DE2611047B2 - Verfahren zum polarisieren eines thermoplastfilms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren ss eines Thermoplastfilms, auf dessen beiden Oberflächen metallische Elektroden aufgedampft oder niedergeschlagen sind und der solcher Art ist, daß er durch Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Höhe an ihn zu einem piezoelektrischen Film polarisierbar ist, (.0 wobei wenigstens eine der Elektroden aus mehreren einzelnen Elektrodenelementen besteht, die voneinander räumlich getrennt und elektrisch isoliert sind.

Unter dem Begriff »Film« sei im folgenden auch eine selbsttragende Folie verstanden. ί«,

Aus »Japanse Journal of Applied Physics«, Vol. 8, Seiten 975—976,1969, ist bekannt, daß man ein Material mit hoher Piezoelektrizität und Pyroelektrizität dadurch herstellen kann, daß man einer. Thermoplast mit hoher Polarität, etwa Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid, Nylon 11 usw., polarisiert. Es ist auch bekannt, Piezoelektrizität beispielsweise für elektioakustische Wandler, Schwingungsmeßinstrumente, piezoelektrische Schalter und Pulsometer od. 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 der. 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 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. Um 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 wurden innerbetrieblich von der Anmelderin bereits Versuche angestellt, Tastenfeldschalter und Koordinaten-Eingabesysteme in Filmform herzustellen unter Verwendung piezoelektrischer oder pyroelektrischer Elemente. In diesen Fällen muß, damit die an jeder Koordinante des Tastenfeldes erzeugten Änderungen der Piezoelektrizität oder Pyroelektrizität 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. Spannungen 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 Flächenbereich vorzusehen, so daß sie mit einigen oder allen der unabhängigen Elektroden in »Flächenkontakt« bringbar sind, Jm eine Spannung über die großflächige Elektrode an die kleinen lokalen Elektroden anzulegen. Wenn indes Elektroden mit so großer Fläche als Energiequelle benutzt werden, tritt die folgende Schwierigkeit auf.

Bekanntlich gilt für die Herstellung piezoelektrischer Elemente usw., daß bei sonst gleichen Bedingungen die Piezoelektrizität und Pyroelektrizität im allgemeinen um so höher wird, je größer die angelegte Spannung wird. Weiter ist bekannt, daß in dem Bereich, in dem sich die Beschaffenheit des Films (insbesondere die Kristallform und das Ausmaß der Kristallisation) nicht viel ändert, die Piezoelektrizität und Pyroelektrizität um so stärker wird, je höher die Polarisationstemperatur ansteigt Im allgemeinen sinkt jedoch der Isolations widerstand des Films mit ansteigender Temperatur und die Stärke des dabei gebildeten elektrischen Feldes nimm·, ab, so daß es unbedingt notwendig ist, eine optimale Bedingung hinsichtlich der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Polarisationslemperatur zu wählen.

Jedenfalls muß man, wenn man einen Film mit hoher Piezoelektrizität und Pyroelektrizität erzielen will, den Film durch Anlegen einer hohen Spannung polarisieren, die nahe der Durchschlagspannung fur die herrschende Polarisationstemperatur liegt. Es ist jedoch schwierig, Elektroden, die beispielsweise aus Kupfer- oder Eisenplatten bestehen, in engen Kontakt mit einem dünnen Film zu bringen, und es besteht die Tendenz, daß sich einige Luftspalten an Steilen 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 Thermoplastfilms 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 Schaden kontinuierlich polarisiert werden kann. Wenn jedoch die Metallschicht zu dick ist, ü:ti durch Verdampfen entfernt zu wurden, ist eine solche Selbstheilung nicht zu erwarten und es wird unmöglich, nach dem Auftreten des Kurzschlusses den Film kontinuierlich weiter zu polarisieren.

Aus der DT-OS 22 35 055 ist bereits ein Verfahren zur permanenten ausgerichteten Polarisation von piezoelektrischem Material bekannt, bei dem um einen vorgegebenen Wert der Polarisation mit großer Genauigkeit zu erreichen, das zu polarisierende Material zunächst in einem elektrischen Gleichfeld bis zu einem Wert, der oberhalb des vorgegebenen Polarisationswertes liegt, polarisiert wird und sodann anschließend durch Anlegen eines der Polarisation entgegengerichteten Gleichfeldes durch die Polarisation auf den vorgegebenen Wert polarisiert wird.

