DE2611047A1 - Verfahren zum polarisieren eines thermoplastfilms - Google Patents

Verfahren zum polarisieren eines thermoplastfilms

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DE2611047A1 DE19762611047 DE2611047A DE2611047A1 DE 2611047 A1 DE2611047 A1 DE 2611047A1 DE 19762611047 DE19762611047 DE 19762611047 DE 2611047 A DE2611047 A DE 2611047A DE 2611047 A1 DE2611047 A1 DE 2611047A1
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Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
DlPL-ING
H. KINKELDEY
DR-INCl
W. STOCKMAIR
DFl-ING. · AeE (CAOECH
2611047 K. SCHUMANN
. DR BER NAT. ■ DIPU-PHYSL
P. H. JAKOB
DlPL-INO.
G. BEZOLD
DP. RER.NAT· DIPL-CHEM.
MÜNCHEN
E. K. WEIL
DR BER 06CIJMO.
8 MÜNCHEN 22
MAXIMILIANSTRASSE 43
16. März 1976 P 10 242
LINDAU
KUREHA KAGAKU KOGXO KABUSHIKI KAISHA ITo. 1-8, Horidome-Cho, Uxhonbashi, Chuou-Ku, Tokyo, Japan
Verfahren zum Polarisieren eines Thermoplastfilms
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren eines Ihermoplastfilms, auf dessen beiden Oberflächen metallische Elektroden aufgedampft oder sonstwie niedergeschlagen sind und der solcher Art ist, daß er durch Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Höhe an ihn zu einem piezoelektrischen Mim polarisierbar ist, wobei wenigstens eine der Elektroden aus mehreren einzelnen Elektrodenelementen besteht, die voneinander räumlich getrennt und elektrisch isoliert sind.
Unter dem Begriff "PiIm" sei im folgenden auch eine selbsttra-
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TELEFON (089)329862 TELEX OS-Q93SO TELEGRAMME MONAPAT
gende Folie verstanden.
Es ist allgemein bekannt, daß man ein Material mit hoher Piezoelektrizität und Pyroelektrizität dadurch herstellen kann, daß man einen Thermoplast mit hoher Polarität, etwa Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid, Bylon 11 usw., polarisiert. Ss ist auch bekannt, Piezoelektrizität beispielsweise für elektroakustische Wandler, Schwingungsmeßinstrumente, piezoelektrische Schalter und Pulsometer o.dgl· zu verwenden und die Pyroelektrizität beispielsweise für Infrarotsensoren, Temperaturänderungsmesser, Feueralarmanlagen und pyroelektrische Schalter usw. auszunutzen.
Wenn solche Elemente in elektrischen Einrichtungen verwendet werden, wird ein piezoelektrisches oder pyroelektrisches Element (das im weiteren meist nur als piezoelektrisches Element bezeichnet wird) in Form eines Films oder einer Folie benutzt und es ist unbedingt notwendig, an beiden Oberflächen des Films Elektroden zu befestigen. Sobald an die beiden Elektroden ein ziemlich hohes elektrisches Feld angelegt wird, kommt es, wenn z.B. die Dicke des Films 6 bis 50 Mikron beträgt und die Spannung höher als 30 V ist, wahrscheinlich zu einer Kriechentladung an den Seitenrändern und die beiden Elektroden neigen zu einem Kurzschluß an ihren Endflächen, wodurch die Elemente unbrauchbar werden. Um diese Erscheinung der Kriechentladung zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden, ist es notwendig, einen Randbereich vorzusehen, in dem auf einer Seite des Films oder auch auf beiden Seiten keine Elektrode vorhanden ist, wodurch die Elektroden auf den beiden Filmoberflächen elektrisch voneinander getrennt sind.
Es ist äußerst ineffizient, eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente unterschiedlicher Größe gesondert herzustellen» Zweckmäßiger ist es, einen Film mit großer Fläche, auf dessen beiden Seiten Elektroden aus einer dünnen Metallschicht haften, zu polarisieren und dann von dem polarisierten Film einzelne
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Elemente abzuschneiden. In diesem Fall ist jedes von der grossen Filmfläche abgeschnittene Element mit einer Metallschicht bedeckt, und zwar auch an seinen Randpartien. Wenn es aus den erwähnten Gründen angezeigt ist, die Randpartien der Metallschicht zu entfernen, kann dies dadurch geschehen, daß diese mit Hilfe eines chemischen Mittels aufgelöst werden. Ein solches Vorgehen ist jedoch sehr kompliziert und mühsam. TJm diesen Mangel zu beheben, ist es möglich, im voraus auf einem Film mit großer Fläche elektrodenfreie Randpartien vorzusehen, eine Vielzahl von Elektroden auf der übrigen Fläche des Films haften zu lassen, jeden mit Elektroden versehenen Abschnitt zu polarisieren und dann einzelne Elemente abzuschneiden.
