KR20030000640A

KR20030000640A - Ｓｏｌ-Ｇｅｌ법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서

Info

Publication number: KR20030000640A
Application number: KR1020010036684A
Authority: KR
Inventors: 김재근
Original assignee: 파츠닉(주)
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-06

Abstract

본 발명은 졸 겔법(Sol-Gel process)에 의해서 종래 콘덴서의 유전체층의 유전물질을 고유전율의 물질로 대체한뒤에 전도성 고분자를 전해질로 사용하는 Sol-Gel법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서에 관한 것이며, 고체전해질 콘덴서에 있어서, 메탈 알콕사이드를 이용하여 Sol-Gel법을 적용하여 생성한 고유전체 물질을 유전체로 사용하며, 고유전체 물질이 입혀진 알루미늄 호일을 폴리피롤, 폴리아닐린 등의 전도성 고분자의 모노머를 아세트 니트릴 등의 용제에 용해시키고 암모늄염을 첨가한 용액에서 전기적 중합을 실시 하거나, 가용성 전도성 고분자 용액에 함침시켜 전도성 고분자 층을 형성한 다음 카본 및 실버 코팅하는 것을 특징으로 하며, 고유전체 물질은 Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅중 하나인 것을 특징으로 한다.

Description

Ｓｏｌ-Ｇｅｌ법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서{High capacity solid electrolysis condensor by sol-gel process}

본 발명은 졸 겔법(Sol-Gel process)에 의해서 종래 콘덴서의 유전체층의 유전물질을 고유전율의 물질로 대체한뒤에 전도성 고분자를 전해질로 사용하는 Sol-Gel법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서에 관한 것이다.

종래에 제조되는 콘덴서의 유전체층의 형성방법은 압연된 알루미늄 호일의 평활면을 전기화학적으로 표면을 에칭하여 실효면적을 증가시키는 에칭과정, 에칭된 알루미늄 호일을 전기분해하여 알루미늄 호일의 표면에 유전체가 되는 산화 알루미늄(Al₂O₃)피막을 생성하는 화성과정, 화성 과정을 거쳐 화성된 전극박을 제품의 용량에 맞는 일정한 규격으로 절단하고 인출단자를 접속한 후 음극박과 전해질(separator)를 넣어 동심원으로 절단하는 절단 과정, 권취한 소자에 전해액을 넣는 함침 공정을 거치게 된다. 이와 같은 공정에 있어서, 알루미늄 전해 콘덴서의 공정 중 에칭 공정은 염산 수용액에 알루미늄 호일이 지나가도록 하고, 외부에서 일정전압을 가하여서 이루어지게 된다. 상기 에칭 공정을 수행하게 되면, 알루미늄 호일 의 표면이 매끄럽지 않고 파단면이 형성되어 알루미늄 호일 표면의 실효 면적을 증가시키게 된다.

위와 같이 알루미늄 호일에 에칭 공정을 거치게 되면 다음과 같은 문제점이 발생함을 알 수 있다.

첫째, 알루미늄 호일의 단면이 에칭에 의하여 그 두께가 일정하지 않게 되고 응력이 집중되는 점이 생기므로 알루미늄 호일의 기계적 강도가 떨어지게 된다. 둘째, 에칭 공정시 염산(HCl)을 사용하기 때문에 잔류의 염소 이온(Cl^-)으로 인해 알루미늄 호일의 부식이 촉진되어 완성된 소자의 수명과 성능이 저하된다. 셋째, 유전체로 산화 알루미늄(Al₂O₃)만을 사용할 수 있기 때문에 용량 구현에 한계가 있다. 넷째, 완성된 알루미늄 전해 콘덴서의 용량을 증가시키기 위해서는 알루미늄 호일을 에칭하기 때문에 고가인 순도 99.99% 알루미늄 호일을 사용해야 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 유전체로 산화알루미늄을 사용하지 않고 고유전체 물질을 제조하여 그 고유전체 물질을 사용하여 고체 질 콘덴서의 용량을 증대시키고, 에칭정도가 작은 호일을 사용하여, 알루미늄 호일의 기계적 강도를 증대시키고자 하는 목적을 가지고 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 고체전해질 콘덴서에 있어서, 메탈 알콕사이드를 이용하여 Sol-Gel법을 적용하여 생성한 고유전체 물질을 유전체로 사용하며, 고유전체 물질이 입혀진 알루미늄 호일을 폴리피롤의 모노머를 아세트니트릴에 용해시키고 리튬염을 첨가한 용액에서 전기적 중합을 실시한 다음 카본 및 실버 코팅하는 것을 특징으로 하는 Sol-Gel법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서를 제공하며, 상기 고체 전해질 콘덴서의 고유전체 물질은 Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅중 하나인 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

