전해질 축전기의 제조 방법 document_id A220623107390

대개 상업적으로 구입 가능한 고상 전해질 축전기는 다공성 금속 전극, 금속 표면 상의 산화물층, 다공성 구조물에 혼입되는 전기 전도성 고체, 예컨대 은층과 같은 외측 전극(접속부) 및 추가의 전기 접속부 및 캡슐화물을 포함한다. 고상 전해질 축전기의 예로는 전하 수송 착체 또는 연망간석 또는 중합체 고상 전해질을 포함하는 탄탈, 알루미늄, 니오븀 및 니오븀 산화물 축전기가 있다. 다공성 바디(porous body)를 사용하면 표면적이 넓어서 매우 높은 축전 용량 밀도, 즉 좁은 공간에 걸친 높은 전기 축전 용량을 달성할 수 있다는 장점이 있다. π-컨쥬게이트 중합체는 전기 전도성이 높기 때문에 고상 전해질로서 특히 적절하다. π-컨쥬게이트 중합체는 또한 전도성 중합체 또는 합성 금속이라고 부른다. 이의 경제적 중요성이 점점 증가하고 있는데, 이는 이 중합체가 가공성, 중량 및 화학적 개질에 의한 특성의 목표로 하는 조정의 측면에서 금속에 비해 유리하기 때문이다. 공지된 π-컨쥬게이트 중합체의 예로는 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌 및 폴리(p-페닐렌-비닐렌)이 있는데, 폴리-3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜인 산업적으로 사용되는 특히 중요한 폴리티오펜은 종종 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)이라고도 부르는데, 이는 산화된 형태에서 전도성이 매우 높기 때문이다. 전자 공학의 점진적인 기술 발달로 인해 등가 직렬 저항(ESR)이 매우 낮은 고상 전해질 축전기가 요구된다. 이는 예컨대 집적 회로에서의 논리 전압 저하, 집적 밀도 상승 및 주기 주파수 증가 때문이다. 또한, ESR이 낮으면 에너지 소비가 또한 저하되는데, 이는 이동 배터리로 작동되는 용도에 특히 유리하다. 따라서, 가능한 한 낮은 값으로 고상 전해질 축전기의 ESR을 감소시키는 것이 바람직하다. 유럽 특허 명세서 EP-A-340 512는 3,4-에틸렌-1,2-디옥시티오펜으로부터의 고상 전해질의 제조 및 산화 중합에 의해 제조된 이의 양이온 중합체의 전해질 축전기 내 고상 전해질로서의 용도를 개시한다. 고상 전해질 축전기 내 전하 수송 착체 또는 이산화망간에 대한 대체물로서의 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)은 높은 전기 전도성으로 인해 축전기의 등가 직렬 저항을 낮추어 주파수 특성을 개선시킨다. 이 공정 및 유사한 공정의 단점은, 전도성 중합체를 전해질 축전기에서 현장 중합에 의해 제조한다는 것이다. 이를 위해, 예컨대 3,4-에틸렌-1,2-디옥시티오펜과 같은 단량체 및 산화제를 용매의 존재 하에 함께 또는 연속적으로 다공성 금속 바디에 혼입한 후 중합해야만 한다. 그러나, 이러한 화학 반응은 전자 부품의 제조에서 바람직하지 않은데, 이는 동일한 규격의 축전기를 제조하기 위해 수백만의 소형 다공성 부품에서 항상 동일한 방식으로 화학 반응을 진행시키기가 매우 어렵기 때문이다. 또한 축전기용 고상 전해질의 제조에서 현장 중합은, 산화제가 금속 전극 상의 유전체(산화물층)를 손상시킬 수 있다는 단점이 있다. 예컨대 Fe(III) 염과 같은 전이 금속 염을 대개 산화제로서 사용한다. 중합 후, 전기 전도성 중합체 뿐 아니라 Fe(II) 염과 같은 환원된 금속 염도 중합의 반응 생성물로서 전극 바디에 남는다. 후속 세정 단계에 의해 이 염을 제거하려는 시도가 실제로 이루어질 수 있다. 그러나, 이는 비용이 많이 들고 완벽하게 달성되지 않는다. 즉, 금속 염의 잔류물이 전극 바디에 여전히 남는다. 공지된 바와 같이, 특히 전이 금속이 유전체를 손상시킬 수 있어서, 이로부터 생기는 잔류 전류의 증가로 인해 축전기의 수명이 상당히 감소되거나, 또는 심지어 고온 및/또는 높은 대기 습도와 같은 가혹한 조건 하에서 축전기의 사용을 불가능하게 한다. 또한, 고상 전해질 축전기의 제조 공정은 현장 중합이 이용되는 경우 매우 비용이 많이 든다. 중합 공정(함침, 중합, 세정)은 대개 수 시간이 걸리며, 특정 환경 하에서 폭발 위험이 있거나 독성이 있는 용매를 이에 사용해야 해서, 고상 전해질의 제조를 위해 매우 많은 중합 공정이 요구된다. 고상 전해질 축전기의 제조를 위한 화학 현장 공정의 추가의 단점은, 대개 산화제의 음이온 또는 임의로 다른 단량체 음이온이 전도성 중합체에 대한 반대 이온으로서 작용한다는 것이다. 그러나 이는 크기가 작기 때문에, 충분히 안정한 방식으로 중합체에 결합되지 않는다. 그 결과, 특히 축전기를 고온에서 사용시 반대 이온의 확산 및 이에 따른 축전기의 등가 직렬 저항(ESR)의 증가가 일어날 수 있다. 화학 현장 중합에서 분자량이 높은 중합체 반대 이온을 대체 사용하면 충분히 전도성이 있는 필름을 생성시키지 않아서, 낮은 ESR 값을 형성하지 않는다. 일본 특허 출원 JP-A 2001-102255에서, 산화물 필름의 보호 및 고상 전해질의 산화물 필름에 대한 양호한 접착을 위해, 폴리에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설폰산의 층을 산화물 필름에 직접 도포한다. 그 다음 고상 전해질을 현장 중합에 의해 이 층에 도포한다. 그러나, 이 방법은 또한 ESR이 낮은 축전기를 제조하기 위해 현장 중합이 필요하다는 단점이 있다. 산화제의 부재 하에 전기 화학적으로 단량체의 중합을 수행할 수도 있다. 그러나, 전기 화학 중합에서는 전도성 필름을 우선 금속 전극의 절연 산화물층에 침착시켜야 한다. 그 다음 상기한 모든 단점을 갖는 현장 중합이 이번에는 이에 필요하다. 마지막으로, 각각의 개별 금속 전극에 대해 이 층을 전기 접속시켜야 한다. 이 접속은 대량 생산시 매우 비용이 많이 들며 산화물층을 손상시킬 수 있다. 또한, 다공성 금속 전극의 공극에의 전기 화학 침착은 매우 어려운데, 이는 전위의 진행으로 인해 주로 전극 바디의 외측에서 침착이 우선 일어나기 때문이다. 따라서, 현장 중합이 필요하지 않고 유전체가 금속 이온에 의해 손상되지 않으며 열에 더욱 안정적인 고상 전해질이 형성되는, 등가 직렬 저항(ESR) 및 잔류 전류가 낮은 고상 전해질 축전기의 신규하고 더 간단한 제조 방법에 대한 수요가 계속 존재한다.