Ferner ist vorgeschlagen worden, Tastenfeldschalter und Koordinaten—Eingabesysteme in Filmform herzustellen unter Verwendung piezoelektrischer oder pyroelektrischer Elemente. In diesen Fällen muß, damit die an jeder Koordinate des Tastenfeldes erzeugten Änderungen der Piezoelektrizität oder lyroelektrizität eine eigene Eingabe darstellen, die Elektrode auf einer Oberfläche des Films oder auf beiden Oberflächen aus mehreren punktartigen oder linienartigen einzelnen unabhängigen Elektroden bestehen·
Wie schon erwähnt, muß man, wenn ein Film polarisiert wird, der auf einer oder beiden Seiten mehrere unabhängige Elektroden trägt, Spannung an die einzelnen, unabhängigen Elektroden anlegen. Es ist jedoch ziemlich kompliziert, eine elektrische Verbindung zu jeder einzelnen Elektrode herzustellen. Um auf die einfachste Weise die Spannung an jede Elektrode anzulegen, ist es zweckmäßig, Elektroden mit einem ausreichend großen Flächenbereieh vorzusehen, so daß sie mit einigen oder allen der unabhängigen Elektroden in ·'Flächenkontakt11 bringbar sind, und eine Spannung über die großflächige Elektrode an die kleinen lokalen Elektroden anlegen. Wenn, indes Elektroden mit so großer Fläche als Energiequelle benutzt werden, tritt die folgende Schwierigkeit auf.
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Um es kurz zu sagen: Bekanntlich gilt für die Herstellung piezoelektrischer Elemente usw., daß bei sonst gleichen Bedingungen die Piezoelektrizität und"Pyroelektrizität im allgemeinen umso höher wird, je größer die angelegte Spannung wird. Weiter ist bekannt, daß in dem Bereich, wo die Beschaffenheit des Films (insbesondere die Kristallform und daa Ausmaß der Kristallisation) sich nicht viel ändert, die Piezoelektrizität und Pyroelektrizität umso stärker wird, je höher die Polarisationstemperatur ansteigt. Im allgemeinen sinkt jedoch der Isolationswiderstand des Films mit ansteigender Temperatur und die Stärke des dabei gebildeten elektrischen Feldes nimmt ab, so daß es unbedingt notwendig ist, eine optimale Bedingung hinsichtlich der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Polarisationstemperatur zu wählen.
Jedenfalls wenn man einen Film mit hoher Piezoelektrizität und Pyroelektrizität erzielen will, muß man den Film durch Anlegen einer hohen Spannung polarisieren, die nahe der Durchschlagspannung für die beteiligte Polarisationstemperatur liegt. Es ist jedoch schwierig, Elektroden, die beispielsweise aus Kupfer- oder Bisenplatten bestehen, in engen Kontakt mit einem dünnen Film zu bringen, und es besteht die Tendenz, daß sich einige Luftspalte an Stellen auf dem Film bilden. Da die Durchschlagspannung für Luft niedriger ist als diejenige für den zu polarisierenden Film, tritt während der Polarisierung in den Luftspalten leicht eine Koronaentladung auf· Daher besteht die Gefahr, daß sich auf dem dünnen Film feine Löcher bilden. Wenn eine Spannung an die auf beiden Oberflächen eines Thermoplast films angebrachten dünnschichtigen Elektroden angelegt wird und selbst wenn die angelegte Spannung die Durchschlagspannung des Films übersteigt, so daß ein Kurzschluß hervorgerufen wird, werden, falls die Elektroden dünn sind, die in der Nachbarschaft des kurzgeschlossenen Teils geformten Elektroden verdampfen und damit den Isolationswiderstand zwischen den beiden Elektroden wiederherstellen? es kommt also zu einer Selbstheilung, so daß der Film ohne ernsthaften Scha-
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den kontinuierlich polarisiert werden kann. Wenn jedoch die Metallschicht zu dick ist, um durch Verdampfen entfernt zu werden, ist eine solche Selbstheilung nicht zu erwarten und es wird unmöglich, nach dem Auftreten des Kurzschlusses den PiIm kontinuierlich weiter zu polarisieren.