알루미늄 고체 전해질 콘덴서에 유전체로 Al₂O₃대신에 고유전체 물질을 대체한다. 이러한 고유전체 물질으로는 Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅를 사용한다.

고유전체 sol용액을 제조하는 방법은 메탈 알콕사이드(Metal-Alkoxide)를 이용하며, 예를 들어 니오븀 에톡시드를 사용할 경우, 니오븀 에톡시드(Niobium ethoxide)에 에탄올, 물, 촉매(Acetic Acid), 디에탄올 아민과 같은 킬레이팅제를 첨가하여 제조한다.

졸(sol)원액은 니오븀 에톡시드(Niobium ethoxide), 에탄올, 초산, 디에탄올아민, 물을 1 : 100 : 1 : 1 : 2의 몰비로 혼합하여 1∼3일간 교반하고, 상기 sol원액에 알루미늄 호일을 코팅한 후에 상온에서 건조하거나 300℃ 전후의 온도에서 건조하면, Nb₂O₅를 생성한다. 그런후 전도성 폴리머 레이어 (Polymer layer)를 적용하여 전술한 결정구조의 Nb₂O₅가 입혀진 알루미늄 호일을 폴리피롤의 모노머(Polypyrrole monomer), 폴리아닐린의 모노머, 폴리사이오펜의 모노머 등의전도성 고분자의 모노머를 아세트 니트릴 등의 용제에 용해시키고 Li 염등과 같은 염을 첨가한 용액에서 전기적으로 중합을 실시하거나 가용성 전도성 고분자 용액에 함침시키는 방법 등으로 전도성 폴리머층을 형성한 뒤에 카본과 은을 코팅한다.

그러므로 본 발명에서는 종래에 유전체로 사용하는 Al₂O₃를 전술한 바와 같이 형성되는 Nb₂O₅등의 고유전체로 대체하여 사용한다. 전술한 바와 같이 고유전체 sol 용액을 만들기 위하여 사용하는 메탈 알콕사이드(Metal-Alkoxide)의 구조는 M - O - R의 구조로서 메탈에 해당하는 M의 자리에 Nb, Ti, Al, Zr 이 위치하고, R의 자리에는 알킬 글룸이 위치한다.

전술한 Nb₂O₅의 예와 같이 메탈을 바꾸어 생성시키면, Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, IrO₂의 고유전체 물질이 생성된다. 이렇게 생성되는 Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, IrO₂의 유전율과 종래에 사용하는 유전체인 Al₂O₃의 유전율과 비교해 보면, Al₂O₃의 유전율이 7인데 비해, Nb₂O₅의 유전율은 41, Ta₂O₅의 유전율은 24, ZrO₂의 유전율은 21, TiO₂의 유전율은 114로 월등하게 차이가 난다.

