로는 아래와 같이 실시하였다.
Ulvac 사의 마그네트론 스퍼터링 장치; SX-200에, 순도 4N의 산화알루미늄(Al2O3) 타겟을 캐소드에 설치하고, 도달 진공도 8×10-4㎩까지 감압하였다. 다음으로 아르곤 가스를 도입하고, (a1) 기판을 놓은 스테이지를 10 rpm으로 회전시키면서 전력 1000W, 성막 레이트 6.0㎚/min으로 스퍼터링 시간을 제어함으로써, (b1); 막 두께 180㎚의 Al2O3 층을 성막하였다. 이때, 타겟과 샘플의 거리는 120㎜, 스테이지의 회전 속도는 10rpm, Ar 가스의 유량은 165sccm이며, 가스 도입 후의 챔버 내의 압력은 0.67㎩ 이었다.
2. 간이 콘덴서 셀의 제작
(1) 금속층 위의 유전체층 형성으로 얻은, 유전체층(Al2O3)이 부가된 금속층(알루미늄 소박(素箔))을, 70㎜×40㎜ 크기로 2장 절단하고, 한쪽 시험편의 유전체층 쪽에 다른 쪽 시험편의 금속박 쪽이 오도록 포개어, 길이 방향으로 상호 20㎜ 어긋나도록 포개지는 부분이 50㎜×40㎜ 크기가 되도록 하고, 포개진 부분과 동일한 크기를 갖는 2장의 유리판으로 바깥쪽에서부터 끼우고, 클립으로 고정시켜서 포개진 부분을 완전 밀착시켰다. 그리고, 각 시험편의 바깥쪽으로 돌출된 단부를, 각각 리드 전극로 하여 임피던스 측정 장치에 연결하였다.
(실시예 2)
금속층으로, (a2); Sumikei Aluminium Foil 사의 알루미늄 소박(素箔); 8021(BESPA, 박 두께 6.5㎛)을 사용하고, Ulvac 사의 마그네트론 스퍼터링 장치; SX-200에, 순도 4N의 산화실리콘(SiO2) 타겟을 캐소드에 설치하고, 전력 1000W, 성막 레이트 15.0 ㎚/min으로 스퍼터링 시간을 제어함으로써, 유전체막으로 (b2) ; 막 두께 150㎚의 SiO2층을 성막시킨 것 외에는, 실시예 1과 동일하게 간이 콘덴서 셀을 제작하였다.
(실시예 3)
금속층으로, (a3); Mitsui Mining & Smelting 사의 캐리어가 부가된 극히 얇은 동박; Micro Thin MT18Ex(박 두께 2㎛, 캐리어 두께 180㎛)을 사용하고, 실시예 1에서 스퍼터링 시간을 제어함으로써, 유전체층으로 (b3); 막 두께 60㎚의 Al2O3 층을 성막하고 성막 후에 캐리어를 벗겨서 셀을 제작한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 간이 콘덴서 셀을 제작하였다.
(비교예 1)
막 두께 3㎛의 연신 폴리프로필렌(PP) 필름 상에, 진공증착법에 따라 막 두께 30㎚의 알루미늄을 성막하였다. 이를 실시예 1에서와 동일하게 하여, 간이 콘덴서 셀을 제작하였다.
(평가 시험)
실시예 및 비교예에서 제작한 간이 콘덴서 셀을 샘플로 하여 아래의 평가를 실시하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재한 바와 같다.
1. 콘덴서 특성 평가
임피던스 측정 장치를 이용하여 간이 콘덴서 셀 샘플의 특성 평가를 실시하였다.
임피던스 측정 장치는, Toyo Corporation 사의 SOLARTRON 1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYSER와, 동(同)사의 SOLARTRON SI1287 ELECTROCHEMICAL INTERFACE를 연결하고, 해석 소프트웨어는 ZPlot을 사용하였다. 평가는 실온(25℃)에서 주파수 1㎒에서의 정전용량, 유전정접(tan σ)을 측정하고, 비유전율을 산출하였다.
2. 고온 내전압성 시험
간이 콘덴서 셀 샘플의 고온 내전압성 시험을 아래의 순서로 실시하였다.
우선, 미리 소자를 시험온도(110℃)에서 1시간 예열한 후, 시험 전에 초기 전기용량을 1.과 동일하게 하여, 임피던스 측정 장치를 이용하여 평가하였다. 다음으로, 115℃의 고온조 안에서 고압전원을 이용하여 간이 콘덴서 셀에 직류 1.3㎸의 전압을 1분간 부하(負荷)하였다. 전압 부하(負荷)를 종료한 후의 간이 콘덴서 셀의 용량을 임피던스 측정 장치로 측정하고, 전압 부하 전후의 용량 변화율을 산출하였다. 다음으로, 소자를 다시 고온조 내로 되돌려 2회째의 전압부하를 실시하고, 2회째의 용량 변화(누적)를 구하고, 이를 4회 반복하였다. 4회째의 용량 변화율을 평가에 이용하였다. 4회째의 전기 용량 변화율은 -20% 이하인 것이 실용 면에서 바람직하다고 할 수 있다.
(평가 결과)
이상, 표 1에 나타난 결과를 얻었다. 폴리프로필렌 필름을 유전체로 한 기존의 필름 콘덴서(비교예 1)에 비해, 모든 실시예에서 정전용량 및 고온 내전압 특성이 크게 개선되는 결과를 얻었다.
또한, 유전정접(tan σ)의 값이 0.05% 이하로 극히 작다는 점에서, 에너지 손실이나 그에 수반되는 발열에 의한 고주파 회로의 동작 불량 등의 문제 발생은, 기존의 폴리프로필렌 필름을 유전체로 한 필름 콘덴서와 동일한 수준으로 낮음을 이해할 수 있다.
표 1
Figure PCTKR2015001120-appb-T000001
표 1의 기재 내용 설명은 아래와 같다.
(금속층)
(a1) ; Sumikei Aluminium Foil 사의 알루미늄 소박(素箔); 1N30 (박 두께 6.5㎛)
(a2) ; Sumikei Aluminium Foil 사의 알루미늄 소박(素箔); 8021 (BESPA, 박 두께 6.5㎛)
(a3) ; Mitsui Mining & Smelting 사의 캐리어가 부가된 극히 얇은 동박; Micro Thin MT18Ex (박 두께 2㎛, 캐리어 두께 18㎛)
(유전체층)
(b1) ; Al2O3층 (막 두께 180㎚)
(b2) ; SiO2층 (막 두께 150㎚)
(b3) ; Al2O3층 (막 두께 120㎚)