Die Erfindung will ein Verfahren schaffen, um einen Thermoplastfilm, der auf beiden Seiten mit dünnsehichtigen metallischen Elektroden zum Anlegen einer Polarisierungsspannung versehen ist, von denen wenigstens eine in eine Vielzahl einzelner Elektrodensegmente unterteilt ist, effektiv zu polarisieren. Dabei will die Erfindung die Gefahr einer Kriechentladung und/oder eines Kurzschlusses durch den Film hindurch während der Polarisierung beseitigen·
Um dies zu erreichen, wird gemäß der Erfindung ein zusätzlicher Thermoplastfilm, auf dessen einer Oberfläche eine metallische Schicht aufgedampft ist, verwendet, um den erstgenannten Thermoplastfilm zu polarisieren. Der zur Polarisierung dienende Hilfsfilm wird auf eine Oberfläche des zu polarisierenden Films gelegt und zwar mit der metallischen Schicht nach unten, so daß letztere in engen Kontakt mit allen einzelnen Elektrodensegmenten auf dem zu polarisierenden Film kommt. Zwischen die metallische Schicht des Hilfsfilms und die Elektrode auf der Rückseite des zu polarisierenden Films wird eine Gleichspannung angelegt. Wenn die letztgenannte Elektrode ebenfalls in mehrere einzelne Segmente unterteilt ist, kann noch ein weiterer Hilf sfilm in der gleichen Weise verwendet werden.
Gemäß der Erfindung sind metallfreie Handpartien wenigstens an den Rändern des zu polarisierenden Films und des Hilfsfilms vorgesehen. Mit Hilfe dieser Anordnung kann eine Kriechentladung durch den zu polarisierenden Film vermieden werden, die auftreten würde, wenn die metallischen Schichten über den gesamten Oberflächen der betreffenden Filme vorgesehen wären. Diese metallfreien Randpartien haben auch noch die Wirkung, die
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Gefahr einer Beschädigung des Films oder eines Defektes herabzusetzen· Da nämlich der zu polarisierende PiIm während der Polarisierung einen Kondensator bildet, wird die Kapazität umso größer, je größer die Fläche der Elektroden ist. Wenn die Kapazität zu groß ist und wenn es eine lokale Stelle des Films gibt, wo die Dicke des Films relativ klein ist oder irgendwelche leitende Verunreinigungen eingeschlossen sind, oder wenn es eine lokale Stelle des Films gibt, wo die Isolation infolge einer Koronaentladung zusammenbricht, ist die- zwischen den Elektroden gespeicherte elektrische ladung bestrebt, sich abrupt durch diese lokale Stelle zu entladen, wobei es nicht nur zu einer Vergrößerung des durchgeschlagenen Teils sondern auch zu einem gefährlichen Zustand kommt. Falls ferner ein langer Film mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich polarisiert werden soll, werden der zu polarisierende Film und der Hilfsfilm für die Polarisierung aufeinandergelegt und zu einer Rolle aufgewickelt. Beim Polarisieren wird der Doppelfilm von der Rolle abgezogen. Manchmal wird der Dop— pelfilm nach der Polarisierung wieder auf eine Aufwickelrolle aufgespult. Venn, die positive Seite einer Spannungsquelle mit dem Metall auf dem Hilfsfilm verbunden wird und das Metall eine durchgehende Schicht ist, wird auch an die Ausgangsrolle eine hohe Spannung oder ein hohes elektrisches Feld angelegt, so daß ein beträchtliches Betriebsrisiko besteht· In diesem Fall ist es daher notwendig, die dünne Metallschicht des Hilfsfilms mittels isolierender Zonen zu unterteilen. Beim Polarisieren eines breiten Films ist es manchmal notwendig, Isolationsstreifen auch in Richtung der Filmbreite vorzusehen. Mit äem Ausdruck "praktisch die gesamte Oberfläche" ist daher eine Metallschicht gemeint, die die Randpartien und die !eile, an denen Isolations ζ onen vorgesehen sind, freiläßt·
Wenn ferner auf der Rückseite des zu polarisierenden Films Randpartien vorgesehen sind, sind metallfreie Randpartien auf dem Hilfsfilm nicht notwendig. Wenn die Metallschicht auf dem Hilfsfilm geerdet werden soll, wird die Metallschicht des zu polarisierenden Films, die an die positive Klemme der Span-
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nungsquelle anzuschließen ist, unterteilt und die positive Spännung wird der Beine nach an die Segmente angelegt. Dieses Vorgehen ist jedoch unnötig, wenn der elektrische Strom durch den auf der Rolle aufgewickelten PiIm partieweise geschickt wird* ■.'■...'· -·....■■ -.■■.·!