Sol-Gel 공정에 의해 생성된 고유전율 산화피막을 위해 전도성고분자층의 제조는 산화중합과 전해중합에 의해 형성된다. 산화중합은 고분자의 모노머를 산화피막위에 산화중합시켜 형성하는 것으로 용액상에서 음이온을 공급할 수 있는 산화제는 예를 들어 iodine, bromine, bromine iodide, antimony pentafluoride, teric-chloride 등과 같은 할로겐화합물, 황산, 질산, fluorosulfuric acid 등과 같은protonic acid sulfur trioxide, nitrogen dioxide 등과 같은 산소화합물, 암모늄퍼실페이트, sodiumpersulfate, potassium persulfate 등의 퍼설페이트류, 과산화수소등과 같은 과산화물이 사용된다. 이들은 수용액에 적정농도로 용해시키고 소자를 산화제 용액에 함침시켜서 산화제를 코팅하고 이를 꺼내서 건조시킨 뒤 모노머 용액에 함침시켜 고분자를 생성한다. 그리고 다시 건조후 전해중합용 용액에 소자를 함침시키고 적정 전류를 인가하여 전해중합에 의한 고분자를 형성한다.

산화제 용액의 농도는 01.∼2 몰 범위이며 모노머 용액은 전도성고분자 모노머를 0.1∼2몰 농도로 함유한 에세토니트릴 용액이다. 함침시간은 10∼60분 정도이고 건조는 대기건조이다. 전해중합용 용액은 모노머를 0.1∼1몰 농도의 도판트(양이온 내지는 음이온 도판트가 있으며 음이온 도판트에는 hexafluorophosphate, hexafluoarsenate, lelrafluoroborate, perchlorate등과 같은 halogenated anion, chloride, bromide, liodide 등과 같은 halide, alkylbenzenesulfonate, naphthalenesulfonate 등과 같은 sulfonate등이 사용된다. 양이온 도판트에는 lithium, sodium, potassium등과 같은 알칼리금속, ammonium, tetraalkilammonium 같은 암모늄 양이온 도판트가 사용된다. 본 실험에서는 파라톨루엔설페이트를 사용하였다.)와 황산이나 oxalic acid등을 0.1∼1몰 혼합하여 사용하였으며 혼합전해액에 인가하는 전류는 0.1∼5mA의 전류로 30분에서 3시간 정도 중합한다.

가용성고분자 용액은 전도성고분자를 극성 내지는 비극성용매(에틸렌글리콜, 알콜, 아세톤, 프로필렌카보네이트, GBL(감마부티론락톤), NMP(N-메틸피롤리돈), DSMO(다이메틸설폭사이트), DEG(디에틸렌글리콜), TEG(트리에틸렌글리콜), DMF(다이메틸포름아마이드), 초산계열의 acid에 폴리피롤, 폴리아닐린을 0.1-20w% 용해하고 여기에 졸,겔에 의해 형성된 산화물을 함침시키고, 약 30분정도 건조시켜(상온에서-150℃) 형성시킨다.

이상과 같이 본 발명은 고체전해질 콘덴서의 용량을 증대시키고, 에칭 정도가 적은 알루미늄 호일을 사용할 수 있으므로 알루미늄 호일의 기계적 강도가 증대 된다. 그리고 종래의 Al₂O₃생산공정 대신에 sol 용액 코팅방식으로 대체하여 생산 속도가 빨라지므로 생산성이 향상된다.

Claims

고체전해질 콘덴서에 있어서, 메탈 알콕사이드를 이용하여 Sol-Gel법을 적용하여 생성한 고유전체 물질을 유전체로 사용하며, 고유전체 물질이 입혀진 알루미늄 호일을 폴리피롤의 모노머를 아세트 니트릴에 용해시키고 암모늄염을 첨가한 용액에서 전기적 중합을 실시하는 전해중합 방법이나 가용성 전도성 고분자 용액에 함침시켜 전도성 고분자층을 형성한 다음 카본 및 실버 코팅하는 것을 특징으로 하는 Sol-Gel법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서.
제 1 항에 있어서, 고유전체 물질은 Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅, IrO₂중 하나인 것을 특징으로 하는 Sol-Gel법에 의한 고용량 고체 전해질 콘덴서.