Claims (10)

  1. 콘덴서용 권회형 적층체로서,
    금속층과 유전체층을 구비하여 이루어지고,
    상기 금속층 위에 상기 유전체층이 존재하고, 상기 유전체층을 구비한 금속층 2장을 한 쌍으로 하여 적층 권회되고,
    플라스틱 필름을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 위에 상기 유전체층을 기상법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속층 위에 상기 유전체층을, 전자선(EB) 증착법, 이온 플레이팅법, 스퍼터링법, 열 CVD법, 플라즈마 CVD법, 원자층증착(ALD)법 및 에어로졸 디포지션(AD)법 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체층의 층 두께가 5㎚ 이상 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층의 층 두께가 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속층과 유전체층으로 구성되는 콘덴서 소자의 단부가 어긋나도록 복수의 콘덴서 소자가 적층된 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    박리 필름 위에, 금속층과 유전체층을 적층한 제조 필름을 적어도 2개 형성하고,
    상기 박리 필름을 박리하면서, 상기 2개의 제조 필름을 한 쌍으로 하여 권취하여 제조된 것을 특징으로 하는 콘덴서용 권회형 적층체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 콘덴서용 권회형 적층체를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 적층 권회형 콘덴서.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 상기 콘덴서용 권회형 적층체의 양쪽 단면(端面)에 외부 전극을 구비해 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 권회형 콘덴서.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 외부 전극의 형성이, 금속 용사에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 적층 권회형 콘덴서.
PCT/KR2015/001120 2014-02-03 2015-02-03 고정전용량의 콘덴서용 권회형 적층체 및 이를 이용한 적층 권회형 콘덴서 WO2015115878A1 (ko)

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