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsheispiels anhand der Zeichnung. ......
Darin zeigt die einzige Pig. eine perspektivische Ansicht übereinanderliegend er Schichten, die zum Verständnis der Erfindung dient.
In der Pig. ist als Beispiel ein zu polarisierender PiIm, etwaein Polyvinylidenfluorid film 1 mit einer Breite von.150 mm und einer Dicke von 9 ju. dargestellt, auf dessen beiden Seiten in einem. Vakuum-Auf dampfverfahr en Metall, etwa Aluminium, nie-dergeschlagen ist. Das Aluminium 2 ist auf die gesamte Rückseite des Pilms aufgedampft mit Ausnahme einer Randpartie 3 von 10 mm Breite, die sich entlang beiden Rändern des Pilms erstreckt. Auf der Vorderseite des Pilms sind · mehrere rechteckige Aluminiumelemente 2' mit einer Breite von 60 mm und einer Länge von 90 mm in zwei Reihen mit· Isolationszwischenräumen von 10 mm aufgedampft und. jeder Isölationsstreifen 4 in Längs-.. richtung zwischen den aufgedampften Elementen;2 · ist ebenfalls 60 mm, lang. Eine ,Betrachtung in einem Elektronenmikroskop ergab für die Dicke der - aufgedampften. Schicht 500 bis 550 A0.
Auf die Vorderseite des zu polarisierenden Pilms, auf der. die Aluminiumsehicht niedergeschlagen ist, wird ein Hilfsfilm, etwa ein Polyesterfilm 5, auf dessen einer Oberfläche '6 eine Aluminiumschicht von 500 bis 550 A0 Dicke aufgebracht ist, mit dieser Oberfläche 6 nach unten gelegt. Der Doppelfilm mit einer Länge von 10m wird um einen i soli er end en. Kern. mit einem Durchs messer von 150 mm gewiekelt, um 100 Blätter;der erwähnten rechteckigen piezoelektrischen Elemente herzustellen. Zinnfolien, 7 /x dick, 4Q mm.lang und. 30 mm breit, die als Elektrpdenan-*
"■■ ' - ■ '·'■'■ ■"'■ 609840/Ό788 ; ■ : ·
Schlüsse dienen, werden mit der auf die Fläche 6 des Polyesterfilms aufgedampften Metallschicht und mit der auf die Unterseite des piezoelektrischen Films aufgedampften Metallschicht in Kontakt gebracht. An die Elektroden wird 15 Minuten lang eine Gleichspannung von 800 V angelegt, während sie "bei 1200C trocken erhitzt werden. Dann wird die Doppelfilm-Rolle auf Raumtemperatur abgekühlt, während immer noch die Spannung angelegt wird, wodurch es zur Polarisation kommt. Während die Spannung angelegt wird, kommt es häufig zu einem Durchsehlagen der Isolation. Es wurden jedoch bei diesem Vorgehen 75 Blätter rechteckiger piezoelektrischer Filmelemente in marktgerechter Qualität mit einer piezoelektrischen Konstanten
—7
d51, deren Wert 8,2 χ 10 elektrostatische CGS-Sinheiten beträgt, erzielt, ohne daß es dank des Selbstheilungseffektes zu einem Kurzschluß kam·
Etwa 25 Blätter minderwertiger Erzeugnisse kamen zustande, in denen Löcher von 3 bis 10 mm Durchmesser aufgrund des Selbstheilungsvorganges entstanden waren, und zugleich wurde eine Selbstheilung des Polyesterfilms beobachtet.