Aus der US-PS 36 44 605 ist auch ein Verfahren zum Herstellen von permanenten Elekireten bekanntgeworden, bei dem ein Filmmaterial aus einem polymeren Material mit Hilfe eines Elektronenstrahles gleichmäßig

elektrostatisch aufgeladen wird, um den gewünschten Elektreten herzustellen.

Aus der US-PS 37 10 465 ist auch bereits ein Verfahren zum Einstellen oder zum Verändern der Laufzeit zwischen Eingangs- und Ausgangsübertragern, die auf einer piezoelektrischen Unterlage aus einem polarisierten Keramikmaterial angeordnet sind, be kannt, wobei die Änderung dadurch hervorgerufen wird, daß durch aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Keramikmaterials angeordneten Elektroden ein elektrisches Gleichfeld entgegengesetzt oder in der gleichen Richtung wie die Restpolarisation in dem Keramikmaterial erzeugt wird

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem in wirtschaftlicher Weise ein Thermoplastfilm, der auf beiden Seiten mit dünnschichtigen metallischen Elektroden zum Anlegen einer Polarisierungspannung versehen ist, von denen wenigstens eine in eine Vielzahl einzelner Elektrodensegmente unterteilt ist, polarisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf diese eine Elektrode ein Laminat eines zusätzlichen thermoplastischen Hilfsfilms gelegt wird. der auf einer Fläche eine aufgedampfte Metallschicht trägt, wobei das Laminat derart angebracht wird, daß die Metallschicht mit den mehreren einzelnen Elektrodenelementen in Kontakt ist, und daß das elektrische Feld zwischen der Metallschicht des zusätzlichen Thermoplastfilms und der anderen metallischen Elektrode des zu polarisierenden Thermoplastfilms angelegt wird.

Hierdurch wird erreicht, daß zwischen allen Elektrodenelementen auf der einen Seite des Thermoplastfilms und der Elektrode auf der anderen Seite des Thermoplastfilms ein möglichst gleichförmiges elektrisches Gleichfeld erzeugt wird, wobei weitgehend die Gefahr von Überschlägen zwischen der Elektrode des Hilfsfilms und den Elektrodenelementen ausgeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß piezoelektrische Elemente gebildet werden können, die gleichmäßig polarisiert sind, wobei die Ausschußrate möglichst gering gehalten wird. Insbesondere wird wesentlich die Gefahr eines Kurzschlusses durch den Thermoplastfilm hindurch während der Polarisierung vermieden.

Vorzugsweise wird das Verfahren derart durchgeführt, daß entlang allen Rändern beider Flächen des zu polarisierenden Thermoplastfilms ein Randstreifen frei von jeder metallischen Elektrode gelassen wird. Hierdurch wird die Gefahr einer Kriechentladung durch den zu polarisierenden Film vermieden, die auftreten würde, wenn die metallischen Schichten über den gesamten Oberflächen der betreffenden Filme vorgesehen wären. Diese metall^freien Randpartien haben auch noch die weitere vorteilhafte Wirkung, daß die Gefahr einer Beschädigung des Films oder eines Defekts herabgesetzt wird. Da nämlich der zu polarisierende Film während der Polarisierung einen Kondensator bildet, wird die Kapazität um so 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 Füms 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 Teiles, sondern auch zu einem gefährl.chen Kurzschlußzustand kommt.

Soll ein langer Film nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich polarisiert werden, so werden zweckmäßigerweise c'ie vereinigten Filme, nämlich der zu polarisierende Thermoplastfilm und der Hilfsfilm mit den zugehörigen Me:alleiektroden und Schichten vor dem Anlegen des elektrischen Feldes auf eine Spule gewickelt und es wird das elektrische Feld angelegt, während sich die vereinigten Filme auf der Spule befinden. Die Polarisierung kann jedoch auch gegebenenfalls dann durchgeführt werden, wenn die vereinigten Filme von der Spule abgezogen werden. Dies ermöglicht eine einfache Arbeitsweise und stellt einen guten Kontakt der Elektroden des zu polarisierenden Thermoplastfilms und des Hilfsfilms sicher.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die dünne Metallschicht des Hilfsfilms mittels isolierender Zonen zu unterteilen. Dies kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die Metallschicht auf dem Hilfsfilm mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden wird, und an die Spule eine hohe Spannung angelegt wird.

Werden sehr breite und gleichzeitig lange Filme polarisiert, so ist es gleichfalls manchmal zweckmäßig, Isolationsstreifen auch in Richtung der Filmbreite vorzusehen. Im folgenden soll deshalb unter dem Ausdruck »eine praktisch die gesamte Oberfläche bedeckende Metallschicht« eine Metallschicht gemeint sein, die die Randpartien und die Teile, an denen Isolationszonen vorgesehen sind, freiläßt.

Wenn auf der Rückseite des zu polarisierenden Thermoplastfilms Randpartien vorgesehen sind, so 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 Spannungsqueile anzuschließen ist, vorzugsweise unterteilt und die positive Spannung wird der Reihe nach an die Segmente angelegt. Ein solches Vorgehen ist jedoch dann nicht notwendig, wenn der elektrische Strom partienweise durch den auf der Spule aufgewickelten Film geschickt wird.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine perspektivische Ansicht übereinanderliegender Schichten, um die Erfindung zu erläutern.

In der Figur ist als Beispiel ein zu polarisierender Film, etwa ein Polyvinylidenfluoridfilm 1 mit einer Breite von 150 mm und einer Dicke von 9 μ dargestellt auf dessen beiden Seiten in einem Vakuum-Aufdampfverfahren Metall, etwa Aluminium, niedergeschlagen ist Das Aluminium 2 ist auf die gesamte Rückseite des Films aufgedampft mit Ausnahme einer Randpartie 3 von 10 mm Breite, die sich entlang beiden Rändern des Films erstreckt Auf der Vorderseite des Films 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 Isolationsstreifen 4 in Längsrichtung 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 A.

Auf die Vorderseite des zu polarisierenden Films, auf der die Aluminiumschicht niedergeschlagen ist, wird ein Hilfsfilm, etwa ein Polyesterfilm 5, auf dessen einer Oberfläche 6 eine Aluminiumschicht von 500 bis 550 Ä Dicke aufgebracht ist, mit dieser Oberfläche 6 nach unten gelegt. Der Doppelfilm mit einer Länge von 10 m wird um einen isolierenden Kern mit einem Durchmesser von 150 mm gewickelt, um 100 Blätter der erwähnten rechteckigen piezoelektrischen Elemente herzustellen. Zinnfolien, 7 μ dick, 40 mm lang und 30 mm breit, die als Elektrodenanschlüsse 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 120°C 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 Durchschlagen der Isolation. Es wurden jedoch bei diesem Vorgehen 75 Blätter rechteckiger piezoelektrischer Filmelemente in marktgerechter Qualität mit einer piezoelektrischen Konstanten du, deren Wert 8,2 - 10-⁷ elektrostatische CGS-Einheiten 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 Elektroden 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 Wolfraum usw. Was den Hilfsfilm begrifft, 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, Nylon, Polyester, Polykarbonat Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid usw. Ferner kann ein Film mit einer Dicke bis zu etwa 500 μ zu diesem Zweck benutzt werden, wenn er flexibel ist Wenn jedoch der Film zu dick ist löst er sich leicht von dem zu polarisierenden Film. Daher liegt die für die Polarisation geeignete Dicke 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 Laufe der Polarisation zu befürchten. Selbst wenn im Verlauf des Polarisationsprozesses 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, so 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Polarisieren eines Thermoplastfilms, auf dessen beiden Oberflächen metallische s Elektroden aufgedampft oder niedergeschlagen sind und der solcher Art ist, daß er durch Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmter Höhe an ihn zu einem piezoelektrischen Film polarisierbar ist, wobei wenigstens eine der Elektroden aus mehreren \o einzelnen Elektrodenelementen besteht, die voneinander räumlich getrennt und elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese eine Elektrode (2') ein Laminat eines zusätzlichen thermoplastischen HilfsFilms (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 (2') in Kontakt ist, und daß das elektrische Feld zwischen der Metallschicht des zusätzlichen Thermoplastfilms und der anderen metallischen Elektrode (2) des zu polarisierenden Thermoplastfilms (1) angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang allen Rändern beider Flächen ;s des zu polarisierenden Thermoplastfilmes (1) ein Randstreifen frei von jeder metallischen Elektrode gelassen wird.

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. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigten Filme, nämlich der zu polarisierende Thermoplastfilm (1) und der Hilfsfilin (5) mit den zugehörigen Metallelektroden und Schichten vor dem Anlegen des elektrischen Feldes auf eine Spule gewickelt werden, und daß das Feld angelegt wird, während sich die vereinigten Filme auf der Spule befinden.

5. Verfahren nach 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 120° C angelegt wird und danach die zusammengefügten Filme auf Raumtemperatur abgekühlt werden, während die Spannung von 800 V weiter angelegt wird, bis die Raumtemperatur erreicht ist. so