Die auf dem zu polarisierenden Film niedergeschlagenen Elektro*- den und die dünne Metallschicht auf dem Hilfsfilm für die Polarisation werden jeweils in einem BeSchichtungsprozeß erzeugt, also etwa durch Aufdampfen, galvanisches Plattieren usw.. Was das Material für das Metall anlangt, so kann irgendein Material verwendet werden, das gewöhnlich für Aufdampf- und Plattierungselektroden benutzt wird, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Eisen, Chrom, Aluminium, Zinn und Wolfram usw.. Was den Hilfsfilm betrifft, der als Elektrodenhinterlegung bei der Polarisation dient, so kann jeder Thermoplastfilm, der allgemein in Folienform erhältlich ist und die Polarisationstemperatur aushält, verwendet werden, beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylidenchlorid, ein Kopolymer von Vinylidenchlorid und Polyvinylchlorid, Hylon, Polyester, Polykarbonat, Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid usw.. Ferner kann ein Film mit einer Dicke bis zu etwa 500 μ zu diesem
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Zweck benutzt werden, wenn er flexibel ist. Wenn jedoch der Film zu dick ist, löst er sich leicht von dem zu polarisierenden FiIm. Daher liegt die für die Polarisation geeignete Dikke des Films gewöhnlich zwischen 3 und 200 μ.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind beide, der zu polarisierende Film und der Hilfsfilm für die Polarisation, so dünn und flexibel, daß sie auf der gesamten Fläche in innigen Kontakt miteinander gebracht werden können, und man braucht daher kaum ein Durchschlagen des Films aufgrund von Luftspalten zwischen beiden Filmen im lauf der Polarisation zu befürchten. Selbst wenn im Verlauf des Polarisation&^rozesses in dem zu polarisierenden Film ein Durchschlag auftritt, verdampfen die dünnschichtigen Elektroden auf dem Hilfsfilm ohne weiteres und liefern eine Selbstheilung, so daß es möglich ist, eine Polarisation mit hoher Ausbeute zu erzielen und den Ausschuß auf ein Minimum zu beschränken.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf effiziente Weise ein metallisiertes piezoelektrisches Filmelement herzustellen, auf dessen beiden Seiten aufgedampfte Elemente in der gewünschten Anordnung ausgebildet sind, ao daß am Umfang der aufgedampften Elemente Isolationszwischenräume vorgesehen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gut zur Herstellung akustischer Wandlerelemente, elektrischer und mechanischer Wandlerelemente usw. verwandt werden, so daß sein industrieller Nutzwert sehr hoch ist.
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Claims (4)

  1. Ansprüche
    !•/Verfahren zum Polarisieren eines Thermoplastfilms, auf dessen "beiden Oberflächen metallische Elektroden aufgedampft oder sonstwie niedergeschlagen sind und der solcher Art ist, daß er durch Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Höhe an ihn zu einem piezoelektrischen Mim polarisierbar ist, wobei wenigstens eine der Elektroden aus s mehreren einzelnen Elektrodenelementen besteht, die. voneinander räumlich getrennt und elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese eine Elektrode (21) ein Laminat eines zusätzlichen Thermoplastfilms (Hilfsfilm) (5) gelegt wird, der auf einer Fläche (6) eine aufgedampfte Metallschicht trägt, wobei das Laminat derart angebracht wird, daß die Metallschicht mit den mehreren einzelnen Elektrodenelementen (21) in Kontakt ist, und daß das elektrische PeId zwischen die Metallschicht und die andere metallische Elektrode (2) des zu polarisierenden Thermoplast— films (1) angelegt wird,
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang allen Rändern beider Plächen des Thermoplastfilms (1) ein Randstreifen frei von jeder metallischen Elektrode gelassen wird·
  3. 3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Metallschicht bedeckte Fläche (6) des Hilfsfilms (5) entlang allen Rändern Randstreifen hat, die nicht bedeckt sind.
  4. 4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigten Filme, nämlich der zu polarisierende Film (1) und der Hilfsfilm (5) mit den zugehörigen Metallelektroden und Schichten vor dem Anlegen des elektrischen Feldes auf eine Spule gewikkelt werden und daß das Feld angelegt wird, während sich
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    die vereinigten Mime auf der Spule befinden·
    Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen des elektrischen Feldes darin besteht, daß eine Gleichspannung von
    etwa 800 V 15 Minuten lang bei einer Temperatur von etwa 12O0G angelegt wird und danach die zusammengefügt an Pilme auf Raumtemperatur abgekühlt werden, während die Spannung von 800 V weiter angelegt wird, bis die Raumtemperatur erreicht ist.
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DE2611047A1 true DE2611047A1 (de) 1976-09-30
DE2611047B2 DE2611047B2 (de) 1977-06-08
DE2611047C3 DE2611047C3 (de) 1978-01-19

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4340786A (en) * 1979-04-03 1982-07-20 Tester Norman W Piezo-electric film manufacture

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US4340786A (en) * 1979-04-03 1982-07-20 Tester Norman W Piezo-electric film manufacture

Also Published As

Publication number Publication date
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JPS5944794B2 (ja) 1984-11-01
DE2611047B2 (de) 1977-06-08
JPS51107496A (en) 1976-09-24
CA1042385A (en) 1978-11-14
US4047998A (en) 1977-09-13
FR2305030A1 (fr) 1976-10-15
NL167279C (nl) 1981-11-16
FR2305030B1 (de) 1979-04-06
NL7602721A (nl) 1976-09-21
GB1533593A (en) 1978-11-29

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